개요

고밀도로 집속되고 가속된 전자빔(Electron Beam)을 진공 분위기 속에서 용접물에 고속도로 조사시키면, 광속의 약 2/3 속도로 이동한 전자는 용접물에 충돌하여 전자의 운동에너지를 열에너지로 변환시키며, 국부적으로 고열을 발생시킵니다. 이때 발생되는 높은 에너지는 열원으로 사용되어 용접면을 가열하여 녹여 용접제품을 접합시키는 역할을 하는데 이것이 용접의 원리입니다.

먼저, 전자빔 용접을 하기 위해서는 전자가 생성되어 전자빔을 형성해야 하며, 전자의 생성은 전자층(전자빔총)에서 일어납니다. 전자층의 필라멘트에 전류를 흘려 가열하면 필라멘트의 온도는 약 2700℃ 정도의 고온으로 올라가고, 필라멘트는 많은 자유전자를 방출합니다. 이러한 자유 전자에 의해 전자빔이 형성되며, 이때 전자 발생량은 필라멘트의 온도에 따라 결정되고, 온도가 높을수록 전자 발생량이 많아집니다. 따라서 필라멘트의 온도를 설정할 때에는 일반적으로 높은 온도를 선호합니다. 그러나 온도를 너무 높게 설정하면 필라멘트가 마모되거나 내구성이 저하될 수 있으므로 온도를 높이는 데에는 한계가 있으며, 각 필라멘트의 재질에 따라 온도한계가 정해져 있습니다. 따라서 전자빔 용접기를 설계할 때 필라멘트의 온도설정은 경제적인 측면에서 필라멘트의 수명과 방출되는 자유전자량의 관계를 고려하여 결정됩니다.

필라멘트에서 생성된 자유전자는 그리드에 의해 자유전자의 양(빔 전류량)이 제어되면서 용접물에 조사됩니다. 조사된 자유 전자의 속도는 양극의 전위차에 의해 결정됩니다. 전위차가 클수록 속도는 빨라지고, 전위차가 작을수록 속도는 상대적으로 느려집니다. 이때, 전자빔 용접기는 전위차의 크기에 따라 일반적으로 저전압형과 고전압형으로 구분됩니다. 양극에서 가속된 자유전자(전자빔)는 다양한 자기렌즈에 의해 방향과 밀도가 조정되면서 용접물과 충돌하게 됩니다. 이때, 전자가 필라멘트에서 용접재료로 이동하는 경로를 관찰해 보면, 다른 일반 용접과는 매우 다른 전자빔 용접 특유의 독특한 형태를 보이고 있습니다. 움직이는 전자는 매우 가볍기 때문에 공기 중에서 움직이면 공기 분자와 충돌하여 흩어집니다. 따라서 이동 경로는 진공 분위기를 유지해야 하며, 이 진공 분위기는 전자의 산란을 방지합니다. 전자빔 용접을 위한 특수 용접환경인 진공분위기는 용접시 발생하는 산화 및 기타 부정적 요인을 차단하는 청정도가 높은 분위기로, 일반 용접방식에서는 볼 수 없는 우수한 용접환경을 제공합니다.

진공분위기에서 이동하여 용접영역으로 진입한 전자는 전술한 바와 같이 용접영역을 융합시키며, 용접영역의 적용영역 역시 다른 일반 충전에서는 볼 수 없는 독특한 응용영역을 형성합니다. 일반 용접에 비해 용융부의 형상은 일잔 용접에 비하여 매우 좁고 긴 쐐기 형태를 띠게 되는데, 이러한 용융부로 인해 다른 일반 용접에 비해 정밀도와 변형량 측면에서 매우 우수한 용접 성능과 품질을 보여줍니다. 이러한 전자빔 용접의 용융부 현상의 형성과정을 설명하면 다음과 같습니다. 필라멘트를 떠난 전자는 양극으로 전달됩니다.

필라멘트를 떠나는 전자가 양극에 의해 고속으로 가속되어 용접물에 충돌할 때 전자의 운동 에너지는 용접부의 금속 표면 바로 아래 영역에서 열에너지로 변환됩니다. 이때 변환된 열에너지는 고밀도에너지로 용접부위에 국부적으로 높은 열을 발생시키며, 이때 발생하는 높은 열은 용접부의 금속을 순간적으로 녹여 용접부를 금속의 증발온도 이상으로 가열시키게 됩니다. 증발 온도 이상으로 가열된 금속은 용융된 부분의 중앙에 증기압을 발생시키고, 이 증기압에 의해 금속의 상부가 열리고, 주변 부분은 금속 용융물로 둘러싸이게 됩니다. 이때, 다음에 도착하는 전자는 저항 없이 증기 부분을 통과하여 바닥 용융 부분의 금속 표면과 충돌하게 되며, 위와 같은 과정이 반복되면서 또 다른 증기 부분과 용융 부분이 생성되어 더 깊은 용접부를 형성하게 됩니다. 이 과정이 순간적으로 반복되면서 용접부위에 전자빔용접 특유의 키홀이 형성되어 고품질의 용접이 가능해집니다.