KR102000665B1 - 루트 용접이 가능한 자동용접 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동용접장치에 관한 것으로 편면 맞대기 용접부의 루트 패스 용접 작업 수행 할 때, 피 용접물 취부 시 편차가 발생하여도 루트 패스 용접을 안정적으로 수행할 수 있도록 루트 패스 용접조건을 데이터베이스로 저장하고 용접 중 수동 조작으로 용접조건을 선택적으로 적용하여 루트 패스 용접을 쉽고 안정적으로 실시할 수 있는 자동용접장치를 제공한다.

Description

루트 용접이 가능한 자동용접 장치{Auto-welding machine for the root pass weld}

본 발명은 일정하지 않은 루트 갭, 루트 페이스, 베벨 각도, 태크 용접 유무 등 다양하게 변화되는 편면 용접 부 개선 형상 조건에 대응하여 안정적으로 루트 패스 이면 비드를 만들 수 있도록 개선 형상 별 루트 패스 용접조건을 일원 제어방식으로 제어하는 자동용접장치에 관한 것이다.

편면 용접은 주로 파이프 맞대기 용접부에 많이 적용되며 판재 용접부에도 적용되고 있다. 본 배경 기술에서는 파이프 맞대기 용접부에 적용되는 사례를 기준으로 설명한다. 파이프 라인은 해양, 프랜트, 조선, 철탑 등 분야에서 수요가 증대되고 있고, 이를 제작하기 위한 공정의 생산성과 품질이 함께 요구되고 있다.

파이프 라인은 파이프 공장에서 생산되는 6~12m 길이의 파이프를 필요에 따라 절단, 벤딩, 가공, 연결하여 설치하게 된다. 파이프의 연결은 파이프 끝 부분 나사 가공을 통한 기계적 조립과 프랜지를 이용한 볼트 이음 또는 아크 용접 이음으로 이루어진다.

파이프의 용접 이음은 파이프 끝 부분 개선 가공, 용접 부 취부 및 용접 공정으로 이루어지며 용접 공정은 주로 루트 패스 용접(Root pass welding), 핫 패스 용접(Hot pass welding), 필 패스 용접(Fill pass welding), 캡 패스 용접(Cap pass welding)으로 구분되며, 루트 패스 용접은 연결하고자 하는 2개의 파이프를 아크 열로 용융시켜 연결하는 작업 공정으로 매우 작업 난이도가 높은 작업 공정으로서 경험이 많은 숙련 작업자가 수행하며, 주로 GTAW수동용접으로 시공된다. 파이프 두께 6mm이하로 얇거나 직경이 4" 이하로 작은 경우 GTAW 용접법으로 전체 용접을 완료하게 되지만 파이프 두께가 두껍고, 직경이 크면 용접 생산성을 향상시키기 위하여 필 패스 및 캡 패스 용접은 SMAW, FCAW 또는 SAW용접법으로 시공하는 것이 일반적이다.

숙련 GTAW용접사에 의해 수동용접으로 시공되는 파이프 루트 패스 용접을 자동 GTAW, 자동 Plasma 용접 또는 자동 GMAW 용접법으로 대체 적용함으로써 용접사 기량 의존도를 낮추고, 용접 생산성 및 품질을 향상시키기 위하여 많은 시도를 하고 있으나 용접부 취부 정도가 우수한 일부 제품의 용접에만 성공적으로 적용될 뿐 대부분의 용접작업장에서는 취부 정도의 편차 및 용접 중 루트 갭이 수축하는 등의 문제를 극복하지 못해 숙련 GTAW 용접사에 의한 수동용접을 하고 있다.

루트 패스 용접 중에 발생하는 루트 갭 수축의 원인은 앞서 용착된 용융금속이 응고할 때 용융금속의 부피가 감소하면서 발생하는 수축 응력이 용접 진행 중인 용융지 후방의 용착금속부에 작용하면서 발생하는 것으로 루트 갭의 수축 량은 루트 패스 용접조건, 입열량의 크기 및 루트 갭을 유지하기 위해 2 파이프를 구속하고 있는 태크 용접의 크기(길이, 두께) 및 피치 등의 영향을 받는다. 루트 용접 입열량이 많거나, 루트 갭을 유지하기 위한 2 파이프 구속력이 약하면 루트 갭 수축량이 많아지고, 그 반대로 루트 용접 입열량이 작고, 태크 용접의 크기가 크고, 그 피치가 짧은 조건에서는 루트 갭 수축량이 적게 발생하거나 발생하지 않을 수도 있다.

일반적인 파이프 용접작업장에서는 용접 절차서(WPS)에 따라 파이프 용접부 취부 정도를 루트 페이스: 0.8±0.8mm, 루트 갭: 3.2±0.8mm, 개선각도: 75±5° 허용범위 이내로 관리하고 있으나 이 관리 범위 이내로 취부된 용접부를 동일 용접조건으로 연속적으로 용접하여 안정적인 품질의 루트 용접부를 만드는 것은 불가능하다. 즉 동일 용접조건으로 용접하여 안정적인 루트 용접부를 만들기에는 용접부 취부 허용범위가 너무 넓다는 것이다.

