오비탈 용접
핸드북
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차
례
1. 머리말 ....................................................................................5
2. 오비탈 용접이란 무엇인가? ...........................................................5
3. TIG(GTAW) 프로세스의 개요 .........................................................5
4. 오비탈 용접을 선택하는 이유 ........................................................ 11
5. 오비탈 TIG 용접을 성공적으로 적용하고 있는 산업 ................................ 12
6. 오비탈 용접 프로세스의 기술 ........................................................ 14
7. 오비탈 용접 장치의 하드웨어 구성.................................................. 15
8. 프로그램 가능한 파워 소스........................................................... 16
9. 오비탈 용접 헤드 ...................................................................... 18
10. 와이어 피더 ........................................................................... 21
11. 오비탈 용접 장치의 기능............................................................ 21
12. 용접 사이클 프로그래밍 ............................................................. 28
13. 실시간 데이터 획득시스템 .......................................................... 31
14. 튜브와 튜브의 퓨전 용접(fusion welding) ........................................ 32
15. 튜브와 튜브 혹은 파이프와 파이프의 필러와이어를 이용한 오비탈 용접 ..... 38
16. 튜브 시트와 튜브의 오비탈 용접 .................................................. 44
17. 결론 .................................................................................... 51
1. 머리말
오비탈 티그(Orbital TIG) 용접은 그 다양한
밀접하게 연관된 전기, 석유 그리고 가스 등과
가능성에 대한 정보가 일반적으로 널리 알려지
관련된 장치 분야 또한 오비탈 용접 기술에 의
지 못하였음에도 불구하고, 연결부 용접(조이
존하고 있다.
닝, Joining) 프로세스 관련된 산업현장에서 그
오비탈 용접 프로세스 및 관련된 장치에 대한
동안 잘 정립되어온 방법이다. 항공우주 분야
기본적인 정보가 이 책에서 제공된다. : 기술적
(Aerospace industry), 항공(aviation), 고속열차,
인 접근방법, 장점, 일반적인 적용 방법 및 특
원자력 분야(nuclear industry), 제약 분야, 식품
수 분야 적용 방법 뿐만 아니라 적용제한 조건
분야, 초소형 마이크로-일렉트로닉 장치분야를
및 한계점 또한 포함하였다. 실제 적용 현장이
포함하는 최신 분야에서 오비탈 용접이 크게
어떠한 지에 대한 정보를 제공하기 위해 책에
기여하고 있을 뿐만 아니라 우리의 일상생활과
서 다양한 적용 예를 그림으로 표현하였다.
2. 오비탈 용접이란 무엇인가?
튜브의 연결(조이닝, Joining) 작업 시 높은
• 튜브 투 튜브 시트 용접
품질의 용접이 요구될 때마다 가장 먼저 선택
첫 번째 그룹에서는 모든 종류의 튜브 연결
하는 것이 오비탈 용접이다. TIG 용접이 사용
작업을 포함한다: 맞대기 용접(butt welding)과
되는 대부분의 경우, 용접 토치는 기계 시스템
플랜지(flange) 용접, 벤드(bend) 용접, T-피팅
에 의해 연결될 튜브 주위로 움직이면서 용접
(T-fitting)과 벨브 용접을 포함하는 모든 튜브
을 수행한다. 오비탈 용접(Orbital welding)이라
와 파이프 작업을 포함한다.
는 이름은 작업 부재 주위로 원 운동을 하는
용접 장치로 부터 유래되었다.
일반적으로, 오비탈 용접 기술은 다음 두 가
두 번째 그룹에서는 보일러와 열교환기의 제
작에 관해 다루었다. 튜브 투 튜브 시트 용접
지의 주요 분야에 적용된다:
작업과 관련된 다른 종류의 용접 작업을 포함
• 튜브 연결 및 파이프 연결 작업(tube to tube
하였다.
/ pipe to pipe Joining)
3. TIC(GTAW) 프로세스의 개요
TIG 용접에서 아크는 비-소모성의 텅스텐 전
극과 작업부재 사이에서 발생한다. 전극을 통
해 아크 열이 전달되고, 작업부재가 용융되어
용접 퍼들(puddle)을 생성한다.
용융된 작업 부재 금속과 전극은 대기중의
산소와 접촉해서는 안 된다. 이때, 아르곤 같은
불활성 가스가 쉴딩 가스 역할을 수행하게 된
다.
필러(filler metal, 용가재)가 필요한 경우, 필
러 와이어는 용접 퍼들(puddle)에 공급되어 아
크로부터 전달된 에너지에 의해 녹아 들게 된
다.
3.1 TIG(GTAW) 프로세스의 장단점
+
3.1.1 장점
1) 거의 모든 금속이 연결될 수 있다.
들 수 있다.
2) 다루기 힘들거나 내마모성 니켈 합금, 알루
5) 용접하는 동안 슬래그 또는 흄(fume)이 발
미늄, 구리, 금, 마그네슘, 탄탈륨, 티타늄, 지르
생하지 않는다.
코늄 및 그들의 합금을 포함하는 다른 종류의
6) 용접에 영향을 미치는 파라미터들은 넓은
스틸, 스텐레스 스틸의 용접에 사용될 수 있다.
범위까지 조절가능하며 대부분 서로 독립적으
심지어 어떤 경우, 황동(brass)과 청동(bronze)
로 상호 영향을 미치지 않는다.
의 용접에도 사용할 수 있다. 필러(filler) 와이
7) TIG 용접은 필러(filler) 와이어를 사용해도
어를 사용하는 경우, 다른 종류의 금속으로 이
되며, 필러 와이어 없이 용접을 수행할 수도
루어진 작업부재도 연결될 수 있다.
있다.
3) 모든 용접 포지션이 가능하다.
8) 아크 길이와 직접적으로 관련된 아크 전압
4) 용접 프로세스가 매우 안정적이고 신뢰성이
과 용접 전류 강도는 넓은 범위에서 조절 가능
높다; 용접 결함 발생 확률이 1%이하로 줄어
하며, 자동적으로 컨트롤 될 수 있다.
3.1.2 단점
1) 다른 아크 용접 프로세스와 비교할 때, TIG
터를 결정하는데 시간 집중도가 높고 고가의
용접 프로세스의 용착속도(deposition rate)가
장비를 필요로 한다.
상대적으로 느리다.
3) 용접 장치가 다소 복잡하여, 수동 용접에
2) 용접 과정을 결정하고 정확한 용접 파라미
비해 고가의 장비를 필요로 한다.
3.2 용접 전류 타입(Type)
TIG 용접에는 2가지 종류의 전류가 사용된다:
방식)은 알루미뉸 용접과 같은 매우 특수한 몇
▶ 직류(DC)는 모든 종류의 재료를 용접하는데
몇 경우를 제외하고는 TIG 프로세스에서는 사
가장 많이 사용된다.
용하지 않는다. 왜냐하면 이 방식에서는, 대부
▶ 교류(AC)는 알루미늄 및 알루미늄 합금 용
분의 열이 텅스텐 전극으로 전달된다. 따라서,
접에서 선호하는 전류방식이다.
전극의 열을 분산시키기 위해서는 낮은 용접
DC 전류가 사용되는 경우, 전극은 cathode(캐
전류에서도 DCEN 방식에 비해 더 큰 직경의
소드, 음극)로서 역할을 하며, 파워 소스의 (-)
전극이 필요하기 때문이다. 교류 모드에서 전
터미널에 연결되어야 한다; 이러한 연결 방식
극은 주기적으로 음극과 양극으로 스위칭 된다.
을
전극이 양극인 동안에는 텅스텐 전극은 애노드
DCEN
또는
Direct
Current
Electrode
Negative이라고 한다. 이 경우, 아크의 전자는
(anode,
음극을 띄는 전극에서부터 양극을 띄는 작업부
(cleaning effect)에 의해 작업부재 표면에 존재
재로 이동한다. 전극에서 방출된 에너지의 약
하는 산화물(oxide) 층이 파괴되어 사라진다.
70%까지 작업부재에 전달될 수 있으며, 이것
전극이 음극인 동안에는, 텅스텐 전극이 캐소
은 효율이 0.7임을 의미한다.(사용된 에너지/방
드(cathode, 음극)로 동작하며, 알루미늄을 용
출된
융시키는데 필요한 열이 작업부재로 전달된다;
에너지)
DCEP
또는
Direct
Current
Electrode Positive 방식(전극이 양극으로 하는
양극)으로
동작하며,
클리닝
이때 전극은 열을 분산시켜서 냉각된다.
효과
3.3 텅스텐 전극
3.3.1 전극의 종류
텅스텐은 녹는점 3,410oC의 내열성이 매우 높
를 안전하게 제거하기 위해서는 특수 그라인딩
은 금속이다. 따라서 텅스텐은 전기 아크열에
장치들이 필요하다.
견딜 수 있으며 열로 인해 붉게 달아오르더라
요즘은, Ceriated 또는 Lanthanated(란탄) 텅스
도 경도를 그대로 유지할 수 있다. 과거에는
텐 전극과 같이 방사능 성분을 방출하지 않는
TIG용접에 토륨 텅스텐(thoriated tungsten) 전
재료와의 합금으로 이뤄어진 텅스텐 전극이 주
극이 널리 사용되었으나 토륨은 저수준(low
로 사용된다. 이런 전극의 성능 또한 과거의
level) 방사능 원소이기 때문에, 그라인딩 입자
토륨 텅스텐 전극과 비슷하다.
3.3.2 전극 그라인더(grinder)
안정한 아크를 유지하고 균일한 용입 레벨을
얻기 위해서는
정밀한 끝단 마감처리(end
preparation)와 충분한 반복 정밀도가 필요하
며, 이를 위해서는 특수한 전극 그라인더를 사
올바른 그라인더 방향 : 길이방향의 마크
용해야 한다.
그라인더의 설계는 경사면의 그라인딩 마크가
전극의 조직 구조와 올바른 방향으로 정렬되도
록 해야 한다: 여기서 올바른 방향은 전극의
길이 방향을 뜻하며, 점화 성능을 높이며, 아크
잘못된 그라인더 방향 : 원주 방향의 마크
안정성을 높인다.
3.4 필러(filler, 용가재) 금속
아래의 조건에서는 필러 와이어를 사용을 권장
5) 용접하는 동안 합금 성분이 변하거나 조직
한다.
이 변할 우려가 있는 경우.
1) 용접 심(seam)의 강도가 높아야 하는 경
우.(reinforced welding seam)
합금 성분들은 용접 프로세스 동안 증발하거나
2) 탄소강(carbon steel) 또는 연강(mild steel)
다른 화합물로 변할 우려가 있다. 예를 들면,
을 용접하는 경우.
크로뮴(chromium)은 탄소(carbon)와 결합하여
3) J또는 V 형태의 튜브 끝단부 마감의 경우.
크로뮴 탄화물(carbide)을 만든다. 이로 인해
4) 용접할 튜브가 다른 종류의 금속 또는 합금
금속 내부에 크로뮴 성분이 부족하게 되는 경
으로 이루어진 경우, 금속학적인 파단을 방지
우 용접 시 열 영향을 받는 부위의 내부식성을
하기 위해.
저하시킨다.
매우 잘 알려진 예는 탄소강과 스텐레스 스틸
316을 용접하여 연결하는 경우이다. 이때, 스
텐레스 스틸 309 또는 니켈 성분의 합금인 인
코넬 82®의 필러 와이어를 사용한다.
3.5 가스
3.5.1 용접 가스
TIG 용접 프로세스에서 쉴딩 가스로 주로 아
수소를 포함하는 혼합가스를 사용하지 않기를
르곤(Argon)이 많이 사용된다. 아르곤 가스는
권장한다. 알루미늄과 티타늄의 용접에는 엄격
안정적으로 아크를 일으키게 도와주며, 낮은
히 금지된다.
전류에서도 안정된 아크를 일으킬 수 있도록
용접 에너지는 20%, 50% 또는 70%의 아르곤/
한다. 또한 아르곤은 모든 종류의 베이스 재료
헬륨 혼합가스 또는 순수 헬륨 가스에 의해 증
에 사용될 수 있다.
가될 수 있다. 헬륨은 티타늄에 해를 입히지
표준 TIG 용접을 위해서 쉴딩 가스는 4.5의 순
않기 때문에 특히, 순수 금속 또는 티타늄 합
도(purity)를 가져야만 한다. 즉, 99.995%의 순
금의 용접에 사용된다.
도 레벨을 가져야만 한다. 티타늄, 탄탈륨, 지
아르곤, 헬륨 그리고 질소 혼합가스는 듀플렉
르코늄 그리고 그들의 합금과 같이 용접에 약
스 또는 수퍼 듀플렉스 스틸의 용접에 사용된
한 금속들은 최소 4.8이상의 순도를 필요로 한
다.
다. 즉, 99.998%의 순도 레벨을 가져야만 한다.
아르곤과 달리 헬륨은 열전도성이 우수하다.
용접 에너지를 증가시키기 위해, 2%에서 5%의
헬륨 가스 사용시 아크 전압은 아르곤 가스보
수소를 아르곤 가스에 더할 수 있다. 아르곤 /
다 매우 높다. 따라서 아크 에너지가 급격히
수소 혼합가스는 10%에서 20%까지의 더 높은
높아지며 아크 기둥이 더 넓고 용입이 깊다.
에너지를 제공하며 이로 인해 용입 특성이 좋
구리, 알루미늄 그리고 가벼운 금속의 합금과
아지며 용접 속도를 더 높일 수도 있다. 그럼
같이 높은 열 전도성을 가지는 금속을 용접하
에도 불구하고, 아르곤/수소 혼합가스는 용융
는 경우 헬륨을 사용한다. 헬륨은 가벼운 가스
금속과 대기 중의 산소의 접촉을 차단시키는
이기 때문에, 아르곤과 비교할 때 동일한 보호
특성을 저하시킨다.
기능을 위해서는 2~3배의 유량이 소요된다.
그러나, 연강(mild steel) 또는 탄소강(carbon
아래의 표는 연결될 모재에 대한 용접 가스 및
steel)은 수소를 흡수하여 기공을 발생시키거나
혼합가스의 적합성을 나타낸다.
콜드 크랙(cold crack)을 일으킬 수 있으므로,
3.5.2 백킹 가스(Backing gases)
오비탈 용접이 사용되는 대부분의 적용에서는
차단해야 한다. 용접 대상인 재료의 종류에 따
루트 안쪽은 매질과 직접적으로 접촉하는 용접
라 달라지지만, 백킹 가스에는 N2 또는 H2와
부 이므로 매우 높은 품질이 요구된다. 산화
같은 성분을 줄인다. 대표적인 베이스 금속에
(Oxidation)를 방지하기 위해서, 용접 전(前),
대해 주로 사용되는 백킹 가스 및 혼합가스를
용접 도중에 그리고 용접 후에, 튜브 내면의
아래의 표에 나타내었다.
