KR20150027834A

KR20150027834A - 아크를 지탱할 수 없는 소모식 핫 와이어

Info

Publication number: KR20150027834A
Application number: KR1020157003331A
Authority: KR
Inventors: 조나단 에스 오그본
Original assignee: 링컨 글로벌, 인크.
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-03-12
Also published as: DE212013000149U1; BR112015000225A2; CN104411448A; US20140008331A1; WO2014006491A1

Abstract

본 발명에서는, 핫 와이어 용례에, 예를 들어, 브레이징, 클래딩, 덧붙이, 부위 채움, 표면 경화 중첩, 접합, 그리고 용접 용례에 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)를 사용하기 위한 시스템(100)과 방법이 제공된다. 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)는 단위 길이당 제1 저항을 갖는 제1 섹션을 구비한다. 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)는 또한, 단위 길이당 제1 저항보다 높은 단위 길이당 제2 저항을 갖는 제2 섹션을 구비한다. 필러 와이어의 제2 섹션이 핫 와이어 용례 동안 제1 섹션 전에 용융되도록 구성된다. 실시예에 따라, 제1 섹션의 저항률과 제2 섹션의 저항률이 동일하며, 제2 섹션은 제1 섹션의 단면적보다 작은 단면적을 갖는다. 실시예에 따라, 제1 섹션의 용가재의 저항률과 제2 섹션의 용가재의 저항률이 상이하다.

Description

아크를 지탱할 수 없는 소모식 핫 와이어{HOT-WIRE CONSUMABLE INCAPABLE OF SUSTAINING AN ARC}

본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 참조로 인용되고 있는, 2012년 7월 6일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/668,849호를 우선권 주장한다.

본 발명은 청구항 1에 따른 핫 와이어 용례에서 사용하기 위한 필러 와이어(filler wire)와, 청구항 10에 따른 핫 와이어 시스템, 그리고 청구항 14에 따른 핫 와이어 시스템에서 필러 와이어를 사용하는 방법에 관한 것이다. 소정 실시예는 중첩, 용접, 그리고 접합 용례에 사용되는 필러 와이어에 관한 것이다. 특히, 소정 실시예는 브레이징(brazing), 클래딩(cladding), 덧붙이(building-up), 부위 채움(filling), 표면 경화 중첩(hard-facing overlapping), 접합, 그리고 용접 용례용 시스템에서 가변 저항의 필러 와이어를 사용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전형적인 필러 와이어 용접 방법[예를 들어, 가스-텅스텐 아크 용접(GTAW) 필러 와이어 방법]은, 전형적인 아크 용접만을 사용하는 경우와 비교하여, 증가된 용착율 및 용접 속도를 제공할 수 있다. 이러한 용접 작동 시에, 토치(torch)를 안내하는 역할을 하는 필러 와이어는 별개의 전원부에 의해 저항 가열될 수 있다. 와이어가 가공물을 향해 접촉 튜브를 통하여 공급되어 튜브를 넘어 연장된다. 이 연장부가 저항 가열되어 필러 와이어의 용융이 이루어진다. 텅스텐 전극이 가공물을 가열 용융시켜 용접 퍼들을 형성하도록 사용될 수도 있다. 전원부는 필러 와이어의 저항 용융을 위해 필요한 에너지의 상당 부분을 제공한다. 경우에 따라, 와이어 피더가 미끄러지거나 흔들릴 수도 있으며, 와이어에 흐르는 전류로 인해 와이어의 선단과 가공물의 사이에 아크가 발생할 수도 있다. 이러한 아크의 여분의 열에 의해 용락(溶落)과 스패터(spatter)가 야기되어, 불량 품질의 용접부가 초래할 수도 있다.

당업계의 숙련자라면, 통상의, 전형적인, 그리고 제안되어 있는 기법의 또 다른 제약 및 단점을, 첨부 도면을 참조하여 본 출원 명세서에 이하 기재된 바와 같은 본 발명의 실시예와 이들 기법을 비교함으로써, 분명하게 알 수 있을 것이다.

용락을 방지하고 및/또는 용접부 품질을 향상시키기 위하여, 본 발명은 청구항 1에 따른 핫 와이어 용례에 사용하기 위한 필러 와이어와, 청구항 10에 따른 핫 와이어 시스템, 그리고 청구항 14에 따른 핫 와이어 시스템에서 필러 와이어를 사용하는 방법을 개시한다. 본 발명의 추가의 실시예가 종속항의 주제로서 다루어진다. 본 발명의 실시예는 브레이징, 클래딩, 덧붙이, 부위 채움, 표면 경화 중첩, 용접, 그리고 접합 용례 중 어느 하나의 시스템에서 적어도 하나의 가변 저항 필러 와이어를 사용하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 필러 와이어는 단위 길이당 제1 저항을 갖는 제1 섹션을 구비한다. 필러 와이어는 또한, 단위 길이당 제1 저항보다 높은 단위 길이당 제2 저항을 갖는 제2 섹션을 구비한다. 필러 와이어의 제2 섹션은 핫 와이어 용례 동안 제1 섹션보다 먼저 용융되도록 구성된다. 실시예에 따라, 제1 섹션의 저항률과 제2 섹션의 저항률이 동일하며, 제2 섹션의 단면적이 제1 섹션의 단면적보다 작다. 실시예에 따라, 제1 섹션의 용가재의 저항률과 제2 섹션의 용가재의 저항률이 상이하다. 종래 기술에 따른 문제는 또한 핫 와이어 시스템에 의해 해결된다. 이러한 시스템은 적어도 하나의 가공물을 가열하여 용융 퍼들을 생성하는 고강도 열원을 포함한다. 시스템은 또한, 상기 용융 퍼들에 필러 와이어를 공급하는 와이어 피더 그리고 상기 필러 와이어에 작동 가능하게 연결되는 핫 와이어 전원부를 포함한다. 핫 와이어 전원부는 상기 필러 와이어를 통해 가열 전류를 공급하여 상기 필러 와이어를 가열한다. 필러 와이어는 단위 길이당 제1 저항을 갖는 제1 섹션과 단위 길이당 제1 저항보다 높은 단위 길이당 제2 저항을 갖는 제2 섹션을 포함한다. 제2 섹션은 핫 와이어 용례 동안 상기 제1 섹션보다 먼저 용융되도록 구성된다. 시스템의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1 섹션의 용가재의 저항률과 제2 섹션의 용가재의 저항률이 상이하다.

