KR101644566B1 - 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법 - Google Patents

Abstract

아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용접 시작 후 용접기의 출력전압을 측정하는 출력전압 측정단계; 측정된 상기 출력전압을 이용하여 단위시간 당 단락시간비를 계산하는 단락시간비 계산단계; 단락시간비에 따라 기 설정된 복수 개의 모드 중에서 전 단계에 의해 계산된 단락시간비가 해당되는 모드를 결정하는 모드결정 단계; 및 결정된 해당 모드의 목표 파형이 출력되도록 용접 파형을 제어하는 파형제어 단계를 포함하는 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법이 제공될 수 있다.

Description

아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법{METHOD FOR CONTROL OF WELDING WAVEFORM FOR ARC STABILIZATION}

본 발명은 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)에서 항상 안정된 아크를 얻기 위하여 각 모드 별로 용접 파형을 제어하는 용접 파형 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 소모성 전극을 사용하는 각종 용접법에서의 아크 점화방식은 와이어가 모재와 접촉되면 전류가 급격히 흐르고, 이 전류에 의한 열작용에 의해서 와이어가 용융되며, 용융되는 와이어는 절단되면서 아크가 발생하는 방식이다.

이러한 용접법 중에서 조선소에서 주로 사용되는 용접방법은 플럭스 코어드 아크 용접(Flux Cored Arc Welding; FCAW)인데, 종래 플럭스 코어드 아크 용접은 용접시 파형 제어가 이루어지지 않아 저전류 용접시나 중대전류 용접시 용접 조건이 정상적으로 설정되지 않으면 아크가 불안정해져 다량의 스패터(spatter)가 발생하고 용접 불량을 야기하는 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2013-53776 (2013. 05. 24)

본 발명의 실시예는, 플럭스 코어드 아크 용접에서 아크 안정성을 높여 스패터를 감소하고 우수한 용접품질을 얻을 수 있도록 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 용접 시작 후 용접기의 출력전압을 측정하는 출력전압 측정단계; 측정된 상기 출력전압을 이용하여 단위시간 당 단락시간비를 계산하는 단락시간비 계산단계; 단락시간비에 따라 기 설정된 복수 개의 모드 중에서 전 단계에 의해 계산된 단락시간비가 해당되는 모드를 결정하는 모드결정 단계; 및 결정된 해당 모드의 목표 파형이 출력되도록 용접 파형을 제어하는 파형제어 단계를 포함하는 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법을 제공할 수 있다.

또한 상기 출력전압 측정단계에서 상기 출력전압은, 용접용 와이어를 공급하는 와이어송급장치에서 양극성(+)을 측정하고 상기 용접기의 본체에서 음극성(-)을 측정할 수 있다.

또한 상기 단락시간비는, "단락시간/용접시간 × 100"의 수식을 통해 계산하고, 상기 단락시간은 "출력전압이 10V 이하로 하강된 구간의 시간의 합"을 통해 구할 수 있다.

또한 상기 모드는, 아래와 같이 설정된 단락시간비에 따라 제1모드, 제2모드, 제3모드 및 제4모드를 포함할 수 있다.

제1모드 : 단락시간비 = 0%,

제2모드 : 0% < 단락시간비 ≤ 0.001%,

제3모드 : 0.001% < 단락시간비 ≤ 0.01%,

제4모드 : 단락시간비 > 0.01%

또한, 상기 파형제어 단계는, 상기 용접 파형을 제어하기 위해 용접기의 인덕턴스 값과 회로저항 값을 각각 조정할 수 있다.

또한, 상기 제1모드에서 상기 목표 파형으로서 제1파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값과 상기 회로저항 값은 각각 가용 최대값의 60 ~ 90%로 조정하고, 상기 제2모드에서 상기 목표 파형으로서 제2파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값은 가용 최대값의 60 ~ 90%로 조정하고 상기 회로저항 값은 가용 최대값의 20 ~ 50%로 조정하며, 상기 제3모드에서 상기 목표 파형으로서 제3파형을 출력하기 위해 상기 인턱턴스 값은 가용 최대값의 20 ~ 50%로 조정하고 상기 회로저항 값은 가용 최대값의 60 ~ 90%로 조정하며, 상기 제4모드에서 상기 목표 파형으로서 제4파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값과 상기 회로저항 값은 각각 가용 최대값의 20 ~ 50%로 조정하여, 상기 용접 파형을 제어할 수 있다.

