KR101690360B1 - 다중 열원으로 하이브리드 용접하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

다중 열원으로 하이브리드 용접하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

이음부(120a, 120b)를 용접하는 방법은 레이저와 같은 고 에너지 밀도 열원(110)으로부터의 제1출력(110')을 이음부의 제1측면(114a)에 대해 유도함을 포함한다. 본 방법은 가스 금속 아크 용접 토치와 같은 아크 용접 열원(112)으로부터의 제2출력(112')을 이음부의 제2측면(114b)에 대해 유도함을 추가로 포함한다. 제1출력(110')은 이음부의 제1측면(114a)에서 이음부의 제2측면(114b) 쪽으로 연장되는 용융 금속 풀에 의해 둘러싸인 키홀을 형성시킨다. 일부 구체예에서, 제2아크 용접 열원으로부터의 제3출력은 또한 이음부의 제1측면(114a)에서 유도될 수 있다. 아크 용접 열원에 의해 형성된 제2용융 금속 풀은 제1용융 금속 풀 및 제3용융 금속 풀과 합쳐져서 공동의 용융 금속 풀을 형성하며, 해당 공동의 용융 금속 폴은 고형화되어 용접부를 형성시킨다.

Description

다중 열원으로 하이브리드 용접하기 위한 방법 및 장치{METHOD OF AND APPARATUS FOR HYBRID WELDING WITH MULTIPLE HEAT SOURCES}
본 발명은 금속편들 사이의 이음부에서 복수의 금속편(piece of metal)을 함께 용접하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근의 상업화된 하이브리드 레이저 아크 용접(hybrid laser arc welding)은, 두 개의 금속편들을 함께 용접하는 방법으로, 이는 전형적으로 레이저 빔 용접과 가스 금속 아크 용접을, 예를 들어, 금속편들 사이의 이음부의 동일 측면 상에서 결합시켜, 하나의 용접 구역에 레이저 빔 및 전기 아크 둘 모두를 동시에 유도시킴으로써 공동의 용융 금속 풀(molten metal pool)을 형성시키고, 해당 공동의 용융 금속 풀을 고형화시켜 용접부(weld)를 형성시키는 것이다. 도 1a에 예시된 바와 같이, 종래 기술의 장치는 제1금속편(16a)을 제2금속편(16b)에 용접하여 이음부를 형성시키기 위해 이음부(14)의 제1측면(14a)에 레이저(10)(레이저 공진기 및 관련된 옵틱(optics)을 포함할 수 있음)로부터의 레이저 빔 출력(laser beam output)(10') 및 가스 금속 아크 용접기(12)로부터의 전기 아크 출력(12')을 유도함으로써 이를 수행할 수 있다. 하이브리드 레이저 아크 용접은 통상적인 아크 용접 기술과 비교하여 용접 속도 및 용접부 투과 깊이 둘 모두를 증가시킬 수 있다. 그러나, 도 1b에 예시된 바와 같이, 얻어진 용접부(18)는 이음부(14)의 제1측면(14a) 상에서 더 많이 높아질 수 있는데, 상기 제1측면은 이음부의 반대편 제2측면(14b)과는 상반되게, 레이저 빔 출력(10') 및 전기 아크 출력(12')이 작용하는 측면이다. 특히, 용접부(18)는 이음부(14)를 통해 제1측면(14a)에서 제2측면(14b)으로 완전히 연장되지 못할 수 있다. 또한, 용접부(18)가 이음부(14)의 제2측면(14b)에 도달할 때, 용접부(18b)의 제2부분은 이음부의 제1측면(14a) 상의 용접부의 제1부분(18a)에 비해 상당히 덜 두껍게 될 수 있다.
이음부의 양 측면 상에 더욱 대칭적인 용접부를 제조하기 위한 하나의 시도로, 이음부(14)의 제1측면(14a) 상에 상술된 하이브리드 레이저 용접기를 작동시키고, 이후에 하이브리드 레이저 용접기를 이음부의 제2측면(14b)으로 이동시키거나 금속편들(16a, 16b)을 회전시켜서, 이음부의 제2측면에 대해 레이저 빔 출력(10') 및 전기 아크 출력(12')을 유도하는 것이다. 도 1c에 예시된 바와 같이, 먼저 이음부(14)의 제1측면(14a) 상에서, 그리고 이후에 이음부의 제2측면(14b) 상에 하이브리드 레이저 용접기의 작동은 이음부의 양 측면이 높아진 용접부(18')를 형성시킬 수 있다. 이러한 용접부(18')는 이음부(14)의 제1측면(14a)에서 제2측면(14b)으로 이러한 용접부가 보다 충분히 그리고 완전히 연장되는 바, 더욱 바람직할 수 있으며, 이는 강도 및 장식(cosmetic)의 이점 둘 모두를 제공할 수 있다. 그러나, 하이브리드 레이저 용접기를 이동시키거나 금속편들을 회전시키고 용접 장치로의 2회의 순차적인 진행을 야기시키는데 요구되는 추가 시간은 바람직하지 않다.
개발된 다른 방법은 이음부의 각 측면 상에 하이브리드 레이저 용접기를 제공하는 것이다. 이러한 구체예는 금속편들 또는 하이브리드 레이저 장치를 한쪽 측면에서 다른 한쪽 측면으로 이동시키는 것을 필요로 하는 단점을 방지한다. 또한, 이러한 경우에 용접-유도 왜곡 또는 변형이 상기에 언급된 2회의 순차적 통과 용접 공정보다 덜 일어날 수 있다. 그러나, 이러한 해법은 제2레이저를 이용한다. 레이저 하이브리드 용접 작업을 완료하기 위해 사용되는 레이저가 매우 고가일 수 있기 때문에, 이음부 상에서 두 개의 별개의 하이브리드 레이저 용접기를 작동시키는 것은 바람직하지 않을 수 있다.
이에 따라, 당해 분야에서 개선된 용접 장치 및 상응하는 용접 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 제1양태에서, 앵글 이음부를 포함할 수 있는, 금속편들 사이의 이음부에서 복수의 금속편을 함께 용접하는 방법을 기술한다. 본 방법은 이음부의 제1측면에서부터 대체로 이음부의 제2측면 쪽으로 연장되는 제1용융 금속 풀로 둘러싸인 키홀(keyhole)을 형성시키기 위해 이음부의 제1측면에 대해 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력을 유도하고 동시에 이음부의 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀을 형성시키기 위해 이음부의 제2측면에 대해 아크 용접 열원으로부터의 제2출력을 유도함을 포함한다. 제1출력은, 키홀이 제2용융 금속 풀로 연장되도록 유도되며, 이에 의해 제2용융 금속 풀이 키홀에 의해 제1용융 금속 풀과 합쳐져서 공동의 용융 금속 풀을 생성시키고, 해당 공동의 용융 금속 풀이 고형화되어 제1측면에서부터 제2측면까지 상기 이음부를 통해 연장되는 용접부를 형성시킨다.
