KR20120111433A - 가스 아크 용접 장치 및 가스 아크 용접 방법 - Google Patents

가스 아크 용접 장치 및 가스 아크 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 입열을 줄이는 저입열이 가능한 가스 아크 용접 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위하여, 상기 전극 와이어에 의해 발생되는 아크에 의해 용융되도록 파우더를 공급하여, 입열량을 감소시키는 파우더 공급수단;을 포함하는 가스 아크 용접 장치 및 전극 와이어를 공급하며, 전극 와이어에 의해 발생된 아크로 전극 와이어를 용융하여 용접시키는 가스 아크 용접 방법으로서, 상기 전극 와이어의 공급과 동시에 상기 전극 와이어에 의해 발생된 아크로 파우더를 공급하는 가스 아크 용접 방법을 제공한다.

Description

가스 아크 용접 장치 및 가스 아크 용접 방법{GAS ARC WELDER AND GAS ARC WELDING METHOD THEREOF}
본 발명은 가스 아크 용접 장치 및 가스 아크 용접 방법에 대한 것으로 구체적으로는 전극 와이어로 발생된 아크에 파우더를 공급하여, 저입열을 달성하는 가스 아크 용접 장치 및 그의 가스 아크 용접 방법에 대한 것이다.
일렉트로 가스 아크 용접 방법은 조선에서 요구되고 있는 후판의 용접 생산성을 높이기 위하여 개발되어 적용되고 있는 용접 방법이다.
도 1 에는 이러한 일렉트로 가스 아크 용접 장치가 도시되어 있다. 일렉트로 가스 아크 용접은 주로 이산화탄소(60)를 보호가스로 이용하고, 전극 와이어용 토치(10)로 공급되는 전극 와이어(W1)에 의해 아크를 발생시키고, 이 아크 열로 전극 와이어용 토치(10)의 전극 와이어(W1)를 용융시켜 용접이 이루어지게 하는 방식이다.
피용접재(30)의 전면에는 수냉식 동담금(40)을, 배면에는 고정식 백킹재(50)를 설치하고, 공급되는 전극 와이어(W1)와 피용접재(30) 사이에 발생하는 아크를 통하여, 전극 와이어(W1)를 용융시켜, 용융 금속(32)을 형성하고 일정량의 용융 금속이 형성되면 전극 와이어용 토치(10)를 탑재하며, 지지부(70)에 상하 방향으로 이동 가능하게 고정된 용접 캐리지 본체(80)의 구동수단(미도시)를 통하여 전극 와이어용 토치(10)를 오실레이션 및 용접 캐리지 본체를 상방으로 이동시켜서 용접시키는 용접 방식이다.
용접 캐리지 본체(80)를 통하여 전극 와이어용 토치(10)의 전극 와이어(W1)가 전극 와이어 송급수단(91)으로부터 공급되며, 전원부(92)로부터 전원이 전극 와이어(W1)로 공급된다. 또한, 제어부(90)는 전극 와이어 송급수단(91), 전원부(92), 용접 캐리지 본체(80)에 연결되어 용접 과정 전체를 제어한다.
이러한, 텐덤 일렉트로 가스 아크 용접 방법에서는, 판두께 50mm 이상의 용접부에 용접열에 의하여 용접재료와 피용접재로 이루어지는 용융 금속으로 채워져야 하고, 이를 위하여 500kJ/cm 이상의 대입열 용접이 적용되고 있다. 이러한 과다한 용접 입열로 인하여 용접부의 품질 저하의 원인이 되고, 대입열 용접부 품질 확보를 위하여 고가의 대입열 소재를 적용하지만 제품의 품질 편차 등의 의한 품질 불안정에 대한 불안감이 항상 지적되고 있는 실정이다.
본 발명에서는 위와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 입열을 줄이는 저입열이 가능한 가스 아크 용접 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명에서는 파우더를 사용함으로써 용접 와이어에 금속 재료의 피복재로 들어가는 물질을 줄여 용융 효율을 높이는 가스 아크 용접 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 보호가스와 함께 파우더를 공급하여, 용융금속을 대기로부터 차단하여 용융부의 산화 및 질화를 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 과제를 달성하기 위하여 다음과 같은 가스 아크 용접 장치 및 가스 아크 용접 방법을 제공한다.
본 발명은 선단에 전극 와이어가 장착되는 전극 와이어용 토치; 및 상기 전극 와이어에 의해 발생되는 아크에 의해 용융되도록 파우더를 공급하여, 입열량을 감소시키는 파우더 공급수단;을 포함하는 가스 아크 용접 장치를 제공한다.
