KR100313484B1 - 정전압 특성을 이용한 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적용착량 자동제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적 용착량 자동제어방법에 관한 것으로, 그 목적은 정전압 용접기의 특성을 이용하여 피용접물의 용접부 가공 및 조립오차에 대해 실시간대에 대응하여 필요 용접금속량을 제어할 수 있는 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적 용착량 자동제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 다전극 서브머지드 아크 자동용접에 있어서; 표준그루브에 대한 표준 용착량(표준그루브 면적)을 설정하는 제 1 단계와, 시각센서에 의해 실제 그루브의 면적을 측정하는 제 2 단계와, 상기 설정된 표준그루브 면적과 실제 측정된 그루브 면적을 비교부에서 비교하여 제어부로 보정신호를 입력하는 제 3 단계와, 상기 입력된 신호에 의해 용접장비의 용접전류 및 전압을 조정하는 제 4 단계와, 상기 용접장비의 용접전류와 전압 및 와이어송급속도를 측정하여 비교부로 재 입력·보정하는 제 5 단계에 의해 실시간내에 최적의 용접조건으로 자동 제어하는 정전압 특성을 이용한 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적 용착량 자동제어방법을 제공함에 있다.
Description
본 발명은 정전압 특성을 이용한 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적 용착량 자동제어방법에 관한 것으로, 다전극 서브머지드 아크 용접시, 정전압 용접기의 특성을 이용하여 용착량을 자동·조절하는 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적 용착량 자동제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 산업현장에서 사용되고 있는 용접기법은 용접, 압접, 납접 등으로 분류되고 있다. 이중 조선이나 철구조물 제조 공정에서 가장 널리 사용되고 있는 용접법을 세분화하면, 사용전극이 소모되는 소모식(Consumable)과, 사용전극이 소모되지 않는 비소모식(Non Consumable) 용접법으로 분류된다. 또한 이와 같은 소모식 용접법중에는 대표적으로 피복 아크 용접법(Shield Metal Arc Welding), 가스메탈 아크 용접(Gas Metal Arc Welding), 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding)등이 있으며, 이들 용접기법들은 각각 고유한 특성과 사용용도가 있으며 사용하는 방법에 따라 반자동 또는 자동용접으로 분류하고, 동시에 용접하는 사용 전극수에 따라 싱글(Single) 또는 멀티(Multi) 즉, 1전극, 2전극, 3전극...용접으로 분류된다.
상기 가스 메탈 아크 용접은 기계적으로 연속 공급되는 용접봉에 용접전류 및 전압을 가하여 용접봉과 모재 사이에 아크를 발생시킨후 용접부 및 용접금속의 보호를 위해 용융풀(welding pool) 주위에 활성 또는 불활성 보호가스를 연속 공급시켜 주면서 행하는 용접기법으로서, 사용하는 전류/전압이 낮고, 용접봉경과 용착금속 및 용입이 작아 중후판의 전자세 용접에 많이 적용된다.
상기 서브머지드 아크 용접법은 입상의 플럭스 밑에서 용접봉과 모재사이에 아크를 발생시켜 얻어지는 열로 피접합물을 용접하는 방법으로서 모재 위에 입상의 플럭스를 미리 쌓아놓고 그 속에 용접 와이어를 기계적으로 연속 공급하여 용접이 이루어지며, 사용 전류나 전압이 높고, 용접봉경과 용착금속 및 용입이 크기 때문에 특히, 후판의 아래보기 고능률 용접에 많이 적용된다.
