KR20220008470A - 초박형 플레이트의 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프링강 용접 분야에 속하는 초박형 플레이트의 용접 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 용접 구멍 상에 연삭 처리를 수행하여 용접 구멍 재료가 금속 광택을 노출하게 하는 단계, 상기 용접 구멍을 세척 및 블로우-건조하는 단계, 및 상기 재료의 표면 상의 산화막, 그리즈 및 먼지를 제거하는 단계를 포함한다. 공업용 로봇의 제어 시스템 및 전송 메커니즘을 통해 레이저 헤드가 정확하게 위치되므로, 레이저 헤드 내의 비디오 모니터링 시스템의 교차선의 중심과 작업물의 버트 시임이 동일선상에 유지된다.

Description

초박형 플레이트의 용접 방법 {Welding process of ultrathin plate}

본 발명은 용접 분야, 구체적으로는 초박형 플레이트의 용접 방법에 관한 것이다.

다양한 산업에서, 경량화(weight reduction) 등의 이유로 박형 플레이트의 사용이 증가하고 있다. 당해 기술 분야에서 박형 시트의 용접은 어려운 과제이다. 박형 플레이트의 용접에는 일반적으로 아크 용접(arc welding), 스팟 용접(spot welding), 오버레이 용접(overlay welding) 등이 사용된다. 그러나, 이러한 용접 방법은 여러 문제점을 가진다. 이러한 문제점은 종종 극복하기 어렵고, 생산에 중대한 잠재적 가능성을 나타낸다. 많은 시트들은 내부식성, 고온 및 고압 내성 등이 우수한 이점을 가지고, 강도 및 인성(toughness)이 보다 높으며, 중국의 석유 화학, 화학 산업, 환경 보호, 항공우주 산업, 핵 산업 등의 다양한 분야에 널리 사용되고, 주로 비금속 재료 및 다른 사용가능하지 않은 강성 부식성 매질(medium)의 경우에 사용된다.

화학 산업에서, 현재 개발이 빠르고, 실제 생산 공정에서 일반적으로 높은 생산성이 추구되며, 공정이 계속적으로 완성 및 개선되고, 온도, 압력 등과 같은 촉매 조건을 향상시키는 방법을 사용함으로써 반응 속도가 가속화된다. 따라서, 생산 공정에서 예기치 못한 상황이 쉽게 발생하며, 장비의 예정에 없던 내부 점검이 발생한다. 박형 플레이트는 프로세싱 성능이 좋고, 현장 유지보수가 편리하다.

합금 재료가 우수한 용접성(weldability)을 가지지 않는 경우, 재료의 특성이 더 개선된다 하더라도 실사용시에는 기능하기 어렵다고 알려져 있다. 실제 적용시, 용접에서의 박형 플레이트의 성능 문제 및 용접 영역이 제품의 수명에 영향을 미치는 주요 요인이 된다. 따라서, 용접 문제가 해결될 수 있는지의 여부가 박형 플레이트의 실사용 공정에 있어 주요 문제 중 하나가 된다.

종래의 수동 용접을 채택하는 경우, 용접 공정에 많은 불확실성이 존재하고, 열영향부가 넓으며, 변형이 크고, 산화 및 용접 침투가 발생하기 쉽다는 결함이 쉽게 발생하며, 용접 라인 영역의 내부식성 및 표면 더블와인(double-wine) 연삭 성능이 저하되고, 전체 작업물의 수명이 심각하게 영향을 받는다. 이로써 많은 용접 작업이 요건을 충족하는 기술자에 의해 수행될 것이 요구되며, 실제 작업시 효율적이지 않다.

본 발명은 종래 용접 방법의 불확실성으로 인하여 넓은 열영향부, 큰 변형, 쉬운 산화, 용접 침투 등을 쉽게 발생시키는 문제를 해결하는 스프링강 초박형 플레이트(spring steel ultrathin plate)의 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 레이저 용접 모드를 채택하고, 전력 밀도(power density)가 높으며, 융합 깊이가 깊고, 속도가 빠르며, 용접 경로가 좁고, 열영향부가 보다 작다.

본 발명의 상기 목적은 하기 기술적 방안에 의해 구현된다.