본 발명에서 상기 아크로 상기 파우더를 공급하도록 상기 파우더 공급수단이 배치되며, 상기 파우더는 파우더의 자중에 의해서 혹은 가스로 가압되어 공급될 수 있다.
이때, 상기 파우더 공급수단은 상기 전극 와이어용 토치보다 용접부에 가깝게 배치될 수 있다.
또, 상기 파우더 공급수단은 금속관과 플렉서블관을 포함하여 구성되며, 상기 파우더 공급수단을 흔들어주는 진동수단을 포함하며, 상기 파우더 공급수단이 상기 전극 와이어용 토치와 함께 움직이면서 흔들릴 수 있도록, 상기 파우더 공급수단의 금속관, 상기 전극 와이어용 토치, 상기 진동수단은 연결될 수 있다.
또한, 상기 파우더 공급관에 연결되는 파우더 공급용 호퍼 및 상기 호퍼의 파우더 토출부에서 파우더의 공급량을 조절하는 공급량 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 파우더는 가스로 가압되어 공급되며, 상기 가스는 용접부에 보호가스를 제공하는 보호가스 생성부로부터 공급될 수 있다.
다르게는 본 발명은 전극 와이어를 공급하며, 전극 와이어에 의해 발생된 아크로 전극 와이어를 용융하여 용접시키는 가스 아크 용접 방법으로서, 상기 전극 와이어의 공급과 동시에 상기 전극 와이어에 의해 발생된 아크로 파우더를 공급하는 가스 아크 용접 방법을 제공한다. 파우더를 공급할 때, 보호가스로 상기 파우더를 공급할 수 있다.
본 발명에서는 위와 같은 구성을 통하여, 기존 용접 방법 대비 입열을 줄이는 저입열이 가능한 가스 아크 용접 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또, 본 발명에서는 파우더를 사용함으로써 용접 와이어에 금속 재료의 피복재로 들어가는 물질을 줄여 용융 효율을 높이는 가스 아크 용접 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 보호가스와 함께 파우더를 공급하여, 용융금속을 대기로부터 차단하여 용융부의 산화 및 질화를 방지할 수 있다.
도 1 은 종래의 가스 아크 용접 장치의 일예이다.
도 2 는 본 발명의 가스 아크 용접 장치의 실시예이다.
도 3 은 도 2 의 가스 아크 용접 장치의 확대도이다.
도 4 는 본 발명의 가스 아크 용접 장치의 다른 실시예이다.
도 5 는 도 4 의 가스 아크 용접 장치의 확대도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명에서 파우더는 3mm 이하의 입도를 가지는 금속 분말을 의미하며, 바람직하게는 2mm 이하의 입도를 가지는 금속 분말을 의미한다.
도 2 에는 본 발명의 가스 아크 용접 장치(100)의 실시예의 개략도가 도시되어 있다.
도 2 에서 보이듯이, 본 발명의 가스 아크 용접 장치(100)는 선단에 전극 와이어(W)가 장착되는 전극 와이어용 토치(110), 전극 와이어용 토치(110)와 함께 이동 가능한 파우더 공급관(120)을 포함하며, 전극 와이어(W)에 의해서 아크를 발생시키고, 이 아크 열로 전극 와이어용 토치(110)의 전극 와이어(W) 및 파우더 공급관(120)의 파우더(P)를 용융시켜 용접이 이루어지는 방식이다.
피용접재(130)의 전면에는 주로 이산화탄소를 보호가스로 공급하는 보호가스 공급부(160)와 수냉식 동담금(140)을, 배면에는 고정식 백킹재(150)를 설치하고, 공급되는 전극 와이어(W)와 피용접재(130) 사이에 발생하는 아크를 통하여, 전극 와이어(W) 및 파우더(P)를 용융시켜, 용융 금속(132)을 형성하고 일정량의 용융 금속이 형성되면 전극 와이어용 토치(110) 및 파우더 공급관(120)을 탑재하며, 상하 방향으로 이동 가능하게 고정된 용접 캐리지 본체(180)의 구동수단(미도시)를 통하여 전극 와이어용 토치(110)를 오실레이션 및 용접 캐리지 본체(180)를 상방으로 이동시켜서 용접시키는 용접 방식이다.
용접 캐리지 본체(180)를 통하여, 전극 와이어용 토치(110)로 전극 와이어(W)가 와이어 공급수단(192)으로부터 공급되며, 전원부(191)로부터 전원이 전극 와이어(W)로 공급된다.
