전자빔 용접시 매개변수 최적화 방법 > 기술 및 AS상담

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전자빔 용접에서 매개변수 최적화(parameter optimization)는 용접 품질(비드 형상, 기공, 균열 등)을 확보하고, 생산성을 높이며, 결함 없는 고신뢰 접합을 달성하기 위해 매우 중요합니다.

1. 전자빔 용접의 주요 매개변수
- 빔 에너지 관련
  가속전압 (kV): 전자의 속도, 관통력 결정
  빔 전류 (mA): 열량 조절 → 용입 깊이 결정
  빔 파워 (W) = 전압 × 전류 전체 에너지 총량
- 용접 진행 관련
  이동 속도 (mm/s): 용입 깊이, 비드 형상
  빔 위치 (오프셋): 이종금속 조합 시 에너지 분배
  빔 포커스 위치: 초점 깊이 조절 → 비드 폭/깊이 영향
- 기타
  진공도: 산화/기공 방지
  재료 표면 상태: 기공, 결함 유무 결정
  패턴(스캔, 펄스): 정밀 용접 시 에너지 분산/집중 제어
  냉각 방식: 뒤틀림, HAZ 관리

2. 최적화 절차 (실무 기준)
- Step 1: 재료 특성 파악
  열전도율, 융점, 탄소 함량, 합금 성분 → 용입 특성 결정. 예: 구리 → 고전류, 고전압 필요 / 티타늄 → 중전류, 정밀 초점 제어
- Step 2: 1차 범위 실험 설계 (DOE: Design of Experiments)
  전압: 80, 100, 120, 150 kV
  전류: 20, 40, 60, 80 mA
  속도: 5, 10, 15, 20 mm/s
  정적 방법 또는 Minitab, JMP 등 소프트웨어로 실험 조합 도출
- Step 3: 단면 비드 측정 및 품질 평가
  비드 형상 (폭, 깊이, 용융부와 HAZ)
  기공 여부 (X-ray, CT 스캔)
  금속 조직 (현미경)
  경도 및 인장 시험 (기계적 성능)
- Step 4: 결함 원인 분석 → 변수 조정
  기공 발생: 진공도 ↑, 표면 세정 강화, 전류 ↓
  용입 과다: 속도 ↑, 전류 또는 전압 ↓
  관통 부족: 전압 또는 전류 ↑, 속도 ↓
  비드 폭 넓음: 초점 조정 또는 전류 ↓
  균열: 냉각 속도 조절, 후열처리 적용
- Step 5: 실제 부품에 적용 + 반복 보정
  동일 재질이라도 두께, 표면 상태, 치수 정밀도에 따라 다시 조정
  정량적 피드백 루프 구축 시 생산 품질 향상

3. 실제 최적화 사례 (예시: 6mm 스테인리스강)
  - 전압: 120 kV → 유지
  - 전류: 60 mA → 50 mA (기공 감소)
  - 속도 10 mm/s →  8 mm/s (용입 부족 해결)
  - 초점 위치: 표면 → 약간 하향 이동 (비드 집중)
  - 진공도: 10⁻⁴ Torr → 10⁻⁵ Torr (기공 억제)
→ 기공 제거, 균일한 비드 확보, 경도 분포 균형 유지

4. 고급 최적화 방법
  - 태그치 방법(Taguchi method): 실험횟수 줄이면서 품질 특성 최적화
  - 반응표면법(RSM): 다중 변수간 최적값 추정
  - AI 기반 머신러닝 최적화: 빅데이터를 통해 패턴 학습 및 자동 피드백 설정
  - 온도센서/용입 센서 연동: 실시간 피드백 기반 용접 제어 시스템 구성

✅ 결론
전자빔 용접의 최적화는 단순한 경험치보다 체계적인 실험과 품질 데이터 분석 기반으로 수행되어야 합니다.
특히 기공, 과용입, 조직 경화, 뒤틀림 같은 품질 문제는 각각 원인이 다른 변수들에 의해 유발되므로, 한 가지 변수만 조정해서 해결하려 하면 오히려 문제를 악화시킬 수 있습니다.