KR102198174B1

KR102198174B1 - 용접용 토치

Info

Publication number: KR102198174B1
Application number: KR1020200110637A
Authority: KR
Inventors: 정재우
Original assignee: 정재우
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2021-01-04
Also published as: WO2022045860A1; WO2022045860A9; EP4205895A1; US20230173603A1

Abstract

본 발명은 보호가스를 사용하는 용접용 토치에 관한 것으로서 보호가스의 용접부위의 보호역할을 향상시킬 수 있는 보호가스 증폭노즐을 구비한 용접용 토치에 관한 것인바, 보다 상세하게는 상기 디퓨저의 가스토출부 상하부에는 증폭노즐이 내측부와 외측부로 구성되어 설치되며, 상기 내측부는 용접팁에 경사지게 설치하며, 상기 외부노즐은 일부 또는 전부가 개방된 형상으로, 상기 디퓨저의 가스토출부를 나온 보호가스는 증폭노즐을 통과하면서 증속되고 압력은 낮아져 주변의 공기를 빨아들여 외부노즐의 개구부를 통해 들어온 외부공기와 합류하여 전체유량이 증가하면서 계속해서 코안다효과(Coanda effect)로 단면부가 증가하는 내측부 경사면(코안다표면)을 따라 진행하면서 동압 즉 속도는 줄어들고 정압이 증가하게 되고 용접팁의 안내부를 따라 진행하여 최종적으로 용접부위를 원주상으로 균일하게 둘러싸게 됨으로써 상기 디퓨저 가스토출부로부터 나온 보호가스보다 용접팁 선단의 용접부위에서 그 유량 및 압력이 증가한 두터운 보호가스 층을 안정적으로 형성하도록 한 것에 그 특징이 있다.

Description

용접용 토치{WELDING TORCH}

본 발명은 보호가스를 사용하는 용접용 토치에 관한 것으로, 보호가스의 용접부위의 보호역할을 향상시킬 수 있는 보호가스 증폭노즐을 구비한 용접용 토치에 관한 것이다.

가스메탈아크용접(Gas Metal Arc Welding; 이하'GMAW'라 함)은 기본적으로 용가재로 작용하는 소모전극 와이어를 일정한 속도로 용융지에 송급하면서 전류를 통하여 와이어와 모재사이에 아크가 발생되도록 하는 용접법이다. 연속적으로 송급되는 와이어가 아크의 높은 열에 의해 용융되어 아크기둥을 거쳐 용융지로 이행하게 되며, 용융부위는 디퓨저로부터 공급되는 보호가스(shielding gas)가 가스노즐(이하 '외부노즐'이라 함)을 통해 분사되어 주위의 대기로부터 보호된다.

즉, 보호가스는 용융금속을 대기로부터 차단하여 ⅰ)금속의 산화 및 질화를 방지 ⅱ)기공 등 용접불량 예방 ⅲ)아크 안정성으로 용접품질 향상 및 스패터 (spatter) 감소 ⅳ)용적이행 모드결정 ⅴ)그로 인한 용접토치 구성품의 내구성 향상 등 그 중요도는 상당하다 할 것이다.

용접법은 보호가스의 종류에 따라 분류되는데, 아르곤(Ar)과 같은 불활성가스를 사용하는 것을 미그용접(Metal Inert Gas;MIG), Ar가스와 탄산가스가 혼합된 가스를 사용하는 것을 마그용접(Metal Active Gas;MAG), 순수한 탄산가스(CO₂)만을 사용하는 것을 탄산가스아크용접(CO₂용접)이라 한다.

또한 가스텅스텐아크용접(Gas Tungsten Arc Welding;GTAW)도 보호가스를 사용하며 단지 비소모전극 와이어(텅스텐)를 사용하는 것과 용가재를 별도로 공급하는 것만이 차이가 있을 뿐이다.

등록특허공보 제10-1341872호(2013.12.17), 방열면적이 극대화된 디퓨져를 갖는 가스용접 토오치

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주지된 바와 같이 보호가스를 사용하는 용접법 특히 GMAW 용접에서는 바람이 부는 옥외(outdoor)에서는 보호가스가 보호역할을 충분히 하지 못하므로 방풍막을 설치하여야 한다. 뿐만아니라 실제 사용시에는 실내(indoor)에서도 작업자의 용접팁 선단의 시인성 확보를 위해 외부노즐을 절단하거나 짧은 것을 사용하여 용접팁이 외부노즐보다 외부로 노출되어 용접이 시행됨에 따라 보호가스가 그 기능을 다하지 못하고 있는 문제점이 있다.

