KR20190008085A - 용접 퍼들과 함께 소모재 및 열원을 사용하는 방법 및 시스템 - Google Patents

용접 퍼들과 함께 소모재 및 열원을 사용하는 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20190008085A
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엘리엇 애쉬
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

필러 와이어 및/또는 열원을 제어하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 시스템은, 적어도 하나의 모재를 가열하여 적어도 하나의 모재의 표면 상에 용융 퍼들을 생성하도록 구성된 고 강도 에너지원을 포함한다. 필러 와이어 공급기는 필러 와이어를 상기 용융 퍼들 내에 공급하도록 구성되고, 이동 방향 제어기는, 고 강도 에너지원 및 필러 와이어를 이동 방향으로 전진시켜 적어도 하나의 모재 상에 필러 와이어를 용착하도록 구성된다. 시스템은, 또한, 필러 와이어의 공급 및 전진 동안 적어도 제1 방향으로 필러 와이어 및/또는 에너지원을 이동시키도록 구성된 제어기를 포함한다. 적어도 제1 방향은, 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하도록 제어된다.

Description

용접 퍼들과 함께 소모재 및 열원을 사용하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM OF USING A CONSUMABLE AND A HEAT SOURCE WITH A WELD PUDDLE}
본원은, 미국 가특허출원번호 제61/668,818호의 우선권을 주장하는 2013년 3월 8일에 출원된 미국 특허출원번호 제13/790,868호의 계속출원(이제는 미국특허번호 제9,687,929호임)인 2017년 5월 22일에 출원된 미국 특허출원번호 제15/601,550호의 부분계속출원이며, 이들 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다.
소정의 실시예들은, 오버레이, 용접, 및 접합 응용분야에서의 필러 와이어 및/또는 열원의 사용에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 소정의 실시예들은, 브레이징, 클래딩, 빌딩업(building up), 충전(filling), 하드-페이싱(hard-facing) 오버레이, 접합, 및 용접 응용분야들 중 임의의 것에 대한 시스템 및 방법에서의 필러 와이어 및/또는 열원의 제어에 관한 것이다.
통상의 필러 와이어 용접 방법(예를 들어, 가스-텅스텐 아크 용접(GTAW) 필러 와이어 방법)은 통상의 단독 아크 용접에 비해 용착 속도 및 용접 속도를 증가시킨다. 토치를 리드하는 필러 와이어는 별도의 전력 공급 장치에 의해 저항 발열된다. 와이어는 접촉 튜브를 통해 모재를 향하여 공급되며 접촉 튜브를 넘어 연장된다. 연장부는, 연장부가 용융점에 접근하거나 도달하여 용접 퍼들(weld puddle)과 접촉하도록 저항 발열된다. 텅스텐 전극을 사용하여 모재를 가열 및 용융하여 용접 퍼들을 형성할 수 있다. 전력 공급 장치는 필러 와이어를 저항 용융하는 데 필요한 대량의 에너지를 제공한다. 일부 경우에는, 와이어 공급이 미끄러지거나 흔들릴 수 있으며, 와이어의 전류로 인해 와이어의 팁과 모재 간에 아크가 발생할 수 있다. 이러한 아크의 과도한 열은 용락(burn through) 및 스패터(spatter)를 야기할 수 있다. 또한, 통상의 필러 와이어 방법은 아크를 사용하여 필러 물질을 용접부에 전달하기 때문에, 원하는 용접 프로파일을 얻고 및/또는 용접 퍼들의 냉각 속도를 제어하는 것이 어려울 수 있다.
종래의 통상적인 제안된 방안들의 다른 한계 사항 및 단점은, 이러한 방안들을 도면을 참고하여 본원의 나머지 부분에 개시된 바와 같은 본 발명의 실시예들과 비교함으로써, 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예들은, 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 충전, 하드 페이싱 오버레이, 용접, 및 접합 응용분야들 중 임의의 것에 대한 시스템 및 방법에 있어서 필러 와이어를 제어하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은, 고 에너지 열원에 의해 적어도 하나의 모재를 가열하여 적어도 하나의 모재의 표면 상에 용융 퍼들을 생성하는 단계 및 필러 와이어를 용융 퍼들에 공급하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은, 고 에너지 열원과 필러 와이어의 각각을 이동 방향으로 전진시켜 적어도 하나의 모재 상에 필러 와이어를 용착하는 단계를 포함한다. 필러 와이어 및/또는 열원은 필러 와이어의 공급과 전진 동안 적어도 제1 방향으로 이동하며, 적어도 제1 방향은 이동 방향과 다르다. 방법은, 적어도 제1 방향으로의 적어도 필러 와이어 및/또는 열원의 이동을 제어하여 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 시스템은, 적어도 하나의 모재를 가열하여 적어도 하나의 모재의 표면 상에 용융 퍼들을 생성하도록 구성된 고 강도 에너지원을 포함한다. 필러 와이어 공급기는 필러 와이어를 용융 퍼들에 공급하도록 구성된다. 이동 방향 제어기는, 고 강도 에너지원과 필러 와이어의 각각을 이동 방향으로 전진시켜 적어도 하나의 모재 상에 필러 와이어를 용착하도록 구성된다. 시스템은, 또한, 필러 와이어의 공급과 전진 동안 필러 와이어 및/또는 에너지원을 적어도 제1 방향으로 이동시키도록 구성된 제어기를 포함하며, 적어도 제1 방향은 상기 이동 방향과 다르다. 적어도 제1 방향으로의 적어도 필러 와이어 및/또는 에너지원의 이동은, 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하도록 제어된다.
방법은, 또한, 적어도 가열 전류의 흐름을 인가하면서 고강도 에너지원으로부터의 에너지를 모재에 인가하여 모재를 가열하는 단계를 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, 및 서브머지드 아크 용접(SAW) 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시된 실시예들의 세부 사항뿐만 아니라 청구 발명의 이러한 특징부 및 다들 특징부는 다음에 따르는 설명 및 도면들로부터 더욱 완전히 이해될 것이다.
본 발명의 상술한 양태 및/또는 다른 양태는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 상세하게 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 충전, 하드 페이싱 오버레이, 접합, 및 용접 응용분야들 중 임의의 것에 대한 필러 와이어 공급기와 에너지원 시스템의 조합의 예시적인 실시예의 기능적 개략 블록도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 시스템에 의해 사용될 수 있는 필러 와이어를 제어하는 방법을 도시한다.
도 3a와 도 3b는 도 1의 시스템에 의해 사용될 수 있는 필러 와이어를 제어하는 방법을 도시한다.
도 4a와 도 4b는 도 1의 시스템에 의해 사용될 수 있는 필러 와이어를 제어하는 방법을 도시한다.
도 5a와 도 5b는 도 1의 시스템에서 접촉 튜브의 각도 및 오프셋 이동을 제어하기 위한 장치의 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다.
도 6은 도 1의 시스템에 의해 수행될 수 있는 예시적인 위브(weave) 패턴을 도시한다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 설명되는 예시적인 실시예들은, 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니다. 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 가리킨다.
용접/접합 작업은, 전형적으로 조인트를 형성하도록 필러 금속이 모재 금속의 적어도 일부와 결합되는 용접 작업에서 다수의 모재를 함께 접합하는 것으로 알려져 있다. 용접 작업에서의 생산 처리량을 증가시키기 위한 욕구 때문에, 표준 이하의 품질을 가진 용접부를 초래하지 않는 더욱 빠른 용접 작업이 끊임없이 필요하다. 이는 유사한 기술을 사용하는 클래딩/표면 처리 작업에도 적용된다. 다음에 따르는 많은 설명에서 "용접" 작업 및 시스템을 언급할지라도, 본 발명의 실시예들은 접합 작업에만 한정되는 것이 아니라 클래딩, 브레이징, 오버레이 등의 유형의 작업에 유사하게 사용될 수 있다는 점에 주목한다. 또한, 원격 작업장과 같이 불리한 환경 조건에서 신속하게 용접할 수 있는 시스템을 제공할 필요가 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예들은 기존의 용접 기술에 비해 상당한 이점을 제공한다. 이러한 이점으로는, 다중 필러 와이어 사용, 용접 프로파일 조정, 용접 퍼들의 냉각 속도 제어, 모재의 왜곡이 작은 총 열 입력의 감소, 매우 빠른 용접 이동 속도, 매우 느린 스패터 속도, 차폐부가 없는 용접, 스패터가 없거나 거의 없이 물질의 고속 용접 도금 또는 코팅, 복합 물질의 고속 용접이 있지만, 이에 한정되지 않는다.