종래에는 상기와 같은 서브머지드 아크 용접법을 이용하여 용접 대상의 철구조물을 용접할 경우 즉, 두 개 이상의 철판을 평면, 직각, 대각 또는 그외 어떠한 형상으로 만나게 하여 그 이음부를 접합하며, 이와 같은 이음부(용접부 개선면)는 I형, V형, X형, Y형 등으로 면취를 하여 용접강도를 높이게 된다. 그러나 이와 같은 용접 개선면은 면취시 가공오차나, 취부시 발생되는 조립오차 등으로 인하여 건전한 용접결과를 얻을 수 없음은 물론 용접사가 용접중 지속적으로 감시 및 용접변수 조정해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 피용접물의 용접부 가공 및 조립오차에 대해 실시간대에 대응하여 필요 용접금속량을 제어할 수 있는 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적 용착량 자동제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 다전극 서브머지드 아크 자동용접에 있어서, 표준그루브에 대한 표준 용착량(표준그루브 면적)을 설정하는 제 1 단계와, 시각센서에 의해 실제 그루브의 면적을 측정하는 제 2 단계와, 상기 설정된 표준그루브 면적과 실제 측정된 그루브 면적을 비교부에서 비교하여 제어부로 보정신호를 입력하는 제 3 단계와, 상기 입력된 신호에 의해 용접장비의 용접전류 및 전압을 조정하는 제 4 단계와, 상기 용접장비의 용접전류와 전압 및 와이어송급속도를 측정하여 비교부로 재 입력·보정하는 제 5 단계에 의해 실시간내에 최적의 용접조건으로 자동 제어하는 정전압 특성을 이용한 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적 용착량 자동제어방법을 제공함에 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 블록도
도 2 는 와이어 용융속도와 전류관계를 보인 예시도
도 3 은 V-그루브의 비드 형상을 보인 예시도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(1) : 표준그루브 면적 설정값 (2) : 실제그루브 면적 측정값
(3) : 비교부 (4) : 전류 보정신호
(5) : 전압 보정신호 (6) : 제어부
(7) : 용접장비 (8) : 시각센서
(9) : 실제 그루브 (10) : 용접장비에서 측정된 전류값
(11) : 용접장비에서 측정된 전압값
(12) : 용접장비에서 측정된 와이어 송급속도값
도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 블록도를, 도 2 는 와이어 용융속도와 전류관계를 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 도 2 에 도시된 바와 같이 정전압 용접기 특성에 의해 용착량이 용접전류 즉, 와이어 송급속도에 비례한다는 원리를 이용한 것이다. 정전압 특성을 사용하는 경우, 와이어 송급속도는 아크전압 또는 용접전류값에 따라 그 변화특성이 다르게 제어된다. 즉, 상기 와이어 송급속도는 아크전압과 용접전류의 조합 값에 영향을 받으며, 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
을 적분하면,
식(1)
△I=I(t+△t)-I(t) : 현재 측정된 전류와 이전에 측정된 전류값 차
△V=V(t+△t)-V(t) : 현재 측정된 전압와 이전에 측정된 전압값 차
WFS : 와이어 송급속도(Wire feed speed)
△WFS : 와이어 송급속도 변화량
I(t+△t),~V(t+△t) : 현재 측정된 전류 및 전압
I(t),~V(t) : 이전에 측정된 전류 및 전압
: 실험을 통해 결정되는 값
즉, 상기 △WFS 값이 결정되면 제어하고자 하는 전압과 전류값이 자동적으로 결정되므로, △WFS을 그루브 내에 채워야 할 면적값으로 변환하면 전압과 전류값을 제어할 수 있다.
도 3 은 V-그루브의 비드 형상을 보인 예시도를 도시한 것으로, 상기 V-그루브의 비드는 그루브면적(Ag)과 캡면적()으로 나타낼 수 있다. 본 발명은 시각센서를 이용하여 실제 채워야할 그루브의 측정면적을 A_fm, 표준 그루브에 대한 표준면적을 A_fs, 그리고 보상해야 할 면적차를 △A로 표시하고 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.
△A = A_fs - A_fm
A_fs : 표준면적
Ag_s : 표준그루브 면적
: 표준캡 면적
A_fm : 측정면적
Ag_m : 측정그루브 면적
: 측정캡 면적
또한, 그루브에 실제 채워지는 면적을 와이어 공급속도(WFS)와 와이어 직경(D)로 나타내면,
이므로,
이를 속도로 나누면 단위 속도당 채우는 면적이 된다. 여기서 상기 η 는 효율(efficiency)을 나타내는 것으로, η≒1 이다.
