변속기부품 전자빔용접 기술지원변속기부품 전자빔용접 기술지원변속기부품 전자빔용접 기술지원변속기부품 전자빔용접 기술지원

2008. 7.2008. 7.2008. 7.2008. 7.

포항산업과학연구원포항산업과학연구원포항산업과학연구원포항산업과학연구원

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하산업자원부장관 귀하

본 보고서를 변속기 부품 전자빔용접 기술지원 지원기간" "( : 2007 . 7 ~ 2008 . 6

과제의 기술지원 성과보고서로 제출합니다) .

2008 . 7 . 31 .2008 . 7 . 31 .2008 . 7 . 31 .2008 . 7 . 31 .

지원기관 포항산업과학연구원지원기관 포항산업과학연구원지원기관 포항산업과학연구원지원기관 포항산업과학연구원::::

대표자 류 경 렬대표자 류 경 렬대표자 류 경 렬대표자 류 경 렬( )( )( )( )

참여기업 경창산업 주참여기업 경창산업 주참여기업 경창산업 주참여기업 경창산업 주: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 손 일 호대표자 손 일 호대표자 손 일 호대표자 손 일 호( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 김 숙 환김 숙 환김 숙 환김 숙 환

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 :::: 김 기 철김 기 철김 기 철김 기 철

〃〃〃〃 :::: 김 성 욱김 성 욱김 성 욱김 성 욱

〃〃〃〃 :::: 송 상 근송 상 근송 상 근송 상 근

〃〃〃〃 :::: 안 병 훈안 병 훈안 병 훈안 병 훈

- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2006. 12. 01 ~ 2007. 11. 30

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명 변속기 부품 전자빔 용접기술지원

지원책임자 김 숙 환 지원연구원수

총 명: 5

내부 명: 5

외부 명: 0

총

사업비

정부 천원: 140,000

기업 천원: 150,000

계 천원: 290,000

지원기관명 포항산업과학연구원 소속부서명 설비자동화연구본부 용접연구실

지원기업 기업명 경창산업 주 기술책임자 차 달 준: ( ) :

요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 )보고서

면수112

본 과제에서 수행한 자동변속기 부품은 프레스 성형과 표면처리 열처리등의 과정을 거쳐 최종적으

로 전자빔 용접을 실시하게 되는데 변속기 부품의 기본사양인 용접 비드폭이 이하 용입 깊2mm ,

이 내외의 조건을 만족하는 전자빔 용접조건과 주요 연구결과는 다음과 같다2mm .

적정 전자빔 용접조건 도출1.

가속전압 빔 전류 용접속도 작업거리- 60kV, 13 ~ 16mA, 400~ 700 mm/min, 150mm

가속전압 빔 전류 용접속도 작업거리- 60kV, 13 19mA, 600~ 700 mm/min, 100mm〜

전자빔 용접부 불량원인의 주요인자는 연질화 처리후 가공과 세척과정에서 발생되는 기름등의2.

오염에 의한 것으로 확인되었으며 결함의 형태는 용접부 기공형성과 표면탄화로 발생하였다.

연질화 처리되지 않은 부분의 경도는 내외로 연강수준이었으며 합금강의 용접부 경도는3. Hv 190

까지 상승하였다Hv 350 .

용접부 비드 폭과 용입깊이는 빔 전류의 증가에 따라 비례하여 증가하였지만 용접속도는 증가4. ,

할수록 용접입열량이 감소함에 따라 비드 폭과 용입깊이가 감소하였다.

색 인 어

각 개 이상( 5 )

한 글 전자빔용접 이종용접 자동변속기 비드 용입, , , ,

영 어electron beam welding, dissimilar welding, auto-transmission, bead,

penetration

- 4 -

기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

이종소재 최적 전자빔 용접조건 도출

용접불량율 저감 (

- 5 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 자동변속기 부품o :

모 델 명o ; AUTO T/M HUB & DRUM ASS'Y

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질

경쟁제품 대비 가격

객관화 된 룰 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년/ ( %)

인건비 절감 백만원 년/ ( %)

계 백만원 년/ ( %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비고

내 수 백만원 년12,863 / 백만원 년52,019 / 404 %년 속제품‘08 6

개발 기간

수 출 천 달러 년294 / 천달러 년11,674 / 3,965 %년 수출 없‘08

음

계 백만원 년13,162 / 백만원 년63,825 / 485 %년 월부터‘09 5

수출예정

참고 적용제품 주요수출국) 1. :

작성당시 환율기준2. :

- 6 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

계 천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

변속기 부품의 전자빔 용접부 신뢰성 확보

불량률 저감과 생산성 향상을 통한 원가 절감

고부가가치 부품의 개발기반 구축을 통한 신제품 개발

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

차세대 변속기 부품 제작기술을 국산화함으로서 수입대체

고부가가치 신형 변속기 용접최적화 및 부품개발을 통한 수출증대

차세대 변속기 부품의 신뢰성 확보를 통한 국제비교우위 확보

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

- 7 -

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( , )

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건12 자료제공

시제품제작 건250 차세대 변속기 모델 전자빔 용접

양산화개 발 건

공정개선 건4 전자빔 용접 조건 최적화SETTING

품질향상 건6 양산제품 중 용접 불량품을 분석

시험분석 건10 조직관찰 및 경도 둥, SHM/EDS

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건5 전자빔 용접관련 교육

기술마케팅 경영지문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

참여기업 방문회수 건12 기술 자문

기 타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

자동 변속기부품의 전자빔 용접기술을 확보함으로서 용접부 결함율을 최소화하

였으며 생산성 향상과 품질개선을 위한 용접조건을 최적화함으로서 차세대 자,

동변속기 제작에 대응할 수 있는 기반기술을 확보하였음.

- 8 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과□

논문게재 세부사항

(9)

게재

년도

(10)

논문명

저자(11)(12)

학술지명

(13)

Vol.

(No.)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자 교신 저자 공동 저자

주 부처 사업 주관 부처 기재1) :

사업명 사업명 기재2) :

관리번호 관리번호는 기관에서 관리하는 과제관리번호임3) :

세부과제명 세부과제명을 기재4) :

연구책임자 연구책임자를 기재5) :

연구기관명 연구기관명을 기재6) :

과제시작년도 해당 세부과제의 시작년도 기재 예7) : ( , 2001)

과제종료년도 해당 세부과제의 종료 예정 년도 기재 예8) : ( ) ( , 2002)

게재년도 해당 논문의 학술지 게재 연도 기재9) :

논문명 해 당 논문의 제목 기재10) :

저자 해당 논문의 저자를 기재하되11) : , 주저자 교신저자주저자 교신저자주저자 교신저자주저자 교신저자(first author),(first author),(first author),(first author),

공동저자공동저자공동저자공동저자(corresponding author), (co-author)(corresponding author), (co-author)(corresponding author), (co-author)(corresponding author), (co-author) 등 해당란에 기재

학술지명 해당 논문이 게재된 학술지명 기재 예12) : ( , Cell)

해당 논문이 게재된 학술지의 기재 예13) Vol(No.): Volume(Number) ( , 114(4))

국내외 구분 학술지의 국내외 구분 예 국외14) : ( : )

15) 구분 등재 학술지이면 그렇지 않으면 비 기재구분 등재 학술지이면 그렇지 않으면 비 기재구분 등재 학술지이면 그렇지 않으면 비 기재구분 등재 학술지이면 그렇지 않으면 비 기재SCI : SCI ‘SCI’, ‘ SCI’SCI : SCI ‘SCI’, ‘ SCI’SCI : SCI ‘SCI’, ‘ SCI’SCI : SCI ‘SCI’, ‘ SCI’

- 9 -

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과□

출원된 특허의 경우O

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

등록된 특허의 경우○

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록인

(12)

등록국

(13)

등록번호

주 과학기술연구개발성과의 주 와 동일1) 8): ‘ 1)~8)’〜

출원 등록 년도 해당 특허의 출원 또는 등록 연도 기재9) ( ) :

특허명 해당 특허의 명칭을 기재10) :

출원 등록 인 해당 특허의 출원 또는 등록인 기재11) ( ) :

출원 등록 국 해당 특허의 출원 또는 등록 국가명 기재 예 한국12) ( ) : ( , )

출원 등록 번호 해당 특허의 출원 또는 등록 번호 기재13) ( ) :

예 등록 제 호( , 0308920 )

특허이외의 지적재산권의 경우 상기 양식에 준용하여 기재특허이외의 지적재산권의 경우 상기 양식에 준용하여 기재특허이외의 지적재산권의 경우 상기 양식에 준용하여 기재특허이외의 지적재산권의 경우 상기 양식에 준용하여 기재※※※※

- 10 -

사업화 현황□

사업화 세부사항

사업화(9)

명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11)(12)

기 매출액

백만원( )

(13)

당해년도

매출액

백만원( )

(14)

매출액 합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

주 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 연구책임자 창업 기술이전에 의한11) 1. , 2.

창업 창업지원 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입, 3. , 4.

