KR20150037981A

KR20150037981A - 용접 퍼들에 대하여 소모 와이어를 이동시키는 것을 사용하는 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20150037981A
Application number: KR1020157002900A
Authority: KR
Inventors: 엘리어트 애쉬
Original assignee: 링컨 글로벌, 인크.
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-04-08
Also published as: BR112015000233A2; US9687929B2; JP3200387U; DE112013003467T5; US20170252848A1; US20140008343A1; US10888944B2; WO2014006496A1; CN104487200A

Abstract

필러선(140; filler wire)을 제어하는 시스템(100)과 방법이 제공된다. 시스템(100)은 적어도 하나의 공작물(115)의 표면 상에 용융 퍼들(145)을 형성하기 위해 적어도 하나의 공작물(115)을 가열하도록 구성된 고강도 에너지원(130)을 포함한다. 필러선 공급 장치(150)는 상기 용융 퍼들(145) 내로 필러선(140)을 공급하도록 구성되고, 이동 방향 컨트롤러가 적어도 하나의 공작물(115) 상에 필러선을 용착시키기 위해 고강도 에너지원(130)과 필러선(140)을 이동 방향으로 전진시키도록 구성된다. 상기 시스템(100)은 필러선(140)의 공급 및 이동 중에 필러선(140)을 적어도 제1 방향으로 이동시키도록 구성된 필러선(140) 컨트롤러(195)를 더 포함한다. 적어도 제1 방향은, 용융 퍼들(145)에 의해 형성되는 비드(bead)의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 또는 혼합을 얻도록 제어된다.

Description

용접 퍼들에 대하여 소모 와이어를 이동시키는 것을 사용하는 방법 및 시스템{METHOD OF AND SYSTEM FOR USING MOVING CONSUMABLE WIRE WITH WELD PUDDLE}

본 출원은 미국 가특허출원 제61/668,818호에 대한 우선권을 주장하고, 상기 미국 가특허출원은 참조에 의해 그 전체내용이 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 청구항 1에 따른 필러선(filler wire) 제어 방법 및 청구항 8에 따른 필러선(filler wire) 제어 시스템에 관한 것이다. 소정 실시예는 오버레잉(overlaying), 용접 및 결합 어플리케이션에서 필러선을 사용하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 소정 실시예는 브레이징, 클래딩, 덧붙임(building up), 충전, 하드 페이싱 오버레잉, 결합 및 용접 어플리케이션 중 임의의 어플리케이션을 위한 시스템 및 방법에서 필러선을 제어하는 것에 관한 것이다.

통상의 필러선 용접 방법[예컨대, 필러선 가스-텅스턴 아크 용접(Gas-Tungsten Arc Welding; GTAW) 방법]은 통상의 단독 아크 용접에 비해 용착 속도(deposti rate) 및 용접 속도가 증가한다. 토치에 도입되는 필러선은 별개의 전원에 의해 저항 가열된다. 필러선은 접촉관을 통해 공작물측으로 공급되고 접촉관을 지나 연장된다. 필러선의 연장부는, 이 연장부가 용융점에 접근하거나 도달하도록 저항 가열되고, 용접 퍼들과 접촉한다. 용접 퍼들을 형성하기 위해 공작물을 가열하고 용융시키는 데 텅스텐 전극이 사용될 수 있다. 전원은 필러선을 저항 용융시키는 데 필요한 에너지 중 많은 부분을 제공한다. 몇몇 경우에, 필러선 공급물은 미끄러지거나 흔들릴 수 있고, 필러선에서의 전류로 인해 필러선의 선단과 공작물 사이에 아크가 발생할 수 있다. 그러한 아크의 과도한 열은 용락(burn through) 및 스패터(spatter)를 유발할 수 있다. 또한, 통상의 필러선 방법은 필러재를 용접부로 전달하는 데 아크를 사용하기 때문에, 소망하는 용접 프로파일을 얻고 용접 퍼들의 냉각률을 제어하는 것이 어려울 수 있다.

종래의 통상적인 제안된 접근법의 다른 한계 및 단점은, 그러한 접근법을 도면을 참고하여 본 출원서의 나머지 부분에서 기술하는 바와 같은 본 발명의 실시예와 비교해 봄으로써 당업자에게 명백해질 것이다,

본 발명의 과제는 상기한 한계 및 단점을 극복하는 것이다. 이러한 과제는 청구항 1에 따른 필러선 제어 방법에 의해 그리고 청구항 8에 따른 필러선 제어 시스템에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항의 대상이다. 본 발명의 실시예는 브레이징, 클래딩, 덧붙임, 충전, 하드 페이싱 오버레잉, 용접 및 결합 어플리케이션 중 임의의 어플리케이션을 위한 시스템 및 방법에서 필러선을 제어하는 것을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 상기 방법은, 적어도 하나의 공작물의 표면 상에 용융 퍼들을 형성하기 위해 고에너지 열원으로 적어도 하나의 공작물을 가열하는 것과, 필러선을 용융 퍼들 내로 공급하는 것을 포함한다. 상기 방법은, 적어도 하나의 공작물 상에 필러선을 용착시키기 위해 고에너지 열원과 필러선 각각을 이동 방향으로 이동시키는 것을 더 포함한다. 필러선은 필러선을 공급하고 이동시키는 동안에 적어도 제1 방향으로 이동되며, 적어도 제1 방향은 이동 방향과는 상이하다. 상기 방법은 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드(bead)의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 및 혼합물을 얻기 위해 적어도 제1 방향으로의 필러선의 이동을 적어도 제어하는 것을 더 포함한다.

