KR20230164839A - 일렉트로 가스 아크 용접용 냉각장치 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일렉트로 가스 용접시 용접 모재를 냉각할 수 있도록 상기 용접 모재의 일면과 맞닿도록 배치되는 냉각장치로서, 상기 냉각장치의 냉각면부를 평면으로 하는 평면도 상에서, 상기 냉각장치는 요철형태로 형성되되, 가운데 부분에 오목부가 형성되고, 상기 냉각장치는 상기 오목부를 기준으로 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부로 구획되며, 상기 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부 내부에는 냉각매체가 흐를 수 있는 냉각유로가 각각 형성될 수 있다.
Description
본 발명은 일렉트로 가스 아크 용접용 냉각장치 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 일렉트로 가스 아크 용접시 용접이 이뤄지지 않은 모재부에 대한 승온을 방지하고, 판재의 위치와 무관하게 동일한 열영향부(HAZ) 특성을 확보할 수 있는 일렉트로 가스 아크 용접용 냉각장치 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 관한 것이다.
일렉트로 가스 아크 용접법(Electro Gas arc Welding; 이하, EGW)은 일반적인 용접 방법 대비 입열량이 크다. 특히, EGW는 선박 제조 공정과 같은 후판의 용접 공정에서도 단일 패스(Single-Pass) 용접만으로 생산을 완료할 수 있어 뛰어난 생산성과 경제성을 보증한다는 특징이 있다.
EGW 용접시 비교적 두께가 얇은 약 20mm의 판재에 대해서는 고정 위치에서 발생한 아크를 활용해 용접을 진행할 수 있다. 하지만, 판재의 두께가 약 50mm 이상으로 두꺼워지는 경우, 한국등록특허 제10-1994008호에 기재된 바와 같이, 작업자는 전극의 오실레이션(Oscillation)을 통해 전면부에서 이면부까지 용접이 이뤄질 수 있도록 제어한다.
그러나, EGW 용접은 공정 특성상 전면부에 냉각수가 흐르는 동담금(Copper Shoe)을 이용하며, 상기 동담금이 용접부의 냉각 및 응고 거동에 가장 큰 역할을 수행한다. 용접 야금학적으로, 용접 중 용융부(Fusion zone)에서 항상 표면부로부터 중심부로 응고가 진행하게 된다. 이 때, 핵생성과 성장 과정에서 원자의 확산에 의해 냉각 진행 방향으로 편석(Segregation)을 일으킨다. 이러한 편석은 용접부 중 특히 중심부에서 기계적 특성 저하를 일으키는 주 원인 인자로 작용하는 문제점이 있었다.
또한, 한국등록특허 제10-1225336호에 의하면, 판재를 접합하는 다양한 기법 중에서도 극후물재에 대해서는 대입열 EGW(Electro Gas arc Wleding) 용접 기술이 주요하게 활용되고 있다. EGW를 활용해 단일 패스 용접을 수행하는 경우 다층 용접(Multi-pass) 대비 공정 시간이 단축되고, 열 이력이 단순하다는 특징이 있지만, 높은 입열량으로 인해 용접 열영향부(HAZ) 너비가 넓어지고 냉각 속도가 느려지는 문제점이 있었다.
높은 입열량이 지속됨으로 인해 발생하는 가장 큰 문제는, 아직 용접이 진행되지 않은 모재부까지 용접부의 열이 지속적으로 전달되는 것이다. 이로 인해 용접이 진행될수록 마치 용접 예열 작업을 수행한 것과 동일한 효과가 발생하고, 결과적으로 초기 용접부와 후기 용접부의 HAZ 영역 냉각이 불균일하게 일어날 수 있다.
