[논문]직선형 프로세스 파이프 내면 오버레이 GTAW 용접시스템 개발

은종목; 이영규

doi:10.5781/jwj.2014.32.2.4

직선형 프로세스 파이프 내면 오버레이 GTAW 용접시스템 개발
A Development of Overlay GTAW Welding System for Pipe Inside Straight Process 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.32 no.2, 2014년, pp.4 - 8

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In this research, GTA overlay welding system is developed for inside of straight pipes in various diameter. It can be applied to oil, ship building and plant industry, especially pipes connected to pressure vessels, for the purpose of cost reduction by cladding inside of pipes with corrosion and heat resistant alloys such as stainless steel or Inconel. Developed system consists of GTA power source, torch, wire feeding system, automatic arc length adjusting device, CCD camera and cooling unit. Two types of pipe inside overlay welding system are developed. One is for maximum 3m pipe length with 3 inch ~ 12 inch pipe outer diameter. Another type can be applied to maximum 12m pipe length with 7 ~ 24 inch OD. Developed system successfully produced inside cladded pipe and the results are shown through cross sectional images of the pipes.

주제어

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문제 정의

직선형 프로세스 파이프 내면 오버레이 GTAW 용접 시스템을 개발하여 용접 실험을 하고 용접공정에 필요한 용접 조건을 도출하기까지 많은 시간이 필요하였고 시스템의 불안정이나 용접 불량과 열 응축으로 인한 문제점들을 많이 경험하였다. 이러한 문제점을 개선하고 보완하여 용접의 품질을 향상하기 위해 용접전류와 전압을 재설정하고 파이프의 회전속도와 토치뭉치의 이동 속도를 조절하여 마침내 미려한 비드와 용접 침투력을 만족하는 데이터를 얻을 수 있었다. 그리고 열 응축과 뒤틀림을 방지하기 위해 용접부위를 따라가며 냉각하는 장치도 보완하였다.
용접 토치는 3인치의 3M 파이프와 7인치의 12M 파이프 내부에 오버레이 용접을 하면서도 토치의 변형이나 처짐이 없도록 토치의 고정을 견고하게 구성하였다. 파이프 모재의 열 변형은 3인치의 3M 파이프 내부를 오버레이 용접 완료 후 파이프의 직진도 변형을 3[mm]이내로 가능하며 별도의 교정 작업 및 후 작업이 필요 없도록 개발 목표를 정하였다.