몇몇 실시예에서, 상기 시스템은 적어도 하나의 공작물의 표면 상에 용융 퍼들을 형성하기 위해 적어도 하나의 공작물을 가열하도록 구성된 고강도 에너지원을 포함한다. 필러선 공급 장치는 필러선을 용융 퍼들에 공급하도록 구성된다. 필러선을 적어도 하나의 공작물 상에 용착시키기 위해, 이동 방향 컨트롤러가 고강도 에너지원과 필러선 각각을 이동 방향으로 전진시키도록 구성된다. 상기 시스템은 필러선을 공급 및 전진시키는 동안에 필러선을 적어도 제1 방향으로 이동시키도록 구성된 필러선 컨트롤러를 더 포함하며, 적어도 제1 방향은 상기 이동 방향과 상이하다. 적어도 제1 방향으로의 적어도 필러선의 이동은, 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 또는 혼합물을 얻도록 제어된다.

상기 방법은 적어도 가열 전류 흐름을 가하는 동안에 공작물을 가열하기 위해 고강도 에너지원으로부터 공작물로 에너지를 가하는 것을 더 포함한다. 고강도 에너지원은 레이저 디바이스, 플라즈마 아크 용접(Plasma Arc Welding; PAW) 디바이스, 가스 텅스텐 아크 용접(Gas Tungsten Arc Welding; GTAW) 디바이스, 가스 금속 아크 용접 디바이스(Gas Metal Arc Welding; GMAW) 디바이스, 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding; FCAW)) 디바이스 및 잠호 용접(Submerged Arc Welding; SAW) 디바이스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

청구되는 본 발명의 이들 피쳐(feature)와 다른 피쳐뿐만 아니라 본 발명의 예시적인 실시예의 상세는 아래의 설명과 첨부도면으로부터 더 완벽히 이해될 것이다.

본 발명의 상기 양태 및/또는 다른 양태는 첨부도면을 참고로 하여 본 발명의 예시적인 실시예를 상세히 설명하는 것에 의해 더 명백해질 것이다.
도 1은 브레이징, 클래딩, 덧붙임, 충전, 하드 페이징 오버레잉, 결합 및 용접 어플리케이션 중 임의의 어플리케이션을 위한 조합형 필러선 공급 장치와 에너지원 시스템의 예시적인 실시예의 개략적인 기능 블럭선도이고,
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 시스템에 의해 사용 가능한 필러선을 제어하는 방법을 도시한 도면이며,
도 3a 및 도 3b는 도 1의 시스템에 의해 사용 가능한 필러선의 제어 방법을 예시한 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 도 1의 시스템에 의해 사용 가능한 필러선 제어 방법을 예시하는 도면이다.

이제, 아래에서는 첨부도면을 참고하여 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하겠다. 설명되는 예시적인 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 의도되며, 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 유사한 도면부호는 유사한 요소를 나타낸다.

용접/결합 공정은 전형적으로 용접 공정에서 다수의 공작물들을 함께 결합 시키고, 이때 충전재가 공작물 금속의 적어도 일부와 결합되어 조인트를 형성한다. 용접 공정에서의 생산량을 증가시키고자 하는 바람으로 인해, 보다 신속한 용접 공정에 대한 지속적인 요구가 있으며, 이러한 보다 신속한 용접 공정은 표준 품질을 갖는 용접부를 형성하지 못했다. 이것은 유사한 기술을 사용하는 클래딩/서피싱(surfacing) 공정에 대해서도 또한 마찬가지이다. 아래의 설명 중 많은 부분에서 "용접" 공정 및 시스템을 언급하지만, 본 발명의 실시예는 결합 공정으로만 제한되는 것이 아니라, 클래딩, 브레이징, 오버레잉 등의 타입의 공정에 대해서도 마찬가지로 사용될 수 있다. 더욱이, 원거리 작업장 등에서와 같이 불리한 환경 조건 하에서 신속히 용접할 수 있는 시스템을 제공해야 할 필요가 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 기존의 용접 기술에 비해 현저한 장점을 제공한다. 상기한 장점은 제한하는 것은 아니지만, 다수의 필러선을 사용하는 것, 용접 프로파일을 조정하는 것, 용접 퍼들의 냉각률을 제어하는 것, 공작물의 왜곡을 줄이는 감소된 총 열입력, 매우 높은 용접 이동 속도, 매우 낮은 스패터 비율, 쉴딩을 사용하지 않는 용접, 약간의 스패터 또는 스패터가 전무한 고속에서의 도금 또는 코팅재의 용접, 및 고속에서의 복합재 용접을 포함한다.

