KR20120104325A - 용접 방법 및 용접 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 2개의 에지부(54a, 54b) 사이에 용접 시임(52)을 형성하기 위한 용접 장치 및 용접 방법으로서, 에지부(54a, 54b)는 루트부(58) 및 경사부(60)를 갖는 Y자 조인트를 형성하고, 루트부(58)는 레이저 비임(10) 및 전기 아크(22)를 플라즈마와 용융 금속의 단일 상호작용 구역(24) 내로 안내하는 것을 포함하는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에 의해 용접되는, 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것이다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 헤드(2) 및 용접하는 서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 Y자 조인트를 용접하기 위해 공통 캐리어 구조체(46, 50)에 배열된다.

Description

용접 방법 및 용접 장치{A WELDING PROCESS AND A WELDING ARRANGEMENT}
본 발명은 2개의 에지부 사이에 경사형(beveled) 조인트 용접 시임을 형성하기 위한 용접 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은, 작업편 또는 결합될 작업편들의 2개의 에지부 사이에 경사형 조인트 용접 시임을 형성하기 위한 용접 방법에 관한 것이며, 작업편 또는 작업편들은 비교적 두꺼운데, 즉 작업편 또는 작업편들의 두께는 20 ㎜를 초과한다. 또한, 본 발명은 이런 용접 방법을 수행하도록 배열되는 용접 장치에 관한 것이다.
하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법은 산업적 제조에 광범위하게 이용된다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접은 레이저 용접 방법과 전기 아크 용접 방법의 조합인데, 레이저 비임 및 전기 아크는 작업편 또는 용접될 작업편들의 단일 상호작용 구역으로 안내된다. 레이저 비임은 대략 1 ㎿/㎠ 정도의 높은 세기를 생성할 수도 있다. 레이저 비임은 높은 깊이 대 폭 비율을 갖는 키홀로서 공지된 증기 공동을 생성할 것이다. 아크는 대략 1 ㎾/㎠의 사실상 더 낮은 세기를 대체로 생성한다. 그러나, 아크의 초점은 사실상 더 크다. 결과적으로, 아크 용접 방법에 의한 시임이 더 넓다. 이런 이유로, 간극의 브리징은 아크 용접 방법을 이용할 때보다 상당히 더 양호하다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에서, 두 가지 용접 방법의 이점이 결합되어, 각각의 용접 방법이 단독으로 취하는 것에 비해 더 높은 용접 속도 및 용접부 깊이를 갖는 용접 방법을 야기한다. 각각의 방법으로부터의 파워 입력의 비율은 어느 용접 방법이 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법보다 우세한지를 결정할 것이다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법은 레이저 비임 및 아크가 기본적으로 동일한 위치에서 작업편에 작용하는 차폐 가스하에서 수행된다.
하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법의 예는, 함께 용접될 에지들 사이에 형성된 경사부의 적어도 일부분 내로 용융 재료를 증착시킴으로써 수행되는 레이저/MIG 하이브리드 용접을 위한 방법에 관한 미국 특허 제7288737호에 개시되어 있다. 미국 특허 제7288737호에 개시된 방법은 최대 60 ㎜의 두께를 갖는 작업편의 2개의 에지부 사이에 용접 시임을 형성하는데 적절하다고 제기하고 있다.
그러나, 종래 기술의 방법을 이용하여 고품질의 조인트를 형성하는 것은 어렵다고 공지되어 있다. 발생가능한 문제점은 작업편 또는 두꺼운 작업편들의 에지부 사이에 용접 시임을 형성하는 경우에 안정적인 용접 방법을 달성하기 어렵다는 것이다. 불안정한 용접 방법에서는, 작업편 내로의 침투가 변화됨으로써, 증기 충전된 공동이 붕괴되어 용융 금속이 작업편의 후방측 내로 침투하는 위험이 존재한다. 용융 재료가 에지들 사이의 간극으로부터 유출되어 소실될 수도 있는 것을 방지하는 주지된 방법인 지지체(backing)의 이용이 후속적으로 필요하게 될 수도 있다. 어떤 경우에는, 지지체의 이용은 작업편의 후방 측부에 대한 제한된 접근으로 인해 물리적으로 방지될 수도 있다.
