KR100589931B1

KR100589931B1 - 전기 아크 용접 시스템

Info

Publication number: KR100589931B1
Application number: KR1020040002565A
Authority: KR
Inventors: 마이어스러셀케이; 휴스턴윌리엄에스
Original assignee: 링컨 글로벌, 인크.
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2006-06-15
Also published as: EP1439021A2; US20040140302A1; EP1439021A3; DE602004012786T2; MXPA03010088A; JP3950846B2; CA2444326C; EP1439021B1; US6847008B2; DE602004012786D1; US20070034618A1; DE602004012786T3; US20050092726A1; AU2004200158B2; ATE390978T1; JP2004223613A; BR0304757A; US7411156B2; KR20040067902A; US7148449B2

Abstract

제1 전원 장치에 의해 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 용접 경로를 따라 일체로 이동하는 전기 아크 용접 시스템으로서, 상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하는 전기 아크 용접 시스템이 제공된다. 제1 AC 파형은 양의 부분의 에너지가 음의 부분보다 실질적으로 상이하며, 및/또는 상이한 형상이나 합성 정현파 부분 중 어느 하나를 갖는다.

Description

전기 아크 용접 시스템{ELECTRIC ARC WELDING SYSTEM}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 블록도.

도 2는 본 발명을 실시에 사용되며, 스위칭 출력을 각각 포함하는 두 개의 병렬 전원의 결선도.

도 3은 파이프 심(seam)의 용접을 위해 본 발명에 따라 동작하는 세 개의 직렬 전극의 측단면도.

도 4는 미국 특허 제6,472,634호 및 제6,291,798호의 개시 사항을 이용하는 세 개의 전극에 대한 용접 시스템의 개략적 블록 배치도.

도 5는 미국 특허 제6,472,634호에 개시된 가변 펄스 생성기를 구비한 도 4의 시스템에 의해 구동되는 단일 전극을 도시한 블록도.

도 6은 예시된 두 동기 펄스 중 하나에 대한 전류도, 및 하나의 직렬 전극에 대한 평형 AC 파형을 도시하는 전류도.

도 7은 본 발명의 실시를 위해 이용되는 로직이 파형의 극성을 결정하도록 하는 신호에 첨가(superimpose)되는 전류도.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예의 개략적 측면을 도시한 전류도.

도 9 및 도 10은 본 발명의 장점을 설명하기 위해, 직렬 전극의 동시적 극성 관계 동안에 용접 퍼들의 동적 측면(dynamics)을 예시한 개략도.

도 11은 본 발명을 채용한 두 개의 인접 직렬 전극에서의 파형을 도시한 한 쌍의 전류도.

도 12는 동시적 극성 관계 영역을 갖는 인접 직렬 전극에서의 AC 파형을 도시한 한 쌍의 전류도.

도 13은 동시적 극성 관계의 시간을 제한하기 위해 AC 파형이 실질적으로 상호 상이한 인접 직렬 전극에서의 전류 파형도.

도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 인접 노드에 대하여 상이한 파형을 사용하는 시스템에 의해 동작하는 인접 전극의 두 정현파에 대한 전류도.

도 15는 본 발명의 일 측면에 따라 성형되고 동기화되는 직렬 전극의 네 개 인접 AC 아크에서의 전류 파형도.

도 16은 조정되는 스위칭 명령이 처리되고 다음으로 부합되는 신호가 생성되자마자 병렬 전원의 스위칭을 유발하는 소프트웨어 프로그램의 개략적 배치도.

본 발명은 전기 아크 용접 기술에 관한 것이며, 특히 직렬 전극(tandem electrode)을 운영하는 전기 아크 용접 시스템에 관한 것이다.

(참조에 의한 통합)

본 발명은 대규모 금속 블랭크(blank)의 심 용접(seam welding)에 사용되는 형태의 둘 이상의 직렬 전극을 구동하기 위해 대용량 교류 전원을 이용하는 전기 아크 용접 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 출력 극성 변경용 스위치를 구비한 임의의 표준 AC 전원 장치와 함께 사용할 수 있지만, 미국 특허 제6,111,216호(Stava)에 개시된 스위칭 개념을 이용한 전원 장치를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 미국 특허 제6,111,216호에서 전원 장치는 스위치의 극성 역전 전에 아크 전류가 감소하는 두 개의 대출력 극성 스위치를 구비한 인버터이다. 그러므로, "스위칭 포인트(switching point)"란 용어는 전류가 미리 선택된 값(예컨대, 100 암페어) 미만이 되기를 기다리면서 전원 장치가 일차로 턴오프(turn-off)되는 복잡한 절차를 말한다. 100 암페어의 임계값에 도달하면, 인버터의 DC 출력 링크 극성을 역전하기 위해 전원 장치의 출력 스위치가 역전된다. 따라서, "스위칭 포인트"는 전원 인버터에 대한 출력 오프 명령["소거(kill)" 명령이라고도 함]이며, 출력 극성을 역전하는 스위칭 명령이 이어진다. 소거(kill) 출력은 감소된 전류 레벨로의 출력 강하일 수 있다. 상기 절차는 연이은 각 극성 역전에서 반복되어 AC 전원 장치가 저전류에서만 극성을 역전하도록 한다. 이러한 방법으로, 출력 극성 제어 스위치용 스너빙 회로(snubbing circuit)는 크기가 감소되거나 제거된다. 이러한 스위칭 개념은 본 발명에서 이용되는 스위칭 포인트를 정의하는데 있어 바람직하기 때문에, 미국 특허 제6,111,216호(Stava)는 본 명세서상에 참고용으로 통합된다. 직렬 전극용 AC 전류의 개념은 당해 기술 분야에서 공지되어 있다. 미국 특허 제6,207,929호는 직렬 전극이 별개의 인버터형 전원 장치에 의해 전원이 각각 인가되는 시스템을 개시하고 있다. 주파수는 인접한 직렬 전극에서 교류간 간섭을 감소시키기 위해 변동된다. 사실은, 상기 미국 특허는 DC 구동 전극 및 후속 AC 전극, 또는 둘 이상의 AC 구동 전극을 구동하기 위한 단일 전원에 관한 것이다. 상기 각 경우에, 각 전극에 대하여 별개의 인버터형 전원 장치가 사용되며, AC 대용량 전원 장치에서 미국 특허 제6,111,216호(Stava)의 스위칭 포인트 개념이 채용되었다. 각 직렬 전극을 별개의 대용량 전원 장치에 의해 개별적으로 구동하기 위한 상기 시스템은 본 발명에 대한 배경 기술이 되며, 본 명세서에 배경 기술로서 통합된다. 이와 유사한 방법으로, 미국 특허 제6,291,798호는 직렬 용접 동작의 각 전극이 단일 전극 아크에 병렬로 연결된 둘 이상의 독립적 전원 장치에 의해 구동된다. 상기 시스템은 미국 특허 제6,111,216호(Stava)에 따라 동작하는 극성 역전 스위치 네트워크로 입력을 형성하는 정확히 밸런스된 둘 이상의 전원 장치를 구비한 단일 세트의 스위치를 포함한다. 각 전원 장치는 단일 명령 신호에 의해 구동되며, 따라서 극성 역전 스위치를 통해 결합되고 지향되는 동일한 전류값을 공유한다. 상기 유형의 시스템은 전극에 대한 모든 전류가 단일 세트의 스위치를 통해 전달되므로 대규모 극성 역전 스위치를 필요로 한다. 미국 특허 제6,291,798호는 단일 전극에 대한 전원 장치의 마스터/슬레이브 조합을 도시하고 있으며, 본 발명에 대한 일반적 배경 기술을 개시하고 있다. 이러한 연유로, 상기 특허도 또한 참고용으로 본 명세서에 통합된다. 스위칭 포인트 제어에 의한 직렬 전극 작동의 개선은 미국 특허 제6,472,634호(Houston)에 개시되어 있으며, 참고용으로 본 명세서에 통합된다.

파이프 용접 등의 용접 응용은 종종 대전류를 필요로 하며, 직렬 전극에 의해 생성되는 몇몇 아크를 이용한다. 이러한 용접 시스템은 두 개의 인접 직렬 전극 사이의 자기적 상호작용으로 인한 아크 교란(disturbance)에 의해 생성되는 소정의 비일관성을 갖는 경향이 있다. 인접한 AC 구동 직렬 전극에 의해 유발되는 이러한 단점을 교정하기 위한 시스템이 Stava의 미국 특허 제6,207,929호에 개시되어 있다. 상기 특허에 있어서, 각 AC 구동 전극은 자신만의 인버터 기반 전원 장치를 구비한다. 각 전원 장치의 출력 주파수는 인접 전극 사이의 간섭을 방지하기 위해 변동된다. 이러한 시스템은 각 전극에 대하여 개별적 전원 장치를 필요로 한다. 주어진 전극에 대한 전류 수요가 인버터 기반 전원 장치의 정격 전류를 초과하면, 새로운 전원 장치를 설계, 제작 및 시공(engineering)하여야 한다. 따라서, 직렬 용접 전극을 운용하기 위한 이러한 시스템은 파이프 용접에 필요한 대전류를 얻기 위해 대용량 또는 대정격 전원 장치를 필요로 한다. 직렬 운용 전극용으로 정격 전류가 큰 특수한 전원 장치의 필요성을 감소시키기 위해, 본 출원인은 Stava의 미국 특허 제6,207,929호에 개시된 시스템을 개발하였으며, 상기 시스템은 병렬로 연결된 둘 이상의 인버터 전원 장치로 각 AC 전극을 구동한다. 이들 병렬 전원 장치는 출력 전류가 극성 스위칭 네트워크의 입력측에서 결합된다. 따라서, 주어진 전극에 대하여 보다 큰 전류가 요구됨에 따라, 둘 이상의 병렬 전원 장치가 사용된다. 상기 시스템에서, 각 전원 장치는 일체로 동작하며, 출력 전류를 동등하게 분담한다. 따라서, 용접 조건의 변화에 의해 요구되는 전류는 단일 장치의 과전류 정격만으로도 제공될 수 있다. 전류 평형 시스템은 몇몇 소형 전원 장치의 조합을 허용하여 왔다. 그러나, 이러한 전원 장치는 극성 반전 스위칭 네트워크의 입력측에서 병렬로 연결되어야 했다. 이에 따라, 각 전극에 대하여 대형 스위치가 요구되었다. 결과적 으로, 이러한 시스템은 파이프 용접에서 사용되는 유형의 직렬 용접 동작에 있어서 각 전극에 대하여 특수한 전원 장치가 요구되는 단점을 극복하였다. 그러나, 스위치가 상당히 대형이어야 하며, 단일 전류 명령 신호로부터 구동됨에 의하여 입력, 병렬로 된 전원 장치가 정확히 매칭되어야 한다. Stava의 미국 특허 제6,291,798호는 각 직렬 전극으로 향하는 각 용접 셀 전류에 대하여 동기 신호의 개념을 이용하고 있다. 이러한 유형의 시스템은 용접 셀들(cell)을 상호 접속하는 이더넷(ethernet) 네트워크에서 동작하도록 이용할 수 있다. 이더넷 상호접속에서, 타이밍을 정확히 제어할 수 없다. 상기 시스템에서, 주어진 전극에 대한 스위치 타이밍은 시간 기준으로 이동되며, 특정 시간에 대하여 정확히 식별될 필요는 없다. 따라서, 상기 시스템은 전류의 평형이 요구되고, 단일 스위치 네트워크가 이더넷 네트워크 또는 인터넷, 그리고 이더넷 제어 시스템을 이용할 때 직렬 아크 용접 동작용 대용량 전류를 얻는 방법이 되었다. 인터넷 링크를 구비하거나 또는 구비하지 않고 이더넷 네트워크에 의해 용접을 제어하고자 하는 바램이 존재한다. 타이밍 한계로 인하여, 이들 시스템은 일반적 동기 기법만을 이용하는 유형의 직렬 전극 시스템을 이용할 것을 규정하고 있다.

