KR100493125B1 - 단락 아크 용접기 및 그 제어 방법 - Google Patents

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KR100493125B1 KR10-2002-0003603A KR20020003603A KR100493125B1 KR 100493125 B1 KR100493125 B1 KR 100493125B1 KR 20020003603 A KR20020003603 A KR 20020003603A KR 100493125 B1 KR100493125 B1 KR 100493125B1
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Abstract

본 발명의 전기 아크 용접기는 제1 파형으로 단락 상태를 제어하고 뒤이어 제2 파형으로 아크 상태를 제어하는 단락 공정을 수행하도록 작동된다. 이 용접기는 상기 단락 상태가 종료될 때 아크 신호를 발생시키는 비교기와, 이 아크 신호의 발생에 응답하여 용접기를 제1 파형에 의한 제어로부터 제2 파형에 의한 제어로 전환시키는 제어기를 포함한다.

Description

단락 아크 용접기 및 그 제어 방법{SHORT CIRCUIT ARC WELDER AND METHOD OF CONTROLLING SAME}
본 발명은 아크 용접 분야에 관한 것이며, 구체적으로는 단락 전기 아크 용접을 수행하기 위한 신규 제어기를 구비한 전기 아크 용접기에 관한 것이다.
파이프 용접에 특히 유용한 타입의 전기 아크 용접 분야에서, 용접 퍼들(weld puddle) 온도 및 유동성은 STT(Surface Tension Transfer) 용접으로 알려진 단락 아크 용접 방법을 사용하여 제어된다. 이 기술은 링컨 일렉트릭 컴파니에 의해 개발되어 특허가 허여되었으며, Parks의 미국 특허 제4,866,247호와, Stava의 미국 특허 제5,148,001호와, 그리고 Stava의 미국 특허 제6,051,810호를 포함한 몇몇 특허에 개시되어 있다. 이 3개의 특허는 본 발명에서 바람직하게 이용하는 STT 용접 기술을 교시한다. 이 기술은 잘 공지되어 있으므로, 이들 특허를 참고 문헌으로 인용하는 것으로 본 발명의 실시를 이해하기 위한 일반적인 배경 지식을 제공한다. STT 단락 용접의 실시에 있어서, 파형 발생기는 일련의 전류 펄스를 발생시킴으로써 용접 공정에 사용되는 정확한 파형을 만드는데, 상기 전류 펄스의 폭은 용접 공정에 있어서 사이클의 특정 부분에서 흐르는 전류를 결정한다. 이러한 타입의 전기 아크 용접뿐만 아니라 그 밖의 단락 공정의 실시에 있어서, 링컨 일렉트릭 컴파니에 의해 시판되는 파워 웨이브(Power Wave) 전기 아크 용접기를 사용하는 것이 일반적이다. 이와 같이 인버터식 용접기는 Blankenship의 미국 특허 제5,278,390호에 개시되어 있다. 이 특허도 또한 본 발명을 실시하는 데 사용되는 일반적인 타입의 용접기를 개시하기 위하여 참고 문헌으로 인용된다.
전기 아크 용접은 스프레이 용접, 구상(球狀) 용접 및 단락 용접 등과 같은 다양한 방법으로 수행된다. 채용되는 방법과는 무관하게, 인버터에 의해 3상 선전류가 소정의 전압 또는 전류로 변환된다. 전기 아크 용접용 인버터식 전원 장치는 디지털식 제어부를 구비하여 필요한 출력 전류 또는 전압을 아크 용접 공정에서 생성한다. 파이프 용접에서, 펄스 용접 또는 단락 용접은 인접한 공작물의 에지 사이의 개방 간극을 메우는 제1 용접 비드["루트 패스(root pass)"로 알려짐]용으로 바람직하다. 최선의 결과를 얻기 위해, 단락 전기 아크 용접 절차는 특허가 허여된 STT 기술을 이용하여 실시된다. 이 기술에서, 전원 장치는 정확한 전류 파형을 출력한다. 단락된 금속이 나뉘어져 새로운 아크를 발생시키기 직전에 전류를 급감시킴으로써 스패터(spatter)의 발생이 감소된다. 그 후, 전류의 파형은 용접봉의 단부를 용융시키는 플라즈마 부스트(plasma boost)를 일으키고, 다음 단락을 대기한다. 플라즈마 부스트 펄스(plasma boost pulse)의 피크 전류는 설정된 배경 전류에 도달할 때까지 전류 테일아웃(current tailout) 형태로 점차 강하한다. 그 후, 배경 전류는 용융 금속구가 공작물에 대해 단락되어 다음 사이클을 일으킬 때까지 유지된다. 이러한 STT 전기 아크 용접 공정에서, 전류의 파형은 일련의 전류 펄스에 의해 정확하게 제어되고, 이들 전류 펄스의 폭은 소정 시간의 파형에 있어서 전류의 크기를 결정한다. 이러한 기술을 사용함으로써, 전류의 파형으로 퍼들 온도 및/또는 유동성의 제어를 행할 수 있다. 이러한 능력은 파이프 용접의 개방 루트 패스 등과 같은 간극 용접 용례에서 필요한 것이다. 만약, 퍼들이 너무 차갑다면, 금속 용융의 부족이 야기될 수 있다. 연역적으로, 퍼들이 지나치게 뜨거운 경우, 용접 금속의 루트를 향한 역흡인(suck back)에 의해 내부 후면 비드의 열화가 야기될 수 있다. 이전에는, STT 단락 용접이 전류 제어식 공정으로서 실시되었다. 작업자가 아크 및/또는 퍼들 내의 열을 변화시키고자 하는 경우, 반드시 기계를 셋팅하여 전류를 조정하여야 한다.
