KR101014669B1

KR101014669B1 - 상태 안정화 용접장치

Info

Publication number: KR101014669B1
Application number: KR1020080094752A
Authority: KR
Inventors: 박광원; 송미희
Original assignee: 송미희; 박광원
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2011-02-16
Also published as: KR20100035388A

Abstract

본 발명 상태 안정화 용접장치는 용접와이어와 반대방향으로 전류가 흐르는 안정화와이어를 용접와이어와 평행하게 위치시켜 용접와이어와의 전자기적 힘이 상호 작용토록 함으로써 용접환경을 안정화시킨 상태에서 용접하기 위한 용접장치이다.

이를 통해 본 발명은 안정된 상태에서 용접량을 늘려가며 용접할 수 있게 해주고, 전기아크 용접 중 GMAW(Gas Metal Arc Welding), MIG(Metal Inert Gas), MAG(Metal Active Gas), EGW(Electro Gas Welding), SAW(Subnerged Arc Welding) 등 와이어 형태의 금속와이어를 전기아크 에너지로 녹여서 용접비드를 형성하는 용접에 적용되어, 정확성을 높여가며 효과적으로 용접할 수 있는 효과를 제공한다.

용접, 전기, 아크, 와이어, 전류, 전자기장, 플레밍의 법칙

Description

상태 안정화 용접장치{Welding apparatus in pursuit of stabile condition}

본 발명은 전기아크에 의한 용접과 관련된 GMAW(Gas Metal Arc Welding), MIG(Metal Inert Gas), MAG(Metal Active Gas), EGW(Electro Gas Welding), SAW(Subnerged Arc Welding) 등의 용접에 관한 것으로, 용접와이어와 반대방향으로 전류가 흐르는 안정화와이어를 용접와이어와 평행하게 위치시켜 용접와이어와의 전자기적 힘이 상호 작용토록 함으로써 용접환경을 안정화시킨 상태에서 용접하기 위한 상태 안정화 용접장치를 제시한 것이다.

용접(welding)은 용접부를 용융상태로 하든가 용융상태로 하지 않을 정도로 가열한 부재 또는 상온 상태의 부재를 서로 접촉시키고 압력을 가하여 접합한다. 즉 두개의 금속을 접합하여 하나로 만드는 작업으로서 나사 또는 리벳을 사용하는 기계적 이음과는 다르며 일반으로 용접으로 이음된 것은 분해할 수 없다. 이밖에 접합할 금속 사이에 가열한 다른 금속을 사이에 넣고 결합시키는데 이것도 넓은 의미의 용접에 포함된다. 용접하는 모재 및 첨가재를 가열 용융할 필요가 있으며, 여러 가지 용접법이 있다.

전기용접의 또다른 표현인 아크용접(arc welding)은 금속과 금속을 접합하는 데 전기에 의한 아크방전(放電)을 이용하는 것으로 탄소전극(炭素電極)을 사용하는 탄소 아크용접과 금속전극을 사용하는 금속 아크용접의 두 종류가 있다. 아크용접을 할 때의 온도는 5,000~6,000 K의 고온에 달하며, 또 강한 자외선이 방출되므로 작업자는 눈이나 몸을 보호하기 위해 헬멧, 에이프런, 장갑 등을 착용해야 한다.

아크용접에는 탄소전극(炭素電極)을 사용하는 탄소 아크용접과 금속전극을 사용하는 금속 아크용접의 두 종류가 있으며, 탄소 아크용접은 용접모재(熔接母材)와 탄소전극 사이에 아크를 발생시켜 그 속에 넣은 용접봉이 녹아 용접 부분을 채우게 되는데 아크를 이동해 나감에 따라 채운 것이 굳어져서 용접되는 것이고, 금속 아크용접은 용접모재와 같은 종류의 금속으로 만든 전극 사이에 아크를 발생시켜 전극 그 자체를 녹여서 접합 부분을 채워 모재를 접합한다.

