KR102093528B1 - Method of and system for starting and using in combination a filler wire feed and arc generating source for welding - Google Patents

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Abstract

용접 퍼들(weld puddle)을 생성하기 위한 아크 발생 전원 공급 장치(2130)와, 용융 온도 또는 그 근처로 가열되고 상기 용접 퍼들 내로 퇴적되는 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(filler wire, 140)를 이용하여 작업물(115)을 용접 또는 접합하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다.Working with an arc-generating power supply 2130 for generating a weld puddle and at least one resistive filler wire 140 heated to or near the melting temperature and deposited into the weld puddle Methods and systems for welding or bonding water 115 are disclosed.

Figure R1020157003475
Figure R1020157003475

Description

용접을 위해 필러 와이어 공급과 아크 생성 소스를 결합해서 시작하고 사용하기 위한 방법 및 시스템{METHOD OF AND SYSTEM FOR STARTING AND USING IN COMBINATION A FILLER WIRE FEED AND ARC GENERATING SOURCE FOR WELDING}METHOD OF AND SYSTEM FOR STARTING AND USING IN COMBINATION A FILLER WIRE FEED AND ARC GENERATING SOURCE FOR WELDING}

<우선권><Priority>

본 출원은, 본 명세서에 참조로서 그 전부가 포함되고, 2009년 1월 13일에 출원된, 미국 특허 출원 제 12/352,667호의 일부 계속 출원인, 본 명세서에 참조로서 그 전부가 포함되고, 2011년 8월 17일에 출원된, 미국 특허 출원 제 13/212,025호의 일부 계속 출원이고 그에 대한 우선권을 주장한다.This application is incorporated herein by reference in its entirety, and is a portion of the United States Patent Application Serial No. 12 / 352,667, filed January 13, 2009, incorporated herein by reference in its entirety, in 2011 It is a continuing part of U.S. Patent Application No. 13 / 212,025, filed on August 17, and claims priority to it.

특정 실시예들은 필러 와이어 오버레이(filler wire overlaying) 응용들 뿐만 아니라 용접 및 접합(welding and joining) 응용들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 특정 실시예들은 납땜(brazing), 클래딩(cladding), 빌딩업(building up), 충진(filling), 표면 경화 오버레이(hard-facing overlaying), 접합 및 용접 응용들 중 어느 것을 위해서든지 조합 필러 와이어 공급 및 에너지 소스 시스템을 개시하고 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.Certain embodiments relate to filler wire overlaying applications as well as welding and joining applications. More specifically, certain embodiments are for any of brazing, cladding, building up, filling, hard-facing overlaying, bonding and welding applications. A system and method for initiating and using a combination filler wire supply and energy source system.

종래의 용접의 필러 와이어법(예를 들면, 가스-텅스텐 아크 용접(gas-tungsten arc welding, GTAW) 필러 와이어법)은 전통적인 단독 아크 용접보다 증가된 퇴적 속도(deposition rate) 및 용접 속도(welding speed)를 제공한다. 토치(torch)에 선행하는 필러 와이어는 별도의 전원 장치(power supply)에 의해 저항-가열된다. 상기 와이어는 접촉관(contact tube)을 통해 작업물(workpiece)을 향해 공급되고, 상기 관을 넘어서서 연장된다. 상기 연장된 것은 그것이 퍼들(puddle)에 근접할수록 저항-가열될 수 있다. 텅스텐 전극은 용접 퍼들(weld puddle)을 형성하기 위해 상기 작업물을 가열하고 용융시키는데 이용될 수 있다. 전원 장치(power supply)는 상기 필러 와이어를 저항-용융시키기 위해 필요한 에너지의 많은 부분을 제공한다. 일부 경우들에서, 상기 와이어 공급은 미끄러지거나 흔들릴 수 있으며, 상기 와이어에서의 전류는 상기 와이어의 끝(tip)과 상기 작업물 사이에서 아크를 발생시킬 수 있다. 그러한 아크의 여분의 열은 용낙(burnthrough), 스패터(spatter) 및 불량한 표면 품질을 야기할 수 있다. 그러한 아크 발생의 위험은 상기 와이어가 초기에 작은 지점에서 상기 작업물과 접촉되는 공정의 개시시에 더 크다. 상기 와이어에서의 초기 전류가 너무 높으면, 상기 지점이 타버려서 아크를 발생시킬 수 있다.The filler wire method of conventional welding (e.g., gas-tungsten arc welding (GTAW) filler wire method) has increased deposition rate and welding speed compared to traditional single arc welding. ). The filler wire preceding the torch is resistance-heated by a separate power supply. The wire is fed through a contact tube towards the workpiece and extends beyond the tube. The elongated one can be resistance-heated as it approaches the puddle. Tungsten electrodes can be used to heat and melt the workpiece to form a weld puddle. A power supply provides much of the energy needed to resistance-melt the filler wire. In some cases, the wire supply can slide or shake, and the current in the wire can generate an arc between the tip of the wire and the workpiece. The extra heat of such arcs can lead to burnthrough, spatter and poor surface quality. The risk of such arcing is greater at the start of the process where the wire initially comes into contact with the workpiece at a small point. If the initial current in the wire is too high, the point may burn out and generate an arc.

종래의, 전통적인 및 제안된 접근 방식들의 추가적인 한계들 및 단점들은, 그러한 접근 방식들과 본 출원의 나머지 부분에서 진술되는 본 발명의 실시예들을 도면을 참고하여 비교함으로써, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자에게 명확해질 것이다.Additional limitations and disadvantages of the conventional, traditional and proposed approaches, by comparing those approaches and embodiments of the present invention stated in the rest of the present application, with reference to the drawings, of the technical field to which the present invention pertains. It will be clear to the skilled person.

본 발명의 실시예들은 조합 필러 와이어 공급기 및 에너지 소스 시스템을 개시하고 사용하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 본 발명의 제 1 실시예는 납땜, 클래딩, 빌딩업, 충진, 표면 경화 오버레이, 용접 및 접합 응용들 중 어느 것을 위해서든지 조합 와이어 공급 및 에너지 소스 시스템을 개시하고 사용하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 전원을 통해 적어도 하나의 저항성 필러 와이어와 작업물 간에 감지 전압(sensing voltage)를 인가하는 단계 및 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단부를 상기 작업물 쪽으로 전진시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단부가 언제 상기 작업물과 접촉하는지를 감지하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 감지에 응답하여 정의된 시간 간격에 걸쳐 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어에 대한 전원을 끄는 단계를 포함한다. 상기 방법은 적어도 하나의 저항성 필러 와이어를 통해 가열 전류(heating current)의 흐름을 인가하기 위해 상기 정의된 시간 간격의 끝에서 상기 전원을 켜는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 적어도 상기 가열 전류의 흐름을 인가하는 동안 상기 작업물을 가열하기 위해 고강도 에너지 소스로부터의 에너지를 상기 작업물에 인가하는 단계를 포함한다. 상기 고강도 에너지 소스는 레이저 장치, 플라즈마 아크 용접(plasma arc welding, PAW) 장치, 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding, GTAW) 장치, 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW) 장치, 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding, FCAW) 장치, 및 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding, SAW) 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 청구된 발명의 이들 및 다른 특징들 뿐만 아니라 이의 예시된 실시예들의 상세한 사항들은 다음의 설명, 청구항 및 도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.Embodiments of the present invention include systems and methods for initiating and using combination filler wire feeders and energy source systems. The first embodiment of the present invention provides a method for initiating and using a combination wire supply and energy source system for any of soldering, cladding, building up, filling, surface hardening overlay, welding and bonding applications. The method includes applying a sensing voltage between at least one resistive filler wire and a work piece through a power source and advancing the distal end of the at least one resistive filler wire toward the work piece. The method further includes detecting when the distal end of the at least one resistive filler wire contacts the work piece. The method also includes powering off the at least one resistive filler wire over a defined time interval in response to the sensing. The method further includes turning on the power at the end of the defined time interval to apply a flow of heating current through at least one resistive filler wire. The method also includes applying energy from the high intensity energy source to the workpiece to heat the workpiece while at least applying the flow of heating current. The high intensity energy source is a laser device, plasma arc welding (PAW) device, gas tungsten arc welding (GTAW) device, gas metal arc welding (GMAW) device, flux core At least one of a flux cored arc welding (FCAW) device, and a submerged arc welding (SAW) device. The details of these and other features of the claimed invention, as well as the illustrated embodiments thereof, will be more fully understood from the following description, claims and drawings.

도 1은 납땜, 클래딩, 빌딩업, 충진, 및 표면 경화 오버레이 응용들 중 어떠한 것을 위한 조합 필러 와이어 공급기 및 에너지 소스 시스템의 예시적인 실시예의 기능적 개략적 블록도를 도시한다;
도 2는 도 1의 시스템에 의해 이용되는 개시(start-up) 방법의 실시예의 흐름도를 도시한다;
도 3은 도 1의 시스템에 의해 이용되는 개시 후(post start-up) 방법의 실시예의 흐름도를 도시한다;
도 4는 도 3의 개시 후 방법과 연관된 한 쌍의 전압 및 전류 파형들의 제 1 예시적 실시예를 도시한다;
도 5는 도 3의 개시 후 방법과 연관된 한 쌍의 전압 및 전류 파형들의 제 2 예시적 실시예를 도시한다;
도 6 및 도 6a는 용접 작업을 수행하는데 이용되는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 7, 도 7a 및 도 7b는 본 발명으로 용접하는 추가적인 실시예들을 도시한다;
도 8은 동시에 접합부의 두 쪽을 접합하는 또 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 9는 본 발명으로 용접하는 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 10은 다수의 레이저들 및 와이어들로 접합부를 용접하는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예들과 함께 이용되는 접촉팁들(contact tips)의 예시적인 실시예들을 도시한다;
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 핫 와이어(hot wire) 전원 공급 시스템을 도시한다;
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 예시적 실시예들에 의해 생성된 전압 및 전류 파형들을 도시한다;
도 14는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 다른 용접 시스템을 도시한다;
도 15는 본 발명의 실시예에 의해 생성된 용접 퍼들(weld puddle)의 예시적 실시예를 도시한다;
도 16a 내지 도 16f는 본 발명의 실시예들에 따른 용접 퍼들들 및 레이저 빔 활용의 예시적 실시예들을 도시한다;
도 17은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 용접 시스템을 도시한다;
도 18은 본 발명의 실시예들에서 이용될 수 있는 램프 다운(ramp down) 회로의 예시적 실시예를 도시한다;
도 19는 본 발명에 따른 흄 추출 노즐(fume extraction nozzle)의 예시적 실시예를 도시한다;
도 20은 본 발명의 또 다른 용접 시스템의 예시적 실시예를 도시한다;
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다;
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 용접 시스템들에 의해 이용되는 전류 파형들의 예시적 실시예들을 도시한다;
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 다른 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다;
도 24는 본 발명의 실시예들과 함께 이용될 수 있는 전류 파형들의 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 25는 본 발명의 실시예들과 함께 이용될 수 있는 다른 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다;
도 25a는 도 25에 나타낸 실시예와 함께 이용될 수 있는 전류 파형들의 예시적 실시예를 도시한다;
도 26은 병렬형(side-by-side) 아크 용접 작업을 이용하는 또 다른 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다;
도 27은 본 발명의 추가적인 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다; 및
도 28은 자기적 조향(magnetic steering)을 이용하는 본 발명의 용접 작업의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
1 shows a functional schematic block diagram of an exemplary embodiment of a combination filler wire feeder and energy source system for any of soldering, cladding, building up, filling, and surface hardening overlay applications;
2 shows a flow diagram of an embodiment of the start-up method used by the system of FIG. 1;
3 shows a flow diagram of an embodiment of a post start-up method used by the system of FIG. 1;
4 shows a first exemplary embodiment of a pair of voltage and current waveforms associated with the method after initiation of FIG. 3;
FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a pair of voltage and current waveforms associated with the method after initiation of FIG. 3;
6 and 6A show another exemplary embodiment of the present invention used to perform a welding operation;
7, 7A and 7B show additional embodiments of welding with the present invention;
8 shows another exemplary embodiment of joining two sides of a joint at the same time;
9 shows another exemplary embodiment of welding with the present invention;
10 shows another exemplary embodiment of the invention for welding a joint with multiple lasers and wires;
11A-11C show exemplary embodiments of contact tips used with embodiments of the present invention;
12 shows a hot wire power supply system according to embodiments of the present invention;
13A-13C show voltage and current waveforms generated by exemplary embodiments of the present invention;
14 shows another welding system according to an exemplary embodiment of the present invention;
15 shows an exemplary embodiment of a weld puddle produced by an embodiment of the present invention;
16A-16F illustrate exemplary embodiments of welding puddle and laser beam utilization according to embodiments of the present invention;
17 shows a welding system according to another exemplary embodiment of the present invention;
18 shows an exemplary embodiment of a ramp down circuit that can be used in embodiments of the present invention;
19 shows an exemplary embodiment of a fume extraction nozzle according to the present invention;
20 shows an exemplary embodiment of another welding system of the present invention;
21 shows an exemplary embodiment of a welding operation according to an embodiment of the invention;
22A-22C show exemplary embodiments of current waveforms used by the welding systems of the present invention;
23 shows an exemplary embodiment of another welding operation according to an embodiment of the present invention;
24 shows another exemplary embodiment of current waveforms that can be used with embodiments of the present invention;
25 shows an exemplary embodiment of another welding operation that can be used with embodiments of the present invention;
25A shows an exemplary embodiment of current waveforms that can be used with the embodiment shown in FIG. 25;
26 shows an exemplary embodiment of another welding operation using a side-by-side arc welding operation;
27 shows an exemplary embodiment of an additional welding operation of the present invention; And
28 shows a further exemplary embodiment of the welding operation of the present invention using magnetic steering.

"오버레이(overlaying)"라는 용어는 본 명세서에서 폭 넓은 방식으로 사용되며 납땜(brazing), 클래딩(cladding), 빌딩업(building up), 충진(filling), 및 표면 경화(hard-facing)를 포함하는 어떠한 응용들을 의미하는 것일 수 있다. 예를 들면, "납땜" 응용에서, 필러 금속(filler metal)은 모세관 작용을 통해 접합부의 밀접하게 맞춰진 표면들 사이에 분포된다. 반면, "납땜 용접(braze welding)" 응용에서는, 상기 필러 금속이 갭(gap)으로 흘러 들어가도록 한다. 본 명세서에서, 그러나, 양 기법들은 모두 폭 넓게 오버레이(overlaying) 응용들로 칭해진다.The term "overlaying" is used herein in a wide variety of ways and includes brazing, cladding, building up, filling, and hard-facing. It can mean any application. For example, in "soldering" applications, filler metal is distributed between closely mated surfaces of the joint through capillary action. On the other hand, in "braze welding" applications, the filler metal is allowed to flow into the gap. In this specification, however, both techniques are broadly referred to as overlaying applications.

도 1은 납땜, 클래딩, 빌딩업, 충진, 표면 경화 오버레이, 및 접합/용접 응용들 중 어떤 것이든지 수행하기 위한 조합 필러 와이어 공급기 및 에너지 소스 시스템(100)의 예시적 실시예의 기능적 개략적 블록도를 도시한다. 상기 시스템(100)은 작업물(115)을 가열하기 위해 레이저 빔(110)을 상기 작업물(115) 상으로 포커싱할 수 있는 레이저 서브시스템을 포함한다. 상기 레이저 서브시스템은 고강도 에너지 소스(high intensity energy source)이다. 상기 레이저 서브시스템은, 비한정적으로 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크(Yb-disc), YB-섬유(YB-fiber), 섬유 전달 또는 직접 다이오드 레이저 시스템들을 포함하는, 어떠한 유형의 고에너지 레이저 소스일 수 있다. 또한, 백색광 또는 석영 레이저형 시스템들도, 이들이 충분한 에너지를 가지고 있다면, 이용될 수 있다. 상기 시스템의 다른 실시예들은, 상기 고강도 에너지 소스로서의 역할을 하는, 전자빔, 플라즈마 아크 용접 서브시스템, 가스 텅스텐 아크 용접 서브시스템, 가스 금속 아크 용접 서브시스템, 플럭스 코어드(flux cored) 아크 용접 서브시스템, 및 서브머지드(submerged) 아크 용접 서브시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다음의 명세서에서 상기 레이저 시스템, 빔 및 전원 공급 장치(power supply)를 반복적으로 언급할 것이지만, 그러나, 어떠한 고강도 에너지 소스라도 이용될 수 있으므로 이 언급은 예시적인 것임을 이해해야 할 것이다. 예를 들면, 고강도 에너지 소스는 적어도 500 W/㎠을 제공할 수 있다. 상기 레이저 서브시스템은 작동적으로 서로 연결된 레이저 장치(120) 및 레이저 전원 공급 장치(130)를 포함한다. 상기 레이저 전원 공급 장치(130)는 상기 레이저 장치(120)를 작동하기 위해 전력을 제공한다.1 is a functional schematic block diagram of an exemplary embodiment of a combination filler wire feeder and energy source system 100 for performing any of soldering, cladding, building up, filling, surface hardening overlay, and bonding / welding applications. City. The system 100 includes a laser subsystem capable of focusing the laser beam 110 onto the work piece 115 to heat the work piece 115. The laser subsystem is a high intensity energy source. The laser subsystem is any type of high energy laser, including but not limited to carbon dioxide, Nd: YAG, Yb-disc, YB-fiber, fiber delivery or direct diode laser systems. It can be a sauce. In addition, white light or quartz laser-type systems can also be used if they have sufficient energy. Other embodiments of the system include an electron beam, plasma arc welding subsystem, gas tungsten arc welding subsystem, gas metal arc welding subsystem, flux cored arc welding subsystem, serving as the high intensity energy source. , And at least one of a submerged arc welding subsystem. In the following specification, the laser system, beam and power supply will be mentioned repeatedly, however, it should be understood that this reference is exemplary as any high intensity energy source may be used. For example, a high intensity energy source can provide at least 500 W / cm 2. The laser subsystem includes a laser device 120 and a laser power supply 130 that are operatively connected to each other. The laser power supply 130 provides power to operate the laser device 120.

상기 시스템(100)은 또한 상기 레이저 빔(110) 근처의 상기 작업물(115)과 접촉하도록 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)을 제공할 수 있는 핫 필러 와이어 공급기(hot filler wire feeder) 서브시스템을 포함한다. 물론, 본 명세서에서 상기 작업물(115)을 참조하여, 상기 용융 퍼들(molten puddle)은 상기 작업물(115)의 일부로 간주되므로, 상기 작업물(115)과의 접촉은 상기 퍼들과의 접촉을 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 상기 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템은 필러 와이어 공급기(150), 접촉관(160), 및 핫 와이어 전원 공급 장치(170)를 포함한다. 작업 중에, 상기 레이저 빔(110)에 선행하는, 상기 필러 와이어(140)는 상기 접촉관(160)과 상기 작업물(115) 간에 작동적으로 연결되는 상기 핫 와이어 용접 전원 공급 장치(170)로부터의 전류에 의해 저항-가열된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 핫 와이어 용접 전원 공급 장치(170)는 펄스(pulsed) 직류(direct current, DC) 전원 공급 장치이지만, 교류(alternating current, AC) 또는 다른 유형의 전원 공급 장치들도 또한 가능하다. 상기 와이어(140)는 상기 필러 와이어 공급기(150)로부터 상기 접촉관(160)을 통해 상기 작업물(115) 쪽으로 공급되며 상기 관(160)을 넘어서 연장된다. 상기 와이어(140)의 연장 부분은, 상기 연장 부분이 상기 작업물 상의 용접 퍼들에 접촉하기 전에 융점에 근접하거나 또는 도달하도록, 저항-가열된다. 상기 레이저 빔(110)은, 용접 퍼들을 형성하고 또한 상기 와이어(140)를 상기 작업물(115) 상으로 용융시키기 위해, 상기 작업물(115)의 베이스 금속(base metal)의 일부를 용융시키는 역할을 한다. 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 필러 와이어(140)을 저항-용융시키기 위해 필요한 에너지의 많은 부분을 제공한다. 본 발명의 특정 다른 실시예들에 따르면, 상기 공급기 서브시스템은 하나 이상의 와이어들을 동시에 제공하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들면, 제 1 와이어는 상기 작업물을 표면 경화시키고(hard-facing) 및/또는 상기 작업물에 내식성(corrosion resistance)을 제공하는데 이용될 수 있고, 제 2 와이어는 상기 작업물에 구조를 추가하는데 이용될 수 있다.The system 100 can also provide a hot filler wire feeder subsystem capable of providing at least one resistive filler wire 140 to contact the work 115 near the laser beam 110. It includes. Of course, referring to the work 115 herein, the molten puddle is considered to be a part of the work 115, so contact with the work 115 is in contact with the puddle. You will understand that it contains. The hot filler wire feeder subsystem includes a filler wire feeder 150, a contact tube 160, and a hot wire power supply 170. During operation, the filler wire 140, which precedes the laser beam 110, is from the hot wire welding power supply 170 that is operatively connected between the contact tube 160 and the workpiece 115. Resistance-heated by the current of According to an embodiment of the present invention, the hot wire welding power supply 170 is a pulsed direct current (DC) power supply, but alternating current (AC) or other types of power supplies It is also possible. The wire 140 is supplied to the work 115 from the filler wire feeder 150 through the contact pipe 160 and extends beyond the pipe 160. The extension portion of the wire 140 is resistance-heated such that the extension portion approaches or reaches the melting point before contacting the welding puddle on the workpiece. The laser beam 110 melts a portion of the base metal of the workpiece 115 to form a welding puddle and also melt the wire 140 onto the workpiece 115. Plays a role. The power supply 170 provides much of the energy required to resistance-melt the filler wire 140. According to certain other embodiments of the present invention, the feeder subsystem may be capable of providing one or more wires simultaneously. For example, a first wire can be used to hard-facing the workpiece and / or to provide corrosion resistance to the workpiece, and the second wire provides structure to the workpiece. It can be used to add.

상기 시스템(100)은, 상기 레이저 빔(110) 및 상기 저항성 필러 와이어(140)가 서로에 대해 고정된 관계로 남아 있도록, 상기 레이저 빔(110)(에너지 소스) 및 상기 저항성 필러 와이어(140)를 (적어도 상대적인 의미에서) 상기 작업물(115)을 따라 동일 방향(125)으로 이동시킬 수 있는 동작 제어(motion control) 서브시스템을 더 포함한다. 다양한 실시예들에 따르면, 상기 작업물(115)과 상기 레이저/와이어 조합 간의 상대적인 동작은 실제로 상기 작업물(115)을 이동시킴으로써 또는 상기 레이저 장치(120) 및 상기 핫 와이어 공급기 서브시스템을 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 도 1에서, 상기 동작 제어 서브시스템은 로봇(190)에 작동적으로 연결되는 동작 제어기(180)를 포함한다. 상기 동작 제어기(180)는 상기 로봇(190)의 동작을 제어한다. 상기 로봇(190)은, 상기 레이저 빔(110) 및 상기 와이어(140)가 상기 작업물(115)을 따라 효과적으로 이동하도록, 상기 작업물(115)을 상기 방향(125)으로 이동시키기 위해 상기 작업물(115)에 작동적으로 연결(예를 들면, 기계적으로 고정)된다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 상기 레이저 장치(110) 및 상기 접촉관(160)은 단일 헤드(single head)로 통합될 수 있다.상기 헤드는 상기 헤드에 작동적으로 연결되는 동작 제어 서브시스템을 통해 상기 작업물(115)을 따라 이동될 수 있다.The system 100 includes the laser beam 110 (an energy source) and the resistive filler wire 140 such that the laser beam 110 and the resistive filler wire 140 remain fixed relative to each other. It further includes a motion control subsystem capable of moving (at least in a relative sense) the same direction 125 along the work 115. According to various embodiments, the relative motion between the workpiece 115 and the laser / wire combination is actually by moving the workpiece 115 or by moving the laser device 120 and the hot wire feeder subsystem. Can be achieved. In FIG. 1, the motion control subsystem includes a motion controller 180 that is operatively connected to the robot 190. The operation controller 180 controls the operation of the robot 190. The robot 190, the laser beam 110 and the wire 140, the work to move the work 115 in the direction 125, so as to effectively move along the work 115 It is operatively connected to water 115 (eg mechanically fixed). According to an alternative embodiment of the present invention, the laser device 110 and the contact tube 160 may be integrated into a single head. The head is a motion control sub which is operatively connected to the head. It can be moved along the work 115 through the system.

일반적으로, 고강도 에너지 소스/핫 와이어가 작업물에 대해 상대적으로 이동될 수 있는 여러가지 방법들이 있다. 상기 작업물이 원형인 경우에, 예를 들면, 상기 고강도 에너지 소스/핫 와이어는 정지되어 있고 상기 작업물은 상기 고강도 에너지 소스/핫 와이어 아래에서 회전될 수 있다. 대안적으로, 로봇 암(robot arm) 또는 선형 트랙터(linear tractor)가 상기 원형 작업물에 평행하게 이동할 수 있으며, 상기 작업물이 회전됨에 따라, 상기 고강도 에너지 소스/핫 와이어는, 예를 들면, 상기 원형 작업물의 표면을 오버레이하기 위해, 연속적으로 또는 회전당 한 번의 지수(index)로 이동할 수 있다. 상기 작업물이 평평하거나 또는 적어도 원형이 아닌 경우, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 작업물은 상기 고강도 에너지 소스/핫 와이어 아래에서 이동될 수 있다. 그러나, 로봇 암 또는 선형 트랙터 또는 심지어 빔-장착 캐리지가 상기 작업물에 대해 상대적으로 고강도 에너지 소스/핫 와이어 헤드를 이동시키는데 이용될 수 있다.In general, there are several ways that a high intensity energy source / hot wire can be moved relative to the work piece. When the workpiece is circular, for example, the high intensity energy source / hot wire is stationary and the workpiece can be rotated under the high intensity energy source / hot wire. Alternatively, a robot arm or linear tractor can move parallel to the circular workpiece, and as the workpiece rotates, the high intensity energy source / hot wire, for example, To overlay the surface of the circular workpiece, it can be moved continuously or at one index per revolution. When the workpiece is flat or at least not circular, as shown in FIG. 1, the workpiece can be moved under the high intensity energy source / hot wire. However, a robot arm or linear tractor or even a beam-mounted carriage can be used to move the high-intensity energy source / hot wire head relative to the workpiece.

상기 시스템(100)은 상기 작업물(115) 및 상기 접촉관(160)에 작동적으로 연결되고(즉, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)의 출력에 효과적으로 연결되고) 상기 작업물(115)과 상기 핫 와이어(140) 간의 전위차(즉, 전압(V)) 및 상기 작업물(115)과 상기 핫 와이어(140)를 통과하는 전류(I)를 측정할 수 있는 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)를 더 포함한다. 상기 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)은 상기 측정된 전압 및 전류로부터 저항값(R=V/I) 및/또는 전력값(P=V*I)을 계산하는 것이 더 가능할 수 있다. 일반적으로, 상기 핫 와이어(140)가 상기 작업물(115)과 접촉하는 경우, 상기 핫 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간의 전위차는 0 볼트 또는 거의 0 볼트이다. 결과적으로, 본 명세서에서 이후에 더 상세히 설명하는 바와 같이, 상기 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)은 상기 저항성 필러 와이어(140)가 언제 상기 작업물(115)과 접촉하는지를 감지할 수 있으며, 상기 감지에 응답하여 상기 저항성 필러 와이어(140)를 통과하는 전류의 흐름을 제어하는 것을 더 할 수 있도록 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)에 작동적으로 연결된다. 본 발며의 다른 실시예에 따르면, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)에 일체로 된 부분일 수 있다.The system 100 is operatively connected to the workpiece 115 and the contact tube 160 (ie, effectively connected to the output of the hot wire power supply 170) and the workpiece 115 A sensing and current control subsystem capable of measuring the potential difference (i.e., voltage (V)) between the hot wire 140 and the current (I) passing through the workpiece 115 and the hot wire 140 ( 195). The sensing and current control subsystem 195 may be further capable of calculating a resistance value (R = V / I) and / or a power value (P = V * I) from the measured voltage and current. In general, when the hot wire 140 is in contact with the work 115, the potential difference between the hot wire 140 and the work 115 is 0 volt or almost 0 volt. Consequently, as described in more detail later in this specification, the sensing and current control subsystem 195 can detect when the resistive filler wire 140 is in contact with the work piece 115, and It is operatively connected to the hot wire power supply 170 to further control the flow of current through the resistive filler wire 140 in response to sensing. According to another embodiment of the present disclosure, the sensing and current controller 195 may be an integral part of the hot wire power supply 170.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 동작 제어기(180)는 상기 레이저 전원 공급 장치(130) 및/또는 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 작동적으로 더 연결될 수 있다. 이런 방식으로, 상기 동작 제어기(180) 및 상기 레이저 전원 공급 장치(130)는, 상기 레이저 전원 공급 장치(130)가 상기 작업물(115)이 언제 이동하는지를 알도록 및 상기 동작 제어기(180)가 상기 레이저 장치(120)가 활성화되어 있는지 여부를 알도록, 서로 통신할 수 있다. 유사하게, 이런 방식으로, 상기 동작 제어기(180) 및 상기 감지 및 전류 제어기(195)는, 상기 감지 및 전류 제어기(195)가 상기 작업물(115)이 언제 이동하는지를 알도록 및 상기 동작 제어기(180)가 상기 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템이 활성화되어 있는지 여부를 알도록, 서로 통신할 수 있다. 그러한 통신들은 상기 시스템(100)의 상기 다양한 서브시스템들 간에 활동들을 조정하는데 이용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the operation controller 180 may be further operatively connected to the laser power supply 130 and / or the sensing and current controller 195. In this way, the operation controller 180 and the laser power supply 130 are configured so that the laser power supply 130 knows when the workpiece 115 moves and the operation controller 180 The laser devices 120 may communicate with each other to know whether they are activated. Similarly, in this way, the motion controller 180 and the sense and current controller 195 allow the sense and current controller 195 to know when the workpiece 115 moves and the motion controller ( 180) may communicate with each other to know whether the hot filler wire feeder subsystem is active. Such communications can be used to coordinate activities between the various subsystems of the system 100.

도 2는 도 1의 상기 시스템(100)에 의해 이용되는 개시(start-up) 방법(200)의 실시예의 흐름도이다. 단계(210)에서, 전원 공급 장치(170)를 통해 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)와 작업물(115) 간에 감지 전압(sensing voltage)을 인가한다. 상기 감지 전압은 상기 감지 및 전류 제어기(195)의 명령 하에 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)에 의해 인가될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 인가된 감지 전압은 상기 와이어(140)를 현저히 가열시킬 정도로 충분한 에너지를 제공하지 않는다. 단계(220)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단부를 상기 작업물(115) 쪽으로 전진시킨다. 상기 전진은 상기 와이어 공급기(150)에 의해 수행된다. 단계(230)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 언제 상기 작업물(115)과 처음으로 접촉하는지를 감지한다. 예를 들면, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 핫 와이어(140)를 통해 매우 낮은 수준의 전류(예를 들면, 3 암페어 내지 5 암페어)를 제공하도록 명령할 수 있다. 그러한 감지는 상기 감지 및 전류 제어기(195)가 (예를 들면, 상기 접촉관(160)을 통과하는) 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 약 0 볼트(예를 들면, 0.4 V)의 전위차를 측정함으로써 달성될 수 있다. 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)에 쇼트되는(즉, 상기 작업물과 접촉하는) 경우, 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 (0 볼트를 넘는) 현저한 전압 수준이 존재하지 않을 수 있다.2 is a flow diagram of an embodiment of a start-up method 200 used by the system 100 of FIG. 1. In step 210, a sensing voltage is applied between the at least one resistive filler wire 140 and the work 115 through the power supply 170. The sensing voltage may be applied by the hot wire power supply 170 under the command of the sensing and current controller 195. Further, according to an embodiment of the present invention, the applied sensing voltage does not provide enough energy to significantly heat the wire 140. In step 220, the distal end of the at least one resistive filler wire 140 is advanced toward the workpiece 115. The advancing is performed by the wire feeder 150. In step 230, it is detected when the distal end of the at least one resistive filler wire 140 first contacts the workpiece 115. For example, the sensing and current controller 195 allows the hot wire power supply 170 to provide a very low level of current (eg, 3 amps to 5 amps) through the hot wire 140. I can order. Such detection is about 0 volts (e.g., 0.4) between the filler wire 140 and the workpiece 115 (e.g., through the contact tube 160) and the current controller 195. It can be achieved by measuring the potential difference of V). When the distal end of the filler wire 140 is shorted to the workpiece 115 (ie, in contact with the workpiece), between the filler wire 140 and the workpiece 115 (over 0 volts) ) Significant voltage levels may not exist.

단계(240)에서, 상기 감지에 응답하여 정의된 시간 간격(예를 들면, 수 밀리초)에 걸쳐 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)에 대해 상기 전원 공급 장치(170)를 끈다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 전원 공급 장치(170)가 꺼지도록 명령할 수 있다. 단계(250)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 통해 가열 전류의 흐름을 인가하기 위해 상기 정의된 시간 간격의 끝에서 상기 전원 공급 장치(170)를 켠다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 전원 공급 장치(170)가 켜지도록 명령할 수 있다. 단계(260)에서, 적어도 상기 가열 전류의 흐름을 인가하는 동안 상기 작업물(115)을 가열하기 위해 고강도 에너지 소스(110)으로부터의 에너지를 상기 작업물(115)에 인가한다.In step 240, the power supply 170 is turned off for the at least one resistive filler wire 140 over a defined time interval (eg, several milliseconds) in response to the sensing. The sensing and current controller 195 may command the power supply 170 to be turned off. In step 250, the power supply 170 is turned on at the end of the defined time interval to apply a flow of heating current through the at least one resistive filler wire 140. The sensing and current controller 195 may command the power supply 170 to be turned on. In step 260, energy from a high intensity energy source 110 is applied to the work 115 to heat the work 115 while at least applying the flow of heating current.

선택 사항으로, 상기 방법(200)은 상기 감지에 응답하여 상기 와이어(140)의 전진을 중지시키는 단계, 상기 정의된 시간 간격의 끝에서 상기 와이어(140)의 전진을 재시작(즉, 재전진(re-advancing))시키는 단계, 및 상기 가열 전류의 흐름을 인가하기 전에 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 여전히 상기 작업물(115)과 접촉되어 있는지를 확인하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 와이어 공급기(150)가 공급을 중지하도록 명령하고 상기 시스템(100)이 (예를 들면, 수 밀리초) 대기하도록 명령할 수 있다. 그러한 실시예에서, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 와이어 공급기(150)가 시작되고 중지되도록 명령하기 위해 상기 와이어 공급기(150)에 작동적으로 연결된다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는, 상기 와이어(140)를 가열하고 상기 와이어(140)를 상기 작업물(115) 쪽으로 다시 공급하기 위해, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 가열 전류를 인가하도록 명령할 수 있다.Optionally, the method 200 stops the advancement of the wire 140 in response to the detection, restarting the advancement of the wire 140 at the end of the defined time interval (ie, re-advance ( re-advancing), and checking whether the distal end of the filler wire 140 is still in contact with the workpiece 115 before applying the flow of the heating current. The sensing and current controller 195 may instruct the wire supply 150 to stop supplying and instruct the system 100 to wait (eg, several milliseconds). In such an embodiment, the sensing and current controller 195 is operatively connected to the wire supply 150 to instruct the wire supply 150 to start and stop. In the sensing and current controller 195, the hot wire power supply 170 supplies the heating current to heat the wire 140 and supply the wire 140 back to the work 115. It can be ordered to authorize.

일단 상기 개시 방법이 완료되면, 상기 시스템(100)은, 납땜 응용, 클래딩 응용, 빌드업 응용, 표면 경화 응용, 또는 용접/접합 작업 중 하나를 수행하기 위해, 상기 레이저 빔(110) 및 핫 와이어(140)가 상기 작업물(115)과 관련하여 이동되는 작업의 개시 후 모드(post start-up mode)로 진입할 수 있다. 도 3은 도 1의 상기 시스템(100)에 의해 이용되는 개시 후 방법(300)의 실시예의 흐름도를 도시한다. 단계(310)에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단부가 고강도 에너지 소스(예를 들면, 레이저 장치(120))에 선행 또는 일치되어, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)가 작업물(115) 쪽으로 공급됨에 따라, 상기 고강도 에너지 소스(예를 들면, 레이저 장치(120)) 및/또는 상기 가열된 작업물(115)(즉, 상기 작업물(115)은 레이저 빔(110)에 의해 가열된다)로부터의 에너지(예를 들면, 상기 레이저 빔(110))가 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부를 상기 작업물(115) 상으로 용융시키도록, 상기 고강도 에너지 소스(예를 들면, 레이저 장치(120)) 및 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 상기 작업물(115)을 따라 이동시킨다. 상기 동작 제어기(180)는 상기 로봇(190)이 상기 레이저 빔(110) 및 상기 핫 와이어(140)에 대해 상기 작업물(115)을 이동시키도록 명령한다. 상기 레이저 전원 공급 장치(130)는 상기 레이저 빔(110)을 형성하도록 상기 레이저 장치(120)를 작동시키기 위해 전력을 제공한다. 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)는 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 명령된 바와 같이 상기 핫 와이어(140)에 전류를 제공한다.Once the initiation method is complete, the system 100 may perform the soldering application, cladding application, build-up application, surface hardening application, or welding / bonding operation to perform the laser beam 110 and hot wire. The 140 may enter a post start-up mode of the work being moved in relation to the work 115. 3 shows a flow diagram of an embodiment of a post-startup method 300 used by the system 100 of FIG. 1. In step 310, the distal end of at least one resistive filler wire 140 is preceded or coincident with a high intensity energy source (e.g., laser device 120) such that the at least one resistive filler wire 140 is in operation. As supplied toward water 115, the high intensity energy source (eg, laser device 120) and / or the heated workpiece 115 (ie, the workpiece 115 is a laser beam 110) The high energy source (eg, the laser beam 110) to melt the distal end of the filler wire 140 onto the workpiece 115. For example, the laser device 120 and the at least one resistive filler wire 140 are moved along the work 115. The operation controller 180 instructs the robot 190 to move the work 115 relative to the laser beam 110 and the hot wire 140. The laser power supply 130 provides power to operate the laser device 120 to form the laser beam 110. The hot wire power supply 170 provides current to the hot wire 140 as commanded by the sensing and current controller 195.

단계(320)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)과의 접촉이 끊기려고 할 때마다 감지한다(즉, 예측 기능(preminition capability)을 제공한다). 그러한 감지는 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간의 전위차의 변화율(dv/dt), 이들을 통한 전류의 변화율(di/dt), 이들 간의 저항의 변화율(dr/dt), 또는 이들을 통한 전력의 변화율(dp/dt) 중 하나의 변화율을 측정하는 상기 감지 및 전류 제어기(195) 내의 예측 회로에 의해 달성될 수 있다. 상기 변화율이 미리 정의된 값을 초과하는 경우, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 접촉의 끊어지려 한다는 것을 정식으로 예고한다. 그러한 예측 회로들은 아크 용접에 대한 기술분야에 잘 알려져 있다.In step 320, the distal end of the at least one resistive filler wire 140 is detected whenever contact with the work 115 is to be broken (i.e., provides a prediction capability) . Such a detection is the rate of change of the potential difference between the filler wire 140 and the work 115 (dv / dt), the rate of change of current through them (di / dt), the rate of change of resistance between them (dr / dt), or It can be achieved by the sensing circuit measuring the rate of change of one of the rate of change of power (dp / dt) through and the prediction circuit in the current controller 195. If the rate of change exceeds a predefined value, the sensing and current controller 195 formally foresees that the contact is about to break. Such predictive circuits are well known in the art for arc welding.