고온 부분이 대기중의 산소와 접촉하는 것을
3.6 용접 에너지
3.6.1 입열(heat input)의 영향
입력되는 열은 측정될 수는 없기 때문에 계산
원하는 입열량을 얻을 수 있다. 또한 입열량은
으로 산출한다. 입열량을 계산하는 이유는 해
용접 시 주행 속도에 크게 영향을 받기 때문에,
당 용접 프로세스와 다른 용접 프로세스를 상
수동 용접사는 정해진 시간 주기로 용접을 끝
호 비교하기 위해서이다. 입열량은 냉각속도와
내야 한다. 고급 기술을 갖추었으며 제대로 훈
HAZ(Heat Affected Zone, 열영향부)에 영향을
련된 용접 기술자 만이 이러한 요구조건들을
미친다. 입열량이 작은 경우 냉각속도가 빠르
충족시킬 수 있다.
며 열영향부가 작다. 냉각속도가 빠른 경우, 기
자동 가스 텅스텐 아크 용접의 경우, 용접 프
계적 강도 또는 내식성의 손실을 피하면서도
로세스는 아크 전압과 용접 전류에 영향을 받
조직의 성장 및 침전과 같은 모재의 조직 변화
으며, 이것을 파라미터로 설정한다. 뿐만 아니
가 작다. 열처리된 금속과 스텐레스 스틸과 같
라 주행속도 및 와이어 피딩 속도 역시 조절되
은 많은 금속들에 대한 입열량은 제작된 사양
며 파워 소스 내의 전자 제어 장치들에 의해
에 의해 제한된다.
일정하게 유지된다. 따라서, 자동 용접의 경우
수동 용접의 경우, 원하는 용접 전류에서 아크
입열량 조절을 쉽게 할 수 있으며, 어떠한 문
전압을 일정하게 유지하기 위해서 용접사가 아
제를 일으키지도 않는다.
크 길이를 특정 레벨로 일정하게 유지해야만
3.6.2 입열량 계산 공식
용접시 전기 아크에 의해 발생되는 용접장의
전문가 조언(Expert Information) :
단위 길이당 에너지 또는 입열(HI, Heat Input)
오비탈 용접 적용시 펄스 전류를 사용하는 경
은 다음의 방정식으로 산출될 수 있다:
우, 평균 용접 전류 Iaverage를 계산하기 위해서
는 다음의 공식을 사용할 수 있다.
HI = 60 x U x I / S
Iaverage = ( Ih x Th + Ib x Tb ) / ( Tb + Th )
HI = 입열량[J/mm 또는 J/in]
U = 아크 전압[V]
I = 전류[A]
S = 주행 속도[mm/min 또는 in/min]
위에서 언급된 입열량 계산을 위한 방정식에는
적용될 용접 프로세스의 특성은 고려되지 않았
다. 각각의 용접 프로세스는 효율을 나타내는
계수 "r"을 사용하며, 식은 아래와 같다.
HI = 60 x U x I x r / S
각종 보고서 및 책에 의하면, TIG(GTAW) 용접
에서 효율 계수 "r"은 대략 0.6에서 0.8의 범위
를 가진다고 한다. 즉, 아크에 의해 발생된 에
너지의 60%에서 80%가 부재에 전달되며, 나
머지 20%에서 40%의 에너지는 복사(radiation),
토치 가열 및 쉴딩 가스 등에 의해 소모된다.
Ih : 펄스 전류
Th : 펄스 타임
Ib : 백그라운드 전류(Background current)
Tb : 백그라운드 시간(Background time)
4. 오비탈 용접을 선택하는 이유
자동 오비탈 TIG 용접 또는 기계화된 오비탈 TIG 용접을 선택하는 이유는 다음과 같다: 경제적인
이유, 기술적인 이유, 관리적인 측면 등이다. 오비탈 용접 프로세스는 산업 현장에 적용하는데 적
합한 많은 장점을 가지고 있다. 대표적인 장점들은 다음과 같다:
4.1 수동 용접 대비 높은 생산성
수동 TIG 용접에 비해 오비탈 TIG 용접의 기
비탈 용접 장치는 높은 신뢰성을 보장한다. 따
계화된 프로세스 또는 자동 프로세스는 높은
라서 많은 시간이 낭비되는 보수(repair, 리페
생산성을 보장한다. 공장에서의 반복적인 작업
어)작업을 최소화 시킬 수 있다.
또는 현장에서의 복잡한 조립 작업 등에서 오
4.2 높은 용접 품질 유지
일반적으로 기계화된 장치를 이용하는 경우 수
개발된다면, 용접 사이클은 어떠한 용접 결함
동 용접의 경우보다 훨씬 더 높은 용접 품질을
이나 품질 변화 없이 필요한 만큼 반복해서 적
얻을 수 있다. 일단 합당한 용접 프로그램이
용할 수 있다.
4.3 작업자의 기술 수준
인증된 용접 기술자 찾기도 쉽지 않으며 높은
우수한 결과를 만들어 낼 수 있다. 이러한 장
보수를 지급해야 한다. 그러나 오비탈 TIG 용
치를 이용한다면 인건비 지출을 감소시킬 수
접의 경우 적절한 교육을 받은 기술자들은 오
있을 것이다.
비탈 용접 장치를 완벽히 작동시킬 수 있으며
4.4 적용 환경
오비탈 용접은 심지어 제한된 공간, 제한된 접
치되면, 용접 프로세스는 안전거리가 확보된다
근성, 좁은 시야 그리고 아크의 복사(radiation)
면 어떠한 문제를 일으키지 않으면서 제대로
등이 존재하는 매우 혹독한 환경 조건에서도
수행될 수 있다. 또한 비디오 전송 기술을 이
적용될 수 있다. 일단 용접 헤드가 적절히 위
용할 수도 있다.
4.5 용접 데이터 확인 - 품질 제어
최근의 오비탈 용접 장치들은 용접에 영향을
데이터들은 저장 또는 문서로 인쇄될 수 있다.
미치는 파라미터들을 실시간으로 모티터링 할
복잡한 데이터 획득 관련 기능들은 내부에서
수 있도록 기능을 제공한다. 그리고 이러한 파
작동되도록 되어 있다. 이러한 데이터 전송 관
라미터 데이터들을 제공하기 위한 완벽한 통신
련 기능들은 용접 기능과 상관없이 수행되며,
규약(protocol, 프로토콜)이 구현되어 있으며,
용접에 어떠한 영향도 미치지 않는다.
5. 오비탈 TIG 용접을 성공적으로 적용하는 산업
5.1 항공기 산업
항공기 제조 산업은 오비탈 용접의 중요성을
따라서 이러한 용접 프로세스에 대한 유일한
인식한 최초의 산업이다. 한 대의 비행기의 고
해결책은 오비탈 용접 장치를 이용하는 것이다.
압 시스템을 완성하는데 1,500개 이상의 용접
오비탈 용접 장치를 이용 함으로서 용접 파라
부가 필요하다. 작고 얇은 튜브를 수동 용접으
미터들을 신뢰성 있게 제어할 수 있으며 용접
로 수행하기는 대단히 어렵다. 또한 요구되는
테스트 수준의 높은 품질을 얻을 수 있다
용접 품질 또한 지속적으로 보장할 수도 없다.
.
5.2 음식, 다이어리 및 음료 산업
음식, 다이어리 및 음료 산업은 높은 위생 조
생 및 성장을 촉진시킬 수 있다. 깨끗하고 완
건을 충족시키는 튜브 및 파이프 시스템을 사
벽한 살균 처리를 위해서는 튜브 내면은 매끈
용한다. 이러한 시스템의 용접 조인트에서는
해야 한다. 이러한 중요한 조인트에서 오비탈
용입이 완벽해야 한다: 특히 파이프의 단면이
TIG 용접 장치를 사용한다면 요구하는 표면
변하는 구간과 같은 곳에서 발생하는 핏(pit,
품질을 얻을 수 있다. 그러므로, 최근에는 위생
구덩이), 포어(pore, 기포), 크레비스(crevis, 갈
과 관련된 시스템 제작에는 이러한 용접 프로
라진 틈) 또는 언더 컷(under cut)등은 매우 취
세스를 사용하도록 규격 및 사양을 의무화하고
약한 지점이 될 수 있다. 또한 박테리아의 발
있다.
5.3 제약 및 생명공학 산업
제약 산업 관련 플랜트는 제품의 수송 및 처리
금지되며, 용접으로 인한 내식성의 저하도 용
그리고 깨끗한
증기)과 주사액
납되지 않는다. 특히 모재의 부분적인 과열로
(injection water)의 공급을 위해서 필수적으로
인한 내식성 저하가 있어서는 안 된다. 오비탈
파이프 시스템을 갖추고 있다. 주사액의 경우
용접으로 생성된 조인트는 이러한 내식성 기준
인체에 주입하기 때문에 순도(purity)가 매우
품질을 만족시킨다. 또한 산화 또는 부식을 막
높아야 한다. 따라서 미량의 부식물도 엄격히
기 위해 표면처리를 수행할 수도 있다.
스팀(steam,
5.4 반도체 생산 장비
반도체
생산
장비에는
외경
6.3mm,
두께
하는 작은 용접 비드를 일정하게 유지해야 하
0.9mm의 전해 연마(electro-polished)된 스텐
며, 내경까지 완벽한 용입이 이루어져야 한다.
레스 스틸 튜브들이 가스라인으로 설치된다.
또한 변색 또한 없어야 한다. 현장에서의 어려
고순도 프로세스 가스는 수증기, 산소, 각종 입
운 환경 속에서는 신뢰성 높은 오비탈 용접 장
자들 또는 다른 불순물 등의 발생 없이 튜브를
치와 숙련된 작업자 만이 이러한 작업을 수행
통과해야 한다. 이러한 튜브 라인의 설치 기준
할 수 있다.
은 매우 엄격하다: 튜브의 용접 표면을 최소화
5.5 화학 산업
화학 산업의 플랜트 장치의 많은 부분들이 오
장치의 서비스 수명은 용접 조인트의 품질 수
비탈 용접에 의해 제작 및 설치된다. 화학 장
준에 의해 좌우되며, 용접 프로세스는 고객, 감
치들은 튜브, 열교환기 및 컨버터 등으로 구성
독관 및 규격 관리기관에 의해 엄격히 관리 및
되어 있으며, 이러한 장치들은 스텐레스 스틸
준수된다. 한 개의 열교환기의 조립을 위해서
을 주재료로 하여 내식성이 높은 재료 또는 티
는 수백 또는 수천 개의 무결점 용접이 수행되
타늄, 지르코늄, 니켈, 크롬 등의 다루기 힘든
어야 하므로 여기서, 오비탈 용접은 이러한 작
금속 재료들을 이용하여 만들어 진다. 설치된
업을 보장할 수 있다.
5.6 화력 발전 및 원자력 발전 플랜트
화력 발전소 및 원자로의 안전을 위해서는, 전
의 조립에 오비탈 용접 기술이 적용된다. 용접
범위에 걸쳐서 오비탈 용접 기술이 적용된다:
프로세스와 용접 품질은 일반적으로 공인된 기
측정 및 제어의 목적으로 연결되는 작은 직경
관 또는 외부 기관들의 지속적인 감독에 의해
의 튜브, 오비탈 튜브 투 튜브 시트 용접을 이
준수되며, 필요한 조건들 및 준수 사항들은 오
용해서 제작되는 열교환기 및 다른 장치들, 그
비탈 용접 장치에서 제공되는 온라인 데이터
리고 고온 고압에서 사용되는 두꺼운 튜브 들
획득 시스템에 의해 확인 및 검증된다.
6. 오비탈 용접 프로세스의 기술
6.1 일반적인 용접 자세
파이프 용접을 위한 명칭은 ASME 코드의 섹션 9 및
유럽 규격 EN 287/EN ISO6947에 명시되어
있다. 모두 튜브 용접 자세에 대해 설명하고 있다.
6.2 펄스 전류
성공적인 오비탈 용접을 위한 필수적인 특징은
전체 용접 사이클 동안 지속적으로 상태를 고
려하면서 금속의 용융 풀(pool)을 컨트롤 하는
것이다. PF/PG 또는 5G 용접 자세의 오비탈
용접의 경우는 아래의 조건들을 고려해야 한다.
1) 용접 자세 변화 및 그로 인한 중력의 영향
2) 작업 부재의 열 상태 변화
오비탈 용접 사이클 수행 동안 모든 용접 자세
에 대해 컨트롤 하기 위한 가장 효과적인 방법
은 펄스 전류를 이용하는 것이다.
기본적으로 펄스 전류는 두 개의 서로 다른 전
류 레벨 사이에서 토클(toggle)시키는 것이다.
펄스 전류는 오비탈 용접의 주요 적용 분야에
▶ 주기 Th 동안, 용접 전류는 하이 레벨인 Ih
서 용접 파라미터의 결정이 쉽고 빠르다는 장
를 유지한다. 이때, 용접 퍼들(puddle)의 크기
점을 가진다. 그러나 10mm 이상의 두께와 직
는 최대로 증가한다.
경 114mm 이상인 튜브를 용접해야 하는 경우,
▶ 주기 Tb 동안, 용접 전류는 로우 레벨인 Ib
로우 레벨의 전류가 하이 레벨의 전류와 크기
를 유지한다. 이때, 용접 퍼들(puddle)은 냉각
가 비슷하며, 이 경우는 마치 펄스를 사용하지
되면서 크기가 최소로 줄어든다. 이렇게 함으
않는 용접과 비슷하다.
로서 중력의 영향을 줄일 수 있다.
6.3 섹터 프로그래밍
많은 경우 펄스 용접 전류만 사용하는 것으로
는 충분한 결과를 얻기 힘들다. 실제 용접 시
요구 조건들을 반영하여 파라미터 선정 작업을
해야 한다. 용접 사이클 코스는 섹터라고 불리
는 구간으로 나뉘어 질 수 있다. 한 섹터와 다
른 섹터와의 경계에서는 파라미터 값이 조정되
어야 한다.
섹터에 대해서 설명하기 위해 그림과 같이
360o의 원을 4개로 나누었다. 각각의 섹터는
90o 간격을 이루고 있다. 첫 번째 섹터는 오비
탈 용접의 D 위치, 10.30 위치에서 시작하여,
01.30 위치에서 끝난다. 각각의 섹터는 해당
용접 위치를 나타낸다.
• 섹터 S1은 0o에서 90o 까지, 아래보기
용접 자세 및 작업 부재의 열 조건에 따라 달
라지는 용접 파라미터 값은 각각의 섹터가 시
작되는 시점에서 조정된다.
오비탈 용접을 수행 시 대부분의 경우 섹터들
자세
• 섹터 S2는 90o에서 180o까지, 수직 하향
(vertical down) 자세
은 위의 예제와 똑같이 나누어지지 않는다. 섹
터의 수 또한 적용 처에 따라서 달라질 수 있
다.
