KR101253843B1 - 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어 송급 제어 방법 및 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극 와이어에 의한 아크가 안정되어 송급이 가능할 때에 비전극 와이어를 공급하는 비전극 와이어의 송급 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위하여, 루트 전극 및 페이스 전극에 흐르는 전류를 측정하는 측정 단계; 상기 측정 단계에서 얻어진 전류값에 따라서, 루트 및 페이스 비전극 와이어의 송급량을 설정하여 송급하는 송급 단계;를 포함하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법을 제공한다.

Description

탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어 송급 제어 방법 및 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치{Non-Electrode Wire Supply Method for Tandem Electro Gas Arc Welding and Tandem Electro Gas Arc Welding Device}

본 발명은 전극 와이어에 의해 발생하는 아크 열에 비전극 와이어가 용융되는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치 및 용접 방법에서 비전극 와이어 송급 방법 대한 것으로, 구체적으로는 전류값을 계측하여 비전극 와이어의 송급 여부를 판단하고, 비전극 와이어를 송급하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치 및 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어 송급 제어 방법에 대한 것이다.

탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법은 최근 조선에서 요구되고 있는 판두께 50mm 이상의 극후물 강재의 용접 생산성을 높이기 위하여 개발되어 적용되고 있는 용접 방법이다. 특히 80mm 두께의 강재를 통상의 용접 방법으로 용접하는 때에, 플럭스 코어드 아크 용접의 경우는 80~90 패스의 다층 용접이 되어야 하고, 싱글 일렉트로 가스 아크 용접의 경우에도 2 패스의 용접이 되어야 하기 때문에, 용접 생산성이 요구되는 조선소에서는 극후물 강재를 1 패스로 용접할 수 있는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접을 적용하는 것이 바람직하다.

그러나 판두께 80mm 정도의 극후물재를 1 패스로 용접하기 위해서는 500kJ/cm 이상의 대입열 용접이 되어야 하고, 용접 입열이 증가하면 용접부에 조대한 조직이 얻어져 이로 인하여 충격 인성의 저하가 필연적으로 발생한다. 따라서, 이러한 대입열 용접에서 용접부의 충격 인성을 확보하기 위하여 대입열용 강재나 이를 위한 대입열 용접재료가 개발되어 적용되고 있다.

이에, 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접에서 입열을 낮추기 위하여, 전극 와이어(W1, W3)의 아크에 비전극 와이어(W2, W4)를 함께 공급하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치가 제시되었다.

도 1 에는 이러한 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치가 도시되어 있다. 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접은 주로 이산화탄소(60)를 보호 가스로 이용하고, 피용접재(30)의 전면에는 수냉식 동담금(40)을, 배면에는 고정식 백킹재(50)를 설치하고, 와이어 송급기에 의해 공급되는 2개의 전극 와이어(W1, W3)와 피용접재(30) 사이에 아크를 발생시키고, 아크열에 의해, 비전극 와이어(W2, W4)를 함께 용융시켜, 용융 금속(32)을 형성하고 일정량의 용융 금속이 형성되면 와이어용 토치(10, 15, 20, 25)를 탑재한 주행 장치(미도시)를 통하여 자동으로 주행하는 용접 방식이다.

하지만, 전극 와이어(W1, W3)와는 달리 비전극 와이어(W2, W4)의 경우 아크를 직접 발생시키지 않기 때문에, 전극의 오실레이션, 슬래그 등에 대한 영향으로 전극 와이어(W1, W3)에 의해서 생성되는 아크가 불안정한 경우 비전극 와이어(W2, W4)는 용융되지 않으며, 용융되지 않은 비전극 와이어(W2, W4)가 지속적으로 공급되는 경우에, 용접작업의 중지 및 용접 장치의 고장으로 이어지고, 결국, 용접작업이 지연되게 된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전극 와이어에 의해 생성된 아크가 안정되어 비전극 와이어의 송급이 가능할 때 비전극 와이어를 공급하는 비전극 와이어의 송급 제어 방법과 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 전극 와이어의 아크가 안정됐음을 판단하는 방법을 제공하여, 비전극 와이어 송급 제어가 가능하게 함을 목적으로 한다.

또, 본 발명은 전극 와이어에 의해 생성된 아크가 안정됐을 때, 비전극 와이어를 공급하여, 금속 용융량을 증가시키고 용접속도를 상승시켜 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접에 의한 입열량이 최소화되게 한다. 또한, 용접된 용접물의 파괴인성 및 충격인성이 향상되게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어 송급 방법 및 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치를 제공한다.