상기 와이어(140)의 상기 말단부가 가열로 인해 상당히 용융되는 경우, 상기 말단부는 상기 와이어(140)로부터 상기 작업물(115) 상으로 핀치 오프(pinch off)되기 시작할 수 있다. 예를 들면, 그 때에, 상기 와이어의 상기 말단부가 핀치 오프됨에 따라 그것의 단면이 급속히 감소하기 때문에, 상기 전위차 또는 전압이 증가한다. 그러므로, 그러한 변화율을 측정함으로써, 상기 시스템(100)은 상기 말단부가 핀치 오프되어 상기 작업물(115)과의 접촉이 끊기려고 하는 때를 예측할 수 있다. 또한, 접촉이 완전히 끊기는 경우, 0 볼트보다 현저하게 큰 전위차(즉, 전압 레벨)가 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정될 수 있다. 단계(330)에서 조치가 취해지지 않는 경우, 이 전위차는 상기 와이어(140)의 새로운 말단부과 상기 작업물(115) 간에 (원치 않는) 아크를 형성시킬 수 있다. 물론, 다른 실시예들에서, 상기 와이어(140)는 어떤 뚜렷한 핀칭(pinching)을 나타내지 않을 수 있지만, 대신에 상기 퍼들 내로 거의 일정한 단면을 유지하면서 연속적인 방식으로 상기 퍼들 내로 흐를 것이다.When the distal end of the wire 140 melts significantly due to heating, the distal end may begin to be pinched off from the wire 140 onto the workpiece 115. For example, at that time, the potential difference or voltage increases because its cross section rapidly decreases as the distal end of the wire is pinched off. Therefore, by measuring such a rate of change, the system 100 can predict when the distal end is pinched off and the contact with the work piece 115 is about to break. In addition, when the contact is completely broken, a potential difference (i.e., voltage level) significantly greater than 0 volts can be measured by the sensing and current controller 195. If no action is taken at step 330, this potential difference can create an (undesired) arc between the new end of the wire 140 and the workpiece 115. Of course, in other embodiments, the wire 140 may not exhibit any apparent pinching, but instead will flow into the puddle in a continuous manner while maintaining a substantially constant cross-section into the puddle.

단계(330)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)가 상기 작업물(115)과 접촉이 끊어지려 한다는 것을 감지한 것에 응답하여 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 통한 상기 가열 전류의 흐름을 끈다(또는 적어도 크게, 예를 들면, 95% 만큼 감소시킨다). 상기 감지 및 전류 제어기(195)가 접촉이 끊기려 한다는 것을 결정하는 경우, 상기 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 핫 와이어(140)에 공급되는 상기 전류를 차단하도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 명령한다. 이런 식으로, 원치 않는 아크의 형성이 방지되고, 스플래터(splatter) 또는 용락(burnthrough)과 같은 어떠한 원치 않는 효과들이 발생하는 것을 방지한다.In step 330, the heating current through the at least one resistive filler wire 140 in response to detecting that the at least one resistive filler wire 140 is about to break contact with the work 115. Turn off the flow of (or at least significantly, for example, decrease by 95%). When the sensing and current controller 195 determines that the contact is about to break, the controller 195 blocks the current supplied to the hot wire 140 by the hot wire power supply 170 ( Or at least significantly). In this way, the formation of unwanted arcs is prevented and any unwanted effects such as splatter or burnthrough are prevented from occurring.

단계(340)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 계속해서 상기 작업물(115) 쪽으로 전진하는 상기 와이어(140)로 인해 상기 작업물(115)과 다시 접촉할 때마다 감지한다. 그러한 감지는 상기 감지 및 전류 제어기(195)가 (예를 들면, 상기 접촉관(160)을 통과하는) 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 약 0 볼트의 전위차를 측정함으로써 달성될 수 있다. 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)에 쇼트되는(즉, 상기 작업물과 접촉하는) 경우, 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 0 볼트를 넘는 현저한 전압 레벨이 존재하지 않을 수 있다. 상기 "다시 접촉한다(again makes contact)"는 구절은 본 명세서에서, 상기 와이어(140)의 상기 말단부가 실제로 상기 작업물(115)로부터 완전히 핀치 오프되든지 아니든지, 상기 와이어(140)가 상기 작업물(115) 쪽으로 전진하고 (상기 접촉관(160)을 통과하는) 상기 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 상기 측정된 전압이 약 0 볼트인 상황을 말하는데 사용된다. 단계(350)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 상기 말단부가 상기 작업물과 다시 접촉한다는 것을 감지하는 것에 응답하여 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어를 통해 상기 가열 전류의 흐름을 재인가(re-apply)한다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 와이어(140)를 계속하여 가열하기 위해 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 가열 전류를 재인가하도록 명령할 수 있다. 이 공정은 상기 오버레이(overlaying) 응용이 지속되는 동안 계속될 수 있다.In step 340, whenever the distal end of the at least one resistive filler wire 140 continues to contact the workpiece 115 due to the wire 140 continuously advancing towards the workpiece 115. Detect. Such sensing is achieved by the sensing and current controller 195 measuring a potential difference of about 0 volts between the filler wire 140 (eg, passing through the contact tube 160) and the workpiece 115. Can be. When the distal end of the filler wire 140 is shorted to the workpiece 115 (ie, in contact with the workpiece), a significant over 0 volt between the filler wire 140 and the workpiece 115 The voltage level may not exist. The phrase “again makes contact” herein refers to whether or not the distal end of the wire 140 is actually completely pinched off from the workpiece 115, or the wire 140 is the job. It is used to refer to a situation in which the measured voltage between the wire 140 (passing through the contact tube 160) and the workpiece 115 advances toward the water 115 is about 0 volts. In step 350, the flow of the heating current is re-applied (re-) through the at least one resistive filler wire in response to detecting that the distal end of the at least one resistive filler wire contacts the workpiece again. apply). The sensing and current controller 195 may instruct the hot wire power supply 170 to reapply the heating current to continue heating the wire 140. This process can continue while the overlaying application continues.

예를 들면, 도 4는 도 3의 개시 후 방법(300)과 연관된 한 쌍의 전압 및 전류 파형들(410 및 420)의 제 1 예시적 실시예를 각각 도시한다. 상기 전압 파형(410)은 상기 접촉관(160)과 상기 작업물(115) 사이에서 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정된다. 상기 전류 파형(420)은 상기 와이어(140)과 작업물(115)을 통해 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정된다.For example, FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a pair of voltage and current waveforms 410 and 420 associated with method 300 after initiation of FIG. 3, respectively. The voltage waveform 410 is measured by the sensing and current controller 195 between the contact tube 160 and the workpiece 115. The current waveform 420 is measured by the sensing and current controller 195 through the wire 140 and the work 115.

상기 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)과 접촉이 끊기려 할 때마다, 상기 전압 파형(410)의 변화율(즉, dv/dt)은 미리 결정된 한계값을 초과할 것이고, 핀치 오프가 발생하려 한다고 표시할 것이다(상기 파형(410)의 지점(411)에서의 기울기(slope) 참조). 대안들로서, 상기 필러 와이어(140) 및 상기 작업물(115)을 통한 전류의 변화율(di/dt), 이들 간의 저항의 변화율(dr/dt), 또는 이들을 통한 전력의 변화율(dp/dt)이 핀치 오프가 발생하려 한다고 표시하기 위해 대신 이용될 수 있다. 그러한 변화율 예측 기법들은 본 발명이 속하는 기술분야에 잘 알려져 있다. 그 시점에서, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 와이어(140)를 통한 상기 전류의 흐름을 끄도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 명령할 것이다.Whenever the distal end of the resistive filler wire 140 is about to break contact with the work piece 115, the rate of change of the voltage waveform 410 (ie, dv / dt) will exceed a predetermined limit value. , Will indicate that a pinch-off is about to occur (see slope at point 411 of the waveform 410). As alternatives, the rate of change of current (di / dt) through the filler wire 140 and the work piece 115, the rate of change of resistance between them (dr / dt), or the rate of change of power through them (dp / dt) It can be used instead to indicate that a pinch-off is about to occur. Such rate of change prediction techniques are well known in the art. At that point, the sensing and current controller 195 will instruct the hot wire power supply 170 to turn off (or at least significantly reduce) the flow of the current through the wire 140.

상기 감지 및 전류 제어기(195)가 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 일부 시간 간격(430) 이후에 상기 작업물(115)과 다시 양호하게 접촉되는 것(예를 들면, 상기 전압 레벨이 지점(412)에서 다시 약 0 볼트로 떨어지는 것)을 감지하는 경우, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 저항성 필러 와이어(140)를 통한 상기 전류의 흐름을 미리 결정된 출력 전류 레벨(450) 쪽으로 램프 업(ramp up)하도록(램프(425) 참조) 명령한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 램프 업은 설정 지점값(440)에서 시작된다. 상기 에너지 소스(120) 및 와이어(140)가 상기 작업물(115)에 대해 상대적으로 이동함에 따라 및 상기 와이어(140)가 상기 와이어 공급기(150)로 인해 상기 작업물(115) 쪽으로 전진함에 따라 이 과정이 반복된다. 이런 방식으로, 상기 와이어(140)의 상기 말단부와 상기 작업물(115) 간의 접촉은 대체로 유지되고, 상기 와이어(140)의 상기 말단부와 상기 작업물(115) 간에 아크가 형성되는 것이 방지된다. 상기 가열 전류의 램핑(ramping)은 전압의 변화율을 핀치 오프 조건 또는 아크 발생 조건(arcing condition)으로, 이러한 조건이 없는 경우에, 의도치 않게 해석하는 것을 방지하는데 도움이 된다. 전류의 임의의 큰 변화는 상기 가열 회로에서의 인덕턴스(inductance)로 인해 잘못된 전압 판독값을 취하도록 만들 수 있다. 상기 전류가 서서히 램프 업되는 경우, 인덕턴스의 상기 효과는 감소된다.The sensing and current controller 195 is in good contact with the workpiece 115 again after some time interval 430 of the distal end of the filler wire 140 (eg, the voltage level is a point When sensing at 412 again falling to about 0 volts), the sensing and current controller 195 allows the hot wire power supply 170 to flow the current through the resistive filler wire 140. Instructs to ramp up to the predetermined output current level 450 (see ramp 425). According to an embodiment of the invention, the ramp-up starts at a set point value 440. As the energy source 120 and wire 140 move relative to the work 115 and as the wire 140 advances toward the work 115 due to the wire feeder 150 This process is repeated. In this way, the contact between the distal end of the wire 140 and the work 115 is generally maintained, and arcing between the distal end of the wire 140 and the work 115 is prevented. The ramping of the heating current helps to prevent unintended interpretation of the rate of change of the voltage as a pinch-off condition or arcing condition, in the absence of this condition. Any large change in current can cause incorrect voltage readings to be taken due to inductance in the heating circuit. When the current gradually ramps up, the effect of inductance is reduced.

도 5는 도 3의 개시 후 방법과 연관된 한 쌍의 전압 및 전류 파형들(510 및 520)의 제 2 예시적 실시예를 각각 도시한다. 상기 전압 파형(510)은 상기 접촉관(160)과 상기 작업물(115) 간에 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정된다. 상기 전류 파형(520)은 상기 와이어(140)와 작업물(115)을 통해 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정된다.5 shows a second exemplary embodiment of a pair of voltage and current waveforms 510 and 520 associated with the post-initiation method of FIG. 3, respectively. The voltage waveform 510 is measured by the sensing and current controller 195 between the contact tube 160 and the workpiece 115. The current waveform 520 is measured by the sensing and current controller 195 through the wire 140 and the work 115.

상기 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)과의 접촉이 끊기려고 할 때마다, 상기 전압 파형(510)의 변화율(즉, dv/dt)은 미리 결정된 한계값을 초과할 것이고, 핀치 오프가 발생하려 한다고 표시할 것이다(상기 파형(510)의 지점(511)에서 기울기 참조). 대안들로서, 상기 필러 와이어(140) 및 상기 작업물(115)을 통한 전류의 변화율(di/dt), 이들 간의 저항의 변화율(dr/dt), 또는 이들을 통한 전력의 변화율(dp/dt)이 핀치 오프가 발생하려 한다고 표시하기 위해 대신 이용될 수 있다. 그러한 변화율 예측 기법들은 본 발명이 속하는 기술분야에 잘 알려져 있다. 그 시점에서, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 와이어(140)를 통한 상기 전류의 흐름을 끄도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 명령할 것이다.Whenever the distal end of the resistive filler wire 140 attempts to break contact with the work 115, the rate of change (ie, dv / dt) of the voltage waveform 510 will exceed a predetermined limit value. Will indicate that a pinch off is about to occur (see slope at point 511 of waveform 510 above). As alternatives, the rate of change of current (di / dt) through the filler wire 140 and the work piece 115, the rate of change of resistance between them (dr / dt), or the rate of change of power through them (dp / dt) It can be used instead to indicate that a pinch-off is about to occur. Such rate of change prediction techniques are well known in the art. At that point, the sensing and current controller 195 will instruct the hot wire power supply 170 to turn off (or at least significantly reduce) the flow of the current through the wire 140.

상기 감지 및 전류 제어기(195)가 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 일부 시간 간격(530) 이후에 상기 작업물(115)과 다시 양호하게 접촉되는 것(예를 들면, 상기 전압 레벨이 지점(512)에서 다시 약 0 볼트로 떨어지는 것)을 감지하는 경우, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 저항성 필러 와이어(140)를 통한 가열 전류의 흐름을 인가하도록(가열 전류 레벨(525) 참조) 명령한다. 상기 에너지 소스(120) 및 와이어(140)가 상기 작업물(115)에 대해 상대적으로 이동함에 따라 및 상기 와이어(140)가 상기 와이어 공급기(150)로 인해 상기 작업물(115) 쪽으로 전진함에 따라 이 과정이 반복된다. 이런 방식으로, 상기 와이어(140)의 상기 말단부와 상기 작업물(115) 간의 접촉은 대체로 유지되고, 상기 와이어(140)의 상기 말단부와 상기 작업물(115) 간에 아크가 형성되는 것이 방지된다. 상기 가열 전류는 이 경우에 서서히 램핑되지 않으므로, 특정 전압 판독값들은 상기 가열 회로에서의 인덕턴스로 인해 의도치 않거나 잘못된 것으로 무시될 수 있다.The sensing and current controller 195 is in good contact with the workpiece 115 again after some time interval 530 of the distal end of the filler wire 140 (eg, the voltage level is a point When sensing at (512) again falling to about 0 volts, the sensing and current controller 195 detects the flow of heating current through the resistive filler wire 140 by the hot wire power supply 170. Command (see heating current level 525). As the energy source 120 and wire 140 move relative to the work 115 and as the wire 140 advances toward the work 115 due to the wire feeder 150 This process is repeated. In this way, the contact between the distal end of the wire 140 and the work 115 is generally maintained, and arcing between the distal end of the wire 140 and the work 115 is prevented. Since the heating current is not slowly ramped in this case, certain voltage readings can be ignored as unintended or wrong due to inductance in the heating circuit.

요약하면, 납땜, 클래딩, 빌딩없, 충진, 및 표면 경화 오버레이 응용들 중 임의의 것을 위해서든 조합 와이어 공급 및 에너지 소스 시스템을 개시하고 이용하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 고강도 에너지가 작업물을 가열하기 위해 상기 작업물 상으로 인가된다. 하나 이상의 저항성 필러 와이어들이 상기 작업물 쪽으로 상기 인가되는 고강도 에너지에 또는 상기 고강도 에너지 바로 앞에 공급된다. 상기 하나 이상의 저항성 필러 와이어들의 말단부가 상기 인가되는 고강도 에너지에서 또는 상기 고강도 에너지 근처에서 언제 상기 작업물과 접촉하는지의 감지가 수행된다. 상기 하나 이상의 저항성 필러 와이어들에 대한 전기적 가열 전류는 상기 하나 이상의 저항성 필러 와이어들의 상기 말단부가 상기 작업물과 접촉하고 있는지 여부에 기반하여 제어된다. 상기 인가되는 고강도 에너지 및 상기 하나 이상의 저항성 필러 와이어들은 서로에 대해 고정된 관계로 상기 작업물을 따라 동일 방향으로 이동된다. 또 다른 예시적 실시예들에서, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 용접 또는 접합 작업들에 이용된다. 상기 논의된 실시예들은 오버레이 작업들에 있어서 필러 금속들의 이용에 초점을 맞추었다. 그러나, 본 발명의 측면들은 작업물들이 용접 작업 및 필러 금속을 이용하여 접합되는 용접 및 접합 응용들에 이용될 수 있다. 필러 금속을 오버레이하는데 목표를 두고 있지만, 상기 설명한 실시예들, 시스템들 및 방법들은, 하기에서 더 상세히 설명되는, 용접 작업들에 이용되는 것과 유사하다. 그러므로, 다음의 논의들에서, 다른 언급이 없는 한, 상기 논의들이 일반적으로 적용된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 다음의 논의는 도 1 내지 도 5에 대한 참조를 포함할 수 있다.In summary, a method and system for initiating and using a combination wire supply and energy source system for any of soldering, cladding, no building, filling, and surface hardening overlay applications is disclosed. High intensity energy is applied onto the workpiece to heat it. One or more resistive filler wires are supplied to the work piece to the applied high intensity energy or immediately before the high intensity energy. Sensing is performed when the distal end of the one or more resistive filler wires is in contact with the workpiece at or near the applied high intensity energy. The electrical heating current for the one or more resistive filler wires is controlled based on whether the distal end of the one or more resistive filler wires is in contact with the work piece. The applied high-strength energy and the one or more resistive filler wires are moved in the same direction along the workpiece in a fixed relationship to each other. In still other exemplary embodiments, the systems and methods of the present invention are used in welding or bonding operations. The embodiments discussed above focused on the use of filler metals in overlay operations. However, aspects of the present invention can be used in welding and bonding applications where the workpieces are joined using a welding operation and filler metal. Although aimed at overlaying filler metal, the embodiments, systems and methods described above are similar to those used in welding operations, described in more detail below. Therefore, in the following discussions, it will be understood that the above discussions generally apply, unless stated otherwise. In addition, the following discussion may include references to FIGS. 1-5.

용접/접합 작업들은 통상적으로 접합부를 형성하기 위해 필러 금속이 작업물 금속의 적어도 일부와 결합되는 용접 작업에서 다수의 작업물들을 서로 접합하는 것으로 알려져 있다. 용접 작업들에서 생산 처리량(production throughput)을 증가시키기를 원하기 때문에, 표준 이하의 품질을 갖는 용접부들(welds)을 초래하지 않는 보다 신속한 용접 작업들에 대한 지속적인 요구가 있다. 또한, 원격 작업 현장들에서와 같이, 불리한 환경 조건들 하에서 신속하게 용접할 수 있는 시스템들을 제공할 필요가 있다. 하기에 설명하는 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예들은 기존의 용접 기술들에 비해 현저한 이점들을 제공한다. 그러한 이점들은, 비한정적으로, 상기 작업물의 저왜곡(low distortion)을 가져오는 감소된 총 열 입력, 매우 높은 용접 진행 속도, 매우 낮은 스패터(spatter)율, 차폐(shielding) 없이 하는 용접, 스패터가 거의 없이 또는 스패터 없이 고속으로 도금된(plated) 또는 코팅된(coated) 물질들의 용접 및 고속으로 복잡한 물질들의 용접을 포함할 수 있다.Welding / bonding operations are commonly known to join multiple workpieces together in a welding operation where filler metal is combined with at least a portion of the workpiece metal to form a joint. Because we want to increase production throughput in welding operations, there is a continuing need for faster welding operations that do not result in welds with substandard quality. There is also a need to provide systems that can be welded quickly under adverse environmental conditions, such as at remote job sites. As described below, exemplary embodiments of the present invention provide significant advantages over existing welding techniques. Such advantages include, but are not limited to, reduced total heat input resulting in low distortion of the workpiece, very high welding speed, very low spatter rate, welding without shielding, spatter It may include welding of plated or coated materials at high speed with little or no spatter and welding of complex materials at high speed.

본 발명의 예시적 실시예들에서, 아크 용접 대비, 매우 높은 용접 속도가, 통상적으로 상당한 준비 작업을 요구하고 아크 용접 방법들을 사용하여 훨씬 느린 용접 공정들인, 코팅된 작업물들을 이용하여 얻어질 수 있다. 일 예로서, 다음의 논의는 아연 도금(galvanized) 작업물들을 용접하는 것에 초점을 맞출 것이다. 금속의 아연 도금은 상기 금속의 내식성을 높이는데 이용되며 많은 산업적 응용들에 있어서 바람직하다. 그러나, 종래의 아연 도금 작업물들의 용접은 문제가 있을 수 있다. 구체적으로, 용접 중에, 아연 도금의 아연이 기화되고, 이 아연 증기가 용접 퍼들(weld puddle) 고형화됨에 따라 상기 용접 퍼들에 갇힐 수 있어, 기공(porosity)을 유발할 수 있다. 이 기공은 용접 접합부의 강도에 부정적인 영향을 미친다. 이 때문에, 기존 용접 기법들은 상기 아연 도금을 제거하거나 또는 더 낮은 가공 속도로 및 일정 수준의 결함들(defects)을 가지고 상기 아연 도금을 관통하여 용접하는 제 1 단계를 요구한다 - 이는 비효율적이고 지연을 유발하거나, 또는 상기 용접 공정이 천천히 진행될 것을 요구한다. 상기 공정을 늦춤으로써, 상기 용접 퍼들은 상기 기화된 아연이 빠져 나갈 수 있도록 하는 더 긴 시간 동안 용융된 상태로 남아 있다. 그러나, 상기 느린 속도 때문에, 생산 속도가 느리고 상기 용접부로의 전체 열 입력이 높을 수 있다. 유사한 문제를 야기할 수 있는 다른 코팅들은, 비한정적으로, 페인트, 스탬핑 윤활제들(stamping lubricants), 유리 라이닝들(glass linings), 알루미늄 처리 코팅들(aluminized coatings), 표면 열처리, 질화 또는 탄화 처리들, 클래딩 처리들, 또는 기타 기화 코팅들 또는 물질들을 포함한다. 하기에 설명하는 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예들은 이러한 문제들을 제거한다.In exemplary embodiments of the present invention, a very high welding speed, compared to arc welding, can be obtained using coated workpieces, which typically require significant preparation work and are much slower welding processes using arc welding methods. have. As an example, the following discussion will focus on welding galvanized workpieces. Galvanizing of metal is used to increase the corrosion resistance of the metal and is desirable in many industrial applications. However, welding of conventional galvanized workpieces can be problematic. Specifically, during welding, zinc of zinc plating is vaporized, and this zinc vapor can be trapped in the welding puddle as it solidifies in a weld puddle, thereby causing porosity. These pores negatively affect the strength of the weld joint. Because of this, existing welding techniques require the first step of removing the galvanizing or welding through the galvanizing at a lower processing speed and with some level of defects-which is inefficient and delays. Trigger, or require that the welding process proceed slowly. By slowing the process, the welding puddle remains molten for a longer period of time allowing the vaporized zinc to escape. However, due to the slow speed, the production speed may be slow and the total heat input to the weld may be high. Other coatings that can cause similar problems include, but are not limited to, paints, stamping lubricants, glass linings, aluminized coatings, surface heat treatment, nitriding or carbonization treatments. , Cladding treatments, or other vaporizing coatings or materials. As described below, exemplary embodiments of the present invention eliminate these problems.

도 6 및 도 6a(각각 단면 및 측면도)로 돌아오면, 대표적인 용접 겹침 접합부(welding lap joint)가 도시되어 있다. 이 도면에서, 두 개의 코팅된(예를 들면,아연 도금된) 작업물들(W1/W2)이 겹침 용접부(lap weld)와 함께 접합될 것이다. 상기 겹침 접합부 표면들(601 및 603)은 초기에 상기 코팅뿐만 아니라 작업물(W1)의 표면(605)으로 덮혀 있다. 통상적인 용접 작업(예를 들면, GMAW)에서, 상기 덮혀 있는 표면(605)의 부분들은 용융된다. 이는 표준 용접 작업의 통상적인 침투 깊이(depth of penetration) 때문이다. 상기 표면(605)은 용융되기 때문에, 상기 표면(605) 상의 상기 코팅은 기화되지만, 그러나 상기 용접 풀(weld pool)의 표면으로부터 상기 표면(605)의 거리가 크기 때문에, 가스들은 상기 용접 풀이 고형화됨에 따라 갇힐 수 있다. 본 발명의 실시예들을 이용하면, 이는 발생하지 않는다.Returning to FIGS. 6 and 6A (cross-section and side views, respectively), a representative welding lap joint is shown. In this figure, two coated (eg, galvanized) workpieces W1 / W2 will be joined together with a lap weld. The overlap joint surfaces 601 and 603 are initially covered with the surface 605 of the workpiece W1 as well as the coating. In a typical welding operation (eg GMAW), portions of the covered surface 605 are melted. This is due to the typical depth of penetration of standard welding operations. As the surface 605 melts, the coating on the surface 605 vaporizes, but because the distance of the surface 605 from the surface of the weld pool is large, gases are used to solidify the weld pool. You can get locked up as you become. Using the embodiments of the present invention, this does not occur.

도 6 및 도 6a에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔(110)이 상기 레이저 장치(120)로부터 상기 용접 접합부, 구체적으로 상기 표면들(601 및 603)로 겨냥된다. 상기 레이저 빔(110)은 용융 퍼들들(601A 및 603A)을 생성하는 상기 용접 표면들의 부분들을 용융시키기 위한 에너지 밀도이며, 이는 일반적인 용접 퍼들을 생성한다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 저항-가열되는, 필러 와이어(140)는 용접 비드(weld bead)를 위한 필요한 필러 물질을 제공하기 위해 상기 용접 퍼들로 향해진다. 대부분의 용접 공정들과 달리, 상기 필러 와이어(140)는 용접 공정 동안 접촉하여 상기 용접 퍼들로 빠져 들어간다. 이는 이 공정이 상기 필러 와이어(140)를 전송하기 위해 용접 아크를 이용하지 않고 대신에 상기 필러 와이어를 상기 용접 퍼들 내로 용융시키기 때문이다.6 and 6A, a laser beam 110 is directed from the laser device 120 to the weld joint, specifically the surfaces 601 and 603. The laser beam 110 is the energy density for melting the portions of the welding surfaces that produce the melting puddle 601A and 603A, which creates a typical welding puddle. In addition, the filler wire 140, which is resistance-heated as described above, is directed to the weld puddle to provide the necessary filler material for the weld bead. Unlike most welding processes, the filler wire 140 comes into contact with the welding puddle during the welding process. This is because this process does not use a welding arc to transmit the filler wire 140 and instead melts the filler wire into the welding puddle.

상기 필러 와이어(140)는 그것의 융점 또는 그 근처로 사전가열되기 때문에, 상기 용접 퍼들 내의 그것의 존재는 상기 퍼들을 상당하게 냉각 또는 고형화시키지 않을 것이며 상기 용접 퍼들 내로 신속하게 소모된다. 상기 필러 와이어(140)의 일반적인 작업 및 제어는 상기 오버레이 실시예들에 대해 앞서 설명한 바와 같다.Since the filler wire 140 is preheated to or near its melting point, its presence in the welding puddle will not significantly cool or solidify the puddle and is quickly consumed into the welding puddle. The general operation and control of the filler wire 140 is as described above for the overlay embodiments.

상기 레이저 빔(110)은 상기 표면들(601/603)에 정밀하게 포커싱되고 겨냥될 수 있기 때문에, 상기 풀들(601A/603A)에 대한 침투 깊이는 정밀하게 제어될 수 있다. 이 깊이를 조심스럽게 제어함으로써, 본 발명의 실시예들은 상기 표면(605)의 어떠한 불필요한 침투 또는 용융도 방지한다. 상기 표면(605)이 과도하게 용융되지 않기 때문에, 상기 표면(605) 상의 어떠한 코팅도 기화되지 않으며 상기 용접 퍼들에 갇히게 되지 않는다. 또한, 상기 용접 접합부(601 및 603)의 상기 표면 상의 어떠한 코팅도 상기 레이저 빔(110)에 의해 쉽게 기화되고 그 가스가, 상기 용접 퍼들이 고형화되기 전에, 상기 용접 영역(weld zone)을 빠져나갈 수 있게 된다. 가스 추출 시스템이 어떠한 기화되는 물질들이든지 제거하는데 도움이 되도록 이용될 수 있다.Since the laser beam 110 can be precisely focused and aimed at the surfaces 601/603, the penetration depth for the pools 601A / 603A can be precisely controlled. By carefully controlling this depth, embodiments of the present invention prevent any unnecessary penetration or melting of the surface 605. Since the surface 605 does not melt excessively, no coating on the surface 605 is vaporized and is not trapped in the welding puddle. In addition, any coating on the surface of the welded joints 601 and 603 is easily vaporized by the laser beam 110 and the gas exits the weld zone before the weld puddle solidifies. It becomes possible. Gas extraction systems can be used to help remove any vaporized materials.

용접 퍼들 침투의 깊이는 정밀하게 제어될 수 있기 때문에, 기공은 현저하게 최소화 또는 제거하면서, 코팅된 작업물을 용접하는 속도는 크게 증가될 수 있다. 일부 아크 용접 시스템은 용접에 대해 양호한 진행 속도를 달성할 수 있지만, 보다 높은 속도에서 기공 및 스패터와 같은 문제들이 발생할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, (본 명세서에서 논의되는 바와 같이) 기공 또는 스패터가 거의 없이 또는 전혀 없이 매우 높은 진행 속도가 달성될 수 있으며, 실제로 50 inches/min을 초과하는 진행 속도가 많은 상이한 유형의 용접 작업들에 대해 달성될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 80 inches/min을 초과하는 용접 진행 속도를 달성할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 다른 실시예들은 기공 또는 스패터를 최소화하거나 또는 전혀 없이 100 inches/min 내지 150 inches/min 범위의 진행 속도를 달성할 수 있다. 물론, 달성되는 속도들은 작업물 특성들(두께 및 조성) 및 와이어 특성들(예를 들면, 직경)의 함수일 것이지만, 이러한 속도들은, 본 발명의 실시예들을 이용하는 경우, 많은 상이한 용접 및 접합 응용들에서 쉽게 달성가능하다. 또한, 이들 속도들은 100% 이산화탄소 차폐 가스와 함께 달성될 수 있거나, 또는 아무런 차폐 없이 달성될 수 있다. 또한, 이들 진행 속도들은 상기 용접 퍼들의 생성 및 용접 이전에 어떠한 표면 코팅도 제거함이 없이 달성될 수 있다. 물론, 더 높은 진행 속도들이 달성될 수 있음을 고려할 수 있다. 나아가, 상기 용접부로의 감소된 열 입력으로 인해, 이들 높은 속도들은, 왜곡을 방지하기 위해 열 입력이 낮게 유지되어야 하기 때문에 통상적으로 보다 느린 용접 속도를 갖는, 보다 얇은 작업물들(115)에 있어서 달성될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 기공 또는 스패터가 거의 없이 또는 전혀 없이 상기 설명한 높은 진행 속도들을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 저혼합(low admixture)으로, 매우 높은 퇴적 속도를 또한 달성할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 차폐 가스 없이 및 기공 또는 스패터가 거의 없이 또는 전혀 없이 10 lb/hr 이상의 퇴적 속도를 달성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 퇴적 속도는 10 lb/hr 내지 20 lb/hr 범위이다.Since the depth of penetration of the welding puddle can be precisely controlled, the speed of welding the coated workpiece can be greatly increased while the pores are significantly minimized or eliminated. Some arc welding systems can achieve good running speeds for welding, but problems such as pores and spatters can occur at higher speeds. In exemplary embodiments of the present invention, a very high traveling speed can be achieved with little or no pores or spatters (as discussed herein), and in fact a traveling speed exceeding 50 inches / min. It can be achieved for many different types of welding operations. Embodiments of the present invention can achieve a welding progress rate exceeding 80 inches / min. In addition, as discussed herein, other embodiments may achieve a running speed in the range of 100 inches / min to 150 inches / min with minimal or no pores or spatter. Of course, the speeds achieved will be a function of the workpiece properties (thickness and composition) and wire properties (eg, diameter), but these speeds, when using embodiments of the invention, have many different welding and bonding applications. Is easily achievable. In addition, these rates can be achieved with 100% carbon dioxide shielding gas, or without any shielding. In addition, these speeds of progress can be achieved without removing any surface coating prior to creation and welding of the weld puddle. Of course, it can be considered that higher running speeds can be achieved. Furthermore, due to the reduced heat input to the weld, these high velocities are typically achieved for thinner workpieces 115, which have a slower weld speed because the heat input must be kept low to prevent distortion. Can be. Embodiments of the present invention can not only achieve the high travel speeds described above with little or no pores or spatters, but also low admixtures, and also very high deposition rates. Specifically, embodiments of the present invention can achieve a deposition rate of at least 10 lb / hr without shielding gas and with little or no pores or spatter. In some embodiments, the deposition rate ranges from 10 lb / hr to 20 lb / hr.

본 발명의 예시적 실시예들에서, 이러한 매우 높은 진행 속도들은 기공이 거의 또는 전혀 없이 및 스패터가 거의 또는 전혀 없이 달성된다. 용접부의 기공은 기공률(porosity ratio)을 식별하기 위해 상기 용접 비드의 단면 및/또는 길이를 조사하여 결정될 수 있다. 상기 단면 기공률은 해당 지점에서의 상기 용접 접합부의 총 단면적 분의 주어진 단면에서의 기공의 총 면적이다. 상기 길이 기공률은 주어진 용접 접합부의 단위 길이에서 기공들의 총 축적된 길이이다. 본 발명의 실시예들은 0%와 20% 사이의 단면 기공률을 가지면서 상기 설명한 진행 속도들을 달성할 수 있다. 따라서, 버블(bubbles) 또는 공동(cavities)이 없는 용접 비드는 0% 기공률을 가질 것이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 단면 기공율은 0% 내지 10% 범위일 수 있으며, 다른 실시예에서는, 2% 내지 5% 범위일 수 있다. 일부 용접 응용들에서, 특정 레벨의 기공률은 수용가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 용접부의 길이 기공률은 0% 내지 20% 범위이고, 0% 내지 10% 일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 길이 기공률은 1% 내지 5% 범위이다. 따라서, 예를 들면, 단면 기공율이 2% 내지 5% 범위이고 길이 기공률이 1% 내지 5%인 용접부들이 생성될 수 있다.In exemplary embodiments of the present invention, these very high traveling speeds are achieved with little or no pores and little or no spatter. The porosity of the weld can be determined by examining the cross-section and / or length of the weld bead to identify the porosity ratio. The porosity of the cross-section is the total area of the porosity at a given cross-section of the total cross-sectional area of the weld joint at that point. The length porosity is the total accumulated length of pores in a unit length of a given weld joint. Embodiments of the present invention can achieve the speeds described above while having a cross-sectional porosity between 0% and 20%. Thus, weld beads without bubbles or cavities will have a porosity of 0%. In other exemplary embodiments, the cross-sectional porosity may range from 0% to 10%, and in other embodiments, from 2% to 5%. It will be appreciated that in some welding applications, a certain level of porosity is acceptable. In addition, in exemplary embodiments of the present invention, the porosity of the length of the weld is in the range of 0% to 20%, and may be 0% to 10%. In still other embodiments, the length porosity ranges from 1% to 5%. Thus, for example, welds having a cross-sectional porosity of 2% to 5% and a length porosity of 1% to 5% can be produced.

나아가, 본 발명의 실시예들은 스패터가 거의 또는 전혀 없는 상기 확인된 진행 속도들로 용접할 수 있다. 상기 용접 퍼들의 액적들(droplets)이 유발되어 상기 용접 영역 외부로 튀는 경우 스패터가 발생한다. 용접부 스패터가 발생하는 경우, 그것은 상기 용접부의 품질을 악화시킬 수 있고 생산 지연을 유발할 수 있으므로, 그것은 통상적으로 용접 공정 후에 상기 작업물들에서 세정되어야만 한다. 따라서, 스패터 없이 고속으로 용접하는데 큰 이점이 있다. 본 발명의 실시예들은 0 내지 0.5의 스패터 인자(spatter factor)를 가지면서 상기 높은 진행 속도들로 용접할 수 있으며, 여기서 상기 스패터 인자는 주어진 진행 거리(X)에 걸친 상기 소모된 필러 와이어(140)의 중량(Kg 단위) 분의 동일한 거리(X)에 걸친 상기 스패터의 중량(mg 단위)이다. 즉:Furthermore, embodiments of the present invention can be welded at the identified traveling speeds with little or no spatter. Droplets are generated when droplets of the welding puddle are caused to splash out of the welding area. If a weld spatter occurs, it may deteriorate the quality of the weld and cause production delays, so it must typically be cleaned in the workpieces after the welding process. Therefore, there is a great advantage in welding at high speed without spatter. Embodiments of the invention can be welded at the high travel speeds with a spatter factor of 0 to 0.5, where the spatter factor is the consumed filler wire over a given travel distance (X). It is the weight of the spatter (in mg) over the same distance (X) of the weight of 140 (in Kg). In other words:

스패터 인자=(스패터 중량(mg)/소모된 필러 와이어 중량(kg))Spatter factor = (Spatter weight (mg) / consumed filler wire weight (kg))

상기 거리(X)는 상기 용접 접합부의 대표적인 샘플링을 감안한 거리여야 한다. 즉, 상기 거리(X)가 너무 짧은, 예를 들면, 0.5 inch인 경우, 그것은 상기 용접부를 대표하지 못할 수 있다. 따라서, 0의 스패터 인자를 갖는 용접 접합부는 상기 거리(X)에 걸쳐 상기 소모된 필러 와이어에 대해 아무런 스패터도 갖지 않을 것이고, 2.5의 스패터 인자를 갖는 용접부는 2 Kg의 소모된 필러 와이어에 대해 5 mg의 스패터를 가지게 될 것이다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 스패터 인자는 0 내지 1의 범위이다. 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 스패터 인자는 0 내지 0.5 범위이다. 본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 상기 스패터 인자는 0 내지 0.3 범위이다. 본 발명의 실시예들은, 차폐 가스 또는 아니면 플럭스 차폐를 포함하는, 어떠한 외부적인 차폐를 사용하여 또는 사용하지 않고 상기 설명한 스패터 인자 범위들을 달성할 수 있다. 나아가, 상기 스패터 인자 범위들은, 아연 도금된 작업물들 - 용접 작업 이전에 상기 아연 도금을 제거함이 없이 - 을 포함하여 코팅되지 않은 또는 코팅된 작업물들을 용접하는 경우, 달성될 수 있다.The distance X should be a distance in consideration of representative sampling of the weld joint. That is, if the distance X is too short, for example, 0.5 inch, it may not represent the weld. Thus, a weld joint with a spatter factor of 0 will have no spatter for the consumed filler wire over the distance X, and a weld with a spatter factor of 2.5 has 2 Kg of consumed filler wire. About 5 mg of spatter. In an exemplary embodiment of the invention, the spatter factor ranges from 0 to 1. In another exemplary embodiment, the spatter factor ranges from 0 to 0.5. In another exemplary embodiment of the invention, the spatter factor ranges from 0 to 0.3. Embodiments of the present invention may achieve the sputter factor ranges described above with or without any external shielding, including shielding gas or otherwise flux shielding. Furthermore, the spatter factor ranges can be achieved when welding uncoated or coated workpieces, including galvanized workpieces-without removing the zinc plating prior to the welding operation.

