KR20010043197A

KR20010043197A - 레이저에 의한 아크유도방법 및 그것을 사용한 아크유도용접 및 장치

Info

Publication number: KR20010043197A
Application number: KR1020007012122A
Authority: KR
Inventors: 사쿠라이시게유키; 다카노유타카; 미야나기나오키; 시모무라요시아키; 야마모토히카루; 다카타니도루
Original assignee: 세구치 류이치; 히다치 겡키 가부시키 가이샤
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2001-05-25
Also published as: DE60013397D1; WO2000054923A1; KR100468810B1; DE60013397T2; EP1136167A1; CN1193857C; EP1136167A4; EP1136167B1; US6596969B1; CN1296433A

Abstract

모재(2)에 조사된 레이저(l6)에 의해 플라즈마(13)가 모재(2)의 용접예정 위치에 발생한다. 방전전극(12)이 마이너스인 경우는 플라즈마(13)의 방향으로 아크방전(4)이 발생하여 레이저(l6)의 조사위치로 유도된다. 전극(12)이 플러스인 경우는 레이저조사점으로부터 아크전자가 발생하여 전극(l2)에서 방전된다. 전극 (12)과 모재(2)에 인가되는 전압이 교류인 경우에는 전극(l2)과 모재(2)의 극성이 교대에 변화하고, 상기 현상이 교대로 발생한다. 모재(2)가 마이너스인 경우는 레이저스폿을 기점으로 아크방전(4)이 발생한다. 또 아크방전(4)은 레이저(16)에 의해 플라즈마(13)가 발생되어 있기 때문에 모재(2)의 상태나 전극(12)의 상태에 관계없이 안정된 아크방전(4)의 발생을 가능하게 한다.

Description

레이저에 의한 아크유도방법 및 그것을 사용한 아크유도 용접 및 장치 {METHOD FOR GUIDING ARC BY LASER, AND ARC GUIDING WELDING AND DEVICE BY THE METHOD}

아크용접에는 TIG(tungusten inert gas)용접, MIG(metal inert gas)용접, C0₂, MAG(metal active gas)용접 등이 있다. 그리고 TIG 용접 이외의 MIG 용접 등에 있어서, 아크발생위치를 이동시키는 경우에는 일반적으로는 도 15에 나타내는 바와 같이 필러전극(3)을 가지는 토치(1)를 가공대상인 모재(2)에 대하여 이동함으로써 아크를 이동시키는 일이 많다. 또한 TIC 용접의 경우는 전극과 필러는 별도로 되어 있고, 텅스텐전극을 가공대상인 모재에 대하여 이동함으로써 아크를 이동시킨다. TlG 용접은 비소모식 전극을 사용하고, MlG 용접 등은 소모식 전극을 사용하기 때문이다.

또 예를 들어 일본국 특개평5-146877호 공보에 기재된 방법에서는, 도 16에 나타내는 바와 같이 송급하는 와이어(19)를 필러굴곡용 기어(6)에 의해 굴곡시켜 아크방전(4)의 위치를 이동하여 용접하는 방법이 있다.

또 도 17에 나타내는 바와 같이 편심된 칩을 모터(9) 및 벨트(10)에 의해 회전시키면서 필러송급호스(11)에 의하여 송급되는 필러(3)를 사용하여 아크방전(4)의 위치를 이동하고, 용접비트(7)를 형성하여 용접하는 방법 등이 있다.

또한 레이저를 사용하여 아크를 유도하는 아크용접방법으로서, 일본국 특개소62-263869호 공보에 기재된 것이 있다.

또 상기 TIG 용접 등을 사용하여 개방된 끝의 내부를 용접하는 경우는, 도 18에 나타내는 바와 같이 토치(1)를 이동함으로써 위빙을 행하여 필러전극(3)과 피가공물인 모재(2)와의 사이에 발생하는 아크방전(4)에 의해 용접을 행한다.

끝이 좁게 개방된 것의 용접을 행하는 경우에는 토치(1)를 개방된 끝속으로 삽입하여 용접하나, 토치(1)를 위빙할 수 없기 때문에 예를 들어 일본국 특개평5-146877호 공보에 기재되어 있는 바와 같은 방법에 의해 용접이 행하여진다.

즉, 도 19에 나타내는 바와 같이, 필러굴곡기어(6)에 의해 송급되는 와이어를 굴곡시켜 개방된 끝속의 모재(2) 사이에 용접비드(7)를 형성하여 용접을 행한다. 또한 8은 뒷면대기용 지그이다.

