KR100516469B1 - 용접시스템의토오치장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접시스템의 토오치장치에 관한 것으로, 본 발명은 용접와이어가 지나가는 중심통공이 상기 용접와이어와 적어도 일부분에서 접촉이 이루어지도록 그 중심통공의 지름이 제한되어 형성된 가스확산기와, 상기 가스확산기에 접속되고 상기 통전식확산기를 통해 전송된 상기 용접와이어를 용접작업시 고정 및 지지하도록 하는 비도전성팁을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

용접시스템의 토오치 장치{TORCH DEVICE IN WELDING SYSTEM}

본 발명은 용접시스템(welding system)의 토오치(torch) 장치에 관한 것으로, 특히 가스확산기(gas diffuser)가 용접와이어(welding wire)와 접촉(contact)이 가능하도록 하여 팁(tip)을 비도전성 또는 부도체 성질을 갖는 세라믹(ceramic)등의 소재로 구현가능토록 하는 구조를 갖는 토오치장치에 관한 것이다.

최근에 들어서 조선이나 플랜트(plant) 등과 같은 중공업분야에 용접(welding)의 중요성이 더욱 크게 부각되고 있으며, 이러한 용접은 작업자로 하여금 최대한의 편리함을 도모하는 것 외에도 안전성 및 신뢰성을 확보시키는 용접시스템으로 제안되고 있다.

한편 잘 알려져 있는 바와 같이, 초기에는 단순한 용접봉을 이용해서 금속류와 같은 모재들간의 용접을 실시하던 근대적 용접방식에서, 지금은 작업의 효율성 및 계속성을 위해 보다 개선된 현대적 용접방식이 제안 및 사용되어오고 있는 실정이다.

이중에서 특히, MIG/MAG 가스용접시스템은 모재와 용접와이어(welding wire)를 녹여 용접하는 방식으로서 당 기술분야에서 널리 사용되고 있는 용접시스템이다.

이와 관련하여 도 1a는 일반적인 MIG/MAG(CO2) 가스용접시스템의 개략적 구성을 보여주고 있다. 도시된 바와 같이, MIG/MAG(CO2) 가스용접시스템은, 용접을 중앙제어하고 용접 파워(power)를 발생하는 본체(100)와, 용접와이어를 감고 자동으로 공급하는 용접와이어피더부(200)와, 상기 용접와이어피더부(200)로부터의 용접와이어를 안내 및 보호하며 아울러서 이산화탄소(CO2)의 공급통로가 되는 토오치 케이블(500)과, 상기 본체(100)의 제어하에 용접와이어를 소정의 모재(300)에 융착시키는 토오치장치(400)로 구성된다.

상기 도 1a에 도시된 MIG/MAG(CO2) 가스용접시스템의 용접과정을 간략히 살피면 아래와 같다. 즉, 본체(100)는 용접작업시에 용접와이어피더부(200)에 감겨져 있는 용접와이어를 토오치장치(400)를 통해 계속 공급시키도록 하여 모재(300)와 용접와이어를 서로 융착시키도록 제어하게 되는데, 용접시 토오치장치(400)내에서 이산화탄소(CO2)를 계속적으로 공급토록 하여 모재(300)와 용접와이어가 대기중의 산소에 의한 융착방해현상 즉, 산화 현상을 제거하면서 용접이 이루어지도록 한다.

한편 작업자가 용접작업시에 토오치장치(400)를 구동 및 제어하여 토오치장치(400)내로 인출된 용접와이어를 모재(300)에 융착시키게 되는데, 이 토오치장치(400)내에서의 용접과정을 도 1b를 통해 살펴보겠다.

도 1b는 토오치장치(400)의 주요부분을 나타내는 사시도로서, 용접와이어피더부(200)를 통해 인출되는 용접와이어가 지나가는 중심통공이 형성되면서 이산화탄소(CO2)를 확산시키는 가스확산기(gas diffuser)(406)와, 상기 용접와이어가 통전(contact)되면서 지나가도록 그 크기가 설정된 중심통공이 형성되면서 상기 가스확산기(406)에 접속된 통전팁(404)과, 상호 연결된 상기 가스확산기(406) 및 통전팁(404)을 하기의 노즐(402)에 연결시키는 절연통(insulator)(408)과, 상기 절연통(408)에 접속되어 가스확산기(406)를 통해 발산된 이산화탄소(CO2)를 용접부에 직진성있게 공급하기 위한 노즐(402)로 그 구성이 이루어진다.

