KR101179256B1 - 가용성 와이어를 이용한 아크 용접기 및 이를 이용한 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가용성 와이어를 이용한 아크 용접기 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것으로, 가용성 와이어를 이용한 아크 용접기는 전원공급장치(10)와; 상기 전원공급장치(10)에 연결되며, 용접전압을 검출하는 용접전압센서(21)가 구비된 용접헤드(20)와; 상기 전원공급장치(10)와 상기 용접헤드(20) 사이에 설치되며, 내부에 와이어를 공급하는 피더(31)와, 상기 용접헤드(20)에 연결되는 케이블(C)과 병렬로 연결되어 전력을 전기적으로 분류하는 파워컨트롤 스위치(32) 및 제어기(33)를 포함하는 와이어 이송장치(30) 및; 상기 용접헤드(20)에 설치되거나 또는 상기 용접헤드(20)에 근접 설치되며, 상기 피더(31)와 상기 제어기(33)에 연결되어 상기 용접전압센서(21)에 의해 검출되는 용접전압의 급변에 따라 와이어(W)의 공급속도를 조절하는 와이어 공급속도 조절장치(40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 스패터의 발생을 감소시킬 수 있는 동시에 균일한 용접과 용접부의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

가용성 와이어를 이용한 아크 용접기 및 이를 이용한 용접방법{Arc Welding Machine and its Method}

본 발명은 아크 용접에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전극으로서 가용성 와이어(fusible wire)를 사용하는 아크 용접기를 사용하여 금속 등을 접합시킬 때 스패터를 감소시킬 수 있도록 하는 동시에 균일한 용접과 용접부의 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 아크 용접기 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것이다.

모재와 금속 전극과의 사이에 아크를 발생시켜 그 열에 의해 전극과 모재를 용융시키고, 이 용융된 전극과 모재를 이용하여 2개의 금속을 접합시키는 방식의 용접을 용극식 용접이라고 하는데, 이러한 용극식 용접에는 피복 아크 용접, 서브머어지드 아크 용접, 불활성가스 금속 아크 용접, 탄산가스 실드 아크 용접 등이 있다.

아크 용접에 있어서 아크 전류가 일정값 이하가 되면 핀치 효과가 약해져 용융 금속을 분사하는 역할을 못하게 되고, 이에 따라 전극의 끝단이 녹아 형성된 용융(이하 '용융'이라 한다.)이 표면장력에 의해 뭉쳐져 있다가 전극 끝단으로부터 흘러 내려가 모재와 접촉 단락을 일으키고 주기적인 단락을 반복하면서 옮겨가는데, 이와 같은 상태를 단락(短絡) 아크라고 하며, 이와 같이 단락아크에 의해 전극을 용융시킴으로써 용접하는 경우 많은 양의 스패터(spatter, 용접 중에 비산하는 슬래그나 금속 알갱이)가 발생되며, 이로 인해 용접부가 매끄럽게 되지 않아 용접 품질이 저하되는 단점이 있다.

따라서 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 다양한 아크 용접기와 용접방법 이 개발되고 있는데, 그 하나의 예로서 러시아 특허공보 제2397050호에 개시된 용접기 및 용접방법을 들 수 있다.

상기 특허공보에는 스패터를 줄일 수 있는 용접방법 및 용접기가 개시되어 있는데, 이 문헌에 개시된 용접기는 용접 케이블과 병렬로 연결된 반도체 스위치와, 용접아크 전압계와 용접 아크 전류계로부터 신호를 수신하는 스위치 제어회로를 포함한다.

이러한 구성으로 인해 단락 아크가 발생되는 경우 전압계는 설정된 임계값 이하의 전압강하를 기록하여 제어회로에 신호를 보내고, 제어회로는 이 신호에 따라 스위치를 개방하여 100~700μs의 시간동안 용접전류를 분류시킨다.

