KR20130023343A - 열가소성 재료로 제조된 파이프들을 맞대기 용접하는 방법 및 장치 - Google Patents

열가소성 재료로 제조된 파이프들을 맞대기 용접하는 방법 및 장치 Download PDF

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KR20130023343A
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welding
pipes
plastic pipes
pipe
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KR1020137001079A
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외르크 베르멜링거
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게오르그 피셔 로라이퉁스지스테메 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본원은 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상기 파이프들 (1) 은, 클램핑 고정구들 (2) 에 의해 서로에 대하여 동축 위치에 유지되고, 상기 클램핑 고정구들 (2) 사이로 가져올 수 있는 트리머 (3) 에 의해 트림되며, 상기 트리머 (3) 대신에 장착될 수 있는 가열된 공구들 (6) 에 의해 가열되고, 용접될 자유 파이프 단부들 (8) 의 가열은, 가압을 실시할 때 비드를 형성하는 용융 영역의 생성에 영향을 주며, 상기 파이프들 (1) 의 파이프 돌출부 (5) 는 한정된 크기로 트리밍된다.

Description

열가소성 재료로 제조된 파이프들을 맞대기 용접하는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR THE BUTT-WELDING OF PIPES MADE OF THERMOPLASTIC MATERIAL}
본원은 맞대기 용접 공정 (butt-welding process) 에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들을 용접하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상기 파이프들은, 클램핑 고정구들에 의해 서로에 대하여 동축 위치에 유지되고, 상기 클램핑 고정구들 사이로 가져올 수 있는 트리머 (trimmer) 에 의해 트림되며, 상기 트리머대신에 장착될 수 있는 가열된 공구들에 의해 가열되고, 용접될 자유 파이프 단부들의 가열은, 가압을 실시할 때 비드를 형성하는 용융 영역의 생성에 영향을 준다.
2 개의 플라스틱 파이프들의 맞대기 용접에 대한 공지된 방법에서는, 지금까지 항상 수동 또는 자동 기계에 의해 실시되든 실질적으로 동일한 방식으로 처리되었다. 플라스틱 파이프들은 이 플라스틱 파이프들에 제공된 클램핑 고정구들내에 클램핑되고, 반대편의 파이프 단부들은 클램핑 고정구들로부터 돌출하고, 2 개의 파이프 단부들 사이에 위치되고 또한 회전 트리머의 방향으로 클램핑 고정구들을 함께 이동시키는 트리머에 의한 절단에 의해 모든 손상 및 오염 (soiling) 이 제거된다. 또한, 파이프 단부들의 단부면들이 파이프의 축선에 직각이고 또한 다른 파이프 단부의 맞은편 단부면에 평행해지는 효과를 얻게 된다. 그 후에, 파이프 단부들은 이격되고 트리머가 제거되며, 그 후 파이프들 사이에 가열된 공구가 오며, 그러면 클램핑 고정구들은 파이프 단부들의 단부면들을 가열된 공구와 접촉시키도록 다시 함께 이동된다. 파이프 단부들은 미리 정해진 일정한 압력하에서 가열된 공구와 접촉하게 되고, 상기 압력은 재료, 파이프 직경 및 벽 두께에 따른다. 통상적으로 유압 유닛에 의해 생성되는 압력은, 미리 정해진 치수에 대응하는 비드가 파이프 단부들의 원주에 생성될 때까지 가열된 공구 또는 2 개의 파이프 단부들에 가해진다. 후속의 가열 단계에서, 플라스틱 파이프의 접합 구역에서 용접하는데 필요한 온도 프로파일을 얻기 위해 압력은 한정된 시간에 걸쳐 저감 및 유지된다. 그 후, 클램핑 고정구들은 다시 멀어지도록 밀려지고, 가열된 공구가 제거되며, 그 후에 파이프 단부들은 미리 정해진 압력하에서 또한 정해진 기간동안 함께 가압되며, 그리하여 파이프 단부들의 필요한 삽입 (penetration) 이 실시되어 이 파이프 단부들의 용접이 보장된다. 플라스틱 파이프들의 이러한 종류의 용접 연결부의 형성으로, 비드는 그 크기가 최적화되지 못하고 또한 대형으로 되는 경향이 있으며, 이는 파이프내의 유동에 악영향을 주고 또한 긴 공정 시간을 필요로 한다.
