KR20040073591A

KR20040073591A - 필러 와이어에 레이저를 가하는 방법 및 레이저 용접 장치

Info

Publication number: KR20040073591A
Application number: KR10-2004-7011479A
Authority: KR
Inventors: 존스마샬고든; 에릭슨칼에드워드; 문드라캄레쉬
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-19
Also published as: EP1478827A1; US6521861B2; JP2005515895A; US20020117485A1; WO2003062605A1

Abstract

제 1 재료를 포함하는 제 1 가공물(20)을, 제 2 재료를 포함하는 제 2 가공물(20)에 용접하기 위해 필러 와이어(22)에 레이저를 가하는 방법은 가공물에 의해 규정된 개구부(29) 위에 필러 와이어의 팁(27)을 위치시키는 단계를 포함한다. 상기 팁은 개구부(29)의 폭을 지나고 그리고 각 가공물(20)의 일부를 지나서 연장된다. 필러 와이어(22)는 예열되고, 레이저 빔(18)을 팁에 지향시킴으로써 용융된다. 레이저 빔(18)은 가공물(20) 사이에 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성하기 위해 팁(27)이 레이저 빔(18) 아래에 위치된 상태로 개구부의 길이를 따라 전진된다. 큰 종횡비의 용접부(37)는 적어도 약 2의 종횡비를 갖는다. 레이저 빔(18)이 필러 와이어(22)를 용융시키는데 요구되는 에너지 및 시간은 필러 와이어(22)가 예열됨에 따라 감소된다.

Description

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법 및 레이저 용접 장치{METHOD AND APPARATUS FOR INCREASING WELDING RATES FOR HIGH ASPECT RATIO WELDS}

많은 전형적인 용접 공정이 와이어 공급장치(wire feed)를 사용하여 필러 와이어를 공급한다. 그러나, 균열 민감성 재료를 포함한 적용에 있어서, 이들 공정은 전형적으로 너무 많은 열을 인가하고, 그에 따라 원치않는 결함을 야기한다.

다른 공정에 있어서, 와이어는 보조 공급 와이어(텅스텐 불활성 가스, 또는 TIG 공정)이다. 그러나, 이들 공정은 많은 시간을 필요로 한다.

결함 형성을 최소화하는데 사용되는 현재의 하나의 클래딩(cladding) 공정에서, 균열 민감성 합금이 완전한 클래딩 공정중에 상승된 온도로 유지된다. 그러나, 가스 터빈 에어포일의 팁(예를 들면, GTD111)을 개조할 때, 이러한 공정은 상승된 온도에서 몇 시간 걸릴 수도 있다. 더욱이, 이것은 작업자에게 친화적인 환경을 제공하지 않는 수동 공정이다.

IN738과 같은 다른 재료는 저온과 고온 사이에서 사이클링되어 구성요소가 상승한 온도에서 너무 장시간 있는 것을 방지하고, 그에 따라 결함 및 구성요소 변형을 최소화한다. 그러나, 이러한 사이클 공정은 요구되는 클래드 빌드업(clad buildup)에 영향을 미치는데 필요한 처리 시간을 연장시킨다.

몇몇 종래 기술의 용접 공정은 레이저 용접 기술을 이용한다. 예를 들면, 브리티쉬 쉽빌더스(British Shipbuilders)에게 양도된 미국 특허 제 4,634,832 호[마터(Martyr)]는 레이저 유도 플라즈마를 이용하여 맞대기 용접부 또는 T 용접부를 형성하여 용접될 플레이트의 인접 벽을 용접한다. 보다 구체적으로는, 마터의 방법은 레이저 빔을 빔-차단 재료(beam-interceptor material)상에 집속시켜 플라즈마를 형성한다. 플라즈마는 가스 공급에 의해 적소에 유지되어, 플라즈마는 벽내로 에너지를 전달하며, 그에 의해 표면을 용융시켜 2개의 플레이트를 용접한다. 이러한 고에너지 레이저 용접 방법이 큰 종횡비의 용접부를 형성하는데 사용될 수 있지만, 플라즈마가 용접될 균열 민감성 재료에 과잉의 열을 전달할 뿐만 아니라, 빔 차단 재료를 균열 민감성 재료내로 박아넣기 때문에 균열 민감성 재료를 용접하기에 적합하지 않다.

웨스팅하우스 일렉트릭 코퍼레이션(Westinghouse Electric Corp.)에 양도된 미국 특허 제 4,737,612 호[브루크(Bruck) 등]는 필러 재료 없이 레이저 키홀 용접부를 형성한다. 이러한 방법은 레이저(약 200만 내지 500만 와트/제곱 센티미터의전력 밀도를 가짐)로부터 2개의 인접한 균열 민감성 재료로의 에너지 전달이 재료내에 균열을 발생시키기 때문에 균열 민감성 재료에 바람직하지 않다. 또한, 브루크 등의 미국 특허에는, 접합될 대향 표면의 측면을 따라 레이저를 통과시키고 저항 가열된 필러 와이어를 발생된 금속 풀(pool)내로 통과시킴으로써 레이저 전도 용접부를 형성하는 것이 개시되어 있다. 후자의 방법도 다음의 이유 때문에 균열 민감성 재료, 그리고 본 발명의 목적에 바람직하지 않다. 우선, 용융 풀을 형성하기 위한 2개의 인접한 균열 민감성 구성요소의 벽에서의 레이저 빔의 방향은 구성요소에 과잉의 열을 전달하여, 균열 민감성 재료내에 균열 및 다른 결함을 야기한다. 더욱이, 브루크 등은 전도 용접부를 형성한다. 본 기술분야에 숙련된 자에게 공지된 바와 같이, 전도 용접부는 작은 깊이대 폭 비를 가지며, 전형적으로 용접부를 따라 변형부(distortion)를 갖는다. 전도 용접부에 대한 전형적인 종횡비는 1 이하이다. 따라서, 브루크 등의 후자의 방법은 본 발명의 소망의 높은 종횡비를 생성하지 못한다.

