전자빔 용접

Electron-beam welding
키홀 전자빔 용접 예시: 1) 물체, 2) 전자빔, 3) 키홀, 4) 용접.

전자빔 용접(EBW)은 고속 전자 빔을 두 가지 재료에 적용시켜 접합시키는 융접 공정이다.이 공작물들은 충격에 따라 전자의 운동 에너지가 열로 변환되면서 함께 녹고 흐른다.EBW는 종종 전자빔의 분산을 방지하기 위해 진공 상태에서 수행된다.

역사

전자빔 용접은 1949년 독일의 물리학자 칼 하이네스 슈타이거왈드에 의해 개발되었는데,[1] 그는 당시 다양한 전자빔 용도에 대해 연구 중이었다.스티거왈드는 1958년 가동을 시작한 최초의 실용적인 전자빔 용접기를 구상하고 개발했다.[2]미국의 발명가 제임스 T. 러셀은 또한 최초의 전자빔 용접기를 설계하고 만든 공로를 인정받았다.[3][4][5]

전자빔 용접기
깊이 좁은 용접

전자빔 난방의 물리학

전자는 질량 m = 9.1 · 10−31 kg과 음전하 e = 1.6 · 10−19 C를 가진 기본 입자다.그것들은 원자핵에 묶여 있거나, 금속의 원자 격자 속의 전도 전자 또는 진공상태의 자유 전자로서 존재한다.

진공 상태의 자유 전자는 전기장과 자기장에 의해 경로를 제어하면서 가속될 수 있다.이렇게 해서 높은 운동 에너지를 전달하는 전자의 좁은 빔이 형성될 수 있는데, 고형분 원자와 충돌하면 운동 에너지가 열로 변한다.전자빔 용접은 다음을 수반하기 때문에 뛰어난 용접 조건을 제공한다.

  • 전자를 매우 빠른 속도로 가속시킬 수 있는 강한 전기장.따라서 전자 빔은 빔 전류와 가속 전압의 산물과 같은 높은 전력을 전달할 수 있다.빔 전류와 가속 전압을 증가시킴으로써 빔 출력을 실질적으로 원하는 값으로 증가시킬 수 있다.
  • 마그네틱 렌즈를 사용하여 빔을 좁은 원뿔 모양으로 만들고 매우 작은 직경에 초점을 맞출 수 있다.이를 통해 표면의 매우 높은 표면 출력 밀도를 용접할 수 있다.빔의 교차(초점)에서 출력 밀도의 값은 10~10 W4/mm까지일62 수 있다.
  • 100분의 1 밀리미터의 순서로 얕은 침투 깊이.이것은 매우 높은 체적 전력 밀도를 허용하며, 이는 10~10W57/mm의3 값에 도달할 수 있다.따라서 이 부피의 온도는 108~10K10/s로 매우 빠르게 증가한다.

전자빔의 효과는 많은 요인에 달려 있다.가장 중요한 것은 용접할 재료의 물리적 특성, 특히 저압 조건에서 용해하거나 기화시킬 수 있는 용이성이다.전자빔 용접은 공정 중 증발이나 비등 등으로 인한 재료 손실도 고려해야 할 정도로 강도가 높을 수 있다.표면 출력 밀도의 낮은 값(약 103 W/mm2 범위)에서 증발에 의한 재료 손실은 대부분의 금속에서 무시할 수 있으며, 이는 용접에 유리하다.높은 전력 밀도에서 빔의 영향을 받는 물질은 매우 짧은 시간에 완전히 증발할 수 있다; 이것은 더 이상 전자 빔 용접이 아니라 전자 빔 가공이다.

빔 형성

음극 - 자유 전자의 소스
텅스텐 필라멘트 음극: a) 리본 b) 헤어핀

전도 전자(원자의 핵에 결합되지 않은 것)는 가우스의 법칙과 온도에 따라 분포된 속도를 가진 금속의 결정 격자 안에서 움직인다.그들은 운동 에너지(eV 단위)가 금속 표면의 잠재적 장벽보다 높지 않으면 금속을 떠날 수 없다.이 조건을 충족시키는 전자의 수는 리처드슨의 법칙에 따라 금속의 온도가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가한다.