• 섹터 S3는 180o에서 270o까지, 위보기 자세
• 섹터 S4는 270o에서 360o까지, 수직 입향
(vertical up) 자세
7. 오비탈 용접 장치의 하드웨어 구성
용접작업이 독립적으로 수행되기 위해서는 오
• 와이어 피딩 장치(필요한 경우)
비탈 용접 장치는 일반적으로 아래와 같이 구
성된다.
어떠한 경우에라도, 용접에 필요한 장치들의
성능은 앞서 언급한 구성품들의 구성 및 설계
• 프로그램 가능한 파워 소스, 리모컨 펜던트
• 용접 헤드
에 따라 달라질 수 있다.
8. 프로그램 가능한 파워 소스
8.1 일반사항
오비탈 용접의 적용에 파워소스는 다음의 몇 가지 구성품들로 이루어 진다:
▶ 용접 전류 공급을 위한 한 개 또는 두 개의
▶ 토치 및 용접을 위한 냉각 회로 및 클램핑
파워 인버터가 필요하며, 핫 와이어(hot wire)
도구들
용접의 경우 필러 와이어를 예열시키기 위한
▶ 각각의 용접 시퀀스 저장을 위한 데이터 획
전류도 공급할 수 있어야 한다. 요즘에는 아크
득 시스템
소스의 상에 따라 인버터 타입이 결정된다.
▶ 일반적으로 직접회로 또는 PC 기반의 프로
오비탈 용접을 위한 파워 소스는 특정 적용 분
그램 가능한 컨트롤 유닛
야에 따라 3가지 카테고리로 분류될 수 있다.
8.2 포터블(이동식) 파워 소스
컴팩트한 파워 소스의 무게 및 부피는 제한이
그래픽 사용자 인터페이스와 리모콘 펜던트를
있으며, 장비는 작업자 혼자서 다룰 수 있도록
통해서 프로그래밍 및 파라미터 결정을 할 수
되어 있다. 또한 크기는 맨홀을 통과할 수 있
있다.
도록 작아야 한다.
용접 사이클, 프로그램 및 용접 파라미터의 관
30kg이하 중량의 가장 작은 파워 소스는 160A
리는 작업자-장비 인터페이스를 통해서 쉽게
까지 전류를 공급할 수 있으며, 단상(single
관리할 수 있으며, 섹터-프로그래밍 또한 쉽게
phase)의 230V의 전압으로 작동된다.
수행될 수 있다.
이러한 타입의 파워 소스들은 4개의 축(axes)
접 프로그램을 찾아주는 매칭 기능을 포함하고
까지 컨트롤 할 수 있도록 되어 있다. 즉, 4개
있다. 프로그램 매칭 시스템은 내부 데이터 베
의 장치들이 프로그램 및 컨트롤 될 수 있다:
이스를 참고하여 유사한 적용 분야에 대한 프
4개의 장치는 쉴딩 가스 유랑, 용접 전류 강도
로그램을 찾아주거나 내부 계산으로 결정된 용
및 펄스 속도, 용접 헤드의 주행 속도, 그리고
접 파라미터들을 제시한다. 제시된 용접 프로
와이어 피딩 동작을 의미한다. 폐회로 형태의
세스는
냉각 시스템은 장비에 필요한 일부분으로서 오
Assitant에 의해 최종적으로 최적화 될 수 있
비탈 용접 헤드 및 용접 툴에 냉각 수 공급을
다.
담당한다.
작업자의 실수를 방지하기 위해, 파워 소스는
최근 출시된 파워 소스는 사용자가 크기 및 튜
연결된 주변 장치들을 자동으로 인식한다.
전문가
도움
메뉴
또는
Welding
브 재질 등과 같은 기본적인 정보를 입력하는
경우 터치 스크린 또는 PC를 통해 적절한 용
8.3 중간 크기의 모바일 파워 소스
오비탈 용접을 위한 중간 크기의 파워 소스는
펜던트를 가지고 있다.
옮기기에는 너무 무겁기 때문에 바닥에 고무로
중간 크기의 파워 소스는 6개의 축까지 프로
된 바퀴가 장착되어 있다.
그램 및 컨트롤이 가능하다. 일반적으로 6개의
이러한 파워 소스는 4상 415V를 연결하거나
축은 쉴딩 가스 유량, 용접 전류 강도 및 펄스
다중 전압 입력이 가능하며, 400A 까지 전류를
속도, 용접 헤드의 주행 속도, 와이어 피딩 동
공급할 수 있다. 작업자의 작업 기록을 위한
작 그리고 아크 전압 컨트롤 및 오실레이션이
편리한 인터페이스와 모든 기능을 갖춘 리모콘
해당된다.
8.4 풀 사이즈(Full-size) 파워 소스
풀 사이즈 파워 소스는 원하는 용접 작업에 대
피더, 실시간 데이터 획득 시스템, 냉각기 등).
한 모든 요구사항들을 정확히 충족시킬 수 있
이런 보드들은 사용자가 직접 프로그램하여 사
다: 모델에 따라 다르지만, 300에서 600A까지
용할 수 있는 입력 및 출력 포트를 가지고 있
전류를 공급할 수 있다. 3상 415V 전압이 연결
다. 풀 사이즈 파워 소스의 프로그래밍은 윈도
되며 다중 전압 입력도 가능하다. PC와 소프트
우(WindowsTM) 기반의 용접 소프트웨어를 이
웨어를 통해서 프로그래밍을 할 수 있으며, 모
용하여 할 수 있다. PC 프로그래밍 할 때의 제
든 기능을 다 갖춘 리모컨 펜던트를 통해서 작
약사항은 사용되는 장치의 특성에 따라서 달라
업자는 장비를 컨트롤 할 수 있다.
진다.
풀 사이즈 파워 소스는 6축 이상의 장치를 사
용할 수 있으며, 프로그램이 가능하다. 기본적
으로 6개의 축은 쉴딩 가스 유량, 용접 전류
강도 및 펄스 속도, 용접 헤드의 주행 속도, 와
이어 피딩 동작, 아크 전압 컨트롤 및 오실레
이션 장치이다. 두 번째 파워 소스는 핫-와이
어 적용을 위한 전류 공급을 위해 별도로 설치
된다.
이러한 파워 소스는 보조 축의 컨트롤을 위해
추가될 수 있으며, 필요한 전자회로 보드는 장
비의 앞쪽 빈 슬롯에 삽입될 수 있다. 특정 장
치를 위한 컨트롤 보드들은 주변 장치 또는 외
부 유닛 컨트롤을 위한 축 사이에 있다(와이어
9. 오비탈 용접 헤드
9. 1 튜브 투 튜브 용접 헤드
9.1.1 폐쇄형(Enclosed) 챔버 용접헤드
폐쇄형 챔버 용접 헤드는 필러 와이어를 사용
하지
않는
튜브의
자열
용접(autogenous
welding)을 위해 설계되었다. 이 용접 헤드는
크기
별로
직경
1.6mm에서
168mm(ANSI
1/16" 에서 6")까지 대응할 수 있다. 게다가 오
스테나이트 스텐레스 스틸, 산화에 민감한 티
타늄 또는 지르코늄 같은 금속들 그리고 그러
한 금속의 합금 용접 또한 우수한 용접 결과를
얻을 수 있다. 적용 분야에 따라 달라질 수 있
으나, 폐쇄형 챔버 헤드를 용접할 튜브에 고정
하기 위해서는 한 쌍 또는 두 쌍의 클램핑 쉘
또는 TCIs(Tube Clamping Inserts)가 필요하다.
9.1.2 U-형태의 개방형(Open) 용접 헤드
개방형 용접 헤드는 오비탈 TIG용접에 필요한
도구로 생각할 수 있으며, 용접할 수 있는 튜
브의 직경은 8mm에서 275mm(ANSI 5/16"에
서 11")까지 대응할 수 있다.
U-형태의 개방형 용접 헤드는 가스 디퓨저가
있는 TIG 토치와 함께 설치된다. 가스 렌즈로
부터 토출되는 쉴딩 가스에 의해 영향을 받는
영역이 토치 부근 이므로, 토치 근처의 영역에
서만 쉴딩 가스의 효과가 있다. 용접 프로세스
동안에, 작업자는 아크를 관찰할 수 있으며 직
접 조절 할 수 있다. 개방형 헤드의 비대칭 구
조로 인해 구부러진 구간 또는 벽으로부터 매
우 짧은 거리의 용접을 수행 할 수 있다.
용접 토치의 위치는 수동으로 조절할 수 있으
며 또한 아크 전압 컨트롤 똔느 오실레이션을
위한 모터 구동방식의 슬라이드를 통해서 조절
할 수도 있다.
9.1.3 캐리지 타입 개방형 용접 헤드
캐리지 타입의 개방형 오비탈 용접 헤드는 튜
대게 이러한 튜브 또는 파이프의 경우 다층 용
브 또는 파이프 주위의 레일이나 트랙을 따라
접을 수행하게 되며, 캐리지는 내구성 높은
라서 주행한다. 이때, 레일 또는 트랙은 직경
(heavy duty) 구동 모터, AVC 및 오실레이션
114mm
기능을 가진 토치, 그리고 최대 5kg 중량의 와
이상의
튜브에
장착될
수
있다.
이어 피더 베어링 스풀 등의 장치 등을 갖추어
야 한다.
이러한 용접 헤드는 가스 렌즈를 포함한 표준
TIG 토치를 사용하거나 용접 헤드 근처 영역
의 가스 보호 기능을 개선한 Narrow gap(좁은
간격) 토치를 사용한다.
9. 2 튜브 투 튜브 시트 용접 헤드
9.2.1 필러 와이어를 사용하지 않는 엔클로즈드(Enclosed) 오비탈 튜브 투 튜브 시트 용
접 헤드
엔클로즈드 용접 헤드는 와이어 필러 사용하지
않는 튜브 투 튜브 시트의 TIG(GTAW) 용접을
위해 제작되었다. 이러한 종류의 용접 헤드를
이용하는 경우 붉게 달아오르거나 살며시 튀어
나온 최소 내경 9.5mm(3/8")의 튜브를 용접할
수 있으며, 최대 직경 33.7mm(1 1/3")까지 용
접이 가능하다.
용접은 불활성 기체가 가득찬 내부의 용접 가
스 챔버에서 이루어지며, 이렇게 함으로써 산
소와의 접촉을 가장 잘 차단시킬 수 있다.
클램핑 방법은 맨드렐(mendrel)을 튜브 내부로
삽입시킨 후 확장시킨다.
용접 헤드 앞쪽에 장착시키는 용접 랜스(lance,
창)를
이용하여
내경
10mm에서
33.7mm
(13/32"에서 1 1/3")의 내부 보어(bore) 용접을
수행할 수 있다.
9.2.2 개방형 튜브 투 튜브 시트 용접 헤드(와이어 사용/미사용)
필러 와이어를 사용하는 개방형 오비탈 튜브
용접 헤드에는 가스 디퓨저가 포함된 TIG 토
투 튜브 시트 용접 헤드는 내경 10mm(13/32")
치가 장착된다. 가스 렌즈를 통해 토출되는 쉴
에서 최대 외경 60mm의 튜브에 이르는 전 범
딩 가스가 작용하는 토치 주변 영역에서만 쉴
위에 적용 가능하며, TIG 토치는 튜브 주위로
딩 가스에 의한 보호가 이루어진다. 만약 산화
주행할 수 있다.
에 민감한 금속을 용접해야 하는 경우, 가스
챔버를 설치하여 가스 보호 기능을 개선시킬
수 있다.
용접헤드는 내장된 와이어 피더와 함께 장착될
수 있다. 튜브 플레이트(plate) 위 작업 위치에
용접 헤드를 고정시키기 위해 공압식 클램핑
장치가 사용되며, 한 명의 작업자가 다수 개의
용접 헤드를 작동시킬 수 있다. 용접 랜스
(lances)를 이용하면 갭이 없는 튜브 시트 혹은
이중 튜브 시트의 내부 보어 용접을 수행할 수
있다.
10. 와이어 피더
일반적으로 와이어 피딩 장치는 오비탈 용접
야 한다. 사용 조건 뿐만 아니라, 적용에 따른
헤드에 내장 되거나 외부 와이어 피더에 장착
제약 조건 및 장치의 이동성에 따라서도 피딩
된다. 피딩 장치의 선택은 필러 와이어의 사용
장치의 선택이 달라질 수 있다.
여부에 따라 달라지며, 적절한 스풀을 사용해
11. 오비탈 용접 장치의 기능
11. 1 가스 관리
오비탈 용접의 가스 관리를 조정할 때는 다음
전기 장치를 이용해서 가스 유량을 제어한다
의 3가지 방법이 있다:
(PS 406 계열 또는 PC타입의 파워소스). 오비
1) 유량계가 장착된 수동 조절 가능한 감압기
탈 용접을 위한 파워 소스는 4개의 가스를 제
(pressure reducer)를 가스 공급단에 설치하고,
어할 수 있다: 2개의 용접 가스 및 2 개의 부
파워 소스(PS 164, P 4)의 제어 유닛에 의해 열
가적인 가스 예를 들면 백킹(backing) 가스 및
리고 닫히는 전기 밸브를 이용.
트레일링 가스(trailing gas). 파워 소스의 Bi-
2) 조절 가능한 감압기를 가스 공급단에 설치
Gas 함수는 아크가 발생할 때 용접 가스의 종
되며(실린더 또는 네트워크), 파워 소스의 제어
류를 바꿀 수 있도록 한다. 이 방법은 특히 쉴
유닛에 의해 열리고 닫히는 전기 밸브를 이용.
딩 가스로 헬륨이 사용될 때 장점을 가진다.
작은 구슬이 측정 튜브를 따라서 가변 유량계
헬륨을 사용할 때 초기 아크 발생의 어려움을
(상하로 자유롭게 움직일 수 있는)는 PC 타입
피하기 위해 아크 발생은 아르곤 가스를 이용
의 파워 소스에 내장되어 있다.
하여 수행하며 이후의 아크는 가스를 헬륨으로
3) 조절 가능한 감압기를 가스 공급단(실린더
바뀌어서 안정화시킬 수 있다.
또는 네트워크)에 설치하고, 파워 소스 내부의
오비탈 용접 장치의 규정(standard)에 따라 다
동안 장치 제작시 조정되어 있는 값 이하로 가
르지만, 용접 가스 유량은 계속해서 모니터링
스 유량이 떨어지는 경우, 용접 사이클이 자동
된다. 용접 가스의 공급에 이상이 발생하는 경
으로 정지한다. 이렇게 함으로서 작업 부재와
우, 아크의 점화에 문제가 발생한다. 용접하는
장치의 심각한 손상을 막을 수 있다.