본 발명은 전극 와이어에 의해 형성된 아크에 비전극 와이어를 공급하여 용접하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법으로서, 루트 전극 및 페이스 전극에 흐르는 전류를 측정하는 측정 단계; 상기 측정 단계에서 얻어진 전류값에 따라서, 루트 및 페이스 비전극 와이어의 송급량을 설정하여 송급하는 송급 단계;를 포함하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법을 제공한다.

또한, 비전극 와이어의 송급 제어 방법은 상기 송급 단계 이전에 비전극 와이어의 송급을 여부를 판단하는 제 1 판단 단계를 포함하며, 상기 제 1 판단 단계에서 송급 판정된 경우에 상기 송급 단계가 루트 및 페이스 비전극 와이어를 송급할 수 있다.

이 때, 상기 제 1 판단 단계는 상기 측정 단계에서 얻어진 전류값이 기설정된 전류값의 80 ~ 120% 범위로 1 ~ 10초간 지속되는지 여부로 송급 여부를 판단하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법은 상기 송급 단계 이후에 상기 송급 계속 여부를 판단하는 제 2 판단 단계를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제 2 판단 단계는 상기 전류값이 기설정된 전류값의 20% 미만 혹은 180% 초과인지 여부로 판단하는 것일 수 있다.

다르게는, 상기 제 2 판단 단계는 상기 송급량 설정값과 실송급량의 차이가 있는 지 여부로 판단하는 것일 수 있다.

본 발명은 전극 와이어를 공급하는 루트 및 페이스 전극 와이어용 토치; 상기 전극 와이어에 의해 생성된 아크에 비전극 와이어를 공급하는 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치; 상기 루트 및 페이스 전극 와이어용 토치 및 상기 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치에 전극 와이어 및 비전극 와이어를 각각 공급하는 전극 와이어 및 비전극 와이어 송급 장치; 상기 루트 및 페이스 전극 와이어에 전원을 공급하며, 공급되는 전원에 따른 전류를 측정하는 전류 센서를 포함하는 전원 공급부; 및 상기 센서 및 상기 와이어 송급 장치에 연결된 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 센서에 의해서 얻어진 전류값에 따라서 상기 비전극 와이어 송급 장치를 제어하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치를 제공한다.

본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치는 상기 비전극 와이어용 토치 내부에 상기 비전극 와이어 송급 장치에는 실송급량을 측정하는 센서가 장착될 수 있다.

또한, 상기 실송급량을 측정하는 송급량 측정 센서는 상기 제어부에 연결되어 있으며, 상기 제어부는 기제어한 비전극 와이어 송급량과 상기 송급량 측정 센서에 의해서 측정된 실송급량의 차이가 있는 경우, 상기 비전극 와이어의 공급을 중단할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 전류 센서에 의해서 얻어진 전류값이 기설정된 전류값의 20% 미만 혹은 180%초과일 때는 비전극 와이어 송급 장치의 송급을 중단시킬 수 있다.

본 발명은 위와 같은 구성을 통하여, 전극 와이어에 의한 아크가 안정됐을 때에만 비전극 와이어를 공급하는 비전극 와이어의 송급 제어 방법 및 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 아크가 안정됐음을 판단하는 방법을 제공하여, 비전극 와이어 송급 제어가 가능하게 한다.

또, 본 발명은 아크가 안정됐을 때, 비전극 와이어를 공급하여, 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접에 의한 입열량이 최소화되게 하며, 그에 따라서, 용접된 용접물의 파괴인성 및 충격인성이 향상되게 한다.

특히, 조선 산업에서 요구되는 극후물 강재 용접시, 고속 저입열 용접을 제공하여, 조선 산업의 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 용접부 성능 역시 상승되어 조선 산업의 경쟁력을 강화시킬 수 있다.