이러한 시스템은 네트워크에 의해 제어될 수 있으나, 각 병렬 전원 장치의 파라미터는 변동이 불가능하였다. 각 셀은 동기 신호에 의해 서로 오프셋(offset)되는 것만이 가능하였다. 이러한 시스템은 인터넷 및/또는 랜(LAN) 제어에 의한 중앙 제어에는 적합하지 않은데, 이는 셀 간의 오프셋만을 제공하는 정교한 네트워크가 유용하지 않았기 때문이다. Houston의 미국 특허 제6,472,634호는 각 전극에 대한 단일 AC 아크 용접 셀의 개념을 개시하고 있으며, 셀 자체는 자신만의 스위칭 네트워크를 각각 구비하는 하나 이상의 병렬 전원 장치를 포함한다. 상기 스위칭 네트워크의 출력은 전극을 구동하도록 결합된다. 이는 시스템에서 병렬로 연결된 개별 전원 장치의 극성 반전을 위해 상대적으로 소형 스위치를 이용할 수 있게 한다. 또한, 상대적으로 소형의 전원 장치는 병렬화되어, 직렬 용접 동작에서 사용되는 각 전극에 대한 대전류 입력을 구성한다. 극성 스위치 네트워크의 이후에 병렬화된 몇몇 독립 제어 전원 장치를 사용하여 단일 전극을 구동하는 것은 인터넷 또는 이더넷 등의 네트워크를 유용하게 이용할 수 있도록 한다.

Houston의 미국 특허 제6,472,634호에서, 각 시스템의 소형 전원 장치들은 병렬로 연결되어 단일 전극에 전원을 공급한다. 각 병렬 전원 장치의 스위칭 포인트를 고정밀 인터페이스로 조정함으로써, AC 출력 전류는 극성 스위치에 앞서 결합하지 않고 병렬 전원 장치의 전류 합이 된다. 이러한 개념을 이용함으로써, 이더넷 네트워크(인터넷 링크를 구비하거나 구비하지 않음)는 용접 시스템의 각 병렬 전원 장치의 용접 파라미터를 제어할 수 있다. 스위칭 포인트의 타이밍은 새로운 인터페이스에 의해 정밀하게 제어되며, 상기 새로운 인터페이스는 각 전원 장치에 대한 컨트롤러로 향하는 용접 파라미터가 정확한 시간 기준을 구비하지 않은 이더넷 네트워크에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 인터넷 링크는 단일 전극을 구동하기 위해 파라미터를 용접 시스템의 개별 전원 장치 컨트롤러로 향하도록 하는데 사용될 수 있다. 각 전원 장치에 대하여 코딩된 이들 용접 파라미터의 시간 기준 정확도는 요구되지 않는다. 바람직한 구현에 있어서, 스위칭 포인트는 최소 임계값(예컨대, 100 암페어) 미만으로의 전압 강하 검출을 대기하는 "킬(kill)" 명령이다. 각 전원 장치가 스위치 명령을 가지면, 이들은 스위칭을 수행한다. 병렬 전원 장치 사이의 스위칭 포인트는 즉각적이거나 대기 지연이 있는 "kill" 명령을 포함하는 시퀀스이거나, 10 us 미만의 정확도를 갖는 인터페이스 카드에 의해 정밀하게 조정되며, 상기 정확도는 1 us 내지 5 us의 범위인 것이 바람직하다. 이러한 타이밍 정확도는 병렬 전원 장치의 스위칭 동작을 조정하고 매칭시킨다.

인터넷 또는 이더넷 랜을 이용함으로써, 각 전원 장치에 대한 용접 파라미터 세트(set)는 병렬 전원 장치용 컨트롤러가 고정밀 디지털 인터페이스 카드로 상호 접속된 보다 덜 정밀한 정보 네트워크 상에서 입수 가능하다. 따라서, 시스템의 개별적인 병렬 전원 장치의 스위칭이 조화된다. 이는 용접 시스템의 인터넷 및 랜 제어를 이용할 수 있도록 하는 장점이 된다. 상기 정보 네트워크는 직렬 용접 동작을 하는 몇몇 전극에 연결된 몇몇 아크 용접 시스템을 선택된 위상 관계로 개시하기 위한 동기 신호를 포함한다. 전극의 각 용접 시스템은 개별 스위칭 포인트가 정밀하게 제어되며, 이들 시스템은 다른 전극들 간의 자기 간섭을 방지하기 위해 이동되거나 지연된다. 이는 동일한 정보 네트워크를 이용하여 몇몇 AC 전극을 구동할 수 있도록 한다. Houston의 미국 특허 제6,472,634호의 시스템은 병렬 전원 장치가 AC 전류로 주어진 전극에 전원을 공급하는데 특히 유용하다. 스위칭 포인트는 정밀한 인터페이스에 의해 조정되며, 각 병렬 전원 장치에 대한 용접 파라미터는 일반 정보 네트워크에 의해 제공된다. 이러한 배경 기술은 본 출원인에 의해 개발되고 특허를 득한 기술이며, 본 명세서 상에서 배경 기술로 인용되었다고 하여 반드시 종래 기술을 구성하는 것은 아니다.

Stava의 미국 특허 제6,207,929호의 시스템의 특징으로서, 둘 이상의 전원 장치가 단일 전극을 구동할 수 있다. 따라서, 상기 시스템은 제2 전원 장치용 제1 컨트롤러를 포함하며, 상기 제1 컨트롤러는 상기 제1 전원 장치로 하여금 전극과 공작물 사이에 AC 전류를 생성하도록 하며, 이러한 AC 전류의 생성은 제1 컨트롤러에 의해 수신된 주어진 시스템 동기 신호에 대하여 일반적 시간 관계(general timed relationship)에서 극성 반전 스위칭 포인트를 구비한 스위치 신호를 생성함으로써 이루어진다. 제1 컨트롤러는 자신에게 보내지는 제1 전원 장치 특정 파라미터 세트에 응답하여 제1 용접 파라미터에서 작동된다. 슬레이브(slave) 전원 장치를 작동시켜서 상기와 동일한 전극 및 공작물 사이에 AC 전류를 생성하기 위한 하나 이상의 슬레이브 컨트롤러가 존재하며, 이러한 슬레이브 전원 장치의 작동은 상기 AC 전류의 극성을 스위칭 포인트에서 반전함으로써 수행된다. 슬레이브 컨트롤러는 자신에 대한 전원 장치 특정 파라미터 신호의 제2 세트에 응답하여 제2 용접 파라미터에서 동작한다. 제1 컨트롤러 및 제2 컨트롤러(또는 슬레이브 컨트롤러)에 접속된 정보 네트워크는 상기 두 제어기에 대한 디지털 제1 및 제2 전원 장치 특정 파라미터 신호와, 시스템 특정 동기 신호를 포함한다. 따라서, 제어기들은 정보 네트워크로부터 상기 파라미터 신호와 상기 동기 신호를 수신하며, 이러한 정보 네트워크는 이더넷 네트워크(인터넷을 구비하거나 그렇지 않음) 또는 단지 랜일 수 있다. 본 발명은 제1 컨트롤러 및 슬레이브 컨트롤러를 접속하여, 제1 또는 마스터 컨트롤러로부터의 스위치 신호에 의해 제2 또는 슬레이브 전원 장치의 스위칭 포인트를 제어하는 디지털 인터페이스를 포함한다. 실제적으로, 제1 제어기는 스위칭 포인트에서 전류 반전을 개시한다. 이러한 이벤트는 높은 정확도로 슬레이브 컨트롤러에 전송되어 슬레이브 컨트롤러의 전류 반전 프로세스를 개시하도록 한다. 각 컨트롤러가 주어진 수량보다 작은 아크 전류를 감지하면, "준비 신호(ready signal)"가 생성된다. 모든 병렬 전원 장치로부터 "준비" 신호가 있은 후에, 모든 전원 장치가 극성을 반전한다. 이러한 극성 반전은 25 us마다 스트로브(strobe) 또는 주시(look) 명령을 수신하면 이루어진다. 따라서, 스위칭은 일체적이며, 25 us 미만의 지연을 갖는다. 그러므로, 양 컨트롤러 모두는 단일 전극으로 가는 AC 전류의 스위칭 포인트를 제어하는 데이터를 상호접속하고 있다. 이러한 제어기들은 정보 네트워크로부터 파라미터 정보 및 동기 신호를 수신하며, 상기 정보 네트워크는 실제적으로 인터넷 및 이더넷 또는 이더넷 랜의 조합을 포함한다. 디지털 인터페이스의 타이밍 정확도는 10 us 미만이며, 일반적으로 1 us 내지 5 us의 범위에 있는 것이 바람직하다. 따라서, 단일 전극을 구동하는 상기 두 컨트롤러에 대한 스위칭 포인트는 5 us 미만 내에서 명령된다. 이어서, 스위칭은 실질적으로 25 us 내에서 발생한다. 이와 동시에, 탠덤 용접 동작에서 단일 전극에 대한 AC 전류를 구동하는 상기 두 제어기에 접속된 정보 네트워크로부터 상대적으로 덜 민감한 정보가 수신된다. 25 us의 최대 지연은 변경이 가능하나, 스위치 명령 정확도 미만이다.