11. 2 전류
11.2.1 아크 점화
아크를 발생시키는 표준 방법은 50Hz의 주파
을 초과해서는 안 된다. 용접 헤드에 AVC 장
수로 2us 동안 10kV의 고 전압의 서지(surge)
치가 설치된 경우, Lift Arc 점화 라고 불리는
를 일으키는 것이다. 이때, 전극과 작업 부재
방법을 사용할 수 있다. 이 방법은 텅스텐 전
사이의 쉴딩 가스 기둥은 이온화 되어 전류가
극이 작업 부재 표면과 접촉할 때 까지 토치가
흐를 수 있는 상태가 된다. 따라서 아크가 발
작업 부재를 향하여 움직인다. 전극이 부재와
생하며 용접 전류가 흐르기 시작한다. 이러한
접촉한 이후 살며시 뒤로 약간 후퇴한다. 이때,
점화 방법은 모든 종류의 오비탈 용접에서 가
용접 전류가 흐를 수 있는 상태가 된다. 일단
장 흔하게 사용하는 표준 방법이다.
아크가 발생하기 시작하면 토치는 프로그램 된
이러한 점화 기술은 파워 소스와 용접 헤드 사
아크 길이를 유지한다. Lift Arc 점화 프로세스
이의 케이블 길이에 영향을 받는다. 적용 분야
는 Polysoude에 의해 개발되었다.
에 따라 다르지만, 케이블 길이는 30m에서 50
11.2.2 용접 전류
용접 전류는 TIG 용접 프로세스 영향을 미치
▶ 열 펄스(Thermal pulsation) (2) : 이 전류 형
는 파라미터 중 하나이다. 그러므로 전류 강도
태는 표준 오비탈 TIG 용접에서 주로 사용한
는 파워 소스에 의해 정확히 컨트롤 되어야 한
다(6.2장을 참조하라); 열 펄스의 최대 주파수
다. 용접 전류 강도 100A 이하에서는 정밀도
는 10Hz 이다.
±1A까지 보장되며, 100A 이상의 전류에서는 1%
▶ 고속 펄스 전류 (3) : 500Hz에서 10,000Hz
의 정밀도까지 보장된다. 여러 분야에 대한 적
의 주파수까지 사용 가능하다. 고속 펄스 전류
용을 위해서 파워 소스들은 여러 종류의 전류
는 언-펄스 전류와 비슷하지만 아크가 더욱 안
타입을 제공한다:
정한 특성이 있다. 펄스는 눈에 보이지 않지만
▶ 언-펄스(펄스 미사용) 전류(1) : 전류 강도
소리로 구분할 수 있다.
변화가 없다.
▶ 고속 열 펄스 전류(Thermo-rapid pulsed
current) (4) : 이러한 전류는 열 펄스(2)와 고속
펄스(3)을 결합시켜서 만들어 진다.
▶ 모노 펄스를 이용한 펄스 전류(5) : 이 펄스
전류는 펄스 전류와 펄스 시작부에서의 피크
(peak)와 중첩시켜서 만들어진다. 이렇게 함으
로서 용접 퍼들(puddle)에서의 아크 압력을 증
가시킬 수 있다.
11.2.3 다운 슬로프(Downslope)
용접 끝에서 발생하는 크레이터(crater)를 피하
기 위해서는 용접 전류가 끊어져서는 안 된다.
다운 슬로프 동안, 용접 전류 강도는 30A에서
4A사이 값으로 선형적으로 감소된다. 이후에
전류가 차단된다. 두꺼운 튜브 용접의 경우 더
높은 전류 강도를 사용하기도 한다.
11. 3 토치 회전
용접이 진행되는 동안 토치는 튜브 또는 파이
있으며, 용접 전류 펄스와 동기 시킬 수도 있
프 주위로 지정된 주행 속도로 회전하게 된다.
다. 베이스 전류와 펄스 전류에 따라서 주행
표준 오비탈 용접에서 필요한 주행 속도는
속도를 다르게 프로그램 할 수도 있다. 스텝
50mm/min에서 200mm/min이다.
펄스 용접의 경우 보통 하이(high) 전류 레벨
대부분의 경우 주행속도는 펄스 방식을 적용하
에서 토치 회전을 멈추고(V=0mm/min) 베이스
지 않는다. 그러나 펄스 방식을 적용할 수도
전류 주기 동안에 토치를 전진시킨다.
주행 속도의 정밀도는 프로그램 된 값의 1%
롤 시스템에 의해 이루어진다. 이것은 용접 사
범위이다. Polysoude 표준 용접 장치는 임펄스
이클의 프로그래밍은 시간 정보 대신 각도 정
이미터(impulse emitter) 또는 요구하는 경우
보를 이용하여 이루진다는 것을 의미한다. 토
타코미터 엔코더를 이용하여 작동시킬 수 있다.
치의 한 바퀴 주행은
또한 이러한 펄스 주행은 시작 위치에 대한 토
360o이므로 주행 속도 및 튜브의 직경과 상관
치의 위치를 파악하기 위해 파워 소스의 컨트
없이 직관적인 프로그래밍이 가능하다.
항상 패스(pass)마다
11. 4 와이어 피딩(Wire feeding)
오비탈 용접을 위한 파워 소스는 다른 종류의
용접의 끝 부분에서, 와이어 후퇴 함수가 와이
와이어 피딩 장치를 컨트롤 할 수 있다. 구동
어를 역방향으로 움직여 수 밀리미터 후퇴시킨
가능한
최대
다. 이렇게 함으로서 와이어 끝에서의 터미널
8,000mm/min까지 이며, 정밀도는 약 1% 정도
볼(terminal ball) 발생을 억제시키거나 심한 경
이다.
우 작업 부재에 달라붙는 현상을 방지할 수 있
와이어 피딩 관련 표준 함수들은 펄스 피딩 속
다.
와이어
피딩
속도는
도 뿐만 아니라 와이어 시작 및 정지 컨트롤이
며 이러한 표준 함수들은 모든 파워 소스들에
전문가 조언(Expert Information) :
서 제공한다. 와이어 피딩 펄스는 용접 전류와
동기 시킬 수 있다. 용접 전류가 하이 레벨에
1)
있을 때 와이어 피딩 속도는 하이 레벨을 유지
1.2mm 사이의 값을 가진다. 표준 오비탈 용접
하며, 용접 전류가 로우(low) 레벨일 때 피딩
에서는 0.8mm 직경의 와이어를 선택하는 것
속도는 감소한다. TIG 용접 프로세스에서의 와
이 바람직하다(the best choice).
이어 속도와 용접 전류 사이는 서로 독립적이
2) 와이어가 용융되는 속도는 와이어 피딩 속
므로 역으로 동기화 시킬 수도 있다. 즉, 용접
도의 정밀도 뿐만 아니라 와이어의 자체 정밀
전류가 로우 레벨일 때 와이어 피딩 속도를 하
도에 따라서도 달라질 수 있다. 0.8mm 직경의
이 레벨로 동기화 시킬 수 있다. 와이어는 용
와이어의 경우 0.02mm의 직경 변화는 용융되
접 퍼들(puddle)에 도달하면 녹는다. 와이어의
는 와이어의 5% 차이를 보일 수 있다.
기계적인 안정성으로 인해 용융된 금속의 배스
(bath, 용융 풀)를 밀어낼 수 있으며, 이렇게
함으로서 작업 부재의 안쪽에서 볼록한 루트
패스 표면을 생성할 수 있다.
통상적인
와이어의
직경은
0.6mm에서
11. 5 아크 전압 컨트롤(AVC, Arc Voltage Control)
11.5.1 이론적인 배경
용접을 진행하는 동안 아크 길이를 일정하게 유지하는 것은 중요하다. 그러나 그것을 간단히 측
정할 수 있는 방법은 존재하지 않는다. 용접 조건이 바뀌지 않는다면, 일반적으로 아크 길이는 아
크 전압과 관련이 있다. 이러한 현상을 이용하여 용접 하는 동안 전극과 작업 부재 사이의 거리
를 컨트롤(제어)할 수 있다.
아크 길이 및 용접 전류 변화에 따른 아크 전
▶ 규칙 3 : 다른 종류의 쉴딩 가스를 사용하
압의 특성을 아래의 그래프에 나타내었다.
는 경우(다른 용접 파라미터들의 변화는 없다),
아크 길이가 변한다. 예를 들면, 쉴딩 가스가
아르곤에서 아르곤-수소 혼합 가스로 바뀌는
경우, 아크 길이는 매우 짧아진다.
▶ 규칙 4 : 전극의 형상이 달라지는 경우(경사
각도 및 팁 크기), 주어진 용접 전류에서의 아
아크 길이 1mm 에서, 전극과 작업 부재 사이
의 측정된 아크 전압은 용접 전류 강도에 따라
서 검은색 선으로 표시되었다.
붉은색은 아크 길이 2mm에서 위와 같은 조건
크 길이가 변하건 동일한 아크 길이에도 아크
전압이 변할 수 있다.
▶ 규칙 5 : 펄스 전류를 사용하는 경우, 아크
전압 펄스는 비례하기 않는다.
으로 측정된 아크 전압을 나타낸다.
전문가 조언(Expert information) : Imin이하의
용접 전류에서 아크 전압 제어는 사용되지 않
았다. Imin은 약 30A의 값을 가진다.
▶ 규칙 1 : 같은 용접 전류(Ib)에서 아크 길이
가 증가할 수록 아크 전압도 증가한다.(U1-b에
서 U2-b까지 증가한다.)
▶ 규칙 2 : 아크 길이가 일정하고(전류가 Imin
용접 전류의 변화시 아크 전압의 피크(peak)가
이상) 용접 전류가 증가할 수록(Ib에서 Ih까지)
변할 수 있으며, 일반적으로 이러한 현상을
아크 전압 또한 증가한다. .(U1-b에서 U1-h까지)
overshoot라고 한다.
11.5.2 AVC 옵션(option)
대부분의 오비탈 용접 적용에서와 마찬가지로, 펄스 전류가 적용되며, 안정한 아크 길이를 유지하
기 위한 조절을 위해서는 규칙 1과 2를 고려해야 한다.
▶ 로우 또는 하이 용접 전류 레벨 주기 동안
▶ AVC 기능이 최소화된 토치 움직임을 얻기
의 전압 측정의 제약(restriction). 측정을 수행
위한 최적의 결과를 위해서는 더 많은 시스템
하지 않는 해당 주기 동안 AVC 슬라이드는 일
파라미터를 조절할 필요가 있다. 필요한 파라
시적으로 정지하며, 이때 전극의 위치는 변하
미터는 다음과 같다:
지 않는다. 안정한 아크 길이를 얻기 위해 간
• 제어 시스템의 민감도(sensitivity)
단히 한 개의 파라미터 값 만을 조절한다.
• 전극 이동 속도
▶ 로우 또는 하이 용접 전류 레벨 주기 동안
• 규칙 5에서의 오버슈트 효과를 없애기 위한
의 확장된 아크 전압 측정. 이러한 형태의
전류
AVC 컨트롤은 10Hz 이하의 열 펄스(thermal
(switch-off) 시간
펄스
시작
위치에서의
스위치-오프
pulsing) 적용시 사용할 수 있다.
11.5.3 전극과 작업 부재 사이의 거리
AVC 컨트롤을 제외하고, 토치 위치는 프로그
된 함수는 예를 들면, 튜브 투 튜브 시트 용접
램 된 전극과 작업 부재 사이의 거리에 의해
에서와 같이 전극의 위치를 알기 위해서 사용
결정된다. 기준 값에서 출발하여, 토치는 원하
된다. 또한 특수 용접 툴이 사용되는 경우 피
는 높이까지 선택된 거리(mm) 단위로 모터 구
기백(piggyback) 위치에서의 작업 부재의 복잡
동 방식의 슬라이드를 따라서 움직인다. 언급
한 표면 형상을 따르기 위해 사용된다.
11. 6 오실레이션(Oscillation)
튜브 끝단에 개선 처리를 하는 경우, 용접으로
끝에서 다른 쪽 끝으로 수직으로 움직인다면
채워진 그루브는 상대적으로 넓어진다. 특히
그루브는 한 개의 층으로 완전히 커버될 수 있
두께가 증가하는 경우에 더욱 넓어진다. 한개
다. 이러한 움직임은 모터 구동 방식의 슬라이
의 층(layer)를 형성하는데 다수 개의 패스
드와 오실레이션 시스템에 의해 구현된다.
(pass)가 필요한 스트링거 비드(stringer bead)
올바른 오실레이션을 구현하기 위해 설정되어
테크닉과 달리 토치가 개선부 양단 사이 한쪽
야 할 파라미터들은 치가 그루브의 측면 끝에
서 머무르는 드웰 타임(dwell time) 그리고 폭
기 위해 하이 전류(high current) 값은 드웰 타
(width)과 스트로크 속도이다. 토치 오실레이션
임(dwell time) 동안 일정하게 유지시켜야 한다.
을 펄스 전류와 동기 시킬 수 있다. 예를 들어,
측면 벽쪽에서의 용입(penetration)을 증가시키
11. 7 리모콘(Remote control)
리모콘 펜던트는 작업자와 장비 사이의 통신을
전압, 주행 속도 및 와이어 속도와 같은 실제
담당하는 장치이다. 용접 장치들을 다루기 위
용접 정보를 화면에 보여준다. 토치 위치 각도
한 모든 명령들을 리모콘을 통해서 직접적으로
및 용접 사이클 시작 후 경과된 시간도 표시된
접근할 수 있다.
다.
▶ 용접 사이클 이외의 모드(Out of weld cycle)
이 모드에서는, 장치의 모든 움직임을 컨트롤
할 수 있다 : 토치 회전, 작업 부재에 대한 토
치의 전진 또는 용접 심의 센터 맞추기 등
▶ 용접 사이클 모드 (During weld cycle)
이 모드에서는 AVC 및 오실레이션 함수를 이
용하는 토치 위치를 조절하기 위해 필요한 용
접 파라미터들을 조절할 수 있다. 물론 이 파
라미터들을 프로그램에 따라서 변경이 가능할
수도 있으나 제한될 수도 있다. 더욱이 대부분
의 리모콘 펜던트는 측정된 용접 전류 및 아크
11. 8 냉각 장치(Cooling Unit)
특수 분야에 대해 설계된 몇몇 장치를 제외하
유닛이 필요하다.
고, 오비탈 용접 헤드는 일반적으로 수냉각
모든 경우에 수냉각 유닛의 손상을 막기위해
(water-cooled) 방식을 취한다. 파워 소스는 수
냉각수의 유량은 지속적으로 모니터링 된다.
냉각 회로를 내장하고 있다.
파워 소스는 냉각수 순환에 이상이 발생하는
내구성이 높은 장치(핫 와이어 또는 플라즈마)
경우 정지 시킨다.
