KR20110073466A - 동적 제트 노즐에 의한 ｃｏ2 레이저 용접 방법 - Google Patents

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KR20110073466A
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laser beam
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KR1020117006661A
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필리프 르페브르
카림 슈프
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은, CO2 레이저 빔을 발생시키는 단계, 상기 가스 또는 가스 혼합물로 제조된 보호 가스 제트를 부품들 사이의 접합 평면의 방향으로 분배하는 단계, 금속 증기 모세관을 생성시키는 동시에, 금속 증기 모세관 외부로 전파하여 상기 접합 평면 위에 금속 플라즈마 플룸을 형성하는 금속 플라즈마를 생성시키기 위해, 레이저 빔으로 금속 부품들의 금속을 용융시키고 기화시키는 단계를 포함하는, 금속 부품들의 레이저 용접을 위한 방법에 관한 것이다. 보호 가스 제트는 또한 접합 평면 위에 형성되는 금속 플라즈마 플룸을 향해 지향된다. 가스 제트는 바람직하게는 이 가스 제트가 금속 플라즈마 플룸의 상면과 동일 높이에 있고 상기 부품들의 금속이 빔에 의해 용융되지 않은 위치에서 부품(들)에 인가되도록 지향된다.

Description

동적 제트 노즐에 의한 ＣＯ2 레이저 용접 방법{METHOD FOR CO2 LASER WELDING WITH A DYNAMIC JET NOZZLE}
본 발명은 용접 레이저 빔을 발생시키기 위한 CO2 레이저 발생기와 헬륨을 함유하지 않거나 단지 낮은 비율의 헬륨을 함유하는 보호 가스를 채용한 레이저 용접 방법에 관한 것이다.
레이저 빔 용접은 플라즈마 용접, MIG(금속 불활성 가스) 용접 또는 TIG(텅스텐 불활성 가스) 용접과 같은 다른 보다 종래의 공정에 비해, 고속으로 아주 깊은 침투 깊이를 얻는 데 기여하기 때문에 아주 효율적인 결합 방법이다.
이는 하나 이상의 거울 또는 렌즈가 용접될 부품들의 접합 평면상에 레이저 빔을 집속시키도록 사용될 때 채용되는 높은 출력 밀도, 예를 들어 106 W/cm2 초과에 이르는 출력 밀도 때문이다.
이들 높은 출력 밀도는 용접될 부품들의 표면에서 강한 금속 기화를 야기하며, 이는 외향으로 확장됨으로써, 금속 풀(metal pool)의 점진적인 중공화(hollowing)를 야기하고, 부품의 두께 내에서, 즉 접합 평면에서, "키이홀(keyhole)"로 불리우는 좁고 깊은 증기 모세관(vapor capillary)의 형성을 초래한다. 상기 모세관은 에너지 부여(energy deposition)가 표면에서 일어나는 보다 종래의 아크 용접 공정과는 대조적으로, 부품의 두께 내에 깊게 레이저 빔 에너지의 직접적인 부여를 가능하게 한다.
증기 모세관은 금속 증기 및 금속 증기 플라즈마의 혼합물로 구성되며, 레이저 빔을 흡수하여 모세관 그 자체 내에 에너지를 가두는 특성을 갖는다.
모세관 외부로의 금속 플라즈마의 전파는 고온의 방사 금속 플라즈마 플룸(plume)을 발생시킨다.
10.6 ㎛의 파장을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 CO2 레이저 장치를 채용한 레이저 용접에서의 공지된 문제점은 블랭킷 가스(blanket gas) 또는 보호 가스 내에서의 바람직하지 않은 플라즈마의 형성이다.
이는 자유 전자를 블랭킷 가스 또는 보호 가스에 살포함으로써, 그 내부에서 금속 증기 플라즈마가 이온화를 개시할 수 있기 때문이다. 블랭킷 가스의 이온화는 입사 레이저 빔에 의해 유지될 수 있어, 금속 플라즈마 플룸 바로 위의 블랭킷 가스 내에서의 큰 플라즈마의 형성을 초래한다.