고용창출 효과□

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

주 창업의 경우는 사업화 성과 에서 사업화 현황의 종업원 수를 기입9) “2. ”

사업체 확장에 의한 고용창출은 국가연구개발사업을 통해서 기업체의 팀이나10)

부서의 신규 생성 및 확대에 의한 것을 의미하며 확인된 경우만 기입

- 11 -

세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건참여기업 현장방문 건1. : 121. : 121. : 121. : 12

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2007. 7. 19 과제 회의KICK-OFF

2 2007. 8. 22 전자빔 용접관련 성형가공협의

3 2007. 9. 19 프레스 가공 및 차원 측정 공정검토3

4 2007. 10. 24 금형수정 방안 협의

5 2007. 11. 21 용접지그설계 및 제작협의

6 2007. 12. 19 변속기 용접 예비실험 협의

7 2008. 1. 23 개발품 전자빔 용접 협의

8 2008. 2. 20 전자빔 용접부 특성 평가 협의

9 2C08.3.19 변속기 부품 프레스 성형 협의

10 2008. 4. 23 용접부 가공협의

11 2008. 5. 21 전자빔 용접협의

12 2008. 6. 25 차세대 변속기 용접협의

- 12 -

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 142. : 142. : 142. : 14

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 ‘07. 8. 29Electron beam welding A useful tool for：

the automotive industry유

2 ‘07. 9. 13Nonvacuum electron beam welding

enhances automotive manufacturing″

3 ‘07. 10. 18How high-energy-density beam welding

manufactures transmission components″

4 ‘07. 11. 22 Production laser welding gears ″

5 ‘07. 12. 20Electron beam welding of heavy section

steel plates″

6 '8. 1. 17Deformation and fracture characteristics of

electron beam welded high tensile steel″

7 '08. 2. 21

Bonding characteristics of spheroidal

graphite cast iron and mild steel using

electron beam welding process

″

8 ‘08. 3. 13Creep crack growth behavior in the HAZ of

weldments of W containing high Cr steel″

9 ‘08. 3. 21

Effects of welding parameters and

prevention of defects in deep penetration

electron beam welding of heavy section

steel plate

″

″

10 ‘08. 4. 17

Stress-corrosion cracking and

beam-welded joints consisting of mild and

low-alloy steels

″

11 ‘08. 4. 24Study on application of electron beam

welding to low alloy steel″

12 ‘08. 5. 21Study on electron beam weldability of

carbon steel and Cr-Mo steel plate″

13 '08. 5. 28Cold cracking in electron beam welding of

carbon and low alloy steels″

14 ‘08. 6. 11Electron beam weld metal toughness for

heavy section low alloy steel″

- 13 -

시제품제작시제품제작시제품제작시제품제작3. : 250 set3. : 250 set3. : 250 set3. : 250 set

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 ‘07. 10. 34 속 제작F4EK(4 ) SUN GEAR DRUM ASSY 100EA 보고서 포함

2 ‘07. 12. 11 속 제작FF6 HUB 35R 26BRAKE ASSY 30EA “

3 ‘08. 2. 19 속 제작FF6 HUB U/D BRAKE ASSY 30EA “

4 ‘08. 4. 14 속 제작FF6 ANNULUS GEAR-FR ASSY 30EA “

5 ‘08. 6. 9 속 제작FR8 DRUM 4&0/D CLUTCH ASSY 60EA “

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 64. : 64. : 64. : 6

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 ‘07. 10. 24 불량품 조직 및 분석SEM 보고서 포함

2 ‘07. 12. 7 불량 용접부 조직 관찰

3 ‘08. 2. 13 전자빔 용접부 분석

4 ‘08. 4. 7 전자범 용접부 조직 관찰

5 ‘08. 5. 7 용접부 조직 및 분석SEM/EDS

6 ‘08. 6. 2 용접부 분석SEM/EDS

기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. :5. :5. :5. :

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

- 14 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술 지원의 필요성제 절 기술 지원의 필요성제 절 기술 지원의 필요성제 절 기술 지원의 필요성1111

제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표제 절 기술 지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황2222

제 장 기술지원 수행내용 및 결과제 장 기술지원 수행내용 및 결과제 장 기술지원 수행내용 및 결과제 장 기술지원 수행내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

제 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 장 기술지원 결과의 활용계획제 장 기술지원 결과의 활용계획제 장 기술지원 결과의 활용계획제 장 기술지원 결과의 활용계획5555

제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌제 장 참고문헌6666

부 록부 록부 록부 록

- 15 -

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

현재 국내에서 생산하는 변속기 부품의 생산성은 선진국의 수준에 불과할 뿐- 1/5

만아니라 용접 변속기부품의 불량률은 배에 달하고 있어 손실비용이 막대하고 국40

제경쟁력이 취약한 상황임.

국내 변속기 용접제품의 시장규모는 억 자동차 대당 전자빔 용접제품 개- 3,600 ( 3

기준 이상이며 국제적인 자동차의 수요와 중국 인도 등 시장의 급속한 성장으로) ,

변속기 부품의 수요가 급증하고 있음.

변속기 부품은 치차가 큰 충격 없이 동력을 전달할 수 있도록 다양한 산업분야의-

구동부에 적용되는 정밀부품으로 종류가 다양하고 수요량도 많기 때문에 생산자의

측면에서 가격경쟁력과 고부가가치화를 위하여 기술이 필요할 뿐만 아니라Hi-Tech

용접부 품질관리 기준의 정립이 시급히 요구되는 시장의존성이 매우 큰 부품임.

특히 변속기 부품은 전 공정에서 제조되는 프레스 성형등 중간부품의 치수정밀도- ,

와 후 공정인 표면처리 열처리등의 부품화 제조공정 중에서 최종단계에서 용접공정/

이 적용되기 때문에 생산성과 품질을 좌우하는 핵심공정이 바로 용접임.

특히 출하제품의 용접 품질이 불안정할 뿐만아니라 품질관리 기준이 모호하여 국-

내외 시장의 안정적인 확보에 많은 문제점을 내포하고 있어 전자빔 용접기market

술을 적용한 고부가가치 제품으로의 진입이 거의 불가능한 상태임.

- 16 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

변속기용 부품의 최적 전자빔 용접조건 설정 불량율- (

- 17 -

제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황제 장 국내외 기술 현황2222

세계적 수준(1)

유럽 일본등 을 비롯한 변속기 부품의 기술선진국에서는 전자, (ZF, JATCO, AISIN)

빔용접을 적용한 고부가가치 변속기 제품이 개발되어 다양한 고급차 모델에 적용되

고 있으며 까지 속 자동변속기를 출시할 예정으로 개발을 추진하고 있다2010 8 .

국내수준(2)

국내에서 전자빔 용접관련 연구는 포항산업과학연구원 년 전자빔 용접기 도입(‘90 )

에서 유일하게 수행하고 있으며 거의 세계적인 수준 의 용접시스템과 용접( 100%)≒

부 특성평가관련 인프라를 구축하고 있다 그러나 변속기 관련 부품의 정밀용접관.

련 부분은 산업체에서 기술의 보안상 이유로 일반에게 공개되지 않는 경우가 많기

때문에 업체에서 보수적으로 개발하여 적용하거나 기술이 부족한 부분은 제품을 수

입하여 적용하고 있는 실정이다.

국내 외의 연구현황(3) ㆍ

- 18 -

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

이론적 실험적 접근방법 지원내용 지원결과를 기술이론적 실험적 접근방법 지원내용 지원결과를 기술이론적 실험적 접근방법 지원내용 지원결과를 기술이론적 실험적 접근방법 지원내용 지원결과를 기술( , , , )( , , , )( , , , )( , , , )

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

본 과제는 경창산업에서 제품의 부가가치의 향상을 위하여 제안한 문제를 해결하기

위하 여 수행한 과제로 기술지원한 내용은 매월 회 이상 경창산업 방문과 포항산1

업과학연구원에서 용접관련 엔지니어들이 현재 실시하고 있는 작업방법을 입회하여

현재 수행하고 있는 전자빔 용접 적용기술에 대하여 현장에서 교육하고 토의함으로

서 문제점을 파악하고 해결하였다 그리고 필요한 기술과 자료등을 제공함과 동시.

에 현장에서 겪고 있는 애로사항을 청취하여 해결책을 모색하는 방법으로 수행하였

다.

이렇게 하여 현장의 문제점을 하나씩 해결하였고 그 다음 방문에서는 새로이 발굴

된 문제점들에 대하여 토의하여 해결책을 수립하여 현장에 적용하였다 업체에서.

요구하는 사항에 대한 집중적인 토론과 해결책의 제공으로 업체의 만족도는 매우

컸으며 그 결과 서로에 대한 신뢰를 높일 수 있게 되었다.

그리고 업체에서 현재 추진하고 있는 차세대 변속기 제작기술과 관련하여 전자빔

용접 조건 도출을 포항산업과학연구원에서 보유하고 있는 전자빔 용접장비로 최적

공정을 확립함으로서 업체에서 전자빔 용접공정의 없이 제작할 수 있는 기술을risk

지원할 수 있었으며 세계적인 수준의 전자빔 장비 공급업체인 독일의 사를 방, PTR

문하여 도입예정 전자빔 용접시스템의 사양과 관련하여 생산성향상을 위한 기술협

의를 경창산업과 공동으로 추진함으로서 국내기술에 세계적인 수준의 제작기술을

접목할 수 있었던 것도 큰 수확이었다.

특히 국내 자동차 제작기술의 핵심인 자동변속기의 차세대 기술로 주목받고 있는,

속 속 자동변속기 개발에 전자빔 용접기술을 적용함으로서 국내 자동차 부품제6 , 8

조기술에 크게 기여할 것으로 판단된다 또한 이러한 결과를 경창산업이 현대 과워. ,

텍과 공동으로 추진하고 결과를 공유함으로서 속 및 속 자동변속기의 국산화 기6 8

술개발과 자동차 적용 시기를 크게 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

- 19 -

전자빔 용접의 개요1.

전자빔 열원은 일반 용접법에서 볼 수 없는 열원으로서 고진공중에서 음극을 가열

하여 방출된 전자를 고전압으로 가속하고 전자코일로 집속시켜 형성된 고밀도 에너

지 빔을 피용접체에 적용함으로서 전자의 운동에너지를 열에너지로 변환하여 피용

접재를 가열 용융시켜 접합하는 방법이다, .

그렇기 때문에 이 용접법은 아크 용접보다 배 이상의 고에너지 밀도를 가지10,000

며 질량이 작은 전자를 전기적으로 고속이면서 고정밀 제어를 할 수 있다는 특징을

가지고 있다.

전자빔을 금속에 주사하면 그 에너지를 거의 소실하지 않고 수백 의 표면층을 관Å

통하여 수 수십 의 층내에서 운동에너지가 열에너지로 바뀌어 그 층을 가열하게~μ μ

된다 따라서 빔을 조사한 순간에는 표면보다도 그 내부가 고온으로 되고 그 내부.

의 층이 급격한 가열에 의해 증발온도 이상으로 되어 팽창하고 내측으로부터의 압

력에 의해 저온도의 표면층이 파괴되어 홀 이 형성된다 내부의 증기는 이 홀(hole) .

을 통하여 표면으로 배출되기 때문에 키홀 이 형성되게 된다 이 부분에(key hole) .

연속하여 전자빔이 조사되면 키홀의 저부에 직접 빔이 충돌하여 가열 증발 그리고,

키 홀이 반복되어 깊은 키홀이 얻어지게 된다 즉 깊은 용입이 얻어지고 조사위치. ,

를 이동하면 연속하여 깊은 용입이 얻어지게 된다.

이것은 일반적인 아크 용접과는 달리 전자빔의 에너지가 피용접물의 표면에서 열전

도로 전달되는 것이 아니라 Fig. 3.1.1.11)에 나타낸 바와 같이 전자빔이 충돌되는

곳에 키홀이 형성되어 전자빔 에너지가 깊은 키홀 내측에 직접 전달되기 때문에 비

드 폭이 좁고 깊은 용입이 얻어지게 된다.

