KR20010110108A - 파이프 또는 자동차의 구성품을 용접하기 위한 하이브리드전기 아크/레이저 용접 방법 - Google Patents

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브리앙프란시스
보네크리스티앙
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쉬에르 피에르
레르 리뀌드, 소시에떼 아노님 뿌르 레뛰드 에 렉스쁠로와따시옹 데 프로세데 죠르쥬 끌로드
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라 수뒤르 오또젠 프랑세즈
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Abstract

본 발명은 테일러드 블랭크(tailored blank) 등과 같은 금속 공작물을 레이저빔과 전기 아크(바람직하게는, 플라즈마 아크)를 사용하여 용접하는 하이브리드 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것이다. 상기 용접 방법에서는, 용접 조인트가 생성된 후, 레이저빔의 방사선을 흡수할 수 있는 흡수강 등과 같은 방사선 흡수 수단으로 레이저빔이 보내지거나 및/또는 편향된다. 빔은 하나의 용접 조인트가 생성된 후에 그리고 제2 용접 조인트의 용접을 개시하기 이전에, 즉 용접 정지 위상 동안 계속 편향되어 있다. 본 발명의 용접 방법 및 용접 장치는 예를 들어, 자동차 차체의 구성품을 제조하는데 사용될 수 있는 테일러드 블랭크 등과 같은 자동차 산업용 공작물의 대량 생산 또는 파이프의 대량 생산에 특히 적합하다.

Description

파이프 또는 자동차의 구성품을 용접하기 위한 하이브리드 전기 아크/레이저 용접 방법{HYBRID ELECTRIC-ARC/LASER WELDING PROCESS ESPECIALLY FOR THE WELDING OF PIPES OR MOTOR VEHICLE COMPONENTS}
본 발명은 레이저빔과 전기 아크(특히, 플라즈마 아크)를 함께 사용하는 하이브리드 용접 세트 및 방법에 관한 것이며, 자동차 산업용으로 의도된 테일러드 블랭크(Tailored blanks)에 이 하이브리드 용접 세트 및 방법을 적용하는 것에 관한 것이다.
레이저 기술은 공지되어 있으며, 합금강이나 비합금강, 피복강, 스테인레스강 및 알루미늄과 알루미늄 합금으로 제조된 공작물 등과 같은 여러 금속 소재를 용접하는데 오랫동안 통용되어 왔다. 일반적으로, 레이저 용접 세트는 간섭성 단색 고에너지빔을 생성하는 고체 또는 가스 레이저 오실레이터(oscillator)와, 용접될 시트에 대향 배치되는 용접 헤드로 레이저빔이 전달되게 하는 편향 거울 또는 광섬유가 마련되어 있는 광로를 포함한다. 통상적으로, 상기 용접 헤드는 피용접물을 용융시키기에 충분한 출력 밀도를 국부적으로 집중시키기 위해, 함께 용접될 공작물의 부분들을 모서리 대 모서리로 결합시킴으로써 형성되는 조인트면과 피용접물의 두꺼운 부분에 있는 초점에 레이저빔을 집중시키는 렌즈 또는 하나 이상의 초점 거울을 포함한다. 일반적으로, 용접 헤드는 레이저빔과 동일한 축선 상에 배치된 가스 송출 노즐에 의해 용접 가스(보조 가스로도 불림)를 공급하는 가스 공급 기구를 포함한다. 또한, 이 가스 공급 기구는 실제 레이저 용접 헤드의 외측에 있을 수도 있다.
결합될 하나 이상의 공작물의 모서리를, 예를 들어 파이프로 형성될 금속 시트의 종방향 모서리 또는 모서리 대 모서리로 결합되는 2개의 금속 공작물의 종방향 모서리를 용접하기 위한 대안은 상기 결합될 모서리를 하나 이상의 전기 아크에 의해 용융시키는 것이다.
산업에서 널리 채용되는 이러한 방법 중 일부는 차폐 가스 또는 활성 가스 등과 같은 가스를 이용한다. 이 점에 대해서는, 텅스텐 불활성 가스(TIG), 금속 불활성 가스(MIG), 금속 활성 가스(MAG) 방법이나 플라즈마 아크 방법에 언급된다.
