KR100719014B1

KR100719014B1 - 용접 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100719014B1
Application number: KR1020050079708A
Authority: KR
Inventors: 윌리엄 비. 왓킨스; 조셉 씨. 바론
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-05-16
Also published as: DE602005007833D1; US6998570B1; CN100537114C; JP2006130565A; KR20060050776A; CN1769001A; ATE399614T1; EP1655097B1; EP1655097A1

Abstract

제1 패널을 제2 패널에 용접하는데 사용될 수 있는 장치 및 방법이며, 상기 제1 패널은 상기 제2 패널과 부분적으로 접촉하는 안쪽면과 대향하는 바깥쪽면을 포함한다. 상기 장치는 용접 비임을 생성하는 수단을 포함한다. 상기 장치는 제2 부분에 대하여 제2 패널과 접촉하지 않는 제1 패널의 제1 부분을 따라 제1 패널의 내부 편향이 발생하도록 제1 패털의 바깥쪽면에 걸친 인접 압력에 대하여 제1 패널의 안쪽면에 걸친 압력을 감소시키는 수단을 포함한다. 상기 장치는 적어도 하나의 제1 부분 또는 제2 부분에서 상기 편향을 기초로 위치를 지정하는 수단을 포함한다.

기부층, 덮개층, 채널, 리브, 용접 장치, 진공 펌프, 플리넘, 스플리터, 감지기, 용접 비임 생성기

Description

용접 장치 및 방법 {WELDING APPARATUS AND METHODS}

도1은 열교환기를 형성하는 압연된 채널 샌드위치 프리커서(precursor)의 선-용접(pre-welding) 단면도.

도2는 채널에서 압력이 감소할 때의 도1의 프리커서의 단면도.

도3은 도1의 프리커서를 용접하는 시스템의 부분 단면도.

도4는 채널을 밀봉하고 감소된 압력을 받도록 하는 단부 요소에 조립된 도1의 프리커서의 부분적인 종방향 단면도.

도5는 도3의 시스템의 용접 및 광학적 검사 부품의 부분적인 개략도.

도6은 도5의 광학적 검사 부품이 생성한 프린지(fringe) 패턴을 도시하는 디스플레이도.

도면에서 동일한 참조번호 및 지정은 동일한 요소를 지시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

22 : 기부층 24 : 덮개층

26 : 채널 30 : 리브

68 : 용접 장치 70 : 진공 펌프

80 : 플리넘 104 : 스플리터

114 : 감지기 130 : 용접 비임 생성기

본 발명은 용접에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 숨겨진 개별 접촉 위치에서 제1 품목을 제2 품목으로 비임 용접하는 것에 대한 것이다.

블라인드(blind) 용접의 어려움은 압연 채널 열 교환기의 분야에서 문제점이었다. 압연 채널 열 교환기의 일례는 댐가드(Damgaard) 등에 기재된 로켓 노즐의 벽이다. 2003년 미국 버지니아주 레스톤 AIAA의 "RL60 엔진에 대하여 레이저 용접된 샌드위치 노즐 확장(Laser Welded Sandwich Nozzle Extension for the RL Engine)"(AIAA-2003-4478)의 공개는 본 발명에서 참고되며, 충분히 설명된 것으로 가정한다. 예시적인 압연 채널 열 교환기에서, 채널의 배열은 기본 재료에서 밀링되어 채널 사이의 리브(rib)를 남긴다. 덮개 시트 또는 패널은 리브의 상부에 위치하고, 그곳에 용접된다(예를 들어, 기본층과 반대 방향을 향하는 시트의 면에 레이저 또는 e-비임을 통하여). 용접 비임으로 리브를 맞추는 것은 어렵다. 이에 대해 엑스레이 장치가 제안되어 왔다. 그러나 엑스레이 장치는 비싸고 사용하기 어렵다.

