KR100656682B1 - 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치 및 이를 이용한용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것으로, 레이저-아크 하이브리드 용접장치는 용접부에 대해 아크를 방전하는 아크방전부와; 용접부에 대해 레이저를 조사하는 레이저발생부와; 상기 아크방전부를 회전시키는 회전장치;로 구성되며, 이를 이용한 용접방법은, 모재를 용접 위치로 정렬시키는 1단계와; 용접 부위에 대해 아크방전부를 위치시킨 후 소정의 회전반경으로 회전시키면서 아크방전을 수행하여 용접 부위를 용융시킨 다음 후속되는 레이저발생부에 의해 레이저를 조사하여 용접시키는 2단계;를 포함하여 구성된다.

레이저, 아크, 하이브리드, 용접, 회전

Description

레이저-회전아크 하이브리드 용접장치 및 이를 이용한 용접방법 { LASER-ROTATE ARC HYBRID WELDING SYSTEM AND THEREOF METHOD }

도 1은, 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치를 나타낸 도면이다.

도 2는, 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치를 이용한 용접방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은, 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치를 이용한 용접방법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.

도 4는, 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치의 아크 회전방향을 개념적으로 나타낸 도면이다.

도 5는, 본 발명에서 용접전류의 신호특성을 나타낸 그래프이다.

도 6은, 본 발명에서 편차(offset)에 따른 좌우 면적차를 나타낸 그래프이다.

도 7a 및 도 7b는, 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치에 의한 용접상태를 나타낸 사진이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 아크방전부 4 : 레이저발생부

22 : MIG 토치 24 : 회전장치

26 : 연결장치 44 : 레이저조사기

본 발명은 레이저-회전아크 하이브리드 용접에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아연 도금 강판의 용접시 1.5 ~ 2 mm 이하의 간극에 대해서 토치의 높이제어 없이 용접이 가능하고, 아크 회전으로 용융풀 유동을 향상시켜 언더컷 등의 용접불량을 감소시킬 수 있는 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 레이저-MIG 하이브리드 용접은 맞대기 용접부에 대한 간극 허용치가 1.5 mm 이내이며, 1.2mm의 용접와이어가 주로 사용된다.

통상 맞대기 용접부에 간극이 존재할 경우에 레이저-아크 하이브리드 용접에서 1mm이내의 간극은 용접전류와 전압을 조절하여 용접성을 확보할 수 있지만, 1 ~ 1.5mm 사이의 간극이 존재하는 경우에는 토치 높이를 조절하여야만 하며, 1.5 ~ 2mm의 간극이 존재하는 경우는 1.2 mm 용접와이어를 사용하게 되면 남는 간극이 너무 크므로 용접이 이루어지지 않으므로, 1.4 mm 용접와이어로 대체하여 용접을 수행하였다.

따라서, 용접부의 간극에 따라 1.2 mm 와 1.4 mm 용접와이어를 선택적으로 적용해야 하므로 용접와이어의 교체작업을 수반하는 불편함이 따랐다.

또한, 전술한 토치높이를 조절하기 위하여는 별도의 축이 추가로 필요하므로 시스템이 복잡해지고 제어가 쉽지않은 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 레이저와 아크를 병행하는 하이브리드 용접을 수행하되, 아크방전부를 소정 반경으로 회전시킴으로써 1.5 ~ 2 mm 이내의 간극을 가진 용접부에 대해 1.2 mm 용접와이어를 사용하더라도 용접부에 열원을 충분히 공급할 수 있어 토치의 제어 없이도 용접이 가능하도록 하고, 또한 아크방전부가 회전함에 따라 용융풀(weld pool)의 유동성이 향상되어 언더컷 등의 용접불량이 감소될 수 있도록 한 레이저-아크 하이브리드 용접장치 및 이를 이용한 용접방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 용접장치는,

용접부에 대해 아크를 방전하는 아크방전부와; 상기 아크방전부의 후방에 설치되며 용접부에 대해 레이저를 조사하는 레이저발생부와; 상기 아크방전부를 회전시키는 회전장치;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 용접장치를 이용한 용접방법은,

모재를 용접 위치로 정렬시키는 1단계와; 용접 부위에 대해 레이저-아크 하 이브리드 용접장치를 위치시킨 후 아크방전부를 소정의 회전반경으로 회전시키면서 아크방전을 수행하고, 이에 연속하여 레이저발생부에 의해 레이저를 조사하는 2단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 용접장치를 이용한 용접방법의 또다른 실시예는,

모재를 용접 위치로 정렬시키는 1단계와; 용접 부위에 대해 레이저-아크 하이브리드 용접장치를 위치시킨 후 레이저발생부에 의해 레이저를 조사하고, 이에 연속하여 아크방전부에 의해 아크방전을 수행하여 용접시키는 2단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치를 나타낸 도면이다.

