KR20150086550A - Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding - Google Patents

Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding Download PDF

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KR20150086550A
KR20150086550A KR1020157017972A KR20157017972A KR20150086550A KR 20150086550 A KR20150086550 A KR 20150086550A KR 1020157017972 A KR1020157017972 A KR 1020157017972A KR 20157017972 A KR20157017972 A KR 20157017972A KR 20150086550 A KR20150086550 A KR 20150086550A
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스티븐 알 피터
마이클 디 라테싸
폴 에드워드 데니
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

본원에는 용접 퍼들(P)과 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 생성하기 위하여 고강도 에너지원을 이용하여 피작업물(115, 115A, 115B, W)을 용접 또는 접합하기 위한 방법 및 시스템(100, 1200, 1400, 1700)이 개시되며, 필러 와이어는 그의 용융 온도까지 또는 그 근처까지 가열되고 그리고 용접 퍼들(P) 내로 용입된다. 모니터링 회로는 필러 와이어와 피작업물 사이에서의 아크 발생을 방지하는 역할을 한다.A method and system 100 for welding or joining workpieces 115, 115A, 115B, W using a high-strength energy source to create a welding puddle P and at least one resistive filler wire 140 , 1200, 1400, 1700) is initiated and the filler wire is heated to and near its melting temperature and penetrated into the weld puddle (P). The monitoring circuit serves to prevent arcing between the filler wire and the workpiece.
Figure P1020157017972

Description

용접을 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 고강도 에너지원을 기동 및 사용하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM TO START AND USE COMBINATION FILLER WIRE FEED AND HIGH INTENSITY ENERGY SOURCE FOR WELDING}[0001] METHOD AND SYSTEM FOR STARTING AND USING COMBINATION FILLER WIRE FEED AND HIGH INTENSITY ENERGY SOURCE FOR WELDING [0002]
본 출원은 미국특허출원 제12/352,667호의 부분연속출원이고 이를 우선권으로 주장하는 미국특허출원 제13/212,025호의 부분연속출원이며 그리고 이를 우선권으로 주장한다. 미국특허출원 제12/352,667호와 미국특허출원 제13/212,025호는 참고로 본 명세서에서 그 전체로 본 명세서에 포함된다.The present application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 12 / 352,667, which is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 13 / 212,025, which claims priority and claims priority. U.S. Patent Application No. 12 / 352,667 and U.S. Patent Application No. 13 / 212,025 are hereby incorporated by reference herein in their entirety.
본 발명은 청구항 1항에 따른 용접 방법 그리고 청구항 10항에 따른 용접 시스템에 관한 것이다. 어떠한 실시예는 필러 와이어 오버레잉(overlaying) 용례뿐만 아니라 용접 그리고 연결 용례에 관한 것이다. 어떤 실시예는 필러 와이어 오버레잉 용례뿐만 아니라 용접 및 접합 용례에 관한 것이다. 더욱 특히, 어떤 실시예는 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움, 표면 강화 오버레잉, 접합 그리고 용접 용례 중 어느 하나를 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템을 기동 및 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.The invention relates to a welding method according to claim 1 and to a welding system according to claim 10. Some embodiments relate to welding and connection applications as well as filler wire overlaying applications. Some embodiments relate to welding and joining applications as well as filler wire overlay applications. More particularly, certain embodiments provide a system and method for activating and using a combined filler wire feeder and energy source system for either brazing, cladding, building up, filling, surface strengthening overlaying, joining and welding applications .
용접의 전형적인 필러 와이어 방법[예를 들어, 가스-텅스텐 아크 용접(gas-tungsten arc welding; GTAW) 필러 와이어 방법]은 전형적인 아크 용접 단독의 용착 속도 및 용접 속도 이상의 증가된 용착 속도 및 용접 속도를 제공한다. 토치를 유도하는 필러 와이어는 개별적인 전원 공급부에 의하여 저항-가열된다. 와이어는 접촉 튜브를 통하여 피작업물을 향하여 공급되며 튜브를 지나 연장된다. 연장부는 저항-가열되어 연장부는 용융점에 접근하거나 도달하며 그리고 용접 퍼들과 접촉한다. 용접 퍼들을 형성시키도록 작업물을 가열 및 용융시키기 위하여 텅스텐 전극이 이용될 수 있다. 전원 공급부는 필러 와이어를 저항-용융시키기에 필요한 에너지의 대부분을 제공한다. 일부 경우에, 와이어 공급 장치는 미끄러지거나 불안정할 수 있으며 그리고 와이어 내의 전류는 와이어의 팁과 피작업물 사이에 아크를 발생시킬 수 있다. 이러한 아크의 추가 열은 용락(burnthrough)과 스패터(spatter)를 야기할 수 있다. 이러한 아크 발생의 위험은 와이어가 초기에 피작업물과 작은 지점에서 접촉하는 공정의 시작점에서 더 크다. 와이어 내의 초기 전류가 너무 크면, 지점은 타 없어지고 아크를 발생시킨다.A typical filler wire method of welding (e.g., gas-tungsten arc welding (GTAW) filler wire method) provides an increased deposition rate and welding speed over the typical deposition rate of the arc welding alone do. The filler wires leading to the torch are resistively heated by separate power supplies. The wire is fed through the contact tube toward the workpiece and extends past the tube. The extension is resistance-heated so that the extension approaches or reaches the melting point and contacts the welding puddle. A tungsten electrode may be used to heat and melt the workpiece to form the welding puddles. The power supply provides most of the energy needed to resist-melt the filler wire. In some cases, the wire feeder may be slip or unstable, and current in the wire may cause an arc to arise between the tip of the wire and the workpiece. The additional heat of these arcs can cause burnthrough and spatter. The risk of this arc occurrence is greater at the beginning of the process where the wire initially contacts the workpiece at a small point. If the initial current in the wire is too large, the point is burned out and an arc is generated.
도면을 참고하여 본 출원의 나머지 부분에 개진된 바와 같은 본 발명의 실시예와의 상기한 기법의 비교를 통하여 일반적인, 전형적인 그리고 제안된 기법은 본 기술 분야의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The general, typical, and proposed techniques will be apparent to those skilled in the art through a comparison of the techniques described above with embodiments of the present invention as outlined in the remainder of the application with reference to the drawings.
본 발명의 목적은 위의 제한 그리고 단점을 극복하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 아크 발생의 위험을 최소화하는 것이다.The object of the present invention is to overcome the above limitations and disadvantages. Another object of the present invention is to minimize the risk of arc generation.
이 문제는 청구항 1항에 따른 용접 방법에 의하여 그리고 청구항 10항에 따른 용접 시스템에 의하여 해결된다. 다른 실시예는 종속청구항의 대상이다. 본 발명의 실시예는 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템을 기동 및 사용하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 본 발명의 제1 실시예는 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움, 표면 강화 오버레잉, 접합 그리고 용접 용례 중 어느 하나를 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템을 기동 및 사용하기 위한 방법을 포함한다. 본 방법은 적어도 하나의 저항성 필러 와이어와 피작업물 사이에 전원을 통하여 감지 전압을 인가하고 그리고 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단을 피작업물을 향하여 나아가게 하는 것을 포함한다. 본 방법은 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단이 피작업물과 먼저 접촉할 때를 감지하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 또한 감지에 응답하여 한정된 시간 간격 동안 적어도 하나의 저항성 필러 와이어로의 전원을 턴오프하는 것을 포함한다. 본 방법은 적어도 하나의 저항성 필러 와이어를 통하여 가열 전류 흐름을 인가하기 위하여 한정된 시간 간격의 종단에서 전원을 턴온하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 또한 적어도 가열 전류의 흐름을 인가하는 동안에 피작업물을 가열하기 위하여 고강도 에너지원으로부터 피작업물로 에너지를 인가하는 것을 더 포함한다. 고강도 에너지원은 레이저 장치, 플라즈마 아크 용접(PAW) 장치, 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 장치, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 장치, 플럭스 코어 아크 용접(FCAW) 장치, 그리고 서브머지드(submerged) 아크 용접 (SAW) 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.This problem is solved by a welding method according to claim 1 and by a welding system according to claim 10. Other embodiments are subject to dependent claims. Embodiments of the present invention include a system and method for activating and using a combined filler wire feeder and energy source system. A first embodiment of the present invention includes a combined filler wire feeder for a brazing, cladding, building up, fill, surface strengthening overlay, joining and welding application and a method for starting and using the energy source system do. The method includes applying a sensing voltage across a power source between at least one resistive filler wire and the workpiece and moving the distal end of the at least one resistive filler wire toward the workpiece. The method further includes sensing when the distal end of the at least one resistive filler wire first contacts the workpiece. The method also includes turning off power to at least one resistive filler wire for a limited time interval in response to sensing. The method further includes turning on the power at the end of the defined time interval to apply the heating current flow through the at least one resistive filler wire. The method also includes applying energy from the high-strength energy source to the workpiece to heat the workpiece during application of at least the flow of heating current. The high-strength energy source may be a laser device, a plasma arc welding (PAW) device, a gas tungsten arc welding (GTAW) device, a gas metal arc welding (GMAW) device, a flux core arc welding (FCAW) device, and a submerged arc And a welding (SAW) device.
본 발명의 이들 특징 그리고 다른 특징뿐만 아니라 본 발명의 설명된 실시예의 세부 사항은 하기의 설명 및 도면으로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.These and other features of the invention as well as details of the described embodiments of the invention will be more fully understood from the following description and drawings.
도 1은 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움, 표면 경화 오버레잉 용례 중 어느 하나를 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템의 예시적인 실시예의 기능적인 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 시스템에 의하여 사용된 기동 방법의 실시예의 흐름도.
도 3은 도 1의 시스템에 의하여 사용된 후 기동 방법의 실시예의 흐름도.
도 4는 도 3의 후 기동 방법과 관련된 한 쌍의 전압 파형과 전류 파형의 제1 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 5는 도 3의 후 기동 방법과 관련된 한 쌍의 전압 파형과 전류 파형의 제2 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 6 및 도 6a는 용접 작업을 수행하기 위하여 사용된 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 7, 도 7a 및 도 7b는 본 발명을 이용한 용접의 추가적인 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 8은 동시에 조인트의 양 측부를 접합하는 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 9는 본 발명을 이용한 용접의 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 10은 다수의 레이저와 와이어로 조인트를 용접하는 상태의 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예와 함께 사용된 접촉 팁의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 핫 와이어 전원 공급 시스템을 도시한 도면.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 생성된 전압 및 전원 파형을 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 다른 용접 시스템을 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 실시예에 의하여 생성된 용접 퍼들의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 16a 내지 도 16f는 본 발명의 실시예에 따른 용접 퍼들과 레이저 빔 이용의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 용접 시스템을 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 램프 다운 회로의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 19는 본 발명에 따른 흄 추출 노즐의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 20a는 아크 용접 공정을 이용한 얇은 벽 용접 공정의 결과를 도시한 도면.
도 20b는 본 발명을 이용한 얇은 벽 용접 공정의 예시적인 실시예의 결과를 도시한 도면.
1 is a functional schematic block diagram of an exemplary embodiment of a combined filler wire feeder and energy source system for either brazing, cladding, building up, fill, surface hardening overlay application.
Figure 2 is a flow diagram of an embodiment of a start-up method used by the system of Figure 1;
3 is a flow chart of an embodiment of a post-startup method used by the system of FIG.
Figure 4 illustrates a first exemplary embodiment of a pair of voltage waveforms and current waveforms associated with the back-up method of Figure 3;
Figure 5 illustrates a second exemplary embodiment of a pair of voltage waveforms and current waveforms associated with the post-start method of Figure 3;
Figures 6 and 6A show another exemplary embodiment of the present invention used to perform a welding operation.
Figures 7, 7A and 7B show further exemplary embodiments of welding using the present invention.
Figure 8 shows another exemplary embodiment for joining both sides of a joint simultaneously.
Figure 9 shows another exemplary embodiment of a weld using the present invention.
10 illustrates another exemplary embodiment of the present invention in which a joint is welded with a plurality of lasers and wires.
11A-11C illustrate an exemplary embodiment of a contact tip used in conjunction with an embodiment of the present invention.
12 illustrates a hot-wire power supply system in accordance with an embodiment of the present invention.
Figures 13A-13C illustrate voltage and power waveforms generated in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 14 illustrates another welding system in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
15 illustrates an exemplary embodiment of a welding fur produced by an embodiment of the present invention.
16A-16F illustrate an exemplary embodiment of a welding puddle and laser beam use in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 17 illustrates a welding system according to another exemplary embodiment of the present invention.
Figure 18 illustrates an exemplary embodiment of a ramp down circuit that may be used in embodiments of the present invention.
19 illustrates an exemplary embodiment of a fume extraction nozzle according to the present invention.
20A is a view showing a result of a thin wall welding process using an arc welding process;
Figure 20b shows the results of an exemplary embodiment of a thin wall welding process using the present invention.
용어 "오버레잉(overlaying)"이 넓은 방식으로 본 명세서에서 사용되며 그리고 브레이징(brazing), 클래딩(cladding), 빌딩업(building up), 채움(filling) 그리고 표면 경화(harding-facing)를 포함하는 임의의 용례를 언급할 수 있다. 예를 들어, "브레이징" 용례에서 필러 재료는 캐필러리 작용을 통하여 조인트의 밀접하게 맞추어지는(fitting) 표면들 사이에 분산된다. 반면에, "브레이즈 용접(braze welding)" 용례에서, 필러 재료는 갭 내로 흐르도록 만들어진다. 그러나, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 양 기술은 오버레잉 용례로서 넓게 언급된다.The term "overlaying" is used herein in a broad sense and includes the steps of brazing, cladding, building up, filling, and hardening- Any application may be mentioned. For example, in the "brazing" application, the filler material is dispersed between the surfaces of the joint that are closely fitted through the capillary action. On the other hand, in the "braze welding" application, the filler material is made to flow into the gap. However, as used herein, both techniques are broadly referred to as overlaying applications.
도 1은 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움, 표면 강화 오버레잉 및 접합/용접 용례 중 어느 것을 수행하기 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템(100)의 예시적인 실시예의 기능적인 도식적 블록도를 도시한다. 시스템(100)은 피작업물(115)을 가열하기 위하여 피작업물(115) 상에 레이저 빔(110)을 집속할 수 있는 레이저 서브 시스템을 포함한다. 레이저 서브 시스템은 고강도 에너지원이다. 레이저 시스템은 제한되지는 않지만 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크, YB-섬유, 섬유 전송 또는 직접 다이오드 레이저 시스템을 포함하는, 임의의 종류의 고에너지 레이저원일 수 있다. 또한 충분한 에너지를 갖고 있다면 백색광 또는 석영 광 레이저형 시스템도 사용될 수 있다. 시스템의 다른 실시예는 고강도 에너지원의 역할을 수행하는 전자 빔, 플라즈마 아크 용접 서브시스템, 가스 텅스텐 아크 용접 서브시스템, 가스 금속 아크 용접 서브시스템, 플럭스 코어 아크 용접 서브시스템 그리고 서브머지드 아크 용접 서브시스템 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다음의 설명은 레이저 시스템, 빔 그리고 전원 공급부를 반복적으로 언급할 것이나, 어떠한 고강도 에너지원이 사용될 수 있음에 따라 이 언급은 예시적이라는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 고강도 에너지원이 적어도 500 W/㎠를 제공할 수 있다. 레이저 서브시스템은 서로 작동적으로 연결된 레이저 장치(120)와 레이저 전원 공급부(130)를 포함한다. 레이저 장치(120)를 작동시키기 위하여 레이저 전원 공급부(130)는 전력을 공급한다.1 is a functional schematic block diagram of an exemplary embodiment of an energy source system 100 and a combined filler wire feeder for performing either brazing, cladding, building up, filling, surface strengthening overlaying, and bonding / / RTI > The system 100 includes a laser subsystem capable of focusing the laser beam 110 on the workpiece 115 to heat the workpiece 115. The laser subsystem is a high energy source. The laser system may be any kind of high energy laser source, including, but not limited to, carbon dioxide, Nd: YAG, Yb-disk, YB-fiber, fiber transmission or direct diode laser systems. A white light or quartz light laser type system can also be used if it has sufficient energy. Other embodiments of the system include an electron beam, a plasma arc welding subsystem, a gas tungsten arc welding subsystem, a gas metal arc welding subsystem, a flux core arc welding subsystem, and a submerged arc welding subsystem System, and the like. The following description will repeatedly refer to the laser system, the beam and the power supply, but it should be understood that this reference is exemplary as any high intensity energy source may be used. For example, a high intensity energy source can provide at least 500 W / cm < 2 >. The laser subsystem includes a laser device 120 and a laser power supply 130 operatively connected to each other. The laser power supply 130 supplies power to operate the laser device 120.
시스템(100)은 또한 레이저 빔(110)의 근처에서 피작업물(115)과의 접촉을 이루기 위하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 제공할 수 있는 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템을 포함한다. 물론, 본 명세서 내에서의 피작업물(115)에 의거하여 용융된 퍼들은 피작업물(115)의 부분으로 간주되며 따라서 피작업물(115)과의 접촉에 대한 언급은 퍼들과의 접촉을 포함하는 것으로 이해된다. 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템은 필러 와이어 공급기(150), 접촉 튜브(160) 그리고 핫 와이어 전원 공급부(170)를 포함한다. 작동 동안에, 레이저 빔(100)을 안내하는 필러 와이어(140)는 접촉 튜브(160)와 피작업물(115) 사이에서 작동적으로 연결된 핫 와이어 용접 전원 공급부(170)로부터의 전류에 의하여 저항-가열된다. 본 발명의 실시예에 따라, 교류 전류(AC) 또는 다른 형태의 전원 공급도 가능할지라도 핫 와이어 전원 공급부(170)는 펄스 직류 전류(DC) 전원 공급부이다. 와이어(140)는 필러 와이어 공급기(150)로부터 접촉 튜브(160)를 통하여 피작업물(115)을 향하여 공급되며 그리고 튜브(160)를 지나 연장된다. 와이어(140)의 연장부는 저항-가열되어 피작업물 상의 용접 퍼들에 접촉하기 전에 연장부는 용융점에 접근하거나 용융점에 도달한다. 레이저 빔(110)은 피작업물(115)의 기본 금속의 일부를 용융시키는 역할을 수행하여 용접 퍼들을 형성하고 그리고 피작업물(115) 상으로 와이어(114)를 용융시킨다. 전원 공급부(170)는 필러 와이어(114)를 저항-용융시키기에 필요한 에너지의 대부분을 제공한다. 본 발명의 다른 실시예에 따라 공급기 서브시스템은 하나 이상의 와이어를 동시에 제공할 수 있다. 예를 들어, 표면 강화를 위하여 및/또는 피작업물에 부식 저항을 제공하기 위하여 제1 와이어가 사용될 수 있으며, 그리고 피작업물에 구조물을 부가하기 위하여 제2 와이어가 사용될 수 있다.The system 100 also includes a hot filler wire feeder subsystem that can provide at least one resistive filler wire 140 to make contact with the workpiece 115 in the vicinity of the laser beam 110. Of course, the fur melted based on the workpiece 115 in the present specification is regarded as a part of the workpiece 115, and therefore the reference to the contact with the workpiece 115 is the contact with the puddle 115 . The hot filler wire feeder subsystem includes a filler wire feeder 150, a contact tube 160, and a hot wire power supply 170. During operation, the filler wire 140 that guides the laser beam 100 is resiliently biased by a current from a hot-wire welding power supply 170 operatively connected between the contact tube 160 and the workpiece 115, And heated. In accordance with an embodiment of the present invention, the hot wire power supply 170 is a pulsed DC current (DC) power supply, although alternating current (AC) or other types of power supply is also possible. The wire 140 is fed from the filler wire feeder 150 through the contact tube 160 toward the workpiece 115 and extends past the tube 160. The extension of the wire 140 approaches the melting point or reaches the melting point before resistance-heating and contacting the welding puddle on the workpiece. The laser beam 110 serves to melt a portion of the base metal of the workpiece 115 to form the welding puds and to melt the wire 114 onto the workpiece 115. The power supply 170 provides most of the energy needed to resist-melt the filler wire 114. According to another embodiment of the present invention, the feeder subsystem may simultaneously provide one or more wires. For example, a first wire may be used to reinforce the surface and / or to provide corrosion resistance to the workpiece, and a second wire may be used to add the structure to the workpiece.
시스템(100)은 레이저 빔(100; 에너지원)과 각 필러 와이어(140)를 (적어도 상대적으로) 피작업물(115)을 따라서 동일한 방향(125)으로 이동시킬 수 있는 움직임 제어 시스템을 더 포함하여 레이저 빔(110)과 저항성 필러 와이어(140)는 서로에 대하여 고정된 관계에 남아 있다. 다양한 실시예에 따르면, 피작업물(115)과 레이저/와이어 조합체 간의 상대적인 움직임은 피작업물(115)을 실제적으로 이동시킴에 의하여 또는 레이저 장치(120)와 핫 와이어 공급기 서브시스템을 이동시킴에 의하여 이루어질 수 있다. 도 1에서, 움직임 제어기 서브 시스템은 로봇(190)에 작동적으로 연결된 모션 컨트롤러(180)를 포함한다. 모션 컨트롤러(180)는 로봇(190)의 움직임을 제어한다. 로봇(190)은 피작업물(115)에 작동적으로 연결(예를 들어, 기계적으로 고정)되어 피작업물(115)을 방향(125)으로 이동시켜 레이저 빔(110) 및 와이어(140)는 사실상 피작업물(115)을 따라서 이동한다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 레이저 장치(110) 및 접촉 튜브(160)는 단일 헤드에 통합될 수 있다. 헤드는 헤드에 작동적으로 연결된 움직임 제어 서브시스템을 통하여 피작업물(115)을 따라 이동될 수 있다.The system 100 further includes a motion control system that can move the laser beam 100 (energy source) and each filler wire 140 in the same direction 125 (at least relatively) along the workpiece 115 So that the laser beam 110 and the resistive filler wire 140 remain in a fixed relationship with respect to each other. Relative movement between the workpiece 115 and the laser / wire combination can be achieved by either substantially moving the workpiece 115 or by moving the laser device 120 and the hot wire feeder subsystem . In Figure 1, the motion controller subsystem includes a motion controller 180 operatively connected to a robot 190. The motion controller 180 controls the motion of the robot 190. The robot 190 is operatively connected (e.g., mechanically fixed) to the workpiece 115 to move the workpiece 115 in the direction 125 to move the laser beam 110 and the wire 140, Moves along the workpiece 115 in effect. According to an alternative embodiment of the present invention, the laser device 110 and the contact tube 160 may be integrated into a single head. The head can be moved along the workpiece 115 through a motion control subsystem operatively connected to the head.
일반적으로, 고강도 에너지원/핫 와이어가 피작업물에 대하여 이동될 수 있는 다수의 방법이 있다. 만일 피작업물이 둥근 형상이라면, 고강도 에너지원/핫 와이어는 정지 상태일 수 있으며 그리고 피작업물은 고강도 에너지원/핫 와이어를 중심으로 회전될 수 있다. 대안적으로, 로봇 아암 또는 선형 트랙터가 만곡된 피작업물과 평행하게 이동할 수 있으며, 그리고 예를 들어 만곡된 피작업물의 표면을 덮기 위하여 피작업물이 회전됨에 따라 고강도 에너지원/핫 와이어는 연속적으로 이동 또는 회전당 1번 인덱스(index)할 수 있다. 피작업물이 평평하거나 또는 적어도 만곡된 형상이 아니면, 도 1에 도시된 바와 같이 피작업물은 고강도 에너지원/핫 와이어 아래에서 이동될 수 있다. 그러나, 피작업물에 대하여 고강도 에너지원/핫 와이어 헤드를 이동시키기 위하여 로봇 아암 또는 선형 트랙터 또는 빔 장착 카트리지도 이용될 수 있다.Generally, there are a number of ways in which a high strength energy source / hot wire can be moved relative to the workpiece. If the workpiece has a round shape, the high-strength energy source / hot wire may be stationary and the workpiece may be rotated about a high-strength energy source / hot wire. Alternatively, the robot arm or linear tractor may move in parallel with the curved workpiece, and as the workpiece is rotated to cover, for example, the surface of the curved workpiece, the high-strength energy source / Or indexed once per revolution. If the workpiece is not flat or at least not curved, the workpiece can be moved under the high-strength energy source / hot wire as shown in Fig. However, a robotic arm or linear tractor or beam-mounted cartridge may also be used to move the high-strength energy source / hot wire head relative to the workpiece.
시스템(100)은 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)을 더 포함한다. 이 서브시스템은 피작업물(115)과 접촉 튜브(160)에 작동적으로 연결(즉, 핫 와이어 전원 공급부(170)의 출력에 실질적으로 연결)되며 그리고 피작업물(115)을 통한 전류(I)와 핫 와이어(140) 사이의 전위차[즉, 전압(V)]를 측정할 수 있다. 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)은 측정된 전압 및 전류로부터 저항값(R=V/I) 및/또는 전력값(P=V*I)을 더 계산할 수 있다. 일반적으로, 핫 와이어(140)가 피작업물(115)와 접촉 상태에 있을 때, 핫 와이어(140)와 피작업물(115) 사이의 전위차는 0 볼트 또는 거의 0 볼트이다. 그 결과, 후에 더 상세하게 설명될 바와 같이, 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)은 각 필러 와이어(140)가 피작업물(115)과 접촉 상태에 있을 때를 감지할 수 있으며 그리고 감지에 응답하여 각 필러 와이어(140)를 통한 전류의 흐름을 더 제어할 수 있도록 핫 와이어 전원 공급부(170)에 작동적으로 연결된다. 본 발명의 다른 실시예에 따라, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 핫 와이어 전원 공급부(170)의 필수 부분일 수 있다.The system 100 further includes a sensing and current control subsystem 195. This subsystem is operatively connected to the workpiece 115 and the contact tube 160 (i.e., substantially connected to the output of the hot wire power supply 170) I) and the hot wire 140 (that is, the voltage V). The sensing and current control subsystem 195 may further calculate a resistance value (R = V / I) and / or a power value (P = V * I) from the measured voltage and current. Generally, when the hot wire 140 is in contact with the workpiece 115, the potential difference between the hot wire 140 and the workpiece 115 is zero volts or almost zero volts. As a result, as will be described in greater detail below, the sensing and current control subsystem 195 can sense when each filler wire 140 is in contact with the workpiece 115, And is operatively connected to a hot wire power supply 170 to further control the flow of current through each filler wire 140. In accordance with another embodiment of the present invention, the sense and current controller 195 may be an integral part of the hot wire power supply 170.
본 발명의 실시예에 따라, 모션 컨트롤러(180)는 레이저 전원 공급부(130) 및/또는 감지 및 전류 컨트롤러(195)에 작동적으로 더 연결될 수 있다. 이 방식에서, 모션 컨트롤러(180) 및 레이저 전원 공급부(130)는 서로 통신할 수 있어 레이저 전원 공급부(130)는 피작업물(115)이 이동 중일 때를 알며 그리고 모션 컨트롤러(180)는 레이저 장치(120)가 작동 상태인지 여부를 안다. 유사하게, 이 방식에서 모션 컨트롤러(180)와 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 서로 통신할 수 있어 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 피작업물(115)이 이동 중일 때를 알며 그리고 모션 컨트롤러(180)는 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템이 작동 상태인지 여부를 안다. 이러한 통신은 시스템(100)의 다양한 서브시스템들 사이의 활동을 조정하기 위하여 사용될 수 있다.In accordance with an embodiment of the present invention, the motion controller 180 may be further operatively coupled to the laser power supply 130 and / or the sense and current controller 195. In this manner, the motion controller 180 and the laser power supply 130 can communicate with each other so that the laser power supply 130 knows when the workpiece 115 is moving, (120) is in an operating state. Similarly, in this manner, the motion controller 180 and the sense and current controller 195 can communicate with each other so that the sense and current controller 195 knows when the workpiece 115 is moving and the motion controller 180 ) Knows whether the hot filler wire feeder subsystem is operational. Such communication may be used to coordinate activities among the various subsystems of system 100.
도 2는 도 1의 시스템(100)에 의하여 사용된 기동 방법(200)의 실시예의 흐름도를 도시한다. 단계 210에서, 전원 공급부(170)를 통하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)와 피작업물(115) 사이에 감지 전압을 인가한다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)의 명령 하에서 감지 전압이 핫 와이어 전원 공급부(170)에 의하여 인가될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라, 인가된 감지 전압은 와이어(140)를 상당히 가열하기 충분한 에너지를 제공하지 않는다. 단계 220에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)을 향하여 나아가게 한다. 이 전진은 와이어 공급기(150)에 의하여 수행된다. 단계 230에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단이 먼저 피작업물(115)과 접촉할 때를 감지한다. 예를 들어, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 핫 와이어(140)를 통하여 매우 낮은 레벨의 전류(예를 들어, 3 내지 5 암페어)를 제공하도록 핫 와이어 전원 공급부(172)에게 지시할 수 있다. 이러한 감지는 필러 와이어[40; 예를 들어 접촉 튜브(160)를 통하여]와 피작업물(115) 사이의 약 0 볼트(예를 들어, 0.4볼트)의 전위차를 측정하는 감지 및 전류 컨트롤러(195)에 의하여 이루어질 수 있다. 저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)에 단락될 때(즉, 피작업물과 접촉을 이룰 때), 필러 와이어(140)와 피작업물(115) 사이에 의미있는 전압 레벨(0 볼트 이상)은 존재할 수 없다.FIG. 2 shows a flow diagram of an embodiment of the start-up method 200 used by the system 100 of FIG. In step 210, a sensing voltage is applied between the at least one resistive filler wire 140 and the workpiece 115 through the power supply unit 170. [ Under the command of the sense and current controller 195, the sense voltage can be applied by the hot wire power supply 170. Also, in accordance with an embodiment of the present invention, the applied sense voltage does not provide sufficient energy to heat the wire 140 significantly. At step 220, the distal end of at least one resistive filler wire 140 is advanced towards the workpiece 115. This advancement is performed by the wire feeder 150. At step 230, it senses when the distal end of at least one resistive filler wire 140 first contacts the workpiece 115. For example, the sense and current controller 195 may direct the hot wire power supply 172 to provide a very low level of current (e. G., 3 to 5 amps) through the hot wire 140. This sensing can be accomplished using a filler wire 40; For example, by a sensing and current controller 195 that measures a potential difference of about zero volts (e.g., 0.4 volts) between the workpiece 115 and the workpiece 115 (e.g., via the contact tube 160). A significant voltage level is applied between the filler wire 140 and the workpiece 115 when the end of the resistive filler wire 140 is short-circuited to the workpiece 115 (i.e., when making contact with the workpiece) (0 volts or more) can not exist.
단계 240에서, 감지에 응답하여 한정된 시간 간격(예를 들어, 수 밀리초)에 걸쳐 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)에 대하여 전원 공급부(170)를 턴오프한다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 턴오프하도록 전원 공급부(170)에게 명령할 수 있다. 단계 250에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 통하여 가열 전류의 흐름을 인가하기 위하여 한정된 시간 간격의 끝에서 전원 공급부(170)를 턴온한다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 턴온하도록 전원 공급부(170)에게 명령할 수 있다. 단계 260에서, 적어도 가열 전류의 흐름을 인가되는 동안에 피작업물(115)을 가열하기 위하여 고강도 에너지원(110)에서 피작업물(115)로 에너지를 인가한다.At step 240, the power supply 170 is turned off for at least one resistive filler wire 140 over a limited time interval (e.g., a few milliseconds) in response to sensing. The sense and current controller 195 may command the power supply 170 to turn off. At step 250, the power supply 170 is turned on at the end of the defined time interval to apply a flow of heating current through the at least one resistive filler wire 140. The sense and current controller 195 may command the power supply 170 to turn on. In step 260, energy is applied from the high-strength energy source 110 to the workpiece 115 to heat the workpiece 115 at least during application of the flow of heating current.
