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KR100602382B1 - 아크 용접 장치 및 방법 - Google Patents

아크 용접 장치 및 방법 Download PDF

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KR100602382B1
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Abstract

본 발명은 아크 용접장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 완전용입 아크용접시 용융지로부터 방출되는 빛을 감지하도록 광센서를 설치하고, 광센서 출력신호로부터 완전용입상태를 유지하도록 용접장치를 제어하는 아크용접장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 아크용접장치는, 불용성 전극을 사용하는 아크용접부,상기 용접부에 장착된 용접토치, 상기 용접토치에 장착된 광검출부, 상기 광검출부의 출력신호로부터 키홀형성을 검지하기 위하여 용접부에 장착된 신호계산기로 구성된다. 또한, 본 발명은 피용접재를 준비하는 단계, 상기 피용접재 위에 광센서가 장착된 용접토치를 위치시키는 단계, 상기 용접토치에 분위기가스를 공급하는 단계, 상기 전극과 피용접재의 사이에 고전압을 인가하여 아크를 발생시키는 단계, 아크가 발생이 되면 고전압을 차단하는 단계, 광센서를 작동하는 단계, 아크전류를 증가시켜 아크가 용융지를 관통하는 키홀 형성단계, 상기 광센서로부터 키홀형성을 감지하는 단계, 상기 광센서의 출력신호를 이용하여 키홀을 일정하게 유지하도록 용접전원을 제어하는 단계를 포함하는것을 요지로 한다.
아크용접, 완전용입, 광센서, 스테인리스강, 티타늄