반면에, 다른 방법, 예를 들어 서브머지드 아크(submerged-arc) 용접 방법은 일반적으로 파이프를 용접하는 동안 가스를 사용하지 않는다.
그러나, 레이저 용접 방법이나 아크 용접 방법은 각각 특이한 단점이 있다.
따라서, 하나 이상의 레이저빔과 하나 이상의 전기 아크를 함께 사용하는 복합형 방법 또는 하이브리드 방법, 특히 단일 레이저빔과 단일 아크 플라즈마 제트를 함께 사용한 플라즈마-레이저 용접 방법이 발달되어왔다.
다양한 하이브리드 아크/레이저 용접 방법은, 예를 들어 유럽 특허 제793,558호, 유럽 특허 제782,489호, 유럽 특허 제800,434호, 미국 특허 제5,006,688호, 미국 특허 제5,700,989호, 유럽 특허 제844,042호, 1984년 발행된 티.피. 다이볼드(T.P. Diebold)와 씨.이. 올브라이트(C.E. Albright)의 저서 "알루미늄 합금 5052의 레이저 GTA 용접(Laser GTA Welding of aluminium alloy 5052)"의 18∼24 페이지, 소련 특허 제1,815,085호와 미국 특허 제4,689,466호, 1994년 발행된 알.피. 월덕(R.P. Walduk)과 제이. 비핀(J. Biffin)의 저서 "플라즈마 아크 보강형 레이저 용접(Plasma arc augmented laser welding)"의 172∼176 페이지, 또는 1988년 발행된 제이. 마츠다 등(J. Matsuda et al.)의 저서 "접합 및 소재"의 31∼34 페이지에 기술된 "두꺼운 연강판의 TIG 또는 MIG 아크 보강형 레이저 용접(TIG or MIG augmented Welding of thick mild steel plate)" 등의 문헌에 개시되어 있다.
일반적으로, 플라즈마/레이저 용접 방법 또는 더 일반적으로 아크/레이저 용접 방법은 전기 아크 용접과 레이저빔을 함께 사용하는 복합형 또는 하이브리드 용접 방법이다.
아크/레이저 용접 방법은 소모될 수 있거나 소모될 수 없는 전극봉과 피용접 공작물 사이에 전기 아크를 발생시키는 단계와, 아크존(즉, 함께 용접될 부분을 모서리 대 모서리로 결합시킴으로써 획득되는 조인트면 내에 또는 그 부근)에 강한 레이저빔, 특히 YAG형 또는 CO2형 레이저를 집중시키는 단계를 포함한다.
이러한 하이브리드 방법은 레이저 용접 또는 아크 용접만을 사용하는 것에 비해 용접 속도를 상당히 개선할 수 있다.
또한, 레이저 용접만을 사용하면 레이저빔 초점의 작은 크기로 인해 용접될 부분을 배치하는데 높은 정확성을 필요로 하기 때문에, 상기 하이브리드 방법은 용접 이전 공작물 배치에 있어서의 공차를 상당히 증대시킬 수 있다.
플라즈마/레이저 방법, 더 일반적으로는 아크/레이저 방법을 사용하면 레이저빔 및 그 초점 조정장치와, 적합한 용접 전극봉을 좁은 공간에서 함께 사용할 수 있게 하는 용접 헤드의 사용이 필요하다. 여러 헤드의 형태가 상술한 문헌에 개시되어 있으며, 레이저빔과 전기 아크 또는 플라즈마 제트는 하나의 그리고 동일한용접 헤드에 의해 송출되거나, 다시 말해서 동일한 오리피스를 경유하여 유출되거나, 그렇지 않으면 2개의 독립형 용접 헤드를 경유하여 유출되는데, 즉 상기 2개의 용접 헤드 중 하나는 레이저빔을 송출하고 다른 하나는 전기 아크 또는 플라즈마 제트를 송출하며, 이들 둘은 용접 영역에서 모이게 된다는 것이 요약적으로 개시되어 있다.
특히, 아크/레이저 하이브리드 방법은 상술한 장점 이외에도 유럽 특허 제782,489호와 1999년 2월 발행된 산업용 레이저 솔루션(Industrial Laser Solution)의 28∼30 페이지에 기술된 "레이저와 아크의 합은 파워이다(Laser plus arc equals power)" 등의 문헌에 다시 언급되어있는 바와 같이, 잘 습윤되고 언더컷(udercut)이 없는 용착 비드(weld bead)를 획득 가능하기 때문에, 자동차 산업용 테일러드 블랭크를 용접하는데 특히 적합하다.