방법은 또한, 적어도 레이저를 사용하여 적어도 하나의 필러 와이어를 가열하면서 고강도 에너지원으로부터 가공물로 에너지를 인가하여 가공물을 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 코어형 아크 용접(FCAW) 장치, 그리고 서브머지드 아크 용접(SAW) 장치 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제1 섹션의 용가재의 저항률과 제2 섹션의 용가재의 저항률이 상이하다.

청구 발명의 이러한 그리고 그외 다른 특징뿐만 아니라 예시된 실시예의 세부 사항이 아래의 설명과 도면으로부터 더 완전히 이해될 것이다.

본 발명의 전술한 및/또는 그외 다른 양태가 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 예시적인 실시예의 설명을 통해 더 분명해질 것이다:
도 1은 브레이징, 클래딩, 덧붙이, 부위 채움, 표면 경화 중첩, 용접, 그리고 접합 용례 중 어느 하나용의 필러 와이어 피더 및 에너지원이 조합된 시스템의 예시적인 일 실시예의 개략적인 기능상 블럭도;
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 시스템에 사용될 수 있는 필러 와이어의 예시적인 실시예를 도시한 도면;
도 3은 브레이징, 클래딩, 덧붙이, 부위 채움, 표면 경화 중첩, 용접, 그리고 접합 용례 중 어느 하나용의 필러 와이어 피더 및 에너지원이 조합된 시스템의 예시적인 일 실시예의 개략적인 기능상 블럭도.

본 발명의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 아래에 설명된다. 설명되고 있는 예시적인 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한할 의도가 있는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지시한다.

공지된 바와 같이, 필러 금속이 가공물 금속 중 적어도 일부와 조합되어 접합부를 형성하는 용접 작업에서, 용접/접합 작업은 보통 복수 개의 가공물을 함께 접합한다. 용접 작업의 생산 처리량을 증가시킬 필요가 있기 때문에, 수준 이하의 품질을 갖는 용접부를 초래하지 않는 더 신속한 용접 작업이 꾸준히 요구되어 왔다. 이것은 또한, 유사한 기술을 사용하는 클래딩/표면 처리 작업의 경우에도 적용된다. 아래의 설명 내용 중 상당 부분이 "용접" 작업 및 시스템에 관한 것이긴 하지만, 본 발명의 실시예가 단지 접합 작업으로만 제한되는 것은 아니며, 클래딩, 브레이징, 중첩 등의 유형의 작업에 유사하게 사용될 수 있음에 주목하여야 한다. 또한, 원거리 작업 장소와 같은 열악한 환경 조건 하에서 신속하게 용접을 수행할 수 있는 시스템을 제공할 필요가 있다. 아래에 설명되는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 기존 용접 기술을 능가하는 상당한 장점을 제공한다. 이러한 장점은, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 가공물의 왜곡 감소를 초래하는 총 입력 열의 감소, 상당히 빠른 용접 이동 속도, 상당히 낮은 스패터 발생율, 피복 부재 용접, 스패터가 거의 또는 전혀 없는 고속의 도금 또는 코팅 재료 용접, 그리고 고속의 복합 재료 용접을 포함한다.

도 1은 브레이징, 클래딩, 덧붙이, 부위 채움, 표면 경화 중첩, 그리고 용접/접합 용례 중 어느 하나를 수행하기 위한 필러 와이어 피더 및 에너지원이 조합된 시스템(100)의 예시적인 일 실시예의 개략적인 기능상 블럭도이다. 시스템(100)은 가공물(115)을 가열하여 용접 퍼들(145)을 형성할 수 있는 고에너지 열원을 포함한다. 고에너지 열원은 서로 작동 가능하게 연결된 레이저 장치(120)와 용융 퍼들 레이저 전원부(130)를 포함하는 레이저 서브시스템(130/120)일 수 있다. 레이저 장치(120)는 레이저 빔(110)의 초점을 가공물(115)에 맞출 수 있으며, 전원부(130)는 레이저 장치(120)를 작동시키기 위한 전원을 제공한다. 레이저 서브시스템(130/120)은, 이로만 제한되는 것은 아니지만, 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크, YB-섬유, 섬유 운반, 또는 직접 다이오드 레이저 시스템을 포함하는 고에너지 레이저 공급원 중 어느 하나의 유형일 수 있다. 또한, 충분한 에너지를 갖는다면 심지어 백색 또는 석영 레이저 유형 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들어, 고강도 에너지원이 적어도 500 W/㎠을 제공할 수 있다.

