KR20030006186A - 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치에 관한 것으로서,

용접전원을 공급하고 용접 와이어를 송급하기 위한 용접 토치(1)가 2개의 차폐가스 공급관(5)(5) 사이에 배치되는 극소 협개선 미그 용접 장치에 있어서,

상기 용접 토치(1)를 중심으로 상기 2개의 차폐가스 공급관(5)(5)의 상호 각도를 조정한 후 고정시키기 위한 각도 조정용 노즐 클램프(4)와; 상기 용접토치(1)를 탈착 가능하게 결합시키기 위한 토치 몸체 클램프(3)와; 상기 토치 몸체 클램프(3)에 설치된 미끄럼판(21)과; 프레임에 고정되어 상기 미끄럼판(21)을 미끄럼 안내하기 위한 미끄럼 안내부(2)와;로 구성된 것을 특징으로 하므로,

용접부 단면적의 축소에 의해 작업시간이 크게 단축되고, 용접량 축소로 용가재를 비롯한 용접자재가 절감되며, 용접열에 의한 용접물 수축량이 최소화될 뿐만 아니라, 용접선 추적시 센서가 필요없고, 아크가 안정되며, 진행시 항상 용접선의 중심에 팁이 위치하게 되므로 용접 품질이 향상되는 이점이 있다.

Description

원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치{Narrow Gap MIG Welding Device for Arc Shape Part}

본 발명은 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치에 관한 것이다.

원호용 극소 협개선 용접(narrow gap welding)이란, 모재의 용접할 부분이 원호로 형성된 경우, 일반 용접 개선(15∼20°)(도 9(a) 참조)보다 극소로 축소된, 대략 개선 각도 3°, 루트 갭(root gap) 5.4mm 정도의 용접부 개선에 적용하는 용접(도 9(b) 참조)의 한 형태를 지칭한다. 또한, 그 용접 방법으로는, 소모전극 와이어(wire)를 일정한 속도로 용융지에 송급하면서 전류를 통하여, 와이어와 모재사이에서 아크(arc)를 발생시킴으로써 용접하는 미그(MIG, Metal Inert Gas) 용접방식이 전형적이다.

이와 같은 협개선 용접은 일반 개선 용접에 비해 용착량이 적기 때문에 작업속도가 빠르고, 용접 입열량이 적어 용접열에 의한 용접물의 열변형 및 조직변화를 최소화 할 수 있어, 용접 품질을 우수하게 할 수 있는 방법이다. 더욱이, 이 협개선 용접을 MIG 용접방식을 이용하여 실시할 경우에는, 용착 효율을 높일 수 있고 작업속도를 빠르게 하여 제품 제작비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.

종래의 일반 협개선 MIG 용접장치는 크게 2가지로 분류할 수 있다.

첫째는, 아크 형성부에 차폐가스(shield gas)를 공급하는 동시에 보조가스 챔버를 사용한 2중 차폐방식을 이용하여, 스패터(spatter) 발생을 최소화하고 아크 안정성을 향상시키며 자동 용접이 가능하도록 한 방식이다. 이 방법을 채용한 장치는 차폐가스 공급관 및 토치 몸체와 팁 등이 일체형(도 10(a) 참조)이거나, 장치 몸체와 고정된 형태(도 10(b) 참조)로서, 원호 용접을 위해서는 루트 갭 12mm 이상의 비교적 넓은 용접 개선이 요구된다. 더욱이, 원호 용접에서는 용접선 추적을 위해 별도의 센서장치가 요구되며, 토치가 용접 헤드부에 고정되어 있으므로 경사진 용접부에는 적용할 수 없는 단점이 있었다.

둘째는, 도 10(c)에서 보는 바와 같이, 팁과 차폐가스 공급관만 포함된 토치 형태로서, 소형의 차폐가스 공급관을 사용하여 보다 좁은 용접부에 접근할 수 있도록 한 것이다. 그러나, 이 방식은 작업자의 토치 조작에 의존하는 방식으로, 작은 차폐가스 공급관만을 사용함에 따라 스패터 과다 발생, 용접결함 유발 및 아크 형상 식별의 어려움 등, 작업성이 불량하다는 단점이 있었다. 또한, 차폐가스 공급관만의 각도 조정이 어려우므로, 원호 용접에는 용접결함이 발생될 확률이 높았다.

