KR20130021565A

KR20130021565A - 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템

Info

Publication number: KR20130021565A
Application number: KR1020110083900A
Authority: KR
Inventors: 이광시; 문현철
Original assignee: 주식회사 영해엔지니어링
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-03-06
Also published as: KR101344343B1

Abstract

본 발명은 한 대의 전용기계를 이용하여 대형관 타입의 파이프(바람직하게는, 선박 엔진용 배기관)을 제작할 때 절단(cutting) 작업 및 용접(welding)을 순차적으로 수행할 수 있도록 하여 작업 공정 및 시간을 단축함은 물론 소음과 분진이 발생하는 가우징(gouging) 작업 공정을 삭제함으로써 작업환경을 깨끗하게 구현할 수 있는 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템을 제시한다.

Description

대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템{automatic welding system}

본 발명은 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한 대의 전용기계에서 절단 및 용접이 가능할 뿐만 아니라 대형관 타입의 파이프를 용접할 때 파이프의 내면 용접 작업, 외면 가우징 작업, 외면 용접 작업, 노즐부 마킹 작업, 노즐부 커딩 작업, 노즐부 개선 작업, 노즐부 용접 작업 등을 자동으로 처리함으로써 불량률을 최소화시킬 수 있는 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 용접은 금속재료를 가열, 가압 등의 조작으로 야금적으로 접합시키는 접합법이다. 용접은 금속학적으로 융접, 압접 및 납접으로 분류될 수 있다. 융접은 접합할 양 금속부재, 즉 모재의 접합부를 국부적으로 가열시켜 이들을 융합함으로써 접합시키는 방법이다. 압접은 접합부를 적당한 온도로 가열하여 이에 기계적 가압을 가하여 접합을 완성시키는 방법이다. 납접은 접합할 모재보다 용점이 훨씬 낮은 납재료를 접합부에 용융첨가하여 그 용융 납재료의 응고시에 있어서의 분자간의 인력을 이용하여 접합목적을 달성하는 방법이다.

금속재료를 접합하는 용접작업은 고난도의 작업으로써 숙련된 기술과 정밀성이 요구됨에 따라 숙련된 기술자에 의한 수작업으로 이루어졌으나 최근 3D 업종 기피현상에 따른 작업자의 부재와 인건비의 상승으로 인하여 용접 캐리지를 이용한 용접이 많은 부분에서 사용되고 있는 추세이다. 용접 캐리지에 의한 용접은 용접 캐리지가 모재를 이동하며 용접작업을 수행할 수 있도록 모재 위에 가이드 레일을 설치하고, 설치된 가이드 레일 위에 용접 캐리지가 안착되어 가이드 레일을 따라 이동하면서 용접작업을 수행한다.

한편, 일반적으로 제관작업은 철판을 밴딩롤로 원통형으로 성형하고 그 연결부를 용접하여 원통형을 만들게 된다.

현재 사용되는 파이프류의 자동용접장치는 용접하고자 하는 원통형을 그 중심축을 중심으로 화여 회전시키기 위한 회전장치에 올려놓고, 용접장치를 구동시켜 용접하고자 하는 원통형에 용접장치를 위치시킨다. 상기 용접장치의 수직암에 수직으로 연결된 수평암을 구동시켜 용접암을 용접하고자 하는 원통형의 내부에 위치시키면서 용접작업이 이루어진다.

즉, 종래에는 작업자가 용접장치를 이용하여 대형관 형태의 파이프를 제작하고자 할 때는 위에서 언급한 바와 같이 철판을 일정한 길이(또는 크기)로 절단한 다음에 철판의 양측 끝부분(용접면)을 일정한 각도로 깍아내는 개선(beveling) 작업을 수행한 후, 통상의 밴딩롤을 이용하여 원통형으로 성형하는 단관(rolling) 작업을 수행한다. 이후, 원통형으로 된 철판의 양단면(서로 접촉되는 면)의 안쪽부분을 용접하고 이어서 바깥쪽 부분을 가우징(gouging) 작업한 다음에 용접작업을 수행한다. 이어서 파이프 형태로 제작된 대형관의 일면에 노즐부를 용접하기 위하여 마킹하고, 상기 마킹된 부분을 커팅한 다음에 개선작업을 수행하고, 이어서 상기 노즐부를 용접작업 한다.

이와 같이 종래에는 대형관 형태의 파이프(바람직하게는, 대형관 형태의 압력용기 또는 선박 엔진용 배기관 등)을 제작하기 위해서는 1) 철판 절단 및 개선 작업 → 2) 철판 단관 작업 → 3) 단관 취부 작업 → 4) 단관의 안쪽면 용접 작업 → 5) 단관의 바깥쪽면 가우징 작업 → 6) 단관의 바깥쪽면 용접 작업 → 7) 노즐부 마킹 작업 → 8) 노즐부 절단 작업 → 9) 노즐부 개선 작업 → 10) 노즐부 용접 작업 순으로 이루어진다.

