KR101881158B1

KR101881158B1 - 금속분말 육성용접 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101881158B1
Application number: KR1020170122682A
Authority: KR
Inventors: 이수용; 김의진; 이상기
Original assignee: 주식회사 산청기공
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2018-07-30

Abstract

본 발명에 따른 금속분말 육성용접 장치는, 파이프를 로딩하여 예열영역으로 부터 용접영역을 거쳐 후열영역까지 순차적으로 이송하는 이송모듈을 구비한 베드; 상기 예열영역 및 상기 후열영역에 각각 설치되는 것으로서, 상기 파이프가 거치되는 서포터와, 상기 서포터의 양 측에서 상기 파이프의 외주면 일부를 둘러싸 상기 파이프를 가열하는 히터가 구비된 가열모듈; 상기 용접영역에 설치되는 것으로서, 예열된 상기 파이프를 회전 가능하게 파지하는 바이스; 상기 바이스에 파지된 상기 파이프 주변을 이동하는 이송대차를 통해 용접토치를 상기 파이프의 용접면에 접근시켜 육성용접을 수행하는 용접모듈; 상기 용접토치의 점화를 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속분말 육성용접 장치 및 그 방법{Overlay Welding Apparatus and Method}

본 발명은 금속분말 육성용접 장치 및 육성용접 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속분말, 특히 텅스텐 분말을 활용하여 파이프나 패널 등에 육성용접을 수행하는 것이되 육성용접의 효율을 높일 수 있도록 육성용접 전후로 예열 및 후열을 수행할 수 있으며, 나아가 용접 시 항상 균등한 용접효율을 갖출 수 있도록 용접 시 적정량의 충전재 금속과 플럭스, 쉴드가스를 제공할 수 있도록 구성된 금속분말 육성용접 장치 및 육성용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로 육성용접이라 함은 금속재료의 표면에 내식, 내열, 내마모 등의 향상을 목적으로 각종 금속이나 합금층을 추가로 코팅하여 두껍게 만드는 용접 조작을 의미한다. 이와 같은 육성용접은 탄소강과 같은 저급재료로 만들어지는 각종 배관의 내면에 스테인리스나 금속, 합금 등을 일정두께로 덧 용접하는데 주로 사용되고 있다.

최근에는 국내등록특허공보 제10-0909596호 및 국내등록특허공보 제10-1173009호 등에 개시된 바와 같이 파이프 내주면에 대한 육성용접이 가능하도록 자동화된 장치가 제공됨으로써 수작업에 의한 정밀한 육성용접의 곤란함 및 장형의 파이프 내주면에 대한 육성용접도 가능하도록 하였다.

한편, 종래의 육성용접장치는 지면(작업장 바닥)에 복수의 시설물(예컨대, 레일이나 지지대 등)을 고정하고, 이 시설물에 작업 대상 파이프의 안착 및 용접 토치의 이동 가능한 설치가 이루어질 수 있도록 하였으며, 이는 전술된 종래 기술들에 개시된 바와 같다.

이러한 파이프의 제작과정에서 파이프의 내면 또는 외면에서 용접 작업이 이루어지게 되는데, 이 중 외면의 용접과정은 용접비드가 파이프의 외면에 돌출된 형태가 되어 불량한 외관을 제공하기 때문에, 돌출된 용접비드를 그라인더 등에 의해 연마하는 번거로운 작업을 더 수행해야만 하고, 이러한 용접비드의 연마는 접합지점의 물리적 강성을 낮추게 된다.

따라서 최근에는 파이프의 내면에서 접합지점을 용접하는 파이프 내면 용접장치들이 소개되고 있으며, 이와 같은 파이프 내면 용접은 용접비드가 파이프의 외부로 노출되지 않기 때문에 외관불량을 초래하지 않고, 접합지점의 간격으로 용접비드가 돌출된다 해도 그 돌출된 높이가 미미하여, 이를 연마하여도 접합지점의 물리적 강성에는 거의 영향을 미치지 않는 이점이 있다.

한편 최근 용접 작업의 효율성을 고려하여 SAW(Submerged Arc Welding) 용접이 많이 이용되는 추세이며, 이러한 SAW 용접은 대상물 표면에 쌓아 올린 미세한 입상 플럭스 중에 용접와이어 전극을 꽂아 놓고 아크용접을 수행함에 따라 플럭스 내에 아크가 감추어져 외부에서 보이지 않으므로 서브머지드 아크(Submerged Arc)란 이름을 붙이는 것으로, 플럭스의 보호 작용으로 용접부에 큰 전류를 흘릴 수 있고, 차광이 불필요하고, 미려한 용접비드 외관을 제공할 수 있으며, 양질의 용접금속을 제공할 수 있고, 조작이 용이하며, 용빙이 큰 고능률의 용접 방법이라는 이점이 있다.

하지만 이러한 SAW 용접 장치를 이용한 파이프 내면 용접은, 직경이 큰 파이프의 내면 용접 시에만 적용이 국한되고, 상대적으로 직경이 작은 파이프(220~350mm)에 대해서는 그 적용이 불가한 단점이 있다.

본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 육성용접의 전후로 일정 온도로 파이프를 가열시키는 가열장치를 두어 예열 및 후열공정을 통해 용접효율을 높이는 구성을 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 용접을 수행하는 용접모듈에 이송대차 구성을 적용하고, 이송대차 구성을 통해 베드 내에서 자유롭게 이동하면서 원하는 위치에 용접을 수행할 수 있는 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 육성용접 이전의 예열 과정에서 육성용접의 대상이 되는 파이프의 표면과 내부를 검사하여 다른 부위와 두께가 다르거나 표면이 고르지 않은 취약부위를 도출하고, 취약부위마다 예열을 다르게 진행하여 고른 용접품질을 낼 수 있는 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 추가 목적은 용접 아크에 음파를 발생시켜 용접 속도를 제어할 수 있는 구성을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 금속분말 육성용접 장치는, 파이프를 로딩하여 예열영역으로 부터 용접영역을 거쳐 후열영역까지 순차적으로 이송하는 이송모듈을 구비한 베드; 상기 예열영역 및 상기 후열영역에 각각 설치되는 것으로서, 상기 파이프가 거치되는 서포터와, 상기 서포터의 양 측에서 상기 파이프의 외주면 일부를 둘러싸 상기 파이프를 가열하는 히터가 구비된 가열모듈; 상기 용접영역에 설치되는 것으로서, 예열된 상기 파이프를 회전 가능하게 파지하는 바이스; 상기 바이스에 파지된 상기 파이프 주변을 이동하는 이송대차를 통해 용접토치를 상기 파이프의 용접면에 접근시켜 육성용접을 수행하는 용접모듈; 상기 용접토치의 점화를 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더하여, 상기 용접모듈은, 플럭스, 충전재 금속 및 쉴드가스가 각각 보관되는 탱크를 구비하여 상기 용접토치를 매개로 상기 플럭스, 상기 충전재 금속 및 상기 쉴드가스 중 어느 하나를 상기 용접토치에 공급하는 용접자재 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 바이스는, 상기 용접면에 플럭스가 도포된 상기 파이프의 내경 및 도포된 플럭스의 두께를 각각 측정하는 센서들을 구비한 센서부를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 용접면에 도포되는 상기 플럭스의 두께 별 용착도 데이터가 저장된 플럭스 데이터베이스와, 상기 내경, 상기 두께 및 상기 용착도 데이터를 다음의 수학식 1에 적용하여 상기 바이스의 회전속도를 제어하는 회전 제어부를 구비한 바이스 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

수학식 1.

(여기서, F_s는 상기 바이스의 회전속도, T는 상기 용접면에 도포된 상기 플럭스의 두께, M은 상기 파이프의 두께, D는 상기 파이프의 내경, μ는 상기 플럭스의 용착도를 의미한다.)

