KR20180122981A - 오버레이용접 자동화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오버레이용접 자동화장치에 관한 것이다. 이는, 지면에 대한 수직운동을 가이드하는 수직가이드부와, 상기 수직운동에 직교하는 수평운동을 가이드하는 수평가이드부를 구비한 매니퓰레이터와; 상기 메니퓰레이터에 지지된 상태로 수평 및 수직운동하는 이송프레임과; 상기 이송프레임에 설치되어 이송프레임과 함께 위치 조절되고, 용접대상물에 대한 오버레이용접을 수행하는 용접부와; 상기 매니퓰레이터로부터 이격 배치되고 용접대상물을 위치이동 가능하게 지지하는 용접대상물 포지셔너를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 파이프 오버레이용접 자동화장치는, 전용 매니퓰레이터를 이용해 다양한 사이즈의 파이프 및 평판의 오버레이 용접이 가능하고, LM기어와 DC모터를 이용한 안정적이고 균일한 제어가 가능하여 효율적이고 안정된 작업을 수행할 수 있으며, 국산화가 가능하므로 소모품의 수급이 용이하고 외산장비에 비해 가격경쟁력이 매우 우수하며 용접공법의 변경이 용이하다.

Description

오버레이용접 자동화장치{Overlay welding automation equipment}

본 출원은 대한민국 특허 출원 번호 제10-2016-0139495호의 분할출원이며, 본 발명은 용접장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대형 파이프의 내주면에 대한 오버레이 용접을 보다 효율적으로 구현할 수 있는 오버레이용접 자동화장치에 관한 것이다.

오버레이 용접(Overlay welding)은, 내마모성 내식성 내열성 등이 우수한 합금으로 이루어진 용접재료를, 모재의 표면에 균일하게 용착시킴으로서, 모재의 표면성질을 향상시키는 표면처리의 한 방법이다.

이러한 오버레이 용접은, 대략 1mm 내지 수 십mm의 두께를 갖는 용접층으로서, 내구성, 내식성, 내마모성, 내열성 등이 요구되는 산업기기의 고성능화를 위해 적용되는 공법으로서 아래와 같은 많은 장점을 갖는다.

이를테면, 내마모성, 내식성, 내열성을 갖는 합금의 용착을 통해 모재의 표면 성질을 향상시키고 모재의 표면보다 집합강도가 오히려 높은 표면을 얻을 수 있으며, 오버레이 하고자 하는 모재의 사이즈에 제한이 없다.

또한 슬래그 내의 불활성 가스 분위기에서 야금반응을 통해 용접이 이루어지므로 품질이 우수하고, 낮은 단가의 모재의 표면을 적은 비용으로 개선할 수 있으며, 오버레이 용접층의 손상시 손상부위만 다시 용접하여 복구 가능하고, 수요자 요구에 따른 물성을 지닌 특수 용접재료를 용착시킴으로써 복합화가 가능하다는 등의 다양한 장점을 갖는다.

하지만, 오버레이 용접은 용접공법을 통해 모재의 표면에 용접재료를 덧씌우는 것이기 때문에, 모재의 용융 및 혼합으로 인한 합금성분의 희석이 필연적으로 발생한다는 단점을 가지기도 한다. 이러한 희석에 의한 접합소재의 희석률은 용접공정 조건에 따라 최대 40%까지 편차가 발생한다고 알려져 있다.

또한, 최대의 내마모성을 얻기 위해서는 보통 오버레이층을 2층 내지 3층으로 형성해야 하며, 전극의 피복이 오버레이 층의 표면에 슬래그로 존재하므로 각 패스사이에서 제거하여야 하는 문제점이 있으며, 용접할 소재의 형상이 원통 또는 평판으로 제한된다는 것과 상대적으로 작은 표면을 용접하기에는 적합하지 못하고 비경제적이라는 단점이 있다. 가령 용접헤드부에 와이어를 이송하기 위한 베어링이 설치되어 있으므로 그 크기가 커서 소구경 파이프에는 오버레이 할 수 가 없다.

