전자 빔 용접의 장점

전자 빔을 통한 용접이 독일에서는 한때 무시되는 경향이 있었다. 너무 복잡하기 때문인데, 한 업체가 이런 의구심에 근거가 없다는 사실을 밝혔다.

Dr. 토스텐 뢰버(Thorsten Löwer): Pro-beam AG & Co. KgaA 개발 및 시스템 기술 책임자

독일에서 EB(Electron Beam, 전자 빔 용접) 기술은 아시아 기업들과 달리 설계자들과 제품 매니저들에 의해 거절당하기 일쑤였다. 일반적으로 너무 복잡하다고 생각했기 때문이다. 하지만 이 기술은 디지털화 범위에서 지난 몇 년 사이 고도로 현대적인 기술로 발전하였다. 소프트웨어와 CNC 분야의 광범위한 혁신으로 다양한 용접 과제를 생산적이고 경제적으로 정밀하게 실현할 수 있게 되었다.

자동차 산업과 같이 택트 타임이 짧은 분야와 항공 우주 분야 및 대형 연구 프로젝트같이 속도와 정밀성이 핵심인 분야에서 이 기술이 보편화되고 있다. 밸브 디스크, 터빈 그리고 톤 단위의 대형 스틸 보일러 접합에 주로 사용하고 있으며, 설계자들은 전자 빔 용접이 아크 용접과 달리 과제가 프로세스를 결정하기 때문에 지금까지 없었던 자유가 주어져 이 접합 기술의 혜택을 누릴 수 있다.

전자 빔 용접 전혀 복잡하지 않다

위 예시는 전자 빔으로 안전하고 정밀하게 용접할 수 있는 재료의 극히 일부분이다.

전자 빔 용접은 가열된 음극이 먼저 자유 전자구름을 형성한다. 일반적으로 전자는 원자에 고정되게 결합되어 있지만 에너지가 공급되면 격자에서 분리된다. 전자가 전기장에 의해 양극 방향으로 가속화되면 전자기 렌즈가 자유 전자로부터 집속된 빔을 형성한다. 이때 이 빔 속도는 광속의 1/3 ~ 2/3 속도에 도달한다. 전자가 재료에 부딪히면 그 지점에 열을 방출하고, 주변 물질은 차갑게 유지된다. 107 W/cm²의 에너지 밀도에서 용융된 성분이 중심부에서 기화된다. 액상 물질에 의해 둘러싸이는 증기로부터 모세관이 형성된다.   

전체 용접 절차는 로드록 셔틀 시스템(load lock shuttle system) 또는 대형 챔버에서 진공 상태로 이루어진다. 지능형 로드록 컨셉트는 진공 생성이 생산 시간에 불리하게 작용하지 않도록 저지한다. 이 진공 덕분에 티타늄, 지르코늄 또는 나이오븀과 같은 난융 금속 가공이 가능하다. 종래의 기술에 비해 진공 상태에서 진행되는 작업은 깔끔한 공작물과 용접심의 우수한 품질로 이어진다.

설계자들을 위한 장점

동시에 전자 빔은 설계자들에게 부품 디자인 과정에서 많은 유연성을 제공한다. 이유는 다양하다. 장점은 개별적인 빔 편향과 관련이 있다. 슬림한 전자 빔이 높은 에너지 밀도와 높은 정확도로 재료에 부딪히면, 자기장을 통해 전자 빔을 지능적으로 형성하기 때문에 파워 입력을 정확하게 제어할 수 있다. 따라서 접근하기 어려운 심 가공도 이 방법으로 가능하다. 이로 인해 부품을 설계 단계에서 임의의 형상과 최고의 복잡성으로 실현할 수 있다. 또한 키홀 용접 효과가 경미한 용융지로 깊고 가늘면서 동시에 평행한 용접 심을 만들어낸다. 따라서 응용 스펙트럼은 매우 넓고 초소형 부품 용접에서 톤 단위의 부품 접합까지 이른다.

한 가지 특징이 키홀 용접 효과이다. 용융과 기화를 통해 빔이 모재 깊숙이 침투하여 용융지가 공작물을 관통한다.

설계자에게 용접 라인을 자유롭게 프로그래밍할 수 있다는 것은 창의적인 아이디어를 구현할 수 있는 더 많은 가능성을 제공한다. 또 다른 장점은 재료에 열 유입이 근소하다는 점이다. 이를 바탕으로 가공되는 공작물의 변형이 최소화되고 재료의 기계적, 기술적 품질 가치를 유지하여, 전자 빔을 초저변형 용접 기술이라고 칭할 수 있다. 설계자들은 거의 최종 치수까지 정확하게 설계하여 비용이 많이 들어가는 후작업을 생략할 수 있다. 전자 빔으로 용접되는 구성 요소를 용접 절차 직후 바로 사용하고 장착 가능하기 때문이다.

용접이 가능한 소재 종류가 다양하다는 점도 무시할 수 없다. 설계자들은 다양한 소재의 자유를 활용할 수 있다. 전자 빔으로 거의 모든 금속성 소재를 접합할 수 있고, 알루미늄, 구리, 티타늄, 듀플렉스 강 또는 니켈 베이스 재료들 간의 조합으로 이루어진 많은 혼합 재료와 같이 용접이 어려운 재료들도 접합할 수 있다. 따라서 실질적인 비용이 절감되고 동시에 제조 부품 특성도 개선할 수 있다.

또한 전자 빔 용접은 제조 체인 중 어떤 단계에서도 이루어질 수 있으며, 심지어 마지막 단계에서도 가능하다. 전자 빔 용접은 기계적 최종 가공, 표면 마감 또는 어셈블리 조립과 같은 다른 공정과 충돌하지 않기 때문이다. 또한 지능적인 설계는 값비싼 절삭 작업이나 연마 작업이 필요 없다.

센서 제작에 유리하다

전자 빔 용접의 성공적인 사용 사례는 압력 흐름 센서 제조 프로세스이다. 제조사들은 압력 흐름 센서 제조에 있어 튜브-플랜지 연결부를 정밀 부품에 부착해야 하는 문제가 있어, 이전에는 이를 위해 빔을 수동으로 배치해야 했다. 이 정밀 프로세스는 고도의 집중력이 필요하기 때문에 작업자의 피로와 부주의로 인한 실수를 방지하기 위해 작업자를 자주 교체해야 했다.

전자 빔은 정밀하고 생산적으로 용접한다. 위 그림은 항공기 의자 팔걸이이다. 용접심이 하부에 있고, 팔걸이를 들어 올려야 보인다. 상부는 추후에 패브릭으로 감싼다.

결국 이 공정은 Pro-beam의 전자 빔 기술로 자동화할 수 있었다. 그 이후로 빔은 실질적인 용접 공정 전에 측정 공구의 역할을 한다. 이어서 전자 빔은 용접해야 할 조인트를 100% 디지털로 그리고 Pro-beam이 자체 개발한 소프트웨어를 기반으로 직접 찾는다. 현재 부품은 전자 빔으로 정밀하게 그리고 저변형으로 용접된다. 이를 통해 제조사는 생산성이 향상되고 작업자 입장에서는 스트레스 받는 작업이 없어졌다.