KR102118220B1 - 아크 용접용 전원 장치 및 아크 용접용 전원 장치의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는, 용접 품질의 가일층의 향상을 도모할 수 있는 아크 용접용 전원 장치(제어 방법)를 제공하는 것이다.
용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭을 주기적으로 변화시켜 평균 아크 길이의 주기적인 변동을 발생시킨다. 즉, 아크력을 마찬가지로 변화시켜 피용접물(M)의 용융지(용융 재료)의 진동을 증대시켜, 용융지의 교반을 촉진시킨다.

Description

아크 용접용 전원 장치 및 아크 용접용 전원 장치의 제어 방법{POWER SUPPLY APPARATUS FOR ARC WELDING AND CONTROL METHOD OF POWER SUPPLY APPARATUS FOR ARC WELDING}

본 발명은, 소모 전극식 아크 용접용 전원 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

소모 전극식 아크 용접에서는, 용접 와이어를 방전 전극으로 한 그 전극 선단으로부터 아크를 발생시켜 피용접물(모재)의 용접이 행해지지만, 그때, 용접 와이어는 아크에 의해 소모되므로, 그 소모에 따라서 용접 와이어의 송급을 행하면서 용접이 행해지고 있다. 또한, 이 소모 전극식 아크 용접에 있어서는, 용접 와이어의 정·역송급을 포함하는 그 송급 속도를 주기적으로 반복하는 용접법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 제4807474호 공보

그런데, 피용접물의 용접 품질의 향상은 항상 검토 사항 중 하나로 되어 있지만, 블로우 홀 경감 등에 의해 피용접물의 용접 품질의 향상을 한층 도모하는 것의 검토가 본 발명자들에 의해 이루어져 있다.

본 발명의 목적은, 용접 품질의 가일층의 향상을 도모할 수 있는 아크 용접용 전원 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하는 아크 용접용 전원 장치는, 용접 와이어를 방전 전극으로 한 그 전극 선단에서 아크를 발생시켜 피용접물의 아크 용접을 행하기 위해, 아크 용접에 적합한 출력 전력으로 조정하는 출력 제어부와, 상기 용접 와이어의 정·역송급을 포함하는 그 송급 속도를 주기적으로 변화시키는 송급 제어부를 구비한 아크 용접용 전원 장치이며, 상기 용접 와이어의 송급 속도의 진폭을 평균 아크 길이의 주기적인 변동이 발생하도록 주기적으로 변화시키는 진폭 제어부가 구비된다.

이 구성에 따르면, 용접 와이어의 송급 속도의 진폭을 주기적으로 변화시켜 평균 아크 길이의 주기적인 변동을 발생시키고, 이것에 수반하여 아크력이 마찬가지로 변화되므로, 피용접물의 용융지(용융 재료)의 진동이 증대되어, 용융지의 교반이 촉진된다. 이에 의해, 블로우 홀을 경감시킬 수 있고, 비드 품질을 향상시킬 수 있는 등, 용접 품질의 향상에 기여한다.

또한, 상기한 아크 용접용 전원 장치에 있어서, 상기 진폭 제어부는, 대소 2값의 진폭값을 이용하여 동일한 기간 길이로 교대로 적용하는 것이 바람직하다.

이 구성에 따르면, 용접 와이어의 송급 속도의 진폭을 변화시키는 데, 대소 2값의 진폭값을 동일한 기간 길이로 교대로 적용함으로써, 간이하게 실시 가능하다.

또한 상기 과제를 해결하는 아크 용접용 전원 장치의 제어 방법은, 용접 와이어를 방전 전극으로 한 그 전극 선단에서 아크를 발생시켜 피용접물의 아크 용접을 행하기 위해, 아크 용접에 적합한 출력 전력으로 조정하는 출력 제어와, 상기 용접 와이어의 정·역송급을 포함하는 그 송급 속도를 주기적으로 변화시키는 송급 제어를 실시하는 아크 용접용 전원 장치의 제어 방법이며, 상기 용접 와이어의 송급 속도의 진폭을 주기적으로 변화시켜, 평균 아크 길이의 주기적인 변동을 발생시킨다.

