KR20010021333A - 전기 용접 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

인접한 제1 및 제2 파이프 접합부 사이의 간극을 용접하는 방법 및 장치로서, 제1 파이프 접합부의 단부를 따라 제1 소모성 전극을 이동시키는 단계와, 제2 파이프 접합부의 단부를 따라 제2 소모성 전극을 이동시키는 단계와, 간극의 양측에서 전극을 나란한 관계로 일제히 이동시키는 단계와, 제1 전극에 제1 용접 전류를 인가하는 단계와, 제2 전극에 상기 제1 용접 전류와 별개의 제2 용접 전류를 인가하는 단계를 포함하고, 선택적으로, 전극의 간격을 조절하는 기구가 포함된다.

Description

전기 용접 장치 및 방법{ELECTRIC WELDING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 전기 아크 용접 장치에 관한 것으로, 특히 2개의 소모성 전극을 사용하는 용접 장치 및 나란히 배치된 2개의 소모성 전극으로 용접하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 현장에서 서로 용접하는 파이프 접합부의 2개의 이격된 단부 사이의 간극에 의해 정해지는 루트 패스(root pass)를 용접하기 위한 2개의 직렬식 소모성 전극을 사용하게 된다. 파이프를 용접하는 데 있어서, 전극이 유지되고 전류가 도입되는 토치가 파이프 접합부 주위를 움직이는 동안, 소모성 전극은 와이어 공급기로부터 파이프 접합부 사이의 공간을 향하여 이동한다. 이러한 이동은 종종 "버그(bug)"라 불리는 기계 장치에 의해 이루어진다. 본 발명에 사용되는 그러한 토치 이동 기구는 파커(Parker)의 미국 특허 제5,676,857호에 기재되어 있는데, 여기서는 용접 버그에 의해 단일 전극이 용접되는 간극에 인접하여 지지되는 트랙상에서 이동한다. 이 특허는 본 발명이 지향하는 환경을 나타내도록 본 명세서에 참고로서 합체되므로, 본 발명에 사용되는 버그와 안내 트랙은 반복하여 설명할 필요가 없다. 본 발명에는 파이프 접합부 사이 간극 내에 최초의 비드를 놓으려는 목적상 일제히 움직이는 2개의 소모성 전극이 포함된다. 2개 이상의 소모성 전극을 사용하는 것은 전기 아크 용접 분야에 알려져 있다. 그러한 직렬 전극은 전후 방향으로 작동되고, 슈트(Shutt)의 미국 특허 제4,246,463호와 프래틸로(Fratiello)의 미국 특허 제5,155,330호에 기재되어 있다. 이들 미국 특허도 역시 단일 전원에 의해 구동되는 직렬식 전극을 나타내도록 본 명세서에 참고로서 합체되지만, 여기서는 전극이 전후로 배치되어 제1 비드가 놓인 후 제2 비드가 제1 비드 위에 놓인다. 개방형 루트 조인트(open root joint)에 제1 비드를 놓은 후에 이 조인트 위에 제2 비드를 놓기 위하여 직렬의 소모성 전극을 이용하여 파이프 용접하는 것은 동시 계류 중인 본 출원인의 선출원인 1999년 6월 21일자 미국 특허 출원 제336,804호 발명의 대략적인 주제이다. 이 선출원은 종래 기술이 아니다. 그러나, 이 미국 특허 출원에는 2개의 별개의 소모성 전극을 구동하기 위한 2개의 별개의 동력 공급 장치가 개시되어 있다. 이들 전극은 서로 분리된 별개의 이격된 토오치에 있다. 각각의 전극은, 미국 오하이오주 클리블랜드에 소재하는 링컨 일렉트릭 컴퍼니(Lincoln Electric Company)에 의해 제조되는 STT 용접기와 같이, 별개의 전원에 의해 구동되는 것이다. STT 용접기는 본 명세서에 참고로서 합체되는 스타바(Stava)의 미국 특허 제5,001,326호에 기재되어 있다. 본 발명은 2개의 별개의 전원, 양호하기로는 2개의 별개의 STT 용접기를 사용하는 것과 관련되어 있기 때문에, 선출원인 1999년 6월 21일자 미국 특허 출원 제336,804호의 기재 사항은 본 명세서에 참고로서 합체되므로, 본 발명에서 사용하는 것으로 고려하는 별개의 전원은 반복하여 설명할 필요 없다.

