KR101309641B1 - 강관 용접 장치 및 용접 방법 - Google Patents

Abstract

강관의 용접 위치를 정확히 검출하여 정확한 위치에 용접이 이루어질 수 있도록, 강관 외주면을 따라 설치되는 이송레일과, 상기 이송레일을 따라 이동되는 캐리지, 상기 캐리지에 구비되어 강관을 용접하는 용접 토치, 용접 토치로 용접 전류를 공급하는 전원부, 상기 용접 토치로 용접 와이어를 공급하기 위한 와이어공급부, 상기 캐리지에 구비되어 정확한 용접선의 위치를 검출하기 위한 용접선추적부, 상기 캐리지에 설치되어 상기 용접토치 및 용접선추적부를 이동시키기 위한 구동부, 상기 용접선추적부의 신호를 연산하여 용접선의 정확한 위치에 따라 상기 구동부를 제어작동하는 제어부를 포함하는 강관 용접 장치를 제공한다.

Description

강관 용접 장치 및 용접 방법{DEVICE AND METHOD FOR WELDING PIPE}

본 발명은 용접 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 강관 연결을 위해 강관을 원주방향으로 용접하는 강관 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 길이가 긴 구간의 이송통로를 형성하기 위하여 파이프라인이 사용된다. 파이프라인은 기체 혹은 유체 이송을 위한 효율적인 시스템으로, 원유나 천연가스 또는 농업용수나 상수 이송용으로 널리 사용된다.

이러한 파이프라인을 구축하기 위해서는 6 ~ 12m 길이의 파이프를 연속적으로 연결하여야 한다. 파이프 소재는 콘크리트, 주철관, 강관, 플라스틱관, 유리섬유관 등 다양하며, 연결방법은 사용되는 소재에 따라 달라진다.

직경 800mm 이상의 대구경 파이프는 주로 강관이 사용되며, 연결은 강관 원주를 따라 아크 용접에 의해 이루어진다. 최근 들어 강관을 대상으로 한 아크 용접에 토치 이송장치를 이용한 기계식 용접장치가 사용되고 있다.

상기 기계식 용접장치는 강관 원주를 따라 설치된 이송장치를 구비하여 토치가 강관 원주를 따라 이동하면서 용접 작업을 수행하게 된다.

그러나, 상기 종래의 용접장치는 토치를 용접이 필요한 정확한 위치를 따라 이동시키기 힘들고, 용접 상태에 관계없이 일률적인 용접이 이루어지는 단점이 있다. 이에 종래의 경우, 작업자가 용접 상태를 육안으로 확인하면서 용접 조건 및 토치 위치를 지속적으로 조정해야 하는 불편함이 있다. 그러나 아크 용접부위는 강한 아크광 및 스패터 등으로 인하여 육안 관찰이 어려운 환경으로, 조정 작업이 용이하지 않으며, 이러한 조정 역시 문제 발생 시점과 조정 시점의 시차로 인해 강관 용접 결함을 근본적으로 방지하지는 못하였다.

이와 같이 종래의 구조는 용접부의 품질이 작업자의 기량이나 작업환경, 기상 조건 등에 크게 영향을 받는 구조로, 균일한 용접 품질을 얻을 수 있도록 된 강관 용접 기술의 개발이 필요하다.

이에, 강관의 용접 위치를 정확히 검출하여 정확한 위치에 용접이 이루어질 수 있도록 된 강관 용접 장치 및 용접 방법을 제공한다.

또한, 용접 위치에 따라 변화하는 용접 조건에 맞춰 용접이 이루어질 수 있도록 된 강관 용접 장치 및 용접 방법을 제공한다.

이를 위해 본 장치는 강관 외주면을 따라 설치되는 이송레일과, 상기 이송레일을 따라 이동되는 캐리지, 상기 캐리지에 구비되어 강관을 용접하는 용접 토치, 용접 토치로 용접 전류를 공급하는 전원부, 상기 용접 토치로 용접 와이어를 공급하기 위한 와이어공급부, 상기 캐리지에 구비되어 정확한 용접선의 위치를 검출하기 위한 용접선추적부, 상기 캐리지에 설치되어 상기 용접토치 및 용접선추적부를 이동시키기 위한 구동부, 상기 용접선추적부의 신호를 연산하여 용접선의 정확한 위치에 따라 상기 구동부를 제어작동하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 용접선추적부는 상기 용접 토치에 이격되어 배치되는 프레임과, 상기 프레임에 설치되어 용접선을 가로지르는 띠형태의 레이저빔을 강관의 용접부위에 조사하는 레이저조사부와, 상기 프레임에 설치되고 레이저조사부로부터 용접부위에 조사된 레이저빔의 구조적 형태를 검출하여 상기 제어부로 출력하는 시각센서를 포함할 수 있다.