도 1은 브레이징, 클래딩, 덧붙임, 충전, 하드 페이싱 오버레잉 및 결합/용접 오플리케이션 중 임의의 어플리케이션을 수행하는 조합형 필러선 공급 장치와 에너지원 시스템(100)의 예시적인 실시예의 개략적인 기능적 블럭선도를 예시한다. 상기 시스템(100)은 공작물(115)을 가열하여 용접 퍼들(145)을 형성하기 위해 레이저 빔(110)을 공작물(115) 상으로 집속시킬 수 있는 레이저 서브시스템(130/120)을 포함한다. 레이저 서브시스템은 고강도 에너지원이다. 레이저 서브시스템은 제한하는 것은 아니지만 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크, YB-섬유, 섬유 이송 또는 직접 다이오드 레이저 시스템을 포함하는 임의의 타입의 고에너지 레이저 소스일 수 있다. 더욱이, 심지어는 백색광 또는 석영 레이저 타입 시스템도 이들이 충분한 에너지를 갖고 있기만 하다면 사용될 수 있다. 상기 시스템의 다른 실시예는 고강도 에너지원으로서의 역할을 하는 전자 빔, 플라즈마 아크 용접 서브시스템, 가스 텅스텐 아크 용접 서브시스템, 가스 금속 아크 용접 서브시스템, 플럭스 코어드 아크 용접 서브시스템 및 잠호 용접 서브시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 아래의 상세는 레이저 시스템, 빔 및 전원을 반복적으로 언급할 수 있지만, 이러한 언급은 예시적인 것이며 임의의 고강도 에너지원이 이용될 수 있다는 점을 이해해야만 한다. 예컨대, 고강도 에너지원은 적어도 500 W/cm²을 공급할 수 있다.

여기에서 설명하는 레이저 디바이스(120)와 같은 고강도 에너지원은 소망하는 용접 공정을 위해 필요한 에너지 밀도를 제공하도록 충분한 파워를 갖는 타입의 것이어야만 한다는 점에 유념해야만 한다. 즉, 레이저 디바이스(120)는 용접 프로세스 전반에 걸쳐 안정한 용접 퍼들을 형성하고 유지하며, 또한 소망하는 용입(weld penetration)에도 도달하기에 충분한 파워를 가져야만 한다. 예컨대, 몇몇 어플리케이션에 있어서 레이저는 용접되는 공작물에 "구멍을 형성(keyhole)"하는 능력을 가져야만 한다. 이는 레이저가 공작물을 따라 이동할 때에 관통 수준을 유지하면서 공작물을 완전히 관통하기에 충분한 파워를 가져야만 하는 것을 의미한다. 예시적인 레이저는 1 내지 20 kW 범위의 파워 용량을 가져야만 하며, 5 내지 20 kW 범위의 파워 용량을 가질 수 있다. 더 높은 파워의 레이저를 사용할 수 있지만, 이것은 비용이 매우 많이 들 것이다.

레이저 서브시스템(130/120)은 서로 작동 가능하게 연결된 레이저 디바이스(120)와 레이저 전원(130)을 포함한다. 레이저 전원(130)은 레이저 디바이스(120)를 작동시키는 파워를 제공한다. 레이저 빔(110)이 용이하게 집속/집속 해제될 수 있거나 그 빔 강도가 매우 용이하게 변경되기 때문에, 레이저 디바이스(120)는 용접 퍼들(145)의 크기와 깊이의 정확한 제어를 허용한다. 이러한 능력으로 인해, 공작물(115) 상의 열분배가 정밀하게 제어될 수 있다. 이러한 제어는 정확한 용접을 위한 매우 좁은 용접 퍼들의 형성과 공작물(115) 상의 용접 구역의 크기를 최소화하는 것을 가능하게 한다.

상기 시스템(100)은 또한 레이저 빔(110) 근처에서 공작물(115)과 접촉하는 적어도 하나의 저항 필러선(140)을 제공할 수 있는 필러선 공급 장치 서브시스템도 또한 포함한다. 물론, 본 명세서에서 공작물(115)에 대한 언급에 의해, 용융 퍼들, 즉 용접 퍼들(145)은 공작물(115)의 일부로서 간주되고, 이에 따라 공작물(115)과의 접촉이라는 언급은 퍼들(145)과의 접촉을 포함하는 것으로 이해된다. 필러선 공급 장치 서브시스템은 필러선 공급 장치(150), 접촉관(160) 및 와이어 전원(170)을 포함한다. 작동 중에, 필러선(140)은, 접촉관(160)과 공작물(115) 사이에 작동 가능하게 연결된 전원(170)에서 나온 전류에 의해 저항 가열된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전원(170)은 펄스식 직류(DC) 전원이지만, 교류(AC) 전원이나 다른 타입의 전원도 또한 가능하다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 필러선(140)은 전원에 의해 그 용융점으로 또는 그 용융점에 근접하게 예열된다. 따라서, 용융 퍼들(145)에 필러선이 존재함으로써 퍼들(145)이 눈에 띄게 냉각되거나 고화되지 않을 것이며, 필러선(145)은 용접 퍼들(145) 내로 신속히 소모된다.

