KR102347590B1

KR102347590B1 - 반응기의 하프코일 용접방법

Info

Publication number: KR102347590B1
Application number: KR1020210102436A
Authority: KR
Inventors: 김유찬; 김태완
Original assignee: 베스트에프에이 주식회사
Priority date: 2021-08-04
Filing date: 2021-08-04
Publication date: 2022-01-06
Also published as: CN115106624A; US20230045091A1

Abstract

본 발명은 반응기의 하프코일 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동용접기를 이용해 용접기 몸체에 가용접되어 있는 하프코일을 따라 GMAW 용접을 실시함으로써 백비드의 형성량을 높여 하프코일의 결합강도를 높이고, 하프코일을 따라 흐르는 유체의 기밀성을 높이며, 자동용접에 의한 일정한 용접품질을 확보함과 동시에 생산성을 높이며, 생산비용을 낮출 수 있는 반응기의 하프코일 용접방법이다.

Description

반응기의 하프코일 용접방법{Half coil welding method of reactor}

일반적으로 반응기(reactor)는 화학반응을 진행시키기 위해 사용하는 탱크 모양의 용기를 말하며, 반응기의 구조에 따라 반응기의 외부에 자켓이 형성되어 있는 자켓 반응기, 반응기에 플랜지를 형성하여 원료파이프 등과의 접합성을 높인 플랜지 반응기, 내부에 유체가 흐를 수 있는 코일을 설치한 인코일 반응기, 외부에 하프코일을 용접하여 설치한 하프코일 반응기 등이 있다.

종래 하프코일 반응기의 구성은 도 1에 나타나 있듯이, 반응기 몸체의 원주면을 따라 다수의 하프코일이 설치되어 있고, 이러한 하프코일은 반응기 몸체에 용접에 의해 고정 설치되게 된다.

종래 하프코일을 반응기 몸체에 고정하는 방법은 도 3과 같이 사람이 직접 하프코일마다 용접하는 방법을 사용하고 있는데, 이로써 비드의 생성량이 일정하지 않아 용접품질이 떨어지고, 특히 용접이 되지 않은 부분이 있을 경우 하프코일을 따라 흐르는 유체가 새는 등 많은 문제를 발생시키게 되며, 생산시간의 소모가 많아 제작비용이 급격히 상승된다.

또한, 반응기 몸체의 경우 평판형 철판을 원 모양으로 감아서 만들며, 하프코일은 도 2에 나타나 있듯이, 파이프 소재를 이용해 절곡하고, 절곡된 파이프의 절반 정도를 커터나 그라인더 등에 의해 절단하는 파팅단계를 통해 제작하게 되는데, 이로써 정확한 치수의 제품을 생산하기 어렵고 이로써 반응기 몸체와 하프코일의 치수 차이로 인해 갭이 생겨 사람에 의한 용접작업을 더욱 어렵게 만드는 요인이 되고 있다.

한편, GMAW 용접(Gas metal arc welding)과 관련된 선행기술로서는 공개특허 제10-2012-0131563호에 제안되어 있는 맞대기 이음 GMAW 초층 용접 방법이 있다.

상기 특허에는 상대적 아크력을 제어하여 루트 갭 변동을 극복하고 안정적으로 이면 비드를 형성하는 맞대기 이음 GMAW 초층 용접 방법과, 루트 갭이 작아지면 상대적 아크력을 증가시키고, 루트갭이 커지면 상대적 아크력을 감소하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 상대적 아크력을 제어하여 루트 갭 변동을 극복하고 안정적으로 이면 비드를 형성하는 맞대기 이 음 GMAW 초층 용접 방법이 제안되어 있는데, 상대적 아크력을 제어함으로써 맞대기 이음 시 발생하는 루트 갭(root gap)의 변동을 극복하면서도 안정적인 이면 비드를 형성할 수 있으나, 실제 용접을 수행할 때 상대적인 아크력의 제어를 갭에 따라 변화시키는데 어려움이 있어서 실제 용접에서 적용이 어렵다.

또 다른 GMAW 용접과 관련된 선행기술로서는 등록특허 제10-2206082호에 제안되어 있는 GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법이 있다.

