KR100857048B1 - 금속들의 용접시 열영향부의 특성들을 모니터링 및 제어하는 방법 - Google Patents

금속들의 용접시 열영향부의 특성들을 모니터링 및 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

금속 피스들의 용접시에 다수의 정량화 가능 열영향부("HAZ") 특성중 적어도 하나를 모니터링 및 제어하는 방법 및 시스템은 용접에 대한 적어도 제 1정량화 가능 HAZ 특성에 관한 정보를 사용자에게 제공하고, 제조 컴포넌트의 성능에 관한 성공 기준을 만족하는 정량화 가능 HAZ 특성을 가진 용접을 획득하기 위하여 용접장치의 동작조건을 제어한다.

Description

금속들의 용접시 열영향부의 특성들을 모니터링 및 제어하는 방법{Method for monitoring and controlling characteristics of the heat affected zone in a weld of metals}
도 1은 금속판 또는 스트립의 세로 에지들에 대향하게 단조 용접에 의하여 튜브를 형성하는 종래기술을 기술한 도면.
도 2(a)는 도 1의 튜브를 형성하기 위한, 금속판 또는 스트립의 대향 세로 에지들의 단조 용접과 연관된 파라미터들을 도시한 도면.
도 2(b)는 라인 A-A를 따라 취한 도 2(a)의 튜브에 대한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 열영향부 특성 시스템의 전형적인 실시예를 기술한 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 도 3의 장치를 동작시키기 위한 전형적인 바람직한 실시예를 기술한 흐름도.
도 5는 본 발명에 따른 도 3의 시스템에 의하여 발생되는, 용접 공정 인자들, 용접 공정 인자들의 조건들, 용접의 HAZ 특성을 나타내는 양들을 제어하기 위한 전형적인 바람직한 디스플레이를 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
212: 마이크로제어기 214: GUI
216: 용접 장치 224: 제어 모듈
230: 프로세스 250: 제어 바
본 발명은 일반적으로 금속 피스들의 용접, 특히 금속 피스들의 용접시 열영향부의 정량화 가능한 특성들을 모니터링 및 제어하는 것에 관한 것이다.
용접은 두개 이상이 금속 피스들을 결합하기 위하여 수행되는 알려진 공정이다. 용접시, 동일한 또는 다른 금속학적 특성들을 가질 수 있는 금속 피스들은 그들의 용융온도(들)로 가열된다. 그 다음에, 규정된 압력량은 금속 피스들이 접촉되도록 금속 피스들에 공급되며, 이러한 접촉은 금속 피스들의 재료들이 함께 유동되어 혼합되도록 한다. 그 다음에, 금속 피스들은 냉각되며, 이는 금속 피스들의 재료들이 함께 유동되는 영역이 응고되도록 하여 금속 피스들을 결합한다.
아크 용접, 스폿 용접, 레이저 용접 및 단조 용접과 같이 금속 피스들을 용접하기 위한 많은 잘 알려진 공정들이 존재한다. 임의 용접 공정을 수행함으로서 생성되는 용접의 특성들은 이하의 용접 공정 인자들, 즉 용접될 피스들의 기하학적 및 재료(금속학적) 특성들, 용접을 수행하기 위하여 사용되는 용접 장치, 용접이 수행된때 용접 장치를 제어하는 동작, 및 용접장치를 사용하는 오퍼레이터(용접사)의 경험에 대한 함수이다. 용접 공정 인자들은 용접 공정동안 발생하는 금속(들)의 변형에 영향을 미치고 용접의 특성을 결정하는 변수이다.
예컨대, 고주파수 전류들이 함께 용접될 부분들을 가열하기 위하여 사용되는 단조 용접에서, 스트립이 전진함에 따라 에지 부분들이 용접점들에서 만나도록 금속 시트 또는 스트림이 접혀질때 획득되는 튜브의 벽 두께 및 외부 직경이 용접의 특성들에 강한 영향을 미친다는 것은 예컨대 여기에 참조문헌으로서 통합되는 미국특허 제2,774,857호, 제3,037,105호 및 제4,197,441호에 개시되어 있다. 더욱이, 주파수 단조 용접에서, 전류의 각각의 주파수("용접 주파수"), 전력("용접 전력"), 및 금속 부분들이 용접점을 통해 전진하는 속도("밀(mill) 속도")는 용접의 특성에 영향을 미친다. 스폿 용접에서, 금속 피스들에 공급된 전류의 듀티 사이클은 용접의 특성에 영향을 미친다. 토치 용접에서, 플레임의 기하학적 형태 및 플레임이 결합될 금속 피스들상에서 제거되는 속도는 용접의 특성에 영향을 미친다.
용접의 특성들이 제조 컴포넌트의 성능을 한정하는 용접 기술이 알려져 있다. 용접이 제조 컴포넌트의 성능과 관련한 성공 기준을 만족하는지의 여부를 결정하기 위한 잘 알려진 기술은 모든 용접 공정들에서 생성되는 용접의 열영향부("HAZ")에 대한 특성들을 검사하는 것이다. HAZ은 마이크로구조 및 기계적 특성들이 용접을 위하여 가해지는 열에 의하여 변경되는 금속(들)을 포함한다. HAZ의 특성들은 폭, 프로파일(형상) 및 재료(금속학적) 특성들과 같은 정량화 가능 특성들을 포함하며, 이러한 특성들은 경도, 연성, 인성 및 강도를 포함한다.
용접 산업은 성공 기준을 만족하는 용접이 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성들중 하나 이상의 특성을 제어함으로서 획득될 수 있다는 것을 인식하였다. 그러나, 현재, 용접의 정량화 가능 HAZ 특성이 성공 기준을 만족하는지의 여부는 용 접이 생성된후에만 그리고 용접의 파괴성 분할에 의해서만 결정될 수 있다. 따라서, 만일 용접 장치의 오퍼레이터가 파괴성 분할에 의하여 용접을 검사하지 않으면, 오퍼레이터는 성공 기준을 만족하는 용접을 획득하기 위하여 경험에 의해서만 의존해야 한다. 비록 오퍼레이터가 일반적으로 성공 기준을 만족하는 용접을 사전에 획득한 용접 공정 인자들에 대한 조건들을 알지라도, 단조 용접 장치가 동작할 필요가 있는 밀 속도 및 단조 용접 장치가 제조될 필요가 있는 튜브의 벽 두께와 같은 용접 공정 인자들에 대한 요건들이 변화할때, 오퍼레이터는 성공 기준을 만족하는 용접을 획득하기 위하여 단조 용접 장치에서 용접 주파수 및 용접 전력의 밴런스를 조절하는 방법과 같이 용접 공정 인자들의 조건들을 수정하는 방법들을 알 도록 하는 지식을 더이상 가지지 못한다. 오퍼레이터는 성공 기준을 별도로 만족하는 용접을 획득하는 용접 공정 인자들에 대한 조건들의 지식만을 사용할 수 있다. 용접 공정 인자들에 대한 요건이 변화될때, 오퍼레이터는 용접의 정량화 가능 HAZ 특성들중 하나 이상의 특성이 성공 기준을 계속해서 만족하도록 다른 용접 공정 인자들중 일부 인자에 대한 조건을 변화시키는 방식에 관한 정보 또는 상기 방식을 결정하는 이용가능한 방법을 알지 못한다.
