KR100649997B1 - 복수의 아크를 이용하는 용접 장치 - Google Patents

Abstract

단일의 전원으로부터의 전력선에 의해 각각 구동되는 제1 전극 및 제2 전극과 공통의 공작물과의 사이에서 각각 발생하는 제1 아크 및 제2 아크를 이용하여 용접하는 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 코어, 중앙 탭, 제1 단부, 제2 단부, 상기 탭과 상기 제1 단부 사이의 제1 코일 섹션, 및 상기 탭과 상기 제2 단부 사이의 제2 코일 섹션을 구비하는 인덕터를 포함하며, 상기 전력선이 상기 탭에 접속되어 있다. 제1 아크를 상기 제1 코일 섹션에 직렬로 접속시키는 제1 회로와, 상기 제2 아크를 상기 제2 코일 섹션에 직렬로 접속시키는 제2 회로와, 상기 제1 코일 섹션과 상기 제1 아크 사이에서 상기 제1 회로 내에 별도로 마련된 제1 보조 인덕터와, 상기 제2 코일 섹션과 상기 제2 아크 사이에서 상기 제2 회로 내에 별도로 마련된 제2 보조 인덕터를 포함한다.

Description

복수의 아크를 이용하는 용접 장치{APPARATUS FOR WELDING WITH MULTIPLE ARCS}

도 1은 본 발명과 관련된 종래 기술의 시스템을 개략적으로 예시한 배선도.

도 2는 본 발명의 개괄적 개념을 예시하는 배선도.

도 2a는 도 2의 선 2a-2a를 따라 취한 확대 단면도.

도 3은 센터 탭형 초크(center tapped choke)를 이용하는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 배선도로서, 코어 변압기를 구비한 인덕터용의 별도의 코어들이 서로 결합된 상태로 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명에서 사용될 센터 탭형 초크를 도시한 배선도이며,

도 4a는 도 4의 선 4a-4a를 따라 대략적으로 취한 확대 단면도이고,

도 5는 파이프 용접에 사용된 센터 탭형 초크를 현장에 적용하는 것을 예시하는 사진 같은 개략적인 도면이며,

도 6은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 본 발명을 이용할 때 나타나는 곡선으로서, 도 2에 도시된 센터 탭형 초크 시스템과 관련한 전압 및 전류를 나타내는 일련의 곡선이고,

도 7은 직렬 인덕턴스 전체를 제어하기 위해 중간에 전류를 따내는 접점을 만든 출력 초크에 보조 인덕터가 마련되어 있는 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 배선도이며,

도 8은 보조 인덕터가 조절 가능하도록 예시되어 있고 전극들이 별도의 와이어 급송기에 의해 구동되는 본 발명의 제2 실시예를 도시한 배선도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 12 : 탠덤 전극

14 : 공작물

20 : 제1 전원

22 : 제2 전원

30, 100 : 초크

32, 34 : 출력 단자

40, 40' : 회로

42, 44, 70, 72 : 인덕터

52, 62, 70b, 72b, 120 : 코어

70a, 72a : 권선

82 : 중앙 탭

110, 112 : 인덕터 섹션

200 : 전원

202, 204 : 파이프 섹션

210 : 인덕터 네트워크

230, 232 : 와이어 급송기

234, 236 : 공급 스풀

400, 400', 401 : 시스템

A1, A2 : 아크

M1, M2 : 모터

W1, W2 : 와이어

본 발명은 전기 아크 용적 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 복수의 아크를 이용하여 DC 혹은 AC 용접하는 시스템에 관한 것이다.

파이프 섹션의 전기 아크 용접은 일반적으로 자동 용접 작업을 수반하는데, 이 작업에서 2개 이상의 전극(용접봉)은 이하에서 공작물로 언급될 2개의 파이프 섹션 사이의 공간에 있는 소정 경로를 따라 일제히 이동한다. 제1 전극은 루트 간극(root gap)을 채우는 비드(bead)를 상기 파이프 섹션 사이에 덮도록 용융된다. 다음 전극을 용융시키고, 용융 금속을 연속 층에 용착시켜 파이프 섹션 사이의 간극을 채우며, 그 후 용접된 파이프 조인트를 완성한다. 자동 용접 작업에서 복수 아크를 발생시키기 위해 복수 개의 전극을 사용하는 것은, 탠덤 배열되고 일제히 이동하는 전극 각각에 대하여 별도의 전원을 사용하는 것을 필요로 한다. 이러한 공지의 기술은 배경 기술로서 본 명세서에 참조로 인용된 스타바(Stava) 명의의 특허 제6,207,929호 등의 여러 특허에 포함되어 있다. 각각의 전극과 공작물 사이에서 아크를 구동하기 위해 개별적인 전원을 사용하면, 각각의 아크는 그 전용 전원에 의해 독립적으로 제어된다. 본 발명은 오하이오주 클리블랜드 소재의 더 링컨 일렉트릭 컴패니(The Lincoln Electric Company)에서 종종 사용하는 구성 요소인 동시에 배경 기술로서 본 명세서에 참조로 인용된 스타바 명의의 특허 제6,051,810호 등의 여러 특허에 개시되어 있는, 센터 탭형 초크(center tapped choke)를 사용하는 시스템에 관한 것이다. 상기 스타바 명의의 두 특허는 본 발명이 지향하는 기존의 기술, 특히 본 발명에 사용되는 센터 탭형 초크를 예시하고 있다. 따라서, 종래의 탠덤 배열식 전극의 세부 사항이나, 용접용 동력원의 출력에 마련된 센터 탭형 초크의 세부 사항을 설명할 필요는 없을 것이다.