이 구성에 따르면, 상기한 아크 용접용 전원 장치와 마찬가지로, 용융지의 교반이 촉진되는 용접법으로 블로우 홀을 경감시킬 수 있고, 비드 품질을 향상시킬 수 있는 등, 용접 품질의 향상에 기여한다.

또한 상기한 아크 용접용 전원 장치의 제어 방법에 있어서, 대소 2값의 진폭값을 이용하여 동일한 기간 길이로 교대로 적용하여, 상기 용접 와이어의 송급 속도의 진폭을 변화시키는 것이 바람직하다.

이 구성에 따르면, 상기한 아크 용접용 전원 장치와 마찬가지로, 간이하게 실시 가능하다.

본 발명의 아크 용접용 전원 장치 및 그 제어 방법에 따르면, 용접 품질의 가일층의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 실시 형태에 있어서의 아크 용접기(아크 용접용 전원 장치)의 구성도.
도 2는 실시 형태의 통상 용접 모드의 제어 형태를 설명하기 위한 파형도.
도 3은 실시 형태의 교반 용접 모드의 제어 형태를 설명하기 위한 파형도.

이하, 아크 용접용 전원 장치 및 그 제어 방법의 일 실시 형태를 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 아크 용접기(10)로서는, 아크 용접에 적합한 출력 전력을 생성하는 아크 용접용 전원 장치(11)와 함께, 아크를 발생시키는 방전 전극으로서의 용접 와이어(12)에의 급전 및 그 유지를 행하는 용접 토치(13)와, 용접 와이어(12)의 송급을 행하는 송급 장치(14)와, 용접 와이어(12)가 권취되는 와이어 스탠드(15)를 구비하고 있다.

용접 토치(13)는, 전원 장치(11)와 파워 케이블(16)을 통해 접속되고, 전원 장치(11)로부터 전력 공급을 받는다. 용접 토치(13)는, 용접 와이어(12)에의 급전을 행하는 급전 팁(13a)을 구비하고 있다. 급전 팁(13a)은, 용접 와이어(12)의 송급 동작을 허용하면서, 전원 장치(11)에서 생성된 출력 전력을 용접 와이어(12)에 공급하기 위해 전기적으로 접촉하고 있다. 이러한 용접 토치(13)는, 용접 와이어(12)[급전 팁(13a)]측이 피용접물(모재)(M)에 대향하도록 배치되어 사용된다.

송급 장치(14)는, 구동원으로서 모터(14a)를 구비하고, 용접 와이어(12)의 와이어 스탠드(15)로부터의 인출 및 용접 토치(13)로의 송출을 그 모터(14a)의 구동에 의해 행하고 있다. 방전 전극인 용접 와이어(12)는 아크의 발생에 수반하여 소모되므로, 송급 장치(14)는 용접 와이어(12)의 소모를 보충하기 위해 용접 와이어(12)의 송급을 행하고 있다. 또한, 이 용접 와이어(12)의 송급에 있어서는, 단순한 일방향·일정 속도의 송급 형태가 아닌, 정송급(전진)이나 역송급(후퇴), 나아가서는 그때그때의 송급 속도 Vft도 변경하여 행해지고 있다. 이러한 송급 장치(14)[모터(14a)]는, 전원 장치(11) 내의 제어 회로(20)에 의해 제어되고, 용접 와이어(12)의 송급 동작에 있어서의 정송급과 역송급의 전환[모터(14a)의 정역회전]이나, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft[모터(14a)의 회전 속도] 등이 제어된다.

아크 용접용 전원 장치(11)는, CPU를 포함하여 구성되는 제어 회로(20)를 구비하고 있다. 제어 회로(20)는, 아크 용접을 위한 출력 전력을 생성하는 출력 제어부(20a), 단락·아크 기간 Ts, Ta를 검출하는 기간 검출부(20b), 용접 와이어(12)의 송급 동작을 제어하는 송급 제어부(20c) 및 용접 와이어(12)의 송급 속도의 주기적 변화의 진폭을 설정하는 진폭 설정부(20d) 등을 구비하고, 이들에 의해 아크 용접을 적절하게 행하기 위한 제어를 행하고 있다.