따라서, 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성들중 하나 이상의 특성들이 제조 컴포넌트의 성능과 관련한 성공 기준을 만족하는 용접을 용접 장치를 사용하여 획득할 확률을 증가시키기 위하여 용접 장치의 오퍼레이터가 사용할 수 있는 도구를 사용하기에 편리하고 저렴한 도구에 관한 필요성이 요구된다. 도구는 바람직하게 용접에 대한 용접 공정 인자들에 대한 조건들에 기초하여 HAZ의 정량화 가능 특성 들중 적어도 하나를 모니터링 하는 방법을 용접장치의 오퍼레이터에 제공하고 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 제조 컴포넌트의 성능에 관한 성공기준을 만족하는 용접을 획득해야 하는 용접 공정인자들에 대한 조건들을 조절 오퍼레이터에게 알린다. 더욱이, 도구는 바람직하게 정량화 가능 HAZ 특성들중 적어도 하나를 수정하기 위하여 용접 공정 인자들중 하나 이상의 인자들에 대한 조건을 수동으로 또는 자동으로 제어하는 방법을 제공하고, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 제조 컴포넌트의 성능에 관한 성공 기준을 만족하는 용접을 획득한다.
본 발명의 목적은 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성들중 하나 이상의 특성들이 제조 컴포넌트의 성능과 관련한 성공 기준을 만족하는 용접을 용접 장치를 사용하여 획득할 확률을 증가시키기 위하여 용접 장치의 오퍼레이터가 사용할 수 있는 편리하고 저렴한 도구를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 금속 피스들의 용접시에 열영향부("HAZ")의 정량화 가능 특성들중 적어도 하나를 모니터링하는 시스템 및 방법은 제조 컴포넌트의 성능에 관한 성공 기준을 만족하는 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성을 가진 용접을 획득해야 하는 용접 공정 인자들의 조건들에 대한 정보를 용접 장치의 오퍼레이터와 같은 사용자에게 제공한다. 용접에 대한 용접 공정 인자들의 조건 세트와 관련하여 HAZ 특성들을 모니터링하기 위한 시스템("HAZ 모니터링 시스템")은 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성 세트의 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값 을 결정하며, 여기서 용접 공정 인자들은 용접 장치의 동작조건들 및 금속 피스들의 기하학적 형태 및 재료 특성들을 포함한다. 예측 HAZ 특성값의 결정은 예측 HAZ 특성 함수의 사용을 포함한다. 예측 HAZ 특성 함수는 분석적 또는 실험적으로 유도된 함수이며, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성과 용접에 대한 용접 공정 인자들의 제 1 부세트를 관련시킨다. 실험적으로 유도된 예측 HAZ 특성함수는 바람직하게 이전에 수행된 용접들에 대한 용접 공정인자들의 조건들을 나타내는 데이터에 기초한다. 더욱이, HAZ 모니터링 시스템은 금속 피스들과 함께 수행된 용접의 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값을 결정한다. 최적 HAZ 특성값의 결정은 최적 HAZ 특성함수의 사용을 포함한다. 최적 HAZ 특성함수는 분석적 또는 실험적으로 유도된 함수이며, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성과 용접 공정 인자들의 제 2 부세트를 관련시키며, 여기서 용접 공정 인자들의 제 1 및 제 2 부세트들은 동일한 또는 다른 용접 공정 인자들을 포함할 수 있다. 실험적으로 유도된 최적 HAZ 특성함수는 바람직하게 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 성공 기준을 만족하는 이전에 수행된 용접들에 대한 용접 공정 인자들의 조건들을 나타내는 데이터에 기초한다. HAZ 모니터링 시스템은 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측된 및 최적 값들과 관련한 양들을 바람직하게 디스플레이를 통해 사용자에게 지시한다.
다른 바람직한 실시예에서, HAZ 모니터링 시스템은 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 함수인 용접장치의 적어도 하나의 동작 조건을 디스플레이를 통해 디스플레이하고, 용접장치의 적어도 하나의 동작 조건들에 대한 변화에 기초하여 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값과 관련된 양에 대한 변화를 거의 실시간으로 디스플레이한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 금속 피스들의 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성중 적어도 하나의 특성을 제어하는 시스템 및 방법은 용접 장치의 적어도 하나의 동작조건이 성공 기준을 만족하는 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성을 제공하기 위하여 자동적으로 또는 수동적으로 제어가능하도록 한다. HAZ 특성들을 제어하는 시스템("HAZ 제어 시스템")은 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값, 및 수행된 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값을 HAZ 모니터링 시스템과 동일한 또는 거의 동일한 방식으로 결정한다. 게다가, HAZ 제어 시스템은 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 수행된 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성의 최적값과 관련하여 수정될 수 있도록 용접 장치의 동작조건들중 적어도 하나의 동작조건을 제어한다.
바람직한 실시예에서, HAZ 제어 시스템은 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성의 예측값이 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값과 매칭되거나 또는 거의 매칭되도록 용접장치의 동작조건들중 적어도 하나를 자동적으로 제어한다.
또 다른 바람직한 실시예에서, HAZ 제어 시스템은 적어도 하나의 정량화가는 HAZ 특성의 예측 및 최적값들을 나타내는 양들을 디스플레이를 통해 디스플레이한다.
또 다른 바람직한 실시예에서, HAZ 모니터링 시스템 또는 HAZ 제어 시스템은 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")에 접속되고 용접장치에 접속될 수 있는 마이크로제어기를 포함하며, 용접 장치는 바람직하게 시스템들중 어느 한 시스템의 일부분이다. 마이크로제어기는 메모리에 저장되거나 또는 사용자에 의하여 측정되어 저장되는 용접공정 인자들의 조건들을 나타내는 데이터 및 예측 HAZ 특성함수를 사용하여 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값을 결정한다. 더욱이, 마이크로제어기는 최적 HAZ 특성함수를 사용하여 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값을 결정한다. 마이크로제어기는 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 적어도 하나의 정량화가능 HAZ 특성에 대한 최적값과 매칭되거나 또는 거의 매칭되도록 용접장치의 동작조건들중 적어도 하나의 조건들을 수정하기 위하여 사용자가 제어하거나 또는 마이크로제어기가 자동적으로 제어하는, GUI상에 디스플레이된 개별 노브(knob) 또는 가상 제어 바와 같은 적어도 하나의 제어 요소를 포함하거나 또는 상기 적어도 하나의 제어 요소에 접속된다.
본 발명의 다른 목적들 및 장점들은 전술한 바람직한 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이며, 이하의 상세한 설명은 동일한 도면부호들이 동일한 요소들을 지시하는 첨부 도면들을 참조로하여 고려되어야 한다.