이러한 파이프 루트 용접부 취부 편차를 극복하고 자동용접으로 루트 용접을 실시하기 위하여 용접토치 전방에 레이저 비젼센스를 설치하여 용접 중 리얼타임으로 용접부 전방의 개선형상을 측정하고 측정한 개선형상에 맞는 적정 용접조건을 출력하여 안정적인 루트 용접부를 만드는 파이프 자동용접장치를 제작하기 위하여 많은 용접 자동화 전문가들이 노력하고 있으나 아직 보편화되지는 않고 있다. 안정적인 루트 패스 용접 부를 만들기 위해서는 루트 용접부 취부 조건에 대응하는 용접전류, 용접전압, 용가재 공급량, 위빙 폭, 용접속도, 모재 온도 등 많은 용접 페라메터(parameter)들의 조합을 찾아서 제공해야 하는데 첫 째는 루트 용접부 개선형상을 정확히 측정하는 것이 어렵고, 둘 째는 특정 루트 용접부 개선형상에 맞는 용접 페라메터(parameter)들의 조합을 사전에 용접조건 데이터 베이스로 만드는 것 또한 쉽지 않다는 것이다 또한 짧은 용접길이의 용접은 가능하드라도 연속 용접 길이가 긴 경우 누적되는 용접 페라메타들의 부조화로 안정적인 용접부를 만들 수 없는 경우도 발생한다.

따라서 파이프 루트 패스 용접을 자동용접으로 실시하기 위해서는 좀더 현실적으로 실현할 수 있는 개선형상 및 용접 중 용접부 상태를 인식하는 기술과 용접부 상태에 적합한 용접 페라메터(parameter) 조합을 출력 제어하는 기술이 필요하였다.

등록특허 등록번호 제10-1244179호 공개특허 공개번호 제10-2012-0131563호 공개특허 공개번호 제10-2012-0113403호 공개특허 공개번호 제10-2015-0062223호

종전 루트 용접은 대부분 수동용접법으로 시공되었다. 가장 널리 이용되는 수동용접법으로는 Manual TIG용접법이 있고, 그 외에도 Manual SMAW, Semi-auto GMAW-STT 방법이 있다. 이러한 Manual 또는 Semi-auto 용접방법은 온전히 용접사의 숙련된 기량과 경험을 기반으로 루트 용접부를 만들어 내는 방식이다. 루트 용접을 자동용접으로 수행하는 경우에는 용접사가 육안으로 용접부를 관찰하고 용접 진행 중인 루트 용접부 상황과 그 상황의 용접조건이 맞지 않는다고 판단될 때, 루트 용접결과에 영향을 미치는 주요 용접조건 값들(와이어 송급속도, 용접전압, 캐리지 속도, 오실레이션 폭 등) 중에서 하나, 하나 선택적으로 조절하였으며, 많은 용접조건 변수 중에서 어느 용접조건이 그 상황에서 우선적으로 조정되어야 하는지, 여러 조건을 조정한 결과의 영향은 어떻게 나타나는지 등을 종합적으로 인지하고 적절하게 조절하여 좋은 결과를 만드는 것은 매우 어렵다. 용접 중, 루트 용접부 상황은 심각하게 나빠져 가는데 그에 대응하는 적정 용접조건의 조정이 시간적으로 지연(선택, 순차적 조정)되거나, 용접조건 값 간의 바란스(balance)가 맞지 않아 용접조건 조정기간 동안 아크가 불안정해지는 등의 문제가 발생하므로 안정적인 루트 용접이 불가능하다. 즉, 용접 상황 별로 용접사가 용접조건 조정량을 결정해야 하는 어려움이 있고, 순간 순간의 용접품질은 순차적으로 조정하는 여러 용접조건들의 종합 결과에 따라 결정되므로 용접조건을 조정하는 기간 동안에는 약간씩 불안정한 상태의 용접 조건 아래 용접 작업이 수행될 수 밖에 없는 문제가 있다. 따라서 이러한 순차 또는 선택적 조정방법으로 시도한 루트 용접 자동화는 대부분 실패하고 있다.

일반적으로 적용하는 용접조건의 개별 조정방식을 설명하면 다음과 같은 현상이 관찰된다. 즉, 용접 중에 갭이 넓어지면서 루트 용입이 지나치게 증가하는 것이 관찰되었을 때 첫째 전류를 낮추고, 둘째 위빙 폭을 증가 시키고, 셋째 용접속도를 늦추는 등과 같은 방식으로 순차적으로 용접조건 조정작업을 실시하게 되는데 이 때 조건 조정 시간이 길어지게 되면 조건 조정작업 중에 용접 불량이 발생할 수 도 있다. 이러한 이유로 개별로 용접조건을 조정하는 루트 용접 자동용접장비는 실제 현장 작업에서 성공적으로 활용하는 것이 불가능하였다.

본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 파이프 루트 용접부의 취부 정도 편차가 있고, 개선 내에 테크 용접비드가 있는 조건에서 루트 패스 용접을 안정적으로 시공할 수 있는 자동용접장치와 자동용접방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 자동용접장치는 용접 이음부를 따라서 설치되는 가이드 레일; 상기 가이드 레일 위를 주행하며 용접토치와 카메라를 포함하고 용접을 수행하는 용접 캐리지; 용접 전원과 와이어 송급 장치로 구성되는 용접기(welding process별로 용접작업을 수행하기 위한 기본단위의 장비를 말하며, 용접기법명을 붙인 "GMAW 용접기"를 예로 들 수 있다.); 용접 조건이 저장되는 데이터베이스와 용접제어프로그램을 포함하며, 상기 용접 캐리지와 상기 용접 전원의 출력을 제어하는 제어기;와 모니터와 터치화면을 포함하며, 루트 갭과 태크 위치를 선택하여 용접조건을 일원제어하는 리모트 콘트롤러;를 포함하며, 상기 용접제어프로그램이 상기 용접부의 상황을 루트 갭(Root gap) 구분 (2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm, 4.0mm) 및 테크 용접 위치 구분 (No tack, Tack start, Tack Top, Tack down, Tack end)으로 분류하여 용접조건(와이어 송급 속도(m/분), 용접 전압(Volt), 용접 캐리지 속도(mm/분), 토치 오실레이션 폭(mm))을 일원제어하며, 상황별 용접 조건의 일원제어는, 표준 용접조건으로 입력된 루트 갭(Root gap) 3.0mm 용접 조건 값을 기본 값(100%)으로 하고, 상황 별 보상 계수 값이 백분률(%)로 상기 용접제어프로그램에 입력되어 수행된다.

