KR20190089020A

KR20190089020A - 용접 토치 및 전자세 용접 장치

Info

Publication number: KR20190089020A
Application number: KR1020197018191A
Authority: KR
Inventors: 마사히코 아카마츠; 신고 요네모토; 타카노리 코주키; 신야 히비노; 유키오 이케자와; 켄이치로 니이미; 아키츠구 아라오
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-07-29
Also published as: WO2018110658A1; EP3556505B1; US20190351498A1; JP6804964B2; CN110072662B; EP3556505A1; JP2018094603A; EP3556505A4; US11292070B2; CN110072662A; KR102162894B1

Abstract

용접 토치(3, 3A)는 불활성 가스가 흐르는 차폐 가스 유로(51, 52) 및 차폐 가스 유로(51, 52)와 연통하는 아우터 가스 유로(61)를 형성하는 유로 형성부(41)와, 차폐 가스 유로(51, 52)의 불활성 가스를 정류하여 분출하는 제1 가스 렌즈(9)와, 아우터 가스 유로(61)의 불활성 가스를 정류하여 분출하는 제2 가스 렌즈(64)를 구비하는 토치 본체(4)를 포함한다. 튜브들(10, 10) 사이의 맞대기 용접을 수행하는 전자세 용접 장치(1)로서, 용접 토치(3, 3A)를 튜브(10) 주위로 회전시키는 회전 기구(2)를 구비한다.

Description

용접 토치 및 전자세 용접 장치

본 발명은 튜브의 맞대기 용접을 수행하는 전자세 용접 장치에 적절한 용접 토치 및 그 용접 토치를 구비한 전자세 용접 장치에 관한 것이다.

종래에, 튜브들 사이의 맞대기 용접을 자동적으로 수행하는 전자세 용접 장치가 알려져 있다. 이러한 전자세 용접 장치는 예를 들어, 보일러 패널 등의 복수의 튜브가 좁은 피치로 배열되는 장치의 제조에 이용될 수 있다. 특허문헌 1에서는 상기와 같은 좁은 간극을 통과할 수 있는 용접 토치와 그를 구비한 전자세 용접 장치가 개시되어 있다.

특허문헌 1의 용접 토치는 비소모 전극과 비소모 전극이 삽입되는 콜릿(collet)과, 토치 본체와, 고 강성의 다공성 링을 구비한다. 토치 본체는 콜릿으로 관통되는 천장 벽과, 그 천장 벽 및 콜릿에 면하는 차폐 가스 유로를 둘러싼 몸통부를 구비하고 있다. 다공성 링은 차폐 가스 유로를 폐쇄하도록 토치 본체의 몸통부에 접합되어 있고, 콜릿의 선단과 맞닿는 테이퍼 형상의 내주면을 구비한다. 이 용접 토치는 비소모 전극이 삽입된 콜릿의 선단이 다공성 링의 내주면에 의해 직경이 축소(축경; 縮?)됨으로써, 비소모 전극이 콜릿에 유지(保持)되어 있다.

일본 공개특허 특개2015-174141호 공보

그런데, 용접 비드(bead) 흔적을 아름답게 마무리하기 위해 용접 중에 용융 응고한 비드에 불활성 가스(「아우터 가스(outer gas)」라고도 함)를 분사하는 경우가 있다. 특허문헌 1에 기재된 용접 토치에서는 아우터 가스를 분사하는 노즐이 분사 노즐이 구비되어 있지 않다.

따라서, 본 발명은 아우터 가스를 구비하는 용접 토지로서, 소형화를 실현할 수 있는 것을 제안하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접 토치는 차폐 가스 유로 및 상기 차폐 가스 유로와 연통하는 아우터 가스 유로를 형성하는 유로 형성부와, 상기 차폐 가스 유로의 차폐 가스를 정류(整流)하여 분출하는 제1 가스 렌즈와, 상기 아우터 가스 유로의 아우터 가스를 정류하여 분출하는 제2 가스 렌즈를 구비하는 토치 본체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 용접 장치는 튜브들 사이의 맞대기 용접을 수행하는 전자세 용접 장치로서, 상기 용접 토치와, 상기 용접 토치를 상기 튜브 주위로 회전시키는 회전 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 용접 토치 및 전자세 용접 장치에서는, 차폐 가스 유로와 아우터 가스 유로가 연통되어 있고, 용접 토치에 차폐 가스로 공급된 불활성 가스의 일부를 아우터 가스로 이용하고 있다. 즉, 용접 토치에 공급된 불활성 가스는 차폐 가스 유로의 일부 또는 전부를 이용하여 아우터 가스 유로까지 운반된다. 이에 따르면, 차폐 가스 유로와 아우터 가스 유로가 독립적이지 않기 때문에, 유로를 공유하는 만큼 가스 유로를 단축하고, 나아가 아우터 가스용 호스와 연결되는 피팅부를 생략 할 수 있다. 따라서, 외부 가스 노즐을 구비한 용접 토치의 소형화를 도모할 수 있다.

본 발명에 따르면, 아우터 가스 노즐을 구비하고, 소형화를 실현할 수 있는 용접 토치 및 전자 세 용접 장치를 제공할 수 있다.

[도 1] 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 토치가 장착된 전자세 용접 장치의 정면도이다.
[도 2] 도 2는 도 1에 도시된 전자세 용접 장치의 측면도이다.
[도 3] 도 3은 용접 토치의 평면도이다.
[도 4] 도 4는 도 3의 IV-IV 선에 따른 단면도이다.
[도 5] 도 5는 도 4의 V-V 선에 따른 단면도이다.
[도 6] 도 6은 도 4의 VI-VI 선에 따른 단면도이다.
[도 7] 도 7은 가스 렌즈의 평면도이다.
[도 8] 도 8은 가스 렌즈의 부분적인 확대 평면도이다.
[도 9] 도 9는 도 8의 IX-IX 선에 따른 단면도이다.
[도 10] 도 10은 가스 렌즈의 사시도이다.
[도 11] 도 11은 변형예 1에 따른 용접 토치의 평면도이다.
[도 12] 도 12는 도 11의 XII-XII 선에 따른 단면도이다.
[도 13] 도 13은 도 12의 XIII-XIII 선에 따른 단면도이다.
[도 14] 도 14는 도 12의 XIV-XIV 선에 따른 단면도이다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자세 용접 장치(1)의 개략적인 구성에 대해서 설명한다.