탠덤 배열식 전극을 구비하는 자동 용접 공정 등이 복수 개의 아크를 사용하는 경우, 용접 공정 동안 아크를 발생시키기 위해 사용된 각각의 전극에 대하여 별도의 전원을 사용하는 것이 일반적인 관례로 여겨져 왔다. 이러한 시스템과 방법은 비싸며, 특히 용접 작업 동안 전원을 파이프 둘레로 반드시 이동시켜야 할 때에는 상당한 공간과 중량을 필요로 한다. 2개 이상의 아크를 이용하는 자동 용접에서 비용과 중량을 줄이기 위해, 단일의 전원을 사용하는 방법이 제안되었는데, 이 방법에서 전원의 내부에 설치된 초크는 특히 아크들 중 하나가 의도하지 않게 단락될 때 전류 흐름의 양을 제한한다. 이러한 방법으로 인해 과도한 전류와 관련한 문제점은 해결되었지만; 이 방법에는 보다 기본적인 문제점이 존재한다. 하나의 아크에 단락이 있는 경우, 전원으로부터 초크로 흐르는 모든 전류는 단락이 된 전극으로 향하게 된다. 결과적으로, 다른 전극들과 관련된 아크(들)는 소멸되고, 단락이 해제될 때 아크(들)는 재시작되어야 한다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 탠덤 배열식 전극 구조는 의도하지 않은 단락을 최소화하기 위해 대개 스프레이 모드에서 작동하며, 이에 따라 하나의 아크에서의 단락이 다른 아크를 소멸시키는 문제점을 해결한다. 상기 문제점에 대한 전술한 해결책은, 자동 용접 공정에 탠덤 배열식 전극을 사용하는 용접 작업의 변덕스러움을 현저하게 감소시킨다.

본 발명은 복수 아크를 이용하는 아크 용접 시스템을 필요로 하는데, 이 시스템에서의 공정은 스프레이 용접에 국한되는 것이 아니라, 탠덤 배열식 전극의 그룹에서 하나의 아크의 단락이 다른 아크를 소멸시키지 않는 공정을 포함한다. 본 발명에 따르면, 제1 및 제2 전극 각각과, 모든 전극에 대해 공통인 공작물 사이에서 제1 및 제2 아크를 이용하여 용접하는 시스템이 제공된다. 공통의 공작물은 제1 및 제2 전극이 일제히 이동할 때 차례차례 이들 전극을 용융시킴으로써 접합되는 이격된 파이프 섹션일 수 있다. 상기 시스템에서, 전극은 출력부에서 센터 탭형 초크를 이용하여 단일의 전원에 의해 구동된다. 제1 인덕터 혹은 코일 섹션은 제1 전극에 직렬로 접속되며, 제2 인덕터 혹은 코일 섹션은 제2 전극에 직렬로 접속된다. 이러한 방식에서, 하나의 전극이 공작물에 대해 단락될 때, 다른 아크(들)는 각각의 전극과 직렬로 연결된 인덕터(들)의 유도성 리액턴스(inductive reactance)에 의해 결정되는 기간 동안 유지된다. 바람직한 아크 유지 시간은 대개 1.0 ms 내지 10 ms이고, 바람직하게는 대개 4.0 내지 6.0 ms이다. 본 발명에 따르면, 별도의 아크에 대한 인덕터는 스타바 명의의 특허 제6,051,810호에 전체적으로 도시된 타입의 센터 탭형 초크의 형태로 단일 혹은 공동의 코어 상에 감기게 된다.

