KR20030024149A - 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템에 관한 것으로, 그 목적은 용접시 용접부재의 변형을 최소화하고, 커다란 부재의 턴 오버 공정에서 발생할 수 있는 위험요소들을 해소하며, 용접부재의 하부 비드와 상부 비드를 양호하게 형성할 수 있는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템을 제공함에 있다.

본 발명은 발진기(1)에서 형성된 레이저가 광파이버(3) 또는 반사광학계(8)를 통해 집속 광학계(5)로 전송되어 렌즈 및 포물면경에 의해 집광(6)되는 단계와, 용접부재(12)의 간극이 존재하거나 없는 부분의 한 면 또는 두 면에 조사하거나 개선가공 된 부분에 조사하여 하부비드(13)를 형성시키는 단계와, 아크 용접 토치(10)로부터 와이어를 용융시켜 개선부를 채워 상부비드(14)를 얻는 단계를 포함하는 것을 요지로 한다.

Description

레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접 시스템{Hybrid Welding System using Laser Welding and Arc Welding}

본 발명은 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템에 관한 것으로 더 상세하게는 용접시 용접부재의 변형을 최소화하고, 커다란 부재의 턴 오버 공정에서 발생할 수 있는 위험요소들을 해소할 수 있는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템을 제공함에 있다.

일반적으로 중공업분야에 사용되는 강판은 도 1 에 도시된 바와같이 용접 조인트 형상이 맞대기 이음(I-butt) 형태로 제작되고, SAW(Submerged Arc Welding) 용접 기법을 이용해 양면 용접을 한다. 그러나 기존의 용접기법은 입열량의 과다와 턴 오버(turn over) 공정으로 인한 부재의 변형으로 인해 용접 후 변형을 잡기 위한 교정에 많은 공수가 투입되는 등의 문제점이 있었다. 이에 레이저를 이용하면 저 입열 투입으로 변형문제와 턴 오버 공정을 없앨 수 있는 장점이 있는데, 레이저 용접시 발진기에서 형성된 빔은 전송광학계(미러, 광파이버)에 의해 전송되고 집속광학계에 의한 고 밀도 에너지로 키홀(Keyhole) 용접에 적합한 출력밀도를 형성하게 된다. 그러나 용접하려는 판의 두께가 증가할수록 더 높은 출력의 레이저 발진기가 필요하고 이에 따른 투자비의 증가 및 고출력 빔을 전송시켜야 하는 시스템의 구성과 조작상에 많은 어려움이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 결점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 용접시 용접부재의 변형을 최소화하고, 커다란 부재의 턴 오버 공정에서 발생할 수 있는 위험요소들을 해소하며, 용접부재의 하부 비드와 상부 비드를 양호하게 형성할 수 있는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 발진기(1)에서 형성된 레이저가 광파이버(3) 또는 반사광학계(8)를 통해 집속 광학계(5)로 전송되어 렌즈 및 포물면경에 의해 집광(6)되는 단계와, 용접부재(12)의 간극이 존재하거나 없는 부분의 형성된 한 면 또는 두 면에 조사하거나 개선가공 된 부분에 조사하여 하부비드(13)를 형성시키는 단계와, 아크 용접 토치(10)로부터 와이어를 용융시켜 개선부를 채워 상부비드(14)를 얻는 단계를 통해 레이저빔과 아크 용접 기법이 순차적으로 이루어진다.

도 1 은 일반적인 용접 조인트 형상

도 2 는 직렬 복합 용접을 위한 용접 조인트 형상

도 3 은 직렬 복합 용접 시스템의 개념도

도 4,5,6 은 본 발명의 다양한 실시 방법에 대한 개념도

도 7 은 본 발명의 복합용접기법 개념도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 레이저 발진기(CO₂, Nd:YAG, COIL 레이저)

2 : 레이저 제어기(controller) 3 : 광파이버(optical fiver)

4 : 레이저 용접 헤드 5 : 집속 광학계

6 : 집속된 레이저 7 : 출사구에서 나온 레이저빔

8 : 빔 반사경 9 : 아크 용접 전원(power source)

10 : 아크용접 토치 11 : 레이저 헤드, 아크토치고정지그

12 : 용접 부재 13 : 레이저빔에 의해 형성된 초층 용접부

14 : 아크용접에 의해 형성된 용접부

21 : 싱글빔 22 : 에지의 한쪽면

23 : 초층 용접부 24 : 이중빔

25 : 에지의 두면 26 : 루트부분

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 일반적인 용접 조인트 형상이고, 도 2 는 직렬 복합 용접을 위한 용접 조인트 형상이며, 도 3 은 직렬 복합 용접 시스템의 개념도이고, 도 4,5,6 은 본 발명의 다양한 실시 방법에 대한 개념도이며, 도 7 은 본 발명의 복합용접기법 개념도로서,

본 발명 레이저용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템은 개선부가 가공되지 않은 맞대기 이음 및 Y-형상으로 개선 가공된 용접 조인트에 대하여 양호한 상부, 하부 비드를 형성하도록 순차적으로 열원이 용접부에 전달되는 시스템을 구성한다.