이하, 레이저 서브시스템(130/120), 빔(110), 그리고 용융 퍼들 레이저 전원부(130)에 관해 다시 설명되지만, 이러한 설명은 단지 예시적인 것으로서, 그외 다른 고강도 에너지원이 사용될 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 그외 다른 실시예의 고에너지 열원에는, 전자 빔, 플라즈마 아크 용접 서브시스템, 가스 텅스텐 아크 용접 서브시스템, 가스 금속 아크 용접 서브시스템, 플럭스 코어형 아크 용접 서브시스템, 그리고 서브머지드 아크 용접 서브시스템 중 적어도 하나가 포함될 수도 있다. 주목할 점은, 본 명세서에서 논의되고 있는 레이저 장치(120)와 같은 고강도 에너지원이 소기의 용접 작업에 필요한 에너지 밀도를 달성하기에 충분한 전원을 제공하여야 한다는 점이다. 즉, 레이저 장치(120)는 용접 프로세스 동안 안정적인 용융 퍼들 처리량을 생성 유지하며 소기의 용접부 용입을 달성하기에 충분한 전원을 제공하여야 한다. 예를 들어, 일부 용례에서는, 레이저가 용접 중의 가공물에 "키홀(keyhole)"을 형성할 수 있어야 한다. 이것은 레이저가 가공물을 따라 이동함에 따라 용입 레벨을 유지하면서 레이저가 가공물을 완전히 관통하기에 충분한 전원을 제공하여야 함을 의미한다. 예시적인 레이저는 1 kW 내지 20 kW의 범위의 전원 역량을 갖추어야 하며, 5 kW 내지 20 kW의 범위의 전원 역량을 갖출 수도 있다. 더 높은 전원의 레이저가 사용될 수 있긴 하지만, 비용이 상당히 많이 들 수 있다.

시스템(100)은 또한, 레이저 빔(110)의 부근에서 가공물(115)과 접촉하도록 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 제공할 수 있는 핫 필러 와이어 피더 서브시스템을 포함한다. 물론, 가공물(115)과 관련하여, 융융 퍼들, 즉 용접 퍼들(145)은 가공물(115)의 일부이며, 따라서 가공물와의 접촉은 용접 퍼들(145)과의 접촉을 포함함을 이해하여야 한다. 핫 필러 와이어 피더 서브시스템은 필러 와이어 피더(150), 접촉 튜브(160), 그리고 핫 와이어 전원부(170)를 포함한다. 작업 동안, 가공물(115)과 접촉 튜브(160)의 사이에 작동 가능하게 연결된 핫 와이어 용접 전원부(170)로부터의 전류에 의해 필러 와이어(140)가 저항 가열된다. 가공물(115) 상의 용접 퍼들(145)로 진입하기 전에, 와이어(140)가 용접 퍼들(145)과 접촉하기 전에 융점에 접근하거나 도달하도록 전원부(170)로부터의 전류에 의해 필러 와이어(140)의 연장부가 가열된다. 대부분의 용접 프로세스와 달리, 본 발명에서는, 필러 와이어(140)를 용접 퍼들(145)로 이송하기 위해 용접 아크를 사용하는 것이 아니라, 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(145)로 용융된다. 필러 와이어(140)가 융점으로 또는 융점 부근까지 가열되기 때문에, 용접 퍼들(145)에 필러 와이어가 존재함으로 인해 용접 퍼들(145)의 적절한 냉각 또는 고화가 이루어지지 않으며, 와이어(140)가 신속하게 용접 퍼들(145)로 소모된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 핫 와이어 용접 전원부(170)는, 교류(AC) 또는 그외 다른 유형의 전원부가 또한 가능하긴 하지만, 펄스형 직류(DC) 전원부이다. 와이어(140)가 필러 와이어 피더(150)로부터 접촉 튜브(160)를 통해 가공물(115)로 공급되며 접촉 튜브(160)를 넘어 연장된다. 와이어(140)의 연장부가 저항 가열됨으로써, 연장부가 가공물(145) 상의 용접 퍼들(145)과 접촉하기 전에 융점에 도달하거나 근접하게 된다. 레이저 빔(110)은 가공물(115)의 가공물 금속 중 일부를 용융시켜 용접 퍼들(145)을 형성하는 역할을 하며, 또한 가공물(115) 상에서의 와이어(140)의 용융을 도울 수도 있다. 전원부(170)는 필러 와이어(140)의 저항 용융을 위해 필요한 에너지의 상당 부분을 제공한다.

전술한 공정에서 필러 와이어(140)를 이송하기 위해 용접 아크가 필요하지 않기 때문에, 본 발명의 그외 다른 소정의 실시예에 따르면, 공급부 서브시스템(150)은 하나 이상의 와이어를 동시에 제공할 수도 있다. 예를 들어, 제1 와이어가 표면 경화를 위해 및/또는 가공물에 내부식성을 제공하기 위해 사용될 수도 있으며, 제2 와이어가 가공물에 구조적 강도를 추가하도록 사용될 수도 있다. 또한, 하나 이상의 필러 와이어가 하나의 용융 퍼들을 형성하도록 함으로써, 입력 열의 상당한 증가 없이 용접 프로세스의 전체 용착율이 상당히 증가할 수 있다. 따라서, 기저부 개방형 용접 접합부가 단 한 번의 용접 패스(weld pass)를 통해 충전될 수 있다.

