KR20150071584A - 서브머지드 아크 용접용 감시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서브머지드 용접 중 감지되는 용접 상태 정보를 이용하여 컨택트 팁의 정확한 교체 시기를 판단하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 용접기, 와이어, 와이어 송급 장치, 컨택트 팁을 포함하는 전극부로 구성되는 서브머지드 아크 용접의 용접 특성을 모니터링하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치에 있어서, 용접기의 전류를 감지하는 전류 센서; 용접기의 전압을 감지하는 전압 센서; 및 상기 전류 센서의 값과 상기 전압 센서의 값을 입력 받아 상기 컨택트 팁의 불량 여부를 판단하는 처리장치를 포함하여 구성되되, 상기 처리장치는 전류가 사전에 정의된 설정 전류보다 낮고, 동시에 전압이 상승하는 경우 컨택트 팁의 통전 불량으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

Description

서브머지드 아크 용접용 감시 장치{Monitoring apparatus for submerged arc welding}

본 발명은 서브머지드 아크 용접용 감시 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 서브머지드 아크 용접 중 발생하는 컨택트 팁 불량 작동을 감지하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치에 관한 것이다.

일명 '잠호용접'이라고도 불리는 서브머지드 아크 용접은 플럭스 속에서 자동적으로 공급되는 와이어 선단과 모재 사이에 아크를 발생시켜 연속적으로 행하는 용접으로서 대전류를 사용할 수 있 기때문에 타 용접법에 비하여 능률적인 용접으로 알려져 있다.

상기와 같은 서브머지드 용접은 예를 들면, 등록특허 제971329호에 개시된 바와 같이, 전원부와, 와이어송급장치, 토치와 플럭스용 호퍼 등을 장착한 캐리지 및 안내레일 등을 포함한 용접 장치를 이용하여 수행된다.

한편, 상기 서브머지드 용접 장치에서는 와이어와 접촉하는 컨택트 팁을 반드시 포함하고 있으며, 상기 컨택트 팁은 와이어에 전원을 공급하는 역할과 와이어를 가이드하는 2가지 역할을 수행한다.

상기 컨택트 팁은 원통형상을 기본으로 내부에 형성된 관통홀을 통하여 와이어가 삽입되어 이동한다.

이때 컨택트 팁의 관통홀과 와이어의 외면의 접촉에 의하여 전기가 공급되며, 상기한 바와 같이 와이어의 방향 역시 관통홀의 방향에 의하여 와이어의 진행 방향 용접부로 향하도록 안내된다.

상기 컨택트 팁은 지속적으로 와이어와 마찰하므로, 관통홀이 일부 마모되고, 또한 와이어는 와이어 송급장치에 의하여 표면에 홈이 발생되므로, 상기 홈 발생에 따른 금속성의 분말들이 와이어를 통하여 상기 관통홀에 유입되는 경우가 종종 발생하고, 상기 금속 분말에 의하여 컨택트 팁과 와이어 사이의 표면 저항의 변화 등으로 컨택트 팁의 일부면에서 아크가 발생하기도 하여 일정시간 사용 후에는 반드시 교체해야 한다.