실제로, 보호 가스 내의 이러한 바람직하지 않은 플라즈마는 입사 레이저 빔을 강하게 흡수하고, 이는 용접 작업에 불리하다. 이러한 보호 가스 내에서의 바람직하지 않은 플라즈마 발생의 메커니즘은 "역 제동 복사(inverse Bremsstrahlung)"라는 이름으로 공지되어 있다. 이어서 입사 레이저 빔은 블랭킷 가스 플라즈마에 의해 심하게 교란될 수 있다.
레이저 빔과 블랭킷 가스 플라즈마의 상호작용은 다양한 형태를 취할 수 있지만, 보통 입사 레이저 빔의 흡수 및/또는 회절의 효과에 의해 설명되며, 이는 목표물의 표면에 대한 유효 레이저 출력 밀도를 현저히 감소시킬 수 있어, 침투 깊이의 감소, 또는 심지어 빔과 재료 사이의 결합 실패 및 이에 따른 용접 공정의 일시 중단을 초래할 수 있다.
그를 초과하는 경우에 플라즈마가 나타나는 출력 밀도 한계치는 사용되는 블랭킷 가스의 이온화 포텐셜(ionization potential)에 의존하고, 레이저 빔 파장의 제곱에 반비례한다. 따라서, 순수 아르곤 하에서 CO2 레이저 발생기로 용접하기가 매우 어려운 반면에, 이 작업은 YAG 레이저 발생기로 훨씬 적은 수의 문제를 갖고서 실행가능하다.
일반적으로, CO2 레이저 발생기에 의한 레이저 용접에서, 사용되는 블랭킷 가스는, 높은 이온화 포텐셜을 갖고 적어도 45 kW의 레이저 밀도에 이르기까지 블랭킷 가스 플라즈마의 출현을 방지하는 데 도움을 주는 헬륨이다.
그러나, 헬륨은 고가의 가스라는 단점을 갖고, 많은 레이저 사용자들은 헬륨보다 저렴하지만, 그럼에도 불구하고 블랭킷 가스 플라즈마의 출현을 제한하는 데 도움을 주어, 헬륨에 의해 얻어지는 용접 결과와 유사한 용접 결과를 보다 낮은 비용으로 산출하는 다른 가스 또는 가스 혼합물의 사용을 선호한다.
또한, 레르 리키드(L'Air Liquide)™는 12 kW 미만의 CO2 레이저 출력에 대해, 순수 헬륨에 의한 것과 실질적으로 동일한 결과를 얻기 위해서, 질소 및 헬륨 또는 아르곤 및 헬륨을 함유하는 가스 혼합물을 상품명 라살 믹스(LASAL MIX)™로 판매하며, 이때 당해 혼합물의 조성은 작동 파라미터, 레이저 빔 및 용접될 재료에 따라 선택되거나 조절된다.
그러나, 이들 가스 혼합물도 또한 특히 경제적 관점에서 이상적이지 않은 높은 비율의 헬륨을 함유한다.
따라서, 해결하고자 하는 과제는 용접 레이저 빔을 발생시키기 위해 CO2 레이저 발생기에 의해 전달되는 레이저 빔과, 동일한 작동 조건 하에서 수행되지만 보호 가스로서 헬륨 또는 높은 비율의 헬륨, 즉 50 체적% 초과의 헬륨을 함유한 가스를 사용하여 수행되는 레이저 용접 공정의 용입(weld penetration)에 적어도 상당하는 용입을 얻는 데 기여하는, 바람직하게는 헬륨을 함유하지 않거나 단지 작은 비율의 헬륨, 즉 50 체적%보다 훨씬 낮은 비율의 헬륨을 함유하는 보호 가스에 의해 수행되고/수행되거나, 바람직하게는 출력(약 20　kW에 이르기까지) 및 입사 레이저 빔의 집속 조건에 관계없이 블랭킷 가스 내에 플라즈마를 거의 또는 전혀 발생시키지 않고/않거나, 용접 비드의 외양 및 야금학적 품질(기공 등) 면에서 용접 품질의 열화를 초래하지 않는 용접 작업을 수행하는 것이다.
