KR20110114579A - 이중 와이어 ｇｍａｗ 용접 토치 조립체 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 와이어 간격이 조정 가능한 토치 조립체를 갖는 이중 와이어 GMAW 용접 장치가 개시되어 있다. 이중 와이어 토치 조립체는 와이어 간격 조정 기구를 갖고, 와이어 간격 조정에 의해, 토치 조립체가 비동기식 금속 이행 용접 공정에 사용될 수 있다. 와이어는 와이어 간격 조정 전에, 와이어 간격 조정 중에 그리고 와이어 간격 조정 후에 평행한 상태로 남아 있다.

Description

이중 와이어 ＧＭＡＷ 용접 토치 조립체 및 방법 {DOUBLE WIRE GMAW WELDING TORCH ASSEMBLY AND PROCESS}
본 발명은 가스 금속 아크 용접(GMAW: gas metal arc welding)에 관한 것으로, 더 구체적으로 단일 용접 풀(single weld pool) 내에 금속을 전달하는 2개의 전극 와이어를 채용한 GMAW 용접 장치를 위한 토치 조립체에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 이러한 용접 장치를 사용한 GMAW 용접 공정에 관한 것이다.
GMAW 용접은 그의 다양성, 용접 진행 속도 그리고 공정을 로봇 자동화에 적용할 수 있는 상대적 용이성 때문에 통상적인 산업 용접 공정이다. 단일 와이어 GMAW 공정에서, 단일의 연속성 및 소모성 전극 와이어 그리고 보호 가스가 용접 토치를 통해 공급된다.
더 높은 용접 속도를 얻기 위해, 1개의 용접 풀 내에 2개의 용접 아크를 조합하는 2개의 전기 절연 와이어 전극을 채용한 이중 와이어 GMAW 용접 장치 및 공정이 또한 개발되었다. 이러한 이중 와이어 GMAW 공정에서, 용접 토치에는 2개의 와이어 전극이 제공된다. 종래의 단일 와이어 용접 공정에 비해, 이중 와이어 GMAW 공정은 용접 속도 면에서 상당한 증가를 얻을 수 있다. 그러므로, 이중 와이어 GMAW 공정은 탱크 제작, 보일러 엔지니어링, 차량 제조, 자동차 및 철로 제조 그리고 조선 등의 높은 생산성, 성능 및 피착 속도를 요구하는 산업 용접 적용 분야에서 점점 더 채용되었다. 이러한 이중 와이어 GMAW 용접은 미국 특허 제5,155,330호 및 제6,683,279호; 미국 특허 공개 제2006/0243704호 및 제2007/0145028호; 그리고 EP 특허 제1294522호로부터 공지되어 있다.
GMAW 용접 품질은 와이어 공급, 보호 가스, 용접될 공작물의 기본 재료 및 두께 그리고 금속 이행 모드(metal transfer mode) 등의 많은 인자, 조건 및 고려 사항에 의존한다. 또한, 용접 파라미터의 동력학적 관계는 복잡하고, 안정된 아크의 수립은 원하는 용접을 성취하기 위해 용접 전류, 전원 전압, 와이어 공급 속도, 토치 진행 속도, (이후에서, 팁-공작물 거리로서 호칭되는) 접촉 팁과 공작물 사이의 거리 그리고 토치 각도를 포함한 일련의 조건에 의존한다. 2개의 전극 와이어가 이중 와이어 GMAW 용접 장치 및 공정에서 이용될 때에, 상황은 더 복잡해진다.
사용 시에, 전기 아크 크기가 가변 용접 요건에 대한 위의 파라미터의 변화에 따라 길이 및 폭 면에서 변동되기 때문에, 이들 2개의 전기 아크는 공정 안정성 및 스패터 발생 정도(spatter degree)에 크게 영향을 미치는 전자기 아크 쏠림 효과(electromagnetic arc blow effect)의 결과로서 서로를 간섭하는 지점에 가까워질 수 있다. 이것은 공정이 기술적으로 불가능해지게 할 수 있다. 그러므로, 와이어 간섭을 최소화하기 위해 특정한 용접 조건에 대해 와이어 간격을 조정하는 것이 바람직하다.