진단 도구를 용접 장치의 오퍼레이터에 제공하고 및/또는 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 제조 컴포넌트의 성능과 관련한 성공 기준을 만족하는 용접을 획득하기 위하여 용접 장치의 동작 조건들중 적어도 하나의 조건이 제어될 수 있도록 금속 피스들의 용접시 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성을 모니터링 및/ 또는 제어하는 본 발명의 시스템 및 방법은 금속 피스들을 결합하는 임의의 용접 공정에 적용가능하다. 본 발명을 용이하게 이해하기 위하여, 금속 피스들의 용접시 정량화 가능 HAZ 특성들을 모니터링 및 제어하는 본 발명의 특징들은 단조 용접 장치를 사용하여 금속의 스트립으로부터 튜브 또는 파이프를 제조하는 잘 알려진 기술과 관련하여 기술되고 예시된다. 임의의 용접 공정에 의하여 획득된 금속 피스들의 용접이 정량화 가능 HAZ 특성들의 세트에 의하여 한정될 수 있고, 본 발명에 따라 임의의 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성들은 용접에 대한 용접 공정 인자의 조건들이 성공 기준을 만족하는지의 여부를 예측하기 위하여 진단적으로 사용될 수 있고 또한 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성들중 적어도 하나가 성공 기준을 만족하도록 용접 장치의 동작 조건들중 적어도 하나를 제어하기 위하여 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
명확화 및 본 발명의 특징들을 강조하기 위한 배경기술을 제공하기 위하여, 단조 용접 및 이 단조 용접으로부터 획득된 용접을 한정하는 정량화 가능 HAZ 특성과 연관된 용접 공정 인자들을 포함하는 잘 알려진 단조 용접 공정이 초기에 기술된다.
단조 용접 공정이 용접 튜브를 획득하기 위하여 수행된때, 판들, 튜브들에 대한 핀들 등과 같은 금속 피스들, 또는 동일한 피스의 에지 부분들은 피스의 에지 부분들이 피스에 세로로 전진될때, 예컨대 금속 시트 또는 스트립이 튜브로 접혀지고 스트립이 튜브의 축 방향으로 전진될때 에지 부분들이 용접점에서 만나도록 접혀진다. 함께 접혀질 금속 피스들 또는 금속 피스의 부분들은, 부품들과 접촉하는 접촉부들 또는 상기 부품들에서 전류를 유도하는 유도 코일에 의하여 금속 피스의 부분들에서 흐르는 고주파수 전류에 의하여, 단조 용접 온도로 또는 금속(들)의 용융 온도 이하의 온도로 가열된다. 예컨대, 여기에 참조문헌으로서 통합되는 미국특허 제2,774,857호, 제3,037,105호 및 제4,197,441호를 참조하라. 특히, 고주파수 단조 용접에서, 고주파수 전류는 반대로 흐르는 전류들이 표면들에 집중되도록 하는 공지된 근접효과 및 잘 알려진 표피효과의 장점을 취하기 위하여 함께 결합 또는 용접될 금속 부분들의 대향면들상에서 반대 방향으로 흐른다. 대략 용융 온도에서 스트립의 에지들에 압력을 가함으로서, 에지들이 용접점을 통해 전진함에 따라, 연속적으로 형성된 단조 용접은 스트립이 튜브 또는 파이프의 형상을 취하도록 한다.
도 1은 스트립이 단일 화살표의 방향으로 전진하고 압력이 스트립의 에지 부분들에 가해지도록 쌍 화살표들에 의하여 지시된 방향들로 공급될때 용접 심(117)을 형성하기 위하여 용접점(115)에 함께 가해지는 금속 스트립으로부터 튜브(113)가 형성되는 예시적인 종래의 단조 용접을 기술한다. 도 1 및 도 1의 튜브에 대한 단조 용접과 연관된 파라미터들을 기술하는 도 2(a)를 참조하면, 용접 비로서 알려진 "V"자형 영역은 스트립의 에지들이 "V"자형 영역 둘레의 금속에 전류를 유도하도록 적절한 ac 전력원으로부터 유도 코일(101)로의 유도전력 공급에 기초하여 함께 가해질때 형성한다. 유도된 전류는 튜브의 후면 둘레로 흐른 다음 "V"자형 에지들을 따라 용접점(115)으로 흐른다. "V"자형 영역의 길이 y 또는 비 길이는 용접점에 근접한 코일의 단부 및 용접점간의 거리와 대략 동일하다.
잘 알려진 바와같이, 마이크로구조 및 기계적 특성들이 용접을 하기 위하여 열에 의하여 변경되는 금속(들)을 포함하는 용접의 열영향부의 특성들은 용접의 특성들 및 제조 컴포넌트의 성능을 한정한다. 단조 용접에 의하여 획득된 용접과 같은, 금속 피스들의 임의의 용접에 대한 HAZ 특성들은 예컨대 폭, 프로파일(형상) 및 재료(금속학적) 특성들과 같은 정량화 가능 HAZ 특성들의 세트를 포함하며, 이러한 특성들의 세트는 경도, 연성, 인성 및 강도를 포함한다.
예컨대, 단조 용접에서, HAZ의 폭은 제조 컴포넌트의 성능이 만족되는지의 여부에 관한 1차 지시로서 HAZ폭이 발견되기 때문에 용접된 파이프 및 튜브의 용접을 특징지우기 위하여 수년동안 야금학자들이 사용한 중요한 파라미터이다. 따라서, 단조 용접에 대한 성공 기준은 HAZ 폭에 링크된다. 도 1 및 도 2(a)를 참조하면, 점선들(118)은 용접심(117)의 어느 한 측면상의 HAZ의 일반화된 외부 경계를 지시한다. 도 1의 단조 용접 튜브의 용접에 대한 단면인 도 2(b)를 참조하면, 튜브(113)는 외부 경계 라인들(118)사이의 거리와 동일한 HAZ 폭 XE를 가진다. 실제로 HAZ의 외부 경계들은 용접의 전체 길이를 따라 균일하게 선형적이지 않는 반면에, HAZ 폭은 일반적으로 라인들(118)과 같은 선형 경계 라인들에 의하여 근사화될 수 있으며, 보통 HAZ 웨이스트 폭이라 불린다.
용접 상황동안 용접 공정 인자들의 조건들이 용접의 정량화 가능 HAZ 특성들에 영향을 미치는 것이 잘 알려져 있다. 단조 용접 상황에서, 예컨대 용접 공정 인자들은 (i) 전류의 주파수("용접 주파수"), 전류의 에너지("용접 전력"), 스트립 의 에지들이 용접 장치의 용접점을 통해 이동되는 속도("밀 속도"), 비 길이 및 공기 갭 길이 및 용접점에서의 각도와 같은 단조 용접 장치의 동작 조건들, 및 (ii) 결과적인 용접 튜브의 스트립 두께 또는 벽 두께와 같은 스트립의 기하학적 형상 및 재료 특성들을 포함한다. 단조 용접 공정이 (i) 매우 높거나 또는 매우 낮은 튜브 직경 대 벽 두께 비들, (ii) 자동 배기 시스템들을 위하여 사용되는 튜브들에서 발견되는 것과 같은 복합 금속들, (iii) 아연 튜브를 위하여 사용된 아연 코팅된 저탄소 강철 또는 알루미늄화된 튜브 또는 오일 관련 튜블러형 상품들을 위하여 사용된 알루미늄 코팅된 강철과 같은 사전 코팅된 스트립을 포함하기 때문에, 용접을 위하여 사용된 가열 온도 프로파일의 부적절성으로 인하여 용접 품질 문제들이 발생한다. 용접 공정 인자들의 조건들에 대한 함수인 온도 프로파일은 단조 용접을 위한 HAZ의 폭, 형상(프로파일) 및 금속학적 특성들과 직접 관련되며 또한 상기 특성들에 영향을 미친다.