도 4에서 보여지는 바와 같이 일반적인 GMAW 용접용 토치는

절연체(Insulator)에 체결되는 디퓨저(Diffuser)와 외부노즐(Nozzle) 그리고 상기 디퓨저(Diffuser)에 체결되는 용접팁(Contact tip)으로 구성되며, 결합순서는 절연체(110) 상부에서 디퓨저(120)가 나사결합되고, 디퓨저(120) 하부에서 용접팁(130)이 나사결합되며 마지막으로 절연체(110) 하부에서 외부노즐(140)이 나사결합되는 구조이다.

이하 참고자료(가스 용접토치 개선 연구 - 53회 전국과학전람회)를 이용하여 구체적으로 살펴보면,

상기 그림은 디퓨저로부터 나온 보호가스가 와류를 발생하여 외부노즐 내부에 불균일한 가스 흐름을 형성함으로써 용접부위를 충실히 보호할 수 없음을 보여준다.

상기 그림은 외부노즐내 와류에 의해 외부노즐 선단에서 외부공기가 유입되어 용접부의 산화 및 질화 등의 용접불량의 원인이 되며, 외부노즐 선단에는 GMAW 용접에서의 최대 문제점인 스패터(spatter)가 부착됨으로써 가스 흐름이 막혀 불균일하게 되고 외부노즐 선단에서 유속이 빨라지게 되며 이 과정에서 와류가 발생하여 외부공기가 유입되어 보호기능에 방해가 됨을 보여준다.

상기 그림은 절연체에 외부노즐이 결합된 경우 일반적으로 나사결합으로 이루어지나 가공 정밀도 부족 등의 원인으로 편심이 발생한 경우로 보호가스가 용접팁 선단의 원주상에 균등분포하지 못할 뿐만 아니라 간극이 좁은 부분에는 스패터 (spatter) 부착에 의한 막힘 문제가 발생한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 용접용 토치는, 절연체(110)에 일체화 또는 체결되는 디퓨저(120)와 외부노즐(140) 그리고 상기 디퓨저(120)에 체결되는 용접팁(130)으로 구성된 보호가스를 사용하는 용접용 토치에 있어서, 상기 디퓨저(120)의 가스토출부(121) 상하부에는 증폭노즐(200)이 내측부(210)와 외측부(220)로 구성되어 설치되며, 상기 내측부(210)는 용접팁(130)에 경사지게 설치하며, 상기 외부노즐(140)은 일부 또는 전부가 개방된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 증폭노즐(200)의 보호가스가 흐르는 내측부(210)와 외측부(220) 그리고 상기 외부노즐(140)의 내면은 선택적으로 직선 또는 나선형의 가스 가이드라인이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 용접용 토치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 상기 디퓨저의 가스토출부를 나온 보호가스는 외부노즐의 개구부를 통해 들어온 외부공기와 합류하여 안정적인 층류의 흐름으로 용접팁 선단에서는 그 유량 및 압력이 증가한 두터운 보호가스 층을 안정적으로 형성함으로써 외부 바람 등의 영향으로부터 용접부위를 보다 더 잘 보호할 수 있다. 추가적으로 보호가스의 안정적인 층류의 흐름으로 인해 소음도 줄어들 것이며, 토치 및 용접부위의 냉각효과도 있을 것이다.

간략히 그림으로 설명하면 아래와 같다.

< 보호가스와 외부공기에 의한 보호역할 >

둘째, 상기 증폭노즐(200)의 보호가스가 흐르는 내측부(210)와 외측부(220) 그리고 상기 외부노즐(140)의 내면은 선택적으로 직선 또는 나선형의 가스 가이드라인을 형성함으로써 보호가스의 흐름을 보다 더 안정적이면서 층류의 흐름을 가질 수 있도록하고 또한 용접부위에서 보다 더 오래 유지될수 있도록 하여 같은 보호가스 유량대비 효과를 극대화 할 수 있다. 또한 나선형 가스 가이드라인의 효과를 극대화한 경우 회오리효과로 인해 용접부위에서 발생된 스패터(spatter)가 용접팁 쪽으로 튀지 않고 원주밖으로 튀어 나가게 하는 효과가 있다.

