KR100994986B1

KR100994986B1 - 파이프 용접 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100994986B1
Application number: KR1020100104657A
Authority: KR
Inventors: 박영기
Original assignee: 박영기; (주)광신아이에스티
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2010-11-17

Abstract

본 발명은 유입된 판재를 파이프 형태로 변경할 때 길이 방향으로 형성되는 절개부를 복수의 토치를 이용하여 순차 용접함에 따라 고품질의 용접이 가능한 파이프 용접 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 케이스 내부로 유입된 길이 방향으로 절개부를 가지는 파이프를, 그 형상을 유지하면서 이송시키는 단계와, 상기 파이프의 절개부를 진공 분위기에서 제1 티그토치로 1차 용접하며, 상기 제1 티그토치는 설정된 용접전류로 용접하는 단계, 및 상기 1차 용접에 의해 절개부의 표면이 언더 컷팅(under cutting)된 용접 상태를 보강하기 위하여 진공 분위기에서 제2 티그토치로 2차로 용접하며, 상기 제2 티그토치는 제1 티그토치의 전류량 대비 38% 내지 50% 정도의 용접전류로 용접하는 단계를 제공한다.

Description

파이프 용접 장치 및 그 방법{PIPE WELDING DEVICE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 파이프 용접에 관한 것으로, 특히 유입된 판재를 파이프 형태로 변경할 때 길이 방향으로 형성되는 절개부를 고품질로 용접할 수 있는 파이프 용접 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

통상적으로 강, 알루미늄 또는 스테인리스강과 같은 모재(basic material)를 사용하는 파이프는 티그(TIG; Tungsten Insert Gas) 방식으로 용접된다. 즉, 티그용접은 용융점이 가장 높은 텅스텐 전극봉과 모재 사이에 아크를 일으켜서 용접하고, 용접 중 용접부의 산화와 질화를 막기 위하여 불활성가스(Ar, He 등)를 용접부로 분사하는 용접 방식이다.

이러한 티그용접은 용이한 용접 작업과 용접부에 대하여 높은 품질과 신뢰도가 요구되는 용접 구조물의 용접 방법으로 널리 사용된다.

그러나, 최근에 사용되는 스테인리스강을 포함한 모재가 종종 불순물로서 황을 더 적게 함유하고 있기 때문에, 용접부는 티그용접 공정에 있어서 용접-용입이 넓고 얕게 되어 용접 효과가 불충분하게 된다.

또한, 파이프의 두께가 큰 경우에 일반적인 티그용접에서는 용접부가 모재와 충분히 용착되지 않은 상태에서 급속 냉각되므로 불완전한 용접 상태가 발생하게 되고 심한 경우에는 용접 부위에 균열이 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 유입된 판재를 파이프 형태로 변경할 때 길이 방향으로 형성되는 절개부를 복수의 토치를 이용하여 순차 용접함에 따라 고품질의 용접이 가능한 파이프 용접 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용접 장치는, 제1 및 제2 관통구가 서로 대응되는 면에 각각 형성되며, 내부 공간이 진공 분위기로 유지되는 케이스; 상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 제1 관통구를 통해 유입된 길이 방향으로 절개부를 가지는 파이프를 이송하는 한쌍의 제1 롤러부; 상기 제1 롤러부의 후단에 일정 간격으로 설치되어 제1 롤러부를 통해 이송된 파이프를 제2 관통구를 통해 유출시키는 한쌍의 제2 롤러부; 상기 제1 롤러부와 제2 롤러부의 사이에 설치되며, 파이프의 절개부를 설정된 용접전류로 1차 용접하는 제1 티그토치; 및 상기 제1 롤러부와 제2 롤러부의 사이에 설치되되 제1 티그토치의 후단에 일정 간격으로 배치되며, 상기 제1 티그토치에 의해 절개부의 표면이 언더 컷팅(under cutting)된 용접 상태를 보강하기 위하여 제1 티그토치의 전류량 대비 38% 내지 50% 정도의 용접전류로 2차 용접하는 제2 티그토치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 제1 티그토치의 용접전류는 1mm 두께의 파이프 용접시에 120 내지 130A이고, 제2 티그토치의 용접전류는 1mm 두께의 파이프 용접시에 50 내지 60A인 것을 특징으로 한다.

