KR20180120882A - 루트패스 백비드 용접 시 갭 센싱을 통한 송급속도 조절 장치 및 방법 - Google Patents

루트패스 백비드 용접 시 갭 센싱을 통한 송급속도 조절 장치 및 방법 Download PDF

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루트패스 백비드 용접 시 갭 센싱을 통한 송급속도 조절 장치가 개시되어 있다.
이 개시된 송급속도 조절 장치는 전극을 포함하는 용접 토치, 모재와 전극에 전원을 공급하는 용접기와; 용접 토치에 용가재를 공급하는 송급장치와; 용접 진행방향을 기준으로 용접 토치의 전방에 위치하는 갭(gap) 센서와; 갭 센서에서 센싱한 갭과 입력된 수식에 따라 용착 단면적 및 송급 속도를 계산하는 연산장치를 포함하며, 갭 센서, 연산장치 및 송급장치를 연동 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

루트패스 백비드 용접 시 갭 센싱을 통한 송급속도 조절 장치 및 방법 {Apparatus and method for controlling speed of loading through gap sensing in case root pass back bead welding}
본 발명은 용접기의 송급속도 조절 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 슈터 TIG를 이용한 맞대기 용접의 루트패스 백비드 용접시 일정하지 않은 갭 (gap)에서 갭을 센싱함에 따라 송급속도를 변경시켜줌으로써 동일한 비드 높이를 얻을 수 있는 갭 센싱을 통한 송급속도 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 루트패스(root pass) 백비드(back bead) 용접에서 갭이 일정하지 않은 경우 문제가 발생한다. 즉, 갭이 상대적으로 좁은 영역에서는 백비드 형성이 어렵고, 갭이 상대적으로 넓은 영역에서는 용락이 발생할 뿐만 아니라 비드높이가 일정하지 않은 문제점들이 발생한다. 그러므로 이 경우 용접사들이 수동으로 용접을 실시하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, Super TIG를 이용한 루트패스 백비드 용접시 갭을 센싱하여 그에 맞는 송급속도를 자동적으로 조절해주는 송급속도 조절 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 루트패스 백비드 용접 시 갭 센싱을 통한 송급속도 조절 장치에 있어서, 전극을 포함하는 용접 토치, 모재와 상기 전극에 전원을 공급하는 용접기와; 상기 용접 토치에 용가재를 공급하는 송급장치와; 용접 진행방향을 기준으로 상기 용접 토치의 전방에 위치하는 갭(gap) 센서와; 상기 갭 센서에서 센싱한 갭과 입력된 수식에 따라 용착 단면적 및 송급 속도를 계산하는 연산장치를 포함하며, 상기 갭 센서, 상기 연산장치 및 상기 송급장치를 연동 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 갭 센서는 상기 용접 진행방향을 기준으로 상기 용접 토치 전반의 10cm 이하 거리에 위치할 수 있다. 상기 갭을 독취하는 주기는 0.1초 단위로 조절 가능하다.
상기 연산장치는, 하기의 수학식 1에 따라 용착 단면적을 계산할 수 있다.
<수학식 1>
Y = x2 * {x1 + x2 * tan(θ)} + 0.675 * (x1 + 2)* x3
여기서, x1은 갭(mm), x2는 비드 높이, x3는 백비드 높이, θ는 그루브 각도이고, Y는 용착 면적(deposition area) (mm2) 이다.
또한 상기 연산장치는, 하기의 수학식 2에 따라 송급속도를 계산할 수 있다.
<수학식 2>
Z = Y * S / A
여기서, Z는 Feed rate (cpm)이고, Y는 Deposition area (mm2)이고, S는 Welding rate (cpm)이며, A는 Filler metal area (mm2)이다.
상기 송급장치를 통하여 공급되는 용가재는, C형 용가재일 수 있다.
또한 상기 갭 센서와 상기 연산장치와 상기 송급장치를 서로 연동시켜, 일정하지 않은 갭에 적응 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 송급속도 조절 장치 및 방법은 Super TIG를 이용한 루트패스 백비드 자동용접 시, 토치의 앞부분에 갭 센서를 구비하여, 실시간으로 갭을 센싱하고, 그에 맞는 용착단면적 및 송급속도를 도출함으로써 백비드가 형성되지 않는 현상 및 용락 등을 방지할 수 있다. 또한 gap에 따라 송급속도를 조절해 줌으로써 동일한 비드 높이와 백비드 높이를 가지는 높은 품질의 비드를 얻을 수 있으며, 또한 수동용접에 의존 할 필요가 없으므로, 인건비 절감의 효과가 있다.