[전자세 용접 장치(1)]

도 1 및 도 2에 도시된 전자세 용접 장치(1)는 튜브(10)들 사이의 맞대기 용접을 자동으로 수행하는 것이다. 용접 방법은 예를 들어, TIG(Tungsten Inert Gas) 용접일 수 있다.

용접 장치(1)는 용접 토치(3)와, 용접 토치(3)를 튜브(10) 주위로 회전시키는 회전 기구(2)와, 용접 토치(3)를 삼차원적으로 이동시키는 3개의 직동(直動) 기구(제1 직동 기구(12), 제2 직동 기구(14), 및 제3 직동기구(16))를 구비한다.

제1 직동 기구(12)는 용접 토치(3)를 튜브(10)의 축 방향(예를 들어, 수평 방향)으로 이동시키고, 제2 직동 기구(14) 및 제3 직동 기구(16)는 용접 토치(3)를 튜브(10)의 축 방향과 직교하는 면 상에서 서로 직교하는 방향(예를 들어, 수평 방향과 연직 방향)으로 이동시킨다. 다만, 용접 토치(3)를 삼차원적으로 이동시키기 위헤서, 반드시 3개의 직동 기구를 이용할 필요는 없다. 예를 들어, 제2 직동 기구(14) 및 제3 직동 기구(16) 대신에, 후술하는 회전 부재(21)에 대해 용접 토치(3)를 튜브(10)의 반경 방향으로 이동시키는 반경 방향 이동 기구가 채용되어도 좋다. 또는, 용접 토치(3)는 반드시 삼차원적으로 이동될 필요는 없고, 튜브(10)의 축 방향과 직교하는 면 상에서 이차원으로 이동되어도 좋다.

제1 직동 기구(12)는 튜브(10)의 축 방향과 평행한 베이스 플레이트(11)에 설치되어 있다. 베이스 플레이트(11)에는 튜브(10)를 고정하는 클램프 기구(18)가 설치되어 있다. 제2 직동 기구(14)는 장착 시트(13)를 통해 제1 직동 기구(12)의 가동부에 고정되어 있다. 제3 직동기구(16)는 장착 시트(15)를 통해 제2 직동 기구(14)의 가동부에 고정되어 있다. 여기서, 제1 내지 제3 직동 기구(12, 14, 16)의 위치는 서로 교체 가능함은 물론이다.

회전 기구(2)는 튜브(10)의 축 방향과 직교하는 판상의 테이블(20)을 포함한다. 테이블(20)은 장착 시트(17)를 통해 제3 직동 기구(16)의 가동부에 고정되어 있다. 테이블(20)에는 튜브(10)가 끼워질 수 있는 대략 U 자형의 회전 부재(21)가 회전 가능하게 지지되어 있다. 또한, 테이블(20)에도, 튜브(10)가 끼워질 수 있는 노치(20a)가 형성되어 있다.

회전 부재(21)는 튜브(10)의 축 방향에서 볼 때 원호 형상의 외주면을 가지고 있고, 그 외주면에 외치(外齒)가 형성되어 있다. 테이블(20)에는 모터(26)가 설치되어 있고 또한 기어 열(gear train)이 지지되어 있다. 기어 열은 모터(26)의 출력축에 고정된 구동 기어(25)로부터 회전 부재(21)로 토크를 전달한다. 여기서, 도 2에서는 도면의 간략화를 위해 기어 열 및 모터(26)가 생략되어 있다.

상기의 기어 열은 구동 기어(25)와 맞물리는 대경의 제1 종동 기어(24)와, 제1 종동 기어(24)와 맞물리는 한 쌍의 제2 종동 기어(23)와, 제2 종동 기어(23) 및 회전 부재(21)와 맞물리는 한 쌍의 제3 종동 기어(22)를 포함한다. 이러한 구성에 의해, 회전 부재(21)의 개구부가 한 쪽의 제3 종동 기어(22)에 이르더라도 다른 쪽의 제3 종동 기어(22)에 의해 회전 부재(21)에 토크가 전달된다.

용접 토치(3)는 예를 들어, 회전 부재(21)의 중앙에 튜브(10)의 축 방향으로 돌출되도록 고정된다. 용접 토치(3)는 튜브(10)의 반경 방향과 직교하는 판상의 토치 본체(4)와, 콜릿(7)을 통해 토치 본체(4)에 지지된 비소모 전극(5)을 포함한다.

비소모 전극(5)은 튜브(10)의 용접 부위와의 사이에 아크를 발생시키기 위한 것이다. 여기서, 용접 부위란 예를 들어, 튜브(10)들 사이의 접합부에 그루브(groove)가 형성되어 있고 여러 층으로 용접층을 형성하는 경우에는 일층째에서는 그루브의 바닥부이고, 이층째 이후에서는 전회(前回)의 층이다. 또한, 비소모 전극(5)과 용접 부위의 사이에는 도시 생략된 와이어 공급 장치로부터 용접 와이어(미도시)가 공급된다.

이상의 구성에 따른 용접 장치(1)에서는, 용접 토치(3)가 회전 기구(2)에 의해 튜브(10) 주위로 회전하면서 제1 내지 제2 직동 기구(12, 14, 16)에 의해 소정의 궤도를 따라 이동한다. 이때, 용접 토치(3)의 위치는 비소모 전극(5)에서 용접 부위까지의 거리가 소정 값이 되도록 제1 내지 제2 직동 기구(12, 14, 16)에 의해 미세 조정된다.

