KR20050065728A

KR20050065728A - 박판소재의 정밀용접방법

Info

Publication number: KR20050065728A
Application number: KR1020030095838A
Authority: KR
Inventors: 김기철
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2005-06-30

Abstract

본 발명은 박판소재를 겹치기 또는 모서리 용접함에 있어, 박판소재를 고정하기 위한 클램프를 이용한 강제냉각을 통하여 그 열원의 용접 열에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록 하여 품질 신뢰도를 높일 수 있도록 하는 박판소재의 정밀용접방법을 제공하며, 동시에, 박판소재를 겹치기 용접함에 있어, 그 열원이 레이저로 이루어지는 레이저 용접시 박판소재의 용접과 동시에, 그 용접부 후방에 2차 가열을 통하여 용접 균열발생을 억제할 수 있도록 하여 품질 신뢰도를 높일 수 있도록 하는 박판소재의 정밀용접방법을 제공하는 것이다.

Description

박판소재의 정밀용접방법{Precision Welding Method of Sheet Metal}

본 발명은 박판소재의 정밀용접방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 소재의 두께가 0.4mm ~ 0.8mm의 스테인리스 강재의 박판소재를 아크 용접 혹은 레이저 용접 시, 용접 열에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록 하여 저압 반응용기, 연료전지용 반응판 등의 제조시, 그 기밀성을 유지하면서 반응유체의 흐름을 원활하게 유도할 수 있도록 하는 박판 소재의 정밀용접방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반응장치 등은 그 효율을 높이기 위하여 높은 온도의 부식성 분위기에서 대기압 보다 높은 압력으로 작동하도록 설계되어 있으며, 각각의 단위 반응판은 박판 스테인리스 소재를 이용하여 성형공정을 거친 후, 용접과정을 통하여 제작되며, 여러 개의 반응판 또는 박판 저압용기를 적층하여 하나의 기능을 갖도록 조립되는 방법을 사용하고 있다.

이러한 반응장치는 단위 무게 당 반응면적을 크게 하여야 화학반응에 의해 얻어지는 효율이 증가하기 때문에 하나의 반응판은 가능하면 가벼우면서 넓게 형성되어야 하나, 취급시의 중량 감소와 밀폐 정밀도 보증의 제한점 때문에 반응판 또는 박판 저압용기의 크기를 무한정 크게 할 수는 없다.

따라서 소정의 크기로 설계된 박판의 강재는 용접을 실시하여 반응물질의 이동통로를 만들어야 하며, 이 통로에 반응물질을 유도하여 화학반응을 일으키도록 해야하는데, 이 때, 접합부를 통한 반응물질의 누설은 연료전지 효율은 물론 자체의 안전성에 큰 영향을 미치게 되므로 매우 신뢰도가 높은 용접기술이 적용되어야 한다.

이와 같이, 전지용 반응판 또는 박판의 저압용기의 접합을 위한 종래의 용접기술은 아크 용접방법을 사용하고 있다. 통상의 아크 용접방법을 적용할 경우에는 설비 가격이 저렴하고 용접에 소요되는 기술적 난이도가 비교적 낮기 때문에 어느 정도의 용접 기능만을 보유하면 용접이 가능하다는 장점은 있으나, 고효율 방응장치와 같은 경우에는 매우 정밀하게 용접이 이루어져야 하고, 용접부의 품질에 대한 신뢰도 또한 극히 높은 수준이 요구되므로 종래의 아크 용접방법을 그대로 적용하는 것은 한계가 있다.

즉, 아크 용접방법은 용융위치에서 에너지 밀도가 10³W/cm²정도이며, 아크 기둥의 직경도 용접위치에서 2mm내지 3mm 또는 그 이상이기 때문에 용접공정에서 넓은 면적을 가열할 수밖에 없다. 그 결과 용접될 소재에는 실제로 용접에 필요한 최소 부위만을 가열 및 용융시킬 수 없으며, 용융에 직접 활용되지 않은 잉여 열에 의해 판재의 주변이 가열되기 때문에 이러한 잉여 열에 의한 판재의 변형이 필연적으로 일어나게 된다는 단점이 있다.

상기와 같은 박판소재의 용접변형은 박판으로 제조되는 반응용기의 반응판 또는 박판의 저압용기의 조립 시, 밀폐도를 크게 떨어뜨리는 결과를 초래하여 효율과 안전도에 심각한 영향을 주게 된다. 따라서 아크 용접방법을 적용할 경우 열변형을 최소화할 수 있는 용접방법의 도입이 가장 중요한 과제인 것이다.

한편, 전자빔 용접방법은 고밀도 에너지로서 아크 용접과 같은 문제는 크게 경감시키지만 진공에서 용접이 이루어져야 하기 때문에 반응판의 크기 제약과 진공을 만드는데 필요한 시간적 손실이 있어서 생산성을 저해하고 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.

그리고 레이저 용접방법의 경우에는 전자빔 용접방법과 같이 고밀도 에너지를 사용하며 높은 용접속도와 생산성을 나타낼 수 있으며, 대기 중에서도 용접이 가능하기 때문에 박판소재를 이용하는 용기의 제조분야에서 활용이 증가하고 있는 추세이다. 그러나 전자빔 용접방법과 레이저 용접방법은 높은 에너지 밀도의 열원을 사용하기 때문에 많은 장점이 있음에도 불구하고 용접부의 균열형성 등, 용접결함이 자주 발생하는 것이 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다.