본 발명에 따르면, 스타바 명의의 특허 제6,051,810호에 도시된 바와 같은 센터 탭형 초크에는 이 초크의 제1 단부를 제1 아크에 접속하는 별도의 제1 보조 인덕터와, 초크의 제2 단부를 제2 아크에 접속하는 별도의 제2 보조 인덕터가 마련되어 있다. 따라서, 상기 아크를 모두 구동하는 직렬 회로는, 제1 및 제2 아크 양자를 구동하는 직렬 회로에서 총 인덕턴스를 제어하기 위해 별도의 보조 인덕터 및 센터 탭형 초크로부터의 코일 섹션을 포함한다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)가 각각의 보조 인덕터와 그 관련 아크에 병렬로 접속되어 있다. 상기 프리휠링 다이오드는 극성 변화시에 아크를 통하는 전류 흐름을 제어하기 위해 표준 프리휠링 다이오드에 따라 작동한다. 본 발명의 또 다른 양태는, 단락 회로가 존재하는 시간 이전의 정상적인 용접 동안에 아크의 실질적인 동(動)특성을 제어하기 위해 각각의 보조 인덕터에 대해 조절 가능한 인덕턴스를 제공하는 것으로, 이는 단락되지 않은 아크의 안정성을 유지하도록 단락되지 않은 아크의 인덕턴스에 저장된 에너지를 이용하는 것이다. 따라서, 2개 이상의 아크에 대한 표준 중앙 초크 출력은 소정 전원에 맞추어 구성될 수 있다. 상이한 유도성 리액턴스가 필요할 경우, 단지 보조 인덕터를 교환하면 된다. 이는 출력 회로의 비용을 줄이고, 거의 표준의 센터 탭형 인덕터의 사용을 허용해준다.

하나의 아크 단락과 이에 의한 다른 아크의 소멸에 의해 야기되는 일관성 없는 용접을 최소화하기 위해, 본 발명은 하나 이상의 섹션 형태이면서 각각의 아크와 직렬로 연결된 인덕터를 제공한다. 이러한 인덕터는, 각각의 아크와 직렬로 연결된 유도성 리액턴스가 인덕터 섹션(들)이 접속되는 전극의 단부에서 아크를 유지하기에 충분한 에너지를 저장하도록, 적절한 코어 재료, 공극, 단면적, 도체의 턴수를 이용하여 코어 상에 감겨져 있다. 각 직렬 회로의 인덕턴스는 센터 탭형 초크의 하나의 코일 섹션의 인덕턴스와 보조 인덕터의 인덕턴스이다. 소정 아크의 각 직렬 회로에 있어서의 2개의 인덕터는 약 1.0 내지 10.0 ms, 바람직하게는 약 4.0 내지 6.0 ms의 기간 동안 아크를 유지하기에 충분한 에너지를 공급할 수 있는 크기로 되어 있다. 이러한 시간은 용접 공정에서 겪는 통상의 단락 시간을 기초로 한 것으로, 단락은 일반적으로 5.0 ms 미만 동안 지속된다. 전극과 직렬로 연결된 개개의 인덕터들은 단락 시간의 변동성을 수용하도록 그 크기가 정해져 있다. 상기 용어 "인덕터(inductor)"는 센터 탭형 초크 상의 하나의 코일 및 보조 인덕터를 형성하는 다른 코일과 직렬로 연결된 하나 이상의 코일 섹션을 의미한다.

개개의 인덕터들 혹은 각 아크와 직렬로 연결된 유도성 리액턴스의 개념은, 때때로 "초크"로 언급되는 센터 탭형 인덕터를 이용함으로써 간단해진다. 단일의 전원은 중앙 탭에 접속되어 있고, 인덕터의 각 와인딩은 각각의 아크와 직렬로 연결된 하나 이상의 인덕터를 삽입하기 위해 보조 인덕터를 통해 아크에 접속되어 있다. 센터 탭형 초크를 사용하므로, 중간 탭을 통해 그리고 하나의 와인딩을 통해 아크로 흐르는 전류 흐름은 코어에서의 자속을 최소화하는 경향이 있다. 전류가 중앙 탭을 통해 그리고 대향하는 와인딩 혹은 코일 섹션을 통해 흐를 때, 코어내 자속은 소거된다. 이러한 자속 소거 효과는, 별도의 초크나 인덕터 대신에 센터 탭형 초크를 사용하는 것을 선호하는 이유이다. 센터 탭형 초크와 균형이 잡힌 턴수를 사용함으로써, 코어는 각 코일 섹션을 통과한 유사 전류를 이용하여 통상의 작업 동안 거의 균형 잡힌 상태로 유지된다. 결과적으로, 자체적인 별도의 코어를 지니는 단지 각각의 아크에 대한 개별적인 인덕터에 비해, 센터 탭형 초크는 더 작은 코어를 필요로 한다. 각 아크를 위한 별도의 보조 인덕터와 센터 탭형 초크를 이용함으로써, 센터 탭형 초크의 장점은 직렬 인덕턴스의 제어와 통합되고, 그 결과 매번의 설치마다 특별한 센터 탭형 인덕터를 필요로 하지 않고도 각 아크의 안정성을 제어할 수 있게 된다.

