KR101748463B1 - 스트립의 단부들을 서로 접합하는 용접부의 열 사이클을 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스트립 처리 설비의 접합 기계(M1)에 적합한, 제1 스트립의 일 단부를 제2 스트립의 다른 일 단부에 접합하는 용접부의 열 사이클을 제어하는 방법 및 장치(C1)를 제안하는데, 상기 제어 장치(C1)는 상기 제어 장치(C1)를 상기 스트립 처리 설비의 중앙 자동화 시스템(A1)에 그리고 상기 접합 기계(M1)에 각각 연결하기 위한 것으로, 적어도 하나의 스트립 데이터 항목의 교환 및 적어도 하나의 작동 데이터 항목의 교환을 각각 허용하는 연결 수단(C15); 상기 용접부의 적어도 하나의 열 파라미터를 상기 스트립 및 작동 데이터 항목으로부터 계산할 수 있는 컴퓨터(C11); 및 상기 열 파라미터의 함수로서 상기 용접을 제어할 수 있는 상기 용접부의 용접의 제어 및 특징 부여 수단(C14)을 포함한다.
Description
본 발명은, 특허청구범위 제1항 내지 제8항의 전제부에 따라, 압연 또는 가공 설비에서 이동하는 강재 스트립의 단부들을 접합하는 용접부의 열 사이클을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 특히 표면 산세척, 연속 어닐링, 전기도금 또는 딥 코팅과 같은 처리를 위한 설비 또는 냉간 압연 설비에서 연속적으로 이동하는 강재 스트립을 접합하기 위한 용접에 관한 것이고, 특히 용접 라인을 따르는 용접 장치의 이동에 의해 점진적으로 수행되는, 스트립의 일 단부의 다른 스트립의 다른 단부에 대한 용접에 관한 것이다. 본 명세서의 나머지 부분에서, 표현 "처리 설비(treatment plant)"는 압연 설비 또는 전술된 처리 설비를 말하는 것으로 사용될 것이다.
강재 스트립 처리 설비의 생산성을 향상시키기 위하여, 특히 릴(reel)마다 상기 스트립의 변태(transformation)를 피함으로써, 최신의 고용량 처리 설비는 스트립들을 서로 연이어 접합함으로써 연속으로 운전 가능한데, 제1 스트립의 일 단부, 예를 들어 처리 마지막에 스트립의 테일(tail)은 제2 스트립의 다른 일 단부, 예를 들어 처리 설비의 입력부에 삽입될 수 있는 롤 형상으로 공급되는 새로운 스트립의 헤드에 연결된다.
이러한 접합 작업 동안, 처리 설비 내로의 용접될 스트립의 두 단부, 즉 제1 스트립의 테일 및 제2 스트립의 헤드의 이동이 정지되고, 처리 설비의 하류 섹션들(즉, 스트립의 이동 방향에 따라 상기 제1 스트립의 테일 이후에 위치되는 섹션들)은 2개의 연이은 접합부(join)들을 분리하는 기간 동안 미리 충전된 스트립 축적 장치에 의해 공급된다. 그러한 접합 작업은 당업자 - 그의 노력이 접합 작업의 속도와 관련됨 - 에게 잘 알려져 있어서, 스트립의 단부들에 대한 중단 시간과, 그에 따른 축적 장치의 용량 및 비용을 제한할 수 있다.
통상적으로, 접합 작업은 용접기라고도 하는 용접 접합 기계에 의해 착수되는데, 용접 접합 기계는, 용접 장치 자체에 더하여, 스트립의 단부들을 용접에 의한 이들의 접합 동안에 고정시키기 위한 두 쌍의 클램핑 조(clamping jaw)를 포함하는데, 한 쌍의 제1 클램핑 조는 스트립의 이동 방향으로 한 쌍의 상기 제1 조의 하류에 위치된 처리 설비의 섹션에서 결합되기에 적합한 제1 스트립의 테일을 고정하기 위한 것이고, 한 쌍의 제2 클램핑 조는 접합 기계의 상류에 도입되기에 적합한 제2 스트립의 헤드를 고정하기 위한 것이다. 상이한 용접 장치에 의해 사용되기에 적합한 상이한 용접 방법이 당업자에게 공지되어 있다. 이들은 예를 들어 불꽃 맞댐 용접, 저항 심(resistance seam) 용접, MIG, TIG, 레이저 또는 레이저 하이브리드 용접을 포함한다.
용접 접합 기계는 고품질의 용접부를 생성할 수 있어야 한다. 실제로, 처리 설비 내에서 스트립의 이동 중에 품질이 불량한 용접부의 파열, 또는 심지어 부정확하거나 품질이 불량한 것으로 간주되는 용접부의 재형성에 대한 필요성은 심각한 생산 손실 및 비교적 높은 비용을 발생시킬 수 있다.
특히 용접 작업에 의해 열의 영향을 받는 구역의 야금 변형에 민감한 강재에 대한 용접부의 야금 품질은 상기 영향 받는 구역에서 야기되는 열 사이클 및 용접에 사용되는 방법과, 용접 기계의 바로 하류에서 또는 용접 기계 그 자체에서 국부적으로 적용되는 다양한 예열 및 후열 또는 어닐링에 좌우된다. 더욱이, 용접부의 품질을 또한 한정하는 용접부의 연속성 및 조밀성은 기본적으로 사용되는 용접 파라미터들에 좌우된다. 이들 용접 파라미터의 값은 어떠한 과도한 두께 또는 불충분한 두께도 없이 용접될 스트립의 2개의 단부의 융합에 의해 완전한 접합을 보장하도록 선택된다. 용접부의 연속성 및 조밀성은 또한 야금 변태와 관련된 결함, 예를 들어 크랙의 부재에 좌우된다.
특히 자동차 제조업자의 요구를 충족시키기 위하여 처리 설비에서 처리되는 강종 및 두께의 범위를 상당히 넓게 하는 것은, 유의한 경화로 이어지고 상관적으로 처리 설비를 통한 이동 중에 용접된 접합부에서 파열을 야기하기 쉬운 용접부의 취성으로 이어지는 야금 변태에 민감한 높은 특징을 갖는 강종의 용접부로 점차 이어졌다.
용접부의 이러한 약화를 피하기 위하여, 용접부를 열처리하는 방법들이 당업자에 의해 개발되어 왔고, 특히 전자기 유도에 의해 상기 용접부 또는 스트립의 단부들을 가열할 수 있는 열처리 장치에 의해 구현된다. 이는, 특히, 야금학적으로 허용 가능한 연성을 회복시키기 위하여 용접 이후에 어닐링하는 방법, 또는 심지어 용접부의 냉각 속도를 감소시키고 그에 따라서 그의 경화를 제한하기 위하여 용접될 스트립들의 단부들을 예열하는 방법을 포함한다.
용접부의 열처리는 용접 파라미터 표에 기초하여 작업자에 의해 수동으로 제어된다. 일반적으로, 이들 표는, 각 부류의 강재 내에 존재할 수 있는 정확한 화학적 또는 물리적 차이를 고려하지 않고 많은 부류의 강재의 일반적인 재료의 특징에 따라서, 경험적으로 작성된다. 작업자에 의한 이러한 수동 열처리 제어는 많은 단점을 갖는다. 특히, 상기 표에서 용접 파라미터를 선택할 때에 오류의 가능성이 없지 않다. 실제로, 상기 표에 의한 다양한 강재의 부정확한 샘플링은 용접될 스트립의 강재에 정확히 상응하는 것이 아니라 스트립의 강재와 유사한 화학적 또는 물리적 특징을 갖는 강재에 상응하는 용접 파라미터가 작업자에 의해 선택되도록 한다. 이러한 선택이 항상 적합한 것은 아니고 품질이 불량인 용접부를 야기할 수 있다. 다른 한편으로, 이들 표는, 특히 MIG, TIG, 레이저, 레이저 하이브리드 또는 “매쉬-랩(mash-lap)" 용접과 같은 서서히 수행되는 용접 방법들에 의해 실시되는 용접부의 예열의 분야에서, 스트립의 물리적 및/또는 화학적 특징 및 용접 방법에 적합한 열처리를 안전하고 정확한 방식으로 결정하는 것을 가능하게 하지 않는다.
따라서, 스트립의 (물리적 및/또는 화학적) 재료 특징이 더 이상 상기 표 내의 한 부류의 강재의 일반적인 재료 특징에 정확하게 상응하지 않으면 바로 부정확한 용접 파라미터가 선택되기 쉽고, 따라서 상기 용접 파라미터의 선택은 잠재적으로 불량 품질 용접으로 이어진다. 특히 용접부의 예열 조건과 관련하여 용접 파라미터들의 최적 값을 판단하는 데에 대한 어려움으로 인해 열처리 장치를 포함하는 접합 기계의 사용자는 용접 후 어닐링을 위하여 예열에 의한 열처리 방법을 사용하지 못한다. 비록 예열이 용접부의 야금 구조의 관리를 가능하게 할 것이지만, 용접 후 어닐링에서는 불행히도, 용접과 어닐링 사이에서 일어나는, 국부적이긴 하지만, 자연적 파열을 허용하는 단점이 나타난다.