상기 레이저 용접방법에 관한 공지기술로서, 일본국 특개평11-97039는 접합에 사용된 레이저 용접법에 관한 것으로, 용접변형을 줄이기 위하여 매우 복잡한 모양의 전지판에 대하여 용접을 실시하는데, 용접변형을 고려하지 않고 단순히 용접선의 길이를 최소화하도록 하는 반응판의 형태설계를 적용하여 실용성이 희박한 문제점이 있다.

또한, 일본국 특개평8-255616에서는 성형판의 모서리 용접을 실시함에 있어서 아크, 전자빔 및 레이저 열원을 이용하는 것으로 제안되어 있으나, 반응판의 설계 측면과 반응물질의 통로가 되는 구멍의 요구사항을 기초로 하여 볼 때, 모서리 용접을 실제로 실시하는 것이 사실상 불가능하며 용접변형에 대한 대응책도 전혀 고려되어 있지 않은 문제점이 있다.

도 1은 종래 박판소재의 겹치기 또는 모서리 용접에서 발생하는 용접변형을 설명하기 위한 도면으로써, 반응판 또는 저압용기에서 사용되는 박판의 스테인리스 강재(100)를 통상의 클램프와 레이저 용접방법을 이용하여 겹치기 용접부(101),(102)를 형성시켰을 경우, 용접변형을 나타낸 것이다.

즉, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 박판재(100)의 겹치기 용접에서 용접선(102)을 중심으로 그 양쪽에서는 쳐짐 방향으로 변형이 발생하며, 길이 방향으로는 중앙부(103)가 낮아지는 형상으로 용접 변형이 나타난다.

도 2는 도 1에서의 용접선을 기준으로 수직방향의 변형량(x)을 측정한 결과를 바탕으로 작성한 선도로써, 용접 시작점(P1)으로부터 용접 종료점(P2)으로 가면서 거리에 따라 변형량(x)이 감소하다가 다시 증가하는 모양을 나타내고 있다.

또한, 도 3은 도 1에서의 용접선을 기준으로 수평방향의 변형량(y)을 측정한 결과를 바탕으로 작성한 선도로써, 용접 시작점(P1)에서는 변형이 없으나, 용접이 진행됨에 따라 변형량(y)이 증가하다가 용접 종료점(P2)에 이르면 다시 변형량(y)은 감소한다. 즉, 상기와 같이, 용접 후, 변형량(x 및 y)은 용접비드의 중심을 기준으로 하였을 경우, 종방향으로의 변형은 용접부에서 멀어질수록 처지는 모양으로 발생하였고, 횡방향으로의 변형은 용접선 길이의 중앙을 기준으로 하였을 경우, 양 끝 부분에서 상부로 휘어지는 형상의 변형을 확인할 수 있다.

도 4는 종래 스테인리스 강재의 용접에서 용접부 균열발생에 관한 기존의 강종에 따른 그룹별 분포도로써, 여기서 가로축은 스테인리스 강재의 주요 합금 성분들을 당량값으로 표시한 것이며, Cr당량과 Ni당량은 각각 다음과 같은 수학식1로 나타난다.

즉, 세로축은 용접균열 발생에 큰 영향을 미치는 불순물들인 P, S 및 B의 함유량(%)으로 표시하였으며, 공정1은 아크 용접방법이고, 공정2는 레이저 용접방법이며, R1영역은 용접균열에 대하여 위험한 영역을 나타내고, R2영역는 용접균열이 발생하지 않는 안전영역에 해당한다.

이와 같이, 여러 가지 강종에 따른 그룹에 대하여 측정된 용접균열 감수성 결과에 따르면 아크 용접에서는 모든 강종 그룹에서 용접균열 발생에 대하여 안전한 것으로 나타나 있으나, 레이저 용접방법을 적용할 경우에는 강종 그룹C가 가장 안전하고, 강종 그룹B는 중간 계면에 위치하지만 강종 그룹A와 강종 그룹D는 용접균열에 대하여 안전하지 않음을 알 수 있다.

그러나 실제로 사용될 박판소재는 강종 그룹D에 해당하는 스테인리스 강재이며, 그러한 배경에는 용접균열에 대한 안전성 이외에도 내식성, 성형 가공성, 절단 가공성도 소정의 수준 이상으로 확보되어야 하지만 원가에 대한 경제성이 가장 중요한 재료선택의 요구조건이 된다.

참고로, 박판소재를 이용하여 성형 후, 용접을 통하여 반응판 또는 저압용기를 제작할 경우에 용접선의 형상은 원형 또는 4각형이며, 이음부의 모양은 겹치기 또는 모서리 용접으로 이루어진다.

도 5는 원형의 용접선(105) 형태를 나타낸 도면이며, 도 6은 4각형의 용접선(105) 형태를 나타낸 도면이다.

