KR100327704B1 - 인공지능형 자동용접기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CO2(이산화 탄소) 및 Ar(아르곤), Ar+CO2, Ar+O2(산소)와 같은 보호가스를 가스통(10)으로부터 인가받아 와이어 피이더(20)를 통하여 전극 와이어(21)를 공급하면서 알루미늄이나 스테인리스, 철 등의 모재(40)를 정밀 용접하는 데 사용되는 인공지능형 자동용접기(100)에 관한 것으로, 메인 컨트롤러부(160)의 마이크로프로세서를 이용한 다양한 용접조건을 데이터 베이스화하여 활용할 수 있도록 구성되어 용접재료 및 용접가스, 용접두께, 용접자세, 용접부의 형태, 전극 와이어(21)의 굵기 등의 간단한 입력만으로도 고품질의 용접을 실현할 수 있는 탁월한 발명이다.

Description

인공지능형 자동용접기{AN ARTIFICIAL INTELLIGENCE TYPE AUTOMATIC WELDER}
본 발명은 인공지능형 자동용접기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접 재료별 및 용접 자세별, 용접 부위별 파라미터를 상황별로 분류하여 실제 실험을 통하여 용접 데이터를 측정하여 수집한 후 로직 데이터화하여 메모리에 입력해 놓아 사용자가 바뀌더라도 용접재료, 용접자세, 용접부위 등 몇 가지의 규정된 로직 데이터의 입력만으로 최상의 용접을 행할 수 있도록 하여 용접품질을 크게 향상시킬 수 있는 인공지능형 자동용접기에 관한 것이다.
일반적으로 용접은 같은 종류 또는 다른 종류의 2가지 고체재료 사이에 원자간 결합이 되도록 가열 또는 가압 등의 조작를 통하여 야금적으로 접합시키는 것을 말하고, 그 예로는 아크용접 및 저항용접, 레이저 용접 등 다양한 방법이 있다.
이때, 아크용접(arc welding)은 아크방전에 의한 아크의 발열을 이용한 용접방법으로, 용접하려는 모재와 용접 토오치 사이에 아크를 발생시켜 수득되는 열을 이용하여 모재와 용접부의 표면을 녹인 후 그 용접부에 다시 용접 토오치의 금속을 녹여 넣어 상호 접합시키는 것을 말하고, 용접 토오치 대신 탄소 전극이나 텅스텐 전극을 사용하는 경우도 있다.
그리고, 저항용접(resistance welding)은 용접부에 매우 큰 전류를 보낼 때 발생되는 접합부의 접촉저항에 의한 열을 이용하여 접합부를 용융상태로 가열한 후 물리적인 압력으로 압착하여 용접하는 방법을 말하고, 겹치기 저항용접과 맞대기저항용접으로 대별되기도 한다.
또한, 레이저 용접(laser welding)은 원자 또는 분자의 에너지준위(準位) 사이의 유도방사로 생긴 강력한 에너지를 지닌 광선을 이용하여 용접하는 방법을 말하고, 레이저 광선은 높은 에너지 밀도의 집중열원 성격이 강하므로 재료에 미치는 열 영향이 적고 열변형도 적어서 정밀한 용접 및 절단 등에 이용되며, 대기 중에서 작업이 가능하고 레이저 발생장치에서 떨어진 곳까지 빔을 간단히 유도할 수 있기 때문에 그 조작이 매우 쉬운 장점이 있다.
한편, 상기 아크용접은 불활성가스 아크용접 및 탄산가스(CO2) 아크용접 등으로 대별되어지는 데, 이 중 불활성가스 아크용접은 다시 텅스텐(tungsten) 전극을 사용하는 티그(TIG)용접(inert-gas tungsten arc welding)과, 용가재를 전극으로 사용하는 미그(MIG)용접(inert-gas metal arc welding)으로 나뉘어진다.
이때, 텅스텐 전극을 사용하는 티그용접은 플럭스(flux)를 사용하지 않아 슬래그(slag)가 발생하지 않게 되고, 따라서 Al이나 Mg합금과 같은 금속에 매우 유리하게 적용할 수 있다.
그리고, 티그용접은 텅스텐 전극으로부터의 용융금속의 이행이 없으므로 그에 따른 아크의 불안정 및 스패터의 발생이 없으며 작업성도 좋고 용접품질의 신뢰성이 매우 높은 장점을 지니고 있다.
미그용접은 직류 역극성으로 고전류 밀도의 경우에 한하여 용융금속의 안정한 모재이행이 가능하다는 특성을 지니고 있는 것으로, 가는 와이어의 전극을 써서 큰 전류를 사용해야 하며 그러기 위해서는 저항열에 의한 전극의 용융을 피하기 위하여 아크 직전에 전류를 도입해야 한다. 그리고, 미그용접은 고전류 밀도로 전류­전압특성이 상승특성이므로 아크 길이의 자기제어 작용에 적합한 정전압 특성 또는 상승특성의 직류 용접기가 널리 실용화되어 좋은 결과를 얻고 있다.
또한, 미그용접은 직류 정극성에서는 비교적 높은 전류밀도를 사용하더라도 용융금속이 작은 입자로 되지 않고 오히려 전극단에서 큰 용적을 형성하여 모재 양극측으로부터 이온의 센바람을 형성하기 때문에 아크가 크게 불안정하게 되어 만족할 만한 용접을 구현할 수 없는 경우가 발생하기도 한다.
따라서, 미그용접은 직류 역극성이 적합한 데, 이러한 직류 역극성은 전류값을 증가시켜 어느 임계전류 값을 넘게 될 경우 용적은 미소입자가 되어 플라스마 기류에 의하여 빠른 속도로 분사되어 스프레이형의 이행 형상이 나타날 수 있게 되는 데, 이러한 경우 아크가 안정될 수 있으며 센 지향성을 가질 수 있게 되어 깊은 용입이 얻어질 수 있고, 더불어 모든 자세의 용접이 가능한 특성을 지니게 된다.
또한, 미그용접의 경우 고전류 밀도에서 전극 와이어의 용융속도가 크며 아크의 전압 및 전류특성이 상승특성이며 정전압 전원을 사용하므로 특히 자동제어 장치를 사용하여 전극 와이어의 속도를 가감하지 않아도 용융속도가 스스로 제어되므로 언제나 아크 길이를 일정하게 유지하려는 특성을 가지게 된다. 즉, 아크 길이의 자기제어 작용은 부하특성(고전류 밀도)에 의한 자기 제어기능과 전원특성(정전압 전원)에 의한 자기 제어기능의 특성이 가중되어 작용하고 있기 때문에 아크 길이를 항상 일정하게 유지하려는 특성이 가능하게 되는 것이다.
한편, 탄산가스 아크용접은 시일드 가스로서 탄산가스(CO2) 또는 탄산가스를 주로 한 혼합가스를 사용하는 시일드식 아크 용접을 통칭한 용접을 말한다.
앞서 설명한 이너트 가스를 사용하는 미그용접은 경제적인 이유로 주로 시공이 곤란한 경금속을 위시하여 활성 비철금속이나 합금강 등의 용접에 이용되고 있지만, 탄산가스 아크용접은 고가의 이너트 가스를 사용하는 미그용접과는 다르게 비교적 저렴한 탄산가스를 사용하므로 미그용접의 고능률을 살리면서 이용도가 높은 철강 구조물의 용접을 구현할 수 있다는 특징이 있다.
그리고, 탄산가스 용접은 시일드 가스에 이산화탄소(CO2)를 사용하는 것이 미그용접과의 차이가 있고, 더불어 탈산제를 필요로 한다는 것이 큰 차이점이라 할 수 있다.
탈산제가 필요한 이유는 시일드 가스 CO2가 아크의 고온에서,
2CO → 2CO ＋ O2와 같이 해리하여 O2를 발생시켜 산화성 분위기를 생성하기 때문이다. 이 결과 용융강의 산화가 일어나,
2Fe ＋ O2→ 2FeO
FeO ＋ C → Fe ＋ CO 로 되는 것과 같이 생성된 산화철 FeO는 즉시 강중의 C와 화합하여 용융강 중에 다량의 CO가스를 발생시켜 응고와 더불어 용접금속의 기공을 함유한 다공성이 되게 된다.
