KR100349968B1

KR100349968B1 - 단락 용접기

Info

Publication number: KR100349968B1
Application number: KR1019990041448A
Authority: KR
Inventors: 케이스태버엘리엇
Original assignee: 링컨 글로발, 인크.
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1999-09-28
Publication date: 2002-08-22
Also published as: JP3134197B2; CA2282880A1; AU4888399A; US6051810A; TW457164B; AR020621A1; RU2217275C2; EP1004389B1; CN1255418A; EP1004389A1; US6215100B1; JP2000158132A; AR040837A2; CA2282880C; KR20000034947A; NZ338005A; DE69939000D1; AU729563B2; SG82642A1; ID23941A

Abstract

본 발명은 2개의 파이프 섹션 사이의 홈에서 2개의 파이프 섹션의 상호 이격된 두 단부를 단락 아크 용접하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이 장치 및 방법은 코어 금속 전극을 사용하여, 용접 작업중에 전극을 상기 홈을 따라 파이프 섹션의 외주 둘레에서 이동시키면서 전극을 홈쪽으로 이동시키는 것을 포함한다. 코어 전극은 전이 영역과 플라즈마 영역을 포함하는 전기적 사이클에 의해 용융된다. 플라즈마 영역은 제어를 통해 파이프 섹션 사이의 틈새를 가교시키도록 제어됨으로써 홈을 따라 루트 비드를 형성하게 된다. 코어 전극은 자체 실드형 전극인 것이 바람직하며, 두 파이프 섹션의 조성과 실질적으로 유사한 조성의 루트 비드를 형성하는 합금 성분을 코어 내에 포함한다. 본 발명의 장치 및 방법은 전체 용접 공정중 각 사이클의 극성을 제어하는 극성 실렉터를 구비한다.

Description

단락 용접기{SHORT CIRCUIT WELDER}

본 발명은 전기 아크 용접에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개선된 단락 용접 방법 및 단락 용접 장치, 특히 2개의 파이프 섹션과 같은 두 강판을 함께 용접하기 위한 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 미국 특허 제4,972,064호에 개시된 것과 같은 일반적인 형태의 스패터 제어 시스템(spatter controlled systems) 및 열 제어 시스템의 개량에 관한 것이다. 상기 특허는 본 명세서에 배경 지식으로서, 본 발명이 특히 의도하고 있는 스패터 제어 영역의 개념에 대한 논의를 위해 본 명세서에 포함된다.

미국 특허 제5,676,857호도 본 명세서에 참고로서 포함된다. 이 특허는 배경 지식으로서 파이프 섹션들을 함께 용접하는 것에 대한 논의를 위해 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 소모성 전극을 사용하는 아크 용접 분야에 관한 것으로서, 특히 두 파이프 섹션과 같은 두 강판을 코어 전극을 사용하여 함께 단락 아크 용접하는 개선된 장치 및 방법에 관한 것이다.

큰 직경의 파이프를 용접하는 기술에 있어서, 각 파이프의 단부들을 기계 가공하여 외부 베벨(external bevel)과 좁고 평평한 랜드(land)를 제공하고; 파이프의 두 단부 사이에 틈새를 포함하는 용접 홈을 형성하기 위하여 상기 기계 가공된 단부들을 랜드와 밀접하게 이격되도록 하여 축방향으로 정렬시키는 것이 일반적이었다. 일단, 파이프가 적소에 위치되면, 360°용접하도록 하나 이상의 용접 헤드를 그 파이프 둘레로 이동시킨다. 이러한 용접은 통상적으로 몇 단계로 이루어진다. 먼저, 적어도 파이프의 내측 연부 또는 랜드가 용융되고 랜드 사이의 틈새가 용접 금속으로 채워지는 곳에서 루트 패스[root pass; 첫층 용접]를 형성한다. 그 다음에, 수개의 필러 패스(filler pass)가 형성되는데, 상기 베벨에 의해 형성된 공간은 용접 금속이 적어도 파이프의 외표면과 동일한 높이가 되도록 채워진다.

루트 패스 바로 전 및 루트 패스 중에 파이프의 단부들은 두 파이프 단부 사이에 양호한 용접이 이루어지도록 서로 정확히 정렬되어야 한다. 루트 패스는 용접 작업에서 매우 중요한 부분이다. 일단 루트 패스가 완료되면, 파이프들의 정렬이 보장되고, 라인 아래의 다음 접합부에 대한 용접이 개시될 수 있다. 따라서, 루트 패스 중에, 100 % 양호한 용접 비드가 놓여야 한다. 용접 비드가 양호하다는 것은 랜드가 파이프의 내표면에 이르기까지 완전히 용접되고, 랜드 사이의 틈새가 용접 금속으로 완전히 채워진다는 것을 의미한다. 틈새에 용접 금속을 용착시키는 것은 어렵다. 왜냐하면, 파이프 둘레에 용접 비드를 형성할 때 용접 위치가 다운 핸드 용접, 수직 업 또는 다운 용접으로부터 오버헤드 용접 위치로까지 변하도록 용접 헤드를 파이프 둘레를 따라 이동시키면서 용접을 행하여야 하기 때문이다. 루트 패스 중에, 파이프 섹션들은 양호한 용접이 이루어지도록 루트 패스 동안에 정렬된 채로 유지되어야 한다. 통상적으로, 용접 중에 파이프를 정렬된 채 유지하기 위하여 파이프들은 함께 체결된다. 용접 위치의 복잡성 및 파이프의 정렬 문제 외에도, 루트 패스 중에 형성된 용접 금속은 파이프 섹션들 사이의 틈새를 채워야 하지만, 그 용접 금속이 틈새를 통과하여 파이프의 내표면에 축적되지 않아야 한다. 용접 비드는 파이프의 내부에서, 파이프 내부로 돌출되더라도 그 돌출 정도가 매우 미미한 비교적 평탄한 표면을 형성해야 한다. 파이프 내에서 용접 비드가 과도하게 돌출하게 되면, 1) 파이프 시스템의 양호성을 감지하기 위해 파이프 내부에서 운전되는 장치에 문제를 발생시킬 수 있고, 2) 유체가 파이프 시스템을 통해 운반될 때 원하지 않은 유체의 혼합 및 난류가 야기될 수 있다.

용접 비드가 파이프 내부로 돌출되는 문제를 해결하기 위하여, 통상적으로 파이프 내부로부터 루트 패스를 형성한다. 이러한 용접법은 루트 패스 중에 파이프 라인 내부로의 원하지 않는 돌출을 방지하도록 용접 비드의 랜드가 제어될 수 있게 해준다. 그러나, 이러한 용접법에서는 특수 설계된 고가의 장비를 필요로 한다. 또한, 이러한 용접법은 다양한 형태에 적용되기 위해서 매우 많은 시간이 소모되고 비용 소모적인 해결책이다. 더욱이, 이러한 용접법은 큰 직경의 파이프에서만 이용될 수 있다. 작은 직경의 파이프는 그 내부에 용접 장치를 수용할 수가 없다. 용접 비드가 파이프 내부로 돌출하는 것을 방지하는 다른 용접법은 파이프의 내부 및 파이프 섹션들 사이의 틈새 위에 위치된 백플레이트 또는 백업 슈우(back-up shoe)를 사용하는 것이다. 상기 백플레이트는 용접 비드의 루트 패스 중에 용접 비드가 파이프 섹션들의 내부로 돌출되는 것을 방지해 준다. 그러나, 백플레이트를 사용하게 되면 역시 시간이 많이 소모되고, 백플레이트의 사용 또한 비교적 큰 직경의 파이프에 한정된다. 또한, 백플레이트는 루프 패스 작업 중에 파이프 섹션의 내부에 용접되어 버리는 경우가 많다. 그 결과, 나중에는 백플레이트를 제거해야 하는데, 이러한 백플레이트 제거 작업은 비용 소모가 크고 용접판의 제거 동안에 용접 비드를 손상시킬 수 있다.

