KR101037527B1

KR101037527B1 - Ｍｉｇ-플라즈마 용접 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101037527B1
Application number: KR1020057008543A
Authority: KR
Inventors: 조지리 아이그나첸코; 아이거 다이크노
Original assignee: 플라즈마 레이저 테크놀로지스 엘티디.
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2023-11-12
Also published as: DK1581359T3; JP2006519103A; EP1581359A4; ES2371459T3; US20050199593A1; CA2505731A1; EP1581359B1; JP4726038B2; AU2003279507A1; US7235758B2; CA2505731C; KR20050073624A; WO2004043639A1; ATE519556T1; EP1581359A1

Abstract

본 발명은 플라즈마 용접 및 MIG(metal-inert-gas) 용접을 결합한 용접 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은 워크피스(31)에 대해 비소모성 플라즈마 전극(38)이 음이 되게 하는 정-전류 전원 장치(49)를 구비한 플라즈마 토치를 포함하고, 또한 워크피스(31)에 대해 필러 와이어가 양이 되게 하는 정-전압 전원 장치(48)를 구비한 MIG 아크 토치를 포함한다. 플라즈마 전극 및 필러 와이어 사이의 분리 본체는 플라즈마 전극(38)을 사실상 감싸는 노즐(33)의 형태가 바람직하고, 플라즈마 전극의 표면을 흐르는 가스 흐름을 안내한다. 선택적으로, 보조 전원 장치는 주 아크의 개시를 촉진하고 주 아크가 개시할 때 플라즈마 토치로의 열적 쇼크를 방지하기 위해 비소모성 전극(38)과 분리 본체 사이에 아크를 유지한다. 상기 용접 시스템은 워크피스(32)에 대해 이동되어 플라즈마 아크가 MIG 아크(40)에 앞서도록 한다.

플라즈마 용접, MIG 용접, 소모성 및 비소모성 전극, 용착, 용가재, 필러 와이어

Description

ＭＩＧ-플라즈마 용접 시스템 및 방법{MIG-PLASMA WELDING}

본 발명은 용접 시스템 및 상기 시스템을 채용하는 방법에 관한 것으로, 특히 금속-불활성-가스(Metal-Inert-Gas: MIG) 용접 및 플라즈마 아크 용접의 결합에 관한 것이다.

MIG 용접 기술은 수년동안 널리 공지되어 산업 어플리케이션에서 널리 사용되고 있다.

상기 MIG 공정은 또한 가스 금속 아크 용접(Gas Metal Arc Welding: GMAW)으로 알려져 있고, 연속적인 소모성 전극(consumable electrode)의 자동 송급을 통합하며, 상기 소모성 전극은 외부에서 공급된 가스에 의해 분위기(atmosphere)로부터 차폐된다. 특히 중요한 것은 소모성 전극으로부터 워크피스(workpiece)로의 금속 이행이다. 상기 이행은 다음의 세가지 기본 모드 중의 하나를 통해 발생할 수 있다:

(a) 단락 용적이행(short-circuiting transfer)

(b) 입상 용적이행(globular transfer)

(c) 스프레이 용적이행(spray transfer)

모드 (a), 단락 용적이행은 낮은 용접 전류 및 작은 전극 직경으로 특징지워 진다. 금속은 전극이 용접 풀과 접촉하고 있는 동안 이행만 된다. 어떤 금속도 아크 갭을 가로질러 전달되지 않는다. 상기 모드는 주로 박판(thin section)을 결합하고 큰 루트 간격(root opening)을 브리징하는데 적합하다. 처리 속도 및 최종 공정 생산율이 매우 낮고, 용입(penetration)이 얕다.

모드 (b), 입상 용적이행은 전극의 직경보다 큰 직경의 금속 덩어리(drop)의 이행으로 특징지워 진다. 중력은 사실상 수평으로 용접 아크 아래에 놓여 있는 워크피스의 성공적인 용접을 제한하는, 상기 큰 금속덩어리에 매우 중요한 영향을 준다. 또한, 아크 길이가 너무 짧으면, 전압이 단락 용적이행 전압에 근접함에 따라, 상기 큰 금속덩어리는 전극과 워크피스 사이에서 쇼트를 야기할 수 있어 상당한 스패터(spatter)가 발생한다. 상기 아크는 그러므로 상기 쇼트를 방지할 수 있을 만큼 커야한다. 그러나, 높은 전압을 사용하여 이루어지는 용접은 종종 용융(fusion)의 부족, 불충분한 용입 및 불필요한 금속의 초과 용착으로 허용되지 않는다. 상기 특징들은 생산 어플리케이션에서 입상 용적이행 모드의 사용을 제한한다.

모드 (c), 스프레이 용적이행 모드는 아르곤이 풍부한 차폐 가스에서 가능한다. 상기 스프레이는 불연속적인 금속덩어리의 고도로 통제된 흐름으로, 상기 금속덩어리는 중력의 영향을 극복하기에 충분히 강한 아크 힘에 의해 가속된다. 스프레이 용적이행 모드는 아크 전류가 소위 이행 전류보다 큰 경우 가능하고, 그 값은 와이어 직경 및 재료의 유형에 의존한다. 스프레이 용적이행 모드로의 동작은 매우 바람직하다.

그러나, 상기 스프레이 용적이행 모드의 높은 용착율(deposition rate)은 용 접 풀이 너무 커서 수직으로 또는 오버헤드 위치에서 표면 장력에 의해 지지되지 못할 수 있다. 도 1의 그래프에 도시된 바와 같이, 용착율은 용접 전류가 증가함에 따라 증가하고, 증가율은 용접 전류가 증가함에 따라 증가한다. 이는 초과 전극 용해 및 용가재(filler metal)의 초과 소모를 유도한다.

상기 고려 사항들은 용접 속도 및 상이한 그루브(groove) 유형으로 멀티패스 용접이 필요하도록 유도하는, 상기 세가지 모드 중의 하나로 동작할 때 하나의 패스(pass)로 용접될 수 있는 물질의 두께를 제한한다. 또한, 대형 용접 풀은 높은 레벨의 용접 변형을 초래한다.

워크피스에 대한 열전달율이 용가재 용착율을 증가시키지 않고 가속될 수 있다면, 용입 깊이 및 용접 속도는 급속히 증가될 수 있다.

주로 이용되는 MIG 용접과 플라즈마 용접의 결합은 용접 용융을 향상시킬 수 있고 생산율을 증가시킬 수 있다.

미국 특허 제3,612,807(A.J. Lifkens와 W.G. Essers)는 필러 와이어를 축 송급하는 플라즈마 용접 방법 및 장치를 개시한다. 상기 작업은 다음의 미국 특허 제4,016,397, 4,039,800, 4,220,844, 4,205,215, 4,234,778, 및 4,142,090에서 볼 수 있듯이 더욱 발전되었다. 도 2는 전술된 미국 특허 제3,612,807에 개시된 장치의 전형적인 실시예를 도시한다. 제1 아크(플라즈마 아크)(21)는 가스 입구(9)로부터 흐르는 가스류(gas stream) 내에서 비소모성 전극(20)과 워크피스(12) 사이에 유지된다. 플라즈마류(15)는 노즐(6)에 의해 압축된다. 플라즈마류(15)는 압축 노즐(6)을 통과하여 워크피스(12)로의 흐름(22) 내으로 계속된다. 소모성 전극(3)은 함께 축으로 흐름(22)으로 안내되고, 제2 아크(MIG 아크)는 소모성 전극(3)과 워크피스(12)의 단부 사이에 유지된다. 소모성 전극(3)과 MIG 아크의 단부는 모두 플라즈마류(22) 내에 잠긴다.