본 발명의 자동용접장치에 있어서, 상기 용접캐리지가 용접부의 소리를 수집하는 마이크를 더 포함하며, 상기 리모트 콘트롤러가 스피커를 더 포함하며, 상기 용접캐리지의 마이크에서 전송되는 용접아크 음(소리)이 상기 리모트 콘트롤러의 스피커를 통하여 원격으로 재생되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자동용접장치는 용접토치와 카메라를 포함하는 용접장치를 고정하고, 피 용접재를 회전시키는 터닝롤러를 포함하는 용접 기계장치부 (용접자동화를 목적으로 기본 용접기(예: GMAW용접기) 외에 추가적으로 설비하는 기계장치를 칭하는 용어임); 용접 전원과 와이어 송급 장치로 구성되는 용접기(welding process별로 용접작업을 수행하기 위한 기본단위의 장비를 말하며, 용접기법명을 붙인 "GMAW 용접기"를 예로 들 수 있다.);용접 조건이 저장되는 데이터베이스와 용접제어프로그램을 포함하며, 상기 터닝 롤러와 상기 용접 전원의 출력을 제어하는 제어기;와 모니터와 터치화면을 포함하며, 루트 갭과 태크 위치를 선택하여 용접조건을 일원제어하는 리모트 콘트롤러;를 포함하며, 상기 용접제어프로그램이 상기 용접부의 상황을 루트 갭(Root gap) 구분 (2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm, 4.0mm) 및 테크 용접 위치 구분 (No tack, Tack start, Tack Top, Tack down, Tack end)으로 분류하여 용접조건(와이어 송급 속도(m/분), 용접 전압(Volt), 용접부 회전 원주속도(mm/분), 토치 오실레이션 폭(mm))을 일원제어하며, 상황별 용접 조건의 일원제어는, 표준 용접조건으로 입력된 루트 갭(Root gap) 3.0mm 용접 조건 값을 기본 값(100%)으로 하고, 상황 별 보상 계수 값이 백분률(%)로 상기 용접제어프로그램에 입력되어 수행된다.

본 발명의 자동용접장치에 있어서, 상기 용접 기계장치부는 마이크를 더 포함하며, 상기 리모트 콘트롤러는 스피커를 더 포함하며, 상기 용접부의 마이크에서 전송되는 용접아크 음(소리)이 상기 리모트 콘트롤러의 스피커를 통하여 원격으로 재생되는 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명의 자동용접장치를 활용하여 파이프 루트 패스 용접을 안정적으로 수행하면 다음과 같은 효과가 있다. 첫 째, 숙련 GTAW 용접사 기량에 의존하고 있는 파이프 루트 패스 용접을 자동용접 오퍼레이터가 수행함으로서 숙련 GTAW 용접사 인력난 및 높은 인건비에서 탈피할 수 있다. 둘 째, 수동 용접작업을 자동용접작업으로 대체 함으로서 용접 생산성 및 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 셋 째, 용접사 인건비 감소와 용접 생산성 및 품질 향상을 통하여 총 용접 비용 절감은 물론, 작업 공기를 단축시킬 수 있다. 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 용접작업 안전 확보 및 용접작업 환경 개선 등의 효과도 기대된다.

도 1은 편면 용접을 위하여 태그 용접을 실시하고, 루트 용접 대기 중인 모습을 나타낸 단면도
도 2는 파이프 용접을 위하여 태크 용접을 실시하고, 루트 용접 대기 중인 모습을 나타낸 사시도
도 3은 판재 용접을 위하여 태크 용접을 실시하고, 루트 용접 대기 중인 모습을 나타낸 사시도
도 4는 파이프 용접을 완료한 용접부에서의 용착 순서를 나타낸 단면도
도 5는 파이프 오비탈 GMAW/FCAW 자동용접장비의 구성을 나타낸 구성도
도 6은 파이프 터닝 롤러 GMAW/FCAW 자동용접장비의 구성을 나타낸 구성도
도 7은 판재 GMAW/FCAW 자동용접장비의 구성을 나타낸 구성도
도 8은 오비탈 GMAW/FCAW 자동용접장비의 루트 패스 용접 조건 표시 창을 나타내는 사진
도 9는 본 발명의 GMAW 루트 패스 용접조건 생성을 나타내는 흐름도
도 10은 본 발명의 GTAW 루트 패스 용접조건 생성을 나타내는 흐름도
도 11은 본 발명의 Plasma 용접 루트 패스 용접조건 생성을 나타내는 흐름도
도 12은 오비탈 GMAW/FCAW 자동용접장비의 리모트 콘트롤러를 나타내는 사진
도 13은 본 발명의 구성요소와 효과와의 상관관계를 나타내는 개요도

본 발명의 자동용접장치는 용접토치가 용접 홈을 따라 자동으로 이동할 수 있도록 하기 위하여 용접 이음부와 평행하게(또는 용접 이음부를 따라서) 가이드 레일을 설치하고 그 레일 위를 용접토치를 설비한 캐리지가 전동으로 움직이게 하는 기계장치, 제어장치 및 용접기법별 용접전원, 와이어 송급장치 그리고 용접전원 및 와이어 송급장치의 출력을 제어하는 제어장치를 기본으로 포함한다. 따라서, 상기 가이드레일은 용접대상이 파이프인 경우에는 원주를 따라서(도 2), 판재인 경우에는 면을 따라서(도 3) 설치된다.

