KR20030007602A - 플루오르 중합체의 적외선 용접 - Google Patents

플루오르 중합체의 적외선 용접 Download PDF

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heating
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에반스글렌에이
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스와겔로크 컴패니
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Abstract

본 발명은 플라스틱 공작물을 함께 용접하는 장치에 관한 것으로, 이 장치는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하는 히터 블록과; 제1 표면으로부터 열을 복사하는 제1 가열 요소와; 제2 표면으로부터 열을 복사하는 제2 가열 요소를 포함하고, 상기 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소는 개별적으로 온도가 제어된다. 용접 부위에서 공작물의 온도를 검출하기 위해 온도 센서가 제공된다. 가열 요소는, 공작물의 용접 부위를 향해 복사열의 초점을 조정하거나, 방향을 조정하거나 또는 그렇지 않으면 집중시키도록, 포물선형, 볼록형 또는 그 밖의 곡선형이나 각진 형상 등의 비평면형 방식으로 설치되는 것이 바람직하다. 본 발명은 PFA 등과 같은 용융 처리 가능한 물질로 제조된 부품을 개질된 PTFE 등과 같은 비용융 처리 가능한 물질로 제조된 부품에 용접하는 데 특히 적합하다.

Description

플루오르 중합체의 적외선 용접{IR WELDING OF FLUOROPOLYMERS}
플라스틱 부품 또는 공작물을 함께 용접 또는 결합시키는 공지의 기술로는 적외선(IR) 용접이라고도 불리우는 복사 가열이 있다. 공지의 공정에서는, 공작물을 가열한 후 함께 압박하고 냉각시킨다. 함께 결합될 공작물의 부분에 인접하게 유지되는 복사열원을 제공하기 위해 히터가 사용된다.
공지의 IR 용접 시스템에는 많은 결점이 있다. 이 문제들 중에는 반복성 결여, 용접의 비일관성, 및 긴 용접 사이클 시간 등이 있다. 이러한 문제들은 많은 인자에 기인하는 것으로 생각될 수 있으며, 이들 인자의 다수는 각 공작물이 충분히 가열되었을 때 용접 작업자가 시각적으로 결정하여야 하는 사실과 관련이 있다. PFA 등과 같은 테프론TM타입의 물질의 경우, 예컨대 작업자는 공작물의 불투명도의 변화를 관찰한다. 이는 매우 주관적인 결정이며 일관성 없는 용접을 야기한다.
공지의 시스템은 단지 동일 물질, 그리고 용융 처리 가능한 PFA 등의 물질로만 이루어진 2개의 공작물을 용접하는 데 유용하다. 용융 처리 가능하다는 것은 용융된 후 사출 성형이나 용융된 물질이 유동하는 그 밖의 처리 기술 등에 의해 더 처리될 수 있다는 것이다. 종전에는 비용융 처리 가능한 물질을 공지의 IR 시스템을 이용하여 IR 용접한다는 것은 고려되지 않았다. 공지의 시스템의 다른 주요한 제한점은 공작물이 얼마나 가열되는 가에 대해 대체로 제어되지 않는다는 것이다. 통상의 용접 작업 동안, 일반적으로 공작물의 단지 작은 부분만이 가열될 필요가 있다. 그러나, 공지의 시스템은 공작물의 실제 용접 부위 이외의 부분을 가열한다. 이러한 가열은 용접 부위 외부 공작물의 물질 특성에 악영향 또는 바람직하지 못한 영향을 미칠 수 있다. 또한, 공지의 용접 시스템은 일반적으로 용접 및 냉각 기간 동안 공작물을 유지하기 위해 고정구를 사용한다. 이들 고정구는 일반적으로 냉각 동안에 공작물의 이동을 축방향으로 구속하여, 용접부에 잔류 응력을 생기게 한다.
플라스틱 부품을 함께 용접하여 양질의 반복 가능한 용접을 형성하는 복사 용접 방법 및 장치를 계속적으로 필요해 왔다. 특히, 이러한 방법 및 장치는 상이한 용융 온도 및 분해 온도를 갖는 상이한 물질로 이루어진 2개의 공작물을 함께 용접하기에 적합한 것이지만, 이것에만 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 일반적으로 비금속성 플루오르 중합체 부품을 함께 용접 또는 결합시키는 것에 관한 것이며, 보다 상세히 말하면 2개의 공작물을 복사(輻射) 용접하는 방법 및 장치에 관한 것으로 상기 공작물은 용접 작업 동안 상이한 온도로 가열될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용접 시스템의 기능 블록 선도이고,
도 2a 내지 도 2d는 각각 본 발명에 따른 히터 블록 조립체의 측면도, 정면도, 평면도, 및 등각도이며,
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 전형적인 용접 작업을 간단히 묘사한 개략도이고,
도 4a 및 도 4b는 상이한 크기의 부품에 대한 본 발명에 따른 히터 블록의 효과를 간단히 예시하는 도면이며,
도 5a 및 도 5b는 본 발명을 이용하여 실시되는 예시적인 용접 공정의 소프트웨어 흐름도이고,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 예시적인 공작물 가열 프로파일의 온도 대 시간 그래프이며,
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 고정구 개념의 제1 실시예를 예시하고,
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 고정구 개념의 제2 실시예를 예시한다.
본 발명은 플라스틱 공작물을 용접하는 장치로서, 제1 열복사면 및 제2 열복사면을 구비한 히터 블록과; 상기 제1 열복사면으로부터의 열을 복사하는 제1 가열요소와; 상기 제2 열복사면으로부터의 열을 복사하는 제2 가열 요소를 포함하고; 상기 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소는 개별적으로 온도가 제어되는 것인 용접 장치를 한 가지 실시예로 고려한다.
상기 히터 블록의 다른 양태에서는 가열 요소 및/또는 복사면이 복사열을 용접 구역 또는 영역으로 초점을 조정하거나, 방향을 정하거나, 또는 집중시키는 기하학적 구조로 외형이 형성될 수 있다. 한 가지 실시예에서, 가열 요소는 포물선형, 볼록형 또는 그 밖의 비평면형 방식으로 설계된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 용접 시스템은 가열 요소용 온도 센서와 용접 부위에서 공작물의 온도를 검출하는 온도 센서를 개별적으로 또는 조합하여 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 용접될 공작물은 양호한 용접의 형성을 돕는 고정구에 장착된다. 상기 양태에 따르면, 하나 이상의 공작물은 용접 이후의 기간 동안 다른 공작물에 대해 자유롭게 그리고 축방향으로 배치될 수 있다. 이러한 자유로운 이동으로 인해 용접 부위에서 잔류 응력이 생기는 일 없이 용접 부위가 냉각될 수 있게 된다. 본 발명의 한 가지 실시예에서는, 고정구가 사용되어, 용접 작업의 일부분 동안 공작물을 유지하고, 용접 및 냉각 기간 동안 공작물을 축방향으로 해제시킨다.
본 발명의 다른 양태 및 결점은 첨부 도면을 참조로 한 이하의 본 발명의 상세한 설명을 통해 쉽게 인식 및 이해될 것이다.
도 1의 예시적인 기능 블록 선도에는 플루오르 중합체 부품을 함께 비접촉식으로 복사 가열하고 용접하는 용접 시스템(10)이 예시되어 있다. 본원에서는 본 발명이 PFA 부품을 개질된 PTFE 부품에 용접하는 것(즉, 용융 처리 가능한 물질을 비용융 처리 가능한 물질에 용접)에 관하여 기술되어 있지만, 본 발명의 하나 이상의 다양한 양태를 구체화한 장치 및 방법을 이용하여 용접되는 플루오르 중합체의 예가 2개가 있다. 또한, 본 발명은 동일 물질로 이루어진 2개의 부품을 용접하는데에도(예컨대, PFA 등과 같은 용융 처리 가능한 물질로 이루어진 부품을 용융 가능한 부품에 용접하거나, 개질된 PTFE 등과 같은 비용융 처리 가능한 물질로 이루어진 부품을 비용융 처리 가능한 물질에 용접하는 데) 이용될 수 있다.