또한, 용접 캐리지 본체(180)에는 파우더를 보관 및 공급하는 파우더 공급용 호퍼(181)가 장착되며, 상기 호퍼(181)와 상기 파우더 공급관(120) 사이의 파우더 토출부에는 유량 조절 밸브(182)가 장착되어, 호퍼(181)로부터 파우더 공급관(120)을 통하여 용접부로 공급되는 파우더(P)의 양이 제어된다.
파우더(P)의 호퍼(181)는 파우더 공급관(120)보다 높은 위치에 위치하며, 그에 따라서, 파우더(P)의 자중에 의해서 파우더(P)의 공급이 이루어진다. 또한, 파우더 공급관(120)는 전극 와이어용 토치(110)보다 피용접재(130)에 가깝게 위치되는데, 자중으로 낙하하기 때문에, 전극 와이어용 토치(110)와 파우더 공급관(120)의 진행에 의해서 낙하위치가 변경되는 것을 최소화하기 위함이다.
이러한 호퍼(181)의 유량 조절 밸브(182), 전원부(191), 와이어 공급수단(192) 및 구동수단(미도시)은 제어부(190)에 연결되어, 용접의 진행이 제어부(190)에 의해서 관리된다.
도 3 에는 도 2 의 확대도가 도시되어 있다. 도 3 에서 보이듯이, 파우더 공급관(120)은 중력 방향으로 배치되며, 용접부 측에 배치되는 금속관(121), 금속관(121) 및 호퍼(181)에 연결되는 플렉서블관(122), 및 금속관(121)과 플렉서블관(122)을 연결하는 연결관(124)를 포함하며, 전극 와이어용 토치(110)는 중력 방향에 대하여 소정의 각(α; 도 3 참조)을 가지도록 배치된다..
또한, 파우더 공급관(120)은 연결부재(118)를 통하여 전극 와이어용 토치(110)에 연결되어, 전극 와이어용 토치(110)와 파우더 공급관(120)이 함께 움직일 수 있다. 연결부재(118)는 파우더 공급관(120)의 플렉서블관(122)을 고정시키는 고정부(123)와 전극 와이어용 토치(110)를 고정시키는 고정부(115)를 포함한다.
또한, 연결부재(118)에는 금속관(121)을 중력방향으로 바이브레이션 시키는 구동수단(126)이 장착된다. 이 구동수단(126)의 회전축에 연결된 회전부재(127) 및 회전부재에 돌출된 돌출부(128) 및 돌출부(128)와 금속관(121)을 잡아주는 구속부재(125)를 연결하는 링크(129)에 의해서, 구동수단(126)의 회전은 금속관(121)의 중력 방향의 진동으로 변화된다. 구동수단(126), 회전부재(127), 돌출부(128) 및 링크(129)와 같은 진동수단 외에 사용하지 않고 다른 종류의 캠을 사용하여 구성될 수도 있다.
구동수단(126)으로 금속관(121)이 흔들리기 때문에, 금속관(121) 내부에서 파우더(P)의 충진으로 인하여 막히는 현상을 방지할 수 있다.
본 발명에서 파우더(P)는 전극 와이어(W)에 의해서 아크가 형성되는 방향으로 공급되는 것이 바람직하며, 그에 따라서, 파우더 공급관(120)은 전극 와이어(W)의 아크 형성위치 수직 상방에 위치하는 것이 바람직하다. 즉, 전극 와이어(W)는 중력방향에 대하여 소정의 각(α)을 가지고 공급되면서 아크를 형성하고, 파우더(P)는 아크의 수직 상방에서 중력 방향으로 파우더(P)를 공급한다. 용접 캐리지 본체(180)의 이동으로 전극 와이어(W)가 이동되더라도, 안정적으로 아크 주변으로 파우더를 공급하는 것이 가능하다.
본 발명에서는 파우더(P)를 아크로 투입하기 때문에, 동일한 입열량으로 더 많은 용융 금속을 형성하는 것이 가능하다. 특히, 파우더(P)의 경우에 와이어와는 달리 직진성이 요구되지 않아서 피복이 필요 없기 때문에 용접 금속만으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 아크로 동일한 열량이 발생하였을 때, 파우더를 와이어와 함께 공급하는 것이 와이어만 공급하는 경우보다, 와이어의 피복의 용융시키는데 필요한 열량으로 파우더를 더 녹이는 사용될 수 있어서, 용융 금속에서 슬래그 혼입등의 불량을 개선시킬 수 있다.
