재료 표면에서 발생하는 공정
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집속된 전자빔의 전자는 매우 높은 속도로 작업물 표면에 충돌합니다. 전자빔의 전자가 가진 운동 에너지가 작업물에 전달되는 과정은 매우 복잡하며, 여기서는 간략히 설명할 수밖에 없습니다.
고체 금속이 가열되면 결정격자 내 원자의 운동 에너지가 증가합니다. 전자는 질량이 매우 작기 때문에 충돌 과정에서 격자 원자의 훨씬 무거운 원자핵에 에너지를 직접 전달하는 것은 거의 불가능합니다. 대신, 전자빔의 전자는 원자의 전자껍질, 특히 가장 바깥쪽 껍질의 전자들과 충돌하거나, 어느 정도는 낮은 결합도로 인해 주변으로 전기장이 크게 확장된 자유 전도 전자들과 충돌할 가능성이 더 높습니다.
에너지 전달의 첫 번째 단계 이후, 전도 전자는 얻은 충돌 에너지를 다시 충돌 과정을 통해 격자에 전달합니다. 이번에는 격자의 포논(phonon)과 충돌하여 격자 원자의 에너지가 증가하게 됩니다. 그 가시적인 결과는 금속의 온도가 상승하며, 빔의 전력 밀도가 충분히 높을 경우, 모든 알려진 금속의 끓는점을 훨씬 초과하는 온도에 도달하게 됩니다. 액체와 증기 상태에서는 격자 구조가 없지만, 공급된 에너지는 여전히 충돌 과정을 통해 비슷한 방식으로 전달됩니다.
전자들이 재료를 통과하는 경로를 더 살펴보기 전에, 전자빔이 충돌하는 지점에서 발생하는 일련의 다른 과정들을 언급해야 합니다. 전자빔의 모든 전자가 운동 에너지를 재료의 온도 상승으로 변환하는 것은 아닙니다.
일부 전자는 주전자(primary electron)라고도 불리며, 작업물 표면에서 탄성 반사되어 직접 되돌아가거나, 표면을 관통한 후 확산되어 운동 에너지의 일부를 잃은 상태로 다시 반사됩니다. 또한 충돌 과정에서 금속 격자의 전도 전자가 방출되어 작업물 표면을 통해 2차 전자(secondary electron)로 방출되기도 합니다.
작업물 표면을 떠나는 후방 산란된 1차 및 2차 전자의 양, 에너지 스펙트럼 및 방향 분포는 작업물의 형상(이음부 기하학, 간극 너비, 가장자리 불일치 등)과 용융 풀 및 증기 모세관의 형상에 크게 의존합니다. 따라서 이러한 요소들은 용접 이음부 감지 시스템과 빔 초점 조정 보조 장치의 물리적으로 측정 가능한 매개변수로 사용될 수 있습니다.
다른 덜 중요한 후방 산란 효과들 중에서도, 전자 빔이 충돌하는 지점에서는 X선이 방출되기도 합니다. 이러한 방출은 1차 전자가 감속될 때 생성되는 이른바 X선 연속 방사선과 용접되는 재료의 특성에 따라 발생하는 특성 X선으로 구성됩니다. X선은 생물학적으로 유해한 영향을 미치며, 전자 빔 용접 중 방출되는 양과 에너지는 인체에 해로울 수 있습니다. 그러나 전자 빔 용접에 대한 적절한 안전 절차를 철저히 준수하면 작업자의 건강에는 위험이 없을 것입니다. 용접은 일반적으로 진공 상태에서 진행되므로, 진공 챔버의 벽 자체 또는 진공 챔버 벽과 추가적인 납 차폐를 함께 사용하면 X선에 대해 충분하고 안전한 보호가 가능합니다.
모든 후방 산란 손실의 합은 여러 요인에 따라 달라지며, 이러한 요인들은 문헌에서 다양한 중요도로 다뤄지고 있습니다. 에너지 전달 과정의 효율은 주로 모재(기본 재료)와 전자 빔이 재료 표면에 충돌하는 지점의 형상에 의존합니다. 이러한 관점에서 볼 때, 용접 시작 시, 즉 평평한 대상 영역에서 강철의 효율은 약 0.6이며, 용접이 진행되어 증기 모세관 또는 ‘키홀(keyhole)’이 형성된 후에는 0.9에서 0.95에 달합니다.
