KR101221076B1 - 아크 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아크 용접 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 아크 용접 방법은 용접용 와이어를 용접 모재로 송급하여 용접용 와이어와 용접 모재 사이에 아크방전을 생성시키는 와이어 초기 송급단계, 아크방전에 의해 용접용 와이어와 용접 모재가 전기적으로 연결되었을 때의 용접 전류를 감지하는 용접 전류 감지단계, 감지된 용접 전류의 크기와 기 설정되어 있는 기준 전류의 크기를 비교하는 전류 크기 비교단계, 감지된 용접 전류의 크기가 기준 전류의 크기보다 큰 경우 용접용 와이어의 송급을 정지시키는 와이어 송급 정지단계, 용접용 와이어의 송급이 정지된 시간과 기 설정되어 있는 기준 정지 시간을 비교하는 정지 시간 비교단계 및 용접용 와이어의 송급이 정지된 시간이 기준 정지 시간보다 큰 경우 용접용 와이어의 송급을 재개하는 와이어 송급 재개단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 아크 용접 중의 스패터의 발생을 방지함으로써 용접의 품질이 향상되는 효과가 있다.

Description

아크 용접 방법{ARC WELDING METHOD}

본 발명은 아크 용접 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 아크 용접 중의 스패터(spatter) 발생을 방지하고 용접용 와이어의 정속 송급을 가능하게 하여 용접의 품질을 향상시킬 수 있는 아크 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로 아크 용접 방식에 따르면, 아크 용접 시에 전기적인 측면에서 금속전극의 기능을 하는 와이어(Wire)를 와이어 송급장치를 이용하여 용접의 대상이 되는 용접 모재(母材)로 송급한다.

그리고 와이어 송급장치에 의하여 송급된 와이어에 용접을 위한 전류를 공급하면, 와이어와 용접 모재 사이에 아크가 형성되고 이 아크로 인한 열에 의해 와이어가 용융됨으로써 용접된다. 이때, 토치 선단의 노즐을 통해 CO₂또는 불활성 가스가 공급되어 대기로부터 용접부위를 보호하게 된다.

이러한 아크 용접 방식에 있어서는 약 100 A 이상 ~ 450 A 이하의 대 전류가 사용되기 때문에, 용접속도가 빠르고, 와이어의 지름을 작게 할 수 있고, 용접 부위인 비드(bead)도 미려하고 그 강도가 크다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인하여, 아크 용접 방식은 일반 생산현장뿐만 아니라, 선박 등과 같은 특수한 용접 분야에서도 폭넓게 사용되고 있다.

도 1에 이러한 일반적인 아크 용접 시스템이 개시되어 있다.

도 1을 참조하면, 전원(AC)에 접속된 용접기 본체(V)에서는 용접전류가 공급되고, 가스 봄베(Gas bombe, B)에서는 예를 들어, 이산화탄소 가스가 공급된다.

한편, 와이어 송급장치(F)는 와이어(W)를 연속 공급하는데, 와이어(W)는 와이어 송급장치(F)에 설치된 스풀(Spool, S)에 감겨진 상태에서 도시하지 않은 구동모터의 축에 연결된 롤(Roll) 및 이 롤에 맞물린 다른 하나의 롤에 의해 송급되는 방식 즉, 2롤 방식으로 토치(torch, T)로 송급된다.

그리고 이러한 와이어 송급장치(F)는 용접작업의 편의를 위해 휴대 가능한 크기 및 중량으로 구성되어 있기 때문에 용접기 본체(V) 및 가스봄베(B)는 적어도 수 미터 내지 수십 미터, 예를 들어 1 내지 50m 거리만큼 떨어져 있는 채로 전원케이블(PC), 제어케이블(CC)과 가스호스(GH)로 연결된다.

전원케이블(PC)을 통해 공급된 용접용 전류는 와이어 송급장치(F)로부터 송급되는 와이어(W)로 흐르고, 가스호스(GH)로 공급된 이산화탄소 가스 등의 분위기 가스는 토치(T)에서 와이어(W)의 주위로 분사됨으로써, 와이어(W)와 도시하지 않은 용접 모재 사이에 발생하는 아크방전에 의해 용접이 수행된다.

