철(iron)과 강철(steel)의 전자빔 용접성 > 기술 및 AS상담

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철(Fe)과 강철의 전자빔 용접성은 일반적으로 매우 우수합니다. 전자빔 용접은 고진공 상태에서 고집속 에너지를 집중시켜 산화 없이, 깊고 정밀한 용접이 가능하므로 철과 대부분의 강철에 이상적인 용접 방식입니다.

철과 강철은 어떻게 다를까요?

순수한 철은 체심입방격자(體心立方格子, Body Centered Cubic lattice ; BCC)로 입방구의 각 꼭짓점과 입방체의 중심에 1개의 원자가 배열된 결정구조입니다. 원자가 점유하고 있는 비율은 약 68%이고, 원자가 없는 빈 공간은 32%입니다. 체심 입방 격자는 총 2개의 원자로 되어 있으며, 32%의 빈 공간에는 탄소원자가 들어갈 수가 없습니다.
이 구조는 원자들이 잘 미끄러져서(전위 이동) 연성이 크고, 강도는 낮습니다. 즉, 쉽게 늘어나고 찢어집니다.

강철은 철에 탄소와 기타 원소가 들어간 합금 금속입니다. 탄소가 철 격자 사이의 틈(interstitial site)에 들어가면 여러 가지 효과를 냅니다:
- 격자 왜곡: 탄소는 작은 원자지만 철 격자에 들어가면 주변 원자들이 밀려남 → 격자 구조가 불안정해짐
- 전위 이동 방해: 격자 왜곡이 생기면 금속의 전위(미끄러짐 경로)가 쉽게 움직이지 못함 → 변형 저항 증가
- 강도 증가: 전위 이동이 어려워짐 → 항복강도 및 인장강도 증가
- 경도 증가: 국소적인 응력 분산이 어려워져서 눌림에 강해짐

철은 α-Fe (페라이트, BCC)구조로 연하고 부드럽지만, 탄소 함량이 적절할 경우 펄라이트, 마르텐사이트 등 복합조직 형성하여 고강도화 됩니다. 탄소가 증가하면 세멘타이트(Cementite, Fe₃C) 등 경질화합물 형성합니다.

진공 상태에서 철 및 강철의 전자빔 용접 장점
- 산화 방지: 고온에서도 산화물 생성 억제 → 청정한 용접부 확보
- 기공 억제: 공기 중 수분, 가스 차단 → 기공(Porosity) 현상 최소화
- 고에너지 밀도: 고강도재·두꺼운 소재도 한 번에 관통 용접 가능
- 좁은 열영향부(HAZ): 정밀 제어 가능 → 미세조직 변화 최소화, 변형 억제
- 후처리 감소: 스패터 없음, 산화막 없음 → 연삭·기계가공 비용 절감

철 및 강철 종류별 EBW 용접성 요약
- 순철 (Fe), Pure Fe → ★★★★★ 산화 적고, 균열 거의 없음
- 저탄소강, SS400, A36 등 → ★★★★★ 용접성 매우 우수, 산업용 주력 재질
- 중·고탄소강, S45C, S55C 등 → ★★★★☆ 열영향부(HAZ) 경화 주의 → 예열/후열처리 필요
- 스테인리스강, 304, 316, 410 등 → ★★★★☆ 크롬 산화 방지에 진공 유리, 일부 조성은 열균열 주의
- 고합금강, 내열강, 내식강 등 → ★★★★☆ 합금성분 휘발, 균열 발생 주의 → 용접 속도 조정
- 고강도강 (HSS/UHSS) DP590, 22MnB5 등 → ★★★☆☆ 경화성↑ → 균열 민감, 미세 제어 필요

전자빔 용접 시 주요 주의사항
- 경화현상: 중·고탄소강, 고강도강에서 열영향부(HAZ) 경화로 인한 균열 가능성 → 예열·후열처리로 완화
- 기공 및 슬래그: 철 자체는 기공 위험 낮지만, 불순물 포함 시 기포 생성 우려 있음
- 합금원소 손실: 고온에서 일부 합금 원소(Cr, Mn 등) 휘발 → 진공도와 빔 조건 정밀 제어 필요
- 냉각 제어: 빠른 냉각 → 미세조직 경화 → 응력 균열 발생 위험 있음

전자빔 용접 적용 산업 예시
- 원자력 : 구조용 철강 재료, 내방사선 캡슐 부품
- 자동차: 고강도강 프레임, 서스펜션 부품
- 방산/우주: 고강도 구조재, 추진기 부품
- 중공업 : 압력용기, 두꺼운 강판 구조물

철과 강철은 진공 상태 전자빔 용접에 전반적으로 매우 적합하며, 특히 고정밀·고청정이 요구되는 부품에서는 전자빔 용접이 최적의 선택입니다.
다만, 탄소 함량이 높거나 고강도일수록 열영향부의 경화와 균열에 유의해야 하며, 사전·사후 열처리와 빔 조건 제어가 중요합니다.