상기 용접선추적부는 용접 진행방향을 따라 상기 용접 토치 앞쪽에 위치할 수 있다.

상기 제어부는 강관의 외주면에 대한 용접 위치에 따른 용접 조건이 기록된 데이터베이스를 더 포함하고, 용접 토치가 해당 용접 위치에 도달하였을 때 상기 데이터베이스로부터 해당 용접 위치에서의 용접 조건을 출력하여 용접 장치를 제어하는 구조일 수 있다.

상기 데이터베이스는 와이어 및 모재의 용융에 의해 형성된 용융지가 용접 위치 별로 중력의 영향에 의해 흘러내리는 형태에 대한 용접 조건이 기록된 구조일 수 있다.

한편, 본 용접 방법은 용접 토치를 강관의 외주면을 따라 이동시켜 강관과 강관을 용접하여 연결하는 강관 용접 방법에 있어서, 강관 용접부위의 용접선 위치를 검출하는 단계, 검출된 용접선 위치로 용접 토치를 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 용접선 위치를 검출하는 단계는 강관 용접부위에 용접선을 가로지르는 띠형태의 레이저빔을 조사하는 단계와, 용접부위에 조사된 레이저빔의 구조적 형태를 검출하는 단계, 검출된 구조적 형태를 연산하여 용접선 위치를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 용접 방법은 강관의 외주면에 대한 용접 위치를 검출하는 단계와, 용접 위치에 따라 용접 조건을 조정하여 용접을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 용접 조건은 와이어 및 모재의 용융에 의해 형성된 용융지가 용접 위치 별로 중력의 영향에 의해 흘러내리는 형태에 따라 설정될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면 용접 위치를 정확히 추출하고, 용접 위치에 따라 용접 조건을 독립적으로 제어하여, 작업환경이나 작업자의 기량에 관계없이 균일하고 우수한 용접 품질을 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 강관 용접 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 강관 용접 장치의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 강관 용접 장치의 일부 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 강관 용접 장치에 의해 검출된 레이저빔의 구조적 형태를 도시한 개략적인 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 강관 용접 과정에서 용접 위치에 따른 비드 형태를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1과 도 2는 본 실시예에 따른 강관 용접 장치를 도시하고 있다.

상기한 도면에 의하면, 본 용접 장치는 강관(100)과 강관(100)의 선단을 마주 접하고 이 접합라인을 따라 용접 토치(14)를 이동시켜 강관과 강관을 용접하는 구조로 되어 있다.

본 장치는 강관(100) 외주면을 따라 설치되는 이송레일(10)과, 상기 이송레일(10)을 따라 이동되는 캐리지(12), 상기 캐리지(12)에 구비되어 강관(100)을 용접하는 용접 토치(14), 용접 토치(14)로 용접 전류를 공급하는 전원부(16), 상기 용접 토치(14)로 용접 와이어를 공급하기 위한 와이어공급부(18)를 포함한다.

이에 상기 캐리지(12)가 이송레일(10)을 따라 이동하게 되면 캐리지(12)에 구비된 용접 토치(14)가 강관(100)과 강관(100) 사이를 아크 용접하게 된다. 본 장치는 용접시 상기 용접 토치(14)로 분위기 가스를 공급하기 위한 가스공급부(도시되지 않음)를 더 구비할 수 있다. 상기 가스 토치(14)를 포함한 강관(100) 용접을 위한 구조는 이미 알려진 것으로 이하 상세한 설명은 생략한다.

여기서 상기 가스 토치(14)는 용접 품질을 높이기 위해 강관(100)과 강관(100) 사이의 용접이 이루어지는 정확한 용접라인(이하 용접선(L)이라 한다)을 따라 이동되면서 용접을 수행할 필요가 있다.

이를 위해 본 장치는 상기 캐리지(12)에 구비되어 정확한 용접선(L)의 위치를 검출하기 위한 용접선추적부(20)와, 상기 캐리지(12)에 설치되어 상기 용접 토치(14) 및 용접선추적부(20)를 이동시키기 위한 구동부(30), 상기 용접선추적부(20)의 신호를 연산하여 용접선(L)의 정확한 위치에 따라 상기 구동부(30)를 제어작동하는 제어부(40)를 더 포함한다.

