KR102285103B1 - 유도 가열 헤드를 이용한 가열 및／또는 냉각을 구비한 금속 가열 및 가공 시스템과 방법 - Google Patents

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Abstract

공작물(12)이, 유도 가열 및 제어 시스템(24)에 커플링된 하나 이상의 유도 가열 코일(16)로 가열된다. 그러한 가열은, 용접과 같은 금속 가공 작업과 함께 이루어진다. 가열을 실시하여, 용접에 앞서서 코팅 등을 제거할 수 있고, 용접 이후에 크래딩 등을 도포할 수 있으며, 용접 비드의 공극율을 개선할 수 있으며, 기타 등등을 할 수 있을 것이다. 유도 가열 헤드(16)가 용접 토치(14)의 앞쪽에 또는 뒤쪽에 배치되고, 용접 토치와 함께 또는 용접 토치와는 독립적으로 이동된다. 하나 이상의 유도 가열 헤드(16)가 용접하고자 하는 파이프 내에 배치되고, 예를 들어 용접 중에 파이프를 유지하는 내부 파이프 클램프 상에, 그 내부에 또는 그에 인접하여 배치된다.

Description

유도 가열 헤드를 이용한 가열 및／또는 냉각을 구비한 금속 가열 및 가공 시스템과 방법{METAL HEATING AND WORKING SYSTEMS AND METHOD WITH HEATING AND/OR COOLING USING AN INDUCTION HEATING HEAD}
본 발명은 일반적으로, 용접 시스템과 같은 금속 가공 시스템, 및 예를 들어, 코팅을 제거하기 위한 시스템, 크래딩(cladding) 및 다른 코팅을 도포하기 위한 시스템, 공극률(porosity) 개선을 가능하게 하기 위한 시스템 등에서의 가열에 관한 것이다.
많은 용접 시스템 및 다른 금속 가공 시스템이 공지되어 있고 현재 이용되고 있다. 일부 적용예에서, 페인팅되고, 코팅되고, 크래딩된, 또는 그렇지 않으면 일부 준비작업이 없는 상태에서 달리 표면적으로(superficially) 적합하지 않은 공작물 상에서, 용접이 실시된다. 이는, 금속 프로세싱(예를 들어, 용접)에 앞서서 표면의 재료의 제거를 수반할 수 있을 것이다. 다른 적용예에서, 용접 또는 금속 가공 이후에 크래딩 또는 다른 표면을 도포하는 것이 유용할 수 있을 것이다. 또 다른 적용예에서, 작업 전에 또는 후에, 특히 용접 작업과 함께, 금속 가공 표면을 가열하는 것이 유용할 수 있을 것이다.
이러한 적용예들 중 하나 이상에 대해서 구성될 수 있는 개선된 기술에 대한 당업계에서의 요구가 있다.
본 발명의 과제는, 유도 가열 헤드를 이용한 가열 및/또는 냉각을 구비한 금속 가열 및 가공 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 그러한 요구에 응답하도록 구성된 시스템 및 방법 모두를 제공한다. 이들은 여러 가지 유형의 용접 시스템, 및 유도 헤드(induction head)를 통과하는 교류 전류에 의해서 공작물을 가열하는 유도 가열 시스템을 포함할 수 있을 것이다. 하나의 구현예에서, 금속 가공 및 가열 시스템은, 작동 중에 공작물 상에서 용접 작업을 실시하는 용접 토치, 및 용접 토치에 인접하게 배치되고 작동 중에 공작물의 가열을 유도하여 공작물의 가열 및/또는 냉각을 제어하는 유도 가열 헤드를 포함한다. 용접 파워 제어 시스템이 용접 작업에 대한 파워 입력을 조절하고, 유도 파워 제어 시스템이 유도 헤드에 대한 파워 입력을 조절한다.
하나의 특별한 구현예에서, 금속 가공 및 가열 시스템은, 작동 중에 공작물 상에서 용접 작업을 실시하는 용접 토치, 및 용접 토치에 인접하게 배치되고 작동 중에 공작물의 가열을 유도하여 공작물의 가열 및/또는 냉각을 제어하는 유도 가열 헤드를 포함한다. 용접 파워 제어 시스템이 용접 작업에 대한 파워 입력을 조절하고, 유도 파워 제어 시스템이 유도 헤드에 대한 파워 입력을 조절하며, 동조 제어 시스템(coordinated control system)이 용접 파워 제어 시스템과 유도 파워 제어 시스템의 작동을 동조(coordination)시키고, 동조 제어 시스템 및/또는 용접 파워 제어 시스템이 용접 작업에 대한 파워 입력의 제어에 의해서 희망 용접 프로세스를 실시한다.
개시 내용의 다른 양태에 따라서, 금속 가공 및 가열 방법은, 용접 토치로의 파워의 인가에 의해서 공작물 상에서 용접 작업을 실시하는 단계, 용접 토치에 인접하게 배치된 유도 가열 헤드로의 파워의 인가에 의해서 공작물을 가열 및/또는 냉각시키는 단계, 및 용접 토치 및 유도 가열 헤드로의 파워 입력을 조절하는 것에 의해서 용접 파워 제어 시스템과 유도 파워 제어 시스템의 작동을 동조시키는 단계를 포함한다.