물론, 필러 와이어(140)의 용융 온도는 와이어(140)의 크기 및 화학적 특성에 따라 변한다. 이에 따라, 용접 동안의 필러 와이어의 소기의 온도가 와이어(140)에 따라 변한다. 필러 와이어(140)용의 소기의 작동 온도는 용접 동안 소기의 와이어 온도가 유지되도록 용접 시스템에 입력되는 데이터일 수 있다. 결론적으로, 와이어(140)의 온도는 와이어(140)가 용접 작업 동안 용접 퍼들(145)로 소모되도록 결정된다.

전술한 바와 같이, 필러 와이어(140)는 아크 없이 용접 퍼들(145)로 용융된다. 전통적으로, 필러 와이어는 와이어의 전체 길이에 걸쳐 단면적이 일정하다. 이에 따라, 필러 와이어가 용접 퍼들(145)로 진입하기 전에 와이어(140)의 연장부가 균일하게 가열될 수 있다. 그러나, 필러 와이어(140)가 과열로 인해 용접 퍼들(145)과 접촉하지 않게 되면 또는 와이어 피더(150)가 와이어(140)를 용융 퍼들(140)로 공급함에 따라 미끄러지거나 흔들리게 되면, 부주의로 아크가 형성될 수도 있다. 이러한 아크는 용락 및 스플래터(splatter)로 인해 용접 품질에 악영향을 미칠 수도 있으므로 용접 프로세스에 해롭다. 보통, 복잡한 알고리즘을 갖춘 컨트롤러가 이러한 접촉 손실을 방지하기 위하여 필러 와이어(140)를 통해 흐르는 전류를 예측 및 제어하도록 사용된다. 그러나, 본 발명은 와이어(140)와 가공물(115) 사이의 아크 발생을 방지하기 위하여(또는 적어도 최소화하기 위하여) 가변 저항의 필러 와이어를 사용한다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예가 이러한 예측 및 제어 알고리즘과 조합하여 사용될 수 있다. 전체 내용이 본 명세서에 참조로 인용되어 있고 제목이 "Method and System to Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding"인 출원 제13/212,025호는 와이어(140)가 가공물(115)과의 접촉을 상실하였는지 여부를 감지하기 위한 감지 및 제어 유닛(195)에 합체될 수도 있는 예시적인 예측 및 제어 알고리즘을 제공한다.

필러 와이어(140)의 저항을 변경함으로써, 전원부(170)로부터의 가열 전류가 와이어(140)를 통해 흐르기 시작하면 와이어(140)의 소정 부분이 그외 다른 부분보다 빠르게 가열된다. 도 2a에는 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 필러 와이어(140A)의 일 실시예가 도시되어 있다. 필러 와이어(140A)는 용접 프로세스용 필러 와이어를 제공하며 플럭스와 같은 재료로 피복되거나 이러한 재료를 포함할 수도 있다. 필러 와이어(140A)는 최대 직경(D₁) 내지 최소 직경(D₂)의 범위의 가변 외경을 갖는다. 따라서, 필러 와이어(140A)의 단면적이 직경(D₁)에서의 최대값으로부터 직경(D₂)에서의 최소값까지 변한다. 직경(D₁)은, 예를 들어 0.030 인치 내지 0.095 인치의 범위일 수 있다. 즉, 직경(D₁)은, 예를 들어 0.030 인치, 0.045 인치, 0.052 인치, 0.063 인치, 0.068 인치(1 인치는 대략 2.54 ㎝)와 같은 표준 필러 와이어 직경일 수 있다. 물론, 필러 와이어(140A)는 용접 시스템과 필러 와이어 특성에 따라 그외 다른 직경을 가질 수도 있다. 아래에 추가로 논의되는 바와 같이, 직경(D₂)은 위치 D₂에서 필러 와이어(140A)를 용융시키기 위한 소기의 전력 레벨에 좌우된다.

용가재용 저항률(ρ)을 가정하면, 와이어(140)를 따라 주어진 길이(l)에서의 저항(R)은 다음과 같다:

[식 1]

R=(ρ*l)/A

여기서, A는 단면적이다(즉, A=π/4*D²). 이러한 식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 저항(R)은 단면적에 반비례하며 길이(l)에 비례한다. 즉, 필러 와이어(140A)의 주어진 길이(l)에 대하여, 단면적이 감소함에 따라 저항이 증가하며, 주어진 단면적(A)에 대하여, 길이(l)가 증가할수록 저항(R)이 증가한다. 이에 따라, 와이어(140A)의 위치 D₁에서의 저항(R₁)은 다음의 식 2와 같으며, 와이어(140A)의 위치 D₂에서의 저항(R₂)은 다음의 식 3과 같다.

[식 2]

R₁=(ρ*l)/(π/4*D₁ ²)

[식 3]

R₂=(ρ*l)/(π/4*D₂ ²)

따라서, 용가재의 저항률(ρ)이 균일하다고 가정하면, 필러 와이어(140A)의 단위 길이당 저항은 직경(D₁)에서 최소가 되며 직경(D₂)에서 최대값까지 증가한다. 필러 와이어(140A)의 단위 길이당 저항이 직경(D₂)에서 가장 높기 때문에, 저항 가열식 필러 와이어(140A)가 와이어(140A)를 통해 흐르는 저항성 가열 전류로 인해 우선 해당 위치에서 용융된다. 예시적인 실시예에서, 직경(D₂)은 필러 와이어(140A)를 위치 D₁에서 용융시키기 위해 필요한 전원 값의 75% 내지 95%의 전원으로 위치 D₂에서 필러 와이어(140A)가 용융되도록 선택된다. 물론, 직경(D₂)의 결정 시에, 온도(가열 전류이기 때문에)로 인해 필러 와이어(140)의 저항 변화를 고려하여야 할 수도 있다.