상기 스프링강 초박형 플레이트의 용접 방법은, 레이저 용접 장치를 사용하여 스프링강 초박형 플레이트를 용접하는 단계로서, 상기 레이저 용접 장치는 고체 펄스 레이저(solid pulse laser), 레이저 플렉서블 투광 경로(laser flexible transmission light path), 레이저 헤드(laser head) 및 공업용 로봇(industrial robot)을 포함하며, 상기 레이저 헤드는 공업용 로봇 상에 배치되고 레이저 플렉서블 투광 경로를 통해 고체 펄스 레이저와 연결되며, 상기 레이저 헤드 내에 포커싱 렌즈(focusing lens) 및 비디오 모니터링 시스템(video monitoring system)이 배치되고, 레이저 빔의 집합점(gathering spot)의 중심이 비디오 모니터링 시스템에서의 교차선(cross line)의 중심과 동축을 이루는 단계를 포함하며; 상기 용접 방법은 하기 단계를 포함한다:

용접 크레이터를 연삭하여 용접 크레이터가 금속 광택과 함께 노출될 수 있도록 한 후, 상기 용접 크레이터를 세척 및 건조하고, 재료 표면에 존재하는 융점 온도가 높은 산화막, 그리즈(grease) 및 먼지를 제거하는 단계;

레이저 헤드를 공업용 로봇의 제어 시스템(control system) 및 전송 메커니즘(transmission mechanism)을 통하여 정확하게 위치시켜, 레이저 헤드 내의 비디오 모니터링 시스템의 교차선의 중심과 작업물의 버트 시임(butt seam)을 동일선상에 유지시키는 단계;

스프링강 초박형 플레이트의 사양에 따라 레이저 용접 장치의 용접 기술 파라미터(welding technological parameter)로서 레이저 전력을 650 내지 750 w로, 용접 속도를 180 내지 300 mm/min으로, 디포커싱량(defocusing amount)을 +2 내지 +4 mm로 조절하는 단계; 및

레이저 용접 장치를 시동하고, 보호를 위하여 고순도의 불활성 기체를 용접 라인의 앞면 및 뒷면에 분사하고, 제어 시스템의 프리셋(preset) 프로그램에 따라 레이저 헤드를 이동시켜, 스프링강 플레이트의 용접 라인 용접을 자동으로 완료하는 단계.

본 발명은 하기와 같은 이로운 효과가 있다.

1. 비접촉 프로세싱이 사용되고, 고에너지 레이저 빔이 에너지 및 이동 속도의 조정이 가능한 특징을 가지므로, 다양한 프로세싱이 구현될 수 있다.

2. 레이저 전력 밀도가 높고, 흡광 후 작업물의 표면이 빠르게 가열되어 융해 또는 증발될 수 있어, 다양한 금속을 가공할 수 있고, 다양한 비금속 또한 가공할 수 있다.

3. 프로세싱 공정에서 레이저 헤드가 작업물과 접촉하지 않으며, 프로세싱 장비가 닳고 절삭이 작업물에 영향을 미치는 특징이 방지된다.

4. 레이저 빔이 높은 에너지 밀도를 가지고, 프로세싱 공정에서 속도가 빠르며, 광점(light spot)이 작고, 로컬 프로세싱(local processing)에 속하며, 레이저 빔에 의해 조사되지 않는 부분에 미치는 영향이 없거나 희박하여, 열영향부가 좁고, 스프링강 합금의 용접 공정에서 열영향부가 넓은 결함이 극복되며, 또한 작업물의 열변형이 작고 후속 프로세싱 양이 적은 이점이 구현된다.

5. 이동 가능한 작업물을 가공할 수 있고, 폐쇄된 용기 내의 작업물도 글라스 쉘(glass shell)과 같은 투명 보트(boat)를 통해 다양한 방식으로 가공할 수 있으므로, 작업물에 응력 및 오염의 염려가 없다.

6. 레이저 빔의 분산각(divergence angle)이 1 밀리아크(milliarc) 미만이고, 광점의 입경이 마이크론(micron) 수준으로 감소될 수 있으며, 작용 시간이 나노세컨드(nanosecond) 및 피코세컨드(picosecond)로 짧아질 수 있고, 한편으로, 고전력 레이저의 지속적인 출력 전력이 1 킬로와트(kilowatt) 내지 10 킬로와트 수준에 도달할 수 있으므로, 레이저가 정밀한 초미세(micro-fine) 프로세싱 및 대규모(large-scale) 재료 프로세싱에 적합하다.