도 1b의 토오치장치(400)내의 주요 구성인 가스확산기(406)와 통전팁(404)의 일예에 대한 상세 단면도가 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 가스확산기(406) 및 통전팁(404)의 구성은 당 기술분야에 있어서 그 구조가 여러가지 형태로 제안될 수 있으나, 적어도 용접와이어가 지나가는 중심통공(2)(12)과 이산화탄소(CO2)가 방출되는 방출홀(4)(가스확산기(406)의 경우)을 반드시 형성하게 된다. 그리고 가스확산기(406)의 중심통공(2)은 용접와이어보다 그 지름이 큰 내경으로 이루어지나, 통전팁(404)의 중심통공(12)은 전류공급이 가능하도록 용접와이어와 통전이 가능한 범위내에서 용접와이어의 지름과 거의 같은 수준에서 다소 큰 정도로 이루어진다. 여기서 도 2a 및 도 2b의 가스확산기(406) 및 통전팁(404)은 가격(cost) 및 전기전도도를 고려하여 각각 구리(Cu)나 구리합금으로 구성되는 것이 일반적이다.

상기와 같은 구성을 가진 종래의 토오치장치(400)에서의 용접과정을 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명하면 아래와 같다. 용접할 대상인 용접모재(300)에 대하여 토오치장치(400)를 용접구동하게 되면, 용접와이어는 통전팁(404)을 통해 전달된 전류를 통해 모재(300)와 융착하게 되며, 융착되는대로 계속적으로 용접와이어피더부(200)를 통해 용접와이어를 공급받게 된다. 이때 가스확산기(406)의 방출홀(4)을 통해서 이산화탄소(CO2)가 방출되는데, 이렇게 방출된 이산화탄소(CO2)는 노즐(402)을 통해 그 기체흐름이 직진성을 가지고 용접와이어와 모재(300)가 융착되는 부위에 공급된다. 그래서 용접이 진행시에 대기중의 산소(O2)에 의한 산화현상의 발생이 억제되면서, 일련의 용접작업을 수행할 수 있게 된다.

그러나, 도 2a 및 도 2b와 같은 종래의 토오치장치의 구조하에서는 그 구조적 한계에 의해 아래와 같은 문제점을 발생하고 있다. 첫번째로, 통전팁(404)의 중심통공(12)이 그 곳을 지나치는 와이어의 회전에 의해 마모가 발생되는 문제점이 발생한다. 즉, 와이어는 용접와이어피더부(200)에 감겨있는 상태에서 용접작업시 풀어져서 공급되는데, 이때 감겨져 있었던 특성에 기인하여 통전팁(404)의 중심통공(12)을 통해 접촉되면서, 동시에 자체적으로 회전하면서 외부로 빠져나가게 된다.여기서 통전팁(404)의 중심통공(12)의 내면과 와이어가 서로 접촉될 시에, 와이어가 중심통공(12)의 내면을 마모시켜 직경을 넓히게 된다. 따라서 결과적으로 통전(contact)이 어렵게 되며, 아울러서 출력전류 불안정과 스패터(spatter)양의 증가현상을 가속시키게 된다. 그래서 이로부터 용접불량을 야기시켜 용접효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 팁의 잦은 교체에 의한 작업의 번거로움과 함께 비용발생을 초래하게 된다. 두번째로, 용접작업시 발생하는 스패터(spatter)현상으로부터 용접작업의 방해를 억제할 수가 없다. 즉, 용접작업시 아아크(arc)발생에 의해 융해된 와이어의 분해물들이 사방으로 튀게 되는데, 이렇게 튄 분해물들의 일부가 노즐(402)의 내면과 융착하게 되는데, 이렇게 되면 분해물들이 조즐(402) 내면에 꽉 차이게 되고 그 결과 팁의 중심통공(12)과 와이어가 팁의 끝단에서 모재로의 진행을 막게되어 원활한 용접와이어의 공급을 차단시켜 용접작업을 어렵게 한다. 세번째로, 용접작업진행시 번-백(burn-back) 현상발생에 의해 용접와이어와 통전팁(404)이 서로 융착되는 주지의 문제점이 발생하여 작업효율에 심각한 영향을 미치게 되는데, 종래기술에서는 이에 대한 억제책이 없다. 이와 같은 여러 문제점들에 의해 종래의 통전팁(404)구조를 가지는 토오지장치(400)는 작업시간, 작업비용, 작업효율 등에 있어서 커다란 부담을 갖고 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 용접불량을 최소화하여 용접작업의 효율성을 극대화하는 토오치장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 용접작업시 스패터현상에 의한 용접방해를 최소화시키는 토오치장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 번-백현상에 의한 용접와이어와 팁의 융착현상을 현저하게 억제시키는 토오치장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 용접와이어와 접촉이 이루어지는 가스확산기로 그 구조가 이루어지도록 하는 토오치장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 세라믹과 같이 비도전성 또는 부도체로 이루어진 팁을 사용하는 토오치장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은, 용접시스템의 토오치장치에 있어서, 외부에서 공급되는 가스를 확산시키기 위한 중심통공 및 방출홀을 갖되, 상기 중심통공은 외부에서 공급되는 용접와이어와 접촉이 이루어지도록 그 중심통공의 지름이 적어도 일부분에서 제한되어 형성되고 그 제한된 중심통공을 통해 와이어에 용접전류를 전달하는 통전식 가스확산기; 및 상기 통전식 가스확산기에 결합되어 상기 통전식 가스확산기를 통해 전송된 용접와이어를 용접 작업시 고정 및 지지하도록 하는 비도전성 팁를 구비함을 특징으로 하는 토오치장치를 제공한다.

