KR100746959B1 - 예열식 용접 방법 및 용접 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 예열식 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것으로,

재질이 상이한 복수의 모재를 용접하는 예열식 용접 방법에 있어서, 용접 모재를 로딩하여 상기 용접 모재의 용접부를 저주파 가열하는 가열단계와; 가열된 상기 용접부의 온도를 측정하여, 용접부의 온도가 250℃ 이하이면 상기 용접 모재를 가열단계로 복귀시키고, 용접부의 온도가 250℃~300℃에 해당하면 가열된 용접 모재를 이송하여 용접기로 로딩하는 가열 온도 측정단계와; 상기 이송된 용접 모재의 용접부의 온도를 측정하여, 상기 용접부의 온도가 180℃ 이하이면 상기 용접 모재를 가열단계로 복귀시키고, 상기 용접부의 온도가 180℃ 이상이면 전자빔을 발생하여 상기 용접부를 용접하는 용접단계로 이루어지며, 상기 가열단계와 상기 가열 온도 측정단계와 상기 용접단계는 100초 이내에 이루어지는 것을 특징으로 하여,

용접 모재를 특정 온도로 예열하여 용접을 수행하여 용접부의 팽창균열을 방지하고, 용접 강도를 증가시키는 효력을 발휘하는 발명이다.

용접 장치, 가열 장치

Description

예열식 용접 방법 및 용접 장치 {Preheating welding method and device}

도 1은 일반적인 유성 기어 장치의 단면도,

도 2는 일반적인 유성 기어 장치에 장착되는 캐리어의 단면도,

도 3은 상이한 재질의 용접 모재와 동일한 재질의 용접 모재에 따른

용접예를 나타낸 예시도,

도 4는 용접 모재의 종류에 따른 비틀림 파단 시험 결과를 나타낸 그래프,

도 5는 용접 모재의 온도에 따른 비틀림 파단 시험 결과를 나타낸 그래프,

도 6은 용접 모재를 가열 후 용접부의 온도 변화를 나타내는 그래프,

도 7은 본 발명에 의한 예열식 용접 방법의 알고리즘을 나타내는 순서도,

도 8은 본 발명에 의한 예열식 용접 장치의 주요 구성 요소인 가열장치를

나타내는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

110 : 하단부 120 : 상단부

130 : 승강부 140 : 가열부

150 : 온도 측정부 160 : 제어부

본 발명은 예열식 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것으로, 재질이 상이한 모재를 용접시, 특정 온도로 용접 모재를 예열한 후 용접작업을 행하여, 열 전도율 차이에 의한 용접부의 팽창 균열을 방지하고, 용접 강도를 증가시켜 용접 품질의 향상을 도모하기 위한 발명이다.

종래의 통상적인 전자 빔 용접 방법에 의하여 상이한 재질을 가지는 용접 모재를 용접하는 경우, 용접 모재의 열 전도율 차이에 의해 용접이 어긋나게 되는 문제점이 있었다.

특히 유성 기어 장치와 같이 회전시 강한 토크가 발생하는 용접 모재를 용접하는 경우에는 용접부의 접합상태를 고강도로 유지하는 것이 요구되어 일반적으로 전자빔 용접이 이루어지고 있으나, 상기와 같은 요인으로 인하여 제품의 안정성에 문제점이 발생하였다.

이하 첨부한 도면에 의하여 종래의 전자 빔 용접 방법에 대한 문제점을 알아본다.

도 1은 일반적인 유성 기어 장치의 단면도이고, 도 2는 일반적인 유성 기어 장치에 장착되는 캐리어의 단면도이다.

상기 유성 기어 장치는 선 기어, 링 기어 및 캐리어의 회전을 제어하여 각 기어간의 상대 운동에 의해 터어빈에서 공급되는 회전력을 적절한 변속비로 변환하여 추진축으로 전달하는 것으로, 서로 치합된 한 쌍의 기어에 대하여 2개의 기어가 각각 자전하는 동시에 한쪽 기어가 다른쪽 기어의 축을 중심으로 하여 공전하여 회전수와 토크를 조정하는 역할을 한다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 일반적인 유성 기어 장치는 엔진의 구동력을 전달하는 입력축(10)과, 상기 입력축(10)과 스플라인 결합하여 일체로 회동하는 선 기어(20)와, 상기 선 기어(20)와 치합하는 복수의 피니언 기어(30)와, 내주면에 치차열이 형성되고 상기 피니언 기어(30)와 치합하는 링 기어(40)와, 상기 링 기어(40)의 측면에 위치하고 상기 피니언 기어(30)의 축단부와 결합하여 회전하는 캐리어(50)로 구성되어 있다.

