자유전자의 속도와 이동환경

필라멘트(Filament)에 의해 만들어진 자유전자들은 그리드(Grid)에 의해 자유전자의 양(빔전류량)이 조절되면서 용접물에 조사되게 된다. 조사되는 자유전자의 속도는 애노드(Anode)에 걸린 전위차에 의해 결정되며 전위차가 커지면 고속이 되고 작아지면 상대적으로 속도가 낮아진다. 이때 전위차의 크기에 따라 일반적으로 저전압형과 고전압형의 전자빔 용접기로 나눠지게 된다. 애노드(Anode)에 의해 고속도로 가속된 자유전자들(전자빔)은 각종 마그네틱 렌즈(Magnetic Lens)에 의해 방향과 밀도가 조정되면서 용접물에 충돌하게 된다. 이때 필라멘트(Filament)로부터 용접물로 전자가 이동하는 경로를 관찰해보면 전자빔용접 고유의 특이한 행태를 보여주게 된다. 이동하는 전자는 무게가 매우 가벼워 만일 공기 중에서 이동하면 상대적으로 무거운 공기 분자와 충돌하여 산란되고 만다. 따라서 이동 경로는 진공 분위기가 유지되어야 하며, 이러한 진공 분위기가 전자빔의 산란을 방지한다. 이러한 전자빔 용접의 특수한 용접 환경인 진공 분위기는 고청정 분위기로써, 용접 시 발생되는 산화 및 기타 부정적인 요인을 차단하며 일반 용접 방법에서 볼 수 없는 매우 뛰어난 용접 환경을 만들어 준다.

전자빔 용접의 특징인 용융부

진공 분위기에서 이동하여 용접물에 조사된 전자빔은 전술한 바와 같이 용접부를 용융시키게 되는데, 용융부 역시 다른 일반 용접에서 볼 수 없는 특이한 구조를 형성한다. 전자빔 용접의 용융부 형상은 일반 용접에 비해 매우 좁고 기다란 쐐기 모양의 형태를 띠게 되는데, 이로 인해 다른 일반 용접에 비해 정밀도나 변형 등에서 매우 뛰어난 용접 성능과 품질을 보여주게 된다. 이러한 특이한 용융부 형상의 형성 과정을 설명하면 다음과 같다. 필라멘트(Filament)를 떠난 전자가 애노드(Anode)에 의해 고속도로 가속되어 용접물에 충돌하면, 용접부 금속 표면 직하 부분에서는 전자의 운동 에너지가 열에너지로 변환된다. 이때 변환된 열에너지는 고밀도의 에너지로서 용접부에 국지적인 고열을 발생시키며, 이때 발생하는 고열이 순간적으로 용접부 금속을 용융시키고, 금속의 증발 온도 이상으로 용접부를 가열시키게 된다. 증발 온도 이상으로 가열된 금속은 용융부 중앙에 증기압을 발생시키고, 이 증기압에 의해 금속 상부는 열리며, 금속 증기부와 용융부를 형성하게 된다. 이때 그 다음에 도착한 전자는 저항없이 증기부를 통과하여 바닥 용융부의 금속표면에 충돌하여, 또 다른 증기부와 용융부를 만든다. 이러한 과정이 반복되면 보다 깊은 용융부가 형성되며 용접부는 전자빔 용접 특유의 좁고 긴 키홀(Key Hole)을 형성하게 되며, 고품질의 용접이 가능케 되는 것이다.