KR101678306B1 - 압력용기 및 강관용 자동용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형의 압력용기 또는 강관을 자동으로 용접하는 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지면에 설치되는 받침프레임과; 상기 받침프레임의 상면에 체결되어 좌우로 이동하는 좌우이동프레임과; 상기 좌우이동프레임의 상부에 직립하게 고정되어 있는 수직프레임과; 상기 수직프레임에 체결되어 상하로 이동하는 가이드블럭과; 상기 가이드블럭에 상기 좌우이동프레임의 이동방향과 직교하는 방향으로 체결되어 전후방향으로 이동하는 수평프레임과; 상기 수평프레임의 전면에 설치되어 압력용기를 용접하는 용접장치부와; 상기 좌우이동프레임과 수평프레임 및 용접장치부의 구동을 제어하는 제어부와; 상기 제어부에 전원을 공급하는 전원공급부;로 구성되는 것이 특징인 압력용기 및 강관용 자동용접장치에 관한 것이다.
본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치는 용접속도 및 용접품질을 개선할 수 있으며, 추적제어 모션 알고리즘을 통한 용접아크(용접선, 위빙폭/속도, 아크전압)의 제어기능을 포함함으로써 정확한 용접 및 용접제품의 품질을 향상할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

압력용기 및 강관용 자동용접장치{Automatic welding apparatus for pressure vessel and steel pipe}

본 발명은 압력용기 및 강관용 자동용접장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Hot Wire TIG 용접시스템이 적용되고, 비접촉식 센서를 활용한 용접선 추적 시스템을 겸비하고, 추적제어 모션 알고리즘을 통한 용접아크(arc) 제어 기능을 포함하는 압력용기 및 강관용 자동용접장치에 관한 것이다.

최근 뿌리기술로 불리고 있는 대표적인 생산기반기술인 용접은 기계분야의 부품소재의 최종 품질과 생산성에 직접 영향을 미치는 기반기술로 현장 경험 기술에 의존적이며, 이에 대한 표준화가 매우 까다로운 것이 사실이다.

또한, 숙련된 작업자의 고령화 및 부족현상에 따라 용접/시공 산업 분야도 자동화 또는 기계화가 빠르게 진행되고 있는 추세로서, 최근 플랜트 건설시장의 확대 및 용접품질에 대한 요구사항 증가, 용접분야의 기피현상, 그리고 고기량 용접인력 확보의 어려움 등으로 용접자동화 장비에 대한 관심이 고조되고 있다.

이에, 압력용기 및 강관은 용접품질에 대한 요구가 까다로워 고도의 숙련된 기술자 확보가 프로젝트의 성패를 좌우하고 있어 용접자동화에 대한 요구가 증가 할 것으로 예상되며, 압력용기 용접작업은 가장 높은 작업 난이도와 품질수준을 요구하며, 다양한 공정변수가 존재하나 대부분 수동용접이 주를 이루고 있어 자동화가 절실히 요구되고 있다.

특히, 최근 압력용기 및 강관의 경우 발주자의 품질요구가 증가하고 있고, 심지어 국제규격을 상회하는 경우가 발생하기도 한다.

그러나 용접자동화 장비는 생산성 향상이라는 목표를 달성하는데 있어서 효과적인 고능률 용접자동화 장비이나, 용접 현장에서 이를 적용함에 있어 막대한 초기 시설투자비가 소요되며, 복잡한 장비의 조작에 따른 높은 숙련도를 요구 할 뿐만 아니라 장비 작동에 있어 조작상의 어려움 및 열악한 작업 환경 특성으로 인한 장비의 내구성 문제 등을 유발할 가능성이 크므로 적용에 어려움이 따르고 있으며, 경험 의존적 성격이 뚜렷한 용접시공의 특성에 따라 용접기능의 기술화로의 진전에 어려움이 따르고 있다.

또한, 산업의 고도화에 따라 노동 인건비의 상승, 용접에 대한 기피 현상의 가속화 및 용접제품에 대한 높은 신뢰성이 요구되고 있으며, 용접 품질 향상, 원가절감 및 생산성 향상을 위한 용접 장비 개발에 대한 관심은 더욱 증대되고 있는 현실이다.

현재 STS 재질의 압력용기 용접 자동화 장비는 외국의 장비를 수입하여 사용하고 있는 실정이며, 외국 수입 장비에 비하여 저렴한 시설투자 비용, 작업환경에 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 고숙련도를 요하지 않고 간편하게 사용할 수 있는 고능률 용접자동화 장치개발에 대한 국산화연구가 필요하다.