그리고 단락 종료시에 용융링크(link)가 형성되는 경우 전압계는 아크 공간을 가로질러 갑작스럽게 증가하는 전압상승을 검출하여 제어회로에 신호를 송신하면 제어회로는 스위치를 개방하여 용접전류를 분류시키고, 이에 의해 용융이 분리되는 순간까지 용접전류의 일부가 용융링크를 통해 흐르고, 용융링크의 분리는 전류계에 의해 검출되어 제어회로에 신호를 송신하면 300μs 후에 스위치를 닫아 다시 아크 발생이 개시되도록 한다.

그러나 와이어가 일정한 속도로 움직이기 때문에 용접전류가 분류되는 환경 하에서는 "달라붙는”현상이 일어나게 되고, 이로 인해 용융의 분리 흐름이 곤란하게 된다. 또한, 특히 낮은 전류로 인해 용접시에 용접공정의 안정성이 저하되는 문제도 있다.

한편, 스패터의 발생을 최소화하기 위한 용접방법으로서 러시아 특허공보 제2406597호(용접방법)가 알려져 있는데, 이 문헌에 개시된 용접방법은 전류공급장치, 제어장치, 스위치 및 와이어 공급장치를 포함하는 용접장치를 이용하여 이루어지는데, 이때 용접의 품질은 와이어 피딩속도와 용접전류의 세기를 변화시킴으로써 확보되고, 또한 용접전류 세기의 변화는 용접작업 시의 용적의 분리에 기여한다.

상기 문헌에는 CMT(Cold Metal Transfer) 용접 방식에 대해 설명되어 있는데, CMT 용접 방식은 아크가 존재하는 상태에서 공작물에 접촉되기 전까지 용접와이어가 공급되어 아크 생성시에 와이어가 녹아 그 끝에 용융이 생기도록 하고, 이때 용접전류 및/또는 용접전압을 제어하여 용융이 분리되지 않고 단락이 발생되도록 한다. 이 시점에서 용접와이어의 공급 방향을 바꾸어 단락이 감지되도록, 즉 아크의 형성, 특정 간격 및/또는 특정 시간 간격이 형성되도록 용접와이어를 피드백시킨다. 이후 다시 아크의 발생이 개시되고, 용접와이어의 공급방향이 다시 바뀌어 공작물 방향으로 공급되며, 위 과정이 반복된다. 이때 와이어 피딩장치는 아크와 단락의 상태에 대한 검출신호에 기초하여 동작된다.

그러나 상기와 같은 용접방법은 용적 흐름의 가속과 같은 긍정적인 효과를 가지지만, 용접와이어 끝단의 왕복 동작으로 인해 용접 속도가 현저하게 저하되고, 용접과정에 있어서 전반적인 불안정화를 유발하는 유해한 성분이 용접와이어 끝단의 잔류 용융 금속에 도입되게 된다. 또한 와이어 공급 장치에서의 균일한 와이어 피딩을 유지하는 동안 용접헤드 내에서의 와이어의 역동작은 용접 케이블 내에서의 추가적인 와이어 진동을 일으키게 되고, 이로 인해서도 용접작업의 안정성이 현저히 저하되게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 빠른 용접속도를 유지하면서도 스패터를 감소시킬 수 있고, 또한 서로 다른 방향으로 와이어를 왕복시키는 대신 용접헤드 단부에서 직접 단시간에 용융을 분리시킬 수 있도록 함으로써 용접 케이블 내에서의 와이어 진동을 제거할 수 있도록 하는 아크 용접기 및 이를 이용한 용접방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 빠른 용접속도를 유지하면서도 용접품질을 개선할 수 있는 가용성 와이어를 이용한 아크 용접방법을 제공하고자 하는 목적은 용접방법을, 아크 공간에서 검출된 용접전압에 의해 제어되는 와이어 공급속도 조절장치를 구비하고, 상기 아크 공간에서 검출된 용접전압이 급감하기 시작하면 아크 발생을 위해 공급되는 전원을 파워컨트롤 스위치에 의해 전기적으로 분류하고, 상기 아크 공간에서 검출된 용접전압이 급증하기 시작하면 상기 와이어 공급속도 조절장치를 제어하여 와이어의 공급 속도를 급감시키는 동시에 아크 발생을 위해 공급되는 전원을 파워컨트롤 스위치에 의해 재차 전기적으로 분류하며, 상기 파워컨트롤 스위치가 개방되면 와이어의 공급속도가 정상 속도로 회복되도록 구성하는 것에 의해 달성된다.