추가로, 상기 히터는, 상기 파이프를 향한 면의 일 측에서 내부로 함입된 장착홈이 형성되고, 상기 장착홈의 주변에 열선이 구비된 제 1 플레이트와, 상기 장착홈에 승강가능하게 설치된 것으로서, 상기 파이프를 향한 면에 열선이 구비된 제 2 플레이트를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 제 2 플레이트의 승강구동을 제어하는 승강 구동모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 금속분말 육성용접 장치 및 육성용접 방법에 의하면,

1) 육성용접의 전후로 일정 온도로 파이프를 가열시키는 가열장치를 두어 예열 및 후열공정을 통해 용접효율을 높이는 구성을 제공하고,

2) 베드 내에서 자유롭게 이동하면서 원하는 위치에 용접을 수행할 수 있는 이송대차 구성을 제공하며,

3) 예열 시 취약부위를 찾아내 각 취약부위마다 예열을 다르게 진행함으로써 고른 용접품질을 낼 수 있도록 하는 구성을 제공할 수 있도록 하고,

4) 나아가 용접 아크에 음파를 발생시켜 용접 속도를 제어할 수 있는 구성을 제공하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 금속분말 육성용접 장치의 기본 구성을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 컨트롤러의 상세 구성을 도시한 분해 블록도.
도 3은 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 가열장치를 도시한 사시도 및 단면도.
도 4는 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 바이스 및 용접모듈의 구성을 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 용접토치의 일 실시예를 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 히터의 일 실시예를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 금속분말 육성용접 방법을 도시한 순서도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 금속분말 육성용접 장치의 기본 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 컨트롤러(500)의 상세 구성을 도시한 분해 블록도이다.

본 발명의 육성용접 장치는, 육성용접이 이루어지는 육성용접 장치의 기반을 이루는 베드(100)와, 이 베드(100)에 장착되는 것으로서, 용접대상의 육성용접 이전에 용접효율을 높일 수 있도록 용접대상을 일정 온도로 가열(예열)하거나 혹은 육성용접 이후 안정화를 위해 용접대상을 일정 온도로 가열(후열)하는 가열모듈(200), 예열된 용접대상을 본격적으로 용접을 진행하기 위해 장착하는 것으로서, 장착된 용접대상을 회전시킬 수 있는 구성을 갖춘 바이스(300), 바이스(300)에 파지된 파이프(10) 주변을 이동할 수 있도록 구성된 이송대차(401)에 실려져 이동하면서 용접대상의 내주면 또는 외주면에 충전재 금속을 육성용접 하는 용접 어셈블리 및 육성용접 공정 동안 용접대상을 예열장치로부터 바이스(300)를 거쳐 후열장치까지 이동시키는 이송모듈(600)의 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 용접대상은 판 형상 또는 관 형상을 갖는 것으로서 대표적인 것이 철판 또는 후육강관이라고 할 수 있다. 이 용접대상에 육성용접을 진행하는 방법을 간단하게 설명하면, 용접대상에서 용접이 될 용접면을 선정한 후, 이 용접면과 그 주변에 용접 시 아크 산화를 방지할 수 있도록 플럭스(11)를 얹은 상태에서 용접면에 충전재 금속을 대고 용접토치(410)를 통해 아크를 발생시켜 용접을 수행하는 것이다. 따라서 미리 도 3을 잠깐 참조하면, 도 3의 (a)와 (b)에 나타난 것처럼 용접대상의 종류에 따라 2가지 종류의 거치 구성을 다른 구성들이 선택적으로 갖출 수 있으며, 이는 거치되는 부분만을 교환하면 2 가지 용접대상이 모두 활용 가능한 것이기 때문에 전체적인 중요 구성에 대해서는 크게 달라지는 부분은 없다고 할 수 있다. 다만, 아무래도 관 형상을 갖는 파이프(10) 타입의 구조가 판 형상을 갖는 패널 타입의 구조보다 복잡한 구성을 갖추어야 하므로 후술되는 설명은 용접대상을 후육강관을 포함하는 ‘파이프(10)’로 한정한 상태에서 설명토록 하며, 이는 언급된 바와 같이 단순히 거치구성(서포터(230))을 파이프(10) 거치 용도에서 패널 거치용도로 치환하면 되는 것이기 때문에 필요에 따라 이러한 구조적 변경이 이루어질 수도 있다는 것을 인지해야 한다.

이러한 육성용접을 진행하기 위한 구성으로서, 가장 먼저 베드(100)는 육성용접을 위한 각 장치 및 어셈블리들이 설치될 수 있는 영역을 제공하는 것이다. 이 베드(100)는 하나 또는 여러 개의 베드(100)편으로 이루어진 것을 조합하여 형성 가능하며, 예열영역, 용접영역, 후열영역의 3가지 영역을 기본적으로 포함하고, 이 때 용접대상인 파이프(10)를 각각의 영역으로 순차적으로 이송시킬 수 있도록 이송모듈(600)이 더 구비된다. 추가로 베드(100)에는 도면에 도시되지는 않았지만 레일(미도시)과 같은 구성을 더 구비해 이송모듈(600)이 레일을 따라 베드(100) 상에서 이동하는 범위를 제한하는 구성을 갖추도록 할 수도 있음은 물론이다.

물론 베드(100)는 파이프(10)의 육성용접이 목적이기 때문에 바람직하게는 도 1과 같은 구성으로 베드(100)의 각 영역을 배치하는 것을 기본으로 하되, 필요에 따라 각 영역의 위치나 면적을 변경하여 구성할 수도 있음은 물론이다. 또한 이송모듈(600)의 경우, 이러한 순차적인 공정이 이루어지는 구성들에 있어 파이프(10)를 각 공정단계에 따라 별도의 크레인과 같은 장비를 통해 일일이 다음 단계의 장치나 어셈블리로 이동시킬 수도 있겠지만, 그 온도가 보통 200도씨를 넘는데다가 이러한 육성용접 공정을 위해 구비된 공간이 크레인과 같은 장비가 들어오기엔 비좁은 공간일 수 있으므로 베드(100)에 구비된 이송모듈(600)은 로봇암이나 컨베이어 벨트와 같은 구성으로 구비되는 것이 바람직할 것이다.

다음으로 예열영역과 후열영역에 각각 설치되는 가열모듈(200)은 실제 용접이 이루어지기 이전에 파이프(10)를 예열시키거나 혹은 용접이 이루어진 후 후열시키는 역할을 하는 것으로서, 이 중 예열과정은 용접 이전에 파이프(10)의 내주면 혹은 외주면에 플럭스(11)를 얹거나 혹은 용접 수행 시에 용접의 효율(냉각 속도를 늦추어 열영향부의 경도를 낮추면서 인성을 증가시키며, 용접에 의한 변형과 잔류응력을 저감시키며, 균열을 방지할 수 있다.)을 높일 수 있도록 하는 구성이라 할 수 있다.

나아가 후열과정은 육성용접이 종료된 파이프(10)를 일정한 온도를 가하면서 용접된 부위를 안정화시키는 것이다. 이러한 후열과정은 용접에 의해 구조적으로 약해진 용접부위와 그 주변을 가열하여 잔류응력을 제거하면서 응력집중을 완화시키며, 조직의 안정화, 함유 가스의 제거, 부식에 대한 성능 향상 및 피로 강도의 개선 등의 효과를 기대할 수 있게 되는 것이다. 따라서 후열영역에 장착된 가열모듈(200)의 경우 후열작업이 끝난 파이프(10)가 최종적으로 적재되는 배출부(미도시)의 구성이 더 포함될 수도 있음은 물론이다.

이러한 가열모듈(200)의 기본 구성은 파이프(10)가 거치되는 서포터(230)와, 서포터(230)의 양 측면에서 파이프(10)의 표면 일부를 둘러싸도록 장착되어(바람직하게는 파이프(10)의 외주면과 일정 간격 이격되도록 구성하는 것이 좋다.) 장착된 히팅 파이프(미도시)나 발열장치(미도시) 또는 열선(220)을 통해 파이프(10)를 가열하는 히터(210)를 포함한다.

여기서 서포터(230)는 단순한 거치대(221)의 역할을 하는 것 일수도 있지만, 바람직하게는 파이프(10)가 거치된 상태에서 회전되거나 혹은 전후로 이동할 수 있도록 베어링 등과 같은 이동구성(미도시)을 포함하는 것도 고려할 수 있으며, 승강이 자유롭도록 유압배관 등으로 구성될 수도 있음은 물론이다.

