KR20150086550A - 용접을 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 고강도 에너지원을 기동 및 사용하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본원에는 용접 퍼들(P)과 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 생성하기 위하여 고강도 에너지원을 이용하여 피작업물(115, 115A, 115B, W)을 용접 또는 접합하기 위한 방법 및 시스템(100, 1200, 1400, 1700)이 개시되며, 필러 와이어는 그의 용융 온도까지 또는 그 근처까지 가열되고 그리고 용접 퍼들(P) 내로 용입된다. 모니터링 회로는 필러 와이어와 피작업물 사이에서의 아크 발생을 방지하는 역할을 한다.

Description

용접을 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 고강도 에너지원을 기동 및 사용하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM TO START AND USE COMBINATION FILLER WIRE FEED AND HIGH INTENSITY ENERGY SOURCE FOR WELDING}

본 출원은 미국특허출원 제12/352,667호의 부분연속출원이고 이를 우선권으로 주장하는 미국특허출원 제13/212,025호의 부분연속출원이며 그리고 이를 우선권으로 주장한다. 미국특허출원 제12/352,667호와 미국특허출원 제13/212,025호는 참고로 본 명세서에서 그 전체로 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 청구항 1항에 따른 용접 방법 그리고 청구항 10항에 따른 용접 시스템에 관한 것이다. 어떠한 실시예는 필러 와이어 오버레잉(overlaying) 용례뿐만 아니라 용접 그리고 연결 용례에 관한 것이다. 어떤 실시예는 필러 와이어 오버레잉 용례뿐만 아니라 용접 및 접합 용례에 관한 것이다. 더욱 특히, 어떤 실시예는 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움, 표면 강화 오버레잉, 접합 그리고 용접 용례 중 어느 하나를 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템을 기동 및 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

용접의 전형적인 필러 와이어 방법[예를 들어, 가스-텅스텐 아크 용접(gas-tungsten arc welding; GTAW) 필러 와이어 방법]은 전형적인 아크 용접 단독의 용착 속도 및 용접 속도 이상의 증가된 용착 속도 및 용접 속도를 제공한다. 토치를 유도하는 필러 와이어는 개별적인 전원 공급부에 의하여 저항-가열된다. 와이어는 접촉 튜브를 통하여 피작업물을 향하여 공급되며 튜브를 지나 연장된다. 연장부는 저항-가열되어 연장부는 용융점에 접근하거나 도달하며 그리고 용접 퍼들과 접촉한다. 용접 퍼들을 형성시키도록 작업물을 가열 및 용융시키기 위하여 텅스텐 전극이 이용될 수 있다. 전원 공급부는 필러 와이어를 저항-용융시키기에 필요한 에너지의 대부분을 제공한다. 일부 경우에, 와이어 공급 장치는 미끄러지거나 불안정할 수 있으며 그리고 와이어 내의 전류는 와이어의 팁과 피작업물 사이에 아크를 발생시킬 수 있다. 이러한 아크의 추가 열은 용락(burnthrough)과 스패터(spatter)를 야기할 수 있다. 이러한 아크 발생의 위험은 와이어가 초기에 피작업물과 작은 지점에서 접촉하는 공정의 시작점에서 더 크다. 와이어 내의 초기 전류가 너무 크면, 지점은 타 없어지고 아크를 발생시킨다.

도면을 참고하여 본 출원의 나머지 부분에 개진된 바와 같은 본 발명의 실시예와의 상기한 기법의 비교를 통하여 일반적인, 전형적인 그리고 제안된 기법은 본 기술 분야의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

본 발명의 목적은 위의 제한 그리고 단점을 극복하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 아크 발생의 위험을 최소화하는 것이다.

이 문제는 청구항 1항에 따른 용접 방법에 의하여 그리고 청구항 10항에 따른 용접 시스템에 의하여 해결된다. 다른 실시예는 종속청구항의 대상이다. 본 발명의 실시예는 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템을 기동 및 사용하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 본 발명의 제1 실시예는 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움, 표면 강화 오버레잉, 접합 그리고 용접 용례 중 어느 하나를 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템을 기동 및 사용하기 위한 방법을 포함한다. 본 방법은 적어도 하나의 저항성 필러 와이어와 피작업물 사이에 전원을 통하여 감지 전압을 인가하고 그리고 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단을 피작업물을 향하여 나아가게 하는 것을 포함한다. 본 방법은 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단이 피작업물과 먼저 접촉할 때를 감지하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 또한 감지에 응답하여 한정된 시간 간격 동안 적어도 하나의 저항성 필러 와이어로의 전원을 턴오프하는 것을 포함한다. 본 방법은 적어도 하나의 저항성 필러 와이어를 통하여 가열 전류 흐름을 인가하기 위하여 한정된 시간 간격의 종단에서 전원을 턴온하는 것을 더 포함한다. 본 방법은 또한 적어도 가열 전류의 흐름을 인가하는 동안에 피작업물을 가열하기 위하여 고강도 에너지원으로부터 피작업물로 에너지를 인가하는 것을 더 포함한다. 고강도 에너지원은 레이저 장치, 플라즈마 아크 용접(PAW) 장치, 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 장치, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 장치, 플럭스 코어 아크 용접(FCAW) 장치, 그리고 서브머지드(submerged) 아크 용접 (SAW) 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 이들 특징 그리고 다른 특징뿐만 아니라 본 발명의 설명된 실시예의 세부 사항은 하기의 설명 및 도면으로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다.

도 1은 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움, 표면 경화 오버레잉 용례 중 어느 하나를 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템의 예시적인 실시예의 기능적인 개략적인 블록도.
도 2는 도 1의 시스템에 의하여 사용된 기동 방법의 실시예의 흐름도.
도 3은 도 1의 시스템에 의하여 사용된 후 기동 방법의 실시예의 흐름도.
도 4는 도 3의 후 기동 방법과 관련된 한 쌍의 전압 파형과 전류 파형의 제1 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 5는 도 3의 후 기동 방법과 관련된 한 쌍의 전압 파형과 전류 파형의 제2 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 6 및 도 6a는 용접 작업을 수행하기 위하여 사용된 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 7, 도 7a 및 도 7b는 본 발명을 이용한 용접의 추가적인 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 8은 동시에 조인트의 양 측부를 접합하는 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 9는 본 발명을 이용한 용접의 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 10은 다수의 레이저와 와이어로 조인트를 용접하는 상태의 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예와 함께 사용된 접촉 팁의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 핫 와이어 전원 공급 시스템을 도시한 도면.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 생성된 전압 및 전원 파형을 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 다른 용접 시스템을 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 실시예에 의하여 생성된 용접 퍼들의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 16a 내지 도 16f는 본 발명의 실시예에 따른 용접 퍼들과 레이저 빔 이용의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 용접 시스템을 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 램프 다운 회로의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 19는 본 발명에 따른 흄 추출 노즐의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 20a는 아크 용접 공정을 이용한 얇은 벽 용접 공정의 결과를 도시한 도면.
도 20b는 본 발명을 이용한 얇은 벽 용접 공정의 예시적인 실시예의 결과를 도시한 도면.

용어 "오버레잉(overlaying)"이 넓은 방식으로 본 명세서에서 사용되며 그리고 브레이징(brazing), 클래딩(cladding), 빌딩업(building up), 채움(filling) 그리고 표면 경화(harding-facing)를 포함하는 임의의 용례를 언급할 수 있다. 예를 들어, "브레이징" 용례에서 필러 재료는 캐필러리 작용을 통하여 조인트의 밀접하게 맞추어지는(fitting) 표면들 사이에 분산된다. 반면에, "브레이즈 용접(braze welding)" 용례에서, 필러 재료는 갭 내로 흐르도록 만들어진다. 그러나, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 양 기술은 오버레잉 용례로서 넓게 언급된다.

도 1은 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움, 표면 강화 오버레잉 및 접합/용접 용례 중 어느 것을 수행하기 위한 조합된 필러 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템(100)의 예시적인 실시예의 기능적인 도식적 블록도를 도시한다. 시스템(100)은 피작업물(115)을 가열하기 위하여 피작업물(115) 상에 레이저 빔(110)을 집속할 수 있는 레이저 서브 시스템을 포함한다. 레이저 서브 시스템은 고강도 에너지원이다. 레이저 시스템은 제한되지는 않지만 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크, YB-섬유, 섬유 전송 또는 직접 다이오드 레이저 시스템을 포함하는, 임의의 종류의 고에너지 레이저원일 수 있다. 또한 충분한 에너지를 갖고 있다면 백색광 또는 석영 광 레이저형 시스템도 사용될 수 있다. 시스템의 다른 실시예는 고강도 에너지원의 역할을 수행하는 전자 빔, 플라즈마 아크 용접 서브시스템, 가스 텅스텐 아크 용접 서브시스템, 가스 금속 아크 용접 서브시스템, 플럭스 코어 아크 용접 서브시스템 그리고 서브머지드 아크 용접 서브시스템 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 다음의 설명은 레이저 시스템, 빔 그리고 전원 공급부를 반복적으로 언급할 것이나, 어떠한 고강도 에너지원이 사용될 수 있음에 따라 이 언급은 예시적이라는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 고강도 에너지원이 적어도 500 W/㎠를 제공할 수 있다. 레이저 서브시스템은 서로 작동적으로 연결된 레이저 장치(120)와 레이저 전원 공급부(130)를 포함한다. 레이저 장치(120)를 작동시키기 위하여 레이저 전원 공급부(130)는 전력을 공급한다.

시스템(100)은 또한 레이저 빔(110)의 근처에서 피작업물(115)과의 접촉을 이루기 위하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 제공할 수 있는 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템을 포함한다. 물론, 본 명세서 내에서의 피작업물(115)에 의거하여 용융된 퍼들은 피작업물(115)의 부분으로 간주되며 따라서 피작업물(115)과의 접촉에 대한 언급은 퍼들과의 접촉을 포함하는 것으로 이해된다. 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템은 필러 와이어 공급기(150), 접촉 튜브(160) 그리고 핫 와이어 전원 공급부(170)를 포함한다. 작동 동안에, 레이저 빔(100)을 안내하는 필러 와이어(140)는 접촉 튜브(160)와 피작업물(115) 사이에서 작동적으로 연결된 핫 와이어 용접 전원 공급부(170)로부터의 전류에 의하여 저항-가열된다. 본 발명의 실시예에 따라, 교류 전류(AC) 또는 다른 형태의 전원 공급도 가능할지라도 핫 와이어 전원 공급부(170)는 펄스 직류 전류(DC) 전원 공급부이다. 와이어(140)는 필러 와이어 공급기(150)로부터 접촉 튜브(160)를 통하여 피작업물(115)을 향하여 공급되며 그리고 튜브(160)를 지나 연장된다. 와이어(140)의 연장부는 저항-가열되어 피작업물 상의 용접 퍼들에 접촉하기 전에 연장부는 용융점에 접근하거나 용융점에 도달한다. 레이저 빔(110)은 피작업물(115)의 기본 금속의 일부를 용융시키는 역할을 수행하여 용접 퍼들을 형성하고 그리고 피작업물(115) 상으로 와이어(114)를 용융시킨다. 전원 공급부(170)는 필러 와이어(114)를 저항-용융시키기에 필요한 에너지의 대부분을 제공한다. 본 발명의 다른 실시예에 따라 공급기 서브시스템은 하나 이상의 와이어를 동시에 제공할 수 있다. 예를 들어, 표면 강화를 위하여 및/또는 피작업물에 부식 저항을 제공하기 위하여 제1 와이어가 사용될 수 있으며, 그리고 피작업물에 구조물을 부가하기 위하여 제2 와이어가 사용될 수 있다.

시스템(100)은 레이저 빔(100; 에너지원)과 각 필러 와이어(140)를 (적어도 상대적으로) 피작업물(115)을 따라서 동일한 방향(125)으로 이동시킬 수 있는 움직임 제어 시스템을 더 포함하여 레이저 빔(110)과 저항성 필러 와이어(140)는 서로에 대하여 고정된 관계에 남아 있다. 다양한 실시예에 따르면, 피작업물(115)과 레이저/와이어 조합체 간의 상대적인 움직임은 피작업물(115)을 실제적으로 이동시킴에 의하여 또는 레이저 장치(120)와 핫 와이어 공급기 서브시스템을 이동시킴에 의하여 이루어질 수 있다. 도 1에서, 움직임 제어기 서브 시스템은 로봇(190)에 작동적으로 연결된 모션 컨트롤러(180)를 포함한다. 모션 컨트롤러(180)는 로봇(190)의 움직임을 제어한다. 로봇(190)은 피작업물(115)에 작동적으로 연결(예를 들어, 기계적으로 고정)되어 피작업물(115)을 방향(125)으로 이동시켜 레이저 빔(110) 및 와이어(140)는 사실상 피작업물(115)을 따라서 이동한다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 레이저 장치(110) 및 접촉 튜브(160)는 단일 헤드에 통합될 수 있다. 헤드는 헤드에 작동적으로 연결된 움직임 제어 서브시스템을 통하여 피작업물(115)을 따라 이동될 수 있다.

일반적으로, 고강도 에너지원/핫 와이어가 피작업물에 대하여 이동될 수 있는 다수의 방법이 있다. 만일 피작업물이 둥근 형상이라면, 고강도 에너지원/핫 와이어는 정지 상태일 수 있으며 그리고 피작업물은 고강도 에너지원/핫 와이어를 중심으로 회전될 수 있다. 대안적으로, 로봇 아암 또는 선형 트랙터가 만곡된 피작업물과 평행하게 이동할 수 있으며, 그리고 예를 들어 만곡된 피작업물의 표면을 덮기 위하여 피작업물이 회전됨에 따라 고강도 에너지원/핫 와이어는 연속적으로 이동 또는 회전당 1번 인덱스(index)할 수 있다. 피작업물이 평평하거나 또는 적어도 만곡된 형상이 아니면, 도 1에 도시된 바와 같이 피작업물은 고강도 에너지원/핫 와이어 아래에서 이동될 수 있다. 그러나, 피작업물에 대하여 고강도 에너지원/핫 와이어 헤드를 이동시키기 위하여 로봇 아암 또는 선형 트랙터 또는 빔 장착 카트리지도 이용될 수 있다.

시스템(100)은 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)을 더 포함한다. 이 서브시스템은 피작업물(115)과 접촉 튜브(160)에 작동적으로 연결(즉, 핫 와이어 전원 공급부(170)의 출력에 실질적으로 연결)되며 그리고 피작업물(115)을 통한 전류(I)와 핫 와이어(140) 사이의 전위차[즉, 전압(V)]를 측정할 수 있다. 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)은 측정된 전압 및 전류로부터 저항값(R=V/I) 및/또는 전력값(P=V*I)을 더 계산할 수 있다. 일반적으로, 핫 와이어(140)가 피작업물(115)와 접촉 상태에 있을 때, 핫 와이어(140)와 피작업물(115) 사이의 전위차는 0 볼트 또는 거의 0 볼트이다. 그 결과, 후에 더 상세하게 설명될 바와 같이, 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)은 각 필러 와이어(140)가 피작업물(115)과 접촉 상태에 있을 때를 감지할 수 있으며 그리고 감지에 응답하여 각 필러 와이어(140)를 통한 전류의 흐름을 더 제어할 수 있도록 핫 와이어 전원 공급부(170)에 작동적으로 연결된다. 본 발명의 다른 실시예에 따라, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 핫 와이어 전원 공급부(170)의 필수 부분일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 모션 컨트롤러(180)는 레이저 전원 공급부(130) 및/또는 감지 및 전류 컨트롤러(195)에 작동적으로 더 연결될 수 있다. 이 방식에서, 모션 컨트롤러(180) 및 레이저 전원 공급부(130)는 서로 통신할 수 있어 레이저 전원 공급부(130)는 피작업물(115)이 이동 중일 때를 알며 그리고 모션 컨트롤러(180)는 레이저 장치(120)가 작동 상태인지 여부를 안다. 유사하게, 이 방식에서 모션 컨트롤러(180)와 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 서로 통신할 수 있어 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 피작업물(115)이 이동 중일 때를 알며 그리고 모션 컨트롤러(180)는 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템이 작동 상태인지 여부를 안다. 이러한 통신은 시스템(100)의 다양한 서브시스템들 사이의 활동을 조정하기 위하여 사용될 수 있다.

도 2는 도 1의 시스템(100)에 의하여 사용된 기동 방법(200)의 실시예의 흐름도를 도시한다. 단계 210에서, 전원 공급부(170)를 통하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)와 피작업물(115) 사이에 감지 전압을 인가한다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)의 명령 하에서 감지 전압이 핫 와이어 전원 공급부(170)에 의하여 인가될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라, 인가된 감지 전압은 와이어(140)를 상당히 가열하기 충분한 에너지를 제공하지 않는다. 단계 220에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)을 향하여 나아가게 한다. 이 전진은 와이어 공급기(150)에 의하여 수행된다. 단계 230에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단이 먼저 피작업물(115)과 접촉할 때를 감지한다. 예를 들어, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 핫 와이어(140)를 통하여 매우 낮은 레벨의 전류(예를 들어, 3 내지 5 암페어)를 제공하도록 핫 와이어 전원 공급부(172)에게 지시할 수 있다. 이러한 감지는 필러 와이어[40; 예를 들어 접촉 튜브(160)를 통하여]와 피작업물(115) 사이의 약 0 볼트(예를 들어, 0.4볼트)의 전위차를 측정하는 감지 및 전류 컨트롤러(195)에 의하여 이루어질 수 있다. 저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)에 단락될 때(즉, 피작업물과 접촉을 이룰 때), 필러 와이어(140)와 피작업물(115) 사이에 의미있는 전압 레벨(0 볼트 이상)은 존재할 수 없다.

단계 240에서, 감지에 응답하여 한정된 시간 간격(예를 들어, 수 밀리초)에 걸쳐 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)에 대하여 전원 공급부(170)를 턴오프한다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 턴오프하도록 전원 공급부(170)에게 명령할 수 있다. 단계 250에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 통하여 가열 전류의 흐름을 인가하기 위하여 한정된 시간 간격의 끝에서 전원 공급부(170)를 턴온한다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 턴온하도록 전원 공급부(170)에게 명령할 수 있다. 단계 260에서, 적어도 가열 전류의 흐름을 인가되는 동안에 피작업물(115)을 가열하기 위하여 고강도 에너지원(110)에서 피작업물(115)로 에너지를 인가한다.

선택적으로, 방법(200)은 감지에 응답하여 와이어(140)의 전진을 중지시키고, 한정된 시간 간격의 끝에서 와이어(140)의 전진을 다시 시작하며(즉, 재전진), 가열 전류의 흐름을 인가하기 전에 필러 와이어(140)의 말단이 아직 피작업물(115)과 접촉하고 있는 것을 확인하는 것을 포함할 수 있다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 공급을 중단하도록 와이어 공급기(150)에게 명령할 수 있으며, 대기(예를 들어, 수 밀리초)하도록 시스템(100)에게 명령할 수 있다. 이러한 실시예에서, 시작 및 정지하도록 와이어 공급기(150)에 명령하기 위하여 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 와이어 공급기(150)에 작동적으로 연결된다. 와이어(140)에게 가열 전류를 인가하도록 그리고 피작업물(115)을 향하여 와이어(140)를 다시 공급하도록 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 핫 와이어 전원 공급부(170)에게 명령할 수 있다.