상기 종래 기술의 발명의 물리와 종래 기술의 장치를 조심스럽게 살펴보면, 본 발명의 청구하고자 하는 목표를 달성하기 위해 그리고 사용될 용접 헤드에 대해, 전극(3) 및 전극(20)은 모두 애노드 또는 모두 캐소드의, 모두 동일한 극성이어야한다.

사실상, 전극(3, 20)은 상이한 극성이고, 상기 전극(3, 20) 사이에 전기 방전이 즉시 일어난다면, 전류는 워크피스(12)을 통과하지 않고 아크에 의한 워크피스(12)의 용해는 전혀 발생하지 않는다. 또한, 필러 와이어(3)의 축 송급으로 인해, 필러 와이어(3)는 필러 와이어(3)의 추가 가열을 유도하는, 플라즈마 아크와 긴 접촉 영역을 갖는다. 이는 워크피스(12)의 실제 융입없이, 매우 높은 융착율을 초래한다.

전극(3, 20)이 모두 애노드인 경우, 비소모성 전극(20)을 과열할 위험으로 인해 플라즈마 아크 전류를 위한 작업 윈도우는 최대 대략 100 암페어로 제한된다. 상기 결과는 플라즈마 전극(20)이 애노드일 때 통상의 플라즈마 아크 용접으로 널리 알려져 있다. 이는 얕은 용입을 초래하고 비교적 느린 용접 속도만을 허용한다. MIG 전류를 증가시킴으로써만이 융착율이 증가할 수 있고, 깊은 용입 용적은 획득되지 않는다.

플라즈마 아크 전극(20)은 보통 플라즈마 아크 용접에 이용되는 극성인 음인 것이 훨씬 바람직하다. 예를 들어, 본 출원서의 일부처럼 모든 목적에 대해 참고로서 병합되어 있는, American Welding Handbook, Eighth Edition, American Welding Society, 1991, 10장, Plasma Arc Welding을 참고하자. 그러나, 음의 극성의 MIG 아크는 매우 불안정한 경향이 있어, 이러한 불안정성은 널리 공지되어 있고 MIG 용접 공정에서는 잘 연구된 주제이다. 예를 들어, 본 출원서의 일부처럼 모든 목적에 대해 참고로서 병합되어 있는, American Welding Handbook, Eighth Edition, American Welding Society, 1991, 2권, 특히 119페이지를 참고하자. 또한, 음의 극성은 MIG 소모성 전극(3)이 양의 극성일 때보다 더 높은 비율로 MIG 소모성 전극(3)이 용해되도록 한다. 따라서, 전극(3, 20) 모두가 양의 극성일 때처럼, 전극(3, 20) 모두가 음의 극성일 때 결과는 용입과 용접 속도가 증가된다기 보다 융착율이 증가될 것이다.

요약하면, 전술된 미국 특허 제3,612,807은 용입 깊이 또는 용접 속도, 또는 양자의 증가를 허용하지 않는다. 그러므로, 홈을 형성하지 않고 박판 또는 두꺼운 부분의 고속 용접을 달성하는 것이 불가능하고, 이는 MIG 또는 플라즈마 아크 용접 각각의 주 단점이다.

따라서, MIG 와이어가 필요 이상으로 플라즈마 아크의 장부분을 가로지르지 않고, 플라즈마 아크는 음의 극성이고 MIG 아크는 양의 극성인, 플라즈마 용접과 MIG 용접의 이점을 제공하고 양자의 이점을 갖는 것이 매우 바람직한 용접 시스템의 필요성이 널리 인식되고 있다. 상기와 같은 시스템은 최소의 워크피스 용입과 깊은 용입 용접이 가능하게 할 것이다.

본 발명에 따라 (a) 제1 전극; (b) 제2 전극; 및 (c) 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 사실상 위치된 분리 본체(separating body)를 포함하며, 상기 분리 본체가 상기 제1 전극의 표면을 따라 가스의 흐름을 안내하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 시스템이 제공된다.

바람직하게, 상기 시스템은 (d) 상기 제1 전극 상에 워크피스에 대한 제1 전위(electrical potential)를 부여하고, 상기 제2 전극 상에 워크피스에 대한 제2 전위를 부여하는 전원을 더 포함하며, 상기 제2 전위가 상기 제1 전위에 대해 반대 극성이다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 전원은 제1 직류 전원 장치를 포함하며, 상기 제1 직류 전원 장치가 양의 단자를 구비하고, 상기 제1 직류 전원 장치가 음의 단자를 또한 구비하고, 상기 제1 직류 전원 장치의 양의 단자가 워크피스에 접속하기 위한 것이고, 상기 제1 직류 전원 장치의 음의 단자가 상기 제1 전극에 접속된다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 제1 직류 전원 장치는 사실상 정-전류 전원 장치를 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 제1 직류 전원 장치는 펄스형 직류 전원 장치를 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 전원은 제2 직류 전원 장치를 포함하며, 상기 제2 직류 전원 장치는 양의 단자를 구비하고, 상기 제2 직류 전원 장치는 음의 단자를 또한 구비하고, 상기 제2 직류 전원 장치의 양의 단자는 상기 제2 전극에 접속되고, 상기 제2 직류 전원 장치의 음의 단자는 상기 워크피스에 접속되기 위한 것이다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 제2 직류 전원 장치는 사실상 정-전압 전원 장치를 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 제2 직류 전원 장치는 펄스형 직류 전원 장치를 포함한다.

대안으로, 상기 시스템에서, 상기 전원은, (i) 상이한 위상의 제1 단자 및 제2 단자를 구비한 교류 전원 장치; (ii) 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)를 구비한 제1 다이오드; 및 (iii) 캐소드 및 애노드를 구비한 제2 다이오드를 포함하며, 상기 교류 전원 장치의 제1 단자가 워크피스에 접속하기 위한 것이고, 상기 교류 전원 장치의 제2 단자가 상기 제1 다이오드의 캐소드에 접속되고 상기 제1 다이오드의 애노드가 상기 제1 전극에 접속되고, 상기 교류 전원 장치의 제2 단자가 또한 상기 제2 다이오드의 애노드에 접속되고 상기 제2 다이오드의 캐소드가 상기 제2 전극에 접속된다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 제1 전극의 축과 상기 제2 전극의 축 사이의 각은 많아야 대략 45도이다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (d) 상기 제2 전극을 전진시키는 공급 메카니즘을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (d) 상기 제1 전극을 유지하고 상기 제1 전극과 전기 접촉하는 전극 홀더를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (e) 열 전도성이고 전기 절연성인 물질로 이루어지고, 상기 전극 홀더와 상기 분리 본체 사이에 위치된 필름을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 필름은 폴리이미드 필름(polyimide film)과 폴리아미드 필름(polyamide film)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 필름을 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (d) 양의 단자와 음의 단자를 구비한 보조 직류 전원 장치를 더 포함하며, 상기 보조 전원 장치의 음의 단자가 상기 제1 전극에 전기적으로 접속되고 상기 보조 전원 장치의 양의 단자가 상기 분리 본체에 접속된다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 제1 전극은 냉각 유체를 수송하는 채널을 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (d) 상기 채널을 통해 상기 유체를 이동시키는 메카니즘을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 분리 본체는 냉각 유체를 수송하는 채널을 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 분리 본체는 튜브를 포함하고, 상기 제1 전극은 사실상 상기 튜브 내에 위치된다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 튜브는 압축 단부를 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (d) 상기 제1 전극의 팁을 사실상 에워싸는 낮은 반응성을 갖는 가스를 제공하는 메카니즘을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (e) 상기 가스에 회전 운동(rotational motion)을 서서히 주입하는 메카니즘을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 가스는 질소, 수소, 희가스(noble gas), 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (d) 워크피스의 일부와 상기 제2 전극의 일부를 사실상 에워싸는 낮은 반응성을 갖는 가스를 제공하는 메카니즘을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 차폐 가스는 질소, 수소, 이산화탄소, 희가스(noble gas), 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 제1 전극은 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴, 및 몰리브덴 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질을 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, 상기 제2 전극은 연강(mild steel), 철, 철 합금, 니켈 합금, 코발트 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 티타늄, 및 티타늄 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질을 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (d) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치된 자기 차폐수단(magnetic shield)을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 시스템에서, (d) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 동작을 조절하는 제어 메카니즘을 더 포함한다.

