KR100456969B1 - Hybrid Welding method using Laser Welding and Arc Welding - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템에 관한 것으로, 그 목적은 용접시 용접부재의 변형을 최소화하고, 커다란 부재의 턴 오버 공정에서 발생할 수 있는 위험요소들을 해소하며, 용접부재의 하부 비드와 상부 비드를 양호하게 형성할 수 있는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접방법을 제공함에 있다.The present invention relates to a complex welding system using laser welding and arc welding, the object of which is to minimize the deformation of the welding member during welding, to eliminate the risks that may occur in the turnover process of a large member, the lower part of the welding member The present invention provides a composite welding method using laser welding and arc welding, which can form beads and upper beads well.
본 발명은 발진기(1)에서 형성된 레이저가 광파이버(3) 또는 반사광학계(8)를 통해 집속 광학계(5)로 전송되어 렌즈 및 포물면경에 의해 집광(6)되는 단계와, 용접부재(12)의 간극이 존재하거나 없는 부분의 한 면 또는 두 면에 조사하거나 개선가공 된 부분에 조사하여 하부비드(13)를 형성시키는 단계와, 아크 용접 토치(10)로부터 와이어를 용융시켜 개선부를 채워 상부비드(14)를 얻는 단계를 포함하는 것을 요지로 한다.According to the present invention, a laser beam formed in the oscillator 1 is transmitted to the focusing optical system 5 through the optical fiber 3 or the reflecting optical system 8 to be focused by the lens and the parabolic mirror 6, and the welding member 12. Irradiating one or two sides of the portion with or without gaps or irradiating the improved portion to form the lower bead 13, and melting the wire from the arc welding torch 10 to fill the improved portion with the upper bead The summary includes the step of obtaining (14).
Description
본 발명은 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접용접에 관한 것으로 더 상세하게는 용접시 용접부재의 변형을 최소화하고, 커다란 부재의 턴 오버 공정에서 발생할 수 있는 위험요소들을 해소할 수 있는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접방법을 제공함에 있다.The present invention relates to a composite welding welding using laser welding and arc welding, and more particularly, to laser welding and to minimize the deformation of the welding member during the welding and to eliminate the risks that may occur in the turnover process of a large member. The present invention provides a composite welding method using arc welding.
일반적으로 중공업분야에 사용되는 강판은 도 1 에 도시된 바와같이 용접 조인트 형상이 맞대기 이음(I-butt) 형태로 제작되고, SAW(Submerged Arc Welding) 용접 기법을 이용해 양면 용접을 한다. 그러나 기존의 용접기법은 입열량의 과다와 턴 오버(turn over) 공정으로 인한 부재의 변형으로 인해 용접 후 변형을 잡기 위한 교정에 많은 공수가 투입되는 등의 문제점이 있었다. 이에 레이저를 이용하면 저 입열 투입으로 변형문제와 턴 오버 공정을 없앨 수 있는 장점이 있는데, 레이저 용접시 발진기에서 형성된 빔은 전송광학계(미러, 광파이버)에 의해 전송되고 집속광학계에 의한 고 밀도 에너지로 키홀(Keyhole) 용접에 적합한 출력밀도를 형성하게 된다. 그러나 용접하려는 판의 두께가 증가할수록 더 높은 출력의 레이저 발진기가 필요하고 이에 따른 투자비의 증가 및 고출력 빔을 전송시켜야 하는 시스템의 구성과 조작상에 많은 어려움이 발생하게 된다.Generally, steel sheets used in the heavy industry are manufactured in the form of a butt joint (I-butt), as shown in FIG. 1, and double-sided welding is performed using a submerged arc welding (SAW) welding technique. However, the conventional welding method has a problem such that a lot of air input to the correction to catch the deformation after welding due to the deformation of the member due to excessive heat input and turn over (turn over) process. The use of a laser has the advantage of eliminating the deformation problem and the turnover process due to the low heat input, and the beam formed in the oscillator during laser welding is transmitted by the transmission optical system (mirror, optical fiber) and the high density energy by the focusing optical system. The power density suitable for keyhole welding is formed. However, as the thickness of the plate to be welded increases, a higher power laser oscillator is required, which increases the investment cost and creates a lot of difficulties in the construction and operation of a system that needs to transmit a high power beam.