일부 구체예에서, 고 에너지 밀도 열원은 레이저, 전자 빔 건, 또는 플라즈마 아크 용접 토치를 포함할 수 있다. 아크 용접 열원은 일부 구체예에서, 가스 텅스텐 아크 용접 토치, 가스 금속 아크 용접 토치, 플럭스-코어드(flux-cored) 아크 용접 토치, 서브머지드 아크(submerged arc) 용접 토치, 또는 플라즈마 아크 용접 토치를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 고 에너지 밀도 열원 및 아크 용접 열원의 제1출력 및 제2출력 중 적어도 하나는 불연속적일 수 있다. 본 방법은, 제1출력 및 제2출력이 서로에 대해 0이 아닌(nonzero) 입사각을 형성하도록 제1출력 및 제2출력을 유도하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
다른 구체예에서, 본 방법은 이음부의 제1측면에 대해 제2아크 용접 열원으로부터의, 불연속적일 수 있는 제3출력을 유도하는 것을 추가로 포함한다. 제2아크 용접 열원으로부터의 제3출력은 제3용융 금속 풀을 생성시키는데, 이는 이음부의 제1측면 상에 공동의 용융 금속 풀의 일부를 형성시키기 위해 적어도 제1용융 금속 풀과 합쳐질 수 있다. 또한, 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력은 제2아크 용접 열원으로부터의 제3출력보다 선행되거나 후행될 수 있다.
또한, 일부 구체예에서, 금속편들 중 제1금속편 상의 제1이음부 표면 및 금속편들 중 제2금속편 상의 제2이음부 표면은, 이들 사이에 갭(gap)이 존재하도록 서로에 대한 각도를 이룬다. 이러한 각도는 금속편들 중 하나 상의 챔퍼(chamfer)에 의해 규정될 수 있다. 추가적으로, 제1출력은 이음부를 통해 보다 큰 침투를 조장하기 위해 갭을 통해 유도될 수 있다. 또한, 공동의 용융 금속 풀은 갭을 적어도 부분적으로 채울 수 있다.
본 발명은 다른 양태에서, 금속편들 사이의 이음부에서 복수의 금속편을 함께 용접하도록 구성된 용접 장치를 기술한다. 본 장치는 이음부의 제1측면에서부터 대체로 이음부의 제2측면 쪽으로 연장되는 제1용융 금속 풀에 의해 둘러싸인 키홀을 형성시키기 위해 이음부의 제1측면에 대해 제1출력을 유도하도록 구성된 고 에너지 밀도 열원을 포함한다. 본 장치는 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀을 형성시키기 위해 이음부의 제2측면에 대해 제2출력을 동시에 유도하도록 구성된 아크 용접 열원을 추가로 포함한다. 제1출력은, 키홀이 제2용융 금속 풀로 연장되도록 유도되며, 이에 의해 제2용융 금속 풀이 키홀에 의해 제1용융 금속 풀과 합쳐져서 공동의 용융 금속 풀을 생성시키고, 해당 공동의 용융 금속 풀이 고형화되어 제1측면에서부터 제2측면까지 상기 이음부를 통해 연장되는 용접부를 형성시킨다.
본 발명은 다른 양태에서, 제1금속편과 제2금속편 사이의 앵글 이음부를 용접하는 방법으로서, 제1금속편이 대체로 수평의 상부 표면을 가지며, 제2금속편이 대체로 수평의 하부 표면을 가지며, 제2금속편의 대체로 수평의 하부 표면의 적어도 일부가 앵글 이음부를 형성시키기 위해 제1금속편의 상부 표면과 인접하는, 용접하는 방법을 기술한다. 본 방법은 앵글 이음부의 제1측면에서부터 대체로 앵글 이음부의 제2측면 쪽으로 연장되는 제1용융 금속 풀에 의해 둘러싸인 키홀을 형성시키기 위해 앵글 이음부의 제1측면에 대해 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력을 유도하고 동시에 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀을 형성시키기 위해 앵글 이음부의 제2측면에 대해 아크 용접 열원으로부터의 제2출력을 유도하는 것을 포함한다. 제1출력은, 키홀이 제2용융 금속 풀로 연장되도록 유도되며, 이에 의해 제2용융 금속 풀이 키홀에 의해 제1용융 금속 풀과 합쳐져서 공동의 용융 금속 풀을 생성시키고, 해당 공동의 용융 금속 풀이 고형화되어 제1측면에서부터 제2측면까지 상기 이음부를 통해 연장되는 용접부를 형성시킨다.
이에 따라 일반적인 용어(general terms)로 구체예들을 기술하지만, 첨부된 도면이 참조될 것이며, 이러한 도면은 반드시 일정한 비율로 도시되는 것은 아니다:
도 1a는 이음부의 제1측면 상에 작동하는 레이저 및 가스 금속 아크 용접기를 구비한 종래 기술의 하이브리드 용접 장치를 도시한 도면;
도 1b는 이음부의 제1측면 상에 도 1a에 도시된 종래 기술의 하이브리드 용접 장치를 작동시켜 얻어질 수 있는 용접된 이음부를 도시한 도면;
도 1c는 이음부의 양 측면 상에 도 1a로부터의 종래 기술의 하이브리드 용접 장치를 작동시켜 얻어질 수 있는 용접된 이음부를 도시한 도면;
도 2a는 제1금속편 및 제2금속편을 포함한 티형 이음부(tee-joint)를 도시한 도면;
도 2b는 이음부의 제1측면 상의 고 에너지 밀도 열원 및 이음부의 제2측면 상의 아크 용접 열원을 포함하는, 도 2a의 이음부를 용접하도록 구성된 용접 장치의 개략적 도해를 도시한 도면;
도 2c는 도 2a의 이음부 상에서 도 2b로부터의 용접 장치를 작동시켜 얻어질 수 있는 용접된 이음부를 도시한 도면;
도 3a는 제1금속편 및 제2금속편을 포함하는 코너 이음부(corner joint)를 도시한 도면;
도 3b는 이음부의 제1측면 상의 고 에너지 밀도 열원 및 이음부의 제2측면 상의 아크 용접 열원을 포함하는, 도 3a의 이음부를 용접하도록 구성된 용접 장치의 개략적 도면을 도시한 도면;
도 4a는 제1금속편 및 제2금속편을 포함하는 비스듬한 티형 이음부(skewed tee-joint)를 도시한 것으로서, 여기서, 제2금속편은 오른쪽으로 기울어져 있음;
도 4b는 이음부의 제1측면 상의 고 에너지 밀도 열원 및 이음부의 제2측면 상의 아크 용접 열원을 포함하는, 도 4a의 이음부를 용접하도록 구성된 용접 장치의 개략적 도면을 도시한 도면;
도 5a는 제1금속편 및 제2금속편을 포함하는 비스듬한 티형 이음부를 도시한 것으로서, 여기서 제2금속편은 왼쪽으로 기울어져 있음;
도 5b는 이음부의 제1측면 상의 고 에너지 밀도 열원 및 이음부의 제2측면 상의 아크 용접 열원을 포함하는 도 5a의 이음부를 용접하도록 구성된 용접 장치의 개략적 도면을 도시한 도면;
도 6a는 제1금속편 및 제2금속편을 포함하는 비스듬한 코너 이음부를 도시한 것으로서, 여기서 제2금속편은 오른쪽으로 기울어져 있음;
도 6b는 이음부의 제1측면 상의 고 에너지 밀도 열원 및 이음부의 제2측면 상의 아크 용접 열원을 포함하는 도 6a의 이음부를 용접하도록 구성된 용접 장치의 개략적 도면을 도시한 도면;
