KR101160981B1

KR101160981B1 - 플럭스 코어드 와이어 제조 장치

Info

Publication number: KR101160981B1
Application number: KR1020100135887A
Authority: KR
Inventors: 박서정
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-06-29

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치는, 금속 박판을 성형하여 플럭스를 충진하고, 상기 플럭스가 충진된 금속 박판을 와이어의 형태로 성형한 상태에서 상기 와이어의 이음매 부분을 레이저 용접 헤드를 통해 레이저 용접하는 것으로서, 상기 레이저 용접 헤드의 전후 측에 구성되며 상기 와이어의 비틀림, 진동 및 유동을 억제하는 와이어 고정유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플럭스 코어드 와이어 제조 장치 {SYSTEM OF MANUFACTURING FLUX CORED ARC WELDING WIRE}

본 발명의 예시적인 실시예는 플럭스 코어드 와이어(FWC)의 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플럭스가 충진된 박판의 이음매 부분을 레이저를 이용하여 연속적으로 용접하여 이음매 부분이 보이지 않는 관 형태를 갖도록 한 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 직경이 작은 금속관을 제조할 때 사용되는 용접 공정으로는 고주파 용접, 전기저항 용접, 플라즈마 용접 등이 있다.

이 중에서 고주파 용접의 경우, 플럭스와 같은 분말이 충진된 금속관을 용접할 때 고주파 용접시 발생하는 전자력에 의해 플럭스 중의 자성 성분이 용융부에 함유되어 용접 결함의 원인이 된다.

즉, 종래의 고주파 용접에서는 상기와 같은 용접부의 결함으로 인하여, 후 공정에서 용접된 관을 신선 또는 인발할 때 금속관의 직경이 줄어들면서 접합된 부분에 균열이 발생하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 국제공개공보 WO91/19590호 등에서는 자력이 플럭스에 영향을 미치지 못하도록 여러 방법을 이용한 고주파 용접을 제안하고 있으나, 이러한 고주파 제조 방법은 장치 제작에 많은 비용이 들고 생산성이 높지 않다는 문제점이 있다.

또한, 전기저항 용접이나 플라즈마 용접의 경우에는 용접 속도가 현저히 느려 생산성이 떨어지는 문제가 있었으며, 생산성을 올리기 위해서 용접 속도를 올리게 되면 표면이 불규칙한 험핑 비드(humping bead), 언더컷 비드(undercut bead)가 발생하는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 상술한 바와 같은 종래의 용접 방법으로 용접을 하게 되면, 제조하고자 하는 와이어가 더욱 더 작은 구경이 되면 될수록 단선이 빈번하게 발생하는 문제가 있었으며, 충분하지 못한 용접 속도로 인해서 생산성이 떨어지는 문제도 발생된다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 플럭스가 충진된 금속관의 이음매 부분을 고밀도 열원인 레이저 빔을 통해 연속적으로 용접하여 고속 생산이 가능하면서도 플럭스가 이음매에 부착되는 등의 결함 발생을 억제시킬 수 있도록 한 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예들은 금속관의 비틀림, 진동 및 유동에 따른 레이저 조사 위치의 이동 편차를 최소화하여 레이저 용접에서의 접합 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치를 제공한다.

또한 상기 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치에 있어서, 상기 와이어 고정유닛은 상기 와이어의 일 부분이 안착될 수 있는 안착홈을 지닌 베이스부재와, 상기 베이스부재의 일측에 회전 가능하게 설치되고 상기 와이어의 나머지 부분을 감싸며 상기 베이스부재에 고정되는 덮개부재를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한 상기 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치에 있어서, 상기 베이스부재의 안착홈은 반원 형태로 이루어질 수 있다.

또한 상기 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치에 있어서, 상기 덮개부재에는 상기 와이어의 나머지 부분을 지지하는 반원형의 결합홈이 형성될 수 있다.

또한 상기 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치에 있어서, 상기 안착홈 및 결합홈의 내표면에는 상기 와이어의 외주면을 지지하는 복수의 지지 돌기들이 형성될 수 있다.