Houston의 미국 특허 제6,472,634호에 개시된 고유한 제어 시스템은, 파이프 심 용접에 주로 사용되고 Stava의 미국 특허 제6,291,798호에 개시된 직렬 전극용 전원 장치 제어를 위해 사용되는 것이다. 상기 Stava의 특허는 압연 파이프(rolled pipe)의 에지(edge)들 또는 두 인접 파이프 부분의 단부(end)들 사이의 공간에서 연속적인 용접 비드(beads)를 배치하기 위해 용접 경로를 따라 이동 가능한 일련의 직렬 전극에 관한 것이다. 상기 고유한 기술에서 사용되는 개별 AC 파형은 18kHz 이상의 주파수로 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 생성되며, 각 전류 펄스의 크기는 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어된다. 이러한 기술은 Blankenship의 미국 특허 제5,278,390호까지 시간적으로 거슬러 올라간다. 두 개의 인접한 직렬 전극의 AC 전류에 있어서 파형의 성형은 알려져 있으며, 전술한 특허에서만 개시되어 있는 것은 아니고 Stava의 미국 특허 제6,207,929호에도 개시되어 있다. 상기 Stava의 특허에서, 인접한 직렬 전극의 AC 전류 주파수는 자기 간섭을 방지하기 위해 조정된다. 링컨 일렉트릭 컴퍼니(Lincoln Electric Company, 미국 오하이오주 클리블랜드 소재)에게 특허 허여된 이들 기술 모두는 이들 특허에 개시된 파형 기술에 의해 생성되는 개별 AC 파형으로 각각 작동되는 직렬 전극의 작동에 있어서의 진전이다. 이들 특허는 참고용으로 본 명세서 상에 통합된다. 그러나, 이들 특허는 AC 전류를 각각 이용하는 인접한 전극에 의한 직렬 용접에서 사용하기 위해 이러한 파형 기술을 이용하는 것에 관한 것인 본 발명을 개시하고 있지는 않다. 이 기술은 보통의 트랜스포머 기술로서, 용접 퍼들(puddle)의 동적 측면(dynamics)을 제어하는데 곤란함을 경험하였다. 따라서, 인접 직렬 전극에 대한 전기 아크 용접 시스템이 용접 동작 동안에 용융된 용접 퍼들의 동적 측면 및 물리적 측면(physics)을 제어하도록 특별히 설계될 필요성이 존재한다. 이러한 이점은 자기 간섭 감소를 위해 주파수를 변경하는 것만으로는 획득할 수 없다.

본 발명은 Blankenship의 미국 특허 5,278,390호에 개시되고, Stava의 미국 특허 제6,207,929호, Stava의 미국 특허 제6,291,798호, 및 Houston의 미국 특허 제6,472,634호를 포함한 일부 특허에 의해 직렬 전극 용접 시스템용으로 사용되는 파형 기술의 개선에 관한 것이다. 매우 발달된 파형 기술에 대한 이러한 개선은 용접 동작 동안에 용접 퍼들이 정지(quiescent) 상태에 있게 하는 방법으로 인접한 직렬 전극에 의해 생성되는 AC 파형을 제어하는 것이다. 이러한 목적은 인접한 직렬 전극의 AC 전류 사이의 관계를 제어하는 시스템을 이용하여, 용입(penetration) 및 퇴적(deposition)의 차이를 획득하면서 동시적 극성 관계(유사 극성 및 반대 극성)의 시간을 제한함으로써 달성된다. 두 개의 인접한 직렬 전극의 파형에 유사 극성이 존재하는 시간 동안에는 용융된 금속 용접 풀(pool)이 물리적으로 붕괴되며, 반면에 인접한 직렬 전극이 반대 극성인 동안에는 용접 풀이 반발된다는 것을 발견하였다. 인접한 AC 펄스들이 동시적 극성 관계로 긴 시간(20 ms 초과)을 갖는다면, 용접 풀에 있는 용융 금속의 붕괴 또는 반발 작용은 용접 프로세스에 대하여 파괴적인 것이다. 후속하여 응고되는 결과적 용접 비드가 균일하지 않게 된다. 인접 전극에 대하여 AC 전류를 사용함에 있어서, 본 발명은 어느 한 특정 극성 관계의 장기간 일치가 존재하지 않는 것을 보장한다. 이것은 본 발명의 한 측면이다. 본 발명의 또 다른 측면은 인접한 각 직렬 전극에서 하나 또는 양쪽 극성에서 정현파(sinusoidal)인 AC 용접 동작의 파형을 형성하는 것이다. 과거에, 정현파는 링컨 일렉트릭이 소유한 전술한 특허에 개시된 바와 같이, 트랜스포머에 의해 생성되었으며 파형 기술 유형의 용접 시스템에서 사용되지 않았다. 따라서, 본 발명의 또 다른 측면은, 용접기의 표준 컨트롤러에 합체되거나 용접기용 컨트롤러에 사용되는 표준 기성(off the shelf) 펄스폭 변조 칩으로서 얻어지는 펄스폭 변조기 및 파 성형기를 이용한 파형 기술에 의해 AC 용접 동작의 파형을 생성하는 것이다. 결과적으로, 본 발명은 링컨 파형 기술에 의해 동작하는 인접한 직렬 전극에서 특정의 AC 파형을 생성하고 선택함으로써 용접 퍼들의 동적 측면을 제어하는 것과, 양의 극성 또는 음의 극성, 및/또는 양쪽 극성 모두에서 정현파 구성을 갖는 파형의 구현에 관한 것이다. 본 발명의 이러한 두 측면은 고유한 것이며, 용융 금속의 교란(agitation) 없이 AC 용접을 형성하는 파형으로 직렬 전극의 동작을 가능케 하며, AC 파형의 장점을 획득할 수 있게 한다.

본 발명에 따르면, 상기 제1 전극 및 제2 전극이 일체로 이동하면서 제1 전원 장치에 의해 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템이 제공된다. 직렬 전극은 특정 형상으로 생성된 파형을 갖는 AC 전류에 의해 각각 구동된다. 파형의 생성은 18 kHz 이상의 주파수로 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 파형을 생성하는 고속 스위칭 인버터를 포함하는 전원 장치에 의하며, 상기 각 전류 펄스의 크기는 파 성형기에 의해 제어되고 상기 파형의 극성은 로직 신호에 의해 제어된다. 각 전원 장치는 각종 선행 특허에 개시된 일반적인 형태이며, 전극간 파형이 파 성형기에 의해 제어된다. 극성간 스위칭은 Houston의 미국 특허 제6,472,634호에 개시된 바와 같이 로직 신호 등의 신호에 의해 제어된다. 이러한 유형의 전원 장치는 파 성형기 에 의해 결정되는 형태의 파형을 생성하며, 상기 파 성형기는 때로는 파형 생성기(waveform generator)라고도 불린다. 본 발명은 AC 전류에 의해 각각 구동되는 직렬 전극에 대하여 이러한 유형의 전원 장치를 사용하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 제1 AC 파형은 양의 부분이 음의 부분보다 실질적으로 적은 에너지를 가지며, 제2 AC 파형으로부터 위상 이동된 것이다. 따라서, 파형의 양의 부분에 의해 유발되는 용입은 파형의 음의 부분에 의해 유발되는 퇴적과는 다른 에너지를 채용한다. 인접 직렬 전극의 AC 파형이 대응하여 장기간의 극성 일치(용접 동작 동안에 동일 극성 및 반대 극성이 장시간 일어남)를 유발하지 않도록 파형이 이동(shift)된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 신속 생성되는 일련의 전류 펄스를 이용한 파 성형기에 의해 생성되는 정현파 형상을 포함한다. 정현파 전류는 파형의 양의 부분 동안에 존재하거나, 파형의 음의 부분 동안에 존재하거나, 또는 파형의 양쪽 부분 모두 동안에 존재할 수 있다. 지금까지는, 파 성형기로부터의 파형에 의해 형성되는 유형의 AC 전류에 의해 각각 구동되는 직렬 전극 동작이 정현파 형상을 생성하지도 않았으며, 또한 동시적 극성 관계의 시간을 제한한 바도 없다. 이들 장점은 본 발명에 의하여 얻어지는 것들이다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 하나 이상의 AC 파형의 음의 부분은 양의 부분 보다 에너지가 실질적으로 적다. 이러한 방법으로, 파형은 용접 동작 중의 파형에 의한 퇴적에 비하여 용입이 증가하도록 맞춰진다. 에너지 차이는 파형의 양의 부분 또는 음의 부분 중 어느 하나의 최대 크기를 증가시키거나, 양의 부분과 비교 할 때 음의 부분의 시간을 조정함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 생성된 파형에서 음 극성 및 양 극성의 에너지 제어는 그 반대 부분에 대한 크기 또는 시간에 의한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 파 성형기에 의해 생성되는 제1 AC 파형은 양의 부분이 음의 부분에 비하여 실질적으로 다른 길이를 갖는다. 이러한 절차는 파 성형기(또는 파형 생성기)에 의해 파형이 생성되는 AC 전류에 의해 각각 동작하는 인접한 직렬 전극에 의한 이용에 있어 용입 및 퇴적 간의 트레이드-오프를 수행한다.

본 발명의 또 다른 측면은 전술한 측면으로 정의된, 동일 극성 및 반대 극성으로 정의되는 동시적 극성 관계가 20 ms 미만인 전기 아크 용접 시스템을 제공하는 것이다. 바람직하게는, 이들 주기가 두 파형중 임의의 한 파형의 길이 보다 작다. 바람직하게는, 상기 동시적 관계가 생성 파형의 시간의 절반보다 작다.

본 발명을 이용함으로써, 용접 퍼들이 제어되며, 그리고(또는) 인접 직렬 전극에 대한 AC 전류가 정현파 부분으로 생성될 수 있다. 이는 본 발명의 주요한 목적이다.