상기 특허에는 GMAW 방법으로 티타늄계 모재를 용접하는 방법으로서, (a) 용접 부위의 표면에 티타늄 산화물층이 형성된 티타늄계 모재를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 티타늄 산화물층이 형성된 용접 부위를 용접하는 단계;를 포함하고, 상기 (a) 단계의 티타늄 산화물층은, 티타늄 산화물 분말을 포함하는 페이스트를 상기 용접 부위에 도포한 후 건조시키거나 또는 열에너지 투입 열원을 이용하여 상기 용접 부위 표면을 산화분위기 혹은 대기 중에서 국부적으로 용융시킨 후 응고시켜 형성된, GMAW 방식을 이용한 티타늄계 모재 용접 방법이 제안되어 있는데, 모재 자체에 티타늄 산화물층을 형성하여야 하므로, 별도의 전처리로 인해 많은 시간과 비용이 필요한 단점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0131563호(2012. 12. 5. 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-2206082호(2021. 1. 22. 공고)

따라서, 본 발명은 반응기의 하프코일 용접방법을 제공하기 위해 것으로써, 자동용접기를 이용해 용접기 몸체에 가용접되어 있는 하프코일을 따라 GMAW 용접을 실시함으로써 백비드의 형성량을 높여 하프코일의 결합강도를 높이고, 하프코일을 따라 흐르는 유체의 기밀성을 높이며, 자동용접에 의한 일정한 용접품질을 확보함과 동시에 생산성을 높이며, 생산비용을 낮출 수 있는 반응기의 하프코일 용접방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 GMAW 용접은 용접노즐을 일정한 폭으로 위빙동작을 수행하면서 용접을 수행하되, 하프코일의 반경방향으로 위빙동작을 수행하면서 용접을 행함에 따라 백비드의 형성량을 증가시킬 수 있는 반응기의 하프코일 용접방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 상기 위빙동작은 용접노즐이 하프코일에 가장 가까워진 상태에서 지연시간(dwell time)을 줌으로써 백비드의 형성량을 증가시킬 수 있는 반응기의 하프코일 용접방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 실제 용접이 이루어지고 있는 하프코일과 근접되어 가용접 되어 있는 하프코일에는 하프코일과 반응기 몸체 사이에 퍼징테이프를 부착하여 보호가스가 틈으로 새는 것을 막아줌으로써 용접부의 산화를 방지할 수 있는 반응기의 하프코일 용접방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명에 의한 반응기의 하프코일 용접방법은 반응기의 하프코일에 대한 용접방법에 있어서, 반응기 몸체의 원주면에 하프코일을 가용접하는 가용접단계와, 상기 가용접이 끝난 하프코일에 GMAW 용접을 실시하는 GMAW 용접단계로 이루어지며, 상기 GMAW 용접단계는 자동용접기를 이용하여 반응기 몸체와 같은 재질의 와이어를 공급하는 GMAW 용접을 이용해 하프코일과 반응기 몸체 사이의 틈이 없도록 용접을 수행하는 것이 특징이다.

본 발명에 의한 반응기의 하프코일 용접방법은 반응기의 하프코일 용접방법을 제공하기 위해 것으로써, 자동용접기를 이용해 용접기 몸체에 가용접되어 있는 하프코일을 따라 GMAW 용접을 실시함으로써 백비드의 형성량을 높여 하프코일의 결합강도를 높이고, 하프코일을 따라 흐르는 유체의 기밀성을 높이며, 자동용접에 의한 일정한 용접품질을 확보함과 동시에 생산성을 높이며, 생산비용을 낮출 수 있는 현저한 효과가 있으며, 상기 GMAW 용접은 용접노즐을 일정한 폭으로 위빙동작을 수행하면서 용접을 수행하되, 하프코일의 반경방향으로 위빙동작을 수행하면서 용접을 행함에 따라 백비드의 형성량을 증가시킬 수 있는 효과와 함께, 상기 위빙동작은 용접노즐이 하프코일에 가장 가까워진 상태에서 지연시간(dwell time)을 줌으로써 백비드의 형성량을 증가시킬 수 있는 효과가 있으며, 실제 용접이 이루어지고 있는 하프코일과 근접되어 가용접 되어 있는 하프코일에는 하프코일과 반응기 몸체 사이에 퍼징테이프를 부착하여 보호가스가 틈으로 새는 것을 막아줌으로써 용접부의 산화를 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 하프코일 반응기의 개략구성도
도 2는 하프코일 반응기의 제작공정 개략도
도 3은 종래 하프코일의 용접사진
도 4는 반응기 몸체와 하프코일의 일부분 확대단면도
도 5는 가용접단계 후의 단면확대도
도 6은 본 발명에 의한 GMAW 용접단계 후의 단면확대도
도 7은 노즐의 일반적인 위빙 작동도
도 8은 본 발명에 의한 노즐의 위빙 작동도
도 9는 본 발명에 의한 퍼징테이프의 사용상태도