도 1 은 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 개략도이다.
도 3a 은 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어용 토치의 개략 단면도이다.
도 3b 는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어 송급 장치의 개략 단면도이다.
도 4a 는 아크 형성 초기의 시간에 따른 전압 및 전류의 그래프이며, 도 4b 는 아크 형성 초기의 전압에 대한 전류의 변동을 나타내는 그래프이다.
도 5a 는 아크 안정시의 시간에 따른 전압 및 전류의 그래프이며, 도 5b 는 아크 안정시의 전압에 대한 전류의 변동을 나타내는 그래프이다.
도 6a 는 아크 불안정시의 시간에 따른 전압 및 전류의 그래프이며, 도 6b 는 아크 불안정시의 전압에 대한 전류의 변동을 나타내는 그래프이다.
도 7 은 본 발명에 따른 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어의 송급 제어 방법의 순서도이다.
도 8 의 좌측도는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 따라 용접된 용접부의 부분 단면도이며, 우측도는 본 발명에 따른 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어의 송급 제어 방법에 따라 용접된 용접부의 부분 단면도이다.
도 9 의 좌측도는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 따라 용접된 용접금속 조직도이며, 우측도는 본 발명에 따른 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어의 송급 제어 방법에 따라 용접된 용접금속 조직도이다.
도 10 의 좌측도는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 따라 용접된 퓨젼 라인 부근 용접부 조직도이며, 우측도는 본 발명에 따른 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어의 송급 제어 방법에 따라 용접된 퓨젼 라인 부근 용접부 조직도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에서 루트 전극 및 루트 비전극은 전극 및 비전극 중 백킹재(50)측 전극 및 비전극을 각각 의미하는 것으로, 극후판의 용접부 양단 중 사이가 좁은 쪽의 전극 및 비전극을 의미하는 것이며, 페이스 전극 및 페이스 비전극은 동담금(40)이 설치된 측에 배치된 전극 및 비전극을 각각 의미하는 것으로 극후판의 용접부 양단 중 극후판의 사이가 넓은 쪽을 의미한다(도 2 참고)

도 2 에는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 개략도가 도시되어 있다. 루트 전극 와이어용 토치(10) 및 페이스 전극 와이어용 토치(20)로부터 공급되는 전극 와이어(W1, W3)가 아크 열에 의해 용융되며, 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치(15, 25)로부터 공급되는 비전극 와이어(W2, W4) 역시 상기 루트 및 페이스 전극 와이어(W1, W3) 에서 발생된 아크에 의해서 용융된다.

피용접재(30)의 전면에는 수냉식 동담금(40)을, 배면에는 고정식 백킹재(150)를 설치하며, 보호 가스로, 이산화탄소(60)가 용접부 측으로 공급된다.

루트 전극 와이어용 토치 및 루트 비전극 와이어용 토치(10, 15)와 페이스 전극 와이어용 토치 및 페이스 비전극 와이어용 토치(20, 25)는 일체로 용접부에서 오실레이션하면서 전극 와이어(W1, W3) 및 비전극 와이어(W2, W4)의 용융물로 양측의 극후판을 용접한다.

루트 전극 측은 전극 와이어(W1)를 공급하는 루트 전극 와이어용 토치(10)와 루트 전극 와이어를 피용접재로 안내해주는 루트 전극 콘텍트 팁(12)으로 구성되며, 루트 비전극(115)은 비전극 와이어(W2)를 공급하는 루트 비전극 와이어용 토치(15)와, 루트 비전극 와이어를 피용접재로 안내해주는 루트 전극 콘텍트 팁(17)으로 형성된다.

상기 루트 및 페이스 전극 와이어용 토치(10, 20)와 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치(15, 25)는 용접 캐리지 본체(100)에 연결된다.

용접 캐리지 본체(100)는 각 전극 및 비전극 와이어용 토치(10, 15, 20, 25)에 전극 및 비전극 와이어(W1, W2, W3, W4)를 송급하는 전극 및 비전극 와이어 송급 장치(120, 121, 122, 123)와 전극 와이어(W1, W3)에 전원을 공급하는 전원 공급부(101, 102)와 연결된다.

용접 캐리지 본체(100)를 통하여, 전극 와이어용 토치(10, 20)에는 전극 와이어(W1, W3)가 공급되며, 비전극 와이어용 토치(15, 25)에는 비전극 와이어(W2, W4)가 공급되고, 또한, 전극 와이어(W1, W3)에는 전원이 공급된다.

또한, 전원(101, 102)의 전원 출력단에는 통전류를 체크하는 전류 센서(111, 112)가 장착되며, 전극 및 비전극 와이어 송급 장치(120~143), 전원(101, 102) 및 전류 센서(111, 112)는 제어부(150)에 연결된다. 제어부(150)의 구체적 제어 방식에 대하여는 후술하도록 한다.

도 3a 에는 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치(15, 25)의 단면도가 도시되어 있으며, 도 3b 에는 루트 및 페이스 비전극 와이어 송급 장치(121, 123)의 단면도가 도시되어 있다.

본 발명에서 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치(15, 25) 내부에는 비전극 와이어(W2, W4)와 함께 회전되며, 그 회전량을 측정하는 엔코더(16, 26)가 배치된다. 이 엔코더(16, 26)는 제어부(150)에 연결되며, 제어부(150)에서는 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치(15, 25)를 통하여, 용접부로 송급되는 비전극 와이어(W2, W4)의 실송급량을 계산할 수 있다.