따라서 본 장치는 용접선(L)의 위치를 정확히 검출하여 용접 토치(14)를 용접선(L)에 대응되도록 이동시킴으로써 용접선(L)을 따라 정확한 용접이 이루어질 수 있게 된다.

상기 구동부(30)는 캐리지(12) 상에 설치되며 외측으로 연장된 구동로드(32) 상에 용접 토치(14) 및 용접선추적부(20)가 설치된다. 이에 구동로드(32)를 상하좌우로 움직여 최종적으로 구동로드(32)에 설치된 용접 토치(14) 및 용접선추적부(20)를 원하는 위치로 이동시킬 수 있게 된다. 상기 구동로드(32)를 상하좌우로 움직이기 위해 상기 구동부(30)는 구동모터 또는 구동실린더 등의 동력원과, 기어나 이송스크류 또는 캠 등의 동력전달기구를 선택적으로 조합하여 사용할 수 있다. 상기 구동부(30)는 예를 들어, 두 개의 구동실린더를 수평방향 및 수직방향으로 연결한 구조일 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.

본 실시예에서 상기 캐리지(12) 상에는 구동부(30)를 덮는 하우징(34)이 설치되어, 구동부(30)를 보호하는 구조로 되어 있다.

상기 하우징(34) 외측으로 연장된 구동로드(32) 상에 상기 용접 토치(14)와 용접선추적부(20)가 설치된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 용접선추적부(20)는 용접 진행방향을 따라 상기 용접 토치(14) 앞쪽에 위치한다. 이에 용접 진행방향을 따라 용접선추적부(20)에 의해 용접선(L)의 위치를 먼저 검출하여, 용접선추적부(20) 뒤를 따르는 용접 토치(14)를 해당 위치로 이동시킬 수 있게 된다.

상기 용접선추적부(20)는 상기 용접 토치(14)에 이격되어 배치되는 프레임(22)과, 상기 프레임(22)에 설치되어 용접선(L)을 가로지르는 띠형태의 레이저빔(B)을 강관(100)의 용접부위에 조사하는 레이저조사부(24)와, 상기 프레임(22)에 설치되고 레이저조사부(24)로부터 용접부위에 조사된 레이저빔(B)의 구조적 형태를 검출하여 상기 제어부(40)로 출력하는 시각센서(26)를 포함한다.

상기 프레임(22)은 레이저조사부(24)와 시각센서(26)를 지지하기 위한 구조물로 구동로드(32) 선단에 설치된다.

본 실시예에서 상기 레이저조사부(24)는 용접선(L)을 가로질러 소정 폭으로 레이저빔(B)을 조사하게 된다. 이에 상기 레이저조사부(24)에 의해 조사되는 레이저빔(B)은 수직방향을 따라 바로 위에서 보았을 때 직선 형태를 이룬다.

상기 시각센서(26)는 강관(100)의 용접부위에 조사된 레이저빔(B)을 검출하기 위한 것으로 예를 들어, 레이저빔(B)을 촬영하는 촬영소자일 수 있다. 상기 시각센서(26)는 레이저빔(B)의 구조적 형태를 검출할 수 있는 센서면 특별히 한정되지 않는다.

본 실시예에서 상기 시각센서(26)는 레이저조사부(24)에서 이격되어 레이저빔(B)이 조사되는 용접부위를 향해 비스듬하게 설치된 구조로 되어 있다. 즉, 상기 시각센서(26)는 용접 진행방향을 따라 레이저조사부(24)에서 소정 거리 이격되어 위치하며, 레이저빔(B)이 조사되는 지점을 향해 소정 각도로 틀어져 설치된 구조로 되어 있다.

이와 같이 레이저빔(B)은 강관(100)과 강관(100) 사이의 용접선(L)의 표면에 조사되고, 상기 시각센서(26)는 레이저조사부(24)로부터 조사된 레이저빔(B)의 구조적 형태를 검출하게 된다. 레이저빔(B)의 구조적 형태라 함은 레이저빔(B)이 조사되는 용접부위 표면의 굴곡 형태로, 용접부위의 강관(100) 표면과 강관(100)과 강관(100) 사이의 용접선(L)의 굴곡 형태를 의미한다.