용접 접합부에 대해 스패터를 측정하는 많은 방법들이 있다. 한 가지 방법은 "스패터 보트(spatter boat)"의 사용을 포함할 수 있다. 그러한 방법에 대해, 대표적인 용접부 샘플은 용접 비드에 의해 발생되는 상기 스패터를 모두 또는 거의 모두 포획(capture)하기에 충분한 크기를 갖는 용기(container)에 놓여진다. 상기 용기 또는 상기 용기의, 상단과 같은, 부분들은 상기 스패터가 포획되는 것을 보장하기 위해 상기 용접 공정과 함께 이동할 수 있다. 통상적으로, 상기 보트는 구리로 만들어지고, 따라서 상기 스패터는 상기 표면들에 들러붙지 않는다. 상기 대표적인 용접은 상기 용접 중에 생성되는 어떠한 스패터라도 상기 용기 내로 떨어지도록 상기 용기의 바닥 위쪽에서 수행된다. 상기 용접 중에, 소모되는 필러 와이어의 양이 모니터링된다. 상기 용접이 완료된 후, 상기 스패터 보트는, 있다면, 상기 용기의 용접 전과 용접 후 중량 간의 차이를 결정하기에 충분한 정확도를 갖는 장치에 의해 중량이 측정되어야 한다. 이 차이는 상기 스패터의 중량을 나타내며, 다음에 상기 소모된 필러 와이어의, Kg 단위의, 양으로 나누어진다. 대안적으로, 상기 스패터가 상기 보트에 들러붙지 않는 경우, 상기 스패터는 제거되어 그 자체로 중량 측정될 수 있다.There are many ways to measure spatter on a weld joint. One method may involve the use of a "spatter boat". For such a method, a representative weld sample is placed in a container of sufficient size to capture all or almost all of the spatter generated by the weld beads. Portions of the vessel or the vessel, such as the top, can be moved with the welding process to ensure that the spatter is captured. Typically, the boat is made of copper, so the spatter does not stick to the surfaces. The representative welding is performed above the bottom of the vessel such that any spatter generated during the welding falls into the vessel. During the welding, the amount of filler wire consumed is monitored. After the welding is completed, the spatter boat, if any, should be weighed by a device with sufficient accuracy to determine the difference between the pre-weld and post-weld weights of the vessel. This difference represents the weight of the spatter, which is then divided by the amount, in Kg, of the consumed filler wire. Alternatively, if the spatter does not stick to the boat, the spatter can be removed and weighed by itself.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 레이저 장치(120)의 사용은 상기 용접 퍼들의 깊이를 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 나아가, 상기 레이저(120)의 사용은 상기 용접 퍼들의 크기 및 깊이를 쉽게 조절할 수 있게 한다. 이는 상기 레이저 빔(110)이 쉽게 포커싱/디포커싱될 수 있거나 또는 그 빔 강도를 매우 쉽게 변경하기 때문이다. 이들 능력들로 인해, 상기 작업물들(W1 및 W2) 상의 열 분포는 정밀하게 제어될 수 있다. 이 제어는 정밀한 용접을 위한 매우 좁은 용접 퍼들들을 생성할 수 있게 할 뿐만 아니라 상기 작업물의 상기 용접 영역의 크기를 최소화할 수 있게 한다. 이는 또한 상기 용접 비드에 의해 영향받지 않는 상기 작업물의 영역들을 최소화하는데 이점을 제공한다. 구체적으로, 상기 용접 비드에 인접한 상기 작업물의 영역들은, 종종 아크 용접 작업에 있어서의 경우가 아닌, 상기 용접 작업으로부터 최소한의 영향을 받게 될 것이다.As described above, the use of the laser device 120 enables precise control of the depth of the welding puddle. Furthermore, the use of the laser 120 makes it easy to adjust the size and depth of the welding puddle. This is because the laser beam 110 can be easily focused / defocused or very easily changes its beam intensity. Due to these abilities, the heat distribution on the workpieces W1 and W2 can be precisely controlled. This control not only makes it possible to create very narrow welding puddle for precise welding, but also minimizes the size of the welding area of the workpiece. This also provides an advantage in minimizing areas of the work piece that are not affected by the weld bead. Specifically, areas of the workpiece adjacent to the weld bead will be minimally affected by the welding operation, often not in the case of arc welding operations.

본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 빔(110)의 형태 및/또는 강도는 상기 용접 공정 중에 조정/변경될 수 있다. 예를 들면, 작업물 상의 특정 장소들에서 침투 깊이를 변경하거나 또는 상기 용접 비드의 크기를 변경하는 것이 필요할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 빔(110)의 형태, 강도, 및/또는 크기는, 상기 용접 파라미터들의 필요한 변경을 제공하기 위해, 상기 용접 공정 동안 조정될 수 있다.In exemplary embodiments of the present invention, the shape and / or strength of the beam 110 may be adjusted / changed during the welding process. For example, it may be necessary to change the depth of penetration or to change the size of the weld bead at certain locations on the workpiece. In such embodiments, the shape, strength, and / or size of the beam 110 can be adjusted during the welding process to provide the necessary changes in the welding parameters.

상기한 바와 같이, 상기 필러 와이어(140)는 상기 레이저 빔(110)과 동일한 용접 퍼들에 충돌한다. 예시적 실시예에서, 상기 필러 와이어(140)는 상기 레이저 빔(110)과 동일한 위치에서 상기 용접 퍼들에 충돌한다. 그러나, 다른 예시적 실시예들에서, 상기 필러 와이어(140)는 상기 레이저 빔으로부터 멀리 떨어져서 동일한 용접 퍼들에 충돌할 수 있다. 도 6a에 나타낸 실시예에서, 상기 필러 와이어(140)는 상기 용접 작업 동안 상기 빔(110)을 추적한다. 그러나, 상기 필러 와이어(140)가 선행하는 위치에 위치함에 따라 그것은 필요하지 않게 된다. 상기 필러 와이어(140)가 상기 빔(110)과 동일한 용접 퍼들에 충돌하는 한 상기 필러 와이어(140)는 상기 빔(110)에 대해 상대적으로 다른 위치들에 위치할 수 있으므로, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다.As described above, the filler wire 140 collides with the same welding puddle as the laser beam 110. In an exemplary embodiment, the filler wire 140 impinges the welding puddle at the same location as the laser beam 110. However, in other exemplary embodiments, the filler wire 140 may collide with the same welding puddle away from the laser beam. In the embodiment shown in FIG. 6A, the filler wire 140 tracks the beam 110 during the welding operation. However, it is not necessary as the filler wire 140 is located in the preceding position. As long as the filler wire 140 collides with the same welding puddle as the beam 110, the filler wire 140 may be positioned at different positions relative to the beam 110, so the present invention relates to this. Is not limited.

상기에서 설명한 실시예는, 아연 도금과 같은, 코팅을 갖는 작업물들에 관하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 또한 코팅을 갖지 않는 작업물들 상에서 이용될 수 있다. 구체적으로, 동일한 상기에서 설명한 용접 공정이 코팅되지 않은 작업물들과 함께 이용될 수 있다. 그러한 실시예들은 코팅된 금속들에 관해 상기에서 설명한 바와 동일한 성능 특성들을 달성한다.The embodiments described above have been described with respect to workpieces with coatings, such as zinc plating. However, embodiments of the present invention can also be used on workpieces without a coating. Specifically, the same welding process described above can be used with uncoated workpieces. Such embodiments achieve the same performance characteristics as described above for coated metals.

또한, 본 발명의 예시적 실시예들은 강철(steel) 작업물들에 제한되는 것이 아니라, 하기에서 더 설명될 바와 같이, 알루미늄, 또는 더 복잡한 금속들을 용접하는데도 또한 이용될 수 있다.Further, exemplary embodiments of the present invention are not limited to steel workpieces, but can also be used to weld aluminum, or more complex metals, as will be described further below.

본 발명의 다른 유리한 측면은 차폐 가스와 관련된다. 통상적인 아크 용접 작업에서, 차폐 가스 또는 차폐 플럭스는 대기 중의 산소 및 질소, 또는 다른 유해한 원소들이 상기 용접 퍼들 및 금속 이행(metal transfer)과 상호작용하는 것을 방지하는데 이용된다. 그러한 간섭은 상기 용접부의 품질 및 외관에 해로울 수 있다. 그러므로, 거의 모든 아크 용접 공정들에서, 외부적으로 공급되는 차폐 가스, 위에 플럭스를 갖는 전극(예를 들면, 스틱 전극, 플럭스 코어드 전극 등)의 소모에 의해 또는 외부적으로 공급되는 입상화(granulated) 플럭스(예를 들면, 서브-아크 용접)에 의해 생성되는 차폐 가스를 사용하여 차폐가 제공된다. 또한, 전문화된 금속들의 용접 또는 아연 도금된 작업물들의 용접과 같은 일부 용접 작업들에서, 특별한 차폐 가스 혼합물이 사용되어야 한다. 그러한 혼합물들은 매우 값이 비쌀 수 있다. 또한, 극단적인 환경들에서 용접하는 경우, 종종 많은 양의 차폐 가스를 (파이프라인들에서와 같이) 작업 현장으로 전송하는 것이 어렵거나, 또는 바람이 상기 차폐 가스를 상기 아크로부터 불어 날리기 쉽다. 또한, 흄 추출 시스템들의 사용이 최근에 증가하였다. 이들 시스템들은 흄들을 제거하기 쉬운 반면에, 그것들은 상기 용접 작업에 가까이 위치하는 경우 차폐 가스를 끌어내기도 쉽다.Another advantageous aspect of the invention relates to shielding gases. In a typical arc welding operation, a shielding gas or shielding flux is used to prevent oxygen and nitrogen, or other harmful elements in the atmosphere, from interacting with the welding puddle and metal transfer. Such interference can be detrimental to the quality and appearance of the weld. Therefore, in almost all arc welding processes, externally supplied shielding gas, granulation supplied externally or by consumption of an electrode having a flux thereon (e.g., stick electrode, flux cored electrode, etc.) Shielding is provided using a shielding gas produced by a granulated) flux (eg, sub-arc welding). Also, in some welding operations, such as welding of specialized metals or welding of galvanized workpieces, a special shielding gas mixture must be used. Such mixtures can be very expensive. Also, when welding in extreme environments, it is often difficult to transfer a large amount of shielding gas to the job site (as in pipelines), or wind is likely to blow the shielding gas out of the arc. In addition, the use of fume extraction systems has recently increased. While these systems are easy to remove fumes, they are also easy to draw out shielding gas when located close to the welding operation.

본 발명의 이점들은 용접시 차폐 가스를 최소한의 양으로 사용하거나 또는 전혀 사용하지 않을 수 있다는 것을 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 실시예들은 보통 특정 용접 작업에 사용될 수 없는 차폐 가스들을 사용할 수 있게 한다. 이는 하기에서 더 논의된다.Advantages of the present invention include that the shielding gas may be used in a minimal amount or not at all when welding. Alternatively, embodiments of the present invention make it possible to use shielding gases that cannot normally be used for a particular welding operation. This is discussed further below.

아크 용접 공정으로 통상의 (코팅되지 않은) 작업물들을 용접하는 경우, 차폐가 - 그 형태와 상관없이 - 요구된다. 본 발명의 실시예들로 용접하는 경우, 아무런 차폐도 필요하지 않다는 것이 발견되었다. 즉, 아무런 차폐 가스, 아무런 입상(granular) 플럭스 및 아무런 자체-차폐(self-shielding) 전극들도 사용될 필요가 없다는 것이다. 그러나, 아크 용접 공정에서와 달리, 본 발명은 양질의 용접부를 생성한다. 즉, 상기 설명한 용접 속도들이 어떠한 차폐도 사용하지 않고 달성될 수 있다. 이는 이전의 아크 용접 공정들에서는 달성될 수 없었을 것이다.When welding ordinary (uncoated) workpieces with an arc welding process, shielding-regardless of its shape-is required. It has been found that when welding with embodiments of the present invention, no shielding is required. That is, no shielding gas, no granular flux and no self-shielding electrodes need to be used. However, unlike in the arc welding process, the present invention produces a good quality weld. That is, the welding speeds described above can be achieved without using any shielding. This could not have been achieved in previous arc welding processes.

통상의 아크 용접 공정 중에, 상기 필러 와이어의 용융 액적(molten droplet)은 상기 필러 와이어에서 상기 용접 퍼들로 상기 용접 아크를 통해 전송된다. 차폐가 없다면, 상기 액적의 전 표면이 전송 중에 대기에 노출되고 이와 같이 대기 중의 질소 및 산소를 잡아들여 상기 질소 및 산소를 상기 용접 퍼들로 전달하기 쉽다. 이는 바람직한 것이 아니다.During a normal arc welding process, molten droplets of the filler wire are transmitted through the welding arc from the filler wire to the welding puddle. Without shielding, the entire surface of the droplet is exposed to the atmosphere during transmission and thus is easy to trap nitrogen and oxygen in the atmosphere and transfer the nitrogen and oxygen to the welding puddle. This is not desirable.

본 발명은, 액적들 또는 유사한 공정들을 사용하지 않고, 상기 필러 와이어를 상기 용접부로 전달하기 때문에, 상기 필러 와이어가 그만큼 대기에 노출되지 않는다. 그러므로, 많은 용접 응용들에서, 차폐의 사용을 필요로 하지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들은 기공 또는 스패터가 거의 또는 전혀 없이 높은 용접 속도들을 달성할 뿐만 아니라, 차폐 가스를 사용하지 않고도 그렇게 할 수 있다.The present invention does not use droplets or similar processes, and since the filler wire is delivered to the weld, the filler wire is not exposed to the atmosphere as much. Therefore, in many welding applications, the use of shielding is not required. As such, embodiments of the present invention not only achieve high welding speeds with little or no pores or spatter, but can also do so without the use of shielding gas.

차폐를 사용할 필요 없이, 용접 중에 흄 추출 노즐을 상기 용접 접합부에 훨씬 더 가깝게 위치시키는 것이 가능하며, 이에 따라 더 효율적이고 효과적인 흄 추출을 제공할 수 있다. 차폐 가스가 이용되는 경우, 흄 추출 노즐을 그것이 상기 차폐 가스의 기능과 간섭하지 않도록 위치시키는 것이 필요하다. 본 발명의 이점들로 인해, 그러한 제한이 없으며 흄 추출이 최적화될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 레이저 빔(110)은 상기 빔을 상기 레이저(120)에서부터 상기 작업물(115)의 표면 근처까지 차폐하는 레이저 슈라우드 어셈블리(laser shroud assembly, 1901)에 의해 보호된다. 이것의 표현은 도 19에서 볼 수 있다. 상기 슈라우드(1901)(단면으로 도시)는 상기 빔(110)을 간섭으로부터 보호하고 작업 동안 추가적인 안전을 제공한다. 나아가, 상기 슈라우드는, 상기 용접 영역으로부터 멀어지는 어떠한 용접 흄들이라도 끌어들이는, 흄 추출 시스템(1903)에 결합될 수 있다. 실시예들은 아무런 차폐 가스 없이 이용될 수 있기 때문에, 상기 슈라우드(1901)는 상기 용접 영역으로부터 멀어지는 상기 흄들을 직접 끌어들이기 위해 상기 용접부에 매우 가깝게 위치될 수 있다. 실제로, 상기 슈라우드(1901)는 상기 용접부 위쪽으로 그것의 거리(Z)가 0.125 인치 내지 0.5 인치 범위가 되도록 위치될 수 있다. 물론, 다른 거리들이 사용될 수 있지만, 상기 용접 퍼들을 교란시키지 않도록 또는 상기 슈라우드(1901)의 유효성을 현저하게 떨어뜨리지 않도록 주의 해야 한다. 흄 추출 시스템들(1903)은 용접 산업에서 일반적으로 이해되고 알려져 있기 때문에, 그 구성 및 작용은 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다. 도 19는 상기 슈라우드(1901)가 단지 상기 빔(110)만을 보호하는 것을 보여주고 있지만, 상기 슈라우드(1901)가 그것이 상기 와이어(140) 및 접촉팁(160)의 적어도 일부를 포괄하도록 구성되는 것도 물론 가능하다. 예를 들면, 상기 슈라우드(1901)의 바닥 개구부가, 흄 추출을 증가시키기 위하여, 거의 전체 용접 퍼들을 덮을 정도로 충분히 크거나, 또는 상기 용접 퍼들보다 더 큰 것도 가능하다.Without the use of shielding, it is possible to position the fume extraction nozzle much closer to the weld joint during welding, thus providing more efficient and effective fume extraction. If a shielding gas is used, it is necessary to position the fume extraction nozzle so that it does not interfere with the function of the shielding gas. Due to the advantages of the present invention, there is no such limitation and fume extraction can be optimized. For example, in an exemplary embodiment of the present invention, the laser beam 110 shields the beam from the laser 120 to near the surface of the workpiece 115, a laser shroud assembly, 1901 ). The representation of this can be seen in Figure 19. The shroud 1901 (shown in cross section) protects the beam 110 from interference and provides additional safety during operation. Furthermore, the shroud may be coupled to a fume extraction system 1902, which draws any welding fumes away from the welding area. Since embodiments can be used without any shielding gas, the shroud 1901 can be positioned very close to the weld to directly draw the fumes away from the weld zone. Indeed, the shroud 1901 may be positioned such that its distance Z above the weld is in the range of 0.125 inches to 0.5 inches. Of course, other distances may be used, but care must be taken not to disturb the welding puddle or to significantly degrade the effectiveness of the shroud 1901. Since fume extraction systems 1902 are generally understood and known in the welding industry, their construction and operation will not be discussed in detail herein. 19 shows that the shroud 1901 only protects the beam 110, the shroud 1901 is also configured such that it covers at least a portion of the wire 140 and the contact tip 160 Of course it is possible. For example, it is also possible that the bottom opening of the shroud 1901 is large enough to cover almost the entire welding puddle, or larger than the welding puddle, to increase fume extraction.

아연 도금된 작업물들과 같은, 코팅된 작업물들을 용접하는데 이용되는 본 발명의 예시적 실시예들에서, 훨씬 덜 비싼 차폐 가스가 이용될 수 있다. 예를 들면, 100% CO2 차폐 가스가, 연강(mild steels)을 포함하여, 많은 상이한 물질들을 용접하는데 이용될 수 있다. 이는 또한, 단지 100% 질소 차폐 가스만으로 용접될 수 있는, 스테인리스강, 듀플렉스강(duplex steel) 및 슈퍼 듀플렉스강(super duplex steel)과 같은, 더 복잡한 금속들을 용접하는 경우에도, 적용된다. 통상의 아크 용접 작업들에서, 스테인리스강, 듀플렉스강 또는 슈퍼 듀플렉스강이 용접은, 매우 비쌀 수 있는, 더 복잡한 차폐 가스 혼합물을 필요로 한다. 본 발명의 실시예들은 이들 강철들이 단지 100% 질소 차폐 가스만으로 용접될 수 있도록 한다. 또한, 다른 실시예들은 이들 강철들이 아무런 차폐 없이 용접될 수 있도록 한다. 아연 도금된 물질들을 위한 통상의 용접 공정에서, 아르곤/CO2 배합과 같은, 특별한 혼합 차폐 가스가 사용되어야 한다. 보통의 아크 용접 동안, 음극 및 양극이 상기 용접 영역에 존재하기 때문에, 부분적으로, 이 유형의 가스가 사용될 필요가 있다. 그러나, 상기에서 설명되고 하기에서 더 설명되는 바와 같이, 용접 아크가 없고, 이와 같이, 상기 용접 영역에 양극 또는 음극이 없다. 그러므로, 아크가 없고 및 액적 이행(droplet transfer)이 없으므로, 상기 필러 메탈이 대기로부터 유해한 원소들을 잡아들일 기회가 크게 감소된다. 본 발명의 많은 실시예들이, 차폐 가스와 같은, 차폐의 이용 없이 용접할 수 있게 한다 하더라도, 상기 용접 영역으로부터 증기 또는 오염물들을 제거하기 위해 상기 용접부 위로 가스 흐름을 이용할 수 있다는 것을 주의해야 할 것이다. 즉, 용접 중에, 공기, 질소, CO2, 또는 기타 가스들이 상기 용접 영역으로부터 오염물들을 제거하도록 상기 용접부 위로 날려보낼 수 있다는 것을 고려할 수 있다.In exemplary embodiments of the invention used to weld coated workpieces, such as galvanized workpieces, a much less expensive shielding gas can be used. For example, 100% CO 2 shielding gas can be used to weld many different materials, including mild steels. This also applies when welding more complex metals, such as stainless steel, duplex steel and super duplex steel, which can be welded with only 100% nitrogen shielding gas. In typical arc welding operations, stainless steel, duplex steel or super duplex steel welding requires a more complex shielding gas mixture, which can be very expensive. Embodiments of the invention allow these steels to be welded with only 100% nitrogen shielding gas. In addition, other embodiments allow these steels to be welded without any shielding. In a typical welding process for galvanized materials, a special mixed shielding gas, such as an argon / CO 2 combination, must be used. During normal arc welding, since a cathode and an anode are present in the welding region, in part, this type of gas needs to be used. However, as described above and further described below, there is no welding arc, and thus, there is no anode or cathode in the welding region. Therefore, since there is no arc and no droplet transfer, the opportunity for the filler metal to pick up harmful elements from the atmosphere is greatly reduced. It should be noted that although many embodiments of the present invention allow welding without the use of shielding, such as shielding gas, it is possible to utilize gas flow over the weld to remove vapor or contaminants from the welding area. That is, it is contemplated that during welding, air, nitrogen, CO 2 , or other gases can be blown over the weld to remove contaminants from the weld zone.

고속으로 코팅된 물질들을 용접할 수 있다는 것에 부가하여, 본 발명의 실시예들은 또한 현저히 감소된 열 영향부(heat affected zone, HAZ)와 함께 이상 조직강(dual-phase steel)을 용접하는데 이용될 수 있다. 이상 조직강은 페라이트(ferrite) 및 마르텐사이트(martensitic) 마이크로구조를 갖는 고강도 강철이며, 따라서 상기 강철이 고강도 및 양호한 성형성을 가질 수 있다. 이상 조직강들의 본성으로 인해, 이상 조직강 용접부의 강도는 상기 열 영향부의 강도에 의해 제한된다. 상기 열 영향부는 그것의 마이크로구조가 상기 아크 용접 공정으로 인해 부정적으로 변화되도록 상기 용접 공정으로부터 현저히 가열되는 (상기 필러 금속을 포함하지 않는) 상기 용접 접합부 주위의 영역이다. 공지된 아크 용접 공정들에서, 상기 열 영향부는, 아크 플라즈마의 크기 및 상기 용접 영역으로의 높은 열 입력으로 인해, 매우 크다. 상기 열 영향부가 매우 크기 때문에, 상기 열 영향부는 상기 용접부의 강도 제한 부분이 된다. 이와 같이, 고강도 전극들의 사용이 불필요하므로, 아크 용접 공정들은 통상적으로 그러한 접합부들을 용접하기 위해 연강 필러 와이어들(140)을 이용한다(예를 들면, ER70S-6, 또는 -3 유형 전극들). 나아가, 이로 인해, 설계자들은 이상 조직강들에서의 용접 접합부들을 전략적으로 고스트레스(high stress) 구조들 - 자동차 프레임, 범퍼, 엔진 크레이들 등에서와 같이 - 에서 벗어나도록 위치시켜야 한다.In addition to being able to weld high-speed coated materials, embodiments of the present invention can also be used to weld dual-phase steel with significantly reduced heat affected zone (HAZ). Can. The abnormally structured steel is a high-strength steel having a ferrite and martensitic microstructure, so that the steel can have high strength and good formability. Due to the nature of the abnormal tissue steels, the strength of the abnormal tissue steel welds is limited by the strength of the heat-affected zone. The heat-affected zone is an area around the weld joint (which does not contain the filler metal) that is significantly heated from the welding process such that its microstructure is negatively changed due to the arc welding process. In known arc welding processes, the thermal influence is very large, due to the size of the arc plasma and high heat input into the welding area. Since the heat-affected portion is very large, the heat-affected portion becomes a strength limiting portion of the weld. As such, since the use of high strength electrodes is unnecessary, arc welding processes typically use mild steel filler wires 140 to weld such joints (eg, ER70S-6, or -3 type electrodes). Furthermore, this requires designers to position welded joints in abnormally textured steels strategically away from high stress structures, such as in automobile frames, bumpers, engine cradles, and the like.

상기한 바와 같이, 상기 레이저 장치(12)의 사용은 상기 용접 퍼들의 생성에 있어서 높은 수준의 정밀도를 제공한다. 이 정밀도로 인해, 상기 용접 비드를 둘러싸는 상기 열 영향부가 매우 작게 유지될 수 있거나, 또는 상기 작업물에 대한 상기 열 영향부의 전체 효과가 최소화될 수 있다. 실제로, 일부 실시예들에서, 상기 작업물의 상기 열 영향부는 거의 제거될 수 있다. 이는 상기 레이저 빔(110)의 초점을 퍼들이 생성되어야 할 상기 작업물의 부분들에만 유지함으로써 성취된다. 상기 열 영향부의 크기를 현저하게 감소시킴으로써, 상기 베이스 금속의 강도는 아크 용접 공정이 이용되는 경우만큼 나빠지지 않는다. 이와 같이, 상기 열 영향부의 존재 또는 위치는 용접 구조물의 설계에 있어서 더 이상 제한 인자가 아니다. 본 발명의 실시예들은, 상기 열 영향부 대신에, 상기 작업물의 조성과 강도 및 상기 필러 와이어의 강도가 구조적 설계에 있어서 구동 인자들이 될 수 있기 때문에, 보다 고강도의 필러 와이어들을 이용할 수 있게 한다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 이제, ER80S-D2 유형 전극들과 같이, 적어도 80 ksi 항복 강도(yield strength)를 갖는 전극들을 사용할 수 있게 한다. 물론, 이 전극은 예시하고자 한 것이다. 나아가, 다음으로 아크 용접으로부터 열 입력이 더 적기 때문에, 상기 퍼들의 냉각 속도가 더 빨라질 것이며, 이는 사용되는 필러 와이어들의 화학적 특성(chemistry)이 약해질 수 있지만 기존 와이어보다 동등 이상의 성능을 제공할 수 있다.As mentioned above, the use of the laser device 12 provides a high degree of precision in the production of the welding puddle. Due to this precision, the heat affected portion surrounding the weld bead can be kept very small, or the overall effect of the heat affected portion on the workpiece can be minimized. Indeed, in some embodiments, the heat-affected portion of the workpiece can be virtually eliminated. This is achieved by keeping the focus of the laser beam 110 only on the parts of the work piece to be produced. By significantly reducing the size of the heat-affected zone, the strength of the base metal is not as bad as when the arc welding process is used. As such, the presence or location of the heat-affected portion is no longer a limiting factor in the design of a welded structure. Embodiments of the present invention make it possible to use higher strength filler wires, because instead of the heat-affected zone, the composition and strength of the workpiece and the strength of the filler wire can be driving factors in structural design. For example, embodiments of the present invention now enable the use of electrodes with at least 80 ksi yield strength, such as ER80S-D2 type electrodes. Of course, this electrode is intended to be illustrative. Furthermore, since the heat input from the arc welding is less then, the cooling rate of the puddle will be faster, which may weaken the chemistry of the filler wires used, but can provide more performance than the existing wires. have.

또한, 본 발명의 실시예들은 현저히 감소된 차폐 요구조건들과 함께 티탄(titanium)을 용접하는데 이용될 수 있다. 아크 용접 공정으로 티탄을 용접하는 경우, 허용가능한 용접부가 생성되는 것을 보장하기 위해 매우 주의해야 한다는 것이 알려져 있다. 이는 상기 용접 공정 동안 티탄이 강한 친화성을 가져 산소와 반응하기 때문이다. 티탄과 산소 간의 반응은, 상기 용접 풀에 존재한다면 상기 용접 접합부의 강도 및/또는 연성(ductility)을 현저히 감소시킬 수 있는, 이산화티탄을 생성시킨다. 이 때문에, 티탄을 아크 용접하는 경우, 상기 퍼들이 냉각됨에 따라 대기로부터 상기 아크뿐만 아니라 후행하는(trailing) 용융 퍼들을 차폐하기 위해 매우 많은 양의 후행하는 차폐 가스를 제공할 필요가 있다. 아크 용접으로부터 발생되는 열로 인해, 상기 용접 퍼들은 매우 크고 장시간 동안 용융된 채로 남아 있을 수 있으며, 따라서 상당한 양의 차폐 가스를 필요로 한다. 본 발명의 실시예들은 물질이 용융되고 급속히 냉각되는 시간을 현저히 감소시켜 이 여분의 차폐 가스에 대한 필요가 감소된다.In addition, embodiments of the present invention can be used to weld titanium with significantly reduced shielding requirements. It is known that when welding titanium with an arc welding process, great care must be taken to ensure that an acceptable weld is created. This is because titanium has a strong affinity during the welding process and reacts with oxygen. The reaction between titanium and oxygen produces titanium dioxide, which, if present in the weld pool, can significantly reduce the strength and / or ductility of the weld joint. Because of this, when arc welding titanium, it is necessary to provide a very large amount of trailing shielding gas to shield the arc from the atmosphere as well as the trailing molten puddle as the puddle cools. Due to the heat generated from arc welding, the weld puddle can be very large and remain molten for a long time, thus requiring a significant amount of shielding gas. Embodiments of the invention significantly reduce the time the material melts and rapidly cools, reducing the need for this extra shielding gas.

상기에서 설명한 바와 같이, 상기 레이저 빔(110)은 상기 용접 영역으로의 전체 열 입력을 현저히 감소시켜 이에 따라 상기 용접 퍼들의 크기를 현저히 감소시키도록 매우 조심스럽게 포커싱될 수 있다. 상기 용접 퍼들이 더 작기 때문에, 상기 용접 퍼들이 훨씬 빨리 냉각된다. 이와 같이, 상기 용접부에 후행(trailing) 차폐 가스뿐만 아니라 차폐도 필요 없게 된다. 또한, 상기에서 논의된 유사한 이유로, 용접 속도가 증가되지만, 티탄 용접시 스패터 인자가 크게 감소된다.As described above, the laser beam 110 can be focused very carefully to significantly reduce the overall heat input to the weld zone, thereby significantly reducing the size of the weld puddle. Because the weld puddle is smaller, the weld puddle cools much faster. In this way, not only the trailing shielding gas but also shielding is not required for the welding portion. In addition, for similar reasons discussed above, the welding speed is increased, but the spatter factor is greatly reduced when welding titanium.

도 7 및 도 7a로 돌아오면, 개방 루트형(open root type) 용접 접합부가 나타나 있다. 개방 루트 접합부들은 종종 두꺼운 판들 및 파이프들을 용접하는데 이용되며 종종 원격 및 환경적으로 어려운 장소들에서 발생할 수 있다. 차폐 금속 아크 용접(shielded metal arc welding, SMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding, GTAW), 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW), 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding, FCAW), 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding, SAW), 및 자체 차폐, 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding, self shielded, FCAW-S)를 포함하여, 개방 루트 접합부들을 용접하는 많은 알려지 방법들이 있다. 이들 용접 공정들은 차폐의 필요, 속도 한계, 슬래그의 생성, 등을 포함하는 다양한 단점들을 가진다.Returning to FIGS. 7 and 7A, an open root type weld joint is shown. Open root joints are often used to weld thick plates and pipes and can often occur in remote and environmentally difficult locations. Shielded metal arc welding (SMAW), gas tungsten arc welding (GTAW), gas metal arc welding (GMAW), flux cored arc welding, FCAW), submerged arc welding (SAW), and many known welding of open root joints, including self-shielded, flux cored arc welding (self shielded, FCAW-S) There are ways. These welding processes have a variety of disadvantages, including the need for shielding, speed limitations, the creation of slag, and the like.

따라서, 본 발명의 실시예들은 이러한 유형의 용접들이 수행될 수 있는 효율 및 속도를 크게 향상시킨다. 구체적으로, 차폐 가스의 사용이 제거되거나 또는 크게 감소될 수 있으며, 슬래그의 발생이 완전히 제거될 수 있다. 나아가, 고속의 용접이 최소한의 스패터 및 기공과 함께 얻어질 수 있다.Thus, embodiments of the present invention greatly improve the efficiency and speed at which these types of welding can be performed. Specifically, the use of shielding gas can be eliminated or greatly reduced, and the occurrence of slag can be completely eliminated. Furthermore, high-speed welding can be obtained with minimal spatter and pores.

도 7 및 도 7a는 본 발명의 예시적 실시예들에 의해 용접되는 대표적인 개방 루트 용접 접합부들을 보여준다. 물론, 본 발명의 실시예들은, 단지 겹침(lap) 또는 개방 루트형 접합부들만이 아니라, 매우 다양한 용접 접합부들을 용접하는데 이용될 수 있다. 도 7에서, 갭(705)이 상기 작업물들(W1/W2) 사이에 도시되어 있고 각각의 작업물은 경사진(angled) 표면(701/703)을 가진다. 바로 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 상기 표면들(701/703) 위에 정밀한 용융 퍼들을 생성시키기 위해 레이저 장치(120)를 사용하며, 예비-가열된 필러 와이어(미도시)는, 상기한 바와 같이, 상기 퍼들들 내로 각각 퇴적된다.7 and 7A show representative open root welded joints welded by exemplary embodiments of the present invention. Of course, embodiments of the present invention can be used to weld a wide variety of welded joints, not just overlapping or open rooted joints. In FIG. 7 a gap 705 is shown between the workpieces W1 / W2 and each workpiece has an angled surface 701/703. As described immediately above, embodiments of the present invention use a laser device 120 to create a precise melt puddle on the surfaces 701/703, a pre-heated filler wire (not shown), As described above, each is deposited into the puddle.

실제로, 본 발명의 예시적 실시예들은 단일 필러 와이어를 각각의 용접 퍼들로 겨냥하는 것에 제한되지 않는다. 본 발명에서 설명되는 용접 공정에서는 용접 아크가 발생되지 않기 때문에, 한 개를 초과하는 필러 와이어가 어느 하나의 용접 퍼들로 겨냥될 수 있다. 주어진 용접 퍼들에 대해 필러 와이어의 수를 증가시킴으로써, 상기 용접 공정의 전체 퇴적 속도는 열 입력의 현저한 증가 없이 현저하게 증가될 수 있다. 따라서, (도 7 및 도 7a에 도시된 유형과 같은) 개발 루트 용접 접합부들이 단일 용접 패스(weld pass)로 충진될 수 있다고 생각할 수 있다.Indeed, exemplary embodiments of the present invention are not limited to aiming a single filler wire with each welding puddle. Since the welding arc is not generated in the welding process described in the present invention, more than one filler wire can be aimed at either welding puddle. By increasing the number of filler wires for a given welding puddle, the overall deposition rate of the welding process can be significantly increased without a significant increase in heat input. Thus, it is conceivable that development root weld joints (such as the type shown in FIGS. 7 and 7A) can be filled with a single weld pass.

또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 다수의 레이저 빔들(110 및 110A)이 상기 용접 접합부에서 하나 초과의 위치를 동시에 용융시키기 위해 이용될 수 있다. 이는 많은 방법들로 성취될 수 있다. 도 7에 나타낸, 제 1 실시예에서, 빔 스플리터(121)가 사용되어 상기 레이저 장치(120)에 결합된다. 빔 스플리터(121)는 레이저 장치들을 알 수 있을 만한 자들에게 알려져 있으며 본 명세서에서 상세히 논의될 필요가 없다. 상기 빔 스플리터(121)는 상기 레이저 장치(120)로부터의 빔을 두 개(또는 두 개 이상)의 별개의 빔들(110/110A)로 분열시키고 이들을 두 개의 상이한 표면들로 향하게 할 수 있다. 그러한 실시예에서, 다수의 표면들이 동시에 조사될 수 있어, 용접에 있어서 더 나은 정밀도 및 정확도를 제공한다. 다른 실시예에서, 상기 별개의 빔들(110 및 110A)은 각각 별개의 레이저 장치에 의해 생성될 수 있으며, 이에 따라 각각의 빔은 그 자체의 전용 장치로부터 방출된다.Also, as shown in FIG. 7, in some exemplary embodiments of the present invention, multiple laser beams 110 and 110A may be used to melt more than one location at the same time at the weld joint. This can be accomplished in many ways. In the first embodiment, shown in FIG. 7, a beam splitter 121 is used and coupled to the laser device 120. The beam splitter 121 is known to those skilled in the art of laser devices and need not be discussed in detail herein. The beam splitter 121 may split the beam from the laser device 120 into two (or two or more) separate beams 110 / 110A and direct them to two different surfaces. In such an embodiment, multiple surfaces can be irradiated simultaneously, providing better precision and accuracy in welding. In another embodiment, the separate beams 110 and 110A can each be generated by a separate laser device, so that each beam is emitted from its own dedicated device.

그러한 실시예에서, 다수의 레이저 장치들을 이용하여, 상기 용접 작업의 많은 측면들이 상이한 용접 요구들에 적합하도록 변화될 수 있다. 예를 들면, 상기 별개의 레이저 장치들에 의해 발생되는 상기 빔들은 상이한 에너지 밀도를 가질 수 있고; 상기 용접 접합부에서 상이한 형태들, 및/또는 상이한 단면적들을 가질 수 있다. 이러한 유연성과 함께, 상기 용접 공정의 측면들은 필요한 어떠한 특정 용접 파라미터들이든지 만족시키도록 변경 및 맞춤화될 수 있다. 물론, 이는 단일 레이저 장치 및 빔 스플리터(121)의 사용과 함께 달성될 수도 있지만, 상기 유연성의 일부는 상기 단일 레이저 소스의 사용과 함께 제한될 수 있다. 또한, 레이저들이 원하는 대로 얼마든지 사용될 수 있다고 생각할 수 있으므로, 본 발명은 단일 또는 아니면 이중 레이저 구성에 제한되지 않는다.In such an embodiment, using multiple laser devices, many aspects of the welding operation can be varied to suit different welding needs. For example, the beams generated by the separate laser devices can have different energy densities; The weld joint may have different shapes and / or different cross-sectional areas. With this flexibility, aspects of the welding process can be modified and customized to meet any specific welding parameters required. Of course, this may be achieved with the use of a single laser device and beam splitter 121, but some of the flexibility may be limited with the use of the single laser source. In addition, since it can be thought that lasers can be used as many as desired, the present invention is not limited to single or dual laser configurations.