도 5와 도 6에서와 같은 용접 이음은 용기를 만드는 기본 이음 형태이며, 이러한 용접에서는 용접이 시작된 부분에서 반드시 용접이 종료된다는 것이 특징이며, 용접 개시점 및 용접 종료점에서는 기공결함, 용접균열 등, 여러 가지 용접결함들이 형성되는 영역이기 때문에 입력되는 용접전력 또는 입열 에너지를 적절하게 제어하여 결함 발생량을 저감시키는 기술을 이용하고 있으며, 이 구간을 용접부 기울기 제어영역(104)으로 정의하고 있다.

상기한 바와 같이, 어떠한 방법을 동원하여서라도 박판소재의 경우, 그 용접공정에서 용접 열에 의한 열변형의 최소화와 용접균열에 대한 안전성을 확보하는 것이 핵심문제로 대두되었고, 본 발명에서는 이러한 점의 해결을 목표로 하여 발명된 것이다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로써, 그 목적은 박판소재를 겹치기 또는 모서리 용접함에 있어, 박판소재를 고정하기 위한 클램프를 이용한 강제냉각을 통하여 그 열원의 용접 열에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록 하여 품질 신뢰도를 높일 수 있도록 하는 박판소재의 정밀용접방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 박판소재를 겹치기 용접함에 있어, 그 열원이 레이저로 이루어지는 레이저 용접시 박판소재의 용접과 동시에, 그 용접부 후방에 2차 가열을 통하여 용접 균열발생을 억제할 수 있도록 하여 품질 신뢰도를 높일 수 있도록 하는 박판소재의 정밀용접방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 박판소재의 정밀용접방법은;

저압 반응판 등의 제작을 위한 박판 스테인리스 성형 강재와 같은 박판소재를 겹치기 또는 모서리 용접함에 있어,

그 열원의 용접 열에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록, 용접 시, 박판소재에 형성되는 용접비드와 상기 박판소재를 고정하는 클램프 간에 설정거리를 유지시키며, 상기 클램프의 내부에는 냉각수라인을 형성하여 클램프를 통하여 박판소재의 강제냉각과 동시에, 용접에 직접 사용되지 않는 잉여 열에너지를 차단하여 상기 용접 열이 박판소재 전체로 전파되는 것을 방지하도록 하여 상기 박판소재의 겹치기 또는 모서리 용접을 진행하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 용접비드와 클램프 간의 설정거리는 상기 용접비드 폭의 최대 2배 이내로 설정되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

단, 용접부와 용접비드는 그 생성위치가 동일한 바, 도면부호를 '102'로 하여 공통으로 사용한다.

본 발명의 실시예에 따른 박판소재의 정밀용접방법은 크게 그 열원으로 아크를 적용하는 아크 용접과, 그 열원으로 레이저를 적용하는 레이저 용접으로 나누어진다.

그리고 본 발명의 박판소재의 정밀용접방법은 각 열원의 용접 열에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록, 용접 시, 박판소재에 형성되는 용접비드와 상기 박판소재를 고정하는 클램프 간에 설정거리를 유지시킨 상태로, 상기 클램프의 내부에는 냉각수라인을 형성하여 클램프를 통하여 박판소재의 강제냉각을 이루며, 동시에 용접에 직접적으로 작용하지 않는 잉여 열에너지를 차단함으로써, 상기 용접 열이 박판소재 전체로 전파되는 것을 방지함으로써, 용접 품질의 신뢰도를 향상시킨다.

또한, 용접 시, 박판소재에 생성되는 용접비드와 클램프 간의 설정거리는 기본적으로, 상기 용접비드 폭의 최대 2배 이내로 설정되는 것을 원칙으로 한다.

먼저, 아크 용접의 경우를 설명하면, 적어도 2장 이상의 박판소재의 겹치기 아크 용접시, 그 용접조건은 박판소재의 겹치는 부분의 용접비드 폭이 박판소재의 두께와 동등 이상이거나, 부분 용입된 깊이가 하부 박판소재 두께의 2/3 이상이거나, 또는 하부 박판소재의 미용입 깊이가 용융방향의 남은 소재 두께의 30% 이내인 조건을 만족하도록 설정하여 용접하게 된다.

도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 겹치기 아크 용접에 의한 정밀용접방법을 설명하기 위한 도면으로써, 아크 용접토치(300)에는 용접전극(301)을 통하여 큰 전류를 박판소재의 용접부에 공급하며, 용융금속을 고온에서 대기중의 산소와 반응하지 못하도록 차폐가스(303)을 취입한다.

상기 박판소재의 용접부(102)를 중심으로 하여 그 좌우 양측에는 클램프(200a,200b)를 설치한다. 상기 클램프(200a,200b)는 용접부(102)를 단단하게 고정하는 힘을 인가하며 동시에, 클램프(200a,200b)의 내부에는 냉각을 위한 냉각매체라인(201)을 구성하여 냉각수의 작용으로 용접에 직접 작용하지 않는 잉여 열에너지가 박판소재에 전체적으로 전파되는 것을 방지하도록 작용한다.

즉, 상기 클램프(200a,200b)에 의한 박판소재의 강제냉각과 함께, 상기 아크 용접방법에서 용접변형을 일으키는 가장 중요한 요소인 잉여 열에너지를 빠른 시간 내에 제거하여 용접 열의 영향을 최소화하게 된다.