상기와 같은 특성을 갖는 컨택트 팁(접촉 팁)을 재설계하여 교체가 편리한 구조를 갖는 컨택 팁의 구성이 등록실용신안 제450337호에 제안되었다. 상기 등록실용신안 제450337호는 소정 간격을 두고 설치되는 상,하부 가이드 부재를 구비한 서브머지드 아크 용접기의 헤드부 선단에 장착되어 상기 스트립형 소모성 전극을 지지하는 접촉 팁 구조로서, 일측이 상기 상부 가이드 부재에 회동가능하게 힌지연결되며 타측은 상기 상부 가이드 부재로부터 돌출되게 형성되는 상부 핑거부와, 상기 하부 가이드 부재에 연결부재를 통해 고정되며 상기 상부 핑거부에 대향되게 배치되는 하부 핑거부와, 상기 상부 핑거부의 일 단부에 체결되는 상부 접촉부재와, 상기 하부 핑거부의 일 단부에 체결되며 상기 상부 접촉부재와 대향되게 배치되는 하부 접촉부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그러나 교체나 사용이 편리한 구조를 갖는 컨택트 팁이라도 그 교체시기는 사용자에 의해서 결정된다. 사용자는 와이어 송급 장치 그리고 용접부의 품질 등을 종합적으로 고려하여 컨택트 팁의 교체 또는 계속 사용 여부를 결정하나, 상기의 방식은 사용자의 숙련도에 따라 교체 시기가 달라지며, 잘못된 판단에서는 갑자기 전체 공정이 중단되는 경우도 발생하여 용접 상태 정보를 이용하여 정확한 컨택트 팁의 교체 시기를 판단할 수 있는 새로운 방식의 감시 장치가 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 서브머지드 용접 중 감지되는 용접 상태 정보를 이용하여 컨택트 팁의 불량을 판단할 수 있는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 용접기, 와이어, 와이어 송급 장치, 컨택트 팁을 포함하는 전극부로 구성되는 서브머지드 아크 용접의 용접 특성을 모니터링하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치에 있어서, 용접기의 전류를 감지하는 전류 센서; 용접기의 전압을 감지하는 전압 센서; 및 상기 전류 센서의 값과 상기 전압 센서의 값을 입력 받아 상기 컨택트 팁의 불량 여부를 판단하는 처리장치를 포함하여 구성되되, 상기 처리장치는 전류가 사전에 정의된 설정 전류보다 낮고, 동시에 전압이 상승하는 경우 컨택트 팁의 통전 불량으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 처리장치는 통전 불량으로 판단된 경우 통전 불량의 지속 시간을 감지하여 사전에 정의된 제1제한시간 미만인 경우 1차 경보를 발생하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 처리장치는 통전 불량으로 판단된 경우 통전 불량의 지속 시간을 감지하여 지속 시간이 사전에 정의된 제1제한시간과 제2제한시간 사이인 경우에는 2차 경보를 발생하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 처리장치는 통전 불량으로 판단된 경우 통전 불량의 지속 시간을 감지하여 지속 시간이 사전에 정의된 제2제한시간 이상인 경우에는 용접을 중지시키는 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제1제한시간은 0.05초이고, 상기 제2제한시간은 0.1초인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 서브머지드 아크 용접용 감시 장치는 용접기의 용접 전류 및 용접 전압을 기초로 하여 감시하며, 전류가 설정치보다 현저히 낮아지고, 동시에 전압이 상승하는 경우 와이어와 컨택트 팁 관통홀의 통전 불량으로 일차 판단하고, 상기 통전 불량 시간이 일정 시간 이상인 경우 컨택트 팁의 불량으로 판단하는 것을 주 특징으로 하므로, 종래 사용자의 주관에 의하여 판단되는 컨택트 팁의 불량을 객관적으로 판단하는 방법을 제시한 효과가 있으며, 상기의 장치를 현장에 적용하는 경우 전체적으로 높은 용접 품질과 높은 생산성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 서브머지드 아크 용접용 감시 장치의 구성도이며,
도 2는 도 1에 적용되는 컨택트 팁의 단면도이며,
도 3은 컨택트 팁 막힘에 의한 용접기의 특성 그래프이며,
도 4는 컨택트 팁 내경에 발생한 국부 용융을 나타내는 사진이며,
도 5는 컨택트 팁 내경 확장에 의한 용접기의 특성 그래프이다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 서브머지드 아크 용접용 감시 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 모재(1), 와이어(2), 플럭스(3), 상기 와이어(2)와 모재(1)에 전력을 공급하는 용접기(5), 상기 와이어(2)를 송급하는 와이어 송급기(6), 상기 용접기(5)에서 공급되는 전원을 상기 와이어(2)로 공급하는 전극부(7), 상기 전극부(7) 내부에 결합하는 컨택트 팁(8)을 포함하여 구성되는 서브머지드 아크 용접 시스템에 적용되는 것으로, 용접기(5)의 전류를 감지하는 전류 센서(10), 상기 용접기(5)의 전압을 감지하는 전압 센서(20), 상기 와이어 송급기(6)의 와이어 송급 속도를 감지하는 송급 센서(30), 상기 전류 센서(10), 전압 센서(20) 및 송급 센서(30)을 값을 이용하여 컨택트 팁(8)의 교체여부를 판단하는 처리장치(90)를 포함하여 구성된다.

이때 상기 와이어 송급 속도를 감지하는 송급 센서(30)는 실제 구현 시에는 필요치 않으나, 사전 설정치를 산정하는 경우 필요하므로, 실제 구현 시, 송급 센서(30)의 구성이 삭제될 경우 처리장치(90)에서도 해당 신호를 수신하지 않는 것으로 구성한다.

