KR100351385B1 - 레이저 육성용접헤드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온 고압의 가혹한 환경에서 운전 중 파손된 가스터빈의 부품을 레이저 열원을 이용한 육성용접을 통해 복원할 수 있는 레이저 육성용접헤드에 관한 것으로, 용가재인 분말(110)을 공급해 주는 것으로 분말용기(120) 내부에 저장된 분말(110)을 스크루(121)를 통하여 공급하여 주고 가스공급원으로부터 압출가스공급관(130)이 연결되고, 상기 분말용기(120) 및 압출가스공급관(130)에 혼합용기(140)가 연결되게 하여 분말(110)과 가스를 혼합시켜 주는 분말공급부(100)와, 상기 분말공급부(100)에 연결되어 분말과 레이저빔을 유도하는 노즐부(200)로 구성되는 것에 있어서, 상기 분말공급부(100)의 분말용기(120) 내부에는 분말(110)의 잔량을 확인할 수 있는 윈도우(123)가 설치되고, 상기 압출가스공급관(130)의 인입구에는 가스의 공급량을 제어하여 주는 가스제어밸브(131)가 설치되고, 상기 혼합용기(140)의 내부에는 분말용기(120)로부터 연장되고 하부로 절곡되는 분말낙하구(141)가 형성됨을 특징으로 한다.

Description

레이저 육성용접헤드{Laser cladding head}
본 발명은 고온 고압의 가혹한 환경에서 운전 중 파손된 가스터빈의 부품 등을 레이저 열원을 이용한 육성용접을 통해 복원할 수 있는 분말공급장치가 장착된 레이저 육성용접헤드에 관한 것이다.
항공기의 제트엔진을 비롯한 발전 및 선박용 동력원으로 널리 사용되고 있는 가스터빈은 보통 운전온도가 1000℃ 이상의 고온에서 운전되고 있으며, 열효율의 향상을 위해서 그 운전 온도가 계속 상승하고 있다. 이 가스터빈의 부품들 중 블레이드, 베인, 연소기 등의 고온부품은 가혹한 조건하의 운전에 의해 파손이 발생하게 된다. 이들 부품은 고가의 초내열합금으로써 파손된 부품을 교체 시에는 엄청난 비용이 소요되기 때문에 보수하여 사용하고 있으며, 보수시 비용은 교체비용의 20∼30%이다. 초내열합금은 조성이 매우 복잡하고 소량원소에 대한 함량조절도 까다로울 뿐만 아니라 재질의 상태에 따라 특성이 상당히 달라질 수 있다. 또한 초내열합금의 용접 시에는 고온 균열발생, 용접부의 기계적 성질 저하, 내부식성 및 내산화성 저하 등이 문제가 되기 때문에 상기 문제점을 없애고 용접성 및 건전성을 좋게하기 위해서는 일반 용접 방법보다 입열량 제어가 유리한 레이저 열원을 이용하는 것 뿐만 아니라 용가재로 분말을 사용해야 한다.
레이저 열원을 이용하여 파손된 가스터빈 부품을 육성용접하기 위해서는 크게 레이저 시스템과 레이저 육성용접 헤드가 필요하다. 특히 레이저 육성용접 헤드는 분말의 공급 방법, 위치 및 각도, 그리고 보호가스의 공급 위치 및 각도를 결정해 주기 때문에 초내열합금의 육성용접 품질에 영향을 미치게 되므로 헤드가 어떻게 만들어져 있는가는 매우 중요하다.
이 같은 레이저 육성용접헤드는 레이저 열원을 이용하여 파손된 가스터빈 등의 부품을 육성용접 보수하기 위한 것으로, 이 헤드에는 크게 분말을 공급하는 분말공급장치와 노즐이 필요하며, 분말 송급 형태와 노즐의 설계에 따라 육성용접의 품질이 결정된다.