현장에서 파이프 라인을 형성하는 경우, 2개의 파이프 접합부를 모아서 적절한 아크 용접기에 의해 용접되는 원형 조인트를 형성하게 된다. 이러한 파이프 용접 공정을 수행하는 경우에, 파이프 접합부의 단부는 통상 모따기되고 파이프 접합부가 서로 접할 때가지 모아진다. 파이프 접합부 사이에 고강도의 품질이 우수한 용접부을 형성하기 위해서는, 개방형 루트 또는 간극을 정하도록 하나의 접합부가 다른 접합부로부터 약간 떨어지는데, 이 간극은 원통형 조인트 둘레로 최초 패스에 의해 채워진다. 최초의 개방형 루트 패스가 접합부 단부 사이의 간격을 채운 후, 앞서 생성된 용접 비드의 상부에 연속되는 용융 금속 비드를 놓음으로써 용접 작업이 계속된다. 이러한 절차는 파이프 접합부 사이의 바깥쪽으로 경사진 조인트가 채워질 때까지 계속된다. 파이프 용접 과정에서 가장 문제가 되는 작업은 최초의 개방형 루트 패스를 용접하는 것이다. 개방형 루트를 용접하는 데에는 실질적인 가변성이 존재한다. 용접 과정에서는 파이프 접합부 사이에 비드를 형성해야 하고, 이 비드는 파이프를 관통하여 개방형 루트를 채워야 한다. 그러나, 용융된 금속은 간극을 통하여 파이프의 내부로 돌출될 수 없다. 따라서, 개방형 루트 패스의 열을 제어하여 품질 좋은 개방형 루트 조인트를 생성하는 데에는, 전원의 종류와 소모성 전극의 구성에 실질적인 개선점이 있다. 이러한 비드는 현장에서 신속하고도 일관되게 놓여야 한다. 파이프 접합부의 신속한 개방형 루트 용접은 미국 오하이오주 클리브랜드에 소재하는 링컨 일렉트릭 컴퍼니에서 제조하는 STT 용접기와 같은 단락형 용접기를 이용하여 이루어진다. 파커의 미국 특허 제5,676,857호에 도시된 바와 같이, 전극을 수반하는 토치가 기구에 의해 파이프 조이트 주위로 이동 또는 안내됨에 따라, 단일의 STT 전원과 단일의 와이어 공급기가 소모성 전극을 파이프 접합부 사이의 간극으로 보낸다. 파커의 특허에 도시된 STT 아크 용접기와 기계적 버그 및 트랙을 이용함으로써, 특별한 품질의 루트 패스 비드가 만들어진다. 소모성 전극은 개방형 루트 비드가 형성됨에 따라 파이프 접합부 사이의 개방된 간극을 연결하는 용접 퍼들(weld puddle) 위에 중심을 잡는다. 소모성 전극으로부터의 용융된 금속이 인접한 파이프 접합부의 2개의 이격된 단부 사이의 간극에서 적절하게 융합되기 위해서는 파이프 용접 과정에서 전극의 중심을 잡는 것이 중요하다. 용접 아크는 용접 퍼들에 집중되므로, 파이프 둘레를 이동하고 전극을 지지하는 토치를 수반하는 버그는 상대적으로 느린 속도로 이동하여야 한다. 개방형 루트에 비드를 놓으려고 하는 경우에 버그가 전극을 너무 빨리 이동시키면, 전극이 퍼들의 형성보다 더 빨리 이동하여 전기적 아크가 누설된다. 따라서, STT 용접기와 개방형 루트 주위로 전극을 이동시키는 표준의 기계적 장치를 이용하는 용접 작업의 속도는 표면 장력의 물리적 특성에 의해 제한된다. 전극의 용융된 금속에 의해 용접 퍼들이 형성되는 속도에 의해 토치의 이동 속도가 제한된다. 프래틸로의 미국 특허 제5,155,330호에 도시된 바와 같이, 용접 작업이 직렬의 전극을 제공하도록 변경되는 경우에 용접 처리의 속도에 이와 동일한 제한이 존재한다. 전극은 전후로 직렬이므로, 용융 금속 비드는 앞쪽의 소모성 전극에서 상호작용하는 표면 장력에 의해 결정되는 속도에서 형성된다. 그러나, 아직 파이프 용접에 충분히 적용되지 않은 직렬의 소모성 전극의 개념은 본 기술 분야에서 진보된 것이다. 직렬 전극을 사용함으로써, 제2 또는 추종하는 전극은 증진된 퇴적 비율을 제공하도록 제1 전극의 최초의 루트 패스의 상부에 부가의 재료를 퇴적한다. 그러한 직렬 전극에 의한 용접에 의해 파이프 접합부 주위의 최초의 패스 중에 퇴적되는 금속의 양이 증가된다. 그러나, 2개의 용접 처리 사이의 간섭에 대한 실질적인 어려움이 존재한다. 선출원인 1999년 3월 21일자 미국 특허 출원 제336,804호는 용접 처리 사이의 간섭을 방지하도록 개별적으로 조정되는 별개의 전원과 함께 2개의 직렬 소모성 전극을 사용하는 것에 대한 것이다. 이러한 공정은 유리한 것이며, 본 발명의 선행 기술로 되는 것이 아니다. 그러나, 여기에는 개방형 루트 패스 비드가 놓일 수 있는 속도에 제한이 있다. 최초의 비드는 파이프 접합부의 가장자리 사이에 중심이 놓이는 앞쪽의 직렬 전극에 의해 생성되며, 앞서는 용융 금속 퍼들보다 더 빠른 속도로 간극을 따라 이동할 수는 없다. 현장에서 파이프 접합부의 단부를 용접하기 위한 STT 용접기를 사용하는 것과 관련하여 신속하게 진행되는 개발 작업에 이러한 제한이 존재한다.

본 발명은 STT 용접기를 사용하는 전기 아크 용접 공정에 의해 수행되는 파이프 용접 작업을 더욱 개선하는 것이다. 전극이 간극에 중심이 잡히는 경우, 토치는 용접 공정 중에 형성되는 용융 금속 퍼들로의 표면 장력에 의한 금속의 전달에 의해 제어되는 속도로 간극을 따라 움직일 수 있다. 이는, 전술한 바와 같이, 2개 이상의 직렬 전극을 사용함으로써 얻는 높은 퇴적 비율의 경우에도 경험하게 되는 속도 제한이다. 본 발명에 따르면, 2개의 소모성 전극은 단일 토치로부터 퍼들을 향하게 된다. 그러나, 전극은 직렬 관계로 배향되지 않는다. 이들은 가깝게 이격되며, 개방형 루트에 의해 정해지는 간극의 양측에 배치된다. 이러한 근접한 간격과 배향에 의해, 개방형 루트 패스에서의 용접 속도는 우수한 STT 기법을 사용하는 경우에 증가한다. 2개의 전극은 양측으로부터 공통의 퍼들을 형성한다. 파이프 용접에 나란한 소모성 전극이 사용될 수 있는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 구조는 STT 기법 또는 그 밖의 단락 용접을 이용할 수 없는데, 그 이유는 단락 용접에서 아크 전류는 용융 금속의 전기적 핀칭(pinching)으로부터 퓨즈의 갑작스런 형성으로 인해 급격하게 변화하여야 하기 때문이다. 퓨즈는 용융 금속 볼을 전극으로부터 단선시키고, 전원을 단락 부분으로부터 플라즈마 아크 부분으로 바꾼다. 따라서 STT 기법을 사용하는 경우에 나란한 전극은 사용할 수 없다. STT 용접기는 파이프 용접에서 우수한 개방형 루트 패스 용접이 가능하게 하는 방식으로 열을 제어하므로, 나란한 전극은 파이프 용접에 이용될 수 없다.