본 발명의 주 목적은, 하나의 아크의 단락이 다른 아크를 즉시 소멸시키지 않도록 다중 아크 용접 작업에 있어서의 각 전극과 직렬로 연결된 유도성 리액턴스를 사용하는 시스템을 제공하는 데 있으며, 여기서 상기 유도성 리액턴스는 센터 탭형 초크와 별도의 전용 보조 인덕터로부터의 코일 섹션의 합이다.

본 발명의 다른 목적은, 자동 용접 공정에서 일체로 이동하는 일련의 전극을 구동하기 위해 표준 전원에 용이하게 사용할 수 있는 전술한 바와 같은 시스템을 제공하는 데 있으며, 여기서 다양한 설치에 있어서 표준의 센터 탭형 초크가 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 2개 이상의 병렬 아크를 필요로 하는 용접 공정에 대해 단일의 전원을 사용하는 것을 허용하는 전술한 바와 같은 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, DC 및 AC 용접 전류 양자를 이용하여 다양한 용접 공정에 사용할 수 있는 전술한 바와 같은 시스템을 제공하는 데 있다.

전술한 목적 및 다른 목적들과 장점들은 첨부 도면을 참조한 아래의 설명으로부터 명백해질 것이다.

스타바 명의의 특허 제6,207,929호에서, 2개의 탠덤 배열식 전극(tandem arranged electrode)은 일제히 이동하며, 별도의 전원에 의해 구동된다. 이러한 시스템은 도 1에 종래 기술로서 개략적으로 도시된 바와 같이, 탠덤 전극(10, 12)은 공작물(14)과 함께 평행한 아크를 생성하며, 이들 전극이 제1 전원(20)과 제2 전원(22)에 각각 접속되어 있다. 도선(24, 26)은 전원을 공작물에 접속시키는데, 여기서 공작물은 파이프 섹션의 2개의 이격된 단부일 수 있다. 본 발명은 단일의 전원에 의해 구동되는 전극(10, 12) 등의 적어도 2개의 전극을 이용한 용접 공정을 포함한다. 과거에는, 복수의 아크 생성을 위해 단일의 전원을 사용하는 시스템이 도 2에 도시된 바와 같이 대개 초크(30)를 포함하였다. 이러한 초크는 이들 전극(10, 12) 중 하나의 전극이 단락되었을 때, 전류를 제한하기 위해 전극(10, 12)의 병렬 아크에 접속되어 있다. 그러나, 보통의 초크는 상기 아크 중 하나가 단락되었을 때 아크가 소멸되는 것을 막지 못한다. 따라서, 단락은 용접 공정 및 복잡한 재시작 기술에 혼란을 야기한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이 센터 탭형 초크 출력을 이용한다. 이러한 초크는 각각의 아크(A1, A2)에 직렬로 별도의 인덕터를 효과적으로 삽입한다. 단일의 전원은 회로(40)에 의해 전극(10, 12)에 접속되어 있는 출력 단자(32, 34)로 표시되어 있다. 개개의 인덕터 또는 일련의 인덕터(42, 44)는 코어의 재료, 공극, 단면적 및 전도체의 턴수(turns)에 의해 제어된 유도성 리액턴스를 지닌다. 인덕터(42, 44)의 유도성 리액턴스는 아크(A1, A2)에 직렬로 접속되어 있다. 따라서, 실질적으로 전류가 전극으로 흐르지 않을 때, 상기 전극들 중 하나의 전극과 관련된 아크들 중 하나의 아크를 선택된 시간 동안 유지하기 위해 충분한 에너지가 인덕터에 저장된다. 이러한 전류의 전용(轉用)은 아크들 중 하나의 아크가 공작물(14)에 대해 단락될 때 발생한다. 상기 회로(40)는 아크(A1, A2)를 안정시키기 위해 센터 탭형 초크를 포함하는 본 발명의 개괄적 체계를 구성한다. 도 2의 간략화된 개념에서, 인덕터(42, 44)는 다른 아크가 단락될 때 아크를 유지하기 위해 유도성 리액턴스를 갖는다. 표준 기술에 따르면, 도 2에 도시된 인덕터(42, 44)에는 코일(50, 60)과 중앙 코어(52, 62)가 마련되어 있다. 도 2a에 예시된 바와 같이, 코어(52)의 단면적은 폭(a)과 높이(b)의 곱이다. 이러한 단면적은 권선의 턴수(number of turns) 및 코어의 재료와 함께, 적어도 10.0 ms 동안, 바람직하게는 4.0 내지 6.0 ms의 일반적인 범위 동안 아크를 유지시키기에 충분한 유도성 리액턴스를 생성하게 한다. 실제로, 직렬 유도성 리액턴스는 아크들 중 다른 하나가 단락될 때 아크(A1 또는 A2)가 약 5.0 ms 동안 유지되도록 되어 있다. 상기 회로(40)는 본 발명의 가장 넓은 개념을 예시한다. 아크(A1, A2)들 중 다른 하나가 단락될 때, 아크들 중 하나가 유지된다. 본 발명은 도 3에 예시된 바와 같은 센터 탭형 초크를 사용하여 상기 회로(40)의 보호적인 원리를 수행하는 것으로, 여기서 회로(40')는 권선(70a, 72a)과 코어(70b, 72b)를 구비하는 인덕터(70, 72)를 포함한다. 아크(A1, A2)를 안정시키기 위한 상기 장치에 따르면, 도 2에 도시된 코어는 심벌(80)로 표시된 바와 같이 서로 결합된 변압기이다. 따라서, 도선(32)은 중앙 탭(82)에서 인덕터(70, 72)와 통하는 도선(32a, 32b)으로 각각 분기되어 있다. 권선(70a, 72a)을 통과하는 전류 흐름에 의해 야기된 코어 자속은 회로(40')의 정상적인 작동 동안 상쇄되도록 반대방향으로 되어 있다. 도 3에 도시된 센터 탭형 초크 시스템은 도 4에 도시된 센터 탭형 초크 회로를 사용하여 개략적으로 설명되는 장점을 제공한다.

