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1 16 특집 : 용접자동화기술 파이프내면용접자동화장치개발에관한연구 김학형 김일수 A Study on Development of the Automated System for In-pipe Welding Hak-Hyoung Kim and Ill-Soo Kim 1. 서론 원유및액화가스수송을위한파이프라인의제조와시공공정에서용접은소재자체의품질과더불어가장중요한기술로작업환경의특수성으로인해많은제약을받고있다. 예를들어, 상하수도용파이프의경우공사가야간에진행되고, 매일되메우기를반복해야하므로건설경비상승으로국제경쟁력저하의주원인이되고있다. 이러한관계로건설경비의절감을위하여인공지능기법이탑재된초고속 / 완전자동화된파이프용접시스템의기술개발이요구된다 1-5). 특히, 배관작업및대구경관의외면을용접하려면관의외면에용접장치를설치및구동할수있는공간확보가요구된다. 따라서이러한공간확보에따른시공기간연장및비용증대의절감을위하여파이프내면에서용접을수행할수있는내면용접자동화장비개발이필요하다. 용접자동화시스템과관련된소프트웨어의수요와기대는꾸준히증대되어왔으며소프트웨어의개발은관련알고리즘및노하우 (know-how) 부족으로사용자의요구를충족시키는데중요한역할을하지못하고있다. 국내의용접관련소프트웨어는소프트웨어분야의기본적인원리와그개발노력미흡으로하드웨어보다변화속도가늦은경향이있다. 특히국내의경우는자동화용접의용접조건선정은전적으로작업자의경험에만의존하는관계로안정적인용접품질의확보가현실적으로불가능하다. 단순히경험에의존하여결정할경우, 용접시간및단위시간당용접량을예측하기어렵고고가의장비에서적절한용접조건을사용하지않음으로인해용접시간이길어지거나용접불량이발생할가능성이높다. 특히부적절한용접조건에의한용접불량을사전에방지하여고품질의용접을기대할수있는용접기술의개발을통하여용접비숙련자에의한용접공정의운용이가능한용접자동화시스템의개발에대한연 구가시급히요구된다. 따라서본연구의목표는파이프내면용접에서의고품질용접을위한최적용접조건을선정하고, 통합관리시스템을구축한다음이를이용하여파이프내면접합을위한자동화장치제작하고, 이를감시및제어가능한모니터링시스템을개발하여이를통합한파이프내면용접자동화장치개발이다. 2. 사용재료및실험방법 파이프내면용접시용접품질은용접자세, 홈형상, 용접속도, 용접와이어의크기, 토치각도, 팁-모재간거리등에따라변화하며, 그중에서중요한용접조건은아크전압, 아크전압, 용접속도, 위빙방법이다. 또한파이프내면용접시스템개발에필요한최적의용접조건을선정하기위하여각두께별로패스수설정이필요하며, 용접품질에크게영향을미치는변수로아크전압, 아크전압, 용접속도를선정하였다. Table 1은본연구에서사용된모재두께, 용접자세, 패스수및개선각의값을나타낸다. 용접시용접부의역학적조건및시험편이수축, 팽창을받지않는무한평판의역학적조건인최소크기로선정하였으며, 개선각은 60 로가공하였으며, 루트간격 (root opening) 은현장전문가의자문및관련자료를근거로실제작업현장에서많이쓰고있는 2mm 로설정하였다 4-5). 실험에사용된용접와이어는직경 1.1mm의플럭스코어와이어이며, 용접전원은 Powerwave 455M을사 Table 1 Welding Parameters and their limit Variables Value Thickness(mm) 14, 16, 18 Pass No. 3, 4,5 Welding Position( ) 0, 45, 90, 135, 180 Groove angle( ) Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 2008

파이프내면용접자동화장치개발에관한연구 17 용하였다. 용접방법은 100%CO 2 를보호가스로사용하여 FCA(Flux Cored Arc) 용접을수행하였으며, 팁높이는 15mm, 토치각, 위빙조건및 Dwell time 들은각각의용접조건별로조절하였다. 또한용접을하기전에자중이나작업중이동시에변형을방지하기위하여시편의바닥부분에보철물을수동으로가접하였다. Fig.