도 7a는 제1금속편 및 제2금속편을 포함하는 비스듬한 코너 이음부를 도시한 것으로서, 여기서 제2금속편은 왼쪽으로 기울어져 있음;
도 7b는 이음부의 제1측면 상의 고 에너지 밀도 열원 및 이음부의 제2측면 상의 아크 용접 열원을 포함하는 도 7a의 이음부를 용접하도록 구성된 용접 장치의 개략적 도면을 도시한 도면;
도 8은 이음부의 제1측면 상의 고 에너지 밀도 열원 및 이음부의 제2측면 상의 아크 용접 열원을 포함하는 버트-이음부(butt-joint)를 용접시키기 위해 구성된 용접 장치의 개략적 도면을 도시한 도면;
도 9a는 이음부의 제1측면 상의 고 에너지 밀도 열원 및 이음부의 제2측면 상의 아크 용접 열원 및 이음부의 제1측면 상의 추가의 제2아크 용접 열원을 포함하는 이음부를 용접시키기 위해 구성된 용접 장치의 개략적 도면을 도시한 도면;
도 9b는 이음부 상에서 도 9a로부터의 용접 장치를 작동시켜 얻어질 수 있는 용접된 이음부를 도시한 도면;
도 10a는 제1이음부 표면을 포함하는 제1금속편, 및 제2이음부 표면을 포함하는 제2금속편, 및 제1이음부 표면과 제2이음부 표면이 이들 사이에 갭이 존재하도록 서로에 대해 각도를 이루고 제1이음부 표면과 대체로 평행한 제3이음부 표면을 갖는 이음부 상에 작동하도록 구성된 도 9a의 장치를 도시한 도면;
도 10b는 제1이음부 표면을 포함하는 제1금속편 및 제2이음부 표면을 포함하는 제2금속편을 갖는 이음부를 도시한 것으로서, 여기서 상기 제1이음부 표면 및 제2이음부 표면은 서로에 대해 각도를 이룸;
도 10c는 제1이음부 표면을 포함하는 제1금속편, 및 제2이음부 표면을 포함하는 제2금속편, 및 제1이음부 표면과 제2이음부 표면이 이들 사이에 갭이 존재하도록 서로에 대해 각도를 이루고 제1이음부 표면과 대체로 평행한 제3이음부 표면을 갖는 이음부를 도시한 것으로서, 여기서 상기 제1이음부 표면 및 제3이음부 표면은, 이들 사이에 제2갭이 존재하도록 서로에 대해 각도를 이룸;
도 11a는 제1출력 및 제2출력이 일반적으로 동시에 이음부의 동일한 섹션에 유도되는 도 2b의 용접 장치의 평면도를 도시한 도면;
도 11b는 제1출력이 제2출력보다 선행하는 도 2b의 용접 장치의 평면도를 도시한 도면;
도 11c는 제1출력이 제2출력 이후에 진행하는 도 2b의 용접 장치의 평면도를 도시한 도면;
도 12는 제3출력이 제1출력보다 선행하는 도 9a의 용접 장치의 평면도를 도시한 도면;
도 13은 이음부에서 복수의 금속편을 함께 용접하는 방법의 일 구체예의 순서도를 도시한 도면;
도 14는 대체로 수평 구성으로 앵글 이음부를 함께 용접하는 방법의 일 구체예의 순서도를 도시한 도면.
하기에서는 용접을 위한 장치 및 용접 방법이 모든 구체예가 아닌 일부 구체예를 도시한 첨부된 도면을 참조로 하여 보다 상세히 기술한다. 실제로, 본 발명은 여러 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 본원에 기술된 구체예들로 한정되는 것으로서 해석되지 않아야 하며, 오히려, 이러한 구체예들은, 본 명세서가 적용 가능한 법적 요건들을 충족시키도록 제공된다. 동일한 숫자는 전반적으로 동일한 엘리먼트를 칭하는 것이다.
도 2a는 이음부(114)를 형성시키기 위해 정위된 제1금속편(116a) 및 제2금속편(116b)을 도시한 것이다. 도 2b는 이음부(114)에서 제1금속편(116a) 및 제2금속편(116b)을 함께 용접하도록 구성된 용접 장치(100)의 상응하는 구체예를 도시한 것이다. 용접 장치(100)는 이음부의 제1측면(114a)에 대해 제1출력(110')을 유도하도록 구성된 고 에너지 밀도 열원(110)을 포함한다. 이에 의해, 제1출력(110')은 제1금속편(116a) 및/또는 제2금속편(116b)으로부터의 금속을 포함하는 제1용융 금속 풀(120a)에 의해 둘러싸인 키홀(122)(대안적으로, 채널로서 칭하여질 수 있음)을 형성시킨다. 키홀(122) 및 제1용융 금속 풀(120a) 둘 모두는 이음부(114)의 제1측면(114a)으로부터 대체로 이음부의 제2측면(114b) 쪽으로 연장된다. 제1용융 금속 풀(120a)은 제1금속편(116a) 및 제2금속편(116b)을 고 에너지 밀도 열원(110)으로부터의 제1출력(110')으로 가열시킴으로써 형성된 증기 및/또는 액체를 포함할 수 있다. 또한, 충전제 물질은 일부 구체예에서 보다 큰 용접부를 위한 제1용융 금속 풀(120a)에 공급하기 위해 첨가될 수 있다. 장치는 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀(120b)을 형성시키기 위해 이음부(114)의 제2측면(114b)에 대해 아크 용접 열원(112)으로부터의 제2출력(112')을 동시에 유도할 수 있다. 또한, 고 에너지 밀도 열원(110)으로부터의 제1출력(110')은, 키홀(122)이 제2용융 금속 풀(120b)로 연장되도록 유도되며, 이에 따라 제2용융 금속 풀의 하부 부분과 연결될 수 있다. 이에 따라, 제2용융 금속 풀(120b)은 이음부(114)를 가로질러 실질적으로 연장되는 공동의 용융 금속 풀(120)을 생성시키기 위해 키홀(122)에 의해 제1용융 금속 풀(120a)과 합쳐질 수 있다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 공동의 용융 금속 풀(120)이 고형화될 때, 이는 이음부(114)를 통해 이음부(114)의 제1측면(114a)에서 이음부(114)의 제2측면(114b)으로 완전히 연장되는 용접부(118)를 형성할 수 있다.
이에 따라, 통상적인 레이저 하이브리드 용접을 이용하여 경험될 수 있는 바와 같이, 이음부를 통해 용접부를 완전히 형성시키는 것과 관련한 문제, 예를 들어 레이저 빔이 전기 아크를 통과할 때 레이저 에너지의 손실의 문제가 방지될 수 있다. 특히, 키홀은, 더욱 안정한 공동의 용융 금속 풀이 생성되도록, 제1용융 금속 풀과 제2용융 금속 풀 간의 유체 흐름을 개선시킬 수 있다. 이에 따라, 이음부의 한 측면에서 다른 측면으로 연장되는 보다 두꺼운 용접부가 달성될 수 있다. 또한, 이음부를 통해 연장되는 용접부는 종래 기술과 관련하여 상술된 바와 같이 이음부의 양 측면 상에 고 에너지 밀도 열원을 제공하지 않고 1회 통과(single pass)로 형성될 수 있다. 또한, 키홀이 제2용융 금속 풀로 연장되도록 제1출력이 유도되게 이음부의 반대편 측면들 상에 제1출력 및 제2출력을 제공함으로써, 아크 용접 열원에 의해 형성된 아크의 열기계적 안정화가 일어날 수 있는데, 이는 보다 낮은 용접부 결함을 갖는 더욱 강력하고 보다 정밀한 용접부의 형성에 기여할 수 있다. 이에 따라, 비교적 빠른 용접 속도가 이용될 수 있다. 요망되는 용접 프로파일은 또한 레이저 빔의 정렬, 이음부 위치 및 아크 용접 토치를 포함한, 용접 파라미터들을 최적화함으로써 얻어질 수 있다.