본 발명은 상기와 같은 결점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 용접시 용접부재의 변형을 최소화하고, 커다란 부재의 턴 오버 공정에서 발생할 수 있는 위험요소들을 해소하며, 용접부재의 하부 비드와 상부 비드를 양호하게 형성할 수 있는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접방법을 제공함을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above drawbacks, to minimize the deformation of the welding member during welding, to eliminate the risk factors that may occur in the turn-over process of the large member, and to remove the lower bead and the upper bead of the welding member An object of the present invention is to provide a composite welding method using laser welding and arc welding, which can be formed satisfactorily.
본 발명은 발진기(1)에서 형성된 레이저가 광파이버(3) 또는 반사광학계(8)를 통해 집속 광학계(5)로 전송되어 렌즈 및 포물면경에 의해 집광(6)되는 단계와, 용접부재(12)의 간극이 존재하거나 없는 부분의 형성된 한 면 또는 두 면에 조사하거나 개선가공 된 부분에 조사하여 하부비드(13)를 형성시키는 단계와, 아크 용접 토치(10)로부터 와이어를 용융시켜 개선부를 채워 상부비드(14)를 얻는 단계를 통해 레이저빔과아크 용접 기법이 순차적으로 이루어지는 용접방법을 제공함으로써 달성된다..According to the present invention, a laser beam formed in the oscillator 1 is transmitted to the focusing optical system 5 through the optical fiber 3 or the reflecting optical system 8 to be focused by the lens and the parabolic mirror 6, and the welding member 12. Irradiating the formed or one side of the part with or without gaps or irradiating the improved part to form the lower bead 13, and melting the wire from the arc welding torch 10 to fill the improvement part The step of obtaining the beads 14 is achieved by providing a welding method in which a laser beam and arc welding technique is performed sequentially.
도 1 은 일반적인 용접 조인트 형상1 is a typical weld joint shape
도 2 는 직렬 복합 용접을 위한 용접 조인트 형상2 is a weld joint shape for tandem compound welding
도 3 은 직렬 복합 용접시 개념도3 is a conceptual diagram in series compound welding
도 4,5,6 은 본 발명의 다양한 실시 방법에 대한 개념도4,5,6 is a conceptual diagram for various implementation methods of the present invention
도 7 은 본 발명의 복합용접기법 개념도7 is a conceptual view of a composite welding technique of the present invention
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 레이저 발진기(CO2, Nd:YAG, COIL 레이저)1: laser oscillator (CO 2 , Nd: YAG, COIL laser)
2 : 레이저 제어기(controller) 3 : 광파이버(optical fiver)2: laser controller 3: optical fiber
4 : 레이저 용접 헤드 5 : 집속 광학계4: laser welding head 5: focusing optical system
6 : 집속된 레이저 7 : 출사구에서 방출된 레이저빔6 focused laser 7 laser beam emitted from exit port
8 : 빔 반사경 9 : 아크 용접 전원(power source)8 beam reflector 9 arc welding power source
10 : 아크용접 토치 11 : 레이저 헤드, 아크토치고정지그10 arc welding torch 11: laser head, arc torch fixing jig
12 : 용접 부재13 : 레이저빔에 의해 형성된 초층 용접부12. Welding member 13: Superlayer welded portion formed by laser beam
14 : 아크용접에 의해 형성된 용접부14: welded part formed by arc welding
21 : 싱글빔(single beam) 22 : 에지(edge)의 한쪽면21: single beam 22: one side of the edge (edge)
23 : 초층 용접부 24 : 이중빔(twin beam)23: superlayer welding part 24: twin beam
25 : 에지의 두면 26 : 루트(root)부분25: Two sides of the edge 26: Root part
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.When described in detail with reference to the accompanying drawings, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention to achieve the object as described above and to perform the task for eliminating the conventional drawbacks.