본 발명은 용접 시스템(10)의 방법 및 장치에서 구현되는 다수의 주요한 양태를 고려하며, 이 양태의 각각은 단독으로 이용되거나 본 발명의 다른 양태와 임의로 조합하여 이용될 수 있다. 일반적으로, 이들 양태는 신규한 히터 유닛과; 후술하는 것들, 즉 가열 요소의 온도, 용접 부위에서의 공작물 온도, 및 공작물의 제어 위치 중 하나 이상에 기초하여 용접 작업을 제어하는 제어 시스템으로 구현되지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 상기 신규한 히터 유닛은 서로 다른 2개의 양태 또는 특징, 즉 일반적으로 1) 2개 이상의 가열 요소의 개별적이고 독립적인 온도 제어와, 2) 초점이 조정되거나 방향이 조정된 복사 가열을 구현한다. 제어 시스템의 다른 양태는 각 공작물에 대하여 선택 가능한 가열 프로파일을 사용하는 것이다. 본원에서는 본 발명이 상이한 물질로 이루어진 2개의 공작물을 용접하는 예시적인 실시예로 기술되어 있지만, 당업자는 본 발명의 다양한 양태가 동일한 물질로 이루어진 공작물을 함께 용접하는 데 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
또한, 다수의 변형 실시예 또는 예가 본원에 기재되어 있지만, 이들 예는 총괄적인 리스트로서 의도된 것이 아니며 이러한 것으로 해석되어서도 안된다. 기재된 실시예에 대한 많은 상이한 전기적, 기계적 및 물질적 변형은 본원에 명확히 기술되었는지 여부에 관계없이 당업자에게는 명백하며, 이러한 변형은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 다양한 양태를 구현하는 복사 용접 시스템이 예시되어 있다. 본원에서 "용접"이라는 것은 가장 광의적인 의미로 이해되어야 하며, 즉 열을 가하여 2개의 공작물을 결합 또는 접합시키는 것이다. 본 발명은 복사면으로부터 공작물로의 열 대류에 의해 열복사면과 공작물의 직접적인 접촉없이 복사 또는 IR 가열하는 기술에 관한 것이다. 이는 깨끗한 용접을 보장한다.
시스템(10)은 제어 회로(12), 히터 블록 조립체(14), 및 고정구 플랫폼 또는 프레임(16)(도시 생략)을 포함한다. 제어 회로(12)는 이산 회로, 집적 회로, 아날로그 및/또는 디지털 회로 등 당업자에게 잘 알려진 형태로 구현될 수 있다. 도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 제어 회로(12)는 디지털 제어기(18)을 포함하며, 이 디지털 제어기는 임의의 적절한 마이크로 프로세서 또는 그 밖의 디지털 제어 장치나 회로일 수 있다. 이 제어기(18)는 용접 작업 동안 다수의 제어 기능을 실행한다. 이들 기능에는 1) 공작물(W1)과 공작물(W2)의 서로에 대한 상대적 위치를 제어; 2) 이들 공작물에 대한 히터 블록 조립체(14)의 위치를 제어; 3) 히터 블록 조립체(14)의 가열 요소(20, 22)에 대한 파워의 조절; 4) 공작물 및 히터의 위치에 관한 다양한 피드백 신호와 온도 피드백 신호를 수신 및 처리; 5) 하나 이상의 저장된 프로그램, 제어 파라미터, 가열 프로파일 및 작업자 입력에 따라 용접 작업 실행 등이 있다.
공작물(W1, W2) 및 히터 블록(14)의 위치 제어는 통상의 서보 제어에 의해 실시될 수 있지만, 그 밖의 임의의 적절한 위치 제어 기술이 이용될 수도 있다. 공작물(W1, W2)은 제1 및 제2 공작물 위치 설정 서보(24, 26)를 통해 제어 회로(12)에 의하여 이동 및 위치 설정될 수 있다. 예컨대, IDS사가 시판하는 B8001 부품 등과 같은 적절한 서보 제어부가 이용될 수 있다. 히터 블록 조립체(14)를 이동 및 위치 설정하는 데 제3 위치 제어부(25)가 이용된다. 예컨대, 히터 블록(14)이 후퇴 위치(원위치)와 공작물(W1, W2)에 인접한 신장 위치(용접 위치) 사이에서 이동될 수 있도록, 히터 블록(14)은 공기 실린더(25)의 제어를 받는 가동 아암에 장착될 수 있다. 별법으로서, 히터 블록(14)은 적소에 고정될 수 있다. 히터 블록(14)의 위치 제어를 허용함으로써, 히터는 비사용시에 작업자로부터 멀리 안전하게 후퇴될 수 있다. 또한, 가동 히터 블록(14)을 구비함으로써, 상이한 부품 크기 또는 용접 파라미터에 관하여 복수 개의 히터 블록(14)이 이용될 수 있다. 또한, 전기 제어를 받는 가동 히터 블록(14)을 구비함으로써, 이하에 상세히 더 기술되는 바와 같이 양질의 반복 가능한 용접을 실시하기 위한 용접 시스템(10)의 융통성이 증대된다.
제어 회로(12)는, 제어기(18)를 다양한 외부 센서에 중개하는 그레이힐에서 시판하는 표준 입력/출력 회로(23), 히터 블록(14) 전력 회로, 및 키보드, 터치 스크린, 마우스 등과 같은 작업자 인터페이스 장치(30)를 더 포함할 수 있다. 적절한 인터페이스 장치로는 이슨(Eason)에서 시판하는 모델 400이 있다. 예컨대, 작업자는 용접되는 부품의 물질, 부품의 크기, 온도 파라미터 등을 입력할뿐만 아니라, 메모리에 저장된 적절한 용접 절차를 선택하거나, 제어기(18)가 적절한 절차를 고르게 한다. 용접 파라미터는 프로그램 등으로 작동되는 메뉴를 이용하여 통상의 영상 표시 장치 또는 그 밖의 적절한 방법을 통해 입력 및 모니터링될 수 있다. 데이터 저장 장치는, 역사적 목적, 품질 제어, 동향 분석, 및 그 밖의 필요한 통계적 분석을 위해 용접 파라미터와 용접기 데이터를 저장하는 데 사용될 수 있다.
본원에서 본 발명은 컴퓨터화 또는 자동화된 용접 시스템(10)으로 구현되어 있지만, 본 발명의 많은 양태는 수동 시스템을 포함하는 보다 간단한 시스템으로 구현될 수도 있다는 것을 유의하라. 예컨대, 히터 블록(14)은 수동 용접 시스템과 쉽게 사용될 수 있으며, 이 시스템에서 공작물은 임의의 적절한 고정 장치를 이용하여 히터(14)에 대해 수동 배향된다. 필요하다면, 다양한 온도 피드백이 작업자에 의해 모니터링되고 조정된다. 그러나, 일단 파라미터가 세팅되면 모든 용접 작업이 작업자와의 상호 작용 없이 실시되는 자동화 시스템이 대부분의 경우에 바람직한 것으로 고려된다. 이는 용접 품질 및 반복성을 크게 향상시키고, 용접 시간을 크게 감소시킨다.
