KR20100047618A - 환봉의 고속용접방법 - Google Patents

Abstract

상호 마찰교반 용접할 환봉의 용접부에 대하여 전도용접구간의 레이저빔에 의한 전도열을 이용하여 초기 예열을 선행하여 진행한 후, 이어서 마찰교반 용접을 후행하여 진행함으로써 전체적인 환봉의 용접속도를 향상시키는 환봉의 고속용접방법을 제공한다.

전도용접, 마찰교반용접, 환봉, 고속용접방법, 전도열

Description

환봉의 고속용접방법{HIGH SPEED WELDING METHOD OF PIPE}

본 발명은 환봉의 고속용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상호 마찰교반 용접할 환봉의 용접부에 대하여 전도용접구간의 레이저빔을 이용하여 초기 예열을 선행하여 진행한 후, 마찰교반 용접을 후행하여 진행함으로써 전체적인 환봉의 용접속도를 향상시키는 환봉의 고속용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 구조용 환봉 부품이나 기계장치의 환봉 부품의 용접은 용가재로 작용하는 와이어를 일정속도로 용융지에 송급하면서 전류를 통전하여 와이어와 모재 사이에 아크(Arc)를 일으켜 용접하는 GMAW(Gas Metal Arc Welding) 용접법을 적용하여 왔다.

그러나 상기한 바와 같은 GMAW(Gas Metal Arc Welding) 용접은 용접열에 의해 소재에 용접변형이 발생하고, 용접부가 미려하지 못하며, 내부 중심부까지 깊이 용접하는 것이 불가능한 단점이 있다.

이에, 최근에는 모재보다 경도가 높은 회전 툴을 전동기로 고속 회전시키면서 용접하고자 하는 모재의 용접부에 마찰열을 발생시키고, 교반작용에 의한 소성유동현상을 일으켜서 교반과 혼합작용으로 두 모재를 용접하는 마찰교반 용접법을 적용하는 추세이다.

그런데, 상기한 마찰교반 용접법은 아크 용접법에 비해 용접변형이 적고, fume과 spatter가 발생하지 않으며, 용접부에 기공발생이 없어 기계적 성질이 우수한 장점을 갖는 반면, 최초 마찰열을 발생시켜 용접가능온도에 도달하기까지는 그 회전수와 압력에 따라 차이가 있으나 비교적 길어 전체적인 용접시간이 길고, 이로 인해 공정의 사이클 타임이 길어지는 단점이 있다.

이에, 동일 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원 제10-2007-0099870(출원일; 2007.10.04)에도 소개된 바와 같은, 비초점구간에서 소재에 대하여 열전도에 의한 용접이 가능한 전도용접구간(T2)의 레이저빔을 이용하여 상기 용접부에 국부적으로 열원을 공급하여 초기 예열을 진행하면, 상기 용접부의 용접가능온도의 도달시간을 단축할 수 있으며, 이로 인해 상기한 마찰교반 용접을 더욱 빠르게 진행할 수 있다는 점에 착안하여, 이에 대한 환봉의 새로운 용접방법에 대한 요구가 있어 왔다.

한편, 상기한 전도용접구간의 레이저빔 특성에 대해서는 상기한 기 출원내용이 충분히 언급된 바, 이에 대한 특징적인 특성에 대하여 간단히 언급하면, 도 1에서 도시한 바와 같이, 상기 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)은 비초점구간의 레이저빔으로, 도 2에서 도시한 바와 같이, 키홀용접구간(T1)의 초점 사이즈보다 몇 배의 빔 면적을 차지한다. 따라서 레이저빔(LB)의 밀도는 초점위치보다 훨씬 낮으나, 레이저빔(LB)이 알루미늄 합금 등의 소재(100) 표면에 충돌하는 순간 소량의 금속증기가 발생하고 용융되면서 용접이 가능해지고 용접패턴 또한 반달형상으로, 키홀 용접구간(T1)의 레이저빔(LB)과는 다른 형상으로 나타난다.