도 1은, 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 충전, 하드-페이싱 오버레이, 및 접합/용접 응용분야들 중 임의의 것을 수행하기 위한 필러 와이어 공급기와 에너지원 시스템(100)의 조합의 예시적인 실시예의 기능적 개략 블록도를 도시한다. 시스템(100)은, 레이저 빔(110)을 모재(115) 상에 포커싱하여 모재(115)를 가열하고 용접 퍼들(145)을 형성할 수 있는 레이저 서브시스템(130/120)을 포함한다. 레이저 서브시스템은 고 강도 에너지원이다. 레이저 서브시스템은, 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크, YB-섬유, 섬유 전달 또는 직접 다이오드 레이저 시스템을 포함하되 이에 한정되지 않는 임의의 유형의 고 에너지 레이저원일 수 있다. 또한, 심지어 충분한 에너지를 갖는다면 백색광 또는 석영 레이저형 시스템이 사용될 수 있다. 시스템의 다른 실시예들은, 고 강도 에너지원으로서 기능하는, 전자 빔, 플라즈마 아크 용접 서브시스템, 가스 텅스텐 아크 용접 서브시스템, 가스 금속 아크 용접 서브시스템, 플럭스 코어 아크 용접 서브시스템, 및 서브머지드 아크 용접 서브시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다음에 따르는 설명에서는 레이저 시스템, 빔 및 전력 공급 장치를 반복적으로 언급하지만, 이러한 언급은 임의의 고 강도 에너지원이 사용될 수 있으므로 예시적인 것임을 이해해야 한다. 예를 들어, 고 강도 에너지원은 적어도 500W/cm2를 제공할 수 있다.
본원에서 설명되는 레이저 장치(120)와 같은 고 강도 에너지원은 원하는 용접 작업에 필요한 에너지 밀도를 제공하는 데 충분한 전력을 갖는 유형이어야 한다는 점에 주목해야 한다. 즉, 레이저 장치(120)는, 용접 공정 전체에 걸쳐 안정적인 용융 퍼들을 생성하고 유지하는 데 충분한 전력을 가져야 하며, 또한 원하는 용입에 도달해야 한다. 예를 들어, 일부 응용분야의 경우, 레이저는 용접되는 모재를 "키홀"(keyhole) 처리하는 능력을 갖추어야 한다. 이는, 레이저가 모재를 따라 이동함에 따라 그 용입 레벨을 유지하면서 모재를 완전히 용입하기 위한 충분한 전력을 가져야 함을 의미한다. 예시적인 레이저는, 1 내지 20kW 범위의 전력 성능을 가져야 하고, 5 내지 20kW 범위의 전력 능력을 가질 수 있다. 고 전력 레이저를 이용할 수 있지만, 매우 고가일 수 있다.
레이저 서브시스템(130/120)은, 서로 동작가능하게 연결된 레이저 장치(120)와 레이저 전력 공급 장치(130)를 포함한다. 레이저 전력 공급 장치(130)는 레이저 장치(120)를 동작시키기 위한 전력을 제공한다. 레이저 장치(120)는, 레이저 빔(110)이 쉽게 포커싱/디포커싱될 수 있고 또는 레이저 빔의 빔 강도가 매우 쉽게 변경될 수 있으므로 용접 퍼들(145)의 크기와 깊이를 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 이러한 능력들 때문에, 모재(115) 상의 열 분배를 정밀하게 제어할 수 있다. 이 제어는 모재(115) 상의 용접 영역의 크기를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 정밀 용접을 위한 매우 좁은 용융 퍼들도 생성할 수 있게 한다.
시스템(100)은, 또한, 레이저 빔(110) 부근에서 모재(115)와 접촉하도록 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 제공할 수 있는 필러 와이어 공급기 서브시스템을 포함한다. 물론, 여기서 모재(115)를 참조해 보면, 용융 퍼들, 즉, 용접 퍼들(145)은 모재(115)의 일부로서 간주되므로, 모재(115)와의 접촉을 언급하는 것은 용접 퍼들(145)과의 접촉을 포함하는 것으로 이해할 수 있다. 필러 와이어 공급기 서브시스템은, 필러 와이어 공급기(150), 접촉 튜브(160), 및 와이어 전력 공급 장치(170)를 포함한다. 작업 중에, 필러 와이어(140)는, 접촉 튜브(160)와 모재(115) 간에 동작가능하게 연결된 전력 공급 장치(170)로부터의 전류에 의해 저항 발열된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 공급 장치(170)는 펄스형 직류(DC) 전력 공급 장치이지만, 교류(AC) 또는 다른 유형의 전력 공급 장치도 가능하다. 일부 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140)는 전력 공급 장치(170)에 의해 자신의 용융점까지 또는 그 근처까지 예열된다. 이에 따라, 용접 퍼들(145) 내에 존재하는 필러 와이어는 용접 퍼들(145)을 현저하게 냉각 또는 응고시키지 않으며, 필러 와이어(145)는 용접 퍼들(145) 내로 신속하게 소비된다.
전력 공급 장치(170), 필러 와이어 공급기(150), 및 레이저 전력 공급 장치(130)는 감지 및 제어 유닛(195)에 동작가능하게 연결될 수 있다. 제어 유닛(195)은, 몇 가지 예를 들면, 와이어 공급 속도, 와이어 온도, 및 용접 퍼들 온도 등의 용접 작업들을 제어할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 제어 유닛(195)은, 전력 공급 장치(130, 170)에 의해 사용되는 전력, 접촉 튜브(160)에서의 전압, 필러 와이어(들)를 통한 가열 전류(들), 필러 와이어(들)를 위한 원하는 실제 온도(들) 등과 같은 입력을 수신할 수 있다. "Method And System To Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding"이라는 명칭으로 2011년 8월 17일에 출원된 미국 특허출원번호 제13/212,025호는, 본 발명에 포함될 수 있는 예시적인 감시 및 제어 방법론을 포함하여 예시적인 감지 및 제어 유닛들을 설명하며, 이 문헌의 전문은 본 발명에 참고로 원용된다.
