KR100264307B1 - 아크를 점화하는 장치와 방법 - Google Patents

Abstract

아크(arc) 용접에 대한 장치와 방법, 특히, 아크를 점화하는 것이 기술되어 있다. 용접전류를 전극과 소재(workpiece)에 제공하는 용접 전원소스는 인턱터를 가지고 있는 용접전류의 소스를 포함하고 있다. 인덕터와 전류소스는 출력 스터드(studs)와 같은 한 쌍의 출력들에 연결이 되어 있으며, 전류소스, 출력 인덕터, 출력들과 전극, 그리고 소재들을 포함하는 용접 전류경로를 형성한다. 고주파 결합코일과 같은 고주파전압 소스는 용접전류경로내에 포함되어 있다. 아크 점화회로는 고주파 전압을 공급하기 전에 인덕터내에서 전류가 흐르도록 제어가능한 전류경로를 제공한다. 아크 점화 전류경로는 용접전류경로가 아니다.

Description

아크를 점화하는 장치와 방법

본 발명은 일반적으로 용접과 용접 전원공급에 관한 것으로서, 특히 용접시에 아크를 점화하는 장치와 방법에 관한 것이다.

아크 용접이란, 전극과 소재사이에 형성되어 있는 전기 아크의 에너지가 용접공정을 수행하기 위해서 사용되는 잘 알려진 공정을 말한다. SMAW(stick medal arc welding)와 TIG(tungsten inert gas)라고 불리우는 GTAW(gas tungsten arc welding) 을 포함하여 많은 다른 형태들의 아크 용접 공정들이 있다. 또한, DC 전원공급, AC 전원공급과 AC/DC 전원공급과 같은 기존의 여러가지 용접 전원공급형태들이 있다. 아크 용접 공정은 소비성 전극(SMAW) 또는 비소비성 전극(GTAW)의 사용을 포함하고 있다.

한 가지 DC 용접전원 공급형태는 AC 라인 전압을 수신하여, 용접에 알맞은 DC전류를 제공한다. 전원공급은 AC전압을 수신하는 정류기(rectifier)와 DC전류를 만들기 위해서 정류된 전압을 변환하는 변환기를 포함하고 있다. 다른 전원 공급형태들은 변압기와 정류기를 포함하고 있다. 일반적으로, DC전원공급의 출력회로는 아크의 조건에 관계없이 일정한 전류를 유지시켜주는 인덕터(안정기(stabilizer)또는 쵸크(choke)라고도 불림))를 포함하고 있다.

인덕터는 (아크의 길이와 같은) 부하(load)내의 변화에도 불구하고, 용접전류를 유지시키기위해 충분한 인덕턴스를 가지고 있다. AC 인버터(inverter)에 기초하는 전원공급장치들은 정류기, 변환기, 인버터, 그리고 출력 인덕터(변환기내에 있음)를 포함하고 있다.

아크를 점화하는 것보다는 아크를 유지시키는 것이 더 쉽다는 것이 용접에서 알려져 있다. 이것은 부분적으로, (이온화된 개스로 구성된) 아크가 아크의 스트라이킹(striking)이전에, 이온화되지 않은 개스들보다 더 적은 저항을 가지고 있기 때문이다. 그러므로, 아크를 점화시키기 위해서는 아크를 유지하는 데 필요한 전압보다 더 큰 전압이 필요하다.

아크 점화를 지원해주기 위해서 고주파 오버레이(overlay)를 제공한다는 것이 잘 알려져 있다. 이러한 오버레이방식은 고주파에서 높은 전압과 낮은 전류를 가진 신호를 아크에다 인가하는 형식이다. 고주파 신호는 용접 아크와 전원공급장치와 직렬로 연결되어 있는 고주파 결합코일을 통해 인가된다. 고주파 결합코일은 용접 전원공급장치의 한 부분이거나 또는, 용접 전원공급장치의 출력에 인가된 외부코일이 된다. 고주파 오버레이는 단지 개시시간(start-up)이나, 아니면, 연속적으로, 또는 필요할 때에 인가된다. 대표적인 경우로는, 고주파가 개시시간에만 인가 되었을 때에는 고주파는 짧은 시간동안만 인가된다. 고주파가 인가되었을 때에는, 아크의 스트라이킹을 돕는 고주파 글로방전(glow discharge)을 만들어낸다. 글로방전은 (100볼트보다 낮은) 저전압이 공급된 상태에서 용접전류를 출력 인덕터를 통해 웰더(welder)의 출력에 인가시킴으로써, 아크로 변환된다.

