KR20120071789A - 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스메탈 아크 용접 방법에 관한 것으로, 용접 파워소스, 상기 용접 파워소스와 연결되어 용접 와이어를 공급 제어하는 와이어 송급장치 및 상기 와이어 송급장치에 연결되어 용접 와이어의 이동 경로를 구성하는 토치 케이블, 상기 토치 케이블의 끝단에 붙어 용접 와이어를 전,후진시키는 푸쉬풀 타입의 용접 토치, 상기 토치 케이블의 중간에 위치하여 후진된 용접 와이어의 완충 역할을 해주는 와이어 버퍼, 용접 파워소스와 연결되어 용접 데이터의 모니터링이 가능하며 사용자가 용접 조건을 쉽게 변경할 수 있는 리모트 컨트롤 장치, 상기 와이어 송급장치와 연결되어 용접 파워소스를 제어하고 3차원 운봉 용접을 수행하는 캐리지를 포함하는 용접기를 이용하여 선박 선체의 수평 맞대기 이음부를 용접하는 방법에 있어서; 상기 이음부의 개선 내부는 깊은 용입과 큰 용착량을 가지는 가스 메탈 아크 용접(GMAW)을 통해 솔리드 와이어(Solid Wire)를 사용한 직선 용접을 수행하고; 상기 개선의 표면부는 저입열 고속 용접 방식인 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT)을 통해 솔리드 와이어를 사용하면서 비드(Bead)의 처짐없이 패스수를 줄인 3차원 운봉 용접을 수행하는 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 수평 맞대기 이음부의 자동 용접에 있어 두께 15mm 부재는 4패스가 소요되고 두께 23mm 부재는 6패스가 소요되나 종래 플럭스 코어드 아크 용접 방법은 두께 15mm 부재는 8패스가 소요되고 두께 23mm 부재는 12패스가 소요되므로 종래 대비 용접 패스수를 50% 이상 획기적으로 절감 가능하므로 용접 생산성 향상이 가능하고 깊은 용입과 비드 처짐을 최소화하여 용접 결함이 없는 고품질 용접을 구현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법{HYBRID GAS METAL ARC WELDING METHOD OF HORIZONTAL BUTT WELDING PART}

본 발명은 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스메탈 아크 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평 맞대기 이음부의 자동 용접에 있어서 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding)을 이용한 용접시 자주 발생하는 내부 결함(슬래그 혼입, 용융부족, 융합 불량) 및 표면 결함(언더컷, 비드처짐)없이 용융쇳물의 용입을 확보하면서 대용착 용접이 가능하도록 구현된 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스메탈 아크 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 맞대기 용접(Butt Welding)은 마주하는 용접용 모재를 용접하여 이어 붙이는 용접으로 철판을 이을 때 많이 사용한다.

이러한 맞대기 용접에 있어 세로방향으로 마주하는 두 용접 모재를 수평으로 맞대기 용접하는 경우 보통 상부와 하부의 두 용접 모재가 서로 마주하며, 용접부가 개선(Bevel)된다.

그리고, 상부 용접 모재의 개선면이 위로 경사지게 형성되고, 하부 용접 모재가 평면에서 직각으로 개선된 상태로 용접이 이루어진다.

이와 같은 수평 맞대기 이음에 대하여 자동 장비를 이용한 플럭스 코어드 아크 용접법을 적용하여 개선 내부에 대용착 용접을 수행하는 경우, 낮은 용융 쇳물의 점성과 용융 쇳물에 작용하는 중력 등의 영향으로 인해 용융 쇳물이 용접 아크보다 앞서 선행하게 되어 아크가 용융 쇳물 위에 형성되게 된다.

이렇게 용융 쇳물 위에 형성된 아크는 모재를 충분히 용입시키기가 어려워 용접 금속 내부에 융합 불량 및 슬래그 혼입 등의 결함이 빈번하게 발생하게 된다.

또한, 개선 내부 용접 완료 후 표면부의 용접을 수행하는 경우, 역시 낮은 용융 쇳물의 점성과 용융 쇳물에 작용하는 중력 등의 영향으로 인해 용접 비드 처짐 현상이 빈번히 발생하므로 표면 비드는 4~5 패스(pass)로 가급적이면 세밀하게 나누어 용접하고 있다.