따라서, 본 발명의 해소방안은 접합 평면을 따라 서로 맞대어져 위치되는 하나 이상의 금속 부품의 레이저 용접을 위한 방법으로서,
a) CO2 레이저 발생기를 사용하여 레이저 빔을 발생시키고,
b) 가스 또는 가스 혼합물을 노즐에 공급하고, 상기 노즐을 상기 가스 또는 가스 혼합물로부터 형성되는 보호 가스의 제트를 접합 평면을 향해 송출시키도록 사용하며,
c) 레이저 빔을 금속 부품들의 금속을 용융 또는 기화시키도록 사용하여, 상기 접합 평면에서 부품 또는 부품들의 두께 내에 금속 증기 모세관의 형성과 동시에, 금속 증기 모세관 외부로의 전파에 의해, 접합 평면 위에 금속 플라즈마 플룸을 형성하는 금속 플라즈마의 형성을 유발하는 방법에 있어서,
노즐에 의해 전달되는 보호 가스 제트를 접합 평면 위에 형성되는 금속 플라즈마 플룸을 향해 지향시키거나 송출시켜, 보호 가스 제트가 금속 플라즈마 플룸의 상면과 동일 높이에 있고 부품들의 금속이 빔에 의해 용융되지 않은 장소에서 부품 또는 부품들에 인가되도록, 즉 가스 제트가 레이저 헤드를 향하는 부품들의 상부 표면에 인가되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법이다.
본 발명의 맥락에서, CO2 레이저 발생기는 약 10.6 ㎛의 파장을 갖는 레이저 빔을 발생시키기 위한 장치 또는 에너지원을 의미하는 반면에, "하나 이상의 금속 부품"은 2개의 분리된 금속 부품, 또는 그 자체 내의 단일 부품, 예를 들어 O로 형상화된 다음에 용접된 관을 얻기 위해 용접된 금속 시트의 2개의 종방향 에지, 또는 심지어 함께 용접된 단일 부품의 2개의 요소를 의미한다.
경우에 따라, 본 발명의 방법은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 보호 가스는 소정 비율의 헬륨, 즉 35 체적% 미만의 헬륨, 바람직하게는 25 체적% 미만의 헬륨, 훨씬 바람직하게는 15 체적% 미만의 헬륨, 바람직하게는 10 체적% 미만의 헬륨, 훨씬 더욱 바람직하게는 5 체적% 미만의 헬륨을 포함한다.
- 보호 가스는 헬륨을 함유하지 않는다.
- 단계 c)에서, 금속 부품들의 금속은 내내 접합 평면을 따라, 용접될 부품들에 대한 빔의 상대 운동에 의해 점진적으로 용융되고 기화된다.
- 가스 제트는 용접될 부품들의 상부 표면에 대한 상기 가스 제트 및 상기 레이저 빔의 충돌점들 사이에서 측정시, 상기 가스 제트의 축과 레이저 빔의 축 사이의 거리(D)가 가스 제트를 전달하는 노즐의 내경(D')의 1.5배와 동일하거나 그보다 크도록 지향된다.
- 노즐의 내경(D')의 단부는 부품들의 상부 표면에 대해 1 mm 내지 50 mm의 높이에 위치된다.
- 노즐은 가스 제트 또는 노즐의 축의 각도(θ)가 부품들의 상부 표면에 대해 5° 내지 70°, 바람직하게는 약 30° 내지 50°이도록 부품들의 상부 표면에 대해 위치된다.
- 노즐은 용접될 판의 평면으로의 노즐의 축의 투영선(projection)에 대한 용접 비드의 축의 경사각(α)이 +170° 내지 -170°이도록 접합 평면에 대해 위치된다.
- 가스 제트는 40 내지 2000 m/s의 속도 및/또는 1 내지 10 바의 압력으로 분배된다.
- 노즐은 하나 이상의 가스 분배 오리피스를 구비한다.
- 노즐은 0.5　mm 내지 20 mm, 바람직하게는 2 내지 4 mm의 내경(D')을 갖는다.
- 가스 또는 가스 혼합물은 Ar, N2, CO2 및 O2, 그리고 선택적으로 He에 의해 형성되는 군의 하나 이상의 성분을 함유한다.
- 부품 또는 부품들은 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 티타늄 또는 티타늄 합금, 마그네슘 또는 마그네슘 합금, 인코넬(Inconel), 탄소강 또는 스테인레스강, 특히 아연, 알루미늄 합금, 중합체 또는 복수의 유기 요소, 특히 페인트로 도장된 강으로 형성된다.