용접수행중시험편의적층은 Fig. 2에서보는바와같이계단식으로수행하여두께별, 패스별로육안으로확인할수있도록실험을수행하였다. 특히현재까지 Fig.

용접수행후비드형상을보다세밀하게확인하기위하여 3차원스캐너를이용하여스캐닝후추출된비드형상의좌표값을 2차원데이터로변환하여표면비드폭및표면비드높이값을계측하였다. 3. 용접조건통합관리시스템개발 3.

2 파이프내면용접자동화장치개발에관한연구 17 용하였다. 용접방법은 100%CO 2 를보호가스로사용하여 FCA(Flux Cored Arc) 용접을수행하였으며, 팁높이는 15mm, 토치각, 위빙조건및 Dwell time 들은각각의용접조건별로조절하였다. 또한용접을하기전에자중이나작업중이동시에변형을방지하기위하여시편의바닥부분에보철물을수동으로가접하였다. Fig. 1은본연구에서파이프내면용접을위해설정한용접자세 (welding position) 를나타낸다. 구간을 45 간격으로 5개로분리하였으며각각의구간마다용접자세 ( 아래보기, 수평수직보기, 수평보기, 수평위보기, 위보기자세 ) 를달리하여실험을실시하였다. 용접실험중용접전류및아크전압을계측하여표준용접조건을산출하고균일한품질의용접비드를검출하기위하여아크모니터링시스템을이용하였다. 용접수행중시험편의적층은 Fig. 2에서보는바와같이계단식으로수행하여두께별, 패스별로육안으로확인할수있도록실험을수행하였다. 특히현재까지 Fig. 1 Configuration of each welding positions for experiment 파이프내면용접에관한표준화된용접조건에관한자료가전무한관계로현장경험이많은작업자의노하우와관련자료를근거로얻은최적의용접조건을선정하였다. 용접수행후비드형상을보다세밀하게확인하기위하여 3차원스캐너를이용하여스캐닝후추출된비드형상의좌표값을 2차원데이터로변환하여표면비드폭및표면비드높이값을계측하였다. 3. 용접조건통합관리시스템개발 3.1 파이프내면용접조건최적화를위한신경회로망구성 파이프내면용접조건선정시스템은내면용접에필요한기본정보를입력하면기존의실험및관련자료를기초로구축한용접조건선정용데이터베이스시스템으로부터최적의내면파이프용접용조건을결정한다. 하지만데이터베이스에포함되지않은최적의용접조건을선정하기위하여인공지능예측알고리즘을개발하였으며, Fig. 3에나타낸다. 이시스템은용접표준조건선정용신경망모델, 용접품질용신경망모델, CNN (Corrective Neural Network) 모델로구성되었으며, 관련된기본값만입력하면자동적으로최적의용접조건선정하도록하였다. 개발된파이프내면용접조건선정시스템은기본정보입력으로부터최적의용접조건을결정하기까지 3단계로구성하였다. 1단계는기존데이터베이스에저장된기본값 ( 모재, 강관의두께, 개선각, 패스수, 와이어종류, 와이어두께 ) 을기초로신경회로망를이용하여최적의용접조건을결정하는과정이며, 2단계는초기용접조건의결정시고려되는요소들 ( 이음부종류, 그루브종류, 보호가스종류, 가스용량, 아크길이, 토치각도 ) 의영향을고려하기위하여신경회로망을이용한보정과정이며, 3단계는선정된파이프용접용용접조건이만족하는지를체크하는 off-line 시뮬레이터과정으로구성하 (a) 14mm, 90 (b) 16mm, 135 Fig. 2 Weld specimens after experiment for measuring the bead geometry Fig. 3 Flowchart of an intelligent system for selecting the optimal welding conditions 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 5 號, 2008 年 10 月 449