본 발명은 나란한 전극을 사용하는 경우에 나타나는 단점을 해결하면서도 STT 기법이 사용될 수 있게 해준다. 본 발명에 따르면, 각각의 전극에는 각 소모성 전극의 다른 전극과 독립적인 단락 용접 공정을 제어하기 위하여 STT 용접기가 구비된다. 따라서, 각각의 전극은 STT 용접기로 정해지는 단락 용접 모드에서 독립적으로 작동되거나, 2개의 소모성 전극의 사용에 의해 유발되는 결점이 없는 다른 용접 전원에 의해 작동된다. 소모성 전극 중의 하나를 구동하는 각각의 시스템은 STT 전원 및 와이어 공급기로 구성된다. 2개의 용접 와이어 또는 전극은 개방된 루트의 양측상의 교차점에서 파이프 접합부를 향하여 나란한 관계로 진행하는 2개의 전극을 안내하는 특별하게 구성된 토치를 통하여 공급된다. 전극은 토치 내에서 서로 전기적으로 절연되어, 양 전극이 용접 퍼들에서 접촉하는 경우에 전극 간의 유일한 전기적 연결이 이루어진다. 2개의 소모성 전극을 서로 전기적으로 절연함으로써, 하나의 전극이 다른 전극의 장력 전달 과정에 영향을 미치는 일없이 용접 스패터(welding spatter)를 감소시키도록 양 전극에 STT 기법이 적용된다. 다른 전극에 독립적인 각 소모성 전극의 dv/dt를 적절히 측정함으로써, 단락 용접 작업에 갑작스런 퓨즈 또는 폭발이 검출된다. 각 퓨즈에서의 전류의 감소는 각각의 전극에 대한 STT 전원의 독립적인 조절에 따른 것이다.

과거에, 2개의 나란한 전극을 STT 용접기 또는 그 밖의 전원으로 구동하려는 시도가 있었는데, 이에 따라 양 전극이 토치에서 전기적으로 연결되는 결과를 낳았다. 따라서, 적절한 스패터 감소는 거의 불가능하고 STT 기법의 장점은 구현되지 않았다. 따라서, 파이프 용접 공정에서 최초의 개방형 루트 패스의 형성에 나란한 소모성 전극을 사용하려는 시도는 성공적이지 못하였다. 각 전극에 대한 정확한 네킹(necking) 또는 전기적 핀치 오프 시간(electrical pinch off time)이 동일하지 않기 때문에 스패터의 감소는 없었다. 하나의 소모성 전극은 핀치 오프되는 반면, 다른 전극은 여전히 단락된다. 이에 따라 스패터가 증가하였다. 전극의 나란한 배열은 진행하는 퍼들보다 실제로 빨리 이동하는 일 없이 퇴적의 속도를 증가시키는 장점이 있지만, 본 발명에 이르기까지는 사용되지 못하였다.

본 발명에 따르면, 2개의 소모성 전극이 개방형 루트 간극 근처에서 판의 인접한 측벽에 배치되어, 파이프 용접 기구의 이동 속도가 단일 전극 시스템에서의 이동 속도를 제한하는 물리적 팩터에 의해 제한되지 않는다. 본 발명을 이용함으로써, 각각의 용접 아크에 대한 전류는 용접되는 판 또는 각각의 파이프 접합부의 루트 및 랜드(land)로의 적절한 침투와 퓨즈를 위하여 조절된다. 나란한 소모성 전극은 각각의 전기적 아크가 동일한 공통의 용접 퍼들에 가해지도록 이격된다. 용융된 금속을 결합하여 단일의 용접 퍼들을 형성하도록, 표면 장력에 의해 2개의 나란한 소모성 전극으로부터의 용융된 금속이 동질화된다. 따라서, 종래의 단일 전극 시스템에서 수행되는 바와 같은 간극의 중심에서 단일의 전극이 용융되는 것과는 반대로, 2개의 전극으로부터의 금속은 간극의 측면으로부터 용융된 금속 퍼들로 도입된다. 따라서, 퍼들은 실질적으로 증가된 용융 금속을 받아들이고, 금속의 퇴적 속도는 증가한다. 용접 아크는 고상의 금속 표면에 가해지므로, 간극을 따라 이동하는 기계적 버그의 속도에 관계없이, 결과적인 제트 힘(jet force)은 파이프의 내부로 누설되지 않는다. 따라서, 본 발명을 사용함으로써 더 높은 용접 전류와 더 빠른 이동 속도가 가능하게 된다.