야금학적 관점에서 용접 시 냉각 속도는 HAZ 미세조직과 기계적 특성에 가장 직접적으로 영향을 끼치는 요소이며, HAZ의 불균일성은 완성된 제품의 성능에도 악영향을 미칠 수 있기 때문에 반드시 해결되어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 일렉트로 가스 아크 용접시 용접이 이뤄지지 않은 모재부에 대한 승온을 방지하고, 판재의 위치와 무관하게 동일한 열영향부(HAZ) 특성을 확보할 수 있는 일렉트로 가스 아크 용접용 냉각장치 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일렉트로 가스 아크 용접용 냉각장치를 제공한다. 상기 일렉트로 가스 아크 용접용 냉각장치는 상기 냉각장치의 냉각면부를 평면으로 하는 평면도 상에서, 상기 냉각장치는 요철형태로 형성되되, 가운데 부분에 오목부가 형성되고, 상기 냉각장치는 상기 오목부를 기준으로 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부로 구획되며, 상기 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부 내부에는 냉각매체가 흐를 수 있는 냉각유로가 각각 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 냉각유로는 상기 용접 모재로부터 용접부쪽으로 상기 냉각매체가 흐르도록 설계될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 오목부는 용접장치에 구비된 용접토치의 구동을 방해하지 않도록 상기 용접 모재 사이의 거리만큼 홈이 파여진 형태일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 냉각장치는, 상기 용접 모재와 용접부 사이의 경계면으로부터 20mm 내지 30mm만큼 이격된 영역까지 상기 냉각장치에 의해 상기 용접 모재의 일면이 접하도록 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일렉트로 가스 아크 용접 장치를 제공한다. 상기 일렉트로 가스 아크 용접 장치는 선단에 용접 와이어가 장착되는 용접 토치; 상기 용접 토치에 용접 와이어를 송급하는 와이어 송급 유닛; 상기 용접 토치를 수직 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재의 두께 방향으로 이동시키거나, 상기 용접 토치를 상하 방향으로 이동시켜 상진 용접하도록 구동하는 구동 유닛; 및 상기 용접 모재를 냉각할 수 있도록 상기 용접 모재의 일면과 맞닿도록 배치되는 냉각장치;를 포함하고, 상기 냉각장치는, 상기 냉각장치의 냉각면부를 평면으로 하는 평면도 상에서, 상기 냉각장치는 요철형태로 형성되되, 가운데 부분에 오목부가 형성되고, 상기 냉각장치는 상기 오목부를 기준으로 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부로 구획되며, 상기 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부 내부에는 냉각매체가 흐를 수 있는 냉각유로가 각각 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 냉각유로는 상기 용접 모재로부터 용접부쪽으로 상기 냉각매체가 흐르도록 설계될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 오목부는 용접장치에 구비된 용접토치의 구동을 방해하지 않도록 상기 용접 모재 사이의 거리만큼 홈이 파여진 형태일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 냉각장치는, 상기 용접 모재와 용접부 사이의 경계면으로부터 20mm 내지 30mm만큼 이격된 영역까지 상기 냉각장치에 의해 상기 용접 모재의 일면이 접하도록 형성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 용접 토치 내에 형성되어 상기 용접 모재의 개선면간 거리 정보를 측정할 수 있는 레이저 센서;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 용접 모재의 개선면간 거리 정보에 대응하는 용접조건을 연산하고, 상기 용접조건 및 용접되는 부위의 위치에 따라 용접 전류 및 전압 조건을 조절해서 입열량을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 용접 모재의 개선면간 거리 정보는 적어도 3개 이상의 영역에서 측정될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 3개 이상의 영역 중 하나는 상기 용접 모재의 두께 방향으로 중심부에 해당하는 영역일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 3개 이상의 영역 중 다른 하나는 상기 용접 모재의 이면부에 가장 가까운 영역일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 3개 이상의 영역 중 또 다른 하나는 상기 용접 모재의 이면부에서 가장 먼 영역일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 일렉트로 가스 아크 용접시 용접이 이뤄지지 않은 모재부에 대한 승온을 방지하고, 판재의 위치와 무관하게 동일한 열영향부(HAZ) 특성을 확보할 수 있는 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 구비된 냉각장치의 구조 및 냉각매체의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 비교예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 구비된 냉각장치의 구조 및 냉각매체의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 도시하는 공정순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 조건 제어방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접이 수행되는 모습을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 구비된 냉각장치의 구조 및 냉각매체의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 비교예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 구비된 냉각장치의 구조 및 냉각매체의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 도시하는 공정순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 조건 제어방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접이 수행되는 모습을 개략적으로 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접이 수행되는 모습을 개략적으로 도해하는 도면이다. 도 9를 참조하면, 용접 모재(80)의 두께 방향으로 서로 마주보도록 백킹재(60) 및 동담금(70)이 위치하며, 백킹재(60) 및 동담금(70) 사이에 용접 토치(10)가 배치되어 주행방향을 따라 용접이 수행되게 된다. 이하에서, 후술할 동담금(70)은 본 발명의 냉각장치로 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치(100)는 용접 토치(10), 송급 유닛(20), 구동 유닛(30), 레이저 센서(40) 및 제어부(50)를 포함한다. 또, 용접을 수행하기 위해 용접 모재(80)의 두께 방향으로 서로 마주보도록 백킹재(60) 및 동담금(70)이 위치한다.