용접자동화에 따른 종래기술로는 공개특허공보 제2015-0019720호에 베이스프레임; 상기 베이스프레임에 회전 가능하게 설치되어 제1회전구동부로부터 제공받은 구동력에 의해 회전되는 메인 회전축; 상기 메인 회전축으로부터 방사 방향을 향해 돌출된 복수의 지지프레임; 상기 각 지지프레임의 상면에 각각 설치되며, 그 상면으로 용접 대상물이 안착 고정되는 작업테이블; 그리고, 상기 베이스프레임로부터 수직하게 설치된 수직바에 설치되면서 어느 한 작업테이블의 상측에 위치된 상태로 해당 작업테이블에 안착된 용접 대상물을 용접하는 용접부;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 자동화 용접장치가 공개되어 있다.

또 다른 종래기술로는 공개특허공보 제2009-0055278호에 용접부에 라인(line) 형태의 레이저빔을 조사하여 용접부의 표면에 그 형상에 대응하는 라인이 나타나도록 함으로써 용접부의 형상을 측정하는 라인레이저와, 상기 라인레이저에 의하여 용접부의 표면에 나타난 라인을 detecting하여 용접부의 기하학적 형상인 geometry를 생성하는 Imager와, Spatter 및 이물질에 의하여 상기 Imager가 손상되지 않도록 보호하는 한편 용접부와 상기 Imager 사이에 초점을 맞춰 주는 Camera head를 포함하는 비접촉식 비전 센서와, 상기 Imager를 통하여 획득한 용접부의 geometry에 근거하여 필요한 용접 조건을 용접기에 자동으로 세팅하는 제어기; 및 상기 제어기와 무선으로 통신하면서 세팅된 용접 조건을 측정하고 필요한 경우 상기 제어기를 제어하는 PDA를 포함하는 용접 자동화를 위한 용접부 형상 측정 및 용접 조건 제어 시스템이 공개되어 있다.

그러나, 육/해상플랜트, 건설 및 열교환기 등에 주로 사용되는 압력용기 및 강관의 경우 TIG나 MIG와 같은 아크용접을 사용하여 인력에 의한 수동으로 용접작업을 수행하고 있으며, 그 이유는 기존의 자동화 시스템의 경우 작업속도가 느리고, 용접선을 추적하는 기능이 없어 용접 불량이 자주 발생하였다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 탄소강, STS, 기타 특수 재질의 압력용기 및 강관을 용접함에 있어서, Hot Wire TIG 용접기법 적용은 물론 용접아크 제어를 통한 정전류 특성구현, 용접선 추적 등을 모두 포함한 것을 핵심 개발요소로 구상하고 용접작업의 속도와 품질을 개선한 압력용기 및 강관용 자동용접장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명 대형의 압력용기 또는 강관을 자동으로 용접하는 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치는 지면에 설치되는 받침프레임과; 상기 받침프레임의 상면에 체결되어 좌우로 이동하는 좌우이동프레임과; 상기 좌우이동프레임의 상부에 직립하게 고정되어 있는 수직프레임과; 상기 수직프레임에 체결되어 상하로 이동하는 가이드블럭과; 상기 가이드블럭에 상기 좌우이동프레임의 이동방향과 직교하는 방향으로 체결되어 전후방향으로 이동하는 수평프레임과; 상기 수평프레임의 전면에 설치되어 압력용기를 용접하는 용접장치부와; 상기 좌우이동프레임과 수평프레임 및 용접장치부의 구동을 제어하는 제어부와; 상기 제어부에 전원을 공급하는 전원공급부;로 구성되는 것이 특징이다.

본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치는 용접속도 및 용접품질을 개선할 수 있으며, 추적제어 모션 알고리즘을 통한 용접아크(용접선, 위빙폭/속도, 아크전압)의 제어기능을 포함함으로써 정확한 용접 및 용접제품의 품질을 향상할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치의 구성도.
도 2는 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치의 또 다른 측면에서 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치의 용접장치부를 나타낸 일부분 확대 상세도.
도 4는 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치에 설치된 용접장치부의 용접아크발생기의 개요도.
도 5는 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치에 사용되는 용접와이어 가열에 대한 개요도.
도 6은 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치의 또 다른 실시에 따른 이동관계를 나타낸 개요도.
도 7은 Hot Wire TIG용접의 원리를 나타낸 개요도.
도 8은 Hot Wire TIG용접에 따른 아크와 와이어 전류파형의 조합을 나타낸 개요도.
도 9는 용접와이어 비통전 기간 중의 와이어 전압을 나타낸 개요도.
도 10은 접촉 공급 시퀀스를 나타낸 그래프.

