포커스 vs 얼라인먼트
(주)이비트론 · 전자빔 용접기 교육 자료
패널에 나란히 붙어 있어 비슷한 조정처럼 보이지만, 물리적으로 하는 일이 완전히 다릅니다. 이 페이지의 시뮬레이터를 직접 움직여 보며 그 차이를 몸으로 익혀 보세요.
집속 전류가 커지면 자기장이 세져 더 가까이에서 모이고, 작아지면 더 멀리서 모입니다. 표면 위에서 모이면 오버, 표면에서 모이면 정포커스, 표면 아래서 모이면 언더 포커스입니다.
조절하는 것: 초점이 맺히는 높이 (Z 방향)
빔을 모으지 않습니다. 빔 전체를 옆으로 살짝 밀거나 기울여, 집속부에 들어갈 때 집속 자기장의 정중앙을 통과하도록 입사 경로를 맞춰 줍니다.
조절하는 것: 빔이 집속 자기장을 지나는 경로 (X·Y 방향)
슬라이더가 곧 집속 전류입니다. 움직여 보면 초점이 위아래(Z)로만 이동하고, 좌우 방향은 전혀 변하지 않는 것을 확인할 수 있습니다.
빔 경로는 전자총 → 얼라인먼트 코일 → 집속 코일 → 시편 순서입니다. AL 코일이 집속 코일보다 앞에 있다는 것이 핵심입니다. 집속 자기장은 자기 중심을 지나는 빔에만 대칭으로 힘을 가하므로, 중심을 벗어난 빔은 모이면서 동시에 옆으로 꺾입니다 — 집속 자기장의 가장자리가 프리즘처럼 작용하는 것입니다.
그리고 꺾이는 양은 집속 전류에 비례합니다. 포커스 다이얼이 곧 집속 전류이므로, 정렬이 틀어진 상태에서 포커스를 만지면 꺾임량이 함께 변해 스폿이 자리를 옮깁니다. 집속부 뒤에서는 고칠 수 없고, 들어가기 전에 AL 코일로 경로를 바로잡는 것이 유일한 방법입니다.
얼라인먼트 코일은 빔 통로 둘레에 X 방향 한 쌍, Y 방향 한 쌍으로 감겨 있는 작은 전자석입니다. 코일에 전류를 흘리면 빔 통로를 가로지르는 약한 자기장이 생기고, 그 속을 지나는 전자는 로런츠 힘을 받아 진행 방향이 살짝 틀어집니다. X AL 다이얼은 X 코일 전류를, Y AL 다이얼은 Y 코일 전류를 바꾸는 것이고, 전류의 크기와 방향에 따라 빔을 원하는 만큼, 원하는 쪽으로 밀 수 있습니다. 빔을 모으는 힘은 전혀 없습니다 — 순수하게 방향만 바꿉니다.
이상적으로는 전자총에서 나온 빔이 처음부터 기계 중심축을 따라 내려와야 하지만, 현실에서는 그렇지 않습니다. 필라멘트(캐소드)를 교체하면 장착 위치가 이전과 미세하게 달라지고, 사용 중에도 캐소드가 마모·변형되면서 전자가 방출되는 지점과 방향이 조금씩 이동합니다. 전자총을 분해 정비한 뒤 재조립할 때의 기계 공차, 고전압부와 건 주변의 열변형도 방출 축을 흔드는 요인입니다. 이렇게 어긋난 방출 축과 집속 자기장의 중심축 사이의 차이를 전기적으로 메워 주는 장치가 얼라인먼트 코일입니다 — 기계를 뜯어 다시 맞추는 대신 다이얼 두 개로 보정하는 것입니다.
정렬은 한번 맞추면 유지되지만, 위의 원인이 발생하면 다시 틀어집니다. 필라멘트·캐소드 교체 후에는 반드시 재정렬하고, 전자총 분해 정비 후에도 마찬가지입니다. 그 외에 용입 깊이나 비드 폭이 이유 없이 변하기 시작했을 때, 포커스를 만졌는데 용접 위치가 따라 움직일 때는 정렬이 풀렸다는 신호이므로 포커스 스윕으로 먼저 확인합니다.
왼쪽은 빔이 집속 자기장 중심을 벗어난 상태 — 포커스를 바꿀 때마다 크기와 위치가 같이 변합니다. 오른쪽은 정렬 완료 상태 — 크기만 변하고 중심은 그대로입니다. 판정 기준은 "지금 어디 있나"가 아니라 "포커스를 바꿨을 때 얼마나 움직이나"입니다.
실제 절차 그대로입니다. 포커스가 자동으로 언더 ↔ 오버를 오가는 동안, X AL과 Y AL을 조금씩 돌려 스폿의 이동량을 0으로 만들어 보세요. 정렬 오차는 매번 무작위로 주어집니다.
요령: 스폿이 좌우로 왕복하면 X AL, 상하로 왕복하면 Y AL이 남은 것입니다. 이동을 줄이는 방향으로 조금씩 — 한 번에 크게 돌리면 어느 쪽이 좋아졌는지 알 수 없습니다. 이동량이 0에 가까워지면 크기만 숨쉬듯 변하는 상태가 됩니다.
| 관찰 항목 | 정렬이 맞은 상태 | 정렬이 틀어진 상태 |
|---|---|---|
| 포커스를 언더 → 오버로 바꾸면 | 크기만 커졌다 작아짐 | 크기와 함께 위치도 이동 |
| 정포커스에서 | 가장 작은 스폿, 중심 고정 | 가장 작은 스폿이지만 위치는 우연 |
| 이동 궤적 | 없음 (제자리) | 언더 ↔ 오버에서 직선으로 왕복 |
정렬이 틀어진 상태에서는 두 조정이 얽혀 보입니다. 포커스를 만지면 위치가 움직이고(원래는 크기만 변해야 합니다), AL을 만지면 위치와 함께 최적 포커스도 미세하게 변합니다 — 집속부에 들어가는 입사 조건이 바뀌기 때문입니다. 그래서 절차는 반복 구조가 되고, 이동량이 최소가 되는 지점으로 수렴시켜 갑니다. 위의 실습에서 느끼셨을 그 과정입니다.
정렬이 완료되면 두 조정이 깨끗하게 분리됩니다 — 포커스는 크기만, AL·좌표는 위치만 담당하게 됩니다.
어떤 포커스 조건에서도 빔이 최소 수차·최소 직경으로, 위치 흔들림 없이 모일 수 있게 하는 전제 조건입니다. 틀어져 있으면 아무리 포커스를 잘 잡아도 빔 직경 증가, 전력밀도 저하, 위치 흔들림을 피할 수 없습니다.
한번 맞추면 유지됩니다.
시편 표면 기준으로 초점을 어디에 둘지 정합니다. 정포커스·언더·오버에 따라 용입 형상, 키홀 거동, 비드 폭이 달라지며, 재료·두께에 따라 표면보다 약간 안쪽이 유리한 경우도 많습니다. 가장 작은 스폿이 항상 최적은 아닙니다.
작업마다 최적점을 찾는 변수입니다.