한편, 이러한 아크 용접 방식의 장점은 와이어에 대한 정밀한 송급제어가 선행되어야만 충족될 수 있으며, 와이어에 대한 송급제어에 실패하는 경우, 용접 부위에 스패터(spatter)가 생겨 용접의 품질이 크게 저하되는 문제점이 발생한다.

스패터는 용융금속의 입자가 비산(飛散)하는 것으로 전류가 부적절하게 과대한 경우나 아크의 지속시간이 지나치게 긴 경우에 발생하기 쉽다. 이 스패터는 용접 품질을 저하시키는 주요 요소이므로 완전히 제거되어야 한다.

이하에서는 도 2를 참조하여, 종래의 아크 용접 방법에 따른 대립(大粒) 스패터 발생 메카니즘을 설명한다.

도 2의 (a)는 와이어와 용접 모재 사이에 아크가 생성된 상태를 나타낸다. 이 아크가 어느 정도 유지되면 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이 와이어와 용접 모재간에 단락이 발생하여 서로 전기적으로 연결된다. 이와 같이 와이어와 용접 모재간에 단락이 발생한 이후에는 전류가 급격히 상승하게 되는데, 이 상태에서 용접을 위하여 다시 아크를 생성시키면, 도 2의 (c)에 나타낸 바와 같이 아크력이 지나치게 커져서 아크 주변으로 대립의 스패터가 비산하게 된다.

앞에서도 설명한 바와 같이, 이 대립의 스패터는 용접의 품질을 저하시키는 주요 요소로 작용한다.

본 발명은 아크 용접 중의 스패터의 발생을 방지함으로써 용접의 품질을 향상시킬 수 있는 아크 용접 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 용접용 와이어의 정속 송급을 가능하게 하여 용접의 품질을 향상시킬 수 있는 아크 용접 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 아크 용접 방법은 용접용 와이어를 용접 모재로 송급하여 상기 용접용 와이어와 상기 용접 모재 사이에 아크방전을 생성시키는 와이어 초기 송급단계, 상기 아크방전에 의해 상기 용접용 와이어와 상기 용접 모재가 전기적으로 연결되었을 때의 용접 전류를 감지하는 용접 전류 감지단계, 상기 감지된 용접 전류의 크기와 기 설정되어 있는 기준 전류의 크기를 비교하는 전류 크기 비교단계, 상기 감지된 용접 전류의 크기가 상기 기준 전류의 크기보다 큰 경우 상기 용접용 와이어의 송급을 정지시키는 와이어 송급 정지단계, 상기 용접용 와이어의 송급이 정지된 시간과 기 설정되어 있는 기준 정지 시간을 비교하는 정지 시간 비교단계 및 상기 용접용 와이어의 송급이 정지된 시간이 상기 기준 정지 시간보다 큰 경우 상기 용접용 와이어의 송급을 재개하는 와이어 송급 재개단계를 포함하여 구성된다.

상기 용접용 와이어는 직류 인코더 모터를 이용하여 송급되는 것을 특징으로 한다.

상기 용접용 와이어는 상기 직류 인코더 모터의 구동축과 연결된 구동롤러와 독립적으로 맞물린 2개의 1차 이송롤러 및 상기 2개의 1차 이송롤러에 맞물린 2개의 2차 이송롤러에 의하여 4롤(Roll) 방식으로 송급되는 것을 특징으로 한다.

상기 용접 전류는 홀 센서를 이용하여 감지되는 것을 특징으로 한다.

상기 용접용 와이어에 대한 송급이 재개된 이후에는 상기 용접용 와이어를 기 설정되어 있는 속도로 정속 송급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 아크 용접 중의 스패터의 발생을 방지함으로써 용접의 품질이 향상되는 효과가 있다.