또 도 20에 나타내는 바와 같이 편심된 칩을 모터(9) 및 벨트(10)에 의하여 회전시키고, 필러공급호스(11)로부터 공급되는 필러를 회전시키면서 행함으로써 방전(4)의 방향을 제어하는 방법 등이 있다.

본 발명은 레이저에 의한 아크방전의 유도 및 좁게 개방된 끝의 내부를 아크용접하는 레이저에 의한 아크유도 용접방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 TIG 용접에 있어서의 아크방전의 유도를 예로 든 본 발명의 원리설명도,

도 2a, 도 2b, 도 2c는 본 발명의 원리설명도,

도 3은 본 발명의 원리설명도,

도 4a, 도 4b, 도 4c는 본 발명의 원리와 대비하기 위한 종래기술의 원리설명도,

도 5는 본 발명의 원리와 대비하기 위한 종래기술의 원리설명도,

도 6은 레이저의 모재에 대한 조사위치를 이동시키는 방법의 일례를 나타내는 도,

도 7은 레이저의 모재에 대한 조사위치를 이동시키는 방법의 다른 예를 나타내는 도,

도 8은 레이저의 모재에 대한 조사위치를 이동시키는 방법의 또 다른 예를 나타내는 도,

도 9는 본 발명에 의하여 좁게 개방된 끝의 바닥부의 용접을 행하고 있는 상태의 설명도,

도 10은 본 발명에 의하여 좁게 개방된 끝의 바닥부의 용접을 행한 상태를 나타내는 도,

도 11은 좁게 개방된 끝의 경우에 있어서, 본 발명에 있어서의 레이저의 유도작용에 의해 위빙을 하는 형태를 나타내는 도,

도 12는 좁게 개방된 끝의 경우에 있어서, 본 발명에 있어서의 레이저의 유도작용에 의해 위빙을 하는 형태를 나타내는 도,

도 13은 좁게 개방된 끝의 경우에 있어서, 본 발명에 있어서의 레이저의 유도작용에 의해 위빙을 하는 형태를 나타내는 도,

도 14는 본 발명의 일 실시형태인 레이저아크유도 용접장치의 개략 구성도,

도 15는 종래에 있어서의 아크발생위치를 이동시키는 일례를 나타내는 도,

도 16은 종래에 있어서의 아크발생위치를 이동시키는 다른 예를 나타내는 도,

도 17은 종래에 있어서의 아크발생위치를 이동시키는 또 다른 예를 나타내는 도,

도 18은 종래에 있어서 MAG 용접에 의하여 좁게 개방된 끝의 용접을 행하는 경우의 위빙의 형태를 나타내는 도,

도 19는 종래에 있어서, 좁게 개방된 끝의 용접을 행하는 경우의 굴곡와이어를 사용한 위빙의 형태를 나타내는 도,

도 20은 종래에 있어서, 좁게 개방된 끝의 용접을 행하는 경우의 토치회전방식을 사용한 위빙의 형태를 나타내는 도,

도 21은 종래기술에 있어서 도 19에 나타내는 좁게 개방된 끝의 용접을 행하는 경우에 있어서, 아크방전이 측벽에 발생하는 상태를 나타내는 도,

도 22는 종래기술에 있어서, 도 20에 나타내는 좁게 개방된 끝의 용접을 행하는 경우에 있어서, 아크방전이 측벽에 발생하는 상태를 나타내는 도,

도 23은 종래기술에 있어서, 좁게 개방된 끝의 용접을 행하는 경우에 있어서, 아크방전이 측벽에 발생하는 상태를 나타내는 도,

도 24는 종래기술에 있어서, 좁게 개방된 끝의 용접을 행하는 경우에 있어서, 좁게 개방된 끝의 바닥부가 용접되어 있지 않은 상태의 설명도이다.

그런데, 상기한 종래기술에 있어서의 토치를 이동시키는 방법이나, 일본국 특개평5-146877호 공보에 기재된 와이어굴곡이나, 편심칩을 회전시키는 경우에 있어서도, 대상워크의 형상이나 전자기적인 영향 등에 의한 문제에 기인하여 반드시 정확한 위치로 아크방전을 유도하는 것은 용이하지 않았다.

또 레이저를 사용하여 아크를 유도하는 아크유도방법인, 일본국 특개소62-263869호 공보에 기재된 방법은, 반드시 확실하게 정확한 위치로 아크를 유도하는 데 충분한 것은 아니었다.

종래기술에 있어서는 특히 좁게 개방된 끝을 용접하는 경우에 아크방전전극(필러전극)(3)이 모재(2)의 측벽에 접근하면, 도 21 및 도 22에 나타내는 바와 같이 전극(3)과 모재(2)의 측벽 사이에 아크방전에 의한 플라즈마(5)가 발생하여 용접을 안정되게 할 수 없는 등의 문제가 발생한다.