선택적으로, 방법(200)은 감지에 응답하여 와이어(140)의 전진을 중지시키고, 한정된 시간 간격의 끝에서 와이어(140)의 전진을 다시 시작하며(즉, 재전진), 가열 전류의 흐름을 인가하기 전에 필러 와이어(140)의 말단이 아직 피작업물(115)과 접촉하고 있는 것을 확인하는 것을 포함할 수 있다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 공급을 중단하도록 와이어 공급기(150)에게 명령할 수 있으며, 대기(예를 들어, 수 밀리초)하도록 시스템(100)에게 명령할 수 있다. 이러한 실시예에서, 시작 및 정지하도록 와이어 공급기(150)에 명령하기 위하여 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 와이어 공급기(150)에 작동적으로 연결된다. 와이어(140)에게 가열 전류를 인가하도록 그리고 피작업물(115)을 향하여 와이어(140)를 다시 공급하도록 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 핫 와이어 전원 공급부(170)에게 명령할 수 있다.Optionally, the method 200 stops the advancement of the wire 140 in response to sensing, resumes (i.e., re-advances) the advance of the wire 140 at the end of the defined time interval, And confirming that the end of the filler wire 140 is still in contact with the workpiece 115 prior to application. The sense and current controller 195 may instruct the wire feeder 150 to stop supplying and command the system 100 to wait (e.g., a few milliseconds). In this embodiment, sensing and current controller 195 is operatively connected to wire feeder 150 to command wire feeder 150 to start and stop. The sensing and current controller 195 may instruct the hot wire power supply 170 to apply a heating current to the wire 140 and to supply the wire 140 back to the workpiece 115. [
기동 방법이 종료되면, 시스템(100)은 브레이징 용례, 클래딩 용례, 빌드업 용례, 표면 경화 용례 또는 용접/접합 작동 중 하나를 수행하기 위하여 레이저 빔(110)과 핫 와이어(140)가 피작업물(115)에 관하여 이동되는 작동의 후 시동 모드로 들어갈 수 있다. 도 3은 도 1의 시스템(100)에 의하여 이용된 후 시동 방법(300)의 실시예의 흐름도이다. 단계 310에서, 고강도 에너지원[예를 들어, 레이저 장치(120)] 및 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)는 피작업물(115)을 따라서 이동하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단은 고강도 에너지원[예를 들어, 레이저 장치(120)]을 유도하거나 고강도 에너지원과 일치하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)가 피작업물(115)을 향하여 공급됨에 따라 고강도 에너지원[예컨대, 레이저 장치(120)]으로부터의 에너지[예컨대, 레이저 빔(110)] 및/또는 가열된 피작업물[115; 즉, 피작업물(115)은 레이저 빔(110)에 의하여 가열된다]은 피작업물(115) 상으로 필러 와이어(145)의 말단을 녹인다. 모션 컨트롤러(180)는 피작업물(114)을 레이저 빔(110)과 핫 와이어(140)에 대하여 이동시키도록 로봇(190)에 명령한다. 레이저 전원 공급부(130)는 레이저 장치(120)를 작동시키기 위하여 전력을 제공하여 레이저 빔(110)을 형성한다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)에 의하여 명령을 받음에 따라 핫 와이어 전원 공급부(170)는 핫 와이어(140)에 전류를 제공한다.Upon termination of the start-up method, the system 100 may be programmed to cause the laser beam 110 and the hot wire 140 to contact the workpiece 110 to perform either brazing, cladding, build-up, surface hardening, or welding / The user may enter a post-start mode of operation that is moved relative to the drive 115. FIG. 3 is a flow diagram of an embodiment of a post-startup method 300 utilized by the system 100 of FIG. In step 310, a high-intensity energy source (e.g., laser device 120) and at least one resistive filler wire 140 are moved along the workpiece 115 to form an end of at least one resistive filler wire 140 (E.g., laser device 120) or at least one resistive filler wire 140 is supplied toward the workpiece 115 in accordance with a high-intensity energy source, the high-intensity energy source (E.g., laser beam 110) and / or heated workpiece 115 (laser beam 110, laser device 120). (That is, the workpiece 115 is heated by the laser beam 110) melts the end of the filler wire 145 onto the workpiece 115. The motion controller 180 instructs the robot 190 to move the workpiece 114 relative to the laser beam 110 and the hot wire 140. A laser power supply 130 provides power to operate the laser device 120 to form a laser beam 110. The hot wire power supply 170 provides current to the hot wire 140 as it is commanded by the sense and current controller 195.
단계 320에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와어어(140)의 말단이 피작업물(115)과 막 접촉이 끊어질 [즉, 예지(premonition) 능력을 제공] 때면 감지한다. 이러한 감지는 필러 와이어(140)와 피작업물(115) 사이의 전위차(dv/dt), 필러 와이어와 피작업물을 통한 전류(di/dt), 필러 와이어와 피작업물 사이의 저항(dr/dt) 또는 필러 와이어와 피작업물을 통한 전력(dp/dt) 중 하나의 변화 속도를 측정하는 감지 및 전류 제어기(195) 내의 예지 회로에 의하여 이루어질 수 있다. 변화 속도가 미리 정의된 값을 초과할 때, 감지 및 전류 제어기(195)는 접촉의 손실이 막 일어났음을 공식적으로 예측한다. 이러한 예지 회로는 아크 용접을 위한 기술에서 공지되었다.In step 320, the sensing is performed when the distal end of at least one resistive filler wire 140 provides breakage of the membrane contact with the workpiece 115 (i.e., provides premonition capability). This detection is performed by a potential difference (dv / dt) between the filler wire 140 and the workpiece 115, a current (di / dt) through the filler wire and the workpiece, a resistance between the filler wire and the workpiece dr / dt), or a sense circuit in the sense and current controller 195 that measures the rate of change of the power (dp / dt) through the filler wire and the workpiece. When the rate of change exceeds a predefined value, the sense and current controller 195 officially predicts that a loss of contact has just occurred. This intelligent circuit is known in the art for arc welding.
가열에 의하여 와이어(140)의 말단이 상당하게 용융될 때, 말단은 와이어(140)에서 피작업물(115)에서 떼어지기(pinch off) 시작한다. 예를 들어, 그때에, 와이어의 말단이 떼어짐에 따라 와이어의 말단의 횡단면이 급격하게 줄어들기 때문에 전위차 또는 전압이 증가한다. 따라서, 이러한 변화의 속도를 측정함에 의하여, 시스템(100)은 말단이 막 떼어지고 그리고 피작업물(115)과 접촉이 끊어질 때를 예측할 수 있다. 또한, 접촉이 완전하게 상실된다면, 0 볼트보다 현저하게 큰 전위차(예를 들어, 전압 레벨)가 감지 및 전류 컨트롤러(195)에 의하여 측정될 수 있다. 만일 단계 330에서의 작동이 취해지지 않는다면, 이 전위차는 (바람직하지 않은) 와이어(140)의 새로운 말단과 피작업물(115) 사이에 아크가 형성하는 것을 야기할 수 있다. 물론, 다른 실시예에서, 와이어(140)는 어떠한 주목할만한 떼어짐을 보여줄 수 없으나, 오히려 퍼들을 향해 거의 일정한 횡단면을 유지하는 동안에 연속적인 형태로 퍼들 내로 유동할 것이다. When the end of the wire 140 is significantly melted by heating, the end begins to pinch off from the workpiece 115 at the wire 140. For example, at that time, as the end of the wire is detached, the potential difference or voltage increases because the cross-section of the end of the wire is sharply reduced. Thus, by measuring the rate of such a change, the system 100 can predict when the end is peeled off and the contact with the workpiece 115 is broken. Also, if the contact is completely lost, a potential difference (e. G., Voltage level) that is significantly greater than zero volts can be measured by the sense and current controller 195. If the operation at step 330 is not taken, this potential difference may cause an arc to form between the new end of the (undesirable) wire 140 and the workpiece 115. Of course, in other embodiments, the wire 140 may not exhibit any notable detachment, but rather will flow into the puddle in a continuous form while maintaining a substantially constant cross-section towards the puddles.
단계 330에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)과 접촉이 막 끊어진다는 감지에 응답하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 통한 가열 전류의 흐름을 끊는다(또는 예를 들어 95%까지 적어도 크게 감소시킨다). 감지 및 전류 컨트롤러(195)가 접촉이 막 상실되는 것을 결정할 때, 컨트롤러(195)는 핫 와이어(140)로 공급되는 전류를 차단(또는 적어도 크게 감소)하도록 핫 와이어 전원 공급부(170)에게 명령한다. 이렇게 하여, 원치 않는 아크의 형성이 방지되고 튐(splatter) 또는 용낙(burn-through)과 같은 임의의 바람직하지 않은 효과가 발생하는 것을 방지한다.At step 330, the end of at least one resistive filler wire 140 breaks the flow of heating current through the at least one resistive filler wire 140 in response to detecting that the contact with the workpiece 115 is broken (step < RTI ID = 0.0 > Or at least to a great extent, for example up to 95%). The controller 195 instructs the hot wire power supply 170 to shut off (or at least greatly reduce) the current supplied to the hot wire 140 when the sensing and current controller 195 determines that the contact is lost . This prevents the formation of unwanted arcs and prevents any undesirable effects such as splatter or burn-through from occurring.
단계 340에서, 피작업물(115)을 향하여 계속해서 나아가는 와이어(140)로 인하여 적어도 하나의 저항성 필러 와어어(140)의 말단이 피작업물(115)과 다시 접촉할 때면 감지한다. 이러한 감지는 필러 와이어[140; 즉 접촉 튜브(160)를 통하여]와 피작업물(115) 사이의 약 0 볼트의 전위차를 측정하는 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 이루어질 수 있다. 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)에 단락될 때(즉, 피작업물과 접촉을 이룰 때), 필러 와이어(140)와 피작업물(115) 사이에 0 볼트 이상의 의미있는 전압 레벨은 존재할 수 없다. 구절 "다시 접촉한다"는 본 명세서에서 와이어(140)의 말단이 실제로 피작업물(115)로부터 떼어지든 그렇지 않든 와이어(140)가 피작업물(115)을 향하여 나아가고 그리고 와이어[140; 예를 들어 접촉 튜브(160)를 통한]와 피작업물(115) 사이의 측정된 전압이 약 0 볼트인 상황을 언급하기 위하여 사용된다. 단계 350에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단이 피작업물과 다시 접촉한 것을 감지한 것에 응답하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어를 통한 가열 전류의 흐름이 다시 가해진다. 와이어(140)를 계속해서 가열하기 위하여 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 가열 전류를 다시 인가할 것을 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령할 수 있다. 이 과정은 오버레잉 용례의 기간 중에 계속될 수 있다.At step 340, a wire 140 that continues to move toward the workpiece 115 senses when the end of at least one resistive filler wire 140 comes into contact with the workpiece 115 again. This sensing can be accomplished using filler wires [140; By means of a sensing and current controller 195 measuring the potential difference of about zero volts between the workpiece 115 and the workpiece (i. E., Via the contact tube 160). When the end of the filler wire 140 is short-circuited to the workpiece 115 (that is, when it comes into contact with the workpiece), a significant difference between the filler wire 140 and the workpiece 115 The voltage level can not exist. The phrase "again touches" is used herein to refer to whether the wire 140 is moved toward the workpiece 115, whether or not the end of the wire 140 is actually detached from the workpiece 115, Is used to refer to a situation where the measured voltage between the workpiece 115 (e.g., via the contact tube 160) and the workpiece 115 is about zero volts. In step 350, the flow of heating current through the at least one resistive filler wire is reapplied in response to sensing that the end of the at least one resistive filler wire is in contact with the workpiece again. To continue heating the wire 140, the sense and current controller 195 may command the hot wire power supply 170 to apply the heating current again. This process may continue during the overlaying period.
예를 들어, 도 4는 도 3의 후 기동 방법(300)과 관련된 한 쌍의 전압 및 전류 파형(410 및 420)의 제1 예시적인 실시예를 각각 도시한다. 전압 파형(410)은 접촉 튜브(160)와 피작업물(115) 사이에서 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 측정된다. 전류 파형(420)은 와이어(140)와 피작업물(115)을 통하여 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 측정된다.For example, FIG. 4 illustrates a first exemplary embodiment of a pair of voltage and current waveforms 410 and 420, respectively, associated with the post-start method 300 of FIG. The voltage waveform 410 is sensed and measured by the current controller 195 between the contact tube 160 and the workpiece 115. The current waveform 420 is sensed by the wire 140 and the workpiece 115 and measured by the current controller 195.
저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)와의 접촉이 막 끊어질 때 마다, 전압 파형(410)의 변화 속도(즉, dv/dt)는 설정된 임계값을 초과할 것이며, 떼어짐이 막 발생한다는 것을 나타낸다[파형(410)의 지점 411에서의 경사면 참조]. 대안으로서, 떼어짐이 막 발생하였다는 것을 나타내기 위하여 필러 와이어(140)와 피작업물(115)을 통한 전류의 변화 속도(di/dt), 필러 와이어와 피작업물 사이의 저항 변화 속도(dr/dt) 또는 필러 와이어와 피작업물을 통한 전력의 변화 속도(dp/dt)가 대신 사용될 수 있다. 이러한 속도 변화 예지 기술은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 적절한 시기의 어느 지점에서, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 와이어(140)를 통한 전류의 흐름을 끊도록 (또는 적어도 크게 감소시키도록) 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령할 것이다.Each time the end of the resistive filler wire 140 breaks contact with the workpiece 115, the rate of change of the voltage waveform 410 (i.e., dv / dt) will exceed the set threshold, (See slope at point 411 in waveform 410). Alternatively, the rate of change (di / dt) of current through the filler wire 140 and the workpiece 115, the rate of change in resistance between the filler wire and the workpiece dr / dt) or the rate of change of power (dp / dt) through the filler wire and the workpiece may be used instead. This rate of change prediction technique is known in the art. At some point in time, the sense and current controller 195 will command the hot wire power supply 170 to break (or at least greatly reduce) the flow of current through the wire 140.
감지 및 전류 컨트롤러(195)가 일부 시간 간격 (430; 예를 들어, 전압 레벨이 포인트 412에서 약 0 볼트로 다시 떨어진) 후에 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)과 다시 양호한 접촉을 이룬다는 것을 감지할 때, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 저항성 필러 와이어(140)를 통한 설정된 출력 전류 레벨(450)을 향한 전류의 흐름을 증가시키도록[경사면(425) 참조] 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령한다. 본 발명의 실시예에 따라, 증가는 설정된 포인트 값(440)에서 시작한다. 에너지원(120)과 와이어(140)가 피작업물(115)에 대하여 이동함에 따라 그리고 와이어 공급기(150)로 인하여 와이어(140)가 피작업물(115)을 향하여 나아감에 따라 이 과정은 반복된다. 이 방식으로, 와이어(140)의 말단과 피작업물(115) 간의 접촉이 대체로 유지되고 그리고 와이어(140)의 말단과 피작업물(115) 사이에서 아크가 형성되는 것이 방지된다. 가열 전류의 증가는 떨어짐 상태 또는 아크 상태가 존재하지 않을 때 전압의 변화 속도가 떨어짐 상태 또는 아크 상태로서 의도하지 않게 해석하는 것을 방지하는 데 도움을 준다. 어떤 대규모의 전류 변화는 가열 전류 내의 인덕턴스로 인하여 일어날 것으로 해석되는 불완전한 전압을 야기할 수 있다. 전류가 점차적으로 증가될 때, 인덕턴스의 효과는 줄어든다.After the sensing and current controller 195 has some time interval 430 (e.g., the voltage level drops back to about zero volts at point 412), the end of the filler wire 140 is again in good contact with the workpiece 115 The sense and current controller 195 is configured to increase the flow of current toward the set output current level 450 through the resistive filler wire 140 (see slope 425) And supplies it to the supply unit 170. In accordance with an embodiment of the present invention, the increment begins at the set point value 440. [ This process repeats as the energy source 120 and the wire 140 move relative to the workpiece 115 and because the wire feeder 150 moves the wire 140 toward the workpiece 115 do. In this way, contact between the end of the wire 140 and the workpiece 115 is substantially maintained, and an arc is prevented from being formed between the end of the wire 140 and the workpiece 115. An increase in the heating current helps to prevent unintentional interpretation of the rate of change of voltage as a falling state or an arc state when the falling state or arc state is not present. Any large-scale current change can result in an imperfect voltage that is interpreted to be caused by the inductance in the heating current. When the current is gradually increased, the effect of the inductance is reduced.
도 5는 도 3의 후 기동 방법과 관련된 한 쌍의 전압 및 전류 파형(510 및 520)의 제2 예시적인 실시예를 각각 도시한다. 전압 파형(510)은 접촉 튜브(160)와 피작업물(115) 사이에서 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 측정된다. 전류 파형(520)은 와이어(140)와 피작업물(115)을 통하여 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 측정된다.5 shows a second exemplary embodiment of a pair of voltage and current waveforms 510 and 520, respectively, associated with the post-start method of FIG. The voltage waveform 510 is measured by the sense and current controller 195 between the contact tube 160 and the workpiece 115. The current waveform 520 is sensed by the wire 140 and the workpiece 115 and measured by the current controller 195.
저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)와의 접촉이 막 끊어질 때 마다, 전압 파형(510)의 변화 속도(즉, dv/dt)는 설정된 임계값을 초과할 것이며, 떼어짐이 막 발생한다는 것을 나타낸다[파형(510)의 지점 511에서의 경사면 참조]. 대안으로서, 떼어짐이 막 발생하였다는 것을 나타내기 위하여 필러 와이어(140)와 피작업물(115)을 통한 전류의 변화 속도(di/dt), 필러 와이어와 피작업물 사이의 저항 변화 속도(dr/dt) 또는 필러 와이어와 피작업물을 통한 전력의 변화 속도(dp/dt)가 대신 사용될 수 있다. 이러한 속도 변화 예지 기술은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 적절한 시기의 어느 지점에서, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 와이어(140)를 통한 전류의 흐름을 끊도록 (또는 적어도 크게 감소시키도록) 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령할 것이다.Each time the end of the resistive filler wire 140 breaks contact with the workpiece 115, the rate of change of the voltage waveform 510 (i.e., dv / dt) will exceed the set threshold, (See slope at point 511 in waveform 510). Alternatively, the rate of change (di / dt) of current through the filler wire 140 and the workpiece 115, the rate of change in resistance between the filler wire and the workpiece dr / dt) or the rate of change of power (dp / dt) through the filler wire and the workpiece may be used instead. This rate of change prediction technique is known in the art. At some point in time, the sense and current controller 195 will command the hot wire power supply 170 to break (or at least greatly reduce) the flow of current through the wire 140.
감지 및 전류 컨트롤러(195)가 일부 시간 간격 (530; 예를 들어, 전압 레벨이 포인트 512에서 약 0 볼트로 다시 떨어진) 후에 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)과 다시 양호한 접촉을 이룬다는 것을 감지할 때, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 저항성 필러 와이어(140)를 통하여 가열 전류의 흐름을 인가하도록[가열 전류 레벨(525) 참조] 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령한다. 에너지원(120)과 와이어(140)가 피작업물(115)에 대하여 이동함에 따라 그리고 와이어 공급기(150)로 인하여 와이어(140)가 피작업물(115)을 향하여 나아감에 따라 이 과정은 반복된다. 이 방식으로, 와이어(140)의 말단과 피작업물(115) 간의 접촉이 대체로 유지되고 그리고 와이어(140)의 말단과 피작업물(115) 사이에서 아크가 형성되는 것이 방지된다. 이 경우에 가열 전류의 증가가 점차적으로 상승하고 있지 않기 때문에 어떤 전압 판독은 가열 전류 내의 인덕턴스로 인한 의도하지 않은 불완전한 것으로서 무시될 수 있다.After the sensing and current controller 195 has some time interval 530 (e.g., the voltage level drops back to about zero volts at point 512), the end of the filler wire 140 is again in good contact with the workpiece 115 The sensing and current controller 195 instructs the hot wire power supply 170 to apply a flow of heating current through the resistive filler wire 140 (see the heating current level 525) . This process repeats as the energy source 120 and the wire 140 move relative to the workpiece 115 and because the wire feeder 150 moves the wire 140 toward the workpiece 115 do. In this way, contact between the end of the wire 140 and the workpiece 115 is substantially maintained, and an arc is prevented from being formed between the end of the wire 140 and the workpiece 115. In this case, since the increase in the heating current is not gradually increasing, any voltage reading can be ignored as unintended and incomplete due to the inductance in the heating current.
요약하면, 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움 그리고 표면 경화 오버레잉 용례 중 어느 것을 위한 조합된 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템을 기동 및 사용하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 피작업물을 가열하기 위하여 고강도 에너지가 피작업물에 인가된다. 하나 이상의 저항성 필러 와이어가 인가된 고강도 에너지로 또는 인가된 고강도 에너지 바로 앞의 에너지로 피업작물을 향하여 공급된다. 하나 이상의 저항성 필러 와이어의 말단이 인가된 고강도 에너지에서 또는 그 근처에서 피작업물과 접촉할 때의 감지가 이루어진다. 하나 이상의 저항성 필러 와이어의 말단이 피작업물과 접촉하고 있는지 여부에 근거하여 하나 이상의 저항성 필러 와이어에 대한 전기적 가열 전류가 제어된다. 인가된 고강도 에너지 그리고 하나 이상의 저항성 필러 와이어는 서로에 대하여 고정된 관계에서 피작업물을 따라 동일한 방향으로 이동한다.In summary, a method and system for launching and using a combined wire feeder and energy source system for either brazing, cladding, building up, fill and surface hardening overlay applications is disclosed. High-intensity energy is applied to the workpiece to heat the workpiece. One or more resistive filler wires are fed toward the picked crop with the applied high energy energy or just before the applied high intensity energy. Sensing occurs when the end of the one or more resistive filler wires contacts the workpiece at or near a high intensity energy applied thereto. The electrical heating current for one or more resistive filler wires is controlled based on whether the end of the one or more resistive filler wires is in contact with the workpiece. The applied high strength energy and one or more resistive filler wires move in the same direction along the workpiece in a fixed relationship relative to each other.
다른 예시적인 실시예에서, 용접 및 접합 작업을 위하여 본 발명의 시스템과 방법이 이용된다. 위에서 설명된 실시예는 오버레잉 작업 내에서의 필러 금속의 사용에 초점이 맞추어져 있다. 그러나, 용접 작업을 이용하여 그리고 필러 금속의 사용을 통하여 피작업물이 접합되는 용접 및 접합 용례에 본 발명의 양태가 사용될 수 있다. 필러 금속을 오버레이하는 것에 관한 것일지라도, 위에서 설명된 실시예, 시스템 및 방법은 용접 작업에서 사용된 것과 유사하며, 이하에서 더 완전하게 설명된다. 따라서 달리 설명되지 않는 한 하기의 설명에 위의 설명이 일반적으로 적용된다는 것이 이해된다. 또한, 하기 설명은 도 1 내지 도 4에 대한 참고를 포함할 수 있다.In another exemplary embodiment, the systems and methods of the present invention are used for welding and welding operations. The embodiment described above focuses on the use of filler metal in the overlay operation. However, aspects of the present invention may be used for welding and joining applications where workpieces are joined using welding operations and through the use of filler metals. Even with regard to overlaying filler metals, the embodiments, systems and methods described above are similar to those used in welding operations and are more fully described below. It is understood, therefore, that the description above is generally applied to the following description, unless otherwise indicated. In addition, the following description may include references to Figs. 1-4.
용접/접합 작업은 전형적으로 필러 재료가 피작업물 금속의 적어도 일부와 결합하여 조인트를 형성하는 용접 작업에서 다수의 피작업물을 함께 접합하는 것으로 알려져 있다. 용접 작업에서 생산 처리량을 증가시키고자 하는 바람 때문에, 표준 품질을 갖는 용접부를 야기하지 않는 보다 빠른 용접 작업을 위한 끊임없는 필요성이 있다. 또한, 외진 작업장에서와 같은 불리한 작업 환경 하에서 신속하게 용접할 수 있는 시스템을 제공할 필요가 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 기존의 용접 기술에 대하여 현저한 이점을 제공한다. 이러한 이점은, 제한되지는 않지만, 피작업물의 비틀림을 줄이는 감소된 전체 열 입력, 매우 높은 용접 이동 속도, 매우 낮은 스패터 비율, 차폐가 없는 용접, 스패터가 거의 없이 또는 스패터 없이 고속으로 도금된 또는 코팅된 재료를 용접하는 것 그리고 고속으로 복합 재료를 용접하는 것을 포함한다.Welding / bonding operations are typically known to bond a plurality of workpieces together in a welding operation where the filler material bonds with at least a portion of the workpiece metal to form a joint. Because of the desire to increase production throughput in welding operations, there is a continuing need for faster welding operations that do not result in welds with a standard quality. There is also a need to provide a system that can be quickly welded under adverse work environments, such as in a remote worksite. As described above, the exemplary embodiments of the present invention provide significant advantages over existing welding techniques. These advantages include, but are not limited to, reduced total heat input to reduce twisting of the workpiece, very high welding travel speed, very low spatter rate, unshielded welding, very little sputtering or high speed plating without sputtering Welded or coated materials, and welding composites at high speeds.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 전형적으로 중요한 준비 작업을 필요로 하고 그리고 아크 용접 방법을 이용한 훨씬 느린 용접 공정인 아크 용접과 비교하여, 코팅된 피작업물을 이용하여 매우 높은 용접 속도가 얻어질 수 있다. 예로서, 하기 설명은 아연 도금된 피작업물 용접에 초점이 맞출 것이다. 금속의 아연 도금은 금속의 부식 저항을 증가시키는데 사용되며 많은 산업적 용례에 바람직하다. 그러나, 아연 도금 피작업물의 일반적인 용접은 문제가 있을 수 있다. 특히, 용접 동안에, 아연 도금 내의 아연은 기화되며 그리고 퍼들이 굳어짐에 따라 이 아연 증기는 용접 퍼들 내에 갇힐 수 있어 기공률을 야기한다. 이 기공률은 용접 조인트의 강도에 악영향을 미친다. 이 때문에, 기존의 용접 기술은 낮은 공정 속도로 그리고 일부 수준의 결함을 갖고 아연 도금을 제거 또는 아연 도금을 통하여 용접하는 제1 단계를 필요로 한다 - 이는 비효율적이고 그리고 지연을 야기하며 또는 용접 공정을 느리게 진행시킨다. 공정을 느리게 함으로써 용접 퍼들은 장시간 동안 용융된 상태로 남아있어 기화된 아연이 빠져나가는 것을 허용한다. 그러나, 낮은 속도 때문에 생산 속도는 느리고 그리고 용접부 내로의 전체 열 입력은 높을 수 있다. 유사한 문제를 야기하는 다른 코팅부는, 제한되지는 않으나, 페인트, 스탬핑 윤활유, 글라스 라이닝, 알루미늄 코팅부, 표면 열처리, 질화 처리 또는 탄화 처리, 클래딩 처리 또는 다른 기화 코팅부 또는 재료를 포함한다. 아래서 설명된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 이 문제점을 제거한다.In an exemplary embodiment of the present invention, a very high welding speed is obtained using coated workpieces, as compared to arc welding, which typically requires significant preparation work and is a much slower welding process using arc welding methods . By way of example, the following description will focus on galvanized workpiece welding. Metallic zinc plating is used to increase the corrosion resistance of metals and is desirable for many industrial applications. However, general welding of galvanized workpieces can be problematic. In particular, during welding, zinc in the galvanizing is vaporized and as the pellets solidify, the zinc vapor can be trapped in the welding puddle, resulting in porosity. This porosity has an adverse effect on the strength of the welded joint. Because of this, existing welding techniques require a first step of welding at low process speed and with some level of defect removal or galvanization through galvanizing - this is inefficient and leads to delays, Proceed slowly. By slowing down the process, the weld puddle remains molten for a long time allowing vaporized zinc to escape. However, due to the low speed, the production rate is slow and the total heat input into the weld can be high. Other coatings that cause similar problems include, but are not limited to, paints, stamping lubricants, glass lining, aluminum coatings, surface heat treatment, nitridation or carbonization, cladding or other vaporization coatings or materials. As described below, an exemplary embodiment of the present invention eliminates this problem.
도 6 및 도 6a로 돌아가서, 대표적인 용접 겹치기 이음이 도시된다. 이 도면에서, 2개의 코팅된(예를 들어, 아연도금된) 피작업물(W1, W2)이 랩 용접으로 접합된다. 겹치기 이음 표면(601 및 603)뿐만 아니라 피작업물(W1)의 표면(605)은 초기에 코팅부로 덮여진다. 전형적인 용접 작업[예를 들어, MIG(금속 불활성 가스) 용접]에서, 덮여진 표면(605)의 부분은 용융된다. 이는 표준 용접 작업의 용입의 일반적인 깊이 때문이다. 표면(605)이 녹기 때문에 표면(605) 상의 코팅부는 기화되나, 용접 풀(welding pool)의 표면으로부터의 표면(605)의 거리가 크기 때문에 용접 풀이 고형화됨에 따라 가스는 가두어질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 점이 발생하지 않는다.Returning to Figures 6 and 6a, a representative weld lap joint is shown. In this figure, two coated (e.g., galvanized) workpieces W1 and W2 are joined by lap welding. The lap joint surfaces 601 and 603 as well as the surface 605 of the workpiece W1 are initially covered with a coating. In a typical welding operation (e.g., MIG (metal inert gas) welding), a portion of the covered surface 605 is melted. This is due to the general depth of penetration of standard welding operations. Because the surface 605 melts, the coating on the surface 605 is vaporized, but the distance of the surface 605 from the surface of the welding pool is large, so that the gas can become trapped as the weld pool solidifies. This does not occur in the embodiment of the present invention.
도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(110)은 레이저 장치(120)에서 용접 조인트, 특히 표면(601 및 603)으로 향한다. 레이저 빔(110)은 용융 퍼들(601A 및 603A)을 생성하는 용접 표면의 부분을 녹이기 위한 에너지 밀도를 가지며, 이는 일반적인 용접 퍼들을 생성한다. 또한 용접 비드에 필요한 필러 재료를 제공하기 위하여 필러 와이어(140) -이는 이전에 설명된 바와 같이 저항 가열된다-는 용접 퍼들로 향한다. 대부분의 용접 공정과 달리, 용접 공정 동안에 필러 와이어(140)는 용접 퍼들과 접촉하고 용접 퍼들 내에 끼워진다. 이는 필러 와이어(140)를 이송시키기 위하여 이 공정이 용접 아크를 사용하기 보다는 용접 퍼들 내로 필러 와이어를 간단히 녹이기 때문이다.6 and 6A, the laser beam 110 is directed from the laser device 120 to the weld joint, particularly to the surfaces 601 and 603. The laser beam 110 has an energy density to dissolve a portion of the weld surface that produces the melting puddles 601A and 603A, which produces normal weld puddles. The filler wire 140 (which is resistance heated as previously described) is also directed to the weld puddle to provide the filler material needed for the weld bead. Unlike most welding processes, during the welding process the filler wire 140 contacts the welding puddle and fits within the welding puddle. This is because this process simply dissolves the filler wire into the welding puddle rather than using the welding arc to transfer the filler wire 140.
필러 와이어(140)가 그 용융점까지 또는 그 근처까지 예열되기 때문에, 용접 퍼들 내에서의 필러 와이어의 존재는 퍼들을 눈에 띄게 냉각하거나 고형화시키지 않을 것이며, 용접 퍼들 내로 신속하게 소모된다. 필러 와이어(140)의 전반적인 작동 및 제어는 오버레잉 실시예에 대하여 이전에 설명된 바와 같다.Since the filler wire 140 is preheated to or near its melting point, the presence of filler wire in the weld puddle will not cool or solidify the puddle significantly and is quickly consumed into the weld puddle. The overall operation and control of the filler wire 140 is as previously described for the overlay embodiment.