도면 전반을 통해서 동일한 부분을 동일한 문자로 나타낸 첨부 도면을 참조하여 이하의 구체적인 설명을 판독할 때, 본 발명의 이러한 특징, 양태 및 장점 그리고 다른 특징, 양태, 및 장점이 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은, 용접 전에 표면 재료를 제거하기 위해 유도 가열 시스템과 함께 용접 시스템이 이용되는 예시적인 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 2는, 유도 헤드의 이동이 적어도 부분적으로 용접 토치의 이동으로부터 독립적인 유사한 예시적인 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 3은, 금속 가공 작업에 앞서서 표면 재료를 제거하기 위한 예시적인 유도 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 4는, 용접 토치를 종동하는(following) 유도 가열 헤드를 이용하는 예시적인 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 5는, 용접 토치 내의 유도 헤드 또는 유도 코일을 이용하는 예시적인 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 6은, 펄스형 용접 프로세스를 갖춘 유도 가열의 동조 제어를 이용하는 예시적인 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 7은, 유도 헤드가 내부 파이프 클램프에 인접하게 이동 가능한, 예시적인 파이프 용접 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 8은, 복수의 유도 헤드가 내부 파이프 클램프에 인접하게 제공되는, 예시적인 파이프 용접 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 9a 및 도 9b는, 용접에 후속하여 크래딩 또는 다른 재료를 도포할 수 있는, 및/또는 용접 품질을 개선하기 위해 용접 이후의 가열을 허용할 수 있는, 예시적인 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 10a 및 도 10b는, 공작물의 왜곡 및 다른 양태를 제어하기 위해서 금속 가공 적용예의 측부로 유도 가열을 인가하기 위한 예시적인 시스템의 개략적인 배치도이다.
도 11은, 유도 가열에 의해서 보조되는, 공작물 내로의 체결구 고정 또는 체결구 삽입 형태의 금속 가공 적용예의 개략적인 배치도이다.
도 12는, 예를 들어 작동 중에 장치에 대한 파워의 조절을 허용하기 위해서, 공작물과 같은 물체로부터의 유도 가열 장치의 배치, 위치, 또는 거리를 결정하는 데 하나 이상의 감지 기술이 이용되는 실시예의 개략적인 배치도이다.
도 1은 공작물(12) 상에서의 용접 작업과 같은, 금속 가공 작업을 실시하기 위한 예시적인 가열 및 금속 가공 시스템(10)을 도시한다. 공작물은 전형적으로 하나 이상의 금속을 포함할 것이고, 특히 용접 적용예를 위한 많은 경우에, 용접 접합부를 형성하도록 접합하기 위한 둘 이상의 요소를 포함할 것이다. 그러한 작업은, 용접 작업에서 용접 토치(14)를 전형적으로 포함하는 구성요소에 의해서 실시된다. 용접 작업부에 인접하여 가열하는 것은 유도 가열 헤드(16)에 의해서 실시되고, 그러한 유도 가열 헤드는, 도시된 실시예에서, 유도 가열 헤드 및 용접 토치를 동일한 브라켓 및/또는 이동 장치 상에 구비하는 것과 같이, 고정형 자동화 또는 탄력적 자동화에 의해서 용접 토치의 전방에 배치된다. 용접 작업 중에, 용접 비드(welding bead)(18)가 용접 와이어의 배치 및/또는 용접 와이어 및/또는 공작물의 용융에 의해서 형성된다. 대부분의 용접 작업에서, 비드는, 재응고 중에 융합되는 와이어 및 공작물 모두로부터의 금속을 포함한다. 도 1의 실시예에서, 용접 토치 및 유도 가열 헤드는 화살표(20)에 의해서 표시된 바와 같은 이동 방향을 따라 함께 이동된다. 대안으로, 공작물, 또는 토치, 가열 헤드, 및 공작물 모두가 이동될 수 있을 것이다.
시스템(10)은 또한, 용접 토치에 대한 용접 파워의 인가를 조절하는 용접 시스템 및 제어부(22), 그리고 유도 가열 헤드에 대한 파워의 인가를 조절하는 유도 가열 시스템 및 제어부(24)를 포함한다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 용접 시스템은 파워 공급부를 전형적으로 포함하고, 그러한 파워 공급부는 일부 입력 형태의 전기 파워를 수신하고, 그러한 입력 파워를 AC 파워, DC 파워, 및 펄스형 파워 등과 같은, 용접 파워로 변환한다. 용접 시스템은 또한 와이어 공급기, 그리고 여러 가지 로봇 및 자동화 구성요소 등을 포함할 수 있을 것이다. 용접 제어부가, 일정 전류 프로세스, 일정 전압 프로세스, 및 펄스형 프로세스 등과 같은, 하나 이상의 희망 용접 프로세스를 실시할 수 있을 것이다. 유사하게, 가스 공급부, 작업 클램프, 및 용접 케이블 등과 같은, 임의의 적합한 서비스 및 구성요소가 포함될 수 있을 것이다. 유도 가열 시스템은 용접 시스템과 함께 제공되거나 용접 시스템과 별개로 제공될 수 있을 것이다. 유도 가열 시스템은, 희망 주파수, 및 파워 레벨 등에서 필드(field) 및 결과적인 공작물 가열을 유도하기에 적합한 제어된 파워로 유입 파워를 변환하기 위한 파워 회로망을 전형적으로 포함할 것이다.
특정 실시예에서, 공통/동조 제어부(26)가, 용접 시스템 및 유도 가열 시스템으로부터 분리된, 또는 상기 시스템들 중 하나 이상과 통합된 적절한 회로망에 의해서 제공될 수 있을 것이다. 동조 제어부는, 특정의 희망 가열 프로파일, 가열 시간, 및 가열 위치 등이 제공되어 용접 작업, 및 용접 작업 이전 또는 이후의 공작물의 가열 등을 최적화할 수 있도록, 용접 작업에 대한 그리고 유도 가열 헤드에 대한 파워 입력의 조절을 허용할 수 있을 것이다. 용접 시스템 및/또는 동조 제어부가 또한, 실제 용접 작업 자체 외에도, 작업의 이러한 양태들을 동조시킬 수 있을 것이다. 또한, 이에 따라, 작동 중에 용접 토치, 유도 가열 헤드, 공작물, 또는 이들의 임의의 조합의 공통 이동 또는 개별 이동이 제어될 수 있다.