또 다른 아크용접의 경우에도 굴곡와이어방식, 편심토치회전방식 등 어느 것도 용접위치로 정확하게 유도하는 것은 아니기 때문에, 아크방전의 위치가 워크형상이나 전계의 영향으로 용접예정위치와는 다른 장소에서 방전하여 안정된 용접을 할 수 없는 등의 문제가 있다.

또 아크방전을 좁게 개방된 끝의 내부에서 정확하게 이동할 수 없기 때문에 도 21에 나타내는 A부가 미용착부가 되어 용접결함이 되는 등의 문제가 있다.

즉, 도 23에 나타내는 바와 같이 전극(3)과 모재(2)의 측벽과의 거리(α)가 전극(3)과 모재(2)의 개방된 끝의 바닥부와의 거리(β)보다 작은 관계인 경우는 아크용접시에 아크방전플라즈마(5)가 측벽에 발생한다.

그 때문에 도 24에 나타내는 바와 같이, 개방된 끝의 측벽은 용착금속(30)에 의해 용착되나, 개방된 끝의 바닥부가 미용착부(31)로 되어 버린다.

좁게 개방된 끝의 바닥부에 미용착부를 발생시키지 않도록 하기 위해서는 개방된 끝의 각을 45도 내지 90도 정도까지 확장하는 것을 생각할 수 있으나, 이와 같이 하면 용착해야 할 부분이 방대해져 용접시간이 길어진다. 또한 용융하는 필러재도 대량으로 소비하지 않으면 안되어 용접비용이 증가한다.

다른 방법으로서는, 용착작업후 이면으로부터 미용착부를 가우징하고, 다시 이면으로부터 용접하는 것을 생각할 수 있다.

그러나 이 방법에서는 가우징이나 재용접에 시간이 필요하고, 비용도 증가한다. 또한 이면으로부터의 가우징 자체가 곤란한 경우도 생각할 수 있다.

종래의 기술에 있어서 레이저광에 의해 아크를 유도하는 예가 일본국 특개 소62-263869호 공보에 기재되어 있으나, 반드시 확실하게 정확한 위치로 아크를 유도하는 데 충분한 것이 아니다. 즉, 레이저광에 의해 아크가 소망하는 부분에 발생한 후, 발생한 아크에 의한 플라즈마가 작용하여 도 23에 나타낸 현상이 일어나기 때문이다.

또 용접학회 전국대회 강연개요, 제60집(1997-4)의「CO₂레이저에 의한 아크의 요동」에 기재되어 있는 바와 같이 TIG 아크의 레이저유도에 의해 고속의 표면처리를 행한 것이 있다.

그러나 상기 TlG 아크의 레이저유도에 의한 고속의 표면처리의 경우, TIG 전극과 워크와의 갭이 넓고, 이동속도가 고속이며, TIG 아크 단체로 용접할 수 있는 영역이 아니라 TIG 아크의 지향성이 모재부근에서 잃게는 영역이다. 그 때문에 TIG 용접에서의 아크의 정확한 유도는 곤란하다.

본 발명의 제 1 목적은, 안정된 아크방전을 소망하는 위치에 정확하게 행하는 것이 가능하며, 아크방전위치를 레이저에 의해 안정적으로 유도하여 아크방전 그 자체를 안정화할 수 있는 레이저에 의한 아크유도방법을 실현하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은, 안정된 아크용접을 좁게 개방된 끝 내부의 바닥부 및 각진 부의 위치에 정확하게 행하는 것이 가능하고, 또한 아크방전을 안정화할 수 있는 레이저에 의한 아크유도 용접방법 및 장치를 실현하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같이 구성된다.

(1) 피가공물 표면의 가공예정위치에 레이저를 조사하여 아크전극과 상기 피가공물과의 사이에 발생하는 아크방전을 상기 아크전극과 레이저조사와의 사이에 발생하도록 유도하는 레이저에 의한 아크유도방법에 있어서, 상기 아크전극과 상기 피가공물과의 사이에 공급되는 아크방전용 전압을 주기적으로 변화하는 전압으로 한다.

(2) 바람직하게는 상기 (1)의 레이저에 의한 아크유도방법에 있어서, 주기적으로 변화되는 전압은 교류전압이다.

(3) 또 바람직하게는 상기 (l)의 레이저에 의한 아크유도방법에 있어서, 주기적으로 변화되는 전압은 펄스형상 전압이다.

(4) 또 바람직하게는 상기 (3)의 레이저에 의한 아크유도방법에 있어서, 상기 펄스형상 전압의 펄스간격은 0.1ms 이상이다.