온도 센서(32, 34)가 각 가열 요소(20, 22)에 연결되어 있다. 이 경우, 온도 센서(32, 34)는 표준 열전대이고, 히터 블록 조립체(14) 내의 가열 요소 부근에 배치되는 것이 바람직하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 임의의 적절한 온도 센서를 이용할 수 있다. 각 센서(32, 34)는 가열 요소(20, 22)의 각 온도가 서로 독립적으로 제어되도록 모니터링된다. 각 가열 요소(20, 22)의 독립적이고 정밀한 온도 제어와, 정확한 온도 제어, 그리고 선택 가능한 가열 프로파일은, 상이한 물질로 이루어진 공작물이 함께 용접될 수 있게 하는 본 발명의 주요한 특징 중 하나이다.
용접 부위에서 공작물의 온도를 검출하기 위해, 추가의 온도 센서(36, 38)가 제공된다. 이 실시예에서, 레이텍(RAYTEK)에서 시판하는 모델 번호 RAYTXSLTCF2 등과 같은 정확한 적외선 센서가 각 공작물(W1, W2)의 용접 부위 온도를 검출한다. 이러한 공작물 온도 피드백을 이용함으로써, 제어기(18)는 공작물이 용접 동안에 예정된 온도로 가열되는 때를 정확하게 결정할 수 있다. 이로써, 작업자가 부품의 불투명도의 변화를 통해 부품이 충분히 가열되었는지를 시각적으로 결정하여야 하는 종래의 시스템의 주요한 결점이 배제된다. 또한, 공작물 온도 센서(36, 38)를 이용하면, 예컨대 공작물 중 하나가 나머지 공작물들이 완전히 가열되기 이전에 그 용접 온도에 도달하는 경우, 제어기(18)는 과열을 방지하도록 가열 요소(20, 22)에 대한 파워를 조절할 수 있게 된다. 제어기(18)는 히터에서 공작물까지의 거리를 공작물 온도 제어 기능의 일부분으로서 조정하도록 프로그램될 수 있다. 이는 히터 파워 조정과 함께 또는 그 대신에 실시될 수 있다.
표준 파워 인터페이스 회로(40)는 가열 요소(20, 22)에 전압 및 전류를 제공한다. 와틀로우(Watlow)에서 시판하는 Din-a-Mite 회로가 적절한 회로이다. 필요에 따라, 통상의 파워 제한 회로(42. 44)도 이용될 수 있다. 와틀로우에서 시판하는 시리즈 146 제어 회로 등이 있다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 제어 회로(12)는 히터 제어기(33, 35)를 더 포함한다. 각 히터 제어기(33, 35)는 시스템 제어기(18)에 의해 세팅되어 있는 프로그램된 히터 온도에 도달하도록, 각 히터에 인가되는 전압 및 전류를 독립적으로 조정한다. 예컨대, 각 히터 제어기(33, 35)는 와틀로우에서 시판하는 시리즈 988 제어기일 수 있다. 각 히터 제어기는 각 히터 열전대(32, 34)를 감시하고, 파워 회로(40)로의 파워를 조정하여 히터를 선택된 온도로 유지한다. 또한, 히터 제어기(33, 35)는 각 IR 센서 신호를 모니터링한다. 해당 용접 부위에서 필요한 용접 온도에 도달하면, 히터 제어기는 시스템 제어기(18)에 적절한 신호를 보낸다. 양 공작물이 모두 용접 온도에 도달하면, 시스템 제어기(18)는 히터 블록을 공작물로부터 멀어지게 이동시키고, 이들 공작물을 함께 용접시킨다.
2개의 히터의 독립적인 온도 제어와, 공작물의 용접 부위의 개별적인 온도 모니터링은 상이한 물질로 이루어진 2개의 공작물을 용접하는 것을 돕는다. 예컨대, 공작물 중 하나는 다른 하나 보다 더 빠르게 용접 온도에 도달할 수 있을 것이다. 이러한 일이 생긴다면, 해당 히터 제어 기능은 다른 공작물이 그 용접 온도에 도달할 때까지 과열없이 공작물을 용접 온도로 유지시키도록 히터로의 파워를 조정할 수 있다. 각 공작물의 용접 온도는 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 부품은 상이한 속도로 가열될 수 있으므로 상이한 시간에 용접 온도에 도달될 수 있다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c를 참조하면, 본 발명은 이 예에서는 단일 하우징 또는 케이싱(50)을 포함하는 히터 블록 조립체(14)를 고려한다. 하우징(50) 내에는 열 또는 열복사 매트릭스(52)가 있다. 이 예시적인 실시예에서, 매트릭스(52)는 예컨대 와틀로우에서 시판하는 세라믹 섬유 절연체 등의 세라믹 물질로 제조된다.이러한 특정 물질은 성형 가능한 세라믹이지만, 필요한 경우 가열 요소를 지지하고 용접 공정에 충분한 열을 복사한다면, 히터 매트릭스(52)용으로 임의의 적절한 물질이 이용될 수 있다.
케이싱(50)은 전기 파워 리드선을 매트릭스(52)에 매설된 가열 요소(20, 22)에 연결하는 단자 블록을 포함한다. 히터 온도 센서(32, 34)(도 1)는 매트릭스(52) 내에서 각 가열 요소(20, 22)의 바로 옆에 배치된다. I/O 보드(28)를 통해 센서(34, 36)를 시스템 제어기(18)에 연결하는 데, 커넥터 리드선(56, 58)이 이용될 수 있다.
이 실시예에서, 각 가열 요소(20, 22)는 철 크롬 알루미늄선 등과 같은 통상의 저항 가열선(60, 62)의 형태로 구현된다. 각 선(60, 62)은 사행(蛇行)형으로 배치되며(도 2b), 곡선형 또는 그 밖의 비평면형 프로파일이나 구조를 따라 배치된다(도 2a). 이 예시적인 경우의 비평면형 프로파일은, 대개 복사열에 대해 방향적으로 영향을 미치거나 초점이 조정되도록 포물선형 또는 볼록형이다. 본 발명의 한 가지 양태는 방향 조정된 또는 집중된 복사열 공급원을 구비하는 개념을 포함한다. 복사열은 본원에 기술된 바와 같이 포물선형 또는 볼록형 가열 요소 프로파일을 이용함으로써 초점이 조정될 수 있지만, 특정 초점에 초점을 조정하는 것이 필요조건은 아니다. 따라서, 본 발명의 일반적인 양태는 복사열이 대개 용접 부위의 영역으로 방향이 조정되거나 집중되는 것이다.
비평면형 프로파일은 복사열에 대해 방향 집중 또는 초점 조정 효과를 일으키는 임의의 기하학적 구조일 수 있다. 그러나, 일부 용접 시스템에서는 초점이조정되거나 집중된 열을 필요로 하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 선(60, 62)은 평탄한 방식으로 배치될 수 있다. 또한, 선(60, 62)은 사행형으로 배열될 필요가 없다. 초점 조정 효과가 얼마나 필요한 지에 따라 그 밖의 비평면형 프로파일이 사용될 수 있다. 예컨대, 선(60, 62)은 V형 형상 등의 각진 평면에 이용될 수도 있다. 열 초점 조정 요소를 히터 블록(14)에 부가하거나 또는 열 초점 조정 요소를 히터 블록(14)과 함께 사용하는 등의 다수의 선택 사항도 이용 가능하다.
도 2a 및 도 2b에 예시된 바와 같이, 세라믹 매트릭스(52)는 2개의 열복사면(64, 66)으로 형성된다. 또한, 이들 면(64, 66)은 복사열의 초점 조정 효과를 돕도록 기하학적으로 구성될 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 각 열복사면(64, 66)은 대체로 포물선형이거나 볼록한 부분(68, 70)을 포함하고, 이 부분은 선(60, 62)의 기하학적 구조에 대체로 일치하거나 별법으로는 상이한 기하학적 형상으로 형성될 수도 있다. 필요한 초점 조정 효과를 얻기 위해 임의의 프로파일이 이용될 수도 있다.