따라서, 용접 프로세스 동안, 전원부(170)는 보통 표준 필러 와이어의 경우 위치 D₂에서 필러 와이어(140)를 용융시키는 데 필요한, 그리고 소량의 용가재, 즉 용가재 섹션(142)을 용접 퍼들(145)로 만드는 데 필요한 전원의 75% 내지 95%만을 공급하면 된다. 용가재 섹션(142)이 감소된 레벨의 전원으로 용접 퍼들(145)로 용융되므로, 필러 와이어(140A)와 가공물(115) 사이의 아크 생성 가능성이 감소한다. 실시예에 따라, 용접 퍼들(145)이 용가재 섹션(142)을 용융 및 흡수하기 전에, 용가재 섹션(142)의 적어도 일부는, 용접 퍼들(145)에 들어갈 때 고체일 수 있다.

예시적인 실시예에 따라, 레이저 장치(120)가 용접 퍼들(145)의 크기 및 깊이의 용이한 조절을 포함하는 용접 퍼들(145)의 정밀 제어를 허용하기 때문에 레이저 장치(120)는 용가재 섹션(142)의 용융을 촉진할 수 있다. 이러한 조절이 가능한 이유는 레이저 빔(110)이 용이하게 포커싱 또는 디포커싱될 수 있으며 또는 빔의 강도가 상당히 용이하게 변경될 수 있기 때문이다. 이러한 능력으로 인해, 가공물(115) 상에서의 열 분포가 정밀하게 제어될 수 있다. 이러한 제어는 용융되지 않은(또는 부분적으로 용융된) 용가재 섹션(142)을 수용하여 이를 용융시킬 수 있는 용접 퍼들(145)의 생성을 허용한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 용접 퍼들(145)이 용가재 섹션(142)을 완전히 용융시키는 것을 보장하도록 빔(110)의 형상 및/또는 강도가 용접 프로세스 동안 조절/변경될 수 있다. 예를 들어, 용접 프로세스 동안, 용가재 섹션(142)을 용융시키기 위하여 용접 비드의 크기를 변경하거나 용입 깊이를 변경하여야 할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 빔(110)의 형상, 강도 및/또는 크기가 용접 파라미터의 필요한 변경을 제공하기 위하여 용접 프로세스 동안 조절될 수 있다.

전술한 바와 같이, 용가재 섹션(142)은 레이저 빔(110)과 동일한 용접 퍼들(145)에 영향을 미친다. 예시적인 실시예에 따라, 용가재 섹션(142)은 레이저 빔(110)으로부터 원거리의 동일한 용융 퍼들에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 그외 다른 실시예에서, 용가재 섹션(142)은 레이저 빔(110)과 동일한 위치에서 용접 퍼들(145)에 영향을 미친다. 이러한 실시예에서, 레이저 빔(110) 자체가 용가재 섹션(142)의 용융을 돕도록 사용될 수 있다. 그러나, 다수의 필러 와이어가 반사 가능한 재료로 형성되기 때문에, 반사성 레이저 유형이 사용되는 경우, 와이어는 표면 반사도가 감소하여 빔(110)이 용가재 섹션(142)의 가열/용융에 기여하도록 하는 온도까지 가열되어야 한다. 이러한 구성의 예시적인 실시예에서, 용가재 섹션(142)과 빔(110)은 용가재 섹션(142)이 용접 퍼들(145)에 진입하는 지점에서 서로 교차한다.

소정의 필러 와이어 직경에 대하여, 용가재 섹션(142)의 크기는 위치 D₂ 사이의 거리인 길이(L)에 의해 결정된다. 이에 따라, 와이어 속도와 같은 파라미터와 함께, 길이(L)에 의해 작업 동안의 용가재의 용착율이 결정된다. 용가재 섹션(142)의 길이(L)는, 두서너 가지 예를 들자면, 용가재의 유형, 수행되는 용접의 유형, 그리고 용접 퍼들(145)의 온도와 같은 인자에 기초하여 결정될 수도 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따라, 길이(L)는 적어도 직경(D₁)만큼 길다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 길이(L)는 직경(D₁)의 -25% 내지 +25%의 범위이다. 직경(D₁)과 관련된 길이(L)의 범위는 실온에서의 용가재 섹션의 저항에 기초한다. 예시적인 일 실시예에서, 필러 와이어(140A)는 직경(D₂)을 달성하도록 표준 필러 와이어의 원주면을 크림핑(crimping) 가공하여 제조될 수도 있다. 실시예에 따라, 필러 와이어(140A)가 공장에서 사전에 크림핑 가공될 수도 있다. 그외 다른 실시예에서, 와이어(140A)가 용접 퍼들(145)로 공급됨에 따라 필러 와이어(140A)가, 예를 들어, 와이어 피더(150)에 의해 크림핑 가공된다. 즉, 와이어(140)가 작업 위치로 공급됨에 따라 와이어 피더(150)(또는 그외 다른 기계적 장치)가 와이어를 크림핑 가공한다. 이러한 장치는 필요에 따라 와이어(140)를 크림핑 가공하기 위해 압축력을 사용할 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 입력 데이터에 따라 와이어 피더(150)와 크림핑 작업을 제어할 수 있는 감지 및 제어 유닛(195)(도 1 참조)으로 사용자에 의해 길이(L)가 입력될 수 있다. 대안으로서, 그외 다른 예시적인 실시예에서, 길이(L)가 용접 조건에 기초하여 감지 및 제어 유닛(195)에 의해 자동으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 와이어 피더(150)는 와이어(140)와 용융 퍼들 바닥 사이의 접촉을 감지하는 토크 센서(또는 이와 유사한 장치)를 포함할 수 있으며, 이러한 센서로부터의 피드백에 기초하여 길이(L) 및/또는 가열 전류가 퍼들에서의 와이어(140)의 적절한 작동 및 용융을 보장하도록 변경될 수 있다. 물론, 이러한 기능[즉, 길이(L)의 사용자 입력 및 자동 제어]이 와이어 피더(150) 또는 그외 다른 적당한 구성 요소에 합체될 수도 있다.