종래의 육성용접을 위한 분말공급장치로는 도 1에서 도시하는 바와 같이 미국특허 제4726715호로서, 분말을 저장하는 분말용기(1)와, 가스를 공급하여 주는 가스공급관(2)과, 분말과 가스를 혼합하는 혼합용기(3)로 크게 나눠진다. 분말용기(1)에는 분말을 혼합용기(3)로 이송하는 스크류(1a)가 있으며, 스크류(1a)는 분말용기(1)의 외부에 있는 모터(1b)에 연결되어 있다. 가스공급관(2)은 T자형 분배관으로서 하나는 가스 압력을 일정하게 유지시켜 주는 밸브(2a)가 설치된 분말용기(1)에 연결되고 다른 하나는 혼합용기(3)의 상부에 연결된다. 그리고 혼합용기(3)의 내부에는 스크류(1a)에 의해 혼합용기로 이송된 분말과 가스공급관(2)으로부터 공급된 가스가 혼합되어 분배관(3a)으로 공급된다. 혼합용기(3)에 공급되는 가스는 일정한 양으로 공급되며, 모터(1b)의 속도를 조절함으로써 분말의 공급량을 조절하도록 설계되어 있다. 또한 분말은 분말용기(1)와 혼합용기(3)가 접한 부분으로 자연스럽게 흘러 내리도록 설계되어 있다.
상기한 종래의 분말공급장치는 첫째, 분말용기에 분말의 잔량을 확인할 수 있는 구조부가 구비되어 있지 않아 분말의 잔량을 확인할 수 없는 문제가 있다. 둘째, 모터의 속도를 제어함으로써 분말의 공급량을 조절할 수는 있으나 가스의 공급량은 제어하기가 어렵게 설계되어 있기 때문에 분말과 가스의 혼합비의 조절이 불가능하고, 분말의 공급량이 많아지면 가스의 공급량이 감소하게 되는 문제가 있다. 셋째, 분말이 분말용기와 혼합용기가 접한 부분으로 흘러내리게 설계되어 있기 때문에 분말이 혼합용기 내부에 일정하게 분포되지 않아 분말과 가스의 혼합이 원활하게 이루어지지 않은 문제가 있다.
종래의 육성용접을 위한 노즐로는 도 2에서 도시하는 바와 같이 미국특허 제5321228호로서, 레이저빔 유도부(4)를 통해서 유도된 레이저 빔은 분사구(4a)를 통해 시편에 입사 되도록 설계되어 있다. 노즐의 냉각을 위해서 냉각수 챔버(5)가 있으며, 육성용접에 사용되는 분말은 분말유도캡(6)에 의해 유도되어 분말유도통로(6a) 및 분말분사구(6b)를 통해서 분사된다. 또한 육성용접중 산화를 방지하기 위해 사용되는 보호가스는 보호가스유도캡(7)과 유도보조캡(7a) 사이의 보호가스유도통로(7b)에 의해 유도되어 가스분사구(7c)를 통해서 분사된다. 분말을 분말유도통로(6a)에 송급하기 위한 분말공급관 연결구(6c)가 1개 있고, 보호가스유도통로(7b)에는 보호가스를 공급하기 위한 가스공급관 연결구(7d)가 2개 있다.
상기한 종래의 노즐은 첫째, 레이저빔의 중심축에 대해 분말과 보호가스의 공급각도(α)가 동일하며 분말의 육성용접 작업이 이루어지는 부분에 송급되도록 설계되어 있다. 이때 분말과 보호가스의 공급각도(α)가 같고 분말이 용접부에 송급되도록 설계되어 있기 때문에 보호가스가 작업부분으로 공급되지 않게 되어 육성용접의 품질을 저하시키는 문제가 있다. 둘째, 분말을 송급하는 공급파이프 연결구(6c)가 1개만 구비되어 있기 때문에 방사형인 분말유도통로(6a)에서 분말의 분포가 일정하지 않게 되어 연결구쪽은 분말이 시편에 많이 분사되고, 연결구의 반대쪽은 분말이 시편에 적게 분사되므로 용접부가 불균일하게 용접되는 문제가 있다. 셋째, 육성용접 중 발생하는 부산물이 부착될 경우 노즐 부품의 대부분, 즉 분말유도캡 보호가스유도캡 또는 유도보조캡을 교체해야 하는 문제가 있다.
