KR100621786B1 - 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템 - Google Patents

용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융액적(molten metal droplet) 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 용접대상물의 용접부로 고밀도 에너지빔을 조사하는 빔조사장치부 및 상기 빔조사장치부의 이송경로를 추종하며, 모재용융수단을 통해 용융액적의 모재에 에너지를 공급하여 용융시켜 용융액적을 생성하고 상기 용접대상물의 용접부로 투사하는 액적투사장치부를 포함한다.
따라서, 넓은 틈새에 대해서도 우수한 이음효율로 용접 가능하고, 고밀도 에너지빔의 손실이 적으며, 용접부의 열변형이 최소화되는 등 그 적용 범위, 생산성 및 품질을 향상시키는 다대한 효과가 있다.
용접, 용융, 액적, 투사, 레이저, 빔, 고밀도, 에너지, 맞대기, 접합

Description

용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템{HIGH ENERGY DENSITY BEAM WELDING SYSTEM USING MOLTEN METAL DROPLET JETTING}
도 1은 종래의 고밀도 에너지빔 용접 시스템을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템을 전체적으로 도시한 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템에 있어서 아크건 타입의 용융액적 투사장치의 일 예를 도시한 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템에 있어서 가스노즐건 타입의 용융액적 투사장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 빔발생장치 2 : 초점조절장치
3 : 고밀도 에너지빔 4 : 와이어공급장치
5 : 와이어 가이드 6 : 용접와이어
7 : 보호가스 공급장치 8 : 보호가스 분사노즐
9 : 용접대상물 10 : 방향조절기
11 : 용융액적 투사장치 12 : 용융액적
13 : 감시장치
11' : 아크건 타입 용융액적 투사장치
14' : 아크건 14a' : 인입구
14b' : 제 1 전극 14c' : 절연블록
14d' : 제 2 전극 14e' : 토출구
15' : 전원공급부 16' : 제어부
11'' : 가스노즐건 타입 용융액적 투사장치
14'' : 가스노즐건 14a'' : 인입구
14e'' : 토출구 17'' : 소형 빔발생장치부
18'' : 소형 빔제어부 19'' : 소형 빔초점조절장치부
20'' : 소형 고밀도 에너지빔 21'' : 압력가스공급부
본 발명은 용융액적(molten metal droplet) 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고밀도 에너지빔으로 용접대상물의 용접부를 가열하면서 용접대상물의 용접부 틈새에 용융액적을 투사하므로, 상대적으로 넓은 틈새에 대해서도 접합이 가능하고, 고밀도 에너지빔으로 용접대상물만을 가열하여 용융시키므로 그 에너지 손실이 적어 용접 생산성이 향상되며, 용접부로의 입열량이 적어 열변형을 최소화시킬 수 있는 용융액적 투사를 이용하는 고 밀도 에너지빔 용접 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저빔(laser beam)과 같은 고밀도 에너지빔을 이용하는 용접은 높은 에너지를 이용하여 순간적인 용융을 실현하므로 용접속도가 매우 빠르고, 극히 미세한 빔을 이용하므로 용입깊이(penetration)가 깊으면서 용접대상물의 열손상이 적어 우수한 용접품질을 얻을 수 있으므로, 정밀용접이나 미려한 외관이 필요되는 부위의 용접에 많이 사용되고 있는 실정이다.
익히 잘 알려진 종래의 일반적인 고밀도 에너지빔을 이용하는 맞대기 용접시의 용접 가능한 조건은 다음과 같다.
즉, 판재인 용접대상물의 두께 : t(㎜), 용접대상물의 접합부 틈새 : g(㎜), 고밀도 에너지빔의 초점 지름 : d(㎜), 용융부 폭 : b(㎜), 용융부 높이 : h(㎜)라 하면,
g ≤ min(0.1t, 0.15d~0.3d)
이때, 두께 1~3㎜의 강재 또는 알루미늄재의 판재인 경우, 그 품질조건은,
b = 1~4㎜이다.
따라서, 일반적인 고밀도 에너지빔을 이용하는 용접의 이용 범위는 극히 제한적이며, 틈새(g)의 조건이 위의 조건에서 벗어나는 넓은 경우에는 용접와이어를 사용하여 고밀도 에너지빔 용접을 수행하고 있다.
도 1은 종래의 용접와이어를 사용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템을 나타내는 개략도이다.
