KR101168026B1 - 용접 장치 및 이를 이용한 용접 입열량 저감 용접 방법 - Google Patents

용접 장치 및 이를 이용한 용접 입열량 저감 용접 방법 Download PDF

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Abstract

용접 장치 및 이를 이용한 용접 입열량 저감 용접 방법은,용접 와이어 공급장치에 의해 용접 와이어를 공급받아 용접 대상물을 용접하는 두 개의 용접 토치와, 냉각 와이어 공급장치에 의해 공급된 냉각 와이어를 용접 위치에 공급하여 용접 입열을 저감하는 냉각 토치와, 냉각 토치 및 복수 개의 용접 토치 중 어느 하나의 상대적 위치를 고정하는 고정부재를 포함한다.

Description

용접 장치 및 이를 이용한 용접 입열량 저감 용접 방법{WELDING APPARATUS AND WELDING METHOD FOR REDUCTION WELDING HEAT INPUT USING THE SAID WELDING APPARATUS}
본 발명은 용접 장치 및 이를 이용한 용접 열량 저감 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접 불량을 방지하고 작업 효율을 향상시키는 용접 장치 및 이를 이용한 용접 입열량 저감 용접 방법에 관한 것이다.
일반적으로 일렉트로 가스 아크 용접(Electro Gas Arc Welding: EGW)은 고성능 입향 용접 방법으로, 선박, 석유 저장 탱크 및 교량 등의 폭넓은 분야에서 적용되고 있다.
이러한 일렉트로 가스 아크 용접 방법은, 주로 이산화탄소를 보호가스로 이용하여 아크를 발생키시고, 이 발생된 아크를 이용하여 모재를 용융시켜 각각의 모재를 접합하는 방법이다. 통상 모재의 전면에는 수냉식의 동담금을 실시하고, 후면에는 고정식 백킹재를 설치한다. 그리고 용접 위치로 송급되는 용접 와이어와 모재 간에 발생되는 아크를 이용하여 용접부를 따라가며 용접이 진행된다.
최근, 경제 및 산업 발전에 의한 물류량의 증가에 따라 컨테이너 선박의 대형화가 급속하게 진행되고 있다. 따라서, 대형화된 컨테이너 선박의 선측 외판 및 해치 코밍(hatch coaming) 등의 후육화(厚肉化)가 진행되어, 판 두께 50mm 이상의 극후판이 사용된다.
종래에 이러한 극후판의 용접을 수행할 경우 1전극 1패스의 용접 방법을 적용하였다. 즉, 하나의 용접 토치를 이용하여 극후판의 용접을 진행하였다. 그러나 1전극 1패스 방법으로 극후판을 용접할 경우, 용접부의 길이가 길어지면 용접 속도가 현저히 낮아지는 문제점이 있다.
전술한 문제점의 해결을 위해 2전극 즉, 두 개의 용접 토치를 이용한 일렉트로 가스 아크 용접 방법을 적용하였지만, 용접 모재의 용접부에 발생되는 입열량이 증가되어 모재측의 열영향부 발생이 가중되어 용접 불량이 발생되는 문제점이 있다.
용접 불량의 발생을 방지하기 위한 용접 장치 및 이를 이용한 용접 입열량 저감 용접 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접 장치는, 용접 와이어 공급장치에 의해 용접 와이어를 공급받아 용접 대상물을 용접하는 두 개의 용접 토치와, 냉각 와이어 공급장치에 의해 공급된 냉각 와이어를 용접 위치에 공급하여 용접 입열을 저감하는 냉각 토치와, 냉각 토치 및 복수 개의 용접 토치 중 어느 하나의 상대적 위치를 고정하는 고정부재를 포함한다.
용접 와이어 공급장치는, 용접 토치에 연결되어 용접 와이어를 공급하는 용접 와이어 공급부와, 와이어 공급부의 와이어 공급 속도를 제어하는 제1 제어부와, 용접 토치에 전류를 공급하는 전원부를 포함할 수 있다.
냉각 와이어 공급장치는, 냉각 토치에 연결되어 냉각 와이어를 공급하는 냉각 와이어 공급부와, 냉각 와이어 공급부의 냉각 와이어 공급 속도를 제어하는 제2 제어부를 포함할 수 있다.