여기에서 본 발명에 의한 상기 비도전성 팁은 세라믹(ceramic) 등의 부도체 팁(tip)으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 특징적 구성을 살피면, 본 발명에 의한 토오치장치에서는, 가스확산기가 용접와이어를 접촉하여 용접전류를 전달하는 메카니즘을 구현하면서, 토오치장치의 가장 외부끝단인 팁은 도전성 팁이던 종래의 구성에서 탈피하여 단지 비통전 가이드(guide) 역할만 담당하는 구성임을 주목하여야 할 것이다.

이하, 상기 본 발명의 여러 목적들을 달성하는 과정 및 그 수단들이 후술되는 상세설명을 통해 상세히 기술하되, 본 발명의 최적의 실시를 위해 본 명세서상에서는 본 발명을 달성하는 가장 바람직한 실시예를 보여주고자 함을 미리 밝혀둔다. 한편, 보다 용이한 이해를 도모하기 위해 첨부도면을 참조하여 설명하되, 가급적 설명에 대한 오해를 방지코자 종래기술의 구성요소에 대응되는 본 발명의 구성요소에 대하여는 가급적 동일부호를 부여하였다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 토오치장치를 구현하기 위한 통전식 가스 확산기 및 비도전성 부도체로서의 세라믹팁에 대한 일 실시예로서의 구성을 보여주고 있다. 본 발명에 의한 토오치장치는 전술한 바 있는 도 1a의 일반적인 용접시스템에 적용되는 것을 예로 들겠다.

먼저, 도 3a는 본 발명에 의한 용접와이어(welding wire) 통전식(contact type) 가스확산기(gas diffuser)(406a)의 단면구성을 보여주고 있다. 그 구성상 특징을 살피면, 도 1의 토오치케이블(500)을 통해 전달되는 용접와이어와 적어도 일부분에서 통전(contact)이 이루어져 용접전류를 전달가능하도록 가스확산기(406)의 중심통공(2a)이 용접와이어(210)의 굵기와 거의 같은 수준에서(도 3a의 상세도 B에 도시된 바와 같이) 다소 큰 지름을 갖도록 그 내경이 형성된다. 예를 들어 용접와이어(210)의 굵기가 1.6mm일 경우에, 본 발명에 의한 가스확산기(406a)의 중심통공(2a)의 지름은 바람직하게는 1.6mm ∼2.0mm로 더욱 바람직하게는 1.65mm정도로 실시구성함이 좋다. 여기서 가스확산기(406a)의 중심통공(2a)의 내경은 용접와이어(210)의 지름보다 약 10%정도 이내로 이루어짐이 바람직하며, 만일 이보다 클시에는 통전(contact)이 어렵게 됨을 밝혀둔다. 또한 본 발명에 의한 통전식 가스확산기(406a)내의 중심통공(2a)의 길이는, 적어도 일부분에서 용접와이어(210)와 접촉이 이루어지는 것을 보장하면서 상기 용접와이어(210)를 안전하게 고정 및 지지하도록 그 길이가 정해져야 한다. 즉, 가스확산기(406a)의 전체길이가, 도면에 도시된 바와 같이, 예컨대 92mm일 경우에 그 중심통공(2a)의 길이는 22mm정도로 실시하면 충분히 본 발명에 의한 목적을 달성할 수 있는 그러한 길이임이 본 발명자들에 의해 확인되었다. 그러나 이 중심통공(2a)의 길이는 상기에서 언급한 바와 같이, 용접와이어(210)와의 접촉과 용접와이어(210)의 고정 및 지지라는 2가지조건을 충족시키는 한에서는 얼마든지 달라질 수 있음을 당 업계에 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 알 수 있을 것이다. 한편 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 통전식식 가스확산기(406a)에서 용접와이어(210)와 접촉이 이루어지는 중심통공(2a)은, 도 1b의 토오치장치(400)에 있어서 토오치케이블(500) 방향의 반대방향, 즉 용접이 이루어지는 팁(404) 방향으로 형성함이 바람직하다. 이는 용접와이어(210)가 도 1b의 팁(404)을 통해 소정의 모재(300)와 용접작업이 이루어지기 때문에, 가급적 팁(404)으로부터 가장 가까운 방향에서 고정 및 지지됨이 바람직하며, 동시에 작업효율을 보장할 수 있기 때문이다. 만일 가스확산기(406a)의 중심통공(2a)이 도 3a에 도시된 것과 다른 방향 또는 다른 지점에 형성된다면, 예컨대 가스확산기(406a)의 길이방향에서 중앙부분이나 또는 토오치케이블(500)측 방향으로 형성된다면, 본 발명의 목적을 어느 정도는 달성할 수 있으나, 그 효과는 도 3a에 도시된 구성에 비해 다소 미흡됨을 주의하여야 한다. 그리고 이러한 본 발명에 의한 용접와이어 통전식 가스확산기(406a)는 종래와 같이 구리(Cu) 또는 구리합금으로 이루어진 재료를 사용하여 실시하면 된다.

