KR20180020638A - 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치 - Google Patents

맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접 토치(130)가 용접부의 X, Y, Z 축 방향에 대해 이송이 가능하고 용접 토치(130)의 각도 조절이 가능하여, 다양한 용접 조건에 맞는 최적의 레이저 아크 용접을 수행할 수 있도록 하는 레이저 아크 용접장치에 관한 것으로, 용접장치의 일측에 고정되는 마운팅 블록(110)과, 상기 마운팅 블록(110)의 일측으로 모재에 수직하게 설치되어 상기 모재의 용접부(210)에 레이저빔을 조사하는 레이저 헤드(120)와, 상기 마운팅 블록(110)의 다른 일측에 비스듬하게 설치되어 상기 용접부(210)에 아크를 방전하는 용접 토치(130) 및 기 마운팅 블록(110) 상에서 상기 용접 토치(130)를 X, Y, Z 축 방향으로 이송 가능하게 결합하여, 상기 용접 토치(130)의 위치가 조정될 수 있도록 하는 슬라이드 지그(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치에 관한 것이다.

Description

맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치{LASER-ARC WELDING DEVICE FOR BUTT WELDING}
본 발명은 용접 토치가 용접부의 X, Y, Z 축 방향에 대해 이송이 가능하고 용접부를 향하는 용접 토치의 눕힘각의 조절이 가능하여, 다양한 용접 조건에 맞는 최적의 레이저 아크 용접을 수행할 수 있도록 하는 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치에 관한 것이다.
선박이나 강구조물을 이루는 강재들은 그 위치와 용도에 따라 용접, 볼트 등의 수단에 의해 서로 결합하게 되며, 특히, 용접의 경우에는 맞대기(Butt) 용접, 필렛(Fillet) 용접, 모서리 용접, 변두리 용접, 플러그 용접 등 다양한 형태의 용접이 이루어지고 있다.
종래의 맞대기 용접 이음부는 수동 또는 반자동 아크 용접으로 이루어지는 것이 일반적이나, 아크 용접의 특성상 용입 깊이가 제한되기 때문에 후판 강재의 용접시에는 대용착 용접시 입열량이 증가하게 될 뿐 아니라, 멀티 패스(Multipass Welding) 용접이 필요하게 된다.
그에 따라, 용착량 증가에 의한 용접 열변형이 발생하게 됨으로써 용접 후 열변형부에 대한 추가적인 교정 작업이 필수적으로 수반되며, 이는 전체적인 생산성 저하로 이어지게 된다.
즉, 후판 강재를 용접하기 위하여 오래전부터 사용되었으며 현재에도 가장 널리 사용되고 있기도 한 아크 용접은, 용입 깊이가 깊지 못하기 때문에 용착량이 증가하게 되며, 그에 따라 용접부의 열변형 정도가 커지게 됨은 물론, 용접부가 넓게 형성되어 미관 상으로도 바람직하지 못하고, 용접 생산성도 낮은 문제점을 가지고 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 근래에는, 강구조물이나 선박에 사용되는 후판 강재의 용접에, 레이저를 활용하는 고품위 용접 기술을 적용하고자 하는 요구가 증가하고 있다.
그러나, 레이저 용접의 경우 빔의 직경이 매우 작기 때문에 이음부의 갭 허용값(Gap Tolerance)이 극히 제한적이며, 그에 따라 레이저 용접을 실시하기 위해서는 이음부에 대한 정밀한 가공과 클램핑이 선행되어야 하기 때문에 결과적으로는 생산성의 저하를 피하기 어렵게 된다.
상기와 같은 아크 단독 용접 또는 레이저 단독 용접에 따른 문제점을 해결하기 위하여, 넓은 갭 허용값을 갖는 아크 용접의 장점과 용입 깊이가 깊은 레이저 용접의 장점을 함께 활용할 수 있는, 아크와 레이저를 접목한 하이브리드 용접 방법이 개발되었으며, 조선 산업 등의 여러 분야에 활발히 적용되고 있다.
그러나, 종래의 하이브리드 용접장치는 레이저 헤드와 용접 토치가 일체형으로 되어 있어 아크 토치의 각도와, 레이저 아크 간의 거리를 획일적으로 적용할 수 밖에 없다.
