KR20180073911A - 용접 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 용접 장치는 소재가 놓이는 가공대를 구비하는 장치몸체;와, 상기 장치몸체에 구비되어 상기 소재를 지지하고 고정하는 클램핑수단; 및 상기 가공대에서 상기 소재에 레이저 빔(laser beam)을 조사하도록 이동되게 구비되는 레이저헤드부를 포함하는 레이저수단;을 포함하되, 상기 레이저헤드부는, 상기 소재의 외부에서 레이저 빔을 출사하고, 레이저 빔을 출사한 상태에서 상기 소재 상으로 진입하여 상기 소재의 용접부에 레이저 빔을 조사하게 구비될 수 있다.

Description

용접 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD TO WELDING}
본 발명은 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 세탁기나 건조기 드럼 센터(Drum Center)에 적용되는 튜브(Tube)를 제작할 때, 스테인리스강, Al 도금 탄소강 등을 주로 사용하게 된다. 그런데 이들 소재가 적용된 강판을 이용하여 판 끝을 성형하고, 원형의 튜브로 이어 제작할 때에는 통상 기계적 체결법인 락 시밍(Lock-Seaming)법이 사용되어 왔다.
그런데, 이러한 튜브의 이음 작업을 수행할 때, 기계적인 체결법이 아닌 플라스마(Plasma) 및 레이저(Laser)를 이용한 용접법을 적용하면 원형의 튜브의 이음부의 강도 및 내식성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그런데 레이저와 같은 높은 에너지를 강판의 이음부에 적용하게 되면 용접이 시작되는 부위와 종료되는 부위에서 응고수축현상이 발생하여 용접부의 강도가 저하될 우려가 있고, 이는 용접부 내부 기공 등의 결함으로 이어지게 된다.
따라서, 이를 방지하기 위해 용접 후에 변형이 집중되는 용접의 시작부와 종료부를 헤밍(Hemming) 가공에 의해 접어 마무리하는 방법이 적용되었다. 그런데, 이와 같은 헤밍 가공 중에는 소재 용접부가 터지는 현상이 빈번하게 일어나기 때문에 후공정에서 보수 용접을 재실시해야하는 문제가 있다.
따라서, 이를 개선하기 위해 도 1에서 보이듯이, 강판인 소재(10)의 양단부 즉, 용접의 시작부와 종료부가 되는 여유부(11)를 형성하고, 이들을 맞대어 마주하는 모서리 또는 모서리 면에 레이저 빔(laser beam)을 조사함으로써 용접부(12)를 형성하고 소재를 이은 뒤, 응고수축현상이 발생한 여유부(11)를 절단하여 마감부(13)를 형성하는 방법이 적용되어 왔다.
그런데 이와 같은 방법은 공정을 복잡하게 하고, 소재의 손실을 유발하기 때문에 생산성 향상을 저해하는 원인이 될 뿐만 아니라, 원가상승을 유발하는 원인이 된다는 문제가 있다.
KR 10-1665873 B1 (2016.10.06)
본 발명은 용접 시작부와 종료부에 발생하는 응고 수축부를 최소화하고, 용접부의 강도를 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 공정의 효율성을 향상시키고, 생산성을 향상 및 원가절감에 기여하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 용접 장치는 소재가 놓이는 가공대를 구비하는 장치몸체;와, 상기 장치몸체에 구비되어 상기 소재를 지지하고 고정하는 클램핑수단; 및 상기 가공대에서 상기 소재에 레이저 빔(laser beam)을 조사하도록 이동되게 구비되는 레이저헤드부를 포함하는 레이저수단;을 포함하되, 상기 레이저헤드부는, 상기 소재의 외부에서 레이저 빔을 출사하고, 레이저 빔을 출사한 상태에서 상기 소재 상으로 진입하여 상기 소재의 용접부에 레이저 빔을 조사하게 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 소재의 용접부를 사이에 두고 상기 레이저헤드부와 대향되게 배치되는 열전달수단;을 더 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 열전달수단은, 상기 레이저헤드부 보다 먼저 상기 용접부에 대면 또는 접촉하도록 상기 소재의 용접부를 따라 배치될 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 열전달수단은, 구리를 포함하는 재질로 구비되는 열전달플레이트;를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 열전달플레이트는, 상기 소재의 외부에서 상기 레이저헤드부와 대면하게 구비될 수 있다.
한편 바람직하게, 상기 레이저수단은, 레이저를 발생시키는 레이저발생부; 및 상기 레이저발생부와 연결되어 레이저 빔을 출사 또는 조사하는 레이저헤드부;를 포함할 수 있다.