여기서, 도 2 등을 참조하면, 본 실시 형태와 같은 소모 전극식 아크 용접기(10)에서는, 용접 와이어(12)가 피용접물(M)에 접촉하는 단락 기간 Ts와, 용접 와이어(12)가 피용접물(M)로부터 이격되어 아크를 발생시키는 아크 기간 Ta를 교대로 발생시키고 있다. 제어 회로(20)는, 단락 기간 Ts와 아크 기간 Ta가 적절하게 발생하도록, 출력 제어부(20a)에 의한 출력 전력[출력 전압(아크 전압) Vw, 출력 전류(용접 전류) Iw]의 조정이나, 송급 제어부(20c)에 의한 용접 와이어(12)의 송급 방향 및 송급 속도 Vft의 조정을 행하고 있다.

덧붙여, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft는, 소모분을 고려한 정(正)의 일정 속도 Vf에 정현파 형상, 사다리꼴파 형상(도시 생략), 삼각파 형상(도시 생략) 등의 주파수 성분 Va가 중첩되어 설정되어 있다. 송급 속도 Vft가 제로보다 커지는 정의 영역에서는, 용접 와이어(12)를 전진시키는 정송급이고, 송급 속도 Vft가 제로보다 작아지는 부(負)의 영역에서는, 용접 와이어(12)를 후퇴시키는 역송급이다.

또한, 용접 와이어(12)의 역송급 초기의 시각 t1에서는, 용접 와이어(12)의 선단 위치 h는 제로이고 그곳으로부터 점차 높아진다. 즉, 시각 t1에서 용접 와이어(12)가 피용접물(M)로부터 이격되기 시작하여, 아크 기간 Ta가 개시되는 것을 의미한다. 용접 와이어(12)가 역송급으로부터 정송급으로 전환되는 시각 t2에서는, 용접 와이어(12)의 선단 위치 h는 최대 높이 직전으로 되고, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft가 속도 Vf(주파수 성분 Va가 제로)로 되는 시각에서 선단 위치 h가 최대 높이로 된다. 즉, 용접 와이어(12)가 피용접물(M)로부터 가장 이격된다. 이후에는, 용접 와이어(12)의 선단 위치 h는 점차 낮아져, 용접 와이어(12)가 피용접물(M)에 근접해 간다. 용접 와이어(12)가 정송급 피크를 약간 지난 시각 t3에서는, 용접 와이어(12)의 선단 위치 h는 다시 제로로 되어, 용접 와이어(12)가 피용접물(M)에 재접촉한다. 즉, 아크 기간 Ta가 종료되고 단락 기간 Ts가 개시되는 것을 의미한다. 그리고, 동작 중에는 상기한 것을 반복한다.

여기서, 용접 품질의 향상으로서 비드 품질의 향상을 도모하기 위해서는, 블로우 홀을 경감시키는 것이 유효한데, 피용접물(M)의 용융지(용융 재료)의 교반을 증대시켜 용접하는 것이 블로우 홀을 경감시키는 유효 수단 중 하나이다. 본 실시 형태의 제어 회로(20)는, 예를 들어 통상 용접 모드(도 2 참조)와 교반 용접 모드(도 3 참조)가 선택 가능하게 구성되어 있다.

전원 장치(11)에는 설정기(도시 생략)가 구비되어 있고, 용접 작업자에 의한 설정기의 조작에 기초하여, 피용접물(M)의 재질이나 용접 부분의 형상 등에 따른 출력 전압 Vw, 출력 전류 Iw 등을 포함하는 각종 파라미터의 설정이나 상기 용접 모드의 설정이 행해지고, 각종 설정값에 기초하여 출력 제어부(20a)는 출력 제어를, 송급 제어부(20c)는 송급 제어를 실시한다. 또한 이 송급 제어에 관하여, 진폭 설정부(20d)는, 통상 용접 모드에서는 출력 전압 Vw의 설정 전압 등에 기초하여 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭(주파수 성분 Va의 진폭)을 설정하고, 교반 용접 모드에서는 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭(주파수 성분 Va의 진폭)의 대소 2값의 설정과, 그 2개를 전환하는 속도 진폭 전환 타이밍 Tx를 설정한다. 본 명세서에 있어서의 진폭의 설정이라 함은, 주파수 성분 Va의 최대 피크값과 최소 피크값의 차분을 설정하는 것, 또는 그 차분은 일정한 상태에서 주파수 성분 Va의 정부의 파형 형상(사다리꼴파 등의 경우는, 그 사다리꼴의 형상)을 설정하는 것을 포함한다.