레이저 용접과 비교해 보면 전자빔 용접의 최대 결점은 진공 중 작업이라고 하는

제약이 있지만 재질과 그 표면의 영향을 거의 받지 않고 제어성이 우수할 뿐만 아,

니라 대출력을 얻기 쉽다는 특징이 있다 진공 중에서 용접해야 한다는 것이 작업.

성의 관점에서 큰 장애이지만 야금학적으로는 진공쪽이 우수한 용접환경인 경우가

많고 최근 진공관련 기기의 발달로 전용기의 경우 초 정도 면 소정의 진공도에, 10

도달할 수 있다 예전부터 고성능인 빔을 대기 중에서 적용하는 것을 시도한 시대.

도 있었지만 레이저 범의 출현으로 박판에 대해서는 대기중 전자빔 용접과 거의 대

등한 용접이 가능하도록 되었다.

그림 전자빔 용입기구그림 전자빔 용입기구그림 전자빔 용입기구그림 전자빔 용입기구3.1.1.13.1.1.13.1.1.13.1.1.1

- 20 -

전자빔 기본원리 및 특징2

전자빔 발생2.1

전자빔 용접은 대량의 전자를 고전압으로 가속하여 피용접물의 작은 면적에 집속,

조사 및 용융시킴으로서 접합하는 용접법이다 고밀도 에너지의 전자빔을 얻기 위.

하여 그림 3.1.2.12)과 같은 가지의 기본구조로 되어 있으며 용접실의 진공도에3 ,

따라 분류해 보면 고 진공형 저 진공형 대기압 형 전자빔 용접기로 대별되고 각각, ,

의 특징은 다음과 같다.

그림 전자빔 용접기 종류그림 전자빔 용접기 종류그림 전자빔 용접기 종류그림 전자빔 용접기 종류3.1.2.13.1.2.13.1.2.13.1.2.1

고 진공형 전자빔 용접기:①

용접실의 진공도가 이하- KT3torr

주로 범용형 용접기로 사용되고 활성금속의 용접에 적당-

장거리 작업거리로 집속성을 중시하는 경우에 적합-

저 진공형 전자 범 용접기:②

용접실의 진공도가- 10-1-10

-2torr

저 진공으로 배기 시간 단축-

주로 양산형 전자빔 용접기로 사용되며 활성금속을 제외하고는 용접 품질이 고진-

공형과 대등

대기압형 전자빔 용접기:③

용접실이 대기압 상태에서 작업하기 때문에 배기 시간이 필요 없음- .

주로 양산형 전자빔 용접기로 사용되며 작업거리는 노즐 선단으로부터 약- 30mm

까지 적용

전자는 전기적으로 가열된 필라멘트 통상 텅스텐 또는 탄탈 에서 방출되는 열 전자( )

를 이용한다.

- 21 -

필라멘트와 양극 사이에 고전압 통상 을 인가하여 전자를 가속하지만( 60- 150kV)

필라멘트 근방에는 그리드 혹은 전극이라고 부르는 제 의 전극을 배(grid) wehneit 3

치하여 필라멘트와 양극간의 공간전위 분포를 형성하면 가속된 전자는 양극 중앙에

설치된 공간을 통과하여 공간으로 방출됨으로서 전자빔이 된다.

이 제 전극의 전위를 제어하면 필라멘트에서 양극으로 흐르는 전자량 전자빔 전류3 (

값 을 제어할 수 있다 이상의 기구를 전자총이라고 부르지만 전자총에서 방출된) .

전자빔은 확산하면서 진행하기 때문에 전자렌즈 통상은 특수한 형상을 한 자계 에( )

의해 집속된다 집속된 전자빔은 용접실로 들어가 피용접물에 충돌하게 되고 이때. ,

전자의 운동에너지가 열에너지로 바뀌어 피용접물을 용융시키게 된다 그런데 전자.

의 운동에너지와 속도는 다음과 같은 식으로 나타내지기 때문에 전자의 속도는 가

속전압의 승에 비례하여 빠르게 되고 운동에너지는 속도의 제곱에 비례하게 된1/2

다.

여기서 전자의 운동에너지, F：

전자의 질량m (9.1x10： -28 g)

전자의 속도u：

전자의 전하e: L6 x 10-19 coulomb

가속 전압V：

전자빔 용접기의 전자 범 전력밀도는 108-10

9에 달하여 아크에 비해W/ 10,000㎠

이상 크지만 전자빔은 전자총을 떠나 피용접물에 도달할 때까지 분위기가스의 분자

와 충돌하여 에너지를 잃거나 산란되어 전력밀도를 저하시킨다.3,4) 따라서 전력밀도

를 향상시키기 위해서는 진공도를 높이는 것이 바람직하다 그렇지만. 10-2 ~ 10-1

까지는 가스 오염에 의해 용융형 상에 거의 영향을 미치지 않기 때문에torr 5,6) 고품

질이 요구되지 않는 일반제품의 대량생산에 많이 적용되고 있는 실정이다.

전자빔 용접기구2.2

전자를 금속에 주사하면 전자는 금속 구성원자와 충돌산란을 반복하면서 금속 내부

로 침투되어간다 그 깊이는 의 전압에서는 수십 이다. 30~60 kV .μ 7) 충돌 과정에서

전자는 약간씩 에너지를 잃으면서 금속을 가열하게 된다 따라서 전자빔은 미시적.

으로 내부가 열원이고 가장 고온으로 가열된 부분은 표면 부이기 때문에 표면에서

내부로 가열되게 된다 전자빔 용접에서는 이러한 미시적인 용융기구를 거치면서.

거시적으로는 다음과 같은 용융기구를 나타내게 된다.

즉 고전력 밀도의 전자빔을 금속에 조사하면 조사부는 전술한 가열기구에 의해 국,

부적으로 용융된다.

- 22 -

이때 급격히 가열되기 때문에 모재부로의 열 확산은 작게되고 대부분의 에너지가

용융에 이용되어 용융부는 과열상태로 되고 내부에 금속증기에 의한 홀이 발생한

다 이 홀의 폭발이나 비등현상에 의해 용융금속이 분출하게 되고 키홀이 형성되게.

된다.8,9)

이러한 현상이 반복되면 상당히 깊은 홀 빔 등으로도 표기함( hole, channel, cavity )

이 형성된다 이것을 전자빔의 천공작용이라고 부른다 천공의 속도는 전력밀도나. .

금속이 증발하기 쉬운 것에 크게 의존하지만 통상의 전자빔에서 이상에 이르1m/s

고 있다.10)이상은 순간적으로 큰 전력을 조사했을 때이지만 서서히 전력을 증대시

켰을 때 전력밀도에 따라서 홀의 깊이도 증가하기 때문에 용접시 그림 3.1.2.211)

모식도로 표시되는 용융과정이 일어나게 된다 전자빔 조사위치는 빔 홀이 형성되.

어 있고 전자빔은 그 홀을 금속 내부를 용융하게 된다 전자빔과 금속이 상대적으.

로 이동하면 전자빔은 빔 홀 전면의 벽에 충돌하여 용융시키게 되고 용융된 금속은

빔 홀 주위의 벽을 통하여 후방으로 이동하여 용융지를 형성한다 용융지는 용접이.

진행됨에 따라서 응고하고 용접금속을 형성하여 용접이 진행되게 된다 용융 금속.

이 후방으로 이동하는 구동력은 여러 가지 인자가 고려될 수 있지만 주로 용융 금

속 표면에서 증발하는 금속 증기의 반작용 추진력 이 작용한다고 생각되고 있(jet )

다.12) 따라서 증기압이 높은 금속 혹은 그 합금성분을 포함하는 금속 이 용입 되어( )

도 크게 된다 특히 증기의 분출은 분위기압력에 의존하며 진공 분위기일수록 크게.

되고 같은 전력밀도의 레이저에 비하여 용입이 크게 되는 하나의 인자라고 생각된

다.

그림 전자빔 용접부 용융과정3.1.2.2

전자빔 용접에 있어서 용융형상을 지배하는 변수로서는 가속전압 전자빔 전류(Vb),

용접속도 전자빔 직경 및 분포가 있지만 그 외에도 용융형상은 모재(Ib), ( b), (db)υ

의 물리적 특성에도 의존한다 이제까지 열 의 관점에서 많은 연구자에 의. balance

하여 용입형상 특히 용입깊이와 용접변수의 관계식이 제안되고 있다.13-17) 그러나

이것들은 상술한 금속증기 등의 동적인 인자를 고려하지 않았으며 모든 용접기에

적용할 수 있다고 볼 수 없다.

- 23 -

그래서 현실적으로 각 용접기에 있어서 어느 조건하에서 용입깊이(hp 를 실측하여)

아래식으로부터 필요조건을 선정하는 것이 타당하다고 생각된다.

전자빔 용접에서는 용융금속의 거동도 용접 결과에 크게 영향을 미친다 특히 깊은.

용입 용접에서는 용융지의 용융금속의 거동은 복잡하여 현재 선 투과 고속영화, X ,

촬영등 여러 가지의 수단에 의하여 규명되고 있다.18-21)

전자빔 용접의 특징2.3

전자빔 용접은 전자빔의 천공작용을 이용하여 용접하기 때문에 기본적으로 차원3

열원으로 열전도를 주체로 한 아크 용접과 달리 용접면에 면이 추가되어 차원 열1 2

원이라고 생각되기 때문에 용접입열은 상당히 작게 된다 이러한 이유 때문에 용접.

열영향부 폭도 좁아 변형이 작게 된다 이것들의 특징을 열거하면 다음과 같다. .

후판의 용접 이 가능하다single pass .㉮

용융폭이 좁고 열영향부도 좁다.㉯

용접 변형이 작아 정밀한 용접이 가능하다.㉰

소입열 용접이다.㉱

고융점 금속도 용이하게 용접할 수 있다.㉲

진공 중에서 용접하여 분위기 가스의 오염이 작다.㉳

전자만을 이용하기 때문에 제어가 용이하다.㉴

일반적으로 가 필요 없다filler wire .㉵

이들의 특징은 역으로 문제점이 될 수 있다 예를 들면 급냉이기 때문에 야금학적.

으로 재료의 열화가 일어날 수 있고 기공도 잔류하기 쉽다 특히 진공실 진공 배기. ,

장치 및 배급기 시간도 필요하게 된다.