또한, 파우더(P)는 아크로부터 일부 벗어나서 용융 금속에 떨어지더라도, 다음번 아크가 이동되면서 용융시키는 것이 가능하다. 즉, 전극 와이어(W)의 전진 이동시 파우더(P)가 공급되었으나 일부가 용융 금속으로 떨어져 용융되지 않더라도 용접에 악영향을 주지 않으므로, 전극 와이어(W)의 후퇴 이동시 용융되지 않은 파우더(P)가 전극 와이어(W)의 이동 시 발생되는 아크에 의해서 용융될 수 있다.
도 4 에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 4 에서 보이듯이, 본 발명의 가스 아크 용접 장치(200)는 상기 도 2 의 실시예와 동일하게 선단에 전극 와이어(W)가 장착되는 전극 와이어용 토치(210), 전극 와이어용 토치(210)와 함께 이동 가능한 파우더 공급관(220)을 포함하며, 전극 와이어(W)에 의해서 아크를 발생시키고, 이 아크 열로 전극 와이어용 토치(210)의 전극 와이어(W) 및 파우더 공급관(220)의 파우더(P)를 용융시켜 용접이 이루어지는 방식이다.
피용접재(230)의 전면에는 보호가스 생성부(262)에서 생성된 보호가스로 공급하는 보호가스 공급부(260)와 수냉식 동담금(240)을, 배면에는 고정식 백킹재(250)를 설치하고, 공급되는 전극 와이어(W)와 피용접재(230) 사이에 발생하는 아크를 통하여, 전극 와이어(W) 및 파우더(P)를 용융시켜, 용융 금속(232)을 형성하고 일정량의 용융 금속이 형성되면 전극 와이어용 토치(210) 및 파우더 공급관(220)을 탑재하며, 상하 방향으로 이동 가능하게 고정된 용접 캐리지 본체(280)의 구동수단(미도시)를 통하여 전극 와이어용 토치(210)를 오실레이션 및 용접 캐리지 본체(280)를 상방으로 이동시켜서 용접시키는 용접 방식이다.
용접 캐리지 본체(280)를 통하여, 전극 와이어용 토치(210)로 전극 와이어(W)가 와이어 공급수단(292)으로부터 공급되며, 전원부(291)로부터 전원이 전극 와이어(W)로 공급된다.
또한, 용접 캐리지 본체(280)에는 파우더를 보관하는 호퍼(281)가 장착되며, 호퍼(281)의 파우더 유출부에는 유량 조절 밸브(282)가 장착되어, 호퍼(281)에서 파우더 공급관(220)으로 공급되는 파우더양을 조절한다. 또한, 이 실시예에서, 파우더 공급관(220)은 보호가스 생성부(262)에 연결되며, 파우더 공급관(220)에서는 파우더(P)를 보호가스와 함께 공급한다.
파우더 공급관(220)에는 보호가스 및 파우더(P)의 유량을 조절하는 가스 조절 밸브(283)를 포함한다. 파우더 공급관(220)에서 보호가스와 파우더(P)는 혼합부(285)에서 혼합되는데, 파우더(P)의 자중에 의해서 유입관(287)로 유입되는 파우더를 보호가스로 분사시키는 것도 가능하나, 베르누이 관(285)을 사용하여 부압을 걸어 호퍼(281)의 파우더를 빨아들이는 것도 가능하다.
도 5 에는 도 4 의 실시예의 확대도가 도시되어 있다.
도 5 에서 보이듯이, 상기 도 2 의 실시예와 유사하게 이 실시예에서 파우더 공급관(220)은 중력 방향에 대하여 소정의 각(β)을 가지며, 전극 와이어용 토치(210)는 중력 방향에 대하여 다른 소정의 각(α)을 가지며, 상기 파우더 공급관(220)과 중력 방향이 이루는 각(β)이 전극 와이어용 토치(210)와 중력 방향이 이루는 각(α)보다 크게 형성된다.
이 실시예에서는 파우더(P)는 보호가스와 함께 공급되기 때문에 자중과 함께 가스의 속도를 가지고 아크(A)로 공급되므로, 파우더 공급관(220)이 경사져 배치되더라도 파우더(P)를 아크(A)로 공급하는 것이 가능하다.
이 실시예에서도 파우더 공급관(220)는 용접부 측에 배치되는 금속관(221), 금속관(221) 및 혼합부(285)에 연결되는 플렉서블관(222), 및 금속관(221)과 플렉서블관(222)을 연결하는 연결관(224)을 포함한다.