본 발명의 또 다른 주요 목적은 인접 직렬 전극에서 두 개의 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서, 특정 극성 관계의 동시성이 존재하는 시간을 제한하는 용접 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 생성된 정현파 파형을 양극이나 음극, 또는 양극 및 음극 모두에서 이용하는 전술한 용접 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 용접 퍼들의 동적 측면을 제어하여 퍼들의 교반(agitation)을 방지하고 균일한 용접 비드를 얻는 전술한 용접 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 생성 파형의 정현파 프로파일 및 용접 퍼들 제어의 장점을 얻으면서 파형 기술을 이용하는 전술한 용접 시스템을 제공하는 것이다.

이들 및 기타 목적 및 장점은 첨부된 도면과 다음의 설명으로부터 명백할 것이다.

지금부터 도면을 참고하여 설명하도록 하며, 도면에 도시된 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 목적이지 이를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명을 구현하는 시스템은 도 1, 도 2 및 도 16에 상세하게 도시되어 있다. 도 1에는 용접대(WS; weld station)에서 교류 아크를 생성하기 위한 단일 셀 형태의 단일 전기 아크 용접 시스템(S)이 도시되어 있다. 상기 시스템 또는 셀은 파이프 심 결합 또는 기타 용접 동작에서 공작물(W) 및 전극(E)과 직렬로 된 출력 리드(lead)(10, 12)를 구비한 제1 마스터 용접기(first master welder)(A)를 포함한다. 홀 효과(Hall effect) 전류 변환기(14)는 라인(16)에, 용접기(A)의 전류에 비례하는 전압을 공급한다. 용접 파라미터와 같이 시간에 덜 민감한 데이터(less time critical data)가 원격 중앙 컨트롤(18)에서 생성된다. 이와 유사한 방법으로, 슬레이브 후속 용접기(slave following welder)(B)는 용접대(WS)에 추가의 AC 전류를 보내기 위해, 리드(10, 12)에 병렬로 접속된 리드(20, 22)를 포함하고 있다. 홀 효과 전류 변환기(24)는 라인(26)에, 용접 동안의 용접기(B) 전류 레벨을 나타내는 전압을 생성한다. 하나의 슬레이브 또는 후속 용접기가 도시되어 있으나, 전극(E)과 공작물(W) 양단에 교류를 발생하도록 임의 개수의 추가 용접기가 마스터 용접기(A)에 접속될 수 있다. AC 전류는 극성 전환 네트워크 이전에서가 아니라 용접대에서 결합되고 있다. 각 용접기는 제어기 및 인버터 기반 전원 장치를 포함하며, 복합 마스터 제어기 및 전원 장치(30), 그리고 슬레이브 제어기 및 전원 장치(32)로 도시되어 있다. 컨트롤러(30, 32)는 상대적으로 저(低) 레벨의 로직 네트워크로부터 파라미터 데이터 및 동기 데이터를 수신한다. 파라미터 정보 또는 파라미터 데이터는 전원 장치에 전류 및/또는 와이어(wire) 공급 속도 등의 원하는 파라미터를 제공하도록 전원 장치에 특정된 것이다. 저 레벨 디지털 네트워크는 파라미터를 제공할 수 있다. 그러나, 극성 반전(polarity reversal)용 AC 전류는 동시에 발생한다. 여기서, "동시"란 10 us 미만의 시간차를 나타내며, 일반적으로 1 us 내지 5 us의 범위에 있는 것이 바람직하다. 전원 장치(30, 32)로부터 출력되는 AC 출력을 정밀하게 조정하기 위해, 스위칭 포인트 및 극성 정보는 타이밍이 덜 정밀한 범용 로직 네트워크(general logic network)로부터 제공될 수 없다. 각 AC 전원 장치는 "게이트웨이(gateway)"라 불리는 고속 고정밀 DC 로직 인터페이스에 의해 조정된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전원 장치(30, 32)는 양방향 리드(42m, 42s)에 의해 지시되는 필요 동작 파라미터를 각각 제공받는다. 이러한 시간 영향이 없는(non-time sensitive) 정보는 도 1에 도시된 디지털 네트워크에 의해 제공된다. 마스터 전원 장치(30)는 제어기로 하여금 AC 출력 전류의 동작을 타이밍하도록, 단방향 라인(40)으로 표시된 동기 신호를 수신한다. 전원 장치(30)의 AC 전류 극성은 라인(46)에 표시된 바와 같이 출력된다. 마스터 전원 장치(30)의 AC 전류에 대한 실제 스위칭 명령은 라인(44)에 출력된다. 스위치 명령은 전원 장치(S)(인버터 형태임)에게 "소거(kill)"할 것을 지시하며, 이는 전류의 급격한 감소를 의미한다. 대안으로서, 상기 스위치 명령은 실제로, 극성을 반전하도록 하는 스위치 신호가 된다. 라인(44) 상의 "스위칭 포인트" 또는 명령은 "소거(kill)", 및 미국 특허 제6,111,216호에 개시된 "스위칭 포인트"를 이용한 전류 반전 명령인 것이 바람직하다. 따라서, 타이밍되는 스위칭 포인트 또는 명령은 전원 장치(30)로부터 라인(44)에 의해 출력된다. 이들 스위칭 포인트 또는 명령은 전원 장치 "소거(kill)"와, 이에 후속하여 저 전류의 스위치 대기(ready) 신호 또는 단지 전류 반전 포인트를 포함할 수 있다. 스위치 "대기"는 어느 인버터도 설정 전류 미만이 될 때까지 실제로 반전하지 않아서 "소거" 개념이 도입될 때 사용된다. 이는 도 16에 도시되어 있다. 제어기(30)의 스위치 극성은 라인(46)에서 로직을 제어한다. 슬레이브 전원 장치(32)는 라인(44b) 상의 스위칭 포인트 또는 명령을 수신하고, 라인(46b)에서 극성 로직을 수신한다. 이들 두 로직 신호는 게이트웨이(50)(전송 게이트웨이), 게이트웨이(52)(수신 게이트웨이)로 도시된 고정밀 로직 인터페이스를 통해 마스터 전원 장치와 슬레이브 전원 장치 사이에 접속된다. 이들 게이트웨이는 각 전원 장치에 대한 네트워크 인터페이스 카드로서, 라인(44b, 46b)에서의 로직이 각각 라인(44, 46)에서의 로직과 밀접하게 타이밍되도록 한다. 실제로는, 네트워크 인터페이스 카드 또는 게이트웨이(50, 52)가 상기 로직을 10 us 이내로 제어하며, 1 us 내지 5 us 이내인 것이 바람직하다. 저정밀 네트워크는 게이트웨이 또는 인터페이스 카드에 의해 제공되는 것으로 도시된, 라인(42m, 42s)을 통해 중앙 컨트롤(18)로부터의 데이터에 대하여 개별 전원 장치를 제어한다. 이들 선은 원격 영역[예컨대, 중앙 컨트롤(18)]으로부터 시간에 민감하지 않으며 게이트웨이의 정밀 특성을 사용하지 않는 데이터를 수용한다. 스위치 반전의 타이밍을 위한 고정밀 데이터는 네트워크 인터페이스 카드(50, 52)를 통해 로직 신호의 상호 접속을 이용한다. 도 1의 시스템은 단일 AC 아크용 단일 셀이다. 그러나, 본 발명은 파이프 접속에서의 넓은 갭을 채우기 위해, 둘 이상의 AC 아크가 생성되는 직렬 전극에 관한 것이다. 따라서, 제1 전극용 마스터 전원 장치(30)는 제1 전극, 즉 아크 1(ARC1)에 대하여 시스템(S)의 타이밍 또는 위상 동작을 결정하는 동기 신호를 수신한다. 시스템(S)은 동기 출력(84, 86, 88)에 의해 타이밍되는 아크 2, 3, 4(ARC2, 3, 4)를 생성하는 다른 동일한 시스템과 함께 사용된다. 이러한 개념은 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 동기 또는 위상 설정 신호(82 내지 88)는 도 1에 하나의 직렬 전극에 대해서만 도시되어 있다. 중앙 제어 컴퓨터 및/또는 웹 서버(60)를 포함하는 정보 네트워크(N)는 직렬(tandem) 동작에서 상이한 전극을 제어하는 몇 개 시스템 또는 셀의 특정 전원 장치와 관련된 디지털 정보 또는 데이터를 제공한다. 인터넷 정보는 로컬 상호접속 선(70a, 70b, 70c)을 구비한 이더넷 네트워크(70)의 형태로 랜(LAN)으로 보내진다. 이와 유사한 상호접속 선들은 직렬 용접 동작의 아크 1, 2, 3, 및 4를 생성하는 네 개의 셀에서 사용되는 각 전원 장치로 향한다. AC 전류가 채용되는 경우, 마스터 전원 장치가 사용된다. 일부 경우에, 단지 마스터 전원 장치만이 셀 특정 동기 신호를 사용한다. 보다 대전류가 필요하면, 시스템 또는 셀은 도 1의 시스템(S)과 관련하여 도시된 마스터/슬레이브 전원 조합을 포함한다. 일부 경우에, DC 아크는 생성기(80)에 의해 동기되는 둘 이상의 AC 아크와 함께 사용된다. 종종 DC 아크는 직렬 전극 용접 동작에서 선두(leading) 전극이 되며, 둘 이상의 동기 AC 아크가 수반된다. DC 전원 장치는 동기될 필요가 없으며, 또한 스위칭 포인트 또는 명령 및 극성 로직의 정확한 상호접속이 필요없다. 일부 DC 구동 전극은 양(positive) 및 음(negative) 사이에서 스위칭될 수 있으나, AC 구동 전극의 주파에서는 아니다. 아크의 마크업(mark-up)과 무관하게, 이더넷 또는 랜(70)은 직렬 용접 동작에서 사용되는 각종 시스템의 특정 전원 장치를 위해 지정된 코딩 형태로 식별되는 파라미터 정보를 포함한다. 또한 상기 네트워크는 일부 셀 또는 시스템용으로 동기 신호를 채용하며, 이로써 시간 관계에서 오프셋(offset)될 수 있다. 이들 동기 신호는 도 1의 라인(40)에 나타난 바와 같이, 마스터 전원 장치에 의해 디코딩되고 수신된다. 이러한 방법으로, AC 아크는 시간 기준으로 오프셋된다. 이들 동기 신호는 네트워크 인터페이스 카드 또는 게이트웨이(50, 52)를 통한 스위칭 포인트와 같이 정확할 필요는 없다. 데이터 네트워크의 동기 신호는 가변 펄스 생성기(80)의 형태로 네트워크 인터페이스에 의해 수신된다. 상기 생성기는 라인(84, 86, 88)에 오프셋 동기 신호를 생성한다. 이들 동기 신호는 직렬(tandem) 동작하는 각 전극에 대한 개별 AC 전류의 위상을 표시한다. 동기 신호는 인터페이스(80)에 의해 생성되거나, 네트워크(70)를 통해 생성기에 의해 실제로 수신될 수 있다. 실제로는, 네트워크(70)가 생성기(80)를 단지 활성화하여, 다수의 동기 신호에 대한 지연 패턴을 생성한다. 또한 생성기(80)는 동기 펄스의 주파수에 의해 개별 셀의 주파수를 변동시킬 수 있으며, 직렬 용접 동작에서 이러한 특성이 요구되는 경우에 그러하다.