의 경우, 외부 레귤레이팅 또는 외부 수냉각
12. 용접 사이클 프로그래밍
12. 1 용접 사이클의 프로그램 구조(4개 축)
적용 분야와 오비탈 용접 장치에 따라 용접 사
하나의 예제로서 필러 와이어는 포함하지만
이클 프로그래밍은 더 복잡할 수도 덜 복잡할
AVC 및 오실레이션은 포함하지 않은 표준 용
수도 있다. 모든 경우에, 프로그램 구조는 항상
접 사이클 프로그램을 요약하였다.
아래와 같은 방법의 논리와 순서로 이루어진다.
1
용접 사이클의 시작(리모콘 펜던트의 시작 버튼을 누르면 시작된다.)
1에서 2
아크 점화 이전의 프로그램 된 pre-flow시간 동안의 쉴딩 가스 유량
2
아크 점화 그리고 펄스 용접 전류의 시작. 클럭이 0으로 리셋된다.
2에서 3
와이어 피딩을 위한 딜레이(시간 지연)
2에서 4
토치 회전을 위한 딜레이(시간 지연)
3
와이어 피딩 시작*
4
토치 회전 시작*(토치의 최초 위치는 용접 사이클에서 0의 위치이다.)
5
용접 전류가 수정된 신규 섹터의 시작
6
와이어 피딩의 끝*(그리고 프로그램대로 와이어 후퇴). 일반적으로 와이어 피딩의 끝은 대략
360o 위치이다.
용접 전류의 다운 슬로프 시작. 일반적으로 다운 슬로프의 위치는 360o + 5o 에서 10o의 겹침
7
구간을 둔다. 이렇게 함으로서 용접 심의 시작부를 다시 녹여 용접부 끝에서의 결함 발생을 방
지하기 위함이다.
7에서 8
8
8에서 9
9
크랙이나 크레이터의 발생없이 용접을 끝내기 위한 용접 전류 다운 슬로프 시간
아크 오프(Arc off) 및 토치 회전 정지
작업 부재의 용접부 보호를 위한 후 가스(post-gas) 시간. 충분히 낮은 온도가 될 때까지의 시간
으로서 고온의 텅스텐 전극을 산소로부터 보호한다.
쉴딩 가스 정지 및 용접 사이클의 끝
*예상되는 결과에 따라서 해당 함수의 프로그램 순서를 바꿀 수 있다.
12. 2 용접 사이클 프로그래밍 인터페이스
작업자와 오비탈 용접 장치 사이의 인터페이스
에 일반적으로 세 개의 다른 인터페이스 타입
을 사용한다.
1. 용접 사이클이 시놉틱 보드(synoptic board)
를 통해서 그래픽 형태로 나타난다. 작업자는
파라미터를 선택하기 위해 커서를 움직여야 한
다. 해당되는 값이 디스플레이 상에 나타나며
(2 줄), 필요한 경우 수정할 수 있다. 시작 시
에는 몇 가지 일반적인 조건들을 고정시켜야
2. 파워 소스 내부에 내장된 PC를 이용하여,
한다.
디스플레이 화면을 이용한 인터페이스를 사용
▶ 용접 전류에 펄스를 사용할 것인지 사용하
할 수 있다. 시놉틱 보드 기능을 사용할 수 있
지 않을 것인지를 정해야 한다.
으나 6” VGA 디스플레이가 더 좋은 화면을 제
▶ 와이어 피딩이 정지할 것인지 또는 작동한
공한다.
다면 펄스를 사용할 것인지 사용하지 않을 것
이러한 디스플레이 화면을 이용한 인터페이스
인지를 정해야 한다.
는 PS 406 파워 소스 등에 설치되어 있다. 또
한 장비 자체의 파라미터 값을 입력할 수 도
이런 선택에 따라 달라질 수 있으나 지정된 몇
있다. 작업 부재와 관련된 정보(직경, 벽 두께
몇 파라미터 만 순서대로 접근 가능하다. 마이
및 재질) 또한 파일로 생성 가능하다. 또한 각
크로 프로세서로 제어되는 파워 소스 PS 164-
종 편의 함수(복사, 이름변경 등), 용접 사이클
2 및 PS 254-2는 이런 타입의 인터페이스를
프로그램 파일 관리 및 온라인으로 획득한 데
가지고 있다. 프로그램 된 값들은 메모 카드에
이터 저장 등과 같은 기능을 사용할 수 있다.
저장될 수 있다.
이러한 인터페이스 방식으로는 장비의 주요 파
라미터를 다룰 수 있으나 파워 소스 장비의 파
라미터의 입력은 허용되지 않는다. 데이터는
컴팩트 플래쉬 카드(CF 카드)에 저장될 수 있
으며, PC로 전송 가능하다. 특정 소프트웨어를
이용하는 경우 잃어버린 정보를 추가할 수 있
으며, 오프라인으로 완전한 용접 사이클을 생
성할 수도 있으며, 용접 사이클 라이브러리
(library)를 관리할 수 있다. 소프트웨어는 윈도
우(WindowsTM) 환경에서 실행되므로, 사용 및
이해가 쉽다. PC의 데이터 파일들은 캠팩트 플
래쉬 카드를 이용하여 파워 소스로 쉽게 이동
시킬 수 있다.
3. 최근에는 리눅스 환경의 PC를 이용하여 오
▶ 튜브 투 튜브 및 튜브 투 튜브 시트 적용에
비탈 용접 장치에 사용자 편의를 위한 그래픽
대한 컴퓨터를 이용한 용접 파라미터 최적화
인터페이스(GUI, Graphic User Interface)를 개발
▶ 오비탈 퓨전(fusion) 용접을 위한 프로그램
하였다. 가상의 시놉틱(synoptic) 환경이 10.4”
의 자동 생성
터치 스크린에 표시된다. 이러한 환경은 용접
▶ P4 및 P6 파워 소스에는 이러한 특징들을
데이터 관리 뿐만 아니라 작업자가 오비탈 용
갖추고 있다. LAN을 통해 오프라인 및 온라인
접 프로그램을 생성하는데 필요한 모든 함수를
으로 프로그램이 가능하다. 소프트웨어 업그레
제공한다. 몇 가지 특징들을 아래에 나타내었
이트 역시 이더넷(Ethernet)을 통해 수행 가능
다.
하다.
▶ 작업 부재에 대한 완벽한 문서 데이터
▶ 완전한 다층 용접을 위한 연속된 용접 사이
클의 생성
▶ 장치의 기계적 조정, 사용하는 가스의 타입
과 특징, 전극, 필러 와이어 등 경계 파라미터
(boundary parameter)에 대한 상세한 설명
▶ 동시에 8개 파라미터까지 처리할 수 있는
탐색 기능을 가진 전문가 시스템
12. 3 오프라인 프로그래밍
매우 복잡한 적용 분야 및 연구 작업에 대한
용접 프로그램의 순서(sequence)는 한 줄씩 생
용접 사이클 프로그래밍은 파워 소스와 연결하
성된다. NC 장비의 프로그램과 유사하지만 작
지 않고도 개인 PC를 통해서 오프라인으로 수
업 명령은 작업자의 고유 언어를 사용할 수 있
행할 수 있다.
도록 되어 있다. 짧은 교육을 통해서, 용접사들
은 이런 명령들을 이해할 수 있으며, 자신만의
고유한 용접 프로그램을 작성할 수 있다.
용접 소프트웨어는 윈도우(WindowsTM) 환경에
서 개발되었으며, 사용자는 Excel과 비슷하게
사용할 수 있다.
윈도우(WindowsTM)의 보편성으로 인해, 어떠한
형식의 파일도 사용할 수 있다.
13. 실시간 데이터 획득시스템
13. 1 요약
ISO900과 같은 품질 보장 시스템을 위해서는
제 규격으로 정해져 있거나 인증된 기준을 이
캘리브레이션(보정작업)이 된 장치 만 사용해
용해야 한다.
야 한다.
캘리브레이션을 수행하기 위해서는 해당하는
여기서, 캘리브레이션(calibration)은 표준으로
테스트 장치와 절차를 따라서 인증된 기관에
정해져 있다. 이것은 파워 소스 내부에 설치되
의해서만 수행되어야 한다. 예를 들면, 용접 장
어 있거나 연결된 용접 장치에 설치되어 있는
치 제조사, 사용자 품질 보장 부서 또는 외부
측정 장치는 특정 기준을 충족시켜야 한다는
독립 기관 등.
의미이다. 그리고 이러한 기준은 국내 또는 국
13. 2 내장 실시간 데이터 획득시스템
용접 사이클 동안, 용접 전류, 아크 전압, 주행
속도 및 와이어 피딩 속도 등 필수 파라미터
값은 측정되며, 반복적으로 기록된다. 해당 용
접에 대한 완전한 정보 획득을 위해서, 이러한
측정 데이터 및 측정 날자, 시간 등이 포함된
용접 사이클 리포트를 용접 사이클이 끝날 때
마다 인쇄할 수 있다.
용접 사이클 프로그램은 문서화로 만들어 질
수 있다. 인쇄물은 모든 파라미터들이 올바르
게 설정되었는지 확인하는데 사용될 수 있으며,
품질 보장의 목적으로 사용할 수 있다. 인쇄물
에는 프로그램 이름, 파라미터 값 및 작업자가
수정할 수 있는 값의 범위 등이 포함된다.
데이터 획득 시스템 및 프린터는 PS 164-2, PS
254-2, PS 406 그리고 P4 파워 소스에 설치되
어 있다.
13. 3 외부 실시간 데이터 획득시스템
PC 타입의 장치를 사용하는 경우 실시간 데이
할 수 있다. 시스템이 수동 모드(passive mode)
터 획득 시스템은 파워 소스 내부에 내장되어
로 동작하는 경우, 파라미터의 값이 한계에 도
있지
달하면 그래프의 색깔이 바뀐다. 자동 모드
않다.
일반적으로
용도로
사용하는
Polysoude의 기록 시스템(RECORDING SYSTEM)
(active mode)에서는 지정된 한계를 초과하는
은 National Instruments(社)의 DASYlab®라는
경우 용접 사이클 데이터 획득을 실패하게 된
소프트웨어를 이용하여 개발되었다. DASYlab®
다.
는 데이터 획득, 분석 및 실시간 제어를 위한
특수 용도의 소프트웨어이다.
용접 전류 또는 핫 와이어 전류, 아크 전압, 주
행 속도 및 와이어 피딩 속도 등과 같은 파라
미터들은 200Hz의 주기로 기록된다. 용접 사
이클이 시작할 때, (아크 스타트), 데이터의 기
록도 동시에 자동으로 시작하고, PC의 하드디
스크에 데이터가 저장된다. 생성된 파일의 이
름은 데이터 날짜와 시간으로 표시된다.
용접 사이클의 진행 과정은 모니터링 되며 디
스플레이 창에서 그래프로 확인할 수 있다.
데이터 획득 시스템을 이용하면, 작업자는 서
로 다른 용접 파라마터들의 한계를 설정할 수
있다. 이 경우, 관련된 파라미터 값들은 지속적
으로 이전에 기록된 무결함 샘플 용접과 비교
14. 튜브와 튜브의 퓨전 용접(fusion welding)
14. 1 적용 분야
두께가 얇은(thin-walled) 튜브의 퓨전 용접
대부분의 경우, 튜브는 오스테나이트 스텐레스
(fusion welding)은 넓은 범위의 분야에 적용
스틸로 만들어 지며, 티타늄 및 티타늄 합금
가능하다. 예를 들면 반도체 산업, 생화학 분야,
뿐만 아니라 니켈 합금 등으로 만들어 지기도
계측 분야, 식음료, 제약 산업, 화학/위생 산업
한다. 직경 1.6mm에서 170mm까지 적용
및 항공/항공우주 산업 등에서 적용된다.
가능하며, 두께는 0.2mm에서 3.2mm까지 적용
.
가능하다
14. 2 퓨전 용접의 용접 헤드
일반적으로 퓨전 용접(fusion welding)은 폐쇄
형(enclosed) 오비탈 용접 헤드와 함께 PS
164-2 또는 P4 파워소스와 같은 장비를 이용
하기를 선호한다. 적용 분야에 따라 다를 수
있으나, 폐쇄형 용접 헤드는 2 그룹으로 나눌
수 있다.
14.2.1. UHP 폐쇄형(enclosed) 챔버 용접 헤드
UHP 용접 헤드는 높은 순도를 요구하는 분야
할 수 있다. 이러한 용접 헤드는 모듈형으로
에 맞추어 특수하게 설계되었다.
제작되었다. 구동 모터는 특수 핸들(unique
handle)에 내장되어 있으며, 3개의 기어 모듈과
결합 될 수 있다. 6.35mm(1/4”)까지의 튜브를
위해서 기어 모듈 UHP 250-2를 사용하며,
12.7mm(1/2”)까지의 튜브를 위해서는 기어 모
듈 UHP 500-2를 사용한다. 33.7mm(1 1/3”)까
지는 UHP 1500을 사용한다. 교체 가능한 클램
핑 카셋트(clamping cassettes)를 이용하여 작
업 부재의 개선(preparation)을 사전에 준비할
수 있다. 구동 모터가 내장된 핸들은 용접이
필요할 때에 장착한다.
클램핑 카셋트(clamping cassettes)와 티타늄으
로
재작된
플렉서블
튜브
클램프
인서트
(flexible TCI)는 반도체 분야 또는 순수 가스
용접
(pure gas) 공급 분야에서 표준 튜브 직경에
완벽히 사용할 수 있다. 용접 헤드의 비대칭
헤드 안쪽에서 쉴딩 가스는 고 순도 가스 회로
구조는 짧은 스틱-아웃(stick-out)으로 피팅의
(high purity gas circuit)를 통하여 별도로 흐르
연결을
게 되어 있으며, 기어나 회전 부위와의 접촉하
blocks)을 사용하면 모든 종류의 마이크로-피
지 않고 용접 부위로 직접 방출된다. 따라서,
불순물에 의한 가스의 오염이 상당히 감소한다.
UHP 타입의 용접 헤드는 원주 방향(radial) 및
축 방향(axial) 크기가 확실히 감소하였기 때문
에 이 장치는 직경이 작은 튜브의 용접에 적용
가능하게
하며,
고정
블록(fixture
팅(micro-fittings)의 센터링(중심 맞추기), 정렬
(alignment) 및 클램핑(clamping)이 가능하다
14.2.2. MW 폐쇄형(enclosed) 챔버 용접
헤드
MW 폐쇄형 용접 헤드는 와이어를 사용하지
않는 자동용접을 위해서 설계되었다. 이 헤드
는 외경 6mm에서 170mm의 튜브 외경에 맞
춰져 있다. 이러한 종류의 용접 헤드를 이용하
면, 완벽한 용접 품질 뿐만 아니라, 고온에 강
한 재질 및 내장된 냉각 회로는 괄목할만한 생
산성의 증가를 이룰 수 있다. 핸들에 내장된
리모콘 펜던트를 이용하여 빠르게 작동시킬 수
있다.