본 발명의 일측면은 제1 패널을 제2 패널에 용접하는데 사용되는 장치를 포함하며, 상기 제1 패널은 상기 제2 패널과 부분적으로 접촉하고 있는 안쪽면과 대향하는 바깥쪽면을 갖는다. 상기 장치는 용접 비임을 생성하는 수단을 갖는다. 상기 장치는 인접 압력에 비하여 패널의 안쪽면에 걸친 압력을 감소시키는 수단을 가져서, 제2 부분에 대하여 제2 패널과 접촉하지 않는 제1 패널의 제1 부분을 따라 제1 패널의 내부 편향이 발생하도록 한다. 상기 장치는 상기 제1 부분 또는 상기 제2 부분 중에 적어도 하나에서 상기 편향을 기초로 위치를 지정하는 수단을 갖는다.

어떤 작업에서, 상기 장치는 상기 위치 지정하는 것에 반응하여 용접 비임을 상기 제2 부분으로 안내하는 수단을 가질 수 있다. 상기 장치는 위치 지정 수단을 가질 수 있는데, 상기 수단은 레이저 홀로그래피 장치, 상기 레이저 홀로그래피 장치에서 홀로그래피 프린지(fringe) 패턴을 표시하는 비디오 디스플레이를 포함한다. 용접 비임을 생성하는 수단은 적어도 하나의 레이져 생성기 및 전자총을 포함할 수 있다. 압력을 감소시키는 수단은 제1 및 제2 요소에 용접되는 플리넘(plenum) 요소를 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 제1 패널을 제2 패널에 용접하는 장치를 포함하며, 상기 제1 패널은 상기 제2 패널과 부분적으로 접촉하는 안쪽면과 대향하는 바깥쪽면을 갖는다. 상기 장치는 제1 패널과 제2 패널의 조립체를 결합하고 지탱하는 크기를 갖는 고정구를 갖는다. 상기 장치는 용접 비임을 조립체로 안내하도록 위치 결정하는 용접 비임 생성기를 갖는다. 상기 장치는 고정구에 결합된 펌프를 가져서 바깥쪽면에 걸친 인접 압력에 비하여 제1 패널의 안쪽면에 걸친 압력을 감소시켜서, 제2 부분에 대하여 제2 패널과 접촉하지 않는 제1 패널의 제1 부분을 따라 제1 패널의 내부 편향이 발생하도록 한다. 상기 장치는 제1 레이저 비임이 제1 패널의 바깥쪽면으로 안내되도록 위치 결정하는 제1 레이저 생성기를 갖는다. 상기 장치는 제1 레이저 비임의 반사를 탐지하도록 위치 결정된 탐지기를 갖는다.

어떤 작업에서, 장치는 탐지기 및 용접 비임 생성기에 결합되고 상기 탐지된 반사에 반응하여 용접 비임을 상기 제2 부분으로 안내하도록 구성된 컨트롤러를 갖기도 한다. 상기 용접 비임 생성기는 제2 레이저 생성기를 포함할 수 있다. 상기 용접 비임 생성기는 전자 비임 생성기를 포함할 수 있다. 상기 용접 비임 생성기는 제1 패널을 가로질러 용접 비임을 횡단시키는 작동기를 포함할 수 있다. 상기 장치는 제1 패널 및 제2 패널과 결합할 수 있다. 상기 제1 패널은 본질적으로 편평한 시트일 수 있고 제2 패널은 본질적으로 편평한 제1 면 및 복수의 평행한 리브를 갖는 제2 면을 가질 수 있다. 제1 패널은 본질적으로 프러스토코니컬(frustoconical)일 수 있고 제2 패널은 본질적으로 매끈한 제1 프러스토코니컬 면 및 복수의 리브를 갖는 제2 면을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 제1 패널을 제2 패널에 용접하는 방법을 포함하고, 상기 제1 패널은 상기 제2 패널과 부분적으로 접촉하는 안쪽면과 대향하는 바깥쪽면을 갖는다. 제1 패널의 안쪽면에 걸친 압력은 바깥쪽면에 걸친 압력에 비하여 감소되어서, 제2 부분에 대하여 제2 패널과 접촉하지 않는 제1 패널의 제1 부분을 따라 제1 패널의 안쪽 편향을 발생시킨다. 상기 편향을 기초로, 적어도 하나의 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분이 위치 지정된다. 상기 위치 지정에 대응하여, 용접 비임은 상기 제2 부분으로 안내된다.