레이저 빔(110)이 정밀하게 집속될 수 있고 표면(601/603)을 향할 수 있기 때문에, 풀(601A/603A)에 관한 용입의 깊이는 정밀하게 제어될 수 있다. 이 깊이를 세심하게 제어함에 의하여, 본 발명의 실시예는 표면(605)의 어떠한 불필요한 용입 또는 용융을 방지한다. 표면(605)이 지나치게 용융되지 않기 때문에 표면(605) 상의 어떠한 코팅부는 기화되지 않으며 그리고 용접 퍼들 내에 가두어지지 않는다. 또한 레이저 빔(110)에 의하여 용접 조인트(601 및 603)의 표면 상의 어떠한 코팅부가 쉽게 기화되며, 그리고 용접 퍼들이 굳어지기 전에 이 가스는 용접 구역을 빠져나가는 것이 허용된다. 어떠한 기화된 코팅 재료의 제거에 도움을 주기 위하여 가스 추출 시스템이 이용될 수 있다는 것이 고려된다.Since the laser beam 110 can be focused precisely and directed to the surfaces 601/603, the depth of penetration with respect to the pool 601A / 603A can be precisely controlled. By carefully controlling this depth, embodiments of the present invention prevent any unwanted penetration or melting of the surface 605. No coating on surface 605 is vaporized and is not trapped in the weld puddle because surface 605 is not over-melted. Also, any coating on the surfaces of the weld joints 601 and 603 is easily vaporized by the laser beam 110, and this gas is allowed to escape the welding zone before the welding puddle is hardened. It is contemplated that a gas extraction system may be utilized to aid in the removal of any vaporized coating material.
용접 퍼들 용입 깊이가 정밀하게 제어될 수 있기 때문에 코팅된 피작업물의 용접 속도가 크게 증가될 수 있는 반면에, 기공률(porosity)이 현저하게 줄어들거나 제거된다. 일부 아크 용접 시스템이 용접을 위한 양호한 진행 속도를 이룰 수 있지만, 더 높은 속도에서 기공률 그리고 스패터와 같은 문제가 발생할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 매우 높은 진행 속도는 (본 명세서에서 논의된 바와 같은) 적은 기공률 또는 스패터 또는 기공률 또는 스패터 없이 이루어질 수 있으며, 사실 많은 다른 형태의 용접 작업에 관하여 50인치/분 이상의 진행 속도는 쉽게 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시예는 80인치/분 이상의 용접 진행 속도를 이룰 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 다른 실시예는 최소한의 기공율 또는 스패터를 갖고 또는 기공율 또는 스패터 없이 100 내지 150 인치/분 범위 내의 진행 속도를 이룰 수 있다. 물론, 달성된 속도는 피작업물 특성(두께 및 구성 요소) 및 와이어 특성(예를 들어, 직경)의 함수일 것이나, 본 발명의 실시예를 이용할 때 많은 다른 용접 그리고 접합 용례에서 이 속도는 손쉽게 달성 가능하다. 또한 이들 속도는 100% 이산화탄소 차폐 가스로 달성될 수 있으며 또한 차폐 가스가 전혀 없이 이루어질 수 있다. 부가적으로, 용접 퍼들의 생성 및 용접 전에 어떠한 표면 코팅부를 제거함이 없이 이 진행 속도는 이루어질 수 있다. 물론, 더 큰 진행 속도가 이루어질 수 있다는 것이 고려된다. 또한, 용접 내로의 감소된 열 입력 때문에 이 높은 속도는 더 얇은 피작업물(115) 내에서 이루어질 수 있다. 여기서, 더 얇은 피작업물은 찌그러짐을 방지하기 위하여 열 입력이 낮게 유지되어야 하기 때문에 전형적으로 더 느린 용접 속도를 갖는다. 본 발명의 실시예는 거의 없는 기공율 또는 스패터를 갖고 또는 기공율 또는 스패터 없이 위에서 설명된 높은 진행 속도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 혼합물로 매우 높은 용착 속도를 달성할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예는 차폐 가스 없이 그리고 적은 기공률 또는 스패터 또는 기공률 또는 스패터 없이 10 lb/시간 또는 더 큰 용착 속도를 이룰 수 있다. 일부 실시예에서, 용착 속도는 10 내지 20 lb/시간 범위 내에 있다.Since the welding puddle penetration depth can be precisely controlled, the welding speed of the coated workpiece can be greatly increased, while the porosity is significantly reduced or eliminated. Although some arc welding systems can achieve good running speeds for welding, problems such as porosity and spatter can occur at higher speeds. In an exemplary embodiment of the present invention, a very high throughput rate can be achieved with little porosity or spatter or porosity or spatter (as discussed herein) and, in fact, for many other types of welding operations, 50 inches / The process speed of more than a minute can be easily achieved. Embodiments of the present invention can achieve a welding progress speed of 80 inches / minute or more. Further, as discussed herein, other embodiments may achieve a throughput rate in the range of 100-150 inches / minute with minimal porosity or sputtering or without porosity or sputtering. Of course, the achieved speed will be a function of workpiece characteristics (thickness and component) and wire characteristics (e.g., diameter), but in many other welding and bonding applications when using embodiments of the present invention, It is possible. These rates can also be achieved with 100% CO 2 shielding gas and without any shielding gas. In addition, this progress speed can be achieved without creating any surface coatings prior to the generation and welding of the welding puddles. It is, of course, contemplated that a greater progress rate may be achieved. In addition, due to the reduced heat input into the weld, this high speed can be achieved in the thinner workpiece 115. [ Here, a thinner workpiece typically has a slower welding speed because the heat input must be kept low to prevent distortion. Embodiments of the present invention can achieve very high deposition rates with low mixing ratios as well as high throughput rates as described above with little porosity or sputtering or porosity or sputtering. In particular, embodiments of the present invention can achieve a deposition rate of 10 lb / hr or greater without shielding gas and with less porosity or spatter or porosity or spatter. In some embodiments, the deposition rate is in the range of 10 to 20 lb / hr.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 이 매우 높은 진행 속도는 거의 없는 기공율과 스패터를 갖고 또는 기공율과 스패터 없이 달성된다. 기공률 비율을 확인하기 위하여 용접의 기공률은 용접 비드의 횡단면 및/또는 길이를 실험함으로써 결정될 수 있다. 횡단면 기공률 비율은 이 시점에서 용접 조인트의 전체 횡단면적에 대한 주어진 횡단면 내에서의 기공률의 전체 면적이다. 길이 기공률 비율은 용접 조인트의 주어진 유닛 길이 내에서의 기공의 전체 누적 길이이다. 본 발명의 실시예는 0 내지 20%의 횡단면 기공률과 함께 위에서 설명된 진행 속도를 달성할 수 있다. 따라서, 버블 또는 캐비티를 갖지 않는 용접 비드는 0%의 기공률을 가질 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 횡단면 기공률은 0 내지 10% 범위 내에 있을 수 있으며, 다른 예시적인 실시예는 2 내지 5%의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 용접 용례에서 일부 수준의 기공률이 용인될 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 본 발명의 예시적인 실시예에서 용접물의 길이 기공률은 0 내지 20%의 범위 내에 있으며 그리고 0 내지 10%일 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 길이 기공률 비율은 1 내지 5% 범위 내에 있을 수 있다. 따라서 예를 들어, 2 내지 5% 범위 내의 횡단면 기공률 그리고 1 내지 5%의 길이 기공률을 갖는 용접물이 생산될 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, this very high throughput rate is achieved with little porosity and spatter or without porosity and spatter. The porosity of the weld may be determined by testing the cross-section and / or length of the weld bead to determine the porosity ratio. The cross-sectional porosity ratio is the total area of porosity in a given cross-section to the total cross-sectional area of the weld joint at this point. The length porosity ratio is the total cumulative length of the pores within a given unit length of the weld joint. Embodiments of the present invention can achieve the abovementioned progress speed with a cross-sectional porosity of 0 to 20%. Thus, a weld bead without bubbles or cavities will have a porosity of 0%. In other exemplary embodiments, the cross-sectional porosity may be in the range of 0 to 10%, and other exemplary embodiments may be in the range of 2 to 5%. It is understood that some levels of porosity may be tolerated in some welding applications. Further, in an exemplary embodiment of the present invention, the length porosity of the weld is in the range of 0 to 20% and may be 0 to 10%. In another exemplary embodiment, the length porosity ratio may be in the range of 1 to 5%. Thus, for example, weldments having cross-sectional porosity in the range of 2 to 5% and length porosity of 1 to 5% can be produced.
또한, 본 발명의 실시예는 스패터가 거의 없이 또는 스패터 없이 위에서 확인된 진행 속도로 용접할 수 있다. 용접 퍼들의 작은 방울이 야기되어 용접 구역의 외부로 튈 때 스패터가 발생한다. 용접 스패터가 발생할 때, 용접 스패터는 용접의 질을 위태롭게 할 수 있으며, 용접 공정 후에 스패터가 일반적으로 피작업물에서 깨끗이 닦아 내어져야 함에 따라 생산 지연을 야기할 수 있다. 따라서, 스패터 없이 고속으로의 용접에 큰 이점이 있다. 본 발명의 실시예는 0 내지 0.5의 범위 내의 스패터 인자를 갖고 위의 높은 진행 속도로 용접할 수 있으며, 여기서 스패터 인자는 동일 거리(X)에 걸친 소모된 필러 와이어(140)의 중량(Kg)에 대한 주어진 이동 거리(X)에 걸친 스패터의 중량(mg)이다.In addition, embodiments of the present invention can be welded at an ascending speed identified above with little or no spatter. Spatter occurs when small droplets of weld puddle are caused to bounce out of weld zone. When a welding spatter occurs, the welding spatter can jeopardize the quality of the welding and may cause production delays as the spatter must generally be cleaned from the workpiece after the welding process. Therefore, there is a great advantage in welding at high speed without a spatter. Embodiments of the present invention can be welded at a high traveling speed with a sputter factor in the range of 0 to 0.5 where the spatter factor is the weight of the consumed filler wire 140 over the same distance X Kg) of the spatter over a given travel distance (X).
즉: 스패터 인자 = (스패터 중량(mg)/소모된 필러 와이어 중량(Kg)).That is: Spatter factor = (spatter weight (mg) / consumed filler wire weight (Kg)).
거리(X)는 용접 조인트의 대표적인 표본을 감안한 거리이어야 한다. 즉, 거리(X)가 너무 짧다면, 즉 0.5 인치라면, 이는 용접을 나타내는 것이 아닐 수 있다. 따라서 0의 스패터 인자를 갖는 용접 조인트는 거리(X)에 걸쳐 소모된 필러 와이어에 관한 스패터를 갖지 않을 것이며, 그리고 2.5의 스패터 인자를 갖는 용접은 2 kg의 소모된 필러 와이어에 관한 5 mg의 스패터를 갖는다. 본 발명이 예시적인 실시예에서, 스패터 인자는 0 내지 1의 범위 내에 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 스패터 인자는 0 내지 0.5의 범위 내에 있다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 스패터 인자는 0 내지 0.3의 범위 내에 있다. 본 발명의 실시예는 어떠한 외부 차폐제의 사용으로 또는 사용하지 않고 위에서 설명된 스패터 인자 범위를 이룰 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 여기서 외부 차폐제는 차폐 가스 또는 플럭스 차폐제를 포함한다. 또한, -용접 작업 전에 제거된 아연 도금을 갖지 않는- 아연도금된 피작업물을 포함하는, 코팅되지 않은 또는 코팅된 피작업물을 용접할 때 위의 스패터 인자 범위는 달성될 수 있다.The distance (X) should be a distance from a representative specimen of the weld joint. That is, if the distance X is too short, say 0.5 inches, it may not represent welding. Thus, a weld joint with a sputter factor of 0 will not have a spatter on the consumed filler wire over distance X, and a weld with a spatter factor of 2.5 will yield 5 kg of consumed filler wire mg of spatters. In an exemplary embodiment of the present invention, the sputter factor is in the range of 0 to 1. In another exemplary embodiment, the sputter factor is in the range of 0 to 0.5. In another exemplary embodiment of the present invention, the sputter factor is in the range of 0 to 0.3. It should be noted that embodiments of the present invention can achieve the sputtering factor range described above with or without the use of any external masking agent. Wherein the outer shielding agent comprises a shielding gas or a flux shielding agent. Also, the above sputtering factor ranges can be achieved when welding uncoated or coated workpieces, including galvanized workpieces that do not have zinc plating removed prior to the welding operation.
용접 조인트에 관한 스패터를 측정하기 위한 다수의 방법이 있다. 하나의 방법은 "스패터 보트(spatter boat)"의 사용을 포함한다. 이러한 방법을 위하여, 용접 비드에 의하여 발생된 모든 스패터 또는 거의 모든 스패터를 억류하기에 충분한 규격을 갖는 컨테이너 내에 대표하는 용접 시편이 위치된다. 스패터가 포획되는 것을 보장하기 위하여 컨테이너 또는 -상단과 같은- 컨테이너의 부분은 용접 공정에 따라 이동할 수 있다. 전형적으로 보트는 구리로 만들어지며 따라서 스패터는 표면에 달라붙지 않는다. 대표적인 용접이 컨테이너의 바닥 위에서 수행되어 용접 동안에 생성된 어떤 스패터는 컨테이너 내로 떨어질 것이다. 된다. 용접 동안에 소모된 필러 와이어의 양이 모니터링된다. 용접이 완료된 후, 만약 있다면 컨테이너의 용접 전과 용접 후 간의 차이를 결정하기에 충분한 정확도를 갖는 장치에 의하여 스패터 보트는 무게가 측정된다. 이 차이는 스패터의 무게를 나타내며 그리고 그후 소모된 필러 와이어의 Kg 단위의 양으로 나누어진다. 대안적으로 스패터가 보트에 달라붙지 않는다면, 스패터는 제거될 수 있고 그리고 그것만으로 무게가 측정될 수 있다.There are a number of ways to measure the spatter on weld joints. One method involves the use of a "spatter boat ". For this method, a representative welding specimen is placed in a container of sufficient size to detach all spatters or almost all spatters generated by the weld bead. To ensure that the spatters are trapped, the container or part of the container, such as the top, may move in accordance with the welding process. Typically the boat is made of copper, so the spatter does not stick to the surface. Typical welding is performed on the bottom of the container so that any spatter generated during welding will fall into the container. do. The amount of consumed filler wire during the welding is monitored. After the welding is completed, the spatter boat is weighed by a device with sufficient accuracy to determine the difference between before and after welding of the container, if any. This difference represents the weight of the spatter and then divided by the amount of Kg units of consumed filler wire. Alternatively, if the spatters do not stick to the boat, the spatters can be removed and only weighed.
이전에 설명된 바와 같이, 레이저 장치(120)의 사용은 용접 퍼들의 깊이의 정밀한 제어를 감안한 것이다. 또한, 레이저 장치(120)의 사용은 용접 퍼들의 크기와 깊이의 용이한 조정을 가능하게 한다. 이는 레이저 빔(110)이 용이하게 집속될 수 있고/초점이 흐려질 수 있고 또는 매우 쉽게 변하는 빔 강도를 갖고 있기 때문이다. 이 능력 때문에 피작업물(W1 및 W2) 상에서의 열 분포는 정확하게 제어될 수 있다. 이 제어는 정밀한 용접을 위한 매우 좁은 용접 퍼들의 생성뿐만 아니라 피작업물 상의 용접 구역의 치수를 최소화하는 것을 감안한 것이다. 이는 또한 용접 비드의 영향을 받지 않는, 피작업물의 영역을 최소화하는 이점을 제공한다. 특히 용접 비드에 인접한 피작업물의 영역은 용접 작업으로부터 최소한의 영향을 받을 것이며, 이는 가끔 아크 용접 작업에서는 그렇지 않다.As previously described, the use of the laser device 120 takes into account precise control of the depth of the weld puddle. In addition, the use of the laser device 120 allows for easy adjustment of the size and depth of the weld puddle. This is because the laser beam 110 can be easily focused / focused or has a beam intensity that changes very easily. Because of this capability, the heat distribution on the workpieces W1 and W2 can be accurately controlled. This control takes into account not only the creation of very narrow weld pawls for precise welding but also the minimization of the dimensions of the weld zone on the workpiece. This also provides the advantage of minimizing the area of the workpiece, which is not affected by the weld bead. In particular, the area of the workpiece adjacent to the weld bead will be minimally affected by the welding operation, which is often not the case with arc welding operations.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 빔(110)의 형상 및/또는 강도는 용접 공정 동안에 조정/변경될 수 있다. 예를 들어, 피작업물 상의 어떤 위치에서 용입의 깊이를 변화시키는 것 또는 용접 비드의 치수를 변화시키는 것이 필요할 수 있다. 이러한 실시예에서, 용접 파라미터의 필요한 변화를 제공하기 위하여 용접 공정 동안에 빔(110)의 형상, 강도 및/또는 크기는 조정될 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the shape and / or strength of the beam 110 may be adjusted / changed during the welding process. For example, it may be necessary to vary the depth of penetration at some location on the workpiece or to vary the dimensions of the weld bead. In such an embodiment, the shape, strength and / or size of the beam 110 can be adjusted during the welding process to provide the necessary changes in the welding parameters.
위에서 설명된 바와 같이, 필러 와이어(140)는 레이저 빔(110)과 동일하게 용접 퍼들에 충격을 줄 수 있다. 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140)는 레이저 빔(110)과 동일한 위치에서 용접 퍼들에 충격을 준다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140)는 레이저 빔에서 떨어진 동일한 용접 퍼들에 충격을 줄 수 있다. 도 6a에 도시된 실시예에서, 용접 작업 동안에 필러 와이어(140)는 빔(110)을 뒤쫓는다. 그러나, 필러 와이어(140)가 가장 앞의 위치에 위치될 수 있음에 따라 이는 필요하지 않다. 필러 와이어(140)가 빔(110)과 동일한 용접 퍼들에 충격을 주는 한 필러 와이어(140)가 빔(110)에 대하여 다른 위치에 위치될 수 있음에 따라 본 발명은 이러한 점에서 제한되지 않는다.As described above, the filler wire 140 can impact the weld puddle in the same manner as the laser beam 110. In an exemplary embodiment, the filler wire 140 impacts the weld puddle at the same location as the laser beam 110. However, in another exemplary embodiment, the filler wire 140 may impact the same weld puddle away from the laser beam. In the embodiment shown in FIG. 6A, the filler wire 140 follows the beam 110 during the welding operation. However, this is not necessary as the filler wire 140 can be located at the foremost position. The present invention is not limited in this respect as the filler wire 140 can be located at a different position with respect to the beam 110 as long as the filler wire 140 impacts the same weld puddle as the beam 110. [
위에서 설명된 실시예는 아연 도금과 같은 코팅부를 갖는 피작업물에 관하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 실시예는 또한 코팅부를 갖지 않는 피작업물 상에 사용될 수 있다. 특히, 코팅되지 않은 피작업물과 함께 위에서 설명된 동일한 용접 공정이 이용될 수 있다. 일부 실시예는 코팅된 금속과 관련하여 위에서 설명된 것과 동일한 성능 속성을 달성한다.The embodiments described above have been described with respect to workpieces having coatings such as zinc plating. However, embodiments of the present invention can also be used on workpieces that do not have coatings. In particular, the same welding process described above can be used with uncoated workpieces. Some embodiments achieve the same performance attributes as described above with respect to the coated metal.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 용접 강 피작업물에 제한되지는 않으나, 또한, 알루미늄 또는 -이하에서 더 설명될 바와 같은- 복합 금속을 용접하기 위하여 사용될 수 있다.In addition, the exemplary embodiments of the present invention are not limited to welded workpieces, but may also be used to weld aluminum or aluminum-composite metal as described further below.
본 발명의 다른 유익한 양태는 차폐 가스에 관한 것이다. 전형적인 아크 용접 작업에서, 대기 중의 산소와 질소 또는 다른 해로운 요소가 용접 퍼들 그리고 금속 이행(metal transfer)과 상호 작용하는 것을 방지하기 위하여 차폐 가스 또는 차폐 플럭스가 사용된다. 이러한 개입은 용접품의 품질 및 외관에 해로울 수 있다. 따라서 거의 모든 아크 용접 공정에서 차폐는 그 위에 플럭스를 갖는 전극(예를 들어, 스틱 전극, 플러그 코어 전극 등)의 소모에 의하여 또는 외부적으로 공급된 입자 플럭스(예를 들어, 서브-아크 용접)에 의하여 생성된, 외부적으로 공급된 차폐 가스의 사용에 의하여 제공된다. 또한, 용접 특화된 금속 또는 용접 아연 도금된 피작업물과 같은 일부 용접 작업에서, 특정 차폐 가스 혼합물이 이용되어야 한다. 이러한 혼합물은 상당히 비쌀 수 있다. 또한, 극한 환경에서 용접할 때, 다량의 차폐 가스를 (파이프 라인과 같은) 작업장으로 수송하는 것이 가끔 어려우며 또는 바람은 아크로부터 차폐 가스를 불어 날리는 경향이 있다. 또한 흄 추출 시스템의 이용은 최근에 성장하고 있다. 이 시스템은 흄을 제거하는 경향이 있는 반면에, 만일 용접 작업장에 인접하게 위치된다면 시스템은 또한 차폐 가스를 제거하는 경향이 있다.Another advantageous aspect of the present invention relates to a shielding gas. In a typical arc welding operation, a shielding gas or shielding flux is used to prevent atmospheric oxygen and nitrogen or other harmful components from interacting with the weld puddle and metal transfer. Such intervention can be detrimental to the quality and appearance of the welded product. Thus, in almost all arc welding processes, shielding can be achieved by consuming fluxed electrodes (e.g., stick electrodes, plug core electrodes, etc.) thereon or by externally supplied particle fluxes (e.g., sub- By the use of an externally supplied shielding gas produced by the < / RTI > In addition, in some welding operations, such as welding-specific metals or welded galvanized workpieces, certain shielding gas mixtures must be used. Such a mixture can be quite expensive. Also, when welding in extreme environments, it is sometimes difficult to transport large quantities of shielding gas to workplaces (such as pipelines), or the wind tends to blow off the shielding gas from the arc. The use of fume extraction systems has also grown in recent years. While this system tends to remove fumes, the system also tends to remove shielding gas if it is located adjacent to the welding workshop.
본 발명의 이득은 용접할 때 최소한의 양의 차폐 가스를 사용할 수 있거나 또는 차폐 가스를 사용하지 않을 수 있다는 것을 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 실시예는 특정 용접 작업에 관하여 정상적으로는 사용될 수 없을 차폐 가스의 사용을 허용한다는 것이다. 이는 이하에서 더 설명된다.The benefits of the present invention include that a minimum amount of shielding gas may be used when welding or no shielding gas may be used. Alternatively, embodiments of the present invention allow the use of shielding gas that would not normally be used for a particular welding operation. This is further described below.
아크 용접 공정으로 전형적인 (코팅되지 않은) 피작업물을 용접할 때, -그 형태에 관계없이- 차폐제가 요구된다. 본 발명의 실시예로 용접될 때 차폐제가 필요하지 않다는 것이 발견되었다. 이는 차폐 가스, 과립 플럭스 그리고 자체 차폐 전극이 사용될 필요가 없다는 것이다. 그러나, 아크 용접 공정에서와는 달리, 본 발명은 고급의 용접물을 생산한다. 즉, 어떠한 차폐제의 사용없이 위에서 설명된 용접 속도는 달성될 수 있다. 이는 선행 기술의 아크 용접 공정으로는 달성될 수 없다.When welding a typical (uncoated) workpiece with an arc welding process, a shielding agent is required - regardless of its shape. It has been found that no shielding agent is required when welding in an embodiment of the present invention. This means that shielding gas, granule flux and self shielding electrodes need not be used. However, unlike in an arc welding process, the present invention produces high quality welds. That is, the welding speed described above can be achieved without the use of any shielding agent. This can not be achieved with prior art arc welding processes.
전형적인 아크 용접 공정 동안에, 필러 와이어는 용융된 방울이 용접 아크를 통하여 필러 와이어로부터 용접 퍼들로 이동된다. 차폐제 없이 이송 동안에 방울의 전체 표면은 대기에 노출되며 그리고 대기 내의 질소와 산소를 획득하고 용접 퍼들로 질소와 산소를 전달하는 경향이 있다. 이는 바람직하지 않다.During a typical arc welding process, the filler wire is moved from the filler wire to the welding puddle through the welding arc. During transfer without shielding, the entire surface of the droplet is exposed to the atmosphere and tends to acquire nitrogen and oxygen in the atmosphere and transfer nitrogen and oxygen to the welding puddle. This is undesirable.
방울(droplet)의 이용 없이 본 발명이 필러 와이어를 용접부에 전달하기 때문에 필러 와이어는 대기에 노출되지 않는다. 따라서 많은 용접 용례에서, 차폐제의 사용은 요구되지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 실시예는 기공률 또는 스패터가 거의 없이 또는 기공률 또는 스패터 없이 높은 용접 속도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 차폐 가스의 사용없이 할 수 있다.The filler wire is not exposed to the atmosphere because the invention transfers the filler wire to the weld without the use of a droplet. Therefore, in many welding applications, the use of shielding agents is not required. As such, embodiments of the present invention can achieve high welding rates with little or no porosity or spatter or porosity or spatter, but also without the use of shielding gases.
차폐제를 사용하지 않고, 용접 동안에 흄 추출 노즐을 용접 조인트에 더 근접하게 위치시킬 수 있으며, 따라서 더 효율적이고 효과적인 흄 추출을 제공한다. 차폐 가스가 이용될 때, 흄 추출 노즐이 차폐 가스의 기능을 방해하지 않는 위치에 흄 추출 노즐을 위치시킬 필요가 있다. 본 발명의 이점 때문에 이러한 제한이 존재하지 않으며 그리고 흄 추출이 최적화될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 레이저 빔(110)은 레이저 장치(120)로부터 피작업물(115)의 표면 가까이로의 빔을 보호하는 레이저 슈라우드 조립체(1901)에 의하여 보호된다. 이의 대표적인 구성이 도 19에 보여질 수 있다. 작동 동안에 슈라우드(1901; 횡단면 형태로 도시됨)는 간섭으로부터 빔(110)을 보호하며 그리고 부가적인 안전을 제공한다. 또한, 슈라우드는 용접 구역으로부터 용접 흄을 뽑아내는 흄 추출 시스템(1903)에 결합될 수 있다. 실시예가 차폐 가스 없이 이용될 수 있기 때문에, 용접 구역으로부터 흄을 직접적으로 뽑아내기 위하여 슈라우드(1901)는 용접부에 매우 근접하게 위치될 수 있다. 사실, 용접부 위의 거리(Z)가 0.125 내지 0.5 인치 범위 내에 있도록 슈라우드(1901)가 위치될 수 있다. 물론, 다른 거리가 이용될 수 있으나, 용접 퍼들을 방해하지 않도록 또는 슈라우드(1901)의 효과가 현저하게 줄어들지 않도록 주위가 기울여져야 한다. 용접 산업 분야에서 흄 추출 시스템(1903)이 일반적으로 이해되고 공지되었기 때문에 이 구성 및 작동은 본 명세서에서 상세하게 설명되지 않을 것이다. 도 19가 빔(110)을 단지 보호하는 슈라우드(1901)를 도시하고 있을지라도, 슈라우드가 적어도 와이어(140)의 적어도 일부분과 접촉 팁(160)을 둘러싸도록 슈라우드(1091)가 구성된다는 것이 물론 가능하다. 예를 들어, 흄 추출을 증가시키기 위하여 슈라우드(1901)의 바닥 개구가 거의 전체 용접 퍼들을 덮기 충분하게 넓은 것 또는 용접 퍼들보다 넓은 것도 가능하다.The fume extraction nozzle can be positioned closer to the weld joint during welding, without the use of shielding agents, thus providing more efficient and effective fume extraction. When a shielding gas is used, it is necessary to locate the fume extraction nozzle in a position where the fume extraction nozzle does not interfere with the function of the shielding gas. Because of the advantages of the present invention, these limitations do not exist and fume extraction can be optimized. For example, in an exemplary embodiment of the present invention, the laser beam 110 is protected by a laser shroud assembly 1901 that protects the beam from the laser device 120 to the surface of the workpiece 115 . A representative configuration thereof can be shown in Fig. During operation, a shroud 1901 (shown in cross-sectional view) protects the beam 110 from interference and provides additional safety. The shroud may also be coupled to a fume extraction system 1903 that extracts welding fumes from the weld zone. Because the embodiment can be used without shielding gas, the shroud 1901 can be positioned very close to the weld to extract the fume directly from the weld zone. In fact, the shroud 1901 can be positioned such that the distance Z over the weld is in the range of 0.125 to 0.5 inches. Of course, other distances may be used, but the circumference must be tilted so as not to interfere with the welding puddle or the effect of the shroud 1901 is not significantly reduced. This configuration and operation will not be described in detail herein, since the fume extraction system 1903 is generally understood and well known in the welding industry. Although FIG. 19 illustrates a shroud 1901 that only protects the beam 110, it is of course possible to configure the shroud 1091 such that the shroud at least surrounds the contact tip 160 with at least a portion of the wire 140 Do. For example, it is possible that the bottom opening of the shroud 1901 is substantially wide enough to cover the entire weld puddle or wider than the weld puddle to increase fume extraction.
아연도금된 피작업물과 같은 코팅된 피작업물을 용접하기 위하여 사용된 본 발명의 예시적인 실시예에서, 훨씬 저렴한 차폐 가스가 이용될 수 있다. 예를 들어, 연강을 포함한 많은 다른 재료를 용접하기 위하여 100% CO2 차폐 가스가 사용될 수 있다. 스테인리스 강, 혼립강 그리고 슈퍼 혼립강과 같은 더 복합적인 금속을 용접할 때 이들은 100% 질소 차폐 가스만으로 용접될 수 있다는 것 또한 사실이다. 전형적인 아크 용접 작업에서, 스테인리스 강, 혼립강 또는 슈퍼 혼립강의 용접은 상당히 고가일 수 있는, 차폐 가스의 더 복잡한 혼합물을 필요로 한다. 본 발명의 실시예는 100% 질소 차폐 가스만으로 이들 강이 용접되는 것을 허용한다. 또한, 다른 실시예는 차폐 가스 없이 용접된 이들 강을 가질 수 있다. 아연 도금된 재료에 관한 전형적인 용접 공정에서, 아르곤/ CO2 혼합물 같은 특별한 혼합 차폐 가스가 이용되어야 한다. 정상적인 아크 용접 동안에 캐소드와 애노드가 용접 구역에 존재하기 때문에 이러한 형태의 가스는 부분적으로 사용되는 것을 필요로 한다. 그러나, 위에서 설명된 바와 같이 그리고 이하에서 더 설명될 바와 같이, 용접 아크가 없으며 그리고 보통 말하는 용접 구역 내에 애노드와 캐소드가 없다. 따라서, 아크가 없고 그리고 용적 이행이 없음에 따라 필러 금속이 대기로부터 유해 요소를 획득하는 기회가 현저하게 감소된다. 본 발명의 많은 실시예가 -차폐 가스와 같은- 차폐제의 사용 없이 용접을 가능하게 할 수 있을지라도 용접 구역으로부터 기체 또는 오염물을 제거하기 위하여 용접부에 걸쳐 가스 흐름이 이용될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 즉, 용접 구역으로부터 오염물을 제거하기 위하여 용접 동안에 공기, 질소, CO2, 또는 다른 가스가 용접부에 걸쳐 불려질 수 있다는 것이 고려될 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention used to weld a coated workpiece such as a galvanized workpiece, a much cheaper shielding gas may be used. For example, 100% CO 2 shielding gas can be used to weld many different materials, including mild steel. It is also true that when welding more complex metals such as stainless steels, mixed steels and super-mixed steels, they can only be welded with 100% nitrogen shielding gas. In a typical arc welding operation, the welding of stainless steels, mixed steels or super-precast steels requires a more complex mixture of shielding gases, which can be quite expensive. Embodiments of the present invention allow these steels to be welded with only 100% nitrogen shielding gas. Other embodiments may also have these steels welded without shielding gas. In a typical welding process on galvanized materials, a special mixed shielding gas such as an argon / CO 2 mixture should be used. This type of gas needs to be used in part because the cathode and anode are present in the welding zone during normal arc welding. However, as described above and as will be further described below, there is no welding arc and there are no anodes and cathodes in the usually speaking weld zone. Thus, the opportunity for the filler metal to acquire harmful elements from the atmosphere is significantly reduced as there is no arc and no volume transition. It should be noted that although many embodiments of the present invention may enable welding without the use of shielding agents, such as shielding gases, gas flow can be used across the weld to remove gases or contaminants from the welding zone. That is, it can be considered that during welding, air, nitrogen, CO 2 , or other gas may be called over the weld to remove contaminants from the weld zone.
