KR920002445B1 - 레이저 빔을 이용한 금속 용접 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

레이저 빔을 이용한 금속 용접 방법

제1도는 단일 용접측으로 두 판의 이론적인 레이저 용접의 동작 사시도.

제2도는 본 발명에 따라 사용된 용접선을 따라 취해진 장치의 부분도.

제3도는 T용접으로 실시된 본 발명에 따른 관통 용접의 구조를 나타내는 도해도.

제4도는 하나 이상의 관통 용접이 수반되는 판의 밑면에 강화 막대가 거더의 립을 부착하는 비슷한 용접의구조를 나타내는 도해도.

제5도는 본 발명에 따른 용접을 이용하는 하이브리드(hybrid)용접구조를 나타내는 도해도.

제6도는 본 발명에 따른 상이한 용접 형태를 나타내는 도해도.

제7도는 본 발명의 용접 기술을 실시하는 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 2 : 판 4, 7 : 레이저 빔

6 : 용융벽 8 : 가스 후드

10 : 촛점 20 : 키이 구멍

25 : 용접부 28 : 립

31 : 립 39 : 보강재

40 : 웨브

본 발명은 용접에 관한 것으로, 특히 판(plate) 또는 구조부재 형상의 금속, 통상의 제1철(ferrous)금속의 용접에 관한 것이다.

본 발명에 특히 관계되는 통상의 용접 조건은 한 판과 다른 판을 ＂T＂용접인 직각 형상이나 거의 직각 구성으로 용접하는 것이다.

통상적으로, 이것은 각 내부 모서리를 따라 용접 ＂필렛(fillet)＂을 일으키므로써 영향을 받으며 두 번의 작업이 필요하다. 만일 무거운 게이지(gauge)판이 사용되면 용접 용입을 개선하기 위해 판 모서리를 비스듬하게 할 필요가 있다. 이와 유사한 기술은 압연 또는 제조된 부분이 판의 면에 용접으로 부착될 때 사용된다.

고전력 레이저 빔의 심층 용입(deep penetration)특성으로 용접 처리 과정에서 에너지원으로서 레이저 빔이 고려된다. ＂레이저 용접＂이란 제목으로 출원된 영국 특허출원 제8310630호와 제8310631호와 제8310632호에 의거하는 우리의 계류중인 특허출원에는 작업장이나 장소 상태에 따라 사용하기에 특히 적합한 공정이 기술되어 있다.

공정은 용접될 판사이 결합부에서의 갭(gap)이 에너지 전송 및 플라즈마 형성없이 캡을 통한 촛점 조준된 레이저 빔의 이탈로 인한 에너지 손실을 방지하도록 와이어와 같은 충돌부재를 사용한다. 종래 발명의 방법은 맞대기 용접과 T용접에 적용될 수 있다.

본 발명은 T부 또는 그와 같은 용접의 용융과 용접을 얻기 위해 미세히 촛점 조준된 레이저 빔의 심층용입을 이용하는 새로운 용접 방법을 제공한다.

한가지 측면을 보면, 본 발명은 금속판에 접촉하거나 가장 인접한 하부 부착부재에 금속판을 용접하는 방법으로써, 고에너지 레이저빔이 판에 촛점 조준되고 상기 접촉 지역에서부터 판의 다른 측면에서 그곳에 상대적으로 이동되는 단계로 구성되며, 가스의 공급은 형성된 플라즈마를 최소한 부분적으로 한정하도록 제공되고,촛점 조준된 빔은 판과 하부부재의 두 금속을 용융시켜 응고중에 용접선이 형성되는 단계를 특징으로 한다.

통상적으로, 판과 하부부재는 제1철이다. ＂은＂은 일반적으로 최소한 3mm 두께를 가진 물질로 이해될 것이다. 3 내지 25mm가 적합하고 5 내지 25kw강도의 레이저가 이용될 수 있다는 것이 알려져왔다.

만약 하부부재가 판에서 이격되어 있다면, 방법은 사용될 수 있지만, 필러와이어(filler wire)는 용융 물질이 임의의 공간을 채우도록 유동되기 때문에 중요하고, 필러 와이어는 또한 이 결함을 보충하고 용접 특성을 증진시킬 수 있다.

판과 하부 부착부재사이의 관계는 ＂T＂용접의 관계가 되는데 즉, 하부판이 상부판과 직각으로나 거의 직각으로 놓여지는 용접이다. 이때 용접은 단일 형상의 ＂관통 용접＂이음을 주는 단일 심층 용입 통로를 통해 하부판의 단면으로 들어간다.