도 4는 상기 시각센서(26)에 의해 검출된 레이저빔(B)의 구조적 형태를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 직선형태로 조사된 레이저빔(B)을 레이저조사부(24)로부터 이격되어 측방향으로 경사지게 배치된 시각센서(26)로 검출하게 되면 용접선(L)에 폭방향으로 조사된 레이저빔(B)의 구조적 형태가 검출된다. 상기 시각센서(26)에 의해 검출된 레이저빔(B)의 구조적 형태는 바로 강관(100)의 표면과 용접이 이루어져야할 용접선(L)의 구조적 형태를 나타낸다.

상기 시각센서(26)에 의해 검출된 신호는 제어부(40)로 인가되고, 제어부(40)는 시각센서(26)의 출력신호를 연산하여 용접선(L)의 정확한 위치를 찾아내게 된다. 이와 같이 상기 시각센서(26)에서 검출된 레이저빔(B)의 구조적 형태를 통해 정확한 용접선(L)의 위치를 추출할 수 있는 것이다.

그리고 상기 제어부(40)는 상기 구동부(30)로 제어신호를 출력하여 추출된 용접선(L)의 위치로 용접 토치(14)를 이동시키게 된다.

제어부(40)의 신호에 따라 구동부(30)가 작동되면 구동로드(32)가 상하좌우로 움직여 구동로드(32)에 설치된 용접 토치(14)를 원하는 위치로 이동시키게 된다. 여기서 상기 구동로드(32)에 설치된 용접선추적부(20) 역시 구동로드(32)의 움직임에 따라 위치 이동되어 해당 위치에서 용접선(L) 위치를 계속 검출하게 된다.

이러한 과정은 강관(100)의 외주면을 따라 캐리지(12)가 이동하면서 용접 작업이 진행되는 동안 계속 이루어진다. 이에 강관(100)의 정확한 용접선(L)을 따라 정확한 용접이 이루어지게 된다.

한편, 상기 용접 과정에서 캐리지(12)가 강관(100)의 외주면을 따라 이동함에 따라 용접 위치가 달라지게 된다. 예를 들어, 강관(100)이 수평으로 눕혀져 있는 상태에서 용접이 진행되는 경우, 캐리지(12)가 강관(100)의 외주면을 따라 진행하면서 용접은 강관(100)의 상부에서 측부 그리고 하부를 지나 반대쪽 측부와 상부를 따라 이루어지게 된다.

한편, 아크 용접 과정에서 와이어 및 모재의 용융에 의해 형성되는 용융지는 중력의 영향을 크게 받는다. 이에 용접 위치에 따라 중력에 의한 용융지의 형태가 달라지므로 용접 조건 또한 달리할 필요가 있다.

도 5는 수평으로 눕혀져 있는 강관(100)의 용접 위치에 따라 용접 부위에 형성되는 용융지의 비드 형태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 용접위치가 0도에서는 중력이 아래로 작용하여 비드가 편평하게 퍼지면서 형성된다. 용접위치가 45도인 경우에는 비드가 약간 아래로 치우치며 적당하게 여성이 형성된다. 또한, 용접위치가 90도에서는 용융지가 아래로 흐르게 된다. 용접위치가 135도인 경우에는 용입이 적고 여성이 증가하게 된다. 그리고 용접위치가 180도에서는 중력에 의해 용입이 적고 표면장력에 의하여 비드가 편평하게 퍼진 형태가 된다.

이와 같이, 중력의 영향에 따라 용융지는 아래로 흘러내리면서 비드를 형성하게 되므로, 용접부위에 따라 각 비드의 형태가 달라짐을 알 수 있다.

따라서 상기 제어부(40)가 캐리지(12) 이동에 따른 용접 위치 변화에 따라 용접 토치(14)의 용접 조건을 제어하는 구조로 되어 있다. 이를 위해 상기 제어부(40)는 강관(100)의 외주면에 대한 용접 위치에 따른 최적의 용접 조건이 기록된 데이터베이스(42)를 구비한 구조로 되어 있다. 상기 데이터베이스(42)는 와이어 및 모재의 용융에 의해 형성된 용융지가 용접 위치 별로 중력의 영향에 의해 흘러내리는 형태에 대한 용접 조건이 기록된 것이다.

상기 제어부(40)는 캐리지(12) 이동에 따라 용접 토치(14)가 해당 용접 위치에 도달하였을 때, 상기 데이터베이스(42)로부터 해당 용접 위치에서의 용접 조건을 출력하여 용접 토치(14)를 제어하게 된다. 이와 같이 본 실시예에 따른 강관(100)의 용접은 강관(100)의 외주면에 대한 용접 위치를 검출하고, 용접 위치에 따라 용접 조건을 조정하는 과정을 거쳐 수행된다.

