KR20090096884A - 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치 - Google Patents

아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아연 도금 강판의 용접시 입열을 저감하여 모재로의 열영향, 변형과 잔류응력을 감소시킬 수 있는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실시예는 모재에 레이저를 조사하는 레이저발생부와, 레이저발생부보다 용접진행방향을 향해 앞쪽에 조사점을 형성하여 아크용접 하는 플라즈마아크방전부와, 레이저발생부 및 플라즈마아크방전부를 이송시키며, 아크방전부의 용접선을 따라 이동되며 모재를 가압하는 이송롤러를 포함하되, 플라즈마아크방전부는 상기 플라즈마아크를 발생시키는 전극봉과, 전극봉의 외측에 플라즈마가스를 제공하는 수축노즐과, 전극봉의 외측에 보호가스를 제공하는 보호노즐을 포함한다.
플라즈마, 레이저, 아크, 용접

Description

아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치 {LASER-PLASMA HYBRID WELDING METHOD AND SYSTEM FOR ZINC GALVANIZING SHEET STEEL}
본 발명은 아연 도금 강판의 용접시 입열을 저감하여 모재로의 열영향, 변형과 잔류응력을 감소시킬 수 있는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 차체에 많이 쓰이는 아연도금 강판은 철판위에 아연을 도금한 것으로, 이러한 아연도금강판을 2장 이상 겹쳐서 용접하는 경우 아연의 비등점(910℃)이 철의 융점(1540℃) 보다 낮기 때문에 레이저 용접을 실행하면 아연도금강판의 용접부위의 철판이 용융되기 전에 도금된 아연이 먼저 기화된다.
이에 따라 철판이 용융되는 순간 아연증기가 폭발하면서 스패터를 발생시키고, 내부 기공과 표면에 블로우 홀(blow hole)이 형성되어 용접상태가 불량하게 되는 문제점이 있었다.
즉, 첨부된 도 1의 평면 사진에 나타낸 바와 같이, 레이저 단독으로 용접을 할때는 표면에 블로우 홀(blow hole)이 형성되어 비드가 매우 불량한 상태가 되고, 또한 도 2의 단면 사진에 나타낸 바와 같이, 내부에 기공이 형성되는 문제점이 발생되었다.
따라서, 현재는 두 판을 150 마이크로미터(㎛) 정도 이격시켜 소정의 틈새가 형성되게 한 후 용접을 수행함으로써 상기 틈새로 아연증기가 빠져나가면서 용접되도록 하는 방법이 가장 산업적으로 많이 쓰이고 있으나 전술한 틈새의 적정한 간격을 조성하고 유지하기가 매우 어려운 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 등록특허 10-0751301호(등록일:2007.03.16)인 "레이저-아크 하이브리드 용접방법 및 이의 용접장치"가 제안된 바 있다.
이하, 종래기술을 설명하면 아래와 같다.
종래의 레이저-아크 하이브리드 용접장치는, 레이저를 조사하는 레이저발생부와, 레이저발생부의 일측에 설치된 이송롤러와, 레이저발생부보다 용접진행방향으로 앞쪽에 조사점이 형성되도록 설치되는 아크방전부로 구성된다.
이와 같이, 구성된 종래기술은 아크방전부의 아크방전에 의해 모재를 가열하여 모재에 도금된 아연을 증발시키고, 후속되는 레이저발생부의 레이저에 의해 모재를 용접하는 것이다.
이때, 아크방전부의 아크방전 발생시 보호가스에 의해 용접부가 보호된다.