코팅된 재료를 고속으로 용접할 수 있는 것에 더하여, 현저하게 감소된 열 영향 구역(heated affected zone: HAZ)을 갖고 2상 조직강을 용접하기 위하여 본 발명의 실시예는 또한 이용될 수 있다. 2상 조직강은 페라이트와 마르텐사이트 미세 구조를 갖는 고강도 강이며, 따라서 강이 큰 강도 및 우수한 성형성을 갖는 것을 허용한다. 2상 조직강의 특성 때문에 2상 조직강 용접의 강도는 열 영향 구역의 강도에 의하여 제한된다. 열 영향 구역은 (필러 금속을 포함하지 않는) 용접 조인트 주변의 구역이며, 이는 용접 공정으로부터 현저하게 가열되어 아크 용접 공정 때문에 그 미세구조는 역으로 변화된다. 공지된 아크 용접 공정에서, 아크 플라즈마의 치수 그리고 용접 구역으로의 대입열(high heat input) 때문에 열 영향 구역은 상당히 넓다. 열 영향 구역이 상당히 넓기 때문에 열 영향 구역은 용접부의 강도 제한 부분이 된다. 이와 같이, 고강도 전극의 사용이 불필요하기 때문에 이러한 조인트(예를 들어, ER70S-6, 또는 -3형 전극)를 용접하기 위하여 아크 용접 공정은 전형적으로 연강 필러 와이어(140)를 이용한다. 또한, 이 때문에, 설계자는 전략적으로 용접 조인트를 차량 프레임, 범퍼, 엔진 요동대 등과 같은 고응력 구조체 밖의 2상 조직강 내에 위치시켜 한다.In addition to being able to weld coated materials at high speeds, embodiments of the present invention can also be used to weld two-phase textured steel with a significantly reduced heat affected zone (HAZ). The two-phase textured steel is a high strength steel with a ferrite and martensite microstructure, thus allowing the steel to have high strength and good formability. Due to the nature of the two-phase textured steel, the strength of the two-phase textured steel weld is limited by the strength of the heat affected zone. The heat affected zone is the area around the weld joint (not including the filler metal), which is significantly heated from the welding process and the microstructure is reversed due to the arc welding process. In a known arc welding process, the heat affected zone is considerably wider due to the dimensions of the arc plasma and the high heat input to the welding zone. Since the heat affected zone is considerably wider, the heat affected zone is the strength limiting part of the weld. Thus, arc welding processes typically use mild steel filler wires 140 to weld such joints (e.g., ER70S-6, or -3 type electrodes) since the use of high strength electrodes is unnecessary. Also, for this reason, the designer strategically positions the welded joint in a two-phase structure steel outside the high-stress structure such as a vehicle frame, a bumper, an engine rocking platform, and the like.
위에서 논의된 바와 같이, 레이저 장치(120)의 사용은 용접 퍼들의 생성시 높은 수준의 정밀성을 제공한다. 이 정밀성 때문에, 용접 비드를 둘러싸는 열 영향 구역은 매우 작게 유지될 수 있거나, 또는 피작업물에 대한 열 영향 구역의 전체 효과는 최소화될 수 있다. 사실, 일부 실시예에서 피작업물의 열 영향 구역은 거의 제거될 수 있다. 이는 퍼들이 생성될 피작업물의 부분 상에서만 레이저 빔(110)의 초점을 유지함으로써 이루어진다. 열 영향 구역의 치수를 현저하게 줄임으로써, 마치 아크 용접 공정이 이용된 것처럼 만큼 모재 금속의 강도는 위태롭게 되지 않는다. 이와 같이, 열 영향 구역의 존재 또는 위치는 더 이상 용접된 구조의 설계에 제한 요인이 아니다. 열 영향 구역보다는 피작업물의 조성물과 강도 및 필러 와이어의 강도가 구조적 설계에서의 영향력이 큰 요인일 수 있기 때문에 본 발명의 실시예는 보다 높은 강도의 필러 와이어의 사용을 고려한 것이다. 예컨대, 본 발명의 실시예는 ER80S-D2 형 전극과 같은, 적어도 80 ksi 항복 강도를 갖는 전극의 이용을 가능하게 한다. 물론, 이 전극은 예시적인 것으로 의도된다. 또한, 아크 용접으로부터 더 적은 전체적인 열 입력이 있기 때문에 퍼들의 냉각 속도는 더 빠를 것이며, 이는 사용된 필러 와이어의 화학적 성질은 더 줄어들 수(leaner) 있으나 기존의 와이어에 대하여 동일한 또는 더 큰 성능을 부여할 수 있다는 것을 의미한다.As discussed above, the use of laser device 120 provides a high degree of precision in the creation of weld puddles. Because of this precision, the heat affected zone surrounding the weld bead can be kept very small, or the overall effect of the heat affected zone on the workpiece can be minimized. In fact, in some embodiments, the heat affected zone of the workpiece can be largely eliminated. This is accomplished by maintaining the focus of the laser beam 110 only on the portion of the workpiece on which the pawls are to be created. By significantly reducing the dimensions of the heat affected zone, the strength of the base metal is not compromised as much as if an arc welding process were used. As such, the presence or location of the heat affected zone is no longer a limiting factor in the design of the welded structure. Embodiments of the present invention contemplate the use of higher strength filler wires because the composition and strength of the workpiece and the strength of the filler wire may be a significant factor in the structural design rather than the heat affected zone. For example, embodiments of the present invention enable the use of electrodes having an at least 80 ksi yield strength, such as ER80S-D2 type electrodes. Of course, this electrode is intended to be exemplary. Also, since there is less overall heat input from arc welding, the cooling rate of the puddle will be faster, which will result in a leaner of the chemical properties of the filler wires used but will result in the same or greater performance It means that you can do it.
부가적으로, 현저하게 줄어든 차폐 요구 조건으로 티타늄을 용접하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예가 이용될 수 있다. 아크 용접 공정으로 티타늄을 용접할 때, 허용 가능한 용접이 생성되는 것을 보장하기 위하여 상당한 주의가 취해져야 한다는 것이 알려져 있다. 이는 용접 공정 동안에 티타늄이 산소와 반응하기 위하여 강력한 친화도를 갖기 때문이다. 티타늄과 산소 간의 반응은 이산화티타늄을 생성하며, 용접 풀 내에 존재한다면 이는 용접 조인트의 강도 및/또는 연성을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이 때문에, 티타늄을 아크 용접할 때 퍼들이 냉각됨에 따라 대기로부터 아크뿐만 아니라 트레일링 용융 퍼들을 차폐하기 위하여 현저한 양의 트레일링 차폐 가스를 제공할 필요가 있다. 아크 용접으로부터 발생된 열 때문에, 용접 퍼들은 상당히 넓을 수 있고 그리고 장시간 동안 용융 상태로 남아 있을 수 있으며, 따라서 현저한 양의 차폐 가스를 요구한다. 본 발명의 실시예는 재료가 용융되는 시간을 현저하게 단축하며 그리고 급격하게 냉각시키고 따라서 이 추가적인 차폐 가스의 필요성이 감소된다.Additionally, an exemplary embodiment of the present invention may be used to weld titanium with significantly reduced shielding requirements. It is known that when titanium is welded with an arc welding process, considerable care must be taken to ensure that acceptable welds are produced. This is because titanium has strong affinity for reacting with oxygen during the welding process. The reaction between titanium and oxygen produces titanium dioxide, which if present in the welding pool can significantly reduce the strength and / or ductility of the weld joint. Because of this, it is necessary to provide a significant amount of trailing shielding gas to shield the trailing fusing plow as well as the arc from the atmosphere as the puddles cool as the titanium is arc welded. Because of the heat generated from the arc welding, the weld puddles can be quite wide and can remain molten for long periods of time, thus requiring a significant amount of shielding gas. Embodiments of the present invention significantly shorten the time at which the material is melted and rapidly cool down, thus reducing the need for this additional shielding gas.
위에서 설명된 바와 같이, 용접 구역 내로의 전체 열 입력을 현저하게 줄이기 위하여 레이저 빔(110)은 매우 신중하게 집속될 수 있으며, 따라서 용접 퍼들의 규격이 현저하게 감소한다. 용접 퍼들이 더 작기 때문에 용접 퍼들은 훨씬 빨리 냉각된다. 이와 같이, 트레일링 차폐 가스가 필요 없으나, 단지 용접부에의 차폐만이 필요하다. 또한, 위에서 설명된 유사한 이유로, 티타늄을 용접할 때 스패터 인자가 상당히 감소되는 반면에, 용접 속도는 증가된다.As described above, the laser beam 110 can be very carefully focused to significantly reduce the total heat input into the weld zone, thus significantly reducing the size of the weld puddle. The weld puddle is cooled much faster because the weld puddle is smaller. Thus, no trailing shielding gas is required, but only shielding to the welds is required. Also, for similar reasons described above, the spatter factor is significantly reduced when welding titanium, while the welding speed is increased.
도 7 및 도 7a로 돌아가서, 개방 루트형 용접 조인트가 도시된다. 두꺼운 플레이트 및 파이프를 용접하기 위하여 개방 루트 조인트가 흔히 사용되며 떨어진 그리고 환경적으로 어려운 위치에서 발생할 수 있다. 개방 루트 조인트를 용접하기 위한, 차폐된 금속 아크 용접(SMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW), 플럭스 코어 아크 용접(FCAW), 서브머지드 아크 용접(SAW) 및 플럭스 코어 아크 용접-자기 차폐(FCAW-S)를 포함한 많은 공지된 방법이 있다. 이 용접 공정은 차폐의 필요성, 속도 제한, 슬래그의 생성 등을 포함한 다양한 단점을 갖는다.Returning to Figures 7 and 7a, an open root welded joint is shown. Open root joints are commonly used to weld thick plates and pipes and can occur in distant and environmentally difficult locations. (SMAW), Gas Tungsten Arc Welding (GTAW), Gas Metal Arc Welding (GMAW), Flux Core Arc Welding (FCAW), Submerged Arc Welding There are many known methods including flux core arc welding-magnetic shielding (FCAW-S). This welding process has various disadvantages including the necessity of shielding, speed limitation, generation of slag, and the like.
따라서, 본 발명의 실시예는 효율 그리고 이러한 형태의 용접이 수행될 수 있는 속도를 크게 개선한다. 특히, 차폐 가스의 사용이 제거될 수 있거나 크게 감소될 수 있고, 그리고 슬래그의 발생이 완전하게 제거될 수 있다. 또한, 최소한의 스패터 및 기공률을 갖고 고속에서의 용접이 얻어질 수 있다.Thus, embodiments of the present invention greatly improve the efficiency and the speed at which this type of welding can be performed. In particular, the use of shielding gas can be eliminated or greatly reduced, and the occurrence of slag can be completely eliminated. In addition, welding at high speeds with minimum spatter and porosity can be obtained.
도 7 및 도 7a는 본 발명의 예시적인 실시예에 의하여 용접되고 있는 대표적인 개방 루트 용접 조인트를 도시한다. 물론, 랩 조인트(lap joint) 또는 개방 루트형 조인트뿐만이 아니라 매우 다양한 용접 조인트를 용접하기 위하여 본 발명의 실시예가 이용될 수 있다. 도 7a에서, 피작업물(W1/W2) 사이의 갭(705)이 도시되며 그리고 각 작업물이 경사진 표면(701/703)을 갖는다. 방금 위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 표면(701/703) 상에 정밀한 용융 퍼들을 생성하기 위하여 레이저 장치(120)를 이용하며, 그리고 위에서 설명된 바와 같이 예열된 필러 와이어(도시 생략)가 퍼들 내로 용착된다.Figures 7 and 7A illustrate a representative open root welded joint being welded in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Of course, embodiments of the present invention may be used to weld a wide variety of weld joints as well as lap joints or open root joints. In Fig. 7A, a gap 705 between the workpieces W1 / W2 is shown, and each workpiece has a sloped surface 701/703. As just discussed above, embodiments of the present invention utilize the laser device 120 to produce precise melt puddles on surfaces 701/703, and use preheated filler wires (not shown) as described above ) Are welded into the puddle.
사실, 본 발명의 예시적인 실시예는 단일의 필러 와이어가 각 용접 퍼들로 향하는 것에 제한되지 않는다. 본 명세서 내에서 설명된 용접 공정에서 용접 아크가 발생하지 않기 때문에 하나 이상의 필러 와이어가 어느 하나의 용접 퍼들로 향할 수 있다. 주어진 용접 퍼들에 대한 필러의 개수를 증가시킴으로써, 열 입력의 현저한 증가 없이 용접 공정의 전체 용착 속도가 현저하게 증가될 수 있다. 즉, (도 7 및 도 7a에 도시된 형태와 같은) 개방 루트 용접 조인트가 단일 용접 패스(weld pass) 내에서 채워질 수 있다는 것이 고려된다.In fact, the exemplary embodiments of the present invention are not limited to a single pillar wire being directed to each welding puddle. One or more filler wires can be directed to either weld puddle because no weld arc occurs in the welding process described herein. By increasing the number of fillers for a given weld puddle, the overall deposition rate of the welding process can be significantly increased without a significant increase in heat input. That is, it is contemplated that an open root weld joint (such as that shown in Figures 7 and 7a) may be filled in a single weld pass.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 용접 조인트 내의 하나 이상의 위치를 동시에 용융시키기 위하여 다수의 레이저 빔(110 및 110A)이 이용될 수 있다. 이는 다수의 방식으로 이루어질 수 있다. 도 7에 도시된 제1 실시예에서, 빔 스플리터(121)가 이용되고 레이저 장치(120)에 결합된다. 빔 스플리터(121)는 레이저 장치의 지식을 가진 자에게 공지된 것이며 그리고 본 명세서 내에서 상세하게 논의될 필요가 없다. 빔 스플리터(121)는 레이저 장치(120)로부터의 빔을 2개 (또는 그 이상)의 별개의 빔(110/110A)으로 나누며 그리고 이 빔들을 2개의 다른 표면으로 향하게 할 수 있다. 이러한 실시예에서, 다수의 표면은 동시에 조사될 수 있으며 용접시 추가의 정밀도와 정확도를 제공한다. 다른 실시예에서, 개별적인 빔(110 및 110A) 각각은 개별적인 레이저 장치에 의하여 생성될 수 있어 각 빔은 자신의 전용 장치에서 발산된다.7, in some exemplary embodiments of the present invention, multiple laser beams 110 and 110A may be used to simultaneously melt one or more locations within a weld joint. This can be done in a number of ways. In the first embodiment shown in Fig. 7, a beam splitter 121 is used and is coupled to the laser device 120. Fig. The beam splitter 121 is known to those skilled in the art of laser devices and need not be discussed in detail herein. Beam splitter 121 may split the beam from laser device 120 into two (or more) distinct beams 110 / 110A and direct them to two different surfaces. In this embodiment, multiple surfaces can be simultaneously irradiated and provide additional precision and accuracy in welding. In another embodiment, each of the individual beams 110 and 110A may be generated by a separate laser device so that each beam is emitted by its own dedicated device.
다수의 레이저 장치를 이용하는 이러한 실시예에서, 다른 용접 요구에 맞추기 위하여 용접 작업의 많은 양태가 변화될 수 있다. 예를 들어, 개별 레이저 장치에 의하여 발생된 빔은 다른 에너지 강도를 가질 수 있으며; 용접 조인트에서 다른 형상 및/또는 다른 횡단면적을 가질 수 있다. 요구되는 어떠한 특정 용접 파라미터를 수행하기 위하여 이 유연함을 이용하여 용접 공정의 양태가 변형될 수 있고 그리고 맞추어질 수 있다. 물론, 이는 또한 단일 레이저 장치 그리고 빔 스플리터(121)의 사용으로 이루어질 수 있으나, 일부 유연성은 단일 레이저 원의 사용으로 제한될 수 있다. 또한, 원하는 대로 어떠한 개수의 레이저가 사용될 수 있다는 것을 고려함에 따라 본 발명은 단일 그리고 이중 레이저 구성에 제한되지 않는다.In this embodiment using multiple laser devices, many aspects of the welding operation can be varied to meet different welding needs. For example, a beam generated by an individual laser device may have different energy intensities; And may have different shapes and / or different cross-sectional areas in the weld joint. Modes of the welding process can be modified and tailored using this flexibility to perform any specific welding parameters required. Of course, this can also be done with the use of a single laser device and a beam splitter 121, but some flexibility can be limited to the use of a single laser source. Further, the present invention is not limited to single and dual laser configurations, considering that any number of lasers may be used as desired.
다른 예시적인 실시예에서, 빔 스캐닝 장치가 이용될 수 있다. 이러한 장치는 레이저 또는 빔 방사 분야에서 공지되어 있으며 빔(110)을 피작업물의 표면 상에 패턴으로 스캔하기 위하여 사용된다. 이러한 장치로, 원하는 방식으로 피작업물(115)을 가열하기 위하여 스캔 속도와 패턴 그리고 드웰 시간(dwell time)이 이용될 수 있다. 또한, 원하는 퍼들 형태를 생성하기 위해 필요에 따라 에너지원(예컨대, 레이저)의 출력 전력이 조정될 수 있다. 부가적으로, 레이저 장치(120) 내에서 이용된 광학 부품은 원하는 작업 및 조인트 파라미터에 기초하여 최적화될 수 있다. 예를 들어, 넓은 용접 또는 클래딩 작업을 위한 선형 빔을 만들기 위하여 선형(line) 및 적분 광학 부품이 이용될 수 있으며, 또는 균일한 전력 분포를 갖는 정사각/직사각형 빔을 생성하기 위하여 적분기(integrator)가 사용될 수 있다.In another exemplary embodiment, a beam scanning device may be used. Such a device is well known in the laser or beam emission arts and is used to scan the beam 110 in a pattern on the surface of the workpiece. With this apparatus, the scan speed and pattern and the dwell time can be used to heat the workpiece 115 in a desired manner. In addition, the output power of an energy source (e.g., laser) can be adjusted as needed to produce the desired puddle shape. Additionally, the optical components used in the laser device 120 may be optimized based on desired work and joint parameters. For example, line and integral optics can be used to create a linear beam for a wide welding or cladding operation, or an integrator can be used to produce a square / rectangular beam with a uniform power distribution Can be used.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 표면(701/703)을 용융시키기 위하여 단일 빔(10)은 개방 루트 조인트를 향한다.Figure 7a illustrates another embodiment of the present invention in which a single beam 10 faces the open root joint to melt the surface 701/703.
레이저 빔(110 및 110A)의 정밀성 때문에 빔(110/110A)은 표면(701/703) 상에서만 그리고 갭(705)에서는 떨어져 집속될 수 있다. 이 때문에, [정상적으로 갭(705)을 통하여 떨어질] 멜트-스루(melt-through)가 제어될 수 있으며, 이는 배면 용접 비드[갭(705)의 바닥 표면에서의 용접 비드]의 제어를 현저하게 개선한다.Due to the precision of the laser beams 110 and 110A, the beam 110 / 110A can be focused only on the surface 701/703 and off in the gap 705. Because of this, the melt-through can normally be controlled (to fall through the gap 705), which significantly improves control of the backside weld bead (weld bead at the bottom surface of the gap 705) do.
도 7 그리고 도 7a 각각에서, 갭(705)이 피작업물(W1 및 W2) 사이에 존재하며, 이는 용접 비드(707)로 채워진다. 예시적인 실시예에서, 이 용접 비드(705)는 레이저 장치(도시 생략)에 의하여 생성된다. 따라서 예를 들어, 용접 작업 동안에 레이저 용접 비드(707)와 함께 피작업물(W1 및 W2)을 용접하기 위하여 제1 레이저 장치(도시 생략)는 제1 레이저 빔(도시 생략)을 갭(705)으로 향하게 하는 반면에, 용접 퍼들을 생성하기 위하여 제2 레이저 장치(120)는 적어도 하나의 레이저 빔(110/110A)을 표면(701/703)으로 향하게 하며, 여기서 필러 와이어(들)(도시 생략)는 용착되어 용접을 완료한다. 갭이 충분히 작다면 갭 용접 비드(707)는 레이저에 의해서만 생성될 수 있거나, 갭(705)이 요구한다면, 갭 용접 비드는 레이저와 필러 와이어의 사용에 의하여 생성될 수 있다. 특히, 갭(705)을 적절하게 채우기 위하여 필러 금속을 추가하는 것이 필요할 수 있으며, 따라서 필러 와이어는 사용되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예와 관련하여 이 갭 비드(705)의 생성은 위에서 설명된 것과 유사하다.7 and 7A, a gap 705 is present between the workpieces W1 and W2, which is filled with the weld bead 707. As shown in Fig. In an exemplary embodiment, the weld bead 705 is created by a laser device (not shown). Thus, for example, a first laser device (not shown) may apply a first laser beam (not shown) to the gap 705 to weld the workpieces W1 and W2 with the laser weld bead 707 during the welding operation, While the second laser device 120 directs at least one laser beam 110 / 110A to surface 701/703 to produce weld puders, wherein the filler wire (s) (not shown) ) Is welded to complete the welding. If the gap is small enough, the gap weld bead 707 can be created only by the laser, or, if the gap 705 requires, the gap weld bead can be created by the use of laser and filler wires. In particular, it may be necessary to add filler metal to suitably fill the gap 705, and therefore filler wires should be used. The creation of this gap bead 705 in connection with various embodiments of the present invention is similar to that described above.
본 명세서에서 설명된 레이저 장치(120)와 같은 고강도 에너지원은 원하는 용접 작업을 위하여 필연적인 에너지 밀도를 제공하기에 충분한 출력을 갖는 형태이어야 한다는 것을 주의해야 한다. 즉, 레이저 장치(120)는 용접 공정 동안에 안정적인 용접 퍼들을 생성하고 그리고 유지하기에 충분한 출력을 가져야 하며 그리고 또한 원하는 용입에 도달해야 한다. 예를 들어, 일부 용례에서, 레이저는 용접 중인 피작업물을 "키홀(keyhole)"시키는 능력을 가져야 한다. 이는 레이저가 피작업물을 완전하게 침투하기에 충분한 출력을 가져야 하는 반면에 레이저가 피작업물을 따라 이동함에 따라 침투의 정도를 유지해야 한다는 것을 의미한다. 예시적인 레이저는 1 내지 20 kW 범위 내의 출력 능력을 가져야만 하며, 그리고 5 내지 20 kW 범위 내의 출력 능력을 가질 수 있다. 더 큰 출력 레이저가 사용될 수 있으나, 매우 비싸질 수 있다. 물론, 빔 스플리터(121) 또는 다수의 레이저의 사용이 다른 형태의 용접 조인트에도 사용될 수 있다는 것 그리고 도 6 및 도 6a에 도시된 것과 같은 랩 조인트에 사용될 수 있다는 것이 주목된다.It should be noted that a high intensity energy source, such as the laser device 120 described herein, should be of a type with an output sufficient to provide the inevitable energy density for the desired welding operation. That is, the laser device 120 must have sufficient power to generate and maintain stable weld puddles during the welding process and must also reach the desired penetration. For example, in some applications, the laser should have the ability to "keyhole" the workpiece being welded. This means that while the laser has to have enough power to completely penetrate the workpiece, the extent of penetration must be maintained as the laser moves along the workpiece. Exemplary lasers must have an output capability in the range of 1 to 20 kW and an output capability in the range of 5 to 20 kW. Larger output lasers can be used, but can be very expensive. Of course, it is noted that the use of beam splitter 121 or multiple lasers can also be used for other types of weld joints and can be used for lap joints such as those shown in Figures 6 and 6A.
도 7b는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 좁은 그루브, 깊은 개방 루트 조인트가 도시된다. 깊은 조인트(1인치보다 큰 깊이)를 아크 용접할 때, 그루브에 관한 갭(G)이 좁을 때의 조인트의 바닥을 용접하는 것이 어려울 수 있다. 이는 차폐 가스를 이러한 깊은 그루브 내로 효율적으로 전달하는 것이 어렵기 때문이며, 그루브의 좁은 벽은 용접 아크의 안정성에 간섭을 일으킬 수 있다. 피작업물이 전형적으로 철을 함유한 재료이기 때문에 조인트의 벽은 자기적으로 용접 아크를 간섭할 수 있다. 이 때문에, 전형적인 아크 용접 절차를 이용할 때, 아크가 안정 상태로 남아있도록 하기 위하여 그루브의 갭(G)은 충분하게 넓을 필요가 있다. 그러나, 그루브가 넓을수록, 용접을 완성하기 위하여 필러 재료가 더 필요하다. 본 발명의 실시예가 차폐 가스를 필요로 하지 않고 용접 아크를 사용하지 않기 때문에 이 문제들은 최소화된다. 이는 본 발명의 실시예가 깊고 좁은 그루브를 능률적으로 그리고 효과적으로 용접하는 것을 가능하게 한다. 예컨대, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 피작업물(115)이 1 인치보다 큰 두께를 갖는 경우, 갭 폭(G)은 필러 와이어(140)의 직경의 1.5 내지 2배의 범위 내에 있으며 그리고 측벽 각도는 0.5 내지 10도 범위 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 이러한 용접 조인트의 루트 패스 물질(root pass preparation)은 1/16 내지 1/4 인치 범위 내의 랜드와 함께 1 내지 3 ㎜ 범위 내의 갭(RG)을 가질 수 있다. 따라서, 깊은 개방 루트 조인트는 정상적인 아크 용접 공정보다 더 빨리 그리고 더 적은 필러 재료로 용접될 수 있다. 또한, 더 적은 열을 용접 구역으로 진입시키는 본 발명의 양태 때문에, 측벽과의 접촉을 방지하기 위하여 용접 퍼들에 더 가깝게 전달하는 것이 용이하도록 하기 위한 팁(160)이 설계될 수 있다. 즉, 팁(160)은 더 작게 만들어질 수 있고, 좁은 구조를 갖는 절연된 가이드로서 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 조인트의 양 측부를 동시에 용접하기 위하여 용접부의 폭을 가로질러 레이저와 와이어를 이동시키기 위한 전달 장치 또는 메커니즘이 사용될 수 있다.Figure 7b illustrates another exemplary embodiment of the present invention. In this embodiment, a narrow groove, deep open root joint is shown. When arc welding a deep joint (depth greater than one inch) it may be difficult to weld the bottom of the joint when the gap G about the groove is narrow. This is because it is difficult to efficiently transfer the shielding gas into these deep grooves and the narrow walls of the grooves can interfere with the stability of the welding arc. Since the workpiece is typically an iron-containing material, the walls of the joint may magnetically interfere with the welding arc. For this reason, when using a typical arc welding procedure, the gap G of the groove needs to be sufficiently wide so that the arc remains stable. However, the wider the groove, the more filler material is needed to complete the weld. These problems are minimized because embodiments of the present invention do not require shielding gas and do not use a welding arc. This enables embodiments of the present invention to weld deep and narrow grooves efficiently and effectively. For example, in an exemplary embodiment of the present invention, when the workpiece 115 has a thickness greater than one inch, the gap width G is in the range of 1.5 to 2 times the diameter of the filler wire 140, The sidewall angle is in the range of 0.5 to 10 degrees. In an exemplary embodiment, the root pass preparation of such a weld joint may have a gap (RG) in the range of 1 to 3 mm with lands in the range of 1/16 to 1/4 inch. Thus, a deep open root joint can be welded faster and with less filler material than a normal arc welding process. Also, because of the aspect of the present invention that allows less heat to enter the welding zone, a tip 160 may be designed to facilitate transmission closer to the welding puddle to prevent contact with the sidewall. That is, the tip 160 can be made smaller and can be configured as an insulated guide with a narrow structure. In another embodiment, a transfer device or mechanism may be used to move the laser and wire across the width of the weld to simultaneously weld both sides of the joint.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예로 부트(butt)형 조인트가 용접될 수 있다. 도 8에서, 평면 부트형 조인트가 도시되나, 용접 조인트의 상부 및 바닥 표면 상에 V-노치 그루브를 갖는 부트형 조인트가 또한 용접될 수 있다는 것이 고려된다. 도 8에 도시된 실시예에서, 2개의 레이저 장치(120 및 120A)가 용접 조인트의 각 측부 상에 도시되며, 레이저 장치 각각은 자신의 용접 퍼들(801 및 803)을 생성한다. 도시된 도면에서 가열된 필러 와이어가 레이저 빔(110/110A)을 추종함에 따라 도 7 및 도 7a와 같이 가열된 필러 와이어는 도시되지 않는다.As shown in Fig. 8, a butt joint can be welded in an embodiment of the present invention. 8, a flat boot-type joint is shown, but it is contemplated that a boot-type joint with a V-notch groove on the top and bottom surfaces of the weld joint may also be welded. In the embodiment shown in FIG. 8, two laser devices 120 and 120A are shown on each side of the weld joint, and each of the laser devices produces its own welding puddles 801 and 803. The heated filler wires are not shown in FIGS. 7 and 7A as the heated filler wires follow the laser beam 110 / 110A.
공지된 아크 용접 기술로 부트형 조인트를 용접할 때, 용접 아크에 의하여 발생된 자기장들이 서로 간섭하여 아크들이 서로를 불규칙하게 이동시킬 때 발생하는 "아크 블로우(arc blow)"에 중요한 문제점이 있을 수 있다. 또한, 동일한 용접 조인트 상에서 용접하기 위하여 2개 이상의 아크 용접 시스템이 사용 중일 때 용접 전류의 간섭에 의하여 야기된 중요한 문제가 있을 수 있다. 부가적으로, 아크 용접 방법의 용입 깊이 때문에, -부분적인- 고열 입력으로 인하여 용접 조인트의 각 측부 상에서 아크로 용접될 수 있는 피작업물의 두께가 제한된다. 즉, 이러한 용접은 얇은 피작업물 상에서 진행될 수 없다.When welding a boot-type joint with a known arc welding technique, there may be a significant problem in "arc blow" that occurs when the magnetic fields generated by the welding arc interfere with each other and arcs move irregularly to each other have. There may also be a significant problem caused by the interference of the welding current when two or more arc welding systems are in use to weld on the same weld joint. Additionally, due to the penetration depth of the arc welding method, the thickness of the workpiece, which can be welded to the arc on each side of the weld joint due to the partial-high heat input, is limited. That is, such welding can not proceed on a thin workpiece.
본 발명의 실시예로 용접할 때, 이 문제점은 제거된다. 이용되는 용접 아크가 없기 때문에 아크 블로우 간섭 또는 용접 전류 간섭 문제가 없다. 또한, 레이저의 사용을 통하여 가능한, 열 입력 그리고 용입의 깊이의 정밀한 제어 때문에 더 얇은 피작업물이 용접 조인트의 양 측부 상에 동시에 용접될 수 있다.When welding in an embodiment of the present invention, this problem is eliminated. There is no arc blow interference or welding current interference problem because there is no welding arc used. In addition, thinner workpieces can be simultaneously welded on both sides of the weld joint due to precise control of the depth of heat input and penetration possible through the use of lasers.