탈산제로서는 적량의 Mn, Si 혹은 Al, Ti 등의 탈산성 원소를 함유한 것이 쓰여지나 이들 탈산제의 첨가에 의하여,
FeO ＋ Mm → Fe ＋ MnO, 2FeO ＋ Si → 2Fe ＋ SiO2등의 탈산반응의 결과 탈산 생성물인 MnO, SiO2등은 슬래그로서 떠올라 제거되게 된다.
이러한 탈산제의 공급방식에 의하여 탄산가스 아크용접은 소리드 와이어(SOLID WIRE) 법과 후락스 와이어(FLUX WIRE) 법의 두 종류로 대별된다.
따라서, 본 출원인은 상술한 바와 같은 일반적인 용접기술을 토대로 하여 마이크로프로세서를 이용한 인공지능형 자동용접기를 이하에 제안하면서 구체적으로 설명하고자 하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 제안을 통하여 안출된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 다양한 용접조건의 파라미터를 상황별로 분류하여 실제 용접을 통해 데이터를 측정하여 수집한 후 로직 데이터화하여 메모리에 입력해 놓아 사용자가 바뀌더라도 용접재료, 용접자세, 용접부위 등 몇 가지의 규정된 로직 데이터만의 입력으로 최상의 용접을 행할 수 있도록 하여 용접 품질의 표준화 및 품질개선에 지대한 효과를 얻을 수 있도록 한 프로그래머블 인공지능형 자동용접기용접기를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기를 나타내는 구체 회로를 포함한 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 인버터 전원공급부를 나타내는 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 인버터 전원공급부의 입력 정류부를 설명하기 위한 회로도 및 파형도.
도 5는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 인버터 전원공급부의 인버터의 변환방식을 설명하기 위한 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 인버터 전원공급부의 구성이 되는 IGBT 소자의 스위칭 동작을 나타내는 파형도.
도 7은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 인공지능형 자동용접기의 트랜스포머를 나타내는 구조도.
도 8은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 PWM 제어부를 설명하기 위한 설명도.
도 9는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 스위치 조작부를 나타내는 정면도.
도 10은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치의 조작에 의하여 메인 모드로 전환된 상태를 설명하기 위한 메인 모드 타임챠트.
도 11은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치의 조작에 의하여 크레타 모드로 전환된 상태를 설명하기 위한 크레타 모드 타임챠트.
도 12는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치의 조작에 의하여 홀드 모드로 전환된 상태를 설명하기 위한 홀드 모드 타임챠트.
도 13a는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용할 용접조건을 데이터 베이스화하는 과정을 설명하기 위한 용접전류의 변화에 따른 용접이행을 나타내는 파형도.
도 13b는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용할 용접조건을 데이터 베이스화하는 과정을 설명하기 위한 용접전류 변화에 따른 용접이행을 나타내는 파형도.
도 13c는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용할 용접조건을 데이터 베이스화하는 과정을 설명하기 위한 용접전류 변화에 따른 용접이행을 나타내는 파형도.
도 14a는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용할 용접조건을 데이터 베이스화하는 과정을 설명하기 위한 용접전압 변화에 따른 용접이행을 나타내는 파형도.
도 14b는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용할 용접조건을 데이터 베이스화하는 과정을 설명하기 위한 용접전압 변화에 따른 용접이행을 나타내는 파형도.
도 14c는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용할 용접조건을 데이터 베이스화하는 과정을 설명하기 위한 용접전압 변화에 따른 용접이행을 나타내는 파형도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 가스통 20 : 와이어 피이더
21 : 전극 와이어 22 : 리모트 용접전류 볼륨
23 : 리모트 용접전압 볼륨 30 : 용접건
31 : 가스노즐 32 : 토치 스위치
40 : 모재 100 : 인공지능형 자동용접기
110 : 입력 필터부 120 : 인버터 전원공급부
121 : 입력 정류부 122 : 인버터
123 : 트랜스포머 124 : 출력 정류부
125 : 리액터 130 : PWM 제어부
140 : 메모리 150 : 스위치 조작부
151 : 오토모드(AUTO MODE) 선택 스위치
151a : LED 151b : 표시부
152a : 메탈(METAL) 선택스위치 152b : 가스 선택스위치
152c : 와이어 굵기 선택스위치 152d : 용접자세 선택스위치
152e : 펄스/미그 선택스위치 153a : 메인 용접전압 볼륨
153b : 메인 용접전류 볼륨 154 : 프리세트(PRESET) 스위치
155a : 크레타 용접전압 볼륨 155b : 크레타 용접전류 볼륨
156 : 로칼/리모콘 선택스위치 157 : 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치
158 : 채널 선택스위치 159 : 세이브 스위치
160 : 메인 컨트롤러부 170 : 사용전원 변환부
180 : 토치 필터부 190 : 마이컴 보드
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 적어도 전극 와이어를 공급하는 모터의 송급속도를 변화시키는 리모트 용접전류 볼륨 및 용접전압을 가변시키는 리모트 용접전압 볼륨이 구비되며 토치 스위치가 설치된 용접건에 연결되는 와이어 피이더를 통하여 정밀한 용접을 구현하는 인공지능형 자동용접기에 있어서; 외부로부터 입력되는 교류의 입력전압을 ±20％의 범위에 이르기까지 광대역에서 안정된 아크를 출력할 수 있도록 직류의 저전압 대전류의 출력전원으로 평활하여 변환시키는 인버터 전원공급부와; 상기 인버터 전원공급부로부터 발생되는 전압의 오차를 톱니파(Saw tooth wave)에 비교하여 펄스파를 발생시킨 다음 이미 설정된 기준전압에 일치시켜 균일한 출력전류를 출력하도록 상기 인버터 전원공급부를 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부와; 용접하고자 하는 용접재료의 종류 및 사용되는 가스의 종류, 용접자세, 전극 와이어의 종류로 된 용접 파라미터를 로직 데이터화하여 기억하는 메모리와; 상기 메모리에 기억된 다양한 용접 파라미터의 로직 데이터를 선별하여 선택하는 스위치 조작부와; 상기 스위치 조작부의 선택에 의하여 상기 메모리에 기억된 용접 파라미터의 로직 데이터를 연산 처리하여 10∼40V의 희망 용접전압 및 50∼350A의 희망 용접전류로 출력할 수 있도록 제어하는 메인 컨트롤러부와; 상기 인버터 전원공급부으로부터 공급된 전원을 사용전원으로 변환시켜 상기 PWM 제어부 및 메인 컨트롤러부에 공급하는 사용전원 변환부를 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기의 바람직한 실시예를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기를 나타내는 구체 회로를 포함한 블록도이다.
본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 CO2(이산화 탄소) 및 Ar(아르곤), Ar+CO2, Ar+O2(산소)와 같은 보호가스를 가스통(10)으로부터 인가받아 와이어 피이더(20)를 통하여 전극 와이어(21)를 공급하면서 알루미늄이나 스테인리스, 철 등의 모재(40)를 정밀 용접하는 데 사용된다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이 용접건(30)을 모재(40)의 용접부위에 접근시킨 후 토치 스위치(32)를 눌러 가스통(10)에 충전되어 있는 보호가스가 용접건(30)의 가스노즐(31)을 통하여 분출될 수 있도록 하고, 이와 동시에 본 발명의 인공지능형 자동용접기(100)를 통한 저전압 대전류에 의하여 와이어 피이더(20)의 전극 와이어(21)가 모재(40)에 인접되므로써 아크에 의한 전극 와이어(21)의 용융을 발생시켜 정밀용접을 구현할 수 있도록 하는 것이다.