제안 방법

12M 파이프 오버레이 용접을 위한 파이프의 적용 길이는 500[mm]에서 1,200[mm]까지 적용이 가능하도록 설계되었다. 파이프의 외경은 7인치에서 24인치까지 용접이 가능하며 최소 내경은 토치뭉치의 크기로 인해 200[mm]로 한정된다.
와이어의 속도는 용접품질에 큰 영향을 주므로 간섭을 최소화 하였다. 가스의 공급은 토치뭉치에 가스 공급라인이 내장되고 파이프 외부에서 가스유량을 조절토록 하였고 또 토치뭉치에 카메라가 장착되어 운전자가 용접품질을 감시하거나 불량위치를 찾는데 사용되도록 하였다. 토치의 전극 및 노즐은 최소구경에서도 용접이 가능토록 최소형 전극봉과 노즐을 제작하여 부착하였다.
이는 모든 산업분야에 적용이 가능하다. 개발된 시스템은 불활성가스(Ar, He) 속에서 GTAW(TIG)용접을 적용하는 장치로써 파이프 내부에 용접을 하기 때문에 기본적으로 용접 토치(Torch)는 가장 작은 구경의 파이프에 삽입될 수 있고 최장 12M까지 연속적으로 용접할 수 있는 내구성을 갖추고 있다.
이러한 문제점을 개선하고 보완하여 용접의 품질을 향상하기 위해 용접전류와 전압을 재설정하고 파이프의 회전속도와 토치뭉치의 이동 속도를 조절하여 마침내 미려한 비드와 용접 침투력을 만족하는 데이터를 얻을 수 있었다. 그리고 열 응축과 뒤틀림을 방지하기 위해 용접부위를 따라가며 냉각하는 장치도 보완하였다.
오버레이 용접 장치를 설계하여 개발한 후 용접을 실험하였다. 수많은 시행착오를 행하면서 시스템을 보완하거나 수정하였으며 모재 파이프의 열 응축에 대한 어려움과 냉각 방법에 대한 시행착오가 있었지만 Fig. 3과 같은 모재를 만들어냈다. 그림의 모재는 용접 비드(Bead)의 폭이 5에서 9[mm]로 일정하게 만들어졌고 비드의 높이는 2에서 3[mm]로 균일하게 생성되었음을 확인하였다.
오버레이 용접 장치를 설계하여 개발한 후 용접을 실험하였다. 수많은 시행착오를 행하면서 시스템을 보완하거나 수정하였으며 모재 파이프의 열 응축에 대한 어려움과 냉각 방법에 대한 시행착오가 있었지만 Fig.
토치는 위빙(Weaving)기능이 되어야 하며 위빙속도 범위는 5[Hz]이내이며 위빙 폭의 조절범위는 10[mm] 이내로 설정하였다. 전체 시스템을 운전하는 컨트롤 장치는 터치스크린과 디지털 입력, 조건 메모리, 위치인식기능, 수동 조작 및 자동 조작 선택이 가능한 PLC 제어기로 구성하였다. 또한 용접 카메라는 용접중의 용접 풀(Pool)을 확인하도록 필터장치가 내장되고 모니터를 통해 용접검사가 가능토록 구성하였다.
가스의 공급은 토치뭉치에 가스 공급라인이 내장되고 파이프 외부에서 가스유량을 조절토록 하였고 또 토치뭉치에 카메라가 장착되어 운전자가 용접품질을 감시하거나 불량위치를 찾는데 사용되도록 하였다. 토치의 전극 및 노즐은 최소구경에서도 용접이 가능토록 최소형 전극봉과 노즐을 제작하여 부착하였다. 용접토치의 헤드각도는 ±15도 이내로 조절 가능하도록 설정하였다.

대상 데이터

12M 오버레이의 용접도 GTAW 용접기 2대를 사용하여 2개의 토치로 동시에 용접을 행하며 파이프의 길이를 최장 12M로 실험하였다. 용접 송급 와이어는 초층일 때 스텐래스 309 계열을 사용하고 다음 층에서 스텐레스 316L이나 인코넬를 사용하였다.
5는 오버레이 12M 용접 시스템의 실제 사진이다. 본 개발품은 다양한 종류의 파이프 크기와 용접조건을 달리할 수 있도록 와이어 피더 장치도 4개까지 부착되고 또한 핫 와이어(Hot wire)의 송급이 가능하도록 구성하였으며 핫 와이어의 구성과 용접조건은 본 연구에서는 상세히 언급하지는 않고 다만 핫 와이어 전류가 Table 3에서와 같이 20[A] 정도로 매우 낮다.
. 본 연구의 용접 재료는 저탄소강으로 파이프 길이가 3M와 12M로 2개의 시스템이며 우선 3M일 겨우 파이프 외경이 3인치에서 12인치까지 적용 가능하며, 파이프길이가 12M일 경우는 파이프 외경이 7인치에서 24인치까지 적용 가능한 장치들이다. 용접 토치는 3인치의 3M 파이프와 7인치의 12M 파이프 내부에 오버레이 용접을 하면서도 토치의 변형이나 처짐이 없도록 토치의 고정을 견고하게 구성하였다.
9[mm]를 용접하였다. 시스템의 구성품은 GTAW 용접기와 용접 토치 뭉치, 와이어 송급장치와 A.V.C 및 냉각기 등으로 구성된다. 또한 동시에 2겹(Pass)의 용접을 적용할 수도 있다.
12M 오버레이의 용접도 GTAW 용접기 2대를 사용하여 2개의 토치로 동시에 용접을 행하며 파이프의 길이를 최장 12M로 실험하였다. 용접 송급 와이어는 초층일 때 스텐래스 309 계열을 사용하고 다음 층에서 스텐레스 316L이나 인코넬를 사용하였다. 용접 비드의 높이는 2.
3M의 오버레이 용접의 실험은 GTAW 용접을 동시에 2점으로 용접하여 실험하였다. 이를 위해 용접토치는 2개가 필요하고 파이프의 길이는 최장 3M를 적용하고 용접 와이어의 종류는 초층(1 Pass)일 때는 스텐래스 309 계열을 사용하고 다음 층(2 Pass)은 스텐래스 316L을 사용하였다. 여기서 비드형상의 높이는 2.