고정부재는, 두 개의 용접 토치 중 어느 하나와 냉각 토치가 각각 삽입되는 두 개의 삽입홀이 형성된 바디부와, 삽입홀의 내측면에 위치되는 절연부재를 포함하는 클램프일 수 있다.
두 개의 용접 토치는 일렉트로 가스 아크 용접(Electro Gas Arc Welding)을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접 열량 저감 용접 방법은, 용접 대상물에 두 개의 용접 토치를 이용하여 용접을 실시하는 단계와, 용접 대상물의 용접에 의한 입열량이 설정된 값을 초과하는지 판단하는 단계와, 입열량이 설정된 값을 초과하면 냉각 와이어를 용접 위치에 공급하여 입열량을 저감하는 단계와, 입열량이 설정값 미만으로 내려가면 냉각 와이어의 공급을 중지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용접 위치에 냉각 와이어를 공급하여 용접 입열의 일부를 저감하여 용접 대상물에 과도한 열의 공급을 방지하도록 함으로써, 용접 대상물의 변형을 방지한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 두 개의 용접 토치의 어느 하나와 냉각 토치를 절연 상태로 연결하여 용접 토치에 공급되는 전원이 냉각 토치를 통해 냉각 와이어에 전달되지 않도록 함으로써, 용접부의 입열량 저감을 원활하게 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 용접 토치와 냉각 토치를 클램프로 고정한 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 용접 토치와 냉각 토치를 연결하는 클램프를 도시한 도면이다.
도 4는 클램프를 이용하여 냉각 토치를 인접 설비와 간섭 없이 설치한 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 입열량 저감 용접 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
이하 본 발명의 실시예들에 따른 용접 장치 및 이를 이용한 용접 입열량 저감 용접 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으며, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 용접 토치와 냉각 토치를 클램프로 고정한 상태를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 장치(100)는, 용접 대상물(11)을 용접하는 두 개의 용접 토치(10)와, 용접 입열을 저감는 냉각 토치(30) 및 냉각 토치(30)를 용접 토치(10)에 고정하는 고정부재를 포함한다. 이하에서 고정부재는 클램프(50)로 정의한다.
용접 토치(10)는 마운트부(13)로 용접기(15)에 장착된다. 보다 상세하게는 도 2에 도시된 바와 같이, 마운트부(13)는 두 개의 용접 토치(10) 중의 어느 하나와 냉각 토치(30)를 연결한 상태로 용접기(15)에 장착될 수 있다. 그러나 이에 반드시 한정되는 것은 아니고, 마운트부(13)는 두 개의 용접 토치(10)와 냉각 토치(30) 모두를 함께 연결한 상태로 용접기(15)에 장착함도 가능하다. 이러한 두 개의 용접 토치(10)는 한 쌍을 이루어 용접을 실시한다. 두 개의 용접 토치(10)는 일렉트로 가스 아크 용접(Electro Gas Arc welding)으로 용접을 수행할 수 있다. 용접 토치(10)를 두 개로 장착함은 용접 속도를 보다 빠르게 하여 생산성을 향상시키기 위함이다. 즉, 선박 등에 사용되는 강판은 두께가 50mm 이상의 두꺼운 강판을 사용함으로써, 단일 시간에 용접량을 증대하기 위해 두 개의 용접 토치(10)를 사용한다. 본 실시예의 용접 토치(10)는 선박용 강판을 용접함을 설명하지만 이에 한정되지는 않는다.
용접 토치(10)에는 용접에 의해 발생된 열을 냉각하는 냉각장치(미도시)가 장착될 수 있다. 이러한 냉각장치(미도시)는 대기 중의 공기를 이용하여 냉각하는 자연공냉방식과, 공기압축기나 물냉각장치로부터 공급되는 공기 또는 물을 이용하여 냉각하는 강제 공냉 또는 강제 수냉식으로 장착될 수 있다. 용접 토치(10)를 구성하는 보다 세부적인 구성 및 작동은 공지된 구성으로 그 자세한 설명은 생략한다. 용접 토치(10)는 용접 와이어 공급장치(20)를 통해 용접 와이어(12)를 공급받아 용접을 실시한다. 용접 와이어(12)는 아크 용접을 위한 부재이며 공지된 구성으로 그 자세한 설명은 생략한다.