그리고 바람직하게, 상기 소재는, 강판이며, 상기 레이저헤드부는, 상기 강판을 말아서 상기 강판의 일측 단부와 타측 단부가 접촉하는 영역에 레이저를 조사하게 구비될 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 레이저헤드부는, 상기 소재의 단부로부터 0.2mm이상 0.4mm이하 떨어진 곳에서 레이저 빔을 출사하고, 레이저 빔을 출사한 상태에서 상기 소재 상으로 진입하게 구비될 수 있다.
한편, 다른 측면으로서의 본 발명은 레이저용접기로 소재를 용접하는 방법으로, 상기 소재의 외부에 레이저헤드부를 위치시킨 상태에서 레이저 빔을 출사하는 준비단계; 및 상기 소재의 용접부를 따라 상기 레이저헤드부를 이동시키며 상기 소재의 용접부에 레이저 빔을 조사하는 용접단계;를 포함하는 용접 방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 용접단계 이전에 상기 소재의 용접부에 열전달물질을 대면 또는 접촉시키는 예열단계;를 더 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 예열단계는, 상기 소재의 외부에서 상기 레이저헤드부와 상기 열전달물질을 대면시키고, 상기 열전달물질에 레이저 빔을 조사할 수 있다.
본 발명에 따르면 용접 시작부와 종료부의 응고수축현상이 최소화되고, 용접부 품질이 향상된다.
또한, 공정의 효율성 및 생산성이 향상되고, 제조원가가 절감된다.
도 1은 통상의 튜브 용접 공정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 용접 장치의 개념을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 용접 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 용접 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 용접 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의해 제조된 튜브의 표면을 도시한 것이다.
도 7은 레이저 용접에 의한 응고수축발생 실험 결과를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 용접 방법의 개념을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 관한 설명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 동일한 부호로 기재된 요소는 동일한 요소이고, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.
또한, 본 발명의 요지를 명확히 하기 위하여 종래의 기술에 의해 익히 알려진 요소와 기술에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 당업자에 의해 특정 구성요소가 추가, 변경, 삭제된 다른 형태로도 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명과 동일한 사상의 범위 내에 포함됨을 밝혀 둔다.
먼저, 도 2에는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 용접 장치의 개념이 도시되어 있다.
본 발명은 용접의 대상이 되는 소재(10)의 일측 단부(15)와 타측 단부(16)를 마주보게 맞대어 이 맞댐부에 레이저 빔(132)을 조사함으로써 중공부(14)를 구비하는 튜브 형태로 제조하는 것에 관한 것이다. 이때, 소재(10)의 일측 단부(15)와 타측 단부(16)에는 용접부(A)가 형성될 수 있다.
그리고, 이 용접부(A)에는 레이저발생부(133)에 연결된 레이저헤드부(131)에서 출사되는 레이저 빔(132)이 조사된다. 이때, 레이저헤드부(131)는 일정 이송수단(미도시)에 의해 소재(10)의 용접부(A) 상을 이동하게 구비될 수 있고, 용접부(A)에 레이저 빔을 조사하는 동안 상기 소재(10)의 용접부(A)를 따라 이동하게 구비될 수 있다.
그러나 이는 반드시 본 발명에 의해 한정되는 것은 아니며 당업자에 의해 적절히 변경되어 적용될 수 있는 사항이다.
이때, 본 발명의 레이저헤드부(131)는 소재(10)의 단부 즉, 용접 시작부로부터 일정거리 이격된 곳에서 레이저 빔을 출사할 수 있다.
또한, 상기 레이저헤드부(131)는 소재(10)의 외부에서 일정 시간 레이저 빔의 출사를 유지한 뒤, 그 상태로 소재(10)의 용접부(A) 상으로 진입하여 소재의 용접부(A)에 레이저를 조사하도록 구비될 수 있다.
이와 같이 레이저헤드부(131)와 소재(10) 사이에 일정 이격거리(D)를 형성하고, 일정 이격거리(D) 상에서 레이저 빔의 출사를 시작하면 소재(10)의 용접 시작부에 레이저 빔으로부터 발생한 열이 전달되고, 소재(10)의 용접 시작부를 포함한 일정 영역까지를 예열하는 효과가 있다.
그러면, 소재(10)에 풀림 열처리(Annealing)하는 효과를 부여하여 이후 가공에 적당한 정도로 조직이 연해져 가공성이 향상되는 효과가 있다.
이때 바람직하게, 상기 이격거리(D)는 소재(10)의 단부로부터 레이저헤드부(131)의 레이저 빔이 조사되는 위치까지의 직선 거리로서, 0.2mm이상 0.4mm이하의 값이 될 수 있다.