두꺼운 작업편들 사이에 용접 시임을 형성할 때 발생될 수 있는 다른 문제점은, 경질의 취성 구역이 조인트 주위에 형성되어 용접 시임이 열화될 수도 있다는 것이다. 경질의 취성 구역은 시임에서의 급속 냉각 중에 형성된다. 결합될 작업편의 두께가 증가될 때, 국부적인 경질의 취성 구역이 더 많이 형성될 수도 있는 문제점이 공지되어 있다. 또한, 국부적인 경질의 취성 구역은 고강도 강, 즉 355 ㎫을 초과하는 항복 강도를 갖는 강을 용접할 때 더 많이 형성된다. 이런 재료를 이용할 때, 조인트를 둘러싸는 구역에서의 재료 경도의 최고치는 덜 강한 재료의 비교 용접부보다 훨씬 더 높아진다.
본 발명의 목적은 상술된 문제점을 경감시키는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제1항에 따른 용접 방법에 의해 달성된다. 본 발명은 2개의 에지부 사이에 용접 시임을 형성하기 위한 용접 방법에 관한 것이다. 에지부는 루트부 및 경사부를 갖는 Y자 조인트를 형성한다. 본 발명에 따른 용접 방법에서, 루트부는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에 의해 용접된다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법은 레이저 비임 및 전기 아크를 플라즈마와 용융 금속의 단일 상호작용 구역 내로 안내하는 것을 포함하고, 단일 상호작용 구역은 루트부에 위치된다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법은 높은 온도 및 낮은 열 입력으로 특징지어지며, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법을 이용하는 것은, 비교적 좁고 그리고 조인트의 경도가 증가된 과열 구역을 포함하는, 열 영향 구역을 생성할 것이다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에 의해 영향을 받은 구역에서 경도를 감소시키기 위해, 경사부는 본 발명에 따른 방법에서 서브머지드 아크 용접 방법에 의해 용접된다. 또한, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 헤드 및 서브머지드 아크 용접 헤드는 공통 캐리어 구조체에 배열된다. 따라서, 단일 패스에서 Y자 조인트를 용접할 수 있다. 서브머지드 아크 용접 방법은 높은 열 입력으로 특징지어지는데, 파워 입력의 세기는 상당히 낮다. 서브머지드 아크 용접 방법에 의해 작업편에 전달된 열은, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 동안 형성된 경질의 취성 구역에서의 경도의 최고치가 감소되도록, 하이브리드 레이저 용접 방법에 의한 열 영향 구역을 열처리할 것이다.
본 발명에 따른 용접 방법은 루트부가 8 ㎜를 초과하는, 바람직하게는 10 ㎜를 초과하는 두께를 갖는 조인트를 용접하는데 특히 적절하다. 두꺼운 루트 시임을 형성할 때 레이저가 작업편 내로 양호하게 침투하도록, 레이저의 파워는 바람직하게는, 1 m/분의 용접 속도에서 1 ㎾/㎜ 루트 두께의 정도여야 하는데, 즉 8 ㎜ 조인트에 대해 레이저의 파워는 바람직하게는 1 m/분의 용접 속도에서 8 ㎾ 정도여야 한다. 10 ㎜ 조인트에 대해서는 마찬가지로, 레이저의 파워는 바람직하게는 1 m/분의 용접 속도에서 10 ㎾ 정도여야 한다. 이런 요건은 7 ㎜ 내지 30㎜의 두께를 갖는 루트에 적용될 수도 있다.
증기 공동 내의 증기압이 용융 금속 퍼들(puddle)을 지속시킬 수 있도록 용접 방법을 안정적으로 유지하기 위해 그리고 충분한 브리징 능력을 제공하기 위해, 아크 용접 방법에 의해 제공된 파워는 레이저의 파워의 균형을 유지시켜야 하는데, 즉 하이브리드 방법에서 아크 용접 방법의 파워는 레이저에 의해 공급된 파워와 사실상 동일해야 한다. 이로 인해, 레이저로부터의 파워 대 하이브리드 방법에서 아크 용접 방법에 의한 파워의 비율은 바람직하게는 0.9 내지 1.1 정도여야 한다.
레이저 비임 및 전기 아크의 각각의 효과는 루트부의 두께에 의해 분할되고, 용접 속도는 기본적으로 1 Ws/㎡에 대응해야 한다.
8 ㎜를 초과하는 루트부를 용접할 때의 레이저로부터의 파워 입력에서, 아크 용접 방법으로부터의 파워 입력은 충분히 높은 열 입력을 제공하여 조인트의 경도 최고치의 레벨을 충분히 감소시킬 만큼 충분히 높아질 수가 없다. 하이브리드 방법에 후속하여 서브머지드 아크 용접 방법을 이용함으로써, 충분히 높은 열 입력이 달성되어 경도 최고치를 충분히 안정시킬 수 있다.
