KR20020042802A

KR20020042802A - 복합 레이저/플라즈마-아크 처리토치 및 방법

Info

Publication number: KR20020042802A
Application number: KR1020027000606A
Authority: KR
Inventors: 이고르 딘크노; 조지 이그나첸코; 이브제니 보가첸코
Original assignee: 추후제출; 플래즈마-레이저 테크놀로지즈 리미티드
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2002-06-07
Also published as: CA2379182A1; AU5786600A; WO2001005550A1; JP2003504213A; JP4695317B2; US6388227B1; EP1212165A1; MXPA02000592A

Abstract

레이저와 플라즈마-아크 용접장치들을 하나의 공구에 별도로 결합한 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치에 관한 것이다. 레이저빔은 플라즈마-아크 토치의 중앙축선과 일치되게 광학시스템에 의해 배향된다. 레이저빔은 일단의 전극을 통과하고, 전극의 종축선들은 원추의 모선상에서 토치의 중앙축선과 예각으로 배치되며, 원추의 정점은 압축노즐의 단면판 부근에서 토치의 중앙축선상에 배치되고, 원추의 밑변은 토치의 본체를 마주본다. 이들 전극은 모두 양극인거나 음극일 수 있고, 또는 하나는 양극 하나는 음극일 수도 있다. 이 용접토치에는 플라즈마 제트를 더 압축 및 안정화시키는 메커니즘이 더 제공된다. 전극을 갖는 공간과 공간 바닥의 노즐을 통해 기체를 강제로 주입한다. 레이저 복사에 의해 가열된 전극들 대문에 기체가 이온화되어 압축노즐내에 플라즈마-아크를 형성한다. 노즐을 통과한 레이저빔은 집중되고 전극과 공작물 사이에 형성된 플라즈마 아크와 반응한다. 이런 플라즈마-아크와 레이저빔 사이의 반응에 의해 공작물상에 형성된 용접점의 에너지밀도를 증가시키는 플라즈마-레이저 방전이 일어난다.

Description

복합 레이저/플라즈마-아크 처리토치 및 방법{Combined laser and plasma-arc processing torch and method}

도 1은 종래의 플라즈마-아크 용접토치(10)의 구성들을 보여준다. 토치(10)는 전극(12)을 포함하는데, 이 전극은 내부에 홈이 파이고 출구 오리피스(15)가 뚫린 압축노즐(14)로 둘러싸인다. 전극(12)과 노즐(14) 사이에 형성된 공간을 고압실(16)이라 할 수 있다. 노즐(14)은 부분적으로 외벽 개스노즐(17)로 둘러싸인다.

토치(10)의 동작시, 전극(12)과 공작물(18) 사이, 또는 전극(12)과 노즐(14) 사이에 전류가 걸린다. 오리피스 개스가 고압실(16)로 강제로 진입되어 전극(12)을 둘러싼다. 오리피스 개스는 전기 아크에 의해 이온화되어 플라즈마를 생성한다. 플라즈마는 플라즈마-제트(20)로서 오리피스(15)에서 분출되고 공작물(18)에 부딪힌다. 전극(12)이 고압실(16) 내부에서 오목하기 때문에, 플라즈마-제트(20)가 압축노즐(14)에 의해 공작물(18)의 좁은 영역으로 집중조준된다(그리고 이 경우 전극(12)과 공작물(18) 사이에 전류가 걸리기 때문에 공작물의 좁은 영역으로 집중 조준된다). 외벽노즐(17)을 통해 보조 차폐개스가 동시에 유입되어 플라즈마-제트가 부딪치는 공작물(18)의 일부분을 둘러싸기 때문에, 플라즈마 제트에 의해 형성된 용융된 금속물의 주변 오염을 감소시킨다.

플라즈마-제트 용접은 용접법으로서 많은 중요한 장점을 갖고 있기는 하지만, 플라즈마 용접기술에는 여러가지 심각한 제한이 있다. 키홀 침투 깊이와 이에따른 용접재료 두께는 물론 가능한 용접속도가 플라즈마 아크의 에너지밀도에 의해 제한된다. 또, 어떤 동작상태에서는 키홀이 붕괴될 수도 있어, 용접조인트 마감의 장애로 되기도 한다. 다른 문제점은, 플라즈마 설비와 플라즈마 폭으로 인해 어떤 재료에서는 플라즈마 기술의 이용이 제한된다는 것이다.

플라즈마 용접에 있어서, 공작물 위치에서의 에너지 밀도는 키홀을 형성하는데 있어 가장 중요한 요소이다. 용접토치에 대한 공작물의 속도와 재료에 따라, 키홀은 10-250A의 용접전류에서 형성된다. 또, 플라즈마 아크의 가용 에너지 밀도와 이에 따른 공작물의 가열점에 대한 에너지밀도는 플라즈마 아크내의 열전달 메커니즘에 따라 변한다.

이와 관련하여, 분위기에 대해 플라즈마 아크로부터 열전달이 손실되는데는 3가지 형태가 있는바, 대류, 전도, 복사이다. 이런 열전달 형태는 플라즈마 아크의 온도를 저하시켜 공작물에 대한 에너지밀도를 저하시킨다. 플라즈마 아크를 비교적 저온에서 동작시키면, 분위기에 대한 대류성 열손실이 지배적이다. 그러나, 아크의 온도가 증가할수록, 온도의 4제곱에 비례하는 복사열 손실이 지배적이다. 낭비성 전류 흐름과 온도로 인한 플라즈마의 모든 아크 에너지의 증가가 복사손실에 의해 상쇄되는 평형상태가 존재한다. 이런 상태에서는 플라즈마 용접과정의 최대 전력밀도가 제한되어 더 두꺼운 판에 대한 용접능력이나 용접속도를 증가시키는 능력이 제한되고, 이에따라 용접과정의 생산성이 제한된다.

정상적인 플라즈마 아크용접 과정중에, 200-250A의 전류 및 3-3.5㎾의 플라즈마 전력밀도에서는 복사 열전달이 지배적이다. 기존의 기술로는 플라즈마 용접으로 전력밀도를 더 높이기가 물리적으로 불가능하다. 용접토치로부터의 전력소비를 증가시켜 전력밀도를 증가시키려는 어떤 시도도 용접효율의 저하를 초래한다. 용접속도를 증가시키면, 플라즈마-아크가 불안정해지고 용접품질이 저하된다. 공작물상의 가열점이 용접토치축 뒤에 있기 때문에 고속플라즈마 용접은 하기가 어렵다. 이런 공간적 불안정성이 용접품질 저하의 원인이다.

공작물상의 용접점의 에너지 밀도를 높일 수 있는 다른 형태의 용접방법으로는 레이저빔 용접이 있다. 이 용접방법 역시 용접할 재료에 키홀을 형성하는 것을 근간으로 하고 공업적으로 많이 이용된다. 공작물에 걸리는 에너지 밀도의 관점에서, 레이저빔 용접은 전자빔 용접과 비교될 수 있다. 레이저빔 용접의 장점은 공기 환경은 물론 그 외의 환경에서도 실행될 수 있다는데 있지만, 전자빔 용접은 진공을 필요로 한다. 레이저빔이 전파되는 분위기를 조정하여 공작물에 대한 에너지 전달을 최적하하여 용접과정을 최적화할 수 있다. 키홀 방식에서의 레이저빔 용접은 그 침투 깊이가 비교적 깊어서, 다른 종래의 용접기술에 비해 비교적 고속에서 두꺼운 재료의 용접이 가능하다. 레이저빔 용접은 또한 매우 정밀하고, 공작물내에서의 열분산을 저감시키며, 충전재의 필요성을 최소화함으로써, 비용을 절감할 수 있고, 그 결과 경제적으로 더 바람직한 용접기술이다.

레이저빔 용접 역시 여러가지 심각한 문제점이 있다. 이 기술은 키홀을 생성하고 유지하는데 통상 전력이 높은 기체레이저, 고체 레이저 또는 다이오드 레이저를 필요로 한다. 용접재료의 침투 깊이와 두께는 공작물에 결합된 레이저빔의 전력과 양에 의해 결정된다. 이것은, 레이저 전력을 증가시키면 성능이 개선됨을 암시한다. 이런 방법은 레이저 유도 플라즈마의 형성으로 인해 그 가치가 제한되는데, 이는 이런 플라즈마는 레이저빔 에너지를 반사하여 공작물에 전달되는 에너지량을 감소시킬 수 있기 때문이다.

공작물에 대한 레이저빔의 전달 역시 플라즈마의 조성 및 전파 특성에 영향을 받는다. 금속플라즈마가 키홀 벽면에 생성하는 압력때문에 용접과정중에 키홀을 유지하는데는 금속 플라즈마가 필수라고 알려져 있다. 그러나, 플라즈마의 기본 조성이나 전자밀도가 레이저빔 반사를 일으킬 정도로 높아지면 해롭다. 그 밀도가 너무 낮거나 너무 높아지면, 용접 효율이 저하되거나 용접공정이 중단될 수도 있다.

