KR101406356B1

KR101406356B1 - 용접후처리 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101406356B1
Application number: KR1020120109442A
Authority: KR
Inventors: 류강묵; 박형진; 안규백
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-06-12
Also published as: KR20140042550A

Abstract

본 발명에 따른 용접후처리 장치는, 용접 시 공급되는 전류에 비해 낮은 저전류를 공급하는 저전류 공급수단; 및 상기 저전류 공급수단에 전기적으로 연계되어, 공급된 저전류로 용접이음부를 리멜팅(remelting)하여 용접이음부의 피로성능을 증대시키는 용접후처리용 토치;를 포함한다.
아울러, 본 발명의 다른 측면에 따른 용접후처리 방법은, 용접 시 공급되는 전류에 비해 낮은 저전류를 용접후처리용 토치에 공급하는 저전류 공급단계; 및 상기 용접후처리용 토치에 의해 용접이음부를 저입열 리멜팅(remelting)하여 용접이음부의 피로성능을 증대시키는 드레싱(dressing) 단계;를 포함한다.
이와 같이 본 발명은, 저전류로 용접이음부를 리멜팅(remelting)하도록 저전류 공급수단과 용접후처리용 토치가 구성되어, 저전류로 용접이음부를 저입열 리멜팅함으로써, 모재의 용접이음부에서 응력집중부를 제거하고 인장잔류응력을 균일하게 하여 감소시킴으로써 피로성능을 향상시킬 수 있다.

Description

용접후처리 장치 및 방법{Apparatus and Method for heat treating post welding}

본 발명은 용접후처리 장치 및 방법로서, 용접이음부의 피로성능을 증대시키는 용접후처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 들어 강재 구조물이 대형화됨에 따라서 고강도 극후물재의 적용이 증가 되고 있으며, 효율적인 생산성을 위해서는 대입열 용접이 실시되고 있다.

강재 구조물의 특성상 반복하중이 용접부에 가해지면, 용접부 중에서도 가장 취약한 용접잔류응력이 존재하는 표면용접비드의 가장자리에서부터 균열이 시작된다.

이러한 이유는 모재표면보다 돌출되어 있는 표면용접비드 양측 가장자리 형상이 모재와 불특정한 각도를 이루어서 형상학적으로 볼 때 표면 노치 역할을 하는 원인과, 용접작업시 용접응력 발생을 억제시키지 못한 용접부에 잔존하는 잔류용접응력이 서로 복합되어져서 반복하중에 가장 취약한 일부분이 되기 때문이다.

결과적으로, 고강도강의 적용으로 구조물에 적용되는 강재의 두께를 감소시키고자 하지만, 용접부의 피로성능 미 확보로 반대로 고강도강을 적용했음에도 불구하고 두께를 증가시켜야 하는 경우도 발생하고 있다.

용접부의 피로 문제를 해결하기 위한 강재를 개발하려는 노력은 특허등록 제 3462943호 등에서 이루어져 왔다. 상기 특허에서는, 용접부의 피로강도 상승은 열영향대(heat affected zone, HAZ)에서의 균열발생, 전파와 모재부에서의 균열전파의 2가지 방향에서 제어가 필요하며, 대부분의 피로균열은 열영향대에서 발생하여 열영향대 내를 전파해서 모재에 들어가서 모재에서 전파한다. 또한 열영향대와 모재부의 조직제어에 의한 균열의 발생, 전파 제어를 통하여 용접부 피로강도 향상을 도모하였다.

그러나, 이러한 발명에서는 실제 구조물에 적용되는 사례가 없으며, 모재의 경우 피로강도 향상이 어느 정도 밝혀 졌지만, 용접부에서의 피로강도 향상에 대한 사례가 없다.

용접부 피로수명은 균열개시수명과 균열진전수명으로 나눌 수 있으며, 외부하중의 크기에 따라 약간의 차이는 있지만 일반적으로 균열개시수명이 전체 수명의 대부분을 차지한다.

균열개시수명을 결정하는 요소는 주로 용접부 형상과, 인장잔류응력이며 균열진전수명을 결정하는 주요 요소는 균열저항성에 좋은 용접부 조직이다.

용접부 형상을 제어할 수 있는 방법으로서, 구조물의 제작 특성상 잔류응력 발생을 억제하기기 어려운 용접부에서는 용접비드의 양측 가장자리 형상을 완만한 곡선(15≤R)으로 만들어 반복하중이 집중되는 조건을 해소하기 위해 비드드레싱 작업을 실시해야 한다.