회전 부재(21)는 전도성을 가지고, 토치 본체(4) 및 그에 유지된 비소모 전극(5)을 구비하는 용접 토치(3)는 전도성을 가지며, 그 용접 토치(3)를 지지하는 회전 부재(21)도 전도성을 가진다. 회전 부재(21)를 회전 가능하게 하는 테이블(20)에는 적절한 위치에 튜브 삽입용 노치가 형성되어 있다. 그리고, 회전 부재(21)와 테이블(20) 사이에는 회전 부재(21)가 일회전하는 사이에 그 회전 부재(21)의 뒷면에 연결되어 계속 전기를 공급하는 브러시(도시 생략)가 설치되어 있다. 이에 따르면, 용접 토치(3)에는 전기를 공급하는 브러시로부터 회전 부재(21)를 통해 전력이 공급된다. 따라서 용접 토치(3)에 연결되는 라인 종류를 절감시킬 수 있고, 토치 주변 구성의 총 두께를 얇게 할 수 있다.

[용접 토치(3)의 구성]

여기서, 용접 토치(3)의 구성을 상세하게 설명한다. 도 3은 용접 토치(3)의 평면도이고, 도 4는 도 3의 IV-IV 선에 따른 단면도이며, 도 5는 도 4의 V-V 선에 따른 단면도이고, 도 6은 도 4의 VI- VI 선에 따른 단면도이다.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 용접 토치(3)는 비소모 전극(5)과, 콜릿(7)과, 토치 본체(4)를 구비한다. 비소모 전극(5)의 축 방향은 튜브(10)의 반경 방향과 평행이다. 비소모 전극(5)은 콜릿(7)에 삽입되고, 콜릿(7)은 토치 본체(4)에 형성된 슬리브(44)에 삽입되어 있다. 이하에서는, 설명의 편의상, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 비소모 전극(5)의 축 방향을 상(U), 하(D) 방향(선단 측을 하방, 그 반대편을 상방), 튜브(10)의 축 방향을 전(F), 후(B) 방향, 그 두 방향과 직교하는 방향을 좌(L), 우(R) 방향이라고 한다.

콜릿(7)은 비소모 전극(5)의 축 방향과 직교하는 육각 판상의 헤드부(71)와, 헤드부(71)에서 하방으로 연장되는 통 형상부(72)를 포함하고, 절연체로 형성되어 있다. 통 형상부(72) 내에는 비소모 전극(5)이 삽입된다. 콜릿(7)에 삽입된 비소모 전극(5)은 그 선단부가 콜릿(7)으로부터 연장 돌출하여 있다. 통 형상부(72)의 외주면에는 나사산(73)이 형성되어 있다. 또한, 통 형상부(72)의 선단부에는 축경을 허용하는 슬릿(도시 생략)이 형성되어 있다.

토치 본체(4)는 튜브(10)의 반경 방향에서 볼 때 대략 직사각형을 나타내는 베이스부(40)와, 베이스부(40)의 우측부로부터 우측 방향을 향해 돌출하는 피팅부(48)를 일체적으로 구비한다. 피팅부(48)에는 도시 생략된 호스가 연결되고, 그 호스를 통해 베이스부(40) 내에 형성된 불활성 가스 유로(차폐 가스 유로(51, 52)와 아우터 가스 유로(61))에 불활성 가스가 공급된다.

베이스부(40)에는 콜릿(7)을 유지하는 슬리브(44), 슬리브(44)의 주위에 차폐 가스 유로(51, 52)를 형성하고 차폐 가스 유로(51, 52)와 연통하는 아우터 유로(61)를 형성하는 유로 형성부(41), 비소모 전극(5)의 콜릿(7)으로부터 연장된 선단부의 주위에 차폐 가스 안내 공간(53)을 형성하는 차폐 가스 노즐(42), 차폐 가스 유로(51)와 차폐 가스 안내 공간(53)을 분리하는 제1 가스 렌즈(9), 아우터 가스 안내 공간(62)을 형성하는 아우터 가스 노즐(63) 및 아우터 가스 유로(61)와 아우터 가스 안내 공간(62)을 분리하는 제2 가스 렌즈(64)가 일체적으로 형성되어 있다.

슬리브(44)는 튜브(10)의 반경 방향(즉, 비소모 전극(5)의 축 방향)과 평행하게 연장되어 있다. 슬리브(44)의 내주면에는 나사 홈(46)이 형성되어 있다. 이 나사 홈(46)은 슬리브(44)에 나사 삽입되는 콜릿(7)의 나사산(73)과 나사 결합한다. 슬리브(44)의 선단부(하단부)는 하방으로 가면서 오므라지는 테이퍼 형상을 가진다. 이 슬리브(44)의 테이퍼 형상에 의해, 콜릿(7)에 비소모 전극(5)이 삽입된 상태에서 콜릿(7)이 슬리브(44)의 내주의 나사 홈(46)에 나사 결합되면, 콜릿(7)은 슬리브(44)의 선단부로부터 축경되는 방향으로 가압되고, 비소모 전극(5)이 콜릿(7)에 의해 유지된다.

유로 형성부(41)는 슬리브(44)의 주위에 차폐 가스 유로(51 ,52)를 형성한다. 본 실시예에 따른 차폐 가스 유로(51, 52)는 내주 유로(51)과 외주 유로(52)를 포함한다. 내주 유로(51)는 슬리브(44)의 주위에 형성된 고리 형태의 유로이고, 제1 가스 렌즈(9)에 면해 있다. 외주 유로(52)는 내주 유로(51)의 주위에 형성된 고리 형태의 통로이다. 외주 유로(52)는 피팅부(48)의 유로(55)와 연결 유로(56)에 의해 연결되어 있다.

내주 유로(51)와 외주 유로(52) 사이는 격벽(47)에 의해 분리되어 있다. 격벽(47)에는 내주 유로(51)와 외주 유로(52)를 연통시키고, 외주 유로(52)로부터 내주 유로(51)로 불활성 가스의 유입을 허용하는 연통구(50)가 형성되어 있다. 본 실시예에서는 복수의 연통구(50)가 격벽(47)에 원주 방향으로 분산되어 설치되어 있고, 내주 유로(51)의 전체 둘레로부터 그 내부로 불활성 가스가 유입된다.