플라즈마로부터의 에너지 손실 이외에도, 높은 금속면 반사율로 인해 레이저빔이 금속표면에 전달되기보다 반사되기 때문에 금속과 같은 재료에서는 레이저빔 용접을 개시하기가 어렵다. 이때문에, 키홀을 형성하려면 상당히 높은 레이저빔 전력을 이용해야만 한다. 용접이 개시되고 키홀이 형성되면, 금속 본체는 레이저 복사가열용 흑체로 작용하고, 레이저 에너지를 감소시켜 용접을 계속할 수 있다. 표면이나 이온화된 플라즈마에서 반사되는 에너지량을 감소시켜 공작물에 전달되는 레이저빔 전력량을 개선하면, 용접효율을 상당히 증가시킬 수 있고 필요한 레이저 전력을 낮출 수 있다. 다른 중요한 문제점은, 레이저가 기본적으로 레이저빔의 입력 전력을 출력전력으로 변환하는데는 아주 비효율적이라는데 있다.

레이저빔 용접과정중에 공작물에 열이 전달되는 메커니즘은 여러가지다. 이들 메커니즘 각각의 상대적 중요성은 레이저빔의 에너지와 전력밀도에 따라 달라진다. 정성적으로, 레이저 전력이 1-2㎾ 미만이면, 레이저빔 에너지가 광학적으로 흡수되고 입사점에서 재료를 용융한다. 이 상태에서, 레이저빔과 재료 사이의 열전달은 재료의 열특성에 의해 결정된다. 재료의 표면 반사율은 표면에 전달되는 레이저 에너지를 심각하게 감소시킬 수 있다. 이 경우 공작물에 대한 레이저 에너지의 효과적 결합율은 5-10% 정도이다.

레이저빔 전력이 1-2㎾ 보다 높으면, 재료 표면이 비등점 온도에 도달하고 금속-증기 플룸(plume)이 발생한다. 표면 가열방식에서 키홀 방식으로의 정확한 전력 천이는, 레이저빔의 전력, 용접속도, 재료의 열적 특성에 따라 변하는 에너지 레벨에서 발생한다. 이 플룸 반동 압력으로 인해 레이저빔 에너지가 용융 금속을 관통하여 키홀을 형성한다. 레이저빔은 키홀로 들어가 복사열전달에 의해 에너지를 공작물에 전달한다. 이 경우, 용접풀에 대한 레이저빔의 흡수는 레이저빔이 반사면과 반응할 때 훨씬 높아지는데, 이는 키홀이 (이상적인 경우 70% 까지 높은)흑체로 기능하기 때문이다. 그러나, 이 방식에서는, 재료가 증발하고 플라즈마 링크가 형성될수록, 플라즈마가 너무 뜨거워지고 표면에서 레이저 에너지를 차폐할 수 있다. 키홀 방식으로 레이저빔 용접을 해도, 특별히 임계 에너지 값 부근에서 작동할 때 또는 용접속도가 너무 높을 때의 불안정성으로 인해 키홀이 붕괴되어 심각한 생산 문제를 야기한다.

금속 공작물에서 반사되는 레이저빔의 양을 줄이는 장치가 "Laser-beam Operated Mechining Apparatus"란 명칭의 미국특허 4,689,466에 기재되어 있다. 이 특허에서는, 비압축노즐을 통해 레이저빔을 집중하여 공작물에 투사할 수 있는 용접장치가 설명되어 있다. 노즐의 끝에 환형 전극을 달아 공작물 표면과 전극 사이에 전기 아크를 형성한다. 노즐을 통해 보조기체를 강제로 주입한 다음, 전기 아크로 이 기체를 이온화시켜 플라즈마로 변환시킨다. 이 플라즈마는 반사된 레이저광의 일부를 흡수하고 흡수된 에너지를 공작물 표면에 전달한다. 이런 식으로, 반사에 의해 손실된 에너지의 일부를 포집하여 용접 과정에 이용함으로써, 효율을 증가시킨다. 따라서, 이 용접장치에서, 레이저 토치에서 생성된 에너지량을 기준으로 한 레이저 토치와 공작물 사이의 결합 효율은 보통 손실될 반사 에너지의 일부를 되돌리는 국부적 플라즈마를 형성함으로써 증가된다.

상기 특허는, 레이저빔을 압축되지 않은 아크와 작용시켜 플라즈마의 온도를 플라즈마 아크의 온도보다 낮게 하는 장치를 설명한다. 그 결과, 압축되지 않은 아크에 대한 레이저빔의 흡수를 나타내는 흡수율이 비교적 낮아진다.따라서, (기체 레이저 같은) 고출력 레이저를 이용할 때만 레이저 에너지가 상당히 아크로 흡수될 것이다. 그러나, 이런 레이저들은 너무 비싸 어떤 경우에는 이용할 수 없다는데 문제가 있다.

또, 전술한 바와 같이, 용접될 재료의 표면이 비등점에 도달하면 금속-증기 플룸이 생성된다. 이 플룸은 재료의 표면에 도달하는 레이저빔에 대한 차단벽 기능을 하여, 용접을 수행하는데 어려움을 초래한다. 또, 저출력 고체레이저, 기체레이저, 다이오드 레이저를 사용할 때 키홀 동작모드를 개시하기에는 전기-아크 동적 압력이 충분하지 않을 수도 있다.

여러 연구단체들이 레이저빔 방식의 전기-아크 용접장치를 증가시켜 레이저 용접효율을 향상시킬 가능성을 연구했다. 미국특허 5,866,870에 기재된 최근 방법에서는, 아크를 소정 각도로 레이저빔 밑으로 통과시키고 레이저빔 정면에 위치시킨다. 레이저빔의 에너지를 아크의 에너지에 추가하기만 해도 복합 용접 성능이 높아진다. 효율이 향상되는 원인으로 설명할 수 있는 것은, 공작물의 가열로 인해 재료의 흡수율이 증가된다는 것이다. 용접토치가 공작물 위치에서 충분히 높은 에너지밀도를 생성하여, 플라즈마-아크나 레이저 용접토치 각각에 현재 얻을 수 있는 것보다, 용접토치에 의해 생성된 에너지를 더 큰 비율로 공작물에 결합할 경우에만, 복합 효과가 얻어진다.

미국특허 5,700,989, 5,705,785 및 도 2-3에는 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치들이 설명되어 있다. 이들 용접토치(30,30')는 레이저와 플라즈마-아크 용접토치들의 특성을 모두 구비한다(도 2, 3 참조). 예컨대, 도 2에서는 레이저빔(34)을 대물렌즈(32)를 통해 플라즈마-아크 토치(30)의 중심축선(31)과 동축으로 한다. 레이저빔(34)은 토치(30)의 바닥 오리피스에 위치한 평면형이나 원추형 음극(36)을 통과한다. 레이저빔(34)의 직경보다 작은 직경을 갖는 동축 구멍(37)을 음극(36)에 형성하여 레이저빔(34)이 음극(36)을 통과하도록 한다. 음극(36) 너머로 압축노즐(40)이 이어지고, 이곳에서 레이저빔(34)은 노즐(40)의 중앙축선을 통과한다. 압축노즐(40)을 차단노즐(42)이 둘러싸되, 그 사이에 차폐가스를 분사하는데 이용되는 틈새(41)를 둔다. 표준 플라즈마-아크 토치와 마찬가지로, 음극(36)과 노즐(40)을 포함한 공간을 통해 기체를 하단부로 분사한다. 레이저 복사에 의해 음극(36)이 가열되면서, 차폐가스가 이온화되어 플라즈마-아크가 형성된다. 레이저빔(34)은 노즐(40)을 통과하면서 집중되고, 음극(36)과 공작물(50) 사이에 형성된 플라즈마-아크와 반응한다. 플라즈마-아크와 레이저빔(34) 사이의 반응으로 인해 레이저빔과 플라즈마-아크를 더 압축시키는 플라즈마-레이저 방전이 형성되고, 이로인해 공작물(50)에 형성된 용접점의 에너지밀도가 증가한다.

이상 설명한 토치의 이런 모든 장점에도 불구하고, 아르곤이나 크세논 이외의 분위기에서는 동작하는 음극의 신뢰성이 저하되거나, 음극의 형상을 원추형으로 한정하여 제조공정과 비용이 증가하고, 용접공정중에 용융금속 파편이 발생하여 음극 구멍을 오염시킬 가능성도 있으며, 교류전류원으로부터 전력을 받는 음극을 이용함으로써 그 형상이 제한되는 등의 문제점이 있다.

따라서, 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치를 구비함은 물론, 공작물을 용접하기 위한 높은 에너지밀도와 결합효율을 생성하면서도, 현재 사용되는 레이저 및 플라즈마-아크 용접토치들의 형상의 상기 한계를 극복할 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다.

본 발명은 용접, 절단, 코팅, 피복용으로 사용되는 처리 토치장치에 관한 것으로, 구체적으로는 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치 및 이 용접토치를 이용하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 레이저기술과 플라즈마-아크 용접기술을 결합하여 용접 공작물에 대한 에너지밀도와 결합효율을 현재의 레이저/플라즈마-아크 용접장치 구성을 이용하여 얻을 수 있는 것보다 더 높일 수 있는 것을 특징으로 한다.