또한, 후술할 내용에서 보다 상세하게 설명하겠지만, 육성용접 장치의 전체 구동을 총괄하는 컨트롤러(500)의 구성이 더 포함될 수 있다. 이 컨트롤러(500)는 도면에 나타난 것처럼 별도의 중앙 처리식으로 구비될 수도 있으며, 컨트롤러(500)가 원격으로 구성될 수도 있기 때문에 꼭 이 장치 내부에 포함되어있을 필요는 없다. 또한, 컨트롤러(500)는 기본적으로 용접토치(410)의 점화(on/off)를 제어하게 되며, 그 외 컨트롤러와 관련한 상세한 구동은 하기할 내용에서 진행하도록 한다.

도 3은 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 가열장치를 도시한 사시도 및 단면도이다.

나아가 히터(210)는 도 3의 (a) 및 (b)에 나타난 것처럼, 단면으로 설명하면 파이프(10)를 사이에 두고 마치 ‘U’ 또는 ‘( )’와 같은 형상으로 파이프(10)로부터 일정 간격 이격된 형태로 히터(210)가 파이프(10)를 둘러싸 파이프(10)를 가열하게 되는 것이며, 경우에 따라서는 힌지(미도시) 등의 구성을 더하여 히터(210)가 상하로 회동되어 측면을 개방시키면서 파이프(10)의 용이한 로딩을 보조할 수도 있음은 물론이다. 또한 히터(210)의 두께는 후술하겠지만, 별도의 추가구성이 더 부착될 수 있거나 냉각이 필요할 수도 있으므로 충분히 두꺼운 두께를 갖출 수 있음은 물론이다.

도 4는 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 바이스(300) 및 용접모듈(400)의 구성을 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 용접토치(410)의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

다음으로 도 1에 도 4를 더 참조하여 설명하면, 예열영역의 가열모듈(200)을 거친 파이프(10)가 파지되는 바이스(300)는 용접영역에 설치되는 것으로서, 파이프(10)의 개방된 양 단부 중 어느 하나의 단부가 끼워져 고정되는 파지모듈(310)(이 파지모듈(310)의 형태는 끼움식으로 함입부가 형성되거나 클램프 형상 등 공지의 다양한 형상이 적용될 수 있음은 물론이다.)과, 이 파지모듈(310)을 회전시키는 구동모터(320)로 구성된다. 쉽게 생각하면 파이프(10)의 어느 한 단부가 끼워지되, 끼워진 상태로 파이프(10)를 회전시킬 수 있도록 구성한다. 나아가 파이프(10)가 너무 길면 파지모듈(310)에 파이프(10)가 끼워지더라도 무게를 이기지 못하고 파이프(10)가 빠져버릴 위험성도 있으므로, 바람직하게는 앞선 서포터(230)와 유사한 바이스 받침(340)의 구성을 더 포함시켜 파이프(10)를 지지할 수 있는 구성을 더 구비할 수도 있음은 물론이다.

도 3에서 나타나듯이 용접 어셈블리는, 아크 용접설비를 갖춘 상태로 파이프(10)의 내주면 또는 외주면에 위치하는 용접면에 아크 용접설비의 용접토치(410)를 접근시켜 아크를 발생하여 실질적으로 육성용접을 진행하는 것이다.

이 때 도 5와 같이, 용접토치(410)는 파이프(10)의 용접면에 접하여 아크를 생성하는 용접봉(411)과, 용접봉(411)의 외주면을 감싸 외피를 형성하는 스트립(412), 또한 이 스트립(412)으로 둘러싸인 용접봉(411)의 둘레를 다시 한 번 감싸 외관을 형성하는 구성을 포함할 수 있으되, 용접봉(411)의 단부는 용접을 위해 노출되어야 하므로 입구가 개방되어 용접봉(411)의 단부를 노출시켜 구성되고 이에 따라 입구와 연통되어 스트립(412)과의 사이에 유통공간이 형성된 토치 하우징(416)을 더 포함하여 구성된다. 즉, 스트립(412)은 용접봉(411)을 보호하는 역할을 하며, 토치 하우징(416)과 스트립(412) 사이의 유통공간은 후술할 용접자재 공급부(420)와의 연계구성 및 음파센서(415)와의 연계구성 등을 통해 활용될 수 있다.

이 용접 어셈블리는 이송대차(401)를 통해 바이스(300)에 파지된 파이프(10) 주변을 이동할 수 있는데, 이 때 이송대차(401)는 일정한 높이로 연장되거나 혹은 상하 승강이 가능한 샤프트(402) 등을 더 포함할 수 있다. 다만, 필수적으로는 이송대차(401)에서 신장 가능하게 장착되어 파이프(10)의 내부로 삽입되는 연장암(403)의 구성을 더 구비할 수 있다. 이 연장암(403)은 바람직하게는 복수개의 기둥이 인출 가능하게 결합된 안테나 구조를 가져 최대 길이까지 신장될 수 있는 것으로서, 이러한 특징에 따라 필요 시 파이프(10)의 내부로 삽입된 상태에서 길이를 조절하여 다양한 위치로 이동할 수 있는 구성이다. 이러한 연장암(403)의 끝단에 바로 토치 하우징(416)을 위치시키게 되며, 이 때 토치 하우징(416)의 용접봉(411)은 대부분 전력을 통해 아크를 발생시키게 되므로 이 이송대차(401) 주변에서 연장암(403)을 타고 용접봉(411)에 전원을 공급할 수 있는 전원 공급부(423) 구성도 포함되어야 할 것이다.

나아가 충전재 금속(바람직하게는 텅스텐 분말)과, 충전재 금속을 용접봉(411)에서 발생된 아크를 통해 용접면에 용접할 때에 용접중인 부위를 제외한 주변 부위가 아크에 영향을 받지 않도록 하는 불활성 가스인 쉴드가스(예를 들면 아르곤, 헬륨 등), 아크가 주변에 튀는 것을 방지하는 플럭스(11)(예를 들면 붕소, 은 등)가 각각 보관되는 탱크(421)가 구비되어 이 탱크(421)로부터 용접토치(410)의 유통공간에 충전재 금속, 쉴드가스, 플럭스(11) 중 어느 하나를 공급하는 용접자재 공급부(420)의 구성이 더 포함될 수 있다. 즉, 용접자재 공급부(420)는 바람직하게는 충전재 금속, 쉴드가스, 플럭스(11)의 배출을 각각 제어하는 탱크 밸브(404) 및 탱크 밸브(404)로부터 연장되어 유통공간으로 플럭스(11), 충전재 및 쉴드가스를 안내 공급하는 공급관(422)의 구성을 포함하는 것이라고 하겠다. 이러한 구성을 통해 플럭스(11)를 공급하여 용접면에 플럭스(11) 도포가 가능하고, 충전재 금속의 공급도 가능하며, 나아가 아크 발생 시 쉴드가스를 주변에 분무하여 주변부위의 영향을 최소화시킬 수도 있음은 물론이다. 물론 충전재 금속을 이 유통공간에 직접 공급하는 구성이 기본적이지만, 도면에 나타난 것처럼 유통공간이 아닌, 용접봉(411) 주변으로 바로 공급하는 구성으로 구성될 수도 있으며, 이는 용접의 편의를 위해 선택될 수 있는 구성이라고 하겠다.

다음으로 본격적으로 육성용접 과정을 살펴보면, 파이프(10)의 용접면에 플럭스(11)를 도포시킨 상태에서 바이스(300)에 파이프(10)가 장착되어 회전하게 되는데, 이 때 일정 속도로 회전시키면서 용접을 진행하는 용접모듈(400)을 통해 아크 발생을 조절하거나 충전재 금속의 공급량을 조절하면서 육성용접을 수행하는 방법도 있겠지만, 일반적으로 이러한 경우의 문제는 파이프(10)의 표면이 고르지 않은 경우가 많고 파이프(10)에 파임 등이 발생한 경우에도 육성용접을 진행하므로 회전 시 이러한 이상상황들에 대응하면서 용접을 자동으로 진행하는 것은 매우 어렵다고 할 수 있다.