7. 레이저 빔의 가이드 및 포커스가 용이하여 모든 방향의 변화를 구현하기 때문에, 레이저 빔을 정밀 기계, 정밀 측정 기술, 수치 제어 시스템 및 턴비온(tunbion) 컴퓨터와 호용하기 매우 용이하여, 복잡한 작업물을 처리하고, 프로세싱의 고 자동화를 구현하며, 매우 높은 프로세싱 정밀화를 달성한다.

8. 가혹한 환경 또는 그 외 인간이 접근하기 어려운 공간에서, 로봇 시스템 또는 수치 제어 시스템이 레이저 프로세싱을 조절하는 데 사용될 수 있으므로, 인간에게 불필요한 건강상의 영향이 감소한다.

9. 레이저 프로세싱이 높은 생산 효율성 및 안정하고 신뢰성 있는 프로세싱 품질을 가지므로, 좋은 경제적 및 사회적 이점을 가진다. 실용성이 강하다.

본 발명의 목적, 기술적 방안 및 이점을 더욱 명확하게 하기 위하여, 본 발명의 기술적 방안은 하기에서 자세히 설명될 것이다. 설명되는 실시예는 단지 본 발명의 몇가지 예시에 불과하며, 모든 예시는 아닌 것으로 이해된다. 통상의 기술자가 여기에 제공된 실시예들로부터 진보성을 부가하지 않고 도출할 수 있는 모든 다른 실시형태들은 본 발명의 범위 내에 있다.

상기 스프링강 초박형 플레이트의 용접 방법은 스프링강 초박형 플레이트를 용접하기 위하여 레이저 용접 장치를 이용하며, 상기 레이저 용접 장치는 고체 펄스 레이저, 레이저 플렉서블 투광 경로, 레이저 헤드 및 공업용 로봇을 포함하고, 상기 레이저 헤드는 공업용 로봇 상에 배치되고 레이저 플렉서블 투광 경로를 통해 고체 펄스 레이저와 연결되며, 상기 레이저 헤드 내에 포커싱 렌즈 및 비디오 모니터링 시스템이 배치되고, 레이저 빔의 집합점의 중심이 비디오 모니터링 시스템의 교차 곡선(cross curve)의 중심과 동축을 이루며; 상기 용접 방법은 하기 단계를 포함한다:

용접 크레이터를 연삭하여 용접 크레이터 재료의 금속 광택을 노출시키고, 상기 용접 크레이터를 세척하고 불어서 건조시키고, 재료 표면에 존재하는 융점 온도가 높은 산화막, 기타 그리즈 및 먼지를 제거하는 단계;

레이저 헤드를 공업용 로봇의 제어 시스템 및 전송 메커니즘을 통하여 정확하게 위치시켜, 레이저 헤드 내의 비디오 모니터링 시스템의 교차선의 중심과 작업물의 버트 시임을 동일선상에 유지시키는 단계;

스프링강 초박형 플레이트의 사양에 따라 레이저 용접 장치의 용접 기술 파라미터로서 레이저 전력을 650 내지 750 w로, 용접 속도를 180 내지 300 mm/min으로, 디포커싱량을 +2 내지 +4 mm로 조절하는 단계; 및

레이저 용접 장치를 시동하고, 보호를 위하여 고순도의 불활성 기체를 용접 라인의 앞면 및 뒷면에 분사하고, 제어 시스템의 프리셋 프로그램에 따라 레이저 헤드를 이동시켜, 하드그로브(hardgrove) 금속 플레이트의 용접 라인 용접을 자동으로 완료하는 단계.

상기 스프링강 초박형 플레이트의 두께는 0.2 내지 1 mm이다. 상기 불활성 기체는 아르곤이고, 상기 불활성 기체의 순도는 99.99 퍼센트를 초과하며, 압력은 0.2 내지 0.4 MPa이다. 상기 용접 크레이터 세척 용제는 아세톤 또는 알코올 중 하나이다.

상기 레이저 전력은 700 w이고, 상기 용접 속도는 300 mm/min이며, 용접 효과는 상기 디포커싱량이 +2 mm일 때 최적이다.

상기 고체상 펄스 레이저로서 NCLT CW-1000 형 고체상 펄스 레이저를 사용한다. 기체 레이저와 비교하여, 상기 레이저는 출력 파장이 보다 작고, 효율이 보다 높다.

상기 공업용 로봇으로서 화낙(FANUC) R-2000iB/125L형 다기능성 지능화 로봇을 사용한다. 상기 용접 작업은 소프트웨어를 제어함으로써 쉽게 구현될 수 있다.