전극 와이어를 용융시키고 1개의 작은 용융 액적이 각각의 펄스와 함께 낙하되게 하는 데 펄스형 전류를 사용하는 동기식 펄스형 용접 방법이 최근에 개발되었다. 펄스는 단락이 일어나지 않으므로 안정된 아크를 제공하고 스패터를 발생시키지 않는다. 그러나, 복잡한 아크 펄스 조건을 이용할 필요성은 전원 용량에 대한 추가 요건으로 인해 이중 와이어 동기식 펄스형 용접 공정의 폭넓은 적용을 제한할 수 있다. 예컨대, 이 방법은 30 내지 400 펄스/초 등의 어떤 범위 내의 주파수를 갖는 전류 펄스를 제공할 수 있는 특별한 전원을 요구한다. 더욱이, 제어기가 2개의 아크를 동기화하도록 요구된다. 결과적으로, 안정된 용접 공정 등의 동기식 펄스형-스프레이 용접(synchronized pulsed-spray welding)과 동일한 용량을 갖지만 스패터를 발생시키지 않는 비동기식 이중 와이어 용접 공정에 대한 필요성이 존재한다.
미국 특허 제5,155,330호는 이중 와이어 GMAW 용접 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이 방법은 용접 공정을 위한 단일 전원에 연결될 2개의 용접 전극을 포함한다. 이 장치는 접촉 팁의 각도를 변화시킴으로써 4.7 내지 9.4 ㎜의 중심선 거리로써 서로로부터 이격되는 제1 및 제2 와이어를 포함하는 원통형 본체를 갖는, 상호 교환 가능하고 긴 전기 전도성 용접 와이어 안내 부재를 포함한다.
미국 특허 공개 제2006/0243704호는 2개 이상의 소모성 전극을 사용한 용접 방법 및 장치를 개시하고 있다. 2개의 와이어 전극이 사용될 때에, 제1 와이어 전극은 제2 와이어 전극에 비해 직경 면에서 더 크고, 공통 용접 풀이 생성된다. 3 내지 12 ㎜의 변화 가능한 거리가 개시되어 있고, 이러한 거리 범위는 2개의 평행하지 않은 전극의 팁-공작물 거리에 의해 얻어진다. 이 장치 및 방법은 팁-공작물 거리가 중요한 변수라는 점에서 그리고 팁-공작물 거리가 대개 양호한 용접을 위한 최적 범위 내에서 유지될 것이 요구된다는 점에서 용접 공정 중에 불리하다.
전술된 이중 와이어 GMAW 용접 공정이 개발되었지만, 당업계에서 추가 개선에 대한 여지가 남아 있다.
발명의 요약
연구된 광범위한 파라미터들 중에서, 2개의 전극 사이의 와이어 간격이 성능 및 용접 품질에 영향을 미치는 가장 중요한 인자들 중 하나인 것으로 입증되었다. 용접을 수행하는 데 요구되는 소정 세트의 파라미터에 대해, 더 가까운 와이어간 거리는 아크 간섭을 발생시키고, 더 먼 거리는 2개의 개별 용융 풀이 형성되게 한다. 더욱이, 2개의 와이어 사이의 아크 상호 작용이 와이어간 거리를 변화시킴으로써 감소될 수 있다. 그러므로, 와이어 간격의 최적화를 통해, 용접 공정 안정성이 개선될 수 있고, 스패터 발생이 피해질 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 아크 간섭을 제거하고 종래 기술에서의 전술된 결점을 극복한 이중 와이어 GMAW 용접 장치 및 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 상이한 용접 요건을 충족시키고 상이한 용접 조건에 적절한 와이어 간격이 변화 가능한 토치 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비동기식 금속 이행 용접 공정에 사용될 수 있고 그에 의해 안정된 아크를 성취하고 스패터 발생을 피하는 와이어 간격이 변화 가능한 토치를 제공하는 것이다.
위의 1개 이상의 목적은 본 발명에 따른 와이어 간격이 조정 가능한 토치 조립체를 갖는 이중 와이어 GMAW 용접 장치에 의해 성취될 수 있다. 본 발명의 이중 와이어 토치 조립체는 와이어 간격 조정 기구를 갖고, 간격을 조정함으로써, 토치 조립체는 비동기식 금속 이행 용접 공정에 사용될 수 있다.
본 발명의 1개 이상의 실시예의 세부 사항이 아래의 첨부 도면 및 설명 내에 기재되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 상세한 설명 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 조정 가능한 와이어 거리를 갖는 이중 와이어 토치 조립체의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 토치 조립체의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 토치 조립체를 위한 와이어 간격 조정 기구의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 토치 조립체 내에서의 보호 가스의 유동 경로를 도시하는 단면도이다.