또한 본 발명의 빠른 용접속도를 유지하면서도 용접품질을 개선할 수 있는 가용성 와이어를 이용한 아크 용접기를 제공하고자 하는 목적은 아크 용접기를, 전원공급장치와; 상기 전원공급장치에 연결되며, 용접전압을 검출하는 용접전압센서가 구비된 용접헤드와; 상기 전원공급장치와 상기 용접헤드 사이에 설치되며, 내부에 와이어를 공급하는 피더와, 상기 용접헤드에 연결되는 케이블과 병렬로 연결되어 전력을 전기적으로 분류하는 파워컨트롤 스위치 및 제어기를 포함하는 와이어 이송장치 및; 상기 용접헤드에 설치되거나 또는 상기 용접헤드에 근접 설치되며, 상기 피더와 상기 제어기에 연결되어 상기 용접전압센서에 의해 검출되는 용접전압의 급변에 따라 와이어의 공급속도를 조절하는 와이어 공급속도 조절장치;를 포함하여 구성하는 것에 의해 달성된다.

본 발명은 용융이 흐를 때나 용융링크가 단절될 때 용접영역에 공급되는 전력이 제로에 가깝기 때문에 용융이 흘러 단절될 때 비산이 발생되지 않고, 따라서 용융풀의 움직임도 최소화되어 용접부의 품질이 우수하다.

또한 본 발명은 용접헤드 내에서의 와이어의 역동작이 일어나지 않기 때문에 와이어의 진동이 방지되는 동시에 용접속도가 향상되고, 이와 더불어 스패터가 발생되지 않으므로 용접품질이 대폭 향상된다.

도 1은 본 발명에 따른 아크 용접장치를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 와이어 공급속도 조절장치의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 용접전류(I), 용접전압(U), 전력(P) 및 와이어의 움직임(S)을 시간 경과에 따라 나타낸 그래프이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 통해 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 가용성 와이어를 이용한 아크 용접기 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것으로, 본 발명의 아크 용접기는 도 1에 도시된 바와 같이 전원공급장치(10), 용접헤드(20), 와이어 이송장치(30) 및 와이어 공급속도 조절장치(40)를 포함한다.

전원공급장치(10)는 전원공급라인(11)에 연결되어 이로부터 전원을 공급받으며, 이 전원공급장치(10)에는 2개의 전원출력단자(12, 13)가 구비된다. 이때 전원출력단자 중 하나의 전원출력단자(12)에는 상대적으로 짧은 길이의 연결케이블(14)이 설치되어 용접회로의 공통라인(common line)에 연결되고, 다른 하나의 전원출력단자(13)에는 5~50m의 비교적 긴 연결케이블(15)이 설치되며, 이 상대적으로 긴 길이의 연결케이블(15)의 끝단에는 전원입력단자(16)가 구비된다.

그리고 전원입력단자(16)에는 용접영역(G) 쪽으로 용접와이어(W)를 일정한 속도로 공급해주는 와이어 이송장치(30)가 연결된다.

전원공급장치(10)로부터 전원을 인가받는 와이어 이송장치(30)는 내부에 롤 형태의 와이어를 저장하면서 이 저장된 와이어를 용접영역(G)에 이송하여 공급하는 장치로서, 이 와이어 이송장치(30)와 용접영역(G) 사이에는 케이블(C)과 용접헤드(20)가 차례로 위치되어 용접와이어(W)는 이들을 거쳐 공급되는데, 이를 위해 와이어 이송장치(30)의 내부에는 용접와이어(W)를 이송시키기 위한 피더(31)가 구비되고, 이때 피더(31)는 직류모터와, 이 직류모터에 의해 동작되는 롤러 등을 구비하며 이러한 구성에 의해 용접와이어(W)가 용접영역(G)에 연속적이며 일정한 속도로 공급된다.