또한 상기 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치에 있어서, 상기 와이어 고정유닛은 상기 베이스부재의 다른 에 회전 가능하게 설치되며 상기 베이스부재에 대하여 상기 덮개부재를 선택적으로 로킹시키기 위한 로킹부재를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 와이어의 이음매 부분을 레이저 용접하는 과정에 와이어 고정유닛을 통하여 와이어의 비틀림, 진동 및 유동을 억제함으로써 와이어의 이음매 부분으로 레이저 빔을 정확하게 조사할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 와이어의 비틀림, 진동 및 유동에 따른 레이저 조사 위치의 이동 편차를 최소화함으로써 와이어의 이음매 부분에 대한 용접 결함을 줄일 수 있으며, 레이저 용접에서의 접합 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 1의 (b)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어의 제조 공정에 따른 금속 박판의 성형 형태를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치에 적용되는 와이어 고정유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 와이어 고정유닛의 와이어 고정 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 와이어 고정유닛의 로킹 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1의 (a)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 1의 (b)는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어의 제조 공정에 따른 금속 박판의 성형 형태를 도시한 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 적용되는 플럭스 코어드 와이어(200)(FCW: Flux Cored Wire)는 이음매가 없는 관 형태의 와이어에 플럭스가 충진된 용접 와이어로서 사용된다.

즉, 상기 플럭스 코어드 와이어(200)는 플럭스(4)가 충진된 금속 박판(1)의 이음매 부분을 용접하여 그 이음매 부분이 보이지 않는 관 형태로서 이루어진다.

본 실시예에서는 상기와 같은 플럭스 코어드 와이어(200)를 제조하는데 있어, 금속 박판(1)의 이음매 부분(이하에서는 편의 상 "이음부" 라고 한다)을 고밀도 열원인 레이저 빔을 통해 연속적으로 용접하여 고속 생산이 가능하면서도 플럭스(4)가 이음매에 부착되는 등의 결함 발생을 억제시킬 수 있도록 한 플럭스 코어드 와이어 제조 장치(100)를 제공한다.

이를 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 플럭스 코어드 와이어 제조 장치(100)는 기본적으로, 금속 박판 공급유닛(10)과, 세정유닛(20)과, 제1 성형유닛(30)과, 플럭스 공급유닛(40)과, 제2 성형유닛(50)과, 레이저 용접기(60)와, 제3 성형유닛(70)과, 열처리유닛(80)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

상기 금속 박판 공급유닛(10)은 금속 박판(1)이 감겨 있는 코일(1a)로부터 금속 박판(1)을 풀어내며 그 금속 박판(1)을 소정의 이송 경로로 공급하기 위한 것이다.

상기 세정유닛(20)은 금속 박판(1)에 부착되어 있는 이물질을 세정하는 기능을 하게 되고, 제1 성형유닛(30)은 복수의 성형 롤러 등을 통해 금속 박판(1)을 일정한 형태로 성형하는 기능을 하게 된다.

상기 플럭스 공급유닛(40)은 제1 성형유닛(30)을 통해 일정한 형태로 오므려진 금속 박판(1)에 플럭스(4)를 충진하기 위한 것이다.

상기 제2 성형유닛(50)은 사이드 롤러, 압연 롤러, 가이드 롤러 등을 통해 플럭스(4)가 충진된 금속 박판(1)을 일정한 형태, 바람직하게는 원형의 와이어(W)로서 성형하고, 그 와이어(W)에 맞대기 형태의 이음부(C)를 형성할 수 있는 구성으로 이루어진다.

상기 레이저 용접기(60)는 레이저 발진기(도면에 도시되지 않음)로부터 발진되는 레이저 빔(LB)을 와이어(W)의 이음부(C)에 조사하여 그 이음부(C)를 레이저 용접하기 위한 것이다.

본 실시예에서, 상기 레이저 용접기(60)는 와이어(W)의 이음부(C)로 레이저 빔(LB)을 조사하는 레이저 용접 헤드(61)를 구성하고 있다.

상기 레이저 용접 헤드(61)는 레이저 발진기(도면에 도시되지 않음)로부터 발진되는 레이저 빔을 집속하고, 그 레이저 빔을 와이어(W)의 이음부(C)로 조사할 수 있는 구조로서 이루어진다.

