KR20050065208A - 전자빔 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자의 운동 에너지를 열 에너지로 변환시켜 이를 열원으로 용접 가공물을 접합시키는 전자빔 용접방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용접방법은, 서로 용접하고자 하는 용접 가공물들의 사이에 알루미늄-실리콘계 합금을 개재(介在)시키는 단계와; 상기 알루미늄-실리콘계 합금에 상기 전자빔을 집중시켜 용융시키는 단계; 및 상기 용융된 알루미늄-실리콘계 합금을 인접한 상기 용접 가공물의 일부와 희석시켜 상기 용접 가공물들을 접합하는 단계를 포함한다. 상기 알루미늄-실리콘계 합금은 박판 형태로 이루어져 용접 가공물들 사이에 개재되거나, 와이어 형태로 이루어져 용접 가공물들 사이로 송급된다.

Description

전자빔 용접방법{ELECTRON BEAM WELDING METHOD}

본 발명은 전자의 운동 에너지를 열 에너지로 변환시켜 이를 열원으로 용접 가공물을 접합시키는 전자빔 용접방법에 관한 것이다.

고밀도로 집속되고 가속된 전자빔(Electron Beam)을 진공 분위기 속에서 용접물에 고속도로 조사시키면, 광속의 약 2/3 속도로 이동한 전자는 용접물에 충돌하여 전자의 운동 에너지를 열 에너지로 변환시키며, 국부적으로 고열을 발생시킨다. 이 때 생긴 고에너지를 열원으로 이용하여 용접면을 가열하고 용융시켜 용접물을 접합시키는 것이 전자빔 용접의 원리이다.

일반적으로 알루미늄 및 그 합금을 전자빔 용접 시 용접하는 작업은 소재의 중간에 태그(Tag)용접을 하거나 도 8에 도시한 바와 같이, 용접 가공물(10, 20)의 갭(gap)을 최소화하여 서로 맞닿는 부위를 전자빔 용접하여 접합하였다.

즉, 알루미늄 및 그 합금을 전자빔 용접할 수 있도록 용접부 갭(gap)을 최소화하여 가공 조립하거나 열박음 등을 실시하여 용접부 갭(gap)이 발생하지 않도록하는 별도의 공정을 적용하여 서로 맞닿는 부위를 용접하여 연결하였다.

그러나, 이러한 종래의 방법들은 알루미늄 및 그 합금의 열팽창 수축량을 거시적으로 방지할 수는 있지만 국부적인 변형을 방지할 수는 없기 때문에 판두께가 얇은 박판으로 갈수록 용접변형을 방지하지 못하는 문제점을 안고 있었다.

그리고 알루미늄의 합금 조성에 따라 균열이 발생하기 쉬운 합금계의 경우 일반적인 전자빔 용접법으로는 균열을 근본적으로 방지할 수 없을 뿐만 아니라 열팽창 수축량이 큰 원형 용접의 경우 자구속에 의하여 수축응력이 크게 발생한다. 따라서 입열량 등 용접공정 변수를 제어한다고 해도 균열 등의 발생을 억제하는데 한계가 있어 용접부 건전성을 확보하기 어려운 결과를 초래하게 된다.

이러한 종래의 대표적인 예를 도 9a 및 도 9b에 나타내었는데, 도 9a는 용접부 단면사진이고, 도 9b는 용접부 표면사진이다.

도 9a를 참조하면 용접 가공물(20)에 용접금속부(41)가 형성된 모습을 볼 수 있으며, 용입이 낮은 저입열 조건임에도 구속응력이 매우 크기 때문에 균열(43)이 발생한다는 문제점을 가지고 있음을 잘 보여주고 있다. 도 9b를 참조하면 용접부의 표면비드(45)도 매우 거친 것을 볼 수 있다.

따라서 상기 용접 가공물(20)과 같은 소재의 경우 증기압이 큰 원소가 함유된 성분계나 균열이 발생하기 쉬운 조성에서는 근본적으로 성분계를 개선시켜주지 않는 한 아킹 등에 의한 결함발생이 용접부 신뢰성 저하에 치명적인 영향을 미치게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 열팽창계수가 큰 알루미늄 및 알루미늄 합금소재의 용접 시 용접선을 따라 삽입금속 혹은 와이어을 적용함으로써 항상 일정한 용접부 및 표면비드를 확보할 수 있고, 전자빔 용접 시 발생하는 아킹을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 용접금속의 성분제어 및 조직개량을 통하여 전자빔 용접성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 및 알루미늄 합금의 전자빔 용접방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용접방법은, 서로 용접하고자 하는 용접 가공물들의 사이에 알루미늄-실리콘계 합금을 개재(介在)시키는 단계와; 상기 알루미늄-실리콘계 합금에 상기 전자빔을 집중시켜 용융시키는 단계; 및 상기 용융된 알루미늄-실리콘계 합금을 인접한 상기 용접 가공물의 일부와 희석시켜 상기 용접 가공물들을 접합하는 단계를 포함한다.