나란한 전극은 직렬 전극보다 유리한 것으로 생각된다. 그러나, STT 용접기에 의해 구동되는 직렬 전극 또는 나란한 전극은 STT 용접기의 장점을 무용지물로 만든다. 실제로, 단락 모드에서 작동하는 어떠한 전기 아크 용접기도 2개의 전극이 상이한 전기적 및 물리적 특성을 갖는 경우에 나란한 소모성 전극을 제어하기 어렵다. 그러한 전극은 불균형을 피하기 위하여 조화될 수 없다. 나란한 전극에 대한 종래 기술이 선출원인 1997년 9월 25일자 미국 특허 출원 제936,883호에 기재되어 있는데, 여기서는 STT 용접기의 장점을 달성하지 못하는 단일의 STT 전원과 함께 나란한 전극을 사용한다. 그러한 용접 공정은 파이프 용접 분야에서는 성공적이지 못한 것으로 판명되었다.

본 발명에 따르면, 2개의 인접하고 상호 접지된 제1 및 제2 판의 가장자리 사이의 간극에 의해 정해지는 이동 방향의 용접 경로를 따라 기계적으로 일제히 이동 가능한 제1 소모성 전극 및 제2 소모성 전극을 포함하는 전기 용접 장치가 제공된다. 실제로, 판은 2개의 인접한 파이프 접합부의 이격된 단부이다. 판 또는 파이프 접합부에는 그 사이에 개방형 루트 또는 간극을 정하는 경사지고 인접한 가장자리가 마련된다. 제1 전극과 제1 판 사이에 제1 용접 전류를 흘리기 위한 제1 전원이 제2 전극과 제2 판 사이에 제2 용접 전류를 흘리기 위한 제2 전원과 결합된다. 본 발명은 전극이 용접 작업의 이동 방향을 가로지르는 방향에서 서로 이격되도록 개별적인 와이어 공급기로부터 판을 향하여 전극을 보내는 토치를 이용한다. 토치에는 상기 전극들이 상기 판을 향하여 이동하여 판 사이의 간극에 용융 금속 퍼들을 형성하도록 용융됨에 따라 전극을 전기적으로 고립시키는 절연체가 구성된다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 개별적이고 전기적으로 절연된 소모성 전극용의 별개의 용접 전원은 STT 용접기로서, 이것은 연속적인 용접 사이클이 있는 단락 용접 작업을 이룬다. 각각의 사이클에는 단락 부분(short circuit portion)과 플라즈마 아크 부분(plasma arc portion)이 구비되는데, 플라즈마 아크 부분에는 순차로 플라즈마 부스트 세그먼트(plasma boost segment), 테일아웃 세그먼트(tailout segment) 및 백그라운드 전류 세그먼트(background current segment)가 포함된다. 물론, 본 발명은 그 밖의 별개의 구별되는 전원의 사용을 고려하는데, 각각은 파이프 접합부 사이의 개방형 루트를 따라 일제히 움직일 수 있는 이격되고 나란한 소모성 전극용 용접 공정을 이룬다. 본 발명의 다른 관점에 따르면, 나란한 소모성 전극은 2개의 전극이 간극으로 다가가거나 멀어지게 이동하도록 횡방향 또는 가로지르는 방향으로 조절된다. 이격된 전극은 각각의 용접 공정 중에 원하는 위치에 있다. 사실상, 간극의 폭을 감지하고 이 측정값에 기초하여 전극의 횡방향 또는 가로지르는 방향의 간격을 변화시킬 수 있다. 그러나, 이러한 조절은 본 발명을 실시하는 데에 필수적이지 않다. 본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 제1 및 제2 파이프 접합부의 양 단부 사이의 간극을 용접하는 방법이 제공된다. 이 방법은 제1 파이프 접합부의 단부를 따라 제1 소모성 전극을 이동시키는 단계와, 제2 파이프 접합부의 단부를 따라 제2 소모성 전극을 이동시키는 단계와, 개방형 루트 간극의 양측에서 상기 전극을 나란한 관계로 일제히 이동시키는 단계와, 제1 전극에 제1 용접 전류를 인가하는 단계 및 제2 전극에 제1 용접 전류와 다른 제2 용접 전류를 인가하는 단계를 포함한다. 이러한 방식에서, 각각의 전극은 원하는 용접 전류에 의해 별개로 용융되고 전극의 단부에 형성된 용융 금속은 표면 장력에 의해 결합되어 파이프 접합부의 단부를 결합하는 용융 금속 비드를 생성한다. 본 발명의 주목적은 전기 용접 장치와 방법을 제공하는 것으로서, 이 장치와 방법은 별개의 구별되는 용접 전원을 이용하여 전극을 용융시키는 방식으로 나란한 소모성 전극을 이용하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 소모성 전극이 개방형 루트를 따라 일제히 이동하는 한편, 2개의 소모성 전극의 각각에 대한 용접 공정과 별개의 구별되는 전원을 사용하는, 전술한 것과 같은 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 하나의 전극은 구동되도록 가압되고 다른 전극의 물리적 또는 전기적 조건에 의해 용융되는 단점없이 나란한 전극을 사용하는 전술한 바와 같은 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 나란한 소모성 전극을 사용하면서 용접 스패터의 적절한 감소를 얻는 STT 기법을 사용할 수 있는 전술한 바와 같은 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은, 누설되는 경향 없이 파이프 용접 공정의 개방형 루트에서 용융 금속의 신속한 퇴적이 가능하게 되는 전술한 바와 같은 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

이들 목적 및 그 밖의 목적은 첨부 도면을 참조한 다음의 설명을 통하여 명백하게 된다.

도 1은 본 발명의 양호한 실시예를 행하는 데 사용되는 토치의 부분 측면도로서, 일부는 단면 영역으로 표시되고 토오치와 관련된 구성품은 블럭도로 도시되어 있다.

도 2는 도 1의 선 2-2에서 취한 단면도이다.

도 3은 본 발명을 이용하는 개방형 루트 용접 작업의 평면도이다.