본 발명의 기본적인 목적은 분말용기에 분말의 잔량을 확인할 수 있는 구조부를 구비함으로서 분말의 잔량을 용이하게 확인할 수 있는 레이저 육성용접헤드를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 분말의 공급량 뿐만 아니라 가스의 공급량까지 조절할 수 있게 하여 분말과 가스의 적절한 혼합비를 항시 유지시켜 줄 수 있는 레이저 육성용접헤드를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 분말용기로부터 공급되는 분말이 혼합용기에서 균일하게 분포되게 하여 육성용접의 품질을 향상시키는 레이저 육성용접헤드를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 작업물에 공급되는 분말과 보호가스의 각도를 다르게 하여 보호가스가 작업부분에 공급되도록 함으로써 육성용접부 품질을 향상시키는 레이저 육성용접헤드를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 노출부의 분말의 분포가 일정하게 함으로써 육성용접 품질을 향상시키는 레이저 육성용접헤드를 제공하는데 있다.
도 1은 종래 육성용접헤드의 분말공급부에 관한 예시도
도 2는 종래 육성용접헤드의 노즐부에 관한 예시도
도 3은 본 발명에 따른 육성용접헤드를 나타내는 예시도
도 4는 본 발명에 따른 분말공급부를 나타내는 예시도
도 5a는 본 발명에 따른 노즐부를 나타내는 예시도
도 5b는 도 5a의 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:분말공급부 110:분말
120:분말용기 121:스크루
122:모터 123:윈도우
130:압출가스공급관 131:가스제어밸브
140:혼합용기 141:분말낙하구
150:분배관 151:분말공급호스
200:노즐부 210:레이저빔
211:레이저빔 유도통로 220:분말유도캡
221:분말유도통로 222:분말공급구
230:보호가스유도캡 231:보호가스유도통로
232:보호가스공급구 240:냉각캡
241:냉각챔버 242:입수파이프
243:배수파이프 250:탭
M:용접물
이하, 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 레이저 육성용접헤드도 용가재인 분말(110)을 공급해 주는 것으로 분말용기(120) 내부에 저장된 분말(110)을 스크루(121)를 통하여 공급하여 주고 가스공급원으로부터 압출가스공급관(130)이 연결되고, 상기 분말용기(120) 및 압출가스공급관(130)에 혼합용기(140)가 연결되게 하여 분말(110)과 가스를 혼합시켜 주는 분말공급부(100)와, 상기 분말공급부(100)에 연결되어 분말과 레이저빔을 유도하는 노즐부(200)로 구성되는 것에 있어서는 종래의 기술적 개념과 별 다를 바가 없다.
다만, 본 발명은 도 3에서 도시하는 바와 같이, 상기 분말공급부(100)의 분말용기(120) 내부에는 분말(110)의 잔량을 확인할 수 있는 윈도우(123)가 설치되고, 상기 압출가스공급관(130)의 인입구에는 가스의 공급량을 제어하여 주는 가스제어밸브(131)가 설치되며, 상기 혼합용기(140)의 내부에는 분말용기(120)로부터 연장되고 하부로 절곡되는 분말낙하구(141)가 형성됨을 특징으로 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 분말공급부(100)의 분말용기(120) 내부에 분말(110)의 잔량을 확인할 수 있는 윈도우(123)를 설치하여 줌으로써 분말용기(120)의 분말 잔량을 용이하게 확인할 수 있으며, 압출가스공급관(130)의 인입구에 가스의 공급량을 제어하여 주는 가스제어밸브(131)를 설치하여 줌으로써 분말의 공급량은 물론 가스의 공급량까지 조절할 수 있게 되어 분말과 가스의 적절한 혼합비를 항시 유지시켜 줄 수 있으며, 혼합용기(140)의 내부에 분말용기(120)로부터 연장되고 하부로 절곡되는 분말낙하구(141)를 형성하게 됨으로써 분말용기로부터 공급되는 분말을 혼합용기에서 균일하게 분포시켜 주는 기본적인 목적을 달성할 수 있는 것이다.