다른 종래 기술의 레이저 용접 방법이 웨스팅하우스 일렉트릭 코퍼레이션에 양도된 미국 특허 제 4,803,334 호[버크(Burke) 등]는 레이저 빔을 2개의 인접한 금속 모재 복합 구성요소의 교차부를 가로질러 진동시킴으로써 상기 구성요소를 접합하는 용융 금속의 얕은 풀을 갖는 전도 용접부를 형성한다. 예열된 필러 와이어는 용융 풀내로 공급되어, 필러 재료를 용접부로 첨가한다. 브루크 등의 방법과 마찬가지로, 이러한 방법은, 용융 풀을 형성하기 위한 2개의 인접한 균열 민감성 구성요소의 벽에서의 레이저 빔의 방향이 구성요소에 과잉의 열을 전달하여, 균열민감성 재료내에 균열 및 다른 결함을 야기하기 때문에, 균열 민감성 재료에 바람직하지 않다. 또한, 전도 용접부는 작은 종횡비를 가지며, 변형하기 쉽다.

일반 양도된 미국 특허 제 5,958,261 호[오퍼(Offer) 등]에는, 큰 종횡비의 용접부를 생성하기 위한 전기 아크 또는 레이저 용접 방법이 개시되어 있으며, 여기서 필러 와이어는 작업면(work surface) 위로 연장되고 2개의 대향 측벽에 의해 규정되는 홈(groove)내로 공급된다. 필러 와이어의 팁이 (와이어 목표 위치에 따라) 아크 및/또는 과열된 용접부 퍼들(puddle)에 의해 용융되고, 홈이 크로스 시임 진동이 불필요하도록 충분히 좁은 것이 바람직하지만, 가공물상으로의 발산 아크의 투사 면적(projected area)이 비교적 얇은 와이어상으로의 투사 면적보다 몇 배 크기 때문에, 잔류 아크 가열은 필러 와이어보다는 주로 가공물에 직접 전달된다. 따라서, 명백하게 개시된 바와 같이, 오퍼 등의 방법은 기재(substrate)로의 열전달 때문에 균열 민감성 기재용으로 사용하기에 바람직하지 않다.

따라서, 동종 및 이종의 균열 민감성 기재를 접합하는데 사용될 수 있는 큰 종횡비의 용접부를 생성하기 위한 와이어 공급장치를 이용한 레이저 용접 방법을 개발하는 것이 요구된다.

발명의 요약

본 발명의 제 1 실시예에 있어서, 제 1 가공물을 제 2 가공물에 용접하기 위해 필러 와이어에 레이저를 가하는 방법이 개시되어 있다. 제 1 및 제 2 가공물은 제 1 및 제 2 재료를 각각 포함한다.

필러 와이어의 팁은 제 1 및 제 2 가공물에 의해 규정된 개구부 위에 위치된다. 상기 팁은 개구부의 폭을 지나고 그리고 제 1 가공물의 일부 및 제 2 가공물의 일부를 지나서 연장된다.

필러 와이어는 예열된다. 레이저 빔은 필러 와이어의 팁으로 지향되어 그것을 용융시킨다. 레이저 빔은 필러 와이어의 팁이 레이저 빔 아래에 위치된 상태로 개구부의 길이를 따라 전진되어, 제 1 및 제 2 가공물 사이에 큰 종횡비의 용접부를 형성한다. 큰 종횡비의 용접부는 적어도 약 2의 종횡비를 갖는다.

본 발명의 제 2 실시예에 있어서, 제 1 가공물을 제 2 가공물에 용접하는 레이저용 장치로서, 이들 가공물은 개구부를 규정하는, 레이저용 장치가 개시되어 있다.

필러 와이어는 개구부의 폭을 초과하는 직경을 갖는다. 와이어 공급장치는 필러 와이어를 연속적으로 공급하도록 구성된다. 가이드는 개구부의 폭을 지나고 그리고 제 1 가공물의 일부 및 제 2 가공물의 일부를 지나서 연장되기 위해 필러 와이어의 팁을 개구부 위의 위치로 지향시키도록 구성된다.

레이저는 레이저 빔을 필러 와이어의 팁으로 지향시켜 제 1 및 제 2 가공물 사이에 큰 종횡비의 용접부를 형성하도록 구성된다. 전원 장치는 전류를 필러 와이어에 공급하도록 구성된다.