본 발명에 따르면, 단지 용접봉의 위치를 변화시키는 것에 의해 열이 제어되는 STT 모드로 작동 가능한 전기 아크 용접기가 제공된다. 단락 용접 공정 중 아크 상태인 동안에 확장 길이가 증가함에 따라 열이 감소하고, 그 역의 경우도 성립한다. 본 발명은 단락 용접 공정 중 아크 부분 또는 아크 상태인 동안에 전압 파형을 발생시키는 제어기에 관한 것이다. 따라서, 전원 장치는 전류 모드 및 전압 모드 모두로 작동 가능하며, 전류 제어는 용접 사이클의 단락 부분에 사용되는 것이 가장 바람직하고, 반면에 전압 제어는 플라즈마 부분에 사용되는 것이 가장 바람직하다. 따라서, 전원 장치의 전류 모드는 STT 용접기가 용접 사이클의 단락 상태를 실행하는 것과 동일한 파형 제어를 사용한다. 용접봉의 단부 상의 용융 금속구가 공작물에 대해 단락될 때, 제어된 핀치 전류의 파형이 실행된다. dv/dt, dr/dt 또는 dp/dt 탐지기는 임박한 금속과 용접봉의 파단 또는 분리를 측정한다. 이 때, 전원 스위치가 개방되어, 전류의 흐름이 용접봉의 분리 전에 순각적으로 감소된다. 이러한 동작은 스패터를 최소화시킨다. 단락이 파단되면, 즉시 아크 상태 또는 플라즈마 상태가 형성된다. 전원 장치의 전자 부품은 아크 전압의 상승으로서 용접봉의 파단을 감지한다. 전원 장치는 전압 제어 상태로 전환된다. 전압 파형이 발생되어 피크 전압이 제공되는데, 이 피크 전압은 소정 전압의 파워 부스터 펄스를 발생시키는 데 사용된다. 이러한 전압 모드에서, 전류는 전압 파형의 바람직한 고정 피크 전압으로 인해 변화하게 된다. 만약, 전압 제어 회로가 정확하고 확장 길이가 거의 일정하게 유지된다면, 용접 전류는 거의 일정하게 된다. 용접 공정의 전압 제어 부분은 예정된 테일아웃과 설정된 배경 전압을 갖는데, 이 배경 전압으로 전압이 변환되어 다음 단락을 대기한다. 단락 용접 공정 중 아크 상태인 동안 전압을 제어하는 것에 의해, 용접 퍼들 온도 및 유동성이 정확하게 제어될 수 있으며, 이로써 용접 공정이 최적화되고 전원 장치의 전압 범위 내에서 작동된다. 이와 같이 단락 상태인 동안에 전류 파형을 사용하고 아크 상태인 동안에 전압 파형을 사용하는 신규한 기술이 임의의 단락 전기 아크 용접 공정에 적용될 수 있다. 본 발명은 단지 단락 용접 공정 중 아크 상태인 동안에 제어된 전압 파형을 사용하는 것을 포함한다. 용접 공정 중 단락 상태는 표준 기술에 따라 제어될 수도 있고, STT 기술에서 사용되는 정확한 전류 파형에 의해 제어될 수도 있다. 본 발명의 기본적인 양태는 단락 상태에 대해 전류를 이용하면서, 용접 공정 중 아크 또는 플라즈마 상태에 대해 정확한 전압 파형을 제공하는 것이다.
본 발명의 양태에 따르면, 제1 파형으로 단락 공정을 제어하고 뒤이어 제2 파형으로 아크 상태를 제어하는 단락 공정을 수행하도록 작동되는 전기 아크 용접기가 제공된다. 용접기는 단락 상태가 종료될 때 아크 신호를 발생시키는 비교기(comparator)를 포함한다. 그 후, 제어기는 용접기를 제1 파형에 의한 제어에서 제2 파형에 의한 제어로 전환시킨다. 아크 신호의 발생에 응답하여, 제2 파형은 정확한 전압 파형이 되는데, 상기 제1 파형은 다소 통상적인 전류 파형이다. 본 발명의 넓은 양태에 있어서, 제1 파형은 전류 제어 파형이고 제2 파형은 전압 제어 파형이다. 물론, 제2 파형은 때때로 와트수 제어 파형 또는 주울 제어 파형이다. 이들 복합적인 파리미터는 모두 아크 전압의 함수이다. 물론, 상기 파형은 본 발명의 전압 파형 또는 전류 파형을 형성하는 일련의 전류 펄스로서 발생한다.
