Рис. 13. Распределение никеля в сварном шве в отраженных электронах: a — продольное; б — поперечное сечение бугра

이 기술 요약은 U. Reisgen 외 저자가 2012년 ‘Автоматическая сварка (Automatic Welding)’에 발표한 논문 “Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере (비진공 전자빔 용접 시 용접 비드 결함 형성에 영향을 미치는 요인 연구)”를 기반으로 STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

Keywords

  • Primary Keyword: 비진공 전자빔 용접 (Non-Vacuum Electron Beam Welding, NV-EBW)
  • Secondary Keywords: 용접 결함, 험핑(Humping), 언더컷(Undercutting), 마랑고니 효과(Marangoni Effect), CFD 시뮬레이션

Executive Summary

  • The Challenge: 비진공 전자빔 용접(NV-EBW)은 높은 생산성을 자랑하지만, 고속 용접 시 발생하는 험핑(humping) 및 언더컷(undercutting)과 같은 표면 결함으로 인해 그 잠재력을 완전히 활용하지 못하는 문제가 있었습니다.
  • The Method: 연구팀은 실험적 연구(고속 비디오 촬영, 트레이서 물질 사용)와 나비에-스토크스 방정식 기반의 이론적 모델링을 결합하여 고속 용접 중 용융 풀의 동적 거동을 분석했습니다.
  • The Key Breakthrough: 용접 결함의 주된 원인이 용융 풀 내부의 대류가 아닌, 표면 장력 구배로 인한 열모세관 흐름(마랑고니 효과)의 불안정성 때문임을 실험적으로 규명했습니다.
  • The Bottom Line: 보호 가스에 산소를 첨가하거나 표면 활성 물질을 도포하여 표면 장력을 제어함으로써 험핑 결함을 억제하고, 결함 없는 고속 용접이 가능한 공정 윈도우를 크게 확장할 수 있습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

비진공 전자빔 용접(NV-EBW)은 진공 챔버가 필요 없어 작업 사이클이 짧고, 높은 용접 속도를 구현할 수 있어 자동차 산업의 배기 시스템, 변속기 부품 등 대량 생산 공정에 널리 사용되는 혁신적인 기술입니다. 이론적으로는 매우 높은 용접 속도를 달성할 수 있지만, 실제 현장에서는 강재의 경우 8 m/min, 알루미늄 합금의 경우 15 m/min 이상의 속도에서 용접 비드 표면이 주기적으로 솟아오르는 험핑(humping)이나 비드 가장자리가 움푹 파이는 언더컷(undercutting)과 같은 심각한 결함이 발생합니다.

이러한 동적 결함은 용접부의 품질을 저하시키고 후속 공정을 어렵게 만들어, NV-EBW 기술이 가진 높은 생산성의 잠재력을 제한하는 핵심적인 기술적 병목 현상이었습니다. 따라서 결함 발생의 근본적인 물리적 메커니즘을 이해하고 이를 제어하는 것은 공정 효율성과 제품 신뢰성을 극대화하기 위해 반드시 해결해야 할 과제입니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 결함 형성 메커니즘을 규명하기 위해 실험적 접근과 이론적 모델링을 병행했습니다.

  • 실험 장비: 최대 출력 25kW, 가속 전압 175kV 사양의 PTR-Precision technology社 NV-EBW 25-175 TU 장비와 최대 출력 30kW, 가속 전압 150kV의 Steigerwald社 장비를 사용하여 다양한 재료와 조건에서 용접 실험을 수행했습니다.
  • 이론적 모델링: 용융 풀의 동적 거동을 설명하기 위해 나비에-스토크스 방정식을 기반으로 한 유체 역학 모델을 개발했습니다. 이 모델은 용융 풀 표면의 안정성을 분석하여 험핑과 같은 파동이 발생하는 조건을 예측하는 데 사용되었습니다.
  • 핵심 변수 분석: 용접 속도, 빔 전류, 작동 거리, 보호 가스 종류, 소재 종류(DC05 강, TRIP 700 강, AlMg3, Pb 등) 및 두께 등 다양한 공정 변수가 결함 형성에 미치는 영향을 체계적으로 평가했습니다.
  • 유동 가시화: 고속 비디오 촬영을 통해 용융 풀의 동적 거동과 개별 험프의 성장 과정을 실시간으로 관찰했으며, 니켈(Ni)을 트레이서(tracer) 물질로 사용하여 용융 풀 내부의 유체 흐름 패턴을 명확히 시각화했습니다.
Рис. 1. Динамические дефекты сварных швов: a — бугристость (vw = 10 м/мин); б — подрез (vw = 12 м/мин)
Рис. 1. Динамические дефекты сварных швов: a — бугристость (vw = 10 м/мин); б — подрез (vw = 12 м/мин)