본 발명은 큰 종횡비(큰 깊이대 폭의 비) 용접부에 대해 용접 속도를 증가시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 필러 와이어(filler wire)를 사용하여 동종 또는 이종의 균열 민감성 가공물 사이에 형성된 큰 종횡비의 용접부에 대해 용접 속도를 용접 속도를 증가시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 클래딩 공정을 나타내는 정면 사시도,

도 2는 도 1의 실시예의 측면도,

도 3은 본 발명의 레이저 용접 방법 및 장치 실시예를 나타내는 정면 사시도,

도 4는 도시되지 않은 필러 와이어를 갖는 도 3의 실시예의 4-4선을 따라 취한 도면,

도 5는 필러 와이어를 갖는 도 4의 도면,

도 6은 도 3의 레이저 용접 방법 및 장치를 사용하여 형성된 예시적인 큰 종횡비의 용접부를 도시하는 도면.

본 발명은 필러 와이어에 레이저를 가하는 방법을 포함한다. 본 발명은 동종 및 이종의 균열 민감성 가공물의 대향 측벽 사이에 큰 종횡비의 용접부를 형성하기 위한 용접 적용에 특히 유용하다. 그러나, 본 발명은 클래딩 기하학적 형상에 유리하게 적용할 수 있다.

이하 도 1을 참조하면, 클래딩 시스템(10)이 도시되어 있다. 클래딩 시스템(10)은 레이저(12)를 포함한다. 예시적인 레이저(12)는 다양한 전력 레벨에서 작동될 수 있는 CW Nd:YAG 레이저이다. 광섬유 케이블(fiber optic cable)은 일단부에서 레이저(12)에 고정되고 타단부에서 광섬유 커플러(fiber optic coupler)에 고정된다. 광섬유 커플러(16)는 레이저 빔(18)을 의도된 타깃으로 집속시키기 위한 광학장치(optics)를 포함한다.

여기서, 레이저 빔(18)은 예시 적용의 클래딩 또는 용접 공정에 의해 와이어(22)가 유동되게 될 기재(20)로 지향된다.

예시 적용에 따르면, 기재(20)는 고온에 장시간 동안 노출된 경우에 변형 및 균열 발생이 쉬운 GTD111, GTD222 및 IN738과 같은 균열 민감성 합금 기재인 것이다. 물론, 예시 적용의 장치 및 방법이 다양한 다른 기재에 적용될 수 있다.

와이어(22)는 길다란 튜브(26)를 통해 와이어(22)를 지향시키는 와이어 공급장치(24)에 의해 기재로 공급된다. 또한, 튜브(26)는 와이어(22)를 기재(20)와의 접촉 지점으로 지향시키기 위한 가이드로서 기능한다.

또한, 튜브(26)는 아르곤, 헬륨, 질소 등과 같은 불활성 가스가 튜브(26)내로 도입되는 가스 공급부(28)에 결합되며, 튜브(26)는 레이저 빔(18)이 와이어(22)를 기재(20)상으로 유동시키는 지점으로 불활성 가스가 출력되도록 구성된다. 튜브(26)에 의해 용접 영역내로 도입된 불활성 가스는 용접부와 반응할 수 있는 외부 오염물질 및 가스로부터 용접부를 차폐하는데 사용된다. 예를 들면, 불활성 가스는 레이저 빔(18)의 용접 공정 내내 분위기를 제공하며, 그에 의해 산소는 산화, 결함, 균열 등과 같은 원치않는 부작용을 방지하도록 제거된다.

전원 장치(30)는 와이어(22)의 온도를 상승시키도록 구동 휠(32)의 사용에 의해 전류를 와이어(22)로 제공한다. 구동 휠(32)은 전원 장치(30)로부터 와이어(22)로의 회로를 완성한다. 오옴의 법칙에 따르면, 전원 장치(30)가 와이어(22)를 통과하는 전류를 증가시킴에 따라, 와이어(22)의 온도도 IR(전류와 저항의 곱) 가열 때문에 증가한다. 전원 장치(30)는 와이어(22)내의 온도를 500℃의 전형적인 온도 또는 사용된 와이어의 융점 온도보다 낮은 온도까지 증가시킨다. 더욱이, 와이어(22)는 그 강도를 상실하게 되는 온도까지 가열되지 않아야 한다. 물론, 다른 온도 및 온도 범위가 이용될 수도 있다.

구동 휠(32)은 대면 이격 관계에 있으며, 와이어(22)를 와이어 공급장치(24)로부터 인출하도록 위치된다. 대안적으로, 단일 구동 휠(32) 및 적절하게 위치된 가이드 핀은 구동력을 와이어(22)로 제공한다. 구동 휠(32)은 변속 모터(도시되지 않음)에 의해 기계적으로 구동된다. 모터 속도 및 그에 따른 구동 휠(32)의 속도는 와이어(22)가 기재(20)로 공급되는 속도를 변경하도록 제어될 수 있다. 더욱이, 작동 및 그에 따른 구동 휠(32)이 회전하는 속도는 프로그램 가능한 컴퓨터 알고리즘을 이용하는 제어기(40)에 의해 제어될 수 있다.