Description

아크 용접 장치 및 방법{Arc welding apparatus and method thereof}
도 1은 종래의 아크용접장치 및 방법.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 부분용입상태의 예를 나타내는 도면.
도 4는 플라즈마 아크열의 집중이 많은 경우를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 의하여 광센서장치를 이용하여 아크광 및 적외선을 측정하는상태를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 의하여 측정된 광신호의 예를 그래프로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예로서 2개의 피용접재를 맞대기 용접하는 경우를 나타내는 도면.
도 8은 도 7의 방법으로 검출한 광신호의 일예를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예로서 용접토치의 반대편 피용접재의 하부에서 광신호를 검출하는 상태를 나타내는 도면.
도 10은 도 9의 방법으로 검출한 광신호의 일예를 나타내는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11: 피용접제 21: 전원장치
22, 23: 전원케이블 30: 용접토치
31: 전극 40: 광검출부(광센서)
46: 신호계산기
본 발명은 아크용접 방법 및 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 GTA 용접장치에 완전용입 상태를 검지하기 위한 장치를 부가하고 이를 일정하게 유지되도록 제어하는 아크용접 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 GTA (Gas Tungsten Arc) 용접 혹은 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접은 불활성 가스분위기의 피용접재와 불용성 텅스텐 전극봉 사이에 전류를 인가하여 발생하는 아크열을 이용하여 재료를 용융시켜 접합하는 용접방법의 일종이다. 이 GTA 용접법은 용접부 외관이 미려하고 용접부 특성이 우수하여 스테인리스강, 티타늄 등의 고급소재 용접에 널리 사용되어 왔다. 그러나 불용성 텅스텐 전극을 사용하는 이 GTA 용접법은 소모성 전극을 사용하는 GMA (GAS Metal Arc) 용접에 비하여 용입깊이가 낮기 때문에 두께가 두꺼운 소재의 용접이 곤란하다.
두꺼운 소재를 용접하는 용접법으로는 레이저 용접법, 전자빔 용접법 등이 있으나 이러한 방법은 장치가 크고 장치비가 고가이므로 이용이 제한적이다. 또 다 른 방법으로는 흐름이 빠른 플라즈마 가스를 이용하는 플라즈마 아크 용접법이 있으나, 이 또한 장치비가 고가이며 전극의 손모가 크므로 사용이 제한적이다.
한편, WO99/021677에서는 기존의 GTA 용접을 이용하여 심용입 용접이 가능한 방법을 제안하였다. 도 1에는 WO99/021677에서 제안한 종래의 GTA 용접장치를 도시하였다. 도 1을 참조하면, 종래의 아크용접장치는 전원장치(21)와, 이러한 전원장치로부터 인출되는 전류는 케이블(22, 23)을 통하여 피용접재(11)와 용접토치(30)에 인가되며, 전극(31) 선단과 피용접재 사이에 아크가 형성되어 피용접재를 가열/용융시킨다. 상기의 특허에서는 이러한 GTA 용접에서 전류 집속으로 용융지를 관통하는 키홀형태의 용접방법을 제안하였다.
그러나 이 방법은 용입깊이 증가 혹은 용접속도 향상의 효과는 있으나, 완전용입 상태를 작업자가 육안으로 판단하여 용접조건을 관리해야 하는 어려움이 있다.
또한 미국 특허 4711986에서는 아크용접에서 광센서를 이용하여 용융지 폭 및 면적을 측정하여 용입깊이를 예측하는 장치 및 방법을 제안하였다. 그러나 이러한 방법으로는 키홀 형태의 GTA 용접에서 완전용입을 검지하고 유지하기는 불가능하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, GTA 용접에서 광센서를 이용하여 아크광 혹은 용융지로부터 방출되는 방사광을 측정하여 출력신호의 변화 로부터 완전용입을 검지하고, 이를 유지하도록 용접장치를 제어하여 아크용접품질을 향상시킬 수 있는 아크용접장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 아크용접장치는, 불용성 전극을 사용하는 아크용접부,상기 용접부에 장착된 용접토치, 상기 용접토치에 장착된 광검출부, 상기 광검출부의 출력신호로부터 키홀형성을 검지하기 위하여 용접부에 장착된 신호계산기로 구성된다.
또한, 본 발명의 아크용접 방법은, 피용접재를 준비하는 단계, 상기 피용접재 위에 광센서가 장착된 용접토치를 위치시키는 단계, 상기 용접토치에 분위기가스를 공급하는 단계, 상기 전극과 피용접재의 사이에 고전압을 인가하여 아크를 발생시키는 단계, 아크가 발생이 되면 고전압을 차단하는 단계, 광센서를 작동하는 단계, 아크전류를 증가시켜 아크가 용융지를 관통하는 키홀 형성단계, 상기 광센서로부터 키홀형성을 감지하는 단계, 상기 광센서의 출력신호를 이용하여 키홀을 일정하게 유지하도록 용접전원을 제어하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 장치를 개략적으로 도시한 도면이 다.
도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 아크용접 장치는 피용접재(11), 전원장치(21), 전원 케이블(22, 23), 용접토치(30), 전극(31), 광검출부(광센서:40) 및 신호계산기(46)을 포함한다.
전원부(21)로부터 인출되는 전류는 케이블(22, 23)을 통하여 피용접재(11)와 용접토치(30)에 인가되며, 전극(31) 선단과 피용접재 사이에 아크가 형성되어 피용접재를 가열/용융시킨다. 이때, 분위기 가스 공급부(24)로부터 공급되는 가스에 의하여 용융지가 보호되며, 아크의 발생 및 유지가 용이해진다. 광센서는 용융지로부터 방출되는 방사광 혹은 아크광을 검지하고, 광센서 출력신호는 신호선(44) 및 접속단자(45)를 통하여 전원부로 전달되며, 신호계산기(46)에서 신호를 분석하여 용접전원부를 제어한다.
완전용입상태를 검지하고 판정하기 위한 수단은 도 3 및 도 4를 이용하여 상세하게 설명한다. 도 3은 부분용입상태의 예로서 플라즈마아크는 모두 토치쪽의 전면으로 방출되므로 아크광(53)은 강도가 높다. 또한 아크열에 의하여 형성된 용융지(52)의 전체표면적으로부터 적외선(54)이 방출되며 특히 용융지는 아크 및 전자기력에 의한 압력을 받기 때문에 표면이 오목하므로 적외선의 강도가 높다. 한편 아크열의 집중이 많은 경우에는 도 4와 같이 플라즈마 아크가 용융지를 관통하여 키홀(55)을 형성한다. 이 경우에는 플라즈마 아크가 키홀을 통하여 용융지 이면으로 배출되어 아크광의 강도가 감소하며, 용융지의 중앙에 구멍이 형성하여 적외선이 감소한다.
도 5는 본 발명에 의하여 광검출부(40)를 이용하여 아크광 및 적외선을 측정하는 것이다. 아크 플라즈마(51)에서 방출되는 아크광(53) 혹은 적외선(54)은 광검출부(40)의 집속렌즈(41)에 의하여 광센서(43)에 집속된다.
도 6은 본 발명에 의하여 측정된 광신호의 예로서 키홀이 형성되기 전에는 출력신호 의 강도가 높지만 키홀이 형성되어 플라즈마 아크가 분출되고 용융지의 내부에 구멍이 형성되어 광신호의 강도는 급격하게 감소한다. 이러한 광신호의 급격한 감소가 생기는 시점을 신호계산기로 검지하여 용접전원부를 제어하게 된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예로서 2개의 피용접재를 맞대기 용접하는 경우 키홀을 통하여 배출되는 피용접재 뒷 면의 아크플라즈마를 용접부 전방에서 이음부 간극을 통하여 광검출부(40)로 검출하는 것이다.
도 8은 도 7의 방법으로 검출한 광신호의 일예로서 키홀이 형성되면 광검출부의 출력신호의 강도가 급격히 증가한다. 이 광신호의 급속한 증가가 생기는 시점을 신호계산기로 검지하고 일정하게 유지되도록 용접전원부를 제어하면 균일한 용접부 품질의 확보가 가능하다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예로서 용접토치의 반대편 피용접재의 하부에서 광신호를 검출하는 것이다. 이러한 방법은 자동차 부품용접, 철강제조라인, 파이프제조라인 등에서 적용가능한 방법으로 키홀을 통하여 분출되는 광신호를 광검출부(40)로 검지하는 것이다.
도 10은 도 9의 방법으로 검출한 광신호의 일예로서 키홀이 형성되면 광검출부의 출력신호의 강도가 급격히 증가한다. 이 광신호의 급속한 증가가 생기는 시점 을 신호계산기로 검지하고 일정하게 유지되도록 용접전원부를 제어하면 균일한 용접부 품질의 확보가 가능하다.
본 실시 예에 따른 아크용접장치의 작용 및 이에 따른 아크용접방법을 살펴보면 다음과 같다.
피용접재(11)를 배치하고 전원부(21)로부터 인출되는 전류는 케이블(22, 23)을 통하여 피용접재(11)와 용접토치(30)에 인가되며, 전극(31) 선단과 피용접재 사이에 아크가 형성되어 피용접재를 가열/용융시킨다. 이때, 분위기 가스 공급부(24)로부터 공급되는 가스에 의하여 용융지가 보호되며, 아크의 발생 및 유지가 용이해진다. 적외선(54) 혹은 아크광(53)은 집속렌즈(41)를 통하여 광센서(43)에 집속되며, 광센서 출력신호는 신호선(44) 및 접속단자(45)를 통하여 전원부로 전달되며, 신호계산기(46)에서 신호를 분석하여 용접전원부를 제어한다.
광검출부(40)는 용접토치와 일체화하는 것도 가능하며 용접토치와 분리하여 운용하는 것도 가능하다. 광센서의 감응 파장 범위는 300-2,000nm가 적당한데, 그 이유는 이 영역보다 낮거나 높은 파장영역의 광은 용접현상과 관련성이 적기 때문이다.
본 실시 예에 따른 아크용접장치는 키홀 형성의 검지가 가능하여 품질이 균일한 용접부를 얻는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 아크용접 장치는 완전용입이 되는 키홀의 형성을 감지하는 것이 가능하여 용접부 품질 향상이 가능하다.