이러한 레이저 용접 헤드(61)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 레이저 옵틱 헤드로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기에서, 제3 성형유닛(70)은 레이저 용접이 완료된 와이어(W)를 복수의 성형 롤러 등을 통해 인발 또는 신선 가공하여 직경이 축소된 형태로 성형하기 위한 것이다.

그리고, 상기 열처리유닛(80)은 신선된 와이어(W)를 고주파 유도 가열장치로서 열처리함으로써 레이저 용접 부위의 경화 조직을 완화하고, 표면의 불순물 및 수분 등을 제거하는 기능을 하게 된다.

한편, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치(100)는 도 2에서와 같이, 레이저 용접 헤드(61)를 통해 와이어(W)의 이음부(C)를 레이저 용접하는 과정에, 와이어(W)의 비틀림, 진동 및 유동을 억제하기 위한 와이어 고정유닛(90)을 더 포함하고 있다.

본 실시예에서, 상기 와이어 고정유닛(90)은 플럭스 코어드 와이어의 제조 공정 라인에서 레이저 용접 헤드(61)의 전후 측에 구성되는 바, 기본적으로는 베이스부재(101)와, 덮개부재(111)와, 로킹부재(121)로 구성될 수 있다.

상기 베이스부재(101)는 제조 공정 라인 상의 지지대(91)에 볼트와 같은 체결수단(93)을 통해 고정되며, 레이저 용접 헤드(61)의 전후 측에 대응하여 배치될 수 있다.

이러한 베이스부재(101)의 상면에는 와이어(W)의 일 부분이 안착될 수 있는 반원 형태의 안착홈(103)을 형성하고 있다.

상기 덮개부재(111)는 베이스부재(101)의 일측에 회전 가능하게 설치되고, 와이어(W)의 나머지 부분을 감싸며 베이스부재(101)에 고정될 수 있다.

여기서 상기 덮개부재(111)는 제1 힌지핀(H1)을 통해 베이스부재(101)의 일측에 힌지 결합될 수 있다.

그리고, 상기 덮개부재(111)는 베이스부재(101)의 상면에 대응하는 면에 와이어(W)의 나머지 부분을 지지하는 반원 형태의 결합홈(113)을 형성하고 있다.

상기에서와 같은 베이스부재(101)의 안착홈(103) 및 덮개부재(111)의 결합홈(113)은 도 3에서와 같이, 이들의 내표면에 와이어(W)의 외주면을 지지하기 위한 복수의 지지 돌기(119)들을 형성하고 있다.

그리고, 상기 로킹부재(121)는, 도 2 및 도 4에서와 같이 베이스부재(101)의 안착홈(103)에 와이어(W)의 일 부분이 안착된 상태로 덮개부재(111)가 회전하며 이의 결합홈(113)을 통해 와이어(W)의 나머지 부분을 지지하는 경우, 그 덮개부재(111)를 베이스부재(101)에 로킹시키기 위한 것이다.

상기 로킹부재(121)는 베이스부재(101)의 다른 일측에 회전 가능하게 설치되는 바, 그 다른 일측에 제2 힌지핀(H2)을 통하여 힌지 결합될 수 있다.

이러한 로킹부재(121)는 작업자의 파지가 가능한 손잡이부(123)를 형성하고 있으며, 제2 힌지핀(H2)을 중심으로 회전하면서 덮개부재(111)의 로킹홈(125)에 선택적으로 로킹 결합될 수 있는 로킹 결합부(127)를 구비하고 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치(100)를 이용한 플럭스 코어드 와이어의 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 본 실시예에서는 금속 박판(1)이 감겨 있는 코일(1a)을 풀어내고, 세정유닛(20)를 통과시키면서 금속 박판(1)에 부착되어 있는 이물질을 세정한다.

여기서, 상기 금속 박판(1)은 소구경의 관 형상 와이어를 제조하는데 사용되는 박판으로서, 탄소강, 스테인리스강, 동 합금, 니켈 합금 등의 금속 소재로서 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 국한되지 않고 와이어의 제조가 가능한 금속은 모두 적용될 수 있다.