상기 선 기어(20)의 회전 속도는 피니언 기어(30)들의 공전 속도에 의해 감속되며, 아울러 피니언 기어(30)의 공전운동에 의하여 캐리어(50)가 회전한다. 이때 캐리어(50)의 출력축에는 선 기어(20)의 입력과 비교하여 회전속도는 감소하는 반면, 토크는 증대되어 상대적으로 상기 캐리어(50)에 강한 토크가 작용하게 된다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 상기 캐리어(50)는 샤프트(51)와 컵(52)이 용접 결합하여 형성되는데, 상기 샤프트(51)의 재질은 경도가 강한 강판(SCM722H2)이고 상기 컵(52)의 재질은 상기 샤프트(51)와 상이한 열처리 된 압연 강판(SAPH400)으로 이루어져, 상기 캐리어(50)의 조립을 위해서는 서로 다른 재질의 부품을 용접하여야 했다.

도 3은 상이한 재질의 용접 모재와 동일한 재질의 용접 모재에 따른 용접예를 나타낸 예시도인데, 도 3에서 예시하는 바와 같이 용접 모재의 재질이 서로 동일한 경우(a)에는 용접이 좌우 대칭으로 전 깊이 용접이 가능하게 되나, 용접 모재의 재질이 서로 상이한 경우(b)에는 좌우 대칭으로 이루어지지 않고, 팽창율의 차이에 의해 용접이 한 쪽으로 치우치는 현상이 발생하였다.

도 4는 용접 모재의 종류에 따른 비틀림 파단 시험 결과를 나타낸 그래프인데, 도 4에서 도시하는 바와 같이 동일 재질일수록 전 깊이 용접이 가능하여 비틀림 토크도 크게 되나, 서로 상이한 재질인 경우, 전 깊이 용접을 행할 수 없는 문제점과 함께 상온에서 용접시 용접부의 급격한 온도 상승으로 인하여 용접 모재의 재질이 취성이 강한 조직으로 변하여 비틀림 토크가 작아지는 문제점이 발생하였다.

따라서 종래의 통상적인 전자 빔 용접 방법에 의하여 상이한 재질을 가지는 용접 모재를 용접하는 경우, 용접부에 비틀림 토크가 작아지게 되며, 특히 상기 캐리어(50)와 같이 비틀림 토크를 크게 받는 부품의 경우, 용접 불량과 함께 제품의 안정성과 견고성이 감소하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 재질이 상이한 모재를 용접하는 경우, 용접 모재를 특정 온도로 예열하여 용접부의 조직을 이완시킨 후 용접을 수행하여 열 전도율 차이에 의한 용접부의 팽창균열을 방지하고, 용접 강도를 증가시켜 용접 품질을 향상을 도모하는데 그 목적이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 재질이 상이한 복수의 모재를 용접하는 예열식 용접 방법에 있어서, 용접 모재를 로딩하여 상기 용접 모재의 용접부를 저주파 가열하는 가열단계와; 가열된 상기 용접부의 온도를 측정하여, 용접부의 온도가 250℃ 이하이면 상기 용접 모재를 가열단계로 복귀시키고, 용접부의 온도가 250℃~300℃에 해당하면 가열된 용접 모재를 이송하여 용접기로 로딩하는 가열 온도 측정 단계와; 상기 이송된 용접 모재의 용접부의 온도를 측정하여, 상기 용접부의 온도가 180℃ 이하이면 상기 용접 모재를 가열단계로 복귀시키고, 상기 용접부의 온도가 180℃ 이상이면 전자빔을 발생하여 상기 용접부를 용접하는 용접 단계로 이루어지며, 상기 가열단계와 상기 가열 온도 측정단계와 상기 용접단계는 100초 이내에 이루어지는 것을 특징으로 하는 예열식 용접 방법과,

재질이 상이한 복수의 모재를 용접시 용접 모재를 예열하는 가열 장치를 포함하는 예열식 용접 장치에 있어서, 상기 가열 장치는, 하단부와; 상기 하단부와 대향으로 위치하여 승강부에 의해 승 하강하는 상단부와; 상기 하단부와 상단부의 끝단부에 위치하고, 저주파를 발생시켜 용접 모재의 용접부를 가열하는 가열부와; 상기 가열부와 인접하여 위치하여 상기 가열부의 온도를 측정하는 온도 측정부와; 상기 온도 측정부로부터 전달된 상기 가열부의 온도를 피드백하여 용접 모재의 용접부 온도를 250℃~300℃로 조절하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 예열식 용접 장치로 이루어져 있다.

이하 첨부한 도면에 의하여 본 발명에 의한 예열식 용접 방법을 상세히 설명한다.

도 5는 용접 모재의 온도에 따른 비틀림 파단 시험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 용접 모재를 가열 후 용접부의 온도 변화를 나타내는 그래프이며, 도 7은 본 발명에 의한 예열식 용접 방법의 알고리즘을 나타내는 순서도이다.