도 1은 일반적인 아크용접장치에서 용접되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도시한 바와 같이 일반적인 아크용접장치(10)는 일반 범용전압의 전기에너지를 공급 받아 전기 에너지형태로 변환하여 케이블을 통하여 토치(120)에 공급함으로써, 용접와이어 끝단과 작업물 간에 플라스마 아크가 형성되면서 용접물(X)의 용접이 이루어지게 된다.

이 때 이산화탄소가스장치(130)는, 플라스마아크(plasma arc)를 형성하고 용융금속 표면의 산화를 방지한다.

그리고 와이어피더(140)는 용접비드를 형성하기 위해 릴형태 등의 금속 와이어를 송급하며, 토치(120)는 와이어피더(140)로부터 송급된 금속 와이어와 용접 작업 금속 사이에 플라스마 아크를 유지시키게 된다.

일반적으로 작업자가 토치를 잡고 용접작업을 하기도 하나, 자동용접 캐리지(151)와 캐리지레일(152)이 토치(120)의 위치와 높이를 조정해 가며 용접작업이 진행된다.

또한 이 과정에서 위빙장치(160)는 토치(120)를 고정한 상태에서 좌우로 주기적으로 이동하여 용접비드를 형성하게 되며, 세라믹백킹제(ceramic backing, 153)는 용융된 금속이 뒤로 넘어가는 것을 방지하는 고온 차단막 기능을 한다.

아울러 동담금 플레이트(154, Cooling Metal Plate)는 용융된 용접비드가 앞쪽으로 흐르는 것을 방지함과 동시에, 용융금속을 냉각시켜서 고체로의 변화를 진행시키게 된다.

이러한 종래의 일반적인 아크용접장치(10)에 있어 용접 금속량을 높이는 위해, 용접전류와 와이어 공급 속도를 증가시키는 것과, 앞서 설명한 토치(120), 와이어피더(140)를 각각 2개씩 사용하여 위빙장치(160)에 고정시킨 후 동시에 같은 부위를 용접하는 탄뎀2 와이어 용접(Tandem2 Wire welding)이 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 종래 용접은, ① 용접전류와 와이어 공급 속도를 증가시키는 것과, ② 탄뎀2 와이어 용접(도 1에 있어 용접기와 와이어피더, 토치를 각각 2개씩 사용하며, 위빙장치에 2개의 토치를 고정하여 동시에 같은 부위를 용접하는 방식)이 대부분이었다.

하지만 (1) 자체 전자자기장에 의한 왜곡 현상과, (2) 2개의 용접전류간의 간섭 현상으로 인해, 용접량의 증대를 위한 안전한 용접이 수행될 수 없는 문제점이 있다.

도 2는 일반적인 아크용접장치에서 단일용접와이어에 의해 용접되는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 일반적인 아크용접장치에서 한쌍의 용접와이어에 의해 용접되는 과정을 설명하기 위한 도면으로, (a)는 용접되는 상태에 대한 사시도이고, (b)는 와이어에 전류가 흐를시 발생되는 자기장의 방향과 자기력선을 나타낸 것이다.

이하에서 위의 도면을 참조하여 각각의 문제점에 대해 자세히 살펴본다.

(1) 단일 용접와이어에 의한 자체 전자기장의 왜곡 현상

도 2를 참조하면 종래 일반적인 아크용접장치를 이용한 단일용접와이어의 용접은 위빙장치(160)에 의한 토치(120)의 위빙에 따라 단일용접와이어(180)가 용접할 부분의 용접비드 상부를 따라 이동하며, 이 이동방향(두꺼운 화살표)을 따라 플라스마 아크가 발생된다.

이렇게 단일용접와이어(180)에 의한 용접이 수행되는 과정에서 도 2의 (a)나(b-1)(b-2)(b-3)와 같이, 단일용접와이어(180)가 작업물의 가장자리 또는 경제면에 도달 시, 전자기장(180e)은 심한 굴곡이 형성되고 전자기력(180f)이 발생하게 되며, 이에 따라 플라스마 아크의 쏠림과 용융 금속 표면층의 요동이 유발하여 큰 문제점이 된다.