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 험핑 결함의 주범은 표면 장력 구배(마랑고니 효과)

기존에는 용융 풀 깊은 곳에서 표면으로 올라오는 강한 수직 대류가 험핑의 원인으로 추정되었습니다. 하지만 본 연구에서는 얇은 니켈 포일을 강판 사이에 삽입하여 용접한 후 단면을 분석하는 독창적인 트레이서 실험을 수행했습니다. 그 결과, 니켈은 용융 풀 하단에서 수직으로 상승하지 않고, 용융 풀 후방으로 향하는 수평적 흐름을 명확하게 보여주었습니다 (그림 13). 이는 박판 용접 시 험핑을 유발하는 주된 구동력은 표면 장력의 온도 구배에 따른 열모세관 유동, 즉 마랑고니 효과(Marangoni Effect)임을 직접적으로 증명한 것입니다.

Finding 2: 재료 물성과 두께에 따른 임계 용접 속도 규명

실험을 통해 다양한 재료에서 험핑이 발생하기 시작하는 임계 용접 속도를 정량적으로 확인했습니다. – 재료의 영향: 표면 장력(σ)이 높은 DC05 강(1800 mN/m)은 12 m/min에서 험핑이 시작된 반면, 표면 장력이 낮은 AlMg3(865 mN/m)는 20 m/min의 고속에서도 험핑이 발생하지 않았습니다 (표 1). 이는 표면 장력이 험핑 발생에 결정적인 역할을 한다는 것을 보여줍니다. – 두께의 영향:* 동일한 DC05 강에서도 두께가 0.7mm에서 3.5mm로 증가함에 따라 험핑 발생 임계 속도가 20 m/min에서 6 m/min으로 크게 감소했습니다 (표 2). 이는 열전달 메커니즘이 2차원에서 3차원으로 바뀌면서 용융 풀의 동역학이 변하기 때문입니다.

Finding 3: 표면 활성 원소를 이용한 험핑 제어 가능성 입증

마랑고니 효과가 주된 원인이라는 발견에 기초하여, 연구팀은 용융 풀의 표면 장력을 인위적으로 제어하여 험핑을 억제하는 방법을 제시했습니다. – 활성 보호 가스: 순수 Ar 가스 대신 4%의 산소(O2)가 포함된 Ar 혼합 가스를 보호 가스로 사용했을 때, 험핑 발생 없이 용접 가능한 속도가 약 2 m/min 증가했습니다 (그림 9). 산소는 강철의 표면 장력을 낮추는 표면 활성 원소로 작용하여 마랑고니 흐름을 안정화시킵니다. – 표면 코팅: 용접 라인의 일부에 흑연(graphite)을 도포한 후 용접을 진행한 결과, 흑연이 도포되지 않은 영역에서는 험핑이 발생했지만 흑연이 도포된 영역에서는 매끄러운 비드가 형성되었습니다 (그림 10). 이는 흑연의 주성분인 탄소 역시 표면 활성 원소로 작용했기 때문입니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 이 연구는 보호 가스 성분을 미세 조정(예: 소량의 산소 추가)하는 것만으로도 고속 용접 공정의 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 시사합니다. 이는 생산 속도를 높이고 결함률을 줄이는 데 직접적으로 기여할 수 있습니다.
  • For Quality Control Teams: 논문의 데이터(표 1, 표 2)는 특정 재료와 두께에서 결함이 발생할 수 있는 임계 속도에 대한 명확한 기준을 제공합니다. 이는 새로운 품질 검사 기준을 수립하거나 공정 모니터링 시스템을 개발하는 데 중요한 기초 자료가 될 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 이 연구 결과는 재료 선택 단계에서 표면 장력과 같은 물리적 특성이 용접성에 미치는 영향을 고려하는 것이 중요함을 보여줍니다. 특히 고속 용접이 요구되는 부품 설계 시, 표면 활성 원소 함량이 높은 재료를 선택하는 것이 초기 설계 단계에서부터 용접 결함을 예방하는 효과적인 전략이 될 수 있습니다.