이때, 상기 와이어 피이더(20)는 내부에 전극 와이어(21)의 송급속도를 변화시키는 모터가 내장되고, 이 모터의 송급속도는 리모트 용접전류 볼륨(22)에 의하여 조절되는 용접전류에 의하여 변화된다. 물론, 상기 와이어 피이더(20)는 용접전압을 리모트(REMOTE) 조절하는 리모트 용접전압 볼륨(23)을 구비한다.
본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 외부로부터 입력되는 교류의 입력전압을 입력 필터부(110)를 통하여 필터링한 후 교류의 입력전압의 ±20％의 범위(예를 들어 입력전압이 불안정한 경우를 감안하여 AC 220V라면 176∼264V의 범위, AC 380V라면 304∼456V의 범위)에 이르기까지 광대역에서 안정된 아크를 출력할 수 있도록 직류의 저전압 대전류의 출력전원으로 평활하여 변환시키는 인버터 전원공급부(120)와; 상기 인버터 전원공급부(120)로부터 발생되는 전압의 오차를 톱니파(Saw tooth wave)에 비교하여 펄스파를 발생시킨 다음 이미 설정된 기준전압에 일치시켜 균일한 출력전류를 출력하도록 상기 인버터 전원공급부(120)를 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부(130)와; 용접하고자 하는 용접재료의 종류 및 사용되는 가스의 종류, 용접자세, 전극 와이어(21)의 종류와 같은 다양한 용접 파라미터를 로직 데이터화하여 기억하는 메모리(140)와; 상기 메모리(140)에 기억된 다양한 용접 파라미터의 로직 데이터를 선별하여 선택하는 스위치 조작부(150)와; 상기 스위치 조작부(150)의 선택에 의하여 상기 메모리(140)에 기억된 용접 파라미터의 로직 데이터를 연산 처리하여 최적의 희망 용접전압(10∼40V) 및 희망 용접전류(50∼350A)로 출력할 수 있도록 제어하는 메인 컨트롤러부(160)와; 상기 인버터 전원공급부(120)으로부터 공급된 전원을 사용전원으로 변환시켜 상기 PWM 제어부(130) 및 메인 컨트롤러부(160)에 공급하는 사용전원 변환부(170)와; 상기 와이어 피이더(20)의 리모트 용접전류 볼륨(22) 및 리모트 용접전압 볼륨(23)의 조작에 의한 가변적인 용접전류 및 용접전압 제어신호를 필터링하여 상기 메인 컨트롤러부(160)에 공급하는 토치 필터부(180)로 이루어진다.
이때, 입력 필터부(110)를 통하여 필터링된 교류의 입력전원을 저전류로부터 고전류에 이르기까지 광대역에서 안정된 아크를 출력할 수 있도록 직류의 저전압 대전류의 출력전원으로 평활하여 변환시키는 인버터 전원공급부(120)는, 도 2의 개략 회로도 및 도 3의 블록도에 도시된 바와 같이 교류의 입력전원을 직류의 입력전원으로 변환하는 입력 정류부(121)와, 상기 입력 정류부(121)를 통하여 변환된 직류의 입력전원을 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자를 통하여 교류 40㎑의 고주파로 변환시키는 인버터(122)와, 상기 인버터(122)를 통하여 변환된 교류40㎑의 고주파를 교류의 저전압 대전류의 전원으로 변환시키는 트랜스포머(123)와, 상기 트랜스포머(123)를 통하여 변환된 교류의 저전압 대전류의 전원을 직류의 저전압 대전류의 전원으로 변환시키는 출력 정류부(124)와, 상기 출력 정류부(124)를 통하여 변환된 직류의 저전압 대전류의 전원을 평활하여 부하변동에 따른 인버터(122)의 충격을 완화시키며 상기 출력 정류부(124) 및 트랜스포머(123)의 실효전류를 내려주는 리액터(125)로 이루어진다.
여기서, 상기 입력 필터부(110)에 의하여 필터링된 교류의 입력전원을 직류의 입력전원으로 변환하는 입력 정류부(121)는 도 4에 도시된 바와 같이 컨버터(Converter)로서 다이오드 모듈을 사용하였다. 이 정류용 다이오드 모듈은 3상 브리지 다이오드로서 3상전원을 양파정류하는 6개의 다이오드가 복합된 것이다. 이때 사용되는 평활 콘덴서(Condensor & CAPACITOR)는 주로 전해 콘덴서를 사용한다.
이 전해 콘덴서는 극성이 있으며 아주 작은 충방전이 가능한 밧데리로 생각하면 되고, 그 작용으로는 불규칙적인 교류상태를 직류상태로 만들어주는 역할을 한다. 그리고, 입력 정류부(121)는 3상 220[V] 또는 380[V], 60[Hz]의 상용전원을 정류하여 직류전원으로 변환시켜주는 기능을 수행하게 된다.
예를 들어, 입력 교류전원으로 3상 220V를 사용할 경우 변환된 DC전압은 다음과 같이 결정된다.
이때, 평활회로는 도 4의 회로도 및 파형도에 도시된 바와 같이 다이오드에의해 맥류가 된 전류를 리플이 없는 직류전압으로 평활시키기 위하여 평활용 콘덴서를 사용한다.
이 평활용 콘덴서는 직류링크의 전류, 허용 직류리플율 등을 고려하여 정 전용량을 결정하며, 여기에 가격과 부피까지 고려하여 소자를 선정하면 좋다.
그리고, 콘덴서의 충방전되는 전하량은 같아야 하므로,
가 되는데,
여기서,는 직류링크의 리플전압이고,는 방전시간으로서,
가 되므로,
평활용 콘덴서의 정전용량은
로 계산된다.
이와 같이 계산하면 리플전압을 10[V] 정도로 허용할 때 약 2,000[uF]정도의 콘덴서가 필요하게 된다. 따라서, 바람직한 실시예로서 평활용 콘덴서는 2,200[uF]의 400[V]콘덴서를 직렬로 사용하면 좋다.
그리고, 상기 입력 정류부(121)를 통하여 변환된 직류의 입력전원을 교류 40㎑의 고주파로 변환시키는 인버터(Inverter)(122)는 IGBT 소자를 사용한다.
이 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자는 PNP Transistor와 MOSFET를 접속한 Monolithic의 BI-MOS Transistor를 말한다.
이때, Gate-Emitter 간에 (+)의 전압을 인가하여 MOSFET를 도통시키면 PNPTransistor의 Base-Collector간에 저항이 접속된 것으로 되어 PNP Transistor 부분이 도통상태가 된다.
턴오프(Turn off) 동작은 Gate-Emitter간의 전압을 0[Ⅴ]로 하면 우선 MOSFET가 차단 상태가 되고 PNP Transistor는 BASE 전류의 공급이 끊겨 차단상태로 된다.
이처럼 IGBT는 POWER MOSFET와 같이 Gate의 전압신호만으로 ON/OFF 상태를 제어할 수 있으므로 본 발명에 매우 유용하게 적용할 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 입력 정류부(121)에서 변환된 직류전압은 인버터(122)의 공급전압이 되고, 만약 직류전압이 311[V]일 경우에 IGBT 소자의 전압정격은 안전계수를 고려하여 약 600[V] 용량급이면 충분하다.
또한, 인버터(122)에 사용되는 스위칭 소자의 정격전류는 다음과 같이 충분히 여유를 갖도록 정한다.
정격전류 = 부하용량÷효율÷교류전압÷××과부하율×리플율
= Idc×과부하율×리플율[A]
인버터(122) 변환방식은 입력 정류부(121)를 통하여 직류화된 전원을 IGBT 소자로 교번 스위칭하여 원하는 주파수로 변환하므로써 교류화할 수 있게 되는 것이다.
즉, IGBT를 이용한 스위칭 방식은 주로 대전력회로에 사용되는 풀브리지(FULL BRIDGE) 방식을 적용한다. 고속 펄스(PULSE)전력으로의 변환원리를 설명하면 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같다.