또한 기본적으로 플럭스(11)는 용접면에 도포된 이후 일정 시간(약 30분 내지 1시간 정도)동안 굳히는 작업이 필요한데, 작업량이 많아지면 이러한 시간을 단축하여 진행하거나 혹은 고르지 않게 플럭스(11)가 도포된 상태에서 작업을 수행하는 경우도 발생할 수 있다. 따라서 이러한 공급량의 제어보다 먼저 필요한 것은 실제로 파이프(10)에 도포된 플럭스(11)의 상태를 확인하여, 플럭스(11)의 특성에 따라 용접을 진행할 수 있도록 바이스(300)의 회전을 제어하는 것이라 하겠다. 그런데 바이스(300)는 기본적으로 파이프(10)의 단부가 끼워져 파지되는 구성이므로 파지된 파이프(10)의 내경을 측정하는 길이센서나 도포된 플럭스(11)의 두께를 측정하는 두께센서와 같은 기능을 수행하는 센서들의 집합인 센서부(311)의 구성이 포함되기 용이하다. 즉, 파이프(10)가 끼워지면서 끼워지는 부위를 통해 다양한 길이나 두께 측정이 가능하기 때문이다.

나아가 컨트롤러(500)에는 이러한 센서부(311)를 활용하는 구성으로서, 바이스 제어모듈(510)의 구성이 더 포함될 수 있다. 이 바이스 제어모듈(510)은, 용접면에 도포되는 플럭스(11)의 두께 별 용착도 데이터가 저장된 플럭스 데이터베이(511)스를 더 구비시키고 나아가 센서부(311)에서 판단된 내경, 두께, 용착도 데이터를 통해 바이스(300)의 회전속도를 제어하는 회전 제어부(512)를 더 적용하는 것이다. 따라서 회전 제어에 플럭스(11)가 고려되어 어느 정도의 속도로 회전시키면서 용접을 수행하였을 때, 주변 영향을 최소화할 수 있는지, 혹은 효율적으로 용접을 수행할 수 있는지 연산할 수 있게 되는 것이다.

이 때, 바람직하게는 바이스(300)의 회전속도 제어는 다음의 수학식 1을 통해 수행될 수 있다.

수학식 1.

여기서, F_s는 바이스(300)의 회전속도, T는 용접면에 도포된 플럭스(11)의 두께, M은 파이프(10)의 두께, D는 파이프(10)의 내경, μ는 플럭스(11) 고유의 용착도를 의미한다.

이 수식은 기존의 회전속도 제어 시 활용되던 파이프(10) 두께와 내경을 활용한 적정 회전속도를 구하는 식에서 발전된 것으로서, 일반적으로 파이프(10)만 활용되는 경우에는 별도의 두께 변화나 표면 특성 변화가 없어 적용되지 않았던 요소인 플럭스(11)의 두께와 이에 따른 용착도를 더 적용하여 회전속도를 구할 수 있도록 한 것이다. 즉, 플럭스(11)의 두께와 파이프(10)의 두께를 곱한 합을 통해 파이프(10)의 두께에 따라 용접시 필요한 혹은 견딜 수 있는 한계값이 달라지며, 여기에 추가로 플럭스(11)의 두께까지 고려되어 용접 시 외적으로 필요한 특성을 고려한 것이며, 파이프(10)라는 특성 상 라운드지게 말려 존재하므로 원기둥의 특징인 4/π가 곱해진다. 나아가 플럭스(11) 자체의 용착도는 플럭스 데이터베이스(511)에 저장된 것으로서, 도포되는 플럭스(11)의 고유의 특성이자 플럭스(11)가 도포된 두께에 따라 다른 용착도 값을 갖는다. 즉, 플럭스(11)는 육성용접 수행 시 발생하는 아크의 영향을 방지하는 기능을 기본으로 갖되, 도포된 두께에 따라 그 특성값의 발현이 달라질 수 있기 때문에 이러한 시너지를 고려하여야 한다. 이러한 시너지값인 용착도는 용접속도와 용착률을 동시에 고려하여 0부터 1 사이의 값으로 분류하여 나타낼 수 있다. 즉, 용접속도가 더 빨라지고 용착률이 증가할수록 0과 가까운 값으로 용착도를 부여하는 것이다. 이에 따라 회전속도 제어 시 기존의 단순 파이프(10) 외형만을 고려한 제어와 달리 플럭스(11)의 도포된 두께와 밀도, 이에 따른 용착도를 추가로 고려하여 적합한 용접속도를 낼 수 있도록 회전속도를 도출할 수 있는 것이며, 나아가 과도한 회전에 의한 플럭스(11)의 쏠림이나 벗겨짐 등의 현상으로 플럭스(11)가 제 기능을 수행하지 못하게 되는 문제를 방지할 수 있게 되는 것이다.

여기서 회전속도와 같은 파라미터는 공지된 기술에서 일반적인 센서장비 등을 통해 측정될 수 있는 값이나 방법이 공개되어 있는 것이기 때문에 별도로 청구항에 나타내지 않았지만, 이러한 회전속도와 같은 정보를 측정하기 위해 각각 별도의 회전감지 센서(미도시) 등 이 포함된 측정모듈(미도시)을 컨트롤러(500) 또는 베드(100)의 적재적소마다 더 구비할 수 있음은 물론이다.

잠시 도 3의 (a)를 참조하면서 가열모듈(200)로 돌아가면, 파이프(10)를 육성용접 하는 경우, 파이프(10)의 외주면 뿐만 아니라 내주면에 육성용접을 진행하는 경우가 많기 때문에 내주면에 직접 예열 및 후열이 가능한 구성을 더 갖추는 것이 필요하다. 물론 파이프(10)의 겉을 가열하여 예열이나 후열을 진행하더라도 그 온도가 충분히 높기 때문에 일정 시간 이상 가열하게 되면 큰 차이는 없지만, 보다 빠른 작업을 위해서는 파이프(10)의 내부로 삽입되는 서브히터(222)가 더 구비될 수도 있다. 이 서브히터(222)는 파이프(10)의 입구로부터 출구를 관통하도록 삽입 장착되는 것이되, 양 단이 입구와 출구에서 각각 더 돌출된다. 즉 길이가 파이프(10)의 길이보다 긴 것이다. 따라서 파이프(10)의 외부로 돌출된 서브히터(222)의 양 단이 끼워지는 결합홈(미도시)을 구비하여 베드(100)에 서브히터(222)를 고정시키는 거치대(221)의 구성이 더 포함될 수 있다. 물론 이 거치대(221)는 베드(100)로부터 서브 히터(210)를 일정 높이 이격시킨 상태로 서브히터(222)를 지지하는 것이 바람직하며, 이러한 구성을 통해 파이프(10)의 내부에 삽입되어 파이프(10) 내주면을 예열/후열시킬 수 있음은 물론이다.

이러한 히터(210) 및 서브히터(222)는 일정 시간동안 예열 또는 후열 과정을 거치게 되는데, 이 때 파이프(10)의 관측이 가능하여 파이프(10)의 표면에 열을 가하는 정도를 제어함으로써 표면이 고르지 못한 부위에 더욱 많은 열을 가해 전체적으로 동일한 효율을 낼 수 있는 전처리가 가능하다.

도 6은 본 발명의 금속분말 육성용접 장치에서 히터(210)의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

이를 위해 히터(210)(및 서브 히터(210)에도 적용 가능함은 물론이다.)에는 파이프(10)를 향한 면의 일 측이자 바람직하게는 히터(210)의 내주면의 중앙부위에서 내측으로 함입된 것으로서, 함입된 내주면을 따라 나사산이 형성된 장착홈(227)과, 장착홈(227)의 주변에 구비된 열선(220)을 포함하는 제 1 플레이트(223)와, 제 1 플레이트(223)에 형성된 장착홈(227)에 승강 가능하게 삽입되는 것으로서, 외주면에 나사산이 형성되어 나사산 결합되고, 역시 파이프(10)를 향한 면에 열선(220)이 구비된 제 2 플레이트(224) 및, 이 장착홈(227)의 바닥면에 회전 가능하게 장착된 상태에서 제 2 플레이트(224)의 저면에 결합되어 제 2 플레이트(224)를 지지하는 회전샤프트(226)와, 회전샤프트(226)에 회전력을 제공하는 구동모터(320)를 포함하여 구성함으로써 제 2 플레이트(224)가 제 1 플레이트(223)로부터 승강이 가능해 앞서 설명한 바와 같이 특정 부위에 더 많은 열을 가할 필요가 있는 경우 제 2 플레이트(224)를 인출하여 해당 부위에 더욱 가깝게 대어줌으로써 가열효과를 높일 수 있다. 또한 장착홈(227)은 꼭 중앙부위에 구비될 필요는 없되, 중앙부위에 구비되면 위치를 특정하여 파이프(10)의 표면에 닿을 수 있어 구성의 활용이 쉬워지게 되는 것이며 얼마든지 그 형성위치를 제 1 플레이트(223) 상에서 선택 가능함은 물론이다.