일반적으로 일렉트로 가스 아크 용접법(이하, EGW)에는 동담금/냉각 방식/이면부 지지방식/용접재료 등 다양한 공정 조건들의 설정이 필요하다. 상기 조건들은 각 상황에 맞게 수정될 수 있으며, 용접부 상부에 위치한 전극 팁으로부터 용접 재료를 공급받아 수직 상진 용접을 수행하게 된다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치(100)는 선단에 용접 와이어가 장착되는 용접 토치(10) 및 용접 토치(10)에 용접 와이어를 송급하는 와이어 송급 유닛(20)을 포함한다. 용접 토치(10)는 수직 맞대기 용접을 수행하기 위해서, 용접 모재(80)의 두께 방향으로 이동시키거나, 용접 토치(10)를 상하 방향으로 이동시켜 상진 용접하도록 구동하는 구동 유닛(30)을 포함한다.
또한, 일렉트로 가스 아크 용접 장치(100)는 용접 토치(10) 내에 형성되어 용접 모재(80)의 개선면간 거리 정보를 측정할 수 있는 레이저 센서(40) 및 용접 모재(80)의 개선면간 거리 정보에 대응하는 용접조건을 연산하고, 상기 용접조건 및 용접되는 부위의 위치에 따라 용접 전류 및 전압 조건을 조절해서 입열량을 제어하는 제어부(50)를 포함한다. 일렉트로 가스 아크 용접 장치(100)는 작업자의 조작에 의해 용접 전류 조건, 전압 조건 및 각 장치에 전원을 공급하는 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
용접 토치(10)는 EGW에 사용되는 토치로서, 용접 와이어를 공급 및 통전하는 기능을 한다. 용접 토치(10)는 구동 유닛(30)에 의해, 용접 모재(80)의 두께 방향으로 구동된다. 용접 토치(10)의 내부에는 레이저 센서(40)가 구비된다. 레이저 센서(40)는 용접 모재(80)의 개선면간 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
용점 모재(80)는 10mm 내지 100mm의 두께를 갖는 수직 철판으로 마련되고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상부에서 보았을 때, 'V'자 형상으로 개선 형상을 가진다. 여기서, 레이저 센서(40)는 용접 모재(80)가 서로 이루는 개선면 사이의 거리를 측정하는데 이용된다. 용접 모재(80)의 후면(이하, 이면부)에는 백킹재(60)가 설치되고, 용접 모재(80)의 전면(이하, 전면부)에는 동담금(70)이 설치된다. 여기서, 백킹재(60)는 용접 과정에서 용융금속을 받쳐주고, 냉각하여 용접비드를 형성하는 기능을 할 수 있다. 동담금(70)은 상기 용융금속을 받쳐주고, 수냉호스(미도시)에 의한 냉각 기능과 보호가스를 공급하는 기능을 할 수 있다. 이러한 동담금(70)은 용접 토치(10)와 함께 구동 유닛(30)에 의해 상하 방향으로 승강 동작할 수 있다. 동담금(70)에 대한 상세한 구성은 도 3 내지 도 6을 참조하여 후술한다.
구동 유닛(30)은 용접 토치(10)를 용접 모재(80)의 두께 방향(도 2에 도시된 M으로 도시된 화살표 방향)으로 위빙(weaving)시킬 수 있다. 구동 유닛(30)은 위빙 속도와 위치를 제어할 수 있도록 상용화된 모터를 사용할 수 있다.
제어부(50)는 용접 시작 전 또는 용접 수행 중 용접 시작점과 종료점을 설정하고, 위빙 속도, 폭 등과 같은 설정을 통해 용접 토치(10)의 위치를 제어한다. 이때, 용접 토치(10)를 구동시키면서 용접 전류 및 전압 조건을 제어하며, 상기 조건을 정확하게 제어하기 위해서, 용접 토치(10)에 구비된 레이저 센서(40)를 이용하여 용접 모재(80)의 개선면간 거리(P)를 각 위치에 따라 측정한다. 제어부(50)는 측정된 개선면간의 거리(P) 정보를 토대로 각 용접 위치별 입열량을 계산하여 전류 및 전압을 제어할 수 있다. 이하에서, 도 7 및 도 8을 참조하여 레이저 센서(40)를 이용하여 용접 모재의 입열량 계산 및 전류 및 전압을 조정하는 방법에 대해 구체적으로 후술한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 구비된 냉각장치의 구조 및 냉각매체의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 비교예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 장치에 구비된 냉각장치의 구조 및 냉각매체의 흐름을 개략적으로 도시하는 도면이다.