도 5는 동작 시험에서 사용된 토치 조립체에 대한 용접 조건을 도시하고 있다.
도 6은 토치 조립체를 위한 분리 가능한 둥근 노즐의 개략도이다.
도 7은 토치 조립체를 위한 분리 가능한 수냉식 노즐의 개략도이다.
이제부터, 본 발명을 제한하지 않으면서 단지 본 발명의 양호한 실시예를 예시할 목적으로 도시되어 있는 도면을 참조하기로 한다. 더 구체적으로, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이중 와이어 GMAW 용접 장치의 이중 와이어 토치 조립체(100)가 도시되어 있음을 볼 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 이중 와이어 토치 조립체(100)는 2개의 개별의 평행한 전극 와이어 도관(1), 2개의 전원 케이블 커넥터(4), 보호 가스 노즐(10) 및 2개의 접촉 팁(12)을 포함한다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있지는 않지만, 이중 와이어 GMAW 용접 장치에는 토치 조립체에 2개의 개별 전극 와이어를 독립적으로 공급하고 2개의 와이어 도관(1)을 통해 그리고 각각의 접촉 팁(12) 상으로 2개의 와이어를 이동시키는 2개의 와이어 공급 유닛이 또한 제공된다.
하나의 실시예에서, 토치 조립체(100)는 다른 진행 수단 또는 로봇 암 상에 부착되는 고정 수단(5)을 추가로 포함한다. 하나의 양호한 실시예에서, 냉각수 튜브(3) 및 관련 냉각 챔버(9)가 또한 토치 조립체(100) 내로 구축되고, 그에 의해 필요에 따라 고열 작업에서 토치 또는 건을 냉각한다. 냉각 챔버(9)는 도 2에 가장 잘 도시된 것과 같이 분리 가능한 보호 가스 노즐(10)과 토치 본체(8) 사이에 배치될 수 있다.
작업 전에, 전원이 커넥터(4)에 전력 케이블을 연결함으로써 토치 조립체에 직접적으로 연결되어야 하고, 와이어 공급 유닛이 와이어 케이블을 통해 와이어 도관(1)에 연결될 수 있다. 추가로, 보호 가스가 가스 튜브(2)를 통해 토치로 유입될 수 있고, 냉각수가 냉각수 튜브(3)로 유입될 수 있다. 작업 중에, 각각의 와이어는 연결된 전원 및 와이어 공급 유닛에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
각각의 전극 와이어에, 와이어 도관(1), 보호 가스 튜브(2), 선택 사항인 냉각수 튜브(3) 및 접촉 팁(12)이 제공된다. 토치 조립체(100) 내에서, 적어도 토치 본체(8) 및 접촉 팁(12) 내에, 2개의 와이어가 서로와 평행하도록 배열된다. 이중 와이어 토치 조립체(100)는 아래에서 설명된 것과 같은 와이어 도관 간격 충전재(6) 및 와이어 간격 조정 기구(7)를 추가로 포함한다.
이들 2개의 와이어는 동일한 와이어 크기, 동일한 와이어 공급 속도, 동일한 전원 및/또는 동일한 보호 가스 유동 속도 등의 동일한 파라미터를 채택할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 상이한 파라미터 또는 설정이 또한 필요에 따라 또 다른 용접 조건에서 2개의 와이어에 사용될 수 있다. 하나의 양호한 실시예에서, 제1 와이어 전극은 "선행 전극(lead electrode)"으로서 호칭되고, 제2 와이어 전극은 "후행 전극(trail electrode)"으로서 호칭되고, 선행 전극은 기본 금속 근부 용입(base metal root penetration)의 대부분을 발생시키고, 한편 후행 와이어는 비드 외형 및 모서리 침윤(bead contour and edge wetting)을 위한 용접 풀을 제어하고, 그에 의해 전체의 피착 속도를 증가시킨다. 또 다른 양호한 실시예에서, 후행 전극 와이어는 선행 전극 와이어보다 작은 크기를 갖는다.