도 1에 도시된 시스템을 실시하기 위해 각종 제어기 및 전원 장치가 사용될 수 있다. 그러나, 상기 시스템의 바람직한 구현은 도 2에 도시되어 있으며, 상기 도 2에서 전원 장치(PSA)는 제어기 및 전원 장치(30)와 결합되어 있으며, 전원 장치(PSB)는 제어기 및 전원 장치(32)와 결합되어 있다. 이들 두 장치는 구조가 실질적으로 동일하며, 적절한 경우 동일한 부호로 표시한다. 전원 장치(PSA)에 대한 설명은 전원 장치(PSB)에도 동일하게 적용된다. 인버터(100)는 삼상 선전류(L1, L2, L3)를 수신하기 위해 입력 정류기(rectifier)(102)를 구비한다. 출력 트랜스포머(transformer)(110)는 출력 정류기(112)를 통해, 반대 극성 스위치(Q1, Q2)를 구동하는 탭 인덕터(120)에 연결된다. 전원 장치(PSA)의 컨트롤러(140a) 및 전원 장치(PSB)의 컨트롤러(140b)는 실질적으로 동일하며, 다만 컨트롤러(140a)가 컨트롤러(140b)에 타이밍 정보를 출력한다는 점에서 차이가 있다. 스위칭 포인트 또는 라인(142, 144)은 Stava의 미국 특허 제6,111,216호(참고용으로 본 명세서에 합체됨)에 상세히 개시된 바와 같이, 극성 스위치(Q1, Q2)의 통전 상태를 제어하여 그 라인(142, 144) 상에서 로직에 의해 표시되는 시각에 극성을 반전시킨다. 이러한 제어는 로직 프로세서에 의해 디지털로 이루어진다. 그러므로, A/D 컨버터(150)는 피드백 라인(16) 또는 라인(26) 상의 전류 정보를 변환하여 에러 증폭기(152)(아날로그 에러 증폭기로 도시되어 있음)로부터의 출력 레벨에 대한 디지털값을 제어한다. 실제적으로, 이는 디지털 시스템이며, 제어 아키텍처에서 더 이상의 아날로그 신호는 존재하지 않는다. 그러나, 도시된 바와 같이, 증폭기는 컨버터(150)로부터의 제1 입력부(152a)와 컨트롤러(140a 또는 140b)로부터의 제2 입력부(152b)를 구비하고 있다. 라인(152b) 상의 전류 명령 신호는 용접대(WS)에서 아크 양단의 AC 전류에 필요한 파형을 포함한다. 이는 Blankenship의 미국 특허 제5,278,390호 등의 Lincoln Electric 社의 일부 특허에 개시된 표준적 관행이며, 상기 미국 특허 제5,278,390호는 참고용으로 본 명세서에 통합된다. 또한, 본 명세서에 합체되는 Stava의 미국 특허 제6,207,929호를 참고하기 바란다. 증폭기(152)로부터의 출력은 컨버터(160)에 의하여 아날로그 전압 신호로 변환되어, 오실레이터(164)에 의해 제어되는 주파수로 펄스폭 변조기(162)를 구동하며, 상기 오실레이터(164)는 프로세서 소프트웨어에서 타이머 프로그램이다. 아크에서의 파형은 선(152b)에서의 전압 또는 디지털 숫자이다. 오실레이터(164)의 주파수는 18 kHz보다 크다. 본 시스템의 전체 구조는 본 발명의 바람직한 실시예에서 디지털화되며, 아날로그 신호로의 재변환을 포함하지 않는다. 상기 설명은 예시적 목적을 위해 개략적으로 나타낸 것이며, 본 발명을 실시함에 있어 사용되는 전원 장치의 유형을 제한하고자 함이 아니다. 그 이외의 전원 장치를 채용할 수도 있다.

도 1 및 도 2의 개념을 이용한 본 발명의 실시예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 공작물(200)은 파이프의 심(seam)이며, 이는 개별 전원 장치(PS1, PS2, PS3)에 의해 각각 전원을 공급받는 직렬 전극(202, 204, 206)에 의해 용접된다. 상기 전원 장치들은 Houston의 미국 특허 제6,472,634호에 개시된 기술에 따라 조직된 하나보다 많은 전원에 의해 전력이 공급된다. 예시된 실시예에는 리드 전극(202)용 DC 아크와, 각 직렬 전극(204, 206)용 AC 아크가 포함되어 있다. 생성된 직렬 전극의 파형은 AC 전류이며, 전술한 파형 기술에 따라 파 성형기 또는 파형 생성기에 의해 생성된 파형을 포함한다. 전극들(202, 204, 206)이 용접 경로(WP)를 따라 이동하면서, 용융된 금속 퍼들(P)이 파이프 심(200)에 퇴적되어, 개방 저부(open root portion)(210)에 각 전극(202, 204, 206)으로부터의 퇴적물(212, 214, 216)이 이어진다. 전술한 바와 같이, 인접 전극들의 AC 전류와 관련된 본 발명에 의해 둘 보다 많은 AC 구동 전극을 동작시킬 수 있으며, 이는 도 15의 파형에 의해 예시 및 후술하는 바와 같다. 도 4에 도시된 각 전원 장치는 정류기(222)로부터 DC 링크를 수신하는 인버터(220)를 포함한다. Lincoln 사의 파형 기술에 따라, 칩 또는 내부 프로그래밍된 펄스폭 변조기 단(224)이 오실레이터(226)에 의해 18 kHz보다 큰 주파수로 구동되며, 바람직하게는 20 kHz보다 큰 주파수로 구동된다. 오실레이터(226)가 펄스폭 변조기(224)를 구동함에 따라, 출력 전류는 파 성형기(240)로부터 출력되는 파형에 의해 라인(242) 상에서 전압 또는 디지털 숫자로 지시되는 파형을 갖는다. 실시간 파형은 비교기(230)로 예시된 단계에 의해 라인(232)의 실제 아크 전류와 비교되어, 라인(234) 상의 출력이 AC 파형을 제어하도록 한다. 라인(234)의 디지털 숫자 또는 전압은 인버터(220) 제어를 위해 라인(224a) 상의 출력 신호를 결정하여, 아크 전류가 파 성형기(240)로부터 출력된 선택 프로파일을 따르도록 한다. 이는 전술한 표준 Lincoln 파형 기술이다. 전원 장치(PS1)는 리드 전극(202)에서 DC 아크를 생성한다. 따라서, 상기 전원 장치의 파 성형기(240)로부터의 출력은 DC 전류의 크기를 나타내는 정상 상태이다. 이와 반대로, 본 발명은 전극(204, 206) 등의 직렬 전극에 대한 두개의 인접 AC 아크에서의 전류 제어에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 파 성형기(240)는 AC 파형의 원하는 형상 또는 프로파일을 선택하도록 채용된 입력(250)을 포함하고 있다. 상기 형상은 시프트 프로그램(252)으로 도식화된 내부 프로그래밍에 의해 실시간으로 시프트될 수 있다. 파 성형기(240)는 라인(254) 상의 극성(priority) 신호인 출력을 구비한다. 실제적으로, 상기 극성(priority) 신호는 도 7에 도시된 바와 같이 1 비트의 로직이다. 로직 1은 파 성형기(240)에 의해 생성된 파형에 대한 음(-)의 극성을 나타내며, 로직 0은 양(+)의 극성을 나타낸다. 전원 장치로 향하는 이러한 로직 신호 또는 비트 제어기(220)는 도 16에서 논의되는 기술에 따라서 판독된다. 인버터는 라인(254) 상에서 로직 비트의 변경에 의해 개시되는 특정의 "대기(READY)" 시간에, 양의 극성으로부터 음의 극성으로 전환, 즉 반전을 한다. 실제적으로, 상기 비트는 도 1 및 도 5에 도시된 가변 펄스 생성기(80)로부터 수신된다. 도 3 및 도 4에 도시된 용접 시스템은 전극(204, 206)에서의 AC 아크 전류의 형상이 본 발명의 유익한 결과를 얻기 위해 신규한 형상을 가지는 본 발명을 실시하는데 사용되며, 상기 유익한 결과라 함은 아크 용접 시스템에서 사용되는 트랜스포머 파형과 호환되는 합성 정현파 파형 및/또는 일반적으로 정지한 용융 금속 퍼들(P)을 말한다. 도 3 및 도 4에 도시된 전기 아크 용접 시스템은 파 성형기(240)에 대하여 "선택(SELECT)" 프로그램(250)에서 파형을 선택하는 프로그램을 구비한다. 이러한 방법으로, 본 발명의 고유한 파형이 직렬 전극에 의해 사용된다. AC 아크를 생성하기 위한 전원 장치 중 하나가 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 전원 장치 또는 전원은 도 1에 도시된 가변 펄스 생성기(80)에 의해 제어된다. 상기 생성기로부터의 신호(260)는 제1 아크에 대한 전원을 제어한다. 상기 신호는 파 성형기(240)에 의해 라인(254) 상에 출력되는 극성 비트와 함께 파형이 동기화를 포함하고 있다. 라인(260a 내지 260n)은 본 발명의 용접 시스템에 의해 동작하는 바람직한 후속 직렬 AC 아크들을 제어한다. 이들 신호의 타이밍은 다른 파형의 개시점을 시프트한 것이다. 도 5는 도 4와 관련하여 설명한 연속적 아크의 제어를 위한 가변 펄스 생성기(80)의 관계를 단지 도시하고 있다.