이렇게 이물질이 제거된 금속 박판(1)은 이후 제1 성형유닛(30)를 통과하면서 내부에 플럭스(4)를 충진할 수 있도록 오므리는 성형이 가해지는데, 통상적으로 "U"자 형태로 성형되는 것이 바람직하다.

이어서, "U"자 형태로 성형된 금속 박판(1)은 플럭스 공급유닛(40)을 통과하면서 그 내부에 플럭스(4)가 채워지게 된다.

상기와 같이 금속 박판(1)을 "U"자 형태로 오므리는 성형을 하는 것은 플럭스(4)를 충진하기 위한 것으로, 플럭스(4)의 충진이 가능하다면 반드시 "U"자 형에 국한되지 않고 다른 모양 예를 들면 "V"자 형상으로 성형하는 것도 가능하다.

다음, 상기 금속 박판(1)은 제2 성형유닛(50)을 통과하면서 일정한 형태, 예를 들면 원형의 단면을 지닌 와이어(W)로서 성형된다. 이 과정에서는 와이어(W)의 끝단부가 서로 맞대어지는 이음부(C)를 형성하게 된다.

여기서, 상기 와이어(W)의 단면을 원형으로 성형하는 방법에는 크게 겹치기(Over Lap) 형식 및 맞대기 형식이 있는데, 본 실시예에서 제조하고자 하는 플럭스 코어드 와이어의 경우에는 와이어(W)의 끝단부가 서로 맞대어진 이음부(C)를 형성하는 맞대기 형태로 제조되는 것이 바람직하지만, 반드시 여기에 국한되지 않고 겹치기 형식으로 제조해도 무방하다.

이어서, 본 실시예에서는 다음 공정으로 쉴드 박스(SB)에서 레이저 용접기(60)의 레이저 용접 헤드(61)를 통해 와이어(W)의 이음부(C)를 연속적으로 레이저 용접한다.

상기한 레이저의 종류로는 플럭스 코어드 와이어 재료의 특성에 따라 달라질 수 있는데, 일반적인 스틸(Steel) 계통의 금속이라면 근적외선 파장을 가진 파이버 레이저(Fiber laser), 엔디야그 레이저(Nd-YAG laser), 다이오드 레이저(Diode laser), 이산화탄소 레이저(CO2 laser) 등이 가능하다. 그러나, 본 실시예에서는 고속 용접에 의한 생산성을 고려할 때 전술한 바와 같은 파이버 레이저가 가장 적당하다.

이러한 레이저 용접은 국부적인 용융 접합이 가능하여 박판 재질의 변형이 적으며, 고속 용접이 가능하여 생산성 향상에 기여하고, 박판 재료의 사양에 따라 레이저 파워, 집점 크기 등 여러 가지 변수들을 정밀하게 제어할 수 있다.

여기서, 레이저 용접 시에 주의 할 점은 와이어(W)의 두께를 관통하지 않는 레이저 파워의 제어가 중요하다. 만약, 레이저 빔(LB)이 와이어(W)의 두께를 관통한다면 그 내부에 충진된 플럭스(4)에 영향을 미치게 되고, 플럭스(4)의 특성들이 저하되는 결과가 나타날 수 있다.

한편, 상기에서와 레이저 용접기(60)를 이용하여 와이어(W)의 이음부(C)를 레이저 용접하는 과정에, 와이어(W)의 장력 차이, 전기적 구동 모터의 회전력 차이, 및 성형 공정라인/성형수단의 정밀도 등에 의해 와이어(W)의 이음부(C)에 대한 레이저 용접 위치의 편차가 발생할 수 있다.

특히, 이 경우에서는 와이어(W)의 비틀림, 진동 및 유동에 의해 레이저 빔(LB)의 조사 위치가 부정확하여 와이어(W)의 이음매 부분에 용접 결함이 발생할 수 있다.

이에, 본 실시예에서는 와이어(W)의 이음부(C)를 레이저 용접하는 과정에, 와이어 고정유닛(90)을 통하여 와이어(W)의 비틀림, 진동 및 유동을 억제할 수 있다.

구체적으로, 본 실시예에서는 와이어 고정유닛(90)의 덮개부재(111)를 베이스부재(101)로부터 일측 방향으로 젖혀지게 회전시킨 상태에서, 베이스부재(101)의 안착홈(103)에 와이어(W)의 일 부분을 안착시킨다.

