KR102633051B1 - 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치는, 모재와 전극 사이에 설정된 전압을 인가하고, 상기 전극을 통하여 설정된 전류를 공급하여, 상기 모재와 상기 전극 사이에 아크를 생성되도록 하는 용접전원 공급부; 상기 모재와 상기 전극 사이에 용가재를 공급하여, 용가재가 모재와 용착을 형성하도록 하도록 하는 용가재 송급부; 상기 전극을 지지하고, 상기 용가재 송급부로부터 공급되는 상기 용가재를 공급하는 용접토치; 및 끝단에 상기 용접토치를 장착하고, 상기 용접토치의 위치와 방향을 제어하는 용접로봇;를 구비하고, 상기 용가재가 공급되는 방향에 수직인 횡단면이 C형 형상을 가지며, 다수의 패스를 포함하는 용접에 의하여 형성되는 용접층을 적층하여 수직벽을 생성하며, 상기 용접층이 내측 벽면 패스, 내부 패스, 외측 벽면패스를 포함하고, 내측 벽면패스, 외측 벽면패스, 및 내부 패스의 순서로 용접을 수행하며, 상기 외측 벽면패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 더 작고, 상기 내부 패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 크게 되도록 제어될 수 있다.

Description

슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법{Apparatus for Metal Additive Manufacturing using Super-Tig welding}

본 발명은 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두꺼운 벽의 적층 제조에서 벽면 RESOLUTION을 개선할 수 있는 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법에 관한 것이다.

금속 AM에서의 적층방법은 재료 유형에 따라서 분말과 와이어로 나누어지게 된다. 분말을 재료로 사용하는 경우는 주로 레이저빔과 전자빔을 열원으로 사용하여 적층을 하게 된다. 와이어를 재료로 사용하는 경우는 레이저, 전자빔 및 용접 아크를 열원으로 하여 적층을 하게 된다. 분말을 기반으로 하는 금속 AM은 정밀도가 높으나, 용착속도가 비교적 낮고 분말이나 열원 장치비용 등 생산 비용이 비싸다는 단점이 있다. 이와 같은 특징들에 의해 소형 정밀 금속 부품의 제조가 용이하다. 와이어를 기반으로 하는 금속 AM은 정밀도가 낮으나, 낮은 생산원가와 높은 용착속도를 바탕으로 다양한 금속 제품의 제조에 이용되고 있다.

분말을 기반으로 하는 금속 AM은 대부분 유럽을 중심으로 상당한 개발이 이루어져 대부분의 기술이 독점화 되어있고 사용되는 분말도 제한적으로 사용되고 있다. 기존의 가공방식에 비하여 분말을 기반으로 한 금속 AM은 생산원가가 높아 시제품 제작이나 제품 경량화를 위한 제품에 적용되고 있다.

와이어를 기반으로 하는 금속 AM은 영국, 미국, 일본, 중국 등을 중심으로 성장하고 있으며 낮은 생산원가를 기반으로 Ti, Al, Ni alloy등 고가의 금속 제품을 제조하는데 유리하다. 특히 Ti alloy의 경우는 항공, 우주, 국방에 사용되는 금속으로 bulk 제품의 수입제한이 이루어져 다양한 나라에서 Ti alloy를 중대형으로 제조할 수 있는 금속 AM에 관심을 가지고 있다.

본 발명은 벽면 패스를 내부 패스보다 용착단면적을 작게하여 용융금속의 흘러내림에 대한 불안정성을 감소시켜 벽면 레졸루션 개선할 수 있는 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 금속 AM(Additive Manufacturing)에서 Super-TIG 용접을 이용하여 적층 시 존재하는 직각 굴곡부에 대한 로봇과 포지셔너의 연동 티칭 기술 및 공정개발을 하여 벽면과 비드 높이의 건전한 품질을 확보할 수 있는 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치는, 모재와 전극 사이에 설정된 전압을 인가하고, 상기 전극을 통하여 설정된 전류를 공급하여, 상기 모재와 상기 전극 사이에 아크를 생성되도록 하는 용접전원 공급부; 상기 모재와 상기 전극 사이에 용가재를 공급하여, 용가재가 모재와 용착을 형성하도록 하도록 하는 용가재 송급부; 상기 전극을 지지하고, 상기 용가재 송급부로부터 공급되는 상기 용가재를 공급하는 용접토치; 및 끝단에 상기 용접토치를 장착하고, 상기 용접토치의 위치와 방향을 제어하는 용접로봇;를 구비하고,

상기 용가재가 공급되는 방향에 수직인 횡단면이 C형 형상을 가지며, 다수의 패스를 포함하는 용접에 의하여 형성되는 용접층을 적층하여 수직벽을 생성하며, 상기 용접층이 내측 벽면 패스, 내부 패스, 외측 벽면패스를 포함하고, 내측 벽면패스, 외측 벽면패스, 및 내부 패스의 순서로 용접을 수행하며, 상기 외측 벽면패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 더 작고, 상기 내부 패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 크게 되도록 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 방법은, 모재와 전극 사이에 설정된 전압을 인가하고, 상기 전극을 통하여 설정된 전류를 공급하여, 상기 모재와 상기 전극 사이에 아크를 생성하고, 상기 모재와 상기 전극 사이에 용가재를 공급하여, 용접을 수행하며, 상기 용가재가 공급되는 방향에 수직인 횡단면이 C형 형상을 가지며, 다수의 패스를 포함하는 용접에 의하여 형성되는 용접층을 적층하여 수직벽을 생성하는 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 방법으로서,

상기 용접층이 내측 벽면 패스, 내부 패스, 외측 벽면패스를 포함하고, 내측 벽면패스를 용접하는 단계; 외측 벽면패스를 용접하는 단계; 및 내부 패스를 용접하는 단계를 구비하고, 내측 벽면패스, 외측 벽면패스, 및 내부 패스의 순서로 용접을 수행하며, 상기 외측 벽면패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 더 작고, 상기 내부 패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 크게 되도록 제어될 수 있다.