도 1은 갭 변경 실험 조건을 보인 루트 갭의 개략도이다.
도 2는 용접 조건을 나타낸 표로서, 갭은 변수로서 1, 2, 2.6, 3, 3.5 [mm]로 설정한 예를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 5는 실험 결과에 따른 Front bead와 back bead 형상을 보인 도면으로, 도 3은 갭이 1mm와 2mm 인 경우이고, 도 4는 2.6mm와 3mm인 경우이고, 도 5는 3.5mm인 경우를 나타낸 것이다.
도 6은 C-Filler 형상에 따른 백비드 형성 가능 영역을 나타낸 것이다.
도 7은 갭 변동에 따른 동일한 비드 높이 도출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 갭 센싱에 따른 Feed rate 도출 알고리즘을 보인 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
본 발명은 Super TIG를 이용한 루트패스 백비드 용접시 갭을 센싱하여 그에 맞는 송급속도를 자동적으로 조절해주는 송급속도 조절 장치 및 방법에 관한 것으로, 최적인 송급속도를 설정하기 위하여, 갭 변경 실험을 수행하였다.
도 1은 갭 변경 실험 조건을 보인 루트 갭의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 루트 갭(root gap)은 높이(두께) 12.7mm, bevel 각도 30.0°로 하였다.
또한 용접 조건으로서, 도 2에 나타낸 바와 같이 베이스 금속으로 STS304, Filler metal로 STS316L C-Filler 'Cap' type를 채택하였다. 아울러 갭을 제외한 값 즉, Progressive Torch Angle, Welding speed, Feed rate, Deposition area 등은 고정값을 사용하였다. 갭은 1, 2, 2.6, 3, 3.5 [mm]로 가변하면서 실험하였다.
도 3 내지 도 5는 실험 결과에 따른 Front bead와 back bead 형상을 보인 도면으로, 도 3은 갭이 1mm와 2mm 인 경우이고, 도 4는 2.6mm와 3mm인 경우이고, 도 5는 3.5mm인 경우를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 1mm 갭 조건에서 백비드가 형성되지 않음을 알 수 있다. 반면 도 5에 도시된 바와 같이 3.5mm 갭 조건에서는 용락이 발생하였다.
도 6은 C-Filler 형상에 따른 백비드 형성 가능 영역을 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, Center single bridge는 갭이 1.0 내지 2.6mm가 백비드 형성 가능 영역이고, Side twin bridge는 2.0 내지 3.0mm가 백비드 형성 가능 영역 임을 알 수 있다.
도 7은 갭 변동에 따른 동일한 비드 높이 도출 방법을 설명하기 위한 도면이다. 만약 비드 높이를 3mm로 일정하게 형성하기 위해서는 갭에 따라 용착단면적(송급속도)가 바뀌어야 한다. 즉, 전류와 용접속도가 동일한 경우는 갭 센싱후 이를 기초로 수치 해석 후 송급속도를 조절함으로써 동일한 비드 높이를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 송급속도 조절 장치는, 루트패스 백비드 용접 시 갭 센싱을 통하여 수행하는 것으로, 용접기와, 송급장치와, 갭 센서 및 연산장치를 포함한다.
용접기는 전극을 포함하는 용접 토치를 포함하며, 모재와 상기 전극에 전원을 공급한다. 상기 송급장치는 용접 토치에 용가재를 공급하는 것으로, 상기 연산장치의 연산 결과를 기초로 그 속도가 조절 될 수 있다.
상기 갭 센서는 용접 진행방향을 기준으로 상기 용접 토치의 전방에 위치하며, 용접위치의 갭을 센싱한다. 이 갭 센서는 상기 용접 진행방향을 기준으로 상기 용접 토치 전반의 10cm 이하 거리에 위치할 수 있다. 상기 갭을 독취하는 주기는 0.1초 단위로 조절 가능하다.
연산장치는 갭 센서에서 센싱한 갭과 입력된 수식에 따라 용착 단면적 및 송급 속도를 계산하는 연산장치를 포함한다. 여기서, 상기 갭 센서, 상기 연산장치 및 상기 송급장치는 연동 제어된다.