도 1에 의해 가장 잘 도시된 것과 같이, 와이어 도관(1)에는 바람직하게는 와이어 케이블과 연결될 신속 연결 끼움부(quick connection fitting)가 형성된다. 이러한 끼움부는 렌치 파지부가 와이어 케이블의 연결/분리를 용이하게 하도록 구성된다. 마찬가지로, 신속 커넥터(quick connector)가 보호 가스 튜브 및/또는 냉각수 튜브를 위한 연결에 적용될 수 있고, 이것은 토치 세척, 유지 및 보수를 위한 매우 편리한 연결 및 분리를 가능케 한다. 이러한 커넥터는 공지되어 있고, 신속 연결 특징을 가능케 하는 임의의 종래의 커넥터가 채용될 수 있다.
다음에, 도 3 그리고 또한 도 1-도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이중 와이어 GMAW 용접 장치의 와이어 간격 조정 기구가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 2개의 와이어가 서로에 평행하도록 배치되고, 2개의 전극 와이어 사이의 와이어간 거리로서 호칭되는 와이어 간격이 상세하게 아래에서 설명되는 것과 같이 와이어간 평행 관계로 조정된다.
토치 본체(35)에는 토치 본체(35)를 통해 횡단 방향으로 연장되는 나사산 샤프트(thread shaft)(31)가 제공된다. 구체적으로, 나사산 샤프트(31)는 토치 본체(35)의 나사산 구멍 내에 그리고 토치 본체(35)와 나사산 결합 상태로 끼워지고 그에 따라 토치 본체(35)에 대해 이동 가능하게 끼워진다. 가동 블록(36)이 나사산 샤프트(31)와 나사산 결합 상태로 나사 샤프트(31) 상에 배치된다. 나사산 샤프트(31)의 회전에 따라, 가동 블록(36)이 나사산 샤프트(31)의 방향을 따라 나사산 샤프트(31) 상에서 전후로 이동될 수 있고 그에 따라 토치 본체(35)에 대해 이동될 수 있다. 와이어 도관(37)이 당업자의 임의의 적절한 기술적 수단에 의해 가동 블록(36)과 결합되거나 전체로서 가동 블록(36)과 일체화되므로, 와이어 도관은 나사산 샤프트(31)가 회전될 때에 가동 블록(36)과 함께 이동될 수 있다. 와이어 도관(37)과 가동 블록(36)을 연결하는 이러한 수단은 상호 볼트 연결, 용접, 리벳 연결 또는 몰딩을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 이러한 배열로써, 하나의 와이어 도관이 나사산 샤프트를 회전시킴으로써 다른 와이어 도관에 대해 평행 방식으로 이동될 수 있다. 하나의 양호한 실시예에 따르면, 나사산 샤프트(31)에 너트 또는 놉(knob)(39)이 제공되고, 그에 의해 수동으로 및/또는 적절한 공구의 사용에 의해 중 어느 한쪽으로 이러한 너트 또는 놉(39)을 회전시킴으로써 2개의 와이어 도관 사이의 거리를 용이하게 변화시킨다. 더욱 양호한 실시예에서, 각각의 와이어 도관에 이러한 배열이 제공되고, 그에 의해 각각의 와이어 도관이 서로에 대해 이동되게 하고, 와이어 간격이 도 3에 도시된 것과 같이 토치 본체(35)의 양쪽 측면 상에 위치된 너트 또는 놉(39)에 의해 용이하게 조정될 수 있고, 그에 의해 토치의 임의의 구성 요소를 제거 또는 분해하지 않고도 와이어 간격의 현장 조정을 가능케 한다.
바람직하게는, 너트(39)와 토치 본체(35) 사이에 위치되는 판(32)이 나사 또는 임의의 다른 적절한 연결에 의해 토치 본체(35) 상으로 고정된다. 스프링(34)이 나사산 샤프트(31) 주위에 있도록 구성되고, 이때에 일단부가 가동 블록(36)에 대해 맞닿고 타단부는 판(32)에 대해 맞닿고, 그에 의해 와이어 간격의 변화 중의 매끄러운 이동을 위한 버퍼(buffer)로서 작용한다. 다른 적절한 공지된 버퍼 장치가 또한 필요에 따라 스프링(34) 대신에 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
와이어 간격 조정 기구에는 바람직하게는 2개의 와이어 도관(37) 사이에 견고하게 끼워지는 절연성 충전재(38)가 제공되고, 그에 의해 토치가 동작될 때에 그리고 와이어 간격 조정 중에 임의의 오염물 및/또는 공기가 외부측으로부터 토치 조립체 내로 진입되는 것을 방지한다. 절연성 충전재는 도관을 따른 임의의 위치에서 그리고 와이어 간격 조정 중의 임의의 시점에서 이들 2개의 와이어 도관이 서로로부터 전기 절연 상태로 유지하기 위해 당업자에게 공지된 임의의 적절한 절연체 재료로 제조될 수 있다. 절연성 충전재(38)는 판의 형태로 구성될 수 있고, 동일 또는 상이한 두께를 갖는 1개 이상의 이러한 판이 2개의 와이어 도관(37) 사이의 간극 내로 삽입될 수 있다.