종종, 용접 상황동안 용접 공정 인자들중 하나 이상의 인자들에 대하녀 제한사항들이 존재한다. 예컨대, 단조 용접에서, 임의의 재료 종류가 요구될 수 있으며, 단조 용접 장치는 미리 규정된 밀 속도에서 동작하도록 요구될 수 있다. 더욱이, 단조 용접 장치에서 짧은 비 길이가 만들어질 수 있는 방법에 대한 실제 제한들이 잘 알려져 있다.
또한, 용접 기술에서는 용접의 정량화 가능 HAZ 특성의 변화시키기 위하여 용접 공정 인자의 조건을 수정하는 기술이 잘 알려져 있다. 예컨대, 고주파수 단조 용접 공정에서, 용접의 HAZ 폭과 같은 HAZ 특성을 제어하기 위하여 용접 주파수 가 사용될 수 있다는 것이 인식된다. 단조 용접에서, 용접 주파수를 낮추면 HAZ에서 온도 분포가 균일해지며 결국 HAZ는 용접 비 에지내에 더 깊게 관통하며 크고 평활한 내부 용접 비즈가 생성된다. 대조적으로, 단조 용접 공정시 용접 주파수를 증가시켜서 HAZ를 좁게하면 HAZ에 유리형 형상이 제공되는 경향이 있으며, 게다가 용접 비 온도 분포는 더 급경사되게 되며 비 에지들의 코너들은 더 가열되며 내부 용접 비즈는 작게되나 덜 평활하게 된다. 더욱이, 단조 용접 공정의 용접 주파수가 무거운 벽 튜브들의 불선명량, 간섭 포화 등과 같은 제조 파이프 또는 튜브의 다른 특성들에 상당한 영향을 미치는 것이 발견되었다.
특정 용접 상황에서, 가장 적절한 용접들은 용접 산업계에서 제조 컴포넌트의 성능과 관련한 성공 기준을 만족하는 정량화 가능 HAZ 특성들을 가진다. 선택적으로, 가장 바람직한 용접은 성공 기준 및 다른 용접 품질 파라미터들을 만족하는 정량화 가능 HAZ 특성들간의 절충 기술일 수 있다. 참조를 용이하게 하기 위하여, 제조 컴포넌트의 성능과 관련한 성공 기준을 만족하는 것으로 발견된, 수행된 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성의 상태는 최적 HAZ 특성값으로서 이후에 언급된다.
용접 공정을 실시할때, 하나 이상의 용접 공정 인자들에 대한 적절하게 선택된 조건은 용접 품질을 현저하게 개선한 용접의 임의의 HAZ 특성들을 유리하게 작용함으로서 용접 문제를 해결할 수 있다. 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값이거나 또는 최적값과 거의 동일한 정량화 가능 HAZ 특성을 가진 용접을 획득해야 하는 용접 공정 인자의 조건은 용접장치의 오퍼레이터에 의하여 알려지지 않거나 또 는 상기 오퍼레이터에 의하여 결정되지 않는다. 비록 오퍼레이터가 임의의 기하학적 형태 및 재료 특성들을 가진 금속 피스들로 형성된 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값을 획득해야 하는 용접 장치에 대한 동작 조건 세트를 알 수 있을지라도, 특정 용접 공정인자가 요구되거나 또는 변경될때 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성이 최적값으로 또는 최적값에 거의 근접한 값으로 유지되도록 용접 장치의 동작 조건들중 하나 이상의 조건들을 수정하는 방법을 오퍼레이터가 용이하게 결정할 수 있도록 하는 도구 또는 다른 장치를 오퍼레이터가 알지 못하거나 또는 종래의 용접기술이 제공하지 못한다. 예컨대, 만일 용접 장치에 대한 동작 조건들중 한 조건에 대한 새로운 요건이 존재하지 않으면, 오퍼레이터는 용접이 특정 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값을 가지도록 다른 동작 조건들을 조절하는 방법을 알지 못한다.
기술을 위하여, 단조 용접에서는 용접 주파수가 용접의 HAZ 폭에 크게 영향을 미치고 HAZ 폭이 용접을 위한 주요 성공 지시자이기 때문에 파이프 또는 튜브 용접 품질을 현저하게 개선하는 용접의 임의의 특성들을 유리하게 작용함으로서 용접 문제들을 해결할 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나, 용접 공정 인자들의 주어진 조건 세트에 대하여, 단조 용접 장치의 오퍼레이터는 수행된 용접에 대한 최적 HAZ 폭인 것으로 고려되는 것과 매칭되거나 거의 매칭되는 HAZ 폭을 용접이 가지도록 단조 용접 장치를 동작시키는 것이 어느 동작 주파수인지를 대부분 알지 못한다. 비록 임의의 금속 피스들이 사용되는 단조 용접 장치에 대한 동작 조건들의 한 세트에 최적 HAZ 폭을 제공해야 하는 용접 주파수를 알수 있을지라도, 용접기는 용접을 위하여 최적 또는 거의 최적 HAZ 폭이 달성되도록 밀 속도에 대한 변화된 요건에 기초하여 용접 주파수를 수정하는 방법을 알지 못하고 결정할 수 없다. 예컨대, 비록 특정 저탄소 강철 튜브 제품에 대하여 밀 속도, 비 길이 및 융접 주파수의 동작 조건들이 대부분 HAZ 폭에 대하여 영향을 받는다는 것을 오퍼레이터가 알지라도, 오퍼레이터는 검사 용접들의 파괴성 분할없이 용접 장치가 최적 HAZ 폭을 가진 용접을 획득하기 위하여 동작되어야 하는 용접 주파수를 알지 못하고 또한 결정하지 못할 수 있다.
본 발명에 따르면, 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성들중 적어도 하나는 모니터링되며, 용접 장치의 오퍼레이터는 (i) 용접에 대한 용접 공정 인자들의 주어진 조건 세트를 사용하여 결정되는 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값, 및 (ii) 수행된 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값과 관련한 정보가 예컨대 디스플레이상에 제공된다. 본 발명은 하나 이상의 용접 공정 인자들의 조건 변화가 수행된 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값과 관련하여 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성의 예측값에서 나타나는 영향을 디스플레이상에 바람직하게 보여준다. 본 발명에 따르면, 용접 공정 인자들의 조건 세트에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성의 예측값은 예측 HAZ 특성함수를 사용하여 결정된다. 예측 HAZ 특성함수는 분석적 또는 실험적으로 유도된 함수이며, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성과 용접 공정 인자들의 제 1 부세트를 관련시킨다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값은 최적 HAZ 특성함수를 사용하여 결정된 다. 최적 HAZ 특성함수는 분석적 또는 실험적으로 유도된 함수이며, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성과 용접 공정 인자들의 제 2 부세트를 관련시킨다. 바람직한 실시예들에서, 용접 공정 인자들의 제 1 및 제 2 부세트는 동일하거나 또는 다르다. 더욱이, 본 발명은 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값이 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값과 매칭되거나 또는 거의 매칭되기 위하여 수정될 수 있도록 수동적으로 또는 자동적으로 제어가능하다는 것을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 제어되는 용접장치의 동작조건, 및 적어도 하나의 정량화가능 HAZ 특성에 대한 예측 및 최적 값들과 관련된 양들은 디스플레이된다.