종전의 파이프 용접에 관련된 많은 문제점들을 해결하는 용접 장치가 미국 특허 제5,676,857호에 개시되어 있다. 이 특허에는 파이프의 외주 둘레의 트랙에서 연속적으로 이동하는 두 용접 버그가 구비되어 있는 용접 장치를 사용함으로써 두 파이프 섹션의 단부 용접을 개선하는 것이 개시되어 있다. 상기 용접 버그에는 파이프의 두 단부 사이에 루트 비드를 가하는 특별한 단락 전원이 포함되어 있다. 상기 특허는 버그 속도 및 용접 와이어 속도가 적당한 용접 시스템을 사용하면 베벨의 각 연부를 통해 약간의 연소가 발생하고, 파이프의 내부에 작고 평평한 용접부가 형성되어, 초기에 파이프의 내부로부터 루트 패스 작업을 하거나 파이프의 내부에 백플레이트과 같은 다른 형태의 장비를 사용할 필요가 없게 된다고 개시하고 있다. 상기 미국 특허 제5,676,857호에 개시된 용접법은 파이프 섹션들을 함께 용접하는 것과 관련된 몇 가지 문제점들을 해결하고는 있지만, 루트 비드의 용접 금속의 합금 조성과 관련된 문제 및 대기가 루트 비드의 용접 금속에 미치는 악영향을 방지하는 것에 관련된 문제는 여전히 남아 있다.

상기 단락 전원은 솔리드 와이어 전극과 함께 사용되도록 설계되어 있는데, 용접 작업 중에, 다양한 형태 및 혼합물의 실드 가스를 사용하여 용접 금속은 대기로부터 보호된다. 솔리드 와이어 및 실드 가스를 사용하여 여러 환경에서 뛰어난 용접 비드를 만들어 낼 수는 있지만, 상기 단락 용접법은 파이프 섹션들을 함께 용접하는 데 이용되는 경우에 몇 가지 제한이 있다. 솔리드 와이어 전극이 사용되기 때문에, 용접 비드의 조성은 단락 용접시 사용되는 전극의 이용 가능한 합금 조성에 한정된다. 용접 금속의 조성은 강하고 내구성 있는 용접 비드를 형성하도록 금속 파이프의 조성과 정확히 일치하여야 한다. 파이프의 조성은 파이프가 사용되는 용도에 따라서 변하기 때문에, 최적의 특성을 갖고 파이프 섹션들과 결합되는 용접 금속을 형성하는 솔리드 와이어 전극을 얻는 데 있어 문제점이 발생할 수 있다.

단락 용접법의 다른 제한점은 환경에 의한 악영향으로부터 용접 비드를 보호하기 위하여 실드 가스를 사용해야 한다는 것이다. 용접 장치에는 실드 가스를 저장하고 실드 가스를 용접 부위로 향하도록 하는 장치가 포함되어야 한다. 이러한 장치에는 실드 가스 용기, 조절기, 유량계, 호스 및 용접 중에 실드 가스를 용접 부위로 향하게 하는 데 필요한 다른 재료들을 장착하기 위한 장치가 포함되어야 한다. 실드 가스는 대기 중의 산소, 질소, 수소 및 다른 화합물들이 용융 금속과 반응하거나 용융 금속에 포집되는 것을 방지한다. 이들 원소는 용접 비드에 기포를 발생시키고, 용접 비드를 균열시키며, 용접 금속을 스패터링시킬 수 있는데, 이는 용접 금속의 강도 및 품질을 상당히 손상시킬 수 있다. 환경이 용접 비드에 미치는 악영향을 방지하기 위해서는 제어된 실내 환경에서 실드 가스를 사용하는 것이 효과적이다. 그러나, 외부 환경에서 실드 가스를 사용하는 것은 용접 작업 중에 바람에 의한 영향을 상당히 받기가 쉽다. 이들 영향을 최소화하기 위하여, 특별한 실드물을 전극 둘레에 설치하여 실드 가스를 용접 작업 중에 바람으로부터 차단하여야 한다. 대기가 용접 비드에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 상기와 같은 실드물 또는 다른 용접 장치를 이용하면 비용이 소요되고, 용접 장치의 배치가 상당히 복잡하게 된다.

다양한 형태의 환경에서 파이프 섹션들을 용접하는 것에 관련된 문제점을 고려하고, 함께 용접되는 파이프들의 조성과 실질적으로 유사한 조성을 갖는 양질의 용접 비드를 만들어내기 위하여, 파이프의 용접 중에 생기는 상기 문제점들을 해결할 수 있는 개선된 용접법 및 용접 장치가 요구된다.

도 1은 본 발명에 따른 용접 제어 회로의 일반적인 태양을 나타내는 회로도.

도 2는 두 파이프 섹션 사이에 형성된 홈과, 루트 비드를 형성하는 전극이 상기 홈 내에 위치된 상태를 도시하는 부분 단면도.

도 3은 전극 노즐과 그 속에 위치된 코어 전극을 도시하는 단면도.

도 4는 전극이 양극의 접촉 상태에 있고, 공작물이 음극의 접촉 상태에 있는 본 발명에 따른 장치 또는 방법에서 사용된 단일 용접 사이클의 대표적인 곡선 프로파일을 나타내는 전류의 그래프.

도 5는 전극이 음극이고 공작물이 양극인, 도 4와 유사한 단일 용접 사이클이지만 극성이 반대인 곡선 프로파일.

도 6은 단락 공정을 이용하는 용접 공정에서 용접 사이클의 극성을 선택하는 방법을 행하는 용접기의 회로도.

도 7은 정극성 상태에서의 용접 전류 그래프.

도 8은 역극성 상태에서의 용접 전류 그래프.

도 9는 본 발명의 도시된 실시예에 사용되는 극성 실렉터의 블록도.

도 10은 양호한 실시예의 변형예를 보여주는 용접 전류 그래프.

도 11은 용접 사이클 중에 한 극성으로부터 다른 극성으로 이동시키는 데 사용되는 극성 실렉터의 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 모터

14: 정류기

30: 펄스 폭 변조기

50: 전극

60: 공작물

74: 틈새

100: 백그라운드 전류 수준

110: 핀치 영역

120: 플라즈마 부스트 영역

200: 용접기

202: 전원

220: 제어기

본 발명은 바람직하게는 두 강판의 한쪽에서 그 강판들을 함께 단락 아크 용접하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 바람직하게는, 이러한 단락 아크 용접 방법 및 장치는 파이프 섹션들을 함께 용접하고 두 파이프 섹션 사이에 루트 비드를 형성하는 데 사용된다. 그러나, 본 발명은 보다 널리 적용될 수 있고, 다양한 환경에서 여러 방법으로 다양한 종류의 금속체들을 함께 용접하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 함께 배치되어 단부들 사이에 홈을 형성하는 두 파이프 섹션, 이 두 파이프 섹션에 의해 형성되는 홈 둘레에 배치된 용접 캐리지, 소모성 코어 전극, 양극 및 음극 단자가 마련된 전원, 상기 두 파이프 사이에 형성된 홈 및 상기 소모성 코어 전극을 가로지르는 프로파일에 기초하여 주어진 시간에서 용접 전류를 인가하는 용접 전류 회로가 제공된다. 상기 파이프 섹션들은 체결기를 사용하여 정렬시키는 것이 좋다. 체결기는 적어도 루트 비드가 파이프 섹션 사이의 홈에 가해질 때까지 상기 파이프 섹션을 함께 유지한다. 파이프 섹션은 이 파이프 섹션들에 의해 형성된 홈에 작은 틈새가 존재하도록 정렬되는 것이 좋다. 상기 용접 캐리지는 홈의 원주 둘레에서 적어도 180°, 바람직하게는 360°연장되어 있는 것이 좋다. 용접 캐리지는 홈의 원주 둘레에서 이동할 때 트랙을 따라 활주하도록 설계되어 있는데, 상기 트랙은 파이프의 외주 둘레에 고정되어 있다. 용접 캐리지에는 구동 모터가 포함되어 있는데, 이 모터는 롤러 또는 다른 형태의 활주 베어링과 함께 용접 캐리지가 원하는 속도로 홈의 원주 둘레에서 트랙을 따라 활주할 수 있도록 해준다. 상기 용접 캐리지에는 용접 작업 중에 상기 소모성 코어 전극을 홈을 향해 제어 가능하게 이동시키는 기구가 포함된다. 코어 전극의 이동을 제어하는 상기 기구는 용접 작업 중에 용접 캐리지를 홈 부근에서 제어 가능하게 이동시키는 기구와 일체로 된 것이어도 좋고 분리되어 있는 것이어도 좋다. 상기 용접 전류 회로는 단락 상태 중에 전류의 흐름을 제어하는 제1 회로를 포함하는데, 상기 소모성 코어 전극의 단부에서 용융 금속이 표면 장력의 작용에 의해 홈 내의 용융 금속 풀(pool)로 주로 변환된다. 이 변환 전류는 단락 용융 금속을 가로지르는 고전류 핀치 펄스를 포함하는데, 이는 용융 금속이 전극으로부터 용접 풀로 변환되는 것을 용이하게 해준다. 상기 용접 전류 회로는 용융 전류를 발생시키는 제2 회로를 또한 포함한다. 용융 전류는 전극이 용융 풀에서 이격되어 있을 때 소모성 코어 전극의 단부에서 비교적 일정한 용적의 금속을 용용시키는 데 사용되는 예정된 크기의 에너지 또는 전력량을 갖고 있는 것이 바람직한 아크를 통과하는 고전류 펄스이다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 상기 코어 전극은 코어 전극 내부에 용접 작업 중에 실드 가스를 제공하는 플럭스 시스템을 포함한다.