본 발명은 도 2(a)에 도시된 바와 같이 부재간의 간극이 발생한 경우 부재의 중심부에 집속빔을 조사하게 되면 빔이 간극 사이로 빠져 양호한 용접부를 얻을 수 없기 때문에 도 4 와 같이 단일초점 광학계를 이용하여 초점위치를 부재의 한쪽 면에 맞추어 용융시켜 하부비드를 형성시키는 것과 도 5처럼 이중초점 광학계를 이용하여 간극만큼 초점위치를 떨어뜨려 상부 에지(edge) 두 면을 용융시켜 하부비드를 형성시키고, 또한 간극이 없는 경우에도 빔을 한 곳에 중첩시켜 하부비드를 형성시키며, 도 6 은 저출력의 레이저로 루트(root) 부분의 용접이 가능하도록 루트부분을 남겨 놓고 개선(5~80도)가공하여 용접하는 것으로 전체적인 개념은 도 7 과 같이 레이저빔과 아크용접 기법을 순차적으로 이용하여 초층은 레이저로 양호한 비드를 형성시키고 간극으로 함몰된 부분이나 개선부는 아크용접 기법을 이용하여 상부비드를 형성시키는 시스템이다.

도 3 은 본 발명의 시스템 주요 부분을 구성한 구성도로서, 발진기에서 형성된 빔중 Nd:YAG 레이저나 COIL 레이저는 광파이버(3)로 전송되고 CO₂레이저는 미러등의 반사광학계(8)에 의해 전송되며 렌즈(5) 및 포물면경에 의해 집광(6)되고 마지막으로 용접부재(12)의 간극이 존재하거나 없는 부분의 형성된 한 면 또는 두 면에 조사하거나 개선가공 된 부분에 조사하여 하부비드(13)를 형성시킨다. 이어 아크 용접 토치로부터 와이어를 용융시켜 개선부를 채워주는 공정이 끝나면 양호한 상부 용접부(14)를 얻을 수 있게 된다. 용접하려는 부재의 크기가 상대적으로 큰 경우에는 레이저빔 또는 아크 용접용 헤드를 갠트리(gantry)에 부착해 이송하는 방법이 적당하고 필요에 따라서는 소부재인 경우 용접부재가 이송되는 방법이 사용될 수 있다.

도 4 는 용접하려는 부재간의 간극이 존재하는 경우 싱글빔(single beam) (21)을 이용하여 에지의 한 쪽면(22)을 용융시켜 하부비드를 포함한 초층 용접부(23)를 만드는 방법이다.

도 5 는 도 4와 유사한 방법으로 이중빔(twin beam)(24)을 이용하여 간극이 발생한 에지의 두 면(25)을 용융시켜 하부비드를 포함한 초층 용접부(23)를 만들며 간극이 없는 경우에는 광학계를 조절하여 이중빔을 한곳에 집속시켜 중첩효과에 의한 용접의 효율을 높이는 방법이다.

도 6 은 용접하려는 강재의 두께가 증가되면 레이저의 고출력화가 필요하므로 저출력의 레이저로도 맞대기 용접이 가능하도록 약간의 루트부분(26)을 남기고Y-개선 가공을 통해 개선형상을 만든 후 루트부분을 레이저로 용접하여 하부비드를 만드는 방법이다.

도 7 은 본 발명의 복합 용접 헤드의 기능을 상세히 나타낸 구성도로서, 우선 집속된 빔(6)이 조인트의 이음부와 맞닿은 부분 및 개선형상의 루트 부분을 충분히 용융시켜 하부비드를 포함한 초층 용접부(13)를 형성한다. 이후 복합 용접 헤드의 아크용접 토치(10)가 레이저빔에 의해 형성된 용융 풀(molten pool)의 열이 외부로 방출되기 전 아크 입열을 가함으로 입열의 중첩효과에 의해 양호한 용입을 얻을 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템은 레이저 용접을 통해 하부 비드를 양호하게 얻을 수 있고 뒤따르는 아크용접으로 상부 비드도 양호하게 형성할 수 있다. 그리고 이를 통해 저입열 기법인 레이저 용접의 장점을 살려 용접부재의 변형최소화 측면과 커다란 부재의 턴 오버 공정에서 발생하는 위험요소들을 해결할 수 있다. 또한 본 고안을 통한 시스템이 중공업 등 다양한 분야에 적용된다면 생산성 향상 효과를 기대할 수 있어 산업발전에이바지할 수 있는 유용한 발명이다.

Claims (3)

1. 레이저용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접 시스템에 있어서,

   발진기(1)에서 형성된 레이저가 광파이버(3) 또는 반사광학계(8)를 통해 집속 광학계(5)로 전송되어 렌즈 및 포물면경에 의해 집광(6)되는 단계와, 용접부재(12)의 간극이 존재하거나 없는 부분의 형성된 한 면 또는 두 면에 조사하거나 개선가공 된 부분에 조사하여 하부비드(13)를 형성시키는 단계와, 아크 용접 토치(10)로부터 와이어를 용융시켜 개선부를 채워 상부비드(14)를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 하부비드를 형성시키는 단계는 맞대기 간극의 유무와 Y-개선 가공을 통한 용접조건에 따라 싱글빔(21)을 에지의 한쪽면(22)에 조사하여 용융시키거나 이중빔(24)을 두 부재의 간극만큼 떨어뜨려 에지의 두 면(25)에 조사하여 용융시켜 하부비드를 형성하는 단계와, 한곳에 빔을 집속하여 중첩된 빔으로 하부비드를 형성하는 단계와, 루트부분을 싱글빔(21) 또는 이중빔(24)으로 용접하여 하부비드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부비드를 형성시키는 단계는 맞대기 용접 및 Y-개선 용접 조인트에서 하부비드를 포함한 초층은 레이저로 형성한 후에 아크 토치를 사용하여 상면비드를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접과 아크 용접을 이용한 복합 용접시스템.