이하, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 반응기 몸체와 하프코일의 일부분 확대단면도이고, 도 5는 가용접단계 후의 단면확대도이며, 도 6은 본 발명에 의한 GMAW 용접단계 후의 단면확대도로써, 본 발명에 의한 반응기의 하프코일 용접방법은 반응기의 하프코일에 대한 용접방법에 있어서, 반응기 몸체의 원주면에 하프코일을 가용접하는 가용접단계와, 상기 가용접이 끝난 하프코일에 GMAW 용접을 실시하는 GMAW 용접단계로 이루어지며, 상기 GMAW 용접단계는 자동용접기를 이용하여 반응기 몸체와 같은 재질의 와이어를 공급하는 GMAW 용접을 이용해 하프코일과 반응기 몸체 사이의 틈이 없도록 용접을 수행하는 것이 특징이다.

먼저, 도 4를 참조하면, (a) 정상상태의 경우 반응기 몸체와 하프코일의 갭이 없는 상태로 용접이 가장 잘 될 수 있는 상태이고, (b) 루프페이스 상태의 경우 하프코일의 끝 부분 면적이 넓어서 용접을 한 다음 백비드의 형성이 어려운 상태이며, (c) 버어 상태의 경우 역시 버어로 인해 백비드의 형성이 어려운 상태이다.

따라서, 도 4의 (a) 정상상태로 하프코일이 가공되어야만 가장 바람직한 용접품질을 얻을 수 있다.

상기 가용접단계는 반응기 몸체에 하프코일을 가용접하여 임시로 부착하는 단계로서, 가용접을 통해 하프코일을 일부분을 반응기 몸체에 붙이게 되는데, 도 5에 나타나 있듯이 가용접을 통해서는 하프코일의 내면 쪽으로는 백비드가 형성되지 않은 불완전 용입상태로 용접되며, GMAW 용접단계는 가용접이 끝난 하프코일을 본용접을 통해 완전히 부착하는 단계로써, 자동용접기를 사용하여 반응기 몸체의 재질과 동일한 재질의 와이어를 공급하면서 상기 와이어가 전극이 되어서 반응기 몸체 사이에 거리를 변화시킴에 따라 아크를 발생시켜 와이어를 녹이며, 녹은 와이어는 반응기 몸체와 하프코일 사이의 틈을 메움으로써 비드로 형성되는데, 도 6에 나타나 있듯이 하프코일의 내면 쪽으로 충분한 양의 백비드를 형성된 상태이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 반응기 몸체의 재질이 스테인리스스틸(STS) 316L 소재를 사용할 수 있으며, 공급되는 와이어 역시 스테인리스스틸(STS) 316L 소재의 와이어를 공급할 수 있는데, 경우에 따라 STS 304 소재나 STS 316 소재 등 유사한 재질의 다른 와이어를 공급할 수도 있다.

도 7은 노즐의 일반적인 위빙 작동도이고, 도 8은 본 발명에 의한 노즐의 위빙 작동도로써, 상기 GMAW 용접은 용접토치을 일정한 폭으로 위빙 동작을 수행하면서 용접을 수행하되, 하프코일의 반경방향으로 위빙 동작을 수행하면서 용접을 하는 것이 특징이다.

도 7을 참조하면, 자동용접기를 이용한 일반적인 위빙 동작은 용접선을 중심으로 용접선의 좌우를 따라 용접토치를 반복 이동시키면서 용접을 수행하게 되므로 하프코일의 원주방향을 따라 위빙동작이 이루어지는데, 본 발명의 위빙 동작은 도 8과 같이 용접토치를 용접선의 전후방향 즉, 반응기 몸체의 축방향을 따라 반복 이동시키면서 용접을 수행한다.