동종의 열원인 레이저와 비교하면 대출력화 출력 제어 초점 위치의 제어가 용이하, ,

여 열원특성의 관점에서 유리한 반면 진공실을 필요로 하고 전기장에 영향을 받기,

쉬워 잔류자기가 큰 장소나 재료에는 사용하기 어렵고 세라믹 등의 절연재에는 직

접 조사하기 곤란한 것 등이 작업성의 관점에서 불리한 점이다.

전자빔 용접장치는 용접물 전체를 진공실에 넣어 용접하는 전 진공형 장치로부터

대기압 상태에서 분위기 중으로 전자빔을 유도하는 대기압형 장치 대형구조물He ,

의 용접부위만을 진공으로 하 는 국소 진 공형 장치까지 다양하게 개발되었다 그러, .

나 대기압형 장치는 대출력 레이저 용접 장치의 출현으로 장점을 상실하였으CO2

며 국소 진공형 장치는 전용장치로의 특성이 강하기 때문에 실용적으로 적용되고,

있는 용접물의 크기에 관계없이 전체를 진공실에 넣어 사용하는 방식이다.

- 24 -

구성요소2.4

전자빔 용접은 정밀 소형부품의 미세 용접으로부터 대형 구조물의 용single pass

접까지 광범위하게 이용되고 있다 그렇기 때문에 용접물의 크기에 따라서 장치의.

구조는 크게 다르지만 구성은 그림 이의 예와 거의 동일하다M .

전자빔 발생계①

빔 출력은 급에서 급에 이르고 있다 대전류화 할수록 전자 방출원인 음1kW 100kW .

극을 크게 할 필요가 있고 빔의 가속전압을 높게 설정하여 집속특성을 보상하고 있

다 그렇기 때문에 빔의 집속성과 안정성의 조화를 위하여 을 경계로 소출력. 30kW

은 저 전압형 급 대출력은 고전압형 급 이 많다 출력에 관계없이 빔(60kV ), (150kV ) .

의 최대 전력밀도는 106

이상이 필요하다 전자를 방출 하는 음극의 방식에는W/ .㎠

값싼 필라멘트 음극형과 수명이 긴 음극형이 있다 빔 전력의 제어에 관해서는rod .

빔 전류만으로 전 범위를 고속으로 제어할 수 있는 그리드 제어방식이 바람직하다.

가속전압을 변경하는 방식도 있지만 집속렌즈나 편향코일의 작용을 보정할 필요가

있을 뿐만 아니라 외부 자장에 의한 빔 위치 편차량을 보정할 수 없다 빔 위치를.

고속이면서 자유로이 이동시킬 수 있는 것은 전자빔 용접법의 특징으로 자계형편향

기에 의해 정도의 편향이 가능하다100 .土

전원계②

의 진보는 에 의한 고전압 전원회로의 고주파화 광 를 이용Electronics inverter , fiber

한 고전위부 회로의 원격 고속제어 및 고전압의 가스 절연화를 가능하게 하였다.

이 결과 고전압 전원은 대폭적으로 소형화되어 급의 장치에서는 용접기 본체와6kW

일체화되고 있다.

전자빔을 가속하는 고전압의 인가와 용접에 따른 금속증기의 발생은 전자총 내에서

방전 을 일으켜 용접이 중단되는 경우가 발생하는 경우도 있다 방전이 발생(arcing) .

하는 빈도를 저감시키려고 노력하고 있지만 이를 완전히 억제하는 것은 불가능하기

때문에 방전이 발생하더라도 용접 품질을 손상시키지 않도록 고안된 전원이 개발되

고 있다 전원은 방전을 검지하면 전력의 투입을 순간적으로 정지하고 절연의 회복.

을 기다려 즉시 전력의 공급을 재개한다.22,23) 고전압회로의 출력을 대형전력관으로

제어하는 방식과 입력을 고주파 로 고속 제어하는 방식이 있고 정 지시간은inverter

빔 출력에 의존하지만 대개 이다 이러한 대책전원은 대형의 구조5 ~ 30ms . arcing

물을 대상으로 한 전자빔 용접장치에 반드시 필요한 요소이다.

제어계③

의 진보에 따라 고속 고정밀 제어가 고에너지 밀도와 병행하여 전자빔Electronics

용접의 두 가지 특징으로 되고 있다 전자총의 그리드 전압 집속렌즈의 여자전류. , ,

편향코일 전류라고 일컬어지는 전기량 빔 전력 전력밀도 빔 위치 등의 주요한 용, , ,

접변수를 고속 고정밀 제어할 수 있기 때문 에 나computer programmable

에 의하여 자동화가 고도로 진행되고 용접가능 크기 재질 용접이음부 형controller , ,

상은 크게 확대되었다 특히 빔의 고속 편향기술은 빔 빔 제. weaving ( oscillation)

어 기능을 높여 가스 성분이 많은 후물재의 용접에 효과를 발휘함과single pass

더불어 빔의 이동속도와 위치결정 정밀도를 높여 빔 이동에 의한 소형부품의 고품

위 용접을 가능하게 하였다.24)

- 25 -

예를 들면 용접을 행할 경우 범 직경과 같은 크기의 원을 그리면서 전자빔의spot

전력을 조사하면 스패터 나 균열의 발생이 제어됨과 더불어 용접 강도가 현(spatter)

저히 증대한다.

계측계④

전자빔 용접에 있어서 가장 중요한 계측대상은 용접위치이다 용융폭이 좁을 뿐만.

아니라 이종재의 용접이 많고 정확한 빔 위치 제어가 요구된다 용접에 이용되는.

전자빔을 용접위치 검출 을 이용하는 방법이 정밀도 관리상 가장 바람직하다probe .

아주 작은 전류의 전자빔을 용접물에 충돌시켜 망원경 또는 텔레비젼 카메라를 이

용하여 관측하는 방법과 용접물의 표면을 미소 전자빔으로 편향 주사하여 발생하는

선이나 반사전자의 신호를 화면에 표시하여X CRT (Cathode Ray Tube) resurge

으로부터 용접해야할 위치를 산출해 내는 그림 의 방법이 있다pattern 3.1.2.3 .44) 그

림 같은 용접부의 경우 용접선의 위치에서 선호가 약하게 된다 빔의3.1.2.3 butt .

편향량이 인 위치에 가 표시되어 있고 신호가 약한 위치와 의 위zero marker marker

치가 일치하도록 용접물의 위치를 맞추면 빔은 용접선을 정확히 조사한다.

그림 전자빔 용접장치의 용접선 검출시스템그림 전자빔 용접장치의 용접선 검출시스템그림 전자빔 용접장치의 용접선 검출시스템그림 전자빔 용접장치의 용접선 검출시스템3.1.2.33.1.2.33.1.2.33.1.2.3

를 이용하여 선이나 반사전자의 신호로부터 용접선 위치를 자동적으로Computer X

검출하는 기능도 실용화되고 있다 또 용접하면서 전방을 간헐적으seam tracking . ,

로 고속 편향 주사하여 용접선 위치를 검출하는 의 개발도on-line seam tracking

시도되고 있다.

그리고 전자빔의 초점 위치를 용접물의 표면에 자동적으로 맞추어주는 장치도 실용

화되고 있다.26) 그림 에 그 원리를 나타내었으며 집속렌즈의 전류치를 고속3.1.2.4

으로 변화시키면서 용접물의 표면으로부터 방사되는 열전자를 안테나로 포착하면

빔의 집 속 위치가 용접물의 표면에 일치했을 때 열전자의 신호는 가장 강하게 된

다 이러한 원리를 이용하여 신호를 고속으로 처리하면 자동적으로 빔의 집속 위치.

를 용접물의 표면에 일치시킬 수 있다.

- 26 -

그림 전자빔용접기 자동 초점시스템그림 전자빔용접기 자동 초점시스템그림 전자빔용접기 자동 초점시스템그림 전자빔용접기 자동 초점시스템3.1.2.43.1.2.43.1.2.43.1.2.4

장치의 종류2.5

용접물 전체를 진공 분위기에서 작업하는 전 진공형 장치는 용접물의 크기에 따라

서 구성이 크게 변하는데 다음의 종류로 대별된다3 .

소형부품 양산용 장치①

자동차의 엔진이나 부품으로 대표되는 소형부 의 양산에 적합한 장transmission 昔

치로 출력은 이하이다6kW .27),28) 장치의 구성은 대기중으로부터 차압진공 배기된

예비실을 중간에 두어 항상 진공으로 유지되는 용접실에 용접물이 간헐적으로 이송

되는 연속배기식과 개의 용접물마다 배기와 흡기를 반복하는 배기식이 있1 batch

는데 전자는 이 초로 대규모 양산용으로 전용성이 높다 후자, cycle time 10 ~ 15 .

는 이 초로 전자에 비해서 길지만 용접 의 교환이 용이하기 때cycietime 20 ~ 30 JIG

문에 양산용 장치의 주류를 이루고 있다.

용접실의 크기는 한 변이 인 장치가 대부분이고 진공 배기에 요하는 시25 ~ 35cm

간은 초 이다 자동화는 진행중이고 용접물의 종류를 판단하여 빔 위치를 포5 ~ 8 .

함한 전 용접조건을 자동적으로 변환시키는 장치도 있다 그림 는 본 실험에. 3.1.2.5

서 사용한 용접기와 같은 배기식 양산 장치의 일례를 나타내었는데 모든 구batch

성 요소가 공통적으로 위에 배치되어 있고 한 구조로 되어 있다base compact .

범용장치②

나 등과 같은 활성금속에 적용할 수 있도록Ti Nb lx10-4 까지 진공 배기 할 수 있torr

는 장치가 대부분이고 용접실의 한 변이 정도의 장치가 많다 그리고 배기1 ~ 2m .

소요시간은 저 진공 (10-2

에 분 고진공torr) 2 ~ 5 , (10-4 에 분 정도이다 용torr) 15 .

접실의 공간을 유효하게 이용할 수 있도록 진공을 유지하면서 용접실의 외벽을 따

라 전자총을 한 방향으로 이동할 수 있는 장치가 많다.

- 27 -

전자빔의 출력은 에 이르고 있으며 부가가치가 높은 소량 다종 생산품6 ~ 100kW ,

을 대상으로 하기 때문에 기능이나 용접조건의 제어기능을seam tracking program

구비한 장치가 많고 그 구성의 일례를 그림 3.1.2.629)에 나타내었다.