본 과제 해결 수단으로는 설명하는 사례는 파이프 맞대기 이음부에서의 루트 용접을 자동GMAW장비를 이용하여 수행하는 방법(도 5)에 대하여 설명하며, 파이프 자동 용접장치는 파이프 이음부 원주를 따라 설치되는 가이드 레일; 상기 가이드 레일 위를 주행하며 용접을 수행하며 용접부의 영상과 소리를 수집하는 카메라와 마이크를 포함하는 용접 캐리지; 용접 전원과 와이어 송급 장치로 구성되는 용접기(예시: GMAW/FCAW 용접기); 용접 조건이 저장되는 데이터베이스와 용접제어프로그램을 포함하며, 상기 용접 캐리지와 상기 용접 전원의 출력을 제어하는 제어기;와 모니터, 스피커와 터치화면을 포함하며, 루트 갭과 태크 위치를 선택하여 용접조건을 일원제어(동기제어, Synergic Control)하는 리모트 콘트롤러;를 포함한다.

본 발명의 파이프 용접장치에 있어서, 상기 리모트 콘트롤러는 상기 용접캐리지에 설치한 카메라와 마이크에서 전송되는 용접부 영상과 소리를 상기 모니터와 스피커를 통하여 원격으로 재생되며, 각 상황의 루트 갭과 태크 용접 위치에 따른 용접 조건들의 조정이 상기 터치 화면에 나타낸 아이콘이 선택되는 방식으로 수행된다.

본 발명의 파이프 용접장치에 있어서, 상기 용접제어프로그램이 상기 용접부의 상황을 루트 갭(Root gap) 구분 (예시: 2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm, 4.0mm) 및 테크 용접 위치 구분 (예시: No tack, Tack start, Tack Top, Tack down, Tack end)으로 분류하여 용접조건(예시: 와이어 송급 속도(m/분), 용접 전압(Volt), 용접 캐리지 속도(mm/분), 토치 오실레이션 폭(mm))을 동시에 제어한다.

본 발명의 파이프 용접방법은 파이프 이음부 원주를 따라 설치되는 가이드 레일 위를 용접캐리지가 주행하며 용접을 수행하는 단계; 용접부의 영상과 소리를 카메라와 마이크로 수집하여 리모트콘트롤러로 보내는 단계; 상기 용접 캐리지와 상기 용접 전원의 출력을 제어하고, 용접 조건이 데이터베이스와 용접제어프로그램에 의해 제어되는 단계; 상기 영상과 소리를 수신하여 재현하며, 루트 갭과 태크 위치를 선택하는 방식으로 용접조건을 일원제어하는 리모트 콘트롤러를 조작하는 단계;를 포함하며, 상기 용접제어프로그램이 상기 용접부의 상황을 루트 갭(Root gap) 구분 (예시: 2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm, 4.0mm) 및 테크 용접 위치 구분 (예시: No tack, Tack start, Tack Top, Tack down, Tack end)으로 분류하여 용접조건(예시: 와이어 송급 속도(m/분), 용접 전압(Volt), 용접 캐리지 속도(mm/분), 토치 오실레이션 폭(mm))을 동시제어하며, 상황별 용접 조건의 일원제어는, 표준 용접조건으로 입력된 루트 갭(Root gap) 3.0mm 용접 조건 값을 기본 값(100%)으로 하고, 상황 별 보상 계수 값이 백분률(%)로 상기 용접제어프로그램에 입력되어 파이프 용접이 수행되는 방식이다.

본 발명은 루트 용접부의 상황을 루트 갭별 5 종류, 태크 위치별 5 종류로 분류(총25상황))하고, 각 상황별 용접조건을 루트 갭 3mm의 표준용접조건을 기본 데이터로 하고, 상황별 보상계수 값을 적용, 연산하여 만들어 내는 방식을 적용하여 각 상황과 각 상황별 용접조건을 매칭시키는 방법으로서, 리모콘에서 용접부 화상(image)을 관찰하고, 아크 소리(arc sound)를 들어가며 용접부의 정확한 상황을 인지한 상태에서 필요할 때 터치 화면에 마련된 루트 갭별, 태크 위치별 아이콘을 선택할 수 있도록 구성된 부분적으로 자동화된 장치와 방법에 관한 것이다. 본 발명의 장비를 활용하여 루트 용접을 진행할 경우 다음과 같은 개략적인 순서에 따른다.

루트 용접을 위해 관련 용접장비를 정위치 시킨다. 눈에 보이는 대로 루트 갭, 태크 위치를 확인하고, 리모콘 터치화면에 구비된 해당 아이콘을 선택한다. 용접부로부터 원거리(용접 흄, 스패터, 아크 빛으로부터 벗어날 수 있는 장소)로 이동한다. 용접을 시작한다. 리모콘에 설비된 모니터를 통해 루트 용접부 용접상황를 관찰하고 루트 용접 용입이 과대한지 부족한지 정상적인지를 인지하고, 정상적이면 그대로 유지하고, 용입이 과대하면 루트 갭이 보다 넓은 아이콘으로 변경 선택하고, 용입이 부족하다고 판단되면 루트 갭이 보다 좁은 아이콘을 선택하면 된다. 만약 과대하거나 부족한 정도가 심할 경우 루트 갭의 아이콘을 일시에 2단계 이상 건너서 선택할 수 도 있다. 이렇게 루트 갭 아이콘을 선택하는 단순한 작업의 결과로 그 순간의 용접조건 값들(와이어 송급속도, 용접전압, 캐리지 속도, 오실레이션 폭 등)이 상호 값 간의 바란스(balance)를 유지하면서 일순간에 변경되어 안정적으로 루트 용접부를 만들 수 있다. 이렇게 용접을 마치게 되면 루트 용접을 본 발명에 의해 안정적으로 수행할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 의하여 상세하게 설명한다. 단, 아래의 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 따라서 GTAW, Plasma 용접에도 적용할 수 있다.