고체 금속이 가열되면 결정격자 내 원자의 운동 에너지가 증가합니다. 전자는 질량이 매우 작기 때문에 충돌 과정에서 격자 원자의 훨씬 무거운 원자핵에 에너지를 직접 전달하는 것은 거의 불가능합니다. 대신, 전자빔의 전자는 원자의 전자껍질, 특히 가장 바깥쪽 껍질의 전자들과 충돌하거나, 어느 정도는 낮은 결합도로 인해 주변으로 전기장이 크게 확장된 자유 전도 전자들과 충돌할 가능성이 더 높습니다.
에너지 전달의 첫 번째 단계 이후, 전도 전자는 얻은 충돌 에너지를 다시 충돌 과정을 통해 격자에 전달합니다. 이번에는 격자의 포논(phonon)과 충돌하여 격자 원자의 에너지가 증가하게 됩니다. 그 가시적인 결과는 금속의 온도가 상승하며, 빔의 전력 밀도가 충분히 높을 경우, 모든 알려진 금속의 끓는점을 훨씬 초과하는 온도에 도달하게 됩니다. 액체와 증기 상태에서는 격자 구조가 없지만, 공급된 에너지는 여전히 충돌 과정을 통해 비슷한 방식으로 전달됩니다.
전자들이 재료를 통과하는 경로를 더 살펴보기 전에, 전자빔이 충돌하는 지점에서 발생하는 일련의 다른 과정들을 언급해야 합니다. 전자빔의 모든 전자가 운동 에너지를 재료의 온도 상승으로 변환하는 것은 아닙니다.
일부 전자는 주전자(primary electron)라고도 불리며, 작업물 표면에서 탄성 반사되어 직접 되돌아가거나, 표면을 관통한 후 확산되어 운동 에너지의 일부를 잃은 상태로 다시 반사됩니다. 또한 충돌 과정에서 금속 격자의 전도 전자가 방출되어 작업물 표면을 통해 2차 전자(secondary electron)로 방출되기도 합니다.
작업물 표면을 떠나는 후방 산란된 1차 및 2차 전자의 양, 에너지 스펙트럼 및 방향 분포는 작업물의 형상(이음부 기하학, 간극 너비, 가장자리 불일치 등)과 용융 풀 및 증기 모세관의 형상에 크게 의존합니다. 따라서 이러한 요소들은 용접 이음부 감지 시스템과 빔 초점 조정 보조 장치의 물리적으로 측정 가능한 매개변수로 사용될 수 있습니다.
다른 덜 중요한 후방 산란 효과들 중에서도, 전자 빔이 충돌하는 지점에서는 X선이 방출되기도 합니다. 이러한 방출은 1차 전자가 감속될 때 생성되는 이른바 X선 연속 방사선과 용접되는 재료의 특성에 따라 발생하는 특성 X선으로 구성됩니다. X선은 생물학적으로 유해한 영향을 미치며, 전자 빔 용접 중 방출되는 양과 에너지는 인체에 해로울 수 있습니다. 그러나 전자 빔 용접에 대한 적절한 안전 절차를 철저히 준수하면 작업자의 건강에는 위험이 없을 것입니다. 용접은 일반적으로 진공 상태에서 진행되므로, 진공 챔버의 벽 자체 또는 진공 챔버 벽과 추가적인 납 차폐를 함께 사용하면 X선에 대해 충분하고 안전한 보호가 가능합니다.
모든 후방 산란 손실의 합은 여러 요인에 따라 달라지며, 이러한 요인들은 문헌에서 다양한 중요도로 다뤄지고 있습니다. 에너지 전달 과정의 효율은 주로 모재(기본 재료)와 전자 빔이 재료 표면에 충돌하는 지점의 형상에 의존합니다. 이러한 관점에서 볼 때, 용접 시작 시, 즉 평평한 대상 영역에서 강철의 효율은 약 0.6이며, 용접이 진행되어 증기 모세관 또는 ‘키홀(keyhole)’이 형성된 후에는 0.9에서 0.95에 달합니다.
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