부연하면, 종래의 위빙 동작은 용접토치가 용접선을 보고 있는 방향의 수직한 방향으로 위빙 동작이 수행되지만, 본 발명에 의한 위빙 동작은 용접토치가 용접선을 보고 있는 방향은 그대로 유지되고 용접토치가 반응기 몸체의 축 방향을 따라 수평으로 이동되면서 위빙 동작이 수행된다.

이러한 용접토치의 위빙 동작은 용접시 아크에 의해 녹은 와이어가 용접토치의 위빙에 의해 관성력이 작용하고, 이로써 와이어가 용가재로써 하프코일과 반응기 몸체 사이의 틈으로 들어가려는 힘이 작용함으로써 결국 백비드의 형성량을 높일 수 있다.

또한, 상기 위빙 동작은 용접토치가 하프코일에 가장 가까워진 상태에서 지연시간(dwell time)을 줌으로써 백비드의 형성량을 높이며, 상기 지연시간은 0.1~0.5초 사이인 것이 특징이다.

즉, 용접토치의 위빙 동작은 2~3Hz 정도의 주파수로 동작하게 되는데, 용접토치가 하프코일에 가장 가까워진 상태에서 지연시간을 줌으로써 녹은 와이어가 반응기 몸체와 하프코일 사이의 틈으로 충분히 채워질 수 있는 시간을 주게 되고, 반대로 용접토치가 하프코일에서 가장 먼 상태에서는 별도의 지연시간을 주지 않거나 최소의 시간 즉, 0.01~0.2초 정도로 줌으로써 녹은 와이어가 하프코일에서 먼 쪽으로 많은 비드가 생성되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 GMAW 용접은 보호가스로써 아르곤가스를 베이스 가스로 사용하고, 이산화탄소(CO₂)를 보호가스의 총중량과 대비하여 3~10 wt% 함유시킨 혼합가스를 사용할 수 있다.

즉, 일반적인 GMAW 용접과 같이 아르곤가스에 이산화탄소를 일정량 함유시키되, 이산화탄소를 보호가스의 총중량과 대비하여 3~10 wt% 사이로 함유시킨 혼합가스를 사용함으로써 아크의 크기와 온도를 적절히 유지하여 비드의 생성량을 와이어의 공급속도에 맞춤으로써 비드의 생성량 또한 일정하게 가져갈 수 있다.

도 9는 본 발명에 의한 퍼징테이프의 사용상태도로써, 상기 GMAW 용접은 용접이 이루어지고 있는 하프코일과 근접되어 가용접되어 있는 하프코일과 반응기 몸체 사이에 퍼징테이프를 부착하여 보호가스가 가접된 하프코일과 반응기 사이의 틈으로 새는 것을 방지해주어 용접부의 산화를 막아주는 것이 특징이다.

즉, 반응기 몸체에 부착할 하프코일은 모두 가용접한 상태에서 GMAW 용접이 이루어지게 되는데, 가용접된 하프코일은 앞서 살펴본 바와 같이 치수의 정밀성이 떨어져 반응기 몸체와 하프코일 사이에 갭이 있는 상태로 가용접될 수 있으므로, 이러한 갭으로 보호가스가 급격히 새는 것을 방지해주기 위해 특정한 퍼징테이프를 사용할 수 있다.

부연하면, 상기 퍼징테이프는 가용접되어 있는 반응기 몸체와 하프코일 사이의 갭을 막도록 하프코일과 반응기 몸체 사이의 접합면을 따라 부착되며, 이 상태에서 GMAW 용접을 실시하여 보호가스의 급격한 배출로 인해 용접부가 산화되는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 상기 퍼징테이프는 알루미늄테이프를 사용하는 것이 더욱 바람직하며, 경우에 따라 고내열 종이테이프를 안쪽에 붙이고, 바깥쪽에 알루미늄테이프를 덛붙여 2중의 퍼징테이프를 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명에 의한 자동용접기는 자동용접기에 관용적으로 사용되는 프루브센서를 이용한 용접선 추적 기능을 이용하게 되는데, 프루브센서의 전방에 설치된 탐침봉 쪽으로 스패터가 부착되어 탐침봉 본연의 역할수행을 방해할 수 있다.