그림 전자빔 용접기그림 전자빔 용접기그림 전자빔 용접기그림 전자빔 용접기3.1.2.5 Batch type3.1.2.5 Batch type3.1.2.5 Batch type3.1.2.5 Batch type

그림 용접 을 검출하는 블록 다이아그램그림 용접 을 검출하는 블록 다이아그램그림 용접 을 검출하는 블록 다이아그램그림 용접 을 검출하는 블록 다이아그램3.1.2.6 seam3.1.2.6 seam3.1.2.6 seam3.1.2.6 seam

- 28 -

대형구조물용 장치③

한 변이 이상인 대형 용접실의 경우 전자총을 용접실내에 배치하여 대부분 전3m

자총을 이동하여 용접하는 쪽이 효율적이다 이러한 장치의 경우전자총은 직행. 3

축 회전 축의 이동이 가능하고 직행 축 회전 축 이동과 조합시키면 거의, 2 table 1 , 1

모든 용접부 형상에 대응시킬 수 있다 전자 종은 와. turbo-molecular pump

를 구비하고 있어 전자총 내부를 항상 진공으로 유지시킬 수 있을 뿐column valve

만 아니라 저 진공 용접이 가능하다.

한 변의 길이가 정도인 장치도 실용화되고 있는데 배기 소요시간은 분 정도10m 30

이다 기능이나 용접조건의 제어 기능 외에 용접시공 상황. Seam tracking program

을 하는 카메라를 장착한 장치도 있다monitor .

전자 의 발생과 제어2.6. Beam

전자빔 용접기의 전자공학적 장치의 제일의 기능은 시편상에 집속시켜 제어 가능한

대출력빔을 발생하는 것이다 그리고 전자빔 용접기의 설계는 고에너지 밀도와 심.

용입 및 큰 용입비를 갖는 것으로 통상 빔의 에너지 밀도는 수 으로 된다 빔MW/ .㎠

직경을 작게 하는 것에 의하여 무한히 큰 에너지 밀도를 얻을 수 있지만 실제로는

본질적인 제약에 의하여 불가능하고 이들 제약에 가장 중요한 것은 다음의 세 가지

이다.

전자의 상호반발 작용 공간전하 효과a) ( )

전자가 음극을 떠날때 작지만 유한의 초기속도를 갖는다는 점 열적 제한b) ( )

집속렌즈의 구면수차c)

이들 직경을 크게 하는 요인의 영향을 작게 하는 해결책이 필요하다 특히 공spot .

간전하효과는 현재 고려되고 있는 빔 전류 범위내에서는 지배적인 인자가 아니라는

것을 아는 것이 중요하다 만약 그렇지 않다면 빔 직경은 빔 전류와 더불어 급속히.

증가해서 그 에너지밀도를 감소시켜 가 증가해도 용입깊이의 증가는 얻을 수power

없다 후술하지만 전자렌즈위치의 범 반경 의 증가에 의하여 공간전하나 열적인. n

제한은 감소함으로서 반경에 반비례함을 알 수 있지만 렌즈의 구면수차는 이 빔 반

경의 승에 비례한다 이 렌즈의 구면수차는 렌즈의 크기를 크게 하는 것에 의하여3 .

감소시키는 것이 가능하지만 실제로는 렌즈의 압력이나 초점거리등에서 제약을 받

는다.

상술한 바와 같이 여러 가지 제약 및 가공거리의 설정 범위 등의 조건을 같이 고려

하여 가속전압을 결정하지 않으면 안 된다 일정한 빔 출력에 대해서는 전압이 낮.

을수록 렌즈위치에서의 빔 반경 이 크게 되어 같은 직경을 얻기 위해서는 큰n spot

렌즈를 필요로 한다 다시 말하면 가공거리를 단축하는 것이 불가능하게 된다. .

전자총의 음극은 다량의 전자흐름을 공급할 수 있는 것과 그 주위의 분위기에 따라

서 영향을 받지 않는 것이 필요하다.

- 29 -

대부분의 전자빔 용접기에서는 시험편에서 생기는 개스 및 증기 때문에 용접실에

음극의 영역을 따로 분리해 놓고 있지 않다 음극은 안정하게 전자의 방출을 일으.

키면서 충분히 긴 수명을 갖지 않으면 안 된다 실제 수명에서는 효율 즉 음극 교. ,

환의 용이성 및 그것에 요하는 시간 전자 광학적인 상태를 이전의 상태로 재현하,

는데 요하는 시간 교환한 전자총이 안정한 작동을 하기까지 요하는 시간등이 관계,

된다 일반적으로 수명은 수백 시간이면 충분하고 최소한 수십 시간 이상이면 좋다. .

음극재료로부터 전자를 방출시키는 방법에는 여러 가지가 있다 즉 충분히 높은 온.

도까지 가열하는 방법 방열형으로 에너지를 주어 차적으로 전자를 방출시키는 방, 2

법이나 약한 광선에 의한 광전효과로 전자를 끌어내는 방법 혹은 강한 전계, ( )電界

를 주어 전계 방출시키는 방법등이 있다 이러한 방법중에서 첫 번째 것은 열전자.

방출로 전자빔 용접에 이용하는 전자총으로서 실용상 유일한 방법이다.

금속음극 예를들면 등에서는 온도가 증가하면 금속내의 자유전자는 표, Co, Ta, Mo

면의 이상의 충분한 에너지를 얻는다 전자가 방사하는데 필요한potential bairier .

에너지(e- 는 그 금속의 일함수라고 불리워지는데 온도와 방출전류의 관계를 나타V)

내는 법칙에 관해서는 먼저 의하여 제안되었고 그 뒤에 에Richardson1^] Dushmar

의하여 다음과 같이 수정되었다.

여기서 전류 밀도J: , A/㎠

K 120.4 A/ deg： ㎠ 2 이값은 음극재료 및 그 상태에 따라서 변화함( )

절대온도T , °K：

전자의 전하량e , 1.6 x 10： -19C

금속의 일함수Ew , V：

상수k Boltzman , 1.38x 10： -23 J/°C

이 전류밀도는 음극표면에 적당한 전계를 작용시키는 것에 의하여 얻어지는 것이고

간단한 전극 총 또는 극 진공관의 경우에서는 제 전극 즉 양극을 음극에 대해서2 2 2 ,

의 전위를 갖게 함으로서 얻어질 수 있다(+) .

만약 이 전계가 충분히 크면 음극의 표면전위를 극복하여 튀어나온 모든 전자는 양

극에 도달하여 양극내의 구멍을 통과하여 전장내 공간에 돌입하여 유효한 빔으로

된다 이와같이 열방사된 전자가 모든 음국표면으로부터 제거되는 형태를 온도 제.

한 작용 이라 한다(temperature-limited operation) .

- 30 -

음극은 공간전하의 제약을 받아 그 상황하에서 작용하는 것이 보통이지만 이 경우

적당한 온도로 되면 음극에 과잉의 전자가 존재한다 전극간에 전자가 존재할때 전.

극공간에서의 전위는 감소하여 빔전류의 증가와 더불어 음극에서의 전위 는傾度

에 근접하게 되고 어느 경우에는 약간 의 전위로 된다zero (-) .

의 초점2.7 Beam

가 의 한계. 收束

전자빔 용접용 전자장치의 기능은 피용접물에 고밀도의 전자 를 충돌시키는 것spot

이기 때문에 전자총을 독립해서 생각하는 것보다 빔형성 전체를 고려하지system

않으면 안된다 시편위에 전자 을 집속시키기 위하여 몇 가지의 렌즈가 사용되지. 像

만 그것은 한 개의 렌즈로도 충분하다 빔거동은 전자총 렌즈 피용접물에 따라서. , ,

정해지고 공간 전하적인 제약이 주로 전자총에서 일어나 전자총의 전압과 전극배치

가 결정되면 음극으로부터 빠져나온 전류는 어째든 일정한도 이내로 제한되게 되는

데 렌즈에는 수차 주로 구면수차가 있고 이것이 집속을 방해하게 된다, .

부에서는 전자는 대전류 밀도이면 공간 전하적인 퍼짐을 가져 열적인 속도에Target

따라 전류밀도가 제한된다 전체적으로는 단순한 관계에 있기 때문에. System spot

직경이나 출력밀도 등을 고려하면 전자총의 설계는 상당히 복잡하게 되지만 실제의

구조는 모두 같은 것으로 되어 있다.

나 열에 의한 의 효과. 初速度

에서 무한대의 에너지 분포를 갖는 전자가 음극으로부터 방출되어Zero Maxwell

의 분포법칙 식 에 따라 의 각도로 산란된다(3.5 ) 2ji .

여기서 는 의 에너지를 갖는 전자수로 의 각도로dN(E, ) e ~ e + dE e e + deθ 〜

방출된다 은 총 방출 전자수이고 는 전자방출 표면의 법선에 대한 각도이. n , e 放射

다 에너지 분포는 유한한 퍼짐을 하기 때문에 집속점에서 에너지의 밀도를 무한대.

로 하는 것을 불가능하다 는 참조 이러한 퍼짐특성에 대하여 고찰. Langmuir (Moss )

하여 음극이 렌즈에 의하여 상을 맺는다고 생각할 경우 음극과 집속점에서의 전류

밀도 와 의 관계를 유도하였다 낮은 배율 의 경우 두 전류밀도의 비는 다(pc Pi) . 1VI

음식으로 표현된다.

- 31 -

여기서 는 양극전압이고 는 발생 가능성이 가장 많은 에너지V kT (=V放射 o 는e), α

초점에서의 빔 반각이다 따라서 초점에서의 최대 전류밀도는 다음과 같이 나타낼.

수 있다.

단 배율은 에서 는 크게 된다0 .α

전자 초기속도에 의한 의 퍼짐만을 고려할 경우 극 혹은 극의 전자총에 적spot 2 3

용할 수 있다 그래서 일반의 궤적도를 더욱 상세히 조사하는 것이 필요하다 이때. .

면 는 주 렌즈에 의해 면의 위치에 놓인다 직경의 최소치는 거target (Z) A . spot結像

의 δT 로 하는 것이 가능하고 이것은 의 식에 의하여 도출된다 가공(=2rT) Langmuir .