본 개시 내용에서 금속 가공 적용예 및 작업을 일반적으로 참조하였으나, 용접과 같은 특별한 적용예 및 작업을 또한 참조하였다는 것을 주목하여야 할 것이다. 이러한 맥락에서, 금속 가공 적용예 및 작업이 매우 다양하게 변화될 수 있을 것이고, 임의의 희망 용접 작업(예를 들어, 금속 불활성 가스 용접, 즉 MIG 용접, 텅스텐 불활성 가스 용접, 즉 TIG 용접, 서브머지드 아크(submerged arc) 용접, 및 레이저 용접 등)을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 프로세스는 종종 다른 명칭으로, 예를 들어 가스 금속 아크 용접(GMAW; Gas Metal Arc Welding), 및 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW; Gas Tungsten Arc Welding) 등으로 지칭된다. 또한, 금속 가공 적용예는 크래딩, 브레이징, 표면 처리, 및 체결구 삽입 등을 포함할 수 있을 것이다.
유사하게, 도 2는, 용접 토치로부터 적어도 부분적으로 독립적으로 유도 헤드를 이동시키기 위해서 독립적인 이동 장치들이 이용되는 시스템을 도시한다. 이러한 실시예에서, 용접 토치 로봇 제어부(30)가 용접 토치(또는 토치를 가지는 용접 시스템)를 이동시키기 위해서 제공될 수 있는 한편, 유도 헤드 로봇 제어부(32)가 유도 가열 헤드의 이동을 제어한다. 이러한 구성요소가, 각각 화살표(34) 및 화살표(36)에 의해서 표시된 바와 같이, 동일한 속력으로 그리고 동일한 방식(예를 들어, 방향, 경로)으로 이동될 수 있거나, 독립적으로 이동될 수 있을 것이다. 그러한 독립적인 이동 제어는 토치 및/또는 가열 헤드의 이동 제어의 선택, 위치 및/또는 시간 의존적 비율(rate)을 허용할 수 있을 것이다.
양 시스템에서, 페인트, 오일, 아연 코팅, 오물 산화물, 프라이머, 및 제거 또는 처리되어야 하는 다른 표면 재료를 연소시키기에 충분하게끔 공작물을 가열하도록, 토치 전방의 유도 헤드가 구동될 수 있을 것이다. 그러한 재료를 제거하기 위한 온도는 재료에 따라서 달라질 수 있고, 처리(예를 들어, 제거)하고자 하는 코팅을 기초로 가열 및 용접 시스템을 제어하는 것에 의해서 조정 가능한 온도 및/또는 속력이 얻어질 수 있을 것이다. 그러한 재료가 용접 문제를 빈번하게 발생시키고, 그에 따라 설명된 가열/용접 시스템이 효과적인 제거 메커니즘을 제시한다. 일부 적용예에서, 유도 헤드의 속력은 용접 헤드보다 느릴 수 있을 것이고, 독립적인 이동 능력을 가지는 것이 장점을 제공한다. 즉, 제1 부분이 용접될 때, 유도 헤드는 용접하고자 하는 다음 부분을 따라서 배치 및/또는 이동될 수 있을 것이다. 다른 경우에, 이동은 용접과 가열 사이에서 보다 양립적이고(compatible), 하나의 이동 장치가 효과적이다. 표면 재료 표적화(surface material targeting)가 고려되는 경우에, 유도 가열을 위해서 이용되는 주파수를 조정 또는 셋팅하여 가열의 위치를 제어할 수 있을 것이다. 예를 들어, 낮은 주파수(예를 들어, 20 kHz)가 일반적인 공작물 가열을 위해서 이용될 수 있는 한편, 높은 주파수(예를 들어, 100 kHz)가 보다 표적화된 표면 가열(예를 들어, "연소")을 위해서 전류의 표피 효과(skin effect)를 이용할 수 있을 것이다.
그러한 시스템은 또한, 주변 수분을 제거 또는 감소시키는 데 도움을 주기 위해서 그리고 용접부 내의 수소 레벨을 낮추기 위해서, 용접 토치 전방의 재료(예를 들어, 공작물) 및 와이어를 가열하는 데 이용될 수 있을 것이다. 또한, 그러한 시스템은 단지 금속 기화의 지점에서의 기판 유도를 위해서 이용될 수 있을 것이고, 이는 아크 용접, 아크 시작 등을 안정화시키는 데 도움이 된다.
가열이 용접 작업부의 전방에서 실시되는 실시예가 여기에서 도시되고 설명되어 있지만, 원하는 경우에, 가열은 용접 작업부의 후방에서(즉, 후속하여) 또는 용접 작업부의 전방 및 후방 모두에서 실시될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 용접 작업에 후속하여 가열이 실시되는 적용예에서, 설명된 유형의 유도 헤드 또는 장치는, 예를 들어, 막 형성된 용접 비드의 평탄화에서, 공극률의 완화 또는 개선에서, 제어된 가열/냉각에 의한 야금학적 개선에서, 그리고 기타 등등에서 도움을 줄 수 있을 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 기법에 대한 다른 적응예는, 표면 가열에 의해서 페인트 및 코팅을 스트립핑(stripping)시키기 위해서 유도 헤드를 이용하는 독립적인 유도 가열 시스템(38)을 제공하는 것이다. 많은 페인트가 단순히 열적 변화로 인해서 박리될 것이다. 다른 선택사항으로서, 더 큰 표피 효과를 생성하여 깊은 가열을 방지하기 위한 제어 시스템 및 유도 가열의 주파수 변화가 포함된다. 후속하여, 공작물이, 예를 들어 용접에 의해서, 작업될 수 있을 것이다. 그러한 시스템이 독립적으로 작동할 수 있는 그들 자체의[예를 들어, 독립적인(stand-alone)] 유도 가열 시스템 및 제어부(40), 혹은 용접 또는 다른 시스템에 커플링(coupling)되고 동조될 때, 금속 가공용 구성요소를 포함할 수 있을 것이다. 