본 발명의 방향 조정식 열의 개념을 이용함으로써 많은 이점이 실현된다. 이러한 이점 중 하나로는 각 공작물을 보다 효과적으로 가열하는 것이 있다. 종래의 시스템은 널리 복사되는 열을 발생시키며, 이 열의 일부는 비효율적으로 공작물에 작용하지 못할뿐만 아니라 공작물을 용접 부위에서 가열하지 못한다(본원에 사용된 바와 같이, 용접 작업을 실시하도록 공작물의 용융 온도까지 가열되는 공작물의 일부분을 용접 부위라 칭함). 복사되는 열을 용접부위에 또는 그 부근에 집중시킴으로써, 공작물은 보다 신속하고 효과적으로 가열될 수 있다.
복사열의 방향 조정 또는 집중의 다른 이점은 용접 부위로부터 먼 곳에 있는 공작물의 부분을 가열하는 것이 줄어든다는 것이다. 예컨대, 밸브 본체가 개질된 PTFE 폴리머로 제조되고, 피팅이 용접되는 튜브 단부를 포함한다고 가정해보자. 이론상으로는 튜브 단부(예컨대 1/8인치)의 외측 단부만이 가열될 것이다. 만약 밸브 본체가 동시에 가열되고 온도가 충분히 상승한다면, 개질된 PTFE 물질은 악영향을 받을 수 있다. 복사열의 방향 조정 또는 집중에 의해, 공작물의 비용접 부분의 주변을 가열하는 것이 실질적으로 줄어들 수 있다.
도 2a 내지 도 2c에서, 히터 블록 조립체(14)는 단일 케이싱(50)과 통합된 유닛이다. 2개의 가열 요소(20, 22)는 필요하다면 벽이나 그 밖의 열 장벽 또는 반사기(72)에 의해 그들 자체의 영역으로 구분될 수 있다. 별법으로서, 가열 요소(20, 22)는 공통의 이송 장치에 함께 고정되거나 장착되는 별도의 매트릭스/케이싱 유닛에 배치될 수도 있다. 다른 별법으로서, 제어 회로(12)가 각 히터를 그 해당 공작물 부근에 독립적으로 배치시킬 수 있도록, 각 히터 요소(20, 22)는 그 자체의 히터 블록 조립체 내에 배치될 수 있다. 도 2d는 볼록한 열복사면(64) 부분을 포함하는 히터 블록(14)의 입체 모델을 예시하는 등각도이다.
도 3a 내지 도 3g를 참조하면, 제어 회로(12)에 의하거나 수동으로 또는 그 밖의 방법으로 실행될 수 있는 통상의 용접 작업이 간단하게 예시되어 있다. 이들 도면에서, 시스템(10)의 고정 특징부와 그 밖의 전기적 기계적 특징부는 명료한 도시를 위해 도시 생략되어 있다. 또한, 도 3a 내지 도 3g에 도시된 예는 히터블록(14)이 이동 가능하고, 공작물(W1, W2)이 독립적으로 이동 가능한 것으로 가정한다.
이 예에서, 제1 공작물(W1)은 피팅(104)이 용접되는 튜브 단부(102)를 구비한 밸브 본체(100)이다. 제1 공작물(W1)은 제1 공작물 위치 설정 서보(26)를 통해 제어 회로(12)에 의해 위치 설정되는 제1 가동 플랫폼 또는 그 밖의 적절한 구조체에 클램프 등의 통상의 고정구로 유지될 수 있다. 이 예에서, 제2 공작물(W2)은 피팅(104)의 튜브 단부 또는 제1 공작물(W1)에 용접되는 그 밖의 부품이다. 제2 공작물(W2)도 제2 공작물 위치 설정 서보(24)의 작동을 통해 제어 회로(12)에 의해 위치 설정되는 가동 플랫폼 또는 그 밖의 적절한 구조체에 장착될 수 있다. 도면에 예시된 바와 같이, 본 발명은 용접동안 공작물을 수직 정렬하는 것을 고려하고 있지만, 이는 바람직한 것일뿐 반드시 필요한 것은 아니다. 이로써 보다 일정한 용접 비드가 얻어진다. 별법으로서, 공작물은 수평 정렬 또는 기타 임의의 필요한 배향 상태로 용접될 수 있다. 또한, 보다 단순한 용접 시스템은 단지 하나의 가동 공작물을 이용한다.
또한, 히터 블록(14)은 히터 서보(24)를 통해 제어 회로(12)의 제어를 받는 가동 플랫폼 또는 아암에 장착된다. 예시적인 실시예에서, 히터 블록(14)은 공작물(W1, W2)의 이동축을 가로질러 이송된다[즉, 도 3a 내지 도 3g의 지면(紙面)의 수평(횡)방향]. 히터 블록(14)은 필요하다면 공작물(W1, W2)의 이송축에 대해 상이한각도로 이동될 수 있지만, 편의상 가동 공작물(W1, W2)의 이송축을 거의 가로지르거나 그렇지 않으면 상기 이송축에 평행하지 않는 평면에서 이동될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 히터 블록(14)이 이동되며, 공작물(W1)에 대한 기준 영점을 형성하게 될 위치로 제어 회로(12)가 공작물(W1)을 이동시킴으로써, 용접 절차가 개시된다. 도 3a에서, 히터(14)는 적소에 있는 것으로 예시되어 있지만, 실제 히터의 위치는 용량성 위치 센서에 의해 지시될 수 있다. 공작물이 히터의 위치에 있다는 것을 용량성 센서(도시 생략)가 지시할 때까지, 공작물(W1)을 이동시켜 기준 영점을 설정할 수 있다. 영점에 위치하는 때를 결정하기 위해, 용량성 센서, 근접 센서, 또는 그 밖의 적절한 위치 센서가 사용될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제1 공작물(W1)은 그 후 영점으로부터 예정된 거리 또는 간극으로 후퇴된다. 이 거리는 히터(14)로부터 복사된 열의 양과, 공작물이 용접 작업 중에 도달해야 할 바람직한 온도, 그리고 용접 작업 동안에 열에 노출시 부품이 받게될 확대를 기초하여 실험적으로 결정될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 제2 공작물(W2)은 제1 공작물에 대한 제2 공작물의 영점을 찾기 위해 적소로 이동되거나 제1 공작물(W1)에 대해 접촉한 후 멀어진다. 영점에 위치하는 때를 결정하기 위해, 로드셀(load cell) 또는 그 밖의 적절한 접촉 센서가 사용될 수 있다.
도 3d에서는, 용접 작업 동안 가열로 인해 각 공작물에서 예상되는 확대량과, 가열 단계가 완료된 후 함께 압압되는 2개의 부품에 필요한 중첩량을 기초로 한 예정된 간격으로, 제2 공작물이 제1 공작물로부터 이격되어 이동된다. 따라서, 상기 간격은 대체로 실험적으로 결정될 수 있다. 또한, 간격은 프로그램 가능한 정지로서 기능한다. 따라서, 부품이 가열된 후, 제2 공작물은 기준 영점 위치 또는 정지 위치로 이동되지만, 이들 부품은 가열 중에 "확대" 또는 확장되었으므로 중첩하며, 보다 연질의 용융 처리 가능한 공작물의 튜브 단부(104)는 제공되는 중첩량에 기초하여 용접 비드를 형성하도록 재설정될 것이다. 따라서, 이들 부품이 접촉하게 이동되고 용접이 완성될 때, 용접 공정은 힘을 기초로하기 보다는 위치를 기초로 한다.
도 3e에서는, 공작물이 각 히터면(64, 66)으로부터 이격된 예정된 거리로 더 분리되어 있다. 제1 공작물(W1)과 해당 히터면(66) 사이의 실제 거리는 제2 공작물(104)과 히터 블록 조립체(14)의 제2 히터면(64) 사이의 거리와 동일하거나 상이할 수 있다. 다시 말하자면, 주어진 용접 작업에 대해 공작물을 가장 효율적으로 가열하기 위하여, 이들 거리는 각 공작물의 물질과, 해당 히터면으로부터 최적으로 또는 실험적으로 결정된 거리에 따라 결정된다.