본 발명의 다른 태양에 있어서, 상기 소모성 코어 전극은, 함께 용접되는 파이프들의 조성과 실질적으로 유사한 조성의 용접 비드를 얻기 위해, 코어 내에 합금 금속을 포함한다. 파이프 섹션들의 조성과 거의 일치하는 조성을 갖는 용접 비드는 강하고, 견고한 양질의 용접 비드를 형성한다. 일부 코어 전극은 특히 합금에 대해 사용될 때 실드 가스를 필요로 한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 용접 전류 회로의 제2 회로는 아크 상태의 적어도 초기 과정 중에 고에너지 부스트(boost) 작용을 제공한다. 고에너지 부스트 작용은 와이어가 용접 풀에서 이격되어 있을 때 소모성 와이어의 단부에서 비교적 일정 용적의 금속을 용융시키기 위하여 미리 선택된 I(t) 영역 또는 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 플라즈마 부스트 중에 발생된 에너지는 용접 와이어 직경의 두 배 이하의 직경으로 된 구형의 금속 구체를 만들어 내기에 충분한 것이 바람직하다. 바람직하게는, 초기의 고전류 플라즈마 전류 후에, 이 고전류는 미리 선택된 시간 동안 유지되고, 이어서 원하는 양극의 에너지 또는 전력량이 전극에 가해져 원하는 용적의 전극을 용융시킬 때까지 시간의 경과에 따라 감쇠된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 용접 전류 회로는 전극으로 인도되는 에너지의 양을 제한하여, 용접 비드의 용착 중에 파이프 섹션들의 단부가 불필요하게 용융되는 것을 방지 및/또는 용접 작업 중에 용접 비드를 고온 상태로 유지하여 용융 금속이 파이프 섹션들의 단부 사이에 형성된 틈새를 통과하여 파이프 섹션들의 내부로 들어가는 것을 방지한다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 용접 전류 회로는 백그라운드 전류(background current)를 발생시키는 회로를 포함한다. 이 백그라운드 전류는 단락 상태가 종료된 후에 아크를 유지하는 데 필요한 수준의 전류 바로 위의 수준에서 유지되는 낮은 수준의 전류이다. 백그라운드 전류는 용접 작업 중에 아크가 우발적으로 소멸되지 않도록 용접 사이클 내내 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 용접기는 원하는 용접 퍼들 열(weld puddle heat)을 얻기 위하여 용접 작업 중에 극성을 스위칭시키기 위한 제어기를 포함한다.

더 링컨 일렉트릭 컴파니(The Lincoln Electric Company)의 STT 용접기 또는, 코어 전극이 구비된 상기 용접기를 사용하는 STT 단락 용접 작업을 이용하여, 가스를 사용하지 않는 용접 작업을 행할 수 있다. 이에 의해서 멀리 떨어져 있는 곳에서 파이프를 용접하는 것이 가능하다. 자체 실드형 코어 전극을 사용할 때, 전극의 극성은 일반적으로 음극(-)이다. STT 용접기를 이용하여 전극이 음극인 상태로 작업을 수행할 때, 공작물 퍼들은 고온이고, 이 퍼들을 냉각시키기 위해서는 용접 비드를 후퇴시키는 시간이 필요하다. 그 결과, STT 작업에는 퍼들의 열을 감소시키기 위하여 백그라운드 전류를 감소시키는 작업이 포함된다. 이러한 수정은 전체 용접 작업에 포함되는 열량을 감소시킨다. STT 용접기의 극성을 전극이 양극인 상태로 전환시킴으로써, STT 용접기 또는 작업은 전체 용접 작업 중에 표준의 양극 전극 극성과 음극 전극 극성 사이에서 스위칭된다. 이런 방식으로, 백그라운드 전류의 수준을 변화시키지 않으면서 열이 제어된다. 퍼들의 열은 전극 음극 용접 작업과 전극 양극 용접 작업의 비를 조정함으로써, 선택된 온도로 제어된다.

본 발명의 주된 목적은 두 금속판 사이에 양질의 용접 비드를 형성하는 단락 아크 용접 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 두 금속판을 함께 용접하는 중에 원하는 전류 프로파일을 정확히 추적할 수 있는 단락 아크 용접 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 두 파이프 섹션의 단부의 홈을 따라 양질의 루트 비드를 형성하는 단락 아크 용접 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용융 금속이 두 파이프 섹션 사이에 형성된 홈을 통과하여 파이프의 내부로 들어가지 않도록 하면서 상기 홈에 용접 비드를 형성하도록 제어된 양의 에너지를 전극에 가하는 단락 아크 용접 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 외부 실드 가스 없이 용접 비드를 형성하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 용접되는 파이프의 조성과 실질적으로 유사한 조성의 용접 비드를 형성하는 상기한 것과 같은 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 양질의 용접 비드를 형성하기 위하여 단락 용접 장치에 코어 전극을 사용하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 용접 작업 중에 용접 전류의 극성을 스위칭시키는 것을 포함하는 단락 용접 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 한 사이클 동안에 또는 한 사이클과 다음 사이클 사이에 전극 양극 전류 대 전극 음극 전류의 비를 조정함으로써 용접 퍼들의 열을 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 실드 가스 없이 극성비 조정을 통해 용접 퍼들의 온도를 제어하는 STT 용접기를 운전하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 첨부 도면을 참조로 한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라, 본 발명의 양호한 실시예를 보여주는 목적으로 첨부된 도면을 참조하면, 도 1에는 DC 전원의 출력부에 접속된 단락 아크 용접 시스템이 도시되어 있다. 양호한 형태의 단락 용접은 표면 장력 이동식(STT) 용접이다. 이러한 형태의 용접을 수행하기 위한 용접 회로 및 제어 장치는 본원에 참고로서 포함되는 미국 특허 제4,972,064호에 개시되어 있다. 따라서, 이러한 용접 회로에 대한 일반적인 논의만을 이하에서 설명하기로 한다.

전원은, 발전기(12)에 전력을 공급하여 AC 전류(13)를 발생시키는 가스 모터와 같은 모터(10)로 구성되는 것이 바람직한 DC 전원이다. 다음에, 상기 AC 전류(13)는 정류기(14)에 의해 정류되어 DC 전류(20)를 형성한다. 위상 제어기(16)가 상기 정류기(14)를 제어하여 실질적으로 균일한 DC 전류(20)를 생성한다. 다음에, DC 전류(20)는 펄스 폭 변조기(30)로 인도된다. 이 위상의 형태는 정형(整形) 회로(32)에 의해 제어되어 출력 단자(34, 36)를 통하는 DC 전류(20)에 원하는 펄스를 형성한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 전원은 정류된 출력일 필요는 없고, 다른 적절한 DC 공급원일 수도 있다.

상기 펄스 폭 변조기(30)로부터의 DC 전류는 소모성 코어 전극(50) 및 공작물(60)을 포함하는 용접 영역 사이로 흐른다.

공작물(60)의 용접에 대해 설명하면, 전극(50)은 전극(50)이 공작물(50)과 접촉하는 단락 상태와, 전극(50)이 공작물(60)으로부터 이격되어 있는 아크 상태 사이에서 교대된다. 아크 상태 중에 공작물(60)과 전극(50) 사이에서 전기 아크가 발생되어, 전극이 후속되는 단락 상태를 위해 공작물을 향해 이송됨에 따라 전극의 단부를 용융시키고 그 용융된 상태를 유지한다. 이러한 형태의 용접 사이클이 도 4 및 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 용접 사이클은 단락 상태와 플라즈마 상태 사이에서 교대된다.

