KR20000061831A

KR20000061831A - 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템

Info

Publication number: KR20000061831A
Application number: KR1019990011209A
Authority: KR
Inventors: 유중돈; 문명철
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-25
Also published as: KR100301947B1

Abstract

본 발명은 보조노즐을 통하여 불활성 가스를 포함하는 보조가스나 플럭스를 분사하여 용접아크를 안정시키고 용융부의 젖음을 향상시켜 생산성과 용접품질을 향상시키는 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 아크용접용 토치(10)의 외면에는 분위기 가스의 조성비를 변화시켜 용접아크의 특성과 용융부의 젖음특성을 제어할 수 있도록 불활성 가스 등과 같은 보조가스를 분사하는 보조노즐(28)이 설치되어 있다. 그리고, 보조노즐(28)의 분사위치는 아크용접용 토치(10)에 대해 상하로 자유롭게 이동하는 상하이동부재(22)에 의해 조절되고, 보조노즐(28)의 분사각도는 상하이동부재(22)에 대해 좌우로 자유롭게 회전하는 링크부재(29)에 의해 조절된다. 또한, 보조가스와 플럭스(flux)를 보조노즐(28)을 통해 동시 또는 선택적으로 분사하여 용접아크와 용융부의 특성을 변화시키고, 보조노즐(28)은 용접진행방향과 반대방향에서 보조가스를 분사(후방분사)할 수 있도록 설치되어 있다.

Description

보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템{Auxiliary metal active gas torch system}

본 발명은 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템에 관한 것이며, 특히, 상용 아크용접용 보조노즐을 통하여 보조가스를 분사하여 아크용접에서 사용되는 분위기 가스(shielding gas)의 조성비를 변화시키거나 보조노즐을 통하여 보조가스와 함께 플럭스(flux)를 분사하여 아크와 용융부의 특성을 변화시킴으로써 용접품질과 생산성을 향상시킬 수 있는 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템에 관한 것이다.

일반 아크용접에서 용융부의 산화를 방지하기 위하여 탄산(CO₂)가스, 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 다양한 분위기 가스와 플럭스를 사용하고 있다. 그 중에서, 가스 메탈 아크(gas metal arc)용접과 가스 텅스텐 아크(gas tungsten arc)용접은 분위기 가스를 사용하고, 플럭스 코어드 아크(flux cored arc)용접은 용접 와이어의 중심에 충진된 플럭스의 종류에 따라 아크와 용융부의 특성이 변화된다는 특징이 있다. 즉, 사용하는 분위기 가스와 플럭스에 따라 아크와 용융부의 특성이 변화하게 되며, 용접품질과 생산성에 큰 영향을 미친다.

위와 같은 이유로, 보호가스로서 용접시에 비교적 가격이 저렴한 탄산가스가 사용되고 있다. 그러나, 탄산가스는 가격이 저렴하지만 스패터(spatter)가 많이 발생하고 아크가 불안하기 때문에, 비교한 정교한 용접을 원할 경우에는 고가인 아르곤이나 헬륨가스를 혼합하여 사용하고 있는 실정이다.

또한, 플럭스 코어드 아크용접에 사용되는 용접 와이어는 동일한 조성으로 한 번에 대량 생산되므로 필요에 적합한 조성비를 갖는 플럭스를 적소에 사용한다는 것은 사실상 불가능하다. 그러므로, 고가의 불활성 가스를 효율적으로 사용할 수 있고, 필요에 따라 분위기 가스나 플럭스의 조성을 용이하게 변화시킬 수 있는 장치가 요구되고 있다.

위와 같은 요구사항을 다소나마 충족시켜주기 위하여, 대한민국 공개특허공보 제94-19397호(발명의 명칭 : 좁은 홈용접용 장치와 방법) 및 일본용접학회지 (I. Masumoto, M. Kutsuna, M. Abraham ; Metal transfer and spatter loss in double gas shielded metal arc welding, trans. JWS, vol.19, No.2, 1988, pp.38-41)에는 도 1에 도시된 바와 같이 동축에 이중노즐이 설치된 이중노즐 토치에 대한 내용이 기술되어 있다. 여기에서, 이중노즐 토치는 가스메탈 아크용접이나 플럭스 코어드 아크용접에 사용되며, 이를 이용하여 고가의 불활성 가스의 사용을 감소시키기 위한 목적으로 발명되었다.