고 에너지 밀도 열원(110)은 제1출력(110') 형태의 고 에너지 밀도 열의 다양한 다른 공급원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고 에너지 밀도 열원(110)은 레이저 빔 제1출력(110')을 생성시키는 레이저를 포함할 수 있다. 추가 구체예에서, 고 에너지 밀도 열원(110)은 전자 빔 제1출력(110')을 생성시키는 전자 빔 건을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 고 에너지 밀도 열원(110)은 이송식 플라즈마 아크 제1출력(110')을 생성시키는 플라즈마 아크 토치를 포함할 수 있다. 그러나, 고 에너지 밀도 열원(110)의 추가 구체예들은 또한, 이러한 것들이 이음부(114)를 통해 키홀(122)을 형성시킬 수 있는 한 사용될 수 있다.
또한, 아크 용접 열원(112)은 다양한 다른 열원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 아크 용접 열원(112)은 아크 제2출력(112')을 생성시키는 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding; GMAW) 토치를 포함할 수 있다. 특히, GMAW 토치는 금속 불활성 가스(MIG) 용접 토치 또는 금속 활성 가스(MAG) 용접 토치를 포함할 수 있으며, 금속 이송은 일부 구체예에서 구형, 단락(short-circuiting), 스프레이 또는 펄스-스프레이를 수반할 수 있다. 다른 구체예에서, 아크 용접 열원(112)은 이송 또는 비-이송 모드에서 작동할 수 있는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 토치, 플럭스-코어드 아크 용접(FCAW) 토치, 서브머지드 아크 용접(SAW) 토치, 또는 플라즈마 아크 용접(PAW) 토치를 포함할 수 있다. 그러나, 다양한 다른 타입의 용접 토치들은 아크 용접 열원(112)으로서 사용될 수 있다. 또한, 일부 구체예에서, 아크 용접 열원(112)은 실드 가스(shielding gas) 또는 와이어 공급기(wire-feeder)를 사용하거나 사용하지 않을 수 있다.
이에 따라, 요약하면, 아크 용접 열원(112)은, 용접 장치가 제2용융 금속 풀(120b)을 형성시킬 수 있는 한, 여러 공지된 타입의 용접 장치를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 아크 용접 열원(112)은 제2용융 금속 풀(120b)을 형성시키는 한, 상술된 바와 같은 플라즈마 아크 토치와 같은 고 에너지 밀도 열원을 포함할 수 있다. 이에 따라, 특징들을 구별하는 측면에서, 아크 용접 열원(112)은 적어도 제2용융 금속 풀(120b)을 형성시키는 반면, 고 에너지 밀도 열원(110)은 적어도 제1용융 금속 풀(120a) 및 키홀(122)을 형성시킨다.
상술된 고 에너지 밀도 열원(110)에 의해 생성된 상이한 타입의 제1출력(110') 및 상술된 아크 용접 열원(112)에 의해 생성된 상이한 타입의 제2출력(112') 이외에, 제1출력 및/또는 제2출력은 또한 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 예를 들어, 제1출력(110')은 사용되는 고 에너지 밀도 열원(110)의 타입 및 적용에 따라 연속파이거나, 펄스화되거나, 디포커싱되거나, 포커싱되거나, 진동하거나, 스플릿팅되거나, 신장될 수 있다. 또한, 일부 구체예에서, 다수의 고 에너지 밀도 열원(110) 및/또는 다수의 아크 용접 열원(112)이 사용될 수 있다.
함께 용접되는 금속편들 사이의 이음부는 다수의 상이한 배치(configuration)를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 금속편들은 앵글 이음부를 형성시킬 수 있다. 본원에서 사용되는 앵글 이음부는 티형 이음부(114)(도 2a 내지 도 2c 참조), 코너 이음부(214)(도 3a 및 도 3b 참조), 비스듬한 티형 이음부(314)(도 4a 및 도 4b, 및 도 5a 및 도 5b 참조), 비스듬한 코너 이음부(414)(도 6a 및 도 6b, 및 도 7a 및 도 7b 참조), 및 두 개 이상의 금속편들이 서로에 대해 각도를 이루도록 상기 두 개 이상의 금속편들이 접하는 다른 이음부를 칭한다. 이음부가 비스듬할 때, 이러한 것들이 도 4a, 도 4b, 도 6a 및 도 6b에 예시된 바와 같이 오른쪽, 또는 도 5a, 도 5b, 도 7a 및 도 7b에 예시된 바와 같이 왼쪽과 같은 다양한 방향으로 비스듬할 수 있다.
앵글 이음부(114, 214, 314, 414)가 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a, 도 6a 및 도 7a에 예시된 바와 같이 지향될 때, 제1금속편(116a, 216a, 316a, 416a)은 대체로 수평의 상부 표면(116a', 216a', 316a', 416a')을 가지며, 제2금속편(116b, 216b, 316b, 416b)은 대체로 수평의 하부 표면(116b', 216b', 316b', 416b')를 가지며, 여기서 제2금속편의 대체로 수평의 하부 표면의 적어도 일부는 앵글 이음부를 형성하기 위해 제1금속편의 상부 표면과 접한다. 이러한 구체예에서, 도 2b, 도 3b, 도 4b, 도 5b, 도 6b 및 도 7b에 예시된 바와 같이, 용접 장치(100, 200, 300, 400)는, 키홀(122, 222, 322, 422)이 아크 용접 열원(112, 212, 312, 412)으로부터의 제2출력(112', 212', 312', 412')에 의해 형성된 제2용융 금속 풀(120b, 220b, 320b, 420b)의 하부 부분에서만 포인트(122', 222', 322', 422')로 연장되도록 고 에너지 밀도 열원(110, 210, 310, 410)으로부터의 제1출력(110', 210', 310', 410')이 유도될 수 있도록, 지향될 수 있다. 이에 따라, 제2용융 금속 풀(120b, 220b, 320b, 420b)은 공동의 용융 금속 풀(120, 220, 320, 420)을 형성시키기 위해 제1용융 금속 풀(120a, 220a, 320a, 420a)과 합쳐질 수 있다. 그러나, 상술된 구체예는 이음부에 대한 용접 위치의 단지 일부 예이다. 예를 들어, 금속편들의 평평한 용접 위치("1F"로서 공지된), 수평 용접 위치("2F"로서 공지됨), 및 오버헤드 용접 위치("4F"로서 공지됨)의 다양한 조합이 사용될 수 있다.