기동 방법이 종료되면, 시스템(100)은 브레이징 용례, 클래딩 용례, 빌드업 용례, 표면 경화 용례 또는 용접/접합 작동 중 하나를 수행하기 위하여 레이저 빔(110)과 핫 와이어(140)가 피작업물(115)에 관하여 이동되는 작동의 후 시동 모드로 들어갈 수 있다. 도 3은 도 1의 시스템(100)에 의하여 이용된 후 시동 방법(300)의 실시예의 흐름도이다. 단계 310에서, 고강도 에너지원[예를 들어, 레이저 장치(120)] 및 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)는 피작업물(115)을 따라서 이동하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단은 고강도 에너지원[예를 들어, 레이저 장치(120)]을 유도하거나 고강도 에너지원과 일치하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)가 피작업물(115)을 향하여 공급됨에 따라 고강도 에너지원[예컨대, 레이저 장치(120)]으로부터의 에너지[예컨대, 레이저 빔(110)] 및/또는 가열된 피작업물[115; 즉, 피작업물(115)은 레이저 빔(110)에 의하여 가열된다]은 피작업물(115) 상으로 필러 와이어(145)의 말단을 녹인다. 모션 컨트롤러(180)는 피작업물(114)을 레이저 빔(110)과 핫 와이어(140)에 대하여 이동시키도록 로봇(190)에 명령한다. 레이저 전원 공급부(130)는 레이저 장치(120)를 작동시키기 위하여 전력을 제공하여 레이저 빔(110)을 형성한다. 감지 및 전류 컨트롤러(195)에 의하여 명령을 받음에 따라 핫 와이어 전원 공급부(170)는 핫 와이어(140)에 전류를 제공한다.

단계 320에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와어어(140)의 말단이 피작업물(115)과 막 접촉이 끊어질 [즉, 예지(premonition) 능력을 제공] 때면 감지한다. 이러한 감지는 필러 와이어(140)와 피작업물(115) 사이의 전위차(dv/dt), 필러 와이어와 피작업물을 통한 전류(di/dt), 필러 와이어와 피작업물 사이의 저항(dr/dt) 또는 필러 와이어와 피작업물을 통한 전력(dp/dt) 중 하나의 변화 속도를 측정하는 감지 및 전류 제어기(195) 내의 예지 회로에 의하여 이루어질 수 있다. 변화 속도가 미리 정의된 값을 초과할 때, 감지 및 전류 제어기(195)는 접촉의 손실이 막 일어났음을 공식적으로 예측한다. 이러한 예지 회로는 아크 용접을 위한 기술에서 공지되었다.

가열에 의하여 와이어(140)의 말단이 상당하게 용융될 때, 말단은 와이어(140)에서 피작업물(115)에서 떼어지기(pinch off) 시작한다. 예를 들어, 그때에, 와이어의 말단이 떼어짐에 따라 와이어의 말단의 횡단면이 급격하게 줄어들기 때문에 전위차 또는 전압이 증가한다. 따라서, 이러한 변화의 속도를 측정함에 의하여, 시스템(100)은 말단이 막 떼어지고 그리고 피작업물(115)과 접촉이 끊어질 때를 예측할 수 있다. 또한, 접촉이 완전하게 상실된다면, 0 볼트보다 현저하게 큰 전위차(예를 들어, 전압 레벨)가 감지 및 전류 컨트롤러(195)에 의하여 측정될 수 있다. 만일 단계 330에서의 작동이 취해지지 않는다면, 이 전위차는 (바람직하지 않은) 와이어(140)의 새로운 말단과 피작업물(115) 사이에 아크가 형성하는 것을 야기할 수 있다. 물론, 다른 실시예에서, 와이어(140)는 어떠한 주목할만한 떼어짐을 보여줄 수 없으나, 오히려 퍼들을 향해 거의 일정한 횡단면을 유지하는 동안에 연속적인 형태로 퍼들 내로 유동할 것이다.

단계 330에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)과 접촉이 막 끊어진다는 감지에 응답하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 통한 가열 전류의 흐름을 끊는다(또는 예를 들어 95%까지 적어도 크게 감소시킨다). 감지 및 전류 컨트롤러(195)가 접촉이 막 상실되는 것을 결정할 때, 컨트롤러(195)는 핫 와이어(140)로 공급되는 전류를 차단(또는 적어도 크게 감소)하도록 핫 와이어 전원 공급부(170)에게 명령한다. 이렇게 하여, 원치 않는 아크의 형성이 방지되고 튐(splatter) 또는 용낙(burn-through)과 같은 임의의 바람직하지 않은 효과가 발생하는 것을 방지한다.

단계 340에서, 피작업물(115)을 향하여 계속해서 나아가는 와이어(140)로 인하여 적어도 하나의 저항성 필러 와어어(140)의 말단이 피작업물(115)과 다시 접촉할 때면 감지한다. 이러한 감지는 필러 와이어[140; 즉 접촉 튜브(160)를 통하여]와 피작업물(115) 사이의 약 0 볼트의 전위차를 측정하는 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 이루어질 수 있다. 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)에 단락될 때(즉, 피작업물과 접촉을 이룰 때), 필러 와이어(140)와 피작업물(115) 사이에 0 볼트 이상의 의미있는 전압 레벨은 존재할 수 없다. 구절 "다시 접촉한다"는 본 명세서에서 와이어(140)의 말단이 실제로 피작업물(115)로부터 떼어지든 그렇지 않든 와이어(140)가 피작업물(115)을 향하여 나아가고 그리고 와이어[140; 예를 들어 접촉 튜브(160)를 통한]와 피작업물(115) 사이의 측정된 전압이 약 0 볼트인 상황을 언급하기 위하여 사용된다. 단계 350에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단이 피작업물과 다시 접촉한 것을 감지한 것에 응답하여 적어도 하나의 저항성 필러 와이어를 통한 가열 전류의 흐름이 다시 가해진다. 와이어(140)를 계속해서 가열하기 위하여 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 가열 전류를 다시 인가할 것을 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령할 수 있다. 이 과정은 오버레잉 용례의 기간 중에 계속될 수 있다.

예를 들어, 도 4는 도 3의 후 기동 방법(300)과 관련된 한 쌍의 전압 및 전류 파형(410 및 420)의 제1 예시적인 실시예를 각각 도시한다. 전압 파형(410)은 접촉 튜브(160)와 피작업물(115) 사이에서 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 측정된다. 전류 파형(420)은 와이어(140)와 피작업물(115)을 통하여 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 측정된다.

저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)와의 접촉이 막 끊어질 때 마다, 전압 파형(410)의 변화 속도(즉, dv/dt)는 설정된 임계값을 초과할 것이며, 떼어짐이 막 발생한다는 것을 나타낸다[파형(410)의 지점 411에서의 경사면 참조]. 대안으로서, 떼어짐이 막 발생하였다는 것을 나타내기 위하여 필러 와이어(140)와 피작업물(115)을 통한 전류의 변화 속도(di/dt), 필러 와이어와 피작업물 사이의 저항 변화 속도(dr/dt) 또는 필러 와이어와 피작업물을 통한 전력의 변화 속도(dp/dt)가 대신 사용될 수 있다. 이러한 속도 변화 예지 기술은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 적절한 시기의 어느 지점에서, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 와이어(140)를 통한 전류의 흐름을 끊도록 (또는 적어도 크게 감소시키도록) 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령할 것이다.

감지 및 전류 컨트롤러(195)가 일부 시간 간격 (430; 예를 들어, 전압 레벨이 포인트 412에서 약 0 볼트로 다시 떨어진) 후에 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)과 다시 양호한 접촉을 이룬다는 것을 감지할 때, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 저항성 필러 와이어(140)를 통한 설정된 출력 전류 레벨(450)을 향한 전류의 흐름을 증가시키도록[경사면(425) 참조] 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령한다. 본 발명의 실시예에 따라, 증가는 설정된 포인트 값(440)에서 시작한다. 에너지원(120)과 와이어(140)가 피작업물(115)에 대하여 이동함에 따라 그리고 와이어 공급기(150)로 인하여 와이어(140)가 피작업물(115)을 향하여 나아감에 따라 이 과정은 반복된다. 이 방식으로, 와이어(140)의 말단과 피작업물(115) 간의 접촉이 대체로 유지되고 그리고 와이어(140)의 말단과 피작업물(115) 사이에서 아크가 형성되는 것이 방지된다. 가열 전류의 증가는 떨어짐 상태 또는 아크 상태가 존재하지 않을 때 전압의 변화 속도가 떨어짐 상태 또는 아크 상태로서 의도하지 않게 해석하는 것을 방지하는 데 도움을 준다. 어떤 대규모의 전류 변화는 가열 전류 내의 인덕턴스로 인하여 일어날 것으로 해석되는 불완전한 전압을 야기할 수 있다. 전류가 점차적으로 증가될 때, 인덕턴스의 효과는 줄어든다.

도 5는 도 3의 후 기동 방법과 관련된 한 쌍의 전압 및 전류 파형(510 및 520)의 제2 예시적인 실시예를 각각 도시한다. 전압 파형(510)은 접촉 튜브(160)와 피작업물(115) 사이에서 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 측정된다. 전류 파형(520)은 와이어(140)와 피작업물(115)을 통하여 감지 및 전류 제어기(195)에 의하여 측정된다.

저항성 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)와의 접촉이 막 끊어질 때 마다, 전압 파형(510)의 변화 속도(즉, dv/dt)는 설정된 임계값을 초과할 것이며, 떼어짐이 막 발생한다는 것을 나타낸다[파형(510)의 지점 511에서의 경사면 참조]. 대안으로서, 떼어짐이 막 발생하였다는 것을 나타내기 위하여 필러 와이어(140)와 피작업물(115)을 통한 전류의 변화 속도(di/dt), 필러 와이어와 피작업물 사이의 저항 변화 속도(dr/dt) 또는 필러 와이어와 피작업물을 통한 전력의 변화 속도(dp/dt)가 대신 사용될 수 있다. 이러한 속도 변화 예지 기술은 본 기술 분야에 공지되어 있다. 적절한 시기의 어느 지점에서, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 와이어(140)를 통한 전류의 흐름을 끊도록 (또는 적어도 크게 감소시키도록) 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령할 것이다.

감지 및 전류 컨트롤러(195)가 일부 시간 간격 (530; 예를 들어, 전압 레벨이 포인트 512에서 약 0 볼트로 다시 떨어진) 후에 필러 와이어(140)의 말단이 피작업물(115)과 다시 양호한 접촉을 이룬다는 것을 감지할 때, 감지 및 전류 컨트롤러(195)는 저항성 필러 와이어(140)를 통하여 가열 전류의 흐름을 인가하도록[가열 전류 레벨(525) 참조] 핫 와이어 전원 공급부(170)에 명령한다. 에너지원(120)과 와이어(140)가 피작업물(115)에 대하여 이동함에 따라 그리고 와이어 공급기(150)로 인하여 와이어(140)가 피작업물(115)을 향하여 나아감에 따라 이 과정은 반복된다. 이 방식으로, 와이어(140)의 말단과 피작업물(115) 간의 접촉이 대체로 유지되고 그리고 와이어(140)의 말단과 피작업물(115) 사이에서 아크가 형성되는 것이 방지된다. 이 경우에 가열 전류의 증가가 점차적으로 상승하고 있지 않기 때문에 어떤 전압 판독은 가열 전류 내의 인덕턴스로 인한 의도하지 않은 불완전한 것으로서 무시될 수 있다.

요약하면, 브레이징, 클래딩, 빌딩업, 채움 그리고 표면 경화 오버레잉 용례 중 어느 것을 위한 조합된 와이어 공급 장치와 에너지원 시스템을 기동 및 사용하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 피작업물을 가열하기 위하여 고강도 에너지가 피작업물에 인가된다. 하나 이상의 저항성 필러 와이어가 인가된 고강도 에너지로 또는 인가된 고강도 에너지 바로 앞의 에너지로 피업작물을 향하여 공급된다. 하나 이상의 저항성 필러 와이어의 말단이 인가된 고강도 에너지에서 또는 그 근처에서 피작업물과 접촉할 때의 감지가 이루어진다. 하나 이상의 저항성 필러 와이어의 말단이 피작업물과 접촉하고 있는지 여부에 근거하여 하나 이상의 저항성 필러 와이어에 대한 전기적 가열 전류가 제어된다. 인가된 고강도 에너지 그리고 하나 이상의 저항성 필러 와이어는 서로에 대하여 고정된 관계에서 피작업물을 따라 동일한 방향으로 이동한다.

다른 예시적인 실시예에서, 용접 및 접합 작업을 위하여 본 발명의 시스템과 방법이 이용된다. 위에서 설명된 실시예는 오버레잉 작업 내에서의 필러 금속의 사용에 초점이 맞추어져 있다. 그러나, 용접 작업을 이용하여 그리고 필러 금속의 사용을 통하여 피작업물이 접합되는 용접 및 접합 용례에 본 발명의 양태가 사용될 수 있다. 필러 금속을 오버레이하는 것에 관한 것일지라도, 위에서 설명된 실시예, 시스템 및 방법은 용접 작업에서 사용된 것과 유사하며, 이하에서 더 완전하게 설명된다. 따라서 달리 설명되지 않는 한 하기의 설명에 위의 설명이 일반적으로 적용된다는 것이 이해된다. 또한, 하기 설명은 도 1 내지 도 4에 대한 참고를 포함할 수 있다.

용접/접합 작업은 전형적으로 필러 재료가 피작업물 금속의 적어도 일부와 결합하여 조인트를 형성하는 용접 작업에서 다수의 피작업물을 함께 접합하는 것으로 알려져 있다. 용접 작업에서 생산 처리량을 증가시키고자 하는 바람 때문에, 표준 품질을 갖는 용접부를 야기하지 않는 보다 빠른 용접 작업을 위한 끊임없는 필요성이 있다. 또한, 외진 작업장에서와 같은 불리한 작업 환경 하에서 신속하게 용접할 수 있는 시스템을 제공할 필요가 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 기존의 용접 기술에 대하여 현저한 이점을 제공한다. 이러한 이점은, 제한되지는 않지만, 피작업물의 비틀림을 줄이는 감소된 전체 열 입력, 매우 높은 용접 이동 속도, 매우 낮은 스패터 비율, 차폐가 없는 용접, 스패터가 거의 없이 또는 스패터 없이 고속으로 도금된 또는 코팅된 재료를 용접하는 것 그리고 고속으로 복합 재료를 용접하는 것을 포함한다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 전형적으로 중요한 준비 작업을 필요로 하고 그리고 아크 용접 방법을 이용한 훨씬 느린 용접 공정인 아크 용접과 비교하여, 코팅된 피작업물을 이용하여 매우 높은 용접 속도가 얻어질 수 있다. 예로서, 하기 설명은 아연 도금된 피작업물 용접에 초점이 맞출 것이다. 금속의 아연 도금은 금속의 부식 저항을 증가시키는데 사용되며 많은 산업적 용례에 바람직하다. 그러나, 아연 도금 피작업물의 일반적인 용접은 문제가 있을 수 있다. 특히, 용접 동안에, 아연 도금 내의 아연은 기화되며 그리고 퍼들이 굳어짐에 따라 이 아연 증기는 용접 퍼들 내에 갇힐 수 있어 기공률을 야기한다. 이 기공률은 용접 조인트의 강도에 악영향을 미친다. 이 때문에, 기존의 용접 기술은 낮은 공정 속도로 그리고 일부 수준의 결함을 갖고 아연 도금을 제거 또는 아연 도금을 통하여 용접하는 제1 단계를 필요로 한다 - 이는 비효율적이고 그리고 지연을 야기하며 또는 용접 공정을 느리게 진행시킨다. 공정을 느리게 함으로써 용접 퍼들은 장시간 동안 용융된 상태로 남아있어 기화된 아연이 빠져나가는 것을 허용한다. 그러나, 낮은 속도 때문에 생산 속도는 느리고 그리고 용접부 내로의 전체 열 입력은 높을 수 있다. 유사한 문제를 야기하는 다른 코팅부는, 제한되지는 않으나, 페인트, 스탬핑 윤활유, 글라스 라이닝, 알루미늄 코팅부, 표면 열처리, 질화 처리 또는 탄화 처리, 클래딩 처리 또는 다른 기화 코팅부 또는 재료를 포함한다. 아래서 설명된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 이 문제점을 제거한다.

도 6 및 도 6a로 돌아가서, 대표적인 용접 겹치기 이음이 도시된다. 이 도면에서, 2개의 코팅된(예를 들어, 아연도금된) 피작업물(W1, W2)이 랩 용접으로 접합된다. 겹치기 이음 표면(601 및 603)뿐만 아니라 피작업물(W1)의 표면(605)은 초기에 코팅부로 덮여진다. 전형적인 용접 작업[예를 들어, MIG(금속 불활성 가스) 용접]에서, 덮여진 표면(605)의 부분은 용융된다. 이는 표준 용접 작업의 용입의 일반적인 깊이 때문이다. 표면(605)이 녹기 때문에 표면(605) 상의 코팅부는 기화되나, 용접 풀(welding pool)의 표면으로부터의 표면(605)의 거리가 크기 때문에 용접 풀이 고형화됨에 따라 가스는 가두어질 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 점이 발생하지 않는다.

도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(110)은 레이저 장치(120)에서 용접 조인트, 특히 표면(601 및 603)으로 향한다. 레이저 빔(110)은 용융 퍼들(601A 및 603A)을 생성하는 용접 표면의 부분을 녹이기 위한 에너지 밀도를 가지며, 이는 일반적인 용접 퍼들을 생성한다. 또한 용접 비드에 필요한 필러 재료를 제공하기 위하여 필러 와이어(140) -이는 이전에 설명된 바와 같이 저항 가열된다-는 용접 퍼들로 향한다. 대부분의 용접 공정과 달리, 용접 공정 동안에 필러 와이어(140)는 용접 퍼들과 접촉하고 용접 퍼들 내에 끼워진다. 이는 필러 와이어(140)를 이송시키기 위하여 이 공정이 용접 아크를 사용하기 보다는 용접 퍼들 내로 필러 와이어를 간단히 녹이기 때문이다.

필러 와이어(140)가 그 용융점까지 또는 그 근처까지 예열되기 때문에, 용접 퍼들 내에서의 필러 와이어의 존재는 퍼들을 눈에 띄게 냉각하거나 고형화시키지 않을 것이며, 용접 퍼들 내로 신속하게 소모된다. 필러 와이어(140)의 전반적인 작동 및 제어는 오버레잉 실시예에 대하여 이전에 설명된 바와 같다.

레이저 빔(110)이 정밀하게 집속될 수 있고 표면(601/603)을 향할 수 있기 때문에, 풀(601A/603A)에 관한 용입의 깊이는 정밀하게 제어될 수 있다. 이 깊이를 세심하게 제어함에 의하여, 본 발명의 실시예는 표면(605)의 어떠한 불필요한 용입 또는 용융을 방지한다. 표면(605)이 지나치게 용융되지 않기 때문에 표면(605) 상의 어떠한 코팅부는 기화되지 않으며 그리고 용접 퍼들 내에 가두어지지 않는다. 또한 레이저 빔(110)에 의하여 용접 조인트(601 및 603)의 표면 상의 어떠한 코팅부가 쉽게 기화되며, 그리고 용접 퍼들이 굳어지기 전에 이 가스는 용접 구역을 빠져나가는 것이 허용된다. 어떠한 기화된 코팅 재료의 제거에 도움을 주기 위하여 가스 추출 시스템이 이용될 수 있다는 것이 고려된다.