그러나, 상기한 바와 같이 종래에는 4), 5), 6), 7), 8), 9) 공정을 작업자가 일일이 수작업으로 진행하기 때문에 작업시간이 과다하게 소요되며, 특히 상기 가우징(gouging) 작업을 수행할 때 소음 및 분진이 많이 발생하기 때문에 작업환경을 오염시킬 뿐만 아니라 작업자의 인체에 피해를 끼치는 단점이 있었다.

또한, 종래에는 상기의 7), 8), 9) 공정을 수행하기 위하여 작업자가 미리 전개도를 작성해야만 하기 때문에 작업공정이 증가할 뿐만 아니라 절단 및 개선 작업에서 품질불량 발생률이 높은 문제점이 있었다.

[문헌 1] 공개특허공보 공개번호 제10-2010-0100720호(발명의 명칭: 파이프 내면 용접장치용 유닛을 이용한 파이프 내면 용접장치. 공개일자: 2010. 09. 15.) [문헌 2] 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0020699호(발명의 명칭: 파이프 용접 로봇 및 이를 이용한 파이프 용접 방법. 공개일자: 2011. 03. 03.) [문헌 3] 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0024060호(발명의 명칭: 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 방법 및 장치. 공개일자: 2004. 03. 20.) [문헌 4] 등록특허공보 등록번호 제10-0781886호(발명의 명칭: 파이프 궤도용접용 하이브리드 레이저 용접 시스템. 공개일자: 2005. 06. 29.) [문헌 5] 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0001821호(발명의 명칭: 파이프 원주 용접을 위한 플라즈마 자동용접장치. 공개일자: 2008. 01. 04.)

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대형관 타입의 파이프를 제작할 때 작업자가 일일이 수작업으로 진행하였던 용접 작업공정(위에서 언급한, 4) 단관의 안쪽면 용접 작업, 5) 단관의 바깥쪽면 가우징 작업, 6) 단관의 바깥쪽면 용접 작업, 7) 노즐부 마킹 작업, 8) 노즐부 절단 작업, 9) 노즐부 개선 작업)을 한 대의 전용기계에서 수행할 수 있도록 하는 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 대형관 타입의 파이프가 고정베드에 안착될 때 상기 파이프의 각축에 대한 치수에 맞도록 제어하는 복합 M/C와, 모터와 아이들 롤러 및 가이드 레일, 그리고 프레임으로 구성되고 상기 파이프를 길이방향과 폭방향으로 이동시키는 보조 구동부와, 상기 고정베드에 설치된 프레임과, 상기 프레임의 정면에 설치된 모터, 상기 모터의 구동력으로 회전하는 샤프트로 구성된 메인 구동부와, 상기 파이프의 두께가 두꺼울 때 사용하는 제1 토치부와, 상기 파이프의 두께가 얇을 때 사용하는 제2 토치부와, 탄소 아크 용접을 수행하는 제3 토치부와, 플럭스 코어드 아크 용접을 수행하는 제4 토치부와, 상기 제1,2,3,4, 토치부의 동작 시에 정확한 위치를 제어할 수 있도록 하는 용접선 추적기로 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 대형관 형태의 파이프를 제작할 때, 예를 들면 압력용기 또는 선박 엔진용 배기관 등을 제작할 때 절단 작업과 용접 작업을 한 대의 전용기계에서 순차적으로 진행함으로써 작업 공정 및 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 종래의 가우징 작업을 수행하지 않음으로써 소음 및 분진 현상을 방지하고 아울러 작업환경을 청결하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1과 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템의 구성을 보여주고 있는 도면.
도 3은 상기 도 1,2에서 도시하고 있는 멀티작업 토치부(14)의 기술적 구성을 보여주고 있는 도면.
도 4는 상기 도 3에서 도시하고 있는 멀티작업 토치부(14)의 동작상태를 보여주고 있는 도면.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

한편, 본 발명에서 사용되고 있는 '대형관 타입의 파이프'라는 용어는 철판을 절단, 단관, 용접 공정 등을 거쳐 제작된 파이프를 의미하고, 구체적으로는 대형관 형태의 압력용기 또는 선박 엔진용 배기관(gas receiver)을 의미한다.

본 발명에서는 한 대의 전용기계를 이용하여 대형관 타입의 파이프(바람직하게는, 선박 엔진용 배기관)을 제작할 때 절단(cutting) 작업 및 용접(welding) 작업을 순차적으로 수행할 수 있도록 하여 작업 공정 및 작업 시간을 단축함은 물론 소음과 분진이 발생하는 가우징(gouging) 작업 공정을 삭제함으로써 작업환경을 개선할 수 있는 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템을 구현하고자 한다.