또한 상기 제1모드는, 용접시 아크 상태가 스프레이 이행 모드에 해당할 때 적용될 수 있다.

또한 상기 제2모드는, 용접시 아크 상태가 스프레이 이행 모드와 낙하 이행 모드 사이에 해당할 때 적용될 수 있다.

또한 상기 제3모드는, 용접시 아크 상태가 낙하 이행 모드에 해당할 때 적용될 수 있다.

또한 상기 제4모드는, 용접시 아크 상태가 낙하 이행 모드와 단락 이행 모드 사이에 해당할 때 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에 의하면, 플럭스 코어드 아크 용접에서 인덕턴스 값과 회로저항 값을 조정하여 해당 모드별 용접 파형을 최적으로 제어함으로써 아크 안정성이 높아지고 스패터가 감소되며 우수한 용접품질을 얻을 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법을 나타낸 순서도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법에서 용접기의 출력전압을 측정하는 방법을 나타낸 개략도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법에서 각 모드별 목표 파형 및 제어인자의 강도를 나타낸 도표.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법에 대하여 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법을 나타낸 순서도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법에서 용접기의 출력전압을 측정하는 방법을 나타낸 개략도이며, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어방법에서 각 모드별 목표 파형 및 제어인자의 세기를 나타낸 도표이다.

먼저 도1을 참조하면, 본 실시예는 출력전압 측정단계(S10)와, 단락시간비 계산단계(S20)와, 모드결정 단계(S30)와, 파형제어 단계(S40)를 포함할 수 있다.

상기 출력전압 측정단계(S10)는 용접이 시작된 후에 용접기의 출력전압을 실시간으로 측정하는 단계로서, 상기 출력전압은 도2에 도시된 바와 같이 용접용 와이어(101)를 공급하는 와이어송급장치(100)에서 양극성(+)을 측정하고, 용접기(200)의 본체에서 음극성(-)을 측정할 수 있다.

이와 같이 와이어송급장치(100)에서 양극성을 측정하면 용접기(200)의 본체로부터 상기 와이어송급장치(100)까지 연결된 배선(201)에서 발생하는 전압 강하를 배제할 수 있기 때문에 보다 정확한 아크 전압을 측정할 수 있다. 예컨대, 종래처럼 용접기 본체에서 양극성과 음극성을 모두 측정하면 실제 아크가 발생하는 토치까지의 배선에 의한 전압 강하에 의하여 실제 아크 전압이 측정 전압과 차이를 보일 수 있는바, 이에 따라 측정 전압의 신뢰도가 저하될 수 있다.

따라서, 본 실시예는 배선에 의한 전압강하를 고려하고 출력전압의 신뢰도를 높이기 위하여 양극성은 토치에서 가까운 와이어송급장치(100)에서 측정한다.

또한, 상기 단락시간비 계산단계(S20)는, 전 단계(S10)에서 측정된 상기 출력전압을 이용하여 단위시간 당 단락시간비를 계산할 수 있다.

상기 단락시간비는 기 설정된 단위시간을 1 사이클(cycle)로 하여 해당 단위시간 동안 측정할 수 있다. 상기 단위시간은 순간적인 변화에 대응할 수 있도록 본 실시예는 100msec로 설정되지만 이에 국한될 필요는 없고 필요에 따라 조정 가능하다.

여기서, 상기 단락시간비는 "단락시간비 = 단락시간/용접시간 × 100"의 수식을 통해 계산할 수 있고, 상기 단락시간은 "출력전압이 대략 10V 이하로 하강된 구간의 시간의 합"을 통해 구할 수 있다.