그러한 장비는, 가열 및 금속 가공 장비의 독립적인 이용 또는 동조식 이용을 허용하는 모듈형 가열 접근방식의 일부일 수 있을 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 다른 적응예로서, 하나의 이동 장치 상에서 또는 용접 토치와 독립적으로, 용접 토치(14)를 따르는 또는 용접 토치 뒤의 유도 가열 헤드(16)를 이용한, 아연과 같은 특정 재료에 대해서 실시되는 용접을 따르는 것이 있다. 그러한 시스템은 용접 비드(18)의 가열을 허용하여, 반(semi)-용융 비드 아래에 매립된 다공부가 최종적으로 비드를 빠져 나오게 할 수 있을 것이다. 이는 전체 용접을 따라서 이루어질 수 있거나, 도면에서 파선 원으로 표시된 바와 같은, 아크 시작 영역 및 종료 영역과 같이 단순히 문제가 되는 영역(42)에서 이루어질 수 있을 것이다. 이는 또한, 다공부에 대한 우려가 적은 상태로, 용접 토치가 빠른 속력으로 이동할 수 있게 한다. 또한, 금속 가공 적용부에 후속하는 유도에 의한 에너지의 인가는, 예를 들어 탈가스, 결정 조직 제어, 및 열처리 등을 위해서, 공작물의 일부를 액체 상태 또는 반액체 상태로 유지할 수 있게 할 수 있을 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다른 예시적인 시스템은 토치 및 가열 헤드의 조합체(46)를 포함한다. 여기에서, 용접 토치(14)의 노즐(46) 상에 또는 그에 인접하여, 유도 가열 헤드(48)가 임의의 적합한 방식으로 배치, 장착, 및 지향된다. 이러한 도시 내용에서, 용접 와이어(50)가 토치로부터 공급되고, 유도 가열 헤드(48)가 용접 작업부의 바로 앞의 희망 위치에서 유도 가열을 위한 에너지를 지향시킨다. 물론, 에너지가 용접 작업부의 뒤쪽으로, 작업에서의 하나 이상의 측부로, 또는 이들의 임의의 조합으로 지향될 수 있다.
도 6은 토치 외부의 유도 가열 헤드를 도시한다(그러나, 헤드가, 전술한 바와 같이, 토치 내에, 토치 상에, 또는 토치 근처에 위치될 수 있음). 이러한 실시예에서, 전술한 동조 제어와 같이, 용접 시스템 및 유도 시스템 모두로부터 분리될 수 있거나, 용접 시스템 및 유도 시스템 중 하나 또는 양자 모두와 패키지화 또는 통합될 수 있는, 예를 들어 펄스/전달/가열 동조 제어부(52)에 의해서, 유도 시스템에 의한 가열은 용접 프로세스 내의 주요 이벤트 중에 용접 신호와 동조되거나 또는 동기화될 수 있을 것이다. 일부 시스템에서, 유도 헤드가 접촉 선단부(contact tip), 라이너 또는 다른 토치 위치 내에 위치될 수 있을 것이다. 또한, 유도 헤드는 유지용 고정구 또는 토치 옆이나 토치 상의 다른 위치로부터 와이어를 향할 수 있을 것이다. 제어부의 동조를 위한 주요 이벤트는, 예를 들어, 펄스 또는 단락 회로 전달 용접 프로세스에서의 단락 회로의 발생일 수 있을 것이다. 단락 중에, 통상적인 시스템에서, 단락의 제거(clearing)를 촉진하기 위해 일반적으로 전류가 부가된다. 이렇게 부가된 전류는 공작물 및 용접 퍼들(welding puddle)에 열을 부가하고, 스패터(spatter)를 생성할 수 있을 것이다. 스패터를 줄이기 위해서, 그리고 부가되는 전류/열을 줄이기 위해서, 일부 용접 프로세스는 특별한 전류 프로파일 또는 기계적 수축을 이용한다. 단락 중에 또는 단락 직전에 와이어 상에서 유도 가열 필드를 동기화하면 전류 필요성을 감소시킬 수 있을 것이고 또한 스패터를 감소시킬 수 있을 것이다. 이에 따라 또한 보다 많은 플라즈마를 생성하는 전류 부가를 피할 수 있을 것이고, 따라서 플라즈마 컬럼(plasma column) 및 용접 비드 내로 도입되는 에너지를 최소화할 수 있을 것이다. 유도 공급원을 통해서 판(plate)으로 전달되는 필드의 임의의 부분이 영역 내에서 확산되고 그 효과를 최소화한다.
도 7 및 도 8은, 하나 이상의 유도 가열 헤드가 파이프 용접용 고정구를 위한 내부 클램프 내에 또는 그에 인접하여 배치되는 예시적인 실시예를 도시한다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 파이프 용접 적용예는, 인접한 파이프 단편들(segments)(56) 사이에 접합부(54)를 형성하는 것을 전형적인 목표로 할 것이다. 하나 이상의 클램프가 파이프의 2개의 단편을 길이방향으로 함께 유지하고, 접합부에서 내경과 직접적으로 접촉할 수 있을 것이고 제1 통과(pass) 또는 루트 패스(root pass)를 위한 열을 흡수(sink)하기 위해 용접부에 대한 구리(또는 다른) 백업(backup)을 제공할 수 있을 것이다. 도시된 시스템에서, 하나 이상의 유도 코일은 클램프 내에, 클램프 상에, 또는 클램프에 인접하여 배치되고, 파이프가 용접을 위해서 제 위치에서 유지될 때, 파이프를 예열(및/또는 후열)한다. 그러한 가열에 의해서 제공되는 온도는 예열 및 용접 후 가열에 대해서 유지될 수 있을 것이다. 그러한 시스템의 적응예에서, 온도는 용접 프로세스를 돕기 위한 것, 보다 양호한 금속 전달 제공을 위한 것, 보다 많은 금속 침착(deposition)을 위한 것, 보다 큰 아크 안정성을 위한 것, 그리고 기타 등등을 위한 것일 수 있다. 도 7의 구현예에서, 파이프 클램프/회전 제어부(58)가 클램핑의 제어(예를 들어, 파이프 배치)를 제공하고, 용접 작업 이전에, 도중에, 또는 이후에 파이프를 정지 상태로 유지하거나 파이프를 이동시킬 수 있을 것이다. 전형적으로, 그러한 제어는 용접 작업, 가열, 또는 그 양자 모두의 제어와 동조될 것이다.