따라서, 다양한 조건에 따른 최적의 대응이 불가하여 용접 품질이 저하되며, 길이가 긴 부재의 용접에 큰 어려움이 따를 수 밖에 없다. 뿐만 아니라, 다양한 조건에서 용접 테스트가 불가하며 최적의 용접 매개변수의 도출 및 현장 적용이 어려운 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2012-0105665호(공개일자: 2012. 09. 26) 한국공개특허 제10-2012-0001528호(공개일자: 2012. 01. 04)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 하나의 구조체를 이루는 용접 토치와 레이저 헤드 간의 거리 조절과 각도의 조절이 가능하고, 아크와 레이저의 초점 위치가 조절될 수 있도록 하여 다양한 모재의 재질과 두께에 따른 최적의 용접 조건을 적용할 수 있으며, 용접 토치와 레이저 헤드를 포함한 하나의 구조체에 의해 다양한 용접 조건을 적용할 수 있도록 하여 저비용에 의한 레이저 아크 용접이 실현될 수 있는 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 용접장치의 일측에 고정되는 마운팅 블록과, 상기 마운팅 블록의 일측으로 모재에 수직하게 설치되어 상기 모재의 용접부에 레이저빔을 조사하는 레이저 헤드와, 상기 마운팅 블록의 다른 일측에 비스듬하게 설치되어 상기 용접부에 아크를 방전하는 용접 토치 및 상기 마운팅 블록 상에서 상기 용접 토치를 X, Y, Z 축 방향으로 이송 가능하게 결합하여, 상기 용접 토치의 위치가 조정될 수 있도록 하는 슬라이드 지그를 포함하는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치가 제공된다.
상기 슬라이드 지그는 용접 방향의 전후로 이동 가능하게 구비되는 X축 슬라이더와, 상기 용접 방향에 대해 수직하는 상하 방향으로 이동 가능하게 구비되는 Y축 슬라이더 및 상기 용접 방향에 대해 수직하는 수평 방향으로 이동 가능하게 구비되는 Z축 슬라이더로 이루어질 수 있다.
상기 X축 슬라이더와, 상기 Y축 슬라이더 및 상기 Z축 슬라이더는 사용자가 손으로 잡고 이송 나사를 회전시켜 직선 이동이 이루어지도록 하는 조절 손잡이가 각각 구비될 수 있다.
상기 슬라이드 지그의 일측에 결합되어 대각선 하부 방향으로 비스듬하게 연장되어 상기 용접 토치가 상기 용접부를 향하도록 결합하는 토치 고정편이 구비될 수 있다.
상기 토치 고정편은, 상기 용접부를 중심으로 한 원호 형상으로 일정 길이 연장되는 홈이 형성되어 상기 용접 토치를 각도 조절 가능하게 결합하는 눕힘각 조절 홈이 구비될 수 있다.
본 발명의 레이저 아크 용접장치에 따르면, 용접 토치와 레이저 헤드 간의 거리 조절에 의해 아크와 레이저 간의 거리와 초점 위치 등이 조절될 수 있고, 용접 토치의 눕힘각이 조절 가능하여 용접을 수행할 모재의 재질과 두께에 따르는 최적의 용접 조건을 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 용접 토치와 레이저 헤드를 포함하는 하나의 구조체를 이용해 다양한 용접 조건을 적용할 수 있도록 하여, 수 개의 구조체를 구비함에 따르는 고비용의 문제를 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용접장치의 구조을 나타낸 정면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용접장치의 구조를 나타낸 사시도,
도 3은 도 1에 도시된 용접장치를 X축 방향에서 본 형상을 나타낸 측면도이고,
도 4는 도 1에 도시된 용접장치를 Y축 방향에서 본 형상을 나타낸 평면도이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명에 따른 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용접장치의 구조을 나타낸 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 용접장치의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 용접장치를 X축 방향에서 본 형상을 나타낸 측면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 용접장치를 Y축 방향에서 본 형상을 나타낸 평면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 아크 용접장치(100)는 용접장치의 일측에 고정되는 마운팅 블록(110)과, 상기 마운팅 블록(110)의 일측으로 모재에 수직하게 설치되어 상기 모재의 용접부(210)에 레이저빔을 조사하는 레이저 헤드(120)와, 상기 마운팅 블록(110)의 다른 일측에 비스듬하게 설치되어 상기 용접부(210)에 아크를 방전하는 용접 토치(130) 및 상기 마운팅 블록(110) 상에서 상기 용접 토치(130)를 X, Y, Z 축 방향으로 이송 가능하게 결합하여, 상기 용접 토치(130)의 위치가 조정될 수 있도록 하는 슬라이드 지그(140)가 포함된다.
상기 구성에서 마운팅 블록(110)은 통상의 레이저 아크 용접장치에서 용접부(210)를 따라 이송 등이 이루어지도록 구비되는 로봇 암이나, 겐트리 등의 구조물에 고정 설치되는 것으로, 일측으로 상기한 레이저 헤드(120)와 용접 토치(130)를 장착하여 용접 모재(200)의 용접부(210)를 향해 아크 및 레이저를 방전 및 조사시키도록 위치시키는 구성이다.
