KR100584967B1

KR100584967B1 - 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마자동용접방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100584967B1
Application number: KR1020020027104A
Authority: KR
Inventors: 권오종; 김형식; 김경주; 박영진
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2006-05-29
Also published as: CN100519039C; JP2003334662A; KR20030089071A; CN1778511A; FR2839667B1; FR2839667A1; JP3793750B2

Abstract

본 발명은 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법 및 그 장치에 관한 것으로, 그 목적은 멤브레인 박판의 이음부에 플라즈마 용접을 적용하고, 이로 인해 작업능률 및 생산성을 향상시키며, 멤브레인 박판 이음부의 각 부위마다 최적의 조건을 부여하여 용접품질을 향상시킬 수 있는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 평면부와 곡면부를 구비하는 멤브레인 박판 이음부의 곡면부를 다수개의 구간으로 분할하고, 각 구간별 최적 용접조건을 부여하며, 광센서에 의해 곡면부를 감지하여 두개의 접촉식 센서 민감도 향상시킴과 동시에, 용접토치의 θ축에 설치된 포텐쇼메타를 작동하고, 두개의 접촉식 센서 출력편차값과 포텐쇼메타의 출력전압값에 의해 곡면부에서의 용접토치 각도를 인식한 다음, 각 구간에 해당하는 검출전압이 인식되면, 해당되는 구간의 용접조건을 최적 용접조건으로 가변/설정하여 멤브레인 박판 겹치기 이음부를 펄스 플라즈마 용접하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

멤브레인, LNG, 플라즈마용접, 펄스용접, 곡면다분할

Description

멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법 및 그 장치{Automatic Plasma Welding Method for the Lap Joint of Membrane Sheets}

도 1 은 본 발명에 따른 전체 구성을 보인 예시도

도 2 는 본 발명에 따른 신호흐름 구성을 보인 예시도

도 3 은 본 발명에 따른 구간인식 및 곡면부 구간 분할 흐름도

도 4 는 본 발명에 따라 멤브레인 박판의 구간분할 상태를 보인 예시도

도 5 는 본 발명에 따른 작동상태를 보인 예시도

도 6 은 본 발명에 따른 펄스 용접전류와 시간과의 관계를 보인 예시도

도 7 은 본 발명에 따른 접촉식 센서가 설치된 캐리지의 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(100) : 캐리지 (110) : 용접토치

(120) : 가이드레일 (130,140): 접촉식 센서

(150) : 앰프 (160) : 광센서

(170) : 포텐쇼메타 (180) : 용접토치각 이동용 드라이버

(190) : 토치각 이동모터 (200) : 플라즈마 용접기부

(300) : 플라즈마 가스저장부 (400) : 보호가스 저장부

(500) : 제어기부 (510) : 게이트

(520) : 아날로그-디지털 변환기 (530) : 접촉식 센서의 민감도부

(600) : 인터페이스 (700) : 리모콘부

(800) : 터치스크린 (900) : 용접부재

본 발명은 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법 및 그 장치에 관한 것으로, 멤브레인형 LNG 저장탱크의 내면에 설치되고 평면 및 곡면부위를 구비하는 박판 스테인레스강의 겹치기 이음부를 플라즈마 자동용접에 의해 최적의 조건에서 신속하게 용접할 수 있는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 용접은 접합하려는 두 금속재료 즉, 모재의 접합부를 가열하여 용융 또는 반용융상태로 하여 모재만으로 또는 모재와 용가재를 융합하여 접합하는 방법으로, 아크용접, 가스용접, 테르밋용접, 일렉트로슬랙용접, 전자빔용접 등등으로 분류되며, 아크용접의 경우, 전극의 소모여부에 따라 사용전극이 소모되는 소모식(Consumable)과, 사용전극이 소모되지 않는 비소모식(Non Consumable) 용접법으로 분류된다. 이들 중, 비 소모식 용접법의 대표적인 용접기법으로 가스 텅스텐 아 크용접(GTAW, Gas Tungsten Arc Welding) 및 플라즈마 용접(Plasma Welding)등이 있으며, 각각 고유한 특성과 사용용도에 따라 수동 또는 자동용접으로 분류할 수 있다.

상기 가스텅스텐 아크용접은 Ar, He등과 같은 불활성가스를 보호가스(Shield gas)로 사용하면서 비소모성 전극인 텅스텐 전극과 모재 간에 발생된 아크열로 모재를 용융시켜 접합하는 용접법으로, 별도의 용가재를 공급하여 모재와 함께 용융시키기도 한다. 보호가스로는 모재와 텅스텐 전극 봉의 산화를 방지하기 위하여 불활성가스인 Ar이나 He등을 사용하므로 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접으로 부르기도 한다. 본 용접법은 모든 용접자세에 적용할 수 있으며, 아크가 매우 안정되고 용접부 품질이 우수하므로 산화나 질화 등에 민감한 재질의 용접이나 저 입열 고품질 시공이 요구되는 경우에 사용된다.

상기 플라즈마 아크용접은 고속으로 분출되는 플라즈마 젯트를 이용한 용접법으로, TIG용접의 특수한 형태라고 할 수 있다. 플라즈마 용접에서는 보호가스 외에도 플라즈마 가스가 별도로 공급되고, 텅스텐 전극봉은 수냉형 수축노즐 내부에 위치한다. 이 용접법의 특징은 아크가 수축노즐에 의해 수축되어 원통형상을 가지기 때문에 노즐과 모재 사이의 거리가 변하더라도 아크 열원을 받는 모재 부위의 면적은 거의 변하지 않는다는 것이다. 결국 플라즈마 아크용접은 수축노즐에 의해 아크의 집중성을 향상시킨 측면을 제외하고는 TIG 용접공정과 거의 동일하다고 할 수 있다.