아울러, 넓은 면적을 오버레이 할 경우 예열이 필요하며, 과도한 예열을 하거나 용접시간이 길어지면 토치가 과열된다는 문제점이 있으며, 용접공정의 특성상 장시간 사용해야하는 부품이나 극심한 표면 손상을 받는 설비부품 적용 시 가혹한 사용 조건하에서 용접 주변 부품 및 시스템 간의 유기적인 작동이 필수적이어서, 공정제한의 요건이 많다.

한편, 국내의 오버레이용접과 관련한 기술력은 외국에 비해 높지 않아 고가의 외산장비를 수입하여 사용하고 있다. 오버레이 용접용 용접재료의 국산화 개발을 위한 국내 현실은 매우 어려우며, 대부분의 국내 용접회사들은 외국의 용접재료를 국내에 판매하는 수입상을 겸하고 있고, 그간 최고 품질만을 사용한 경험으로 요구 수준이 매우 높기 때문에, 국산 개발품의 보급과 기술개발의 속도는 매우 더디게 진행되고 있는 현실이다.

[관련문헌]

국내공개특허공보 제10-2016-0048460 (오버레이 용접장치)

국내등록특허공보 10-1614286(가변조인트를 이용한 외경가변관 오버레이 자동용접장치

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 전용 매니퓰레이터를 이용해 다양한 사이즈의 파이프 및 평판의 오버레이 용접을 수행할 수 있고, LM기어와 DC모터를 이용한 안정적이고 균일한 제어가 이루어져 효율적이고 안정된 작업을 할 수 있으며, 국산화가 가능하므로 소모품의 수급이 용이하고 외산장비에 비해 가격경쟁력이 매우 우수하며 용접공법의 변경이 용이한 오버레이용접 자동화장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오버레이용접 자동화장치는, 지면에 대한 수직운동을 가이드하는 수직가이드부와, 상기 수직운동에 직교하는 수평운동을 가이드하는 수평가이드부를 구비한 매니퓰레이터와; 상기 메니퓰레이터에 지지된 상태로 수평 및 수직운동하는 이송프레임과; 상기 이송프레임에 설치되어 이송프레임과 함께 위치 조절되고, 용접대상물에 대한 오버레이용접을 수행하는 용접부와; 상기 매니퓰레이터로부터 이격 배치되고 용접대상물을 위치이동 가능하게 지지하는 용접대상물 포지셔너를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용접대상물 포지셔너은; 지지력을 제공하는 베이스프레임과, 상기 베이스프레임에 설치되며 용접대상물을 받치는 다수의 롤러와, 상기 롤러에 지지되어 있는 용접대상물의 위치를 조절하는 위치조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 용접대상물은 파이프이며, 상기 위치조절부는; 상기 파이프의 일단부를 고정하는 스핀들척과, 상기 스핀들척을 회전시켜 스핀들척에 물려 있는 파이프를 축회전 시키는 파이프회전모터를 갖는 파이프구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 위치조절부에는; 상기 스핀들척에 물려있는 상태의 파이프를 상하로 틸팅시키는 것으로서, 상기 파이프구동부에 설치되는 반원형 틸팅기어와, 상기 틸팅기어에 치합하며 틸팅기어를 각운동 시키는 틸팅모터가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용접부는; 상기 이송프레임에 지지된 상태로 파이프의 내부로 연장된 연장로드와, 상기 연장로드의 연장단부에 설치되며 파이프의 내주면에 오버레이용접층을 형성하는 용접전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 오버레이용접 자동화장치는, 전용 매니퓰레이터를 이용해 다양한 사이즈의 파이프 및 평판의 오버레이 용접을 수행할 수 있고, LM기어와 DC모터를 이용한 안정적이고 균일한 제어가 이루어져 효율적이고 안정된 작업을 할 수 있으며, 국산화가 가능하므로 소모품의 수급이 용이하고 외산장비에 비해 가격경쟁력이 매우 우수하며 용접공법의 변경이 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이용접 자동화장치의 구조를 나타내 보인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이용접 자동화장치의 전체적인 구조 및 동작을 설명하기 위한 블록도이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이 용접 자동화장치(11)의 구조를 나타내 보인 구성도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오버레이용접 자동화장치의 전체적인 구조 및 동작을 설명하기 위한 블록도이다.