하나의 실시예에서, 도 3에 도시된 것과 같이, 가동 블록(36) 그리고 와이어 도관(37) 중 하나가 토치 본체(35)에 대해 나사산 샤프트(31)의 길이를 따라 이동될 수 있다. 다른 와이어 도관(37)은 토치 본체(35)에 대한 동일한 이동성을 갖는다. 하나의 예시 실시예에서, 2개의 와이어 도관 사이의 초기 거리는 12 ㎜로서 설정된다. 그리고, 각각의 와이어 도관은 0 내지 4 ㎜만큼 이동될 수 있다. 양쪽 모두의 와이어 도관이 서로로부터 가장 멀리 이동되면, 와이어간 거리가 20 ㎜까지 변화된다. 이러한 방식으로, 와이어 간격 조정 기구는 12 내지 20 ㎜의 연속 조정 가능한 와이어 간격 범위를 제공한다. 물론, 다른 조정 가능한 범위가 또한 다양한 초기 거리 설정 수치 및 이동성 범위에 대해 채택 가능하다.
와이어 간격은 상이한 GMAW 조건 또는 적용 분야에 따라 소정 거리 수치로 조정될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 이러한 연속 와이어 간격 조정은 본 발명의 토치 조립체가 아래에서 설명되는 것과 같이 비동기식 용접을 포함한 광범위한 GMAW 조건에 적절해지게 한다.
또 다른 양호한 실시예에서, 절연성 충전재는 팽창성 재료, 스프링 요소 또는 조정 과정 중에 특히 와이어 간격이 더 큰 거리로 증가될 때에 2개의 와이어 도관 사이의 전체 공간을 충전하는 임의의 다른 적절한 장치를 추가로 포함한다.
와이어 간격 조정은 와이어간 평행 와이어 도관 이동에 의해 성취된다는 것이 주목되어야 한다. 바꿔 말하면, 토치 조립체 내에서, 이들 2개의 와이어 도관은 와이어 간격 조정 전에, 와이어 간격 조정 중에 그리고 와이어 간격 조정 후에 서로에 대해 평행 관계로 항상 유지된다. 이것은 이러한 와이어 간격 조정이 수행된 후에 GMAW 용접에 대한 기본 인자들 중 하나인 팁-공작물 거리가 와이어 도관의 평행 이동으로 인해 변화되지 않은 상태로 유지될 수 있기 때문에 GMAW 용접에 유리하다. 팁-공작물 거리가 균등하지 않게 변화되면, 원하는 용접 품질을 성취하기 쉽지 않다. 본 발명에 따른 이중 평행 와이어 배열, 와이어 간격 조정 기구 및 그의 평행 조정을 통해, 와이어 간격이 조정된 후에 현장에서 2개의 와이어 및 그의 각각의 구성 요소를 재정렬 및 재위치시킬 필요성이 없다.
본 발명은 나사산 샤프트를 채용한 위의 와이어 간격 조정 기구에 대해 설명되었지만, 와이어 간격에 대한 평행 조정이 성취되기만 하면 다른 와이어 간격 조정 기구가 또한 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 쉽게 이해될 것이다. 나아가, 도시되어 있지 않지만, 와이어 간격 조정 기구는 또한 필요에 따라 삼중 이상의 와이어 간격 조정에 사용될 수 있다.
더욱이, 와이어 전극의 각각에 대해, 1개 이상의 전원, 와이어 공급 유닛 및 보호 가스 제어부가 개별적으로 제공되고, 이들 중 하나 이상 또는 모두가 다른 것으로부터 독립적으로 제어된다. 더 바람직하게는, 각각의 와이어 전극은 1개의 독립 제어 전원 및 와이어 제어부와 결합되고, 그에 의해 2개의 와이어 아크 계면을 최소화하기 위해 2개의 와이어 전극의 각각에 대해 용접 변수를 감시하고 그 다음에 최적화한다.