용접은 여러 산업에서 원천적인 제조기술이다. 용접공정은 액체물질 풀을 생성하여 이동시키기 위해 고밀도의 에너지를 생성해야만 하기 때문에 에너지 집약적이다. 대부분의 일반적인 용접방법에서는, 사용되는 재료와 용접기술에 따라, 용접공구와 공작물 사이의 에너지 결합효율이 좋아야 20-30%이다. 따라서, 결합효율을 향상시키면 상당한 경제적 이득을 얻을 수 있다. 용접품질이나 생산성 같은 용접공정의 다른 측면들 역시 용접공정의 경제성에 영향을 줄 수 있다. 이런 요소들 모두 어느정도는 공작물에 입사되는 에너지밀도에 따라 변하기 때문에, 입사 에너지량을 증가시키기 위한 다른 기술과 용접공구를 개발하는데 많은 노력들을 기울여 왔다.

이하, "공작물"은 통상 금속인 재료로서 용접토치를 이용해 용접처리되는 물질을 의미한다. 이하, "에너지 고밀도 지점"이란 공작물상에서 용접토치로부터 생성된 에너지가 아주 집중된 지점을 말한다.

이런 전문용어들중의 하나인 플라즈마 용접은 에너지원으로서 압축된 아크를 이용해 두개의 금속편들을 용융시켜 서로 융합하는 공정을 말한다. 플라즈마 용접은 두꺼운 판을 하나의 공정으로 신속히 용접하는데 사용되면서도 용접품질을 아주 높일 수 있기 때문에 중공업 분야에서 자주 사용된다. 이 기술은 전기아크를 통해 불활성 기체를 주입하여 고온에서 일부 이온화된 기체류를 생성하는 것을 기본으로 한다. 이 아크에 의해 기체가 이온화되어 전기를 전도하는 온도까지 기체가 가열된다.

전극과 공작물 사이에 전기장이 걸리면, 이온화된 기체에 의해 형성된 플라즈마-아크가 공작물에 부딪쳐 공작물을 용융시킬 것이다. 플라즈마-아크 용접에 있어서, 플라즈마 기체유량, 아크전류 및 용접주행속도를 적절히 선택하면, 플라즈마-아크의 높은 에너지와 모멘트에 의해 아크가 재료의 용융 풀에 침투하여 기본 금속을 완전히 관통하는 작은 구멍을 형성하는 동적 압력이 생성되는 조건이 발생된다. 이 구멍을 "키홀"이라 하고, 이런 특징을 갖는 용접기술을 "키홀 용접"이라 한다. 키홀 기술에서, 플라즈마 증기가 재료를 침투하면서 키홀을 형성함에 따라 이 증기에 의해 재료의 비드의 윗면이 용융된 금속으로 대체된다. 용접 조인트를 따라 플라즈마-아크 토치를 이동시키면, 키홀 정면에 용융된 금속이 플라즈마-아크를 돌아 뒷면까지 흘러 용접 풀을 형성한다. 이런 형태의 용접의 주요 장점은, 비교적 최소로 조인트를 준비하여 한번에 재료를 비교적 신속하게 용접할 수 있다는 것이다. 또, 플라즈마 용접의 일반적인 장점은, 플라즈마-아크가 키홀 내부에 집중되기 때문에 공작물의 응력과 변형이 감소된다는데 있다.

도 1은 종래의 플라즈마-아크 용접토치의 구성을 설명하는 개략도;

도 2-3은 종래의 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 구성을 설명하는 개략도;

도 4는 본 발명에 따른 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 바람직한 첫번째 실시예의 단면도;

도 5는 본 발명에 따른 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 바람직한 두번째 실시예의 단면도;

도 6은 본 발명에 따라 동기장치를 포함하는 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 하부 단면도;

도 7은 본 발명에 따라 정류기를 포함하는 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 하부 단면도.

본 발명은 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치, 및 이 용접토치를 이용하는 대응 방법에 관한 것으로서, 용접 공작물에 대한 에너지 밀도와 결합효율을 현재의 레이저 및 플라즈마-아크 용접토치의 구성을 이용하는 것보다 더 높일 수 있도록 레이저기술과 플라즈마-아크 용접기술을 결합한 것이다.

본 발명에 따르면, 레이저 기술과 플라즈마-아크 기술을 결합하여, 공작물 표면에 높은 에너지 밀도를 효과적으로 생성할 수 있는 용접용 토치에 있어서: ⒜ 내부 공동, 광투과성 입출력 단부 및 중앙 축선을 구비한 본체; ⒝ 본체의 입력단부를 통해 입력 레이저빔을 입력하기 위한 입력 레이저빔원; ⒞ 중앙축선에 일치되게 입력레이저빔을 배향하고, 광투과성 출력단부에서 빔 반경을 갖는 입력 레이저 빔을 중앙축선에 일치되게 배향하도록 본체내에 있는 제1 메커니즘; ⒟ ⑴ 중앙축선과 일치하는 구멍, ⑵ 전극을 설치하기 위한 하나 이상의 공동, 및 ⑶ 출력단부를 포함하고, 본체의 출력단부에 배치되는 전기절연 부시; ⒠ 절연부시의 출력단부에 배치되고 기단부와 말단부를 구비하며, 중앙축선에 직각인 단면판이 말단부에 배치되어 있고, 입력 레이저빔의 반경보다 큰 반경을 갖고 중앙축선과 동축인 관통공을 포함하는 압축노즐; ⒡ 절연부시의 공동내에 설치되고, 압축노즐의 단면판에 가까운 중앙축선을 교차하는 종축선을 가지며, 종축선과 중앙축선은 본체를 마주보고 예각을 형성하는 하나 이상의 전극; ⒢ 압축노즐과 하나 이상의 전극 사이에서 토치 내부로 플라즈마 기체를 제공하기 위한 제2 메커니즘; 및 ⒣ 하나 이상의 전극과 공작물 사이에 전기아크를 형성하여, 플라즈마기체를 압축노즐에서 분사하고 본체에서 나오는 레이저빔과 반응하는 플라즈마로 만들어 복합 플라즈마/레이저 방전을 형성하는 제3 메커니즘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치가 제공된다.

뒤에서 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예들의 다른 특징에 따르면, 이 토치는 ⒤ 압축노즐을 둘러싸는 보호노즐; 및 ⒥ 보호노즐과 압축노즐 사이로 보호기체를 공급하기 위한 제4 메커니즘;을 더 포함한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 따르면, 하나 이상의 전극이 (ⅰ) 말단부와 기단부; (ⅱ) 말단부 가까이 배치된 축열구; 및 (ⅲ) 기단부에 대한 열전달을감소시키고, 축열구와 기단부 사이에 배치되는 제4 메커니즘;을 더 포함한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 하나 이상의 전극에 대한 열전달을 감소시키는 제4 메커니즘이 전극의 축열구와 기단부 사이에 배치된 스트랩을 포함한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 하나 이상의 전극은 전극 말단부 둘레에 불활성 기체를 공급하여 전극 둘레에 보호기체 덮개를 형성함으로써 전극의 안정성과 수명을 증가시키기 위한 제4 메커니즘을 더 포함한다.

바람직한 실시예의 다른 특징에 따르면, 하나 이상의 전극이 그 종축선을 따라 왕복이동할 수 있다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 따르면, 중앙축선과 전극 사이의 최단 거리가 중앙축선에 직각인 단면에서의 레이저빔의 반경보다 작고 전극의 말단부에 위치한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 따르면, 절연부시의 공동들내에 배치된 두개 이상의 전극들을 포함하고, 이들 전극의 종축선들은 단면판 부근에서 중앙축선과 교차하면서 원추의 모선상에 배치되며, 원추는 그 정점이 중앙축선상에 위치하고 밑변이 본체를 마주본다.

또다른 특징에 따르면, 중앙축선과 두개 이상의 전극들 사이의 최단 거리가 레이저빔의 반경보다 작다.

바람직한 실시예의 다른 특징에 따르면, 두개 이상의 전극들이 모두 음극이다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 따르면, 두개 이상의 전극들이 모두 양극이다.

바람직한 실시예의 다른 특징에 따르면, 두개의 전극둘중 하나는 음극이고 나머지 하나는 양극이다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 레이저빔을 배향하기 위한 제1 메커니즘은 빔 포커싱 메커니즘을 구비한 광학시스템을 포함하고, 이 광학시스템은 본체의 입력단부에 배치되며, 레이저빔은 토치 외부에 있으면서 압축노즐의 단면판 뒤에 있는 하나 이상의 지점에 촛점이 맞추어진다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 광학시스템은 대물렌즈와 포커싱 반사경들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 광학요소를 포함한다.

바람직한 실시예의 다른 특징에 따르면, 입력 레이저빔원은 고체레이저, 기체레이저 및 다이오드 레이저로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 레이저이고, 적어도 하나의 레이저는 연속형이나 펄스형으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 방식으로 동작한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 압축노즐은 원추형 외면과 관통공을 갖고, 관통공은 내측면과 단면적을 구비하며, 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 제4 메커니즘이 압축노즐에 제공된다.