일 실시예로서, 조선소에서 그라인딩(Grinding) 기술이 가장 일반적으로 적용되고 있다.

이러한 그라인딩 후처리 작업은 작업자가 무거운 그라인더를 장시간 손으로 잡고 작업함으로써 노동강도가 매우 높아 생산성이 저하되는 단점을 가진다.

또한, 고속회전하는 카타로 모재를 손상시키지 않고 수동으로 안전하게 작업하려면, 고도의 숙련공이 필요하며, 카타와 가공면의 절삭각이 불완전할 경우 카타가 순간적으로 튕겨 안전사고의 위험성이 높다.

아울러, 폭이 좁은 카타로 폭이 넓은 용접비드를 여러번 반복하여 사상함으로 사상면이 고르지 못하고, 이에 따라 페이퍼 그라인딩 작업이 많아지게 되며, 페이퍼 그라인딩 작업량의 과다로 미세한 분진이 다량 발생되어 작업환경이 매우 열악하게 되는 한계점이 있다.

나아가, 그라인더 자체중량과 그라인딩 작업시 발생하는 진동이 작업자의 팔과 어깨에 전달되어 근골격계 질환이 발생될 우려가 높다.

결과적으로, 그라인딩을 통한 종래의 비드 드레싱작업은 높은 노동강도를 요하여 낮은 생산성과 함께 작업자의 안전사고 및 근골격계 질환을 유발하게 되는 등 많은 문제점을 안고 있다.

이에 더하여, 종래에는 잔류응력 제어를 위한 방법은 피닝(Peening), 열처리작업 등이 있으나 피닝은 큰 구조물에 적용이 힘들며 작업비용이 많이 드는 단점이 있으며 열처리 작업 또한 적용이 제한적이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 용접이음부에서 응력집중부를 제거하고 인장잔류응력을 균일하게 하여 감소시킴으로써 피로성능을 향상시키는 용접후처리 장치 및 방법를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용접후처리 장치 및 방법는, 용접 시 공급되는 전류에 비해 낮은 저전류를 공급하는 저전류 공급수단; 및 상기 저전류 공급수단에 전기적으로 연계되어, 공급된 저전류로 용접이음부를 리멜팅(remelting)하여 용접이음부의 피로성능을 증대시키는 용접후처리용 토치;를 포함한다.

이때, 상기 저전류 공급수단은 용접장치에서 사용되는 고전류 공급수단보다 작은 소용량 변압기를 구비하고, 상기 용접후처리용 토치에서는 냉각기체통로가 형성되어, 상기 용접장치보다 작은 휴대용으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 용접후처리용 토치는, 아크의 길이와, 용접이음부인 용접이음부(90a) 아크 중심까지의 수평거리를 유지시키도록, 아크 발생부인 노즐에서의 단부로부터 연통되게 제공되는 가이드부재;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 가이드부재는 상기 노즐의 단부로부터 테이퍼지게 연장되며, 상기 가이노즐의 단부에 나사체결될 수 있다.

나아가, 상기 가이드부재의 측부에는 모재와 롤링접촉되는 롤링부재가 장착된 것이 더욱 바람직하다.

그리고, 상기 가이드부재는 세라믹 재질로 이루어진 것이 바람직하다.

이에 더하여, 상기 용접후처리용 토치는 노즐과 손잡이부가 직선형을 이루는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 용접 시 공급되는 전류에 비해 낮은 저전류를 용접후처리용 토치에 공급하는 저전류 공급단계; 및 상기 용접후처리용 토치에 의해 용접이음부를 저입열 리멜팅(remelting)하여 용접이음부의 피로성능을 증대시키는 드레싱(dressing) 단계;를 포함하는 용접 후처리방법가 제공된다.

구체적으로, 상기 저전류 공급단계에서 전류값은 60A~100A이고, 상기 드레싱 단계에서 입열량은 0.8kJ/mm~1.5kJ/mm 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 드레싱 단계에서, 상기 용접후처리용 토치에서 발생하는 아크의 길이가 1mm~3mm이고, 용접이음인 용접이음부(90a) 아크 중심까지의 수평거리가 0mm~0.5mm가 되도록, 상기 용접후처리용 토치의 노즐을 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용접후처리 장치 및 방법은, 저전류로 용접이음부를 리멜팅(remelting)하도록 저전류 공급수단과 용접후처리용 토치가 구성되어, 저전류로 용접이음부를 저입열 리멜팅함으로써, 모재의 용접이음부에서 응력집중부를 제거하고 인장잔류응력을 균일하게 하여 감소시킴으로써 피로성능을 향상시키는 효과를 가진다.