그러나, 종래의 아크방전부는 구조적으로 아크방전이 아크방전부에 집중되지 못하여 아크방전이 집중되지 못하고 분산되어, 용접시 입열의 손실이 발생되는 구조적인 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 아연 도금 강판의 용접시 입열을 저감하여 모재로의 열영향, 변형과 잔류응력을 감소시킬 수 있는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 실시예는 모재에 레이저를 조사하는 레이저발생부와, 레이저발생부보다 용접진행방향을 향해 앞쪽에 조사점을 형성하여 아크용접 하는 플라즈마아크방전부와, 레이저발생부 및 플라즈마아크방전부를 이송시키며, 아크방전부의 용접선을 따라 이동되며 모재를 가압하는 이송롤러를 포함하되, 플라즈마아크방전부는 상기 플라즈마아크를 발생시키는 전극봉과, 전극봉의 외측에 플라즈마가스를 제공하는 수축노즐과, 전극봉의 외측에 보호가스를 제공하는 보호노즐을 포함한다.
본 발명에 의하면, 아크를 발생시키는 전극봉에 집중된 아크 플라즈마가 발생하여 저전류로도 용접할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 아크가 집중될 수 있으므로, 아연 도금 강판의 용접시 입열이 저감시킬 수 있고, 모재로의 열영향, 변형과 잔류응력을 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 이용하여 설명하면 아래와 같다.
먼저, 도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치를 보인 도면이고, 도 4는 본 발명의 요부를 보인 도면이며, 도 5는 도 4의 확대도면이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예는 모재(100)에 레이저를 조사하는 레이저발생부(10)와, 레이저발생부(10)보다 용접진행방향을 향해 앞쪽에 조사점을 형성하여 아크용접 하는 플라즈마아크방전부(30)와, 레이저발생부(10) 및 플라즈마아크방전부(30)를 이송시키며, 아크방전부(30)의 용접선을 따라 이동되며 모재(100)를 가압하는 이송롤러(50)를 포함하되, 플라즈마아크방전부(30)는 상기 플라즈마아크를 발생시키는 전극봉(31)과, 전극봉(31)의 외측에 플라즈마가스를 제공하는 수축노즐(33)과, 전극봉(31)의 외측에 보호가스를 제공하는 보호노즐(35)을 포함한다.
여기서, 레이저발생부(10)에는 소정의 레이저브라켓(11)에 레이저조사기(13)가 설치되고, 레이저조사기(13)의 하단에는 이송롤러(50)가 설치되어 있다.
이 이송롤러(50)는 레이저발생부(10)의 하단에 설치되고, 이송롤러(50)의 구동에 의해 본 발명의 용접장치(A)의 이동이 자유롭고, 이송롤러(50)가 이동하면서 모재(100)를 눌러줌으로써, 모재(100)에 도금된 아연의 증기가 모재(100)의 갭(gap)을 통해 배출될 수 있도록 할 수도 있다.
그리고, 플라즈마아크방전부(30)는 모재(100)에 플라즈마아크를 발생시키는 전극봉(31)이 마련되고, 이 전극봉(31)은 수축노즐(33)에 수용되고, 수축노즐(33)은 보호노즐(35)에 수용되며, 보호노즐(35)은 레이저조사기(13)보다 앞쪽에 즉, 용접진행방향을 향해 레이저발생부(10)의 일측에 고정된 플라즈마브라켓(32)에 약 30도로 기울어져 설치되어 있다.
그리고, 전극봉(31)이 모재(100)에 플라즈마아크를 이용하여 아크용접을 수행할 때, 수축노즐(33)은 전극봉(31)의 외측 단부에 플라즈마가스를 제공하고, 보호노즐(35)은 수축노즐(33)의 외측 끝단에 보호가스를 제공하여 전극봉(31)을 보호할 수 있다.
이때, 전극봉(31)은 텅스텐으로 제조되는 것이 바람직하고, 전극봉(31)과 모재 사이에 아크를 일으키고 용접중 발생되는 산화, 질화를 막기 위해 보호노즐(35)에서 제공되는 보호가스는 아르곤(Ar)가스 또는 헬륨(He)가스일 수 있다.
이와 같이, 플라즈마아크방전부(30)에서 발생된 아크에 의해 모재(100)인 아연도금강판의 용접부를 가열함으로써 표면에 도금된 아연을 증발시키게 되고, 후속되는 레이저조사에 의해 용접을 수행함으로써 용접부 내의 기공 및 블로우 홀의 발생을 방지할 수 있다.