전술한 실시예에서, 필러 와이어(140A)의 원형 단면적은 D₁에서 D₂로 변한다. 그러나, 본 발명이 이러한 기하학적 형상으로만 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 2b에서, 필러 와이어(140B)는 와이어(140)의 양측에서 필러 와이어(140B)를 노칭(notching)하여 형성된다. 물론, 본 발명이 필러 와이어(140)의 이러한 단면 형상으로만 제한되는 것은 아니며, 필러 와이어의 단면적이 변하는 한 다수의 상이한 단면 형상이 사용될 수 있다. 이러한 단면적 변화에 의해 섹션 사이의 저항률이 변한다. 또한, 용가재 섹션(142)이 도 2a에 대략 구형으로 도시되어 있긴 하지만, 용가재 섹션(142)의 형상이 이로만 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 2b에서, 용가재 섹션(142)은 용가재 섹션(142)을 따라 대략 직경(D₁)을 갖는 대략 원통형으로 도시되어 있다. 그러나, 일반적으로, 용접 퍼들(145)에서의 섹션(142)의 용융을 최적화하는 용가재 형상이 바람직하다. 전술한 실시예에서와 같이, 필러 와이어(140B)는 공장에서 또는 용접 프로세스 동안 와이어 피더(150)(또는 유사한 구성 요소)에 의해 사전에 노칭에 의해 형성될 수도 있다.

전술한 실시예에서, 필러 와이어(140)의 단면이 변함에 따라 필러 와이어(140A, 140B)의 저항 변화가 달성된다. 그러나, 본 발명이 단지 단면적 변경으로만 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 필러 와이어의 단면이 일정하게 유지될 수도 있으며, 도 2c에 도시된 바와 같이 필러 와이어(140C)의 용가재의 밀도 변화에 의해 저항률이 변할 수도 있다. 도 2c에서, 필러 와이어(140C)의 부분(10)의 용가재는 부분(20)에서보다 [예를 들어, 보다 낮은 밀도로 인해]높은 저항률(ohm-meter)을 갖는다. 따라서, 주어진 단면적 및 용가재의 경우, 부분(10)이 부분(20)보다 단위 길이당 저항이 높으며 부분(20)보다 빠르게 용융된다. 대안으로서 또는 추가적으로, 부분(10)의 용가재가 부분(20)에서와 상이한 재료 조성(및 저항률)을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 길이를 따라 와이어(140)의 저항률이 변하도록, 길이를 따라 다양한 밀도, 구성, 형상 및/또는 재료 조성을 갖는 와이어(140)가 사용될 수 있다. 이러한 구성에 의해 더 낮은 가열 전류가 사용될 수 있어, 용접 아크의 생성을 방지할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 부분(142)은 부분(10, D₂)보다 5% 내지 45% 낮은 범위의 단위 길이당 저항을 갖는다. 그외 다른 예시적인 실시예에서, 저항 차이는 5% 내지 25%의 범위이다. 전술한 범위는 실온에서의 용가재 섹션의 저항값에 기초한다.

전술한 예시적인 실시예에서, 필러 와이어는 고화되는 것으로 가정한다. 그러나, 동일한 원리가 코어형 필러 와이어(금속 또는 플럭스 코어형) 또는 플럭스 코팅 와이어에도 적용된다. 사실, 본 발명의 실시예는 와이어(140)의 저항을 변경하기 위해 플럭스(코어형 또는 코팅 플럭스)를 사용할 수 있다. 즉, 본 발명은 아크 용접 소모품과 일치하는 일관된 특성을 갖는 고체 와이어 코어 또는 외피가 사용되며, 와이어(140)의 금속 부품의 선택 부분에 고정된 플럭스의 형상, 기하학적 형태 및/또는 화학적 특성이 이들 부분에서 와이어(140)의 저항 변화를 야기하는 실시예를 포함한다.