도 3f에서는, 공작물들이 접합되거나 또는 그렇지 않으면 함께 용접될 수 있기에 충분한 온도로 공작물의 단부(105, 107)를 가열하도록, 히터 블록(14)에 전력을 공급하였다.
도 3g에서는, 용접 작업을 완료하여 용접 비드(106)를 형성하도록, 상기 공작물들을 이동시켜 서로 결합시켰다.
본 발명의 주요한 이점은, 2개의 히터를 독립적으로 구성함으로써, 상이한 물질로 제조된 2개의 공작물을 복사 용접 공정을 이용하여 효율적이고 효과적으로 함께 용접할 수 있게 된다는 것이다. 예컨대, 제2 공작물(104) 등과 같은 튜브 피팅은, 용융 처리 가능하고 제1 온도 범위 내에 용융 온도가 나타나는 물질인 PFA 테프론TM타입의 물질로 제조될 수 있다. 예컨대, 밸브 본체는, 비용융 처리 가능하고 상당히 더 높은 용융점을 나타내는 개질된 PTFE 등과 같은 상이한 테프론TM타입의 물질로 제조될 수 있다. 가열 요소(20, 22) 모두에 대한 독립적인 온도 제어부를 구비하고 용접 부위에 대한 온도 센서를 구비함으로써, 상기 공작물은 복사열 용접 기술을 이용하여 편리하게 함께 용접될 수 있다. 본원에 공작물용으로 기술된 물질, 즉 PFA 및 개질된 PTFE는 본래 단지 예시적으로 의도된 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것을 유의하라. 본 발명은 동일한 물질로 이루어진 부품을 함께 용접하는 데 용이하게 이용될 수 있을뿐만 아니라, 현저히 상이한 용융점 특징을 나타내는 상이한 물질로 제조되고 그 중 하나의 부품은 비용융 처리 가능한 물질로 제조되는 한편 나머지 부품은 용융 처리 가능한 물질로 제조되는 부품을 함께 용접하는 데에도 용이하게 이용될 수 있다. 물질의 용융점보다는 약간 더 높지만 물질의 분해 온도보다는 더 낮은 온도로 공작물을 가열하는 것이 바람직하지만 반드시 그럴 필요는 없다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, PFA 튜브 단부 등의 공작물(W)과 히터 블록(14)사이의 관계의 확대도가 예시되어 있다. 도 4a에 예시된 바와 같이, 가열 요소(20, 22)의 비평면형 프로파일(이 경우 대체로 포물선형 또는 볼록한 프로파일)이 국한된 가열 구역 또는 영역(110)을 향해 복사열의 방향을 조정하거나 초점을 조정하는 경향이 있다. 이 예에서, 열은 다소 원뿔형 형태로 복사된다. 상기 국소 가열 영역은 그 위치에 따라 실험적으로 결정될 수 있으며, 용접될 공작물의 일부분(112)(즉, 용접 부위)이 복사열 범위 내에 있도록, 공작물(W)의 용접 부위가 용접 작업 동안 가열용 위치로 이동된다. 그러나, 공작물의 가열된 부분은, 바로 상기 국한된 구역(110)에 배치될 필요가 없고, 용접 작업 중에 공작물의 바람직한 가열 속도 및 온도 상승을 실시하도록 히터 블록(14)의 열복사면에 대하여 상기 가열 구역(110)을 따라 다른 위치에 배치될 수 있다. 도 4b에서는, 상이한 크기의 공작물을 예시하여, 보다 작은 부품이 도 4a에 도시된 큰 공작물에 비해 히터 블록(14)으로부터 얼마나 더 멀리 배치되는 경향이 있는 가를 예시한다(거리 "Y"는 거리 "X"보다 크다). 그러나, 실제 가열 거리(X, Y)는 부품의 물질, 부품의 기하학적 구조, 바람직한 가열 속도, 바람직한 온도 등에 따라 결정된다. 따라서, 본 발명은 가열 요소의 온도, 공작물의 온도, 및 공작물의 위치를 제어함으로써, 용접 부위의 온도를 제어하는 IR 용접 공정용 완전 열관리 시스템을 고려한다.
또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 이 경우 적외선 열 센서(36) 형태인 공작물 온도 센서는 용접 작업 중에 용접 부위(112)에서 공작물의 실제 온도를 검출하는 데 사용된다. 센서(36)는 용접 부위에서 표면 온도를 검출할 수 있지만, 용접 온도에 도달되고 그 온도가 부품에 충분히 퍼진 것을 나타내는 상기 표면 아래 위치의 온도를 검출하도록 조준되는 것이 바람직하다. 온도 센서(36)는 시스템 제어기(18)에 피드백되는 전기 신호를 발생시키고, 이에 의해 제어기(18)는 용접 동안에 해당 가열 요소(20, 22)에 대한 파워를 조정하거나 및/또는 열복사면(66)에 대한 공작물(W)의 위치를 선택적으로 조정함으로써 공작물의 온도를 정확하게 제어할 수 있다. 이러한 방식에서는, 자동화된 용접 시스템(10)이 공작물(W)이 충분히 가열되어 다른 공작물에 용접되는 때를 정밀하고 정확하게 결정할 수 있다. 이로써, 공작물이 충분히 가열되었는 가를 작업자가 눈을 이용하여 주관적으로 결정할 필요성이 배제된다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제어 시스템(12)에 의해 실시될 수 있는 통상적인 용접 작업의 소프트웨어 흐름도가 예시되어 있다. 단계 200에서 작업자는 제1 공작물을 가동 플랫폼 또는 플래튼에 장착하고, 단계 202 내지 208에서 공작물은, 예컨대 당업계에 공지되어 있는 레이저 조준 기술을 통해 정렬될 수 있다. 단계 210에서는 제2 공작물이 그 액츄에이터에 장착되고, 단계 212에서는 작업자가 자동화된 설정 과정을 개시한다.
단계 214에서 제1 공작물을 유지하는 가동 플랫폼은 공작물이 가열 블록(14)에 접촉할 때까지 상승된다. 이로써, 제1 공작물에 대한 기준 영점이 설정된다. 단계 216에서는, 예컨대 용량성 센서 및/또는 로드셀 또는 그 밖의 적절한 위치 검출 기술에 의해 공작물과 히터 블록(14)의 접촉이 이루어질 수 있다. 단계 218에서는, 공작물을 히터(14)에서 예정된 개시점, 즉 부품의 크기, 물질 등 다양한 작업자의 입력 파라미터에 기초한 개시점으로 낮춘다. 이러한 초기 간극은 가열로인한 부품의 예상 팽창에 기초한 것이다. 단계 220에서는, 제2 공작물(W2)이 히터 블록(14)에 접촉하여 제2 공작물에 대한 기준 영점을 확정할 때까지 제2 공작물(W2)을 낮추며, 단계 222에서는 용량성 센서 등과 같은 적절한 접촉 센서에 의해 상기 기준 영점이 재검출된다.
단계 224에서, 부품의 크기와 가열 중에 예상되는 팽창에 기초한 부품의 물질에 의해 다시 결정되는 예정된 개시점으로 제2 공작물을 낮춘다. 단계 226에서는, 제1 공작물이 제2 작업 공작물과 접촉할 때까지 제1 공작물 방향으로 제2 공작물을 낮추며, 상기 접촉은 단계 228에서 로드셀에 의해 검출된다. 이로써, 2개의 공작물 사이의 접촉에 대한 영점 위치가 설정된다. 단계 230에서는, 부품의 치수 및 물질 특성에 다시 기초하는 예정된 간격으로 제2 공작물을 상승시킨다. 단계 232에서는, 제2 공작물을 완전 후퇴시키고, 단계 234에서는 작업자가 선택된 용접 공정을 개시한다.