본 실시예에서는 오버레이 용접대상을 파이프로 예를 들었지만 오버레이 용접대상의 종류는 다양하게 적용할 수 있다. 가령 판재나, 빔은 물론 비정형 대상물도 용접대상이 될 수 있다.

도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 오버레이 용접 자동화장치(11)는, 매니퓰레이터(13)와, 상기 매니퓰레이터(13)에 지지되는 이송프레임(17)과, 상기 이송프레임(17)에 고정되며 수평으로 연장된 용접부(53)와, 상기 용접부(53)의 연장 단부에 위치하는 파이프(37)를 지지하는 용접대상물 포지셔너(51)을 포함한다.

먼저, 상기 매니퓰레이터(13)는, 지면에 대한 수직운동을 가이드하는 수직가이드부(19)와, 상기 수직운동에 직교하는 수평운동을 가이드하는 수평가이드부(21)와, 상기 수직가이드부(19)를 지지하는 지지프레임(15)을 포함한다. 상기 지지프레임(15)은 지면에 대해 수직가이드부(19)를 수직상태로 유지하는 역할을 한다.

아울러 상기 매니퓰레이터(13)에는, 상기 이송프레임(17)을 Z축 방향으로 승강시키는 제1모터(23)와, Y축 방향으로 수평운동시키는 제2모터(25)를 더 구비한다. 상기 제1,2모터(23,25)의 구동은 제어부(63)에 의해 정밀제어 된다. 즉, 후술할 용접전극(35)의 위치는 제어부(63)에 의해 콘트롤 되는 것이다.

상기 이송프레임(17)은 매니퓰레이터(13)에 지지된 상태로 Y축 및 Z축 방향으로 위치이동 가능한 부재로서 용접부(53)를 지지한다. 상기 이송프레임(17)의 직선이동시의 흔들림을 방지하기 위하여 LM기어가 채용될 수 있다.

상기 용접부(53)에는 용접와이어 등이 감기는 릴(29)과, 티그파트(TIG part)(31)와, 상기 티그파트(31)로부터 수평 연장되는 연장로드(33)와, 상기 연장로드(33)의 연장단부에 위치하는 용접전극(35)을 포함한다.

상기 용접부(53)는 제어부(63)의 제어신호에 의해 작동하며 파이프(37)의 내부에 오버레이용접층을 형성하는 역할을 한다. 상기 용접전극(35)도 Z방향 및 Y방향 위치조절이 가능함은 물론이다.

한편, 상기 용접대상물 포지셔너(51)는, 지지력을 제공하는 베이스프레임(41)과, 상기 베이스프레임(41)에 설치되며 파이프(37)를 축회전 가능하도록 받치는 다수의 롤러(45)와, 상기 롤러(45)에 지지되어 있는 파이프(37)의 위치를 조절하는 위치조절부를 포함한다.

또한, 상기 위치조절부는, 상기 파이프(37)의 일단부를 고정하는 다수의 스핀들척(47b)과, 상기 스핀들척(47b)을 회전시켜 스핀들척(47b)에 물려 있는 파이프를 화살표 S방향으로 축회전 시키는 파이프회전모터(47a)를 갖는 파이프구동부(47)와, 상기 파이프구동부(47)에 설치되는 반원형 틸팅기어(49d)와, 상기 틸팅기어를 각운동 시키는 틸팅모터(49e)를 포함한다.

상기 베이스프레임(41)은 평평한 바닥에 고정된 상태로 다수의 롤러(45)를 구름운동 가능하게 지지한다. 상기 롤러(45)는 파이프(37)의 외주면에 접한 상태로 파이프(37)를 축회전 가능하게 지지한다. 상기 롤러(45)의 개수는 필요에 따라 달라질 수 있다.

또한, 상기 스핀들척(47b)은 마치 선반의 척이 공작물을 물어 고정하는 것과 같이, 파이프(37)의 일단부 외주면을 물어 고정한다. 상기 스핀들척(47b)은 파이프(37)의 회전중심축을 기준으로 대칭을 이룬다.

아울러 상기 다수의 스핀들척(47b)은 척홀더(47c)에 의해 지지된다. 상기 척홀더(47c)는 스핀들척(47b)을 파이프(37)의 반지름 방향으로 위치조절 가능하게 지지하는 역할을 한다.