이와 같은 문제로 인해 작은 용착량으로 많은 수의 다층 패스 용접을 수행할 수 밖에 없어 패스수 절감을 통한 생산성 향상에는 한계가 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 한계를 극복하기 위해 창출된 것으로, 수평 맞대기 이음부의 자동 용접에 있어 개선 내부는 최대한 깊은 용입을 확보하며 대용착 용접을 수행하고, 표면 비드는 최소 패스수로 용접을 완료할 수 있는 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스메탈 아크 용접 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 용접 파워소스, 상기 용접 파워소스와 연결되어 용접 와이어를 공급 제어하는 와이어 송급장치 및 상기 와이어 송급장치에 연결되어 용접 와이어의 이동 경로를 구성하는 토치 케이블, 상기 토치 케이블의 끝단에 붙어 용접 와이어를 전,후진시키는 푸쉬풀 타입의 용접 토치, 상기 토치 케이블의 중간에 위치하여 후진된 용접 와이어의 완충 역할을 해주는 와이어 버퍼, 용접 파워소스와 연결되어 용접 데이터의 모니터링이 가능하며 사용자가 용접 조건을 쉽게 변경할 수 있는 리모트 컨트롤 장치, 상기 와이어 송급장치와 연결되어 용접 파워소스를 제어하고 3차원 운봉 용접을 수행하는 캐리지를 포함하는 용접기를 이용하여 선박 선체의 수평 맞대기 이음부를 용접하는 방법에 있어서; 상기 이음부의 개선 내부는 깊은 용입과 큰 용착량을 가지는 가스 메탈 아크 용접(GMAW)을 통해 솔리드 와이어(Solid Wire)를 사용한 직선 용접을 수행하고; 상기 개선의 표면부는 저입열 고속 용접 방식인 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT)을 통해 솔리드 와이어를 사용하면서 비드(Bead)의 처짐없이 패스수를 줄인 3차원 운봉 용접을 수행하는 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법을 제공한다.

이때, 상기 용접 파워소스는 마이크로 프로세서에 의해 디지털 제어 방식을 통해 가스 메탈 아크 용접(GMAW)과 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT)을 모두 수행할 수 있는 용접 파워소스인 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 용접 토치는 상기 용접 와이어를 초당 70회까지 전,후진시킬 수 있는 푸쉬풀 타입인 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 캐리지는 와이어 송급장치와 용접 파워소스를 제어하고, 3차원 운봉 용접이 가능하도록 주행축 및 X,Y,Z 방향으로 이동가능한 3개의 축으로 구성된 4축 레일 캐리지를 사용하는 것에도 그 특징이 있다.

아울러, 상기 용접기와 캐리지는 리모트 컨트롤 장치를 통해 상호 인터페이스되면서 3차원 운봉 패턴 내에서 용접 전류 및 용접 전압을 자유롭게 가변시킬 수 있는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 수평 맞대기 이음부의 자동 용접에 있어 두께 15mm 부재는 4패스가 소요되고 두께 23mm 부재는 6패스가 소요되나 종래 플럭스 코어드 아크 용접 방법은 두께 15mm 부재는 8패스가 소요되고 두께 23mm 부재는 12패스가 소요되므로 종래 대비 용접 패스수를 50% 이상 획기적으로 절감 가능하므로 용접 생산성 향상이 가능하고 깊은 용입과 비드 처짐을 최소화하여 용접 결함이 없는 고품질 용접을 구현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법의 원리를 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법을 구현하기 위한 장치 구성을 보인 개략적인 블럭도이다.
도 3은 도 2의 장치중 4축 캐리어를 보인 예시적인 분해사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 4축 캐리어의 예시적인 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법 중 콜드 메탈 트랜스퍼 용접시 3차원 운봉 용접을 통한 표면비드 용접 운봉 패턴을 보인 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 용접 방법과 종래 용접 방법 간의 용접 패스수를 보인 예시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 구체적인 설명에 앞서 본 발명은 수평 맞대기 이음부를 용접함에 있어 가스 메탈 아크 용접(GMAW:Gas Metal Arc Welding)과, 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT:Cold Metal Transfer Welding)을 병행하는 하이브리드 형태의 용접 방법을 제공하는 것이다.