또한, 전원 장치(30)는 와이어(22)내의 온도를 변경하기 위한 수단을 제공한다. 더욱이, 재료 타입, 크기(즉, 직경) 및 길이와 같은 와이어(22)의 고유 특성은 제어기(40)로 입력될 수 있으며, 또한 와이어(22)내에 일정 온도를 생성하기 위한 수단을 용이하게 제공하도록 와이어에 전압 및 전류 공급부가 제공된다.

물론, 와이어(22)의 요구 온도는 사용되는 와이어의 타입(즉, 크기 및 재료), 기재의 타입 및 요구되는 클래딩 온도에 따라 달라진다.

이하, 특히 도 1 및 도 2를 참조하면, 기재(20)상으로 유동되는 와이어(22)의 부분이 소정 각도(α)로 배열되는 것이 바람직하다. 각도(α)는 15° 내지 30°가 바람직하다. 물론, 30°보다 크거나 및 15°보다 작은 각도 크기가 이용될 수도 있다. 레이저(12)는 와이어(22)와 기재(20) 사이의 접촉 지점상에 집속되는 레이저 빔(18)을 발생한다.

접촉 지점에서, 레이저 빔(18)은 와이어(22)에 추가적인 열을 제공하며, 그에 따라 와이어(22)가 용융되어 기재(20)상으로 유동된다. 또한, 와이어(22)가 "필러 로드(filler rod)"로서 작용하여, 와이어(22)가 소모성이고 용접부를 생성하기 위한 재료를 제공한다는 것이 중요하다. 와이어(22)가 전원 장치(30)에 의해 사전에 예열되기 때문에, 레이저 빔(18)의 과잉 에너지가 와이어(22) 가열시 전혀 낭비되지 않는다. 따라서, 레이저 빔(18)의 에너지의 상당량(전부가 아닌 경우)은 기재(20)로의 와이어(22)의 클래딩에 기여한다. 더욱이, 와이어(22)가 사전에 예열되므로, 와이어가 그상으로 유동되는 기재의 부분은 과열되지 않고, 그에 따라 과열로 인한 결함의 가능성이 작아진다.

또한, 대부분의 레이저 전력이 예열 온도에서 융점 온도까지 와이어(22)의 온도를 가져가는데 기여하기 때문에, 클래딩 속도가 훨씬 빨라진다. 더욱이, 레이저(12)로부터 얻어진 전력도 낮아지며, 그에 따라 낮은 전력 및 저렴한 비용의 레이저가 사용될 수 있다.

레이저(12)의 전력 레벨 이용은 와이어 공급 속도, 기재 표면 주행 속도 및 와이어 직경에 따라 달라진다. 예를 들면, 와이어 공급 속도 및 기재 표면 주행 속도가 증가되면, 그에 따라 레이저(12)의 전력이 증가될 것이다. 또한, 와이어(22)의 크기가 증가되면, 그 결과 레이저(12)의 전력 출력이 증가될 것이다.

기재(20)는 제어된 방식으로 기재(20)를 이동시키기 위한 수단을 제공하는 병진운동 테이블(34)에 고정된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기재(20)는 화살표(36) 방향으로 이동된다. 이러한 이동에 의해, 와이어(22)는 레이저 빔(18) 바로아래를 통과할 때 기재(20)상으로 유동된다. 그러나, 기재(20)는 기재(20)로의 와이어(22)의 클래딩을 촉진하는 어떠한 방향으로도 이동될 수 있다.

제어기(40)는, 일단 클래딩 시스템이 결합되면 레이저가 기재(20)상으로 와이어(22)를 연속적으로 클래딩하도록, 레이저(12), 와이어 공급장치(24) 및 병진운동 테이블(34)의 작동을 동조시키는데 사용된다. 더욱이, 제어기(40)는 작동 파라미터를 프로그램할 수 있는 컴퓨터 알고리즘을 사용한다. 예를 들면, 소정 방향으로 20mm의 클래딩부를 프로그램할 수 있으며, 그에 의해 일단 병진운동 테이블(34) 및 와이어 공급장치(24)가 레이저 빔(18)을 통과하는 입력된 20mm의 와이어를 가지면 시스템이 운전 정지된다. 물론, 20mm보다 크거나 또는 작은 용접부가 시스템에 프로그램될 수도 있다.

또한, 시스템(10)의 작동전의 소망의 예열 온도와 같은 다른 면이 컴퓨터 알고리즘에 입력될 수 있다.

병진운동 테이블(34)의 변형예 또는 보조장치로서, 로봇(도시되지 않음)에 결합된 로봇 아암(38)은 적당한 위치에 레이저 빔(18)을 지향시켜서 기재(20)로의 와이어(22)의 클래딩을 촉진하도록 광섬유 커플러(16) 및 와이어 공급 시스템에 필요한 이동을 제공한다. 예시적인 실시예에 있어서, 로봇 아암(38)은 광섬유 커플러(16) 및 와이어 가이드 또는 길다란 튜브(26)를 조정하여 기재(20)를 따라 와이어(22)의 팁(27) 및 레이저 빔(18)을 전진시킨다.

더욱이, 로봇 아암의 이동은 소정의 클래딩부 또는 용접부를 프로그램할 수 있는 제어기(40) 또는 컴퓨터 알고리즘에 입력될 수 있다.

