KR20200055386A - 하이브리드 필렛 오토 캐리지 장치 - Google Patents

하이브리드 필렛 오토 캐리지 장치 Download PDF

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KR20200055386A
KR20200055386A KR1020180138991A KR20180138991A KR20200055386A KR 20200055386 A KR20200055386 A KR 20200055386A KR 1020180138991 A KR1020180138991 A KR 1020180138991A KR 20180138991 A KR20180138991 A KR 20180138991A KR 20200055386 A KR20200055386 A KR 20200055386A
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auto carriage
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이승환
김진영
박재웅
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한국항공대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 2개의 텐덤 전극과 핫와이어전극의 총 3개의 전극을 갖는 하이브리드 필렛 오토 캐리지에 관한 기술로서, 빠른 용접 속도와 텐덤 전극 사이의 아크 간섭을 줄일 수 있으며, 컴팩트한 구조로 전극 사이의 거리를 줄일 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 필렛 오토 캐리지 장치{Hybrid type fillet auto carriage}
본 발명은 용접 장치에 관한 기술로서, 보다 구체적으로는 3개의 전극을 이용한 3전극 필렛 오토 캐리지에 관한 기술이다.
본 발명은 필렛 오토 캐리지에 관한 기술로서, 아크 용접과 핫와이어를 이용한 3전극 필렛 오토 캐리지에 관한 기술이다. 일반적으로, 피용접물의 모양과 형상, 피용접물간의 접합방향, 용접방향, 용접작업의 특성 등의 주변 요인에 따라 다양한 자동용접장치들이 개발되어 사용되고 있다.
아크의 열로 행하는 용접으로 교류를 사용하는 경우는 교류 아크 용접, 직류를 사용하는 경우는 직류 아크 용접, 자동화의 정도에 따라서 수동 용접, 반자동 아크 용접, 자동 아크 용접이 있다. 대표적인 아크 용접법으로서 피복 아크 용접봉을 사용해서 행하는 피복 아크 용접, 플럭스 속에서 용접와이어와 모재 사이에 아크를 발생시켜 자동으로 용접하는 서브머지드 아크 용접, 아르곤, 헬륨 등의 이너트 가스 속에서 행하는 이너트 가스 아크 용접, 탄산가스 분위기 속에서 자동 또는 반자동으로 행하는 탄산가스 아크 용접 등이 있다.
특히, 이러한 전기 가스 아크 용접 방법을 이용한 장치는 선박제조 시 판 두께가 8mm 이상인 후판 용접에 사용되고 있는데, 종래에 이러한 후판의 용접을 수행할 시에는 1전극 1패스 용접 방법으로 특히 용접부의 길이가 길어질 경우 피용접판이 갖는 용접부에 발생하는 입열이 가중되어 언더컷, 융합 불량 등이 발생한다. 또한, 피용접판의 두께가 두꺼울수록 용접속도가 느려지는 문제점도 발생한다
다양한 재질의 용접 작업이 이루어지는 선박의 작업 현장에서는 대체로 H-beam, I-beam 등과 같이 일정한 형태를 갖춘 형재를 용접하게 되는 것이 일반적일 것이다. 이러한 형재를 용접하게 되는 경우, 용접선이 일직선을 이루고 있기 때문에, 수작업에 의해 용접하는 것보다는 일정 속도로 직선 이동하는 이동장치 즉, 오토캐리지에 용접 토치를 장착하여 상기 오토캐리지가 주행함과 동시에 용접 토치가 작동되도록 하여 형재의 균일한 용접이 이루어지도록 하고 있다.