도 5는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기(100)에 적용된 인버터 전원공급부(120)의 인버터(122)의 변환방식을 설명하기 위한 회로도이고, 도 6은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기(100)에 적용된 인버터 전원공급부(120)의 구성이 되는 IGBT의 스위칭 동작을 나타내는 파형도이다.
도 5에 도시된 I1은 제 1 트랜지스터 내지 제 4 트랜지스터(TR1∼TR4)의 턴온(TURN ON)시간이며, V1은 변압기 1차측의 출력전압이다.
각 트랜지스터(TR1∼TR4)의 턴온시간을 조절하므로써 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 출력전압의 크기를 변화시킬 수 있게 되고, 더불어 이것이 곧 PWM(PULSE WIDTH MODULATION) 방식이며, 이 PWM 방식을 통하여 원하는 주파수, 즉 교류 40㎑로 변환할 수 있게 되는 것이다.
상기 인버터(122)를 통하여 변환된 교류 40㎑의 고주파를 저전압 대전류의 전원으로 변환시키는 트랜스포머(123)는 본 발명의 인공지능형 자동용접기(100)가 소형화 및 경량화될 수 있는 결정적인 역할을 하게 된다.
이 트랜스포머(123)는 전자유도작용을 이용하여 교류전압 및 전류의 값을 바꾸는 것으로서 1차와 2차간의 변압비를 조정하여 원하는 용접전류를 얻을 수 있게 된다.
이 트랜스포머(123)는 도 7에 도시된 바와 같이 자석을 효율적으로 통해주기 위한 철심코어 및 1차, 2차 권선으로 구성된다. 여기서, 트랜스포머(123)의 무게를 결정하는 중요요소는 트랜스포머(123)의 단면적이다.
E : 1CK 전압 F : 주파수 N : 권수
Bm : 자속밀도 S : 철심단면적
그리고, 60Hz용 철심코어와 인버터(122)에 적용되는 50,000Hz와의 차이는 무려 주파수(f)가 833배나 커지므로 상기 식에서 f가 커지면 단면적은 반비례하여 833배나 적어질 수 있음을 알 수 있다.
또한, 일반 철심코어에 비해 인버터(122)에 적용되는 페라이트 코어(Ferrite Core)는 자속밀도(Bm)가 매우 커서 단면적(S)을 줄일 수 있는 요인도 되지만 권선수 N을 줄일 수 있게 되어 그 크기를 최소화시킬 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 스위치 조작부(150)의 선택에 의하여 상기 메모리(140)에 기억된 용접 파라미터의 로직 데이터를 연산 처리하여 최적의 희망 용접전압 및 희망 용접전류로 출력할 수 있도록 제어하는 메인 컨트롤러부(160)는 스위치 조작부(150)의 조작에 의한 용접조건을 입력 받은 후 미리 메모리(140)에 설정되어 있는 각각의 용접 데이터로부터 입력된 셋팅에 맞는 값을 로딩하여 전압 및 전류 레퍼런스(reference)를 D/A로 출력하므로써 시스템 전체를 제어할 수 있게 된다.
그리고, 인버터 전원공급부(120)로부터 발생되는 전압의 오차를 톱니파(Saw tooth wave)에 비교하여 펄스파를 발생시킨 다음 이미 설정된 기준전압에 일치시켜 균일한 출력전류를 공급하도록 인버터 전원공급부(120)를 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부는 펄스폭 변조의 원리를 기본적으로 적용하여 출력전류를 균일하게 제공할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.
이 PWM 제어부(130)는 구체적으로 전류의 오차를 검출하여 증폭하는 오차 증폭기(미 도시됨)를 통하여 검출된 오차전압과 톱니파(Saw Tooth Wave)를 비교하여 펄스를 발생시키는 비교기(comparator;미 도시됨), DC-DC Converter의 스위치를 구동하는 구동회로(미 도시됨) 등으로 구성되어 있다.
여기서, 검출된 오차전압의 전위에 따라 톱니파와 비교되어 교차되는 부분에서 톱니파보다 전위가 높은 부분만 출력하게 되므로 펄스의 폭이 조절되어 원하는 오차 증폭기의 기준전압과 일치되도록 출력이 조절될 수 있게 되는 것이다.
이때, 펄스 폭에 따라 전력의 량이 정해지는 원리는 도 8에 도시된 바와 같다. 도 8은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기(100)에 적용된 PWM 제어부(130)를 설명하기 위한 설명도이다.
더불어, 상기 트랜스포머(123)를 통하여 변환된 저전압 대전류의 전원을 직류의 저전압 대전류의 전원으로 변환시키는 출력 정류부(124)는 입력 정류부(121)에서 사용되는 다이오드와는 다르게 고속 다이오드를 사용한다.
이 고속 다이오드는 ULTLA FAST RECOVERY 혹은 Schottky Barrier DIODE를 사용하는 데, 그 중 FAST RECOVERY DIODE는 높은 내압을 가지므로 낮은 내압용으로 사용되는 Schottky Barrier Diode에 비하여 본 발명의 인공지능형 자동용접기(100)에 더욱 적합하다.
예를 들어, 30,000Hz에서 40,000Hz의 다이오드일 경우 순방향으로 TURN ON 될 때에는 아무런 문제가 안되지만 TURM OFF시 단락 전류가 크게 발생되어 잡음의 원인 및 효율저하의 원인이 되므로, 다이오드의 역회복 시간, 즉 TRR이 짧을수록 단락 전류의 발생량을 적게 할 수 있기 때문에 고속 다이오드가 적합함을 알 수 있다.
그리고, 출력 정류부(124)를 통하여 변환된 직류의 저전압 대전류의 전원을 평활하여 부하변동에 따른 인버터(122)의 충격을 완화시키며 상기 출력 정류부(124) 및 트랜스포머(123)의 실효전류를 내려주는 리액터(125)(Reactor)는 입력 정류부(121)와 다르게 평활회로로서 콘덴서를 사용하지 않고 대전류용인 리액터(125)를 사용하게 된다.
이러한 대전류용인 리액터(125)의 기본원리는 간단히 말해 직류는 통과시키고 교류의 흐름을 방해하는 역할을 하며, 평활의 목적외에 부하변동에 따른 인버터(122)의 충격을 완화시켜주기도 하며 트랜스포머(123)와 출력 정류부(124)의 실효전류도 내려주는 작용을 하게 된다.
이러한 작용은 부하의 특성을 결정짓는 주요한 요인이 되기 때문에 본 발명의 인공지능형 자동용접기(100)에 적용된 인버터 전원공급부(120)에서는 대전류용 리액터(125)가 적합한 것이다.
한편, 외부의 PC에 로직 데이터화하여 기억시킨 별도의 업그레이드된 용접재료의 종류 및 용접가스의 종류, 용접자세, 전극 와이어(21)의 종류와 같은 다양한 용접 파라미터를 메모리(140)에 다운로드시킬 수 있도록 메인 컨트롤러부(160)에는 마이컴 보드(190)가 인터페이스 결합된다.
이 마이컴 보드(190)는 메인 컨트롤러부(160)의 마이크로프로세서와 서로 인터페이스 되어 명령을 주고 받을 수 있는 것으로, 본 발명의 인공지능형 자동용접기(100)를 통하여 고품질의 용접을 실현할 수 있도록 미리 수많은 실험용접을 각조건별로 시도하여 이미 설정된 모든 용접 데이터를 측정하고 그 자료를 수집, 통계, 오차보정 등의 과정을 거쳐 외부의 PC에 잠시 저장해 놓았다가 필요할 경우 언제든지 다운로드할 수 있도록 준비되고, 일명 각종 용접조건을 데이터 베이스화하여 외부의 PC와 주고 받을 수 있다라고 해서 퍼지(FUZZY)형 마이컴 보드(190)라고도 한다.