본 발명의 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법에 따르면, 벽면 패스를 내부 패스보다 용착단면적을 작게하여 용융금속의 흘러내림에 대한 불안정성을 감소시켜 벽면 레졸루션 개선할 수 있다.

또한, 금속 AM(Additive Manufacturing)에서 Super-TIG 용접을 이용하여 적층 시 존재하는 직각 굴곡부에 대한 로봇과 포지셔너의 연동 티칭 기술 및 공정개발을 하여 벽면과 비드 높이의 건전한 품질을 확보할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도면들은 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법을 개략적으로 보여주는 도면들이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 발명의 실시예에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다. 하나의 실시예에 적용되는 구성요소는 특별한 언급이 없더라도 다른 실시예에서도 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치 및 방법은 벽면 패스를 내부 패스보다 용착단면적을 작게하여 용융금속의 흘러내림에 대한 불안정성을 감소시켜 벽면 레졸루션 개선할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치는, 수퍼 티그 용접에 의하여 금속 물질을 적층하여 설정된 형상을 생성하는 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치로서, 용접토치; 상기 용접토치에 용접 전언을 인가하는 용접 전원 공급부; 끝단에 용접 토치를 장착한 6축 수직 다관절 용접로봇; 및 다수의 JOB을 저장하여 용접조건 변경시 JOB 호출 번호 변경만으로 용접조건 변경이 가능하도록 하는 용가재 송급장치를 구비하고, 벽면 패스를 내부 패스보다 용착단면적을 작게하여 용융금속의 흘러내림에 대한 불안정성을 감소시켜 벽면 레졸루션 개선할 수 있도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 방법은, 수퍼 티그 용접에 의하여 금속 물질을 적층하여 설정된 형상을 생성하는 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치의 제어방법으로서, 상기 금속 적층 장치가, 용접토치; 상기 용접토치에 용접 전언을 인가하는 용접 전원 공급부; 끝단에 용접 토치를 장착한 6축 수직 다관절 용접로봇; 및 다수의 JOB을 저장하여 용접조건 변경시 JOB 호출 번호 변경만으로 용접조건 변경이 가능하도록 하는 용가재 송급장치를 구비하고, 벽면 패스를 내부 패스보다 용착단면적을 작게하여 용융금속의 흘러내림에 대한 불안정성을 감소시켜 벽면 레졸루션 개선할 수 있도록 할 수 있다.

아크 용접법은 실드가스와 아크방전에 의해 발생되는 열원(약 5,000℃)으로 용접부를 접합시키는 방법으로 소모전극식 (SMAW, GMAW, SAW, EGW)과 비소모 전극식 (GTAW, PAW)으로 구분할 수 있다.

텅스텐 불활성 가스 용접은(Tungsten Inert Gas) 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW, Gas Tungsten Arc Welding)이라고도 부르며 Ar, He등과 같은 불활성가스를 실드가스로 사용하면서 비소모성 전극인 텅스텐 전극과 모재사이에서 발생시킨 아크열로 모재를 용융시켜 접합하는 용접방법을 말한다. 이 용접방법은 모든 용접자세에 적용할 수 있으며, 아크가 매우 안정되고 용접부 품질이 우수하므로 산화나 질화 등에 민감한 금속 재질의 용접 및 피복아크용접을 적용하기 곤란한 경우에 사용하지만 가스메탈 아크용접에 비하여 용접속도가 느리므로 생산성은 낮은 단점이 있다.

TIG용접은 비소모성의 텅스텐 전극과 모재간에 발생하는 아크열에 의해 용접부를 용접하는 방법으로서 Fig. 2.1과 같이 용접부 주위에 불활성 가스(Ar, He 등)를 보호가스로 사용하면서 용접하는 방법이다.

현재 사용되고 있는 TIG용접기 전원은 정전류 특성인 AC 또는 DC이다. 이때 AC 또는 DC 전원의 선택은 요구되는 용접 특성 및 모재금속의 재질에 따라 좌우된다. 예를 들어 어떤 금속은 AC 전원으로 용접할 경우에 보다 쉽게 용접되는 반면에, 어떤 금속들은 DC 전원으로 용접할 경우 더 좋은 결과를 얻을 수 있다. AC, DC 전원으로 용접할 때의 특성은 다음과 같다.

1) 직류 봉 마이너스(DCEN, Direct Current Electrode Negative), 같은 크기의 용접봉으로도 높은 전류를 사용할 수 있기 때문에 용입이 깊고, 용접속도를 빠르게 할 수 있으며 비드폭이 좁아진다. 직류 정극성(DC Straight Polarity)이라고도 한다.

2) 직류 봉 플러스(DCEP, Direct Current Electrode Positive), 거의 사용하지 않지만 특수한 경우 Al, Mg 등의 박판용접에 사용한다. ① 용접봉의 발열량이 크기 때문에 용접봉 끝이 녹아내릴 염려가 있어서 같은 전류에서 DCEN의 용접봉보다 4배정도 직경이 큰 용접봉을 사용한다. ② 아르곤을 실드가스로 사용할 때 청정작용(Cleaning action)이 있다.

3) 교류(AC), ① 고주파 전원을 첨가하여 사용한다. ② 용입과 비드폭은 DCEN과 DCEP의 중간이다. ③ 청정작용은 DCEP일 때의 반 정도가 일어난다.