플라즈마 상태 중에, 원활하고 유효한 용접의 목적을 위해 아크가 생성되고 그 아크가 내내 유지되는 것이 필요하다. 초당 수회 반복되는 용접 사이클은 용접 사이클 중에 수회 발생되는 스패터를 감소시기 위해서 정확히 제어되어야 한다. 펄스 폭 변조기(30)는 고주파에서 작동된다. 양호한 실시예에 있어서, 펄스 폭 변조기 제어기(30)의 작동 주파수는 연속된 전류 펄스의 폭이 정형 제어기(32)로부터 나오는 라인(33) 상의 전압에 의해 정해지는 20 kHz이다. 피드백 제어 시스템은 용접 사이클에서 보다 많은 전류를 필요로 하기 때문에, 보다 큰 전압이 라인(33)에서 나타나 다음 펄스 중에, 펄스 폭 변조기(30)로부터 더 넓은 펄스를 생성한다. 따라서, 용접 사이클에 대해 요구되는 전류는 초당 220,000회 변화된다. 가장 빠른 용접 사이클은 일반적으로 100 내지 400/초 부근이기 때문에, 각 용접 사이클 중에 많은 갱신 펄스(update pulse)가 제공된다. 공지된 실시에 따르면, 용접 전류 회로에는 스위치(42)를 제어하는 출력 라인(40)이 구비된 예고 회로가 포함되어 있다.

용접 회로는 dr/dt(r은 전극 저항임), di/dt 또는 dv/dt가 핀치 사이클 중에 융해 상태를 나타낼 때까지, 펄스 폭 변조기 제어기(30)의 작동에 따라 전류를 작업 영역으로 흐르게 한다. 융해 상태가 나타나면, 라인(40) 상의 논리가 극성을 변화시켜 스위치(42)를 개방시킨다. 이는 레지스터 또는 스너버(snubber; 39)를 메인 초크(main choke; 38)와 직렬 상태로 놓는다. 메인 초크는 낮은 유도 저항을 갖고 있기 때문에, 용접 전류 회로에는 매우 작은 에너지가 저장된다. 그 결과, 전극과 공작물 사이에서 용접 회로에 의해 야기된 전류는 레지스터(39)에 의해 정해진 수준으로 즉시 강하된다.

본 발명에 따르면, 용접 전류 회로에는 대체로 평행한 백그라운드 전류 회로가 추가된다. 이 백그라운드 전류 회로는 용접 회로의 작동 상태에 상관 없이 공작물 사이에 5 내지 7 amp의 전류를 계속하여 제공한다. 그 결과, 백그라운드 전류 회로는 용접 사이클 중 내내 전극과 공작물 사이에 적어도 5 내지 7 amp의 전류가 통과하는 것을 보장하여, 용접 사이클의 어떤 위상 중에 전극과 공작물 사이의 아크가 소멸되는 것을 방지해 준다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 각 파이프 연부(70)에는 이 파이브 연부 사이에 홈을 형성하는 베벨면(beveled surface; 72)이 있다. 파이프 연부들은 서로 간격을 두고 있어서 이 파이프 연부 사이에는 틈새(74)가 존재한다. 공지된 실시에 있어서, 파이프 연부들은 적어도 루트 비드가 파이프 연부 사이의 홈에 용착되어 그 틈새(74)을 채울 때까지 바람직하게는 체결기에 의해 위치되고 고정된다. 파이프 접지(pipe ground; 78)가 파이프에 맞물려 전극(50)과 파이프 사이에 아크 회로를 완성한다. 전극(50)은 전극 노즐(80)에 의해 두 파이프 단부 사이의 홈으로 향한다. 용접 사이클 중에, 전극은 전극 노즐(80)을 통해 이송되어 전극 단부에서 용융 금속을 파이프 단부 사이의 홈 속으로 전달하여 루트 비드를 형성한다.

도 3을 참조하면, 전극(50)은 외측의 금속 외피(52)와 전극 코어(54)가 포함되어 있는 소모성 코어 전극이다. 상기 전극의 금속 외피(52)는 탄소강, 스테인레스강 또는 다른 형태의 금속 또는 금속 합금으로 제조되는 것이 좋다. 상기 금속 외피의 조성은 파이프 섹션의 베이스 금속 성분과 유사한 것으로 선택하는 것이 좋다. 상기 전극 코어(54)에는 플럭스제(fluxing agent) 및/또는 합금 및 금속이 포함되는 것이 좋다. 플럭스제에는 용접 비드가 응고될 때까지 용접 비드를 보호하도록 용접 비드 위에 슬래그를 형성하고, 용접 비드가 응고될 때까지 용접 비드를 적소에 유지 및/또는 용접 비드의 형성 중에 용접 금속을 실드하는 화합물이 포함될 수 있다. 상기 플럭스제에는 대기 분위기에 의한 악영향으로부터 루트 비드를 보호하는 실드 가스를 생성하는 성분이 포함될 수도 있다. 이 플럭스제의 성분에는 용접 중에 외부 실드 가스에 대한 필요성을 없애기 위하여, 용접 중에 실드 가스를 발생시키는 불소 및/또는 카보네이트가 포함되어 있다. 이러한 전극을 사용하면 용접 장치를 크게 단순화할 수 있다. 외부 실드 가스 공급원 및 장치에 대한 필요성이 없어진다. 또한, 용접 비드를 주위 분위기로부터 보호하는 특별한 실드물에 대한 필요성도 없어지는데, 왜냐하면 실드 가스가 용접 비드에 형성되어, 모든 형태의 분위기에 대해 용접 비드를 보호하기 때문이다. 용접 비드에 형성되는 슬래그는 용접 비드를 분위기로부터 차폐하고, 그 결과 양질의 용접 비드가 형성된다. 지금까지, 플럭스 코어 전극(flux cored electrode)은 상기한 방식의 단락 용접에는 사용되지 않았다. 놀랍게도, 플럭스 코어 전극은 단락 용접기에서 잘 작동되었고, 분위기의 악영향으로부터 용접 비드를 보호하는 실드 가스 및 슬래그를 형성하였다. 합금제도 상기 전극 코어(54)에 포함되는 것이 바람직하다. 전극의 금속 외피(52)의 조성과 결합하여 합금제가 금속 파이프의 금속 조성과 실질적으로 유사한 조성의 용접 비드를 형성하도록 합금제를 선택하는 것이 좋다. 플럭스 코어 전극은 용접 중에 외부 실드 가스 없이도 용접 비드를 적절히 보호하고, 파이프 금속의 조성과 동일한 또는 거의 동일한 조성을 갖는 용접 비드를 형성하여, 모든 형태의 분위기에서 양질의 용접 비드를 형성하고 매우 다양한 파이프 금속 조성을 갖는 용접 비드를 제공한다는 점에서 다양한 용접 방법 및 장치를 제공한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예의 작동이 개략적으로 도시되어 있다. 도 4에는 스패터 발생이 적고, 용접 비드가 틈새(74)를 통과하여 파이프 시스템의 내부로 들어가는 것을 방지해 주는 소망의 전류 프로파일이 도시되어 있다. 이 전류 프로파일은 핀치 영역, 플라즈마 부스트 영역, 플라즈마 영역, 아크가 유지되는 백그라운드 영역으로 나뉘어진다. 도 4에 도시된 전류 프로파일에서, 핀치 영역(110)에는 (일시) 정지점(break point)(112), 사전 경고 회로 작동점(114)이 포함되어 있다. 전류 프로파일의 플라즈마 부스트 영역(120)에는 플라즈마 영역이라고 지칭되는 쇠퇴 영역(decaying portion)(122)이 포함되어 있다. 스패터 제어 시스템의 작동에 중요한 플라즈마 부스트 영역은 쇠퇴 영역에 앞선 일정 전류 영역이다. 그러나, 쇠퇴 영역(122)은 플라즈마 부스트의 종료 또는 플라즈마 영역의 시작이라고 지칭될 수 있다. 쇠퇴 영역(122)에 이어, 전류 제어 회로는 플라즈마 또는 아크를 유지하는 백그라운드 전류 수준(100)으로 변환된다.

전류 제어 회로는 본 발명에 따라, 선정된 백그라운드 전류 수준을 유지함으로써, 아크를 통한 전류 수준이 선정된 저전류 수준 이하로 떨어져서 아크가 소멸되는 것을 방지한다.