여기서 상기 해당 위치에 대한 인식은 예를 들어, 캐리지(12)의 최초 위치와 이동속도 및 강관(100)의 직경을 연산하여 확인할 수 있다. 또한, 상기 용접 조건은 와이어 및 모재의 용융에 의해 형성된 용융지가 용접 위치 별로 중력의 영향에 의해 흘러내리는 형태에 따라 설정될 수 있으며, 예를 들어 용접 토치(14)에 전류를 인가하는 전원부(16)에 대한 제어 조건일 수 있다. 또한, 상기 해당 용접 위치에 대한 최적의 용접 조건은 와이어나 강관(100)의 종류 등에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 중력의 영향에 고려한 조건이면 충분하며 특별히 어느 하나의 조건으로 한정되지 않는다.

이와 같이 용접 위치에 따라 독립적으로 용접 조건을 제어함으로써 변화하는 용접 조건에 맞춰 최적의 용접이 이루어질 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 이송레일 12 : 캐리지
14 : 용접 토치 16 : 전원부
18 : 와이어공급부 20 : 용접선추적부
22 : 프레임 24 : 레이저조사부
26 : 시각센서 30 : 구동부
32 : 구동로드 34 : 하우징
40 : 제어부 42 : 데이터베이스

Claims (9)

1. 강관 외주면을 따라 설치되는 이송레일과, 상기 이송레일을 따라 이동되는 캐리지, 상기 캐리지에 구비되어 강관을 용접하는 용접 토치, 상기 용접 토치로 용접 전류를 공급하는 전원부, 상기 용접 토치로 용접 와이어를 공급하기 위한 와이어공급부, 상기 캐리지에 구비되어 정확한 용접선의 위치를 검출하기 위한 용접선추적부, 상기 캐리지에 설치되어 상기 용접토치 및 용접선추적부를 이동시키기 위한 구동부, 상기 용접선추적부의 신호를 연산하여 용접선의 정확한 위치에 따라 상기 구동부를 제어작동하는 제어부를 포함하고,
   상기 용접선추적부는 상기 용접 토치에 이격되어 배치되는 프레임과, 상기 프레임에 설치되어 용접선을 가로지르는 띠형태의 레이저빔을 강관의 용접부위에 조사하는 레이저조사부와, 상기 프레임에 설치되고 용접부위를 향해 각도를 두고 비스듬하게 설치되어 레이저조사부로부터 용접부위에 조사된 레이저빔의 구조적 형태를 검출하여 상기 제어부로 출력하는 시각센서를 포함하고,
   상기 제어부는 강관의 외주면에 대한 용접 위치에 따른 용접 조건이 기록된 데이터베이스를 더 포함하고, 상기 데이터베이스는 와이어 및 모재의 용융에 의해 형성된 용융지가 용접 위치 별로 중력의 영향에 의해 흘러내리는 형태에 대한 용접 조건이 기록되어 있으며, 상기 제어부는 상기 용접 토치가 해당 용접 위치에 도달하였을 때 상기 데이터베이스로부터 해당 용접 위치에서의 용접 조건을 출력하여 용접 장치를 제어하는 구조의 강관 용접 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 용접 토치를 강관의 외주면을 따라 이동시켜 강관과 강관을 용접하여 연결하는 강관 용접 방법에 있어서,
   강관 용접부위의 용접선 위치를 검출하는 단계와, 검출된 용접선 위치로 용접 토치를 이동시키는 단계, 강관의 외주면에 대한 용접 위치를 검출하는 단계와, 검출된 용접 위치에 따라 용접 조건을 조정하여 용접을 수행하는 단계를 더 포함하고,
   상기 용접선 위치를 검출하는 단계는 강관 용접부위에 용접선을 가로지르는 띠형태의 레이저빔을 조사하는 단계와, 용접부위를 향해 비스듬하게 배치된 시각센서를 통해 용접부위에 조사된 레이저빔의 구조적 형태를 검출하는 단계, 검출된 구조적 형태를 연산하여 용접선 위치를 추출하는 단계를 포함하며,
   상기 용접 조건은 와이어 및 모재의 용융에 의해 형성된 용융지가 용접 위치 별로 중력의 영향에 의해 흘러내리는 형태에 따라 설정되는 강관 용접 방법.
7. 삭제
8. 삭제
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