(선행문헌 1) 특허공개 제10-2013-0015226호 (선행문헌 2) 특허공개 제10-2015-0038035호
본 발명은 100 ~ 200 cpm의 고속 수평 필렛 용접할 수 있는 필렛 오토 캐리지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전극간 거리를 최소화(15 ~ 40 mm)하면서 물리적 간섭을 최소화하여 하나의 용융풀 용접이 가능한 필렛 오토 캐리지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 용접을 위한 아크를 각각 발생하는 선행전극, 후행전극; 및 상기 선행전극과 후행전극 사이에 위치하는 핫와이어전극을 포함하는 하이브리드 필렛 오토 캐리지를 제공한다.
특히, 상기 선행전극과 후행전극 사이의 거리는 15 ~ 40 mm인 것이 바람직하다.
특히, 상기 핫와이어는 별도의 용융 가열원이 없이, 선행전극과 후행전극의 아크 열을 이용하여 모재에 융착되는 것이 바람직하다.
특히, 상기 선행전극 및 후행전극의 X축 이동을 가능하게 하는 X축슬라이드조절핸들; 상기 선행전극 및 후행전극의 Y축 이동을 가능하게 하는 Y축슬라이드조절핸들; 상기 선행전극 및 후행전극의 워크앵글(work angle) 조절하는 워크앵글조절핸들; 상기 선행전극 및 후행전극의 모재에 대한 각도인 트래블앵글(travel angle) 조정을 가능하게 하는 틸팅조절핸들; 및 상기 선행전극 및 후행전극의 모재에 대한 거리를 조절하는 CTWD조절핸들을 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 선행전극 및 후행전극은 각각 클램프에 거치된 상태에서, 상기 각 클램프는 하부에 클램프거치대를 구비하되, 상기 클램프거치대는 수평부, 상기 수평부와 둔각을 이루는 경사부 및 상기 수평부와 경사부의 회전 중심인 회전축을 포함하여 전체적으로 V자 형상을 이루되, 상기 수평부의 상부에 틸팅조절핸들의 정회전 또는 역회전 조절에 의해 수평부가 상하로 이동하면, 회전축을 중심으로 경사부는 수평부와 반대 방향으로 이동하게 할 수 있다.
특히, 상기 경사부에 클램프가 평행하게 고정되며, 상기 경사부에 위치하는 CTWD조절밸브의 정회전 또는 역회전에 의해 상기 클램프가 경사부의 가이드홈을 따라 평행하게 이동함으로써 CTWD를 조절할 수 있다.
특히, 상기 하이브리드 필렛 오토 캐리지는 하부에 위치하는 베이스와 상기 베이스 형성된 일직선인 홈을 따라 핫와이어전극이 장착된 핫와이어클램프가 X축으로 이동할 수 있다.
특히, 상기 선행전극 및 후행전극은 플럭스 코어드 와이어일 수 있다.
본 발명에서는 아크가 발생하는 2개의 탠덤 전극과, 상기 2개의 전극 사이에 위치하되, 별도로 아크가 발생하지 않는 핫와이어전극의 3개의 하이브리드 전극을 통한 용접을 통해 매우 빠른 속도로 안정되게 용접할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서는 3개의 전극에서 동시에 용접이 이루어지므로, 100 ~ 200 cpm의 고속 수평 필렛 용접이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 핫와이어전극이 2개의 탠덤 전극 사이에 위치하는데, 2개의 탠덤 전극 사이에서 발생하는 아크 간섭을 중간에 위치하는 핫와이어를 통해 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 3개의 전극을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 필렛 오토 캐리지의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 필렛 오토 캐리지에서 클램프의 X축 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 필렛 오토 캐리지에서 클램프의 Y축 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 필렛 오토 캐리지에서 트래블앵글(Travel Angle)의 조절을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 필렛 오토 캐리지에서 CTWD의 조절을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 8은 본 발명에서 핫화이어클램프 및 클램프의 X축 이동을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서는 2개의 아크 용접이 가능한 전극과 상기 2개의 전극 사이에 별도의 핫와이어를 용융하기 위한 열원 없이(용접 전에 핫와이어의 온도를 높여주기 위한 장치는 있음), 상기 2개의 전극에서 발생하는 아크열에 의해 융착되는 용접봉인 핫와이어전극을 포함하여 총 3개의 전극으로 이루어지는 하이브리드 필렛 오토 캐리지에 관한 것이다. 본 발명에서 "하이브리드"는 상기 아크가 발생하는 2개의 탠덤 전극과 핫와이어의 서로 종류가 다른 전극이 혼합되었다는 의미에서 하이브리드를 사용한다.