먼저, 도 5 및 도 6을 참조하면, 종래에는 동담금(76)이 2개의 용접 모재(80)의 일부와 용접부(84)에만 접하게 형성되어, 일렉트로 가스 아크 용접이 진행됨에 따라 용접 모재(80)가 예열되어 용접 후 열영향부(HAZ) 냉각 속도가 저하될 수 있다. 이러한 경향은 용접이 진행될수록 용접 모재(80)에 전파되는 열에너지의 총량이 증가하게 되어, 냉각 속도 저하의 정도가 점차 심화되게 된다.
특히, 용접이 직접 이루어지는 영역에만 동담금(76)을 배치하고, 냉각매체와 보호가스를 활용해 용접부(84)의 냉각을 수행하기 때문에 용융부(84)에 국한된 냉각이며, 용융상태 및 응고 후의 용융부(82)로부터 모재(80) 방향으로 확산되는 열은 막을 수 없다. 이로 인해, 아직 용접이 수행되지 않은 모재(80)의 일부에서 온도가 상승하게 되어 용접 품질이 저하되는 문제점이 발생하였다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 용접시 용접 모재(80)로 전달되는 열에너지의 영향을 최소한으로 줄이고자 동담금(70)의 구조를 종래와 다르게 변경하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동담금(70)은 용접 모재(80)의 용접부를 냉각함과 동시에 용접 모재(80)로 전달되는 열에너지에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 동시에 냉각할 수 있는 구조를 갖는다.
동담금(70)은 용접 모재(80)와 용접부(84) 사이의 경계면으로부터 20mm 내지 30mm만큼 이격된 영역 동담금(70)에 의해 용접 모재(80)의 일면이 접하도록 형성될 수 있다. 상기 경계면은 도 4에 도시된 개선면의 끝단, 즉, 용접 모재(80)의 이면부에서 가장 먼 영역에서의 개선면의 끝부분을 의미한다. 따라서, 용접 모재(80)와 용접부(84) 사이의 경계면으로부터 20mm 내지 30mm만큼 이격된 영역까지는 저면부(이면부와 대향되는 영역으로, 동담금(70)이 용접 모재(80)와 접하도록 배치되는 영역)에서의 개선면의 끝부분에서부터 용접부(84)의 바깥쪽 방향으로 20mm 내지 30mm까지의 영역을 의미한다. 만약, 상기 영역이 20mm 미만일 경우에는 종래의 동담금(76)[도 5 및 도 6 참조]의 냉각 효과와 크게 차이가 없으므로 본 발명에서 동담금(70)은 최소한 20mm 이상 용접 모재(80)와 맞닿도록 형성되어야 한다. 반면, 용접시 용접부(84) 인근에서 발생하는 열에너지의 전달에 의한 영향을 최소화하기 위해 동담금(70)의 크기를 크게 형성한 것이기 때문에, 30mm를 초과하여 형성될 경우 냉각효율이 떨어지게 된다. 따라서, 동담금(70)의 크기는, 용접 모재(80)와 용접부(84) 사이의 경계면으로부터 20mm 내지 30mm만큼 이격된 영역까지, 동담금(70)이 용접 모재(80)와 접하도록 형성되면 된다.
동담금(70)은 냉각면부를 평면으로 하는 평면도 상에서, 요철형태로 형성되되, 가운데 부분에 오목부가 형성된다. 여기서, 상기 냉각면부는 용접 모재(80)와 동담금(70)이 서로 맞닿는 면을 의미한다. 상기 오목부는 용접장치에 구비된 용접토치(10)의 구동을 방해하지 않도록 용접 모재(80) 사이의 거리만큼 홈이 파여진 형태를 의미한다.