그리고 아크 용접은 심용입 용접과 비교하여 용접비드(102)의 폭(Wb)에 비하여 용입 깊이가 낮다. 그러나 용접된 부재는 소정의 압력을 견뎌야 하는 압력용기의 성능을 지녀야 하기 때문에 겹치기 접합부에서는 일정한 수준 이상의 용접비드(102)의 폭을 나타내야 한다. 그러한 요구조건을 만족하기 위해서는 완전 용입 용접을 이루면 가장 바람직하겠으나, 그렇게 되기 위해서는 많은 양의 용접 에너지를 이용하여야 하며 그 결과는 과다한 용접 변형으로 이어지기 때문에 최소한의 에너지를 이용하는 방법인 부분 용입 용접 방법을 선정하여야 한다.

따라서 부분 용입된 깊이가 아래 판재의 소재 두께에 대하여 적어도 2/3 이상의 깊이 즉, 미용입 깊이(H)가 30% 이내인 조건을 만족하여야 하는 용접조건으로 용접이 이루어져야 한다.

또, 고정용 클램프(200a, 200b)들의 설치위치는 용접 변형, 용접부 건전도 및 용접 에너지의 이용효율에 지대한 영향을 미치는 요소이며, 통상의 냉각수의 압력이 5kg/cm² 이내로 공급되어 냉각작용을 할 경우, 용접비드(102)와 클램프간 거리(D)는 용접비드(102)의 최대폭(Wb)에 대하여 2배(2Wb) 이내의 값을 유지하는 것이 바람직하다.

그리고 아크 용접의 경우에 있어, 적어도 2장 이상의 박판소재의 모서리 아크 용접시, 그 용접조건은 용접비드의 단면이 적층된 박판소재의 측단면을 모두 덮은 형태 및 크기를 유지하도록 설정하며, 상기 용접비드와 클램프 간의 설정거리를 용접비드의 용입된 최대 깊이의 2배 이내로 설정하여 용접하게 된다.

도 8은 본 발명의 실시예2에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 모서리 아크 용접에 의한 정밀용접방법을 설명하기 위한 도면으로써, 2장 또는 3장의 박판소재를 적층시켜 겹친 상태로 모서리에 용접부(102)를 형성하는 경우를 나타내며, 아크 용접토치(300)는 용접될 박판소재의 측단면에 직접 용접 에너지를 공급한다. 이 경우 용접부(102)는 겹쳐져 있는 박판소재의 측단면을 모두 덮은 형태를 유지하여야 하며 용접비드(102)의 용입 깊이에 대하여 클램프(200)의 설치위치(D) 역시 용입된 최대 깊이의 2배 이내에 위치하는 것이 바람직하다.

이 외의 클램프(200)에 의한 박판소재의 고정 및 강제냉각, 그리고 잉여 열에너지의 차단작용은 상기 도 7에서 도시한 박판소재의 겹치기 아크 용접과 동일하며, 그 구체적인 설명은 생략한다.

다음으로, 레이저 용접의 경우를 설명하면, 적어도 2장 이상의 박판소재의 겹치기 레이저 용접시, 그 용접조건은 완전 용입 및 국부적인 부분 용입을 병행하되, 상기 용접비드와 클램프 간의 설정거리를 상부 박판소재의 용접비드 폭의 2배 이내로 설정하여 용접하게 된다.

도 9는 본 발명의 실시예3에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 겹치기 레이저 용접에 의한 정밀용접방법을 설명하기 위한 도면으로써, 박판소재를 고정하는 내측 클램프(200)에는 냉각수를 공급하기 위한 냉각수라인(201)을 구비하여 옵틱헤드(304)로부터 조사되는 레이저 빔(305)에 의한 용접 후, 잉여 열에너지가 용접된 박판소재의 제품 내측으로 전달되지 않도록 차단하게 되며, 외측 클램프(202)의 경우는 용접 후, 완성된 박판소재 제품의 변형에 큰 영향을 미치는 부분이 아니므로 용접 과정의 안정성을 부여하는 수준의 고정력만을 공급하도록 한다.

이러한 레이저 용접은 키홀 메카니즘에 의한 심용입 용접방법이기 때문에, 완전 용입 용접방법을 적용하여도 아크 용접방법에 비하여 에너지 입력량은 그다지 크지 않다. 따라서 기본적으로는 완전 용입 용접방법을 적용하지만 박판소재의 용접에서 자주 발생하는 용접공정의 순간적인 불안정성에 대비하여 국부적인 부분 용입 용접을 병행하여 높은 가중치를 부여하여야 한다.

그리고 레이저 용접에서 내외측 클램프(200,202)의 설치위치(Di,Do)는 아크 용접방법에서 적용하였던 것보다 좀 더 엄격한 제어가 필요하며, 용접비드 폭(WD)에 대하여 용접비드(102)와 내측 클램프(200)간 거리(Di)와 용접비드(102)와 외측 클램프(202)간 거리(Do)는 다 같이 레이저 용접부의 상부 용접비드 폭(WD)과 동일한 값을 유지하는 것이 가장 바람직하나, 그 여유도에서는 둘다(Di,Do) 상기 용접비드 폭의 2배(2WD)를 넘으면 용접 품질 불안정을 초래할 가능성이 매우 높기 때문에 그 이하의 값에서 관리하여야 한다.