도 3a는 도 3의 선 3A-3A에서 취한 부분 단면도이다.

도 4는 도 3과 유사한 평면도로서, 본 발명의 양호한 실시예에서 횡방향 간격을 바꾸기 위한 소모성 전극의 조정을 나타낸다.

도 5는 본 발명에서 사용되는 2개의 소모성 전극의 확대도로서, 본 발명을 실시하는 데 사용되는 구성품을 개략적으로 도시하고 있다.

도 6은 제1 및 제2 소모성 전극에 사용된 제1 및 제2 용접 전류를 나타내는 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 2개의 인접한 파이프 접합부의 원통형 단부인 강판(10, 12)을 모은 후, 작은 간격 또는 간극(g)을 형성하도록 수축시킨다. 판(10, 12)은 각각 상이한 측벽(12, 16)과 마주보는 가장자리 또는 단부(20, 22)로 형성되어 개방형 루트 조인트(30)를 형성한다. 이 조인트는 간극(g)에서 매우 좁고 판(10, 12)의 상부를 향하여 외측으로 개방되어 있다 개방형 루트 조인트(30)는 도 3에 잘 도시된 경로(P)로 연장되고, 파이프 용접 장치에서의 이 경로는 파이프 접합부의 중심축 주위의 원통 형태이다. 본 발명을 실시하는 중에, 용융된 금속 퍼들(puddle, B)은 소모성 전극 또는 용접 와이어(C1, C2)를 녹여서 형성된 것이다. 이들 와이어는 용융되고 표면 장력에 의해 제어된 온도의 용융 금속 퍼들을 형성하여, 용융된 금속이 가장자리 또는 단부(20, 22) 사이의 간극을 통하여 연장된다. 표준의 용접 기법에 따라 퍼들(B)이 응고되어 파이프 접합부가 서로 결합된다. 2개의 별개의 소모성 전극을 사용하는 것은 알려져 있지만 현장에서 파이프를 용접하는 데 사용되지는 않는다. 도시된 양호한 실시예에서, 소모성 전극(C1, C2)에는 스풀(spool) 또는 릴(reel)(40. 42)로 개략적으로 나타낸 독립적인 와이어 공급기가 마련되어 있다. 와이어(C1, C2)는 통상 직경이 0.100 인치 미만이고, 수백 파운드의 용접 와이어가 수용된 릴 또는 큰 드럼에서 파이프 용접 공정으로 공급된다. 이들 용접 와이어는 릴(40, 42)로 나타낸 와이어 공급기에 의해 판(10, 12)으로 공급되어 용융된 금속 퍼들(B)을 형성한다. 소모성 전극(C1, C2)을 판(10, 12)의 벽(14, 16)으로 안내하려는 것으로, 개략적으로 도시된 토치(50)가 마련되어 있다. 실시예에 따라, 토치(50)는 기계적 장치에 의해 경로(P)를 따라 기계적으로 이동하는데, 이 기계적 장치는 "버그"라 불리는 것으로 파이프 접합부 중의 하나의 원통형 외표면에 고정된 레일 또는 안내 트랙을 따라 진행하는 것이다. 실제로, 파이프 접합부는 모아진 후, 간극(g)을 형성하도록 후퇴된다. 이 과정이 완료되기 전에, 원통형 트랙이 고정된 파이프 접합부 주위에 배치된다. 접합부가 적소에 배치된 후, 트랙은 토치(50)를 고정된 접합부 및 파이프라인을 형성하도록 용접되는 인접한 파이프 접합부 사이의 원으로 안내한다. 그러한 과정은 현장에서 파이프를 용접하는 데에는 표준이 되는 것이다. 과거에는 간극(g) 주위로 단일의 소모성 전극이 이동하였다. 전극은 용융된 금속 퍼들을 형성하도록 용융되었다. 이 퍼들은 간극(g)을 통과하고 간극을 연결하여 가장자리(14, 16)를 서로 용접하였다. 퇴적 비율을 증가시키기 위해서는, 제1 퍼들이 응고된 후에 후방의 직렬 위치에 수반되는 제2 전극이 제1 퍼들 위에 제2의 용융된 금속 퍼들을 퇴적할 수 있는 것이 제안되었다. 이들 직렬의 전극 각각은 그 용융된 금속을 용융된 금속 퍼들로 퇴적한다. 이러한 직렬 방식을 실행하는 경우, 단일의 전극에서의 단점은 그대로 남는다. 앞서는 용융 금속 퍼들이 전극이 용융되는 채로 유지되는 것을 허용하도록 전극은 버그에 의해 충분히 느리게 구동되어야 한다. 본 발명은 2개의 소모성 전극(C1, C2) 을 이용하는 완전히 상이한 개념에 관한 것이다.