또한, 펄스 전류는 진 정전류 전원(True Constant Current Power)은 용접작 업 중 항상 동일한 전류 값을 공급하기 때문에 아크 길이에 따라서 전류 값이 변화하지 않으므로 아크 길이가 제한되어 있는 GTAW 및 플라즈마 용접에 아주 큰 이점이 있다.

그러나, 용융지(Molten Puddle) 및 용입의 크기를 조정하기 위하여 전류의 변화가 요구되어 2단계 수준의 전류를 연속적으로 변화시키면서 공급해주는 기계장치가 개발되었으며, 이때, 출력되는 전류 값이 맥동파를 가진다하여 이를 펄스 전류(Pulse Current)라 한다. 이러한 펄스용접은 전자세(Out-of Position) 용접이나 편면 용접부의 초층 용접용으로 많이 사용되는데, 이는 용융 금속이 흘러내리는 것을 방지하므로 용접을 올바로 진행하는데 매우 유리하기 때문이다.

종래에는 상기의 용접방법 중, 장비의 구성, 제어, 신호전달 등의 어려움으로 인하여 멤브레인 박판의 겹치기 이음부에 TIG 용접법을 사용하였다. 그러나, 멤브레인 박판의 겹치기 이음부는 직선부와 곡선부를 가지며, 특히 곡선부의 경우 용접토치의 지향방위가 연속적으로 변화될 뿐만 아니라 가공오차나 취부(Fit-up) 시 발생되는 조립오차 등으로 인하여 건전한 용접결과를 도출하기가 어려운 문제점이 있었다.

또한, 상기 TIG 용접은 플라즈마 용접법에 비해 용접속도가 느리고, 이로 인해 작업능률이 저하될 뿐만 아니라, 멤브레인 박판의 평면부(Flat Part)와 곡면부 (Corrugated Part)의 교차부나 곡면부의 변곡 부위에서 용접결함이 많이 발생되는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 멤브레인 박판의 이음부에 플라즈마 용접을 적용하고, 이로 인해 작업능률 및 생산성을 향상시키며, 멤브레인 박판 이음부의 각 부위마다 최적의 조건을 부여하여 용접품질을 향상시킬 수 있는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 평면부와 곡면부를 구비하는 멤브레인 박판 이음부의 곡면부를 다수개의 구간으로 분할하고, 각 구간별 최적 용접조건을 부여하며, 광센서에 의해 곡면부를 감지하여 두개의 접촉식 센서 민감도 향상시킴과 동시에, 두개의 접촉식 센서 출력편차값에 의해 용접토치의 θ축을 이동시키고, 용접토치의 θ축에 설치된 포텐쇼메타의 출력전압값에 의해 곡면부에서의 용접토치 각도를 인식한 다음, 각 구간에 해당하는 검출전압이 인식되면, 해당되는 구간의 용접조건을 최적 용접조건으로 가변/설정하여 멤브레인 박판 겹치기 이음부를 펄스 플라즈마 용접하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

평면 및 곡면부를 가지는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부 용접 시, 용접 토치의 지향방위가 변화하므로 우수한 품질을 얻기 위해서는 용접장의 부위별로 각기 다른 용접조건을 적용하여야 한다. 특히, 곡면 시작부(Foot부)와 곡면 종료부(Foot 부)에서 용접토치의 자세가 정확하지 않거나, 용접조건이 적절하지 못하면 입열과다, 입열부족 등으로 원하는 용접비드가 생성되지 않거나 용접결함이 빈번히 발생한다. 따라서, 멤브레인 박판의 용접장을 복수 구간으로 나누고, 각 부위에 적합한 최적의 용접조건을 설정해야만 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 전체 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 신호흐름 구성을 보인 예시도를, 도 6 은 본 발명에 따른 펄스 용접전류와 시간과의 관계를 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 멤브레인 박판 겹치기 이음부를 펄스 플라즈마 용접에 의해 용접하는 것으로, 용접토치(110)를 이동시키는 캐리지(100)와, 상기 캐리지(100)가 이동되는 가이드레일(120)과, 상기 용접토치(110)로 용접전력을 공급하는 플라즈마 용접기부(200)와, 상기 플라즈마 용접기부(200) 및 용접토치(110)와 연결되는 플라즈마 가스저장부(300) 및 보호가스저장부(400)와, 상기 플라즈마 용접기부(200) 및 캐리지(100)와 연결되는 제어기부(500)와, 상기 제어기부(500)와 연결되는 인터페이스부(600)와 리모콘부(700) 및 터치스크린부 (800) 등을 포함하여 구성되어 있다.

상기 캐리지(100)는 용접토치(110)가 고정되어 있으며, 가이드레일(120)을 따라 전/후 이동되고, 두개의 접촉식 센서(130,140)와 광센서(160) 및 포텐쇼메타 (170)가 설치되어 부재의 상태를 인식하며, 토치각도를 조절하면서 주행한다.

상기 용접토치(110)는 주행방향인 Ｘ축 방향으로 용접라인을 따라 전후 이동되고, Ｙ축 슬라이더에 의해 상하 이동되며, Ｚ축 슬라이더에 의해 용접라인을 기 준으로 좌우 이동되도록 캐리지(100)에 설치되어 있다.

