KR101395155B1 - 강관 자동 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강관 자동용접장치에 관한 것으로, 전후좌우 및 상하 방향으로 위치 조절되며 센서(14A)가 구비된 용접토치(14)를 포함하는 용접유닛(10)과; 강관(1)이 안착되며, 강관(1)을 일정한 속도로 회전시키는 강관회전유닛(20)으로 이루어지되; 센서(14A)는 강관(1)이 마주하는 양측 단부에 형성되는 경사면에 의해 상부와 하부에 각각 형성되는 하부 에지(x_{1_1}, x_{2_1})와 상부 에지(x_{1_2}, x_{2_2})를 각각 검출하고, 용접유닛(10)은 센서(14A)에서 검출된 상기 하부 에지(x_{1_1}, x_{2_1}) 정보를 이용하여 루트 용접하며, 상부 에지(x_{1_2}, x_{2_2}) 정보를 이용하여 본 용접하도록 제어되는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 강관의 자동 용접 시 발생하는 용접 비드의 불량이 해소되어 용접 품질이 향상되며, 강관의 이음부를 신속하고 정확하게 용접할 수 있다.

Description

강관 자동 용접장치{Automatic Welding Device for Steel Pipes}

본 발명은 강관 자동 용접장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강관의 양단을 자동 용접에 의해 서로 연결할 때, 각 강관의 단부가 서로 마주함으로써 형성되는 이음부의 폭을 자동으로 검출하여 이에 맞추어 용접하는 강관 자동 용접장치에 관한 것이다.

강관은 일반적으로 일정 길이(통상 6m)를 가지도록 제조되며, 이에 따라 길이가 긴 배관을 설치할 때에는 강관의 단부를 서로 맞대어 용접함으로써 연결하는데, 이러한 용접에 의해 강관을 연결하는 방법에는 수작업에 의해 용접하는 방법과 자동 용접장치를 이용하는 자동 용접하는 방법이 있는데, 수작업에 의해 강관을 용접하는 경우 용접사에 따라 그 용접품질이 다르기 때문에 숙련된 용접사가 요구되는데, 이러한 용접 작업은 고된 육체노동에 속하기 때문에 점점 이러한 숙련된 용접사를 확보하기 쉽지 않다.

더구나 숙련된 용접사라 하더라도 강관의 두께가 재질에 따라서도 그 숙련도가 다를 수 있고, 이에 의해서도 균일하고 품질 높은 용접작업이 담보되기 어렵다.

따라서 최근에는 신속하면서도 정확하고 또한 용접 품질을 담보할 수 있는 자동 용접장치를 이용한 용접 방법이 선호되고 있으며, 이러한 자동 용접을 수행하기 위한 자동 용접장치의 예로서 공개특허 제2008-1821호에 개시된 '파이프 원주 용접을 위한 플라즈마 자동 용접장치'를 들 수 있다.

상기 특허문헌에 개시된 자동 용접장치는 도 1에 도시된 바와 같이 바퀴를 구비하고 주행레일을 따라 이동가능하게 설치되는 대차와, 대차의 상면에 설치되어 플라즈마 및 일반 용접기능을 수행하는 플라즈마 용접기와, 일반 용접기 및 플라즈마 용접기와 일반 용접기의 구동 및 장치의 전반적인 제어기능을 수행하는 제어장치반(100); 대차의 상면에 설치되는 컬럼 회전 기어와 컬럼 회전기어의 상면에 전단부가 고정 설치되어 90°의 범위 내에서 회전가능하게 설치된 컬럼(200); 컬럼(200)의 상단에 일단부가 고정 설치되어 수평의 구조를 하고 있는 붐대(300); 붐대(300)의 일측에 설치된 두개의 헤드로 그 일측은 초층 용접을 위한 플라즈마 용접헤드로 타측은 초층 용접 위에 적층 용접을 위한 용접헤드로 복합적으로 구성되는 헤드부(400); 용접될 파이프 단관을 받쳐주되 단관을 회전시키면서 일정한 회전영역을 벗어나지 못하도록 상기 주행레일과 평행한 방향으로 설치되는 터닝롤러(500)와 터닝롤러(500)를 구동시키기 위한 터닝롤러 구동모터로 이루어진다.