본 발명에 따라, (a) 제1 전극을 제공하는 단계; (b) 제2 전극을 제공하는 단계; (c) 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 사실상 위치된 분리 본체를 제공하는 단계; (d) 상기 제1 전극과 워크피스 사이에 전기 아크를 유지하도록, 워크피스에 대해 음인 상기 제1 전극 상에 전위를 부여하는 단계; (e) 상기 제2 전극과 워크피스 사이에 전기 아크를 유지하도록, 워크피스에 대해 양인 상기 제2 전극 상에 전위를 부여하는 단계를 포함하는 워크피스 용접 방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 방법은, (f) 상기 제1 전극이 상기 제2 전극에 어느 정도 우선하도록 상기 제1 전극과 제2 전극을 워크피스에 대해 이동시키는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 방법에서, 상기 제1 전극의 축과 상기 제2 전극의 축 사이의 각은 많아야 대략 45도이다.

바람직하게, 상기 방법에서, 상기 제1 전극과 워크피스 사이의 상기 전기 아크는 펄스형으로 전압이 가해(energize)진다.

바람직하게, 상기 방법에서, 상기 제2 전극과 워크피스 사이의 상기 전기 아크는 펄스형으로 전압이 가해진다.

바람직하게, 상기 방법에서, 상기 제1 전극과 워크피스 사이의 상기 전기 아크, 및 상기 제2 전극과 워크피스 사이의 상기 전기 아크는 서로 교대로 전압이 가해진다.

바람직하게, 상기 방법에서, (f) 전극이 소모성임을 보상하기 위해 상기 제2 전극을 전진시키는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 방법에서, (f) 상기 제1 전극과 상기 분리 본체 사이에 전기 아크를 유지하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 방법에서, 상기 제1 전극은 채널을 포함하고, 상기 방법은 (f) 상기 채널을 통해 냉각 유체를 수송하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 방법에서, 상기 분리 본체는 채널을 포함하고, 상기 방법은 (f) 상기 채널을 통해 냉각 유체를 수송하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 방법에서, (f) 상기 제1 전극의 팁을 낮은 반응성을 갖는 가스로 에워싸는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 방법에서, (g) 상기 가스에 회전 운동을 주는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 방법에서, 상기 가스는 질소, 수소, 희가스, 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.

바람직하게, 상기 방법에서, (f) 워크피스의 일부와 상기 제2 전극의 일부를 낮은 반응성을 갖는 가스로 에워싸는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 방법에서, 상기 차폐 가스는 질소, 수소, 이산화탄소, 희가스, 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.

바람직하게, 상기 방법에서, (f) 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 자기 차폐수단을 삽입하는 단계를 더 포함한다.

첨부되는 도면을 참고하여, 실시예에 의해 본 발명을 설명하겠다.

도 1은 탄소강 전극에 대한, 용접 전류의 함수로서 MIG 용접에서 와이어 송급 속도의 그래프이다.

도 2는 미국 특허 제3,612,807에 따른, MIG 및 플라즈마 용접을 결합한 종래 기술 장치의 개략도이다.

도 3a는 종래 기술에 따른 플라즈마 용접의 개략도이다.

도 3b는 종래 기술에 따른 높은 용접 속도에서 플라즈마 용접의 개략도이다.

도 3c는 본 발명에 따른 MIG 및 플라즈마 용접이 결합된 개략도이다.

도 4는 본 발명의 장치를 추가로 상세히 도시하는, 본 발명에 따른 MIG 및 플라즈마 용접이 결합된 개략도이다.

도 5는 직류 전원 장치를 포함하는 본 발명에 따른 MIG 및 플라즈마 용접이 결합된 개략도이다.

도 6은 교류 전원 장치를 포함하는 본 발명에 따른 MIG 및 플라즈마 용접이 결합된 개략도이다.

본 발명은 단일 통합 시스템에서 MIG 용접과 플라즈마 용접을 결합하는 시스템이다.

단지 예로서의 하기 논의는 본 발명이 용접을 위한 시스템의 구축 및 용접 공정 자체에 적응될 수 있는 방법을 보여준다. 제안된 발명의 주된 목표는，양쪽 방법들에 의해 제공되는 이익들을 강화하는 것에 의해，결합된 플라즈마 및 MIG 공정들의 생산성을 늘리는 것이다:

(1) 플라즈마 아크 용접의 높은 전력 밀도와 깊은 용입, 및

(2) MIG(GMAW)의 워크피스 사이의 큰 갭을 브리지하기 위한 능력 및 높은 아크 효율.

이 목표는 비소모성 플라즈마 아크 전극과 소모성 (MIG/GMAW) 전극의 축들이 워크피스에 직면하고 있는 예각을 가지며, 전극의 축들이 용접 라인에서 사실상 워크피스와 교차하는 평면 내에 놓이는 방법으로, 소모성 전극과 비소모성 전극 둘다를 하나의 프로세싱 토치 내에서 결합함으로써 달성된다. 본 발명은 한편으로는 플라즈마 아크의 주요한 이점들을 이용하고, 다른 한편으로는 MIG-GMAW의 높은 아크 효율과 급속한 금속 전달을 이용한다. 이것은 플라즈마 아크와 MIG 아크의 상호 작용에 의해 이뤄진다.

본 발명에 따르는 용접 시스템의 원리들과 동작은 도면과 첨부되는 기술을 참조하면 더 잘 이해되어질 수 있다.

이제 도면을 참조하면，도 3c는 플라즈마 용접과 MIG 용접을 결합하는，본 발명에 따른 용접 시스템의 양호한 실시예를 개략적으로 설명한다.

플라즈마 아크(32)는 비소모성 전극(38)과 워크피스(31) 사이에서 탄다. 플라즈마 아크(32)는 노즐(33)에 의해 압축된다. MIG 아크는 소모성 전극(39)과 워 크피스(31) 사이에서 확립된다. 전극(39)의 팁(56)은 플라즈마 아크(32)에 의해 만들어진 플라즈마 스트림(41) 내에 잠긴다.