필요한 열 입력의 양은, 열 입력이 경사부의 체적에 비례하기 때문에, 경사부의 깊이에 따른다. 두꺼운 루트부를 위해 충분한 열 입력은 15 ㎜를 초과하는, 바람직하게는 20 ㎜를 초과하는 깊이를 갖는 경사부를 위해 제공될 것이다. 루트부의 두께와 경사부의 깊이 사이의 비율은 0.4 내지 0.6인 것이 특히 바람직하다.
상술된 용접 방법은 2개의 에지부 사이에 용접 시임을 형성할 수 있으며, 에지부는 단일 용접 패스에서 15 ㎜를 초과하는 두께를 갖는 작업편에 대해, 바람직하게는 30 ㎜ 내지 60 ㎜의 두께를 갖는 작업편에 대해, 루트부 및 경사부를 갖는 Y자 조인트를 형성한다. 따라서, 본 발명에 따른 용접 방법은 두꺼운 제품에 효율적으로 용접 시임을 생성할 수 있으며, 용접 시임의 품질은 경질의 취성 구역에서의 경도의 최고치 레벨이 충분히 감소될 것이기 때문에 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법은, 에지들 중 적어도 하나의 에지가 355 ㎫을 초과하는 항복 강도를 갖는 고강도 강의 작업편의 일부분인, 용접 시임을 형성하는데 특히 적절하다.
서브머지드 아크 용접 방법을 위한 용접 파라미터는 서브머지드 아크 용접 방법의 열 영향 구역이 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법의 열 영향 구역을 포함하도록 선택될 수도 있다.
본 발명은 Y자 조인트를 형성하는 에지부들 사이에 용접 시임을 형성하는 방법에 관한 것이다. Y자 조인트는 루트부 및 경사부를 갖는다. 경사부는 작업편 또는 결합될 작업편들의 제1 측부에 위치설정되고, 루트부는 작업편 또는 결합될 작업편들의 제2 대향 측부까지 연장된다. 본 발명의 용접 방법에서, 서브머지드 아크 용접 방법을 위한 용접 파라미터는 서브머지드 아크 용접 방법의 열 영향 구역이 제2 대향 측부까지 하방 연장되도록 선택된다.
또한, 본 발명은 루트부 및 경사부를 갖는 Y자 조인트를 용접하기 위한 용접 장치에 관한 것이다. 작업시, 경사부(60)는 작업편 또는 결합될 작업편들의 제1 측부에 위치설정되고, 루트부는 작업편 또는 결합될 작업편들의 제2 대향 측부까지 연장된다. 용접 장치는 루트부를 용접하도록 배열된 하이브리드 용접 헤드를 포함한다. 하이브리드 용접 헤드는 작업시 제1 측부를 향하도록 장착된다. 용접 장치는, 작업시 제1 측부를 향하도록 장착되는 서브머지드 아크 용접 헤드를 추가로 포함한다. 하이브리드 용접 헤드 및 서브머지드 아크 용접 헤드 양자 모두는 공통 캐리어 구조체에 장착된다. 따라서, 하이브리드 용접 헤드 및 서브머지드 아크 용접 헤드는 작업편 또는 결합될 작업편들의 동일한 측부로부터 작동된다. 이로 인해, 용접 장치는 단일 용접 패스에서 두꺼운 작업편에 시임을 용접할 수 있으며, 루트부는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에 의해 용접되고 경사부는 서브머지드 아크 용접 방법에 의해 용접된다. 공통 캐리어 구조체는 고정식 캐리어 구조체 또는 이동식 캐리어 구조체일 수도 있다. 공통 캐리어 구조체의 목적은, 경사부를 용접하는 서브머지드 아크 용접 방법과 루트부를 용접하는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법의 조합의 단일 패스에서 Y자 조인트를 용접할 수 있게 하는 것이며, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법을 위한 양쪽 용접 헤드는 작업편의 경사부 측부에 위치된다. 이를 위해, 공통 캐리어 구조체는 양쪽 용접 헤드를 지탱하는 단일의 브래킷, 프레임, 아암, 캐리지 등과 같이 일체형일 수도 있으며, 다르게는 공통 캐리어 구조체는 하나의 용접 헤드는 하나의 요소에 의해 지탱되고 다른 하나의 요소는 다른 요소에 의해 지탱되는 복수의 브래킷, 프레임, 아암, 캐리지와 같이 복수의 요소로 구성될 수도 있으며, 공통 캐리어 구조체가 경사부를 용접하는 서브머지드 아크 용접 방법과 루트부를 용접하는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법의 조합의 단일 패스에서 Y자 조인트를 용접할 수 있는 목적을 달성하는 한, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법을 위한 양쪽 용접 헤드는 작업편의 경사부 측부에 위치되고, 복수의 요소는 용접 시임에 대해 용접 헤드를 일치하게 이동시킬 수 있다.