그리고, 스위치 조작부(150)는 용접작업을 함에 있어서 숙련된 작업자가 아닐지라도 간단한 스위치 조작만으로 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 로직 데이터화하여 기억된 용접재질, 용접재질의 계열, 가스 종류, 와이어 굵기 등을 읽어와서 그 조건에 맞는 값을 출력할 수 있도록 하므로써 매우 간편하면서도 정밀하게 최적의 용접을 구현할 수 있도록 도 1에 도시된 인공지능형 자동용접기(100)의 전면부에 설치되고, 그 구조로는 도 9에 도시된 바와 같다.
도 9는 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 스위치 조작부를 나타내는 정면도이다.
도 9에 도시된 도면 부호 151은 오토모드 선택스위치로서, 한번 터치하여 오토모드(AUTO MODE)로 설정되면 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 설정되어 있는 용접재료 및 용접가스, 용접 와이어 등의 용접상태에 따른 로직 테이터의 값이 출력되도록 하고, 다시 한번 터치하여 수동모드(HAND MODE)로 설정되면 사용자가 직접 입력한 용접재료 및 용접가스, 용접 와이어 등의 용접상태의 값이 출력되도록 변환시키는 기능을 수행한다.
즉, 오토모드 선택스위치(151)가 오토모드로 설정되면 용접재료의 재질 및용접가스, 용접 와이어 등의 용접상태에 따라 메모리(140)에 설정되어 있는 로직 데이터로부터 출력값을 읽어 오게 되고, 한번 더 터치하여 누르면 LED(151a)가 점멸되면서 작업자가 직접 용접조건을 입력할 수 있도록 수동모드로 변환되어지게 된다.
도면 부호 151b는 표시부로서 스위치 조작부(150)의 선택에 의한 데이터 값을 작업자에게 디스플레이하고, 도면 부호 152a는 메탈(METAL) 선택스위치로서, 상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 오토모드로 변환된 경우 일회 터치할 때마다 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 기억된 용접재료의 재질을 FE재질 선택 및 AL재질 선택, SUS(STAINLESS)재질 선택순으로 상기 메인 컨트롤러부(160)로 하여금 순차 처리하여 메모리(140)에 기억된 로직 데이터 값을 출력하도록 하고, 상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 수동모드로 변환된 경우 용접재료의 재질을 FE재질 및 AL재질, SUS재질 등으로 사용자가 직접 선택한 값이 출력되도록 하는 기능을 수행한다.
한편, 용접재료의 재질은 크게 FE(철), AL(알루미늄), SUS(스테인리스)로 구분될 수 있고, 이중 FE는 계열이 없으며, AL은 계열을 1,000에서 5,000까지의 5단계로 구분하여 설정할 수 있고, SUS는 계열을 200에서 400까지 구분하여 설정할 수 있다.
도면 부호 152b는 가스 선택스위치로서, 상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 오토모드로 변환된 경우 일회 터치할 때마다 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 기억된 용접가스의 종류를 CO2및 Ar, Ar+CO2,Ar+O2의 선택순으로 상기 메인 컨트롤러부(160)로 하여금 순차 처리하여 메모리(140)에 기억된 로직 데이터 값을 출력하도록 하고, 상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 수동모드로 변환된 경우 용접가스의 종류를 CO2및 Ar, Ar+CO2, Ar+O2등으로 사용자가 직접 선택한 값이 출력되도록 하는 기능을 수행한다.
이때, 용접가스의 종류로는 CO2및 Ar, Ar+CO2, Ar+O2의 4가지로 구분할 수 있고, 이중 용접재료의 재질이 FE인 경우에는 CO2와 Ar+CO2의 2종류를 선택할 수 있으며 용접재료의 재질이 AL인 경우에는 Ar의 1종류를, 용접재료의 재질이 SUS인 경우에는 Ar+O2의 1종류를 각각 선택할 수 있다.
물론, 가스통(10)에는 용접조건에 따라 각각의 CO2및 Ar, Ar+CO2, Ar+O2등이 채워진 것을 교체하므로써 가능하다.
도면 부호 152c는 와이어 굵기 선택스위치로서, 상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 오토모드로 변환된 경우 일회 터치할 때마다 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 기억된 전극 와이어(21)의 직경을 0.8 및 1.0, 1.2Φ의 선택순으로 상기 메인 컨트롤러부(160)로 하여금 순차 처리하여 출력하도록 하고, 상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 수동모드로 변환된 경우 전극 와이어(21)의 직경을 0.8 및 1.0, 1.2Φ등으로 사용자가 직접 선택한 값이 출력되도록 하는 기능을 수행한다.
도면 부호 152d는 용접자세 선택스위치로서, 상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 오토모드로 변환된 경우 일회 터치할 때마다 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 기억된 용접자세를 수직 및 수평의 선택순으로 상기 메인 컨트롤러부(160)로 하여금 순차 처리하여 출력하도록 하고, 상기 오토모드 스위치의 조작에 의하여 수동모드로 변환된 경우 용접자세를 수직 및 수평으로 사용자가 직접 입력할 수 있도록 하는 작용을 하고, 도면 부호 152e는 펄스의 유무를 선택하는 펄스/미그 선택스위치이다.
그리고, 도면 부호 153a 및 153b는 메인 용접전압 및 메인 용접전류를 각각 설정하는 메인 용접전압 볼륨 및 메인 용접전류 볼륨이고, 도면 부호 154는 프리세트(PRESET) 스위치로서 용접을 수행하기 전에 상기 메인 용접전압 볼륨(153a) 및 메인 용접전류 볼륨(153b)의 조절을 통하여 초기의 용전전압과 모터속도를 미리 설정할 수 있도록 세팅시키는 기능을 수행한다. 즉, 작업자는 이 프리세트 스위치(154)를 이용하여 메인 용접전압과 모터속도를 미리 설정할 수 있고, 용접전압 및 용접전류 설정시는 프리세트 스위치(154)를 먼저 누른 상태에서 메인 용접전압 볼륨(153a) 및 메인 용접전류 볼륨(153b)을 각각 돌려 세팅값을 설정하게 된다.
도면 부호 155a 및 155b는 크레타(CRATER) 용접전압과 크레타 용접전류를 각각 조절하는 크레타 용접전압 볼륨 및 크레타 용접전류 볼륨이고, 도면 부호 156은 로칼/리모콘 선택스위치로서 로칼(LOCAL) 모드로 설정되면 상기 메인 용접전압 볼륨(153a) 및 메인 용접전류 볼륨(153b), 크레타 용접전압 볼륨(155a), 크레타 용접전류 볼륨(155b)에 의하여 조정되도록 하고, 리모트(REMOTE) 모드로 설정되면 상기와이어 피이더(20)의 리모트 용접전압 볼륨(23) 및 리모트 용접전류 볼륨(22)에 의하여 조정되도록 하는 기능을 수행한다.
그리고, 도면 부호 157은 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치로서, 상기 로칼/리모콘 선택스위치(156)가 로칼 모드로 되어 있으면 상기 메인 용접전압 볼륨(153a)에 의해서 용접전압이 조절되도록 하고 상기 로칼/리모콘 선택스위치(156)가 리모트 모드로 되어 있으면 상기 와이어 피이더(20)의 리모트 용접전압 볼륨(23)에 의하여 용접전압이 조절되도록 하는 메인모드와, 상기 용접건(30)의 토치 스위치(32)가 첫 번째 온되면 상기 메인 용접전압 볼륨(153a) 또는 와이어 피이더(20)의 용접전압 볼륨에 따라 용접전압이 조절되도록 하고 두 번째 온되면 상기 크레타 용접전압 볼륨(155a)에 의하여 용접전압이 조절되도록 하는 크레타 모드와, 상기 용접건(30)의 토치 스위치(32)를 첫 번째 온시킬 경우 용접이 시작되며 오직 상기 메인 용접전압 볼륨(153a)에 따라 용접전압이 조절되도록 하는 스위치 홀드(HOLD) 모드로 각각 전환하는 기능을 수행한다.