각각의 연통구(50)는 격벽(47)의 상부에 있고, 더 내주 유로(51)의 천장에 가까운 위치, 다시 말해, 제1 가스 렌즈(9)에서 더 떨어진 위치에 설치되어 있다. 여기서, 연결 유로(56)는 연통구(50)보다 하방에서 외주 유로(52)와 연결되어 있다. 따라서, 연결 유로(56)에 의해 외주 유로(52)에 유입되는 불활성 가스의 흐름은 격벽(47)에 닿게 된다. 이에 따라서, 불활성 가스가 연통구(50)를 통해 직접 내주 유로(51)에 유입하는 것이 방지된다.

내주 유로(51)의 천장은 슬리브(44)의 기단부와 매끄럽게 연속하고, 슬리브(44)의 기단부와 내주 유로(51)의 천장의 경계 부분은 곡면으로 연결되어 있다. 이와 같이 내주 유로(51)를 형성하는 벽에 형성된 곡면 부분은 외주 유로(52)로부터 내주 유로(51)로 유입된 불활성 가스의 흐름을 제1 가스 렌즈(9)를 향해 편향시키는 안내부(54)로서 기능을 한다.

외주 유로(52)를, 불활성 가스 유입부를 포함하는 제1 부분과 나머지 제2 부분으로 둘레 방향으로 2 분할할 때, 제1 부분의 격벽(47)의 개구율보다 제2 부분의 격벽(47)의 개구율이 크다. 여기서, 외주 유로(52)에서 불활성 가스의 유입부는 외주 유로(52)와 연결 유로(56)의 연결부이다.

본 실시예에 따른 용접 토치(3)에서는 제1 부분의 격벽(47)에 형성된 연통구(50)의 개구 면적(유로 면적)의 합계보다 제2 부분의 격벽(47)에 형성된 연통구(50)의 개구 면적(유로 면적)의 합계를 크게 함으로써, 제1 부분의 격벽(47)의 개구율보다 제2 부분의 격벽(47)의 개구율을 크게 하고 있다. 다만, 각각의 연통구(50)의 개구 면적(유로 면적)이 동일하고, 제1 부분의 격벽(47)에 형성된 연통구(50)의 수보다 제2 부분의 격벽(47)에 형성된 연통구(50)의 수가 많게 되도록 하여도 좋다.

차폐 가스 노즐(42)은 유로 형성부(41)의 하부에 설치되어 있다. 본 실시예에 따르면, 차폐 가스 노즐(42)의 내주벽과 격벽(47)이 비소모 전극(5)의 축 방향으로 연속하고 있다. 차폐 가스 노즐(42)의 성단부(하단부)는 비소모 전극(5)의 선단부보다 상방, 또한, 슬리브(44)의 선단부보다 하방에 위치하고 있다. 차폐 가스 노즐(42)의 선단부는 마주하는 튜브(10)의 외주면을 따라 만곡하고 있다.

차폐 가스 노즐(42)에 의해 그 내주 측에 차폐 가스 안내 공간(53)이 형성된다. 차폐 가스 안내 공간(53)에서는, 제1 가스 렌즈(9)에서 유출된 차폐 가스로서의 불활성 가스가 확산하지 않고, 차폐 가스 노즐(42)의 연장 방향, 즉, 비소모 전극(5)의 축 방향과 평행한 층류(層流) 상태로 흐르도록 정류된다.

제1 가스 렌즈(9)는 불활성 가스를 층류로 정류하는 것으로서, 내주 유로(51)와 차폐 가스 안내 공간(53)의 사이를 분리하고 있다. 제1 가스 렌즈(9)는 비소모 전극(5)을 중심으로 하는 중공의 원반 형상을 가진다. 제1 가스 렌즈(9)의 내주부는 슬리브(44)의 선단부의 외주면과 연결되고, 제1 가스 렌즈(9)의 외주부는 차폐 가스 노즐(42)의 내주면(또는 격벽(47)의 내주면)과 연결되어 있다.

유로 형성부(41)는 또한 차폐 가스 유로(51, 52)와 연통하는 아우터 가스 유로(61)를 형성하고 있다. 본 실시예에서, 아우터 가스 유로(61)는 내외측으로 이중인 차폐 가스 유로(51, 52) 중 외주 유로(52)와 연결되어 있다.

외주 유로(52)를, 불활성 가스 유입부를 포함하는 제1 부분과 나머지 제2 부분으로 둘레 방향으로 2 분할할 때, 외주 유로(52)의 제2 부분에 아우터 가스 유로(61)가 연결되어 있다. 여기서, 외주 유로(52)에서 불활성 가스의 유입부란 외주 유로(52)와 연결 유로(56)의 연결부이다. 다시 말해서, 외주 유로(52)에서 연결 유로(56)가 연결되는 부분과 아우터 가스 유로(61)가 연결되는 부분이 비소모 전극(5)을 사이에 두고 반대 편에 있다. 이에 따르면, 외부에서 차폐 가스 유로(51, 52)로 유입한 불활성 가스가 즉시 아우터 가스 안내 공간(62)으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.

아우터 가스 유로(61)와 외주 유로(52)는 연통구(65)을 통해 연통되어 있다. 연통구(65)의 유로 면적은 아우터 가스 유로(61)의 유로 면적보다 작다. 여기서, 아우터 가스 유로(61)의 유로 면적은 도 3에 도시된 바와 같이 제2 가스 렌즈(64)와 실질적으로 동일한 전후 방향 치수를 가지고, 도 4에 도시된 바와 같이 외주 유로(52)와 실질적으로 동일한 상하 방향 치수를 가진다. 이에 의해, 외주 유로(52)로부터 아우터 가스 유로(61)에 불활성 가스가 유입되는 입구인 연통구(65)가 좁아짐에 따라서, 외주 유로(52)로부터 아우터 가스 유로(61)에 유입하려고 하는 불활성 가스에 유동 저항을 줄 수 있다. 이에 따라서, 외주 유로(52)에 있는 불활성 가스는 외부 가스 유로(61) 보다 차폐 가스 유로(51)로 우선적으로 유입된다.