용접 장치는, 작업편 또는 결합될 작업편들과 공통 캐리어 구조체 사이의 상대 이동을 가능케 하도록 배열되는 액추에이터를 추가로 포함한다.
하이브리드 용접 헤드 및 서브머지드 아크 용접 헤드는 작업편 또는 결합될 작업편들 상에서 또는 작업편 또는 결합될 작업편들에 걸쳐 추진되는 공통 캐리어 구조체에 장착될 수도 있다. 다르게는, 하이브리드 용접 헤드 및 서브머지드 아크 용접 헤드는 고정식인 공통 캐리어 구조체에 장착될 수도 있으며, 액추에이터는 작업편 또는 결합될 작업편들을 추진시키도록 배열된다.
도 1은 하이브리드 용접 헤드 및 서브머지드 아크 용접 헤드를 포함하는 용접 장치를 관통하는 단면도이다.
도 2는 공통 고정식 캐리어 구조체에 장착된 본 발명에 따른 용접 장치의 개략도이다.
도 3은 공통 이동식 캐리어 구조체에 장착된 본 발명에 따른 용접 장치의 개략도이다.
도 4는 제1 및 제2 작업편의 에지부 사이에 시임을 형성하기 위한 용접 방법의 개략도이다.
도 5는 에지가 루트부 및 경사부를 갖는 Y자 조인트를 형성하는 2개의 작업편의 에지부의 기하학적 도면이다.
도 6은 조합된 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법 및 서브머지드 아크 용접 방법에 의해 형성된 용접 시임의 열 영향 구역의 기하학적 도면이다.
도 7a는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법 및 서브머지드 아크 용접 방법 양자 모두가 완료된 후의 조인트의 재료 경도의 분포를 도시한다.
도 7b는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법이 완료된 후의 그리고 서브머지드 아크 용접 방법이 개시되기 전의 조인트의 재료 경도의 분포를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 용접 방법을 위한 온도 다이어그램을 도시한다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 상세히 기술될 것이다.
도 1은 하이브리드 용접 헤드(2) 및 서브머지드 용접 헤드(4)를 포함하는 용접 장치(1)의 단면도를 도시한다. 용접 장치는 결합될 한 세트의 작업편(6)의 2개의 에지부 사이에 용접 시임을 형성한다.
하이브리드 용접 헤드는 Y자 조인트의 루트부에 집속되는 레이저 비임을 생성하는 광학 시스템(8)을 포함한다. 레이저 비임은 YAG 레이저 또는 CO2 레이저에 의해 생성될 수도 있다. 또한, 하이브리드 용접 헤드는 돌출 전극(14)을 포함하는 전기 아크 용접 헤드(12)를 포함한다. 전기 아크 용접 헤드(12)는 가스 금속 아크 용접 헤드, 텅스텐 불활성 가스 용접 헤드 또는 플라즈마 아크 용접 헤드일 수도 있다. 차폐 가스(16)가 용접 영역(18)에 공급된다. 도시된 실시예에서, 차폐 가스(16)는 전기 아크 용접 헤드(12)에 존재하는 노즐(20)을 통해 공급된다. 전기 아크(22) 및 레이저 비임(10) 양자 모두는 차폐 가스(16)에 의해 덮인 단일 상호작용 구역(24)에서 작동된다. 하이브리드 용접 헤드의 다양한 변형예가 공지되어 있다. 이런 변형예는 레이저 비임을 안내하고 그리고/또는 지연시키도록 위치설정되는 전기 아크 용접 헤드를 포함할 수도 있다. 도시된 실시예에서, 단일 전기 아크 용접 헤드가 레이저 비임을 지연시키도록 위치설정된다. 작업시, 레이저 비임은, 증발된 금속이 존재하는 통상 키홀로 지칭되는, 깊고 좁은 공동(26)을 생성한다. 키홀(26)은 용융 금속(28)에 의해 둘러싸인다. 하이브리드 용접 헤드는 당업자에게 공지된 임의의 종래 유형일 수도 있으므로, 더 상세히 기술하지 않을 것이다.