본 발명의 다른 양태는 단락 공정을 수행하도록 작동되는 전기 아크 용접기용 제어기를 제공하는 것인데, 상기 단락 공정은 단락 상태와 뒤이은 아크 상태를 포함하는 것이다. 상기 제어기는 단락 상태인 동안에 제1 전류 제어 모드를 행하고, 아크 상태인 동안에는 상기 전류 제어 모드와 다른 제2 전류 제어 모드를 행한다. 바람직하게는, 상기 제2 제어 모드는 정확한 파형으로 맞추어진 전압이다. 이는 정확한 파형으로 와트수를 제어함으로써, 그리고 정확한 파형으로 주울을 제어함으로써 실행되어 왔다. 파형은 용접 공정에서 18kHz를 초과하는, 바람직하게는 실질적으로 20kHz 이상의 주파수로 발생되는 일련의 전류 펄스에 의해 발생된다. 실제로, 이들 펄스는 펄스 폭 변조기에 의해 발생되는데, 이 펄스 폭 변조기는 폐루프 피드백에서 파형 발생기로부터 출력된 바람직한 프로파일에 따라 전류 또는 전압을 제어하는 데에 사용된다.
본 발명의 또 다른 양태는 단락 공정을 수행하도록 작동되는 전기 아크 용접기의 제어 방법을 제공하는 것인데, 상기 단락 공정은 단락 상태와 뒤이은 아크 상태를 포함하는 것이다. 이 방법은 단락 상태인 동안에 제1 전류 제어 모드를 이용하고, 아크 상태인 동안에는 상기 전류 제어 모드와는 다른 제2 제어 모드를 이용하는 것을 포함한다. 실제로, 이 방법은 제2 제어 모드를 전압 모드로서 실시하는 동작을 포함하는데, 상기 전압 모드는 아크 상태인 동안에 정확한 파형을 따른다. 이는 전술한 장점을 제공한다. 상기 전원 장치는 아크 저항과는 무관한 그 전압 범위에서 작동된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 아크 상태인 동안에 전원 장치의 전류 제어를 강제하는 디지털 오버라이드 스위치(digital override switch)가 제공된다. 상기 오버라이드는 전압 제어에 의해 용융 금속구가 형성된 후 발생한다.
본 발명의 주 목적은 아크 상태가 전압의 함수인 파형에 의해 정확하게 제어되는, 전기 아크 용접기와, 이 용접기용 제어기와, 그리고 단락 용접 방법을 제공하는 것이다. 이와 같이 정확한 제어 파형은 전압, 와트수(전압 ×전류) 또는 주울(전압 ×전류를 적분한 것)일 수 있다. 이와 같이, 단락 용접 공정에 있어서 아크 상태를 전압 함수로 제어하면, 전원 장치의 전압 범위에서 수행되는 용접 과정 및 작업 중에 용접 퍼들의 정밀한 열제어가 가능해진다.
본 발명의 다른 목적은, 단일 전원 장치에 의해 실행될 수 있고 표준 단락 용접 및/또는 STT 단락 용접용으로 사용될 수 있는, 앞서 정의된 바와 같은 용접기, 제어기 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 단락 상태인 동안에는 전류 제어의 장점을 이용하고 아크 상태인 동안에는 전압 제어의 장점을 이용하는, 앞서 정의된 바와 같은 용접기, 제어기 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적 및 장점은 첨부 도면을 참조로 한 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다.
이제, 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것을 목적으로 하는 도면을 참조하면, 도 1은 단락 상태(10), 아크 상태(12), 테일아웃(tail-out)(14) 및 배경(16)을 포함하는 단락 용접 공정용 STT 타입 파형(A)을 도시한다. 상기 파형은 용접 전체에 걸친 전류 프로파일로서, 18kHz를 초과하는 주파수로 발생된 복수 개의 전류 펄스(20)에 의해 형성된다. 전류 펄스의 폭은 도 1에 예시된 바와 같은 파형의 크기 또는 높이를 제어한다. 단락 용접은 아크 또는 플라즈마 상태와, 용접봉의 단부 상의 용융 금속구가 공작물에 접촉할 때 개시되는 단락 상태와의 사이의 변동을 포함한다. 이러한 경우는 시간(30)에서 일어난다. 그 후, 금속은 표면 장력의 작용에 의해 용접봉으로부터 공작물로 이동된다. 이러한 작용은 핀치 펄스(pinch pulse)(32)에 의해 가속되는데, 이 핀치 펄스는 전류 급상승 섹션(32a), 제2 경사를 제공하는 브레이크 점(break point)(32b) 및 예고점(32c)을 가지고 있는 프로파일을 갖는 전류를 제어하는 데 사용된다. 이후에 설명되는 바와 같이, dv/dt, dr/dt 또는 dp/dt 회로는 용융 금속의 표면 장력 이동이 발생하는 때를 감지한다. 