전극(38 및 39)과 관련 구성 요소들을 포함하여，결합된 용접 토치(58)는 워크피스(31)의 표면을 따라 사실상 화살표(46)의 방향으로 움직이게 된다. 화살표(46)의 방향은 용접 방향으로서 알려진다.

대규모적인 이론적이고 실제적인 조사들은 용입 깊이와 용접 속도가 플라즈마와 MIG/GMAW 단독 또는 소정의 현존하는 종래 기술의 플라즈마-MIG 증가율에 비해，사실상 증가될 수 있음을 보여주는데, 이는 플라즈마 아크 전극(38)의 축(35)과 MIG 전극(39)의 축(36) 사이의 예각 α를 유지하고, 워크피스(31)의 표면을 교차하는 소모성 (MIG) 전극(39)의 축(36)인 지점과 워크피스(31)의 표면을 교차하는 비소모성 (플라즈마) 전극(38)의 축(35)인 지점 사이의 간격 D를 유지함으로써 가능하다. 몇몇 경우에서의 결과는 용입 깊이와 처리 속도의 최소한 3배인데, 이는 플라즈마 용접 또는 MIG/GMAW 단독과 대조적으로, 또는 소정의 종래 기술의 증대된 플라즈마-MIG 기술에 비교해 볼 때, 그루빙 또는 소정의 다른 에지 준비 기술에 대한 필요성이 없이도 가능하다.

전극(38 및 39)의 축(35 및 36)들 사이의 상기 예각 α, 및 워크피스(31)와 축(35 및 36)들의 교차점들 사이의 거리 D는 종래 기술로부터 명백하지 않거나 분명하지 않고, 본 발명에 의해 교시된 예각 α과 거리 D의 조합은 용입 깊이와 처리 속도에서 상당한 개선점을 제공한다. 더욱이, 본 발명은 근원적 종래 기술을 이해하는 것과는 전적으로 다른 플라즈마 MIG-용접 시에 발생하는 물리적 공정의 이해 에 근거하고 있다.

플라즈마 아크 용접 속도가 매우 빠를 때, 플라즈마 아크(32)에 의해 만들어진 용접 풀(welding pol; 34)이 도 3b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 용접 방향(46)에 대해서, 워크피스(31)의 표면과 플라즈마 전극(38)의 축(35)의 교차점 뒤에 남아서, 용입의 부족과 언더컷을 야기한다. 도 3a에서 개략적으로 도시된 종래의 플라즈마 용접은 양호한 용접 결과를 제공하지만, 용접된 재료, 및 그 두께에 따라, 용접 속도는 보통 분당 1 미터 이하로 제한된다. 플라즈마 아크 전극(38)이 음일 때, 최대 속도 및 용입을 달성하기 위한, 플라즈마 아크 용접에 대한 양호한 동작 모드이고 (예를 들어, Robert L.O'Brien, Plasma Arc Metalworking Processes, American Welding Society, 1967년 6월, 이는 본 명세서에 참고로서 인용됨), MIG 전극(39)이 양일 때, 최대 처리 속도를 달성하고, 스패터를 최소화하고, 스프레이 용적이행 모드로 동작하기 위한, MIG 용접에 대한 양호한 모드이며, 도 3c에 개략적으로 설명된, 자기력 F는 전류(42와 43) 및 아크(32 및 40) 간의 상호작용의 결과로서 생성된다. 상이한 방향으로 진행하는 전류로 인한 이들 자기력 F는 용접 풀(34)의 용접 방향(46)에 대해서, 전면쪽으로의 플라즈마 아크의 편향을 야기하고, 따라서 고속 용접 중에 플라즈마 아크 축(35) 뒤쪽으로 떨어지기 위한 플라즈마 아크의 자연적이고 공지된 경향을 보상한다. 따라서, 고속으로의 용접 중에 플라즈마 아크(32)가 용접 방향(46)에 대해서 플라즈마 전극(38)의 축(35) 뒤쪽으로 과도하게 떨어지는 것 없이, 플라즈마 아크(32)의 강도 및 안정성에서의 실질적인 증가를 야기한다. 이는 용입 깊이 및 용접 속도의 실질적인 증가로 이어지 고, 따라서 종래의 MIG 용접에 필요한 에지 준비 또는 그루빙에 대한 필요성을 제거한다. 자기력 F는 전극 축(35 및 36)들 사이의 각도 α, 및 전극 축(35 및 36)들이 워크피스(31)의 표면을 교차하는 지점들 사이의 거리 D에 따라 좌우된다.

소모성 전극(39)으로부터 금속이 전달되는 방법에 따라 플라즈마 아크(32)의 중요한 효과가 또한 있다. 본 발명에서 플라즈마 아크(32)는 소모성 전극(39)의 팁(56)에 영향을 끼칠 뿐이다. 도 2의 기존의 종래 기술의 배치에서 소모성 전극 (3)이 플라즈마 아크(21)의 전체 볼륨을 통해 통과하는데, 이는 소모성 전극(39)의 실질적인 과열을 가져온다. 그러므로，위에서 나타낸 것과 같이，이것은 높은 필러-와이어 소모율 동반하여, 용접 금속의 스패터링 및 초과 용착을 야기한다.

애노드 스폿은 MIG 아크(40)의 전류가 양의 MIG 전극(39)에서 MIG 아크(40)로 통하는 경우에 양의 MIG 전극(39) 상의 영역이다.

본 발명에서，소모성 MIG 전극(39)의 팁(56)에만 관한 플라즈마의 영향 때문에，MIG 아크(40)의 애노드 스폿은 고정 위치에 남는다. 이것은 애노드 스폿 팽창을 막는다. 더욱이, 애노드 스폿의 제한된 위치는 접촉 튜브(60)의 과열 없이, 소모성 전극(39)의 단부로부터, 소모성 전극(39)이 송급되는 접촉 튜브(60)의 단부의 세트-백(set-back) 거리의 많은 감소를 허용한다. 이는 용접 풀의 정확한 위치까지의 더 짧은 세트-백 거리 이상으로 전극(39)을 송급하기가 더 쉽기 때문에, 많은 실제적인 이점이 된다. 소모성 전극(39)이 플라즈마 아크 노즐(33)과 동심이 아닐 때, 도 2의 종래 기술 시스템에서 일어나는 회전 효과 없이도 더 집중된 MIG 아크(40)가 형성되는데, 여기서 양-극성 MIG 전극(3)은 사실상 플라즈마 스트림(15)과 동심이다.

플라즈마 전극(38)과 MIG 전극(39)이 서로에 대해서 예각 α의 관계에 있고, 거리 D가 플라즈마 전극 축(35)와 워크피스(31)의 교차점과 MIG 전극 축(36)과 워크피스(31)의 표면의 교차점 사이에 존재하는 본 발명의 배치는 종래 기술에 비해, 결합된 시스템이 훨씬 효과적이라는 점에서, 플라즈마 용접과 MIG 용접 사이의 최상의 가능한 시너지를 얻는 것에 관해서 중요하고 혁신적이다. 이러한 증가된 효과는 처리 속도 및 용입 양측의 실질적인 증가를 야기하고, 에지 준비 및 그루빙의 필요성 없이도 금속의 용접을 허용한다. 더욱이, 본 발명의 배치에서, 플라즈마 시스템은 워크피스의 표면에 좀더 가깝게 될 수 있어，열 선속(heat flux)의 더 큰 집중으로 인한 동작의 효율을 증가시키는데, 이는 순번대로 깊은 용입을 야기한다. 그러므로, 멀티패스 용접 대신 싱글 패스 용접을 사용하는것이 가능한데, 이는 사실상 용접 품질, 용접 공정 생산성, 및 경제적인 효율성을 향상시킨다. 또한, 스패터 및 초과 금속 없는 용접이 달성된다.