서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 하이브리드 용접 헤드(2) 후방에 화살표(30)로 나타난 용접 방향과 관련하여 위치설정된다. 서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 플럭스 파우더 도포기(32)와, 용접될 영역을 덮는 플럭스 파우더의 층(38) 내로 소모성 전극(36a, 36b)을 공급하는 하나 이상의 전극 헤드(34a, 34b)를 포함한다. 또한, 서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 추가적인 이용을 위해 용접 방법의 마지막에 플럭스 파우더를 수집하는 플러스 파우더 수집기(40)를 포함한다. 하나 이상의 전극 헤드를 포함하는 다양한 유형의 서브머지드 아크 용접 헤드가 공지되어 있다. 도시된 실시예에선, 2개의 전극이 이용된다. 각각의 전극 헤드는 용융 금속이 소모성 전극(36a, 36b)으로부터 공급되는 용접 풀(42a, 42b)을 생성한다. 각각의 전극(36a, 36b)은 아크(37a, 37b)를 생성한다. 용융 금속(44)의 영역은 용접 방법 동안 시임을 형성한다. 서브머지드 아크 용접 헤드는 당업자에게 공지된 임의의 종래 유형일 수도 있으므로, 더 상세히 기술하지 않을 것이다.
도 2는 공통 고정식 캐리어 구조체(46)에 장착된 용접 장치(1)의 개략도이다. 하이브리드 용접 헤드(2) 및 서브머지드 아크 용접 헤드(4) 양자 모두는 작업편(6)의 동일 측부에 작용한다. 공통 고정식 캐리어 구조체(46)는 하이브리드 용접 헤드(2) 및 서브머지드 아크 용접 헤드(4)를 지탱한다. 하이브리드 용접 헤드(2) 및 서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 서로 거리 D를 두고 장착되며, 거리 D는 레이저 비임에서 서브머지드 아크 용접 헤드의 제1 전극(36a)의 위치까지의 거리이다. 거리 D는 바람직하게는, 서브머지드 아크 용접 방법의 속도를 늦출 수도 있는 과도한 양의 열 에너지의 작업편으로부터의 소산이 불가능하게, Y자 조인트의 루트부에 시임을 형성함으로써 충분히 냉각될 수 있도록 X ㎜ 내지 Y ㎜의 범위이도록 선택된다. 도면에 도시된 실시예에서, 작업편 또는 작업편들(6)이 공통 고정식 캐리어 구조체(46)를 통과하게 이동시킴으로써 공통 고정식 캐리어 구조체(46)와 작업편 또는 결합될 작업편들(6) 사이의 상대 이동을 가능케 하기 위해 액추에이터(48)가 배열된다. 도 3에 도시된 실시예에서, 상대 이동은, 액추에이터 기구에 의해 작업편 또는 작업편들(6)에 대해 이동될 수 있고 그리고 적절하게는 캐리어 구조체(50)를 작업편 또는 작업편들(6) 상에 지탱시키는 한 세트의 휠을 포함하는, 공통 이동식 캐리어 구조체(50)에 용접 헤드(2, 4)를 위치시킴으로써 달성된다.
도 4는 제1 작업편(6a)과 제2 작업편(6b)의 에지부(54a, 54b) 사이에 시임을 형성하는 용접 방법의 개략도이다. 에지부(54a, 54b)는 루트부(58) 및 경사부(60)를 갖는 Y자 조인트(56)를 형성한다. 루트부(58)는 플라즈마 및 용융 금속의 단일 상호작용 구역(24)에 레이저 비임(10) 및 전기 아크(22)를 안내하는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에 의해 용접된다. 도 4의 위치 A에서, 루트 용접은 제1 작업편(6a)과 제2 작업편(6b) 사이에 형성된 루트부 내로 레이저 비임(10)을 안내함으로써 야기된다. 키홀(26)은 루트부(58)에서 성장된다. 키홀(26)은 바람직하게는 루트부을 통해 침투하는 것을 허용해야 한다. 따라서, 키홀은 완전 침투 자생 레이저 용접 방법에 의해 생성된다.