그러나, 이런 이중노즐 토치는 스패터가 노즐내부에 부착되어 내부가스의 흐름이 방해를 받게되고, 가스의 혼합비가 불균일하게 되어 스패터를 수시로 제거하는 작업이 요구되기 때문에 현재 사용되지 못하고 있다. 또한, 분위기 가스의 혼합비율을 변화시키려면, 가스의 유량을 변화시켜 조절하여야 하는 단점이 있다.

그리고, 위에서 설명한 이중노즐 토치와 유사한 구조가 플라즈마 아크용접에서 널리 사용되고 있지만, 이는 단순히 용융부를 산화로부터 보호하기 위한 목적으로 사용될 뿐이며, 다양한 용접공정에서 고가의 불활성 가스를 효율적으로 사용하고, 필요에 따라 분위기 가스나 플럭스의 조성을 용이하게 변화시킬 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 보조노즐을 통하여 불활성 가스를 포함하는 보조가스나 플럭스를 분사하여 용접아크를 안정시키고 용융부의 젖음을 향상시켜 생산성과 용접품질을 향상시키는 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술의 아크용접 시스템에 사용되는 이중노즐 토치의 단면도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,

도 3은 본 발명의 시스템과 종래기술의 시스템의 용접봉 끝에서의 Ar조성비를 비교한 그래프이고,

도 4a 및 도 4b는 도 2에 도시된 본 발명의 시스템에서 보조가스를 전방분사 및 후방분사하여 비교한 사진 및 그래프이고,

도 5a 및 도 5b는 도 2에 도시된 본 발명의 시스템에서 보조가스의 분사위치에 따른 결과를 비교한 그래프이고,

도 6a 및 도 6b는 도 2에 도시된 본 발명의 시스템에서 보조가스의 분사각도에 따른 결과를 비교한 그래프이며,

도 7a 및 도 7b는 도 2에 도시된 본 발명의 시스템의 보조노즐 직경에 따른 결과를 비교한 사진 및 그래프.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 아크용접용 토치 21 : 클램핑부재

22 : 상하이동부재 23 : 관통로

24, 26 : 공급로 25 : 가스유량 제어기

27 : 플럭스 공급제어기 28 : 보조노즐

29 : 링크부재

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 일반적인 아크용접용 토치를 이용하여 아크용접하는 아크용접 시스템에 있어서, 상기 아크용접용 토치의 외면에는 분위기 가스의 조성비를 변화시켜 용접아크의 특성과 용융부의 젖음특성을 제어할 수 있도록 불활성 가스 등과 같은 보조가스를 분사하는 보조노즐이 설치되어 있다.

또한, 상기 보조노즐의 분사위치는 상기 아크용접용 토치에 대해 상하로 자유롭게 이동하는 상하이동부재에 의해 조절되고, 상기 보조노즐의 분사각도는 상기 상하이동부재에 대해 좌우로 자유롭게 회전하는 링크부재에 의해 조절된다.

또한, 상기 보조가스와 플럭스를 상기 보조노즐을 통해 동시 또는 선택적으로 분사하여 용접아크와 용융부의 특성을 변화시키고, 상기 보조노즐은 용접진행방향과 반대방향에서 보조가스를 분사(후방분사)할 수 있도록 설치되어 있다.

아래에서, 본 발명에 따른 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

본 발명은 보조노즐을 통해 분위기 가스의 역할을 하는 불활성 가스 등(이하, '보조가스'이라 칭함)과 플럭스를 공급할 수 있도록 구성되어 있다는 것을 제외하고는 종래의 아크용접 시스템과 동일하다. 그러므로, 이것들에 대한 설명은 여기에서 생략하기로 한다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2에 보이듯이, 아크용접용 토치(10)의 소정위치에는 클램핑부재(21)가 수직방향으로 결합되어 있다. 이렇게 결합된 클램핑부재(21)의 단부에는 상하방향으로 자유롭게 이동할 수 있게 상하이동부재(22)가 결합되어 있다. 즉, 상하이동부재(22)에 형성된 래크와, 클램핑부재(21)에 형성된 피니언에 의해 상하방향으로 자유롭게 이동할 수 있다. 이 때, 상하이동부재(22)의 상하이동은 일반적인 기계적인 원리로 구성함으로써 제어할 수 있다.