또한, 도 3b 에서 보이듯이, 비전극 와이어 송급 장치(121)는 비전극 와이어(W2)가 감겨있는 비전극 와이어 권취부(121a), 케이스(121b)에 수용되며 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 상기 권취부(121a)로부터의 비전극 와이어(W2)를 배출부(121d)로 공급하는 송급수단(121c)으로 구성된다. 상기 구동수단은 제어부(150)에 연결되며, 제어부(150)의 신호에 따라서 회전속도가 결정된다.

이러한, 탠던 일렉트로 가스 아크 용접 장치(1)는 제어부(150)와 제어부(150)에 연결된 센싱 수단, 전원(101, 102)의 전류를 측정하는 전류 센서(111, 112) 및 비전극 와이어의 실공급량을 측정하는 엔코더(16, 26), 제어부(150)에 의해서 제어되는 송급수단(121c), 및 전원(101, 102)을 포함하고 있어서, 상기 센싱 수단들로부터의 측정값에 따라서, 비전극 와이어(W2, W4)의 송급 여부 및 송급량을 조절하며, 그에 따라서 용접 입열량의 제어가 가능하다.

그러기 위해서는 비전극 와이어(W2, W4)를 공급할 수 있는 조건 및 공급해서는 안되는 조건을 판단하는 것이 필요하며, 그에 대하여 도 4 내지 6을 참고로 이하에서 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은 전극 와이어(W1, W3)에 의해서 생성되는 아크에 비전극 와이어(W2, W4)를 공급하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치(1)로서, 비전극 와이어(W2, W4)는 아크를 생성하지 않으며, 전극 와이어(W1, W3)에 발생된 아크에 의해서 용융된다. 따라서, 전극 와이어(W1, W3)에 의해서 형성된 아크가 비전극 와이어(W2, W4)를 용융시킬 수 있는지 여부를 판단하는 것이 필요하다.

이와 관련하여, 도 4a 의 아크 형성 초기의 시간에 따른 전압 및 전류의 그래프 및 도 4b 는 아크 형성 초기의 전압에 대한 전류의 변동을 나타내는 그래프에서 보이듯이, 아크가 형성될 초기의 경우 단락에 의해 와이어(W1, W3)에 높은 전류가 흐르게 되고, 와이어가 주울 히팅(Joule Heating)되어 결국 와이어가 송급력을 견디지 못하고 이탈되어 연속적으로 아크 스타트가 실패가 되어, 전압 및 전류 파형의 변동폭이 심하다는 것을 알 수 있다. 또한, 아크가 안정됨에 따라서, 그 변동폭은 감소하는 것을 확인할 수 있다.

아크가 안정되었을 때의 시간에 따른 전압 및 전류의 그래프인 도 5a 및 아크가 안정되었을 때의 전압에 대한 전류의 변동을 나타내는 그래프인 도 5b 에서 보이듯이, 전극 와이어(W1, W3)에 의해서 생성되는 아크가 안정될 때에는 시간에 따른 전류 변화 폭 및 전압 변화 폭이 적으며, 전압에 대한 전류의 그래프에서 보이듯이, 전압에 대한 전류값이 한점으로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 아크가 안정적일 때에는 전류나 전압에 변동이 없다는 점을 확인할 수 있다.

도 6a 에는 아크 불안정시의 시간에 따른 전압 및 전류의 그래프가, 도 6b 는 아크 불안정시의 전압에 대한 전류의 변동을 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 도 6a 및 6b 에서 확인할 수 있듯이, 전극의 오실레이션 및 슬래그 등에 의하여 아크가 불안정하게 형성될 경우, 즉 아크가 흔들리거나 아크가 작게 형성되는 경우에는 아크 형성 초기보다는 변동 폭이 작기는 하지만, 전류나 전압이 심하게 변동되는 것을 알 수 있다.

특히, 전류에서는 전압보다 파동의 변동 폭이 크게 보이며, 따라서, 아크가 형성된 이후에 소정 전류값 이하로 측정 전류값이 떨어지는 경우에 아크가 불안정하게 형성된다는 것을 알 수 있다.

위에서 확인할 수 있듯이, 아크 초기 생성시, 아크 안정 시 및 아크 불안정시에 따라서, 시간에 따른 전류 및 전압의 그래프가 각각 특징을 가지며, 특히, 아크가 불안정하게 생성되어 비전극 와이어가 용융되기 곤란한 아크 초기 생성시 및 아크 불안정시에는 전류 및 전압, 특히 전류의 변동폭이 크다는 것을 확인할 수 있다. 이는 전류값을 통하여 아크의 안정 여부를 판단하여 비전극 와이어 송급 여부를 결정시킬 수 있음을 의미한다.