본 발명의 예시적인 실시예들에서, 용접 프로파일, 즉, 용접 퍼들(145)의 형상 및/또는 크기는, 용접 퍼들(145)에 대한 필러 와이어(140)의 상대 이동을 제어함으로써 변경될 수 있다. 도 1에 예시한 바와 같이, 용접 퍼들(145)에서의 필러 와이어(140)의 충돌 로케이션은 접촉 튜브(160)를 제어하는 필러 와이어 모터(1730)에 의해 제어될 수 있다. 모터(1730)는, 용접 중에 용접 퍼들(145)에 대한 필러 와이어(140)의 위치가 상대 이동하도록 접촉 튜브(160)를 이동시키거나 병진시킨다. 예시적인 일 실시예에서, 필러 와이어(140)는 레이저 빔(110)과 동일한 로케이션에서 용접 퍼들(145)과 충돌한다. 이러한 경우, 레이저 빔(110)은 필러 와이어(140)를 용융하는 데 기여할 수 있다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서는, 필러 와이어(140)가 레이저 빔(110)으로부터 이격된 동일한 용접 퍼들(145)과 충돌할 수 있다. 물론, 아크형 가열 서브시스템이 레이저 서브시스템 대신 사용되는 경우에는, 필러 와이어(140)가 아크로부터 이격된 용접 퍼들(145)과 충돌한다. 일부 예시적인 실시예에서, 필러 와이어 모터(1730)는, 용접 퍼들(145) 내에서의 필러 와이어(140)의 이동이 레이저 빔(110)의 이동과 함께 조정되도록 접촉 튜브(160)를 제어한다. 이와 관련하여, 필러 와이어 모터(1730)는, 감지 및 제어 유닛(195) 및/또는 직접 레이저 동작 제어 서브시스템(1710/1720)과 동작가능하게 연결되어 통신할 수 있다. 레이저 동작 제어 서브시스템(1710/1720)은 모터(1710)와 광 구동 유닛(1720)을 포함한다. 모터(1710)는, 용접 중에 용접 퍼들(145)에 대한 레이저 빔(110)의 위치가 상대 이동하도록 레이저(120)를 이동시키거나 병진시킨다. 즉, 레이저 빔(110)과 필러 와이어(140)가 용접 공정 중에 모재(115)에 대해 (즉, 용접 방향으로)(화살표(111) 참조) 상대적으로 이동하는 동안, 레이저 빔(110)도 용접 퍼들(145)에 대해서 상대적으로 이동할 수 있다. 예컨대, 모터(1710)는, 용접 파라미터에 기초하여, 레이저 빔(110)을 용접 방향과 직렬로 전후방으로 그리고 용접부의 폭을 따라 전후방으로, 원형 패턴으로, 타원형 패턴 등으로 병진시킬 수 있다. 레이저 빔(110)의 이동에 더하여 또는 그 대안으로, 광 구동 유닛(1720)은, 레이저 빔(110)의 형상 및/또는 강도를 제어하는 레이저(120)의 광학계를 제어할 수 있다. 예컨대, 광 구동 유닛(1720)은, 빔(110)의 초점이 모재(115)의 표면에 대해 상대적으로 이동하거나 변경되게 할 수 있고, 이에 따라 용접 퍼들(145)의 용입 또는 깊이를 변경할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 광 구동 유닛(1720)은, 레이저(120)의 광학계가 빔(110)의 형상을 변경하게 할 수 있고 이에 따라 용접 퍼들(145)의 형상을 변경하게 할 수 있다. 레이저 동작 제어 서브시스템(1710/1720)의 동작은, "Method And System To Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding"이라는 명칭으로 2011년 8월 17일에 출원된 미국 특허출원번호 제13/212,025호에 더 설명되어 있으며, 이 문헌의 전문은 본원에 참고로 원용된다.
본 발명의 실시예들은, 퍼들에 대해 필러 와이어(140)를 상대 이동시킬 수 있음으로써, 용접 중에 원하는 용접 퍼들 혼합물을 취득할 수 있고 또한 퍼들의 형상, 프로파일, 및 높이를 조정할 수 있다. 예컨대, 용접 퍼들(145)이 비교적 크도록 예정되어 있다면, 필러 와이어(140)의 이동에 의해 필러 와이어(140)가 용접/클래딩 동안에 퍼들(145) 전체에 걸쳐 상대적으로 균일하게 용착 및 분배될 수 있다. 또한, 작업 중에 상이한 시기에 필러 와이어(140)를 퍼들(145)의 소정 부분으로 전달하는 것이 바람직할 수 있다. 이는, 본 발명의 실시예들에서, 필러 와이어(140)를 적절한 시기에 퍼들(145) 내의 적절한 위치로 전달함으로써 발생할 수 있다. 또한, 용접 퍼들의 혼합은, 작업 중에 필러 와이어(140)를 용접 퍼들에 대해 상대 이동시킴으로써 향상될 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, 감지 및 제어 유닛(195)은, 모터(1730)를 사용하여 필러 와이어(140)의 이동을 레이저 빔(110)의 이동과 동기화할 수 있다. 예시적인 실시예에서는, 도 2a와 도 2b에 예시된 바와 같이, 레이저 빔(110)과 필러 와이어(140) 모두가 모터(1710, 1730)에 의해 각각 원형 패턴으로 이동한다. 레이저 빔(110)에 대한 필러 와이어(140)의 상대 위치는, 레이저 빔(110)과 필러 와이어(140)가 용접 방향으로 전방(화살표(111) 참고)으로 이동할 때 용접 퍼들(145)이 자신의 최적 온도 지점에서 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(145)에 충돌하는 것을 보장하도록 모터(1730)에 의해 조정될 수 있다. 예컨대, 도 2b에 도시한 바와 같이, 필러 와이어(140)는, 레이저 빔(110)이 필러 와이어를 가열한 직후에 용접 퍼들(145) 상의 지점 X에 충돌한다. 따라서, 본 발명의 실시예는, 용접 퍼들(145) 내로의 필러 와이어(140)의 흡수를 최적화하도록 필러 와이어(140)가 레이저 빔(110)(또는 다른 열원)의 이동을 추종하도록 할 수 있으며, 이는 도 2c에 대략적으로 도시되어 있다. 물론, 최적의 충돌 시점의 정확한 타이밍은, 용접 퍼들(145)의 온도, 레이저 빔(110)의 강도, 필러 와이어(140)의 유형, 필러 와이어(140)의 공급 속도 등에 따라 변할 수 있다.
또한, 필러 와이어(140)와 레이저 빔(110)은 다른 패턴을 따를 수 있고, 이들의 이동이 동기화될 필요는 없다. 예컨대, 도 3a와 도 3b는, 레이저 빔(110)과 필러 와이어(140)가 단일 선을 따라 전후로 병진하는 일 실시예를 예시한다. 레이저 빔(110)과 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(145)의 폭을 가로질러 병진하는지(도 3a) 또는 용접 퍼들과 직렬로 병진하는지(도 3b)에 따라, 이들 실시예는, 용접부의 원하는 형상에 따라 필요한 만큼 용접 퍼들(145)을 세장형으로 만들거나 확대하는 데 사용될 수 있다. 물론, 다수의 다른 패턴도 가능하다. 예컨대, 레이저 빔(110)과 필러 와이어(140)는, 용접 퍼들(145) 내에서 도 2a와 도 2b에 도시된 원형 패턴보다는 타원형 패턴으로 병진할 수 있다. 물론, 이러한 패턴들의 임의의 조합을 사용하여 필요한 만큼 용접 퍼들(145)을 세장형으로 만들거나 확대하여 원하는 용접 프로파일을 얻을 수 있다. 또한, "Method And System To Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding"이라는 명칭으로 2011년 8월 17일에 출원되고 그 전문이 본원에 참고로 원용되는 미국 특허출원번호 제13/212,025호는, 본 발명에서 사용될 수 있는 추가 패턴을 제공한다.
일부 실시예에서, 필러 와이어(140)의 동작은 레이저 빔(110)의 동작과는 독립적이다. 즉, 레이저 빔(110)과 필러 와이어(140)의 패턴들은 동일할 필요가 없다. 예컨대, 레이저 빔(110)은 타원형 패턴을 갖는 한편 필러 와이어(140)는 원형 또는 전후 패턴을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 레이저 빔(110)은 용접 퍼들(145)에 대해 고정된 상태로 유지될 수 있고, 필러 와이어(140)만이 용접 퍼들(145)에 대해 상대 이동하거나 병진한다.
본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140)는 용접 퍼들(145)을 위한 냉각 속도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 필러 와이어(140)는, 용접부를 냉각 및 고화시키도록 용접 퍼들(145)보다 저온일 수 있다. 이러한 용접 시스템은 아웃-오브-포지션 용접(out-of-position welding)에서 유리할 수 있는데, 그 이유는 용접 퍼들(145)이 용접 조인트로부터 늘어지거나 쏟아질 수 있기 전에 냉각 및 고화되기 시작할 것이기 때문이다. 그러나, 용접 퍼들(145) 내에서의 바람직하지 않은 국부적(또는 불균일한) 냉각 또는 고화를 방지하도록, 모터(1730)는, 저온의 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(145)을 통해 균일하게 확산되는 것을 보장하도록 전술한 바와 같이 필러 와이어(140)를 이동시킬 수 있다. 반대로, 몇몇 용접 작업에서는, 용접 퍼들(145)이 너무 빨리 냉각되거나 고화되는 것을 방지하기 위해 필러 와이어(140)를 용접 퍼들(145)보다 고온으로 하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 필러 와이어(140)는 용접 퍼들(145)의 온도를 균일하게 유지하도록 모터(1730)에 의해 이동할 수 있다.