일반적인 루트 패스 용접 중에 용접 부 취부 조건의 편차로 인하여 루트 갭(Root gap)이 좁아지거나, 넓어지는 경우와 루트 페이스(Root face)가 커지거나 작아 지는 경우와 용접 중 용접 수축응력으로 인하여 루트 갭이 좁아지는 경우 등이 불규칙하게 발생하므로 써 루트 패스 이면 비드가 과대하게 형성되거나 형성되지 않거나 또는 용락이 발생하게 된다. 본 발명의 자동용접장치는 이러한 상황을 방지하기 위하여 미리 저장한 각 상황 별 용접조건들을 단순 선택방식으로 일원제어(또는 동기제어)하여 불규칙하게 변화되는 용접 개선부 조건을 극복하고 안정적으로 이면 비드를 형성할 수 있다. 본 발명의 자동용접장치를 사용하는 운전자(Operator)는 용접장소로부터 떨어진 안전한 환경에서 리모트 콘트롤러에 설비된 모니터와 스피커를 통하여 실시간(Real time)으로 용접이 진행되는 확대된 용접부 영상을 관찰하고, 아크 음을 들음으로서 용접부 상황을 정확히 판단할 수 있는 조건을 제공받는다. 이와 같이 실시간 용접부 원격 관찰 도중에 용접진행 상태가 불안정한 상태로 바뀌는 경우 안정한 상태가 유지될 수 있도록 각 상황 별(루트 갭별, 태크 용접 위치별) 해당 용접 조건들의 조정은 리모트 콘트롤러의 터치 화면에 나타낸 아이콘을 선택하게 된다. 본 발명에서의 용접조건은 루트 패스 용접 개선 부 상황을 루트 갭(Root gap) 구분 (2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm, 4.0mm) 및 테크 용접 위치 구분 (No tack, Tack start, Tack Top, Tack down, Tack end)으로 상황을 구분하여 일원제어(또는 동기제어) 된다. 즉, 하나의 아이콘을 선택하면 그 결과는 유관된 다수의 용접조건 값들이 유관한 관계를 유지하면서 일원제어(동기제어) 된다. 각 상황 별 일원제어되는 용접조건들은 와이어 송급 속도(m/분), 용접 전압(Volt), 용접 캐리지 속도(mm/분), 토치 오실레이션 폭(mm)이다.

상황 별 일원제어(동시제어)되는 용접 조건은 표준 용접조건으로 입력된 루트 갭(Root gap) 3.0mm 용접 조건 값을 기본 값(100%)으로 하고, 상황 별 보상 계수 값을 백분 률(%)로 프로그램 입력하여 산출하는 방식을 적용한다. 고정된 수평 관을 용접할 때(도5 참조)는 용접 중에 용접자세가 연속적으로 변하게 된다. 따라서 자동용접장비에서는 도8 주행구간에 나타낸 용접부 각도에 따라 프로그램된 표준용접조건 값이 순차적으로 자동적으로 변경되며, 이렇게 변경되는 표준 용접조건 값을 기본 데이터로 하고, 변화되는 루트 갭, 태크 유무 등의 상황에 맞추어 용접조건을 조절하기 위해서는 표준 용접조건 값을 100%로 하고 보상 계수 값으로 증감 % 값을 설정(도10 참조)하게 된다. 상황에 따라 설정하는 보상 계수 % 값은 많은 실제 용접조건 시험을 통하여 정립한 용접조건 데이터 베이스를 근거로 정해지게 된다. 이러한 방법은 본 발명 외에는 시도한 예가 없는 기술로서, 현재와 같이 수동 용접방법과 용접사의 기량에 의존하는 경우 3년이상의 숙련도가 요구되는데 비하여, 본 발명의 자동용접장치는 1 개월 이내의 장비운전교육으로 더 신속하고 안정적인 용접결과를 도출할 수 있게 된다. 이러한 초 층 용접 조건 제어기술 사항은 파이프 및 판재 전 자세 (1G, 2G, 3G, 5G, 6G, 1GR) 용접 부 루트 패스 자동 용접장치에 적용될 수 있다. 또한 상기 모든 초 층 용접 조건 제어기술은 GMAW, GTAW, Plasma 자동 용접장치에 적용될 수 있다

본 발명의 실시 예로서, 도5에 오비탈 GMAW/FCAW자동용접장비를 이용하여 파이프 루트 패스 용접작업을 위한 와이어 송급속도, 용접 전압, 캐리지 주행 속도, 토치 오실레이션 폭 값을 조정할 수 있는 시스템이 도시되어 있다. 아크용접으로 파이프 라인을 제작할 때에는 연결하고 자 하는 제1 파이프(10a)와 제2 파이프(10b)의 끝 부분을 도1에 나타낸 바와 같이 작업 시방서(WPS)에 따라 베벨 각도(13), 루트 페이스(12)를 가공하고, 도1, 도 2에 나타낸 바와 같이 제1 파이프(10a)와 제2 파이프(10b)를 동일 중심축으로, 미스얼라인 없이, 일정한 루트 갭(14) 조건으로 정렬하고 제1 파이프(10a)와 제2 파이프(10b)를 구속하기 위하여 다수의 테크 용접(16-x)을 실시하는 등의 파이프 취부 작업을 실시한다. 루트 본 용접 실시 전에 테크 용접부(16)의 양 끝(16-xa, 16-xd)은 루트 본 용접 아크 열에 쉽게 용융되어 본 용접 용착금속과 융합될 수 있도록 완만하게 경사지게 그라인딩 작업으로 가공한다.