이제 도 4에 도시된 센터 탭형 초크 시스템을 참조하면, 전극(10, 12)을 위한 회로(A)는 센터 탭형 초크(100)를 포함하며, 이 초크는 도선(32)에 접속된 중앙 탭(102), 단부(104), 단부(106), 그리고 단일의 코어(120) 둘레에 감긴 코일 섹션(또는 인덕터 섹션)(110, 112)을 구비한다. 이것은 도 3의 코어(70b, 72b)와 유사하다. 상기 센터 탭형 초크 또는 인덕터는 전극(10, 12)에 각각 직렬로 접속된 출력 도선(130, 132)을 구비한다. 물론, 이들 전극은 릴(reel)로부터 공급되고 도 8에 보다 잘 도시되어 있는 바와 같이 도선(130, 132)으로부터 용접 전류를 수용하는 일반적인 코어형 또는 중실형의 용접 와이어일 수 있다. 센터 탭형 초크의 코일 섹션(110, 112)은 동일한 권선의 턴수를 가지므로, 2개의 이격된 코일에 의해 생성되는 코어(120) 내의 자속은 대개 상쇄된다. 도 4a에 도시된 바와 같이 코어(120)의 크기는 폭(x)과 높이(y)의 곱이다. 도 2에 도시된 개개의 인덕터 대신에 도 4에 도시된 것과 같은 센터 탭형 초크를 사용함으로써, 코어(120)의 크기(x.y)는 코어(52)의 크기(a.b)에 비해 현저하게 작을 수 있다. 실제로는, 센터 탭형 초크를 사용하면, 코어(52)의 단면적을 적어도 50% 줄이는 것이 가능해진다. 센터 탭형 초크 사용의 장점은, 동일한 아크 유지 에너지를 확보하기 위한 코어 크기가 이와 같이 감소된다는 것이다. 본 발명의 장점은, 도 2에 개괄적으로 예시된 보호적인 원리를 수행하는 데 센터 탭형 초크를 사용할 수 있다는 것이다. 본 발명의 하나의 구성 요소로서 센터 탭형 초크를 사용하면, 도 2a 및 도 4a에 도시된 바와 같은 코어의 작동을 비교함으로써 알 수 있는 장점을 지닌다. 양 시스템 모두에서 아크(A1) 또는 아크(A2)에서의 단락이 다른 아크를 소멸시키지 않을 것이다.