전자빔 용접기의 전자 공급원으로서 재료는 다음과 같은 특정 요건을 충족해야 한다.

  • 빔에서 높은 출력 밀도를 달성하려면 방출 전류 밀도[A/mm2], 즉 작업 온도가 가능한 한 높아야 한다.
  • 증발을 진공에서 낮게 유지하기 위해 재료는 작업 온도에서 충분한 증기 압력을 가지고 있어야 한다.
  • 방출기는 기계적으로 안정되어야 하며 진공 대기에 존재하는 가스(산소, 수증기 등)에 화학적으로 민감하지 않아야 하며 쉽게 구할 수 있어야 한다.

이러한 조건과 다른 조건들은 방출체에 대한 물질의 선택을 용해점이 높은 금속으로 제한하며, 실질적으로 탄탈룸과 텅스텐의 두 가지로만 제한한다.텅스텐 음극으로 약 100mA/mm의2 방출 전류 밀도를 달성할 수 있지만, 양극에 의해 생성되는 전기장과 전극 전압을 제어하는 전기장에 따라 방출된 전자의 극히 일부만이 빔 형성에 참여한다.전자빔 용접기에서 가장 많이 사용되는 음극의 유형은 그림 1a와 같이 두께가 약 0.05mm인 텅스텐 스트립으로 만들어진다.스트립의 적절한 폭은 방출 전류의 최고 요구 값에 따라 달라진다.빔 파워의 낮은 범위의 경우, 최대 약 2 kW까지, w=0.5 mm의 폭이 적당하다.

전자 가속도, 전류 제어

빔 생성기

음극에서 방출되는 전자는 매우 낮은 에너지를 가지고 있으며, 단지 몇 개의 eV만 가지고 있다.필요한 고속 속도를 제공하기 위해 방출체와 다른 방출체, 양극 충전 전극, 즉 양극 사이에 가해지는 강한 전기장에 의해 가속된다.가속장 또한 전자를 탐색하여 축을 중심으로 좁게 수렴되는 "번들"을 형성해야 한다.이는 방출 음극 표면 가까이에 있는 전기장에 의해 달성될 수 있으며, 이 전기장은 축 구성 요소뿐만 아니라 방사형 추가가 있어 전자를 축 방향으로 강제한다.이러한 효과 때문에, 전자 빔은 양극에 가까운 평면에서 어떤 최소 직경으로 수렴된다.

실용적인 적용을 위해 전자 빔의 힘은 물론 조절 가능해야 한다.이것은 첫 번째 음극에 대해 음극으로 충전된 다른 음극에 의해 생성된 또 다른 전기장에 의해 달성될 수 있다.

최소한 전자총의 이 부분은 "높은" 진공으로 대피해야 하며, 음극과 방전물의 출현을 "태우는" 것을 방지해야 한다.

포커싱

양극을 떠난 후, 다이버전트 전자 빔은 금속을 용접하기에 충분한 전력 밀도를 가지지 못하고 집중되어야 한다.이것은 원통형 코일의 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 이루어질 수 있다.

마그네틱 렌즈

회전 대칭 자기장이 전자의 궤도에 미치는 초점 효과는 자기장이 움직이는 전자에 미치는 복잡한 영향의 결과물이다.이 효과는 전기장과 전자 속도 v의 유도 B에 비례하는 힘이다.유도a B의r 방사성 성분과 속도 v의 축성 성분의 벡터 산출물은 그러한 벡터에 수직인 힘으로서 전자가 축을 중심으로 움직이게 한다.동일한 자기장에서 이 동작의 추가 효과는 축에 방사적으로 F 방향의 또 다른 힘이며, 이는 자기 렌즈의 초점 효과를 담당한다.자석렌즈에서 전자의 결과 궤적은 나선과 비슷한 곡선이다.이러한 맥락에서 초점 길이의 변화(배출 전류)가 빔 단면의 약간의 회전을 유발한다는 점을 언급해야 한다.

