KR100561074B1 - 아크 용접 장치 및 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 아크 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 아크 용접 장치는, 아크 전극 또는 아크 토치와 모재에 서로 다른 극성의 전압을 인가하는 전원 인가 수단; 레이저를 발생하는 레이저 발생 수단; 상기 레이저를 용접 예정부에 조사하는 레이저 조사 수단; 및 상기 레이저 발생 수단 및 레이저 조사 수단의 동작을 제어하는 제어 수단;을 포함하며, 이러한 구성의 아크 용접 장치를 이용한 용접 방법은, .아크 토치의 전극 선단과 모재의 거리를 일정하게 유지한 상태에서 레이저 발생 수단으로부터 발생시킨 레이저를 모재의 용접 예정 위치에 조사하여 플라즈마 및 금속 증기를 발생시키고, 아크 전극과 상기 모재와의 사이에 발생하는 아크 방전을 상기한 레이저를 조사한 용접 예정 위치로 유도하여 아크 용접을 실시한다.

티그, 아크, 용접, 고체 레이저, 예열,

Description

아크 용접 장치 및 용접 방법{DEVICE AND METHOD OF ARC WELDING}

도 1은 TIG 용접에 있어서의 아크 방전 유도를 예로 든 본 발명의 원리 설명도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 TIG 용접 장치의 개략적인 구성도이다.

도 3은 레이저 파장에 따른 모재별 흡수율을 나타내는 그래프이다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 방전 방법에 따른 아크 방전 전과 후의 상태를 비교하는 사진이다.

본 발명은 아크 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용한 아크 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것이다.

아크 용접은 용접기의 한쪽 극성을 전원 케이블을 통하여 모재에 연결하고, 다른 한쪽 극성을 또 다른 전원 케이블을 통하여 아크 토치에 연결한 후, 아크 공급 장치로부터 분위기 가스를 공급하면서 모재와 아크 전극(또는 아크 토치) 사이에 전류를 인가하여 발생하는 아크열을 이용하여 모재를 가열/용융시켜 접합하는 용접의 한 방법이다.

이러한 아크 용접에는 TIG(tungusten inert gas) 용접, MIG(metal inert gas) 용접, C02, MAG(metal active gas) 용접 등이 있는데, 이 중에서 상기 TIG 용접은 아크 토치에 불용성의 텅스텐 전극을 사용하는 용접 방식을 나타낸다.

그런데, 상기한 TIG 용접에서는 전극과 모재가 항상 일정한 거리를 유지해야 하기 때문에 아크 발생이 어려운 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해, 종래에는 전극 선단과 모재의 중간에 철솜을 삽입하여 아크를 발생시키는 방법이 사용되었다. 그러나 이 방법은 아크를 발생시킬 때마다 철솜을 삽입해야 하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라, 용융된 철솜에 의하여 용접부가 오염되는 문제점이 있다.

종래의 다른 예로, 미국 특허 6,156,999호는 전극과 모재 사이에 고주파 고전압을 인가시키는 방법을 제안하고 있다. 이러한 용접 방법은 모재의 표면 및 전극의 선단면이 청결한 경우에는 아크가 양호하게 발생하지만, 모재의 표면 혹은 전극의 선단에 산화물 등의 이물질이 부착되는 경우에는 아크 발생이 어려워지는 문제점이 있다. 특히 TIG 용접의 경우, 전극이 소모되는 경우에는 모재 표면이 오염될 뿐만 아니라, 모재와 전극 선단의 거리가 변화되어 아크 발생이 더욱 어려워진다. 또한 이 방법은 고주파 및 고전압 잡음이 발생하고, 상기 잡음이 주위의 장비에 외란으로 작용함과 아울러, 인체에 유해한 것으로 알려져 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 안정된 아크 방전을 소망하는 위치에 정확하게 행하는 것이 가능하며, 아크 방전 위치를 레이저에 의해 안정적으로 유도하여 아크 방전 그 자체를 안정화할 수 있는 아크 용접 장치 및 용접 방법을 제공함에 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

아크 전극 또는 아크 토치와 모재에 서로 다른 극성의 전압을 인가하는 전원 인가 수단;

레이저를 발생하는 레이저 발생 수단;