도 2a 내지 도 3b에 도시된 실시예에서, 필러 와이어(140)는 용접 작업 중에 레이저 빔(110)을 추종한다. 그러나, 이것은, 필러 와이어(140)가 선행 위치에 위치설정될 수 있을 때에는 불필요하다. 또한, 필러 와이어(140)가 이동 방향으로 레이저 빔(110)과 직렬일 필요는 없지만, 필러 와이어는, 필러 와이어(140)가 레이저 빔(110)과 동일한 용접 퍼들(145)에 충돌하는 한 임의의 방향으로부터 용접 퍼들에 충돌할 수 있다.
전술한 실시예들에서는, 하나의 필러 와이어만이 사용되었다. 그러나, 본 발명은 단일 필러 와이어를 용접 퍼들(145)로 지향시키는 것으로 한정되지 않는다. 대부분의 용접 공정과는 달리, 필러 와이어(140)는 용접 공정 중에 용접 퍼들(145)과 접촉하고 용접 퍼들 내로 삽입된다. 그 이유는, 이 공정이 필러 와이어(140)를 전달하기 위해 용접 아크를 사용하는 것이 아니라 오히려 단순히 필러 와이어(140)를 용접 퍼들(145) 내로 용융하기 때문이다. 본원에서 설명하는 용접 공정에서는 용접 아크가 전혀 발생하지 않기 때문에, 1개보다 많은 필러 와이어가 임의의 하나의 용접 퍼들로 향할 수 있으며, 즉, 공급기 서브시스템이 하나 이상의 필러 와이어를 동시에 제공할 수 있다. 주어진 용접 퍼들로의 필러 와이어의 개수를 증가시킴으로써, 열 입력의 현저한 증가 없이도 용접 공정의 전체 용착 속도가 현저히 증가할 수 있다. 따라서, 오픈 루트(open root) 용접 조인트가 단일 용접 패스로 충전될 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 필러 와이어의 용착 속도와 함께, 추가 필러 와이어를 사용함으로써 용접부의 형상 및 특징이 원하는 대로 변경될 수 있다. 다수의 필러 와이어가 사용되고 이들 모두가 본원에서 설명한 대로 가열되는 한, 본 발명의 실시예들은 각각의 필러 와이어에 대해 단일 전력 공급 장치(170)를 사용할 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서는, 도 4a와 도 4b에 예시한 바와 같이, 2개의 필러 와이어가 용접 퍼들(145)에 충돌한다. 2개 이상의 필러 와이어가 사용되는 실시예는 전술한 실시예와 유사하다. 이에 따라, 간결성을 위해, 상대적인 차이점만을 설명한다. 도 4a와 도 4b에 도시한 바와 같이, 제2 필러 와이어(140')는 폭방향으로 필러 와이어(140)와 직렬로 용접 퍼들(145)에 충돌한다. 그러나, 이 구성은 한정되지 않으며, 필러 와이어(140')는 용접 방향(화살표(111) 참고)으로 필러 와이어(140)와 직렬로 용접 퍼들(145)에 충돌할 수 있다. 물론, 필러 와이어(140, 140')는 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이 후행 위치에 있을 필요는 없으며, 필러 와이어들(140', 140) 중 어느 하나 또는 모두가 용접 작업 중에 선행 위치에 있을 수 있다. 필러 와이어(140')는, 필러 와이어(140)와 동일한 물질로 구성될 수 있고, 또는 원하는 용접부에 따라 상이한 물질로 구성될 수 있다. 예컨대, 필러 와이어(140')는 하드-페이싱 및/또는 모재에 내부식성을 제공하도록 사용될 수 있으며, 필러 와이어(140)는 모재에 구조를 추가하는 데 사용될 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140')는 전술한 바와 같이 필러 와이어(140)와 유사한 방식으로 모터에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 도 4a와 도 4b에 도시한 바와 같이, 필러 와이어(140')는 모터(도시하지 않음)에 의해 시계 방향 패턴으로 이동하고, 필러 와이어(140)는 반시계 방향 패턴으로 이동한다. 필러 와이어(140, 140')의 이동은 원하는 용접 형상을 달성하도록 전술한 바와 같이 제어될 수 있다. 물론, 필러 와이어는 원형 패턴으로 또는 양방향(즉, 시계 방향 및 반시계 방향)으로 이동하는 것으로 한정되지 않는다. 필러 와이어(140, 140')는, 원하는 용접 프로파일을 달성하도록 전술한 패턴들의 임의의 조합을 사용하여 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 필러 와이어는 용접 퍼들(145)의 온도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 제2 필러 와이어의 공급 속도 및/또는 온도는 용접 퍼들(145)의 원하는 온도에 기초하여 제어될 수 있다. 전술한 예시적인 실시예와 유사하게, 제2 필러 와이어는 용접 퍼들 온도보다 낮거나 높을 수 있고, 필러 와이어(140')는 용접 퍼들(145)의 온도가 균일한 것을 보장하도록 제어될 수 있다.
도 1에서는, 명확성을 기하기 위해 레이저 전력 공급 장치(130), 핫 와이어 전력 공급 장치(170), 및 감지 및 제어 유닛(195)이 개별적으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에서, 이들 구성요소는 단일 용접 시스템으로 일체 형성될 수 있다. 본 발명의 양태들은, 개별적으로 전술한 구성요소들이 개별적인 물리적 유닛으로서 또는 독립형 구조로서 유지될 것을 필요로 하지 않는다.
일부 예시적인 실시예에서, 와이어 공급기 서브시스템은, 필러 와이어(140)가 측방향으로 변위되면서 용접 퍼들(145)의 표면에 대하여 일정 각도로 또는 용접 조인트 홈에 대하여 오프셋되게 용접 퍼들(145)에 진입할 수 있게끔 접촉 튜브(160)를 배향시키도록 구성될 수 있다. 도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이, 접촉 튜브(160)는, 필러 와이어(140)가 수직 각도(a) 및/또는 오프셋(D)으로 용접 퍼들에 진입하도록 배향될 수 있다. 예를 들어, 접촉 튜브(160)는, 필러 와이어가 용접 퍼들(145)에 진입할 때 필러 와이어(140)의 배향을 조정하는 로봇 아암(arm; 210)에 연결되거나 이러한 로봇 아암 내에 통합될 수 있다. 로봇 아암(210)은, 필러 와이어가 용접 퍼들(145)에 진입할 때 필러 와이어(140)의 로케이션과 배향을 정밀하게 제어하기 위해 필러 와이어(140)가 원하는 수직 각도(a) 및/또는 오프셋(D)으로 용접 퍼들(145)에 진입하도록 하는 방향으로 접촉 튜브(160)를 회전시키거나 위치설정하도록 구성될 수 있다. 접촉 튜브(160)의 수직 각도(a)는, 예를 들어 감지 및 제어 유닛(195)에 의해 제어될 수 있는 로봇 아암(210)을 통해 및/또는 수동으로 회전하거나 위치설정될 수 있다(도 1 참조). 유사하게, 접촉 튜브(160)의 측방향 변위 또는 오프셋(D)은, 예를 들어 감지 및 제어 유닛(195)에 의해 제어될 수 있는 로봇 아암(210)을 통해 및/또는 수동으로 제어될 수 있다. 물론, 로봇 아암(210)은 예시적인 것이고, 필요시 다른 수단을 사용하여 접촉 튜브(160)를 설정 및/또는 조정할 수 있다.