보 편향 시스템

보정 및 편향 코일

위에서 언급한 바와 같이 빔 스폿은 용접할 조인트와 관련하여 매우 정밀하게 배치되어야 한다.이것은 일반적으로 전자총에 관해서 공작물을 이동시킴으로써 기계적으로 이루어지지만, 때로는 빔을 비껴쓰는 것이 바람직하다.포커싱 렌즈 뒤쪽의 포커싱 축 주위에 대칭으로 위치하여 포커싱 렌즈에 수직인 자기장을 생성하는 4개의 코일 시스템이 이러한 목적을 위해 사용된다.

TV CRT나 PC 모니터에서 가장 적절한 편향 시스템을 사용하는 데에는 보다 현실적인 이유가 있다.이는 필요한 전자제품뿐만 아니라 디플렉팅 코일 모두에 적용된다.그러한 시스템은 위에서 언급한 위치설정을 위한 빔의 "정적" 편향뿐만 아니라 컴퓨터에 의한 빔 스폿 위치의 정밀하고 빠른 동적 제어를 가능하게 한다.이를 통해 예를 들어 복잡한 기하학의 관절을 용접하고 TV 또는 PC 모니터에 작업실에 있는 물체의 이미지를 합성할 수 있다.

두 가지 가능성은 모두 전자빔 용접 작업에서 많은 유용한 용도를 발견한다.

용접 중 전자빔 침투

전자빔이 깊고 좁은 용접을 할 수 있는 능력을 설명하려면 '침입'의 과정을 설명해야 한다.우선, "단일" 전자에 대한 과정을 고려할 수 있다.

전자의 침투

빔에서 나온 전자가 고체의 표면에 충격을 줄 때, 그 중 일부는 반사될 수 있다("백스캐터링" 전자로서), 다른 것들은 고체의 입자와 충돌하는 표면을 관통한다.비탄성 충돌에서는 운동 에너지를 잃는다.이론적으로나 실험적으로나 그들이 모든 운동 에너지를 열로 전달하기 전에 표면 아래의 아주 작은 거리만 "이동"할 수 있다는 것이 증명되었다.이 거리는 초기 에너지에 비례하고 고체의 밀도에 반비례한다.용접 작업 시 통상적인 조건에서 "이동 거리"는 100분의 1mm의 순서에 따른다.이 사실만으로도 특정 조건에서는 빠른 빔 침투가 가능하다.

전자빔의 침투

단일 전자의 열 기여도는 매우 작지만 전자는 매우 높은 전압에 의해 가속될 수 있으며, 그 수(빔 전류)를 증가시킴으로써 빔의 힘을 원하는 값으로 증가시킬 수 있다.빔을 고체 물체의 표면에 있는 작은 직경에 집중시킴으로써, 10에서4 107 W/mm까지의2 평면 전력 밀도 값에 도달할 수 있다.위에서 설명한 바와 같이 전자는 고체의 매우 얇은 층에서 에너지를 열로 전달하기 때문에 이 부피에서의 전력 밀도는 극히 높을 수 있다.전자의 운동 에너지가 열로 변환되는 작은 체적 내 힘의 부피 밀도는 105~10W7/mm의3 순서에 도달할 수 있다.따라서 이 부피의 온도는 108~10K9/s만큼 매우 빠르게 증가한다.

그러한 상황에서 전자빔의 효과는 몇 가지 조건에 따라 달라지는데, 우선 물질의 물리적 특성에 따라 달라진다.어떤 물질이든 아주 짧은 시간에 녹이거나 심지어 증발할 수 있다.조건에 따라, 증발 강도는 무시할 수 있는 것에서부터 필수적인 것까지 다양할 수 있다.표면 출력 밀도의 낮은 값(약 103 W/mm2 범위)에서 증발에 의한 재료 손실은 대부분의 금속에서 무시할 수 있으며, 이는 용접에 유리하다.높은 전력 밀도에서 빔의 영향을 받는 물질은 매우 짧은 시간에 완전히 증발할 수 있다; 이것은 더 이상 전자 빔 용접이 아니라 전자 빔 가공이다.

전자빔 적용 결과

다양한 형태의 녹은 구역

빔 적용 결과는 다음과 같은 몇 가지 요인에 따라 달라진다.용접 기술에서 전자빔의 많은 실험과 무수한 실용적 적용은 빔의 효과, 즉 빔의 영향을 받는 구역의 크기와 모양이 다음에 따라 달라진다는 것을 증명한다.