이음부가 다르게 지향되는 다른 배치에서, 및 이음부가 앵글 이음부가 아닌 구체예에서, 제1출력 및 제2출력은, 제1출력 및 제2출력이 서로에 대해 0이 아닌 입사각을 형성시키도록 지향될 수 있다. 본원에서 사용되는 0이 아닌 입사각은 제1출력 및 제2출력이 직접적으로 교차하는 예로 한정되도록 의도되지 않는데, 왜냐하면 일부 구체예에서, 하기에 기술되는 바와 같이, 제1출력 및 제2출력이 서로 선행되고 후행될 수 있기 때문이다. 더 정확히 말하면, 이러한 용어는 제1출력 및 제2출력이 이음부를 통하는 단면을 통해 알 수 있는 바와 같이 서로에 대해 대체로 각도를 이루는 구체예를 추가로 포함한다. 제2용융 금속 풀에 제1출력의 취입 중단 작업(blowing out)을 방지하기 위해 제2용융 금속 풀에서 제1출력을 직접적으로 유도하는 것과 비교하여, 제1출력 및 제2출력이 0이 아닌 입사각을 형성하는 배치가 바람직할 수 있다. 특히, 제2용융 금속 풀은 비교적 보다 크고 강력한 용접부를 제공할 수 있으며, 이에 따라 제1출력은 이음부에서 떨어지는 제2용융 금속 풀에 가해지지 않도록 유도될 수 있다. 이에 따라, 일부 구체예에서, 제1출력은, 키홀이 제2용융 금속 풀의 융합 경계로 연장되도록 유도될 수 있다. 일부 다른 구체예에서, 제2용융 풀의 취임 중단 작업을 방지하기 위해서, 키홀은 제2용융 금속 풀의 하부로 연장할 수 있거나, 키홀은 제2용융 금속 풀의 하부 부분으로 연장할 수 있다. 제1출력은 그것을 통해 완전히 연장함 없이, 실질적으로 단지 제2용융 금속 풀의 경계에 도달하는 세기를 가질 수 있다.
다양한 다른 타입의 이음부는 도 8에 예시된 바와 같이, 버트-이음부(514)와 같은 본 발명의 구체예를 사용하여 용접될 수 있다. 이러한 구체예에서, 제1금속편(516a) 및 제2금속편(516b)은, 버트-이음부(514)를 형성시키기 위해 이들의 단부가 함께 연결되도록 융접될 수 있다. 그러나, 버트-이음부(514)를 용접하도록 구성된 용접 장치(500)는 일반적으로, 버트-이음부의 제1측면에서부터 버트-이음부의 제2측면(514b) 쪽으로 연장되는 제1용융 금속 풀(520a)에 의해 둘러싸인 키홀(522)을 생성시키기 위해 버트-이음부(514)의 제1측면(514a)에 대해 제1출력(510')을 유도하는 고 에너지 밀도 열원(510)과 일반적으로 동일하게 유지할 수 있다. 용접 장치(500)는 버트-이음부의 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀(520b)을 형성시키기 위해 버트-이음부(514)의 제2측면(514b)에 대해 아크 용접 열원(512)으로부터의 제2출력(512')을 동시에 유도할 수 있다. 이에 따라, 제1용융 금속 풀(520a) 및 제2용융 금속 풀(520b)은 키홀(522)에 의해 공동의 용융 금속 풀(520)을 형성시키기 위해 합쳐질 수 있다.
상기에 기술된 바와 같이, 용접 장치의 구체예는 고 에너지 밀도 열원 및 아크 용접 열원을 포함한다. 그러나, 상기에 언급된 바와 같이, 일부 구체예는 두 개 이상의 아크 용접 열원을 추가로 포함할 수 있다. 도 9a에 예시된 바와 같이, 이러한 구체예에서, 고 에너지 밀도 열원(910)은 제1금속편(916a)과 제2금속편(916b) 사이의 이음부(914)의 제1측면(914a)에 대해 제1출력(910')을 유도할 수 있으며, 아크 용접 열원(912)은 단지 고 에너지 밀도 열원 및 아크 용접 열원을 포함하는 용접 장치의 구체예에 대해 상술된 바와 동일한 방식으로 이음부의 제2측면(914b)에 대해 제2출력(912')을 유도할 수 있다. 그러나, 도 9a에 예시된 용접 장치(900)는 제3출력(928')을 이음부(914)의 제1측면(914a)에 대해 유도하는 제2아크 용접 열원(928)을 추가로 포함한다. 용접 장치의 상기에서 논의된 구체예로부터의 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력 및 아크 용접 열원으로부터의 제2출력과 함께, 제2아크 용접 열원(928)으로부터의 제3출력(928')은 불연속적이거나 연속적일 수 있다. 유사하게, 제2아크 용접 열원(928)은 아크 용접 열원에 대해 상술된 바와 같은 GTAW, GMAW, FCAW, SAW, 또는 PAW 토치와 같은 아크 용접 장치의 다양한 구체예를 포함할 수 있다.
제3출력(928')은 공동의 용융 금속 풀(920)을 형성시키기 위해 제1용융 금속 풀(920a) 및 제2용융 금속 풀(920b)과 합칠 수 있는 제3용융 금속 풀(920c)을 형성시킬 수 있다. 공동의 용융 금속 풀(920)은 이에 의해 도 9b에 예시된 바와 같이, 제2아크 용접 열원 없는 용접 장치(100)에 의해 형성된 용접부(118)(도 2c 참조)와 비교하여 이음부(914)의 제1측면(914a) 상에 보다 많은 물질을 포함할 수 있는 용접부(918)를 형성시키기 위해 고형화될 수 있다. 이에 따라, 도 9a에 예시된 용접 장치(900)는, 예를 들어, 강도 또는 심미적 목적을 위해 제1측면(914a)에서 제2측면(914b)까지의 이음부(914)의 폭을 가로지르는 더욱 대칭적인 용접부가 요망되는 적용에서 바람직할 수 있다. 또한, 제1출력(910')은 제3출력(928') 및 제3용융 금속 풀(920c), 및 제2출력(912') 및 제2용융 금속 풀(920b)을 안정화시키는 방식과 유사한 방식으로 안정화시킬 수 있다.
용접 장치의 구체예는 또한 이음부에 근접한 금속편들의 표면이 적어도 일부 서로 각도를 이루는 이음부를 용접할 수 있다. 일부 구체예에서, 금속편들 중 하나의 금속편 상의 제1이음부 표면, 및 금속편들 중 다른 하나의 금속편 상의 제2이음부 표면은, 이들 사이에 갭을 형성하도록 서로에 대해 각도를 이룬다. 이러한 구체예는 도 10a 내지 도 10c에 예시되어 있다.
도 10a는 이음부(614)를 용접하도록 구성된 용접 장치(600)의 일 구체예를 예시한 것이다. 이음부(614)는 제1금속편(616a) 및 제2금속편(616b)을 포함한다. 제1금속편(616a)은 제1이음부 표면(616a')을 포함하며, 제2금속편(616b)은 제2이음부 표면(616b') 및 제3이음부 표면(616b")을 포함한다. 예시된 바와 같이, 제1금속편(616a) 및 제2금속편(616b)은, 제1이음부 표면(616a') 및 제2이음부 표면(616b')이 이들 사이에 갭(624)이 존재하도록 서로에 대해 각도를 이루도록 정렬될 수 있다. 고 에너지 밀도 열원(610)은, 제1출력(610')이 이러한 갭(624)을 통해 유도되도록 하는 것을 목표로 할 수 있으며, 제2출력(612)은 상술된 바와 같이, 이음부(614)의 반대편 측면에서 유도되게 하는 것을 목표로 할 수 있다. 제1출력(610')이 갭(624)을 통과시키는 목표가 일부 구체예에서 바람직할 수 있는데, 왜냐하면 고 에너지 밀도 열원(610)이 보다 낮은 파워를 요구할 수 있기 때문이다. 일부 구체예에서, 용접 장치(600)는 갭(624)이 공동의 용융 풀로 완전히 채워지는 것을 돕기 위해 제2아크 용접 열원(928)으로부터의 제3출력(928')을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 구체예에서, 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력(610')은 고 에너지 밀도 열원의 작동을 위해 요구되는 파워 수준을 약간 감소시키기 위해 제3출력(928')보다 선행되거나 후행될 수 있다.