그리고, 수축노즐(33)은 플라즈마가스가 이동되며, 내측에 상기 전극봉(31)이 배치되는 수축노즐관부(33a)와, 수축노즐관부(33a)에서 이동되는 플라즈마가스를 전극봉(31)에 집중시키도록 수축노즐관부(33a)의 직경보다 점점 좁게 형성되는 수축노즐분사구(33b)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 수축노즐관부(33a)에서 분사되는 플라즈마가스는 수축노즐관부(33a)에 수용되어 배치된 전극봉(31)의 외측을 감싸도록 고루 분사될 수 있다. 이에 의해, 전극봉(31)에서 발생되는 아크는 전극봉(31)의 하부방향으로 집중되게 발생될 수 있다.
이와 같이, 전극봉(31)에는 아크가 집중될 수 있으므로, 60A의 저전류로도 양호한 용접품질이 달성될 수 있다.
이때, 플라즈마가스는 플라즈마형성을 위해 용융지와 직접 접촉될 수 있다. 그리고, 플라즈마가스는 이온화 전압이 낮고 아크 안정성이 우수하여 텅스텐 전극의 보호가 가능한 불활성가스를 사용할 수 있다. 그리고, 플라즈마가스는 아르곤가스와 수소가스를 혼합하여 사용할 수 있다.
그리고, 수축노즐관부(33a)는 내측에 수용공간(33c)이 형성되고, 수용공간(33c)에 물이 채워지는 것이 바람직하다.
여기서, 수용공간(33c)에 채워지는 물에 의해 수축노즐(33)은 아크열을 수냉식으로 식힐 수 있다. 즉, 수축노즐(33)은 수냉식을 이용하여 장시간 발생되는 아크열에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 수축노즐분사구(33b)는 고열에 강한 재질로 제작되는 것이 바람직하다. 이때, 수축노즐분사구(33b)는 탄소강으로 제작될 수 있다.
그리고, 수축노즐분사구(33b)는 상기 전극봉(31)이 내측으로 수용되어 전극봉(31)의 노출이 방지되는 것이 바람직하다.
여기서, 전극봉(31)은 수축노즐분사구(33b)의 끝단으로 노출되지 않도록 설치될 수 있다. 즉, 내측이 깔때기 형상으로 좁게 형성된 수축노즐분사구(33b)에서 분사되는 플라즈마가스는 전극봉(31)의 끝단에 집중적으로 분사되므로, 전극봉(31)에서 발생되는 아크는 분산되지 않으면서 발생될 수 있다.
그리고, 보호노즐(35)은 보호가스가 이동되며, 내측에 수축노즐(33)이 배치되는 보호노즐관(35a)과, 보호노즐관부(35a)에서 이동되는 보호가스를 전극봉(31)에 집중시키도록 보호노즐관부(35a)의 직경보다 점점 좁게 형성되는 보호노즐분사구(35b)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 보호노즐분사구(35b)에서 분사되는 보호가스는 수축노즐(33)의 외측을 감싸면서 분사되므로, 결과적으로 전극봉(31)의 외측이 보호가스에 의해 보호될 수 있다.
이때, 보호가스는 플라즈마와 용접이 이루어지는 용융지를 보호하기 위한 가스이다. 그리고, 보호가스는 용융지와 직접적으로 접촉하지 않으므로, 용접품질에 영향을 미치지 않는다.
그리고, 보호노즐분사구(35b)는 수축노즐(33)이 내측으로 수용되어 수축노즐(33)의 노출이 방지되는 것이 바람직하다.
여기서, 수축노즐(33)은 보호노즐분사구(35b)의 끝단으로 노출되지 않도록 설치될 수 있다. 즉, 내측이 깔때기 형상으로 좁게 형성된 보호노즐분사구(35b)에서 분사되는 보호가스는 수축노즐(33)의 끝단에 집중적으로 분사되므로, 수축노즐(33)에 수용된 전극봉(31)에서 발생되는 아크는 외부로 분산되지 않으면서 내측 으로 집중되어 발생될 수 있다.