도 3에는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 도 3에는 도 1에 도시된 바와 유사한 일 실시예가 도시되어 있다. 그러나, 소정의 구성 요소 및 연결부가 명료성을 위해 도시되어 있지 않다. 도 3에는 와이어(140)의 온도를 감시하도록 열 센서(1410)가 사용되는 시스템(1400)이 도시되어 있다. 필러 와이어(140)의 저항은 전술한 바와 같이 변하며, 실시예에 따라, 필러 와이어(140A, 140B, 140C) 중 어느 하나일 수 있다. 열 센서(1410)는 와이어(140)의 온도를 검출할 수 있는 소정의 공지된 유형일 수 있다. 센서(1410)는 와이어의 온도를 검출하도록 와이어(140)와 접촉하거나 선단(160)에 결합될 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1410)는 와이어(140)와 접촉하지 않고 필러 와이어의 직경과 같은 크기가 작은 물체의 온도를 검출할 수 있는 레이저 또는 적외선 빔을 사용하는 유형이다. 이러한 실시예에서, 센서(14010)는 와이어(140)의 온도가 와이어(140)의 외부 고착부, 즉 접촉 튜브(160)의 선단부와 용접 퍼들(145)의 사이 일부 지점에서 검출될 수 있도록 배치된다. 센서(1410)는 또한, 와이어(140)용 센서(1410)가 용접 퍼들(145)의 온도를 감지하지 않도록 배치되어야 한다.

센서(1410)는, 시스템(1400)의 제어가 최적화될 수 있도록, 감지 및 제어 유닛(195)에 결합되어 온도 피드백 정보가 전원부(170), 레이저 전원부(130), 및/또는 와이어 피더(150)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 전원부(170)의 출력 전원 또는 전류가 적어도 센서(1410)로부터의 피드백에 기초하여 조절될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서, 그외 다른 사용자 입력 데이터[필러 와이어 직경, 필러 와이어의 최소 단면적, 용가재의 저항률, 용가재 액적의 길이(L), 와이어 공급 속도, 전극 유형 등]에 기초하여 사용자가 소기의 온도 설정[주어진 용접부 및/또는 와이어(140)에 대해]을 입력할 수 있으며, 또는 감지 및 제어 유닛(195)이 소기의 온도를 설정할 수 있으며, 감지 및 제어 유닛(195)이 소기의 온도에 설정될 수 있으며, 이후, 감지 및 제어 유닛(195)이 소기의 온도를 유지하도록 적어도 전원부(170), 레이저 전원부(130), 및/또는 와이어 피더(150)를 제어한다.

이러한 일 실시예에서, 와이어(140)가 용접 퍼들(145)에 들어가기 전에 와이어(140)에 영향을 미치는 레이저 빔(110)으로 인해 발생할 수도 있는 와이어(140)의 열을 고려할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 와이어(140)의 온도는 와이어(140)의 전류를 제어함으로써 전원부(170)를 통해서만 제어될 수 있다. 그러나, 그외 다른 실시예에서, 와이어(140)의 가열을 위한 열의 적어도 일부가 와이어(140)의 적어도 일부에 영향을 미치는 레이저 빔(110)으로부터 나올 수 있다. 이에 따라, 전원부(170)로부터의 전류 또는 전원이 와이어(140)의 온도를 대표하지는 않을 수도 있다. 이에 따라, 센서(1410)의 사용을 통해 전원부(170), 레이저 전원부(130) 및/또는 와이어 피더(150)를 통해 와이어(140)의 온도를 조절할 수 있다.

또 다른 예시적인 실시예에서(도 3에 도시된 바와 같은), 온도 센서(1420)가 용접 퍼들(145)의 온도를 감지하도록 배치된다. 이러한 실시예에서, 용접 퍼들(145)의 온도는 또한 감지 및 제어 유닛(195)에 결합된다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1420)는 레이저 전원부(130) 및/또는 와이어 피더(150)에 직접 결합될 수 있다. 센서(1420)로부터의 피드백이 레이저 전원부(130)/레이저 장치(120)로부터의 출력을 제어하도록 사용될 수 있다. 즉, 소기의 용융 퍼들 온도가 달성되는 것을 보장하도록 레이저 빔(110)의 에너지 밀도가 수정될 수 있다. 센서(1420)는 또한, 와이어 피더(150)를 제어하도록 사용될 수도 있다. 예를 들어, 용가재 액적(142)의 길이(도 2a 및 도 2b 참조)가 용접 퍼들(145)의 온도에 기초하여 제어될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 감지 및 제어 유닛(195)이 와이어 피더(150)에 결합된 공급 힘 검출 유닛(도시하지 않음)에 결합될 수 있다. 공급 힘 검출 유닛에 대해서는 공지되어 있으며, 와이어가 가공물(115)로 공급됨에 따라 와이어(140)에 인가되는 공급력을 검출하도록 사용된다. 예를 들어, 이러한 검출 유닛은 와이어 피더(150)의 와이어 공급 모터에 의해 인가되는 토크를 감시할 수 있다. 와이어(140)가 완전히 용융되지 않고 용접 퍼들(145)을 통과하면, 와이어가 가공물(115)의 고체 부분과 접촉하게 되며, 이러한 접촉에 의해 모터가 설정 공급 속도를 유지하고자 하는 경우 공급력이 증가된다. 이러한 힘/토크 증가는 검출되어 제어 유닛(195)으로 전달되며, 제어 유닛은 용접 퍼들(145)에서의 와이어(140)의 적절한 용융을 보장하도록 전원부(170)로부터 와이어(140)로 인가되는 가열 전류를 조절하기 위해 이러한 정보를 사용한다. 이러한 정보는 또한, 작업 동안 와이어의 성형이 수행되는 범위로 길이(L)를 변경하도록 사용될 수 있다.

도 1 및 도 3에서, 레이저 전원부(130), 핫 와이어 전원부(170), 와이어 피더(150), 그리고 감지 및 제어 유닛(195)은 명료성을 위해 별개로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 이들 구성 요소가 단일 용접 시스템으로 일체형으로 형성될 수 있다. 본 발명의 양태에서, 개별적인 구성으로 전술한 구성 요소가 별개의 물리적 유닛이나 독립 구조체로서 유지되어야 하는 것은 아니다.