거리가 일정할 경우 열적인 제한은 음극반경(re 에 직접 관계한다고 하는 것이 중요)

하다 따라서. δT를 작게 하기 위해서는 음극반경을 작게 하지 않으면 안되기 때문

에 당연히 rc와 전류와의 균형이 문제가 된다.放射

아킹 발생 원인과 대책2.8

전자빔 용접시 가장 많이 발생되는 현상중의 하나가 아킹 현상이다 아킹 현상은.

증기압이 큰 원소를 포함하고 있는 소재를 전자빔 용접시 주로 발생하는데 주요한

원인은 고에너지인 전자빔이 소재에 충돌시 증기압이 큰 원소들이 증기화 하면서

진공실과 전자총 내부의 진공도 차이에 의하여 진공도가 높은 진공실에서 진공도가

낮은 전자총 내부로 빨려 올라가면서 전자총 내부의 절연이 깨져 생기는 현상이다.

국내에 도입되어 사용하고 있는 장비들은 대부분 전용기 형태로 사용하고 있으며

아킹을 방지할 수 있는 시스템이나 대책이 없기 때문에 주로 강이나 초합금 등에

적용하고 있는 실정이다 이러한 아킹 현상을 제어하기 위하여 선진국에서는 그림.

과 같이 을 개 설치하여 빔 를 바꾸어 줌으로서 전자빔3.1.2.7 deflection coil 3 path

이 방전되어 발생하는 아 킹을 근본적으로 억제하는 기구의 을 전자magnetic trap

빔 용접장치에 내장시켜 사용하고 있다 이러한 경우 전자빔이 지나가는 는 그. path

림 와 같이 휘어져 지나가기 때문에 작업실로부터 유입되는 금속증기가 전3.1.2.8

자총 내부에서 충돌하지 않아 안정된 전자빔 용접의 실현이 가능하게 된다 따라서.

증기압이 큰 등을 함유한 합금 뿐만아니라 일반 합금에서도 안정된 전Mg, Zn A1

자 빔 용접을 실시할 수 있다 그렇지 않으면 융점이 낮은 계 합금 등을 적용. Al-Si

하여 용융금속의 성분계를 개선함으로서 건전한 용접부를 얻을 수도 있다 특히. A1

합금에서는 용접부 균열발생 이 매우 중요한 결함중의 하나이다 이들 결함은 주로.

균열감수성이 매우 높은 조성에 기인한 결과로 발생하기 때문에 용접시 희석율 제

어나 외부에서 용가재를 공급하여 조성을 변화시켜 해결 할 수도 있다.

- 32 -

그림그림그림그림 3.1.2.7 Magnetic trap3.1.2.7 Magnetic trap3.1.2.7 Magnetic trap3.1.2.7 Magnetic trap

그림 적용시 빔 자취그림 적용시 빔 자취그림 적용시 빔 자취그림 적용시 빔 자취3.1.2.8 Magnetic trap3.1.2.8 Magnetic trap3.1.2.8 Magnetic trap3.1.2.8 Magnetic trap

용접 균열 원인 및 대책2.9

용접금속은 전형적인 급냉응고 조직이지만 대부분의 경우 응고속도나 냉각속도가

빠를 뿐만 아니라 모재보다도 과 열원의 이동에 따른 결정성장 방epitaxial growth

향의 변화가 현저한 교반현상등 용접특유의 응고현상도 발생한다 용접균열은 용접.

부에서 발생하는 가장 중요한 결함의 하나로 용접부 응고현상이나 조직과 밀접한

관계가 있다 용접부에 발생하는 용접균열은 발생장소 혹은 형태에 따라서 용접. Al

비드 종균열 횡균열 크레이터 균열 루트 균열 미소균열등 와 용접열 영향부( , , , , ) (toe

균열 균열 등 에서 주로 발생하게 된다, lamellar ) .

균열 발생기구에 따라 구분해보면 용접부에서 발생하는 균열은 고온 균열이고 주로

결정입계에 합금 원소의 편석 혹은 저융점 물질의 존재에 기인한 것이다.

- 33 -

균열은 용접금속이 응고시 응고 온도 범위의 저온 영역에서 응고시의 수축력 또는

외력이 작용할 때 발생하는 것과 열영향부 중 고온 가열 입계가 국부적으로 용융하

여 팽창력에 의하여 균열이 발생하거나 국부용해한 입계가 응고시 수축력에 의하여

발생하는 것이다 전자는 응고 균열이라 하고 후자는 액화 균열이라 한다 특히. .

계 시합금은 이 조성에서 균열이 발생하기 쉽고 약6000 Mg Si 2 1 1% Mg： ： 2Si

에서 균열발생이 최대치에 이르게 된다 현재 사용중인 합금은 거의 균열 감수성이.

최고인 조성역에 있는 것이 많기 때문에 결정립 미세화 원소를 첨가하여도 공정계

용가재로 용접하기 어렵다 따라서 일반적으로는 용가재나 삽입금속으로 계. Al-Si

혹은 계 등을 적용하거나 소입열 용접을 실시하여 용접부(A14043) Al-Mg (A5356)

열응력을 최소화함으로서 방지할 수도 있다.

특히 계 합금은 용접시 입열이 과도하게 되면 과열에 의하여 열영향부에서6000 A1

입계균열이 발생하거나 모재의 결정립이 조대화하여 입계균열이 촉진될 수도 있기

때문에 용접시 세심한 주의가 필요하다.

미량 원소에 의한 균열 대책2.10

결정입계에서 발생하는 용접시의 고온 균열을 방지하기 위하여 미량의 Ti, Zr,

등을 용가재에 첨가하거나 경우에 따라서 모재에도 이들 미량원소를 첨가하(Ti+B)

여 결정립을 미세화 시킴으로서 균열을 방지할 수 있다 이러한 실례를 나타낸 그.

림 에서도 확인할 수 있다3.1.2.9 .

- 34 -

그림 균열율에 미치는 용접와이어 미량첨가 원소의 영향그림 균열율에 미치는 용접와이어 미량첨가 원소의 영향그림 균열율에 미치는 용접와이어 미량첨가 원소의 영향그림 균열율에 미치는 용접와이어 미량첨가 원소의 영향3.1.2.93.1.2.93.1.2.93.1.2.9

균열발생 및 기구 가 응고 균열2.11 .

가 응고 균열.

응고시에 발생하는 고온 균열의 발생기구에 관하여 최초로 제안된 것은 Shrinkage

이론으로 합금의 응고과정에 있어서 고상 전 근처 고온부에 취성온도brittleness

범위가 존재한다고 하는 것이 정설이다 이론은 합금이 응고할 경우 응고의. Strain

최종단계에서 내하중 응력이 약하여 변형응력도 약하기 때문에 균열이 발생한다.

는 이론과 이론을 토대로Borland shrinkage-brittleness strain generalized theory

를 제창하였다 즉 그림 와 같은 옹고과정을 다음의 단계로 구분하여. , 3.1.2.10 4

- 35 -

그림 고온 균열 감수성과 응고과정그림 고온 균열 감수성과 응고과정그림 고온 균열 감수성과 응고과정그림 고온 균열 감수성과 응고과정3.1.2.103.1.2.103.1.2.103.1.2.10

단계 가 자유로이 분산 균열은 발생하지 않음1: dendrite ( )

단계 결정립이 연결 균열이 발생한다 해도 융액에 의하여 점착2: ( )

단계 임계응고범위 점착 불능3: ( )

단계 응고 균열은 발생하지 않음4: ( )

균열은 단계 의 임계응고범위에서 이론치 이상의 변형을 받는 경우에 발생한다- 3

고 생각할 수 있다 특히 는 응고시의 융액분포도 고려할 필요가 있어 고상. Borland

과 잔류액상의 상대적인 관계에 관해서도 고려하였다 그림 와 같이. 3.1.2.11

고 액 상간의 계면에너지YSL: ( - )

고 고 상간의 계면에너지Yss ( - )：

고 액 상간의 계면 접촉각이라 하면: ( - )θ

- 36 -

그림 제 상 결정립 면간 각도와 용액 분포 상태그림 제 상 결정립 면간 각도와 용액 분포 상태그림 제 상 결정립 면간 각도와 용액 분포 상태그림 제 상 결정립 면간 각도와 용액 분포 상태3.1.2.11 23.1.2.11 23.1.2.11 23.1.2.11 2

평형상태에 있어서 다음식이 성립한다.

여기에서 가 작으면 고상끼리의 급속한 결합이 방해를 받기 때문에 작은 외력에θ

쉽게 파단되지만 가 크면 고상끼리의 결합면적도 커져 외력에 대해서 쉽게 판단θ

되지 않는다 즉 가 큰 경우에 고온 균열은 발생하기 어렵고 용접금속은 평형 응. , θ

고한 것보다 가 작아지는 경향이 있다.θ

나 액화 균열.

합금의 다층 용접부 혹은 에 인접한 열영향부에서 미소균열이 발생하Al fusion line

는 경우가 있는데 이러한 균열은 가열된 입계가 특유의 형태로 변화해 가면서 형성

되는데 그 생성과 정은 그림 과 같다 그림에서 알 수 있듯이 가열에 의하3.1.2.12 .

여 국부적으로 용해한 입계 단계 가 재응고할 때 단계 열수축이나 외부 구속력( 2) ( 3)

에 의하여 변형하여 단계 에 이르는 과정에서 수축공으로 잔류한 것이다4 .

- 37 -

그림 합금의 용접부 액화 균열의 형성과정그림 합금의 용접부 액화 균열의 형성과정그림 합금의 용접부 액화 균열의 형성과정그림 합금의 용접부 액화 균열의 형성과정3.1.2.12 A13.1.2.12 A13.1.2.12 A13.1.2.12 A1

전자빔 용접 현상과 용접초건3

초점 위치 용접 자세와 용입형상3.1 ,

전자빔 용접에 있어서 기본적인 변수로서 가속전압 빔 전류 용접속도 외에 전자빔, ,

직경과 초점 위치를 자유로이 선택할 수 있다 전자빔 초점 위치와 빔 직경은 용접.

형상을 결정적으로 지배하는 인자이지만 측정이 상당히 곤란한 인자이고 많은 연구

가 실시되어 왔지만 빔 직경의 측정에는 기본적으로 다음의 종류가 주로 사용되고4

있다.

빔 직경보다 작은 직경의 을 이용하여 빔을 고속으로 주사시켜Pin hole pin①

을 투과시키고 그 투과 전류량으로 빔의 전류밀도 분포를 계측하는 방법hole 30,31)

이 있다 이 방법은 직경을 작게 할수록 고분해능의 밀도 분포계측. pin hole power

이 가능하지만 계기를 용융시키지 않는 고속주사 가 필요하다 최근 고속 디지털.