본 발명은 도 4에 도시된 시스템에 추가되는 회로 구성 요소이다. 센터 탭형 초크를 기초로 한 회로(40')의 실질적인 사용이 도 5에 도시되어 있다. 전원(200)은 파이프 섹션(202, 204)을 서로 용접하기 위해 사용되며, 이들 파이프 섹션은 단일의 전원(200)에 의해 구동된 전극(10, 12)으로 용접 및 충전될 분리 홈(206)을 구비한다. 상기 전극들은 전극(10, 12)으로부터의 용융 금속이 홈(206)으로 향하게 되도록 홈(206) 둘레에서 일제히 자동적으로 이동한다. 2개의 전극으로부터의 금속은 상기 파이프 섹션(202, 204)들을 서로 용접시킨다. 아크 유지 인덕터 또는 인덕턴스 리액턴스 장치는 인덕터 네트워크(210)에 배치되어 있다. 이러한 네트워크는 도 3에 회로(40')로서 도시되어 있지만, 이는 도 2의 회로(40) 또는 도 4의 회로(A)와 유사할 수 있다. 원격 인덕터 네트워크(210)는 전원(200)으로부터의 입력 도선(212)을 구비한다. 이 도선은 단자(212a)에 접속되어 있다. 단자(214a)는 이격된 파이프 섹션(202, 204)들을 포함하는 공작물과의 전기 접합점을 형성하는 출력 도선(214)에 접속되어 있다. 상기 네트워크(210)는 센터 탭형 초크를 사용하며, 전극들이 일제히 이동함에 따라 자동 용접 작업을 실행하도록 AC 또는 DC 용접 전류 중 하나를 평행한 전극(10, 12)으로 공급하기 위한 출력 도선(220, 222)을 구비한다. 와이어 급송기(230, 232)는 각각 공급 릴 또는 스풀(234, 236)로부터 전극 와이어(10a, 12a)를 각각 끌어당긴다. 표준 제어 기술에 따르면, 회로(40')의 중앙 탭(82)에서의 전압 감지 도선(240)은 적절한 용접 전압을 유지할 목적으로 네트워크(210)의 전압을 전원(200)의 단자(240a)로 되돌려 보낸다. 도 5에는 보조 인덕터를 추가하기 위해 본 발명에 따라 변형되어 있는 센터 탭형 초크 시스템의 실질적인 실시가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 설비의 작동은 변경되지 않는다. 각각의 전극에는 다른 아크의 순간적인 단락과 무관하게 전극에서의 아크를 유지하기 위해 단일의 전원과 직렬로 연결된 유도성 리액턴스가 마련된다. 도 2 내지 도 5의 센터 탭형 초크 시스템은 본 발명의 구성 요소이며, 도 2 내지 도 5의 시스템에 대한 설명은 도 7 및 도 8에 도시된 본 발명에 적용될 수 있다.

도 6에 도시된 곡선(300, 310, 312)은 도 2 및 도 4의 센터 탭형 시스템에 개괄적으로 도시된 바와 같은 시스템을 채용하는 전극의 전압과 전류를 나타낸 것이다. 이들 동일한 곡선은 도 7 및 도 8에 도시된 본 발명을 포함하는 개량된 센터 탭형 초크 시스템의 작동을 설명한다. 곡선(310)은 단락될 아크 양단의 전압이다. 상기 아크는 아크(A2)로 표기되어 있다. 전압(310d)은 단락 지점(310a)에서 거의 영(zero)으로 급락하고 보통 약 5.0 ms의 시간(310b) 동안 낮게 유지된다. 단락은, 전극 양단의 아크 전류를 상승시켜 단락의 네킹(necking) 및 분리를 야기하는 표준 루틴에 의해 지점(310c)으로 표시된 바와 같이 해제된다. 보통의 단락 해제 회로는 본 발명의 일부가 아니며 많은 용접 설비에서 잘 알려진 부분이다. 요약하자면, 지점(310a)에서 단락이 존재하고 그리고 이 단락은 지점(310c)에서 해제된다. 전압(310d)은 용접 작업 중에 제어된 전압 레벨이다. 스파이크(310e)는 아크(A2)를 다시 만들기 위해 단락이 갑자기 중단될 때 일어나는 회복성 스파이크이다. 상기 곡선(300)은 도 4의 센터 탭형 초크 회로(A) 혹은 도 7 및 도 8에 도시된 본 발명의 센터 탭형 초크 시스템을 이용하여 단락되지 않은 아크(A1)의 전류 곡선이다. 지점(310a)에서, 아크(A2)는 높은 전류를 끌어들인다. 이러한 작용은 아크(A1)에 유용한 전류를 감소시키기 때문에, 단락이 제거될 때인 낮은 레벨(300c)에 도달할 때까지 아크를 통한 전류는 직선 경사부(300b)를 따라 감소한다. 이 때, 상기 아크(A1) 양단의 전류는 시정수 곡선(300d)을 따라 회복된다. 도 4의 시스템 혹은 도 7 및 도 8의 시스템에서 센터 탭형 초크의 코어의 유도성 리액턴스는 직선 경사부(300b), 전류 곡선(300)의 점 또는 레벨(300c)을 제어한다. 이러한 유도성 리액턴스는 또한 곡선(300d)의 형상을 제어한다. 2개의 아크 유지 인덕터가 도 2에 도시된 바와 같이 분리형 코어 상에 감길 때, 단락되지 않은 아크(A1)의 전류는 곡선(312)으로 나타난다. 상기 전류는 작동 레벨(312a)을 지니며, 아크(A2)의 단락이 존재할 때, 시정수 곡선(312b)을 따라 감소된다. 단락이 제거될 때, 곡선(312)은 시정수 곡선(312c)을 따라 급속하게 회복된다. 양자의 경우, 아크(A2)가 단락될 때, 아크(A1)를 유지시키기 위해 잔류하는 소정 양의 에너지가 존재한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 전류는 레벨(312d)로 떨어지며 이 전류 레벨은 레벨 또는 지점(300c)보다 낮다. 상기 낮은 전류 레벨은 개개의 인덕터 코어 사이에서의 상호 결합 부족에 기인한다. 도 6에 도시된 곡선은 도 2에 도시된 회로(40)로 나타내어진 바와 같은 개괄적 이론의 작동 특성을 도시한 곡선이다. 이들 곡선은 도 4에 도시된 바와 같은 센터 탭형 초크를 사용하는 시스템 혹은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 본 발명을 구성하는 개량된 센터 탭형 초크 시스템의 작동을 나타낸다.