18 김학형 김일수 였다. 용접조건검색및예측단계에서는실험결과를기초로일차적인최적의용접조건을검색한다. 그러나데이터베이스에저장되어있지않은경우에는신경회로망을이용한시스템에서최적의용접조건을선정한다. 이용된신경회로망의모델입력구조는 6개의입력값, 각각 3개의출력값 ( 아크전류, 아크전압및용접속도 ) 과 1개의은닉층으로구성되어있다.

따라서최적의용접조건의결정시고려되지않은변수의영향을고려하기위하여신경회로망모델에휴리스틱 (Heuristic) 공정을추가하였다. 여기에서신경회로망기법을이용하여기준값에포함되지않은이음부종류, 그루브종류, 보호가스종류, 가스용량, 아크길이, 토치각도의변화등의영향을반영하여최적의용접조건수정을위한보정계수를구하여보정하였다. 3.

3 18 김학형 김일수 였다. 용접조건검색및예측단계에서는실험결과를기초로일차적인최적의용접조건을검색한다. 그러나데이터베이스에저장되어있지않은경우에는신경회로망을이용한시스템에서최적의용접조건을선정한다. 이용된신경회로망의모델입력구조는 6개의입력값, 각각 3개의출력값 ( 아크전류, 아크전압및용접속도 ) 과 1개의은닉층으로구성되어있다. 용접품질을위한신경회로망모델에서의입력데이터는앞서선정된최적의용접조건값을통해결정된각패스수및용접위치별용접전류, 아크전압, 용접속도로 3개이며표면비드폭, 표면비드높이, 이면비드폭, 이면비드높이값을용접품질출력값으로선정하였고은닉층은 1개로구성하였다. 파이프내면용접에서는용접상태및품질에영향을미치는변수들이상당히많이존재하기때문에완벽한시스템을구축하기에는방대한데이터량이요구된다. 따라서최적의용접조건의결정시고려되지않은변수의영향을고려하기위하여신경회로망모델에휴리스틱 (Heuristic) 공정을추가하였다. 여기에서신경회로망기법을이용하여기준값에포함되지않은이음부종류, 그루브종류, 보호가스종류, 가스용량, 아크길이, 토치각도의변화등의영향을반영하여최적의용접조건수정을위한보정계수를구하여보정하였다. 3.2 파이프내면용접조건통합관리시스템개발급격히변화하는 H/W 및 S/W 환경에대한충분한검토를기초로, PC의운영체계인인 Windows 기반 Visual C++ 를이용하여개발환경을구축하였다. 개발된시스템의화면구조는 Menu 영역, Graphic 영역, Report 영역으로분류하였다. Menu 영역은 Mainmenu 와 Sub-menu 로표시하며, 작업자가메뉴를선택하면그에해당하는작업메시지가표시되거나다이얼로그박스가나타난다. Graphic 영역에서는본시스템의핵심구성부분으로파이프내면용접조건선정에관한사항을화면을표시하고, Report 영역에서는개발된시스템을이용하여선정한최적의용접조건에대한전체적인결과를 Fig. 4와같이나타낸다. 이시스템의운영은시스템에관한전문지식이없는작업자도쉽게이용할수있도록대화식을이용하였으며, 기존데이터베이스시스템과독립적으로수행할수있도록구성하여시스템의효율성을높였다. 특히인공지능기법인신경회로망이론을이용하여기존의데이 (a) Input window for welding parameters (b) Analysis and simulation window for welding conditions Fig. 4 A typical sample for selection of the optimal welding conditions using the developed system 터베이스시스템으로용접조건선정이불가능한다양한입력변수와출력변수와의상관관계를연동시켜유기적인결합체를형성하였다. 용접을수행하기전개발된시스템으로선정된용접조건을컴퓨터 off-line 상에서시뮬레이션을수행할수있도록구성하였다. 개발된시뮬레이터를이용하면각패스별, 용접자세별로용접조건 ( 용접전류, 아크전압, 용접속도 ) 에관한전반적인흐름확인이가능하며, 실질적으로시뮬레이션을수행함으로파이프용접시소요되는시간뿐만아니라용접전류, 아크전압, 용접속도의변화를확인할수있다. 또한이선정된값은 on-line 상에서기준값으로사용됨으로피드백제어가이용한특징을갖고있다. 또한개발된시스템에입력된초기의기본값외에이음부, 그루부, 보호가스, 가스용량, 아크길이, 토치각도의변화에따라영향을고려하기위하여용접조건, 각종주요변수, 확장변수를입력이가능할수있도록구성하였다. 또한휴리스틱알고리즘을이용하여보정한값을기존의용접조건들과각용접자세에따른각패스 450 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 2008