(2) 한쌍의 용접와이어에 의한 용접전류간의 간섭 현상

도 3을 참조하여 종래 일반적인 아크용접장치를 이용한 한쌍 용접와이어의 대표적인 탄뎀2 와이어 용접을 살펴본다.

도 3과 같이 한쌍 용접와이어의 대표적인 탄뎀2 와이어 용접에 있어, 같은 방향의 용접전류에 의해 형성되는 제1용접와이어(181)의 전자기장과 제2용접와이어(182)의 전자기장은 서로 반발하여 반발력을 만들어낸다. 여기에 맥동파 형태의 각 용접전류 파형은 전자자기장의 불연속을 만들며 전자자기장들 상호간에 간섭을 심하게 한다.

결과적으로 전기 용접에 큰 문제로 대두되고 있는 앞서의 2가지 간섭(현상)은 용융금속의 불안정을 유발, 용융금속이 비산하는 스패터(Spatter)의 증가, 그리고 용접비드층의 불안정 및 용접비드 내의 결함을 야기하게 되며, 결국 용접전류를 낮추거나 탄뎀2와이어 용접의 적용이 제한되어 용착량이 감소되는 문제점이 있다.

따라서 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 용접와이어와 반대방향으로 전류가 흐르는 안정화와이어를 상기 용접와이어와 평행하게 위치시켜 상기 용접와이어와의 전자기적 힘이 상호 작용토록 함으로써 용접환경을 안정화시킨 상태에서 용접하는 상태 안정화 용접장치를 제공하는데 있다.

삭제

따라서 본 발명은, 안정된 상태에서 용접량을 늘려가며 용접할 수 있게 해주고, 전기아크 용접 중 GMAW(Gas Metal Arc Welding), MIG(Metal Inert Gas), MAG(Metal Active Gas), EGW(Electro Gas Welding), SAW(Subnerged Arc Welding) 등 와이어 형태의 금속와이어를 전기아크 에너지로 녹여서 용접비드를 형성하는 용접에 적용이 가능할 뿐만아니라, 정확성을 높여가며 효과적으로 용접할 수 있는 효과를 제공하여, 관련산업계에서 큰 호응이 있을 것으로 예상된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 상태 안정화 용접장치를 자세히 설명한다.

앞서도 언급한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 상태 안정화 용접장치는 용접와이어와 반대방향으로 전류가 흐르는 안정화와이어를 상기 용접와이어와 평행하게 위치시켜 상기 용접와이어와의 전자기적 힘이 상호 작용토록 함으로써 용접환경을 안정화시킨 상태에서 용접하는 특징이 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상태 안정화 용접장치에서의 단일와이어 전기용접에 대한 원리를 설명하기 위한 도면으로, (a)는 용접되는 상태에 대한 사시도이고, (b)는 와이어에 전류가 흐를시 발생되는 자기장의 방향과 자기력선을 나타낸 것이다.

도시한 바와 같이 도 4와 관련된 본 실시예에 따른 상태 안정화 용접장치에서의 단일와이어 전기용접에서는, 기존 용접와이어(180)와 근접한곳에 안정화와이어(185)를 위치시키되 이 안정화와이어(185)에는 용접와이어(180)와 반대방향으로 전류가 흐르도록 제어해 준다. 아울러 이 안정화와이어(185)는 용접와이어(180)와 같은 재질이 바람직하나 꼭 이러한 것에 제한받을 필요는 없다.

이렇게 용접와이어(180)와 안정화와이어(185)에 전류가 흐르게 되면, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 플레밍의 법칙에 따른 전자기장이 발생하게 된다.

본 실시예의 상태 안정화 용접장치에 따라 실시할 용접이 준비되면, 먼저 용접와이어(180)가 녹아 형성된 용융풀(100p, Melting Pool)에 안정화와이어(185)를 접촉시킨 상태에서 안정화전류(185i)를 흘려준다.