레이저 헤드(120)는 레이저 발진기(미도시 함)에 연결되어 용접부(210)에 레이저빔을 조사하도록 구성된다.
용접 토치(130)는 와이어 공급기(미도시 함)에 연결되어 용접부(210)에 아크를 방전시켜 아크 용접을 수행한다.
이러한 레이저 헤드(120)와 용접 토치(130)는 통상적인 레이저 아크 하이브리드 용접장치에 구비되는 구성과 큰 차이점이 없다. 즉, 레이저 헤드(120)와 용접 토치(130)가 일정 간격을 서로 이격하도록 설치하여 용접하고자 하는 모재(200)의 용접부(210)를 향하도록 위치시킨 후 레이저 헤드(120)와 용접 토치(130)를 용접부(210)를 따라 설정된 이송 속도로 이동시키면서 용접부(210)에 아크와 레이저를 가하여 용접을 수행하게 된다.
레이저 아크 하이브리드 맞대기 용접의 경우 통상적으로 2개 모재(200)의 단면을 갭이 없도록 마주하여 위치시킨 후 용접을 하여 서로 접합하는 방식으로 진행된다. 이를 위해 용접 토치(130)는 모재(200) 사이의 갭 부위에 선단이 위치되는 동시에 용접부(210)로부터 비스듬한 각도를 이루도록 설치되어, 용접부(210)의 갭에 비스듬하게 아크 방전을 가하도록 눕힘각이 형성된다.
그리고, 레이저 헤드(120)는 용접부(210)의 상부 수직하게 설치되어 레이저를 조사시키도록 구성된다. 이때, 통상적으로 용접 토치(130)에 의한 아크 방전이 선행된 후 레이저의 조사가 후행되도록 하여 갭 브릿지(Gap Bridge) 효과와 함께 용접부(210)의 레이저에 의한 깊은 용입의 효과로 모재(200)의 이면까지 동시에 용접이 이루어지도록 한다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기한 용접 토치(130)는 슬라이드 지그(140)에 의해 마운팅 블록(110)에 결합되어 X, Y, Z 축 방향으로 이송이 이루어진다. 따라서, 용접 토치(130)를 슬라이드 지그(140)를 통해 이송시켜 레이저 헤드(120)와 용접 토치(130)의 거리를 조정할 수 있다.
레이저 아크 용접에서 레이저 헤드(120)에 의해 조사되는 레이저와, 용접 토치(130)를 통해 방전되는 아크 간의 거리는 각각의 출력과 더불어 레이저 아크 용접에서 매우 중요한 매개변수로 작용한다. 본 발명의 용접장치(100)는 용접 토치(130)를 슬라이드 지그(140)를 통해 이동시켜 레이저 헤드(120)로부터 조사되는 레이저와의 거리를 다양하게 조절하여 박판 용접 등에 필요한 최적의 용접 조건을 적용할 수 있으므로, 용접 제품의 생산성을 향상시키고, 용접 품질을 향상시킬 수 있으며, 변형을 방지하는 등의 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 상기한 슬라이드 지그(140)는, 용접 방향의 전후로 이동 가능하게 구비되는 X축 슬라이더(142)와, 용접 방향에 대해 수직하는 상하 방향으로 이동 가능하게 구비되는 Y축 슬라이더(144) 및 용접 방향에 대해 수직하는 수평 방향으로 이동 가능하게 구비되는 Z축 슬라이더(146)로 이루어질 수 있다.
참고로, 본 명세서에서 설명하는 용접 방향은 일예로서 모재(200)에 형성되는 용접부(210)의 갭이 이어지는 방향 즉, 도 1의 X 축의 수평 방향으로 수직한 방향(Z축)을 의미한다.
상기한 X축 슬라이더(142)와, Y축 슬라이더(144) 및 Z축 슬라이더(146)는 일예로서, 사용자가 손으로 잡고 돌릴 수 있도록 하는 조절 손잡이(150(a, b, c))가 각각 구비되어 사용자가 조절 손잡이(150)를 잡고 돌리면 이송 나사가 회전하여 각각의 직선 이동이 이루어지도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 용접을 수행할 모재(200)의 재질과, 두께에 따라서 각각의 슬라이드 지그(140)를 이동시켜 용접 토치(130)의 위치를 조정함으로써, 레이저 헤드(120)와의 거리와, 용접부(210)로부터의 상하 거리 및 용접부(210)의 용접 방향의 전후 거리가 각각 조정될 수 있다.