「통상 용접 모드」

진폭 설정부(20d)는, 출력 전압 Vw의 설정 전압 등에 기초하여, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 주파수 성분 Va의 진폭을 도 2와 같이 예를 들어 Va1로 설정하고, 송급 제어부(20c)는 그 송급 속도 Vft의 진폭 설정에 기초하여 용접 와이어(12)의 송급 제어를 행한다. 이 통상 용접 모드에서는, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭값은 고정이며, 용접 중에 변경하지 않는다.

「교반 용접 모드」

진폭 설정부(20d)는, 출력 전압 Vw의 설정 전압 등에 기초하여, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 주파수 성분 Va의 진폭을 도 3과 같이 예를 들어 Va1과 그것보다도 진폭이 큰 Va2라고 하는 대소 2값을 설정함과 함께, 그 2개의 속도 진폭 Va1, Va2를 전환하는 전환 타이밍 Tx를 설정한다. 속도 진폭 전환 타이밍 Tx는, 진폭이 작은 제1 진폭 Va1을 이용하는 기간을 T1로, 진폭이 큰 제2 진폭 Va2를 이용하는 기간을 T2로 설정하고, 본 실시 형태에서는 예를 들어 기간 T1, T2는 동일한 기간 길이로 설정된다. 덧붙여, 속도 진폭의 전환 타이밍 Tx는, 주파수 성분 Va가 제로로 되는 타이밍으로 하고 있다.

이와 같이, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭을 주기적으로 변화시킴으로써, 평균 아크 길이의 주기적인 변동이 발생하여 아크력이 마찬가지로 변화되어, 용융지(용융 재료)의 진동이 증대된다. 이에 의해, 용융지의 교반이 촉진되어, 블로우 홀의 경감, 비드 품질의 향상이 도모된다. 또한, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭의 주기적 변화를 용융지(용융 재료)의 진동과의 공진을 고려하여 설정하면, 용융지의 교반 작용을 보다 적절하게 발생시키는 것이 가능하다.

덧붙여, 용접 와이어의 정·역송급을 포함하는 그 송급 속도를 주기적으로 변화시키는 용접에 있어서, 본 실시 형태와는 달리 전류값, 전류 펄스 주기 등의 전기적인 파라미터를 변화시켜 용융지를 진동시키는 것도 생각되지만, 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭의 주기적 변화를 행하는 본 실시 형태의 제어 형태의 쪽이, 용융지를 진동(교반)시키는 데 직접적으로 작용하므로, 용융지의 교반 작용을 보다 적절하게 발생시키는 것이 가능하다.

다음으로, 본 실시 형태의 특징적인 효과를 기재한다.

(1) 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭(주파수 성분 Va의 진폭)을 주기적으로 변화시켜 평균 아크 길이의 주기적인 변동을 발생시키므로, 아크력이 마찬가지로 변화되어 피용접물(M)의 용융지(용융 재료)의 진동이 증대되어, 용융지의 교반이 촉진된다. 이에 의해, 블로우 홀을 경감시킬 수 있고, 비드 품질을 향상시킬 수 있는 등, 용접 품질의 향상에 기여할 수 있다.

(2) 용접 와이어(12)의 송급 속도 Vft의 진폭을 변화시키는 데, 대소 2값의 진폭 Va1, Va2를 동일한 기간 길이의 기간 T1, T2로 교대로 적용함으로써 간이하게 실시할 수 있어, 제어 회로(20)(CPU)의 부하 경감에 기여할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태는, 이하와 같이 변경해도 된다.

