KR20110061636A

KR20110061636A - 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법

Info

Publication number: KR20110061636A
Application number: KR1020117009374A
Authority: KR
Inventors: 슈호 츠보타; 신 데라다; 히로시 고가; 호즈미 고다; 유타 하야노
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-06-09
Also published as: CN102196879A; EP2383068A4; JP5383219B2; WO2010084926A1; KR101275940B1; CN102196879B; JP2010167466A; EP2383068A1

Abstract

두꺼운 재료를 용접하는 경우나, 갭 부분의 용접을 실시하는 경우에도, 용접부의 품질 저하를 방지하기 위해, 레이저 용접 장치에는, 일방측으로부터 레이저 빔이 조사되는 용접 대상물 (W) 에 있어서의 타방측에 가압되는 입상 플럭스 (3) 와, 유체의 공급을 받아 불룩해지고, 용접 대상물 (W) 에 있어서의 타방측을 향해 플럭스 (3) 를 가압하는 가압부 (5) 가 형성되고, 용접 대상물 (W) 을 관통한 레이저 빔은, 플럭스 (3) 를 관통하지 않거나, 또는 플럭스 용융 두께가 억제된다.

Description

레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법{LASER WELDING APPARATUS AND METHOD OF LASER WELDING}

본 발명은, 배나 교량 등에서의 대형 부재의 용접, 특히 용접 길이가 수십 m 에 이르는 용접에 이용하기에 바람직한 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

종래, 배나 교량 등에서의 대형 부재의 용접에는 아크 용접이 이용되고 있었다.

아크 용접에 의해 대형 부재를 용접하는 경우에는, 용접 입열에 의해 부재에 변형이 발생하기 때문에, 이 변형을 수정하는 작업이 불가결해졌다.

이와 같은 용접에 의한 부재의 변형 발생을 억제하는 방법으로서, 레이저 등의 고에너지 빔을 사용한 용접 (이하, 「레이저 용접」이라고 표기한다) 이 유효한 것으로 알려져 있다.

그러나, 이 용접 방법에서는, 소경 (小徑) 에 집광된 빔 등을 사용하므로, 부재의 맞춤 정밀도의 요구가 높다는 문제가 있었다.

예를 들어, 갭을 0.2 ㎜ 정도 이내로 할 필요가 있었다.

여기서, 배나 교량 등의 용접 작업에 있어서는, 1 용접선이 수 미터 내지 수십 미터에 이르는 대형 부재를 용접 대상으로 하고 있기 때문에, 적어도 1 ㎜ 정도의 갭을 허용할 필요가 있었다.

혹은, 대형 부재에 대해 기계 가공 등의 전처리를 실시함으로써, 갭을 0.2 ㎜ 정도 이내로 하고, 그 후에 용접 작업을 실시할 필요가 있었다.

상기 서술한 레이저 용접에 있어서 갭이 존재하면, 레이저 빔이 갭을 투과하므로, 비드의 형성이 불가능했다. 그 때문에, 필러 와이어를 첨가하거나, 아크 용접과 병용하거나 함으로써, 용가재 (溶加材) 를 갭에 공급하여, 갭을 흡수하는 대책이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 공개특허공보 2006-224130호

그러나, 상기 서술한 바와 같은 대책을 실시해도, 갭이 큰 경우나, 용접 대상물의 판두께가 두꺼워진 경우에는, 용융 금속이 늘어지고, 이면 비드 요컨대 이파 (裏波) 가 과도하게 볼록 형상이 됨과 함께, 표면 비드는 오목 형상이 된다는 문제가 있었다.

그 한편, 아크 용접에 있어서 이파를 유지하는 기구를 이용하여 용접을 실시함으로써, 용융 금속의 늘어짐을 방지할 수 있다. 이파를 유지하는 기구로는, 가스를 사용한 기구나, 금속판을 사용한 기구나, 세라믹스 블록을 사용한 기구나, 유리 크로스를 사용한 기구나, 입상 플럭스를 사용한 기구 등이 알려져 있다.

그러나, 가스를 사용한 기구에서는, 부재 갭이 존재한 경우에 있어서의 용융 금속의 유지력이 불충분하다는 문제가 있었다.

금속판을 사용한 기구에서는, 용융 금속에 유해한 성분이 혼입될 우려가 있고, 용접 작업 후, 금속판 등을 떼어내는 것이 필요하게 된다는 문제가 있었다. 또한, 금속판을 용접 대상물에 밀착시키는 것이 곤란하다는 문제가 있었다. 또, 레이저 빔의 관통 능력을 높일 필요가 있어, 보다 대출력의 용접 장치가 필요하게 된다는 문제가 있었다.

세라믹스 블록을 사용한 기구에서는, 관통한 레이저 빔에 의해 세라믹스가 증발하고, 역류에 의해 이면 비드의 형상 불량이 발생함과 함께, 용접 금속의 내부에 블로우 홀이나 균열 등의 유해한 결함이 형성된다는 문제가 있었다.

유리 크로스를 사용한 기구에서는, 관통한 레이저 빔에 의해 유리 크로스가 절단되고, 이파의 유지가 불충분해진다는 문제가 있었다. 또한, 유리 크로스가 절단될 때 발생하는 가스가, 용융 금속 중에 혼입되어 결함을 발생시킨다는 문제가 있었다.