용접 퍼들 용입 깊이가 정밀하게 제어될 수 있기 때문에 코팅된 피작업물의 용접 속도가 크게 증가될 수 있는 반면에, 기공률(porosity)이 현저하게 줄어들거나 제거된다. 일부 아크 용접 시스템이 용접을 위한 양호한 진행 속도를 이룰 수 있지만, 더 높은 속도에서 기공률 그리고 스패터와 같은 문제가 발생할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 매우 높은 진행 속도는 (본 명세서에서 논의된 바와 같은) 적은 기공률 또는 스패터 또는 기공률 또는 스패터 없이 이루어질 수 있으며, 사실 많은 다른 형태의 용접 작업에 관하여 50인치/분 이상의 진행 속도는 쉽게 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시예는 80인치/분 이상의 용접 진행 속도를 이룰 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 다른 실시예는 최소한의 기공율 또는 스패터를 갖고 또는 기공율 또는 스패터 없이 100 내지 150 인치/분 범위 내의 진행 속도를 이룰 수 있다. 물론, 달성된 속도는 피작업물 특성(두께 및 구성 요소) 및 와이어 특성(예를 들어, 직경)의 함수일 것이나, 본 발명의 실시예를 이용할 때 많은 다른 용접 그리고 접합 용례에서 이 속도는 손쉽게 달성 가능하다. 또한 이들 속도는 100% 이산화탄소 차폐 가스로 달성될 수 있으며 또한 차폐 가스가 전혀 없이 이루어질 수 있다. 부가적으로, 용접 퍼들의 생성 및 용접 전에 어떠한 표면 코팅부를 제거함이 없이 이 진행 속도는 이루어질 수 있다. 물론, 더 큰 진행 속도가 이루어질 수 있다는 것이 고려된다. 또한, 용접 내로의 감소된 열 입력 때문에 이 높은 속도는 더 얇은 피작업물(115) 내에서 이루어질 수 있다. 여기서, 더 얇은 피작업물은 찌그러짐을 방지하기 위하여 열 입력이 낮게 유지되어야 하기 때문에 전형적으로 더 느린 용접 속도를 갖는다. 본 발명의 실시예는 거의 없는 기공율 또는 스패터를 갖고 또는 기공율 또는 스패터 없이 위에서 설명된 높은 진행 속도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 혼합물로 매우 높은 용착 속도를 달성할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예는 차폐 가스 없이 그리고 적은 기공률 또는 스패터 또는 기공률 또는 스패터 없이 10 lb/시간 또는 더 큰 용착 속도를 이룰 수 있다. 일부 실시예에서, 용착 속도는 10 내지 20 lb/시간 범위 내에 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 이 매우 높은 진행 속도는 거의 없는 기공율과 스패터를 갖고 또는 기공율과 스패터 없이 달성된다. 기공률 비율을 확인하기 위하여 용접의 기공률은 용접 비드의 횡단면 및/또는 길이를 실험함으로써 결정될 수 있다. 횡단면 기공률 비율은 이 시점에서 용접 조인트의 전체 횡단면적에 대한 주어진 횡단면 내에서의 기공률의 전체 면적이다. 길이 기공률 비율은 용접 조인트의 주어진 유닛 길이 내에서의 기공의 전체 누적 길이이다. 본 발명의 실시예는 0 내지 20%의 횡단면 기공률과 함께 위에서 설명된 진행 속도를 달성할 수 있다. 따라서, 버블 또는 캐비티를 갖지 않는 용접 비드는 0%의 기공률을 가질 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 횡단면 기공률은 0 내지 10% 범위 내에 있을 수 있으며, 다른 예시적인 실시예는 2 내지 5%의 범위 내에 있을 수 있다. 일부 용접 용례에서 일부 수준의 기공률이 용인될 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 본 발명의 예시적인 실시예에서 용접물의 길이 기공률은 0 내지 20%의 범위 내에 있으며 그리고 0 내지 10%일 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 길이 기공률 비율은 1 내지 5% 범위 내에 있을 수 있다. 따라서 예를 들어, 2 내지 5% 범위 내의 횡단면 기공률 그리고 1 내지 5%의 길이 기공률을 갖는 용접물이 생산될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 스패터가 거의 없이 또는 스패터 없이 위에서 확인된 진행 속도로 용접할 수 있다. 용접 퍼들의 작은 방울이 야기되어 용접 구역의 외부로 튈 때 스패터가 발생한다. 용접 스패터가 발생할 때, 용접 스패터는 용접의 질을 위태롭게 할 수 있으며, 용접 공정 후에 스패터가 일반적으로 피작업물에서 깨끗이 닦아 내어져야 함에 따라 생산 지연을 야기할 수 있다. 따라서, 스패터 없이 고속으로의 용접에 큰 이점이 있다. 본 발명의 실시예는 0 내지 0.5의 범위 내의 스패터 인자를 갖고 위의 높은 진행 속도로 용접할 수 있으며, 여기서 스패터 인자는 동일 거리(X)에 걸친 소모된 필러 와이어(140)의 중량(Kg)에 대한 주어진 이동 거리(X)에 걸친 스패터의 중량(mg)이다.

즉: 스패터 인자 = (스패터 중량(mg)/소모된 필러 와이어 중량(Kg)).

거리(X)는 용접 조인트의 대표적인 표본을 감안한 거리이어야 한다. 즉, 거리(X)가 너무 짧다면, 즉 0.5 인치라면, 이는 용접을 나타내는 것이 아닐 수 있다. 따라서 0의 스패터 인자를 갖는 용접 조인트는 거리(X)에 걸쳐 소모된 필러 와이어에 관한 스패터를 갖지 않을 것이며, 그리고 2.5의 스패터 인자를 갖는 용접은 2 kg의 소모된 필러 와이어에 관한 5 mg의 스패터를 갖는다. 본 발명이 예시적인 실시예에서, 스패터 인자는 0 내지 1의 범위 내에 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 스패터 인자는 0 내지 0.5의 범위 내에 있다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 스패터 인자는 0 내지 0.3의 범위 내에 있다. 본 발명의 실시예는 어떠한 외부 차폐제의 사용으로 또는 사용하지 않고 위에서 설명된 스패터 인자 범위를 이룰 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 여기서 외부 차폐제는 차폐 가스 또는 플럭스 차폐제를 포함한다. 또한, -용접 작업 전에 제거된 아연 도금을 갖지 않는- 아연도금된 피작업물을 포함하는, 코팅되지 않은 또는 코팅된 피작업물을 용접할 때 위의 스패터 인자 범위는 달성될 수 있다.

용접 조인트에 관한 스패터를 측정하기 위한 다수의 방법이 있다. 하나의 방법은 "스패터 보트(spatter boat)"의 사용을 포함한다. 이러한 방법을 위하여, 용접 비드에 의하여 발생된 모든 스패터 또는 거의 모든 스패터를 억류하기에 충분한 규격을 갖는 컨테이너 내에 대표하는 용접 시편이 위치된다. 스패터가 포획되는 것을 보장하기 위하여 컨테이너 또는 -상단과 같은- 컨테이너의 부분은 용접 공정에 따라 이동할 수 있다. 전형적으로 보트는 구리로 만들어지며 따라서 스패터는 표면에 달라붙지 않는다. 대표적인 용접이 컨테이너의 바닥 위에서 수행되어 용접 동안에 생성된 어떤 스패터는 컨테이너 내로 떨어질 것이다. 된다. 용접 동안에 소모된 필러 와이어의 양이 모니터링된다. 용접이 완료된 후, 만약 있다면 컨테이너의 용접 전과 용접 후 간의 차이를 결정하기에 충분한 정확도를 갖는 장치에 의하여 스패터 보트는 무게가 측정된다. 이 차이는 스패터의 무게를 나타내며 그리고 그후 소모된 필러 와이어의 Kg 단위의 양으로 나누어진다. 대안적으로 스패터가 보트에 달라붙지 않는다면, 스패터는 제거될 수 있고 그리고 그것만으로 무게가 측정될 수 있다.

이전에 설명된 바와 같이, 레이저 장치(120)의 사용은 용접 퍼들의 깊이의 정밀한 제어를 감안한 것이다. 또한, 레이저 장치(120)의 사용은 용접 퍼들의 크기와 깊이의 용이한 조정을 가능하게 한다. 이는 레이저 빔(110)이 용이하게 집속될 수 있고/초점이 흐려질 수 있고 또는 매우 쉽게 변하는 빔 강도를 갖고 있기 때문이다. 이 능력 때문에 피작업물(W1 및 W2) 상에서의 열 분포는 정확하게 제어될 수 있다. 이 제어는 정밀한 용접을 위한 매우 좁은 용접 퍼들의 생성뿐만 아니라 피작업물 상의 용접 구역의 치수를 최소화하는 것을 감안한 것이다. 이는 또한 용접 비드의 영향을 받지 않는, 피작업물의 영역을 최소화하는 이점을 제공한다. 특히 용접 비드에 인접한 피작업물의 영역은 용접 작업으로부터 최소한의 영향을 받을 것이며, 이는 가끔 아크 용접 작업에서는 그렇지 않다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 빔(110)의 형상 및/또는 강도는 용접 공정 동안에 조정/변경될 수 있다. 예를 들어, 피작업물 상의 어떤 위치에서 용입의 깊이를 변화시키는 것 또는 용접 비드의 치수를 변화시키는 것이 필요할 수 있다. 이러한 실시예에서, 용접 파라미터의 필요한 변화를 제공하기 위하여 용접 공정 동안에 빔(110)의 형상, 강도 및/또는 크기는 조정될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이, 필러 와이어(140)는 레이저 빔(110)과 동일하게 용접 퍼들에 충격을 줄 수 있다. 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140)는 레이저 빔(110)과 동일한 위치에서 용접 퍼들에 충격을 준다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140)는 레이저 빔에서 떨어진 동일한 용접 퍼들에 충격을 줄 수 있다. 도 6a에 도시된 실시예에서, 용접 작업 동안에 필러 와이어(140)는 빔(110)을 뒤쫓는다. 그러나, 필러 와이어(140)가 가장 앞의 위치에 위치될 수 있음에 따라 이는 필요하지 않다. 필러 와이어(140)가 빔(110)과 동일한 용접 퍼들에 충격을 주는 한 필러 와이어(140)가 빔(110)에 대하여 다른 위치에 위치될 수 있음에 따라 본 발명은 이러한 점에서 제한되지 않는다.

위에서 설명된 실시예는 아연 도금과 같은 코팅부를 갖는 피작업물에 관하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 실시예는 또한 코팅부를 갖지 않는 피작업물 상에 사용될 수 있다. 특히, 코팅되지 않은 피작업물과 함께 위에서 설명된 동일한 용접 공정이 이용될 수 있다. 일부 실시예는 코팅된 금속과 관련하여 위에서 설명된 것과 동일한 성능 속성을 달성한다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 용접 강 피작업물에 제한되지는 않으나, 또한, 알루미늄 또는 -이하에서 더 설명될 바와 같은- 복합 금속을 용접하기 위하여 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 유익한 양태는 차폐 가스에 관한 것이다. 전형적인 아크 용접 작업에서, 대기 중의 산소와 질소 또는 다른 해로운 요소가 용접 퍼들 그리고 금속 이행(metal transfer)과 상호 작용하는 것을 방지하기 위하여 차폐 가스 또는 차폐 플럭스가 사용된다. 이러한 개입은 용접품의 품질 및 외관에 해로울 수 있다. 따라서 거의 모든 아크 용접 공정에서 차폐는 그 위에 플럭스를 갖는 전극(예를 들어, 스틱 전극, 플러그 코어 전극 등)의 소모에 의하여 또는 외부적으로 공급된 입자 플럭스(예를 들어, 서브-아크 용접)에 의하여 생성된, 외부적으로 공급된 차폐 가스의 사용에 의하여 제공된다. 또한, 용접 특화된 금속 또는 용접 아연 도금된 피작업물과 같은 일부 용접 작업에서, 특정 차폐 가스 혼합물이 이용되어야 한다. 이러한 혼합물은 상당히 비쌀 수 있다. 또한, 극한 환경에서 용접할 때, 다량의 차폐 가스를 (파이프 라인과 같은) 작업장으로 수송하는 것이 가끔 어려우며 또는 바람은 아크로부터 차폐 가스를 불어 날리는 경향이 있다. 또한 흄 추출 시스템의 이용은 최근에 성장하고 있다. 이 시스템은 흄을 제거하는 경향이 있는 반면에, 만일 용접 작업장에 인접하게 위치된다면 시스템은 또한 차폐 가스를 제거하는 경향이 있다.

본 발명의 이득은 용접할 때 최소한의 양의 차폐 가스를 사용할 수 있거나 또는 차폐 가스를 사용하지 않을 수 있다는 것을 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 실시예는 특정 용접 작업에 관하여 정상적으로는 사용될 수 없을 차폐 가스의 사용을 허용한다는 것이다. 이는 이하에서 더 설명된다.

아크 용접 공정으로 전형적인 (코팅되지 않은) 피작업물을 용접할 때, -그 형태에 관계없이- 차폐제가 요구된다. 본 발명의 실시예로 용접될 때 차폐제가 필요하지 않다는 것이 발견되었다. 이는 차폐 가스, 과립 플럭스 그리고 자체 차폐 전극이 사용될 필요가 없다는 것이다. 그러나, 아크 용접 공정에서와는 달리, 본 발명은 고급의 용접물을 생산한다. 즉, 어떠한 차폐제의 사용없이 위에서 설명된 용접 속도는 달성될 수 있다. 이는 선행 기술의 아크 용접 공정으로는 달성될 수 없다.

전형적인 아크 용접 공정 동안에, 필러 와이어는 용융된 방울이 용접 아크를 통하여 필러 와이어로부터 용접 퍼들로 이동된다. 차폐제 없이 이송 동안에 방울의 전체 표면은 대기에 노출되며 그리고 대기 내의 질소와 산소를 획득하고 용접 퍼들로 질소와 산소를 전달하는 경향이 있다. 이는 바람직하지 않다.

방울(droplet)의 이용 없이 본 발명이 필러 와이어를 용접부에 전달하기 때문에 필러 와이어는 대기에 노출되지 않는다. 따라서 많은 용접 용례에서, 차폐제의 사용은 요구되지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 실시예는 기공률 또는 스패터가 거의 없이 또는 기공률 또는 스패터 없이 높은 용접 속도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 차폐 가스의 사용없이 할 수 있다.

차폐제를 사용하지 않고, 용접 동안에 흄 추출 노즐을 용접 조인트에 더 근접하게 위치시킬 수 있으며, 따라서 더 효율적이고 효과적인 흄 추출을 제공한다. 차폐 가스가 이용될 때, 흄 추출 노즐이 차폐 가스의 기능을 방해하지 않는 위치에 흄 추출 노즐을 위치시킬 필요가 있다. 본 발명의 이점 때문에 이러한 제한이 존재하지 않으며 그리고 흄 추출이 최적화될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 레이저 빔(110)은 레이저 장치(120)로부터 피작업물(115)의 표면 가까이로의 빔을 보호하는 레이저 슈라우드 조립체(1901)에 의하여 보호된다. 이의 대표적인 구성이 도 19에 보여질 수 있다. 작동 동안에 슈라우드(1901; 횡단면 형태로 도시됨)는 간섭으로부터 빔(110)을 보호하며 그리고 부가적인 안전을 제공한다. 또한, 슈라우드는 용접 구역으로부터 용접 흄을 뽑아내는 흄 추출 시스템(1903)에 결합될 수 있다. 실시예가 차폐 가스 없이 이용될 수 있기 때문에, 용접 구역으로부터 흄을 직접적으로 뽑아내기 위하여 슈라우드(1901)는 용접부에 매우 근접하게 위치될 수 있다. 사실, 용접부 위의 거리(Z)가 0.125 내지 0.5 인치 범위 내에 있도록 슈라우드(1901)가 위치될 수 있다. 물론, 다른 거리가 이용될 수 있으나, 용접 퍼들을 방해하지 않도록 또는 슈라우드(1901)의 효과가 현저하게 줄어들지 않도록 주위가 기울여져야 한다. 용접 산업 분야에서 흄 추출 시스템(1903)이 일반적으로 이해되고 공지되었기 때문에 이 구성 및 작동은 본 명세서에서 상세하게 설명되지 않을 것이다. 도 19가 빔(110)을 단지 보호하는 슈라우드(1901)를 도시하고 있을지라도, 슈라우드가 적어도 와이어(140)의 적어도 일부분과 접촉 팁(160)을 둘러싸도록 슈라우드(1091)가 구성된다는 것이 물론 가능하다. 예를 들어, 흄 추출을 증가시키기 위하여 슈라우드(1901)의 바닥 개구가 거의 전체 용접 퍼들을 덮기 충분하게 넓은 것 또는 용접 퍼들보다 넓은 것도 가능하다.

아연도금된 피작업물과 같은 코팅된 피작업물을 용접하기 위하여 사용된 본 발명의 예시적인 실시예에서, 훨씬 저렴한 차폐 가스가 이용될 수 있다. 예를 들어, 연강을 포함한 많은 다른 재료를 용접하기 위하여 100% CO₂　차폐 가스가 사용될 수 있다. 스테인리스 강, 혼립강 그리고 슈퍼 혼립강과 같은 더 복합적인 금속을 용접할 때 이들은 100% 질소 차폐 가스만으로 용접될 수 있다는 것 또한 사실이다. 전형적인 아크 용접 작업에서, 스테인리스 강, 혼립강 또는 슈퍼 혼립강의 용접은 상당히 고가일 수 있는, 차폐 가스의 더 복잡한 혼합물을 필요로 한다. 본 발명의 실시예는 100% 질소 차폐 가스만으로 이들 강이 용접되는 것을 허용한다. 또한, 다른 실시예는 차폐 가스 없이 용접된 이들 강을 가질 수 있다. 아연 도금된 재료에 관한 전형적인 용접 공정에서, 아르곤/ CO₂　혼합물 같은 특별한 혼합 차폐 가스가 이용되어야 한다. 정상적인 아크 용접 동안에 캐소드와 애노드가 용접 구역에 존재하기 때문에 이러한 형태의 가스는 부분적으로 사용되는 것을 필요로 한다. 그러나, 위에서 설명된 바와 같이 그리고 이하에서 더 설명될 바와 같이, 용접 아크가 없으며 그리고 보통 말하는 용접 구역 내에 애노드와 캐소드가 없다. 따라서, 아크가 없고 그리고 용적 이행이 없음에 따라 필러 금속이 대기로부터 유해 요소를 획득하는 기회가 현저하게 감소된다. 본 발명의 많은 실시예가 -차폐 가스와 같은- 차폐제의 사용 없이 용접을 가능하게 할 수 있을지라도 용접 구역으로부터 기체 또는 오염물을 제거하기 위하여 용접부에 걸쳐 가스 흐름이 이용될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 즉, 용접 구역으로부터 오염물을 제거하기 위하여 용접 동안에 공기, 질소, CO₂, 또는 다른 가스가 용접부에 걸쳐 불려질 수 있다는 것이 고려될 수 있다.