도 7에는 이격거리(D)에 따른 용접부 수축량이 도시되어 있다. 이를 참조하면 이격거리(D)가 0.2mm이상 0.4mm이하의 값일 때 용접부 수축량의 편차가 적으면서도 그 값이 최소화됨을 알 수 있다.
도 3을 참조로 하여 본원발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 용접 장치를 보다 구체적으로 설명하면 본 발명에 따른 용접 장치는 소재(10)가 놓이는 가공대(미도시)를 구비하는 장치몸체(110), 상기 장치몸체에 구비되어 상기 소재를 지지하고 고정하는 클램핑수단(120) 및 상기 가공대에서 상기 소재에 레이저 빔(laser beam)을 조사하도록 이동되게 구비되는 레이저헤드부(131)를 포함하는 레이저수단(130)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 레이저헤드부(131)는 레이저발생부(133)에 연결되며, 전술한 것처럼 소재(10)의 외부에서 레이저 빔(132)을 출사하고, 레이저 빔 출사 상태를 유지하면서 소재(10)의 용접 시작부로 진입하게 제공될 수 있다.
용접 시작부로 진입한 레이저헤드부(131)는 소재(10)의 용접부(도 2의 A)를 따라 이동하면서 상기 용접부(도 2의 A)에 레이저 빔을 조사하게 제공될 수 있다.
여기서, 레이저헤드부(131)가 소재(10)의 외부에서 레이저 빔을 출사하는 시간은 소재 특성, 작업 환경 등에 따라 적절히 선택되어 적용될 수 있는 사항이며, 필요에 따라서는 레이저헤드부(131)가 레이저 빔의 출사를 유지하는 시간인 출사유지시간 없이 곧바로 소재 용접 시작부에 진입할 수도 있다.
한편, 판형의 소재를 원형의 튜브 형태로 가공하기 위해서 상기 소재(10)를 양측에서 지지하는 제1클램핑부재(121) 및 제2클램핑부재(122)가 구비될 수 있다. 이들은 소재(10)의 용접부(도 2의 A)의 가공이 원만하게 진행될 수 있도록 소재(10)를 적절한 형태로 고정하고, 장치몸체(110) 상에서 지지하는 역할을 수행한다.
바람직하게는 제1클램핑부재(121) 및 제2클램핑부재(122)는 소재(10)의 곡선 외주에 대응되는 곡선부를 포함하는 롤러로 구비될 수도 있다. 다만, 클램핑부재의 개수, 배치되는 위치, 소재와의 접촉 위치 등은 본 발명에 의해 한정되는 것이 아니고 가공되는 제품의 특성을 고려하여 당업자에 의해 적절히 선택되어 적용될 수 있는 사항이다.
한편, 본 발명은 도 4에서 보이듯이 소재(10)의 용접부를 사이에 두고 상기 레이저헤드부(131)와 대향되게 배치되는 열전달수단(140)을 더 포함할 수 있다.
열전달수단(140)은 상기 레이저헤드부(131) 보다 먼저 소재 용접부 또는 용접 시작부에 대면하거나 접촉하도록 구비되며, 소재의 용접부를 따라 일정구간 연속되게 구비될 수 있다.
그리고 상기 열전달수단(140)은 소재(10)의 외부에서 상기 레이저헤드부(131)와 먼저 대면하고, 레이저헤드부(131)에서 출사되는 레이저 빔(132)을 소재의 외부에서 받도록 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 열전달수단(140)은 레이저헤드부(131)가 레이저 빔(132)의 출사를 유지하는 시간인 출사유지시간 동안 레이저 빔(132)을 받도록 구비될 수 있다. 다만, 이는 반드시 본 발명에 의해 한정되는 것이 아니며 소재 특성, 작업환경 등을 고려하여 당업자에 의해 적절히 선택되어 적용될 수 있다.
이때, 상기 열전달수단(140)은 구리(Cu)를 포함하는 재질로 구비되는 열전달플레이트(141)로 제공될 수 있는데 이에 따르면 열전도율이 좋은 구리에 의하여 레이저헤드부(131)에서 발생한 열이 소재(10)에 원활하게 전달될 수 있다.
그러면 소재(10)의 용접 시작부 뿐만 아니라 소재 용접부 전체 영역을 용이하게 예열할 수 있는 효과가 있다.
바람직하게는 도 5에서 보이듯이 상기 열전달플레이트(141)는 소재(10)의 용접부에 대응되는 곡선부(142)를 포함할 수 있다.
상기 곡선부(142)는 소재(10)로 원형의 튜브를 제조할 때 더욱 용이할 수 있는데, 곡선부를 형성하도록 맞대어지는 소재 일측 단부(15)와 타측 단부(16)에 대응되게 구비됨으로써 소재(10)의 용접부 형상이 더욱 잘 유지되게 하는 효과가 있고, 곡선부를 보다 용이하게 클램핑하는 효과가 있다.