이렇게 결합된 상하이동부재(22)의 내부에는 가스 등이 공급될 수 있는 관통로(23)로 상부에서 하부로 형성되어 있다. 이런 관통로(23)의 상부에는 보조가스를 저장하는 저장통(도시생략)으로부터 공급되는 보조가스를 공급하는 공급로(24)가 결합되어 있다. 그리고, 공급로(24)의 소정위치에는 보조가스의 공급량을 제어하는 가스유량 제어기(25)가 설치되어 있다.

그리고, 상하이동부재(22)의 하부에는 플럭스를 저장하는 저장통(도시생략)으로부터 공급되는 플럭스를 공급하는 공급로(26)가 결합되어 있고, 이런 공급로(26)의 소정위치에는 플럭스의 공급량을 제어하는 플럭스 공급제어기(27)가 설치되어 있다. 이 때, 보조가스를 공급하는 관통로(23)와 플럭스를 공급하는 공급로(26)는 서로 한 지점에서 합류되어 한 곳으로 배출되게 관통되어 있다.

그리고, 이런 합류지점에는 보조가스와 플럭스가 서로 혼합된 혼합가스를 분사하는 보조노즐(28)이 결합되어 있다. 이 때, 보조노즐(28)은 상하이동부재 (22)에 대해 자유롭게 좌우방향으로 회전할 수 있도록 링크부재(29)로 결합되어 있다. 그리고, 보조노즐(28)은 링크부재(29)에 의해 용이하게 상하이동부재(22)에 결합되어 있어, 크기가 다른 보조노즐(28)을 교체하여 사용할 수 있도록 구성되어 있다.

그리고, 본 발명의 보조가스와 플럭스는 종래의 아크용접 시스템에 의해 공급여부 및 공급량이 제어되거나 별도의 제어장치에 의해 제어될 수도 있으며, 보조노즐(28)은 용접시에 후방분사되도록 배치되어 있다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 작동관계를 설명하겠다.

먼저, 보조노즐(28)을 통해 분사되는 혼합가스의 배출위치를 조절한다. 즉, 상하이동부재(22)를 상하로 이동시켜 분사높이를 조절하고, 보조노즐(28)을 좌우로 이동시켜 분사방향을 조절한다. 그리고, 보조노즐(28)을 통해 분사될 혼합가스의 배출량을 가스유량 제어기(25) 및 플럭스 공급제어기(27)를 제어하여 조절한다. 이 때, 보조노즐(28)을 통해 보조가스와 플럭스 중 어느 하나만을 분사하고자 할 경우에도 가스유량 제어기(25) 및 플럭스 공급제어기(27)를 제어하여 선택한다.

이와 같은 일련의 절차가 수행되면, 종래의 아크용접 시스템에서처럼 아크용접용 토치(10)를 통해 보호가스(CO₂가스)가 공급되고, 보조노즐(28)을 통해 선택된 가스 또는 플럭스가 분사된다. 그러면, 아크(12)가 형성되면서 모재(13)와 소모성 용접봉(14)이 서로 용융되어 용융부(15)를 형성하면서 용접된다. 이 때, 소모성 용접봉(14)으로 솔리드 와이어(solid wire)나 플럭스 코어드 와이어(flux cored wire)를 사용할 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명은 가스유량 제어기(25) 및 플럭스 공급제어기(27)를 각각 제어함으로써, 보조노즐(28)을 통해 분사되는 혼합가스의 조성비를 조절할 수 있고, 또한, 플럭스의 조성비를 변화시켜 원하는 아크 특성을 얻을 수 있다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 토치시스템(이하, 'AMAG용 토치'라 칭함)과 종래의 이중노즐 토치시스템(이하, 'DMAG용 토치'라 칭함)에서 실험한 결과 및, 본 발명의 가장 이상적인 작업조건에 대해 설명하겠다.

아래에서 설명될 실험예는 보조노즐(28)을 통해 분위기 가스인 Ar가스만이 분사되는 경우에 대해서 실험한 것이다.