이러한 용접은 일반적으로 강, 아연도금강 또는 알루미늄으로 제조된 두께 및/또는 등급이 서로 상이한 2개의 시트 또는 공작물을 결합시키는 단계를 포함한다. 통상적으로, 용접될 조인트는 사용되는 용접 방법 및 준비에 따라, 각 피용접 공작물의 상부면 사이의 높이의 차이에 의해 특징지어지며, 이와 같은 방법으로 도 1에 도시된 바와 같은 "단차(step)"를 생성하게 된다.
또한, 반대의 상황, 즉 그 상부면은 정렬되어 있지만 그 하부면은 동일한 높이에 있지 않아서 도 2에 도시된 바와 같은 "단차"가 용접될 조인트의 뒷면 상에 배치되는 테일러드 블랭크형 조인트를 직면할 수도 있다.
이러한 종류의 용접(도 1 또는 도 2)은 대개 자동차 산업에서 발견되며, 자동차 산업에서는 이러한 방법으로 용접된 공작물, 예를 들어 자동차의 차체를 제조하는데 사용되는 복수개의 공작물, 예컨대 도어, 루프, 보닛 또는 부트 등을 그 최종 형상으로 형성하기 위하여, 상기 공작물들이 프레스 가공된다. 또한, 이러한 복수개의 공작물은 객실의 구성 부품에서도 발견된다.
또한, 두께는 동일하지만 등급이 서로 상이한 공작물을 함께 용접할 경우도 있다.
또한, 이러한 하이브리드 방법은 예를 들어, 도 3에 개략적으로 도시된 각용접과 도 4에 도시된 겹치기(lap)용접 등과 같은 다양한 유형의 조인트의 용접에 매우 적합하다.
산업적 관점에서, 이러한 하이브리드 방법의 사용은 플라즈마-레이저 용접 헤드 밑에서 피용접 공작물을 전달 및 이동시키는 수단 또는 상기 용접 헤드를 피용접 공작물 위에서 이동시키는 수단을 구비한 기계나 로봇을 필요로 한다.
공작물 당 용접되는 조인트의 수에 따라, 그리고 피용접 공작물의 수에 따라, 상기 기계 또는 로봇은 생성되는 용접 조인트에 대해 정확히 배치될 것과 특히, 간헐적으로 용접 공정을 정지시킬 수 있을 것을 필요로 한다.
이는 상술한 바와 같이, 용접될 각 공작물에는 용접되는 복수개의 조인트, 예를 들어 해당 공작물 상에서 상이한 지점에 배치된 조인트가 마련되고, 따라서 상기 기계 또는 로봇이 그 다음 조인트 또는 그 역순에 있는 조인트 상에서 용접 헤드의 위치를 설정하는 동안 용접 공정은 반드시 정지하여야 하기 때문이다.
또한, 새로운 공작물로 교체할 때, 즉 하나의 공작물을 용접한 후에 그리고다음 공작물을 용접하기 이전에 동일한 공정이 반드시 수행되어야 한다.
이는 이러한 용접 정지 공정 중에는 레이저빔이나 플라즈마 아크도 반드시 공작물에서 떨어져 있어야 한다는 것을 의미한다.
플라즈마 아크의 경우, 피용접 공작물(들)상에 아크가 정착하는 것을 방지하는 것은 다음과 같이 함으로써 실제적으로 용이하게 수행 가능하다:
- 아크를 소멸시킴으로써, 즉 용접 전류를 0으로 설정함으로써,
- 또는, 아크가 피용접 작업물로 이동하는 것을 방지함으로써, 즉 용접 아크 위상으로부터 파일럿 아크 위상으로 전환함으로써 수행 가능하며, 상기 아크의 위상이 전환되는 동안에 전극봉과, 예를 들어 플라즈마/레이저 용접 헤드의 내부면 사이에는 전기 아크가 걸리므로 전기 아크와 피용접 공작물(들) 사이에는 접촉이 존재하지 않는다. 일반적으로, 이는 전기 아크의 전류(강도)를 크게 줄이고 동시에 플라즈마/레이저 용접 헤드의 종단부를 피용접 공작물의 전위(potential)에 접근시킴으로써 달성된다.