또한, 상기 열전달플레이트(141)는 소재(10)에 완전 접촉하게 구비될 수도 있고, 일정거리 이격되게 구비될 수도 있는데 이 또한 반드시 본 발명에 의해 한정되는 것은 아니며 당업자에 의해 적절히 선택되어 적용될 수 있는 사항이다.
이와 같이 본 발명에 따른 용접 장치에 의해 소재의 용접을 실시하면 도 6에서 보이듯이 용접부(A)의 응고수축변형이 최소화되어 용접부의 품질이 향상되는 효과가 있다.
한편, 다른 측면으로서의 본 발명은 도 8에서 보이듯이, 레이저용접기로 소재를 용접하는 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 용접 방법은 소재의 외부에 레이저헤드부를 위치시킨 상태에서 레이저 빔을 출사하는 준비단계(S210) 및 상기 소재의 용접부를 따라 상기 레이저헤드부를 이동시키며 상기 소재의 용접부에 레이저 빔을 조사하는 용접단계(S230)를 포함할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 용접단계(S230) 이전에 상기 소재의 용접부에 열전달물질을 대면 또는 접촉시키는 예열단계(S220)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 예열단계(S220)는 상기 소재의 외부에서 상기 레이저헤드부와 상기 열전달물질을 대면시키고, 상기 열전달물질에 레이저 빔을 조사하여 상기 열전달물질에 의하여 소재에 열을 전달하고 소재의 풀림 열처리를 실시할 수 있다.
바람직하게, 상기 열전달물질은 구리(Cu) 또는 구리를 포함하는 재질로 구비될 수 있으며, 이에 따르면 소재의 예열 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.
이상에서 설명한 사항은 본 발명의 일 실시예에 관하여 설명한 것이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
10 : 소재 110 : 장치몸체
120 : 클램핑수단 121 : 제1클램핑부재
122 : 제2클램핑부재 130 : 레이저수단
131 : 레이저헤드부 133 : 레이저발생부
140 : 열전달수단 141 : 열전달플레이트

Claims (11)

  1. 소재가 놓이는 가공대를 구비하는 장치몸체;
    상기 장치몸체에 구비되어 상기 소재를 지지하고 고정하는 클램핑수단; 및
    상기 가공대에서 상기 소재에 레이저 빔(laser beam)을 조사하도록 이동되게 구비되는 레이저헤드부를 포함하는 레이저수단;을 포함하되,
    상기 레이저헤드부는,
    상기 소재의 외부에서 레이저 빔을 출사하고, 레이저 빔을 출사한 상태에서 상기 소재 상으로 진입하여 상기 소재의 용접부에 레이저 빔을 조사하게 구비되는 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소재의 용접부를 사이에 두고 상기 레이저헤드부와 대향되게 배치되는 열전달수단;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전달수단은,
    상기 레이저헤드부 보다 먼저 상기 용접부에 대면 또는 접촉하도록 상기 소재의 용접부를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 열전달수단은,
    구리를 포함하는 재질로 구비되는 열전달플레이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열전달플레이트는,
    상기 소재의 외부에서 상기 레이저헤드부와 대면하게 구비되는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저수단은,
    레이저를 발생시키는 레이저발생부; 및
    상기 레이저발생부와 연결되어 레이저 빔을 출사 또는 조사하는 레이저헤드부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 소재는,
    강판이며,
    상기 레이저헤드부는,
    상기 강판을 말아서 상기 강판의 일측 단부와 타측 단부가 접촉하는 영역에 레이저를 조사하게 구비되는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 레이저헤드부는,
    상기 소재의 단부로부터 0.2mm이상 0.4mm이하 떨어진 곳에서 레이저 빔을 출사하고, 레이저 빔을 출사한 상태에서 상기 소재 상으로 진입하게 구비되는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
  9. 레이저용접기로 소재를 용접하는 방법으로,
    상기 소재의 외부에 레이저헤드부를 위치시킨 상태에서 레이저 빔을 출사하는 준비단계; 및
    상기 소재의 용접부를 따라 상기 레이저헤드부를 이동시키며 상기 소재의 용접부에 레이저 빔을 조사하는 용접단계;
    를 포함하는 용접 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 용접단계 이전에 상기 소재의 용접부에 열전달물질을 대면 또는 접촉시키는 예열단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 예열단계는,
    상기 소재의 외부에서 상기 레이저헤드부와 상기 열전달물질을 대면시키고, 상기 열전달물질에 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
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