이하 도 3을 참조하면, 제 1 가공물(20)을 제 2 가공물(20)에 용접하기 위해 필러 와이어에 레이저를 가하는 방법이 도시되어 있다. 제 1 및 제 2 가공물은 각각 제 1 및 제 2 재료를 포함한다. 예를 들면, 2개의 동종 또는 이종의 균열 민감성 기재(20)가 서로 용접된다. 대안적으로, 가공물중 하나만이 균열 민감성일 수도 있다(또는 가공물 모두 균열 민감성이 아닐 수도 있음).

이러한 실시예에 있어서, 필러 와이어(22)의 팁(27)은 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 가공물(20)에 의해 규정된 개구부(29) 위에 위치된다. 팁(27)은 도 5에 보다 명확하게 도시된 바와 같이 개구부(27)의 폭(31)을 지나고 그리고 제 1 가공물(20)의 일부(33) 및 제 2 가공물(20)의 일부(33)를 지나서 연장된다.

도 3에 도시되고, 클래딩 적용에 대하여 상세하게 전술된 바와 같이, 필러 와이어(22)는 예열된다. 예를 들면, 필러 와이어(22)는 클래딩 적용에 대하여 전술된 바와 같이 약 500℃ 미만의 온도까지 전원 장치(30) 및 구동 휠(32)을 사용하여 예열된다. 필러 와이어(22)는 도 3에 도시된 바와 같이 레이저 빔(18)을 팁(27)에 지향시킴으로써 용융된다. 레이저 빔(18)을 방출하는 하나의 예시적인 레이저(12)는, 도 1 및 도 3에 도시되고 클래딩 적용에 대하여 전술된 바와 같이 광섬유 커플러(16)로 접속되는 광섬유 케이블에 고정된 CW Nd:YAG 레이저이다.

레이저 빔(18)은 도 3에 도시된 바와 같이 팁(27)이 레이저 빔(18) 아래에 위치된 상태로 개구부(29)의 길이를 따라 전진된다. 예를 들면, 가공물(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 병진운동 테이블(34)에 고정된다. 클래딩 적용에 대하여 전술된 바와 같이, 병진운동 테이블(34)은 가공물(20)을 이동시키기 위한 수단을 제공하고, 그에 의해 레이저 빔(18)을 개구부(29)를 따라 전진시킨다. 대안적으로, 또는 병진운동 테이블(34)에 대한 보조장치로서, 로봇 아암(38)은 도 1에 도시되고 클래딩 적용에 대하여 전술된 바와 같이 레이저 빔(18)을 전진시키는데 이용된다. 레이저 빔(18)을 개구부(29)의 길이를 따라 전진시킴으로써, 제 1 및 제 2 가공물(20) 사이에 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성한다. 본원에 사용되는 용어 "큰 종횡비의 용접부"는 적어도 약 2의 종횡비를 의미한다. 보다 특정한 실시예에 따르면, 종횡비는 약 3 또는 4를 초과한다. 특히, 레이저 빔(18)은 개구부(29)의 길이를 따라 단지 한번만 전진되어 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성한다.

유리하게, 레이저 빔(18)을 팁(27)에 지향시킴으로써 예열된 와이어를 용융시키는 것에 의해, 공지된 방법에 비하여 균열 민감성 기재(20)의 균열 발생을 방지한다. 특히, 레이저 빔을 가공물에 지향시켜 용융 용접부 풀을 형성한 후, 필러 와이어를 용접부 풀내로 삽입하여 용융시키는 공지된 방법보다 적은 레이저 전력이 본 발명의 방법을 이용하여 가공물(20)에 전달된다. 레이저 빔을 개구부를 가로질러 진동시켜 용접부 풀을 형성한 후, 필러 와이어를 용접부 풀내로 삽입하여 용융시키는 공지된 방법과 비교할 때 본 발명의 동일한 장점이 적용된다. 팁(27)이 개구부(27)의 폭(31)을 지나고 그리고 가공물(20)의 일부(33)를 지나서 연장되기 때문에, 대부분의 입사 레이저 전력이 팁(27)으로 지향되어 필러 와이어(22)를 용융시킨다. 반면에, 이들 공지된 방법은 대부분의 입사 레이저 전력을 가공물로 지향시킨다.

본 발명의 방법은 균열 민감성 재료를 포함하는 가공물(20)을 용접하는데 사용되기에 유리하다. 특정 실시예에서, 제 1 및 제 2 재료 모두가 균열 민감성이다. 특히, 제 1 및 제 2 재료는 동종 또는 이종의 균열 민감성 재료를 포함한다. 2개의 이종 재료 사이의 격자 미스매치(lattice mismatch)로 인해, 2개의 이종 균열 민감성 재료를 접합하는 것이 전형적으로 동종의 균열 민감성 재료를 포함하는 2개의 가공물을 접합하는 것보다 균열 발생이 쉽기 때문에 본 방법의 후자의 적용은 특히 유리하다. 그러나, 대부분의 입사 레이저 전력이 팁(27)으로 지향되어 필러 와이어(22)를 용융시키기 때문에, 본 발명의 방법은 용접 동안에 균열 민감성 기재(20)에 균열이 발생하는 것을 방지하도록 한다.