입상 플럭스를 사용한 기구에서는, 관통한 레이저 빔이 입상 플럭스에 직사 (直射) 되면, 입상 플럭스로부터 발생한 가스에 의해, 블로우 홀이나 포로시티 등의 결함이 발생한다는 문제가 있었다. 또, 플럭스로부터 생성되는 슬러그가 용접 금속 중에 말려 들어간 결함이 발생한다는 문제가 있었다.

입상 플럭스를 사용한 용접 방법에서는, 용접 대상물의 이면측에, 백킹 플럭스, 모래 (베이스 플럭스), 및 호스의 순서로 적층시킨 기구를 사용한 용접 방법 (FB 법, RF 법) 이 있고, 이 방법에서는 열경화성 수지의 코팅이 실시되어 있는 백킹 플럭스가 이용되고 있다. 그 때문에, 백킹 플럭스에 관통한 레이저 빔이 직사되면, 플럭스나 열경화성 수지로부터 가스가 발생하고, 상기 서술한 결함이 발생한다는 문제가 있었다.

그 한편, 용접 대상물측으로부터, 백킹 플럭스, 구리판, 및 호스의 순서로 적층시킨 기구를 사용한 용접 방법 (FCB 법) 에서는, 백킹 플럭스에 가스를 발생하는 열경화성 수지가 포함되어 있지 않거나, 혹은 함유량이 적기 때문에, 상기 서술한 발생 가스에 의한 문제의 발생을 억제할 수 있다.

상기 서술한 구성에서는, 백킹 플럭스를 구리판에서 받고, 백킹 플럭스 및 구리판을 호스로 밀어 올림으로써, 백킹 플럭스를 용접 대상물에 밀착시키고 있다. 용접시에, 용접 금속은 플럭스와 구리판에 의해 유지된다. 그 때문에, 용접선이 장척이 되는 대형 부품에 대해 용접을 실시하는 경우에는, 용접선의 전체 길이에 걸쳐 균일하게 백킹 플럭스와 구리판을 가압하는 것이 어렵다는 문제가 있었다.

또한, 용접에 수반되는 열에 의해 구리판이 변형되는 경우도 있어, 취급이 어렵다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 두꺼운 재료를 용접하는 경우나, 갭 부분의 용접을 실시하는 경우에도, 용접부의 품질 저하를 방지할 수 있는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 이하의 수단을 제공한다.

본 발명의 제 1 양태에 관련된 레이저 용접 장치는, 일방측으로부터 레이저 빔이 조사되는 용접 대상물에 있어서의 타방측에 가압되는 입상 플럭스와, 유체의 공급을 받아 불룩해지고, 상기 용접 대상물에 있어서의 타방측을 향해 상기 플럭스를 가압하는 가압부가 형성되고, 상기 용접 대상물을 관통한 상기 레이저 빔은, 상기 플럭스를 관통하지 않는 장치이다.

본 발명의 제 1 양태에 의하면, 용접 대상물에 조사된 레이저 빔이 용접 대상물을 관통하여, 플럭스에 직사된 경우에도, 플럭스의 용융을 억제함과 함께, 플럭스 등으로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있다.

요컨대, 관통한 레이저 빔이 플럭스를 관통하지 않도록 되어 있으므로, 레이저 빔이 플럭스를 관통하는 경우와 비교하여, 레이저 빔에 의해 가열되는 플럭스의 양이 억제된다. 그 때문에, 가열로부터 용융되는 플럭스의 양이 억제되고, 가스를 발생시키는 플럭스의 양이 억제되고, 발생하는 가스의 양이 억제된다.

또한, 플럭스로부터 생성되는 슬러그가 용접 금속 중에 말려 들어간 결함의 발생이 억제된다.

그 한편, 입상 플럭스 및 유체의 공급을 받아 불룩해지는 가압부가 이용되고 있기 때문에, 용접선이 길어져도, 플럭스를 용접 대상물에 균일하게 가압할 수 있다.

또한, 용접 대상물에 레이저 빔을 조사하여 용접을 실시하므로, 아크 용접 등과 비교하여, 용접 대상물에 가해지는 열량을 억제할 수 있다. 그 때문에, 용접 대상물의 열 변형의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 용접 대상물에 있어서의 타방측에 플럭스를 가압하여 용접을 실시하기 때문에, 용접 대상물의 판두께 등이 두꺼운 경우에도, 레이저 빔에 의해 녹은 용접 대상물 (요컨대 용융 금속) 이 플럭스에 의해 수용되어, 하방으로 늘어지는 것이나, 이파가 과도하게 볼록 형상이 되는 것이 방지된다.

용접 대상물에 존재하는 갭의 부분을 용접하는 경우에도, 플럭스에 의해 용융 금속이 수용되므로, 용가재를 첨가하면서 용접할 수 있다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 플럭스에는, 열경화성 수지가 포함되어 있지 않거나, 또는 약 2 wt% 이하로 상기 열경화성 수지 함유량이 억제되고 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 플럭스에 포함되는 열경화성 수지의 양이 적기 때문에, 열이 가해졌을 때 플럭스로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있다.

요컨대, 열이 가해지면 가스를 발생하는 열경화성 수지의 함유량이 적기 때문에, 플럭스 전체로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 플럭스에는, 미리 가스를 발생시킨 후의 열경화성 수지가 포함되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 미리 가스를 발생시킨 열경화성 수지를 사용함으로써, 용접시에 플럭스에 열이 가해져도, 플럭스로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있다.