어떤 작업에서, 위치 지정은 레이저 홀로그래피를 포함할 수 있다. 상기 안내는 용접 비임이 제2 패널의 복수의 평행 리브를 따라 제1 패널을 제2 패널에 용접하게 할 수 있다. 적어도 하나의 희생 밀봉 요소는 제1 및 제2 패널에 용접될 수 있다. 밀봉 요소는 환형 플리넘 요소일 수 있다. 상기 제1 및 제2 패널은 본질적으로 종축 둘레로 회전하는 회전체를 형성할 수 있다. 상기 제1 및 제2 패널은 제1 부분을 형성하는 개별 위치의 연속 용접을 허용하도록 종축 둘레로 계속해서 점진적으로 회전할 수 있다. 개별 위치는 제2 패널의 종방향 리브와 관련될 수 있고, 용접은 용접 비임에 대하여 제1 및 제2 패널을 본질적으로 종방향으로 직동시키는 것을 포함한다. 용접은 제1 및 제2 패널을 본질적으로 종축 둘레로 회전시켜서 리브 정렬의 오류를 동적으로 교정하는 것을 더 포함할 수 있다. 복수의 채널은 리브를 남기기 위해서 제2 패널에서 밀링될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예의 상세는 첨부된 도면과 후술하는 상세한 설명에 기재할 것이다. 본 발명의 그 밖의 특징, 목적 및 장점은 상세한 설명과 도면 그리고 청구항으로부터 명확할 것이다.

도1은 기부층(22) 및 덮개층(24)을 포함하는 샌드위치(20)의 단면도를 도시한다. 이러한 층들은 철, 티타늄 합금, 니켈 또는 코발트 기반의 초합금, 또는 다른 용접 가능한 물질로 형성될 수 있다. 일련의 채널(26)은 기부층의 제1 표면(28)을 통하여 밀링되어서, 일련의 리브(30)와 본질적으로 본래대로의 제2 표면(32)를 남긴다. 밀링 후에는, 덮개층(24)은 표면(34) 또는 리브(30)를 따라 표면(28)과 접촉하는 덮개층의 아랫면과 함께 기부층에 조립된다. 샌드위치 층으로 쌓는 것에 대하여, 표면(34, 28)은 안쪽 표면이고, 표면(32) 및 다른 덮개층 표면(36)은 바깥쪽 표면이다. 층들은 편평하거나 다른 형상일 수 있다. 예를 들어, 층들 및 샌드위치는 로켓 노즐 프리커서와 같이 종방향으로 뻗는 채널과 함께 프러스토코니컬일 수 있다(그 후에 종 형상으로 형성된다).

본 발명에 따르면, 채널(26) 내의 압력은 표면(36)의 바깥쪽 압력에 대하여 감소할 수 있어서 적어도 일시적으로 덮개층(24)을 변형시키며, 표면(36)에 기부층의 리브 또는 다른 완전한 부분을 따라 영역(42)에 대하여 약화/함몰된 영역(40)을 남긴다. 표면(36)의 변형은 층들을 리브에 국부적으로 용접하도록 용접 비임을 안내하는 광학 기술을 용이하게 한다.

