전자빔 용접시 빔전류 설정방법 > 기술 및 AS상담

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전자빔 용접에서 빔 전류(Beam Current)는 주로 용접 비드의 폭(width)과 용융되는 금속의 양, 즉 용접부의 전반적인 크기를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 가속 전압이 주로 용입 깊이를 결정한다면, 빔 전류는 그 깊이에 채워질 용융 금속의 양을 조절한다고 이해할 수 있습니다.

빔 전류란?
- 단위: mA (밀리암페어)
- 의미: 단위 시간당 가속되어 나가는 전자의 양 → 빔의 총 에너지량을 결정

빔 전류 설정 시 고려해야 할 주요 요소 및 설정 방법:

1. 가속 전압과의 관계:
- 빔 전류는 독립적으로만 설정되는 것이 아니라, 이미 설정된 가속 전압 값과 함께 고려되어야 합니다. 총 용접 에너지(전력)는 가속 전압(V)과 빔 전류(I)의 곱(P=V×I)으로 결정됩니다.
- 가속 전압이 용입 깊이를 주로 담당하므로, 원하는 깊이에 맞는 전압을 먼저 설정한 후, 그 깊이에 적절한 양의 용융 금속을 공급하기 위해 빔 전류를 조절합니다.

2. 원하는 용접 비드 크기 및 형상:
- 비드 폭 (Weld Bead Width): 빔 전류가 증가하면 단위 시간당 용접부에 투입되는 전자의 수가 많아져 더 많은 금속이 용융됩니다. 이는 주로 용접 비드의 폭을 넓히고, 덧살(reinforcement)을 증가시키는 결과로 이어집니다.
- 용융량 (Amount of Molten Metal): 특정 용입 깊이에 대해 충분한 용융 금속이 채워져야 견고한 용접부가 형성됩니다. 필요한 용융량에 따라 빔 전류를 조절합니다. 너무 낮으면 용융 부족으로 인한 결함이 발생할 수 있고, 너무 높으면 과도한 용융으로 인한 문제가 생길 수 있습니다.

3. 재료의 종류 및 두께:
- 열전도율이 높은 재료 (예: 구리, 알루미늄): 열이 빠르게 분산되므로, 원하는 용융 상태를 만들기 위해 상대적으로 높은 빔 전류가 필요할 수 있습니다.
- 두꺼운 재료: 깊은 용입(높은 가속 전압)과 함께 그 깊이를 채울 충분한 용융 금속이 필요하므로, 빔 전류도 어느 정도 높아져야 안정적인 키홀(keyhole) 유지 및 용접부 형성이 가능합니다.
- 가속전압: 고전압일수록 같은 깊이를 만들기 위한 전류 요구량이 감소합니다.
- 변형 및 결함 제어: 박판 정밀 용접 등 민감한 재료에서는 전류를 낮게 설정하고 속도를 조정합니다.

4. 용접 속도(Welding Speed):
- 용접 속도가 빠를수록 단위 길이당 용접부에 투입되는 에너지가 감소합니다. 따라서 빠른 용접 속도에서는 원하는 용융량을 얻기 위해 빔 전류를 더 높게 설정해야 할 수 있습니다. 반대로 속도가 느리면 빔 전류를 낮춰야 과도한 용융을 피할 수 있습니다.

5. 초점 조건(Focus Condition):
- 빔의 초점 상태는 에너지 밀도에 큰 영향을 미칩니다. 동일한 빔 전류라도 초점이 날카로우면 에너지 밀도가 높아져 국부적으로 더 많은 용융이 일어날 수 있습니다. 빔 전류와 초점은 상호 보완적으로 조절되어 최적의 용접 조건을 찾습니다.

일반적인 설정 절차 (실무적 접근):

1. 가속 전압 우선 설정: 재료 두께와 원하는 용입 깊이에 따라 가속 전압을 먼저 결정합니다.
2. 초기 빔 전류 설정: 설정된 가속 전압과 용접할 재료, 두께, 원하는 비드 크기 등을 고려하여 경험적 데이터나 기술 자료를 바탕으로 초기 빔 전류 값을 설정합니다.
3. 시험 용접 (Test Welding): 설정된 값으로 시험편에 용접을 수행합니다.
4. 용접부 평가: 용접 비드의 폭, 덧살 높이, 언더컷 유무, 용입 깊이와의 균형 등을 관찰합니다. 용융이 충분한지, 과도하지는 않은지, 용접 결함(예: 기공, 용입 부족, 과도한 스패터)은 없는지 확인합니다.
5. 파라미터 최적화 (Iterative Process):
- 비드 폭이 좁거나 용융량이 부족하면: 빔 전류를 증가시킵니다.
- 비드 폭이 너무 넓거나 과도한 용융, 언더컷, 번스루(burn-through) 등이 발생하면: 빔 전류를 감소시킵니다.
- 키홀 불안정: 빔 전류가 너무 낮거나 너무 높아도 키홀이 불안정해질 수 있습니다. 가속 전압과의 균형을 고려하여 조절합니다.
- 용접 속도, 초점 조건 등 다른 변수들과의 조합을 고려하여 최적의 지점을 찾습니다.
6. 용접 절차 사양서(WPS) 확립: 최적화된 빔 전류 값을 다른 파라미터들과 함께 WPS에 기록합니다.

주의사항:
- 빔 전류를 과도하게 높이면 스패터(spatter) 발생 증가, 언더컷(undercut), 용접부의 과도한 증발, 심지어 장비의 전자총(electron gun) 부분에 손상을 줄 수도 있습니다. 항상 장비의 사양과 권장 범위 내에서 빔 전류를 조절해야 합니다.