상기 케이스의 내부로 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스를 충전(filling)하는 가스충전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용접 방법은, 케이스 내부로 유입된 길이 방향으로 절개부를 가지는 파이프를, 그 형상을 유지하면서 이송시키는 제1 단계; 상기 파이프의 절개부를 진공 분위기에서 제1 티그토치로 1차 용접하며, 상기 제1 티그토치는 설정된 용접전류로 용접하는 제2 단계; 및 상기 1차 용접에 의해 절개부의 표면이 언더 컷팅(under cutting)된 용접 상태를 보강하기 위하여 진공 분위기에서 제2 티그토치로 2차로 용접하며, 상기 제2 티그토치는 제1 티그토치의 전류량 대비 38% 내지 50% 정도의 용접전류로 용접하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 케이스의 내부에 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스를 충전(filling)하여 케이스의 내부를 진공 분위기로 조성하는 단계를 더 포함하며, 상기 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스는 용접 전에 미리 케이스의 내부에 충전되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 복수의 토치를 이용하여 절개부를 이중으로 용접함으로써, 용접부의 용접 상태를 개선하여 우수한 품질의 파이프를 얻을 수 있고, 진공 분위기에서 용접함에 따라 용접부가 산화되는 것을 방지하여 고품질이 파이프를 얻을 수 있는 이점이 있다.

또한, 이중 용접을 통해 파이프의 이송 속도를 증가시킬 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 파이프 용접 장치를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 티그토치와 파이프의 용접부를 나타낸 부분 확대도이다.
도 3은 도 1의 제1 티그토치에 의한 용접 상태를 나타낸 파이프의 단면도이다.
도 4는 도 1의 제2 티그토치에 의한 용접 상태를 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 의한 파이프 용접 장치를 나타낸 개략적인 도면으로서, 파이프 용접 장치(100)는 케이스(110)와 가스충전기(120), 제1 롤러부(130), 제2 롤러부(140), 제1 티그토치(150) 및 제2 티그토치(160)를 포함하여 구성되어 있다.

케이스(110)는 제1 및 제2 관통구(115)가 서로 대응되는 면에 각각 형성되며, 내부 공간이 진공 분위기로 유지된다. 상기 제1 관통구(111)로는 용접대상 모재가 케이스(110) 내부로 유입되고, 제2 관통구(115)로는 제1 관통구(111)를 통해 케이스(110) 내부로 유입된 모재가 외부로 유출되게 된다.

가스충전기(120)는 상기 케이스(110)의 내부로 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스를 공급하여 케이스(110) 내부를 해당 가스로 충전(filling)함에 따라 케이스(110) 내부의 공기(특히 O₂)를 외부로 제거하여 케이스(110) 내부를 진공 분위기로 조성하게 된다. 상기 아르곤가스는 공기보다 무거움으로 케이스(110) 내부에 충전되면서 공기를 케이스(110)의 외부로 빼내게 된다.

제1 롤러부(130)는 상기 케이스(110)의 내부에 설치되며, 상기 제1 관통구(111)를 통해 유입된 길이 방향으로 절개부(11)를 가지는 파이프(10)를 이송하는 한쌍의 롤러(131, 135)로 구성되어 있다. 상기 롤러는 파이프(10)와 접촉되는 표면이 대략 반원 형태의 곡면으로 오목하게 형성되어 있고, 한쌍의 롤러(131, 135)가 마주하고 있는 내측 중심부는 원 형상을 이루고 있다. 이에 따라, 제1 롤러부(130)는 파이프(10)가 원래의 판 형태로 복귀하려는 스프링 백(spring back) 현상을 방지한다. 물론, 케이스(110)의 외부에는 판 형태의 모재를 파이프(10) 형태로 가공하여 케이스(110)의 내부로 공급하는 포밍장치(미 도시)가 더 구비되어 있다.

제2 롤러부(140)는 상기 제1 롤러부(130)의 후단에 일정 간격 이격 설치되어 제1 롤러부(130)를 통해 이송된 파이프(10)를 제2 관통구(115)를 통해 유출시키는 한쌍의 롤러(141, 145)로 구성되어 있다. 여기서, 제2 롤러부(140)는 제1 롤러부(130)와 동일한 형상으로 형성되어 있으며, 파이프(10)가 원래의 판 형태로 복귀하려는 스프링 백(spring back) 현상을 방지한다.