아우터 가스 노즐(63)는 차폐 가스 노즐(42)에 대해 용접 토치(3)의 진행 방향의 하류 측에 설치되어 있다. 차폐 가스 노즐(42)은 용융지(溶融池)에 불활성 가스를 분사하도록 비소모 전극(5)의 주위에 설치되어 있는 반면, 외부 가스 노즐(63)는 용접 중 용융지가 용융 응고된(또는 응고하고 있는 중간의) 비드에 불활성 가스를 분사하도록 차폐 가스 노즐(42)에 인접하여 설치되어 있다.

아우터 가스 노즐(63)는 튜브(10)의 반경 방향으로 연장되어 있다. 아우터 가스 노즐(63)에 의해 그 내주 측에 아우터 가스 안내 공간(62)이 형성된다. 아우터 가스 안내 공간(62)은 제2 가스 렌즈(64)에서 유출된 아우터 가스(아우터 차폐 가스)로서의 불활성 가스가 확산하지 않고, 아우터 가스 안내 공간(62)의 연장 방향, 즉 튜브(10)의 반경 방향과 평행한 층류 상태로 흐르도록 정류된다. 여기서, 본 실시예에서는, 차폐 가스 노즐(42)의 분사구는 원형이지만, 아우터 가스 노즐(63)의 분사구는 직사각형이다. 또한, 차폐 가스 노즐(42)의 내경은 실질적으로 일정하지만, 아우터 가스 노즐(63)은 선단 측을 향할수록 직경이 확장(확경)된다.

제2 가스 렌즈(64)는 불활성 가스를 층류로 정류하는 것으로 아우터 가스 유로(61)와 아우터 가스 안내 공간(62)의 사이를 분리한다. 제2 가스 렌즈(64)는 사각형 블록 형상을 나타낸다.

여기서, 본 실시예에 따른 토치 본체(4)는 전도성 금속으로 이루어지고, 금속 3D 프린터로 제작된다. 다만, 피팅부(48)는 반드시 토치 본체(4)에 일체적으로 형성될 필요는 없고, 용접 또는 나사 결합 구조로 토치 본체(4)에 접합되어 있어도 좋다. 금속 3D 프린터에서 토치 본체(4)를 제작할 때, 예를 들어, 원료인 금속 분말에 레이저 광을 조사한다. 레이저의 조사에 의해 각각의 금속 분말이 용융하고, 용융된 금속 분말끼리 융합하여 솔리드 구조가 만들어진다. 금속 분말의 재질은 예를 들어, 구리 및 구리 합금, 강철, 스테인리스, 알루미늄, 티타늄, 니켈 합금 등이다.

상기 구성의 용접 토치(3)에서는, 피팅부(48)의 유로(55)를 통해 도입된 불활성 가스는 연결 유로(56)을 통해 먼저 외주 유로(52)에 유입된다. 외주 유로(52)로 확산된 불활성 가스는 연통구(50)를 통해 내주 유로(51)로 유입된다. 내주 유로(51)에 유입되는 불활성 가스의 흐름은 연통구(50)로부터 슬리브(44)로 향하고, 내주 유로(51)의 천장과 슬리브(44)의 경계부에 위치하는 안내부(54)에 맞닿아 당해 안내부(54)의 곡면으로 안내되어 방향을 바꾸고, 제1 가스 렌즈(9)로 향한다. 불활성 가스는 제1 가스 렌즈(9)를 통과하는 동안 정류된 층류가 되어 차폐 가스 안내 공간(53)으로 유출되고, 차폐 가스로서 차폐 가스 노즐(42)의 선단에서 튜브(10)의 용융지 및 그 부근을 향해 분출된다. 또한, 외주 유로(52)에 확산된 불활성 가스는 연통구(65)를 통해 외부 가스 유로(61)에 유입된다. 아우터 가스 유로(61)에 유입된 불활성 가스는 제2 가스 렌즈(64)를 통과하는 동안 정류된 층류가 되어 아우터 가스 안내 공간(62)에 유출되고, 아우터 가스로서 아우터 가스 노즐(63)의 선단에서 튜브(10)의 비드를 향해 분출된다.

[제1 가스 렌즈(9) 및 제2 가스 렌즈(64)의 구성]

여기서, 제1 가스 렌즈(9) 및 제2 가스 렌즈(64)의 구성에 대해 상세하게 설명한다. 도 7은 제1 가스 렌즈(9)의 평면도이고, 도 8은 제1 가스 렌즈(9)의 부분 확대된 평면도이며, 도 9는 도 8의 IX-IX 선에 따른 단면도이고, 도 10은 가스 렌즈의 사시도이다 .

도 7 ~ 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 가스 렌즈(9)는 격자 구조를 가지고 있다. 다시 말해서, 제1 가스 렌즈(9)는 가늘고 긴 빔(90, 92)이 삼차원 형상으로 서로 연결된 입체적인 망사형 격자이다. 여기서, 금속 3D 프린터로 제조 가능하도록 격자 구조를 형성하고 있는 가늘고 긴 빔(90, 92)의 직경(Φ)은 최소 0.2mm 정도이다.

본 실시예에 따른 제1 가스 렌즈(9)는 횡방향 빔(90)을 평면 형상으로 서로 연결해 이루어진 메쉬 시트(91)가 위상을 달리하여 비소모 전극(5)의 축 방향으로 쌓이고, 나아가 상하로 적층된 메쉬 시트(91)의 격자점들이 종방향 빔(92)으로 서로 연결된 구조를 가진다. 이러한 격자 구조를 가지는 제1 가스 렌즈(9)에는 빔(90, 92)에 의해 규칙적인 공극이 형성된다. 여기서, 도 8에서는 메쉬 시트(91) 중 네 셀의 격자가 표시되어 있고, 복수의 메쉬 시트(91)가 위상을 달리 하여 두께 방향으로 겹쳐 쌓인 모습이 도시하고 있다. 또한, 도 9에서는 메쉬 시트(91)의 격자점들이 경사진 종방향 빔(92)으로 서로 연결되어 입체화된 망사형 격자가 명확하게 도시되어 있다.