이하에서는 도면을 참고하면서 본 발명의 구성에 대해 설명하기로 한다.
하이브리드 전극 구조
도 1은 본 발명의 3개의 전극을 도시한 도면이다. 이동 방향에 따라 선행전극과 후행전극이 바뀌기는 하나, 설명의 편의상 도면 기준으로 왼쪽 끝에 위치하는 전극을 선행전극(11), 오른쪽 끝에 위치하는 전극을 후행전극(21)이라 칭한다. 상기 2개의 선후행전극(11, 21)의 사이에 별도의 아크 발생 없는 핫와이어 전극(31)이 위치한다.
상기 2개의 선후행전극(11, 21)은 동일한 전극으로서 통상의 아크 용접이 가능한 전극이 모두 가능하며, 대표적으로, 플럭스 코어드 와이어일 수 있다. 본 발명에서는 이러한 탠덤 구조의 전극과, 핫와이어전극의 3개의 전극을 통해 모재(200)와의 용접이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
핫와이어전극(31)은 용접 전에 고열로 온도가 상승하는 전극으로서, 본 발명은 선행전극(11)과 후행전극(21) 사이의 중간에 상기 두 전극(11, 21)의 아크 열에 의해 용융되어 모재(200)에 용접될 뿐만 아니라, 상기 2개의 선후행전극(11, 21) 사이에 위치하여 선후행전극(11, 21)에서 발생하는 아크가 서로 간섭을 일으켜, 과도하게 불꽃이 일어나는 아크 간섭 효과를 방지하는 역할을 한다. 따라서, 본 발명에서 핫와이어전극(31)은 용접 속도 향상에 기여할 뿐만 아니라, 아크 간섭 방지 효과를 수행할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 선행전극(11)과 후행전극(21) 사이의 아크가 서로 간섭이 되는 것을 방지하기 위하여 핫와이어전극(31)의 극성은 선행전극(11)과 후행전극(21)과 반대의 극성을 가지도록 할 수 있다. 도 1에서는 선행전극(11)과 후행전극(21이 "+" 극성이고 핫와이어(31)는 "-" 극성인 예를 보여주고 있다.
본 발명에서는 위와 같이 3개의 전극을 이용한 하이브리드 시스템을 통해, 100 ~ 200 cpm의 고속 용접이 가능할 뿐만 아니라, 중간에 위치하는 핫와이어 전극(31)으로 인해 선행전극(11)과 후행전극(21)의 거리를 가깝게, 예를 들어, 선후행전극간 거리를 최소화(15 ~ 40 mm)하면서 물리적 간섭을 최소화하여 하나의 용융풀 용접이 가능하다.
도 2는 본 발명의 필렛 오토 캐리지(100)의 정면도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 필렛 오토 캐리지(100)는 한 쌍의 탠덤 전극인 선행전극(11)과 후행전극(21)은 각각 클램프(10, 20) 내에 고정되어 있으며, 클램프를 통해 외부로부터 또는 내부 전지로부터 전원을 공급받는다. 한편, 클램프(10, 20)의 사이에는 핫와이어전극(31) 역시 핫와이어클램프(30) 내에 위치한다.