이와 같은, 아크 형성과 전류와의 관계를 고려한 본 발명의 비전극 와이어 송급 제어 방법이 도 7 에 정리되어 있다.

제어가 시작(S100) 되며, 전원(101, 102)의 전원 출력단에 배치된 전류 센서(111, 112)를 통하여 전류를 측정하며(S110), 이러한 전류의 계측은 지속적으로 수행한다.

전류 센서(111, 112)를 통하여 측정된 전류값이 소정 값(예를 들면 100A) 이상이고(S120), 일정 시간(예를 들면, 3초 이상) 상기 소정의 값을 넘는다면(S130), 아크가 안정적으로 생성되고 있다고 판단할 수 있으므로, 전극 와이어(W1, W3)에 의해서 형성된 아크로 비전극 와이어(W2, W4)를 송급하도록 제어부(150)는 비전극 와이어 송급 장치(121, 124)의 송급 수단(121c)의 구동 수단을 구동시킬 수 있다(S140).

이때, 아크를 안정적으로 생성하는 것으로 판단하는 기준으로는 측정된 전류값이 설정 전류값의 80% 에서 120% 범위내로 1~10초간 유지되는 지를 기준으로 판단할 수 있다. 즉, 설정 전류값이 400A 인 경우에 측정된 전류값이 320~480A의 범위내에서 1~10초간 유지되는 지를 여부로 판단할 수 있다. 설정 전류값의 80%미만 혹은 120%를 초과하는 경우에 아크가 불안정하게 형성된 것으로 판단할 수 있다. 또한, 지속 시간을 기준을 1초보다 짧은 시간으로 설정하는 경우에는 아크가 불안정 혹은 생성 전에 비전극 와이어를 공급하는 오작동의 우려가 있으며, 지속 시간 기준을 10초 이상으로 잡는 경우, 비전극 와이어 공급 판단이 늦어져 전체적으로 입열량이 증가될 수 있다.

만일, 전류값이 상기 소정 값 미만이거나, 소정 값이 일정 시간동안 유지되지 않는다면, 아크가 불안정하거나 아크 형성 초기 상태이므로, 비전극 와이어(W2, W4)의 공급없이 전류값의 측정 및 판단을 반복한다.

이 때, 비전극 와이어(W2, W4)의 송급량은 상기 전류 센서(111, 112)의 전류값 및 전원(101, 102)에서의 전압값에 의해서 정해질 수 있으며, 전류값 및 전압값에 의한 발열량이 큰 경우에는 더 많은 비전극 와이어(W2, W4)를 송급하여, 용접 속도를 상승시켜 용접부의 입열량을 감소시킬 수 있다.

즉, 아크 용접시 아크가 용접 비드 단위 길이당 발생되는 전기적 열에너지H(J/㎝)는 다음의 식을 따르므로, 전원에서의 전압값(V) 및 전류 센서(111, 112)로부터의 전류값(I)이 얻어지면, 비전극 와이어(W2, W4)를 공급하여 전체적인 용접 속도(v)를 증가시켜, 입열량의 감소시킬 수 있다.

H(J/㎝) = (60×V×I) / v (여기서, V: 전압, I: 전류, v: 용접속도)

따라서, 제어부(150)는 측정된 값을 기초로 하여 비전극 와이어 송급량을 계산할 수 있다.

한편, 전극 와이어(W1, W3)에 생성되는 아크가 불안한 경우에도 비전극 와이어(W2, W4)를 공급하는 경우, 비전극 와이어(W2, W4)는 아크에 의해서 용융되지 못하고, 비전극 와이어(W2, W4)는 피용접재(30)에 부딪히게 되며, 송급 장치(121c)의 구동에도 불구하고 비전극 와이어(W2, W4)의 송급은 발생하지 않는다.

이는 비전극 와이어 송급장치(121, 123)에 고장을 야기하게 되어, 결과적으로는 전체 용접속도가 감소되는 결과를 가져와서, 전체 입열량의 증가를 가져온다. 따라서, 비전극 와이어(W2, W4)가 용융될 수 없는 상태, 즉, 아크가 불안정한 상태에서는 비전극 와이어(W2, W4)의 송급을 중단시키는 것이 필요한다.

아크가 불안정한 상태에서는 상기 도 6a 및 도 6b 에서 보이듯이, 전류 및 전압 파형이 변동된다. 따라서, 전류 센서(111, 112)에서 측정되는 전류값의 변동 폭이 커지는 경우에 아크가 불안정함을 의미하므로, 비전극 와이어(W2, W4)의 송급을 중단시키는 것이 필요하다.