  1. 빔 전력 – 빔 [W]의 출력은 가속 전압[kV]과 빔 전류[mA]의 산물이며, 파라미터는 쉽게 측정할 수 있고 정밀하게 제어할 수 있다.출력은 일반적으로 접근 가능한 최고치인 일정한 가속 전압에서 빔 전류에 의해 제어된다.
  2. 전력 밀도(빔의 초점) – 시험편과 함께 빔 발생 지점에서의 전력 밀도는 음극상 전자원의 크기, 가속 전기 렌즈와 포커싱 자기 렌즈의 광학적 품질, 빔의 정렬, 가속 전압의 값, 초점 렌즈의 크기와 같은 요인에 따라 달라진다.gth. 이러한 모든 요소(초점 길이 제외)는 기계의 설계에 따라 달라진다.
  3. 용접 속도 – 용접 장비는 예를 들어 2 ~ 50 mm/s 사이의 넓은 한계에서 빔에 대한 공작물의 상대적인 이동 속도를 조정할 수 있어야 한다.
  4. 재료 특성
  5. 조인트의 형상(모양 및 치수)

빔의 최종 효과는 이러한 매개변수의 특정 조합에 따라 달라진다.

  • 낮은 전력 밀도 또는 매우 짧은 시간에 걸쳐 빔의 작용은 얇은 표면층만 녹이게 된다.
  • 탈구화된 빔은 침투하지 않으며, 낮은 용접 속도의 재료는 표면으로부터의 열 전도만으로 가열되어 반구형 녹은 영역을 생성한다.
  • 높은 전력 밀도와 저속에서는 더 깊고 약간 원뿔형 용해 구역이 생성된다.
  • 매우 높은 출력 밀도의 경우, 빔(잘 집중된)은 총 전력에 비례하여 더 깊이 침투한다.

용접 프로세스

용접막

용접성

박벽 부품의 용접에는 일반적으로 적절한 용접 보조 기구가 필요하다.이들의 구조는 부품의 완벽한 접촉을 제공하고 용접 중에 부품의 움직임을 방지해야 한다.일반적으로 주어진 공작물에 대해 개별적으로 설계해야 한다.

모든 재료가 진공상태에서 전자빔에 의해 용접될 수 있는 것은 아니다.이 기술은 아연, 카드뮴, 마그네슘, 사실상 모든 비금속과 같이 용해 온도에서 증기압이 높은 물질에는 적용할 수 없다.

용접성에 대한 또 다른 제한사항은 높은 냉각 속도와 같이 용접 프로세스에 의해 유발되는 재료 특성 변화일 수 있다.이 문제에 대한 상세한 논의가 이 글의 범위를 넘어서기 때문에 독자는 적절한 문헌에서 더 많은 정보를 찾을 것을 권고한다.[2]

티타늄-알루미늄 접합부

서로 다른 재료 결합

두 금속 구성 요소를 용접하여 결합하는 것, 즉 두 재료가 부서지기 쉬운 금속 간 화합물의 생성으로 인해 합금과 매우 다른 특성을 갖는 경우 접합부 근처에서 두 금속 구성 요소를 녹이는 것이 종종 불가능하다.진공상태에서 전자빔 가열로도 이러한 상황은 바뀔 수 없지만, 그럼에도 불구하고 기계적인 소형성에 대한 높은 수요에 부응하고 완벽하게 진공상태인 관절을 실현할 수 있게 한다.주된 접근방식은 두 부분을 모두 녹이는 것이 아니라 녹는점이 낮은 부분만 녹이는 것이고 다른 부분은 고체 상태를 유지하는 것이다.전자빔 용접의 장점은 난방을 정확한 지점까지 국소화하고 공정에 필요한 에너지를 정확히 제어할 수 있다는 점이다.고진공 대기는 실질적으로 긍정적인 결과에 기여한다.이러한 방식으로 조인트 시공에 대한 일반적인 규칙은 용융점이 낮은 부분이 빔에 직접 접근할 수 있어야 한다는 것이다.