셋째, 상기 외부노즐은 일부 또는 전부를 개방하여 구성함에 따라 그 주요기능은 종전과 달리 안전을 고려한 절연 가이드로서의 기능으로 한정될 수도 있음에 따라, 용접팁보다 짧게 제작되어도 무방하며 그로 인해 작업자의 용접팁 선단의 시인성 확보 뿐만 아니라 기존 외부노즐의 만성적인 청소문제인 스패터(sjpatter) 부착문제로부터 자유로워지며 절연체와 결합에 따른 편심문제도 발생하지 않게 된다. 즉 보호가스는 상기 디퓨저와 용접팁에 밀착된 증폭노즐의 내측부를 따라 진행함에 따라 용접팁 선단의 용접부위를 원주상으로 균일하게 층을 형성하기 때문이다. 따라서 외부노즐의 형상 및 재질은 자유로울수 있으며 금속소재가 아닌 열경화성수지 등의 저렴한 소재를 사용하여 무게감소 및 원가절감도 가능하게 된다. 또한 상기 외부노즐 또는 절연체 없이 또는 둘다 없이 구성하여, 상기 디퓨저 길이를 가스토출부 구성에 문제없는 한 최소한의 길이로 구성할 수도 있다.

넷째, 상기 외부노즐의 일부 또는 전부를 개방한 개구부를 통해 유입되는 공기 대신에 추가적인 관로를 만들어 냉각가스(예컨데 질소가스) 등 여타 목적의 가스를 별도로 공급하여 다양한 용도로 사용할 수 있다. 상기와 같은 이종가스를 이용할 시에는 보호가스와 함께 각 유량 및 압력 그리고 외부노즐 형상에 유의하여야 할 것이다.

다섯째, 상기 효과는 최종적으로는 보호가스의 최종목적인 아크 안정성 및 스패터(spatter) 감소로 나타나므로 용접품질이 상승할 뿐만 아니라 용접토치 구성품(특히 용접팁)의 내구성 향상을 가져옴에 따라 로봇용접자동화 및 고전류 시스템에서 가장 큰 관심사로 부각되고 있는 비가동시간 감축에 따른 생산성 향상이라는 문제에 커다란 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다. 즉 현대의 로봇용접자동화의 각 설비는 비가동시간이 획기적으로 줄어드는 장기사용을 위한 내구성을 갖춘 새로운 시스템이 요구될 것이다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 보호가스 증폭노즐이 구비된 용접용 토치의 분리 사시도.
도 2는 도 1의 결합시 단면도.
도 3은 도 1의 실물 사진.
도 4는 일반적인 GMAW 용접용 토치의 분리 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보호가스 증폭노즐이 구비된 용접용 토치의 외부노즐의 또 다른 실시예 a, b, c.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보호가스 증폭노즐의 내측부에 가스 가이드라인이 형성된 용접용 토치의 분리 사시도.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명의 기본적인 원리는 만곡면을 따라 흐르려고 하는 유동현상인 코안다효과 (Coanda effect)를 이용한 것으로, 고속의 유체가 흐르는 부근의 압력이 낮으므로 주위의 유체가 이 흐름에 빨려들어서 유량이 증가하는 원리를 이용하고, 유로의 단면적을 증가시켜서 유속의 동압을 감쇠시키고 정압을 증가시키는 원리를 이용한 것으로 보호가스 증폭노즐과 경사면(코안다표면)을 기술구성의 특징으로 한다.

예를 들면, 다음 그림으로부터 P_s의 공기는 노즐을 통과한 후 코안다효과에 의해 만곡면을 따라 고속으로 흐르면 압력이 낮으므로 Q_add의 유량을 빨아들이고 이후 단면적이 커지면서 속도는 줄고 압력은 증가하게 된다.

상기 원리를 이용하여 다양한 방면에서 연구되고 특허화 되어 있으며, 등록특허공보 제10-1341872호(2013.12.17), 방열면적이 극대화된 디퓨져를 갖는 가스용접 토오치 등이 있다.