용접 후 어닐링 시스템의 다른 유의한 단점은, 특히 이들 클램핑 조에 관하여, 용접부 접합 기계에 대한 특정 설계의 제공을 요구하거나, 또는 용접 작업이 완료되고 이러한 용접이 상기 클램핑 조의 그립으로부터 멀리 이동한 이후에 어닐링이 수행될 것을 요구하는 매우 높은 처리 온도(예를 들어, 예열을 위하여 100 내지 300°C 대신 800°C)를 구현하는 것이다. 용접의 완료 및 이러한 이동 이후의 이러한 어닐링은 용접 사이클 시간을 연장시키고, 더욱이 처리 설비를 위한 축적 장치의 스트립 축적 용량의 증가를 필요로 하여, 그에 따라 추가의 비용을 야기한다.
본 발명의 목적은, 한편으로는 용접될 스트립에 적합한 용접부 접합 기계의 기능적 특징을 고려하면서 용접될 스트립들의 재료 및 기하학적 특징에 따라서 적어도 하나의 용접 파라미터, 특히 용접부의 냉각 파라미터를 정의할 수 있고, 다른 한편으로는 상기 용접 파라미터에 따라서 상기 용접될 스트립들의 용접을 실시간으로 보장할 수 있는 스트립을 접합하는 용접부의 열 사이클을 제어하기 위한 방법 및 장치를 제안하는 것이다.
이를 위하여, 접합하는 용접부의 열 사이클을 제어하는 방법 및 장치가 특허청구범위 제1항 내지 제8항의 내용에 의해 제안된다. 한 세트의 종속 청구항이 본 발명의 이점을 또한 나타낸다.
따라서, 본 발명의 목적은 처리 설비의 접합 기계에 의해 제1 스트립의 일 단부의 제2 스트립의 다른 일 단부와의 용접을 제어하기 위한 스트립들을 접합하는 용접부의 열 사이클의 자동 제어를 위한 방법으로서,
- 상기 열 사이클을 제어하기 위한 장치와 상기 처리 설비의 중앙 자동화 시스템 사이에서 적어도 하나의 스트립 데이터 항목을 교환하는 제1 교환 단계 - 상기 스트립 데이터 항목은 제1 스트립의 적어도 하나의 특징 및/또는 제2 스트립의 적어도 하나의 특징, 또는 만일 상기 스트립들이 동일하다면 상기 스트립들의 적어도 하나의 특징에 관한 것이고, 스트립 데이터 항목들은, 예를 들어, 각 스트립의 적어도 하나의 두께 및/또는 이들의 화학적 분석의 적어도 하나의 요소, 예를 들어, 탄소 함량 또는 탄소 당량에 관한 데이터를 포함함 - ;
- 상기 열 사이클을 제어하기 위한 상기 장치와 상기 접합 기계 사이에서 적어도 하나의 작동 데이터 항목을 특히 실시간으로 교환하는 제2 교환 단계 - 상기 작동 데이터 항목은 상기 접합 기게의 작동에 대한 것이고, 상기 작동 데이터 항목은 예를 들어, 접합 기계의 용접 장치의 설정에 관한 데이터, 예를 들어 상기 용접 장치의 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 적어도 하나의 용접 에너지 값 및 용접 장치의 변위 속도를 포함함 - ;
- 상기 스트립 및 작동 데이터 항목으로부터 상기 용접부의 열 파라미터를 특히 계산에 의해 그리고 특히 실시간으로 판단하는 단계; 및
- 적어도 상기 열 파라미터에 따른 상기 용접을 제어하는 단계 - 특히, 상기 제어는 상기 열 파라미터의 함수로서 용접부의 적어도 하나의 용접 파라미터의, 특히 실시간으로의, 규제를 포함하고, 상기 용접 파라미터는 상기 용접을 수행하기 위하여 접합 기계의 용접 장치의 관리를 위한 작동 데이터 항목임 - 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 스트립 처리 설비의 접합 기계에 적합한 상기 열 사이클을 제어하는 방법의 구현에 적절한, 제1 스트립의 일 단부를 제2 스트립의 다른 일 단부와 접합하는 용접부의 열 사이클을 제어하는 장치를 제안하는데, 상기 접합 기계는 특히 상기 스트립들의 단부들을 용접할 수 있는 용접 장치, 상기 스트립들의 단부들을 고정할 수 있는 두 쌍의 클램핑 조, 상기 스트립들의 단부들을 열처리할 수 있는 열처리 장치를 포함하고, 상기 제어 장치는
- 적어도 하나의 스트립 데이터 항목의 교환 및 적어도 하나의 작동 데이터 항목의 교환을 각각 허용하기 위하여 상기 스트립 처리 설비의 중앙 자동화 시스템에 그리고 상기 접합 기계에 상기 제어 장치를 연결하기 위한 연결 수단 - 스트립 데이터 항목은 제1 스트립의 적어도 하나의 특징 및/또는 제2 스트립의 적어도 하나의 특징, 또는 만일 상기 스트립들이 동일하다면 상기 스트립들의 적어도 하나의 특징에 관한 것이고, 상기 작동 데이터 항목은 상기 접합 기계의 작동에 관한 것임 - ;
- 상기 스트립 및 작동 데이터 항목으로부터, 상기 용접부의 적어도 하나의 열 파라미터를 특히 실시간으로 계산 또는 판단할 수 있는 컴퓨터 - 특히, 상기 컴퓨터는 이하의 데이터, 즉 상기 스트립을 특징짓는 두께, 밀도, 열확산율 및 비열, 그리고 상기 용접 장치를 특징짓는 용접 에너지 및 변위 속도로부터 적어도 하나의 열 계산을 수행할 수 있음 - ; 및
- 상기 열 파라미터의 함수로서 상기 용접을 특히 실시간으로 제어할 수 있고, 특히 접합 기계의 용접 장치의 용접 파라미터들을 규제할 수 있는 용접 제어 및 특징 부여 수단 - 이를 위하여, 상기 제어 및 특징 부여 수단은, 특히, 용접 장치의 출력에서 이용 가능한 용접 에너지의 양을 측정 및 조절하기 위한 수단, 용접 장치의 이동 속도를 측정 및 조절하기 위한 수단, 스트립들의 단부들을 열처리하기 위한 장치를 조절하는 수단, 그리고 가능하게는, 용접 후 어닐링 장치의 조절 가능 수단을 포함하고, 특히, 상기 제어 및 특징 부여 수단은 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 유도에 의한 열처리 장치와 협동할 수 있고 용접 장치의 이동과 동기화하여 또는 비동기화하여 이동할 수 있고, 특히 상기 열처리 장치가 상기 용접 장치의 지지부에 또는 상기 용접 장치의 지지부와는 별도의 지지부에 고정될 수 있음 - 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 본 발명의 다른 목적은 스트립 처리 설비의 스트립들의 연이은 단부들을 접합하기 위한 접합 기계로서, 상기 접합 기계는 제1 스트립의 일 단부를 제2 스트립의 다른 일 단부에 용접하기 위한 장치, 상기 스트립들의 단부들을 서로 용접하기 위하여 서로 대향하는 상기 스트립의 단부를 보유하고 위치시키기 위한 대칭으로 배열된 두 쌍의 클램핑 조인, 각각 상기 제1 스트립의 단부를 압착할 수 있는, 즉 이를 사이에 두고 단단히 클램핑할 수 있는 제1 상부 클램핑 조 및 제1 하부 클램핑 조를 포함하는 한 쌍의 제1 클램핑 조, 및 상기 제2 스트립의 다른 단부를 압착할 수 있는 제2 상부 클램핑 조 및 제2 하부 클램핑 조를 포함하는 한 쌍의 제2 클램핑 조를 포함하고, 이는 열 사이클을 제어하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 더욱이, 상기 접합 기계는 스트립들을 접합하는 용접부의 열 사이클을 자동 제어하기 위한 상기 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 방법의 구현에 특히 적합하다.
특히, 상기 본 발명에 따른 접합 기계의 열 사이클을 제어하기 위한 장치는, 작동 및 시동을 제어하여, 특히 상기 열처리 장치의 작동 파라미터들을 조절함으로써, 상기 열처리 장치, 예를 들어 상기 접합 기계의 어닐링 장치 및/또는 예열 장치와 협동할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 상기 제어 장치는 특히, 제1 변형예에 따라 용접 장치의 이동과 동기화하여 또는 비동기화하여 상기 용접 장치와 공유하는 지지체 또는 별도의 지지체를 따라서 용접 장치를 뒤따라 이동할 수 있거나, 또는 제2 변형예에 따라 용접될 스트립의 전체 폭을 덮을 수 있고 고정될 수 있는, 용접 후 어닐링 장치의 조절 가능 수단을 제어할 수 있다. 그러한 어닐링 장치는 예를 들어, 상기 클램핑 조들로부터 먼 위치에서 상기 용접부의 열처리를 수행하기 위하여, 스트립의 하부 표면 아래에서 클램핑 조들 사이에, 또는 다른 변형예에 따르면 스트립 위 그리고/또는 아래에서 상기 클램핑 조들의 하류 및 그립 외부에 위치될 수 있다.