따라서, 상기 출력전압 측정단계(S10)에 의해 용접기의 출력전압을 측정하면 단위시간 동안 상기 단락시간을 구할 수 있고, 이에 따라 단락시간비를 계산할 수 있다. 상기 용접시간은 작업자가 별도로 측정할 수도 있지만 상기 용접기에서 자체적으로 측정 가능하다.

한편, 상기 단락시간비 계산단계(S20)에 의하여 단락시간비가 계산되면, 그 계산된 단락시간비에 해당하는 모드를 결정하는 모드결정 단계(S30)가 수행될 수 있다.

상기 모드결정 단계(S30)에는 복수 개의 모드가 설정될 수 있는데, 상기 모드는 단락시간비에 따라 제1모드, 제2모드, 제3모드 및 제4모드를 포함할 수 있다.

상기 제1모드는 단락시간비가 0% 일 때의 모드로서, 단락이 전혀 발생하지 않았음을 의미할 수 있고, 용접시 아크 상태가 금속 이행 모드 중에서 스프레이 이행 모드에 해당할 때 적용될 수 있다.

상기 제2모드는 0% < 단락시간비 ≤ 0.001% 일 때의 모드로서, 용접시 아크 상태가 스프레이 이행 모드와 낙하 이행 모드 사이에 해당할 때 적용될 수 있다.

상기 제3모드는 0.001% < 단락시간비 ≤ 0.01% 일 때의 모드로서, 용접시 아크 상태가 낙하 이행 모드에 해당할 때 적용될 수 있다.

상기 제4모드는 단락시간비 > 0.01% 일 때의 모드로서, 용접시 아크 상태가 낙하 이행 모드와 단락 이행 모드 사이에 해당할 때 적용될 수 있다.

여기서, 상기 스프레이 이행 모드, 낙하 이행 모드, 단락 이행 모드는 금속 이행 모드의 유형으로서 일반적으로 널리 알려져 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이와 같이 기 설정된 복수 개(예컨대, 제1모드 ~ 제4모드)의 모드 중에서 단락시간비 계산단계(S20)에 의해 계산된 단락시간비가 속하는 모드를 결정할 수 있는데, 예컨대 전 단계(S20)에서 계산된 단락시간비가 0%이면 제1모드로 결정된다.

또한, 상기 파형제어 단계(S40)는 결정된 해당 모드에 최적화된 목표파형이 출력되도록 용접 파형을 제어할 수 있다. 즉, 각 모드 별로 최적화된 목표파형은 이미 정해져 있는바, 모드가 결정되면 해당 모드에 최적화된 목표파형을 출력하기 위해 용접 파형을 제어할 수 있다.

여기서, 상기 파형제어 단계(S40)는, 용접기의 인덕턴스 값(L)과 회로저항 값(Circuit R)을 각각 조정하여 용접 파형을 제어할 수 있다.

상기 인덕턴스와 회로저항은 용접기에 내장되어 있고, 상기 인덕턴스 값과 회로저항 값은 용접기를 제어하는 소프트웨어를 통해 가변될 수 있다.

도3에 도시된 바와 같이, 각 모드에 해당하는 목표파형을 출력하기 위해서 인덕턴트 값과 회로저항 값을 각각 조정하여 토치의 용접 파형을 제어할 수 있다. 상기 목표 파형은 각 모드별로 각각 다른데, 제1모드에서는 제1파형으로, 제2모드에서는 제2파형으로, 제3모드에서는 제3파형으로, 제4모드에서는 제4파형으로 각각 그 목표 파형이 정의될 수 있고, 각 파형의 형상은 도3에 도시된 바와 같다.

상기 제1모드에서 상기 목표 파형으로서 도3에 도시된 바와 같은 제1파형을 출력하기 위하여 상기 인덕턴스 값과 상기 회로저항 값은 각각 가용 최대값의 60 ~ 90%(강)로 조정되어 토치의 용접 파형을 목표 파형과 동일하거나 유사하게 제어할 수 있다.

또한, 상기 제2모드에서 상기 목표 파형으로서 제2파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값은 가용 최대값의 60 ~ 90%(강)로 조정하고, 상기 회로저항 값은 가용 최대값의 20 ~ 50%(약)로 조정하여 용접 파형을 제어할 수 있다.