오프셋(off-set) 전극 홀더가 장착된 엘보 키트
(elbow-kit)를 이용하여 짧은 스틱-아웃(short
stick-out)을 가지는 피팅(fittings)과 악세서리
(accessories)를 용접할 수 있다.
14.2.3. 개방형(open) 용접 헤드
개방형 용접 헤드들은 필러 금속을 사용할 수
도 사용하지 않을 수도 있다. 폐쇄형 용접 헤
드와의 2가지 차이점을 아래에 기술하였다:
보호 가스가 용접 부 전체를 다 보호하지 못하
며, 토치 주변의 한정된 영역만 보호할 수 있
다. 이러한 이유로 산소에 민감한 재질의 용접
시 문제가 발생할 소지가 있다.
개방형 용접 헤드의 클램핑 부 작업 부재 까지
의 직선 길이가 폐쇄형 용접 헤드에서의 길이
보다 훨씬 중요하다.
14. 3 용접 파라미터 값의 계산
연결된 튜브의 직경 및 두께에 따라 달라질 수
계산은 300계열의 스텐레스 스틸(예를 들면,
있으나, 와이어를 사용하지 않는 퓨전 용접
316L)에 대한 공식을 기반으로 하고 이를 바탕
(fusion welding)의 파라미터들은 계산이 가능
으로 다른 재료에 대해서도 계산이 가능하다.
하다.
P4 및 P6와 같은 최근의 파워 소스는 해당 용
접 분야를 내장된 라이브러리에 존재하지 않는
경우, 용접 파라미터 값들을 자동으로 계산할
수 있는 소프트웨어를 갖추고 있다.
어떤 경우에서든, 계산된 결과의 유효성은 용
접 테스트를 통해서 검증해야 한다. 같은 명칭
심지어 같은 구성의 재료라도 매우 다른 용접
특성(properties)를 가질 수 있다.(14.7의 화학
적 조성(compositon)및 반복성을 참조하라.)
14. 4 조인트 개선(Joint preparation)
자동 오비탈 용접 헤드는 튜브의 정밀한 버트
접 작업은 와이어 필러 없이 수행되어야 한다.
(butt, 맞대기) 개선을 필요로 한다. 이와 같은
내부의
정밀한 직각의 모서리를 얻기 위해서는, 특수
mechanical fixing device)를 사용하면, 위치 정
베벨링 장비(beveling machinge)를 이용하여
렬과 용접 시 유용하다. 이 장치는 주로 백킹
개선처리를 해야 한다. 버(Burrs) 역시 완벽히
가스(backing gas)의 유량을 제어하기 위해 시
제거되어야 하며, 튜브 끝은 갭(gap)없이 완벽
스템에 연결된다. 식품 및 음료 산업에서의
히 맞아야 한다. 용접 부 주위에는 그리스
SMS-fittings(SMS-피팅) 연결에 사용 시 유용
(grease), 습기 또는 각종 오염물질들이 있어서
하다.
는 안 된다. 용접 프로세스가 시작 되기 전에,
전문가 조언(Expert Information) : 용접 심의
어긋난 정렬 상태(misalignment)을 제대로 맞
기계적 강도를 강화하기 위해서, 한쪽 튜브 끝
추어야 하며, 태크 용접(tack welding)으로 고
단을 오버랩 칼라(overlapping collar) 방법으로
정시켜야 한다. 태크 용접 동안에는, 부재의 변
개선처리 함으로서 부가적인 재질 특성을 얻을
색(discoloration)이나 튜브 내면의 산화를 방지
수 있다(①). 다른 방법으로서는 튜브 사이의
하기 위해 백킹 가스(backing gas)를 사용해야
갭(gap)으로 용접 재료를 삽입하는 것이다(②).
한다. 크롬 산화물의 높은 용융 온도로 인해,
추가 삽입된 용접 재료는 이종 금속(dissimilar
태크 용접시 발생되는 파란색 또는 어두운 색
naterials)으로 용접이 가능한 것이어야 한다
의 반점(spots)은 최종 용접 동안 퓨전(fusion)
을 방해하는 역할을 한다.
태크 용접의 직경은 최종 용접 심(seam)의 크
기 보다 작아야 한다. 용접 시 태킹 포인트가
완전히 다시 용융될 수 있기 위해서, 태크 용
기계적인
고정
장치(Internal
14. 5 전극 개선(Electrode preparation)
일정하면서도 컴팩트한 형상의 아크를 유지하
기 위해서넌, 기계화되거나 자동화된 용접에
사용되는 텅스텐 전극은 경사진 형태로 개선
처리가 되어 있어야 한다. 전극의 직경, 그라인
딩 각도 “A” 그리고 납작한 팁의 직경 “M”은
용접 전류 강도에 따라서 달라진다. 그라인딩
각도 “A”는 18o에서 30o 사이를 유지해야 하며,
납작한 팁의 직경은 0.1mm에서 0.5mm 사이
를 유지해야 한다. 높은 용접 전류 강도가 요
구될 수록 더 넓은 그라인딩 각도 및 더 큰 직
경의 팁이 필요하다.
전문가 조언(Expert Information) : 아크 불안
전극의 길이는 계산되어야 하며 용접 헤드의
정, 아크 점화시의 어려움 등의 문제 또는 용
종류, 튜브의 외경 그리고 지정된 아크 길이에
접 결함을 줄이기 위해서는 텅스텐 전극의 형
따라서 잘라야 한다. 많은 경우, 전극 그라인더
태를 바꿔 주어야 한다. 정밀한 용접에서는 매
로 요구되는 정밀도로 전극을 현장에서 준비하
용접 시 마다 전극을 교체해야 하는 경우도 있
기는 어렵다. 사용할 전극을 구매해서 사용하
다.
는 것이 효율적이고 경제적이다.
14. 6 백킹 가스(Backing gas)
오비탈 용접 동안에, 튜브의 내면은 산화로 부
튜브를 통과해야 한다.
터 보호되어야 한다. 그러므로, 튜브의 안쪽을
용접 하는 동안, 지정된 유량 및 백킹 가스의
백킹 가스(backing gas)를 이용하여 정화시켜
내부 압력은 반드시 준수되어야 한다. 지정된
야 한다. 백킹 가스의 순도는 요구되는 용접
값을 초과하는 과도한 압력으로 인해 루트 용
품질에 따라서 달라진다. 용접이 시작되기 전
접부가 바깥쪽에서 볼 때 오목하게(concave)
에, 백킹 가스를 이용하여 주변의 산소를 제거
되거나 심한 경우, 용접 비드 short circuit을
할 수 있도록 충분히 정화시킬 수 있는 시간이
발생시킬 수 있으므로, 내부 압력은 반드시 제
필요하다. 백킹 가스에 남아있는 산소의 양은
어되어야 한다.
출구 쪽에서 분석할 수 있다. 만약 그 양이 충
9.52mm(3/8”) 이하 작은 직경의 튜브를 용접
분히 만족할 수 있는 양으로 감소하였다면, 용
하는 경우, 내부 압력을 유지하면 과도한 볼록
접을 시작할 수 있다. 일반적으로 UHP(Ultra
현상(convexity) 및 내경 축소 현상을 방지할
High Purity, 초고순도) 작업의 경우, 산소 레벨
수 있다.
을 10 PPM(백만 분의 1) 이하로(즉, 0.001%)
전문가 조언(Expert information) : 백킹 가스
유지하여야 한다.
에남아있는 산소로 인해 발생하는 열에 의한
전문가 조언(Expert information) : 초고순도
옅은 색깔 변화는 passivation을 통해 제거할
가스의 공급을 위해서는 증기, 산소,각종 입자
수 있다.
등을 포함하는 오염물질을 포함하지 않으면서
14. 7 용접의 화학적 조성(chemical composition) 및 반복성(repeatability)
스텐레스 스틸을 용접 하는 동안 발생하는 몇
은 부재와 연결시켜야 하는 경우, 아크가 황
가지 문제들은 모재에 황(shlfur) 성분의 양이
함유량이 낮은 부재쪽으로 완전히 쏠리는 현상
적기 때문에 발생한다. 황 성분의 양은 용융
이 나타날 수 있다. 용접 프로세스를 이중 논
금속의 표면 장력에 영향을 미치며, 황 함유량
스톱(non-stop) 가동 함으로서 이러한 문제를
이 높은 경우 좁으면서도 깊은 용접을 만들어
해결하는 경우도 있다.
낸다. 황 함유량이 낮은 경우 얕으면서도 넓게
퍼지고 용입(penetration)이 감소한다. 이러한
현상은 ‘Marangoni 효과’에 의해 설명될 수 있
다.
황 함유량이 매우 낮은 부재를 황 함유량이 높
15. 튜브와 튜브, 혹은 파이프와 파이프의 필러 와이어 오비탈 용접
15. 1 적용 분야
오비탈 용접 프로세스테서 필러 금속이 사용되
• 일반 탄소강(plain carbon steel)
어야 하는 몇 가지 이유를 아래에 나타내었다:
• 저합금(low-alloyed) 크롬 또는 탄소강을 함
• 튜브의 두께로 인해 끝단에서 개선 처리를
유하고 있는 크롬 망간
해야 하는 경우
• 고합금(high-alloyed) 크롬 니켈 스틸(오스테
• 용접될 튜브 또는 파이프들이 서로 다른 금
나이트 또는 오스테나이트-페라이트 결정 조직
속인 경우
을 가짐)
• 용접부를 강화시킬 필요가 있는 경우
• 니켈 베이스의 합금(예를 들면, 인코넬 합금
• 퓨전 용접으로 강도 또는(그리고) 내식성을
또는 하스텔로이(Hastelloy®) 합금)
높이고자 하는 경우
• 티타늄 또는 티타늄 합금
필러 와이어를 사용하는 튜브 투 튜브 용접은
튜브의 직경은 크기가 다양하지만, 대부분 다
주로 발전소와 같은 에너지 생산 관련 분야 및
음의 범위가 주로 사용된다.
화학 또는 정유 산업 분야에서 사용된다.
• 직경 26.9mm 그리고 직경 219mm(3/4” 그
아래와 같이 넓은 범위의 부재 재료에 사용될
리고 8”)
수 있다:
• 두께 2.77mm에서 12.7mm
15. 2 장치류 선택
와이어 필러를 사용하는 오비탈 용접에서는, 4
준 장치가 사용될 수 있다.
개의 제어 축(쉴딩 가스 유량, 용접 전류 강도,
경제적인 문제 또는 프로젝트 관련 다른 문제
토치 회전 그리고 와이어 피딩 속도) 또는 6개
를 제외하고는, 아래의 테이블에 4축 또는 6축
의 축(4축 + AVC 및 오실레이션)을 가지는 표
장치의 기술적인 요구사항들을 나타내었다
작업장의 접근성이 떨어지는 경우, 4축을 가지
하게 구현되기를 원하는 경우, 6축 장치를 사
는 장치들을 선호하는 편이다. 용접 툴이 간편
용할 것을 추천한다.
15. 3 용접부 개선(preparation)
튜브, 벤드(bends), T형 파이프 및 플랜지의 수
동 용접의 표준 개선 형상은 약간의 갭(gap)을
가지는 V-조인트 이다. 오비탈 용접에서는 몇
가지 이유로 이러한 형상의 개선이 사용되지
않는다.(오비탈 용접에서 갭(gap)은 허용되지
않으며, 태크 용접부의 제거가 불가능하며, 백
킹 가스 보호가 불가능 하다.)
오비탈 용접의 개선(preparation)은 항상 루트
면에서 갭이 없는 조인트로 설계해야 한다. 접
근성 높이기 위해, 표준 V 개선 각도는 30o 또
는 37o로 증가시켜야 한다. 이러한 형상의 개
선 조인트로는 정상적인 용입을 얻을 수 없으
며, 용접 자세에 따라서, 과도하게 오목 하게
되는 현상(concavity)이 발생할 수도 있다.
이러한 문제점들을 피하고 일정한 용입을 얻기
위해서는 폭 L, 두께 T의 칼라(collar)형태의 J
개선을 선택해야 한다. 튜브의 직경 및 두께에
따른 추천 개선 형상을 아래의 표에 나타내었
다.
전문가
조언(Expert
information)
:
자동
용접을 위해서는, 허용 오차(±0.2 에서 0.3mm)
범위에서 두께 T 를 얻기 위해서는 내경을
기계가공 하는 경우가 많다.
필요한 정밀도 및 용접 개선의 반복도를 얻기
위해서는, 튜브 끝단 개선 장비를 사용해야만
한다. 2 종류의 기계 장비가 구입할 수 있다.
• 작업장 내에서 사용하기 위한 고정식 장치
• 현장에서 사용할 수 있는 전동 또는 공압을
이용한 이동식 장비
오일, 탄소 또는 칼라민 산화 스케일 뿐만 아
력 성분이 남아있어서는 안 되며, 매우 적은
니라 모든 녹 찌거기 등을 제거하기 위해, 탄
양, 최소 3 가우스 이하의 자기력 플럭스 밀도
소강으로 만들어진 튜브의 내면과 외면은 기계
만 허용가능 하다. 그렇지 않은 경우, 용접 문
가공 되어야 한다.
제 또는 결함(용입 불량, 기공발생 등)이 발생
전문가 조언(Expert information) : 재료가 자
할 수 있다.
화(magnetized) 되었는지 확인해야 한다. 자기
15. 4 튜브 위치 정렬
오비탈 용접을 시작하기 전에, 튜브들의 위치
만약 스텐레스 스틸, 니켈 베이스의 합금 또는
를 잡아야하며, 태크 용접을 수행해야 한다. 일
티타늄 또는 티타늄 합금을 용접하는 경우, 백
반적으로 최대 미스얼라인먼트(misalignment,
킹 가스 보호 방법을 의무적으로 수행해야 한
어긋남의 정도)는 두께 T의 절반까지만 혀용된
다. 사실상 탄소강은 백킹 가스 없이 용접이
다. 루트 패스를 수행하는 동안 용입 결함을
가능하지만, 낮은 반복성 및 결함률의 증가는
피하기 위해, 태크 용접을(와이어 없이 또는
감수해야 한다.
최소한의 와이어를 이용하여) 수행해야 한다.
개선 처리된 튜브의 끝은 서로 완벽이 맞아야
한다. 갭은 허용되지 않는다.
15. 5 다층 용접
실레이션 기능이 포함된 장치를 이용하더라도
이러한 스트링거 비드 기술이 사용된다.
다층 용접에는 두 개의 다른 방법들이 적용 가
능하다. 이 방법들은 사용하는 장치에 따라서
달라진다.
1) 4축 장치를 이용하는 경우, 좁은 용접 비드
를 가지는 스트링거 비드 기술(stringer bead
technique)만 사용하여 나란히 적층시킨다①.
특수한 경우, 예를 들면 필렛 용접(2G 또는 PC)
또는 45o(6G 또는 H L045)의 경우, AVC 및 오
2) 6축 장치를 사용하면, 토치를 가로 방향으로
이동시킬 수 있으므로, 패스를 횡방향으로 넓
게 생성시킬 수 있다②.