따라서, 용접 토치(130)의 아크 방전이 선행되는 경우 및 후행되는 각각의 경우에 대하여 레이저 조사와의 유기적인 작용에 의해 정밀하고 효과적인 용접이 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상술한 슬라이드 지그(140)에 용접 토치(130)를 고정하기 위해 연결되는 구성으로서, 용접 토치(130)를 일측 측부에 결합하여 슬라이드 지그(140)에 고정시키는 토치 고정편(134)이 구비될 수 있다.
토치 고정편(134)은 슬라이드 지그(140)의 일측에 결합되어 대각선 하부 방향으로 비스듬하게 연장되는 판 형상으로 이루어져, 용접 토치(130)가 용접부(210)를 향하도록 결합한다. 그리고, 판 형상으로 이루어진 토치 고정편(134)의 표면에는 용접부(210)를 중심으로 한 원호 형상으로 일정 길이 연장되는 홈이 형성되어 용접 토치(130)를 각도 조절 가능하게 결합하는 눕힘각 조절 홈(234)이 형성된다.
상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 레이저 아크 용접장치(100)에 따르면, 슬라이드 지그(140)에 의해 용접 토치(130)가 용접 방향의 전후, 좌우 및 상하 방향으로 이송이 가능하여 레이저 헤드(120)와의 거리를 다양하게 조절 할 수 있는 동시에, 눕힘각 조절 홈(234)의 작용으로 용접 토치(130)의 각도를 다양하게 조절할 수 있다.
이때, 용접 토치(130)의 눕힘각은 모재(200)의 표면에 대해 약 30˚~ 45˚를 갖는 범위 구간 내에서 각도 조절이 가능하게 구성되는 것이 바람직하다.
따라서, 모재(200)의 용접부(210)를 향하는 용접 토치(130)의 눕힘각이 조절될 수 있어 보다 다양한 용접 조건을 설정할 수 있으며, 레이저 아크 용접을 위한 다양한 조건에 대한 실험이 가능하여 최적의 매개변수 도출이 가능하고, 이를 실제 용접에 적용하여 용접 생산성을 높이고, 용접 품질을 향상시키며, 변형의 발생을 최소화시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 마운팅 블록(110)과, 레이저 헤드(120), 용접 토치(130) 및 슬라이드 지그(140) 등으로 이루어지는 하나의 구조체를 통해 다양한 조건의 용접에 적용할 수 있어, 수 개의 구조체를 구비할 필요가 없으므로, 저비용에 의한 레이저 아크 용접이 실현될 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 레이저 아크 용접장치는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 레이저 아크 용접장치 110: 마운팅 블록
120: 레이저 헤드 130: 용접 토치
134: 토치 고정편 140: 슬라이드 지그
150(a, b, c): 조절 손잡이 200: 모재
210: 용접부 234: 눕힘각 조절 홈

Claims (5)

  1. 용접장치의 일측에 고정되는 마운팅 블록(110);
    상기 마운팅 블록(110)의 일측으로 모재에 수직하게 설치되어 상기 모재의 용접부(210)에 레이저빔을 조사하는 레이저 헤드(120);
    상기 마운팅 블록(110)의 다른 일측에 비스듬하게 설치되어 상기 용접부(210)에 아크를 방전하는 용접 토치(130); 및
    상기 마운팅 블록(110) 상에서 상기 용접 토치(130)를 X, Y, Z 축 방향으로 이송 가능하게 결합하여, 상기 용접 토치(130)의 위치가 조정될 수 있도록 하는 슬라이드 지그(140); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이드 지그(140)는,
    용접 방향의 전후로 이동 가능하게 구비되는 X축 슬라이더(142);
    상기 용접 방향에 대해 수직하는 상하 방향으로 이동 가능하게 구비되는 Y축 슬라이더(144); 및
    상기 용접 방향에 대해 수직하는 수평 방향으로 이동 가능하게 구비되는 Z축 슬라이더(146); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 X축 슬라이더(142)와, 상기 Y축 슬라이더(144) 및 상기 Z축 슬라이더(146)는,
    사용자가 손으로 잡고 이송 나사를 회전시켜 직선 이동이 이루어지도록 하는 조절 손잡이(150(a, b, c))가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 필릿 용접용 레이저 아크 용접장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이드 지그(140)의 일측에 결합되어 대각선 하부 방향으로 비스듬하게 연장되어 상기 용접 토치(130)가 상기 용접부(210)를 향하도록 결합하는 토치 고정편(134); 이 구비되는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 토치 고정편(134)은,
    상기 용접부(210)를 중심으로 한 원호 형상으로 일정 길이 연장되는 홈이 형성되어 상기 용접 토치(130)를 각도 조절 가능하게 결합하는 눕힘각 조절 홈(234); 이 구비되는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접용 레이저 아크 용접장치.
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