장점은 다음과 같다. TIG용접은 용접 입열의 조정이 용이하기 때문에 박판 용접에 매우 좋다. 텅스텐 전극이 비소모성이므로 용가재의 첨가 없이도 아크열에 의해 모재를 녹여 용접할 수 있고 거의 모든 금속의 용접에 이용할 수 있다. 그러나 용융점이 낮은 금속 즉, 납, 주석 또는 주석의 합금 등의 용접에는 이용하지 않는다. 용접부의 기계적 성질이 우수하다. 내부식성이 우수하다. 플럭스가 불필요하여 비철금속 용접이 용이하다. 보호 가스가 투명하여 작업자가 용접상황을 잘 파악할 수 있다. 용접 스패터를 최소한으로 하여 전 자세 용접이 가능하다. 용접부 변형이 적다.

단점은 다음과 같다. TIG용접은 일반적으로 SMAW, SAW, GMAW 등의 방법으로 쉽게 용접이 가능한 경우에 이들 용접방법과는 비용에 있어서 경쟁이 안 될 정도로 전체의 가격 상승을 가져오는 경우가 있는데 그것은 다음과 같다. 소모성 용접봉을 쓰는 용접 방법보다 용접 속도가 느리다. 용접 잘못으로 텅스텐 전극이 용접부에 녹아 들어가거나 오염될 경우 용접부가 취화되기 쉽다. 부적절한 용접 기술로 용가재의 끝 부분이 공기에 노출되면 용접금속이 오염된다. 불활성 가스와 텅스텐 전극봉은 다른 용접 방법과 비교해 볼 때 고가이다. SMAW와 같은 다른 용접 방법에 비해 용접기의 가격이 비싸다.

기존의 TIG용접에서는 아크를 플라즈마 기둥으로 간주하여 비표면적을 중요시하여 가늘고 둥근 와이어를 송급하였다. 그러나 새로운 plasma stream 이론에서는 아크를 플라즈마가 상부 텅스텐 전극에서 용융지 방향으로 유체(Fluid)로 간주 하였고, 플라즈마 스트림이라는 아크 물리학적 특징을 모델링 하여 이론적 체계를 확립하였다.

이 이론을 바탕으로 플라즈마 스트림과 직각방향이 되도록 용가재 형상을 전극 방향으로 오목한 판상으로 고안하여 적용함으로서 생산성이 획기적으로 향상된 Super-TIG 용접 기술을 개발하였다. Fig. 2.2는 기존의 TIG 아크 개념의 아크 플라즈마 기둥을 나타내었고 Fig. 2.3은 plasma stream 이론에 의해 아크는 플라즈마가 상부 텅스텐 전극에서 용융지 방향으로 흘러가는 유체(Fluid)로 간주한 것을 나타내었다.

새로운 plasma stream 이론을 적용하였을 때 기존 와이어 1.2mm는 와이어표면이 볼록하여 플라즈마 스트림의 입사가 곤란하고, 플라즈마 스트림의 와이어에 대한 입사면적이 소직경으로 매우 작은 것을 알 수 있다. 그러나 새롭게 개발된 C-Filler는 상부 오목형으로 플라즈마 스트림의 입사가 유리하며 플라즈마 스트림의 입사면적도 큰 폭으로 매우 넓은 것을 알 수 있다. Fig. 2.4는 플라즈마 스트림 이론에 의해 1.2mm 와이어에 대한 플라즈마 스트림 입사면적을 나타내었고 Fig. 2.5는 플라즈마 스트림 이론에 의해 C-Filler에 대한 플라즈마 스트림 입사면적을 나타내었다.

Additive manufacturing은 CAD model을 바로 제품으로 바로 쌓아올리는 공정을 통칭하는 것으로 Rapid manufacturing 또는 3D printing이라고도 불린다. AM의 목적은 층과 층을 연속적으로 적층하여 원하는 형상 또는 원하는 형상과 비슷하게 제품을 만들어내 것이다. 각 층은 CAD 데이터로부터 형상을 받아서 열원을 통해 융합된다. 이때 사용되는 재료가 금속으로 하는 것을 metal additive manufacturing이라고 한다.

서론에서 언급한 바와 같이 additive manufacturing을 첨가되는 재료의 형상에 따라 분류할 수 있는데 분말 공급방식과 와이어 송급 방식으로 나누어지게 된다. Table 2.1에서 additive manufacturing의 분류를 나타냈다.

Selective laser sintering은 처음으로 상용화된 powder bed 공정으로 1989년에 텍사스 대학의 Austin이 개발하여 특허권을 가지고 있으며 고출력의 레이저를 이용하여 분말을 선택적으로 가열하고 소결시켜 원하는 형상으로 제조하는 기법이다. 도포된 분말층을 선택적으로 레이저를 통하여 소결한 후 다음 분말 층을 다시 도포하여 레이저로 소결하는 것을 반복한다. 이와 같이 적층하는 방식이 레이저 소결법이다. 사용되는 분말의 가격이 비싼 편에 속한다. 현재 높은 정밀도를 장점으로 주로 시작품 제작을 하거나 의학용품 제작, 전자 부품의 제작에 사용되는 편이다. 또한 고가의 소량 다품종 생산에 유리하다. Fig. 2.6은 레이저 소결법에 의한 metal additive manufacture의 모식도를 나타내고 있다.

레이저 용융(Selective laser melting)은 레이저 소결 공정에 비해 높은 레이저 에너지 밀도를 이용하여 분말을 완전 용융시키는 공정이다. 이 때 분말의 완전 용융을 위해서는 용융된 부분의 산화 방지는 필수적이게 된다. 레이저 소결법과 마찬가지로 분말을 도포하여 선택적으로 레이저로 용융시켜 제품을 제조하는 방식이다. Fig. 2.7는 레이저 용융법의 모식도를 나타내고 있다.