(5) 레이저에 의한 아크유도 용접방법에 있어서, 아크전극과 피용접물과의 사이에 주기적으로 변화되는 전압을 인가하여 아크용접을 행할 때 레이저를 상기 피용접물의 용접예정위치에 조사하여 플라즈마 및 금속증기를 발생시켜 아크방전을 레이저를 조사한 용접예정위치로 유도하여 아크용접을 행한다.

(6) 바람직하게는 상기 (5)의 레이저에 의한 아크유도 용접방법에 있어서, 주기적으로 변화되는 전압은 교류전압이다.

(7) 또 바람직하게는 상기 (5)의 레이저에 의한 아크유도방법에 있어서, 주기적으로 변화되는 전압은 펄스형상 전압이다.

(8) 또 바람직하게는 상기 (5)의 레이저에 의한 아크유도 용접방법에 있어서, 상기 피용접물은 좁게 개방된 끝 내부의 용접예정부이다.

(9) 또 바람직하게는 상기 (5)의 레이저에 의한 아크유도 용접방법에 있어서, 상기 레이저광을 상기 용접예정위치에 대하여 요동시킨다.

(10) 레이저에 의한 아크유도 용접장치에 있어서, 아크전극과 피용접물과의 사이에 주기적으로 변화되는 전압을 인가하는 전압 인가수단과, 아크용접을 행할 때 레이저를 상기 피용접물의 좁게 개방된 끝 내부의 용접예정부에 조사하는 레이저조사수단과, 상기 전압 인가수단 및 레이저조사수단의 동작을 제어하는 제어수단을 구비하고, 레이저를 상기 피용접물의 용접예정부에 조사하여 플라즈마 및 금속증기를 발생시켜 아크방전을 상기 레이저를 조사한 상기 용접예정부로 유도하여 아크용접을 행한다.

(11) 레이저에 의한 아크유도 용접장치에 있어서, 아크전극과 피용접물과의 사이에 주기적으로 변화되는 전압을 인가하는 전압 인가수단과, 아크용접을 행할 때 레이저를 상기 피용접물의 좁게 개방된 끝 내부의 용접예정위치에 조사하는 레이저조사수단과, 상기 레이저를 상기 피용접물의 용접예정위치에 대하여 요동시키는 요동수단과, 상기 전압 인가수단, 레이저조사수단 및 요동수단의 동작을 제어하는 제어수단을 구비하고, 레이저를 상기 피용접물의 용접예정위치에 조사하여 플라즈마 및 금속증기를 발생시켜 아크방전을 상기 레이저를 조사한 상기 용접예정 위치부로 유도하여 아크용접을 행한다.

(12) 바람직하게는 상기 (10) 또는 (11)의 레이저에 의한 아크유도 용접장치에 있어서, 주기적으로 변화되는 전압은 교류전압이다.

(l3) 또 바람직하게는 상기 (10) 또는 (l1)의 레이저에 의한 아크유도 용접장치에 있어서, 주기적으로 변화되는 전압은 펄스형상 전압이다.

아크방전용 전압을 펄스형상 또는 교류의 주기적으로 변화되는 전압으로 하기 때문에 레이저로 유도되어 이 레이저의 조사위치에 아크방전의 발생이 개시된 후, 아크방전에 의한 플라즈마로 아크가 레이저의 조사위치와는 다른 위치로 유도되기 전에 아크방전 전압이 저하되어 아크방전에 의한 플라즈마가 소실 또는 약해진다. 그리고 아크방전에 의한 플라즈마가 소실된 후, 아크전압이 상승되어 레이저광의 조사위치에서의 아크용접이 계속된다.

또 아크방전에 의하여 발생하는 플라즈마는 통상, 아크방전 레벨이 감소하고 나서 약 컴마수㎳ 에서 소실된다. 따라서 펄스형상의 아크방전 전압의 펄스간격은 0.1㎳ 이상이면 좋다.

이하, 본 발명의 실시형태를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 원리에 대하여 설명한다.

레이저에 의한 아크의 유도현상은 레이저조사에 의해 레이저조사부로부터 이온화한 금속증기와 열전자 등으로 이루어지는 풀룸을 발생하여 대략 절연상태의 공중에 대하여 이 풀룸발생에 의하여 토치전극과 모재의 레이저조사부 사이의 임피던스는 저하한다. 또 모재의 레이저조사부는 가열되어 열전자가 방출되기 때문에 레이저의 조사부로 아크방전이 유도되는 것이다.

도 1은 TIG 용접에 있어서의 아크방전의 유도를 예로 한 본 발명의 원리설명도이다.