도 1은 용접장치로서 티그 용접토치와 대형 변압기를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 용접후처리 장치로서 용접후처리용 토치와 소형 변압기를 나타낸 도이다.
도 3은 도 2의 용접후처리용 토치가 모재의 용접이음부 상에 배치된 것을 나타낸 도이다.
도 4는 도 3의 용접후처리용 토치에 롤링부재가 장착된 것을 나타낸 도이다.
도 5는 용접 후처리 시 도 3의 용접후처리용 토치에서 아크의 배치를 나타낸 도이다.
도 6은 용접이음부의 피로성능이 향상되고 휴대성을 높이도록 전류, 전압 및 이로 인한 입열량과, 용접후처리용 토치의 이동속도와 용접이음부(웰드토우, weld toe)로부터의 수평방향거리를 나타낸 도이다.
도 7은 실험 반복횟수에 대한 피로강도를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 용접후처리 장치 및 방법은, 모재의 용접이음부에서 응력집중부를 제거하고 인장잔류응력을 균일하게 하여 감소시킴으로써 피로성능을 향상시키기 위해, 저전류로 용접이음부를 리멜팅(remelting)하도록 저전류 공급수단과 용접후처리용 토치가 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 용접장치로서 TIG 토치와 대형 변압기를 나타낸 도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 종래기술에 따른 그라인딩 기술을 활용하지 않고 기존의 용접장치의 구조를 개선하여 구성된다.

여기에서, 상기 기존의 용접장치 중에서 일 실시예로서 티그(TIG, Tungsten Inert Gas) 용접장치에 대해 간단히 살펴보면, 대용량 변압기(1)를 구비하는 고전류 공급수단과 상기 고전류 공급수단으로부터 전기적으로 연계된 용접토치(2)가 구성된다.

이때, 상기 용접토치(2)는 텅스텐 전극봉(4)이 내장된 노즐(3)과, 가스통로(6), 전류선(7), 냉각수통로(8)가 형성되어 상기 노즐(3)과 연결된 손잡이부(5)를 구비한다.

그러면, 다음으로 상술된 용접장치에서 개선된, 즉 티그 용접장치에서 개선된 본 발명에 대해 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 용접후처리 장치로서 용접후처리용 토치와 소형 변압기를 나타낸 도이며, 도 3은 도 2의 용접후처리용 토치가 모재의 용접이음부 상에 배치된 것을 나타낸 도이고, 도 4는 도 3의 용접후처리용 토치에 롤링부재가 장착된 것을 나타낸 도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 저전류를 공급하는 저전류 공급수단과, 상기 저전류 공급수단과 전기적으로 연계된 용접후처리용 토치(20)를 포함한다.

상기 저전류 공급수단은 용접 시 공급되는 전류에 비해 낮은 저전류를 공급하도록 구성되는데, 이를 위해 상기 저전류 공급수단은 용접장치에서 사용되는 대요량 변압기(도 1의 1)보다 작은 소용량 변압기(10)를 구비할 수 있다.

이와 같은 소용량 변압기(10)는 그 크기 및 중량적인 측면에 있어서, 대용량 변압기보다 작기 때문에 본 발명의 용접후처리 장치를 휴대용으로 활용할 수 있도록 한다.

여기에서, 도 1에 도시된 대용량 변압기(1)는 도 2에 도시된 소용량 변압기(10)와 비교를 위해서 상대적으로 크기가 크게 도시되었을 뿐, 실제적으로는 휴대할 수 없을 정도로 크고 고중량이며, 이때 소용량 변압기(10)는 작업자가 이동시 용이하게 휴대할 수 있을 정도의 크기 및 저중량을 가진다.

그리고, 상기 용접후처리용 토치(20)는 기존의 용접토치(2)와 마찬가지로, 텅스텐 전극봉(22)이 내장된 노즐(21)과, 가스통로(24), 전류선(25)이 형성되어 상기 노즐(21)과 연결된 손잡이부(23)를 구비한다.

그러나, 이때 손잡이부(23)에는 기존의 냉각수통로가 아닌 냉각기체통로(26)가 형성되는데, 이는 냉각재로서 냉각수가 활용되지 않고 냉각기체가 활용되는 구조로서, 본 발명의 용접후처리 장치를 편리하게 휴대할 수 있도록 공랭식 구조를 취하는 것이다.