빔발생장치(1)에서 초점조절장치(2)를 거쳐 조사되는 고밀도 에너지빔(3)에 의해 용접와이어(6)의 선단과 용접대상물(9)의 용접부를 동시에 용융하여 접합이 이루어지도록 하며, 따라서 고밀도 에너지빔(3)의 초점은 와이어공급장치(4)로부터 공급되는 용접와이어(6)의 선단과 용접대상물(9)의 용접부에 일정한 범위(1㎜ 이내)내에서 일치되어야 한다.
이때, 보호가스 공급장치(7)에 연결된 보호가스 분사노즐(8)로부터 보호가스가 용접대상물(9)의 용접부로 불어 넣어져 용접부의 산화와 용접부로의 불순물의 유입을 방지하게 된다.
미설명 도면부호 5는 와이어공급장치(4)로부터 공급되는 용접와이어(6)를 정렬하여 용접부로 정확히 진행되도록 하는 와이어 가이드이다.
따라서, 용접와이어(6)가 항상 동일한 지점으로 공급되어야만 하고, 용접와이어(6) 선단의 진동을 감쇄시켜 위치 오차를 최소화해야 하므로 용접와이어(6)를 공급하는 장치부가 매우 복잡하게 되며, 고밀도 에너지빔(3)으로 용접대상물(9)과 더불어 용접와이어(6)까지 용융해야 하므로 고밀도 에너지빔(3)의 에너지 손실이 커 용접속도와 효율이 매우 낮다는 문제점이 있었다.
후자의 문제점을 극복하기 위해, 예열된 용접와이어(6)를 공급하거나 용접와이어(6)를 용융풀(pool)에 투입하여 용융시키는 방법들이 제안되었으나, 이러한 방법들은 결국 그 사용상의 제약을 추가하는 것으로서 효율적이지 못한 방법으로 볼 수 있다.
더불어, 고밀도 에너지빔(3)으로 용접대상물(9)과 더불어 용접와이어(6)까지 용융해야 하므로 용접부로의 입열량이 많아 용접부의 열변형이 크게 발생되게 됨으 로써 용접품질의 저하가 초래된다는 문제점도 있었다.
한편, 틈새(g)의 조건이 용접와이어(6)를 사용하는 고밀도 에너지빔 용접의 조건에서 벗어나는 현저히 넓은 경우에는 아크-고밀도 에너지빔 하이브리드(hybrid) 용접을 수행하는 방법이 있다.
그러나, 이 방법은 용접부로의 입열량은 고밀도 에너지빔 용접에서와 동일한 수준이나 용융부 폭이 고밀도 에너지빔 용접에서와 비교하여 두배 이상이고, 열변형도 훨씬 크게 발생된다는 문제점이 있다.
또한, 용접와이어와 용접대상물 사이에서 아크현상과 그을음이 발생하여 재질과 주변 조건에 따라 안정된 조건을 찾기가 어려우며, 항상 아크용접기와 모재 사이의 거리, 각도 및 방향이 제한된다는 문제점도 있었다.
결국, 하이브리드 용접의 경우에는 틈새가 넓은 경우에 적용될 수 있으나 미려한 외관이 필요되는 부위 등에서 우수한 용접품질을 제공하는데에는 한계가 있는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 고밀도 에너지빔으로 용접대상물의 용접부를 가열하면서 별도의 용융액적 투사장치를 이용하여 용융액적을 용접부 틈새에 투사하는 것에 의해, 상대적으로 넓은 틈새에 대해서도 접합이 가능하고, 고밀도 에너지빔의 손실 및 용접부로의 추가 입열을 최소화할 수 있는 고밀도 에너지빔 용접 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 용접대상물의 용접부로 고밀도 에너지빔을 조사하는 빔조사장치부 및 상기 빔조사장치부의 이송경로를 추종하며, 모재용융수단을 통해 용융액적의 모재에 에너지를 공급하여 용융시켜 용융액적을 생성하고 상기 용접대상물의 용접부로 투사하는 액적투사장치부를 포함하는 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템을 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템을 전체적으로 나타내는 개략도이다.
본 발명에 따른 고밀도 에너지빔 용접 시스템은 크게 빔조사장치부와 액적투사장치부로 구성되며, 빔조사장치부를 통해 용접대상물(9)의 용접부에 고밀도 에너지빔(3)을 조사하여 가열하고, 액적투사장치부를 통해 용접대상물(9)의 용접부 틈새에 용융액적(12)을 투사하게 된다.