파이프내면용접자동화장치개발에관한연구 19 수의용접조건을일괄적으로분석할수있도록하였다. 따라서실시간으로윈도우즈상에서용접조건을확인하기위한시뮬레이터 (Simulator) 로용접패스및용접자세별용접조건의변화를단계적으로확인할수있었으며, 비드형상에가장중요한영향을미치는초층비드의크기를확인할수있도록구성하였다.

4 파이프내면용접자동화장치개발에관한연구 19 수의용접조건을일괄적으로분석할수있도록하였다. 따라서실시간으로윈도우즈상에서용접조건을확인하기위한시뮬레이터 (Simulator) 로용접패스및용접자세별용접조건의변화를단계적으로확인할수있었으며, 비드형상에가장중요한영향을미치는초층비드의크기를확인할수있도록구성하였다. 또한계산된데이터값들의출력창으로화면의축소및확대, 차후의 on-line 시스템으로활용하기위하여문서의형태로출력가능하며, 외부로의파일전송이가능하도록구성하였다. 4. 파이프내면용접감시 / 제어시스템개발 직경 500mm 를기준으로설계한파이프내면용접용자동화장치는 Fig. 5에서보는바와같이 rail clamp, carriage, torch holder, torch mount, weaving unit 로구성하였으며정격출력 100W 의주행모터와 30W 의토치위빙모터를장착하였다. 구동부 guide 는작업성을고려하여파이프내면중심을기준으로원주운동을할수있도록원형의링 2개가한세트로파이프내면에 6점지지방식의연동척형태로구성하였다. 또한구동부 guide 내면에는기어-렉크방식선정을통해구동장치가용접시진동발생억제및체결력을적절히유지하도록하였다. 구동장치는구동부 guide 에보다정확하게체결할수있도록 6개의휠로제작하였고, 휠표면을톱니형태로구성하여체결성을향상시키고자하였다. 또한구동부를 servo motor 로구성하고베벨기어를이용한동력전달방식선정으로구동력을원활하게분산시켜정 역회전시제어가용이하도록구성하였다. 구동장치에장착되는 torch holder 는상 하스트로크를 60mm 범위로조절할수있도록구성하였으며, 구동부 torch holder 를장착하는 torch mount 의스트로크범위는 100mm 로설정하였다. 일반적인용접용캐리지의경우구동축모터와연결되어 weaving 폭이커지는경우용접속도가상대적으로느려지는단점을보완하기위해 weaving 전용 servo motor 를따로장착하고타이밍벨트-풀리조합에의한 motor의정 역회전및아크기동시용접중심선조정을위한 jog 운전을용이하게할수있도록구성하였고, 제어할수있는위빙폭의범위는 ±0~ 20mm 으로선정하였다. 파이프내면용접의작업환경특성상용접중심선을작업자가직접인지하여용접중심과의보정량을직접제어하기는불가능하다. 따라서용접선추적을위하여용접중발생하는용접조건즉용접전류및아크전압신호의변화를감지하여, 이신호를실제캐리지를구동하는데필요한모터제어신호로변화시켜서제어하도록아크센싱시스템을구성하였다. 용접조건계측은두개의센서 ( 전류센서, 전압센서 ) 를사용하여계측신호를수집하고, 필터링을통해서캐리지주행및위빙모터에제어신호를전달해줌으로써캐리지동작제어에필요한모터제어를수행할수있도록구성하였다. 아크신호검출을위하여두개의센서를용접전원과토치케이블사이에연결하여용접조건을실시간계측할수있도록구성하였으며, 아크신호는 PCI-6251, UMI-7774 를이용하여수집하며, 수집된신호는 PC로전송되고 LabView VI를이용하여처리할수있도록구성하였다 6-8). 이렇게처리된신호를이용하여 Fig. 6에서보는바와같이개발된파이프내면용접장치를구동하는데필요한제어변수즉, 주행속도, 토치위치, 위빙폭및위빙속도및용접선추적모드를개발하였다. 제어부는위빙, 주행, 토치동작을제어하기위한각종모터구동의제어와전류, 전압데이터수치의제어를담당하고, 구동부에서는모터구동, 제어부와의통신및설정값의입 출 Fig. 5 Developed in-pipe welding equipment Fig. 6 Flowchart for controling the developed in-pipe welding equipment 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 5 號, 2008 年 10 月 451