보다 구체적으로, 초기 아크 생성 후에 용접용 와이어 송급이 일시 정지되도록 구성함으로써, 대립의 스패터 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 직류 인코더 모터를 이용함으로써 용접용 와이어의 정속 송급이 가능해지고, 이에 따라 아크 용접의 품질이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 아크 용접 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 아크 용접 방법에 따른 대립 스패터 발생 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 용접 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 용접 방법이 적용되는 전체적인 용접 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 용접 방법에 있어서, 용접용 와이어의 송급 과정을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 용접 방법을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 용접 방법이 적용되는 전체적인 용접 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 용접 방법에 있어서의 용접용 와이어의 송급 과정을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아크 용접 방법은 용접용 와이어와 용접 모재 간의 전위차에 의해 발생하는 아크방전을 이용한 것으로서, 와이어 초기 송급단계(S10), 용접 전류 감지단계(S20), 전류 크기 비교단계(S30), 와이어 송급 정지단계(S40), 정지 시간 비교단계(S50) 및 와이어 송급 재개단계(S60)를 포함하여 구성된다.

<와이어 초기 송급단계(S10)>

와이어 초기 송급단계(S10)에서는, 용접용 와이어(60)를 용접 모재(80)로 송급하여 용접용 와이어(60)와 용접 모재(80) 사이에 아크방전을 생성시킨다.

이 과정을 구체적인 예를 들어 설명한다. 예를 들어, 용접 작업을 수행하는 작업자가 토치(50)를 용접의 대상이 되는 용접 모재(80) 측에 위치시킨 후에 토치(50)에 구비된 동작 버튼을 누르면, 가스 탱크(30)에 저장되어 있던 보호 가스가 토치(50)에 구비된 분사구를 통하여 분사되는 동시에 와이어 송급기(40)에 구비된 롤러들의 동작에 의해 토치(50)를 통한 용접용 와이어(60)의 송급이 시작된다. 이때, 용접 모재(80)는 전원 케이블(70)을 통하여 용접기 본체(20)에 구비된 로우 레벨의 전원단자에 전기적으로 연결되어 있으며, 토치(50)를 통해 용접 모재(80) 측으로 송급 중인 송급용 와이어는 용접기 본체(20)에 구비된 하이 레벨의 전원단자에 전기적으로 연결되어 있다. 이에 따라, 용접용 와이어(60)와 용접 모재(80)는 각각 아크 방전을 위한 양극과 음극으로 작용함으로써, 두 전극 간의 전위차가 방전개시전압 이상이 되면, 두 전극 즉, 용접용 와이어(60)와 용접 모재(80) 간에 아크방전이 발생하는 것이다.

한편, 용접용 와이어(60)는 직류 인코더 모터를 이용하여 송급되도록 구성될 수 있다. 이를 도 6을 추가적으로 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 용접용 와이어(60)는 와이어 송급기(40)에 구비되어 있는 4개의 이송롤러(42, 43, 44, 45)와 1개의 구동롤러(41)를 이용한 4롤(Roll) 방식으로 송급되는데, 이 구동롤러(41)를 회전시키는 구동력을 공급하는 수단으로 직류 인코더 모터를 사용한다.

구동롤러(41)는 직류 인코더 모터의 구동축과 연결되어 직류 인코더 모터로부터 구동력을 공급받는다. 이 구동롤러(41)에는 2개의 1차 이송롤러(42, 44)가 서로 독립적으로 맞물려있고, 이 2개의 1차 이송롤러(42, 44)에는 2개의 2차 이송롤러(43, 45)가 맞물려있으며, 용접용 와이어(60)는 이들 이송롤러들(42, 43, 44, 45)의 회전에 의하여 안정적으로 공급된다.

직류 인코더 모터는 모터의 회전각도 또는 회전속도를 측정할 수 있는 로타리 인코더가 장착되어 있는 모터이다. 본 발명의 실시 예는 이러한 직류 인코더 모터를 채택하여 용접용 와이어(60)의 송급 속도를 정교하게 제어할 수 있다.

한편 예를 들어, 로터리 인코더는 인크리멘털(incremental) 방식의 로터리 인코더 또는 앱솔루트(absolute) 방식의 로터리 인코더일 수 있다.