고밀도 에너지빔(3)으로는 연속 또는 펄스형태의 Nd:YAG 레이저빔, CO2 레이저빔, 파이버(fiber) 레이저빔, 플라즈마(plasma) 및 전자빔(electron beam) 등이 이용될 수 있으며, 고밀도 에너지빔(3)의 조사 시점과 용융액적(12)의 투사 시점은 동시이거나 다른 하나가 앞서서 실시될 수 있다.
빔조사장치부는 빔발생장치(1)에서 발생된 고밀도 에너지빔(3)을 초점조절장치(2)를 통해 용접대상물(9)의 용접부로 조사한다.
액적투사장치부는 상기 빔조사장치부의 이송경로를 추종하며, 그 구성은 용접와이어(6)를 공급하는 와이어공급장치(4) 및 와이어 가이드(5)와, 공급되는 용접와이어(6)의 선단을 용융하여 용융액적(12)을 생성하고 생성된 용융액적(12)을 용접대상물(9)의 용접부로 투사하는 용융액적 투사장치(11)와, 용융액적 투사장치(11)의 위치 및 방향을 가변시켜 용융액적(12)의 투사방향 등을 조절하는 방향조절기(10)와, 용융액적(12)의 산화를 방지하기 위해 용융액적 투사장치(11)내로 보호가스를 공급하는 보호가스 공급장치(7) 및 보호가스 분사노즐(8)과, 용접대상물(9)의 용접부 상태를 감시하여 틈새크기 등의 상태정보를 용융액적 투사장치(11)측으로 전송하여 용접부의 상태에 따라 용융액적(12)의 생성량, 크기 등의 조건이 조절되도록 하는 감시장치(13)를 포함한다.
여기서, 용접와이어(6)는 용접대상물(9)의 재질과 동일하거나 동일하지 않은 금속재가 이용될 수 있는데, 용접대상물(9)의 재질에 따라 선택될 수 있다.
그리고, 용융액적(12)의 모재로 용접와이어(6)를 대표적으로 나타내나 와이어 형태 대신에 봉 형태, 파우더 형태가 이용될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 아크건 타입의 용융액적 투사장치의 일 예를 나타내는 개략도이다.
아크건 타입의 용융액적 투사장치(11')는 아크건(14')과, 아크건(14')내의 후술하는 제 1, 제 2 전극(14b', 14d')에 전원을 공급하는 전원공급부(15')와, 감 시장치(13)로부터의 용접부 상태정보에 따라 용융액적(12)의 생성량 등의 조건을 제어하는 제어부(16')를 포함한다.
아크건(14')은 공급되는 용접와이어(6)가 인입되는 인입구(14a')와, 공급되는 용접와이어(6)에 접촉하여 전원을 공급하는 제 1 전극(14b')과, 제 1 전극(14b') 및 제 1 전극(14b')에 의해 전원이 공급된 용접와이어(6)의 극성과 다른 극성을 가지도록 용접와이어(6)의 선단으로부터 이격된 전방에 구비되어 용접와이어(6)와의 간극을 통해 아크를 발생시켜 용접와이어(6)의 선단을 용융하여 용융액적(12)을 생성하고 생성된 용융액적(12)이 투사되도록 하는 제 2 전극(14d')과, 두 전극(14b', 14d')간을 절연시키기 위해 두 전극(14b', 14d') 사이에 구비되는 절연블록(14c')과, 용융액적(12)이 용접대상물(9)의 용접부를 향해 토출되도록 전술한 제 2 전극(14d')의 중앙에 형성되는 토출구(14e')를 포함한다.
따라서, 아크건 타입의 용융액적 투사장치(11')는 서로 다른 극성의 용접와이어(6)와 제 2 전극(14d')의 간극을 통해 발생되는 아크에 의해 용접와이어(6)의 선단을 용융하고 생성되는 용융액적(12)을 용접대상물(9)의 용접부로 투사하게 된다.
덧붙여, 공정이 진행됨에 따라 제 2 전극(14d')은 소모되게 되고, 또한 제 2 전극(14d')의 재질을 교체할 필요도 발생되므로, 그 교체가 가능하도록 아크건(14')을 절연블록(14c')까지의 상부부분과 그 하부부분으로 나누어 상부부분에 대해 하부부분이 탈부착될 수 있도록 구성할 수도 있으며, 이렇게 구성할 경우 상부부분에 대한 하부부분의 부착량을 조절하는 것에 의해 용접와이어(6)으로부터 의 제 2 전극(14d')의 간격도 용이하게 조절할 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 가스노즐건 타입의 용융액적 투사장치의 일 예를 나타내는 개략도이다.