도 3은 본 발명에 따라 금속 피스들의 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성을 모니터링 및/또는 제어하는 전형적인 바람직한 실시예(200)를 기술한 기능형 블록도이다. 도 3을 참조하면, 시스템(200)은 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")(214) 및 용접 장치(216)에 결합된 마이크로제어기(212)를 포함한다.
마이크로제어기(212)는 마우스, 키보드 또는 입력 다이얼들(도시안됨)과 같은 입력장치들, 프로세서 및 메모리를 포함하는 종래의 데이터 처리장치이다. 프로세서는 메모리에 저장된 소프트웨어 명령들을 실행하며, 입력장치로부터 제공되거나 또는 메모리에 저장되는 용접 처리 인자들의 조건들을 나타내는 데이터를 사용한다. 기술된 바람직한 실시예에서, 마이크로제어기(212)는 예측 HAZ 특성값 모듈(220), 최적 HAZ 특성값 모듈(222) 및 이하에 기술된 데이터 처리동작들을 수행하는 제어 모듈(224)을 포함한다.
데이터 처리 동작들을 수행하는 것으로 이하에 기술된 시스템(200)의 모듈들의 각 모듈은 소프트웨어 모듈, 또는 선택적으로 하드웨어 모듈 또는 하드웨어/소프트웨어 모듈의 결합인 것이 이해될 것이다. 더욱이, 모듈들의 각각의 모듈은 본 발명에 따른 처리 동작들을 수행하기 위한 데이터 및 명령들을 저장하는 RAM과 같은 메모리 저장영역을 적절하게 포함한다. 선택적으로, 처리 동작들을 수행하는 명령들은 어셈블리(200)의 하나 이항의 모듈들내의 하드웨어에 저장될 수 있다. 게다가, 마이크로제어기(212) 및 이 내부의 모듈들은 본 발명에 따라 처리 동작들을 수행하도록 설계된 아날로그 또는 디지털 회로에 의하여 대체될 수 있다.
GUI(214)는 마이크로제어기(212)에 의하여 공급된 데이터를 디스플레이하는 LCD 모니터와 같은 종래의 장치이다. 바람직한 실시예에서, GUI(214)는 시스템(200)의 사용자 및 입력 장치들간의 상호작용에 기초하여 용접 처리 인자들의 조건들을 나타내는 데이터를 마이크로제어기(212)에 전송한다.
용접 장치(216)는 종래의 용접 장치이다. 예컨대, 용접 장치(216)는 용접 주파수가 이산적으로 또는 연속적으로 선택될 수 있고 일단 선택되면 안정하게 유지되는 가변 주파수 단조 용접 장치이다. 예컨대, 여기에 참조문헌으로서 통합되는 미국특허 제5,902,506호 및 제5,954,985호를 참조하라.
대안 실시예에서, 용접 장치(216)는 시스템(200)의 일부분이 아니며, 시스템(200)은 종래의 용접 장치에 결합되고 종래의 용접 장치의 동작을 모니터링 및/또는 제어하는 종래의 인터페이스 수단(도시안됨)을 포함한다. 예컨대, 시스템(200)은 단조 용접 공정, 인터페이스 모니터들 및/또는 제어들(여기서, 제어는 자동적으로 이루어지거나 또는 사용자와의 작용에 기초하여 수행된다)을 수행함으로서 획득된 용접의 정량화 가능 HAZ 특성들, 단조 용접 장치(216)의 실제 용접 주파수 및 용접 전력을 모니터링 및 제어하기 위하여 실행된다.
도 4는 금속 피스들의 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 모니터링 및/또는 제어되도록 시스템(200)이 본 발명에 따라 수행하는 전형적인 바람직한 흐름도(230)이다. 프로세스(230)는 단조 용접 공정에 의하여 용접 튜브 또는 파이프를 제조하는 용접 상황에 대한 본 발명의 전형적인 구현과 관련하여 이하에 기술되며, 시스템(200)은 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성으로서 단조 용접 기술에서 용접이 성공적인지의 여부에 대한 주 지시자인 HAZ의 폭을 모니터링 및 제어하기 위하여 프로세스(230)의 단계들을 수행한다. 프로세스(230)는 임의의 용접 공정으로부터 획득된 용접의 임의의 정량화 가능 HAZ 특성을 모니터링 및 제어하기 위하여 적용가능하다는 것이 이해된다.
도 4를 참조하면, 단계(232)에서, 사용자는 사용자에 의하여 수행된 측정치들을 입력 장치를 사용하여 마이크로제어기(212)에 제공하거나, 또는 마이크제어기(212)는 용접에 대한 용접 공정 인자들의 조건들을 나타내는 정보를 메모리로부터 검색한다.
전형적인 단조 용접 상황에서, 오퍼레이터는 예컨대 사용자 측정치들에 기초한 용접에 대한 외부 직경("OD") 및 튜브 벽 두께("w")와 단조 용접 장치(216)에 대한 비 길이("y0")를 마이크로제어기(212)에 공급한다. 대안 바람직한 실시예에 서, 단조 용접 장치(216)의 밀 속도("v")와 같은 용접 공정 인자들의 조건들중 적어도 일부는 메모리에서와 같이 마이크로제어기(212)에 이미 이용가능하거나, 또는 마이크로제어기(212)의 입력 장치에 결합된 측정 장치에 의하여 공급된다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 단계(234)에서, 예측 HAZ 특성값 모듈(220)은 예측 HAZ 특성함수를 사용하여 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값을 결정한다. 예측 HAZ 특성값은 용접 공정 인자들에 기초하여 분석적으로 유도되거나 또는 선택적으로 이전에 수행된 용접들에 대한 용접 공정 인자들의 조건들로부터 실험적으로 유도된다. 바람직한 실시예에서, 예측 HAZ 특성함수는 용접장치에 대한 동작 조건들의 범위 및 금속 피스들에 대한 재료 특성들 및 기하학적 형태들의 범위를 나타내는 데이터에 기초하여, 상기 데이터는 바람직하게 룩업 테이블로서 메모리에 저장된다.
단조 용접 공정에서 본 발명의 전형적인 구현에 대한 설명을 다시 참조하면, 단조 용접동안 HAZ 폭에 대한 예측함수는 용접의 금속 피스들에 대한 기하학적 형태 및 재료 특성들을 고려하고 또한 이러한 기하학적 형태 및 재료 특성들이 단조 용접동안 열생성에 기초하여 변화하는 방법을 고려한 분석적으로 유도된 함수이다. 단조 용접 공정에 있어서, 용접점의 비 에지에서 온도 분포 T(x)는 다음과 같이 기술될 수 있으며, y는 비 아래까지의 거리이며, y0는 비 길이이다.
Figure 112006080755814-pat00001
(1)
여기서, H0는 비(vee)에서 자기장이며;
Figure 112006080755814-pat00002
는 튜브 재료의 전기 저항이며;
Figure 112006080755814-pat00003
는 튜브 재료의 투자율이며;
f는 용접 주파수이며;
Figure 112006080755814-pat00004
는 튜브 재료에서 전기 기준 깊이=
Figure 112006080755814-pat00005
이며;
K는 튜브 재료의 열전도율이며;
Figure 112006080755814-pat00006
는 튜브 재료의 열확산율이며;
Figure 112006080755814-pat00007
는 밀(mill) 속도이며;
y0는 비(vee) 길이이며;
x는 비(vee)의 에지까지의 거리이다.