또한, 파우더 공급관(220)은 가이드 부재(218)를 통하여 전극 와이어용 토치(210)에 연결되며, 가이드 부재(218)에는 가이드 홈(218)과 가이드 홈(218)을 따라서 이동가능하며 파우더 공급관(220)과 전극 와이어용 토치(210)을 고정하는 고정부(215, 223)를 구비한다. 고정구(215, 223)는 체결수단(미도시), 예를 들면, 볼트로 가이드 홈(218)에서 한 위치에 고정될 수 있으며, 체결수단이 풀림으로써 다른 가이드 홈(218)을 따라서 다른 위치로 이동될 수 있다.
이와 같이 도 4 및 5 의 실시예에서 본 발명의 파우더 공급관(220)은 전극 와이어용 토치(210)에 대하여 거리 및 각도를 조정가능하도록 구성된다.
또한, 이 실시예에서 파우더 공급관(220)은 보호가스로 함께 분사되므로, 파우더의 공급 뿐만 아니라 아크(A) 및 용융 금속(232)을 보호가스로 보호하는 것이 가능하며, 이는 일렉트로 가스 아크 용접과 같이 고정된 보호가스 공급부(260)를 가지는 경우에 보호가스 공급부(260)으로부터 멀리서 아크(A) 및 용융 금속(232)가 형성되는 경우에도 확실한 보호를 가능하게 한다.
파우더 공급관(220)과 전극 와이어용 토치(210)는 전극 와이어(W)의 연장선과 파우더 공급관(220)의 중심선의 연장선이 아크 형성 위치에서 만나도록 구성되는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5 의 실시예에서는 파우더 공급관(220)과 전극 와이어용 토치(210)의 거리 및 각도를 조절하는 수단으로 가이드 부재(218)의 가이드 홈(219)를 제시하고 있으나, 이외의 다른 대체 수단이 가능함은 물론이다.
또한, 도 4 및 도 5 의 실시예에서도 도 3 의 바이브레이션 수단이 구현될 수 있음은 물론이다.
100, 200: 가스 아크 용접 장치 110, 210: 전극 와이어용 토치
115, 215: 고정부 118: 연결부재
120, 220: 파우더 공급관 121, 221: 금속관
122, 222: 플렉서블관 123, 223: 고정부
124, 224: 연결관 125: 구속부재
126: 구동수단 129: 링크
130, 230: 피용접재 132, 232: 용융 금속
140, 240: 동담금 150, 250: 백킹재
160, 260: 보호가스 공급부 180, 280: 용접 캐리지 본체
181, 281: 호퍼 182, 282: 유량 조절 밸브
285: 혼합부 287: 유입관
190, 290: 제어부 W: 전극 와이어
P: 파우더

Claims (8)

  1. 선단에 전극 와이어가 장착되는 전극 와이어용 토치; 및
    상기 전극 와이어에 의해 발생되는 아크에 의해 용융되도록 파우더를 공급하여, 입열량을 감소시키는 파우더 공급수단;을 포함하는
    가스 아크 용접 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크로 상기 파우더를 공급하도록 상기 파우더 공급수단이 배치되며, 상기 파우더는 파우더의 자중에 의해서 혹은 가스로 가압되어 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 아크 용접 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 파우더 공급수단은 상기 전극 와이어용 토치보다 용접부에 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 아크 용접 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 파우더 공급수단은 금속관과 플렉서블관을 포함하여 구성되며,
    상기 파우더 공급수단을 흔들어주는 진동수단을 포함하며,
    상기 파우더 공급수단이 상기 전극 와이어용 토치와 함께 움직이면서 흔들릴 수 있도록, 상기 파우더 공급수단의 금속관, 상기 전극 와이어용 토치, 상기 진동수단은 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 아크 용접 장치.는 것을 특징으로 하는 가스 아크 용접 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 파우더는 용접 금속으로 형성되며,
    상기 파우더 공급관에 연결되는 파우더 공급용 호퍼 및
    상기 호퍼의 파우더 토출부에서 파우더의 공급량을 조절하는 공급량 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 아크 용접 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 파우더는 가스로 가압되어 공급되며, 상기 가스는 용접부에 보호가스를 제공하는 보호가스 생성부로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 아크 용접 장치.
  7. 전극 와이어를 공급하며, 전극 와이어에 의해 발생된 아크로 전극 와이어를 용융하여 용접시키는 가스 아크 용접 방법으로서,
    상기 전극 와이어의 공급과 동시에 상기 전극 와이어에 의해 발생된 아크로 파우더를 공급하는 가스 아크 용접 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    파우더를 공급할 때, 보호가스로 상기 파우더를 공급하는 것을 특징으로 하는 가스 아크 용접 방법.
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