본 발명은, 특히 스트립들의 단부들을 가열하기 위하여 용접부에 인가되는 상기 용접 에너지를 규제하기 위한 최적의 용접 파라미터들을, 용접 이전에 그리고/또는 용접 동안에, 자동으로 판단함으로써 스트립들을 접합하는 용접부의 열 사이클의 제어를 허용한다. 그 결과, 스트립들의 단부들에 또는 용접부에 인가된 용접 에너지의 규제는 용접부의 야금 구조를 제어하는 것을 가능하게 한다. 열 파라미터의 판단은 특히 최적의 예열 조건이, 고온에서의 용접 후 어닐링에 우선하여, 용접될 스트립들의 단부들에 대해 저온에서 판단될 수 있게 하고, 그에 따라서 용접부의 야금 구조의 상기 제어를 그의 냉각 동안 용이하게 한다.
특히, 상기 연결 수단은, 한편으로는 상기 스트립 데이터 항목을 컴퓨터에 전송하기 위하여 제어 장치의 컴퓨터와 처리 설비의 중앙 자동화 시스템 사이에서, 상기 스트립들 중 하나의 적어도 하나의 특징과 관련된 적어도 하나의 스트립 데이터 항목의 상기 제1 교환을 가능하게 하고, 다른 한편으로는, 상기 작동 데이터 항목을 컴퓨터에 전송하기 위하여 컴퓨터와 접합 기계 사이에서, 접합 기계의 작동과 관련된 적어도 하나의 작동 데이터 항목의 상기 제2 교환을 가능하게 한다. 스트립 데이터 항목들은 서로 용접되어야 하는 2개의 스트립들의 각각에 대한 기하학적 및/또는 물리적 및/또는 화학적 데이터 항목을 포함한다. 작동 데이터 항목은 특히, 접합 기계의, 특히 그의 용접 장치의 그리고 적어도 하나의 열처리 장치의 실시간 작동에 관한 조절 또는 용접 파라미터들 및/또는 데이터 항목을 포함한다. 이는, 예를 들어 그리고 배제하지 않는 방식으로, 함께 용접될 스트립들의 단부들을 가열하기 위한 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 용접 에너지에 관련된 또는 상기 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 최대 용접 에너지에 관련된 데이터, 또는 심지어 용접 라인을 따른 용접 장치의 이동 속도 또는 그의 최대 및/또는 최소 이동 속도에 관한 데이터 항목, 그러나 또한 접합 기계의 적어도 하나의 열처리 장치에 관련된 데이터 또는 조절 파라미터들, 예를 들어 용접 라인을 따르는 그의 이동 속도, 또는 그의 이동 속도와 용접 장치의 이동 속도 사이의 상관 관계, 또는 심지어 열처리 장치가 생성할 수 있는 열에너지에 관한 데이터를 포함한다.
이들 스트립 및 작동 데이터 항목들을 기초로 하여, 상기 컴퓨터는 특히 스트립 구역들을 가열할 수 있는 에너지 공급을 규제함으로써 용접 에너지의 영향을 받는 상기 구역들의 냉각을 특히 정의하기 위한 용접부의 적어도 상기 열 파라미터를 계산할 수 있다. 다른 한편으로, 본 발명에 따른 상기 제어 장치는, 특히, 상기 스트립 데이터 항목들 중 적어도 하나로부터 각각의 스트립을 적어도 한 부류의 재료로 분류하기 위한 데이터베이스를 포함하고, 각 부류의 재료는, 특히, 상기 부류의 재료에서 상기 스트립의 식별 및 분류를 위한 적어도 하나의 기준 데이터 항목을 특징으로 하는 적어도 하나의 기준 재료를 포함한다. 상기 기준 재료는, 특히, 그의 화학적 분석으로부터의 적어도 하나의 요소, 예를 들어, 탄소 함량 또는 탄소 당량에 의해 식별될 수 있다. 상기 기준 데이터 항목은, 특히, 용접을 좌우할 수 있는 기준 재료의 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징, 예를 들어 탄소 함량 또는 탄소 당량, 그리고/또는 임계 냉각 파라미터, 예를 들어 임계 냉각 속도 또는 두 온도 사이의 임계 냉각 시간을 포함한다. 특히, 각각의 기준 재료에 대한 적어도 하나의 기준 데이터 항목은 설정값의 함수로서 임계 야금 파라미터를 포함하거나, 또는 상기 설정값의 함수로서 상기 임계 야금 파라미터를 판단할 수 있도록 야금 파라미터의 함수로서 야금 거동의 정의를 가능하게 할 수 있다. 상기 임계 야금 파라미터는 특히 상기 열 파라미터와 비교될 수 있다. 설정값은 특히 작업자 콘솔로부터 작업자에 의해 데이터베이스 내로 입력될 수 있고 용접부를 특징으로 할 수 있는 데이터 항목이다. 이는 예를 들어 상기 용접부에 대해 초과되어서는 안 되는 최대 경도, 용접부의 원하는 금속조직 구조, 또는 임계 냉각 시간을 포함한다. 다시 말해서, 기준 재료는 설정값, 예를 들어 작업자에 의해 부과된 경도의 함수로서, 임계 야금 파라미터, 예를 들어 임계 냉각 시간을 포함하는 기준 데이터 항목을 특징으로 하거나, 또는 야금 파라미터의 함수로서 야금 거동, 예를 들어 냉각 시간의 함수로서 경도의 변동을 정의할 수 있어서, 설정값의 함수로서, 예를 들어 작업자에 의해 부과된 경도의 함수로서, 임계 야금 파라미터, 예를 들어 임계 냉각 시간을 정의하는 것을 가능하게 한다.
상기 데이터베이스는 적어도 하나의 재료 식별 기준 및/또는 재료 각각의 야금 거동에 따라서, 그리고 특히 상기 기준 재료의 상기 기준 데이터 항목의 함수로서, 상이한 부류의 재료들을 나열하는 데 적합하다. 이는 예를 들어 각 부류의 재료에 대한 적어도 하나의 기준 재료의 화학적 및/또는 물리적 특징을 포함한다. 유리하게는, 상기 스트립들 각각을 한 부류의 재료로 분류하는 것은 특히 상기 스트립 데이터 항목에 기초하여 상기 컴퓨터의 분류 모듈에 의해 자동적으로 가능하다. 사실, 상기 분류 모듈은 상기 스트립 데이터 항목들 중 적어도 하나의 식별 및 상기 식별된 스트립 데이터 항목과 각 부류의 기준 재료의 상기 기준 데이터 항목들 중 적어도 하나의 비교를 통하여 스트립을 적어도 한 부류의 재료로 연관시키는 것을 판단할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 스트립을 상기 데이터베이스의 한 부류의 재료로 분류하기 위하여 기준 재료의 물리적 및/또는 화학적 특징에 관한 정보를 포함하는 적어도 하나의 기준 데이터 항목에 적어도 하나의 스트립 데이터 항목을 비교하는 것을 가능하게 한다.
다시 말해서, 컴퓨터는 적어도 하나의 스트립 데이터 항목의 판독 또는 식별에 기초하여 각각의 스트립을 상기 데이터베이스의 적어도 한 부류의 재료로 분류할 수 있는 분류 모듈을 포함한다. 특히, 데이터베이스 내의 기준 재료의 적어도 하나의 기준 데이터 항목으로부터, 컴퓨터의 분류 모듈은 또한 상기 기준 데이터 항목 내에 설정값이 있다면 상기 설정값의 함수로서 상기 임계 야금 파라미터를 추출할 수 있거나, 또는 상기 기준 데이터 항목들 중 적어도 하나가 상기 야금 거동을 상기 야금 파라미터의 함수로서 정의하는 것을 가능하게 만드는지 여부를 계산할 수 있다. 이러한 경우, 분류 모듈은 상기 설정값의 함수로서의 상기 임계 야금 파라미터를, 상기 야금 거동의 함수로서, 판단할 수 있다.
특히, 만일 적어도 하나의 기준 데이터 항목이 스트립 데이터 항목에 상응하는 상기 데이터베이스 내에서 기준 재료를 분류 모듈이 식별하는 것을 스트립 데이터 항목이 허용하면, 즉 만일 기준 재료의 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징이 상기 스트립의 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징에 상응하면, 상기 분류 모듈은, 특히 상기 임계 야금 파라미터와 상기 스트립 사이의 매칭을 생성함으로써 상기 스트립과 상기 기준 재료 사이의 매칭을 설정할 수 있다. 특히, 분류 모듈은 상기 스트립과 가장 잘 매칭하는, 즉 스트립 데이터 항목들과 동일한 최다 기준 데이터 항목들을 갖는, 또는 심지어 상기 스트립과 공유하는 최다 물리적 및/또는 화학적 특징을 포함하는 기준 재료를 선택할 수 있다.