미리 가스를 발생시키는 방법으로는, 열경화성 수지를 예열하는 방법을 예시할 수 있다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 레이저 빔의 열에 의해 가열된 상기 플럭스로부터 발생한 가스를, 상기 플럭스에 있어서의 가열되어 있지 않은 영역으로 유도하는 유도부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 가열된 플럭스로부터 발생한 가스는, 유도부에 의해, 가열되어 있지 않은 플럭스의 영역까지 유도된다. 가열되어 있지 않은 플럭스는 가스의 도피처가 되므로, 블로우 홀 등의 문제의 발생이 억제된다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 가압부와 상기 플럭스 사이에는, 상기 레이저 빔을 차폐하는 차폐부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 플럭스량을 줄이면서 가압부에 레이저 빔이 조사되는 것을 방지할 수 있다.

특히, 레이저 빔과 용접 대상물을 상대 이동시키는 구동 장치 등이 고장나면, 레이저 빔이 동일 지점에 계속 조사되는 경우를 생각할 수 있다. 이와 같은 경우, 용접 대상물 및 플럭스를 관통한 레이저 빔이 가압부에 조사되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제 1 양태에 있어서는, 상기 가압부와 상기 플럭스 사이에는, 입상물의 집합으로서, 상기 백킹 플럭스를 지지하는 지지부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 지지부에 의해 플럭스를 안정적으로 지지하고, 플럭스를 용접 대상물에 균일하게 가압할 수 있다. 특히, 플럭스를 금속판으로 지지하는 방법과 비교하여, 용접선이 길어져도 플럭스를 용접 대상물에 균일하게 가압하는 것이 용이해진다.

본 발명의 제 2 양태에 관련된 레이저 용접 방법은, 용접 대상물에 상기 본 발명의 레이저 용접 장치를 배치하는 배치 공정과, 상기 가압부에 유체를 공급하여, 상기 플럭스를 상기 용접 대상물에 가압하는 가압 공정과, 상기 용접 대상물에 레이저 빔을 조사하여 용접을 실시하는 용접 공정을 갖는다.

본 발명의 제 2 양태에 의하면, 상기 본 발명의 레이저 용접 장치를 이용하여 레이저 용접을 실시하므로, 두꺼운 재료를 용접하는 경우나, 갭 부분의 용접을 실시하는 경우에도, 용접부의 품질 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 제 3 양태에 관련된 레이저 용접 방법은, 입상 플럭스에 용접 대상물을 배치하는 배치 공정과, 상기 용접 대상물에 상기 플럭스를 가압하는 가압 공정과, 상기 용접 대상물에 레이저 빔을 조사할 때, 상기 용접 대상물을 관통한 상기 레이저 빔에 의한 상기 플럭스의 용융을 억제하여 용접을 실시하는 용접 공정을 갖는다.

본 발명의 제 3 양태에 의하면, 용접 대상물을 관통한 상기 레이저 빔에 의한 상기 플럭스의 용융을 제어하여 용접을 실시하므로, 두꺼운 재료를 용접하는 경우나, 갭 부분의 용접을 실시하는 경우에도, 용접부의 품질 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에 의하면, 용접 대상물에 조사된 레이저 빔이 용접 대상물을 관통하여, 플럭스에 직사된 경우에도, 플럭스 등으로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있으므로, 용접부의 품질 저하를 방지할 수 있다는 효과를 발휘한다.

또한, 용접 대상물에 플럭스를 가압하여 용접을 실시하므로, 용접 대상물의 판두께 등이 두꺼운 경우에도, 레이저 빔에 의해 녹은 용접 대상물 (요컨대 용융 금속) 이 플럭스에 의해 수용되어, 하방으로 늘어지는 것이나, 이파가 과도하게 볼록 형상이 되는 것을 방지할 수 있다. 그 때문에, 용접부의 품질 저하를 방지할 수 있다는 효과를 발휘한다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 이파 유지 장치의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 2 는 레이저 빔이 관통하지 않은 플럭스 상태를 설명하는 모식도이다.
도 3 은 도 2 의 플럭스 상태를 설명하는 단면에서 본 도면이다.
도 4 는 레이저 빔이 관통하지 않은 플럭스 상태를 나타내는 사진이다.
도 5 는 레이저 빔이 관통한 플럭스 상태를 설명하는 모식도이다.
도 6 은 도 5 의 플럭스 상태를 설명하는 단면에서 본 도면이다.
도 7 은 레이저 빔이 관통한 플럭스 상태를 나타내는 사진이다.
도 8 은 레이저 빔이 관통한 플럭스 상태를 나타내는 사진이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 이파 유지 장치의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 10 은 도 9 의 스페이서의 배치 위치를 설명하는 모식도이다.
도 11 은 도 9 의 스페이서의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 12 는 도 11 의 스페이서의 다른 실시형태를 설명하는 모식도이다.
도 13 은 본 발명의 제 3 실시형태에 있어서의 이파 유지 장치의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 14 는 도 13 의 이파 유지 장치의 다른 실시예를 설명하는 모식도이다.
도 15 는 도 13 의 이파 유지 장치의 또 다른 실시예를 설명하는 모식도이다.

[제 1 실시형태]

이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 레이저 용접에 사용되는 이파 유지 장치에 대해 도 1 내지 도 8 을 참조하여 설명한다.

도 1 은, 본 실시형태에 관련된 이파 유지 장치의 구성을 설명하는 모식도이다.