특히, 도 7에서와 같은 원호형 발전용 터빈 다이아프램(diaphragm)에서 링(201)과 스페이스 밴드(202), 웨브(203)와 스페이스 밴드(204) 사이에 용접을 수행할 경우에는, 용접 형상을 확대한 통상의 수동 SMAW(피복 아크 용접)이나 FCAW(플럭스 코어드 아크 용접) 방식에 의한 용접이 수행되어 왔는데, 이 때는 다음과 같은 문제점이 노출되었다.

(1) 용접 전후 스팀 패스의 치수 차이로 인한 제품 품질의 저하,

(2) 원호의 단면 수축에 의한 조립시 문제 발생,

(3) 용접 변형으로 인한 용접 후 공정 필요,

(4) 용접 변형으로 인한 밴드부 찌그러짐 및 추가적인 빌드업 공정 필요,

(5) 조립시 스팀 패스의 측면 벽과 파티션 셋백(set back) 차이에 의한 진원도 악화.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 직선뿐만 아니라 원호 형상의 용접부를 추적하면서 용접하고, 수직 및 경사진 부분을 용접하며, 아크를 안정시킬 수 있는 극소 협개선 미그 용접 헤드를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 협개선 MIG 용접 장치의 전체 구성을 나타내는 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 각도 조정 노즐 클램프의 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 토치 셋업 및 용접선의 추적 원리를 도시하는 개략 구성도이고,

도 4는 본 발명에 따라 원호 용접을 수행하는 상태를 도시하는 개략도이고,

도 5는 본 발명에서 사용되는 용접 팁의 구성을 나타내는 측 단면도이고,

도 6(a)는 본 발명에 따른 용접 토치와 차폐가스 공급관의 결합 구성을 나타내는 측면도이고,

도 6(b)는 본 발명에 따라 용접 팁이 협개선 내부에 삽입된 구조를 나타내는 측단면도이고,

도 6(c)는 본 발명에 따라 차폐가스 공급관이 협개선 내부에 삽입된 구조를 나타내는 측단면도이고,

도 7은 본 발명에 따른 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치에 의해 제조된 발전용 터빈 다이아프램을 도시하는 사시도이고,

도 8은 도 7의 발전용 터빈 다이아프램의 용접부를 나타내는 측면도이고,

도 9(a)는 일반 용접부의 개선 형상과 용접 상태를 나타내는 도면이고,

도 9(b)는 극소 협개선의 형상과 용접 상태를 나타내는 도면이고,

도 10(a)(b)(c)는 종래 협개선 MIG 용접용 토치를 도시하는 개략 구성도이다.

<주요 도면부호의 설명>

1... 용접 토치 2... 미끄럼 안내부

3... 토치 몸체 클램프 4... 각도 조정용 노즐 클램프

5... 차폐가스 공급관 6... 보조가스 챔버위치 조정대

7... 보조가스 챔버 8... 용접 팁 몸체부

9... 컨택트 팁

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 극소 협개선 미그 용접 장치는, 용접전원을 공급하고 용접 와이어를 송급하기 위한 용접 토치가 2개의 차폐가스 공급관 사이에 배치되어 있되,

상기 용접 토치를 중심으로 상기 2개의 차폐가스 공급관의 상호 각도를 조정한 후 고정시키기 위한 각도 조정용 노즐 클램프와; 상기 용접토치를 탈착 가능하게 결합시키기 위한 토치 몸체 클램프와; 상기 토치 몸체 클램프에 설치된 미끄럼판과; 프레임에 고정되어 상기 미끄럼판을 미끄럼 안내하기 위한 미끄럼 안내부로 구성되어 있다.

여기서, 상기 토치 몸체 클램프에는 토치 각도 조정용 손잡이가 부가적으로 설치되어 상기 용접토치를 경사지게 조정할 수 있게 되어 있다.

또한, 상기 차폐가스 공급관(5) 둘레로, 용접부에 보조 차폐가스를 넓은 면적으로 제공하는 보조가스 챔버가 설치되어 있기 때문에, 아크가 안정되고 용접 작업성이 향상되게 되어 있다.