상기 3개의 클램프(10, 20, 30)는 하부에 위치하는 캐리지의 몸체에 해당하는 베이스(40) 위에 위치하며, 베이스(40)와 클램프(10, 20)의 X축, Y축, 트래블앵글(travel angle, 전극팁과 모재 사이의 각도), CTWD(contact tip to work distance, 전극팁과 모재 사이의 거리), 워크앵글(work angle, 선후행전극 사이의 각도)을 조절하기 위한 수단이 구비된다. 또한, 베이스(40)의 일측에는 콘트롤박스(50)가 위치하며, 콘트롤박스(50)에는 손잡이 역할을 하는 핸들(51)이 구비된다. 콘트롤박스(50) 내에는 제어부, 감속기 등의 통상적인 제어 수단이 구비되나 도면에는 표시하지 않았다. 베이스(40)의 하부 또는 측부에 바퀴(60)를 하나 이상 구비하여 본 발명의 필렛 오토 캐리지(100)의 이동이 가능하다. 또한, 상기 필렛 오토 캐리지(100)의 이동을 위한 동력을 공급하는 모터가 베이스판(40)의 적당한 위치, 예를 들어, 측부에 구비된다.
선행전극(11)과 후행전극(21)을 고정하는 클램프(10, 20)는 동일한 구조이므로, 선행전극(11)용 클램프(10)를 예로 들어 설명하기로 한다.
본 발명에서 선후행전극(11, 21)이 장착된 클램프(10, 20) 및 핫와이어클램프(30)는 다양한 방향으로 이동 또는 각도 조절이 가능하다. 이하에서는 각 방향으로의 이동 또는 각도 조절에 대하여 설명하기로 한다. 특히, 핫와이어클램프(30)는 선후행전극용 클램프(10, 20)에 결합되어 선후행전극용 클램프(10, 20)의 움직임과 함께 움직일 수 있으므로, 이하에서는 선후행전극용 클램프(10, 20)의 다양한 방향의 이동 및 각도 조절에 대하여 설명하기로 한다.
X축 이동
도 3은 X축슬라이드조절핸들(42)에 의해 클램프(10)가 X축으로 슬라이드되는 것을 설명하는 도면으로서, X축슬라이드조절핸들(42)의 회전에 의해 클램프거치대(70, 도 5 참조)가 X축으로 이동한다. X축슬라이드조절핸들(42)을 베이스(40)와 클램프(10) 사이에 구비하며, X축슬라이드조절핸들(42)의 정회전 또는 역회전에 따라 클램프(10)가 장착된 클램프거치대(70)가 X축으로 이동한다. 이러한 X축 슬라이드 이동은 홈 형태의 가이드를 따라 클램프거치대(70)가 이동하는 구조로서, 이러한 가이드를 축으로 하여 나사산이 형성된 X축슬라이드조절핸들(42)의 회전에 의해 대응되는 나사산을 갖는 구조물인 클램프거치대(70)가 X축으로 이동하는 것은 공지의 다양한 방법에 의해 구현 가능하므로, 본 발명에서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.
Y축 이동
도 4는 본 발명의 캐리지(100)의 평면도로서, Y축 슬라이드조절핸들(44)의 회전에 의해, 클램프(10)의 Y축 이동의 예를 도식화하였다.
클램프(10)의 Y축 이동 역시 클램프거치대(70)의 후단에 위치하는 Y축 슬라이드 조절핸들(44)의 정회전 또는 역회전에 의해 가이드를 따라서 클램프거치대(70) 전체가 Y축으로 이동하며, 이에 따라 클램프거치대(70)에 장착된 클램프(10)도 Y축으로 이동한다. 나사산이 있는 핸들의 정회전 또는 역회전에 의해 상기 나사산에 대응되는 나사산을 갖는 클램프거치대(70)가 Y축에서 이동하는 구조는 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
워크앵글(work Angle) 조절
도 1을 참고하면, 두 전극(11, 21) 또는 두 클램프(10, 20) 사이의 각도인 워크앵글(work angle)은 각 클램프(10, 20)에 구비되는 워크앵글조절핸들(43)을 통해 제어된다. 워크앵글조절핸들(43)의 정회전 또는 역회전에 따라 각 클램프(10, 20)는 워크앵글조절핸들(43) 또는 그 주변을 중심으로 회전하게 된다. 이러한 회전은 2개의 서로 맞물린 기어(또는 나사)등의 다양한 공지의 방법으로 구현 가능하므로, 구체적인 구조에 대한 설명은 생략하기로 한다.