도 10a에 예시된 바와 같이, 제2금속편(616b) 상의 제3이음부 표면(616b")은, 제1금속편(616a) 상의 제1이음부 표면(616a')과 대체로 평행하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이음부를 형성하는 표면이 서로에 대해 각도를 적어도 일부 나타내는 이음부의 모든 구체예가 이러한 특성을 갖는 것은 아니다. 예를 들어, 도 10b는 제2금속편(716b)이 제3이음부 표면을 포함하지 않는 이음부(714)의 일 구체예를 예시한 것이다. 오히려, 갭(724)은 제1금속편(716a) 상의 제1이음부 표면(716a')과 제2금속편(716b) 상의 제2이음부 표면(716b') 사이에 형성된다. 다른 구체예에서, 도 10c에 예시된 바와 같이, 이음부(814)는 하나 초과의 갭을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 도 10c의 구체예는 제1금속편(816a) 상의 제1이음부 표면(816a')과 제2금속편(816b) 상의 제2이음부 표면(816b') 사이의 갭(824)을 형성하며, 추가의 제2갭(826)은 제1이음부 표면과 제2금속편 상의 제3이음부 표면(816b") 사이에 형성된다. 이에 따라, 제2갭(826)은 갭(824)으로부터 제2금속편(816b)의 반대편 측면 상에 일반적으로 위치될 수 있다. 두 개의 갭(824) 및 (826)은 일부 구체예에서 동일한 프로파일을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 것들은 다른 일부의 구체예에서 상이한 프로파일을 가질 수 있다. 이러한 구체예에서, 아크 용접 열원은, 제2용융 금속 풀이 제2갭 안에 수용되도록 제2출력을 제2갭 쪽으로 유도할 수 있다. 제2갭에 제2용융 금속 풀을 수용하는 것은 심미적 측면에서 이점을 제공할 수 있으며, 또한 제2갭은 제2용융 금속 풀을 적소에 유지시키도록 기능할 수 있고, 제1출력으로부터 발생된 키홀이 보다 짧은 거리를 관통할 수 있기 때문에 제1출력의 요구되는 파워 수준을 감소시킬 수 있다.
일부 구체예에서, 각 갭을 형성하는 각도는 제1금속편 또는 제2금속편 상의 챔퍼에 의해 규정될 수 있다. 전단된 에지, 레이저 절단 에지, 단일 베벨 에지, 플라즈마 절단 에지 또는 이중 베벨 에지와 같은 챔퍼는 다양한 제작 기술에 의해 생성될 수 있다. 다른 구체예에서, 갭을 규정하는 각도는 다른 금속편에 대해 정사각형 에지의 금속편을 기울어지게 함으로써 생성될 수 있다. 이러한 구체예에서, 제1금속편 및 제2금속편은 서로 완전히 수직을 이루지 않을 것이다.
또한, 각도가 일반적으로 제2금속편에 의해 형성된 바와 같이 상기에 기술되었지만, 다른 구체예에서, 제1금속편은, 예를 들어 제1금속편이 챔퍼를 포함할 때, 각도를 이룰 수 있다. 다른 구체예에서, 제1금속편 및 제2금속편 둘 모두는 각도를 이루는 특성들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1금속편 및 제2금속편은 개개의 챔퍼를 포함할 수 있다.
또한, 상기에 기술되고 도시된 이음부 표면들이 일반적으로 평평한 표면을 포함하는 것으로 기술되었지만, 다른 구체예에서, 이음부 표면은 구부러진 표면일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 각 이음부 표면은, 갭이 다수의 각도에 의해 규정되도록 다수의 세그먼트를 포함할 수 있다. 각도(들) 및 상응하는 갭을 포함하는 특정 특성들과는 무관하게, 상술된 구체예 각각은 이음부의 방위에 따라, 상술된 바와 같이 대체로 수평의 의미 내에 포함되도록 의도된다. 이에 따라, 예를 들어, 도 10c에 예시된 제2이음부 표면(816b') 및 이음부(814)의 제3표면(816b")이 완전히 수평이지는 않지만, 이러한 배치는 상술된 바와 같이 대체로 수평의 의미 내에 포함되는 것으로 의도된다.
상술된 바와 같이, 제1출력 및 제2출력은 이음부에 대해 동시에 유도될 수 있다. 본원에서 동시에(simultaneously)라는 것은 제1출력 및 제2출력이 동시에 이음부에 유도되지만 반드시 용접 방향에 있어 이음부의 동일 섹션에 동시에 유도되는 것은 아닌 다양한 배치를 칭하는 것이다. 예를 들어, 도 11a는 기계 방향(130)을 따라 이음부(114)를 용접하도록 구성된 도 2b의 용접 장치(100)의 평면도를 도시한 것이다. 기계 방향(130)으로의 용접은 용접 장치(100)를 이동시키거나 금속편들(116a, 116b)을 이동시키는 것 중 어느 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 고 에너지 밀도 열원(110)으로부터의 제1출력(110') 및 아크 용접 열원(112)으로부터의 제2출력(112')은, 제1출력 및 제2출력이 일반적으로 이음부(114)의 동일 섹션에 동시에 유도되도록 일반적으로 기계 방향(130)으로 정렬되도록 유도될 수 있다. 이에 따라, 키홀(122)은 일반적으로 상기에서 알 수 있는 바와 같이, 제2용융 금속 풀(120b)의 중심 쪽으로 유도된다.
한편, 도 11b는 제1출력(110')이 기계 방향(130)으로 제2출력(112')보다 선행되는 도 2b로부터의 용접 장치(100)의 일 구체예를 도시한 것이다. 반대로, 도 11c는 제1출력(110')이 기계 방향(130)으로 제2출력(112') 이후에 진행되는 도 2b로부터의 용접 장치(100)의 일 구체예를 도시한 것이다. 다른 구체예에서, 제1출력(110')은 초기에 제2출력(112') 이후에 진행될 수 있지만, 이후에 제2출력은 용접부에서 이후에 제1출력 보다 선행될 수 있거나, 그 반대로 일어날 수 있다. 이는 예를 들어, 고 에너지 밀도 열원(110)이 이음부(114)를 따라 아크 용접 열원(112)보다 빠른 속도로 이동하거나 그 반대로 이동할 때의 경우일 수 있다. 이에 따라, 이음부(114)에서 제1출력(110') 및 제2출력(112')을 동시에 유도하기 위해 용접 장치(100)를 이용하는 다양한 배치가 가능하다. 도 11a 내지 도 11c의 모두 세 개의 도시된 구체예에서, 제2용융 금속 풀이 공동의 용융 금속 풀(120)을 형성하기 위해 제1용융 금속 풀(120a)과 합쳐질 수 있도록 제1출력(110')이 제2출력(112')에 의해 생성됨에 따라 기계 방향을 따라 제2용융 금속 풀(120b)과 중첩되는 위치에서 키홀(122)을 생성시킨다는 것이 주지된다.