이와 같이, 플라즈마가스와 보호가스가 함께 전극봉(31)에 집중되므로, 전극봉(31)과 모재(100)사이의 거리가 변하더라도 아크열을 받는 모재(100)부위의 면적은 변하지 않는다.
즉, 아크열이 모재(100)에 집중되므로, 모재(100)의 용접에 대한 용입이 깁게 이루어질 수 있다.
그리고, 도 6은 종래의 레이저-아크 하이브리드 용접방법 및 이의 용접장치에 의해 용접된 모재의 사진으로서 넓은 용접부를 형성하고 있으며 과도한 입열로 인해 조대한 결정립을 형성하고 있음을 알 수 있다.
그러나, 도 7은 본 발명에 의해 용접된 모재의 사진으로서 좁은 용접부를 형성하면서 미세한 결정립이 형성된 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 플라즈마가스에 의해 아크가 집중될 수 있으므로, 60A의 저전류로도 양호한 용접품질이 달성될 수 있다.
또한, 저전류에 의해 입열이 감소되므로, 용융지의 면적이 감소될 수 있다.
본 발명은 상술한 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 간주한다.
도 1 및 도 2는 종래의 아연도금강판에 대한 레이저단독 용적을 나타낸 사진.
도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치를 보인 도면.
도 4는 본 발명의 요부를 보인 도면.
도 5는 도 4의 확대도면.
도 6은 종래의 레이저-아크 하이브리드 용접방법 및 이의 용접장치에 의해 용접된 모재의 사진.
도 7은 본 발명에 의해 용접된 모재의 사진.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 레이저발생부 30 : 아크방전부
31 : 전극봉 33 : 수축노즐
35 : 보호노즐 50 : 이송롤러
100 : 모재

Claims (6)

  1. 모재(100)에 레이저를 조사하는 레이저발생부(10);
    상기 레이저발생부(10)보다 용접진행방향을 향해 앞쪽에 조사점을 형성하여 아크용접 하는 플라즈마아크방전부(30);
    상기 레이저발생부(10) 및 상기 플라즈마아크방전부(30)를 이송시키며, 상기 아크방전부(30)의 용접선을 따라 이동되며 모재(100)를 가압하는 이송롤러(50)를 포함하되,
    상기 플라즈마아크방전부(30)는
    상기 플라즈마아크를 발생시키는 전극봉(31)과,
    상기 전극봉(31)의 외측에 플라즈마가스를 제공하는 수축노즐(33)과,
    상기 전극봉(31)의 외측에 보호가스를 제공하는 보호노즐(35)을 포함하는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수축노즐(33)은
    플라즈마가스가 이동되며, 내측에 상기 전극봉(31)이 배치되는 수축노즐관부(33a);
    상기 수축노즐관부(33a)에서 이동되는 플라즈마가스를 상기 전극봉(31)에 집 중시키도록 상기 수축노즐관부(33a)의 직경보다 점점 좁게 형성되는 수축노즐분사구(33b)를 포함하는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 수축노즐관부(33a)는 내측에 수용공간(33c)이 형성되고, 상기 수용공간(33c)에 물이 채워지는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 수축노즐분사구(33b)는 상기 전극봉(31)이 내측으로 수용되어 상기 전극봉(31)의 노출이 방지되는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 보호노즐(35)은
    보호가스가 이동되며, 내측에 상기 수축노즐(33)이 배치되는 보호노즐관(35a);
    상기 보호노즐관부(35a)에서 이동되는 보호가스를 상기 전극봉(31)에 집중시 키도록 상기 보호노즐관부(35a)의 직경보다 점점 좁게 형성되는 보호노즐분사구(35b)를 포함하는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 보호노즐분사구(35b)는
    상기 수축노즐(33)이 내측으로 수용되어 상기 수축노즐(33)의 노출이 방지되는 아연도금강판에 대한 레이저-플라즈마 하이브리드 용접장치.
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