이에, 상기한 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)이 갖는 열전도현상에 착안하여 상기한 원통형상의 환봉에 대한 마찰교반 용접 시에, 초기 예열에 상기한 바와 같은 전도열을 이용하는 것이 가능할 것이다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 환봉의 새로운 용접방법에 대한 요구에 의해 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상호 마찰교반 용접할 환봉의 용접부에 대하여 전도용접구간의 레이저빔에 의한 전도열을 이용하여 초기 예열을 선행하여 진행한 후, 이어서 마찰교반 용접을 후행하여 진행함으로써 전체적인 환봉의 용접속도를 향상시키는 환봉의 고속용접방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 환봉의 고속용접방법은 상호 용접할 2개의 환봉소재를 회전척에 장착하여 상호 용접할 용접면을 서로 맞대어 접합하는 제1공정; 상기 2개의 환봉소재를 일체로 회전하는 제2공정; 상기 회전하는 환봉소재의 용접부에 대하여 전도용접구간의 레이저빔을 조사하여 그 전도열을 이용하여 초기 예열하는 제3공정; 상기 환봉소재의 용접부 온도를 검출하는 제4공정; 상기 제4공정에서, 감지된 상기 용접부 온도가 마찰교반 용접이 가능한 용접가능온도에 도달하면, 상기 회전하는 환봉소재의 용접부에 대하여 마찰교반 용접을 진행하는 제5공정으로 이루어진다.

이때, 상기 제5공정에 이어서, 상기 마찰교반이 이루어진 용접부에 대하여 키홀용접구간의 레이저빔을 조사하여 상기 용접부 내부까지 열원을 공급하여 내부조직을 변화시키는 제6공정을 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 제3공정에서, 상기 레이저빔은 Nd:YAG 레이저발진기에서 형성된 레이저빔인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 환봉의 고속용접방법에 의하면, 상호 마찰교반 용접할 회전하는 환봉의 용접부에 대하여 마찰교반 용접전에 전도용접구간의 레이저빔에 의한 전도열을 이용하여 초기 예열을 선행하여 진행하고, 상기 용접부의 온도가 마찰교반 용접이 가능한 용접가능온도에 도달하면, 상기 용접부에 대하여 마찰교반 용접을 후행하여 진행함으로써 전체적인 환봉의 용접속도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 상기 마찰교반 용접에 이어, 상기 용접부에 대한 키홀용접구간의 레이저빔을 조사하여 상기 용접부 내부까지 그 열원을 공급함으로써 상기 환봉 금속의 내부조직을 변형시켜 그 용접부 접합강도를 더욱 높이는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 실현할 수 있는 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 환봉의 고속용접방법에 따른 공정 블록도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 환봉의 고속용접방법에 따른 공정 개념도이다.

본 실시예에 따른 환봉의 고속용접방법은 기본적으로 상호 용접할 2개의 환봉소재(1,3)를 맞대어 회전시킨 상태로, 상기 환봉소재(1,3)보다 경도가 높은 회전 툴(10)을 전동기(미도시)로 고속 회전시키면서 상기 용접부(W)에 마찰열을 발생시 켜 용접하는 마찰교반 용접을 보다 고속으로 진행하기 위한 것으로, 상호 마찰교반 용접할 회전하는 환봉소재(1,3)의 용접부(W)에 대하여 마찰교반 용접 전에 상기 마찰교반 용접이 가능한 용접가열온도까지 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)에 의한 전도열을 이용하여 초기 예열을 선행하여 진행하는 것이 특징이다.

또한, 상기 마찰교반 용접에 이어서는 상기 용접부(W)에 대한 키홀용접구간(T1)의 레이저빔(LB)을 조사하여 상기 용접부(W) 내부까지 그 열원을 공급함으로써 상기 환봉소재(1,3)의 내부조직을 변형시켜 그 용접부(W) 강성을 높이는 것 또한 특징이다.

