KR101253966B1 - 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 페이스 전극의 극성과 루트 전극의 극성이 바뀌는 교류전원을 사용하여, 각 전극에서의 용융량 및 입열량을 제어하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위하여, 선단에 전극 와이어가 장착되는 전극 와이어용 토치를 포함하는 루트 및 페이스 전극 및 상기 루트 및 페이스 전극에 서로 상이 반대인 전원을 번갈아 공급하는 교류 전원부를 포함하는 가스 아크 용접 장치를 제공한다.

Description

탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법{Welding Method for Tandem Electro Gas Welding}

본 발명은 전극 와이어에 의해 발생하는 아크 열에 와이어가 용융되는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 대한 것으로, 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접에서 정극성과 역극성으로 용접할 때의 특성을 이용하여, 양 극성의 특성을 모두 갖춘 가스 아크 용접 장치에 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.

도 1a 에는 이러한 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치가 도시되어 있다. 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접은 주로 이산화탄소(60)를 보호 가스로 이용하고, 2개의 전극 와이어용 토치(10, 20)의 전극 와이어(W1, W3)로 아크를 발생시키고, 이 아크 열로 전극 와이어용 토치(10, 20)의 루트 및 페이스 전극 와이어(W1, W3)를 용융시켜 용접이 이루어지게 하는 방식이다. 피용접재(30)의 전면에는 수냉식 동담금(40)을, 배면에는 고정식 백킹재(50)를 설치하고, 공급되는 전극 와이어(W1, W3)와 피용접재(30) 사이에 발생하는 아크를 통하여, 전극 와이어(W1, W3)를 용융시켜, 용융 금속(32)을 형성하고 일정량의 용융 금속이 형성되면 전극 와이어용 토치(10, 20)를 탑재한 용접 케리지 본체(미도시)를 통하여 자동으로 주행하는 고능률 용접 방식이다.

이러한, 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 평면도가 도 1b에 도시되어 있다. 위와 같은 방식의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접은 전극 와이어용 토치(10, 20)가 일렬로 배치되어 백킹재(50)와 동담금(40) 사이를 왕복하며 용접하게 된다. 각 전극은 동일한 시간동안 와이어를 용융시키나, 백킹재(50)측, 즉 루트 전극의 경우에는 극후물 사이의 공간이 8~12mm이나, 동담금(40)측, 즉 페이스 측의 경우 40~45mm 정도로 용접하는 공간이 전극 별로 상이하다.

이렇게 전극 별로 용접하는 공간이 상이하므로, 페이스측을 용접재로 체우기 위해서는 용접재의 공급이 많이 필요하며 용접하는 공간이 적은 루트측에는 페이스측에 비해 적은 양의 용접재가 필요하다.

도 1c 에는 직류를 공급하는 종래 기술의 루트 및 페이스 전극의 전력의 공급이 도시되어 있다.

도 1c 와 같이 직류 전원으로 공급하는 경우에, 루트 및 페이스 전극은 한 극성의 용접 효과를 누릴 수 밖에 없으며, 동일 전극에서도 전후 왕복 사이에 용접 환경이 달라져서, 하나의 극성만을 활용하는 경우, 용접 품질이 만족스럽지 못할 뿐만 아니라, 부분적으로 입열이 증가된다는 문제가 있다.

본 발명은 페이스 전극과 루트 전극의 용접 전원을 극성이 바뀌는 교류전원을 사용하여, 각 전극에서의 용융량 및 입열량을 제어하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 교류 전원을 사용하여 와이어 용융량이 증가하고 용적의 온도가 낮아져 모재의 입열이 감소하는 정극성 구간과 아크의 안정성이 확보되고 용입이 확보되는 역극성 구간을 바꾸어서 사용하여, 모재의 입열의 제어가 가능한 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치 및 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 구성을 포함한다.

본 발명은 선단에 전극 와이어가 장착되는 전극 와이어용 토치를 포함하는 루트 및 페이스 전극 및 상기 루트 및 페이스 전극에 서로 극성이 반대인 전원을 번갈아 공급하는 교류 전원부를 포함하는 가스 아크 용접 장치를 제공한다.