코팅된 재료를 고속으로 용접할 수 있는 것에 더하여, 현저하게 감소된 열 영향 구역(heated affected zone: HAZ)을 갖고 2상 조직강을 용접하기 위하여 본 발명의 실시예는 또한 이용될 수 있다. 2상 조직강은 페라이트와 마르텐사이트 미세 구조를 갖는 고강도 강이며, 따라서 강이 큰 강도 및 우수한 성형성을 갖는 것을 허용한다. 2상 조직강의 특성 때문에 2상 조직강 용접의 강도는 열 영향 구역의 강도에 의하여 제한된다. 열 영향 구역은 (필러 금속을 포함하지 않는) 용접 조인트 주변의 구역이며, 이는 용접 공정으로부터 현저하게 가열되어 아크 용접 공정 때문에 그 미세구조는 역으로 변화된다. 공지된 아크 용접 공정에서, 아크 플라즈마의 치수 그리고 용접 구역으로의 대입열(high heat input) 때문에 열 영향 구역은 상당히 넓다. 열 영향 구역이 상당히 넓기 때문에 열 영향 구역은 용접부의 강도 제한 부분이 된다. 이와 같이, 고강도 전극의 사용이 불필요하기 때문에 이러한 조인트(예를 들어, ER70S-6, 또는 -3형 전극)를 용접하기 위하여 아크 용접 공정은 전형적으로 연강 필러 와이어(140)를 이용한다. 또한, 이 때문에, 설계자는 전략적으로 용접 조인트를 차량 프레임, 범퍼, 엔진 요동대 등과 같은 고응력 구조체 밖의 2상 조직강 내에 위치시켜 한다.

위에서 논의된 바와 같이, 레이저 장치(120)의 사용은 용접 퍼들의 생성시 높은 수준의 정밀성을 제공한다. 이 정밀성 때문에, 용접 비드를 둘러싸는 열 영향 구역은 매우 작게 유지될 수 있거나, 또는 피작업물에 대한 열 영향 구역의 전체 효과는 최소화될 수 있다. 사실, 일부 실시예에서 피작업물의 열 영향 구역은 거의 제거될 수 있다. 이는 퍼들이 생성될 피작업물의 부분 상에서만 레이저 빔(110)의 초점을 유지함으로써 이루어진다. 열 영향 구역의 치수를 현저하게 줄임으로써, 마치 아크 용접 공정이 이용된 것처럼 만큼 모재 금속의 강도는 위태롭게 되지 않는다. 이와 같이, 열 영향 구역의 존재 또는 위치는 더 이상 용접된 구조의 설계에 제한 요인이 아니다. 열 영향 구역보다는 피작업물의 조성물과 강도 및 필러 와이어의 강도가 구조적 설계에서의 영향력이 큰 요인일 수 있기 때문에 본 발명의 실시예는 보다 높은 강도의 필러 와이어의 사용을 고려한 것이다. 예컨대, 본 발명의 실시예는 ER80S-D2 형 전극과 같은, 적어도 80 ksi 항복 강도를 갖는 전극의 이용을 가능하게 한다. 물론, 이 전극은 예시적인 것으로 의도된다. 또한, 아크 용접으로부터 더 적은 전체적인 열 입력이 있기 때문에 퍼들의 냉각 속도는 더 빠를 것이며, 이는 사용된 필러 와이어의 화학적 성질은 더 줄어들 수(leaner) 있으나 기존의 와이어에 대하여 동일한 또는 더 큰 성능을 부여할 수 있다는 것을 의미한다.

부가적으로, 현저하게 줄어든 차폐 요구 조건으로 티타늄을 용접하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예가 이용될 수 있다. 아크 용접 공정으로 티타늄을 용접할 때, 허용 가능한 용접이 생성되는 것을 보장하기 위하여 상당한 주의가 취해져야 한다는 것이 알려져 있다. 이는 용접 공정 동안에 티타늄이 산소와 반응하기 위하여 강력한 친화도를 갖기 때문이다. 티타늄과 산소 간의 반응은 이산화티타늄을 생성하며, 용접 풀 내에 존재한다면 이는 용접 조인트의 강도 및/또는 연성을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이 때문에, 티타늄을 아크 용접할 때 퍼들이 냉각됨에 따라 대기로부터 아크뿐만 아니라 트레일링 용융 퍼들을 차폐하기 위하여 현저한 양의 트레일링 차폐 가스를 제공할 필요가 있다. 아크 용접으로부터 발생된 열 때문에, 용접 퍼들은 상당히 넓을 수 있고 그리고 장시간 동안 용융 상태로 남아 있을 수 있으며, 따라서 현저한 양의 차폐 가스를 요구한다. 본 발명의 실시예는 재료가 용융되는 시간을 현저하게 단축하며 그리고 급격하게 냉각시키고 따라서 이 추가적인 차폐 가스의 필요성이 감소된다.

위에서 설명된 바와 같이, 용접 구역 내로의 전체 열 입력을 현저하게 줄이기 위하여 레이저 빔(110)은 매우 신중하게 집속될 수 있으며, 따라서 용접 퍼들의 규격이 현저하게 감소한다. 용접 퍼들이 더 작기 때문에 용접 퍼들은 훨씬 빨리 냉각된다. 이와 같이, 트레일링 차폐 가스가 필요 없으나, 단지 용접부에의 차폐만이 필요하다. 또한, 위에서 설명된 유사한 이유로, 티타늄을 용접할 때 스패터 인자가 상당히 감소되는 반면에, 용접 속도는 증가된다.

도 7 및 도 7a로 돌아가서, 개방 루트형 용접 조인트가 도시된다. 두꺼운 플레이트 및 파이프를 용접하기 위하여 개방 루트 조인트가 흔히 사용되며 떨어진 그리고 환경적으로 어려운 위치에서 발생할 수 있다. 개방 루트 조인트를 용접하기 위한, 차폐된 금속 아크 용접(SMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW), 플럭스 코어 아크 용접(FCAW), 서브머지드 아크 용접(SAW) 및 플럭스 코어 아크 용접-자기 차폐(FCAW-S)를 포함한 많은 공지된 방법이 있다. 이 용접 공정은 차폐의 필요성, 속도 제한, 슬래그의 생성 등을 포함한 다양한 단점을 갖는다.

따라서, 본 발명의 실시예는 효율 그리고 이러한 형태의 용접이 수행될 수 있는 속도를 크게 개선한다. 특히, 차폐 가스의 사용이 제거될 수 있거나 크게 감소될 수 있고, 그리고 슬래그의 발생이 완전하게 제거될 수 있다. 또한, 최소한의 스패터 및 기공률을 갖고 고속에서의 용접이 얻어질 수 있다.

도 7 및 도 7a는 본 발명의 예시적인 실시예에 의하여 용접되고 있는 대표적인 개방 루트 용접 조인트를 도시한다. 물론, 랩 조인트(lap joint) 또는 개방 루트형 조인트뿐만이 아니라 매우 다양한 용접 조인트를 용접하기 위하여 본 발명의 실시예가 이용될 수 있다. 도 7a에서, 피작업물(W1/W2) 사이의 갭(705)이 도시되며 그리고 각 작업물이 경사진 표면(701/703)을 갖는다. 방금 위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 표면(701/703) 상에 정밀한 용융 퍼들을 생성하기 위하여 레이저 장치(120)를 이용하며, 그리고 위에서 설명된 바와 같이 예열된 필러 와이어(도시 생략)가 퍼들 내로 용착된다.

사실, 본 발명의 예시적인 실시예는 단일의 필러 와이어가 각 용접 퍼들로 향하는 것에 제한되지 않는다. 본 명세서 내에서 설명된 용접 공정에서 용접 아크가 발생하지 않기 때문에 하나 이상의 필러 와이어가 어느 하나의 용접 퍼들로 향할 수 있다. 주어진 용접 퍼들에 대한 필러의 개수를 증가시킴으로써, 열 입력의 현저한 증가 없이 용접 공정의 전체 용착 속도가 현저하게 증가될 수 있다. 즉, (도 7 및 도 7a에 도시된 형태와 같은) 개방 루트 용접 조인트가 단일 용접 패스(weld pass) 내에서 채워질 수 있다는 것이 고려된다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 용접 조인트 내의 하나 이상의 위치를 동시에 용융시키기 위하여 다수의 레이저 빔(110 및 110A)이 이용될 수 있다. 이는 다수의 방식으로 이루어질 수 있다. 도 7에 도시된 제1 실시예에서, 빔 스플리터(121)가 이용되고 레이저 장치(120)에 결합된다. 빔 스플리터(121)는 레이저 장치의 지식을 가진 자에게 공지된 것이며 그리고 본 명세서 내에서 상세하게 논의될 필요가 없다. 빔 스플리터(121)는 레이저 장치(120)로부터의 빔을 2개 (또는 그 이상)의 별개의 빔(110/110A)으로 나누며 그리고 이 빔들을 2개의 다른 표면으로 향하게 할 수 있다. 이러한 실시예에서, 다수의 표면은 동시에 조사될 수 있으며 용접시 추가의 정밀도와 정확도를 제공한다. 다른 실시예에서, 개별적인 빔(110 및 110A) 각각은 개별적인 레이저 장치에 의하여 생성될 수 있어 각 빔은 자신의 전용 장치에서 발산된다.

다수의 레이저 장치를 이용하는 이러한 실시예에서, 다른 용접 요구에 맞추기 위하여 용접 작업의 많은 양태가 변화될 수 있다. 예를 들어, 개별 레이저 장치에 의하여 발생된 빔은 다른 에너지 강도를 가질 수 있으며; 용접 조인트에서 다른 형상 및/또는 다른 횡단면적을 가질 수 있다. 요구되는 어떠한 특정 용접 파라미터를 수행하기 위하여 이 유연함을 이용하여 용접 공정의 양태가 변형될 수 있고 그리고 맞추어질 수 있다. 물론, 이는 또한 단일 레이저 장치 그리고 빔 스플리터(121)의 사용으로 이루어질 수 있으나, 일부 유연성은 단일 레이저 원의 사용으로 제한될 수 있다. 또한, 원하는 대로 어떠한 개수의 레이저가 사용될 수 있다는 것을 고려함에 따라 본 발명은 단일 그리고 이중 레이저 구성에 제한되지 않는다.

다른 예시적인 실시예에서, 빔 스캐닝 장치가 이용될 수 있다. 이러한 장치는 레이저 또는 빔 방사 분야에서 공지되어 있으며 빔(110)을 피작업물의 표면 상에 패턴으로 스캔하기 위하여 사용된다. 이러한 장치로, 원하는 방식으로 피작업물(115)을 가열하기 위하여 스캔 속도와 패턴 그리고 드웰 시간(dwell time)이 이용될 수 있다. 또한, 원하는 퍼들 형태를 생성하기 위해 필요에 따라 에너지원(예컨대, 레이저)의 출력 전력이 조정될 수 있다. 부가적으로, 레이저 장치(120) 내에서 이용된 광학 부품은 원하는 작업 및 조인트 파라미터에 기초하여 최적화될 수 있다. 예를 들어, 넓은 용접 또는 클래딩 작업을 위한 선형 빔을 만들기 위하여 선형(line) 및 적분 광학 부품이 이용될 수 있으며, 또는 균일한 전력 분포를 갖는 정사각/직사각형 빔을 생성하기 위하여 적분기(integrator)가 사용될 수 있다.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 표면(701/703)을 용융시키기 위하여 단일 빔(10)은 개방 루트 조인트를 향한다.

레이저 빔(110 및 110A)의 정밀성 때문에 빔(110/110A)은 표면(701/703) 상에서만 그리고 갭(705)에서는 떨어져 집속될 수 있다. 이 때문에, [정상적으로 갭(705)을 통하여 떨어질] 멜트-스루(melt-through)가 제어될 수 있으며, 이는 배면 용접 비드[갭(705)의 바닥 표면에서의 용접 비드]의 제어를 현저하게 개선한다.

도 7 그리고 도 7a 각각에서, 갭(705)이 피작업물(W1 및 W2) 사이에 존재하며, 이는 용접 비드(707)로 채워진다. 예시적인 실시예에서, 이 용접 비드(705)는 레이저 장치(도시 생략)에 의하여 생성된다. 따라서 예를 들어, 용접 작업 동안에 레이저 용접 비드(707)와 함께 피작업물(W1 및 W2)을 용접하기 위하여 제1 레이저 장치(도시 생략)는 제1 레이저 빔(도시 생략)을 갭(705)으로 향하게 하는 반면에, 용접 퍼들을 생성하기 위하여 제2 레이저 장치(120)는 적어도 하나의 레이저 빔(110/110A)을 표면(701/703)으로 향하게 하며, 여기서 필러 와이어(들)(도시 생략)는 용착되어 용접을 완료한다. 갭이 충분히 작다면 갭 용접 비드(707)는 레이저에 의해서만 생성될 수 있거나, 갭(705)이 요구한다면, 갭 용접 비드는 레이저와 필러 와이어의 사용에 의하여 생성될 수 있다. 특히, 갭(705)을 적절하게 채우기 위하여 필러 금속을 추가하는 것이 필요할 수 있으며, 따라서 필러 와이어는 사용되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예와 관련하여 이 갭 비드(705)의 생성은 위에서 설명된 것과 유사하다.

본 명세서에서 설명된 레이저 장치(120)와 같은 고강도 에너지원은 원하는 용접 작업을 위하여 필연적인 에너지 밀도를 제공하기에 충분한 출력을 갖는 형태이어야 한다는 것을 주의해야 한다. 즉, 레이저 장치(120)는 용접 공정 동안에 안정적인 용접 퍼들을 생성하고 그리고 유지하기에 충분한 출력을 가져야 하며 그리고 또한 원하는 용입에 도달해야 한다. 예를 들어, 일부 용례에서, 레이저는 용접 중인 피작업물을 "키홀(keyhole)"시키는 능력을 가져야 한다. 이는 레이저가 피작업물을 완전하게 침투하기에 충분한 출력을 가져야 하는 반면에 레이저가 피작업물을 따라 이동함에 따라 침투의 정도를 유지해야 한다는 것을 의미한다. 예시적인 레이저는 1 내지 20 kW 범위 내의 출력 능력을 가져야만 하며, 그리고 5 내지 20 kW 범위 내의 출력 능력을 가질 수 있다. 더 큰 출력 레이저가 사용될 수 있으나, 매우 비싸질 수 있다. 물론, 빔 스플리터(121) 또는 다수의 레이저의 사용이 다른 형태의 용접 조인트에도 사용될 수 있다는 것 그리고 도 6 및 도 6a에 도시된 것과 같은 랩 조인트에 사용될 수 있다는 것이 주목된다.

도 7b는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 좁은 그루브, 깊은 개방 루트 조인트가 도시된다. 깊은 조인트(1인치보다 큰 깊이)를 아크 용접할 때, 그루브에 관한 갭(G)이 좁을 때의 조인트의 바닥을 용접하는 것이 어려울 수 있다. 이는 차폐 가스를 이러한 깊은 그루브 내로 효율적으로 전달하는 것이 어렵기 때문이며, 그루브의 좁은 벽은 용접 아크의 안정성에 간섭을 일으킬 수 있다. 피작업물이 전형적으로 철을 함유한 재료이기 때문에 조인트의 벽은 자기적으로 용접 아크를 간섭할 수 있다. 이 때문에, 전형적인 아크 용접 절차를 이용할 때, 아크가 안정 상태로 남아있도록 하기 위하여 그루브의 갭(G)은 충분하게 넓을 필요가 있다. 그러나, 그루브가 넓을수록, 용접을 완성하기 위하여 필러 재료가 더 필요하다. 본 발명의 실시예가 차폐 가스를 필요로 하지 않고 용접 아크를 사용하지 않기 때문에 이 문제들은 최소화된다. 이는 본 발명의 실시예가 깊고 좁은 그루브를 능률적으로 그리고 효과적으로 용접하는 것을 가능하게 한다. 예컨대, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 피작업물(115)이 1 인치보다 큰 두께를 갖는 경우, 갭 폭(G)은 필러 와이어(140)의 직경의 1.5 내지 2배의 범위 내에 있으며 그리고 측벽 각도는 0.5 내지 10도 범위 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 이러한 용접 조인트의 루트 패스 물질(root pass preparation)은 1/16 내지 1/4 인치 범위 내의 랜드와 함께 1 내지 3 ㎜ 범위 내의 갭(RG)을 가질 수 있다. 따라서, 깊은 개방 루트 조인트는 정상적인 아크 용접 공정보다 더 빨리 그리고 더 적은 필러 재료로 용접될 수 있다. 또한, 더 적은 열을 용접 구역으로 진입시키는 본 발명의 양태 때문에, 측벽과의 접촉을 방지하기 위하여 용접 퍼들에 더 가깝게 전달하는 것이 용이하도록 하기 위한 팁(160)이 설계될 수 있다. 즉, 팁(160)은 더 작게 만들어질 수 있고, 좁은 구조를 갖는 절연된 가이드로서 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 조인트의 양 측부를 동시에 용접하기 위하여 용접부의 폭을 가로질러 레이저와 와이어를 이동시키기 위한 전달 장치 또는 메커니즘이 사용될 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예로 부트(butt)형 조인트가 용접될 수 있다. 도 8에서, 평면 부트형 조인트가 도시되나, 용접 조인트의 상부 및 바닥 표면 상에 V-노치 그루브를 갖는 부트형 조인트가 또한 용접될 수 있다는 것이 고려된다. 도 8에 도시된 실시예에서, 2개의 레이저 장치(120 및 120A)가 용접 조인트의 각 측부 상에 도시되며, 레이저 장치 각각은 자신의 용접 퍼들(801 및 803)을 생성한다. 도시된 도면에서 가열된 필러 와이어가 레이저 빔(110/110A)을 추종함에 따라 도 7 및 도 7a와 같이 가열된 필러 와이어는 도시되지 않는다.

공지된 아크 용접 기술로 부트형 조인트를 용접할 때, 용접 아크에 의하여 발생된 자기장들이 서로 간섭하여 아크들이 서로를 불규칙하게 이동시킬 때 발생하는 "아크 블로우(arc blow)"에 중요한 문제점이 있을 수 있다. 또한, 동일한 용접 조인트 상에서 용접하기 위하여 2개 이상의 아크 용접 시스템이 사용 중일 때 용접 전류의 간섭에 의하여 야기된 중요한 문제가 있을 수 있다. 부가적으로, 아크 용접 방법의 용입 깊이 때문에, -부분적인- 고열 입력으로 인하여 용접 조인트의 각 측부 상에서 아크로 용접될 수 있는 피작업물의 두께가 제한된다. 즉, 이러한 용접은 얇은 피작업물 상에서 진행될 수 없다.

본 발명의 실시예로 용접할 때, 이 문제점은 제거된다. 이용되는 용접 아크가 없기 때문에 아크 블로우 간섭 또는 용접 전류 간섭 문제가 없다. 또한, 레이저의 사용을 통하여 가능한, 열 입력 그리고 용입의 깊이의 정밀한 제어 때문에 더 얇은 피작업물이 용접 조인트의 양 측부 상에 동시에 용접될 수 있다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예가 도 9에 도시된다. 이 실시예에서, 독특한 용접 프로파일을 생성하기 위하여 -서로 일직선을 이루는- 2개의 레이저 빔(110 및 110A)이 이용된다. 도시된 실시예에서, [제1 레이저 장치(120)에서 발산된] 제1 빔(110)은 제1 횡단면적과 깊이를 갖는 용접 퍼들(901)의 제1 부분을 생성하기 위하여 사용된 반면에, (도시되지 않은 제2 레이저 장치에서 발산된) 제2 빔(110A)은 제1 횡단면적과 깊이와 다른 제2 횡단면적과 깊이를 갖는 용접 퍼들(903)의 제2 부분을 생성하기 위하여 사용된다. 용접 비드의 나머지보다 더 깊은 깊이의 용입을 갖는 용접 비드의 부분을 갖는 것이 바람직할 때 이 실시예는 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 퍼들(901)은 보다 넓게 그리고 보다 얕게 만들어진 용접 퍼들(903)보다 더 깊게 그리고 더 좁게 만들어진다. 피작업물이 깊은 용입 수준을 만족하는 경우에, 깊은 용입 수준이 필요할 때, 이러한 실시예는 사용될 수 있으나, 용접 조인트의 전체 부분에 대해서는 바람직하지 않다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 제1 퍼들(903)이 조인트에 대한 용접을 생성하는 용접 퍼들일 수 있다. 이 제1 퍼들/조인트는 제1 레이저 장치(120)와 필러 와이어(도시 생략)로 생성되며, 그리고 적절한 용입 깊이까지 만들어진다. 이 용접 조인트가 만들어진 후, 제2 레이저 빔(110A)을 발산하는 제2 레이저 장치(도시 생략)가 조인트 위로 지나가 다른 프로파일을 갖는 제2 퍼들(903)을 생성하며, 여기서 위의 실시예에서 논의된 바와 같은 일부 종류의 오버레이를 용착시키기 위하여 이 제2 퍼들이 사용된다. 이 오버레이는 제1 필러 와이와는 다른 화학적 성질을 갖는 제2 필러 와이어를 사용하여 용착될 것이다. 예를 들어, 조인트가 용접된 조금 후에 또는 직후에 용접 조인트 상에 내부식성 클래딩 층을 위치시키기 위하여 본 발명의 실시예가 사용될 수 있다. 이 용접 작업은 또한 단일 레이저 장치(120)로 이루어질 수 있으며, 여기서 원하는 용접 퍼들 프로파일을 제공하기 위하여 빔(110)은 제1 빔 형상/밀도와 제2 빔 형상/밀도 사이에서 진동된다. 따라서, 다수의 레이저 장치가 사용되는 것이 필요하지 않다.