본 발명의 다른 예시적인 실시예가 도 9에 도시된다. 이 실시예에서, 독특한 용접 프로파일을 생성하기 위하여 -서로 일직선을 이루는- 2개의 레이저 빔(110 및 110A)이 이용된다. 도시된 실시예에서, [제1 레이저 장치(120)에서 발산된] 제1 빔(110)은 제1 횡단면적과 깊이를 갖는 용접 퍼들(901)의 제1 부분을 생성하기 위하여 사용된 반면에, (도시되지 않은 제2 레이저 장치에서 발산된) 제2 빔(110A)은 제1 횡단면적과 깊이와 다른 제2 횡단면적과 깊이를 갖는 용접 퍼들(903)의 제2 부분을 생성하기 위하여 사용된다. 용접 비드의 나머지보다 더 깊은 깊이의 용입을 갖는 용접 비드의 부분을 갖는 것이 바람직할 때 이 실시예는 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 퍼들(901)은 보다 넓게 그리고 보다 얕게 만들어진 용접 퍼들(903)보다 더 깊게 그리고 더 좁게 만들어진다. 피작업물이 깊은 용입 수준을 만족하는 경우에, 깊은 용입 수준이 필요할 때, 이러한 실시예는 사용될 수 있으나, 용접 조인트의 전체 부분에 대해서는 바람직하지 않다.Another exemplary embodiment of the present invention is shown in Fig. In this embodiment, two laser beams 110 and 110A, which are in alignment with one another, are used to produce a unique weld profile. In the illustrated embodiment, the first beam 110 (emitted from the first laser device 120) is used to create a first portion of the weld puddle 901 having a first cross-sectional area and depth , A second beam 110A (emitted from a second laser device, not shown) is used to create a second portion of the weld puddle 903 having a second cross-sectional area and depth that is different from the first cross- do. This embodiment can be used when it is desirable to have a portion of the weld bead having a depth greater than the remainder of the weld bead. For example, as shown in FIG. 9, the puddles 901 are made deeper and narrower than the weld puddles 903 made wider and shallower. When the workpiece meets a deep penetration level, this embodiment can be used when a deep penetration level is required, but not for the whole part of the weld joint.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 제1 퍼들(903)이 조인트에 대한 용접을 생성하는 용접 퍼들일 수 있다. 이 제1 퍼들/조인트는 제1 레이저 장치(120)와 필러 와이어(도시 생략)로 생성되며, 그리고 적절한 용입 깊이까지 만들어진다. 이 용접 조인트가 만들어진 후, 제2 레이저 빔(110A)을 발산하는 제2 레이저 장치(도시 생략)가 조인트 위로 지나가 다른 프로파일을 갖는 제2 퍼들(903)을 생성하며, 여기서 위의 실시예에서 논의된 바와 같은 일부 종류의 오버레이를 용착시키기 위하여 이 제2 퍼들이 사용된다. 이 오버레이는 제1 필러 와이와는 다른 화학적 성질을 갖는 제2 필러 와이어를 사용하여 용착될 것이다. 예를 들어, 조인트가 용접된 조금 후에 또는 직후에 용접 조인트 상에 내부식성 클래딩 층을 위치시키기 위하여 본 발명의 실시예가 사용될 수 있다. 이 용접 작업은 또한 단일 레이저 장치(120)로 이루어질 수 있으며, 여기서 원하는 용접 퍼들 프로파일을 제공하기 위하여 빔(110)은 제1 빔 형상/밀도와 제2 빔 형상/밀도 사이에서 진동된다. 따라서, 다수의 레이저 장치가 사용되는 것이 필요하지 않다.In another exemplary embodiment of the present invention, the first puddle 903 can be a weld puddle that produces a weld to the joint. This first puddle / joint is created with a first laser device 120 and a filler wire (not shown) and is made to the proper penetration depth. After this weld joint is made, a second laser device (not shown) that emits a second laser beam 110A passes over the joint to create second puddles 903 with different profiles, These second pellets are used to weld some kind of overlay as has been done. This overlay will be deposited using a second filler wire having a different chemical nature than the first filler wire. For example, embodiments of the present invention may be used to position the corrosion resistant cladding layer on a weld joint shortly after or immediately after the joint is welded. This welding operation may also consist of a single laser device 120 wherein the beam 110 is vibrated between a first beam shape / density and a second beam shape / density to provide a desired weld puddle profile. Therefore, it is not necessary to use a plurality of laser devices.
위에서 설명된 바와 같이, 용접 공정 동안에 (아연 도금과 같은) 피작업물 상의 부식성 코팅부가 제거된다. 그러나, 내부식성 목적을 위하여 다시 코팅된 용접 조인트를 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 따라서 조인트(901)의 상단 상에 클래딩 층과 같은 내부식성 오버레이(903)를 추가하기 위하여 제1 빔(110A)과 레이저가 사용될 수 있다.As described above, the corrosive coating on the workpiece (such as zinc plating) is removed during the welding process. However, it may be desirable to have a re-coated welded joint for corrosion-resistant purposes, so that the first beam 110A and the second beam 1102 may be used to add a corrosion resistant overlay 903, such as a cladding layer, A laser can be used.
본 발명의 다양한 이점 때문에, 용접 작업을 통하여 다른 금속들을 쉽게 접합하는 것이 또한 가능하다. 필러 재료를 위한 다른 재료들 그리고 요구되는 화학적 성질이 균열과 열등한 용접을 야기할 수 있기 때문에 아크 용접 공정을 이용하여 아크 용접 공정으로 다른 금속들은 접합하는 것이 어렵다. 다른 화학적 성질 때문에 매우 다른 용융 온도를 갖는 알루미늄과 강을 함께 아크 용접하려고 시도할 때 또는 연강에 스테인리스 강을 용접하고자 할 때 이는 특히 사실이다. 그러나, 본 발명의 실시예로 이러한 문제점은 경감된다.Because of the various advantages of the present invention, it is also possible to easily join other metals through a welding operation. Other materials for the filler material and the desired chemical properties can cause cracking and inferior welding, so it is difficult to join other metals to the arc welding process using an arc welding process. This is especially true when trying to arc-weld aluminum and steel together with very different melting temperatures due to their different chemical properties, or when trying to weld stainless steels to mild steel. However, this problem is alleviated by the embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. V-형 조인트가 도시되었을지라도, 본 발명은 이 점에 있어서 제한되지 않는다. 도 10에서, 2개의 같지 않는 금속이 용접 조인트(1000)에서 접합된 것으로 도시된다. 이 예에서, 2개의 같지 않은 금속은 알루미늄과 강이다. 이 예시적인 실시예에서, 2개의 다른 레이저 원(1010 및 1020)이 이용된다. 그러나, 2개의 다른 재료를 용융시키기에 필요한 에너지를 제공하기 위하여 단일 장치가 진동될 수 있음에 따라 2개의 레이저 장치가 모든 실시예에서 요구되지 않는다 - 이는 이하에서 더 설명될 것이다. 레이저 원(1010)은 강 피작업물을 향하는 빔(1011)을 발산하며, 그리고 레이저 원(1020)은 알루미늄 피작업물을 향하는 빔(1021)을 발산한다. 피작업물 각각이 다른 금속 또는 합금으로 이루어져 있기 때문에 이들은 다른 용융 온도를 갖는다. 이와 같이, 용접 퍼들(1012 및 1022)에서 레이저 빔(1011/1021) 각각은 다른 에너지 강도를 갖는다. 다른 에너지 강도 때문에, 용접 퍼들(1012 및 1022) 각각은 적절한 크기 및 깊이로 유지될 수 있다. 이는 또한 낮은 용융 온도를 갖는 피작업물, 예를 들어 알루미늄에서의 과도한 용입 그리고 열 입력을 방지한다. 일부 실시예에서, 적어도 용접 조인트 때문에, (도 10에 도시된 바와 같이) 2개의 분리된 별개의 용접 퍼들을 가질 필요가 없다. 정확히 말하면, 단일의 용접 퍼들이 양 피작업물로 형성될 수 있으며, 여기서 각 피작업물의 용융된 부분은 단일 용접 퍼들을 형성한다. 또한, 피작업물이 다른 화학적 성질을 가지나 유사한 용융 온도를 갖는다면, 양 피작업물을 동시에 조사하기 위하여 단일의 빔을 사용하는 것이 가능하며, 하나의 피작업물이 다른 피작업물보다 더 많이 용융될 것이라고 이해된다. 또한, 위에서 간단하게 설명된 바와 같이, 양 피작업물을 조사하기 위하여 [레이저 장치(120)와 같은] 단일의 에너지원을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제1 피작업물을 용융시키기 위하여 레이저 장치(120)는 제1 빔 형상 및/또는 에너지 밀도를 이용할 수 있으며 그후 제2 피작업물을 용융시키기 위하여 제2 빔 형상 및/또는 에너지 밀도로 진동/변화할 수 있다. 용접 공정 동안에 용접 퍼들(들)이 안정적으로 유지되고 그리고 일관되도록 양 피작업물의 적절한 용융이 유지되는 것을 보장하기 위하여 빔 특성의 진동 및 변화는 충분한 속도로 달성되어야 한다. 다른 단일 빔 실시예는 각 피작업물의 충분한 용융을 보장하기 위하여 다른 피작업물보다 하나의 피작업물 내로 더 많은 열 입력을 제공하는 형상을 갖는 빔(110)을 이용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 빔의 에너지 밀도는 빔의 횡단면에 걸쳐 균일해야 한다. 예를 들어, 빔의 형상 때문에 한 피작업물로의 전체 열 입력이 다른 피작업물로의 열 입력보다 작도록 빔(110)은 사다리꼴 또는 삼각형 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예는 횡단면에서 불균일한 에너지 분포를 갖는 빔(110)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 빔(110)은 (양 피작업물에 충격을 가하는) 사각형 형상을 가질 수 있으나, 빔의 제1 영역은 제1 에너지 밀도를 가질 것이며 빔(110)의 제2 영역은 제1 영역과는 다른 제2 에너지 밀도를 가질 것이다. 따라서 영역들 각각은 각 피작업물을 적절하게 용융시킬 수 있다. 예로서, 빔(110)은 강 피작업물을 용융시키기 위하여 고에너지 밀도를 갖는 제1 영역을 가질 수 있는 반면에, 제2 영역은 알루미늄 피작업물을 용융시키기 위하여 저에너지 밀도를 가질 수 있다.Figure 10 illustrates an exemplary embodiment of the present invention. Although a V-shaped joint is shown, the present invention is not limited in this respect. In Fig. 10, two unequal metals are shown joined in the weld joint 1000. In this example, the two unequal metals are aluminum and steel. In this exemplary embodiment, two different laser sources 1010 and 1020 are used. However, two laser devices are not required in all embodiments, as a single device may be vibrated to provide the energy necessary to melt two different materials - this will be further described below. The laser source 1010 emits a beam 1011 towards the workpiece and the laser source 1020 emits a beam 1021 towards the workpiece. Because each workpiece consists of different metals or alloys, they have different melting temperatures. As such, each of the laser beams 1011/1021 in the welding puds 1012 and 1022 has different energy intensities. Because of different energy intensities, each of the welding puddles 1012 and 1022 can be maintained at an appropriate size and depth. It also prevents excessive penetration and heat input in workpieces having a low melting temperature, for example aluminum. In some embodiments, at least because of the weld joint, there is no need to have two separate, separate weld pawls (as shown in FIG. 10). More precisely, a single weld puddle can be formed of both workpieces, wherein the molten portion of each workpiece forms a single weld puddle. It is also possible to use a single beam to irradiate both workpieces simultaneously if the workpieces have different chemical properties but have a similar melting temperature, and it is possible to use more than one workpiece It will be melted. Also, as briefly described above, it is possible to use a single energy source (such as laser device 120) to illuminate both workpieces. For example, to melt the first workpiece, the laser device 120 may utilize a first beam shape and / or energy density and then use a second beam shape and / or energy to melt the second workpiece It can be vibrated / changed in density. Vibration and variations of the beam characteristics must be achieved at a sufficient rate to ensure that the welding puddle (s) remain stable and consistent during welding processes so that proper melting of both workpieces is maintained. Other single beam embodiments may use a beam 110 having a shape that provides more heat input into one workpiece than other workpieces to ensure sufficient melting of each workpiece. In this embodiment, the energy density of the beam must be uniform across the cross section of the beam. For example, because of the shape of the beam, the beam 110 may have a trapezoidal or triangular shape such that the total heat input to one workpiece is less than the heat input to the other workpiece. Alternatively, some embodiments may utilize beam 110 having a non-uniform energy distribution in the cross-section. For example, the beam 110 may have a rectangular shape (impacting the workpiece), but a first region of the beam will have a first energy density and a second region of the beam 110 will have a first energy density Region will have a second energy density. Thus, each of the regions can properly melt each workpiece. By way of example, the beam 110 may have a first region having a high energy density to melt the steel workpiece, while a second region may have a low energy density to melt the aluminum workpiece.
도 10에서, 2개의 필러 와이어(1030 및 1030A)가 도시되며, 각 필러 와이어는 용접 퍼들(1012 및 1022)로 향한다. 도 10에 도시된 실시예가 2개의 필러 와이어를 이용하고 있을지라도, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 다른 실시예에 관하여 위에서 논의된 바와 같이, 원하는 비드 형상 그리고 용착 속도와 같은 원하는 용접 파라미터에 따라 단지 하나의 필러 와이어가 사용될 수 있고, 또는 2개 이상의 와이어가 사용될 수 있다는 점이 고려된다. 단일 와이어가 이용될 때, 와이어는 (양 피작업물의 용융된 부분으로 형성된) 공통 퍼들을 향할 수 있거나, 또는 용접 조인트로의 통합을 위하여 와이어가 단지 하나의 용융된 부분을 향할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 10에 도시된 실시예에서, 와이어는 용융된 부분(1022)을 향할 수 있으며, 이 부분은 그후 용접 조인트의 형성을 위하여 용융된 부분(1012)과 결합될 것이다. 물론, 단일 와이어가 이용된다면, 와이어가 담겨지는 부분(1022/1012) 내에서 와이어가 용융되는 것을 허용하는 온도까지 가열되어야 한다.In Figure 10, two filler wires 1030 and 1030A are shown, with each filler wire being directed to a weld puddle 1012 and 1022. [ Although the embodiment shown in FIG. 10 uses two filler wires, the present invention is not limited in this regard. It is contemplated that only one filler wire may be used, or more than two wires may be used, depending on the desired weld parameters such as desired bead shape and deposition rate, as discussed above with respect to other embodiments. When a single wire is used, the wire may be directed to a common fur (formed by the molten portion of the work piece), or the wire may be directed to only one fused portion for integration into a weld joint. Thus, for example, in the embodiment shown in FIG. 10, the wire may be directed to the molten portion 1022, which will then be combined with the molten portion 1012 for the formation of a weld joint. Of course, if a single wire is used, it must be heated to a temperature that allows the wire to melt within the portion 1022/1012 where the wire is to be contained.
다른 금속이 연결되고 있기 때문에, 와이어가 연결되고 있는 금속과 충분하게 접합할 수 있는 것을 보장하기 위하여 필러 와이어의 화학적 성질이 선택되어야 한다. 또한, 적절한 용융 온도를 갖도록 필러 와이어(들)의 성분은 선택되어야 하며, 이는 낮은 온도 용접 퍼들의 용접 퍼들 내에서 필러 와이어가 용융되는 것을 허용하고 그리고 소모되는 것을 허용한다. 사실, 적절한 용접 화학적 성질을 얻기 위하여 다수의 필름 와이어의 화학적 성질이 다를 수 있다는 것이 고려된다. 2개의 다른 피작업물이 재료들 간에 최소한의 혼합이 발생하는 재료 성분을 가질 때 이는 특히 사실이다. 도 10에서, 낮은 온도의 용접 퍼들은 알루미늄 용접 퍼들(1012)이며, 이와 같이 퍼들(1012) 내에서 필러 와이어가 쉽게 소모될 수 있도록 유사한 온도에서 용융시키기 위하여 필러 와이어(들)(1030A)가 만들어진다.Since other metals are connected, the chemistry of the filler wire should be chosen to ensure that the wire can be sufficiently bonded to the metal to which it is connected. In addition, the components of the filler wire (s) should be selected to have a suitable melting temperature, which allows the filler wires to melt and be consumed within the weld puddle of the low temperature weld puddle. In fact, it is contemplated that the chemical properties of a number of film wires may be different in order to obtain adequate weld chemistry. This is especially true when two different workpieces have a material composition that causes minimal mixing between the materials. 10, the low temperature weld puddle is aluminum weld puddle 1012, so filler wire (s) 1030A are made to melt at similar temperatures so that filler wires can easily be consumed within puddle 1012 .
위의 예에서, 알루미늄과 강 피작업물을 사용할 때, 필러 와이어는 피작업물의 용융 온도와 유사한 용융 온도를 갖는 실리콘 청동, 니켈 알루미늄 청동 또는 알루미늄 청동 기반 와이어일 수 있다. 물론, 원하는 기계적 그리고 용접 성능 특성에 맞추기 위하여 필러 와이어 조성물이 선택되어야 하는 반면에 동시에 용접될 피작업물 중 적어도 하나의 용융 특성과 유사한 용융 특성을 제공해야 한다는 것이 고려된다.In the above example, when using aluminum and steel workpieces, the filler wire may be silicon bronze, nickel aluminum bronze or aluminum bronze based wire having a melting temperature similar to the melting temperature of the workpiece. Of course, it is contemplated that the filler wire composition must be selected to meet the desired mechanical and welding performance characteristics, while at the same time providing melting characteristics similar to the melting characteristics of at least one of the workpieces to be welded.
도 11a 내지 도 11c는 이용될 수 있는 팁(160)의 다양한 실시예를 도시한다. 도 11a는 구성 및 작동 면에서 일반적인 아크 용접 접촉 팁과 매우 유사한 팁(160)을 도시한다. 본 명세서에서 설명된 바와 같은 핫 와이어 용접 동안에, 가열 전류는 전원 공급부(170)에서 접촉 팁(160)으로 향하며 그리고 팁(160)에서 와이어(140)로 향한다. 전류는 이후 와이어를 통하여 피작업물(W)에 대한 와이어(140)의 접촉을 통하여 피작업물로 향한다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 이 전류의 흐름은 와이어(140)를 가열시킨다. 물론, 도시된 바와 같이 전원 공급부(170)는 접촉 팁과 직접적으로 결합되지 않을 수 있으나, 팁(160)에 전류를 보내는 와이어 공급기(150)에 결합될 수 있다. 도 11b는 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 팁(160)은 2개의 요소(160 및 160')로 구성되어 전원 공급부(170)의 음극 단자가 제2 요소(160')에 결합된다. 이러한 실시예에서, 가열 전류는 제1 팁 요소(160)에서 와이어(140)로 흐르며 그리고 그후 제2 팁 요소(160') 내로 흐른다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 요소들(160 그리고 160') 사이에서의 와이어(140)를 통한 전류의 흐름으로 와이어가 가열된다. 도 11c는 또 다른 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 팁(160)은 팁(160)과 와이어(140)가 유도 가열을 통하여 가열되게 하는 유도 코일(1110)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 유도 코일(1110)은 접촉 팁(160)과 일체로 이루어질 수 있거나, 또는 팁(160)의 표면 둘레에 감겨질 수 있다. 물론, 용접 작업을 위하여 와이어가 원하는 온도를 이룰 수 있도록 팁이 필요한 가열 전류/전력을 와이어(140)에 전달하는 한 팁(160)에 관한 다른 구성이 이용될 수 있다.Figures 11A-11C illustrate various embodiments of the tip 160 that may be used. 11A shows a tip 160 that is very similar in construction and operation to a conventional arc welding contact tip. During hot wire welding as described herein, the heating current is directed from the power supply 170 to the contact tip 160 and from the tip 160 to the wire 140. The current is then directed to the workpiece through contact of the wire 140 to the workpiece W via the wire. This current flow, as described herein, causes the wire 140 to heat up. Of course, as shown, the power supply 170 may not be directly coupled to the contact tip, but may be coupled to a wire feeder 150 that provides current to the tip 160. 11b illustrates another embodiment of the present invention wherein the tip 160 is comprised of two elements 160 and 160 'and the cathode terminal of the power supply 170 is coupled to the second element 160' . In this embodiment, the heating current flows from the first tip element 160 to the wire 140 and then flows into the second tip element 160 '. The wire is heated by the flow of current through wire 140 between elements 160 and 160 'as described herein. 11C illustrates another exemplary embodiment in which tip 160 includes an induction coil 1110 that causes tip 160 and wire 140 to be heated through induction heating. In this embodiment, the induction coil 1110 may be integral with the contact tip 160, or it may be wrapped around the surface of the tip 160. Of course, other configurations for the tip 160 may be used to transfer the heating current / power to the wire 140 that require the tip to allow the wire to reach the desired temperature for the welding operation.
본 발명의 예시적인 실시예의 작동이 설명될 것이다. 위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 고강도 에너지원 그리고 필러 와이어를 가열하는 전원 공급부 모두를 이용한다. 이 공정의 각 양태는 차례로 논의될 것이다. 하기 설명 그리고 이전에 논의된 오버레잉 실시예에 관하여 이전에 제공된 설명의 어느 것을 대체 또는 대신하는 것으로 의도된 것이 아니며 용접 또는 접합 용례에 대하여 이 설명들을 보완하는 것으로 의도된 것임이 주목된다. 오버레잉 작동에 관한 이전의 설명이 또한 접합 및 용접의 목적에 관하여 포함된다.The operation of an exemplary embodiment of the present invention will be described. As discussed above, embodiments of the present invention utilize both a high intensity energy source and a power supply to heat the filler wire. Each aspect of this process will be discussed in turn. It is noted that it is not intended to replace or supersede any of the explanations provided above with respect to the following discussion and previously discussed overlaying embodiments, and is intended to supplement these descriptions for welding or joining applications. The previous description of the overlay operation is also included in connection and welding purposes.
접합/용접을 위한 예시적인 실시예가 도 1에 도시된 실시예와 유사할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 핫 와이어 전원 공급부(170)가 제공되며 이는 가열 전류를 필러 와이어(140)에 제공한다. 전류는 (어떠한 공지된 구성으로 이루어질 수 있는) 접촉 팁(160)으로부터 와이어(140)로 이동하며 그후 피작업물로 이동한다. 이 저항 가열 전류는 팁(160)과 피작업물 사이의 와이어(140)가 사용 중인 필러 와이어(140)의 용융 온도 또는 용융 온도 근처의 온도에 도달하게 한다. 물론 필러 와이어(140)의 용융 온도는 와이어(140)의 치수 및 화학적 성질에 따라 변화할 것이다. 따라서, 용접 동안 필러 와이어의 원하는 온도는 와이어(140)에 따라 달라질 것이다. 이하에서 더 논의될 바와 같이, 필러 와이어에 관한 원하는 운전 온도는 용접 동안에 원하는 와이어 온도가 유지되도록 용접 시스템으로 입력된 데이터일 수 있다. 어떠한 경우에도, 와이어의 온도는 용접 작업 동안에 와이어가 용접 퍼들 내로 소모되도록 되어야 한다. 예시적인 실시예에서, 와이어가 용접 퍼들로 들어감에 따라 필러 와이어(140)의 적어도 부분은 고형이다. 예를 들어, 와이어가 용접 퍼들로 들어감에 따라 필러 와이어의 적어도 30%는 고형이다.An exemplary embodiment for bonding / welding may be similar to the embodiment shown in Fig. As described above, a hot wire power supply 170 is provided that provides heating current to the filler wire 140. The current travels from the contact tip 160 (which can be of any known construction) to the wire 140 and then to the workpiece. This resistive heating current causes the wire 140 between the tip 160 and the workpiece to reach a melting temperature or a temperature near the melting temperature of the filler wire 140 in use. Of course, the melting temperature of the filler wire 140 will vary depending on the dimensions and chemical properties of the wire 140. Thus, the desired temperature of the filler wire during welding will vary according to the wire 140. As will be discussed further below, the desired operating temperature for the filler wire may be data entered into the welding system such that the desired wire temperature is maintained during welding. In any case, the temperature of the wire must be such that the wire is consumed into the weld puddle during the welding operation. In an exemplary embodiment, at least a portion of the filler wire 140 is solid as the wire enters the weld puddle. For example, at least 30% of the filler wire is solid as the wire enters the weld puddle.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 핫 와이어 전원 공급부(170)는 필러 와이어의 적어도 일부분을 그 용융 온도의 75% 또는 그 이상의 온도에서 유지시키는 전류를 공급한다. 예를 들어, 연강 필러 와이어(140)를 사용할 때, 퍼들로 들어가기 전의 와이어의 온도는 약 1,600℉일 수 있으나, 반면에 와이어는 약 2,000℉의 용융 온도를 갖는다. 물론, 각 용융 온도와 원하는 운전 온도는 필러 와이어의 적어도 합금, 성분, 직경 및 공급 속도에 따라 달라질 것이라는 점이 이해된다. 다른 예시적인 실시예에서, 전원 공급부(170)는 필러 와이어의 부분을 그 용융 온도의 90% 또는 그 이상의 온도에서 유지시킨다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 필러 와이어의 부분은 그 용융 온도의 95% 또는 그 이상인 와이어의 온도에서 유지된다. 예시적인 실시예에서, 와이어(140)는 가열 전류가 와이어(140) 및 퍼들로 전달되는 지점으로부터 온도 구배를 가질 것이며, 여기서 퍼들에서의 온도는 가열 전류의 입력점에서의 온도보다 높다. 와이어(140)의 효율적 용융을 용이하게 하기 위하여 와이어가 퍼들로 들어가는 지점 또는 그 근처에서 와이어(140)의 최고 온도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서 위에서 언급된 온도 백분율은 와이어가 퍼들로 들어가는 지점에서 또는 그 근처에서의 와이어 상에서 측정된다. 필러 와이어의 용융 온도에 근접한 온도에서 또는 용융 온도에서 필러 와이어(140)를 유지시킴으로써, 와이어(140)는 열원/레이저 장치(120)에 의하여 생성된 용접 퍼들 내로 쉽게 용융 또는 소모된다. 즉, 와이어(140)는 와이어(140)가 퍼들과 접촉할 때 용접 퍼들을 현저하게 담금질하는 것을 야기하지 않는 온도이다. 와이어(140)의 높은 온도 때문에 와이어는 용접 퍼들과 접촉할 때 빨리 용융된다. 와이어가 용접 풀 내에서 바닥에 있지 않고-용접 풀의 용융되지 않은 부분과 접촉하지 않도록 와이어 온도를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 접촉은 용접의 품질에 악영향을 줄 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the hot wire power supply 170 supplies a current that maintains at least a portion of the filler wire at a temperature of 75% or more of its melting temperature. For example, when using the mild steel filler wire 140, the temperature of the wire before entering the puddle may be about 1,600 [deg.] F, while the wire has a melting temperature of about 2,000 [deg.] F. Of course, it is understood that each melting temperature and the desired operating temperature will vary depending on at least the alloy, component, diameter and feed rate of the filler wire. In another exemplary embodiment, the power supply 170 maintains a portion of the filler wire at a temperature of 90% or more of its melting temperature. In another exemplary embodiment, the portion of the filler wire is maintained at a temperature of the wire that is 95% or more of its melting temperature. In an exemplary embodiment, the wire 140 will have a temperature gradient from where the heating current is delivered to the wire 140 and puddles, where the temperature in the puddles is higher than the temperature at the input point of the heating current. It is desirable to have the highest temperature of the wire 140 at or near the point where the wire enters the puddle to facilitate efficient melting of the wire 140. Thus, the temperature percentages mentioned above are measured on the wire at or near the point where the wire enters the puddle. The wire 140 is easily melted or consumed into the weld puddle created by the heat source / laser device 120, by holding the filler wire 140 at or near the melting temperature of the filler wire. That is, the wire 140 is a temperature that does not cause significant quenching of the weld puddle when the wire 140 contacts the puddle. Because of the high temperature of the wire 140, the wire melts quickly when contacting the weld puddle. It is preferred that the wire has a wire temperature so that it is not on the floor in the welding pool and does not contact the unfused portion of the welding pool. Such contact can adversely affect the quality of the weld.
전술한 바와 같이, 일부 예시적인 실시예에서, 와이어(140)의 완전한 용융은 퍼들 내로의 와이어(140)의 진입에 의해서만 용이해질 수 있다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 퍼들 및 와이어(140)의 부분에 영향을 주는 레이저 빔(110)의 조합에 의하여 와이어(140)는 완전하게 용융될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 와이어(140)의 가열/용융은 레이저 빔(110)에 의하여 도움을 받을 수 있어 빔(110)은 와이어(140)의 가열에 기여한다. 그러나, 많은 필러 와이어(140)가 반사 가능한 재료로 제조되기 때문에, 반사 레이저 종류가 사용된다면, 와이어의 표면 반사율이 감소되어 빔(110)이 와이어(140)의 가열/용융에 기여하는 것을 허용하는 온도로 와이어(140)는 가열되어야 한다. 이 구성의 예시적인 실시예에서, 와이어(140)와 빔(110)은 와이어(140)가 퍼들로 들어가는 지점에서 교차한다.As described above, in some exemplary embodiments, the complete melting of the wire 140 may be facilitated only by the entry of the wire 140 into the puddle. However, in another exemplary embodiment, the wire 140 can be completely melted by the combination of the puddle and the laser beam 110 affecting the portion of the wire 140. In another embodiment of the present invention, the heating / melting of the wire 140 can be assisted by the laser beam 110, which contributes to the heating of the wire 140. However, since many filler wires 140 are made of a reflective material, if the reflective laser type is used, the surface reflectance of the wire is reduced to allow the beam 110 to contribute to the heating / melting of the wire 140 Wire 140 should be heated to a temperature. In an exemplary embodiment of this configuration, wire 140 and beam 110 intersect at the point where wire 140 enters the puddle.
또한, 도 1과 관련하여 이전에 논의된 바와 같이, 전원 공급부(170) 및 컨트롤러(195)는 와이어(140)에 대한 가열 전류를 제어하여 용접 동안에 와이어(140)는 피작업물과의 접촉을 유지하며 그리고 아크는 발생하지 않는다. 아크 용접 기술과 반대로, 본 발명의 실시예로 용접할 때 아크의 존재는 현저한 용접 결함을 야기할 수 있다. 따라서, (위에서 논의된 실시예와 같은) 일부 실시예에서, 와이어(140)와 용접 퍼들 사이의 전압은 0 볼트 또는 거의 0 볼트에서 유지되어야 한다 -이는 와이어가 피작업물/용접 퍼들에 단락되거나 접촉하고 있음을 나타낸다.1, the power supply 170 and the controller 195 control the heating current for the wire 140 so that during the welding the wire 140 is in contact with the workpiece And no arcing occurs. Contrary to arc welding techniques, the presence of an arc when welding in an embodiment of the present invention can cause significant weld defects. Thus, in some embodiments (such as the embodiment discussed above), the voltage between the wire 140 and the weld puddle should be maintained at zero volts or nearly zero volts - because the wire is shorted to the workpiece / weld puddle Indicating contact.
그러나, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 아크가 생성됨이 없이 0 볼트 이상의 전압 레벨이 얻어지도록 이러한 레벨로 전류를 제공하는 것이 가능하다. 더 높은 전류 값을 이용함에 의하여 더 높은 레벨로 그리고 전극의 용융 온도에 가까운 온도에서 전극(140)을 유지하는 것이 가능하다. 이는 용접 공정이 더 빨리 진행하는 것을 허용한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 전원 공급부(170)는 전압을 모니터링하며, 그리고 전압이 0 볼트 이상의 일부 지점에서 전압 값에 도달 또는 접근함에 따라 아크가 생성되지 않는 것을 보장하기 위하여 전압 공급부(170)는 와이어(140)로 전류가 흐르는 것을 중지시킨다. 사용 중인 용접 전극(140)의 형태로 인하여 전압 임계 레벨은 전형적으로 적어도 부분적으로 변화할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에서, 임계 전압 기준은 6 볼트 또는 그 이하이다. 다른 예시적인 실시예에서, 임계 기준은 9 볼트 또는 그 이하이다. 다른 예시적인 실시예에서, 임계 레벨은 14 볼트 또는 그 이하이며, 부가적인 예시적인 실시예에서, 임계 레벨은 16 볼트 또는 그 이하이다. 예를 들어, 연강 필러 와이어를 사용할 때, 전압을 위한 임계 레벨은 하한 형태인 반면에, 스테인리스 강 용접을 위한 필러 와이어는 아크가 생성되기 전의 더 높은 전압을 다룰 수 있다.However, in another exemplary embodiment of the present invention, it is possible to provide current at this level so that a voltage level of zero volts or more is obtained without an arc being generated. It is possible to maintain the electrode 140 at a higher level and at a temperature close to the melting temperature of the electrode by utilizing a higher current value. This allows the welding process to proceed faster. In an exemplary embodiment of the present invention, the power supply 170 monitors the voltage and provides voltage to the voltage supply 170 (to ensure that no arc is generated as the voltage reaches or approaches the voltage value at some point above zero volts) Stops the flow of current to the wire 140. [ Due to the type of welding electrode 140 in use, the voltage threshold level will typically vary at least in part. For example, in some embodiments of the invention, the threshold voltage reference is 6 volts or less. In another exemplary embodiment, the threshold criterion is 9 volts or less. In another exemplary embodiment, the threshold level is 14 volts or less, and in a further exemplary embodiment, the threshold level is 16 volts or less. For example, when using a mild steel filler wire, the threshold level for voltage is the lower limit, while the filler wire for stainless steel welding can handle higher voltages before the arc is generated.