또 다른 예시적 실시예들에서, 빔 스캐닝 장치가 사용될 수 있다. 그러한 장치들은 레이저 또는 빔 방출 기술분야에 잘 알려져 있으며 상기 작업물의 표면 위에서 패턴을 가지고 상기 빔(110)을 스캔하는데 이용된다. 그러한 장치들과 함께, 스캔 속도 및 패턴뿐만 아니라 체류 시간(dwell time)이 원하는 방식으로 상기 작업물(115)을 가열하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 상기 에너지 소스(예를 들면, 레이저)의 출력 전력은 원하는 퍼들 형성을 생성하기 위해 원하는 대로 조절될 수 있다. 또한, 상기 레이저(120) 내에 사용되는 광학계는 원하는 작업 및 접합부 파라미터들에 기반하여 최적화될 수 있다. 예를 들면, 라인(line) 및 적분기(integrator) 광학계가 널리 용접 또는 클래딩 작업을 위해 포커싱된 라인 빔을 생성하기 위해 이용될 수 있거나, 또는 적분기가 균일한 전력 분포를 갖는 정사각형/직사각형 빔을 생성하기 위해 이용될 수 있다.In still other exemplary embodiments, a beam scanning device can be used. Such devices are well known in the art of laser or beam emission and are used to scan the beam 110 with a pattern on the surface of the workpiece. With such devices, scan speed and pattern as well as dwell time can be used to heat the workpiece 115 in a desired manner. In addition, the output power of the energy source (eg, laser) can be adjusted as desired to produce the desired puddle formation. In addition, the optical system used in the laser 120 can be optimized based on desired job and junction parameters. For example, line and integrator optics can be widely used to generate focused line beams for welding or cladding operations, or the integrators produce square / rectangular beams with uniform power distribution. Can be used to

도 7a는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 단일 빔(110)이 상기 표면들(701/703)을 용융시키기 위해 상기 개방 루트 접합부로 겨냥된다.7A shows another embodiment of the present invention, where a single beam 110 is aimed at the open root junction to melt the surfaces 701/703.

상기 레이저 빔들(110 및 110A)의 정밀도로 인해, 상기 빔들(110/110A)은 상기 갭(705)에서 떨어져서 상기 표면들(701/703) 위로만 포커싱될 수 있다. 이 때문에, (보통 상기 갭(705)을 통해 떨어지게 되는) 용락(melt-through)이 제어될 수 있으며, 이는 후면 용접 비드(상기 갭(705)의 바닥 표면의 용접 비드)의 제어를 크게 향상시킨다.Due to the precision of the laser beams 110 and 110A, the beams 110 / 110A can be focused away from the gap 705 and only over the surfaces 701/703. Because of this, melt-through (usually falling through the gap 705) can be controlled, which greatly improves control of the back welding bead (welding beads on the bottom surface of the gap 705). .

각각의 도 7 및 도 7a에서, 갭(705)은 상기 작업물들(W1 및 W2) 사이에 존재하며, 이는 용접 비드(707)로 충진된다. 예시적 실시예에서, 이 용접 비드(705)는 레이저 장치(미도시)에 의해 생성된다. 따라서, 예를 들면, 용접 작업 중에, 제 1 레이저 장치(미도시)는 상기 작업물들(W1 및 W2)을 상기 레이저 용접 비드(707)와 용접하기 위해 제 1 레이저 빔(미도시)을 상기 갭(705)으로 향하게 하고, 반면에 상기 제 2 레이저 장치(120)는 필러 와이어(들)(미도시)이 용접을 완료하기 위해 퇴적되는 용접 퍼들들을 생성하기 위해 적어도 하나의 레이저 빔(110/110A)을 상기 표면들(701/703)로 향하게 한다. 상기 갭 용접 비드(707)는, 상기 갭이 충분히 작은 경우, 단지 레이저에 의해 생성될 수 있거나, 또는 상기 갭(705)이 그렇게 요구하는 경우, 레이저 및 필러 와이어를 이용하여 생성될 수 있다. 구체적으로, 적절하게 상기 갭(705)를 충진하기 위해 필러 금속을 첨가할 필요가 있을 수 있으며, 이에 따라 필러 와이어가 사용되어야 한다. 이 갭 비드(705)의 생성은 본 발명의 다양한 예시적 실시예들과 관련하여 상기에서 설명한 것과 유사하다.In each of FIGS. 7 and 7A, a gap 705 is present between the workpieces W1 and W2, which are filled with welding beads 707. In an exemplary embodiment, this weld bead 705 is produced by a laser device (not shown). Thus, for example, during a welding operation, a first laser device (not shown) may gap the first laser beam (not shown) to weld the workpieces W1 and W2 with the laser welding bead 707. 705, while the second laser device 120 has at least one laser beam 110 / 110A to create welding puddle where filler wire (s) (not shown) are deposited to complete welding. ) To the surfaces 701/703. The gap welding bead 707 can be produced by laser only if the gap is small enough, or by using laser and filler wire if the gap 705 so requires. Specifically, it may be necessary to add filler metal to properly fill the gap 705, so a filler wire must be used. The creation of this gap bead 705 is similar to that described above in connection with various exemplary embodiments of the present invention.

본 명세서에서 논의된 상기 레이저 장치들(120)과 같은, 고강도 에너지 소스들은 원하는 용접 작업에 필요한 에너지 밀도를 제공하기에 충분한 전력을 갖는 유형이어야 한다는 것에 주의해야 한다. 즉, 상기 레이저 장치(120)는 상기 용접 공정에 걸쳐 안정적인 용접 퍼들을 생성 및 유지하기에 충분한 전력을 가져야 하며, 또한 원하는 용접 침투(weld penetration)에 도달하여야 한다. 예를 들면, 일부 응용들에 대해, 레이저들은 용접되는 상기 작업물들을 "키홀(keyhole)"시키는 능력을 가져야 한다. 이는 상기 레이저가 상기 작업물을 완전히 관통하기에 충분한 전력을 가져야 하고, 동시에 상기 레이저가 상기 작업물을 따라 진행됨에 따라 그 침투 수준을 유지해야 한다는 것을 의미한다. 바람직한 레이저들은 1 kW 내지 20 kW 범위의 전력 능력을 가져야 하며, 5 kW 내지 20 kW 범위의 전력 능력을 가질 수 있다. 더 높은 전력의 레이저들이 사용될 수 있지만, 매우 많은 비용이 들 수 있다. 물론, 상기 빔 스플리터(121) 및 다수의 레이저들이 또한 다른 유형의 용접 접합부들에 이용될 수 있으며, 도 6 및 도 6a에 나타낸 것들과 같은, 겹침 접합부들(lap joints)에 이용될 수 있다는 것에 주의해야 한다.It should be noted that high intensity energy sources, such as the laser devices 120 discussed herein, should be of a type having sufficient power to provide the energy density required for the desired welding operation. That is, the laser device 120 must have sufficient power to create and maintain a stable welding puddle throughout the welding process, and must also reach a desired weld penetration. For example, for some applications, lasers should have the ability to "keyhole" the workpieces being welded. This means that the laser must have sufficient power to completely penetrate the workpiece, and at the same time maintain the level of penetration as the laser progresses along the workpiece. Preferred lasers should have a power capability in the range of 1 kW to 20 kW, and may have a power capability in the range of 5 kW to 20 kW. Higher power lasers can be used, but can be very expensive. Of course, the beam splitter 121 and multiple lasers can also be used for other types of welding joints, and can be used for lap joints, such as those shown in FIGS. 6 and 6A. Be careful.

도 7b는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 좁은 홈(narrow groove), 깊은 개방 루트 접합부가 나타나 있다. (깊이가 1 inch를 초과하는) 깊은 접합부들을 아크 용접하는 경우, 상기 홈에 대한 갭(G)이 좁을 때 상기 접합부의 바닥을 용접하는 것이 어려울 수 있다. 이는 그렇게 깊은 홈으로 차폐 가스를 효과적으로 전달하는 것이 어렵고 상기 홈의 좁은 벽들이 용접 아크의 안정성과 간섭을 유발할 수 있기 때문이다. 상기 작업물이 통상적으로 철계(ferrous) 물질이기 때문에, 상기 접합부의 벽들은 상기 용접 아크와, 자기적으로, 간섭할 수 있다. 이 때문에, 통상의 아크 용접 절차들을 이용하는 경우, 상기 홈의 갭(G)은 상기 아크가 안정적으로 남아 있을 수 있도록 충분히 넓을 필요가 있다. 그러나, 상기 홈이 더 넓어질수록, 상기 용접을 완료하기 위해 더 많은 필러 금속이 필요하게 된다. 본 발명의 실시예들은 차폐 가스를 필요로 하지 않고 용접 아크를 이용하지 않기 때문에, 이들 문제들이 최소화된다. 이는 본 발명의 실시예들이 깊고, 좁은 홈들은 효율적이고 효과적으로 용접할 수 있도록 한다. 예를 들면, 상기 작업물(115)이 1 inch를 초과하는 두께를 가지는, 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 갭 폭(G)은 상기 필러 와이어(140)의 직경의 1.5 내지 2 배의 범위이고, 측벽 각도(sidewall angle)는 0.5 도 내지 10 도 범위이다. 예시적 실시예에서, 그러한 용접 접합부의 초층 용접(root pass) 준비는 1/16 inch 내지 1/4 inch 범위의 랜드(land)와 함께 1 mm 내지 3 mm 범위의 갭(RG)을 가진다. 따라서, 깊은 개방 루트 접합부들은 보통의 아크 용접 공정들보다 더 빠르게 및 훨씬 더 적은 필러 금속을 가지고 용접될 수 있다. 또한, 본 발명의 측면들은 훨씬 더 적은 열을 상기 용접 영역에 도입하기 때문에, 상기 팁(160)은 상기 측벽과의 접촉을 방지하기 위해 상기 용접 퍼들에 훨씬 더 가깝게 전달되는 것이 용이하도록 설계될 수 있다. 즉, 상기 팁(160)은 더 작게 만들어질 수 있고 좁은 구조를 갖는 절연 가이드(insulated guide)로서 구성될 수 있다. 또 다른 예시적 실시예에서, 변환(translation) 장치 또는 메카니즘이 상기 접합부의 양쪽을 동시에 용접하기 위해 상기 레이저 및 와이어를 상기 용접부의 폭을 가로질러 이동시키는데 이용될 수 있다.7B shows another exemplary embodiment of the present invention. In this embodiment, a narrow groove, deep open root junction is shown. When arc welding deep junctions (with a depth greater than 1 inch), it may be difficult to weld the bottom of the junction when the gap G to the groove is narrow. This is because it is difficult to effectively deliver the shielding gas to such a deep groove, and the narrow walls of the groove can cause stability and interference of the welding arc. Since the workpiece is typically a ferrous material, the walls of the joint can magnetically and interfere with the welding arc. For this reason, when using conventional arc welding procedures, the gap G of the groove needs to be wide enough to allow the arc to remain stable. However, the wider the grooves, the more filler metal is needed to complete the welding. Since the embodiments of the invention do not require shielding gas and do not use a welding arc, these problems are minimized. This allows embodiments of the invention to weld deep, narrow grooves efficiently and effectively. For example, in the exemplary embodiment of the present invention, wherein the work piece 115 has a thickness exceeding 1 inch, the gap width G is 1.5 to 2 times the diameter of the filler wire 140 Range, and the sidewall angle ranges from 0.5 degrees to 10 degrees. In an exemplary embodiment, the root pass preparation of such a weld joint has a gap RG ranging from 1 mm to 3 mm with lands ranging from 1/16 inch to 1/4 inch. Thus, deep open root joints can be welded faster and with much less filler metal than ordinary arc welding processes. In addition, since aspects of the present invention introduce much less heat into the weld zone, the tip 160 can be designed to facilitate being transferred much closer to the weld puddle to prevent contact with the sidewall. have. That is, the tip 160 can be made smaller and can be configured as an insulated guide with a narrow structure. In another exemplary embodiment, a translation device or mechanism can be used to move the laser and wire across the width of the weld to simultaneously weld both sides of the joint.

도 8에 나타낸 바와 같이, 맞댐형 접합부(butt-type joint)가 본 발명의 실시예들로 용접될 수 있다. 도 8에, 플러시(flush) 맞댐형 접합부가 도시되어 있지만, 그러나 상기 용접 접합부의 상부 및 바닥 표면들 상의 v-노치 홈을 갖는 맞댐형 접합부들도 또한 용접될 수 있음을 생각할 수 있다. 도 8에 나타낸 실시예에서, 두 개의 레이저 장치들(120 및 120a)이 상기 용접 접합부의 양쪽에 도시되어 있으며, 각각은 그 자체의 용접 퍼들(801 및 803)을 생성한다. 도 7 및 도 7a와 마찬가지로, 가열된 필러 와이어들은, 그들이 도시된 도면에서 상기 레이저 빔들(110/110A) 뒤에서 후행하고 있으므로, 도시되어 있지 않다.8, a butt-type joint can be welded to embodiments of the present invention. In Figure 8, a flush butt joint is shown, but it is conceivable that butt joints with v-notched grooves on the top and bottom surfaces of the weld joint can also be welded. In the embodiment shown in Figure 8, two laser devices 120 and 120a are shown on both sides of the weld joint, each creating its own welding puddle 801 and 803. 7 and 7A, heated filler wires are not shown, as they are trailing behind the laser beams 110 / 110A in the illustrated figure.

공지된 아크 기술로 맞댐형 용접부들을 용접하는 경우, 용접 아크들에 의해 발생되는 자기장들이 서로 간섭하여 상기 아크들이 서로를 비정상적으로 이동하도록 하는 경우 발생하는, "아크 블로우(arc blow)"로 인해 상당한 문제가 있을 수 있다. 또한, 두 개 이상의 아크 용접 시스템들이 동일한 용접 접합부 상에서 용접하기 위해 사용되고 있는 경우, 상기 각각의 용접 전류들의 간섭에 기인하는 상당한 문제들이 있을 수 있다. 또한, 아크 용접 방법들의 침투 깊이 때문에, 부분적으로, 높은 열 입력으로 인해, 상기 용접 접합부의 양쪽에서 아크들로 용접될 수 있는 작업물들의 두께들이 제한된다. 즉, 그러한 용접은 얇은 작업물에서는 수행될 수 없다.When welding butt-type welds with known arc technology, considerable "arc blow" occurs when the magnetic fields generated by the welding arcs interfere with each other and cause the arcs to move abnormally. There may be a problem. In addition, when two or more arc welding systems are being used to weld on the same weld joint, there can be significant problems due to interference of the respective welding currents. In addition, due to the depth of penetration of arc welding methods, in part, due to the high heat input, the thicknesses of workpieces that can be welded with arcs on both sides of the weld joint are limited. That is, such welding cannot be performed on thin work pieces.

본 발명의 실시예들로 용접하는 경우, 이러한 문제들은 제거된다. 사용되는용접 아크가 없기 때문에, 아크 블로우 간섭 또는 용접 전류 간섭 문제들이 없다. 또한, 레이저들의 사용을 통해 가능한, 열 입력 및 침투 깊이에 있어서의 정밀한 제어로 인해, 훨씬 더 얇은 작업물들이 용접 접합부의 양쪽에서 동시에 용접될 수 있다.When welding with embodiments of the present invention, these problems are eliminated. Since there is no welding arc used, there are no arc blow interference or welding current interference problems. In addition, due to the precise control of heat input and penetration depth, which is possible through the use of lasers, much thinner workpieces can be welded simultaneously on both sides of the weld joint.

본 발명의 또 다른 예시적 실시예가 도 9에 나타나 있다. 이 실시예에서, 두 개의 레이저 빔들(110 및 110A)이 고유한 용접 프로파일을 생성하기 위해 - 서로 나란하게 - 이용된다. 도시된 실시예에서, (제 1 레이저 장치(120)로부터 방출되는) 제 1 레이저 빔(110)은 제 1 단면적 및 깊이를 갖는 용접 퍼들(901)의 제 1 부분을 생성하는데 이용되며, 반면에 (제 2 레이저 장치(미도시)로부터 방출되는) 제 2 레이저 빔(110A)은, 상기 제 1의 것과 상이한, 제 2 단면적 및 깊이를 갖는 용접 퍼들(903)의 제 2 부분을 생성하는데 이용된다. 이 실시예는 상기 용접 비드의 일부가 상기 용접 비드의 나머지 부분보다 더 깊은 침투 깊이를 갖는 것이 바람직한 경우에 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 퍼들(901)은 더 넓고 더 얕게 만들어지는 상기 용접 퍼들(903)보다 더 깊고 더 좁게 만들어진다. 그러한 실시예는 상기 작업물들이 만나는 곳에서 깊은 침투 깊이가 필요하지만 상기 용접 접합부의 전 부분에 대해서는 원하지 않는 경우에 이용될 수 있다.Another exemplary embodiment of the present invention is shown in FIG. 9. In this embodiment, two laser beams 110 and 110A are used-side by side-to create a unique welding profile. In the illustrated embodiment, the first laser beam 110 (emitted from the first laser device 120) is used to create a first portion of the welding puddle 901 having a first cross-sectional area and depth, while The second laser beam 110A (emitted from the second laser device (not shown)) is used to create a second portion of the welding puddle 903 having a second cross-sectional area and depth, different from the first one. . This embodiment can be used where it is desired that a portion of the weld bead has a deeper penetration depth than the rest of the weld bead. For example, as shown in FIG. 9, the puddle 901 is made deeper and narrower than the welding puddle 903, which is made wider and shallower. Such an embodiment may be used where a deep penetration depth is required where the workpieces meet but is not desired for all parts of the weld joint.

본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 제 1 퍼들(903)은 상기 접합부에 대한 용접부를 생성하는 용접 퍼들일 수 있다. 이 제 1 퍼들/접합부는 제 1 레이저(120) 및 필러 와이어(미도시)를 이용하여 생성되고, 적절한 침투 깊이로 만들어진다. 이 용접 접합부가 만들어진 후, 제 2 레이저 빔(110A)을 방출하는 제 2 레이저(미도시)가 상이한 프로파일을 갖는 제 2 퍼들(903)을 생성하기 위해 상기 접합부 위로 지나가며, 여기서 이 제 2 퍼들은, 상기 실시예들과 함께 설명한 바와 같이, 특정 종류의 오버레이를 퇴적하는데 이용된다. 이 오버레이는 상기 제 1 필러 와이어와 상이한 화학적 성질(chemistry)을 갖는 제 2 필러 와이어를 이용하여 퇴적될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 접합부가 용접된 후 곧 또는 즉시 상기 용접 접합부 위에 내식성의 클래딩층을 배치하기 위해 이용될 수 있다. 이 용접 작업은 또한, 상기 빔(110)이 원하는 용접 퍼들 프로파일을 제공하기 위해 제 1 빔 형태/밀도와 제 2 빔 형태/밀도 사이에서 진동하는, 단일 레이저 장치(120)와 함께 성취될 수 있다. 따라서, 다수의 레이저 장치들이 사용될 필요가 없다.In another exemplary embodiment of the present invention, the first puddle 903 may be a welding puddle that creates a weld to the junction. This first puddle / junction is created using the first laser 120 and filler wire (not shown), and is made to an appropriate penetration depth. After this weld joint is made, a second laser (not shown) emitting a second laser beam 110A passes over the joint to create a second puddle 903 with a different profile, where this second fur They are used to deposit certain types of overlays, as described in conjunction with the above embodiments. This overlay will be deposited using a second filler wire having a different chemistry than the first filler wire. For example, embodiments of the present invention may be used to place a corrosion-resistant cladding layer over the welded joint immediately or immediately after the joint is welded. This welding operation can also be accomplished with a single laser device 120 in which the beam 110 oscillates between a first beam shape / density and a second beam shape / density to provide the desired welding puddle profile. . Thus, multiple laser devices need not be used.

상기에서 설명한 바와 같이, (아연 도금과 같은) 상기 작업물들 상의 내식성 코팅은 상기 용접 공정 중에 제거된다. 그러나, 상기 용접 접합부가 내식성 목적을 위해 다시 코팅되는 것이 바람직할 수 있으므로, 상기 제 2 빔(110A) 및 레이저가, 클래딩층과 같은, 내식성 오버레이(903)를 상기 접합부(901)의 상단 위에 추가하기 위해 이용될 수 있다.As described above, a corrosion resistant coating on the workpieces (such as zinc plating) is removed during the welding process. However, since it may be desirable for the weld joint to be coated again for corrosion resistance purposes, the second beam 110A and the laser add a corrosion resistant overlay 903, such as a cladding layer, over the top of the joint 901. Can be used to

본 발명의 다양한 이점들로 인해, 용접 작업을 통해 비유사한 금속들을 쉽게 접합하는 것도 또한 가능하다. 비유사한 금속들 및 필러 물질에 대해 요구되는 화학적 성질들은 크래킹(cracking) 및 열등한 용접부들을 초래할 수 있기 때문에, 아크 용접 공정을 이용하여 비유사한 금속들을 접합하는 것은 어렵다. 이는 매우 상이한 용융 온도들을 갖는, 알루미늄과 강철을 서로 아크 용접하려고 시도하는 경우, 또는 스테인리스강들을 연강에 용접하려고 시도하는 경우에도, 그들의 상이한 화학적 성질들 때문에, 특히 그대로 해당된다. 그러나, 본 발명의 실시예들을 이용하면, 그러한 문제들은 경감된다.Due to the various advantages of the present invention, it is also possible to easily bond dissimilar metals through a welding operation. It is difficult to bond dissimilar metals using an arc welding process, as the required chemical properties for dissimilar metals and filler materials can lead to cracking and inferior welds. This is especially true when they attempt to arc weld aluminum and steel to each other, with very different melting temperatures, or even to weld stainless steels to mild steel, because of their different chemical properties. However, with the embodiments of the present invention, such problems are alleviated.

도 10은 본 발명의 예시적 실시예를 도시한다. V-형 접합부가 도시되어 있지만, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 도 10에서, 두 개의 비유사한 금속들이 용접 접합부(1000)에서 접합되고 있는 것으로 도시되어 있다. 이 예에서, 상기 두 개의 비유사한 금속들은 알루미늄 및 강철이다. 이 예시적 실시예에서, 두 개의 상이한 레이저 소스들(1010 및 1020)이 이용된다. 그러나, 단일 장치가 상기 두 개의 상이한 물질들을 용융시키기 위해 필요한 에너지를 공급하도록 진동될 수 있으므로 - 이는 하기에서 더 논의될 것이다 -, 두 개의 레이저 장치들은 모든 실시예들에서 요구되지 않는다. 레이저(1010)는 상기 강철 작업물에 겨냥되는 상기 빔(1011)을 방출하고, 상기 레이저(1020)는 상기 알루미늄 작업물에 상기 빔(1021)을 방출한다. 상기 각각의 작업물들은 상이한 금속들 또는 합금들로 만들어지기 때문에, 그들은 상이한 용융 온도를 가진다. 이와 같이, 상기 각각의 레이저 빔들(1011/1021)은 상기 용접 퍼들들(1012 및 1022)에서 상이한 에너지 밀도를 가진다. 상이한 에너지 밀도로 인해, 각각의 용접 퍼들들(1012 및 1022)는 적절한 크기 및 깊이로 유지될 수 있다. 이는 또한 더 낮은 용융 온도를 갖는 작업물 - 예를 들면, 알루미늄 - 에서 과도한 침투 및 열 입력을 방지한다. 일부 실시예들에서, 적어도 상기 용접 접합부로 인해, (도 10에 나타낸 바와 같이) 두 개의 별도의, 개별적인 용접 퍼들들을 가질 필요가 없고, 오히려 두 작업물들과 함께 단일의 용접 퍼들이 형성될 수 있으며, 여기서 상기 각각의 작업물들의 상기 용융되는 부분들은 단일의 용접 퍼들을 형성한다. 또한, 상기 작업물들이 상이한 화학적 성질들을 갖지만 유사한 용융 온도들을 갖는 경우, 두 작업물들을 동시에 조사하기 위해 단일 빔을 이용하는 것이 가능하며, 하나의 작업물은 다른 작업물보다 더 많이 용융될 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 상기에서 간략히 설명한 바와 같이, 두 작업물들을 조사하기 위해 (레이저 장치(120)와 같은) 단일 에너지 소스를 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 레이저 장치(120)는 상기 제 1 작업물을 용융시키기 위해 제 1 빔 형태 및/또는 에너지 밀도를 사용하고 다음에 제 2 작업물을 용융시키기 위해 제 2 빔 형태 및/또는 에너지 밀도로 진동/변경될 수 있을 것이다. 상기 빔 특성의 진동 및 변경은, 상기 용접 공정 동안 상기 용접 퍼들(들)이 안정적이고 일관되게 유지되도록 두 작업물들의 적절한 용융이 유지되는 것을 보장하기 위해, 충분한 속도로 수행되어야 한다. 다른 단일 빔 실시예들은, 각 작업물의 충분한 용융을 보장하기 위해, 하나의 작업물로 다른 것보다 더 많은 열 입력을 제공하는 형태를 갖는 빔(110)을 이용할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 빔의 에너지 밀도는 상기 빔의 단면에 대해 균일할 수 있다. 예를 들면, 상기 빔(110)은 평행사변형 또는 삼각형 형태를 가질 수 있으며, 이에 따라, 상기 빔의 형태로 인해, 하나의 작업물로의 총 열 입력이 다른 것보다 더 적게 될 것이다. 대안적으로, 일부 실시예들은 그 단면에 있어서 불균일한 에너지 분포를 갖는 빔(110)을 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 빔(110)은 (그것이 두 작업물들에 충돌하도록) 직사각형 형태를 가질 수 있지만, 상기 빔의 제 1 영역은 제 1 에너지 밀도를 가지게 될 것이고 상기 빔(110)의 제 2 영역은 상기 제 1 영역과 상이한 제 2 에너지 밀도를 가지게 될 것이므로, 상기 각각의 영역들은 각각의 작업물들을 적절하게 용융시킬 수 있다. 일 예로서, 상기 빔(110)은 강철 작업물을 용융시키기 위해 높은 에너지 밀도를 갖는 제 1 영역을 가질 수 있고, 반면에 제 2 영역은 알루미늄 작업물을 용융시키기 위해 보다 낮은 에너지 밀도를 가지게 될 것이다.10 shows an exemplary embodiment of the present invention. Although a V-shaped junction is shown, the invention is not limited in this regard. In FIG. 10, two dissimilar metals are shown being joined at the weld joint 1000. In this example, the two dissimilar metals are aluminum and steel. In this exemplary embodiment, two different laser sources 1010 and 1020 are used. However, since a single device can be vibrated to supply the energy needed to melt the two different materials-which will be discussed further below-two laser devices are not required in all embodiments. The laser 1010 emits the beam 1011 aimed at the steel workpiece, and the laser 1020 emits the beam 1021 to the aluminum workpiece. Since each of the above workpieces are made of different metals or alloys, they have different melting temperatures. As such, each of the laser beams 1011/1021 has a different energy density in the welding puddle 1012 and 1022. Due to the different energy densities, each of the welding puddle 1012 and 1022 can be maintained at an appropriate size and depth. It also prevents excessive penetration and heat input in workpieces with lower melting temperatures-for example, aluminum. In some embodiments, at least due to the weld joint, there is no need to have two separate, separate welding puddle (as shown in FIG. 10), rather a single welding puddle can be formed with the two workpieces, , Where the molten parts of the respective workpieces form a single welding puddle. It is also understood that if the workpieces have different chemical properties but have similar melting temperatures, it is possible to use a single beam to irradiate both workpieces simultaneously, and one workpiece will melt more than the other. Will be able to. It is also possible to use a single energy source (such as laser device 120) to irradiate two workpieces, as briefly described above. For example, laser device 120 uses a first beam shape and / or energy density to melt the first workpiece and then a second beam shape and / or energy density to melt the second workpiece. It can be vibrated / changed. Vibration and alteration of the beam properties must be performed at a sufficient rate to ensure proper melting of the two workpieces is maintained so that the welding puddle (s) remain stable and consistent during the welding process. Other single beam embodiments may utilize a beam 110 in a form that provides more heat input than the other in one work piece to ensure sufficient melting of each work piece. In such embodiments, the energy density of the beam may be uniform with respect to the cross section of the beam. For example, the beam 110 may have a parallelogram or triangular shape, and accordingly, due to the shape of the beam, the total heat input to one work piece will be less than the other. Alternatively, some embodiments may use a beam 110 having a non-uniform energy distribution in its cross section. For example, the beam 110 may have a rectangular shape (so that it strikes two workpieces), but the first area of the beam will have a first energy density and the second area of the beam 110. Will have a second energy density that is different from the first region, so each of the regions can melt each work piece properly. As an example, the beam 110 may have a first region with a high energy density to melt the steel workpiece, while the second region will have a lower energy density to melt the aluminum workpiece. will be.

도 10에, 두 개의 필러 와이어들(1030 및 1030A)이 도시되어 있고, 각각 용접 퍼들(1012 및 1022)로 겨냥된다. 도 10에 나타낸 실시예는 두 개의 필러 와이어들을 이용하고 있지만, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 다른 실시예들과 관련하여 상기에서 논의한 바와 같이, 원하는 비드 형태 및 퇴적 속도와 같은, 원하는 용접 파라미터들에 따라, 오직 하나의 필러 와이어가 사용될 수 있거나 또는 두 개를 초과하는 와이어들이 사용될 수 있음을 생각할 수 있다. 단일 와이어가 사용되는 경우, 그것은 (상기 두 작업물들의 용융된 부분들로부터 형성되는) 공통 퍼들로 향해질 수 있거나, 또는 상기 와이어는 상기 용접 접합부로의 통합을 위해 용융된 부분들 중 오직 하나로만 향해질 수 있다. 따라서, 예를 들면, 도 10에 나타낸 실시예에서, 와이어는 상기 용접 접합부의 형성을 위해 차후 상기 용융된 부분(1012)과 결합될 상기 용융된 부분(1022)으로 향해질 수 있다. 물론, 단일 와이어가 사용되는 경우, 상기 와이어는 상기 와이어가 그것이 침지되는 상기 부분(1022/1012)에서 용융될 수 있도록 하는 온도로 가열되어야 한다.In Fig. 10, two filler wires 1030 and 1030A are shown and aimed at welding puddle 1012 and 1022, respectively. Although the embodiment shown in FIG. 10 uses two filler wires, the present invention is not limited in this regard. As discussed above in relation to other embodiments, depending on the desired welding parameters, such as desired bead shape and deposition rate, only one filler wire can be used or more than two wires can be used. Can think. If a single wire is used, it can be directed to a common puddle (formed from the molten parts of the two workpieces), or the wire is only one of the molten parts for integration into the weld joint. Can be directed. Thus, for example, in the embodiment shown in FIG. 10, wire can be directed to the molten portion 1022 to be subsequently joined with the molten portion 1012 for formation of the weld joint. Of course, if a single wire is used, the wire must be heated to a temperature that allows the wire to melt in the portion 1022/1012 where it is immersed.

비유사한 금속들이 접합되고 있기 때문에, 상기 필러 와이어들의 화학적 성질은 상기 와이어들이 접합되는 상기 금속들과 충분히 접착될 수 있는 것을 보장하도록 선택되어야 한다. 나아가, 상기 필러 와이어(들)의 조성은 그것이, 그것이 용융되고 상기 더 낮은 온도의 용접 퍼들에서 소모될 수 있도록 하는, 적합한 용융 온도를 가지도록 선택되어야 한다. 사실상, 다수의 필러 와이어들의 화학적 성질은 적절한 용접 화학적 성질을 달성하도록 서로 다를 수 있다는 것이 고려된다. 이는 특히 상기 두 개의 상이한 작업물들이, 상기 물질들 간에 최소한의 혼합(admixture)이 발생하게 될, 물질 조성들을 가지는 경우이다. 도 10에서, 상기 더 낮은 온도의 용접 퍼들은 알루미늄 용접 퍼들(1012)이고, 이와 같이 상기 필러 와이어(들)(1030(a))은 유사한 온도에서 용융되도록 만들어지며, 이에 따라 그들은 상기 퍼들(1012)에서 쉽게 소모될 수 있다. 상기 예에서, 알루미늄 및 강철 작업물들을 이용하여, 상기 필러 와이어들은, 상기 작업물의 용융 온도와 유사한 용융 온도를 갖는, 규소 청동(silicon bronze), 니켈 알류미늄 청동(nickel aluminum bronze) 또는 알루미늄 청동(aluminum bronze) 기반의 와이어일 수 있다. 물론, 상기 필러 와이어 조성들은 원하는 기계적 및 용접 성능 특성들에 부합하도록 선택되어야 하지만, 이와 동시에 용접될 상기 작업물들 중 적어도 하나의 용융 특성과 유사한 용융 특성을 제공해야 한다는 것을 고려할 수 있다.Since dissimilar metals are being bonded, the chemical properties of the filler wires should be chosen to ensure that the wires can be sufficiently adhered to the metals to which they are being bonded. Furthermore, the composition of the filler wire (s) should be selected to have a suitable melting temperature, which allows it to melt and be consumed in the lower temperature welding puddle. In fact, it is contemplated that the chemical properties of multiple filler wires may be different to achieve proper welding chemical properties. This is especially the case when the two different workpieces have material compositions, with minimal admixture between the materials. In FIG. 10, the lower temperature welding puddle is an aluminum welding puddle 1012, such that the filler wire (s) 1030 (a) are made to melt at a similar temperature, thus they are ) Can be easily consumed. In the above example, using aluminum and steel workpieces, the filler wires have a melting temperature similar to the melting temperature of the workpiece, silicon bronze, nickel aluminum bronze, or aluminum bronze. bronze) -based wire. Of course, the filler wire compositions should be selected to match the desired mechanical and welding performance properties, but it is contemplated that at the same time it should provide melting properties similar to the melting properties of at least one of the workpieces to be welded.

도 11a 내지 도 11c는 사용될 수 있는 상기 팁(160)의 다양한 실시예들을 도시한다. 도 11a는 보통의 아크 용접 접촉팁과 구성에 있어서 매우 유사한 팁(160)을 도시하고 있다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 핫 와이어 용접 동안, 가열 전류는 상기 전원 공급 장치(170)로부터 상기 접촉팁(160)으로 향해지고, 상기 팁(160)으로부터 상기 와이어(140) 내로 통과된다. 상기 전류는 그 다음에 상기 와이어를 통해 상기 작업물로, 상기 와이어(140)의 접촉을 통해 상기 작업물(W)로 향해진다. 이 전류의 흐름은, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 상기 와이어(140)를 가열한다. 물론, 상기 전원 공급 장치(170)는 도시한 바와 같이 상기 접촉팁에 직접 결합되지 않을 수 있지만 상기 전류를 상기 팁(160)으로 향하게 하는 와이어 공급기(150)와 결합될 수 있다. 도 11b는 본 발명의 다른 실시예를 보여주며, 여기서 상기 팁(160)은 두 개의 구성요소들(160 및 160')로 구성되며, 이에 따라 상기 전원 공급 장치(170)의 음극 단자는 상기 제 2 구성요소(160')에 결합된다. 그러한 실시예에서, 상기 가열 전류는 상기 제 1 팁 구성요소(160)에서 상기 와이어(140)로 그 다음에 상기 제 2 팁 구성요소(160')로 흐른다. 상기 구성요소들(160 및 160') 사이에서 상기 와이어(140)를 통한 상기 전류의 흐름은, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 상기 와이어가 가열되도록 한다. 도 11c는 상기 팁(160)이, 상기 팁(160) 및 상기 와이어(140)가 유도 가열(induction heating)을 통해 가열되도록 하는, 유도 코일(1110)을 포함하는 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 그러한 실시예에서, 상기 유도 코일(1110)은 상기 접촉팁(160)과 통합하여 만들어질 수 있거나 또는 상기 팁(160)의 표면 둘레에 권취될 수 있다. 물론, 상기 와이어가 상기 용접 작업에 대해 원하는 온도를 성취할 수 있도록 상기 팁이 상기 와이어(140)에 필요한 가열 전류/전력을 전달하는 한, 다른 구성들이 상기 팁(160)에 이용될 수 있다.11A-11C show various embodiments of the tip 160 that can be used. 11A shows a tip 160 that is very similar in construction to an ordinary arc welding contact tip. During hot wire welding as described herein, heating current is directed from the power supply 170 to the contact tip 160 and passed from the tip 160 into the wire 140. The current is then directed to the workpiece through the wire and to the workpiece W through contact of the wire 140. This current flow, as described herein, heats the wire 140. Of course, the power supply 170 may not be directly coupled to the contact tip, as shown, but may be coupled to a wire supply 150 that directs the current to the tip 160. 11B shows another embodiment of the present invention, wherein the tip 160 is composed of two components 160 and 160 ', whereby the negative terminal of the power supply 170 is the first It is coupled to two components 160 '. In such an embodiment, the heating current flows from the first tip component 160 to the wire 140 and then to the second tip component 160 '. The flow of current through the wire 140 between the components 160 and 160 'allows the wire to be heated, as described herein. FIG. 11C shows another exemplary embodiment including an induction coil 1110, such that the tip 160 allows the tip 160 and the wire 140 to be heated through induction heating. have. In such an embodiment, the induction coil 1110 can be made integral with the contact tip 160 or can be wound around the surface of the tip 160. Of course, other configurations may be used for the tip 160 so long as the tip delivers the required heating current / power to the wire 140 so that the wire can achieve the desired temperature for the welding operation.

본 발명의 예시적 실시예들의 작업이 설명될 것이다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 고강도 에너지 소스 및 상기 필러 와이어를 가열하는 전원 공급 장치 둘 모두를 사용한다. 이 공정의 각 측면은 차례로 논의될 것이다. 다음의 설명들 및 논의들은 앞서 논의된 오버레이 실시예들과 관련하여 앞서 제공된 논의들 중 어느 것을 대신하거나 대체하고자 하는 것이 아니라, 용접 또는 접합 응용들과 관련하여 그 논의들을 보충하고자 하는 것임을 주의해야 할 것이다. 앞서 오버레이 작업들에 관한 논의들이 또한 접합 및 용접의 목적으로 포함된다.The operation of exemplary embodiments of the present invention will be described. As noted above, embodiments of the invention use both a high intensity energy source and a power supply to heat the filler wire. Each aspect of this process will be discussed in turn. It should be noted that the following descriptions and discussions are not intended to replace or replace any of the discussions provided above in connection with the overlay embodiments discussed above, but to supplement those discussions in connection with welding or joining applications. will be. The previous discussions of overlay operations are also included for the purposes of bonding and welding.

접합/용접에 대한 예시적 실시예들은 도 1에 나타낸 것과 유사할 수 있다. 상기한 바와 같이, 가열 전류를 상기 필러 와이어(140)에 제공하는, 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 제공된다. 상기 전류는 (임의의 공지된 구성일 수 있는) 상기 접촉팁(160)으로부터 상기 와이어(140)로 그 다음에 상기 작업물 내로 지나간다. 이 저항 가열 전류는 상기 팁(160)과 상기 작업물 사이의 상기 와이어(140)가 사용되고 있는 상기 필러 와이어(140)의 용융 온도 또는 이에 가까운 온도에 도달하도록 한다. 물론, 상기 필러 와이어(140)의 상기 용융 온도는 상기 와이어(140)의 크기 및 화학적 성질에 따랄 달라질 것이다. 따라서, 용접 중 상기 필러 와이어의 원하는 온도는 상기 와이어(140)에 따라 달라질 것이다. 하기에서 더 논의될 바와 같이, 상기 필러 와이어에 대한 원하는 작업 온도는, 상기 원하는 와이어 온도가 용접 중에 유지되도록 상기 용접 시스템에 입력되는 데이터일 수 있다. 어떤 경우든, 상기 와이어의 온도는 상기 와이어가 상기 용접 작업 동안 상기 용접 퍼들 내로 소모되도록 해야 한다. 예시적 실시예들에서, 상기 필러 와이어(140)의 적어도 일부는 상기 와이어가 상기 용접 퍼들로 진입함에 따라 고형화된다. 예를 들면, 상기 필러 와이어의 적어도 30%가 상기 필러 와이어가 상기 용접 퍼들로 진입함에 따라 고형화된다.Exemplary embodiments for bonding / welding may be similar to those shown in FIG. 1. As described above, a hot wire power supply 170 is provided that provides heating current to the filler wire 140. The current passes from the contact tip 160 (which may be of any known configuration) to the wire 140 and then into the workpiece. This resistance heating current causes the wire 140 between the tip 160 and the workpiece to reach a melting temperature or a temperature close to that of the filler wire 140 being used. Of course, the melting temperature of the filler wire 140 will depend on the size and chemical properties of the wire 140. Therefore, the desired temperature of the filler wire during welding will depend on the wire 140. As will be discussed further below, the desired working temperature for the filler wire may be data input to the welding system such that the desired wire temperature is maintained during welding. In any case, the temperature of the wire should allow the wire to be consumed into the welding puddle during the welding operation. In exemplary embodiments, at least a portion of the filler wire 140 solidifies as the wire enters the welding puddle. For example, at least 30% of the filler wire solidifies as the filler wire enters the welding puddle.

