KR102124223B1

KR102124223B1 - 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법

Info

Publication number: KR102124223B1
Application number: KR1020140055487A
Authority: KR
Inventors: 게이지 가도따; 도시아끼 나까마따
Original assignee: 가부시키가이샤 다이헨
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2020-06-17
Also published as: CN104174975A; JP6100607B2; CN104174975B; JP2014226677A; KR20140136378A

Abstract

본 발명에 따르면, 펄스 아크 용접에 있어서, 피크 기간 Tp, 피크 전류 Ip 등의 펄스 파라미터를 최적값으로 안정되게 자동 조정한다.
용접 와이어를 송급하고, 피크 기간 Tp 중의 피크 전류 Ip 및 베이스 기간 Tb 중의 베이스 전류 Ib의 통전을 1펄스 주기 Tf로 하여 반복하여 용접하는 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법에 있어서, 펄스 주기 Tf마다, 용접 와이어와 모재의 단락의 발생 시기(시각 t21)를 검출하고, 단위 시간당 단락 발생 시기의 분포를 나타내는 지표를 산출하고, 이 지표에 기초하여 용접 전류 Iw의 파형에 있어서의 피크 기간 Tp, 피크 전류 Ip 등의 펄스 파라미터를 자동 조정한다. 이것에 의하여, 단위 시간마다 단락 발생 시기의 분포를 통계적으로 처리한 값을 자동 조정에 사용하므로, 용적 이행 타이밍이 변동을 갖고 있더라도, 펄스 파라미터의 자동 조정을 안정되게 행할 수 있다.

Description

펄스 아크 용접의 출력 제어 방법{OUTPUT CONTROL METHOD OF PULSE ARC WELDING}

본 발명은 용접 와이어를 송급하고, 피크 기간 중의 피크 전류 및 베이스 기간 중의 베이스 전류의 통전을 1펄스 주기로 하여 반복하여 용접하는 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법에 관한 것이며, 특히 단락 발생 시기에 기초한 펄스 파형의 적정화에 관한 것이다.

용접 와이어를 일정한 속도로 송급하고, 피크 기간 중의 피크 전류 및 베이스 기간 중의 베이스 전류를 1펄스 주기로 하는 펄스 파형의 용접 전류를 통전하여 아크를 발생시켜 용접하는 소모 전극식 펄스 아크 용접 방법이 널리 사용되고 있다. 이 펄스 아크 용접 방법은, 철강, 알루미늄 등의 다양한 금속 재료에 대하여 스퍼터 발생량이 적은 고품질의 용접을 고효율로 행할 수 있다.

도 5는, 소모 전극식 펄스 아크 용접에 있어서의 일반적인 전류·전압 파형도이다. 동 도면의 (A)는 아크를 통전하는 용접 전류 Iw의 파형을 나타내고, 동 도면의 (B)는 용접 와이어와 모재 사이에 인가되는 용접 전압 Vw의 파형을 나타낸다. 이하, 동 도면을 참조하여 설명한다.

시각 t1 내지 t2의 피크 기간 Tp 중에는, 동 도면의 (A)에 나타낸 바와 같이, 경사를 갖고 상승하여, 용적을 형성하고 이행시키기 위하여 임계값 이상의 피크 전류 Ip가 통전되고, 동 도면의 (B)에 나타낸 바와 같이, 경사를 갖고 상승하여, 아크 길이에 비례한 피크 전압 Vp가 인가된다. 시각 t2 내지 t3의 베이스 기간 Tb 중에는, 동 도면의 (A)에 나타낸 바와 같이, 경사를 갖고 하강하여, 용적을 형성하지 않기 위하여 임계값 미만의 베이스 전류 Ib가 통전되고, 동 도면의 (B)에 나타낸 바와 같이, 경사를 갖고 하강하여, 아크 길이에 비례한 베이스 전압 Vb가 인가된다. 시각 t1 내지 t3을 1펄스 주기 Tf로 하여 반복하여 용접이 행해진다.

용접 와이어가 직경 1.2㎜의 철강 와이어인 경우, 피크 전류 Ip=450 내지 500A, 상승을 포함하는 피크 기간 Tp=1.5 내지 2.0㎳, 펄스 주기 Tf=4.0 내지 10.0㎳, 베이스 전류 Ib=30 내지 70A, 상승 기간 및 하강 기간=0.5 내지 1.0㎳ 정도로 설정된다.