본 발명 대형의 압력용기 또는 강관을 자동으로 용접하는 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치(100)는 지면에 설치되는 받침프레임(110)과; 상기 받침프레임(110)의 상면에 체결되어 좌우로 이동하는 좌우이동프레임(120)과; 상기 좌우이동프레임(120)의 상부에 직립하게 고정되어 있는 수직프레임(130)과; 상기 수직프레임(130)에 체결되어 상하로 이동하는 가이드블럭(150)과; 상기 가이드블럭(150)에 상기 좌우이동프레임(120)의 이동방향과 직교하는 방향으로 체결되어 전후방향으로 이동하는 수평프레임(140)과; 상기 수평프레임(140)의 전면에 설치되어 압력용기(200)를 용접하는 용접장치부(160)와; 상기 좌우이동프레임(120)과 수평프레임(140) 및 용접장치부(160)의 구동을 제어하는 제어부(170)와; 상기 제어부(170)에 전원을 공급하는 전원공급부(S);로 구성되는 것이 특징이다.

상기 용접장치부(160)는 압력용기(200)의 표면을 용접하는 용접토오치(161)와, 상기 용접토오치(161)와 압력용기(200)의 접촉면에 용접와이어(W)를 공급하는 용접와이어 피딩부(162)와, 상기 용접토오치(161)의 위치를 감지하고 제어하는 제어부(170)로 구성되는 것이 특징이다.

그리고 상기 용접장치부(160)의 용접토오치(161)는 가열 용접와이어 공급기(161-1)와 전극봉이 내장된 용접 아크발생기(161-2)로 이루어지는 것으로, 수평프레임(140)의 전면에 설치된 좌우로 이동하는 좌우조정블럭(164) 및 상하로 이동하는 상하조정블럭(165)에 의해 좌우 및 상하방향으로 미세조정이 가능한 것이 특징이다.

또한, 위빙블럭(166)으로 용접토오치(161)를 일정량만큼 좌우방향으로 연속적으로 위빙을 하고, 용접장치부의 가공 불량 등의 외부요인으로 인해 발생하는 용접아크 불안정 요소를 제어부(170)에서 감지하여 정전압조정블럭(167)으로 자동조정하여 용접아크를 안정화시키는 것이 특징이다.

그리고 압력용기 및 강관을 자동으로 용접하는 자동용접장치(100)는 용접공정 중 일어나는 모든 용접변수, 예를 들면 용접 전류, 전압, 용접 와이어 공급속도, 용접토오치(161) 위빙 폭 및 속도 등의 용접 공정 변수를 입력하고 프로그래밍할 수 있는 모니터링 시스템(M)이 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치를 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치의 구성도이며, 도 2는 본 발명 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치의 또 다른 측면에서 나타낸 구성도이다.

본 발명 자동용접장치(100)는 매니플레이트형(Manipulator type)으로서 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명 대형의 압력용기 또는 강관(200)을 자동으로 용접하는 압력용기 및 강관용접을 위한 자동용접장치(100)는 지면에 설치되는 받침프레임(110)의 상면에는 좌우로 이동하도록 좌우이동프레임(120)이 설치되어 있으며, 상기 좌우이동프레임(120)의 상부에는 수직프레임(130)이 직립하여 고정되어 있다.

참고로 매니플레이트란 사람의 팔과 비슷한 기능을 가진 기계를 일컫는 것이며, 또한 본 발명에서는 실시의 예로 압력용기(200)를 도시하였다.

상기 좌우이동프레임(120)과 상기 수직프레임(130) 사이에는 필요에 따라 수직프레임을 360도 회전 및 고정 가능하도록 회전판(180)이 설치되어 있다.

상기 수직프레임(130)에는 상기 좌우이동프레임(120)의 이동방향과 직교하는 방향으로 체결되어 상하 및 전후방향으로 이동하는 수평프레임(140)이 체결되어 있다.