그리고 레이저 용접의 경우에 있어, 적어도 2장 이상의 박판소재의 모서리 레이저 용접시, 그 용접조건은 용접비드의 단면이 적층된 박판소재의 측단면을 모두 덮거나, 적어도 최외곽 박판소재 두께의 2/3 이상의 용융단면을 형성하도록 설정하며, 그 용입 깊이는 박판소재의 1장의 두께에 대하여 1배 내지 3배의 범위로 설정하며, 상기 용접비드와 클램프 간의 설정거리를 평균 용입 깊이의 2배 이내로 설정하여 용접하게 된다

도 10은 본 발명의 실시예4에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 모서리 레이저 용접에 의한 정밀용접방법을 설명하기 위한 도면으로써, 용접비드(102)의 단면은 적층된 박판소재의 용접부 측단면을 모두 덮는 것이 가장 바람직하지만, 부득이한 경우 가장 외곽의 박판소재 측단면에 대하여 그 두께의 2/3 이상을 용융시키는 용접이 이루어지는 것이 최소 요구조건이며, 용입 깊이(WH)는 박판소재 1장의 두께와 동등한 수준 이상이면, 용접부 품질을 만족할 수 있으나, 그 이하의 경우에는 레이저 용접방법 특유의 스파이킹 현상에 의하여 국부적으로는 용입 깊이(WH)가 낮은 영역이 존재할 가능성이 있으며, 용입 깊이(WH)가 지나치게 깊으면 용접부(102)의 강도는 어느 정도 향상되지만 과도한 입열 에너지에 의한 용접 후, 변형제어가 곤란하게 되는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 모서리 레이저 용접에서 용입 깊이(WH)의 관리범위는 박판소재의 두께(t)에 대하여 최소 1.0t 이상을 반드시 유지하여야 하며, 그 최대값은 3.0t 미만으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 클램프(200)의 설치위치는 용접비드(102)와 클램프(200)간 거리(D)가 최소 상기 용입 깊이(WH)와 동등(D = WH)하여야 하며, 그 최대값은 상기 용입 깊이(WH)의 2배(2WH) 이내에서 관리되어야 용접 후, 변형을 허용한도 이내로 유지할 수 있다.

이 외의 클램프(200)에 의한 박판소재의 고정 및 강제냉각, 그리고 잉여 열에너지의 차단작용은 상기 도 9에서 도시한 박판소재의 겹치기 레이저 용접과 동일하며, 그 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 레이저 용접에서는 용접부 변형 위험도가 아크 용접방법에 비하여 매우 경미하지만, 도 4에서 도시된 바와 같이, 용접균열 발생의 가능성은 높은 것으로 알려져 있다.

본 발명의 실시예에서 사용되는 스테인리스 강재의 경우, 이러한 용접부 균열은 대부분 용접부 고온균열로 나타나며, 이러한 용접부 고온균열의 주요 원인으로는 고온의 용융금속이 응고할 때 발생되는 응고모드의 영향, 용접부 응고조직 계면에서 편석되는 저융점의 불순물 원소의 양과 함께, 응고 시에 발생하는 수축력과 수축 스트레인의 크기 및 그 스트레인의 발생 속도가 크게 작용하는 것으로, 재료와 용접공정이 선정된 다음에는 용접부 응고모드, 용접부 응고조직, 불순물 원소의 양과, 그 편석도 등의 영향을 배제하는 것이 매우 어렵거나 거의 불가능하다.

따라서 본 발명에서는 용접 금속학적으로 해결할 수 있는 방법으로 용접부에서 균열이 발생하기 어려운 용접공정의 도입과 함께, 응고 시, 응고 스트레인의 속도를 낮출 수 있는 방법을 제시한다.

즉, 완전 용입 용접조건으로 레이저 용접을 실시할 경우, 용접 입열량의 증가는 용융에 필요한 에너지 이외의 잉여 열에너지를 더 많이 형성한다. 그 결과 완전 용입 용접부에서는 입열량이 많을수록 용융부의 크기 혹은 깊이(WD 또는 WH)가 커지며, 용접부 균열 발생량도 증가하는 것이 발견되었다. 이 때, 클램프의 설치위치에 따른 용접비드간 거리(D, Di 및 Do)에 따라서 용접 열 영향부의 폭도 변화하여 결과적으로는 클램프의 설치위치에 따른 용접비드간 거리(D, Di 및 Do)도 용접부(102)의 균열발생에 직접 또는 간접적으로 영향을 미치는 것이 확인되었다.

이러한 용접부(102) 응고 시에 발생하는 스트레인 속도를 낮추는 방법으로는 용접부 냉각속도를 낮추는 것과 직접적인 관계가 있다. 그러나 용접공정 중에 그러한 조치를 취하는 것은 매우 어렵고 생산 원가의 상승을 조장하는 요인이 된다.

따라서 본 발명에서는 굴절 광학계 혹은 반사 광학계로 이루어진 집속장치를 이용하여 레이저 용접과 동시에 용접부의 응고속도를 하나의 장치로서 제어할 수 있는 방법을 제시한다.