이와 더불어, 상기 용접후처리용 토치(20)는 노즐(21)과 손잡이부(23)가 직선형을 이룰 수 있다. 이는 용접작업과 달리 용접후처리 작업은 용접비드의 용접이음부(90a)를 따라 리멜팅(remelting, 재용해)하기 때문에 용접토치에서의 노즐과 손잡이부의 절곡구조 대신에 단순한 직선형 구조를 취하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 용접후처리용 토치(20)는 아크(A) 발생부인 노즐(21)에서의 단부로부터 연통되게 제공되는 가이드부재(30)를 더 구비할 수 있다.

이때, 상기 가이드 부재는 아크(A)의 길이(h)와, 용접이음인 용접이음부(90a)로부터 아크(A) 중심까지의 수평거리(w)를 유지시키는 역할을 수행한다.

구체적으로, 상기 가이드부재(30)는 노즐(21)의 단부로부터 테이퍼지게 연장되는 구조를 취할 수 있는데, 물론 이때의 가이드부재(30)는 노즐(21)과의 연결부와 하측 단부가 개방된 구조를 지닌다.

아울러, 가이드부재(30)는 노즐(21)의 단부와의 체결구조에 있어서, 본 발명에 한정되지 않고 어떠한 체결방식도 활용될 수 있는데, 일례로서 노즐(21)의 단부에 나사체결되는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 가이드부재(30)의 측부에는 모재(80)와 롤링접촉되는 롤링부재(40)가 장착될 수 있다.

상기 롤링부재(40)는 노즐(21)이 용접이음부(90a)에 대한 일정간격 이격된 적정위치에 배치된 후, 용접이음부(90a)를 리멜팅하는 과정에서도 계속해서 적정위치를 벗어나지 않고 유지할 수 있도록 한다.

즉, 용접이음부(90a)를 리멜팅하는 아크(A)의 길이(h)와, 용접이음부(90a)인 용접이음부(90a)로부터 아크(A) 중심까지의 수평거리(w)를 더욱더 안정적으로 유지시키도록 한다.

그리고, 상기 가이드부재(30)는 세라믹 재질로 이루어진 것이 바람직하다. 이와 같은 세라믹은 내열성이 높은 재질로서 아크(A)와 근접한 위치의 가이드부재(30)가 고온의 열로 인하여 변형되거나 손상되는 것을 방지할 수 있다.

그러면, 상기와 같이 구성되는 용접후처리 장치에 의한 용접후처리 방법에 대해 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 용접 후처리 시 도 3의 용접후처리용 토치(20)에서 아크(A)의 배치를 나타낸 도이며, 도 6은 용접이음부의 피로성능이 향상되고 휴대성을 높이도록 전류, 전압 및 이로 인한 입열량과, 용접후처리용 토치의 이동속도와 용접이음(웰드토우, weld toe)으로부터의 수평방향거리를 나타낸 도이고, 도 7은 실험 반복횟수에 대한 피로강도를 나타낸 그래프이다.

도면을 참조하면, 먼저 용접 시 공급되는 전류에 비해 낮은 저전류를 용접후처리용 토치(20)에 공급하는 저전류 공급단계가 수행된다.

이러한 저전류 공급단계에서는, 저전류 공급수단에 의해 공급되는 저전류의 전류값은 60A~100A이고, 이로 인하여 용접후처리용 토치(20)에 의한 리멜팅에서의 입열량은 0.8kJ/mm~1.5kJ/mm 인 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에서의 용접후처리 토치가 수행하는 리멜팅에서는 용접과 달리 대입열량을 필요로 하지 않기 때문에, 용접이음부(90a)를 리멜팅하기에 충분한 저전류로서 60A~100A의 전류가 필요하며 이로 인하여 입열량 수치가 0.8kJ/mm~1.5kJ/mm이면 바람직하다.

다음으로, 공급된 저전류로 용접후처리용 토치(20)가 용접이음부(90a)를 저입열 리멜팅(remelting)하여 용접이음부(90a)의 피로성능을 증대시키는 드레싱(dressing) 단계가 수행된다.

이러한 드레싱 단계에서는, 용접 후처리 시 용접후처리용 토치(20)에서 발생하는 아크(A)의 길이(h)가 1mm~3mm이고, 용접이음인 용접이음부(웰드토우, weld toe)(90a)로부터 아크(A) 중심까지의 수평거리(w)가 0mm~0.5mm가 되도록, 용접후처리용 토치(20)의 노즐(21)이 배치되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조건에 의해 용접 후처리가 진행되면, 장치의 휴대성을 높이기 위한 최소의 전류에 의해서 도 6에 도시된 바와 같이, 용접이음부(90a)의 피로성능을 최대한으로 증대시킬 수 있다.