한편 도 3a의 구성에서 용접작업시 도 1a의 토오치케이블(500)을 통해 전송된 이산화탄소(CO2)를 외부로 공급하기 위한 방출홀(4)은 종래와 유사하게 그 가스공급량을 고려하여 홀(hole)의 갯수를 정하여 주면 되고, 도 1a의 노즐(500)과 접속고정되는 접촉부(510) 및 팁과 접속고정되는 접촉부(520)는 종래와 마찬가지로 각각 소정의 나사산부가 형성되면 된다. 물론 이와 같은 부분은 향후 디자인(design) 또는 접속 정도를 고려하여 얼마든지 다르게 구현 가능할 것이다.

다음으로 도 3b는 본 발명에 의한 용접와이어 통전식 가스확산기(406a)에 접속고정되는 비도전성 부도체로서의 세라믹팁(404a)의 구성을 간략하게 보여주고 있다. 세라믹(ceramic)과 같은 부도체는, 특히 금속재료분야에 잘 알려진 바와 같이 경도/열화방지/마모성 등이 극히 뛰어난 비도전성 물질임은 잘 알려진 사실이다. 본 발명에 의한 비통전식 팁으로 사용할 시에 그 외관 구성은 용접작업에 적당한 범위내에서, 가급적 기존의 구리계열 팁의 구조와 유사하게 실시 구성하는 용접작업자를 고려하는 측면에서 더욱 유리할 것이다. 물론 재료적 특성이 종래의 구리계팁과 다르게 되므로, 구리계 팁에서 구현이 힘들었던 새로운 모양의 창안도 가능할 것이다. 한편 본 발명에 의한 세라믹팁(404a)은 도 2b에 도시된 바와 같은 종래의 통전팁(404)과 달리 용접와이어(210)와 통전이 필요 없고 가이드(guide) 역할만을 수행하면 되고, 종래에서 문제되었던 번-백(burn-back) 현상에 의한 용접와이어와 팁의 융착은 와이어와 팁의 소재 성격상(팁: 부도체, 와이어: 도체) 완벽히 억제할 수 있게 된다.

종래에는 가스확산기가 단지 용접전류를 전달하면서 이산화탄소를 공급시키는 기능으로 제한되었으나, 본 발명에 의한 가스확산기(406a)는 용접전류를 직접 용접와이어(210)에 접촉을 통한 공급이 가능하므로서, 용접 팁을 세라믹팁(404a) 등의 부도체로 구현가능하게 된다. 여기서 세라믹팁(404a)은 도 1에서 용접을 진행할 용접와이어보다 그 경도가 크게 높기 때문에 용접작업에 의한 마모나 열화등이 방지된다. 종래에는 가스확산기의 구조가 도 2a에 도시된 바와 같이, 용접와이어(210)와 접촉이 이루어지지 않고 단지 용접전류를 전달하면서 이산화탄소(CO2)를 방출하는 기술에 불과하여 팁을 통전식으로 구현할 수 밖에 없어서 부도체팁을 사용할 수가 없었다. 그러나 본 발명에서는 가스확산기의 구조가 도 3a에 도시된 바와 같이 이산화탄소(CO2)의 방출이라는 기능외에 용접와이어(210)를 접촉(contact)하여 용접전류를 전달하는 기능까지 더 포함함에 의해, 팁이 통전 가능한 재료로 만들 필요가 없게 되어 세라믹 등의 부도체팁의 구현이 가능하게 된다.