DE 198 27 146 A1 에는 플라스틱 파이프들의 맞대기 용접 방법이 기재되어 있고, 클램핑 고정구들은 제어기가 할당된 전동기에 의해 구동된다. 2 개의 파이프 단부들이 가열된 공구와 접촉하는 위치에서 시작하여, 클램핑 고정구들은, 제어기에 저장된 미리 정해진 시간-변위 곡선에 따라서 이동하고, 단부들을 가열된 공구와 접촉시키는데 필요한 변위가 할당되며, 그 후 가열 단계 동안 중지된다. 가열된 공구를 제거한 후에, 클램핑 고정구들은, 2 개의 파이프 단부들이 접합 공정의 초기에 서로 접촉하게 되는 위치에서 시작하여, 제 2 미리 정해진 시간-변위 곡선에 따라서 접합에 필요한 특정 변위를 받게 되고, 그리고 그 후에 냉각 단계 동안 중지된다.
이러한 방안의 단점은, 상기 방법이 각각의 직경 및 각각의 재료에 대하여 대응하는 시간-변위 곡선이 저장되는 복잡한 제어기를 필요로 한다는 것이다. 게다가, 상기 장치는 용접 작업 동안 2 번 결정되어야 하는 파이프 단부들의 위치를 결정하는 측정기 (feelers) 또는 센서를 필요로 한다.
본원의 목적은, 안전한 상태를 유지하면서 파이프 단부들을 최소한의 비드 형성으로 용접할 수 있고, 또한 에너지 및 시간 소모를 최소화할 수 있으며, 게다가 저렴하고 간단한 제어기로 관리할 수 있는 방법 및 관련 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본원에 따라서, 파이프들의 파이프 돌출부를 한정된 크기로 트리밍함으로써 달성되고; 즉 파이프 돌출부들은 용접 작업마다 동일한 길이로 준비되고, 이는 변위 제한기로서 사용되는 기계식 정지부에 의해 또는 제어기에 연결되어 원하는 위치에 정확하게 갈 수 있도록 하는 내장식 (built-in) 변위 측정 시스템에 의해 달성된다. 한정된 크기로 트리밍이 실시되고 또한 가열된 공구의 온도 또는 가열 시간이 주변 온도에 대응하는 파이프의 온도에 일치하도록 형성된다는 것은, 가열 단계와는 별도로 한정된 기간에 걸쳐 실행되는 별도의 가열된 공구 접촉 단계에 대한 어떠한 필요성이 전혀 없다는 것을 의미한다. 현재까지, 미리 정해진 기간 동안 파이프 돌출부들상에 한정된 압력을 가하는 가열된 공구 접촉 단계는 요건에 부합하는 원하는 비드를 얻는데 사용되었다. 이러한 비드의 크기는 접합 구역에서의 온도를 추측하는데 사용될 수 있고, 그 결과 양호한 용접성을 보장해주지만, 파이프내의 유동에 손상을 주는 이러한 대형 비드가 형성되며, 이는 본원에 기재된 새로운 방법에 의해 저감될 수 있다. 하지만, 파이프 돌출부들과 가열된 공구의 접촉은 양호한 열전달을 위한 전제조건이기 때문에, 이러한 파이프 돌출부는 가열 정지부에 비하여 최대 0.5 ㎜ 의 길이 공차 (length allowance) 를 가지며, 이는, 파이프 온도 또는 주변 온도에 대한 가열 단계의 지속기간의 적합화 또는 가열된 공구의 온도 적합화가 별도의 가열된 공구 접촉 단계를 더이상 필요로 하지 않는다는 것을 의미하기 때문에, 가열 단계에 통합된 가열된 공구를 접촉시키는 최소한의 조절을 제공한다. 따라서, 본원에 기재된 새로운 방법에서, 가열된 공구를 접촉시키는 조절은 DVS (German Welding Society) 에 의해 제안된 종래의 방법과 동일한 기능을 더이상 갖지 않는다.
본원에 기재된 새로운 방법에 있어서, 가열된 공구 온도는 주변 온도에 대응하는 파이프 온도에 적합화된다. 주변 온도는, 예를 들어 센서의 도움으로 결정되고, 또한 제어기내에서 가열된 공구 온도가 할당된 기준 값과 비교된다. 기준값과 측정값의 차이는 가열된 공구 온도에 더해지거나 또는 표준 값의 가열된 공구 온도로부터 차감된다. 낮은 주변 온도의 경우에, 대응하여 더 높은 가열된 공구 온도가 필요하고, 또한 그 반대이기도 하다.