도 8의 시스템에서, 복수의 유도 코일이 파이프 내에서 제공되거나 단편화된다. 이러한 실시예에서, 유도 코일 또는 유도 헤드가 고정식일 수 있을 것이다. 파이프 클램프/회전 제어부가, 화살표(60)에 의해서 표시된 바와 같이, (예를 들어, 별개로 도시되지 않은, 회전 구동 조립체 및 모터의 적절한 구동에 의해서) 파이프 단편의 회전을 유발할 수 있을 것이다. 여기에서, 유도 코일 또는 유도 헤드는 전원이 연결되거나, 전원이 차단되거나, 또는 파이프 상의 용접 토치 및 와이어 위치에 상응하는 상이한 레벨로 전원이 연결되어, 용접의 특정 단계 중에 그리고 주어진 위치에서 적절한 열을 제공함으로써, 예를 들어 금속 전달에 도움을 줌으로써, 영역을 통한 용접 통과 후에 낮은 가열을 제공하거나 가열을 제공하지 않는, 등의 역할을 한다. 또한, 하나 이상의 유도 헤드 또는 유도 코일이, 해당 적용예에서 파이프 섹션을 유지 또는 조작하기 위해서 내부적으로(또는 외부적으로) 이용되는 하나 이상의 클램프 또는 다른 구조물과 연관되거나, 그에 고정되거나, 또는 심지어 그 내부로 매립될 수 있다는 것이 현재 고려될 수 있을 것이다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 클림핑 시스템(도면에서 별도로 도시되지 않음)이 파이프 섹션들을 희망 위치에서, 전형적으로 서로 단부-대-단부로 마주하도록 유지하기 위해서 일반적으로 이용된다. 유도 헤드 또는 유도 헤드들(또는 단순히 유도 코일)이 그러한 클램핑 시스템의 일부에 부착되거나 그 내부에 매립될 수 있을 것이고, 이동 가능하거나 고정식일 수 있을 것이다. 그러한 경우에, 제어부(24)가 유도 헤드 또는 유도 코일로 파워를 순차적으로 인가할 수 있게 허용하여, 금속 가공 적용예의 진행, 본 경우에 전형적으로 용접의 진행을 기초로 가열 및 냉각 프로파일을 제공하게 할 수 있을 것이다. 다른 적용예는 열처리, 및 용접 후 열처리 등을 포함할 수 있을 것이다.
다른 예시적인 시스템에서, 도 9a에 도시된 바와 같이, 금속 가공을 실시하여 다단계 프로세스에서 공작물을 용접 및 크래딩한다. 이러한 예에서, 제1 단계는, 플라즈마를 제공하고 아크 및 퍼들(puddle)을 통해서[도면의 좌측으로의 리드-인(lead-in)측에서 용접 토치(14)를 통해서] 와이어 또는 스트립의 표면 경화(hard facing) 또는 크래딩 재료를 전달하는 것이다. 제2 단계는, 용접 퍼들이 용융되어 있는 동안, 후행(trailing)측에 위치되는 토치(62)를 통해서, 저온/온난(warm)/고온 와이어 또는 스트립 전달을 제공하는 것이고, 그러한 토치(62)는 와이어/스트립 시스템 및 제어부(64)에 의해서 파워를 공급받고 제어된다. 그러한 단계에서는 아크를 이용하지 않고, 재료를 단순히 고온 퍼들 내로 침착시킬 수 있을 것이다. 적용예에 따라서, 이는 "저온" 와이어로 또는 임의의 적합한 수단에 의해서(예를 들어, 와이어 저항 및 인가된 전류로 인한 저항 가열에 의해서) 가열된 와이어로 이루어질 수 있을 것이다. 이러한 단계 중에, 재료의 침착을 위한 단계 및 시간을 연장하기 위해서 긴 시간 동안 퍼들이 유도(induction)로 유지될 수 있을 것이다. 유도 가열 헤드 또는 유도 가열 코일(16)은, 제1 단계 중에 파워를 공급받거나 공급받지 않을 수 있을 것이다. 제3 단계에서는 기판으로의 와이어 또는 스트립의 도입을 선택적으로 중단하고 퍼들의 완전한 습윤(wetting)을 위해서 유도를 이용할 수 있을 것이다. 제2 단계에서 와이어는 저항 전류(resistive current)가 없이 저온 상태일 수 있고, 적은 저항 가열 전류를 통한 온난 상태일 수 있으며, 및/또는 보다 큰 저항 가열 전류, 그러나 일반적으로는 아크 또는 플라즈마를 생성하기에는 불충분할 수 있는 전류를 통한 고온 상태일 수 있다.
도 9b의 예시적인 시스템에서, 프로세스는 또한 추가적인 열 공급원, 예를 들어 레이저(66)를 이용하여, 레이저 시스템 및 제어부(68)의 제어 하에서 기판을 스폿 가열할 수 있다. 저온/온난/고온 와이어(분말 또는 스트립 포함)가 스폿 내로 인가될 수 있을 것이고 유도 가열을 이용하여 최종적으로 퍼들을 습윤시킨다. 그러한 시스템은 또한 첫 번째로 유도 가열을 제공하도록, 두 번째로 충진재를 전달하도록, 그리고 레이저와 같은 추가적인 열 공급원이 습윤되도록 구성될 수 있을 것이다.