도 10은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치의 조작에 의하여 메인 모드로 전환된 상태를 설명하기 위한 메인 모드 타임챠트이고, 도 11은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치의 조작에 의하여 크레타 모드로 전환된 상태를 설명하기 위한 크레타 모드 타임챠트이며, 도 12은 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기에 적용된 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치의 조작에 의하여 홀드 모드로 전환된 상태를 설명하기 위한 홀드 모드 타임챠트이다.
예를 들어, 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치(157)의 조작에 의하여 메인 모드(MAIN MODE)로 전환된 후 용접건(30)의 토치 스위치(32)를 온하게 되면 도 11에 도시된 바와 같이 용접전압이 출력하게 된다. 이때, 용접전압의 조절은 로칼/리모콘 선택스위치(156)의 조작에 의하여 로칼 모드로 되어 있으면 메인 용접전압 볼륨(153a)에 의해서 용접전압이 조절되고, 로칼/리모콘 선택스위치(156)의 조작에 의하여 리모트 모드로 되어 있으면 와이어 피이더(20)의 리모트 용접전압 볼륨(23)에 의하여 용접전압이 조절된다.
또한, 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치(157)의 조작에 의하여 크레타 모드(CRATER MODE)로 전환된 후 용접건(30)의 토치 스위치(32)를 첫 번째 온할 경우에는 메인 용접전압 볼륨(153a) 또는 와이어 피이더(20)의 리모트 용접전압 볼륨(23)에 의하여 용접전압이 조절되고, 토치 스위치(32)를 오프할 경우에는 토치 스위치(32)의 첫 번째 온할 때와 동일하게 용접전압의 조절이 이루어진다. 그 후, 두 번째 용접건(30)의 토치 스위치(32)가 온되면 크레타 용접전압 볼륨(155a)에 의하여 용접전압이 조절된다. 이때, 이러한 시퀀스(SEQUENCE)가 동작할 때에는 전류신호(용접중일 때)가 온일 때에만 가능하고 크레터 모드 타임챠트는 도 11에 도시된 바와 같다.
또한, 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치(157)의 조작에 의하여 홀드 모드(HOLD MODE)로 전환되면, 용접건(30)의 첫 번째 토치 스위치(32)가 온될 때 용접이 시작되며, 이때에는 오직 메인 용접전압 볼륨(153a)에 의해서만 용접전압이 조절된다. 즉, 도 12에 도시된 시퀀스에 따라 동작되며 전류의 ON신호가 있을 때에만 동작되어짐을 알 수 있다.
도면 부호 158은 채널 선택스위치로서, 용접상태 및 용접조건에 따라 상기 메탈 선택스위치(152a)및 가스 선택스위치(152b), 와이어 굵기 선택스위치(152c), 용접자세 선택스위치(152d)의 조작에 의하여 선택되어진 로직 데이터를 채널별로 상기 메모리(140)에 기억시킬 수 있도록 각각의 채널을 업다운 선택하는 하는 작용을 하고, 도면 부호 159는 세이브 스위치로서 용접상태 및 용접조건에 따른 상기 메탈 선택스위치(152a)및 가스 선택스위치(152b), 와이어 굵기 선택스위치(152c), 용접자세 선택스위치(152d)의 조작에 의한 로직 데이터를 상기 채널 선택스위치(158)에 의하여 선택된 희망채널에 각각 기억시키는 기능을 수행한다.
한편, 와이어 피이더(20)의 리모트 용접전류 볼륨(22) 및 리모트 용접전압 볼륨(23)의 조작에 의한 가변적인 용접전류 및 용접전압 제어신호는 토치 필터부(180)를 통하여 필터링되어 메인 컨트롤러부(160)에 공급되는 것이 바람직하다.
부연하여, 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기(100)는 메인 모드, 크레터 모드, 홀드 모드의 3가지가 있고, 종래의 아날로그 회로에 의한 시퀀스를 본 발명에서는 최대한 디지털(DIGITAL)화하여 프로그램화한 것이다.
따라서, 용접은 토치 스위치(32)의 동작에 의해 이루어지며 토치 스위치(32)를 온하면 메인 컨트롤러부(160)는 PWM 제어부(130)로 출력전압 레퍼런스를 출력하게 되고, 출력전압의 가변은 스위치 조작부(150)나 와이어 피이더(20) 각각의 볼륨에 따라 변경될 수 있고, 전극 와이어(21)의 출력속도는 용접전류에 따라 변화된다.
이러한 결과로서, 종래의 용접기는 용접 파라이터 값인 용접부의 재질이나 두께, 와이어의 재질이나 굵기 등에 대한 일정한 데이터가 없이 용접사의 숙련도나 취향에 따라 아날로그(ANALOG) 방식으로 용접 조건을 임의로 선정하여 작업하므로 인하여 용접사의 기능에 절대 의존적이고, 더불어 용접 품질의 표준화 및 품질개선에 많은 문제가 발생하던 것을 본 발명에 의한 인공지능형 자동용접기(100)는 용접재료별, 자세별, 부위별 용접 파라미터를 상황별로 분류하여 실제 용접을 통해 데이터를 측정하여 수집한 후 로직 데이터화하여 메모리(140)에 입력해 놓았다가 사용자가 바뀌더라도 용접재료, 용접자세, 용접부위 등 몇 가지의 규정된 로직 데이터만의 입력으로 최상의 용접을 행할 수 있게 되고 용접조건을 사용자가 스스로 학습시켜 새로운 조건을 입력하는 것도 가능하여 매우 우수한 프로그래머블형 용접기임을 알 수 있다.
여기서, 용접 파라미터의 데이터 베이스화를 위한 용접이행(鎔接移行) 분석을 별도 설명하면 다음과 같다.
GMA(Gas Metal Arc) 용접법은 보호가스를 사용하는 용접법으로서 보호가스의 종류에 따라 여러 가지의 용접법이 개발되어 이미 사용되고 있음은 익히 아는 사실이다.
그리고, CO2가스용접을 사용하는 CO2용접, Ar과 CO2의 혼합가스를 사용하는 MAG(Metal Active Gas) 용접과 순수 Ar 만을 사용하는 MIG(Metal Inert Gas) 용접으로 크게 분류할 수 있다.
본 발명은 GMA 용적이행에 지배적으로 영향을 미치는 용접조건, 보호가스 등에 대하여 용적이행 현상, 즉 아크 안정성 관점에서 평가하여 고능률 GMA 용접기술 개발을 위한 기반을 구축하고자 한 것이다.
GMA 용접에 있어서 용접전류는 용적이행 형태를 결정하는 중요한, 즉 용접전류의 세기에 따라 용적이행 형태가 구분되어진다. 그리고, 용접전류의 범위는 저전류, 중전류, 대전류 영역으로 나뉘어진다.
도 13a는 CO2용접의 경우 저전류의 예로서 120A의 용적이행 현상을 나타낸 것이다.
용적이행 현상은 아크전압의 순간적인 변화로 관찰할 수 있으며, 여기서 용적이행 형태는 용적이행의 과정이 arcing 시간과 단락시간으로 명확히 구분되어지는 전형적인 단락이행 형태를 보이고 있다. 이러한 이행형태는 대략 200A이하의 구간에서 안정화되는 경향을 보이며, 그 안정화 정도는 용접전압, 용접전원 및 보호가스 등에 따라 크게 지배를 받음을 알 수 있다.
도 13c는 320A로 대전류 영역에서 용적이행 형태의 예를 나타낸 것이다. 이러한 용접이행 형태는 전술한 저전류 영역과는 다른 용적이행 현상을 보이고 있으며, 용접시간에 따른 아크전압의 변화는 일정한 주기성을 보이고 있지만, 단락이행 형태와는 달리 용적이행의 단위주기가 명확하지는 않지만, 전형적인 구형(globular)이행 형태를 보이고 있음을 알 수 있다.
한편, 중전류 영역은 저전류영역의 용적이행으로부터 대전류영역의 용적이행 형태로 변화하는 천이영역으로 용접이행 현상이 공존하는 양상을 보이고 있다. 도13b는 중전류영역의 예로서 CO2용접의 경우를 나타낸 것이다.