주변 온도에 용접 공정을 적합화하는 다른 가능성으로는, 가열 단계의 시간을 대응하여 연장시키거나 단축시켜, 그리하여 낮은 주변 온도 또는 파이프 온도일 때, 가열 단계를 충분히 연장시키는 것이다. 주변 온도를 결정하는 대신에, 또한 파이프상에서 바로 이 파이프 온도를 측정하는 것도 상정가능하다.
접합 단계에서, 기계식 정지부 또는 변위 측정 시스템에 의해 접합 변위를 제한하는 가능성도 있고; 본원에 기재된 새로운 방법에 있어서, 또한 물론 압력-조절식으로 접합을 실시하는 대안도 있다. 본원에 기재된 새로운 방법은, 가능한 한 소형 비드를 얻고, 적은 에너지를 소모하며 또한 용접 시간을 단축함으로써 구별된다. 이는, 본원에 기재된 새로운 방법이 가능한 한 용이하게 실시될 수 있고, 즉 본원에 기재된 새로운 방법이 어떠한 압력 센서 및 변위 측정 시스템 없이 실시될 수 있고, 또한 전체적으로 상기 적용을 추가함으로써 이를 확장하도록 상정가능하고 실현가능하다.
본원은 대표적인 실시형태의 도면에 기초하여 이하 설명된다.
도 1 은 트리밍 전에, 본원에 기재된 새로운 방법에 의해 플라스틱 파이프들을 용접하는 장치의 개략도,
도 2 는 트리밍 중에, 본원에 기재된 새로운 방법에 의해 플라스틱 파이프들을 용접하는 장치의 개략도,
도 3 은 가열 전에, 본원에 기재된 새로운 방법에 의해 플라스틱 파이프들을 용접하는 장치의 개략도,
도 4 는 가열 중에, 본원에 기재된 새로운 방법에 의해 플라스틱 파이프들을 용접하는 장치의 개략도, 및
도 5 는 전체 용접 공정 동안, 접합 구역에서의 2 개의 시간-압력도 .
도 1 은 트리밍 전에, 클램핑 고정구들 (2) 에 클램핑된 파이프들 (1) 을 도시한다. 트리머 (3) 상에는 트리머 정지부 (4) 가 고정 장착되어 있고, 그럼으로써 파이프 돌출부들 (5) 의 길이가 크기대로 정확하게 트리밍될 수 있고; 또한 용접 작업시마다 동일한 비드가 생성됨을 보장해준다. 도 2 에서, 클램핑 고정구들 (2) 은, 트리머 정지부들 (4) 에 접할 때까지 트리머 (3) 쪽으로 이동되었고, 그럼으로써 파이프 돌출부의 정확한 길이가 한정된다. 다른 단계에서, 파이프들 (1) 이 클램핑된 클램핑 고정구들 (2) 은, 도 3 에 도시된 바와 같이, 트리머 (3) 를 가열된 공구 (6) 로 교체하기 위해서 멀어지도록 다시 이동된다. 가열된 공구 (6) 는 가열 정지부들 (7) 을 구비하고, 그럼으로써 필요하다면 가열된 공구와 접촉시키는 제어된 조정이 실시될 수 있다. 가열 정지부들 (7) 은, 파이프 돌출부 (5) 가 양측에서 가열된 공구 (6) 와 접촉됨을 보장하도록, 트리머 정지부들 (4) 과 비교하여, 최대 0.5 ㎜ 더 짧게 되도록 형성된다. 도 4 에서는, 파이프 돌출부들 (5) 이 가열 정지부들 (7) 보다 약간 더 길게 도시되어 있고, 그럼으로써 클램핑 고정구들 (2) 을 가열된 공구 (6) 에 접하여 함께 이동시킴으로써, 가열 공정으로 파이프 돌출부 (5) 의 길이가 가열 정지부들 (7) 의 길이로 줄어들거나 또는 용융되고 또한 클램핑 고정구들 (2) 이 가열 정지부들 (7) 에 접할 때까지, 파이프 돌출부 (5) 내에 압력을 유발한다.