또한, 상보적으로 가스의 유동 속도를 감소시키거나 및/또는 가스의 본질을 변화시키킬 수도 있다.
따라서, 우선 플라즈마 아크가 정지할 때까지 전류를 감소시킨 후, 플라즈마 아크가 정지한 다음에 선택된 순간에 레이저를 진정시킴으로써 전기 아크와 레이저빔을 거의 동시에 차단하는 것을 제시하고 있는 유럽 특허 제793 558호 등의 문헌에 언급된다.
그러나, 이러한 방식의 절차는 용접 부품의 대량 생산, 특히 대량 생산이 수반하는 시간의 소비 및 생산성의 손실 때문에, 대량 생산에 적합하지 않으므로 이상적이지 못하다.
전기 아크에 적용 가능한 절차와는 달리, 레이저빔의 절차에서는 레이저빔을 정지시키거나 끈 후, 아크에서와 같이 절차를 재개하거나 간단히 다시 켤 수 없으므로 레이저빔을 사용하면 문제가 생긴다. 이와 같이, 다음 용접 위상의 초기에 상기 절차를 재개할 때 레이저빔을 재가동시키기 때문에, 동력 불안정성이 커지고, 시간이 낭비되어 생산성이 저하된다. 다음 조인트 용접의 개시에는 비교적 긴 시간이 필요하고 이 동안은 아무일도 발생하지 않으며, 즉 용접이 수행되지 않는다. 이 시간에는 레이저 오실레이터를 열적으로 안정시키는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목표는 하나의 용접 조인트 생성의 종료와 그 다음 조인트 용접의 개시 사이에 경과하는 기간 동안 레이저빔을 끄지 않을 수 있는 개량된 하이브리드 아크/레이저 용접 방법을 제공함으로써 상술한 문제점을 해결하는 것이다. 특히, 이는 기계 또는 로봇이, 서로에 대하여 생성되는 조인트면의 처음 부분과 용접 헤드의 위치를 설정 가능케 하거나 및/또는 같이 용접될 새로운 공작물의 변경을 허용하는, 즉 하나 이상의 공작물을 용접한 후 그리고 다음 공작물을 용접하기 이전에 공작물에 또는 장치 그 자체에 손상을 방지하기 위하여 용접물이 용접되는 동안 피용접 공작물 또는 공작물을 지지하는 지지 프레임에 레이저가 닿지 않으면서 용접될 새로운 공작물의 변경을 허용하기 위한 것이다.
따라서, 본 발명에 의해 제공되는 해결책은 하이브리드 용접 방법 및 하이브리드 용접 장치이고, 이러한 방법 또는 이러한 장치를 공작물의 용접에, 특히 테일러드 블랭크와 같은 자동차 산업용으로 의도된 공작물의 용접에 사용하는 것이다.
더 상세하게는, 본 발명은 하나 이상의 함께 용접될 금속 공작물을 하나 이상의 레이저빔과 하나 이상의 전기 아크(특히, 플라즈마 아크)를 사용하여 용접하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법에서는 상기 공작물(들) 상에 하나 이상의 용접 조인트가 생성된 후, 레이저빔은 레이저빔의 방사선 중 일부분 이상을 흡수하는 방사선 흡수 수단으로 보내지거나 및/또는 편향된다.
도 1은 상부면에 단차가 생성되는 조인트 용접의 개략도이며,
도 2는 하부면에 단차가 생성되는 조인트 용접의 개략도이고,
도 3은 각용접된 조인트 용접의 개략도이며,
도 4는 겹치기 용접된 조인트 용접의 개략도이고,
도 5는 본 발명에 따른 실시예의 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 편향 거울
2 : 흡수강
3 : 레이저빔
4 : 플라즈마/레이저 용접 헤드
5 : 접시형 거울
6 : 평면 거울
7 : 아크 전극봉
경우에 따라, 본 발명의 용접 방법은 다음 특징 중 하나 이상을 포함한다.