본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)는 상기 필러 와이어의 적어도 일부를 그것의 용융 온도의 75% 이상의 온도로 유지시키는 전류를 공급한다. 예를 들면, 연강 필러 와이어(140)를 사용하는 경우, 상기 와이어가 상기 퍼들로 진입하기 전의 상기 와이어의 온도는 약 1,600℉일 수 있으며, 반면에 상기 와이어는 약 2,000℉의 용융 온도를 가진다. 물론, 각각의 용융 온도들 및 원하는 작업 온도들은 적어도 상기 필러 와이어의 합금, 조성, 직경 및 공급 속도에 따라 달라질 것이다. 다른 예시적 실시예에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 필러 와이어의 일부를 그것의 용융 온도의 90% 이상의 온도로 유지시킨다. 또 다른 예시적 실시예들에서, 상기 와이어의 부분들은 그것의 용융 온도의 95% 이상인 상기 와이어의 온도로 유지된다. 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140)는 상기 가열 전류가 상기 와이어(140) 및 상기 퍼들에 부여되는 지점에서부터 온도 구배(temperature gradient)를 가질 것이며, 여기서 상기 퍼들에서의 온도는 상기 가열 전류의 입력 지점에서의 온도보다 더 높다. 상기 와이어(140)이 효율적인 용융을 용이하게 하기 위해 상기 와이어가 상기 퍼들로 진입하는 지점 또는 그 근처에서 상기 와이어(140)의 가장 뜨거운 온도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 상기에서 언급한 온도 퍼센티지들은 상기 와이어들이 상기 퍼들로 진입하는 지점 또는 그 근처에서의 상기 와이어에 대해 측정되어야 한다. 상기 필러 와이어(140)를 그것의 용융 온도 또는 그에 가까운 온도로 유지함으로써, 상기 와이어(140)는 상기 열 소스/레이저(120)에 의해 생성되는 상기 용접 퍼들 내로 쉽게 용융 또는 소모된다. 즉, 상기 와이어(140)는, 상기 와이어(140)가 상기 퍼들과 접촉하는 경우에 상기 용접 퍼들을 현저히 급랭(quenching)시키는 결과를 초래하지 않는, 온도를 가진다. 상기 와이어(140)의 높은 온도로 인하여, 상기 와이어는 그것이 상기 용접 퍼들과 접촉하는 경우 빠르게 용융된다. 상기 와이어가 상기 용접 풀에서 바닥을 치지 않도록 - 상기 용접 풀의 미용융된 부분과 접촉하지 않도록, 와이어 온도를 갖는 것이 바람직하다. 그러한 접촉은 상기 용접부의 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.In an exemplary embodiment of the invention, the hot wire power supply 170 supplies a current that maintains at least a portion of the filler wire at a temperature above 75% of its melting temperature. For example, when using mild steel filler wire 140, the temperature of the wire before the wire enters the puddle may be about 1,600 ° F, while the wire has a melting temperature of about 2,000 ° F. Of course, the respective melting temperatures and desired working temperatures will depend at least on the alloy, composition, diameter and feed rate of the filler wire. In another exemplary embodiment, the power supply 170 maintains a portion of the filler wire at a temperature above 90% of its melting temperature. In still other exemplary embodiments, portions of the wire are maintained at a temperature of the wire that is at least 95% of its melting temperature. In exemplary embodiments, the wire 140 will have a temperature gradient from the point where the heating current is applied to the wire 140 and the puddle, where the temperature in the puddle is the heating current Is higher than the temperature at the input point of It is preferred that the wire 140 has the hottest temperature of the wire 140 at or near the point where the wire enters the puddle to facilitate efficient melting. Therefore, the temperature percentages mentioned above should be measured for the wire at or near the point where the wires enter the puddle. By maintaining the filler wire 140 at or near its melting temperature, the wire 140 is easily melted or consumed into the welding puddle generated by the heat source / laser 120. That is, the wire 140 has a temperature that does not result in significantly quenching the welding puddle when the wire 140 contacts the puddle. Due to the high temperature of the wire 140, the wire melts quickly when it contacts the welding puddle. It is desirable to have the wire temperature so that the wire does not hit the floor in the welding pool-so as not to contact the unmelted portion of the welding pool. Such contact can negatively affect the quality of the weld.

앞서 설명한 바와 같이, 일부 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140)의 완전한 용융은 상기 와이어(140)의 상기 퍼들 내로의 진입에 의해서만 용이하게 될 수 있다. 그러나, 다른 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140)는 상기 퍼들 및 상기 와이어(140)의 일부에 충돌하는 상기 레이저 빔(110)의 조합에 의해 완전히 용융될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예들에서, 상기 와이어(140)의 가열/용융은, 상기 빔(110)이 상기 와이어(140)의 가열에 기여하도록, 상기 레이저 빔(110)에 의해 도움을 받을 수 있다. 그러나, 많은 필러 와이어들(140)이 반사성일 수 있는 물질들로 만들어지기 때문에, 반사 레이저 유형이 사용되는 경우, 상기 와이어(140)는 그것의 표면 반사율(surface reflectivity)이 감소되어 상기 빔(110)이 상기 와이어(140)의 가열/용융에 기여할 수 있도록 하는 온도로 가열되어야 한다. 이 구성의 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140) 및 빔(110)은 상기 와이어(140)가 상기 퍼들로 진입하는 지점에서 교차한다.As previously described, in some exemplary embodiments, complete melting of the wire 140 may be facilitated only by entry of the wire 140 into the puddle. However, in other exemplary embodiments, the wire 140 may be completely melted by a combination of the puddle and the laser beam 110 impinging on a portion of the wire 140. In still other embodiments of the present invention, heating / melting of the wire 140 may be assisted by the laser beam 110 such that the beam 110 contributes to heating of the wire 140. have. However, since many filler wires 140 are made of materials that may be reflective, when a reflective laser type is used, the wire 140 is reduced in its surface reflectivity to reduce the beam 110 ) Must be heated to a temperature that can contribute to the heating / melting of the wire 140. In example embodiments of this configuration, the wire 140 and beam 110 intersect at the point where the wire 140 enters the puddle.

또한 도 1과 관련하여 앞서 논의한 바와 같이, 상기 전원 공급 장치(170) 및 상기 제어기(195)는, 용접 중에 상기 와이어(140)가 상기 작업물과의 접촉을 유지하고 아크가 발생되지 않도록, 상기 와이어(140)로의 가열 전류를 제어한다. 아크 용접 기술과 반대로, 본 발명의 실시예들로 용정하는 경우 아크의 존재는 현저한 용접 결함들을 초래할 수 있다. 따라서, (상기에서 논의된 것들과 같은) 일부 실시예들에서, 상기 와이어(140)와 상기 용접 퍼들 간의 전압은, 상기 와이어가 상기 작업물/용접 퍼들과 쇼트되어 있거나 또는 접촉되어 있음을 표시하는, 0 볼트 또는 그 근처로 유지되어야 한다.In addition, as discussed above with respect to FIG. 1, the power supply 170 and the controller 195 are configured such that the wire 140 maintains contact with the workpiece during welding and does not arc. The heating current to the wire 140 is controlled. Contrary to arc welding technology, the presence of an arc can lead to significant welding defects when molten with embodiments of the present invention. Thus, in some embodiments (such as those discussed above), the voltage between the wire 140 and the welding puddle indicates that the wire is shorted or in contact with the workpiece / weld puddle. , Should remain at 0 volts or near it.

그러나, 본 발명의 다른 예시적 실시예들에서, 0 볼트를 초과하는 전압 레벨이 아크가 발생함이 없이 달성되도록 하는 그러한 레벨로 전류를 제공하는 것이 가능하다. 더 높은 전류값들을 사용함으로써, 상기 전극(140)을 전극의 용융 온도보다 높은 레벨 및 이에 가까운 온도로 유지하는 것이 가능하다. 이것은 용접 프로세스가 더 빠르게 진행되는 것을 가능케 한다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 전압을 모니터링하며, 상기 전압이 0 볼트를 초과하는 어떤 지점에서의 전압값에 도달 또는 근접함에 따라 상기 전원 공급 장치(170)는 아크가 발생하지 않는 것을 보장하기 위해 상기 와이어(140)로 전류를 흘려주는 것을 중지한다. 전압 문턱값 레벨은 통상적으로, 적어도 부분적으로, 사용되는 용접 전극(140)의 유형에 따라 달라질 것이다. 예를 들면, 본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 상기 한계 전압 레벨은 6 볼트 이하이다. 다른 예시적 실시P에서, 상기 문턱값 레벨은 9 볼트 이하이다. 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 문턱값 레벨은 14 볼트 이하이고, 추가적인 예시적 실시예에서, 상기 문턱값 레벨은 16 볼트 이하이다. 예를 들면, 연강 필러 와이어들을 이용하는 경우, 전압에 대한 상기 문턱값 레벨은 더 낮은 유형이 될 것이지만, 반면에 스테인리스강을 위한 필러 와이어들은 아크가 생성되기 전의 보다 높은 전압을 다룰 수 있다.However, in other exemplary embodiments of the present invention, it is possible to provide current at such a level that a voltage level exceeding 0 volts is achieved without arcing. By using higher current values, it is possible to maintain the electrode 140 at a level higher than or near the melting temperature of the electrode. This allows the welding process to proceed faster. In exemplary embodiments of the present invention, the power supply 170 monitors the voltage and the power supply 170 as the voltage reaches or approaches a voltage value at any point exceeding 0 volts. ) Stops flowing current through the wire 140 to ensure that no arc occurs. The voltage threshold level will typically, at least in part, depend on the type of welding electrode 140 used. For example, in some exemplary embodiments of the invention, the threshold voltage level is 6 volts or less. In another exemplary embodiment P, the threshold level is 9 volts or less. In another exemplary embodiment, the threshold level is 14 volts or less, and in a further exemplary embodiment, the threshold level is 16 volts or less. For example, when using mild steel filler wires, the threshold level for voltage will be of a lower type, while filler wires for stainless steel can handle higher voltages before arcing is generated.

또 다른 예시적 실시예들에서, 상기와 같이, 전압 레벨을 문턱값 미만으로 유지하는 대신에, 상기 전압은 작업 범위로 유지된다. 그러한 실시예에서, 상기 필러 와이어를 그것의 용융 온도 또는 그 근처로 유지하기에 충분히 높은 전류이지만, 용접 아크가 생성되지 않도록 하는 전압 레벨 미만이 되도록 보장하는, 최소량을 초과하도록 상기 전압을 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 전압은 1 볼트 내지 16 볼트 범위로 유지될 수 있다. 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 전압은 6 볼트 내지 9 볼트 범위로 유지된다. 다른 예에서, 상기 전압은 12 볼트와 16 볼트 사이에서 유지될 수 있다. 물론, 원하는 작업 범위는 상기 용접 작업에 사용되는 상기 필러 와이어(140)에 의해 영향받을 수 있으며, 이에 따라 용접 작업에 사용되는 범위(또는 문턱값)가, 적어도 부분적으로, 상기 사용되는 필러 와이어 또는 상기 사용되는 필러 와이어의 특성에 기반하여, 선택된다. 그러한 범위를 이용함에 있어, 상기 범위의 하단은 상기 필러 와이어가 상기 용접 퍼들에서 충분히 소모될 수 있는 전압으로 설정되고 상기 범위의 상한은 아크의 생성이 방지되도록 하는 전압으로 설정된다.In still other exemplary embodiments, as above, instead of keeping the voltage level below a threshold, the voltage is maintained in the working range. In such an embodiment, maintaining the voltage above a minimum amount is sufficient to keep the filler wire at or near its melting temperature, but below a voltage level that prevents a welding arc from being created. desirable. For example, the voltage can be maintained in the range of 1 volt to 16 volts. In another exemplary embodiment, the voltage is maintained in the range of 6 volts to 9 volts. In another example, the voltage can be maintained between 12 volts and 16 volts. Of course, the desired working range may be influenced by the filler wire 140 used in the welding operation, and accordingly, the range (or threshold) used in the welding operation is, at least in part, the used filler wire or Based on the properties of the filler wire used above, it is selected. In using such a range, the lower end of the range is set to a voltage at which the filler wire can be sufficiently consumed in the welding puddle, and the upper limit of the range is set to a voltage that prevents arc generation.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 전압이 원하는 문턱값을 초과함에 따라, 상기 가열 전류는, 아크가 생성되지 않도록, 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 차단된다. 본 발명의 이 측면은 하기에서 더 논의될 것이다.As described above, as the voltage exceeds a desired threshold, the heating current is cut off by the power supply 170 so that no arc is generated. This aspect of the invention will be discussed further below.

상기에서 설명한 많은 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는, 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 전압을 모니터링하고 유지하기 위해 이용되는 회로를 포함한다. 그러한 유형의 회로의 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 자들에게 알려져 있다. 그러나, 전통적으로 그러한 회로는 아크 용접에 대해 전압을 어떤 문턱값을 초과하도록 유지하는데 이용되어 왔다.In many of the embodiments described above, the power supply 170 includes circuitry used to monitor and maintain the voltage, as described above. The construction of such a type of circuit is known to those skilled in the art to which this invention pertains. However, such circuits have traditionally been used for arc welding to keep the voltage above a certain threshold.

또 다른 예시적 실시예들에서, 상기 가열 전류는 또는 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 모니터링 및/또는 조절될 수 있다. 이는 전압, 전력, 또는 대안으로서 전압/암페어 특성의 어떤 레벨을 모니터링하는 것에 부가하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 전류는 원하는 레벨 또는 상기 와이어(140)가 적절한 온도에서 유지되도록 보장하는 레벨들 - 상기 용접 퍼들에서의 적절한 소모를 위한, 그러나 아직도 아크 발생 전류 레벨 미만인 - 로 유지될 수 있다. 예를 들면, 그러한 실시예에서, 상기 전압 및/또는 상기 전류는 어는 하나 또는 둘 모두가 특정 범위 내 또는 원하는 문턱값 미만이 되는 것을 보장하기 위해 모니터링된다. 상기 전원 공급 장치는 그 다음에 아크가 생성되지 않지만 원하는 작업 파라미터들이 유지되는 것을 보장하기 위해 공급되는 전류를 조절한다.In still other exemplary embodiments, the heating current can also be monitored and / or regulated by the power supply 170. This can be done in addition to monitoring any level of voltage, power, or alternatively voltage / ampere characteristics. That is, the current can be maintained at a desired level or levels that ensure the wire 140 is maintained at an appropriate temperature-for proper consumption in the welding puddle, but still below the arcing current level. For example, in such an embodiment, the voltage and / or the current are monitored to ensure that either or both are within a certain range or below a desired threshold. The power supply then regulates the current supplied to ensure that no arc is generated but desired working parameters are maintained.

본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 가열 전력(V×I)도 또한 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 모니터링되고 조절될 수 있다. 구체적으로, 그러한 실시예들에서, 상기 가열 전력에 대한 전압 및 전류는 원하는 레벨 또는 원하는 범위로 유지되도록 모니터링된다. 따라서, 상기 전원 공급 장치는 상기 와이어에 대한 전압 또는 전류를 조절할 뿐만 아니라, 상기 전류 및 상기 전압 둘 모두를 조절할 수 있다. 그러한 실시예는 상기 용접 장치에 대한 향상된 제어를 제공할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 와이어에 대한 가열 전력은 상위 문턱값 또는 상기 전력이 상기 문턱값 레벨 미만으로 또는 원하는 범위 내로 유지되도록 하는 최적 작업 범위(상기 전압에 관하여 상기에서 논의한 바와 유사함)로 설정될 수 있다. 다시 말하면, 상기 문턱값 또는 범위 설정들은 상기 필러 와이어의 특성 및 수행되는 용접에 기반할 것이며, 적어도 부분적으로, 선택되는 상기 필러 와이어에 기반할 수 있다. 예를 들면, 직경이 0.045"인 연강 전극에 대한 최적 전력 설정은 1950 와트 내지 2,050 와트 범위라고 결정할 수 있다. 상기 전원 공급 장치는 상기 전력이 이 작업 범위에 남아 있도록 상기 전압 및 전류를 조절할 것이다. 유사하게, 상기 전력 문턱값이 2,000 와트로 설정되는 경우, 상기 전원 공급 장치는 상기 전력 레벨이 이 문턱값을 초과하지 않지만 이 문턱값에 가깝게 되도록 상기 전압 및 전류를 조절할 것이다.In another exemplary embodiment of the invention, the heating power (V × I) can also be monitored and regulated by the power supply 170. Specifically, in such embodiments, the voltage and current for the heating power are monitored to be maintained at a desired level or desired range. Thus, the power supply can adjust not only the voltage or current for the wire, but also both the current and the voltage. Such an embodiment can provide improved control over the welding device. In such embodiments, the heating power for the wire is set to an upper threshold or an optimal working range (similar to that discussed above with respect to the voltage) to ensure that the power remains below the threshold level or within a desired range. Can be. In other words, the threshold or range settings will be based on the characteristics of the filler wire and the welding performed, and at least in part, on the selected filler wire. For example, the optimum power setting for a mild steel electrode with a diameter of 0.045 "may be determined to range from 1950 watts to 2,050 watts. The power supply will adjust the voltage and current so that the power remains within this working range. Similarly, when the power threshold is set to 2,000 watts, the power supply will adjust the voltage and current so that the power level does not exceed this threshold but is close to this threshold.

본 발명의 또 다른 예시적 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 가열 전압의 변화율(dv/dt), 전류의 변화율(di/dt), 및 전력의 변화율(dp/dt)을 모니터링하는 회로들을 포함한다. 그러한 회로들은 종종 예측 회로들(premonition circuits)로 불리며, 그들의 일반적인 구성은 알려져 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 전압, 전류 및/또는 전력의 변화율은, 상기 변화율이 어떤 문턱값을 초과하는 경우 상기 와이어(140)에 대한 가열 전류가 꺼지도록, 모니터링된다.In another exemplary embodiment of the present invention, the power supply 170 monitors the rate of change of the heating voltage (dv / dt), the rate of change of the current (di / dt), and the rate of change of the power (dp / dt). Circuits. Such circuits are often called prediction circuits, and their general construction is known. In such embodiments, the rate of change of the voltage, current and / or power is monitored such that the heating current to the wire 140 is turned off when the rate of change exceeds a certain threshold.

본 발명의 예시적 실시예에서, 저항의 변화(dr/dt)도 또한 모니터링된다. 그러한 실시예에서, 상기 접촉팁과 상기 퍼들 사이의 상기 와이어의 저항이 모니터링된다. 용접 중에, 상기 와이어가 가열됨에 따라, 그것은 넥다운(neck down)되기 시작하여 아크를 형성하는 경향이 있으며, 이 동안 상기 와이어의 저항은 지수적으로 증가한다. 이 증가가 검출되는 경우, 상기 전원 공급 장치의 출력은 아크가 생성되지 않도록 보장하기 위해, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 꺼진다. 실시예들은, 상기 와이어의 저항이 원하는 레벨로 유지되는 것을 보장하기 위해, 상기 전압, 전류, 또는 둘 모두를 조절한다.In an exemplary embodiment of the invention, the change in resistance (dr / dt) is also monitored. In such an embodiment, the resistance of the wire between the contact tip and the puddle is monitored. During welding, as the wire heats up, it begins to neck down and tends to form an arc, during which the resistance of the wire increases exponentially. When this increase is detected, the output of the power supply is turned off, as described herein, to ensure that no arc is generated. Embodiments regulate the voltage, current, or both, to ensure that the resistance of the wire is maintained at the desired level.

본 발명의 또 다른 예시적 실시예들에서, 상기 문턱값 레벨이 검출되는 경우 상기 가열 전류를 차단하는 대신, 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 가열 전류를 아크 비발생 레벨로 감소시킬 수 있다. 그러한 레벨은 상기 와이어가 상기 용접 퍼들로부터 분리되는 경우 아크가 발생하지 않을 백그라운드 전류 레벨일 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 예시적 실시예는 50 암페어의 아크 비발생 전류 레벨을 가질 수 있으며, 여기서 일단 아크 발생이 검출 또는 예측되거나, 또는 (상기에서 논의된) 상위 문턱값에 도달하는 경우, 상기 전원 공급 장치(170)는, 미리 결정된 양의 시간(예를 들면, 1 ms 내지 10 ms) 동안 또는 상기 검출된 전압, 전류, 전력, 및/또는 저항이 상기 상위 문턱값 미만으로 떨어질 때까지, 상기 가열 전류를 그것의 작업 레벨에서 상기 아크 비발생 레벨로 떨어뜨린다. 이 아크 비발생 문턱값은 전압 레벨, 전류 레벨, 저항 레벨, 및/또는 전력 레벨일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 아크 발생 이벤트 동안 - 비록 낮은 레벨에서이긴 하지만 - 전류 출력을 유지함으로써, 그것은 상기 가열 전류 작업 레벨로 보다 빨리 회복되게 할 수 있다. In still other exemplary embodiments of the present invention, instead of blocking the heating current when the threshold level is detected, the power supply 170 may reduce the heating current to an arc non-occurring level. Such a level may be a background current level at which no arc will occur if the wire is separated from the welding puddle. For example, an exemplary embodiment of the present invention can have an arc non-occurring current level of 50 amperes, where once the arc occurrence is detected or predicted, or reaches the upper threshold (discussed above), The power supply 170 is for a predetermined amount of time (eg, 1 ms to 10 ms) or until the detected voltage, current, power, and / or resistance falls below the upper threshold. , Drop the heating current from its working level to the arc-free level. The arc non-occurrence threshold can be a voltage level, a current level, a resistance level, and / or a power level. In such embodiments, by maintaining a current output during an arcing event-albeit at a low level-it can cause it to return to the heating current working level faster.

본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 상기 전원 공급 장치(170)의 출력은 용접 작업 동안 실질적으로 아크가 생성되지 않도록 제어된다. 일부 예시적 용접 작업들에서, 상기 전원 공급 장치상기 필러 와이어(140)와 상기 퍼들 사이에서 실질적으로 아크가 생성되지 않도록 제어될 수 있다. 상기 필러 와이어(140)의 말단부와 상기 용접 퍼들 사이의 물리접 갭 사이에서 아크가 생성된다고 일반적으로 알려져 있다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예들은 상기 필러 와이어(140)가 상기 퍼들과 접촉을 유지함으로써 이 아크가 생성되는 것을 방지한다. 그러나, 일부 예시적 실시예들에서, 실질적이지 않은 아크의 존재는 상기 접합부의 품질을 악화시키지 않을 것이다. 즉, 일부 예시적 용접 작업들에서, 단시간의 실질적인지 않은 아크의 생성은 상기 용접부 품질을 악화시킬 열 입력 수준을 초래하지 않을 것이다. 그러한 실시예들에서, 상기 용접 시스템 및 전원 공급 장치는 아크를 완전히 방지하는 것과 관련하여 본 명세서에서 설명한 바와 같이 제어되고 작동되지만, 상기 전원 공급 장치(170)는 아크가 생성될 정도까지 상기 아크가 실질적이지 않도록 제어된다. 일부 예시적 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 생성된 아크가 10 ms 미만의 지속시간을 갖도록 작동된다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 아크는 1 ms 미만의 지속시간을 가지며, 다른 예시적 실시예들에서, 상기 아크는 300 ㎲ 미만의 지속시간을 가진다. 그러한 실시예들에서, 상기 아크가 상기 용접부로 실질적인 열 입력을 부여하거나 또는 현저한 스패터 또는 기공을 유발하지 않기 때문에, 그러한 아크들의 존재는 상기 용접부 품질을 악화시키지 않는다. 따라서, 그러한 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 아크가 생성될 정도까지 그것이 지속시간에 있어서 실질적이지 않은 상태로 유지되어 상기 용접부 품질이 악화되지 않도록 제어된다. 다른 실시예들과 관련하여 본 명세서에서 논의된 바와 동일한 제어 논리 및 구성요소들이 이들 예시적 실시예들에서 이용될 수 있다. 그러나, 상기 상위 문턱값에 대해, 상기 전원 공급 장치(170)는, 미리 결정된 또는 예측된 아크 생성 지점 미만의 (전류, 전력, 전압, 저항의) 문턱값 지점 대신에, 아크의 생성의 검출을 이용할 수 있다. 그러한 실시예는 상기 용접 작업이 그것의 한계들에 가깝게 운용될 수 있도록 할 수 있다.In another exemplary embodiment of the present invention, the output of the power supply 170 is controlled such that substantially no arc is generated during the welding operation. In some example welding operations, the power supply may be controlled such that substantially no arc is generated between the filler wire 140 and the puddle. It is generally known that an arc is created between the distal end of the filler wire 140 and the physical contact gap between the weld puddle. As noted above, exemplary embodiments of the present invention prevent this arc from being created by the filler wire 140 maintaining contact with the puddle. However, in some exemplary embodiments, the presence of a substantive arc will not deteriorate the quality of the joint. That is, in some example welding operations, the creation of a short, non-substantial arc will not result in a level of heat input that will degrade the weld quality. In such embodiments, the welding system and power supply are controlled and operated as described herein in connection with completely preventing arcing, but the power supply 170 is capable of generating the arc to the extent that the arc is generated. It is controlled not to be practical. In some example embodiments, the power supply 170 is operated such that the generated arc has a duration of less than 10 ms. In other exemplary embodiments, the arc has a duration of less than 1 ms, and in other exemplary embodiments, the arc has a duration of less than 300 ms. In such embodiments, the presence of such arcs does not degrade the weld quality because the arc does not impart substantial heat input to the weld or cause significant spatter or pores. Thus, in such embodiments, the power supply 170 is controlled such that it remains indefinite in duration to the extent that an arc is generated so that the quality of the weld does not deteriorate. The same control logic and components as discussed herein in relation to other embodiments can be used in these example embodiments. However, for the upper threshold, the power supply 170 detects the generation of an arc instead of a threshold point (of current, power, voltage, resistance) below a predetermined or predicted arc generation point. Can be used. Such an embodiment can allow the welding operation to operate close to its limits.

상기 필러 와이어(140)는 지속적으로 쇼트되어 있는 상태로(상기 용접 퍼들과 지속적으로 접촉되어 있는 상태로) 있는 것이 바람직하기 때문에, 상기 전류는 느린 속도로 감쇄하는 경향이 있다. 이는 상기 전원 공급 장치, 용접 케이블들 및 작업물에 존재하는 인덕턴스 때문이다. 일부 응용들에서, 상기 와이어의 전류가 고속으로 감소되도록 상기 전류는 보다 빠른 속도로 감쇄시킬 필요가 있을 수 있다. 일반적으로, 상기 전류가 더 빨리 감소될 수 있을수록, 상기 접합 방법에 대한 더 양호한 제어가 달성될 것이다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 전류에 대한 램프 다운(ramp down) 시간은, 도달되는 또는 초과되는 문턱값의 검출 이후에, 1 밀리초이다. 본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 상기 전류에 대한 상기 램프 다운 시간은 300 마이크로초 이하이다. 다른 예시적 실시예에서, 상기 램프 다운 시간은 300 마이크로초 내지 100 마이크로초 범위이다.Since the filler wire 140 is preferably in a continuously shorted state (in a state of being in constant contact with the welding puddle), the current tends to attenuate at a slow rate. This is due to the inductance present in the power supply, welding cables and work piece. In some applications, the current may need to be attenuated at a faster rate so that the current in the wire is reduced at high speed. In general, the faster the current can be reduced, the better control over the bonding method will be achieved. In an exemplary embodiment of the present invention, the ramp down time for the current is 1 millisecond after detection of an reached or exceeded threshold. In another exemplary embodiment of the present invention, the ramp down time for the current is 300 microseconds or less. In another exemplary embodiment, the ramp down time ranges from 300 microseconds to 100 microseconds.

예시적 실시예에서, 그러한 램프 다운 시간들을 달성하기 위해, 아크가 예측 또는 검출되는 경우 상기 램프 다운 시간을 감소시키는데 도움이 되는, 램프 다운 회로가 상기 전원 공급 장치(170)에 도입된다. 예를 들면, 아크가 검출 또는 아니면 예측되는 경우, 램프 다운 회로는 개방되며, 이는 상기 회로에 저항을 도입한다. 예를 들면, 상기 저항은 상기 전류의 흐름을 50 마이크로초 만에 50 암페어 미만으로 감소시키는 유형일 수 있다. 그러한 회로의 단순화된 예가 도 18에 나타나 있다. 상기 회로(1800)는 저항체(1801) 및 상기 전원 공급 장치가 작동되고 전류를 공급하고 있는 경우에 스위치(1803)가 닫히도록 상기 용접 회로 내에 배치되는 상기 스위치(1803)을 가진다. 그러나, 상기 전원 공급 장치가 (아크의 생성을 방지하기 위해 또는 아크가 검출될 때) 전력을 공급하는 것을 중지하는 경우, 상기 스위치는 개방되어 상기 저항체(1801)를 통해 유도 전류(induced current)를 강제한다. 상기 저항체(1801)는 상기 회로의 저항을 크게 증가시키고 빠른 속도로 상기 전류를 감소시킨다. 그러한 회로 유형은 용접 산업에 일반적으로 알려져 있으며, 표면 장력 이행 기술(surface-tension-transfer technology, STT)을 가지고 있는, 오하이오, 클리브랜드의 링컨 전기 회사(Lincoln Electric Company)에 의해 제조된 Power Wave® 용접 전원 공급 장치에서 찾아 볼 수 있다. STT 기술은 일반적으로, 그 전부가 참조로서 본 명세서에 포한되는, 미국 특허 제 4,866,247호, 제 5,148,001호, 제 6,051,810호 및 제 7,109,439호에 설명되어 있다. 물론, 이 특허들은 일반적으로 아크가 생성되고 유지되도록 보장하기 위해 개시된 회로를 이용하는 것을 논의한다 - 본 발명이 속하는 산업분야의 숙련된 자들이라면 아크가 생성되지 않도록 보장하기 위해 그러한 시스템을 쉽게 조정할 수 있다.In an exemplary embodiment, to achieve such ramp down times, a ramp down circuit is introduced into the power supply 170 that helps to reduce the ramp down time when an arc is predicted or detected. For example, if an arc is detected or otherwise predicted, the ramp down circuit is opened, which introduces resistance into the circuit. For example, the resistance may be of a type that reduces the flow of current to less than 50 amperes in 50 microseconds. A simplified example of such a circuit is shown in FIG. 18. The circuit 1800 has the resistor 1801 and the switch 1803 disposed in the welding circuit so that the switch 1803 closes when the power supply is operating and supplying current. However, when the power supply stops supplying power (to prevent the generation of arcs or when an arc is detected), the switch is opened to generate induced current through the resistor 1801. Force. The resistor 1801 greatly increases the resistance of the circuit and rapidly decreases the current. Such circuit types are commonly known in the welding industry, and Power Wave® welding manufactured by Lincoln Electric Company of Cleveland, Ohio, with surface-tension-transfer technology (STT). It can be found in the power supply. STT technology is generally described in U.S. Patent Nos. 4,866,247, 5,148,001, 6,051,810 and 7,109,439, all of which are incorporated herein by reference. Of course, these patents generally discuss using the disclosed circuitry to ensure that the arc is created and maintained-those skilled in the art to which the present invention pertains can easily adjust such a system to ensure that the arc is not generated. .

상기 논의는 예시적 용접 시스템이 도시되어 있는 도 12를 참조하여 더 이해될 수 있다.(상기 레이저 시스템은 명확성을 위해 도시되어 있지 않음에 주의해야 한다). 상기 시스템(1200)은 (도 1에서 170으로 도시된 것과 유사한 유형일 수 있는) 핫 와이어 전원 공급 장치(1210)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 상기 전원 공급 장치(1210)는, 인버터형(inverter-type) 전원 공급 장치와 같은, 공지된 용접 전원 공급 장치 구성일 수 있다. 그러한 전원 공급 장치들의 설계, 작동 및 구성은 공지되어 있으므로, 그것들은 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다. 상기 전원 공급 장치(1210)는 사용자가, 비한정적으로, 와이어 공급 속도, 와이어 유형, 와이어 직경, 원하는 전력 레벨, 원하는 와이어 온도, 전압 및/또는 전류 레벨을 포함하는, 데이터를 입력할 수 있도록 하는 사용자 입력 장치(user input, 1220)를 포함한다. 물론, 다른 입력 파라미터들이 필요에 따라 이용될 수 있다. 상기 사용자 입력 장치(1220)는, 상기 사용자 입력 데이터를 수신하고 상기 전력 모듈(1250)에 대해 필요한 작업 설정 지점들 또는 범위들을 생성하기 위해 이 정보를 이용하는, CPU/제어기(1230)에 결합된다. 상기 전력 모듈(1250)은, 인버터형 또는 트랜스포머형 모듈을 포함하여, 어떤 공지된 유형 또는 구성일 수 있다.The above discussion can be further understood with reference to FIG. 12 where an exemplary welding system is shown (note that the laser system is not shown for clarity). The system 1200 is shown as having a hot wire power supply 1210 (which may be of a type similar to that shown as 170 in FIG. 1). The power supply 1210 may be a known welding power supply configuration, such as an inverter-type power supply. The design, operation and configuration of such power supplies are well known, so they will not be discussed in detail herein. The power supply 1210 allows the user to input data, including, without limitation, wire supply speed, wire type, wire diameter, desired power level, desired wire temperature, voltage and / or current level. It includes a user input device (user input, 1220). Of course, other input parameters can be used as needed. The user input device 1220 is coupled to a CPU / controller 1230, which receives this user input data and uses this information to generate necessary job set points or ranges for the power module 1250. The power module 1250 may be of any known type or configuration, including inverter-type or transformer-type modules.

상기 CPU/제어기(1230)는, 룩업 테이블(lookup table)을 이용하는 것을 포함하여, 얼마든지 다양한 방식으로 상기 원하는 작업 파라미터들을 결정할 수 있다. 그러한 실시예에서, 상기 CPU/제어기(1230)는 상기 입력 데이터, 예를 들면, 와이어 공급 속도, 와이어 직경 및 와이어 유형을 이용하여, (적절히 상기 와이어(140)를 가열하기 위해) 출력에 대한 원하는 전류 레벨 및 문턱값 전압 또는 전력 레벨(또는 허용가능한 전압 또는 전력의 작업 범위)을 결정한다. 이는 상기 와이어(140)를 적절한 온도로 가열하기 위해 필요한 전류가 적어도 상기 입력 파라미터들에 기반할 것이기 때문이다. 즉, 알루미늄 와이어(140)는 연강 전극보다 낮은 용융 온도를 가질 수 있고, 따라서 상기 와이어(140)를 용융시키기 위해 더 적은 전류/전력을 필요로 한다. 또한, 더 작은 직경의 와이어(140)는 더 큰 직영의 전극보다 더 적은 전류/전력을 필요로 할 것이다. 또한, 상기 와이어 속도가 증가함에 따라(이에 따라 퇴적 속도가 증가함에 따라), 상기 와이어를 용융시키기 위해 필요한 전류/전력 레벨은 더 높아질 것이다.The CPU / controller 1230 can determine the desired job parameters in any number of ways, including using a lookup table. In such an embodiment, the CPU / controller 1230 uses the input data, e.g., wire feed rate, wire diameter, and wire type, to achieve the desired output for output (to properly heat the wire 140). Determine the current level and threshold voltage or power level (or acceptable voltage or working range of power). This is because the current required to heat the wire 140 to an appropriate temperature will be based at least on the input parameters. That is, the aluminum wire 140 may have a lower melting temperature than the mild steel electrode, and thus requires less current / power to melt the wire 140. Also, the smaller diameter wire 140 will require less current / power than the larger direct electrode. In addition, as the wire speed increases (and thus the deposition rate increases), the current / power level required to melt the wire will be higher.

유사하게, 상기 입력 데이터는 아크의 생성을 방지되도록 작업에 대한 전압/전력 문턱값들 및/또는 범위들(예를 들면, 전력, 전류, 및/또는 전압)을 결정하기 위해 상기 CPU/제어기(1230)에 의해 이용될 것이다. 예를 들면, 0.045 인치의 직경을 갖는 연강 전극은 6 볼트 내지 9 볼트의 전압 범위 설정을 가질 수 있으며, 여기서 상기 전력 모듈(1250)은 상기 전압을 6 볼트와 9 볼트 사이로 유지하도록 구동된다. 그러한 실시예에서, 상기 전류, 전압, 및/또는 전력은 - 상기 전류/전력이 상기 전극을 적절히 가열하기에 충분히 높도록 보장하는 - 6 볼트의 최소값을 유지하도록 구동되며, 아크가 생성되지 않도록 및 상기 와이어(140)의 용융 온도가 초과되지 않도록 보장하기 위해 상기 전압을 9 볼트 이하로 유지한다. 물론, 전압, 전류, 전력, 또는 저항 변화들과 같은, 다른 설정 지점 파라미터들이 또한 원하는 바대로 상기 CPU/제어기(1230)에 의해 설정될 수 있다.Similarly, the input data may be generated by the CPU / controller to determine voltage / power thresholds and / or ranges (e.g., power, current, and / or voltage) for the task to prevent arcing. 1230). For example, a mild steel electrode with a diameter of 0.045 inches can have a voltage range setting of 6 volts to 9 volts, where the power module 1250 is driven to maintain the voltage between 6 volts and 9 volts. In such an embodiment, the current, voltage, and / or power is driven to maintain a minimum value of 6 volts-ensuring that the current / power is high enough to properly heat the electrode, so that no arc is generated and The voltage is maintained at 9 volts or less to ensure that the melting temperature of the wire 140 is not exceeded. Of course, other setpoint parameters, such as voltage, current, power, or resistance changes, can also be set by the CPU / controller 1230 as desired.

도시한 바와 같이, 상기 전원 공급 장치(1210)의 양극 단자(1221)는 상기 핫 와이어 시스템의 상기 접촉팁(160)에 결합되고, 상기 전원 공급 장치의 음극 단자는 상기 작업물(W)에 결합된다. 따라서, 가열 전류는 상기 양극 단자(1221)를 통해 상기 와이어(140)로 공급되고 상기 음극 단자(1222)를 통해 복귀한다. 그러한 구성은 일반적으로 공지되어 있다.As shown, the positive terminal 1221 of the power supply 1210 is coupled to the contact tip 160 of the hot wire system, and the negative terminal of the power supply is coupled to the workpiece W do. Therefore, the heating current is supplied to the wire 140 through the positive terminal 1221 and returns through the negative terminal 1222. Such configurations are generally known.