본 실시예에 있어 용접와이어(180)에는 아크용접시 인가하는 통상적인 400[A] 이상의 전류와 30~34 [V] 정도의 전압을 흘려주기 때문에 아크가 발생된다. 하지만, 본 실시예에 따른 본 안정화와이어(185)에는 50 ~ 200 [A] 정도의 전류와 4 ~ 10 [V] 정도의 전압을 흘려주기 때문에 아크가 발생되지 않으며, 아크는 용접의 효율이나 안정적인 측면과 매우 밀접하게 관련되므로 이렇게 아크가 발생되지 않도록 제어하는 것은 중요한 의미를 지닐 뿐만 아니라, 아크가 발생되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

또한 본 실시예에 있어 이미 액체상태의 용융풀(100p)과 접촉한 안정화와이어(185)는 안정화와이어(185)의 전기 저항값[ "R = Ro * (1+aT) ", T:온도, a:온도계수 ]이 큰값이 되어 온도가 높기 때문에, 안정화전류(185i)의 대부분이 용융풀(100p)과의 경계면에서 열에너지로 변환되어 안정화와이어(185) 자체가 녹게 되며, 이렇게 녹게 되는 안정화와이어(185)의 용융풀이 용접량으로 관여된다.

또한 이 안정화전류(185i)로 인한 전자기장(185e)은 용접전류(180i)가 흐르는 용접와이어(180)와 플라스마아크(100a)를 당기는 인력(100f)을 발생시키게 되며, 안정화와이어(185)는 용융풀(100p) 속에 접촉되어 고정축의 역할을 하게 된다.

아울러 용접와이어(180)에 의한 전자기장(180e)과 안정화와이어(185)에 의한 전자기장(185e) 사이에 상호 인력이 작용하고 두 와이어 사이로 높은 자속밀도를 유발시키게 되며, 상대적으로 높은 자속밀도 때문에 주변의 자기장의 변화가 작은 간섭으로 축소된다.

결과적으로 이러한 자기장과 상호인력의 분포에 의하여 안정된 플라스마아크(100a)와 용융풀(100p)이 형성되고 용접량이 증대됨은 물론 용접상태도 안정되고 용접성의 향상과 용착효율이 높아진다.

도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 상태 안정화 용접장치에서의 따른 탄뎀2 와이어용접에 대한 원리를 설명하기 위한 도면으로, (a)는 용접되는 상태에 대한 사시도이고, (b)는 와이어에 전류가 흐를시 발생되는 자기장의 방향과 자기력선을 나타낸 것이다.

도시한 바와 같이 도 5와 관련된 본 실시예에 따른 상태 안정화 용접장치에서의 탄뎀2 와이어용접에, 제1용접와이어(181)와 제2용접와이어(182) 사이의 용융풀(100p)에 반대방향의 안정화전류(185i)가 흐르는 안정화와이어(185)를 위치시키므로써, 제1용접와이어(181)에 의한 전자기장(181e)과 제2용접와이어(182)에 의한 전자기장(182e) 사이에 안정화와이어(185)에 의한 반대방향의 전자기장(185e)을 발생시켜서 상호 인력이 작용하게 되며, 앞서도 설명한 바와 같이 안정화와이어(185)는 용융풀(100p) 속에 접촉되어 고정축의 역할을 하게 된다.

또한 앞서도 설명한 바와 같이, 본 실시예에 있어서도 이미 액체상태의 용융풀(100p)과 접촉한 안정화와이어(185)는 안정화와이어(185)의 전기 저항값[ "R = Ro * (1+aT) ", T:온도, a:온도계수 ]이 큰값이 되어 온도가 높기 때문에, 안정화전류(185i)의 대부분이 용융풀(100p)과의 경계면에서 열에너지로 변환되어 안정화와이어(185)를 녹여 주며, 이렇게 녹게 되는 안정화와이어(185)의 용융풀이 용접량 으로 관여된다.

아울러 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 앞서의 원리에 의해 안정화전류(185i)로 인한 전자기장(185e)은 제1용접와이어(181)와 제2용접와이어(182) 간에 상호인력을 발생시키고 와이어들 사이에 높은 자속밀도를 유발시킨다.