먼저, 컨택트 팁(8)은 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 관통홀(9)이 형성되어 있으며, 상기 관통홀(9)에 와이어(2)가 삽입되는 구조이며, 상기 컨택트 팁(8)은 전극부(7)와 접촉하여 전원을 공급받아 상기 와이어(2)에 지속적으로 공급하는 역할을 한다.

상기 컨택트 팁(8)은 사용 중 다음과 같은 용접 불안 요인이 발생한다.

1) 컨택트 팁(8) 막힘에 의한 아크 불안정

와이어(2)는 와이어 송급기(6)에 의하여 컨택트 팁(8)으로 공급된다. 이때 와이어(2)의 지속적인 공급을 위하여 상기 와이어 송급기(6)는 와이어(2) 표면을 가압하여 홈을 형성한다. 상기 홈은 컨택트 팁(8)에 일부 장애에 의하여 높은 마찰이 있더라도 높은 가압력으로 와이어(2)를 공급하기 위한 것이다.

상기 와이어 송급기(6)는 상기 와이어(2)를 가압하여 홈을 형성하므로, 홈 형성 중에 일부 금속 분말이 발생하고, 상기 금속 분말이 와이어(2)를 통하여 상기 컨택트 팁(8)에 유입되어 컨택트 팁(8)의 관통홀(9)을 막는 형상이 발생한다.

따라서, 상기 현상에 의하여 와이어(2)의 송급 속도가 떨어져 아크가 불안정한 상태를 나타낸다.

이러한 현상은 도 3에 도시된 바와 같이 확인된다. 상기 도 3의 상단은 실제 용접 시 발생한 전류 그래프이고, 중간은 전압 그리고 마지막으로 하단은 송급 속도를 나타낸다.

먼저 컨택트 팁(8)의 막힘이 발생하는 경우 와이어(2)의 송급이 느려지면, 전류 자체도 줄어든다. 이때 용접기(5)는 정 전류 제어를 수행하므로, 전압을 높이는 제어를 수행하지만, 전압을 높여도 전류가 증가하지 않으므로, 결국에는 용접이 중단된다.

2) 컨택트 팁(9) 내경 축소에 따른 아크 불안정

컨택트 팁(8) 관통홀(9)의 내경이 상기 와이어(2)에 비하여 상대적으로 작은 경우에는 와이어(2) 표면에 도금된 구리층이 박리되어 관통홀(9)의 내경을 막아 역시 와이어(2) 송급을 저하시킨다.

상기 내경 축소의 특성은 상기 컨택트 팁(8) 막힘과 동일한 전류, 전압 및 송급 속도 특성을 나타낸다.

3) 컨택트 팁(8) 내경 확장에 의한 아크 불안정

또한, 상기 관통홀(9)의 내경이 와이어(2)에 비하여 상대적으로 큰 경우에는 와이어(2)와 관통홀(9)과의 접촉 면적의 감소로 대전류가 일부 면적에 흘러 국부 용융이 발생한다.

상기 국부 용융은 컨택트 팁(8) 관통홀(9)과 와이어(2)의 접촉 면적을 더욱더 축소 시켜 지속적인 용융을 발생시키는 요인이된다.

도 4에는 이러한 국부 용융의 사진이 도시된어 있다. 도 4의 좌측은 용융이 발생하지 않은 컨택트 팁(8)의 관통홀(9)의 사진이고, 우측은 국부 용융이 발생한 컨택트 팁(8)의 관통홀(9) 사진으로 표면에 국부 용융이 발생된 것을 확인할 수 있다.

상기 용융은 결국 와이어(2)의 송급을 저하시키는 요인이 된다.

도 5는 관통홀(9) 내경이 확대된 컨택트 팁(8)을 사용하였을 경우의 전류(상단), 전압(중간) 및 송급 속도(하단) 그래프이다.

이때 녹색 부분이 교류의 실효치를 나타내는 것으로, 갑자기 전류가 감소되는 부분이 발생하고, 이때 용접기(5)는 정전류를 유지하기 위하여 전압을 급격히 상승시킨다.

상기의 조건에서 용접기(5)는 아크 길이 증가로 판단하여 와이어(2) 송급 속도(역시 녹색)를 급격히 증가시킨 후, 스티킹(sticking) 방지를 위하여 송급 속도를 다시 감소시키는 제어를 수행한다.

상기와 같은 제어가 수행되는 경우에는 결국 융합 불량과 용입 부족이 발생하여 용접 품질이 급격히 감소하게 된다.