도 1에 있어서, 토치(1)는 TIG 용접용 토치이고, 도 1에 있어서의 전극(12)에는 모재(2)에 대하여 교류 또는 펄스형상의 전압(주기적으로 변화되는 전압)이 인가되어 있다. 또한 14는 모재전극이다. 또 토치(1)로부터는 아르곤가스가 분사되고 있다.

이때 모재(2)의 소망의 위치에 레이저(16)를 집광렌즈(15)를 거쳐 조사하면, 도 2a에 나타내는 바와 같이 모재(2)에 조사된 레이저(16)에 의하여 플라즈마(13)가 모재(2)의 용접예정위치에 발생되게 된다.

플라즈마(13)는 도전성이 외부 분위기보다 높고, 상기한 방전전극(12)과 모재(2)와의 전위차에 의해 전극(12)이 마이너스인 경우는 플라즈마(13)의 방향으로 아크방전(4)이 발생하여 레이저(16)의 조사위치로 유도된다(도 2b).

전극(12)이 플러스인 경우는, 레이저조사점으로부터 아크방전(4)이 발생하여 플라즈마(13)의 영역을 지나 전극(12)에서 방전된다(도 2c).

전극(12)과 모재(2)와의 사이에 인가되는 전압이 교류 또는 펄스형상의 경우에는 도 3에 나타내는 바와 같이, 상기한 전극(12)과 모재(2)의 극성이 교대로 변화되기 때문에 상기한 현상이 교대로 발생하여 방전된다.

이 때 모재(2)가 마이너스인 경우에는 레이저스폿을 기점으로 아크방전(4)이 발생하나, 이것은 레이저조사에 의해 모재(2)가 국소적으로 가열되어 열전자가 방출되기 쉬운 상태로 되어 있기 때문이다.

또 이 아크방전(4)은 레이저(16)에 의해 플라즈마(13)가 발생되고 있기 때문에 모재(2)의 형상이나 전극(12)의 상태에 관계없이 안정된 아크방전(4)의 발생을 가능하게 한다.

여기서 종래의 기술인 일본국 특개소62-263869호 공보에 기재된 기술의 경우는 작용으로서 레이저조사에 의해 모재로부터 발생하는 플라즈마 및 열전자 등의 효과로 아크유도를 하나, 레이저전원의 전압 등의 조건은 기재되어 있지 않다.

예를 들어 도 4a 및 도 5에 나타내는 바와 같이 아크의 출력이 교류 또는 펄스형상의 전압이 아니라 일정전압인 경우에는 레이저(16)에 의해 플라즈마(13)가 발생한 후, 아크전극(3)과 모재(2) 사이의 전압에 의해 아크방전(4)이 발생한다.

그 후 도 4b에 나타내는 바와 같이, 그 아크방전(4)에 의해 이 아크방전(4)의 주위에 플라즈마(5)가 발생한다. 이에 따라 레이저(16)에 의한 플라즈마(13)의 유도효과는 약해지고, 도 4c에 나타내는 바와 같이 아크방전(4)이 아크전극(3)과 모재(2)와의 거리가 가장 가까운 위치로 이동한다.

그러나 본 발명의 원리를 나타내는 도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 3과 같이 아크방전 전압을 펄스형상 또는 교류로 함으로써, 레이저(16)의 조사위치와 아크전극 (3)과의 거리가 커진 경우에도 도 4c에 나타내는 바와 같은 레이저조사위치와는 다른 위치에 아크방전(4)이 발생한다는 사태를 회피할 수 있고, 아크방전 (4)의 유도폭을 넓힐 수 있다. 또 아크방전(4)을 안정되게 레이저조사위치로 유도할 수 있다.

이것은 도 2a에 나타내는 바와 같이 초기상태에 있어서, 아크방전(4)에 의한 플라즈마(5)는 발생하고 있지 않고, 이 상태에서는 아크방전(4)은 레이저(16)에 의하여 플라즈마(13)가 발생하고 있는 레이저(16)의 조사위치로 유도되기 때문이다.

그 후, 도 2b에 나타내는 바와 같이 아크방전(4)에 의해 플라즈마(5)의 발생이 시작된다.

그리고 펄스형상으로 아크방전 전압이 인가되기 때문에, 전압이 내려가 플라즈마(5)의 발생을 약하게 하여 플라즈마(5)를 소실시킨 후, 다시 도 2c에 나타내는 바와 같이 아크전압을 올림으로써, 다시 레이저(16)의 조사위치로 아크방전(4)을 유도하는 것이 가능해진다. 이 현상은 아크전압이 교류인 경우에도 동일하다.

이와 같이 어느 특정한 조건에 의하여 안정되고 확실한 아크유도가 가능하게 된다.