하부 부착부재가 상부판의 밑면에 립(lip) 또는 마진(margin)이 평행으로 접촉하도록 형성되는 것은 선택적인 것이다. 형성된 립의 너비는 본 발명에 따라 형성된 두 개이상의 ＂관통용접＂을 허용한다.

일반적으로 평행판이 아닌 두겹층판도 물론 선택적인 것이다. 다른 점들은 하기에 상세히 기술될 것이다.

T 용접에서 이용한 상부 판은 두께가 2 내지 15mm인 것이 보다 양호하고, 하부판은 어떠한 두께로도 양호하다.

영국특허 제1 268 044호에는 보통 점용접이라 칭하는 재료의 상부시트(sheet)를 통하여 절단하는 레이저 용접 방법이 기술되어 있다 상기 특허에 기술된 방법은 낮은 동력의 레이저를 이용하는 기술이고, 얇은 시트상에서 진행되는 방법이다. 이러한 방법은 본질적인 제한이 있는데, 다시 말하면 방사(radiation)의 동력밀도는 용접을 하는데 남아있는 불충분한 재료를 어느 정도 방지하기 위해 최고값 이하로 유지되어야 한다. 열전도 문제 및 용접 특성이 보다 두꺼운 물질에서 얻을 수 있는 것과 차이가 있는 0.38mm의 얇은 물질에 관련된다. 그래서, 보다 두꺼운 재료에 대한 종래 특허의 방법 출원은 없었다.

상술된 우리의 계류중인 특허출원을 유추하여, 용접 지역으로의 가스공급은 두꺼운 판재료에서 결정적으로 중요하다. 이같은 최대 용입 형성이 요구될 때, 본 발명에 따르면 고동력의 레이저가 그 성능의 한계값에 이용된다. 플라즈마 누설의 제어 및 용접 속도의 균형은 지금보다 상당히 크게 요구되며, 이것은 속도와 깊이 사이의 트레이드 오프(trade off)가 달성되므로써 가스 공급에 의해 제공된다.

본 발명은 첨부된 도면 참조하여 하기에 상세히 기술할 것이다.

제1도는 표면이나 그 부근에서 촛점 조준되는 레이저빔(4)이 충돌하는 판(1)을 도시하고 있다. 빔의 에너지는 용융벽(6)을 떠받치는 ＂키이구멍(key-hole)＂내의 증기압 물질을 통해서 ＂키이구멍＂으로 증발된다.

실제로 헬륨의 제어된 분출 때문에 최소한 얼마간의 증기라도 ＂키이구멍 (레이저-차단 프라즈마를 형성한다)의 표면을 벗어나는 것이 방지된다. 빔이 판을 따라 이동할 때, ＂키이구멍＂은 이동 한다. 오리피스 앞의 빔 벨트 재료는 오리피스 뒤의 재료를 응고시킨다. 심층 용입은 단일 용접으로 보통 형성된다.

제2도는 본 발명의 방법을 실행하는데 사용된 장치의 본질적인 특징을 용접선을 따라 개략적으로 도시한다.

레이저 빔(7)은 금속의 윗표면이나 그 부근에서 촛점 조준으로 판(2)과 충돌된다. 만약 바람직하다면, 소모되는 와이어(12)는 용접될 부재가 약간씩 떨어져 위치될 때 용접 프로화일(profile)을 제어하거나 어떻게든 용접 조성을 변경하기 위해 촛점(10)이나 그 부근에 공급된다. 판의 금속위에 빔의 충돌은 금속 증기를 발생시키고 플라즈마를 형성한다. 가스 후드(8, gas hood)는 기본 채널(14)과, 중심도관(15) 및 주위도관(16)을 통하여 헬륨이 기본이된 혼합물 또는 헬륨 가스와같은 차폐용 가스를 플라즈마를 제한시키는 가스흐름 형상으로 공급한다. 영국특허 제1 591 793호에는 이러한 전형적인 후드에 관해서 보다 상세히 기술되어 있다. 촛점(10)에서 이 플라즈마에 대한 빔의 충돌은 주위 금속으로 전달되고 판(2)을 통과하여 하부부재(3)내로 연장되는 ＂키이구멍＂(20)을 한정하는 용융벽(19)을 연속적으로 형성하는 에너지를 흡수한다. 용융벽은 두 개의 부재(2, 3)를 결합하는 용접(21)에서 점직적으로 응고된다.