상기 특허문헌에 개시된 자동 용접장치는 강관의 이음부를 자동으로 추종하도록 용접헤드의 위치를 제어하면서 용접이 진행되는데, 이때 강관의 단면이 고르지 않거나 강관이 진원이 아닌 경우에는 각 강관의 단면간의 간격(폭)이 다를 수 있고, 이 경우에는 루트 패스를 용접할 때 용접시간, 용접전류 등이 다른 조건 하에서 용접하여야 함에도 그러하지 않고 동일한 조건에서 용접함으로써 용접 비드가 균일하게 형성되지 못하거나 용접 품질이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 강관 자동 용접장치가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 강관이 서로 맞닿는 이음부를 따라 자동 용접할 때, 이음부의 중심을 정확하게 추종하는 동시에 단면간의 간격을 고려하여 용접조건을 달리하여 용접할 수 있도록 함으로써 용접 품질이 우수한 강관 자동 용접장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 강관 자동 용접장치를, 전후좌우 및 상하 방향으로 위치 조절되며 센서가 구비된 용접토치를 포함하는 용접유닛과; 강관이 안착되며, 상기 강관을 일정한 속도로 회전시키는 강관회전유닛으로 이루어지되; 상기 센서는 상기 강관이 마주하는 양측 단부에 형성되는 경사면에 의해 상부와 하부에 각각 형성되는 하부 에지와 상부 에지를 각각 검출하고, 상기 용접유닛은 상기 센서에서 검출된 상기 하부 에지 정보를 이용하여 루트 용접하며, 상기 상부 에지 정보를 이용하여 본 용접하도록 구성하는 것에 의해 달성된다.

이때 상기 용접유닛은 상기 하부 에지와 상기 상부 에지를 각각 수평으로 연결하는 폭을 각각 반분하여 상기 이음부의 가상의 중심선 구하고, 상기 용접토치는 상기 가상의 중심선을 추종하도록 제어되는 것으로 실시될 수 있다.

그리고 상기 용접유닛은 좌우 방향으로 레일이 설치되는 제1레일부와; 상기 제1레일부를 따라 좌우 방향으로 이동되며 상하 방향으로 레일이 설치되는 제2레일부와; 상기 제2레일부를 따라 상하 방향으로 이동되며 전후 방향으로 이동되는 제3레일부 및; 상기 용접토치는 상기 제3레일부의 일단에 설치되는 것으로 실시될 수 있다.

또한 상기 강관회전유닛은 바닥에 설치 고정되는 한 쌍의 고정블록과; 상기 한 쌍의 고정블록의 상부에 각각 설치되는 한 쌍의 지지블록 및; 상기 지지블록에 각각 설치되는 롤러로 이루어지는 것으로 실시될 수 있다.

이때 상기 롤러는 구동모터에 의해 회전 구동되는 것으로 실시될 수 있다.

본 발명은 강관의 단부를 연결하여 이음부를 자동 용접할 때, 이음부의 간격에 따라 용접토치가 그 중심을 정확하게 추종하면서 용접이 진행된다.

또한 루트 용접과 본 용접 시, 용접토치가 추종해야하는 가상의 중심선을 각각 구하기 때문에 강관의 단면이 고르지 않거나 강관이 진원이 아닌 경우, 각 강관의 단면간의 간격(폭)이 다르더라도 이에 맞춰 용접토치의 높이와 강관회전유닛의 회전 속도 등을 적절하게 조절되므로 용접 품질이 향상된다.

도 1은 종래의 자동용접장치의 예를 보인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 강관 자동용접장치의 예를 보인 사시도,
도 3은 도 2의 측면도,
도 4는 본 발명에 따른 센서가 이음부의 에지를 검출하는 예를 보인 사용 상태도,
도 5는 본 발명에 따른 상부 에지의 예를 보인 사용 상태도,
도 6은 강관의 단면에 따른 이음부의 폭이 달라지는 예를 보인 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 하부 에지의 예를 보인 사용 상태도이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면을 통해 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 강관 자동용접장치에 관한 것으로, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 크게 용접유닛(10)과 강관회전유닛(20)으로 이루어진다.