제1 티그토치(150)는 상기 제1 롤러부(130)와 제2 롤러부(140)의 사이에 설치되며, 파이프(10)의 절개부(11)를 설정된 용접전류로 1차 용접하게 된다. 여기서, 티그토치(TIG torch)는 일반적으로 비소모성 텅스텐 전극봉과 모재 사이에 아크를 일으켜서 용접하고, 용접 중 용접부의 산화와 질화를 막기 위하여 불활성 가스(Ar, He 등)를 용접부의 주위로 공급하는 용접 장치이다.

제2 티그토치(160)는 상기 제1 롤러부(130)와 제2 롤러부(140)의 사이에 설치되되 파이프 이송 방향으로 제1 티그토치(150)의 후단에 일정 간격을 두고 배치되며, 상기 제1 티그토치(150)에 의해 절개부(11)의 표면이 언더 컷팅(under cutting)된 용접 상태를 보강하기 위하여 제1 티그토치(150)의 전류량 대비 38% 내지 50% 정도의 용접전류로 2차 용접하게 된다.

상기 제2 티그토치(160)는 제1 티그토치(150)의 후단에 설치되는 데, 제1 티그토치(150)에 의해 용접된 부분이 반경화되는 위치에 제2 티그토치(160)가 설치되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 티그토치(150)와 제2 티그토치(160)는 대략 40mm 내지 100mm 간격으로 설치될 수 있다. 물론, 파이프의 이송 속도 및 용접 속도에 따라 제1 티그토치(150)와 제2 티그토치(160)의 간격은 가변될 수 있다.

한편, 상기 제1 티그토치(150)의 용접전류는 1mm 두께의 파이프 용접시에 120 내지 130A가 될 수 있고, 제2 티그토치(160)의 용접전류는 1mm 두께의 파이프 용접시에 50 내지 60A가 될 수 있다. 여기서, 제1 티그토치로 공급되는 용접전류가 너무 작을 경우에는 용접성이 떨어지며, 제1 티그토치로 공급되는 전류가 너무 클 경우에는 용접부의 언더 컷팅이 심하게 발생될 수 있다. 그리고, 제2 티그토치로 공급되는 전류가 너무 작을 경우에는 언더 컷팅된 부분의 보강 효과가 저하될 수 있다.

상기에서 케이스(110)는 가스충전기(120)에 의해 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스가 공급되어 내부가 해당 가스로 충전(filling)됨에 따라 케이스 내부의 공기(특히 O₂)가 외부로 제거되고, 상기 제1 티그토치(150)와 제2 티그토치(160)에서는 아르곤과 같은 불활성 보호가스(157)가 용접부로 분사된다. 이에 따라, 케이스(110)의 내부는 진공 분위기가 조성되고, 용접 부위로는 보호가스(157)가 분사됨으로써, 용접 부위의 산화를 일으킬 수 있는 산소를 최소한으로 하거나 산소의 근접을 방지할 수 있다.

상기에서 가스충전기(120)는 공지의 장치를 사용할 수 있으며, 상기 가스충전기(120)의 용량은 상기 케이스 내부의 설정 압력 및 상기 케이스(110)의 크기 등을 고려하여 결정된다.

상기 제1 티그토치(150) 및 제2 티그토치(160)는 일정 간격 이격되어 설치된다. 따라서, 상기 파이프(10)는 동일 부위가 일정한 시간 간격을 두고 재차 용접되는 것이 가능하다.

특히, 상기 제1 티그토치(150)와 제2 티그토치(160) 사이의 간격은 조절될 수 있도록 하여, 파이프(10)의 두께에 따라 시간간격을 변화시키는 것이 바람직하다. 상기 제1 티그토치(150)와 제2 티그토치(160) 사이의 간격 조절은 제2 티그토치(160)가 움직일 수 있는 슬릿(미 도시)을 케이스(110)에 미리 형성하고, 상기 제2 티그토치(160)를 도시되지 않은 직선이동수단에 의해 이동시키는 것으로 수행될 수 있다.