이와 같은 환봉의 고속용접방법은, 도 3과 도 4에서 도시한 바와 같이, 먼저, 상호 용접할 2개의 환봉소재(1,3)를 회전척(미도시)에 장착하여 상호 용접할 용접면을 서로 맞대어 접합하게 된다.(S1)

이어서, 상기 2개의 환봉소재(1,3)를 상기 회전척을 통하여 일체로 회전시키게 된다.(S2)

상기 회전하는 환봉소재(1,3)의 용접부(W)에 대하여 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)을 조사하여 그 전도열을 이용하여 상기 용접부(W)를 상기 마찰교반 용접이 가능한 용접가능온도까지 초기 예열하게 된다.(S3)

여기서, 상기 레이저빔은 Nd:YAG 레이저발진기에서 형성된 레이저빔인 것이 바람직하다.

즉, 상기 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)이 환봉소재(1,3)의 용접부(W) 표면에 조사되면, 열에너지로 전환되어 상기 용접부(W) 표면에서부터 내부로 열이 전 도되어 용접부(W)의 온도를 상기 용접가능온도까지 예열하게 되는 것이다.

상기와 같이, 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)에 의한 전도열로 상기 용접부(W)를 초기 예열하는 동안, 열원감지센서(20)를 통하여 상기 용접부(W)의 온도를 검출하게 된다.(S4)

이때, 감지된 상기 용접부(W) 온도가 마찰교반 용접이 가능한 용접가능온도에 도달하면, 상기 회전하는 환봉소재(1,3)의 용접부(W)에 대하여 마찰교반 용접을 진행하여 상기 각 환봉소재(1,3)를 상호 용접하게 된다.(S5)

한편, 상기 마찰교반 용접이 진행된 후에는 상기 마찰교반이 이루어진 용접부(W)에 대하여 키홀용접구간(T1)의 레이저빔(LB)을 조사하여 상기 용접부(W) 내부까지 열원을 공급하여 내부조직을 변화시킴으로써 용접부(W)의 접합강도를 더욱 향상시킬 수 있다.(S6)

따라서 상기한 바와 같은 환봉의 고속용접방법을 통하여 상기한 마찰교반 용접법이 갖는 단점인 전체적인 용접시간을 최소로 단축할 수 있으며, 이로 인해 공정의 사이클 타임을 줄이는 이점이 있다.

단, 도 4에서 미설명부호 "30"은 레이저 옵틱헤드를 지칭한다.

도 1은 일반적인 레이저빔의 초점구간의 개념도이다.

도 2는 일반적인 레이저빔에 의한 전도용접의 개념도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 환봉의 고속용접방법에 따른 공정 블록도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 환봉의 고속용접방법에 따른 공정 개념도이다.

Claims (3)

1. 환봉소재의 용접방법에 있어서,

   상호 용접할 2개의 환봉소재를 회전척에 장착하여 상호 용접할 용접면을 서로 맞대어 접합하는 제1공정;

   상기 2개의 환봉소재를 일체로 회전하는 제2공정;

   상기 회전하는 환봉소재의 용접부에 대하여 전도용접구간의 레이저빔을 조사하여 그 전도열을 이용하여 초기 예열하는 제3공정;

   상기 환봉소재의 용접부 온도를 검출하는 제4공정;

   상기 제4공정에서, 감지된 상기 용접부 온도가 마찰교반 용접이 가능한 용접가능온도에 도달하면, 상기 회전하는 환봉소재의 용접부에 대하여 마찰교반 용접을 진행하는 제5공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 환봉의 고속용접방법.
2. 제1항에서,

   상기 제5공정에 이어서, 상기 마찰교반이 이루어진 용접부에 대하여 키홀용접구간의 레이저빔을 조사하여 상기 용접부 내부까지 열원을 공급하여 내부조직을 변화시키는 제6공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 환봉의 고속용접방법.
3. 제1항에서,

   상기 제3공정에서, 상기 레이저빔은

   Nd:YAG 레이저발진기에서 형성된 레이저빔인 것을 특징으로 하는 환봉의 고속용접방법.

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