- 용접될 부품 또는 부품들은 해당 응용분야에 따라, 0.1 내지 20 mm, 바람직하게는 1 내지 10 mm의 두께를 갖는다.
- 적어도 8 mm 두께인 두꺼운 판에 대해, 특정 베벨(bevel), 루트면(root face) 등의 제작과 같은 다양한 에지 구성이 고려될 수 있다. 후자의 경우에, 루트면의 두께는 0.1 mm 내지 20 mm, 바람직하게는 1 내지 10 mm의 두께 범위 내에 놓여야 한다.
- 레이저 출력은 적어도 2 kW, 바람직하게는 4 kW 내지 12 kW이다.
본 발명의 실시예에 대한 하기의 설명은 첨부된 예시적인 도면들과 아래에 주어진 실시예들을 참조하여 제공된다.
도 1 내지 도 3은 2개의 분리된 금속 부품(7)들이 함께 용접되는, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 방법의 원리를 도시한다.
용접될 부품(7)들은 우선 접합 평면(8)을 얻기 위해 서로 맞대어져 위치되고, 이 접합 평면은 레이저 빔(9)과 충돌하여 금속을 용융시킨 다음에 재고화되어 용접 비드를 형성할 것이다.
종래 방식으로, 레이저 빔(9)은 CO2 레이저 발생기를 사용하여 얻어진 다음에, 광 경로를 통해, 용접될 부품(7)들의 접합 평면(8)에서 이들의 두께 내에 빔을 집속시키도록 설계되는, 광학 렌즈 또는 거울과 같은 하나 이상의 광학 집속 장치를 포함하는 집속 관으로 전달된다.
용접 구역에 가스 보호를 제공하기 위해 그리고 공기 중의 불순물에 의한, 용융지(weld pool) 및 이에 따른 형성된 용접 비드의 오염을 방지하기 위해, 보호 가스 또는 가스 혼합물이 가스 분배 노즐(4)을 통해, 레이저 빔이 용융 금속(3)과 상호작용하는 접합 평면의 구역인 상기 용접 구역을 향해 송출된다.
실제로, 레이저 빔(9)은 용접될 부품(7)들과 충돌하고 금속 부품(7)들의 금속의 일부분의 용융 또는 기화를 유발하여, 상기 접합 평면(8)에서 부품(7)의 두께 내에 금속 증기 모세관(2) 또는 키이홀의 형성과 동시에 금속 플라즈마의 형성을 유발한다.
상기 금속 플라즈마는 금속 증기 모세관(2) 외부로 전파함으로써, 접합 평면(8) 위에, 따라서 금속 풀(3) 위에 금속 플라즈마 플룸(1)을 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 노즐(4), 즉 그 축(5)은 노즐이 전달하는 가스 제트가 접합 평면(8) 위에 형성되는 금속 플라즈마 플룸(1)을 향해 지향되지만, 금속이 용융되지 않은 장소(6)에서 하나 이상의 판(7)의 상부 표면(7a)에 인가되도록 배향된다.
실제로, 상기 노즐(4)의 한가지 역할은 모세관(2), 금속 풀(3) 또는 금속 플라즈마 플룸(1)과 같은, 용접 공정에 직접적으로 영향을 미치는 것을 회피하도록 배향되는, 급속 가스 스트림 또는 제트를 발생시키는 것이다. 이 가스 제트는 도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 플룸(1)의 정점인 금속 플라즈마 플룸(1)의 상면과 동일 높이이도록 금속 플라즈마 플룸(1) 근처로 송출된다.
바꾸어 말하면, 본 발명에 채용되는 가스 제트는 금속 플라즈마 및/또는 투사된 입자에 작용하도록 의도되는 것이 아니라, 붕괴 메커니즘(breakdown mechanism)에 해당하는, 보호 가스 내에서의 플라즈마의 바람직하지 않은 영향에 작용하도록 의도된다. 따라서, 가스 제트는 이러한 바람직하지 않은 영향을 제한하는 데 기여한다. 노즐은 용접 플라즈마가 아니라 보호 가스 플라즈마를 취출한다.