레이저 용착법(Laser powder deposition)에서는 분말이 공급되는 금속 기판에 용융 풀을 형성하기 위해 레이저 빔을 사용하는 프로세스이다. 레이저 소결법, 레이저 용융법과는 달리 노즐을 통해 분말의 흐름이 형성되어 분말을 공급하게 된다. Fig. 2.8에서 레이저 용착법의 모식도를 나타내고 있다.

전자빔 용융(Electron beam melting)은 레이저 용융법과 같이 높은 에너지 밀도를 이용하여 도포된 분말을 완전 용융시키는 공정이다. 고진공 챔버에서 용융되므로 용융금속의 산화는 걱정할 필요가 없다. 레이저 용융법과 마찬가지로 분말을 도포하여 선택적으로 레이저로 용융시켜 제품을 제조하는 방식이다. 레이저 용융법과 비교했을 때 열응력이 작은 장점을 가지고 있다. Fig 2.9는 전자빔 용융법의 모식도를 나타내고 있다. Laser-wire feed process에서 금속 첨가물을 분말이 아닌 와이어를 사용하고 이를 용융시킬 열원으로서 레이저를 사용하는 공정이다. 분말을 사용하는 공정들에 비해 용가재의 손실이 적으며 빠른 용착속도가 장점이지만 전자빔이나 용접아크를 열원으로 하는 금속 AM에 비해서는 용착속도가 낮다. Fig. 2.10에서 laser-wire feed process의 모식도를 나타내고 있다.

Electron beam additive manufacturing은 열원으로 전자빔을 사용하고 용가재로서 와이어를 사용하는 공정이다. 전자빔은 레이저에 비해 열적구배가 작기 때문에 열응력이 작다는 장점이 있다. 보통 전자빔과는 다르고 무빙헤드를 통해 좀 더 복잡한 형상의 제품을 적층할 수 있다. 하지만 진공챔버를 이용해야하므로 장치의 가격이 매우 비싸다. Fig. 2.11에서 electron beam additive manufacturing의 대략적인 모식도가 나타나 있다.

Arc wire-feed process은 아크를 열원으로 하여 와이어를 용융시켜 metal additive manufacture 공정이다. MIG 또는 GMAW의 경우 상대적으로 높은 용착속도를 바탕으로 빠른 생산속도를 장점으로 하고 TIG용접, Plasma Arc Welding(PAW)의 경우는 비교적 낮은 용착속도지만 건전한 용접 품질을 장점으로 하고 있다. Fig. 2.12에서는 MIG, GMAW, GTAW 및 PAW의 모식도를 나타내고 있다.

이하에서 비드 시작 및 종료 연결부 솔루션 개발을 위한 실험을 설명한다. 본 실험은 STS 316L 재질의 C-Filler를 사용하여 연결부 용접 시 연결부의 비드 높이를 평가하는 평탄도 및 파라미터들을 정의하였다. 또한 이를 토대로 적절한 품질을 갖는 연결부의 공정개발을 하였고 횡단면 분석을 통해 용접 품질을 확인하였다. 비드 연결부 파라미터 정의, 평탄도는 비드 시종단 연결부의 품질을 의미하는 것으로 연결부 비드 높이에서 정상 비드 높이를 뺀 값이 된다. 예를 들어, 평탄도가 양의 값이면 연결부의 비드 높이가 정상 비드 높이보다 높은 것이다. 본 연구에서 적정 평탄도 범위는 +1 mm로 하였다. Fig. 3.1은 비드 연결부를 평가하는 파라미터인 평탄도를 정의하는 모식도를 나타낸 것이다. 비드 시작연결부에서 D_BS 정의, 비드 시작연결부는 용접 크레이터로부터 용접을 시작하여 용접부를 연결하는 부분을 의미한다. D_BS(Back Step Distance)는 비드 크레이터에서 용접을 시작하여 전류 up-slope 개시 위치까지의 거리로 정의하였다. Fig. 3.2는 D_BS의 정의를 나타낸 모식도이며 Fig. 3.3은 D_BS에 따라 전류up-slope를 나타낸 모식도이다.

비드 종료연결부에서 D_BO 정의, 비드 종료연결부는 용접 시작점으로 용접을 종료해가면서 용접부를 연결하는 부분을 의미한다. D_BO(Bead Overlap Distance)는 비드 시작점에서 송급 정지 위치까지의 거리로 정의하였다. 이 때 전류는 down-slope를 가지며 서서히 감소한다. Fig. 3.4는 D_BO의 정의를 나타낸 모식도이며 Fig. 3.5은 D_BO에 따른 전류 down-slope를 나타낸 모식도이다.

T_FUS(Feeding Up Slop Time) 정의, T_FUS는 용가재 송급 개시 신호 후에 송급속도가 0 cpm에서부터 설정한 송급속도까지 도달하는데 걸리는 시간으로 정의하였다. 예를 들어 설정한 송급속도가 100 cpm이고 T_FUS는 3초로 설정한 경우 송급 개시 신호 후에 0 cpm에서 100 cpm까지 3초에 걸쳐 송급속도가 증가한다. 도 22는 T_FUS의 정의를 나타내는 모식도로 빨간박스로 표시한 부분처럼 송급속도가 증가한다.