위에서 설명된 바와 같이, 용접 공정 동안에 (아연 도금과 같은) 피작업물 상의 부식성 코팅부가 제거된다. 그러나, 내부식성 목적을 위하여 다시 코팅된 용접 조인트를 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 따라서 조인트(901)의 상단 상에 클래딩 층과 같은 내부식성 오버레이(903)를 추가하기 위하여 제1 빔(110A)과 레이저가 사용될 수 있다.

본 발명의 다양한 이점 때문에, 용접 작업을 통하여 다른 금속들을 쉽게 접합하는 것이 또한 가능하다. 필러 재료를 위한 다른 재료들 그리고 요구되는 화학적 성질이 균열과 열등한 용접을 야기할 수 있기 때문에 아크 용접 공정을 이용하여 아크 용접 공정으로 다른 금속들은 접합하는 것이 어렵다. 다른 화학적 성질 때문에 매우 다른 용융 온도를 갖는 알루미늄과 강을 함께 아크 용접하려고 시도할 때 또는 연강에 스테인리스 강을 용접하고자 할 때 이는 특히 사실이다. 그러나, 본 발명의 실시예로 이러한 문제점은 경감된다.

도 10은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. V-형 조인트가 도시되었을지라도, 본 발명은 이 점에 있어서 제한되지 않는다. 도 10에서, 2개의 같지 않는 금속이 용접 조인트(1000)에서 접합된 것으로 도시된다. 이 예에서, 2개의 같지 않은 금속은 알루미늄과 강이다. 이 예시적인 실시예에서, 2개의 다른 레이저 원(1010 및 1020)이 이용된다. 그러나, 2개의 다른 재료를 용융시키기에 필요한 에너지를 제공하기 위하여 단일 장치가 진동될 수 있음에 따라 2개의 레이저 장치가 모든 실시예에서 요구되지 않는다 - 이는 이하에서 더 설명될 것이다. 레이저 원(1010)은 강 피작업물을 향하는 빔(1011)을 발산하며, 그리고 레이저 원(1020)은 알루미늄 피작업물을 향하는 빔(1021)을 발산한다. 피작업물 각각이 다른 금속 또는 합금으로 이루어져 있기 때문에 이들은 다른 용융 온도를 갖는다. 이와 같이, 용접 퍼들(1012 및 1022)에서 레이저 빔(1011/1021) 각각은 다른 에너지 강도를 갖는다. 다른 에너지 강도 때문에, 용접 퍼들(1012 및 1022) 각각은 적절한 크기 및 깊이로 유지될 수 있다. 이는 또한 낮은 용융 온도를 갖는 피작업물, 예를 들어 알루미늄에서의 과도한 용입 그리고 열 입력을 방지한다. 일부 실시예에서, 적어도 용접 조인트 때문에, (도 10에 도시된 바와 같이) 2개의 분리된 별개의 용접 퍼들을 가질 필요가 없다. 정확히 말하면, 단일의 용접 퍼들이 양 피작업물로 형성될 수 있으며, 여기서 각 피작업물의 용융된 부분은 단일 용접 퍼들을 형성한다. 또한, 피작업물이 다른 화학적 성질을 가지나 유사한 용융 온도를 갖는다면, 양 피작업물을 동시에 조사하기 위하여 단일의 빔을 사용하는 것이 가능하며, 하나의 피작업물이 다른 피작업물보다 더 많이 용융될 것이라고 이해된다. 또한, 위에서 간단하게 설명된 바와 같이, 양 피작업물을 조사하기 위하여 [레이저 장치(120)와 같은] 단일의 에너지원을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 제1 피작업물을 용융시키기 위하여 레이저 장치(120)는 제1 빔 형상 및/또는 에너지 밀도를 이용할 수 있으며 그후 제2 피작업물을 용융시키기 위하여 제2 빔 형상 및/또는 에너지 밀도로 진동/변화할 수 있다. 용접 공정 동안에 용접 퍼들(들)이 안정적으로 유지되고 그리고 일관되도록 양 피작업물의 적절한 용융이 유지되는 것을 보장하기 위하여 빔 특성의 진동 및 변화는 충분한 속도로 달성되어야 한다. 다른 단일 빔 실시예는 각 피작업물의 충분한 용융을 보장하기 위하여 다른 피작업물보다 하나의 피작업물 내로 더 많은 열 입력을 제공하는 형상을 갖는 빔(110)을 이용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 빔의 에너지 밀도는 빔의 횡단면에 걸쳐 균일해야 한다. 예를 들어, 빔의 형상 때문에 한 피작업물로의 전체 열 입력이 다른 피작업물로의 열 입력보다 작도록 빔(110)은 사다리꼴 또는 삼각형 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예는 횡단면에서 불균일한 에너지 분포를 갖는 빔(110)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 빔(110)은 (양 피작업물에 충격을 가하는) 사각형 형상을 가질 수 있으나, 빔의 제1 영역은 제1 에너지 밀도를 가질 것이며 빔(110)의 제2 영역은 제1 영역과는 다른 제2 에너지 밀도를 가질 것이다. 따라서 영역들 각각은 각 피작업물을 적절하게 용융시킬 수 있다. 예로서, 빔(110)은 강 피작업물을 용융시키기 위하여 고에너지 밀도를 갖는 제1 영역을 가질 수 있는 반면에, 제2 영역은 알루미늄 피작업물을 용융시키기 위하여 저에너지 밀도를 가질 수 있다.

도 10에서, 2개의 필러 와이어(1030 및 1030A)가 도시되며, 각 필러 와이어는 용접 퍼들(1012 및 1022)로 향한다. 도 10에 도시된 실시예가 2개의 필러 와이어를 이용하고 있을지라도, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 다른 실시예에 관하여 위에서 논의된 바와 같이, 원하는 비드 형상 그리고 용착 속도와 같은 원하는 용접 파라미터에 따라 단지 하나의 필러 와이어가 사용될 수 있고, 또는 2개 이상의 와이어가 사용될 수 있다는 점이 고려된다. 단일 와이어가 이용될 때, 와이어는 (양 피작업물의 용융된 부분으로 형성된) 공통 퍼들을 향할 수 있거나, 또는 용접 조인트로의 통합을 위하여 와이어가 단지 하나의 용융된 부분을 향할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 10에 도시된 실시예에서, 와이어는 용융된 부분(1022)을 향할 수 있으며, 이 부분은 그후 용접 조인트의 형성을 위하여 용융된 부분(1012)과 결합될 것이다. 물론, 단일 와이어가 이용된다면, 와이어가 담겨지는 부분(1022/1012) 내에서 와이어가 용융되는 것을 허용하는 온도까지 가열되어야 한다.

다른 금속이 연결되고 있기 때문에, 와이어가 연결되고 있는 금속과 충분하게 접합할 수 있는 것을 보장하기 위하여 필러 와이어의 화학적 성질이 선택되어야 한다. 또한, 적절한 용융 온도를 갖도록 필러 와이어(들)의 성분은 선택되어야 하며, 이는 낮은 온도 용접 퍼들의 용접 퍼들 내에서 필러 와이어가 용융되는 것을 허용하고 그리고 소모되는 것을 허용한다. 사실, 적절한 용접 화학적 성질을 얻기 위하여 다수의 필름 와이어의 화학적 성질이 다를 수 있다는 것이 고려된다. 2개의 다른 피작업물이 재료들 간에 최소한의 혼합이 발생하는 재료 성분을 가질 때 이는 특히 사실이다. 도 10에서, 낮은 온도의 용접 퍼들은 알루미늄 용접 퍼들(1012)이며, 이와 같이 퍼들(1012) 내에서 필러 와이어가 쉽게 소모될 수 있도록 유사한 온도에서 용융시키기 위하여 필러 와이어(들)(1030A)가 만들어진다.

위의 예에서, 알루미늄과 강 피작업물을 사용할 때, 필러 와이어는 피작업물의 용융 온도와 유사한 용융 온도를 갖는 실리콘 청동, 니켈 알루미늄 청동 또는 알루미늄 청동 기반 와이어일 수 있다. 물론, 원하는 기계적 그리고 용접 성능 특성에 맞추기 위하여 필러 와이어 조성물이 선택되어야 하는 반면에 동시에 용접될 피작업물 중 적어도 하나의 용융 특성과 유사한 용융 특성을 제공해야 한다는 것이 고려된다.

도 11a 내지 도 11c는 이용될 수 있는 팁(160)의 다양한 실시예를 도시한다. 도 11a는 구성 및 작동 면에서 일반적인 아크 용접 접촉 팁과 매우 유사한 팁(160)을 도시한다. 본 명세서에서 설명된 바와 같은 핫 와이어 용접 동안에, 가열 전류는 전원 공급부(170)에서 접촉 팁(160)으로 향하며 그리고 팁(160)에서 와이어(140)로 향한다. 전류는 이후 와이어를 통하여 피작업물(W)에 대한 와이어(140)의 접촉을 통하여 피작업물로 향한다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 이 전류의 흐름은 와이어(140)를 가열시킨다. 물론, 도시된 바와 같이 전원 공급부(170)는 접촉 팁과 직접적으로 결합되지 않을 수 있으나, 팁(160)에 전류를 보내는 와이어 공급기(150)에 결합될 수 있다. 도 11b는 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 팁(160)은 2개의 요소(160 및 160')로 구성되어 전원 공급부(170)의 음극 단자가 제2 요소(160')에 결합된다. 이러한 실시예에서, 가열 전류는 제1 팁 요소(160)에서 와이어(140)로 흐르며 그리고 그후 제2 팁 요소(160') 내로 흐른다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 요소들(160 그리고 160') 사이에서의 와이어(140)를 통한 전류의 흐름으로 와이어가 가열된다. 도 11c는 또 다른 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 팁(160)은 팁(160)과 와이어(140)가 유도 가열을 통하여 가열되게 하는 유도 코일(1110)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 유도 코일(1110)은 접촉 팁(160)과 일체로 이루어질 수 있거나, 또는 팁(160)의 표면 둘레에 감겨질 수 있다. 물론, 용접 작업을 위하여 와이어가 원하는 온도를 이룰 수 있도록 팁이 필요한 가열 전류/전력을 와이어(140)에 전달하는 한 팁(160)에 관한 다른 구성이 이용될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예의 작동이 설명될 것이다. 위에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 고강도 에너지원 그리고 필러 와이어를 가열하는 전원 공급부 모두를 이용한다. 이 공정의 각 양태는 차례로 논의될 것이다. 하기 설명 그리고 이전에 논의된 오버레잉 실시예에 관하여 이전에 제공된 설명의 어느 것을 대체 또는 대신하는 것으로 의도된 것이 아니며 용접 또는 접합 용례에 대하여 이 설명들을 보완하는 것으로 의도된 것임이 주목된다. 오버레잉 작동에 관한 이전의 설명이 또한 접합 및 용접의 목적에 관하여 포함된다.

접합/용접을 위한 예시적인 실시예가 도 1에 도시된 실시예와 유사할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 핫 와이어 전원 공급부(170)가 제공되며 이는 가열 전류를 필러 와이어(140)에 제공한다. 전류는 (어떠한 공지된 구성으로 이루어질 수 있는) 접촉 팁(160)으로부터 와이어(140)로 이동하며 그후 피작업물로 이동한다. 이 저항 가열 전류는 팁(160)과 피작업물 사이의 와이어(140)가 사용 중인 필러 와이어(140)의 용융 온도 또는 용융 온도 근처의 온도에 도달하게 한다. 물론 필러 와이어(140)의 용융 온도는 와이어(140)의 치수 및 화학적 성질에 따라 변화할 것이다. 따라서, 용접 동안 필러 와이어의 원하는 온도는 와이어(140)에 따라 달라질 것이다. 이하에서 더 논의될 바와 같이, 필러 와이어에 관한 원하는 운전 온도는 용접 동안에 원하는 와이어 온도가 유지되도록 용접 시스템으로 입력된 데이터일 수 있다. 어떠한 경우에도, 와이어의 온도는 용접 작업 동안에 와이어가 용접 퍼들 내로 소모되도록 되어야 한다. 예시적인 실시예에서, 와이어가 용접 퍼들로 들어감에 따라 필러 와이어(140)의 적어도 부분은 고형이다. 예를 들어, 와이어가 용접 퍼들로 들어감에 따라 필러 와이어의 적어도 30%는 고형이다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 핫 와이어 전원 공급부(170)는 필러 와이어의 적어도 일부분을 그 용융 온도의 75% 또는 그 이상의 온도에서 유지시키는 전류를 공급한다. 예를 들어, 연강 필러 와이어(140)를 사용할 때, 퍼들로 들어가기 전의 와이어의 온도는 약 1,600℉일 수 있으나, 반면에 와이어는 약 2,000℉의 용융 온도를 갖는다. 물론, 각 용융 온도와 원하는 운전 온도는 필러 와이어의 적어도 합금, 성분, 직경 및 공급 속도에 따라 달라질 것이라는 점이 이해된다. 다른 예시적인 실시예에서, 전원 공급부(170)는 필러 와이어의 부분을 그 용융 온도의 90% 또는 그 이상의 온도에서 유지시킨다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 필러 와이어의 부분은 그 용융 온도의 95% 또는 그 이상인 와이어의 온도에서 유지된다. 예시적인 실시예에서, 와이어(140)는 가열 전류가 와이어(140) 및 퍼들로 전달되는 지점으로부터 온도 구배를 가질 것이며, 여기서 퍼들에서의 온도는 가열 전류의 입력점에서의 온도보다 높다. 와이어(140)의 효율적 용융을 용이하게 하기 위하여 와이어가 퍼들로 들어가는 지점 또는 그 근처에서 와이어(140)의 최고 온도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서 위에서 언급된 온도 백분율은 와이어가 퍼들로 들어가는 지점에서 또는 그 근처에서의 와이어 상에서 측정된다. 필러 와이어의 용융 온도에 근접한 온도에서 또는 용융 온도에서 필러 와이어(140)를 유지시킴으로써, 와이어(140)는 열원/레이저 장치(120)에 의하여 생성된 용접 퍼들 내로 쉽게 용융 또는 소모된다. 즉, 와이어(140)는 와이어(140)가 퍼들과 접촉할 때 용접 퍼들을 현저하게 담금질하는 것을 야기하지 않는 온도이다. 와이어(140)의 높은 온도 때문에 와이어는 용접 퍼들과 접촉할 때 빨리 용융된다. 와이어가 용접 풀 내에서 바닥에 있지 않고-용접 풀의 용융되지 않은 부분과 접촉하지 않도록 와이어 온도를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 접촉은 용접의 품질에 악영향을 줄 수 있다.

전술한 바와 같이, 일부 예시적인 실시예에서, 와이어(140)의 완전한 용융은 퍼들 내로의 와이어(140)의 진입에 의해서만 용이해질 수 있다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 퍼들 및 와이어(140)의 부분에 영향을 주는 레이저 빔(110)의 조합에 의하여 와이어(140)는 완전하게 용융될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 와이어(140)의 가열/용융은 레이저 빔(110)에 의하여 도움을 받을 수 있어 빔(110)은 와이어(140)의 가열에 기여한다. 그러나, 많은 필러 와이어(140)가 반사 가능한 재료로 제조되기 때문에, 반사 레이저 종류가 사용된다면, 와이어의 표면 반사율이 감소되어 빔(110)이 와이어(140)의 가열/용융에 기여하는 것을 허용하는 온도로 와이어(140)는 가열되어야 한다. 이 구성의 예시적인 실시예에서, 와이어(140)와 빔(110)은 와이어(140)가 퍼들로 들어가는 지점에서 교차한다.

또한, 도 1과 관련하여 이전에 논의된 바와 같이, 전원 공급부(170) 및 컨트롤러(195)는 와이어(140)에 대한 가열 전류를 제어하여 용접 동안에 와이어(140)는 피작업물과의 접촉을 유지하며 그리고 아크는 발생하지 않는다. 아크 용접 기술과 반대로, 본 발명의 실시예로 용접할 때 아크의 존재는 현저한 용접 결함을 야기할 수 있다. 따라서, (위에서 논의된 실시예와 같은) 일부 실시예에서, 와이어(140)와 용접 퍼들 사이의 전압은 0 볼트 또는 거의 0 볼트에서 유지되어야 한다 -이는 와이어가 피작업물/용접 퍼들에 단락되거나 접촉하고 있음을 나타낸다.

그러나, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 아크가 생성됨이 없이 0 볼트 이상의 전압 레벨이 얻어지도록 이러한 레벨로 전류를 제공하는 것이 가능하다. 더 높은 전류 값을 이용함에 의하여 더 높은 레벨로 그리고 전극의 용융 온도에 가까운 온도에서 전극(140)을 유지하는 것이 가능하다. 이는 용접 공정이 더 빨리 진행하는 것을 허용한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 전원 공급부(170)는 전압을 모니터링하며, 그리고 전압이 0 볼트 이상의 일부 지점에서 전압 값에 도달 또는 접근함에 따라 아크가 생성되지 않는 것을 보장하기 위하여 전압 공급부(170)는 와이어(140)로 전류가 흐르는 것을 중지시킨다. 사용 중인 용접 전극(140)의 형태로 인하여 전압 임계 레벨은 전형적으로 적어도 부분적으로 변화할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에서, 임계 전압 기준은 6 볼트 또는 그 이하이다. 다른 예시적인 실시예에서, 임계 기준은 9 볼트 또는 그 이하이다. 다른 예시적인 실시예에서, 임계 레벨은 14 볼트 또는 그 이하이며, 부가적인 예시적인 실시예에서, 임계 레벨은 16 볼트 또는 그 이하이다. 예를 들어, 연강 필러 와이어를 사용할 때, 전압을 위한 임계 레벨은 하한 형태인 반면에, 스테인리스 강 용접을 위한 필러 와이어는 아크가 생성되기 전의 더 높은 전압을 다룰 수 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 임계값 이하의 전압 레벨을 유지하는 것보다는, 전압은 작동 범위 내에서 유지된다. 이러한 실시예에서, 필러 와이어의 용융 온도에서 또는 용융 온도 근처에서 그러나 용접 아크가 생성되지 않도록 전압 레벨 아래에서 필러 와이어를 유지하기에 충분한 높은 전류를 보장하는 최소값(minimum amount) 이상에서 전압을 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전압은 1 내지 16 볼트의 범위 내에서 유지될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 전압은 6 내지 9 볼트의 범위 내에서 유지된다. 다른 예에서, 전압은 2 내지 16 볼트로 유지될 수 있다. 물론, 원하는 용접 작업을 위하여 사용된 필러 와이어(140)에 의하여 원하는 작업 범위가 영향을 받을 수 있어 사용된 필러 와이어 또는 사용된 필러 와이어의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 용접 작업을 위하여 사용된 범위(또는 임계치)가 선택된다. 이러한 범위를 이용함에 있어, 범위의 하한은 용접 퍼들 내에서 필러 와이어가 충분하게 소모될 수 있는 전압에 대하여 설정되며, 그리고 범위의 상한은 아크의 생성이 방지되도록 전압에 대하여 설정된다.

