KR20190072189A - 용접용 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접시 열영향부(HAZ)에서 결정립의 성장을 억제할 수 있는 용접용 냉각장치에 관한 것으로, 이는 용접 수단과 연동하여 이동하면서 용접되는 모재의 용접부를 냉각시키는 용접용 냉각장치에 있어서, 냉각가스가 유동할 수 있도록 내부에 냉각가스 유로가 형성된 본체; 상기 본체에 형성되고, 상기 냉각가스 유로에 연통되며, 상기 냉각가스가 유입되는 유입구; 및 상기 본체에 형성되고, 상기 냉각가스 유로에 연통되며, 상기 본체의 측방으로 상기 냉각가스를 분사하는 복수의 분사구를 포함한다.

Description

용접용 냉각장치 {Cooling apparatus for welding}

본 발명은 용접시 열영향부(HAZ)에서 결정립의 성장을 억제할 수 있는 용접용 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 일렉트로 가스 용접(EGW: Electro Gas Welding, 이하 EGW라 함)은 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding)과 함께 고입열 용접법의 하나로서, 선박, 교량 등의 폭넓은 분야에 적용되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 EGW 장치를 도시한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, EGW 장치는 동 재질의 슈(Shoe; 10)와 이면재(Backing; 20)로 용접부를 막은 후 예컨대 이산화탄소와 같은 보호가스 분위기에서 용접 토치(30)로 아크(Arc)를 발생시키고 아크 열에 의해 용접재료인 모재(1)와 와이어를 용융시켜 접합하는 장치이다. 용접 토치가 슈와 함께 이동하면서 용접 작업을 수행하게 된다.

여기서, 슈(10)는 그 상부에 대기가 용접부에 침입하지 않도록 방지하는 예컨대 이산화탄소와 같은 보호가스를 분출하는 가스 분출구(11)가 구비되어 있다. 또한, 슈가 용접부와 근접하여 위치하기 때문에 슈의 냉각을 위한 냉각수용 입구(12)와 출구(13)를 포함한 냉각수로(미도시)가 슈의 내부에 마련되어 있다.

이러한 EGW 장치의 경우 기본적으로 용접속도에 따라 입열량이 좌우되는 경향을 가진다. 그런데, 용접속도는 용접하고자 하는 모재의 두께에 따라, 그리고 전압 및 전류량에 따라 변화하게 된다. 만약 전압 및 전류가 동일하면, 용접속도는 모재의 두께에 따라 결정되고, 결국 모재의 두께에 따라 입열량이 정해지게 된다. 예컨대, 두꺼운 모재의 경우에는 고입열로 되고, 반면에 얇은 모재에서는 용접속도가 증가하여 상대적으로 저입열로 변경될 수 있다.

다른 한편으로, 열전달은 두꺼운 모재의 경우에는 빠르게 나타나고, 얇은 모재는 느리게 나타난다. 즉, 열영향부는 모재의 두께에 상관없이 거의 유사하게 나타난다고 말할 수 있다.

여기서, 고입열의 EGW를 실시할 경우 열영향부에는 고입열로 인해 결정립의 성장이 이루어지게 된다. 예를 들어, 강재로 된 후판을 고입열의 EGW로 용접하게 되면, 이는 변태온도인 A1 및 A3점을 상회하는 온도로 올라가게 되고, 이에 따라 짧은 시간이 지나더라도 결정립의 성장이 필연적으로 발생한다.

도 1에 도시된 종래기술에 따른 EGW 장치 중에서 슈(10)는 그 내부에 냉각수를 흘려보내어 용접부의 표면을 냉각시킨다. 이러한 슈는 용융금속이 흘러내리지 않게 하면서 슬래그(Slag)를 배출하고 용접부의 비드(Bead)를 미려하게 하여 피로특성이 우수하게 할 수는 있다. 하지만, 종래기술의 슈는 냉각능에 한계를 나타내며 열영향부에서 성장하는 결정립이 매우 크게 됨으로써, 결국 열영향부의 인성이 급격히 저하되는 단점을 갖게 된다.