비(vee) 에지의 표면 및 용접점에서, 수식(1)은 x=0에서 계산되며, 이 결과치는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006080755814-pat00008
(2)
따라서, HAZ의 에지를 나타내는 온도 및 용접을 위하여 비(vee) 에지에서 달성되어야 하는 다른 온도(고온계가 측정하는 온도)가 정의되는 경우에, 용접 영역(스퀴즈 아웃(squeeze out))으로부터 스퀴즈 아웃된 재료의 폭 절반 및 HAZ 절반의 합과 관련된 거리 xHAZ는 다음으로부터 발견될 수 있다.
Figure 112006080755814-pat00009
(3)
수식(3)은 HAZ 온도 대 용접 온도의 비 R에 의존하며, 여기서 수식
Figure 112006080755814-pat00010
이다. 용접 재료에 대한 전기 기준 깊이
Figure 112006080755814-pat00011
가 용접 주파수 정보를 포함하는 인식, 다시 말해서 단조 용접 어셈블리(216)가 동작되고 사용자가 프로세스(230)의 단계(242)와 관련하여 이하에서 상세한 기술된 바와같이 최적 HAZ 폭과 관련한 수인 xHAZ를 제어할 수 있는 인식에 기초하여, 선험적 수식(3)은 이하의 관계식을 얻 고 모든 밀 속도들 및 비 길이들에 대하여 반복 또는 그래픽 방법들을 사용하여 수식(3)을 해결할 필요성을 방지하기 위하여 두개의 비차원 수들에 의하여 다시 쓰여질 수 있다.
Figure 112006080755814-pat00012
과 관련하여,
Figure 112006080755814-pat00013
(4)를 가진다.
Figure 112006080755814-pat00014
는 입력 xHAZ 및 두개의 공지된 양들 v 및 y0에 의존하며,
Figure 112006080755814-pat00015
는 장치(216)가 동작되는 주파수 f 및 동일한 두개의 공지된 양들 v 및 y0에 의존한다. 따라서, 만일 R이 계산될 수 있도록 THAZ 및 T용접에 대한 특정값들이 선택되면, 함수
Figure 112006080755814-pat00016
은 수치기술들에 의하여 결정될 수 있으며, 폐쇄형 근사치가 발견될 수 있다.
용접에 대한 금속 피스들이 저탄소강인 단조 용접의 바람직한 실시예에서, HAZ 폭에 대한 예측함수는 많은 단조 용접 공정들 및 이로부터 획득된 용접들에 대한 이하의 관찰들을 고려하며, (1) 강철의 재료 특성들이 온도에 종속될지라도 강철의 색이 큐리 온도(약 760℃) 이상에 적색으로 전환하기 시작하기 때문에 비 온도가 대부분 큐리 온도 이상이라고 가정한다. 만일 큐리 온도이상의 온도들에서 저탄소강에 대한 종래의 값들이 사용되면, 저탄소강에 대하여 다음과 같으며,
Figure 112006080755814-pat00017
=45x10-6 오옴-인치
Figure 112006080755814-pat00018
=
Figure 112006080755814-pat00019
0=32x10-9 헨리/인치
Figure 112006080755814-pat00020
=0.0077 인치2/초
(2) 튜브를 용접할때, 비의 에지에 있는 강철은 약 용융점 또는 약 2700°F(1485℃)에 노출된다. 더욱이, 강철이 융해열을 가지기 때문에, 부가 에너지는 강철이 계속해서 용융온도에 있는 동안 상기 특성을 극복하기 위하여 비 에지에 주입된다. 따라서, 강철의 용해열은 에지 온도를 균등 수의 정도로 상승함으로서 보상된다. 예컨대,
용해열 = 1.946 x 109 주울/미터3
용융온도에서 열용량은 = 5.08 x 106 주울/미터3 ℃
용해열에 대한 온도상승 = 1.946 x 109 / 5.08 x 106 = 383 ℃ = 727 F°
보정된 용융온도 = 2700 + 727 = 3427 F°
많은 평가치들에 기초하여,
Figure 112006080755814-pat00021
을 사용하면 저탄소강에 대한 최상의 값을 제공한다는 것이 발견된다. 최종적으로,
Figure 112006080755814-pat00022
에 대한 폐쇄형 관계식이 결정되며, 수식(4)은 고정 R에 대하여
Figure 112006080755814-pat00023
에
Figure 112006080755814-pat00024
을 관련시키기 위하여 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.
Figure 112006080755814-pat00025
(5)
선형회귀법을 사용함으로서, R=0.35로부터 얻어진 곡선에 대한 근사화 함수가 결정된다. R=0.35일때,
Figure 112006080755814-pat00026
이면
Figure 112006080755814-pat00027
에 대한 절대 최소값은 0.5045이다. 따라서,
Figure 112006080755814-pat00028
에 대한 함수는 양호한 수치 안정성을 달성한다. 결과적으로,
Figure 112006080755814-pat00029
일때,
Figure 112006080755814-pat00030
,
Figure 112006080755814-pat00031
에 대하여,
또는 역함수는 다음과 같은 수식(7)으로 근사화되며,
Figure 112006080755814-pat00032
여기서,
Figure 112006080755814-pat00033
이고
Figure 112006080755814-pat00034
이다.
도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 프로세스(230)의 단계(232)에서, 마이크로제어기(212)는 단조 용접 장치(216)에 의하여 용접하기 위하여 실제 용접 주파수 f를 획득한다. 단계(234)에서, 단계(234)의 예측 HAZ 특성값 모듈(220)은 단계(232)에서 획득되고 용접 주파수를 포함하는 용접 공정 인자들의 조건들 및 수식(7)을 사용하여 기술된 실시예의 단조 용접의 HAZ 폭에 대한 예측값을 결정한다.
도 3 및 도 4를 계속해서 참조하면, 단계(236)에서, 최적 HAZ 특성값 모듈(222)은 최적 HAZ 특성함수를 사용하여 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값을 결정한다. 최적 HAZ 특성함수는 수행된 용접에 대한 용접 공정 인자들에 기초하여 분석적으로 유도되거나 또는 대안적으로 제조 제품의 성능에 관한 성공 기준을 만족하는 이전에 수행된 용접들에 대한 용접 공정 인자들의 조건들로부터 실험적으로 유도된다. 성공 기준을 만족하는 용접에 대하여, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성은 그것의 최적값인 것으로 고려된다. 바람직한 실시예에서, 최적 HAZ 특성함수는 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 그것의 최적값에 근사하거나 또는 그것의 최적값을 가지는, 이전에 수행된 용접들에 대한 금속 피스들의 재료 특성들 및 기하학적 형태들의 범위와 용접 장치에 대한 동작 조건들의 범위를 나타내는 데이터에 기초한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값을 결정하기 위하여 사용되는 대표 데이터는 룩업 테이블로서 메모리에 저장된다.