또한, 상기 오목부를 기준으로 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부로 구획된다. 도 2를 참조하면, 제 1 냉각부와 제 2 냉각부는 냉각유로에 의해 동담금(70) 내부적으로 구획되는 영역일 뿐, 외관상으로는 일체형으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부 내부에는 냉각매체가 흐를 수 있는 냉각유로(72a, 72b, 74a, 74b)가 각각 형성된다. 냉각유로(72a, 72b, 74a, 74b)는 용접 모재(80)로부터 용접부(84)쪽으로 상기 냉각매체가 흐르도록 설계될 수 있다.
구체적으로, 용접시 용접부(84) 주변의 온도는 약 1,500℃까지 가열된다. 따라서, 동담금(70) 내에 흐르는 냉각매체의 흐름 방향이 중요하며, 이에 따라, 각 냉각부에 배치된 냉각유로의 입구와 출구가 상이하게 형성된다.
예컨대, 냉각매체를 공급하는 공급부가 용접부(84) 부근에 위치할 경우, 용접부(84)의 온도가 가장 높기 때문에, 동담금(70) 내부를 냉각매체가 순환할 때 용접부(84)로부터 열에너지를 전달받아 용접 모재(80)를 효과적으로 냉각할 수 없다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각매체 공급부(72a, 74a)는 용접부(84)와 가장 먼 영역에 형성되고, 동담금(70) 내에 구비된 냉각유로를 따라 순환한 뒤 용접부(84)와 가까운 영역에 형성된 냉각매체 배출부(72b, 74b)를 통해 냉각매체가 외부로 배출된다.
반면, 종래의 동담금(76)[도 5 참조]의 경우, 냉각매체 공급부(78a) 및 냉각매체 배출부(78b)의 거리가 가까워 냉각 효율이 매우 낮다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명에서는 동담금(70)의 크기를 크게 형성하여 용융부로부터 전이되는 열을 차단할 수 있고, 다른 용접 조건과 무관하게 모든 경우에 적용 가능하며, 동일한 용접부 및 용접 열영향부(HAZ) 성능을 기대할 수 있다. 이러한 냉각 방식은 모재(판재)의 두께, EGW 전극 수와 같은 기타 공정변수와 무관하게 항상 동일한 효과를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 도시하는 공정순서도이다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 일렉트로 가스 아크 용접 방법(S100)은 먼저, 용접 토치(10)를 배치하는 단계(S110)를 포함한다. 용접 토치(10)는 수직 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재(80)의 용접부위에 배치된다. 이때, 용접 모재(80)의 이면부와 전면부에는 각각 백킹재(60)와 동담금(70)이 설치된 상태이다. 용접 토치(10)는 와이어 송급 유닛(20)으로부터 와이어를 공급하고, 이산화탄소 등의 보호가스를 이용하여 아크를 발생시킨다.
이후에 제어부(50)는 용접 모재(80)의 두께 방향으로 용접 토치(10)를 위빙시키도록 제어하고, 용접 모재(80) 상에 용용부(82)를 형성하며 용접을 수행하게 된다. 여기서, 용접 부위의 위치에 따라 용접 전류 및 전압조건을 조절해서 용접 입열량을 제어해야 한다. 일단 EGW 용접을 수행하기 위해서, 용접 토치(10)의 위치별 입력값을 기본적으로 적용하는 단계(S120)를 수행할 수 있다. 상기 입력값은 용접 토치(10)가 용접 모재(80)의 이면부를 기준으로 설정된 값을 의미한다.
이후에 용접 토치(10)의 위치별 실시간 전류, 전압 및 너비를 측정하는 단계(S130)를 수행할 수 있다. S130 단계에서 용접 토치(10)에 구비된 레이저 센서(40)를 이용하여, 용접 모재(80)의 개선면간 거리 정보를 측정할 수 있다. 여기서, 상기 용접 모재(80)의 개선면간 거리 정보가 상기 너비를 의미한다. 측정된 데이터를 토대로 용접 토치(10)의 위치별 단위길이(면적)당 입열량 계산하는 단계(S140)를 수행할 수 있다. S130 단계 및 S140 단계에 대해서는 하기 도 4를 참조하여 조금 더 구체적으로 후술한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 조건 제어방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4를 참조하면, 상기 용접 조건을 제어하기 위해서, 용접 모재(80)의 개선면간 거리 정보는 적어도 3개 이상의 영역에서 측정되어야 한다. 상기 3개 이상의 영역 중 하나는 상기 용접 모재의 두께 방향으로 중심부에 해당하는 영역이어야 한다. 또, 상기 3개 이상의 영역 중 다른 하나는 용접 모재(80)의 이면부에 가장 가까운 영역과 용접 모재(80)의 이면부에서 가장 먼 영역에서의 거리 정보도 필요하다.