결과적으로 본 실시예에 있어서도 이러한 자기장과 상호인력의 분포에 의하여 안정된 플라스마아크(100a)와 용융풀(100p)이 형성되고 용접량이 증대됨은 물론 용접상태도 안정되고 용접성의 향상과 용착효율이 높아진다.

여기에 더하여 보다 높은 용접전류 사용이 가능하여 용접량도 용이하게 증가시킬 수 있으며, 용접전류를 올려도 본 실시예에 의해 개선된 전자기장의 안정성이 높아지므로, 높은 대전류 용접작업과 탄뎀2 와이어용접을 안정적으로 실시할 수 있다.

또한 본 상태 안정화 용접장치에서는 용접할 조건에 따라 용접와이어의 종류와 용접거리 등을 변화시켜 가며 다양하게 용접할 수 있다.

아울러 본 설명에서는 특정 실시예를 들어 설명하고 있으나 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 개념을 이탈하지 않는 범위내에서 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 실시될 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 다양한 실시는 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

도 1은 일반적인 아크용접장치에서 용접되는 과정을 설명하기 위한 도면.

도 2는 일반적인 아크용접장치에서 단일용접와이어에 의해 용접되는 과정을 설명하기 위한 도면.

도 3은 일반적인 아크용접장치에서 한쌍의 용접와이어에 의해 용접되는 과정을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 상태 안정화 용접장치에서의 단일와이어 전기용접에 대한 원리를 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명의 또다른 일실시예에 따른 상태 안정화 용접장치에서의 탄뎀2 와이어용접에에 대한 원리를 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

X ; 용접물

10 : 아크용접장치

100a : 플라스마아크 100f : 인력

100f : 인력

110 : 용접기 120 : 토치

130 : 이산화탄소가스장치 140 : 와이어피더

151 : 자동용접 캐리지 152 : 캐리지레일

153 : 세라믹백킹제 154 : 동담금 플레이트

160 : 위빙장치

180 : 용접와이어

180e : 용접와이어의 자기장 180i : 용접와이어의 전류

181 : 제1용접와이어

181e : 제1용접와이어의 자기장 181i : 제1용접와이어의 전류

182 : 제2용접와이어

182e : 제2용접와이어의 자기장 182i : 제2용접와이어의 전류

185 : 안정화와이어

185e : 안정화와이어의 자기장 185i : 안정화와이어의 전류

Claims

용접와이어와 반대방향으로 전류가 흐르는 안정화와이어를 상기 용접와이어와 평행하게 위치시켜 상기 용접와이어와의 전자기적 힘이 상호 작용토록 함으로써 용접환경을 안정화시킨 상태에서 용접하는 것을 특징으로 하는 상태 안정화 용접장치.
청구항 1에 있어서, 상기 안정화와이어는

상기 용접와이어의 용접 과정에서 아크가 발생되지 않도록 하는 크기의 전류와 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 상태 안정화 용접장치.
청구항 1에 있어서, 상기 안정화와이어는

상기 용접와이어 용접시의 용융풀과 접촉상태에 의한 전기저항열에 의해 용융되어 용접량을 증가시키도록 용접되는 것을 특징으로 하는 상태 안정화 용접장치.
청구항 1에 있어서, 상기 용접은

상기 용접와이어가 단일한 경우 용접물상의 용융풀에 상기 안정화와이어가 묻혀 고정되는 상태에서, 상기 용접와이어와 안정화와이어 각각에서 발생되는 전자기장에 의한 힘이 서로 작용할 수 있는 거리범위 내에 위치되는 상태에서 용접하는 것을 특징으로 하는 상태 안정화 용접장치.
청구항 1에 있어서, 상기 용접은

상기 용접와이어가 쌍을 이루는 경우 용접물상의 용융풀에 상기 안정화와이어가 묻혀 고정되는 상태에서, 상기 용접와이어와 안정화와이어 각각에서 발생되는 전자기장에 의한 힘이 서로 작용할 수 있는 거리범위 내에 위치되는 상태에서 용접하는 것을 특징으로 하는 상태 안정화 용접장치.