상기 보조가스 챔버는 상하 방향의 위치를 적절히 조정할 필요가 있으며, 이를 위해 보조가스 챔버위치 조정대가 상기 토치 몸체 클램프에 고정되어 있다. 상기 보조가스 챔버위치 조정대는, 상기 보조가스 챔버에 고정 결합되는 고정판과, 이 고정판에 실질적으로 수직으로 설치되는 이송봉과, 상기 이송봉을 안내하기 위해 상기 토치 몸체 클램프에 고정 설치되어 있는 이송봉 안내부(65)로 구성되어 있다. 그리고, 상기 이송봉의 상하 이송은 조정 손잡이에 의해 조정되고, 이와 같이 조정된 이송봉은 고정 손잡이에 의해 그 위치에서 고정되게 되어 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치의 전체 구성이 도시되어 있다. 여기서, 용접전원을 공급하고 용접 와이어를 송급하기 위한 용접 토치(1)가 2개의 차폐가스 공급관(5)(5) 사이에 배치되어 있는 것은 통상의 협개선 MIG 용접장치와 같다. 본 발명에 따른 용접장치에서는, 상기 용접토치(1)와 2개의 차폐가스 공급관(5)(5)을 용접선 추적용으로 사용할 수 있게 구성되어 있다. 구체적으로는, 각도 조정용 노즐 클램프(4)(도 2와 함께 참조)에 의해 상기 용접 토치(1)와 상기 2개의 차폐가스 공급관(5)(5)을 결합한 상태에서 용접팁(9)이 용접선의 중앙을 지나가면서 추적하는 방식이다. 이를 위한, 결합구성을 설명하면 이하와 같다.

도 3 및 도 4에서와 같이, 본 실시예에서는, 용접장치가 고정되고 용접물(102)이 회전하면서 원호 용접이 진행되게 된다. 이 경우, 먼저 용접물(102)은 적절한 지그(jig)나 용접에 의해 포지셔너(101)의 상판(上板)에 고정된다. 그리고, 용접물의 곡률 중심과 포지셔너(101) 회전원점을 실질적으로 일치시킨 후, 포지셔너를 회전시키면서 용접하는 것이 바람직하다. 이 때, 각도 조정 노즐 클램프(4)를 사용하여 상기 2개의 차폐가스 공급관(5)(5) 각각을 용접부 양면에 견고히 밀착되도록 하고, 용접팁(9)은 실질적으로 용접부의 중앙에 위치되도록 조정한다. 도 2에서와 같이, 각도 조정 노즐 클램프(4)는 용접 토치(1)가 끼워지는 부분을 중심으로 서로 접을 수 있어, 각도 조정이 용이한 구조로 되어 있다. 이와 같이, 상기 공급관(5)(5)이 용접부 양면에 밀착된 형상이 도 3의 확대된도면에 도시되어 있다.

한편, 포지셔너(101)가 회전하면서 용접이 진행될 때, 용접 경로가 원호에서 벗어나게 되면 상기 차폐가스 공급관(5)(5)에 굽힘력이 발생되고 그대로 방치하면 공급관(5)에 무리가 생길 수 있을 뿐만 아니라 용접 토치의 위치도 편향되기 때문에 우수한 용접결과를 기대하기 어렵게 된다. 따라서, 경로에서 벗어나는 방향으로 일정한 자유도를 부여할 필요가 있어, 본 발명 장치에서는 프레임(미도시)에 고정된 미끄럼 안내부(2)에 상기 용접토치(1)의 몸체부가 미끄럼 이동이 가능하도록 구성하였다.

이를 위해, 상기 용접토치(1)를 탈착 가능하게 결합시키기 위한 토치 몸체 클램프(3)의 측면에 미끄럼판(21)을 부가적으로 설치하여 이 미끄럼판(21)이 상기 미끄럼 안내부(2)의 안내봉(22)을 따라 이동이 자유롭게 구성하였다. 여기서, 상기 미끄럼판(21)은 상기 안내부(2)의 길이방향 중앙부 근방에 초기 위치를 정하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 용접토치(1)와 토치 몸체 클램프(3)의 탈착은 클램프 조임 손잡이(31)에 의해 조절된다.