인덕터내의 전류는 고주파가 아크 스타터들에 인가될 때까지, 흐르지 않는다. 그러나, 출력 인덕터내에서 전류를 생성시키는 시간은 글로방전 또는 고주파를 이용할 수 있는 시간보다 더 길다. (인덕턴스의 크기 때문이다). 그러므로, 고주파와 글로방전이 종료되기까지는 용접전류가 아크를 유지할 수 있는 충분한 값에 도달하지 않기 때문에 점화(starts)가 불안정하게 된다.

용접 아크 스타터들은 자주 애드-온(add-on)으로서 판매된다. 이러한 용접 아크 스타터들은 용접전력 공급장치의 출력 스터들에 연결되어 있으며, 용접 케이블들에 연결된 자신의 출력 스터들을 가지고 있다. 이러한 애드-온들을 사용하게 되면, 기존의 용접 전원공급장치가 개조(retro-fitting)되어 사용될 수 있으며, 아크점화장치를 요구하지 않기 때문에 도움이 된다. 또는, 복잡성과 불편함을 최소화하기 위해서, 아크 스타터를 전원공급장치의 내부 부분으로 포함시키는 것이 바람직하다.

그러므로, 고주파 전류의 공급 또는 글로방전이 끝나기 전에, 아크를 시작하기 위해 알맞은 전류를 제공하는 고주파 스타터를 제공하는 것이 바람직하다. 게다가, 이러한 시스템은 제조하는데 있어서, 간단하며, 비싸지 않아야 한다. 그리고, 전원공급장치의 내부 부분이나 또는 용접 출력 스터드들에 부착된 외부부분으로 사용될 수 있는 시스템을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 용접전류를 전극과 소재(workpiece)에 용접전류를 제공하며, 아크 점화회로를 가지고 있는 용접 전원소스이다. 전원공급장치는 인덕터를 가지고 있는 용접전류의 소스를 포함하고 있다. 인덕터와 전류소스는 출력 스터드(studs)와 같은 한 쌍의 출력들에 연결이 되어 있다. 그러므로, 전류소스, 출력 인덕터, 출력들과 전극, 그리고 소재들을 포함하는 용접 전류경로가 형성된다. 고주파 결합코일과 같은 점화전압의 소스는 용접전류경로내에 포함되어 있다. 아크 점화회로는 인덕터내에서 전류가 흐르도록 제어가능한 전류경로를 제공한다. 이 때 제어가능한 전류 경로는 용접전류경로가 아니다.

한 실시예에 따르면, 아크 점화회로는 DC 전류소스와 인덕터상에 연결되어 있으며, 스위치를 포함하고 있다. 용접전류를 공급하기 전에, 스위치를 동작시키는 제어기가 또한 제공된다. 상기 스위치는 트랜지스터 또는 다른 형태의 스위치가 될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 아크 점화회로는 저항기와 같은 전류 제한소자를 가지고 있다 .

다른 실시예에 따르면, 아크점화회로는 출력 인덕터의 자기코어(magnetic core)를 공유하고 있는 아크점화 인턱터를 가지고 있다. 아크점화 인턱터와 출력 인턱터는 한 개의 인턱터내에 있는 여러개의 탭들(taps)에 의해서 형성된다.

한 배열에 있어서는, 아크 점화회로가 출력 스터드들과 전원공급장치외부에 연결되어 있으며, 한 쌍의 출력 스터드들을 가지고 있다. 아크 스타터 스터드들은 전극과 소재에 연결될 수 있어야한다. 다른 실시예에 있어서는, 아크 점화회로가 용접전원 공급장치내부에 위치하며, 출력 스터들외부에 연결되어 있다. 또 다른 실시예에서, 전원공급장치는 AC, DC 또는 AC/DC 전원공급장치가 된다.

본 발명의 제2 양태는 인턱터를 통해 전극과 소재에 전류를 제공하여, 용접 전류경로를 형성하는 단계를 포함하고 있는 아크 용접 방법이다. 점화전압은 아크를 점화시키려고 할 때에, 용접전류 경로에 인가된다. 그리고 인덕턴스를 포함하는 아크점화 전류경로가 점화전압이 공급되기전에 제공된다.

본 발명의 제3 양태는 출력 인턱터와 용접전류경로를 가지고 있는 용접전원공급장치와 함께 사용되는 용접 아크 스타터이다. 아크 스타터는 용접전류경로내에서 고주파 전압소스와 아크점화회로를 가지고 있다. 아크 점화회로는 출력 인턱터에 연결되어 있으며, 용접전류경로가 아니고 인턱터내에 전류가 흐르도록 제어가능한 전류경로를 제공한다.