도 5 에서는 플라스틱 파이프 용접 작업의 2 개의 시간-압력 곡선을 도시한다. 곡선 A 는, 트리밍 후에, DVS (German Welding Society) 에 의해 제안된 종래의 맞대기 용접식 연결 공정을 나타낸다. 제 1 단계로서, 가열된 공구 접촉 (10) 을 볼 수 있는데, 이 단계에 의해, 이미 트리밍되었지만 크기대로 트리밍되지 않은 돌출 파이프 단부들 (8) 은 원하는 온도로 되어 있는 가열된 공구 (6) 에 접하여 가압된다. 가열된 공구 접촉 작업 (10) 에서는 어떠한 가열된 공구 접촉압을 필요로 한다. 재료에 의존하는 가열된 공구 접촉압은, 가열된 공구 (6) 에 접하여 파이프 단부들 (8) 과 함께 가압함으로써 발생되어, 원하는 값이 얻어질 때까지 일정하게 유지되며, 비드의 크기를 시각적으로 점검하는 것을 포함한다. 후속 단계로서, 압력이 실질적으로 0 으로 감압되는 가열 작업 (11) 이 있다. 이 작업은 접합 구역에 용접에 필요한 열을 제공한다. 용융층의 필요한 두께를 형성하는 기간은 표 또는 경험 값으로부터 결정될 수 있다.
다른 단계로서, 전환 (12), 즉 파이프들 (1) 은 가열된 공구 (6) 을 제거하기 위해 떨어지도록 이동되고, 그 직후 이 파이프들 (1) 이 용접 위치로 이동하는 것이다. 파이프 단부들 (8) 은, 요건들을 충죽하는 원하는 접합 압력이 얻어질 때까지, 함께 이동한다. 이러한 방식으로 접합 단계 (13) 동안 접합 구역에 용융물 유동이 발생하도록 의도된다. 후속의 냉각 단계 (14a) 에서, 압력이 유지되고; 냉각 시간은 접합 구역의 폭, 도달된 용융점, 용접 시임에 존재하는 용융물 체적, 및 플라스틱의 열특성에 따른다. 접합 구역의 용융물이 고화되고 또한 플라스틱이 충분히 고체화되면, 냉각 작업이 종료된다.
곡선 B 는 본 발명의 시간-압력 프로파일을 도시하고; 파이프 돌출부들 (5) 이 정확한 크기로 트리밍되었고 또한 가열된 공구 (6) 의 온도 또는 가열 시간 (11) 이 주변 온도 및 그에 따른 파이프 온도에 적합화된다는 것은, 본원에 기재된 새로운 방법이 어떠한 가열된 공구 접촉 (10) 을 더이상 필요로 하지 않는다는 것을 의미한다. 주변 온도는 센서에 의해 검출되고, 예를 들어 가열된 공구 온도가 할당된 기준 값과 비교되고, 그 차이가 산출된다. 주변 온도 또는 파이프 온도 및 기준 값간의 온도차이는 그에 대응하여 가열된 공구 온도로부터 차감되거나 또는 가열된 공구 온도에 더해진다. 즉, 낮은 주변 또는 파이프 온도의 경우에, 용접시 손실된 온도를 보상하기 위해서, 대응하는 온도차이만큼 기준값에 가열된 공구 온도가 더해진다. 기준값 초과의 파이프 온도의 경우에, 그에 대응하여 온도 차이가 차감된다. 이러한 절차로 가열된 공구 접촉 단계 (10) 를 없앨 수 있다. 전술한 바와 같이, 가열 정지부 (7) 의 길이에 비하여 최대 0.5 ㎜ 의 파이프 돌출부의 공차에 의해, 곡선 B 에서 가열 단계 (11) 초기에 일시적으로 증가된 압력이 생성되고, 그럼으로써 파이프 돌출부들 (5) 이 가열된 공구 (6) 와 접촉하게 되며 또한 가장 가능하게는 열전달이 실시됨을 보장해준다. 최대 0.5 ㎜ 의 길이 공차만큼이 가압되거나 용융되고 또한 클램핑 고정구들이 가열 정지부들 (7) 에 접할 정도로 충분히 파이프 돌출부 (5) 내의 재료가 연화되자마자, 파이프 돌출부내의 압력이 저감되고; 그 후, 재료 상의 압력이 실질적으로 0 으로 저감된다. 곡선 B 의 가열 단계 (11) 는, 접합 구역에서 용접하는데 적합한 열의 상승 (take-up) 을 보장하도록 미리 정해진 기간에 대응한다. 이론적으로, 본원에 기재된 새로운 방법의 가열 단계 (11) 동안, 초기에 고압을 방지하는 것을 상정할 수 있지만, 파이프 돌출부들은 어떠한 공차없이 정확한 크기로 트리밍되어야 하고, 또한 파이프 단부들 (8) 이 가열된 공구 (6) 에 반드시 접하여 놓이지 않을 위험을 동반하며, 이는 가열된 공구 (6) 와 파이프 단부 (8) 사이의 좁은 공기 틈을 유발하고 또한 양호한 열전달을 방해한다. 상기 단계 (12) 에서, 전환이 실시되고; 파이프들 (1) 이 떨어지도록 이동된 후에, 가열된 공구 (6) 가 제거되며, 그러면 파이프들 (1) 은 접합 단계 (13) 에서 함께 이동된다. 이러한 작업은 변위-제어 방식 및 압력-제어 방식 둘 다로 진행될 수 있고; 게다가, 접합 단계 (13) 동안 조합된 변위-압력 제어를 상정할 수도 있다.
