KR20110075449A - 용접에 의한 변형의 저감이 가능한 용접 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

용접 공정에 의해 피용접체는 국부적으로 급격한 온도구배를 경험하고 소성변형이 내부에 누적됨으로써 용접후에 영구적인 변형이나 내부의 잔류응력이 발생한다. 이러한 용접변형이나 용접잔류응력을 교정하거나 경감시키기 위해 후처리 공정이 필요하여 추가적인 생산원가의 상승이 발생한다. 본 발명은 입열부의 인접한 곳에 제어 가능한 냉각토치를 위치시켜 용접토치와 함께 이동함으로써 용접시 발생하는 용접변형과 내부의 용접잔류응력을 저감시키는 효과를 기대할 수 있다.

용접, 냉각, 변형, 기체

Description

용접에 의한 변형의 저감이 가능한 용접 방법 및 장치 {Method and apparatus for redecing deformation caused by welding}

본 발명은 용접 변형 저감이 가능한 용접 방법, 및 용접 장치에 관한 것이다.

도 1 및 도 2 는 종래의 용접 방법에 따른 용접 과정을 보여주는 도면이다. 용접은 도 1에서와 같이 분리된 두 모재(1)에 전기적인 에너지나 기계적인 에너지를 외부에서 투입하여 이동함으로써 분리된 두 모재(1)를 용착금속(2)화하여 일체화시키는 공정이다. 외부에서 열원(4)이 용접토치, 용접재료, 용접툴 등(3)을 통하여 접촉 또는 비접촉적인 방법에 의하여 모재에 투입되어 입열부위에 국부적으로 급격한 온도 상승과 냉각이 이루어지고, 이때 내부에 내적, 외적 구속에 의해 소성변형이 누적되어 결과적으로 용접잔류응력과 변형이 필연적으로 발생하는 공정이다.

이러한 잔류응력은 재료를 취화시키고 부식 발생이 쉬운 환경을 만들며 좌굴강도를 저하시키는 등의 좋지 않은 영향을 미치고, 용접변형은 추가적인 교정작업을 필요로 한다는 점에서 생산성 저하의 요인으로 작용한다. 특히 판두께가 얇고 모재의 팽창계수가 클수록 변형으로 야기되는 문제가 크게 발생하는 단점이 있다.

기존의 용접법은 열을 발생시키는 데 중점이 있고 냉각은 용접 후에 재료내부의 열전도나 외기로의 열전달에 의해 시간경과에 따라 이루어진다. 본 발명에 의한 용접법은 보다 적극적으로 용접변형과 내부 잔류응력을 제어하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용접장치는, 모재상의 용접할 부위를 따라 상기 모재에 대해 상대 이동하며 용접을 수행하는 용접툴; 및 상기 용접툴로부터 소정 거리 이격된 상태에서 상기 용접툴과 함께 상기 모재에 대해 상대이동하며, 상기 용접툴에 의해 용접된 부위에 냉각유체를 분사하는 냉각툴;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 냉각유체는 액화탄산가스 또는 액화질소 등의 기체인 것이 바람직하다.

상기 냉각툴은 상기 용접툴의 용접 방향상의 후방, 또는 측방, 또는 측후방에 위치할 수 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 모재상의 용접할 부위를 따라 상기 모재에 대해 상대 이동하며 용접을 수행하는 단계; 및 상기 모재에 용접을 수행하는 동안 상기 모재상의 용접된 부위에 냉각유체를 분사하여 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 입열부의 인접한 곳에 제어 가능한 냉각툴을 위치시켜 용접툴과 함께 이동함으로써 용접시 발생하는 용접변형과 내부의 용접잔류응력을 저감시키는 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 도 1 및 도 2 에 도시된 구성 부분과 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 부여한다.

도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 용접 방법 및 용접 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 용접장치는, 모재(1)상의 용접할 부위를 따라 모재에 대해 상대 이동하며 용접을 수행하는 용접툴(3), 및 용접툴(3)로부터 소정 거리 이격된 상태에서 용접툴(3)과 함께 모재(1)에 대해 상대이동하는 냉각툴(5)을 포함하여 구성된다.

용접장치는 그 종류에 따라 모재(1)가 고정된 상태로 용접툴(3)이 모재(1)상의 용접할 부위를 따라 이동할 수도 있고 반대로 용접툴(3)이 고정된 상태로 모재(1)가 이동할 수도 있다. 본 발명은 이 두 가지 중 어느 방식에도 적용 가능한 것으로서, 즉 모재(1)상의 용접할 부위를 따라 용접툴(3)이 상대이동하도록 구성된 모든 방식의 용접 장치에 대해 적용된다.