오비탈 GMAW/FCAW 자동용접장비는 도5, 도 6, 도 7에 나타낸 바와 같이 메인 콘트롤러(41), 캐리지(42, 도 6은 파이프가 회전하는 형태이므로 캐리지가 없음), 오실레이터(43), 상/하 전동 슬라이드(44), 리모트 콘트롤러(45), 리모트 펜단트(46), 토치 크램퍼 및 토치 각도 조절장치(47), 콘트롤케이블(메인콘트롤러-리모트 콘트롤러)(48), 콘트롤 케이블(메인콘트롤러-리모트 펜단트)(49), 콘트롤 케이블(메인콘트롤러-캐리지)(50), 가이드 레일(61), 가이드레일 다리(62x), 제1 카메라 및 마이크(71a), 제2 카메라 및 마이크(71b)로 구성된다.

도 5와 도 7의 자동 용접캐리지(42)에는 토치 오실레이터(43), 상/하 전동 슬라이드(44), 토치 크램퍼 & 토치 각도 조절장치(47) 및 카메라 & 마이크가 설치되어 있으며, 자동용접 할 때에는 토치 크램퍼(47)에 용접토치(35)가 고정된다.

리모트 콘트롤러(45) 전면 가장자리에는 용접캐리지(42)의 기능 조작, 용접 페라메타 값의 증감, 용접 시작, 정지 조작 등을 할 수 있는 스윗치류가 부착되어 있고, 중앙부에는 터치 스크린이 설치되어 있어 터치 스크린 화면에서 용접준비 단계에는 자동용접 시스템 데이터 값 및 용접조건 값의 입력, 수정, 저장 기능을 수행할 수 있고, 용접 중에는 용접캐리지(42) 카메라(71a, 71b)에서 전송하는 용접부 영상을 볼 수 있고 또 용접전류, 용접전압 등 실행되고 있는 용접조건 값을 리얼타임으로 모니터링 할 수 있는 모니터가 설비되어 있다. 또한 터치 스크린에는 본 발명에서 고안한 용접 중에 용접부 영상을 관찰하고 판단한 루트 갭의 크기, 태크 용접부의 위치를 선택하는 용접조건 일원제어 버턴이 배치되어 있다.

리모트 펜단트(46)는 주로 용접 준비 단계에 용접캐리지(42)의 기능을 조작할 수 있는 스윗치류와 와이어 인칭, 가스 체크, Test Run, Welding Start 등을 조작할 수 있는 스윗치를 설비하고 있다.

메인 콘트롤러(41)에는 각종 모터 드라이브, PLC CPU, 제어 전원, 통신장비 등이 설비되어 있다.

구성장비들은 도 5에 나타낸 바와 같이 상호 연결 조립되어 사용된다. 자동용접은 다음과 같은 단계로 이루어진다. (도 6의 파이프가 회전하는 타입은 캐리지가 없는 점이 도 5와 다르며, 도 7의 판재에 적용하는 경우에는 가이드레일이 직선인 점이 도 5와 다르다)

오비탈 GMAW 루트 패스(21) 자동용접 준비 단계: 오비탈 자동용접을 하기 위해서는 취부된 파이프 이음부 측면에 이음부와 평행하게 가이드 레일(61)을 설치하고, 가이드 레일(61) 위에 자동 용접캐리지(42)를 조립하고, 토치 크램퍼(47)에 용접 토치(35)를 고정한다.

리모트 콘트롤러(45) 터치 화면(121)에서 용접하고자 하는 용접이음부에 해당하는 용접조건 프로그램을 불러온다. 용접조건 프로그램에서 루트 패스 용접조건을 불러온다. 루트 패스 용접조건은 도 8에 나타낸 바와 같이 용접조건 테이블로 나타낸다. 용접조건 값들(캐리지 주행속도(102), 와이어 송급속도(103), 용접 아크 전압(104), 토치 주행 각도(105), 토치 오실레이션 폭(106), 토치 오실레이션 내측 멈춤 시간(107), 토치 오실레이션 외측 멈춤 시간(107))은 수평 고정 파이프 용접부에서 용접 위치의 원주각도를 나타내는 주행구간(101x) 별로 작성되며, 루트 갭(14) 3.0mm 조건의 표준 용접조건 데이터를 근거로 작성된다.

리모트 콘트롤러(45) 또는 리모트 펜단트(46) 스윗치(122)를 조작하여 용접캐리지(42)를 용접 시작부로 이동시키고, 와이어 인칭 버턴을 이용하여 와이어 돌출 길이를 맞추고, 용접 토치를 용접 이음부 중앙에 정렬시키고, 토치 높이를 맞춘 후, 테스트-런 버턴을 눌러 용접 아크가 발생하지 않은 조건에서 용접 캐리지(42)가 자동 용접 프로그램 데이터 값에 따라 움직이는 상태를 체크 한다. 그리고 특별한 문제가 없으면 테스트-런을 중지시키고 용접 시작 위치로 캐리지(42)를 이동시킨다.

오비탈 GMAW 루트 패스(21) 자동용접 시작 단계: 오비탈 GMAW 루트 패스(21) 자동용접 준비 단계 점검이 끝나고, 캐리지가 용접 시작 위치에 도달하고, 용접토치를 용접부 중앙에 적당한 높이로 정열 시킨다. 다음, 가스 체크 버턴을 눌러 가스 프리 플로우를 시킨다. 다음, 리모트 콘트롤러 터치 스크린을 용접모드로 전환시키고, 도9(도 10은 GTAW Process, 도11은 Plasma Welding Process를 도시한다)의 루트 패스 용접조건 생성 흐름도에 나타낸 루트 갭 선택 버턴(112) 및 태크 위치 선택 버턴(115)을 선택한다. 다음, 용접 시작 스윗치를 눌러 루트 용접을 시작한다.