도 10a에 예시된 용접 장치(900)와 관련하여, 상술된 용접 장치(100)와 유사하게, 제1출력(910'), 제2출력(912') 및 제3출력(928')이 이음부(914)에 동시에 유도되는 다양한 배치가 가능하다. 이에 따라, 다양한 조합에서, 제1출력(910')은 제2출력(912')보다 선행되거나 후행될 수 있으며, 제3출력(928')은 제2출력보다 선행되거나 후행될 수 있으며, 제3출력은 이음부를 용접하는 기계 방향(930)을 따라 제1출력보다 선행되거나 후행될 수 있다. 예를 들어, 용접 장치(900)의 부감도(overhead view)는 도 12에 도시되어 있다. 이러한 구체예에서, 제1출력(910')은 제3출력(928') 이후에 진행된다. 이러한 구체예는 고 에너지 밀도 열원(910)으로부터의 제1출력(910')이 제2아크 용접 열원(912)에 의해 제공된 바와 같은 제3용융 금속 풀(920c)을 키홀(922)로 밀어넣을 수 있게 할 수 있다. 제3용융 금속 풀(920c)을 키홀(922)로 밀어넣음으로써, 이는 공동의 용융 금속 풀(920)을 형성시키기 위해 제3용융 금속 풀과 제1용융 금속 풀(920a) 및 제2용융 금속 풀(920b)과의 합침을 촉진시킬 수 있다. 이에 따라, 강력한 용접부의 생성이 조장될 수 있다.
상기 설명은 일반적으로 장치의 구체예에 초점을 맞춘 것이다. 그러나, 관련된 방법들의 구체예가 또한 제공된다. 도 13은 금속편들 사이의 이음부에서 복수의 금속편을 함께 용접하는 방법의 일 구체예를 도시한 것이다. 이러한 방법은 작업(1102)에서 이음부의 제1측면에 대해 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력을 유도함을 포함한다. 고 에너지 밀도 열원은 일부 구체예에서, 블록(1104)에서 기술된 바와 같이, 레이저, 전자 빔 건, 또는 PAW 토치를 포함할 수 있다. 이에 의해, 제1출력은 블록(1106)에서 기술된 바와 같이 이음부의 제1측면으로부터 대체로 이음부의 제2측면 쪽으로 연장되는 제1용융 금속 풀에 의해 둘러싸인 키홀을 형성시킨다.
작업(1102)에서 제1출력을 유도하지만, 본 방법은 작업(1108)에서 이음부의 제2측면에 대해 아크 용접 열원으로부터의 제2출력을 동시에 유도하는 것을 추가로 포함한다. 아크 용접 열원은 일부 구체예에서, 블록(1110)에 기술된 바와 같이 GTAW, GMAW, FCAW, SAW, 또는 PAW 토치를 포함할 수 있다. 블록(1112)에 기술된 바와 같이, 제2출력은 이에 의해 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀을 형성시킨다. 또한, 제1출력은, 블록(1114)에서 키홀이 제2용융 금속 풀로 연장되도록 유도된다. 이에 의해, 블록(1116)에서 제2용융 금속 풀은 키홀에 의해 제1용융 금속 풀과 합쳐진다. 이에 따라, 본 방법은 블록(1118)에서 고형화되어 이음부를 통해 제1측면으로부터 제2측면으로 연장되는 용접부를 형성하는 공동의 용융 금속 풀을 생성시킨다.
본 방법의 일부 구체예에서, 이음부는 블록(1120)에 기술된 바와 같이 앵글 이음부를 포함할 수 있다. 또한, 일부 구체예에서, 금속편들의 제1측면 상의 제1이음부 표면 및 금속편들의 제2측면 상의 제2이음부 표면은, 블록(1122)에 기술된 바와 같이, 이들 사이에 갭이 존재하도록 서로에 대해 각도를 이룰 수 있다. 블록(1124)에 기술된 바와 같이, 각도는 금속편들 중 하나에서 챔퍼에 의해 규정될 수 있다. 또한, 블록(1126)에 기술된 바와 같이, 제1출력은 갭을 통해 유도될 수 있다. 일부 구체예에서, 공동의 용융 금속 풀은 블록(1128)에 기술된 바와 같이, 갭을 적어도 일부 채울 수 있다. 또한, 일부 구체예에서, 본 방법은, 상술된 바와 같이 제2용융 금속 풀의 취입 중단 작업을 방지하기 위해 제1출력 및 제2출력이 서로에 대해 0이 아닌 입사각을 형성하거나 제1출력이 제2용융 금속 풀의 하부 부분에서 유도될 수 있도록, 제1출력 및 제2출력을 유도하는 작업(1130)을 포함할 수 있다.
추가의 구체예에서, 본 방법은 블록(1134)에 기술된 바와 같이, 제3용융 금속 풀을 형성하는 제2아크 용접 열원으로부터의 제3출력을 이음부의 제1측면에 대해 유도하는 작업(1132)을 추가로 포함할 수 있다. 블록(1136)에 기술된 바와 같이, 제3용융 금속 풀은 이에 의해 공동의 용융 금속 풀을 형성시키기 위해 적어도 제1용융 금속 풀과 합쳐질 수 있다. 또한, 일부 구체예에서, 제1출력은 블록(1138)에 기술된 바와 같이, 제3출력 이후에 진행되거나 이보다 선행된다. 제1출력이 제3출력 이후에 진행될 때, 이는 제3용융 금속 풀을 키홀로 밀어넣을 수 있다. 아크 용접 열원과 함께, 제2아크 용접 열원은 GTAW, GMAW, FCAW, SAW, 또는 PAW 토치를 포함할 수 있다. 또한, 블록(1140)에 기술된 바와 같이, 제1출력, 제2출력 및/또는 제3출력은 불연속적일 수 있다.
또한, 도 14는 제1금속편과 제2금속편 사이에 앵글 이음부를 용접하는 방법의 일 구체예를 도시한 것으로서, 여기서 제1금속편은 대체로 수평의 상부 표면을 가지며, 제2금속편은 대체로 수평의 하부 표면을 가지며, 제2금속편의 대체로 수평의 하부 표면의 제1부분의 적어도 일부는 앵글 이음부를 형성시키기 위해 제1금속편의 상부 표면과 접한다. 앵글 이음부는, 상술된 바와 같이, 티형 이음부, 코너 이음부, 비스듬한 티형 이음부, 비스듬한 코너 이음부, 및 두 개개의 금속편들이 서로에 대해 각을 이룰 수 있도록 이러한 금속편들을 연결시키는 다른 이음부를 포함할 수 있다. 두 개의 금속편들은 일부 경우에서 이들 사이에 작은 갭을 가질 수 있거나 가지지 않을 수 있다. 본 방법은 작업(1202)에서 앵글 이음부의 제1측면에 대해 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력을 유도함을 포함한다. 제1출력은 이에 의해 블록(1206)에 기술된 바와 같이 앵글 이음부의 제1측면에서부터 대체로 앵글 이음부의 제2측면으로 연장되는 키홀에서 제1용융 금속 풀을 형성시킨다.
작업(1202)에서 제1출력을 유도하지만, 본 방법은 작업(1208)에서 앵글 이음부의 제2측면에 대해 아크 용접 열원으로부터의 제2출력을 동시에 유도함을 추가로 포함한다. 블록(1212)에 기술된 바와 같이, 제2출력은 이에 의해 앵글 이음부의 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀을 형성시킨다. 또한, 제1출력은, 키홀이 블록(1214)에 기술된 바와 같이 제2용융 금속 풀의 하부 부분에서의 포인트로 연장되도록 유도될 수 있다. 이는 제1출력이 제2용융 금속 풀의 중심 또는 상부 부분에 유도될 때 일어날 수 있는 것과 같은 제2용융 금속 풀의 취입 중단 작업을 방지할 수 있으며, 제2용융 금속 풀과 제1용융 금속 풀 간의 유체 소통을 가능하게 한다. 이에 의해, 블록(1216)에서 제2용융 금속 풀은 키홀에 의해 제1용융 금속 풀과 합쳐진다. 이에 따라, 이는 블록(1218)에 기술된 바와 같이 고형화되어 제1측면에서부터 제2측면으로 앵글 이음부를 통해 연장되는 용접부를 형성하는 공동의 용융 금속 풀을 생성시킨다. 이에 따라, 특히 앵글 이음부를 용접하는 것과 관련한 방법이 또한 제공된다.