이중 와이어 토치 조립체는 또한 비동기식 금속 이행 용접 공정에 사용될 수 있고, 이때에 안정된 아크가 성취되고 스패터 발생이 일어나지 않는다. 이러한 토치 조립체를 갖는 이중 와이어 GMAW 용접 장치는 고가의 동기식 제어 유닛에 대한 필요성을 제거한다. 펄스 기능을 갖지 않는 2개의 종래의 전원이 또한 사용될 수 있고, 이것은 용접 시스템의 투자 비용을 크게 감소시킨다. 더욱이, 고정된 와이어 간격을 갖는 토치에 비해, 본 발명의 토치 조립체는 와이어 간격 조정에 의해 상이한 와이어간 거리를 요구하는 상이한 용접 조건에 적절하게 변화 가능한 와이어 간격 토치를 제공한다. 조정 가능한 와이어 간격을 갖는 위와 같이 구성되는 단일 토치는 고정된 와이어간 거리를 갖는 다수개의 토치에 대한 필요성을 대체할 수 있고, 그에 의해 용접 작업에 대한 비용을 상당히 절약한다.
이제, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 토치 조립체 내의 보호 가스 유동 경로가 도시되어 있다. 보호 가스는 가스가 전극, 아크 또는 용접 금속과 접촉되면 융합 결함, 공극 및 취약한 용접 금속 접합부를 유발할 수 있는 질소 및 산소 등의 대기 가스로부터 용접 영역을 보호하기 위해 가스 금속 아크 용접에 필요하다. 도 2에 도시된 것과 같이, 보호 가스 출구(11)가 토치 조립체 내에 배치된다.
도 4a에 도시된 것과 같이, 보호 가스는 와이어 도관(41)에 평행한 가스 입구 튜브(42)를 통해 유입된다. 진입 가스는 각각의 가스 튜브의 측면-구멍을 통해 유출되고, 후속적으로 도 4a의 화살표에 의해 표시된 것과 같이 노즐(44)의 내부 공간을 충전한다. 다음에, 이러한 보호 가스는 노즐 벽 바람직하게는 원뿔형 노즐 벽에 의해 한정된 용접 풀로 2개의 와이어 전극을 따라 외향으로 유동된다. 이러한 설계는 효과적인 가스 보호로 이어지고, 또한 가스 유입을 위한 매우 편리한 방식을 제공한다.
와이어 간격이 특히 와이어들 사이의 거리를 증가시키도록 변화될 때에, 종래의 보호 가스 확산기가 이러한 와이어 간격에서 일관된 가스 유동을 항상 제공할 수는 없으므로, 용접 풀을 보호하는 적절한 가스 보호를 발생시킬 수 없다. 위에서 설명된 보호 가스 유동 설계를 갖는 본 발명에 따르면, 적절하고 일관된 가스 보호가 요구된 범위 내에서 다양한 와이어 간격 거리에 대해 성취될 수 있다. 나아가, 가스 확산기가 제거될 때에, 공간 요건이 제한되더라도 종래 및 통상의 접촉 팁이 이용될 수 있다.
대체예에서, 보호 가스 튜브는 도 4b에 도시된 것과 같이 2개의 부품, 즉 가스 입구 튜브(42b) 및 가스 출구 튜브(45b)를 가질 수 있다. 이러한 가스 튜브 구성으로써, 출구 튜브는 나사 연결 또는 다른 연결 수단에 의해 토치 본체(43)에 대해 용이하게 부착 및 제거될 수 있다.
하나의 양호한 실시예에서, 아르곤 내에 5% 내지 25%의 CO2 및/또는 1% 내지 5%의 O2를 함유한 보호 가스가 사용된다. 물론, 보호 가스의 다른 선택이 여러 개의 인자, 가장 중요한 것으로는 용접될 재료의 종류 그리고 사용될 금속 이행 모드에 따라 당업자에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 이중 와이어 토치 조립체 그리고 이러한 토치 조립체를 사용한 GMAW 용접 장치는 맞대기 용접(butt welding), 필릿 용접(fillet welding) 또는 겹치기 용접(lap welding) 등에 사용될 수 있다. 양호한 원뿔형 노즐이 사용될 때에, 본 발명의 토치 조립체는 그 비교적 넓은 와이어 간격에도 불구하고 필릿 조인트 용접에 적절하다.