도 1 은 일반적인 용접 조인트 형상이고, 도 2 는 직렬 복합 용접을 위한 용접 조인트 형상이며, 도 3 은 직렬 복합 용접의 개념도이고, 도 4, 5, 6은 본 발명의 다양한 실시 방법에 대한 개념도이며, 도 7 은 본 발명의 복합용접기법 개념도로서,1 is a general weld joint shape, FIG. 2 is a weld joint shape for tandem compound welding, FIG. 3 is a conceptual view of tandem compound welding, and FIGS. 4, 5, and 6 are conceptual views of various embodiments of the present invention. 7 is a conceptual view of the composite welding technique of the present invention,
본 발명 레이저용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접방법은 개선부가 가공되지 않은 맞대기 이음 및 Y-형상으로 개선 가공된 용접 조인트에 대하여 양호한 상부, 하부 비드를 형성하도록 순차적으로 열원이 용접부에 전달되는 용접방법으로 구성한다.The composite welding method using laser welding and arc welding according to the present invention is a welding method in which a heat source is sequentially transmitted to a weld so as to form good upper and lower beads for a welded joint with an improved butt weld and an improved Y-shape. Consists of.
본 발명은 도 2(a)에 도시된 바와 같이 부재간의 간극이 발생한 경우 부재의 중심부에 집속빔을 조사하게 되면 빔이 간극 사이로 빠져 양호한 용접부를 얻을 수 없기 때문에 도 4 와 같이 단일초점 광학계를 이용하여 초점위치를 부재의 한쪽 면에 맞추어 용융시켜 하부비드를 형성시키는 것과 도 5처럼 이중초점 광학계를 이용하여 간극만큼 초점위치를 떨어뜨려 상부 에지(edge) 두 면을 용융시켜 하부비드를 형성시키고, 또한 간극이 없는 경우에도 빔을 한 곳에 중첩시켜 하부비드를 형성시키며, 도 6 은 저출력의 레이저로 루트(root) 부분의 용접이 가능하도록 루트부분을 남겨 놓고 개선(5~80도)가공하여 용접하는 것으로 전체적인 개념은 도 7 과 같이 레이저빔과 아크용접 기법을 순차적으로 이용하여 초층은 레이저로 양호한 비드를 형성시키고 간극으로 함몰된 부분이나 개선부는 아크용접 기법을 이용하여 상부비드를 형성시키는 용접방법이다.In the present invention, when a gap between members occurs as shown in FIG. 2 (a), when the focused beam is irradiated to the center of the member, the beam falls between the gaps and thus a good welded part cannot be obtained. To form a lower bead by melting the focal position to one side of the member, and by using a bifocal optical system to drop the focal position by the gap as shown in FIG. 5 to melt the two upper edges to form the lower bead, In addition, even when there is no gap, the beam is overlapped in one place to form a lower bead, and FIG. 6 shows that the root part is left to be welded by a low-power laser so that the welding is improved (5 to 80 degrees). The overall concept is to use a laser beam and the arc welding technique as shown in Figure 7 in order to form a good bead with a laser and the gap between the first layer The recessed portion or portions is improved welding method for forming the upper bead by arc welding techniques.
도 3 은 본 발명의 시스템 주요 부분을 구성한 구성도로서, 발진기에서 형성된 빔중 Nd:YAG 레이저나 COIL 레이저는 광파이버(3)로 전송되고 CO2레이저는 미러등의 반사광학계(8)에 의해 전송되며 렌즈(5) 및 포물면경에 의해 집광(6)되고 마지막으로 용접부재(12)의 간극이 존재하거나 없는 부분의 형성된 한 면 또는 두 면에 조사하거나 개선가공 된 부분에 조사하여 하부비드(13)를 형성시킨다. 이어 아크 용접 토치로부터 와이어를 용융시켜 개선부를 채워주는 공정이 끝나면 양호한 상부 용접부(14)를 얻을 수 있게 된다. 용접하려는 부재의 크기가 상대적으로 큰 경우에는 레이저빔 또는 아크 용접용 헤드를 갠트리(gantry)에 부착해 이송하는 방법이 적당하고 필요에 따라서는 소부재인 경우 용접부재가 이송되는 방법이 사용될 수 있다.FIG. 3 is a block diagram of the main system of the present invention, in which an Nd: YAG laser or a COIL laser is transmitted to an optical fiber 3 and a CO 2 laser is transmitted by a reflective optical system 8 such as a mirror. The lower bead 13 is irradiated to one side or two sides of the condensed part 6 by the lens 5 and the parabolic mirror and finally irradiated to one or two formed parts of the part with or without the gap of the welding member 12, To form. Then, after the process of melting the wire from the arc welding torch to fill the improvement part, a good upper welding part 14 can be obtained. When the size of the member to be welded is relatively large, a method of attaching and transferring a laser beam or arc welding head to a gantry is appropriate, and if necessary, a method of transferring the welding member may be used. .