메모리가 개발되어 상당한 밀도까지 계측할 수 있게 되었다power .31)

빔을 고속 주행하는 판이나 봉 혹은 를 내어 판으로부터 차폐되지 않는 부slit② ，

분의 빔 전류량의 변화와 계측식으로부터 전류밀도 분포를 측정하는 방법32-34)이 있

는데 이 계측에서는 빔 직경은 측정되지만 효용변환 등의 계산방법을 사용하지 않,

으면 직경방향 분포는 측정할 수 없다 또 축 대칭의 분포에는 유효하지만 통상의.

범에서는 축대상 분포의 실현은 상당히 곤란하다.

일정형상의 금속을 용융해서 그 용융폭으로부터 빔 직경을 측정하는 방법으로서③

탄소등 승화성 재료의 절단 폭을 측정하는 등의 방법이 있지만 등이 제안한, Arata

단면의 를 용융 절단하는 시험법 이 실용적comb-shape edge AB(Arata Beam) :51

이면서도 간단히 초점 위치를 결정하는 방법으로 상당히 유효하다고 생각된다.

- 38 -

엄밀하게는 법과 비교해 약간 빔의 직경이 크고 초점이 렌즈측에 위치되도pin hole

록 측정되는데36,37) 이러한 편차는 빔 에 따라서도 다르게 된다mode .

초점 위치만을 결정하기 위하여 상당히 약한 의 빔을 시편에 조사하여 휘power④

도가 가장 크게 되는 렌즈 전류를 찾아내는 방법34)으로 간편하고 빔 가mode

이면 유효하지만 형 의 필라멘트를 사용하면 과gaussian ribbon gaussian top~flat

분포가 혼재하는 것이 있고 초점 위치를 나타내는지에 대한 실증 예는 아직 없다.

전자빔 용접에서 출력 초점 위치 용접속도등은 독립해서 선택되지만 초점 위치， ，

나 빔 직경은 가속전압이나 빔 전류 등과 같은 여러 가지 인자에 따라 변화하는 것

이 일반적이다 가속전압에 대해서는 렌즈 전류를 보정해서 항상 초점 위치를 일정.

위치로 설정하는 제어법이 개발해되고 있지만 이것은 전자총에 의존하기 때문에 모

든 것에 적용할 수 있다고 볼 수는 없다.

전자빔 용접의 용입형상을 지배하는 인자로서 피가공물에 대한 빔 초점 위치관계가

중요하기 때문에 빔의 초점 위치를 정확히 파악할 필요가 있다 그림. 3.1.3.139)은

빔 초점 위치를 간편하게 구하는 방법 시험법 인데 형상의 시편을 전자(AB ) comb

빔에 대해 경사지게 이동시켜 얻어지는 용융 폭을 계측하여 최소 용융폭을 초점으

로 하는 것이 가능하다.

그림 시험법그림 시험법그림 시험법그림 시험법3.1.3.1 AB3.1.3.1 AB3.1.3.1 AB3.1.3.1 AB

- 39 -

초점 위치와 용입형상외 관계는 값 대물거리 초점 거리 으로 평가할 수 있다ab ( / ) .

즉 동일 용접조건 하에서 값을 변화시키면 에서 용입깊이가 최대로 되고, ab ab =l

비드 폭은 최소로 되는데 이것을 벗어나면 용입깊이는 급격히 감소한다 또 시편을. ,

기울여 이동시키는 경사용접에 의해 시편 재질의 용접특성 비드형상 용입깊이 용( , ,

접 결함 용접성 용접현상 등 을 평가할 수 있다, , ) .

또 수십 이상의 대출력 전자빔 용접에 있어서는 용접속도가 느린 영역에서 하, kW

향자세에 비해서 수평자세가 깊은 용입이 얻어지기 때문에 후판의 용접에서는 수평

자세를 취하는 경우가 많다.40~42)

나 용접 결함 발생과 방지법.

대형 및 초대형 구조물의 용접에서 문제가 되는 것은 에 의한 전자빔의 중단arcing

이다 이 발생하면 그곳에 결함이 발생하기 쥐울 뿐만 아니라 보수에 상당. Arcing

한 노력과 시간을 필요로 하 기 때문에 이를 방지하기 위한 노력이 다각도로 진행

되어 왔다.

을 방지하기 위한 기본사상으로 두 가지를 들 수 있는데 첫째는 이 발Arcing arcing

생하는 주원인이 용융부로부터 발생하는 금속증기나 가스가 전자총에 유입되어 발

생하는 것이기 때문에 이를 방지하기 위한 것으로 그림 3.1.3.243)와 같이 정리할

수 있다 둘째로 에 의해 전자총이 정지 하더라도 즉시 복귀시키는 방법으로. arcing

시 에너지를 흡수하는 방법과 에너지를 작게 설계하는 방법이arcing surge surge

있는데 그림 과 같이 에 의해 전원 주파수를 상승시키는 용량, 3.1.3.3 inverter filter

을 감소시켜 에너지를 작게 한 방법이다.43) 또한 전자빔 용접시 발생하기 쉬운 결,

함은 기공이기 때문에 그림 3.1.3.444)에 발생위치를 모식적으로 나타내었으며 그,

외의 결함으로서 균열 등을 들 수 있으며 대표적인 예는 다음과 같다.

그림 전자빔 아킹 방지 방법그림 전자빔 아킹 방지 방법그림 전자빔 아킹 방지 방법그림 전자빔 아킹 방지 방법3.1.3.23.1.3.23.1.3.23.1.3.2

- 40 -

그림 전자빔 아킹후 복구 시스템그림 전자빔 아킹후 복구 시스템그림 전자빔 아킹후 복구 시스템그림 전자빔 아킹후 복구 시스템3.13.33.13.33.13.33.13.3

그림 전자빔 용접부 기공그림 전자빔 용접부 기공그림 전자빔 용접부 기공그림 전자빔 용접부 기공3.1.3.43.1.3.43.1.3.43.1.3.4

기공①

기공의 발생위치에 따라 크기 차이가 있으며 용입의 중앙부에 생기는 기공은 비교

적 크고 부에서 발생하는 것은 상의 결함 과 겹치는 경우가 많root spike (spiking)

고 크기도 비교적 작다 용입깊이가 큰 대출력 전자빔 용접에서는 특히 이러한 기.

공의 발생욜 억제하는 것이 중요하다 발생원인으로서는 불순물 가스 화학반응에. ,

의해 생성된 가스 혹은 증기압이 높은 금속에 의한 것이고 용융금속의 흐름 응CO (

고상태 에 의한 것 등이 있다 그림) . 3.1.3.545)은 용입 중앙부에 생긴 기공의 발생과

범 초점 위치와의 관계를 구한 것이지만 용융 응고선의 과도한 만곡이 기공의 발생

원인으로 되고 있다 기공의 방지방법으로서 용접방향 또는 이것에 직각인 방향의.

범 진동이 유효하고 그림( 3.1.3.6)46) 용융부를 교반시키는 것에 의해 가스성분을

외부로 방출시키거나 주파수 파형 진폭등은 실험적으로 결정할 필요가 있다 통상, , .

진폭은 이고 파형은 진행방향을 같은 방향으로 정현파 타원파를 선0.1 ~ 1mm 〜

택하는 경우가 많다 주파수는 빔 진동시의 주파수 및 진폭은 장치의 형식 및 용입.

깊이에 따라 다르지만 용접속도에 따라 결정할 필요가 있고 통상 용접속도가,

시 정도에서 결정되고 있으며 이러한 방법은 소출력에서1m/min 500Hz~ 1,000Hz

대출력의 전자빔 용접에 이르기까지 이용되고 있다.

- 41 -

또한 림드 강 등의 가스 성분이 많은 재료에 대해서는 탈산제를 토함한 와, (rimmed)

이어의 첨가나 삽입금속의 사용이 유효하다.45,47)

그림 응고패턴과 비드형상에 따른 초점 위치의 영향그림 응고패턴과 비드형상에 따른 초점 위치의 영향그림 응고패턴과 비드형상에 따른 초점 위치의 영향그림 응고패턴과 비드형상에 따른 초점 위치의 영향3.1.3.53.1.3.53.1.3.53.1.3.5

그림 전자범용 접의 오실레이션과 기공율의 관계그림 전자범용 접의 오실레이션과 기공율의 관계그림 전자범용 접의 오실레이션과 기공율의 관계그림 전자범용 접의 오실레이션과 기공율의 관계3.1.3.63.1.3.63.1.3.63.1.3.6

- 42 -

균열②

전자빔 용점시 발생하는 균열의 분류를 모식적으로 나타내면 그림 3.1.3.748)와 같

이 크게 저온균열과 고온균열로 분류할 수 있고 상세히 설명하면 다음과 같다.

그림 전자빔 용접부 균열그림 전자빔 용접부 균열그림 전자빔 용접부 균열그림 전자빔 용접부 균열3.1.3.73.1.3.73.1.3.73.1.3.7

저온 균열 고탄소강 등의 전자빔 용접에서는 급열 급냉의 열 사이클 에: (cycle)㉠

의해 용접부는 경하고 취약한 마르텐사이트를 생성하기 때문에 현저히 경화한 용접

부의 경우 작은 미세 균열을 기점으로 한 담금질 균열의 위험성도 있다 용접부에.

잔류하는 수소는 용접 직후에 발생하는 지연 균열의 원인으로 되고 전자빔 용접에

서도 다른 용접법에서와 같이 예열 및 후열을 행하는 경우도 많다 그렇지만 다른.