예컨대, 용접 모재(80)의 이면부를 기준으로 이면부에서 가장 가까운 영역을 P1으로 가정했을 때, 용접 모재(80)의 중심 영역을 P2로 가정할 수 있고, 이면부에서 가장 먼 영역을 P3로 가정할 수 있다. 이때, 용접 토치(10)가 P1, P2, P3를 순차적으로 이동하면서 레이저 센서(40)가 각 위치별 용접 모재(80)의 개선면간 거리를 측정할 수 있다.
기준이 되는 포인트 P1, P2, P3에서, 초기 전압, 전류, 입열량의 기준은 P2, 즉, 용접 모재(80)의 중심 영역을 기본위치로 설정한다. 이후에, 용접 토치(10)가 용접 모재(80)의 두께 방향을 따라 이동하면서 개선면간 거리 정보를 실시간으로 측정하여 이를 용접 조건에 반영한다.
여기서, P1 및 P3를 설정한 이유는 이론적으로 용접 토치(10) 자체의 형상으로 인해, 용접 모재(80) 상의 일부에 위치할 수 있는 임계값을 의미한다. 예컨대, 도면에 설정된 P1보다 이면부와의 거리가 더 짧게 용접 토치(10)를 배치하게 될 경우, 용접 토치(10)가 백킹재(60)에 물리적으로 접촉되어 파손될 수 있다. 혹은 도면에 설정된 P3보다 이면부와의 거리가 더 길게 용접 토치(10)를 배치하게 될 경우, 용접 토치(10)가 동담금(70)에 물리적으로 접촉되어 파손될 수 있다.
또한, 실제 EGW 용접시 P1 및 P3 위치가 상술한 임계값보다 더 중앙에 가까울 수 있기 때문에, EGW 용접을 수행하기 이전에 실제 P1 및 P3 위치는 용접 토치(10)가 직접 측정하도록 한다. 이때, EGW 용접 시작 전 오실레이션(Oscillation)을 통해 용접 모재(80)간 거리의 최소(min)값과 최대(Max)값을 측정하여 이를 기록 및 계산에 반영하는 과정을 거칠 수 있다.
본 발명에서 용접 모재(80)의 두께(T)는 20mm 내지 55mm로 한정한다. 이는 싱글 타입(Single torch) 토치가 적용되는 판재의 두께 범위를 의미하며, 만약, 이보다 더 두꺼운 판재에 대해 EGW 용접이 수행된다면 텐덤 타입(Tandem type) 토치를 사용하여 용접을 수행해야 한다. 반면, 상기 범위보다 두께가 더 얇은 판재에 대해서는 오실레이션이 유의미한 차이를 발생시키지 않기 때문에 개선면간 거리를 측정할 필요가 없다.
도 4에 도시된 모식도를 참조하면, EGW 용접시 조건으로 주어지는 변수는 하기와 같다.
T(Thickness of plate)는 용접 모재의 두께를 의미하고, R(Root gap)은 루트갭으로서, 이면부와 용접 모재 사이의 거리를 의미하며, θ(Angle of groove)는 개선각을 의미하고, P1은 용접 토치가 이면부에 가장 가깝게 있을 때 용접 모재간 거리(P minimum)로서, 예를 들어, 이면부로부터 5mm 이격된 위치일 수 있다. 또, P2는 용접 토치가 중심부에 있을 때 용접 모재간 거리(P center)로서, 예를 들어, 용접 모재의 두께의 절반에 해당되는 위치일 수 있다. P3는 용접 토치가 이면부에서 가장 멀 때 용접 모재간 거리(P maximum)로서, 전면부로부터 5mm 이격된 위치일 수 있다. 마지막으로, A는 개선각과 루트갭을 따라 이은 연장선으로서, 상기 A는 본 발명의 입열량 계산을 위해 수식 유도 과정에서만 사용하는 변수이다.
본 발명에서, 상기 3개 이상의 영역의 위치는 하기 수식1에 의해 연산될 수 있다.