또한, 상기 토치 몸체 클램프(3)에는 토치 각도 조정용 손잡이(32)가 부가적으로 설치되어 있기 때문에, 상기 용접토치(1)를 경사지게 조정한 후 고정함으로써 경사진 용접부도 자유롭게 용접할 수 있게 되어 있다.

또한, 아크를 안정되게 하고 용접 작업성을 향상시키기 위해, 용접부에 보조 차폐가스를 넓은 면적으로 제공하는 보조가스 챔버(7)가 부가적으로 구비되어 있다. 본 실시예에서는 용접노즐(11)과 2개의 차폐가스 공급관(5)(5)이 지나가도록중공형의 박스 형태를 하고 있으나, 상기 목적을 달성할 수 있는 다른 형상도 무방하다.

그리고, 상기 보조가스 챔버(7)의 상하 이송운동을 조정하기 위한 보조가스 챔버위치 조정대(6)가 상기 토치 몸체 클램프(3)에 고정되어 있다. 이는, 용접선 추적시 용접 토치(1)의 미끄럼 이동과 함께 상기 보조가스 챔버(7)가 이동하도록 하여 상호 간섭을 방지하기 위함이다. 그리고, 상기 보조가스 챔버위치 조정대(6)는, 보조가스 챔버(7)에 고정 결합되는 고정판(63)과, 이 고정판(63)에 실질적으로 수직으로 설치되는 이송봉(64)과, 상기 토치 몸체 클램프(3)에 고정 설치되어 상기 이송봉(6)을 안내하기 위한 이송봉 안내부(65)로 구성되어 있으며, 상기 이송봉(6)의 상하운동을 조절하기 위한 조정 손잡이(62)와, 조정된 이송봉(6)을 고정하기 위한 고정 손잡이(61)가 부가적으로 구비되어 있다.

본 발명에 의한 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치는 다음과 같은 조건에서 최적으로 적용될 수 있다.

a. 용접부 조인트 간격: 5mm∼12mm(1Layer 1pass 용접 가능 범위)

b. 용접가능 깊이: 200mm 이하(용접선 추적이 가능한 범위)

c. 차폐가스: Ar+CO₂혼합가스

d. 적용 와이어: 솔리드 와이어(solid wire)

f. 용접자세: 아래보기, 수직, 수평

도 6(a)에서와 같이, 본 발명에 의한 용접 장치에서 차폐가스 공급관(5)의 단면 형상은 타원형으로 되어 있어, 같은 단면적일 경우 원형에 비해 협개선 내부로 삽입되기가 용이하게 되어 있다. 도 6(b)와 도 6(c)에는, 용접 준비가 완료된 상태에서, 협개선 내부에 용접팁(9)과 차폐가스 공급관(5)이 삽입된 구성이 도시되어 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 용접장치는 용접 헤드(welding head)를 고정시키고 용접선이 원호형인 용접물을 회전 포지셔너를 사용하여 회전시키면서 용접하는 예를 기재하고 있다. 그러나, 직선 용접에도 본 발명에 의한 장치를 적용할 수 있음은 물론이고, 용접헤드를 머니퓰레이터(manipulator)로 이송시키면서 용접하는 것도 가능하다. 그리고, 원추 용접에서는 터닝 롤러(turning roller)를 사용하여 용접물이나 용접 헤드를 회전시키면서 용접할 수도 있다.

또한, 전술한 용접과정을 자동화하기 위해, 용접전원 On-Off 기능, 와이어 송급 기능, 자동 가스 Pre-Flow/After-Flow 기능, 포지셔너 On-Off/속도 제어 기능, 토치 상하좌우 위치 조정 기능 등을 통합한 제어장치가 포함될 수 있다.

한편, 용접 토치(1)의 끝 부분에 있는 노즐(11)에 연이어 설치된 팁 몸체부(8)의 선단부에 있는 용접 팁(9)의 주위는 석면 테이프(93)으로 절연하여 팁과 용접물 사이의 접촉에 의한 아킹 현상이 발생되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 차폐가스 공급관(5)에도 석면 테이프를 사용하는 것이 좋다(도 5 참조).