가스노즐건 타입 용융액적 투사장치(11'')는 가스노즐건(14'')과, 가스노즐건(14'')내로 인입되는 용접와이어(6)의 선단을 용융하기 위해 소형 고밀도 에너지빔(20'')을 조사하는 소형 빔조사장치부인 소형 빔발생장치부(17''), 소형 빔제어부(18'') 및 소형 빔초점조절장치부(19'')와, 소형 고밀도 에너지빔(20'')의 조사에 의해 용접와이어(6)의 선단에 생성되는 용융액적(12)을 용접와이어(6)로부터 분리하고 투사 추진력을 제공하는 압력가스를 가스노즐건(14'')내로 공급하는 압력가스공급부(21'')를 포함한다.
가스노즐건(14'')은 공급되는 용접와이어(6)가 인입되는 인입구(14a'')와, 용접와이어(6)의 선단이 용융되어 생성되는 용융액적(12)이 토출되는 토출구(14e'')를 포함한다.
따라서, 가스노즐건 타입 용융액적 투사장치(11'')는 소형 고밀도 에너지빔(20'')으로 용접와이어(6)의 선단을 용융하여 용융액적(12)을 생성하고, 압력가스를 공급하여 생성된 융융액적을 용접와이어(6)로부터 분리시킨 다음, 용접대상물(9)의 용접부로 투사하게 된다.
이상과 같은 본 발명에 따른 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템은 용접대상물(9)의 용접부 틈새에 용융액적(12)을 투사하므로, 종래에는 불가능하였던 상대적으로 넓은 틈새에 대해서도 우수한 이음효율로 접합이 이루어 지도록 한다.
그리고, 고밀도 에너지빔(3)으로 용접대상물(9)의 용접부만을 가열하여 용융시키므로 고밀도 에너지빔(3)의 손실이 적어 용접속도와 효율이 극대화되며, 용접부로의 입열량도 적어 용접부의 열변형을 최소화시키게 된다.
덧붙여, 본 발명에 따른 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템은 용접 뿐만 아니라 브레이징(brazing), 클래딩(cladding) 등의 접합에도 이용될 수 있음은 물론이다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
본 발명에 따르면, 넓은 틈새에 대해서도 우수한 이음효율로 용접 가능하여 그 적용 범위가 넓으며, 용접대상물의 접합부 틈새에 용접와이어를 공급시 용접와이어 선단의 진동 감쇄 및 위치 오차를 줄이기 위한 복잡한 부가 장치부 등이 불필요하여 장비운용에 효율성이 제공되고, 용접대상물과 용접와이어를 동시에 용융시킬 필요가 없으므로 고밀도 에너지빔의 손실이 적고, 또한 그 만큼 용접부로의 입열량이 적어 용접부의 열변형을 최소화하여 정밀하고 미려한 고수준의 용접품질을 얻을 수 있는 다대한 효과가 달성될 수 있다.

Claims (6)

  1. 용접대상물의 용접부로 고밀도 에너지빔을 조사하는 빔조사장치부 및
    상기 빔조사장치부의 이송경로를 추종하며, 모재용융수단을 통해 용융액적의 모재에 에너지를 공급하여 용융시켜 용융액적을 생성하고 상기 용접대상물의 용접부로 투사하는 액적투사장치부를 포함하는 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모재용융수단은,
    상기 모재에 접촉하여 상기 모재에 전원을 공급하는 제 1 전극 및
    상기 제 1 전극에 의해 극성이 부여된 상기 모재와 다른 극성을 가지도록 상기 모재의 선단으로부터 이격된 전방에 구비되어 상기 모재와의 간극을 통해 아크를 발생시켜 상기 모재의 선단을 용융하여 상기 용융액적을 생성하고 투사되도록 하는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 모재용융수단은,
    상기 모재의 선단을 용융하기 위해 상기 모재의 선단에 에너지빔을 조사하는 빔조사장치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 전극의 교체가 가능하도록 상기 제 2 전극측이 상기 제 1 전극측에 대해 탈부착 가능한 것을 특징으로 하는 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 모재용융수단은,
    상기 에너지빔의 조사에 의해 상기 모재의 선단에 생성되는 상기 용융액적을 상기 모재로부터 분리하고 투사 추진력을 제공하기 위해 압력가스를 공급하는 압력가스공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템.
KR1020040033611A 2004-05-12 2004-05-12 용융액적 투사를 이용하는 고밀도 에너지빔 용접 시스템 KR100621786B1 (ko)

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