도 10a 및 도 10b는, 용접 작업과 같은 가열에 의해서 영향을 받을 수 있는 공작물의 속성을 제어하기 위해서 유도 가열이 이용되는 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 필렛 용접(fillet welding)(특히, 여기에서는 T-필렛임)이 실시된다. 공작물(12)은 베이스 요소(70)를 포함하고, 그러한 베이스 요소에는 직립 요소(72)가 고정된다. 용접 비드(18)의 형성으로부터 달리 초래될 수 있는 각도 왜곡(angular distortion)은, 용접 작업부에 대향되는 공작물의 측부 상에서의 유도 가열 헤드(16)를 통한 유도 가열 에너지의 인가에 의해서 극복된다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 대향 측부 상에서 가열하면서, 공작물의 제1 측부 상에서 용접 작업이 진행될 수 있을 것이고, 이어서 희망하는 경우에, 제1 측부[제1 비드(18)가 형성된 곳] 상에서 유도 가열하면서, 유사한 비드(18')가 제2 측부 상에 형성될 수 있을 것이다. 여기에서 다시, 각각의 가열 및 제어 시스템, 그리고 공통 제어부 또는 동조 제어부(26)에 의해서, 양 작업들에 의한 가열이 선택될 수 있을 것이고, 동조될 수 있을 것이고, 균형 잡힐 수 있을 것이고, 기타 등등이 이루어질 수 있을 것이다. 유도 가열 헤드와 토치 사이의 파워 입력의 균형은 조작자가 선택할 수도 있다. 또한, 조작자 인터페이스가 금속 가공 프로세스, 프로세스 매개변수, 및 상기 용접 또는 크래딩 파워 시스템과 상기 유도 파워 시스템을 통한 파워 입력 사이의 균형 중 적어도 하나의 선택을 허용하도록 구성될 수 있다.
도 11은 유도 가열에 의해서 보조되는 금속 가공 적용예의 추가적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 체결구 삽입 스테이션(74)은, 체결구(80)를 유지하고 공작물(12) 내로 구동시키는 도구(78)와 연관된 체결구 저장 및 구동 시스템(76)을 포함한다. 공작물의 국소적인 부분(82)을 가열하기 위해서, 하나 이상의 유도 가열 헤드(16)가 제공된다. 충분하게 가열되었을 때[그리고 가소성을 갖게 되었을 때], 시스템이 체결구를 공작물 내로 또는 공작물을 통해서 압박할 수 있을 것이다. 공작물로부터 연장하는 스터드(stud)를 제공하기 위해서, 그리고 기타 등등을 위해서, 그러한 기술을 이용하여, 공작물의 2개의 요소를 서로에 대해서 고정시킬 수 있을 것이다. 또한, 원하는 경우에, 공작물은 체결구를 수용하도록 배치된 개구(도면에서 도시되지 않음)를 포함할 수 있을 것이고, 그러한 개구의 치수 또는 소성은, 체결구의 삽입을 돕기 위한, 유도 가열에 의해서 영향을 받는다. 이전에서와 같이, 체결구 삽입 및 유도 가열의 제어가, 예를 들어 공통 제어부 또는 동조 제어부(26)를 통해서, 동조될 수 있을 것이다.
도 12는, 유도 가열 파워(및 희망하는 경우에, 파워 균형)의 보다 양호한 제어를 가능하게 하기 위해서, 유도 가열 장치(예를 들어, 유도 헤드 또는 유도 코일)에 대해서, 위치, 배치 및/또는 거리, 온도, 또는 임의의 다른 관련 매개변수가 감지되는 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 용접 작업은 토치(14)를 통해서 실시되나, 전술한 바와 같이, 이러한 작업은 임의의 금속 가공 작업일 수 있을 것이다. 가열은 유도 가열 헤드(16)에 의해서 제공된다. 여기에서, 하나 이상의 센서(84)가 제공되어 셋업 또는 작업의 하나 이상의 매개변수를 감지한다. 도시된 실시예에서, 위치 센서 또는 근접도 센서(84)가 유도 가열 헤드(또는 코일)와 공작물 사이의 거리 또는 갭(86)을 검출한다. 그러한 센서는, 예를 들어, 여러 가지 유형의 근접도 센서, 레이저 레인징 디바이스(laser ranging device), 작업 거리 센서에 대한 위상 천이된(phase shifted) 접촉 선단부 등을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 장치는, 유도 가열 헤드가 금속 가공 작업의 전방에 제공될 때, 그리고 유도 가열 헤드가 작업에 후행할 때 모두에서 이용될 수 있을 것이다. 유도 가열 파워 입력의 적어도 하나의 매개변수가 센서로부터의 신호 또는 신호들을 기초로 조절되는, 폐쇄 루프 제어가 실시될 수 있다는 것을 고려할 수 있을 것이다. 예를 들어, 유도 가열 헤드와 공작물 사이의 거리를 조정하는 대신에, 유도 가열 헤드로의 파워(또는 전류, 필드 강도, 주파수 등)를 조절하여 공작물의 희망 가열을 제공할 수 있을 것이고, 그러한 가열은 가열 헤드로부터의 거리에 따라서 달라질 수 있을 것이다. 여기에서 다시, 예를 들어 공통 제어부 또는 동조 제어부(26)에 의해서, 그러한 제어가 동조될 수 있을 것이고, 가열이 금속 가공 작업에 의한 가열과 균형을 이룰 수 있을 것이다.