재차 도 2를 참조하면, 0.8 내지 1.6 ㎜의 범위 내의 전극 와이어 직경이 제1 와이어에 적용될 수 있고, 한편 유사한 또는 더 작은 전극이 제2 와이어에 사용된다. 사용될 금속 이행 공정 및 기본 재료에 따라, 제1 및 제2 와이어를 위한 전극의 직경은 위의 범위로부터 변동될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 사용 시에, 당업자라면 주로 용접될 금속의 조성 그리고 또한 사용될 금속 이행 공정 변동, 조인트 설계 및 재료 표면 상태를 기초로 하여 전극 재료 선택을 수행할 수 있다. 본 발명의 토치 조립체는 탄소강 고체 와이어 그리고 또한 플럭스-코어 및/또는 금속 코어 와이어와 함께 사용될 수 있고, 한편 스테인리스강 및 알루미늄 와이어의 이용이 또한 긍정적인 결과를 발생시킬 것으로 예측된다. 단일 와이어 MIG/MAG 용접과 유사하게, 사전 설정될 수 있는 용접 변수는 용접 전류, 전압, 와이어 공급 속도, 이동 속도, 팁-공작물 거리 및 토치 각도를 포함한다.
도 5는 동작 시험에서 사용된 토치 조립체에 대한 용접 조건을 도시하고 있다. 선행 전극에 대해, 전류가 280 내지 290 암페어로서 설정되고, 32 V의 전압이 설정되고; 후행 전극에 대해, 전류가 250 내지 260 암페어로서 설정되고, 30 V의 전압이 설정된다. 와이어간-거리는 시험 전에 17 ㎜로서 사전 설정 및 측정되었다. 1.052 m의 길이를 갖는 용접 조인트가 50초 내에 수용 가능한 품질로써 이중 와이어 토치 조립체에 의해 성취된다.
맞대기 또는 겹치기 조인트 용접에 사용될 수 있는 분리 가능한 둥근 노즐이 도 6에 도시되어 있다. 노즐의 잠재적 과열을 피할 수 있는 (도 1 및 도 2에 도시된) 냉각수 챔버(9)가 도 7에 도시된 것과 같이 적용되지만, 과중한 작업에 대해, 분리 가능한 수냉식 노즐이 요구된다. 바람직하게는, 냉각 시스템 예컨대 공랭식 또는 수냉식 방열기가 노즐의 상부 부분 내에 위치되고, 및/또는 노즐의 하부 부분은 원뿔 형상으로 되어 있고, 토치 조립체로부터 분리될 수 있다. 일부 용접 분야에서, 냉각 없는 토치가 또한 가능하다. 토치 설계의 유연성으로 인해, 광범위한 용접 파라미터가 이용될 수 있다.
토치 본체, 노즐 및 튜브의 구성 재료 면에서의 변화가 토치 내구성(torch robustness), 중량 및 비용을 더욱 개선하도록 실시될 수 있다.
본 발명의 1개 이상의 실시예가 위에서 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 변형이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고도 수행될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예는 다음의 특허청구범위의 범주 내에 있다.