이전에 설명된 바와 같이, 전압이 원하는 임계 전압을 초과함에 따라 전원 공급부(170)에 의하여 가열 전류는 차단되어 아크가 생성되지 않는다. 본 발명의 이 양태는 아래에서 더 설명될 것이다.

위에서 설명된 많은 실시예에서, 전원 공급부(170)는 위에서 설명된 바와 같이 전압을 모니터링하기 위하여 그리고 유지하기 위하여 이용된 회로를 포함한다. 이러한 형태의 회로의 구성은 당업자에게 공지되어 있다. 그러나, 전형적으로 아크 용접을 위한 어떤 임계치 이상에서 전압을 유지하기 위하여 이러한 회로가 이용되고 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 가열 전류는 또한 전원 공급부(170)에 의하여 모니터링 및/또는 조절될 수 있다. 모니터링 전압, 전력 또는 어느 수준의 전압/암페어 수 특성에 더하여, 이는 대안으로서 행해질 수 있다. 즉, - 용접 퍼들 내에서의 적절한 소모를 위하여- 와이어(140)가 적절한 온도에서 유지되는 것을 보장하기 위하여 전류는 원하는 레벨 또는 레벨에서, 그러나 아직은 아크 발생 전류 레벨 이하에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예에서, 전압과 전류 중 하나 또는 모두가 특정 범위 내에 또는 원하는 임계치 아래에 있는 것을 보장하기 위하여 전압 및/또는 전류는 모니터링된다. 이후 아크가 생성되지 않는 것을 보장하기 위하여 그러나 원하는 작동 파라미터가 유지되는 것을 보장하기 위하여 전원 공급부는 공급된 전류를 조절한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 가열 전력 (V×I) 또한 모니터링될 수 있고 그리고 전원 공급부(170)에 의하여 조절될 수 있다. 특히, 이러한 실시예에서, 원하는 레벨에 또는 원하는 범위 내에서 유지되도록 가열 전력에 관한 전압 및 전류는 모니터링된다. 따라서 전원 공급부는 와이어에 대한 전압 또는 전류를 조절할 뿐만 아니라 전류와 전압 모두를 조절할 수 있다. 이러한 실시예는 용접 시스템에 대한 개선된 제어를 제공할 수 있다. 이러한 실시예에서, 와이어에 대한 가열 전력은 상한 임계 레벨 또는 최적의 작동 범위로 설정될 수 있어 (전압과 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하게) 전력은 임계 레벨 아래에서 또는 원하는 범위 내에서 유지된다. 다시 한번, 임계치 또는 범위 설정은 필러 와이어 및 수행되고 있는 용접의 특징에 기초할 것이며, 그리고 선택된 필러 와이어에 -적어도 부분적으로- 기초를 둘 수 있다. 예를 들어, 0.045 인치의 직경을 갖는 연강 전극을 위한 최적의 전력 설정은 1950 내지 2050 와트의 범위 내에 있다. 전력이 이 작동 범위 내에 유지되도록 전원 공급부는 전압과 전류를 조정할 것이다. 유사하게, 전력 임계치가 2000 와트로 설정된다면, 전력 레벨이 이 임계치를 초과하지 않으나 이 임계치에 근접하도록 전압 공급부는 전압과 전류를 조정할 것이다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 전원 공급부(170)는 가열 전압의 변화 속도(dv/dt), 전류의 변화 속도(di/dt) 및/또는 전력의 변화 속도(dp/dt)를 모니터링하는 회로를 포함한다. 이러한 회로는 흔히 예지 회로로 불리며, 이들의 일반적인 구성은 알려져 있다. 이러한 실시예에서, 전압, 전류 및/또는 전력의 변화 속도는 모니터링되어 변화 속도가 어떤 임계치를 초과한다면 와이어(140)로의 가열 전류는 끊어진다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 저항의 변화(dr/dt) 또한 모니터링된다. 이러한 실시예에서, 접촉 팁과 퍼들 사이에서의 와이어 내의 저항은 모니터링된다. 용접 동안에, 와이어가 가열됨에 따라 와이어는 넥 다운(neck down)되기 시작하고 그리고 아크를 형성하는 경향이 있으며, 그 동안 와이어 내의 저항이 기하급수적으로 증가한다. 이 증가가 감지될 때, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 전원 공급부의 출력은 끊어져 아크가 생성되지 않는 것을 보장한다. 와이어 내의 저항이 원하는 레벨에서 유지되는 것을 보장하기 위이하여 실시예는 전압, 전류 또는 전압과 전류를 조절한다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 임계 레벨이 감지될 때 가열 전류를 차단하기보다는, 전원 공급부(170)는 가열 전류를 비아크 발생 레벨로 감소시킨다. 이러한 레벨은 와이어가 용접 패들에서 분리된다면 아크가 발생하지 않을 백그라운드 전류 레벨이다. 예를 들어, 본 발명의 예시적인 실시예는 50 암페어의 비아크 발생 전류 레벨을 가질 수 있으며, 여기서 아크 발생이 감지 또는 예견되면 또는 (위에서 설명된) 상한 임계치에 도달되면, 설정된 시간 동안(예를 들어, 1 내지 10 밀리초) 또는 감지된 전압, 전류, 전력 및/또는 저항이 상한 임계치 아래로 떨어질 때까지 전원 공급부(170)는 가열 전류를 작동 레벨에서 비아크 발생 레벨로 떨어트린다. 이 비아크 발생 임계치는 전압 레벨, 전류 레벨, 저항 레벨 및/또는 전원 레벨일 수 있다. 이러한 실시예에서, -비록 낮은 레벨에서일지라도- 아크 발생 경우 동안 전류 출력을 유지함으로써, 보다 신속한 가열 전류 작동 레벨 복구를 야기할 수 있다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 용접 작업 동안에 실질적인 아크가 생성되지 않도록 전원 공급부(170)의 출력은 제어된다. 일부 예시적인 용접 작업에서, 실시예에서, 필러 와이어(140)와 퍼들 사이에서 실질적인 아크가 생성되지 않도록 전원 공급부의 출력이 제어될 수 있다. 필러 와이어(140)의 말단과 용접 퍼들 사이의 물리적 갭 내에서 아크가 생성된다는 것은 일반적으로 알려져 있다. 설명된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 필러 와이어(140)를 퍼들과의 접촉 상태에서 유지시킴으로써 아크가 생성되는 것을 방지한다. 그러나, 일부 예시적인 실시예에서, 대단치 않은 아크의 존재는 용접의 질을 위태롭게 하지 않을 것이다. 즉, 일부 예시적인 용접 작업에서, 단시간의 대단치 않은 아크의 생성은 용접 품질을 위태롭게 할 수준의 열 입력을 야기하지 않을 것이다. 이러한 실시예에서, 아크를 완전하게 방지하는 것에 관하여 본 명세서에서 설명된 바와 같이 용접 시스템과 전원 공급부는 제어되고 작동되나, 아크가 생성되는 정도까지 아크가 대단치 않도록 전원 공급부(170)는 제어된다. 일부 예시적인 실시예에서, 생성된 아크가 10 ms보다 적은 지속 시간을 갖도록 전원 공급부(170)가 작동한다. 다른 예시적인 실시예에서, 아크는 1 ms보다 작은 지속 시간을 가지며, 다른 예시적인 실시예에서 아크는 300초보다 작은 지속 시간을 갖는다. 이러한 실시예에서, 아크가 용접부로 실질적인 열 입력을 주지 않거나 현저한 스패터 또는 기공율을 야기하지 않기 때문에 이러한 아크의 존재는 용접 품질을 위태롭게 하지 않는다. 따라서 이러한 실시예에서 용접 품질이 위태롭지 않도록 아크가 생성되는 정도까지 지속 기간 동안 아크가 대단치 않게 유지되게 전원 공급부(170)는 제어된다. 다른 실시예에 관하여 본 명세서에서 논의된 바와 같은 동일한 제어 로직 및 요소는 이들의 예시적인 실시예에서 사용될 수 있다. 그러나, 설정된 또는 예견된 아크 생성점 아래의 (전류, 전원, 전압, 저항의) 임계점보다는, 상한 허용 한계를 위하여 전원 공급부(170)는 아크 생성의 감지를 이용할 수 있다. 이러한 실시예는 용접 작업이 이 제한에 좀더 근접해서 이루어지게 할 수 있다.

필러 와이어(1400)가 일정하게 단락된 상태(용접 퍼들과의 일정한 접촉)에 있는 것이 바람직하기 때문에, 전류는 느린 속도로 감쇠되는 경향이 있다. 이는 전원 공급부, 용접 케이블 및 피작업물 내에 존재하는 인덕턴스 때문이다. 일부 용례에서, 와이어 내의 전류가 고속으로 감소되도록 전류를 보다 빠른 속도로 감쇠되게 하는 것이 필요할 수 있다. 일반적으로, 전류가 빨리 감소될수록 접합 방법에 대한 제어는 더 우수하게 달성될 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 도달된 또는 초과된 임계치의 감지 후에 전류에 관한 램프 다운 시간은 1 밀리초이다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 전류에 관한 램프 다운 시간은 300 마이크로초 이하이다. 다른 예시적인 실시예에서, 램프 다운 시간은 100 내지 300 마이크로초 범위 이내이다.

예시적인 실시예에서, 이러한 램프 다운 시간을 얻기 위하여 램프 다운 회로가 전원 공급부(170)로 도입되며, 이는 아크가 예견되거나 감지될 때 램프 다운 시간을 줄이는데 도움을 준다. 예를 들어, 아크가 감지되거나 예견될 때, 저항을 회로 내에 도입하는 램프 다운 회로는 열려진다. 예를 들어, 저항은 전류 흐름을 50 마이크로초 내에서 50 암페어 이하로 줄이는 형태일 수 있다. 이러한 회로의 간략화된 예가 도 18에 도시된다. 회로(1800)는 용접 회로 내로 위치된 레지스터(1801) 및 스위치(1803)를 갖고서 전원 공급부가 작동하고 있고 그리고 전류를 제공할 때 스위치(1803)는 닫힌다. 그러나, (아크의 생성을 방지하기 위하여 또는 아크가 감지될 때) 전원 공급부가 전원 공급을 멈출 때, 스위치는 유도된 전류를 레지스터(1801)를 통하여 강제 개방한다. 레지스터(1801)는 회로의 저항을 상당히 증가시키며 그리고 더 빠르게 전류를 줄인다. 이러한 회로 종류는 용접 산업 분야에 일반적으로 알려져 있으며 오하이오 클리블랜드의 링컨 일렉트릭 컴패니에 의하여 제조된 용접 전원 공급 장치인 파워 웨이브®에서 찾을 수 있으며, 이 장치는 표면-장력-전달 기술("STT")을 포함한다. STT 기술은 전체적으로 미국특허 제4,866,247, 제5,148,001호, 제6,051,810호 및 제7,109,439호에 설명되어 있으며, 이들은 전체적으로 본 명세서에서 참고적으로 포함된다. 물론, 이 특허들은 일반적으로 아크가 생성되고 유지되는 것을 보장하기 위하여 개시된 회로를 사용하는 것을 논의하며- 아크가 생성되지 않는 것을 보장하기 위하여 당업자는 이러한 시스템을 쉽게 조정할 수 있다.

예시적인 용접 시스템이 도시된 도 12를 참고로 하여 위의 설명은 더 이해될 수 있다 (명확함을 위하여 레이저 시스템이 도시되지 않았다는 점이 주목되어야 한다). (도 1에서 70으로 도시된 것과 유사한 형태일 수 있는) 핫 와이어 전원 공급부(1210)를 갖는 시스템(1200)이 도시된다. 전원 공급부(1210)는 인버터형 전원 공급부와 같은 공지된 용접 전원 공급 구성일 수 있다. 이러한 전원 공급부의 디자인, 작동 및 구성이 공지되어 있기 때문에, 이들은 본 명세서에서 상세하게 설명되지 않을 것이다. 전원 공급부(1210)는 사용자가 데이터를 입력하는 것을 허용하는 사용자 입력부(1220)를 포함하며, 여기서 데이터는 제한되지는 않지만, 와이어 공급 속도, 와이어 형태, 와이어 직경, 원하는 전원 레벨, 원하는 와이어 온도, 전압 및/또는 전류 레벨을 포함한다. 물론, 다른 입력 파라미터도 필요에 따라 이용될 수 있다. 사용자 입력 데이터를 수신하고 그리고 이 정보를 이용하여 전력 모듈(1250)에 관한 필요한 작동 설정 포인트 또는 범위를 생성하는 CPU/컨트롤러(1203)에 사용자 인터페이스(1220)가 결합된다. 전원 모듈(1250)은 인버터 또는 변압기형 모듈을 포함한, 임의의 공지된 형태 또는 구성일 수 있다.

CPU/컨트롤러(1230)는 룩업 테이블을 이용하는 것을 포함하는 많은 방식으로 원하는 작동 파라미터를 결정할 수 있다. 이러한 실시예에서, [대략적으로 와이어(140)를 가열하기 위하여] 출력에 관한 원하는 전류 레벨과 임계 전압 또는 전력 레벨(또는 전압 또는 전력의 허용 가능한 작동 범위)을 결정하기 위하여 CPU/컨트롤러(1230)는 입력 데이터, 예를 들어 와이어 공급 속도, 와이어 직경 및 와이어 형태를 이용할 수 있다. 이는 적절한 온도로 와이어(140)를 가열하기 위하여 필요한 전류가 적어도 입력 파라미터에 기초를 둘 것이기 때문이다. 즉, 알루미늄 와이어(140)는 연강 전극보다 보다 낮은 용융 온도를 가질 수 있으며, 따라서 와이어(140)를 용융시키기 위하여 더 적은 전류/전력을 필요로 한다. 부가적으로, 보다 작은 직경의 와이어(140)는 더 넓은 직경의 전극보다 더 적은 전류/전력을 필요로 할 것이다. 또한, 와이어 공급 속도가 증가함에 따라(그리고 따라서 용착 속도), 와이어를 용융하기 위하여 필요한 전류/전력 레벨이 더 높아질 것이다.

유사하게는, 작동을 위한 전압/전력 임계치 및/또는 범위(예를 들어, 전력, 전류 및/또는 전압)를 결정하기 위하여 입력 데이터가 CPU/컨트롤러(1230)에 의하여 사용되어 아크의 생성이 방지될 것이다. 예를 들어, 0.045인치의 직경을 갖는 연강 전극은 6 내지 9 볼트의 전압 범위 설정을 가질 수 있으며, 여기서 전력 모듈(1250)은 6 내지 9 볼트 사이의 전압을 유지하기 위하여 구동된다. 이러한 실시예에서, 6 볼트의 최소값-이는 전류/전원이 전극을 적절하게 가열하기에 충분히 높은 것을 보장한다-을 유지하기 위하여 전류, 전압 및/또는 전력이 구동되며 그리고 전압을 9 볼트 또는 그 이하에서 유지시켜 아크가 생성되지 않는다는 것 그리고 와이어(140)의 용융 온도가 초과되지 않는다는 것을 보장한다. 물론, 원한다면 전압, 전류, 전력 또는 저항률 변화와 같은 다른 설정 포인트 파라미터 또한 CPU/컨트롤러(1230)에 의하여 설정될 수 있다.

도시된 바와 같이, 전원 공급부(1210)의 양극 단자(1221)가 핫 와이어 시스템의 접촉 팁(160)에 결합되며 그리고 전원 공급부의 음극 단자는 피작업물(W)에 결합된다. 따라서 가열 전류는 양극 단자(1221)를 통하여 와이어(140)에 공급되며 그리고 음극 단자(1222)를 통하여 되돌아온다. 이러한 구성은 일반적으로 공지되어 있다.

물론, 다른 예시적인 실시예에서, 음극 터미널(1222) 또한 팁(160)에 연결될 수 있다. 와이어(140)를 가열하기 위하여 저항 가열이 사용될 수 있기 때문에, 팁은 (도 11에 도시된 바와 같은) 와이어(140)를 가열하기 위하여 음극 및 양극 터미널(1221/1222)이 접촉 팁(140)에 결합된 구성일 수 있다. 예컨대, 접촉 팁(160)은 (도 11b에 도시된 바와 같은) 이중 구조를 가질 수 있거나 또는 (도 11c에 도시된 바와 같은) 인덕션 코일을 사용할 수 있다.

피드백 감지 리드(1223) 또한 전원 공급부(1210)에 결합된다. 이 피드백 감지 리드는 전압을 모니터링할 수 있으며 또한 감지된 전압을 전압 감지 회로(1240)에 전달한다. 전압 감지 회로(1240)는 감지된 전압 및/또는 감지된 전압 속도 변화를 CPU/컨트롤러(1230)에 전달하며, CPU/컨트롤러는 따라서 모듈(1250)의 작동을 제어한다. 예를 들어, 감지된 전압이 원하는 작동 범위 아래에 있다면, CPU/컨트롤러(1230)는 감지된 전압이 원하는 작동 범위 내에 있을 때까지 출력(전류, 전압 및/또는 전력)을 증가시킬 것을 모듈(1250)에 지시한다. 유사하게, 감지된 전압이 원하는 임계치에 또는 임계치 위에 있다면, CPU/컨트롤러(1230)는 팁(160)으로의 전류 흐름을 차단하도록 모듈(1250)에 지시하며, 따라서 아크는 생성되지 않는다. 만일 전압이 원하는 임계치 아래로 떨어지면, CPU/컨트롤러(1230)는 전류 또는 전압 또는 전류와 전압 모두를 공급하여 용접 공정을 계속하도록 모듈(1250)에 지시한다. 물론, CPU/컨트롤러(1230)는 또한 원하는 전력 레벨을 유지 또는 공급할 것을 모듈(1250)에 지시할 수 있다.

감지 회로(1240) 및 CPU/컨트롤러(1230)는 도 1에 도시된 컨트롤러(195)의 구성 및 작동과 유사한 구성 및 작동을 가질 수 있다는 점이 주목된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 샘플링/감지 속도는 적어도 10 KHz이다. 다른 예시적인 실시예에서, 감지/샘플링 속도는 적어도 100 내지 200 KHz 범위 내에 있다.