유사하게, 공작물의 하나 이상의 위치의 온도가 감지될 수 있을 것이고, 온도를 나타내는 데이터가 유도 가열 조절을 위해서 이용될 수 있을 것이다. 온도를 검출하기 위한 센서가 용접 도구, 유도 헤드, 용접 또는 금속 가공 또는 유지 고정구, 백킹 스트립(backing strip)(이용되는 경우) 등 내로 설치될 수 있을 것이다. 용접 적용예에서 공작물 또는 용접부의 여러 지점에서의 온도 피드백을 이용하여, 유도 파워, 용접 파워, 또는 그들의 일부 조합을 조절함으로써 희망하는 열 입력, 냉각 비율(cooling rate), 미세조직, 왜곡 등을 제공할 수 있다. 센서가 비접촉식 적외선 센서, 카메라, 형상 기억 중합체 작동(shape memory polymer actuation)을 이용하는 무선주파수 태그, 접촉을 필요로 하는 통상적인 열전쌍, 혹은 온도 또는 온도를 나타내는 임의의 매개변수를 검출할 수 있는 임의의 다른 센서일 수 있을 것이다. 여기에서 고려되는 특정 실시예에서, 온도 센서는 열 영향 구역(heat affected zone; HAZ)을 지향하여 용접부의 HAZ의 냉각 비율을 모니터링할 수 있을 것이다. 이는, 자동차 적용예(예를 들어, 붕소 강)에서의 초고장력강(advanced high strength steel; AHSS) 용접과 미세합금 고강도 파이프(micro-alloyed high strength pipe)(예를 들어, X100 파이프라인 스틸) 용접에서 또한 매우 유리할 수 있을 것이다. 예를 들어, 붕소 강 자동차 적용예에서, 베이스 금속 내의 마르텐사이트 미세조직이 용이하게 형성되어 기계적 취성을 초래할 수 있다. 온도 센서 기반의 유도 가열은 아연 코팅을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 베이스 금속의 HAZ 내의 미세구조를 제어할 수 있다. X100 및 X120 파이프 용접에서, 금속은 수소 취화에 민감할 수 있으며 열등한 저온 인성을 가질 수 있고, 예열 온도, 루트 패스 및 인터 패스(inter-pass) 온도, 및 각각의 용접부의 냉각 비율을 모니터링 및 제어하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 미세조직 및 잔류 응력을 제어하기 위해서 냉각 프로세스 중에, 냉각 비율 "곡선" 뿐만 아니라, 용접부 및 HAZ의 온도-시간 프로파일이 관심 대상이 될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 예를 들어, 전체 용접부를 위해서 용접 고정구 내로 설치된 센서를 이용하여, 냉각은, 예를 들어 제1 냉각을 허용하기 위해서 “중단”되고, 이어서 희망하는 미세조직을 획득하기 위해서 CCT 도표를 기초로 특정 시간 동안 특정 온도에서 “유지”되고, 이어서 다시 냉각되거나, 또는 심지어 냉각 곡선에서 몇 차례의 그러한 “중단”이 이루어질 수 있을 것이다.
본 논의에서 설명된 기술을 이용하기 위한 향상된 접근 방식을 당업자가 개발할 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 예를 들어, 유도 필드가 전형적으로 공작물(및 와이어)의 물리적 특성 및 재료적 특성에 의존하기 때문에, 자기 저항 경로(reluctance path) 생성, 공작물을 위한 접합부 디자인, 가열 장치의 형상 및 위치 등이, 가열 기술을 이용하는 용접 엔지니어 및 제품 디자이너에게 프로세스에서 특히 관심의 대상이 될 수 있을 것이고, 그에 따라 변경될 수 있을 것이다. 그러한 고려 사항은, 적절한 유도 파워 및 용접 파워 요건뿐만 아니라, "저온 와이어" 프로세스 또는 "고온 와이어" 프로세스를 이용하는지의 여부와 같은 프로세스 매개변수를 디자인할 때 고려될 수 있을 것이다.
더욱이, 전체적으로, 용접 전 에너지 입력 또는 용접 후 에너지 입력이 유도에 의해서 적어도 부분적으로 제공되는 공통 제어를 갖추는 것이 유리할 수 있을 것이다. 스폿 가열 혹은 퍼들 형성 또는 제어를 위한 가열이 요구되는 경우에도 마찬가지 이다. 인덕턴스 및 용접 파워를 변조하는 데 있어서 인덕턴스 파워 제어가 특히 유용하고, 인덕턴스 및 용접 파워 중 하나 또는 양자 모두를 제어하여 이동 속도, 및 야금학적 특성 제어 등과 같은 프로세스 매개변수를 최적화할 수 있을 것이다. 또한, 앞서 주목한 바와 같이, 공작물(들) 및 접합부의 성질 및 기하형태는 유도 파워의 적응을 요구할 수 있을 것이고, 용접 파워는 T 필렛과 같은, 상이한 유형의 접합부 및 두꺼운 부재의 가열을 조절하는 데 있어서 유용할 수 있을 것이다(예를 들어, 보다 편평한 비드, 보다 양호한 침투 제어 등을 허용함). 이러한 고려 사항은 또한 유도 장치의 형상, 용접 토치(특히, 아크 및 용접 퍼들)로부터의 장치의 거리, 가열이 용접 작업에 선행하는지 또는 후행하는지의 여부, 그리고 가열 장치가 용접 토치와 함께 또는 용접 토치에 대해 독립적으로 이동되는지의 여부 등에 영향을 미칠 수 있을 것이다. 예를 들어, 약 200-1000 ℉(90-540 ℃) 수준의 온도가 0.6 인치[0.25-0.5 인치 (6-12 mm)]와 같은 큰 용접부에서 적합할 수 있을 것이다. 또한, 본 기술은, AC 프로세스, DC 프로세스, 단락 회로 프로세스, 펄스형 프로세스, 전극 음 프로세스(electrode negative process) 및/또는 전극 양 프로세스와 함께 뿐만 아니라, 임의의 희망하는 침착 모드[예를 들어, 분무, 구상형(globular) 전달, 액적(droplet) 전달 등]와 함께 이용될 수 있을 것이다.
