아크 발생 원인 및 조치 방법 > 기술 및 AS상담

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전자빔 용접 장비에서 아크(Arc) 발생은 매우 위험한 이상현상으로, 진공 중 전자빔 경로에서의 갑작스러운 방전(고전압 스파크) 현상을 의미합니다. 이는 장비 손상, 음극 소손, 진공 파괴, 작업물 손상까지 유발할 수 있으므로 반드시 방지해야 합니다.

⚡ 아크 발생 원인
- 진공 이상: 불충분한 진공 → 이온화 전류 증가 → 절연 파괴
- 절연 오염: 뷰포트, 세라믹, 내부 부품 표면에 금속 파편 또는 오일 오염 → 표면 방전 경로 형성
- 음극 과가열: 필라멘트 전류 과다 → 음극 표면 증발 → 방전 유도 가능성 증가
- 급격한 전원 변화: 가속전압 불안정, 전원 스위칭 쇼크 → 전자 흐름 불안정 → 스파크 유발
- 구조 결함: 날카로운 모서리, 돌출부, 먼지 등 → 전기장 집중 → 국부 절연 파괴
1) 끓는점이 낮은 재료(예: 아연, 마그네슘): 이러한 재료는 전자빔에 의해 생성된 고온에서 기화되어 전자총 내부에 아크가 형성될 수 있는 경로를 생성할 수 있습니다.
2) 제어되지 않는 스파크: 전자빔 용접에 사용되는 높은 전위는 특히 진공이 제대로 유지되지 않거나 오염 물질이 있는 경우, 건 구성 요소 사이 또는 건과 작업물 사이에 제어되지 않는 아크를 유발할 수 있습니다.
3) 포집된 가스 방출: 특히 진공 환경에서 용접 중 재료에 포집된 가스가 방출될 수 있습니다. 이러한 가스는 건 전압의 순간적인 급등을 유발하여 아크를 유발할 수 있습니다.
4) 용접 결함: 기공이나 불완전한 용융과 같은 용접 결함으로 인해 아크가 발생할 수도 있으며, 이러한 결함은 아크 발생 경로를 생성할 수 있습니다.
5) 부적절한 진공 조건: 전자빔 용접 챔버 내부의 진공이 충분히 낮지 않거나 누출이 있는 경우, 전자빔이 공기 분자와의 충돌로 인해 산란되어 아크가 발생할 수 있습니다.

⚡ 아크 방지 방법 – 단계별 정리
1. 진공 품질 확보
- 설계 진공도 이하 확보 후만 가속전압 인가
- 진공 누설 확인, 탈가스 방지(세정, 건조 필수)
- 펌프 예열/재생 완료 확인

2. 세정 및 절연부 관리
- 세라믹 절연체: 금속 증착, 탄화물 제거 (알코올+붓 세정, 초음파 세척)
- 뷰포트: 표면 연무 또는 금속 파편 존재 시 교체 또는 세정
- 내부 금속가루/먼지: 진공챔버 내부 전체 청소 (흡착제 교체 포함)

3. 출력 설정 안정화
- 가속전압은 천천히 상승 (예: 0→150kV까지 수 초간 ramp-up)
- 정격 이상의 음극 가열 전류 금지 → 필라멘트 증발로 인한 음극 증착물 방지

4. 구조적 개선
- 날카로운 모서리, 돌출 구조 제거 → 고전계 집중 → 방전 유도 방지
- 라운드 코너(R>3mm) 및 정전기 완화 처리 적용

5. 아크 감지 및 보호 회로 설정
- 아크 검출 센서 및 자동 차단 회로 내장
- 설정값(전류/전압 급변 한계치) 점검 필요

⚡ 아크 발생 시 응급 조치
- 즉시 전원 차단: 전자빔 차단, 음극/가속전원 OFF
- 음극 상태 확인: 필라멘트 끊어짐, 변색 여부
- 절연부 세정: 스파크 흔적 제거 (세라믹, 뷰포트 등)
- 진공 회복: 재펌핑 및 가스 방출 제거
- 출력 조건 점검: 전압, 전류, 초점 상태 재설정

⚡ 전자빔 용접에서 아크 방지는 “진공 관리 + 절연 청결 + 전기 출력 안정화”로 요약됩니다.
⚡ 아크는 장비 손상 및 생산 중단의 핵심 리스크이므로, 사전 예방과 정기 점검(세라믹 절연체, 진공도, 전압 변화 제어)이 가장 중요합니다.

전자빔 용접에서 아크 발생 시점은 문제의 원인을 진단하는 데 매우 중요한 단서가 됩니다.
특히가속전압 인가 직후 발생인지, 아니면 빔 조사(운전 중) 도중에 발생인지를 구분하면, 문제가 정전기적 설계 불량인지, 동작 중 불안정성인지를 판단할 수 있습니다.

⚡ 아크 발생 시점별 원인 해석
 1. 가속전압 인가 직후에 아크 발생
- 고전압이 인가되자마자 절연 파괴 또는 전계집중 방전이 발생했다는 뜻입니다.
- 전계 구조 왜곡: 필라멘트·음극·양극의 상대적 위치가 어긋나 전기장 불균형 발생 → 국소 전계집중
- 절연체 오염: 세라믹, 뷰포트, 금속 먼지 등에 의한 표면 전도 경로 형성
- 날카로운 모서리: 금속 구조물의 날카로운 부분에서 전기장 집중 → 방전 발생
- 과도한 ramp-up 속도: 전압을 급격히 올릴 경우 초기 방전 유도 가능
* 가속전압을 천천히 올렸을 때는 괜찮은데, 빠르게 올릴 때 아크 발생 → 전계집중 또는 절연체 문제
* 아크 발생 후 챔버 내 연기, 불꽃 흔적이 있다면 절연체 손상 또는 방전 경로 흔적

2. 빔 조사 중(운전 중) 아크 발생
- 빔이 조사되는 중에 방전이 발생했다는 뜻으로, 동작 중 상태 변화 또는 재료 기인 문제 가능성이 높음
- 재료 탈가스(outgassing): 용융 도중 표면에서 가스 방출 → 국소 이온화 → 방전 유도
- 가열된 재료 증기 방해: 알루미늄 등 금속 증기 발생 → 빔 경로 불안정
- 음극/필라멘트 열화: 조사 중 전류 불안정 또는 과열 → 전자 흐름 분산 → 국부 방전
- 전자빔 진동/흔들림: 빔 초점 불안정, 렌즈전류 변화 등 → 전자가 특정 구조물 접촉
* 재료 바꿔보면 발생 안 함 → 탈가스 문제 가능성
* 일정 시간 뒤 반복 발생 → 열 누적/방사선 오염 의심

⚡ 전계 구조 왜곡과의 관계
- 전자총 내부에서 전계는 매우 민감합니다.
- 전자총은 전기장이 균일하게 분포할 것을 전제로 설계됩니다.
- 필라멘트가 멀거나 비대칭, 또는 전극 정렬이 어긋나면 → 특정 지점에 전기장이 집중됨 → 정격보다 낮은 전압에서도 절연 파괴(아크) 발생 가능
*  이런 전계 구조의 왜곡은 보통 전원 인가 직후에 아크를 유도합니다. (이때 재료는 아직 가열되지도 않았기 때문입니다.)