본 발명의 제4 양태는 아크를 점화시킬려고 할 때에, 용접전류경로내에 고주파 전압을 제공하는 단계와, 고주파전압을 공급하기 전에 인덕턴스를 포함하는 아크점화 전류경로를 제공하는 단계를 포함하며, 용접아크를 점화하는 방법이다

제1도는 본 발명에 따르는 외부 아크 스타터(starter)를 포함하는 DC 용접 전원공급회로의 개략도이다.

제2도는 본 발명에 따라 만들어진 내부(또는 외부) 아크 스타터를 포함하는 DC 용접 전원공급회로의 개략도이다.

제3도는 본 발명의 한 실시예에 따르는 내부 아크 스타터를 포함하는 AC 용접전원공급회로의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 웰더(welder) 106 : 고주파 결합 코일

101 : 용접전력장치 104A : 출력 스터드(stud)

110 : 전극

본 발명은 용접 전원공급장치에서 사용되는 아크 스타터에 관한 것이다. DC용접 전원공급장치에 사용하기 위한 양호한 실시예가 기술되며, AC 용접 전원공급장치에 사용하기 위한 다른 실시예가 기술될 것이다.

제1도를 참조하면, 웰더(100)는 소재(117)를 용접하기 위해서, 용접전류를 전극(110)에 제공한다. 용접전원공급장치(101)는 출력 인덕터(103)와 DC 전압 소스(102)를 포함하는 장치와 같은 대표적인 DC 용접전원공급장치이다. 출력 인덕터(103)는 안정기(stabilizer) 또는 쵸크라고 불리운다. 그리고, 출력 인턱터는 용접전류를 원하는 크기로 유지시켜주는 인덕터이다. DC 용접 전원공급장치(101)의 출력은 출력 스터드(104A, 104B)에 제공된다. 본 발명을 사용하지 않는 종래의 DC 용접 전원공급장치들은 출력 스터드(104A)에 직접 연결된 전극(110)과 출력 스터드(104B)에 직접 연결된 소재(111)를 가지고 있다.

본 발명에 따르면, 아크 스타터(105)는 출력 스터드들(104A,104B)에 연결되어 있다. 아크 스타터(105)는 출력 스터드들(109A,109B)을 가지고 있다. 전극(110)은 출력 스터드(109A)에 연결되어 있고, 소재(111)는 출력 스터드(109B)에 연결되어 있다. 아크 스타터(105)는 또한 고주파 결합 코일(106), 트랜지스터(108)와 저항기(107)를 포함하고 있다. 종래의 DC 용접 전원공급장치들은 인덕터(103)와 같은 출력 인턱터와 전극 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 코일(106)과 같은 고주파 결합 코일로 구성된 아크 스타터를 포함하고 있었다.

본 명세서에 개시된 본 발명의 아크 스타터는 고주파 코일(106)에 의해서 고주파 전압을 공급하기 전에 인덕터(103)에 흐르게 되는 전류를 공급한다. 좀 더 자세히 설명하면, 고주파 전압이 공급되기 전에, 트랜지스터(105)는 제어회로(도시안됨)에 의해서 동작된다. 제어회로의 자세한 구조는 중요하지 않다. 그리고, 그 회로는 하나의 독립된 제어회로나, 고주파 제어회로의 일부분 또는 용접 전원공급장치(101)의 제어보드(control board)의 한 부분일 수 있다. 트랜지스터(108)는 SCR, 트랜지스터 IGBT, 또는 릴레이(relay)와 같은 어떤 스위치가 될 수 있다. 스위치(108)가 동작되었을 때에는, 전류가 DC 전압 소스(102)로부터 인턱터(103)와 전류제한 저항기(107)로 흐르게 된다. 이러한 과정을 통해, 인덕터(103)내의 전류는 증가하게된다.(인덕터(103)의 코어를 포화시킨다.) 그러므로, 고주파전압이 코일(106)에 인가되어 글로방전을 일으키게 되면, 인덕터(103)내의 전류는 높게 되며, 아크를 점화시키고 유지시켜 주기에 충분한 전류가 빨리 공급될 수 있다.

저항기(107)는 인덕터(103)의 코어를 포화시키는데 사용되는 전류를 제한하기 위해서 제공된다(한 실시예). 전류가 아크를 통해 설정이 되었을 때에는, 트랜지스터(108)가 턴오프된다. 또는, 트랜지스터(108)는 글로방전이 시작될 때도 턴오프될 수도 있다. 그러므로 아크가 설정되지 않았다면, 인덕터(103)는 고전압을 발생시키는데. 그 고전압은 고주파 코일(107)에 의해서 발생된 고전압을 보충해주며, 아크가 점화하는 것을 돕게 된다. 한 실시예에서는, 인덕터(103)로부터 나온 고전압, 그 자체만으로도 아크를 점화하기에 충분하다.