본 발명의 한 특징에 따르면, 플라즈마 아크와 MIG 아크 용접의 결합된 방법이 제공된다. 이 방법에서，비소모성 전극(38)의 단부와 워크피스 사이의 비활성 가스의 흐름 내에서，플라즈마 아크(32)는 유지된다. 플라즈마 아크(32)는 압축 노즐(33)에 의해 압축되고，플라즈마 스트림을 생산하는데, 이는 압축된 노즐(33)의 오리피스(orifice; 64)에서 흘러 나온다. 소모성 전극(39)은 압축 노즐(33) 외부의 플라즈마 스트림의 영역으로 유도되고, MIG 아크(40)는 소모성 전극(39)의 팁(56)과 워크피스(31) 사이에 유지된다. 이는 도 2에서 개략적으로 도시된, 미국 특허 제3,612,807호에서 교시된 것과 대비되는데, 여기서 소모성 전극(3)이 플라즈마 스트림(15)의 더 많은 부분을 통하여 확장된다. 본 발명에서, 비소모성 전극(38)은 음의 극성인데, 이는 플라즈마 아크 용접에 양호한 조건이고, 소모성 전극(39)은 양의 극성인데, 이는 MIG 용접에 양호한 조건이다. 아크(32 및 40)가 그들의 각각의 타입들에 유리한 조건으로 동작되고 있기 때문에, 아크 전류들의 사실상 더 넓은 범위는 허용되어，안정된 결합된 공정을 낳는다. 이것은 매우 생산적인 용접 공정을 제공한다.

도 5에서 개략적으로 도시된, 본 발명의 다른 특징에 따르면，하우징(101)의 상부 단부에 커버(102)를 갖는 하우징(101)을 포함하고，하우징(101)의 하부 단부에도 차폐 노즐(116)이 있는 싱글 공정 토치(100)가 제공된다. 커버(102)는 제1 캐비티(134)와 제2 캐비티(138)를 갖추고 있고，캐비티(134 및 138)들은 서로 평행이 아니다. 제1 캐비티(134)는 그 다운스트림 단부에 압축 노즐(105)을 가지고 있는 중공(hollow) 내부 본체(104)를 포함하고, 비소모성 전극(107)은 이러한 내부 본체(104) 내에 위치한다. 또한, 내부 본체(104)를 통하여 낮은 반응성을 가지고 있는 가스를 통과시키기 위한 포트(140)가 제공된다. 이러한 적용을 위한 적당한 가스는 국한되지는 않지만, 질소, 수소, 희가스(noble gases), 및 이들의 혼합물을 포함한다. 희가스들은 또한 주기율표 8열에 있는 불활성 가스로 알려진 요소들을 포함한다. 비록 수소가 통상적으로 아주 반응적인 것으로 간주되지만, 수소는 텅스텐에 대해서 반응성이 낮다. 선택적으로, 베인(vane; 142) 같은 메카니즘은 회전 동작을 가스 내로 도입한다.

제2 캐비티(138)는 플라즈마 스트림의 바깥에 있는 영역으로 소모성 전극(112)을 안내하는 역할을 하는 중공형 튜브(103)을 포함하므로써, 용접 방향(148)에 대해서 소모성 전극(112)의 팁이 노즐(105) 뒤에 있을 수 있게, 그리고 하우징(101)의 다운스트림의 단부에서 차폐 노즐(116) 내에 있게 하고, 차폐 노즐(116)은 소모성 전극(112)의 팁을 둘러싸고 있고，내부 본체(104)의 압축 노즐(105)을 둘러싸고 있다. 따라서, 소모성 전극(112)과 비소모성 전극(107)은 용접 방향(148)을 따라 배향되고, 비소모성 전극(107)은 용접 방향(148)에 대해 소모성 전극(112)보다 약간 앞에 있다.

이제, 도 4를 참조하면，불활성 가스 흐름(54) 내에서，플라즈마 아크(32)는 워크피스(31)와 비소모성 전극(38) 사이에서 유지된다. 노즐(33)의 오리피스(64) [나는 도면에서 "4" 또는 "5"를 보지 않는다]는 플라즈마 아크(32)를 압축하고，플라즈마 아크(32)를 워크피스(31) 쪽으로 향하게 한다. 소모성 전극(39)은 플라즈마 아크(32)의 바깥에 있는 영역으로 안내되고, MIG 아크(40)는 소모성 전극(39)과 워크피스(31) 사이에서 유지된다. 제1 전원 장치(49)의 캐소드 단자는 비소모성 전극(38)에 접속하고 있고，제1 전원 장치(49)의 애노드 단자는 워크피스(31)에 접속하고 있다. 제2 전원 장치(48)의 애노드 단자는 소모성 전극(39)에 접속하고 있고 제2 전원 장치(48)의 캐소드 단자는 워크피스(31)에 접속하고 있다. 차폐 가스(51), 즉 아르곤과 이산화탄소의 혼합물은 차폐 노즐(52)을 통해서 외부로 흐른다. 차폐 가스(51)에 대한 적절한 선택은 이에 국한되지는 않지만, 질소, 수소, 이산화탄소, 희가스, 및 이들의 혼합물들을 포함한다. 비록, 수소가 통상 아주 반응적인 것으로 간주되지만, 수소는 몇몇 금속들에 대해서 반응성이 낮다.

플라즈마 아크 전극(38)은 축(35)을 가진다. 소모성 전극(38)은 축(36)을 가진다. 플라즈마 전극 축(35)과 소모성 전극 축(36)은 사실상 공통 평면 내에 사실상 놓여 있고, 이 평면은 워크피스(31)의 표면에 사실상 수직이며, 서로에 대해 예각 α을 이룬다. 더욱이, 플라즈마 아크(32)는 용접 풀(34)의 용접 방향(46)에 대해서, 전면에 놓여 있다.

오리피스(64)로부터의 플라즈마 스트림(41)는 용접 풀(34)의 용접 방향(46)에 대해서 앞쪽으로 향하게 되어, 용접 풀(34)의 용접 방향(46)에 대해서 용접 풀(34)의 오목 부분을 따라 통과하고 뒤쪽으로 편향되는데, 여기서 소모성 전극(39)의 팁에서 녹은 금속이 용착된다. MIG 아크(40)는 플라즈마 스트림(41) 내에서 사실상 탄다.