이를 참조하면, 본 발명의 용접장치는, 용접부위에 대해 아크를 방전하는 아크방전부(2)와; 상기 아크방전부(2)의 후방에 설치되며 용접부위에 대해 레이저를 조사하는 레이저발생부(4)와; 상기 아크방전부(2)를 회전시키는 회전장치(24);로 구성된다.

상기 아크방전부(2)는 후술될 회전장치(24)에 설치되어 아크용접을 수행하기 위한 것으로, 본 발명의 실시예에서는 상기 아크방전부(2)로서 MIG 토치가 사용되며, 상기 MIG 토치는 후술될 레이저조사기(44)의 전방 즉, 용접진행방향을 향해 앞 쪽에 설치되되 비스듬하게 기울어져 설치된다.

여기서, 상기 MIG는 metal inert gas의 약자로써, 불활성가스인 알곤이나 헬륨을 사용하여 용접하는 가스금속아크 용접법(gas metal arc welding)의 일종이며, 불활성가스를 사용하여 용융금속의 산화,질화를 방지하고 용접봉(용접와이어)을 연속적으로 공급하면서 용접시키게 된다.

한편, 상기 아크방전부(2)는 그 상부에 설치된 회전장치(24)에 의해 소정의 회전반경(r)으로 회전하면서 아크방전이 이루어지므로, 용접 부위의 간극이 1.5 mm ~ 2 mm 이내까지 충분히 열원을 공급할 수 있게 된다.

즉, 상기 MIG 용접은 자용성 와이어를 전극으로 사용하므로 용접부위의 간극(간극)의 허용도가 좋은 장점이 있는데, 상기 아크방전부(2)를 회전시킴으로써 용접범위가 확대될 수 있으므로 용접부위의 간극의 허용도는 더욱 확대될 수 있게 된다.

여기서, 상기 회전장치(24)는, 소정의 케이스(242)와, 상기 케이스(242) 내에 설치된 모터(244)와, 상기 모터(244)의 축(246)에 결합된 베어링판(248)으로 구성되며, 상기 베어링판(248)의 중심으로부터 편향되게 아크방전부(2)가 설치된다.

따라서, 상기 모터(244)의 회전에 의해 상기 아크방전부(2)가 소정의 회전반경(r)으로 편심되게 회전할 수 있게 된다.

상기 레이저발생부(4)는 레이저를 조사하여 용접하는 장치로써, 소정의 브라켓(42)에 레이저조사기(44)가 수직되게 설치되어 구성된다.

일반적으로 레이저 용접은 상대적으로 고속의 용접이 가능하고, 키홀모드의 용접법이므로 두꺼운 철판의 용접도 한 패스(1 pass)에 가능하게 된다. 또한 국부적인 입열에 의해 열변형이 적다는 장점이 있다.

전술한 상기 레이저발생부(4)와 아크방전부(2)는 도시되지 않은 로봇아암과 같은 이동장치에 설치되어 동시에 이동될 수 있도록 하였고, 상기 레이저발생부(4)의 조사점과, 상기 회전장치(24)의 회전 중심점과의 간격은 약 5 mm 이며, 용접진행방향을 향해 아크방전부(2)의 조사점이 레이저발생부(4)의 조사점 보다 앞쪽에 형성되도록 설치된다.

따라서, 아크방전이 선행되고, 레이저 조사가 후행되나, 실질적으로 상기 아크방전과 레이저 조사의 간격(5 mm)과 시차(약 0.1초)는 매우 미세하므로 전술한 아크방전과 레이저조사에 의해 거의 하나의 용융풀을 형성한다고 볼 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 레이저-아크 하이브리드 용접장치(A)를 이용한 용접방법에 대해 도 3을 토대로 설명하기로 한다.

첨부된 도 3은, 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접방법을 단계별로 나타낸 흐름도이다.

이를 참조하면, 본 발명의 용접방법은, 모재(100)를 용접 위치로 정렬시키는 1단계(S1)와, 용접 부위에 대해 레이저-아크 하이브리드 용접장치를 위치시킨 후 아크방전부(2)를 소정의 회전반경으로 회전시키면서 아크방전을 수행하고, 이에 연속하여 레이저발생부(4)에 의해 레이저를 조사하는 2단계(S2)를 순차로 수행하게 된다.

여기서, 상기 1단계(S1)에서는 맞대기 용접을 위해 복수의 모재(100)를 소정의 간극(m)을 두고 정렬하게 되는데, 이때 상기 모재 간의 간극(m)은 아크방전부의 회전반경(r)을 고려하여 가급적 2.0 mm 이내로 함이 적당하다.