각도(a)는, 0도보다 약간 크고(즉, 용접 퍼들(145)의 상면에 평행한 것보다 약간 큰 각도) 내지 90도(즉, 와이어(140)가 용접 퍼들의 표면에 수직으로 용접 퍼들(145)에 진입함) 범위일 수 있다. 예를 들어 수동으로 및/또는 로봇 아암(210) 및 제어기(195)를 통해 각도(a)를 설정 및/또는 조정하여, 용융 퍼들(145)에 의해 형성되는 용접 비드(WB)(또는 클래드 비드)의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득할 수 있다. 또한, 각도(a)를 수동으로 및/또는 로봇 아암(210) 및 제어기(195)를 통해 설정 및/또는 조정하여 용접 퍼들(145) 내로의 필러 와이어(140)의 원하는 용입 깊이를 취득할 수 있다. 예를 들어, 용접 퍼들(145)의 깊이가 얕은 경우 또는 용접 퍼들(145)이 필러 와이어(140)를 순간적으로 용융하지 않을 온도에 있는 경우에는, 필러 와이어(140)가 용접 조인트의 하부에 맞닿지 않도록 작은 각도(a)가 바람직할 수 있다. 용입 깊이가 더 필요하면, 각도(a)를 더욱 큰 각도로 설정한다. 또한, 필러 와이어(140)의 원하는 용입은, 열원에 대한 필러 와이어(140)의 배향에 의존할 수 있다. 예를 들어, 용접 퍼들은, 용접 퍼들이 정면에서 막 형성되기 시작하기 때문에 일반적으로 열원의 바로 뒤보다는 열원의 정면에서 더 얕다. 대조적으로, 용접 퍼들(145)은 열원의 뒤에 완전히 형성된다. 이에 따라, 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(145)이 완전히 형성되는 열원 뒤에서 용접 퍼들(145)에 진입하면, 각도(a)는, 용접 퍼들(145)이 얕을 수 있는 열원의 정면에서 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(145)에 진입하는 경우보다 많은 용입을 제공하도록 크게 설정될 수 있다. 따라서, 각도(a)는, 필러 와이어(140)가 열원의 정면에서 또는 열원의 뒤에서 또는 그 사이의 임의의 위치에서 용접 퍼들(145)에 진입하는지에 기초하여 상이할 수 있다. 예를 들어, 용접 퍼들이 얕고 및/또는 필러 와이어(140)가 열원의 정면에 배향된 경우, 각도(a)는, 더욱 작은 각도로, 예를 들어, 5도 내지 30도로, 더욱 바람직하게는, 20도 내지 30도로 설정 및/또는 조정될 수 있다. 예를 들어, 필러 와이어(140)가 열원의 뒤에 있기 때문에 더욱 큰 용입 깊이가 필요한 경우, 각도(a)는, 더욱 큰 각도로, 예를 들어 45도 내지 90도, 보다 바람직하게는 60도 내지 80도로 설정 또는 조정될 수 있다.
또한, 각도(a)는, 예를 들어 필러 와이어(140)의 용접 퍼들(145)로의 진입 지점과 열원이 용접 퍼들(145)을 히트(hit)하는 지점(220) 사이의 원하는 거리에 기초하여 로봇 아암(210) 및 제어기(195)를 통해 및/또는 수동으로 설정 및/또는 조정될 수 있다. 예를 들어, 더욱 작은 각도(a)는 필러 와이어(140)가 지점(220)에 더욱 가까운 지점에서 용접 퍼들(145)에 진입할 수 있게 하며, 이는 필러 와이어(140)가 더욱 빠르게 용융되거나/되고 용접 퍼들(145)이 더욱 빨리 냉각되게 할 수 있다. 또한, 용접 퍼들의 고온 지점(220)에 가까운 지점에서 용접 퍼들(145)에 진입함으로써, 필러 와이어(140)를 통한 예열 전류가 필요시 감소되거나 제거될 수 있다. 필러 와이어(140)에 대한 각도(a)는, 필러 와이어의 물질 유형, 모재의 물질 유형, 용접 퍼들의 깊이, 용접 퍼들의 온도, 용접 비드의 원하는 형상, 필러 와이어의 용접 퍼들로의 진입 지점과 열원 사이의 원하는 거리 등의 다양한 파라미터에 의존할 수 있다. 일부 실시예에서, 전술한 실시예들과 유사하게, 필러 와이어(140)를 원하는 각도(a)로 유지하면서, 필러 와이어(140)는, 이동 방향(111)과 직렬인 전후 이동, 이동 방향(111)을 가로지르는 전후 이동, 원형 이동(시계 방향 또는 반시계 방향)， 타원 이동(시계 방향 또는 반시계 방향)， 지그재그 이동, 전술한 이동의 임의의 조합, 또는 다른 임의의 원하는 이동 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 방향으로 이동할 수 있다. 일부 실시예에서, 필러 와어어(140)의 각도(a)의 설정 및/또는 조정은 그 적어도 하나의 방향으로의 필러 와이어(140)의 이동과 동기화될 수 있다. 다른 실시예에서, 필러 와이어(140)의 각도(a)의 설정 및/또는 조정은 그 적어도 하나의 방향으로의 필러 와이어(140)의 이동과는 독립적이다.
물론, 일부 실시예에서, 하나보다 많은 필러 와이어는, 수동으로 및/또는 자동으로 원하는 값으로 조정되는 각각의 각도(a)를 가질 수 있다. 각각의 각도(a)는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 필러 와이어 또는 와이어들은 필러 와이어(들)가 지점(220)에 가깝게 지향될 수 있도록 작은 각도(a)를 가질 수 있는 반면, 다른 필러 와이어(들)는 큰 각도(a)를 가질 수 있고 지점(220)으로부터 더욱 멀리 지향될 수 있다. 필러 와이어들은, 임의의 바람직한 구성으로, 예를 들어, 동일한 측에, 45도 떨어진 배향, 90도 떨어진 배향, 180도 떨어진 배향, 또는 다른 일부 바람직한 배향으로 고 강도 열원 주위에 배향될 수 있다.
용접 퍼들(145)의 중심 길이방향 축(215)에 대한 측방향 변위 또는 오프셋(D)은, 필러 와이어 물질이 용접 퍼들(145)에 용착되는 곳을 조정할 수 있게 한다. 오프셋(D)은, 예를 들어, 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(145)에 용착될 곳에 기초하여 수동으로 및/또는 로봇 아암(210) 및 제어기(195)를 통해 설정 및/또는 조정될 수 있다. 예를 들어, 용접 조인트를 사용하는 용접 작업에 있어서, 오프셋(D)은 용접 홈 축에 대해 존재할 수 있다. 클래딩 작업에서, 오프셋(D)은 클래딩층의 중심 길이방향 축에 대하여 존재할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 오프셋(D)은 모재 및/또는 용접 홈 조인트에서의 편차에 기초하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 모재의 프로파일 및/또는 용접 이음부의 프로파일을 제공하는 센서(예를 들어, 이음부 추적 센서)로부터의 피드백이 용접 조인트에 있어서 편차가 있음(예를 들어, 모재 판들 중 하나가 모재의 나머지 판에 비해 상승되었음)을 나타내면, 감지 및 제어 유닛(195)은, 편차를 보정하도록 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(145)에 진입하는 로케이션을 바이어싱하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 필러 와이어(140)가 용접 퍼들에 진입하는 로케이션이 그 높이 차를 보상하도록 적절한 오프셋(D)만큼 상승되지 않은 판을 향하여 바이어싱된다)． 모재 판들이 적절히 정렬되면, 오프셋은 제로로 될 수 있고, 필러 와이어(140)는, 용접 홈 축에, 즉, 일측 또는 타측에 대한 바이어스 없이 용착된다. 클래딩 작업에서, 센서는, 클래딩되는 모재의 프로파일의 피드백을 제공할 수 있고, 모재의 임의의 편차 또는 불균일성을 고려하도록 오프셋(D)을 적절히 조정할 수 있다. 또한, 각도(a)에서와 같이, 예를 들어 수동으로 및/또는 로봇 아암(210) 및 제어기(195)를 통해 오프셋(D)을 또한 설정 및/또는 조정하여 용융 퍼들(145)에 의해 형성되는 용접 비드(또는 클래드 비드)의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득할 수 있다.
또한, 필러 와이어(140)가 이동 방향에 대해 열원 측에 위치될 때, 오프셋(D)은, 예를 들어, 용접 퍼들(145) 내로의 필러 와이어(140)의 진입 지점과 지점(220) 사이의 원하는 거리에 기초하여 수동으로 및/또는 로봇 아암(210) 및 제어기(195)를 통해 설정 및/또는 조정될 수 있다. 또한, 각도(a)에서와 같이, 오프셋(D)은, 필러 와이어의 물질 유형, 모재의 물질 유형, 용접 퍼들의 깊이, 용접 퍼들의 온도, 용접 비드의 원하는 형상, 필러 와이어의 용접 퍼들로의 진입 지점과 지점(220) 사이의 원하는 거리 등의 다양한 파라미터에 의존할 수 있다. 일부 실시예에서, 전술한 실시예들과 유사하게, 바람직한 오프셋(D)에서 필러 와이어(140)의 평균 오프셋을 유지하면서, 필러 와이어(140)는, 이동 방향(111)과 직렬인 전후 이동, 이동 방향(111)을 가로지르는 전후 이동, 원형 이동(시계 방향 또는 반시계 방향)， 타원 이동(시계 방향 또는 반시계 방향)， 지그재그 이동, 전술한 이동의 임의의 조합, 또는 다른 임의의 원하는 이동 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 방향으로 이동할 수 있다. 일부 실시예에서, 필러 와이어(140)의 오프셋(D)의 설정 및/또는 조정은 그 적어도 하나의 방향으로의 필러 와이어(140)의 이동과 동기화될 수 있다. 다른 실시예에서, 필러 와이어(140)의 오프셋(D)의 설정 및/또는 조정은 그 적어도 하나의 방향으로의 필러 와이어(140)의 이동과는 독립적이다.