용접법에서 권장되고 있는 예열 온도에 비해서 낮은 온도에서도 저온 균50-60℃

열을 방지하는 것이 가능하다.44)

- 43 -

고온 균열 등 소위 저융점 원소를 포함하고 있는 재료의 전자빔 용접에서: P, S㉡

는 고온 균열의 위험성이 있다 그림 는 모재의 량과 고온 균열의. 3.1.3.8 C, P, S

관계를 나타낸 것으로 탄소가 이하에서는 함량이 이상으로 되면0.2% (S+P) 0.04%

균열이 발생하지만 탄소가 이상에서는 함량이 이상에서 발생, 0.3% (S+P) 0.02%

한다 이것은 탄소량이 를 넘으면 용융금속중 의 함유량은 미만인. 0.18% y H S 0.18%

경우에 비해서 상당히 높게 되어 응고시 가 용접금속의 결정입계에 편석하여P, S

입계의 융점을 저하시키기 때문이다.49) 고온 균열의 방지방법으로서는 용접속도를

느리게 하여 고액 공존영역을 감소시켜 균열발생을 억제하는 방법이 일반적이

다.50,49,51)

그림 탄소강의 전자빔 용적부 고온 균열과그림 탄소강의 전자빔 용적부 고온 균열과그림 탄소강의 전자빔 용적부 고온 균열과그림 탄소강의 전자빔 용적부 고온 균열과3.1.3.8 C, P, S3.1.3.8 C, P, S3.1.3.8 C, P, S3.1.3.8 C, P, S

및 비드Undercut humping③

비교적 고속의 전자빔 용접에서는 용접 표면에 이나 등의 결함이undercut humping

발생하게 되며 박판의 경우에는 용접금속이 연속되지 않아 비드를 형성할 수 없는

경우도 있다 그림 은 연강의 고속 용접시에 있어서 의 한계를 나. 3.1.3.9 humping

타내는 것으로 빔 전류를 높여 깊은 용입이 될 수록 의 한계속도는 저속으humping

로 이동한다 의 방지방법으로서는 그림 과 같이 고속인 용융. Humping 3.1.3.10

의 흐름을 억제하는 빔 방법 혹은 용융 의 불안정성을 해소하pool tandem 52), pool

기 위하여 그림 과 같이 홈 형태의 용접 를 이용하는 방법3.1.3.11 groove 53)등이 제

안되고 있다.

빔 편향④

전자빔 용접에서는 강재가 가지는 잔류자장에 의한 범 편향 및 이종재료에 발생하

는 열기전력에 기인하는 자장에 의해 빔이 용접 를 벗어나게 되는 소위 빔groove

편향이 생기게 된다 그림( 3.1.3.12)54) 잔류자기에 의한 빔 편향은 탈자를 완전히.

하는 것으로 제거할 수 있지만 피가공물의 크기가 클수록 판 두께가 두꺼울수록,

탈자는 어렵다.55)

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또한 이종재료의 용접시에 열기전력의 차이에 의하여 전자빔 조사의 고온부와 후방

의 접합 저온부 사이에 대전류가 유도되어 그 자계로 전자빔이 편향되게 된다 이.

러한 편향를 방지하기 위해서는 발생자계의 계측을 통하여 그와 반대방향의 자계를

걸어주거나 등의 강자성체로 전자빔 진행로에 이종재료에 의해 발생하는 자계를Ni

차폐하는 방법 등이 제안되고 있다.

그림 험핑 비드와 언더컷 발생특성그림 험핑 비드와 언더컷 발생특성그림 험핑 비드와 언더컷 발생특성그림 험핑 비드와 언더컷 발생특성3.1.3.93.1.3.93.1.3.93.1.3.9

그림 비드형성기구 탄뎀 용접그림 비드형성기구 탄뎀 용접그림 비드형성기구 탄뎀 용접그림 비드형성기구 탄뎀 용접3.1.3.10 ( )3.1.3.10 ( )3.1.3.10 ( )3.1.3.10 ( )

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즉 발생하는 자장중 표면에 흐르는 자장은 자기 차폐판, 56)의 사용으로 제거할 수

있지만 용접 내면에 대해서는 효과가 없다 따라서 이들 자장의 영향을 완groove .

전히 제거하기 위하여 모재의 온도를 점 부근까지 상승시키는 방법을 사용하curie

고 있다 일반적으로 전자빔의 가속전압이 높을 수록 편향은 작게 된다. .

그림 험핑비드 형성 방지 방법그림 험핑비드 형성 방지 방법그림 험핑비드 형성 방지 방법그림 험핑비드 형성 방지 방법3.1.3.113.1.3.113.1.3.113.1.3.11

그림 이종 금속용 접의 편향 발생그림 이종 금속용 접의 편향 발생그림 이종 금속용 접의 편향 발생그림 이종 금속용 접의 편향 발생3.1.3.123.1.3.123.1.3.123.1.3.12

및 기공Spike root⑤

부분용입 전자빔 용접에 있어서 선단부 결함이 현저하게 나타나는데 그 발생특성을

용입선단부 위치의 비드 폭5mm (WB 과 결함 발생 특성의 관계로 나타낸 예는 그)

림 3.1.3.1357)과 같다 이 결과에서는 저전압과 고전압 어디에서나 거의 같은 경향.

을 나타내었으며 WB가 이하에서는 기공이나 등의 결함이 발생하고2.2mm spike ,

WB가 를 넘으면 결함이 발생하지 않게 된다 또한2.2mm . WB가 이상이 되3.4mm

면 응고 균열이 발생하기 때문에 용접부 결함 발생은 WB에 크게 의존하고 있음을

알 수 있고 적정조건을 설정함으로서 어느 정도 이러한 결함의 발생을 피할 수 있,

다.

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는 선단부가 불연속으로 상당히 첨예한 용입이 일어나 기공이나 을Spike cold shut

수반하게 되는데 본질적으로 전자빔의 고밀도 특성 때문에 발생하는 것이고, power ,

초점의 위치를 조절하여 밀도를 저하시키는 방법 동시에 용융 폭도 증대한power (

다 이나 빔 을 사용하여 밀도를 저하시키는 방법이 채택되고 있다) oscillation power .

한편 일반적으로 적용되는 방법은 아니지만 를 부분 용입에서 관통용접으로, groove

이음부 설계를 하는 경우도 있다 또한 관통 빔에 의한 내부 손상이 있는 경우. ,

를 설치하도록 설계할 필요가 있다 최근 하기 위해 그림 과damper . spike 3.1.3.14

같은 제어 방법도 제안되고 있으며 그 결과에 대한 일례는 그림 와 같3.1.3.15

다.58)

그림 비드 폭과 용접 결함의 상관성그림 비드 폭과 용접 결함의 상관성그림 비드 폭과 용접 결함의 상관성그림 비드 폭과 용접 결함의 상관성3.1.3.133.1.3.133.1.3.133.1.3.13

그림 스파이크 발생 억제를 위한 피드백제어그림 스파이크 발생 억제를 위한 피드백제어그림 스파이크 발생 억제를 위한 피드백제어그림 스파이크 발생 억제를 위한 피드백제어3.1.3.143.1.3.143.1.3.143.1.3.14

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다 용접부의 성질.

전자빔 용접에서는 다른 아크 용접 등에 비해 용접부가 급열 급냉의 열이력을 받기

때문에 경화성 재료의 경우 상당히 경화하게 된다 이러한 현상을 여러 가지 소재.

에 대해 실험적으로 얻어진 결과를 토대로 전자빔 용접에 대한 탄소당량식이 제안

되고 있는 그림 은 제안된 탄소당량과 경도의 관계를 나타낸 것이다3.1.3.16 .

그림 루트기공과 스파이크 억제그림 루트기공과 스파이크 억제그림 루트기공과 스파이크 억제그림 루트기공과 스파이크 억제3.13.153.13.153.13.153.13.15

이 결과에 의하면 전자빔 용접부 비커스 경도 가 이상이 되면 균열이 발생(Hv) 600

할 가능성이 있다고 제안되고 있다.54) 전자빔 용접부경도 추정식은 여러 가지가 제

안되고 있고 대략적인 경도는 용접조건에 따라 다음식으로 구해질 수 있다.59)

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여기에서 까지의 냉각시간: 800°C~500°C (s)τ

Vb 가속 전압(kV)：

lb 빔 전류(mA)：

υb 용접속도: (cm/min)

hp 용입깊이(cm)：

To 예열 온도( )； ℃

또한 때문에 열영향부의 폭은 입열량이 증가할수록 넓어지지만 기타의 아크 용접에

비해 입열량이 적기 상당히 좁다.

그림 전자빔 용접부 경도와 탄소량그림 전자빔 용접부 경도와 탄소량그림 전자빔 용접부 경도와 탄소량그림 전자빔 용접부 경도와 탄소량3.1.3.163.1.3.163.1.3.163.1.3.16

인성의 간편한 평가법으로서 충격시험이 전자빔 용접에도 적용되지만 용접charpy

부가 극히 경화된 재료에 대해서 이 시험법이 반드시 적정한 평가법이라고 말할 수

없다 전자빔 용접부의 충격시험의 특징으로서 동일 온도에서도 파단경로가 다르고. ,

흡수에너지에 큰 이 발생하게 된다 즉 파단경로가 모재측으로 벗어난scattering . ,

경우에는 크고 방향을 따라서 파단된 경우에는 낮은 값을 나타내게 된다notch .

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이러한 파단경로의 변화는 파단경로 변수(Fp=dB/h, dB 비드 폭 하부의, h notch： ：

두께 및 경화률변수) ( Hv = (Hvδ w-HvB)/HvB, Hvw 용접금속의 경도, Hv： B 모재의 경:

도 로 정리되고 가 클수록 가 작아질수록 파단경로 천이 온도가 고온측으로) Fp , Hvδ

이행하는 경향이 있다 따라서 저온에서 인성을 평가하기 위하여. notch COD(Crack

시험이나 시험 등이 필요하다Opening Displacement) deep notch .

전자빔 용접은 특수한 환경하에서 사용하는 재료에도 그 적용분야를 넓히고 있지만

고온에서 사용되는 재료에 대해서는 용접이음부의 고온특성이 중요하다 소입열로.

용접하여 급열 급냉되는 전자빔 용접에서는 스텐레스강 용접시 문제로 되는 용접쇠

약 의 발생이 적기 때문에 고온배관의 스텐레스강 용접에 전자빔 용접(weld decay)

이 적용되고 있다.

라 전자빔 용접시공.

전자빔 용접은 용융폭이 좁고 깊은 용입을 특징으로 하고 있기 때문에 독특한 결함

이 발생하기 쉽고 정밀용접에 적합한 엄격한 조건설정이나 의 가공이 필요groove

하기 때문 에 여기서는 시공상의 연구개발에 관하여 소개하고자 한다.

용접조건의 설정①

전자빔 용접을 부재의 용접에 적용할 경우에는 용접조건의 설정이 중요하다 그림

3.1.3.1744)에 적정 용접조건 설정을 통한 전자빔용접 부품질보증에 필요한 검토항

목을 나타내었다 용접해야 할 부재의 기본사양을 토대로 사용하는 용접 장치 및.

용접 가 결정된다 또한 부재의 재질에 의한 특성 가 확인되면 다음에 전자