물론, 회전반경(r)이 증가된다면 모재 간의 간극 허용범위도 증가하게 될 것이다.

또한, 상기에서는 맞대기 용접을 예로 들었으나, 그 외에 V 홈 용접이나 필릿용접도 가능하다.

이후, 2단계(S2)에서는 상기 모재(100)의 용접 부위에 대해 아크방전부(4)를 회전시키면서 아크방전을 조사하고, 이에 연속하여 미세한 시차(약 0.1초 정도)를 두고 상기 레이저발생부(4)에 의해 레이저를 조사하여 용접을 수행하게 된다.

한편, 본 발명의 용접방법의 다른 실시예로는, 레이저발생부(4)에 의해 레이저를 조사를 선행한 후 아크방전부(2)에 의해 아크방전을 후행할 수도 있다.

전술한 아크방전과 레이저조사는 미세한 시차(약 0.1초 정도)를 두고 수행되 므로 거의 동시에 아크방전과 레이저조사가 수행된다고 볼 수 있으며, 이들 2개의 열원은 대개 하나의 용융풀을 형성하게 된다.

첨부된 도 4는, 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치의 아크 회전방향을 개념적으로 나타낸 도면이다.

이를 참조하면, 용접진행방향(welding direction)은 왼쪽이며, 상기 아크방전부(2)의 회전방향은 C_f → R → C_r → L으로 순환하여 회전된다.

첨부된 도 5는, 본 발명에서 용접전류의 신호특성을 나타낸 그래프이다.

이를 참조하면, 용접선(weld line)과 회전 중심이 일치하는 경우는 점선과 같은 용접전류 파형을 가지게 되고, 용접선과 회전 중심이 어긋난 경우는 실선과 같은 용접전류 파형을 가지게 된다.

첨부된 도 6은, 본 발명에서 편차(offset)에 따른 좌우 면적차를 나타낸 그래프로써, 실험결과를 추적해보면 용접부위가 대략 직선형으로 회귀됨을 알 수 있고, 신뢰구간(I)도 충분히 작아 용접성능이 우수함을 알 수 있다.

첨부된 도 7a 및 도 7b는, 본 발명에 따른 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치에 의한 용접상태를 나타낸 사진으로써, 도 7a는 회전 아크를 적용하기 전의 간극이 2 mm 인 모재에 대한 사진이고, 도 7b는 회전아크를 적용하여 전술한 간극을 용접시킨 사진이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치 및 이를 이용한 용접방법에 따르면, 아크방전부를 소정의 회전반경으로 회전시킴으로써 용접범위를 확대시킬 수 있어 1.5 ~ 2 mm 이내의 간극을 갖는 맞대기 용접부에 대한 용접이 가능하게 되고, 또한 아크방전부가 회전함에 따라 용융풀(weld pool)의 유동이 향상되어 언더컷 등의 용접불량이 감소될 수 있어 고품질의 용접을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 용접부에 대해 아크를 방전하는 아크방전부와;

   용접부에 대해 레이저를 조사하는 레이저발생부와;

   상기 아크방전부를 회전시키는 회전장치;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 회전장치는, 소정의 케이스 내에 설치된 모터와, 상기 모터의 축에 결합된 베어링판으로 구성되며, 상기 베어링판의 중심으로부터 편향되게 상기 아크방전부가 설치된 것을 특징으로 하는 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 아크방전부는 아크용접을 수행하는 MIG 토치인 것을 특징으로 하는 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 레이저발생부는, 소정의 브라켓에 레이저조사기가 수직되게 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 회전장치는 회전반경의 중심점이 용접진행방향을 향해 레이저발생부보다 앞쪽에 형성되도록 설치된 것을 특징으로 하는 레이저-회전아크 하이브리드 용접장치.
6. 모재를 용접 위치로 정렬시키는 1단계와;

   용접 부위에 대해 레이저-아크 하이브리드 용접장치를 위치시킨 후 아크방전부를 소정의 회전반경으로 회전시키면서 아크방전을 수행하고, 이에 연속하여 레이저발생부에 의해 레이저를 조사하는 2단계;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저-회전아크 하이브리드 용접방법.
7. 모재를 용접 위치로 정렬시키는 1단계와;

   용접 부위에 대해 레이저-아크 하이브리드 용접장치를 위치시킨 후 레이저발생부에 의해 레이저를 조사하고, 이에 연속하여 아크방전부에 의해 아크방전을 수행하는 2단계;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저-회전아크 하이브리드 용접방법.

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