전원(170), 필러선 공급 장치(150) 및 레이저 전원(130)은 감지 및 제어 유닛(195)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 제어 유닛(195)은 몇가지 예를 들자면 와이어 공급 속도, 와이어 온도 및 용접 퍼들 온도와 같은 용접 공정을 제어할 수 있다. 이것을 달성하기 위해, 제어 유닛(195)은 전원(130, 170)에 의해 사용되는 파워, 접촉관(160)에서의 전압, 필러선(들)을 통한 가열 전류(들), 필러선(들)을 위한 소망하는 실제 온도(들)와 같은 입력을 수신할 수 있다. 2011년 8월 17일자로 출원된 발명의 명칭이 "용접을 위한 조합형 와이어 공급부 및 고강도 에너지원을 시동하고 사용하는 방법 및 시스템(Method And System To Start And Use Combination Filler Wire Feed And High Intensity Energy Source For Welding)"인 미국 특허 출원 제13/212,025호는 본 발명에 포함될 수 있는 예시적인 모니터링 및 제어 방법론을 포함하여 예시적인 감지 및 제어 유닛을 설명하며, 그 전체 내용이 참고에 의해 본 명세서에 포함된다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 용접 프로파일, 즉 용접 퍼들(145)의 형상 및/또는 크기는 용접 퍼들(145)에 대한 필러선(140)의 이동을 제어하는 것에 의해 변경될 수 있다. 도 1에 예시한 바와 같이, 용접 퍼들(145)에서의 필러선(140)의 충돌 위치는 접촉관(160)을 제어하는 필러선 모터(1730)에 의해 제어될 수 있다. 모터(1730)는, 용접 퍼들(145)에 대한 필러선(140)의 위치가 용접 중에 이동되도록 접촉관(160)을 이동시키거나 병진시킨다. 예시적인 실시예에서, 필러선(140)은 레이저 빔(110)과 동일한 위치에서 용접 퍼들(145)에 밀어넣어진다. 그러한 경우, 레이저 빔(110)은 필러선(140)을 용융시키는 데 기여할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는 필러선(140)이 레이저 빔(110)으로부터 이격된 동일한 용접 퍼들(145)로 밀어넣어질 수 있다. 물론, 아크 타입 가열 서브 시스템이 레이저 서브 시스템 대신에 사용되는 경우에는 필러선(140)이 아크로부터 이격된 용접 퍼들(145)로 밀어넣어진다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 필러선 모터(1730)는, 용접 퍼들(145) 내에서의 필러선(140)의 이동이 레이저 빔(110)의 이동과 함께 조정되도록 접촉관(160)을 제어할 것이다. 이와 관련하여, 필러선 모터(1730)는 감지 및 제어 유닛(195)에 및/또는 레이저 동작 제어 서브시스템(1710/1720)과 작동 가능하게 직접 연결되어 통신할 수 있다. 레이저 동작 제어 서브시스템(1710/1720)은 모터(1710)와 광 드라이브 유닛(1720)을 포함한다. 모터(1710)는, 용접 중에 용접 퍼들(145)에 대한 레이저 빔(110)의 위치가 이동되도록 레이저(120)를 이동시키거나 병진시킨다. 즉, 레이저 빔(110)과 필러선(140)이 용접 프로세스 중에 공작물(115)에 대해[즉, 용접 방향(화살표 111 참고)] 이동되는 동안, 레이저 빔(110)은 용접 퍼들(145)에 대해서도 또한 이동될 수 있다. 예컨대, 모터(1710)는 용접 파라메터에 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)을 이동시키는 것에 대한 대안으로서 또는 이에 더하여, 광 드라이브 유닛(1720)이 레이저(120)의 광학계를 제어할 수 있고, 이는 레이저 빔(110)의 형상 및/또는 강도를 제어한다. 예컨대, 광 드라이브 유닛(1720)은 빔(110)의 초점이 공작물(115)의 표면에 대해 이동하거나 변경되게 하고, 이에 따라 용접 퍼들(145)의 침입도 또는 깊이를 변경할 수 있다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 광 드라이브 유닛(1720)은 레이저(120)의 광학계가 빔(110)의 형상과, 그리고 이에 따라 용접 퍼들(145)의 형상을 변경하게 할 수 있다. 레이저 동작 제어 서브시스템(1710/1720)의 작동은 2011년 8월 17일자로 출원된 발명의 명칭이 "용접을 위한 조합형 와이어 공급부 및 고강도 에너지원을 시동하고 사용하는 방법 및 시스템"인 미국 특허 출원 제13/212,025호에 더 설명되어 있으며, 상기 미국 출원은 전체 내용이 참고에 의해 본 명세서에 포함된다.