예시적인 실시예는 프러스토코니컬 로켓 노즐 프리커서로 형성되는 샌드위치(20)를 포함한다(도3). 프리커서는 제1 종방향 단부(50)에서 제2 종방향 단부(52)로 뻗어있다. 종축(500)은 수평선(502)으로부터 각도 θ만큼 떨어져 있다. 예시적인 실시예에서, θ는 원뿔 반각이어서 프리커서의 외부 표면의 최상 부분(예를 들어, 표면(36)) 역시 수평이다. 이에 따라, 예시적인 실시예에서, 표면(36)은 프리커서 외부 표면을 형성하고 표면(32)은 프리커서 내부 표면을 형성한다. 고정구(60)는 프리커서를 지탱할 수 있고, 프리커서를 회전시키는 작동기(예를 들어, 모터(62)) 및 프리커서를 이동시키는(예를 들어, 축(500)과 함께 공통 수직 평면에서 수평 방향(504)으로) 작동기(예를 들어, 전동화한 테이블(64))를 포함할 수 있다. 용접 시스템(68)은 개략적으로 도시되어 있고 아래에서 더 논의할 것이다. 진공 펌프(70)는 채널(26)에서 압력을 감소시키는데 제공된다. 압력을 감소시키는 많은 방법들이 존재한다. 상기 방법들은 채널을 밀봉하는 다양한 기술들을 포함한다. 도4는 제1 단부 및 제2 단부(50, 52) 사이의 노즐 프리커서 샌드위치의 종방향 단면도이다. 예시적인 실시예에서, 플리넘(80)은 제1 단부(50)에 고정되고, 밀봉/막음 요소(82)는 제2 단부(52)에 고정된다. 예시적인 요소(82)는 용접(84, 85)을 거쳐서 층(22, 24)에 고정되는 환형 플레이트이다. 예시적인 플리넘(80)은 용접(87, 88)으로 층(22, 24)에 결합된 파이프(86)에 의하여 형성된다. 예시적인 실시예에서, 플리넘(80)은 처음부터 곧은 파이프 스톡으로부터 형성되고, 단부가 용접되어 후프로 구부러진다. 슬롯(90)은 제1 단부에 설치 및 용접되어 채널(26)과 연결되도록 위치한 상기 파이프를 통해 가공된다. 하나 이상의 개구가 가공되고, 피팅(92)은 진공 펌프(70)에 연결되도록 설치된다. 용접 때문에(층 및 밀봉 요소의 원래 구조와 섞이지 않은 용접 물질과 도시할 목적으로), 프리커서는 각 단부 근처에서 과잉 길이로 제공되고, 리브를 따라 최종 용접 후에 다기관(80) 및 요소(82)가 잘려져 나가는 것을 허용한다.

도5는 용접 장치(68)를 더 상세하게 도시한다. 장치(68)의 예시적인 광학 탐지 시스템은 레이저 홀로그래피를 활용한다. 홀로그래피 레이저 생성기(100)는 출력 비임(102)을 제1 및 제2 부분(106, 108)로 비임을 분할하는 비임 스플리터(104)로 안내하도록 위치한다. 부분(108)은 탐지기(114)의 교차 표면(112)으로 가는 도중에 렌즈(110)를 통과하여 지나가서 참조로 작용한다. 비임 부분(106)은 렌즈(116)를 통과하고 표면(36)에서 표면(112)으로 반사된다. 탐지기(114)는 레이저 생성기(100), 디스플레이(122) 및 사용자 입력 장치(124)(예를 들어, 키보드 및 포인팅 장치)에도 연결될 수 있는 컨트롤 시스템(120)에 연결될 수 있다. 컨트롤 시 스템(120)은 용접 비임 생성기(130)(예를 들어, 레이저 생성기 또는 전자 비임(e-beam) 생성기)에도 연결될 수 있다. 생성기(130)는 용접 비임(132)을 표면(36)으로 안내한다.