본 발명의 예시적인 구현을 계속하면, 바람직한 실시예에서, 단조 용접 공정에 의하여 수행된 용접에 대한 최적 HAZ 폭은 제조 컴포넌트의 성능에 관한 성공 기준을 만족하는 이전에 수행된 단조 용접들에 대한 단조 용접 장치의 동작 조건들과 금속 피스들의 기하학적 형태 및 재료 특성들을 나타내는 경험적 데이터에 기초 하는 최적 HAZ 특성함수로부터 획득된다. 많은 단조 용접들의 HAZ에 대한 검사에 기초하여, 단조 용접 공정을 수행함으로서 제조된 용접 튜브의 벽 두께와 단조 용접에 대한 HAZ의 폭간의 비가 일정하다는 것이 발견된다. 또한, 많은 단조 용접들의 HAZ에 대한 검사에 기초하여, XE로서 도 2(b)에 기술된 파라미터인 HAZ의 웨이스트 폭이 벽 두께의 1/3 및 1/4사이에 있다는 것이 발견된다. 부가적으로, 스퀴즈 아웃이 보다 작은 튜브들에 대한 인식가능한 인자이기 때문에 최적 HAZ 특성함수가 스퀴즈 아웃인 것으로 고려해야 한다는 것이 인식되었다. 검사된 용접 샘플들에 기초하여, 약 3인치 이하의 직경을 가진 단조 용접 튜브들과 같은 보다 작은 단조 용접 튜브들에 대하여 스퀴즈 아웃이 약 0.04인 것이 발견되었다. 따라서, 수식에서 XHAZ가 HAZ 폭의 1/2 및 스퀴즈 아웃의 1/2의 합을 나타내기 때문에, 단조 용접 튜브에 대한 최적 HAZ 폭 및 XHAZ최적을 결정하기 위한 바람직한 함수는 다음과 같다.
XHAZ최적 = 0.02 + 0.15 x 벽 두께 (8)
탄소강 튜브를 단조 용접하기 위한 본 발명의 예시적인 구현에 대한 바람직한 실시예에서, 최적 HAZ 폭은 약 0.020 인치 내지 약 0.5 인치의 벽 두께 및 약 1인치 내지 약 6인치의 튜브 직경 범위로 튜브 키기 범위를 제한함으로서 획득되며, 왜냐하면 상기 범위들은 최대 450kW의 전력 정격을 가진 고주파수 단조 용접 온도들로 용접된 양 범위에 걸쳐있기 때문이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 단계(238)에서 예측 HAZ 특성값 모듈(220)은 수행 된 용접에 대한 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성의 최적 HAZ 특성값을 달성하는 선택된 용접 공정에 대한 조건을 예측 HAZ 특성함수를 사용하여 결정한다. 일단 단조 용접 공정에 대한 본 발명의 전형적인 구현을 다시 되돌아보면, 바람직한 실시예에서 단계(238)에서 모듈(220)은 단계(236)에서 결정된 최적 HAZ 폭값을 사용하여 주파수 f에 대한 수식(7)을 해결한다. 획득된 f에 대한 값은 다른 용접 공정 인자들중 모든 인자에 대한 조건들이 단계(232)에서 획득되는 용접에 대한 최적 HAZ 주파수이다.
단계(240)에서, 마이크로제어기(212)는 단계들(234 및 246)에서 각각 결정된 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측 및 최적값들, 및 단계(238)에서 결정된 용접 공정 인자에 대한 최적값에 관한 양들을 GUI(214)상에 디스플레이한다. 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값에 의하여 정규화된 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값과 관련된 양은 GUI(214)상에 디스플레이된다. 바람직한 대안 실시예에서, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측된 및 최적값들과 관련된 양들은 GUI(214)상에 비교 포맷으로 디스플레이된다.
단조 용접 공정에 대한 본 발명의 전형적인 구현에서, 마이크로제어기(212)는 단계들(234 및 236)에서 수식들(7) 및 (8)으로부터 결정된 예측 및 최적 HAZ 폭값들 및 단계(238)에서 결정된 최적 HAZ폭에 관한 양들을 GUI(214)상에 바람직하게 디스플레이한다.
도 3을 다시 참조하면, 제어기 모듈(224)은 용접 장치(216)의 동작 조건들 중 하나 이상의 동작 조건을 제어하는 능력을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 제어 모듈(224)은 다이얼 또는 개별 노브의 형태인 제어 요소, 또는 선택적으로 GUI(214)상에 디스플레이된 가상 제어 바 아이콘을 포함한다. 도 4를 지금 참조하면, 바람직한 실시예에서, 단계(242)에서, 제어 모듈(224)은 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성이 함수인 용접 장치(215)의 동작 조건을 제어하기 위하여 사용자가 상호작용할 수 있는 가상 제어 바를 디스플레이한다. 시스템(200)의 동작시에, 사용자는 용접 장치(216)의 대응하는 동작 조건을 수정하기 위하여 제어 바의 위치를 제어한다. 더욱이, 단계(242)에서, 마이크로제어기(212)는 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값이 제어 바의 사용자 제어에 기초하여 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적값과 관련하여 수정되는 방법에 관한 정보를 실시간으로 또는 거의 실시간으로 GUI(214)상에 디스플레이한다. 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 새로운 예측값은 프로세스(230)의 단계(234)에 기술된 바와같이 유사하게 결정된다. 게다가, 단계(242)에서, 마이크로제어기(212)는 프로세스(230)의 단계(232)에서 획득된 용접 처리 인자들의 조건들에 기초하여 동일한 용접 공정 인자에 대한 실제 값 및 단계(240)에서 결정된 용접 공정 인자에 대한 최적값을 실시간으로 또는 거의 실시간으로 GUI(214)상에 디스플레이한다.
단조 용접 공정에 대한 본 발명의 전형적인 구현에 있어서, 단조 용접 고정과 관련하여 단계(242)의 구현에 대한 바람직한 실시예를 기술한 도 5를 참조하면, 단계(242)에서 마이크로프로세서(212)는 단조 용접 장치(216)의 용접 주파수 및 용접 전력을 각각 제어하기 위하여 GUI(214)상에 가상 제어 바들(250A 및 250B)을 디 스플레이한다. 사용자가 제어 바들(250A 또는 250B)중 어느 하나의 위치를 수정할때, 용접 장치의 용접 주파수 또는 용접 전력이 수정되도록, 마이크로제어기(212)는 수정된 용접 주파수 또는 수정된 용접 전력을 사용하여 HAZ 폭의 예측값과 관련된 양을 실시간 또는 거의 실시간으로 디스플레이하며, 여기서 HAZ 폭의 예측값은 최적 HAZ 폭과 관련된 양에 대하여 앞서 기술된 수식(7)을 사용하여 결정된다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 마이크로제어기(212)는 단계(242)에서 GUI(214)상에 최적 용접 주파수를 디스플레이하며, 도 5에 도시된 것과 같이 2차원 그래프(252)상에 예측 및 최적 HAZ 폭들간의 백분율 차이를 도시한다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 마이크로제어기(212)는 GUI(214)가 적어도 하나의 정량화 가능 특성에 대한 예측값 및 최적값간의 차이를 지시하는 정규화된 번호를 디스플레이하도록 한다. 예컨대, 본 발명의 단조 용접 구현에서, GUI(214)상에의 "1.0" 값의 디스플레이는 선택된 용접 주파수가 최적 HAZ 폭과 동일한 HAZ 폭을 제공한다는 것을 나타낸다. 대조적으로, "1.0" 이하의 디스플레이된 값은 선택된 용접 주파수가 최적 HAZ 폭 이하인 HAZ 폭을 생성해야 한다는 것을 지시한다.