바람직한 실시예의 다른 특징에 의하면, 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 제4 메커니즘은 원추형 외면과 이 원추형 외면에서 떨어진 마주보는 원추면에 배치되는 홈들을 포함한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 제4 메커니즘은 원추형 외면과 이 원추형 외면에 바로 인접한 마주보는 원추면에 배치되는 홈들을 포함한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 홈들중 적어도 두개는 압축노즐의 원추형 외면의 모선에 평행한 원추형 외면상에 배열되고, 홈들의 총 단면적이 압축노즐의 관통공의 단면적과 동일하다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 마주보는 원추면이 보호노즐의 관통공 내측면이고, 압축노즐의 원추형 외면과 동축으로 떨어져 있다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 토치는 압축노즐과 보호노즐 사이의 간격부에 배치되고 내측면을 구비한 원추형 부시를 더 포함한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 원추형 부시의 내측면이 압축노즐의 원추형 외면에 바로 인접해 있다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 하나 이상의 전극과 공작물 사이에 전기아크를 형성하기 위한 메커니즘은 아크전류의 펄스와 입력 레이저빔의 펄스를 동기화시키기 위한 동기장치를 포함한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 전기아크를 형성하기 위한 메커니즘이 두개 이상의 전극들을 이 메커니즘에 연결하기 위한 정류기를 포함한다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 토치가 두개의 전극들을 포함하고, 전기아크를 형성하기 위한 제3 메커니즘은 두개의 다이오드들을 통해 두개의 전극들과 연결되는 교류전류원을 포함하며, 이들 두개의 다이오드들중 첫번째다이오드의 양극은 두개의 전극들중 음극과 두개의 다이오드들중 두번째 다이오드의 음극에 연결되고, 두번째 다이오드의 음극은 두개의 전극들중 양극에 연결된다.

바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 표면을 갖는 공작물상에 에너지 고밀도 지점을 형성하는 방법에 있어서: ⒜ 다음을 포함하는 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치를 제공하는 단계: (ⅰ) 내부 공동, 광투과성 입출력 단부 및 중앙 축선을 구비한 본체; (ⅱ) 본체의 입력단부를 통해 입력 레이저빔을 입력하기 위한 입력 레이저빔원; (ⅲ) 중앙축선에 일치되게 입력레이저빔을 배향하고, 광투과성 출력단부에서 빔 반경을 갖는 입력 레이저 빔을 중앙축선에 일치되게 배향하도록 본체내에 있는 제1 메커니즘; (ⅳ) 하기 요소들을 포함하고, 본체의 출력단부에 배치되는 전기절연 부시: ⑴ 중앙축선과 일치하는 구멍, ⑵ 전극을 설치하기 위한 하나 이상의 공동, 및 ⑶ 출력단부; (ⅴ) 절연부시의 출력단부에 배치되고 기단부와 말단부를 구비하며, 중앙축선에 직각인 단면판이 말단부에 배치되어 있고, 입력 레이저빔의 반경보다 큰 반경을 갖고 중앙축선과 동축인 관통공을 포함하는 압축노즐; (ⅵ) 절연부시의 공동내에 설치되고, 압축노즐의 단면판에 가까운 중앙축선을 교차하는 종축선을 가지며, 종축선과 중앙축선은 본체를 마주보고 예각을 형성하는 하나 이상의 전극; (ⅶ) 압축노즐과 하나 이상의 전극 사이에서 토치 내부로 플라즈마 기체를 제공하기 위한 제2 메커니즘; 및 (ⅷ) 하나 이상의 전극과 공작물 사이에 전기아크를 형성하여, 플라즈마기체를 압축노즐에서 분사하고 본체에서 나오는 레이저빔과 반응하는 플라즈마로 만들어 복합 플라즈마/레이저 방전을 형성하는 제3 메커니즘; ⒝ 본체의 중앙축선을 따라 레이저빔을 배향하여 하나 이상의 전극을 가열하고 본체 외부에 있는 촛점에 레이저빔을 집중시키는 단계; 및 ⒞ 본체와 공작물 사이에 압축된 플라즈마 제트를 형성하여 레이저빔과 플라즈마 제트를 서로 반응시키고 더 압축된 플라즈마 제트를 형성하며, 이렇게 더 압축된 플라즈마제트는 공작물상에 투사되는 더 높은 에너지밀도를 가져 공작물상에 에너지 고밀도 지점을 형성하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 용접토치는 (ⅸ) 압축노즐을 둘러싸는 보호노즐; 및 (ⅹ) 보호노즐과 압축노즐 사이에 보호기체를 공급하기 위한 제4 메커니즘;을 더 포함한다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 하나 이상의 전극의 말단부에 배치된 단면판에서 레이저빔이 빔 반경을 갖되 이 빔 반경이 중앙축선과 전극의 최단 지점 사이의 반경보다 크게 되도록 레이저빔을 배향하여 전극을 가열한다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 제4 메커니즘에 의해 발생된 보호기체 제트에 의해 압축된 플라즈마 제트를 더 압축 및 냉각시킨다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 두개의 전극을 갖는 용접토치용으로 한쪽 전극은 음극이고 다른 전극은 양극으로서 모두 펄스 전류에 의해 작동되고, 양극이 제로인 회로내의 공작물과 음극 사이의 음 펄스 전류가 전기아크에 의해 시동되고, 음극이 제로인 회로내의 공작물과 양극 사이의 양 펄스전류가 전기아크에 의해 시동된다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 전기아크를 형성하기 위한 메커니즘은 소정 주파수와 기간의 아크전류 펄스들을 생성하고, 아크전류 펄스들을 적절한 위상으로 인가하여 동기장치에 의해 아크전류 펄스들의 소정 주파수와 기간들이 입력 레이저빔의 펄스들과 일치되어 레이저빔 펄스들의 반복주기가 아크전류 펄스들의 반복주기와 일치되도록 하며, 레이저빔 펄스들 각각은 두개의 연속적인 아크전류 펄스들 사이의 적절한 위상동안 시작하고 두개의 연속적인 아크전류 펄스들의 두번째 위상동안 끝나도록 한다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 두개의 전극을 갖는 용접토치용으로, 전기아크를 형성하기 위한 메커니즘이 소정 주파수와 기간의 아크전류 펄스들을 생성한다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 두개의 전극을 갖는 용접토치용으로, 전기아크를 형성하기 위한 메커니즘이 정류기에 연결되고, 정류기는 소정 주파수와 기간의 아크전류 펄스들을 생성하기 위한 제4 메커니즘과 두개의 전극들을 연결한다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시예의 또다른 특징에 의하면, 세개의 전극을 갖는 용접토치용으로, 전기아크를 형성하는 메커니즘이 정류기에 연결되고, 정류기는 소정 순서와 주파수를 갖는 아크전류 펄스를 생성하기 위한 제4 메커니즘과 세개의 전극을 연결하여, 각각의 전극이 정류기의 1 동작 사이클중의 두개의 연속적인 간격들동안 연결되게 한다.

본 발명은 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치, 및 이 용접토치를 이용하는 대응 방법에 관한 것으로서, 공작물을 용접할 때의 에너지밀도와 결합효율 측면에서 현재의 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 구성을 이용할 때보다 더 향상시킬 수 있는 레이저기술과 플라즈마-아크 용접기술의 특징들을 결합한 것이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 전에, 본 발명은 도면에서 설명되거나 다음 기재사항에서 설명되는 구성들의 구조 및 배열에 한정되지 않음은 말할 나위도 없다. 본 발명은 여러 방법으로 실행될 수 있고 다른 실시예도 가능하다. 또, 사용되는 문구와 전문용어는 편의상 설명을 것일 뿐이고 제한적인 용어는 아님을 알아야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치를 구현하는 구성요소들, 동작 및 방법을 첨부 설명과 도면을 참조하여 설명하면 이해하기가 더 좋을 것이다. 본 발명에 대한 설명은 단지 예시적일 뿐이며 이에 제한된 것은 아님을 명심해야 한다.

도 4-7을 참조하여, 본 발명의 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 바람직한 실시예들에 대해 설명하되, 이하 용접토치를 100으로 표시한다.

본 발명의 용접토치(100)는 중앙 축선(111)을 갖는 토치 본체(110)를 구비한다. 토치 본체(110)의 일단부에는 대물렌즈(112)를 구비한 광학시스템이 위치한다. 대물렌즈(112)는 입력 레이저빔(114)을 집중하여 토치 본체(110)의 중앙축선(111)상에 토치(100)의 외부에 위치한 촛점(FP)에 일치시킨다.

도 4에서, 토치(100)는 압축노즐(120), 하나 또는 두개의 전극(130,230), 전기 아크를 형성하기 위한 메커니즘(140)(도 6, 7 참조), 보호노즐(150), 및 보호노즐(150) 내부에 보호기체를 공급하기 위한 채널(190)을 포함한다. 본체(110)에는 내부 공동(116)이 있다. 레이저빔을 렌즈(112)로 조준하는 메커니즘에 의해 레이저빔(114)은 압축노즐의 구멍(122)에서 소정의 반경(r)을 갖는다.

절연체로 이루어진 절연부시(160)를 본체(110)의 출구 단부에 배치한다. 절연부시(160)는 중앙 축선(111)과 동축인 구멍(162), 및 전극들(130,230)을 배치하기 위한 두개의 공동(164,164')을 갖는다.