본 발명이 소정의 실시예를 참조하여 설명되어 있긴 하지만, 당업계의 숙련자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수도 있으며 등가물로 대체될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서, 특정 상황 또는 재료의 다수의 수정이 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명이 개시된 특정 실시예로만 제한되어야 하는 것은 아니며, 본 발명은 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함한다.

10 : 부분 145 : 용융 퍼들
20 : 부분 150 : 와이어 피더
100 : 시스템 160 : 접촉 튜브
110 : 빔 170 : (용접) 전원부
115 : 가공물 195 : 감지/제어 유닛
120 : 레이저 1400 : 시스템
130 : 전원부 1410 : 열 센서
140 : 필러 와이어 1420 : 온도 센서
140A : 필러 와이어 D₁ : 직경
140B : 필러 와이어 D₂ : 직경
140C : 필러 와이어 I, L: 길이
142 : 용가재 섹션

Claims

핫 와이어 용례에 사용하기 위한 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)로서,
단위 길이당 제1 저항을 갖는 제1 섹션; 및
단위 길이당 상기 제1 저항보다 높은 단위 길이당 제2 저항을 갖는 제2 섹션
을 포함하며,
상기 제2 섹션은 상기 핫 와이어 용례 동안 상기 제1 섹션 전에 용융되도록 구성되어 있는 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
제1항에 있어서, 상기 제1 섹션의 저항률과 상기 제2 섹션의 저항률은 동일하며, 상기 제2 섹션은 상기 제1 섹션의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 섹션은 상기 제1 섹션을 용융시키는 데 필요한 전력 레벨의 75% 내지 95%인 전력 레벨에서 용융되고, 및/또는 상기 제1 섹션의 길이(L)가 상기 제1 섹션의 직경의 -25% 내지 +25%의 범위이며, 및/또는 상기 제1 섹션의 단위 길이당 저항이 상기 제2 섹션의 단위 길이당 저항의 5% 내지 45%의 범위인 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 섹션의 용가재의 저항률과 상기 제2 섹션의 용가재의 저항률이 서로 다른 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 섹션의 단면적과 상기 제1 섹션의 단면적이 동일한 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 섹션에서의 상기 용가재의 밀도와 상기 제1 섹션에서의 상기 용가재의 밀도가 서로 다른 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 섹션에서의 상기 용가재의 재료 조성과 상기 제1 섹션에서의 상기 용가재의 재료 조성이 서로 다른 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 섹션은 상기 제1 섹션을 용융시키는 데 필요한 전력 레벨의 75% 내지 95%의 전력 레벨에서 용융되는 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 섹션의 단위 길이당 저항이 상기 제2 섹션의 단위 길이당 저항의 5% 내지 45%의 범위인 것인 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C).
적어도 하나의 가공물(115)을 가열하며 용융 퍼들(145)을 생성하는 고강도 열원;
상기 용융 퍼들로 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)를 공급하는 와이어 피더;
상기 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)에 작동 가능하게 연결되며, 상기 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)를 가열하도록 상기 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)를 통해 가열 전류를 공급하는 핫 와이어 전원부(170)
를 포함하며, 상기 필러 와이어(140, 140A, 140B, 140C)는,
단위 길이당 제1 저항을 갖는 제1 섹션과,
단위 길이당 상기 제1 저항보다 높은 단위 길이당 제2 저항을 갖는 제2 섹션을 포함하며,
상기 제2 섹션은 상기 핫 와이어 용례 동안 상기 제1 섹션 전에 용융되도록 구성되어 있는 것인 핫 와이어 시스템(100).
제10항에 있어서, 상기 제1 섹션의 적어도 일부(10, 20)는, 상기 제1 섹션이 상기 용융 퍼들(145)에 들어갈 때 고체이고,
상기 용접 퍼들(145)이 상기 제1 섹션의 상기 부분(10, 20)을 용융시켜 흡수하는 것인 핫 와이어 시스템(100).
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 제1 섹션의 저항률과 상기 제2 섹션의 저항률이 동일하고,
상기 제2 섹션은 상기 제1 섹션의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 것인 핫 와이어 시스템(100).
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 전류는 상기 제1 섹션을 융융시키는 데 필요한 전력 레벨의 75% 내지 95%의 전력 레벨에서 상기 제2 섹션을 용융시키는 것인 핫 와이어 시스템(100).
적어도 하나의 가공물을 용융 퍼들로 가열하는 단계;
상기 용융 퍼들에 필러 와이어를 공급하는 단계;
핫 와이어 전원부에 가열 전류를 공급하여 상기 필러 와이어를 가열하는 단계
를 포함하며, 상기 필러 와이어는,
단위 길이당 제1 저항을 갖는 제1 섹션과,
단위 길이당 상기 제1 저항보다 높은 단위 길이당 제2 저항을 갖는 제2 섹션을 포함하며,
상기 제2 섹션은 상기 핫 와이어 용례 동안 상기 제1 섹션 전에 용융되도록 구성되어 있는 것인 핫 와이어 시스템에서 필러 와이어를 사용하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 제1 섹션의 저항률과 상기 제2 섹션의 저항률이 동일하며,
상기 제2 섹션은 상기 제1 섹션의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 것인 핫 와이어 시스템에서 필러 와이어를 사용하는 방법.