또한, 상기 용접토치(110)는 용접토치각 이동용 드라이버(180)에 의한 토치각 이동모터(190)에 의해 용접부재(900)에 대응하여 용접토치(110)가 변화하는 각(이하 'θ축'이라 칭함)이 부재면에 수직이 되게 변화하도록 되어 있다.

상기 플라즈마 용접기부(200)는 펄스전류를 출력하고, 보호가스 및 플라즈마 가스를 별도 제어하는 기능 및 토치를 냉각하는 기능이 내장되어 있다.
상기 보호가스 저장부(400)는 보호가스가 저장되는 것으로, 플라즈마 용접기부와 연결된다.
상기 플라즈마 가스저장부(300)는 플라즈마 가스가 저장되는 것으로, 플라즈마 용접기부와 연결된다.
상기 보호가스 저장부(400)와 플라즈마 가스저장부(300)는 가스를 저장하는 널리공지된 저장수단이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 터치스크린(800)은 각 구간별로 가변되는 용접조건을 구체적으로 설정하고, 데이터를 저장하며, 표시하는 기능을 한다. 또한, 터치스크린은 용접부위의 형상 및 각 부위별 용접조건의 설정을 위해 도식화되어 구성되어 있다.

상기 제어기부(500)는 PLC(Programmable Logic Controller)로 구현되며, 용접부 위치를 인식하는 부분과, 터치스크린에서 입력된 용접조건이 출력될 수 있도록 하는 용접기 출력 제어부분 및, 용접 토치를 지지하고 용접선을 따라 이동하는 캐리지를 제어하는 부분으로 구성되어 있다.

상기 터치스크린(800)과 제어기부(500)는 통신 유니트(Unit)를 통해 용접조건을 주고받으며, 제어기부(500)는 터치스크린(800)을 통해 받은 용접조건이 출력되도록 용접기에 지령신호를 내보냄과 동시에 캐리지(100)를 제어한다.

상기 캐리지(100)에 연결/설치되어 있는 두개의 접촉식 센서(130,140)는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부(용접부재)에 접촉되어 센싱하는 것으로, 캐리지(100) 진행방향에 대하여 용접토치(110)보다 선행하도록 설치되어 있으며, 도 7 에 도시된 바와 같이 용접토치와 주행방향(X축)으로 캐리지의 동일 선상에 위치하도록 설 치되어 있으며, 상기 두개의 접촉식 센서는 일측 접촉식 센서(140)가 선행하고 또다른 접촉식 센서(130)가 후행하도록 약 1~5㎜ 간격을 유지하고 설치되어 있다. 이때, 상기 후행하는 접촉식 센서(130)는 토치 높이 인식용 센서이며, 선행하는 접촉식 센서(140)는 후행하는 접촉식 센서와의 출력값 차이를 비교하여 현재 부재각을 인식하는 토치 부재각 인식용 센서이다.

즉, 상기 두개의 접촉센서(130,140)에 의해 멤브레인 박판의 겹치기 이음부(용접부재)의 표면상태가 감지되고, 상기 접촉식 센서(130,140)의 감지신호는 제어기부(500)로 입력되고, 제어기부(500)에 의해 용접토치각 이동용 드라이버(180)를 작동하여 토치각 이동모터(190)를 작동시키도록 되어 있다.

상기 광센서(160)는 두개의 접촉센서 중, 선행하는 일측 접촉센서(140)와 멤브레인 박판 겹치기 이음부(용접부재)와의 접촉점보다 약 10∼15㎜ 정도 선행하는 지점을 검출(광센서 포인트)하도록 캐리지(100)에 설치되어 있어, 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 평면부(910)에서 곡면부(920)로의 변화지점을 검출한다. 상기 광센서(160)는 비접촉식 센서로서, 센서와 부재와의 거리에 따라 출력되는 값이 변하게 된다. 즉, 캐리지(100)가 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 평면부(910)를 이동할 경우, 센서와 부재와의 거리에 변화가 없으므로, 측정되는 값은 '오프' 상태(평면인식상태)로 되며, 캐리지(100)가 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 평면부(910)를 이동하다 곡면부(920)에 근접할 경우, 센서와 부재와의 거리가 가까워지게 되고 이로 인해 측정되는 값이 '온' 상태(곡면인식상태)가 된다.

상기와 같이 광센서(160)에 의해 검출된 곡면부(920) 인식신호는 제어기부 (500)로 입력되고, 상기 제어기부(500)에서는 입력된 광센서(160)의 검출신호에 따라 두개의 접촉식 센서(130,140)에 대한 민감도를 조절하도록 되어 있다. 즉, 광센서(160)에 의해 곡면부(920)가 검출되면, 상기 곡면부 검출신호는 제어기부(500)로 전송/입력되고, 제어기부(500)에서는 상기 곡면부 검출신호에 의해 접촉식 센서 (130,140)의 민감도를 "대"로 선택하여 증가시킨다. 또한, 광센서(160)에 의해 평면부(910)가 검출되면, 상기 평면부 검출신호는 제어기부(500)로 전송/입력되고, 제어기부(500)에서는 평면부 검출신호에 의해 접촉식 센서의 민감도를 "소"로 선택하여 감소시키도록 되어 있다.

상기 민감도는 접촉식 센서의 검출능력을 향상시킨 것으로, 민감도를 "대"로 할 경우, 접촉식 센서에 의한 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 표면상태 검출간격시간(두개의 접촉식 센서 출력편차값의 검출 간격시간)이 짧게되고, 검출된 신호를 신속하게 처리(토치각 이동모터에 인가되는 지령신호의 게인값을 크게)하여 용접토치각 이동용 드라이버(180)로의 신호전달을 신속하게 하도록 되어 있어, 평면부 (910)에서 곡면부(920)로의 변환시, 용접토치(110)의 회전을 신속하고 용이하게 할 수 있다.