퍼들에 대해 필러선(140)을 이동시키는 것을 가능하게 하는 것에 의해, 본 발명의 실시예는 퍼들의 형상, 프로파일 및 높이를 조정하는 것과 용접 중에 소망하는 용접 퍼들 혼합물을 얻는 것을 가능하게 한다. 예컨대, 용접 퍼들(145)이 비교적 크게 되어 있으면, 필러선(140)의 이동은 필러선(14)이 용접/클래딩 동안에 퍼들(145) 전반에 걸쳐 상대적으로 균일하게 용착되고 분배되도록 할 것이다. 더욱이, 공정 중에 상이한 시기에 퍼들(145)의 소정 부분으로 필러선(140)을 이송하는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 실시예는 필러선(140)을 적절한 시기에 퍼들(145) 내의 적절한 위치로 이송하는 것에 의해 이것이 일어나게 한다. 더욱이, 용접 퍼들의 혼합은 공정 중에 필러선(140)을 용접 퍼들에 대해 이동시키는 것에 의해 향상될 수 있다.

몇몇 예시적인 실시예에서, 감지 및 제어 유닛(195)은 모터(1730)를 사용하여 필러선(140)의 이동과 레이저 빔(110)의 이동을 동기화시킬 수 있다. 예시적인 실시예에서는 도 2a 및 도 2b에 예시한 바와 같이, 레이저 빔(110)과 필러선(140) 모두가 모터(1710, 1730) 각각에 의해 원형 패턴으로 이동된다. 빔(110)에 대한 필러선(140)의 상대 위치는, 빔(110)과 필러선(140)이 용접 방향으로 전방(화살표 111 참고)으로 이동할 때에 용접 퍼들(145)이 최적 온도인 지점에서 필러선(140)이 용접 퍼들(145)에 담궈지는 것을 보장하도록 모터(1730)에 의해 조정될 수 있다. 예컨대, 도 2b에 도시한 바와 같이 필러선(140)은 빔(110)이 필러선을 가열한 직후에 용접 퍼들(145) 상의 지점 X에 담궈질 것이다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 용접 퍼들(145) 내로의 필러선(140)의 흡수를 최적화하기 위해 필러선(140)이 빔(110)의 이동을 따르도록 할 수 있으며, 이것은 도 2c에 대략 도시되어 있다. 물론, 최적의 담금 시점의 정확한 타이밍은 용접 퍼들(145)의 온도, 레이저 빔(110)의 강도, 필러선(140)의 타입, 필러선(140)의 공급 속도 등에 따라 변할 수 있다.

추가로, 필러선(140)과 레이저 빔(110)은 다른 패턴을 따를 수 있고, 이들의 이동은 동기화될 필요가 없다. 예컨대, 도 3a 및 도 3b는 레이저 빔(110)과 필러선(140)이 단일선을 따라 전후방으로 병진하는 실시예를 예시한다. 레이저 빔(110)과 와이어(140)가 용접 퍼들(145)의 폭을 가로질러(도 3a) 병진하는지 또는 용접 퍼들과 직렬로 병진하는지(도 3b)에 따라, 이들 실시예는 용접부의 소망하는 형상에 따라 필요한 만큼 용접 퍼들(145)을 늘이거나 확대시키기 위해 사용될 수 있다. 물론, 다수의 다른 패턴도 가능하다. 예컨대, 레이저 빔(110) 및 필러선(140)은 용접 퍼들(145) 내에서 도 2a 도 2b에 도시한 바와 같은 원형 패턴보다는 타원형 패턴으로 병진할 수 있다. 물론, 그러한 소망하는 용접 프로파일을 얻기 위해 필요한 만큼 용접 퍼들(145)을 늘이거나 확대시키기 위해 패턴들의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 또한, 레이저 동작 제어 서브시스템(1710/1720)의 작동은 2011년 8월 17일자로 출원된 발명의 명칭이 "용접을 위한 조합형 와이어 공급부 및 고강도 에너지원을 시동하고 사용하는 방법 및 시스템"인 미국 특허 출원 제13/212,025호는 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 패턴들을 제공하며, 상기 미국 출원은 전체 내용이 참고에 의해 본 명세서에 포함된다.

몇몇 실시예에서, 필러선(140)의 동작은 레이저 빔(110)의 동작과 독립적이다. 즉, 레이저 빔(110)과 필러선(140)의 패턴은 동일할 필요가 없다. 예컨대, 필러선(140)은 원형 또는 전후방 패턴을 갖지만, 레이저 빔(110)은 타원형 패턴을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 레이저 빔(110)은 용접 퍼들(145)에 대해 고정된 상태로 유지될 수 있고, 단지 필러선(140)만이 용접 퍼들(145)에 대해 이동되거나 병진한다.