Houston의 제6,472,634호의 용접 시스템에서, AC 파형은 도 6에 도시된 바와 같이 생성되며, 상기 도 6에서 전극(204)에서의 아크(AC1)에 대한 파형은 양의 부분(272) 및 음의 부분(274)을 갖는 신호(270)를 생성한다. 전극(206)에서의 제2 아크(AC2)는 양의 부분(282) 및 음의 부분(284)을 갖는 파 성형기로부터의 신호(280)에 의해 제어된다. 이들 두 신호는 동일하며, 단지 도 6에 도시된 바와 같이 생성기(80)로부터의 신호에 의해 거리 x만큼 시프트된 것이다. 이들 아크 중 하나에서 파형 기술에 의해 생성된 전류 펄스 또는 파형은 도 6의 하단부에 도시된 양의 부분(290) 및 음의 부분(292)을 구비한 파형이다. 파 성형기로부터의 로직 비트는 파형이 양의 극성으로부터 음의 극성으로 스위칭되는 시기 및 그 반대 경우의 시기를 결정한다. Stava의 미국 특허 제6,111,216호(참고용으로 본 명세서에 합체됨)에 개시된 바에 따라, 펄스폭 변조기(224)는 하부 레벨(lower level)의 포인트(291a 및 291b)로 시프트되는 것이 일반적이다. 이어서 전류는 고정된 레벨, 예컨대 100 암페어에 도달할 때까지 감소된다. 결과적으로, 스위치들은 포인트(294a, 294b)에서 극성을 전환한다. 이는 전류가 양의 부분(290)과 음의 부분(292) 사이를 천이할 때 수직선 또는 수직 형상(296a, 296b)을 생성한다. 이는 Houston의 특허에 개시된 시스템이며, 상기 특허에서 자기 간섭을 회피하기 위해 동일한 파형이 시프트된다. 파형부(290, 292)는 아크(AC1) 및 아크(AC2)에서 동일하다. 이러한 점은 이전에 채용되지 않은 방식으로 정현파 파형을 합성하고, 및/또는 용융 금속 퍼들을 제어하기 위해 아크(AC1) 및 아크(AC2)에서 파형을 커스터마이징(customizing)하는 것과 관련된 본 발명과 상이하다. 도 6에 도시된 것은 파형 시프트의 개념을 설명하기 위한 것이며, 각 인접 파형을 커스터마이징하는 발명을 설명하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 극성간의 수직 천이를 생성하기 위해 동일한 스위칭 절차가 이용된다. 도 6에 도시된 용접 시스템으로부터 본 발명으로의 변환이 도 7에 개괄적으로 도시되어 있다. 라인(254) 상의 로직은 일부분(300)에서 로직 1로, 그리고 일부분(302)에서 로직 0인 것으로 도시되어 있다. 로직 또는 비트 숫자의 변경은 도 16에 도시된 시스템이 극성을 시프트하는 시기를 신호한다. 이는 도 6의 하부 그래프에서 포인트(294a, 294b)에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명에 따라, 각 인접 AC 아크에 대한 파 성형기(240)는 이들 극성 중 하나의 극성에 대한 제1 파형(310), 및 나머지 극성에 대한 제2 파형(312)을 갖는다. 각 파형(310, 312)은 라인(254) 상의 로직과 함께 취득되는 라인(234) 상의 로직에 의해 생성된다. 따라서, 도 7에 도시된 펄스(310, 312)는 양의 극성 부분 및 음의 극성 부분에 대하여 상이한 펄스이다. 각 펄스(310, 312)는 도시된 바와 같이 별개의 구별되는 전류 펄스(310a, 312a)에 의해 생성된다. 극성들간의 스위칭은 도 6에 도시된 바와 같이 수행되며, 도 6에는 파 성형기에 의해 생성되는 파형이 일반적 형태의 파형(310, 312)으로 도시되어 있다. 양의 극성은 용입(penetration)을 제어하며, 음의 극성은 퇴적(deposition)을 제어한다. 본 발명에 따라, 파형에서 양의 펄스 및 음의 펄스는 차이가 있으며, 하나의 아크에서의 AC 파형이 음의 극성 및 양의 극성 모두에서 제어되어 파 성형기(240)에 의한 출력에 의해 생성되는 특정 형상을 가지도록 스위칭 포인트가 제어된다. 도 7에 도시된 전류를 갖는 아크에 인접한 아크에 대한 파형들은 본 발명의 장점을 얻고자 상이하게 제어된다. 이는 도 8에 도시되어 있다. 아크(AC1)에서의 파형이 도 8의 상단부에 도시되어 있다. 아크(AC1)의 파형에는 전류 펄스(320a)로 도시된 양의 부분(320)과, 전류 펄스(322a)에 의해 생성되는 음의 부분(322)이 있다. 양의 부분(320)은 최대 크기(a) 및 폭(또는 시간 주기)(b)을 갖는다. 음의 부분(322)은 최대 크기(d) 및 시간(또는 주기)(c)을 갖는다. 이들 네 개의 파라미터는 파 성형기(240)에 의해 조정된다. 도시된 실시예에서, 아크(AC2)는 도 8의 하단에 표시된 파형을 가지며, 상기 파형은 양의 부분(330)이 전류 펄스(330a)에 의해 생성되고 높이(또는 크기)(a') 및 시간 길이(또는 주기)(b')를 갖는다. 음의 부분(332)이 펄스(332a)에 의해 생성되며, 최대 진폭(b') 및 시간 길이(c')를 갖는다. 이들 파라미터는 파 성형기(240)에 의해 조정된다. 본 발명에 따르면, 아크(AC1)에서 파 성형기로부터의 파형은 아크(AC2)에 대한 파형과 위상차(out of phase)가 존재한다. 이들 두 파형은 (a) 용입 및 퇴적이 제어되고, (b) 퍼들(P)이 특정의 극성 관계, 즉 동일 극성 또는 반대 극성에 있는 시간이 길지 않도록 파라미터 또는 치수가 조정된다. 파형을 형성함에 있어서 이러한 개념은 도 9 및 도 10에 도시된 장기간의 극성 관계를 방지한다. 도 9에서, 전극(204, 206)은 임의의 주어진 시간에 인접 전류의 파형에 의해 결정되는 동일한 극성을 갖는다. 이 경우에, 전극(204)의 자속(magnetic flux)(350) 및 전극(206)의 자속(352)은 방향이 동일하며, 이들 전극 사이의 중심 영역(354)에서 상쇄된다. 이는 용융 퍼들(P)에서 전극(204, 206)으로부터 용융된 금속부(360, 362)가 화살표(c)로 표시된 방향으로 함께 이동하도록 한다. 전극들(204) 사이의 퍼들(P)에서 용융 금속의 이러한 동반 내측 이동 또는 붕괴(collapse)는 매우 짧은 시간(예컨대 20 ms 미만) 내에 중단시키지 않으면, 궁극적으로 상방 분출(gushing) 동작을 유발할 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전극(204, 206)이 반대 극성을 가지면, 퍼들의 반대 방향 이동이 일어난다. 그러면, 자속(370) 및 자속(372)은 전극 사이의 중심부(374)에 축적되어 증가한다. 전극 사이의 강한 힘에 의하여 퍼들(P)의 용융 금속부(364, 366)가 후퇴(retract)하거나 서로 멀어지도록 힘을 받는다. 이는 화살표(r)로 표시되어 있다. 퍼들(P)에서 용융 금속에 대한 이러한 외측 방향 힘은 대략 10 ms 미만의 상당한 시간 동안 지속될 경우, 용접 비드의 파열(disruption)을 유발한다. 도 9 및 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 인접 전극에서 파형의 극성이 동일 극성이거나 반대 극성인 시간을 제한하는 것이 바람직하다. 본 발명은 이렇게 동일 또는 반대 극성과 같은 특정 극성 관계가 오랫동안 발생하는 것을 방지하고자 하는 목적을 달성하기 위해 예컨대 도 6에 도시된 파형을 이용하고 있다. 이들 동일 또는 반대 극성 관계 모두는 용접 품질에 있어 불리한 것으로서, 본 발명을 이용할 경우 회피된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 동일 극성 또는 반대 극성은 아크(AC1, AC2)에서 파형의 주기 미만의 매우 짧은 시간 동안에 유지된다. 펄스의 형상을 상이하게 하고 양의 부분 및 음의 부분의 비율에 차이를 두는 새로운 개념과 함께, 극성 관계의 장시간 발생을 방지하는 이러한 긍정적 발전은 통상의 트랜스포머 전원 장치 또는 Lincoln 파형 기술을 통상적으로 사용한 용접에서는 지금까지 얻을 수 없었던 방식으로 용입 및 퇴적을 제어한다.

도 11에는 본 발명의 구현이 도시되어 있으며, 파 성형기(240)로부터의 AC 파형의 양의 부 및 음의 부는 서로 비교할 때 상이한 에너지를 갖는 합성 정현파(sinusoidal shape)이다. 합성 사인파(sine wave) 또는 파형의 정현파 부분은 신규한 것이다. 이는 이들 파형이 트랜스포머 용접 회로와 호환되고, 사인파 용접의 평가(evaluation)와 호환될 수 있도록 한다. 도 11에서, 파형(370)은 아크(AC1)에서의 파형이며, 파형(372)은 아크(AC2)에서의 파형이다. 이들 직렬 아크는 도 11에 도시된 AC 용접 전류를 이용하며, 작은 양의 정현파 부분(370a)은 아크(AC1)에서의 용입을 제어하며, 보다 큰 음의 부분(370b)은 아크(AC1)에서의 금속 퇴적을 제어한다. 도 7에서 논의한 바와 같이, 로직 비트의 변경과 함께 극성간 스위칭이 존재한다. 정현파 파형(370)은 수직선(370c)으로 도시한 바와 같이, 대략 100 암페어에서 영(0) 전류까지 수직으로 돌변한다. 음의 부분(370b) 및 양의 부분(370a) 사이의 천이(transition)도 수직 천이(370d)를 유발하는 스위칭 포인트에서 수직 천이를 개시한다. 이와 유사한 방법으로, 아크(AC2)의 위상 시프트된 파형(372)은 작은 용입부(372a)와 큰 음의 퇴적부(372b)를 갖는다. 극성간 천이는 수 직선(372c, 372d)으로 표시되어 있다. 인접 아크(AC1, AC2)의 극성으로 인하여 유발되는 퍼들에서의 용융 금속의 과도한 붕괴 또는 반발 없이 퍼들의 동적 상태(dynamics)가 제어되도록, 파형(372)이 파형(370)에 대하여 시프트된다. 도 11에 도시된 실시예에서, 사인파 파형은 동일하고 주파수도 동일하다. 이들 파형은 특정 극성 관계의 장기간 발생을 방지하고자 시프트된 것에 불과하다.