또한, 민감도를 "소"로 할 경우, 접촉식 센서에 의한 멤브레인 박판 겹치기 이음부(용접부재)의 표면상태 검출속도 및 검출간격시간이 민감도를 "대"로 선택할 시에 비해 늘어나도록 즉, 두개의 접촉식 센서 출력편차값의 검출 간격시간을 길게 하고, 토치각 이동모터에 인가되는 지령신호의 게인값을 작게하여 평면부(910)의 용접진행시 불필요한 검출을 방지하여 용접작업을 용이하게 할 수 있도록 되어 있다.

상기 포텐쇼메타(170)는 광센서(160)의 곡면부(920) 감지에 의해 용접토치각 이동용 드라이버(180) 및 토치각 이동모터(190)에 의해 회전되는 용접토치의 회전각을 측정하는 것으로, 광센서(160)에 의해 곡면부(920)가 검출되면, 상기 검출신호에 따라 제어기부(500)에 의해 작동되어 용접토치(110)의 회전각이 인식되고, 인식된 회전각에 대한 해당 전압값을 출력하여 제어기부의 게이트(510)로 전송/입력한다.

즉, 상기 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 용접시, 용접토치(110)는 특별한 경우가 아니면 용접부재에 대하여 수직을 유지하여야 하므로, 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 곡면부 용접시, 용접부재(900)에 대하여 용접토치(110)가 수직을 유지하기 위해서는 곡면부(920)를 다수개의 구간으로 분할하고, 각각의 구간마다 용접토치의 각도를 조절해야 한다. 이때, 상기 용접토치의 회전각은 포텐쇼메타(170)에 의해 감지되고, 포텐쇼메타(170)는 해당 전압값을 출력, 제어기부(500)로 입력하게 되며, 제어기부(500)에서는 포텐쇼메타(170)의 출력값과 미리 설정된 각 구간별 전압값을 비교하여 해당 구간이 최적의 용접조건으로 용접될 수 있도록 용접조건을 가변하도록 되어 있다.

예를 들어, 포텐쇼메타(170)의 출력전압범위를 0∼15 Ｖ로 하고, 토치의 θ축이 좌측(용접토치가 좌측에 위치하고, 용접부재가 우측에 위치하는 경우)으로 완 전히 이동했을 때를 0Ｖ, 토치의 θ축이 우측(용접토치가 우측에 위치하고 용접부재가 좌측에 위치하는 경우)으로 완전히 이동했을 때 15Ｖ가 출력되도록 설정하면, 평면부(910) 용접중 일때는 7Ｖ가 검출되고, 곡면부(920)를 오르기 시작하면서 전압이 7Ｖ이하로 점차 감소하여 풋(Foot)부(평면부에서 곡면부로의 변화지점) 근처에서 0Ｖ가 검출된다. 이때, 용접토치는 좌측으로 완전히 눕혀졌음을 나타낸다. 또한, 곡면부(920) 꼭대기를 향해 이동하면 다시 전압이 증가하며 꼭대기 부분에 다다르면 다시 7Ｖ가 검출된다. 또한, 다시 곡면부(920)를 서서히 내려오면 전압이 증가하여 풋(Foot)부(곡면부에서 평면부로의 변화지점) 근처에서 15Ｖ가 검출된다. 이때, 상기 용접토치는 우측으로 완전히 눕혀졌음을 나타낸다. 또한 용접토치가 다시 평면부(910)로 전환이 되면 포텐쇼메타(170)의 출력전압이 15Ｖ로부터 감소하여 7Ｖ 상태로 유지된다.

이와 같이 본 발명은 두개의 접촉식 센서(130,140)에 의해 검출된 감지신호는 각각의 앰프(150)를 통해 증폭된후 제어기부(500)로 입력되고, 아날로그-디지털 변환기(520)를 통해 디지털 신호로 변환되어 게이트(510)로 전송/입력된다. 또한, 광센서(160)에 의해 검출된 감지신호는 제어기부(500)로 입력되고 입력된 값에 따라 제어기부(500)에서 민감도부(530)의 접촉식 센서의 민감도를 조절함과 동시에 포텐쇼메타(170)에 의해 용접토치(110)의 회전각을 측정하며, 상기 조절된 민감도 값 및 포텐쇼메타의 출력전압값은 제어기부의 게이트(520)로 전송/입력된다.

상기와 같이 접촉식 센서의 출력값, 민감도 대/소 값 및 포텐쇼메타 측정값 등 다수개의 값이 게이트(520)로 전송/입력되면, 게이트(520)에서는 입력된 값에 따라 용접토치각 이동용 드라이버(180)를 작동하여 캐리지(100)에 설치된 용접토치(110)의 회전각을 변경하게 되고, 각 구간에 따라 최적의 용접조건이 부여된다.