압축노즐(120)은 기단부(121)와 말단부(122)를 갖고 절연부시(160)의말단부(158)에 배치된다. 압축노즐(120)은 중앙축선(111)과 동축의 관통공(122)을 포함한다. 압축노즐(120)의 말단부에 위치한 단면판(124)은 중앙축선(111)에 직각이다. 압축노즐(120)의 구멍(122)의 반경(R)은 구멍(122)에서의 레이저의 반경(r)보다 크다. 반경(R)은 0.5-5㎜이지만, 0.5-3㎜가 더 바람직하고, 1-2㎜이면 더 바람직하다. 반경(r)은 0.1-4㎜이지만, 0.15-2㎜가 더 바람직하고, 0.2-1㎜이면 더 바람직하다.

절연부시(160)의 공동(164)에는 두개의 전극(130,230)이 있고, 이들 전극의 종축선(132,232)은 압축노즐(120)의 단면판(124) 부근에서 중앙축선(111)과 교차한다. 전극(130,230)의 종축선(132,232)과 중앙축선(111)은 본체에서 보아 예각(A)을 이룬다. 예각(A)의 범위는 4-60°이지만, 5-45°가 바람직하고, 5-25°면 더 바람직하며, 5-15°이면 가장 바람직하다.

압축노즐(120)과 전극(130,230) 사이를 통해 플라즈마 토치(100) 내부에 메커니즘(170)에 의해 플라즈마 기체를 생성한다. 메커니즘(140)은 전극들(130,230)과 공작물(180) 사이에 전기 아크를 발생시켜, 플라즈마 기체를 플라즈마로 변환시키고, 이 플라즈마는 압축노즐(120)로부터 분사되고 역시 노즐(120)로부터 분사되는 레이저빔(114)과 반응하여 복합 플라즈마/레이저 방전을 형성한다. 토치(100)는 또한 압축노즐(120)을 동축으로 둘러싸는 보호노즐(150)을 포함한다. 보호노즐(150)과 압축노즐(120) 사이로 채널(190)을 통해 보호기체가 공급된다.

도 4-7에 의하면, 전극들(130,230) 각각은 말단부, 기단부, 및 말단부의 축열구(200)를 포함한다. 전극들(130,230)에는 그 기단부에 대한 열전달을 감축하는메커니즘이 제공된다. 이 메커니즘은 축열구(200)와 기단부 사이에 위치하고, 스트랩(210)을 포함한다. 전극들(130,230)은 그 말단부 주변에 불활성 기체를 공급하여 전극의 안정성과 수명을 증가시키는 보호기체 덮개를 형성하기 위한 튜브(220)를 포함한다(도 6, 7 참조). 전극들(130,230)은 그 종축선(132,232)을 따라 왕복이동 가능하다. 토치(100)에서, 중앙축선(111)과 전극들(130,230) 사이의 최단거리는 레이저빔(114)의 반경(r)보다 작다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 토치(100)의 절연부시(160)의 공동(164,264) 내부에는 단면판(124) 부근에서 중앙축선(111)과 교차하는 종축선(132,232)을 갖는 두개의 전극들(130,230)이 배치된다. 이 전극(130,230)의 종축선(132,232)은 원추면의 모선상에 위치하고, 원추의 정점은 중앙축선(111)상에 위치하며, 원추의 밑변은 본체(110)를 마주본다. 이 경우, 토치(100)내에서 중앙축선(111)과 전극(130,230) 사이의 최단 거리는 레이저빔(114)의 반경(r)보다 작다. 두개 전극(130,230) 모두 음극이거나 양극일 수 있으며, 하나는 음극이고 나머지는 양극일 수도 있다.

토치(100)는 전극(130,230)을 세개, 네개 또는 그 이상 구비할 수도 있는바, 이들 전극의 종축선(132,232)은 각각 밑변이 본체(110)를 마주보는 원추의 원추면상에 위치한다. 토치(100)의 전극이 여러개일 경우에도, 중앙축선(111)과 각 전극(130,230) 사이의 최단 거리는 전극이 하나나 두개인 경우의 레이저빔(114)의 반경(r)보다 작다.

토치(100)의 본체(110)에는 입력단부(240)가 있다(도 4 참조).레이저빔(114)을 조준하는 메커니즘은 레이저빔(114)을 집중시키는 메커니즘(250) 특징을 갖는 광학시스템을 포함하고, 이 광학시스템은 입력단부에 배치되고 레이저빔은 토치(100)의 외부이자 압축노즐(120)의 단면판(124) 뒤의 촛점(FP)에 집중된다. 렌즈(112)와 반사경(260)은 레이저빔(114)의 촛점을 맞추는 메커니즘의 일례일 뿐이다. 도 4의 경우에는 레이저빔(114)을 집중시키는 렌즈들(112)을 포함한다. 도 5의 경우에는 레이저빔(114)을 조준하기 위한 포물선 초점 반사경(260)이 있다.

입력 레이저빔(114)의 레이저원은 고체레이저, 기체레이저 또는 다이오드 레이저일 수도 있고, 이 경우 레이저는 연속모드일 수도, 펄스모드일 수도 있다. 압축노즐(120)은 관통공(122)과 원추면(126)을 갖고, 원추면(126)과 그 맞은편 원추면에 간격을 두거나 아주 인접하게 배치되는 홈(128)과 같이 플라즈마 흐름을 더 집중하고 안정시키기 위한 메커니즘을 포함할 수도 있다. 이들 홈(128)은 세개 이상일 수 있으며, 원추면(126)의 모선에 평행한 압축노즐(120)의 원추면(126)상에 동일한 형태로 형성된다. 홈(128)의 총 면적은 압축노즐(120)의 관통공(122)의 단면적과 동일하다.

맞은편 원추면으로는 보호노즐(150)의 내측면(152)이 있는데, 이 면은 압축노즐(120)의 원추면(126)과 동축으로 원추면에서 떨어져 있다. 한편, 맞은편 원추면이 다른 원추부시(154)의 내측면일 수도 있는데, 이 면은 압축노즐(120)과 보호노즐(150) 사이의 간격에 위치하고 원추면(126)에 바로 인접해 있다.

도 6에 도시된 다른 실시예의 토치(100)에서는 전극(130,230)과 공작물(180) 사이에 전기아크를 동시에 발생시키기 위한 메커니즘(140)이 있다. 이메커니즘(140)은 입력 레이저빔(114)의 펄스들을 아크 전류의 펄스들과 동기화시키기 위한 동기장치(280)와 연결된다. 전극(130,230)이 두개 이상인 토치(100)의 경우에는, 이들 전극들을 적절히 연결하기 위해 전기아크를 발생시키는 메터니즘(140)을 정류기(290)에 연결한다.

전기아크를 발생시키는 메커니즘으로는, 두개의 다이오드(292,294)를 통해 전극(130,230)에 각각 연결되는 교류 전류원이 있는데, 여기서, 첫번째 다이오드(292)의 양극은 음극(130)과 제2 다이오드(294)의 음극에 연결되고, 제2 다이오드(294)의 음극은 양극(230)에 연결된다(도 7 참조).

본 발명의 용접토치(100)의 동작을 위해, 양극인 공작물(180)과 전극(230) 사이에 전류를 건다. 외부 레이저원(도시 안됨)에 의해 공급된 레이저빔(114)은 대물렌즈(112)를 통과하여 본체(110)의 중앙축선(111)을 따라 전파된다(도 4 참조). 중앙축선(111)과 레이저빔(114)에 일치하는 플라즈마 플럭스가 압축노즐(120)을 통과한다. 그 결과, 토치(100)에서 생성되는 높은 에너지의 에너지 고밀도 지점이 공작물(180) 표면에 형성된다. 레이저빔(114)이 본체(110)의 중앙축선(111)을 따라 이동하면서 전극(130,230)을 가열한다. 레이저빔(114)은 본체(110) 외부의 촛점(FP)에 집중된다. 본체(110)와 공작물(180) 사이에 압축 플라즈마 제트가 형성되어, 레이저빔과 반응하여 에너지 밀도가 아주 높은 플라즈마 제트를 생성하고, 이 플라즈마 제트는 공작물(180)로 전달된다.

토치(100)의 동작중에, 압축노즐(120)에서 나온 플라즈마는 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 메커니즘에 의해 생성된 보호기체 제트에 의해 더 압축되고 냉각된다. 이런 메커니즘으로는, 원추면(126)과 이 면에 바로 인접하거나 떨어져 있는 대향 원추면에 배치되는 홈(128)이 있다(도 4, 5 참조).

도 6에 도시된 실시예에서, 한쪽은 음극이고 나머지는 양극인 두개의 전극(130,230)을 구비하여 교류로 구동되는 토치(100)의 경우, 음극과 공작물(180) 사이의 절반의 음전류 사이클에서, 그리고 양극과 공작물(180) 사이의 절반의 양전류 사이클에서 전기아크가 발생한다. 이런 전기적 구성에서는 교류전류가 공작물(180)을 통과한다. 이 과정중에, 공작물(180) 표면의 산화층이 파괴되고, 이는 용접처리에 유리하며 용접조인트의 품질과 신뢰성을 향상시킨다. 또, 그와 동시에, 맥동 직류전류가 각각의 전극을 통과하여, 각각의 전극(130,230)의 열적 부하를 감소시켜 전극 수명을 연장시킨다. 이런 현상의 결과, 각 전극을 서로 다른 재료로 구성할 수 있는바, 예컨대 양극은 순수히 텅스텐으로 만들고 음극은 토리아나이트 텅스텐으로 만들 수 있다.