용접 와이어 공급장치(20)는 용접 와이어 공급부(22)와 제1 제어부(24) 및 전원부(26)를 포함한다.
용접 와이어 공급부(22)는 두 개의 용접 토치(10)에 각각 연결되어 용접 와이어(12)를 용접 토치(10)에 공급한다.
제1 제어부(24)는 용접 와이어 공급부(22)를 제어하여 용접 와이어(12)의 공급 속도를 조절한다. 즉, 용접 작업량의 증감에 따라서 용접 와이어(12)의 공급 속도를 빠르게 또는 느리게 조절한다.
제1 제어부(24)는 용접기(15)의 몸체에 장착될 수 있다. 제1 제어부(24)는 두 개로 장착되어 두 개의 용접 와이어 공급부(22)를 각각 제어할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 하나의 제1 제어부(24)를 이용하여 두 개의 용접 와이어 공급부(22)를 함께 제어함도 가능하다. 이러한 제1 제어부(24)는 용접기(15)에 장착됨으로써, 작업자가 용접 대상물을 확인하면서 실시간으로 제어 작동을 용이하게 할 수 있다.
또한, 제1 제어부(24)에는 전원부(26)가 장착됨으로써, 용접 토치(10)에 전원을 공급하여 아크 발생에 의한 용접이 진행되도록 한다. 전원부(26)는 용접기(15)에 장착될 수 있고, 용접기(15)의 외부에 장착됨도 가능하다.
한편, 용접 토치(10)의 근접 위치에는 냉각 토치(30)가 장착된다.
냉각 토치(30)는 냉각 와이어(32)를 용접 위치에 공급하여 용접 과정에서 발생되는 입열량을 저감한다. 이는 2개의 용접 토치(10)를 이용한 용접시에 용접부에 과도한 입열량의 공급됨을 방지함으로써, 용접 대상물(11)이 손상됨을 방지하기 위함이다. 보다 구체적으로 설명하면, 전원이 인가되지 않은 냉각 와이어(32)를 용접 위치에 공급함으로써, 용접이 실시되는 단위 면적에 용착량이 증가되어 용접 입열량이 줄어들게 된다. 냉각 와이어(32)는 예를 들어, 용접 입열의 흡수를 위한 필러 와이어(filler wire)일 수 있다. 이러한 냉각 토치(30)는 용접을 위한 구성이 아니므로 아크 발생을 위한 전원 공급이 이루어지지 않는다.
냉각 와이어 공급장치(40)는 냉각 토치(30)에 연결되어 냉각 와이어(32)를 공급하는 냉각 와이어 공급부(42)와, 냉각 와이어 공급부(42)를 제어하는 제2 제어부(44)를 포함한다.
냉각 와이어 공급부(42)는 냉각 와이어(32)를 냉각 토치(30)에 공급한다.
그리고, 제2 제어부(44)는 냉각 와이어 공급부(42)를 제어하여 냉각 와이어(32)의 공급되는 속도를 조절함으로써, 용접 위치에서 발생하는 용접 입열의 저감량을 결정한다. 즉, 냉각 와이어(32)의 공급량이 증대되면 용접 입열의 저감량이 증대되고, 냉각 와이어(32) 공급량이 감소하면 용접 입열의 저감량이 감소하게 된다.
제2 제어부(44)는 용접기(15)의 외부에 별도로 장착될 수 있다. 이 경우, 제2 제어부(44)는 제1 제어부(24)의 제어 작동과 별도로 독립적인 제어 작동이 이루어진다.
제1 제어부(24)와 제2 제어부(44)의 작동 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 작업자는 제1 제어부(24)를 제어하여 용접 토치(10)에 전원을 공급함으로써, 용접 대상물(11)의 용접을 진행한다. 그리고, 작업자는 용접 위치에서 입열량이 일정량 이상으로 발생됨으로 판단될 경우, 제2 제어부(44)를 제어하여 냉각 와이어(32)를 용접 위치에 공급하도록 제어한다.