본 실시형태의 이파 유지 장치 (레이저 용접 장치) (1) 는, 선박 등의 대형 구조물인 용접 대상물 (W) 을 레이저 용접할 때, 이파 (B) 를 유지하기 위해 사용되는 것이다. 예를 들어, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 갭 (G) 을 갖는 용접 대상물 (W) 을 용접할 때 사용되는 것이다.

이파 유지 장치 (1) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 케이싱 (2) 과, 플럭스 (3) 와, 하부 모래 (지지부) (4) 와, 호스 (가압부) (5) 가 형성되어 있다.

케이싱 (2) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 플럭스 (3), 하부 모래 (4), 호스 (5) 를 지지함과 함께, 용접시에 용접 대상물 (W) 에 접촉하여 배치되는 것이다.

케이싱 (2) 에는, 용접 대상물 (W) 의 갭 (G) 을 따라 (도 1 의 지면에 대해 수직 방향으로) 연장되는 홈부 (21) 와, 홈부 (21) 의 개구단으로부터 용접 대상물 (W) 을 따라 연장되는 플랜지부 (22) 가 형성되어 있다.

홈부 (21) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 내부에 플럭스 (3), 하부 모래 (4), 호스 (5) 가 수납되는 것이다.

플랜지부 (22) 는, 이파 유지 장치 (1) 를 용접 대상물 (W) 에 배치했을 때, 용접 대상물 (W) 과 맞닿는 부분이다.

플럭스 (3) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 용접 대상물 (W) 의 갭 (G) 과 대향하는 위치에 배치되는 것이고, 용접시에 늘어진 용융 금속과 접촉하는 것이다. 플럭스 (3) 는 입상으로 형성된 것이고, 홈부 (21) 의 내부에 층을 형성하도록 배치되어 있다.

플럭스 (3) 가 형성하는 층의 두께로는, 약 2 ㎜ 에서 약 50 ㎜ 까지의 범위, 보다 바람직하게는 약 5 ㎜ 에서 약 20 ㎜ 까지의 범위를 예시할 수 있다.

예를 들어, 용접 대상물 (W) 의 판두께가 얇은 경우에는, 플럭스 (3) 층의 두께를 얇게 할 수 있는 한편, 용접 대상물 (W) 의 판두께가 두꺼운 경우에는, 플럭스 (3) 층의 두께를 두껍게 할 필요가 있다.

바꾸어 말하면, 용접 대상물 (W) 의 재질이나, 판두께에 기초하여 설정하는 레이저 빔의 출력과, 용접 대상물 (W) 을 관통하는 레이저 빔의 양에 따라 플럭스 (3) 층의 두께를 조절하는 것이 바람직하다.

요컨대, 플럭스 (3) 는 용접을 실시할 때마다 교환되고, 재이용할 수 없기 때문에, 플럭스 (3) 층의 두께를 필요 이상으로 두껍게 하면, 플럭스 (3) 가 교환되는 수고가 증가함과 함께, 재이용할 수 없는 플럭스 (3) 가 증가한다. 이것으로부터, 플럭스 (3) 층의 두께를 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

플럭스 (3) 로는, SiO₂를 주성분 (예를 들어, 30 wt% 내지 50 wt% 정도 함유한 것) 으로 하여, MgO, ZrO₂, CaF₂, TiO₂, Ai₂O₃, CaO 등이 배합된 것을 예시할 수 있다.

이와 같이, SiO₂에 MgO 등을 함유시켜 슬러그 점도, 박리성, 및 융점을 조절한 플럭스 (3) 를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태에서는, 플럭스 (3) 에 열경화성 수지의 코팅을 실시하지 않은 예에 적용하여 설명하는데, 입상 플럭스 (3) 의 표면에 열경화성 수지를 코팅해도 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

플럭스 (3) 에 열경화성 수지를 코팅하는 경우에는, 플럭스 (3) 에 대해 약 2 wt% 이하의 열경화성 수지를 함유시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 함으로써, 열이 가해졌을 때 플럭스 (3) 로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있다. 요컨대, 열이 가해지면 가스를 발생하는 열경화성 수지의 함유량이 적기 때문에, 플럭스 (3) 전체로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있다. 그 때문에, 용접 금속 중에, 상기 서술한 가스에서 기인되는 블로우 홀이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

열경화성 수지로는, 가교형 수지나, 포름알데히드형 수지 등, 공지된 수지를 사용할 수 있고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

하부 모래 (4) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 플럭스 (3) 와 호스 (5) 사이에 배치된 것으로서, 플럭스 (3) 를 지지하는 것이다.

하부 모래 (4) 로는, 공지된 것을 사용할 수 있고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 하부 모래 (4) 를 사용함으로써, 플럭스 (3) 를 안정적으로 지지하고, 플럭스 (3) 를 용접 대상물 (W) 에 균일하게 가압할 수 있다. 특히, 플럭스 (3) 를 구리판 등의 금속판으로 지지하는 방법과 비교하여, 용접선이 길어져도 플럭스 (3) 를 용접 대상물 (W) 에 균일하게 가압하는 것이 용이해진다.

호스 (5) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 플럭스 (3) 와 하부 모래 (4) 를 지지하는 것으로서, 가압된 기체 등의 유체의 공급을 받음으로써 팽창하여, 플럭스 (3) 를 용접 대상물 (W) 에 가압하는 것이다.