물론, 일부 실시예에서는, 하나보다 많은 필러 와이어가, 원하는 값으로 수동 및/또는 자동 조정된 오프셋(D)을 각각 가질 수 있다. 각자의 오프셋(D)은, 모두 동일할 수 있고, 상이할 수 있고, 또는 필러 와이어의 수에 기초하여 동일한 것과 다른 것의 조합일 수 있다. 예를 들어, 제1 필러 와이어(또는 와이어들)는 평균적으로 제1 필러 와이어(들)가 변위를 갖지 않도록, 즉, 중심 길이방향 축(215)에 대해 직렬이도록 제어될 수 있는 한편, 제2 필러 와이어(또는 와이어들)는 중심 길이방향 축(215)에 대해 평균적으로 오프셋(D)이 있도록 제어된다.
일부 실시예에서, 하나보다 많은 필러 와이어가 사용되는 경우, 하나 이상의 필러 와이어의 각도(a) 및/또는 오프셋(D)이 조정될 수 있는 한편 나머지 필러 와이어(들)의 각도(a) 및/또는 오프셋(D)은 소정의 값(들)으로 유지된다. 일부 실시예에서는, 고 강도 에너지원 또는 필러 와이어만이 이동 방향(111)으로 이동하지만, 시스템(100)은, 고 강도 에너지원 또는 필러 와이어 중 나머지가 적어도 하나의 방향으로 이동하도록 구성될 수 있고, 여기서 적어도 하나의 방향은, 이동 방향(111)과 직렬인 전후 이동, 이동 방향(111)을 가로지르는 전후 이동, 원형 이동(시계 방향 또는 반시계 방향)， 타원 이동(시계 방향 또는 반시계 방향)， 지그재그 이동, 전술한 이동의 임의의 조합, 또는 다른 임의의 원하는 이동 중 적어도 하나이다. 일부 실시예에서, 필러 와이어(140)의 오프셋(D) 및/또는 각도(a)의 설정 및/또는 조정은 각자의 적어도 하나의 방향으로의 필러 와이어(140) 및/또는 열원의 이동과 동기화될 수 있다. 다른 실시예에서, 필러 와이어(140)의 오프셋(D) 및/또는 각도(a)의 설정 및/또는 조정은 각자의 적어도 하나의 방향으로의 필러 와이어(140) 및/또는 열원의 이동과는 독립적이다.
또한, 하나보다 많은 필러 와이어가 사용되는 일부 실시예에서, 적어도 하나의 필러 와이어의 와이어 공급 속도는 나머지 필러 와이어(들)의 와이어 공급 속도와 다를 수 있다. 따라서, 하나보다 많은 필러 와이어가 사용되는 경우, 적어도 하나의 필러 와이어의 각도(a), 오프셋(D), 및/또는 와이어 공급 속도는 나머지 필러 와이어(들)의 각각의 각도(a), 오프셋(D), 및/또는 와이어 공급 속도와 다를 수 있다. 서로 다른 각도(a), 오프셋(D), 및/또는 와이어 공급 속도를 사용함으로써, 용접 퍼들(145)의 화학적 성질 및/또는 용접 비드 프로파일을, 예를 들어, 조인트의 유형에 기초하여 필요시 수정할 수 있다. 일부 실시예에서, 와이어 공급 속도(들)의 제어는, 필러 와이어(들)의 각도(a) 및/또는 오프셋(D)과 동기화될 수 있고 및/또는 필러 와이어 및/또는 열원의 각각의 적어도 하나의 방향의 이동과 동기화될 수 있다. 다른 실시예들에서, 와이어 공급 속도(들)의 제어는, 필러 와이어 및/또는 열원의 각각의 적어도 하나의 방향으로의 이동, 오프셋(D), 및/또는 각도(a)와 독립적이다.
일부 예시적인 실시예에서, 용접 조인트의 유형에 따라, 열원 및/또는 하나 이상의 필러 와이어는, 열원 및 필러 와이어(들)가 이동 방향(111)으로 이동할 때 위브 패턴으로 이동한다. 위브 패턴은, 열원 및/또는 적어도 하나의 필러 와이어를 용접 홈 내의 소정의 패턴으로 이동시킨다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 열원, 예를 들어, 빔(110)은, 용접이 이동 방향(111)으로 전진하는 동안 용접 조인트(230)의 일 측벽(230A)으로부터 용접 조인트(230)의 타 측벽(230B)으로 (또는 클래딩 작업을 수행하는 경우 하나의 외측 클래딩 에지로부터 타측 외측 클래딩 에지로) 연장되는 위브 패턴(225)으로 이동할 수 있다. 대안으로 또는 열원에 더하여, 적어도 하나의 필러 와이어, 예를 들어, 필러 와이어(140)도 각 위브 패턴을 추종하도록 제어될 수 있다. 도 6의 실시예에서, 위브 패턴(225)은, 삼각파이며, 일 측벽(230A)으로부터 타 측벽(230B)으로 연장된다. 물론, 위브 패턴(225)은 예시적인 것이며, 위브 패턴은 일 측벽 또는 외측 클래드 에지로부터 타측으로 완전히 연장될 필요가 없으며, 즉, 위브 패턴은 한 측벽/외측 클래드 에지에 못 미쳐 정지하거나 양측 측벽/에지에 못 미쳐 정지할 수 있다. 또한, 위브 패턴 유형은, 사인파, 삼각 밸브, 사각 밸브, 이들의 임의의 조합, 또는 원하는 다른 일부 패턴일 수 있다. 위브 패턴의 진폭은, 용접 홈 갭 및/또는 용접 비드 또는 클래드 비드의 원하는 프로파일에 따라 달라진다. 예를 들어, 더 큰 진폭은 큰 용접 조인트 갭을 커버하는 데 및/또는 더욱 평평한 용접 비드 또는 클래드 비드를 제공하는 데 사용될 수 있다. 위브 패턴 주파수는, 스캐닝 속도를 결정하고, 따라서 열원 및/또는 필러 와이어와 용접 퍼들 상의 임의의 주어진 지점에서의 용접 퍼들 간의 상호작용 시간을 결정한다. 일반적으로, 주파수가 높을수록 열원 및/또는 필러 와이어와 용접 퍼들 간의 상호작용 시간이 짧아짐을 의미하며(즉, 열원으로부터 용접 퍼들로 전달되는 열이 적고 및/또는 주어진 와이어 공급 속도에 대하여 임의의 주어진 지점에서 필러 와이어로부터 필러 물질이 덜 용착됨), 주파수가 낮을수록 열원 및/또는 필러 와이어와 용접 퍼들 간의 상호작용 시간이 길어진다는 것을 의미한다(즉, 열원으로부터 용접 퍼들로 전달되는 열이 많고 및/또는 주어진 와이어 공급 속도에 대하여 임의의 주어진 지점에서 필러 와이어로부터 필러 물질이 더 용착된다). 또한, 위브 패턴은, 소정 시간 동안 열원 및/또는 필러 와이어의 스캐닝 속도가 미리 결정된 속도로 감속되거나 또는 심지어 일시 정지하는 직조 패턴 경로 상의 하나 이상의 로케이션에서 체재 시간(dwell time)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열원 및/또는 필러 와이어의 스캐닝은, 용접 홈의 측벽에서 감속되거나 일시 정지하여 용접부에 대한 열 입력을 증가시키고 및/또는 측벽을 따라 더욱 양호한 용접부를 형성하도록 용착되는 필러 물질의 양을 증가시킬 수 있다. 클래딩 작업을 수행할 때, 열원 및/또는 필러 와이어의 스캐닝은 클래딩층의 외측 에지 상에서 감속되거나 일시 정지되어 클래딩층으로의 열 입력을 증가시키고 및/또는 더욱 평평한 클래드 비드를 제공하고 및/또는 클래딩층의 프로파일을 변경하도록 용착되는 필러 물질의 양을 증가시킬 수 있다.