가능한 문제 및 제한 사항

용접 균열

빔에 녹은 물질은 고체화 후 냉각 시 수축되며, 조건에 따라 균열, 변형, 형상 변화 등의 원치 않는 결과를 초래할 수 있다.

두 판의 버트 용접은 용접의 뿌리보다 머리에서 더 많은 재료가 용해되었기 때문에 용접이 구부러지는 결과를 초래한다.이 효과는 물론 아크 용접의 경우만큼 크지 않다.

또 다른 잠재적 위험은 용접부의 균열 발생이다.두 부품이 모두 경직된 경우 용접부의 수축은 용접에 높은 응력을 발생시켜 재료가 부서지기 쉬울 경우(용접에 의해 재용한 후에만) 균열을 초래할 수 있다.용접할 부품을 제작할 때 용접 수축의 결과를 항상 고려해야 한다.

전자빔 용접 장비

전자빔 용접기

1958년 슈타이거왈드가 최초로 실용화된 전자빔 용접장비를 발간한 이래 용접을 적용할 수 있는 공학 전 분야에 전자빔 용접이 급속도로 확산되어 왔다.다양한 요건을 충족하기 위해 시공, 작업 공간 용적, 공작물 조작기 및 빔 전력에서 서로 다른 수많은 용접기 유형이 설계되었다.용접 용도로 설계된 전자빔 발전기(전자기총)는 몇 와트부터 약 100 킬로와트까지의 전력으로 빔을 공급할 수 있다.소형 구성 요소의 "마이크로 용접"은 물론 최대 300mm(또는 필요한 경우 더 많이)까지 심층 용접을 실현할 수 있다.다양한 디자인의 진공 작업실은 몇 리터의 부피에 불과할 수도 있지만, 부피 수백 입방미터의 진공 격실도 지어졌다.

특히 이 장비는 다음과 같이 구성된다.

  1. 전자총이 전자빔을 생성해서
  2. 작업실은 대부분 "낮음" 또는 "높음" 진공상태로 대피했고
  3. 공작물 조작기(위치 고정 메커니즘),
  4. 전원 공급 및 제어 및 모니터링 전자 장치

전자총

전자총에서 자유 전자는 뜨거운 금속 띠(또는 철사)로부터 열 방출에 의해 얻는다.그런 다음 전자 방출 스트랩, 고전압(가속) 전압 전원 공급기의 음극에 연결된 음극(30~200kV)과 양극인 양극의 세 전극에 의해 생성된 전극에 의해 가속되어 좁은 수렴 빔으로 형성된다.세 번째 전극이 음극과 관련하여 음극으로 충전되어 있으며, 이를 웨넬트 또는 제어 전극이라고 한다.그것의 음전위는 가속장, 즉 전자빔 전류로 들어가는 방출 전자의 부분을 제어한다.

양극 입구를 통과한 후 전자는 약간 다른 원뿔을 타고 일정한 속도로 움직인다.기술적 응용을 위해 다이버전트 빔은 초점을 맞추어야 하며, 이것은 코일의 자기장, 즉 자기 초점 렌즈에 의해 실현된다.

전자총의 적절한 기능을 위해서는 가속 전기렌즈 및 자기초점렌즈의 광학축에 대하여 빔을 완벽하게 조절할 필요가 있다.이것은 초점 렌즈 이전의 광학 축에 수직인 강도와 특정한 방사 방향의 자기장을 적용함으로써 이루어질 수 있다.이것은 보통 두 쌍의 코일로 구성된 간단한 교정 시스템에 의해 실현된다.이러한 코일의 전류를 조정함으로써 필요한 보정 필드를 생성할 수 있다.

포커싱 렌즈를 통과한 후 빔을 직접 또는 편향 시스템에 의해 굴절된 후 용접을 위해 적용할 수 있다.이것은 각 X와 Y 방향마다 하나씩 두 쌍의 코일로 구성된다.이것들은 "정적" 또는 "동적" 편향에 사용될 수 있다.정적 처짐은 용접에 의한 빔의 정확한 위치에 유용하다.동적 편향은 컴퓨터가 제어할 수 있는 편향 코일에 전류를 공급함으로써 실현된다.이것은 표면 경화 또는 어닐링, 정확한 빔 위치 조정 등과 같은 전자 빔 용도에 대한 새로운 가능성을 열어준다.

