KR100216403B1 - 레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩 가공방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

각종 기계부품이나 재료의 표면에서 발생되는 취약성을 개선하고 간단한 공정으로 표면가공을 하게됨과 아울러 기계적인 특성을 향상시킬 수 있게한 레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩(Cladding) 가공방법 및 그 장치에 관한 것으로, X-Y축 상에서 동작되는 테이블에 모재를 안착한 후 모재의 표면에 금속분말을 도포함과 동시에클래딩 부위에 가스를 분사시켜 국부적으로 차폐되게한 상태에서 이에 레이저빔을 조사시켜 클래딩 함에 따라, 부품의 원하는 부위에 선택적으로 기계적 특성을 부여하게 고 코딩 두께의 조절이 용이하며 그 성능을 향상시키게 된 것이다.

Description

레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩 가공장치

본 발명은 레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩(Cladding) 가공장치, 보다 상세하게는 각종 기계부품이나 재료의 표면에서 발생되는 취약성을 개선하고 간단한 공정으로 표면가공을 하게됨과 아울러 기계적인 특성을 향상시킬 수 있게한 레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩 가공장치에 관한 것이다.

일반적으로, 각종 기계요소(要素)나 그 재료 등은 사용목적에 따라 기계적 특성을 달리하게 됨은 물론 그 자체의 내부와 외부의 기계적 특성을 달리 하여야 할 경우도 있다.

기계적 특성을 다르게 하는 기술중 마모, 부식, 마찰 및 피로파괴 등과 같이 금속의 표면에서 발생되는 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로서 탄화처리, 질화처리, 시안처리, 코팅 및 표면합금 등의 방법이 보편화되어 있다.

그러나 위와 같은 종래의 가공방법은, 특정 부분에 한하여 국부적인 기계적 특성이 요구될 경우에도 그 나머지의 전 부분을 동시에 가공할 수 밖에없는 제약이 있었으므로, 많은 시간과 비용이 소요되었음은 물론 가공중에 발생된 열변형 등을 고려하여 후가공을 해야되는 문제점이 있었다.

또한, 상기의 가공방법은 인체에 유해한 유독성의 물질을 배출하게 됨으로써, 작업환경을 저해시키고 공해를 유발하게 되는 등의 문제점도 있었다.

본 발명이 위와 같은 종래의 표면가공시 발생되는 문제점을 가안하여 안출한 것으로, 그 목적은 기계부품 및 재료의 원하는 부위에 선택적으로 기계적 특성을 부여할 수 있는 레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩 장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 정밀하고 균일한 코팅층을 얻게되고 가공시간과 가공비용을 절감할 수 있는 레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩 가공장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, X-Y축 상에서 동작되는 테이블에 모재를 안착한 후 모재의 표면에 금속분발을 도포함과 동시에 금속분말이 공급된 클래딩 부위에 가스를 분사시켜 외부와 국부적으로 차폐되게한 상태에서 이에 레이저빔을 조사시켜 클래딩 함에 따라, 부품의 원하는 부위에 선택적으로 기계적 특성을 부여하게 되고 코팅 두께의 조절이 용이하며 그 성능을 향상시키게 됨을 특성으로 한다.

제1도는 본 발명의 가공장치를 개략적으로 나타낸 구성도.

제2도는 상기 제1도의 금속분말 공급장치를 발췌한 도면도.

제3도는 상기 공급장치의 노즐팁을 발췌한 사시도.

제4도 (a), (b)는 상기 제3도의 노즐팁의 조절상태 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 가공테이블 20 : 반사경

30 : 공급호퍼 31 : 스크류

33 : 노즐 34 : 노즐팁

35 : 절개부 36 : 조절너트

40,41 : 급기밸브 50 : 급기관

S : 모재

이하, 본 발명의 레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩 가공장치를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

제1도는 본 발명의 클래딩 가공장치를 개략적으로 나타낸 구성도로서, X-Y축에 의해 평면에서 동작되는 가동테이블(10)에 클래딩을 하기위한 모재(S)가 안착되고, 이 모재의 상부측에 레이저 발생기(R)에서 방출되는 레이저빔을 집광하여 국소적으로 조사하는 반사경(20)이 설치되어 있다. 상기 반사경(20)의 일측에는 클래딩 재료가 되는 금속분말을 모재(S)의 정해진 위치로 공급하는 공급호퍼(30)가 설치되고, 이 공급호퍼에는 모터(32)의 구동에 의해 동작되는 스크류(31)와 금속분말을 분사하는 노즐(33)이 구비되어 있다.

제2도는 상기 금속분말 공급장치를 발췌한 단면도로서, 상기 공급호퍼(30)의 일측에 금속분말의 공급시 산소 또는 아르곤가스 등을 취출시겨 공급을 원활하게 하는 급기벨브(40)가 배관되고, 레이저빔이 국소적으로 조사되는 모재(S)의 일방에 분사된 금속분말, 즉 클래딩 재료를 외기로부터 차폐시키게 가스를 분사하는 급기관(50)이 설치되어 있다.

상기 급기밸브(40)는 스크류(31)에 의해 공급호퍼(30)로부터 유출되는 금속분말에 압력을 가하여 노즐(33)로 송출하게 스크류(31)의 말단 위치에 착설하며, 이때 급기벨브(40)의 급기동작시 압력의 역류를 방지하게 공급호퍼(30)의 내부에 동일한 급기 작용을 하는 급기밸브(41)를 설치하는 것이 좋다.

상기 레이저 발생기를 포함한 반사경(20)과 공급호퍼(30)는 동일 프레임(60)상에 설치될 것이며, 공급호퍼(30)의 급기밸브(40)와 급기관(50)에는 아르곤 가스를 공급하는 것이 바람직하다.