상기 레이저를 용접 예정부에 조사하는 레이저 조사 수단; 및

상기 레이저 발생 수단 및 레이저 조사 수단의 동작을 제어하는 제어 수단;

을 포함하는 아크 용접 장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 레이저 발생 수단은 레이저 전원 공급 수단 및 레이저 발진기를 포함하며, 상기 레이저 전원 공급 수단과 레이저 발진기는 별도의 셋트로 구성하여 용접기 본체의 상단 혹은 주위에 배치할 수도 있지만, 상기한 전원 인가 수단이 설치되는 용접기 본체의 내부에 설치하는 것이 바람직하다.

상기한 레이저 발생 수단을 용접기 본체의 내부에 설치하는 경우에는 발생된 레이저를 레이저 조사 수단에 전송하기 위해 광섬유 등의 광 전송 수단을 사용할 수도 있다.

그리고, 상기 레이저 발생 수단은 500∼2,000㎚의 파장을 갖는 레이저를 발생하는 것이 바람직하며, 상기한 레이저로는 Nd:YAG 레이저, 다이오드 레이저 또는 화이버 레이저와 같은 고체 레이저를 사용할 수 있다.

다이오드 레이저의 경우에는 다이오드 바를 아크 토치에 장착하는 것도 가능하며, 레이저의 출력은 연속파의 경우 10∼500W의 출력을, 그리고, 펄스파의 경우 50∼50,000W의 출력을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기한 레이저 조사 수단은 광 전송 수단을 통해 전송된 레이저를 집속하는 집속 광학계와, 집속 광학계에서 집속된 레이저를 모재에 조사하는 레이저 토치를 포함할 수 있으며, 상기한 집속 광학계 및 레이저 토치는 아크 토치와 별도로 분리하여 설치하는 것도 가능하지만, 용접 작업의 편의성 등을 고려할 때 상기한 아크 토치와 일체로 설치하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 레이저 토치와 아크 토치는 평행하게 배치할 수도 있지만, 60°미만의 범위에서 서로 경사지게 배치하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명은 아크 용접장치를 이용한 용접 방법으로,

모재의 용접 예정 위치에 레이저를 조사하여 플라즈마 및 금속 증기를 발생시킴으로써 아크 전극과 상기 모재와의 사이에 발생하는 아크 방전을 상기한 레이저를 조사한 용접 예정 위치로 유도하여 아크 용접을 실시하는 용접 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명의 원리에 대하여 먼저 설명한다.

도 1은 TIG 용접에 있어서의 아크 방전의 유도를 예로 한 본 발명의 원리 설명도이다.

도 1에 있어서, 아크 토치(10)는 TIG 용접용 토치이고, 도면부호 12, 14는 아크 전극 및 모재 전극을 각각 나타낸다. 그리고, 아크 토치(10)로부터는 아르곤 가스가 분사되고 있다.

이때, 레이저(L)를 집속 광학계(16)를 거쳐 모재(18)의 용접 예정 위치에 조사하면, 모재(18)의 용접 예정 위치에 플라즈마(20) 및 금속 증기가 발생되며, 아크 방전(22)은 플라즈마(20)가 발생하고 있는 레이저(L)의 조사 위치로 유도된다.

이러한 원리를 바탕으로 구성한 본 발명의 실시예에 따른 아크 용접 장치가 도 2에 도시되어 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 용접기 본체(24)에 설치된 아크 전원 인가 수단(26)으로부터의 아크 전압은 전극 케이블(28)을 통해 아크 토치(10)에 공급됨과 동시에, 전극 케이블(30)을 통해 테이블(32)상에 배치된 모재(18)에 공급된다. 또 레이저 전원 공급 수단(34)에 접속된 레이저 발진기(36)로부터 발생되는 레이저(L)는 광섬유(38)와 집속 광학계(16) 및 레이저 토치(40)를 거쳐 모재(18)에 조사된다.

상기한 집속 광학계(16)는 레이저(L)를 필요에 따라 모재(18)상에서 이동시킬 수 있도록 오실레이트 유닛(42)에 의해 이동될 수 있다.