본 발명의 몇몇 예시적인 실시예에서, 필러선(140)은 용접 퍼들(145)을 위한 냉각률을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 필러선(140)은 용접부를 냉각시키고 고화시키기 위해 용접 퍼들(145)보다 저온일 수 있다. 그러한 용접 시스템은 아웃 오프 포지션 용접(out-of-position welding)에서 유리할 수 있는데, 그 이유는 용접 퍼들(145)이 용접 조인트로부터 기울거나 쏟아질 수 있기 전에 냉각되고 고화되기 시작할 것이기 때문이다. 그러나, 용접 퍼들(145) 내에서의 바람직하지 않은 국소(또는 불균일한) 냉각 또는 고화를 방지하기 위해, 모터(1730)는 저온의 필러선(140)이 용접 퍼들(145)을 통해 균일하게 퍼지는 것을 보장하기 위해 전술한 바와 같이 필러선(140)을 이동시킬 수 있다. 반대로, 몇몇 용접 공정에서는 용접 퍼들(145)이 너무 빨리 냉각되거나 고화되는 것을 방지하기 위해 필러선(140)을 용접 퍼들(145)보다 고온으로 하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 필러선(140)은 용접 퍼들(145)의 온도를 균일하게 유지하기 위해 모터(1730)에 의해 이동될 수 있다.

도 2a 내지 도 3b에 도시한 실시예에서, 필러선(140)은 용접 공정 중에 레이저 빔(110)을 따른다. 그러나, 필러선(140)이 선행 위치에 위치 설정될 수 있을 때에는 이것이 불필요하다. 더욱이, 필러선(140)이 이동 방향으로 레이저 빔(110)과 직렬인 것도 불필요하지만, 필러선(140)은 레이저 빔(110)과 동일한 용접 퍼들(145)에 밀어넣어지기만 한다면 임의의 방향으로부터 퍼들에 담궈질 수 있다.

전술한 실시예에서는, 단지 하나의 필러선만이 사용되었다. 그러나, 본 발명은 단일 필러선을 용접 퍼들(145)로 안내하는 것으로만 제한되지 않는다. 대부분의 용접 프로세스와는 달리, 필러선(140)은 용접 프로세스 중에 용접 퍼들(145)과 접촉하고 용접 퍼들(145) 내로 빠진다. 그 이유는, 이 프로세스가 필러선(140)을 이송하기 위해 용접 아크를 사용하는 것이 아니라, 오히려 단순히 필러선(140)을 용접 퍼들(145) 내로 용융시키기 때문이다. 여기에서 설명하는 용접 프로세스에서는 용접 아크가 전혀 발생하지 않기 때문에, 1개보다 많은 필러선이 임의의 하나의 용접 퍼들로 안내될 수 있으며, 즉 공급 장치 서브시스템이 하나 이상의 필러선을 동시에 제공하는 것이 가능할 수 있다. 주어진 용접 퍼들로의 필러선의 개수를 증가시키는 것에 의해, 열입력의 현저한 증가 없이도 용접 프로세스의 전체 용착 속도가 현저히 증가할 수 있다. 이에 따라, 오픈 루트(open root) 용접 조인트가 단일 용접 패스로 충전될 수 있을 것으로 예상된다. 추가로, 필러선의 용착 속도와 함께, 추가의 필러선을 사용하는 것에 의해 용접부의 형상 및 특징이 원하는 대로 변경될 수 있다. 다수의 필러선이 사용되고, 모두가 여기에서 설명한 대로 가열되는 한, 본 발명의 실시예는 각각의 필러선에 대해 단일 전원(170)을 사용할 수 있다.

예시적인 실시예에서는 도 4a 및 도 4b에 예시한 바와 같이, 2개의 필러선이 용접 퍼들(145)에 담궈진다. 2개 이상의 필러선이 사용되는 실시예는 전술한 실시예와 유사하다. 따라서, 간결성을 위해 상대적인 차이만을 설명하겠다. 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 제2 필러선(140')은 폭방향으로 필러선(140)과 직렬로 용접 퍼들(145)에 담궈진다. 그러나, 이러한 구성은 제한하지 않으며, 필러선(140')은 용접 방향(화살표 111 참고)으로 필러선(140)과 직렬로 용접 퍼들(145)에 담궈질 수 있다. 물론, 필러선(140, 140')은 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이 후미 위치에 있을 필요는 없으며, 필러선(140', 140)들 중 어느 하나 또는 2개의 필러선 모두가 용접 공정 중에 선행 위치에 있을 수 있다. 필러선(140')은 필러선(140)과 동일한 재료로 구성될 수도 있고, 소망하는 용접부에 따라 상이한 재료로 구성될 수도 있다. 예컨대, 필러선(140')은 하드페이싱 및/또는 공작물에 내부식성을 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 필러선(140)은 공작물에 구조를 추가하는 데 사용될 수 있다.