Claims (15)

  1. GMAW 용접 장치를 위한 이중 와이어 토치 조립체이며,
    이중 와이어 토치 조립체의 토치 본체 내에 서로에 평행하도록 배열되는 2개의 개별 전극 와이어 도관과;
    2개의 전원에 연결되는 2개의 전원 커넥터와;
    상기 2개의 와이어 도관의 각각 내에 제공되고 서로에 평행하도록 위치되는 전극 와이어와;
    상기 전극 와이어의 각각에 제공되는 접촉 팁과;
    보호 가스 공급부로부터 용접 영역을 향해 보호 가스를 지향시키는 보호 가스 노즐과;
    노즐 및 토치 본체의 냉각을 제공하는 냉각 챔버와;
    와이어간 평행 관계로 상기 2개의 전극 와이어 도관 사이의 거리를 조정할 수 있는 와이어 간격 조정 기구 - 상기 2개의 와이어 도관은 접촉 팁과 용접될 공작물 사이의 거리가 상기 2개의 전극 와이어 도관의 평행 이동으로 인해 변화되지 않는 상태로 유지될 수 있도록 와이어 간격 조정 전에, 와이어 간격 조정 중에 그리고 와이어 간격 조정 후에 서로에 대해 평행 관계로 유지됨 -
    를 포함하는 이중 와이어 토치 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 비동기식 금속 이행 용접 공정에 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 와이어 간격 조정 기구는 토치 본체를 통해 횡단 방향으로 연장되고 상기 토치 본체의 나사산 구멍 내에 끼워지는 나사산 샤프트를 포함하고 그에 의해 나사산 샤프트는 상기 토치 본체와 나사산 결합되고 그에 따라 토치 본체에 대해 이동 가능하고, 나사산 샤프트와 나사산 결합 상태로 나사산 샤프트 상에 배치되는 가동 블록을 추가로 포함하고, 나사산 샤프트의 회전에 따라, 가동 블록은 나사산 샤프트의 방향을 따라 상기 나사산 샤프트 상에서 전후로 이동되고 그에 따라 상기 토치 본체에 대해 이동될 수 있고; 와이어 도관은 가동 블록과 결합되거나 전체로서 가동 블록과 일체화되고, 그에 의해 와이어 도관이 상기 가동 블록과 함께 이동될 수 있게 하고, 그에 의해 상기 나사산 샤프트가 상기 토치 본체의 양쪽 측면 상에 위치된 너트 또는 놉에 의해 회전될 때에 상기 와이어 도관들 중 하나가 다른 와이어 도관에 대해 평행 방식으로 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 와이어 도관의 각각에는 상기 와이어 도관의 각각이 서로에 대해 이동될 수 있게 하기 위해 와이어 간격 조정 기구가 제공되는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 이중 와이어 토치 조립체는 너트와 토치 본체 사이에 위치되고 상기 토치 본체 상에 고정되는 판을 추가로 포함하고; 스프링이 상기 나사산 샤프트 주위에 있도록 구성되고, 이때에 상기 스프링의 일단부가 가동 블록에 대해 맞닿고, 타단부는 판에 대해 맞닿고, 그에 의해 와이어 간격의 조정 중의 매끄러운 이동을 위한 버퍼로서 작용하는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 이중 와이어 토치 조립체에는 상기 2개의 와이어 도관 사이에 견고하게 끼워지는 절연성 충전재가 추가로 제공되고, 그에 의해 토치가 동작될 때에 그리고 와이어 간격 조정 중에 임의의 오염물 및/또는 공기가 외부측으로부터 토치 조립체 내로 진입되는 것을 방지하고, 상기 와이어 도관을 따른 임의의 위치에서 그리고 와이어 간격 조정 중의 임의의 시점에서 상기 2개의 와이어 도관을 서로로부터 전기 절연 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2개의 와이어 도관 사이의 초기 거리는 12 ㎜로 설정되고, 상기 와이어 도관의 각각은 12 내지 20 ㎜의 연속 조정 가능한 와이어간 간격 범위를 제공하도록 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 절연성 충전재는 판의 형태로 구성될 수 있고; 동일 또는 상이한 두께를 갖는 1개 이상의 상기 판이 상기 2개의 와이어 도관 사이의 간극 내로 삽입될 수 있는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어 전극의 각각에, 다른 와이어를 위한 것들과 독립적으로 제어되는 1개의 전원 및 1개의 와이어 공급 유닛이 개별적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 가스가 가스 입구 튜브를 통해 유입되고; 진입 보호 가스는 보호 가스 노즐의 내부 공간을 충전하고 노즐의 원뿔형 벽에 의해 한정된 용접 영역으로 상기 2개의 와이어 전극을 따라 외향으로 유동되기 위해 상기 가스 튜브의 측면-구멍을 통해 유출되는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 가스 노즐은 분리 가능한 수냉식 노즐인 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보호 가스는 아르곤 내에 5% 내지 25%의 CO2 및 1% 내지 5%의 O2를 함유하는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 전극 와이어의 제1 와이어의 직경은 0.8 내지 1.6 ㎜이고, 제2 와이어는 유사한 또는 더 작은 전극 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 와이어 토치 조립체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 이중 와이어 토치 조립체를 사용한 이중 와이어 GMAW 용접 장치.
  15. 제14항에 따른 이중 와이어 GMAW 용접 장치를 사용한 이중 와이어 GMAW 용접 방법.
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