본 발명에 따라, 소모성 전극 또는 용접 와이어(C1, C2)가 간극의 양측에 서로 나란한 관계로 배치됨으로써, 대략 상이한 측벽(14, 16)과 가장자리(20. 22) 위의 위치에서 경로(P)를 따라 일제히 움직일 수 있다. 이와 같은 전극의 배치를 수행하기 위해서, 토치(50)는 축방향으로 연장되는 구멍(52a, 52b, 52c)과 외측 연통형 표면(52d)이 마련된 대략 원통형의 절연된 본체로 형성되어 있다. 전극(C1, C2)은 각각 구멍(52a, 52b)을 통과한다. 구멍(52a)을 참조하면, 이 구멍은 중앙의 용접 와이어 통로 또는 보어(62)와 말단의 암나사 가공된 단부(64)가 마련된 축 방향으로 연장되는 구리 튜브(60)를 수용하며 이에 의해 정해진다. 내측의 베어링 슬리브 또는 튜브(66)는, 도 1에 잘 도시된 바와 같이, 통로(62)를 통하여 판(10)으로 와이어(C1)를 미는 데 따라 발생하는 마찰력을 감소시킨다. 단부(64)에 나사식으로 장착된 와이어 안내부(68)에는 내측 안내 보어(68a)가 마련되어 있는데, 와이어를 용융된 금속 퍼들(B)로 기울여 안내하도록 이 안내 보어의 직경은 와이어(C1)의 직경보다 약간만 더 크다. 와이어는 판(10)의 상이한 측벽(14)과 교차되어 있다. 유사한 방식으로, 구멍(52b)은 축방향으로 연장된 구리 튜브(70)에 의해 정해지는데, 이 튜브에는 내측의 용접 와이어 통로 또는 보어(72)와 말단의 암나사 가공된 단부(74)가 마련되어 있다. 베어링 슬리브 또는 튜브(76)는 통로(72)를 통하여 아래쪽의 경사져 배치된 와이어 안내부(78)로 밀어지는 전극(C2)의 마찰을 감소시킨다. 안내부에는 용접 와이어(C2)를 판(12)을 향하여 경사지게 지향시키는 개구 또는 보어(78a)가 마련되어 있다. 전극(C1, C2)은 대체로 직경이 동일하고, 10° 내지 20° 사이, 대체로 약 20° 미만의 각도로 판을 향하여 이동한다. 그러나, 전극은 대략 평행할 수 있다. 본체(52)에는 중앙 개구 또는 보어(52c)가 포함되어 있는데, 이 보어에는 공급 장치(82)로부터의 차폐 가스를 토치(50) 단부에서의 용접 공정으로 보내는 가스 통로 튜브(80)가 포함되어 있다. 본 발명에 따라, 전극 또는 용접 와이어(C1, C2)는 서로 전기적으로 고립되어 있으며, 별개의 구별되는 전원으로부터 용접 전류를 받는다.

양호한 실시예에서, 전원(100, 102)은 각각 도선(100a, 102a)에 의해 전극(C1, C2)에 연결되어 있다. 전원은 미국 오하이오주 클리브랜드의 링컨 일렉트릭 컴퍼니에서 판매하는 STT 용접기이다. 이들 용접기는 잘 알려진 것이고, 현장에서 파이프를 용접하는 데 사용된다. 각각의 독립적인 용접기는 별개의 구별되는 단락 용접 전류를 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은 나란한 관계로 배치된 소모성 전극 중의 하나로 보낸다. 양호한 실시예에 있어서, 용접 전류는 각각 단락 부분(short circuit portion)과 플라즈마 부스트 부분(plasma arc portion)이 있는 용접 사이클을 생성함으로써 단락 용접 공정을 수행한다. 플라즈마 아크 부분에는 연속적으로 플라즈마 부스트 세그먼트(plasma boost segment), 테일아웃 세그먼트(tailout segment) 및 백그라운드 세그먼트(background segment)가 포함된다. 이러한 종류의 단락 용접 전류는 STT 용접기에 의해 생성되는 파형이며, 도 6에는 그 전류 그래프가 개략적으로 도시되어 있다. 절연된 본체가 구비된 토치(50)를 사용함으로써, 각각의 전극은 소모성 전극을 용융시켜 이 용융된 금속을 공통의 용융된 금속 퍼들(B)로 퇴적하기 위한 별개의 구별되는 단락 용접 공정을 수행한다. 각각의 전극에 대한 단락 용접 전류는 바람직하고, 특히 STT 형식의 용접 전류는 바람직한 것이지만, 상이한 파형의 별개의 구별되는 용접 전류를 이용할 수 있다. 따라서, 별개의 구별되는 전원(100, 102)은 단락 용접기, 펄스 용접기 또는 그 밖의 형식의 전기 아크 용접기일 수 있다. 또한, 용접기(100)는 용접기(102)와 동일한 것일 필요는 없다. 따라서, 용접기(102)는 펄스 용접기일 수 있는 반면, 용접기(100)는 STT 용접기일 수 있으며, 실제로도 STT 용접기이다. 바람직한 실시예에 있어서, 또한 실제로, 양 용접기는 용접 전류가 도 6에 도시된 바와 같은 STT 용접기이다.