전류 센서(111, 112)에서 측정되는 전류값의 변동 폭이 커지는 것은 간단하게 전류 센서(111, 112)에서 얻어지는 전류값이 일정 값 이하, 예를 들면 50A 이하로 내려가는 경우를 판단하는 것으로 가능하다. 왜냐하면, 아크가 불안정할 때 전류의 파형은 안정일 때 전류의 값을 중심으로 상하로 요동치기 때문에, 전류값이 일정 값 이하로 내려가는 것만을 확인하더라도 전류의 파형이 변동이 있는 것을 알 수 있으며(S150), 이 때, 비전극 와이어(W2, W4)의 송급을 중지시킬 수 있다(S160).

전류값이 설정 전류값의 20%미만인 경우로 내려가거나, 전류값이 설정 전류값의 180%를 초과하는 할 때, 비전극 와이어(W2, W4)의 송급을 중지시키는 것이 바람직하다. 이 범위를 벗어나는 경우에는 전류값에 따라서 비전극 와이어(W2, W4)를 송급하더라도 아크에 용융되지 않으므로, 비전극 와이어(W2, W4)의 송급을 중지시키는 것이 바람직하다.

다르게는, 제어부(150)에서 전류값 및 전압값에 의해서 계산된 비전극 와이어(W2, W4)의 송급 목표량과 상기 비전극 와이어용 토치(15, 25)의 엔코더(16, 26)에 기반한 실송급량을 비교하여, 송급 목표량(기설정된 송급량) 보다 상기 비전극 와이어용 토치(15, 25)의 엔코더(16, 26)에 기반한 실송급량이 작은 경우에, 즉, 송급 수단(121c)가 구동되었음에도 비전극 와이어(W2, W4)의 선단이 피용접재(30)에 닿아서 송급되지 못한 경우에 비전극 와이어(W2, W4)의 송급을 중단시킬 수 있다(S160).

한편, 아크가 안정적으로 형성되는 경우에는 장치의 전원이 꺼졌는지 여부를 판단(S170)하며, 장치 전원이 종료된 경우에는 용접을 종료(S180)한다. 전원이 꺼진 것이 아닌 경우에는 비전극 와이어(W2, W4)를 송급을 중지여부를 다시 판단(S150)하며, 이 두 단계(S150, S170)가 반복된다.

실시예

본 발명에 따른 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치(1)에서 비전극 와이어 송급 제어 방법에 따라서, 판두께 50㎜ 이상의 극후물 강재의 1층 용접한 실시예를 설명한다. 종래의 방법은 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에서 비전극 와이어의 송급 제어 없이 판두께 50㎜ 이상의 극후물 강재의 1층 용접한 것이다.

아래의 [표 1]에는 판두께 60~85㎜의 극후물 강재의 1층 용접을 실시한 용접 조건이 나타나 있다.

[표 1] 에서 보이듯이, 1층 용접을 위하여 적용된 용접 전류 및 전압은 종래의 용접법과 동일하게 페이스 측은 400A-44V, 루트 측은 360A-44V 로 적용하였다.

그에 따라서, 종래의 용접법에서 1층 용접을 위한 용접 속도는 60㎜ 두께의 경우 4.1㎝/min, 70mm의 경우는 3.6cm/min, 85mm의 경우는 3.2 cm/min이고, 용접 입열량은 각각 520, 587, 654kJ/cm가 적용되었다.

하지만, 본 발명의 경우는 용접 속도는 60mm 두께의 경우 5.7cm/min, 70mm의 경우 5.2cm/min, 85mm의 경우 4.7cm/min이고, 용접 입열량은 각각 370, 406, 450 kJ/cm로서 1층 용접이 가능하였다. 따라서, 본 발명에 따른 제어 방법을 통하면, 기존 용접법에 비하여 동일한 판두께에 대하여, 고속-저입열 용접이 가능하다. 즉, 비전극 와이어(W2, W4)의 송급이 가능할 때, 비전극 와이어(W2, W4)를 적절량을 투입함으로써, 전체적인 용접 속도를 상승시켜 용접부의 저입열을 달성하였다.

도 8 의 좌측도는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 따라 용접된 용접부의 부분 단면도이며, 우측도는 본 발명에 따른 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어의 송급 제어 방법에 따라 용접된 용접부의 부분 단면도이다.