상기와 같은 컨택트 팁(8) 불량에 따른 아크의 변화를 살펴본 결과, 다음과 같이 전류, 전압 및 송급 속도의 변화를 모니터링 하는 경우 컨택트 팁(8) 불량 여부를 판단할 수 있으며, 상기 불량 여부의 판단은 처리장치(90)에 의하여 수행되며, 상기 처리장치(90)는 컴퓨터로 구성되며, 내부에는 전류 센서(10), 전압 센서(20) 및 송급 센서(30)를 통하여 감지되는 각 값들이 연속하여 저장 및 관리된다.

상기 처리장치(90)는 먼저, 전류 센서(10)에 의해 모니터링 되는 전류가 기 설정된 설정 전류보다 현저히 낮아지고, 전압 센서(20)에서 감지되는 전압이 증가하는 현상이 나타나면 컨택트 팁(8) 내면과 와이어(2) 표면의 통전 불안정으로 1차 판단한다.

상기 설정 전류는 용접기(5)에 따라 달리 나타나므로, 사전에 다양한 시험을 통하여 설정 전류의 값을 산정한다.

그리고 상기 처리장치(90)는 통전 불안정으로 판단된 경우, 상기 통전 불안정의 지속 시간을 감시한다.

이때 상기 처리장치(90)는 상기 통전 불안정 시간이 제1제한시간 이내인 경우에는 1차경보를 발생하고, 통전 불안정 시간이 제1제한시간과 제2제한시간 사이인 경우에는 2차 경보를 그리고 마지막으로 통전 불안정 시간이 제2제한시간을 초과하는 경우에는 전체 용접을 중지시키는 제어를 수행하도록 구성할 수 있다.

이때 상기 제1제한시간은 제2제한시간보다 짧게 설정하며, 상기 제1제한시간 및 제2제한시간은 용접기(5) 특성과 작업의 특성, 용접 속도 등을 고려하여 선정한다.

또한 필요한 경우 상기 제한시간은 3개 이상으로 구분하여 설정할 수 있으며, 상기 제한시간의 수에 따라 경보의 수도 달리 구현할 수 있다.

바람직하게는 상기 제1제한시간은 0.05초, 제2제한시간은 0.01초이며, 0.05초인 경우에는 용접의 풀질 저하 없이 진행될 수 있으며, 0.01초를 초과하여 통전 불안정이 지속되는 경우에는 용접의 품질이 급격히 나빠진다.

또한 상기 처리장치(90)는 별도의 경보기(91)를 포함하여 구성되며, 필요한 경우에는 용접기(5)를 제어하는 제어장치와 연동하여 용접의 중지를 지시할 수 있도록 구성할 수도 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

1: 모재 2: 와이어
3: 플럭스 5: 용접기
6: 와이어 송급기 7: 전극부
8: 컨택트 팁 10: 전류 센서
20: 전압 센서 30: 송급 센서
90: 처리장치 91: 경보기
100: 감시 장치

Claims (5)

1. 용접기, 와이어, 와이어 송급 장치, 컨택트 팁을 포함하는 전극부로 구성되는 서브머지드 아크 용접의 용접 특성을 모니터링하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치에 있어서,
   용접기의 전류를 감지하는 전류 센서;
   용접기의 전압을 감지하는 전압 센서; 및
   상기 전류 센서의 값과 상기 전압 센서의 값을 입력 받아 상기 컨택트 팁의 불량 여부를 판단하는 처리장치를 포함하여 구성되되,
   상기 처리장치는 전류가 사전에 정의된 설정 전류보다 낮고, 동시에 전압이 상승하는 경우 컨택트 팁의 통전 불량으로 판단하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 처리장치는 통전 불량으로 판단된 경우 통전 불량의 지속 시간을 감지하여 사전에 정의된 제1제한시간 미만인 경우 1차 경보를 발생하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 처리장치는 통전 불량으로 판단된 경우 통전 불량의 지속 시간을 감지하여 지속 시간이 사전에 정의된 제1제한시간과 제2제한시간 사이인 경우에는 2차 경보를 발생하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 처리장치는 통전 불량으로 판단된 경우 통전 불량의 지속 시간을 감지하여 지속 시간이 사전에 정의된 제2제한시간 이상인 경우에는 용접을 중지시키는 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1제한시간은 0.05초이고, 상기 제2제한시간은 0.1초인 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 감시 장치.
   

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