예를 들어 유체로서 압축 공기를 사용하는 경우, 호스 (5) 에 공급되는 유체의 압력으로는, 약 19.6 kPa 내지 약 196 kPa (약 0.2 kgf/㎠ 내지 약 2.0 kgf/㎠) 의 범위, 보다 바람직하게는 약 49 kPa 내지 약 98 kPa (약 0.5 kgf/㎠ 내지 약 1.0 kgf/㎠) 의 범위를 예시할 수 있다.

공급되는 유체의 압력이 너무 높은 경우에는, 플럭스 (3) 가 용접 대상물 (W) 에 가압되는 힘이 너무 강해져, 용접시에 형성되는 이파 (B) 가 오목 형상이 된다. 또한, 플럭스 (3) 로부터 발생하는 가스의 도피처가 없어져, 블로우 홀 등의 결함이 발생하기 쉬워진다.

그 한편, 압력이 낮은 경우에는, 용접시에 형성되는 이파 (B) 가 과도하게 볼록 형상이 되는 것을 방지할 수 없다.

또한, 호스 (5) 로는, 공지된 것을 사용할 수 있고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 이파 유지 장치 (1) 와 함께 용접 대상물 (W) 을 사이에 두도록 반력 부여부 (6) 가 형성되어 있다.

반력 부여부 (6) 는, 호스 (5) 에 의해 발생된 플럭스 (3) 를 용접 대상물 (W) 에 가압하는 힘에 대한 반력을 발생시키는 것이다. 반력 부여부 (6) 를 형성함으로써, 용접에 의한 용접 대상물 (W) 의 변형이나 이동을 억제할 수 있다.

반력 부여부 (6) 의 구성으로는, 용접 대상물 (W) 에 있어서의 레이저 빔이 입사되는 측의 면 (표면) 과, 이파 유지 장치 (1) 가 맞닿는 측의 면 (이면) 에 흡착되는 자석이 형성되고, 당해 자석을 개재하여 용접 대상물 (W) 에 반력을 가하는 구성이나, 표면에 중량물을 실어 반력을 가하는 구성이나, 표면을 누르는 기구를 갖는 구성 등을 예시할 수 있다.

다음으로, 상기 구성으로 이루어지는 이파 유지 장치 (1) 를 사용한 레이저 용접에 대해 설명한다.

용접 대상물 (W) 의 레이저 용접을 실시하는 경우에는, 먼저, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 용접 대상물 (W) 을 소정의 위치에 배치한다.

그 후, 홈부 (21) 에 호스 (5) 가 배치되고, 하부 모래 (4) 및 플럭스 (3) 가 전면에 깔린 이파 유지 장치 (1) 가 용접 대상물 (W) 에 맞닿는다 (배치 공정).

구체적으로는, 용접선이 되는 갭 (G) 을 따라 플럭스 (3) 가 가압되도록, 이파 유지 장치 (1) 가 배치된다.

이파 유지 장치 (1) 가 소정의 위치에 배치되면, 호스 (5) 에 소정 압력의 유체가 공급되고, 플럭스 (3) 가 용접 대상물 (W) 에 가압된다 (가압 공정).

요컨대, 호스 (5) 는, 소정 압력의 유체가 공급됨으로써 불룩해지고, 하부 모래 (4) 및 플럭스 (3) 를 용접 대상물 (W) 을 향하여 밀어 올린다. 이로써, 플럭스 (3) 는 용접 대상물에 가압된다.

이 때, 호스 (5) 에 소정 압력의 유체를 공급함과 동시에, 또는 그 이전에, 반력 부여부 (6) 로부터 용접 대상물 (W) 에 대해, 상기 서술한 반력이 부여되어 있다.

여기서, 반력이란, 플럭스 (3) 가 용접 대상물 (W) 에 가압되는 힘에 대한 힘을 의미한다.

그리고, 용접 대상물 (W) 에 대해 레이저 빔이 조사되고, 용접 대상물 (W) 의 용접이 실시된다 (용접 공정). 이 때, 레이저 빔이 조사된 용접 대상물 (W) 은 녹아 고온의 용융 금속이 되어 갭 (G) 을 메운다.

또한, 갭 (G) 의 폭이 넓어, 용접 대상물 (W) 만으로는 갭을 충분히 충전하는 용접이 곤란한 경우에는, 용가재가 사용된다. 요컨대, 갭 (G) 의 근방에서, 레이저 빔을 조사하여 용가재를 녹이거나, 혹은 아크 용접을 병용하는 것 등에 의해 갭 (G) 이 메워진다.

이 때, 갭 (G) 의 근방에 위치하는 플럭스 (3) 는, 용융 금속 등의 열, 갭 (G) 을 통과한 레이저 빔, 용접 대상물 (W) 등의 용융 금속을 관통한 레이저 빔의 조사에 의해 용융된다.

그 때문에, 갭 (G) 으로부터 늘어진 용융 금속은, 용융된 플럭스 (3) 에 수용된다. 플럭스 (3) 에 수용된 용융 금속은, 냉각에 수반하여 응고됨으로써 이파 (B) 를 형성한다.

이와 같이 하여 형성된 이파 (B) 의 표면에는, 플럭스 (3) 로부터 형성된 슬러그층이 형성되어 있다.