도6은 리브의 존재를 지시하는 부분(142)을 포함하는 프린지 패턴(140)인 디스플레이(122)의 출력을 도시한다. 디스플레이는 비임(132)의 목표 점을 지시하는 목표 표시(예를 들어, 십자선(144))를 더 제공할 수 있다. 자동으로 또는 사용자의 안내하에서, 컨트롤 시스템은 리브들 중 선택된 하나의 리브에 대한 정렬을 유지하여 상기 비임이 상기 리브를 가로질러 그 리브의 위치에서 두 개의 층을 용접하게 할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤 시스템(120)은 본질적으로 정지된 레이저 비임에 대하여 프리커서 샌드위치의 회전 및 위치를 조절하도록 모터(62) 및 테이블(64)에 결합될 수 있다. 선택적으로, 기판은 정적일 수 있고, 레이저 비임은 관련된 작동기(예를 들어, 거울 회전을 통하는 것과 같이 비임(132)만을 이동시키는 방법 또는 용접 비임 생성기를 이동시키거나 용접 비임 생성기와 홀로그래피 비임(102), 그 생성기, 및/또는 그 탐지기를 함께 이동시키는 방법으로)를 사용하여 이동할 수 있다. 혼성 상태에서, 양쪽 모두 움직일 수 있다. 혼성 상태의 일 실시예에서, 시스템(68)의 광학 요소가 방향(504)으로 횡단하는 동안에 프리커서 샌드위치는 축(500) 둘레로만 회전한다. 시스템은 불규칙성(예를 들어, 만약 공칭의 종방향 채널 및 리브가 종방향에서 약간 벗어나 떨어져 있다면)을 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 조절은 프리커서 샌드위치의 기부층(22) 및 덮개층(24)을 종축에 대하여 회전시켜 리브 정렬의 오류를 동적으로 수정하는 것을 포함한다. 또한, 시스템은 더 복잡한 리브와 채널 구조를 조절할 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예가 도시되어 있다. 그럼에도 불구하고, 다양한 수정이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 용접될 특정 구성 요소의 세부 사항에 따라 특정 실행 방법의 세부 사항이 영향을 받을 수 있다. 다양하게 존재하는 또는 여전히 개발되는 시스템 또는 하부 시스템이 활용될 수 있다. 비희생(non-sacrificial) 밀봉 시스템이 요소(80, 82)에 선택적으로 사용될 수 있다. 따라서, 다양한 실시예들이 후술하는 청구항의 범위 내에 있다.

저렴한 비용으로 블라인드 용접을 가능하게 한다.

Claims

제1 패널을 제2 패널에 용접하는 장치이며, 상기 제1 패널은 상기 제2 패널과 부분적으로 접촉하는 안쪽면 및 반대쪽에 바깥쪽면을 포함하며,

용접 비임 생성기와,

제2 부분에 대하여 상기 제2 패널과 접촉하지 않는 상기 제1 패널의 제1 부분을 따라 상기 제1 패널의 내부 편향이 발생하도록 상기 바깥쪽면에 걸친 인접 압력에 대하여 상기 패널의 안쪽면에 걸친 압력을 감소시키는 압력 감소기와,

상기 제1 부분 또는 상기 제2 부분 중의 적어도 하나에서 상기 편향을 기초로 위치를 지정하는 위치 지정기를 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 위치 지정에 응답하여 상기 용접 비임을 상기 제2 부분으로 안내하는 용접 비임 안내기를 더 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 위치 지정기는 레이저 홀로그래피 장치를 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 위치 지정기는 레이저 홀로그래피 장치 및 상기 레이저 홀로그래피 장치로부터 홀로그래피 프린지 패턴을 표시하는 비디오 디스플레이를 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 용접 비임을 생성하는 수단은 레이저 생성기 및 전자총 중에 적어도 하나를 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 압력 감소기는 제1 및 제2 요소에 용접된 플리넘 요소를 포함하는 장치.
제1 패널을 제2 패널에 용접하는 장치이며, 상기 제1 패널은 상기 제2 패널과 부분적으로 접촉하는 안쪽면 및 반대쪽에 바깥쪽면을 포함하며,