또한, 개구부(29)의 길이를 따라 레이저 빔(18)을 한번만 전진시킴으로써 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성하는 것에 의해, 용접부를 형성하기 위해 개구부의 길이를 따른 레이저 빔의 수회의 패스를 이용하는 공지된 방법보다 용접 속도가 유리하게 증가된다. 게다가, 레이저 빔(18)의 1회 패스로 용접부를 형성하는 것은 각 패스가 용접부의 층을 형성하는 레이저 빔의 수회의 패스에 비하여 보다 건전한 용접부를 제공한다. "보다 건전한 용접부(cleaner weld)"는, 용접부가 변형이 적거나, 또는 용접부를 따른 가공물의 대향 벽의 굽힘이 적은 것과, 용접부가 기공(porosity) 및 균열과 같은 결함을 덜 포함하는 것을 의미한다. 일련의 층을 포함하는 용접부는 변형하기 쉬운데, 이는 각각의 층의 형성이 용접부의 깊이에 따른 대향 벽상에 상이한 응력을 생성하기 때문이다.

레이저 빔(18)의 중앙부로부터 가공물(20)을 차폐하기 위해, 특정 실시예에 따른 필러 와이어(22)의 직경(35)은 개구부(29)의 폭(31)을 폭의 약 10% 정도, 특히 폭(31)의 약 15% 정도를 초과한다. 예를 들면, 약 0.6mm(또는 25mils)의 예시적인 개구부 폭에 대하여, 예시적인 와이어 직경은 약 0.75mm(또는 30mils)이다. 팁(27)에서 약 1mm(또는 40mils)의 폭을 갖는 가우스(Gaussian) 레이저 빔을 가정하면, 대부분의 레이저 전력이 필러 와이어(22)로 전달되며, 그에 의해 필러 와이어를 효율적으로 용융시키고 가공물(20)을 과잉 가열로부터 보호할 것이다.

특정 실시예에 따르면, 필러 와이어(22)의 팁(27)은 클래딩 적용에 대하여 전술된 바와 같이 가공물(20)에 대하여 약 15° 내지 약 30°의 각도로 배치되어 있다.

필러 재료를 연속적으로 공급하여 용접부(37)를 형성하기 위해, 특정 실시예에 따른 방법은 필러 와이어(22)를 연속적으로 공급하여 개구부(29) 위에 팁(27)을 유지하는 단계를 더 포함한다. 예를 들면, 필러 와이어(22)는 도 3에 도시되고 클래딩 적용에 대하여 전술된 바와 같이 와이어 공급장치(24)를 사용하여 길다란 튜브(26)를 통해 공급된다. 이러한 실시예의 방법은, 클래딩 적용에 대하여 전술된 바와 같이 컴퓨터 알고리즘을 이용하는 제어기(40)를 사용하여 레이저 빔(18)의 전진을 제어하고, 필러 와이어(22)의 연속적인 공급을 제어하고, 또한 레이저 빔(18)의 전력 및 에너지를 제어하는 단계를 더 포함한다. 유리하게, 제어기(40)는 레이저(12), 와이어 공급장치(24) 및 병진운동 테이블(34)의 작동을 동조시켜 가공물(20)을 연속적으로 레이저 용접한다. 특히, 상기 방법은 필러 와이어(22)의 공급 속도, 레이저 빔(18)의 전진 속도 및 레이저 전력을 선택하여, 큰 종횡비의 용접부(37)의 평균 폭(41)을, 개구부(29)의 폭(31)의 약 1.5배 내지 약 3배의 범위, 특히약 2배 내지 약 2.5배의 범위가 되도록 제어하는 단계를 더 포함한다. 예시적인 큰 종횡비의 용접부(37)가 도 6에 도시되어 있다. 용접부(37)의 중앙부(43)는 필러 와이어(22)로부터의 재료를 포함하며, 측면부(45)는 필러 와이어(22) 및 가공물(20)로부터의 재료를 포함한다. 용접부(37)에 대한 예시적인 치수는 용접부 깊이가 5mm(또는 200mils)이고, 개구부 폭(31)이 약 0.6mm(또는 25mils)이며, 평균 용접부 폭(41)이 약 1.2mm(또는 50mils) 내지 약 1.7mm(또는 70mils)의 범위이다.

이하 도 4를 참조하면, 용접부 적용에 따라, 화살표(40)로 지시된 바와 같이 불활성 가스는 용접부의 지점에서 가공물(20)의 양 측면으로 도입된다. 전술된 바와 같이, 불활성 가스의 함유는 외부 오염물질로부터 용접부를 보호한다.

제 1 가공물(20)을 제 2 가공물(20)에 레이저 용접하기 위한 장치(100)의 실시예가 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 장치(100)는 개구부(29)의 폭(31)을 초과하는 직경(35)을 갖는 필러 와이어(22)를 포함한다. 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이, 장치(100)는 필러 와이어(22)를 연속적으로 공급하도록 구성된 와이어 공급장치(24)와, 개구부(29)의 폭(31)을 지나고 그리고 가공물(20)의 일부(33)를 지나서 연장되도록 필러 와이어(22)의 팁(27)을 개구부(29)의 소정 위치로 지향시키기 위한 가이드(26)를 더 포함한다. 장치는 가공물(20) 사이에 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성하기 위해 레이저 빔(18)을 필러 와이어(22)의 팁(27)에 지향시키도록 구성된 레이저(12)를 더 포함한다. 전술된 바와 같이, 큰 종횡비의 용접부는 적어도 약 2의 종횡비를 가지며, 특히 약 3 또는 4를 초과하는 종횡비를 가진다.