이 때, 단면이 급속히 감소하므로 전압이 상승한다. 이 경우, 용융된 용접봉의 선단이 공작물로부터 분리되리라 예견된다. 스패터를 감소시키기 위해, 파형은 실제적인 금속의 분리 이전에 전류 하강 섹션(32d)을 포함한다. STT 기술에서, 전류 핀치 펄스(32)는 도 1에 도시된 핀치 펄스(32)의 형상으로 제어된다. 그 후, 전류가 급상승하여 플라즈마 부스트 펄스(40)를 발생시키기 이전에, 시간(tx)으로 표시된 약간의 지연(34)이 존재한다. STT 기술에서, 상기 전류의 급상승은 고정된 피크 전류를 향한다. 본 발명에서, 제어기는 전류 제어(단락 상태인 동안)와 전압 제어[아크 상태(12)인 동안] 사이에서 전원 장치를 전환시킨다. 그 결과, 플라즈마 부스트 펄스(boost pulse)(40)의 전류는 전압 함수의 피크(42)를 향해 상승된다. 바람직한 실시예에서, 피크(42)는 일정하게 유지되는 피크 전압이다. 일반적으로, 이와 같이 일정한 전압은 도 1에 도시된 바와 같이 거의 일정한 전류를 발생시킨다. 바람직한 양의 에너지가 전달되어 용융 금속구를 생성한 후, 전원 장치의 전압은 시정수(CT)가 K인 시정수 곡선 또는 테일아웃(14)을 따라 변화한다. 이 곡선 또는 테일아웃은 배경 전압 레벨(16)로 천이된다. 본 발명에서, 아크 상태(12)인 동안에 실행되는 파형은 피크 전압(Vp)과 배경 전압(VBK)을 갖는 전압 파형이다. 배경 전류 말기에 시간(30)에서 새로운 단락이 존재하여 전압을 하강시키고 전원 장치를 핀치 펄스(32)용 전류 제어로 전환시킨다. 따라서, 본 발명은 단락 상태(10)인 동안에는 전류 제어를 사용하고, 아크 상태(12)인 동안에는 전압 제어를 사용한다. 각 경우, 이들 제어는 예정된 파형을 따름으로써 원하는 특성을 생성한다. 따라서, 아크 상태(12)는 전압의 함수이다. 바람직한 실시예에서, 전압의 함수는 아크 양단간 전압(voltage across arc)이다. 후술되겠지만, 단락 상태인 동안에 표준 폐루프 제어가 수행되어, 바람직하게 미리 크기가 정해지고 미리 선택된 파형을 단락 상태(10) 동안에 발생시킨다. 동일한 개념, 즉 단락 상태인 동안에는 전류 제어를 이용하고 아크 상태(12')인 동안에는 전압 함수를 이용하는 것이, 도 2에 예시된 본 발명의 제2 실시예에서 사용된다. 파형(A')은 단락 상태(10')와 아크 상태(12')를 포함한다. 아크 상태(12') 동안에 폐루프 제어에 사용되는 전압 함수는 와트수이다. 플라즈마 부스트 펄스(40') 및 배경(16')은 각각 피크 와트수(WP) 및 배경 와트수(WBK)이다. 때로는, 전압 함수는 주울이며, 그 결과 주울의 폐루프 피드백이 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 파형을 생성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 타입인 펄스 폭 변조, 인버터식 전원 창치를 이용하면, 도 3에 개략적으로 예시되어 있는 전류 및 전압 곡선을 얻는다. 용융 금속구가 공작물에 대해 단락되어 전압의 하강이 일어나는 시간(102)에서 전류 곡선(100)이 하강한다. 여기에서 전압은 기준 전압(VR) 미만의 레벨에 이르기까지 강하되어, 전원 장치를 전압 제어에서 전류 제어로 전환시킨다. 전류 제어는 용접 사이클 중 단락 부분을 실행한다. 전류는 시간(104)까지 단기간 동안 억제된다. 그 후, 전원 장치의 전류 제어가 해제되고 전류의 급상승이 허용되어, 브레이크 점(110a) 및 예고점(110b)을 갖는 핀치 펄스(110)를 발생시킨다. 전술한 바와 같이, 전원 장치의 전류 제어는 부분(110c)에 표시된 바와 같이 전류를 하강시킨다. 따라서, 시간(ta) 동안 유지되는 낮은 전류(106)에서 금속의 분리가 일어난다. 이 기간 동안, 전류 모드의 작동은 전압의 상승을 허용하여 전류 펄스(120)를 발생시키는데, 상기 전류는 사전에 설계된 전압 제어 파형에 의해 지시된다. 전류 펄스(120)는 급경사의 선행 구간(122)을 가지며, 이 구간 동안에 전압은 바람직한 레벨에 있는 반면에, 전류는 상부 피크 전류(124)를 향해 상승한다. 상기 전류의 레벨은 전원 장치의 전압 제어 중에 사용되는 설정 피크 전압에 의해 생긴다. 그 후, 전류 펄스(120)는 완만한 곡선(126)을 따라 아크 상태의 배경 부분으로 천이된다. 