오비탈 GMAW 루트 패스(21) 용접 진행 단계: 오비탈 GMAW 루트 패스(21) 용접이 시작되면, 리모트 콘트롤러(45)에 나타나는 용접부 영상과 스피커를 통해 전달되는 아크 소리를 들으며 루트 패스(21) 용접 진행 상황을 주의 깊게 관찰한다. 관찰 결과 루트 패스 용접이 정상적으로 실행되고 있다고 판단되면 별도의 추가 조작 없이 용접을 계속 진행하고, 관찰 결과 루트 비드 용입이 너무 넓게 형성된다고 판단되면 루트 갭 선택 버턴을 현재 선택된 루트 갭 값이 보다 큰 것으로 대체 선택하고, 관찰 결과 루트 비드 용입이 너무 좁게 형성되는 것으로 판단되면, 루트 갭 선택 버턴을 현재 선택된 루트 갭 값보다 루트 갭 값이 작은 것으로 대체 선택한다. 루트 갭 선택 버턴(112)을 변경 선택하게 되면 도9, 도10, 도 11에 나타낸 바와 같이 리모트 콘트롤러(45)에 입력된 표준 용접조건 값들 중에서 루트 갭 3mm, 표준 용접조건(111)에 해당하는 용접조건 값들이 순간적으로 선택하는 루트 갭 보상계수 값들(113)을 반영하여 연산한 수정 용접조건 값들(114)로 대체됨으로써 일정한 형상의 루트 패스 용접부을 안정적으로 유지할 수 있다.

또한 태그 용접(16)이 없는 구역(17)에서 용접을 수행할 때에는 태크 위치 선택 보턴(115)은 "No tack" 버턴을 선택해야 하고, 루트 패스 용접 용융지 선단이 태크 용접 시작부(18x)에 도달하면 태크 위치 선택 버턴(115)을 "Tack Start" 버턴으로 바꾸어 선택한다. 다음, 태크 용접 용융지 선단이 태그 용접부 정상에 도달하면 "Tack Top" 버턴을 선택한다. 다음, 태크 용접 용융지 선단이 태크 용접부 정상에서 내리막 경사 시작부에 도달하면 "Tack Down" 버턴을 선택한다. 다음, 태크 용접 용융지 선단이 태크 용접부 끝에 도달하기 직전에 "Tack End" 버턴을 누른다. 다음 태크 용접 끝 부위에 루트 패스 용접부가 정상적으로 형성되었다고 판단되면 "No Tack" 버턴을 선택한다. 태크 위치에 따라 선택 버턴(115)을 선택하게 되면 태크 용접 양 끝 부분에서는 루트 용접 용입이 깊도록 하여 루트 이면비드 연결이 잘 될 수 있는 용접조건을 출력하고, 태크 용접 정상부에서는 토치 오실레이션 폭을 넓게하고, 전압도 높게 설정하여 용접비드 퍼짐성을 우수하게 할 수 있는 용접조건을 출력할 수 있다.

루트 갭 보상 계수 값(113) 및 태크 위치 보상 계수 값(116)은 각각의 상황에서 여러 번의 용접조건 시험을 통하여 얻은 용접조건 데이터 베이스를 기반으로 설정한 값이다.

또한 도8에 나타낸 바와 같이 통상 용접을 시작하는 파이프 원주 상의 위치는 12시(0°)에서 용접을 시작하여 3시 방향, 또는 9시 방향으로 용접을 진행하여 6시(180°) 부근에서 용접을 종료하는 것으로 진행한다. 12시(0°) 위치에서 용접을 시작하면 주행구간 01(101a) 용접조건 값에 따라 루트 패스 용접이 진행되고, 용접 캐리지(42)가 파이프 원주 각도 10° 위치에 도달하면 캐리지(42) 내부에 설치된 각도 센스의 각도 값, 10°를 인식하고, 주행구간 01(101a) 용접조건 값들을 주행구간 02(101b) 용접조건 값들로 순간적으로 변경하여 루트 패스 용접을 연속적으로 수행한다. 다음 캐리지 위치가 20°, 30°, 40° 등으로 이동하면 동일한 방법으로 파이프 원주각도에 대응하는 표준 용접조건 프로그램 값들로 자동 변경된다.

오비탈 GMAW 루트 패스 용접 종료 단계: 용접을 종료하고자 할 때는 "용접 스톱" 버턴을 눌러 용접을 중지할 수 있다.