그러므로, 전류제한장치 내의 한 스위치로 구성된 간단하고 정교한 회로에 의해서 아크가 안정되고 일관성 있는 형태로 점화될 수 있다는 것을 알 수 있다. 트랜지스터(108)에 대해 다른 형태의 스위치들과/또는 저항기(107)에 대해 다른 형태의 전류제한장치들을 사용하거나 또는 저항기(107)를 삭제한 다른 장치들이 사용될 수 있다. 또다른 예에서는, 전류는 전원소스를 제어함으로써 제한될 수 있다. 또다른 예는 아크 점화 회로(105)를 전압소스(102)를 가로지르는 것이 아니라 인덕터(103)를 가로질러 배치한다. 이때에 인덕터(103)를 포화시키기 위해서 아크점화회로(105)의 한 부분으로서 전류소스가 제공된다. 또한, 고주파 결합코일(106)이 아니고 고전압 소스가 사용될 수 있다. 또는, 결합코일(106)은 (자기적 또는 전기적으로) 인덕터(103)와 결합될 수 있다.

제1도에 도시된 실시예는 웰더의 출력 스터드들에 연결되므로, 외부 아크 스타터가 된다. 이러한 아크 스타터는 용접 전원공급장치(101)(또는 그것의 한 부분으로)로부터 독립적으로 판매된다. 이러한 아크 스타터(105)는 전원공급장치(101)의 출력 스터드들에 연결되어 있기 때문에, 기존의 전원공급장치에 맞게금 쉽게 개조될 수 있다.

제2도는 DC 전원공급장치에서 사용되는 본 발명인 아크 스타터의 다른 실시예를 보여주고 있다. 아크 휄더(200)는 전극(110)과 소재(111)에 각각 연결된 출력스터드들(109a,109b)을 가지고 있는 전원공급장치(201)를 포함하고 있다. 아크 웰더(200)는 DC 전압소스(102)와 출력 인턱터(203)를 포함하고 있다. 트랜지스터(108)는 전류제한 저항기(107)와 인턱터(203)에 연결되어 있다. 인턱터(203)는 여러 개의 탭들을 포함하고 있기 때문에 (제1도의)인덕터(103)와 다르다. 제1 탭은 용접 전류출력을 위해 제공되며, 제2 탭은 저항기(107)와 스위치(108)로 구성된 아크 스타터를 위해 제공된다. 용접전류를 위한 탭은 소정의 턴(turns)들을 포함하며, 아크 스타터용 탭은 더 많은 턴들을 가지고 있다. 따라서, 인턱터(203)의 코어는 저항기(107)와 트랜지스터(108)에 흐르는 더욱 작은 전류를 이룡하여 포화된다.

제2도의 아크 스타터의 동작은 제1도의 동작과 비슷하다. 고주파 전압을 공급하기 전에, 트랜지스터(108)는 턴온된다. 인턱터(203), 저항기(107)와 스위치(108)내에 전류가 흐른다. 그러므로, 고주파전압이 공급되고, 글로방전이 시작되면, 전류는 전극(110)과 소재(111)에 흐르게 된다. 따라서 아크 점화는 일관성 있고, 안정된 형태로 수행이 된다. 제2도의 실시예의 장점은 아크를 점화하는데는 작은 전류가 필요하다는 것이다. 그러므로, 상기 실시예는 다른 실시예들보다 더욱 효율적이다. 또한, 전류제한 저항기(107)는 이 실시예에서 덜 유용하다.

제2도의 실시예는 내부 아크 스타터이다. 상기 아크 스타터는 용접기계의 내부에 있다. 그러므로, 저항기(108)에 대한 제어회로들은 웰더(200)용 제어보드상에 편리하게 위치될 수 있다.

또다른 실시예는 제3도에 도시된 바와 같이 AC 인버터에 기초한 용접 전원공급장치를 가지고 있는 본 발명의 아크 스타터를 사용하는 것이다. 제3도에 도시된 AC 용접 전원공급장치는 DC 전압소스(102)와 인턱터(103), 인버터(301)를 포함하고 있다. 인버터(301)는 스위치들(302,303,304,305)로 구성된 h-브리지(bridge)이다. h-브리지의 출력은 출력 스터드들(109A,109B)에 제공된다. 전극(110)은 고주파 코일(106)을 통해 출력 스터드(109A)에 연결되어 있다. 소재(111)는 출력 스터드(109B)에 연결되어 있다. 출력전류를 감시하기 위해서 사용되는 전류 변환기(305)도 도시되어 있다.