보다 정확하게는, 금속 가스 제트는 블랭킷 가스 내에서의 바람직하지 않은 플라즈마의 출현을 개시할 수도 있는, 블랭킷 가스에 대한 자유 전자의 살포를 제한하도록 의도되며, 상기 바람직하지 않은 플라즈마는 이것이 입사 레이저 빔(9)의 에너지의 일부분을 흡수할 것이기 때문에 용접 작업에 불리하다.
금속 플라즈마 플룸(1)에 의해 이온화된 보호 가스 입자는 노즐(4)에 의해 전달된 가스에 의해, 레이저 빔 구역 외부로 동반된다. 이 방식으로, 역 제동 복사 메커니즘이 일어날 수 없고, 금속 플라즈마 플룸(1) 위에 유해한 바람직하지 않은 플라즈마가 형성되지 않는다.
바람직하게는, 가스 제트 또는 노즐(4)의 축(5)과 레이저 빔의 축 사이의 거리(D)는 도 1에 도시된 바와 같이 적어도 노즐(4)의 내경(D')의 1.5배와 동일하여야 한다.
가스 제트의, 따라서 노즐(4)의 그 축(5)을 따른 배향은 반드시 용접 비드(8)의 축을 따를 필요는 없으며, 즉 용접 방향(V)에 평행할 필요는 없다. 실제로, 가스 제트는 도 2에 도시된 바와 같이 측방향으로, 또는 용접 비드의 축에 대해 각도(α)를 따른 임의의 배향으로 도달할 수 있다. 충족되어야할 유일한 조건은 가스 제트가 용융 풀(melt pool)(3)과 상호작용하지 않는 것을 보장하는 것이다.
용접 비드 축과 용접될 판의 평면으로의 노즐 축의 투영선(projection) 사이의 각도(α)(도 2)는 +170° 내지 -170°, 바람직하게는 +150° 내지 -150°이다. 레이저 용접 공정 중 이 각도 값이 고정되는 것이 바람직하다. 이상적으로는, 이 각도의 값은 0에 근접하여야 하며, 이는 가스 제트의 충돌점이 레이저 빔의 추정된 궤도와 일치함을 의미한다.
판 또는 판들(7)의 표면에 대한 노즐(4)의 경사각(θ)은 5° 내지 70°, 바람직하게는 40° 내지 50°이다.
판 또는 판들의 표면으로부터 노즐의 기저부 부분의 높이는 약 1 내지 50 mm, 바람직하게는 적어도 4 mm 및/또는 10 mm 이하, 바람직하게는 8 mm 이하이다.
노즐(4)의 출구 섹션의 형상은 중요하지 않으며, 예를 들어 그것은 원형, 난형, 정사각형, 직사각형, 사다리꼴 등일 수 있다. 그러나, 원형 출구 섹션을 갖는 실린더형 노즐이 바람직하다.
노즐은 복수의 가스 출구 오리피스를 포함할 수 있다. 사용되는 노즐의 내경은 유리하게는 가스를 배출시키는 노즐(4)의 출구 단부에서 측정시, 0.5 mm 내지 20 mm, 바람직하게는 적어도 1 내지 2 mm 및 10 mm 이하, 바람직하게는 약 4 mm 이하이다.
노즐 출구에서의 가스의 속도는 40 내지 2000 m/초, 바람직하게는 적어도 약 100 내지 150 m/초 및/또는 최대 500 m/초, 바람직하게는 최대 250 m/초이어야 한다. 가스 압력은 약 1 바 내지 10 바, 바람직하게는 2 바 내지 5 바, 바람직하게는 약 4 바 이하여야 한다.
이제, 본 발명의 방법으로 인해, 특히 45 kW 미만, 바람직하게는 20 kW 미만의 레이저 출력에 대해, 특히 빔을 발생시키도록 사용되는 레이저 장치가 CO2 유형이고 채용되는 입사 레이저 빔의 출력 및 집속 조건에 무관할 때, 헬륨과는 다른 보호 가스를 사용하는 것이 가능하다.
따라서, 적합한 가스 또는 가스 혼합물이 다음의 성분들, 즉 Ar, N2, O2, CO2 및 본 발명의 방법이 헬륨 없이 완벽하게 작용하더라도 낮은 비율의 헬륨을 또한 선택적으로 포함하는 성분들 중 하나 이상으로 형성되거나 이를 함유할 수 있다.