물론 이러한 제 2 플레이트(224)의 승강을 제어하기 위해 컨트롤러(500)에는 구동모터(320)의 구동을 제어하여 제 2 플레이트(224)의 승강구동을 제어하는 승강 구동모듈의 구성을 더 포함시킴으로써 자동으로 제 2 플레이트(224)가 승강될 수 있는 구성을 갖추게 된다. 다만, 이러한 구성만으로는 일정 시간이나 패턴마다 제 2 플레이트(224)를 승강하는 제어만 할 수 있으므로, 보다 상세한 자동제어구성을 위해서는 다음의 구성이 더 필요하다 하겠다.

제 1 플레이트(223)의 주변이자 바람직하게는 제 1 플레이트(223)의 외주면(히터(210)의 외주면)에서 히터(210)와 떨어진 부위 또는 도면에 표시된 것처럼 별도로 장착된 로봇암 등의 지지대(601)를 매개로 장착되어 파이프(10)의 표면을 향해 초음파를 발생하는 초음파 발생부(244)와, 파이프(10)의 표면에 초음파가 부딪혀 반사된 반사파를 감지하는 반사파 감지부(245)를 구비한 초음파 센서(241)의 구성이 더 포함될 수 있다. 나아가 추가적인 센서로서 제 1 플레이트(223) 주변이자 초음파 센서(241)와 유사한 방법으로 구비되어 파이프(10)의 표면을 촬영하는 이미지 센서(246)를 더 포함할 수 있다.

특히 이러한 초음파 센서(241) 및 이미지 센서(246)는 히터(210) 주변에 설치되므로 어느 정도 열을 버틸 수 있는 구성을 갖추어야 하겠지만, 이 초음파 센서(241)의 위치는 실질적으로 열을 발생하는 부위와는 이격된 부위에 위치하기 때문에 열의 영향을 충분히 피할 수 있는 구성이라 하겠다. 물론 필요한 경우 두 센서 모두 별도의 방열구성을 추가해 열에 의한 센서의 고장이나 오작동을 방지할 수 있음은 물론이다. 또한 초음파는 일반적으로 알려진 바와 같이 인간의 가청범위를 넘어서는 주파수인 20000Hz 이상의 범위의 파장(일반적으로 20000~150000Hz 정도의 대역)을 갖는 음파를 의미한다.

이에 따라 파이프(10)의 표면이자 바람직하게는 용접면을 촬영한 이미지를 분석하되, 이미지에서 이미지 화소의 색상변화를 기준으로 파이프(10)의 표면의 상태를 파악하고 표면 취약부위의 위치를 판단할 수 있다. 즉 일반적으로 파이프(10) 표면에 문제가 없으면 동일한 색상이 계속해서 나타나겠지만, 파이프(10)가 파이거나 돌출된 경우에는 다른 색상이 관측되게 된다. 또한 초음파 센서(241)의 경우, 파이프(10)의 표면이자 용접면을 향해 초음파를 발생시켜 돌아오는 반사파의 세기인 진폭을 분석하면 표면의 고른 정도를 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 반사파의 파장(주파수 대역)이 변하는 것으로 내부의 구조나 밀도가 다른 것도 확인 가능하다.

따라서 컨트롤러(500)의 승강 구동모듈(520)에는 파이프(10)의 두께, 강도별로 측정된 반사파의 진폭이나 주파수 대역 데이터가 저장된 파이프 데이터베이스(251)를 추가로 구비하여 측정된 반사파를 분석할 수 있도록 하고, 이미지 센서(246)에서 촬영된 이미지를 기반으로 파이프(10)의 표면 취약부위를 판단하는 이미지 판단부(522) 및, 반사파의 진폭 및 주파수 대역을 통해 파이프(10)의 내부 취약부위를 판단하는 상태 판단부(523)를 더 구비함으로써 파이프(10)의 내 외적인 취약부위를 판단할 수 있게 되는 것이다. 물론, 상태 판단부(523)에서는 파이프 데이터베이스(521)에 저장된 데이터와 비교하는 과정을 더 포함시켜 더욱 정확한 결과를 도출할 수도 있음은 물론이다. 나아가 파악된 내부 취약부위의 존재 여부에 따라 제 2 플레이트(224)의 승강을 제어하여 제 2 플레이트(224)와 파이프(10)의 간격을 조절하는 간격 제어부(524) 및 표면 취약부위의 존재 여부에 따라 제 2 플레이트(224)의 승강을 제어하는 집중 제어부(525)의 구성을 더 포함시켜 이러한 취약부위마다 제 2 플레이트(224)를 취약부위에 가까이 위치시키거나 혹은 멀리 위치시켜 열을 가하는 정도를 달리하여(예를 들어 두꺼운 부위라면 더 강한 열을 가해야 할 것이며, 얇은 부위라면 약한 열을 가하는 것이다.) 해당 부위에서 용접 수행 시에도 다른 부위와 동일한 용접효율을 낼 수 있도록 하는 구성을 갖추게 된다.

이 때, 바람직하게는 다음의 수학식 2를 사용하여 파이프(10)의 내부 취약부위를 도출할 수 있다.

수학식 2.

여기서, W(a,b)는 반사파가 생성된 전체 파이프(10)의 표면 중 취약부위가 포함된 좌표, E_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 반사된 반사파의 진폭, O_i는 기준좌표(x_i,y_i)에서 반사된 반사파의 진폭, Q_i는 발생된 초음파와 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 측정된 반사파의 주파수 대역 차, E_oO_o는 이미지 화소의 색상변화가 나타난 좌표에서 반사된 반사파의 진폭, T는 상기 반사파 감지부의 해상도에 따라 측정될 수 있는 전체 스팟의 수, d_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 히터(210) 표면과의 이격 거리, R은 히터(210)의 면적, τ는 파이프(10)의 온도변화 상수, F는 히터(210)의 표면 온도, Z는 파이프(10)의 난반사 가중치, θ_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 히터(210)의 평균 열 입사각을 나타낸다.

이 수학식은 사물이 위치하는 좌표를 프로그램 상에서 직접 찾아낼 수 있도록 하는 패턴매칭 방식을 활용한 것이다. 즉, 반사파를 감지하는 반사파 감지부는 특정한 해상도를 가질 수 있으며, 이는 일반적으로 xy축의 좌표로 나타낼 수 있다. 또한 W(a,b)가 지정되는 좌표는 다시 말해 전체 파이프(10)의 표면(실질적으로는 용접면)을 측정하였을 때 특정 기준점을 기준으로 파이프(10)의 표면을 넓은 표면으로 구현할 수 있으며, 이것에서 도출할 수 있는 좌표를 의미하고, 나머지 좌표들은 이에 대응되어 지정할 수 있는 좌표라고 할 수 있다.

상기한 식은 일종의 패턴매칭 방법으로서, 대상물의 패턴을 측정하여 패턴유사도를 측정하는 것이다. 수학식 2의 하단에는 반사파의 세기와 반사파 감지부의 해상도에 따라 측정될 수 있는 전체 스팟의 수의 평균을 곱한 것을 나타내었으며, 상단에는 이러한 반사파의 세기에 따라 반사파의 세기가 변하는 위치를 추적할 수 있도록 한 것을 나타내었다.