스트링거 비드 기술을 이용한 다층 용접은 각
이용하는 경우, 전극과 작업 부재와의 거리를
각의 패스 마다 끊고 다시 기계적으로 세팅 및
제어할 수 있으며, 오실레이션은 전체 조인트
조정 해야하는 번거로움 때문에, 다소 복잡하
의 폭방향을 모두 커버할 수 있다. 일단 토치
고 시간이 많이 소요된다. 토치의 횡방향 위치
가 용접 조인트 위로 위치되면, 전극은 자동으
및 기존 패스와 전극 사이의 거리는 올바르게
로 갭의 중앙으로 위치된다. 용접 수행 시 각
설정되어야 한다. 용접 헤드의 특정 부위가 용
각의 패스 마다 호스 및 공급 케이블 등의 되
접 자세를 취할 수 있는 경우, 이러한 조정들
감기 또한 자동으로 조절된다. 따라서, 작업자
을 수행해 주어야 한다.
는 반복적인 작업 수행 없이 용접 프로세스 자
6축 제어 용접 장치는 수동으로 조절해주어야
체에 집중할 수 있다.
하는 시간을 크게 줄여줄 수 있다. AVC 기능을
15. 6 정밀한 형상의 전극이 필요한 AVC
자동 오비탈 용접에 텅스텐 전극이 사용되는
기를 변화시킨다.
경우, 전극의 형상이 항상 같은지 확인해야 한
전문가 조언(Expert information) : 아크 길이
다. 심지어 약간의 변화라도 있다면, AVC 제어
가 증가하면 아크 압력 저하가 발생하고, 용입
의 기본 값으로 사용되는(11.5.1을 참조) 아크
불량 및 오목한 형상의 표면 형상이 형성될 수
전압의 심각한 변화를 가져올 수도 있다. 아크
있다. 아크 길이가 너무 짧으면 전극 손상이
전압의 차이는 AVC 제어에 의해 아크 길이의
가속화 된다.
변화를 야기시키며, 이것은 용융 풀(bath)의 크
15. 7 백킹 가스(Backing gas)
이렇게 해야만 망간 실리콘 함유량이 높은 스
탄소강의 수동 용접에서 백킹 가스를 이용한
틸 용접시 발생하는 처리하기 힘든 칼라민
보호는 의무 사항이 아니지만, 튜브의 내면은
(calamine)의 생성을 억제 시킬 수 있다. 따라
쉴딩 가스로 보호되어야 한다. 루트 페이스에
서 용접의 반복 재현성 또한 얻을 수 있다. 용
서 갭이 없는 J-개선 오비탈 용접의 경우, 백킹
접 금속에 따라서 사용되는 백킹 가스의 종류
가스 보호를 수행하기를 강력히 권고한다.
는 3.5.2장을 참조하라
15. 8 경계 파라미터(Boundary parameters)
장치에서 직접 프로그램 되지 않는 경계 파라
• 가스 렌즈 : 종류 및 크기
미드의 중요성은 종종 오비탈 용접에서 과소평
• 세라믹 노즐 : 크기, 직경 및 길이
가된다. 이 결과는 용접 결과의 낮은 반복도
• 전극 : 종류, 직경, 끝단 개선 및 스틱 아웃
및 낮은 생산성을 가져온다. 몇 가지 경계 파
• 와이어 : 등급 및 직경; 캐스트(cast) no, 입구
라미터를 아래에 나타내었다.
각도, 임팩트 포인트(impact point)
• 쉴딩 가스 : 종류, 순도, 유량
• 용접 시작 위치
• 백킹 가스 : 종류, 순도, 유량
• 패스 사이(inter-pass)의 온도
• 접지 케이블 위치 및 연결
15. 9 형상 조정(Geometrical adjustments)
모든 적용 분야 마다, 토치 및 와이어 가이드
경우, 거리를 2mm까지 줄이기를 권한다. 이렇
관련된 조정을 해 주어야 한다.
게 함으로서 와이어와 아크의 거리가 더 가까
워짐으로서 쉽게 용융될 수 있다. 더 많은 양
의 와이어가 피딩 될수록 콜드 와이어 결함
(cold wire defects)을 피할 수 있다.
3) 와이어 스틱 아웃(stick-out) Sf는 8에서
12mm 사이에서 조절되어야 한다. 만약 이 거
리가 너무 짧으면, 와이어 노즐이 타거나 고착
1) 텅스텐과 와이어 사이의 각도는 50 에서
o
80o 사이에서 조정되어야 한다.
2) 전극과 와이어 거리 De-f는 1.5mm에서
3mm 사이에서 조절되어야 한다. 루트 패스의
경우, 와이어의 운동에너지가 용접 비드를 밀
어서 루트 형상이 볼록하게 되도록 더 큰 값으
될 수 있다. 만약 거리가 너무 큰 경우, 와이어
가 꼬이거나 텅스텐 전극을 오염시킬 수 있다.
4) 아크 갭 H는 2에서 3mm 사이로 조정되어
야 한다. 6축 장치의 경우, 이 거리는 AVC 장
치에 의해 제어된다. 루트 패스의 경우 아크
갭은 1mm까지 줄일 수 있다.
로 조절되어야 한다. 필러 및 캡(cap) 패스의
15. 10 오비탈 TIG 용접의 성능을 증가시키는 방법
콜드 와이어(cold wire)를 사용하는 오비탈 GTAW 용접은 높은 품질 수준을 요구하는 표준 적용
분야에 적절한 선택이다. 그러나 다른 아크 용접과 비교할 때, TIG 용접의 deposition rate(용착량
비율)는 상대적으로 낮다(0.15에서 0.5kg/h). 프로세스의 효율을 높이기 위해서는 좁은 갭 또는(그
리고) 핫 와이어(hot wire) 기술을 이용하는 것도 가능성이 있다.
15.10.1 좁은 갭 용접(Narrow gap welding)
생산성 측면에서 볼 때, 그루브 양(groove
하면, 각 층(layer)의 윗 부분 갭은 용접 후에
volume)을 줄이는 것이 좋다. 좁은 갭(narrow
약간 더 좁아지므로 다음 패스의 경계를 형성
gap) 기술은 각 패스 후 작업 부재의 수축을
한다. 이러한 기술은 최소 25mm 두께의 작업
처리할 수 있다. 루트에서 flat-profile narrow
부재에 대해서 경제적인 장점이 있다. 200mm
gap torch(납작한 형태의 좁은 갭 토치)를 사
이상의 두께에 대해서는 폭 방향으로 변화가
용할 수 있도록 하고, 수축(shrinkage)이 발생
없는 용접 심을 얻을 수 있다.
전문가 조언(Expert information) : 좁은 갭 기술(narrow gap technique)은 핫 크래킹(hot cracking)
에 민감한 금속 재료에는 추천되지 않는다.
15.10.2 핫 와이어(hot wire) TIG 용접
핫 와이어 TIG 용접을 이용하는 경우 품질 저
하 없이 생산성을 증가시킬 수 있다. 이 경우,
필러 와이어는 추가적인 전류를 공급하여 데워
야 한다. 이런 핫 와아어 전류는 두 번째 파워
소스를 이용하여 공급한다. 핫 와이어 테크닉
을 이용하면 높은 용착량(오비탈 용접의 경우
1kg/h, 다른 분야에서는 더 높은)을 얻을 수
있다.
15.10.3 핫 와이어 좁은 갭(hot wire narrow gap) 용접
좁은 갭 기술과 핫 와이어 프로세스를 결합하
는 경우 물론 높은 효율을 얻을 수 있다. 이런
용접 프로세스는 주로 화력 발전소나 원자력
발전소 같은 고온 고압의 파이프가 필요한 용
접에 사용된다. 전세계에서 단지 몇몇 회사 만
이 요구되는 정밀한 장치와 기술들을 제공할
수 있다. Polycar HD 200mm와 같은 높은 내구
성의 캐리지 타입 오비탈 용접 헤드와 결합된
Polysoude의
PC
600
How
Wire
Power
Source(핫 와이어 파워 소스)는 특수 제작된
좁은 갭 토치와 함께 이러한 분야에 대한 해답
을 제공하고 있다.
16. 튜브 시트와 튜브의 오비탈 용접
16. 1 재료 및 튜브의 치수
거의 모든 용접 가능한 금속 및 합금들이 튜브
1.65mm에서 3.4mm의 범위에 있다.
투 튜브 시트 용접 분에야 사용된다. 그러나
보일러 및 열교환기는 모든 종류의 산업 분야
튜브의 치수 범위는 상대적으로 제한되어 있다.
에서 사용되지만, 이 중에서 규모가 큰 장치들
직경은
은 화학 및 제약 산업 그리고 발전 분야에 사
12.7mm에서
101.6mm까지,
두께는
0.5mm에서 5mm까지 이다. 대부분의 튜브 직
용된다
경은 19.05mm(3/4”)에서 38.1mm(1.5”), 두께
.
16. 2 용접 장치
대부분의 경우, 튜브 투 튜브 시트 용접에 사
2) 4개의 축(가스, 전류, 회전, 와이어)을 포함
용되는 용접 장치는 적용 처의 종류 및 요구되
하는 용접 장치는 고정식 파워 소스와 개방형
는 자동화 정도에 따라서 엄격히 다르게 선택
용접 헤드로 구성된다. 이 장치는 싱글 패스
되어 진다.
용접에 적합하다. 2층 용접의 경우 개별 단계
1) 3개의 축(가스, 전류, 회전)을 가지는 용접
로 진행하여 용접을 수행할 수 있다.
장치는 고정식 파워 소스(stationary installed
3) 5축(가스, 전류, 회전, 와이어, AVC) 용접 장
power source)*와 폐쇄형 용접 헤드로 구성된
치는 6축을 제어할 수 있는 파워 소스와 TS
다. 이 장치를 이용하면, 필러 와이어를 사용하
2000 또는 TS 60 (AVC 기능을 가지는)의 용접
지 않는 퓨전 용접(fusion welding)을 수행할
헤드로 구성된다. 이 장치를 이용하는 경우, 필
수 있다.
어 와이어를 사용하여 연속으로 2층 용접을
*포터블(potable) 파워 소스는 이러한 분야에
수행할 수 있으며, 첫 번째 패스와 두 번째 패
잘 사용되지 않는다 왜냐하면 장비를 이동시킬
스 사이의 토치 거리(raising of torch)를 프로
필요가 없기 때문이다.
그램 할 수 있다. 또한 어떠한 정지 없이 용접
사이클을 수행 할 수 있다.
4) 6축(가스, 전류, 회전, 와이어, AVC, 오실레이
션) 장치는 한 개의 PC 파워 소스와 한 개의
20/160 타입의 용접 헤드로 구성된다. 이 장치
를 이용하는 경우, 다층 용접(2층 이상의 패스)
을 수행할 수 있으며, 토치를 원주 방향으로
위치 시킬 수 있다.
16. 3 튜브 및 용접 개선에 대한 세부 요구사항
수동 용접과 비교하여, 오비탈 튜브 투 튜브
의 경우, (퓨전 결함(fusion defects)은 매크로
시트 용접을 계획할 때는 몇 가지 주의사항들
단면에서 관찰될 수 있다.), 이러한 조인트는
이 존재한다.
J-개선으로 처리해야 한다.
1) 튜브들은 심(seam)이 없어야 한다(seamless).
또는 용접부가 평평해야 한다. 내경과 외경 사
이의 concentricity(집중) 결함이 전극 위치의
반복도를 만족시키기 위해 최소한으로 제한되
어야 한다. 표준 적용 분야(플러쉬(flush), 튜브
의 돌출 및 recessed tube)에서, 토치는 외측에
서 용접을 수행하지만 튜브의 내면과 정렬되어
야 한다.
Concentricity(집중) 결함은 작업 부재와 전극
사이의 거리 변화를 일으키고 이로 인해 아크
길이을 직접적으로 변화시킨다.
2) V-조인트의 경우, 튜브 모서지의 용융이 제
대로 일어나는지 확인하는 것이 불가능하다.
특히, 아래 보기(vertically down position) 자세
3) 우수한 열 전도성이 요구되는 몇몇 경우,
서는, 튜브의 확장 깊이(depth of expansion)와
튜브와 보어(bore) 사이의 play(유격)는 튜브를
확장 부위에서의 튜브 직경에 대한 정보를 이
약간 팽창 시킴으로서 제거될 수 있다. play(유
용하여 각각의 순서를 잘 따라야 한다.
격)는 용접이 수행되기 전에 장치의 조립 시
4) 튜브와 튜브 시트 사이의 접촉 부위는 깨끗
필요하지만, 만약 공차가 너무 큰 경우, 반복성
하게 유지해야 한다. 그리스, 오일 또는 다른
문제가 발생할 수 있다. 그러나, play(유격)의
잔여물들로 인해 용접부에서 원치 않는 기공
최대 양을 지정하는 것은 매우 어렵지만, 요구
(blowholes)이 발생할 수 있다.
되는 용접의 품질과 튜브의 두께에 따라 달라
5) 자동용접을 수행하기 전에, 튜브를 과도하
질 수 있다.
게 팽창 시켜서는 안 된다. 튜브의 과도한 확
전문가 조언(Expert information) : 튜브 투 튜
장으로 인해 항상 explosive degassing effect가
브 시트 용접 헤드를 위해, 튜브와 튜브 시트
발생하고 이로 인해 자동 용접이 불가능하게
사이의 중심 정렬(센터링)을 최적화 하기 위해
된다.
16. 4 플러쉬 튜브(flush tube) 용접
적용 처에 따라 달라질 수 있으나, 플러쉬 튜브의 오비탈 용접(와이어를 사용하거나 사용하지 않
거나)이 가능하다. 아래에 조인트 형상에 따른 개선 처리 형상을 나타내었다.
16.4.1 와이어를 사용하지 않는 플러쉬 튜브(flush tube) 용접
대부분의 타입 1의 개선이 플러쉬 튜브(flush
기서, 두께 1mm 이하의 튜브들은 티타늄으로
tube) 용접에서 사용된다. 드물게 타입 4가 사
만들어지고, 튜브 시트는 티타늄으로 코팅된
용되기도 한다. 튜브 직경이 10mm에서 25mm
강철 플레이트로 만들어 진다.
사이 또는 10mm에서 32mm 사이인 경우, 이
분야에 맞추어 필러 와이어 없이 특수 용도로
개발된 용접 헤드를 사용할 것을 추천한다.
용접 헤드를 위치시키고 용접 사이클을 시작하
는 것은 작업자의 몫이다. 전체 용접 순서는
자동으로 실행된다. 그러므로 한 명의 작업자
는 동시에 다수 개의 용접 헤드를 작동시킬 수
있다.