제3도는 상기 금속분말 공급장치의 노즐을 발췌한 사시도로서, 공급호퍼(30)에 연결된 노즐(33)은 가요성이 구비되고, 이 노즐(33) 선단에는 모재(S)의 상면에 접촉되는 노즐팁(34)이 결합되어 있다.

이 노즐팁(34)에는 금속분말의 분사폭을 제한하게 가동테이블(10)의 진행방향을 따라 절개부(35)가 형성되고, 이 절개부(35)상에는 분사된 금속분말을 평탄하게 함과 아울러 그 두께를 조절하는 조절볼트(36)가 상하로 조절 가능하게 결합되어 있다.

제4도 (a), (b)는 상기 제3도의 노즐팁의 조절상태 단면도로서, 노즐(33)을 통하여 모재(S)의 상부면으로 분사된 금속분말은 노즐팁(34)의 절개부(35)에 유도되면서 그 간극에 해당되는 폭으로 공급됨과 아울러 직진성을 유지되게 하며, 이와 동시에 절개부(35)에 위치된 조절볼트(36)의 하단부가 모재와 적정의 간극을 형성하므로 상기 조절볼트(36)의 조작에 의해 분사된 금속분말의 두께, 즉 클래딩 두께를 조절하게 된다.

따라서, 상기와 같은 본 발명은 가동테이블(10)에 모재(S)를 안착하여 클래딩 위치를 선정한 상태에서 반사경(20)을 통해 레이저빔을 국소적으로 조사되게 하고, 이와 동시에 공급호퍼(30)의 일특에 설치된 모터(32)에 의해 스크류(31)를 구동되게 함과 아울러 급기밸브(40), (41)를 통해 아르곤 가스를 취입되게 하여 노즐(33)의 노즐팁(34)을 통해 적량의 금속분말을 공급한다. 모재(S)의 표면에 공급되는 금속분말의 분사위치는 레이저빔의 조사위치와 일치되며, 이때 공급된 금속분발의 외측에는 급기관(50)으로부터 아르곤 가스가 분사되면서 외기로부터 차단하여 진공과 같은 상태를 제공하게 되고, 이러한 상태에서 클래딩 작업이 이루어진다.

그러므로 국소적으로 조사되는 레이저빔이 금손분말을 응용시키면서 가동 테이블(10)의 이동과 금속분말의 연속저인 공급에 의해 원하는 부위에 선택적으로 클래딩하게 된다.

양호한 클래딩을 하기 위한 전제조건들 중의 첫째 요소는 금속분말의 공급량과 그 분산범위이다.

금속분발이 확산된 경우에는 응용작용이 제대로 되지 않으며 분말의 낭비를 초래하게 되므로, 스크류(31)의 송출작용과 급기밸브(40), (41)의 급기에 의한 압출작용을 병행함으로써 원활한 공급을 유도하였다.

레이저빔을 이용한 클래딩시 그 레이저빔의 출력과 빔의 조사범위, 가동테이블(10)의 이송속되 및 금속분말을 차폐하는 가스 등의 공정변수도 클래드에 영향을 미치게됨을 확인 되었으며, 이때 상기의 연관관계는 다음 표1, 표2와 같다.

[표1 : 구리와 아연으로된 금속분말의 공급량에 따른 실험결과표 ]

[표2 : 레이저 클래딩 공정변수에 따른 클래딩 결과]

한편, 레이저 발생기의 출력을 1.5-2.8Kw CO₂로 하고 알루미늄을1050을 모재(S)로 하여 이에 구리분말을 클래딩하여 그 경도를 측정한 결과는 다음과 같다.

[경도 측정조건]

사용 경도계 : 비커스(Vickers)경도계

측정하중 ; 0.98(N)

하중 응용시간 : 5초

[경도 측정결과]

단, 구리분말과 알루미늄1050은 일반적인 기계적 성질을 가진 것임.

이와 같은 본 발명으 다양한 두께으 코팅층을 특정 부위에 한정하여 선택적으로 할수 있게 되어, 해당 용도에 적합한 내미모성과 내식성 및 내구성을 얻게 되므로 고품빌의 제품을 생산할 수 있는 효과가 있으며, 그 응용범위를 보다 폭넓게 함에 따라 산업적으로 매우 유용한 장점도 있다.

Claims (1)

1. X-Y축 상에서 동작되는 가동테이블(10)에 클래딩하기 위한 모재(S)가 안착되고 이 모재(S)의 상부측에 레이저 발생기(R)에서 방출되는 레이저빔을 집광하여 국소적으로 조사하는 반사경(20)이 설치된 것에 있어서, 상기 클래딩 재료가 되는 금속분말을 모재(S)의 정해진 위치로 공급하게 설치되고 모터(32)의 구동에 의해 동작되는 스크류(31)와 금속분말을 분사하는 노즐(33)이 구비한 공급호퍼(30)와, 상기 노즐(33)의 선단부에 결합되어 금속분말의 분사폭을 제한하게 가동테이블(10)의 진행방향을 따라 형성된 절개부(35)와, 분사된 금속분말을 평활하게 하면서 그 두께를 조절하는 조절볼트(36)가 상하로 조절 가능하게 구비된 노즐팁(34)과, 상기 공급호퍼(30)의 일측에 금속분말의 공급시 산소 또는 아르곤 가스 등을 취출시켜 공급을 원활하게 하는 급기밸브(40)가 배관되고, 모재(S)의 일측에 설치되어 분사된 금속분말, 즉 클래딩 재료를 외기로부터 차폐시키게 가스를 분사하는 급기관(50)로 하는 레이저빔을 이용한 금속재료의 클래딩 가공장치.