특히, 만일 분류 모듈이 적어도 하나의 스트립 데이터 항목과 동일한 적어도 하나의 기준 데이터 항목을 갖는 상기 데이터베이스 내에서 임의의 기준 재료를 찾지 못하면, 분류 모듈은 적어도 하나의 기준 데이터 항목이 스트립의 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징과 유사하거나 그에 가까운 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징을 포함하는 적어도 2개의 기준 재료를 식별할 수 있다. 식별된 각각의 기준 재료에 대해, 상기 분류 모듈은 상기 임계 야금 파라미터를 추출 또는 계산할 수 있고, 이어서 상기 기준 재료들의 각각의 상기 임계 야금 파라미터들의 각각으로부터 그리고 특히 적어도 하나의 미리 정의된 외삽 모듈, 외삽된 임계 야금 파라미터에 의해 외삽할 수 있다. 모든 경우에, 분류 모듈은 상기 기준 데이터 항목들 중 적어도 하나로부터, 그리고 상기 설정값의 함수로서 각각의 스트립에 대한 임계 야금 파라미터를 식별 또는 계산할 수 있다.
유리하게는, 본 발명에 따른 상기 데이터베이스는 갱신될 수 있다: 상기 컴퓨터는 특히 새로운 기준 재료를 특징짓는 적어도 하나의 새로운 기준 데이터 항목, 또는 상기 데이터베이스 내에 이미 포함된 기준 재료를 특징짓는 기준 데이터 항목의 변경을 상기 데이터베이스 내로 입력하는 것을 가능하게 함으로써 상기 데이터베이스를 갱신할 수 있다. 새로운 기준 재료는 특히 물리적 및/또는 화학적 특징이 데이터베이스 내에 나타나지 않는 강재 스트립이다. 이러한 경우에, 새로운 기준 데이터 항목은 특히 상기 데이터베이스 내에 포함된 기준 재료의 물리적 및/또는 화학적 특징과는 상이한 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징에 관한 스트립 데이터 항목이다. 더욱이, 컴퓨터는 특히 기준 재료, 예를 들어 스트립 접합에 통상 사용되지 않는 기준 재료에 관한 적어도 하나의 기준 데이터 항목을 데이터베이스로부터 삭제할 수 있다. 유리하게는, 상기 컴퓨터는 특히 작업자가 작업자 콘솔로부터 기준 재료 특징을 상기 데이터베이스 내로 입력시킬 수 있도록 한다. 따라서, 적어도 하나의 새로운 기준 데이터 항목 또는 적어도 하나의 기존의 기준 데이터 항목의 변경을 데이터베이스 내에 입력하는 것은 유리하게는 처리 설비 자체에서 또는 실험실에서 수행되는 용접 제어의 결과에 따라 데이터베이스가 갱신될 수 있게 하고, 그에 따라서 용접부는 상기 용접 제어의 상기 결과에 따라 구성될 수 있다.
게다가, 본 발명에 따른 제어 방법은 특히 상기 열 파라미터를 상기 임계 야금 파라미터와 실시간으로 자동 비교하는 것을 포함하는 것에 특징이 있다. 이를 위하여, 컴퓨터는 특히, 예를 들어 임계 냉각 야금 파라미터일 수 있는 임계 야금 파라미터를 냉각 열 파라미터일 수 있는 상기 열 파라미터와, 특히 실시간으로, 자동으로 비교할 수 있는 분석 모듈을 포함한다. 상기 분석 모듈은 특히 임계 야금 파라미터 값을 열 파라미터 값에 비교하여서, 상기 값들 사이의 순서 관계(보다 큰지, 보다 작은지, 동일한지)를 판단할 수 있다.
동일하게, 본 발명에 따른 제어 방법은, 특히, 상기 열 파라미터의 값이 상기 임계 야금 파라미터 값 미만의 값으로 복귀할 수 있도록, 상기 열 파라미터의 값(예를 들어, 스트립 및 작동 데이터 항목들에 기초하여 계산된 냉각 시간)에 의한 상기 임계 야금 파라미터의 값(예를 들어, 임계 냉각 시간)의 오버슈트가 접합 기계의 적어도 하나의 용접 파라미터의 값의 변경을, 특히 자동으로, 유도할 수 있는 것을 특징으로 한다. 상기 오버슈트는 예를 들어 이전에 그보다 컸던 임계 야금 파라미터 값을 증가시키고 통과시키는 상기 열 파라미터에 대한 값을 말하고 ㄸ또한 이전에 그보다 작았던 임계 야금 파라미터 값을 감소시키고 통과시키는(그보다 작아지는) 상기 열 파라미터에 대한 값도 말한다. 유리하게는, 상기 오버슈트는 값들의 상기 비교 동안 분석 모듈에 의해 식별될 수 있다. 더욱이, 상기 오버슈트의 경우에 그리고 분석 모듈에 의한 상기 오버슈트의 상기 식별의 경우에, 컴퓨터는 특히 열 파라미터 값을 임계 야금 파라미터 값 미만으로 유지하기 위한, 적어도 하나의 용접 파라미터에 대한 새로운 값을 자동으로 계산할 수 있다. 예를 들어, 실시간으로 계산될 수 있는 열 파라미터는 예를 들어 1000°C와 300°C 사이의 2개의 기준 온도들 사이의 용접부 냉각 시간이고, 임계 야금 파라미터는 예를 들어 1000°C와 300°C 사이의 2개의 다른 기준 온도들 사이의 임계 냉각 시간이고, 그 미만에서 용접부 구역의 적어도 하나의 야금 특징이 상기 설정값에 도달한다. 고려되는 야금 특징은 야금 구조(강재의 경우, 마텐자이트, 베이나이트, 펄라이트)일 수 있다. 이는 또한 단순히 경도일 수 있다. 야금 특징으로서 고려되는 경도의 경우, 그의 설정값, 또는 용인 가능한 최대값은, 300HV보다 큰, 바람직하게는 380HV와 420HV 사이의 값으로 설정될 수 있다.
만일 용접부의 냉각 시간이 용접부의 임계 냉각 시간을 초과하면, 상기 분석 모듈에 의한 오버슈트의 식별은 냉각 시간 값이 임계 냉각 시간 값 미만으로 유지되도록 냉각 시간을 감소시키거나 증가시키기 위한 적어도 하나의 새로운 용접 파라미터의 계산을 컴퓨터에 의해 유도한다. 컴퓨터는 예를 들어 접합 기계의 상기 열처리 장치에 의한 새로운 열에너지 기여를, 다른 용접 파라미터들을 변화시키지 않고서 상기 열 파라미터가 임계 야금 파라미터 미만으로 유지되도록 할 수 있는 용접부의 예열 온도를 특히 판단함으로써, 계산할 수 있다. 이는 또한 상기 열 파라미터가 임계 야금 파라미터 미만으로 유지되도록 할 수 있는 용접부의 예열 온도를, 용접 장치의 이동 속도 및/또는 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 에너지와 같은 적어도 하나의 다른 용접 파라미터를 변경시킴으로써, 판단할 수 있다. 후자의 경우, 용접 장치의 이동 속도 및/또는 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 에너지에 대한 변경은 특히 상기 컴퓨터의 계산 프로그램 내로 입력될 수 있는 한계값에 의해 제한될 수 있다. 이들 한계값은, 예를 들어, 최대 용접 시간 또는 용접 에너지원의 최대 용량일 수 있다.
본 발명은 또한 상기 제어 장치에 의해 상기 접합 기계로 그리고/또는 작업자 콘솔로 전달되는, 예를 들어 작업자에게 시각적으로 그리고/또는 청각적으로 알려주기 위한, 상기 오버슈트에 대한 보고 시스템을 제안한다. 특히, 상기 컴퓨터는, 특히 상기 용접 파라미터의 상기 새로운 값을 제어 장치의 상기 제어 및 특징 부여 수단에 전달할 수 있고, 제어 장치의 상기 제어 및 특징 부여 수단은 상기 용접 파라미터의 상기 새로운 값을 상기 접합 기계에 그리고/또는 상기 작업자 콘솔에 보고할 수 있다. 특히, 상기 제어 및 특징 부여 수단은, 예를 들어 새로운 예열 시간 및/또는 새로운 이동 속도, 및/또는 새로운 용접 에너지를 추천함으로써, 적어도 하나의 추천의 형태로, 상기 용접 파라미터의 상기 새로운 값을 작업자에게 전달할 수 있다.