광 경로에서 레이저 반사가 장치를 손상시키는 것을 방지하기 위하여, 바람직한 방안으로서, 레이저 헤드의 레이저 광축이 초박형 스프링강 플레이트의 표면의 수직 법선 벡터(vertical normal vector)로부터 이탈하여, 1 내지 3도의 각도로 용접된다. 상기 방법은 또한 연마 절차로서, 연마를 위해 연마 장치를 사용하고, 상기 연마 장치의 회전 속도가 분당 900회이며, 연마 공정에 연마 용액이 사용되는 연마 절차를 포함한다. 또한 연마 공정이 완료된 후, 건조 공정이 필요하며, 상기 건조 공정은 건조를 위해 고온의 공기를 사용한다. 레이저 용접 모드를 사용함으로써, 상기 장치는 전력 밀도가 높고, 용융 깊이가 깊으며, 속도가 빠르고, 용접 경로가 좁으며, 열영향부가 보다 작은 이점을 가진다.

상기한 설명은 단지 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐이고, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니며, 통상의 기술자에 의해 본 발명에 다양한 수정 및 변형이 행해질 수 있다. 본 발명에 행해지는 어떠한 수정, 동등한 대체, 또는 개선은 본 발명의 보호범위에 속할 것이다.

Claims (6)

1. 스프링강 초박형 플레이트의 용접 방법으로서, 레이저 용접 장치를 사용하여 스프링강 초박형 플레이트를 용접하는 것을 특징으로 하며, 상기 레이저 용접 장치는 고체 펄스 레이저(solid pulse laser), 레이저 플렉서블 투광 경로(laser flexible transmission light path), 레이저 헤드(laser head) 및 공업용 로봇(industrial robot)을 포함하며, 상기 레이저 헤드는 공업용 로봇 상에 배치되고 레이저 플렉서블 투광 경로를 통해 고체 펄스 레이저와 연결되며, 상기 레이저 헤드 내에 포커싱 렌즈(focusing lens) 및 비디오 모니터링 시스템(video monitoring system)이 배치되고, 레이저 빔의 집합점(gathering spot)의 중심이 비디오 모니터링 시스템에서의 교차 곡선(cross curve)의 중심과 동축을 이루며; 상기 용접 방법은 하기 단계를 포함하는 스프링강 초박형 플레이트의 용접 방법:
   용접 크레이터를 연삭하여 용접 크레이터가 금속 광택과 함께 노출될 수 있도록 한 후, 상기 용접 크레이터를 세척 및 건조하고, 재료 표면에 존재하는 융점 온도가 높은 산화막, 그리즈(grease) 및 먼지를 제거하는 단계;
   레이저 헤드를 공업용 로봇의 제어 시스템(control system) 및 전송 메커니즘(transmission mechanism)을 통하여 정확하게 위치시켜, 레이저 헤드 내의 비디오 모니터링 시스템의 교차선의 중심과 작업물의 버트 시임(butt seam)을 동일선상에 유지시키는 단계;
   스프링강 초박형 플레이트의 사양에 따라 레이저 용접 장치의 용접 기술 파라미터(welding technological parameter)로서 레이저 전력을 650 내지 750 w로, 용접 속도를 180 내지 300 mm/min으로, 디포커싱량(defocusing amount)을 +2 내지 +4 mm로 조절하는 단계; 및
   레이저 용접 장치를 시동하고, 보호를 위하여 불활성 기체를 용접 라인의 앞면 및 뒷면에 분사하고, 제어 시스템의 프리셋(preset) 프로그램에 따라 레이저 헤드를 이동시켜, 스프링강 플레이트의 용접 라인 용접을 자동으로 완료하는 단계.
2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 또한 연마 절차로서, 연마를 위해 연마 장치를 사용하고, 상기 연마 장치의 회전 속도가 분당 900회이며, 연마 공정에 연마 용액이 사용되는 연마 절차를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 연마 공정이 완료된 후, 건조 공정을 수행하며, 상기 건조 공정은 건조를 위해 고온의 공기를 사용하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스프링강 초박형 플레이트의 두께는 0.2 내지 1 mm인 용접 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 불활성 기체는 아르곤이고, 상기 불활성 기체의 순도는 99.99 퍼센트 초과이며, 압력은 0.2 내지 0.4 MPa인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
6. 제5항에 있어서, 용접 시임(seam)을 세척하는 단계를 더 포함하며, 사용되는 용접 시임 세척 용제는 아세톤 또는 알코올 중 하나인 용접 방법.