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고밀도 에너지 용접
EBW·LBW·Plasma·ESW/EGW와 Form Factor의 의미
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고밀도 에너지(High Energy Density) 용접의 정의
에너지 밀도가 10⁶ W/cm² 이상으로 매우 좁은 면적에 집중되어 깊고 좁은 용입(keyhole)을 만드는 용접법들. 일반 아크용접(10³~10⁴ W/cm²) 대비 100배 이상 집중도가 높습니다.
에너지 밀도 스펙트럼
| 프로세스 | 에너지 밀도 (W/cm²) | 종횡비 (Depth/Width) | 특징 |
|---|---|---|---|
| SMAW/GMAW | 10³~10⁴ | 1:1 ~ 1:2 | 일반 아크 |
| Plasma | 10⁴~10⁶ | 1:1 ~ 3:1 | 압축 아크 |
| LBW | 10⁵~10⁷ | 5:1 ~ 30:1 | 레이저 |
| EBW | 10⁶~10⁸ | 30:1 ~ 50:1 | 최고 집중도 |
EBW가 가장 높은 에너지 밀도를 가지나 진공 챔버가 필요하고, LBW가 산업 현장에서 가장 보편화되었습니다.
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1. 전자빔용접 (EBW, Electron Beam Welding)
원리 — 고진공 챔버에서 텅스텐 필라멘트를 가열해 열전자 방출 → 그리드 접속 → 양극(Anode)으로 가속 → 집속 코일로 직경 0.1~1mm로 집중 → 편향 코일로 방향 제어 → 모재에 충돌하며 운동에너지가 열에너지로 변환.
진공도: 10⁻⁴ mmHg (High Vacuum) 또는 10⁻² mmHg (Medium Vacuum), 일부 비진공 EBW도 존재.
장점
- 진공으로 산화·질화 無 → 활성 금속(Ti, Mo, Zr, Ta) 용접 가능
- 고융점 금속 용접 가능 (W, Ta 등)
- 이종 금속 용접 가능
- 예열 불필요, 잔류응력 적음
- 입열 적음 → 변형 적음, 정밀 용접
- 두께 0.025~300mm 적용 (가장 넓은 두께 범위)
단점
- 피용접물 크기 제한 (진공 챔버)
- 시설비 高
- 증발 쉬운 금속(Zn, Cd) 부적합
- X-선 방호 필요 (대기압 EBW)
적용: 항공우주(터빈 블레이드), 원자력(연료봉), 정밀 의료기기.
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2. 레이저용접 (LBW, Laser Beam Welding)
원리 — 감압 레이저 가스(CO₂ + N₂ + He) 또는 고체(Nd:YAG, Yb:fiber)에서 유도방출 → 공진기로 평행광 빔 형성 → 집광렌즈로 0.1~0.5mm 스폿 → 모재에 조사.
레이저 종류 비교
| 레이저 | 파장 | 출력 | 특징 |
|---|---|---|---|
| CO₂ | 10.6 µm | ~ 50 kW | 거울 전송, 광섬유 불가, 효율 ↓ |
| Nd:YAG | 1.06 µm | ~ 10 kW | 광섬유 전송, 금속 흡수율 ↑ |
| Fiber (Yb) | 1.07 µm | ~ 100 kW | 현 주력, 광섬유 직접 전송, 효율 30%↑ |
| Disk | 1.03 µm | ~ 16 kW | 고출력+고품질 빔 |
장점
- 고에너지 밀도 → 열변형 최소
- 비금속 가공도 가능
- 거울로 빔 방향 제어 → 로봇 통합 용이
- X-선 無
- 대기 중에서도 가능
단점
- 에너지 변환 효율 낮음 (CO₂ 10%, Fiber 30%)
- 반사율 높은 재료(Cu, Al) 흡수 어려움 → 파장 단축 또는 표면 처리 필요
- 초기 투자비 高
적용: 자동차 차체(테일러드 블랭크), 배터리 셀, 의료기기, 정밀 가공.
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3. 플라즈마 아크 용접 (PAW, Plasma Arc Welding)
원리 — 기체를 수천℃로 가열하면 가스 원자가 원자핵과 전자로 유리(+, −이온 상태) → 플라즈마 상태. 수냉 노즐로 압축 + 열적 핀치 효과로 고에너지 밀도 아크 생성.
2종 분류
| 종류 | 전류 회로 | 특징 | 적용 |
|---|---|---|---|
| 이행형(Transferred Arc) | 모재가 양극 (전류가 모재로 흐름) | 용입 깊음, 효율↑ | 금속 용접·절단 |
| 비이행형(Non-Transferred) | 노즐이 양극 (모재에 전류 흐르지 않음) | 비도전성 가공 가능 | 용사(Spray), 비금속 절단 |
TIG vs Plasma 용입 비교 — 동일 전류·전압 조건에서:
- TIG: 종횡비 1:2 (얕고 넓음)
- Plasma: 종횡비 3:1~5:1 (깊고 좁음) — Keyhole Mode 가능
Keyhole Plasma: 두께 6~10mm 강판을 1패스로 관통 가능, X-ray 품질 비드.