도 4 는 용접하려는 부재간의 간극이 존재하는 경우 싱글빔(single beam) (21)을 이용하여 에지의 한 쪽면(22)을 용융시켜 하부비드를 포함한 초층 용접부(23)를 만드는 방법이다.FIG. 4 shows a method of making a first layer weld 23 including a lower bead by melting one side 22 of an edge using a single beam 21 when there is a gap between members to be welded.
도 5 는 도 4와 유사한 방법으로 이중빔(twin beam)(24)을 이용하여 간극이 발생한 에지의 두 면(25)을 용융시켜 하부비드를 포함한 초층 용접부(23)를 만들며 간극이 없는 경우에는 광학계를 조절하여 이중빔을 한곳에 집속시켜 중첩효과에 의한 용접의 효율을 높이는 방법이다.FIG. 5 is a method similar to that of FIG. 4, by melting two surfaces 25 of edges having a gap by using a twin beam 24 to form a first layer welding part 23 including lower beads. It is a method to improve welding efficiency by overlapping effect by focusing the double beam in one place by adjusting the optical system.
도 6 은 용접하려는 강재의 두께가 증가되면 레이저의 고출력화가 필요하므로 저출력의 레이저로도 맞대기 용접이 가능하도록 약간의 루트부분(26)을 남기고Y-개선 가공을 통해 개선형상을 만든 후 루트부분을 레이저로 용접하여 하부비드를 만드는 방법이다.6 shows that the higher the thickness of the steel to be welded, the higher the power of the laser is required, so that the butt welding is possible even with a low-power laser, leaving some root portions 26 and making the improved shape through the Y-improving process. This method is to make lower beads by welding with laser.
도 7 은 본 발명의 복합 용접 헤드의 기능을 상세히 나타낸 구성도로서, 우선 집속된 빔(6)이 조인트의 이음부와 맞닿은 부분 및 개선형상의 루트 부분을 충분히 용융시켜 하부비드를 포함한 초층 용접부(13)를 형성한다. 이후 복합 용접 헤드의 아크용접 토치(10)가 레이저빔에 의해 형성된 용융 풀(molten pool)의 열이 외부로 방출되기 전 아크 입열을 가함으로 입열의 중첩효과에 의해 양호한 용입을 얻을 수 있다.FIG. 7 is a schematic view showing the function of the composite welding head of the present invention in detail. First, the focused beam 6 includes an upper layer weld part including a lower bead by sufficiently melting a portion where the focused beam 6 abuts the joint part and an improved root part ( 13). Thereafter, the arc welding torch 10 of the composite welding head applies arc heat before the heat of the molten pool formed by the laser beam is discharged to the outside, thereby obtaining good penetration due to the superposition effect of heat input.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기와 같이 구성된 본 발명 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접방법은 레이저 용접을 통해 하부 비드를 양호하게 얻을 수 있고 뒤따르는 아크용접으로 상부 비드도 양호하게 형성할 수 있다. 그리고 이를 통해 저입열 기법인 레이저 용접의 장점을 살려 용접부재의 변형최소화 측면과 커다란 부재의 턴 오버 공정에서 발생하는 위험요소들을 해결할 수 있다. 또한 본 발명의 용접방법이 중공업 등 다양한 분야에 적용된다면 생산성 향상 효과를 기대할 수 있어 산업발전에 이바지할 수 있는 유용한 발명이다.In the composite welding method using the laser welding and the arc welding of the present invention configured as described above, the lower bead may be satisfactorily obtained through laser welding, and the upper bead may be satisfactorily formed by the arc welding that follows. And through this, it is possible to take advantage of laser welding, which is a low heat input technique, to minimize the deformation of the welding member and to solve the risks that occur in the turnover process of the large member. In addition, if the welding method of the present invention is applied to various fields such as heavy industry, it is a useful invention that can contribute to the industrial development can be expected to improve the productivity.
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