이때, 용접전류에 따른 용접이행은 단락이행 형태(도 13a,13b에 도시된 S.C; Short circuit), globular이행 형태(도 13c) 및 순간단락 현상(도 13b에 도시된 I.S.C.; Instantaneuos short circuit)이 혼재된 상태로 나타나게 됨을 알 수 있다.
특히, 순간단락 현상은 성장한 용적이 1msec정도의 순간적인 단락으로 발생하며, 이러한 단락에 기인하여 발생하는 강한 전자기력에 의하여 다시 arcing 상태로 되어 정상적인 단락과정에서 보이는 용적이행 현상을 수반하지 못하고, 용적의 불안정한 거동을 수반함에 따라 아크 안정성을 저해하고 스패터를 촉진하는 불안정한 아크현상을 일으키게 되는 것이다.
이와 같이, 용접전류의 세기는 용접용 와이어 끝단에 형성되는 용적(Molten droplet)의 크기에 영향을 미치고 용적에 작용하는 전자기력에 영향을 미치기 때문에 용적이행 형태를 결정하는 중요한 인자이고, 이 결과들을 여러번의 실험에 거쳐 데이터 베이스화해야 하는 것이다.
그리고, 용접전압의 영향을 설명하면 다음과 같다.
용접전압은 아크길이에 직접적인 상관성이 있으며, 용접전압 V는 다음과 같은 식으로 나타내어 진다.
V = k L
여기서, V : Welding voltage, k : Potential gradient, L : Arc Length
k는 보호가스의 종류에 의하여 결정됨에 따라 동일한 보호가스 조건에서 용접전압은 아크길이에 의하여 결정되어짐을 알 수 있다. 즉, 용접전압이 변화하면 아크 길이가 달라지게 되는 것이다.
이러한 아크 길이의 변화는 용적이행 현상에 크게 영향을 미치게 된다.
도 14a는 CO2용접시 저전류 용접조건인 120A에서 용접전압을 18V로부터 26V로 변화시켜 아크전압의 변화로 용적이행 현상의 변화를 관찰한 예이다.
용적이행 형태는 용접전압의 변화에 관계없이 전형적인 단락이행 형태를 보이고 있지만, 용적이행을 구성하는 arcing 시간과 단락시간은 용접전압에 따라 크게 변화하고 있음을 알 수 있다. 즉, 용접전압이 증가함에 따라 arcing 시간은 점차 증가하고 있으며, 이로 인하여 용적이행 주파수가 현저히 감소하고 있는 것이다.
용접전압이 증가함에 따라 용적이행 주파수가 감소하는 것은 아크길이가 증가하기 때문이다. 즉, 아크길이가 증가하면 arcing 시간이 길어지게 되어 용적이행 주파수가 감소하게 되며 이로 인하여 이행되는 용적의 크기가 커지게 된다. 또한, 용적이행에 수반되는 용적의 크기가 커지면 이행과정에서 발생하는 스패터가 대립화될 가능성이 있다.
도 14c는 320A의 대전류 용접조건에서 용접전압을 32V로부터 40V로 변화시킨 경우 각각에 대하여 arc전압을 측정하여 용적이행 현상을 관찰한 것이다. 대전류의 용접조건에서는 32V와 같이 용접전압이 낮은 경우에서는 순간단락 현상(화살표 F)이 많이 발생하고 있으며, 명확한 이행현상의 평가가 곤란하고 arc가 불안정함을 알 수 있다. 반면, 용접전압을 36V이상으로 증가시키면 순간단락 현상이 현저히감소하고, 아크전압의 주기성이 명확하게 됨에 따라 안정된 globular 이행상태를 구현할 수 있게 됨을 알 수 있다. 따라서, globular 이행으로 용접이 이루어지는 대전류 용접조건에서는 아크안정화를 위하여 다소 높은 용접전압의 설정이 요구되는 것이다.
한편, 용적이행 현상의 구분에서 천이영역에 속하는 250A의 용접조건에서는 24V와 같이 용접전압이 낮은 경우 순간단락 현상과 단락이행 현상이 주로 나타나며, 30V이상으로 용접전압이 증가하면, 순간단락, 단락이행 및 globular이행 현상이 복합적으로 보이고 있음을 도 14b를 통하여 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 다양한 다른 용접조건들은 비록 그 설명이 되어 있지 않지만 상술한 바와 같은 과정을 통해서 수많은 실험과 결과에 의한 최적의 용접조건 등을 다양한 파라미터의 값으로 데이터 베이스화하여 본 발명의 인공지능형 자동용접기(100)에 적용하므로써, 때론 PC로부터 다운받기도 하고, 때론 사용작가 직접 학습하여 입력하기도 하고, 때론 스위치 조작부(150)의 간단한 선택을 통하여 매우 정밀하고 간편하게 용접작업을 구현할 수 있게 되는 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 인공지능형 자동용접기(100)는 메인 컨트롤러부(160)의 마이크로프로세서를 이용한 다양한 용접조건을 데이터 베이스화하여 활용하므로써, 용접재료 및 용접가스, 용접두께, 용접자세, 용접부의 형태, 전극 와이어(21)의 굵기 등의 간단한 입력만으로도 고품질의 용접을 실현할 수 있는 최적의 용접조건을 신속하고 정밀하게 구현할 수 있는 탁월한 효과가 있다.
그리고, 기존 용접기보다 저전류로부터 고전류에 이르기까지 광대역에서 아크 안전성이 뛰어나고 번백(BURN BACK)현상이 없는 용접품질의 향상을 기대할 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명에 적용된 인버터 전원공급부(120)를 통하여 기존 용접기보다 부피와 무게를 1/3이상 작게 할 수 있으며 스패터가 거의 없고, 기존 용접기보다 60％이상의 에너지 절감을 기대할 수 있는 고능률의 용접작업을 실현할 수 있다.