종래 기술의 플라즈마 아크 용접의 단점은 낮은 용접 속도인데, 그 이유는 높은 용접 속도에서는 아크가 편향되어, 워크피스 표면에 수직(normal)하지 않는 플라즈마 스트림 속도 벡터의 편향을 가져온다. 이는 높은 용접 속도에서 용입 깊이를 감소시키고, 특정 속도 제한을 넘어 용접 풀(34)을 파괴한다. 그러나, 본 발명에서, 잇점은 MIG 아크 전류(42)과 플라즈마 전류(43) 사이에서 전자기의 상호 작용을 취한다는 것이다. 이들 아크가 정반대의 극성을 가지기 때문에, 이러한 상호 작용은, 용접(46)의 방향을 따라 플라즈마 아크(32)의 움직임에 기인하는 용접 풀(34)의, 용접 방향(46)에 대해서, 뒤쪽으로 향하는 플라즈마 아크(32)의 편향을 보상하는 용접 풀(34)의, 용접(46) 방향에 대해서, 앞쪽으로 향하는 플라즈마 아크 (32)의 편향을 가져온다. 그러므로, 소정의 조건하에서, 플라즈마 아크 속도 벡터는 워크피스(31)의 표면에 대해서 거의 수직(normal)하고，플라즈마 아크 용입은 최대로 되며, 플라즈마 아크는 상당히 엄격한 (안정성)을 나타낸다. 이것은 용접 속도와 용입에서 상당한 증가들을 용이하게 한다. 이들 자기력이 아크 전류, 전극들의 축들의 사이의 거리와 전극들 사이의 각도에게 의존하기 때문에, 전극들을 바른 위치에 두고, 전극들을 흐르고 있는 전류들을 적절히 조절하는 것은 매우 중요하다.

플라즈마의 존재는 MIG 아크의 애노드 스폿에서의 공정들을 바꾼다. 그러므로, 금속이 소모성 전극으로부터 전달되는 방법은 변경된다. 그 결과는 금속 덩어리(drop)가 더 쉽게 와이어 단부로부터 제거된다. 따라서, 종래의 MIG 용접 기술과 비교해서，스프레이 용적이행 모드를 확립하기 위한 이행 전류는 사실상 줄어들게 된다. 본 발명에서, 워크피스쪽으로 진행하는 금속덩어리들의 축의 속도는 종래의 MIG 용접으로 성취할 수 있는 것보다 높고，속도 벡터는 용접 풀(34)의 용접 방향(46)에 대해서 후 단부쪽으로 편향된다. 이 상황에서, "백 핸드(back hand)" 기술에서와 같이, 용접 풀(34)의 용접 방향(46)에 대해서, 융해한 금속의 드롭들은 후 단부에 도달하는데, 여기서 전극은 용접 방향의 반대 방향으로 포인트되어, 용입을 증가시킨다.

평균 금속덩어리 볼륨은 종래의 MIG 용접에서의 스프레이 용적이행에 의해 이뤄질 수 있는 것보다 크다. 그러나, 본 발명의 시스템은 플라즈마 스트림이 워크피스쪽으로 금속덩어리들의 속도를 늘리기 때문에 중력에 관해서 소정의 위치라 도 용접되는 것을 허용한다. 더욱이, 금속덩어리들이 아크 갭을 가로지르는 동안 더 큰 금속덩어리 볼륨은 덩어리들의 과열을 방지한다. 금속덩어리들의 과열을 방지하는 것은 스패터 없는 용접(spatter-free welds)을 달성하는 면에서 중요한 요인이고, 뿐만 아니라 금속 보존성(metallurgical integrity) 및 용접 품질을 개선할 수 있다.

고속 용접에서, 본 발명은 종래의 MIG 용접에 비해 용접 길이 당 소모성 전극 (필러 와이어)의 소비를 감소시키고，용입 깊이를 늘리는 것이 가능하다.

예각 α, 거리 D와 아크 전류들의 관계는 대략 이하의 식들에 의해 표현된다:

0°< α < 45°

D > K_mR_p [(I_m/I_p) tanα]^1/2

D < K_vR_p

1 < K_m < 3

1 < K_v < 5

여기서,

α = 전극 축들 간의 각도

D = 워크피스 표면 양단의 전극 축들이 있는 지점들 간의 거리

I_m = MIG 아크의 전류

I_p = 플라즈마 아크의 전류

R_p = 플라즈마 스트림의 반경

K_m = MIG 아크 상의 자계 영향에 대한 비례 상수이고, 워크피스 구성, 와이어 구성, 와이어 직경 및 다른 요인들에 좌우된다.

K_v = 용접 풀 표면 근처의 플라즈마 스트림의 형태와 관련된 상수이고, 플라즈마 가스 흐름율, 전극 축들 사이의 각도 및 다른 요인들에 좌우된다.

도 5는 본 발명에 의한 장치의 실시예를 설명한다. 이 실시예는 하우징(101), 및 전기적으로 절연 물질로 만들어지고 2개의 캐비티를 갖고 있는 커버(102)를 포함하는 본 발명의 싱글 공정 토치(100)을 포함한다. 커버(102)를 위한 적당한 물질들은 이에 국한되지는 않지만, 열-저항 플라스틱，그리고 알루미늄 산화물과 같은 세라믹을 포함한다. 와이어 가이드(103)는 커버(102)의 한 캐비티 내에 위치한다. 내부 본체(104)의 다운스트림의 단부에 있는 압축 노즐(105)을 가진 내부 본체(104)는 커버(102)의 제2 캐비티에 위치한다. 높은 녹는점을 가지며, 텅스텐과 같은，도체로 만들어진 캐소드(107)를 보유하도록 동작하는 캐소드 홀더(106)는 내부 본체(104) 내에 위치한다. 캐소드(107)에 적절한 다른 물질은 이에 국한되지는 않지만, 텅스텐 합금, 몰리브덴, 및 몰리브덴 합금을 포함한다. 압축 노즐(105)은 내부 본체(104)의 다운스트림의 단부에 있고，플라즈마 아크를 압축하기 위한 오리피스(108)을 포함한다. 내부 본체(104)는 펌프(136)에 의해 펌핑된 냉각 유체를 수송할 수 있는 채널(110)을 포함한다. 캐소드(107)는 팁(134)을 포 함하고, 플라즈마 아크는 캐소드(107)의 팁(134)에서 사실상 캐소드(107)와 접촉한다. 와이어 가이드(103)는 소모성 전극 와이어(112)가 압축 노즐(105)을 지나 워크피스(115)로 향하게 한다. 소모성 전극 와이어(112)를 위한 적당한 재료들은 이에 국한되지는 않지만, 연강(mild steel), 철, 철의 합금들, 니켈 합금들, 코발트 합금들, 알루미늄, 알루미늄 합금들, 구리, 구리의 합금들, 티타늄，그리고 티타늄 합금들을 포함한다. 와이어(112)는 와이어 송급 메카니즘(130)에 의해 와이어 가이드(103)를 통하여 이동한다. 하우징(101)의 다운스트림의 단부에서의 차폐 노즐(116)은 와이어(112)과 압축 노즐(105)의 단부를 둘러싼다. 내부 본체(104) 내에서 채널(110)과 연속적인 채널(132)은 내부 본체(104), 캐소드 홀더(106) 및 노즐(105)을 냉각하기 위한 냉각 유체를 수송한다. 캐소드 홀더(106)는 원추의 형체를 가지고，내부 본체(104)의 홀 내에 위치한다. 캐소드 홀더(106)는 높은 열 전도성을 가진 물질로 만들어진 전기적 절연 필름(109)에 의해 내부 본체(104)로부터 분리되고，대략 200℃의 온도를 허용할 수 있다. 필름(109)에 적절한 물질은 이에 국한되지는 않지만, DuPont Kapton^TM과 같은 폴리이미드, 및 폴리아미드 필름을 포함한다. 절연 필름(109)의 높은 열 전도성과 작은 두께 때문에，캐소드 홀더(106)로부터 본체(104)까지의 양호한 열 전달이 존재하여, 캐소드(107)의 특별한 냉각없이 동작하도록 장치를 허용함으로써，장치에 대해서 더 단순한 디자인을 허용한다.

