이종 접합부(구리와 스테인리스강) 용접시 오프셋 유무에 따른 구조 및 기계적 특성 > 기술 및 AS상담

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전자빔 용접으로 구리(Cu)와 스테인리스강(주로 AISI 304)을 이종 접합할 경우, 두 금속의 물리적·화학적 특성 차이로 인해 용접 결함 발생 가능성이 높고, 오프셋 여부에 따라 용접부의 구조 및 기계적 특성이 현저하게 달라집니다.

1. 구리와 스테인리스강의 특성 차이
항목                         구리 (Cu)                                             스테인리스강 (SS304 등)
융점                         1085 °C                                                   약 1400–1450 °C
열전도도                   매우 높음 (400 W/m·K)                         낮음 (16–20 W/m·K)
전자빔 반사율             높음 (70% 이상)                                       낮음
밀도                         8.9 g/cm³                                             약 8.0 g/cm³
용접성                       열팽창에 민감, 기공 발생 위험             열팽창 적음, 안정적
* 구리는 빔 반사율이 높고, 열이 빨리 퍼지며, 기공 및 크랙이 잘 생김
* 스테인리스는 용접성이 좋지만 고온에서 Cr 탄화물 석출 위험

2. 오프셋 유무에 따른 구조 및 용접 품질 비교
항목                         오프셋 없음 (중앙 빔)                         오프셋 있음 (스테인리스 쪽으로 이동)
용입 형상                   비대칭, 구리 쪽은 얕고 넓음              스테인리스 중심 용입, 구리 일부 혼입
기공 발생                   구리 쪽에서 기공 많이 발생                 기공 현상 감소, 안정적 융합층 형성
열 영향부(HAZ)         구리 쪽 넓음 → 미세조직 손상           스테인리스 쪽 국소적 HAZ
혼합층 조성               Cu-Fe 불균일 혼합 → 취성상 형성     희석 조절 가능, 결함 감소
응고 구조                 균열 또는 용탕 응고 불균일                 보다 안정된 주상정, 미세결정 조직
파단 위치                 대부분 구리 쪽                                   스테인리스 쪽 또는 혼합층 주변
인장강도                 낮음 (기공, 균열 원인)                       상대적으로 높음, 강도 개선

3. 실험 및 문헌 사례 요약
- 오프셋 0.3 mm 스테인리스 방향 → 기공 현상 60% 이상 감소
- 최대 인장강도 280–300 MPa (오프셋 시), 무오프셋일 때는 180 MPa 수준
- 파단은 대부분 용접선 근처 구리 모재에서 발생
- 혼합층에 Cu–Fe 중간상 존재하나, 오프셋 시 농도 구배가 완화됨

실무적 권장사항
- 열전도도 차이 큼 (Cu vs SS): 스테인리스강 쪽으로 0.2~0.5 mm 오프셋 조준
- 고신뢰성 용접 필요: 용접 후 X-ray 또는 CT 결함 검사 병행
- 인장강도 향상 필요: 오프셋 + 후열처리(긴장 제거 어닐링) 권장