이때, 상기 각 구간은 용접부재 및 조건에 따라 필요에 의해 다수개의 구간으로 분할 할 수 있으며, 각 구간별 최적의 용접조건 변수로는 펄스전류의 피크전류(P), 베이스 전류(B), 펄스 주파수(F) 및 용접속도 등을 사용할 수 있다. 상기 피크전류(P)는 모재를 가열 및 용융하는 역할을 하고, 용접부 용입에 영향을 미친다. 상기 베이스전류(B)는 용융풀을 냉각하거나 응고시키는 역할을 수행한다. 또한, 펄스 주파수(F)는 용접부 전반에 걸쳐 일정한 용접비드 결을 얻는데 영향을 미친다. 즉, 용접속도가 빠른 곳에서는 펄스 주파수를 높여주고, 용접속도가 느린 곳은 펄스 주파수를 낮게 설정하여 전체적으로 용접속도가 가변되더라도 용접비드 결이 일정 간격을 유지하도록 되어 있다. 또한, 각 구간별 용접조건은 터치스크린을 사용하여 구현하며, 용접부위별 형상, 용접부위별 용접조건을 도식화하여 설정하고 저장하므로, 사용자가 편리하게 활용할 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기와 같은 용접조건의 구현방법은 곡면부(920)를 포텐쇼메타(170)를 통해 인식하고, 원하는 구간에 해당하는 포텐쇼메타(170) 출력이 나오는 곳에서 용접조건이 가변되도록 제어기부(500)에서 용접기부(200)로 내보내는 지령신호를 조정한다.

이때, 적용된 용접조건의 범위로는 평면부(910)에서 피크전류 70∼80Ａ, 베이스전류 8∼20Ａ, 펄스주파수 2∼5㎐이며, 곡면부(920)에서 피크전류 35∼50Ａ, 베이스전류 8∼15Ａ, 펄스주파수 1.5∼4㎐이다.

도 3 은 본 발명에 따라 멤브레인 박판의 구간분할 상태를 보인 예시도를, 도 4 는 본 발명에 따른 구간인식 및 곡면부 구간 분할 흐름도를, 도 5 는 본 발명에 따른 작동상태를 보인 예시도를 도시한 것으로, 평면부(910)에서는 용접토치 (110)의 각도변화가 거의 없으므로, 상기 기재된 바와 같이 평면부(910)에서는 두개의 접촉식 센서(130,140)에 대한 민감도를 작게 하여 오차검출 샘플링시간을 크게 하여도 되나, 곡면부(920)에서는 용접조건이 평면부(910)와 달라지므로, 평면부 (910)와 구별해야할 필요가 있으며, 용접토치(110)의 각도를 굴곡변화에 대응하여 조절하여야 한다.

상기와 같이 용접토치의 각도를 멤브레인 박판 겹치기 이음부(용접부재)의 표면 굴곡변화에 대응하기 위해서는 용접토치각 이동용 드라이버(180)에 의해 회전되는 용접토치의 회전각을 감지하여야 하며, 본 발명은 상기 용접토치의 회전각을 포텐쇼메타(170)에 의해 감지하고, 이를 게이트(510)로 전송/입력하도록 되어 있다. 즉, 본 발명의 캐리지(100)에는 광센서(160)와 두개의 접촉식 센서(130,140) 및 포텐쇼메타(170)가 설치되어 있으며, 상기 광센서(160)의 곡면부(920) 감지에 의해 포텐쇼메타(170)가 작동되며, 포텐쇼메타(170)의 작동에 의해 용접토치(110)의 회전각이 검출되도록 되어 있다.

이하 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 용접구간을 도 3 에 도시된 바와 같이 C1∼C6의 6개 구간으로 나누고, 이를 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축 슬라이더에 의해 용접토치를 이동하고, 상기 용접토치가 설치된 캐리지(100)가 가이드레일(120)을 따라 전후 이동되는 캐리지(100)의 일측 즉, 용접토치(110)에 선행하는 위치에 두개의 접촉식 센서(130,140)를 설치하며, 상기 접촉식 센서(130,140)에 선행하도록 캐리지(100)에 광센서(160)를 설치한다.

멤브레인 박판 겹치기 이음부(용접부재)에 가이드레일(120)을 설치하고, 상기 가이드레일(120)을 따라 용접토치(110)가 설치된 캐리지(100)를 이동시키면서, 멤브레인 박판 겹치기 이음부(용접부재)의 용접라인을 따라 용접한다.

상기와 같이 용접라인을 따라 캐리지(100)가 이동되면, 광센서(160)가 용접토치 선단에 위치하는 두개의 접촉식 센서(130,140) 중, 선행하는 접촉식 센서 (140) 보다 약 10㎜ 선단부를 검출하고, 두개의 접촉식 센서(130,140)는 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 표면에 접촉되면서 이동되어 표면상태를 감지하게 된다.

이때, 상기 용접토치가 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 평면부(C1구간)를 용접할 경우, 평면부(C1구간)는 표면에 굴곡의 변화가 거의 없으므로, 광센서(160)에 의해 검출되는 검출값에 변화가 없고, 선행하는 접촉식 센서(140)의 출력값과 후행하는 접촉식 센서(130)의 출력값 사이에 편차가 없거나 극히 미세한 편차가 발생하게 된다.

상기와 같이 접촉식 센서(130,140)의 출력값 편차가 없고, 광센서(160)에 의한 굴곡변화 감지가 없으면, 용접토치(110)의 각도는 변화하지 않게 된다. 또한, 상기 광센서(160)에 의한 곡면부(920) 검출신호가 없으므로, 포텐쇼메타(170)에 의 한 용접토치의 회전각도를 측정하지 않게 된다.

또한, 이때는 평면부를 용접하는 것이므로, 사용전류를 높게, 용접속도를 빠르게 하는 평면용접조건을 부여한다.

실시예 2

Ｘ축, Ｙ축, Ｚ축 슬라이더에 의해 용접토치가 이동하고, 상기 용접토치가 설치된 캐리지(100)가 가이드레일을 따라 전후 이동되는 캐리지(100)의 일측 즉, 용접토치에 선행하는 위치에 두개의 접촉식 센서를 설치하며, 상기 접촉식 센서에 선행하도록 캐리지(100)에 광센서(160)를 설치한다.