상기 제1 티그토치(150)와 제2 티그토치(160)는 도 2에 도시된 바와 같이, 중심에 전극봉(151)이 설치되고, 전극봉(151)의 주위로 가스통로(153)가 배치된다. 따라서, 상기 가스통로(153)를 통해 보호가스(157)가 용접부(13)로 분출되어 용접 부위로 산소가 접근되는 것을 방지할 수 있고, 용접 부위가 급냉되는 것도 방지할 수 있다.

상기 보호가스(157)로는 티그 용접에서 모재의 두께가 얇은 결점을 개선시키는 방법으로, 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성 가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스로 구성된 차폐 가스가 이용될 수 있다.

그리고, 상기 제2 티그토치(160)는 1차적으로 상기 제1 티그토치(150)에 의해 용접된 최초 용접부(13)의 재용접을 수행하므로, 상기 파이프(10)에 가하는 에너지량이 제1 티그토치(150)에 비해 작은 것이 좋다. 따라서, 상기 제2 티그토치(160)에 공급되는 용접전류는 상기 제1 티그토치(150)의 용접전류보다 작은 것이 바람직하다.

마찬가지로, 상기 제2 티그토치(160)에 의한 아크의 크기가 상기 제1 티그토치(150)의 아크(155)의 크기보다 작으므로, 상기 제2 티그토치(160)에 공급되는 보호가스의 양은 제1 티그토치(150)에 공급되는 보호가스(157)의 양보다 작을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 파이프 용접 장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 파이프 용접장치를 이용한 용접 방법에 대해 설명한다.

길이 방향으로 연속적으로 공급되는 판 형태의 모재는 외부의 포밍장치(미 도시)에 의해 벤딩(bending)되어 관 형상으로 제작된다. 이때, 절개부(11)를 가지는 파이프(10)가 형성되며, 파이프(10)는 케이스(110)의 제1 관통구(111)를 통해 케이스(110) 내부로 유입된다.

케이스(110)로 유입된 파이프(10)는 제1 롤러부(130)와 제2 롤러부(140)에 의해 피딩되어 케이스(110)의 제2 관통구(115)를 통해 외부로 배출된다.

여기서, 케이스(110)는 가스충전기(120)에 의해 내부가 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스로 충전(filling)되어 케이스(110)의 내부가 진공 분위기로 조성되어 있다. 즉, 용접 전에 케이스(110)의 내부가 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스로 미리 충전되어 있는 것이 바람직하다.

이때, 제1 티그토치(150)와 제2 티그토치(160)에는 외부로부터 설정된 전류가 각 전극봉으로 인가되고, 가스통로를 통해 보호가스가 용접 부위로 분사되고 있는 상태이다.

상기 파이프(10)가 제1 티그토치(150)에 도달되면, 제1 티그토치(150)에 의해 공급되는 보호가스(157)에 의해 용접 부위로의 산소의 접근이 차단되면서, 상기 전극봉(151)으로부터 발생되는 아크(155)에 의해 파이프(10)의 절개부(11)는 용융되어 도 3과 같이 용융 풀(13)을 형성하게 된다. 상기 용융 풀이 제1 티그토치(150)를 지나 상기 제2 티그토치(160)에 도달될 때까지 점차 냉각되면서 반경화 상태(14)가 된다. 여기서, 제1 티그토치(150)로 절개부(11)를 용접할 때, 최초 용접부(13)는 도 3과 같이 언더 컷팅(㉮; under cutting)이 발생되며, 이로 인해 최초 용접부(13)의 두께가 다른 부위보다 얇아지게 되어 강도가 저하될 수 있다. 제1 티그토치(150)의 전극봉(151)으로 공급되는 용접전류는, 파이프(10)의 두께가 1mm일 때 120 내지 130A 정도가 될 수 있다.

상기 파이프(10)의 최초 용접부(13)가 제2 티그토치(160)에 도달되면 제2 티그토치(160)로부터 공급되는 아크로 인해 최초 용접부(13)를 재가열하여 언더 컷팅(㉮)된 부분을 보강하는 보강 용접부(15)를 도 4와 같이 형성시키게 된다. 그러므로, 보강 용접부(15)는 상기 최초 용접부(13)에 비해 두께가 두껍게 형성되므로, 기존의 용접방식에 비해 두께가 두꺼운 파이프(10)로 확실한 용접이 가능하게 된다.