장치(100)는 필러 와이어(22)를 예열하도록 전류를 필러 와이어(22)에 공급하도록 구성된 전원 장치(30)를 더 포함한다.

레이저 빔(18)을 개구부(29)의 길이를 따라 전진시키기 위해, 특정 실시예에 따른 장치(100)는 예를 들어 광섬유 커플러(16)를 통해 레이저(12)에 결합되고 레이저 빔(18)을 재지향시키도록 구성된 로봇 아암(38)을 더 포함한다. 로봇 아암(38)은 도 1에 도시되어 있다. 특히, 장치(100)는 컴퓨터 알고리즘을 이용하며, 와이어 공급장치(24), 레이저(18) 및 로봇 아암(38)을 제어하도록, 예를 들어 그들의 작동을 동조시켜 가공물(20)을 연속적으로 레이저 용접하도록 구성된 제어기(40)를 더 포함한다.

로봇 아암(38)을 이용하는 것 대신에 또는 로봇 아암에 대한 보조장치로서, 장치(100)는 팁이 레이저 빔 아래에 위치된 상태로 레이저 빔(18)을 개구부(29)의 길이를 따라 전진시키도록 가공물(20)을 이동시켜 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성하기 위한 병진운동 수단(34)을 더 포함한다. 예시적인 병진운동 수단이 도 3에 도시된 바와 같이 병진운동 테이블(34)이다. 특히, 장치(100)는 컴퓨터 알고리즘을 이용하며, 와이어 공급장치(24), 레이저(18) 및 병진운동 수단(34)을 제어하도록, 예를 들어 그들의 작동을 동조시켜 가공물(20)을 연속적으로 레이저 용접하도록 구성되고, 또한 큰 종횡비의 용접부(37)의 평균 폭(41)을, 개구부(29)의 폭(31)의 약 1.5배 내지 약 3배의 범위가 되도록 제어하도록 구성된 제어기(40)를 더 포함한다. 예시적인 큰 종횡비의 용접부(37)가 도 6에 도시되어 있다.

본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위로부터벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있고 동등물로 그 요소가 대체될 수 있다는 것은 본 기술분야에 숙련된 자에게는 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 요지의 본질적인 범위에서 벗어남이 없이, 특정 상태 또는 재료를 본 발명의 요지에 적용하도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명을 수행하기 위해 고려될 수 있는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예에 본 발명이 한정되지 않고 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위내에 있는 모든 실시예를 포함하고자 한다.

Claims

제 1 재료를 포함하는 제 1 가공물(20)을, 제 2 재료를 포함하는 제 2 가공물(20)에 용접하기 위해 필러 와이어(22)에 레이저를 가하는 방법에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 가공물에 의해 규정된 개구부(29) 위에 상기 필러 와이어의 팁(27)을 위치시키는 단계로서, 상기 팁은 상기 개구부의 폭(31)을 지나고 그리고 상기 제 1 가공물의 일부 및 상기 제 2 가공물의 일부를 지나서 연장되는, 상기 팁을 위치시키는 단계와,

상기 필러 와이어를 예열하는 단계와,

레이저 빔(18)을 상기 필러 와이어의 팁에 지향시킴으로써 필러 와이어를 용융시키는 단계와,

상기 제 1 및 제 2 가공물 사이에 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성하기 위해 상기 필러 와이어의 팁이 레이저 빔 아래에 위치된 상태로 상기 개구부의 길이를 따라 레이저 빔을 전진시키는 단계를 포함하며, 상기 큰 종횡비의 용접부는 적어도 약 2의 종횡비를 갖는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 용융 단계는 레이저 빔(18)을 필러 와이어(22)의 팁(27)에 지향시키는 단계로 구성되는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 레이저 빔(18)을 개구부(29)의 길이를 따라 전진시키는 단계는 단지 한번만 수행되어 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 필러 와이어(22)의 직경(35)은 개구부(29)의 폭(31)을 개구부의 폭의 약 10% 정도 초과하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 필러 와이어(22)의 직경(35)은 개구부(29)의 폭(31)을 개구부의 폭의 약 15% 정도 초과하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 종횡비는 약 3을 초과하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 종횡비는 약 4를 초과하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 개구부(29) 위에 상기 팁(27)을 유지하도록 필러 와이어(22)를 연속적으로 공급하는 단계와,

상기 전진, 상기 연속 공급, 및 레이저 빔(18)의 에너지 및 전력을 컴퓨터 알고리즘을 이용하는 제어기(40)를 사용하여 제어하는 단계를 더 포함하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 연속 공급을 위한 공급 속도를 선택하고, 상기 전진을 위한 속도를 선택하고, 레이저 전력을 선택하여, 큰 종횡비의 용접부(37)의 평균 폭(41)을 개구부(29)의 폭(31)의 약 1.5배 내지 약 3배의 범위가 되도록 제어하는 단계를 더 포함하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 공급 속도의 선택, 상기 전진을 위한 속도의 선택, 상기 레이저 전력의 선택은 큰 종횡비의 용접부(37)의 평균 폭(41)을 개구부(29)의 폭(31)의 약 2배 내지 약 2.5배의 범위가 되도록 제어하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 예열은 약 500℃ 미만의 온도까지 필러 와이어(22)를 가열하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 재료는 균열 민감성인