멤브레인 박판 겹치기 이음부에 가이드레일을 설치하고, 상기 가이드레일을 따라 용접토치가 설치된 캐리지(100)를 이동시키면서, 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 용접라인을 따라 용접한다.

상기와 같이 용접라인을 따라 캐리지(100)가 이동되면, 광센서(160)가 용접토치 선단에 위치하는 두개의 접촉식 센서(130,140) 중, 선행하는 접촉식 센서 (140)보다 약 10㎜ 선단부를 검출(광센서 포인트)하고, 두개의 접촉식 센서 (130,140)는 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 표면에 접촉되면서 이동되어 표면상태를 감지하게 된다.

이때, 상기 광센서(160)에 의해 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 평면부(910)에서의 곡면부(920)로의 전환지점(C2구간)이 감지되면, 상기 감지된 신호는 제어기부(500)로 입력되고, 제어기부(500)에 의해 포텐쇼메타(170)가 작동됨과 동시에, 제어기부의 민감도부(530)에서 접촉식 센서의 민감도가 "소"에서 "대"로 변환되며, 제어기부(500)에 의해 용접토치각 이동용 드라이버(180)가 작동되어 용접토치의 진행방향에 대하여 용접품질에 영향을 주지 않는 범위에서 전진각으로 수직방향에서 약 6∼7°의 예비기울기를 용접토치(110)에 부여한다. 이때, 상기 용접토치에 부여되는 예비기울기의 회전정도는 포텐쇼메타(170)에 의해 감지되며, 광센서(160)의 포인트는 접촉식 센서(140)보다 약 10∼15㎜ 선단지점에 있으므로, 실제로 곡면부 (920) 시작점 보다 약 10∼15㎜ 앞선 지점부터 곡면부(920) 용접조건이 출력되도록 된다.

실시예 3

상기와 같이 용접라인을 따라 캐리지(100)가 이동되면, 광센서(160)가 용접토치 선단에 위치하는 두개의 접촉식 센서(130,140) 중, 선행하는 접촉식 센서 (140)보다 약 10㎜ 선단부를 검출하고, 두개의 접촉식 센서(130,140)는 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 표면에 접촉되면서 이동되어 표면상태를 감지하게 된다.

이때, 상기 광센서(160)에 의해 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 곡면부(C2구간)가 감지되어, 용접토치에 예비기울기가 주어지고, 두개의 접촉식 센서가 평면부 (910)에서 곡면부(920)로의 변화지점(C2구간)에 도달하면, 선행하는 접촉식 센서 (140)의 출력값과, 후행하는 접촉식 센서(130)의 출력값 편차에 따라 용접토치각 이동용 드라이버(180)가 토치각 이동모터(190)를 작동하여 변화지점(C2,C6구간) 및 곡면부 (920, C3∼C5구간)에 따라 용접토치의 θ축을 좌측 또는 우측으로 회전시키며, 상기 θ축의 변화값을 포텐쇼메타(170)가 감지하여 제어기부(500)로 입력한다.

즉, 용접부재에 대하여 용접토치가 상향 이동(C2,C3,C4 구간) 중일 경우, 접촉식 센서(140)의 출력값이 접촉식 센서(130)의 출력값보다 크게 되므로, 접촉식 센서(130,140)의 출력 편차값은 양의 값이 되고, 용접토치의 θ축은 좌측으로 회전하게 되며, 이때, 포텐쇼메타(170)는 0∼7Ｖ의 출력전압값을 구비하게 되고, 출력전압값은 제어기부(500)로 입력된다.

또한, 용접부재에 대하여 용접토치가 하향 이동(C4,C5,C6구간) 중일 경우, 접촉식 센서(140)의 출력값이 접촉식 센서(130)의 출력값보다 작게 되므로, 접촉식 센서(130,140)의 출력편차값은 음의 값이 되고, 용접토치의 θ축은 우측으로 회전하게 된다. 이때, 포텐쇼메타(170)는 7∼15Ｖ의 출력전압값을 구비하게 되고, 출력전압값은 제어기부(500)로 입력된다.

상기와 같이 포텐쇼메타(170)의 출력전압값이 입력되면, 제어기부(500)는 포텐쇼메타(170)의 출력값에 따라 C1∼C6 의 구간을 검출하고, 각 구간에 해당되는 최적의 용접조건을 부여하도록 되어 있다.

실시예 4

상기와 같이 용접라인을 따라 캐리지(100)가 이동되면, 광센서(160)가 용접토치 선단에 위치하는 두개의 접촉식 센서(130,140) 중, 선행하는 접촉식 센서 (130)보다 약 10㎜ 선단부를 검출하고, 두개의 접촉식 센서(130,140)는 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 표면에 접촉되면서 이동되어 표면상태를 감지하게 된다.

이때, 상기 두개의 접촉식 센서(130,140)는 C6 구간을 지나 C1 구간으로 다시 진입할 경우, 출력 편차값이 '음의 값'에서 '0'으로 변하게 되며, 이를 포텐쇼메타(170)가 감지하여 제어기부(500)로 출력값을 전송/입력하고, 제어기부(500)에서는 용접구간을 평면부(C1구간)로 인식하게 된다. 즉, 용접구간을 평면부(910) 용접으로 인식하여 실시예 1 과 같이 포텐쇼메타(170)에 의한 용접토치의 회전각도를 측정하지 않게 되고, 두개의 접촉식 센서(130,140)의 민감도를 '대'에서 '소'로 변 화시키게 된다.