- 레이저빔은 하나의 용접 조인트 용접의 종료와 그 다음 용접 조인트 용접의 개시 사이에 경과하는 용접 정지 시간의 일부분 이상 동안에, 바람직하게는 상기 용접 정지 시간 동안 내내, 방사선 흡수 수단 쪽으로 보내어지거나 및/또는 편향된다.
- 방사선 흡수 수단은 레이저빔의 방사선이 그 내부에 흡수되도록, 레이저빔이 그 내부로 보내어지거나 및/또는 편향되는, 바람직하게는 레이저빔이 하나 이상의 편향 거울에 의해 그 내부로 보내어지거나 및/또는 편향되는 하나 이상의 흡수강(absorbtion cavity)을 포함한다.
- 레이저빔은 YAG형 또는 CO2형 레이저에 의해 방출되고, 및/또는 전기 아크는 플라즈마 아크이며, 바람직하게는 상기 레이저빔과 아크가 단일 용접 헤드에 의해 송출된다.
- 하나의 용접 조인트 용접의 종료와 그 다음 용접 조인트 용접의 개시 사이에 경과하는 용접 정지 시간의 일부분 이상 동안에, 특히 용접 정지 위상의 바로 초기 또는 용접 위상의 바로 말기에, 전기 아크의 전류는 차단, 약화 또는 감소되고, 바람직하게는 레이저빔의 방사선 중 일부분 이상을 흡수할 수 있는 방사선 흡수 수단으로 레이저빔을 보내거나 및/또는 편향시키는 것과 거의 동시에 전기 아크의 전류가 차단, 약화 또는 감소된다.
- 피용접 공작물(들)은 피복강이나 비피복강[특히, 조립강(assembly steel)], HYS강, 탄소강, 표면에 아연 합금층이 마련되어 있는 강, 스테인레스강, 알루미늄이나 알루미늄 합금 및 항복점이 높은 강 중에서 선택된 선택되는 금속이나 금속 합금으로 제조되며, 바람직하게는 상기 피용접 공작물(들)은 테일러드 블랭크, 특히 자동차 차체의 구성품을 제조하는데 사용될 수 있는 테일러드 블랭크를 포함한다.
- 아르곤, 헬륨, 질소 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 가스가 레이저빔의 보조 가스로서 사용되거나 및/또는 아르곤, 헬륨, 질소, 수소 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 가스가 플라즈마 가스로서 사용된다.
- 함께 용접될 공작물은 두께가 동일하거나 상이하며 및/또는 소재의 등급이 동일하거나, 예를 들어 5000 및 6000 시리즈의 등급으로 서로 상이하다.
- 함께 용접될 공작물은 피복강, 비피복강, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다.
- 함께 용접될 공작물은 상이한 금속 또는 합금으로 제조되며, 예를 들어 공작물 중 하나는 스테인레스강으로 제조되고 다른 하나는 비스테인레스강으로 제조된다.
- 공작물은 하향 경사의 또는 평탄한 자세로 용접되며, 즉 맞대기 용접되거나, 겹치기 용접되거나 각용접된다.
또한, 본 발명은 하이브리드 아크/레이저 용접 방법, 특히 플라즈마/레이저 용접 방법에 관한 것이다.
상기 방법은
(a) 전기 아크(특히, 플라즈마 아크)와 레이저빔을 함께 사용하는 하나 이상의 용접 단계와,
(b) 하나 이상의 용접 정지 단계를 포함하며,
상기 용접 정지 단계는 그 초반에, 그리고 비교적 동시에 일어나는 다음과 같은 부속 단계
(i) 전기 아크를 소화(消火)하거나 플라즈마 아크를 파일럿 아크로 전환하는 단계와,
(ii) 레이저 에너지를 흡수하는 강(腔)으로 레이저빔을 보내거나 편향시키는 단계를 포함한다.
다른 태양에 따르면, 본 발명은 하이브리드 아크/레이저 용접 장치에 관한 것이다.
상기 장치는
- 하나 이상의 레이저빔을 송출하기 위한 하나 이상의 레이저빔 발생기와,
- 하나 이상의 전기 아크를 발생시키기 위하여 하나 이상의 전류 공급원에 의해 공급되는 하나 이상의 전극봉을 포함하며,
상기 레이저빔의 방사선 중 일부분 이상을 적어도 동시에 흡수할 수 있는 레이저 방사선 흡수 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
경우에 따라, 본 발명의 용접 장치는 다음 특징 중 하나 이상을 포함한다.