이때, 상기 수평프레임(140)은 수직프레임(130)에 직접 설치되어 상하 및 전후방향으로 이동할 수 있으나 본 발명에서는 수직프레임(130)을 따라 수직방향으로 이동하는 가이드블럭(150)에 수평프레임(140)이 전후방향으로 이동하도록 체결되어 있는 구조이다.

특히, 상기 가이드블럭(150)은 상하로 관통되어 내부가 중공되어 있는 구조로서, 상기 중공부분으로 수직프레임(130)이 관통되어 수직프레임(130)을 따라 가이드블럭(150)이 상하로 이동하며, 상기 가이드블럭(150)의 외측면에 좌우이동프레임(120)의 이동방향과 직교하는 방향으로 지면과 수평상태인 수평프레임(130)이 가이드블럭(150)에 지지되어 전후방향으로 이동할 수 있도록 체결되어 있다.

한편, 받침프레임(110)과 좌우이동프레임(120)의 체결관계는 받침프레임(110)의 상면에 좌우방향으로 레일이 형성되고, 상기 좌우이동프레임(120)이 레일에 안착되어 이동하는 것이며, 또한 수직프레임(130)과 가이드블럭(150) 및 가이드블럭(150)과 수평프레임(140)의 체결관계도 어느 구성의 한 부분에 레일 또는 기어가 형성되고, 상기 레일 또는 기어를 따라 다른 구성이 이동하도록 체결되는 구성으로서, 좌우이동프레임(120)의 이동 및 가이드블럭(150)과 수평프레임(140)의 이동에 필요한 구동수단은 모터 또는 유압실린더와 같이 널리 알려진 관용의 수단이기에 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 수평프레임(140)의 전면에는 대형 압력용기 또는 강관(200)을 용접하기 위해 용접장치부(160)가 설치되어 있다.

그리고 상기 좌우이동프레임(120)과 수평프레임(140) 및 용접장치부(160)의 구동을 제어하는 제어부(170)가 구성되어 있다.

상기 제어부(170)는 수평프레임(140)의 측면에 고정설치되어 좌우이동프레임(120) 및 수평프레임(140)의 이동시 수직프레임(130)과 함께 일체로 이동하게 된다.

그리고 상기 제어부(170)에 전원을 공급하는 전원공급부(S)는 수직프레임의 측면에 설치된 지지플레이트(190)의 상면에 고정설치되어 좌우이동프레임(120)의 이동시 수직프레임(130)과 함께 일체로 이동하게 된다.

따라서, 제어부(170) 및 전원공급부(S)로부터 인출되는 각종 전선이나 케이블 등은 좌우이동프레임(120)의 좌우이동과 수평프레임(140)의 전후 또는 상하로의 이동에도 불구하고 꼬이지 않게 된다.

또한, 상기 좌우이동프레임(120)과 수직프레임(130) 사이에는 회전판(180)을 설치하여 회전판(180)의 회전에 의해 수직프레임(130)도 함께 회전하도록 함으로써 작업환경에 따라 작업대(300)의 위치를 바뀌더라도 회전판(180)을 작업대(300)의 방향에 맞추어 회전시켜 용접작업을 하면 된다.

도 3은 본 발명 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치의 용접장치부를 나타낸 일부분 확대 상세도, 도 4는 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치에 설치된 용접장치부의 용접아크발생기의 개요도, 도 5는 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치에 사용되는 용접와이어 가열에 대한 개요도, 도 6은 본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치의 또 다른 실시에 따른 이동관계를 나타낸 개요도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 용접장치부(160)는 수평프레임(140)의 전면에 설치되는 것으로, 압력용기(200)의 표면을 용접하는 용접토오치(161)와, 상기 용접토오치(161)와 압력용기(200)의 접촉면에 용접와이어(W)를 공급하는 용접와이어 피딩부(162)와, 상기 용접토오치(161)에 전기를 공급하여 용접와이어를 가열하고 용접아크 발생에 필요한 전원을 공급하는 용접전원공급부(168)로 구성되는 것이 특징이다.

상기 용접와이어 피딩부(162)는 관용의 구성이기에 상세한 설명은 생략한다.

용접와이어(W)를 예열하기 위한 용접전원공급부(168)는 전원공급부(S)와 별도로 구성하여 장착되어 있다.

특히, 도 4에 도시된 바와 같이 전극봉은 텅스텐 전극봉으로서 용접아크 발생기(161-2)에 내장되어 있다.