펄스(120)는 도 3의 하부에 있는 전압 곡선의 우측에 도시된 바람직한 전압 파형에 의해 지시되는 형상을 갖는 전류 펄스이다. 전류 제어는 펄스(110)를 형성하고, 전압 제어는 펄스(120)를 형성한다. 지점(152)에서, 전압 제어는 단락을 경험하고, 전압 제어에서 전류 제어로 전환된다. 그 후, 시간(104)까지 낮은 전류가 유지된다. 그 후, 전류 펄스(110)가 바람직한 전류 파형에 의해 발생된다. 이러한 제어는 곡선(160)에 뒤이어 오는 전압의 변동을 지시한다. 전원 장치는 바람직한 형상의 핀치 펄스(110)를 유지시킨다. 전압은 바람직한 전류로 인해 부분(160a)을 따라 즉시 상승한다. 브레이크 점(110a)에서, 전압은 곡선(160b)을 따라 부분(160c)으로 천이되며, 상기 부분(160c)에서 전압은 예고 신호에 응답하여 하강한다. 이는 아직 전류 제어 모드에 있는 것이다. 단락된 용접봉은 시간(170)에서 분리되고, 그 결과 전압이 기준 전압(VR) 이상의 레벨에 이르기까지 상승되어, 전원 장치는 전압 제어 파형 레벨(172)로 전환되는데, 이 때 아크가 낮은 전류(106)에서 재형성되면 아크 전압이 얻어진다. 이 다음 파형은 피크 전압(174)을 포함한다. 피크 전압에 도달하는 데에는 시간(Tb)이 걸린다. 시간(Ta)과 시간(Tb)의 합은 시간(Tx)이 걸리는 전술한 지연(34)과 같다. 전압 파형을 처리하여 용접봉을 녹인 후, 전압은 부분(176)을 따라 배경 전압(178)으로 천이되는데, 이 배경 전압에서 전압은 다음 단락을 대기하는 상태로 유지된다. 실제로, 도 3에 도시된 펄스는 초당 100 내지 300 사이클로 수행된다. 사이클 중 아크 또는 플라즈마 상태인 동안의 피크 전압 및/또는 배경 전압을 조절함으로써, 용접 퍼들의 온도 및/또는 유동성이 제어된다.
본 발명을 실시함에 있어서, 바람직한 실시예는 블록 다이어그램 및 논리 회로도(4)에 예시된 디지털 제어 체계를 채용하는데, 여기에서 용접기(200)는 STT 단락 용접 공정 등과 같은 단락 아크 용접 공정을 실행하도록 프로그램 가능한 논리 프로세서식 제어기(C)를 구비한다. 인버터(202)는 전류를 스위치(206) 및 인덕터(208)를 통해, 공작물(214)을 용접하는 데 사용되는 전진 와이어 형태의 용접봉(210)으로 유도하는 표준 정류 출력 회로(204)를 구비한다. 전압 피드백(220)은 소정 레벨의 아크 전압을 디지털 제어기(C)로 회귀하도록 유도한다. 유사한 방식으로, 분로(shunt)(222)는 순간적인 아크 전류를 피드백 라인(224)을 통해 제어기(C)로 회귀하도록 유도한다. 표준 제어 기술에 따르면, 제어기(C)의 논리 프로세서는 디지털식으로 실행되는 펄스 폭 변조기(230)를 포함하는데, 이 변조기는 선(240)으로 나타내어진 파형 제어부를 갖는 디지털화된 입력 오차 증폭기(232)를 구비한다. 펄스 폭 변조기(230)는 인버터(202)가 라인(242)의 피드백값을 기초로 하여 라인(240) 상의 파형을 따르게 한다. 표준적인 실시예에 따르면, 전류 파형 발생기(250)가 마련되어, 용접 사이클의 여러 부분 동안에 용접봉과 공작물 사이에 바람직한 프로파일의 전류 펄스를 제공한다. 본 발명에서, 전류 파형 발생기(250)는 디지털 인에이블 스위치(252)의 전도성 상태에 의해 결정되는 바에 따라 단지 소정의 시간 또는 용접 사이클의 일부분 동안 펄스 변조기(230)에 의해 사용된다. 상기 스위치가 인에이블될 때, 발생기(250)는 라인(242) 상의 피드백 레벨이 정확한 희망 전류 프로파일을 따르도록, 라인(240) 상의 논리를 제어한다. 본 발명에 따르면, 전압 파형 발생기(260)도 또한 마련된다. 발생기(260)는 디지털 인에이블 스위치(262)를 통해 입력(240)으로 유도되는 출력을 갖는다. 스위치(252) 및 스위치(262)는 반(反)동시적이다. 하나의 인에이블 스위치가 폐쇄되면, 다른 인에이블 스위치는 개방된다. 따라서, 오차 증폭기(234)는 스위치(252, 262)의 전도성 상태에 따라 전류 파형 발생기(250) 또는 전압 파형 발생기(260)로부터 발생된 파형을 수신한다. 표준 기술에 따르면, dv/dt 회로로 표시된 예고 회로(270)는, 금속의 이동이 브레이크 점에 근접했을 때 스위치(206)를 개방시키기 위해 라인(272)에 논리를 발생시킨다. 그 후, 저항기(274)가 용접 회로에 삽입되어 부분(110c)을 따라 전류를 감소시킨다. 