본 발명의 바람직한 실시예는 도 7 및 도 8에 예시되어 있는데, 여기서 센터 탭형 초크(100)의 출력 도선(130, 132)은 도 7의 시스템(400)과 도 8의 관련 시스템(400')에 용접 동력을 공급한다. 상기 시스템(400)을 참조하면, 출력 도선(130)은 아크(A1)를 포함하는 직렬 회로에 대해 바람직한 유도성 리액턴스를 생성하기 위해 코일 섹션(112)의 인덕턴스와 조합되는 별도의 보조 인덕터(402)를 구비한다. 아크(A1)를 안정화시키기 위해, 보조 인덕터(402) 및 아크(A1)를 포함하는 직렬 회로에 병렬로 역방향 바이어스 프리휠링 초크(404)가 접속되어 있다. 이러한 방식에서, 출력 도선(132)은 아크(A2)에 직렬로 연결된 별도의 보조 인덕터(410)로 향한다. 아크(A2)를 안정화시키기 위해, 시스템(400)은 역방향 바이어스 프리휠링 다이오드(412)를 포함한다. 시스템(400)의 작동에 있어서, 아크(A1, A2)와 직렬로 연결된 아크 안정화 인덕턴스는 중앙 초크 코일 섹션 및 보조 인덕터의 통합 인덕턴스이다. 센터 탭형 초크(100)는 전기 용접기의 출력을 위한 표준 구성 요소이며, 아크(A1, A2) 중 하나의 의도하지 않은 단락 기간 동안 아크를 제어하기 위해 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 본 발명의 개량은 센터 탭형 초크 및 아크와 직렬로 연결된 보조 인덕터를 추가하는 데 있다. 이러한 방식으로, 표준 센터 탭형 초크는 도 4와 관련하여 설명한 바와 같이 본 발명을 실시하는 데 사용된다. 전류 흐름을 제어하는 직렬 회로에서 실제 인덕턴스의 주문을 맞추기 위해 본 발명은 보조 인덕터를 사용한다. 이러한 방식으로, 반대편 아크가 단락될 때까지 아크를 유지시키는 시간은, 일반적으로 어느 정도 표준화된 용접기의 구성 요소인 센터 탭형 초크의 구조 변경 없이 제어된다. 또한, 별도의 보조 인덕터를 사용함으로써, 용접 작업은 그것을 구성하고 표준의 센터 탭형 초크를 마련한 후 주문에 맞추어지게 된다. 상기 초크 자체는 각각의 아크의 안정성에 영향을 주고자 할 경우마다 매번 개량할 필요가 없게 된다. 비록 도 4에 도시된 센터 탭형 초크 시스템(A)이 본 발명의 전반적인 장점을 지니지만, 이는 상기 도 4의 시스템에 대해 상당한 개선점이다. 시스템(400)은 저비용으로 그리고 개개의 아크의 안정성에 대한 주문에 맞추는 방식으로 도 4에 예시된 개념의 용례 및 실시를 간단하게 향상시킨다. 도 5와 관련하여 설명한 바와 같이 전극(10, 12)은 각각 스풀(234, 236)로부터 용접 와이어를 인출하는 와이어 급송기(230, 232)에 의해 개별적으로 실제 구동된다. 구동 롤(230a) 및 구동 롤(232a)은 와이어 급송기(230, 232)의 모터(M1, M2)에 의해 수신된 신호로 제어되는 와이어 급송 속도로 스풀(234, 236)로부터 용접 와이어(W1, W2)를 각각 당긴다. 시스템(400')은 도 5에 예시된 바와 같이 시스템(400)에 사용되는 와이어 급송기의 개념을 예시하고 있다. 시스템(400')은 고정된 보조 인덕터(402, 410) 대신에 조절 가능한 보조 인덕터(450, 452)를 각각 포함한다는 점에서 상기 시스템(400)과 상이하다. 시스템(400)의 프리휠링 다이오드는 시스템(401)에 포함되지만, 간략화를 위해 도시되어 있지 않다. 또한, 와이어(W1, W2)를 위한 표준 접촉 슬리브(420, 422)가 보조 인덕터와 아크(A1, A2) 각각 사이의 연결부로 도시되어 있다. 아크(A1)와 직렬로 연결된 전류 제어 유도성 리액턴스를 비롯한 개괄적 개념은, 중앙 태핑 인덕터를 이용하는 것인 도 4에 도시되어 있다. 이러한 개념은 각 시스템(A)용의 특별한 센터 탭형 초크의 설계를 필요로 한다. 도 4의 회로를 개량하기 위해, 도 7 및 도 8에 도시된 시스템(400, 400')은 개개의 아크와 직렬로 연결된 별도의 보조 인덕터를 포함함으로써, 아크(A1, A2)의 안정화에 사용하기 위한 유도성 리액턴스를 맞춤식 개발하고자 할 때 보조 인덕터에서의 변화를 허용한다. 또한, 시스템(400')은 도 1 내지 도 5에 도시된 개념을 실시하는 회로의 다양한 직렬 인덕턴스를 더 주문에 맞게 맞추거나 트리밍하기 위해 인덕터(450, 452) 자체의 개별적인 조절을 허용한다.