이와 같은 특징을 가지는 본 발명의 자동 용접 시스템은 소프트웨어로 3D CAD와 CAM을 이용한 CNC를 적용하였으며, 절단 방식은 Gas Cutting과 플라즈마 Cutting을 겸용하여 적용하였고, 개선(bevel) 방식은 Cutting Touch Head가 회전 가능토록 설계하였다. 또한 용접 방식은 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Core Arc Welding: 이하 "FCAW"라 함)과 탄소 아크 용접(Carbon Arc Welding: 이하 "CAW"라 함)을 겸용으로 적용하여 파이프의 안쪽면(inside) 용접 작업 후 바깥쪽면 가우징(outside gouging) 작업이 불필요하도록 하였다. 그리고 용접 라인(Welding Line)은 3D CAD와 CAM에서 구현 가능한 용접선 추적장치를 적용하였고, 파이프 구동형태는 통상의 척킹(Chucking) 방식과 터닝 롤(Turning Roll) 방식을 병합하여 적용하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.

{실시 예 1}

도 1 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템의 기술적 구성을 보여주고 있는 도면이다. 본 발명의 자동화 용접 시스템은 메인 컨트롤박스(10), 복합 M/C(12), 멀티작업 토치부(14), 이송베드(16) 및 고정베드(18), 보조 구동부(20) 및 메인 구동부(30), 용접선 추적기(50), 제 1,2,3,4 토치부(52,54,56,58)로 구성된다.

상기 도 1과 도 2를 참조하면, 메인 컨트롤박스(10)는 전술한 각 구성요소들을 제어하며, 복합 M/C(12)는 대형관 타입의 파이프(100)가 고정베드(18)에 안착될 때 상기 파이프(100)의 각축에 대한 치수에 맞도록 각 구성요소(예를 들면, 멀티작업 토치부(14))를 길이방향(X) 축, 높이방향(Y) 축, 정면(Z) 축 방향)를 제어한다. 멀티작업 토치부(14)는 Gas Bevel, Plasma Bevel Cutting, FCAW, SAW 용접을 수행하며, 이러한 동작은 후술하는 도 3의 상세설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.

이송베드(16)는 상기 복합 M/C(12)를 구동모터와 기어를 이용하여 길이방향(X축 방향)으로 이동시키는 역할을 하며, 고정베드(18)는 대형관 타입의 파이프(100)을 안착시키는 역할을 한다. 이때 상기 고정베드(1)에는 복수의 보조 구동부(20)가 일정한 간격을 유지하면서 설치된다.

상기 보조 구동부(20)는 모터(22)와 아이들 롤러(24) 및 가이드 레일(26), 그리고 프레임(28)으로 구성되며, 대형관 타입의 파이프(100)를 길이방향과 폭방향(X축 방향, Y축 방향)으로 이동시킨다. 상기 가이드 레일(26)은 고정베드(18)의 상단부에 장착되고, 상기 가이드 레일(26)의 일측단에는 모터(22)가 설치된다. 상기 가이드 레일(26)의 상단부에는 프레임(28)이 설치되고, 상기 모터(22)의 구동력에 따라 프레임(28)은 가이드 레일(26)를 타고 좌/우 방향(도 1에서)으로 이동한다. 이때 상기 프레임(28)에는 아이들 롤러(24)가 설치되며, 대형관 타입의 파이프(100)가 장착된 상태에서 회전할 때 흔들림 없이 자유자재로 회전할 수 있도록 아이들(idle) 역할을 한다.

메인 구동부(30)는 고정베드(18)에 설치된 프레임(32)과, 상기 프레임(32)의 정면에 설치된 모터(34), 그리고 상기 모터(34)의 구동력으로 회전하는 샤프트(36)로 구성된다. 상기 샤프트(36)에는 대형관 타입의 파이프(100)가 장착된다. 이때 상기 메인 구동부(30)과 보조 구동부(20)는 파이프(100)의 절단, 용접 방향 및 속도 등을 제어한다. 여기서 상기 대형관 타입의 파이프(100)는 대형관 타입의 압력용기 또는 선박 엔진용 배기관으로서, 통상적으로 외격이 900~2200mm이고 길이는 5~18m이며 중량은 3~50ton 정도의 파이프를 말한다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 멀티작업 토치부(14)의 기술적 구성을 구체적으로 보여주고 있는 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 멀티작업 토치부(14)는 복합 M/C(12)의 제어에 따라 자유자재로 작동하며, 메인링크(38)로 상기 복합 M/C(12)와 연결된다. 상기 메인링크(38)의 일측단에는 제1 회전축(40)에 의해 보조링크(42)가 조립되며, 상기 보조링크(42)는 제1 회전축(40)을 중심으로 상/하 방향으로 회전운동을 한다. 상기 보조링크(42)의 일측단에는 제2 회전축(44)과 제3 회전축(46)이 서로 교차하면서 조립되며, 상기 제3 회전축(46)에는 십자 모양의 브라켓(48)이 설치된다. 이때 상기 브라켓(48)은 제2 회전축(44)을 중심으로 상/하 방향으로 회전운동을 하며, 상기 제3 회전축(46)을 중심으로는 360°방향으로 회전운동을 한다.