실제로, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 발전용 터빈 다이아프램을 형성하는데 있어서, 본 발명에 의한 용접 장치를 사용한 결과 우수한 용접 결과를 얻을 수 있었다. 상기 다이아프램의 용접부에 해당하는 부분은 스페이스 밴드(202)와 링(201), 스페이스 밴드(202)와 웨브(203) 사이로서, 그 루트 간격은 5.4mm, 개선각은 3°, 최대 용접깊이 200mm의 매우 협소한 용접부이다. 또한, 위에서 바라볼 때 반원호 형상을 가지고 있고, 측면에서 바라볼 때 깊이 방향의 용접부 방향이 수직뿐만 아니라 경사(대략 30°)지게 형성되어 있다. 이와 같이, 매우 협소하고 원호 형상을 가진 용접선에 대해서도 정확한 용접선의 추적이 가능하였고 우수한 용접 결과가 얻어졌다.

상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면 다음에 열거한 바와 같은 이점을 얻을 수 있다.

(1) 용접부 단면적이 축소되므로 작업시간이 크게 단축된다.

(2) 용접량 축소로 용가재를 비롯한 용접자재가 절감된다.

(3) 용접열에 의한 용접물 수축량이 최소화된다.

(4) 추가적인 육성 용접을 실시할 필요가 없어, 후속 용접작업이 필요없어지므로 제작기간이 단축된다.

(5) 용접선 추적시 센서가 필요없고, 아크가 안정되며, 진행시 항상 용접선의 중심에 팁이 위치하게 되므로 용접 품질이 향상된다.

Claims (8)

1. 용접전원을 공급하고 용접 와이어를 송급하기 위한 용접 토치(1)가 2개의 차폐가스 공급관(5)(5) 사이에 배치되는 극소 협개선 미그 용접 장치에 있어서,

   상기 용접 토치(1)를 중심으로 상기 2개의 차폐가스 공급관(5)(5)의 상호 각도를 조정한 후 고정시키기 위한 각도 조정용 노즐 클램프(4)와;

   상기 용접토치(1)를 탈착 가능하게 결합시키기 위한 토치 몸체 클램프(3)와;

   상기 토치 몸체 클램프(3)에 설치된 미끄럼판(21)과;

   프레임에 고정되어 상기 미끄럼판(21)을 미끄럼 안내하기 위한 미끄럼 안내부(2)와;

   로 구성된 것을 특징으로 하는 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 토치 몸체 클램프(3)에는 토치 각도 조정용 손잡이(32)가 부가적으로 설치되어 상기 용접토치(1)를 경사지게 조정할 수 있음을 특징으로 하는 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 차폐가스 공급관(5) 둘레로, 용접부에 보조 차폐가스를 제공하는 보조가스 챔버(7)가 부가적으로 설치된 것을 특징으로 하는 원호 용접용 극소 협개선미그 용접장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 보조가스 챔버(7)의 상하운동을 조정하는 보조가스 챔버위치 조정대(6)가 토치 몸체 클램프(3)에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 보조가스 챔버위치 조정대(6)는, 상기 보조가스 챔버(7)에 고정 결합되는 고정판(63)과, 이 고정판(63)에 실질적으로 수직으로 고정 설치되는 이송봉(64)과, 상기 토치 몸체 클램프(3)에 고정 설치되어 상기 이송봉(6)을 안내하기 위한 이송봉 안내부(65)로 구성된 것을 특징으로 하는 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 이송봉(6)의 상하운동을 조절하기 위한 조정 손잡이(62)와, 조정된 이송봉(6)을 고정하기 위한 고정 손잡이(61)를 부가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 차폐가스 공급관(5)의 단면 형상은 타원형인 것을 특징으로 하는 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 용접 토치(1)의 끝 부분에 있는 노즐(11)에 연이어 설치된 팁 몸체부(8)의 선단부에는 석면 테이프(93)로 감싸진 컨택트 팁(9)이 설치된 것을 특징으로 하는 원호 용접용 극소 협개선 미그 용접장치.