본 발명의 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치에 중요한 레이저-플라즈마 방전은 다음과 같이 형성된다. 도 4-7에 도시된 토치(100)의 경우, 중앙축선(111)과 전극들(130,230) 사이의 최단 거리가 레이저빔(114)의 반경(r)보다 작다. 이런 구성에서, 레이저빔(114)의 일정 부분은 토치의 중앙축선(111)을 향한 전극(130,230) 축열구(200)의 노출면 부분에 의해 흡수된다.

그 결과, 전극(130,230)이 가열되어 전자 방출이 늘어난다. 따라서, 레이저빔(114)에 의한 전극(130,230)의 가열 및 전류 양쪽으 결합 효과에 의해 전자가 방출된다. 플라즈마 기체는 본체(110)와 압축노즐(120) 사이에 형성된 공간을 통해펌핑되고, 이곳에서 플라즈마 기체가 이온화되어 플라즈마-아크를 형성한다. 레이저빔(114)은 그 축선방향을 따라 플라즈마-아크와 반응하여 복합 레이저-플라즈마 방전을 형성하고, 이 방전이 공작물(180)과 반응한다. 레이저빔(114)이 플라즈마-아크를 관통할 때, 레이저빔의 일부에 대한 광학적 흡수가 일어나, 레이저빔과 플라즈마-아크 둘다의 에너지 분산에 영향을 준다. 플라즈마가 레이저빔 에너지의 상당량을 흡수하려면, K(λ)L=1인 것이 바람직한데, 여기서 K(λ)는 파장 λ인 레이지빔의 플라즈마 기체의 흡수율이고, L은 플라즈마를 관통하는 레이저빔의 전파경로의 길이이다. 이를 위해, 전극(130,230)의 축열구(200)를 레이저빔(114)으로 가열하는 것이 중요하다.

주지하는 바와 같이, 비소모성 전극을 갖는 토치에 소정 아크가 존재하는 동안, 음극점이나 능동점과 같은 작은 고열점들이 음극의 단면에 존재한다. 용접전류는 이 고열점들을 통과한다. 용접전류는 음극 표면으로부터의 열적 전자방출을 위해 에너지를 공급한다. 용접전류를 유지하는데는 전자방출이 필요하다. 음극(130,230)의 전자방출면에 능동 용접성분이나 첨가제를 더 제공하는 것은 음극(130,230)의 효과적인 동작을 위해 상당히 중요한 것이다.

아크 전류만으로 음극을 가열할 경우, 고열점 중심의 온도는 3700°K 정도로 매우 높다. 고온으로 인해 음극면이 지나치게 증발되어 파괴된다. 레이저빔에 의한 다른 외부 음극의 가열은 가열점의 크기는 증가시키고 불균일한 가열은 감소시키며 음극점의 최고 온도는 감소시키는데, 이는 이 경우 방출된 전자가 저밀도로 필요하기 때문이다. 음극점의 최고 온도가 낮으면 음극의 수명이 상당히 증가한다.

또, 일함수가 매우 낮은 금속산화물, 예컨대 토륨, 란타늄, 지르코늄 등을 합성하면 텅스텐 등으로 만들어진 음극의 열이온 방출이 향상된다. 음극점에서 이들 합금이 존재하는 기간에 의해 음극의 수명이 결정된다. 금속산화물 원자의 공급원을 형성하는 주요 메커니즘은 음극의 대부분으로부터 음극점 부근의 음극표면까지 원자들을 확산시키는 것이다. 이런 확산 상수는 급속히 증가하는 온도의 함수로 알려져 있다. 표준 음극의 온도는 음극의 내부 체적 방향으로 급속히 감소하고, 그 결과 음극 체적중 적은 일부만에 금속산화물이 공급된다. 음극 스트랩(210)의 단부에 축열구(200)가 구비된 본 발명의 실시예에서는 음극 체적 방향으로 서서히 온도가 낮아지고, 금속산화물 원자들을 공급하는 음극 체적이 더 많이 남게 된다. 레이저빔으로 더 가열할 경우, 음극의 팁 부근에서 음극의 더 큰 체적의 온도가 높아져, 온도가 높은 더 큰 부피에 용접과정중에 더 많은 산화물이 공급되고, 그 결과 음극 수명이 연장된다.

헬륨 등의 불활성 분위기에서는 물론, 이산화탄소 등의 활성 기체 분위기에서는, 더 낮은 전압에 의한 아크 점화와 점화된 아크의 안정화를 달성하기가 상당히 어렵다. 이런 요소는, 레이저와 플라즈마-아크 기술들을 CO₂레이저, 자동 인가 또는 합금강 용접기간중에 함께 적용하는데 특히 중요하다. 아르곤이나 크세논 등의 불활성 기체류를 두개 또는 임의의 갯수의 전극들(130,230)의 각각의 음극팁에 별도로 적용하면 이런 문제점들을 극복하면서도, 아크의 대부분에 있는 기타 활성 기체들을 이용하는 것과 관련된 장점들을 유지할 수 있다. 이런 각각의 기체류는 각각의 별도의 전극 둘레의 공간에 튜브들을 배치하면 형성할 수 있다. 이 방법에는 교류전류의 이용도 포함한다.

펄스형 레이저빔을 이용하면, 레이저 방출의 펄스중에, 공작물(180) 표면에서 비교적 대량의 증발이 일어난다. 이 표면물질은 레이저 방출과 아크내에서의 열이온화에 의해 이온화된다. 이 경우, 금속이온들을 많은 것을 특징으로 하는 발생된 플라즈마는 레이저 에너지의 일부를 흡수한다. 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 경우에 의하면, 전기아크를 형성하는 메커니즘(140)은 소정 주파수와 기간의 아크전류 펄스, 일정한 위상으로 인가되는 잇따른 아크전류 펄스들을 생성하여, 종기장치(280)로 하여금 입력 레이저빔(114)의 펄스와 소정 주파수와 기간의 아크전류 펄스를 일치시킴으로써, 반복적인 레이저빔의 주기들을 반복적인 아크전류 펄스들의 주기들과 일치시키고, 각각의 레이저빔 펄스가 두개의 연속적인 아크전류 펄스들 사이의 일정한 위상동안 시작하여 두개의 연속적인 아크전류 펄스들의 그 다음 위상동안 끝나도록 한다. 이런 복합 레이저/플라즈마-아크 과정에 의하면, 공작물(180)에 작용하는 고출력 펄스형 레이저의 기능에 의해 생성되는 금속증기의 이온화율이 감소된다. 이런 과정중에, 금속증기 플룸에 의한 에너지 흡수가 감소된다.

Al, Mg 및 그 합금 등의 내열성 산화막을 이용한 용접융착금속들의 경우, 공작물 회로에 교류전류를 이용하면 산화막을 쉽게 제거할 수 있다. 하나의 전극을 이용하면 전극이 급속히 열화된다. 적당한 극성을 갖는 전류가 흐르는 두개 이상의 전극(130,230)을 이용하면 전극의 내구성과 수명이 향상된다. 두개의 전극(130,230)을 갖는 토치(100)의 전기아크를 형성하는 메커니즘(140)에서는 소정주파수로 교류 펄스 전류가 생성된다. 이 경우, 하나의 전극(음극)을 통해 직류 극성 전류가 흐르고 두번째 전극(양극)을 통해 반대 극성의 전류가 흘러, 각각 서로 연결되는 두개의 다이오드들(292,294)을 통해 이들 전극들이 메커니즘(140)에 의해 연결된다.

어떤 용접조건에서는, 에너지밀도가 높은 지점의 작용하에 공작물(180)상에 형성되는 용접조내에서 용융 금속파를 원형이나 선형으로 생성시킬 필요가 있다. 이 금속파는 용접조내의 용융 금속 표면상의 플라즈마 컬럼 압력을 변화시켜 형성된다. 이를 위해, 도 6에 도시한 바와 같이, 두개의 전극(130,230)을 특징으로 하는 토치로부터 전기아크를 형성하는 메커니즘(140)은 정류기(290)를 구비하고, 이 정류기(290)에 의해 전극들(130,230)을 메커니즘(140)에 연결하여 공지된 순서와 주파수를 갖는 교류전류 아크를 형성한다. 3개의 전극을 특징으로 하는 토치(100)로부터 전기아크를 형성하는 메커니즘(140)은 3개의 전극들을 메커니즘에 연결하여 소정 순서와 주파수의 교류 전류 아크를 형성하는 정류기(290)를 구비하는데, 여기서 각 전극은 정류기(290)의 완벽한 동작사이클 동안의 두개의 연속 구간중에 연결된다.