도 8 에서 보이듯이, 종래의 용접법에 의한 용접부의 경우 용융점 직하의 고온으로 가열되는 퓨젼 라인(fusion line) 근방에서 오스테나이트 결정립이 성장하여 결정립계로부터 입계 페라이트가 조대하게 성장하는 조직적 특성을 보인다. 반면, 본 발명에 따라서 용접된 용접부 조직에서는 오스테나이트 결정립 성장을 거의 관찰할 수 없고, 이로 인하여 조대한 입계 페라이트 성장이 관찰되지 않으며, 매우 미세한 조직분포를 나타낸다.

도 9 의 좌측도는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 따라 용접된 용접금속 조직도이며, 우측도는 본 발명에 따른 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어의 송급 제어 방법에 따라 용접된 용접금속 조직도이다.

종래의 방법에 따라 용접된 용접금속은 부분적으로 성장한 입계 페라이트와 미세한 입내 페라이트로 구성되고 있으나, 본 발명에 따라 용접된 용접금속은 입계 페라이트의 흔적을 거의 관찰되지 않고 미세한 입내 페라이트 주체의 조직적 특성을 보이고 있다.

도 10 의 좌측도는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법에 따라 용접된 퓨젼 라인 부근 용접부 조직의 확대도이며, 우측도는 본 발명에 따른 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 비전극 와이어의 송급 제어 방법에 따라 용접된 퓨젼 라인 부근 용접부 조직의 확대도이다.

종래의 방법에 따라 용접된 용접부는 오스테나이트 결정립의 크기가 약 150~200㎛ 정도이고, 입계에서 입계 페라이트가 조대하게 성장하고 있으며, 입내 페라이트와 국부적으로 베이나이트도 혼재하고 있다.

반면, 본 발명에 따라 용접된 용접부의 경우 오스테나이트의 성장이 뚜렷하지는 않을 뿐만 아니라, 오스테나이트 결정립의 크기가 대략 50㎛ 정도에 불과하여 그 성장이 미미함을 알 수 있다. 입계 페라이트의 성장은 관찰되지 않으며 미세한 다각형 페라이트와 펄라이트로 주로 구성되어 있다.

대입열 용접부는 그 특성상 용접 금속에 가까운 용접부에서 경도가 높고, 모재에 가까울수록 경도가 저하하는 경도 분포를 가지는 용접부가 구성된다. 용접열에 의하여 조직의 변화나 기계적 물성이 변화하는 영역을 용접 열영향부라 하며, 통상 용접부에서는 용접 열에 의하여 모재의 강도를 소실하는 영역이 용접 열영향부 끝단에 형성되고, 이러한 영역을 연화영역이라 하며, 실제 대입열 용접부 인장시험에서는 규격에서 요구하는 강도 이하의 용접부 강도가 발생한다.

용접부 연화정도는 상술한 용접 열영향부 폭과 연화영역에서의 최저경도로 나타낸다. 아래의 표 2 에서는 본 발명에 따라 용접된 용접부의 용접부 연화 정도와 이음부 인장강도를 종래의 방법에 따라 용접된 용접부의 용접부 연화정도와 이 음부 인장강도를 비교하여 나타냈다.

종래의 방법에 따라 용접된 용접부는 판두께가 증가할수록 적용되는 입열량이 증가하고 그에 따라 열영향부 폭이 15, 20, 23mm 로 증가하며, 연화영역에서의 최저경도는 134, 131, 128Hv로 감소한다. 본 발명에 따라 용접된 경우 판두께가 증가할수록 적용되는 입열량은 증가하지만, 종래의 방법에 따른 경우와 대비하여 상대적으로 저입열로서 용접이 1층 용접이 가능하다.

또한, 본 발명에 따라 용접된 경우, 판두께 각각에 따른 열영향부 폭도 11, 14, 16mm이고, 최저경도도 146, 142, 139Hv 로서 종래의 용접에 비하여 열영향부 폭이 현저히 감소함은 물론 최저경도는 높은 경도치를 나타냄을 알 수 있다.

이러한 용접부의 특성은 용접부 인장 강도에서도 보다 명확하게 파악할 수 있다. 종래의 방법에 따른 용접부의 경우는 60mm의 경우를 제외하면 510MPa 이하의 강도를 갖는 반면에 본 발명의 경우에는 85mm 에서도 520MPa 정도의 높은 강도를 확보할 수 있다.