단계 236에서, 히터 블록(14)은 그 원위치에서 그 용접 위치까지 연장되며, 이는 단계 238에서 한계 스위치에 의해 검출된다. 단계 240에서는 히터 블록의 온도 상승을 개시하기 위해 히터에 파워가 인가된다. 별법으로서, 히터는 그 원위치(후퇴 위치)에 있는 시간 동안 예열될 수 있다. 이러한 경우, 단계 240에서는 각 공작물에 대해서 독립적으로 선택 및 제어되는 바람직한 용접 온도까지 히터 온도를 상승시키도록 히터 파워를 증대시킨다. 단계 242에서는 용접 타이머가 개시된다. 가열 요소(20, 22)의 온도와, 용접 부위에서 공작물의 온도를 정확하게제어함으로써, 단계 244에서 공작물을 가열하는 것을 시작할 수 있으며, 이는 단계 246에서 공작물 온도 센서가 공작물이 그 적절한 온도로 가열되었다는 것을 결정할 때까지 지속된다. 단계 248에서는 공작물이 예정된 시간 창 범위내에서 가열되었거나 그렇지 않으면 히터 블록 또는 관련 회로와 관련하여 발생 가능한 오류가 개시되었는 가를 확실히하고자 타이머가 사용된다. 단계 246에서 공작물이 용접 온도까지 적절히 가열되었다는 것을 공작물 온도 센서가 결정한 후, 단계 249에서 히터 블록은 다시 한번 더 그 원위치 또는 후퇴 위치로 후퇴된다.
단계 250에서, 공작물 액츄에이터는 공작물들이 접촉하게 이동시켜, 2개의 부품을 함께 접합시킨다. 단계 252에서, 부품들은 이 예의 경우 약 10분 동안 함께 유지된다. 단계 254에서 청각 및/또는 시각적 경보가 제공되어, 단계 256에서 용접 공정이 완료되었다는 것을 작업자에게 환기시키며, 단계 258에서 작업자는 완성된 구조물을 고정 장치에서 분리할 수 있다. 단계 260에서, 작업자는 다음 사이클 동안 동일한 부품을 용접할 것인지 또는 부품의 변화로 인해 새로운 설정이 필요한 지를 결정한다. 단계 262에서는, 다음 공작물 쌍이 장치에 로딩되고, 단계 234로 되돌아가 용접 공정이 다시 시작된다. 만약 단계 264에서 새로운 설정이 필요하다면, 프로그램은 단계 200으로 되돌아가고 작업자가 다양한 용접 작업에 대한 파라미터를 입력할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 가열 요소(20, 22)에 대한 통상의 가열 프로파일이 예시되어 있다. 종래의 시스템에서는, 히터가 작동되어 약간은 예정되었지만 조절되지는 않은 온도까지 간단히 가열하였다. 따라서, 용접 부위에 있어서공작물의 가열은 제어되지 않았고 일관성이 없었다. 본 발명에 따르면, 가열 요소 온도 센서와 공작물 온도 센서를 사용하기 때문에, 공작물은 임의의 바람직한 가열 프로파일로 가열될 수 있다. 도 6에 도시된 예에서, 가열 요소(20, 22)는, 먼저 공작물 물질의 용융 온도(T3)보다 낮은 것이 바람직하지만 반드시 그럴 필요는 없는 제1 온도(T1)까지 가열된다. 공작물은 실제 용접 작업 이전에 일정 기간 동안 상기 제1 온도로 소킹될 수 있다. 일부 용례에서는 이러한 예비 소킹이 보다 양호하고 보다 일관된 용접이 일어나게 한다는 것을 발견하였다. 상기 선택적인 소킹 기간(T1) 이후에, 용접 부위에서 공작물 온도가 온도(T2)까지 상승되도록 가열 요소(20, 21)가 가열되며, 상기 온도(T2)는 용융 온도(T3)보다는 높지만 분해 온도(T4)보다는 낮다. 그 후, 전술한 바와 같이 부품을 함께 압박함으로써 공작물들이 접합될 수 있다. 용접 기간(T2) 이후에, 용접된 부품은 필요에 따라 냉각 프로파일을 받을 수 있다.
도 7을 참조하면, 다른 가열 프로파일을 예시한다. 이 그래프에서, 선(A)은 히터(20, 22) 중 하나의 측정 온도이며, 선(B)은 나머지 히터의 측정 온도이다. 이 실시예에서는, 히터의 온도를 선택된 온도(T1)까지 차차 상승시킨 후, 공작물이 가열되는 동안 상기 온도를 유지시킨다. 이 그래프는 제어 회로(12)가 어떻게 통상의 방식으로 히터의 온도를 제어하는 가를 예시한다. 예컨대, 제어 회로(12)는 통상의 PID 제어 알고리즘을 실행할 수도 있다.
도 7의 예에서, 양 히터(20, 22)는 모두 동일한 온도로 상승되지만, 이는 필요 사항은 아니며, 해당 공작물의 크기 및 물질에 따라 결정될 것이다. 또한, 도7은 각 히터의 온도가 다른 히터에 대해 어떻게 독립적으로 제어되는 가를 그래프로 예시한다.
도 7의 선(C, D)은 용접 부위에서 공작물(W1, W2)의 온도를 도표로 나타낸 것이다. 공작물의 온도는 선택된 용접 온도에 이르기까지 완만하게 상승되며, 이는 도 7의 예에서 대략 시간(T1)에서 일어난다. 이 때, 전술한 바와 같이 히터를 제거하고 공작물을 접합시킨다. 도 7에서, 선(C)은 측정 기술로 인해 급락한다. 선(C)은 가동 공작물에 해당되므로, 이 공작물이 다른 공작물과 접촉하게 이동될 때, 용접 부위는 IR 온도 센서의 "시야"로부터 벗어난다. 실제 사용시, 선(C)은 선(D)와 유사한 방식으로 완만한 냉각을 나타낼 것이다. T1에서 일어나는 라인(D)의 급등은 2개의 공작물이 접합될 때 용접 부위에서 일어나는 온도의 상승을 나타낸다.
도 6 및 도 7의 예는 본래 예시적으로 의도된 것이다. 선택된 가열 프로파일은 용접되는 각 특정 부품 또는 물질에 대하여 결정될 수 있다.
또한, 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 본 발명은 용접부에 가해지는 힘과 잔류 응력을 실질적으로 감소시킴으로써, 최종 용접 품질 및 강도를 향상시킨다는 고정(fixturing) 개념을 고려한다. 본 발명의 이 양태에 따르면, 용접부의 냉각시 공작물이 고정구에 대해 축방향으로 자유롭게 이동되도록, 공작물 중 하나가 고정구에 장착된다. 이로써, 축방향 구속 또는 잔류 응력 없이 용접부를 냉각시킬 수 있게 된다.
도 8a 내지 도 8c의 예시적인 실시예에서는, 제1 공작물(W1)(이 예에서는 나사 형성된 피팅의 튜브 단부)이 밸브 등의 제2 공작물(W2)에 용접된다. 이들 도면은 도시를 명료하기 위해 간략하게 되어있으며, 고정구 중 하나와 공작물만을 도시한다. 이 예에서, 밸브(W2)는 가동 공작물이다.
도 8a 내지 도 8c에서 구체화되는 개념은 중앙에 관통 보어(200)를 갖는 관형 공작물에 관한 것이다. 공작물(W1)의 하단부(202)(도면에 도시된 바와 같이)는 다른 공작물의 상응하는 튜브 단부(204)에 용접되는 단부이다. 이들 단부(202, 204)는 용접 부위를 형성한다. 이 경우 고정구(206)는 (도 3a 내지 도 3g를 참조로 하여 전술된 바와 같이) 공작물이 접합될 수 있게 하는 가동 고정구이다.