전기 아크 용접 헤드(12)가 레이저 비임 근방에서 아크를 생성하도록 위치설정된다. 전기 아크 용접 헤드는 가스 금속 아크 용접 헤드, 텅스텐 불활성 가스 용접 헤드 또는 플라즈마 아크 용접 헤드일 수도 있다. 전기 아크 용접 헤드는 시임을 형성하도록 루트부(58) 내로 침투할 수도 있는 용융 금속을 제공한다. 도 4의 위치 B에서, 루트부는 용융 금속으로 충전되고, 위치 C에서 루트부에 있는 금속은 고체이다. 위치 C와 D 사이에 플럭스 파우더가 도포된다. 따라서, 플럭스 파우더는 루트부(58)가 고체로 된 다음에 적절히 도포된다. 플럭스 파우더는 경사부(60)를 덮는 층(38)으로서 존재한다. 위치 D에서, 제1 전기 아크가 서브머지드 아크 용접 방법에 의해 형성된다. 전기 아크는 제1 전극(36a)에 의해 형성된다. 제1 전극(36a)은 경사부(60)에 퍼들(62)을 형성하는 소정량의 금속을 용융시킨다. 도시된 실시예에서, 위치 E에 위치된 제2 전극은 경사부(62)가 용융 금속으로 충전되도록 퍼들(56)을 증가시킨다. 도시된 바와 같이 위치 E에서, 경사부는 용접 장치의 단일 패스에서 완전한 조인트를 형성하도록 용융 금속으로 충전된다. 따라서, 서브머지드 아크 용접 방법에 이용된 전극의 개수는 경사부의 크기에 따라 적절히 선택될 수도 있다.
도 5는 에지가 루트부(58) 및 경사부(60)를 갖는 Y자 조인트를 형성하는 2개의 작업편(6a, 6b)의 에지부(54a, 54b)의 기하학적 구조를 도시한다. 작업편(6a, 6b)은 15 ㎜를 초과하는, 바람직하게는 30 ㎜ 내지 60 ㎜의 두께 T를 갖는다. 루트부는 8 ㎜를 초과하는, 바람직하게는 10 ㎜를 초과하는 두께 R을 갖는다. 경사부(60)는 15 ㎜를 초과하는, 바람직하게는 20 ㎜를 초과하는 깊이를 갖는다.
루트부의 두께와 경사부의 깊이 사이의 비율은 0.4 내지 0.6 이도록 적절히 선택된다.
Y자 조인트의 기하학적 구조는, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에서 루트부 주위에 생성된 경도의 최고치를 감소시키기 위해 서브머지드 아크 용접 방법으로부터의 충분한 열 입력을 허용하면서 시임이 단일 패스에서 형성되도록, 선택된다.
하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에서, 레이저 비임은 7 ㎾를 초과하는 효과(effect)를 제공하고, 전기 아크는 7 ㎾를 초과하는 효과를 제공한다. 레이저 비임은 사실상 동일한 효과를 제공한다. 레이저 비임 및 전기 아크의 각각의 효과는 루트부의 두께에 따라 선택된다. 적절하게는, 레이저 비임 및 전기 아크의 각각의 효과는 루트부의 두께에 의해 분할되고, 용접 속도는 기본적으로 1 Ws/㎡에 대응한다.
도 6은 조합된 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법 및 서브머지드 아크 용접 방법에 의해 형성된 용접 시임(68) 내의 열 영향 구역(64, 66)의 기하학적 구조를 도시한다. 경사부(60)는 작업편(6a, 6b)의 제1 측부(70)에 위치설정되고, 루트부(58)는 작업편(6a, 6b)의 제2 대향 측부(72)까지 연장된다. 서브머지드 아크 용접 방법을 위한 용접 파라미터는 바람직하게는 서브머지드 아크 용접 방법의 열 영향 구역(66)이 제2 대향 측부(72)까지 하방 연장되도록 선택된다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에 의한 열 영향 구역(64)은 루트부(58) 주위로, 바람직하게는 제2 대향 측부(72)까지 하방으로 전체적으로 연장된다.
서브머지드 아크 용접 방법을 위한 용접 파라미터는 도면에 도시된 바와 같이, 서브머지드 아크 용접 방법의 열 영향 구역(66)이 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법의 열 영향 구역(64)을 포함하도록 선택된다.
도 7a는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법 및 서브머지드 아크 용접 방법 양자 모두가 완료된 후의 조인트의 재료 경도의 분포를 도시한다.
도 7b는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법이 완료된 후의 그리고 서브머지드 아크 용접 방법이 개시되기 전의 조인트의 재료 경도의 분포를 도시한다.
도 7a 및 도 7b의 용접 시임은, 경사부를 용접하는 단일 패스 서브머지드 아크 용접 방법과 루트부를 용접하는 단일 패스 레이저 하이브리드 용접 방법의 조합에 의해 완전한 시임이 제조되는, 실험 용접 방법으로부터 생성된다.