레이저빔(114)이 플라즈마와 반응하여 플라즈마에 흡수됨에 따라, 레이저빔 축선을 따라 플라즈마 온도와 전류밀도가 증가한다. 플라즈마내의 증가된 전류밀도와 관련된 전기장과 자기장의 결합의 결과로서 플라즈마-아크의 안정성이 부분적으로 증가된다. 이런 전기장때문에 플라즈마-아크의 동작전압은 감소된다.

레이저빔과 플라즈마 사이의 이와 같은 직접 반응 특성 이외에도,레이저빔(114)과 공작물(180) 사이에는 에너지밀도를 더 증가시켜 공작물 표면(180)에서의 결합효율을 증가시키는 간접반응도 있다. 공작물(180) 표면이 증발함에 따라 표면 플라즈마 제트가 형성된다. 표면 제트의 이온화 전위는 보통 사용되는 오리피스 및 차폐기체의 이온화 전위보다 낮다. 그 결과, 표면 플라즈마의 이온화 정도와 공작물(180)상의 레이저점 위에서의 플라즈마의 전기전도도가 증가한다. 이때문에, 전기아크로부터의 전류가 이 부분으로 흐른다. 이렇게 되면, 플라즈마-아크가 더 압축되고 이 아크가 공작물(180)에 투사되는 부분에서의 에너지밀도와 결합효율이 증가된다.

레이저빔(114)과 플라즈마-아크 사이의 이런 증가된 반응에서 생기는 주요 물리적 효과로는, (1) 플라즈마-아크를 압축하여 에너지밀도를 증가시키고, (2) 공작물(180)상의 열 영향지역인 가열점을 감소시키며, (3) 플라즈마 온도를 상승시키고, (4) 플라즈마-아크의 안정성이 증가하며, (5) 에너지소비가 절감된다. 전체적인 순효과는 공작물(180)상에 고에너지 밀도지점이 생성되어 레이저빔과 전기아크의 복합 에너지를 공작물(180)에 더 효율적으로 결합할 수 있다는 것이다. 레이저빔(114)의 에너지는 여러가지 인자에 의해 공작물(180)에 더 효율적으로 결합된다. 플라즈마-아크나 플라즈마-제트로 형성된 키홀은 레이저빔(114)에 대한 블랙면 복사체 기능을 하여, 공작물(180)에 대한 레이저빔(114) 에너지의 흡수를 증가시킨다. 레이저빔 에너지는 키홀을 형성하는데는 필요하지 않기 때문에 더 많은 비율로 공작물(180)에 작용할 수 있다. 또, 증가된 플라즈마 결합과 같은 정상적인 레이저용접과정에 비해 키홀을 유지하는데 유도금속이나 표면이나 플라즈마가 필요하지않기 때문에 더 효과적으로 결합된다.

마찬가지로, 플라즈마-아크 축선을 따라 레이저 유도 이온화가 발생하기 때문에 플라즈마-아크나 플라즈마-제트가 더 효과적으로 공작물(180)에 결합된다. 플라즈마-아크나 플라즈마-제트는 레이저빔(114)에 의해 가열되어 필요한 것보다 낮은 전압/전류에서 동작한다. 용접토치(100)에서, 본체(110)로부터 압축노즐(120)까지의 공간부를 둘러싸는 레이저 생성 이온화실은 전기저항이 낮고 전자밀도는 높은 영역을 플라즈마-아크에 제공한다. 이런 복합 레이저/플라즈마-아크 반응은 플라즈마-아크를 압축하고 안정시키는데 더 효과적이면서도, 전자밀도는 이를 달성하기에 충분할 정도로 비교적 적게 증가한다.

본 발명자들은 플라즈마의 온도와 전자밀도를 포함한 플라즈마 상태의 함수로서 플라즈마-아크나 플라즈마-제트에 대한 결합 레이저 에너지의 물리적 특성과 열전달 특성들을 연구했다. 이 연구에는 광학 고온계와 레이저 탐지빔 편향기술을 이용해 온도와 전자밀도 구배의 공간적 측정에 의한 플라즈마-아크 특성을 포함했다. 적절한 플라즈마-아크 조건들을 결정하여 전력은 낮추고 에너지 효율이 더 좋은 레이저원을 이용함으로써, 주어진 레이저원에 대한 공작물 표면에서의 에너지밀도를 증가시키는 방향으로 시험을 했다.

고체레이저나 기체레이저나 다이오드 레이저를 이용해 공작물에 대한 레이저-플라즈마 방전의 결합을 더 좋게 하려면, 플라즈마-아크 전력이 레이저 전력값에 비해 0.1-10배, 바람직하게는 0.25-5배, 더 바람직하게는 0.5-2배가 바람직하다고 결정되었다. 본 발명의 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치의 동작을 위해 설명된 조건하에서는, 용접장치로서 레이저만을 이용할 때 필요한 전력의 약 절반으로 고체레이저, 기체레이저 또는 다이오드 레이저로 동일한 용접작업을 실시할 수 있다.

본 발명의 복합 용접토치와 방법을 이용하는데 적용될 수 있는 용접작업의 다음 특징들과 변수들 역시 연구되었다: (1) 오리피스개스와 차폐개스의 레이저 전력, 전류, 전압, 혼합 및 유량의 함수로서 플라즈마-아크에서의 레이저빔의 밀도 및 광학적 흡수율; 및 (2) 레이저 전력의 함수로서 방전축에서의 플라즈마-아크 온도. 이들 연구의 결과, 플라즈마-아크의 특성과 관련한 레이저 전력이 증가된 원인은 주로 플라즈마의 흡수율의 변화때문이다. 또, 레이저 전력이 증가하면 플라즈마 온도가 증가해지만, 레이저 전력이 더 증가하면 복합 방전밀도가 감소되어 공작물 표면에서의 전력밀도가 감소하는 임계치가 있다.

이상 몇몇 실시예에 대해 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 많은 다른 변형례들이 자명할 것이다. 따라서, 첨부 청구의 범위내에 있는 모든 변형례들을 포함해야만 한다.

Claims

레이저 기술과 플라즈마-아크 기술을 결합하여, 공작물 표면에 높은 에너지 밀도를 효과적으로 생성할 수 있는 용접용 토치에 있어서:

⒜ 내부 공동, 광투과성 입출력 단부 및 중앙 축선을 구비한 본체;

⒝ 상기 본체의 입력단부를 통해 입력 레이저빔을 입력하기 위한 입력 레이저빔원;

⒞ 상기 중앙축선에 일치되게 입력 레이저빔을 조준하고, 상기 광투과성 출력단부에서 소정 빔 반경을 갖는 입력 레이저 빔을 상기 중앙축선에 일치되게 조준하기 위한 상기 본체내의 제1 메커니즘;

⒟ ⑴ 상기 중앙축선과 일치하는 구멍,

⑵ 전극을 설치하기 위한 하나 이상의 공동, 및

⑶ 출력단부를 포함하고, 상기 본체의 출력단부에 배치되는 전기절연 부시;

⒠ 상기 절연부시의 출력단부에 배치되고 기단부와 말단부를 구비하며, 상기 중앙축선에 직각인 단면판이 상기 말단부에 배치되어 있고, 상기 입력 레이저빔의 반경보다 큰 반경을 갖고 상기 중앙축선과 동축인 관통공을 포함하는 압축노즐;

⒡ 상기 절연부시의 공동내에 설치되고, 상기 압축노즐의 단면판에 부근에서 중앙축선에 교차하는 종축선을 가지며, 상기 종축선과 중앙축선은 상기 본체를 마주보고 예각을 형성하는 하나 이상의 전극;

⒢ 상기 압축노즐과 하나 이상의 전극 사이에서 토치 내부로 플라즈마 기체를 제공하기 위한 제2 메커니즘; 및

⒣ 상기 하나 이상의 전극과 공작물 사이에 전기아크를 형성하여, 상기 플라즈마기체를 압축노즐에서 분사하고 본체에서 나오는 레이저빔과 반응하는 플라즈마로 만들어 복합 플라즈마/레이저 방전을 형성하는 제3 메커니즘;을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서,

⒤ 상기 압축노즐을 둘러싸는 보호노즐; 및

⒥ 상기 보호노즐과 압축노즐 사이로 보호기체를 공급하기 위한 제4 메커니즘;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극은,

(ⅰ) 말단부와 기단부;