동일하게, 상기 제어 및 특징 부여 수단은 특히 상기 용접 파라미터의 상기 새로운 값에 기초하여 상기 용접을 제어할 수 있다. 사실, 본 발명에 따른 제어 방법은 특히, 상기 용접의, 특히 실시간으로의, 상기 제어가 상기 설정값에 따라 정의될 수 있는 상기 임계 야금 파라미터에 좌우되는 것을 특징으로 한다. 상기 임계 야금 파라미터는 특히 한계값이 열 파라미터에 대해 정의될 수 있도록 하고 그에 따라서 열 파라미터 값을 제한하기 위하여 적어도 하나의 용접 파라미터를 한정하기 위한 적어도 하나의 용접 제약을 용접 작업에 부가하게 한다. 특히, 상기 제어 및 특징 부여 수단은 접합 기계 또는 중앙 자동화 시스템에, 예를 들어 열처리 장치(예열 및/또는 어닐링 장치)의 시동을 위해 그리고 상기 새로운 용접 파라미터의 함수로서 그의 조절을 위한 접합 기계에 대한 적어도 하나의 조절 설정값을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제어 장치는 특히, 한편으로는 접합 기계의 용접 장치 및 적어도 하나의 열처리 장치를 조절하기 위하여 상기 스트립 및 작동 데이터 항목에 따른 용접 파라미터들을 미리, 즉 용접 전에 판단할 수 있고, 또한 다른 한편으로는, 미리 정의될 수 있는 하나 이상의 임계 야금 파라미터들을 준수하기 위해 용접 동안 상기 용접 파라미터들을 실시간으로 변경시킬 수 있다. 이를 위하여, 제어 장치의 컴퓨터는 특히 예를 들어 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 에너지의 측정값 및/또는 용접 장치 이동 속도의 측정값 및/또는 상기 용접부의 시간 및 온도의 측정값과 같은 용접 기간 전체에 걸친 용접 파라미터 값들을 수신할 수 있다. 실시간으로 측정될 수 있는 용접 파라미터 값들을 기초로, 컴퓨터는 상기 열 파라미터를 실시간으로 계산하고, 이를 임계 야금 파라미터에 비교하고, 열 파라미터 값이 임계 야금 파라미터의 값을 초과하는 경우, 작업자 및/또는 접합 기계에 설정값 및/또는 추천을 제공하기 위해 또는 접합 기계의 제어를 위한 그리고 열 파라미터 값이 임계 야금 파라미터 값 미만으로 복귀할 수 있도록 하는 적어도 하나의 새로운 용접 파라미터를 계산하기 위해 상기 오버슈트를 상기 제어 및 특징 부여 수단에 전달할 수 있다.
본 발명은 또한 스트립 처리 설비의 접합 기계에 의해 제1 스트립의 단부를 제2 스트립의 다른 일 단부와 접합시키기에 적합한 연이은 스트립들의 단부들을 접합하는 방법이 제안되는데, 상기 접합 방법은 특히 접합 기계의 클램핑 조에 의해 스트립들의 각각의 단부를 클램핑하는 단계; 그들이 서로 접합되는 것을 고려하여 상기 단부들을 준비하기 위하여, 예를 들어 전단에 의해, 상기 단부들을 절단하는 단계; 접합 기계의 용접 장치에 의해 그들의 용접을 가능하게 하기 위한 상기 단부들의 위치를 설정하는 단계; 열처리 장치에 의해 상기 단부들의 예열 및/또는 후열과 협동하기 적합한 용접 장치에 의해 상기 단부들을 용접하는 단계를 포함하고, 이는 특히 상기 스트립 단부들의 상기 용접과, 특히 상기 단부들의 예열 및/또는 후열과 협동할 수 있는, 용접부의 열 사이클을 자동으로 제어하는 상기 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 사실, 본 발명에 따른 상기 용접은, 용접부의 열 사이클을 제어하여 용접 품질을 보장하기 위하여, 상기 제어 장치의 조절 및 특징 부여 수단에 의해 실시간으로 제어될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예 및 응용이 이하의 도면을 이용하여 제공된다.
도 1은 스트립들의 2개의 단부를 용접할 때 용접부로부터의 열의 공간적 분포의 예를 도시하는 도면.
도 2는 용접부의 횡방향 온도 분포의 열 사이클의 예를 도시하는 도면.
도 3은 강재 용접부에 의해 영향을 받는 구역의 경도 및 야금 구조에 대한 냉각 속도의 영향의 예를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 접합 용접부의 열 사이클을 제어하기 위한 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 1은 스트립들의 2개의 단부를 용접할 때 용접부로부터의 열의 공간적 분포의 예를 도시하는 도면.
도 2는 용접부의 횡방향 온도 분포의 열 사이클의 예를 도시하는 도면.
도 3은 강재 용접부에 의해 영향을 받는 구역의 경도 및 야금 구조에 대한 냉각 속도의 영향의 예를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 접합 용접부의 열 사이클을 제어하기 위한 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 1은 스트립들의 2개의 단부들을 용접할 때 용접부로부터의 열의 공간적 분포의 예를 도시한다. 용접 장치의 용접 에너지원은 특히 스트립들(B1, B2)의 단부들의 각각의 적어도 일부를 포함하는 적어도 하나의 구역을 가열할 수 있고 용접부 라인(CS)에 따른 상기 스트립들의 단부들의 에지들을 따라서 이동할 수 있는 열원, 예를 들어 전기 아아크, 레이저 빔 또는 전기 저항으로, 여기서 상기 에지들은 이들이 가열되어 서로 용접될 수 있도록 서로 대향한다. 이러한 열원의 영향 하에서, 상기 스트립들(B1, B2) 각각의 용융된 재료 및 가능하게는, 예를 들어 금속 와이어 형태의 충전재 금속을 포함하는 용융 바스(melting bath)(BF)는 상기 스트립들을 연속적으로 형성하고 부착되게 할 수 있어서, 그들의 에지의 긴밀한 연결을 제공한다. 이어서, 2개의 스트립들(B1, B2)은 연속 스트립을 형성할 수 있다. 용융 바스로부터의 열은 전도에 의해 용융 바스(BF) 둘레로 전달된다. 등온 곡선(θx)은 전형적인 연장된 타원 형상을 갖는 용융 바스(BF) 둘레에서 (x를 따르는) 용접 장치의 이동 방향에 관하여 바스의 후방을 향하여 전개된다. 용융 바스(BF) 둘레 온도의 전체 공간 분포의 3차원 표현은 용접부 라인(CS)을 통과하는 x 축과 상기 용접부 라인(CS)에 직교하여 스트립의 이동 방향에 평행한 y 축을 포함하는 용융 바스의 중심(O)에 중심이 설정된 정규 직교 기준을 고려하고 스트립들에 의해 형성된 이동 평면에 직교하고 용융 바스(BF)의 중심(O)을 통과하는 z 축에 온도를 부여함으로써 구성될 수 있다. 용접부 라인(CS)에 평행하고 (즉, x 축에 평행하고) 스트립의 이동 방향에 직교하는 평면에 의한 열 입체(thermal solid)(ST)의 절단부는 용접 장치의 용접 에너지원의 이동의 함수로서 상기 평행한 평면 내에 위치된 스트립 지점의 온도 변화 곡선을 얻는 것을 가능하게 한다. 용접 에너지원의 이동에 따른 온도의 이러한 변화는 통상 그 지점의 열 사이클(CT)이라 한다.
도 2는 용접부의 횡방향 온도 분포의 그리고 열 사이클(CT)의 예를 도시한다. 곡선(CI)은 온도의 횡방향 분포를 나타낸다. 이는 도 1에, 즉 스트립들(B1, B2)의 표면에 직교하고 용접 에너지원의 이동 방향에 직교하는 평면에 따라 나타내고 용융 바스를 통과하는 열 입체(ST)의 단면을 포함한다. 곡선(CI)은 상기 스트립들(B1, B2)의 표면에 직교하고 스트립들(B1, B2)의 용접부 라인을 통과하는 평면에 대해 대칭이다. 이는 y 축에 평행하고 용융 바스의 중심을 통과하고 용접부 라인에 직교하는 라인의 각각의 지점에 의해 도달되는 최대 온도의 변동을 나타낸다. 이러한 최대 온도는 용융 바스로부터 y 축을 따라서 더 멀어짐에 따라서 감소하고, 구역에 따라서, 복잡한 야금 변형을 야기한다. 즉,
- 제1 온도(θ1)와 상기 제1 온도(θ1) 미만의 제2 온도(θ2) 사이에서, 예를 들어, 대략 1500°C와 1200°C 사이에서 용융 바스에 인접하여, 오스테나이트 그레인의 크기의 매우 큰 증가는 경성 및 취성의 바늘형 구조들의 발달을 갖는 매우 높은 경화능을 금속에 부여하고;
- 제2 온도(θ2), 예를 들어 1200°C와 상기 제2 온도(θ2) 미만의 제3 온도(θ3) 사이에서, 정규화된 구조부터 경화 구성을 나타내는 정밀하지 않은 구조까지의 범위를 갖는 일련의 구조가 일반적으로 관찰되고;
- 제3 온도(θ3)와 상기 제3 온도(θ3) 미만의 제4 온도(θ4) 사이에서, 임계간 도메인(inter-critical domain) 내의 급속 변태(rapid transformation)를 대표하는 복잡한 미세 구조가 나타나고;
- 제4 온도(θ4)와 제4 온도(θ4) 미만이고 예를 들어 대략 600°C인 제5 온도(θ5) 사이에서, 예를 들어 일정한 분산질의 합체(coalescence), ??칭되고(quenched) 템퍼링된(tempered) 구조의 템퍼링과 같은 일정한 야금학적 현상이 관찰될 수 있고;
- 제5 온도(θ5) 미만의 온도에서, 중요한 구조적 변형이 일어나지 않는 것이 통상 고려된다.