[수식 1]
P = R + D·tanθ/2
(상기 P는 용접 모재(80)간의 거리 정보이고, 상기 R은 이면부에서의 용접 모재(80)간 거리 정보이며, 상기 D는 용접 토치(10)가 이면부로부터 이격된 거리에 의해 계산된 계수, 상기 θ는 용접 모재(80)의 개선각임)
상기 수식 1은 하기와 같은 과정을 통해 도출될 수 있다.
예컨대, 본 발명에서, 상기 수식 1은 용접 토치가 위치한 영역에서 아래와 같이 표현될 수 있다. 즉, 용접 모재와 모재 사이의 거리가 가장 짧은쪽 거리(P1) 연산은 아래와 같다.
용접 모재의 가운데 영역에서 판재간 거리(P2) 연산은 아래와 같다.
또한, 용접 모재와 모재 사이 거리가 가장 긴쪽 거리(P3) 연산은 아래와 같다.
상술한 바와 같이, 일반적으로 정해지는 입열량은 P2 위치(용접 모재의 두께의 절반에 해당하는 영역)에서 전압(V), 전류(I), 용접 속도(v)가 계산된다. 따라서, 상기 입열량은 용접 모재(80)의 두께 방향으로 중심부에 해당하는 영역(P2)에서의 입열량 대비 다른 용접 영역에서의 입열량의 비를 계산하여 제어될 수 있다.
여기서, 입열량은 하기 식으로 표현된다.
이 때, 용접 속도(v)는 고정값으로 볼 수 있다. 수직 상진 용접이므로 본 발명에서는 상수 처리하였다.
따라서, 입열량을 HI라고 하면, P3에서 입열량(최대값)은 아래와 같다.
또한, P1에서 입열량(최소값)은 아래와 같다.
마지막으로, 입열량은 전류(I)와 전압(V)의 곱이므로, 전류와 전압을 상기 비율에 맞추어 적절하게 제어할 수 있다.
상기와 같은 연산을 통해, 용접 토치(10)의 위치별 계산된 입열량에 따라 전류 및 전압을 조정하는 단계(S150)를 수행하고, 최종적으로 용접을 수행하고 종료하는 단계(S160)를 수행할 수 있다.
다시 말하면, 전류, 전압, 속도를 입력하여 총 입열량을 설정하면, 개선면을 따라 단위 길이(면적)당 입열량이 일정해지도록 상기 수식 1을 참조하여 계산되어 EGW 용접 공정이 진행된다. 이때, 해당 프로그램에 따라 전극 팁의 위치에 따라 전류와 전압을 조절함으로써 단위 길이(면적)당 입열량을 동일하게 가져가며, 이를 실시간으로 측정하고 계산할 수 있다. 만약, 단위 길이(면적)당 입열량이 입력 기준을 벗어나는 경우, 전류와 전압을 높이거나 낮춰 EGW 용접이 정상적인 조건으로 이행될 수 있도록 제어할 수 있다. 정해진 목표량만큼 EGW 용접을 수행한 후 용접을 최종적으로 종료할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서, 일렉트로 가스 아크 용접(EGW)시 확장된 냉각 장치(동담금)를 활용하여 용접이 이뤄지지 않은 모재부에 대한 승온을 방지하고, 판재의 위치와 무관하게 동일한 열영향부(HAZ) 특성을 확보함으로써 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 용접 토치
20: 송급 유닛
30: 구동 유닛
40: 레이저 센서
50: 제어부
60: 백킹재
70, 76: 동담금
72a, 74a, 78a: 냉각매체 공급부
72b, 74b, 78b: 냉각매체 배출부
80: 모재
82: 용융부
84: 용접부
100: 일렉트로 가스 아크 용접 장치
20: 송급 유닛
30: 구동 유닛
40: 레이저 센서
50: 제어부
60: 백킹재
70, 76: 동담금
72a, 74a, 78a: 냉각매체 공급부
72b, 74b, 78b: 냉각매체 배출부
80: 모재
82: 용융부
84: 용접부
100: 일렉트로 가스 아크 용접 장치
Claims (14)
- 일렉트로 가스 용접시 용접 모재를 냉각할 수 있도록 상기 용접 모재의 일면과 맞닿도록 배치되는 냉각장치로서,
상기 냉각장치의 냉각면부를 평면으로 하는 평면도 상에서,
상기 냉각장치는 요철형태로 형성되되, 가운데 부분에 오목부가 형성되고,
상기 냉각장치는 상기 오목부를 기준으로 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부로 구획되며,
상기 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부 내부에는 냉각매체가 흐를 수 있는 냉각유로가 각각 형성되는,
일렉트로 가스 용접용 냉각장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉각유로는 상기 용접 모재로부터 용접부쪽으로 상기 냉각매체가 흐르도록 설계된,
일렉트로 가스 용접용 냉각장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 오목부는 용접장치에 구비된 용접토치의 구동을 방해하지 않도록 상기 용접 모재 사이의 거리만큼 홈이 파여진 형태인,
일렉트로 가스 용접용 냉각장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉각장치는,
상기 용접 모재와 용접부 사이의 경계면으로부터 20mm 내지 30mm만큼 이격된 영역까지 상기 냉각장치에 의해 상기 용접 모재의 일면이 접하도록 형성된 것인,
일렉트로 가스 용접용 냉각장치. - 선단에 용접 와이어가 장착되는 용접 토치;