상기 구성의 제1 가스 렌즈(9)에서 슬리브(44)의 선단부와 연결되는 제1 가스 렌즈(9)의 내주부는 슬리브 (44)에 나사 결합되는 콜릿(7)으로부터의 압력에 저항하기 위하여 제1 가스 렌즈(9)의 나머지 부분에 비하여 높은 강성이 요구된다. 따라서, 제1 가스 렌즈(9)의 내주부의, 특히 슬리브(44)와의 결합부의 공극률은 가스 렌즈(9)의 다른 부분에 비해 낮은 값(예를 들어 10% 이하)으로 한정되어 있다. 공극률은 겉보기 부피 및 가스 렌즈(9)의 구성 재료의 진밀도로부터 구할 수 있다.

제2 가스 렌즈(64)는 제1 가스 렌즈(9)와 동일한 격자 구조를 가지고 있다. 즉, 제2 가스 렌즈(64)는 가늘고 긴 빔이 삼차원 형상으로 서로 연결된 입체적인 망사형 격자이다. 여기서, 금속 3D 프린터로 제조 가능하도록 격자 구조를 형성하고 있는 가늘고 긴 빔의 직경(Φ)은 최소 0.2mm 정도이다.

또한, 본 실시예에 따른 제2 가스 렌즈(64)는 제1 가스 렌즈(9)와 마찬가지로 횡방향 빔을 평면 형상으로 서로 연결해 이루어진 메쉬 시트가 위상을 달리하여 튜브(10)의 반경방향으로 쌓이고, 나아가 상하로 적층된 메쉬 시트의 격자점들이 종방향 빔으로 서로 연결된 구조를 가진다

제2 가스 렌즈(64)의 공극률은 제1 가스 렌즈(9)의 공극률과 같거나, 제1 가스 렌즈(9)의 공극률보다 낮은 값이다. 제2 가스 렌즈(64)의 공극율이 제1 가스 렌즈(9)의 공극률보다 낮으면, 제1 가스 렌즈(9)보다 제2 가스 렌즈(64) 쪽이 불활성 가스의 유동 저항이 높고, 불활성 가스가 제2 가스 렌즈(64)보다 제1 가스 렌즈(9)로 우선하여 흐르게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 용접 토치(3)는 불활성 가스가 유입되는 차폐 가스 유로(51, 52) 및 차폐 가스 유로(51, 52)와 연통하는 아우터 가스 유로(61)를 형성하는 유로 형성부(41)와, 차폐 가스 유로(51)의 불활성 가스를 정류하여 차폐 가스로서 분출하는 제1 가스 렌즈(9)와, 아우터 가스 유로(61)의 불활성 가스를 정류하여 아우터 가스로서 분출하는 제2 가스 렌즈(64)를 구비하는 토치 본체(4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시예에 따른 전자세 용접 장치(1)는 용접 토치(3)와, 용접 토치(3)를 튜브(10) 주위로 회전시키는 회전 기구(2)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 용접 토치(3) 및 전자세 용접 장치(1)에서는, 차폐 가스 유로(51, 52)와 아우터 가스 유로(61)가 연통되어 있고, 용접 토치(3)에 차폐 가스로 공급된 불활성 가스의 일부를 아우터 가스로 이용한다. 즉, 용접 토치(3)에 공급된 불활성 가스는 차폐 가스 유로(51, 52)의 일부 또는 전부를 이용하여 아우터 가스 유로(61)까지 운반된다. 이와 같이, 차폐 가스 유로(51, 52)와 아우터 가스 유로(61)가 독립적이지 않기 때문에, 유로를 공유하는 만큼 가스 유로를 단축하고, 나아가 아우터 가스용 호스와 연결되는 피팅부를 생략할 수 있기 때문에 아우터 가스 노즐(63)를 구비한 용접 토치(3)의 소형화를 도모할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 용접 토치(3)에서 차폐 가스 유로(51, 52)는 고리 형태를 나타내고 있고, 차폐 가스 유로(51, 52)를 불활성 가스 유입부를 포함하는 제1 부분과 나머지의 제2 부분으로 둘레 방향으로 2 분할할 때, 차폐 가스 유로(51, 52)의 제2 부분에 아우터 가스 유로(61)가 연결되어 있다.

이와 같이, 차폐 가스 유로(51, 52)에서 불활성 가스 유입부(즉, 연결 유로(56)가 연결되는 부분)와 아우터 가스 유로(61)가 연결되는 부분이 비소모 전극(5)을 사이에 두고 반대편에 있다. 이에 따라서, 외부에서 차폐 가스 유로(51, 52)로 유입한 불활성 가스가 즉시 아우터 가스 안내 공간(62)으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 용접 토치(3)는 비소모 전극(5)과, 비소모 전극(5)이 삽입되는 콜릿(7)을 더 포함한다. 또한, 토치 본체(7)는 콜릿(7)을 유지하는 슬리브(44)와, 비소모 전극(5)의 콜릿(7)에서 연장된 선단부의 주위에 차폐 가스 안내 공간(53)을 형성하는 차폐 가스 노즐(42)과, 차폐 가스 노즐(42)의 주위에 아우터 가스 안내 공간(62)을 형성하는 아우터 가스 노즐(63)을 구비한다. 그리고, 토치 본체(4)의 유로 형성부(41)는 슬리브(44)의 주위에 차폐 가스 유로(51, 52)를 형성하고, 제1 가스 렌즈(9)는 차폐 가스 유로(51)와 차폐 가스 안내 공간(53)을 분리하도록 배치되고, 제2 가스 렌즈(64)는 아우터 가스 유로(61)와 아우터 가스 안내 공간(62)을 분리하도록 배치되어 있다.

나아가, 상기 용접 토치(3)에서 차폐 가스 유로(51, 52)와 아우터 가스 유로(61)가 아우터 가스 유로(61)의 유로 면적보다 작은 유로 면적을 가지는 연통구(65)를 통해 연통되어 있다.