도 12에는 본 발명의 또 다른 측면이 개략적으로 도시되어 있으며, 아크(AC1)에 대하여 파형(380)이 사용되며, 아크(AC2)에 대하여 파형(382)이 사용된다. 부분들(380a, 380b, 382a, 382b)은 합성 정현파이며, 전체 크기가 동일한 것으로 도시되어 있다. 이들 두 파형을 90도 시프트 시킴으로써, 극성이 일치하는 영역들이 영역(390, 392, 394, 396)으로 식별된다. 정현파 프로파일을 갖는 파형을 시프트하여 이용함으로써, 동일 극성 또는 반대 극성이 어떠한 시간 길이 동안에도 유지되지 않는다. 따라서, 용융 금속 퍼들이 교란되지 않고 정지 상태로 유지된다. 이러한 장점은 본 발명을 이용함으로써 달성되며, 본 발명은 또한 주어진 파형의 양의 극성 부분 및 음의 극성 부분간의 에너지 차이라는 개념을 결부시킨다. 도 12는 동시적 극성 관계의 정의와, 이러한 동시적 극성 관계가 단지 짧은 시간 주기 동안에만 유지된다는 사실을 예시적으로 보여주고 있다. 이러한 목적을 달성하고자, 본 발명의 또 다른 실시예가 도 13에 도시되어 있으며, 도 13에는 이전에 정의된 파형(380)이 아크(AC2)의 톱니파 파형(a)인 파형(400), 또는 아크(AC2)에 대한 파형으로 도시된 펄스 파형(402)과 결합되어 있다. 파형(380)을 상이한 파형(400) 또는 상이한 파형(402)과 결합시키면, 동시적 극성 관계의 매우 작은 영역 또는 시간(410, 412, 414 등)이 생성된다. 도 14에 도시된 발명에서는 하나의 아크에서 생성된 AC 파형이 나머지 아크에서 생성된 AC 파형과 대단히 상이하다. 도 14에는 본 발명용으로 대단히 상이한 파형의 동일 개념을 도시하고 있으며, 파형(420)은 AC 펄스 프로파일 파형이고 파형(430)은 파형(420)의 절반 가량의 주기를 갖는 정현파 프로파일 파형이다. 파형(420)은 작은 용입 양의 부분(420a) 및 커다란 퇴적 부분(420b)을 포함하며, 직선(420c)으로 극성 천이가 이루어진다. 파형(430)은 수직 극성 천이(430c)를 갖는 양의 부분(430a) 및 음의 부분(430b)을 포함하고 있다. 이들 두 상이한 파형을 구비함으로써, 합성 정현파 개념이 하나의 전극에 채용될 뿐만 아니라 동시적 극성관계가 오랜 기간 동안 존재하지 않는다. 따라서, 퍼들(P)의 용융 금속은 아크(AC1, AC2) 모두에 의한 용접 동작 동안에 다소 정지 상태로 유지된다.

도 15에는 본 발명의 또 다른 측면이 개시되어 있으며, 파형(450, 452, 454, 456)은 네 개의 직렬 아크(AC1, AC2, AC3, AC4) 각각에 대한 전원 장치에 대한 파 성형기(240)에 의하여 생성된다. 인접 아크들은 언제 파형이 응답하여 음의 부에서 양의 부로 천이할 지를 정의하는 동기화 신호(460)에 의하여 지시된 대로 정렬된다. 상기 동기화 신호는 도 1에 도시된 생성기(80)에 의하여 생성되며, 다만 개시 펄스들이 정렬된다. 본 발명의 상기 실시예에서, 제1 파형(450)은 인접 파형(452, 454, 456)의 양의 부 및 음의 부와 동기화되는 양의 부(450a)를 갖는다. 예컨대, 양의 부(450a)는 파형(452)의 양의 부(452a) 및 음의 부(452b)와 동기화되고 상호 관련(correlation)된다. 이와 유사한 방법으로, 파형(452)의 양의 부(452a)는 파형(454)의 양의 부(454a) 및 음의 부(454b)와 동기화되며 상관된다. 이와 동일한 관계가 양의 부(454a)와 파형(456)의 부분들(456a, 456b) 사이에 존재한다. 음의 부(450b)는 정렬된 파형(452)의 두 개의 반대 극성 부분들과 동기화되고 상관된다. 동일한 타이밍 관계가 음의 부(452b)와 파형(454) 사이에 존재한다. 다시 말하면, 각 인접 아크에서 파형의 하나의 극성 부분이 인접 아크의 전체 파형과 상관된다. 이러한 방법으로, 도 9 및 도 10과 관련하여 논의된 퍼들(P)의 붕괴 및 반발력이 동적으로 제어된다. 본 발명의 상기 실시예에서는 하나 이상의 양의 부 또는 음의 부분들이 도 11 및 도 12에 도시된 본 발명의 측면과 관련하여 논의한 합성 정현파일 수 있다.

도 1 및 도 2에서 나타낸 바와 같이, 스위치들의 마스터 컨트롤러가 스위칭을 하고자 할 때 스위치 명령이 전원 장치(30)의 마스터 컨트롤러(140a)에 발행된다. 이는 "kill" 신호가 마스터 컨트롤러에 의해 수신되도록 하며, 따라서 킬 신호 및 극성 로직은 단일 전극과 병렬로 연결된 하나 이상의 전원 장치의 제어기로 신속히 전송된다. 표준 AC 전원 장치들이 극성 스위치와 병렬인 대량의 완충기(snubber)와 함께 사용되면, 슬레이브 제어기(들)는 마스터 전원 장치가 상기 스위치 명령을 수신한 후 1 us 내지 10 us 내에 즉각적으로 스위칭된다. 이는 고정밀 인터페이스 카드 또는 게이트웨이의 장점이다. 실제로는, 병렬 전원 장치의 전류 반전을 위한 실제 스위칭은 출력 전류가 주어진 값, 즉 100 암페어 미만이 된 후에 발생한다. 이는 보다 소형의 스위치를 이용할 수 있도록 한다.

단일 AC 아크를 위한 모든 전원 장치의 스위칭 구현은 지연 스위칭 기법을 이용하며, 실제 스위칭은 모든 전원 장치가 주어진 저전압 레벨 미만인 경우 이후에만 이루어질 수 있다. 지연 프로세스는 디지털 프로세서의 소프트웨어에서 달성되며, 도 16의 도시적 배치에 도시되어 있다. 주 전원 장치(500)의 컨트롤러가 라인(502)으로 표시된 명령 신호를 수신하면, 전원 장치는 스위칭 시퀀스를 개시한다. 상기 주 장치는 라인(504) 상에 로직을 출력하여, 보조 장치의 스위칭이 상기 주 장치의 극성 스위칭에 부합되도록 바람직한 극성을 제공한다. 명령된 스위치 시퀀스에서, 주 전원 장치(500)의 인버터는 턴오프 또는 다운(down)되어, 홀 효과 변환기(510)에 의하여 판독되는 전극(E)에 대한 전류가 감소된다. 라인(502)의 스위치 명령은 병렬 슬레이브 전원 장치(520, 522)의 컨트롤러에 즉각적 "kill" 명령[라인(512)에 의해 표시됨]을 유발하여, 홀 효과 변환기(532, 534)에 의해 측정되는 전류를 접점(junction)(530)에 제공한다. 모든 전원 장치는 스위치 시퀀스에서 인버터가 턴오프 또는 다운된다. 소프트웨어 비교기 회로(550, 552, 554)는 감소된 전류를 라인(556) 상의 전압에 의하여 기준이 되는 소정의 저전류와 비교한다. 각 전원 장치가 주어진 값 미만으로 감소됨에 따라, 샘플- 홀드(sample and hold) 회로(570, 572, 574)에 입력되는 라인(560, 562, 564)에 신호가 각각 나타난다. 상기 회로들은 각 전원 장치로부터 라인(580) 상의 스트로브 신호에 의해 출력이 스트로브된다. 셋(set) 신호가 회로(570, 572, 574)에 저장되면, "YES" 로직이 스트로브 신호 시간에 라인(READY¹, READY², READY³)에 발현한다. 상기 신호는 전원 장치에서 생성되며, 25 us의 주기를 갖는다. 그러나, 그 이외의 고속 스트로브를 사용할 수도 있다. 상기 신호들은 도 8에 점선으로 표시된 바와 같이, 주 전원 장치의 컨트롤러(C)로 향한다. AND 게이트(580)로 표시된 소프트웨어 논리곱(AND) 함수부는 모든 전원 장치가 극성 스위치 준비가 되어 있을 때 YES 로직을 라인(582) 상에 출력한다. 상기 출력 조건은 소프트웨어 플립 플롭(600)의 클록 인에이블 단자(ECLK)로 향하며, 상기 플립 플롭(600)의 D 단자에는 스위칭될 극성의 바람직한 로직[라인(504) 상에 나타남]이 제공된다. 대략 1 MHz에서 동작하는 오실레이터 또는 타이머가 단자(CK)로 가는 라인(602) 상의 신호에 의해 플립 플롭을 클록킹한다. 이는 라인(504) 상의 극성 명령 로직을 Q 단자(604)에 전달하여 상기 로직을 라인(610)에 제공함으로써, 라인(612) 상의 동일한 로직이 마스터 전원 장치(500)를 스위칭하는 것과 동시에 슬레이브 전원 장치(520, 522)를 스위칭 하도록 한다. 스위칭 후에, 라인(504) 상의 극성 로직은 반대 극성으로 시프트되며, 마스터 전원 장치는 스위칭 주파수에 기초하여 다음 스위치 명령을 대기한다. 도 16에 도시된 것은 이러한 방식이며, 스위칭 시퀀스에 지연을 구현하기 위해 다른 회로들을 사용할 수 있다.