본 발명에 따르면, 2개 이상의 아크에 대한 표준 중앙 초크 출력이 소정 전원에 맞추어 구성될 수 있고, 상이한 유도성 리액턴스가 필요할 경우 단지 보조 인덕터를 교환하면 된다. 이는 출력 회로의 비용을 줄이고 거의 표준의 센터 탭형 인덕터의 사용을 허용해준다. 또한, 각 아크를 위한 별도의 보조 인덕터와 센터 탭형 초크를 이용함으로써, 센터 탭형 초크의 장점은 직렬 인덕턴스의 제어와 통합되고, 그 결과 매번의 설치마다 특별한 센터 탭형 인덕터를 필요로 하지 않고도 각 아크의 안정성을 제어할 수 있게 된다.

Claims (13)

1. 단일의 전원으로부터의 전력선에 의해 각각 구동되는 제1 전극 및 제2 전극과 공통의 공작물과의 사이에서 각각 발생하는 제1 아크 및 제2 아크를 비롯한 복수의 아크를 이용하여 용접하는 장치로서,

   코어, 중앙 탭, 제1 단부, 제2 단부, 상기 중앙 탭과 상기 제1 단부 사이에 있는 제1 코일 섹션, 및 상기 중앙 탭과 상기 제2 단부 사이에 있는 제2 코일 섹션을 구비하는 인덕터와, 상기 제1 아크를 상기 제1 코일 섹션에 직렬로 접속시키는 제1 회로와, 상기 제2 아크를 상기 제2 코일 섹션에 직렬로 접속시키는 제2 회로와, 상기 제1 코일 섹션과 상기 제1 아크 사이에서 상기 제1 회로 내에 별도로 마련된 제1 보조 인덕터와, 상기 제2 코일 섹션과 상기 제2 아크 사이에서 상기 제2 회로 내에 별도로 마련된 제2 보조 인덕터를 포함하며, 상기 전력선은 상기 중앙 탭에 접속되어 있는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
2. 제1항에 있어서, 제1 회로 또는 제2 회로를 통하여 서로 직렬로 연결되는 상기 제1 및 제2 코일 섹션과 상기 제1 및 제2 보조 인덕터는, 상기 제1 전극과 제2 전극 중 하나의 전극으로 전류가 흐르지 않는 경우에, 상기 하나의 전극과 관련된 기존 아크를 선택된 전체 시간 동안 유지하기에 충분한 에너지를 저장하는 인덕턴스를 갖는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 시간은 대개 1.0 ms 내지 10 ms 범위인 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코일 섹션은 동일한 턴수를 갖는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코일 섹션은 동일한 턴수를 갖는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코일 섹션은 동일한 턴수를 갖는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코일 섹션은 그 권선 극성에 의해 공통의 코어에 반대방향의 자속이 일어나도록 상기 공통의 코어 상에 감기는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
8. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 보조 인덕터 및 관련 아크에 병렬로 연결되는 프리휠링 다이오드를 포함하는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
9. 제7항에 있어서, 각각의 보조 인덕터 및 관련 아크에 병렬로 연결되는 프리휠링 다이오드를 포함하는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
10. 제1항에 있어서, 각각의 보조 인덕터 및 관련 아크에 병렬로 연결되는 프리휠링 다이오드를 포함하는 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 보조 인덕터 중 하나는 인덕턴스의 조절이 가능한 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
12. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 보조 인덕터 중 하나는 인덕턴스의 조절이 가능한 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.
13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 보조 인덕터 중 하나는 인덕턴스의 조절이 가능한 것인 복수의 아크를 이용하는 용접 장치.

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