본원에서 발명의 특정 특징만을 도시하고 설명하였지만, 당업자는 많은 수정 및 변화를 가할 수 있을 것이다. 그에 따라, 첨부된 청구항이 발명의 진정한 사상 내에 포함되는 것으로서 그러한 수정 및 변화를 모두 커버하도록 의도되었다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 기계적 접합의 분야에서, 개시된 바와 같이 유도 가열을 이용하여 알루미늄 또는 스틸을 가열하고, 이어서 보다 가소화된(plasticized) 재료의 마찰 요동(friction stir)이 후속될 수 있다. 유사하게, 유도 코일을 이용하여 스틸 또는 다른 공작물 재료를 가열할 수 있고, 그리고 경로 나사(course thread)를 가지는 자가 탭핑 체결구(self tapping fastener)가 부품을 유지할 수 있거나 랩 접합부(lap joint)를 접합시킬 수 있을 것이다. 일부 적용예에서, 스틸 공작물이 상단 상에 그리고 알루미늄 공작물이 후방면 상에 위치될 수 있을 것이고, 이때 가소화로 인해서 보다 용이한 방식으로 스틸을 통해서 체결구를 자가-탭핑 또는 천공할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 개시된 유도 가열은, 금속 가공 작업과 함께, 천공 제어, 냉각 비율 제어, (용접부 및 열 영향 구역 내의) 미세구조 제어, 잔류 응력 제어, 및 왜곡 제어 등과 같은 많은 장점을 제공할 수 있을 것이다.

Claims (26)

  1. 금속 가공 및 가열 시스템으로서,
    작동 중에 공작물 상에서 용접 또는 크래딩 작업을 실시하는 토치;
    상기 공작물의 가열, 냉각, 또는 양자 모두를 제어하기 위해서, 작동 중에 상기 공작물의 가열을 유도하는 유도 가열 헤드;
    상기 용접 또는 크래딩 작업 중에 상기 토치에 대한 파워 입력을 조절하는 용접 또는 크래딩 파워 시스템;
    상기 유도 가열 헤드에 대한 파워 입력을 조절하는 유도 파워 시스템;
    상기 용접 또는 크래딩 파워 시스템에 의한 파워 출력과 상기 유도 파워 시스템에 의한 파워 출력을 동조(coordination)시키는 공통 제어 시스템; 및
    상기 유도 가열 헤드에 의해서 가열되는 열 영향 구역(heat affected zone)의 온도를 검출하는 센서
    를 포함하고,
    상기 공통 제어 시스템은, 용접 또는 크래딩 작업의 최적화를 위한 희망 가열 프로파일, 가열 시간, 및 가열 위치 중 적어도 하나를 제공하기 위하여, 상기 유도 가열 헤드와 상기 토치 사이의 파워 입력의 균형을 이루고, 초고장력강 열 영향 영역(advanced high strength steel heat affected zone) 및 미세합금 고강도 파이프(micro-alloyed high strength pipe)의 희망 미세조직을 획득하기 위해서, 상기 센서에 의해 검출된 온도를 기초로 하여 상기 유도 가열 헤드에 대한 파워 또는 전류를 제어하는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 헤드와 상기 토치 사이의 파워 입력의 균형을 조작자가 선택할 수 있는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 헤드는, 용접 또는 크래딩 작업부의 앞쪽에서, 배치 및 이동되는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 헤드는, 용접 또는 크래딩 작업부의 뒤쪽에서, 배치 및 이동되는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 헤드는 상기 토치와 공동으로 장착되는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 헤드는 상기 토치와 함께 이동되는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 헤드는 상기 토치와 독립적으로 장착되는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 헤드는 상기 토치와 독립적으로 이동되는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    유도 가열 파워, 용접 또는 크래딩 파워, 및 용접 또는 크래딩 프로세스가 서로 동조되어 제어되는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유도 가열 헤드는 고정식이고, 상기 공작물은, 상기 용접 또는 크래딩 작업 중에 이동되는 것인 금속 가공 및 가열 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 용접 또는 크래딩 작업 중에 고정되는 복수의 유도 가열 헤드
    를 포함하는 금속 가공 및 가열 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    금속 가공 프로세스, 프로세스 매개변수, 및 상기 용접 또는 크래딩 파워 시스템과 상기 유도 파워 시스템을 통한 파워 입력 사이의 균형 중 적어도 하나의 선택을 허용하도록 구성된 조작자 인터페이스를 더 포함하는 금속 가공 및 가열 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 금속 가공 및 가열 방법으로서,
    토치로의 파워의 인가에 의해서 공작물 상에서 금속 가공 작업을 실시하는 단계;
    유도 가열 헤드로의 파워의 인가에 의해서, 공작물을 가열, 냉각, 또는 가열 및 냉각시키는 단계;
    금속 가공 작업의 최적화를 위한 희망 가열 프로파일, 가열 시간, 및 가열 위치 중 적어도 하나를 제공하기 위하여, 선택된 열 평형(heat balance)으로 상기 토치로의 파워 입력 및 상기 유도 가열 헤드로의 파워 입력을 조절하는 것에 의해 금속 가공 파워 시스템과 유도 파워 시스템의 작동을 동조시키는 단계;
    상기 유도 가열 헤드에 의해서 가열되는 열 영향 구역(heat affected zone)의 온도를 검출하는 단계; 및
    초고장력강 열 영향 영역(advanced high strength steel heat affected zone) 및 미세합금 고강도 파이프(micro-alloyed high strength pipe)의 희망 미세조직을 획득하기 위해서, 적어도 부분적으로 상기 검출된 온도를 기초로 하여 상기 유도 가열 헤드에 대한 파워 또는 전류를 제어하는 단계
    를 포함하는 금속 가공 및 가열 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 금속 가공 작업에 대한 파워 입력의 제어에 의해서 희망 금속 가공 프로세스를 실시하는 단계
    를 포함하는 금속 가공 및 가열 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 토치의 앞쪽에서 상기 유도 가열 헤드를 이동시키는 단계
    를 포함하는 금속 가공 및 가열 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 토치의 뒤쪽에서 상기 유도 가열 헤드를 이동시키는 단계
    를 포함하는 금속 가공 및 가열 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    작동 중에 하나 이상의 유도 가열 헤드를 고정 상태로 유지하고 상기 공작물을 이동시키는 단계
    를 포함하는 금속 가공 및 가열 방법.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 제17항에 있어서,
    상기 금속 가공 작업은, 상기 유도 가열 헤드에 의해서 가열된 공작물의 부분 내로 체결구를 삽입하는 것을 포함하는 것인 금속 가공 및 가열 방법.
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