그 한편, 용접 대상물 (W) 에 조사되는 레이저 빔은, 플럭스 (3) 에 대해 약 1 ㎜ 내지 약 15 ㎜ 의 깊이까지 입사하는 출력으로 조정되어 있다. 또, 출력에 더하여 레이저의 경사각의 설정, 아크 용접을 병용하는 경우에는 레이저 빔과 아크의 간격 조정에 의해 플럭스 용융 두께를 15 ㎜ 정도 이하로 억제하도록 설정하고 있다.

바꾸어 말하면, 레이저 빔에 의한 입열량은, 용접 대상물 (W) 의 판두께에 비례하도록 조절되고 있다.

여기서, 레이저 빔이 플럭스 (3) 층을 관통하지 않은 상태와, 관통한 상태 (혹은 과도하게 용융된 상태) 를 이하에 설명한다. 먼저, 레이저 빔이 관통하지 않은 플럭스 (3) 층의 상태를 설명한 후, 레이저 빔이 관통한 후의 플럭스 (3) 층의 상태를 설명한다.

도 2 는, 레이저 빔이 관통하지 않은 플럭스 상태를 설명하는 모식도이다. 도 3 은, 도 2 의 플럭스 상태를 설명하는 단면에서 본 도면이다. 도 4 는, 레이저 빔이 관통하지 않은 플럭스 상태를 나타내는 사진이다.

레이저 빔이 관통하지 않은 플럭스 (3) 에는, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 플럭스 (3) 에 있어서의 용융 금속, 바꾸어 말하면 이파 (B) 와 접촉하는 영역에 응고 슬러그 (31) 가 형성되어 있다.

응고 슬러그 (31) 에는, 도 2 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 후술하는 레이저 빔이 관통한 플럭스 (3) 에서 형성되어 있는 기포 (33) 가 없다. 또한, 응고 슬러그 (31) 에 있어서의 패임의 깊이도, 원하는 깊이로 되어 있다. 바꾸어 말하면, 원하는 높이의 이파 (B) 를 형성하는 깊이의 패임으로 되어 있다.

또한, 플럭스 (3) 층에는, 레이저 빔에 의해 용융되고 유리화된 플럭스 (3) 의 용융층 (32) 이 형성되어 있다. 이 용융층 (32) 은, 레이저 빔이 플럭스 (3) 층을 관통한 경우와 비교하여 얇게 형성되어 있다.

도 5 는, 레이저 빔이 관통한 플럭스 상태를 설명하는 모식도이다. 도 6 은, 도 5 의 플럭스 상태를 설명하는 단면에서 본 도면이다. 도 7 및 도 8 은, 레이저 빔이 관통한 플럭스 상태를 나타내는 사진이다.

그 한편, 레이저 빔이 관통한 후의 플럭스 (3) 에는, 도 5 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 플럭스 (3) 에 있어서의 용융 금속, 바꾸어 말하면 이파 (B) 와 접촉하는 영역에 응고 슬러그 (31) 가 형성되어 있다.

응고 슬러그 (31) 에는, 도 5, 도 6 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 레이저 빔이 관통했을 때, 플럭스 (3) 로부터 발생한 가스에 의한 기포 (33) 가 형성되어 있다. 또한, 응고 슬러그 (31) 에 있어서의 패임의 깊이는, 원하는 깊이보다 깊게 되어 있다. 바꾸어 말하면, 원하는 높이보다 높은 이파 (B) 를 형성하는 깊이의 패임으로 되어 있다.

또한, 플럭스 (3) 층에는, 레이저 빔에 의해 용융된 플럭스 (3) 의 용융층 (32) 이 형성되어 있다. 이 용융층 (32) 은, 레이저 빔이 플럭스 (3) 층을 관통하지 않은 경우와 비교하여 두껍게 형성되어 있다.

상기의 구성에 의하면, 관통한 레이저 빔이 플럭스 (3) 를 관통하지 않도록, 또, 플럭스 용융 두께를 억제하도록 되어 있으므로, 용접 대상물 (W) 에 조사된 레이저 빔이 용접 대상물 (W) 을 관통하여, 플럭스 (3) 에 직사된 경우에도, 플럭스 (3) 등으로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있다.

바꾸어 말하면, 상기의 구성에 의하면, 레이저 빔이 플럭스 (3) 를 관통하는 경우와 비교하여, 레이저 빔에 의해 가열, 혹은 용융되는 플럭스 (3) 의 양이 억제되어 있다. 그 때문에, 가열로부터 가스를 발생시키는 플럭스 (3) 의 양이 억제되고, 발생하는 가스의 양이 억제된다. 그 결과, 용접 금속 중에, 상기 서술한 가스에서 기인되는 블로우 홀이 발생하는 것을 방지하고, 품질의 저하를 방지할 수 있다.

그 한편, 입상 플럭스 (3) 및 유체의 공급을 받아 불룩해지는 호스 (5) 가 이용되고 있기 때문에, 용접선이 길어져도, 플럭스 (3) 를 용접 대상물 (W) 에 균일하게 가압할 수 있다. 그 결과, 이파 (B) 의 늘어짐이나, 이파 (B) 가 과도하게 볼록 형상이 되는 등, 용접부의 품질 저하를 방지할 수 있다.