일반적으로, DC전압소스(102)와 인덕터(103)는 DC전류를 제공하기 위해서 동작한다. 인버터(301)는 기계의 출력 스터들상에다 DC 전류를 공급하여, AC 전류 출력을 제공하게 된다. 본 발명에 따르는 아크 스타터는 트랜지스터(105)와 저항기(107)를 포함한다. 이러한 부품들은 DC 전압소스와 인덕터(103)에 제공되어 있다. 고주파전압을 고주파 코일(106)에 공급하기전에, 트랜지스터(108)가 동작한다. 상술한 바와같이, 인덕터(103)에 전류가 흐르며, 고주파 전압이 인가되었을 때에, 전류가 아크에 제공된다.

게다가, 이 실시예에서는, 전류 변환기(305)는 용접전류를 표시하는 신호를 얻기위해 사용된다. 아크에 전류가 흐르기 전에, 그리고 갑자기 트랜지스터(108)의 동작을 중단시키는 것은, 부품들의 크기에 따라, 전극과 소재사이에 불안정한 전압이 나타나게 하기 때문에, 변환기(305)는 용접전류가 언제 공급되기 시작했는지를 감지하는데 사용된다. 좀 더 자세히 설명하자면, 소정의 임계값보다 큰 신호가 용접전류가 공급되었다는 것을 표시하는 표시신호로 취해진다. 입계값보다 작은 신호는 용접전류가 공급되지 않았다는 것을 표시한다. 트랜지스터(108)에 대한 제어회로는 용접전류가 상기 임계값을 초과할 때까지 트랜지스터(108)의 상태를 유지시 켜준다.

첨부된 청구항들에서 표현된바와 같이, 본 발명의 범위와 정신에서 벗어나지 않는 상태에서, 서술된 소자들의 설계와 배열들을 수정하는 것이 가능하다.

Claims (8)

1. 전극(110)과 소재(111)에 용접전류를 제공하는 용접 전원 소스에 있어서, 출력 인덕터(103)를 포함하고 있는 용접전류 소스(101)와, 상기 용접 전류 소스와 전기적으로 통하는 한쌍의 출력들(104A,104B)로서, 상기 출력들은 상기 용접 전류 소스, 출력 인덕터, 출력들, 전극 및 소재를 포함하는 용접 전류 경로를 형성하도록 상기 전극과 소재에 접속될 수 있는, 상기 한쌍의 출력들과, 상기 한쌍의 출력들을 가로질러 접속되며 스위치(108)를 포함하는 아크 안정회로로서, 상기 아크 안정 회로는 상기 인턱터 내의 전류 흐름을 위해서 용접 전류 경로가 아닌 제어가능한 전류 경로(107,108)를 제공하는, 상기 아크 안정 회로와, 상기 용접 전류 경로 내에 배치된 고주파 결합 코일(106)과, 제어기로서, 상기 스위치가 점화 전압이 공급되기 전에 턴온되는, 상기 제어기를 포함하는 용접 전원 소스.
2. 제1항에 있어서, 상기 스위치는 트랜지스터(108)인 용접 전원 소스.
3. 제1항에 있어서, 상기 아크 안정화 회로는 전류 제한 소자를 포함하는 용접 전원 소스.
4. 제3항에 있어서, 상기 전류 제한 소자는 저항기(107)인 것을 특징으로 하는 용접 전원 소스.
5. 제1항에 있어서, 상기 출력 인덕터는 자기 코어를 가지며, 상기 아크 안정화 회로는 아크 점화 인턱터를 포함하고, 상기 점화 인덕터는 자기 코어를 공유하고 용접 전원 소스.
6. 제5항에 있어서, 상기 아크 점화 인턱터와 출력 인덕터는 다중 탭 인덕터의 부분인 용접 전원 소스.
7. 제1항에 있어서, 상기 출력들은 출력 스터드들이며, 상기 아크 안정화 회로는 제2 쌍의 스터드들을 포함하며, 상기 제2 쌍의 스터들은 상기 전극 및 소재에 접속될 수 있는 용접 전원 소스.
8. 제1항에 있어서, 상기 출력들은 출력 스터드들이며, 상기 안정화 회로는 용접 전원 공급 장치 내부에 배치되며 상기 출력 스터드들을 가로 질러 접속되는 용접 전원 소스.

Images