즉, 상기 열원을 레이저로 하여 적어도 2장 이상의 박판소재의 겹치기 레이저 용접시, 그 용접조건으로 상기 박판소재의 용접부에 대하여 레이저 용접과 동시에, 상기 용접부 후방에 2차 가열을 통하여 박판소재의 용접부 냉각속도를 제어함으로써 용접부의 균열발생을 억제하여 용접하는 것이다.

이러한 겹치기 레이저 용접시, 상기 용접부 후방에 2차 가열을 통하여 용접부의 냉각속도를 제어하기 위한 구성 및 방법을, 도 11과 도 12를 통하여 설명한다.

도 11은 본 발명의 실시예5에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 겹치기 레이저 용접에 적용되는 굴절 광학계로 이루어진 집속장치의 구성도로써, 도 11에서는 빔 확대기(306)에서, 입사한 레이저 빔(305)를 일정한 크기로 확대하고, 그 후방에 있는 가공헤드 어셈블리(312)로 진행하며 그 내부에서는 프리즘 형태의 굴절 광학계(307)를 이용하여 빔을 분할한다.

분할된 빔(311)은 각각 다시 그 후방에 있는 또 다른 굴절 광학계(308)에 의하여 평행광의 형태로 진행하여 최종적으로 집속장치(집속 광학계;309,310)에 입사된다.

주 가열 집속장치(309)에는 용접에 필요한 많은 양의 에너지가 입사되어 집속된 다음 용접될 위치에 매우 높은 에너지 밀도로 입력되어 용접을 실행하게 되며, 보조가열 집속장치(310)에서는 용접부의 후열(2차 가열)을 실시하여 용접부 냉각속도를 소정의 값으로 유지하는 범위의 에너지를 집속하며, 용접된 위치에서 일정한 간격(DF)만큼 떨어져서 용접부 전면에 고르게 후열 에너지를 공급할 수 있는 직경(WF)로 투입된다.

가공헤드 어셈블리 제어기(313)와 보조가열 집속장치 제어기(314)는 이러한 목적을 효과적으로 달성하는 것을 목적으로 각각의 광학계 위치를 미소 변화시켜 용접될 소재에 입사되는 에너지의 양을 조절하거나 또는 각각의 에너지가 입사되는 간격(DF)를 조절하는 역할을 담당한다. 보조가열 집속장치 제어기(314)는 수직방향 상하 구동 및 광축에 대하여 보조가열 집속장치(310)을 소정의 각도로 기울일 수 있는 미세 정밀구동이 가능한 구조를 가지고 있으며, 상하 구동 기능에 의해서는 광학계의 초점위치에 대한 조사위치 즉, 보조가열의 초점높이(F)를 제어할 수 있으며, 그 결과는 소재표면에 조사되는 레이저광의 면적을 제어하게 되며, 광축에 대한 각도의 미세조정 기능에 의해서는 집속 빔의 진행경로를 변화시킬 수 있음에 따라 소재(100) 위에 조사되는 위치를 변경시킬 수 있으므로 초점간격(DF)를 제어할 수 있다.

도 12은 본 발명의 실시예6에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 겹치기 레이저 용접에 적용되는 반사 광학계로 이루어진 집속장치의 구성도로써, 도 12에서는 빔 확대기(306)에서 출력된 레이저 빔(305)이 진행방향을 변경시킬 수 있는 반사 광학계(316)에 의하여 레이버 빔(305)의 진행방향을 바꾸어 집속을 위하여 설치된 보조가열 집속거울(317)과 주 가열 집속거울(318)에 입사된다. 이 때, 레이저 용접과 동시에, 용접부 후열에 필요한 에너지의 비율을 조절할 필요가 있을 경우에는 집속 헤드 제어기(320)을 구동하여 그 목적을 달성할 수 있으며, 후속 패스 가열 에너지의 양과 용접부(102)에 조사되는 조사위치(DF) 또는 조사면적(WF) 등을 조절할 필요가 있을 경우에는 보조가열 집속거울 제어기(319)를 이용하여 그 목적을 달성할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 본 발명의 각 실시예에 따른 박판소재의 정밀용접방법을 통하여 박판소재를 겹치기 또는 모서리 용접함에 있어, 박판소재를 고정하기 위한 클램프를 이용한 강제냉각을 통하여 그 열원의 용접 열에 의한 열변형을 최소화할 수 있으며 동시에, 박판소재를 겹치기 용접함에 있어, 레이저 용접시 박판소재의 용접과 동시에, 그 용접부 후방에 2차 가열을 통하여 용접 균열발생을 억제할 수 있도록 하여 용접품질의 신뢰도를 높일 수 있는 것이다.

도 13은 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 2장의 박판소재의 겹치기 용접부 단면모양과 최소 요구조건을 설명하기 위한 도면으로써, 도 13에서 알수 있듯이, 박판소재(100) 상의 용접비드(102)의 최소 폭은 완전 용입 용접이거나 또는 부분 용입 용접이거나 관계없이 1.0t 이상이어야 하며, 겹치기 용접에서 이음부의 폭도 완전 용입 용접에서는 그 이음부의 폭(WBf)이 용접비드의 최대 폭에 대하여 그 값을 초과하지 말아야 하며, 박판소재 1장의 두께(t)에 대하여는 WBf>t의 조건을 만족하여야 한다.