물론, 다른 예시적 실시예에서, 상기 음극 단자(1222)는 또한 상기 팁(160)에 연결될 수도 있다. 저항 가열이 상기 와이어(140)를 가열하는데 이용될 수 있으므로, 상기 팁은 (도 11에 나타낸 바와 같이) 상기 음극 및 양극 단자들(1221/1222) 둘 모두가 상기 와이어(140)를 가열하기 위해 상기 접촉팁(140)에 결합될 수 있는 구성일 수 있다. 예를 들면, 상기 접촉팁(160)은 (도 11b에 나타낸 바와 같이) 이중 구성을 가질 수 있거나 또는 (도 11c에 나타낸 바와 같이) 유도 코일을 이용할 수 있다.Of course, in other exemplary embodiments, the negative terminal 1222 may also be connected to the tip 160. Since resistive heating can be used to heat the wire 140, the tip is used for both the cathode and anode terminals 1221/1222 (as shown in FIG. 11) to heat the wire 140. It may be a configuration that can be coupled to the contact tip 140. For example, the contact tip 160 may have a dual configuration (as shown in FIG. 11B) or use an induction coil (as shown in FIG. 11C).

피드백 감지 리드(feedback sense lead, 1223)가 또한 상기 전원 공급 장치(1210)에 결합된다. 이 피드백 감지 리드는 전압을 모니터링하고 상기 검출된 전압을 전압 검출 회로(1240)로 전달할 수 있다. 상기 전압 검출 회로(1240)는 검출된 전압 및/또는 검출된 전압 변화율을, 이에 따라 상기 모듈(1250)의 작동을 제어하는, 상기 CPU/제어기(1230)로 통신한다. 예를 들면, 상기 검출된 전압이 원하는 작업 범위 미만인 경우, 상기 CPU/제어기(1230)는, 상기 검출된 전압이 상기 원하는 작업 범위 내가 될 때까지, 상기 모듈(1250)이 그것의 출력(전류, 전압, 및/또는 전력)을 증가시키도록 지시한다. 유사하게, 상기 검출된 전압이 원하는 문턱값 이상인 경우, 상기 CPU/제어기(1230)는, 아크가 생성되지 않도록, 상기 모듈(1250)이 상기 팁(160)에 대한 전류의 흐름을 차단하도록 지시한다. 상기 전압이 상기 원하는 문턱값 미만으로 떨어지는 경우, 상기 CPU/제어기(1230)는 상기 용접 공정을 계속하기 위해 상기 모듈(1250)이 전류 또는 전압, 또는 둘 모두를 공급하도록 지시한다. 물론, 상기 CPU/제어기(1230)는 또한 상기 모듈(1250)이 원하는 전력 레벨을 유지 또는 공급하도록 지시할 수도 있다.A feedback sense lead 1223 is also coupled to the power supply 1210. The feedback sensing lead may monitor the voltage and transfer the detected voltage to the voltage detection circuit 1240. The voltage detection circuit 1240 communicates the detected voltage and / or the detected rate of voltage change to the CPU / controller 1230, thereby controlling the operation of the module 1250. For example, if the detected voltage is less than the desired working range, the CPU / controller 1230 will display the output of the module (1250) until the detected voltage is within the desired working range. Voltage, and / or power). Similarly, if the detected voltage is above a desired threshold, the CPU / controller 1230 instructs the module 1250 to block the flow of current to the tip 160 so that no arc is generated. . If the voltage falls below the desired threshold, the CPU / controller 1230 instructs the module 1250 to supply current or voltage, or both, to continue the welding process. Of course, the CPU / controller 1230 may also instruct the module 1250 to maintain or supply a desired power level.

상기 검출 회로(1240) 및 CPU/제어기(1230)는 도 1에 도시한 제어기(195)와 유사한 구성 및 작동을 가질 수 있음에 주의해야 할 것이다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 샘플링/검출율은 적어도 10 KHz이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 검출/샘플링율은 100 KHz 내지 200 KHz 범위이다.It should be noted that the detection circuit 1240 and the CPU / controller 1230 may have a similar configuration and operation to the controller 195 shown in FIG. 1. In exemplary embodiments of the present invention, the sampling / detection rate is at least 10 KHz. In other exemplary embodiments, the detection / sampling rate ranges from 100 KHz to 200 KHz.

도 13a 내지 도 13c은 본 발명의 실시예들에서 이용되는 예시적 전류 및 전압 파형들을 도시한 것이다. 이들 각각의 파형들은 차례로 논의될 것이다. 도 13a는 - 아크 검출 이벤트 후 - 상기 전원 공급 장치 출력이 다시 켜진 후 상기 필러 와이어(140)가 상기 용접 퍼들을 터치하는 실시예에 대한 전압 및 전류 파형들을 보여준다. 도시한 바와 같이, 상기 전원 공급 장치의 상기 출력 전압은 결정된 문턱값(9 볼트) 미만의 어떤 작업 레벨에 있었고 그 다음에 용접 중에 이 문턱값으로 증가된다. 상기 작업 레벨은 (앞서 논의된) 다양한 입력 파라미터들에 기반하여 결정된 레벨일 수 있으며 설정된 작업 전압, 전류, 및/또는 전력 레벨일 수 있다. 이 작업 레벨은 주어진 용접 작업에 대해 상기 전원 공급 장치(170)의 원하는 출력이며 상기 필러 와이어(140)에 원하는 가열 신호를 제공하게 된다. 용접 중에, 아크의 생성을 초래하는 이벤트가 발생할 수 있다. 도 13a에서, 상기 이벤트는 상기 전압의 증가를 유발하여, 그것이 지점(A)으로 증가되도록 한다. 지점(A)에서, 상기 전력 공급/제어 회로는 (아크 검출 지점 또는 단순히 미리 결정된 상위 문턱값일 수 있는, 아크 생성 지점 미만일 수 있는) 상기 9 볼트 문턱값에 도달하며 상기 전류 및 전압이 지점(B)에서의 감소된 레벨로 떨어지도록 하는 상기 전원 공급 장치의 출력을 끈다. 상기 전류 강하의 기울기는 상기 시스템 인덕턴스로부터 초래되는 전류를 급속히 감소시키는데 도움이 되는 (본 명세서에서 논의된 바와 같은) 램프 다운 회로를 포함함으로써 제어될 수 있다. 지점(B)에서의 상기 전류 또는 전압 레벨들은 미리 결정될 수 있거나 또는 이들은 미리 결정된 지속시간 후에 도달될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 전압(또는 전류 또는 전력)에 대한 상위 문턱값이 용접에 대해 설정될 뿐만 아니라, 하위 아크 비발생 레벨이 설정될 수 있다. 이 하위 레벨은, 상기 전원 공급 장치를 다시 켜는 것이 허용될만 하고 아크가 생성되지 않도록 아크가 생성되지 않을 수 있음이 보장되는, 하위의 전압, 전류, 또는 전력 레벨일 수 있다. 그러한 하위 레벨을 가지는 것은 상기 전원 공급 장치가 신속하게 다시 켜지고 아크가 생성되지 않음을 보장할 수 있도록 한다. 예를 들면, 용접에 대한 전원 공급 장치 설정 지점이, 11 볼트의 전압 문턱값과 함께, 2,000 와트로 설정될 수 있는 경우, 이 하위 전력 설정은 500 와트로 설정될 수 있다. 따라서, (실시예에 따라 전류 또는 전력 문턱값일 수도 있는) 상기 상위 전압 문턱값에 도달되는 경우, 상기 출력은 500 와트로 감소된다. (이 하위 문턱값은 또한 하위 전류 또는 전압 설정, 또는 둘 다일 수도 있다). 대안적으로, 하위 검출 한계를 설정하는 대신, 타이밍 회로(timing circuit)가 설정된 지속시간 후에 전류 공급을 시작하게 하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 그러한 지속시간은 500 ms 내지 1000 ms 범위일 수 있다. 도 13a에서, 지점(C)은 출력이 다시 상기 와이어(140)로 공급되는 시간을 나타낸다. 지점(B)과 지점(C) 사이에 나타낸 지연은 의도적인 지연의 결과일 수 있거나 또는 단순히 시스템 지연의 결과일 수 있다는 것에 주의해야 할 것이다. 지점(C)에서, 전류는 다시 상기 필러 와이어로 공급된다. 그러나, 상기 필러 와이어는 아직도 상기 용접 퍼들을 터치하지 못하고 있으므로, 상기 전압은 증가하는 반면에 상기 전류는 그렇지 않다. 지점(D)에서 상기 와이어는 상기 퍼들에 접촉하고, 상기 전압 및 전류는 원하는 작업 레벨들로 다시 정착한다. 도시한 바와 같이, 상기 전압은 D에서 접촉하기 이전에 상기 상위 문턱값을 초과할 수 있으며, 이는 상기 전원이 상기 작업 문턱값의 OCV 레벨보다 높은 OCV 레벨을 가지는 경우에 발생할 수 있다. 예를 들면, 이 더 높은 OCV 레벨은 전원 공급 장치의 설계 또는 제조의 결과로 상기 전원 공급 장치에서 설정된 상한(upper limit)일 수 있다.13A-13C illustrate exemplary current and voltage waveforms used in embodiments of the present invention. Each of these waveforms will be discussed in turn. FIG. 13A shows voltage and current waveforms for an embodiment in which the filler wire 140 touches the welding puddle after the arc detection event-the power supply output is turned back on. As shown, the output voltage of the power supply was at some working level below the determined threshold (9 volts) and then increased to this threshold during welding. The working level can be a level determined based on various input parameters (discussed above) and can be a set working voltage, current, and / or power level. This work level is the desired output of the power supply 170 for a given welding operation and will provide the desired heating signal to the filler wire 140. During welding, events may occur that result in the creation of arcs. In FIG. 13A, the event triggers an increase in the voltage, causing it to increase to point A. At point A, the power supply / control circuit reaches the 9 volt threshold (which may be below the arc generation point, which may be an arc detection point or simply a predetermined upper threshold) and the current and voltage are at point B Turn off the output of the power supply to drop to a reduced level at). The slope of the current drop can be controlled by including a ramp down circuit (as discussed herein) that helps to rapidly reduce the current resulting from the system inductance. The current or voltage levels at point B can be predetermined or they can be reached after a predetermined duration. For example, in some embodiments, not only the upper threshold for voltage (or current or power) is set for welding, but also the lower arc non-occurrence level can be set. This lower level can be a lower voltage, current, or power level, where it is permissible to turn the power supply back on and ensure that no arc can be generated so that no arc is generated. Having such a lower level makes it possible to ensure that the power supply is quickly turned back on and no arc is generated. For example, if the power supply set point for welding can be set to 2,000 watts, with a voltage threshold of 11 volts, this lower power setting can be set to 500 watts. Thus, when the upper voltage threshold (which may be a current or power threshold depending on the embodiment) is reached, the output is reduced to 500 watts. (This lower threshold may also be a lower current or voltage setting, or both). Alternatively, instead of setting a lower detection limit, a timing circuit can be used to start supplying current after a set duration. In exemplary embodiments of the invention, such duration may range from 500 ms to 1000 ms. In FIG. 13A, point C represents the time when the output is fed back to the wire 140. It should be noted that the delay shown between point B and point C may be the result of an intentional delay or simply the result of a system delay. At point C, current is fed back to the filler wire. However, since the filler wire still has not touched the welding puddle, the voltage increases while the current does not. At point D the wire contacts the puddle and the voltage and current settle back to the desired working levels. As illustrated, the voltage may exceed the upper threshold before contacting at D, which may occur when the power supply has an OCV level higher than the OCV level of the working threshold. For example, this higher OCV level may be an upper limit set in the power supply as a result of the design or manufacture of the power supply.

도 13b는, 상기 필러 와이어(140)가 상기 전원 공급 장치의 출력이 증가하는 경우에 상기 용접 퍼들에 접촉하고 있는 점을 제외하고, 상기에서 설명한 것과 유사하다. 그러한 상황에서, 상기 와이어는 결코 상기 용접 퍼들을 떠나지 않거나 또는 아니면 상기 와이어는 지점(C) 이전에 상기 용접 퍼들과 접촉되었다. 상기 와이어는 상기 출력이 다시 켜지는 경우에 상기 퍼들과 접촉하게 되므로, 도 13b는 지점들(C 및 D)을 함께 보여주고 있다. 따라서, 상기 전류 및 전압은 둘 모두 지점(E)에서 상기 원하는 작업 설정으로 증가한다.13B is similar to that described above, except that the filler wire 140 is in contact with the welding puddle when the output of the power supply increases. In such a situation, the wire never leaves the welding puddle or the wire has been in contact with the welding puddle prior to point C. Since the wire comes into contact with the puddle when the output is turned on again, FIG. 13B shows the points C and D together. Thus, both the current and voltage increase at point E to the desired working setting.

도 13c는 꺼지고 있는 출력(지점(A))과 다시 켜지고 있는 출력(지점(B)) 사이에 거의 또는 전혀 지연이 없는 실시예이며, 상기 와이어는 지점(B) 이전의 얼마 동안 상기 퍼들과 접촉한다. 상기 도시된 파형들은, 더 낮은 문턱값에 도달되는 경우에 - 그것의 전류, 전력, 또는 전압이든 상관없이 - 상기 출력이 거의 또는 전혀 지연 없이 다시 켜지도록 상기 더 낮은 문턱값이 설정되는, 상기에서 설명한 실시예들에 이용될 수 있다. 이 더 낮은 문턱값 설정은 본 명세서에서 설명하는 바와 같은 상기 작업 상위 문턱값들 또는 범위들과 동일한 또는 유사한 파라미터들을 이용하여 설정될 수 있다는 것에 주의해야 할 것이다. 예를 들면, 이 더 낮은 문턱값은, 본 명세서에서 설명하는, 와이어 조성, 직경, 공급 속도, 또는 다양한 기타 파라미터들에 기반하여 설정될 수 있다. 그러한 실시예는 용접에 대해 상기 원하는 작업 설정 지점들로 복귀함에 있어서의 지연을 최소화할 수 있고 상기 와이어에서 발생할 수 있는 어떠한 네킹(necking)도 최소화할 수 있다. 네킹의 최소화는 아크가 생성되는 기회를 최소화하는데 도움이 된다.Figure 13c is an embodiment with little or no delay between the output being turned off (point (A)) and the output being turned back on (point (B)), the wire being in contact with the puddle for some time before point (B) do. In the above shown waveforms, the lower threshold is set such that the output turns back on with little or no delay when the lower threshold is reached-whether it's current, power, or voltage. It can be used in the described embodiments. It should be noted that this lower threshold setting can be set using the same or similar parameters as the working upper thresholds or ranges as described herein. For example, this lower threshold can be set based on wire composition, diameter, feed rate, or various other parameters, as described herein. Such an embodiment can minimize the delay in returning to the desired job set points for welding and minimize any necking that may occur in the wire. Minimizing the necking helps minimize the chances of arcing.

도 14는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 도 14는 도 1에 나타낸 바와 같은 실시예와 유사한 실시예를 보여준다. 그러나, 어떤 구성요소들 및 연결들은 명확성을 위해 도시되어 있지 않다. 도 14는 열 센서(thermal sensor, 1410)가 상기 와이어(140)의 온도를 모니터링하는데 사용되는 시스템(1400)을 도시하고 있다. 상기 열 센서(1410)는 상기 와이어(140)의 온도를 검출할 수 있는 어떠한 공지의 유형일 수 있다. 상기 센서(1410)는 상기 와이어(140)와 접촉될 수 있거나 또는 상기 와이어의 온도를 검출하도록 상기 팁(160)에 결합될 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 센서(1410)는 상기 와이어(140)와 접촉하지 않고 - 필러 와이어의 직경과 같은 - 작은 대상의 온도를 측정할 수 있는 레이저 또는 적외선 빔을 이용하는 유형이다. 그러한 실시예에서, 상기 센서(1410)는 상기 와이어(140)의 온도가 상기 와이어(140) 중의 스틱(stick)에서 - 즉 상기 팁(160)의 말단과 상기 용접 퍼들 사이의 어떤 지점에서 - 검출될 수 있도록 위치된다. 상기 센서(1410)는 또한 상기 와이어(140)에 대한 상기 센서(1410) 상기 용접 퍼들 온도를 감지하지 않도록 위치된다.14 shows another exemplary embodiment of the present invention. 14 shows an embodiment similar to the embodiment as shown in FIG. 1. However, some components and connections are not shown for clarity. 14 shows a system 1400 in which a thermal sensor 1410 is used to monitor the temperature of the wire 140. The thermal sensor 1410 may be of any known type capable of detecting the temperature of the wire 140. The sensor 1410 may be in contact with the wire 140 or may be coupled to the tip 160 to detect the temperature of the wire. In another exemplary embodiment of the present invention, the sensor 1410 is a type that uses a laser or infrared beam capable of measuring the temperature of a small object-such as the diameter of a filler wire-without contacting the wire 140. to be. In such an embodiment, the sensor 1410 detects the temperature of the wire 140 at a stick in the wire 140-ie at some point between the tip of the tip 160 and the welding puddle. It is positioned to be. The sensor 1410 is also positioned not to sense the temperature of the sensor 1410 and the welding puddle for the wire 140.

상기 센서(1410)는, 온도 피드백 정보가 상기 전원 공급 장치(170) 및/또는 상기 레이저 전원 공급 장치(130)에 제공되어 상기 시스템(1400)의 제어가 최적화될 수 있도록, (도 1과 관련하여 논의된) 상기 감지 및 제어 유닛(195)에 결합된다. 예를 들면, 상기 전원 공급 장치(170)의 전력 또는 전류 출력은 적어도 상기 센서(1410)로부터의 피드백에 기반하여 조정될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서, 사용자는 (주어진 용접부 및/또는 와이어(140)에 대한) 원하는 온도 설정을 입력할 수 있거나 또는 상기 감지 및 제어 유닛이 다른 사용자 입력 데이터(와이어 공급 속도, 전극 유형, 등)에 기반하여 원하는 온도를 설정할 수 있으며, 그 다음에 상기 감지 및 제어 유닛(195)은 적어도 상기 전원 공급 장치(170)가 해당 원하는 온도를 유지하도록 할 것이다.The sensor 1410 provides temperature feedback information to the power supply 170 and / or the laser power supply 130 so that control of the system 1400 can be optimized (refer to FIG. 1). And the sensing and control unit 195). For example, the power or current output of the power supply 170 can be adjusted based at least on feedback from the sensor 1410. In other words, in an embodiment of the present invention, the user can enter a desired temperature setting (for a given weld and / or wire 140) or the user input data (wire feed rate, electrode type) for which the sensing and control unit is different. , Etc.), and then the sensing and control unit 195 will at least allow the power supply 170 to maintain the desired temperature.

그러한 실시예에서, 상기 와이어가 상기 용접 퍼들에 진입하기 전에 상기 와이어(140)에 충돌하는 상기 레이저 빔(110)으로 인해 발생할 수 있는 상기 와이어(140)의 가열을 설명하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들에서, 상기 와이어(140)의 온도는 오직 전원 공급 장치(170)를 통해서만 상기 와이어(140)의 전류를 제어함으로써 제어될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 와이어(140)의 가열의 적어도 일부는 상기 와이어(140)의 적어도 일부에 충돌하는 상기 레이저 빔(110)으로부터 비롯된다. 이와 같이, 상기 전원 공급 장치(170) 단독으로부터의 상기 전류 또는 전력은 상기 와이어(140)의 상기 온도를 대표하지 못할 수 있다. 이와 같이, 상기 센서(1410)의 이용은 상기 전원 공급 장치(170) 및/또는 상기 레이저 전원 공급 장치(130)의 제어를 통해 상기 와이어(140)의 상기 온도를 조절하는데 도움일 될 수 있다.In such an embodiment, it is possible to account for the heating of the wire 140 that may occur due to the laser beam 110 striking the wire 140 before the wire enters the welding puddle. In embodiments of the present invention, the temperature of the wire 140 can be controlled by controlling the current of the wire 140 only through the power supply 170. However, in other embodiments, at least a portion of the heating of the wire 140 originates from the laser beam 110 impinging on at least a portion of the wire 140. As such, the current or power from the power supply 170 alone may not represent the temperature of the wire 140. As such, the use of the sensor 1410 can help regulate the temperature of the wire 140 through control of the power supply 170 and / or the laser power supply 130.

(도 14에도 도시되어 있는) 또 다른 예시적 실시예에서, 온도 센서(1420)는 상기 용접 퍼들의 온도를 감지하는 것을 목적으로 한다. 이 실시예에서, 상기 용접 퍼들의 온도는 또한 상기 감지 및 제어 유닛(195)에 결합되어 있다. 그러나, 다른 예시적 실시예에서, 상기 센서(1420)는 상기 레이저 전원 공급 장치(130)에 직접 결합될 수 있다.상기 센서(1420)로부터의 피드백은 레이저 전원 공급 장치(130)/레이저(120)로부터의 출력을 제어하는데 이용된다. 즉, 상기 레이저 빔(110)의 에너지 밀도는 상기 원하는 용접 퍼들 온도가 달성되는 것을 보장하도록 변경될 수 있다.In another exemplary embodiment (also shown in FIG. 14), the temperature sensor 1420 aims to sense the temperature of the welding puddle. In this embodiment, the temperature of the welding puddle is also coupled to the sensing and control unit 195. However, in another exemplary embodiment, the sensor 1420 may be coupled directly to the laser power supply 130. Feedback from the sensor 1420 may include laser power supply 130 / laser 120. ) Is used to control the output. That is, the energy density of the laser beam 110 can be changed to ensure that the desired welding puddle temperature is achieved.

본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 센서(1420)를 상기 퍼들로 향하게 하는 대신에, 그것은 상기 용접 퍼들에 인접한 작업물의 영역으로 향해질 수 있다. 구체적으로, 상기 용접부에 인접한 상기 작업물로의 열 입력이 최소화되도록 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 센서(1420)는 문턱값 온도가 상기 용접부 근처에서 초과되지 않도록 이 온도 민감 영역을 모니터링하도록 위치될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서(1420)는 상기 작업물 온도를 모니터링하고 상기 감지된 온도에 기반하여 상기 빔(110)의 에너지 밀도를 감소시킬 수 있다. 그러한 구성은 상기 용접 비드 근처의 열 입력이 원하는 문턱값을 초과하지 않는 것을 보장하게 될 것이다. 그러한 실시예는 상기 작업물로의 열 입력이 크리티컬(critical)한 정밀 용접 작업들에 이용될 수 있다.In another exemplary embodiment of the present invention, instead of directing the sensor 1420 to the puddle, it may be directed to an area of a work piece adjacent to the welding puddle. Specifically, it may be desirable to ensure that heat input to the workpiece adjacent to the weld is minimized. The sensor 1420 may be positioned to monitor this temperature sensitive area such that the threshold temperature is not exceeded near the weld. For example, the sensor 1420 may monitor the work temperature and reduce the energy density of the beam 110 based on the sensed temperature. Such a configuration will ensure that the heat input near the weld bead does not exceed the desired threshold. Such an embodiment can be used for precision welding operations where the heat input to the workpiece is critical.

본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 상기 감지 및 제어 유닛(195)은 와이어 공급 메카니즘(미도시 - 하지만 도 1의 150 참조)에 결합되는 공급력 검출 유닛(feed force detection unit)(미도시)에 결합될 수 있다. 상기 공급력 검출 유닛들은 공지되어 있으며 상기 와이어가 상기 작업물(115)에 공급됨에 따라 상기 와이어(140)에 인가되는 공급력을 검출한다. 예를 들면, 그러한 검출 유닛은 상기 와이어 공급기(150)의 와이어 공급 모터에 의해 인가되는 토크(torque)를 모니터링할 수 있다. 상기 와이어(140)가 완전히 용융되지 않고 상기 용융 용접 퍼들을 통과하는 경우, 그것은 상기 작업물의 고체 부분에 접촉할 것이고 그러한 접촉은 상기 모터가 설정된 공급 속도를 유지하려고 함에 따라 상기 공급력이 증가하도록 만들 것이다. 이 힘/토크의 증가는 검출되고, 상기 퍼들에서의 상기 와이어(140)의 적절한 용융을 보장하기 위해 이 정보를 이용하여 상기 와이어(140)에 대한 전압, 전류 및/또는 전력을 조정하는 상기 제어 유닛(195)으로 중계될 수 있다.In another exemplary embodiment of the present invention, the sensing and control unit 195 is connected to a feed force detection unit (not shown) coupled to a wire feeding mechanism (not shown-but see 150 in FIG. 1). Can be combined. The supply force detection units are known and detect the supply force applied to the wire 140 as the wire is supplied to the workpiece 115. For example, such a detection unit can monitor the torque applied by the wire feed motor of the wire feeder 150. If the wire 140 does not completely melt and passes through the melt welding puddle, it will contact the solid portion of the workpiece and such contact will cause the supply force to increase as the motor tries to maintain the set feed rate. . This increase in force / torque is detected, and the control to adjust the voltage, current and / or power for the wire 140 using this information to ensure proper melting of the wire 140 in the puddle. Can be relayed to the unit 195.

본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 상기 와이어는 상기 용접 퍼들 내로 지속적으로 공급되는 것이 아니라, 원하는 용접 프로파일에 기반하여 단속적으로(intermittently) 공급될 수 있다는 것에 주의해야 할 것이다. 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시예들의 융통성(versatility)은 작업자 또는 상기 제어 유닛(195)이 원하는 대로 상기 퍼들 내로 상기 와이어(140)를 공급하는 것을 개시 및 중지할 수 있도록 한다. 예를 들면, 필러 금속(상기 와이어(140))의 사용을 필요로하는 상기 용접 접합부의 어떤 부분들 및 필러 금속의 사용을 필요로 하지 않는 동일 작업물 상의 다른 부분들을 가질 수 있는, 복잡한 용접 프로파일들 및 기하하적 구조의 많은 상이한 유형들이 있다. 이와 같이, 용접부의 제 1 부분 작업 동안, 상기 제어 유닛(195)은 오직 상기 레이저(120)가 상기 접합부의 이 제 1 부분만을 레이저 용접하도록 작동시킬 수 있지만, 용접 작업이 - 필러 금속의 사용을 필요로 하는 - 상기 용접 접합부의 제 2 부분에 도달하는 경우, 상기 제어기(195)는 상기 전원 공급 장치(170) 및 상기 와이어 공급기(150)로 하여금 상기 와이어(140)를 상기 용접 퍼들 내로 퇴적하는 것을 시작하도록 한다. 그 다음에, 상기 용접 작업이 상기 제 2 부분의 끝에 도달함에 따라, 상기 와이어(140)의 퇴적은 중지될 수 있다. 이는 한 부분에서 그 다음 부분까지 현저하게 달라지는 프로파일을 갖는 연속적인 용접부들을 생성할 수 있게 한다. 그러한 능력은, 많은 개별적 용접 작업들을 갖는 것에 반대되는, 단일 용접 작업으로 작업물이 용접될 수 있도록 한다. 물론, 많은 변형들이 구현될 수 있다. 예를 들면, 용접부는, 각 용접부 부분에서 상기 레이저 및 상기 와이어(140)의 사용이 어려울 수 있도록, 다양한 형태, 깊이 및 필러 요구조건들을 갖는 용접 프로파일을 요구하는 셋 이상의 별개의 부분들을 가질 수 있다. 나아가, 추가적인 와이어들이 또한 필요에 따라 추가 또는 제거될 수 있다. 즉, 제 1 용접 부분은 오직 레이저 용접만을 필요로 할 수 있는 반면에 제 2 부분은 오직 단일 필러 와이어(140)의 사용만을 필요로 하며, 상기 용접부의 마지막 부분은 둘 이상의 필러 와이어들의 사용을 필요로 한다. 상기 제어기(195)는 연속적인 용접 작업에서 그러한 변화하는 용접 프로파일을 달성하기 위해 상기 다양한 시스템 구성요소들을 제어할 수 있도록 만들어 질 수 있으며, 이에 따라 연속적인 용접 비드가 단일 용접 패스(weld pass)로 생성된다.It should be noted that in some exemplary embodiments of the present invention, the wire may be supplied intermittently based on a desired welding profile, rather than being continuously supplied into the welding puddle. Specifically, the versatility of various embodiments of the present invention allows an operator or the control unit 195 to start and stop supplying the wire 140 into the puddle as desired. For example, a complex welding profile that can have certain parts of the weld joint that require the use of filler metal (the wire 140) and other parts on the same workpiece that do not require the use of filler metal. There are many different types of fields and geometric structures. As such, during the first part operation of the weld, the control unit 195 can only operate the laser 120 to laser weld this first part of the junction, but the welding operation-the use of filler metal. Required-when reaching the second portion of the weld joint, the controller 195 causes the power supply 170 and the wire supply 150 to deposit the wire 140 into the welding puddle. Let's start. Then, as the welding operation reaches the end of the second portion, the deposition of the wire 140 can be stopped. This makes it possible to create successive welds with a profile that varies significantly from one part to the next. Such an ability allows a workpiece to be welded in a single welding operation, as opposed to having many individual welding operations. Of course, many variations can be implemented. For example, a weld can have three or more distinct parts that require a welding profile with various shapes, depths, and filler requirements, such that the use of the laser and the wire 140 in each weld part can be difficult. . Furthermore, additional wires can also be added or removed as needed. That is, the first welding portion may only require laser welding, while the second portion only requires the use of a single filler wire 140, and the last portion of the welding portion requires the use of two or more filler wires. Shall be The controller 195 can be made to control the various system components to achieve such a varying welding profile in a continuous welding operation, so that the continuous welding beads are in a single weld pass. Is generated.

도 15는 본 발명의 예시적 실시예들에 따라 용접하는 경우의 통상적인 용접 퍼들(P)을 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 레이저 빔(110)은 상기 작업물(W)의 표면에 상기 퍼들(P)를 생성한다. 상기 용접 퍼들은 에너지 밀도의 함수인 길이(L), 형태 및 상기 빔(110)의 이동을 가진다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 빔(110)은 상기 용접 퍼들의 후행 에지(trailing edge)로부터 거리(Z)에 있는 상기 퍼들(P)로 향해진다. 그러한 실시예들에서, 고강도 에너지 소스(예를 들면, 상기 레이저(120))는 상기 에너지 소스(120)가 상기 와이어(140)를 용융시키지 않도록 그것의 에너지가 상기 필러 와이어(140) 상에 직접 충돌하도록 만들지만, 오히려 상기 와이어(140)는 그것의 상기 용접 퍼들과의 접촉으로 인해 용융이 완료된다. 상기 퍼들(P)의 상기 후행 에지는 일반적으로 상기 용융 퍼들이 끝나고 상기 생성된 용접 비드(WB)가 고형화되기 시작하는 지점으로 정의될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 상기 거리(Z)는 상기 퍼들(P)의 상기 길이(L)의 50%이다. 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 거리(Z)는 상기 퍼들(P)의 상기 길이(L)의 40% 내지 75% 범위이다.15 shows a conventional welding puddle P when welding in accordance with exemplary embodiments of the present invention. As described above, the laser beam 110 generates the puddle P on the surface of the workpiece W. The weld puddle has a length (L), shape and movement of the beam (110) that is a function of energy density. In an exemplary embodiment of the invention, the beam 110 is directed from the trailing edge of the welding puddle to the puddle P at a distance Z. In such embodiments, a high intensity energy source (eg, the laser 120) is such that its energy is directly on the filler wire 140 such that the energy source 120 does not melt the wire 140. It makes it collide, but rather the wire 140 is melted due to its contact with the welding puddle. The trailing edge of the puddle P may generally be defined as the point at which the molten puddle ends and the resulting weld bead WB begins to solidify. In an embodiment of the invention, the distance Z is 50% of the length L of the puddle P. In another exemplary embodiment, the distance Z ranges from 40% to 75% of the length L of the puddle P.

도 15에 나타낸 바와 같이, 상기 필러 와이어(140)는 상기 빔(110) 뒤에서 - 용접부의 진행 방향으로 - 상기 퍼들(P)에 충돌한다. 도시한 바와 같이, 상기 와이어(140)는 상기 퍼들(P)의 상기 후행 에지 앞의 거리(X)에서 상기 퍼들(P)과 충돌한다. 예시적 실시예에서, 상기 거리(X)는 상기 퍼들(P)의 상기 길이의 20% 내지 60% 범위이다. 다른 예시적 실시예에서, 상기 거리(X)는 상기 퍼들(P)의 상기 거리(L)의 30% 내지 45% 범위이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140) 및 상기 빔(110)은, 용접 공정 동안 상기 빔(110)의 적어도 일부가 상기 와이어(140)에 충돌하도록, 상기 퍼들(P)의 표면에서 또는 상기 퍼들(P) 위쪽 지점에서 교차한다. 그러한 실시예에서, 상기 레이저 빔(110)은 상기 퍼들(P)에서의 퇴적을 위해 상기 와이어(140)을 용융시키는데 도움이 되도록 이용된다. 상기 와이어(140)가 상기 퍼들(P)에서 신속하게 소모되기에 너무 차가운 경우, 상기 와이어(140)를 용융시키는데 도움이 되도록 상기 빔(110)을 사용하는 것은 상기 와이어(140)가 상기 퍼들(P)을 급랭(quenching)시키는 것을 방지하는데 도움이 된다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이,(도 15에 나타낸 바와 같은) 일부 예시적 실시예들에서, 용융은 상기 용접 퍼들의 열에 의해 완료되므로, 상기 에너지 소스(120) 및 상기 빔(110)은 상기 필러 와이어(140)의 어떤 부분도 상당하게 용융시키지 못한다.As shown in FIG. 15, the filler wire 140 collides with the puddle P behind the beam 110-in the traveling direction of the weld. As shown, the wire 140 collides with the puddle P at a distance X before the trailing edge of the puddle P. In an exemplary embodiment, the distance X ranges from 20% to 60% of the length of the puddle P. In another exemplary embodiment, the distance X ranges from 30% to 45% of the distance L of the puddle P. In other exemplary embodiments, the wire 140 and the beam 110 are at the surface of the puddle P such that at least a portion of the beam 110 impacts the wire 140 during a welding process. Or cross at the point above the puddle (P). In such an embodiment, the laser beam 110 is used to help melt the wire 140 for deposition in the puddle P. If the wire 140 is too cold to be quickly consumed in the puddle P, using the beam 110 to help melt the wire 140 means that the wire 140 is the puddle ( It helps to prevent quenching P). However, as mentioned above, in some exemplary embodiments (as shown in FIG. 15), melting is completed by the heat of the welding puddle, so the energy source 120 and the beam 110 are the filler No part of the wire 140 melts significantly.

도 15에 나타낸 실시예에서, 상기 와이어(140)는 상기 빔(110)을 뒤쫓아 가며 상기 빔(110)과 나란하다. 그러나, 상기 와이어(140)는 (상기 진행 방향으로) 선행할 수 있으므로, 본 발명은 이 구성에 제한되지 않는다. 또한, 상기 와이어(140)는 상기 진행 방향으로 상기 빔과 나란할 필요가 없지만, 상기 와이어는, 상기 퍼들에서 적절한 와이어 용융이 발생하는 한, 어느 방향에서든지 상기 퍼들에 충돌할 수 있다.In the embodiment shown in FIG. 15, the wire 140 follows the beam 110 and is parallel to the beam 110. However, since the wire 140 may precede (in the advancing direction), the present invention is not limited to this configuration. Further, the wire 140 need not be parallel to the beam in the traveling direction, but the wire may collide with the puddle in any direction as long as proper wire melting occurs in the puddle.

도 16a 내지 도 16f는 상기 도시된 레이저 빔(110)의 풋프린트(footprint)를 갖는 다양한 퍼들들(P)을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 일부 예시적 실시예들에서, 상기 퍼들(P)는 원형의 풋프린트를 가진다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이 구성에 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 퍼들이 타원형의 또는 기타의 형태를 가질 수 있다는 것을 생각할 수 있다.16A to 16F show various puddle Ps having a footprint of the laser beam 110 shown above. As shown, in some example embodiments, the puddle P has a circular footprint. However, embodiments of the present invention are not limited to this configuration. For example, it is conceivable that the puddle may have an oval or other shape.

또한, 도 16a 내지 도 16f에서, 상기 빔(110)은 원형의 단면을 갖는 것으로 도시되어 있다. 다시 말하면, 상기 빔(110)은 용접 퍼들(P)을 효과적으로 생성하도록 타원형, 직사각형, 또는 기타의 형태를 가질 수 있으므로, 본 발명의 다른 실시예들은 이와 관련하여 제한되지 않는다.16A to 16F, the beam 110 is shown to have a circular cross section. In other words, the beam 110 may have an elliptical, rectangular, or other shape to effectively generate the welding puddle P, so other embodiments of the present invention are not limited in this regard.

일부 실시예들에서, 상기 레이저 빔(110)은 상기 용접 퍼들(P)에 대해 정지된 상태로 있을 수 있다. 즉, 상기 빔(110)은 용접 중에 상기 퍼들(P)에 대해 상대적으로 일관된 위치에 남아 있다. 그러나, 다른 실시예들은, 도 16a 내지 도 16d에 예시한 바와 같이, 그러한 방식에 제한되지 않는다. 예를 들면, 도 16asms 상기 빔(110)이 상기 용접 퍼들(P) 주위에서 원형 패턴으로 변환되는 실시예를 도시하고 있다. 이 도면에서, 상기 빔(110)은 상기 빔(110) 상의 적어도 한 지점이 항상 상기 퍼들의 중심(C)과 중첩되도록 변환된다. 다른 실시예에서, 원형 패턴이 사용되지만 상기 빔(110)은 상기 중심(C)과 접촉하지 않는다. 도 16b는 상기 빔이 단일 라인을 따라 왕복하도록 변환되는 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 원하는 퍼들(P) 형태에 따라 상기 퍼들(P)을 연신(elongate) 또는 확대(widen)시키는데 이용될 수 있다. 도 16c는 두 개의 상이한 빔 단면들이 이용되는 실시예를 도시하고 있다. 상기 제 1 빔 단면(110)은 제 1 기하구조를 가지고 상기 제 2 빔 단면(110')은 제 2 단면을 가진다. 그러한 실시예는 - 필요한 경우 - 보다 큰 퍼들 크기를 여전히 유지하면서 상기 퍼들 내의 지점에서 침투(penetration)를 증가시키는데 이용될 수 있다. 이 실시예는 단일 레이저(120)를 이용하여 레이저 렌즈들 및 광학계의 사용을 통해 상기 빔 형태를 변경함으로써 성취될 수 있거나, 또는 다수의 레이저들(120)의 사용을 통해 성취될 수 있다. 도 16d는 상기 퍼들(P)에서 타원형 패턴으로 변환되는 빔(110)을 도시하고 있다. 다시 말하면, 그러한 패턴은 필요에 따라 상기 용접 퍼들(P)을 연시 또는 확대하는데 이용될 수 있다. 다른 빔(110) 변환들이 상기 퍼들(P)를 생성하기 위해 이용될 수 있다.In some embodiments, the laser beam 110 may remain stationary with respect to the welding puddle P. That is, the beam 110 remains in a consistent position relative to the puddle P during welding. However, other embodiments are not limited to such a scheme, as illustrated in FIGS. 16A-16D. For example, Fig. 16asms shows an embodiment in which the beam 110 is converted into a circular pattern around the welding puddle P. In this figure, the beam 110 is transformed such that at least one point on the beam 110 always overlaps the center C of the puddle. In another embodiment, a circular pattern is used but the beam 110 does not contact the center C. 16B shows an embodiment in which the beam is converted to reciprocate along a single line. This embodiment can be used to elongate or widen the puddle P depending on the desired type of puddle P. 16C shows an embodiment in which two different beam cross sections are used. The first beam cross-section 110 has a first geometry and the second beam cross-section 110 'has a second cross-section. Such an embodiment can be used to increase penetration at points within the puddle while still maintaining a larger puddle size-if necessary. This embodiment can be achieved by changing the beam shape through the use of laser lenses and optics using a single laser 120, or can be achieved through the use of multiple lasers 120. 16D shows the beam 110 converted into an oval pattern in the puddle P. In other words, such a pattern can be used to open or enlarge the welding puddle P as needed. Other beam 110 transformations can be used to generate the puddle P.