여러 변형예 및 다른 구체예들은 상기 설명 및 관련된 도면에 기술된 교시들의 이점을 갖는 이러한 구체예들과 관련된 당업자에게 고려될 것이다. 이에 따라, 이러한 변형예들 및 구체예들이 첨부된 청구항범위 내에 포함되도록 의도되는 것으로 이해될 것이다. 본원에서 특정 용어들이 사용되지만, 이러한 용어들은 단지 일반적이고 설명적인 의미로 사용되는 것으로 한정하기 위한 것은 아니다.

Claims (23)

  1. 금속편들 사이의 이음부에서 복수의 금속편을 함께 용접하는 방법으로서,
    상기 이음부의 제1측면에서부터 상기 이음부의 제2측면을 지나서 연장되는 제1용융 금속 풀(first molten metal pool)에 의해 둘러싸인 키홀((keyhole))을 형성시키기 위해 상기 이음부의 제1측면에 대해 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력을 유도하는 단계; 및
    상기 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀을 형성시키기 위해 상기 이음부의 제2측면에 대해 아크 용접 열원으로부터의 제2출력을 동시에 유도하는 단계를 포함하되,
    상기 키홀이 상기 제2용융 금속 풀로 연장되도록 상기 제1출력이 유도됨으로써,
    상기 제2용융 금속 풀이 상기 키홀에 의해 상기 제1용융 금속 풀과 합쳐져서 공동의 용융 금속 풀을 생성시키고, 해당 공동의 용융 금속 풀이 고형화되어 상기 제1측면에서부터 상기 제2측면까지 상기 이음부를 통해 연장되는 용접부를 형성시키는 것인 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고 에너지 밀도 열원이 레이저를 포함하는 것인 용접 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고 에너지 밀도 열원이 전자 빔 건을 포함하는 것인 용접 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고 에너지 밀도 열원이 플라즈마 아크 용접 토치를 포함하는 것인 용접 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 이음부가 앵글 이음부(angle joint)를 포함하는 것인 용접 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1출력 및 상기 제2출력이 서로에 대해 0보다 큰 입사각을 형성하도록, 상기 제1출력 및 상기 제2출력을 유도하는 것을 추가로 포함하는, 용접 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1출력 및 상기 제2출력 중 하나 이상이 불연속적인 것인 용접 방법.
  8. 제1항에 있어서, 제3용융 금속 풀을 형성시키기 위해 상기 이음부의 상기 제1측면에 대해 제2아크 용접 열원으로부터의 제3출력을 유도하는 것을 추가로 포함하는 용접 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 금속편들 중 제1금속편 상의 제1이음부 표면 및 상기 금속편들 중 제2금속편 상의 제2이음부 표면이, 이들 사이에 갭이 존재하도록 서로에 대해 각도를 이루는 것인 용접 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 각도가 상기 금속편들 중 하나의 금속편 상의 챔퍼(chamfer)에 의해 규정되는 것인 용접 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1출력이 상기 갭을 통해 유도되는 것인 용접 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 공동의 용융 금속 풀이 상기 갭을 일부 또는 전부 채우는 것인 용접 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제3용융 금속 풀은 적어도 제1용융 금속 풀과 합쳐져서 상기 공동의 용융 금속 풀을 형성시키기는 것인 용접 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력이 상기 제2아크 용접 열원으로부터의 제3출력 이후에 진행되는 것인 용접 방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력이 상기 제2아크 용접 열원으로부터의 제3출력보다 선행하는 것인 용접 방법.
  16. 제8항에 있어서, 상기 제1출력, 상기 제2출력 및 상기 제3출력 중 하나 이상의 불연속적인 것인 용접 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 아크 용접 열원이 가스 텅스텐 아크 용접 토치를 포함하는 것인 용접 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 아크 용접 열원이 가스 금속 아크 용접 토치를 포함하는 것인 용접 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 아크 용접 열원이 플럭스-코어드 아크 용접 토치를 포함하는 것인 용접 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 아크 용접 열원이 플라즈마 아크 용접 토치를 포함하는 것인 용접 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 아크 용접 열원이 서브머지드 아크 용접 토치를 포함하는 것인 용접 방법.
  22. 금속편들 사이의 이음부에서 복수의 금속편을 함께 용접하도록 구성된 용접 장치로서,
    이음부의 제1측면에서부터 이음부의 제2측면을 지나서 연장되는 제1용융 금속 풀에 의해 둘러싸인 키홀을 형성시키기 위해 이음부의 제1측면에 대해 제1출력을 유도하도록 구성된 고 에너지 밀도 열원; 및
    상기 제2측면 부근에 제2용융 금속 풀을 형성시키기 위해 상기 이음부의 제2측면에 대해 제2출력을 동시에 유도하도록 구성된 아크 용접 열원을 포함하되,
    상기 키홀이 상기 제2용융 금속 풀로 연장되도록 상기 제1출력이 유도됨으로써,
    상기 제2용융 금속 풀이 상기 키홀에 의해 상기 제1용융 금속 풀과 합쳐져서 공동의 용융 금속 풀을 생성시키고, 해당 공동의 용융 금속 풀이 고형화되어 상기 제1측면에서부터 상기 제2측면까지 상기 이음부를 통해 연장되는 용접부를 형성시키는 것인 용접 장치.
  23. 제1금속편이 수평의 상부 표면을 가지고 제2금속편이 수평의 하부 표면을 가지며, 상기 제2금속편의 수평의 하부 표면의 적어도 일부가 상기 제1금속편의 상부 표면과 접하여 앵글 이음부를 형성시키는 것인, 제1금속편과 제2금속편 사이에 앵글 이음부를 용접하는 방법으로서,
    상기 앵글 이음부의 제1측면에서부터 상기 앵글 이음부의 제2측면을 지나서 연장되는 제1용융 금속 풀에 의해 둘러싸인 키홀을 형성시키기 위해 상기 앵글 이음부의 제1측면에 대해 고 에너지 밀도 열원으로부터의 제1출력을 유도하는 단계; 및
    상기 앵글 이음부의 제2측면에 대해 제2용융 금속 풀을 형성시키기 위해 상기 앵글 이음부의 제2측면에 대해 아크 용접 열원으로부터의 제2출력을 동시에 유도하는 단계를 포함하되,
    상기 키홀이 상기 제2용융 금속 풀로 연장되도록 상기 제1출력이 유도됨으로써,
    상기 제2용융 금속 풀이 상기 키홀에 의해 상기 제1용융 금속 풀과 합쳐져서 공동의 용융 금속 풀을 생성시키고, 해당 공동의 용융 금속 풀이 고형화되어 상기 제1측면에서부터 상기 제2측면까지 상기 이음부를 통해 연장되는 용접부를 형성시키는 것인, 앵글 이음부의 용접 방법.
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