상기와 같이 본 발명은 광센서(160)의 출력상태가 오프(C1구간 인식)일 경우, 평면부 용접조건(사용전류 높게, 용접속도 빠르게, θ축 변화 검출 둔감)이 출력되고, 두개의 접촉식 센서(130,140)의 민감도가 '소'로 설정되며, 광센서(160)의 출력상태가 온(C2구간 인식)일 경우, 토치전진각(6∼7°이동되고, 두개의 접촉식 센서의 민감도가 '소'에서 '대'로 설정된다.

또한, 두개의 접촉식 센서 출력편차값에 의해 C2 구간의 도달이 감지되고, 용접토치의 회전각이 변화되면, 상기 용접토치의 회전각을 포텐쇼메타(170)에 의해 감지하여 회전각을 인식한 후, C2 구간에 대한 최적의 용접조건이 부여되고, 최적의 용접조건에 의해 C2 구간이 용접된다.

포텐쇼메타(170)에 의해 C2 구간의 용접완료가 감지되면, 다시 C3 구간 용접조건이 출력되어 C2 구간에 연속하여 C3 구간을 자동용접하게 된다. 이때, 두개의 접촉식 센서의 민감도는 '대'를 유지한다.

상기와 같이 포텐쇼메타(170)의 감지에 의해 C3∼C6 구간까지의 용접조건이 모두 출력되어 곡면부(920)의 용접이 모두 완료되면, 다시 광센서(160)의 출력상태 (온/오프)에 따라 반복하여 용접작업을 수행하도록 되어 있다. 또한, 상기 C1∼C6 구간의 용접진행중에는 터치스크린(800)에 진행중인 용접구간이 표시되도록 되어 있다.

또한, 본 발명은 곡면부(920)를 C1∼C6 구간의 6 구간이 아니라, 용접부재(900)의 굴곡정도에 따라 다수개의 구간으로 나누어 최적의 용접조건을 설정할 수 있으며, 이때의 용접구간 역시 포텐쇼메타(170)의 출력값에 의해 감지하여 해당되는 구간별로 최적의 용접조건을 부여할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 광센서에 의해 평면부에서 곡면부로의 변환지점을 감지하고, 이를 통해 접촉식 센서의 민감도를 향상시키도록 되어 있어, 평면부에서 곡면부로의 변화에 대응하여 용접토치의 각도를 용이하게 변화할 수 있다.

또한, 곡면부를 검출하는 광센서의 검출 포인트가 접촉식 센서의 검출지점보다 약 10∼15㎜ 선행하는 지점을 검출하도록 되어 있어, 실제 곡면부 시작지점보다 약 10∼15㎜ 선행하는 지점에서부터 곡면부 용접조건이 출력되므로, 평면부에서 곡면부로의 변화에 따라 용접조건 가변을 용이하게 하고, 이로 인해 평면부에서 곡면부로의 변화지점에 대한 용접결함을 방지할 수 있다.

또한, 상기 광센서의 곡면부 검출신호에 따라 용접토치의 진행방향에 대해 전진각으로 약 6∼7°기울이도록 되어 있어, 부재형상 변화에 따라 순간적으로 용접토치의 θ축 이동량을 줄일 수 있으며, 이로 인해 θ축의 변화에 신속하게 대응할 수 있다. 또한, 평면부의 빠른 주행속도로 인해 발생되는 곡면부 시작지점과 용접토치의 접촉 및 이로 인한 용접결함을 방지할 수 있다.

또한, 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 평면부에서 곡면부로의 변화시점 및 곡면부 인식을 캐리지에 설치되어 있는 광센서와 두개의 접촉식 센서 및 포텐쇼메타에 의해 용이하게 파악할 수 있어, 해당 구간에 대하여 최적의 용접조건을 부여할 수 있으며, 이로 인해 용접비드의 불균일, 용접결함 등으로 인한 용접품질 저하를 미연에 방지할 수 있다.

또한, 각 구간별 용접조건 변수로 펄스전류의 피크전류, 베이스 전류, 펄스 주파수 및 용접속도 등의 다양한 요소를 제어하므로, 최적의 용접조건을 부여할 수 있다.

또한, 포텐쇼메타의 출력전압값에 의해 용접토치의 θ축 회전 정도를 감지할 수 있어, 각 구간별 파악이 용이하고, 해당 구간별 최적의 용접조건 가변을 용이하게 할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims

멤브레인 박판 겹치기 이음부의 용접방법에 있어서;

평면부와 곡면부를 구비하는 멤브레인 박판 겹치기 이음부의 곡면부를 다수개의 구간으로 분할하고, 각각의 구간별 최적의 용접조건을 설정하는 단계;

상기 멤브레인 박판 겹치기 이음부에 가이드레일을 설치하고 가이드레일에 의해 평면부 용접라인을 따라 캐리지를 이동하여 평면부 용접라인을 용접하는 단계;

상기 캐리지 선단에 설치되고 두개의 접촉식 센서 중, 선행하는 일측 접촉식 센서의 용접부재 검출지점에서 10∼15㎜ 선행하는 지점을 검출포인트로 하는 광센서에 의해 평면부에서 곡면부로의 변화지점을 검출하는 단계;

상기 광센서에 의한 곡면부 검출신호가 제어기부로 전송/입력되는 단계;

상기 입력된 광센서의 검출값에 따라 제어기부에 의해 두개의 접촉식 센서 민감도가 '소'에서 '대'로 전환되고, 캐리지에 설치된 용접토치가 용접토치의 진행방향에 대해 전진각으로 6∼7°예비기울기를 구비하게 되며, 포텐쇼미터가 '온'상태로 변환되어 용접토치의 회전각을 검출하는 단계;