(ⅱ) 상기 말단부 가까이 배치된 축열구; 및

(ⅲ) 상기 기단부에 대한 열전달을 감소시키고, 상기 축열구와 기단부 사이에 배치되는 제4 메커니즘;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극에 대한 열전달을 감소시키는 상기 제4 메커니즘이 전극의 축열구와 기단부 사이에 배치된 스트랩을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극은 전극 말단부 둘레에 불활성 기체를 공급하여 전극 둘레에 보호기체 덮개를 형성함으로써 전극의 안정성과 수명을 증가시키기 위한 제4 메커니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극이 그 종축선을 따라 왕복이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 중앙축선과 전극 사이의 최단 거리가 중앙축선에 직각인 단면에서의 레이저빔의 반경보다 작고 상기 전극의 말단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 절연부시의 공동들내에 배치된 두개 이상의 전극들을 포함하고, 이들 전극의 종축선들은 상기 단면판 부근에서 상기 중앙축선과 교차하면서 원추의 모선상에 배치되며, 상기 원추는 그 정점이 상기 중앙축선상에 위치하고 밑변이 상기 본체를 마주보는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제7항에 있어서, 상기 중앙축선과 상기 두개 이상의 전극들 사이의 최단 거리가 상기 레이저빔의 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제8항에 있어서, 상기 두개 이상의 전극들이 모두 음극인 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제8항에 있어서, 상기 두개 이상의 전극들이 모두 양극인 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제8항에 있어서, 상기 두개의 전극둘중 하나는 음극이고 나머지 하나는 양극인 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 레이저빔을 조준하기 위한 상기 제1 메커니즘은 빔 포커싱 메커니즘을 구비한 광학시스템을 포함하고, 상기 광학시스템은 상기 본체의 입력단부에 배치되며, 상기 레이저빔은 토치 외부에 있으면서 상기 압축노즐의 단면판 뒤에 있는 하나 이상의 지점에 촛점이 맞추어지는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제13항에 있어서, 상기 광학시스템은 대물렌즈와 포커싱 반사경들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 광학요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 입력 레이저빔원은 고체레이저, 기체레이저 및 다이오드 레이저로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 레이저이고, 상기 적어도 하나의 레이저는 연속형이나 펄스형으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 방식으로 동작하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 압축노즐은 원추형 외면과 관통공을 갖고, 상기 관통공은 내측면과 단면적을 구비하며, 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 제4 메커니즘이 상기 압축노즐에 제공되는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제16항에 있어서, 상기 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 상기 제4 메커니즘은 상기 원추형 외면과 이 원추형 외면에서 떨어진 마주보는 원추면에 배치되는 홈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제16항에 있어서, 상기 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 상기 제4 메커니즘은 상기 원추형 외면과 이 원추형 외면에 바로 인접한 마주보는 원추면에 배치되는 홈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제16항에 있어서, 상기 홈들중 적어도 두개는 상기 압축노즐의 원추형 외면의 모선에 평행한 상기 원추형 외면상에 배열되고, 상기 홈들의 총 단면적이 압축노즐의 상기 관통공의 단면적과 동일한 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제17항에 있어서, 상기 마주보는 원추면이 보호노즐의 관통공 내측면이고, 상기 압축노즐의 상기 원추형 외면과 동축으로 그 원추형 외면에서 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제17항에 있어서, 상기 압축노즐과 보호노즐 사이의 간격부에 배치되고 내측면을 구비한 원추형 부시를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제21항에 있어서, 상기 원추형 부시의 내측면이 상기 압축노즐의 원추형 외면에 바로 인접해 있는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극과 공작물 사이에 전기아크를 형성하기 위한 상기 메커니즘은 아크전류의 펄스와 입력 레이저빔의 펄스를 동기화시키기 위한 동기장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 상기 전기아크를 형성하기 위한 상기 메커니즘이 상기 두개 이상의 전극들을 이 메커니즘에 연결하기 위한 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
제1항에 있어서, 두개의 전극들을 포함하고, 상기 전기아크를 형성하기 위한상기 제3 메커니즘은 두개의 다이오드들을 통해 상기 두개의 전극들과 연결되는 교류전류원을 포함하며, 이들 두개의 다이오드들중 첫번째 다이오드의 양극은 상기 두개의 전극들중 음극과 상기 두개의 다이오드들중 두번째 다이오드의 음극에 연결되고, 상기 두번째 다이오드의 음극은 두개의 전극들중 양극에 연결되는 것을 특징으로 하는 용접용 토치.
표면을 갖는 공작물상에 에너지 고밀도 지점을 형성하는 방법에 있어서:

⒜ 다음을 포함한 복합 레이저/플라즈마-아크 용접토치를 제공하는 단계:

(ⅰ) 내부 공동, 광투과성 입출력 단부 및 중앙 축선을 구비한 본체;

(ⅱ) 상기 본체의 입력단부를 통해 입력 레이저빔을 입력하기 위한 입력 레이저빔원;

(ⅲ) 상기 중앙축선에 일치되게 상기 입력레이저빔을 배향하고, 상기 광투과성 출력단부에서 소정 빔 반경을 갖는 입력 레이저 빔을 상기 중앙축선에 일치되게 조준하기 위한 상기 본체내의 제1 메커니즘;

(ⅳ) 하기 요소들을 포함하고, 상기 본체의 출력단부에 배치되는 전기절연 부시:

⑴ 상기 중앙축선과 일치하는 구멍,

⑵ 전극을 설치하기 위한 하나 이상의 공동, 및

⑶ 출력단부;

(ⅴ) 상기 절연부시의 출력단부에 배치되고 기단부와 말단부를 구비하며,상기 중앙축선에 직각인 단면판이 상기 말단부에 배치되어 있고, 상기 입력 레이저빔의 반경보다 큰 반경을 갖고 상기 중앙축선과 동축인 관통공을 포함하는 압축노즐;

(ⅵ) 상기 절연부시의 공동내에 설치되고, 상기 압축노즐의 상기 단면판 부근에서 중앙축선에 교차하는 종축선을 가지며, 상기 종축선과 중앙축선은 상기 본체를 마주본 상태에서 예각을 형성하는 하나 이상의 전극;

(ⅶ) 상기 압축노즐과 하나 이상의 전극 사이에서 토치 내부로 플라즈마 기체를 제공하기 위한 제2 메커니즘; 및

(ⅷ) 상기 하나 이상의 전극과 공작물 사이에 전기아크를 형성하여, 상기 플라즈마기체를 압축노즐에서 분사하고 본체에서 나오는 레이저빔과 반응하는 플라즈마로 만들어 복합 플라즈마/레이저 방전을 형성하는 제3 메커니즘;

⒝ 상기 본체의 중앙축선을 따라 상기 레이저빔을 배향하여 상기 하나 이상의 전극을 가열하고 본체 외부에 있는 촛점에 레이저빔을 집중시키는 단계; 및

⒞ 상기 본체와 공작물 사이에 압축된 플라즈마 제트를 형성하여 상기 레이저빔과 플라즈마 제트를 서로 반응시키고 더 압축된 플라즈마 제트를 형성하며, 이렇게 더 압축된 플라즈마제트는 공작물상에 투사되는 더 높은 에너지밀도를 가져 공작물상에 에너지 고밀도 지점을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 용접토치는

(ⅸ) 상기 압축노즐을 둘러싸는 보호노즐; 및

(ⅹ) 상기 보호노즐과 압축노즐 사이에 보호기체를 공급하기 위한 제4 메커니즘;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극의 말단부에 배치된 단면판에서 상기 레이저빔이 소정 빔 반경을 갖되 이 빔 반경이 상기 중앙축선과 전극의 최단 지점 사이의 반경보다 크게 되도록 레이저빔을 조준하여 전극을 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서, 플라즈마 흐름을 더 압축하고 안정시키기 위한 제4 메커니즘에 의해 발생된 보호기체 제트에 의해 상기 압축된 플라즈마 제트를 더 압축 및 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서, 두개의 전극을 갖는 용접토치용으로, 한쪽 전극은 음극이고 다른 전극은 양극으로서 모두 펄스 전류에 의해 작동되고, 상기 양극이 제로인 회로내의 공작물과 상기 음극 사이의 음 펄스 전류가 상기 전기아크에 의해 시동되고, 상기 음극이 제로인 회로내의 상기 공작물과 상기 양극 사이의 양 펄스전류가 상기 전기아크에 의해 시동되는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서, 전기아크를 형성하기 위한 상기 메커니즘은 소정 주파수와기간의 아크전류 펄스들을 생성하고, 상기 아크전류 펄스들을 적절한 위상으로 인가하여 동기장치에 의해 상기 아크전류 펄스들의 상기 소정 주파수와 기간들이 입력 레이저빔의 펄스들과 일치되어 레이저빔 펄스들의 반복주기가 아크전류 펄스들의 반복주기와 일치되도록 하며, 레이저빔 펄스들 각각은 두개의 연속적인 아크전류 펄스들 사이의 상기 적절한 위상동안 시작하고 두개의 연속적인 아크전류 펄스들의 두번째 위상동안 끝나도록 하는 방법.
제26항에 있어서, 두개의 전극을 갖는 용접토치용으로, 전기아크를 형성하기 위한 상기 메커니즘이 소정 주파수와 기간의 아크전류 펄스들을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
두개의 전극을 갖는 용접토치용으로, 전기아크를 형성하기 위한 상기 메커니즘이 정류기에 연결되고, 상기 정류기는 소정 주파수와 기간의 아크전류 펄스들을 생성하기 위한 제4 메커니즘과 상기 두개의 전극들을 연결하는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서, 세개의 전극을 갖는 용접토치용으로, 전기아크를 형성하는 상기 메커니즘이 정류기에 연결되고, 상기 정류기는 소정 순서와 주파수를 갖는 아크전류 펄스를 생성하기 위한 제4 메커니즘과 상기 세개의 전극을 연결하여, 각각의 전극이 상기 정류기의 1 동작 사이클중의 두개의 연속적인 간격들동안 연결되게하는 것을 특징으로 하는 방법.