전자빔 용접 결함

왜 배우는가: 전자빔 용접은 자동차 부품, 이차전지 박판, 우주항공 부품처럼 신뢰성이 요구되는 접합에 쓰인다. 결함은 강도와 신뢰성을 직접 떨어뜨리므로 원인과 방지 방법을 함께 알아야 한다. 시험에서도 결함의 명칭, 원인, 대책을 묶어 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제134회 1교시 7번, 제131회 3교시 2번, 제110회 1교시 4번, 제98회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전자빔 용접 결함은 진공 속 고속 전자빔의 에너지 집중으로 생기는 기공·스파이크·아킹 등 접합부 건전성 저하 현상이다.

전자빔 용접 결함은 용접 조건과 빔의 물리 현상이 맞물려 생기는 접합 불량을 통칭한다. 전자빔 용접은 빔의 에너지 밀도가 매우 높아 용융풀이 깊고 좁게 형성되므로, 가스 방출과 용융금속 흐름, 빔 편향의 작은 변화도 곧바로 결함으로 이어진다. 답안에서는 결함의 이름과 함께 발생 위치와 원인을 같이 적는 것이 핵심이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전자빔 용접(EBW): 고진공 속에서 가속된 전자의 운동에너지를 열로 바꿔 접합하는 융접법이다.
• 고진공: 전자의 산란과 금속 산화를 막기 위해 요구되는 저압 환경이다.
• 아킹(arcing): 가속 전압이 걸린 빔 경로에서 방전이 일어나 빔이 불안정해지는 현상이다.
• 스파이크(spike): 깊은 용입 중 용융풀이 과열되어 생기는 돌기형 또는 파임형 비정상 형상이다.
• 기공(porosity): 용융금속이 응고될 때 가스가 빠져나가지 못하고 남아 생기는 빈 공간이다.
• 콜드 셧(cold shut): 용융금속이 충분히 융합되지 않고 겹쳐 붙은 접합 불연속이다.
• 자계 편향(magnetic deflection): 주변 자기장이 빔 경로를 휘게 하여 용접 위치가 어긋나는 현상이다.

2. 개념 풀이

전자빔 용접의 정식 정의는 고진공 속에서 음극으로부터 방출된 전자를 고전압으로 가속하여 피용접물에 충돌시키고, 그 운동에너지를 열로 바꿔 용융·접합하는 융접법이다. 용접 결함은 이 열이 만들어지고 흐르는 과정이 어긋날 때 생긴다. 따라서 결함을 이해하려면 전자가 만들어지는 원리부터 차례로 짚어야 한다.

원리는 세 단계로 나뉜다. 첫째, 전자총의 텅스텐 필라멘트를 가열하면 음극에서 전자가 방출된다. 둘째, 음극과 양극 사이의 고전압 전위차로 전자가 가속되어 양극의 구멍을 통과한다. 셋째, 집속·편향 코일이 만드는 자계로 전자빔의 초점을 맞춰 모재에 조사한다. 빔의 운동에너지가 충돌 순간 열로 바뀌어 좁고 깊은 용융 영역을 만드는 것이 이 방법의 원리이다.

진공이 필요한 이유는 전자의 질량이 공기 분자에 비해 매우 작아 공기와 부딪히면 쉽게 산란되기 때문이다. 산란을 막으려면 6.7Pa 이하의 진공 환경을 만든다. 진공은 모재가 산소·질소와 반응하는 것도 막아 용접부의 청정성을 확보한다. 즉 진공은 빔의 직진성과 용접부의 청결을 함께 얻기 위한 조건이다.

결함은 원리의 각 단계에서 어긋날 때 생긴다. 필라멘트 가열이 불안정하면 빔 전류가 흔들려 용입 깊이가 일정하지 않게 되고, 집속이 틀어지면 빔의 출력 밀도가 낮아져 용입이 얕아진다. 모재 충돌 이후에는 용융금속의 흐름과 응고 속도가 결함의 모양을 결정한다. 그래서 결함을 원인별로 분류할 때는 빔 생성, 빔 제어, 용융풀 거동의 세 단계로 나눠 보면 답안 구성이 명확해진다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

키홀(keyhole)은 빔 에너지가 한 점에 집중되어 금속이 증발하면서 만들어지는 좁고 깊은 공동이다. 빔이 이 공동을 따라 진행하면 용융금속이 뒤쪽으로 흘러 들어와 공동을 메우고, 그 결과 깊은 용입 용접부가 완성된다. 키홀이 불안정해지면 기공과 스파이크가 함께 나타나므로, 키홀은 결함 이해의 출발점이다.

스파이크(spike)는 깊은 용입 과정에서 용융풀이 과열되고 용융금속이 빔 주변에서 튀어 오르며 생기는 불규칙한 돌기나 파임이다. 구리의 깊은 용입 전자빔 용접 연구에서는 과열된 용융풀과 스파이크 현상이 함께 작용하여 뿌리부 기공을 만든 것으로 나타났다.

아킹(arcing)은 가속 전압이 걸린 빔 경로나 챔버 내부에서 방전이 일어나 빔이 흔들리거나 끊기는 현상이다. 빔의 에너지 분포가 불규칙해지므로 용입 깊이가 일정하지 않게 되고, 결함의 위치와 크기를 예측하기 어려워진다.