여기서, 전술한 보조링크(42)의 상단부에는 용접선 추적기(50)가 설치되는데, 상기 용접선 추적기(50)는 제1,2,3,4, 토치부(52,54,56,58)의 동작(구체적으로는, 절단 작업 또는 용접 작업) 시에 정확한 위치를 제어할 수 있도록 하는 장치이다. 즉, 상기 용접선 추적기(50)는 도 4에 도시한 바와 같이, 대형관 타입의 파이프(100)에 노즐부를 용접하기 위하여 구멍을 뚫을 때 제1,2 토치부(52,54)가 정확한 위치에 구멍을 뚫을 수 있도록 제어하고, 또한 제3,4 토치부(56,58)가 정확한 위치에 용접할 수 있도록 제어하는 역할을 한다.

한편, 상기 제1 토치부(52)는 대형관 타입의 파이프(100)의 두께가 두꺼울 때 사용하는 토치로서, 통상 가스 절단 토치를 적용한다. 상기 제2 토치부(54)는 파이프(100)의 두께가 얇을 때 사용하는 토치로서, 통상 플라즈마 절단 토치를 적용한다. 또한, 상기 제3 토치부(56)는 탄소 아크 용접(CAW) 장치를 적용하고, 상기 제4 토치부(58)는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW) 장치를 적용한다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 자동 용접 시스템을 이용하여 대형관 타입의 파이프(100)를, 구체적으로는 선박 엔진용 배기관을 제작하는 방법을 구체적으로 설명하고자 한다. 하기에서는 도 1과 도 4를 참조할 것이다.

상기 도 1과 도 4에 도시한 바와 같이, 복합 M/C(12)를 세팅(setting)하기 전에 대형관 타입의 파이프(100)의 경판과 단관(sheel)을 연결하여 가용접(tack welding)을 한다. 이후, 가용접된 파이프(100)를 도 1과 같이 고정베드(18)에 장착시킨 다음, 보조 구동부(20)와 메인 구동부(30)를 작동시켜 상기 파이프(100)의 사이즈에 맞도록 폭과 길이를 조정하여 안전하게 장착시킨 후, 상기 메인 구동부(30)의 샤트프(36)를 이용하여 파이프(100)를 클래핑(clamping)시킨다.

이후, 도 4와 같이 용접선 추적기(50)를 작동시키면서 제3 토치부(56)를 이용하여 CAW 용접방식으로 용접한다. 용접 완료된 파이프(100)를 절단 프로그램을 호출하여 노즐부가 부착될 위치를 마킹한 다음, 제1,2 토치부(52,54) 중에서 어느 하나를 선택하여 절단한 후, 그 자리에 노즐부를 용접한다. 끝으로, 클래핑을 해제한 다음에 대형관 타입의 파이프(100)를 이동시킨다.

10: 메인 컨트롤박스 12: 복합 M/C
14: 멀티작업 토치부 16: 이송베드
18: 고정베드 20: 보조 구동부
30: 메인 구동부 50: 용접선 추적기
52: 제1 토치부 54: 제2 토치부
56: 제3 토치부 58: 제4 토치부
100: 대형관 타입의 파이프

Claims

대형관 타입의 파이프(100)를 용접하는 장치에 있어서,
상기 파이프(100)가 고정베드(18)에 안착될 때, 상기 파이프(100)의 각축에 대한 치수에 맞도록 제어하는 복합 M/C(12)와;
모터(22), 아이들 롤러(24), 가이드 레일(26), 프레임(28)으로 구성되며, 상기 파이프(100)를 길이방향과 폭방향으로 이동시키는 보조 구동부(20)와;
상기 고정베드(18)에 설치된 프레임(32)과, 상기 프레임(32)의 정면에 설치된 모터(34), 상기 모터(34)의 구동력으로 회전하는 샤프트(36)로 구성된 메인 구동부(30)와;
상기 파이프(100)의 두께가 두꺼울 때 사용하는 제1 토치부(52)와, 상기 파이프(100)의 두께가 얇을 때 사용하는 제2 토치부(54)와, 탄소 아크 용접을 수행하는 제3 토치부(56)와, 플럭스 코어드 아크 용접을 수행하는 제4 토치부(58)와;
상기 제1,2,3,4, 토치부(52,54,56,58)의 동작 시에 정확한 위치를 제어할 수 있도록 하는 용접선 추적기(50)로 구성됨을 특징으로 하는 대형관 타입의 파이프 자동 용접 시스템.