이러한 본 발명에 따른 하이브리드 가스 메탈 아크 용접(HGMAW:Hybrid Gas Metal Arc Welding)의 가장 큰 특징은, 개선 내부의 경우 솔리드 와이어(Solid Wire)를 사용한 직선 용접을 수행하여 깊은 용입과 큰 용착량을 가지는 가스 메탈 아크 용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW)를 수행하고, 표면부는 솔리드 와이어를 사용한 3차원 운봉 용접을 적용하여 비드(Bead)의 처짐없이 최소 패스수로 표면부를 용접하는 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(Cold Metal Transfer Welding, CMT)을 수행하기 때문에 용접 패스수를 대폭 줄일 수 있다는 것이다.

보다 구체적으로, 도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법의 원리를 설명하는 개념도이다.

먼저, 가스 메탈 아크 용접(GMAW:Gas Metal Arc Welding)은 하기한 참고도면에서와 같이,

기본적으로 용가재로 작용하는 소모전극 와이어를 일정한 속도로 용융지에 송급하면서 전류를 통하여 와이어와 모재 사이에서 아크를 발생시키는 용접법이다.

이때, 연속적으로 송급되는 와이어가 아크의 높은 열에 의해 용융되어 아크 기둥을 거쳐 용융지로 이행하게 되며, 용융부위는 가스노즐을 통해 공급되는 보호가스에 의해 대기로부터 보호된다.

이러한 가스 메탈 아크 용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW)시 보호가스로 CO₂(이산화탄소)를 사용할 경우 도 1의 예시와 같이, 사용 가능한 용접 전류 전 범위에서 입상 용적 이행이 나타난다.

이와 같은 입상 용적 이행은 용적의 직경이 용접 와이어의 직경보다 크다는 것과 용적이 용융 쇳물과 직접 접촉하지 않는다는 것이 특징이다.

그리고, 와이어 선단에서 와이어 직경의 2~3배 정도의 크기로 성장된 용적이 중력에 의해 이탈되어 초당 수개에서 수십개씩 용융풀로 자유낙하하므로 깊은 용입을 얻을 수 있는 장점을 가진다.

아울러, 도 1의 도시와 같이 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT:Cold Metal Transfer Welding)는 디지털 프로세스 컨트롤에 의하여 단락(용적이 용융 쇳물과 직접 접촉)이 감지되면 와이어가 순간적으로 역행하여 거꾸로 끌어 올려지므로 고온과 저온의 교번으로 아크 발생시 아크 자체의 열이 유입되는 순간이 매우 짧아지므로 입열량이 감소하게 되어 수평 용접시 발생하는 비드 처짐을 최소화할 수 있는 장점을 가진다.

즉, 앞서 설명한 GMAW 용접중 저전류대에 발생하는 단락 이행에서 기존의 단락이행은 와이어와 모재의 단락 이후 본전류보다 높은 전류를 흘려줌으로서 전자기적 핀치효과에 의해 해소를 하지만, 이 경우 입열량이 높아 모재의 변형이 발생하고 스패터가 다량 발생한다는 단점이 있음에 반해, CMT는 단락을 해소하기 위해 높은 전류를 흘려주는 것이 아니라 토치 내부에 모터를 도입해서 단락시에 기계적인 힘을 이용해 강제로 와이어를 당겨서 해소하는 형태이다.

이 경우 GMAW 용접기에서의 단락제어 방법에서 발생하는 스패터와 변형을 줄일 수 있고, 저전류대에서 스패터가 발생하지 않고, 입열량 또한 낮으므로 용접속도를 높일수 있다는 장점이 있지만, 토치 내부에 들어있는 모터로 인해 토치 자체의 무게가 무겁다는 단점이 있다.

이와 같은 복합적인 요소들(장,단점)을 고려하여 본 발명에서는 이들을 병행하여 사용할 수 있는 방법을 고려하였으며, 특히 단순히 함께 사용하는 차원이 아니라 효율성과 효과성을 개선의 부위별로 적용할 용접법을 특정함으로써 양 용접법 상의 장점들만이 구현될 수 있도록 하였다.

아울러, 이러한 용접방법을 구현하기 위해 도 2에 도시된 바와 같은 형태의 장치 구성을 필요로 한다.

이때, 이러한 장치적 구성은 기본적으로 2007년 추계학술대회 발표논문 "GA 강판에 대한 CO₂ 수직용접자세의 특성에 관한 연구(김재성, 조용준, 이경철, 이보영)"에 개시된 구성을 베이스로 하되, 이를 개량하여 가스 메탈 아크 용접과 콜드 메탈 트랜스퍼 용접을 모두 수행할 수 있도록 본 발명에 따른 특성에 맞도록 안내하는 장치를 구성한 것이다.