이러한 패턴매칭 방식은 이미지에서 많이 활용되는 것으로서, 이미지에서 활용되는 패턴매칭의 경우, 단순하게 2진좌표 영상에서 밝기 변화를 찾는 Blob analysis 방법이나 자동으로 일정한 색상의 폭이 나타나는 것을 찾는 Caliper Tool 방법보다 더욱 효과적으로 주변 사물을 확인할 수 있게 된다. 즉, Blob analysis 방법의 경우 단순하게 밝기의 변화가 존재하는 모든 영역을 찾기 때문에 여러 가지 색상이 존재하는 기계 구성에서 활용하는데 문제가 있고, Caliper Tool 방법 역시도 길이의 변화가 존재하는 모든 영역을 찾기 때문에 동일한 문제가 발생한다. 그러나 이 패턴매칭 방법은 위와 같은 Blob analysis 및 Caliper Tool 방법을 모두 아우를 뿐더러 값이 변화될 때 이것을 제한할 수 있는 옵셋의 기능을 하는 기준값을 적용할 수 있어 특정 기준을 적용하여 이 기준에 해당하는 값만을 겨냥하여 도출할 수 있다는 장점을 가져 다른 방법보다 빠른 속도와 정확도를 가질 수 있게 되는 것이다. 따라서 이러한 패턴매칭을 동일하게 반사파 감지에 활용하여 더욱 빠른 속도와 정확도로 이러한 문제영역을 찾을 수 있게 되는 것이다.

즉, 기준이 되는 지점인 기준좌표를 지정하고(보통 반사파 진폭의 평균값을 갖는 지점을 자동으로 지정하도록 한다.) 이 기준좌표를 기준으로 하여 반사파 감지부의 해상도에 따라 각 스팟에서 파악되는 진폭을 구하되, 앞선 이미지 센서(246)에서 이미 외부 취약부위를 도출했기 때문에 도출된 외부 취약부위는 이미 제 2 플레이트(224)의 승강제어가 지정되어 있으므로, 추가적으로 이를 고려할 필요는 없다. 따라서 이 제 2 플레이트(224)에서 외부 취약부위로 지정된 좌표에서 측정된 반사파의 진폭을 빼주게 되면 이 부분의 값이 0이 되어 결과적으로 값이 0으로 도출되기 때문에 해당 좌표를 제거할 수 있게 된다.

나아가 본 수학식 2에는 추가적으로 히터(210)를 고려하였다. 이 히터(210)는 파이프(10)의 표면에 열을 가하고 있는데, 파이프(10)의 표면에 열이 가해지면 파이프(10)에 부딪힌 초음파가 반사될 때 그 반사파에 영향을 미치게 된다. 따라서, 파이프(10) 주변에 위치한 히터(210)의 영향도를 적용하기 위해 히터(210)에서 가해지는 온도와 히터(210)와의 거리 및 열 입사각을 더 적용함으로써 이러한 영향에 의해 반사파의 스펙이 변경될 수 있는 영역을 더 고려할 수 있도록 한 것이다. (여기서 중요한 점은 제 1 플레이트(223)와 파이프(10)의 거리는 변하지 않는 것이되, 초음파가 해상도를 갖는 것은 다시 말해 수직으로만 진행되지는 않고 일정 면적만큼 퍼질 수 있는 특성을 가지고 있으므로, d_i의 값은 앞선 제 1 플레이트(223)와 파이프(10)의 거리에서 일정 수준 변경되는 것을 고려해야 한다. 이것은 파이프(10)의 열 입사각과도 연관이 있으며, 동일한 기준을 두어 각도의 변경을 이해할 수 있다.) 물론 이러한 열이 가해지더라도 파이프(10) 자체의 특성에 의해서도 열에 의해 변화를 받아들이는 기준이 달라지게 되므로, 앞서 파이프 데이터베이스(521)에 저장된 정보를 통해 파이프(10)의 구성성분과 두께 등을 기반으로 하는 파이프(10)의 온도변화 상수를 더 적용하여 구해질 수 있다. 이 온도변화 상수는 일종의 복사상수로서, 물질의 특성에 따라 공개된 공지의 값을 활용할 수 있음은 물론이다.

여기서도 마찬가지로 히터(210)의 면적, 히터(210)의 표면온도, 열 입사각과 같은 파라미터는 공지된 기술에서 일반적인 센서장비 등을 통해 측정될 수 있는 값이나 방법이 공개되어 있는 것이기 때문에 별도로 청구항에 나타내지 않았지만, 이러한 히터(210)의 면적, 히터(210)의 표면온도, 열 입사각과 같은 정보를 측정하기 위해 각각 별도의 히터 감지 센서(미도시) 등 이 포함된 히터 측정모듈(미도시)을 컨트롤러(500) 또는 베드(100)의 적재 적소마다 더 구비할 수 있음은 물론이다.

다시, 도 4의 용접토치(410) 구성으로 돌아가 육성용접 과정에서 활용될 수 있는 보다 상세한 구성을 살펴보도록 한다.

충전재 금속은 텅스텐 분말로 한정하되, 용접모듈(400)에서 바람직하게는 스트립(412)의 개방부 측에는 육성용접 시 아크가 발생하면서 공기 중에서 변화되는 쉴드가스의 농도를 측정하는 가스센서(414)와, 아크에 음파를 발생시켜 텅스텐 분말이 반응하면서 반응 양에 따라 변동하는 공명 주파수를 측정하는 음파센서(415)가 더 포함될 수 있다. 두 센서는 서로 간섭되지 않기 때문에 가깝게 붙여 위치하더라도 사용이 가능하므로, 장착된 순서나 구성 등에 크게 영향받지 않는다.

다시 말해 충전재 금속인 텅스텐 분말을 공급하면서 아크를 발생시키게 되면, 텅스텐 분말이 열을 받아 성질이 변하게 되는데, 이 때 대부분의 물질이 그러하듯 텅스텐 분말도 가열되면서 특정한 파장을 내뿜게 된다. 따라서 이 텅스텐 분말이 반응중인 부위에 음파를 발생시키게 되면, 음파는 상기한 파장에 영향을 받게 되며, 이를 활용하여 변화하는 양에 따라 대응되는 공명 주파수를 측정할 수 있다. 여기서 음파라고 함은 앞선 초음파 센서와 달리 가청주파수 범위를 포함할 수 있는 것으로서, 보통 10 내지 150000Hz사이의 파장을 갖는 음파를 사용하는 센서를 의미한다.

이를 역으로 이용하면 공명 주파수에 해당하는 주파수 또는 그와 유사한 주파수를 갖는 음파를 텅스텐 분말이 반응중인 부위로 보내면 그 반응속도를 빠르게 또는 느리게 제어할 수 있는 것이다. 물론 이러한 경우에 반응속도가 달라지면 주변 산소 소모량도 변화하여 쉴드가스의 농도가 기존과 달리 변화하므로 이에 대응되어 쉴드가스의 제공을 제어하는 구성도 필요하다.

따라서 컨트롤러(500)는 기존 음파의 주파수와 측정된 상기 공명 주파수를 비교한 차이의 고저에 따라 쉴드가스의 공급량을 제어하는 가스공급 제어부(531)와, 음파센서(415)에서 발생되는 음파를 공명 주파수로 변환하여 출력되도록 하는 음파 제어부(532)를 구비한 용접 제어모듈(530)을 더 포함하여 구성될 수 있으며, 이는 쉽게 설명하면 음파를 공명 주파수로 변경하여 제공함으로써 반응속도를 빠르게 혹은 느리게 제어(보통은 반응속도가 빨라진다.)할 수 있을뿐더러, 이러한 제어 시 주변 산소의 소모속도가 변경되므로 쉴드가스의 농도가 예측한 수준과 달라지기 때문에 적절한 쉴드가스의 농도 유지를 위해 공명 주파수의 차이에 따라 쉴드가스의 배출정도를 달리하여 농도를 유지하는 구성을 갖추도록 한다. 이 쉴드가스는 불활성 가스로서, 너무 많으면 아크 반응이 제대로 일어나지 않고, 반대로 너무 적으면 주변에 아크가 영향을 미치는 것을 방지할 수 없기 때문에 항상 일정 수준의 농도를 유지하고 있어야 하는 것이기 때문이다.

여기서 가스공급 제어부(531)는, 바람직하게는 다음의 수학식 3을 사용하여 쉴드가스의 공급량을 제어할 수 있다.

수학식 3.