·교반 용접 모드에 있어서, 제1 진폭 Va1을 통상시의 진폭 Va1과 동일하게(동일 부호) 하였지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 통상시의 진폭 Va1을 제2 진폭 Va2와 동일하게 하고, 이때의 제1 진폭 Va1을 통상시의 진폭 Va1보다도 작은 진폭값으로 해도 된다. 또한, 통상시의 진폭 Va1이 제1 및 제2 진폭 Va1, Va2의 중간값으로 되도록 설정해도 된다. 또한, 대소 2값의 속도 진폭값(제1 및 제2 진폭 Va1, Va2)을 이용하였지만, 3 이상의 진폭값을 이용해도 된다. 또한, 그때그때의 상황에 따라서 진폭값을 축차 변경해도 된다.

·교반 용접 모드에 있어서, 속도 진폭 전환 타이밍 Tx를 동일한 기간 길이의 기간 T1, T2로 하였지만, 기간 T1, T2는 사전에 서로 다른 길이여도 되고, 또한 기간 T1, T2의 길이를 그때그때의 상황에 따라서 축차 변경해도 된다.

·진폭 Va1, Va2 등의 속도 진폭값과 그 전환하는 전환 타이밍 Tx의 설정을 출력 전압 Vw의 설정 전압 등에 기초하여 행하였지만, 이 이외의 파라미터로 설정해도 된다.

다음으로, 상기 실시 형태 및 다른 예로부터 파악할 수 있는 기술적 사상을 이하에 추가 기재한다.

(가) 용접 와이어에의 급전 및 그 유지를 행하는 용접 토치와, 상기 용접 와이어의 송급을 행하고 그 송급 동작이 제어되는 송급 장치와, 청구항 1 또는 2에 기재된 아크 용접용 전원 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 아크 용접기.

이 구성에 따르면, 용융지의 교반이 촉진되는 용접법으로 블로우 홀을 경감시킬 수 있고, 비드 품질을 향상시킬 수 있는 등, 용접 품질의 향상이 가능한 아크 용접기로서 제공할 수 있다.

11 : 아크 용접용 전원 장치
12 : 용접 와이어
20a : 출력 제어부
20c : 송급 제어부(진폭 제어부)
20d : 진폭 설정부(진폭 제어부)
M : 피용접물
Iw : 출력 전류(출력 전력)
Vw : 출력 전압(출력 전력)
Vft : 송급 속도
Va : 송급 속도의 주파수 성분
Va1, Va2 : 진폭(진폭값)
T1, T2 : 기간

Claims (4)

1. 용접 와이어를 방전 전극으로 한 그 전극 선단에서 아크를 발생시켜 피용접물의 아크 용접을 행하기 위해, 아크 용접에 있어서의 출력 전력으로 조정하는 출력 제어부와, 상기 용접 와이어의 정·역송급을 포함하는 그 송급 속도를 주기적으로 변화시키는 송급 제어부를 구비한 아크 용접용 전원 장치이며,
   상기 용접 와이어의 송급 속도의 진폭을 평균 아크 길이의 주기적인 변동이 발생하도록 주기적으로 변화시키는 진폭 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는, 아크 용접용 전원 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 진폭 제어부는, 대소 2값의 진폭값을 이용하여 동일한 기간 길이로 교대로 적용하는 것을 특징으로 하는, 아크 용접용 전원 장치.
3. 용접 와이어를 방전 전극으로 한 그 전극 선단에서 아크를 발생시켜 피용접물의 아크 용접을 행하기 위해, 아크 용접에 있어서의 출력 전력으로 조정하는 출력 제어와, 상기 용접 와이어의 정·역송급을 포함하는 그 송급 속도를 주기적으로 변화시키는 송급 제어를 실시하는 아크 용접용 전원 장치의 제어 방법이며,
   상기 용접 와이어의 송급 속도의 진폭을 주기적으로 변화시켜, 평균 아크 길이의 주기적인 변동을 발생시키도록 한 것을 특징으로 하는, 아크 용접용 전원 장치의 제어 방법.
4. 제3항에 있어서, 대소 2값의 진폭값을 이용하여 동일한 기간 길이로 교대로 적용하고, 상기 용접 와이어의 송급 속도의 진폭을 변화시키도록 한 것을 특징으로 하는, 아크 용접용 전원 장치의 제어 방법.

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