본원에 기재된 새로운 방법 (B) 에서 재료를 절감함으로써, 용접시 불필요한 대형 비드의 형성을 방지할 수 있으며, 냉각 단계 (14b) 를 그에 대응하여 단축시킬 수 있다. 도 5 에는, 냉각 단계 (14b) 동안 접합 구역에서의 재료가 수축하기 때문에, 접합 후의 압력 강하로부터 명백한 변위-제어식 접합 작업 (13) 이 도시되어 있다. 또한, 종래 기술로부터 공지되고 또한 냉각 단계 동안 압력을 일정하게 유지하는 압력 제어식 접합 작업도 상정가능하다. 냉각의 변형예 둘 다 제어기에 저장된 미리 정해진 기간 동안 실시된다. 냉각 작업을 관찰하기 위해서, 또한 냉각 단계 동안 접합 구역에서의 파이프 온도를 측정하는 것도 상정가능하고, 그럼으로써 클램핑 고정구들 (2) 로부터 파이프들 (1) 을 분리하기에 적합하게 온도가 강하될 때 형성된다. 짧은 시간 요건 및 절감된 에너지에도 불구하고, 새로운 용접 방법은, 기준 요건에 부합한 용접 작업을 제공하고 또한 최소한의 비드 형성으로 파이프를 통한 최적의 유동을 가능하게 한다.

Claims (9)

  1. 맞대기 용접 공정 (butt-welding process) 에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법으로서,
    상기 파이프들 (1) 은, 클램핑 고정구들 (2) 에 의해 서로에 대하여 동축 위치에 유지되고, 상기 클램핑 고정구들 (2) 사이로 가져올 수 있는 트리머 (trimmer; 3) 에 의해 트림되며, 상기 트리머 (3) 대신에 장착될 수 있는 가열된 공구들 (6) 에 의해 가열되고,
    용접될 자유 파이프 단부들 (8) 의 가열은, 가압을 실시할 때 비드를 형성하는 용융 영역의 생성에 영향을 주며,
    상기 파이프들 (1) 의 파이프 돌출부 (5) 는 한정된 크기로 트리밍되는, 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열된 공구를 접촉시키는 조절은 가열 단계 (11) 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    별도의 가열된 공구 접촉 단계 (10) 가 필요없는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    접합 단계 (13) 는 변위-제어식인 것을 특징으로 하는 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    접합 단계 (13) 는 압력-제어식인 것을 특징으로 하는 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열된 공구의 가열 온도는 주변 온도에 (주변 온도에 상대적으로) 자체적으로 대응하여 적합화되는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    가열 단계의 지속기간은 주변 온도에 따르는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 방법.
  8. 맞대기 용접 공정 (butt-welding process) 에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 장치로서,
    상기 파이프들 (1) 은, 클램핑 고정구들 (2) 에 의해 서로에 대하여 동축 위치에 유지되고, 상기 클램핑 고정구들 (2) 사이로 가져올 수 있는 트리머 (trimmer; 3) 에 의해 트림되며, 상기 트리머 (3) 대신에 장착될 수 있는 가열된 공구들 (6) 에 의해 가열되고,
    용접될 자유 파이프 단부들 (8) 의 가열은, 가압을 실시할 때 비드를 형성하는 용융 영역의 생성에 영향을 주며,
    상기 장치는 트리밍될 파이프 돌출부들 (5) 의 길이를 한정하도록 트리머 정지부 (4) 를 구비하는, 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 장치는 변위 측정 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 맞대기 용접 공정에 의해 열가소성 재료로 제조된 플라스틱 파이프들 (1) 을 용접하는 장치.
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