상기 제1 패널 및 상기 제2 패널의 조립체를 결합하고 지탱하는 크기를 갖는 고정구와,

용접 비임을 상기 조립체로 안내하도록 위치한 용접 비임 생성기와,

상기 제2 부분에 대하여 상기 제2 패널과 접촉하지 않는 상기 제1 패널의 제1 부분을 따라 상기 제1 패널의 내부 편향이 발생하도록 상기 제1 패널의 바깥쪽면에 걸친 인접 압력에 대하여 상기 제1 패널의 안쪽면에 걸친 압력을 감소시키도록 상기 고정구에 결합된 펌프와,

제1 레이저 비임을 상기 제1 패널의 바깥쪽면으로 안내하도록 위치 결정된 제1 레이저 생성기와,

상기 제1 레이저 비임의 반사를 탐지하도록 위치 결정된 탐지기를 포함하는 장치.
제7항에 있어서, 상기 탐지기 및 상기 용접 비임 생성기에 결합되고 상기 반사의 탐지에 응답하여 상기 용접 비임을 상기 제2 부분으로 안내하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 장치.
제7항에 있어서, 상기 용접 비임 생성기는 제2 레이저 생성기를 포함하는 장치.
제7항에 있어서, 상기 용접 비임 생성기는 전자 비임 생성기를 포함하는 장치.
제7항에 있어서, 상기 용접 비임 생성기는 상기 제1 패널을 가로질러 상기 용접 비임을 직동시키도록 하는 작동기를 포함하는 장치.
제7항에 있어서, 상기 제1 패널은 본질적으로 편평한 시트이고, 상기 제2 패널은 본질적으로 편평한 제1 면과 복수의 평행한 리브를 포함하는 제2 면을 갖는 장치.
제1 패널을 제2 패널에 용접하는 방법이며, 상기 제1 패널은 상기 제2 패널과 부분적으로 접촉하는 안쪽면 및 반대쪽에 바깥쪽면을 포함하며,

상기 제2 부분에 대하여 상기 제2 패널과 접촉하지 않는 상기 제1 패널의 제 1 부분을 따라 상기 제1 패널의 내부 편향이 발생하도록 상기 바깥쪽면을 따라 인접 압력에 대하여 상기 제1 패널의 안쪽면을 따르는 압력을 감소시키는 단계와,

상기 편향을 기초로 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 적어도 하나의 위치를 지정하는 단계와,

상기 위치 지정에 응답하여 용접 비임을 상기 제2 부분으로 안내하는 단계를 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 위치 지정 단계는 레이저 홀로그래피의 사용을 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 안내하는 단계는 상기 용접 비임이 상기 제1 패널을 상기 제2 패널로 상기 제2 패널의 복수의 평행한 리브를 따라 용접하도록 하는 방법.
제13항에 있어서, 적어도 하나의 희생 밀봉 요소를 상기 제1 및 제2 패널로 용접하는 단계를 더 포함하는 방법.
제16항에 있어서, 상기 밀봉 요소는 환형 플리넘 요소인 방법.
제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 패널은 본질적으로 종축에 대하여 회전하는 회전체를 형성하고, 상기 제1 및 제2 패널은 본질적으로 종축에 대하여 점진적으로 전진하며 회전하여 상기 제1 부분을 형성하는 개별 위치의 연속 용접을 허용하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 개별 위치는 상기 제2 패널의 종방향 리브와 관련되어 있고, 상기 용접하는 단계는 상기 용접 비임에 대하여 상기 제1 및 제2 패널을 본질적으로 종방향으로 직동시키는 단계를 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접하는 단계는 상기 제1 및 제2 패널을 본질적으로 종축에 대하여 회전시켜서 리브 정렬의 오류를 동적으로 수정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 제2 패널에서 리브를 남기기 위해 복수의 채널을 밀링하는 단계를 더 포함하는 방법.