트래블앵글(Travel Angle) 조절
도 5는 클램프(10)와 모재(200) 사이의 각도인 트래블앵글(Travel Angle)을 조절하는 방법을 설명하는 도면으로서, 설명의 편의상 클램프(10)와 클램프거치대(70) 이외에 다른 구성을 생략한 도면이다. 본 발명에서 트래블앵글은 도 5에 도시된 바와 같이, 선행전극(11) 또는 클램프(10)가 모재(200)와의 사이에 상하로 갖는 각도를 의미한다.
트래블앵글을 조절하기 위하여, 클램프(10)의 하부에는 둔각(90도 이상의 각도)을 이루는 대략 측면에서 "V"자를 이루는 클램프거치대(70)를 구비한다. 클램프거치대(70)는 대략 베이스(40)와 수평을 이루는 수평부(72)와 상기 수평부(72)와 둔각(90도 이상)을 이루는 경사부(73)를 포함하여, 상기 수평부(72)와 경사부(73)의 중간에 회전축(71)을 갖는다. 상기 수평부(72)의 상부에는 나사산을 갖는 틸팅조절핸들(45)이 위치하며, 틸팅조절핸들(45)의 정회전 또는 역회전에 따라 수평부(72)가 상승하면 회전축(71)을 중심으로 경사부는 하강하고, 반대로 수평부(72)가 하강하면, 경사부(73)는 상승하는, 즉, 회전축(71)을 중심으로 시소 동작을 통해 경사부(73)가 틸팅을 하며, 이러한 경사부(73)의 틸팅에 의해, 경사부(73) 위에 장착된 클램프(10)가 틸팅되어, 클램프(10)와 모재(200) 사이의 경사인 트래블앵글이 제어된다.
CTWD 조절
도 6은 CTWD(Contat Tip to Work Distance) 조절 방법을 설명하는 도면이다. 도 6에서는 설명에 필요한 구성인 클램프(10), 클램프거치대(70) 위주로 도식화하였다.
CTWD는, 전극(11, 21, 31)과 모재(200) 사이의 거리를 말하며, 클램프(10)가 클램프거치대(70)의 경사부(73)에 거치된 상태에서, 경사부(73) 하단에 위치하는 CTWD조절핸들(46)의 정회전 또는 역회전에 따라 상대적으로 클램프(10)가 경사부(73)에 형성된 가이드홈(도면 미도시)을 따라 이동함으로써, 모재(200)와의 거리가 조절된다.
핫와이어 클램프(30)의 수평 거리 조절
도 7 및 8은 핫와이어클램프(30)의 수평 이동을 설명하는 도면이다. 도 7 및 8에서는 베이스(40)와 핫와이어클램프(30) 이외에 설명의 편의상, 클램프거치대(70) 및 선후행전극(11, 21)을 거치하는 클램프(10, 20)를 생략하였다.