전류 모드와 전압 모드사이의 전환을 위해, 디지털형 비교기(280)는 전압 피드백(220)에 연결된 양의 입력(282)과 기준 전압(VR)에 의해 제어되는 음의 입력(284)을 갖는다. 비교기(280)의 출력 라인(290)은 전압 몰드 디지털 스위치(292)에 연결된다. 라인(290) 상의 논리는 인버터(294)에 의해 역전되어, 전류 모드 스위치(298)를 제어하는 반대의 논리가 라인(296)에 제공된다. 작업시, 단락의 초기에 전압이 라인(222)에서 강하하면, 논리 0이 라인(290)에 나타난다. 이는 스위치(292) 및 스위치(262)를 작동되지 않게 한다. 인버터(294)는 라인(296)에 논리 1을 발생시킨다. 이는 스위치(298)를 작동시켜, 라인(224)의 전류 피드백 레벨을 오차 증폭기(234)의 입력(242)으로 유도한다. 이와 동시에, 라인(296)의 논리 1은 디지털 스위치(252)를 작동시켜, 파형 발생기(250)가 오차 증폭기의 입력(240)에 연결된다. 이러한 작업 동안에, 인버터(220)는 발생기(250)로부터의 파형(100)을 따른다. 단락의 말기에, 도 3에 도시된 바와 같이 라인(170) 상의 전압이 상승한다. 그 후, 입력(282) 상의 값은 라인(284)의 기준 전압을 초과한다. 전압 모드 스위치(292)를 폐쇄하고, 스위치(262)를 인에이블시켜 발생기(260)가 라인(240) 상의 논리를 제어하도록, 논리 1이 라인(290)에 발생된다. 이와 동시에, 스위치(252) 및 스위치(298)가 작동되지 않게 된다. 라인(220) 상의 피드백 전압 신호는 스위치(292)를 통해 입력(242)으로 유도된다. 이러한 방식으로, 인버터(202)는 전압 파형 발생기(260)의 파형(150)을 따라 작동된다. 또한, 이 발생기는 와트 파형 발생기 또는 주울 파형 발생기일 수 있다. 이들이 모두 반복 수행되어, 단락 용접 공정의 아크 상태를 조절한다. 셋업을 위해, 가감저항기(300)가 발생기(260)의 파형에서 피크 전압 또는 피크 와트수를 조정한다. 유사한 방식으로, 가감저항기(302)는 테일아웃에 대한 시정수를 제어하며, 가감저항기(304)는 발생기(260)로부터의 파형에 대한 배경 전압 또는 와트수를 제어한다. 도 4에 개시된 논리 체계는 제어기(C)의 디지털 기술에 의해 처리되며, 바람직한 전압의 함수를 따라 움직이는 파형으로 아크 상태를 거의 작동시킨다고 하는 목적을 달성하는 데 다양한 디지털 기술이 사용될 수 있다. 이전에는, 아크 상태인 동안의 파형은 단지 단락 파형의 연장이었으므로, 전압 함수에서와 같은 아크 제어의 장점을 얻을 수 없었다.
동일한 상태에서, 용융 금속구가 형성된 후, 아크 상태 중에 전류 제어로 전환하는 것이 바람직하다. 디지털 스위치는 논리 프로세서가 도 4a에 예시된 스위치(290a)에 의해 라인(290)을 개방시키는 곳에 이용된다. 상기 2극 스위치의 컨셉트는 라인(290b)을 접지부(290c)로 접지시키는 것이다. 이로써 라인(290b)이 논리 0으로 맞추어져, 이들 스위치가 전류 제어로 전환된다. 이러한 스위치의 동작은, 용융 금속구가 플라즈마 부스트 펄스에 의해 형성된 후, 논리 프로세서에 의해 선택된다.
도 5 및 도 6은 도 4의 블록 다이어그램 및 논리 회로도를 약간 수정한 것이다. 도 5에서, 전압의 함수는 와트수이며, 따라서 비교기(280)의 라인(282)의 입력은 라인(220) 상의 전압 피드백과 라인(224) 상의 전류 피드백의 프로덕트이다. 이들 값은 곱셈기(210)에 의해 통합되어, 와트수 피드백을 나타내는 값을 라인(312)에서 발생시킨다. 전류 피드백(224)은 도 4에 이미 도시된 바와 같이 스위치(298)의 입력에 사용된다. 제어기(C)에서 디지털 프로세싱을 하기 위해 도 5에 도시된 약간의 수정예를 사용함으로써, 아크 상태는 와트수 피드백에 의해 제어되는 동시에 단락 상태는 도 4에 도시된 바와 같이 전류 피드백에 의해 제어된다. 도 6에서, 라인(312)의 프로덕트는 적분기(320)에 의해 적분되어 라인(332)에 주울 피드백이 생성된다. 이는 비교기(280)의 양의 입력(282) 및 스위치(292)의 입력으로 유도되어, 아크 상태는 바람직한 주울을 정확하게 반영하는 파형에 의해 제어된다. 도 4에 개략적으로 예시된 디지털 프로세싱에 있어서 그 밖의 이러한 변화는, 전압 함수를 정확하게 나타내는 것인 파형에 의해 아크 상태의 펄스 부분이 제어되는 한 이용될 수 있다. 상기 용접 공정의 변형은 전원 장치의 전압의 범위를 넘어서지 않을 것이다.