- 레이저 방사선 흡수 수단은 레이저빔의 방사선이 그 내부에 흡수되도록 레이저빔이 그 내부로 보내어지거나 및/또는 편향되는, 바람직하게는 레이저빔이 빔 편향 수단에 의해 그 내부로 보내어지거나 및/또는 편향되는 흡수강을 포함한다.
- 용접 중에 피용접 공작물을 지지하거나 및/또는 고정할 수 있게 하는 공작물 지지 수단, 공작물(들)을 상기 지지 수단에 자동적으로 공급하거나 및/또는 배치할 수 있게 하는 피용접 공작물의 자동 공급 수단, 용접 공정 중에 피용접 공작물을 상기 지지 수단 상의 정위치에 고정시킬 수 있는 피용접 공작물의 고정 수단, 및/또는 용접 후에 상기 지지 수단으로부터 공작물을 취출할 수 있게 하는 용접된 공작물의 자동 취출 수단을 더 포함한다.
- 피용접 공작물의 공급 수단, 용접된 공작물의 취출 수단, 레이저빔의 편향 수단, 용접의 개시 및/또는 종료, 아크를 송출하는 헤드와 레이저빔을 송출하는 헤드의 피용접 공작물에 대한 상대적 이동을 자동적으로 제어할 수 있게 하는 제어 수단을 포함한다.
- 레이저빔은 YAG형 또는 CO2형 레이저에 의해 방출되고, 및/또는 전기 아크는 플라즈마 아크 토치에 의해 송출되며, 바람직하게는 상기 레이저빔과 아크가 단일 용접 헤드에 의해 송출된다.
- 빔 편향 수단은 하나 이상의 가동 편향 거울, 편향 거울(들)의 동작과 피용접 공작물의 동작, 플라즈마/레이저 용접 헤드의 동작, 용접 위상의 동작 또는 용접 정지 위상의 동작을 바람직하게 동기화할 수 있는 동기화 수단을 포함한다.
또 다른 태양에 따르면, 본 발명은 자동차 산업용으로 의도된 용접 구성품 또는 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법에서는 본 발명에 따른 하이브리드 아크/레이저 용접 방법 또는 용접 장치를 사용하여 하나 이상의 용접 공정을 상기 구성품 상에서 수행한다.
다르게 말하자면, 본 발명은 자동차 차체의 구성품 중 일부분 이상을 형성하도록 되어 있는 하나 이상의 테일러드 블랭크를 용접하기 위해 본 발명에 따른 용접 장치를 사용하는 것에 관한 것이며, 두께가 서로 상이한 금속 공작물, 특히 테일러드 블랭크를 용접하여 조립하기 위해 본 발명에 따른 하이브리드 용접 장치를 사용하는 것에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 자동차 차체의 구성품을 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법에서는 상기 자동차 차체의 구성품을 구성하는데 사용되는 금속 공작물이 본 발명에 따른 하이브리드 아크/레이저 용접 방법을 사용하여 용접되고, 상기 금속 공작물은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것이 바람직하다.
다르게 말하자면, 본 발명에 따르면, 2개의 연속하는 조인트가 생성되는 것을 구분하는 용접 정지 위상 중에 또는 연속하는 공작물의 용접 중에 레이저빔을 정지시킬 필요가 없다.
이는 본 발명에 따르면, 레이저 방사선이 흡수되는 흡수강으로 레이저빔이 간단하게 편향되기 때문이다.
이러한 편향은 예를 들어, 빔을 중간에 차단하여 그 빔을 레이저 에너지가 분산되는 상기 흡수강으로 보내는 이동식 거울에 의해 수행된다. 이는 편향 거울의 동작과, 경우에 따라 용접 위상의 시작, 용접 위상의 정지, 피용접 공작물의 동작 또는 플라즈마/레이저 용접 헤드의 동작 사이를 동기화하는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예의 개략도이다. 플라즈마/레이저 용접 헤드(4)는 일반적으로 2개의 거울[평면 거울(6)과 구형 또는 접시형 거울(5)], 오리피스로 구성되며, 상기 오리피스를 통해 아크 전극봉(7)이 용접 헤드 내부로 삽입된다. 따라서, 레이저빔(3)은 피용접 공작물 상에 집중될 수 있다. 용접을 정지하는 것이 바람직할 때, 편향 거울(1)은 빔의 경로에 개재되어 상기 레이저빔이 레이저빔을 흡수하는 광학적 우물로 편향된다. 이와 유사하게, 용접을 재개하는 것이 바람직할 때, 역순의 공정이 수행되며, 즉 편향 거울(1)이 빔의 경로로부터 제거된다.