몇몇 예시적인 실시예에서, 필러선(140')은 전술한 바와 같이 필러선(140)과 유사한 방식으로 모터에 의해 제어될 수 있다. 예컨대 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 필러선(140')은 모터(도시하지 않음)에 의해 시계 방향 패턴으로 이동할 것이고, 필러선(140)은 반시계 방향 패턴으로 이동할 것이다. 필러선(140, 140')의 이동은 소망하는 용접 형상을 달성하기 위해 전술한 바와 같이 제어될 수 있다. 물론, 필러선은 원형 패턴으로 또는 양방향(시계 방향 및 반시계 방향)으로 이동하는 것으로 제한되지 않는다. 필러선(140, 140')은 소망하는 용접 프로파일을 달성하기 위해 전술한 패턴들의 임의의 조합을 사용하여 제어될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 제2 필러선은 용접 퍼들(145)의 온도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 제2 필러선의 공급 속도 및/또는 온도는 용접 퍼들(145)의 소망하는 온도에 기초하여 제어될 수 있다. 전술한 예시적인 실시예와 유사하게, 제2 필러선은 용접 퍼들 온도보다 낮거나 높을 수 있고, 필러선(140')은 용접 퍼들(145)의 온도가 균일한 것을 보장하도록 제어될 수 있다.

도 1에는, 명확성을 기하기 위해 레이저 전원(130), 고온 필러선 전원(170) 및 감지 및 제어 유닛(195)이 개별적으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 이들 구성요소는 단일 용접 시스템과 일체 형성될 수 있다, 본 발명의 양태는 개별적으로 설명한 상기 구성요성들이 개별적인 물리적 유닛으로 또는 독립된 구조로 유지될 것을 요구하지 않는다.

소정 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있고, 등가물이 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 추가로, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 발명의 교시에 대한 특정 조건 또는 내용에 맞게 여러 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예로 제한되는 것으로 의도되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 모든 실시예들을 포함할 것이다.

100 : 시스템 110 : 레이저 빔
111 : 화살표 115 : 공작물
120 : 레이저 디바이스 130 : 전원
140 : 필러선 140' : 필러선
145 : 용접 퍼들 150 : 필러선 공급 장치
160 : 접촉관 170 : 전원
195 : 제어 유닛 1710 : 모터
1720 : 광 드라이브 유닛 1730 : 필러선 모터