20 김학형 김일수 력값제어를수행하게된다. 주행거리, 주행방향, 주행속도를입력하면각도값을펄스수로계산하여주행하게된다.

파이프내면용접장치의감시 / 제어시스템은가상도구기반의자동제어및계측용프로그램인 LabView 를사용하여작성되었다. 현장에서사용하는작업자들의이해가쉬운범용프로그램형태로구성하여데이터의흐름에따라서프로그램이구성되는방식을채택하도록하였고, 작성된코드를타프로그래밍언어와연동하여사용가능하기때문에응용성의범위가확대될수있는특징을가지고있다.

실험은 SS400 재질의 500 200 16mm의크기로 45 의개선을가진 FCA 맞대기용접을수행하였다. 팁간격은모재바닥면을기준으로 20mm로일정하게유지하였으며 650A 급용접전원을사용하였다. Fig. 7은용접이완료된용접시험편을보여주고있으며, Fig. 8은용접중파이프내면용접장치감시 / 제어시스템을통해취득된용접신호를나타낸다.

5 20 김학형 김일수 력값제어를수행하게된다. 주행거리, 주행방향, 주행속도를입력하면각도값을펄스수로계산하여주행하게된다. 만약, 용접작업중정지신호가들어오면용접작업은중단하도록구성하였고위빙모드에서는위빙폭및위빙속도값이받아들여져용접시작신호를보내면용접을수행하게되는데용접작업수행중받아들여진아크센서의신호에따라토치와용접중심과의거리가변화하게되면초기에설정된토치정보를수정하여변화된거리만큼을보정할수있도록하였다. 파이프내면용접장치의감시 / 제어시스템은가상도구기반의자동제어및계측용프로그램인 LabView 를사용하여작성되었다. 현장에서사용하는작업자들의이해가쉬운범용프로그램형태로구성하여데이터의흐름에따라서프로그램이구성되는방식을채택하도록하였고, 작성된코드를타프로그래밍언어와연동하여사용가능하기때문에응용성의범위가확대될수있는특징을가지고있다. 파이프내면용접의특성상거리를각도 [ ] 의형태로입력하게구성하였고각도입력은범위는 0~180 의범위를숫자또는버튼을 jogging 함으로써설정할수있게하였다. 주행속도의경우최대 1200mm/min 위빙속도는 0-10mm/s 범위내에서설정이가능하도록구성하였다. 개발된파이프내면용접장치의구동테스트를위한용접실험을수행하였다. 실험은 SS400 재질의 mm의크기로 45 의개선을가진 FCA 맞대기용접을수행하였다. 팁간격은모재바닥면을기준으로 20mm로일정하게유지하였으며 650A 급용접전원을사용하였다. Fig. 7은용접이완료된용접시험편을보여주고있으며, Fig. 8은용접중파이프내면용접장치감시 / 제어시스템을통해취득된용접신호를나타낸다. 위빙 1주기동안의위빙신호가나비모양 (butterflyshape) 을가지고있는것을확인할수있었으며, 결론적으로오프셋거리의변화로인한보정량적용및토치위치보정제어를통해개발된장치의신뢰성을확인할수있었다. Fig. 7 Weld Specimens using developed in-pipe welding equipment Fig. 8 Monitoring and control of welding conditions using the developed system 5. 결론 파이프내면접합을위한자동화장치제작하기위하여모재두께, 개선각, 패스수, 용접자세변화에따른용접실험을실시하고표준용접조건을선정하였고, 최적의용접조건을선정하기위한신경망모델로구성된파이프내면용접조건선정시스템을개발하였다. 파이프내면용접작업특성상발생할수있는용접부의왜곡을용접선추적을위한아크센서시스템을도입하고 PC를이용한감시 / 제어로용접상태의실시간확인및제어를통해다층용접에도적용이가능한고품질의용접부형상을얻을수있는통합시스템을구축하였다. 