상기 용접토치와 주행방향(X축)으로 캐리지의 동일 선상에 설치된 두개의 접촉식 센서에 의해 멤브레인 박판 겹치기 이음부 표면의 곡면부를 인식하는 단계;

상기 두개의 접촉식 센서에 의해 검출된 감지신호는 각각의 앰프를 통해 증폭된후 제어기부로 입력되고, 아날로그-디지털 변화기를 통해 디지털 신호로 변환되어 제어기부의 게이트로 전송/입력되며, 두개의 접촉식 센서의 출력 편차값에 의해 제어기부가 용접토치각 이동용 드라이버를 통해 토치각 이동모터를 작동하여 용접토치의 θ축을 용접부재에 수직되게 회전시키는 단계;

상기 용접토치의 θ축 회전을 포텐쇼메타에 의해 감지하여 출력 전압값을 제어기부로 전송하는 단계;

상기 제어기부로 입력된 포텐쇼메타의 출력 전압값에 따라 각 구간에 해당하는 전압신호가 검출되면, 해당 구간을 인식하고 용접조건을 가변하는 단계;

상기 용접토치의 각도값이 수평면에 대하여 수직으로 일어나는 시점을 기준으로 평면부로 인식하고 다시 평면부 용접을 행하는 단계를 통해,

멤브레인 박판 겹치기 이음부의 평면부 및 곡면부를 인식하여 펄스 플라즈마 용접하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
제 1 항에 있어서;

상기 두개의 접촉식 센서는 토치 높이 인식용 센서와 용접토치의 현재 부재각을 인식하는 토치 부재각 인식용 센서이며, 토치 부재각 인식용 센서가 토치 높이 인식용 센서에 선행하여 검출하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
제 1 항에 있어서;

상기 민감도 '대'는 두개의 접촉식 센서 출력편차값의 검출시간을 짧게하고, 토치각 이동모터에 인가되는 지령신호의 게인값을 크게 하여 용접부재의 굴곡변화에 토치각도가 신속하게 대응하도록 한 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
제 1 항에 있어서;

상기 민감도 '소'는 두개의 접촉식 센서 출력편차값의 검출간격시간을 크게 하고, 토치각 이동모터에 인가되는 지령신호의 게인값을 작게 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
삭제
제 1 항에 있어서;

상기 설정되는 용접조건은 펄스전류의 피크전류, 베이스전류, 주파수, 용접속도인 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
제 6 항에 있어서;

상기 펄스전류의 피크전류는 평면부에서 피크전류 70∼80Ａ, 곡면부에서 피크전류 35∼50Ａ인 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
제 6 항에 있어서;

상기 베이스 전류는 평면부에서 베이스전류 8∼20Ａ, 곡면부에서 베이스전류 8∼15Ａ 인 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
제 6 항에 있어서;

상기 펄스주파수는 평면부에서 펄스주파수 2∼5㎐이고, 곡면부에서 펄스주파수 1.5∼4㎐인 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
삭제
제 1 항에 있어서;

상기 제어기부의 게이트는 포텐쇼메타의 출력전압값, 두개의 접촉식 센서 민감도, 두개의 접촉식 센서 출력 편차값이 입력되고 용접토치각 이동용 드라이버로 제어기부의 지령신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접방법.
삭제
멤브레인 박판 겹치기 이음부의 용접장치에 있어서;

상기 용접장치는 용접토치가 고정되고, 가이드레일을 따라 전/후 이동되며, 두개의 접촉식 센서와 광센서 및 포텐쇼메타가 설치되는 캐리지와;

상기 캐리지와 연결되고 펄스전류를 출력하며, 보호가스 및 플라즈마 가스를 별도 제어함과 동시에 용접토치를 냉각하는 플라즈마 용접기부;

상기 보호가스가 저장되고 플라즈마 용접기부와 연결되는 보호가스 저장부;

상기 플라즈마 가스가 저장되고 플라즈마 용접기부와 연결되는 플라즈마 가스저장부;

상기 플라즈마 용접기부 및 캐리지와 연결되고, PLC(Programmable Logic Controller)로 구현되며, 용접부 위치를 인식하는 인식부분과, 터치스크린에서 입력된 용접조건이 출력될 수 있도록 하는 용접기 출력 제어기부분 및 용접 토치를 지지하고 용접선을 따라 이동하는 캐리지를 제어하는 캐리지 제어기부분을 구비하는 제어기부;

상기 제어기부와 통신 유니트(Unit)를 통해 연결되고, 용접조건을 설정/저장하는 터치스크린 및 인터페이스부를 포함하되,

상기 용접토치는 주행축인 X축 방향으로 용접라인을 따라 전후 이동되고, Ｙ축 슬라이더에 의해 상하 이동되며, Ｚ축 슬라이더에 의해 용접라인을 기준으로 좌우 이동됨과 동시에, 용접토치각 이동용 드라이버에 의한 토치각 이동모터에 의해 θ축이 가변되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접장치.
제 13 항에 있어서;

상기 포텐쇼메타는 용접토치의 θ축에 설치되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접장치.
제 13 항에 있어서;

상기 용접토치, 두개의 접촉식 센서, 광센서는 용접라인을 따라 선행하도록 광센서, 두개의 접촉식 센서, 용접토치가 순차적으로 캐리어에 설치된 것을 특징으로 하는 멤브레인 박판의 겹치기 이음부용 펄스 플라즈마 자동용접장치.