열 사이클(CT)이 제1 온도(θ1)와 제2 온도(θ2) 사이에 위치된 최대 온도(θMax)에 도달하기 쉬운, 용접부의 또는 상기 스트립의 일 단부의 한 지점은 용접부의 취화에 대한 상당한 위험이 있는 지점이다. 사실, 상기 지점이 냉각되는 데 걸리는 시간에 따라, 다양한 야금 구조가 나타날 수 있고, 각각은 상이한 정도의 용접 품질과 관계된다. 용접부의 취화를 피하기 위하여, 본 발명은 특히, 예를 들어 용접부의 냉각 속도와 같은, 열 파라미터를 제어함으로써 용접부의 야금 구조를 제어하려고 한다. 사실, 상기 열 파라미터, 예를 들어 순간 냉각 속도(VRθ) 또는 제1 기준 온도(θRM)와 상기 제1 기준 온도(θRM) 미만의 제2 기준 온도(θRM) 사이의 냉각 시간(TR)을, 주어진 지점에 대해, 계산 및 제어할 수 있는데, 상기 기준 온도들은 특히 1000°C와 300°C 사이의 온도 간격, 예를 들어 800°C와 500°C 사이 또는 700°C와 300°C 사이의 일련의 온도들을 정의한다. 이러한 순간 냉각 속도(VRθ) 또는 이러한 냉각 시간(TR)을 계산하기 위하여, 열 입체 상에서, 상기 최대 온도(θMax)가 받은 구역을 식별할 수 있고, 그에, 예를 들어 리카라인(Rykaline) 모델과 같은, 상기 순간 냉각 속도(VRθ) 또는 상기 냉각 시간(TR)을 추정할 수 있는 수학적 모델을 적용할 수 있다.
특히, 용접 장치의 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 용접 에너지, 및 상기 용접 장치(또는 만일 용접 에너지원이, 예를 들어, 스트립에 대해 고정될 수 있는 용접 장치와 독립적으로 이동한다면, 용접 에너지원)의 이동 속도를 인지함으로써, 상기 제1 기준 온도(θRM)와 제2 기준 온도(θRM) 사이의 스트립의 상기 지점의 냉각 시간(TR)을 계산할 수 있다. 냉각 시간(TR)의 이러한 계산은 예를 들어, 제1 기준 온도(θRM)와 제2 기준 온도(θRM) 사이에서 순간 냉각 속도(VRθ)의 변화에 대한 수학식 (1)을, 제1 기준 온도(θRM)와 제2 기준 온도(θRM) 사이에서, 적분함으로써, 가능하다. 제2 스트립과 동일한 (즉, 재료가 동일한, 기하학적 특징이 동일한) 제1 스트립의 경우, 상기 수학식 (1)은 예를 들어 다음과 같다.
여기서
VRθ = 제1 기준 온도(θRM)와 제2 기준 온도(θRM) 사이의 임의의 온도(θ)에서 스트립의 상기 지점의 통과 중에 스트립의 상기 지점의 순간 냉각 속도로, 상기 순간 냉각 속도(VRθ)는 켈빈/초로 나타내고 상기 임의의 온도(θ)는 켈빈으로 나타낸다. 다시 말해서, 순간 냉각 속도(VRθ)는 임의의 온도(θ)에서의 냉각 속도이다.
Eq = 용접부의 단위 길이당 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 용접 에너지로, 주울/미터로 나타낸다.
ρ = 임의의 온도(θ)에서 스트립 재료의 밀도로, 킬로그램/세제곱미터로 나타낸다.
Cv = 임의의 온도(θ)에서 스트립 재료의 열용량으로, 주울/킬로그램/켈빈으로 나타낸다.
θ0 = 스트립의 상기 지점의 초기 온도로, 켈빈으로 나타낸다. 상기 초기 온도(θ0)는, 예를 들어, 스트립의 상기 지점의 예열 온도, 또는 주위 온도일 수 있다.
k = 스트립 재료의 열전도율로, 주울/미터/초/켈빈으로 나타낸다.
e = 용접될 스트립의 두께로, 미터로 나타낸다.
냉각 시간(TR)의 계산은 또한 스트립의 상기 지점에서 접합 기계의 클램핑 조로의 열전달로부터 임의의 냉각 영향을 또한 고려할 수 있다. 수학식 (1)은, 예를 들어, 초기 온도(θ0) 및/또는 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 에너지(Eq)를 변경시킴으로써 상기 기준 온도들(θRM, θRM) 사이의 스트립의 지점의 냉각 시간을 제어하는 것을 가능하게 한다.
도 3은 야금 거동을 개략적으로 나타내는 4개의 상이한 그래프를 도시한다. 처음 3개의 그래프(도 3a, 도 3b 및 도 3c)는 각각, 수평 축 상의, 냉각 시간(TR)의 증가하는 시간 스케일을 나타내는 제1 축과, 수직 축 상의, 축의 원점으로부터 또한 증가하는 온도 스케일(θ)을 나타내는 제2 축을 포함한다. 제4 그래프(도 3d)는 상기 용접부의 냉각 시간(TR)의 함수로서 강재 스트립의 용접부의 경도의 변화를 나타낸다. 4개의 상이한 그래프는 강재 용접부에 의해 상기 구역의 야금 구조 및 경도가 영향을 받는 구역에 대한 냉각 속도의 역할을 강조한다.
제1 그래프(도 3a)는 최대 온도(θMax)에서 냉각될 때 용접부의 금속조직 구조의 변화를 보여준다. 그래프는 단순화된 방식으로 범위가 정해진 3개의 도메인: 오스테나이트 도메인(A), 마텐자이트 도메인(M), 및 베이나이트 도메인(B)을 포함한다. 매우 짧은 제1 냉각 시간(TR1)에 상응하는 제1 냉각 곡선(CR1)은 오스테나이트 도메인(A), 이어서 마텐자이트 도메인(M)을 가로질러서, 잠재적으로 경성 및 취성인 용접부의 최종 마텐자이트 구조로 이어진다.
제2 그래프(도 3b)는 도 3a에 나타낸 바와 같이 동일한 도메인을 갖고, 최종 베이나이트 구조로 이어지는 제2 냉각 곡선(CR2)에 따라서, 동일한 최대 온도(θMax)로부터 냉각될 때 그리고 상기 제1 냉각 시간(TR1)보다 긴 제2 냉각 시간(TR2) 동안 용접부의 금속조직 구조의 변화를 보여준다.
제3 그래프(도 3c)는 제1 냉각 곡선(CR1)에 상응하는 제1 열 사이클(CT1) 및 제2 냉각 곡선(CR2)에 상응하는 제2 열 사이클(CT2)을 도시한다. 냉각 시간(TR)을 추정할 수 있는 수학적 모델의 적용을 통하여, 예를 들어 순간 냉각 속도(VRθ)를 추정하기 위한 수학식 (1)을 두 온도(θRM, θRM) 사이에 포함시킴으로써, 본 발명에 따른 컴퓨터는 특히 어떠한 예열 온도(θ0) 및/또는 용접부의 단위 길이당 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 어떠한 에너지(Eq)가 냉각 시간(TR)이 제2 냉각 곡선(CR2)에 상응하는 제2 냉각 시간(TR2)과 동일하도록 냉각 시간(TR)을 증가시키기 위하여 필요할 수 있는지 판단할 수 있다. 이러한 경우에, 야금 파라미터는 냉각 시간(TR)이고, 임계 야금 파라미터는 냉각 시간(TR2)이다. 냉각 시간(TR2)은 기준 온도들(θRM, θRM)의 함수로서 그리고 설정값으로 선택된 베이나이트 야금 구조(B)의 함수로서 야금 파라미터(냉각 시간(TR))에 대해 도 3b에서 설명된 야금 거동으로부터 판단될 수 있다.
제4 그래프(도 3d)는 냉각 시간(TR)의 함수로서 최대 온도(θMax)로부터 냉각된 용접부 구역의 경도(HV)의 변화를 나타내는 야금 거동을 나타낸다. 제1 냉각 곡선(CR1)은, 예를 들어, 설정값일 수 있는 고정된 최대 경도(HVMax)보다 큰 제1 경도(HV1)로 이어지는 반면, 제2 냉각 곡선(CR2)은 최대 경도(HVMax) 약간 미만인 제2 경도(HV2)로 이어진다. 본 발명에 따른 제어 장치는, 에너지(Eq) 또는 예열 온도(θ0)와 같은, 이러한 냉각 시간(TR)을 좌우하는 파라미터들을 변경 또는 제어함으로써 냉각 시간(TR)을 제어할 수 있다. 이들 파라미터를 변경하기 위하여, 본 발명에 따른 제어 장치는 특히 상기 파라미터들의 함수로서 접합 기계를 제어 및 조절할 수 있다. 특히, 이러한 제4 그래프는 본 발명과 관련된 이하의 방식으로 해석될 수 있다: 경도(HV)는 야금 파라미터이고, 최대 경도(HVMax)는 한편으로 상기 기준 재료의 냉각 시간(TR)의 함수로서 기준 재료의 경도(HV)를 특징으로 할 수 있는 기준 데이터로부터, 그리고 다른 한편으로는, 작업자에 의해 데이터베이스 내에 입력되고 초과될 수 없는 경도 한계를 최대 경도 값(HVMax)을 통하여 정의하는 설정값으로부터 판단될 수 있는 임계 야금 파라미터이다.
도 4는 스트립들을 접합하는 용접부의 열 사이클을 자동적으로 제어하기 위한 방법을 구현하기에 적합한, 본 발명에 따른 접합 용접부의 열 사이클을 제어하기 위한 장치(C1)의 예시적인 실시예를 나타낸다.