2개의 소모성 전극이 개방된 루트 조인트(30)를 따라 양 간극(g)의 측벽을 교차하도록 이동함에 따라, 와이어 또는 전극은 도 3a에 도시된 것과 같이 용융된다. 화살표는 각각의 전극으로부터의 용융된 금속 사이의 표면 장력이 금속을 서로 결합시켜 단일의 퍼들(B)을 형성하는 것을 나타낸다. 이 퍼들은 간극(g)을 통하여 연장되어 대체로 단부 또는 가장자리(20, 22)를 녹여 개방형 제1 루트 패스 중에 판(10, 12)을 결합시킨다. 이러한 방식에서는 2개의 전극으로부터의 큰 체적의 용융된 금속이 퇴적된다. 이 전극들은 전후로 나란하지 않다., 퍼들(B)은 측면으로부터 형성되고, 전극(C1, C2)은 간극(g) 위에 있지 아니하므로, 아크가 간극을 통하여 누설되는 경향은 없다. 이로써 누설이 방지되고 퇴적되는 금속의 양이 실질적으로 증가된다. 퇴적 속도와 경로(P)에 따른 전극의 이동은 중심에 배치된 단일 전극을 사용하는 경우 보다 빠르게 된다. 본 발명에 의해 다양한 개방형 루트 조인트가 용접된다. 따라서, 전극(C1, C2)은 간극(g)에 대해 횡방향으로 조절될 수 있다. 만일 간극이 더 작다면, 전극은 서로 더 가까이 이동한다. 간극이 더 크다면, 전극이 더 멀리 이동한다. 이는 다양한 기구에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본체(52)의 원통형 표면(52d)에 의해 토치(50)는 이동 가능한 용접 버그(120)에 장착된다. 클램프(120)는 단부(132)가 이격된 밴드이며, 이 단부는 볼트(136)에 의해 서로 결합된다. 이러한 기구에 의해, 클램프(130)를 해제하고 토치(50)를 도 2 및 도 4의 화살표 또는 각도(a)로 나타낸 바와 같이 회전시킴으로써 전극(C1, C2)의 횡방향 또는 가로 방향 이격이 조정된다. 토치(50)를 수직축 둘레로 약간 회전시킴으로써 횡방향으로의 전극의 간격을 변화시킨다. 전후 방향으로 운동하는 구성품을 도입하는 일이 없이 전극을 횡방향으로 조정하는 기구를 사용하는 것이 좋다. 그러나, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이러한 약간의 전후 방향 운동은 용융된 금속 퍼들(B)의 구성 및 물리적 구조를 상당히 변화시키기에 충분하지 않다. 퍼들의 일측은 퍼들의 타측으로부터 약간 나아가 있다. 그러나, 퍼들은 여전히 표면 장력에 의해 서로 결합되어 있고, 전극은 여전히 상이한 측벽(14, 16)의 상측 표면을 따라 진행하여, 전극이 앞서나가는 퍼들(B)보다 더 빨리 이동하는 경우에 조차도 누설이 방지된다. 따라서, 단순하게 회전상의 조정을 행할 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 양호한 실시예에 있어서, 2개의 STT 용접기(100, 102)가 사용된다. 토치 본체(52)는 전극(C1, C2) 사이를 절연시키는데, 전극에는 용접 전류(I₁, I₂)가 공급된다. 이들 전류는 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 전류(I₁)는 전극(C1)용 용접 전류이다. 마찬가지로 전류(I₂)는 전극(C2)용 용접 전류이다. 전류(I₁)는 도 6에 도시된 것과 같은 STT 파형이며, 단락 부분(200)과 플라즈마 아크 부분으로 이루어지며, 플라즈마 아크 부분에는 순차로 플라즈마 부스트 펄스 또는 세그먼트(202), 테일아웃 세그먼트(204) 및 백그라운드 전류 세그먼트(206)가 포함되어 있다. 휴즈(208)는 단락이 파괴된 경우에 발생한다. 마찬가지로, 전류(I₂)의 STT 파형에는 순차로 플라즈마 부스트 펄스 또는 세그먼트(212), 테일아웃 세그먼트(214) 및 백그라운드 전류 세그먼트(216)가 포함되는 플라즈마 아크 부분과 함께 단락 부분(210)이 포함되어 있다. 퓨즈(218)는 퓨즈(208)로부터 거리 "y" 만큼 옵셋되어 있다. 본 발명에 따르면, 2개의 용접 파형은 별개로 구별되고 별개의 소모성 전극에 대해 수행되는 개별적인 용접 공정에 의해 제어된다. 따라서, 퓨즈(208)와 퓨즈(218) 사이의 간격(y)으로 나타내는 바와 같이, 전류(I₁)의 STT 파형은 전류(I₂)의 파형으로부터 옵셋될 수 있다. 이 간격(y)은 용접 전류를 별개의 구별되는 것으로 유지함으로써 가능하게 되는 옵셋이다. 단일의 STT 용접기가 양 전극을 일제히 구동할 수 있는 것으로 2개의 소모성 전극을 완전히 조화되게 유지하려고 시도하는 것은 실현될 수 없다. 본 발명은 퍼들(B)에서의 경우를 제외하고는 전극 사이에 전기적 접촉이 없다. 이러한 개념은 전극의 개별적인 조작을 심하게 방해하지 않는다.

전류(I₁, I₂)의 STT 파형은 일련의 개별적인 제어되는 전류 펄스(220, 222)에 의해 각각 생성된다. 이들 펄스는 약 20 ㎑를 초과하는 고주파로 생성되며, 전류 크기는 에러 증폭기(error amplifier)로부터의 입력을 갖는 펄스 폭 모듈레이터에 의해 정해진다. 에러 증폭기는, 도 6에 도시된 바와 같은 펄스 형태 또는 파형을 갖는 단락 용접 작업을 생성하도록, 실제의 용접 전류를 STT 파형과 비교한다. 물론, 개별적이고 독립적으로 전극(C1, C2)의 용접 전류를 제어하는 데에는 다른 용접기가 사용될 수 있다. 본 발명에는, 전극이 경로(P)를 따라 이동함에 따라, 나란한 소모성 전극이 개방형 루트 조인트(30)에 충돌하는 것이 포함된다. 하나의 전극을 횡방향으로 이동시키거나 다른 전극을 횡방향으로 이동시키거나 양호한 실시예에 기재된 바와 같이 양 전극을 횡방향으로 이동시키는 다양한 기구에 의해 전극 간 간격의 횡방향 조절이 수행될 수 있다. 전극 간의 간극(g)에 대략 수직인 축 주위로 토치(50)를 회전시킴으로써 전극의 간격이 조절된다. 실제로 회전축은 대략 간극에 수직이다. 그러나, 회전축은 전극이 측벽(14, 16)을 향하여 전방으로 지향하여 공급되도록 토치가 전방을 향하는 것과 약간의 각도를 가질 수 있다. 본 발명으로부터 벗어나는 일없이 구성품의 그 밖의 변경 및 조합이 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 나란한 소모성 전극을 사용하면서도 STT 용접기를 사용하는 데 따른 장점을 취하여 파이프를 용접할 수 있다.