또한, 용접 대상물 (W) 에 레이저 빔 용접을 실시하기 때문에, 아크 용접 등과 비교하여, 용접 대상물 (W) 에 가해지는 열량을 억제할 수 있다. 그 때문에, 용접 대상물 (W) 의 열 변형의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 용접 대상물 (W) 의 이면에 플럭스 (3) 를 가압하여 용접을 실시하므로, 용접 대상물 (W) 의 판두께 등이 두꺼운 경우에도, 레이저 빔에 의해 녹은 용접 대상물 (W) (요컨대 용융 금속) 이 플럭스 (3) 에 의해 수용되어, 하방으로 늘어지는 것이나, 이파 (B) 가 과도하게 볼록 형상이 되는 것이 방지된다.

플럭스 (3) 에 존재하는 갭 (G) 부분을 용접하는 경우에도, 플럭스에 의해 용융 금속이 수용되기 때문에, 용가재를 첨가하면서 용접할 수 있다.

또한, 상기 서술한 실시형태와 같이, 플럭스 (3) 로서 약 2 wt% 이하의 열경화성 수지를 함유하는 것을 사용해도 되고, 예열함으로써 가스를 미리 발생시킨 열경화성 수지를 함유하는 플럭스 (3) 를 사용해도 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

보다 구체적으로는, 플럭스 (3) 를 이파 유지 장치 (1) 의 홈부 (21) 의 전면에 깐 후, 예열하여 가스를 미리 발생시켜도 되고, 먼저 플럭스 (3) 를 예열하여 가스를 발생시킨 후, 그 플럭스 (3) 를 이파 유지 장치 (1) 의 홈부 (21) 의 전면에 깔아도 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 미리 가스를 발생시킨 열경화성 수지를 사용함으로써, 용접시에 플럭스 (3) 에 열이 가해져도, 플럭스 (3) 로부터 발생하는 가스의 양을 억제할 수 있다. 그 때문에, 용접 금속 중에, 상기 서술한 가스에서 기인되는 블로우 홀이 발생하는 것을 방지하고, 품질의 저하를 방지할 수 있다.

또한, 열경화성 수지가 많이 함유된 플럭스 (3) 라도, 본 실시형태의 이파 유지 장치 (1) 에 사용할 수 있다.

[제 2 실시형태]

다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 도 9 내지 도 12 를 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 이파 유지 장치의 기본 구성은, 제 1 실시형태와 동일한데, 제 1 실시형태와는, 플럭스층의 근방에서의 구성이 상이하다. 따라서, 본 실시형태에 있어서는, 도 9 내지 도 12 를 이용하여 플럭스 주변의 구성만을 설명하고, 그 밖의 구성 요소 등의 설명을 생략한다.

도 9 는, 본 실시형태에 있어서의 이파 유지 장치의 구성을 설명하는 모식도이다. 도 10 은, 도 9 의 스페이서의 배치 위치를 설명하는 모식도이다.

또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.

이파 유지 장치 (101) 에는, 도 9 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 케이싱 (2) 과, 플럭스 (3) 와, 하부 모래 (4) 와, 호스 (5) 와, 스페이서 (유도부) (107) 가 형성되어 있다.

도 11 은, 도 9 의 스페이서의 구성을 설명하는 모식도이다.

스페이서 (107) 는, 레이저 빔의 열에 의해 가열된 플럭스로부터 발생한 가스를, 플럭스에 있어서의 가열되어 있지 않은 영역으로 유도하는 것으로서, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 통형상으로 형성된 금속 또는 수지로 이루어지는 부재이다.

스페이서 (107) 는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 플럭스 (3) 와 용접 대상물 (W) 사이로서, 플럭스 (3) 에 메워진 상태로 배치되어 있다. 이 때, 스페이서 (107) 는, 통의 중심축선이, 이파 (B) 의 연장되는 방향에 대해 교차하는 방향, 보다 바람직하게는, 직교하는 방향이 되는 자세로 배치되어 있다.

또한, 스페이서 (107) 는, 도 9 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 용접 대상물 (W) 에 있어서의 이파 (B) 를 사이에 두고 양측에 배치되어 있음과 함께, 이파 (B) 또는 용접선을 따라 간격을 두고 배치되어 있다.

상기의 구성으로 이루어지는 이파 유지 장치 (101) 를 사용한 레이저 용접에 대해서는, 제 1 실시형태와 동일하므로, 그 설명을 생략한다.

상기의 구성에 의하면, 가열된 플럭스 (3) 로부터 발생한 가스는, 스페이서 (107) 를 통과하여, 가열되어 있지 않은 플럭스 (3) 의 영역까지 유도된다. 가열되어 있지 않은 플럭스 (3) 는 유리화되어 있지 않으므로, 가스의 도피처가 되어 블로우 홀 등의 문제의 발생을 억제할 수 있다.

도 12 는, 도 11 의 스페이서의 다른 실시형태를 설명하는 모식도이다.

또한, 상기 서술한 실시형태와 같이 통형상의 스페이서 (107) 를 사용해도 되고, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 반원통형상의 스페이서 (유도부) (107A) 를 사용해도 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

[제 3 실시형태]

다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해 도 13 내지 도 15 를 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 이파 유지 장치의 기본 구성은, 제 1 실시형태와 동일한데, 제 1 실시형태와는, 플럭스와 호스 사이의 구성이 상이하다. 따라서, 본 실시형태에 있어서는, 도 13 내지 도 15 를 이용하여 플럭스와 호스 사이의 구성만을 설명하고, 그 밖의 구성 요소 등의 설명을 생략한다.

도 13 은, 본 실시형태에 있어서의 이파 유지 장치의 구성을 설명하는 모식도이다.