도 7에서 도시하는 바와 같이 본 발명은 재질이 상이한 복수의 모재를 용접 하는 예열식 용접 방법에 있어서, 용접 모재를 로딩하여 상기 용접 모재의 용접부를 저주파 가열하는 가열단계와; 가열된 상기 용접부의 온도를 측정하여, 용접부의 온도가 250℃ 이하이면 상기 용접모재를 가열단계로 복귀시키고, 용접부의 온도가 250℃~300℃에 해당하면 가열된 용접 모재를 이송하여 용접기로 로딩하는 가열 온도 측정단계와; 상기 이송된 용접 모재의 용접부의 온도를 측정하여, 상기 용접부의 온도가 180℃ 이하이면 상기 용접 모재를 가열단계로 복귀시키고, 상기 용접부의 온도가 180℃ 이상이면 전자빔을 발생하여 상기 용접부를 용접하는 용접단계로 이루어지며, 상기 가열단계와 상기 가열 온도 측정단계와 상기 용접단계는 100초 이내에 이루어지는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

도 5는 용접 모재의 온도에 따른 비틀림 파단 시험 결과를 나타낸 그래프로, 용접 모재를 예열하여 용접하는 경우, 용접 강도의 향상 여부를 확인하기 위한 시험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 5에서 도시하는 바와 같이, 용접 모재의 온도를 약 200℃에서 예열하여 용접 작업을 행한 후 비틀림 강도를 측정한 결과, 제품의 성질이 변하지 않으며 비틀림 강도가 급격히 상승하는 것을 알 수 있다.

다만 예열 온도가 150℃ 이하인 경우에는 예열 효과가 미미하고, 예열 온도가 300℃를 초과하는 경우에는 조직변화가 발생하여 재질 자체의 성질이 변하게 되 는 문제점이 있어, 상기 가열 단계의 예열 온도는 250℃~300℃로 유지하여 실시함이 타당하다.

도 6은 용접 모재를 가열 후 용접부의 온도 변화를 나타내는 그래프로, 서로 다른 재질의 용접 모재를 순간적으로 용접하는 경우, 용접 전 조직을 이완(180℃~250℃)시켜 용접하기 위해 적정온도를 유지하는 소요 시간을 측정한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 6에서 도시하는 바와 같이, 용접 모재를 가열 후, 온도 센서를 이용하여 각 부분의 온도 변화를 확인 시, 상기 가열 단계의 저주파 가열 사양인 145Hz로 약 20초간 가열 시, 원 재질의 특성을 변하지 않도록 초기 가열 온도를 300℃를 넘지 않으며, 조직의 이완이 유지되는데 필요한 온도인 180℃를 유지하는데 소요되는 시간은 약 100초가 된다.

따라서 상기 가열 단계와 상기 가열 온도 측정단계와 상기 용접단계는 100초 이내에 이루어지도록 구성하여 실시함이 타당하다.

도 7은 본 발명에 의한 예열식 용접 방법의 알고리즘을 나타내는 순서도이다.

이에 의하면, 전자빔 용접 이전단계인 예열 단계인 가열장치에서 수행되는 예열 과정(C)과 종래의 일반적인 용접기에 의해 수행되는 용접과정(D)으로 이루어져 있다.

상기 예열 과정(C)의 가열단계는 용접 모재를 가열 장치로 로딩하여, 로딩된 용접 모재의 용접부에 상하 코일을 삽입 후, 용접부를 저주파 가열한다.

가열 온도 측정단계의 경우, 가열된 상기 용접부의 온도를 측정하여, 용접부의 온도가 250℃ 이하이면 상기 용접 모재를 가열단계로 복귀시켜 가열 단계에서 적정 온도에 이를 때까지 재가열한다.

반면, 용접 모재의 용접부 온도가 용접단계에서 용접되기 위한 적정 온도인 180℃~250℃를 유지하기 위해서는, 용접 장치로의 이송 시간 등을 고려하여, 예열 시 용접 모재의 용접부 온도를 상기의 온도보다 높은 250℃~300℃로 유지하는 것이 적당하므로, 용접 모재의 용접부 온도가 250℃~300℃를 유지하는 것으로 측정 시, 가열된 용접 모재를 용접기로 이송한다.

용접단계에서는 가열되어 이송된 용접 모재의 용접부 온도를 측정하여, 용접부의 온도가 180℃ 이하인 경우에는 상기 용접부를 가열단계로 복귀시키고 복귀된 용접 모재는 상기 가열 단계에서 적정 온도에 이를 때까지 재가열한다.

반면 상기 용접부의 온도가 180℃ 이상이면 통상적인 전자빔 용접장치에 의하여 상기 용접부를 용접한다.