Paper Details

비진공 전자빔 용접 시 용접 비드 결함 형성에 영향을 미치는 요인 연구 (Investigation of Factors Affecting the Formation of Weld Defects in Non-Vacuum Electron Beam Welding)

1. Overview:

  • Title: Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере
  • Author: У. Райзген (U. Reisgen), М. Шлезер (M. Schleser), А. Абдурахманов (A. Abdurakhmanov), Г. Туричин (G. Turichin), Е. Валдайцева (E. Valdaytseva), Ф.-В. Бах (F.-W. Bach), Т. Хассель (T. Hassel), А. Беньяш (A. Beniyash)
  • Year of publication: 2012
  • Journal/academic society of publication: Автоматическая сварка (Automatic Welding), 2/2012
  • Keywords: 비진공 전자빔 용접, 용접 속도, 출력 밀도, 보호 가스, 용접 비드 결함, 험핑, 언더컷

2. Abstract:

본 논문은 비진공 전자빔 용접 시 험핑 및 언더컷과 같은 결함 형성에 영향을 미치는 용접 공정 변수와 재료 특성의 영향을 연구했다. 용접 품질에 대한 개별 변수들의 영향을 규명하였다.

3. Introduction:

비진공 전자빔 용접(NV-EBW)은 진공 챔버 없이 높은 용접 속도와 효율을 제공하여 자동차 산업 등에서 널리 사용된다. 그러나 강재에서 8 m/min, 알루미늄 합금에서 15 m/min 이상의 고속 용접 시, 험핑과 언더컷 같은 표면 결함이 발생하여 기술의 잠재력을 제한한다. 본 연구는 이러한 결함 형성의 원인을 규명하는 것을 목표로 한다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

NV-EBW는 높은 생산성을 가진 기술이지만 고속에서 발생하는 동적 결함(험핑, 언더컷)이 문제점으로 지적되어 왔다.

Status of previous research:

이전 연구들에서 고속 용접 시 결함이 관찰되었으나, 특히 박판 NV-EBW에서 결함을 유발하는 지배적인 물리적 메커니즘에 대한 명확한 규명이 부족했다.

Purpose of the study:

NV-EBW 공정에서 험핑과 언더컷 결함이 형성되는 근본적인 원인을 규명하고, 용접 변수, 재료 특성, 표면 활성 원소 등이 결함 발생에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여 결함을 제어할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

Core study:

실험과 이론적 모델링을 통해 용융 풀의 동역학을 분석했다. 특히 고속 비디오 촬영과 니켈 트레이서 실험을 통해 용융 풀 내부 유동을 가시화하여, 결함 발생의 주된 원인이 표면 장력 구배에 의한 마랑고니 효과임을 입증했다. 또한, 보호 가스 및 표면 코팅을 통해 표면 장력을 제어하여 험핑을 억제할 수 있음을 보였다.

5. Research Methodology

Research Design:

실험적 연구와 이론적 모델링을 결합한 통합적 접근 방식을 사용했다. 다양한 재료와 공정 조건에서 용접 실험을 수행하고, 그 결과를 유체 역학 모델의 예측과 비교 분석했다.

Data Collection and Analysis Methods:

용접된 시편의 표면 및 단면을 금속학적으로 분석했으며, 고속 비디오 카메라로 용융 풀의 동적 거동을 촬영했다. 니켈 트레이서가 포함된 시편은 전자현미경(SEM)과 에너지 분산형 분광법(EDS)을 사용하여 성분 분포를 분석했다.

Research Topics and Scope:

연구는 NV-EBW 공정에 국한되며, 주요 분석 대상 결함은 험핑과 언더컷이다. 연구 대상 재료는 저탄소강(DC05), TRIP강, 알루미늄 합금(AlMg3), 구리(Cu), 납(Pb) 등이며, 주로 박판 소재에 초점을 맞추었다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 박판 NV-EBW에서 험핑 결함의 주된 구동력은 용융 풀 내부의 체적 대류가 아닌, 표면 장력 구배에 의한 마랑고니 효과(열모세관 유동)의 불안정성이다.
  • 재료의 표면 장력은 험핑 발생 임계 속도에 결정적인 영향을 미치며, 표면 장력이 낮을수록 고속 용접에 유리하다.
  • 재료 두께가 증가할수록 험핑 발생 임계 속도는 감소한다.
  • 보호 가스에 산소(O2)를 첨가하거나 용접부에 흑연을 도포하는 등 표면 활성 원소를 활용하면 마랑고니 흐름을 안정시켜 험핑을 효과적으로 억제하고, 결함 없는 용접 속도 범위를 넓힐 수 있다.
  • 고속 비디오 분석 결과, 험프는 초기에는 빠르게 성장하다가 크기가 커짐에 따라 성장 속도가 급격히 감소하는 경향을 보였다.