이 때, 상기 교류 전원부와 상기 루트 및 페이스 전극 사이에는 상기 루트 및 페이스 전극으로 공급되는 전원을 동기화시키는 동기화 장치가 배치될 수 있다.

또, 선단에 비전극 와이어가 장착되며, 상기 전극 와이어용 토치의 전극 와이어에 의해서 발생된 아크로 비전극 와이어를 공급하는 비전극 와이어용 토치를 더 포함할 수 있다.

다르게는, 본 발명은 제 1 전극과 제 2 전극의 전극 와이어를 통하여 전류를 공급하여 생성된 아크로 전극 와이어를 용융시켜 용접 대상물을 용접하는 가스 아크 용접 방법으로서, 제 1 및 제 2 전극에 서로 극성이 반대인 교류 전원이 동기화되어 공급되는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 제공한다.

이 때, 상기 교류 전원은 직사각형 파형으로 공급되며, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극으로 공급되기 전에, 상기 교류 전원은 극성이 공급되는 시간을 변경시킴으로써 정극성과 역극성의 극성비(duty ratio)가 조절될 수 있다.

또한, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 각각 루트 전극 및 페이스 전극이며, 상기 루트 전극에는 역극성 전원의 공급량이 정극성 전원의 공급량보다 많게, 상기 페이스 전극에는 정극성 전원의 공급량이 역극성 전원의 공급량보다 많도록 교류 전원을 공급할 수 있다.

또, 상기 교류 전원은 전극으로 번갈아 공급되는 전원의 극성 변환 주파수를 조절하여, 정극성과 역극성의 극성비(duty ratio)를 조절할 수 있다.

본 발명은 위와 같은 구성을 통하여, 와이어 용융량이 증가하고 용적의 온도가 낮아져 모재의 입열이 감소하는 정극성 구간과 아크의 안정성이 확보되고 용입이 확보되는 역극성 구간을 바꾸어서 출력하는 용접전원을 사용하여, 정극성의 특성과 역극성의 특성이 시간에 따라서 변화되기 때문에, 정극성과 역극성의 시간을 변화시켜 제어함으로써, 극성에 따른 모재의 입열을 제어할 수 있다.

도 1a 는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 개략도이다.
도 1b 는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 평면도이다.
도 1c 는 종래의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 공급되는 전원의 극성을 시간별로 도시한 그래프이다.
도 2 는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 개략도이다.
도 3 은 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 공급되는 전원의 파형이 도시된 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 공급되는 전원의 다른 파형이 도시된 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 다른 실시예의 개략도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.

도 2 에는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 개략도가 도시되어 있다.

도 2 에서 보이듯이, 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치(1)는 종래 기술과 동일하게, 2개의 전극 와이어용 토치(10, 20)의 전극 와이어(W1, W3)로 아크를 발생시키고, 이 아크 열로 전극 와이어용 토치(10, 20)의 루트 및 페이스 전극 와이어(W1, W3)를 용융시켜 용접이 이루어지게 하는 방식이다. 피용접재(30)의 전면에는 수냉식 동담금(40)을, 배면에는 고정식 백킹재(50)를 설치하고, 공급되는 전극 와이어와 피용접재(30) 사이에 발생하는 아크를 통하여, 용융 금속을 형성하고 일정량의 용융 금속이 형성되면 용접 케리지 본체(100)를 통하여 자동으로 주행한다.

용접 케리지 본체(100)에는 각 전극 와이어용 토치(10, 20)로 와이어를 공급하는 와이어 공급기(130)가 연결되어 있으며, 루트 전극 와이어용 토치(10)와 페이스 전극 와이어용 토치(20)로 전원을 공급하는 전원(101, 102)이 동기화 장치(110)를 사이에 두고 연결된다.

각 전원(101, 102), 동기화 장치(110) 및 와이어 공급기(130)는 제어부(150)에 연결되어 있으며, 제어부(150)에서는 각 전원(101, 102)에서 공급되는 전원의 극성 및 극성의 공급 시간을 제어하며, 그에 따라서, 루트 및 페이스 전극 와이어의 송급량을 제어하여 와이어를 각 전극 와이어용 토치(10, 20)로 공급한다.