베이스(40)에 최소한 평행하게 이격된 2개의 가이드홈이 형성되며, 제1가이드홈(47)과 제2가이드홈(48)가 있으며, 제1가이드홈(47)을 따라 핫와이어클램프(30)가 X축으로 이동할 수 있다. 한편, 클램프거치대(70)와 베이스(40)의 사이에는 클램프거치대(70)가 놓이는 클램프거치대받침부(81, 82)가 설치되며, 클램프거치대받침부(81, 82) 중 어느 하나 이상이 제2가이드홈(48)을 따라 X축 이동한다. 클램프거치대받침부(81, 82)의 X축 이동은 나사산이 형성된 핸들 및 이에 대응되는 나사산이 형성된 구조물간의 상대적 이동에 의해 구현될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 X축으로의 상대적으로 큰 이동은 전술한 제2가이드홈(48)을 따라 클램프거치대받침부(81, 82)의 조절을 통해 구현하며, 상대적으로 미세한 X축 이동은 X축슬라이드조절핸들(42)를 통해 조절할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
10, 20 : 클램프 11 : 선행전극
21 : 후행전극 30 : 핫와이어클램프
31 : 핫와이어 40 : 베이스
42 : X축슬라이드조절핸들 43 : 워크앵글조절핸들
44 : Y축슬라이드조절핸들 45 : 틸팅조절핸들
47 : 핫와이어클램프이동홈 48 : 클램프거치대받침부이동홈
50 : 콘트롤박스 51 : 핸들
60 : 바퀴 70 : 클램프거치대
71 : 회전축 72 : 수평부
73 : 경사부 81, 82 : 클램프거치대받침부

Claims (8)

  1. 용접을 위한 아크를 각각 발생하는 선행전극, 후행전극; 및
    상기 선행전극과 후행전극 사이에 위치하는 핫와이어전극을 포함하는
    하이브리드 필렛 오토 캐리지.
  2. 제1항에서, 상기 선행전극과 후행전극 사이의 거리는 15 ~ 40 mm인 하이브리드 필렛 오토 캐리지.
  3. 제1항에서, 상기 핫와이어는 별도의 용융 가열원이 없이, 선행전극과 후행전극의 아크 열을 이용하여 모재에 융착되는 하이브리드 필렛 오토 캐리지.
  4. 제1항에서, 상기 선행전극 및 후행전극의 X축 이동을 가능하게 하는 X축슬라이드조절핸들;
    상기 선행전극 및 후행전극의 Y축 이동을 가능하게 하는 Y축슬라이드조절핸들;
    상기 선행전극 및 후행전극의 워크앵글(work angle) 조절하는 워크앵글조절핸들;
    상기 선행전극 및 후행전극의 모재에 대한 각도인 트래블앵글(travel angle) 조정을 가능하게 하는 틸팅조절핸들; 및
    상기 선행전극 및 후행전극의 모재에 대한 거리를 조절하는 CTWD조절핸들을 더 포함하는 하이브리드 필렛 오토 캐리지.
  5. 제4항에서, 상기 선행전극 및 후행전극은 각각 클램프 내에 위치하며, 상기 각 클램프는 하부에 클램프거치대를 구비하되,
    상기 클램프거치대는 수평부, 상기 수평부와 둔각을 이루는 경사부 및 상기 수평부와 경사부의 회전 중심인 회전축을 포함하여 전체적으로 V자 형상을 이루되,
    상기 수평부의 상부에 위치하는 틸팅조절핸들의 정회전 또는 역회전 조절에 의해 수평부가 상하로 이동하면, 회전축을 중심으로 경사부는 수평부와 반대 방향으로 이동하는 하이브리드 필렛 오토 캐리지.
  6. 제5항에서, 상기 경사부에 클램프가 평행하게 고정되며, 상기 경사부에 위치하는 CTWD조절밸브의 정회전 또는 역회전에 의해 상기 클램프가 경사부의 가이드홈을 따라 평행하게 이동함으로써 CTWD를 조절하는 하이브리드 필렛 오토 캐리지.
  7. 제1항에서, 상기 하이브리드 필렛 오토 캐리지는 하부에 위치하는 베이스와 상기 베이스 형성된 일직선인 홈을 따라 핫와이어전극이 장착된 핫와이어클램프가 X축으로 이동하는 하이브리드 필렛 오토 캐리지.
  8. 제1항에서, 상기 선행전극 및 후행전극은 플럭스 코어드 와이어인 하이브리드 필렛 오토 캐리지.
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