또한 와이어 이송장치(30)에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 타입의 파워컨트롤 스위치(32)와 제어기(33)가 각각 구비되는데, 이때 파워컨트롤 스위치(32)의 일단은 용접헤드(20)와 연결되는 케이블(C)과 병렬로 접속되도록 연결되며, 타단은 용접장치의 공통라인과 연결된다. 그리고 제어기(33)의 입력단은 와이어 이송장치(30) 내부에 설치되어 용접헤드(20)와 연결된 케이블(C)에 공급되는 용접전류를 검출하는 용접전류센서(35)와, 용접헤드(20) 내부에 설치되어 용접전압을 검출하는 용접전압센서(21)와 각각 연결되고, 출력단은 파워컨트롤 스위치(32)의 접점과, 후술하는 와이어 공급속도 조절장치(40)에 위치하는 전자석(43) 코일과 각각 연결된다.

본 발명에는 특정 시간에 용접와이어(W)의 이송에 대해 제동을 가할 수 있고, 용접와이어(W)의 공급속도를 조절할 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 와이어 공급속도 조절장치(40)가 별도로 구비되는데, 이러한 와이어 공급속도 조절장치(40)는 용접헤드(20) 내에 위치되거나 또는 이와 인접한 곳에 위치된다.

상기와 같은 기능을 가지는 와이어 공급속도 조절장치(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(41)과; 하우징(41)의 양 측면에 각각 형성되며 와이어가 인입출되는 관통홀(42)이 구비된다.

그리고 하우징(41) 내에는 전자석(43)과; 한 쌍의 관통홀(42)을 잇는 축의 직각방향으로 전기자(44)가 설치되고, 이 전기자(44)의 하부에는 하우징(41)에 의해 지지되는 복귀스프링(45)이 설치된다.

또한 수직으로 설치되는 전기자(44)에는 수평의 관통구멍이 형성된 슬리브(46)가 설치되는데, 이 슬리브(46)에 형성된 관통구멍은 한 쌍의 관통홀(42)을 잇는 축과 동일한 축 상에 위치된다.

이하에서는 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 가용성 와이어를 이용하는 아크 용접기를 사용하여 용접하는 방법에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.

먼저 전원공급장치(10)로부터 용접에 필요한 전류와 전압의 전력이 케이블(C)로 공급되고, 와이어 이송장치(30)의 피더(31)에 의해 용접와이어(W)가 일정한 속도로 용접영역(G)으로 공급된다. 이때 아크 발생에 따른 용접전류 및 용접전압은 전 용접공정을 통해 지속적으로 용접전류센서(35)와 용접전압센서(21)를 통해 검출되어 제어기(33)로 송신된다.

용접전류(I) 및 용접전압(U)에 의해 아크가 발생되면 이 과정에서 용접와이어의 끝부분에 용융이 생기게 되는데, 이때 용융의 표면장력과, 용융의 아래에 위치하는 용융풀(pool)로부터 용융을 밀어내려는 힘, 즉 전류력(electrodynamic force)에 의해 용융의 크기가 점점 커지게 된다.

상기와 같이 용융의 크기가 증가됨에 따라 용융과 용융풀 사이의 아크 공간은 점점 줄어들고, 그 결과 도 3에 도시된 바와 같이 일정 시간(T1) 동안 용접전압(U)이 점점 감소하게 된다.