즉, 측정면적(A_fm)과 표준면적(A_fs)를 와이어 공급속도와 와이어 직경 및 속도에 의해 나타내면 다음과 같다.
WFS' : 실제 측정된 면적을 채우기 위한 와이어 송급속도(㎜/min)
WFS_s : 표준 면적을 채우기 위한 와이어 송급속도(㎜/min)
V_s : 용접속도(㎜/min)
그러므로, 표준 그루브에 채워야 할 양과 실제 측정된 그루브에 채워야 하는 양의 차 즉, 면적차는 다음과 같다.
이므로, 이를 와이어 송급속도 변화량에 대하여 정리하면,
식(2)
상기와 같이 △WFS 이 그루브 내에 채워야 할 면적값으로 변환되므로, 전압과 전류값을 제어할 수 있다. 즉, 상기 식(2)를 식(1)에 대입하면 각 토치별 전압 및 전류의 제어값이 결정된다. 5전극 자동 용접장치의 경우, 선두 토치는 일정한 용입을 구현하기 위하여 사용되는 것이므로, 선두 토치를 제외한 나머지 4전극을 제어해야 하며, 아크 안정성을 고려한 각 토치별 제어값은 아래와 같다.
I_s2 ~,~I_s3 ~,~I_s4 ~,~I_s5 : 표준 그루브를 채우기 위한 표준 용접조건
본 발명은 상기와 같은 토치별 제어 값에 의해 아크 안정성을 고려한 최적 용착량을 자동 제어하는 것으로, 먼저 표준그루브에 대한 표준 용착량(표준그루브 면적)을 설정하고, 시각센서에 의해 실제 그루브의 면적을 측정한 다음, 상기 미리 설정된 표준그루브 면적과 실제 측정된 그루브 면적을 비교부에서 비교하여 제어부로 표준용접전류/전압에 현재측정된 전류/전압과 표준용접전류/전압값과의 차를 더한 값 즉, 보정신호를 입력하며, 상기 보정신호가 입력된 제어부는 용접장비의 용접전류 및 전압을 조정하여 용착량을 제어한다. 이때 상기 용접장비에서 측정되는 용접전류와 전압 및 와이어송급속도는 실 용접전류 및 전압을 선정하기 위해 비교부로 입력되어 보정된다.
즉, 시각센서에서 측정된 그루브 면적과 미리 설정된 표준 그루브 면적은 비교부에서 서로 비교되며, 그루브 면적이 차이가 날 경우, 표준 용접조건에서 전류/전압을 증가 또는 감소시켜 용착량을 자동 조절하도록 되어 있다.
이와 같이 본 발명은 표준 그루브 면적과 실제 그루브 면적의 비교에 따라 전류/전압이 자동조절 되도록 되어 있어, 다전극 서브머지드 아크 용접시 최적의 용착량을 제공하고, 그루브 단면적 변화에 따른 최적의 용접조건을 적응제어하며, 서브머지드 용접의 고 성능 및 자동화를 실현할 수 있는 등 많은 효과가 있다.
Claims (1)
- 다전극 서브머지드 아크 자동용접방법에 있어서;표준그루브에 대한 표준 용착량(표준그루브 면적)을 설정하는 제 1 단계와시각센서에 의해 실제 그루브의 면적을 측정하는 제 2 단계와,상기 설정된 표준그루브 면적과 실제 측정된 그루브 면적을 비교부에서 비교하여 제어부로 보정신호(표준용접전류/전압에 현재측정된 전류/전압과 표준용접전류/전압값과의 차를 더한 값)를 입력하는 제 3 단계와,상기 입력된 신호에 의해 용접장비의 용접전류 및 전압을 조정하는 제 4 단계와,상기 용접장비의 용접전류와 전압 및 와이어송급속도를 측정하여 비교부로 입력·보정하는 제 5 단계로 이루어져 실시간내에 최적의 용접조건으로 자동 제어하는 것을 특징으로 하는 정전압특성을 이용한 용접부 개선 단면적 변화에 대한 최적 용착량 자동제어방법.
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