제어 장치(C1)는 스트립 처리 설비(도시되지 않음)의 접합 기계(M1)에 적합한데, 상기 접합 기계(M1)는 특히 제1 스트립의 일 단부를 제2 스트립의 다른 일 단부에 용접할 수 있는 용접 장치(M11), 스트립의 상기 단부들을 고정시킬 수 있는 두 쌍의 클램핑 조, 상기 스트립들의 단부들을 열처리할 수 있는, 예를 들어 유도 예열 장치(M12) 및 어닐링 장치(M13)인, 적어도 하나의 열처리 장치(M12, M13)를 포함하고, 상기 제어 장치(C1)는:
- 상기 중앙 자동화 시스템(A1)과 적어도 하나의 스트립 데이터 항목의 교환 및 상기 접합 기계(M1)와 접합 기계의 적어도 하나의 작동 데이터 항목의 교환을 각각 허용하기 위하여 상기 제어 장치(C1)를 상기 스트립 처리 설비의 중앙 자동화 시스템(A1)에 그리고 상기 접합 기계(M1)에 연결하기 위한 연결 수단(C15) - 스트립 처리 설비의 중앙 자동화 시스템(A1)은 특히 처리될 스트립들에 관한 다양한 정보/데이터를 포함하고, 상기 연결 수단(C15)을 이용하여 상기 제어 장치(C1)와 이러한 정보/데이터를 교환할 수 있음 - ;
- 상기 용접부의 적어도 하나의 열 파라미터를, 상기 스트립 및 작동 데이터 항목으로부터, 계산 또는 판단할 수 있는 컴퓨터(C11) - 이러한 열 파라미터는 예를 들어 상기 스트립 및 작동 데이터 항목의 적어도 일부를 그의 파라미터들 내에 통합하는 수학식으로부터 판단될 수 있는 상기 용접부의 냉각 시간임 - ;
- 상기 열 파라미터의 함수로서 상기 용접을 제어할 수 있고, 특히 용접부의 단위 길이당 이용 가능한 용접 에너지의 양을 측정 및 조절하기 위한 수단, 용접 장치의 이동 속도를 측정 및 조절하기 위한 수단, 스트립들의 단부들을 열처리하기 위한 장치를 조절하기 위한 수단, 및 잠재적으로는, 용접 후에 어닐링 장치의 조절 가능 수단을 포함할 수 있는 상기 용접부의 용접을 위한 제어 및 특징 부여 수단(C14)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
특히, 컴퓨터(C11)는 처리 설비의 자동화 시스템(A1)으로부터 용접될 스트립들에 관한 데이터 항목들을 수신할 수 있다. 이는 또한 용접 접합 기계(M1)로부터 적어도 하나의 작동 데이터 항목, 예를 들어 용접 장치(M11)의 용접 에너지원의 출력에서 이용 가능한 용접 에너지 값 및 상기 용접 에너지원을 포함하는 용접 장치(M11)의 이동 속도를 수신할 수 있다. 컴퓨터(C11)는 특히 예를 들어 상기 스트립 및 작동 데이터 항목들로부터 상기 열 파라미터를 얻는 것을 가능하게 하는 수학식 (1)과 같은 적어도 하나의 열 모델로부터 적어도 하나의 열 계산을 수행할 수 있다. 이러한 열 파라미터는 예를 들어 이전에 도 2 및 도 3에서 나타낸 바와 같이 제2 기준 온도(θRM)보다 큰 제1 기준 온도(θRM) 사이의 용접부의 냉각 시간(TR)이다.
제어 장치(C1)는 특히 재료의 부류들의 데이터베이스(C13)를 포함하고, 이는 상기 스트립 데이터 항목들에 기초하여 스트립을 상기 데이터베이스의 적어도 한 부류의 재료로 분류하기 위한 것이다. 이는 강재의 부류들로 분류된 강재들을 포함하고, 각 부류의 강재는 하나의 기준 데이터 항목을 특징으로 하는 적어도 하나의 기준 강재를 포함하여, 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징에 의해, 예를 들어 그의 화학적 분석의 요소, 예를 들어 그의 탄소 함량 또는 탄소 당량에 의해 상기 기준 강재를 식별하는 것을 가능하게 한다. 이러한 데이터베이스(C13)는 특히 작업자 콘솔(OP)로부터 직접 그리고/또는 중앙 자동화 시스템(A1)을 통해서 그리고/또는 컴퓨터(C11)를 통해서 갱신을 수신할 수 있다. 재료의 각 부류의 각 기준 재료, 예를 들어 강재의 각 부류의 각 기준 강재는 적어도 하나의 임계 야금 파라미터와 관계될 수 있다. 임계 야금 파라미터는 특히 임계 냉각 파라미터, 예를 들어, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 제1 기준 온도(θRM)와 미리 정의된 최대 경도 값에 상응하는 제2 기준 온도(θRM) 사이의 임계 냉각 시간이다. 상기 임계 야금 파라미터는 특히 데이터베이스 내의 기준 재료의 기준 데이터 항목이거나, 또는 만일 상기 기준 데이터 항목들 중 적어도 하나가 야금 거동이 야금 파라미터의 함수로서 상기 기준 재료에 대해 적용되는 것을 가능하게 한다면, 기준 재료의 적어도 하나의 기준 데이터 항목으로부터 분류 모듈(C112)에 의해 계산될 수 있는 데이터 항목이다.
분류 모듈(C112)은 특히 컴퓨터(C11) 내에 있다. 게다가, 이는 특히 스트립의 재료를 식별하기 위한 상기 스트립 데이터 항목들을 수신할 수 있고, 상기 데이터 항목들을 기초로 상기 데이터베이스의 한 부류의 재료로 스트립을 분류할 수 있다. 특히, 분류 모듈(C112)은 상기 스트립이 속하기에 적합한 적어도 한 부류의 재료를 데이터베이스(C13) 내에서 찾을 수 있어서, 적어도 하나의 기준 데이터 항목, 예를 들어 강재의 한 부류의 기준 강재를 특징으로 하는 적어도 하나의 기준 재료를, 재료의 이러한 부류 내에서, 식별할 수 있는데, 상기 기준 데이터 항목은 스트립의 물리적 및/또는 화학적 특징과 비슷한 또는 그와 동일한, 또는 다시 말해서 상기 스트립 데이터 항목들 중 하나와 비슷한 또는 그와 동일한 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징이다. 분류 모듈(C112)은 특히 상기 기준 데이터 항목들 중 적어도 하나로부터 상기 임계 야금 파라미터를 데이터베이스(C13)로부터 추출할 수 있다. 이러한 임계 야금 파라미터는 예를 들어 일 지점이 제1 기준 온도(θRM)로부터, 예를 들어 미리 정의된 최대 경도 값에 상응하는 제2 기준 온도(θRM)까지 변하는 데 요구되는 시간을 특징으로 하는 스트립의 상기 지점에 대한 냉각 시간이다. 상기 임계 야금 파라미터는, 특히, 기준 재료의 상기 기준 데이터 항목들 중 적어도 하나로부터 추출 또는 계산될 수 있다. 동일하게, 본 발명에 따른 분류 모듈(C112)은 특히 각각이 스트립의 물리적 및/또는 화학적 특징과 비슷한 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징을 갖는 제1 및 제2 기준 재료의 적어도 제1 및 제2 기준 데이터 항목으로부터, 용접부의 야금 거동에 상응할 수 있고 상기 임계 야금 파라미터를 판단하기 위한 중간 야금 거동을 판단할 수 있다. 동일하게, 분류 모듈(C112)은 특히 각각이 용접될 스트립의 물리적 및/또는 화학적 특징에 가까운 적어도 하나의 물리적 및/또는 화학적 특징, 예를 들어 탄소 함량 또는 탄소 당량, 스트립의 야금 거동을 특징으로 하기 적합하고 상기 열 파라미터에 대한 한계값으로서 역할을 하기 적합한 중간 야금 파라미터를 갖는 적어도 2개의 기준 재료의 적어도 2개의 임계 야금 파라미터들로부터 외삽할 수 있다.
컴퓨터(C11)는 특히 상기 컴퓨터(C11)에 의한 계산에 의해 판단되는 상기 열 파라미터와 임계 야금 파라미터를, 실시간으로, 자동으로 비교할 수 있는 분석 모듈(C113)을 포함한다. 예를 들어, 열 파라미터는 용접 에너지원을 포함하는 용접 장치(M11)의 이동 속도 및 용접 에너지에 따라 계산되는 제1 기준 온도(θRM)와 제2 기준 온도(θRM) 사이의 냉각 시간(TR)이다. 이러한 냉각 시간은, 상기 분석 모듈(C113)에 의해, 특히 임계 냉각 파라미터, 예를 들어 임계 냉각 시간일 수 있는 데이터베이스 내의 기준 데이터 항목들로부터 추출되거나 외삽되는 임계 야금 파라미터와 비교될 가능성이 있다. 유리하게는, 만일 열 파라미터 값이 임계 야금 파라미터 값을 초과하면, 예를 들어 만일 냉각 시간 값(TR)이 임계 냉각 시간 값을 초과하면, 컴퓨터(C11)는 열 파라미터 값을 임계 야금 파라미터 값 미만으로 유지시킬 수 있는, 용접을 관리 및/또는 제어하기 위한, 적어도 하나의 용접 파라미터를 실시간으로 계산할 수 있다. 게다가, 상기 컴퓨터(C11)는 특히 상기 새로운 용접 파라미터를 제어 장치(C1)의 상기 제어 및 특징 부여 수단(C14)에, 이들이 용접될 스트립들의 단부들의 용접을 실시간으로 제어하는 것을 고려하기 위하여, 전달할 수 있다. 상기 제어 및 특징 부여 수단(C14)은 특히 용접 동안 측정된 상기 열 파라미터 및 데이터(용접부 온도, 에너지 이용 가능 등)의 함수로서 정의된 열 사이클에 따라 접합 기계를 실시간으로 관리할 수 있다.