그러나, H2, CH4 등과 같은 산화 가스가 명백한 안전상의 이유로 이들의 폭발 및 인화성 한계치를 초과하여 전술된 가스와 혼합되어 사용될 수 없는 것으로 이해되어야 한다.
실시예
본 발명의 레이저 용접 방법의 유효성을 검사하도록 의도되는 시험을, 최대 12　kW의 출력을 제공하고 250 mm의 초점 거리(focal length)를 갖는 포물면 구리 거울에 의해 집속되는 CO2 레이저 발생기에 의해, 그리고 2 mm의 내경을 갖는 실린더형 노즐을 사용하여 수행하였다.
노즐/부품들 거리는 약 6 mm였고, 그 경사각(각도 θ)은 약 45°였다. 가스를 분배하는 노즐의 축을 도 1에 도시된 바와 같이 접합 평면(α=0)에 대한 레이저 빔의 충돌점의 전방에 3 mm의 거리를 두고 위치시켰다.
부품들을 다음의 가스들의 각각과 함께 레이저-용접하였다:
- 15 l/분, 30 l/분 및 45 l/분으로 전달되는 Ar
- 15 l/분, 30 l/분 및 45 l/분으로 전달되는 N2
- 15 l/분, 30 l/분 및 45 l/분으로 전달되는 CO2
- 그리고, 비교를 위해서, 종래의 선행 기술 방법에 의해, 즉 판의 표면에 대해 45°로 배향되고 그 축이 집속된 레이저 빔의 충돌점과 일치하는, 10 mm의 내경을 갖는 종래의 실린더형 노즐을 사용하여 30 l/분으로 전달되는 헬륨.
이러한 용접 시험을 아래의 실시예들에 따라, 에지끼리 맞대어져(edge to edge) 용접되는, 몇몇 유형의 정위된(positioned) 부품들에 수행하였다.
모든 경우에서, 보호 가스 제트를 함께 용접될 부품들 사이의 접합 평면 위에 형성되는 금속 플라즈마 플룸을 향해 노즐에 의해 송출하였다.
실시예 1: 상이한 두께의 아연 도금 판들
아연의 표면 층으로 도금된 강 부품들을 차체의 제조에 일반적으로 사용되는, "테일러드 블랭크(tailored blank)" 구성으로 불리우는 용접 구성으로 용접하였다.
보다 정확하게는, 판의 측부를 부품들 사이에 제한된 유극을 갖고서 에지끼리 맞대어 위치시켰다.
판 두께는 동일하거나 상이할 수 있다.
에지끼리 맞대어 위치시킨 다음에,
- 6 kW의 레이저 출력,
- 5 m/분의 용접 속도,
- 판의 표면에 대해 45°의 경사각을 갖는 관형 노즐, 및
- 빔 충돌점(α=0)의 약 4 mm 전방인 가스 제트의 축의 충돌
을 사용하여 용접한 상이한 두께(1.9 mm 및 0.7 mm)의 2개의 판에 우선 시험을 수행하였다.
실시예 2: 동일한 두께의 아연 도금 판들
실시예 2에서 수행한 시험의 조건은,
- 두 판이 각각 1.2 mm의 동일한 두께를 가졌다는 점, 및
- 용접 속도가 6.5 m/분이었다는 점
을 제외하고는 실시예 1의 조건과 유사하였다.
실시예 3: 강관
실시예 3에서, 종방향 에지들을 접합하여 O 단면을 얻은 다음에 이들 에지를 함께 용접하여 용접된 관을 얻음으로써 예비-관(pre-tube)으로 형상화된, 2 mm 두께 스테인레스 강판에 용접을 수행하였다. 따라서, 판의 에지들은 함께 용접되기 전에, 유극 및 제한된 높이 오정렬을 갖고서 에지끼리 맞대어진(edge-to-edge) 구성으로 병치된다.
이들 시험의 조건은 다음과 같다:
- 5 kW의 레이저 출력,
- 4 m/분의 용접 속도,
- 판의 표면에 대해 45°의 경사각을 갖는 관형 노즐,
- 가스 제트의 축의 충돌은 레이저 빔 충돌점(α=0)의 약 6 mm 전방이었다.