한편, 냉각 토치(30)는 용접 토치(10)와 일정 거리 이격되게 장착된다. 이를 위해 냉각 토치(30)와 용접 토치(10)는 클램프(50)로 연결된다. 냉각 토치(30)는 두 개의 용접 토치(10) 중의 어느 하나에 클램프(50)로 장착될 수 있다.
도 3은 용접 토치와 냉각 토치를 연결하는 클램프를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 클램프(50)는 용접 토치(10)와 냉각 토치(30)가 삽입되는 삽입홀(51)이 형성된 바디부(52)와, 삽입홀(51)에 삽입되는 절연부재(54)를 포함한다.
바디부(52)는 알루미늄 소재로 형성될 수 있으며, 그 내부에 삽입홀(51)이 마련된다. 바디부(52)를 알루미늄 소재로 형성하는 경우, 용접 토치(10)와 냉각 토치(30)를 결합할 경우, 결합된 위치에서 자중에 의해 치우치지 않도록 가벼운 소재로 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 바디부(52)를 알루미늄 소재로 한정하였지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 알루미늄 보다 또는 동급의 가벼운 소재의 사용도 가능하다.
바디부(52)는 직사각의 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 냉각 토치(30)는 용접 토치(10)의 측면에서 돌출된 상태로 장착될 수 있다.
도 4는 클램프를 이용하여 냉각 토치를 인접 설비와 간섭 없이 설치한 상태를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 냉각 토치(30)는 클램프(50)를 회전시키면, 용접 토치(10)를 기준으로 임의의 회전 각도로 회전되어 장착될 수 있다. 따라서, 냉각 토치(30)는 인접한 설비와의 간섭 없이 장착 가능하다.
다시 도 3을 참조하면, 삽입홀(51)은 제1 삽입홀(51a)과 제2 삽입홀(51b)로 형성된다. 이 때, 클램프의 냉각 토치와 용접 토치가 각각 삽입되는 제1 삽입홀(51a) 및 제2 삽입홀(51b)의 중심축은 서로 나란하게 배열될 수 있다.
제1 삽입홀(51a)은 한 쌍의 용접 토치(10) 중에 어느 하나가 삽입 고정되고, 제2 삽입홀(51b)에는 냉각 토치(30)가 삽입 고정된다.
제1 삽입홀(51a)과 제2 삽입홀(51b)의 각각은 유격홀(56)과 연통된다. 보다 상세하게 유격홀을 설명하면, 유격홀(56)은 바디부(52)의 측면에서부터 유격홀(56)의 사이를 관통하도록 형성된다.
이러한 유격홀(56)을 형성함은 후술하는 나사부재(58)를 이용하여 유격홀(56)의 크기를 조절함으로써, 삽입홀(51)의 직경을 가변시키도록 하기 위함이다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 바디부(52)에는 유격홀(56)을 관통하도록 나사부재(58)가 장착된다. 따라서, 나사부재(58)의 체결력의 조절을 통해서 유격홀(56)의 크기의 조절이 가능함으로써, 삽입홀(51)의 직경 또한 조절이 가능하게 된다. 한편, 삽입홀(51)에는 유격홀(56)과 연통된 위치에서 삽입홀(51)의 직경 방향으로 대향된 위치에 인입홈(51c)이 형성될 수 있다. 인입홈(51c)은 나사부재(58)를 이용한 삽입홀(51)의 직경 조절시에 직경 변동의 기준점 작용을 함으로써, 삽입홀(51)의 직경 가변이 용이하게 이루어지도록 한다.
한편, 삽입홀(51)의 내측면에는 절연부재(54)가 위치된다. 절연부재(54)는 용접 토치(10)에서 발생하는 전류가 인접한 부분으로 이동됨을 차단한다. 보다 구체적으로 설명하면, 절연부(54)의 장착에 의해, 전원이 냉각 와이어(32)로 흐르지 않도록 함으로써, 입열량이 비정상적으로 상승됨을 방지한다. 절연부재(54)는 열이 전달되어도 녹지 않고 전기 절연성이 우수한 베이크라이트(bakelite) 소재로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 냉각 토치(30)는 용접 토치(10)들의 어느 하나에 클램프(50)에 의해 장착됨으로써, 용접 위치에 냉각 와이어(32)의 용이한 공급이 가능하여 용접 생산량이 증대되고 용접 품질의 향상이 가능하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 방법을 이하에서 설명한다. 도 1 내지 도 4와 동일 참조 번호는 동일 기능의 동일 부재를 말한다. 이하에서는 동일 참조 번호에 대해서는 그 자세한 설명을 생략한다.