이 예에서, 중앙 보어(200)는 완전한 원통형이기 보다는, 약간의 축선 방향 테이퍼부를 구비하는 데, 이는 상기 부품이 성형품이기 때문이다. 그러나, 테이퍼부가 형성되어 있지 않거나 성형되지 않은 공작물에도 고정구 개념이 적용될 수 있다. 고정구(206)는 적절한 지지부(도시 생략)에 설치되는 기저부(208)를 포함한다. 이 기저부(208)는 본원에 전술된 바와 같이 적절한 액츄에이터에 의해 이동될 수 있다. 고정구 마운트 또는 핀(210)이 기저부(208)로부터 연장된다. 이 핀(210)은, 공작물이 용접 작업의 일부분으로서 가열되기 이전에 공작물 보어(200)에 약간의 억지 끼워 맞춤 또는 마찰 끼워 맞춤되도록 적절한 크기를 갖는다.
도 8a에서, 공작물(W1)은 가열 이전에 고정구(210)에 장착되고, 핀(210)에단단히 유지된다. 도 8b에서, 공작물은 용접 작업의 일부로서 가열된다. 가열 기간 동안, 공작물은 핀(210)에 대한 악력이 실질적으로 감소하지만 공작물이 핀(210)으로부터 떨어져나가지 않기에 충분한 잔류 악력을 갖도록 "팽창"된다. 공작물과 고정구(206) 사이의 감소되는 마찰 간섭은, 형성된 용접부의 냉각 동안에 피팅이 핀(210)을 따라 활주 가능한 점까지 줄어든다. 공작물이 그 각각의 용접 온도에 도달한 후, 부품은 접합되고 고정구와 핀(210)은 적소에 유지된다. 도 8c에서, 냉각 동안에(예컨대, 약 400 ℃에서 약 270 ℃로), 고정구(206)는 용접부가 냉각될 때 적소에 유지된다. 마찰 끼워 맞춤이 실질적으로 제거되었으므로, 용접부의 냉각으로 인해 일어나는 수축은 공작물이 이제 핀(210)을 따라 축방향으로 자유롭게 활주하게 공작물을 당긴다. 당업자는 전술한 이동량이 크기보다는 작다는 것을 이해할 것이다. 만약 공작물이 핀(210)을 따라 자유롭게 활주하지 않는다면, 용접부에 잔류 응력이 형성될 것이다. 완전 냉각 이전에 공작물을 핀(210)으로부터 분리하며, 그렇지 않으면 공작물은 그 원크기로 복원되어 핀(210)에 단단히 구속될 것이다. 그러나, 필요한 경우에는 이러한 완전 냉각이 이용될 수도 있다. 공작물이 핀(210)을 따라 축방향으로 약간 이동하는 것을 도 8에서는 도시를 명료하게 하기 위해 간극(212)으로 과장되게 나타내었다. 공작물(W1)은 냉각 동안에 여전히 반경방향으로 정렬되지만, 잔류 응력이 거의 없거나 완전히 없는 상태로 용접부가 냉각될 수 있도록 축방향으로는 구속되지 않는다.
도 9a 내지 도 9d를 참조하면, 고정 개념의 변형례가 예시되어 있다. 이 실시예는 대체로 원통형인 내부 보어(252)를 구비하는 표준 ISO 튜브 단부 피팅(250) 등의 부품에 유용하다. 이 ISO 피팅은 가동 공작물(W1)이고, 이 예에서는 밸브 본체(W2)에 용접된다.
표준 ISO 피팅은 반경방향 외측으로 연장되는 플랜지(254)를 특징으로 한다. 고정구(260)는 피팅(250)을 헐겁게 포획하고, 피팅의 중앙 보어(252) 안으로 연장되는 핀(262)을 통해 반경방향으로 정렬된 상태로 피팅을 유지하도록 구성된다. 고정구(260)는 피팅(250)을 반경방향으로 포획하는 칼라(264)를 포함하고, 피팅의 플랜지(254)를 축방향으로 포획하는 내측으로 연장되는 플랜지(265)를 구비한다. 도 9a는 피팅(250)이 고정구(260)에 설치되어 있는 초기 설정을 보여준다. 필요하다면, 핀(262)과의 약간의 간섭 끼워 맞춤이 이용될 수도 있다. 피팅(250)은 축방향으로 구속되어 있지 않지만, 고정구(260) 내에서 지지된다. 도 9b에서, 공작물은 가열되며, 도 9c에서 공작물은 접합된다. 피팅(250)을 가열하면, 핀(262)과의 간섭 끼워 맞춤은 더이상 존재하지 않는다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 용접 조인트(270)를 형성할 때, 공작물(250)은 고정구(260)에서 정지부(266)에 대해 압박된다. 용접부(270)가 냉각될 때, 피팅(250)은 축방향으로 자유롭게 빼내어지고 축방향으로 구속되지 않는 동시에, 여전히 반경방향으로 정렬된다. 따라서, 본 발명의 이러한 양태에 따르면, 접합된 공작물의 하나 이상이 축방향으로 구속되어 있지 않은 상태에서, 고정구는 용접부가 냉각될 수 있게 한다.
도 8a 내지 도 8c 그리고 도 9a 내지 도 9d의 예시적인 실시예는, 용접되는피팅의 특정한 설계 또는 기하학적 구조로 인해 이용되는 특정한 구조적 특징을 갖는다. 이들 실시예는 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다. 가열 단계 동안에는 공작물 중 하나 이상이 지지되지만, 용접후 냉각 단계 동안에는 잔류 응력을 배제하도록 축방향으로 구속되지 않는 것이 주요한 특징이다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조로 기술되었다. 이 명세서를 읽고 이해함으로써, 다른 사람이 수정예 및 변형례를 고안할 수 있다. 첨부된 청구 범위 내에 있는 모든 수정예 및 변형례와 동등예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (50)

  1. 플루오르 중합체 공작물을 함께 용접하는 장치로서,
    제1 표면과 제2 표면을 구비하는 히터 블록과;
    상기 제1 표면으로부터 열을 복사하는 제1 가열 요소와;
    상기 제2 표면으로부터 열을 복사하는 제2 가열 요소
    를 포함하고, 상기 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소는 개별적으로 온도가 제어되는 것인 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소는 단일 하우징에 배치되는 것인 용접 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면 중 하나 이상은 비평면형인 것인 용접 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면 모두가 비평면형인 것인 용접 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가열 요소 중 하나 이상은 비평면형 형상으로 설치되는 것인 용접 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비평면형 가열 요소는 곡선형 경로를 따라 설치되는것인 용접 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 비평면형 가열 요소는 상기 표면 중 하나로부터 복사된 열을 집중시키는 것인 용접 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소는 상기 제1 표면 및 제2 표면으로부터 복사된 열의 방향을 조정하는 것인 용접 장치.
  9. 제1항에 있어서, 서로 독립적인 상기 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소의 온도를 각각 제어하는 제어 회로를 포함하는 것인 용접 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 가열 요소 중 해당되는 가열 요소의 온도를 각각 감지하는 제1 온도 센서 및 제2 온도 센서를 포함하는 것인 용접 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 가열 요소 중 하나에 의해 가열되는 공작물의 온도를 검출하는 용접 온도 센서를 포함하는 것인 용접 장치.
  12. 제11항에 있어서, 나머지 하나의 가열 요소에 의해 가열되는 제2 공작물의 온도를 검출하는 제2 용접 온도 센서를 포함하는 것인 용접 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 용접 온도 센서는 IR 열 센서를 포함하는 것인 용접 장치.