상기 제3모드에서 상기 목표 파형으로서 제3파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값은 가용 최대값의 20 ~ 50%(약)로 조정하고 상기 회로저항 값은 가용 최대값의 60 ~ 90%(강)로 조정하여 용접 파형을 제어할 수 있다.

상기 제4모드에서 상기 목표 파형으로서 제4파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값과 상기 회로저항 값은 각각 가용 최대값의 20 ~ 50%(약)로 모두 약하게 조정하여 용접 파형을 제어할 수 있다.

상기 인덕턴스 값과 회로저항 값은 상술한 바와 같이 제어용 소프트웨어를 통해 수치를 입력하여 그 값을 변화시킬 수 있는데, 이때 각각의 가용 최대값은 100%가 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변경이 가능한 바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.

S10 : 출력전압 측정단계 S20 : 단락시간비 계산단계
S30 : 모드결정 단계 S40 : 파형제어 단계
100 : 와이어송급장치 101 : (용접)와이어
200 : 용접기 201 : 배선

Claims (10)

1. 용접 시작 후 용접기의 출력전압을 측정하는 출력전압 측정단계;
   측정된 상기 출력전압을 이용하여 단위시간 당 단락시간비를 계산하는 단락시간비 계산단계;
   단락시간비에 따라 기 설정된 복수 개의 모드 중에서 전 단계에 의해 계산된 단락시간비가 해당되는 모드를 결정하는 모드결정 단계; 및
   결정된 해당 모드의 목표 파형이 출력되도록 용접 파형을 제어하는 파형제어 단계;를 포함하며,
   상기 모드는, 아래와 같이 설정된 단락시간비에 따라 제1모드, 제2모드, 제3모드 및 제4모드를 포함하는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.
   제1모드 : 단락시간비 = 0%,
   제2모드 : 0% < 단락시간비 ≤ 0.001%,
   제3모드 : 0.001% < 단락시간비 ≤ 0.01%,
   제4모드 : 단락시간비 > 0.01%
2. 제1항에 있어서,
   상기 출력전압 측정단계에서 상기 출력전압은, 용접용 와이어를 공급하는 와이어송급장치에서 양극성(+)을 측정하고 상기 용접기의 본체에서 음극성(-)을 측정하는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단락시간비는, "단락시간/용접시간 × 100"의 수식을 통해 계산하고, 상기 단락시간은 "출력전압이 10V 이하로 하강된 구간의 시간의 합"을 통해 구하는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 파형제어 단계는, 상기 용접 파형을 제어하기 위해 용접기의 인덕턴스 값과 회로저항 값을 각각 조정하는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1모드에서 상기 목표 파형으로서 제1파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값과 상기 회로저항 값은 각각 가용 최대값의 60 ~ 90%로 조정하고,
   상기 제2모드에서 상기 목표 파형으로서 제2파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값은 가용 최대값의 60 ~ 90%로 조정하고 상기 회로저항 값은 가용 최대값의 20 ~ 50%로 조정하며,
   상기 제3모드에서 상기 목표 파형으로서 제3파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값은 가용 최대값의 20 ~ 50%로 조정하고 상기 회로저항 값은 가용 최대값의 60 ~ 90%로 조정하며,
   상기 제4모드에서 상기 목표 파형으로서 제4파형을 출력하기 위해 상기 인덕턴스 값과 상기 회로저항 값은 각각 가용 최대값의 20 ~ 50%로 조정하여, 상기 용접 파형을 제어하는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1모드는, 용접시 아크 상태가 스프레이 이행 모드에 해당할 때 적용되는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2모드는, 용접시 아크 상태가 스프레이 이행 모드와 낙하 이행 모드 사이에 해당할 때 적용되는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제3모드는, 용접시 아크 상태가 낙하 이행 모드에 해당할 때 적용되는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 제4모드는, 용접시 아크 상태가 낙하 이행 모드와 단락 이행 모드 사이에 해당할 때 적용되는, 아크 안정화를 위한 용접 파형 제어 방법.

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