여기서, K는 쉴드가스의 공급량, k는 용접 시 산소 소모량, D는 텅스텐 분말의 배출량, D₀은 초기 텅스텐 분말의 배출량, P는 아크 연소 상수, C는 쉴드가스의 농도, t는 시간, A는 시간별로 측정된 공명 주파수를 나타낸다. 이 식은 용접공정에 있어 산소 소모량, 충전재 금속의 배출량(공급량) 및 쉴드가스의 농도만을 고려하던 기존의 쉴드가스의 공급량을 조절식에서 한 단계 나아가 아크 연소에 따른 상수와 공명 주파수를 더 고려하도록 구성된 것이다. 즉, 기존의 식은 텅스텐 분말의 배출량과 쉴드가스의 농도에 따라 그 배출량을 단순 연산하는데 그쳤다면, 이 식은 기존의 것에서 더 나아가 용접 시 아크 연소에 따른 상수를 고려하여 연소 속도나 연소 량을 고려하고, 나아가 이 경우에 음파를 공명 주파수로 변경하여 그 반응속도를 제어하도록 한 것이다. 또한 공명 주파수 값의 변화에 따라 그 최종 값이 달라지게 되어 결론적으로는 반응속도가 빨라지거나 느려지는 것에 복합적으로 대응되어 쉴드가스의 공급을 제어하도록 구성할 수 있는 것이다.

물론 여기에서도 공지된 일반적인 기술이기 때문에 특별히 따로 기재되지는 않았지만 초기 텅스텐 분말의 배출량이나 텅스텐 분말의 배출량을 측정하기 위해 배출되는 텅스텐 분말의 양을 측정하는 토출 감지센서(미도시)와 같은 구성이 더 구비될 수도 있음은 물론이다.

따라서 기존의 단순 공급량 제어와는 달리, 변화하는 반응속도에 대응되어 쉴드가스를 제공하게 되므로 쉴드가스 농도 변화에 따른 용접 효율 문제를 해결할 수 있는 중요한 포인트라고 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 금속분말 육성용접 방법을 도시한 순서도이다.

즉, 이러한 금속분말 육성용접의 구성을 통해 기존의 육성용접보다 효율적이고 빠른 육성용접이 가능하게 되는 것이다. 이러한 구성을 다시 한 번 정리할 수 있도록 전체적인 육성용접 순서에 따라 정리하면 다음과 같다.

가장 먼저, 파이프(10)를 200 내지 300℃의 온도로 예열하는 예열공정인 제 1-1 단계(S01-1)를 진행하되, 이 예열은 최소 1시간부터 10시간 사이의 시간동안 진행한다. 다만, 경우에 따라 열이 제대로 전달되지 않는 자재로 구성된 파이프(10)나 두꺼운 파이프(10)를 예열하는 경우에는 더 긴 시간동안 예열을 진행할 수도 있음은 물론이다. 예열중인 파이프(10)의 용접면을 촬영하여 촬영된 이미지 화소의 색상변화를 기반으로 상기 파이프(10)의 표면 취약부위 존재 및 위치를 판단하는 제 1 단계(S01)를 거치고, 나아가 다시 용접면에 초음파를 발생시켜 발생된 반사파의 도달 시간, 강도 및 분포에 따라 앞선 수학식 1(청구항에서는 수학식 4도 동일하다.)을 사용하여 내부 취약부위를 도출하고 내부 취약부위의 존재 여부에 따라 가열정도를 달리하는 제 2 단계(S02)의 과정을 거친다. 이후 예열된 파이프(10)를 바이스(300)에 고정하고 용접면에 붕소, 은, 알루미늄, 구리를 포함하는 플럭스(11) 군에서 선택된 1 종의 플럭스(11)를 도포하여 박막을 형성하며(이것은 제 1-2 단계(S01-1)에 대응된다.), 고정된 파이프(10)의 용접면에 용접토치(410)를 위치시킨 상태에서 텅스텐 분말과 아르곤, 헬륨, 네온, 제논을 포함하는 불활성 가스 군에서 선택된 쉴드가스를 공급하면서 육성용접을 진행하는 제 3 단계(S03)를 거친다.

여기서 쉴드가스에 대해 좀 더 언급하자면, 쉴드가스는 일반적으로 아르곤을 활용하되, 경우에 따라 아르곤과 헬륨을 9대 1 혹은 8대 2정도로 혼합해 활용하는 경우도 있으며, 네온과 제논은 불활성도가 높지만 가격이 높아 일반적으로 활용되지는 못하고 보다 높은 정확도나 효율을 갖추기를 요구하는 때에만 아르곤과 섞어 활용되는 경우가 있다.

다음으로 용접모듈(400)에 구비된 음파센서(415)를 통해 용접토치(410)에서 발생되는 아크에 음파를 발생시켜 공명 주파수를 측정하는 제 4 단계(S04)와, 용접모듈(400)에 구비된 가스센서(414)를 통해 아크 발생에 따라 변화되는 쉴드가스의 농도를 측정하는 제 5 단계(S05)를 거치게 되면, 측정된 공명 주파수와 쉴드가스의 농도를 활용해 앞선 수학식 3(청구항에서는 수학식 5도 동일하다.)을 적용하여 쉴드가스의 공급량을 제어하는 제 6단계(S06)를 진행할 수 있게 된다. 즉, 이 제 4 단계(S04) 부터 제 6 단계(S06) 까지는 반응속도를 달리하면서도 주변에 반응속도 변화에 따른 영향이 없도록 하는 육성용접의 효율과 관련된 단계라고 하겠다. 이러한 제 6 단계(S06)를 거친 후 마지막으로 용접이 종료된 파이프(10)에서 플럭스(11)를 제거시키고, 200 내지 300℃의 온도로 후열하는 제 7 단계(S07)를 진행하게 하게 되며, 이 제 7 단계(S07)은 제 1-1 단계(S01-1)와 마찬가지로 1 내지 10시간 동안 진행하되 파이프의 종류에 따라 더욱 연장된 시간동안 후열을 진행할 수도 있음은 물론이다. 이러한 과정을 통해 상기한 텅스텐 육성용접 구성들을 활용해 기존의 육성용접 방식보다 정확하고 빠르며 고 효율의 육성용접을 진행할 수 있게 되는 것이다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속분말 육성용접 장치 및 육성용접 방법의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

10: 파이프 11: 플럭스
100: 베드 200: 가열모듈
210: 히터 220: 열선
221: 거치대 222: 서브히터
223: 제 1 플레이트 224: 제 2 플레이트
225: 모터 226: 회전샤프트
227: 장착홈 230: 서포터
241: 초음파 센서 244: 초음파 발생부
245: 반사파 감지부 246: 이미지 센서
300: 바이스 310: 파지모듈
311: 센서부 320: 모터
340: 바이스 받침 400: 용접모듈
401: 이송대차 402: 샤프트
403: 연장암 404: 탱크밸브
410: 용접토치 411: 용접봉
412: 스트립 414: 가스센서
415: 음파센서 416: 토치 하우징
420: 용접자재 공급부 421: 탱크
422: 공급관 423: 전원 공급부
500: 컨트롤러 510: 바이스 제어모듈
511: 플럭스 데이터베이스 512: 회전 제어부
520: 승강 구동모듈 521: 파이프 데이터베이스
522: 이미지 판단부 523: 상태 판단부
524: 간격 제어부 525: 집중 제어부
530: 용접 제어모듈 531: 가스공급 제어부
532: 음파 제어부 600: 이송모듈
601: 지지대

Claims

금속분말 육성용접 장치로서,
파이프를 로딩하여 예열영역으로 부터 용접영역을 거쳐 후열영역까지 순차적으로 이송하는 이송모듈을 구비한 베드;
상기 예열영역 및 상기 후열영역에 각각 설치되는 것으로서, 상기 파이프가 거치되는 서포터와, 상기 서포터의 양 측에서 상기 파이프의 외주면 일부를 둘러싸 상기 파이프를 가열하는 히터가 구비된 가열모듈;
상기 용접영역에 설치되는 것으로서, 예열된 상기 파이프를 회전 가능하게 파지하는 바이스;
상기 바이스에 파지된 상기 파이프 주변을 이동하는 이송대차를 통해 용접토치를 상기 파이프의 용접면에 접근시켜 육성용접을 수행하는 것으로서, 텅스텐 분말로 이루어진 충전재 금속 및 플럭스, 쉴드가스가 각각 보관되는 탱크를 구비하여 상기 용접토치를 매개로 상기 플럭스, 상기 충전재 금속 및 상기 쉴드가스 중 어느 하나를 상기 용접토치에 공급하는 용접자재 공급부와, 상기 용접면에 음파를 발생시켜 상기 텅스텐 분말이 반응하면서 반응 양에 따라 변동하는 공명 주파수를 측정하는 음파센서를 구비한 용접모듈;
상기 용접토치의 점화를 제어하는 것으로, 상기 공명 주파수의 고저에 따라 상기 쉴드가스의 공급량을 제어하는 가스공급 제어부와, 상기 음파센서에서 발생되는 음파를 상기 공명 주파수로 변환 출력하는 음파 제어부로 이루어진 용접 제어모듈을 구비한 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 바이스는,
상기 용접면에 플럭스가 도포된 상기 파이프의 내경 및 도포된 플럭스의 두께를 각각 측정하는 센서들을 구비한 센서부를 더 포함하고,
상기 컨트롤러는,
상기 용접면에 도포되는 상기 플럭스의 두께 별 용착도 데이터가 저장된 플럭스 데이터베이스와,
상기 내경, 상기 두께 및 상기 용착도 데이터를 다음의 수학식 1에 적용하여 상기 바이스의 회전속도를 제어하는 회전 제어부를 구비한 바이스 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 장치.
수학식 1.