텅스텐 캐소드(107)는 제1 직류(DC) 전원 장치(120), 또한 플라즈마 전원 장치(120)로도 불리는 장치(120)의 캐소드에 캐소드 홀더(106)를 통하여 접속된다. 와이어(112)는 MIG 전원 장치(121)로도 불리우는 제2 DC 전원 장치(121)의 애노드 단자에 와이어 가이드(103)를 통하여 접속된다. 제1 전원 장치(120)의 애노드 단자와 제2 전원 장치(121)의 캐소드는 양쪽 다 워크피스(115)에 접속하고 있다. 양호하게는, MIG 아크의 길이가 자체-안정화되고, 차례로 와이어 용융 공정을 안정화시키도록, 제1 전원 장치(120)는 안정화된 플라즈마 아크를 제공하는 정-전류 출력 특성을 포함하고, 제2 전원 장치(121)는 정-전압 출력 특성을 포함한다. 선택적인, 제3의 보조 DC 전원 장치(122)는 캐소드(107)과 압축된 노즐(105)을 통해 접속된다. 만일 보조 전원 장치(122)이 사용되면, 압축된 노즐(105)은 전도성 물질으로 만들어져야 한다. 보조 전원 장치(122)는 캐소드(107)과 노즐(105) 사이에서 저전류의 아크를 유지한다. 이 낮은 전류 아크를 위한 전형적인 전류들은 2 암페어 내지 30 암페어의 범위 내에 있다. 이러한 저전류 아크는 용접 시작 전에 타고, 캐소드(107)의 예열을 제공하여, 주된 플라즈마 아크가 시작될 때 캐소드(107)에 대한 열 쇼크 손실을 막는다. 게다가, 이 저전류의 아크는 워크피스(115) 쪽으로 플라즈마 흐름을 제공하여, 주된 아크의 시작을 용이하게 한다. 선택적 보조 전원 장치(122)이 사용되지 않으면, 고주파의 오실레이터(도시안됨)는 비록 그런 오실레이터의 이용이 전자기적 간섭 문제들을 일으킬수도 있고，캐소드(107)에 대한 열 쇼크를 방지하지 않을 수도 있지만, 주된 아크의 시작을 용이하게 하기 위해 사용될 수도 있다.

제1 전원 장치(120) 및 제2 전원 장치(121)로부터의 동작 전압이 캐소드(107) 및 소모성 전극 와이어(112)에 인가될 때, 상기 전압은 캐소드(107)와 와이 어(112) 사이에 직접 아크를 점화하기 충분하지 않다. 그러나, 캐소드(107)와 노즐(105) 사이의 저전류 아크는 캐소드(107)와 워크피스(115) 사이 아크의 점화에 도움을 주고, 차례로 워크피스(115)와 와이어(112) 사이 아크의 점화에 도움을 준다. 일단 상기 아크들이 점화되면, 자기력과 가스 흐름이 캐소드(107)와 와이어(112) 사이의 직접 아크를 방지한다.

수직으로 또는 오버헤드 위치로 용접하는, 일부 어플리케이션에서는, 용접 금속에 대한 중력의 영향을 보상하기 위해 열 입력을 줄이는 것이 바람직하다. 낮은 열 입력은 용융된 풀이 급속히 냉동되도록 한다. 이 경우, MIG 전원 장치(121)가 펄스 모드로 동작하는 것이 바람직하다. 바람직한 펄스 지속 시간 및 펄스 피크 전류는 와이어(112)의 직경과 와이어(112)를 구성하는 물질에 의존한다.

본 발명의 또다른 실시예는 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 실시예에서, 교류(AC) 전원 장치(125)는 두개의 DC 전원 장치(120 및 121) 대신 사용된다. AC 전원 장치(125)의 일 단자는 워크피스(115)에 접속되고, AC 전원 장치(125)의 다른 단자는 제1 다이오드(126)와 캐소드 홀더(106)를 통해 캐소드(107)에, 제2 다이오드(127)와 와이어 가이드(103)를 통해 소모성 와이어(112)에 접속된다. 제1 다이오드(126)의 애노드는 캐소드 홀더(106)에 접속되고 제1 다이오드(126)의 캐소드는 AC 전원 장치(125)에 접속된다. 제2 다이오드(127)의 캐소드는 와이어 가이드(103)에 접속되고 제2 다이오드(127)의 애노드는 AC 전원 장치(125)에 접속된다. 따라서, MIG 아크 전류 및 플라즈마 아크 전류는 AC 사이클의 교대 반주기 동안 흐른다. 이는 상기 두개의 아크 사이의 자기적 상호작용을 감소시킨다. 이는 차례로 열 입력을 감소시키고 상기 플라즈마 아크와 MIG 아크 사이의 거리를 감소시킴으로써 용접 풀 길이를 감소시킨다.

본 발명의 또다른 실시예에서, 자기 차폐수단(150)이 노즐(105)과 소모성 전극(112) 사이에 위치된다. 300 암페어 이상의 MIG 아크 전류는 플라즈마 아크를 매우 멀리 편향시키는 자기력을 유도할 수 있기 때문에, 플라즈마 아크는 노즐(105)에 영향을 주어 노즐(105)을 과열시키고 플라즈마 아크로부터 워크피스(115)로의 에너지 전달 효율을 감소시킨다. 자기 차폐수단(150)은 플라즈마 아크의 영역에서 자기장을 감소시켜, 플라즈마 아크 상의 MIG 아크의 영향을 감소시킨다.

본 발명의 또다른 실시예에서, 플라즈마 아크에 대한 불활성 가스를 공급하는 메카니즘은 가스에 회전 운동을 주는 베인(142)과 같은 메카니즘을 포함한다. 유사하게, 베인(144)과 같은 메카니즘은 MIG 아크를 에워싸는 차폐 가스에 회전 운동을 주기 위해 사용될 수 있다.

선택적으로, 본 발명의 실시예는 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 시스템의 여러 부분의 동작을 조절하는 제어 메카니즘(146)을 포함한다. 상기 제어 메카니즘(146)은 전원 장치 전압, 전원 장치 전류, 가스 압력, 가스 흐름율, 냉각 유체 압력, 냉각 유체 흐름율, 냉각 유체 온도, 소모성 전극 송급율, 및 용접 속도를 포함하나, 이에 제한되지 않는 하나 이상의 파라미터를 제어할 수 있다. 상기 제어 시스템(146)은 오퍼레이터 입력, 전원 장치 전압, 전원 장치 전류, 아크 전압, 아크 전류, 가스 압력, 가스 흐름율, 냉각 유체 압력, 냉각 유체 흐름율, 냉각 유체 온도, 소모성 전극 송급율, 전극 온도, 및 용접 속도를 포함하나, 이에 제한되지 않는 하나 이상의 파라미터를 감지할 수 있다. 파라미터의 감지는 제어된 파라미터의 조절을 위해 하나 이상의 피드백 루프에 통합될 수 있다. 간략을 위해, 제어 시스템(146)은 전원 장치(120)와 전원 장치(122)에만 접속되어 있으나, 다른 접속도 가능하고 이는 본 발명의 범위 내이다.