전형적인
적용
처
:
화력
발전소(thermal-
electric power plant)의 콘덴서(condensers), 여
16.4.2. 필러 와이어를 사용하는 플러쉬 튜브(flush tube)의 용접
이 분야에는 4축 또는 5축을 사용하는 용접
전문가 조언(Expert information) : AVC 기능
장치가 사용될 수 있다. 개방형 튜브 투 튜브
은 특히 플러쉬 튜브(flush 튜브)용접 시 추천
시트 용접 헤드는 다음의 요구 사항을 갖추어
된다.
야 한다:
일반적으로 튜브 끝단 개선은 타입 1, 2 또는
• 내장형 또는 외장형 와이어 피더.
3을 이용한다. 튜브 시트의 개선 처리를 하는
• AVC를 포함 또는 불포함.
경우, V-조인트는 피해야 한다. 이러한 개선 처
• 쉴딩 가스 챔버를 가지거나 가지지 않거
리를 하는 경우, 루트에서 용입이 불완전할 수
나.(티타늄 또는 지르코늄 용접 시)
있는 위험이 존재한다. J-개선(곡률(radius)이 있
• 0 또는 15 의 토치 각도.
든 없든)을 선호하는 편이며, 베벨링 처리 된
o
o
모서리의 깊이가 1.5mm를 초과한다면, 튜브
끝단은 그것의 절반인 위치에 놓이도록 해야
한다. recessed(움푹 들어간)된 튜브 끝단의 최
대 값은 두께의 50%이며, 튜브는 용접에 의해
달궈진다.
치수 및 요구되는 용접 두께에 따라 달라질 수
있으나 1 또는 2 패스가 필요하다. 패스가 타
이트 한 경우 토치의 1회 주행이 항상 적용된
다. 기계적인 저항을 위한 층(layers)에는 2회의
주행이 필요하다.
16. 5 돌출 튜브(protruding tubes) 용접
돌출 튜브는 항상 추가적인 필러 와이어를 이용하여 용접한다. 그러나 몇몇 경우, 퓨전 패스
(fusion pass)로 용접을 시작한다. 아래에 나타낸 것과 같이 몇 가지 조인트 형태가 사용 가능하다.
4축 또는 5축 용접 장치가 이 분야에 사용될
튜브 모서리가 용융되는 것을 방지하기 위해,
수 있다. 피치와 돌출된 길이에 따라 토치 경
어떠한 경우라도 그루브 바닥에서 부터 측정한
사(inclination)는 달라질 수 있다. 표준 토치 각
튜브 길이는 최소 5mm 이상 되어야 한다.
도는 15o 또는 30o이다.
주의사항(Remarks) : 5축 용접 장치를 사용하
▶ 얇은 투께의 튜브(1.6mm에서 2.11mm)의
는 경우, AVC는 relative height mode(상대 높
경우, 15 의 각도를 가지는 토치가 주로 사용
이 모드)에서 동작 시켜야 한다. 이렇게 함으
함으로서 안쪽에서 용융되는 것을 피할 수 있
로서 최상의 결과를 내기 위한 전극과 튜브 플
다.
레이트(plate) 사이의 거리를 조정할 수 있
▶ 튜브 주위에 공간적인 여유가 충분하다면
다.(토치 위치와는 상관없이)
o
두꺼운 튜브(2.5mm이상)에 30o각도의 토치를
적용한다.
작업자 교육에 특별한 주의가 필요하다. 토치와 와이어 가이드를 같은 평면상에서 기계적으로 조
절할 수 있는 오비탈 튜브 투 튜브 용접과 달리, 튜브 투 튜브 시트 용접은 3차원으로 동작할 수
있다.
16. 6 내부로 들어간 튜브(recessed tubes)의 용접
아래에 조인트 형상을 나타내었다:
D, E 그리고 F 조인트에 4축 또는 5축 용접 장
전문가 조언(Expert information) : 돌출된 튜
치와 개방형 튜브 투 튜브 시트 용접 헤드가
브의 용접과는 달리, 내부로 들어간 형태의 튜
사용된다.
브의 경우, V 개선을 사용할 수 있다. 타입 E또
G 타입의 개선은 주로 정유 산업에서 사용된
는 F의 개선 형상에 적용하는 경우, 튜브는 그
다. 6축 용접 장치와 독립된 클램핑 장치를 가
루브의 바닥으로부터 약간 돌출될 수도 있다.
진 20/160 용접 헤드가 사용된다. 이런 타입의
치수 및 요구되는 용접 두께에 따라 달라질 수
적용 처에는 일반적으로 최적의 클램핑 툴 및
있으나, 1 또는 2 패스가 필요하다. 타이트한
용접 과정을 찾기 위한 프로젝트를 수행할 필
첫 패스의 경우 토치의 1회 주행을 주로 적용
요가 있다.
한다. 기계적인 강도 및 내마멸성이 필요한 층
(layer)에는 주로 2회의 주행을 적용한다.
특수 적용 분야(Particular application) : 공기냉각 또는 액체의 응축(condensation)을 위한
이중 벽 구조의 콜렉터(collector)의 튜브 플레
이트 뒤쪽 용접. 이 경우 AVC 동작은 필수적
이다.
16. 7 튜브 시트 뒷쪽 내부 보어 용접
튜브와 튜브 시트 사이에 존재하는 갭의 부식을 피하기 위해서는 조인트에 갭이 없어야 하며, 플
레이트(plate)의 뒷면에서 튜브의 안쪽으로 부터 용접을 수행해야 한다. 이러한 타입의 적용에서는
작업 부재의 개선 및 용접 시 보다 더 높은 정밀도를 요구한다. 아래에 적용 가능한 조인트를 나
타내었다.
타입 X의 조인트 개선은 추천되지 않는다: 튜
타입 X 개선에서만 루트에서의 보호가 필요
브와 플레이트(plate) 사이의 질량 차이가 크기
없다. 불활성 가스를 전체 장치에 흐르게 함으
때문에 충분한 용입(penetration)을 얻을 수 없
로서 루트에서의 가스를 이용한 보호를 수행할
다.
수 있다. 플레이트(plate)의 뒷면이 접근 가능
Y 타입의 조인트 개선 형상을 이용하면 용접
한 경우, 부분적인 보호를 적용할 수도 있다.
부위에서의 튜브와 플레이트 사이용 균형 있는
내경이 약 35mm 이상인 튜브의 경우, 필러를
질량으로 X 타입에 발생하는 용입 문제를 극
사용하는 용접 툴의 사용이 가능하다.
복할 수 있다.
다음의 3가지 이유로, Z 타입의 개선을 이용하
는 경우 표준 오비탈 튜브 투 튜브 용접에서와
같이 용접 조건이 비슷하다:
• 튜브가 들어간 형태(recess)로 보어(bore)와
정렬됨.
• 칼라가 같이 용융되므로 기계적인 강도가 향
상될 수 있다.
• 용접부가 오목하게 되는 현상이 감소한다.
전문가 조언(Expert information) : 고전적인
튜브 투 튜브 시트 적용과 달리, 튜브 시트 뒤
에서의 내부 보어(bore) 용접은 루트에서의 가
스 보호를 해주어야 한다. 튜브 끝단이 보어
(bore) 내부로 깊이 삽입되는(튜브 두께의 절반)
만약 3mm에서 3.6mm의 상대적으로 두꺼운
용접 가능성 문제(weldability problem)들은 1.4
튜브(모재의 종류에 따라 다를 수 있으나)를
절에서 언급된 튜브 투 튜브 퓨전 용접 문제들
용접하는 경우, 바닥에 플레이트(plate)를 놓고
과 비슷하다.
용접 헤드를 수평으로 위치시키는 수평 용접
이러한 적용에 3축 또는 4축 용접 장치를 이
자세를 추천한다.
용할 수 있다. X 타입의 개선 조인트의 경우, 5
플레이트 면에서 용접 조인트 까지의 거리는
축 장치가 필요하다. 용접 헤드는 내부 보어
매우 정밀해야 한다(허용 오차에 가깝게). 작업
(bore) 용접을 위해서 특수 랜스(lance, 창)가
자가 튜브 내부의 토치를 볼 수는 없다. 작업
장착되어야 한다.
자가 조정을 할 수도 없으며, 용접 프로세스를
눈으로 확인할 수 도 없다.
17. 결론
이 책의 마지막에서 다시 한 번, 신뢰성 높고
를 채택하여 고객에게 장인 정신이 깃든 장치
우수한 품질을 요구하는 적용 분야에서의 오비
들을 공급하고 노력하였다.
탈 TIG(GTAW) 용접의 중요성을 다시 강조한다.
마지막으로 고객의 믿음과 기술적 문제 해결에
수십년 동안 프랑스 회사인 Polysoude는 그러
대한 경험을 공유함으로서 Polysoude는 자동
한 요구사항들을 충족시키기 위해 넒은 범위의
TIG 용접 장치 분야에서 선두를 지키고 있다.
표준 장비들을 제작 및 설계해 왔다. 용접 헤
영업부, 기술 및 지원 모두 당신의 깊은 용접
드와 파워 소스와 같은 장치들의 모듈형 설계
활동에 경의를 표한다.
차 례
1.
머리말 .......................................................................................... 5
2.
오비탈 용접이란 무엇인가? .............................................................. 5
3. TIG(GTAW) 프로세스의 개요 ............................................................ 5
3.1 TIG(GTAW) 프로세스의 장단점 ........................................................................................ 6
3.2 용접 전류 타입(Type) ........................................................................................................ 6
3.3 텅스텐 전극 ......................................................................................................................... 7
3.4 필러(filler, 용가재) 금속 .................................................................................................... 7
3.5 가스 ....................................................................................................................................... 8
3.6 용접 에너지 ......................................................................................................................... 9
4. 오비탈 용접을 선택하는 이유 ................................................................ 11
4.1 수동 용접 대비 높은 생산성 ........................................................................................... 11
4.2 높은 용접 품질 유지 ........................................................................................................ 11
4.3 작업자의 기술 수준 .......................................................................................................... 11
4.4 적용 환경 ........................................................................................................................... 11
4.5 용접 데이터 확인 - 품질 제어 ....................................................................................... 11
5. 오비탈 TIG 용접을 성공적으로 적용하고 있는 산업 ..................................... 12
5.1 항공기 산업 ....................................................................................................................... 12
5.2 음식, 다이어리 및 음료 산업 .......................................................................................... 12
5.3 제약 및 생명공학 산업 .................................................................................................... 12
5.4 반도체 생산 장비 .............................................................................................................. 12
5.5 화학 산업 ........................................................................................................................... 12
5.6 화력 발전 및 원자력 발전 플랜트 ................................................................................. 13
6. 오비탈 용접 프로세스의 기술 ................................................................ 14
6.1 일반적인 용접 자세 .......................................................................................................... 14
6.2 펄스 전류 ........................................................................................................................... 14
6.3 섹터 프로그래밍 ................................................................................................................ 15
7. 오비탈 용접 장치의 하드웨어 구성.......................................................... 15
8. 프로그램 가능한 파워 소스 ................................................................... 16
8.1 일반사항 ............................................................................................................................. 16
8.2 포터블(이동식) 파워 소스................................................................................................ 16
8.3 중간 크기의 모바일 파워 소스 ....................................................................................... 17
8.4 풀 사이즈(Full-size) 파워 소스....................................................................................... 18
9. 오비탈 용접 헤드 .............................................................................. 18
9. 1 튜브 투 튜브 용접 헤드 ................................................................................................. 18
9. 2 튜브 투 튜브 시트 용접 헤드 ....................................................................................... 20
10. 와이어 피더 ................................................................................... 21
11. 오비탈 용접 장치의 기능 .................................................................... 21
11. 1 가스 관리........................................................................................................................ 21
11. 2 전류 ................................................................................................................................. 22
11. 3 토치 회전........................................................................................................................ 23
11. 4 와이어 피딩(Wire feeding) ......................................................................................... 24
11. 5 아크 전압 컨트롤(AVC, Arc Voltage Control) ......................................................... 25
11. 6 오실레이션(Oscillation) ................................................................................................ 26
11. 7 리모콘(Remote control) .............................................................................................. 27
11. 8 냉각 장치(Cooling Unit) .............................................................................................. 27
12. 용접 사이클 프로그래밍 ..................................................................... 28
12. 1 용접 사이클의 프로그램 구조(4 개 축) ...................................................................... 28
12. 2 용접 사이클 프로그래밍 인터페이스 .......................................................................... 29
12. 3 오프라인 프로그래밍..................................................................................................... 30
13. 실시간 데이터 획득시스템 .................................................................. 31
13. 1 요약 ................................................................................................................................. 31
13. 2 내장 실시간 데이터 획득시스템 ................................................................................. 31
13. 3 외부 실시간 데이터 획득시스템 ................................................................................. 32
14. 튜브와 튜브의 퓨전 용접(fusion welding)............................................. 32
14. 1 적용 분야........................................................................................................................ 32
14. 2 퓨전 용접의 용접 헤드 ................................................................................................. 33
14. 3 용접 파라미터 값의 계산 ............................................................................................. 35
14. 4 조인트 개선(Joint preparation).................................................................................. 35
14. 5 전극 개선(Electrode preparation) ............................................................................. 36
14. 6 백킹 가스(Backing gas) ............................................................................................... 37
14. 7 용접의 화학적 조성(chemical composition) 및 반복성(repeatability) ............... 37
15. 튜브와 튜브 혹은 파이프와 파이프의 필러와이어를 시용한 오비탈 용접 ........... 38
15. 1 적용 분야........................................................................................................................ 38
15. 2 장치류 선택 .................................................................................................................... 38
15. 3 용접부 개선(preparation) ............................................................................................ 39
15. 4 튜브 위치 정렬(positioning) ....................................................................................... 40
15. 5 다층 용접(Multilayer welding) ................................................................................... 40
15. 6 정밀한 형상의 전극이 필요한 AVC............................................................................ 41
15. 7 백킹 가스(Backing gas) ............................................................................................... 41
15. 8 경계 파라미터(Boundary parameters) ...................................................................... 41
15. 9 형상 조정(Geometrical adjustments) ....................................................................... 42
15. 10 오비탈 TIG 용접의 성능을 증가시키는 방법 .......................................................... 42
16. 튜브 시트와 튜브의 오비탈 용접........................................................... 44
16. 1 재료 및 튜브의 치수..................................................................................................... 44
16. 2 용접 장치........................................................................................................................ 44
16. 3 튜브 및 용접 개선에 대한 주의사항(specific requirements) ................................ 45
16. 4 플러쉬 튜브(flush tube) 용접 ..................................................................................... 46
16. 5 돌출 튜브(protruding tubes) 용접 ............................................................................ 47
16. 6 내부로 들어간 튜브(recessed tubes)의 용접 ........................................................... 49
16. 7 튜브 시트 뒷쪽 내부 보어 용접 ................................................................................. 50
17. 결론............................................................................................. 51