상기 파이프회전모터(47a)는 척홀더(47c)에 회전력을 인가하여, 파이프(37)를 고정하고 있는 상태의 스핀들척(47b)을 회전시키는 구동부이다. 상기 파이프회전모터(47a)에 의해 파이프(37)가 화살표 s방향으로 축회전 할 수 있는 것이다. 상기 파이프회전모터(47a)는 균일한 속도제어를 위해 DC모터를 사용함이 좋다.

이와같이, 파이프(37)를 축회전시킴과 동시에 용접전극(35)을 파이프(37)의 내측으로 직선 이동시킴에 따라, 파이프(37)의 내주면을 전체적으로 커버하는 오버레이층을 형성할 수 있게 된다.

한편, 상기 틸팅기어(47d)와 틸팅모터(49e)는 파이프(37)를 상하로 기울이는 역할을 한다. 즉, 회동축(49b)을 회동중심으로 삼아 상하로 회동시키는 것이다.

상기 틸팅기어(47d)는 그 외주면에 기어이가 형성되어 있는 반원형 기어로서, 수직으로 세워지되 기어이가 파이프(37)의 반대편을 향하도록 배치된다. 상기 틸팅기어(47d)는 척홀더(47c)에 고정된 상태로 회동축(49b)을 통해 하우징(49a)에 지지된다.

상기 하우징(49a)은 베이스프레임(41)에 고정된 프레임형 하우징으로서 상기 회동축(49b)을 통해 틸팅기어(49d)를 지지한다. 아울러 상기 틸팅모터(49e)는 상기 틸팅기어(49d)와 치합하여 틸팅기어(49d)를 화살표 R방향으로 회동운동 시킨다. 이를 위해 틸팅모터(49e)의 구동축에 구동기어(미도시)가 고정되어 있어야 함은 당연하다.

여하튼, 상기 틸팅모터(49e)가 작동하면 틸팅기어(49d)가 화살표 R방향으로 회동운동하고 이에 따라 파이프(37)가 상하 방향으로 틸팅된다.

한편, 도 2에 도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 용접자동화장치(11)에는, 전력체크부(55)와, 카메라(57)와, 냉각시스템(59)과, 이상감지부(61)와, 제어부(63)가 추가될 수 있다.

상기 전력체크부(55)는 용접부(53)로 인가되는 전력의 전압과 전류를 상시 체크하는 역할을 한다. 만일, 용접부(53)로 비정상적인 전압과 전력이 인가될 경우 전력체크부(55)는 그 사실을 제어부(63)로 통보하여 제어부(63)로 하여금 전력공급을 차단하게 한다. 결국 상기 전력체크부(55)의 작동에 의해 용접부(53)에는 안정적인 전력이 공급되어 그만큼 오버레이용접층의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 카메라(57)는 용접의 상황이나 용접상태를 관찰하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 카메라(57)는 용접전극(35)과 함께 파이프(37)의 내부에 삽입 설치된다. 상기 카메라(57)가 촬영한 내용은 제어부(63)로 실시간 전송된다.

아울러 냉각시스템(59)은, 오버레이용접면의 평활도를 유지하기 위한 것이다. 상기 냉각시스템에는 냉각수파이프와 냉각수노즐 등이 포함될 수 있다.

또한 이상감지부(61)는, 이상 상황 발견시 작업자에게 그 사실을 알리는 역할을 한다. 작업자는 이상감지부가 발생한 경고메시지, 가령 부저음이나 점멸신호를 통해 이상상황이 발생했음을 인지하고 신속기 후속 조치를 할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

11:용접자동화장치 13:매니퓰레이터 15:지지프레임
17:이송프레임 19:수직가이드부 21:수평가이드부
23:제1모터 25:제2모터 29:릴
31:티그파트(TIG part) 33:연장로드 35:용접전극
37:파이프 41:베이스프레임 45:롤러
47:파이프구동부 47a:파이프회전모터 47b:스핀들척
47c:척홀더 49a:하우징 49b:회동축
49d:틸팅기어 49e:틸팅모터 51:용접대상물 포지셔너

Claims (1)