  14. 제1항에 있어서, 함께 용접되는 제1 공작물 및 제2 공작물을 유지하는 제1 고정구 및 제2 고정구와, 용접 작업 동안 상기 공작물의 서로에 대한 위치를 제어하는 제어 회로를 포함하고, 상기 고정구 중 하나 이상은 가동 플랫폼에 장착되는 것인 용접 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 히터 블록은 후퇴 위치와 상기 공작물에 인접하는 용접 위치 사이에서 이동 가능한 것인 용접 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 가열 요소의 온도에 상응하는 신호를 상기 제어 회로에 제공하는 제1 가열 요소 온도 센서 및 제2 가열 요소 온도 센서를 포함하는 것인 용접 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 공작물의 온도에 상응하는 신호를 상기 제어 회로에 제공하는 제1 용접 부위 온도 센서 및 제2 용접 부위 온도 센서를 포함하는 것인 용접 장치.
  18. 제9항에 있어서, 상기 제어 회로는 예정된 온도 프로파일에 따라 상기 가열 요소의 가열을 제어하는 것인 용접 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 온도 프로파일은 가열 기간 동안 단계적인 상승 순서를 포함하는 것인 용접 장치.
  20. 플라스틱 공작물 용접용 히터로서,
    히터 블록과;
    이 히터 블록에 배치된 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소
    를 포함하고, 각 가열 요소는 다른 가열 요소에 대한 상대 온도에 관해 별도로 제어되는 것인 용접용 히터.
  21. 제20항에 있어서, 상기 가열 요소 중 하나 이상은 비평면형 형상으로 설치되는 것인 용접용 히터.
  22. 제20항에 있어서, 상기 히터 블록은 상기 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소로부터 열을 복사하는 제1 비평면형 표면 및 제2 비평면형 표면을 포함하는 것인 용접용 히터.
  23. 제20항에 있어서, 상기 히터 블록으로부터 복사된 열은 초점이 조정되는 것인 용접용 히터.
  24. 플라스틱 공작물을 함께 용접하는 방법으로서,
    각 공작물을 예정된 온도 범위 내에 있는 온도로 가열하는 단계로서, 각 공작물을 향해 각각 열을 복사하는 2개의 가열 요소를 이용하는 가열 단계
    를 포함하고, 상기 가열 요소 중 하나 이상은 각 공작물을 향해 복사 열의 초점을 조정하는 것인 용접 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 공작물은 용접 공정 동안 상이한 온도로 가열되는 것인 용접 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 가열 요소의 온도를 개별적으로 검출하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
  27. 제25항에 있어서, 각 공작물의 온도를 개별적으로 검출하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
  28. 제25항에 있어서, 양 공작물이 각각의 예정된 온도에 도달한 후 공작물을 접합시킴으로써, 2개의 공작물을 함께 용접시키는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
  29. 제25항에 있어서, PFA 공작물을 개질된 PTFE 공작물에 용접하는 데 이용되는 것인 용접 방법.
  30. 제25항에 있어서, 상기 공작물은 상이한 용융 온도를 갖는 물질로 이루어지는 것인 용접 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 공작물 중 하나 이상을 대략 그 용융 온도로 또는 용융 온도보다는 높고 그 분해 온도보다는 낮은 온도로 가열하는 것인 용접 방법.
  32. 제25항에 있어서, 상기 공작물은 상기 가열 단계 동안 수직으로 배향되는 것인 용접 방법.
  33. 플루오르 중합체 부품을 함께 복사 용접하는 장치로서,
    제1 공작물 및 제2 공작물을 가열하도록 배치될 수 있는 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소와;
    이들 가열 요소의 온도를 검출하는 센서와;
    용접 부위에서 공작물의 온도를 검출하는 센서와;
    상기 센서의 출력을 수신하고, 이 온도 센서의 출력에 기초한 가열 프로파일에 따라 공작물의 가열을 제어하는 제어 회로
    를 포함하는 것인 용접 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 공작물은 동일한 물질로 제조되는 것인 용접 장치.
  35. 제33항에 있어서, 하나의 공작물은 용융 처리 가능한 물질로 제조되고, 다른 공작물은 비용융 처리 가능한 물질로 제조되는 것인 용접 장치.
  36. 제33항에 있어서, 하나의 공작물은 PFA 물질로 제조되고, 다른 공작물은 개질된 PTFE 물질로 제조되는 것인 용접 장치.
  37. 제33항에 있어서, 상기 가열 요소는 복사열을 예정된 영역 내에 집중시켜, 주로 용접 부위에서 공작물을 가열하는 것인 용접 장치.
  38. 제33항에 있어서, 상기 제어 회로는 공작물의 서로에 대한 상대 위치와 상기 가열 요소에 대한 상대 위치를 제어하는 것인 용접 장치.
  39. 플루오르 중합체 공작물을 함께 용접하는 장치로서,
    관련된 제1 가열 요소 및 제2 가열 요소를 구비하는 히터
    를 포함하고, 상기 가열 요소 중 하나 이상은 공작물의 가열 영역을 향해 복사열을 집중시키는 것인 용접 장치.
  40. 제39항에 있어서, 각 가열 요소는 각 공작물을 향해 복사열을 집중시키는 것인 용접 장치.
  41. 제39항에 있어서, 상기 가열 요소는 복사열을 집중시키도록 모양이 형성된 매트릭스에 배치되는 것인 용접 장치.
  42. 제39항에 있어서, 상기 가열 요소는 대체로 포물선형 형상으로 설치되는 것인 용접 장치.
  43. 제39항에 있어서, 상기 가열 요소는 대체로 비평면형 형상으로 설치되는 것인 용접 장치.
  44. 플로오르 중합체 공작물을 함께 용접하는 방법으로서,
    각 공작물을 예정된 온도 범위 내에 있는 온도로 가열하는 단계로서, 각 공작물을 향해 각각 열을 복사하는 2개의 가열 요소를 이용하는 가열 단계와;
    각 가열 요소의 온도를 개별적으로 제어하는 단계
    를 포함하는 것인 용접 방법.
  45. 제44항에 있어서, 각 가열 요소의 온도를 검출하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
  46. 제45항에 있어서, 공작물의 용접 부위에서 각 공작물의 온도를 검출하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
  47. 플루오르 중합체를 함께 용접하는 방법으로서,
    용접될 제1 공작물과 제2 공작물을 선택하는 단계로서, 제1 공작물은 용융 처리 가능한 물질로 제조되고 제2 공작물은 비용융 처리 가능한 물질로 제조되는 것인 공작물 선택 단계와;
    각 공작물을 예정된 온도 범위 내에 있는 온도로 가열하는 단계로서, 각 공작물을 향해 열을 복사하는 2개의 가열 요소를 이용하는 가열 단계와;
    각 가열 요소의 온도를 개별적으로 제어하는 단계
    를 포함하는 것인 용접 방법.
  48. 적외선 열에 의해 용접되는 공작물용 고정구로서,
    기저부와;
    이 기저부로부터 연장되고 상기 공작물과 맞물리도록 되어 있는 부재
    을 포함하고, 이 부재는 공작물에 열이 인가되기 이전에 공작물을 반경방향으로 정렬하고 축방향으로 유지시키며, 공작물이 용접 작업의 일부분으로서 가열된 후 공작물은 상기 부재에서 축방향으로 구속되지 않는 것인 공작물용 고정구.
  49. 제48항에 있어서, 상기 부재는 상기 공작물이 가열되기 이전에 공작물과 간섭 끼워 맞춤을 하는 핀을 포함하는 것인 공작물용 고정구.
  50. 제48항에 있어서, 상기 부재는 공작물의 해당 플랜지를 포획하는 칼라를 포함하는 것인 공작물용 고정구.
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