그리고, 상기한 아크 토치(10), 레이저 토치(40), 집속 광학계(16) 및 오실레이트 유닛(42)은 용접용 로봇(44)에 일체로 설치될 수 있다. 이때, 상기 레이저 토치(40)와 아크 토치(10)는 평행하게 배치하는 것도 좋지만, 바람직하게는 0∼60° 범위의 경사 각도(도 1의 θ 참조)로 경사지게 설치하는 것이 좋다. 이는, 상기한 레이저 토치(40)와 아크 토치(10)의 물리적인 간섭을 피할 수 있도록 함과 동시에, 레이저(L)에 의한 아크 발생 효과가 저하되는 것을 방지하기 위함이다. 그리고, 양 토치(10,40) 사이의 경사 각도(θ)를 60°이상으로 하는 경우에는 상기한 아크 발생 효과의 저하 이외에도 토치 어셈블리의 부피가 증가하여 용접에 제한이 따르는 문제점이 있기 때문이다.

한편, 상기한 레이저 발진기(36)에서 발생되는 레이저(L)는 500∼2,000㎚의 파장을 갖는 것이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

도 3은 레이저 파장에 따른 모재별 흡수율을 나타낸 것으로, 상기 파장이 증가하면 흡수율이 저하되어 용접 효율이 나빠진다. 따라서 파장이 2,000㎚를 초과하는 경우 용접 효율이 저하되며, 반대로 500㎚ 보다 짧은 경우에는 가열 효율이 저하된다. 알루미늄 혹은 그 합금의 경우에는 800∼950㎚ 파장대의 레이저를 사용하면 특히 좋다. 레이저의 종류로는 다이오드 레이저, Nd:YAG 레이저 혹은 화이버 레이저와 같은 고체 레이저를 사용하면 좋다.

특히, 다이오드 레이저를 사용하는 경우에는 다이오드 바를 레이저 토치(40)에 장착하는 것도 가능하다.

한편, 레이저 발진기(36)는 연속파 및 펄스파 모두 사용이 가능하지만, 펄스파를 사용하는 경우 높은 첨두 출력을 얻을 수 있기 때문에 상기한 펄스파를 사용하는 것이 바람직하다.

레이저 출력은 연속파의 경우는 10∼500W가 적당한 데, 그 이유는 10W 보다 작은 경우 모재를 충분히 가열시키지 못하여 아크 발생에 도움이 되지 못하며, 500W 이상인 경우에는 장치의 크기가 매우 커서 용접기 본체(24)에 레이저 발생 수단(34,36)을 내장하기 힘들 뿐만 아니라, 아크 토치와 일체화 하기가 곤란하기 때문이다. 그리고, 펄스파일 경우 레이저 출력은 50∼50,000W가 적당한데, 그 이유는 연속파와 동일하다.

그리고, 도시하지 않은 아크 공급장치로부터 공급되는 분위기 가스는 집속 광학계의 오염을 방지할 수 있도록 집속 광학계측에서 취입하는 것이 바람직하다.

한편, 오실레이트 유닛(42), 테이블(32), 로봇(44), 레이저 전원 공급 수단(34), 아크 전원 인가 수단(26)의 동작은 제어 수단(46)에 의해 제어된다. 도 2에서, 제어 수단(46)과 상기 구성 부품들을 연결하는 신호선은 도면의 간략화를 위해 도시 생략하였다.

즉, 상기한 제어 수단(46)에 의해 상기한 용접 장치를 이용한 본 발명의 용접 방법이 실행된다.

먼저, 제어 수단(46)은 로봇(44)을 동작시킴과 동시에, 테이블(32)을 이동시켜 레이저(L)가 모재(18)의 소망하는 위치에 조사되는 위치로 모재(18)를 이동시킨다. 다음으로, 제어 수단(46)은 레이저 전원 공급 수단(34)을 제어하여 레이저 발진기(36)로부터의 레이저(L)을 모재(18)에 조사시킨다. 도 4a는 모재에 레이저가 조사되는 상태를 나타내는 사진이다.

그리고, 이 경우, 제어 수단(46)은 오실레이트 유닛(42)을 동작시켜 레이저(L)의 위빙을 행할 수도 있다.