텅스텐 전극과 삽입하는 용접와이어 간의 각도를 8°정도로 하고 아크 길이변화에 따른 와이어 삽입위치 변화를 작게 하였다.

아크 형성부에서 텅스텐 전극과 용접와이어 간의 거리는 텅스텐 전극봉의 범위를 변화하여 조정하였다.

용접와이어를 텅스텐 전극에 가능한 가까이하기 위하여 와이어 통전중에는 아크가 와이어에서 떨어지도록 하는 와이어 +극 접속으로 하였다.

+극의 와이어와 -극 텅스텐 전극간의 아크발생을 방지하기 위하여 도 5의 전원을 개발하였다.

용접와이어가 모재에서 떨어질 시에는 와이어 전원의 2차 측에 있는 트랜지스터로 와이어 전원에서 용접와이어를 끊어 떨어지게 하며 이것이 필수적인 기술이다.

용접와이어 출구 측에 직경이 작은 세라믹노즐은 설치하고 거기에 고온 연화한 Hot-Wire가 통과하도록 매끈하게 하고 용접와이어 선단위치를 안정화한다.

1개의 토치스위치로 아크와 와이어를 제어한다.

0.5초 이하로 누를 경우에는 용접와이어 공급 정지용이며, 0.5초 이상 누를 때는 아크전원의 스위치의 신호 제어용으로 한다.

용접와이어 전방삽입에서 용접와이어 후방삽입까지 180°이상의 범위에 대해 용접와이어 삽입위치를 설정하는 구조로 되어 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 용접장치부(160)의 용접토오치(161)는 수평프레임(140)의 전면에 설치된 좌우로 이동하는 좌우조정블럭(164) 및 상하로 이동하는 상하조정블럭(165)에 의해 좌우 및 상하방향으로 미세조정이 가능하며, 위빙블럭(166)과 정전압조정블럭(167)에 의해 제어부(163)의 신호를 받아 움직임으로 더욱 고품질의 용접을 수행할 수 있다.

즉, 상기 좌우이동프레임(120)과 수평프레임(130)의 이동량에 비해 좌우조정블럭(164)과 상하조정블럭(165)의 이동량은 매우 미세하고 정교하게 움직이도록 하여 용접토오치(161)가 용접장치부위에 최대한 접근할 수 있도록 하고, 위빙블럭(166)으로 용접토오치(161)를 일정량만큼 좌우방향으로 연속적으로 위빙을 하고, 용접장치부의 가공 불량 등의 외부요인으로 인해 발생하는 용접아크 불안정 요소를 제어부(170)에서 감지하여 정전압조정블럭(167)으로 자동조정하여 용접아크를 안정화시킴으로써 용접품질이 향상되게 된다.

상기 좌우조정블럭(164), 상하조정블럭(165), 위빙블럭(166), 정전압조정블럭(167)의 결합순서는 좌우조정블럭(164), 상하조정블럭(165), 위빙블럭(166), 정전압조정블럭(167)의 순으로 체결되는 것이 바람직하나, 상하조정블럭(165)의 전면에 좌우조정블럭(164)이 체결되어도 무방하다.

이때, 상기 용접와이어(W)가 지나는 가열 용접와이어 공급기(161-1)는 용접전원공급부(168)의 가열 용접와이어 공급전원과 연결되어 저항가열 방식에 의해 용접와이어(W)가 예열됨으로써 용접시간을 단축할 수 있게 된다.

한편, 상기 용접장치부(160)의 전면에는 용접되어 지는 압력용기(200)가 놓이게 되는데, 상기 압력용기(200)는 좌우이동프레임(120)의 이동방향과 나란히 또는 수직하게 놓이게 된다.

그리고 좌우이동프레임(120)과 수직하게 압력용기(200)가 놓인 경우에는 상기 자동용접장치(100)의 수평프레임(140)의 전후 이동에 의해 압력용기의 길이방향으로 용접작업을 수행할 수 있다.

특히, 상기 압력용기(200)를 지지하기 위하여 바닥면에 작업대(300)가 설치되고 상기 작업대(300)의 상면에는 복수의 롤러(180)가 상기 압력용기(200)의 하부를 지지하도록 장착되어 압력용기(200)의 길이방향으로 용접할 때에는 압력용기(200)를 좌우이동프레임(120)과 수직하게 놓고 수평프레임(140)의 이동에 의해 용접작업을 수행하는 것이 바람직하나, 좌우이동프레임(120)과 좌우조정블럭(164)의 이동에 의해 용접가능하게 된다.