즉, 스패터(spatter)는 용접중 용접봉이나 와이어의 용융금속이 용접부 모재에 정상적으로 용착되지 않고 사방으로 튀어 비산되거나 주위에 작은 덩어리 상태로 일부 녹아 붙어 있거나 가볍게 붙어있는 것으로, 이는 결함 발생의 원인이 될 수 있는데, 자동용접의 경우 이러한 스패터를 주기적으로 제거해주기가 용이하지 않다.

따라서, 본 발명에서는 탐침봉의 재질을 STS 재질을 사용하지 않고, 동으로 바꾸어 주어 재질의 차이를 도모하여, 모재와 공급되는 와이어가 녹음으로 인해 발생되는 스패터가 탐침봉에 부착되는 것을 줄일 수 있다.

결국, 본 발명에 의한 반응기의 하프코일 용접방법은 반응기의 하프코일 용접방법을 제공하기 위해 것으로써, 자동용접기를 이용해 용접기 몸체에 가용접되어 있는 하프코일을 따라 GMAW 용접을 실시함으로써 백비드의 형성량을 높여 하프코일의 결합강도를 높이고, 하프코일을 따라 흐르는 유체의 기밀성을 높이며, 자동용접에 의한 일정한 용접품질을 확보함과 동시에 생산성을 높이며, 생산비용을 낮출 수 있는 현저한 효과가 있으며, 상기 GMAW 용접은 용접노즐을 일정한 폭으로 위빙동작을 수행하면서 용접을 수행하되, 하프코일의 반경방향으로 위빙동작을 수행하면서 용접을 행함에 따라 백비드의 형성량을 증가시킬 수 있는 효과와 함께, 상기 위빙동작은 용접노즐이 하프코일에 가장 가까워진 상태에서 지연시간(dwell time)을 줌으로써 백비드의 형성량을 증가시킬 수 있는 효과가 있으며, 실제 용접이 이루어지고 있는 하프코일과 근접되어 가용접 되어 있는 하프코일에는 하프코일과 반응기 몸체 사이에 퍼징테이프를 부착하여 보호가스가 틈으로 새는 것을 막아줌으로써 용접부의 산화를 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

1. 반응기 몸체 2. 하프코일

Claims

반응기의 하프코일에 대한 용접방법에 있어서,
반응기 몸체의 원주면에 하프코일을 가용접하는 가용접단계와, 상기 가용접이 끝난 하프코일에 GMAW 용접을 실시하는 GMAW 용접단계로 이루어지며, 상기 GMAW 용접단계는 자동용접기를 이용하여 반응기 몸체와 같은 재질의 와이어를 공급하는 GMAW 용접을 이용해 하프코일과 반응기 몸체 사이의 틈이 없도록 용접을 수행하며,
상기 GMAW 용접은 용접토치를 일정한 폭으로 위빙동작을 수행하면서 용접을 수행하되, 하프코일의 반경방향으로 위빙동작을 수행하면서 용접을 하고,
상기 위빙동작은 용접토치가 하프코일에 가장 가까워진 상태에서 지연시간(dwell time)을 줌으로써 백비드의 형성량을 높이며, 상기 지연시간은 0.1~0.5초 사이인 것이 특징인 반응기의 하프코일 용접방법.
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삭제
제1항에 있어서,
상기 GMAW 용접은 보호가스로써 아르곤가스를 베이스 가스로 사용하고, 이산화탄소(CO₂)를 보호가스의 총중량과 대비하여 3~~10 wt% 함유시킨 혼합가스를 사용하는 것이 특징인 반응기의 하프코일 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 GMAW 용접은 용접이 이루어지고 있는 하프코일과 근접되어 가용접되어 있는 하프코일과 반응기 몸체 사이에 퍼징테이프를 부착하여 보호가스가 가접된 하프코일과 반응기 사이의 틈으로 새는 것을 방지해주어 용접부의 산화를 막아주는 것이 특징인 반응기의 하프코일 용접방법.