Figure List:

  • Рис. 1. Динамические дефекты сварных швов: а – бугристость (vw = 10 м/мин); б – подрез (vw = 12 м/мин)
  • Рис. 2. Экспериментальные установки для ЭЛС в открытой атмосфере: а – Anlage Typ IGM G 150 K фирмы «Steigerwald»; б – 25-175 TU компании «PTR-Precision technology»
  • Рис. 3. Обозначение параметров сечения сварочной ванны
  • Рис. 4. Поверхность сварного шва при скорости сварки до появления бугров (DC05 толщиной 1,5 мм, ѵw = 10 м/мин, Іb = 70 мА, А = 15 мм)
  • Рис. 5. Обозначения параметров к модели бугристости шва
  • Рис. 6. Зависимость инкремента нарастания волн от волнового числа (описание см. в тексте)
  • Рис. 7. Зависимость образования бугров от скорости сварки (соответственно от длины сварочной ванны) (А = 10 мм): а – vw = 12 м/мин, Іb = 65 мА; б – vw = 15 м/мин, Іb = 5 мА
  • Рис. 8. Образование бугров и подрезов при разных скоростях сварки (сталь DC05, Uacc = 150 кВ, Іb = 100 мА, А = 10 мм): а – vw = 14; б – 16; в – 18 м/мин
  • Рис. 9. Влияние защитного газа в нахлесточном соединении на образование бугров (сталь S420MC толщиной 2 мм, ѵw = 10 м/мин, кадры позади процесса сварки): а, б – без защитного газа; в, г – с защитным газом Ar + O2
  • Рис. 10. Влияние поверхностно-активного вещества на динамику сварочной ванны (DC05 толщиной 1,5 мм, vw = 14 м/мин) с графитом (а) и без графита (б)
  • Рис. 11. Динамика роста бугров (высокоскоростная видеосъемка сварочной ванны)
  • Рис. 12. Динамика роста бугров сварочной ванны (видиосъемка в процессе сварки)
  • Рис. 13. Распределение никеля в сварном шве в отраженных электронах: а – продольное; б – поперечное сечение бугра
  • Рис. 14. Распределение никеля в бугре по горизонтали (а) и вертикали (б)
Рис. 13. Распределение никеля в сварном шве в отраженных электронах: a — продольное; б — поперечное сечение бугра
Рис. 13. Распределение никеля в сварном шве в отраженных электронах: a — продольное; б — поперечное сечение бугра

7. Conclusion:

  1. 험핑 발생의 원인은 용융 풀 내 열모세관 유동의 불안정성 발달이며, 언더컷은 표면 현상과 관련이 있다.
  2. 빔 전류와 작동 거리에 따른 험핑 및 언더컷 발생 속도 임계값을 확인했다.
  3. 다양한 재료에 대한 험핑 발생 임계 속도를 실험적으로 결정했으며, 재료 두께가 증가하면 임계 속도가 감소함을 확인했다. 주된 역할은 마랑고니 효과가 한다.
  4. 표면 활성 물질을 사용하면 표면 장력 계수를 변화시켜 험핑 발생을 억제할 수 있다.
  5. 고속 비디오 촬영을 통해 용융 풀의 유동 속도와 개별 험프의 성장 동역학 및 크기를 평가했다.
  6. 니켈 트레이서 실험을 통해 용융 풀 내 수평적 유동을 확인하고 수직적 유동은 없음을 밝혀, 표면 효과가 지배적임을 재확인했다.

8. References:

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  9. Messung der Strahlqualitaet einer Elektronenstrahlanlage in Umgebungsatmosphaere / U. Reisgen, M. Schleser, A. Abdurakhmanov, H. Masny // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. — 2010. — 41, № 1. — S. 45–52.
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 왜 니켈(Nickel)을 트레이서 물질로 사용했으며, 이를 통해 다른 방법으로는 알 수 없었던 무엇을 밝혀냈나요?

A1: 니켈은 용접 대상인 강철과 용융점이 비슷하면서도 성분 분석(EDS)을 통해 명확히 구별되기 때문에 트레이서로 선택되었습니다. 이 실험을 통해 용융 풀 내부의 물질 이동 경로를 직접 시각화할 수 있었습니다. 그 결과, 니켈이 용융 풀 바닥에서 표면으로 솟구치는 수직 대류가 아닌, 용융 풀 후방으로 이동하는 수평 흐름을 보인다는 것을 명확히 밝혀냈습니다(그림 13). 이는 험핑의 주된 구동력이 깊이 방향의 대류가 아닌 표면에서의 마랑고니 효과임을 증명하는 결정적인 증거가 되었습니다.

Q2: 보호 가스에 산소를 첨가하는 것이 어떻게 험핑을 억제하는 물리적 메커니즘은 무엇인가요?