일부 예시적인 실시예에서, 필러 와이어 및/또는 열원에 대한 각각의 적어도 하나의 방향으로의 이동은 각각의 위브 패턴(들)과 중첩될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 열원 및/또는 필러 와이어가 스캐닝되어 위빙 패턴을 수행하는 동안, 열원 및/또는 필러 와이어는, 이동 방향(111)과 직렬인 전후 이동, 이동 방향(111)을 가로지르는 전후 이동, 원형 이동(시계 방향 또는 반시계 방향), 타원 이동(시계 방향 또는 반시계 방향), 지그재그 이동, 이들의 임의의 조합, 또는 다른 임의의 원하는 이동 중 적어도 하나로 각각 이동한다. 열원 및/또는 필러 와이어에 대한 각각의 적어도 하나의 방향으로의 위브 패턴과 이동의 조합은, 용융 퍼들에 의해 형성되는 용접/클래드 비드의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하는 데 더욱 큰 유연성을 제공한다. 일부 실시예에서, 필러 와이어 및/또는 열원의 위브 패턴의 제어는, 필러 와이어(들)의 각도(a) 및/또는 오프셋(D)과 동기화될 수 있고 및/또는 필러 와이어 및/또는 열원의 각각의 적어도 하나의 방향으로의 이동과 동기화될 수 있다. 다른 실시예에서, 위브 패턴의 제어는, 필러 와이어 및/또는 열원의 각각의 적어도 하나의 방향으로의 각도(a), 오프셋(D), 및/또는 이동과 독립적이다.
일부 실시예에서, 감지 및 제어 유닛(195)은, 용접 비드(WB)의 프로파일, 용융 퍼들(145)의 프로파일, 용접 이음부의 프로파일, 및/또는 모재의 프로파일에 관한 피드백을 제어 유닛(195)에 제공하는 센서(도시하지 않음)를 포함한다. 피드백에 기초하여, 제어 유닛(195)은, 용융 퍼들에 의해 형성되는 용접 비드 또는 클래드 비드의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하도록 적어도 하나의 필러 와이어 및/또는 열원의 용접 작업의 각도(a), 오프셋(D), 위브 패턴(들), 와이어 공급 속도(들), 각각의 적어도 하나의 방향으로의 이동, 또는 이들의 임의의 조합을 동적으로 변경할 수 있다. 용접 퍼들, 용접 비드, 용접 조인트, 및/또는 모재의 프로파일의 피드백을 제공하는 센서, 예컨대, 이음부 추적 센서는 당업계에 알려져 있으므로 상세히 설명하지 않는다. 일부 실시예에서, 센서, 예를 들어, 이음부 추적 센서는, 용접 시스템이 이동 방향으로 이동함에 따라 용접 조인트의 용접 조인트 갭, 두께, 및/또는 배향에 관한 피드백을 제어 유닛(195)에 제공하며, 제어 유닛(195)은, 용융 퍼들에 의해 형성되는 용접 비드 또는 클래드 비드의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하도록 적어도 하나의 필러 와이어 및/또는 열원의 용접 작업의 각도(a), 오프셋(D), 위브 패턴(들), 와이어 공급 속도(들), 적어도 하나의 방향으로의 이동, 또는 이들의 임의의 조합을 동적으로 변경할 수 있다. 예를 들어, 이음부 추적 센서로부터의 피드백이 용접 갭이 넓어졌음을 나타내면, 감지 및 제어 유닛(195)은, 용접 퍼들(145)이 갭을 커버하는 것을 보장하도록 위브 패턴의 증가, 용접 퍼들이 갭을 커버하는 것을 보장하도록 필러 와이어 및/또는 열원의 적어도 하나의 방향으로의 이동 조정, 더 많은 필러 물질이 갭에 추가되는 것을 보장하도록 필러 와이어의 와이어 공급 속도 증가, 갭이 커버되는 것을 보장하도록 이동 속도의 감소, 용접 노출(blow through)이 없음을 보장하도록 열원의 강도 감소, 필러 와이어가 깊게 용입되지 않음을 보장하도록 각도(a) 감소, 및/또는 오프셋(D)의 적절한 조정 중 하나 이상을 동기식으로 또는 독립적으로 수행하도록 구성될 수 있다. 역으로, 센서 피드백이 갭이 감소되었음을 나타내면, 감지 및 제어 유닛(195)은, 용접 퍼들(145)이 갭을 넘어가지 않음을 보장하도록 위브 패턴의 감소, 필러 와이어 및/또는 열원의 적어도 하나의 방향으로의 이동 조정, 필러 물질이 갭에 덜 추가되는 것을 보장하도록 필러 와이어의 와이어 공급 속도의 감소, 필러 물질이 갭에 덜 추가되는 것을 보장하도록 이동 속도의 증가, 용접 퍼들이 적절한 깊이에 있음을 보장하도록 열원의 강도 증가, 필러 와이어가 적절한 용입을 갖는 것을 보장하도록 각도(a) 증가, 및/또는 오프셋(D)의 적절한 조정 중 하나 이상을 동기식으로 또는 독립적으로 수행하도록 구성될 수 있다. 이음부 추적 센서는, 당업계에 알려져 있으므로 상세히 설명하지 않는다.
본 발명을 소정의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 통상의 기술자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 가해질 수 있고 균등물로 대체될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 물질을 적용하도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예들로 한정되지 않으며, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 모든 실시예를 포함하고자 하는 것이다.