조인트는 12 ㎜ 두께의 CMn 강으로 이루어진 Y자 조인트이다. 재료 등급 St355 서브머지드 아크 방법이 하이브리드 레이저 전기 아크 방법과 함께 이용된다. 예시를 목적으로 4 ㎾ 레이저가 이용되었다. 따라서, 루트부는 4 ㎜의 두께를 갖도록 선택된다. 경사부는 60°의 개방 각도를 갖는다. 판 치수는 150×400 ㎜이다. 판들 사이의 사전각도(pre-angle)는 5°이다.
용접 실험을 수행할 때 이용된 방법에서, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 방법과 함께 레이저가 이용된다. GMAW 방법을 위한 전력원은 AristoMIG 500W이다. 레이저원은 트럼프사(Trumpf)의 램프 펌프형 Nd:Yag 공진기, D70 처리 광학계를 갖춘 HL 4006 D이다. SAW 방법이 SAW 트윈 셋업을 갖춘 용접 트랙터에 의해 이루어진다. 적력원은 2개의 Scott 결합형 LAF 635이다.
하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법을 위한 열 입력은 0.2 kJ/㎜의 레이저 비임에 기인하여 0.7 kJ/㎜이다. 서브머지드 아크 용접 방법으로부터의 열 입력은 2.4 kJ/㎜이다.
경도의 측정은 도 7a에 도시된 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법이 루트를 완성시킨 후에 그리고 도 7b에 도시된 서브머지드 아크 용접이 경사부를 완성시킨 후에 수행된다.
모재인, 즉 원질 재료(unaffected material)인 용접 구역에서 사실상 동일한 야금 성질을 달성하는 것이 최적의 결과일 것이다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접은, 블랙 스틸인 다량의 마텐자이트(martensite) 및 2상(duplex) 스테인레스 강인 높은 페라이트 함유물을 갖는, 경질의 취성 조인트를 생성한다.
도 7a의 재료 경도 다이어그램은 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법의 완료 후에 용접부가 열 영향 구역에서 410 HV 이상의 경도에 도달되었다는 것을 보여준다. 따라서, 경도는 용접 시임에 걸쳐 첨예하게 변화되고, 열 영향 구역 외부의 원질 재료에 비해 사실상 다른 야금 성질을 갖는다. 경도의 최대 미분 계수(derivate)는 열 영향 구역에서 200 HV 이상이다.
서브머지드 아크 용접 방법이 용접 시임을 완성한 후에, 열 영향 구역에서 시임의 경도는 서브머지드 아크 용접 방법에 의한 열 입력으로 인해 평준화되었다. 경도는 열 영향 구역에서 최대 100 HV이다. 경도의 최대 미분 계수는 열 영향 구역에서 약 50 HV이다.
제안된 방법에 따라 열 영향 구역에 걸쳐 재료 경도의 최대값이 낮고 재료 경도의 변화가 작은 상태로 고강도 강에 고품질 용접부를 생성할 것이라는 것을 실험으로부터 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 용접 방법에 대한 온도 다이어그램을 도시한다. 점선 80은 용접부의 중심 위치에서의 온도를 나타낸다. 용접은 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 헤드(82)의 위치에서 수행된다. 용접 구역에서, 금속은 이용된 재료에 따라 대략 1500 ℃의 온도에서 용융된다. 용접 헤드(82)는 화살표 84로 나타난 방향으로 전파된다. 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 헤드가 통과할 때, 용접부는 냉각되기 시작하여 마텐자이트가 형성되는 마텐자이트 온도 허용치 M에 도달된다. 이는 레이저 용접 헤드가 통과된 후에 대략 3 초 동안 야기된다. 마텐자이트 온도 허용치 M은 용접된 재료에 대한 탄소 당량 값에 따라 대략 300 ℃ 내지 800 ℃이다. 용접부가 마텐자이트 온도에 도달된 후, 서브머지드 아크 용접 헤드(86)가 용접 시임에 대한 높은 열 입력을 생성하기 위해 용접 방법을 개시한다. 서브머지드 아크 용접 방법 동안의 열 입력은 바람직하게는 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법 동안의 열 입력의 적어도 3배만큼 높다.
대략 1 m/s의 용접 속도라고 가정하면, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 헤드 및 서브머지드 아크 용접 헤드를 서로 5 ㎝ 내지 100 ㎝, 바람직하게는 약 10 ㎝ 내지 50 ㎝의 거리를 두고 공통 용접 트랙터에 장착하는 것이 적절할 것이다.