도 16e 및 도 16f는 상이한 빔 강도를 이용하는 작업물(W) 및 퍼들(P)의 단면을 도시하고 있다. 도 16e는 보다 폭 넓은 빔(110)에 의해 생성되는 얕고 보다 폭 넓은 퍼들 P를 도시하고 있지만, 반면에 도 16f는 보다 깊고 좁은 용접 퍼들(P) - 통상적으로 "키홀(keyhole)"이라 부른다 - 을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 빔은 그것의 초점이 상기 작업물(W)의 상부 표면에 가깝도록 포커싱된다. 그러한 초점으로, 상기 빔(110)은 상기 작업물의 전체 깊이를 관통하여 상기 작업물(W)의 바닥 표면 상의 이면 비드(BB)를 생성하는데 도움이 될 수 있다. 상기 빔 강도 및 형태는 용접 동안의 상기 용접 퍼들의 원하는 특성들에 기반하여 결정되어야 한다.16E and 16F show cross sections of the workpiece W and the puddle P using different beam intensities. 16E shows the shallower and wider puddle P produced by the wider beam 110, while FIG. 16F, the deeper and narrower welding puddle P-commonly referred to as a "keyhole"- Is showing. In this embodiment, the beam is focused such that its focus is close to the upper surface of the workpiece W. With such a focal point, the beam 110 may penetrate the entire depth of the workpiece to help create a back bead BB on the bottom surface of the workpiece W. The beam strength and shape should be determined based on the desired properties of the weld puddle during welding.

상기 레이저(120)는 어떠한 공지된 방법들 및 장치들을 통해서는 이동, 변환 또는 작동될 수 있다. 레이저들의 이동 및 광학계는 일반적으로 공지되어 있으므로, 그것들은 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다. 도 17은 본 발명의 예시적 실시예에 다른 시스템(1700)을 도시하고 있으며, 여기서 상기 레이저(120)는 이동되고, 작업 중에 변경 또는 조정되는, (그것의 렌즈들과 같은) 그것의 광학계를 가질 수 있다. 이 시스템(1700)은 상기 감지 및 제어 유닛(195)을 모터(1710) 및 광학계 구동 유닛(1720) 둘 모두에 결합시킨다. 상기 모터(1710)는 용접 중에 상기 용접 퍼들에 대해 상대적인 상기 빔(110)의 위치가 이동되도록 상기 레이저(120)를 이동 또는 변환시킨다. 예를 들면, 상기 모터(1710)는 상기 빔이 왕복하도록 변환시키는 것, 그것을 원형 패턴으로 이동시키는 것, 등을 할 수 있다. 유사하게, 상기 광학계 구동 유닛(1720)은 상기 레이저(120)의 상기 광학계를 제어하도록 상기 감지 및 제어 유닛(195)으로부터 명령을 수신한다. 예를 들면, 상기 광학계 구동 유닛(1720)은 상기 빔(110)의 초점이 상기 작업물의 표면에 대해 상대적으로 이동 또는 변경되도록 하여, 이에 따라 상기 용접 퍼들의 침투 또는 깊이를 변경할 수 있다. 유사하게, 상기 광학계 구동 유닛(1720)은 상기 레이저(120)의 광학계가 상기 빔(110)의 형태를 변경시키도록 할 수 있다. 이와 같이, 용접 중에, 상기 감지 및 제어 유닛(195)은 작업 동안 상기 용접 퍼들의 특성들을 유지 및/또는 변경하기 위해 상기 레이저(120) 및 빔(110)을 제어한다.The laser 120 may be moved, converted or operated through any known methods and devices. Since the movement and optical systems of lasers are generally known, they will not be discussed in detail herein. 17 shows another system 1700 in an exemplary embodiment of the present invention, wherein the laser 120 is moved, and its optical system (such as its lenses) moved, modified or adjusted during operation. Can have The system 1700 couples the sensing and control unit 195 to both the motor 1710 and the optical system drive unit 1720. The motor 1710 moves or converts the laser 120 so that the position of the beam 110 relative to the welding puddle is moved during welding. For example, the motor 1710 may convert the beam to reciprocate, move it in a circular pattern, or the like. Similarly, the optical system drive unit 1720 receives commands from the sensing and control unit 195 to control the optical system of the laser 120. For example, the optical system driving unit 1720 allows the focus of the beam 110 to be moved or changed relative to the surface of the workpiece, thereby changing the penetration or depth of the welding puddle. Similarly, the optical system driving unit 1720 may cause the optical system of the laser 120 to change the shape of the beam 110. As such, during welding, the sensing and control unit 195 controls the laser 120 and beam 110 to maintain and / or change the characteristics of the welding puddle during operation.

각각의 도 1, 도 14 및 도 17에서, 상기 레이저 전원 공급 장치(130), 핫 와이어 전원 공급 장치(170) 및 감지 및 제어 유닛(195)는 명확성을 위해 별개로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에서, 이들 구성요소들은 단일 용접 시스템으로 통합되어 제조될 수 있다. 본 발명의 측면들은 상기에서 개별적으로 논의된 구성요소들이 별개의 물리적인 유닛들 또는 독립적 구조(stand alone structure)로 유지될 것을 요구하지 않는다.In each of FIGS. 1, 14 and 17, the laser power supply 130, hot wire power supply 170 and sensing and control unit 195 are shown separately for clarity. However, in embodiments of the present invention, these components can be manufactured integrally into a single welding system. Aspects of the present invention do not require components individually discussed above to be maintained in separate physical units or stand alone structures.

상기한 바와 같이, 상기 고강도 에너지 소스는, 용접 전원들을 포함하여, 수많은 에너지 소스들일 수 있다. 이것의 예시적 실시예는, 도 1에 나타낸 시스템(100)과 유사한 시스템(2000)을 보여주는, 도 20에 도시되어 있다. 상기 시스템(2000)의 구성요소들 중 많은 것들이 상기 시스템(100)의 구성요소들과 유사하며, 이에 따라 그것들의 작동 및 활용은 다시 상세히 논의되지 않을 것이다. 그러나, 상기 시스템(2000)에서, 상기 레이저 시스템은, GMAW 시스템과 같은, 아크 용접 시스템으로 대체된다. 상기 GMAW 시스템은 전원 공급 장치(2130), 와이어 공급기(2150) 및 토치(2120)을 포함한다. 용접 전극(2110)은 상기 와이어 공급기(215) 및 상기 토치(2120)을 통해 용융 퍼들로 전달된다. 본 명세서에서 설명되는 유형의 GMAW 용접 시스템의 작동은 잘 알려져 있어 본 명세서에서 상세히 설명될 필요는 없다. GMAW 시스템이 도시된 예시적 실시예들과 관련하여 도시되고 논의되지만, 본 발명의 예시적 실시예들은, 작업물 상의 용융 퍼들로 소모품(consumable)을 전송하는 것에 도움이 되도록 아크를 이용하는 그러한 시스템들을 포함하여, GTAW, FCAW, MCAW, 및 SAW 시스템들, 클래딩 시스템들, 납땜 시스템들, 및 이들 시스템들의 조합, 등과 함께 이용될 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 공지된 방법들에 따라 이용될 수 있는, 차폐 가스 시스템 또는 서브 아크 플럭스(sub arc flux) 시스템은 도 20에 도시되어 있지 않다.As described above, the high-intensity energy source may be numerous energy sources, including welding power sources. An exemplary embodiment of this is shown in FIG. 20, showing a system 2000 similar to the system 100 shown in FIG. 1. Many of the components of the system 2000 are similar to the components of the system 100, so their operation and utilization will not be discussed again in detail. However, in the system 2000, the laser system is replaced by an arc welding system, such as a GMAW system. The GMAW system includes a power supply 2130, a wire supply 2150, and a torch 2120. The welding electrode 2110 is delivered to the molten puddle through the wire feeder 215 and the torch 2120. The operation of the GMAW welding system of the type described herein is well known and need not be described in detail herein. Although the GMAW system is shown and discussed in connection with the illustrated exemplary embodiments, exemplary embodiments of the present invention are such systems that use arcs to help transfer consumables into the molten puddle on the workpiece. It should be noted that it may be used with, including, GTAW, FCAW, MCAW, and SAW systems, cladding systems, soldering systems, and combinations of these systems, and the like. A shielding gas system or sub arc flux system, which can be used according to known methods, is not shown in FIG. 20.

상기에서 설명한 레이저 시스템들과 마찬가지로, (상기 고강도 에너지 소스로 이용될 수 있는) 아크 발생 시스템들이 상기에서 상세히 설명한 바와 같은 시스템들 및 실시예들을 이용하여 상기 핫 와이어(140)가 첨가되는 상기 용융 퍼들을 생성하기 위해 이용된다. 그러나, 상기 아크 발생 시스템들을 이용하여, 알려진 대로, 추가적인 소모품(2110)이 또한 상기 퍼들에 첨가된다. 이 추가적인 소모품은 본 명세서에서 설명되는 핫 와이어 공정에 의해 제공되는 이미 증가된 퇴적 성능에 추가된다. 이 성능은 하기에서 보다 상세히 논의될 것이다.As with the laser systems described above, the arcing systems (which can be used as the high-intensity energy source) are the melting furs to which the hot wire 140 is added using systems and embodiments as detailed above. It is used to generate them. However, using the arc generating systems, as known, additional consumables 2110 are also added to the puddle. This additional consumable is in addition to the already increased deposition performance provided by the hot wire process described herein. This performance will be discussed in more detail below.

또한, 일반적으로 알려진 바와 같이, GMAW와 같은 아크 발생 시스템들은 상기 전진하는 소모품과 상기 작업물 상의 상기 용융 퍼들 사이에 아크를 발생시키기 위해 높은 레벨의 전류를 이용한다. 유사하게, GTAW 시스템들은 전극과, 소모품이 첨가되어 들어가는, 상기 작업물 간에 아크를 발생시키기 위해 높은 전류 레벨을 이용한다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 정전류(constant current), 펄스 전류(pulse current), 등과 같은, 많은 상이한 전류 파형들이 GTAW 또는 GMAW 용접 작업에 이용될 수 있다. 그러나, 상기 시스템(2000)의 작동 중에, 상기 전원 공급 장치(2130)에 의해 발생되는 전류는 상기 와이어(140)를 가열하는데 이용되는 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 발생되는 전류와 간섭할 수 있다. 상기 와이어(140)는 상기 전원 공급 장치(2130)에 의해 발생되는 아크에 근접해 있기 때문에(왜냐하면 그것들이 각각, 상기에서 설명한 것과 유사하게, 동일한 용융 퍼들로 향해지기 때문에), 상기 각각의 전류들은 서로 간섭할 수 있다. 구체적으로, 각각의 전류들은 자기장을 발생시키고 이들 자기장들은 서로 간섭하여 상기 전류들의 작동에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 상기 핫 와이어 전류에 의해 발생되는 상기 자기장들은 상기 전원 공급 장치(2130)에 의해 발생되는 상기 아크의 안정성을 저해할 수 있다. 즉, 상기 각각의 전류들 간에 적절한 제어 및 동기화가 없으면, 상기 경합하는 자기장들은 상기 아크를 불안정하게 만들고 따라서 상기 공정을 불안정하게 만들 수 있다. 그러므로, 예시적 실시예들은 안정적인 작업을 보장하기 위해 상기 전원 공급 장치들(2130 및 170) 간의 전류 동기화(current synchronization)를 이용하며, 이는 하기에서 더 논의될 것이다.Also, as is generally known, arc generating systems such as GMAW use a high level of current to generate an arc between the advancing consumable and the molten puddle on the workpiece. Similarly, GTAW systems use a high current level to generate an arc between the electrode and the workpiece, into which consumables are added. As is generally known, many different current waveforms can be used for GTAW or GMAW welding operations, such as constant current, pulse current, and the like. However, during operation of the system 2000, the current generated by the power supply 2130 may interfere with the current generated by the power supply 170 used to heat the wire 140. have. Since the wires 140 are close to the arc generated by the power supply 2130 (because they are each directed to the same melting puddle, similar to those described above), the respective currents are Can interfere. Specifically, each current generates a magnetic field, and these magnetic fields can interfere with each other and negatively affect the operation of the currents. For example, the magnetic fields generated by the hot wire current may inhibit stability of the arc generated by the power supply 2130. That is, without proper control and synchronization between the respective currents, the competing magnetic fields can destabilize the arc and thus destabilize the process. Therefore, exemplary embodiments use current synchronization between the power supplies 2130 and 170 to ensure stable operation, which will be discussed further below.

도 21은 본 발명의 예시적 용접 작업의 보다 자세한 도면이다. 볼 수 있는 바와 같이, (예시적 GMAW/MIG 토치일 수 있는) 상기 토치(2120)는 아크의 이용을 통해 소모품(2110)을 용접 퍼들(WP)로 전달한다 - 일반적으로 알려진 바와 같이. 또한, 상기에서 설명한 실시예들 중 어떠한 것에 따르든, 상기 핫 와이어 소모품(140)은 상기 용접 퍼들(WP)로 전달된다. 상기 토치(212) 및 상기 팁(160)은 이 도면에서 별도로 도시되어 있지만, 이들 구성요소들은 소모품들(2120 및 140) 둘 모두를 상기 퍼들로 전달하는 단일 토치로 통합적으로 제조될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 물론, 통합 구성이 이용될 정도로, 상기 공정 중에 상기 소모품들 간의 전류 전송을 방지하도록 상기 토치 내에서 전기적 절연이 이용되어야 한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 상기 각각의 전류들에 의해 유도되는 자기장들은 서로 간섭할 수 있으며, 따라서 본 발명의 실시예들은 상기 각각의 전류들을 동기화한다. 동기화는 다양한 방법을 통해 달성될 수 있다. 예를 들면, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 전류들을 동기화하기 위해 상기 전류 공급 장치들(2130 및 170)의 작동을 제어하도록 이용될 수 있다. 대안적으로, 상기 전류 공급 장치들 중 하나가 다른 것의 출력을 제어하는데 이용되는 경우, 마스터-슬레이브 관계(master-slave relationship)가 또한 이용될 수 있다. 상기 상대적인 전류들의 제어는 상태표들(state tables) 또는, 안정적인 작업을 위해 상기 전원 공급 장치들의 출력 전류들이 동기화되도록 상기 전원 공급 장치들을 제어하는, 알고리즘들의 이용을 포함하는 많은 방법들에 의해 성취될 수 있다. 이는 도 22a 내지 도 22c와 관련하여 논의될 것이다. 예를 들면, 미국 특허 공개 제 2010/0096373호에서 설명된 것과 유사한 이중 상태(dual-state) 기반 시스템 및 장치들이 이용될 수 있다. 2010년 4월 22일에 공개된, 미국 특허 공개 제 2010/0096373호는 그 전부가 참조로서 본 명세서에 포함되어 있다.21 is a more detailed view of an exemplary welding operation of the present invention. As can be seen, the torch 2120 (which may be an exemplary GMAW / MIG torch) delivers consumables 2110 to the welding puddle WP through the use of an arc-as is generally known. In addition, according to any of the embodiments described above, the hot wire consumable 140 is delivered to the welding puddle WP. Although the torch 212 and the tip 160 are shown separately in this figure, it should be noted that these components can be integrally manufactured with a single torch delivering both consumables 2120 and 140 to the puddle. do. Of course, to the extent that an integrated configuration is used, electrical isolation must be used within the torch to prevent current transfer between the consumables during the process. As mentioned above, the magnetic fields induced by the respective currents can interfere with each other, so embodiments of the present invention synchronize the respective currents. Synchronization can be achieved through a variety of methods. For example, the sensing and current controller 195 can be used to control the operation of the current supplies 2130 and 170 to synchronize the currents. Alternatively, if one of the current supply devices is used to control the output of the other, a master-slave relationship can also be used. Control of the relative currents can be accomplished by a number of methods including the use of state tables or algorithms to control the power supplies such that the output currents of the power supplies are synchronized for stable operation. You can. This will be discussed in relation to FIGS. 22A-22C. For example, dual-state based systems and devices similar to those described in US Patent Publication No. 2010/0096373 can be used. United States Patent Publication No. 2010/0096373, published on April 22, 2010, is incorporated herein by reference in its entirety.

각각의 도 22a 내지 도 22c는 예시적 전류 파형들을 도시하고 있다. 도 22a는, 상기 와이어(2110)로부터 상기 퍼들로 액적들(droplets)을 전송하는데 도움이 되도록 전류 펄스들(2202)을 이용하는, 예시적 용접 파형(GMAW 또는 GTAW)을 도시한다. 물론, 도시된 파형은 예시적이고 대표적인 것이고 제한하고자 한 것이 아니며, 예를 들면, 상기 전류 파형들은 펄스 스프레이 이행(pulsed spray transfer), 펄스 용접(pulse welding), 표면 장력 이행 용접(surface tension transfer welding), 등에 대한 파형일 수 있다. 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)는, 상기에서 일반적으로 설명되는 바와 같은 저항 가열을 통해, 상기 와이어(140)를 가열하기 위해 일련의 펄스들(2204)을 가지는 전류 파형(2203)을 출력한다. 상기 전류 펄스들(2204)은 레이저 전류 레벨의 백그라운드 레벨만큼 이격된다. 앞서 일반적으로 설명된 바와 같이, 상기 파형(2203)은 상기 와이어(140)를 그것의 용융 온도 또는 그 근처로 가열하는데 이용되며, 저항 가열을 통해 상기 와이어(140)를 가열하기 위해 상기 펄스들(2204) 및 백그라운드를 이용한다. 도 22a에 나타낸 바와 같이, 상기 각각의 전류 파형들로부터의 상기 펄스들(2202 및 2204)은 그것들이 서로 위상이 같도록 동기화된다. 이 예시적 실시예에서, 상기 전류 파형들은, 상기 전류 펄스들(2202/2204)이 도시한 바와 같이 유사 또는 동일한 주파수를 갖고 서로 위상이 같도록, 제어된다. 놀랍게도, 동일 위상의 파형들을 갖는 것은 안정적이고 일관된 작업을 초래한다는 것이 발견되었으며, 여기서 상기 아크는 상기 파형(2203)에 의해 발생되는 가열 전류에 의해 현저하게 방해받지 않는다.Each of FIGS. 22A-22C shows exemplary current waveforms. 22A shows an example welding waveform (GMAW or GTAW) using current pulses 2202 to help transfer droplets from the wire 2110 to the puddle. Of course, the illustrated waveforms are exemplary and representative and not intended to be limiting, for example, the current waveforms are pulsed spray transfer, pulse welding, surface tension transfer welding. , And the like. The hot wire power supply 170 outputs a current waveform 2203 having a series of pulses 2204 to heat the wire 140 through resistance heating as generally described above. . The current pulses 2204 are spaced apart by the background level of the laser current level. As described generally above, the waveform 2203 is used to heat the wire 140 to or near its melting temperature, and the pulses () to heat the wire 140 through resistive heating. 2204) and the background. 22A, the pulses 2202 and 2204 from the respective current waveforms are synchronized so that they are out of phase with each other. In this exemplary embodiment, the current waveforms are controlled such that the current pulses 2202/2204 have similar or identical frequencies and phase with each other as shown. Surprisingly, it has been found that having in-phase waveforms results in a stable and consistent operation, where the arc is not significantly impeded by the heating current generated by the waveform 2203.

도 22b는 본 발명의 다른 예시적 실시예로부터의 파형들을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 가열 전류 파형(2205)은, 상기 펄스들(2206)이 상기 펄스들(2202)과 일정한 위상각(constant phase angle, Θ) 만큼 위상이 달라지도록, 제어/동기화된다. 그러한 실시예에서, 상기 위상각은 상기 공정의 안정적인 작업을 보장하도록 및 상기 아크가 안정적인 상태로 유지되는 것을 보장하도록 선택된다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 위상각(Θ)은 30 도 내지 90 도 범위이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 위상각은 0 도이다. 물론 다른 위상각들이 안정적인 작업을 얻도록 이용될 수 있으며, 0 도 내지 360 도 범위일 수 있지만, 반면에 다른 예시적 실시예들에서, 상기 위상각은 0 도 내지 180 도 범위이다.22B shows waveforms from another exemplary embodiment of the present invention. In this embodiment, the heating current waveform 2205 is controlled / synchronized such that the pulses 2206 are out of phase with the pulses 2202 by a constant phase angle (Θ). In such an embodiment, the phase angle is selected to ensure stable operation of the process and to ensure that the arc remains stable. In exemplary embodiments of the present invention, the phase angle Θ ranges from 30 degrees to 90 degrees. In other exemplary embodiments, the phase angle is 0 degrees. Of course other phase angles may be used to obtain a stable operation, and may range from 0 degrees to 360 degrees, while in other exemplary embodiments, the phase angle ranges from 0 degrees to 180 degrees.

도 22c는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 상기 핫 와이어 전류(2207)는, 상기 핫 와이어 펄스들(2208)이 상기 용접 펄스들(2202)과의 상기 위상각(Θ)이 약 180 도가 되도록 위상이 다르고, 상기 파형(2201)의 상기 백그라운드 부분(2210) 동안에만 발생하도록, 상기 용접 파형(2201)과 동기화된다. 이 실시예에서, 상기 각각의 전류들은 동시에 최고점에 달하지 않는다. 즉, 상기 파형(2207)의 상기 펄스들(2208)은 상기 파형(2201)의 상기 각각의 백그라운드 부분들(2210) 동안에 시작되고 끝난다.22C shows another exemplary embodiment of the present invention, wherein the hot wire current 2207 is the phase angle Θ where the hot wire pulses 2208 are with the welding pulses 2202. The phase is different so that it is about 180 degrees, and is synchronized with the welding waveform 2201 so that it occurs only during the background portion 2210 of the waveform 2201. In this embodiment, the respective currents do not reach the peak at the same time. That is, the pulses 2208 of the waveform 2207 start and end during the respective background portions 2210 of the waveform 2201.

본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 상기 용접 및 핫 와이어 펄스들의 펄스폭은 동일하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 각각의 펄스폭들은 상이할 수 있다. 예를 들면, 핫 와이어 펄스 파형과 함께 GMAW 펄스 파형을 이용하는 경우, 상기 GMAW 펄스폭은 1.5 밀리초 내지 2.5 밀리조 범위이고 상기 핫 와이어 펄스폭은 1.8 밀리초 내지 3 밀리초 범위이며, 상기 핫 와이어 펄스폭이 상기 GMAW 펄스폭보다 더 크다.In some exemplary embodiments of the invention, the pulse widths of the weld and hot wire pulses are the same. However, in other embodiments, the respective pulse widths may be different. For example, when using a GMAW pulse waveform together with a hot wire pulse waveform, the GMAW pulse width is in the range of 1.5 milliseconds to 2.5 milliseconds, and the hot wire pulse width is in the range of 1.8 milliseconds to 3 milliseconds, and the hot wire The pulse width is greater than the GMAW pulse width.

상기 가열 전류는 펄스 전류로서 도시되어 있지만, 일부 예시적 실시예들에 대해, 상기 가열 전류는 앞서 설명한 바와 같이 일정한 전력(constant power)일 수 있다는 것에 주의해야 한다. 상기 핫 와이어 전류는 또한 펄스 가열 전력, 일정한 전압, 경사진 출력(sloped output) 및/또는 줄/시간(joule/time) 기반 출력일 수 있다.Although the heating current is shown as a pulse current, it should be noted that for some example embodiments, the heating current may be constant power as described above. The hot wire current may also be pulse heating power, constant voltage, sloped output and / or joule / time based output.

본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 두 개의 전류들이 펄스 전류들이 될 정도까지, 그것들은 안정적인 작업을 위해 동기화되어야 한다. 동기화 신호들을 이용하는 것을 포함하여, 이것을 성취하기 위해 이용될 수 있는 많은 방법들이 있다. 예를 들면, (상기 전원 공급 장치들(170/2130) 중 어느 하나에 통합될 수 있는) 상기 제어기(195)는 펄스 아크 피크(pulsed arc peak)를 개시하기 위해 동기화 신호를 설정하고 또한 상기 핫 와이어 펄스 피크에 대한 원하는 개시 시간을 설정할 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 일부 실시예들에서, 상기 펄스들은 동시에 시작되도록 동기화 될 것이지만, 반면에 다른 실시예들에서, 상기 동기화 신호는 상기 핫 와이어 전류에 대한 펄스 피크의 개시를 상기 아크 펄스 피크 이후 어떤 지속시간 경과시로 설정할 수 있다 - 상기 지속시간은 상기 작업에 대해 원하는 위상각을 얻기에 충분해야 할 것이다.As described herein, to the extent that the two currents become pulse currents, they must be synchronized for stable operation. There are many methods that can be used to accomplish this, including using synchronization signals. For example, the controller 195 (which can be integrated into any of the power supplies 170/2130) sets a synchronization signal to initiate a pulsed arc peak and also the hot You can set the desired start time for the wire pulse peak. As described above, in some embodiments, the pulses will be synchronized to start at the same time, while in other embodiments, the synchronization signal will initiate the start of a pulse peak for the hot wire current after the arc pulse peak. Any duration can be set to elapse-the duration will have to be sufficient to achieve the desired phase angle for the task.

도 23은 본 발명의 다른 예시적 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, GTAE 용접/코팅 작업이 이용되며, 여기서 GTAW 토치(2121) 및 전극(2122)은 소모품(2120)이 전달되어 들어가는 아크를 생성한다. 다시 말하면, 상기 아크 및 상기 핫 와이어(140)는 도시된 바와 같이 비드(WB)를 생성하기 위해 동일한 퍼들(WP)로 전달된다. GTAW 실시예의 작업은, 상기 아크 및 상기 핫 와이어(140)가 동일한 용접 퍼들(WP)과 상호작용한다는 점에서, 상기에서 설명한 것과 유사하다. 다시 말하면, 상기에서 설명한 GMAW 작업을 이용하는 경우와 같이, 상기 GTAW 작업에서 아크를 발생시키기 위해 이용되는 전류는 상기 핫 와이어 작업에 대한 전류와 동기화된다. 예를 들면, 도 22a 내지 도 22c에 나타낸 바와 같이, 펄스 관계가 이용될 수 있다. 또한, 상기 제어기(195)는 이중 상태표(dual-state table), 또는 기타 유사한 제어 방법들을 이용하여 상기 전원 공급 장치들 간의 동기화를 제어할 수 있다. 상기 소모품(2120)은 콜드 와이어(cold wire)로서 상기 용접부에 전달될 수 있거나 또는 핫 와이어 소모품일 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 즉, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 두 개의 소모품들(2110 및 140)이 가열될 수 있다. 대안적으로, 상기 소모품들(2120 및 140) 중 오직 하나만, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 핫 와이어일 수 있다.23 shows another exemplary embodiment of the present invention. In this embodiment, a GTAE welding / coating operation is used, where GTAW torch 2121 and electrode 2122 create an arc through which consumables 2120 are delivered. In other words, the arc and the hot wire 140 are delivered to the same puddle WP to create a bead WB as shown. The work of the GTAW embodiment is similar to that described above in that the arc and the hot wire 140 interact with the same welding puddle WP. In other words, as in the case of using the GMAW operation described above, the current used to generate the arc in the GTAW operation is synchronized with the current for the hot wire operation. For example, as shown in Figs. 22A to 22C, a pulse relationship can be used. In addition, the controller 195 may control synchronization between the power supplies using a dual-state table, or other similar control methods. It should be noted that the consumables 2120 may be transferred to the welding portion as cold wires or may be hot wire consumables. That is, as described herein, two consumables 2110 and 140 may be heated. Alternatively, only one of the consumables 2120 and 140 can be a hot wire, as described herein.

(다른 아크형 방법들을 포함하여) 상기에서 논의된 GTAW 또는 GMAW 유형의 실시예들에서, 상기 아크는 - 상기 진행 방향에 대해 상대적으로 - 선두(lead)에 위치한다. 이는 각각의 도 21 및 도 23에 도시되어 있다. 이는 상기 아크가 상기 작업물(들)에서 원하는 침투를 달성하기 위해 이용되기 때문이다. 즉, 상기 아크는 용융 퍼들을 생성시키고 상기 작업물(들)에서 원하는 침투를 달성하기 위해 이용된다. 다음에, 본 명세서에서 상세히 설명되는, 핫 와이어 공정이 상기 아크 공정 뒤에 이어진다. 상기 핫 와이어 공정의 추가는, 적어도 두 개의 아크들이 이용되는 탠덤 MIG(tandem MIG) 공정에서와 같이, 다른 용접 아크의 추가적인 열 입력 없이 더 많은 소모품(140)을 상기 퍼들에 첨가한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 공지된 탠덤 용접 방법들보다 상당히 더 적은 열 입력으로 현저한 퇴적 속도를 달성할 수 있다.In embodiments of the GTAW or GMAW type discussed above (including other arc-like methods), the arc is positioned at the lead-relative to the direction of travel. This is illustrated in FIGS. 21 and 23, respectively. This is because the arc is used to achieve the desired penetration in the work (s). That is, the arc is used to create a molten puddle and achieve the desired penetration in the work (s). Next, a hot wire process, described in detail herein, follows the arc process. The addition of the hot wire process adds more consumables 140 to the puddle without additional heat input of another welding arc, such as in a tandem MIG process where at least two arcs are used. Thus, embodiments of the present invention can achieve significant deposition rates with significantly less heat input than known tandem welding methods.

도 21에 나타낸 바와 같이, 상기 핫 와이어(140)는 상기 아크과 동일한 용접 퍼들(WP)로 삽입되지만, 상기 아크 뒤에서 거리(D) 만큼 후행한다. 일부 예시적 실시예들에서, 이 거리는 5 mm 내지 20 mm 범위이며, 다른 실시예들에서, 이 거리는 5 mm 내지 10 mm 범위이다. 물론, 상기 와이어(140)가 상기 선행하는 아크에 의해 형성되는 것과 동일한 용융 퍼들 내로 공급되는 한, 다른 거리들이 이용될 수 있다. 그러나, 상기 와이어들(2110 및 140)은 동일한 용융 퍼들에 퇴적되어야 하고 상기 거리(D)는 상기 와이어(140)를 가열하는데 이용되는 가열 전류에 의한 상기 아크의 간섭이 최소가 되도록 되어야 한다. 일반적으로, - 상기 아크 및 상기 와이어가 총괄적으로 향해 들어가는 - 상기 퍼들의 크기는, 와이어들(2110 및 140) 간의 원하는 거리를 결정하는데 있어서의 인자들이기도 한, 용접 속도, 아크 파라미터들, 상기 와이어(140)에 대한 총 전력, 물질 유형, 등에 의존하게 될 것이다.As shown in FIG. 21, the hot wire 140 is inserted into the same welding puddle WP as the arc, but follows the distance D after the arc. In some exemplary embodiments, this distance ranges from 5 mm to 20 mm, and in other embodiments, the distance ranges from 5 mm to 10 mm. Of course, other distances can be used as long as the wire 140 is fed into the same melting puddle as formed by the preceding arc. However, the wires 2110 and 140 must be deposited on the same melting puddle and the distance D should be such that the interference of the arc by the heating current used to heat the wire 140 is minimized. In general, the size of the puddle, where the arc and the wire enter collectively, is also a factor in determining the desired distance between the wires 2110 and 140, the welding speed, arc parameters, and the wire ( 140) will depend on total power, material type, etc.

아크 이벤트가 상기 제어기(195) 또는 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 검출 또는 예측되는 경우, 상기 핫 와이어 전류(예를 들면, 2203, 2203, 또는 2207)의 작업은 본 명세서에서 상세히 설명되는 것과 유사하다는 것에 주의해야 한다. 즉, 상기 전류가 펄스화된다 하더라도, 아크가 생성되거나 검출되는 경우, 상기 전류는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 차단되거나 또는 최소화될 수 있다. 나아가, 일부 예시적 실시예들에서, 상기 백그라운드 부분들(2211)은 (사용자 입력 정보에 기반하여 상기 제어기(195)에 의해 결정될 수 있는) 상기 와이어(140)에 대한 아크 발생 레벨 미만의 전류 레벨을 가지며, 아크가 검출되는 경우에 상기 핫 와이어 전류를 차단하는 대신에, (앞서 일반적으로 설명한 바와 같이) 상기 전원 공급 장치(170)는 지속시간 동안 또는 상기 아크가 없어지거나 또는 발생하지 않을 것이라고 결정될 때까지 상기 전류를 상기 백그라운드 레벨(2211)로 떨어뜨릴 수 있다. 예를 들면, 상기 전원 공급 장치(170)는 미리 결정된 수의 펄스들(2203/2205/2207)을 생략하거나 또는, 10 ms 내지 100 ms와 같은, 지속시간 동안 단지 맥동(pulse)하지 않을 수 있으며, 상기 시간 후에 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 와이어(140)를 적절한 온도로 가열하기 위해 다시 펄스들을 시작할 수 있다.When an arc event is detected or predicted by the controller 195 or the power supply 170, the operation of the hot wire current (eg, 2203, 2203, or 2207) is described in detail herein. It should be noted that they are similar. That is, even if the current is pulsed, when an arc is generated or detected, the current may be blocked or minimized as described herein. Furthermore, in some example embodiments, the background portions 2211 are at a current level below the arc generation level for the wire 140 (which may be determined by the controller 195 based on user input information). And instead of blocking the hot wire current when an arc is detected, the power supply 170 (as generally described above) is determined to be absent or not occurring for a duration or for the arc. Until the current can drop to the background level (2211). For example, the power supply 170 may omit a predetermined number of pulses 2203/2205/2207, or may not only pulse for a duration, such as 10 ms to 100 ms. , After the time, the power supply 170 may start pulses again to heat the wire 140 to an appropriate temperature.

상기에서 언급한 바와 같이, 적어도 두 개의 소모품들(140/2110)이 동일한 퍼들에서 사용되기 때문에, 열 입력은 단일 아크 작업의 그것과 유사하면서, 매우 높은 퇴적 속도가 달성될 수 있다. 이는 상기 작업물 내로 매우 높은 열 입력을 가지는 탠덤 MIG 용접 시스템들보다 큰 이점들을 제공한다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 단일 아크의 열 입력을 가지면서 적어도 23 lb/hr의 퇴적 속도를 쉽게 달성할 수 있다. 다른 예시적 실시예들은 적어도 35 lb/hr의 퇴적 속도를 가진다.As mentioned above, since at least two consumables 140/2110 are used in the same puddle, the heat input is similar to that of a single arc operation, while a very high deposition rate can be achieved. This provides great advantages over tandem MIG welding systems with very high heat input into the workpiece. For example, embodiments of the present invention can easily achieve a deposition rate of at least 23 lb / hr while having a single arc heat input. Other exemplary embodiments have a deposition rate of at least 35 lb / hr.

본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 각각의 와이어들(140 및 2110)은, 이들이 동일한 조성, 직경, 등을 가진다는 점에서, 동일하다. 그러나, 다른 예시적 실시예들에서, 상기 와이어들은 상이할 수 있다. 예를 들면, 상기 와이어들은, 구체적인 작업에 대해 원하는 바에 따라, 상이한 직경들, 와이어 공급 속도들 및 조성을 가질 수 있다. 예시적 실시예에서, 상기 선두 와이어(lead wire, 2110)에 대한 와이어 공급 속도는 상기 핫 와이어(140)에 대한 것보다 더 높을 수 있다. 예를 들면, 상기 선두 와이어(2110)는 450 ipm의 와이어 공급 속도를 가질 수 있지만, 반면에 상기 후행 와이어(trail wire, 140)는 400 ipm의 와이어 공급 속도를 가진다. 또한, 상기 와이어들은 상이한 크기 및 조성을 가질 수 있다. 실제로, 상기 핫 와이어(140)는 상기 퍼들로 퇴적되기 위해 아크를 통과할 필요가 없기 때문에, 상기 핫 와이어(140)는 통상적으로 아크를 통해 잘 이행되지(transfer) 않는 물질들/구성요소들을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 와이어(140)는, 상기 아크로 인해 통상적인 용접 전극에 첨가될 수 없는, 탄화 텅스텐(tungsten carbide), 또는 유사한 표면 경화(hard facing) 물질을 가질 수 있다. 또한, 상기 선행 전극(2110)은, 원하는 비드 형태를 제공하기 위해 상기 퍼들을 습윤(wetting)시키는데 도움이 될 수 있는, 습윤제들이 많은 조성을 가질 수 있다. 또한, 상기 핫 와이어(140)는 상기 퍼들을 보호하는데 도움이 될 슬래그(slag) 요소들도 함유할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예들은 용접부 화학적 성질에 있어서 큰 유연성을 허용한다. 상기 와이어(2110)는 선두 와이어이기 때문에, 상기 아크 용접 작업은, 상기 선두 와이어와 함께, 용접 접합부에 대한 침투를 제공하며, 여기서 상기 핫 와이어는 상기 접합부에 대한 추가적인 충진(fill)을 제공한다는 것에 주의해야 한다.In exemplary embodiments of the present invention, the respective wires 140 and 2110 are identical in that they have the same composition, diameter, and the like. However, in other exemplary embodiments, the wires may be different. For example, the wires can have different diameters, wire feed rates and composition, as desired for a specific job. In an exemplary embodiment, the wire feed rate for the lead wire 2110 may be higher than for the hot wire 140. For example, the leading wire 2110 may have a wire feed speed of 450 ipm, while the trail wire 140 has a wire feed speed of 400 ipm. In addition, the wires can have different sizes and compositions. Indeed, since the hot wire 140 does not need to pass through the arc to be deposited with the puddle, the hot wire 140 will typically have materials / components that do not transfer well through the arc. You can. For example, the wire 140 may have tungsten carbide, or similar hard facing material, that cannot be added to a conventional welding electrode due to the arc. In addition, the preceding electrode 2110 may have many compositions of wetting agents, which may help wetting the puddle to provide a desired bead shape. In addition, the hot wire 140 may also contain slag elements to help protect the puddle. Therefore, embodiments of the present invention allow great flexibility in weld chemistry. Since the wire 2110 is a leading wire, the arc welding operation, along with the leading wire, provides penetration into the weld joint, where the hot wire provides additional fill to the joint. Be careful.

본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 아크와 핫 와이어의 조합이, 수행될 특정 작업의 요구조건들 및 제한들과 부합하면서, 용접 퇴적물(weld deposit)에 대한 열 입력의 균형을 유지하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 선두 아크(lead arg)로부터의 열은, 아크로부터의 열이 작업물들을 접합하기 위해 필요한 침투를 얻는데 도움이 되고 상기 핫 와이어가 상기 접합부의 충진(fill)에 일차적으로 이용되는, 접합 응용들에 대해 증가될 수 있다. 그러나, 클래딩 또는 빌드업 공정들에서, 상기 핫 와이어 공급 속도는 희석(dilution)을 최소화하고 빌드업을 증가시키기 위해 증가될 수 있다.In some exemplary embodiments of the present invention, the combination of arc and hot wire is to balance the heat input to the weld deposit, while meeting the requirements and limitations of the particular operation to be performed. Can be used. For example, heat from the lead arg helps heat from the arc to obtain the necessary penetration to bond the workpieces and the hot wire is primarily used to fill the joints, It can be increased for bonding applications. However, in cladding or buildup processes, the hot wire feed rate can be increased to minimize dilution and increase buildup.