T_FDS(Feeding Down Slop Time) 정의, T_FDS는 용가재 송급 정지 신호 후에 설정한 송급속도에서부터 송급속도0 cpm까지 도달하는데 걸리는 시간으로 정의하였다. 예를 들어 설정한 송급속도가 100 cpm이고 T_FDS는 3초로 설정한 경우 송급 정지 신호 후에 100 cpm에서 0 cpm까지 3초에 걸쳐 송급속도가 감소한다. 도 23은 T_FDS의 정의를 나타내는 모식도로 빨간박스로 표시한 부분처럼 송급속도가 감소한다.

비드 시작 연결부 실험 방법, Fig. 3.9는 실험 준비 모식도이다. 용접용 카메라를 사용해 연결부가 용접되는 순간을 동영상으로 촬영하였다. 또한 용접 모니터링 시스템을 이용해 용접 중 출력되는 전류, 전압 파형을 계측을 하며 실험을 진행 하였다. 용접용 카메라를 사용해 연결부가 용접되는 순간을 동영상으로 촬영하였다. Table 3.3은 실험조건을 나타낸 것이다. 용착단면적 20, 40, 60 mm²에서 T_FUS를 1, 3, 5, 7초로 하여 실험을 진행하였다.

T_FUS에 따른 비드 시작연결부 외관, 종단면 및 평탄도 고찰, 용착단면적 20 mm², Table 3.4는 용착단면적 20 mm²에서 T_FUS에 따른 비드 외관, 종단면 및 평탄도를 나타낸 것이다. T_FUS 1, 2초일 때 적정 평탄도 범위를 만족하였고 5, 7초일 때는 비드 높이가 낮아 만족하지 못하였다.

용착단면적 40 mm², Table 3.5는 용착단면적 40 mm²에서 T_FUS에 따른 비드 외관, 종단면 및 평탄도를 나타낸 것이다. T_FUS 1, 2초일 때 적정 평탄도 범위를 만족하였고 5, 7초일 때는 비드 높이가 낮아 만족하지 못하였다.

용착단면적 60 mm², Table 3.6는 용착단면적 60 mm²에서 T_FUS에 따른 비드 외관, 종단면 및 평탄도를 나타낸 것이다. 본 실험의 경우 모든 범위의 T_FUS에서 비드 높이가 낮아 만족하지 못하였다.

T_FUS에 따른 비드 시작연결부 평탄도 비교, Fig. 3.3은 용착단면적 20, 40, 60 mm²에서 T_FUS에 따른 평탄도를 비교한 그래프이다. T_FUS가 1, 3초일 때 용착단면적 20, 40 mm²에서 적정 평탄도 범위를 만족하였다. 반면에 용착단면적 60 mm²에서는 모든 범위의 T_FUS에서 적정 평탄도 범위를 만족하지 못하였다.

평탄도 부족 고찰, Fig. 3.4는 입열량에 따른 용접부의 냉각속도를 나타내는 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이 입열량이 큰 경우 용융풀의 응고가 늦어지게 된다. 그로 인해 용접 마지막 부분인 크레이터의 길이가 길어져 연결부의 길이가 길어지게 된다. 따라서 입열량이 큰 경우에는 비드 시작연결부의 D_BS를 증가시켜 용접해야한다.

비드 시작연결부에서의 시퀀스 제어, 도 33은 비드 시작연결부를 용접 시 계측한 파형으로 시퀀스 제어를 나타낸 모식도이다. 처음 용접 시작 시 용가재 송급없이 아크만 점호하여 용입을 확보한 후 연결부가 시작되면 서서히 용가재를 송급하여 용착까지 확보할 수 있다. 이와 같은 방식은 GMAW, FCAW 등과 같은 소모전극식 용접에서는 불가능하다. 반면에 GTAW와 같은 비소모전극식 용접은 전류와 용가재 송급을 독립적으로 제어할 수 있기에 가능하다.

비드 종료 연결부 실험 방법, 도 34는 실험 준비 모식도이다. 용접 모니터링 시스템을 이용해 용접 중 출력되는 전류, 전압 파형을 계측을 하며 실험을 진행 하였다. 또한 용접용 카메라를 사용해 연결부가 용접되는 순간을 동영상으로 촬영하였다. Table 3.3은 실험조건을 나타낸 것이다. 용착단면적 20, 40, 60 mm²에서 T_FDS를 1, 3, 5, 7초로 하여 실험을 진행하였다.

T_FDS에 따른 비드 종료연결부 외관, 종단면 및 평탄도 고찰, 용착단면적 20 mm², Table 3.7는 용착단면적 20 mm²에서 T_FDS에 따른 비드 외관, 종단면 및 평탄도를 나타낸 것이다. T_FDS 3, 5, 7초일 때 적정 평탄도 범위를 만족하였고 1초일 때는 비드 높이가 낮아 만족하지 못하였다.

용착단면적 40 mm², Table 3.8는 용착단면적 40 mm²에서 T_FDS에 따른 비드 외관, 종단면 및 평탄도를 나타낸 것이다. T_FDS 3, 5, 7초일 때 적정 평탄도 범위를 만족하였고 1초일 때는 비드 높이가 낮아 만족하지 못하였다.

용착단면적 60 mm², Table 3.10은 용착단면적 60 mm²에서 T_FDS에 따른 비드 외관, 종단면 및 평탄도를 나타낸 것이다. T_FDS 3, 5, 7초일 때 적정 평탄도 범위를 만족하였고 1초일 때는 비드 높이가 낮아 만족하지 못하였다.

T_FDS에 따른 비드 종료연결부 평탄도 비교, 도 39는 용착단면적 20, 40, 60 mm²에서 T_FDS에 따른 평탄도를 비교한 그래프이다. T_FDS가 3, 5, 7초일 때 용착단면적 20, 40, 60 mm²에서 적정 평탄도 범위를 만족하였다. 반면에 T_FDS가 1초일 때는 모든 용착단면적에서 적정 평탄도 범위를 만족하지 못하였다.