인크리멘털 방식의 로터리 인코더는 축이 일정량의 각도를 회전할 때마다 펄스를 발생하도록 구성된다. 즉, 펄스 수를 카운트함으로써 축의 각도를 검출할 수 있는 것이다. 앱솔루트 방식의 로터리 인코더는 몇 가닥의 신호선에 의하여 축의 절대위치를 검출하도록 구성된다.

<용접 전류 감지단계(S20)>

용접 전류 감지단계(S20)에서는, 아크방전에 의해 용접용 와이어(60)와 용접 모재(80)가 전기적으로 연결되었을 때의 용접 전류를 감지한다.

본 발명의 실시 예는 앞서 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 종래의 방식에 따른 아크 용접 중의 스패터의 발생을 방지함으로써 용접의 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여, 용접 전류 감지단계(S20)에서는 와이어 초기 송급에 의한 아크방전으로 용접용 와이어(60)와 용접 모재(80) 간의 전기적인 단락이 발생한 경우에 흐르는 용접 전류를 감지한다.

<전류 크기 비교단계(S30)>

전류 크기 비교단계(S30)에서는, 용접 전류 감지단계(S20)에서 감지된 용접 전류의 크기와 기 설정되어 있는 기준 전류의 크기를 비교한다.

전류 크기 비교단계(S30)에서의 비교결과 감지된 용접 전류의 크기가 메모리 등에 미리 설정되어 저장되어 있는 기준 전류의 크기보다 큰 경우, 후술하는 와이어 송급 정지단계로 전환된다. 용접 전류를 감지하는 수단으로는 홀 센서를 채택할 수 있다.

기준 전류는 실험을 통하여 획득한 값이다. 보다 구체적으로, 아크방전에 의하여 용접용 와이어(60)가 용융되어 용접용 와이어(60)와 용접 모재(80) 간의 단락이 발생하면, 용접용 와이어(60)와 용접 모재(80) 간에 흐르는 전류가 점차 상승하게 된다. 이 전류가 일정치를 초과하게 되면 종래의 경우와 같은 대립(大粒)의 스패터가 발생하게 된다. 따라서 본 실시 예에서는 실험을 통하여 스패터 발생을 방지할 수 있는 정도의 기준 전류를 획득하여 메모리 등에 미리 저장한 후, 이 기준 전류와 용접 전류를 서로 비교하여 용접 전류가 이 기준 전류를 초과하지 않도록 제어하는 것이다.

<와이어 송급 정지단계(S40)>

와이어 송급 정지단계(S40)에서는, 전류 크기 비교단계(S30)에서의 비교결과 용접 전류의 크기가 기준 전류의 크기보다 큰 경우 용접용 와이어(60)의 송급을 정지시킨다.

용접용 와이어(60)의 송급이 정지되면, 초기 상태의 아크 즉, 와이어 초기 송급단계에서 생성된 아크가 유지됨으로써, 종래의 경우와 같은 대립의 스패터 발생을 방지할 수 있게 된다.

<정지 시간 비교단계(S50)>

정지 시간 비교단계(S50)에서는, 용접용 와이어(60)의 송급이 정지된 시간과 기 설정되어 있는 기준 정지 시간을 비교한다.

정지 시간 비교단계(S50)에서의 비교결과 용접용 와이어(60)의 송급이 정지된 시간이 메모리 등에 미리 설정되어 저장되어 있는 기준 정지 시간보다 큰 경우, 후술하는 와이어 송급 재개단계로 전환된다.

기준 정지 시간도 실험을 통하여 획득한 값이다. 와이어 송급 정지 시간이 너무 길어지면 초기에 생성된 아크가 유지될 수 없다. 따라서 초기 아크가 유지될 정도의 시간을 실험을 통하여 획득하여 메모리 등에 미리 저장한 후, 이 기준 정지 시간과 와이어 송급 정지시간을 서로 비교하여 와이어 송급 정지시간이 이 기준 정지 시간을 초과하지 않도록 제어하는 것이다.