도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시예에서 이용된 예시적인 전류 파형 및 전압 파형을 도시한다. 이들 파형 각각이 차례로 논의될 것이다. 도 13a는 전원 공급부 출력이 시작된 후에-아크 감지 후에 필러 와이어(140)가 용접 퍼들에 닿는 실시예에 관한 전압 파형 및 전류 파형을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전원 공급부의 출력 전압은 일부 작동 레벨에서 결정된 임계치(9 볼트) 이하였으며 그후 용접 동안에 이 임계값으로 증가한다. 작동 레벨은 (이전에 논의된) 다양한 입력 변수에 기초한 결정된 레벨일 수 있으며 그리고 설정된 작동 전압, 전류 및/또는 전력 레벨일 수 있다. 이 작동 레벨은 주어진 용접 작업을 위하여 전원 공급부(170)의 원하는 출력이며 그리고 원하는 가열 신호를 필러 와이어(140)에게 제공하기 위한 것이다. 용접 동안, 아크의 생성을 초래할 수 있는 경우가 발생할 수 있다. 도 13a에서, 이 경우는 전압의 증가를 야기하며 전압을 지점 A로 증가시킨다. 지점 A에서 전원 공급부/제어 회로는 9 볼트 임계치(이는 아크 감지점 또는 간단한 미리 결정된 상한 임계치일 수 있으며, 아크 생성점 아래일 수 있다)에 이르며 그리고 전원 공급부의 출력을 턴오프시켜 전류와 전압을 지점 B에서 감소된 레벨로 떨어지게 한다. 시스템 인덕턴스로부터 발생된 전류의 급격한 감소를 돕는 (본 명세서에서 논의된 봐 같은) 램프 다운 회로의 포함에 의하여 전류 강하의 기울기는 제어될 수 있다. 지점 B에서의 전류 또는 전압 레벨은 미리 결정될 수 있거나, 미리 결정된 지속 시간 후에 도달될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 전압(또는 전류 또는 전력)을 위한 상한 임계치뿐만 아니라 하한 비아크 발생 레벨도 용접을 위하여 설정된다. 이 하한 레벨은 아크가 생성될 수 없는 것이 보장되는 하한 전압, 전류 또는 전력 레벨일 수 있어 전원 공급부로 복귀하는 것이 용인되며 그리고 아크가 생성되지 않을 것이다. 이러한 하한 레벨을 갖는 것은 전원 공급부가 신속하게 되돌아오는 것을 허용하며 그리고 아크가 생성되지 않는 것을 보장하는 것을 허용한다. 예를 들어, 용접을 위하여 전원 공급부 설정값이 11 볼트의 전압 임계치를 갖고 2,000 와트에서 설정되었다면, 이 하한 전력 설정은 500 와트에서 설정될 수 있다. 따라서, (실시예에 따라 전류 또는 전력 임계치일 수 있는) 상한 전압 임계치에 도달될 때, 출력은 500 와트로 줄어든다 (이 하한 임계치 또한 하한 전류, 전압 설정 또는 전류와 전압 설정일 수 있다). 대안적으로, 하한 감지 한계를 설정하는 것보다는, 설정된 지속 시간 후에 전류 공급을 시작하기 위하여 타이밍 회로가 이용될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 이 지속 시간은 500 내지 1000 밀리초 범위 내에 있을 수 있다. 도 13a에서, 지점 C는 출력이 와이어(140)에 다시 공급되는 시간을 나타낸다. 지점 B와 지점 C 사이에 도시된 지연은 의도적인 지연의 결과일 수 있거나 또는 단순히 시스템 지연의 결과일 수 있다는 점이 주목된다. 지점 C에서 전류는 다시 필러 와이어에 공급된다. 그러나 필러 와이어가 아직 용접 퍼들에 닿지 않기 때문에 전압은 증가하는 반면에 전류는 증가하지 않는다. 지점 D에서 와이어는 퍼들과 접촉하며 그리고 전압과 전류는 원하는 작동 레벨로 돌아가 안정된다. 도시된 바와 같이, 지점 D에서 접촉하기 전에 전압은 상한 임계치를 초과할 수 있으며, 이는 전원이 작동 임계치의 레벨보다 높은 OCV 레벨을 가질 때 발생할 수 있다. 예를 들어, 이보다 높은 OCV 레벨은 설계 또는 제조의 결과로서의 전원 공급부 내의 상한 한계 설정일 수 있다.

전원 공급부의 출력이 증가될 때 필러 와이어(140)가 용접 퍼들과 접촉하고 있다는 것을 제외하고 도 13b는 위에서 설명한 것과 유사하다. 이러한 상황에서, 지점 C 전에 와이어는 용접 퍼들을 절대 떠나지 않았으며 또한 와이어는 용접 퍼들과 접촉하였다. 출력이 다시 턴온할 때 와이어가 퍼들과 접촉하고 있기 때문에 도 13b는 지점 C 및 지점 D를 같이 도시한다. 따라서 전류와 전압은 지점 E에서의 원하는 작동 설정까지 증가한다.

도 13c는 턴오프된 출력(점 A)과 다시 턴온된 출력(점 B) 사이에 지연이 거의 없거나 지연이 없고 지점 B 전에 얼마 동안 와이어가 퍼들과 접촉하는 실시예를 도시한다. 도시된 파형은 하한 임계치가 설정되어 -이것이 전류, 전력 또는 전압이든지 간에- 하한 임계치에 도달될 때 지연이 거의 없이 또는 지연 없이 출력이 다시 턴온되는, 위에서 설명된 실시예에서 이용될 수 있다. 이 하한 임계 설정이 본 명세서 내에서 설명된 동작 상한 임계치 또는 범위와 동일한 또는 유사한 파라미터를 이용하여 설정될 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 이 하한 임계치는 본 명세서에서 설명된 와이어 성분, 직경, 공급 속도 또는 다양한 다른 파라미터에 기초하여 설정될 수 있다. 이러한 실시예는 원하는 용접을 위한 작동 설정점으로의 복귀의 지연을 최소화할 수 있으며 그리고 와이어에서 발생할 수 있는 임의의 넥킹(necking)을 최소화할 수 있다. 넥킹의 최소화는 아크가 생성되는 기회를 최소화하는데 도움을 준다.

도 14는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 14는 도 1에 도시된 실시예와 유사한 실시예를 도시한다. 그러나, 명확함을 위하여 어떤 요소와 연결은 도시되지 않는다. 도 14는 와이어(140)의 온도를 모니터링하기 위하여 열 센서(1410)가 이용된 시스템(1400)을 도시한다. 열 센서(1410)는 와이어(140)의 온도를 감지할 수 있는 임의의 공지된 형태일 수 있다. 와이어의 온도를 감지하기 위하여 센서(1410)는 와이어(140)와 접촉할 수 있거나 또는 팁(160)에 결합될 수 있다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1410)는 와이어(140)와 접촉하지 않고 -필러 와이어의 직경과 같은- 소형 물체의 온도를 감지할 수 있는 레이저 또는 적외선 빔을 이용한 형태이다. 이러한 실시예에서, 와이어(140)의 돌출부-이는 팁(160)과 용접 퍼들 간의 일부 지점이다-에서 와이어(140)의 온도가 감지될 수 있도록 센서(1410)가 위치된다. 와이어(140)를 위한 센서(1410)가 용접 퍼들 온도를 감지하지 않도록 센서(1410)는 또한 위치되어야 한다.

센서(1410)는 (도 1과 관련하여 논의된) 감지 및 제어 유닛(195)에 결합되어 시스템(1400)의 제어가 최적화될 수 있도록 온도 피드백 정보가 전원 공급부(170) 및/또는 레이저 전원 공급부(130)에 제공될 수 있다. 예컨대, 적어도 센서(1410)로부터의 피드백을 기초로 하여 전원 공급부(170)의 전력 또는 전류 출력은 조정될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서, 사용자가 [주어진 용접 및/또는 와이어(140)에 관한] 원하는 온도 설정을 입력할 수 있거나 또는 감지 및 제어 유닛이 다른 사용자 입력 데이터(와이어 공급 속도, 전극 형태 등)에 기초한 원하는 온도를 설정할 수 있으며, 그후 이 원하는 온도를 유지하기 위하여 감지 및 제어 유닛(195)은 적어도 전원 공급부(170)를 제어한다.

이러한 실시예에서, 와이어가 용접 퍼들 내로 들어가기 전에 와이어(140)에 영향을 주는 레이저 빔(110)으로 인하여 발생할 수 있는 와이어(140)의 가열을 설명할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 와이어(140) 내의 전류를 제어함으로써 전원 공급부(170)를 통해서만 와이어(140)의 온도가 제어될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 와이어(140)의 적어도 일부의 가열이 와이어(140)의 적어도 일부분에 영향을 주는 레이저 빔(110)에서 생길 수 있다. 이와 같이, 전원 공급부(170)로부터의 전류 또는 전력만이 와이어(140)의 온도를 대표할 수 없다. 이와 같이, 센서(1410)의 사용은 전원 공급부(170) 및/또는 레이저 전원 공급부(130)의 제어를 통하여 와이어(140)의 온도를 조절하는데 도움을 줄 수 있다.

(또한 도 14에 도시된) 다른 예시적인 실시예에서 온도 센서(1420)는 용접 퍼들의 온도를 감지하는 것을 목적으로 한다. 이 실시예에서, 용접 퍼들의 온도 센서는 또한 감지 및 제어 유닛(195)에 결합된다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1420)는 레이저 전원 공급부(130)에 직접적으로 결합된다. 레이저 전원 공급부(130)/레이저 장치(120)로부터의 출력을 제어하기 위하여 센서(1420)로부터의 피드백이 사용된다. 즉, 원하는 용접 퍼들 온도가 이루어지는 것을 보장하기 위하여 레이저 빔(110)의 에너지 밀도는 변형될 수 있다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1420)가 퍼들을 향하게 하는 것보다는, 용접 퍼들에 인접한 피작업물의 영역을 향하게 할 수 있다. 특히, 용접부에 인접한 피작업물로의 열 입력이 최소화되는 것을 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 이 온도 민감 영역을 모니터링하기 위하여 센서(1420)가 위치될 수 있어 용접부에 인접한 영역의 임계 온도가 초과되지 않는다. 예를 들어, 센서(1420)는 피작업물 온도를 모니터링할 수 있으며 감지된 온도에 근거하여 빔(110)의 에너지 밀도를 줄일 수 있다. 이러한 구성은 용접 비드에 인접한 열 입력이 원하는 임계치를 초과하지 않는다는 것을 보장할 것이다. 이러한 실시예는 피작업물 내로의 열 입력이 중요한 정밀한 용접 작업에 이용될 수 있다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 감지 및 제어 유닛(195)은 와이어 공급 메커니즘(도시되지는 않으나, 도 1의 150 참조)에 결합된 공급력 감지 유닛(도시 생략)에 결합될 수 있다. 공급력 감지 유닛은 알려져 있으며 그리고 와이어(140)가 피작업물(115)로 공급되고 있음에 따라 와이어(140)에 가해지고 있는 공급력을 감지한다. 예를 들어, 이러한 감지 유닛은 와이어 공급기(150) 내의 와이어 공급 모터에 의하여 가해지고 있는 토크를 모니터링할 수 있다. 만일 와이어(140)가 완전한 용융없이 용융된 용접 퍼들을 통과한다면, 와이어는 피작업물의 고형 부분과 접촉할 것이며, 그리고 모터가 설정된 공급 속도를 유지하려고 함에 따라 이러한 접촉은 공급력이 증가하는 것을 야기할 것이다. 이러한 힘/토크의 증가는 감지될 수 있고 감지 및 제어 유닛(195)에 전달될 수 있다. 여기서, 퍼들 내에서의 와이어(140)의 적절한 용융을 보장하기 위하여 제어 유닛은 이 정보를 이용하여 와이어(140)로의 전압, 전류 및/또는 전력을 조절한다.

본 발명의 일부 예시적인 실시예에서 와이어는 용접 퍼들로 일정하게 공급되지 않으나 원하는 용접 프로파일에 근거하여 간헐적으로 이루어질 수 있다는 점이 주목된다. 특히, 본 발명의 다양한 실시예의 융통성은 작업자 또는 제어 유닛(195)이 원하는 대로 와이어(140)의 퍼들 내로의 공급을 시작 및 정지시키는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 필러 재료[와이어(140)]의 사용을 필요로 하는 용접 조인트의 일부 부분 그리고 동일 조인트의 또는 필러 재료의 사용을 요구하지 않는 동일 피작업물 상의 다른 부분을 가질 수 있는 많은 다른 종류의 복잡한 용접 프로파일 및 기하학적 구조가 있다. 이와 같이, 용접의 제1 부분 동안에 조인트의 이 제1 부분의 레이저 용접을 야기하기 위하여 제어 유닛(195)은 레이저 장치(120)만을 가동할 수 있으나, 용접 작업이 -필러 금속의 사용을 요구하는- 용접 조인트의 제2 부분에 도달할 때, 컨트롤러(195)는 전원 공급부(170)와 와이어 공급기(150)가 용접 퍼들 내로의 와이어(140)의 용착을 시작하게 한다. 이후, 용접 작업이 제2 부분의 종단에 도달함에 따라 와이어(140)의 용착이 멈추어질 수 있다. 이는 다음의 퍼들의 한 부분과는 현저하게 다른 프로필을 갖는 연속적인 용접부 생성을 감안한다. 많은 별개의 용접 작업을 갖는 것과는 대조적으로, 이러한 능력은 피작업물이 단일 용접 작업에서 용접되는 것을 허용한다. 물론, 다양한 변형이 실행될 수 있다. 예를 들어, 용접부는 변화하는 형상, 깊이 및 필러 요구 조건과 함께 용접 프로파일을 요구하는 3개 이상의 뚜렷한 부분을 가질 수 있어 레이저와 와이어(140)의 사용은 각 용접부에서 다를 수 있다. 또한, 필요에 따라 부가적인 와이어가 추가 또는 제거될 수도 있다. 즉, 제1 용접 부분은 레이저 용접만을 필요로 할 수 있는 반면에, 제2 부분은 단지 단일의 필러 와이어(140)의 사용이 필요하고 그리고 용접부의 마지막 부분은 2개 이상의 필러 와이어의 사용을 필요로 한다. 연속적인 용접 작업에서 이러한 변화하는 용접 프로파일을 이루기 위하여 컨트롤러(195)는 다양한 시스템 요소를 제어할 수 있도록 구성될 수 있어 단일 용접 패스에서 연속적인 용접 비드가 생성된다.

도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 용접시의 전형적인 용접 퍼들(P)을 도시한다. 이전에 설명된 바와 같이, 레이저 빔(110)은 피작업물(W)의 표면 내에 퍼들(P)을 생성한다. 용접 퍼들은 빔(110)의 에너지 밀도, 형상 및 이동의 함수인 길이(L)를 갖는다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 빔(110)은 용접 퍼들의 트레일링 에지로부터 거리(Z)를 두고 퍼들(P)을 향한다. 이러한 실시예에서, 고강도 에너지원[예를 들어, 레이저 장치(120)]은 그 에너지가 필러 와이어(140)에 직접적으로 영향을 주지 않게 하여 에너지원(120)이 와이어(140)를 용융시키지 않으며, 오히려 용접 퍼들과의 접촉 때문에 와이어(140)가 그 용융을 완료한다. 퍼들(P)의 트레일링 에지는 일반적으로 용융된 퍼들 종단 그리고 생성된 용접 비드(WB)가 고형화되기 시작하는 지점으로서 한정된다. 본 발명의 실시예에서, 거리(Z)는 퍼들(P)의 길이(L)의 50%이다. 다른 예시적인 실시예에서, 거리(Z)는 퍼들(P)의 길이(L)의 40 내지 75%의 범위 내에 있다.

도 15에 도시된 바와 같이, 필러 와이어(140)는 -용접의 이동 방향으로- 빔(110) 뒤에서 퍼들(P)에 충격을 준다. 도시된 바와 같이, 거리(X)만큼 퍼들(P)의 트레일링 에지 앞에서 와이어(140)는 퍼들(P)에 충격을 준다. 예시적인 실시예에서, 거리(X)는 퍼들(P)의 길이의 20 내지 60%의 범위 내에 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 거리(X)는 퍼들(P)의 길이의 30 내지 45%의 범위 내에 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 와이어(140)와 빔(110)은 퍼들(P)의 표면에서 또는 퍼들 위의 지점에서 가로질러 용접 공정 동안에 빔(110)의 적어도 일부가 와이어(140)에 영향을 미친다. 이러한 실시예에서, 퍼들(P) 내의 용착을 위하여 와이어(140)의 용융에 도움을 주도록 레이저 빔(110)이 이용된다. 만일 와이어(140)가 너무 차가워 퍼들(P) 내에서 신속하게 소모된다면, 와이어(140)의 용융에 도움을 주기 위하여 빔(110)을 이용하는 것은 와이어(140)가 퍼들(P)을 담금질하는 것을 방지하는데 도움을 준다. 그러나, 이전에 설명된 바와 같이, (도 15에 도시된 바와 같은) 일부 예시적인 실시예에서, 용접 퍼들의 열에 의해 용융이 완료됨에 따라 에너지원(120)과 빔(110)은 필러 와이어(140)의 임의의 부분을 눈에 띄게 용융시키지 않는다.

도 15에 도시된 실시예에서, 와이어(140)는 빔(110)을 추종하며 빔(110)과 일직선을 이룬다. 그러나, 와이어(140)가 (이동 방향으로) 앞설 수 있음에 따라 본 발명은 이러한 구성에 제한되지 않는다. 더욱이, 이동 방향으로 빔과 일렬 상태인 와이어(140)를 갖는 것이 필요하지 않지만, 적절한 와이어 용융이 퍼들 내에서 발생하는 한 와이어는 임의의 방향으로부터 퍼들에 영향을 줄 수 있다.

도 16a 내지 도 16f는 도시된 레이저 빔(110)의 풋프린트(footprint)와 함께 다양한 퍼들(P)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 일부 예시적인 실시예에서, 퍼들(P)은 원형 풋프린트를 갖는다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이러한 구성에 제한되지 않는다. 예를 들어, 퍼들은 타원형 또는 다른 형상도 가질 수 있다는 것이 고려된다.

또한, 도 16a 내지 도 16f에서는 원형 횡단면을 갖는 빔(110)이 도시된다. 다시, 용접 퍼들(P)을 효과적으로 생성하기 위하여 빔(110)이 타원형, 사각형 또는 다른 형상을 가질 수 있음에 따라 이와 관련하여 본 발명의 다른 실시예는 제한되지 않는다.

일부 실시예에서, 레이저 빔(110)은 용접 퍼들(P)에 관하여 정지 상태로 남아있을 수 있다. 즉, 용접 동안에 빔(110)은 퍼들(P)에 관하여 비교적 일관된 위치에 남아 있는다. 그러나, 도 16a 내지 도 16에서 간략화된 바와 같이, 다른 실시예는 이러한 방식으로 제한되지 않는다. 예컨대, 도 16a는 빔(110)이 퍼들(P) 주변에 원형 패턴으로 전달된 실시예를 도시한다. 이 도면에서, 빔(110) 상의 적어도 하나의 지점이 퍼들의 중심(C)에 항상 겹쳐지도록 빔(110)은 전달된다. 다른 실시예에서 원형 패턴이 사용되나, 빔(110)은 중심(C)과 접촉하지 않는다. 도 16b는 빔이 단일 선을 따라 전후로 전달되는 실시예를 도시한다. 이 실시예는 원하는 퍼들(P) 형상에 따라 퍼들(P)을 길게 그리고 넓게 하기 위하여 사용될 수 있다. 도 16c는 2개의 다른 빔 횡단면이 사용된 실시예를 도시한다. 제1 빔 횡단면(110)은 제1 기하학적 구조를 가지며, 그리고 제2 빔 횡단면(110')은 제2 횡단면을 갖는다. 이러한 실시예는 필요하다면 퍼들(P) 내의 지점에서 용입을 증가시키는 반면에 보다 넓은 퍼들 크기를 아직 유지하기 위하여 사용된다. 이 실시예는 레이저 렌즈 및 광학 요소(optic)의 사용을 통하여 빔 형상을 변화시킴에 의하여 단일의 레이저 장치(120)로 달성될 수 있거나, 다수의 레이저 장치(120)의 사용을 통하여 달성될 수 있다. 도 16d는 퍼들(P) 내의 타원형 패턴으로 전달된 빔(110)을 도시한다. 다시, 필요에 따라 용접 퍼들(P)을 길게 하거나 또는 넓히기 위하여 이러한 패턴이 사용될 수 있다. 퍼들(P)을 생성하기 위하여 다른 빔(110) 전달이 이용될 수 있다.