비드 종료연결부에서의 시퀀스 제어, 도 40은 비드 종료연결부를 용접 시 계측한 파형으로 시퀀스 제어를 나타낸 모식도이다. 용접 종료 시 비드 시작점에서 아크 점호와 용가재 송급을 하며 용접하여 용입과 용착을 확보하고 종료 연결부가 끝나는 부분부터 전류 down-slope를 시키고 용가재 송급없이 아크만 점호하여 용입을 확보한 후 용접을 종료한다. 이와 같은 방식은 GMAW, FCAW 등과 같은 소모전극식 용접에서는 불가능하다. 반면에 GTAW와 같은 비소모전극식 용접은 전류와 용가재 송급을 독립적으로 제어할 수 있기에 비드 연결부에서 결함방지 및 일정한 비드 높이를 확보하는 것이 가능하다.

Super-TIG 용접에서 결함이 없고 비드 높이가 균일한 시종단부 비드 연결 솔루션 개발을 위하여 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1)송급 up-slope와 down-slope 기능이 추가된 송급장치를 이용하여 비드 시작연결부 실험을 한 결과, T_FUS가 1, 3초일 때 용착단면적 20, 40 mm²에서 적정평탄도 범위를 만족했지만, 용착단면적 60mm²에서는 큰 입열량으로 크레이터 길이가 증가하여 만족하지 못하였다. 2)입열량이 큰 경우에는 back step distance를 증가시켜 해결할 수 있을 것으로 생각된다. 3) 비드 종료연결부 실험 결과, T_FDS= 1 초일 때를 제외하고 용착단면적 20, 40, 60 mm²에서 적정평탄도 범위를 만족하였다.

이하, Super-TIG 용접에 의한 금속AM에서 직각 굴곡부 공정개발을 위한 실험에 대하여 설명한다. 본 실험은 Inconel 625 재질의 C-Filler와 아크 열원을 사용하여 금속 AM을 하여 용접 비드가 수직으로 꺾이는 부분에 대한 로봇-포지셔너 제어 알고리즘 및 벽면 비드 흘러내림에 대한 고찰을 하였다. 이를 통해 금속 AM에서 개선된 품질을 갖는 직각 굴곡부 및 벽면 품질을 확인하였다. 실험 재료는 표 4.1과 4.2와 같다.

실험방법, Fig. 4.2는 적층하려고 하는 적층물의 3D 모식도이다. 형상은 알파벳 D자로 1 layer 5 pass로 적층한다. 1 pass마다 용접을 중지하지 않기 때문에 비드 종료연결부가 존재하며 수직으로 꺾이는 수직 굴곡부가 있다. Fig. 4.3은 적층물의 단면 모식도이다. 적층물의 마지막 부분인 위층에서는 1 layer 3 pass, 1 layer 1 pass로 줄여가면서 점점 좁아지는 형상을 만든다. Table 4.3에는 적층 실험 조건을 나타내었다.

Fig. 4.4은 실험장비를 나타내는 사진이다. 실험은 TIG 전원을 사용하고 용가재로 C-filler를 사용하였다. 로봇과 포지셔너는 연동이 되어 둘을 함께 조작할 수 있기 때문에 금속 AM에 적합하다.

Fig. 4.5는 용접 시 용접 신호 시퀀스를 나타내는 모식도이다. 실험장비를 나타내는 사진이다. 용접 신호는 첫 번째로 로봇의 펜던트에서 시작버튼을 눌러 로봇에서 송급기로 전달된다. 그런 다음 송급기는 로봇으로부터 용접 신호를 받으면 설정된 송급 조건으로 송급을 함과 동시에 설정된 용접 조건으로 용접 신호를 용접기로 전달한다. 마지막으로 용접기는 송급기로부터 용접 신호를 받아 용접을 하게 된다.

실험 결과 및 고찰는 아래와 같다. Fig. 4.6은 용접 pass 및 직각 굴곡부 알고리즘을 설명하기 위한 모식도이다. 5개의 pass 중 안쪽부터 pass 1이며 P1으로 표기하였다. Super-TIG의 C-filler는 횡단면이 C 형상으로 전방 또는 후방 송급을 하는 경우에는 높은 용착속도로 용접이 가능하다. 그러나 C-filler는 강성이 강하기 때문에 송급이 되는 쪽인 토치가 회전할 경우 송급불량이 생기는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위해 직각 굴곡부에서는 토치가 달려있는 로봇이 회전하지 않고 포지셔너만 회전시켜 용접을 하였고 이는 용접속도가 0 cpm인 것을 의미한다. 이 때 포지셔너가 회전하는 동안 토치는 직각 굴곡부의 동일한 위치를 따라 정지하여야 하므로 전류와 송급속도를 낮추었다. 또한 직각 굴곡부의 안쪽보다 바깥쪽에서 더 많은 용착단면적을 필요로 한다.

직각 굴곡부에서 공정변수 제어, Fig. 4.7은 직각 굴곡부에서 변화하는 각각의 공정변수를 나타낸 그래프이다. 직각 굴곡부에서 토치는 포지셔너의 회전을 따라 동일한 위치를 유지하여 용접속도가 0 cpm이기 때문에 전류와 송급속도를 줄여 용착단면적을 적절하게 유지하였다. 로봇과 포지셔너는 서로 연동이 되어 움직인다. 따라서 포지셔너의 회전각이 0도일 때 로봇의 좌표도 (0, 0)이 되고 포지셔너가 90도까지 회전함에 따라 로봇의 좌표도 원호를 그리며 (128, 103)까지기는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위해 직각 굴곡부에서는 토치가 달려있는 로봇이 회전하지 않고 포지셔너만 회전시켜 용접을 하였다. 이 때 포지셔너가 회전하는 동안 토치는 직각 굴곡부의 동일한 위치를 따라 정지하여야 하므로 전류와 송급속도를 낮추었다. 또한 직각 굴곡부의 안쪽보다 바깥쪽에서 더 많은 용착단면적을 필요로 한다.