그리고, 외부의 PC와 마이컴 보드(190)가 상호 인터페이스 연결이 가능하여 용접조건이 업그레이드된 데이터를 수시로 교환할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 전극 와이어(21)를 공급하는 모터의 송급속도를 변화시키는 리모트 용접전류 볼륨(22) 및 용접전압을 가변시키는 리모트 용접전압 볼륨(23)이 구비되며 토치 스위치(32)가 설치된 용접건(30)에 연결되는 와이어 피이더(20)를 통하여 정밀한 용접을 구현하는 인공지능형 자동용접기(100)에 있어서;
    외부로부터 입력되는 교류의 입력전압을 ±20％의 범위에 이르기까지 광대역에서 안정된 아크를 출력할 수 있도록 직류의 저전압 대전류의 출력전원으로 평활하여 변환시키는 인버터 전원공급부(120)와;
    상기 인버터 전원공급부(120)로부터 발생되는 전압의 오차를 톱니파(Saw tooth wave)에 비교하여 펄스파를 발생시킨 다음 이미 설정된 기준전압에 일치시켜 균일한 출력전류를 출력하도록 상기 인버터 전원공급부(120)를 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부(130)와;
    용접하고자 하는 용접재료의 종류 및 사용되는 가스의 종류, 용접자세, 전극 와이어(21)의 종류로 된 용접 파라미터를 로직 데이터화하여 기억하는 메모리(140)와;
    상기 메모리(140)에 기억된 다양한 용접 파라미터의 로직 데이터를 선별하여 선택하는 스위치 조작부(150)와;
    상기 스위치 조작부(150)의 선택에 의하여 상기 메모리(140)에 기억된 용접 파라미터의 로직 데이터를 연산 처리하여 10∼40V의 희망 용접전압 및 50∼350A의 희망 용접전류로 출력할 수 있도록 제어하는 메인 컨트롤러부(160)와;
    상기 인버터 전원공급부(120)으로부터 공급된 전원을 사용전원으로 변환시켜 상기 PWM 제어부(130) 및 메인 컨트롤러부(160)에 공급하는 사용전원 변환부(170)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능형 자동용접기(100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    외부의 PC에 로직 데이터화하여 기억시킨 별도의 업그레이드된 용접재료의 종류 및 용접가스의 종류, 용접자세, 전극 와이어(21)의 종류로 된 용접 파라미터를 상기 메모리(140)에 다운로드시킬 수 있도록 상기 메인 컨트롤러부(160)와 인터페이스 결합되는 마이컴 보드(190)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능형 자동용접기(100).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터 전원공급부(120)는,
    교류의 입력전원을 직류의 입력전원으로 변환하는 입력 정류부(121)와,
    상기 입력 정류부(121)를 통하여 변환된 직류의 입력전원을 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 소자를 통하여 교류 40㎑의 고주파로 변환시키는 인버터(122)와,
    상기 인버터(122)를 통하여 변환된 교류 40㎑의 고주파를 교류의 저전압 대전류의 전원으로 변환시키는 트랜스포머(123)와,
    상기 트랜스포머(123)를 통하여 변환된 교류의 저전압 대전류의 전원을 직류의 저전압 대전류의 전원으로 변환시키는 출력 정류부(124)와,
    상기 출력 정류부(124)를 통하여 변환된 직류의 저전압 대전류의 전원을 평활하여 부하변동에 따른 인버터(122)의 충격을 완화시키며 상기 출력 정류부(124) 및 트랜스포머(123)의 실효전류를 내려주는 리액터(125)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능형 자동용접기(100).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 조작부(150)는,
    한번 터치하여 오토모드(AUTO MODE)로 설정되면 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 설정되어 있는 용접재료 및 용접가스, 용접 와이어의 용접상태에 따른 로직 테이터의 값이 출력되도록 하고, 다시 한번 터치하여 수동모드(HAND MODE)로 설정되면 사용자가 직접 입력한 용접재료 및 용접가스, 용접 와이어의 용접상태의 값이 출력되도록 변환시키는 오토모드 선택스위치(151)와;
    상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 오토모드로 변환된 경우, 일회 터치할 때마다 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 기억된 용접재료의 재질을 FE재질 선택 및 AL재질 선택, SUS(STAINLESS)재질 선택순으로 상기 메인 컨트롤러부(160)로 하여금 순차 처리하여 상기 메모리(140)에 기억된 로직 데이터 값을 출력하도록 하고,
    상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 수동모드로 변환된 경우, 용접재료의 재질을 FE재질 및 AL재질, SUS재질 등으로 사용자가 직접 선택한 값이 출력되도록 하는 메탈(METAL) 선택스위치(152a)와;
    상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 오토모드로 변환된 경우, 일회 터치할 때마다 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 기억된 용접가스의 종류를 CO2(이산화 탄소) 및 Ar(아르곤), Ar+CO2, Ar+O2(산소)의 선택순으로 상기 메인 컨트롤러부(160)로 하여금 순차 처리하여 상기 메모리(140)에 기억된 로직 데이터 값을 출력하도록 하고,
    상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 수동모드로 변환된 경우, 용접가스의 종류를 CO2및 Ar, Ar+CO2, Ar+O2로 사용자가 직접 선택한 값이 출력되도록 하는 가스 선택스위치(152b)와;
    상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 오토모드로 변환된 경우, 일회 터치할 때마다 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 기억된 전극 와이어(21)의 직경을 0.8 및 1.0, 1.2Φ의 선택순으로 상기 메인 컨트롤러부(160)로 하여금 순차 처리하여 상기 메모리(140)에 기억된 로직 데이터 값을 출력하도록 하고,
    상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 수동모드로 변환된 경우, 전극 와이어(21)의 직경을 0.8 및 1.0, 1.2Φ로 사용자가 직접 선택한 값이 출력되도록 하는 와이어 굵기 선택스위치(152c)와;
    상기 오토모드 선택스위치(151)의 조작에 의하여 오토모드로 변환된 경우, 일회 터치할 때마다 이미 상기 메인 컨트롤러부(160)를 통하여 메모리(140)에 기억된 용접자세를 수직 및 수평의 선택순으로 상기 메인 컨트롤러부(160)로 하여금 순차 처리하여 상기 메모리(140)에 기억된 로직 데이터 값을 출력하도록 하고,
    상기 오토모드 스위치의 조작에 의하여 수동모드로 변환된 경우, 용접자세를 수직 및 수평으로 사용자가 직접 입력할 수 있도록 하는 용접자세 선택스위치(152d)와;
    펄스의 유무를 선택하는 펄스/미그 선택스위치(152e)와;
    메인 용접전압 및 메인 용접전류를 각각 설정하는 메인 용접전압 볼륨(153a) 및 메인 용접전류 볼륨(153b)과;
    용접을 수행하기 전에 상기 메인 용접전압 볼륨(153a) 및 메인 용접전류 볼륨(153b)의 조절을 통하여 초기의 용전전압과 모터속도를 미리 설정할 수 있도록 세팅시키는 프리세트(PRESET) 스위치(154)와;
    크레타(CRATER) 용접전압과 크레타 용접전류를 각각 조절하는 크레타 용접전압 볼륨(155a) 및 크레타 용접전류 볼륨(155b)과;
    로칼(LOCAL) 모드로 설정되면 상기 메인 용접전압 볼륨(153a) 및 메인 용접전류 볼륨(153b), 크레타 용접전압 볼륨(155a), 크레타 용접전류 볼륨(155b)에 의하여 조정되도록 하고, 리모트(REMOTE) 모드로 설정되면 상기 와이어 피이더(20)의 리모트 용접전압 볼륨(23) 및 리모트 용접전류 볼륨(22)에 의하여 조정되도록 하는 로칼/리모콘 선택스위치(156)와;
    상기 로칼/리모콘 선택스위치(156)가 로칼 모드로 되어 있으면 상기 메인 용접전압 볼륨(153a)에 의해서 용접전압이 조절되도록 하고 상기 로칼/리모콘 선택스위치(156)가 리모트 모드로 되어 있으면 상기 와이어 피이더(20)의 리모트 용접전압 볼륨(23)에 의하여 용접전압이 조절되도록 하는 메인모드와, 상기 용접건(30)의 토치 스위치(32)가 첫 번째 온되면 상기 메인 용접전압 볼륨(153a) 또는 와이어 피이더(20)의 용접전압 볼륨에 따라 용접전압이 조절되도록 하고 두 번째 온되면 상기 크레타 용접전압 볼륨(155a)에 의하여 용접전압이 조절되도록 하는 크레타 모드와, 상기 용접건(30)의 토치 스위치(32)를 첫 번째 온시킬 경우 용접이 시작되며 오직 상기 메인 용접전압 볼륨(153a)에 따라 용접전압이 조절되도록 하는 스위치 홀드(HOLD) 모드로 각각 전환하는 메인/크레타/홀드 모드 선택스위치(157)와;
    용접상태 및 용접조건에 따라 상기 메탈 선택스위치(152a) 및 가스 선택스위치(152b), 와이어 굵기 선택스위치(152c), 용접자세 선택스위치(152d)의 조작에 의하여 선택되어진 로직 데이터를 채널별로 상기 메모리(140)에 기억시킬 수 있도록 각각의 채널을 업다운 선택하는 채널 선택스위치(158)와;
    용접상태 및 용접조건에 따른 상기 메탈 선택스위치(152a) 및 가스 선택스위치(152b), 와이어 굵기 선택스위치(152c), 용접자세 선택스위치(152d)의 조작에 의한 로직 데이터를 상기 채널 선택스위치(158)에 의하여 선택된 희망채널에 각각 기억시키는 세이브 스위치(159)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능형 자동용접기(100).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 와이어 피이더(20)의 리모트 용접전류 볼륨(22) 및 리모트 용접전압 볼륨(23)의 조작에 의한 가변적인 용접전류 및 용접전압 제어신호를 필터링하여 상기 메인 컨트롤러부(160)에 공급하는 토치 필터부(180)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공지능형 자동용접기(100).
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