용융과 용융풀 사이의 간격이 제로에 가까워지면 용접전압(U)은 급감하게 되고, 용접전압센서(21)는 이러한 정보를 제어기(33)에 송신하면 제어기는 케이블과 병렬로 연결된 파워컨트롤 스위치(32)를 제어하여 단시간(약 0.1～2μs) 동안에 분류(shunt)가 이루어지도록 하고, 이에 의해 전원공급장치(10)로부터 공급된 전류는 파워컨트롤 스위치(32)를 통해 분류되며, 그 결과 아크 발생에 소요되는 전류가급격히 줄어들어 용융을 유지하고 있는 용융풀의 전류력이 급격히 감소하게 되고 따라서 용융은 용융풀 쪽으로 몰리게 된다.

이때 파워컨트롤 스위치(32)를 통한 분류 사이의 시간간격(

)은 주어진 용접 조건, 즉 전류, 실드가스, 와이어 직경과 타입, 공작물의 재질 등에 따라 다른데, 본 발명에서는 용융이 흐르는 전체 시간의 5~30%의 범위가 되도록 설정된다.

따라서 용접영역(G)에 공급되는 전력은 용융이 용융풀 쪽으로 흐르기 시작할 때 제로에 가까워지며, 용융과 용융풀이 합쳐질 때에는 비산현상 등이 전혀 발생되지 않으며, 또한 용융풀의 움직임도 최소화된다.

시간(

)이 경과하여 시간이 T2에 도달하면 제어기(33)의 명령에 의해 파워컨트롤 스위치(32)는 개방되고, 이에 의해 전원공급장치(10)의 전류는 용접영역(G)으로 흐르게 된다.

이때 용접와이어(W)와 용융풀 사이에는 잘록한 형태의 용융링크(link)가 형성되는데, 전류가 이 용융링크를 통해 흐를 때 용접전류는 용접링크를 들러붙게 하지 않고, 오히려 용융의 흐름을 촉진시킨다.

시간(

) 진행 중 어떤 시점에서는 용융이 용융풀에 거의 낙하되면서 용융링크의 두께가 급격히 얇아지는 동시에 용접전압(U)이 급격히 상승하기 시작하는데, 이때 용접전압센서(21)가 이를 검출하여 제어기(33)에 전달하면 제어기(33)는 파워컨트롤 스위치(32) 쪽으로 짧은 시간동안(0.1～2μs) 개방(폐쇄) 신호를 보내는 동시에, 용접영역(G) 쪽으로의 용접와이어(W)의 공급 속도를 조절할 수 있도록 와이어 공급속도 조절장치(40)에 제어 신호를 보내며, 이에 의해 용접와이어(W) 끝부분의 이동 속도가 급감하게 된다.

상기와 같이 용접영역(G)의 전류와 전압이 급감하여 전력이 거의 제로상태가 되는 동시에 용접와이어(W)의 이동에 제동이 걸리게 되면 용융링크가 부드럽게 절단되며, 이때 용접 전력이 거의 제로에 가깝기 때문에 종래의 용접에 있어서와 같이 용융링크가 번 아웃(burn out)되지 않고, 또한 용융풀의 전류력에 의한 영향을 받지 않고 절단이 일어나며, 따라서 용접와이어(W)의 끝단이 용융풀에 합쳐진다.

시간 T3과 T4 사이의 짧은 시간이 경과된 후 시간이 T4에 이르면, 제어기(33)로부터의 신호에 의해 파워컨트롤 스위치(32)는 다시 개방되고, 용접와이어(W)의 공급 속도가 회복되기 시작하며, 연결케이블(15)의 인덕턴스에 의해 축적된 에너지에 의해 상당한 전위가 형성되고, 그 결과 아크 공간에는 용접 아크가 다시 생성되며, 이때 와이어의 공급 속도가 정상 속도로 완전히 회복되어 용융의 생성과 분리를 통한 용융의 이동이 다시 시작된다.

한편, 와이어 공급속도 조절장치(40)가 작동할 때 와이어의 자체 제동동작은 다음과 같이 이루어진다.

용접와이어(W)가 일정한 속도로 공급될 때 용접와이어(W)는 관통홀(42)과, 이 관통홀(42)과 동일한 축 상에 위치하는 전기자(44)의 슬리브(46)에 형성된 관통구멍을 통해 자유롭게 인출된다.