용접유닛(10)은 도 2에 도시된 바와 같이 좌우 방향으로 레일이 설치되는 제1레일부(11)와, 제1레일부(11)를 따라 좌우 방향으로 이동되며 상하 방향으로 레일이 설치되는 제2레일부(12)와, 제2레일부(12)를 따라 상하 방향으로 이동되며 전후 방향으로 이동되는 제3레일부(13)로 이루어진다.

그리고 제3레일부(13)의 일단에는 용접토치(14)가 설치되며, 이 용접토치(14)에는 강관(1)이 이음부(1A)를 감지하기 위한 센서(14A)가 설치는데, 이때 센서(14A)는 하나 또는 복수 개의 레이저센서가 설치되는 것으로 실시되는 것이 바람직하다.

한편, 용접토치(14)는 센서(14A)에 의해 감지되는 강관(1) 이음부(1A)를 따라 그 위치가 적절하게 조절될 필요가 있는데, 이를 위해 제1,2,3레일부(11, 12, 13)는 각각 x, y, z축 방향으로 이송 제어되면서 용접토치(14)의 위치가 조절된다.

강관회전유닛(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 바닥에 설치 고정되는 한 쌍의 고정블록(21)과, 한 쌍의 고정블록(21)의 상부에 각각 설치되는 한 쌍의 지지블록(22) 및 지지블록(22)에 각각 설치되는 롤러(23)로 구성된다.

이때 한 쌍의 지지블록(22)은 강관(1)의 직경에 따라 서로 적정 간격으로 위치 조절될 수 있도록 고정블록(21)의 상부에 레일(도면부호 없음)이 설치되고, 이 레일을 따라 일측 지지블록(22)이 선택적으로 슬라이딩되거나 고정되도록 구성된다.

그리고 롤러(23)는 구동 모터(도시되지 않음)에 연결됨으로써 회전 구동되고, 그 결과 롤러(23)와 접촉되는 강관(1)이 일정 속도로 회전되면서 용접이 진행된다.

이상과 같은 구성의 강관 자동 용접장치는 양측 강관(1)의 단부가 서로 맞닿는 이음부(1A)를 따라 용접토치(14)가 정확하게 추종하면서 용접이 진행되어야 하고, 이를 위해 이음부(1A)를 센서(14A)를 이용하여 감지하게 되는데, 이때 센서(14A)는 강관(1)의 단부에 형성되는 경사면에 의해 형성되는 에지를 검출하게 되고, 검출된 양측 에지를 수평으로 연결하는 가상의 선을 이용하여 이음부(1A)의 폭과 가상의 중심선(C)을 추정한다.

이렇게 추정된 가상의 중심선(C)을 따라 용접토치(14)가 위치되도록 제어함으로써 용접토치(14)가 정해진 궤도를 크게 벗어나지 않고 이음부(1A)를 따라 정확하게 추종하면서 용접이 진행된다.

또한 본 발명은 루트 용접과 본 용접에 따라 에지의 선택을 달리 함으로써 루트 용접의 신뢰성이 더욱 향상되는데, 이를 위해 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 센서(14A)가 강관(1) 단부에 형성된 경사면을 기준으로 하부 에지(x_{1_1}, x_{2_1})와 상부 에지(x_{1_2}, x_{2_2})를 각각 검출하도록 실시된다.

이때 검출되는 하부 에지(x_{1_1}, x_{2_1}) 정보는 루트 용접 시 용접토치(14)의 위치를 제어하는 데에 이용되는데, 이는 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 강관(1)의 단부간의 간격이 일정하지 못한 경우에는 이음부(1A)의 폭이 일정하지 않게 되고, 이러한 경우 용접 조건을 달리하지 않고 동일하게 용접을 진행되면, 용접 비드가 균일하게 형성되지 못하여 용접의 불량이 발생하게 된다.

따라서 루트 용접 시에는 검출된 하부 에지(x_{1_1}, x_{2_1}) 정보를 수평으로 연결하는 폭(w1)을 구한 다음, 이 폭(w1)을 반분하여 가상의 중심선(C)을 구하고, 이 가상의 중심선(C)을 추종하도록 용접토치(14)의 위치를 제어함과 동시에 폭(w1)이 좁아지고 넓어지는 정도에 따라 용접토치(14)의 높이와 강관(1)의 회전 속도를 조절하여 용접 비드가 균일하게 형성되도록 제어된다.