이 후, 상기 덮개부재(111)를 다른 일측 방향으로 회전시키면서 그 덮개부재(111)의 결합홈(113)을 통해 와이어(W)의 나머지 부분을 지지하게 된다.

그리고 나서, 로킹부재(121)를 덮개부재(111) 측으로 회전시키면서 그 로킹부재(121)의 로킹 결합부(127)를 덮개부재(111)의 로킹홈(125)에 로킹 결합시킴으로써 덮개부재(111)를 베이스부재(101)에 고정한다.

여기서, 상기 베이스부재(101)의 안착홈(103) 및 덮개부재(111)의 결합홈(113)에 복수의 지지 돌기(119)들이 형성되어 있기 때문에, 와이어(W)는 베이스부재(101)와 덮개부재(111) 사이에서 더욱 견고하게 고정될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 와이어 고정유닛(90)을 통하여 와이어(W)의 비틀림, 진동 및 유동을 억제시킬 수 있기 때문에, 와이어(W)의 이음부(C)로 레이저 빔(LB)을 정확하게 조사할 수 있으므로 와이어(W)의 이음매 부분에 대한 용접 결함을 줄일 수 있다.

이로써 본 실시예에서는 와이어(W)의 비틀림, 진동 및 유동에 따른 레이저 조사 위치의 이동 편차를 최소화함으로써 레이저 용접에서의 접합 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 상기에서와 같이 레이저 용접기(60)를 통해 레이저 용접된 와이어(W)는 계속해서 제2 성형유닛(50)을 통과하면서 직경이 점차 축소되는 인발 또는 신선 공정을 거치게 된다.

마지막으로, 상기 과정에서 신선된 와이어(W)는 고주파 열처리유닛(80)을 통과하면서 열처리되는데, 이는 용접 부위의 경화 조직을 완화하고, 표면의 불순물 및 수분 등을 제거하기 위한 것이다.

따라서, 본 실시예에서는 전술한 바와 같은 일련의 과정을 거치며, 플럭스(4)가 충전된 플럭스 코어드 와이어(200)의 제조를 완료한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10... 금속 박판 공급유닛 20... 세정유닛
30... 제1 성형유닛 40... 플럭스 공급유닛
50... 제2 성형유닛 60... 레이저 용접기
61... 레이저 용접 헤드 70... 제3 성형유닛
80... 열처리유닛 90... 와이어 고정유닛
101... 베이스부재 103... 안착홈
111... 덮개부재 113... 결합홈
119... 지지 돌기 121... 로킹부재

Claims

금속 박판을 성형하여 플럭스를 충진하고, 상기 플럭스가 충진된 금속 박판을 와이어의 형태로 성형한 상태에서 상기 와이어의 이음매 부분을 레이저 용접 헤드를 통해 레이저 용접하는 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치에 관한 것으로서,
상기 레이저 용접 헤드의 전후 측에 구성되며 상기 와이어의 비틀림, 진동 및 유동을 억제하는 와이어 고정유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치.
제1 항에 있어서,
상기 와이어 고정유닛은,
상기 와이어의 일 부분이 안착될 수 있는 안착홈을 지닌 베이스부재와,
상기 베이스부재의 일측에 회전 가능하게 설치되고, 상기 와이어의 나머지 부분을 감싸며 상기 베이스부재에 고정되는 덮개부재
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치.
제2 항에 있어서,
상기 베이스부재의 안착홈은 반원 형태로 이루어지며,
상기 덮개부재에는 상기 와이어의 나머지 부분을 지지하는 반원형의 결합홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치.
제3 항에 있어서,
상기 안착홈 및 결합홈의 내표면에는 상기 와이어의 외주면을 지지하는 복수의 지지 돌기들이 형성되는 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치.
제2 항 내지 제4 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 와이어 고정유닛은,
상기 베이스부재의 다른 에 회전 가능하게 설치되며 상기 베이스부재에 대하여 상기 덮개부재를 선택적으로 로킹시키기 위한 로킹부재
를 포함하는 것을 특징으로 하는 플럭스 코어드 와이어의 제조 장치.