먼저, 용접 대상물(11)에 한 쌍의 용접 토치(10)를 이용하여 용접을 실시한다.(S10) 본 실시예에서 용접 토치(10)를 한 쌍으로 장착하여 용접 진행속도의 향상이 가능하다.
그리고, 용접 대상물(11)의 용접에 의한 입열량이 설정된 값을 초과하는지 판단한다.(S20) 여기서 입열량의 설정값은 용접 대상물의 두께 및 크기에 따라서 변동되는 값이며 본 실시예에서는 특정 값으로 한정하지는 않는다.
다음, 단계 S20에서 작업자는 용접 위치에서 입열량이 설정된 값을 초과하여 생성됨으로 판단하면, 냉각 와이어(32)를 용접 위치에 공급하여 용접부에 가해지는 입열량의 일부를 저감한다.(S30)
이어서, 단계(S20)의 용접 입열량이 설정값 이상으로 내려감으로 판단되면(S40), 작업자는 냉각 와이어(32)의 공급을 중지하여 계속적인 용접이 진행되도록 한다.(S50)
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10...용접 토치 11...용접 대상물
12...용접 와이어 13...마운트부재
15...용접기 20...용접 와이어 공급장치
22...용접 와이어 공급부 24...제1 제어부
26...전원부 30...냉각 토치
32...냉각 와이어 40...냉각 와이어 공급장치
42...냉각 와이어 공급부 44...제2 제어부
50...클램프 51...삽입홀
51a..제1 삽입홀 51b..제2 삽입홀
51c..인입홈 52...바디부
54...절연부재 56...유격홀
58...나사부재

Claims (6)

  1. 용접 와이어 공급장치에 의해 용접 와이어를 공급받아 용접 대상물을 용접하는 두 개의 용접 토치;
    냉각 와이어 공급장치에 의해 공급된 냉각 와이어를 용접 위치에 공급하여 용접 입열을 저감하는 냉각 토치; 및
    상기 냉각 토치 및 상기 두 개의 용접 토치 중 어느 하나의 상대적 위치를 고정하는 고정부재
    를 포함하며,
    상기 고정부재는,
    상기 두 개의 용접 토치 중 어느 하나와 상기 냉각 토치가 각각 삽입되는 두 개의 삽입홀이 형성된 바디부와, 상기 삽입홀의 내측면에 위치되는 절연부재를 포함하는 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접 와이어 공급장치는,
    상기 용접 토치에 연결되어 상기 용접 와이어를 공급하는 용접 와이어 공급부;
    상기 와이어 공급부의 와이어 공급 속도를 제어하는 제1 제어부; 및
    상기 용접 토치에 전류를 공급하는 전원부;를 포함하는 용접 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 와이어 공급장치는,
    상기 냉각 토치에 연결되어 상기 냉각 와이어를 공급하는 냉각 와이어 공급부; 및
    상기 냉각 와이어 공급부의 냉각 와이어 공급 속도를 제어하는 제2 제어부;를 포함하는 용접 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 두 개의 용접 토치는 일렉트로 가스 아크 용접(Electro Gas Arc Welding)을 수행하는 용접 장치.
  6. 용접 대상물에 두 개의 용접 토치를 이용하여 용접을 실시하는 단계;
    용접 대상물의 용접에 의한 입열량이 설정된 값을 초과하는지 판단하는 단계;
    상기 입열량이 설정된 값을 초과하면, 냉각 와이어를 용접 위치에 공급하여 입열량을 저감하는 단계; 및
    상기 입열량이 설정값 미만으로 내려가면, 상기 냉각 와이어의 공급을 중지하는 단계;를 포함하는 용접 입열량 저감 용접 방법.
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