본 발명이 제한된 수의 실시예 대해 서술되었으나, 본 발명의 많은 변형예, 수정예 및 다른 응용예가 가능하다.

Claims

(a) 제1 전극;

(b) 제2 전극; 및

(c) 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치된 분리 본체(separating body); 및

(d) 상기 제1 전극 상에 워크피스에 대한 제1 전위(electrical potential)를부여하고, 상기 제2 전극 상에 워크피스에 대한 제2 전위를 부여하는 전원을 포함하며,

상기 제2 전위는 상기 제1 전위에 대해 반대 극성이고,

상기 전원은,

(ⅰ) 상이한 위상의 제1 단자 및 제2 단자를 구비한 교류 전원 장치;

(ⅱ) 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)를 구비한 제1 다이오드; 및

(ⅲ) 캐소드 및 애노드를 구비한 제2 다이오드를 포함하며,

상기 교류 전원 장치의 제1 단자는 워크피스에 접속하기 위한 것이고, 상기 교류 전원 장치의 제2 단자는 상기 제1 다이오드의 캐소드에 접속되고, 상기 제1 다이오드의 애노드는 상기 제1 전극에 접속되고, 상기 교류 전원 장치의 제2 단자는 또한 상기 제2 다이오드의 애노드에 접속되고, 상기 제2 다이오드의 캐소드는 상기 제2 전극에 접속되는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 전원은 제1 직류 전원 장치를 포함하며, 상기 제1 직류 전원 장치가 양의 단자를 구비하고, 상기 제1 직류 전원 장치가 음의 단자를 또한 구비하고, 상기 제1 직류 전원 장치의 양의 단자가 워크피스에 접속하기 위한 것이고, 상기 제1 직류 전원 장치의 음의 단자가 상기 제1 전극에 접속되는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치
제3항에 있어서,

상기 제1 직류 전원 장치는 정-전류 전원 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제3항에 있어서,

상기 제1 직류 전원 장치는 펄스형 직류 전원 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

상기 전원은 제2 직류 전원 장치를 포함하며, 상기 제2 직류 전원 장치가 양의 단자를 구비하고, 상기 제2 직류 전원 장치가 음의 단자를 또한 구비하고, 상기 제2 직류 전원 장치의 양의 단자가 상기 제2 전극에 접속되고, 상기 제2 직류 전원 장치의 음의 단자가 상기 워크피스에 접속되기 위한 것임을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제6항에 있어서,

상기 제2 직류 전원 장치는 정-전압 전원 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제6항에 있어서,

상기 제2 직류 전원 장치는 펄스형 직류 전원 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 제1 전극의 축과 상기 제2 전극의 축 사이의 각은 45°미만인 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치
제1항에 있어서,

상기 제2 전극을 전진시키는 공급 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극을 유지하고 상기 제1 전극과 전기 접촉하는 전극 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제12항에 있어서,

(e) 열 전도성이고 전기 절연성인 물질로 이루어지고, 상기 전극 홀더와 상기 분리 본체 사이에 위치된 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제13항에 있어서,

상기 필름은 폴리이미드 필름(polyimide film)과 폴리아미드 필름(polyamide film)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

양의 단자와 음의 단자를 구비한 보조 직류 전원 장치를 더 포함하며,

상기 보조 전원 장치의 음의 단자가 상기 제1 전극에 전기적으로 접속되고 상기 보조 전원 장치의 양의 단자가 상기 분리 본체에 접속되는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극은 냉각 유체를 수송하는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제16항에 있어서,

상기 채널을 통해 상기 유체를 이동시키는 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 분리 본체는 냉각 유체를 수송하는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제18항에 있어서,

상기 채널을 통해 상기 유체를 이동시키는 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

상기 분리 본체는 튜브를 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 튜브 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제20항에 있어서,

상기 튜브는 압축 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

(d) 상기 제1 전극의 팁을 에워싸는 낮은 반응성을 갖는 가스를 제공하는 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제22항에 있어서,

(e) 상기 가스에 회전 운동(rotational motion)을 서서히 주입하는 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제22항에 있어서,

상기 가스는 질소, 수소, 희가스(noble gas), 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

워크피스의 일부와 상기 제2 전극의 일부를 에워싸는 낮은 반응성을 갖는 가스를 제공하는 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제25항에 있어서,

(e) 상기 가스에 회전 운동(rotational motion)을 서서히 주입하는 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제25항에 있어서,

상기 가스는 질소, 수소, 이산화탄소, 희가스(noble gas), 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극은 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브덴, 및 몰리브덴 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 전극은 연강(mild steel), 철, 철 합금, 니켈 합금, 코발트 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 티타늄, 및 티타늄 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 위치된 자기 차폐수단(magnetic shield)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 동작을 조절하는 제어 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 장치.
(a) 제1 전극을 제공하는 단계;

(b) 제2 전극을 제공하는 단계;

(c) 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치된 분리 본체를 제공하는 단계;

(d) 상기 제1 전극과 워크피스 사이에 전기 아크를 유지하도록, 워크피스에 대해 음인 상기 제1 전극 상에 전위를 부여하는 단계;

(e) 상기 제2 전극과 워크피스 사이에 전기 아크를 유지하도록, 워크피스에 대해 양인 상기 제2 전극 상에 전위를 부여하는 단계를 포함하고,

상기 제1 전극과 워크피스 사이의 상기 전기 아크, 및 상기 제2 전극과 워크피스 사이의 상기 전기 아크는 서로 교대로 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법
제32항에 있어서,

(f) 상기 제1 전극이 상기 제2 전극에 어느 정도 우선하도록 상기 제1 전극과 제2 전극을 워크피스에 대해 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제32항에 있어서,

상기 제1 전극의 축과 상기 제2 전극의 축 사이의 각은 45°미만인 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법
제32항에 있어서, 상기 제1 전극과 워크피스 사이의 상기 전기 아크는 펄스형으로 전압이 가해지는 것(energize)을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제32항에 있어서, 상기 제2 전극과 워크피스 사이의 상기 전기 아크는 펄스형으로 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
삭제
제32항에 있어서,

(f) 전극이 소모성임을 보상하기 위해 상기 제2 전극을 전진시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제32항에 있어서,

(f) 상기 제1 전극과 상기 분리 본체 사이에 전기 아크를 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제32항에 있어서, 상기 제1 전극은 채널을 포함하고, 상기 방법은

(f) 상기 채널을 통해 냉각 유체를 수송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제32항에 있어서, 상기 분리 본체는 채널을 포함하고, 상기 방법은

(f) 상기 채널을 통해 냉각 유체를 수송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제32항에 있어서,

(f) 상기 제1 전극의 팁을 낮은 반응성을 갖는 가스로 에워싸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제42항에 있어서,

(g) 상기 가스에 회전 운동을 주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제42항에 있어서, 상기 가스는 질소, 수소, 희가스, 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제32항에 있어서,

(f) 워크피스의 일부와 상기 제2 전극의 일부를 낮은 반응성을 갖는 가스로 에워싸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제45항에 있어서,

(g) 상기 가스에 회전 운동을 주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제45항에 있어서, 상기 가스는 질소, 수소, 이산화탄소, 희가스, 및 그 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.
제32항에 있어서,

(f) 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 자기 차폐수단을 삽입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 용접 방법.