바람직한 실시예에서, GUI(214)는 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측 및 최적값들과 관련된 양들을 다른 색들로 디스플레이한다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 제어 모듈(224)은 단계(242)에서 적어도 하나의 HAZ 특성값에 대한 예측값 및 최적값이 동일하거나 또는 거의 동일하도록 용접 장치(214)의 동작 조건을 자동적으로 제어한다. 예컨대, 본 발명의 단조 용접 구현에서, 제어 모듈(224)은 HAZ 폭에 대한 예측값 및 최적값이 동일하도록 단조 용 접 장치(216)가 용접 주파수를 제어하며, 여기서 HAZ 폭에 대한 예측값은 예컨대 수식(7)으로부터 결정된다.
단조 용접에 대한 본 발명의 구현과 관련한 대안적인 바람직한 실시예에서, 사용자는 단계(242)에서 예측 HAZ 폭이 최적 HAZ 폭값에 근접하고 예컨대 적정 용접 비즈 평활도 및 적정 깊이를 가진 용접을 위하여 용접 비(vee) 에지에 제공하는 값을 가지도록 GUI(214)상의 제어 바(250A)를 사용하여 용접 주파수를 수행한다.
유리하게, 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성들에 대한 최적값이거나 또는 상기 거의 최적값인 적어도 하나의 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측값을 획득하는 용접 공정 인자들의 조건들은 본 발명에 따라 유사한 또는 동일한 용접 장치들을 가진 용접 상황들을 위하여 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 시스템(200)은 마이크로제어기(212)에서 수행되는 데이터 처리 동작들이 원격적으로 수행되고 이러한 데이터 처리 동작들의 결과들이 인터넷과 같은 통신 수단을 통해 시스템(200)에 제공되도록 하는 통신장치(도시안됨)를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 시스템(200)은 고정 주파수 파이프 및 튜브 용접 장치(216)와 관련하여 구현되며, 본 방법(230)은 용접 장치의 사용에 의하여 획득된 용접에 대한 예측 HAZ 폭값과 관련된 양을 결정하여 디스플레이하기 위하여 시스템(200)에 의하여 수행된다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예들이 기술되고 설명되었을지라도, 다양한 수정들이 본 발명의 원리들을 벗어나지 않고 수행된 수 있다는 것이 당업자에게 명백 할 것이다.
본 발명은 용접에 대한 정량화 가능 HAZ 특성들중 하나 이상의 특성들이 제조 컴포넌트의 성능과 관련한 성공 기준을 만족하는 용접을 용접 장치를 사용하여 획득할 확률을 증가시키기 위하여 용접 장치의 오퍼레이터가 사용할 수 있는 편리하고 저렴한 도구를 제공할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (34)

  1. 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부(quantifiable heat affected zone;"HAZ") 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법으로서,
    상기 정량화 가능 HAZ 특성들 중 적어도 제 1 특성에 대해 용접에 대한 용접 공정 인자들의 조건들에 기초하여 예측된 HAZ 특성값을 결정하는 단계로서, 상기 용접 공정 인자들은 용접 장치의 동작 조건들과 금속 피스들의 기하학적 형태 및 재료 특성들을 포함하는, 상기 예측된 HAZ 특성값을 결정하는 단계;
    상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대해, 상기 금속 피스들에 대하여 수행된 용접에 대한 최적 HAZ 특성값을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대해, 상기 예측된 HAZ 특성값 및 상기 최적 HAZ 특성값과 관련된 양들을 디스플레이하는 단계 (a); 및
    상기 용접 장치의 동작 조건들 중 적어도 하나를 제어하는 적어도 하나의 제어 요소를 제공하고, 상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 상기 최적 HAZ 특성값에 대하여 상기 제 1정량화 가능 HAZ 특성에 대한 상기 예측된 HAZ 특성값을 수정하기 위하여 상기 제어 요소를 제어하는 단계(b) 중 적어도 하나를 포함하는 단계를 더 포함하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 상기 예측된 HAZ 특성값 및 상기 최적 HAZ 특성값과 관련한 상기 양들이 비교 포맷으로 디스플레이되는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 장치는 고주파수 단조 용접(high frequency forge welding)을 수행하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접될 금속 피스들은 파이프 또는 튜브내에 제조될 스트립의 에지들인, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 상기 최적 HAZ 특성값 결정단계는 최적 HAZ 특성함수를 사용하는 단계를 포함하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 최적 HAZ 특성함수는 상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성이 성공 기준을 만족하는, 이전에 수행된 용접들에 대한 용접장치의 동작 조건들과 금속 피스들의 기하학적 형태 및 재료 특성들 중 적어도 하나를 나타내는 데이터에 대한 (i) 분석적으로 유도된 함수 및 (ii) 실험적으로 유도된 함수 중 적어도 하나인, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성은 상기 HAZ의 폭(width)인, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 상기 예측된 HAZ 특성값 결정단계는 예측 HAZ 특성함수를 사용하는 단계를 포함하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 예측 HAZ 특성함수는 이전에 수행된 용접들에 대한 용접장치의 동작조건들과 금속 피스들의 기하학적 형태 및 재료 특성들 중 적어도 하나를 나타내는 데이터에 대한 (i) 분석적으로 유도된 함수 및 (ii) 실험적으로 유도된 함수 중 적어도 하나인, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 용접장치는 고주파수 단조 용접을 수행하고,
    상기 방법은,
    상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 상기 예측된 HAZ 특성함수를 사용하여 수행된 용접에 대한 단조 용접장치의 최적 용접 주파수를 결정하는 단계; 및
    상기 최적 용접 주파수를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접 장치의 상기 동작 조건들과 상기 금속 피스들의 상기 기하학적 형태 및 재료 특성들 중 적어도 하나에 대한 변화에 기초하여 상기 예측된 HAZ 특성값과 관련된 상기 양에 대한 변화를 거의 실시간으로 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 최적 HAZ 특성값에 의하여 정규화된 상기 예측된 HAZ 특성값과 관련된 양을 그래픽 디스플레이상에 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 단계(b)를 더 포함하고, 상기 제어하는 단계는 상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 최적 HAZ 특성값과 상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 상기 예측된 HAZ 특성값을 매칭시키기 위하여 상기 제어 요소를 제어하는 단계를 포함하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 단계(b)를 포함하고, 상기 용접장치는 단조 용접 장치(forge welding apparatus)이며, 상기 적어도 하나의 제어 요소에 의하여 제어가능한 상기 단조 용접 장치의 상기 동작 조건들은 용접 주파수, 용접 전력, 비 길이(vee length) 및 밀 속도(mill speed)를 포함하는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 단계(b)를 포함하고, 상기 제어 요소는 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")상의 적어도 하나의 가상 제어 바를 포함하며, 상기 제어 바의 제어에 기초하여 상기 제 1 정량화 가능 HAZ 특성에 대한 예측 HAZ 특성값에 대한 변화와 관련된 양은 상기 GUI상에 거의 실시간으로 디스플레이되는, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 바는 상기 용접 장치의 용접 주파수인, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 바는 상기 용접 장치의 용접 전력인, 금속 피스들의 용접시 다수의 정량화 가능 열영향부 특성들 중 적어도 하나를 모니터링하고 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 방법.
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