다른 예시적인 실시예에서, 임계값 이하의 전압 레벨을 유지하는 것보다는, 전압은 작동 범위 내에서 유지된다. 이러한 실시예에서, 필러 와이어의 용융 온도에서 또는 용융 온도 근처에서 그러나 용접 아크가 생성되지 않도록 전압 레벨 아래에서 필러 와이어를 유지하기에 충분한 높은 전류를 보장하는 최소값(minimum amount) 이상에서 전압을 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전압은 1 내지 16 볼트의 범위 내에서 유지될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 전압은 6 내지 9 볼트의 범위 내에서 유지된다. 다른 예에서, 전압은 2 내지 16 볼트로 유지될 수 있다. 물론, 원하는 용접 작업을 위하여 사용된 필러 와이어(140)에 의하여 원하는 작업 범위가 영향을 받을 수 있어 사용된 필러 와이어 또는 사용된 필러 와이어의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 용접 작업을 위하여 사용된 범위(또는 임계치)가 선택된다. 이러한 범위를 이용함에 있어, 범위의 하한은 용접 퍼들 내에서 필러 와이어가 충분하게 소모될 수 있는 전압에 대하여 설정되며, 그리고 범위의 상한은 아크의 생성이 방지되도록 전압에 대하여 설정된다.In another exemplary embodiment, rather than maintaining a voltage level below the threshold, the voltage is maintained within the operating range. In this embodiment, at a melting temperature of the filler wire or near the melting temperature, but keeping the voltage above a minimum amount which ensures a high current sufficient to hold the filler wire below the voltage level so that no welding arc is generated . For example, the voltage may be maintained within a range of 1 to 16 volts. In another exemplary embodiment, the voltage is maintained in the range of 6 to 9 volts. In another example, the voltage may be maintained at 2 to 16 volts. Of course, the desired working range may be influenced by the filler wire 140 used for the desired welding operation, so that the range used for the welding operation based at least in part on the characteristics of the used filler wire or filler wire used Or a threshold value) is selected. In utilizing this range, the lower limit of the range is set for the voltage at which the filler wire can be sufficiently consumed in the weld puddle, and the upper limit of the range is set for the voltage to prevent the generation of an arc.
이전에 설명된 바와 같이, 전압이 원하는 임계 전압을 초과함에 따라 전원 공급부(170)에 의하여 가열 전류는 차단되어 아크가 생성되지 않는다. 본 발명의 이 양태는 아래에서 더 설명될 것이다.As previously described, as the voltage exceeds the desired threshold voltage, the heating current is cut off by the power supply 170 and no arc is generated. This aspect of the invention will be further described below.
위에서 설명된 많은 실시예에서, 전원 공급부(170)는 위에서 설명된 바와 같이 전압을 모니터링하기 위하여 그리고 유지하기 위하여 이용된 회로를 포함한다. 이러한 형태의 회로의 구성은 당업자에게 공지되어 있다. 그러나, 전형적으로 아크 용접을 위한 어떤 임계치 이상에서 전압을 유지하기 위하여 이러한 회로가 이용되고 있다. In many of the embodiments described above, the power supply 170 includes circuitry used to monitor and maintain the voltage as described above. The construction of this type of circuit is known to those skilled in the art. However, these circuits are typically used to maintain voltage above a certain threshold for arc welding.
다른 예시적인 실시예에서, 가열 전류는 또한 전원 공급부(170)에 의하여 모니터링 및/또는 조절될 수 있다. 모니터링 전압, 전력 또는 어느 수준의 전압/암페어 수 특성에 더하여, 이는 대안으로서 행해질 수 있다. 즉, - 용접 퍼들 내에서의 적절한 소모를 위하여- 와이어(140)가 적절한 온도에서 유지되는 것을 보장하기 위하여 전류는 원하는 레벨 또는 레벨에서, 그러나 아직은 아크 발생 전류 레벨 이하에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예에서, 전압과 전류 중 하나 또는 모두가 특정 범위 내에 또는 원하는 임계치 아래에 있는 것을 보장하기 위하여 전압 및/또는 전류는 모니터링된다. 이후 아크가 생성되지 않는 것을 보장하기 위하여 그러나 원하는 작동 파라미터가 유지되는 것을 보장하기 위하여 전원 공급부는 공급된 전류를 조절한다.In another exemplary embodiment, the heating current may also be monitored and / or adjusted by power supply 170. In addition to the monitoring voltage, power or some level of voltage / amperage characteristics, this can be done as an alternative. That is, the current can be maintained at the desired level or level, but still below the arc generated current level, to ensure that the wire 140 is maintained at the proper temperature for proper consumption in the welding puddle. For example, in this embodiment, the voltage and / or current is monitored to ensure that one or both of the voltage and current are within a certain range or below a desired threshold. The power supply then adjusts the supplied current to ensure that no arcs are generated, but to ensure that desired operating parameters are maintained.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 가열 전력 (V×I) 또한 모니터링될 수 있고 그리고 전원 공급부(170)에 의하여 조절될 수 있다. 특히, 이러한 실시예에서, 원하는 레벨에 또는 원하는 범위 내에서 유지되도록 가열 전력에 관한 전압 및 전류는 모니터링된다. 따라서 전원 공급부는 와이어에 대한 전압 또는 전류를 조절할 뿐만 아니라 전류와 전압 모두를 조절할 수 있다. 이러한 실시예는 용접 시스템에 대한 개선된 제어를 제공할 수 있다. 이러한 실시예에서, 와이어에 대한 가열 전력은 상한 임계 레벨 또는 최적의 작동 범위로 설정될 수 있어 (전압과 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하게) 전력은 임계 레벨 아래에서 또는 원하는 범위 내에서 유지된다. 다시 한번, 임계치 또는 범위 설정은 필러 와이어 및 수행되고 있는 용접의 특징에 기초할 것이며, 그리고 선택된 필러 와이어에 -적어도 부분적으로- 기초를 둘 수 있다. 예를 들어, 0.045 인치의 직경을 갖는 연강 전극을 위한 최적의 전력 설정은 1950 내지 2050 와트의 범위 내에 있다. 전력이 이 작동 범위 내에 유지되도록 전원 공급부는 전압과 전류를 조정할 것이다. 유사하게, 전력 임계치가 2000 와트로 설정된다면, 전력 레벨이 이 임계치를 초과하지 않으나 이 임계치에 근접하도록 전압 공급부는 전압과 전류를 조정할 것이다.In another exemplary embodiment of the present invention, the heating power (V x I) may also be monitored and adjusted by the power supply 170. In particular, in this embodiment, the voltage and current relating to the heating power are monitored such that they are maintained at a desired level or within a desired range. Thus, the power supply can regulate both current and voltage as well as regulate the voltage or current to the wire. This embodiment can provide improved control over the welding system. In such an embodiment, the heating power for the wire may be set to an upper critical threshold level or an optimal operating range (similar to that described above with respect to voltage) so that the power is maintained below the critical level or within the desired range. Once again, the threshold or range setting will be based on the characteristics of the filler wire and the welding being performed, and may be based, at least in part, on the selected filler wire. For example, the optimal power setting for a mild steel electrode with a diameter of 0.045 inches is in the range of 1950 to 2050 watts. The power supply will adjust the voltage and current so that power is kept within this operating range. Similarly, if the power threshold is set at 2000 watts, the voltage supply will adjust the voltage and current so that the power level does not exceed this threshold but approaches this threshold.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 전원 공급부(170)는 가열 전압의 변화 속도(dv/dt), 전류의 변화 속도(di/dt) 및/또는 전력의 변화 속도(dp/dt)를 모니터링하는 회로를 포함한다. 이러한 회로는 흔히 예지 회로로 불리며, 이들의 일반적인 구성은 알려져 있다. 이러한 실시예에서, 전압, 전류 및/또는 전력의 변화 속도는 모니터링되어 변화 속도가 어떤 임계치를 초과한다면 와이어(140)로의 가열 전류는 끊어진다.In another exemplary embodiment of the present invention, the power supply 170 monitors the rate of change dv / dt of the heating voltage, the rate of change of current di / dt, and / or the rate of change of power dp / . Such circuits are often referred to as predictive circuits, and their general configuration is known. In this embodiment, the rate of change of voltage, current, and / or power is monitored and the heating current to wire 140 is broken if the rate of change exceeds a certain threshold.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 저항의 변화(dr/dt) 또한 모니터링된다. 이러한 실시예에서, 접촉 팁과 퍼들 사이에서의 와이어 내의 저항은 모니터링된다. 용접 동안에, 와이어가 가열됨에 따라 와이어는 넥 다운(neck down)되기 시작하고 그리고 아크를 형성하는 경향이 있으며, 그 동안 와이어 내의 저항이 기하급수적으로 증가한다. 이 증가가 감지될 때, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 전원 공급부의 출력은 끊어져 아크가 생성되지 않는 것을 보장한다. 와이어 내의 저항이 원하는 레벨에서 유지되는 것을 보장하기 위이하여 실시예는 전압, 전류 또는 전압과 전류를 조절한다.In an exemplary embodiment of the invention, the change in resistance (dr / dt) is also monitored. In this embodiment, the resistance in the wire between the contact tip and the puddle is monitored. During welding, as the wire is heated, the wire begins to neck down and tends to form an arc, during which the resistance in the wire increases exponentially. When this increase is sensed, the output of the power supply, as described herein, is cut off to ensure that an arc is not generated. To ensure that the resistance in the wire is maintained at the desired level, the embodiment adjusts the voltage, current, or voltage and current.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 임계 레벨이 감지될 때 가열 전류를 차단하기보다는, 전원 공급부(170)는 가열 전류를 비아크 발생 레벨로 감소시킨다. 이러한 레벨은 와이어가 용접 패들에서 분리된다면 아크가 발생하지 않을 백그라운드 전류 레벨이다. 예를 들어, 본 발명의 예시적인 실시예는 50 암페어의 비아크 발생 전류 레벨을 가질 수 있으며, 여기서 아크 발생이 감지 또는 예견되면 또는 (위에서 설명된) 상한 임계치에 도달되면, 설정된 시간 동안(예를 들어, 1 내지 10 밀리초) 또는 감지된 전압, 전류, 전력 및/또는 저항이 상한 임계치 아래로 떨어질 때까지 전원 공급부(170)는 가열 전류를 작동 레벨에서 비아크 발생 레벨로 떨어트린다. 이 비아크 발생 임계치는 전압 레벨, 전류 레벨, 저항 레벨 및/또는 전원 레벨일 수 있다. 이러한 실시예에서, -비록 낮은 레벨에서일지라도- 아크 발생 경우 동안 전류 출력을 유지함으로써, 보다 신속한 가열 전류 작동 레벨 복구를 야기할 수 있다.In another exemplary embodiment of the present invention, rather than blocking the heating current when the threshold level is sensed, the power supply 170 reduces the heating current to a non-arcing level. This level is the background current level at which no arc will occur if the wire is separated from the weld paddle. For example, an exemplary embodiment of the present invention may have a non-arcing current level of 50 amps, where if an arc occurrence is sensed or predicted or an upper threshold (as described above) is reached, The power supply 170 drops the heating current from the operating level to the non-arcing level until the sensed voltage, current, power, and / or resistance falls below the upper threshold. The non-arc generation threshold may be a voltage level, a current level, a resistance level, and / or a power level. In this embodiment, it is possible to cause a faster heating current operating level recovery by maintaining the current output during arcing, even at low levels.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 용접 작업 동안에 실질적인 아크가 생성되지 않도록 전원 공급부(170)의 출력은 제어된다. 일부 예시적인 용접 작업에서, 실시예에서, 필러 와이어(140)와 퍼들 사이에서 실질적인 아크가 생성되지 않도록 전원 공급부의 출력이 제어될 수 있다. 필러 와이어(140)의 말단과 용접 퍼들 사이의 물리적 갭 내에서 아크가 생성된다는 것은 일반적으로 알려져 있다. 설명된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 필러 와이어(140)를 퍼들과의 접촉 상태에서 유지시킴으로써 아크가 생성되는 것을 방지한다. 그러나, 일부 예시적인 실시예에서, 대단치 않은 아크의 존재는 용접의 질을 위태롭게 하지 않을 것이다. 즉, 일부 예시적인 용접 작업에서, 단시간의 대단치 않은 아크의 생성은 용접 품질을 위태롭게 할 수준의 열 입력을 야기하지 않을 것이다. 이러한 실시예에서, 아크를 완전하게 방지하는 것에 관하여 본 명세서에서 설명된 바와 같이 용접 시스템과 전원 공급부는 제어되고 작동되나, 아크가 생성되는 정도까지 아크가 대단치 않도록 전원 공급부(170)는 제어된다. 일부 예시적인 실시예에서, 생성된 아크가 10 ms보다 적은 지속 시간을 갖도록 전원 공급부(170)가 작동한다. 다른 예시적인 실시예에서, 아크는 1 ms보다 작은 지속 시간을 가지며, 다른 예시적인 실시예에서 아크는 300초보다 작은 지속 시간을 갖는다. 이러한 실시예에서, 아크가 용접부로 실질적인 열 입력을 주지 않거나 현저한 스패터 또는 기공율을 야기하지 않기 때문에 이러한 아크의 존재는 용접 품질을 위태롭게 하지 않는다. 따라서 이러한 실시예에서 용접 품질이 위태롭지 않도록 아크가 생성되는 정도까지 지속 기간 동안 아크가 대단치 않게 유지되게 전원 공급부(170)는 제어된다. 다른 실시예에 관하여 본 명세서에서 논의된 바와 같은 동일한 제어 로직 및 요소는 이들의 예시적인 실시예에서 사용될 수 있다. 그러나, 설정된 또는 예견된 아크 생성점 아래의 (전류, 전원, 전압, 저항의) 임계점보다는, 상한 허용 한계를 위하여 전원 공급부(170)는 아크 생성의 감지를 이용할 수 있다. 이러한 실시예는 용접 작업이 이 제한에 좀더 근접해서 이루어지게 할 수 있다.In another exemplary embodiment of the present invention, the output of the power supply 170 is controlled such that no substantial arcing is generated during the welding operation. In some exemplary welding operations, in an embodiment, the output of the power supply can be controlled such that no substantial arc is generated between the filler wire 140 and the puddle. It is generally known that an arc is created within the physical gap between the end of the filler wire 140 and the weld puddle. As described, exemplary embodiments of the present invention prevent arcing from being generated by keeping the filler wire 140 in contact with the puddle. However, in some exemplary embodiments, the presence of an inconsequential arc will not jeopardize the quality of the weld. That is, in some exemplary welding operations, the creation of a short-term, inconsequential arc will not result in a heat input at a level that would jeopardize the weld quality. In this embodiment, the welding system and the power supply are controlled and operated as described herein with respect to completely preventing the arc, but the power supply 170 is controlled such that the arc is not to such an extent that an arc is generated . In some exemplary embodiments, the power supply 170 operates such that the generated arc has a duration less than 10 ms. In another exemplary embodiment, the arc has a duration less than 1 ms, and in other exemplary embodiments the arc has a duration less than 300 seconds. In such an embodiment, the presence of such an arc does not jeopardize the weld quality, since the arc does not give substantial heat input to the weld or does not cause significant spatter or porosity. Thus, in this embodiment the power supply 170 is controlled such that the arc remains uninterrupted for a duration up to the extent that an arc is generated so that the weld quality is not compromised. The same control logic and elements as discussed herein with respect to other embodiments may be used in these exemplary embodiments. However, the power supply 170 may utilize the detection of arc generation for an upper limit, rather than a critical point (of current, power, voltage, resistance) below a set or predicted arc generation point. This embodiment may allow the welding operation to be made closer to this limit.
필러 와이어(1400)가 일정하게 단락된 상태(용접 퍼들과의 일정한 접촉)에 있는 것이 바람직하기 때문에, 전류는 느린 속도로 감쇠되는 경향이 있다. 이는 전원 공급부, 용접 케이블 및 피작업물 내에 존재하는 인덕턴스 때문이다. 일부 용례에서, 와이어 내의 전류가 고속으로 감소되도록 전류를 보다 빠른 속도로 감쇠되게 하는 것이 필요할 수 있다. 일반적으로, 전류가 빨리 감소될수록 접합 방법에 대한 제어는 더 우수하게 달성될 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 도달된 또는 초과된 임계치의 감지 후에 전류에 관한 램프 다운 시간은 1 밀리초이다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 전류에 관한 램프 다운 시간은 300 마이크로초 이하이다. 다른 예시적인 실시예에서, 램프 다운 시간은 100 내지 300 마이크로초 범위 이내이다.Because the filler wire 1400 is preferably in a constantly shorted state (constant contact with the welding puddle), the current tends to decay at a slow rate. This is due to the inductance present in the power supply, the welding cable and the workpiece. In some applications it may be necessary to have the current damped at a faster rate so that the current in the wire is reduced at high speed. In general, the faster the current is reduced, the better control over the bonding method will be achieved. In an exemplary embodiment of the invention, the ramp down time for current after detection of the reached or exceeded threshold is 1 millisecond. In another exemplary embodiment of the present invention, the ramp down time for current is less than or equal to 300 microseconds. In another exemplary embodiment, the ramp down time is within the range of 100 to 300 microseconds.
예시적인 실시예에서, 이러한 램프 다운 시간을 얻기 위하여 램프 다운 회로가 전원 공급부(170)로 도입되며, 이는 아크가 예견되거나 감지될 때 램프 다운 시간을 줄이는데 도움을 준다. 예를 들어, 아크가 감지되거나 예견될 때, 저항을 회로 내에 도입하는 램프 다운 회로는 열려진다. 예를 들어, 저항은 전류 흐름을 50 마이크로초 내에서 50 암페어 이하로 줄이는 형태일 수 있다. 이러한 회로의 간략화된 예가 도 18에 도시된다. 회로(1800)는 용접 회로 내로 위치된 레지스터(1801) 및 스위치(1803)를 갖고서 전원 공급부가 작동하고 있고 그리고 전류를 제공할 때 스위치(1803)는 닫힌다. 그러나, (아크의 생성을 방지하기 위하여 또는 아크가 감지될 때) 전원 공급부가 전원 공급을 멈출 때, 스위치는 유도된 전류를 레지스터(1801)를 통하여 강제 개방한다. 레지스터(1801)는 회로의 저항을 상당히 증가시키며 그리고 더 빠르게 전류를 줄인다. 이러한 회로 종류는 용접 산업 분야에 일반적으로 알려져 있으며 오하이오 클리블랜드의 링컨 일렉트릭 컴패니에 의하여 제조된 용접 전원 공급 장치인 파워 웨이브®에서 찾을 수 있으며, 이 장치는 표면-장력-전달 기술("STT")을 포함한다. STT 기술은 전체적으로 미국특허 제4,866,247, 제5,148,001호, 제6,051,810호 및 제7,109,439호에 설명되어 있으며, 이들은 전체적으로 본 명세서에서 참고적으로 포함된다. 물론, 이 특허들은 일반적으로 아크가 생성되고 유지되는 것을 보장하기 위하여 개시된 회로를 사용하는 것을 논의하며- 아크가 생성되지 않는 것을 보장하기 위하여 당업자는 이러한 시스템을 쉽게 조정할 수 있다.In an exemplary embodiment, a ramp down circuit is introduced into the power supply 170 to obtain this ramp down time, which helps to reduce the ramp down time when the arc is foreseen or detected. For example, when an arc is detected or predicted, the ramp-down circuit that introduces resistance into the circuit is opened. For example, the resistor may be in the form of reducing the current flow to less than 50 amps within 50 microseconds. A simplified example of such a circuit is shown in Fig. The circuit 1800 has a resistor 1801 and a switch 1803 located in the welding circuit such that the switch 1803 is closed when the power supply is operating and provides current. However, when the power supply stops supplying power (in order to prevent the generation of an arc or when an arc is detected), the switch forcibly opens the induced current through the resistor 1801. [ The resistor 1801 significantly increases the resistance of the circuit and reduces the current faster. These types of circuits are commonly found in the welding industry and can be found in PowerWave®, a welding power supply manufactured by Lincoln Electric Company of Cleveland, Ohio, which uses Surface-Tension-Transfer Technology ("STT") . The STT technology is generally described in U.S. Patent Nos. 4,866,247, 5,148,001, 6,051,810 and 7,109,439, which are incorporated herein by reference in their entirety. Of course, these patents generally discuss the use of the disclosed circuit to ensure that an arc is generated and maintained - one skilled in the art can readily adjust such a system to ensure that an arc is not generated.
예시적인 용접 시스템이 도시된 도 12를 참고로 하여 위의 설명은 더 이해될 수 있다 (명확함을 위하여 레이저 시스템이 도시되지 않았다는 점이 주목되어야 한다). (도 1에서 70으로 도시된 것과 유사한 형태일 수 있는) 핫 와이어 전원 공급부(1210)를 갖는 시스템(1200)이 도시된다. 전원 공급부(1210)는 인버터형 전원 공급부와 같은 공지된 용접 전원 공급 구성일 수 있다. 이러한 전원 공급부의 디자인, 작동 및 구성이 공지되어 있기 때문에, 이들은 본 명세서에서 상세하게 설명되지 않을 것이다. 전원 공급부(1210)는 사용자가 데이터를 입력하는 것을 허용하는 사용자 입력부(1220)를 포함하며, 여기서 데이터는 제한되지는 않지만, 와이어 공급 속도, 와이어 형태, 와이어 직경, 원하는 전원 레벨, 원하는 와이어 온도, 전압 및/또는 전류 레벨을 포함한다. 물론, 다른 입력 파라미터도 필요에 따라 이용될 수 있다. 사용자 입력 데이터를 수신하고 그리고 이 정보를 이용하여 전력 모듈(1250)에 관한 필요한 작동 설정 포인트 또는 범위를 생성하는 CPU/컨트롤러(1203)에 사용자 인터페이스(1220)가 결합된다. 전원 모듈(1250)은 인버터 또는 변압기형 모듈을 포함한, 임의의 공지된 형태 또는 구성일 수 있다.The above description can be better understood with reference to Figure 12, in which an exemplary welding system is shown (it should be noted that the laser system is not shown for clarity). There is shown a system 1200 having a hot wire power supply 1210 (which may be similar to that shown in FIG. 1 at 70). The power supply 1210 may be a known welding power supply configuration such as an inverter type power supply. Since the design, operation, and configuration of these power supplies are known, they will not be described in detail herein. The power supply 1210 includes a user input 1220 that allows the user to input data, wherein the data may include, but is not limited to, wire feed rate, wire shape, wire diameter, desired power level, desired wire temperature, Voltage and / or current level. Of course, other input parameters may also be used as needed. The user interface 1220 is coupled to the CPU / controller 1203 which receives the user input data and uses this information to generate the required operating set point or range for the power module 1250. The power module 1250 may be any known type or configuration, including an inverter or a transformer type module.
CPU/컨트롤러(1230)는 룩업 테이블을 이용하는 것을 포함하는 많은 방식으로 원하는 작동 파라미터를 결정할 수 있다. 이러한 실시예에서, [대략적으로 와이어(140)를 가열하기 위하여] 출력에 관한 원하는 전류 레벨과 임계 전압 또는 전력 레벨(또는 전압 또는 전력의 허용 가능한 작동 범위)을 결정하기 위하여 CPU/컨트롤러(1230)는 입력 데이터, 예를 들어 와이어 공급 속도, 와이어 직경 및 와이어 형태를 이용할 수 있다. 이는 적절한 온도로 와이어(140)를 가열하기 위하여 필요한 전류가 적어도 입력 파라미터에 기초를 둘 것이기 때문이다. 즉, 알루미늄 와이어(140)는 연강 전극보다 보다 낮은 용융 온도를 가질 수 있으며, 따라서 와이어(140)를 용융시키기 위하여 더 적은 전류/전력을 필요로 한다. 부가적으로, 보다 작은 직경의 와이어(140)는 더 넓은 직경의 전극보다 더 적은 전류/전력을 필요로 할 것이다. 또한, 와이어 공급 속도가 증가함에 따라(그리고 따라서 용착 속도), 와이어를 용융하기 위하여 필요한 전류/전력 레벨이 더 높아질 것이다.The CPU / controller 1230 may determine the desired operating parameters in a number of ways, including using a look-up table. In this embodiment, the CPU / controller 1230 determines the desired current level and the threshold voltage or power level (or the allowable operating range of the voltage or power) for the output (to roughly heat the wire 140) For example, wire feed rate, wire diameter, and wire shape. This is because the current required to heat the wire 140 to an appropriate temperature will be based at least on the input parameters. That is, the aluminum wire 140 may have a lower melting temperature than the mild steel electrode, thus requiring less current / power to melt the wire 140. Additionally, a smaller diameter wire 140 will require less current / power than a wider diameter electrode. In addition, as the wire feed rate increases (and therefore the deposition rate), the current / power level required to melt the wire will be higher.
유사하게는, 작동을 위한 전압/전력 임계치 및/또는 범위(예를 들어, 전력, 전류 및/또는 전압)를 결정하기 위하여 입력 데이터가 CPU/컨트롤러(1230)에 의하여 사용되어 아크의 생성이 방지될 것이다. 예를 들어, 0.045인치의 직경을 갖는 연강 전극은 6 내지 9 볼트의 전압 범위 설정을 가질 수 있으며, 여기서 전력 모듈(1250)은 6 내지 9 볼트 사이의 전압을 유지하기 위하여 구동된다. 이러한 실시예에서, 6 볼트의 최소값-이는 전류/전원이 전극을 적절하게 가열하기에 충분히 높은 것을 보장한다-을 유지하기 위하여 전류, 전압 및/또는 전력이 구동되며 그리고 전압을 9 볼트 또는 그 이하에서 유지시켜 아크가 생성되지 않는다는 것 그리고 와이어(140)의 용융 온도가 초과되지 않는다는 것을 보장한다. 물론, 원한다면 전압, 전류, 전력 또는 저항률 변화와 같은 다른 설정 포인트 파라미터 또한 CPU/컨트롤러(1230)에 의하여 설정될 수 있다.Similarly, input data may be used by the CPU / controller 1230 to determine the voltage / power threshold and / or range (e.g., power, current and / or voltage) Will be. For example, a mild steel electrode with a diameter of 0.045 inches may have a voltage range setting of 6 to 9 volts, where the power module 1250 is driven to maintain a voltage between 6 and 9 volts. In this embodiment, the current, voltage and / or power are driven to maintain a minimum value of 6 volts - which ensures that the current / power supply is high enough to adequately heat the electrode, and the voltage is 9 volts or less To ensure that an arc is not generated and that the melting temperature of the wire 140 is not exceeded. Of course, other set point parameters, such as voltage, current, power or resistivity variations, may also be set by the CPU / controller 1230, if desired.
도시된 바와 같이, 전원 공급부(1210)의 양극 단자(1221)가 핫 와이어 시스템의 접촉 팁(160)에 결합되며 그리고 전원 공급부의 음극 단자는 피작업물(W)에 결합된다. 따라서 가열 전류는 양극 단자(1221)를 통하여 와이어(140)에 공급되며 그리고 음극 단자(1222)를 통하여 되돌아온다. 이러한 구성은 일반적으로 공지되어 있다.The positive terminal 1221 of the power supply 1210 is coupled to the contact tip 160 of the hot wire system and the negative terminal of the power supply is coupled to the workpiece W. Thus, the heating current is supplied to the wire 140 through the positive terminal 1221 and returned through the negative terminal 1222. Such a configuration is generally known.
물론, 다른 예시적인 실시예에서, 음극 터미널(1222) 또한 팁(160)에 연결될 수 있다. 와이어(140)를 가열하기 위하여 저항 가열이 사용될 수 있기 때문에, 팁은 (도 11에 도시된 바와 같은) 와이어(140)를 가열하기 위하여 음극 및 양극 터미널(1221/1222)이 접촉 팁(140)에 결합된 구성일 수 있다. 예컨대, 접촉 팁(160)은 (도 11b에 도시된 바와 같은) 이중 구조를 가질 수 있거나 또는 (도 11c에 도시된 바와 같은) 인덕션 코일을 사용할 수 있다.Of course, in another exemplary embodiment, the cathode terminal 1222 may also be connected to the tip 160. [ Because the resistive heating may be used to heat the wire 140, the tip may be positioned such that the cathode and anode terminals 1221/1222 contact the contact tip 140 to heat the wire 140 (as shown in Figure 11) Lt; / RTI > For example, the contact tip 160 may have a dual structure (as shown in FIG. 11B) or it may use an induction coil (as shown in FIG. 11C).
피드백 감지 리드(1223) 또한 전원 공급부(1210)에 결합된다. 이 피드백 감지 리드는 전압을 모니터링할 수 있으며 또한 감지된 전압을 전압 감지 회로(1240)에 전달한다. 전압 감지 회로(1240)는 감지된 전압 및/또는 감지된 전압 속도 변화를 CPU/컨트롤러(1230)에 전달하며, CPU/컨트롤러는 따라서 모듈(1250)의 작동을 제어한다. 예를 들어, 감지된 전압이 원하는 작동 범위 아래에 있다면, CPU/컨트롤러(1230)는 감지된 전압이 원하는 작동 범위 내에 있을 때까지 출력(전류, 전압 및/또는 전력)을 증가시킬 것을 모듈(1250)에 지시한다. 유사하게, 감지된 전압이 원하는 임계치에 또는 임계치 위에 있다면, CPU/컨트롤러(1230)는 팁(160)으로의 전류 흐름을 차단하도록 모듈(1250)에 지시하며, 따라서 아크는 생성되지 않는다. 만일 전압이 원하는 임계치 아래로 떨어지면, CPU/컨트롤러(1230)는 전류 또는 전압 또는 전류와 전압 모두를 공급하여 용접 공정을 계속하도록 모듈(1250)에 지시한다. 물론, CPU/컨트롤러(1230)는 또한 원하는 전력 레벨을 유지 또는 공급할 것을 모듈(1250)에 지시할 수 있다.Feedback sense lead 1223 is also coupled to power supply 1210. This feedback sensing lead can monitor the voltage and also delivers the sensed voltage to the voltage sensing circuit 1240. [ The voltage sensing circuit 1240 delivers the sensed voltage and / or the sensed voltage speed change to the CPU / controller 1230, which then controls the operation of the module 1250. For example, if the sensed voltage is below a desired operating range, then the CPU / controller 1230 may determine that increasing the output (current, voltage and / or power) until the sensed voltage is within the desired operating range, ). Similarly, if the sensed voltage is at or above a desired threshold, the CPU / controller 1230 directs the module 1250 to block current flow to the tip 160, thus no arc is generated. If the voltage falls below a desired threshold, the CPU / controller 1230 directs the module 1250 to supply the current or voltage or both the current and the voltage to continue the welding process. Of course, the CPU / controller 1230 may also instruct the module 1250 to maintain or supply the desired power level.