본 발명을 이루는 구성요소들을 좀더 구체적으로 살펴보면, 분말공급부(100)는 도 4에서 도시하는 바와 같이, 분말용기(120), 압출가스공급관(130) 및 혼합용기(140)로 이루어진다. 분말용기(120)의 내부 하부에는 모터(122)에 의해 구동되는 스크루(121)가 설치되어 용기 내부에 저장된 분말(110)을 혼합용기(140)에 공급하여 준다. 또한 분말용기(120) 내부에 설치되는 윈도우(123)는 분말용기(120) 내부의 분말 잔량을 용이하게 확인할 수 있는 구조부로 투명한 유리판 등으로 부착된다. 즉, 분말용기(120) 일측면에 상하방향으로 길게 장공을 관통시켜 투명판을 접착제로 부착시킨다.
압출가스공급관(130)은 가스공급원으로부터 연결되어 혼합용기(140)에 가스를 공급시켜 주는 구조부로서 그 인입구에 가스의 공급량을 제어하여 주는 가스제어밸브(131)가 부착된다. 따라서 분말의 공급량은 스크루(121)의 회전속도로 제어하고 가스의 공급량은 가스제어밸브(131)로 조절하게 됨으로써 분말과 가스의 적절한 혼합비를 항시 유지시켜 줄 수 있다. 한편, 압출가스는 분말을 압출시키는 역할을 하는 것으로 보호가스와는 구별된다.
혼합용기(140)는 분말과 가스를 공급받아 혼합시켜 분배관(150)을 통하여 노즐부(200)에 공급하여 주는 역할을 한다. 여기서 혼합용기(140)는 그 내부에 분말용기(120)로부터 연장되고 하부로 절곡되는 분말낙하구(141)가 형성된다. 따라서 분말낙하구(141)를 형성함으로서 분말과 가스가 균일하게 혼합된다.
상기 노즐부(200)는 직접 용접물(M)에 갖다 대어 용접하는 구조부로서, 도 5a 및 도 5b에서와 같이, 레이저빔 유도통로(211)를 갖는 레이저빔(210)과, 상기 레이저빔(210) 외주면에 분말유도통로(221)를 갖는 분말유도캡(220)과, 상기 분말유도캡 외주면에 보호가스 유도통로(231)를 갖는 보호가스 유도캡(230)과, 상기 보호가스 유도캡(230) 외주면에 냉각챔버(241)를 갖는 냉각캡(240)과, 상기 분말유도캡(220), 보호가스 유도캡(230) 및 냉각캡(240)의 끝부분에 나사결합되는 탭(250)으로 구성된다.
여기서, 분말유도통로(221) 및 보호가스유도통로(231)의 경사각도는 서로 다르게 형성함으로써 육성용접의 품질을 향상시킬 수 있다. 이때 각 경사각도는 레이저빔(210) 중심축에 대하여 분말유도통로(221)는 약 27°∼ 37°가 되고, 보호가스유도통로(231)는 약 45°∼ 55°가 되게 하는 것이 바람직하다.
본 노즐부(200)의 분말유도통로(221)에 연결되어 분말을 노즐부에 주입시켜 주는 분말공급구(222)는 도 5b에서와 같이 노즐부의 사방에 각 1개씩 형성되며, 각분말공급구(222)는 분말공급호스(151)를 통하여 혼합용기(140)에 결합되어 있는 분배관(150)에 연결됨을 보여준다. 따라서 분말공급구(222)가 종래 1측방에만 형성된 것에 비하여 사방에 각 1개가 형성됨으로써, 방사형인 분말유도통로(221)에서 분말의 분포가 일정하게 분포되게 하므로 용접품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 노즐부(200)의 끝부분에 탭(250)을 나사결합시켜 육성용접 중 발생하는 부산물의 부착시 탭(250)만을 교체시켜 줌으로써, 종래 노즐 전체를 교체해야 하는 단점을 해결할 수 있다.
한편, 냉각챔버(241)는 종래에는 노즐 내측에 형성된 것과는 달리, 본 발명에서는 도 5a에서와 같이, 노즐부의 외측에 형성된다. 이는 고온의 열이 노즐 외부에서 내부로 전달되기 때문에 외부에서 미리 열을 차단시켜 주기 위함이다.