전류 제어 회로는 용접 사이클의 플라즈마 부스트 및 플라즈마 영역 중에서 전극을 완전히 용융시키도록 구성된다. 백그라운드 전류 수준(100)이 형성되면 전극(50)의 추가 용융은 일어나지 않게 되는데, 이는 전극의 용융에 필요한 IR이 백그라운드 전류에 의해서만 유지되는 아크를 통해서는 얻을 수 없기 때문이다. 따라서, 백그라운드 전류는 아크를 유지하고 용융 금속의 구체(ball)를 용융 상태로 유지하는 데에만 사용된다. 플라즈마 부스트와 플라즈마에 의해 형성되는 전극(50) 단부에서의 용융 금속의 양은 전극의 단부에서 용융 금속의 선정된 용적을 용융시키도록 선택되고, 전류의 플라즈마 영역은 일단 선정된 용적이 용융되면 백그라운드 전류로 감소된다. 플라즈마 부스트와 플라즈마 영역의 지속 시간은 파이프 단부(70)의 틈새(74) 둘레의 금속이 불필요하게 용융되지 않을 정도로 선택된다. 금속의 과용융은 용접 금속이 파이프 섹션 사이로 누설되는 현상을 야기할 수 있다. 전류의 플라즈마 영역 형성중에 전극의 단부에서 용융 금속 구체가 형성되는 동안, 고전류의 추진력은 전극의 단부에서 용융 금속이 선정된 양만큼 용융될 때까지 용융 금속을 용접 풀(pool)로부터 밀어내게 된다. 일단 전류가 감소되면, 용융 금속은 구체로 형성될 수 있게 되며 홈 내의 용융 금속 풀은 안정화되어, 실질적으로 구형인 구체와 상기 안정화된 용접 금속 풀 사이는 원활한 접촉이 이루어지게 된다. 전극의 단부에서의 용융 금속의 양은 용접 사이클중 플라즈마 영역이 형성되는 동안에 전극 내로 선정된 양의 에너지 또는 전력을 공급함으로써 소망하는 정도로 조절 가능하다. 용융 금속 구체가 전극의 단부에 형성되는 동안, 코어 성분은 용융 구체와 틈새(74) 내의 용접 금속을 대기로부터 차폐하는 실드 가스를 방출시킨다. 실드 가스의 방출은 용융 구체가 틈새(74) 내의 용융 금속으로 전이될 때까지 계속된다.

용융 금속 구체가 용접 사이클중 플라즈마 부스트와 플라즈마 영역 중에 형성되면, 용융 금속은 전극을 풀 내로 이송하는 것에 의해 용융 풀로 가압됨으로써 단락 회로 상태를 형성하게 된다. 용융 금속 구체가 용융 금속 풀에 접촉되면 구체는 표면 장력에 의해 풀 안으로 전이되게 된다. 이로부터, 풀과 전극의 와이어 사이로 연장되는 용융 금속은 종국적으로 네크 다운(neck down)되며, 그런 다음 구체는 와이어로부터 파열되거나 분리된다. 그러한 분리 과정중에는 낮은 백그라운드 전류만이 존재하기 때문에, 스패터는 거의 발생하지 않는다. 전류 제어 회로는 용융 금속 구체의 네킹을 모니터함으로써, 네킹에 의해 전기적 피트(pit)에 의해 직경이 급감될 때 펀치 영역(110)중의 전류 흐름이 융해(fuse)를 감지하게 될 때까지 보다 점진적으로 증가되도록 하는 것이 바람직하다. 융해를 감지하게 되면, 전극의 단부에서 용융 금속이 용접 풀로 전이될 때까지 전류는 백그라운드 전류로 감소된다.

도 4 및 도 5는 표준 STT 단락 회로 용접 사이클을 보여주고 있는데, 도 4의 사이클은 전진하는 와이어(50)에 양극 단자를 인가한 것이다. 이러한 극성하에서, 용융 금속 퍼들(puddle)은 전극이 음극인 도 5의 표준 STT 용접 사이클에 비해 비교적 온도가 낮다. 표준 음극 극성 또는 도 5의 음극 상태의 전극을 사용하는 단락 회로 용접 공정은 용융 금속의 온도가 높게 되기 쉽다. 이 상태는 통상 STT 용접기의 백그라운드 전류를 감소시킴으로써 완화된다. 본 발명의 다른 태양을 사용하면, 용융 금속 퍼들의 온도를 본 발명에 따른 도 6의 용접기(200)로써 조절한다. 용접기(200)는 전극 또는 와이어가 공작물(60)쪽으로 이동할 때 전진하는 코어 금속 전극(50)을 가로질러 용접 펄스를 인가한다. 본 발명의 본질적인 특징은 코어 전극을 이용한다는 점이다. 본 발명의 다른 특징은 솔리드 와이어 전극을 이용할 수 있다는 점이다. 용접기(200)는 에러 증폭기(206)의 출력측 전압에 의해 결정되는 후속 전류 펄스의 폭으로, 펄스 폭 변조기(204)에 의해 제어되는 스위칭 펄스를 갖는 인버터 형태의 스위칭 방식 전원(202)을 포함한다. 이 증폭기는 실제 아크 전류에 비례하는 전류 분류기(current shunt; 208)로부터 전압을 수용한다. 현재의 전압은 입력 라인(210)에 의해 증폭기로 진행되며 소망의 전류 신호가 표준 제어기(220)로부터 라인(212)을 통해 얻어진다. 제어기(220)는 라인(212)에 전압을 발생시켜, 그 전압에 의해 인버터 또는 전원(202)의 출력측에 개별적으로 급속히 발생하는 전류 펄스의 폭을 설정한다. 인버터(202)의 출력 스테이지(230)는 양극 정류기(236)와 음극 정류기(238)에 연결된 중앙 탭(234)을 갖는 변압기(232)를 포함한다. 제어기(220)의 극성 실렉터(selector)는 전원의 출력이 양극의 극성을 나타내면 출력(240)에 논리를, 전원이 음극의 극성으로 변환되면 출력 라인(242)에 논리를 제공한다. 양극의 극성 영역(250)과 음극의 극성 영역(252)을 갖는 인덕터(inductor; L1)에서의 전류를 제어하는 데에는 각기 표준 스너버(244)를 갖는 스위치(Q1, Q2)가 사용되며, 인덕터의 양극의 극성 영역은 스위치(Q1)에 의해, 음극의 극성 영역은 다른 스위치(Q2)에 의해 제어된다. 라인(240)에서의 논리는 스위치(Q1)를 폐쇄하여 인덕터 영역(250) 사이로 전류가 흐르게 한다. 라인(242)에서의 논리는 전류가 인덕터(L1)의 음극 극성 영역(252)으로 흐르도록 극성을 변환시킨다. 라인(240)에서의 논리에 의해 극성이 양극으로 유지되는 한, STT 용접기는 양극 전류 펄스를 형성하여, 도 7에 도시된 양극 극성 전류 사이클을 제공한다. 용접 사이클(300)은 양극 사이클로서 도시되어 있어서, 모든 전류는 양극 극성을 갖는다. 사이클(300)은 단락이 발생하는 시점인 t₁의 시작점을 가진다. 백그라운드 전류는 제로 측으로 감소된다. 따라서, 핀치 전류(302)의 작용으로, 쇼트 금속 구체는 도면 부호(304)에 지시된 바와 같이 네크(neck)가 형성되기까지 표면 장력과 전기적 핀치에 의해 전이가 발생한다. 전류는 도면 부호(306) 영역에 지시된 바와 같이 다시 급락하여 스패터를 감소시킨다. 금속이 전기적 핀치 작용에 의해 전이된 후, 최대 아크 전류를 갖는 플라즈마 부스트 펄스(310)에 의해 플라즈마 상태가 다시 형성된다. 플라즈마 부스트 펄스(310)의 영역은 전진하는 와이어 전극(50)의 단부에서 용융 금속 구체의 전체 크기를 결정한다. 부스트 펄스 영역을 지나면, 전류는 백그라운드 전류(314)에서 종결하는 시상수(時常數) 테일아웃(time constant tailout; 312)을 갖는다. 도면 부호(316)의 위치에서 다음의 단락 회로가 발생한다. 출력(240)에 논리 1이 나타나고 있는 한, 급속 생성된 전류 펄스는 도 7에 도시된 바와 같이 양극 극성을 갖는다. 출력 라인(242)에 논리 1이 수용되면, 용접 작업의 극성은 역전된다. 역전 또는 음극 극성 사이클(320)이 도 8에 도시된 바와 같이 형성된다. 본 발명의 태양에 따르면, 양극 극성 전류 사이클(300)과 음극 극성 전류 사이클(320)의 횟수(number)는 용접 작업의 용융 금속 퍼들에 소망의 온도가 얻어지도록 조절된다. 퍼들의 온도가 너무 낮으면, 음극 극성 사이클(320)의 횟수는 양극 전류 사이클(300)의 횟수에 비해 증가된다. 제어기(220)의 적절한 실렉터 회로에 의해 소망의 비율이 얻어지는데, 도 9에 개략적으로 도시된 이 실렉터 회로는 소프트웨어 장착된 플립플롭(350) 회로로서 역전되지 않은 출력(240)과 역전된 출력(242)을 갖는다. 상기 출력은 디지털 디코더(354)에 의해 제어되는 세트 입력 라인(352a)과 리셋 입력 라인(352b)을 구비한다. 입력(360)은 사이클이 단락 회로에 의해 개시될 때 시간(t₁)에서 입력 개시 펄스를 수용한다. 디코더(354)의 조정 입력(362, 364)은 입력(362)에서의 양극 전류 사이클의 횟수와 입력(364)에서의 음극 전류 사이클의 횟수의 비를 설정한다. 이들 두 입력을 조정함으로써, 양극 전류 사이클(300), 2개의 음극 전류 사이클(320)의 비는 용접 공정중의 열을 제어하도록 선택된다. 열을 변화시키기 위해, 입력(362, 364)에서의 데이터를 변화시키는 것에 의해 상기 비를 조작한다.