Claims (30)

1. 2개의 인접하고 상호 접지된 제1 및 제2 판의 가장자리 사이의 간극에 의해 정해지는 이동 방향의 용접 경로를 따라 기계적으로 일제히 이동 가능한 제1 소모성 전극 및 제2 소모성 전극, 상기 제1 전극과 상기 제1 판 사이에 제1 용접 전류를 흘리기 위한 제1 전원, 상기 제2 전극과 상기 제2 판 사이에 제2 용접 전류를 흘리기 위한 제2 전원 및 제1 및 제2 피동 와이어 공급기로부터 상기 제1 및 제2 전극을 각각 상기 제1 및 제2 판을 향하여 보내는 토치를 포함하는 전기 용접 장치에 있어서,

   상기 제1 및 제2 전극은 상기 이동 방향을 가로지르는 방향으로 서로 이격되고, 상기 토치에는 상기 전극들이 상기 판들을 향하여 이동함에 따라 상기 전극을 전기적으로 고립시키기 위하여 절연체가 구성되는 것인 전기 용접 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전원은 연속되는 용접 사이클을 생성하는 단락형 용접기로서, 각각의 용접 사이클에는 단락 부분, 플라즈마 아크 부분이 마련되고, 상기 플라즈마 아크 부분에는 순차로 플라즈마 부스트 세그먼트, 테일아웃 세그먼트 및 백그라운드 전류 세그먼트가 포함되는 것인 전기 용접 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 용접기는 STT 용접기인 것인 전기 용접 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 전극들을 서로 상대적으로 이동시키기 위한 조절 기구가 더 포함되는 전기 용접 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 조절 기구는 상기 양 전극을 일제히 이동시키는 것인 전기 용접 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 조절 기구에는 상기 전극 사이의 상기 간극에 대체로 수직인 축 주위로 상기 토치를 회전시키는 수단이 포함되는 것인 전기 용접 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 축은 상기 간극에 대체로 수직인 것인 전기 용접 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 전극을 서로 상대적으로 이동시키는 조절 기구가 더 포함되는 전기 용접 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 조절 기구는 상기 양 전극을 일제히 이동시키는 것인 전기 용접 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 조절 기구에는 상기 전극 사이의 상기 간극에 대체로 수직인 축 주위로 상기 토치를 회전시키는 수단이 포함되는 것인 전기 용접 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 축은 상기 간극에 대체로 수직인 것인 전기 용접 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 전원은 표면 장력 전달식 용접기인 것인 전기 용접 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전원은 모두 표면 장력 전달식 용접기인 것인 전기 용접 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 전극을 서로 상대적으로 이동시키는 조절 기구가 더 포함되는 전기 용접 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 조절 기구는 상기 양 전극을 일제히 이동시키는 것인 전기 용접 장치.
16. 제12항에 있어서, 상기 전극을 서로 상대적으로 이동시키는 조절 기구가 더 포함되는 전기 용접 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 조절 기구는 상기 양 전극을 일제히 이동시키는 것인 전기 용접 장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전원은 연속되는 용접 사이클을 생성하는 단락형 용접기로서, 각각의 용접 사이클에는 단락 부분, 플라즈마 아크 부분이 마련되고, 상기 플라즈마 아크 부분에는 순차로 플라즈마 부스트 세그먼트, 테일아웃 세그먼트 및 백그라운드 전류 세그먼트가 포함되는 것인 전기 용접 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 전극들을 서로 상대적으로 이동시키기 위하여 조절 기구가 더 포함되는 전기 용접 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 조절 기구는 상기 양 전극을 일제히 이동시키는 것인 전기 용접 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 조절 기구에는 상기 전극 사이의 상기 간극에 대체로 수직인 축 주위로 상기 토치를 회전시키는 수단이 포함되는 것인 전기 용접 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 축은 상기 간극에 대체로 수직인 것인 전기 용접 장치.
23. 제18항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전원은 STT 용접기인 것인 전기 용접 장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 전극을 서로 상대적으로 이동시키는 조절 기구가 더 포함되는 전기 용접 장치.
25. 제24항에 있어서, 상기 조절 기구는 상기 양 전극을 일제히 이동시키는 것인 전기 용접 장치.
26. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은 각각 제1 및 제2 축을 따라 상기 제1 및 제2 판을 향하여 이동하고, 상기 축은 상기 판을 향하여 선택된 각도로 수렴하는 것인 전기 용접 장치.
27. 제26항에 있어서, 상기 각도는 10° 내지 20° 범위에 있는 것인 전기 용접 장치.
28. 인접한 제1 및 제2 파이프 접합부의 양 단부 사이의 간극을 용접하는 용접 방법으로서,

    (a) 상기 제1 파이프 접합부의 단부를 따라 제1 소모성 전극을 이동시키는 단계와,

    (b) 상기 제2 파이프 접합부의 단부를 따라 제2 소모성 전극을 이동시키는 단계와,

    (c) 상기 간극의 양측에서 상기 전극을 나란한 관계로 일제히 이동시키는 단계와,

    (d) 상기 제1 전극에 제1 용접 전류를 인가하는 단계, 및

    (e) 상기 제2 전극에 상기 제1 용접 전류와 별개의 제2 용접 전류를 인가하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
29. 제28항에 있어서, 상기 제1 및 제2 용접 전류는 공통의 용접 퍼들에 단락 용접을 생성하는 것인 용접 방법.
30. 제29항에 있어서, 상기 제1 및 제2 용접 전류는 별개의 STT 용접기에 의해 생성되는 것인 용접 방법.