10a: 제1 파이프(모재)
10b: 제2 파이프(모재)
11: 파이프 또는 판재(모재) 두께
12: 루트 페이스(Root face)
13: 베벨 각도(Bevel Angle)
14: 루트 갭(Root Gap)
15: 개선 면(Groove face)
16: 태크 용접부(Tack weld)
16-1a, 16-2a, 16-xa: 태크 용접 시작부
16-1b, 16-2b, 16-xb: 태크 용접 시작부 정수리
16-1c, 16-2c, 16-xc: 태크 용접 끝부 정수리
16-1d, 16-2d, 16-xd: 태크 용접 끝 부
17: 태크 용접 없는 구역
21: 루트 패스(Root pass)
22: 핫 패스(Hot pass)
23a, 23b, 23x: 필 패스(Fill pass)
24a, 24b, 24x: 캡 패스(Cap pass)
31: GMAW 용접전원(Welding Power Source)
32: 케이블 및 호스(Cables and Hose)
33: 와이어 송급장치(Wire Feeder)
34: 용접 토치 케이블(Torch cable)
35: 용접 토치(Welding Torch)
36: 어스 케이블(Earth cable)
37: 어스 커램핑 자석(Magnet for Earth cable)
38: 용접용 보호가스 병(Shielding gas Bottle)
39: 가스 유량 조절기(Gas regulator)
41: 메인 콘트롤러(Main Controller)
42: 캐리지(Carriage)
43: 오실레이터(Oscillator)
44: 상/하 전동 슬라이드
45: 리모트 콘트롤러(Remote Controller)
46: 리모트 펜단트(Remote Pendant)
47: 토치 크램퍼 및 토치 각도 조절장치
48: 콘트롤 케이블(메인콘트롤러-리모트 콘트롤러)
49: 콘트롤 케이블(메인콘트롤러-리모트 펜단트)
50: 콘트롤 케이블(메인콘트롤러-캐리지)
61: 원형 가이드 레일(Ring type Guide Rail)
62a, 62b 62x: 가이드레일 다리(Guide Rail Leg)
71a: 제1 카메라 및 마이크
71b: 제2 카메라 및 마이크
101: 주행구간
102: 캐리지 주행속도
103: 와이어 송급속도
104: 용접 아크 전압
105: 토치 주행 각도
106: 토치 오실레이션 폭
107: 오실레이션 속도
108: 토치 오실레이션 내측 멈춤 시간
109: 토치 오실레이션 외측 멈춤 시간
111: 표준 용접조건(루트 갭 3mm)
112: 루트 갭 선택 버턴
113: 루트 갭 보상 계수
114: 선택한 루트 갭에 대한 용접조건 계산 공식
115: 태크 위치 선택 버턴
116: 태크 위치 보상 계수
117: 선택한 태크 위치에 대한 용접조건 계산 공식
118: 용접장비(용접전원, 와이어 송급기, 오실레이터, 캐리지)
121: 터치 스크린
122: 각종 스윗치
242: 터닝 롤러 (Turning Roller)
261: 용접토치 스탠드 (Welding Torch Stand)
310a: 제 1 판재(모재)
310b: 제 2 판재(모재)
361: 직선형 가이드 레일 (Straight type Guide Rail)
362, 362a, 362b: 마그네트 또는 진공 컵 (Magnet or Vacuum Cup)

Claims (4)

1. 용접 이음부를 따라서 설치되는 가이드 레일;
   상기 가이드 레일 위를 주행하며 용접토치와 카메라를 포함하고 용접을 수행하는 용접 캐리지;
   용접 전원과 와이어 송급 장치로 구성되는 용접기;
   용접 조건이 저장되는 데이터베이스와 용접제어프로그램을 포함하며, 상기 용접 캐리지와 상기 용접 전원의 출력을 제어하는 제어기;와
   모니터와 터치화면을 포함하며, 루트 갭과 태크 위치를 선택하여 용접조건을 일원제어하는 리모트 콘트롤러;를 포함하며,
   상기 용접제어프로그램이 용접부의 상황을 루트 갭(Root gap) 구분 (2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm, 4.0mm) 및 테크 용접부 위치 구분 (No tack, Tack start, Tack Top, Tack down, Tack end)으로 분류하여 용접조건(와이어 송급 속도(m/분), 용접 전압(Volt), 용접 전류(amp), 용접 캐리지 속도(mm/분), 토치 오실레이션 폭(mm))을 일원제어하며,
   상황별 용접 조건의 일원제어는, 표준 용접조건으로 입력된 루트 갭(Root gap) 3.0mm 용접 조건 값을 기본 값(100%)으로 하고, 상황 별 보상 계수 값이 백분률(%)로 상기 용접제어프로그램에 입력되어 수행되는 자동용접장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용접캐리지가 용접부의 소리를 수집하는 마이크를 더 포함하며,
   상기 리모트 콘트롤러가 스피커를 더 포함하며
   상기 용접캐리지의 마이크에서 전송되는 용접아크 음이 상기 리모트 콘트롤러의 스피커를 통하여 원격으로 재생되는 것을 특징으로 하는 자동용접장치.
3. 용접토치와 카메라를 포함하는 용접장치를 고정하고, 피 용접재를 회전시키는 터닝롤러를 포함하는 용접 기계장치부;
   용접 전원과 와이어 송급 장치로 구성되는 용접기; 용접 조건이 저장되는 데이터베이스와 용접제어프로그램을 포함하며, 상기 터닝 롤러와 상기 용접 전원의 출력을 제어하는 제어기;와
   모니터와 터치화면을 포함하며, 루트 갭과 태크 위치를 선택하여 용접조건을 일원제어하는 리모트 콘트롤러;를 포함하며
   상기 용접제어프로그램이 용접부의 상황을 루트 갭(Root gap) 구분 (2.0mm, 2.5mm, 3.0mm, 3.5mm, 4.0mm) 및 테크 용접부 위치 구분 (No tack, Tack start, Tack Top, Tack down, Tack end)으로 분류하여 용접조건(와이어 송급 속도(m/분), 용접 전압(Volt), 용접 전류(amp), 용접부 회전 원주속도(mm/분), 토치 오실레이션 폭(mm))을 일원제어하며,
   상황별 용접 조건의 일원제어는, 표준 용접조건으로 입력된 루트 갭(Root gap) 3.0mm 용접 조건 값을 기본 값(100%)으로 하고, 상황 별 보상 계수 값이 백분률(%)로 상기 용접제어프로그램에 입력되어 수행되는 자동용접장치.
4. 제3항에 있어서
   상기 용접 기계장치부는 마이크를 더 포함하며,
   상기 리모트 콘트롤러는 스피커를 더 포함하며,
   상기 용접부의 마이크에서 전송되는 용접아크 음이 상기 리모트 콘트롤러의 스피커를 통하여 원격으로 재생되는 것을 특징으로 하는 자동용접장치.

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