상기 용접 토치에 용접 와이어를 송급하는 와이어 송급 유닛;
상기 용접 토치를 수직 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재의 두께 방향으로 이동시키거나, 상기 용접 토치를 상하 방향으로 이동시켜 상진 용접하도록 구동하는 구동 유닛; 및
상기 용접 모재를 냉각할 수 있도록 상기 용접 모재의 일면과 맞닿도록 배치되는 냉각장치;를 포함하고,
상기 냉각장치는,
상기 냉각장치의 냉각면부를 평면으로 하는 평면도 상에서,
상기 냉각장치는 요철형태로 형성되되, 가운데 부분에 오목부가 형성되고,
상기 냉각장치는 상기 오목부를 기준으로 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부로 구획되며,
상기 제 1 냉각부 및 제 2 냉각부 내부에는 냉각매체가 흐를 수 있는 냉각유로가 각각 형성되는,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 냉각유로는 상기 용접 모재로부터 용접부쪽으로 상기 냉각매체가 흐르도록 설계된,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 오목부는 용접장치에 구비된 용접토치의 구동을 방해하지 않도록 상기 용접 모재 사이의 거리만큼 홈이 파여진 형태인,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉각장치는,
상기 용접 모재와 용접부 사이의 경계면으로부터 20mm 내지 30mm만큼 이격된 영역까지 상기 냉각장치에 의해 상기 용접 모재의 일면이 접하도록 형성된 것인,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 용접 토치 내에 형성되어 상기 용접 모재의 개선면간 거리 정보를 측정할 수 있는 레이저 센서;를 더 포함하는,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 용접 모재의 개선면간 거리 정보에 대응하는 용접조건을 연산하고, 상기 용접조건 및 용접되는 부위의 위치에 따라 용접 전류 및 전압 조건을 조절해서 입열량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 용접 모재의 개선면간 거리 정보는 적어도 3개 이상의 영역에서 측정되는,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 3개 이상의 영역 중 하나는 상기 용접 모재의 두께 방향으로 중심부에 해당하는 영역인,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 3개 이상의 영역 중 다른 하나는 상기 용접 모재의 이면부에 가장 가까운 영역인,
일렉트로 가스 아크 용접 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 3개 이상의 영역 중 또 다른 하나는 상기 용접 모재의 이면부에서 가장 먼 영역인,
일렉트로 가스 아크 용접 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020220064479A KR20230164839A (ko) | 2022-05-26 | 2022-05-26 | 일렉트로 가스 아크 용접용 냉각장치 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치 |
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|---|---|---|---|
| KR1020220064479A KR20230164839A (ko) | 2022-05-26 | 2022-05-26 | 일렉트로 가스 아크 용접용 냉각장치 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치 |
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| KR101225336B1 (ko) | 2010-10-27 | 2013-01-23 | 현대제철 주식회사 | 용융지 보호 기능을 갖는 일렉트로 가스 용접용 동담금 및 이를 포함하는 일렉트로 가스 용접 장치 |
| KR101994008B1 (ko) | 2014-07-25 | 2019-06-27 | 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 | 일렉트로 가스 아크 용접 방법 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치 |
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| KR101994008B1 (ko) | 2014-07-25 | 2019-06-27 | 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 | 일렉트로 가스 아크 용접 방법 및 일렉트로 가스 아크 용접 장치 |
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