또한 종래기술에 있어서의 레이저광에 의하여 아크를 유도하는 예에서는 TIG 아크의 레이저유도에 의해 고속의 표면처리를 행한 것이 있으나, 이 경우에는 TIG의 전극과 워크와의 갭이 넓고, 이동속도가 고속이며, TIG 아크의 지향성이 모재부근에서 소실될 가능성이 있다. 그 때문에 종래기술에 있어서의 상기 TIG 아크의 유도에서는, TIG 아크가 모재 부근에서 높은 에너지밀도를 가지는 영역에서의 유도가 어려워진다.

이에 대하여 본 발명에 의하면 상기한 바와 같이 아크방전 전압을 펄스형상 또는 교류로 하고 있기 때문에, 레이저의 조사위치와 아크전극과의 거리가 커진 경우에도 레이저조사위치와는 다른 위치에 아크방전이 발생한다는 사태를 회피할 수 있어 아크방전을 안정되게 레이저조사위치로 유도할 수 있다.

즉 본 발명에 의하면, 안정된 아크방전을 소망하는 위치에 정확하게 행하기가 가능하고, 아크방전 위치를 레이저에 의해 안정적으로 유도하여 아크방전 그 자체를 안정화할 수 있는 레이저에 의한 아크유도방법을 실현할 수 있다.

또한 도 1에 나타낸 예에 있어서, 레이저(16)의 모재(2)에 대한 조사위치(레이저 스폿)는 적절한 방법에 의하여 이동할 수 있는 것이다. 즉, 레이저(16)를 파이버로 전송하고, 이 파이버로부터의 레이저 출사구를 집광렌즈(15)와 함께 이동시키는 방법을 채용할 수 있다.

또 상기 이동방법 외에 도 6에 나타내는 바와 같이 레이저(16)에 대하여 렌즈(15)를 이동함으로써 모재(2)상의 레이저 스폿을 이동하는 방법도 채용할 수 있다.

또 도 7에 나타내는 바와 같이, 레이저(16)를 미러(17)에 조사하고, 이 미러 (17)로부터 반사한 레이저(16)를 집광렌즈(15)를 거쳐 모재(2)에 조사한다. 그리고 미러(17)의 레이저(16)에 대한 각도를 변화시킴으로써 모재(2)상의 레이저스폿을 이동시킬 수 있다.

또 도 8에 나타내는 바와 같이 레이저(16)를 웨지기판(18) 및 집광렌즈(15)를 거쳐 모재(2)에 조사한다. 그리고 웨지기판(18)을 회전시킴으로써 레이저(16)를 이동시켜 모재(2)상의 레이저 스폿을 이동시킬 수 있다.

아크방전 전압을 펄스형상 또는 교류로 하고, 또한 도 6 내지 도 8에 나타낸 방법에 의해 레이저광(16)의 모재(2)상의 조사위치를 이동함으로써 아크용접의 위빙을 정확하게 안정되게 행할 수 있다.

또 이에 의하여 도 15, 도 16 및 도 17에 나타낸 예와 같이 와이어를 굴곡시키거나 전극(3)을 이동시킬 필요없이, 워크(2)의 형상에 영향을 받지 않고 안정되고 정확하게 아크를 유도하는 것이 가능하게 된다.

또한 아크방전에 의해 발생하는 플라즈마는, 통상 아크방전 레벨이 감소하고 나서 약 컴머수 ms에서 소실된다. 따라서 펄스간격은 아크방전 플라즈마가 소실 또는 약해지는 데 필요한 시간, 예를 들어 0.1ms 이상, 바람직하게는 컴머수 ms 이상이면 좋다.

또 아크방전에 의해 발생한 플라즈마가 소실된 후에 아크방전 전압을 일으켜 아크방전을 재개시킬 때에는, 레이저광에 의한 플라즈마가 아크방전을 유도하기 때문에 아크전극으로부터 레이저광의 조사위치에 아크방전을 발생시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명을 좁게 개방된 끝의 내부를 아크용접하는 레이저에 의한 아크유도 용접방법 및 장치에 적용한 예에 대하여 설명한다.

도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 좁게 개방된 끝의 바닥부를 용접하는 경우에는 이 바닥부에 레이저(16)를 조사하여 아크방전을 유도하고, 그 후, 아크에 의한 플라즈마가 전극(3)과 측벽과의 사이에 발생하고, 아크가 전극(3)과 측벽과의 사이에 발생하기 전에 아크방전 전압을 저하하도록 구성하면 좁게 개방된 끝의 바닥부를 용착금속(19)에 의하여 확실하게 용접할 수 있다.