또한, 제어부(150)는 조작부(160)에 연결되어 있어서, 사용자가 필요에 따라서, 전원(101, 102)의 극성 및 극성의 공급 시간을 조절할 수도 있으며, 와이어 공급량도 수동으로 제어가 가능하다.

아크 용접의 경우에 같은 전류가 흐른다고 하더라도 정극성(DCEP)의 경우 아크가 안정적으로 형성될 뿐만 아니라, 용입 깊이가 좋다는 특성이 있으며, 역극성(DCEN)의 경우 와이어의 용융량이 많으며, 그에 따라서 모재로의 입열이 감소된다는 특성이 있으므로, 이 두 극성을 교차 공급함으로써,루트 및 페이스 전극에 적합한 용접을 제공할 수 있다.

본 발명에서의 전원(101, 102)은 정극성(DCEP)과 역극성(DCEN)을 유지하도록 가변극 전력 공급기를 사용하여 교류를 공급하는 것이 바람직하다. 이렇게 가변극 전력 공급기를 사용함으로써, 직사각형 파형의 전원을 공급할 수 있으며, 각 모드에서 변환되는 빈도뿐만 아니라 극성이 유지 시간을 조절할 수 있다.

다만, 본 발명에서 전원(101, 102)은 가변극 전력 공급기로 한정되는 것은 아니며 일반적인 교류 전원으로 파형을 제어하는 것이어도 가능하다. 가스 아크 용접에서 교류 전원을 사용하는 경우에, 극성이 바뀌는 타이밍이 중요하므로, 즉, 루트 전극의 극성과 페이스 전극의 극성은 동시에 바뀌어야 안정된 아크가 유지되므로, 전원(101, 102)에 동기화 장치를 구비하여, 극성이 바뀌는 순간을 동기화하는 것이 바람직하다.

탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 경우, 상기 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 극후물의 대상으로 하는 것이며, 이러한 극후물에서 용접 대상물 사이의 거리는 루트측과 페이스측에서 차이가 크다.

본 발명에서는 루트 전극 와이어용 토치(10)와 페이스 전극 와이어용 토치(20)에 극성이 다른 교류 전원을 공급함으로써, 루트 전극 와이어용 토치(10)와 페이스 전극 와이어용 토치(20)에서 특성이 다른 용접을 제공할 뿐만 아니라, 각 전극에 공급되는 극성이 변경되는 시간을 제어부(150)로 제어함으로써, 루트 전극 와이어용 토치(10)와 페이스 전극 와이어용 토치(20)의 특성에 맞는 극성을 많은 시간으로 공급하는 것이 가능하다.

특히, 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에서 전원은 양 전극에 함께 공급되어야 하므로, 하나의 극성만으로 용접하는 경우에 루트측 혹은 페이스측의 용접 특성을 맞추는 데에는 한계가 있으나, 본 발명의 경우, 루트측 혹은 페이스측의 극성을 소정 시간동안 바꿔줌으로써 이러한 한계를 벗어날 수 있을 뿐만 아니라, 그로 인하여, 용접 입열량을 제어할 수 있다.

도 3 에는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 공급되는 전원의 파형이 도시된 그래프가 도시되어 있다. 도 3 에서 루트 전극 와이어용 토치(10)와 페이스 전극 와이어용 토치(20)는 극성이 다른 전원이 공급되며, 동일한 시점에서 루트 전극 와이어용 토치(10)와 페이스 전극 와이어용 토치(20)에 공급되는 극성이 바뀌게 되며 또한 이러한 극성이 바뀌는 극성 변환 주파수를 제어할 수 있다.

루트 전극 와이어용 토치(10)와 페이스 전극 와이어용 토치(20)에 공급되는 각 극성별 공급량은 극성이 유지되는 시간을 제어함으로써 제어가 가능하다. 즉, 정극성과 역극성의 극성비(duty ratio)는 극성의 공급 시간을 조절하는 것으로 제어가 가능하다.

도 3 에서는 루트 전극 와이어용 토치(10)의 경우 정극성의 공급량이 역극성의 공급량에 비하여 많으며, 페이스 전극 와이어용 토치(20)의 경우 역극성의 공급량이 정극성의 공급량에 비하여 많다는 것을 확인할 수 있다.