Fig. 4.8은 적층물 외관을 촬영한 사진이다. d)와 e)에서 비드 높이의 중간 부분을 기준으로 고층부의 벽면이 저층부의 벽면보다 덜 흘러내린 것을 알 수 있다. 고층부의 경우 벽면 패스의 용착속도를 1.5 kg/h로 적층하였고 저층부은 벽면 패스의 용착속도를 3 kg/h로 적층하였다.

벽면비드 흘러내림 고찰, Fig. 4.9는 적층물의 저층부와 고층부를 비교한 사진이다. a) 사진에서 저층부의 경우 벽면 패스인 P1과 P5를 내부 패스인 P2, 3, 4와 동일하게 큰 용착단면적으로 하였다. 따라서 액체금속의 양이 많아 심한 흘러내림이 발생하였다. 고층부의 경우 벽면 패스는 용착단면적을 1/2로 감소시켰고 그에 따라 흘러내림이 방지되어 양호한 벽면을 얻을 수 있었다. 금속 AM에서 벽면비드가 흘러내릴 경우 그 부분에서의 비드 높이가 낮아져 전체적으로 불균일한 적층이 될 수 있다. b)는 수직굴곡부의 벽면을 촬영한 사진이다. 수직굴곡부에서는 a) 사진의 직선부분보다 더 심하게 흘러내림이 발생하였다. 이는 포지셔너가 회전하는 동안 용접속도가 0 cpm이 되고 직선부분에 비해 큰 입열량으로 액체금속의 응고가 늦어졌기 때문인 것으로 생각된다.

벽면비드 흘러내림 모델링, Fig. 4.10은 벽면비드의 흘러내림 모델링 나타낸 모식도이다. F_g는 중력, F_a는 아크력, F_s는 액체금속의 표면장력을 의미한다. 액체금속의 표면장력이 아크력과 중력의 합보다 작을 경우 벽면비드의 흘러내림이 발생하게 된다. 이를 부등식으로 나타내면 다음과 같다.

F_a + F_g > F_s → 벽면비드의 흘러내림 발생

F_a + F_g < F_s → 벽면비드의 흘러내림 미발생

Fig. 4.11은 벽면비드와 내부비드의 산화 정도를 비교한 사진이다. 흘러내림을 방지하기 위한 방법으로 벽면우선적층법을 사용하여 P1→ P5→ P2→ P3→ P4 순으로 적층하였다. 적층 시 벽면패스인 P1과 P5는 1차원 열전도를 하고 내부패스인 P2, P3, P4는 2차원 열전도를 하여 냉각된다. 따라서 벽면패스의 냉각속도가 내부패스보다 느려 산화가 더 많이 진행된 것으로 생각된다.

F_a + F_g > F_s → 벽면비드의 흘러내림 발생

F_a + F_g < F_s → 벽면비드의 흘러내림 미발생

직각 굴곡부에서의 흘러내림 고찰, Fig. 4.12의 a)는 적층물의 직각굴곡부에서 P1과 P5의 열전도를 나타낸 모식도이고 b)는 직각굴곡부의 벽면에서 흘러내림을 비교한 사진이다. 직각굴곡부는 제한된 열전도로 인한 낮은 응고속도와 높은 입열로 인해 냉각속도가 매우 느려진다. 따라서 직선부분보다 더 심한 흘러내림이 발생한 것을 알 수 있다. 또한 적층물을 안쪽 벽면패스인 P1은 바깥쪽 벽면패스인 P5보다 흘러내림이 덜 생긴 것을 알 수 있다. P1의 경우 열전도가 270도 방향으로 이루어지는데 반해 P5는 90도 방향으로 열전도가 이루어진다. 따라서 P5는 냉각속도가 더 느려지고 더 산화되어 흘러내림이 심해진 것으로 생각된다.

Super-TIG 용접에 의한 STAM(Super-TIG Additive Manufacturing)에서 직각굴곡부 공정 개발을 위한 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 자동 금속 AM을 위한 용접 신호 시퀀스와 그 유효성을 확인하였다. 2) 흘러내림을 방지하기 위해 벽면우선적층법으로 적층하였으며 벽면 쪽에서만 용착속도를 낮춰 양호한 품질을 얻을 수 있었다. 3) 직각굴곡부에서 패스 별 필요 용착단면적을 만족시키기 위한 알고리즘을 확립하였다. 4) 벽면패스인 P1과 P5에서 낮은 열전도로 인한 산화가 발생하였으며 특히, P5의 직각굴곡부에서 느린 냉각속도로 인한 흘러내림이 심하게 발생하였다. 하지만 벽면패스에서 용착단면적을 1/2 수준으로 감소시킴으로써 흘러내림을 방지할 수 있었다.