(특허문헌 1) KR 2014-0055457 A

이에 본 발명은 용접시 열영향부에서 결정립의 성장을 억제할 수 있는 용접용 냉각장치를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치는, 용접 수단과 연동하여 이동하면서 용접되는 모재의 용접부를 냉각시키는 용접용 냉각장치에 있어서, 냉각가스가 유동할 수 있도록 내부에 냉각가스 유로가 형성된 본체; 상기 본체에 형성되고, 상기 냉각가스 유로에 연통되며, 상기 냉각가스가 유입되는 유입구; 및 상기 본체에 형성되고, 상기 냉각가스 유로에 연통되며, 상기 본체의 측방으로 상기 냉각가스를 분사하는 복수의 분사구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 예컨대 EGW에 의한 고입열의 용접시 열영향부의 냉각속도를 향상시킬 수 있게 됨으로써, 열영향부에서 미세조직을 제어하여 용접부의 인성을 증가시킬 수 있는 효과를 얻게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 EGW 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 종래기술에 의해 형성된 열영향부의 조직을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치가 적용되어 형성된 열영향부의 조직을 나타낸 사진이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치를 도시한 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치는, 용접 수단과 연동하여 이동하면서 용접되는 모재(1; 도 1 참조)의 용접부를 냉각시키는 용접용 냉각장치에 있어서, 냉각가스(C)가 유동할 수 있도록 내부에 냉각가스 유로(51)가 형성된 본체(50); 이 본체에 형성되고, 냉각가스 유로에 연통되며, 냉각가스가 유입되는 유입구(52); 및 상기 본체에 형성되고, 냉각가스 유로에 연통되며, 본체의 측방으로 냉각가스를 분사하는 복수의 분사구(53)를 포함하고 있다.

본체(50)는 모재(1)의 개선부에 대향되고서 이 개선부를 따라 상방으로 이동할 수 있는 슬라이드면을 가진 대략 박스 형상의 부재이다. 이 본체는 동(Cu)과 같이 열전달율이 우수한 금속으로 만들어질 수 있다.

이러한 본체(50)에는 냉각가스를 순환시켜 냉각의 효율을 향상시키기 위한 냉각각스 유로(51)가 내부에 마련되고, 본체의 상부에는 가스 포켓(55)이 구비될 수 있다.

냉각가스 유로(51)가 형성된 본체(50)는, 냉각가스 유로를 위한 홈이 형성된 한 쌍의 절반부를 서로 맞대어 용접하거나 결합하여 구성할 수 있다.

냉각가스로는 예컨대 공기, 또는 질소나 아르곤 등의 불활성 가스를 포함한 압축가스가 채용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 냉각매체로서의 역할을 수행할 수 있다면 다른 임의의 기체가 사용되어도 무방하다. 일례로 액체 질소의 기화 가스가 채용되는 것이 좋다.

가스 포켓(55)에는 보호가스가 공급되는 가스 공급관(미도시)이 연결되도록 연결구(56)가 형성될 수 있다. 공급되는 보호가스가 모재(1)의 용접부 측으로 분사되도록 하기 위해, 용접부를 향하는 측에 가스 분출구(미도시)가 형성될 수 있다.

여기서 보호가스는 일례로 이산화탄소일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

비드홈(58)은 비드(Bead) 성형을 가이드하도록 본체(50)에 형성되고, 일례로 오목하게 곡률을 이루도록 형성될 수 있다. 이러한 비드홈은 모재(1)의 용접부를 향하는 면에 상하로 연장되도록 형성될 수 있다.

또, 비드홈(58)은 슬래그(Slag)의 배출이 원활하게 이루어지도록 하기 위하여, 하방으로 갈수록 깊이와 폭 중 어느 하나 또는 모두가 증가하도록 형성될 수도 있다.

냉각가스가 유입되는 유입구(52)는 예를 들면 외부의 저장탱크나 압축기로부터 냉각가스가 주입되는 공급관에 연결될 수 있으며, 복수의 분사구는 본체의 양측면에서 슬라이드면에 인접하여 배열될 수 있다.

복수의 분사구(53)로부터는, 본체(50)의 냉각가스 유로(51)를 유동하여 그 내부에서 열교환되고 그 온도가 상승한 냉각가스가 본체의 측방으로 분사될 수 있다.

냉각가스 유로(51)는 유입구(52)에 이어지는 메인유로에서 분기되는 복수의 분기유로를 포함할 수 있으며, 각 분기유로의 종단에 분사구(53)가 마련될 수 있다. 이들 분사구는 슬라이드면에 인접하여 배치되는 것이 바람직하다.

여기서, 냉각가스 유로(51)가 갖는 폭 또는 구경은 유입구(52)의 구경보다 작아야 하며, 특히 각 분사구(53)의 구경은 유입구가 갖는 구경의 약 40% 이하의 크기를 갖는 것이 좋다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치의 작동관계를 설명하면 아래와 같다.