본 발명의 이러한 태양의 바람직한 실시예는 용접 공정중 양극 전류 사이클(300)과 음극 전류 사이클(320) 간의 비율 선택을 포함하고 있지만, 각각의 사이클(302)이 표준 음극 극성 사이클에서 시작하여 사이클 중의 선정된 지점에서 양극 극성 사이클로 이동되어지는 다른 선택적인 제어 개념을 고려할 수 있다. 본 발명의 이러한 태양이 도 10에 도시되어 있는데, 여기에서 전류 사이클(400)은 음극 극성 사이클로서 시작되며, 핀치 전류 영역(402)에 후속하여 표준 플라즈마 부스트 전류 영역(404)이 자리한다. 본 발명의 이 태양에 따르면, 급속히 생성된 전류 펄스의 극성은 플라즈마 부스트 영역(404)의 종결부(410)를 지나서 변환된다. 지연 시간(TD)이 지난 후에 x 지점에서 변환된다. 따라서, 테일아웃 영역(420)은 x 지점에서의 순간적인 극성 변환에 의해 음극 영역(422)과 양극 영역(424)으로 나뉜다. 그 후, 전류 사이클은 사이클의 말단(430)에 이르기까지 양극 극성을 갖는다. 플립플롭(350) 회로는 논리 상태를 변환시켜서 도 11의 실렉터(S')에 도시된 바와 같이 테일링 엣지(tailing edge) 검출기(454)의 다음 출력을 기다린다. 플라즈마 부스트 영역의 말단에서 검출기(454)는 입력(452)에서의 테일링 엣지를 읽고 시간 지연(456)을 시작하며, 시간 지연은 입력(460)측에 수동 조절된 시간을 갖는다. 이 방법에서, 용접 퍼들의 온도는 용접 사이클(400)의 극성을 역전시키기 위해 시간 지연의 선택에 의해 결정된다. 용접 작업중의 열을 제어하기 위해 STT 용접기로부터 전류 펄스를 양극 극성과 음극 극성 간을 교대하기 위해 다른 변형이 가능하다.

본 발명의 태양들은 바람직한 실시예와 선택적인 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위 내에서 다른 변형이 가능함이 분명하다.

이상과 같은 본 발명의 구성에 따르면, 파이프 섹션들을 강하고 견고하게 용접할 수 있다.

본 발명의 다른 태양의 구성에 따르면, 상기 용접 전류 회로의 제2 회로는 아크 상태의 적어도 초기 과정 중에 고에너지 부스트 작용을 제공함으로써, 와이어가 용접 풀에서 이격되어 있을 때 소모성 와이어의 단부에서 비교적 일정 용적의 금속을 용융시키는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 태양의 구성에 따르면, 용접 비드의 용착 중에 파이프 섹션들의 단부가 불필요하게 용융되는 것을 방지 및/또는 용접 작업 중에 용접 비드를 고온 상태로 유지하여 용융 금속이 파이프 섹션들의 단부 사이에 형성된 틈새를 통과하여 파이프 섹션들의 내부로 들어가는 것을 방지한다.

본 발명의 다른 태양의 구성에 따르면, 용접 전류 회로에는 백그라운드 전류를 생성하는 회로가 포함됨으로써, 백그라운드 전류가 용접 작업 중에 아크가 우발적으로 소멸되지 않도록 하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 태양의 구성에 따르면, 용접 작업 중에 극성 사이를 이동하기 위한 제어기가 용접기에 포함되므로, 원하는 용접 퍼들 열을 얻을 수 있다.

더 링컨 일렉트릭 컴파니(The Lincoln Electric Company)의 STT 용접기를 사용하거나, 코어 전극이 구비된 상기 용접기를 사용하여 STT 단락 용접 작업을 수행함으로써, 가스가 없는 용접 작업을 할 수 있다. 이는 멀리 떨어져 있는 세계 각지역에서 파이프 용접을 할 수 있도록 해준다.

본 발명에 따르면, 두 금속판 사이에 양질의 용접 비드를 형성하는 단락 아크 용접 시스템 및 방법, 두 금속판을 함께 용접하는 중에 원하는 전류 프로파일을 정확히 추적할 수 있는 단락 아크 용접 시스템 및 방법, 두 파이프 섹션의 단부의 홈을 따라 양질의 루트 비드를 형성하는 단락 아크 용접 시스템 및 방법, 용융 금속이 두 파이프 섹션 사이에 형성된 홈을 통과하여 파이프의 내부로 들어가지 않도록 하면서 상기 홈에 용접 비드를 형성하도록 제어된 양의 에너지를 전극에 가하는 단락 아크 용접 시스템 및 방법, 외부 실드 가스 없이 용접 비드를 형성하는 시스템 및 방법, 용접되는 파이프의 조성과 실질적으로 유사한 조성의 용접 비드를 형성하는 상기한 것과 같은 장치 및 방법, 용접 작업 중에 용접 전류의 극성을 변화시키는 것을 포함하는 단락 용접 장치 및 방법, 한 사이클 중에 또는 한 사이클로부터 다른 사이클까지 양극의 전극 전류 대 음극의 전극 전류의 비를 조정함으로써 용접 퍼들의 열을 제어하는 장치 및 방법 등이 제공된다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
전진하는 용접 와이어를 용융시키고, 용융된 와이어를 홈 속에 용착시켜서 이격된 두 단부를 접합시킴으로써, 두 금속 플레이트 사이의 홈에서 두 금속 플레이트의 이격된 단부를 전기 아크 용접하는 장치에 있어서,