A2: 산소는 강철에 대한 대표적인 표면 활성 원소입니다. 용융된 강철 표면에 산소가 흡착되면 표면 장력이 크게 감소합니다. 마랑고니 효과는 표면 장력의 온도 구배에 의해 발생하는데, 산소는 이 구배의 방향과 크기를 변화시켜 용융 풀의 흐름을 안정화시키는 역할을 합니다. 결과적으로 용융 풀의 불안정성이 억제되어 험핑이 발생하기 어려워지고, 더 높은 속도에서도 안정적인 용접이 가능해집니다.

Q3: 표 1을 보면 강철과 AlMg3 합금의 험핑 발생 임계 속도에 큰 차이가 있습니다. 이러한 차이를 유발하는 가장 중요한 물리적 특성은 무엇인가요?

A3: 가장 중요한 물리적 특성은 표면 장력(surface tension)입니다. 논문에 따르면, 강철(Fe)의 표면 장력은 약 1800 mN/m인 반면, 알루미늄(Al)은 865 mN/m로 훨씬 낮습니다. 험핑은 표면 장력 구배로 인한 유동 불안정성에 기인하므로, 절대적인 표면 장력 값이 낮은 AlMg3 합금은 강철에 비해 동일한 온도 구배에서도 마랑고니 효과가 약하게 나타나 험핑에 대한 저항성이 훨씬 높습니다.

Q4: 이 연구는 주로 박판(thin sheet)에 초점을 맞추었습니다. 두꺼운 후판(thick plate) 용접에서도 마랑고니 효과가 험핑의 지배적인 원인이라고 동일하게 결론 내릴 수 있을까요?

A4: 꼭 그렇다고 단정하기는 어렵습니다. 본 연구의 트레이서 실험 결과는 수평적 흐름이 지배적인 박판 용접에 특화된 결론입니다. 참고문헌 [12]에서 언급된 바와 같이, 두꺼운 후판 용접에서는 용융 풀의 깊이가 깊어지면서 부력 등에 의한 수직 대류의 영향이 상대적으로 더 커질 수 있습니다. 따라서 후판 용접의 경우, 마랑고니 효과와 함께 체적 대류 현상도 험핑 발생에 복합적으로 기여할 가능성이 있습니다.

Q5: 흑연을 도포하는 것이 험핑 방지에 효과가 있다는 점이 흥미롭습니다. 실제 산업 현장에서 적용할 수 있는 실용적인 방법일까요?

A5: 흑연 도포는 험핑의 원인이 표면 현상임을 증명하는 매우 효과적인 실험 방법이었습니다. 하지만 실제 대량 생산 라인에 적용하기에는 몇 가지 현실적인 어려움이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 용접 전에 흑연을 균일하게 도포하는 추가 공정이 필요하고, 용접 후 잔류물이 남을 수 있으며, 용접부의 기계적 특성에 미칠 영향도 검토해야 합니다. 따라서 산업적으로는 흑연 도포보다는 보호 가스 성분을 최적화하거나, 재료 자체에 표면 활성 원소(황, 산소 등) 함량을 제어하는 방식이 더 실용적인 해결책이 될 수 있습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 비진공 전자빔 용접(NV-EBW) 시 고속에서 발생하는 험핑 결함의 근본 원인이 표면 장력 구배로 인한 마랑고니 효과의 불안정성임을 명확히 규명했습니다. 더 나아가, 보호 가스에 산소를 첨가하거나 표면 활성 물질을 사용하는 간단한 방법으로 표면 장력을 제어하여 결함을 억제하고 생산성을 획기적으로 높일 수 있는 길을 열었습니다. 이는 복잡한 유체 역학 현상이 실제 제조 공정의 품질과 효율에 얼마나 직접적인 영향을 미치는지를 보여주는 훌륭한 사례입니다.

STI C&D에서는 FLOW-3D를 활용하여 마랑고니 효과, 자유 표면 유동, 열전달 등 비진공 전자빔 용접 공정에서 발생하는 복잡한 물리 현상을 정밀하게 시뮬레이션합니다. 이 연구에서 논의된 문제들이 귀사의 운영 목표와 관련이 있다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원리들을 귀사의 부품에 어떻게 적용할 수 있는지 논의해 보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

  • 연락처 : 02-2026-0450
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Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “Исследование факторов, влияющих на образование дефектов сварного шва при электронно-лучевой сварке в открытой атмосфере” by “U. Reisgen, et al.”.
  • Source: Avtomaticheskaya Svarka, no. 2, pp. 13-20, 2012.

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