빠른 처짐 시스템도 영상화 및 판화를 위해 적용할 수 있다(적절한 전자제품이 제공되는 경우).이 경우 장비는 스캔 전자현미경처럼 작동하며 분해능은 약 0.1mm(빔 직경으로 제한됨)이다.유사한 모드에서 미세한 컴퓨터 제어 빔은 얇은 표면층을 녹여 금속 표면에 그림을 "쓰기"하거나 "그릴" 수 있다.

워킹 챔버

1950년대 말 최초의 전자빔 용접기가 등장한 이래 전자빔 용접의 적용은 모든 고도로 발달한 국가에서 산업과 연구로 급속히 확산되었다.지금까지, 다양한 종류의 전자빔 장비들이 셀 수 없이 많이 설계되고 실현되었다.대부분 용접은 고진공 또는 저진공 환경에서 작동하는 진공실에서 이루어진다.

진공 작업실은 몇 리터부터 수백 입방미터까지 원하는 부피를 가질 수 있다.그들은 전자빔에 필요한 전력을 최대 100 kW까지, 또는 필요하다면 더 많은 전력을 공급하는 전자총을 제공할 수 있다.마이크로 전자 빔 장치에서는 밀리미터의 10분의 1의 치수를 가진 구성품을 정밀하게 용접할 수 있다.충분한 전력을 가진 전자빔을 가진 용접기에서 최대 300mm 깊이의 용접을 실현할 수 있다.

또한 전자빔을 진공에서 대기로 끌어내는 용접 기계도 있다.그러한 장비로는 큰 작업실 없이 매우 큰 물체를 용접할 수 있다.

공작물 조작기

전자빔 용접은 항상 강한 X방사선이 존재하기 때문에 진공에서 실현되지 않더라도 결코 "수동 조작"될 수 없다.빔과 공작물의 상대적 움직임은 공작물의 회전 또는 선형 이동에 의해 가장 자주 달성된다.어떤 경우에는 컴퓨터가 제어하는 편향 시스템의 도움을 받아 빔을 움직여 용접을 실현한다.공작물 조작기는 대부분 용접 장비의 특정 요건을 충족하도록 개별적으로 설계된다.

전원 공급 및 제어 및 모니터링 전자 장치

전자빔 장비는 빔 발생기에 적합한 전원을 공급받아야 한다.가속 전압은 30 kV와 200 kV 사이에서 선택할 수 있다.보통 다양한 조건에 따라 60~150kV 정도 된다.전압 상승과 함께 기술 문제와 장비 가격이 급격히 증가하므로 가능할 때마다 약 60 kV의 낮은 전압을 선택해야 한다.고전압 공급의 최대 전력은 필요한 용접의 최대 깊이에 따라 달라진다.

또한 고전압 장비는 음극 가열 시 5V 이상의 저전압과 제어 전극의 경우 최대 1000V의 음전압을 공급해야 한다.

전자총은 보정계통, 포커싱렌즈, 편향계통에도 저전압 공급이 필요하다.마지막으로 언급된 것은 컴퓨터 제어 이미지, 판화 또는 유사한 빔 애플리케이션을 제공하는 것이라면 매우 복잡할 수 있다.

공작물 조작기를 제어하기 위해서도 복잡한 전자제품이 필요할 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ "Research paper: Electron beam welding – Techniques and trends – Review". Archived from the original on 2017-04-13.
  2. ^ a b Schultz, Helmut (1993). Electron beam welding. Cambridge, England: Woodhead Publishing/The Welding Institute. ISBN 1-85573-050-2.
  3. ^ Brier Dudley (2004-11-29). "Scientist's invention was let go for a song". The Seattle Times. Retrieved 2014-07-24.
  4. ^ "INVENTOR AND PHYSICIST JAMES RUSSELL '53 WILL RECEIVE VOLLUM AWARD AT REED'S CONVOCATION" (Press release). Reed College public affairs office. 2000. Retrieved 2014-07-24.
  5. ^ "Inventor of the Week - James T. Russell - The Compact Disc". MIT. December 1999. Archived from the original on April 17, 2003.

외부 링크