이러한 용접품질 유지조건은 부분 용입 용접의 경우에도 유효하며, 부분 용입 용접부에서는 그러한 조건 이외에도 용입 깊이를 소재 두께(t)에 대하여 미용입 깊이(H)가 30%t 미만이 되도록 관리하여야 한다.

도 14는 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 3장의 박판소재의 겹치기 용접부 단면모양과 최소 요구조건을 설명하기 위한 도면으로써, 도 14에서 알수 있듯이, 이 경우에도 도 13에서의 2장의 박판소재(100)에서의 요구조건은 만족되어야 하지만, 겹쳐져 있는 박판소재 중에서, 용접비드의 상부에서 가장 먼 곳의 접합부 크기를 제어하여야 하며, 구체적인 수치는 도 13의 요구조건과 동일하게 용접비드의 최소 폭이 완전 용입 용접 또는 부분 용입 용접에 관계없이 1.0t 이상이어야 하며, 겹쳐진 부분의 접합부의 폭도 완전 용입 용접에서는 겹침부의 폭(WBf)이 용접비드(102)의 최대 폭에 대하여 그 값을 초과하지 말아야 하며, 박판소재 1장의 두께(t)에 대하여는 WBf>t의 조건을 만족하여야 한다. 이러한 용접부 형상의 유지조건은 부분 용입 용접의 경우에도 그대로 유효하며, 용입 깊이의 경우는 소재 두께(t)에 대하여 미용입 깊이(H)가 30%t 미만이 되어야 한다.

도 15와 도 16은 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 용접선을 기준으로 수직방향 및 수평방향의 변형량(x,y)을 측정한 결과를 바탕으로 작성한 변형선도로써, 본 발명의 박판소재의 정밀용접방법으로 레이저 용접을 실시할 경우, 용접부의 열변형은 거의 없는 정도로 양호한 용접부가 얻어짐을 확인할 수 있다.

도 17은 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 적용되는 클램프의 설치위치와 용접 열 영향부 폭의 크기를 비교한 선도로써, 레이저 용접의 상부 용접비드 폭(WD)에 대하여 클램프의 설치위치(Di,Do)를 변화시켰을 경우, 열 영향부의 폭은 상당히 넓은 범위로 변화되고 있으며, 본 발명의 방법을 적용하였을 경우 열 영향부의 폭을 적게 할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 18과 도 19는 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 용접 입열량에 따른 용접부 미세균열 및 용접부 위치에 따른 용접부 미세균열 측정결과를 도시한 선도로써, 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법의 효과를 알아보기 위하여 용접부에서 측정된 용접부 미세균열의 상태를 나타낸다. 즉, 도 18은 완전 용입 용접으로 두 장의 소재를 겹치기 레이저 용접한 조건에서, 용접 입열량이 용접부 미세균열 형성에 미치는 효과를 측정한 결과이며, 도 19는 후속 패스 가열처리를 실시한 용접부의 시험편 채취위치에 따른 용접부 미세균열 측정결과이다.

도 18의 결과에 의하면, 완전 용입 용접조건이 가능한 최소한의 용접 입열량으로 용접을 실시하는 것이 용접부 미세균열 방지에 필수 요건임을 나타내고 있으며, 도 19의 결과에 의하면, 시험편의 채취 위치에 따라 약간의 차이는 있으나, 후속 패스 가열처리를 실시한 용접부의 경우 그렇지 않은 조건보다 월등한 효과가 있으며 용접 개시점과 용접 종료점에서 에너지의 기울기 제어를 실시한 영역의 용접부 미세균열 발생상황은 실용적으로는 무시할 수 있는 효과를 보인다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 박판소재의 정밀용접방법에 의하면, 박판소재를 겹치기 또는 모서리 용접함에 있어, 박판소재를 고정하기 위한 클램프를 이용한 강제냉각을 통하여 그 열원의 용접 열에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록 하며, 동시에, 박판소재를 겹치기 용접함에 있어, 그 열원이 레이저로 이루어지는 레이저 용접 시, 박판소재의 용접과 동시에, 그 용접부 후방에 2차 가열(후열)을 통하여 용접부의 냉각속도(즉, 응고속도)를 제어함으로써, 용접 균열발생을 억제할 수 있도록 하여 용접품질의 신뢰도를 높일 수 있는 것이다.