6a : 제1 작업편 6b : 제2 작업편
10 : 레이저 비임 22 : 전기 아크
26 : 공동 36a : 소모성 전극
54a, 54b : 에지부 56 : Y자 조인트
62 : 퍼들

Claims (16)

  1. 2개의 에지부(54a, 54b) 사이에 용접 시임(52)을 형성하기 위한 용접 방법이며,
    상기 에지부(54a, 54b)는 루트부(58) 및 경사부(60)를 갖는 Y자 조인트를 형성하고,
    상기 루트부(58)는, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 헤드(2)를 이용하여 레이저 비임(10) 및 전기 아크(22)를 플라즈마와 용융 금속의 단일 상호작용 구역(24) 내로 안내하는 것을 포함하는, 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법에 의해 용접되는,
    용접 방법에 있어서,
    상기 단일 상호작용 구역(24)은 상기 루트부(58)에 위치되고,
    상기 경사부(60)는 서브머지드 아크 용접 방법에서 서브머지드 아크 용접 헤드(4)에 의해 용접되며,
    상기 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 헤드(2) 및 용접하는 서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 공통 캐리어 구조체(46, 50)에 배열되는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 루트부(58)는 8 ㎜를 초과하는, 바람직하게는 10 ㎜를 초과하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 경사부(60)는 15 ㎜를 초과하는, 바람직하게는 20 ㎜를 초과하는 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 루트부(58)의 두께와 경사부(60)의 깊이 사이의 비율은 0.4 내지 0.6인 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 비임(10)은 7 ㎾를 초과하는 효과를 제공하고, 상기 전기 아크(22)는 7 ㎾를 초과하는 효과를 제공하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 레이저 비임(10) 및 전기 아크(22)는 사실상 동일한 효과를 제공하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 레이저 비임(10) 및 전기 아크(22)의 각각의 효과는 루트부(58)의 두께에 의해 분할되고, 용접 속도는 기본적으로 1 Ws/㎡에 대응하는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 루트부(58) 및 경사부(60)는 단일 패스에서 용접되는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에지(54a, 54b) 중 적어도 하나의 에지는 355 ㎫을 초과하는 항복 강도를 갖는 고강도 강의 작업편(6)의 일부분인 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서브머지드 아크 용접 방법을 위한 용접 파라미터는 서브머지드 아크 용접 방법의 열 영향 구역(66)이 하이브리드 레이저 전기 아크 용접 방법의 열 영향 구역(64)을 포함하도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경사부(60)는 작업편 또는 결합될 작업편들(6)의 제1 측부(70)에 위치설정되고, 상기 루트부(58)는 작업편 또는 결합될 작업편들(6)의 제2 대향 측부(72)까지 연장되며, 상기 서브머지드 아크 용접 방법을 위한 용접 파라미터는 서브머지드 아크 용접 방법의 열 영향 구역(66)이 상기 제2 대향 측부(72)까지 하방 연장되도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 용접 방법.
  12. 루트부(58) 및 경사부(60)를 갖는 Y자 조인트를 용접하기 위한 용접 장치(1)로서,
    작업시, 상기 경사부(60)는 작업편 또는 결합될 작업편들(6)의 제1 측부(70)에 위치설정되고, 상기 루트부(58)는 작업편 또는 결합될 작업편들(6)의 제2 대향 측부(72)까지 연장되며,
    상기 루트부(58)를 용접하도록 배열된 하이브리드 용접 헤드(2)를 포함하고,
    상기 하이브리드 용접 헤드(2)는 작업시 상기 제1 측부(70)를 향하도록 장착되는,
    용접 장치(1)에 있어서,
    작업시 상기 제1 측부(70)를 향하도록 장착되는 서브머지드 아크 용접 헤드(4)를 더 포함하며,
    하이브리드 레이저 전기 아크 용접 헤드(2) 및 용접하는 서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 공통 캐리어 구조체(46, 50)에 배열되는 것을 특징으로 하는, 용접 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 작업편 또는 결합될 작업편들(6)과 공통 캐리어 구조체 사이의 상대 이동을 가능케 하도록 배열되는 액추에이터(48)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 용접 장치.
  14. 제14항에 있어서, 상기 하이브리드 용접 헤드(2) 및 서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 작업편 또는 결합될 작업편들(6) 상에서 또는 작업편 또는 결합될 작업편들(6)에 걸쳐 추진되는 공통 이동식 캐리어 구조체(50)에 장착되는 것을 특징으로 하는, 용접 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하이브리드 용접 헤드(2) 및 서브머지드 아크 용접 헤드(4)는 공통 고정식 캐리어 구조체(46)에 장착되고, 상기 액추에이터(48)는 작업편 또는 결합될 작업편들(6)을 추진시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 용접 장치.
  16. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 장치(1)는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 용접 방법을 수행하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 용접 장치.
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