측방향 고체 부분에 대한 가스 제트의 축의 충돌을 6 mm의 거리에서 α=90°이도록 위치시킴으로써 결과를 확인하였다. 얻어진 결과는 배향 α=0에 대한 바와 동일하였다.
실시예 4: 도장된 5 mm 두께 연강 부품들
실시예 4에서, 조선소에서 선박을 건조하는 데 전형적으로 사용되는 바와 같은, 동일한 두께(5 mm)를 갖고 도장되는 연강 부품들을 함께 용접하였다.
이들 시험의 조건은 다음과 같다:
- 10 kW의 레이저 출력,
- 2.5 m/분의 용접 속도,
- 판의 표면에 대해 40°의 경사각을 갖는 관형 노즐,
- 가스 제트의 축의 충돌은 레이저 빔 충돌점(α=0)의 약 6 mm 전방이었다.
측방향 고체 부분에 대한 가스 제트의 축의 충돌을 6 mm의 거리에서 α=90°이도록 위치시킴으로써 결과를 확인하였다. 얻어진 결과는 배향 α=0 및 α=90°둘 모두에서 동일하였다.
실시예 5: 도장된 8 mm 두께 연강 부품들
실시예 5는 시험 조건들 중 일부의 근소한 변동을 의미하는, 부품들이 8 mm의 두께를 가졌다는 점, 즉
- 1.2 m/분의 용접 속도, 및
- 레이저 빔 충돌점의 약 2.5 mm 전방인 가스 제트의 축의 충돌
을 제외하고는 실시예 4와 유사하다.
아래의 표는 기준의 역할을 하는, 헬륨 하에서 표준 공정으로 수행된 레이저 용접과 대비하여 이들 시험에서 얻어진 결과를 제공한다(범례: 0 = 동등한 결과; 1 = 보다 양호한 결과; 2 = 보다 불량한 결과).
표
Figure pct00001
30 l/분 및 45 l/분으로 시험된 가스(Ar, N2, CO2)로 전술된 실시예들에서 수행된 시험에서 얻어진 용접 비드의 표면을 시각적으로 검사하였으며, 본 발명의 방법으로 얻어진 비드의 품질, 즉 상면 및 저면 상에서의 비드의 외양은 표준 레이저 용접 공정(기준)에 채용된 헬륨으로 얻어진 바와 동등하였다(0).
그러나, 유리하게도, 본 발명의 방법으로 얻어진 용접 비드는 헬륨을 사용한 표준 공정에 의한 것보다 용접 비드의 양면 상에 보다 적은 흑색 침착물(black deposit)(1)을 가졌다.
또한, 비드 단면의 확대도(macrograph)는 용접 단면이 또한 헬륨으로 얻어진 기준과 동일한 것(0)을 보여준다. 실제로, 비드의 방사선 사진(radiograph)은 비드가 헬륨으로 기준 공정을 사용하여 얻어진 것보다 많은 기공 또는 기포(blowhole)를 비드 내에 갖지 않는다는 사실을 확인한다.
그러나, 질소의 사용은 소정 용접 조건 하에서 얻어진 용접 비드의 야금에 근소한 영향을 미칠 수 있는 것이 강조되어야 한다.
모든 경우에서, 용입도 또한 표준 공정을 사용하여 헬륨으로 얻어진 바와 동등하였다(0).
이들 시험은 고출력 CO2 레이저 발생기에 의한 레이저 용접 공정이 위의 실시예들에서 다양한 재료 및 용접 구성에 대해 성공적으로 시험된 바와 같이, 얻어진 용접 비드의 품질 및 외양뿐만 아니라 용입도 또한 저해하지 않고서, 헬륨과는 다른 가스와 함께 효과적으로 채용될 수 있는 것을 보여준다.
본 발명의 특성 유량 작동 범위가 존재한다. 따라서, 약 20 l/분 미만인 낮은 유량에 대해, 가스 환경으로의 금속 플라즈마 플룸의 이온화의 제한은 더 이상 효과적이지 않다. 바람직하지 않은 플라즈마가 금속 플라즈마 플룸 위에 형성된다. 따라서, 15 l/분의 유량으로 수행된 시험이 이 점을 확인하였다. 이들 조건 하에서, 레이저 빔과 재료 사이의 결합은 더 이상 효과적이지 않고, 판들은 용접되지 않는다. 이러한 효과는 채용된 가스의 유형에 무관하다. 따라서, 유량은 본 발명의 방법의 구현에서 얻어진 결과를 더욱 개선하기 위해 반드시 고려되어야 하는 파라미터이다.