또한, 압력용기(200)의 둘레를 따라 용접하고자 할 때에는 압력용기(200)를 지지하고 있는 롤러(180)를 회전시켜 롤러(180)의 마찰에 의해 압력용기(200)를 회전시키게 된다.

본 발명의 용접장치부(160)에 의한 용접방법으로는 Hot Wire TIG 기법을 사용하였다.

TIG용접으로 용착속도를 증가하는 방법으로 Hot Wire기법이 있다.

용접와이어(W)에 전류를 연결하여 저항가열로써 용접와이어(W)를 예열하여 용접와이어(W)를 용융지에 투입한다.

스패터나 슬래그의 발생이 없고 흄도 적어지고 저수소로 지연균열의 염려가 적어지므로 예열온도를 낮게 할 수 있는 등의 TIG용접의 특징을 그대로 이용할 수 있다.

또한, 상기 용접장치부(160)에서 용접선 추적방식에 사용되는 용접선추적장치(Seam Tracker)는 비접촉 센서방식인 레이저기 또는 적외선카메라를 택일할 수 있으며, 레이저기로부터 조사되는 레이저를 촬영하는 CCD카메라로 구성되어 있는 것이 특징이다.

본 발명에서는 비전센서(163)를 이용하고 있다.

그리고 상기 용접선추적장치의 감지신호를 받아 제어부(170)에서 좌우조정블럭(164)을 작동하여 용접토우치(161)가 용접선을 일정하게 추적할 수 있게 한다.

용접선 추적 및 이를 보정하는 장치란, 압력용기 및 후육강관 아크용접에 있어서 용접공정의 고품위 용접품질을 확보하기 위해 소형 저가의 비접촉식 센서를 이용하여 용접부위를 추적하여 용접기가 진행(이송)함으로서 용접부의 결함 등을 최소화 하고 용접 품질을 높일 수 있다.

기존 압력용기 용접용 자동 용접장치의 경우 용접선 추적 시스템이 없거나, 용접선(용접부위)과 일정하게 정배열하기 위한 용접선 추적용 띠를 설치하여 접촉센서가 띠에 접촉하거나 용접부 접촉하는 방식(프로브 센서)을 사용하고 있으며, 용접선 추적용 띠나 용접부 가공 오차 등에 의해 배열이 어긋날 경우 용접결함이 발생하였다.

비접속식 센서를 이용한 용접선 추적 및 이를 보정하는 모션제어시스템의 적용을 통해, 용접선 추적용 띠 설치를 위한 용접작업 준비 시간을 없앨 수 있고, 용접부와 용접토치와의 이격배열에 의한 결함을 없애고, 제어시스템을 통해 용접부의 결함을 최적화 가능하다.

IT기술을 접목한 기술개발을 통해 용접부의 신뢰성을 확보하고 이를 통하여 제품의 신뢰성 향상시키며, 용접불꽃 관찰 시스템 접목을 통해 손쉽게 용접 전류, 전압, 용접속도 등의 용접품질에 영향을 줄 수 있는 물리적인 변수들을 사전에 파악하고 대처할 수 있다.

용접 토치 위빙(운봉)시스템은 용접시 용접선을 따라가면서 용접봉을 이동시키면 직선비드가 얻어 지기 때문에 폭넓은 비드를 만들기 위해 용접토치를 좌우로 움직이면서 용접선을 따라 이동하는 시스템이다.

다층용접이나 두꺼운 판을 맞대기 용접하는 경우에 용착금속량을 확보하기 위하여 자주사용 되는 방법이다.

용접부 형상(루터간격) 불일치에 따른 용접 아크 안정화 장치: 정전압 장치(AVC: auto voltage control)- 길이방향 또는 원주방향 용접시 용접부의 형상 및 루터간격이 일정하지 않을 경우 용접토치와 용접물(모재) 사이에 용접불꽃(arc)이 불안정하게 발생하여 용접부의 품질에 영향을 미치게 된다.

이러한 것을 미연에 방지하기 위한 용접불꽃 안정화 장치를 의미한다.

기존 제품의 경우 용접물의 용접부 형상이 일정하지 않을 경우 용접불꽃이 비정상적으로 발생하여 용접결함을 유발시키는 원인으로 작용하였다.

용접부 형상을 일정한 간격 및 형상을 유지시키기 위해 용접물의 용접부 형상을 비교적 정밀하게 가공하여야 한다.