예컨대, 본 발명에 따른 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 프로세서에 의해 디지털 제어 방식을 통해 가스 메탈 아크 용접 및 콜드 메탈 트랜스퍼 용접을 모두 수행할 수 있는 용접 파워소스(1)를 포함한다.

그리고, 상기 용접 파워소스(1)와 연결되어 용접 와이어를 공급 제어하는 와이어 송급장치(2) 및 상기 와이어 송급장치(2)에 연결되어 용접 와이어의 이동 경로를 구성하는 토치 케이블(31)도 포함한다.

또한, 상기 토치 케이블(31)의 끝단에 붙어 용접 와이어를 전,후진시키는 푸쉬풀 타입의 용접 토치(32)를 구비하는데, 이 경우 상기 용접 토치(32)는 초당 70회까지 전,후진이 가능토록 하여 용접 품위를 높이도록 함이 바람직하다.

아울러, 상기 토치 케이블(31)의 중간에 위치하여 후진된 용접 와이어의 완충 역할을 해주는 와이어 버퍼(33)와, 용접 파워소스(1)와 연결되어 용접 데이터의 모니터링이 가능하며 사용자가 용접 조건을 쉽게 변경할 수 있도록 한 리모트 컨트롤 장치(4)와, 상기 와이어 송급장치(2)와 연결되어 용접 파워소스(1)를 제어하고 3차원 운봉 용접을 수행하는 4축 레일 캐리지(5)도 포함한다.

특히, 상기 4축 레일 캐리지(5)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 메인프레임(F)에 고정된 주행모터(51)를 통해 회전되면서 캐리지를 주행방향으로 이동시키는 주행축(52)과, 콜드 메탈 트랜스퍼 용접시 3차원 운봉 용접이 가능하도록 3축(X축,Y축,Z축)으로 이동시키기 위한 X축 모터(53), Y축 모터(54), Z축 모터(55)를 포함한다.

이때, 이들 X축 모터(53), Y축 모터(54), Z축 모터(55)는 각각 X축 프레임(Fx), Y축 프레임(Fy), Z축 프레임(Fz)에 각각 설치되고, 이들이 서로 LM가이드 형태로 움직일 수 있도록 구성되어 3축 이동이 가능한 구조를 갖는데, 이와 같은 LM가이드를 이용한 3축 이동 구조는 공지된 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

따라서, 상기 주행축(52)과 이들 3축을 포함하여 모두 4축 이동이 가능한 캐리지를 구성하게 된다.

덧붙여, 상기 메인프레임(F)의 일측에는 제어박스(C)와 조작패널(P)이 구비되고, 그 대향측에는 캐리지를 견고히 고정하면서 작업시 외력을 충분히 견딜 수 있는 토글 클램프(Toggle Clamp)(56)와, 용접토치(32)를 고정하는 토치 클램프(57)도 구비된다.

이와 같은 4축 레일 캐리지(5)를 이용하여 특히, 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT)시 3차원 운봉 용접을 통한 표면비드의 용접 운봉 패턴은 도 5와 같은 형태를 가진다.

예컨대, 개선 내부에서 3차원으로 자유롭게 운봉하면서 용접을 수행하고, 저입열 용접으로 인해 발생되는 결함을 방지할 수 있도록 용접기와 캐리지 간 인터페이스를 통해 3차원 운봉 패턴 내 특정 위치에서 전류 및 전압을 가변시켜 용접함으로써 보다 고품위의 용접 품질을 확보할 수 있게 된다.

즉, 콜드 메탈 트랜스퍼 용접을 통한 3차원 운봉시 용접기인 용접 토치(32)와 리모튼 컨트롤 장치(4) 간의 인터페이스를 통해 용접 파워소스(1)로부터 공급받은 용접 전류를 가변시킴으로써 개선 내부에서 이루어지는 3차원 운봉 패턴 내 특정위치에서 전류, 전압이 가변된 상태로 용접이 가능하게 되는 것이다.

이와 같은 본 발명에 따라 용접한 결과, 도 6과 같은 형태로 나타났으며, 용접 패스수를 대폭 줄일 수 있었다.

예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 기존 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW:Flux Cored Arc Welding)은 낮은 용융 쇳물의 점성과 중력의 영향으로 용융 쇳물이 용접 아크보다 선행하므로 용접결함(슬래그혼입, 융합불량)이 쉽게 발생하기 때문에 별도의 토치 운봉을 하지 않고 단순 직선 용접을 수행만 한다.