실제로, 금속 플라즈마 플룸의 상면과 동일 높이이도록 금속 플라즈마 플룸의 근처에 급속 가스 제트를 발생시키기 위한 것인, 본 발명에 따라 배향된 용접 노즐의 사용은 블랭킷 가스에 대한 자유 전자의 살포를 제한하는 데 기여하고, 따라서 입사 레이저 빔의 에너지의 일부분을 흡수하여 레이저 용접 공정을 저해할 것이기 때문에 용접 작업에 불리할 바람직하지 않은 플라즈마의 출현을 방지한다.
따라서, 이는 전형적으로 4 내지 20 kW인 높은 출력에서, 헬륨을 함유하지 않거나 단지 낮은 비율의 헬륨, 예를 들어 약 20% 미만의 헬륨을 함유하는 가스 또는 가스 혼합물, 특히 Ar, N2, CO2, O2 및 이들의 혼합물과 같은 가스를 사용하여 용접 공정을 구현하는 데 기여한다.

Claims (10)

  1. 접합 평면을 따라 서로 맞대어져 위치되는 하나 이상의 금속 부품의 레이저 용접을 위한 방법으로서,
    a) CO2 레이저 발생기를 사용하여 레이저 빔을 발생시키고,
    b) 가스 또는 가스 혼합물을 노즐에 공급하고, 상기 노즐을 상기 가스 또는 가스 혼합물로부터 형성되는 보호 가스의 제트를 접합 평면을 향해 송출시키도록 사용하며,
    c) 레이저 빔을 금속 부품들의 금속을 용융 또는 기화시키도록 사용하여, 상기 접합 평면에서 부품 또는 부품들의 두께 내에 금속 증기 모세관의 형성과 동시에, 금속 증기 모세관 외부로의 전파에 의해, 접합 평면 위에 금속 플라즈마 플룸을 형성하는 금속 플라즈마의 형성을 유발하는 방법에 있어서,
    노즐에 의해 전달되는 보호 가스 제트를 접합 평면 위에 형성되는 금속 플라즈마 플룸을 향해 지향시키거나 송출시켜, 보호 가스 제트가 금속 플라즈마 플룸의 상면과 동일 높이에 있고 부품들의 금속이 빔에 의해 용융되지 않은 장소에서 부품 또는 부품들에 인가되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 c)에서, 금속 부품들의 금속은 내내 접합 평면을 따라, 용접될 부품들에 대한 빔의 상대 운동에 의해 점진적으로 용융되고 기화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 가스 제트는 용접될 부품들의 상부 표면에 대한 상기 가스 제트 및 상기 레이저 빔의 충돌점들 사이에서 측정시, 상기 가스 제트의 축과 레이저 빔의 축 사이의 거리(D)가 가스 제트를 전달하는 노즐의 내경(D')의 1.5배와 동일하거나 그보다 크도록 지향되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐의 내경(D')의 단부는 부품들의 상부 표면에 대해 1 mm 내지 50 mm의 높이에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐은 용접될 판의 평면으로의 노즐의 축의 투영선에 대한 용접 비드의 축의 경사각(α)이 +170° 내지 -170°이도록 접합 평면에 대해 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 노즐은 가스 제트 또는 노즐의 축의 각도(θ)가 부품들의 상부 표면에 대해 5° 내지 70°이도록 부품들의 상부 표면에 대해 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 제트는 40 내지 2000 m/s의 속도로 분배되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 또는 가스 혼합물은, Ar, N2, CO2 및 O2에 의해 형성되고 또한 선택적으로 헬륨을 함유하는 군의 성분들 중 하나 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 부품 또는 부품들은 아연, 알루미늄 합금, 중합체 또는 하나 이상의 유기 요소, 특히 페인트로 도장된 강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 또는 가스 혼합물은 최대 20 체적%의 헬륨을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
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