감지 회로(1240) 및 CPU/컨트롤러(1230)는 도 1에 도시된 컨트롤러(195)의 구성 및 작동과 유사한 구성 및 작동을 가질 수 있다는 점이 주목된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 샘플링/감지 속도는 적어도 10 KHz이다. 다른 예시적인 실시예에서, 감지/샘플링 속도는 적어도 100 내지 200 KHz 범위 내에 있다.It is noted that the sensing circuit 1240 and the CPU / controller 1230 may have similar configuration and operation as the configuration and operation of the controller 195 shown in FIG. In an exemplary embodiment of the invention, the sampling / sensing rate is at least 10 KHz. In another exemplary embodiment, the sensing / sampling rate is in the range of at least 100 to 200 KHz.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시예에서 이용된 예시적인 전류 파형 및 전압 파형을 도시한다. 이들 파형 각각이 차례로 논의될 것이다. 도 13a는 전원 공급부 출력이 시작된 후에-아크 감지 후에 필러 와이어(140)가 용접 퍼들에 닿는 실시예에 관한 전압 파형 및 전류 파형을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전원 공급부의 출력 전압은 일부 작동 레벨에서 결정된 임계치(9 볼트) 이하였으며 그후 용접 동안에 이 임계값으로 증가한다. 작동 레벨은 (이전에 논의된) 다양한 입력 변수에 기초한 결정된 레벨일 수 있으며 그리고 설정된 작동 전압, 전류 및/또는 전력 레벨일 수 있다. 이 작동 레벨은 주어진 용접 작업을 위하여 전원 공급부(170)의 원하는 출력이며 그리고 원하는 가열 신호를 필러 와이어(140)에게 제공하기 위한 것이다. 용접 동안, 아크의 생성을 초래할 수 있는 경우가 발생할 수 있다. 도 13a에서, 이 경우는 전압의 증가를 야기하며 전압을 지점 A로 증가시킨다. 지점 A에서 전원 공급부/제어 회로는 9 볼트 임계치(이는 아크 감지점 또는 간단한 미리 결정된 상한 임계치일 수 있으며, 아크 생성점 아래일 수 있다)에 이르며 그리고 전원 공급부의 출력을 턴오프시켜 전류와 전압을 지점 B에서 감소된 레벨로 떨어지게 한다. 시스템 인덕턴스로부터 발생된 전류의 급격한 감소를 돕는 (본 명세서에서 논의된 봐 같은) 램프 다운 회로의 포함에 의하여 전류 강하의 기울기는 제어될 수 있다. 지점 B에서의 전류 또는 전압 레벨은 미리 결정될 수 있거나, 미리 결정된 지속 시간 후에 도달될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전압(또는 전류 또는 전력)을 위한 상한 임계치뿐만 아니라 하한 비아크 발생 레벨도 용접을 위하여 설정된다. 이 하한 레벨은 아크가 생성될 수 없는 것이 보장되는 하한 전압, 전류 또는 전력 레벨일 수 있어 전원 공급부로 복귀하는 것이 용인되며 그리고 아크가 생성되지 않을 것이다. 이러한 하한 레벨을 갖는 것은 전원 공급부가 신속하게 되돌아오는 것을 허용하며 그리고 아크가 생성되지 않는 것을 보장하는 것을 허용한다. 예를 들어, 용접을 위하여 전원 공급부 설정값이 11 볼트의 전압 임계치를 갖고 2,000 와트에서 설정되었다면, 이 하한 전력 설정은 500 와트에서 설정될 수 있다. 따라서, (실시예에 따라 전류 또는 전력 임계치일 수 있는) 상한 전압 임계치에 도달될 때, 출력은 500 와트로 줄어든다 (이 하한 임계치 또한 하한 전류, 전압 설정 또는 전류와 전압 설정일 수 있다). 대안적으로, 하한 감지 한계를 설정하는 것보다는, 설정된 지속 시간 후에 전류 공급을 시작하기 위하여 타이밍 회로가 이용될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 이 지속 시간은 500 내지 1000 밀리초 범위 내에 있을 수 있다. 도 13a에서, 지점 C는 출력이 와이어(140)에 다시 공급되는 시간을 나타낸다. 지점 B와 지점 C 사이에 도시된 지연은 의도적인 지연의 결과일 수 있거나 또는 단순히 시스템 지연의 결과일 수 있다는 점이 주목된다. 지점 C에서 전류는 다시 필러 와이어에 공급된다. 그러나 필러 와이어가 아직 용접 퍼들에 닿지 않기 때문에 전압은 증가하는 반면에 전류는 증가하지 않는다. 지점 D에서 와이어는 퍼들과 접촉하며 그리고 전압과 전류는 원하는 작동 레벨로 돌아가 안정된다. 도시된 바와 같이, 지점 D에서 접촉하기 전에 전압은 상한 임계치를 초과할 수 있으며, 이는 전원이 작동 임계치의 레벨보다 높은 OCV 레벨을 가질 때 발생할 수 있다. 예를 들어, 이보다 높은 OCV 레벨은 설계 또는 제조의 결과로서의 전원 공급부 내의 상한 한계 설정일 수 있다.13A-C illustrate exemplary current waveforms and voltage waveforms used in embodiments of the present invention. Each of these waveforms will be discussed in turn. 13A shows voltage waveforms and current waveforms for an embodiment in which the filler wire 140 touches the weld puddle after the power supply output has started-after arc sensing. As shown, the output voltage of the power supply was less than the threshold (9 volts) determined at some operating level and then increased to this threshold during welding. The operating level may be a determined level based on various input variables (discussed previously) and may be a set operating voltage, current, and / or power level. This operating level is the desired output of the power supply 170 for a given welding operation and is intended to provide the desired heating signal to the filler wire 140. During welding, it may occur that the arc can be generated. In Fig. 13A, this case causes an increase in voltage and increases the voltage to point A. Fig. At point A, the power supply / control circuit reaches a 9 volt threshold (which may be an arc detection point or a simple predetermined upper threshold and may be below the arc generation point) and turns off the output of the power supply to turn off the current and voltage Lt; RTI ID = 0.0 > B < / RTI > The slope of the current drop can be controlled by the inclusion of a ramp-down circuit (such as discussed herein) that helps to drastically reduce the current generated from the system inductance. The current or voltage level at point B may be predetermined or may be reached after a predetermined duration. For example, in some embodiments, an upper limit threshold for voltage (or current or power) as well as a lower limit non-arcing level is set for welding. This lower limit level may be a lower voltage, current, or power level that is guaranteed that an arc can not be generated so that returning to the power supply is acceptable and no arc will be generated. Having this lower limit level allows the power supply to quickly come back and allows to ensure that an arc is not generated. For example, if the power supply setpoint for the weld is set at 2,000 watts with a voltage threshold of 11 volts, this lower power setting can be set at 500 watts. Thus, when the upper voltage threshold (which may be a current or power threshold according to the embodiment) is reached, the output is reduced to 500 watts (this lower threshold may also be a lower current, voltage setting, or current and voltage setting). Alternatively, rather than setting the lower limit sensing limit, a timing circuit may be used to start the current supply after a set duration. In an exemplary embodiment of the invention, this duration may be in the range of 500 to 1000 milliseconds. In Fig. 13A, point C represents the time at which the output is fed back to the wire 140. It is noted that the delay shown between point B and point C may be the result of an intentional delay or simply a result of a system delay. At point C the current is fed back to the filler wire. However, since the filler wire does not touch the weld puddle yet, the voltage increases while the current does not increase. At point D, the wire contacts the puddle and the voltage and current return to the desired operating level to stabilize. As shown, the voltage before contact at point D may exceed the upper threshold, which may occur when the power supply has an OCV level higher than the level of the operating threshold. For example, a higher OCV level may be an upper limit setting in a power supply as a result of design or manufacture.
전원 공급부의 출력이 증가될 때 필러 와이어(140)가 용접 퍼들과 접촉하고 있다는 것을 제외하고 도 13b는 위에서 설명한 것과 유사하다. 이러한 상황에서, 지점 C 전에 와이어는 용접 퍼들을 절대 떠나지 않았으며 또한 와이어는 용접 퍼들과 접촉하였다. 출력이 다시 턴온할 때 와이어가 퍼들과 접촉하고 있기 때문에 도 13b는 지점 C 및 지점 D를 같이 도시한다. 따라서 전류와 전압은 지점 E에서의 원하는 작동 설정까지 증가한다.13B is similar to that described above except that the filler wire 140 is in contact with the weld puddle when the power supply's output is increased. In this situation, prior to point C, the wire never left the weld puddle and the wire also contacted the weld puddle. Figure 13b shows point C and point D together because the wire is in contact with the puddle when the output turns on again. Thus, the current and voltage increase to the desired operating setting at point E.
도 13c는 턴오프된 출력(점 A)과 다시 턴온된 출력(점 B) 사이에 지연이 거의 없거나 지연이 없고 지점 B 전에 얼마 동안 와이어가 퍼들과 접촉하는 실시예를 도시한다. 도시된 파형은 하한 임계치가 설정되어 -이것이 전류, 전력 또는 전압이든지 간에- 하한 임계치에 도달될 때 지연이 거의 없이 또는 지연 없이 출력이 다시 턴온되는, 위에서 설명된 실시예에서 이용될 수 있다. 이 하한 임계 설정이 본 명세서 내에서 설명된 동작 상한 임계치 또는 범위와 동일한 또는 유사한 파라미터를 이용하여 설정될 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 이 하한 임계치는 본 명세서에서 설명된 와이어 성분, 직경, 공급 속도 또는 다양한 다른 파라미터에 기초하여 설정될 수 있다. 이러한 실시예는 원하는 용접을 위한 작동 설정점으로의 복귀의 지연을 최소화할 수 있으며 그리고 와이어에서 발생할 수 있는 임의의 넥킹(necking)을 최소화할 수 있다. 넥킹의 최소화는 아크가 생성되는 기회를 최소화하는데 도움을 준다.13C shows an embodiment in which the wire contacts the puddle for some time before point B with little or no delay between the turned off output (point A) and the again turned on output (point B). The waveform shown can be used in the embodiment described above in which the lower limit threshold is set so that when the lower limit threshold is reached, whether it is current, power or voltage, the output is turned on again with little or no delay. It is noted that this lower threshold setting may be set using parameters that are the same or similar to the operating upper threshold or range described herein. For example, the lower threshold may be set based on the wire component, diameter, feed rate, or various other parameters described herein. This embodiment can minimize the delay in returning to the operating set point for the desired weld and minimize any necking that can occur in the wire. Minimizing the necking helps to minimize the chance that an arc is created.
도 14는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 14는 도 1에 도시된 실시예와 유사한 실시예를 도시한다. 그러나, 명확함을 위하여 어떤 요소와 연결은 도시되지 않는다. 도 14는 와이어(140)의 온도를 모니터링하기 위하여 열 센서(1410)가 이용된 시스템(1400)을 도시한다. 열 센서(1410)는 와이어(140)의 온도를 감지할 수 있는 임의의 공지된 형태일 수 있다. 와이어의 온도를 감지하기 위하여 센서(1410)는 와이어(140)와 접촉할 수 있거나 또는 팁(160)에 결합될 수 있다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1410)는 와이어(140)와 접촉하지 않고 -필러 와이어의 직경과 같은- 소형 물체의 온도를 감지할 수 있는 레이저 또는 적외선 빔을 이용한 형태이다. 이러한 실시예에서, 와이어(140)의 돌출부-이는 팁(160)과 용접 퍼들 간의 일부 지점이다-에서 와이어(140)의 온도가 감지될 수 있도록 센서(1410)가 위치된다. 와이어(140)를 위한 센서(1410)가 용접 퍼들 온도를 감지하지 않도록 센서(1410)는 또한 위치되어야 한다.Figure 14 shows another exemplary embodiment of the present invention. Fig. 14 shows an embodiment similar to the embodiment shown in Fig. However, for clarity, certain elements and connections are not shown. 14 illustrates a system 1400 in which a thermal sensor 1410 is used to monitor the temperature of wire 140. [ The thermal sensor 1410 may be of any known type capable of sensing the temperature of the wire 140. The sensor 1410 may be in contact with the wire 140 or may be coupled to the tip 160 to sense the temperature of the wire. In another exemplary embodiment of the present invention, the sensor 1410 is in the form of a laser or infrared beam that is capable of sensing the temperature of a small object, such as the diameter of a filler wire, without contacting the wire 140. In this embodiment, the sensor 1410 is positioned such that the temperature of the wire 140 can be sensed at the protrusion of the wire 140, which is some point between the tip 160 and the weld puddle. The sensor 1410 should also be positioned so that the sensor 1410 for the wire 140 does not sense the welding puddle temperature.
센서(1410)는 (도 1과 관련하여 논의된) 감지 및 제어 유닛(195)에 결합되어 시스템(1400)의 제어가 최적화될 수 있도록 온도 피드백 정보가 전원 공급부(170) 및/또는 레이저 전원 공급부(130)에 제공될 수 있다. 예컨대, 적어도 센서(1410)로부터의 피드백을 기초로 하여 전원 공급부(170)의 전력 또는 전류 출력은 조정될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서, 사용자가 [주어진 용접 및/또는 와이어(140)에 관한] 원하는 온도 설정을 입력할 수 있거나 또는 감지 및 제어 유닛이 다른 사용자 입력 데이터(와이어 공급 속도, 전극 형태 등)에 기초한 원하는 온도를 설정할 수 있으며, 그후 이 원하는 온도를 유지하기 위하여 감지 및 제어 유닛(195)은 적어도 전원 공급부(170)를 제어한다.Sensor 1410 is coupled to sensing and control unit 195 (discussed in conjunction with FIG. 1) to provide temperature feedback information to power supply 170 and / or laser power supply < RTI ID = 0.0 > (Not shown). For example, the power or current output of power supply 170 may be adjusted based at least on feedback from sensor 1410. [ That is, in an embodiment of the present invention, a user may enter a desired temperature setting [for a given weld and / or wire 140], or the sensing and control unit may input other user input data (wire feed rate, ), And then the sensing and control unit 195 controls at least the power supply 170 to maintain the desired temperature.
이러한 실시예에서, 와이어가 용접 퍼들 내로 들어가기 전에 와이어(140)에 영향을 주는 레이저 빔(110)으로 인하여 발생할 수 있는 와이어(140)의 가열을 설명할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 와이어(140) 내의 전류를 제어함으로써 전원 공급부(170)를 통해서만 와이어(140)의 온도가 제어될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 와이어(140)의 적어도 일부의 가열이 와이어(140)의 적어도 일부분에 영향을 주는 레이저 빔(110)에서 생길 수 있다. 이와 같이, 전원 공급부(170)로부터의 전류 또는 전력만이 와이어(140)의 온도를 대표할 수 없다. 이와 같이, 센서(1410)의 사용은 전원 공급부(170) 및/또는 레이저 전원 공급부(130)의 제어를 통하여 와이어(140)의 온도를 조절하는데 도움을 줄 수 있다.In this embodiment, heating of the wire 140 that may occur due to the laser beam 110 affecting the wire 140 before the wire enters the welding puddle may be accounted for. In an embodiment of the present invention, the temperature of the wire 140 can be controlled only through the power supply 170 by controlling the current in the wire 140. However, in other embodiments, heating of at least a portion of the wire 140 may occur in the laser beam 110 that affects at least a portion of the wire 140. In this way, only the current or power from the power supply 170 can not represent the temperature of the wire 140. Thus, the use of the sensor 1410 can help control the temperature of the wire 140 through the control of the power supply 170 and / or the laser power supply 130.
(또한 도 14에 도시된) 다른 예시적인 실시예에서 온도 센서(1420)는 용접 퍼들의 온도를 감지하는 것을 목적으로 한다. 이 실시예에서, 용접 퍼들의 온도 센서는 또한 감지 및 제어 유닛(195)에 결합된다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1420)는 레이저 전원 공급부(130)에 직접적으로 결합된다. 레이저 전원 공급부(130)/레이저 장치(120)로부터의 출력을 제어하기 위하여 센서(1420)로부터의 피드백이 사용된다. 즉, 원하는 용접 퍼들 온도가 이루어지는 것을 보장하기 위하여 레이저 빔(110)의 에너지 밀도는 변형될 수 있다.In another exemplary embodiment (also shown in FIG. 14), the temperature sensor 1420 is intended to sense the temperature of the welding puddle. In this embodiment, the temperature sensor of the welding pudes is also coupled to the sensing and control unit 195. However, in another exemplary embodiment, the sensor 1420 is directly coupled to the laser power supply 130. Feedback from the sensor 1420 is used to control the output from the laser power supply 130 / laser device 120. That is, the energy density of the laser beam 110 may be modified to ensure that the desired welding puddle temperature is achieved.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1420)가 퍼들을 향하게 하는 것보다는, 용접 퍼들에 인접한 피작업물의 영역을 향하게 할 수 있다. 특히, 용접부에 인접한 피작업물로의 열 입력이 최소화되는 것을 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 이 온도 민감 영역을 모니터링하기 위하여 센서(1420)가 위치될 수 있어 용접부에 인접한 영역의 임계 온도가 초과되지 않는다. 예를 들어, 센서(1420)는 피작업물 온도를 모니터링할 수 있으며 감지된 온도에 근거하여 빔(110)의 에너지 밀도를 줄일 수 있다. 이러한 구성은 용접 비드에 인접한 열 입력이 원하는 임계치를 초과하지 않는다는 것을 보장할 것이다. 이러한 실시예는 피작업물 내로의 열 입력이 중요한 정밀한 용접 작업에 이용될 수 있다.In another exemplary embodiment of the present invention, rather than having the sensor 1420 direct the puddle, it may direct an area of the workpiece adjacent to the weld puddle. In particular, it may be desirable to ensure that the heat input to the workpiece adjacent to the weld is minimized. The sensor 1420 can be positioned to monitor this temperature sensitive area so that the critical temperature of the region adjacent to the weld is not exceeded. For example, the sensor 1420 can monitor the workpiece temperature and reduce the energy density of the beam 110 based on the sensed temperature. This configuration will ensure that the heat input adjacent to the weld bead does not exceed the desired threshold. This embodiment can be used for precise welding operations in which heat input into the workpiece is important.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 감지 및 제어 유닛(195)은 와이어 공급 메커니즘(도시되지는 않으나, 도 1의 150 참조)에 결합된 공급력 감지 유닛(도시 생략)에 결합될 수 있다. 공급력 감지 유닛은 알려져 있으며 그리고 와이어(140)가 피작업물(115)로 공급되고 있음에 따라 와이어(140)에 가해지고 있는 공급력을 감지한다. 예를 들어, 이러한 감지 유닛은 와이어 공급기(150) 내의 와이어 공급 모터에 의하여 가해지고 있는 토크를 모니터링할 수 있다. 만일 와이어(140)가 완전한 용융없이 용융된 용접 퍼들을 통과한다면, 와이어는 피작업물의 고형 부분과 접촉할 것이며, 그리고 모터가 설정된 공급 속도를 유지하려고 함에 따라 이러한 접촉은 공급력이 증가하는 것을 야기할 것이다. 이러한 힘/토크의 증가는 감지될 수 있고 감지 및 제어 유닛(195)에 전달될 수 있다. 여기서, 퍼들 내에서의 와이어(140)의 적절한 용융을 보장하기 위하여 제어 유닛은 이 정보를 이용하여 와이어(140)로의 전압, 전류 및/또는 전력을 조절한다.In another exemplary embodiment of the present invention, sensing and control unit 195 may be coupled to a supply force sensing unit (not shown) coupled to a wire supply mechanism (not shown, but 150 in FIG. 1). The supply force sensing unit is known and detects the supply force being applied to the wire 140 as the wire 140 is being supplied to the workpiece 115. [ For example, this sensing unit may monitor the torque being applied by the wire feed motor in the wire feeder 150. If the wire 140 passes through the molten weld puddle without complete melting, the wire will contact the solid portion of the workpiece, and such contact will cause the feed force to increase as the motor attempts to maintain the set feed rate will be. This increase in force / torque can be sensed and transmitted to sensing and control unit 195. Here, the control unit uses this information to adjust the voltage, current, and / or power to the wire 140 to ensure proper melting of the wire 140 within the puddle.
본 발명의 일부 예시적인 실시예에서 와이어는 용접 퍼들로 일정하게 공급되지 않으나 원하는 용접 프로파일에 근거하여 간헐적으로 이루어질 수 있다는 점이 주목된다. 특히, 본 발명의 다양한 실시예의 융통성은 작업자 또는 제어 유닛(195)이 원하는 대로 와이어(140)의 퍼들 내로의 공급을 시작 및 정지시키는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 필러 재료[와이어(140)]의 사용을 필요로 하는 용접 조인트의 일부 부분 그리고 동일 조인트의 또는 필러 재료의 사용을 요구하지 않는 동일 피작업물 상의 다른 부분을 가질 수 있는 많은 다른 종류의 복잡한 용접 프로파일 및 기하학적 구조가 있다. 이와 같이, 용접의 제1 부분 동안에 조인트의 이 제1 부분의 레이저 용접을 야기하기 위하여 제어 유닛(195)은 레이저 장치(120)만을 가동할 수 있으나, 용접 작업이 -필러 금속의 사용을 요구하는- 용접 조인트의 제2 부분에 도달할 때, 컨트롤러(195)는 전원 공급부(170)와 와이어 공급기(150)가 용접 퍼들 내로의 와이어(140)의 용착을 시작하게 한다. 이후, 용접 작업이 제2 부분의 종단에 도달함에 따라 와이어(140)의 용착이 멈추어질 수 있다. 이는 다음의 퍼들의 한 부분과는 현저하게 다른 프로필을 갖는 연속적인 용접부 생성을 감안한다. 많은 별개의 용접 작업을 갖는 것과는 대조적으로, 이러한 능력은 피작업물이 단일 용접 작업에서 용접되는 것을 허용한다. 물론, 다양한 변형이 실행될 수 있다. 예를 들어, 용접부는 변화하는 형상, 깊이 및 필러 요구 조건과 함께 용접 프로파일을 요구하는 3개 이상의 뚜렷한 부분을 가질 수 있어 레이저와 와이어(140)의 사용은 각 용접부에서 다를 수 있다. 또한, 필요에 따라 부가적인 와이어가 추가 또는 제거될 수도 있다. 즉, 제1 용접 부분은 레이저 용접만을 필요로 할 수 있는 반면에, 제2 부분은 단지 단일의 필러 와이어(140)의 사용이 필요하고 그리고 용접부의 마지막 부분은 2개 이상의 필러 와이어의 사용을 필요로 한다. 연속적인 용접 작업에서 이러한 변화하는 용접 프로파일을 이루기 위하여 컨트롤러(195)는 다양한 시스템 요소를 제어할 수 있도록 구성될 수 있어 단일 용접 패스에서 연속적인 용접 비드가 생성된다.It is noted that in some exemplary embodiments of the present invention, the wire is not constantly fed into the welding puddle but may be made intermittently based on the desired weld profile. In particular, the flexibility of the various embodiments of the present invention enables the operator or control unit 195 to start and stop feeding the wire 140 into the puddle as desired. For example, some parts of the weld joint that require the use of a filler material (wire 140) and many other types of parts that may have other parts on the same workpiece that do not require the use of the same joint or filler material There is a complex weld profile and geometric structure. As such, the control unit 195 may only actuate the laser device 120 to cause laser welding of this first portion of the joint during the first portion of the weld, but the welding operation requires the use of a-filler metal When reaching the second portion of the weld joint, the controller 195 causes the power supply 170 and the wire feeder 150 to begin welding the wire 140 into the weld puddle. Thereafter, as the welding operation reaches the end of the second portion, the welding of the wire 140 can be stopped. This allows for the creation of successive welds with profiles that differ significantly from one part of the following puddles. In contrast to having many separate welding operations, this capability allows the workpiece to be welded in a single welding operation. Of course, various modifications can be made. For example, the welds may have three or more distinct portions that require a weld profile with varying shape, depth, and filler requirements, so the use of the laser and wire 140 may be different at each weld. In addition, additional wires may be added or removed as needed. That is, the first weld portion may only require laser welding, while the second portion only requires the use of a single filler wire 140 and the last portion of the weld requires the use of two or more filler wires . In order to achieve this changing welding profile in a continuous welding operation, the controller 195 can be configured to control various system components to produce continuous weld beads in a single welding pass.
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 용접시의 전형적인 용접 퍼들(P)을 도시한다. 이전에 설명된 바와 같이, 레이저 빔(110)은 피작업물(W)의 표면 내에 퍼들(P)을 생성한다. 용접 퍼들은 빔(110)의 에너지 밀도, 형상 및 이동의 함수인 길이(L)를 갖는다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 빔(110)은 용접 퍼들의 트레일링 에지로부터 거리(Z)를 두고 퍼들(P)을 향한다. 이러한 실시예에서, 고강도 에너지원[예를 들어, 레이저 장치(120)]은 그 에너지가 필러 와이어(140)에 직접적으로 영향을 주지 않게 하여 에너지원(120)이 와이어(140)를 용융시키지 않으며, 오히려 용접 퍼들과의 접촉 때문에 와이어(140)가 그 용융을 완료한다. 퍼들(P)의 트레일링 에지는 일반적으로 용융된 퍼들 종단 그리고 생성된 용접 비드(WB)가 고형화되기 시작하는 지점으로서 한정된다. 본 발명의 실시예에서, 거리(Z)는 퍼들(P)의 길이(L)의 50%이다. 다른 예시적인 실시예에서, 거리(Z)는 퍼들(P)의 길이(L)의 40 내지 75%의 범위 내에 있다.Figure 15 illustrates a typical welding puddle P during welding according to an exemplary embodiment of the present invention. As previously described, the laser beam 110 creates puddles P in the surface of the workpiece W. [ The weld pudes have a length L that is a function of the energy density, shape, and movement of the beam 110. In an exemplary embodiment of the present invention, beam 110 is directed at puddle P at a distance Z from the trailing edge of the weld puddle. In this embodiment, the high-intensity energy source (e.g., laser device 120) does not cause its energy to directly affect the filler wire 140 such that the energy source 120 does not melt the wire 140 , But rather the wire 140 completes its melting due to contact with the welding puddle. The trailing edge of the puddle P is generally defined as the point at which the molten puddle termination and the resulting weld bead WB begin to solidify. In an embodiment of the present invention, the distance Z is 50% of the length L of the puddle P. In another exemplary embodiment, the distance Z is in the range of 40 to 75% of the length L of the puddle P. [
도 15에 도시된 바와 같이, 필러 와이어(140)는 -용접의 이동 방향으로- 빔(110) 뒤에서 퍼들(P)에 충격을 준다. 도시된 바와 같이, 거리(X)만큼 퍼들(P)의 트레일링 에지 앞에서 와이어(140)는 퍼들(P)에 충격을 준다. 예시적인 실시예에서, 거리(X)는 퍼들(P)의 길이의 20 내지 60%의 범위 내에 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 거리(X)는 퍼들(P)의 길이의 30 내지 45%의 범위 내에 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 와이어(140)와 빔(110)은 퍼들(P)의 표면에서 또는 퍼들 위의 지점에서 가로질러 용접 공정 동안에 빔(110)의 적어도 일부가 와이어(140)에 영향을 미친다. 이러한 실시예에서, 퍼들(P) 내의 용착을 위하여 와이어(140)의 용융에 도움을 주도록 레이저 빔(110)이 이용된다. 만일 와이어(140)가 너무 차가워 퍼들(P) 내에서 신속하게 소모된다면, 와이어(140)의 용융에 도움을 주기 위하여 빔(110)을 이용하는 것은 와이어(140)가 퍼들(P)을 담금질하는 것을 방지하는데 도움을 준다. 그러나, 이전에 설명된 바와 같이, (도 15에 도시된 바와 같은) 일부 예시적인 실시예에서, 용접 퍼들의 열에 의해 용융이 완료됨에 따라 에너지원(120)과 빔(110)은 필러 와이어(140)의 임의의 부분을 눈에 띄게 용융시키지 않는다.As shown in FIG. 15, the filler wire 140 impacts the puddle P behind the beam 110 - in the direction of travel of the weld. As shown, the wire 140 impacts the puddle P in front of the trailing edge of the puddle P by the distance X. As shown in Fig. In an exemplary embodiment, the distance X is in the range of 20 to 60% of the length of the puddle P. In another exemplary embodiment, the distance X is in the range of 30 to 45% of the length of the puddle P. In another exemplary embodiment, the wire 140 and the beam 110 are configured to cause at least a portion of the beam 110 to affect the wire 140 during the welding process, either at the surface of the puddle P, It goes crazy. In this embodiment, a laser beam 110 is used to assist in melting the wire 140 for deposition in the puddle (P). If the wire 140 is too cold to quickly dissipate in the puddle P, then using the beam 110 to assist in melting the wire 140 may cause the wire 140 to quench the puddle P It helps to prevent. However, as previously described, in some exemplary embodiments (as shown in FIG. 15), as the melting of heat by the heat of the welding puders is completed, the energy source 120 and the beam 110 are separated from the filler wire 140 ≪ / RTI > does not noticeably melt.
도 15에 도시된 실시예에서, 와이어(140)는 빔(110)을 추종하며 빔(110)과 일직선을 이룬다. 그러나, 와이어(140)가 (이동 방향으로) 앞설 수 있음에 따라 본 발명은 이러한 구성에 제한되지 않는다. 더욱이, 이동 방향으로 빔과 일렬 상태인 와이어(140)를 갖는 것이 필요하지 않지만, 적절한 와이어 용융이 퍼들 내에서 발생하는 한 와이어는 임의의 방향으로부터 퍼들에 영향을 줄 수 있다.In the embodiment shown in FIG. 15, the wire 140 follows the beam 110 and is in line with the beam 110. However, the present invention is not limited to such a configuration as the wire 140 may advance (in the moving direction). Moreover, it is not necessary to have the wire 140 in line with the beam in the direction of movement, but as long as the appropriate wire melting occurs within the puddle, the wire can affect the puddle from any direction.
도 16a 내지 도 16f는 도시된 레이저 빔(110)의 풋프린트(footprint)와 함께 다양한 퍼들(P)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 일부 예시적인 실시예에서, 퍼들(P)은 원형 풋프린트를 갖는다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이러한 구성에 제한되지 않는다. 예를 들어, 퍼들은 타원형 또는 다른 형상도 가질 수 있다는 것이 고려된다.16A-16F show various puddles P with the footprint of the laser beam 110 shown. As shown, in some exemplary embodiments, the puddle P has a circular footprint. However, the embodiment of the present invention is not limited to this configuration. For example, it is contemplated that the puddles may have an elliptical or other shape.
또한, 도 16a 내지 도 16f에서는 원형 횡단면을 갖는 빔(110)이 도시된다. 다시, 용접 퍼들(P)을 효과적으로 생성하기 위하여 빔(110)이 타원형, 사각형 또는 다른 형상을 가질 수 있음에 따라 이와 관련하여 본 발명의 다른 실시예는 제한되지 않는다.16A-16F also show a beam 110 having a circular cross-section. Again, other embodiments of the present invention are not limited in this regard as the beam 110 may have an oval, square, or other shape to effectively create the weld puddle (P).
일부 실시예에서, 레이저 빔(110)은 용접 퍼들(P)에 관하여 정지 상태로 남아있을 수 있다. 즉, 용접 동안에 빔(110)은 퍼들(P)에 관하여 비교적 일관된 위치에 남아 있는다. 그러나, 도 16a 내지 도 16에서 간략화된 바와 같이, 다른 실시예는 이러한 방식으로 제한되지 않는다. 예컨대, 도 16a는 빔(110)이 퍼들(P) 주변에 원형 패턴으로 전달된 실시예를 도시한다. 이 도면에서, 빔(110) 상의 적어도 하나의 지점이 퍼들의 중심(C)에 항상 겹쳐지도록 빔(110)은 전달된다. 다른 실시예에서 원형 패턴이 사용되나, 빔(110)은 중심(C)과 접촉하지 않는다. 도 16b는 빔이 단일 선을 따라 전후로 전달되는 실시예를 도시한다. 이 실시예는 원하는 퍼들(P) 형상에 따라 퍼들(P)을 길게 그리고 넓게 하기 위하여 사용될 수 있다. 도 16c는 2개의 다른 빔 횡단면이 사용된 실시예를 도시한다. 제1 빔 횡단면(110)은 제1 기하학적 구조를 가지며, 그리고 제2 빔 횡단면(110')은 제2 횡단면을 갖는다. 이러한 실시예는 필요하다면 퍼들(P) 내의 지점에서 용입을 증가시키는 반면에 보다 넓은 퍼들 크기를 아직 유지하기 위하여 사용된다. 이 실시예는 레이저 렌즈 및 광학 요소(optic)의 사용을 통하여 빔 형상을 변화시킴에 의하여 단일의 레이저 장치(120)로 달성될 수 있거나, 다수의 레이저 장치(120)의 사용을 통하여 달성될 수 있다. 도 16d는 퍼들(P) 내의 타원형 패턴으로 전달된 빔(110)을 도시한다. 다시, 필요에 따라 용접 퍼들(P)을 길게 하거나 또는 넓히기 위하여 이러한 패턴이 사용될 수 있다. 퍼들(P)을 생성하기 위하여 다른 빔(110) 전달이 이용될 수 있다.In some embodiments, the laser beam 110 may remain stationary with respect to the weld puddle (P). That is, the beam 110 remains in a relatively coherent position relative to the puddle P during welding. However, as is simplified in Figs. 16A-16, other embodiments are not limited in this manner. For example, FIG. 16A illustrates an embodiment in which the beam 110 is delivered in a circular pattern around the puddle P. In this figure, the beam 110 is transmitted such that at least one point on the beam 110 is always superimposed on the center C of the puddles. In another embodiment, a circular pattern is used, but the beam 110 is not in contact with the center C. 16B shows an embodiment in which the beam is transmitted back and forth along a single line. This embodiment can be used to lengthen and widen the puddle P according to the desired puddle (P) shape. Figure 16c shows an embodiment in which two different beam cross sections are used. The first beam cross-section 110 has a first geometry and the second beam cross-section 110 'has a second cross-section. This embodiment is used to maintain the wider puddle size while increasing the penetration at the point in the puddle P if necessary. This embodiment may be achieved with a single laser device 120 by varying the beam shape through use of a laser lens and an optical element or may be accomplished through the use of multiple laser devices 120 have. 16D shows the beam 110 delivered in an elliptical pattern in the puddle (P). Again, this pattern can be used to lengthen or widen the welding puddles P as needed. Another beam 110 transfer may be used to generate the puddle (P).