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 재료는 동종 재료인

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 재료는 이종 재료인

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 1 가공물(20)을 제 2 가공물(20)에 레이저 용접하기 위한 장치(100)로서, 상기 가공물이 개구부(29)를 규정하는, 레이저 용접 장치에 있어서,

상기 개구부의 폭(31)을 초과하는 직경(35)을 갖는 필러 와이어(22)와,

상기 필러 와이어를 연속적으로 공급하도록 구성된 와이어 공급장치(24)와,

상기 개구부의 폭을 지나고 그리고 제 1 가공물의 일부 및 제 2 가공물의 일부를 지나서 연장되도록 상기 필러 와이어의 팁(27)을 개구부 위의 소정 위치에 지향시키기 위한 가이드(26)와,

적어도 약 2의 종횡비를 갖는 큰 종횡비의 용접부(37)를 상기 제 1 및 제 2 가공물 사이에 형성하기 위해 레이저 빔(18)을 상기 필러 와이어의 팁에 지향시키도록 구성된 레이저(12)와,

상기 필러 와이어를 예열하기 위해 전류를 상기 필러 와이어에 공급하도록 구성된 전원 장치(30)를 포함하는

레이저 용접 장치.
제 15 항에 있어서,

상기 레이저(12)에 결합된 로봇 아암(38)을 더 포함하며, 상기 로봇 아암은 레이저 빔(18)을 재지향시키도록 구성되는

레이저 용접 장치.
제 16 항에 있어서,

컴퓨터 알고리즘을 이용하는 제어기(40)를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 와이어 공급장치(24), 상기 레이저(12) 및 상기 로봇 아암(38)을 제어하도록 구성되는

레이저 용접 장치.
제 15 항에 있어서,

큰 종횡비의 용접부(37)를 형성하기 위해 상기 필러 와이어(22)의 팁(27)이 레이저 빔 아래에 위치된 상태로 레이저 빔(18)을 개구부(29)의 길이를 따라 전진시키도록 가공물(20)을 이동시키기 위한 병진운동 수단(34)을 더 포함하는

레이저 용접 장치.
제 18 항에 있어서,

컴퓨터 알고리즘을 이용하는 제어기(40)를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 와이어 공급장치(24), 상기 레이저(12) 및 상기 병진운동 수단(34)을 제어하도록 구성되는

레이저 용접 장치.
제 19 항에 있어서,

상기 제어기(40)는 상기 와이어 공급장치(24), 상기 레이저(12) 및 상기 병진운동 수단(34)을 제어하여 큰 종횡비의 용접부(37)의 평균 폭(41)을 개구부(29)의 폭(31)의 약 1.5배 내지 약 3배의 범위가 되게 제어하도록 구성되는

레이저 용접 장치.
제 1 균열 민감성 재료를 포함하는 제 1 가공물(20)을, 제 2 균열 민감성 재료를 포함하는 제 2 가공물(20)에 용접하기 위해 필러 와이어(22)에 레이저를 가하는 방법에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 가공물에 의해 규정된 개구부(29) 위에 상기 필러 와이어의 팁(27)을 위치시키는 단계로서, 상기 팁은 상기 개구부의 폭(31)을 지나고 그리고 상기 제 1 가공물의 일부 및 상기 제 2 가공물의 일부를 지나서 연장되고, 상기 필러 와이어의 직경(35)은 상기 개구부의 폭의 약 10% 정도 상기 개구부의 폭을 초과하는, 상기 팁을 위치시키는 단계와,

상기 필러 와이어를 예열하는 단계와,

레이저 빔(18)을 상기 필러 와이어의 팁에 지향시킴으로써 필러 와이어를 용융시키는 단계와,

상기 제 1 및 제 2 가공물 사이에 큰 종횡비의 용접부(37)를 형성하기 위해 상기 필러 와이어의 팁이 레이저 빔 아래에 위치된 상태로 상기 개구부의 길이를 따라 레이저 빔을 단지 한번만 전진시키는 단계를 포함하며, 상기 큰 종횡비의 용접부는 적어도 약 2의 종횡비를 갖는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.
제 21 항에 있어서,

상기 개구부(29) 위에 상기 팁(27)을 유지하도록 필러 와이어(22)를 연속적으로 공급하는 단계와,

상기 전진, 상기 연속 공급, 및 레이저 빔(18)의 에너지 및 전력을 컴퓨터 알고리즘을 이용하는 제어기(40)를 사용하여 제어하는 단계와,

상기 연속 공급을 위한 공급 속도를 선택하고, 상기 전진을 위한 속도를 선택하고, 레이저 전력을 선택하여, 큰 종횡비의 용접부(37)의 평균 폭(41)을 개구부(29)의 폭(31)의 약 1.5배 내지 약 3배의 범위가 되도록 제어하는 단계를 더 포함하는

필러 와이어에 레이저를 가하는 방법.