Claims (24)

  1. 필러 와이어(filler wire)를 제어하는 방법으로서,
    고 에너지 열원에 의해 적어도 하나의 모재(workpiece)를 가열하여 상기 적어도 하나의 모재의 표면 상에 용융 퍼들(molten puddle)를 생성하는 단계;
    상기 용융 퍼들에 필러 와이어를 공급하는 단계;
    상기 고 에너지 열원과 상기 필러 와이어의 각각을 이동 방향으로 전진시켜 상기 필러 와이어를 상기 적어도 하나의 모재 상에 용착하는 단계;
    상기 필러 와이어의 상기 공급 및 상기 고 에너지 열원과 상기 필러 와이어의 상기 전진 동안 적어도 제1 방향으로 상기 필러 와이어 및 적어도 제2 방향으로 상기 고 에너지 열원 중 적어도 하나를 이동시키는 단계로서, 상기 적어도 제1 방향과 상기 적어도 제2 방향의 각각은 상기 이동 방향과 다른, 단계;
    상기 용융 퍼들의 표면에 대한 상기 필러 와이어의 상기 용융 퍼들 내로의 진입 각도 및 상기 용융 퍼들의 길이방향 축에 대한 상기 필러 와이어의 오프셋 중 적어도 하나를 설정하는 단계; 및
    상기 각도와 상기 오프셋 중 적어도 하나의 상기 설정을 제어하면서 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 필러 와이어의 상기 이동 및 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 고 에너지 열원의 상기 이동 중 적어도 하나를 제어하여 상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 이동과 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 고 에너지 열원의 상기 이동의 각각은, 상기 이동 방향과 직렬인 전후 이동, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후 이동, 원형 이동, 타원 이동, 및 지그재그 이동 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 필러 와이어가 상기 용융 퍼들에 진입하기 전에 상기 필러 와이어를 상기 필러 와이어의 용융 온도까지 또는 상기 용융 온도 근처까지 예열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 고 에너지 열원은, 상기 용융 퍼들을 생성하도록 레이저 빔을 상기 적어도 하나의 모재 상으로 향하게 하는 레이저를 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 필러 와이어와 상기 열원 중 적어도 하나를 위브(weave) 패턴으로 스캐닝하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 위브 패턴 동안 상기 필러 와이어와 상기 열원 중 상기 적어도 하나의 상기 스캐닝은, 상기 위브 패턴 상의 하나 이상의 로케이션에서 상기 스캐닝을 감속하거나 일시 정지시키는 체재 시간(dwell time)을 포함하는, 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 필러 와이어의 와이어 공급 속도를 제어하여 상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 상기 비드의 상기 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 용융 퍼들에 제2 필러 와이어를 공급하는 단계;
    상기 제2 필러 와이어를 상기 이동 방향으로 전진시켜 상기 적어도 하나의 모재 상에 상기 제2 필러 와이어를 용착하는 단계;
    상기 제2 필러 와이어의 상기 공급과 상기 제2 필러 와이어의 상기 전진 동안 상기 이동 방향과는 다른 적어도 제3 방향으로 상기 제2 필러 와이어를 이동시키는 단계; 및
    상기 용융 퍼들의 상기 표면에 대한 상기 제2 필러 와이어의 상기 용융 퍼들 내로의 진입 각도 및 상기 용융 퍼들의 상기 길이방향 축에 대한 상기 제2 필러 와이어의 오프셋 중 적어도 하나를 설정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 상기 비드의 상기 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하기 위한 상기 제어는, 상기 제2 필러 와이어의 상기 적어도 제3 방향으로의 상기 이동을 제어하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 필러 와이어의 상기 적어도 제3 방향으로의 상기 이동은, 상기 이동 방향과 직렬인 전후 이동, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후 이동, 원형 이동, 타원 이동, 및 지그재그 이동 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 필러 와이어의 제1 와이어 공급 속도와 상기 제2 필러 와이어의 제2 와이어 공급 속도 중 적어도 하나를 제어하여 상기 용융 퍼들의 화학적 성질과 상기 비드의 상기 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물 중 적어도 하나에 영향을 끼치는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 이동과 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 이동 중 적어도 하나의 상기 제어는, 상기 각도와 상기 오프셋 중 적어도 하나의 상기 설정의 상기 제어와 동기화되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 이동과 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 이동 중 적어도 하나의 상기 제어는, 상기 각도와 상기 오프셋 중 적어도 하나의 상기 설정의 상기 제어와는 독립적인, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 센서로부터의 피드백에 기초하여, 상기 필러 와이어의 상기 적어도 하나의 방향으로의 상기 이동, 상기 고 에너지 열원의 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 이동, 상기 필러 와이어의 와이어 공급 속도, 상기 이동 방향으로의 이동 속도, 상기 고 에너지 열원의 강도, 상기 필러 와이어의 상기 각도, 및 상기 필러 와이어의 상기 오프셋 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 필러 와이어를 제어하기 위한 시스템으로서,
    적어도 하나의 모재를 가열하여 상기 적어도 하나의 모재의 표면 상에 용융 퍼들을 생성하도록 구성된 고 강도 에너지원;
    상기 용융 퍼들에 필러 와이어를 공급하도록 구성된 필러 와이어 공급기;
    상기 고 강도 에너지원과 상기 필러 와이어의 각각을 이동 방향으로 전진시켜 상기 적어도 하나의 모재 상에 상기 필러 와이어를 용착하도록 구성된 이동 방향 제어기; 및
    상기 필러 와이어의 상기 공급 및 상기 필러 와이어와 상기 고 강도 에너지원의 상기 전진 동안 적어도 제1 방향으로 상기 필러 와이어 및 적어도 제2 방향으로 상기 고 강도 에너지원 중 적어도 하나를 이동시키도록 구성된 제어기를 포함하고,
    상기 적어도 제1 방향과 상기 적어도 제2 방향의 각각은 상기 이동 방향과 다르며,
    상기 제어기는, 상기 용융 퍼들의 표면에 대한 상기 필러 와이어의 상기 용융 퍼들 내로의 진입 각도 및 상기 용융 퍼들의 길이방향 축에 대한 상기 필러 와이어의 오프셋 중 적어도 하나를 설정하도록 구성되고,
    상기 제어기는, 상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하도록 상기 각도와 상기 오프셋 중 적어도 하나의 상기 설정을 제어하면서 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 필러 와이어의 상기 이동 및 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 고 강도 에너지원의 상기 이동 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된, 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 필러 와이어의 상기 이동과 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 고 강도 에너지원의 상기 이동의 각각은, 상기 이동 방향과 직렬인 전후 이동, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후 이동, 원형 이동, 타원 이동, 및 지그재그 이동 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 필러 와이어가 상기 용융 퍼들에 진입하기 전에 상기 필러 와이어를 상기 필러 와이어의 용융 온도까지 또는 상기 용융 온도 근처까지 예열하도록 구성된 와이어 전력 공급 장치를 더 포함하는, 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 고 강도 에너지원은, 상기 용융 퍼들을 생성하게끔 레이저 빔을 상기 적어도 하나의 모재 상으로 지향시키도록 구성된 레이저를 포함하는, 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제어기는 상기 필러 와이어와 상기 고 강도 에너지원 중 적어도 하나를 위브 패턴으로 스캐닝하도록 구성된, 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 위브 패턴 동안 상기 필러 와이어와 상기 고 강도 에너지원 중 상기 적어도 하나의 상기 스캐닝은, 상기 위브 패턴 상의 하나 이상의 로케이션에서 상기 스캐닝을 감속하거나 일시 정지시키는 체재 시간을 포함하는, 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 상기 필러 와이어의 와이어 공급 속도를 제어하여 상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 상기 비드의 상기 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하는 것을 더 포함하는, 시스템.
  20. 제14항에 있어서, 상기 용융 퍼들에 제2 필러 와이어를 공급하도록 구성된 제2 필러 와이어 공급기를 더 포함하고, 상기 이동 방향 제어기는, 또한, 상기 제2 필러 와이어를 상기 이동 방향으로 전진시켜 상기 적어도 하나의 모재 상에 상기 제2 필러 와이어를 용착하도록 구성되고,
    상기 제어기는, 상기 제2 필러 와이어의 상기 공급과 상기 제2 필러 와이어의 상기 전진 동안 상기 이동 방향과는 다른 적어도 제3 방향으로 상기 제2 필러 와이어를 이동시키도록 구성되고,
    상기 제어기는, 상기 용융 퍼들의 상기 표면에 대한 상기 제2 필러 와이어의 상기 용융 퍼들 내로의 진입 각도 및 상기 용융 퍼들의 상기 길이방향 축에 대한 상기 제2 필러 와이어의 오프셋 중 적어도 하나를 설정하도록 구성되고,
    상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 상기 비드의 상기 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물을 취득하기 위한 상기 제어는, 상기 적어도 제3 방향으로 상기 제2 필러 와이어의 상기 이동을 제어하는 것을 더 포함하고,
    상기 적어도 제3 방향으로의 상기 제2 필러 와이어의 상기 이동은, 상기 이동 방향과 직렬인 전후 이동, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후 이동, 원형 이동, 타원 이동, 및 지그재그 이동 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 용접 퍼들의 화학적 성질과 상기 비드의 상기 원하는 형상, 프로파일, 높이, 크기, 또는 혼합물 중 적어도 하나에 영향을 끼치게끔 상기 필러 와이어의 제1 와이어 공급 속도와 상기 제2 필러 와이어의 제2 와이어 공급 속도 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된, 시스템.
  22. 제13항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 이동 및 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 이동 중 적어도 하나가 상기 각도와 상기 오프셋 중 적어도 하나의 상기 설정의 상기 제어와 동기화되도록 구성된, 시스템.
  23. 제13항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 이동 및 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 이동 중 적어도 하나가 상기 각도와 상기 오프셋 중 적어도 하나의 상기 설정의 상기 제어와는 독립적으로 행해지도록 구성된, 시스템.
  24. 제13항에 있어서, 상기 용융 퍼들, 상기 용접 비드, 용접 조인트, 및 상기 모재 중 적어도 하나의 프로파일의 피드백을 제공하기 위한 센서를 더 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 피드백에 기초하여, 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 이동, 상기 적어도 제2 방향으로의 상기 이동, 상기 필러 와이어의 와이어 공급 속도, 상기 이동 방향으로의 이동 속도, 상기 고 강도 에너지원의 강도, 상기 필러 와이어의 상기 각도, 및 상기 필러 와이어의 상기 오프셋 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된, 시스템.
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