상기 알루미늄-실리콘계 합금은 박판 형태로 이루어져 용접 가공물들 사이에 개재되거나, 와이어 형태로 이루어져 용접 가공물들 사이로 송급된다. 이 때, 와이어는 직경이 0.2㎜ 내지 1.6㎜의 범위에 속하는 것이 바람직하다.

용접 가공물로는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 그 대상이 될 수 있다.

상기 용융된 알루미늄-실리콘계 합금과 상기 용접 가공물은 희석률이 2 내지 20% 의 범위에 속하도록 접합되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 용접방법을 설명하기 위하여 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자빔 용접방법을 설명하기 위하여 도시한 사시도이다.

알루미늄 또는 알루미늄 합금을 전자빔 용접방법으로 용접하기 위하여, 먼저 서로 용접하고자 하는 용접 가공물들(10, 20)의 사이에 알루미늄-실리콘계 합금(15, 30)을 개재(介在)시킨다. 전자빔 용접 시 알루미늄-실리콘계 합금(15, 30)을 개재시켜 용접함으로써, 특히 열팽창 계수가 큰 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 원주(圓周) 용접 시 발생되는 균열을 억제할 수 있으며, 아연, 마그네슘 등과 같은 증기압이 낮은 원소를 함유하지 않아 아킹에 대한 안정성이 매우 높기 때문에 용접생산성을 극대화 할 수 있다.

알루미늄-실리콘계 합금을 개재시키는 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 박판(15)의 형태로 개재시키거나, 도 2에서 보는 바와 같이, 와이어(30)의 형태로 개재시킬 수 있다.

알루미늄-실리콘계 합금 와이어(30)를 개재시킬 때에는 용접속도에 따라 상기 와이어(30)를 동기화시켜 용접하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 용접작업성을 향상시킬 수 있고, 용접불량을 예방할 수도 있다.

알루미늄-실리콘계 합금 와이어(30)를 송급하기 위하여 와이어 송급장치(34)를 구비할 수 있으며, 이 와이어 송급장치(34)에는 와이어 스풀(32)이 또한 구비되어 용접속도에 따라 필요한 와이어(30)의 송급에 무리가 따르지 않도록 한다.

상기 와이어 송급장치(34)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 와이어 송급롤러(35a, 35b)가 더욱 구비되어 와이어(30)의 송급이 용접속도에 동기화될 수 있도록 속도제어 모터(36)로 제어됨으로써 항상 균일한 표면비드를 형성할 수 있고, 또한 와이어(30)를 안내 및 이동시키는 와이어 노즐(37)이 끝단부에 구비됨으로써 와이어(30)와 기계적인 공차를 유지하면서 와이어(30)가 원활하게 공급되도록 한다. 나아가 와이어(30)의 직경이 작고 강도가 낮기 때문에 송급롤러를 전단부 송급롤러(35a)와 후단부 송급롤러(35b)로 구분하여 밀고 당길 수 있도록 설치하고, 그 사이에 장력제어부(38)를 설치하여 전·후단부 송급롤러(35a, 35b)의 장력을 제어할 수 있게 함으로써 와이어(30)가 직선상으로 송급되도록 할 수 있다.

한편, 알루미늄-실리콘계 합금 와이어(30)의 직경은 0.2 내지 1.6㎜ 의 범위에 속하는 것으로 사용하는 것이 바람직하다. 와이어(30)의 직경이 0.2㎜ 미만일 경우, 용접 시 고밀도의 전자빔에 의하여 순식간에 용융되어 말려 올라가기 때문에 불규칙한 용접비드가 형성되기 쉽고 용접부 조성의 개선효과도 없다. 그리고 와이어(30)의 직경이 1.6㎜ 초과일 경우에는 빔 크기가 작은 고밀도의 전자빔으로 용융시키기 곤란하기 때문에 험핑 비드(humping bead) 등의 발생으로 비드 외관이 나쁠 뿐만 아니라 충분한 용융이 일어나지 않아 희석에 의한 용접부의 성분 개선을 기대하기 어렵다.