도 1은 종래 박판소재의 겹치기 또는 모서리 용접에서 발생하는 용접변형을 설명하기 위한 도면,

도 2는 도 1에서의 용접선을 기준으로 수직방향의 변형량(x)을 측정한 결과를 바탕으로 작성한 변형선도,

도 3은 도 1에서의 용접선을 기준으로 수평방향의 변형량(y)을 측정한 결과를 바탕으로 작성한 변형선도,

도 4는 종래 스테인리스 강재의 용접에서 용접부 균열발생에 관한 기존의 강종에 따른 그룹별 분포도,

도 5는 원형의 용접선 형태를 나타낸 도면,

도 6은 4각형의 용접선 형태를 나타낸 도면,

도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 겹치기 아크 용접에 의한 정밀용접방법을 설명하기 위한 도면,

도 8은 본 발명의 실시예2에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 모서리 아크 용접에 의한 정밀용접방법을 설명하기 위한 도면,

도 9는 본 발명의 실시예3에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 겹치기 레이저 용접에 의한 정밀용접방법을 설명하기 위한 도면,

도 10은 본 발명의 실시예4에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 모서리 레이저 용접에 의한 정밀용접방법을 설명하기 위한 도면,

도 11은 본 발명의 실시예5에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 겹치기 레이저 용접에 적용되는 굴절 광학계로 이루어진 집속장치의 구성도,

도 12은 본 발명의 실시예6에 따른 박판소재의 정밀용접방법 중, 겹치기 레이저 용접에 적용되는 반사 광학계로 이루어진 집속장치의 구성도,

도 13은 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 2장의 박판소재의 겹치기 용접부 단면모양과 최소 요구조건을 설명하기 위한 도면,

도 14는 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 3장의 박판소재의 겹치기 용접부 단면모양과 최소 요구조건을 설명하기 위한 도면,

도 15는 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 용접선을 기준으로 수직방향의 변형량(x)을 측정한 결과를 바탕으로 작성한 변형선도,

도 16은 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 용접선을 기준으로 수평방향의 변형량(y)을 측정한 결과를 바탕으로 작성한 변형선도,

도 17은 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 적용되는 클램프의 설치위치와 용접 열 영향부 폭의 크기를 비교한 선도.

도 18은 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 용접 입열량에 따른 용접부 미세균열 측정결과를 도시한 선도, 및

도 19는 본 발명에 따른 박판소재의 정밀용접방법에 의한 용접부 위치에 따른 용접부 미세균열 측정결과를 도시한 선도이다.

Claims

저압용기 또는 전지용 반응판 등의 제작을 위한 박판 스테인리스 성형 강재와 같은 박판소재를 겹치기 또는 모서리 용접함에 있어서,

그 열원의 용접 열에 의한 열변형을 최소화할 수 있도록, 용접 시, 박판소재에 형성되는 용접비드와 상기 박판소재를 고정하는 클램프 간에 설정거리를 유지시키며, 상기 클램프의 내부에는 냉각수라인을 형성하여 클램프를 통하여 박판소재의 강제냉각과 동시에, 용접에 직접 사용되지 않는 잉여 열에너지를 차단하여 상기 용접 열이 박판소재 전체로 전파되는 것을 방지하도록 하여 상기 박판소재의 겹치기 또는 모서리 용접을 진행하는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.
제1항에 있어서, 상기 용접비드와 클램프 간의 설정거리는

상기 용접비드 폭의 최대 2배 이내로 설정되는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.
제1항에 있어서, 상기 열원은

아크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.
제3항에 있어서, 상기 열원을 아크로 하여 적어도 2장 이상의 박판소재의 겹치기 용접시, 그 용접조건은

박판소재의 겹치는 부분의 용접비드 폭이 박판소재의 두께와 동등 이상이거나, 부분 용입된 깊이가 하부 박판소재 두께의 2/3 이상이거나, 또는 하부 박판소재의 미용입 깊이가 용융방향의 남은 소재 두께의 30% 이내인 조건을 만족하도록 설정하여 용접하는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.
제3항에 있어서, 상기 열원을 아크로 하여 적어도 2장 이상의 박판소재의 모서리 용접시, 그 용접조건은

용접비드의 단면이 적층된 박판소재의 측단면을 모두 덮은 형태 및 크기를 유지하도록 설정하며, 상기 용접비드와 클램프 간의 설정거리를 용접비드의 용입된 최대 깊이의 2배 이내로 설정하는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.
제1항에 있어서, 상기 열원은

레이저로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.
제6항에 있어서, 상기 열원을 레이저로 하여 적어도 2장 이상의 박판소재의 겹치기 용접시, 그 용접조건은

완전 용입 및 국부적인 부분 용입을 병행하되, 상기 용접비드와 클램프 간의 설정거리를 상부 박판소재의 용접비드 폭의 2배 이내로 설정하는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.
제6항에 있어서, 상기 열원을 레이저로 하여 적어도 2장 이상의 박판소재의 모서리 용접시, 그 용접조건은

용접비드의 단면이 적층된 박판소재의 측단면을 모두 덮거나, 적어도 최외곽 박판소재 두께의 2/3 이상의 용융단면을 형성하도록 설정하며, 그 용입 깊이는 박판소재의 1장의 두께에 대하여 1배 내지 3배의 범위로 설정하며, 상기 용접비드와 클램프 간의 설정거리를 평균 용입 깊이의 2배 이내로 설정하는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.
제6항에 있어서, 상기 열원을 레이저로 하여 적어도 2장 이상의 박판소재의 겹치기 용접시, 그 용접조건은

상기 박판소재의 용접부에 대하여 레이저 용접과 동시에, 상기 용접부 후방에 2차 가열을 통하여 박판소재의 용접부 냉각속도를 제어함으로써 용접부의 균열발생을 억제하는 것을 특징으로 하는 박판소재의 정밀용접방법.