도 16e 및 도 16f는 다른 빔 강도를 이용하는 피작업물(W)과 퍼들(P)의 횡단면을 도시한다. 도 16e는 와이어 빔(110)에 의하여 생성된 얕은 보다 넓은 퍼들(P)을 도시하는 반면에, 도 16f는 -전형적으로 "키홀"로 언급된- 보다 깊은 그리고 좁은 용접 퍼들(P)을 도시한다. 이 실시예에서 빔은 집속되어 그 초점이 피작업물(W)의 상부 표면 근처에 있다. 이러한 초점으로 빔(110)은 피작업물의 전체 깊이를 통하여 침투할 수 있으며 그리고 피작업물(W)의 바닥 표면 상에서 백 비드(back bead)를 생성하는데 도움을 준다. 빔 강도와 형상은 용접 동안의 용접 퍼들의 원하는 특성에 기초하여 결정된다.16E and 16F show cross sections of the workpiece W and puddle P using different beam intensities. Figure 16e shows the shallow wider puddles P produced by the wire beam 110, while Figure 16f shows deeper and narrower weld puddles P - typically referred to as "keyholes" . In this embodiment, the beam is focused and its focus is near the upper surface of the workpiece W. [ With this focus the beam 110 can penetrate through the entire depth of the workpiece and help create a back bead on the bottom surface of the workpiece W. [ The beam intensity and shape are determined based on the desired characteristics of the weld puddles during welding.
다른 임의의 공지된 방법 및 장치에 의하여 레이저 장치(120)는 이동, 전달 또는 작동될 수 있다. 레이저의 이동과 광학 요소는 일반적으로 공지되어 있기 때문에 본 명세서에서 이들은 상세히 설명되지 않을 것이다. 도 17은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 시스템(1700)을 도시하며, 여기서 레이저 장치(120)는 이동될 수 있고 작동 동안에 변화 또는 조정되는 (렌즈와 같은) 광학 요소를 가질 수 있다. 이 시스템(1700)은 감지 및 제어 유닛(195)을 모터(170)와 광학 구동 유닛(1720)에 결합시킨다. 모터(170)는 레이저를 이동시키거나 또는 전달하여 용접 동안에 용접 퍼들에 대한 빔(110)의 위치가 이동된다. 예를 들어, 모터(1710)는 빔(110)을 전후로 전달할 수 있으며 빔을 원형 패턴 등으로 이동시킬 수 있다. 유사하게, 광학 구동 유닛(1720)은 감지 및 제어 유닛(195)으로부터 지시를 받아 레이저 장치(120)의 광학 요소를 제어한다. 예를 들어, 광학 구동 유닛(1720)은 빔(110)의 초점이 피작업물의 표면에 대하여 이동 또는 변화되도록 하며, 따라서 용접 패들의 용입 또는 깊이를 변화시킨다. 유사하게, 광학 구동 유닛(1720)은 레이저 장치(120)의 광학 요소가 빔(110)의 형상을 변화시키게 한다. 이와 같이, 용접 동안에 감지 및 제어 유닛(195)은 레이저 장치(120)와 빔(110)을 제어하여 작업 동안 용접 퍼들의 특성을 유지 및/또는 변형시킨다.The laser device 120 may be moved, transferred, or actuated by any other known method and apparatus. Since the movement of the laser and the optical elements are generally known, they will not be described in detail herein. Figure 17 illustrates a system 1700 in accordance with an exemplary embodiment of the present invention, wherein the laser device 120 may have optical elements (such as lenses) that can be moved and changed or adjusted during operation. The system 1700 couples the sensing and control unit 195 to the motor 170 and the optical drive unit 1720. The motor 170 moves or transfers the laser to move the position of the beam 110 relative to the welding puddle during welding. For example, the motor 1710 can transfer the beam 110 back and forth, and can move the beam in a circular pattern or the like. Similarly, the optical drive unit 1720 receives an indication from the sensing and control unit 195 to control the optical elements of the laser device 120. [ For example, the optical drive unit 1720 causes the focus of the beam 110 to move or change relative to the surface of the workpiece, thus changing the penetration or depth of the weld paddle. Similarly, the optical drive unit 1720 causes the optical elements of the laser device 120 to change the shape of the beam 110. As such, during welding, the sensing and control unit 195 controls the laser device 120 and the beam 110 to maintain and / or deform the characteristics of the welding puddle during operation.
도 7b를 참고하여 위에서 설명된 바와 같이, 본 발명과 일관된 핫 와이어 레이저 용접은 아크형 또는 레이저 용접 공정만으로는 어려웠을 좁은 갭 용접을 고려한다. 위에서 논의된 이점에 더하여, 본 발명의 핫 와이어 레이저 용접은 전형적인 아크 용접 공정으로는 가능하지 않았을, 예를 들어 10 ㎜ 미만의 얇은 벽 피작업물의 용접을 감안한다. 이는 특히 용접 깊이가 재료의 깊이보다 길이 면에서 길 때 사실이다. 예를 들어, 도 20a에 도시된 바와 같이, 조인트 깊이는 각 피작업물(115A/115B)의 두께보다 길다. 즉, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 조인트 깊이 또는 용접 비드 깊이는 적어도 하나의 피작업물의 두께보다 (길이 면에서) 깊으며, 그리고 다른 실시예에서, 비드는 양 피작업물의 두께보다 깊다. 그러나, GMAW와 같은 아크 공정은 이러한 공정에서 요구되는 과도한 필러 재료 때문에 피작업물을 일그러뜨릴 수 있는 넓은 용접 퍼들과 더 높은 열 입력을 갖는 경향이 있다. 이는 위에서 논의된 바와 같이 차폐 가스를 제공하기 위하여 그리고 용접 그루브의 철을 함유한 측벽이 아크를 간섭하는 것을 방지하기 위하여 아크 공정이 넓은 갭을 필요로 하기 때문이다. 과도한 필러 재료를 용융시키기 위하여 요구되는 열 입력은 얇은 벽의 피작업물을 일그러뜨릴 수 있다.As discussed above with reference to Figure 7b, hot wire laser welding consistent with the present invention allows narrow gap welding, which was difficult only with an arc or laser welding process. In addition to the advantages discussed above, hot wire laser welding of the present invention allows for welding of thin wall workpieces, for example less than 10 mm, which would not have been possible with typical arc welding processes. This is especially true when the depth of the weld is longer than the depth of the material. For example, as shown in Fig. 20A, the joint depth is longer than the thickness of each workpiece 115A / 115B. That is, in an exemplary embodiment of the invention, the joint depth or weld bead depth is deeper (in the length dimension) than the thickness of at least one workpiece, and in another embodiment the bead is deeper than the thickness of both workpieces. However, arc processes such as GMAW tend to have wider weld puddles and higher heat input that can distort the workpiece due to the excessive filler material required in such processes. This is because the arc process requires a wide gap in order to provide shielding gas as discussed above and to prevent the iron containing sidewalls of the weld groove from interfering with the arc. The heat input required to melt the excess filler material can distort thin workpieces.
조인트 갭을 좁히기 위한 시도는 아크 용접 공정에서 다른 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어, 도 20a에 도시된 바와 같이, 아크형 공정에서 용접 퍼들은 깊게 용입됨이 없이 조인트를 연결할 수 있으며, 이는 마무리된 조인트에서 스트레스 라이저(stress riser)를 야기할 수 있다. 또한, 도 20a에 도시된 바와 같이, 얇은 벽 피작업물(115A 및 115B)을 접합할 때, 아크형 공정은 넓은 용접 캡을 가질 수 있으며, 이 캡은 용접부의 깊이를 결정하는 것을 어렵게 할 수 있다. 전형적으로, 피작업물(115B) 상의 가시적인 열 라인(116)은 용접 퍼들의 용입 깊이의 표시, 즉 용접 조인트의 바닥의 표시를 제공한다. 그러나, GMAW 공정과 같은 전형적인 아크 용접 공정에서의 넓은 용접 캡은 피작업물(115B)과 같은 얇은 피작업물의 외측 에지를 덮을 것이다. 피작업물의 상단 외측 에지는 용접 조인트의 상단에 대응한다. 피작업물(115B)의 상단 외측 에지(즉, 용접 조인트의 상단)가 어디에 있는지 알지 않고서는, 용입 깊이를 아는 것은 어려울 것이다.Attempts to narrow the joint gap can cause other problems in the arc welding process. For example, in an arc-type process, as shown in FIG. 20A, the weld pawls can connect the joint without being deeply penetrated, which can cause a stress riser in the finished joint. Further, as shown in Fig. 20A, when joining the thin wall workpieces 115A and 115B, the arc-type process can have a wide welding cap, which makes it difficult to determine the depth of the weld have. Typically, the visible thermal lines 116 on the workpiece 115B provide an indication of the depth of penetration of the weld paws, i.e., an indication of the bottom of the weld joint. However, a wide welding cap in a typical arc welding process, such as a GMAW process, will cover the outer edge of a thin workpiece, such as workpiece 115B. The upper outer edge of the workpiece corresponds to the upper end of the weld joint. Without knowing where the upper outer edge of the workpiece 115B (i.e., the upper end of the weld joint) is, it will be difficult to know the penetration depth.
열 입력과 용접 캡 치수에 관한 위의 단점들이 레이저 용접 공정에서 제어될 수 있는 반면에, 레이저 공정은 다른 문제점을 갖는다. 예를 들어, 레이저 용접 공정에서, 피작업물을 용융시키기 위한 그리고 용접 퍼들을 형성하기 위한 강도를 제공하기 위하여 클래딩식 공정에서보다 레이저는 더 집속된다. 그러나 피작업물은 전형적으로 매우 단단히 끼워져야, 예를 들어 1 ㎜ 갭보다 작은 갭을 갖고 끼워져야 한다. 그렇지 않으면, 레이저는 조인트 내의 갭을 통하여 발사될 것이며 및/또는 레이저에 의하여 형성된 용접 퍼들은 갭을 이을 수 없을 것이다.While the above drawbacks with respect to heat input and weld cap dimensions can be controlled in the laser welding process, the laser process has other problems. For example, in a laser welding process, the laser is more focused than in a cladding process to provide strength for melting the workpiece and for forming weld puddles. However, the workpiece typically has to be very tightly fitted, e.g. with a gap smaller than a 1 mm gap. Otherwise, the laser will be fired through the gap in the joint and / or the weld pads formed by the laser will not be able to cover the gap.
도 20b에 도시된 바와 같이, 본 발명과 일치하는 핫 와이어 레이저 용접 공정은 위에서 논의된 단점을 극복할 수 있다. 또한, 이것이 핫 와이어 레이저 공정이기 때문에 공정과 관련된 스패터가 거의 없거나 전혀 없으며 그리고 차폐 가스가 요구되지 않는다. 레이저 장치와 핫 와이어의 구조 및 제어는 레이저 장치(120)와 핫 와이어(140)에 관하여 도 7b에 도시된 것과 유사할 것이다. 따라서 핫 와이어 레이저 시스템의 구조 및 제어는 더 논의되지 않는다. 도 20b로 돌아가서, 피작업물(115A 및 115B)은 좁은 간격(GP)을 갖고 배치된다. 갭(GP)은 피작업물(115A 및 115B) 그리고 핫 필러 와이어(140)의 용융에 의하여 형성된 용접 비드의 연결 능력에 좌우된다. 그러나, 갭(GP)은 와이어(140)의 직경의 1 내지 3배 범위 내의 평균 갭 폭을 가질 것이라는 점이 고려된다. 다른 예시적인 실시예에서, 갭 폭은 와이어(140)의 직경의 1 내지 2배 범위 내에 있을 것이다. 일반적으로, 평균 갭 폭은 조인트 깊이에 관한 조인트의 측벽들 간의 평균 거리를 언급한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 레이저 장치(120)와 핫 와이어(140)는 핫 와이어(140)의 직경의 약 2배인 용접 퍼들을 생성할 것이다. 또한, (위에서 논의된) 본 발명의 실시예의 특성 때문에, 본 발명의 공정은 핫 와이어(140)의 직경의 4 내지 10배 범위 내의 용입 깊이를 가질 수 있는 반면에, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서는 용입 깊이가 핫 와이어(140)의 직경의 6 내지 10배 범위 내일 수 있다. 위의 설명이 "용입" 깊이를 언급하였을지라도, 이는 또한 빌드업 깊이를 포함하기 위한 것으로 이해된다는 점이 주목되어야 한다.As shown in Fig. 20B, the hot wire laser welding process consistent with the present invention can overcome the disadvantages discussed above. Also, since this is a hot wire laser process, there is little or no spatters associated with the process and no shielding gas is required. The structure and control of the laser device and the hot wire will be similar to that shown in FIG. 7B with respect to the laser device 120 and the hot wire 140. The structure and control of the hot wire laser system is therefore not discussed further. Returning to Fig. 20B, the workpieces 115A and 115B are arranged with a narrow gap GP. The gap GP depends on the ability of the weld beads to be formed by the melting of the workpieces 115A and 115B and the hot filler wire 140. [ However, it is contemplated that the gap GP will have an average gap width in the range of one to three times the diameter of the wire 140. [ In another exemplary embodiment, the gap width will be in the range of one to two times the diameter of the wire 140. Generally, the average gap width refers to the average distance between the sidewalls of the joint with respect to the depth of the joint. In an exemplary embodiment of the present invention, the laser device 120 and the hot wire 140 will produce welding puffs that are about twice the diameter of the hot wire 140. Also, because of the characteristics of the embodiments of the present invention (discussed above), the process of the present invention may have a penetration depth in the range of 4 to 10 times the diameter of the hot wire 140, while other exemplary embodiments of the present invention In the example, the penetration depth may be in the range of 6 to 10 times the diameter of the hot wire 140. It should be noted that although the above description refers to "penetration" depth, it is also understood to include buildup depth.
예를 들어, 도 20a에 도시된 바와 같이, 피작업물들 사이에서의 갭의 존재 때문에 레이저가 피작업물의 전체 깊이를 관통할 필요가 없으며, 그보다는 도시된 바와 같은 조인트 갭 내에 용접 비드를 빌드업하기 위하여 이용된다. 일부 실시예가 조인트를 빌드업할 것이기 때문에 피작업물을 완전하게 뚫고 나가는 것과는 대조적으로, 피작업물을 키홀하기 위하여 레이저를 사용하는 것보다 더 적은 레이저 에너지가 필요할 것이다. 또한, 본 발명의 실시예의 이점 때문에 피작업물의 두께는 비교적 얇을 수 있다. 예를 들어, 도 20b에 도시된 바와 같이, 주목할만한 찌그러짐을 야기하지 않고 피작업물(115A 및 115B)은 용접 조인트에서 4 내지 15 ㎜ 범위 내의 두께를 가질 수 있으며, 일부 실시예에서는 4 내지 10 ㎜ 범위 내일 수 있다. 이러한 두께는 용접 조인트의 깊이에 관한 용접 조인트에서의 피작업물(들)의 평균 두께일 것이며 그리고 용접 조인트의 전체 길이에 관한 두께일 수도 또는 아닐 수도 있다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예는 매우 좁은 갭 폭 그러나 깊은 용입을 갖는 용접 조인트를 제공할 수 있으며, 이는 전형적인 용접 작업을 통하여 달성될 수 없다.For example, as shown in FIG. 20A, the presence of a gap between the workpieces does not require the laser to penetrate the entire depth of the workpiece, and instead builds up the weld bead within the joint gap as shown . Because some embodiments will build up the joints, less laser energy will be needed than using a laser to keyhole the workpiece, as opposed to completely penetrating the workpiece. Moreover, the thickness of the workpiece can be relatively thin due to the advantages of the embodiment of the present invention. For example, as shown in FIG. 20B, without causing notable distortion, the workpieces 115A and 115B may have a thickness in the range of 4 to 15 mm in the welded joint, and in some embodiments 4 to 10 mm It can be in range. This thickness will be the average thickness of the workpiece (s) in the weld joint with respect to the depth of the weld joint and may or may not be the thickness of the entire length of the weld joint. Thus, an exemplary embodiment of the present invention can provide a weld joint with a very narrow gap width but deep penetration, which can not be achieved through a typical welding operation.
도 20b에 도시된 바와 같이, 위에서 설명된 핫 와이어 레이저 공정은 일반적인 아크 용접 공정보다 더 적은 필러 재료와 열 입력을 이용하여 조인트의 루트 내로 잘 들어가는 용접 용입을 생산하며 그리고 강한 조인트를 형성한다. 또한, 용입 속도와 와이어 공급 속도는 전형적인 아크 용접 공정과 견줄 만하다. 예를 들어, 용접 파라미터에 기초하여 100 imp(분당 인치)보다 큰 이동 속도와 400 imp보다 큰 와이어 공급 속도가 달성될 수 있다는 점이 예상된다. 또한 아크형 공정에서와 같이 용접 캡이 얇은 벽 피작업물(115B)의 상단 에지를 덮지 않기 때문에 용접부를 검사하는 것이 보다 쉽다. 피작업물(115B)의 상단 외측 에지가 가시적이기 때문에, 조인트의 상단(상단 에지)과 조인트의 바닥(열 라인(116)) 간의 거리가 쉽게 측정될 수 있다.As shown in FIG. 20B, the hot wire laser process described above produces weld penetration that penetrates well into the root of the joint using less filler material and heat input than conventional arc welding processes, and forms a strong joint. In addition, penetration rate and wire feed rate are comparable to typical arc welding processes. For example, it is expected that a traveling speed greater than 100 imp (inches per minute) and a wire feed speed greater than 400 imp can be achieved based on the welding parameters. It is also easier to inspect the welded portion since the welding cap does not cover the upper edge of the thin wall workpiece 115B as in the arc type process. Since the upper outer edge of the workpiece 115B is visible, the distance between the upper end (upper edge) of the joint and the bottom of the joint (column line 116) can be easily measured.
도 1, 도 14 및 도 17 각각에서, 명확함을 위하여 레이저 전원 공급부(130), 핫 와이어 전원 공급부(170) 그리고 감지 및 제어 유닛(195)은 개별적으로 도시된다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 이 요소들은 단일 용접 시스템으로 일체로 만들어질 수 있다. 본 발명의 양태는 개별적으로 논의된 위의 요소가 개별적인 물리적 유닛으로서 또는 독립형 구조체로서 유지되는 것을 요구하지 않는다.In each of Figures 1, 14 and 17, the laser power supply 130, hot wire power supply 170 and sensing and control unit 195 are shown separately for clarity. However, in embodiments of the present invention, these elements can be made integral with a single welding system. Aspects of the present invention do not require that the above discussed individually discussed elements be maintained as separate physical units or as stand alone structures.
본 발명이 어떤 실시예를 참고로 하여 설명된 반면에, 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 다양한 변화가 이루어질 수 있고 그리고 등가물이 대체될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 지식을 가진 자에 의하여 이해될 것이다. 또한 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 기술에 맞추기 위하여 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명이 개시된 특정 실시예에 제한되지 않는 점 그리고 본 발명이 첨부된 청구범위의 범위에 들어가 있는 모든 실시예를 포함할 것이라는 점이 의도된다.While the invention has been described with reference to certain embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various changes may be made and equivalents may be substituted without departing from the scope of the invention . Various modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from the scope of the invention. It is therefore intended that the invention not be limited to the particular embodiment disclosed, and that the invention will include all embodiments falling within the scope of the appended claims.
240 : 단계 250 : 단계
100 : 시스템 260 : 단계
110 : 레이저 빔 310 : 단계
110A : 레이저 빔 320 : 단계
115 : 피작업물 330 : 단계
115A : 피작업물 340 : 단계
115B : 피작업물 350 : 단계
116 : 가열 라인 410 : 전류 파형
120 : 레이저 장치 411 : 지점
120A : 레이저 장치 412 : 지점
121 : 빔 스플리터 420 : 전류 파형
125 : 방향 425 : 램프
130 : 전원 공급부 430 : 간격
140 : 필러 와이어 440 :설정 지점값
150 : 필러 와이어 공급기 450 : 출력 전류 레벨
160 : 접촉 튜브 510 : 전류 파형
170 : 전원 공급부 511 : 지점
180 : 모션 컨트롤러 512 : 지점
190 : 로봇 520 : 전류 파형
195 : 전류 제어 서브시스템 525 : 가열 전류 레벨
200 : 기동 방법 530 : 간격
220 : 단계 601 : 랩 조인트 표면
230 : 단계 601A :용융된 퍼들 
603 : 랩 조인트 표면 1230 CPU/컨트롤러
603A :용융된 퍼들 1240 : 전압 감지회로
605 : 표면 1250 : 전력 모듈
701 : 경사진 표면 1400 : 시스템
703 : 경사진 표면 1410 : 센서
705 : 갭 1420 : 센서
707 : 용접 비드 1700 : 시스템
801 : 용접 퍼들 1710 : 모터
803 : 용접 퍼들 1720 : 광학 구동 유닛
901 : 용접 퍼들 1800 : 회로
903 : 용접 퍼들 1801 : 레지스터
1000 : 용접 조인트 1803 : 스위치
1010 : 레이저 원 1901 : 레이저 슈라우드 시스템
1011 : 빔 1903 : 흄 추출 시스템
1012 : 용접 퍼들 A : 지점
1020 : 레이저원 B : 지점
1021 : 레이저 빔 BB : 백 비드
1022 : 용접 퍼들 C : 지점/중심
1030 : 필러 와이어 D : 지점
1030A : 필러 와이어 E : 지점
1110 : 코일 L : 길이
1200 : 시스템 P : 퍼들
1210 : 전원 공급부 WB : 용접 비드
1220 : 사용자 입력부 X : 거리
1222 : 음극 터미널 Z : 거리
1223 : 감지 리드
240: Step 250:
100: system 260: step
110: laser beam 310: step
110A: laser beam 320:
115: workpiece 330: step
115A: workpiece 340: step
115B: workpiece 350: step
116: heating line 410: current waveform
120: laser device 411:
120A: laser device 412: point
121: beam splitter 420: current waveform
125: direction 425: lamp
130: Power supply unit 430: Spacing
140: filler wire 440: set point value
150: filler wire feeder 450: output current level
160: contact tube 510: current waveform
170: Power supply unit 511:
180: Motion controller 512: Point
190: robot 520: current waveform
195: current control subsystem 525: heating current level
200: start method 530: interval
220: Step 601: Lap joint surface
230: Step 601A:
603: Lap joint surface 1230 CPU / controller
603A: melted puddle 1240: voltage sensing circuit
605: Surface 1250: Power module
701: inclined surface 1400: system
703: inclined surface 1410: sensor
705: gap 1420: sensor
707: Weld bead 1700: System
801: welding puddle 1710: motor
803: welding puddle 1720: optical drive unit
901: Welding puddle 1800: Circuit
903: welding puddle 1801: register
1000: Welded joint 1803: Switch
1010: Laser source 1901: Laser shroud system
1011: Beam 1903: Fume extraction system
1012: welding puddle A: point
1020: laser source B: point
1021: laser beam BB: back bead
1022: welding puddle C: point / center
1030: Filler wire D: point
1030A: Filler wire E: Point
1110: Coil L: Length
1200: System P: Puddle
1210: Power supply unit WB: Weld bead
1220: User input part X: Distance
1222: Negative terminal Z: Distance
1223: Sense lead

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 고강도 레이저 에너지원으로 개방 루트 용접 조인트 내에 용접 퍼들을 생성하고;
    전원으로부터의 와이어 가열 신호로 적어도 하나의 필러 와이어를 필러 와이어가 용융 퍼들과 접촉할 때 필러 와이어가 용접 퍼들 내에서 용융되는 온도로 가열하며;
    용접 작업 동안에 필러 와이어가 용접 퍼들과의 접촉을 유지하도록 필러 와이어를 용접 퍼들로 향하게 하고;
    필러 와이어 가열 신호로부터의 피드백을 모니터링하며;
    필러 와이어와 용접 퍼들 사이에서 아크가 발생하지 않도록 피드백에 의하여 상한 임계값에 도달될 때 필러 와이어 가열 신호를 차단하고; 그리고
    필러 와이어 가열을 계속하도록 필러 와이어 가열 신호를 턴온하는
    것을 포함하되, 개방 루트 용접 조인트는 필러 와이어의 직경의 1 내지 3배의 범위 내에 있는 평균 갭을 사이에 갖는 적어도 2개의 피작업물에 의하여 생성되며, 개방 루트 용접 조인트의 깊이는 필러 와이어의 직경의 4 내지 10배의 범위 내에 있는 것인 용접 방법.
    Creating weld fur within the open root weld joint with at least one high intensity laser energy source;
    Heating the at least one filler wire with a wire heating signal from the power source to a temperature at which the filler wire melts in the weld puddle when the filler wire contacts the melt puddle;
    Directing the filler wire to the weld puddle so that the filler wire maintains contact with the weld puddle during the welding operation;
    Monitoring feedback from the filler wire heating signal;
    Interrupting the filler wire heating signal when an upper threshold is reached by feedback to prevent arcing between the filler wire and the weld puddle; And
    Turning on the filler wire heating signal to continue heating the filler wire
    Wherein the open root welded joint is produced by at least two workpieces having an average gap in the range of one to three times the diameter of the filler wire and the depth of the open root welded joint is less than the diameter of the filler wire Of the total length of the weld zone.
  2. 제1항에 있어서, 개방된 루트 용접 조인트의 깊이는 필러 와이어의 직경의 6 내지 10배의 범위 내에 있는 것인 용접 방법.The welding method according to claim 1, wherein the depth of the open root weld joint is in the range of 6 to 10 times the diameter of the filler wire.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 평균 갭은 필러 와이어의 직경의 1 내지 2배의 범위 내에 있는 것인 용접 방법.The welding method according to claim 1 or 2, wherein the average gap is in the range of 1 to 2 times the diameter of the filler wire.
  4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 개방된 루트 용접 조인트에서의 피작업물 중 적어도 하나의 두께는 4 내지 15 ㎜ 범위 내에 있는 것인 용접 방법.The welding method according to one of claims 1 to 3, wherein the thickness of at least one of the workpieces in the open root welded joint is in the range of 4 to 15 mm.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 용접의 주행 속도는 적어도 100 ipm(inch per minute)인 것인 용접 방법.The welding method according to one of claims 1 to 4, wherein the traveling speed of the welding is at least 100 ipm (inch per minute).
  6. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서, 와이어 가열 신호는 필러 와이어를 그 용융 온도까지 또는 용융 온도의 90% 이상으로 가열하는 것인 용접 방법.6. A welding method according to any one of claims 1 to 5, wherein the wire heating signal heats the filler wire to its melting temperature or to 90% or more of the melting temperature.
  7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서, 임계값은 전압 임계값인 것인 용접 방법.7. A welding method according to any one of claims 1 to 6, wherein the threshold value is a voltage threshold value.
  8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서, 임계 전압값은 16 볼트 또는 그 이하인 것인 용접 방법.8. A method according to any one of claims 1 to 7, wherein the threshold voltage value is 16 volts or less.
  9. 제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서, 적어도 하나의 고강도 에너지원은 레이저인 것인 용접 방법.The welding method according to one of claims 1 to 8, wherein the at least one high-strength energy source is a laser.
  10. 고강도 에너지를 다수의 피작업물(115, 115A, 115B, W)로 향하게 하여 개방 루트 용접 조인트 내에 용접 퍼들(P)을 생성하는 적어도 하나의 고강도 에너지원;
    적어도 하나의 필러 와이어(140)를 필러 와이어(140)가 용융 퍼들(P)과 접촉할 때 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(P) 내에서 용융되는 온도로 가열하도록 적어도 하나의 필러 와이어(140)에 와이어 가열 신호를 제공하는 가열 전원; 및
    용접 작업 동안에 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(P)과의 접촉을 유지하도록 필러 와이어(140)를 용접 퍼들(P)로 나아가게 하는 와이어 공급 메커니즘(150)
    을 포함하되,
    가열 전원은 필러 와이어(140) 가열 신호로부터의 피드백을 모니터링하고 그리고 피드백에 의하여 상한 임계값에 도달될 때 필러 와이어(140) 가열 신호를 차단하여 필러 와이어(140)와 용접 퍼들(P) 사이에서 아크가 발생하지 않으며, 여기서 필러 와이어(140)의 가열을 계속하도록 가열 전원은 필러 와이어(140) 가열 신호를 턴온하고, 그리고
    개방 루트 용접 조인트는 필러 와이어(140)의 직경의 1 내지 3배의 범위 내에 있는 평균 갭을 사이에 갖는 적어도 2개의 피작업물(115, 15A, 115B, W)에 의하여 생성되며 그리고 개방 루트 용접 조인트의 깊이는 필러 와이어(140)의 직경의 4 내지 10배의 범위 내에 있는 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).
    At least one high-strength energy source for directing high-intensity energy to a plurality of workpieces (115, 115A, 115B, W) to create weld puddles (P) within an open-root weld joint;
    At least one filler wire 140 is arranged to heat the filler wire 140 to a temperature at which the filler wire 140 is melted in the weld puddle P when the filler wire 140 contacts the melt puddle P, A heating power supply for providing a wire heating signal to the heating element; And
    A wire feed mechanism 150 that advances the filler wire 140 to the weld puddle P so that the filler wire 140 remains in contact with the weld puddle P during the welding operation,
    ≪ / RTI >
    The heating power source monitors the feedback from the filler wire 140 heating signal and cuts off the heating signal of the filler wire 140 when the upper threshold is reached by the feedback so that it is between the filler wire 140 and the welding puddle P No arc is generated where the heating power supply turns on the filler wire 140 heating signal to continue heating the filler wire 140,
    The open root weld joint is created by at least two workpieces (115, 15A, 115B, W) with an average gap in the range of one to three times the diameter of the filler wire (140) Wherein the depth of the joint is in the range of 4 to 10 times the diameter of the filler wire (140).
  11. 제10항에 있어서, 개방 루트 용접 조인트의 깊이는 필러 와이어(140)의 직경의 6 내지 10배의 범위 내에 있으며 및/또는 평균 갭(705)은 필러 와이어(140)의 직경의 1 내지 2배의 범위 내에 있는 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).11. The method of claim 10 wherein the depth of the open root weld joint is in the range of six to ten times the diameter of the filler wire (140) and / or the average gap (705) is one to two times the diameter of the filler wire (100, 1200, 1400, 1700). ≪ / RTI >
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 개방된 루트 용접 조인트에서의 피작업물(115, 115A, 115B, W) 중 적어도 하나의 두께는 4 내지 15 ㎜ 범위 내에 있는 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).The welding system according to claim 10 or 11, wherein the thickness of at least one of the workpieces (115, 115A, 115B, W) in the open root weld joint is in the range of 4 to 15 mm. , 1400, 1700).
  13. 제10항 내지 제12항 중 한 항에 있어서, 용접의 주행 속도는 적어도 100 ipm인 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).The welding system (100, 1200, 1400, 1700) according to one of the claims 10 to 12, wherein the running speed of the welding is at least 100 ipm.
  14. 제10항에 있어서, 와이어 가열 신호는 필러 와이어(1400)를 그 용융 온도 또는 그 용융 온도의 90% 이상으로 가열하는 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).11. The welding system (100, 1200, 1400, 1700) of claim 10, wherein the wire heating signal heats the filler wire (1400) to at least 90% of its melting temperature or its melting temperature.
  15. 제10항 내지 제14항 중 한 항에 있어서, 임계값은 전압 임계값이며, 및/또는 임계 전압은 16볼트 또는 그 이하인 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).15. A welding system (100, 1200, 1400, 1700) according to one of claims 10 to 14, wherein the threshold is a voltage threshold and / or the threshold voltage is 16 volts or less.
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