단락 전이 영역과 플라즈마 아크 용융 영역으로 된 용접 사이클을 구성하는 일련의 전류 펄스를 발생시키는 스위칭 전원과,

상기 사이클 내에서, 와이어가 양극인 제1 극성과 와이어가 음극인 제2 극성 사이에서 상기 펄스의 극성을 선택하는 실렉터 수단

을 포함하며,

상기 사이클 내에서, 상기 전류 펄스는 각각 상기 두 개의 금속 플레이트에 대해서 상기 전진하는 와이어의 전기적 극성을 갖는 것인 용접 장치.
제67항에 있어서, 상기 실렉터 수단은 용접 사이클의 초기에, 상기 제1 극성과 상기 제2 극성 사이에서 극성을 전환시키는 것을 포함하는 것인 용접 장치.
제68항에 있어서, 상기 실렉터 수단은 제1 횟수의 연속된 용접 사이클 동안에 제1 또는 제2 극성 중 하나를 선택하는 제1 조건과, 제2 횟수의 연속된 사이클 동안에 상기 극성 중 다른 하나를 선택하는 제2 조건을 갖는 디코더와, 용접 작업 동안에 상기 제1 및 제2 조건 사이에서 교대시키는 수단을 포함하는 것인 용접 장치.
제69항에 있어서, 상기 제1 횟수는 상기 제2 횟수와 상이한 것인 용접 장치.
제70항에 있어서, 상기 사이클은 각각 원하는 아크 전류를 가지며, 상기 전류 펄스의 폭을 제어하기 위해, 실제 아크 전류를 검출하기 위한 분류기와, 상기 원하는 아크 전류와 실제 아크 전류를 비교하기 위한 에러 증폭기를 포함하는 용접 장치.
제71항에 있어서, 10 kHz보다 큰 주파수에서 상기 전류 펄스를 발생시키는 펄스 폭 변조기를 포함하는 것인 용접 장치.
제72항에 있어서, 상기 전원은 정류기를 구동하는 출력 변압기를 갖는 인버터인 것인 용접 장치.
제73항에 있어서, 상기 전원은 상기 제1 극성을 생성하는 제1 부분과 상기 제2 극성을 생성하는 제2 부분을 갖는 중앙 탭 인덕터와, 상기 와이어와 상기 플레이트 사이에서 상기 인덕터의 제1 부분을 연결시키기 위한 제1 스위치와, 상기 와이어와 상기 플레이트 사이에서 상기 인덕터의 제2 부분을 연결시키기 위한 제2 스위치를 포함하는 것이며, 상기 실렉터 수단은 용접 사이클 동안에 상기 제1 스위치 또는 제2 스위치 중 하나를 폐쇄하기 위한 수단을 포함하는 것인 용접 장치.
제74항에 있어서, 상기 폐쇄는 용접 사이클의 초기에 발생하는 것인 용접 장치.
제68항에 있어서, 상기 전원은 정류기를 구동하는 출력 변압기를 갖는 인버터인 것인 용접 장치.
제76항에 있어서, 상기 전원은 상기 제1 극성을 생성하는 제1 부분과 상기 제2 극성을 생성하는 제2 부분을 가지는 중앙 탭 인덕터와, 상기 와이어와 상기 플레이트 사이에서 상기 인덕터의 제1 부분을 연결시키기 위한 제1 스위치와, 상기 와이어와 상기 플레이트 사이에서 상기 인덕터의 제2 부분을 연결시키기 위한 제2 스위치를 포함하는 것이며, 상기 실렉터 수단은 용접 사이클 동안에 상기 제1 스위치 또는 제2 스위치 중 하나를 폐쇄하기 위한 수단을 포함하는 것인 용접 장치.
제67항에 있어서, 상기 전원은 정류기를 구동하는 출력 변압기를 갖는 인버터인 것인 용접 장치.
제78항에 있어서, 상기 전원은 상기 제1 극성을 생성하는 제1 부분과 상기 제2 극성을 생성하는 제2 부분을 가지는 중앙 탭 인덕터와, 상기 와이어와 상기 플레이트 사이에서 상기 인덕터의 제1 부분을 연결시키기 위한 제1 스위치와, 상기 와이어와 상기 플레이트 사이에서 상기 인덕터의 제2 부분을 연결시키기 위한 제2 스위치를 포함하는 것이며, 상기 실렉터 수단은 용접 사이클 동안에 상기 제1 스위치 또는 제2 스위치 중 하나를 폐쇄하기 위한 수단을 포함하는 것인 용접 장치.
제67항에 있어서, 상기 전원은 상기 제1 극성을 생성하는 제1 부분과 상기 제2 극성을 생성하는 제2 부분을 가지는 중앙 탭 인덕터와, 상기 와이어와 상기 플레이트 사이에서 상기 인덕터의 제1 부분을 연결시키기 위한 제1 스위치와, 상기 와이어와 상기 플레이트 사이에서 상기 인덕터의 제2 부분을 연결시키기 위한 제2 스위치를 포함하는 것이며, 상기 실렉터 수단은 용접 사이클 동안에 상기 제1 스위치 또는 제2 스위치 중 하나를 폐쇄하기 위한 수단을 포함하는 것인 용접 장치.
제77항, 제79항 및 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폐쇄는 용접 사이클의 초기에 발생하는 것인 용접 장치.
제67항에 있어서, 상기 실렉터 수단은 제1 횟수의 연속된 용접 사이클 동안에 제1 또는 제2 극성 중 하나를 선택하는 제1 조건과, 제2 횟수의 연속된 사이클 동안에 상기 극성 중 다른 하나를 선택하는 제2 조건을 갖는 디코더와, 용접 작업 동안에 상기 제1 및 제2 조건 사이에서 교대시키는 수단을 포함하는 것인 용접 장치.
제82항에 있어서, 상기 제1 횟수는 상기 제2 횟수와 상이한 것인 용접 장치.
제75항, 제82항 및 제83항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어는 코어 금속 전극인 것인 용접 장치.
제67항에 있어서, 상기 사이클은 각각 원하는 아크 전류를 가지며, 상기 전류 펄스의 폭을 제어하기 위해, 실제 아크 전류를 검출하기 위한 분류기와, 상기 원하는 아크 전류와 실제 아크 전류를 비교하기 위한 에러 증폭기를 포함하는 것인 용접 장치.
제79항, 제80항, 제82항 및 제85항 중 어느 한 항에 있어서, 10 kHz보다 큰 주파수에서 상기 전류 펄스를 발생시키는 펄스 폭 변조기를 포함하는 것인 용접 장치.
전진하는 용접 와이어를 용융시키고 홈에 상기 용융된 와이어를 용착시켜 이격된 두 단부를 접합시킴으로써 두 금속 플레이트 사이의 홈에서 두 금속 플레이트의 이격된 단부를 전기 아크 용접하는 방법에 있어서,

(a) 단락 전이 영역과 플라즈마 아크 용융 영역으로 된 용접 사이클을 구성하는 일련의 전류 펄스를 발생시키는 단계와,

(b) 상기 사이클에서, 와이어가 양극인 제1 극성과 와이어가 음극인 제2 극성 사이에서 상기 펄스의 극성을 선택하는 단계

를 포함하며,

상기 사이클 내에서, 상기 전류 펄스는 각각 상기 두 개의 금속 플레이트에 대해서 상기 전진하는 와이어의 전기적 극성을 갖는 것인 용접 방법.
제87항에 있어서, (c) 용접 사이클의 초기에 상기 제1 극성 및 제2 극성 사이에서 극성을 전환시키는 단계를 더 포함하는 용접 방법.
제87항에 있어서, (c) 제1 횟수의 연속된 용접 사이클 동안에 제1 또는 제2 극성 중 하나를 선택하는 제1 조건과, 제2 횟수의 연속된 사이클 동안에 상기 극성 중 다른 하나를 선택하는 제2 조건을 선택하는 단계와,

(d) 용접 작업 동안에 상기 제1 조건과 제2 조건 사이에서 교대시키는 단계

를 더 포함하는 용접 방법.
제89항에 있어서, 상기 제1 횟수는 상기 제2 횟수와 상이한 것인 용접 방법.
제88항에 있어서, 상기 사이클은 각각 원하는 아크 전류를 가지며, 상기 전류 펄스의 폭을 제어하기 위해, 실제 아크 전류를 검출하는 단계와, 상기 원하는 아크 전류와 실제 아크 전류를 비교하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제91항에 있어서, 10 kHz보다 큰 주파수에서 상기 전류 펄스를 발생시키는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제87항에 있어서, 10 kHz보다 큰 주파수에서 상기 전류 펄스를 발생시키는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제87항에 있어서, 상기 전류 펄스는 전원에 의해 발생되며, 상기 전원은 정류기를 구동하는 출력 변압기를 갖는 인버터인 것인 용접 방법.
제87항에 있어서, 상기 전류 펄스는 전원에 의해 발생되며, 상기 전원은 상기 제1 극성을 생성하는 제1 부분과 상기 제2 극성을 생성하는 제2 부분을 구비하는 중앙 탭 인덕터를 포함하며,

(c) 제1 스위치를 폐쇄함으로써 상기 와이어를 가로지르는 상기 인덕터의 상기 제1 부분과 상기 플레이트를 연결시키는 단계와,

(d) 제2 스위치를 폐쇄함으로써 상기 와이어를 가로지르는 상기 인덕터의 상기 제2 부분과 상기 플레이트를 연결시키는 단계와,

(e) 용접 사이클에서 선택된 위치에서 상기 제1 스위치 또는 상기 제2 스위치 중 어느 하나를 폐쇄하는 단계

를 포함하는 용접 방법.
제95항에 있어서, 상기 선택된 위치는 상기 용접 사이클의 초기인 것인 용접 방법.
제87항, 제91항 및 제93항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어는 코어 금속 전극인 것인 용접 방법.
전진하는 용접 와이어를 용융시키고, 용융된 와이어를 홈 속에 용착시켜 이격된 단부를 접합시킴으로써, 두 금속 플레이트 사이의 홈에서 두 금속 플레이트의 이격된 두 단부를 전기 아크 용접하는 장치에 있어서,

단락 전이 영역과 플라즈마 아크 용융 영역으로 된 용접 사이클을 구성하는 일련의 전류 펄스를 발생시키는 스위칭 전원과,

상기 와이어가 양극인 제1 극성과 상기 와이어가 음극인 제2 극성 사이에서 상기 사이클 내에서 상기 펄스의 극성을 선택하며, 용접 사이클 내에서 선택된 지점에서 상기 제1 극성과 상기 제2 극성 사이에서 극성을 전환하는 것을 포함하는 것인 실렉터 수단