도 16e 및 도 16f는 다른 빔 강도를 이용하는 피작업물(W)과 퍼들(P)의 횡단면을 도시한다. 도 16e는 와이어 빔(110)에 의하여 생성된 얕은 보다 넓은 퍼들(P)을 도시하는 반면에, 도 16f는 -전형적으로 "키홀"로 언급된- 보다 깊은 그리고 좁은 용접 퍼들(P)을 도시한다. 이 실시예에서 빔은 집속되어 그 초점이 피작업물(W)의 상부 표면 근처에 있다. 이러한 초점으로 빔(110)은 피작업물의 전체 깊이를 통하여 침투할 수 있으며 그리고 피작업물(W)의 바닥 표면 상에서 백 비드(back bead)를 생성하는데 도움을 준다. 빔 강도와 형상은 용접 동안의 용접 퍼들의 원하는 특성에 기초하여 결정된다.

다른 임의의 공지된 방법 및 장치에 의하여 레이저 장치(120)는 이동, 전달 또는 작동될 수 있다. 레이저의 이동과 광학 요소는 일반적으로 공지되어 있기 때문에 본 명세서에서 이들은 상세히 설명되지 않을 것이다. 도 17은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 시스템(1700)을 도시하며, 여기서 레이저 장치(120)는 이동될 수 있고 작동 동안에 변화 또는 조정되는 (렌즈와 같은) 광학 요소를 가질 수 있다. 이 시스템(1700)은 감지 및 제어 유닛(195)을 모터(170)와 광학 구동 유닛(1720)에 결합시킨다. 모터(170)는 레이저를 이동시키거나 또는 전달하여 용접 동안에 용접 퍼들에 대한 빔(110)의 위치가 이동된다. 예를 들어, 모터(1710)는 빔(110)을 전후로 전달할 수 있으며 빔을 원형 패턴 등으로 이동시킬 수 있다. 유사하게, 광학 구동 유닛(1720)은 감지 및 제어 유닛(195)으로부터 지시를 받아 레이저 장치(120)의 광학 요소를 제어한다. 예를 들어, 광학 구동 유닛(1720)은 빔(110)의 초점이 피작업물의 표면에 대하여 이동 또는 변화되도록 하며, 따라서 용접 패들의 용입 또는 깊이를 변화시킨다. 유사하게, 광학 구동 유닛(1720)은 레이저 장치(120)의 광학 요소가 빔(110)의 형상을 변화시키게 한다. 이와 같이, 용접 동안에 감지 및 제어 유닛(195)은 레이저 장치(120)와 빔(110)을 제어하여 작업 동안 용접 퍼들의 특성을 유지 및/또는 변형시킨다.

도 7b를 참고하여 위에서 설명된 바와 같이, 본 발명과 일관된 핫 와이어 레이저 용접은 아크형 또는 레이저 용접 공정만으로는 어려웠을 좁은 갭 용접을 고려한다. 위에서 논의된 이점에 더하여, 본 발명의 핫 와이어 레이저 용접은 전형적인 아크 용접 공정으로는 가능하지 않았을, 예를 들어 10 ㎜ 미만의 얇은 벽 피작업물의 용접을 감안한다. 이는 특히 용접 깊이가 재료의 깊이보다 길이 면에서 길 때 사실이다. 예를 들어, 도 20a에 도시된 바와 같이, 조인트 깊이는 각 피작업물(115A/115B)의 두께보다 길다. 즉, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 조인트 깊이 또는 용접 비드 깊이는 적어도 하나의 피작업물의 두께보다 (길이 면에서) 깊으며, 그리고 다른 실시예에서, 비드는 양 피작업물의 두께보다 깊다. 그러나, GMAW와 같은 아크 공정은 이러한 공정에서 요구되는 과도한 필러 재료 때문에 피작업물을 일그러뜨릴 수 있는 넓은 용접 퍼들과 더 높은 열 입력을 갖는 경향이 있다. 이는 위에서 논의된 바와 같이 차폐 가스를 제공하기 위하여 그리고 용접 그루브의 철을 함유한 측벽이 아크를 간섭하는 것을 방지하기 위하여 아크 공정이 넓은 갭을 필요로 하기 때문이다. 과도한 필러 재료를 용융시키기 위하여 요구되는 열 입력은 얇은 벽의 피작업물을 일그러뜨릴 수 있다.

조인트 갭을 좁히기 위한 시도는 아크 용접 공정에서 다른 문제를 야기할 수 있다. 예를 들어, 도 20a에 도시된 바와 같이, 아크형 공정에서 용접 퍼들은 깊게 용입됨이 없이 조인트를 연결할 수 있으며, 이는 마무리된 조인트에서 스트레스 라이저(stress riser)를 야기할 수 있다. 또한, 도 20a에 도시된 바와 같이, 얇은 벽 피작업물(115A 및 115B)을 접합할 때, 아크형 공정은 넓은 용접 캡을 가질 수 있으며, 이 캡은 용접부의 깊이를 결정하는 것을 어렵게 할 수 있다. 전형적으로, 피작업물(115B) 상의 가시적인 열 라인(116)은 용접 퍼들의 용입 깊이의 표시, 즉 용접 조인트의 바닥의 표시를 제공한다. 그러나, GMAW 공정과 같은 전형적인 아크 용접 공정에서의 넓은 용접 캡은 피작업물(115B)과 같은 얇은 피작업물의 외측 에지를 덮을 것이다. 피작업물의 상단 외측 에지는 용접 조인트의 상단에 대응한다. 피작업물(115B)의 상단 외측 에지(즉, 용접 조인트의 상단)가 어디에 있는지 알지 않고서는, 용입 깊이를 아는 것은 어려울 것이다.

열 입력과 용접 캡 치수에 관한 위의 단점들이 레이저 용접 공정에서 제어될 수 있는 반면에, 레이저 공정은 다른 문제점을 갖는다. 예를 들어, 레이저 용접 공정에서, 피작업물을 용융시키기 위한 그리고 용접 퍼들을 형성하기 위한 강도를 제공하기 위하여 클래딩식 공정에서보다 레이저는 더 집속된다. 그러나 피작업물은 전형적으로 매우 단단히 끼워져야, 예를 들어 1 ㎜ 갭보다 작은 갭을 갖고 끼워져야 한다. 그렇지 않으면, 레이저는 조인트 내의 갭을 통하여 발사될 것이며 및/또는 레이저에 의하여 형성된 용접 퍼들은 갭을 이을 수 없을 것이다.

도 20b에 도시된 바와 같이, 본 발명과 일치하는 핫 와이어 레이저 용접 공정은 위에서 논의된 단점을 극복할 수 있다. 또한, 이것이 핫 와이어 레이저 공정이기 때문에 공정과 관련된 스패터가 거의 없거나 전혀 없으며 그리고 차폐 가스가 요구되지 않는다. 레이저 장치와 핫 와이어의 구조 및 제어는 레이저 장치(120)와 핫 와이어(140)에 관하여 도 7b에 도시된 것과 유사할 것이다. 따라서 핫 와이어 레이저 시스템의 구조 및 제어는 더 논의되지 않는다. 도 20b로 돌아가서, 피작업물(115A 및 115B)은 좁은 간격(GP)을 갖고 배치된다. 갭(GP)은 피작업물(115A 및 115B) 그리고 핫 필러 와이어(140)의 용융에 의하여 형성된 용접 비드의 연결 능력에 좌우된다. 그러나, 갭(GP)은 와이어(140)의 직경의 1 내지 3배 범위 내의 평균 갭 폭을 가질 것이라는 점이 고려된다. 다른 예시적인 실시예에서, 갭 폭은 와이어(140)의 직경의 1 내지 2배 범위 내에 있을 것이다. 일반적으로, 평균 갭 폭은 조인트 깊이에 관한 조인트의 측벽들 간의 평균 거리를 언급한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 레이저 장치(120)와 핫 와이어(140)는 핫 와이어(140)의 직경의 약 2배인 용접 퍼들을 생성할 것이다. 또한, (위에서 논의된) 본 발명의 실시예의 특성 때문에, 본 발명의 공정은 핫 와이어(140)의 직경의 4 내지 10배 범위 내의 용입 깊이를 가질 수 있는 반면에, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서는 용입 깊이가 핫 와이어(140)의 직경의 6 내지 10배 범위 내일 수 있다. 위의 설명이 "용입" 깊이를 언급하였을지라도, 이는 또한 빌드업 깊이를 포함하기 위한 것으로 이해된다는 점이 주목되어야 한다.

예를 들어, 도 20a에 도시된 바와 같이, 피작업물들 사이에서의 갭의 존재 때문에 레이저가 피작업물의 전체 깊이를 관통할 필요가 없으며, 그보다는 도시된 바와 같은 조인트 갭 내에 용접 비드를 빌드업하기 위하여 이용된다. 일부 실시예가 조인트를 빌드업할 것이기 때문에 피작업물을 완전하게 뚫고 나가는 것과는 대조적으로, 피작업물을 키홀하기 위하여 레이저를 사용하는 것보다 더 적은 레이저 에너지가 필요할 것이다. 또한, 본 발명의 실시예의 이점 때문에 피작업물의 두께는 비교적 얇을 수 있다. 예를 들어, 도 20b에 도시된 바와 같이, 주목할만한 찌그러짐을 야기하지 않고 피작업물(115A 및 115B)은 용접 조인트에서 4 내지 15 ㎜ 범위 내의 두께를 가질 수 있으며, 일부 실시예에서는 4 내지 10 ㎜ 범위 내일 수 있다. 이러한 두께는 용접 조인트의 깊이에 관한 용접 조인트에서의 피작업물(들)의 평균 두께일 것이며 그리고 용접 조인트의 전체 길이에 관한 두께일 수도 또는 아닐 수도 있다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예는 매우 좁은 갭 폭 그러나 깊은 용입을 갖는 용접 조인트를 제공할 수 있으며, 이는 전형적인 용접 작업을 통하여 달성될 수 없다.

도 20b에 도시된 바와 같이, 위에서 설명된 핫 와이어 레이저 공정은 일반적인 아크 용접 공정보다 더 적은 필러 재료와 열 입력을 이용하여 조인트의 루트 내로 잘 들어가는 용접 용입을 생산하며 그리고 강한 조인트를 형성한다. 또한, 용입 속도와 와이어 공급 속도는 전형적인 아크 용접 공정과 견줄 만하다. 예를 들어, 용접 파라미터에 기초하여 100 imp(분당 인치)보다 큰 이동 속도와 400 imp보다 큰 와이어 공급 속도가 달성될 수 있다는 점이 예상된다. 또한 아크형 공정에서와 같이 용접 캡이 얇은 벽 피작업물(115B)의 상단 에지를 덮지 않기 때문에 용접부를 검사하는 것이 보다 쉽다. 피작업물(115B)의 상단 외측 에지가 가시적이기 때문에, 조인트의 상단(상단 에지)과 조인트의 바닥(열 라인(116)) 간의 거리가 쉽게 측정될 수 있다.

도 1, 도 14 및 도 17 각각에서, 명확함을 위하여 레이저 전원 공급부(130), 핫 와이어 전원 공급부(170) 그리고 감지 및 제어 유닛(195)은 개별적으로 도시된다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 이 요소들은 단일 용접 시스템으로 일체로 만들어질 수 있다. 본 발명의 양태는 개별적으로 논의된 위의 요소가 개별적인 물리적 유닛으로서 또는 독립형 구조체로서 유지되는 것을 요구하지 않는다.

본 발명이 어떤 실시예를 참고로 하여 설명된 반면에, 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 다양한 변화가 이루어질 수 있고 그리고 등가물이 대체될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 지식을 가진 자에 의하여 이해될 것이다. 또한 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 기술에 맞추기 위하여 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명이 개시된 특정 실시예에 제한되지 않는 점 그리고 본 발명이 첨부된 청구범위의 범위에 들어가 있는 모든 실시예를 포함할 것이라는 점이 의도된다.

240 : 단계 250 : 단계
100 : 시스템 260 : 단계
110 : 레이저 빔 310 : 단계
110A : 레이저 빔 320 : 단계
115 : 피작업물 330 : 단계
115A : 피작업물 340 : 단계
115B : 피작업물 350 : 단계
116 : 가열 라인 410 : 전류 파형
120 : 레이저 장치 411 : 지점
120A : 레이저 장치 412 : 지점
121 : 빔 스플리터 420 : 전류 파형
125 : 방향 425 : 램프
130 : 전원 공급부 430 : 간격
140 : 필러 와이어 440 :설정 지점값
150 : 필러 와이어 공급기 450 : 출력 전류 레벨
160 : 접촉 튜브 510 : 전류 파형
170 : 전원 공급부 511 : 지점
180 : 모션 컨트롤러 512 : 지점
190 : 로봇 520 : 전류 파형
195 : 전류 제어 서브시스템 525 : 가열 전류 레벨
200 : 기동 방법 530 : 간격
220 : 단계 601 : 랩 조인트 표면
230 : 단계 601A :용융된 퍼들　
603 : 랩 조인트 표면 1230 CPU/컨트롤러
603A :용융된 퍼들 1240 : 전압 감지회로
605 : 표면 1250 : 전력 모듈
701 : 경사진 표면 1400 : 시스템
703 : 경사진 표면 1410 : 센서
705 : 갭 1420 : 센서
707 : 용접 비드 1700 : 시스템
801 : 용접 퍼들 1710 : 모터
803 : 용접 퍼들 1720 : 광학 구동 유닛
901 : 용접 퍼들 1800 : 회로
903 : 용접 퍼들 1801 : 레지스터
1000 : 용접 조인트 1803 : 스위치
1010 : 레이저 원 1901 : 레이저 슈라우드 시스템
1011 : 빔 1903 : 흄 추출 시스템
1012 : 용접 퍼들 A : 지점
1020 : 레이저원 B : 지점
1021 : 레이저 빔 BB : 백 비드
1022 : 용접 퍼들 C : 지점/중심
1030 : 필러 와이어 D : 지점
1030A : 필러 와이어 E : 지점
1110 : 코일 L : 길이
1200 : 시스템 P : 퍼들
1210 : 전원 공급부 WB : 용접 비드
1220 : 사용자 입력부 X : 거리
1222 : 음극 터미널 Z : 거리
1223 : 감지 리드

Claims (15)

1. 적어도 하나의 고강도 레이저 에너지원으로 개방 루트 용접 조인트 내에 용접 퍼들을 생성하고;
   전원으로부터의 와이어 가열 신호로 적어도 하나의 필러 와이어를 필러 와이어가 용융 퍼들과 접촉할 때 필러 와이어가 용접 퍼들 내에서 용융되는 온도로 가열하며;
   용접 작업 동안에 필러 와이어가 용접 퍼들과의 접촉을 유지하도록 필러 와이어를 용접 퍼들로 향하게 하고;
   필러 와이어 가열 신호로부터의 피드백을 모니터링하며;
   필러 와이어와 용접 퍼들 사이에서 아크가 발생하지 않도록 피드백에 의하여 상한 임계값에 도달될 때 필러 와이어 가열 신호를 차단하고; 그리고
   필러 와이어 가열을 계속하도록 필러 와이어 가열 신호를 턴온하는
   것을 포함하되, 개방 루트 용접 조인트는 필러 와이어의 직경의 1 내지 3배의 범위 내에 있는 평균 갭을 사이에 갖는 적어도 2개의 피작업물에 의하여 생성되며, 개방 루트 용접 조인트의 깊이는 필러 와이어의 직경의 4 내지 10배의 범위 내에 있는 것인 용접 방법.
2. 제1항에 있어서, 개방된 루트 용접 조인트의 깊이는 필러 와이어의 직경의 6 내지 10배의 범위 내에 있는 것인 용접 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 평균 갭은 필러 와이어의 직경의 1 내지 2배의 범위 내에 있는 것인 용접 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 개방된 루트 용접 조인트에서의 피작업물 중 적어도 하나의 두께는 4 내지 15 ㎜ 범위 내에 있는 것인 용접 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 용접의 주행 속도는 적어도 100 ipm(inch per minute)인 것인 용접 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서, 와이어 가열 신호는 필러 와이어를 그 용융 온도까지 또는 용융 온도의 90% 이상으로 가열하는 것인 용접 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서, 임계값은 전압 임계값인 것인 용접 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서, 임계 전압값은 16 볼트 또는 그 이하인 것인 용접 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 한 항에 있어서, 적어도 하나의 고강도 에너지원은 레이저인 것인 용접 방법.
10. 고강도 에너지를 다수의 피작업물(115, 115A, 115B, W)로 향하게 하여 개방 루트 용접 조인트 내에 용접 퍼들(P)을 생성하는 적어도 하나의 고강도 에너지원;
    적어도 하나의 필러 와이어(140)를 필러 와이어(140)가 용융 퍼들(P)과 접촉할 때 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(P) 내에서 용융되는 온도로 가열하도록 적어도 하나의 필러 와이어(140)에 와이어 가열 신호를 제공하는 가열 전원; 및
    용접 작업 동안에 필러 와이어(140)가 용접 퍼들(P)과의 접촉을 유지하도록 필러 와이어(140)를 용접 퍼들(P)로 나아가게 하는 와이어 공급 메커니즘(150)
    을 포함하되,
    가열 전원은 필러 와이어(140) 가열 신호로부터의 피드백을 모니터링하고 그리고 피드백에 의하여 상한 임계값에 도달될 때 필러 와이어(140) 가열 신호를 차단하여 필러 와이어(140)와 용접 퍼들(P) 사이에서 아크가 발생하지 않으며, 여기서 필러 와이어(140)의 가열을 계속하도록 가열 전원은 필러 와이어(140) 가열 신호를 턴온하고, 그리고
    개방 루트 용접 조인트는 필러 와이어(140)의 직경의 1 내지 3배의 범위 내에 있는 평균 갭을 사이에 갖는 적어도 2개의 피작업물(115, 15A, 115B, W)에 의하여 생성되며 그리고 개방 루트 용접 조인트의 깊이는 필러 와이어(140)의 직경의 4 내지 10배의 범위 내에 있는 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).
11. 제10항에 있어서, 개방 루트 용접 조인트의 깊이는 필러 와이어(140)의 직경의 6 내지 10배의 범위 내에 있으며 및/또는 평균 갭(705)은 필러 와이어(140)의 직경의 1 내지 2배의 범위 내에 있는 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 개방된 루트 용접 조인트에서의 피작업물(115, 115A, 115B, W) 중 적어도 하나의 두께는 4 내지 15 ㎜ 범위 내에 있는 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).
13. 제10항 내지 제12항 중 한 항에 있어서, 용접의 주행 속도는 적어도 100 ipm인 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).
14. 제10항에 있어서, 와이어 가열 신호는 필러 와이어(1400)를 그 용융 온도 또는 그 용융 온도의 90% 이상으로 가열하는 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).
15. 제10항 내지 제14항 중 한 항에 있어서, 임계값은 전압 임계값이며, 및/또는 임계 전압은 16볼트 또는 그 이하인 것인 용접 시스템(100, 1200, 1400, 1700).

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