첨부되는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 보호가스 증폭노즐 및 경사면(코안다표면)을 구비한 용접용 토치의 구성을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 용접용 토치는

절연체(110)에 일체화 또는 체결되는 디퓨저(120)와 외부노즐(140) 그리고 상기 디퓨저(120)에 체결되는 용접팁(130)으로 구성된 보호가스를 사용하는 용접용 토치에 있어서, 상기 디퓨저(120)의 가스토출부(121) 상하부에는 증폭노즐(200)이 내측부(210)와 외측부(220)로 구성되어 설치되며, 상기 내측부(210)는 용접팁(130)에 경사지게 설치하며, 상기 외부노즐(140)은 일부 또는 전부가 개방된 형상으로, 상기 디퓨저(120)의 가스토출부(121)를 나온 보호가스는 증폭노즐(200)을 통과하면서 증속되고 압력은 낮아져 주변의 공기를 빨아들여 외부노즐(140)의 개구부(141)를 통해 들어온 외부공기와 합류하여 전체유량이 증가하면서 계속해서 코안다효과(Coanda effect)로 단면부가 증가하는 내측부(210) 경사면(코안다표면)(212)을 따라 진행하면서 동압 즉 속도는 줄어들고 정압이 증가하게 되고 용접팁(130)의 안내부(131)를 따라 진행하여 용접부위를 향한 직진성을 확보하여 확실하게 용접부위를 원주상으로 균일하게 둘러싸게 됨으로써 상기 디퓨저(120) 가스토출부(121)로부터 나온 보호가스보다 용접팁(130) 선단의 용접부위에서 그 유량 및 압력이 증가한 두터운 보호가스 층을 안정적으로 형성하여 바람부는 외부환경에서도 작업이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 증폭노즐(200)의 보호가스가 흐르는 내측부(210)와 외측부(220) 그리고 상기 외부노즐(140)의 내면은 선택적으로 직선 또는 나선형의 가스 가이드라인을 형성함으로써 보호가스의 흐름을 보다 더 안정적이면서 층류의 흐름을 가질 수 있도록하고 또한 용접부위에서 보다 더 오래 유지될수 있도록 하여 같은 보호가스 투입유량 대비 효과를 극대화 할 수 있는 것을 특징으로 한다. 도 6에 도시한 바와 같이 상기 가이드라인은 음각 또는 돌출된 양각으로 형성될 수 있으며 이는 작업자의 사용편리성을 고려하여 설계할 수 있을 것이다. 또한 나선형 가스 가이드라인의 효과를 극대화한 경우 회오리효과로 인해 용접부위에서 발생된 스패터(spatter)가 용접팁 쪽으로 튀지 않고 원주밖으로 튀어 나가게 하는 효과가 있다.

도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 상기 외부노즐(140)은

상기 디퓨저(120)의 가스토출부(121)를 통해 나온 보호가스가 증폭노즐(200)에서 증속될때 주변공기가 유입될 수 있도록 일부 또는 전부를 개방하여 구성함에 따라 그 주요기능은 종전과 달리 안전을 고려한 절연 가이드로서만의 기능으로 한정될 수 있다. 다만, 보호가스의 종류 및 용접 작업조건에 따라 상기 내측부(210)의 경사면(코안다표면)(212)과 대응되는 일정부분의 외부노즐(140)은 밀폐된 상태일 수 있을 것이다.

또한 도 5 a, b, c에 도시한 바와 같이 본 발명의 상기 외부노즐(140)은

도 5의 a는 전부 개방되어 절연을 위한 원통형의 틀만 유지하고 있는 형상이고, b는 직선상으로 개방과 밀폐를 번갈아 한 형상이고, c는 일부 개방된 개구부가 여러 군데 있는 형상을 보여주고 있는바, 상기 도 1에 도시한 바와 같이 일부에 개구부(141)를 형성할 수도 있으나 전부를 개방형으로 형성할 수도 있음을 보여주는 일 실시예이며 기존의 외부노즐 형상과 같이 일부 테이퍼진 형상 등 작업에 효율적인 모든 형상이 가능할 것이다.

또한 상기 외부노즐(140)의 일부 또는 전부를 개방한 개구부(141)를 통해 유입되는 공기 대신에 추가적인 관로를 만들어 냉각가스(예컨데 질소가스) 등 여타 목적의 가스를 별도로 공급하여 다양한 용도로 사용할 수 있다. 상기와 같은 이종가스를 이용할 시에는 보호가스와 함께 각 유량 및 압력 그리고 외부노즐 형상에 유의하여야 할 것이다.