아래의 [표 3]에는 용접부에서 결정립 성장이 가장 현저하게 일어나는 퓨젼 라인 근방의 결정립의 크기를 이미지 분석기(Image analyzer)로 측정한 결과를 정리한 것이다. 종래의 용접법의 경우 오스테나이트 결정립의 크기는 150, 160 및 243㎛ 정도로 두께가 두꺼울수록 입열이 증가할수록 크게 성장한다. 반면에 본 발명 용접법의 경우에는 두께에 따라 입열에 따라 성장하지만, 크기가 65, 76, 96㎛로 상대적으로 작은 성장 정도를 나타낸다.

이와 같이, 오스테나이트 결정립의 미세화는 전술한 바와 같이 용접부 조직의 미세화를 가능하게 하고, 결국 대입열 용접부 저온 충격인성의 향상이 가능하다.

아래의 [표 4]는 본 발명과 종래의 방법에 따른 용접부 저온(-20℃)인성을 나타낸 것이다.

종래의 용접법의 경우 두께가 두꺼워 입열이 커질수록 용접부 충격인성은 현저히 감소하며 특히 용접 금속(Welding Metal)과 퓨전 라인에서는 50J 이하로 인성이 저하하며, F.L(퓨젼 라인)+1mm 에서는 100J 이하로 인성 저하가 관찰된다.

반면에 본 발명의 경우, 가장 두꺼운 85mm의 경우에도 용접 금속에서는 50J 이상, 용접 열영향부에서는 100J 이상의 양호한 충격인성을 나타낸다.

위와 같이, 본 발명에 따른 제어 방법 및 용접 장치는 종래의 제어 방법 및 용접 장치에 비하여 고속 용접이 가능하여, 입열량을 감소시킬 뿐만 아니라, 용접 열영향부의 충격 인성 및 인장 강도를 상승시키는 것이 가능하다.

10, 20: 전극 와이어용 토치 15, 25: 비전극 와이어용 토치
16, 26: 엔코더 100: 용접 캐리지 본체
101, 102: 전원 111, 112: 전류 센서
120~123: 와이어 송급 장치 121c: 송급 수단
150: 제어부

Claims (10)

1. 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법으로,
   루트 전극 및 페이스 전극에 흐르는 전류를 측정하는 측정 단계;
   상기 측정 단계에서 얻어진 전류값에 기초하여 비전극 와이어의 송급 여부를 판단하는 제 1 판단 단계;
   상기 제 1 판단 단계에서 송급 판정된 경우에 루트 및 페이스 비전극 와이어를 송급하는 송급 단계;를 포함하며,
   상기 제 1 판단 단계는 상기 측정 단계에서 얻어진 전류값이 기설정된 전류값의 80 ~ 120% 범위로 1 ~ 10초간 지속되면 비전극 와이어를 송급하도록 판단하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 송급 단계에서 비전극 와이어 송급 시 상기 전류값 및 공급 전압값에 따라서 송급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 송급 단계 이후에 상기 송급 계속 여부를 판단하는 제 2 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 2 판단 단계는 상기 측정 단계에서 측정되는 전류값이 기설정된 전류값의 180%초과이면 송급을 중지하도록 판단하는 것을 특징으로 하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 2 판단 단계는 상기 송급량 설정값과 실제 송급량의 차이가 있으면 송급을 중지하도록 판단하는 것을 특징으로 하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 비전극 와이어의 송급 제어 방법.
7. 전극 와이어를 공급하는 루트 및 페이스 전극 와이어용 토치;
   상기 전극 와이어에 의해 생성된 아크에 비전극 와이어를 공급하는 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치;
   상기 루트 및 페이스 전극 와이어용 토치 및 상기 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치에 전극 와이어 및 비전극 와이어를 각각 공급하는 전극 와이어 및 비전극 와이어 송급 장치;
   상기 루트 및 페이스 전극 와이어에 전원을 공급하며, 공급되는 전원에 따른 전류를 측정하는 센서를 포함하는 전원 공급부; 및
   상기 센서 및 상기 와이어 송급 장치에 연결된 제어부를 포함하며,
   상기 제어부는 상기 센서에 의해서 얻어진 전류값이 기설정된 전류값의 80 ~ 120% 범위로 1 ~ 10초간 지속되면 비전극 와이어를 송급하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 비전극 와이어 송급 장치에는 실송급량을 측정하는 센서가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 실송급량을 측정하는 센서는 상기 제어부에 연결되어 있으며,
   상기 제어부는 송급 장치에서의 비전극 와이어 송급량과 상기 송급량을 측정하는 센서에 의해서 측정된 실송급량의 차이가 있는 경우, 상기 비전극 와이어의 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 센서에 의해서 얻어진 전류값이 기설정된 전류값의 180%초과일 때는 비전극 와이어 송급 장치의 송급을 중단시키는 것을 특징으로 하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치.

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