이파 유지 장치 (201) 에는, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 케이싱 (2) 과, 플럭스 (3) 와, 하부 모래 (4) 와, 호스 (5) 와, 금속 박판 (차폐부) (207) 이 형성되어 있다.

금속 박판 (207) 은, 레이저 빔에 의한 호스 (5) 의 손상을 방지하는 것으로서, 레이저 빔의 투과를 방지하는 것이다.

금속 박판 (207) 은, 호스 (5) 의 상방을 덮도록 설치된 금속판으로서, 호스 (5) 근방의 하부 모래 (4) 의 내부에 배치된 것이고, 도 13 에 나타내는 바와 같이 단면이 원호 형상이어도 되고 평면상이어도 된다.

상기의 구성에 의하면, 호스 (5) 에 레이저 빔이 조사되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 레이저 빔과 용접 대상물 (W) 을 상대 이동시키는 구동 장치 등이 고장나면, 레이저 빔이 동일 지점에 계속 조사되는 경우를 생각할 수 있다. 이와 같은 경우, 용접 대상물 (W) 및 플럭스 (3) 를 관통한 레이저 빔이, 호스 (5) 에 조사되는 것을 방지할 수 있다.

그 때문에, 호스 (5) 에 의해 플럭스 (3) 를 용접 대상물 (W) 에 계속 가압할 수 있어, 안정적인 이파 (B) 를 형성할 수 있다.

도 14 는, 도 13 의 이파 유지 장치의 다른 실시예를 설명하는 모식도이다.

또한, 상기 서술한 실시형태와 같이, 금속 박판 (207) 을 이용하여 레이저 빔에 의한 호스 (5) 의 손상을 방지해도 되고, 금속 박판 (207) 대신에, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 세라믹스판 (차폐부) (207A) 을 사용해도 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

세라믹스판 (207A) 은, 호스 (5) 의 상방을 덮도록 세라믹스를 이용하여 평판상으로 형성된 판으로서, 호스 (5) 근방의 하부 모래 (4) 의 내부에 배치된 것이다.

도 15 는, 도 13 의 이파 유지 장치의 또 다른 실시예를 설명하는 모식도이다.

또한, 상기 서술한 실시형태와 같이, 금속 박판 (207) 을 이용하여 레이저 빔에 의한 호스 (5) 의 손상을 방지해도 되고, 금속 박판 (207) 대신에, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 입상 차폐물 (차폐부) (207B) 을 사용해도 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

입상 차폐물 (207B) 은, 폴리 4 불화에틸렌 (테플론 (등록 상표)) 으로 형성된 입상물로서, 호스 (5) 와 하부 모래 (4) 사이에 층을 이루도록 전면에 깔린 것이다.

또한, 상기 서술한 실시형태와 같이, 호스 (5) 와 플럭스 (3) 사이에 하부 모래 (4) 로 이루어지는 층을 형성해도 되고, 호스 (5) 위에 직접 플럭스 (3) 로 이루어지는 층을 형성해도 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다.

1, 101, 201 : 이파 유지 장치 (레이저 용접 장치)
3 : 플럭스
4 : 하부 모래 (지지부)
5 : 호스 (가압부)
107, 107A : 스페이서 (유도부)
207 : 금속 박판 (차폐부)
207A : 세라믹스판 (차폐부)
207B : 입상 차폐물 (차폐부)
W : 용접 대상물

Claims

일방측으로부터 레이저 빔이 조사되는 용접 대상물에 있어서의 타방측에 가압되는 입상 플럭스와,
유체의 공급을 받아 불룩해지고, 상기 용접 대상물에 있어서의 타방측을 향해 상기 플럭스를 가압하는 가압부가 형성되고,
상기 용접 대상물을 관통한 상기 레이저 빔은, 상기 플럭스를 관통하지 않은 레이저 용접 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 플럭스에는, 열경화성 수지가 포함되어 있지 않거나, 또는 약 2 wt% 이하의 상기 열경화성 수지가 포함되어 있는 레이저 용접 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 플럭스에는, 미리 가스를 발생시킨 후의 열경화성 수지가 포함되어 있는 레이저 용접 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔의 열에 의해 가열된 상기 플럭스로부터 발생한 가스를, 상기 플럭스에 있어서의 가열되어 있지 않은 영역으로 유도하는 유도부가 형성되어 있는 레이저 용접 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가압부와 상기 플럭스 사이에는, 상기 레이저 빔을 차폐하는 차폐부가 형성되어 있는 레이저 용접 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가압부와 상기 플럭스 사이에는, 입상물의 집합으로서, 상기 백킹 플럭스를 지지하는 지지부가 형성되어 있는 레이저 용접 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 레이저 용접 장치에 용접 대상물을 배치하는 배치 공정과,
상기 가압부에 유체를 공급하여, 상기 플럭스를 상기 용접 대상물에 가압하는 가압 공정과,
상기 용접 대상물에 레이저 빔을 조사하여 용접을 실시하는 용접 공정을 갖는 레이저 용접 방법.
입상 플럭스에 용접 대상물을 배치하는 배치 공정과,
상기 용접 대상물에 상기 플럭스를 가압하는 가압 공정과,
상기 용접 대상물에 레이저 빔을 조사할 때, 상기 용접 대상물을 관통한 상기 레이저 빔에 의한 상기 플럭스의 용융을 억제하여 용접을 실시하는 용접 공정을 갖는 레이저 용접 방법.