도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 상기 증폭노즐(200)은

상기 디퓨저(120)의 가스토출부(121) 상하부에 내측부(210)와 외측부(220)로 구성되어 설치되며, 상기 내측부(210)는 용접팁(130)에 경사(경사면, 코안다표면)(212)지게 구성되는 바, 이를 펼쳤을때 부채꼴 형상으로 되어지며 일 실시예로는 일체형 또는 분리형으로 구성될 수 있으며 디퓨저(120) 및 용접팁(130)과 체결 및 분리가 편리하도록 박판의 얇은 금속으로 스프링력을 가진 말려있는 형상으로 구성하여 작업자가 손쉽게 탈착이 가능하도록 하며, 상기 내측부(210)와 외측부(220)간의 간극(214)을 조정하기 위해서 내측부상에 돌출부(215)를 원주상에 일정간격으로 위치하게 구성할 수 있다. 상기 디퓨저(120)에는 걸림홈(122,123)을 구성하고 상기 내측부(210)와 외측부(220)의 끝단부는 상기 걸림홈(122,123)에 위치할 수 있도록 반구형으로 제작한다. 상기 간극(214)은 전류가 600A 이하인 일반적인 차량 및 중장비 용접의 경우 바람직하게는 0.2 ~ 2.0 mm 이다. 상기 간극(214)은 보호가스의 종류 및 용접조건에 따라 다를 것이나 주변의 공기를 빨아들여 용접부위를 둘러싸는 전체 유량을 결정하는 중요한 요소가 된다.

도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 상기 내측부 경사면(코안다표면)(212)의 경사각(213)은

상기 증폭노즐(200)을 통과한 보호가스가 코안다효과에 의한 유동을 함에 있어 효율적으로 유동할 수 있도록 선택한다. 이는 경사면(코안다표면)(212)의 재질과 표면조도 및 보호가스의 종류와 밀접한 관계가 있을 것이다. 보호가스의 유동은 경사각(213)을 작게하면 고속을 유지하게 될 것이나 안내부(131)에 이르러도 압력이 주위보다 낮다면 주위공기를 빨아들여 난류성 흐름을 유발할 가능성이 커지게 되고, 크게하면 코안다효과를 잃어버리고 경사면(코안다표면)(212)에서 이탈하여 발산할 수도 있을 것이다. 즉 보호가스와 유입공기의 전체 유량의 속도와 압력을 결정하는 중요한 요소가 된다. 바람직하게는 5~30도로 한다.

도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이 상기 용접팁(130)의 안내부(131)는

보호가스와 유입된 공기를 안정적이고 균일한 층류(laminar flow)상태를 유지하면서 용접부위를 향한 직진성을 확보하여 확실하게 용접부위를 원주상으로 균일하게 둘러싸게 함으로써 바람부는 외부환경에서도 작업이 가능하게 하는 역할을 하게 된다. 바람직하게는 5~15mm로 한다. 다만, 경우에 따라서는 경사각(132)을 +(상) 또는 -(하) 로 줄 수도 있다. 즉 유량이 충분하여 용접부위를 넓게 보호하는 경우에는 + 경사각을 줄 수도 있다.

도 1 또는 도 2에 도시한 바와 같이 상기 용접팁(130)의 경사각(133)은

90도인 경우도 있으나 일반적으로는 예각으로 되어있는데 보호가스가 상기 안내부를 따라 계속해서 직진할 수 있도록 즉 코안다효과가 생기지 않도록 용접팁경사각(133)은 45도 이상의 급격한 각도가 바람직할 것이다.

100:용접토치
110:절연체
120:디퓨저 121:가스토출부 122:외측부걸림홈 123:내측부걸림홈
130:용접팁 131:안내부 132:안내부경사각 133:용접팁경사각
140:외부노즐 141:개구부
200:증폭노즐 210:내측부 220:외측부
212:경사면(코안다표면) 213:경사각 214:간극 215:돌출부

Claims

절연체(110)에 일체화 또는 체결되는 디퓨저(120)와 외부노즐(140) 그리고 상기 디퓨저(120)에 체결되는 용접팁(130)으로 구성된 보호가스를 사용하는 용접용 토치에 있어서,
상기 디퓨저(120)의 가스토출부(121) 상하부에는 증폭노즐(200)이 내측부(210)와 외측부(220)로 구성되어 설치되며,
상기 내측부(210)는 용접팁(130)에 경사(경사면,212)지게 설치하며,
상기 내측부(210)와 외측부(220)간의 간극(214)을 조정하기 위해서 내측부상에 돌출부(215)를 원주상에 일정간격으로 위치하게 구성하며,
상기 외부노즐(140)은 일부 또는 전부가 개방된 용접용 토치.
청구항 1에 있어서
상기 외부노즐(140)의 일부 또는 전부를 개방한 개구부(141)에는 유입되는 공기 대신에 추가적인 관로를 만들어 냉각가스를 별도로 공급하는 용접용 토치.