아크 공간의 전압이 급증하게 되면 제어기(33)의 신호에 의해 전자석(43)이 활성화되고, 이에 의해 전기자(44)가 용접와이어(W)를 당기면서 축과 수직인 방향으로 들어 올려 이동시키게 되고, 이러한 용접와이어(W)의 수직 이동에 의해 와이어의 이동이 저지된다.

이후 제어기(33)로부터의 신호에 의해 전자석(43)의 자력이 상실되면, 복귀 스프링(45)에 의해 전기자(44)가 원위치로 복귀되고 따라서 용접와이어(W)의 공급이 다시 일정한 속도로 회복된다.

10: 전원공급장치 11: 전원공급라인
12, 13: 전원출력단자 14, 15: 연결케이블
16: 전원입력단자 20: 용접헤드
21: 용접전압센서 30: 와이어 이송장치
31: 피더 32: 파워컨트롤 스위치
33: 제어기 35: 용접전류센서
40: 와이어 공급속도 조절장치 41: 하우징
42: 관통홀 43: 전자석
44: 전기자 45: 복귀스프링
46: 슬리브 C: 케이블
G: 용접영역 W: 용접와이어

Claims (4)

1. 아크 공간에서 검출된 용접전압에 의해 제어되는 와이어 공급속도 조절장치를 구비하며, 가용성 와이어를 이용하여 아크 용접하는 방법에 있어서,
   상기 아크 공간에서 검출된 용접전압이 급감하기 시작하면 아크 발생을 위해 공급되는 전원을 파워컨트롤 스위치에 의해 전기적으로 분류하고,
   상기 아크 공간에서 검출된 용접전압이 급증하기 시작하면 상기 와이어 공급속도 조절장치를 제어하여 와이어의 공급 속도를 급감시키는 동시에 아크 발생을 위해 공급되는 전원을 파워컨트롤 스위치에 의해 재차 전기적으로 분류하며,
   상기 파워컨트롤 스위치가 개방되면 와이어의 공급속도가 정상 속도로 회복되고,
   상기 파워컨트롤 스위치를 통한 처음의 전기적 분류와 2번째 전기적 분류 사이의 시간간격은 용융이 흐르는 전체 시간의 5~30%의 범위가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 가용성 와이어를 이용한 아크 용접방법.
   
2. 삭제
3. 가용성 와이어를 이용하여 아크 용접할 때 사용되는 용접기에 있어서,
   전원공급장치(10)와;
   상기 전원공급장치(10)에 연결되며, 용접전압을 검출하는 용접전압센서(21)가 구비된 용접헤드(20)와;
   상기 전원공급장치(10)와 상기 용접헤드(20) 사이에 설치되며, 내부에 와이어를 공급하는 피더(31)와, 상기 용접헤드(20)에 연결되는 케이블(C)과 병렬로 연결되어 전력을 전기적으로 분류하는 파워컨트롤 스위치(32) 및 제어기(33)를 포함하는 와이어 이송장치(30) 및;
   상기 용접헤드(20)에 설치되거나 또는 상기 용접헤드(20)에 근접 설치되며, 상기 피더(31)와 상기 제어기(33)에 연결되어 상기 용접전압센서(21)에 의해 검출되는 용접전압의 급변에 따라 와이어의 공급속도를 조절하는 와이어 공급속도 조절장치(40);를 포함하고,
   상기 와이어 공급속도 조절장치(40)는, 양 측면에 각각 관통홀(42)이 형성된 하우징(41)과; 상기 하우징(41) 내에 설치되는 전자석(43)과; 상기 관통홀(42)을 잇는 축과 직각방향으로 설치되는 전기자(44)와; 상기 전기자(44)에 설치되며 수평의 관통구멍이 형성된 슬리브(46) 및; 상기 전기자(44)의 하부에 설치되며 상기 하우징(41)에 의해 지지되는 복귀스프링(45)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가용성 와이어를 이용한 아크 용접기.
4. 삭제

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