이와 같은 본 발명 레이저 육성용접헤드는 첫째, 분말공급부(100)의 분말용기(120) 내부에 분말(110)의 잔량을 확인할 수 있는 윈도우(123)를 설치하여 줌으로써 분말용기(120)의 분말 잔량을 용이하게 확인할 수 있는 효과를 가지며, 둘째, 압출가스공급관(130)의 인입구에 가스의 공급량을 제어하여 주는 가스제어밸브(131)를 설치하여 줌으로써 분말과 가스의 알맞은 혼합비를 항시 유지시켜 줄 수 있는 효과를 가지며, 셋째, 혼합용기(140)의 내부에 분말용기(120)로부터 연장되고 하부로 절곡되는 분말낙하구(141)를 형성하게 됨으로써 분말용기로부터 공급되는 분말이 혼합용기에서 균일하게 분포되어 육성용접 품질을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
나아가, 본 발명은 분말유도통로(221) 및 보호가스유도통로(231)의 경사각도를 서로 다르게 형성함으로써 육성용접의 품질을 향상시킬 수 있으며, 노즐부(200)의 분말유도통로(221)에 연결되어 분말을 노즐부에 주입시켜 주는 분말공급구(222)가 사방에 각 1개씩 형성됨으로써 분말의 분포가 일정하게 분포되며, 노즐부(200)의 끝부분에 탭(250)을 나사결합시켜 줌으로써 육성용접 중 발생하는 부산물의 부착시 탭(250)만을 용이하게 교체시켜 사용할 수 있는 등의 장점도 갖는다.

Claims (4)

  1. 용가재인 분말(110)을 공급해 주는 것으로 분말용기(120) 내부에 저장된 분말(110)을 스크루(121)를 통하여 공급하여 주고 가스공급원으로부터 압출가스공급관(130)이 연결되고, 상기 분말용기(120) 및 압출가스공급관(130)에 혼합용기(140)가 연결되게 하여 분말(110)과 가스를 혼합시켜 주는 분말공급부(100)와, 상기 분말공급부(100)에 연결되어 분말과 레이저빔을 유도하는 노즐부(200)로 구성되는 것에 있어서,
    상기 분말공급부(100)의 분말용기(120) 내부에는 분말(110)의 잔량을 확인할 수 있는 윈도우(123)가 설치되고, 상기 압출가스공급관(130)의 인입구에는 가스의 공급량을 제어하여 주는 가스제어밸브(131)가 설치되고, 상기 혼합용기(140)의 내부에는 분말용기(120)로부터 연장되고 하부로 절곡되는 분말낙하구(141)가 형성됨을 특징으로 하는 레이저 육성용접헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 노즐부(200)는 레이저빔 유도통로(211)를 갖는 레이저빔(210)과, 상기 레이저빔(210) 외주면에 분말유도통로(221)를 갖는 분말유도캡(220)과, 상기 분말유도캡 외주면에 보호가스유도통로(231)를 갖는 보호가스유도캡(230)과, 상기 보호가스유도캡(230) 외주면에 냉각챔버(241)를 갖는 냉각캡(240)과, 상기 냉각캡(240)의 끝단부에 나사결합되는 탭(250)으로 구성됨을 특징으로 하는 레이저 육성용접헤드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 분말유도통로(221) 및 보호가스유도통로(231)는 서로 레이저빔(210) 중심축에 대해 형성되는 각도가 다르되, 분말유도통로(221)의 형성 각도는 27°∼ 37°가 되고, 보호가스유도통로(231)의 형성 각도는 45°∼ 55°가 됨을 특징으로 하는 레이저 육성용접헤드.
  4. 제2항에 있어서, 상기 노즐부(200)의 분말유도통로(221)에 연결되어 분말이 주입되는 분말공급구(222)는 복수개로 형성되며, 각 분말공급구(222)는 분말공급호스(151)를 통하여 혼합용기(140)에 결합되어 있는 분배관(150)에 연결되게 함을 특징으로 하는 레이저 육성용접헤드.
KR1020000000689A 2000-01-07 2000-01-07 레이저 육성용접헤드 KR100351385B1 (ko)

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