이상과 같이 용접 가공물들 사이에 개재된 알루미늄-실리콘계 합금에 전자빔(E)을 집중시켜 이를 용융시킨다. 박판 형태의 알루미늄-실리콘계 합금은 미리 용접선을 따라 개재시켜 놓은 다음 순차적으로 전자빔을 이동시켜 조사하고, 와이어 형태의 알루미늄-실리콘계 합금은, 상기 설명한 바와 같이, 용접속도에 동기화된 공급속도로 용접선을 따라 와이어를 공급하면서 전자빔을 조사한다.

전자빔의 집중으로 용융된 알루미늄-실리콘계 합금은 인접한 용접 가공물(10, 20)의 일부와 희석되면서 이들 용접 가공물들(10, 20)을 접합한다.

알루미늄-실리콘계 합금과 용접 가공물(10, 20)간의 용접부에서 희석률은 2 내지 20%의 범위에 속하도록 하는 것이 바람직하다. 도 4를 참조하면, 희석률은 단면적을 기준으로 용접부(17)의 용융된 전체 면적(B)에 대한 삽입금속의 면적(A)의 비(比)(A/B)로 정의될 수 있으며, 이 때 희석률이 2% 미만일 경우에는 용접부의 성분개선 효과가 없고, 20% 초과일 경우에는 강도가 낮아지는 문제점이 있다. 도 5를 참조하면, 희석률이 2% 미만일 경우 균열률이 높아지는 것을 볼 수 있고, 도 6을 참조하면, 희석률이 20% 초과일 경우 인장강도가 대략 20㎏/㎟ 아래로 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 용접특성에 영향을 주는 희석률은 용융지(용융되는 면적)와 위와 같은 관계가 있고 용융지는 용접비드의 폭에 대략 비례하므로 용접비드의 폭을 제어함으로써 희석률과 관련된 전자빔 용접조건을 제어할 수 있게 된다.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용접방법에 따라 용접한 용접부 단면사진이고, 도 7b는 용접부 표면사진이다.

도 7a를 참조하면, 용접부(17) 단면이 균열 발생없이 충분한 용입이 이루어지고 있음을 확인할 수 있고, 도 7b를 참조하면 거칠지 않고 아주 미려한 비드(18) 외관을 보이고 있는 것을 알 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전자빔 용접방법에 의하면, 용접 시 알루미늄-실리콘계 삽입금속이나 와이어를 사용함으로써, 용접부의 합금조성을 개선하여 건전한 조직을 유도하고 균열발생을 억제할 뿐만 아니라 아킹(arcing)을 최소화하여 용접작업성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 용접방법을 설명하기 위하여 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자빔 용접방법을 설명하기 위하여 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자빔 용접방법에서 적용되는 용접 와이어 송급수단을 개략적으로 도시한 모식도이다.

도 4는 희석률을 설명하기 위하여 도시한 용접부 개념도이다.

도 5는 용접부의 희석률에 대한 균열률의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 6은 용접부의 희석률에 대한 인장강도의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용접방법에 따라 용접한 용접부 단면사진이다.

도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 용접방법에 따라 용접한 용접부 표면사진이다.

도 8은 종래의 전자빔 용접방법을 설명하기 위하여 도시한 사시도이다.

도 9a는 종래의 전자빔 용접방법에 따라 용접한 용접부 단면사진이다.

도 9b는 종래의 전자빔 용접방법에 따라 용접한 용접부 표면사진이다.

Claims (6)

1. 전자빔을 한 점에 집중시켜 얻은 고밀도의 에너지를 이용하여 재료를 용융시킴으로써 용접하는 전자빔 용접방법에 있어서,

   서로 용접하고자 하는 용접 가공물들의 사이에 알루미늄-실리콘계 합금을 개재(介在)시키는 단계;

   상기 알루미늄-실리콘계 합금에 상기 전자빔을 집중시켜 용융시키는 단계; 및

   상기 용융된 알루미늄-실리콘계 합금을 인접한 상기 용접 가공물의 일부와 희석시켜 상기 용접 가공물들을 접합하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 용접방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 알루미늄-실리콘계 합금은 박판 형태로 이루어져 용접 가공물들 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 전자빔 용접방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 알루미늄-실리콘계 합금은 와이어 형태로 이루어져 용접 가공물들 사이로 송급되는 것을 특징으로 하는 전자빔 용접방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 와이어는 직경이 0.2㎜ 내지 1.6㎜의 범위에 속하는 것이 개재되는 것을 특징으로 하는 전자빔 용접방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 용접 가공물은 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 전자빔 용접방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 용융된 알루미늄-실리콘계 합금과 상기 용접 가공물간의 용접부는 희석률이 2 내지 20% 의 범위에 속하도록 접합되는 것을 특징으로 하는 전자빔 용접방법.