본 출원은 Houston의 미국 특허 제6,472,634호 및 Stava의 미국 특허 제6,291,798호에 개시된 것과 관련된 다중 전원 또는 단일 전원을 포함하는 전기 아크 전원 장치의 파형 생성기 또는 파 성형기에 의해 제어되는 파형에 관한 것이다. 본 발명은 AC 파형에 의해 전원을 공급받는 직렬 전극에 관한 것이다. 두 개의 인접 전극은 이들 전극 사이의 용융 금속 퍼들의 다이나믹스를 제어하는 파형을 구비하며, 및/또는 표준 트랜스포머 용접 동작을 하는 직렬 용접 시스템의 동작과 연 관되도록 합성 사인파를 사용한다. 본 발명은 표준적 관행에 따라 고속 스위칭 인버터를 사용하여 파 성형기 또는 파형 생성기에 의해 생성되는 각 AC 파형의 양의 부 및 음의 부의 에너지를 제어하는 것을 포함한다. 양의 부 및 음의 부에 있어서의 에너지 차이는 특정 전극에 의한 퇴적량에 대한 용입량의 관계를 제어한다. 이는 인접 전극들이 용접 퍼들을 대체로 정지 상태로 유지하는 방식으로 동작할 수 있도록 한다. 이러한 동작은 그에 따른 용접 비드 및 용접 동작의 효율을 개선한다. 용접 퍼들을 제어하기 위해, 파 성형기에 의해 생성되는 인접 파형들은 인접 전극들 간에 소정의 극성 관계를 지니는 시간 길이를 제어하기 위해 상이한 형상을 구비한다. 다시 말하면, 인접 전극들이 동일한 극성 또는 반대 극성을 갖는 시간이, 파 성형기 또는 파형 생성기를 사용한 파형 기술에 의해 생성되는 두 개의 인접 AC 파형 간의 상이한 관계 및 상이한 형상을 이용하여 제한된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 인접 생성되는 파의 파형을 동기화하는 것은 실질적으로 2의 배수인 인접 전극의 주파수를 갖는다. 이러한 고유의 파형을 모두는 신규한 것이며, 직렬 전극을 이용하는 전기 아크 용접에 있어 유리한 결과를 제공하며, 특히 파이프라인 부분(section)을 제조하는 파이프의 심 용접에 있어 그러하다.

본 발명에서 개시한 각종 파형들은 다음의 청구항에서 정의된 바와 같이 생성된 파형의 관계를 조합하도록 관련시킬 수 있다.

Claims

제1 전극 및 제2 전극이 용접 경로를 따라 일체로 이동하면서, 제1 전원 장치에 의해 상기 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 상기 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서,

상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하며,

적어도 상기 제1 AC 파형은 양(+)의 부분이 음(-)의 부분보다 실질적으로 적은 에너지를 가지며, 상기 제2 AC 파형으로부터 위상 이동(shift)된 것인

전기 아크 용접 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제2항에 있어서, 상기 제1 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제4항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제6항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
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제1항에 있어서, 상기 제1 파형은 극성간 스위칭 시에 일반적으로 수직인 전기 아크 용접 시스템.
제2항, 제6항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양의 부분이 음의 부분보다 실질적으로 적은 에너지를 가지는 전기 아크 용접 시스템.
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제1항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양의 부분이 음의 부분보다 실질적으로 적은 에너지를 가지는 전기 아크 용접 시스템.
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제18항에 있어서, 상기 AC 파형들의 양의 부분은 각각 음의 부분보다 시간 길이가 작은 전기 아크 용접 시스템.
제1항, 제2항, 제6항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 AC 파형들의 양의 부분은 각각 음의 부분보다 시간 길이가 작은 전기 아크 용접 시스템.
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제1항, 제6항, 제14항, 제18항 및 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 경로는 파이프에서 심(seam)인 전기 아크 용접 시스템.
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제1 전극 및 제2 전극이 용접 경로를 따라 일체로 이동하면서, 제1 전원 장치에 의해 상기 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형(이 제1 전류 파형은 하나 이상의 극성에서 정현파임)을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 상기 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서,

상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 로직 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하며,

적어도 상기 제1 AC 파형은 음의 부분이 양의 부분보다 실질적으로 적은 에너지를 가지며, 상기 제2 AC 파형으로부터 위상 이동된 것인

전기 아크 용접 시스템.
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제33항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 음의 부분이 양의 부분보다 실질적으로 작은 전기 아크 용접 시스템.
제39항에 있어서, 상기 파형들의 음의 부분은 각각 양의 부분보다 시간 길이가 작은 것인 전기 아크 용접 시스템.
제33항 또는 제39항에 있어서, 상기 제1 파형의 음의 부분은 양의 부분보다 시간 길이가 작은 것인 전기 아크 용접 시스템.
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제1 전극 및 제2 전극이 용접 경로를 따라 일체로 이동하면서, 제1 전원 장치에 의해 상기 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 상기 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서,

상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 로직 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하며,

적어도 상기 제1 파형은 양의 부분이 음의 부분과 길이에 있어 실질적으로 상이한 것인

전기 아크 용접 시스템.
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제43항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양의 부분이 음의 부분과 길이에 있어서 실질적으로 상이한 전기 아크 용접 시스템.
제1 전극 및 제2 전극이 용접 경로를 따라 일체로 이동하면서, 제1 전원 장치에 의해 상기 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형(이 제1 전류 파형은 하나 이상의 극성에서 정현파임)을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 상기 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서,

상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 로직 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하며,

상기 파형들은 상이한 형상을 가지고, 동일 극성 또는 반대 극성으로 정의되는 동시적 극성 관계의 기간들이 존재하며, 임의의 한 동시적 극성 관계의 기간은 20 ms 미만인

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제49항에 있어서, 상기 임의의 한 동시적 극성 관계의 기간은 실질적으로 상기 파형들 중 어느 한 파형의 주기의 절반 미만인 전기 아크 용접 시스템.
제49항에 있어서, 상기 임의의 한 동시적 극성 관계의 기간은 10 ms 미만인 전기 아크 용접 시스템.
제49항에 있어서, 상기 파형들 중 하나의 파형 또는 상기 파형들 모두는 양의 부분의 에너지가 음의 부분보다 실질적으로 적은 전기 아크 용접 시스템.
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제49항에 있어서, 상기 파형들 중 하나의 파형 또는 상기 파형들 모두는 음의 부분의 에너지가 양의 부분보다 실질적으로 적은 전기 아크 용접 시스템.
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제1 전극 및 제2 전극이 용접 경로를 따라 일체로 이동하면서, 제1 전원 장치에 의해 상기 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형(이 제1 전류 파형은 하나 이상의 극성에서 정현파임)을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 상기 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서,

상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 로직 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하며,

각 파형은 시간 길이 및 최대 진폭을 갖는 양의 부를 가지며, 상기 파형들 중에서 어느 한 파형의 어느 한 극성 부분은 시간 길이가 그 파형의 나머지 반대 극성 부분보다 실질적으로 작은 것인

전기 아크 용접 시스템.
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제60항에 있어서, 상기 파형들 중에서 나머지 다른 파형의 어느 한 극성 부분은 시간 길이가 그 파형의 나머지 다른 극성 부분보다 작은 전기 아크 용접 시스템.
제1 전극 및 제2 전극이 용접 경로를 따라 일체로 이동하면서, 제1 전원 장치에 의해 상기 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 상기 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서,

상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 로직 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하며,

각 파형은 시간 길이 및 최대 진폭을 갖는 양의 부를 가지며, 상기 파형들 중에서 어느 한 파형의 어느 한 극성 부분은 최대 진폭이 그 파형의 나머지 반대 극성 부분보다 실질적으로 작은 것인

전기 아크 용접 시스템.
제18항, 제33항, 제43항, 제49항, 제60항 및 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제18항, 제33항, 제43항, 제49항, 제60항 및 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제18항, 제33항, 제43항, 제49항, 제60항 및 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제18항, 제33항, 제43항, 제49항, 제60항 및 제66항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제66항에 있어서, 상기 파형들 중에서 나머지 다른 파형의 어느 한 극성 부분은 시간 길이가 그 파형의 나머지 다른 극성 부분보다 작은 전기 아크 용접 시스템.
제66항 또는 제71항에 있어서, 상기 파형들 중에서 나머지 다른 파형의 어느 한 극성 부분은 최대 진폭이 그 파형의 나머지 다른 극성 부분보다 작은 전기 아크 용접 시스템.
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제1 전극 및 제2 전극이 용접 경로를 따라 일체로 이동하면서, 제1 전원 장치에 의해 상기 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 상기 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서,

상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하며,

상기 제1 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인

전기 아크 용접 시스템.
제74항에 있어서, 상기 제1 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제75항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제76항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
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제74항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제74항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제74항, 제77항, 제79항 및 제80항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형들은 극성간 천이시에 실질적으로 수직인 전기 아크 용접 시스템.
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제1 전극 및 제2 전극이 용접 경로를 따라 일체로 이동하면서, 제1 전원 장치에 의해 상기 제1 전극과 공작물 사이에 제1 전류 파형(이 제1 전류 파형은 하나 이상의 극성에서 정현파임)을 갖는 제1 AC 용접 아크를 생성하고, 제2 전원 장치에 의해 상기 제2 전극과 공작물 사이에 제2 전류 파형을 갖는 제2 AC 용접 아크를 생성하는 전기 아크 용접 시스템으로서,

상기 제1 전원 장치 및 제2 전원 장치 각각은, 18 kHz 이상의 주파수에서 발생하는 다수의 전류 펄스에 의해 자신의 파형을 생성하며, 각 전류 펄스의 크기가 파 성형기(wave shaper)에 의해 제어되고, 상기 파형들의 극성이 신호에 의해 제어되는 고속 스위칭 인버터를 포함하며,

상기 제1 파형의 양의 부분은 상기 제2 파형들 중에서 한 파형의 양의 부분 및 음의 부분과 일반적으로 동기되고 상호 관련되며, 상기 제1 파형의 음의 부분은 상기 제2 파형들 중에서 상기 한 파형에 이은 다음 제2 파형의 양의 부분 및 음의 부분과 일반적으로 동기되고 상호 관련되는 것인

전기 아크 용접 시스템.
제84항에 있어서, 상기 제1 파형 및 제2 파형의 양의 부분 및 음의 부분은 형상이 실질적으로 동일하며, 극성이 반대인 전기 아크 용접 시스템.
제84항에 있어서, 상기 제1 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제86항에 있어서, 상기 제1 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제84항 또는 제87항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 하나 이상의 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
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제88항에 있어서, 상기 제2 AC 파형은 양쪽 극성에서 일반적으로 정현파인 전기 아크 용접 시스템.
제2항 내지 제7항, 제33항 및 제84항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 AC 파형은 극성간 전환시에 일반적으로 수직인 전기 아크 용접 시스템.