Claims (5)

  1. 불용성 전극을 사용하는 아크용접부,
    상기 아크 용접부 에 장착된 용접토치,
    상기 용접토치에 장착된 광검출부,
    상기 광검출부의 출력신호로부터 키홀형성을 검지하기 위하여 용접부에 장착된 신호계산기를 포함하는 아크용접장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    광검출부의 감응파장범위가 300-2,000nm인 것을 특징으로하는 아크용접장치
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광검출부와 용접토치가 일체로 된 것을 포함하는 아크용접 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광검출부를 피용접재 하부에 장착하는 것을 포함하는 아크용접장치
  5. 피용접재(11)를 준비하는 단계,
    전원부(21)로부터 인출되는 전류를 케이블(22, 23)을 통하여 피용접재(11)와 용접토치(30)에 인가하는 단계,
    상기 전극(31) 선단과 피용접재 사이에 아크가 형성되어 피용접재를 가열/용융시키는 단계,
    분위기 가스 공급부(24)로부터 공급되는 가스에 의하여 용융지를 보호하는단계,
    적외선(54) 혹은 아크광(53)은 집속렌즈(41)를 통하여 광센서(43)에 집속하고, 광센서 출력신호는 신호선(44) 및 접속단자(45)를 통하여 신호계산기로 전달하는 단계,
    상기 신호계산기(46)에서 신호를 분석하여 용접전원장치를 제어하는 단계를포함하는 아크용접방법.
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