본 발명에 있어서의 레이저에 의한 아크유도 용접방법을 실시하는 경우에는, 도 11, 도 12, 도 13에 나타내는 바와 같이, 레이저(16)의 조사위치로 아크방전을 유도하여 전극(3)과 워크(모재)(2)와의 사이에 아크방전을 발생시켜 좁게 개방된 끝의 용접을 행한다.

또한 좁게 개방된 끝의 내부에서 레이저(16)의 스폿을 요동(위빙)시킴으로써 아크를 개방된 끝의 내부에서 유도할 수 있고 안정되게 좁게 개방된 끝 내부의 바닥부를 향하여 아크방전을 발생시킬 수 있다.

여기서 레이저 스폿의 이동방법은, 레이저(16) 자체를 이동시키는 방법 외에 상기한 도 6, 도 7, 도 8에 나타내는 방법을 사용하는 것도 가능하다.

상기한 바와 같은 방법에 의하여 레이저광(16)의 조사위치를 개방된 끝의 내부에서 이동함으로써 측벽에서 방전되는 일 없이 안정되게 개방된 끝의 바닥부의 아크용접이 가능해진다.

또 이에 의하여 도 18, 도 19 및 도 20에 나타내는 바와 같이, 와이어를 굴곡시키거나 전극(3)을 이동시킬 필요없이, 또한 워크(2)의 형상에 영향을 받는 일 없이 안정되고 정확하게 아크용접을 행하는 것이 가능해진다.

즉, 본 발명에 의하면 안정된 아크용접을 좁게 개방된 끝 내부의 바닥부 및 각진 부의 위치에 정확하게 행하는 것이 가능하고, 또한 아크방전을 안정화할 수 있는 레이저광에 의한 아크유도 용접방법을 실현할 수 있다.

도 14는 본 발명의 레이저광에 의한 아크유도 용접방법을 실시하기 위한 아크유도 용접장치의 개략구성도이다.

도 14에 있어서, 아크전원(29)으로부터의 아크전압은, 전극케이블(23)을 거쳐 용접용 토치(1)에 공급됨과 동시에, 전극케이블(24)을 거쳐 테이블(22)상에 배치된 워크(2)에 공급된다. 또 레이저전원(27)에 접속된 레이저발진기(26)로부터 발생되는 레이저광(16)은 광파이버(21) 및 집광유닛(19)을 거쳐 워크(2)에 조사된다.

집광유닛(19)은 필요에 따라 오실레이트유닛(20)에 의해 이동되고 레이저광 (16)이 워크(2)상에서 이동된다.

이들 토치(1), 집광유닛(19), 오실레이트유닛(20)은 용접용 로봇(25)에 설치되어 있다. 그리고 컨트롤유닛(28)에 의하여 오실레이트유닛(20), 테이블(22), 로봇(25), 레이저전원(27), 아크전원(29)의 동작이 제어된다.

즉, 컨트롤유닛(28)에 의해 상기한 본 발명의 레이저광에 의한 아크유도 용접방법이 실행된다.

먼저 컨트롤유닛(28)은 로봇(25)을 동작시킴과 동시에, 테이블(22)을 이동시켜 레이저광(16)이 워크(2)의 소망하는 위치에 조사되는 위치로 워크(2)를 이동시킨다. 계속해서 컨트롤유닛(28)은 아크전원(29)을 제어하여 토치(1)의 전극과 워크(2) 사이에 펄스형상 또는 교류전압의 워크방전 전압의 인가를 개시시킨다.

다음으로, 컨트롤유닛(28)은 레이저전원(27)을 제어하여 레이저발진기(26)로부터의 레이저광(16)을 워크(2)에 조사시킨다. 이 경우, 컨트롤유닛(28)은 오실레이트유닛(20)을 동작시켜 레이저광(16)의 위빙을 행한다. 그리고 컨트롤유닛 (20)은 로봇(25), 테이블(22)의 동작을 제어하여 워크(2)를 소망하는 용접선을 따라 용접시킨다.

상기한 본 발명에 의하면, 안정된 아크용접을 좁게 개방된 끝 내부의 바닥부 및 각진 부의 위치에 정확하게 행하는 것이 가능하고, 또한 아크방전을 안정화할 수 있는 레이저광에 의한 아크유도 용접장치를 실현할 수 있다.

본 발명에 의하면 아크출력을 펄스형상 또는 교류로 함으로써, 레이저를 모재에 조사하여 아크방전을 상기 레이저의 조사위치로 정확하게 유도하는 것이 가능하고, 또한 레이저에 의하여 미량의 플라즈마를 발생시켜 두게 되기 때문에, 안정된 아크방전을 가능하게 할 수 있다.