1. 지면에 대한 수직운동을 가이드하는 수직가이드부와, 상기 수직운동에 직교하는 수평운동을 가이드하는 수평가이드부와, 상기 수직가이드부를 지면에 대해 수직상태로 지지하는 지지 프레임을 구비한 매니퓰레이터와;
   상기 매니퓰레이터에 지지된 상태로 수평 및 수직운동하는 이송프레임과;
   상기 이송프레임에 설치되어 이송프레임과 함께 위치 조절되고, 용접대상물에 대한 오버레이용접을 수행하는 용접부와;
   지지력을 제공하는 베이스프레임과,
   상기 베이스프레임에 설치되며 용접대상물을 받치는 다수의 롤러와,
   상기 롤러에 지지되어 있는 용접대상물의 위치를 조절하는 위치조절부를 포함하여, 상기 매니퓰레이터로부터 이격 배치되고 용접대상물을 위치이동 가능하게 지지하는 용접대상물 포지셔너를 포함하고;
   상기 매니퓰레이터에는, 상기 이송프레임을 Z축 방향으로 승강시키는 제1모터와, Y축 방향으로 수평운동시키는 제2모터가 더 구비되고, 상기 제1모터 및 제2모터는 제어부에 의해 제어되고,
   상기 이송프레임은 매니퓰레이터에 지지된 상태로 Y축 및 Z축 방향으로 위치이동이 가능하고, 이송프레임의 위치 이동을 위한 연결부에는 직선이동시의 흔들림을 방지하기 위하여 LM기어가 채용되며,
   상기 용접부에는 용접와이어 등이 감기는 단일한 릴과, 티그파트(TIG part)와, 상기 티그파트로부터 용접대상물의 내부로 수평 연장되는 연장로드와, 상기 연장로드의 연장단부에 위치하는 단일한 용접전극이 포함되고,
   상기 위치조절부는;
   상기 용접대상물의 일단부를 고정하는 스핀들척과,
   상기 스핀들척을 회전시켜 스핀들척에 물려 있는 용접대상물을 축회전 시키는 용접대상물회전모터를 갖는 용접대상물구동부를 포함하고,
   상기 용접대상물회전모터는 DC모터가 채용되고,
   상기 스핀들척에 물려있는 상태의 용접대상물을 상하로 틸팅시키는 것으로서, 상기 용접대상물구동부에 설치되는 반원형 틸팅기어와,
   상기 틸팅기어에 치합하며 틸팅기어를 각운동 시키는 틸팅모터가 더 포함되고,
   상기 틸팅기어는 외주면에 기어이가 형성되어 있는 반원형 기어로서, 기어이가 용접대상물의 반대편을 향하도록 배치되며, 척홀더에 고정된 상태로 회동축을 통해 하우징에 지지되고,
   상기 하우징은 베이스프레임에 고정되어 상기 회동축을 통해 틸팅기어를 지지하고, 상기 틸팅모터는 상기 틸팅기어와 치합하여 틸팅기어를 화살표 R방향으로 회동운동 시키고,
   전력체크부, 카메라, 냉각시스템, 이상감지부 및 제어부가 포함되어;
   상기 전력체크부는 용접부로 인가되는 전압과 전류를 상시 체크하여 용접부로 설정된 수치범위 외의 전압과 전력이 인가될 경우 제어부로 하여금 전력공급을 차단하게 하고,
   상기 카메라는 용접상태를 촬영하기 위해, 용접대상물의 내부에 삽입 설치되어 촬영한 내용을 제어부로 실시간 전송하고,
   상기 냉각시스템은 냉각수파이프 및 냉각수노즐을 포함하고,
   상기 이상감지부는 이상 상황 발견 시 경고메시지를 발생시키고,
   판재, 빔, 비정형 대상물 및 파이프의 오버레이 용접이 가능하며,
   용접대상물을 축회전시킴과 동시에 용접전극을 용접대상물의 내측으로 직선 이동시킴에 따라, 용접대상물의 내주면을 전체적으로 커버하는 오버레이층을 2층 내지 3층으로 형성하고,
   상기 오버레이층은 1mm 내지 수 십mm의 두께로 형성되고, 단일한 용접와이어에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 오버레이용접 자동화장치.

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