제1 파형으로 단락 상태를 제어하고 뒤이어 제2 파형으로 아크 상태를 제어하는 단락 공정을 수행하도록 작동되는 본 발명에 따라 구성된 전기 아크 용접기를 사용하면, 전압의 함수인 파형에 의해 아크 상태가 정확하게 제어되고, 용접 공정 동안에 전원 장치의 전압 범위에서 용접 퍼들을 정확하게 열제어할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 실시하는 데 사용되는 파형을 보여주는 그래프이고,
도 2는 파형이 전압의 복합함수, 즉 와트수 또는 주울인, 도 1에 도시된 것과 유사한 그래프이며,
도 3은 본 발명을 사용하는 아크 용접 공정의 전류 곡선 및 전압 곡선을 보여주는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 기술을 설명하는 블록 다이어그램 및 논리 회로도이며,
도 4a는 선택된 위치에서 아크 상태의 말기에 사용되는 전류 오버라이드 스위치를 도시하는 부분 논리 회로도이고,
도 5는 도 4에 도시된 블록 다이그램 및 논리 회로도의 수정예의 부분적인 논리 회로도이며,
도 6은 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예의 다른 수정예의 부분적인 논리 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 10' : 단락 상태
12, 12' : 아크 상태
14 : 테일아웃
16, 16' : 배경
32, 110 : 핀치 펄스
32a : 전류 급상승 섹션
32b, 110a : 브레이크 점
32c, 110b : 예고점
32d : 전류 하강 섹션
40, 40' : 플라즈마 부스트 펄스
200 : 용접기
202 : 인버터
210 : 용접봉
222 : 분로
230 : 펄스 폭 변조기
232 : 오차 증폭기
250 : 전류 파형 발생기
260 : 전압 파형 발생기
280 : 비교기
300, 304 : 가변 저항기

Claims (48)

  1. 제1 파형으로 단락 상태를 제어하고 뒤이어 제2 파형으로 아크 상태를 제어하는 단락 공정을 수행하도록 작동되며,
    상기 용접기는 상기 단락 상태가 종료될 때 아크 신호를 발생시키는 비교기와, 이 아크 신호의 발생에 응답하여 용접기를 제1 파형에 의한 제어로부터 제2 파형에 의한 제어로 전환시키는 제어기를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 파형은 전류 제어 파형인 것인 전기 아크 용접기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 파형은 전압 제어 파형인 것인 전기 아크 용접기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 파형은 전압 제어 파형인 것인 전기 아크 용접기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제2 파형은 와트수 제어 파형인 것인 전기 아크 용접기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 파형은 와트수 제어 파형인 것인 전기 아크 용접기.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제2 파형은 주울 제어 파형인 것인 전기 아크 용접기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 파형은 주울 제어 파형인 것인 전기 아크 용접기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 단락 상태가 지시될 때 단락 신호를 발생시키는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 이 단락 신호의 발생에 응답하여 상기 용접기를 제2 파형에 의한 제어로부터 제1 파형에 의한 제어로 전환시키는 것인 전기 아크 용접기.
  10. 제7항에 있어서, 상기 단락 상태가 지시될 때 단락 신호를 발생시키는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 이 단락 신호의 발생에 응답하여 상기 용접기를 제2 파형에 의한 제어로부터 제1 파형에 의한 제어로 전환시키는 것인 전기 아크 용접기.
  11. 제6항에 있어서, 상기 단락 상태가 지시될 때 단락 신호를 발생시키는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 이 단락 신호의 발생에 응답하여 상기 용접기를 제2 파형에 의한 제어로부터 제1 파형에 의한 제어로 전환시키는 것인 전기 아크 용접기.
  12. 제5항에 있어서, 상기 단락 상태가 지시될 때 단락 신호를 발생시키는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 이 단락 신호의 발생에 응답하여 상기 용접기를 제2 파형에 의한 제어로부터 제1 파형에 의한 제어로 전환시키는 것인 전기 아크 용접기.
  13. 제4항에 있어서, 상기 단락 상태가 지시될 때 단락 신호를 발생시키는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 이 단락 신호의 발생에 응답하여 상기 용접기를 제2 파형에 의한 제어로부터 제1 파형에 의한 제어로 전환시키는 것인 전기 아크 용접기.
  14. 제3항에 있어서, 상기 단락 상태가 지시될 때 단락 신호를 발생시키는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 이 단락 신호의 발생에 응답하여 상기 용접기를 제2 파형에 의한 제어로부터 제1 파형에 의한 제어로 전환시키는 것인 전기 아크 용접기.