예를 들어, 도 1에 도시된 EGW를 위하여 서로 용접하고자 하는 모재(1)의 용접부 전면에 본 발명의 용접용 냉각장치를 설치한다. 이때, 용접부의 후면에는 이면재(20)가 설치된다. 이에 따라, 본 발명의 용접용 냉각장치와 이면재가 용접부를 전후로 둘러싸게 된다.

그 다음에, 모재(1)의 용접부를 따라 아래로부터 위로 진행하면서 가스포켓(55)의 가스 분출구로부터 분출되는 예컨대 이산화탄소와 같은 보호가스로 하여금 분위기를 조성한다.

용접 수단인 용접 토치(30)로부터 발생하는 아크에 의해 용접부로 송급되는 와이어와 모재(1)를 용융시킴으로써 모재를 서로 접합시키도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치는, 외부의 저장탱크나 압축기로부터 유입구(52)를 통해 본체(50) 내 냉각가스 유로(51)로 유입된 냉각가스(C)의 낮은 온도를 이용하여 본체와 접하는 용접부의 온도를 냉각시킬 수 있다.

더구나, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치에서는, 본체(50)의 내부에서 열교환되고 온도가 상승한 냉각가스(C)를 복수의 분사구(53)에 의해 본체의 양측 측방으로 분사할 수 있다.

이때, 유입구(52)보다 상대적으로 구경이 작은 복수의 분사구(53)에서 분사되는 냉각가스(C)는 단열팽창의 원리에 의해 그 온도가 떨어지게 되며, 이에 따라 분사되면서 저온으로 된 냉각가스가 본체(50)의 양측면에 인접하게 위치된 용접부의 열영향부와 접촉하여 열영향부를 냉각시킬 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명의 용접용 냉각장치는, 기존의 슈와 동일한 특성을 유지함은 물론, 열영향부에서의 냉각능 향상을 위해 용접부의 양측 열영향부를 용접 후에도 지속적으로 냉각시킬 수 있게 되는 것이다.

전술한 바와 같이, 각 분사구(53)의 구경은 유입구(52)가 갖는 구경의 약 40% 이하의 크기를 갖는 것이 바람직하며, 이러한 경우에 열영향부의 온도가 300℃ 이하로 떨어지게 됨으로써, 열영향부에서 마르텐사이트와 같은 급냉에 의해 생성되는 조직이 보이지 않는 것을 확인할 수 있었다.

도 3은 종래기술에 의해 형성된 열영향부의 조직을 나타낸 사진이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치가 적용되어 형성된 열영향부의 조직을 나타낸 사진이다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 냉각장치를 적용하여 용접의 열영향부에서 냉각속도를 빠르게 하고 용접 후에도 지속적으로 냉각시키면, 열영향부에서 결정립의 미세화를 유도할 수 있으며, 동일한 용접조건에서 조직 미세화로 인하여 열영향부의 인성이 향상되는 효과가 나타나게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

50: 본체 51: 냉각가스 유로
52: 유입구 53: 분사구
55: 가스 포켓 56: 연결구
58: 비드홈

Claims (6)

1. 용접 수단과 연동하여 이동하면서 용접되는 모재의 용접부를 냉각시키는 용접용 냉각장치에 있어서,
   냉각가스가 유동할 수 있도록 내부에 냉각가스 유로가 형성된 본체;
   상기 본체에 형성되고, 상기 냉각가스 유로에 연통되며, 상기 냉각가스가 유입되는 유입구; 및
   상기 본체에 형성되고, 상기 냉각가스 유로에 연통되며, 상기 본체의 측방으로 상기 냉각가스를 분사하는 복수의 분사구
   를 포함하는 용접용 냉각장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각가스는 공기 또는 불활성 가스를 포함한 압축가스인 것을 특징으로 하는 용접용 냉각장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉각가스 유로는 상기 유입구로부터 이어지는 메인유로에서 분기되는 복수의 분기유로를 포함하고, 각 분기유로의 종단에 분사구가 위치된 것을 특징으로 하는 용접용 냉각장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 냉각가스 유로가 갖는 폭 또는 구경은 상기 유입구의 구경보다 작은 것을 특징으로 하는 용접용 냉각장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   각 분사구의 구경은, 상기 분사구로부터 분사되는 냉각가스의 단열팽창을 위해 상기 유입구가 갖는 구경의 40% 이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 용접용 냉각장치.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 본체는, 보호가스가 공급되는 연결구와, 공급되는 보호가스가 용접부 측으로 분사되도록 하는 가스 분출구가 형성된 가스 포켓을 구비하는 것을 특징으로 하는 용접용 냉각장치.

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