Micro Plasma: 0.1A 이하 초저전류로 박판(0.05mm) 용접 가능.
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4. 일렉트로 슬래그/가스 용접 (ESW/EGW) — 수직 후판 전용
ESW (Electro Slag Welding) — 전극 → 모재 → 슬래그(용융 플럭스)로 전류가 흐르고, 슬래그의 저항 발열로 용가재와 모재를 용융. 아크 무, 슬래그가 보호 + 발열원.
EGW (Electro Gas Welding) — ESW와 유사하나 아크와 CO₂/Ar+CO₂ 가스 보호로 진행. 중판(40~50mm)에 효율적.
공통 조건
- 수직 자동 용접 전용
- 수냉 동판(Dam)으로 양면 형성
- DCRP, 와이어 1.6~3.2mm
- 모재 두께 10~100mm (EGW), 50mm 이상 (ESW)
ESW 예시 조건 (모재 30~40mm I형 맞대기):
- Wire 3.2mm, Root Gap 1.2mm
- 용접속도 3~5mm/hr
- 전류 550~650A, 전압 30~35V
- CO₂ 유량 15~20 L/min
- Wire stickout 30~40mm
적용: 압력용기, 선체, 후판 거더, 거대 단조 부재.
**Form Factor — ESW의 핵심 변수** Form Factor = **최대 용융 폭 ÷ 최대 용융 깊이** 응고 시 용융 풀의 형상이 결정 응고 방향을 결정하며, 이는 **중앙선 균열(Centerline Cracking)** 발생률에 직결됩니다. | Form Factor | 풀 형상 | 응고 방향 | 균열 위험 | |---|---|---|---| | **0.8 이하** (좁고 깊음) | 깊은 V형 | 양측에서 중앙으로 만남 | **× 매우 위험** (낮은 입열 회피) | | **1.5 이상** (넓고 얕음) | 얕은 U형 | 바닥에서 위로 응고 | ◎ 안전 | **0.8 형성 조건**: 높은 전류·낮은 전압·긴 wire stickout → 회피 필요. **1.5 형성 조건**: 낮은 전류·전압·짧은 stickout → 권장.
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고밀도 에너지 용접 선택 가이드
| 요구사항 | 최적 프로세스 |
|---|---|
| 초정밀 + 활성/고융점 금속 | EBW |
| 로봇 자동화 + 다양한 두께 | LBW (Fiber) |
| 박판~중판 고품질 (1~10mm) | PAW Keyhole |
| 후판 수직 1패스 (50mm+) | ESW |
| 중판 수직 (10~50mm) | EGW |
| 0.05mm 박판 정밀 | Micro Plasma |
경제성 vs 품질 그래프
EBW = 최고 품질·최고 비용 → 항공우주·원자력만
LBW Fiber = 균형, 자동차·일반 산업에서 가장 빠르게 확산
PAW = 중간 비용, 정밀 용접의 표준
ESW/EGW = 후판 전용, 1패스로 시간·비용 절감
1
프로세스 선정 — 두께·재질·환경
두께 < 1mm·정밀 → LBW/Micro Plasma. 두께 1~10mm 고품질 → PAW. 후판 수직 → ESW/EGW. 활성/희귀금속 → EBW. 자동화 라인 → LBW(Fiber).
2
환경 셋업 — 진공/가스/차폐
EBW: 챔버 진공도 확인(10⁻⁴ mmHg). LBW: 보호가스(Ar/He) 노즐 정렬, **레이저 안전 차폐**(레벨 4 차광경). PAW: 오리피스 가스 + 보호 가스 듀얼 유량. ESW/EGW: 수냉 동판 정렬, root gap 1~2mm.
3
파라미터 설정 + 패스 트라이얼
빔 출력·이송속도·초점 위치를 시편으로 트라이얼 → 단면 검사로 종횡비·결함 확인. ESW는 **Form Factor 1.5 이상** 목표 (저전류·저전압·짧은 stickout).
4
본용접 + 비파괴검사
실 용접 수행 → RT/UT로 내부 결함 검사. EBW/LBW는 가는 균열·기공이 종종 발생하므로 단면 매크로 검사 병행. ESW는 입열이 매우 커서 HAZ 인성 저하 → 인성 요구 시 후 NORMALIZING 검토.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
EBW(전자빔용접)의 가장 큰 장점은?