본 발명의 방법 및 장치는 자동차의 도어 또는 자동차의 다른 구성품을 제조하는데 사용될 수 있는 테일러드 블랭크 등과 같은 자동차 산업용 공작물의 대량 생산에 매우 적합하다.
본 발명에 따른 하이브리드 전기 아크/레이저 용접 방법 및 장치를 사용하면 하나의 용접 조인트 생성의 종료와 그 다음 조인트 용접 개시 사이에 경과하는 용접 정지 기간 동안 레이저빔을 레이저빔의 방사선 흡수 수단으로 보내거나 편향시킴으로써 레이저빔이 꺼지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 용접 작업 속도 및 능률이 향상시킬 수 있으며, 자동차 차체의 구성품을 제조하는데 사용가능한 테일러드 블랭크 등의 자동차 산업용 공작물의 대량 생산 또는 파이프의 대량 생산에 적합한 용접 방법이 제공된다.

Claims (18)

  1. 하나 이상의 레이저빔과 하나 이상의 전기 아크(특히, 플라즈마 아크)를 사용하여 함께 용접될 하나 이상의 금속 공작물을 용접하는 방법으로서,
    하나 이상의 용접 조인트가 상기 공작물(들) 상에 생성된 후, 레이저빔의 방사선 중 일부분 이상을 흡수할 수 있는 방사선 흡수 수단으로 레이저빔이 보내지거나 및/또는 편향되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 레이저빔은 하나의 용접 조인트 용접의 종료와 그 다음 용접 조인트의 용접 개시 사이에 경과하는 용접 정지 시간의 일부분 이상 동안, 바람직하게는 상기 용접 정지 시간 동안 내내, 방사선 흡수 수단 쪽으로 보내어지거나 및/또는 편향되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 방사선 흡수 수단은 하나 이상의 흡수강을 포함하며, 레이저빔의 방사선이 상기 흡수강 내부에 흡수되도록 레이저빔은 흡수강 내부로 보내어지거나 및/또는 편향되는 것을, 바람직하게는 레이저빔이 하나 이상의 편향 거울에 의해 흡수강 내부로 보내어지거나 및/또는 편향되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저빔은 YAG형 또는 CO2형 레이저에 의해 방출되는 것과 및/또는 전기 아크는 플라즈마 아크이며, 바람직하게는 상기 레이저빔과 아크가 단일 용접 헤드에 의해 송출되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 용접 조인트 용접의 종료와 그 다음 용접 조인트 용접의 개시 사이에 경과하는 용접 정지 시간의 일부분 이상 동안에, 특히 이러한 용접 정지 위상이 바로 시작하는 시기 또는 용접 위상이 바로 종료하는 시기에, 전기 아크의 전류가 차단, 약화 또는 감소되고, 바람직하게는 레이저빔의 방사선 중 일부분 이상을 흡수 가능한 방사선 흡수 수단으로 레이저빔을 보내거나 및/또는 편향시키는 것과 거의 동시에 전기 아크의 전류가 차단, 약화 또는 감소되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 피용접 공작물(들)은 피복강이나 비피복강(특히, 조립강), HYS강, 탄소강, 표면에 아연 합금층이 마련되어 있는 강, 스테인레스강, 알루미늄이나 알루미늄 합금 및 항복점이 높은 강 중에서 선택된 선택되는 금속이나 금속 합금으로 제조되며, 바람직하게는 상기 피용접 공작물(들)에는 테일러드 블랭크, 특히 자동차 차체의 구성품을 제조하는데 사용될 수 있는 테일러드 블랭크가 존재하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  7. 하이브리드 아크/레이저 용접 방법, 특히 플라즈마/레이저 용접 방법으로서,
    (a) 전기 아크(특히, 플라즈마 아크)와 레이저빔을 함께 사용하는 하나 이상의 용접 단계와,
    (b) 하나 이상의 용접 정지 단계를 포함하며,
    상기 용접 정지 단계는 그 초반에, 그리고 비교적 동시에 일어나는 부속단계
    (i) 전기 아크를 소화하거나 플라즈마 아크를 파일럿 아크로 전환하는 단계와,
    (ii) 레이저 에너지를 흡수하는 강(腔)으로 레이저빔을 보내거나 편향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크/레이저 용접 방법.