본 발명에서는 용접품질에 가장 큰 영향을 미치는 용접불꽃의 길이 및 방향을 제어함으로써 보다 안정적이며, 우수한 용접 품질의 확보가 가능하다.

도 7은 Hot Wire TIG용접의 원리를 나타낸 개요도이다.

Hot Wire는 아크없이 용접와이어(W)가 통전만 해도 용접와이어(W)가 거의 용융상태에 도달한다.

용접와이어(W)의 용융속도는 아크전류와 관계없이 증감이 가능하다.

따라서, 필요한 만큼 모재를 용융하고 필요한 만큼 용착금속을 얻을 수 있다.

이것이 Hot Wire의 큰 특징이다.

도 8은 Hot Wire TIG기법에 따른 아크와 와이어 전류파형의 조합을 나타낸 것이다.

종래는 도 8(A), (B)와 같이 직류 또는 교류의 연속적인 전류로 와이어를 가열하였다.

여기에 반하여 본 발명은 도 8(C), (D)와 같이 펄스전류로 와이어를 가열하는 방법이 실용화되고 있다.

이 방법에는 다음의 2가지 큰 특징이 있다.

(1) 아크의 자기블로우 문제해결

용접와이어 통전에 의해 아크의 자기블로우는 펄스전류의 통전 중지기간 중에 발생하지 않는다.

그 기간 (전체기간의 70～80%) 간에 아크는 목표하는 곳에 위치하여 통상과 같이 모재를 용융시킨다.

예를 들어 PH법의 경우 통전기간이 3 ms인 동안에는 자기블로우가 생기다가 비 통전기간이 7ms인 경우 이 기간 동안 다시 아크가 안정화된다.

그 결과로 아크의 자기블로우의 존재는 실질적인 문제가 되지 않게 되었다.

여기에 용접와이어 삽입위치가 임의로 되므로 용접와이어 위치에 따라 아크의 상태가 크게 변하게 되어 작업이 어렵게 될 수 있다.

용접와이어 삽입위치의 영향을 작게 하는 점으로 펄스통전 가열은 효과를 발휘한다.

(2) 와이어에서의 아크발생 문제

펄스전류의 통전휴지(休止) 기간중에 와이어 전압으로, 와이어는 모재와 접촉되었는지를 탐지한다.

도 9는 그러한 원리를 도시한 것이다.

도 9는 용접와이어 비통전 기간 중의 와이어 전압을 나타낸 개요도이다.

용접와이어 선단이 모재와 접촉했을 때만이 와이어 전압은 0V가 된다.

그 신호로 부터 용접와이어와 모재간의 접촉상태를 탐지하며, 용접와이어가 모재로 부터 떨어져 있을 때에는 용접와이어를 전원에서 분리하여 통전을 정지하고 접촉되어 있을 경우에만 통전하도록 제어(접촉 검출방식)한다.

이로 인하여 와이어와 텅스텐 전극간, 또는 용접와이어와 모재 간의 아크가 발생하는 경우가 없다.

본 발명 Hot Wire TIG용접의 제어로서, 와이어 공급 & 정지로는 종래에는 토치 스위치로 용접와이어의 송급, 정지를 하였으나, 최근에는 와이어 선단이 모재와 접촉하면 와이어 송급을 시작하게 하고 떨어지면 공급 및 정지하는 접촉공급 제어방식이 가능하게 되었다.

원리는 도 9와 같으며, 손 떨림 등으로 순간적으로 떨어져도 용접와이어 공급은 5mm정도 계속된다.

이러한 제어에 따라 용접봉 조작과 유사한 느낌을 가지고 작업이 가능하다.

도 10은 접촉 공급 시퀀스를 나타낸 그래프이다.

용접와이어 용융에 필요한 와이어 가열전력은 원리적으로 와이어 속도에 비례한다.

이 비례계수는 리모콘의 다이얼로 조작하고 적정한 용접와이어 가열전력으로 설정(Power계수제어)한다.

그러나 다이얼을 적정치 근방에 두어도 와이어 삽입위치가 아크에 가깝게 되어 과열기미로 용접중단이 발생하거나, 멀리하여 가열부족이 되어 와이어가 모재와 충돌하여 토치가 위로 올려질 수 있다.