  15. 제2항에 있어서, 상기 단락 상태가 지시될 때 단락 신호를 발생시키는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 이 단락 신호의 발생에 응답하여 상기 용접기를 제2 파형에 의한 제어로부터 제1 파형에 의한 제어로 전환시키는 것인 전기 아크 용접기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 단락 상태가 지시될 때 단락 신호를 발생시키는 비교기를 포함하고, 상기 제어기는 이 단락 신호의 발생에 응답하여 상기 용접기를 제2 파형에 의한 제어로부터 제1 파형에 의한 제어로 전환시키는 것인 전기 아크 용접기.
  17. 제9항에 있어서, 상기 제어기는 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 발생시켜 상기 단락 공정을 수행하는 것인 전기 아크 용접기.
  18. 제2항에 있어서, 상기 제어기는 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 발생시켜 상기 단락 공정을 수행하는 것인 전기 아크 용접기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 아크 상태인 동안에 전원 장치를 강제로 전류 제어시키는 오버라이드 스위치를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  20. 제4항에 있어서, 상기 아크 상태인 동안에 전원 장치를 강제로 전류 제어시키는 오버라이드 스위치를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  21. 제3항에 있어서, 상기 아크 상태인 동안에 전원 장치를 강제로 전류 제어시키는 오버라이드 스위치를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  22. 제2항에 있어서, 상기 아크 상태인 동안에 전원 장치를 강제로 전류 제어시키는 오버라이드 스위치를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  23. 제1항에 있어서, 상기 아크 상태인 동안에 전원 장치를 강제로 전류 제어시키는 오버라이드 스위치를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  24. 제16항에 있어서, 상기 아크 상태인 동안에 전원 장치를 강제로 전류 제어시키는 오버라이드 스위치를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  25. 제14항에 있어서, 상기 아크 상태인 동안에 전원 장치를 강제로 전류 제어시키는 오버라이드 스위치를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  26. 제13항에 있어서, 상기 아크 상태인 동안에 전원 장치를 강제로 전류 제어시키는 오버라이드 스위치를 포함하는 것인 전기 아크 용접기.
  27. 단락 상태와 뒤이은 아크 상태를 포함하는 단락 공정을 수행하도록 작동되는 전기 아크 용접기용 제어기로서,
    상기 단락 상태인 동안에는 제1 전류 제어 모드를 행하고, 상기 아크 제어인 동안에는 상기 전류 제어와 다른 제2 전류 제어 모드 있는 행하는 것인 제어기.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제2 전류 제어 모드는 전압 제어 모드인 것인 제어기.
  29. 제27항에 있어서, 상기 제2 전류 제어 모드는 와트수 제어 모드인 것인 제어기.
  30. 제27항에 있어서, 상기 제2 전류 제어 모드는 주울 제어 모드인 것인 제어기.
  31. 제27항에 있어서, 상기 제어기는 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 일으켜 상기 단락 공정을 수행하는 것인 제어기.
  32. 제31항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전류 펄스를 일으켜 단락 공정 중에 제어된 파형을 형성하는 것인 제어기.
  33. 제28항에 있어서, 상기 제어기는 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 일으켜 상기 단락 공정을 수행하는 것인 제어기.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전류 펄스를 일으켜 단락 공정 중에 제어된 파형을 형성하는 것인 제어기.
  35. 제29항에 있어서, 상기 제어기는 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 일으켜 상기 단락 공정을 수행하는 것인 제어기.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전류 펄스를 일으켜 단락 공정 중에 제어된 파형을 형성하는 것인 제어기.
  37. 제30항에 있어서, 상기 제어기는 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 일으켜 상기 단락 공정을 수행하는 것인 제어기.
  38. 제37항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전류 펄스를 일으켜 단락 공정 중에 제어된 파형을 형성하는 것인 제어기.
  39. 단락 상태와 뒤이은 아크 상태를 포함하는 단락 공정을 수행하도록 작동되는 전기 아크 용접기의 제어 방법으로서,
    (a) 상기 단락 상태인 동안에 제1 전류 제어 모드를 행하는 것과,
    (b) 상기 아크 상태인 동안에 상기 전류 제어와 다른 제2 전류 제어 모드를 행하는 것으로 이루어지는 것인 제어 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 제2 제어 모드는 전압 제어 모드인 것인 제어 방법.
  41. 제39항에 있어서, 상기 제2 제어 모드는 와트수 제어 모드인 것인 제어 방법.
  42. 제39항에 있어서, 상기 제2 제어 모드는 주울 제어 모드인 것인 제어 방법.
  43. 제39항에 있어서, (c) 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 발생시켜 상기 단락 공정을 수행하는 것을 더 포함하는 것인 제어 방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 전류 펄스는 상기 단락 공정 중에 제어된 파형을 형성하는 것인 제어 방법.
  45. 제40항에 있어서, (c) 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 발생시켜 상기 단락 공정을 수행하는 것을 더 포함하는 것인 제어 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 전류 펄스는 상기 단락 공정 중에 제어된 파형을 형성하는 것인 제어 방법.
  47. 제41항에 있어서, (c) 18kHz를 초과하는 주파수로 일련의 전류 펄스를 발생시켜 상기 단락 공정을 수행하는 것을 더 포함하는 것인 제어 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 전류 펄스는 상기 단락 공정 중에 제어된 파형을 형성하는 것인 제어 방법.
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