이와 같이, 아우터 가스 유로(61)로 불활성 가스가 유입되는 입구인 연통구(65)가 좁아져 있는 것이 의해, 차폐 가스 유로(51, 52)로부터 아우터 가스 유로(61)로 유입하려고 하는 불활성 가스에 유동 저항을 줄 수 있다. 이에 따라서, 차폐 가스 유로(51, 52)에서 불활성 가스는 아우터 가스 안내 공간(62)보다 차폐 가스 안내 공간(53)으로 우선적으로 흐르게 된다. 즉, 아우터 가스에 우선해서 차폐 가스가 분출된다. 따라서, 아우터 가스와 차폐 가스가 유로를 공유하고 있더라도 차폐 가스의 안정적인 분출은 방해받지 않는다.

또한, 본 실시예에 따른 용접 토치(3)에서는 차폐 가스 유로(51, 52)가 슬리브(44)의 주위에 형성되고, 제1 가스 렌즈(9)에 면하는 내주 유로(51)와, 내주 유로(51)의 주위에 형성되고 연통구(50)가 설치된 격벽(47)에 의해 분리된 외주 유로(52)를 포함하고, 아우터 가스 유로(61)가 외주 유로(52)와 연통되어 있다.

이와 같이, 차폐 가스 유로(51, 52)를 내주 유로(51)와 그 외주 측에 설치된 외주 유로(52)의 내외측의 이중 구조로 함으로써, 토치 본체(4)의 비소모 전극(5)의 축 방향과 평행한 방향의 치수(즉, 두께)을 억제하면서도, 충분히 불활성 가스를 층류화할 수 있다. 따라서, 차폐 가스 유로가 하나의 공간인 경우와 비교하여 용접 토치(3)를 편평화, 즉 두께를 얇게 할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 용접 토치(3)에서는, 외주 유로(52)를, 불활성 가스 유입부를 포함하는 제1 부분과 나머지 제2 부분으로 둘레 방향으로 2 분할할 때, 제1 부분의 격벽(47)의 개구율보다 제2 부분의 격벽(47)의 개구율이 크다. 여기서, 외주 유로(52)에서 불활성 가스의 유입부는 외주 유로(52)와 연결 유로(56)의 연결부이다.

상기와 같이, 외주 유로(52)의 제1 부분의 격벽(47)의 개구율보다 제2 부분의 격벽(47)의 개구율을 크게 함으로써 외주 유로(52)의 제1 부분에 유입된 불활성 가스가 제2 부분까지 돌아 들어가기 쉽게 되고, 불활성 가스를 외주 유로(52)에서 확산시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 용접 토치(3)에서 제2 가스 렌즈(64)는 격자 구조를 가지고 있다.

이와 같이, 제2 가스 렌즈(64)를 격자 구조로 형성하는 것에 의해, 3D 프린터를 이용하여 조형(造形)된 제2 가스 렌즈(64)에는 규칙적인 공극이 형성된다. 따라서, 제2 가스 렌즈(64)가 다공체인 경우와 비교하여 제2 가스 렌즈(64)의 공극율이 안정된다. 이에 따라서, 이와 같은 제2 가스 렌즈(64)를 구비한 용접 토치(3)의 수율 향상이 기대된다.

여기서, 본 실시예에 따른 용접 토치(3)의 제2 가스 렌즈(64)는 복수의 빔이 평면 형상으로 서로 연결되어 이루어진 메쉬 시트가 위상을 달리하여 두께 방향으로 쌓인 구조를 가진다. 적층된 메쉬 시트의 격자점들 사이는 종방향 빔으로 서로 연결되어 있다.

상기 실시예에서는, 용접 토치(3)의 제2 가스 렌즈(64)는 횡방향 빔과 종방향 빔이 서로 연결되어 삼차원의 입체적인 망사형 격자 구조를 가지고 있지만, 이에 한정되지 않으며, 제2 가스 렌즈(64)는 3D 프린터를 이용하여 규칙적인 공극을 조형할 수 있는 격자 구조를 가지고 있으면 좋다. 예를 들어, 제2 가스 렌즈(64)는 복수의 빔이 평면 형상으로 서로 연결되어 이루어지는 메쉬 시트가 위상을 달리하여 여러 겹으로 겹쳐져 있는 구조라도 좋다. 다만, 본 실시예와 같이, 메쉬 시트의 층 사이에 격자 점들 사이를 잇는 종방향 빔이 설치되는 것으로, 제2 가스 렌즈(64)를 통과하는 불활성 가스는 격자 구조의 횡방향 빔 뿐만 아니라 종방향 빔에 의해서도 정류된다. 이에 따라서, 종방향 빔이 설치되지 않는 경우와 비교하여 메쉬 시트의 적층 매수가 줄더라도 동등한 정류 효과를 얻을 수 있다. 다시 말해서, 종방향 빔이 설치되지 않는 경우와 비교하여 메쉬 시트의 적층 수를 줄일 수 있어, 제2 가스 렌즈(64)의 두께(즉, 튜브(10)의 반경 방향과 평행한 치수)를 줄일 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 용접 토치(3)에서 제2 가스 렌즈(64)는 토치 본체(4)에 일체적으로 형성되어 있다. 본 실시예에서는 토치 본체(4)는 금속 3D 프린터로 조형되어도 좋다.

이와 같이, 금속 3D 프린터 의한 조형 기술을 이용하여 견고한 금속부와, 그보다 공극율이 높은 제2 가스 렌즈(64)를 하나의 토치 본체(4)에 조합함으로써 용접 토치(3)를 저렴하게 제조할 수 있다.

[변형예]

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 상기 실시예의 구체적인 구조 및/또는 기능의 세부 사항을 변경하는 것도 본 발명에 포함될 수 있다. 상기 구성은 예를 들어, 다음과 같이 변경할 수 있다.