계속해서 제어 수단(46)은 아크 전원 인가 수단(26)을 제어하여 아크 토치(10)의 전극(도 1의 12 참조)과 모재(18) 사이에 방전 전압을 인가하여 아크 방전을 개시한다. 도 4b에는 아크 방전이 발생된 상태를 나타내는 사진이다.

그리고 제어 수단(46)은 로봇(44), 테이블(32)의 동작을 제어하여 모재(18)를 소망하는 용접선을 따라 용접시킨다.

그리고, 상기한 용접 작업시에, 레이저(L)의 모재(18)에 대한 조사 위치는 적절한 방법에 의하여 이동할 수 있다.

상기한 조사 위치를 이동시키는 방법의 한 예로, 레이저(L)를 집속 광학계(16)로 전송하는 광섬유(38)의 레이저 출사구를 집속 광학계(16)와 함께 이동시키는 방법을 채용할 수 있다.

또한, 상기 이동 방법 외에, 레이저(L)에 대하여 집속 광학계(16)를 이동함으로써 모재(18)상의 레이저 스폿을 이동하는 것도 가능하다.

또한, 레이저(L)를 도시하지 않은 반사 미러에 조사하고, 이 반사 미러로부터 반사된 레이저를 집속 광학계(16)를 거쳐 모재(18)에 조사하며, 상기한 반사 미러의 레이저(L)에 대한 각도를 변화시킴으로써 모재(18)상의 레이저 스폿을 이동시킬 수 있다.

또한, 레이저(L)를 웨지 기판 및 집속 광학계(16)를 거쳐 모재(18)에 조사하고, 웨지 기판을 회전시킴으로써 레이저(L)를 이동시켜 모재(18)상의 레이저 스폿을 이동시킬 수 있다.

상기한 본 발명에 의하면, 안정된 아크 용접을 용접 예정 위치에 정확하게 행하는 것이 가능하고, 또한 아크 방전을 안정화할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 첨부된 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 아크 발생을 위해 고주파 고전압을 발생시키지 않으므로, 고주파 및 고전압 잡음으로 인한 주변 장비의 손상 및 신체에 가해지는 피해를 방지할 수 있다.

그리고, 레이저를 이용하여 아크 방전을 용접 예정 위치에 유도함으로써, 아크 방전 그 자체를 안정화할 수 있다.

또한, 레이저의 출력을 조절함으로써 용입 깊이 증대, 용접 속도 향상 및 용접부 품질을 향상시키는 것이 가능한 등의 효과가 있다.

Claims (11)

1. 아크 전극 또는 아크 토치와 모재에 서로 다른 극성의 전압을 인가하는 전원 인가 수단;

   레이저 전원 공급 수단 및 레이저 발진기를 포함하는 레이저 발생 수단;

   상기 레이저를 용접 예정부에 조사하는 레이저 조사 수단; 및

   상기 레이저 발생 수단 및 레이저 조사 수단의 동작을 제어하는 제어 수단;

   을 포함하며,

   상기 레이저 발생 수단은 상기한 전원 인가 수단이 설치되는 용접기 본체의 내부에 설치되고, 500∼2,000㎚의 파장을 갖는 레이저를 발생하며, 상기한 레이저의 출력은 연속파의 경우 10∼500W의 출력을 사용하고, 펄스파의 경우 50∼50,000W의 출력을 사용하는 아크 용접장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기한 레이저 발진기에서 발생된 레이저를 레이저 조사 수단에 전송하기 위해 광섬유 등의 광 전송 수단을 사용하는 것을 특징으로 하는 아크 용접 장치.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기한 레이저로는 Nd:YAG 레이저, 다이오드 레이저 또는 화이버 레이저와 같은 고체 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 아크 용접 장치.
7. 삭제
8. 제 1항, 제4항 및 제6항중 어느 한 항에 있어서,

   상기한 레이저 조사 수단은 레이저를 집속하는 집속 광학계와, 집속 광학계에서 집속된 레이저를 모재에 조사하는 레이저 토치를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 용접 장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기한 집속 광학계 및 레이저 토치는 아크 토치와 일체로 설치되는 것을 특 징으로 하는 아크 용접 장치.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 레이저 토치와 아크 토치는 60°이하의 범위에서 서로 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 아크 용접 장치.
11. 삭제

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