즉, 폭(w1)이 넓은 경우에는 강관(1)의 회전 속도를 느리게 제어하고, 이와 반대로 폭(w1)이 좁은 경우에는 강관(1)의 회전 속도를 빠르게 제어함으로써, 용접 비드가 균일하게 형성되도록 유도할 수 있고, 그 결과 루트 용접의 신뢰성이 향상되어 자동 용접의 불량률이 대폭 감소된다.

이렇게 루트 용접이 실시되고 나면, 도 7에 도시된 바와 같이 상부 에지(x_{1_2}, x_{2_2}) 정보를 이용하여 2 ~ 3 차례의 본 용접을 진행하여 강관(1)의 이음부(1A)를 용접함으로써 강관(1)의 이음부(1A) 용접이 진행된다.

이때 본 용접 시에도 루트 용접과 동일하게 상부 에지(x_{1_2}, x_{2_2})를 수평으로 연결하는 폭(w2)을 구한 다음, 이 폭(w2)을 반분하여 가상의 중심선(C)을 만들고, 용접토치(14)가 이 가상의 중심선(C)을 추종하도록 제어된다.

본 발명은 강관의 자동용접 시 강관 단부의 상부와 하부 에지를 각각 검출하므로 강관의 단면이 고르지 않거나 강관이 진원이 아닌 경우, 각 강관의 단면간의 간격(폭)이 다르더라도 이에 맞춰 용접토치의 높이와 강관회전유닛의 회전 속도 등을 적절하게 조절하므로 용접 품질이 향상된다.

1: 강관 1A: 이음부
10: 용접유닛 11: 제1레일부
12: 제2레일부 13: 제3레일부
14: 용접토치 14A: 센서
20: 강관회전유닛 21: 고정블록
22: 지지블록 23: 롤러

Claims (5)

1. 강관(1)의 이음부(1A)를 따라 자동으로 용접하는 강관 자동 용접장치에 있어서,
   전후좌우 및 상하 방향으로 위치 조절되며 센서(14A)로서 레이저 센서가 구비된 용접토치(14)를 포함하는 용접유닛(10)과;
   상기 강관(1)이 안착되며, 상기 강관(1)을 회전시키는 강관회전유닛(20)으로 이루어지되;
   상기 센서(14A)는 상기 강관(1)이 마주하는 양측 단부에 형성되는 경사면에 의해 상부와 하부에 각각 형성되는 하부 에지(x_{1_1}, x_{2_1})와 상부 에지(x_{1_2}, x_{2_2})를 각각 검출하고,
   상기 용접유닛(10)은 상기 센서(14A)에서 검출된 상기 하부 에지(x_{1_1}, x_{2_1}) 정보를 이용하여 루트 용접하며, 상기 상부 에지(x_{1_2}, x_{2_2}) 정보를 이용하여 본 용접하도록 제어되며,
   상기 용접유닛(10)은 상기 하부 에지(x_{1_1}, x_{2_1})와 상기 상부 에지(x_{1_2}, x_{2_2})를 각각 수평으로 연결하는 폭(w1, w2)을 각각 반분하여 상기 이음부(1A)의 가상의 중심선(C) 구하고, 상기 용접토치(14)는 상기 가상의 중심선(C)을 추종함과 동시에 폭(w1)이 좁아지고 넓어지는 정도에 따라 상기 용접토치(14)의 높이와 상기 강관(1)의 회전 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 강관 자동용접장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 용접유닛(10)은 좌우 방향으로 레일이 설치되는 제1레일부(11)와; 상기 제1레일부(11)를 따라 좌우 방향으로 이동되며 상하 방향으로 레일이 설치되는 제2레일부(12)와; 상기 제2레일부(12)를 따라 상하 방향으로 이동되며 전후 방향으로 이동되는 제3레일부(13) 및; 상기 용접토치(14)는 상기 제3레일부(13)의 일단에 설치되는 것을 특징으로 하는 강관 자동용접장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 강관회전유닛(20)은 바닥에 설치 고정되는 한 쌍의 고정블록(21)과; 상기 한 쌍의 고정블록(21)의 상부에 각각 설치되는 한 쌍의 지지블록(22) 및; 상기 지지블록(22)에 각각 설치되는 롤러(23)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 강관 자동용접장치.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 롤러(23)는 구동모터에 의해 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 강관 자동용접장치.

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