본 발명에 의한 도 3a 및 도 3b의 구성을 함께 살피면, 도 3a의 가스확산기(406a)에 도 3b의 세라믹팁(404a)을 접속고정한 후, 도1a에 도시된 바와 같이, 토오치장치(400)에 장착하여 용접작업을 진행하게 되면, 용접와이어보다 용접와이어가 끼워진 세라믹팁(404a)이 더욱 경도가 높기 때문에 팁이 닳을 염려가 없게 된다. 그리고 이 세라믹팁(404a)은 경도가 잘 알려져 있는 바와 같이, 구리 또는 구리합금보다 훨씬 더 경도가 우수하여, 용접와이어(210)가 용접작업시 회전하면서 외부로 빠져나가도 그 내면이 닳을 염려가 없게 된다. 그래서 용접와이어(210)를 신뢰성있게 고정할 수 있게 된다. 또한 용접작업시 스패터현상이 발생하여도 세라믹팁(404a)은 비도전성 물질이기 때문에 융해된 용접와이어의 일부가 튀어도 팁과 융착될 염려가 없게 된다. 한편, 본 발명에 의한 세라믹팁(404a)이 비통전식이어서 용접전류에 의해 제대로 용접작업이 이루어지지 않게 판단되어질 수도 있으나, 본 발명에 의한 가스확산기(406a)에서의 용접전류만으로 용접작업이 원활하게 이루어졌음이 본 발명자들에 의해 확인되었다. 이는 용접이 이루어지는 모재(300)부위와 가스확산기(406a)와의 거리가 대략적으로 30 내지 50mm 이내인 범위내에서는 용접작업을 정상적으로 수행할 수 있게 되기 때문임을 밝혀둔다.

본 발명은 상기에 기술한 바와 같이, 가스확산기의 구조를 용접와이어를 접촉하는 것이 가능하도록 되는 것을 실현함에 의해, 용접팁을 세라믹팁으로 구성하는 것을 구현한다. 따라서 세라믹팁의 내면마모나 열화가 방지되어 용접효율을 크게 상승시키는 효과를 발휘하게 된다. 아울러서 스패터현상에 기인하는 용접불량을 최소화할 수 있다. 그리고 번-백현상에 의한 용접와이어와 팁의 융착을 현저하게 억제할 수 있다. 한편 구리 또는 구리합금에 비해 세라믹의 단가(cost)가 더 높게 되나, 용접작업시 구리 또는 구리합금으로 이루어진 용접팁들은 마모나 열화에 의해 잦게 교체가 이루어지는 것을 감안한다면 본 발명에 의한 세라믹 등의 부도체팁은 반영구적 사용이 가능하므로 그 작업비용에 있어서 크게 비용을 절감할 수 있는 부가적 효과를 얻게 된다.

도 1a는 일반적인 용접시스템을 보여주는 개략도.

도 1b는 토오치장치의 주요부분을 나타내는 사시도.

도 2a는 종래기술에 의한 토오치장치의 가스확산기에 대한 구조를 보여주는 단면도.

도 2b는 종래기술에 의한 토오치장치의 용접와이어 통전식 팁의 예를 보여주는 단면도.

도 3a는 본 발명에 의한 토오치장치의 용접와이어 통전식 가스확산기 구조를 보여주는 단면도.

도 3b는 본 발명에 의한 토오치장치의 세라믹팁의 구조를 보여주는 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 본체 200 : 용접와이어피더부

300 : 모재 400 : 토오치장치

500 : 토치케이블 406 : 가스확산기

404 : 통전팁 408 : 절연통

406a : 통전식 가스 확산기 404a : 세라믹팁

402 : 노즐 2, 2a, 12, 12a : 중심통공

4 : 가스방출홀

Claims (2)

1. 용접시스템의 토오치장치에 있어서,

   외부에서 공급되는 가스를 확산시키기 위한 중심통공 및 방출홀을 갖되, 상기 중심통공은 외부에서 공급되는 용접와이어와 접촉이 이루어지도록 그 중심통공의 지름이 적어도 일부분에서 제한되어 형성되고 그 제한된 중심통공을 통해 와이어에 용접전류를 전달하는 통전식 가스확산기;

   통전식 가스확산기에 결합되어 상기 통전식 가스확산기를 통해 전송된 용접 와이어를 용접 작업시 고정 및 지지하도록 하는 비도전성 팁

   를 구비함을 특징으로 하는 토오치장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 부도체팁이 세라믹으로 이루어짐을 특징으로 하는 토오치장치.

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