향후에실제파이프내면용접의열약한작업환경에적요하기위해서가능한많은현장데이터가필요하고용접시작 / 끝점인식및용접품질검사를위한비전기반자동화시스템의도입이필요한것으로사료되며이를위한추가연구가수행중에있다. 참고문헌 1. C.M. Kim : Advanced Welding Process for Line Pipes and Their Prospects, Journal of KWS, 20-5 (2002), (in Korean) 2. H. Masuda : New Technologies for Transmission Pipelines, IIW Document XII , H.J. Song, S.K. Lee, Y.H. Kang, S.J. Na : A Study on Seam Tracking and Weld Defects Detecting for Automated Pipe Welding by Using Double Vision Sensors, Journal of KWS, 21-1 (2003), (in Korean) 4. S. Nakamura, Y. Furukawa, Y. Ikuno, S. Kodoma and T. Maeda : Automatic Control Technology of Welding Machine MAG-II for Onshore Pipelines, Nippon Steel Technical Report, 92 (2005), D.J. Widgery : Mechanized Welding of Pipelines, The 452 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, October, 2008

파이프내면용접자동화장치개발에관한연구 21 ESAB Welding and Cutting Journal, 60-1 (2005), 23-26 6.

Laplante : Real-time Systems Design and Analysis, 1EEE Press, 1997 8. R.C.

6 파이프내면용접자동화장치개발에관한연구 21 ESAB Welding and Cutting Journal, 60-1 (2005), 곽두영 : 컴퓨터기반의제어와계측 - LabView, Ohm Inc., P.A. Laplante : Real-time Systems Design and Analysis, 1EEE Press, R.C. Dorf : Modern Control System, Addison-Wesly Publishing Company Inc., 1992 김학형 1977년생 목포대학교대학원기계공학과 용접공정및용접자동화 kimhyoung@mokpo.ac.kr 김일수 1958년생 목포대학교기계 선박해양공학부 용접공정및용접자동화 ilsookim@mokpo.ac.kr 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 5 號, 2008 年 10 月 453

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DBPIA-NURIMEDIA 64 연구논문 GMA 용접에서실시간비드폭예측에관한연구 손준식 * 김일수 ** 김학형 ** * ( 주 ) 프로맥스기술연구소 ** 목포대학교기계공학과 *** 목포대학교대학원기계공학과 A Study on Real-time Prediction of Bead Width on GMA Joon-Sik Son*, Ill-Soo Kim** and Hak-Hyoung Kim***