후속연구

본 연구는 한정된 재료를 오버레이하기 위한 용접장치의 실험으로 보다 폭 넓은 실험을 할 수 없는 연구의 한계를 보였지만 향후 특수금속의 오버레이 용접의 수요가 확대될수록 오버레이 용접의 연구가 더 필요하며 이 분야에 대한 연구도 활발히 진행되기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오버레이 용접 시스템이란 무엇인가?	용접공정 기술은 보다 정밀하거나, 대형화되고 생산성 향상을 위한 새로운 용접장치들이 개발되고 있다. 본 연구에서 개발된 오버레이 용접 시스템은 내마모성, 내식성, 내열성을 갖는 합금의 재료를 표면에 균일하게 용착시키는 용접법1)으로 스텐래스와 같은 내식성 소재를 오버레이(Overlay) 및 크래딩(Cladding)하는 장치이다. 석유 화학, 조선, 플랜트 산업에 사용되는 산업용 압력용기에 부착되는 다양한 구경의 프로세스 파이프의 내면에 사용되는 재료가 스텐래스, 인코넬 등 내마모 및 내부식성이 좋은 특수재료를 사용하는 경우가 많으나 고가이므로 표면에만 이들 특수 금속을 오버레이 용접으로 용착하여 원가절감을 꾀한다.
	지금까지 상용화 되어있는 오버레이 용접재료에는 무엇이 있는가?	지금까지 상품화되어 있는 오버레이 용접재료는 Fe계 저합금, Cr백철 또는 Fe계 고합금, 탄화물, Ni계합금과 Co계 합금으로 분류되어 있다2). 본 연구의 용접 재료는 저탄소강으로 파이프 길이가 3M와 12M로 2개의 시스템이며 우선 3M일 겨우 파이프 외경이 3인치에서 12인치까지 적용 가능하며, 파이프길이가 12M일 경우는 파이프 외경이 7인치에서 24인치까지 적용 가능한 장치들이다.
	오버레이 용접토치의 구조는 어떻게 형성되야 하는가?	오버레이 용접토치(Overlay torch)는 아래로 쳐지지 않도록 견고한 지지 와이어에 매달려 있다. 토치의 구조는 처짐을 방지하는 구조이며, 토치의 냉각은 수냉 방식이며 토치뭉치 내에 용접케이블이 내장되고 피 용접 파이프와의 절연이 확실히 이루어져야 한다. 와이어의 송급은 토치뭉치에 부착된 공급 와이어 송급기가 장착되어 푸쉬풀 방식의 와이어 송급이 이루어진다.

참고문헌 (2)

Yong-Rae Kim, Hyunbyung Chae, Jae-Woong Kim, "Welding Heat Source Modeling for Heat Flow Analysis of GTA Overlay Welding", KWJS, 31-4(2013), 62-66 (in Korean)

원문보기 상세보기
Ho-Cheon Yoo, "Recent Study in Variation of Welding Materials for Overlay Welding". KWJS 31-6 (2013), 17-26 (in Korean)

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