도 4 에는 본 발명의 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 공급되는 전원의 다른 파형이 도시된 그래프가 도시되어 있다. 여기서는 극성이 유지되는 시간과 함께, 전력량을 제어하여 각 전극 와이어용 토치(10, 20)에서 용접재의 용융량과 용접재의 입열량을 제어하는 것이 가능하다.

또한, 제어부는 전극(10, 20)의 위치 신호를 받아서, 전극(10, 20)의 위치에 따른 극성 변환 및 극성의 파형을 결정하여 용융량 및 입열량을 제어 할 수 있다.

한편, 판두께 80mm 정도의 극후물재를 1 패스로 용접하기 위하여는 500kJ/cm 이상의 대입열 용접이 되어야 하고, 용접 입열이 증가하면 용접부에 조대한 조직이 얻어져 이로 인하여 충격 인성의 저하가 필연적으로 발생한다. 이에, 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접의 대입열을 낮추기 위하여, 전극 와이어(W1, W3)와 함께 비전극 와이어(W2, W4)를 공급하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치가 제시되어 있다.

이렇게 전극 와이어(W1, W3)와 함께 비전극 와이어(W2, W4)를 사용하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 본 발명이 적용된 실시예가 도 5 에 도시되어 있다.

이 실시예에서, 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 장치(1)는 도 2 의 실시예와 동일하게, 2개의 전극 와이어용 토치(10, 20)로 아크를 발생시키나, 각 전극 와이어(W1, W3) 외에 비전극 와이어(W2, W4)를 공급하는 비전극 와이어용 토치(15, 25)가 더 배치된다. 이 실시예에서는 전극 와이어용 토치(10, 20)의 전극 와이어(W1, W3)의 아크 열로 전극 와이어용 토치(10, 20)의 루트 및 페이스 전극 와이어(W1, W3), 루트 및 페이스 비전극 와이어용 토치(15, 25)의 비전극 와이어(W2, W4)를 용융시켜 용접이 이루어진다. 또한, 와이어 공급기(130)는 전극 와이어(W1, W3)뿐만 아니라, 비전극 와이어(W2, W4)도 공급한다. 이 실시예에서 비전극 와이어용 토치(15, 25)가 추가된 것 외에 제어부(150), 조작부(160), 동기화 장치(110)의 구성을 도 2 의 실시예와 동일하다.

이와 같이 전극 와이어용 토치(10, 20)에 비전극 와이어용 토치(15, 25)가 추가되는 경우에도, 전극 와이어용 토치(10, 20)에 서로 극성이 반대인 전원을 번갈아 공급하는 교류 전원을 공급하는 것이 바람직하다. 또, 비전극 와이어용 토치(15, 25)의 비전극 와이어(W2, W4)의 경우 전극 와이어용 토치(10, 20)의 아크에 용융되므로, 전극 와이어용 토치(10, 20)의 극성에 따라서 공급되는 비전극 와이어(W2, W4)의 공급량도 제어부(150)에서 제어할 수도 있다.

10, 20: 전극 와이어용 토치 15, 25: 비전극 와이어용 토치
100: 용접 케리지 본체 101, 102: 전원
110: 동기화 장치 130: 와이어 공급기
150: 제어부 160: 조작부

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 루트 전극과 페이스 전극의 전극 와이어를 통하여 전류를 공급하여 생성된 아크로 전극 와이어를 용융시켜 용접 대상물을 용접하는 가스 아크 용접 방법으로서,
   루트 및 페이스 전극에 서로 극성이 반대인 교류 전원이 직사각형 파형으로동기화되어 공급되며,
   상기 루트 전극 및 페이스 전극으로 공급되기 전에, 상기 교류 전원은 극성이 공급되는 시간을 변경시킴으로써 정극성과 역극성의 극성비(duty ratio)가 조절되고,
   상기 루트 전극에는 역극성 전원의 공급량이 정극성 전원의 공급량보다 많게, 상기 페이스 전극에는 정극성 전원의 공급량이 역극성 전원의 공급량보다 많도록 교류 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 탄뎀 일렉트로 가스 아크 용접 방법.
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