따라서, 용접 패스수가 도시와 같이, 두께 15mm에서는 8패스가 소요되고, 두께 23mm에서는 12패스가 소요된다.

이에 반해, 본 발명에 따른 하이브리드 가스 메탈 아크 용접(HGMAW:Hybrid Gas Metal Arc Welding)의 경우, 개선 내부에서는 솔리드 와이어를 사용한 직선 용접을 수행하여 깊은 용입과 큰 용착량을 가지는 가스 메탈 아크 용접(GMAW:Gas Metal Arc Welding)를 수행하고 표면부에서는 솔리드 와이어를 사용한 3차원 운봉 용접을 적용하여 비드 처짐없이 최소 패스수로 표면부를 용접하는 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT:Cold Metal Transfer Welding)을 수행하기 때문에 용접 패스수를 대폭 줄일 수 있게 된다.

즉, 기존 대비 두께 15mm에서는 4패스가 소요되고, 두께 23mm에서는 6패스가 소요되므로, 결국 기존 용접법에 비해 용접 패스수를 50% 줄이는 커다란 효과를 얻을 수 있게 된다.

이에 따라, 용접 작업공수를 그 만큼 줄일 수 있어 작업자의 근골격계 질환도 예방하는 효과도 얻을 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 가스 메탈 아크 용접과 콜드 메탈 트랜스퍼 용접의 단순 병행이 아닌 특수한 유기적 관계(위치, 용착량, 용접 패스수 등)를 갖고 용접되기 때문에 용접 품질도 향상되는 장점을 갖게 된다.

1 : 용접 파워소스 2 : 와이어 송급장치
4 : 리모트 컨트롤 장치 5 : 4축 레일 캐리지
31 : 토치 케이블 32 : 용접 토치
33 : 와이어 버퍼

Claims (5)

1. 용접 파워소스(1), 상기 용접 파워소스(1)와 연결되어 용접 와이어를 공급 제어하는 와이어 송급장치(2) 및 상기 와이어 송급장치(2)에 연결되어 용접 와이어의 이동 경로를 구성하는 토치 케이블(31), 상기 토치 케이블(31)의 끝단에 붙어 용접 와이어를 전,후진시키는 푸쉬풀 타입의 용접 토치(32), 상기 토치 케이블(31)의 중간에 위치하여 후진된 용접 와이어의 완충 역할을 해주는 와이어 버퍼(33), 용접 파워소스(1)와 연결되어 용접 데이터의 모니터링이 가능하며 사용자가 용접 조건을 쉽게 변경할 수 있는 리모트 컨트롤 장치(4), 상기 와이어 송급장치(2)와 연결되어 용접 파워소스(1)를 제어하고 3차원 운봉 용접을 수행하는 캐리지를 포함하는 용접기를 이용하여 선박 선체의 수평 맞대기 이음부를 용접하는 방법에 있어서;
   상기 이음부의 개선 내부는 깊은 용입과 큰 용착량을 가지는 가스 메탈 아크 용접(GMAW)을 통해 솔리드 와이어(Solid Wire)를 사용한 직선 용접을 수행하고;
   상기 개선의 표면부는 저입열 고속 용접 방식인 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT)을 통해 솔리드 와이어를 사용하면서 비드(Bead)의 처짐없이 패스수를 줄인 3차원 운봉 용접을 수행하는 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 용접 파워소스(1)는 마이크로 프로세서에 의해 디지털 제어 방식을 통해 가스 메탈 아크 용접(GMAW)과 콜드 메탈 트랜스퍼 용접(CMT)을 모두 수행할 수 있는 용접 파워소스(1)인 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 용접 토치(32)는 상기 용접 와이어를 초당 70회까지 전,후진시킬 수 있는 푸쉬풀 타입인 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서;
   상기 캐리지는 와이어 송급장치(2)와 용접 파워소스(1)를 제어하고, 3차원 운봉 용접이 가능하도록 주행축(51) 및 X,Y,Z 방향으로 이동가능한 3개의 축으로 구성된 4축 레일 캐리지(5)를 사용하는 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서;
   상기 용접기와 캐리지는 리모트 컨트롤 장치(4)를 통해 상호 인터페이스되면서 3차원 운봉 패턴 내에서 용접 전류 및 용접 전압을 자유롭게 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 이음부의 하이브리드 가스 메탈 아크 용접 방법.

Images