도면에서, 도 3은 본 발명의 시스템과 종래기술의 시스템의 용접봉 끝에서의 Ar조성비를 비교한 그래프이고, 도 4a 및 도 4b는 도 2에 도시된 본 발명의 시스템에서 보조가스를 전방분사 및 후방분사하여 비교한 사진 및 그래프이며, 도 5a 및 도 5b는 도 2에 도시된 본 발명의 시스템에서 보조가스의 분사위치에 따른 결과를 비교한 그래프이다. 그리고, 도 6a 및 도 6b는 도 2에 도시된 본 발명의 시스템에서 보조가스의 분사각도에 따른 결과를 비교한 그래프이고, 도 7a 및 도 7b는 도 2에 도시된 본 발명의 시스템의 보조노즐의 직경에 따른 결과를 비교한 사진 및 그래프이다.

먼저, 종래의 DMAG용 토치를 통해 CO₂가스와 Ar가스를 분사하고, 본 발명의 AMAG용 토치의 경우 아크용접용 토치(10)를 통해 CO₂가스를 분사하고, 보조노즐(28)을 통해 Ar가스를 분사하여 실험한 결과가 도 3에 도시되어 있다.

도 3에 보이듯이, 용접봉 끝에서의 Ar조성비는 AMAG용 토치의 경우 Ar사용량 20%이상에서 98%이상이 되고, DMAG용 토치의 경우 Ar사용량 38%이상에서 80%이상이 된다. 즉, 본 발명의 보조노즐을 사용하면 DMAG용 토치에 비해 Ar가스를 보다 효율적으로 사용할 수 있음을 확인할 수 있다.

그리고, 보조노즐(28)의 위치변화에 의한 영향을 확인하기 위해 전방분사와 후방분사의 두 방법에 대해 단락이행 모드(short circuit mode), 입상용적 모드(globular mode), 스프레이 모드(spray mode)의 경우를 실험하였다. 여기에서, 입상용적은 천이전류 이하에서 발생하고, 스프레이 모드는 천이전류 이상의 고전류 영역에서 발생하며 용접봉 직경보다 작은 용적이 용융부의 끝에서 빠른 주파수로 이탈되어 모재로 이행하는 특징이 있다.

먼저, 도 4a에 보이듯이, 단락이행의 경우 전방분사 및 후방분사에 있어 유사한 용접비드를 얻지만, 전류, 전압파형에 있어서는 후방분사의 경우에서 단락되는 회수가 더 많으므로 더 안정된 용접을 보이고 있음을 확인할 수 있다.

그리고, 도 4b에 보이듯이, 스프레이 모드에서는 용접비드의 형상이 후방분사의 경우에 더 양호하며, 전류, 전압파형에 있어서도 더 안정된 형태를 보이고 있다. 결론적으로, 단락이행과 스프레이 모드에 대해 후방분사를 이용할 경우 더 양호한 용접결과를 얻을 수 있다.

또한, 보조노즐(28)의 위치변화에 따른 영향을 알아보기 위하여 도 5a에 도시된 방법으로 실험하였다. 실험결과, 2, 3번 방향으로 분사될 경우 용접비드가 양호하였으며, 1번 방향의 경우 많은 스패터가 발생하였다. 즉, 도 5b에 보이듯이, 전류, 전압파형은 3, 2, 1번의 위치순서로 양호하였다.

결론적으로, 보조노즐(28)의 방향이 모재면으로부터 5㎜위부분을 향하는 경우 가장 양호한 결과를 얻을 수 있으며, 1번과 같은 방향으로 분사시킬 경우 Ar이 아크의 위부분으로 원활히 공급되지 못해 아크가 불안정해지고 많은 스패터를 발생시키는 것으로 생각된다. 그리고, 3번의 경우에는 용접봉 끝으로 분사되고 2번의 경우에는 용접봉 끝으로부터 2.5㎜아래의 지점으로 분사된다. 그러므로, 2, 3번의 경우 아크영역에서는 Ar조성비가 유사하며, 용접봉 끝에서 차이가 발생하는 것으로 생각된다.

그리고, 도 6a에 도시된 바와 같이 보조노즐(28)이 모재와 이루는 분사각도를 15, 30, 45。로 바꿔가면서 실험한 결과가 도 6b에 도시되어 있다. 도 6b에 보이듯이, 전류, 전압파형에서 큰 차이가 발생하지 않았으며, 용접비드의 형상에서도 유사한 결과를 얻었다. 그러므로, 분사각도 변화에 의한 영향은 적은 것으로 생각된다.