또한, 통상적으로 용접은 전기적 아크에 의해 열류(heat flux)(4)가 모재(1)에 투입되는 방식, 고에너지빔 용접의 경우 집광된 고에너지빔이 투입되는 방식, 마찰교반용접의 경우 툴이 피용접체의 표면으로부터 내부로 삽입되어 회전과 이에 따른 마찰열이 내부로 투입되어 발열이 일어나는 방식 등으로 수행되며, 본 발명은 이러한 용접 방식의 차이와 무관하게 발열이 되는 모든 용접 방식에 대해 적용된 다. 나아가, 이와 같은 용접을 수행하는 도구는 통상적으로 용접토치, 용접툴, 용접재료 등과 같이 그 종류에 따라 상이하게 명명되나, 본 발명에서는 이와 같은 다양한 종류의 도구에 대해 용접툴(3)이라는 명칭으로 명명하였고, 이에 따라 본 발명의 실시예 및 특허청구범위에서 용접툴(3)은 그 명칭에 제한되지 않는 모든 종류의 용접 도구를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 용접이 진행됨에 따라 용접툴(3)과 냉각툴(5)은 소정 거리 이격된 상태에서 모재(1)에 대해 상대이동한다. 이때, 냉각툴(5)은 용접툴(3)의 후방에 위치한다.

용접진행방향으로 용접툴(3)이 이동하는 동안 용접툴(4)은 모재(1)상에 용접아크 등과 같은 열류(heat flux : 4)를 가하고, 이에 따라 용접이 수행되어 두 모재(1)는 용착금속(2)에 의해 용착된다. 이때, 냉각툴(5)은 모재(1)상에서 용접툴(3)로부터 소정 거리 후방 이격된 위치(7)에서 용착금속(2) 부위에 냉각유체(6)를 분사한다. 냉각유체는 물이나 기름 등의 액체형태보다는 액화탄산가스나 액화질소 등의 기체형태가 더욱 바람직하다. 액체의 형태는 표면을 제어되지 못하는 불특정한 방향으로 모재(1)위를 흐르면서 불필요한 부위에서 기화열 등에 의해 냉각이 가속화될 우려가 있지만 기체는 액체의 경우보다 더 그 세기나 분사범위의 제어에 용이하기 때문이다.

한편, 냉각툴(5)과 용접툴(3)간의 판 두께나 입열량에 따라 변하게 되는 용접 변수의 하나가 되며, 따라서 냉각툴(5)그 최적 위치(7)는 유한요소법등을 이용한 해석적 방법이나 실험적 방법에 의한 실측에 의해서 결정될 수 있다. 이러한 실 험적, 해석적 방법에 의해서 결정되는 냉각부의 위치(7)는 도 3 과 같이 열원(용접툴(3))의 후방일 수도 있고 도 5 에서와 같이 열원(용접툴(3))의 측방일 수도 있으며, 도 3 과 도 5 의 혼합된 형태일 수도 있다.

용접 공정에 의해 피용접체는 국부적으로 급격한 온도구배를 경험하고 소성변형이 내부에 누적됨으로써 용접후에 영구적인 변형이나 내부의 잔류응력이 발생한다. 이러한 용접변형이나 용접잔류응력을 교정하거나 경감시키기 위해 후처리 공정이 필요하여 추가적인 생산원가의 상승이 발생한다. 본 발명은 입열부의 인접한 곳에 제어 가능한 냉각토치를 위치시켜 용접토치와 함께 이동함으로써 용접시 발생하는 용접변형과 내부의 용접잔류응력을 저감시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1 은 기존의 용접방법에 의한 용접 과정을 개략적으로 도시한 도면,

도 2 는 도 1 을 측방에서 도시한 도면,

도 3 은 본 발명의 용접방법에 의한 용접 과정을 개략적으로 도시한 도면,

도 4 는 도 3 을 측방에서 도시한 도면,

도 5 는 본 발명에 의한 용접방법의 응용 예를 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1:모재, 2:용착금속, 3:용접툴, 4:용접아크를 포함한 heat flux,

5:수냉토치, 6:냉각 유체를 포함한 cooling flux, 7:수냉토치의 위치

Claims (7)

1. 모재상의 용접할 부위를 따라 상기 모재에 대해 상대 이동하며 용접을 수행하는 용접툴; 및

   상기 용접툴로부터 소정 거리 이격된 상태에서 상기 용접툴과 함께 상기 모재에 대해 상대이동하며, 상기 용접툴에 의해 용접된 부위에 냉각유체를 분사하는 냉각툴;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각유체는 기체인 것을 특징으로 하는 용접 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 기체는 액화탄산가스 또는 액화질소인 것을 특징으로 하는 용접 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 냉각툴은 상기 용접툴의 용접 방향상의 후방, 또는 측방, 또는 측후방 에 위치하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.
5. 모재상의 용접할 부위를 따라 상기 모재에 대해 상대 이동하며 용접을 수행하는 단계; 및

   상기 모재에 용접을 수행하는 동안 상기 모재상의 용접된 부위에 냉각유체를 분사하여 냉각시키는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 냉각유체는 기체인 것을 특징으로 하는 용접 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 기체는 액화탄산가스 또는 액화질소인 것을 특징으로 하는 용접 방법.

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