제3도에는 용접부(25)의 윗부분은 넓고 아래로 갈수록 좁아지는 용점 특징 형상이 도시되어 있다. 용접부(25)는 열에 영향을 받는 금속(23)의 좁은 영역으로 둘러싸여진다. 비록 상기에서 단일 용접만을 사용하더라도, 용접은판(22)의 밑면에 판(24)을 견고하게 부착시킨다.

제3도에 도시된 용접부 형상의강도는 부적당한 경우이고 제4도에 도시된 용접부 형상의 강도는 양호하다. 제4도에 판(27)은 도시된 바와 같은 3개의 평행 용접부(29)에 의해 하부 스트러트 또는 거더(28, girder)에 부착된다. 각각의 용접부는 상부판을 통과하여 거더(28)의 립(31, lip)으로 연장된다. 용접부는 도시된 바와 같은 열에 영향을 받는 금속(30)영역에 의해 집합적으로 둘러싸여 있다. 바람직한 것은 용접부(29)가 상부판(27) 뿐만 아니라 립(31)까지 완전히 관통하여 립의 뒷면에서 볼 수 있는 것이다.

제5도에는 상부판(34)과 하부판(35)사이에 본 발명에 따른 3개의 용접부(33)를 도시한다. 이 하부판은 T용접(36)으로 판(37)과 직각으로 용접되는데, 이러한 용접은 상술한 우리의 계류중인 특허출원에서 기술되고 청구된 레이저 기술을 이용하고 빔차단 물질을 사용한다.

제6도에는 본 발명에 따른 더욱 변형된 용접을 도시한다. 여기서, 제3도의 참조부호를 사용하여, 상부판(22)은 중심 용접부(25) 뿐만 아니라 T의 내부 모서리를 따라 볼 수 있는 두 측면 용접부에 의해 판(24)에 고정되고, 필러와이어는 용접부의 프로화일을 개선하는데 이용된다.

제7도에는 조선(造船)공업에 이용되는데 자주 사용된 서브 유니트(sub-unit)의 조립체가 도시되어 있다. 조립체는 스트립(strip)의 맞대기 용접에 의해서 그 자체가 빌트업(builtup)되는 판으로 구성되고, 이들 용접부는 명료함을 위해 생략된다. 판 위에는 평행한 보강재(39)가 용접된다. 보강재 위에 깊이 파묻힌 웨브(40, web)가 용접되고, 웨브 각각은 보강재를 수용하도록 구멍이 뚫려있고 상단에형성된 립(40a)을 구비하고, 몇몇의 보강재(39)와 평행으로 놓여있다.

이러한 유니트는 상술된 우리의 계류중인 특허출원에 기술된 손용접이나 기술에 의해 조립체 선상에서 만들어질 수도 있다.

유니트는 도시된 판(38)과 보강재(39)의 다른 서브 조립체와 또한 조립된다. 이것은 불편한 지역에서 ＂위보기＂용접과 같은 어려운 기술을 포함한다. 그러나, 본 발명의 ＂관통 용접＂기술을 이용하면 조정 및 불편함을 최소로 하여 상부판을 만들 수 있다.

Claims (5)

1. 5 내지 25kw의 고에너지 레이저빔(7)이 판에 촛점 조준되며 접촉 영역으로부터 판의 다른 측면에서 그곳에 상대적으로 이동되고, 판에 접촉되거나 밀착된 하부 부착부재에 3 내지 25mm의 두께를 갖춘 제1철 금속판을 용접시키는 용접 방법에 있어서, 와이어(12)가 레이저 빔 촛점에 연속적으로 제공되고 가스의 공급은 형성된 플라즈마를 거의 부분적으로 한정하도록 제공되는 단계와, 와이어에 대한 빔의 연속적인 층돌에 의해 항상 열교환 상태가 유지되므로 촛점 조준된 빔은 판과 하부부재의 두 금속을 용융시켜 응고중에 용접선이 형성되는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
2. 제1항에 있어서, 판과 하부 부착부재 사이의 용접은 용접부(25)가 하부판(24)의 단면을 통과하는 T용접인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
3. 제2항에 있어서, 3개의 용접선이 이용되며, 이중 중심 용접선은 단면을 통과하는 용접부(25)를 한정하고, 중심 용접선의 양측에 위치된 두 용접선은 일부만이 단면을 통과하여 내부 모서리에서 일부를 볼 수 있는 용접부(25a)를 한정하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
4. 제1항에 있어서, 판(27)은 하부 부착부재에 형성된 립(31)에 하나 또는 그 이상의 용접부(29)로 용접되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
5. 제1항에 있어서, 상부판(34)과 하부판(35)으로 구성된 두 점층판은 하나 또는 그 이상의 용접부(33)로 용접되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.

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