이때 전술한 바와 같이 예열 단계에서 가열한 후, 용접 작업을 위해 용접기까지 이송시, 예열된 용접 모재 온도가 변동하는 것을 고려하여, 상기 가열 단계와 상기 가열 온도 측정단계와 상기 용접단계는 100초 이내에 이루어지도록 실시함이 타당하다.

이하 첨부한 도면에 의하여 본 발명에 의한 예열식 용접 장치를 설명한다.

도 8은 본 발명에 의한 예열식 용접 장치의 주요 구성 요소인 가열장치를 나타내는 개략도이다.

도 8에서 도시하는 바와 같이, 본 발명은 재질이 상이한 복수의 모재를 용접시 용접 모재를 예열하는 가열 장치를 포함하는 예열식 용접 장치에 있어서, 상기 가열 장치는, 하단부(110)와; 상기 하단부(110)와 대향으로 위치하여 승강부(130)에 의해 승 하강하는 상단부(120)와; 상기 하단부(110)와 상단부(120)의 끝단부에 위치하고, 저주파를 발생시켜 용접 모재의 용접부를 가열하는 가열부(140)와; 상기 가열부(140)와 인접하여 위치하여 상기 가열부(140)의 온도를 측정하는 온도 측정부(150)와; 상기 온도 측정부(150)로부터 전달된 상기 가열부(140)의 온도를 피드백하여 용접 모재의 용접부 온도를 250℃~300℃로 조절하는 제어부(160)로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 예열식 용접 장치의 경우 종래의 통상적인 전자빔 용접기에 예열 작용 을 하는 가열장치를 부가하여 실시하는 것으로, 예열 작용을 하는 가열장치의 경우, 상기 하단부(110)와 상단부(120)는 슬라이딩 가능하도록 결합 되어 상단부(120)에 장착된 승강부(130)에 의해 상기 상단부(120)는 승하강 가능하도록 구성하여 실시한다.

또한 상기 하단부(110)와 상단부(120)의 끝단부에 위치하는 가열부(140)의 경우, 통상적으로 사용하는 저주파 열처리 발생 장치를 사용하여 실시하며, 대략 150Hz~200Hz의 주파수로 가열하여 사용함이 타당하다.

상기 가열부(140)와 인접하여 위치한 온도 측정부(150)는 통상의 감지 센서를 사용하여 상기 가열부(140)의 온도를 측정하며, 상기 제어부(140)는 상기 온도 측정부(150)에서 송신되는 전기적 신호에 의해 상기 가열부(140)의 온도를 피드백하여 용접 모재의 용접부 온도를 250℃~300℃로 조절하도록 실시한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 재질이 상이한 모재를 용접하는 경우, 용접 모재를 특정 온도로 예열하여 용접부의 조직을 이완시킨 후 용접을 수행하여 열 전도율 차이에 의한 용접부의 팽창균열을 방지하고, 용접 강도를 증가시켜 용접 품질을 향상시키는 효력을 발휘하는 발명이다.

Claims (2)

1. 재질이 상이한 복수의 모재를 용접하는 예열식 용접 방법에 있어서,

   용접 모재를 로딩하여 상기 용접 모재의 용접부를 저주파 가열하는 가열단계와;

   가열된 상기 용접부의 온도를 측정하여, 용접부의 온도가 250℃ 이하이면 상기 용접 모재를 가열단계로 복귀시키고, 용접부의 온도가 250℃~300℃에 해당하면 가열된 용접 모재를 이송하여 용접기로 로딩하는 가열 온도 측정단계와;

   상기 이송된 용접 모재의 용접부 온도를 측정하여, 상기 용접부의 온도가 180℃ 이하이면 상기 용접 모재를 가열단계로 복귀시키고, 상기 용접부의 온도가 180℃ 이상이면 전자빔을 발생하여 상기 용접부를 용접하는 용접단계로 이루어지며,

   상기 가열단계와 상기 가열 온도 측정단계와 상기 용접단계는 100초 이내에 이루어지는 것을 특징으로 하는 예열식 용접 방법.
2. 재질이 상이한 복수의 모재를 용접시 용접 모재를 예열하는 가열 장치를 포함하는 예열식 용접 장치에 있어서, 상기 가열 장치는,

   하단부와;

   상기 하단부와 대향으로 위치하여 승강부에 의해 승 하강하는 상단부와;

   상기 하단부와 상단부의 끝단부에 위치하고, 저주파를 발생시켜 용접 모재의 용접부를 가열하는 가열부와;

   상기 가열부와 인접하여 위치하여 상기 가열부의 온도를 측정하는 온도 측정부와;

   상기 온도 측정부로부터 전달된 상기 가열부의 온도를 피드백하여 용접 모재의 용접부 온도를 250℃~300℃로 조절하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 예열식 용접 장치.

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