도면을 참조하면, 입열량, 전류, 전압, 그리고 드레싱 작업 시 용접후처리용 토치(20)의 이동속도 측면에 있어서, 1번과 3번 실험에서와 같이 전류의 양을 높일수록 피로수명을 늘릴 수 있지만 이는 대용량 변압기(1)가 필요하기 때문에 휴대성을 떨어뜨린다.

이에 따라, 용접후처리용 토치(20)의 이동속도를 다소 낮추더라도 용접 후처리 시 이동이 편리하도록 휴대성을 높이기 위해, 전류를 낮추고 이로 인하여 입열량을 낮추어 작업을 수행함으로써 피로수명을 최대한으로 늘릴 수 있다.

또한, 1번과 3번 실험에서의 배치조건은 아크(A) 중심이 모재(80) 측으로 나아가서 용접이음부(90a)와의 거리가 상대적으로 멀고, 2번 실험에서의 배치조건은 아크(A) 중심이 용접비드 측으로 나아가서 용접이음부(90a) 또는 용접비드 범위 상에 위치한다.

이에 반하여, 4번 실험에서의 배치조건은 아크(A) 중심이 용접이음부(90a)와 동일하거나 모재(80) 측으로 0.5mm만큼만 이동함으로써, 결과적으로 피로수명 즉 피로성능을 현저하게 높일 수 있다.

결과적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 용접이음부(90a)가 본 발명에 의해 용접 후처리가 되면 모재(80)인 베이스 메탈의 피로강도와 가장 가까워지게 된다.

즉, 용접이음부(90a)에 대한 후처리를 하지 않은 용접 이음부 비처리와 비교하거나, 용접이음부(90a)를 그라인딩 처리한 종래기술과 비교해서도 피로강도 측면에 있어서 월등히 우수하다는 것을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 용접후처리 방법은, 저전류 공급수단에 의해 저전류를 공급하여 용접후처리용 토치(20)에 의해 용접이음부(90a)를 저입열 리멜팅함으로써, 모재(80)의 용접이음부(90a)에서 응력집중부를 제거하고 인장잔류응력을 균일하게 하여 감소시킴에 따라 피로성능을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

1 : 대용량 변압기 2 : 용접토치
10 : 소용량 변압기 20 : 용접후처리용 토치
30 : 가이드부재 40 : 롤링부재
80 : 모재 90 : 용접비드
90a : 용접이음부(웰드토우)
A : 아크 h : 아크의 길이
w : 용접이음부로부터 아크 중심까지의 수평거리

Claims

용접 시 공급되는 전류에 비해 낮은 저전류를 공급하는 저전류 공급수단; 및 상기 저전류 공급수단에 전기적으로 연계되어, 공급된 저전류로 용접이음부(90a)를 리멜팅(remelting)하여 용접이음부(90a)의 피로성능을 증대시키는 용접후처리용 토치(20);를 포함하며,
상기 저전류 공급수단은 용접장치에서 사용되는 고전류 공급수단보다 작은 소용량 변압기(10)를 구비하고, 상기 용접후처리용 토치(20)에서는 냉각기체통로(26)가 형성되어, 상기 용접장치보다 작은 휴대용으로 구성되며,
상기 용접후처리용 토치(20)는,
아크(A)의 길이(h)와, 용접이음부(90a)인 용접이음부(90a)로부터 아크(A) 중심까지의 수평거리(w)를 유지시키도록, 아크(A) 발생부인 노즐(21)에서의 단부로부터 연통되게 제공되되, 측부에는 모재(80)와 롤링접촉되도록 롤링부재(40)가 장착된 가이드부재(30);를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 용접후처리 장치.
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제1항에 있어서,
상기 가이드부재(30)는 상기 노즐(21)의 단부로부터 테이퍼지게 연장되며, 상기 노즐(21)의 단부에 나사체결되는 것을 특징으로 하는 용접후처리 장치.
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제1항에 있어서,
상기 가이드부재(30)는 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 용접후처리 장치.
제1항, 제4항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접후처리용 토치(20)는 노즐(21)과 손잡이부(23)가 직선형을 이루는 것을 특징으로 하는 용접후처리 장치.
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