그리고, 보조노즐의 직경의 영향을 알아보기 위하여 직경이 5, 6.5, 7.5㎜인 세종류의 동관을 이용하여 용접실험한 결과가 도 7a 및 도 7b에 각각 도시되어 있다. 즉, 도 7a에 보이듯이, 천이구간의 경우 6.5㎜동관을 사용할 경우에 용접전류, 전압파형 및 용접비드가 가장 양호하고, 도 7b에 보이듯이, 스프레이 모드에서는 6.5㎜동관을 사용할 경우에 전류, 전압파형 및 용접비드가 가장 양호하였다.

결론적으로, 천이구간과 스프레이 모드에서 6.5㎜동관을 사용할 경우에 가장 양호한 결과를 얻을 수 있으며, 직경이 5㎜인 경우에는 Ar조성이 높은 영역이 좁아져서 아크가 불안해지고, 7.5㎜인 경우에는 Ar가스가 분사되는 영역이 넓어져 용접봉 끝에서의 Ar조성비가 상태적으로 낮아진 것으로 생각된다.

그리고, Ar의 사용량 변화에 따른 영향을 알아본 결과, 총유량이 20L/min이고, Ar의 비율은 30%로 하는 것이 가장 양호하다는 것을 확인할 수 있었다.

앞서 설명한 바와 같은 실험결과를 정리해 보면, 보조노즐(28)은 6.5㎜의 관을 사용하고, 모재와 이루는 각도는 15∼45。의 범위내에서 용접방향의 반대방향(후방분사)에서 용접봉 끝을 향하여 분사되도록 하는 것이 가장 양호하다. 이 때, 보조노즐(28)을 통해 분사되는 분위기 가스는 총유량 20L/min, Ar 30%를 사용하는 것이 양호한 것으로 확인되었다.

또한, 본 발명에서는 전체가스 유량의 30% 이하인 Ar가스를 사용하여 종래의 일반 아크용접에서 80%의 Ar가스를 사용하는 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있었으며, 스패터 발생에도 크게 영향을 받지 않았다.

그리고, 본 발명을 가스 텅스텐 아크용접에 사용할 경우에 있어서, 주 보호가스로는 Ar가스를 사용하고 보조노즐을 통해 분사되는 보조가스로는 He가스를 사용할 수 있다.

그리고, 본 발명을 가스메탈 아크용접에 사용할 경우에 있어서, 주 보호가스로는 CO₂가스를 사용하고 보조노즐을 통해 분사되는 보조가스로는 Ar가스 또는 He가스 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다. 이 때, 플럭스를 보조가스와 함께 분사하면 솔리드 와이어를 사용하여 플럭스 코어드 아크용접과 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 용도에 따라 플럭스를 교환하여 원하는 특성을 얻을 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템은 적은량의 불활성 가스 등을 사용하여 종래와 동일한 용접효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템은 별도의 보조노즐을 통해 불활성 가스를 포함하는 보조가스나 플럭스가 분사되어 스패터의 발생이 현저하게 줄어 용접아크를 안정시키고 용융부의 젖음을 향상시켜 생산성과 용접품질을 향상시킨다.

또한, 본 발명의 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템은 보조노즐을 통해 분사되는 가스 또는 플럭스의 종류 및 그 혼합비를 사용용도에 따라 다양하게 변화시킬 수 있으므로, 원하는 용접특성을 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명의 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims

일반적인 아크용접용 토치(10)를 이용하여 아크용접하는 아크용접 시스템에 있어서,

상기 아크용접용 토치(10)의 외면에는 분위기 가스의 조성비를 변화시켜 용접아크의 특성과 용융부의 젖음특성을 제어할 수 있도록 불활성 가스 등과 같은 보조가스를 분사하는 보조노즐(28)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템.
제1항에 있어서, 상기 보조노즐(28)의 분사위치는 상기 아크용접용 토치(10)에 대해 상하로 자유롭게 이동하는 상하이동부재(22)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템.
제2항에 있어서, 상기 보조노즐(28)의 분사각도는 상기 상하이동부재(22)에 대해 좌우로 자유롭게 회전하는 링크부재(29)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 보조가스와 플럭스(flux)를 상기 보조노즐(28)을 통해 동시 또는 선택적으로 분사하여 용접아크와 용융부의 특성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템.
제1항에 있어서, 상기 보조노즐(28)은 용접진행방향과 반대방향에서 보조가스를 분사(후방분사)할 수 있도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 보조노즐을 이용한 아크용접토치 시스템.