Claims

필러선(filler wire) 제어 방법으로서,
적어도 하나의 공작물의 표면 상에 용융 퍼들을 형성하기 위해 고에너지 열원으로 적어도 하나의 공작물을 가열하는 것;
상기 용융 퍼들 내로 필러선을 공급하는 것;
상기 적어도 하나의 공작물 상에 필러선을 용착시키도록, 상기 고에너지 열원과 필러선 각각을 이동 방향으로 전진시키는 것;
상기 필러선의 공급 및 필러선의 전진 중에, 상기 이동 방향과 상이한 적어도 제1 방향으로 필러선을 이동시키는 것; 및
상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드(bead)의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 또는 혼합을 얻기 위해 적어도 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 필러선의 이동을 제어하는 것
을 포함하는 필러선 제어 방법.
제1항에 있어서, 상기 적어도 제1 방향으로의 상기 필러선의 이동은 이동 방향과 직렬인 전후방 동작, 이동 방향을 가로지르는 전후방 동작, 원형 동작 및 타원형 동작 중 하나 이상을 포함하는 것인 필러선 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 필러선이 용융 퍼들에 진입하기 전에 필러선을 필러선의 용융 온도로 또는 용융 온도에 근접하게 가열하는 것을 더 포함하는 필러선 제어 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고에너지 열원은 용융 퍼들을 형성하기 위해 적어도 하나의 공작물 상으로 레이저 빔을 지향시키는 레이저를 포함하고, 상기 필러선 제어 방법은 고에너지 열원을 전진시키는 동안, 상기 이동 방향과 상이한 적어도 제2 방향으로 레이저 빔을 이동시키는 것을 더 포함하고,
상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 또는 혼합을 얻기 위한 상기 제어는 적어도 제2 방향으로의 레이저 빔의 이동을 제어하는 것을 더 포함하며,
상기 적어도 제2 방향으로의 레이저 빔의 이동은 상기 이동 방향과 직렬인 전후방 동작과, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후방 동작, 원형 동작 및 타원형 동작 중 하나 이상을 포함하는 것인 필러선 제어 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 퍼들로 제2 필러선을 공급하는 것;
적어도 하나의 공작물 상에 상기 제2 필러선을 용착시키도록 제2 필러선을 이동 방향으로 전진시키는 것; 및
상기 제2 필러선의 공급 및 상기 제2 필러선의 전진 중에, 상기 이동 방향과 상이한 적어도 제3 방향으로 제2 필러선을 이동시키는 것
을 더 포함하고, 상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 또는 혼합을 얻기 위한 제어는 적어도 제3 방향으로의 제2 필러선의 이동을 제어하는 것을 더 포함하며,
적어도 제3 방향으로의 제2 필러선의 이동은 상기 이동 방향과 직렬인 전후방 동작, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후방 동작, 원형 동작 및 타원형 동작 중 하나 이상을 포함하는 것인 필러선 제어 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 제2 방향 및/또는 상기 적어도 제3 방향으로의 레이저 빔 및/또는 제2 필러의 이동의 제어는 적어도 제1 방향으로의 필러선의 이동의 제어와 동기화되거나, 또는 상기 적어도 제2 방향 및/또는 상기 적어도 제3 방향으로의 레이저 빔 및/또는 제2 필러선의 이동의 제어는 적어도 제1 방향으로의 필러선의 이동의 제어와 독립적인 것인 필러선 제어 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 제1 방향은 적어도 제3 방향과 반대되는 방향인 것인 필러선 제어 방법.
필러선(140, 140') 제어 시스템(100)으로서,
적어도 하나의 공작물(115)의 표면 상에 용융 퍼들을 형성하기 위해 적어도 하나의 공작물(115)을 가열하는 고강도 에너지원;
상기 용융 퍼들로 필러선(140, 14')을 공급하는 필러선 공급 장치(150);
상기 적어도 하나의 공작물(115) 상에 필러선(140, 140')을 용착시키도록 고강도 에너지원과 필러선(140, 140') 각각을 이동 방향으로 전진시키는 이동 방향 컨트롤러; 및
상기 필러선(140, 140')의 공급 및 필러선(140, 140')의 전진 동안에, 상기 이동 방향과 상이한 적어도 제1 방향으로 필러선(140, 140')을 이동시키는 필러선 컨트롤러
를 포함하며, 적어도 상기 적어도 제1 방향으로의 필러선(140, 140')의 이동은, 상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 또는 혼합을 얻도록 제어되는 것인 필러선 제어 시스템.
제8항에 있어서, 상기 적어도 제1 방향으로의 필러선(140, 140')의 이동은 상기 이동 방향과 직렬인 전후방 동작, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후방 동작, 원형 동작 및 타원형 동작 중 하나 이상을 포함하는 것인 필러선 제어 시스템.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 필러선(140, 140')이 용융 퍼들에 진입하기 전에 필러선(140, 140')을 필러선(140, 140')의 용융 온도로 또는 이 용융 온도에 근접하게 예열하는 와이어 전원을 더 포함하는 필러선 제어 시스템.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고강도 에너지원은, 용융 퍼들을 형성하기 위해 적어도 하나의 공작물(115) 상으로 레이저 빔(110)을 지향시키는 레이저(120)를 포함하고, 상기 필러선 제어 시스템(100)은
상기 고강도 에너지원의 전진 중에 상기 이동 방향과 상이한 적어도 제2 방향으로 레이저 빔(110)을 이동시키는 레이저 빔 컨트롤러
를 더 포함하며, 상기 용융 퍼들에 의해 형성된 비드의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 또는 혼합을 얻기 위한 상기 제어는 적어도 제2 방향으로의 레이저 빔의 이동을 제어하는 것을 더 포함하고,
상기 제2 방향으로의 레이저 빔의 이동은 상기 이동 방향과 직렬인 전후방 동작, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후방 동작, 원형 동작 및 타원형 동작 중 하나 이상을 포함하는 것인 필러선 제어 방법.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 제2 방향으로의 레이저 빔(110)의 이동의 제어는 적어도 제1 방향으로의 필러선(140, 140')의 이동의 제어와 동기화되고, 및/또는 상기 적어도 제2 방향으로의 레이저 빔(110)의 이동의 제어는 상기 적어도 제1 방향으로의 필러선(140, 140')의 이동의 제어와 독립되는 것인 필러선 제어 시스템.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 퍼들로 제2 필러선(140')을 공급하는 제2 필러선 공급 장치; 및
상기 제2 필러선의 공급 및 제2 필러선(140')의 전진 중에, 상기 이동 방향과 상이한 적어도 제3 방향으로 제2 필러선을 이동시키는 제2 필러선 컨트롤러
를 더 포함하고, 상기 이동 방향 컨트롤러는 적어도 하나의 공작물(115) 상에 제2 필러선(140')을 용착시키도록 제2 필러선(140')을 이동 방향으로 전진시키도록 더욱 구성되며,
상기 용융 퍼들에 의해 형성되는 비드의 소망하는 형상, 프로파일, 높이, 크기 또는 혼합을 얻기 위한 제어는 적어도 제3 방향으로의 제2 필러선(140')의 이동을 제어하는 것을 더 포함하고,
상기 적어도 제3 방향으로의 제2 필러선(140')의 이동은 상기 이동 방향과 직렬인 전후방 동작, 상기 이동 방향을 가로지르는 전후방 동작, 원형 동작 및 타원형 동작 중 하나 이상을 포함하는 것인 필러선 제어 시스템.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 제3 방향으로의 제2 필러선(140')의 이동의 제어는 적어도 제1 방향으로의 필러선(140)의 이동의 제어와 동기화되고, 및/또는 상기 적어도 제3 방향으로의 제2 필러선(140')의 이동의 제어는 적어도 제1 방향으로의 필러선(140')의 이동의 제어와 독립되는 것인 필러선 제어 시스템.
제8항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 제1 방향은 적어도 제3 방향과 반대되는 방향인 것인 필러선 제어 시스템.