<와이어 송급 재개단계(S60)>

와이어 송급 재개단계(S60)에서는, 용접용 와이어(60)의 송급이 정지된 시간이 기준 정지 시간보다 큰 경우 용접용 와이어(60)의 송급을 재개한다.

보다 구체적으로, 앞서 설명한 와이어 초기 송급단계(S10), 용접 전류 감지단계(S20), 전류 크기 비교단계(S30), 와이어 송급 정지단계(S40) 및 정지 시간 비교단계(S50)를 통하여 용접 초기에 용접용 와이어(60) 송급을 적정 시간 정지한 후에 용접용 와이어(60) 송급을 재개함으로써, 대립의 스패터 발생이 방지된다.

용접용 와이어(60)에 대한 송급이 재개된 이후에는 메모리 등에 기 설정되어 있는 속도로 용접용 와이어(60)가 정속 송급되도록 함으로써, 아크 용접이 안정적으로 수행되도록 구성될 수 있다. 용접용 와이어(60)의 정속 송급은 앞서 설명한 직류 인코더 모터를 활용함으로써 달성된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 아크 용접 중의 스패터의 발생을 방지함으로써 용접의 품질이 향상되는 효과가 있다.

보다 구체적으로, 초기 아크 생성 후에 용접용 와이어(60) 송급이 일시 정지되도록 구성함으로써, 대립의 스패터 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 직류 인코더 모터를 이용함으로써 용접용 와이어(60)의 정속 송급이 가능해지고, 이에 따라 아크 용접의 품질이 향상되는 효과가 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

10: 전원 공급함 20: 용접기 본체
30: 가스 탱크 40: 와이어 송급기
41: 구동롤러 42, 44: 1차 이송롤러
43, 45: 2차 이송롤러 50: 토치
60: 용접용 와이어 70: 전원 케이블
80: 용접 모재

Claims (5)

1. 아크 용접 방법으로서,
   용접용 와이어를 용접 모재로 송급하여 상기 용접용 와이어와 상기 용접 모재 사이에 아크방전을 생성시키는 와이어 초기 송급단계;
   상기 아크방전에 의해 상기 용접용 와이어와 상기 용접 모재가 전기적으로 연결되었을 때의 용접 전류를 감지하는 용접 전류 감지단계;
   상기 감지된 용접 전류의 크기와 기 설정되어 있는 기준 전류의 크기를 비교하는 전류 크기 비교단계;
   상기 감지된 용접 전류의 크기가 상기 기준 전류의 크기보다 큰 경우 상기 용접용 와이어의 송급을 정지시키는 와이어 송급 정지단계;
   상기 용접용 와이어의 송급이 정지된 시간과 기 설정되어 있는 기준 정지 시간을 비교하는 정지 시간 비교단계; 및
   상기 용접용 와이어의 송급이 정지된 시간이 상기 기준 정지 시간보다 큰 경우 상기 용접용 와이어의 송급을 재개하는 와이어 송급 재개단계를 포함하여 구성되고,
   상기 기준 전류의 크기는 용접과정에서의 스패터 발생을 방지하기 위한 값으로서 메모리에 미리 설정되어 저장되어 있는 값이고,
   상기 기준 정지 시간은 상기 와이어 초기 송급단계에서 생성된 아크를 유지시키기 위한 값으로서 메모리에 미리 설정되어 저장되어 있는 값이고,
   상기 용접용 와이어는 직류 인코더 모터를 이용하여 송급되고,
   상기 용접용 와이어는 상기 직류 인코더 모터의 구동축과 연결된 구동롤러와 독립적으로 맞물린 2개의 1차 이송롤러 및 상기 2개의 1차 이송롤러에 맞물린 2개의 2차 이송롤러에 의하여 4롤(Roll) 방식으로 송급되고,
   상기 용접용 와이어에 대한 송급이 재개된 이후에는 상기 용접용 와이어를 기 설정되어 있는 속도로 정속 송급하는 것을 특징으로 하는, 아크 용접 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 용접 전류는 홀 센서를 이용하여 감지되는 것을 특징으로 하는, 아크 용접 방법.
5. 삭제

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