따라서 본 발명에 의하면 안정된 아크방전을 소망하는 위치에 정확하게 행하는 것이 가능하고, 아크방전 위치를 레이저에 의해 안정적으로 유도하여 아크방전그 자체를 안정화할 수 있는 레이저에 의한 아크유도방법을 실현할 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 안정된 아크용접을 좁게 개방된 끝 내부의 바닥부 및 각진 부의 위치에 정확하게 행하는 것이 가능하며, 또한 아크방전을 안정화시킬 수 있는 레이저에 의한 아크유도 용접방법 및 장치를 실현할 수 있다.

Claims

피가공물(2)의 표면의 가공예정위치에 레이저(16)를 조사하고, 아크전극(3)과 상기 피가공물(2)의 사이에 발생하는 아크방전(4)을 상기 아크전극(3)과 레이저 (16)의 조사위치와의 사이에 발생하도록 유도하는 레이저에 의한 아크유도방법에 있어서,

상기 아크전극(3)과 상기 피가공물(2)과의 사이에 공급되는 아크방전용 전압을 주기적으로 변화되는 전압으로 한 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도방법.
제 1항에 있어서,

주기적으로 변화되는 전압은 교류전압인 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도방법.
제 1항에 있어서,

주기적으로 변화되는 전압은 펄스형상 전압인 것을 특징으로 하는 레이저에의한 아크유도방법.
제 3항에 있어서,

상기 펄스형상 전압의 펄스간격은, 0.1ms 이상인 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도방법.
레이저에 의한 아크유도 용접방법에 있어서,

아크전극(3)과 피용접물(2)의 사이에 주기적으로 변화되는 전압을 인가하고, 아크용접을 행할 때에는 레이저(16)를 상기 피용접물(2)의 용접예정위치에 조사하여 플라즈마(13) 및 금속증기를 발생시켜 아크방전(4)을 상기 레이저(16)를 조사한 용접예정위치로 유도하여 아크용접을 행하는 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도 용접방법.
제 5항에 있어서, 주기적으로 변화되는 전압은 교류전압인 것을 특징으로 하는 레이저에의한 아크유도 용접방법.
제 5항에 있어서,

레이저에 의한 아크유도방법에 있어서, 주기적으로 변화되는 전압은 펄스형상 전압인 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도 용접방법.
제 5항에 있어서,

상기 피용접물은 좁게 개방된 끝 내부의 용접예정부인 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도 용접방법.
제 5항에 있어서,

상기 레이저광을 상기 용접예정위치에 대하여 요동하는 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도 용접방법.
레이저에 의한 아크유도 용접장치에 있어서,

아크전극(3)과 피용접물(2) 사이에 주기적으로 변화되는 전압을 인가하는 전압 인가수단(29)과,

아크용접을 행할 때, 레이저(l6)를 상기 피용접물(2)의 좁게 개방된 끝 내부의 용접예정부에 조사하는 레이저 조사수단(19, 21, 26, 27)과,

상기 전압인가수단(29) 및 레이저조사수단(19, 21, 26, 27)의 동작을 제어하는 제어수단(28)을 구비하고,

레이저(16)를 상기 피용접물(2)의 용접예정부에 조사하여 플라즈마(13) 및 금속증기를 발생시켜 아크방전(4)을 상기 레이저(l6)를 조사한 상기 용접예정부로 유도하여 아크용접을 행하는 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도 용접장치.
레이저에 의한 아크유도 용접장치에 있어서,

아크전극(3)과 피용접물(2)과의 사이에 주기적으로 변화되는 전압을 인가하는 전압 인가수단(29)과,

아크용접을 행할 때 레이저(16)를 상기 피용접물(2)의 좁게 개방된 끝 내부의 용접예정위치에 조사하는 레이저 조사수단(l9, 21, 26, 27)과,

상기 레이저(16)를 상기 피용접물(2)의 용접예정위치에 대하여 요동시키는 요동수단(20)과,

상기 전압 인가수단(29), 레이저조사수단(19, 21, 26, 27) 및 요동수단(20)의 동작을 제어하는 제어수단(28)을 구비하고,

레이저(16)를 상기 피용접물(2)의 용접예정 위치에 조사하여 플라즈마(13) 및 금속증기를 발생시켜, 아크방전(4)을 상기 레이저(16)를 조사한 상기 용접예정 위치부로 유도하여 아크용접을 행하는 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도 용접장치.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,

주기적으로 변화되는 전압은 교류전압인 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도 용접장치.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,

주기적으로 변화되는 전압은 펄스형상 전압인 것을 특징으로 하는 레이저에 의한 아크유도 용접장치.