  8. 하이브리드 아크/레이저 용접 장치로서,
    - 하나 이상의 레이저빔을 송출하기 위한 하나 이상의 레이저빔 발생기와,
    - 하나 이상의 전기 아크를 발생시키기 위하여 하나 이상의 전류 공급원에 의해 공급되는 하나 이상의 전극봉을 포함하며,
    상기 레이저빔의 방사선 중 일부분 이상을 적어도 동시에 흡수할 수 있는 레이저 방사선 흡수 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  9. 제8항에 있어서, 레이저 방사선 흡수 수단은 흡수강을 포함하며, 레이저빔의 방사선이 흡수강 내부에 흡수되도록 레이저빔이 흡수강 내부로 보내어지거나 및/또는 편향되는, 바람직하게는 레이저빔이 빔 편향 수단에 의해 상기 흡수강 내부로 보내어지거나 및/또는 편향되는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    - 용접 중에 피용접 공작물의 지지 및/또는 고정을 가능케 하는 공작물 지지 수단,
    - 피용접 공작물(들)을 상기 지지 수단에 자동적으로 공급하거나 및/또는 배치할 수 있게 하는 피용접 공작물의 자동 공급 수단,
    - 용접 공정 중에 피용접 공작물을 상기 지지 수단 상의 정위치에 고정시킬 수 있는 피용접 공작물의 고정 수단,
    - 용접 후에 상기 지지 수단으로부터 공작물을 취출할 수 있게 하는 용접된 공작물의 자동 취출 수단 중 하나 이상의 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 피용접 공작물의 공급 수단,
    - 용접된 공작물의 취출 수단,
    - 레이저빔의 편향 수단,
    - 용접의 개시 및/또는 종료,
    - 아크를 송출하는 헤드와 레이저빔을 송출하는 헤드의 피용접 공작물에 대한 상대적 이동 중 하나 이상을 자동적으로 제어가능케 하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저빔은 YAG형 또는 CO2형 레이저에 의해 방출되는 것과 및/또는 전기 아크는 플라즈마 아크 토치에 의해 송출되며, 바람직하게는 상기 레이저빔과 아크가 단일 용접 헤드에 의해 송출되는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 빔 편향 수단은 하나 이상의 가동 편향 거울, 편향 거울(들)의 동작과 피용접 공작물의 동작, 플라즈마/레이저 용접 헤드의 동작, 용접 위상의 동작 또는 용접 정지 위상의 동작을 바람직하게 동기화할 수 있는 동기화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  14. 자동차 산업용으로 의도된 용접 구성품 또는 구조체를 제조하는 방법으로서, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서의 하이브리드 아크/레이저 용접 방법 또는 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서의 용접 장치를 사용하여 하나 이상의 용접 공정을 상기 구성품 상에서 수행하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  15. 자동차 차체의 구성품 중 일부분 이상을 형성하도록 되어 있는 하나 이상의 테일러드 블랭크를 용접하기 위하여 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서의 용접 장치의 사용.
  16. 두께가 서로 상이한 금속 공작물, 특히 테일러드 블랭크를 용접하여 조립하기 위하여 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서의 하이브리드 용접 장치의 사용.
  17. 자동차 차체의 구성품을 제조하는 방법으로서, 상기 자동차 차체의 구성품을 구성하는데 사용되는 금속 공작물이 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서의 하이브리드 아크/레이저 용접 방법을 사용하여 용접되고, 바람직하게는 상기 금속 공작물이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  18. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 아르곤, 헬륨, 질소 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 가스가 레이저빔의 보조 가스로서 사용되거나 및/또는 아르곤, 헬륨, 질소, 수소 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된 가스가 플라즈마 가스로서 사용되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
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