또한, 상이한 와이어 화학적 성질들이 이용될 수 있기 때문에, 전통적으로 두 개의 별도 패스들(passes)에 의해 성취되는, 상이한 층들을 가지는 용접 접합부가 생성될 수 있다. 상기 선두 와이어(2110)는 전통적인 제 1 패스에 필요한 화학적 성질을 가질 수 있지만, 반면에 상기 후행 와이어(140)는 전통적인 제 2 패스에 필요한 화학적 성질을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 상기 와이어들(140/2110) 중 적어도 하나는 코어드 와이어(cored wire)일 수 있다. 예를 들면, 상기 핫 와이어(140)는 원하는 물질을 상기 용접 퍼들 내로 퇴적시키는 파우더 코어(powder core)를 가지는 코어드 와이어일 수 있다.In addition, because different wire chemistries can be used, a weld joint with different layers can be created, which is traditionally accomplished by two separate passes. The leading wire 2110 may have the chemical properties required for the traditional first pass, while the trailing wire 140 may have the chemical properties needed for the traditional second pass. Further, in some embodiments, at least one of the wires 140/2110 may be a cored wire. For example, the hot wire 140 may be a cored wire having a powder core that deposits a desired material into the welding puddle.

도 24는 본 발명의 전류 파형들의 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 핫 와이어 전류(2403)는 상기 용접 전류(2401)(그것이 GMAW 또는 GTAW 이든 간에)와 동기화되는 AC 전류이다. 이 실시예에서, 가열 전류의 양의 펄스들(2404)은 상기 전류(2401)의 펄스들(2402)와 동기화되지만, 반면에 가열 전류의 음의 펄스들(2405)은 상기 용접 전류의 백그라운드 부분들과 동기화된다. 물론, 다른 실시예들에서, 상기 동기화는, 상기 양의 펄스들(2402)이 상기 백그라운드(2406)와 동기화되고 상기 음의 펄스들(2405)이 상기 펄스들(2402)과 동기화 된다는 점에서, 반대가 될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 펄스 용접 전류와 상기 핫 와이어 전류 간에 위상각이 있다. AC 파형(2403)을 사용함으로써, 교류 전류(이에 따라 교류 자기장)가 상기 아크를 안정화시키는 것을 돕는데 이용된다. 물론, 다른 실시예들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이용될 수 있다. 예를 들면, 서브머지드 아크 용접(SAW) 작업을 이용하는 시스템에서, 상기 SAW 전류 파형은 AC 파형일 수 있고 상기 핫 와이어 전류 파형은 AC 또는 펄스 DC 파워(pulsed DC power) 파형이며, 여기서 각각의 파형들은 서로 동기화된다.24 shows another exemplary embodiment of current waveforms of the present invention. In this embodiment, the hot wire current 2403 is an AC current that is synchronized with the welding current 2401 (whether it is GMAW or GTAW). In this embodiment, the positive pulses 2404 of the heating current are synchronized with the pulses 2402 of the current 2401, while the negative pulses 2405 of the heating current are the background part of the welding current It is synchronized with the field. Of course, in other embodiments, the synchronization is in that the positive pulses 2402 are synchronized with the background 2406 and the negative pulses 2405 are synchronized with the pulses 2402, It can be reversed. In another embodiment, there is a phase angle between the pulse welding current and the hot wire current. By using the AC waveform 2403, an alternating current (and thus an alternating magnetic field) is used to help stabilize the arc. Of course, other embodiments can be used without departing from the spirit and scope of the invention. For example, in a system using submerged arc welding (SAW) operation, the SAW current waveform can be an AC waveform and the hot wire current waveform is an AC or pulsed DC power waveform, where each The waveforms are synchronized with each other.

본 발명의 실시예들은 용접 전류가 일정한(constant) 또는 거의 일정한 전류 파형인 경우에 이용될 수 있다는 것에 또한 주의해야 한다. 그러한 실시예들에서, 교류 가열 전류(2403)가 상기 아크의 안정성을 유지하기 위해 이용될 수 있다. 상기 안정성은 상기 가열 전류(2403)에 기인하는 지속적으로 변화되는 자기장에 의해 성취된다.It should also be noted that embodiments of the present invention can be used where the welding current is a constant or nearly constant current waveform. In such embodiments, an alternating heating current 2403 can be used to maintain the stability of the arc. The stability is achieved by a constantly changing magnetic field due to the heating current 2403.

도 25는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 핫 와이어(140)는 두 개의 탠덤 아크 용접(tandem arc welding) 작업들 사이에 위치한다. 도 25에서, 상기 아크 용접 작업들은 GMAW형 용접으로 도시되어 있지만, GTAW, FCAW, MCAW 또는 SAW형 시스템들일 수도 있다. 도면에서, 선두 토치(lead torch, 2120)은 제 1 전원 공급 장치(2130)에 결합되고 제 1 전극(2110)을 아크 용접 작업을 통해 상기 퍼들로 전달한다. (상기에서 논의한 바와 같이 퇴적되는) 상기 핫 와이어(140)는 상기 선두 아크에 후행한다(trailing). 상기 핫 와이어(140)을 뒤쫓아 가는 것은 제 2 전원 공급 장치(2130'), 제 2 토치(2120') 및 제 2 아크 용접 와이어(2110')을 이용하는 후행하는(trailing) 아크 용접 작업이다. 따라서, 상기 구성은 탠덤 GMAW 용접 시스템의 구성과 유사하지만 상기 토치들(2120 및 2120') 사이에서 공통 퍼들 내로 퇴적되는 핫 와이어(140)를 가진다. 그러한 실시예는 상기 퍼들 내로의 물질들의 퇴적 속도를 더 증가시킨다. 본 발명의 실시예들은 단일 작업에서 추가적인 용접 토치들 및/또는 핫 와이어 소모품들을 사용할 수 있으며, 상기 도면에 도시된 실시예에 제한되지 않는다는 것에 주의해야 한다. 예를 들면, 단일 패스(single pass) 동안 상기 퍼들 내로 추가적인 물질들을 퇴적시키기 위해 더 많은 핫 와이어가 사용될 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 본 명세서에서 일반적으로 논의되는 GMAW 공정들 대신에, SAW 공정들이 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 25에 도시된 실시예는 본 도면에 나타낸 것과 유사한 구성으로 선행(leading) 및 후행(trailing) SAW 공정들을 이용할 수 있다. 물론, 차폐 가스 대신에, 입상 플럭스(granular flux)가 상기 아크들을 차폐하는데 이용될 수 있을 것이다. 상기에서 논의한 바와 같은, 전체 방법 또는 작업 및 제어는, SAW와 같은 다른 용접 방법들을 이용하는 경우에, 유사하게 적용가능하다. 예를 들면, 도 25a는 본 명세서에서 설명하는 핫 와이어와 함께 SAW 시스템에 이용될 수 있는 예시적 파형들을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 상기 선두 SAW 전류 파형(2501) 복수의 양의 펄스들(2503) 및 복수의 음의 펄스들(2505)를 갖는 AC 파형이지만, 반면에 후행하는 SAW 전류(2521)도 또한 복수의 양의 펄스들(2523) 및 복수의 음의 펄스들(2525)을 갖는 AC 파형이며, 여기서 후행 파형(2521)은 상기 선행 파형(2501)과 위상각(α) 만큼 위상이 다르다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 위상각(α)은 90 도 내지 270 도 범위이다. 도시된 실시예에서, 상기 파형들(2501 및 2521) 간의 +/- 오프셋(offset)은, 상기 후행 파형(2521)이 상기 선행 파형(2501)보다 더 큰 음의 오프셋을 가진다는 점에서, 상이하다는 것에 또한 주의해야 할 것이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 오프셋은 동일할 수 있거나, 또는 반대로 될 수 있다. 복수의 양의 펄스들(2511)을 갖는 펄스 전류로 도시된 핫 와이어 전류(2510)는 백그라운드 레벨(2513) 만큼 이격되어 있으며, 여기서 상기 파형(2510)은, 상기 위상각(α)과는 상이한, 오프셋 위상각(θ)을 가진다. 예시적 실시예에서, 상기 핫 와이어 위상각(θ)은 45 도 내지 315 도 범위이지만, 상기 위상각(α)과 상이하다.25 shows another exemplary embodiment of the present invention, where the hot wire 140 is located between two tandem arc welding operations. In FIG. 25, the arc welding operations are shown as GMAW type welding, but may also be GTAW, FCAW, MCAW or SAW type systems. In the figure, a lead torch 2120 is coupled to the first power supply 2130 and delivers the first electrode 2110 to the puddle through an arc welding operation. The hot wire 140 (deposited as discussed above) trails the leading arc. Pursuing the hot wire 140 is a trailing arc welding operation using the second power supply 2130 ', the second torch 2120', and the second arc welding wire 2110 '. Thus, the configuration is similar to that of a tandem GMAW welding system, but has a hot wire 140 deposited into a common puddle between the torches 2120 and 2120 '. Such an embodiment further increases the rate of deposition of materials into the puddle. It should be noted that embodiments of the present invention may use additional welding torches and / or hot wire consumables in a single operation, and are not limited to the embodiment shown in the figure. For example, more hot wire can be used to deposit additional materials into the puddle during a single pass. As mentioned above, instead of the GMAW processes generally discussed herein, SAW processes can be used. For example, the embodiment shown in FIG. 25 can use leading and trailing SAW processes with a configuration similar to that shown in this figure. Of course, instead of a shielding gas, a granular flux could be used to shield the arcs. The overall method or operation and control, as discussed above, is similarly applicable when using other welding methods such as SAW. For example, FIG. 25A shows example waveforms that can be used in a SAW system with the hot wire described herein. As shown, the leading SAW current waveform 2501 is an AC waveform with a plurality of positive pulses 2503 and a plurality of negative pulses 2505, while the trailing SAW current 2521 is also a plurality. Is an AC waveform having positive pulses 2523 and a plurality of negative pulses 2525, where the trailing waveform 2521 is out of phase with the phase angle α by the preceding waveform 2501. In exemplary embodiments of the present invention, the phase angle α ranges from 90 degrees to 270 degrees. In the illustrated embodiment, the +/- offset between the waveforms 2501 and 2521 differs in that the trailing waveform 2521 has a greater negative offset than the preceding waveform 2501. You should also pay attention to that. In other exemplary embodiments, the offset may be the same, or vice versa. The hot wire current 2510 shown as a pulse current having a plurality of positive pulses 2511 is spaced by a background level 2513, where the waveform 2510 is different from the phase angle α. , Has an offset phase angle (θ). In an exemplary embodiment, the hot wire phase angle θ ranges from 45 degrees to 315 degrees, but is different from the phase angle α.

상기 논의는 SAW형 작업을 목적으로 했지만, 유사한 동기화 방법을 이용하는 다른 예시적 실시예들은 GMAW, FCAW, MCAW 또는 GTAW형 작업, 또는 이들의 조합일 수 있다는 것에 주의해야 할 것이다.Although the above discussion was aimed at SAW-type work, it should be noted that other exemplary embodiments using similar synchronization methods may be GMAW, FCAW, MCAW or GTAW-type work, or combinations thereof.

상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 전통적인 탠덤 시스템들보다 낮은 총 열 입력을 유지하면서 상기 퍼들 내로 물질들의 퇴적을 크게 증가시킬 수 있다. 그러나, 일부 예시적 실시예들은 전통적인 탠덤 방법들보다 높은 용접 비드(WB) 형태를 생성할 수 있다. 즉, 상기 용접 비드(WB)는 상기 작업물의 표면 위로 더 높게 서있는 경향이 있으며 탠덤 시스템들 만큼 많이 상기 용접 비드(WB)의 측면들로 습윤되지 않는다. 일반적으로, 이는 상기 핫 와이어(140)가 선행 아크 용접 작업에 이어지는 상기 퍼들을 급랭(quenching)하는데 도움일 될 것이기 때문이다. 그러므로, 본 발명의 일부 예시적 실시예들은 용접/코팅 작업 중에 상기 퍼들을 넓히거나(widening) 또는 습윤시키는데(wetting out) 도움이 되도록 시스템들 및 구성요소들을 이용한다.As mentioned above, embodiments of the present invention can significantly increase the deposition of materials into the puddle while maintaining a lower total heat input than traditional tandem systems. However, some example embodiments can produce a higher weld bead (WB) shape than traditional tandem methods. That is, the weld bead WB tends to stand higher above the surface of the workpiece and does not wet as much of the sides of the weld bead WB as tandem systems. Generally, this is because the hot wire 140 will help to quench the puddle following a preceding arc welding operation. Therefore, some exemplary embodiments of the present invention utilize systems and components to help widen or wet out the puddle during a welding / coating operation.

도 26은 예시적 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 두 개의 GMAW 토치들(2120 및 2120')은 줄을 지어 위치하는 것이 아니라, - 도시한 바와 같이 - 나란하게 위치되고, 여기서 상기 핫 와이어(140)는 상기 두 개의 토치들(2120/2120')을 뒤쫓아 간다. 이 실시예에서, 나란한 구성에서 상기 두 개의 GMAW 아크들을 갖는 것은 상기 퍼들(WP)을 확대시킬 것이고 상기 용접 비드(WB)를 납작하게 만들기 위해 상기 퍼들을 습윤시키는데 도움이 된다. 상기 다른 실시예들에서와 같이, 상기 핫 와이어(140)는 상기 아크 용접 작업을 뒤쫓고, 상기 아크 용접 작업들 뒤에서 상기 용접 비드(WB)의 중심선(center-line) 상에 위치될 수 있다. 그러나, 상기 핫 와이어(140)는 용접 작업 중에 진동되거나 또는 상기 퍼들에 대해 상대적으로 이동될 수 있으므로, 상기 핫 와이어(140)는 상기 중심선에 남아 있을 필요는 없다.26 shows an exemplary embodiment, where the two GMAW torches 2120 and 2120 'are not lined up, but are placed side by side, as shown, where the hot wire 140 ) Follows the two torches 2120/2120 '. In this embodiment, having the two GMAW arcs in a side-by-side configuration will enlarge the puddle WP and help wet the puddle to flatten the weld bead WB. As in the other embodiments, the hot wire 140 follows the arc welding operation and may be located on the center-line of the welding bead WB behind the arc welding operations. However, since the hot wire 140 may vibrate during the welding operation or move relative to the puddle, the hot wire 140 need not remain at the center line.

도 27은 레이저들(2720 및 2720')이 상기 퍼들을 납작하게 하는 것을 돕거나 또는 상기 퍼들을 습윤시키는 것을 돕기 위해 상기 용접 퍼들(WP)의 양쪽에서 이용되는 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 상기 레이저들(2720/2720')은 상기 퍼들에 열을 추가하기 위해 빔들(2710/2710')을 상기 퍼들의 옆쪽들 상으로 방출하고, 상기 퍼들 형태가 바람직하게 되도록 상기 퍼들을 습윤시키는 것을 돕는다. 상기 레이저들(2720/2720')은 본 명세서에서 설명하는 유형일 수 있고, 상기에서 설명한 바와 같이 제어될 수 있다. 즉, 상기 레이저들은 원하는 용접 비드 형태를 제공하도록 상기 제어기(195) 또는 유사한 장치에 의해 제어될 수 있다. 나아가, 원하는 용접 비드 형태를 성취하기 위해 두 개의 레이저들을 사용하는 대신에, 상기 빔(2710)을 분열시키고 상기 분열된 빔들을, 원하는 용접 비드 형태를 성취하기 위해, 상기 용접 퍼들 상의 적절한 위치로 향하게 하는 빔 스플리터와 함께, 단일 레이저가 사용될 수 있다. 선행 아크 용접 공정은 명확성을 위해 도 27에 도시되지 않았음에 주의해야 할 것이다.27 shows another exemplary embodiment used on both sides of the welding puddle WP to help lasers 2720 and 2720 'flatten the puddle or to wet the puddle. . The lasers 2720/2720 'emit beams 2710/2710' onto the sides of the puddle to add heat to the puddle, and help wet the puddle so that the shape of the puddle is desirable. . The lasers 2720/2720 'may be of the type described herein, and may be controlled as described above. That is, the lasers can be controlled by the controller 195 or similar device to provide the desired weld bead shape. Furthermore, instead of using two lasers to achieve the desired weld bead shape, split the beam 2710 and direct the split beams to an appropriate location on the welding puddle to achieve the desired weld bead shape. With a beam splitter, a single laser can be used. It should be noted that the preceding arc welding process is not shown in FIG. 27 for clarity.

또 다른 예시적 실시예에서, (진행 방향으로) 상기 아크 공정의 바로 하류에서 또는 상기 핫 와이어(140)의 하류에서 상기 퍼들로 향해지는, 단일 레이저 빔(2710)이 사용될 수 있으며, 여기서 상기 빔(2710)은 상기 퍼들을 납작하게 만드는 것을 돕기 위해 좌우로(from side to side) 진동된다. 그러한 실시예들에서, 단일 레이저(2720)가 사용되고 상기 퍼들의 영역들로 겨냥될 수 있으며, 여기서 용접 중에 상기 퍼들을 습윤시키는 것을 돕는 것이 바람직하다. 상기 레이저(2720)의 제어 및 작동은 도 1 등과 관련하여 상기에서 설명한 상기 레이저(120)의 제어 및 작동과 유사하다.In another exemplary embodiment, a single laser beam 2710 can be used, directed (in the direction of travel) just downstream of the arc process or downstream of the hot wire 140 to the puddle, where the beam 2710 is vibrated from side to side to help flatten the puddle. In such embodiments, a single laser 2720 can be used and aimed at the areas of the puddle, where it is desirable to help wet the puddle during welding. The control and operation of the laser 2720 is similar to the control and operation of the laser 120 described above with reference to FIG. 1 and the like.

도 28은 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 이 예시적 실시예에서, GTAW(또는 GMAW, FCAW, MCAW) 전극(2801)이 아크 용접 공정에 이용되고, 자기 프로브(magnetic probe, 2803)가 용접 중에 아크의 이동을 제어하기 위해 상기 전극(2801)에 인접하게 위치된다. 상기 프로브(2803)는, 상기 제어기(195)에 결합될 수도 또는 결합되지 않을 수도 있는, 자기 제어 및 전원 공급 장치(magnetic control and power supply, 2805)로부터 전류를 수신하고, 상기 전류는 자기장(MF)이 상기 프로브(2803)에 의해 발생되도록 만든다. 상기 자기장은 상기 아크에 의해 발생되는 자기장과 상호작용하고, 이에 따라 용접 중에 상기 아크를 이동시키는데 이용될 수 있다. 즉, 상기 아크는 용접 중에 좌우로 이동될 수 있다. 이 좌우의 이동은 상기 퍼들을 확대시키고 원하는 용접 비드 형태를 성취하기 위해 상기 퍼들을 습윤시키는 것을 돕는데 이용된다. 명확성을 위해 도시되지 않았지만, 상기 용접 비드에 대한 추가적인 충진(filling)을 제공하기 위해 본 명세서에서 논의되는 바와 같은 핫 와이어 소모품이 상기 아크를 뒤따른다. 자기 조향 시스템(magnetic steering system)의 사용 및 구현은 일반적으로 용접 산업에 종사하는 자들에 의해 공지되어 있어 본 명세서에서 상세히 설명될 필요는 없다.28 shows another exemplary embodiment of the present invention. In this exemplary embodiment, a GTAW (or GMAW, FCAW, MCAW) electrode 2801 is used in the arc welding process, and a magnetic probe 2803 is used to control the movement of the arc during welding. ). The probe 2803 receives current from a magnetic control and power supply 2805, which may or may not be coupled to the controller 195, the current being a magnetic field (MF ) Is generated by the probe 2803. The magnetic field interacts with the magnetic field generated by the arc and can thus be used to move the arc during welding. That is, the arc can be moved left and right during welding. This left and right movement is used to help enlarge the puddle and wet the puddle to achieve the desired weld bead shape. Although not shown for clarity, hot wire consumables follow the arc as discussed herein to provide additional filling of the weld bead. The use and implementation of magnetic steering systems are generally known by those skilled in the welding industry and need not be described in detail herein.

물론, 도 26 및 도 28(뿐만 아니라 본 명세서에서 설명되는 다른 도시된 실시예들) 중 어느 한 쪽에서의 실시예들은 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 상기 용접 퍼들의 형태에 도움이 되도록 상기 레이저(2720)을 이용할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Of course, embodiments in either of FIGS. 26 and 28 (as well as other illustrated embodiments described herein) can be used to assist the laser 2720 to assist in the shape of the welding puddle as described herein. ).

본 발명은 어떤 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형들이 이루어질 수 있고 동등한 것들이 대체될 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자들에 의해 이해될 것이다. 또한, 특정 상황 또는 물질을 본 발명의 교시에 적합하게 하기 위해, 많은 변경들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명이 개시된 특정 실시예들에 제한되도록 하고자 한 것이 아니라, 본 발명이 첨부한 청구항의 범위에 속하는 모든 실시예들을 포함하도록 하고자 한 것이다.Although the invention has been described in connection with certain embodiments, it will be understood by those skilled in the art to which the invention pertains that various modifications may be made and equivalents may be substituted without departing from the scope of the invention. In addition, many modifications may be made without departing from the scope of the present invention, in order to adapt a particular situation or material to the teaching of the present invention. Therefore, the present invention is not intended to be limited to the specific embodiments disclosed, but the present invention is intended to cover all embodiments falling within the scope of the appended claims.

<참조 번호>
100: 시스템 110: 레이저 빔
110A: 레이저 빔 110': 단면
115: 작업물 120: 레이저 장치
121: 빔 스플리터 125: 방향
130: 레이저 전원 공급 장치 140: 필러 와이어(filler wire)
150: 필러 와이어 공급기 160: 접촉관(contact tube)
160': 구성요소 170: 핫 와이어 전원 공급 장치
180: 동작 제어기 190: 로봇
195: 전류 제어 서브시스템 200: 개시 방법(start-up method)
210: 단계 220: 단계
230: 단계 240: 단계
250: 단계 260: 단계
300: 개시 방법 310: 단계
320: 단계 330: 단계
340: 단계 350: 단계
410: 전압 파형 411: 지점
412: 지점 420: 전류 파형
425: 램프(ramp) 430: 시간 간격
440: 설정 지점값 450: 전류 레벨
510: 전압 파형 511: 지점
512: 지점 520: 전류 파형
525: 전류 레벨 530: 시간 간격
601: 접합부 표면 601A: 용융 퍼들(molten puddle)
603: 접합부 표면 603A: 용융 퍼들
605: 표면 701: 경사진 표면(angled surface)
703: 경사진 표면 705: 갭
707: 용접 비드(weld bead) 801: 용접 퍼들
803: 용접 퍼들 901: 용접 퍼들
903: 용접 퍼들 1000: 용접 접합부
1010: 레이저 소스 1011: 빔
1012: 용접 퍼들 1020: 레이저 소스
1021: 빔 1022: 용접 퍼들
1030: 필러 와이어 1030A: 필러 와이어
1110: 유도 코일 1200: 시스템
1210: 핫 와이어 전원 공급 장치 1220: 사용자 입력
1221: 양극 단자 1222: 음극 단자
1223: 피드백 감지 리드 1230: CPU/제어기
1240: 전압 검출 회로 1250: 전력 모듈
1400: 시스템 1410: 열 센서
1420: 온도 센서 1700: 시스템
1710: 모터 1720: 광학계 구동 유닛
1800: 회로 1801: 저항체
1803: 스위치 1901: 레이저 슈라우드 어셈블리
1903: 흄 추출 시스템 2000: 시스템
2110: 용접 전극 2110': 용접 와이어
2120: 토치 2120': 제 2 토치
2121: 토치 2122: 전극
2130: 전원 공급 장치 2130': 제 2 전원 공급 장치
2150: 와이어 공급기 2201: 용접 파형
2202: 전류 펄스들 2203: 전류 파형
2204: 펄스들 2205: 전류 파형
2206: 펄스들 2207: 핫 와이어 전류
2208: 핫 와이어 펄스들 2210: 백그라운드 부분
2211: 백그라운드 부분들 2401: 용접 전류
2402: 펄스들 2403: 핫 와이어 전류
2404: 양의 펄스들 2405: 음의 펄스들
2406: 백그라운드 부분들 2501: 전류 파형
2503 양의 펄스들 2505: 음의 펄스들
2510: 핫 와이어 전류 2511: 양의 펄스들
2513: 백그라운드 레벨 2521: SAW 전류
2523: 양의 펄스들 2525: 음의 펄스들
2710: 빔 2710': 빔
2720: 레이저 2720': 레이저
2801: 전극 2803: 자기 프로브
2805: 전원 공급 장치 D: 지점/거리
E: 지점 G: 갭 폭
I: 전류 L: 길이
MF: 자기장 P: 용접 퍼들
V: 전압 W: 작업물
W1: 작업물 W2: 작업물
WB: 용접 비드 WP: 용접 퍼들
X: 진행 거리 Z: 거리
A: 지점 B: 지점
C: 지점/중심 α: 각
Θ: 각 θ: 각
<Reference number>
100: system 110: laser beam
110A: laser beam 110 ': single-sided
115: workpiece 120: laser device
121: beam splitter 125: direction
130: laser power supply 140: filler wire
150: filler wire feeder 160: contact tube
160 ': component 170: hot wire power supply
180: motion controller 190: robot
195: current control subsystem 200: start-up method
210: step 220: step
230: step 240: step
250: Step 260: Step
300: start method 310: step
320: step 330: step
340: Step 350: Step
410: voltage waveform 411: point
412: point 420: current waveform
425: ramp 430: time interval
440: Set point value 450: Current level
510: voltage waveform 511: point
512: point 520: current waveform
525: current level 530: time interval
601: joint surface 601A: molten puddle
603: joint surface 603A: molten puddle
605: surface 701: angled surface
703: sloped surface 705: gap
707: weld bead 801: welding puddle
803: Welding Puddle 901: Welding Puddle
903: welding puddle 1000: welding joint
1010: laser source 1011: beam
1012: welding puddle 1020: laser source
1021: beam 1022: welding puddle
1030: filler wire 1030A: filler wire
1110: induction coil 1200: system
1210: hot wire power supply 1220: user input
1221: positive terminal 1222: negative terminal
1223: Feedback detection lead 1230: CPU / controller
1240: voltage detection circuit 1250: power module
1400: system 1410: thermal sensor
1420: temperature sensor 1700: system
1710: motor 1720: optical system drive unit
1800: circuit 1801: resistor
1803: Switch 1901: Laser shroud assembly
1903: fume extraction system 2000: system
2110: welding electrode 2110 ': welding wire
2120: Torch 2120 ': Second Torch
2121: torch 2122: electrode
2130: Power supply 2130 ': Second power supply
2150: wire feeder 2201: welding waveform
2202: current pulses 2203: current waveform
2204: pulses 2205: current waveform
2206: pulses 2207: hot wire current
2208: hot wire pulses 2210: background part
2211: background parts 2401: welding current
2402: pulses 2403: hot wire current
2404: positive pulses 2405: negative pulses
2406: background parts 2501: current waveform
2503 positive pulses 2505: negative pulses
2510: hot wire current 2511: positive pulses
2513: Background level 2521: SAW current
2523: positive pulses 2525: negative pulses
2710: Beam 2710 ': Beam
2720: laser 2720 ': laser
2801: electrode 2803: magnetic probe
2805: Power supply D: point / distance
E: point G: gap width
I: current L: length
MF: Magnetic field P: Welding puddle
V: Voltage W: Workpiece
W1: Work W2: Work
WB: Welding Bead WP: Welding Puddle
X: Distance traveled Z: Distance
A: Branch B: Branch
C: point / center α: angle
Θ: angle θ: angle

Claims (26)

용접 시스템에 있어서,
적어도 하나의 작업물(workpiece) 상에 용융 퍼들(molten puddle)을 생성시키도록 전극과 상기 적어도 하나의 작업물 간에 아크를 발생시키기 위해 상기 전극에, 복수의 전류 펄스들을 포함하는 아크 발생 신호를 제공하는 아크 발생 전원 공급 장치(arc generating power supply);
적어도 하나의 소모품(consumable)이 상기 용융 퍼들과 접촉하는 경우 상기 소모품이 상기 용융 퍼들에 용융되도록 상기 소모품을 가열하기 위해, 복수의 가열 전류 펄스들을 포함하는 가열 신호를 발생시키는 핫 와이어 전원 공급 장치(hot wire power supply); 및
상기 아크 발생 신호의 상기 전류 펄스들과 상기 가열 전류 펄스들 간에 일정한 위상각(phase angle)이 유지되도록 상기 아크 발생 신호 및 상기 가열 신호 둘 모두를 동기화시키는 제어기(controller)를
포함하고,
상기 핫 와이어 전원 공급 장치 및 상기 제어기 중 적어도 하나는 상기 가열 신호와 관련된 피드백을 모니터링하고, 상기 피드백을 아크 발생 문턱값(threshold)과 비교하며, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치는 상기 적어도 하나의 소모품이 상기 적어도 하나의 작업물과 접촉하는 동안 상기 피드백이 상기 아크 발생 문턱값에 도달하는 경우 상기 가열 신호를 오프시키는 것인, 용접 시스템.
In the welding system,
Providing an arc generating signal comprising a plurality of current pulses to the electrode to generate an arc between the electrode and the at least one workpiece to create a molten puddle on at least one workpiece An arc generating power supply;
A hot wire power supply device that generates a heating signal including a plurality of heating current pulses to heat the consumable so that the consumable melts in the molten puddle when at least one consumable contacts the molten puddle ( hot wire power supply); And
A controller for synchronizing both the arc generation signal and the heating signal so as to maintain a constant phase angle between the current pulses of the arc generation signal and the heating current pulses.
Including,
At least one of the hot wire power supply and the controller monitors feedback related to the heating signal, compares the feedback to an arc generation threshold, and the hot wire power supply is configured to And turning off the heating signal when the feedback reaches the arcing threshold while in contact with the at least one workpiece.
제 1 항에 있어서,
상기 위상각은 0 도 내지 180 도 범위인 것인, 용접 시스템.
According to claim 1,
The phase angle is in the range of 0 degrees to 180 degrees, the welding system.
제 1 항에 있어서,
상기 위상각은 0 도인 것인, 용접 시스템.
According to claim 1,
The phase angle is 0 degrees, the welding system.
제 1 항에 있어서,
상기 위상각은 30 도 내지 90 도 범위인 것인, 용접 시스템.
According to claim 1,
The phase angle is in the range of 30 degrees to 90 degrees, the welding system.
제 1 항에 있어서,
상기 가열 신호는 AC 신호인 것인, 용접 시스템.
According to claim 1,
The heating signal is an AC signal, the welding system.
제 1 항에 있어서,
상기 전극은 상기 아크 발생 신호에 의해 용융되고 상기 용융 퍼들 내로 퇴적(deposit)되는 소모품인 것인, 용접 시스템.
According to claim 1,
The electrode is a consumable that is melted by the arc generation signal and deposited into the melting puddle.
제 1 항에 있어서,
상기 용융 퍼들에 열을 추가하기 위해 레이저 빔이 상기 용융 퍼들을 향하는 적어도 하나의 레이저를 더 포함하는, 용접 시스템.
According to claim 1,
A welding system, wherein the laser beam further comprises at least one laser directed towards the molten puddle to add heat to the molten puddle.
제 1 항에 있어서,
상기 아크와 상호작용하기 위해 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 자기장 발생 장치를 더 포함하는, 용접 시스템.
According to claim 1,
And at least one magnetic field generating device that generates a magnetic field to interact with the arc.
제 1 항에 있어서,
상기 피드백은 가열 전력, 가열 전류 및 가열 전압 중 적어도 하나에 기초한 것인, 용접 시스템.
According to claim 1,
Wherein the feedback is based on at least one of heating power, heating current and heating voltage.
제 1 항에 있어서,
상기 피드백은 가열 전력, 가열 저항, 가열 전류 및 가열 전압 중 적어도 하나의 변화율에 기초한 것인, 용접 시스템.
According to claim 1,
Wherein the feedback is based on a rate of change of at least one of heating power, heating resistance, heating current and heating voltage.
용접 시스템에 있어서,
적어도 하나의 작업물(workpiece) 상에 용융 퍼들(molten puddle)을 생성시키도록 제 1 전극과 상기 적어도 하나의 작업물 간에 아크를 발생시키기 위해 상기 제 1 전극에, 복수의 제 1 전류 펄스들을 포함하는 제 1 아크 발생 신호를 제공하는 제 1 아크 발생 전원 공급 장치(arc generating power supply);
제 2 아크가 상기 용융 퍼들과 접촉되도록 상기 제 1 전극과 적어도 하나의 작업물 간에 상기 제 2 아크를 발생시키기 위해 제 2 전극에, 복수의 제 2 전류 펄스들을 포함하는 제 2 아크 발생 신호를 제공하는 제 2 아크 발생 전원 공급 장치;
적어도 하나의 소모품(consumable)이 상기 용융 퍼들과 접촉하는 경우 상기 소모품이 상기 용융 퍼들에 용융되도록 상기 소모품을 가열하기 위해, 복수의 가열 전류 펄스들을 포함하는 가열 신호를 발생시키는 핫 와이어 전원 공급 장치(hot wire power supply); 및
상기 아크 발생 신호의 상기 제 1 및 제 2 전류 펄스들과 상기 가열 전류 펄스들 간에 일정한 위상각이 유지되도록 상기 제 1 및 제 2 아크 발생 신호들 및 상기 가열 신호 둘 모두를 동기화하는 제어기를
포함하고,
상기 핫 와이어 전원 공급 장치 및 상기 제어기 중 적어도 하나는 상기 가열 신호와 관련된 피드백을 모니터링하고, 상기 피드백을 아크 발생 문턱값(threshold)과 비교하며, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치는 상기 적어도 하나의 소모품이 상기 적어도 하나의 작업물과 접촉하는 동안 상기 피드백이 상기 아크 발생 문턱값에 도달하는 경우 상기 가열 신호를 오프시키는 것인, 용접 시스템.
In the welding system,
A plurality of first current pulses in the first electrode to generate an arc between the first electrode and the at least one workpiece to create a molten puddle on at least one workpiece A first arc generating power supply for providing a first arc generating signal;
Providing a second arc generating signal including a plurality of second current pulses to a second electrode to generate the second arc between the first electrode and at least one workpiece such that a second arc contacts the melting puddle A second arc generating power supply;
A hot wire power supply device that generates a heating signal including a plurality of heating current pulses to heat the consumable so that the consumable melts in the molten puddle when at least one consumable contacts the molten puddle ( hot wire power supply); And
A controller for synchronizing both the first and second arc generating signals and the heating signal such that a constant phase angle is maintained between the first and second current pulses of the arc generating signal and the heating current pulses.
Including,
At least one of the hot wire power supply and the controller monitors feedback related to the heating signal, compares the feedback to an arc generation threshold, and the hot wire power supply is configured to And turning off the heating signal when the feedback reaches the arcing threshold while in contact with the at least one workpiece.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 아크 발생 신호들은 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding) 신호들인 것인, 용접 시스템.
The method of claim 11,
Wherein the first and second arc generating signals are submerged arc welding signals.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 아크 발생 신호들 각각 및 상기 가열 신호는 서로 위상이 다르도록 동기화되는 것인, 용접 시스템.
The method of claim 11,
Each of the first and second arc generating signals and the heating signal are synchronized to be out of phase with each other.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 아크 발생 신호들 중 적어도 하나는 AC 신호인 것인, 용접 시스템.
The method of claim 11,
Wherein at least one of the first and second arc generating signals is an AC signal.
제 11 항에 있어서,
상기 피드백은 가열 전력, 가열 전류 및 가열 전압 중 적어도 하나에 기초한 것인, 용접 시스템.
The method of claim 11,
Wherein the feedback is based on at least one of heating power, heating current and heating voltage.
제 11 항에 있어서,
상기 피드백은 가열 전력, 가열 전류 및 가열 전압 중 적어도 하나의 변화율에 기초한 것인, 용접 시스템.
The method of claim 11,
Wherein the feedback is based on a rate of change of at least one of heating power, heating current, and heating voltage.
용접 방법에 있어서,
아크 발생 신호를 발생시키고, 적어도 하나의 작업물 상에 용융 퍼들을 생성시키도록 전극과 상기 적어도 하나의 작업물 간에 아크를 발생시키기 위해 상기 전극에, 복수의 전류 펄스들을 포함하는 상기 아크 발생 신호를 제공하는 단계;
적어도 하나의 소모품(consumable)이 상기 용융 퍼들과 접촉하는 경우 상기 소모품이 상기 용융 퍼들에 용융되도록 상기 소모품을 가열하기 위해, 복수의 가열 전류 펄스들을 포함하는 가열 신호를 발생시키는 단계;
상기 아크 발생 신호의 상기 전류 펄스들과 상기 가열 전류 펄스들 간에 일정한 위상각(phase angle)이 유지되도록 상기 아크 발생 신호 및 상기 가열 신호 둘 모두를 동기화시키는 단계; 및
상기 가열 신호에 관련된 피드백 신호를 모니터링하고 상기 피드백을 아크 발생 문턱값과 비교하며 상기 적어도 하나의 소모품이 상기 적어도 하나의 작업물과 접촉하는 동안 상기 피드백이 상기 아크 발생 문턱값에 도달하는 경우 상기 가열 신호를 오프시키는 단계를
포함하는, 용접 방법.
In the welding method,
The arc generating signal comprising a plurality of current pulses at the electrode to generate an arc between the electrode and the at least one workpiece to generate an arc generating signal and generate a molten puddle on at least one workpiece. Providing;
Generating a heating signal comprising a plurality of heating current pulses to heat the consumable so that the consumable melts in the molten puddle when at least one consumable contacts the molten puddle;
Synchronizing both the arc generating signal and the heating signal such that a constant phase angle is maintained between the current pulses of the arc generating signal and the heating current pulses; And
Monitor the feedback signal related to the heating signal, compare the feedback to an arc generation threshold and heat the heating if the feedback reaches the arc generation threshold while the at least one consumable contacts the at least one workpiece Turn off the signal
Included, welding method.
제 17 항에 있어서,
상기 위상각은 0 도 내지 180 도 범위인 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
The phase angle is in the range of 0 to 180 degrees, welding method.
제 17 항에 있어서,
상기 위상각은 0 도인 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
The phase angle is 0 degrees, welding method.
제 17 항에 있어서,
상기 위상각은 30 도 내지 90 도 범위인 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
The phase angle is in the range of 30 degrees to 90 degrees, welding method.
제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 신호는 AC 신호인 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
The heating signal is an AC signal, the welding method.
제 17 항에 있어서,
상기 전극은 상기 아크 발생 신호에 의해 용융되고 상기 용융 퍼들 내로 퇴적되는 소모품인 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
The electrode is a consumable that is melted by the arc generation signal and is deposited into the melting puddle.
제 17 항에 있어서,
상기 용접 방법은 상기 용융 퍼들에 열을 추가하기 위해 적어도 하나의 레이저 빔을 상기 용융 퍼들로 향하게 하는 단계를 더 포함하는 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
The welding method further comprises directing at least one laser beam to the molten puddle to add heat to the molten puddle.
제 17 항에 있어서,
상기 용접 방법은 상기 아크와 상호작용하기 위해 자기장을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
The welding method further comprises generating a magnetic field to interact with the arc.
제 17 항에 있어서,
상기 피드백은 가열 전력, 가열 전류 및 가열 전압 중 적어도 하나에 기초한 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
Wherein the feedback is based on at least one of heating power, heating current and heating voltage.
제 17 항에 있어서,
상기 피드백은 가열 전력, 가열 전류 및 가열 전압 중 적어도 하나의 변화율에 기초한 것인, 용접 방법.
The method of claim 17,
Wherein the feedback is based on a rate of change of at least one of heating power, heating current and heating voltage.
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