Super-TIG 용접에 의한 금속 AM에서 T형 연결부 공정 개발에 관한 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 송급 up-slope와 down-slope 기능이 추가된 송급장치를 이용하여 비드 시작연결부 실험을 한 결과, T_FUS가 1, 3초일 때 용착단면적 20, 40 mm²에서 적정평탄도 범위를 만족했지만, 용착단면적 60mm²에서는 큰 입열량으로 크레이터 길이가 증가하여 만족하지 못하였다. 2) 입열량이 큰 경우에는 back step distance를 증가시켜 해결할 수 있을 것으로 생각된다. 3) 비드 종료연결부 실험 결과, T_FDS= 1 초일 때를 제외하고 용착단면적 20, 40, 60 mm²에서 적정평탄도 범위를 만족하였다. 4) 자동 금속 AM을 위한 용접 신호 시퀀스와 그 유효성을 확인하였다. 5) 흘러내림을 방지하기 위해 벽면우선적층법으로 적층하였으며 벽면 쪽에서만 용착속도를 낮춰 양호한 품질을 얻을 수 있었다. 6) 직각굴곡부에서 패스 별 필요 용착단면적을 만족시키기 위한 알고리즘을 확립하였다. 7) 벽면패스인 P1과 P5에서 낮은 열전도로 인한 산화가 발생하였으며 특히, P5의 직각굴곡부에서 느린 냉각속도로 인한 흘러내림이 심하게 발생하였다. 하지만 벽면패스에서 용착단면적을 1/2 수준으로 감소시킴으로써 흘러내림을 방지할 수 있었다.

한편, 본 발명의 일 실시예는 송급기 내 다수의 JOB을 저장하여 용접조건 변경 시 JOB 호출 번호 변경만으로 용접조건 변경이 가능하게 단순화 시킨 장치이다. 송급장치가 갖는 기능에는 송급속도 설정기능, 용접전류 설정기능, 송급속도 업슬로프 설정기능, 송급속도 다운슬로프 설정기능, 후방인칭 속도 및 길이 설정기능, 전방송급-정지 시간 설정기능, 전방송급-후방송급 시간 설정기능, 아크 켜짐 확인 후 송급 개시 기능이 있는 복수개의 용접조건을 가진 용가재 송급 장치를 제공할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예는 플라즈마 용접 또는 티그아크용접에서 용가재를 별도로 송급하는 경우에 용가재가 일시적으로 늦게 송급되거나 멈춰지는 경우 그 상태를 감지하여 용접 전원을 정지시키고 시스템을 멈춤과 동시에 경보를 울리게 하는 용가재 미용융 감지 송급정지 장치를 제공할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예는 로봇용접 공정에서 CAM으로 작성한 NC데이터를 로봇에 복사하여 용접 준비 단계에서 위치에 따른 용접조건 변경 시 외부장치에 저장된 JOB번호를 호출하여 용접조건을 쉽게 변경할 수 있게 하는 시스템이다. 구성요소는 CAM, NC데이터, 로봇, 다수의 용접조건 JOB이 저장된 송급장치, 용접 전원을 포함하는 로봇 용접조건 데이터 입력 시스템을 제공할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예는 전방송급의 방향을 유지하면서 직각굴곡부 또는 급격한 굴곡부 로봇 용접을 하기 위한 장치 및 그 방법이다. 장치의 구성요소는 6축 수직 다관절 용접로봇, 부가 2축의 포지셔너, 다수의 용접조건 JOB이 저장된 용가재 송급장치, 용접토치, 용접 전원, C형 용가재 송급장치를 포함하는 굴곡부 로봇용접 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예는 두꺼운 벽의 적층 제조에서 벽면 RESOLUTION개선을 위한 적층 방법으로, 벽면 패스는 내부 패스보다 용착단면적을 작게하여 용융금속의 흘러내림에 대한 불안정성을 감소시켜 벽면 레졸루션 개선하는 두꺼운 벽면 적층제조 방법을 제공할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

1. 모재와 전극 사이에 설정된 전압을 인가하고, 상기 전극을 통하여 설정된 전류를 공급하여, 상기 모재와 상기 전극 사이에 아크를 생성되도록 하는 용접전원 공급부;
   상기 모재와 상기 전극 사이에 용가재를 공급하여, 용가재가 모재와 용착을 형성하도록 하도록 하는 용가재 송급부;
   상기 전극을 지지하고, 상기 용가재 송급부로부터 공급되는 상기 용가재를 공급하는 용접토치; 및
   끝단에 상기 용접토치를 장착하고, 상기 용접토치의 위치와 방향을 제어하는 용접로봇;를 구비하고,
   상기 용가재가 공급되는 방향에 수직인 횡단면이 C형 형상을 가지며,
   다수의 패스를 포함하는 용접에 의하여 형성되는 용접층을 적층하여 수직벽을 생성하며,
   상기 용접층이 내측 벽면 패스, 내부 패스, 외측 벽면패스를 포함하고, 내측 벽면패스, 외측 벽면패스, 및 내부 패스의 순서로 용접을 수행하며,
   상기 외측 벽면패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 더 작고, 상기 내부 패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 큰 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 장치.
2. 모재와 전극 사이에 설정된 전압을 인가하고, 상기 전극을 통하여 설정된 전류를 공급하여, 상기 모재와 상기 전극 사이에 아크를 생성하고, 상기 모재와 상기 전극 사이에 용가재를 공급하여, 용접을 수행하며,
   상기 용가재가 공급되는 방향에 수직인 횡단면이 C형 형상을 가지며, 다수의 패스를 포함하는 용접에 의하여 형성되는 용접층을 적층하여 수직벽을 생성하는 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 방법으로서,
   상기 용접층이 내측 벽면 패스, 내부 패스, 외측 벽면패스를 포함하고,
   내측 벽면패스를 용접하는 단계;
   외측 벽면패스를 용접하는 단계; 및
   내부 패스를 용접하는 단계를 구비하고,
   내측 벽면패스, 외측 벽면패스, 및 내부 패스의 순서로 용접을 수행하며,
   상기 외측 벽면패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 더 작고, 상기 내부 패스가 상기 내측 벽면패스 보다 용착단면적이 큰 슈퍼 티그 용접을 이용한 금속 적층 방법.