즉, 제2 티그토치(160)는 언더 컷팅(㉮)된 용접 상태를 보강하기 위하여 진공 분위기에서 2차로 용접하게 되며, 상기 제2 티그토치(160)는 제1 티그토치(150)의 전류량 대비 38% 내지 50% 정도의 용접전류로 용접하는 것이 바람직하다.

상기 제2 티그토치(160)의 용접전류는 파이프(10)의 두께가 1mm일 때 50 내지 60A 정도가 될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 가스충전기(120)에 의해 케이스(110) 내부의 공기를 제거함으로써, 폐쇄된 공간 내에서 진공분위기가 형성되어 상기 최초 용접부(13) 및 보강 용접부(15)에 대한 산소의 영향을 최소로 할 수 있어 용접된 파이프(10)의 품질이 향상되며, 동일한 부분을 이중으로 용접함에 따라 균일한 용접 상태를 확보할 수 있다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 파이프 11: 절개부
13: 최초 용접부 15: 보강 용접부
110: 케이스 111: 제1 관통구
115: 제2 관통구 120: 가스충전기
130: 제1 롤러부 140: 제2 롤러부
150: 제1 티그토치 151: 전극봉
153: 가스통로 160: 제2 티그토치

Claims

제1 및 제2 관통구가 서로 대응되는 면에 각각 형성되며, 내부 공간이 진공 분위기로 유지되는 케이스;
상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 제1 관통구를 통해 유입된 길이 방향으로 절개부를 가지는 파이프를 이송하는 한쌍의 제1 롤러부;
상기 제1 롤러부의 후단에 일정 간격으로 설치되어 제1 롤러부를 통해 이송된 파이프를 제2 관통구를 통해 유출시키는 한쌍의 제2 롤러부;
상기 제1 롤러부와 제2 롤러부의 사이에 설치되며, 파이프의 절개부를 설정된 용접전류로 1차 용접하는 제1 티그토치; 및
상기 제1 롤러부와 제2 롤러부의 사이에 설치되되 제1 티그토치의 후단에 일정 간격으로 배치되며, 상기 제1 티그토치에 의해 절개부의 표면이 언더 컷팅(under cutting)된 용접 상태를 보강하기 위하여 제1 티그토치의 전류량 대비 38% 내지 50% 정도의 용접전류로 2차 용접하는 제2 티그토치;를 포함하는 파이프 용접 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 티그토치의 용접전류는 1mm 두께의 파이프 용접시에 120 내지 130A이고, 제2 티그토치의 용접전류는 1mm 두께의 파이프 용접시에 50 내지 60A인 파이프 용접 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 케이스의 내부로 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스를 충전(filling)하는 가스충전기를 더 포함하는 파이프 용접 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 티그토치는 제1 티그토치의 후단에 설치되며, 용접 부분이 반경화되는 위치에 설치되는 파이프 용접 장치.
케이스 내부로 유입된 길이 방향으로 절개부를 가지는 파이프를, 그 형상을 유지하면서 이송시키는 제1 단계;
상기 파이프의 절개부를 진공 분위기에서 제1 티그토치로 1차 용접하며, 상기 제1 티그토치는 설정된 용접전류로 용접하는 제2 단계; 및
상기 1차 용접에 의해 절개부의 표면이 언더 컷팅(under cutting)된 용접 상태를 보강하기 위하여 진공 분위기에서 제2 티그토치로 2차로 용접하며, 상기 제2 티그토치는 제1 티그토치의 전류량 대비 38% 내지 50% 정도의 용접전류로 용접하는 제3 단계;를 포함하는 파이프 용접 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 제2 단계에서 제1 티그토치의 용접전류는 1mm 두께의 파이프 용접시에 120 내지 130A인 파이프 용접 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 제3 단계에서 제2 티그토치의 용접전류는 1mm 두께의 파이프 용접시에 50 내지 60A인 파이프 용접 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 케이스의 내부에 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스를 충전(filling)하여 케이스의 내부를 진공 분위기로 조성하는 단계를 더 포함하는 파이프 용접 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 아르곤가스 또는 아르곤과 수소의 혼합가스는 용접 전에 미리 케이스의 내부에 충전되는 파이프 용접 방법.