실작업에는 용접와이어 용융상태를 작업자가 감지하여 토치와 모재 간의 거리를 조절 또는 용접와이어 삽입위치를 아크에 가깝게 하거나 멀리하여 적정상태로 조정한다.

본 발명 압력용기 및 강관용 자동용접장치는 용접속도 및 용접품질을 개선할 수 있으며, 추적제어 모션 알고리즘을 통한 용접아크(용접선, 위빙폭/속도, 아크전압)의 제어기능을 포함함으로써 정확한 용접 및 용접제품의 품질을 향상할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

100. 자동용접장치
110. 받침프레임 120. 좌우이동프레임
130. 수직프레임 140. 수평프레임
150. 가이드블럭 160. 용접장치부
170. 제어부 180. 회전플레이트
190. 지지플레이트
161. 용접토오치 161-1. 가열 용접와이어 공급기
161-2. 용접아크 발생기
162. 용접와이어피딩부
163. 용접선추적장치(Seam Tracker) 163-1. 추적센서
163-2. 비전센서
164. 좌우조정블럭 165. 상하조정블럭
166. 위빙블럭 167. 정전압블럭
168. 용접전원공급부
200. 압력용기
300. 작업대 310. 롤러
M. 모니터링시스템 W. 와이어
S. 전원공급장치

Claims (3)

1. 자동용접장치(100)는 지면에 설치되는 받침프레임(110)과; 상기 받침프레임(110)의 상면에 체결되어 좌우로 이동하는 좌우이동프레임(120)과; 상기 좌우이동프레임(120)의 상부에 직립하게 고정되어 있는 수직프레임(130)과; 상기 수직프레임(130)에 체결되어 상하로 이동하는 가이드블럭(150)과; 상기 가이드블럭(150)에 상기 좌우이동프레임(120)의 이동방향과 직교하는 방향으로 체결되어 전후방향으로 이동하는 수평프레임(140)과; 상기 수평프레임(140)의 전면에 설치되어 압력용기(200)를 용접하는 용접장치부(160)와; 상기 좌우이동프레임(120)과 수평프레임(140) 및 용접장치부(160)의 구동을 제어하는 제어부(170)와; 상기 제어부(170)에 전원을 공급하는 전원공급부(S);로 구성되어 대형의 압력용기 또는 강관을 자동으로 용접하는 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치에 있어서,
   상기 용접장치부(160)는 압력용기(200)의 표면을 용접하는 용접토오치(161)와, 상기 용접토오치(161)와 압력용기(200)의 접촉면에 용접와이어(W)를 공급하는 용접와이어 피딩부(162)와, 상기 용접토오치(161)의 위치를 감지하고 제어하는 제어부(170)로 구성되되,
   상기 용접장치부(160)의 용접토오치(161)는 가열 용접와이어 공급기(161-1)와 전극봉이 내장된 용접 아크발생기(161-2)로 이루어지는 것으로, 수평프레임(140)의 전면에 설치된 좌우로 이동하는 좌우조정블럭(164) 및 상하로 이동하는 상하조정블럭(165)에 의해 좌우 및 상하방향으로 미세조정이 가능한 것이고,
   위빙블럭(166)으로 용접토오치(161)을 일정량만큼 좌우방향으로 연속적으로 위빙을 하며, 용접장치부(160)의 가공 불량으로 인해 발생하는 용접아크 불안정 요소를 제어부(170)에서 감지하여 정전압조정블럭(167)으로 자동조정하여 용접아크를 안정화시키는 것이며,
   상기 용접와이어(W)가 지나는 가열 용접와이어 공급기(161-1)는 용접전원공급부(168)의 가열 용접와이어 공급전원과 연결되어 저항가열 방식에 의해 용접와이어(W)가 예열됨으로써 용접시간을 단축할 수 있는 것으로,
   상기 용접와이어(W)를 예열하기 위한 용접전원공급부(168)는 전원공급부(S)와 별도로 구성하여 장착되어 있으며,
   상기 용접장치부(160)의 전면에 좌우이동프레임(120)의 이동방향과 나란하게 놓인 압력용기(200)를 축중심으로 회전시킴으로써 압력용기(200)의 둘레 또는 길이방향으로 용접하되, 상기 압력용기(200)의 하부에 접촉하여 지지하고 있는 복수 개의 롤러(310)가 회전하게 되면, 상기 롤러(310)의 상부에 안착되어 있는 압력용기(200)는 회전하는 것이 특징인 압력용기 및 강관제작용 자동용접장치.
   
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