예를 들어, 상기 실시예에서, 차폐 가스 유로(51, 52)는 내외측의 이중 구조를 가지지만, 단일 구조여도 좋다. 차폐 가스 유로(51, 52)가 단일 구조인 경우는, 차폐 가스 유로(51, 52)에 유입되는 불활성 가스가 직접적으로 제1 가스 렌즈(9)(차폐 가스 안내 공간(53))에 흐르지 않도록 불활성 가스의 유로에 장애물을 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 예를 들어, 상기 실시예에서는, 연통구(65)의 유로 면적을 좁히는 것에 의해 아우터 가스 안내 공간(62)보다 차폐 가스 안내 공간(53)에 우선적으로 불활성 가스가 흐르도록 하고 있지만, 그것과는 다른 방법으로 아우터 가스 안내 공간(62)으로 흐르려고 하는 불활성 가스에 유동 저항을 주어도 좋다. 도 11은 변형예 1에 따른 용접 토치(3A)의 평면도이고, 도 12는 도 11의 XII-XII 선에 따른 단면도이며, 도 13은 도 12의 XIII-XIII 선에 따른 단면도이고, 도 14는 도 12의 XIV-XIV 선에 따른 단면도이다.

도 11 ~ 14에 도시된 변형예 1에 따른 용접 토치(3A)에서는 차폐 가스 유로(51, 52) 중 외주 유로(52)와 아우터 가스 유로(61)가 연결 유로(66)에 연결되어 있다. 연결 유로(66)의 유로 면적은 아우터 가스 유로(61)의 유로 면적보다 작지만, 외주 유로(52)와 아우터 가스 유로(61) 사이는 좁혀져 있지 않다. 용접 토치(3A)는 제2 가스 렌즈(64)의 공극율이 제1 가스 렌즈(9)의 공극률에 대하여 불활성 가스가 통과 가능한 범위(예를 들어, 30 ~ 60 %)에서 충분히 작게 되도록 구성되어 있다. 이로 인해 제2 가스 렌즈(64)를 통과하는 불활성 가스의 유동 저항은 제1 가스 렌즈(9)를 통과하는 불활성 가스의 유동 저항보다 크고, 용접 토치(3)에 공급된 불활성 가스는 아우터 가스 안내 공간(62)보다 차폐 가스 안내 공간(53)으로 우선적으로 흐른다. 따라서, 차폐 가스의 안정적인 분출은 방해받지 않는다.

또한, 예를 들어, 상기 실시예에서, 차폐 가스 유로(51, 52)와 아우터 가스 유로(61)를 연통하는 연통구(65)는 유로 면적이 졉혀진 구멍이지만, 연통구(65)의 태양은 이에 한정되지 않는다. 연통구(65)는 하나 또는 복수의 슬릿이어도 좋다. 또한, 연통구(65)에 회전 날개 등의 장애물이 설치되어도 좋다.

1: 전자세 용접 장치
2: 회전 기구
3, 3A: 용접 토치
4: 토치 본체
5: 비소모 전극
7: 콜릿
9: 제1 가스 렌즈
10: 튜브
11: 베이스 플레이트
12, 14, 16: 직동 기구
18: 클램프 기구
20: 테이블
21: 회전 부재
22 ~ 24: 종동 기어
25: 구동 기어
26: 모터
40: 베이스부
41: 유로 형성부
42: 차폐 가스 노즐
44: 슬리브
46: 나사 홈
47: 격벽
48: 피팅부
50: 연통구
51: 내주 유로(차폐 가스 유로)
52: 외주 유로(차폐 가스 유로)
53: 차폐 가스 안내 공간
54: 안내부
55: 유로
56: 연결 유로
61: 아우터 가스 유로
62 : 아우터 가스 안내 공간
63 : 아우터 가스 노즐
64 : 제2 가스 렌즈
65: 연통구
66: 연결 유로
67: 회전 날개
71: 헤드부
72: 통 형상부
90, 92: 빔
91: 메쉬 시트

Claims

불활성 가스가 유입되는 차폐 가스 유로 및 상기 차폐 가스 유로와 연통하는 아우터 가스 유로를 형성하는 유로 형성부와, 상기 차폐 가스 유로의 상기 불활성 가스를 정류(整流)하여 차폐 가스로 분출하는 제1 가스 렌즈와, 상기 아우터 가스 유로의 상기 불활성 가스를 정류하여 외부 가스로 분출하는 제2 가스 렌즈를 구비하는 토치 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 토치.
제1항에 있어서,
상기 차폐 가스 유로는 고리 형상을 나타내고, 상기 차폐 가스 유로를, 상기 불활성 가스 유입부를 포함하는 제1 부분과 나머지의 제2 부분으로 둘레 방향으로 2 분할할 때, 상기 차폐 가스 유로의 상기 제2 부분에 상기 아우터 가스 유로가 연결되는 것을 특징으로 하는 용접 토치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 차폐 가스 유로와 상기 아우터 가스 유로가 상기 아우터 가스 유로의 유로 면적보다 작은 유로 면적을 가지는 연통구를 통해 연통되는 것을 특징으로 하는 용접 토치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
비소모 전극과,
상기 비소모 전극이 삽입되는 콜릿을 더 포함하고,
상기 토치 본체가, 상기 콜릿을 유지하는 슬리브와, 상기 비소모 전극의 상기 콜릿으로부터 연장 돌출된 선단부의 주위에 차폐 가스 안내 공간을 형성하는 차폐 가스 노즐과, 상기 차폐 가스 노즐의 주위에 아우터 가스 안내 공간을 형성하는 아우터 가스 노즐을 구비하고,
상기 유로 형성부는 상기 슬리브의 주위에 상기 차폐 가스 유로를 형성하고, 상기 제1 가스 렌즈는 상기 차폐 가스 유로와 상기 차폐 가스 안내 공간을 분리하도록 배치되고, 상기 제2 가스 렌즈는 상기 아우터 가스 유로와 상기 아우터 가스 안내 공간을 분리하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 용접 토치.
제4항에 있어서,
상기 차폐 가스 유로가, 상기 슬리브의 주위에 형성되고 상기 제1 가스 렌즈에 면하는 내주 유로와, 상기 내주 유로의 주위에 형성되고 연통구가 설치된 격벽에 의해 분리된 외주 유로를 포함하고,
상기 아우터 가스 유로가 상기 외주 유로와 연통되는 것을 특징으로 하는 용접 토치.
튜브들 사이의 맞대기 용접을 수행하는 전자세 용접 장치로서,
청구항 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 용접 토치와,
상기 용접 토치를 상기 튜브 주위로 회전시키는 회전 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자세 용접 장치.