상기 연산장치는, 수학식 1에 따라 용착 단면적을 계산할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, x1은 갭(mm), x2는 비드 높이, x3는 백비드 높이, θ는 그루브 각도이고, Y는 용착 면적(deposition area) (mm2) 이다. 또한 상기 연산장치는, 하기의 수학식 2에 따라 송급속도를 계산할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Z는 Feed rate (cpm)이고, Y는 Deposition area (mm2)이고, S는 Welding rate (cpm)이며, A는 Filler metal area (mm2)이다.
상기 송급장치를 통하여 공급되는 용가재는, C형 용가재일 수 있다. 또한 상기 갭 센서와 상기 연산장치와 상기 송급장치를 서로 연동시켜, 일정하지 않은 갭에 적응 제어할 수 있다.
도 8은 갭 센싱에 따른 Feed rate 도출 알고리즘을 보인 도면이다.
우선 용접 조건을 입력한다. 즉, 전류, 진행각, 갭 센싱 거리, 용접속도, 주파수, 백비드 높이 x3, 실드가스, 비드높이 x2, 갭 센싱 주기값을 입력한다. 이어서, 갭 센싱 완료 거리에 도달하였는지 여부를 판단하고, 도달한 경우는 알고리즘을 종료한다.
도달하지 않은 경우, 갭을 센싱하고 그 결과값을 연산장치[소프트웨어 (S/W)]에 전달한다. 이 때 연산장치는 상기한 수학식 1을 기초로 갭에 따른 용착단면적을 계산하고, 상기한 수학식 2를 기초로 용착단면적에 따른 송급속도를 도출한다. 이어서 도출된 송급속도를 송급장치로 전달 및 입력한다. 이와 같은 과정은 갭 센싱 완료거리에 도달할 때까지 반복 수행되면서 용접이 수행된다.
상기한 바와 같이 구성함으로써, 본 발명에 따른 송급속도 조절 장치 및 방법은 실시간으로 갭을 센싱하고, 그에 맞는 용착단면적 및 송급속도를 도출함으로써 백비드가 형성되지 않는 현상 및 용락 등을 방지할 수 있다. 또한 gap에 따라 송급속도를 조절해 줌으로써 동일한 비드 높이와 백비드 높이를 가지는 높은 품질의 비드를 얻을 수 있으며, 또한 수동용접에 의존 할 필요가 없으므로, 인건비 절감의 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 루트패스 백비드 용접 시 갭 센싱을 통한 송급속도 조절 장치에 있어서,
    전극을 포함하는 용접 토치, 모재와 상기 전극에 전원을 공급하는 용접기와;
    상기 용접 토치에 용가재를 공급하는 송급장치와;
    용접 진행방향을 기준으로 상기 용접 토치의 전방에 위치하는 갭(gap) 센서와;
    상기 갭 센서에서 센싱한 갭과 입력된 수식에 따라 용착 단면적 및 송급 속도를 계산하는 연산장치를 포함하며,
    상기 갭 센서, 상기 연산장치 및 상기 송급장치를 연동 제어하는 것을 특징으로 하는 송급속도 조절 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 갭 센서는 상기 용접 진행방향을 기준으로 상기 용접 토치 전반의 10cm 이하 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 송급속도 조절 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 갭을 독취하는 주기는 0.1초 단위로 조절 가능한 것을 특징으로 하는 송급속도 조절 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산장치는,
    하기의 수학식 1에 따라 용착 단면적을 계산하는 것을 특징으로 하는 송급속도 조절 장치.
    <수학식 1>
    Y = x2 * {x1 + x2 * tan(θ)} + 0.675 * (x1 + 2)* x3
    여기서, x1은 갭(mm), x2는 비드 높이, x3는 백비드 높이, θ는 그루브 각도이고, Y는 용착 면적(deposition area) (mm2) 이다.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연산장치는,
    하기의 수학식 2에 따라 송급속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 송급속도 조절 장치.
    <수학식 2>
    Z = Y * S / A
    여기서, Z는 Feed rate (cpm)이고, Y는 Deposition area (mm2)이고, S는 Welding rate (cpm)이며, A는 Filler metal area (mm2)이다.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송급장치를 통하여 공급되는 용가재는,
    C형 용가재인 것을 특징으로 하는 송급속도 조절 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 갭 센서와 상기 연산장치와 상기 송급장치를 서로 연동시켜, 일정하지 않은 갭에 적응 제어하는 것을 특징으로 하는 송급속도 조절 장치.
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