제1 실시예에 따라, 상기 제어 및 특징 부여 수단(C14)은 특히 정보를 작업자 콘솔(OP)에 공급할 수 있는데, 상기 정보는 작업자가 용접 에너지의 변경 또는 열처리 장치(M12)에 의한 예열과 같은 용접 파라미터들을 작업자 콘솔(OP)로부터 조절할 수 있도록 작업자에게 상기 값을 알려주기 위한 것이다. 제2 실시예에 따라, 상기 제어 및 특징 부여 수단(C14)은 특히 용접 기계 내에 상기 새로운 용접 파라미터를 통합함으로써 용접 기계의 용접 파라미터들을 자동으로 변경할 수 있다. 사실, 본 발명에서 청구되는 바와 같은 자동 제어 방법은 상기 제어 및 특징 부여 수단(C14)이 상기 새로운 용접 파라미터를 포함하는 새로운 세트의 용접 파라미터들을 포함하는 조절 설정 값을 중앙 자동화 시스템(A1)으로, 또는 접합 기계(M1)로 직접, 또는 특히 용접 장치(M1)로 직접 전달할 수 있다는 것을 특징으로 한다. 새로운 세트의 용접 파라미터들은 열 파라미터는 값을 임계 야금 파라미터 값 미만으로 복귀시킬 수 있도록 접합 기계를 조절하기 위한 것이다.
따라서, 최종적으로, 본 발명에 따른 제어 방법 및 그의 구현을 위한 제어 장치는 기존의 실현예에 관계하여 많은 개선을 제공한다. 즉,
- 이들은 접합 용접부의 용접 사이클의 제어 및 적어도 하나의 열 파라미터의 계산 및 제어를 통해 용접부의 야금 구조를 제어하기 위하여 최적의 용접 조건의 판단을 용이하게 하고;
- 이들은 스트립의 재료의 야금 특징(즉 물리적 및/또는 화학적 특징)과 용접부의 열 사이클 사이의 가까운 매칭을 용이하게 하고;
- 이들은 고온에서의 용접 후 어닐링 대신 적절한 온도에서의 예열 작업에 유리하게 하는 것을 가능하게 하고;
- 이들은 작업자가 수행한 부정확한 추정의 위험을 제거하는 것을 가능하게 하고;
- 이들은 기준 재료들의 데이터베이스가 작업자의 일을 복잡하게 하지 않고 계속적으로 갱신되도록 할 수 있고;
- 이들은 용접 파라미터들의 실시간으로의 적응을, 그리고 그에 따른 용접될 스트립 재료의 열 사이클의 실시간 제어를 가능하게 한다.
Claims (15)
- 처리 설비의 접합 기계(M1)에 의한 제1 스트립의 일 단부의 제2 스트립의 다른 일 단부에 대한 용접을 제어하기 위한, 스트립을 접합하는 용접부의 열 사이클의 자동 제어 방법에 있어서,
- 상기 열 사이클의 제어 장치(C1)와 상기 처리 설비의 중앙 자동화 시스템(A1) 사이에서 적어도 하나의 스트립 데이터 항목을 교환하는 제1 교환 단계;
- 상기 열 사이클의 상기 제어 장치(C1)와 상기 접합 기계(M1) 사이에서 적어도 하나의 작동 데이터 항목을 교환하는 제2 교환 단계;
- 상기 용접부의 금속조직을 제어하기 위해 상기 스트립 및 작동 데이터 항목으로부터 상기 용접부의 열 파라미터를 판단하는 단계;
- 적어도 상기 열 파라미터에 따라 상기 용접을 제어하고 상기 열 파라미터의 계산 및 제어를 통해 상기 용접부의 금속조직을 제어하는 단계를 특징으로 하는 제어 방법. - 제1항에 있어서, 적어도 하나의 기준 데이터 항목을 특징으로 하는 적어도 하나의 기준 재료를 포함하는 적어도 한 부류의 재료로 상기 스트립 각각을 자동 분류하는 단계를 포함하고,
상기 기준 데이터 항목은 하나 이상의 임계 야금 파라미터를 포함하고,
적어도 상기 열 파라미터와 임계 야금 파라미터에 따라 용접을 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열 파라미터를 임계 야금 파라미터와 실시간으로 자동 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 용접을 제어하는 단계는 설정값으로부터 정의된 상기 임계 야금 파라미터에 좌우되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 열 파라미터의 값에 의한 상기 임계 야금 파라미터의 값의 오버슈트가 적어도 하나의 용접 파라미터의 값의 변경을 유도할 수 있는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 오버슈트를 보고하는 단계를 특징으로 하는 제어 방법.
- 스트립 처리 설비의 접합 기계(M1)에 의해 제1 스트립의 일 단부를 제2 스트립의 다른 일 단부에 접합하기에 적합한 연이은 스트립들의 단부들을 접합하는 방법에 있어서,
제1항에 따른 용접부의 열 사이클의 자동 제어 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연이은 스트립들의 단부들을 접합하는 방법. - 스트립 처리 설비의 접합 기계(M1)에 적합한, 제1 스트립의 일 단부를 제2 스트립의 다른 일 단부와 접합하는 용접부의 열 사이클의 제어 장치(C1)에 있어서,
- 적어도 하나의 스트립 데이터 항목의 교환 및 적어도 하나의 작동 데이터 항목의 교환을 각각 허용하기 위해, 상기 제어 장치(C1)를 상기 스트립 처리 설비의 중앙 자동화 시스템(A1)에 그리고 상기 접합 기계(M1)에 각각 연결하기 위한 연결 수단(C15);
- 상기 용접부의 적어도 하나의 열 파라미터를 상기 스트립 및 작동 데이터 항목으로부터 계산할 수 있는 컴퓨터(C11)로서, 상기 용접부의 적어도 하나의 열 파라미터는, 상기 열 파라미터의 계산 및 제어를 통해 상기 용접부의 금속조직을 제어하기 위한 것인 컴퓨터(C11); 및
- 상기 열 파라미터의 함수로서 용접을 제어할 수 있는 상기 용접부의 용접의 제어 및 특징 부여 수단(C14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클의 제어 장치(C1). - 제8항에 있어서, 적어도 하나의 기준 데이터 항목을 특징으로 하는 적어도 하나의 기준 재료를 포함하는 적어도 한 부류의 재료로 각각의 스트립을 분류하기 위한 데이터베이스(C13)를 포함하고,
상기 기준 데이터 항목은 하나 이상의 임계 야금 파라미터를 포함하고,
상기 제어 및 특정 부여 수단(C14)은 상기 열 파라미터와 임계 야금 파라미터의 함수로서 용접을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 열 사이클의 제어 장치(C1). - 제9항에 있어서, 컴퓨터(C11)는, 각각의 스트립을 상기 데이터베이스(C13)의 적어도 한 부류의 재료로 분류할 수 있고 적어도 하나의 기준 재료의 적어도 하나의 기준 데이터 항목으로부터 적어도 하나의 임계 야금 파라미터를 추출 또는 계산할 수 있는 분류 모듈(C112)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 사이클의 제어 장치(C1).
- 제10항에 있어서, 분류 모듈(C112)은 임계 야금 파라미터를 상기 열 파라미터와 비교할 수 있는 것을 특징으로 하는 열 사이클의 제어 장치(C1).
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 컴퓨터(C11)는 열 파라미터 값을 임계 야금 파라미터 값 미만으로 유지시키기 위한 적어도 하나의 용접 파라미터에 대한 새로운 값을, 열 파라미터 값이 임계 야금 파라미터 값을 초과하는 경우에, 자동으로 계산할 수 있는 것을 특징으로 하는 열 사이클의 제어 장치(C1).
- 제12항에 있어서, 상기 제어 및 특징 부여 수단(C14)은 상기 용접 파라미터의 상기 새로운 값을 보고할 수 있는 것을 특징으로 하는 열 사이클의 제어 장치(C1).
- 제12항에 있어서, 상기 제어 및 특징 부여 수단(C14)은 상기 용접 파라미터의 상기 새로운 값으로부터 상기 용접을 관리할 수 있는 것을 특징으로 하는 열 사이클의 제어 장치(C1).
- 스트립 처리 설비로부터 연이은 스트립들의 단부들을 접합하기 위한 접합 기계(M1)에 있어서,
제8항에 따른 열 사이클의 제어 장치(C1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합 기계(M1).
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