을 포함하며,

상기 사이클 내에서, 상기 전류 펄스는 각각 상기 두 금속 플레이트에 대해서 상기 전진하는 와이어의 전기적 극성을 갖는 것인 용접 장치.
제98항에 있어서, 상기 선택된 지점은 상기 플라즈마 아크 용융 영역 중의 지점인 것인 용접 장치.
제98항에 있어서, 상기 선택된 지점은 상기 용접 사이클의 초기의 지점인 것인 용접 장치.
전진하는 와이어를 용융시키고, 용융된 와이어를 홈 속에 용착시켜서 두 금속 플레이트 사이의 틈새를 폐쇄하는 용융 풀을 형성함으로써, 틈새를 형성하는 두 플레이트 사이의 홈에서 두 금속 플레이트의 이격된 두 단부를 아크 용접시키는 방법에 있어서,

금속 전극을 제공하는 단계와,

상기 전극이 상기 홈을 따라서 이동될 때 상기 전극을 상기 홈을 향해 이동시키는 단계와,

용접 사이클을 구성하는 일련의 전류 펄스를 포함하는 전기파에 의해 상기 전극을 용융시키는 단계와,

상기 용접 사이클 내에서, 상기 홈 내에서 상기 용접 풀의 온도를 제어하기 위해서, 상기 전극이 양극인 제1 극성과 상기 전극이 음극인 제2 극성 사이에서 상기 펄스의 극성을 선택하는 단계

를 포함하며,

상기 사이클 내에서, 상기 전류 펄스는 각각 상기 두 금속 플레이트에 대해서 상기 전진하는 와이어의 전기적 극성을 갖는 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 전극의 용융 속도를 제어하기 위해서, 상기 용접 사이클 내에서 상기 제1 극성과 상기 제2 극성 사이에서 상기 펄스의 극성을 선택하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제101항에 있어서, 1 이상의 용접 사이클 동안에 상기 제1 극성 및 상기 제2 극성 사이에서 극성을 교대시키는 단계를 포함하는 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 금속 전극은 자체 실드형 전극인 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 금속 전극은 코어 내에 합금 성분을 포함하는 코어 전극인 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 금속 플레이트의 외주면 둘레에 상기 전극을 이동시키는 용접 캐리지를 제공하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제106항에 있어서, 상기 파이프 섹션 둘레에서 상기 캐리지가 이동할 때 상기 용접 캐리지의 속도가 변화되는 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 전기파는 백그라운드 전류를 포함하며, 상기 백그라운드 전류는 높은 인덕턴스 성분을 가지며, 각각의 용접 사이클 전체를 통하여 아크를 유지시키기 위해 요구되는 수준 바로 위의 낮은 수준을 가지는 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 두 금속 플레이트는 두 개의 파이프 섹션인 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 전기파는 전이 부분과 제어 용융 부분을 포함하며, 상기 용융 부분은 각각의 용접 사이클 동안에 상기 전극의 일정한 체적을 용융시키기 위한 미리 선택된 I(t) 영역을 가지는 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 전극을 용융시키는 단계는 1 이상의 용융 사이클 동안에 전극에 미리 선택된 양의 에너지를 가하는 단계와, 전극 상의 용융 금속이 상기 홈과 단락 조건을 이루기 전에 전극으로 흐르는 전류를 감소시키는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 전기파는 용융 금속이 상기 틈새를 통과하지 않도록 하기 위해 상기 전극에 가해지는 에너지를 제한하는 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 용접 사이클의 초기에 상기 제1 극성과 제2 극성 사이에서 극성을 전환시키는 단계를 더 포함하는 용접 방법.
제101항에 있어서, 제1 횟수의 연속된 용접 사이클 동안에 제1 또는 제2 극성 중 하나를 선택하고, 제2 횟수의 연속된 사이클 동안에 상기 극성 중 다른 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는 용접 방법.
제114항에 있어서, 상기 제1 횟수는 상기 제2 횟수와 상이한 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 사이클은 각각 원하는 아크 전류를 가지며,

상기 전류 펄스의 폭을 제어하기 위해서, 실제 아크 전류를 검출하는 단계와, 상기 실제 아크 전류를 상기 원하는 아크 전류와 비교하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 전류 펄스는 전원에 의해 발생되며, 상기 전원은 교류를 발생시키는 것인 용접 방법.
제101항에 있어서, 상기 전류 펄스는 전원에 의해 발생되며, 상기 전원은 STT 전원인 것인 용접 방법.
삭제
전진하는 와이어를 용융시키고, 홈 속에 용융 와이어를 용착시켜 두 금속 플레이트 사이의 틈새를 폐쇄하는 용융 풀을 형성하게 함으로써, 홈에서 두 금속 플레이트의 이격된 두 단부를 전기 아크 용접하는 장치에 있어서,

상기 홈을 향해 제어 가능하게 이동되도록 위치되어 있는 전극과,

상기 전극에 전류를 공급하며 용접 사이클을 이루는 일련의 전류 펄스를 발생시키는 용접 회로와,

상기 홈 속의 상기 용융 풀의 온도를 제어하기 위해서, 상기 용접 사이클에서, 상기 전극이 양극인 제1 극성과 상기 전극이 음극인 제2 극성 사이에서 상기 펄스의 극성을 선택하는 극성 실렉터

를 포함하며,

상기 사이클 내에서, 상기 전류 펄스는 각각 상기 두 금속 플레이트에 대해서 상기 전진하는 와이어의 전기적 극성을 갖는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 극성 실렉터는 상기 전극의 용융 속도를 제어하기 위해서, 상기 용접 사이클에서, 상기 제1 극성과 제2 극성 사이에서 상기 펄스의 극성을 조절하는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 실렉터는 1 이상의 용접 사이클 동안에 상기 제1 극성과 제2 극성 사이에서 극성을 교대시키는 것인 용접 장치.
제122항에 있어서, 상기 극성은 한 극성에서 상기 전극과 용융 풀에 가해진 에너지의 누적량 및 다른 극성에서 상기 전극과 용융 풀에 가해진 에너지의 누적량의 함수인 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 금속 전극은 자체 실드형 전극인 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 전극은 코어 내에 합금 성분을 포함하는 코어 전극인 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 용접 회로는 각각의 용접 사이클 동안에 상기 전극의 일정한 체적을 용융시키기 위해서 상기 전극에 미리 선택된 양의 에너지를 인가하는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 용접 회로는 상기 용융 금속이 상기 틈새를 통과하지 않도록 하기 위해서, 상기 전극에 인가되는 에너지의 양을 제한하는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 용접 회로는 상기 전극 상의 상기 용융 금속이 상기 홈과 단락 조건을 형성하기에 앞서 상기 전극에 가해지는 전류의 양을 감소시키는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 용접 회로는 단락 조건의 후반에 고전류 펄스를 인가하고 상기 단락 조건의 예견되는 종료 시점 바로 직전까지 상기 펄스를 가하는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 용접 캐리지는 상기 파이프 섹션 둘레에서 연속적으로 이동하며, 상기 용접 캐리지의 속도는 가변적인 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 전극은 상기 금속 플레이트의 외주면 둘레에서 상기 홈을 따라 이동되는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 두 금속 플레이트는 두 개의 파이프 섹션인 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 실렉터는 용접 사이클의 초기에 상기 제1 극성과 제2 극성 사이에서 극성을 전환하는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 실렉터는 제1 횟수의 연속된 용접 사이클 동안에 제1 또는 제2 극성 중 하나를 선택하는 제1 조건과, 제2 횟수의 연속된 사이클 동안에 다른 극성을 선택하는 제2 조건을 가지는 디코더와, 용접 작동 동안에 제1 및 제2 조건 사이에서 교대시키는 수단을 포함하는 것인 용접 장치.
제134항에 있어서, 상기 제1 횟수는 상기 제2 횟수와 상이한 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 용접 사이클은 각각 원하는 아크 전류를 가지며, 상기 전류 펄스의 폭을 제어하기 위해서, 실제 아크 전류를 검출하는 분류기와, 상기 원하는 아크 전류와 상기 실제 아크 전류를 비교하기 위한 에러 증폭기를 포함하는 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 용접 회로는 교류를 발생시키는 것인 용접 장치.
제120항에 있어서, 상기 용접 회로는 STT 전원의 일부를 형성하는 것인 용접 장치.
삭제