(여기서, F_s는 상기 바이스의 회전속도, T는 상기 용접면에 도포된 상기 플럭스의 두께, M은 상기 파이프의 두께, D는 상기 파이프의 내경, μ는 상기 플럭스의 용착도를 의미한다.)
제 1항에 있어서,
상기 히터는,
상기 파이프를 향한 면의 일 측에서 내부로 함입된 장착홈이 형성되고, 상기 장착홈의 주변에 열선이 구비된 제 1 플레이트와,
상기 장착홈에 승강가능하게 설치된 것으로서, 상기 파이프를 향한 면에 열선이 구비된 제 2 플레이트를 포함하고,
상기 컨트롤러는,
상기 제 2 플레이트의 승강구동을 제어하는 승강 구동모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 장치.
제 4항에 있어서,
상기 가열모듈은,
상기 제 1 플레이트의 주변에서 상기 파이프의 표면을 촬영하는 이미지 센서를 더 포함하고,
상기 승강 구동모듈은,
상기 이미지 센서에서 촬영된 이미지 화소의 색상변화를 기반으로 상기 파이프의 표면 취약부위 존재 및 위치를 판단하는 이미지 판단부 및,
상기 표면 취약부위의 존재 시 상기 제 2 플레이트의 승강구동을 제어하여 상기 제 2 플레이트와 상기 파이프의 간격을 조절하는 간격 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 장치.
제 5항에 있어서,
상기 가열모듈은,
상기 제 1 플레이트의 주변에서 파이프의 표면을 향해 초음파를 발생하는 초음파 발생부와, 상기 파이프의 표면에 상기 초음파가 부딪혀 반사된 반사파를 감지하는 반사파 감지부를 구비한 초음파 센서를 더 포함하고,
상기 승강 구동모듈은,
상기 반사파의 진폭 및 주파수 대역을 통해 상기 파이프의 내부 취약부위의 존재 및 위치를 판단하는 상태 판단부와,
상기 내부 취약부위의 존재 시 상기 제 2 플레이트를 승강 구동하여 상기 제 2 플레이트와 상기 파이프의 간격을 조절하는 집중 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 장치.
제 6항에 있어서,
상기 상태 판단부는,
다음의 수학식 2를 사용하여 상기 파이프의 내부 취약부위를 도출하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 장치.
수학식 2.

(여기서, W(a,b)는 반사파가 생성된 전체 파이프의 표면 중 취약부위가 포함된 좌표, E_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 반사된 반사파의 진폭, O_i는 기준좌표(x_i,y_i)에서 반사된 반사파의 진폭, Q_i는 발생된 초음파와 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 측정된 반사파의 주파수 대역 차, E_oO_o는 상기 이미지 센서에서 촬영된 이미지에서 이미지 화소의 색상변화가 나타난 좌표에서 반사된 반사파의 진폭, T는 상기 반사파 감지부의 해상도에 따라 측정될 수 있는 전체 스팟의 수, d_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 히터 표면과의 이격 거리, R은 히터의 면적, τ는 파이프의 온도변화 상수, F는 히터의 표면 온도, Z는 파이프의 난반사 가중치, θ_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 히터의 평균 열 입사각을 나타낸다.)
삭제
제 1항에 있어서,
상기 가스공급 제어부는,
다음의 수학식 3을 사용하여 상기 쉴드가스의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 장치.
수학식 3.

(여기서, K는 쉴드가스의 공급량, k는 용접 시 산소 소모량, D는 텅스텐 분말의 배출량, D₀은 초기 텅스텐 분말의 배출량, P는 아크 연소 상수, C는 쉴드가스의 농도, t는 시간, A는 시간별로 측정된 초기 음파의 주파수와 공명 주파수의 차를 나타낸다.)
금속분말 육성용접 방법에 있어서,
히터를 통해 예열중인 파이프의 용접면을 촬영하여 촬영된 이미지 화소의 색상변화를 기반으로 상기 파이프의 표면 취약부위 존재 및 위치를 판단하는 제 1 단계;
상기 용접면에 초음파를 발생시켜 발생된 반사파의 진폭 및 주파수 대역에 따라 다음의 수학식 4를 사용하여 상기 파이프 내부 취약부위의 존재 및 위치를 도출하고, 상기 내부 취약부위의 존재 및 위치에 따라 상기 용접면을 차등 가열하는 제 2 단계;
수학식 4.

(여기서, W(a,b)는 반사파가 생성된 전체 파이프의 표면 중 취약부위가 포함된 좌표, E_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 반사된 반사파의 진폭, O_i는 기준좌표(x_i,y_i)에서 반사된 반사파의 진폭, Q_i는 발생된 초음파와 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 측정된 반사파의 주파수 대역 차, E_oO_o는 이미지 화소의 색상변화가 나타난 좌표에서 반사된 반사파의 진폭, T는 반사파를 감지할 수 있는 최대 해상도에 따라 측정될 수 있는 전체 스팟의 수, d_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 히터 표면과의 이격 거리, R은 히터의 면적, τ는 파이프의 온도변화 상수, F는 히터의 표면 온도, Z는 파이프의 난반사 가중치, θ_i는 (a+x_i, b+y_i) 좌표에서 히터의 평균 열 입사각을 나타낸다.)
용접모듈의 이송대차를 구동시켜 용접토치를 상기 용접면에 접촉시키고, 텅스텐 분말 및 쉴드가스를 공급하면서 육성용접을 수행하는 제 3 단계;
상기 용접모듈에 구비된 음파센서를 통해 상기 용접토치에서 발생되는 아크에 음파를 발생시켜 공명 주파수를 측정하는 제 4 단계;
상기 용접모듈에 구비된 가스센서를 통해 아크 발생에 따라 변화되는 쉴드가스의 농도를 측정하는 제 5 단계;
측정된 공명 주파수 및 쉴드가스의 농도를 기반으로 다음의 수학식 5를 통해 상기 용접토치 주변에 공급되는 쉴드가스의 공급량을 제어하는 제 6 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 방법.
수학식 5.

(여기서, K는 쉴드가스의 공급량, k는 용접 시 산소 소모량, D는 텅스텐 분말의 배출량, D₀은 초기 텅스텐 분말의 배출량, P는 아크 연소 상수, C는 쉴드가스의 농도, t는 시간, A는 시간별로 측정된 초기 음파의 주파수와 공명 주파수의 차를 나타낸다.)
제 10항에 있어서,
상기 제 1 단계와 상기 제 2 단계 사이에는,
상기 히터를 통해 상기 파이프를 200 내지 300℃의 온도로 1 내지 10 시간 동안 예열 처리하는 제 1-1 단계와,
상기 용접면에 붕소, 은, 알루미늄, 구리 중 선택된 1 종의 플럭스를 도포하여 박막을 형성하는 제 1-2 단계를 더 포함하고,
상기 제 6 단계 이후에는,
상기 히터를 통해 상기 파이프를 200 내지 300℃의 온도로 1 내지 10 시간 동안 후열 처리하는 제 7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속분말 육성용접 방법.