피크 기간 Tp 중에는, 용접 와이어의 선단이 용융되어 용적이 성장함과 함께, 용적의 상부에 핀치력에 의한 잘록부가 점차 형성된다. 그리고, 시각 t2에 베이스 기간 Tb에 들어가, 용접 전류 Iw가 하강하여 베이스 전류 Ib에 수렴한 직후의 시각 t21에 있어서, 용적이 용융지로 이행한다. 이 이행 시에는, 용적이 가늘고 길게 신장된 형상으로 되어 용융지와 접촉하므로, 단시간(대부분은 0.2㎳ 미만)의 단락이 발생한다. 따라서, 동 도면의 (B)에 나타낸 바와 같이, 시각 t21에 있어서, 용접 전압 Vw가 대략 0V로 되어, 단락이 발생하고 있다. 동 도면의 (A)에 나타내는 용접 전류 Iw에는 변화는 없으며, 베이스 전류 Ib인 채이다. 단, 단락 기간이 기준 시간(예를 들어 1㎳) 이상으로 되면 단락을 조기에 해제하기 위하여, 용접 전류 Iw를 점차 증가시키는 제어가 행해진다. 이상으로부터, 단락의 발생을 검출함으로써, 용적 이행의 타이밍을 검출할 수 있다.

펄스 아크 용접을 포함하는 소모 전극식 아크 용접에서는, 용접 중의 아크 길이를 적정값으로 유지하는 것이 양호한 용접 품질을 얻는 데 중요하다. 이 아크 길이 제어는, 이하와 같이 행해진다. 동 도면의 (B)에 나타내는 용접 전압의 평균값 Vav는 아크 길이에 대략 비례한다. 이 때문에, 용접 전압 평균값 Vav를 검출하고, 이 용접 전압 평균값 Vav가 적정 아크 길이에 상당하는 값으로 설정된 용접 전압 설정값 Vr(도시는 생략)과 동등해지도록, 상기 펄스 주기 Tf(주파수 변조 제어), 피크 기간 Tp(펄스 폭 변조 제어) 또는 피크 전류 Ip(피크 전류 변조 제어)를 피드백 제어에 의하여 변화시키고 있다. 상기 베이스 전류 Ib는 소정값으로 설정된다.

주파수 변조 제어에서는, 피크 기간 Tp 및 피크 전류 Ip가 펄스 파라미터로가 되고, 소정값으로 설정된다. 그리고, 펄스 주기 Tf(베이스 기간 Tb)가 피드백 제어된다.

펄스 폭 변조 제어에서는, 펄스 주기 Tf 및 피크 전류 Ip가 펄스 파라미터가 되고, 소정값으로 설정된다. 그리고, 피크 기간(펄스 폭) Tp가 피드백 제어된다.

피크 전류 변조 제어에서는, 피크 기간 Tp 및 펄스 주기 Tf가 펄스 파라미터로 되고, 소정값으로 설정된다. 그리고, 피크 전류 Ip가 피드백 제어된다.

상기 용접 전압 평균값 Vav는, 용접 전압 Vw를 검출하여 저역 통과 필터(컷 오프 주파수 1 내지 10㎐ 정도)에 통과시킴으로써 검출된다.

각 변조 제어에 있어서, 펄스 파라미터는, 1펄스 주기 중에 하나의 용적이 이행되는 소위 1펄스 주기 1용적 이행 상태로 되도록 적정값으로 설정된다. 특히, 용적 이행의 타이밍이, 피크 기간 Tp의 종료 시점으로부터 하강 기간을 거쳐 소정 기간 내에서 행해질 때는, 펄스 파라미터가 최적값으로 설정되었을 때이다.

상기 펄스 파라미터의 최적값은, JIS 규격이 동일한 용접 와이어이어도, 용접 와이어의 품목에 따라 상이한 값으로 된다. 나아가, 급전 칩·모재 간 거리(토치 높이), 송급 속도, 용접 속도 등에 의하여 최적값은 변화한다. 이 때문에, 펄스 파라미터를 최적값으로 자동 조정하는 제어가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

특허문헌 1의 발명에서는, 용접 와이어와 모재의 단락을 검출하고, 이 단락 발생 시기가 펄스 주기에 대하여 조기 영역인지 적정기 영역인지 후기 영역인지를 판단하고, 이 판단에 기초하여 펄스 파라미터를 자동 조정하는 것이다. 예를 들어, 자동 조정하는 대상으로 되는 펄스 파라미터로서 피크 기간 Tp를 선택했을 경우, 제 n회째의 펄스 주기에 있어서의 단락 발생 시기가 조기 영역이었을 때는 피크 기간 Tp를 0.1㎳만큼 짧게 하고, 제 n+1회째의 펄스 주기에 있어서의 단락 발생 시기가 적정기 영역이었을 때는 피크 기관 Tp는 그대로의 값을 유지한다. 또한, 제 m회째의 펄스 주기에 있어서의 단락 발생 시기가 후기 영역이었을 때는 피크 기관 Tp를 0.1㎳만큼 길게 한다. n 및 m은 양의 정수이다. 이와 같이 하여, 펄스 파라미터의 자동 조정을 행한다.

일본 특허 제2973714호 공보

상술한 종래 기술에서는, 펄스 주기마다 단락 발생 시기를 검출함으로써 용적 이행 타이밍을 검출하고, 이 단락 발생 시기가 펄스 주기에 대하여 조기 영역인지, 적정기 영역인 또는 후기 영역인지를 판단하고, 이 판단에 기초하여 펄스 파라미터를 자동 조정하고 있다.

그러나, 용접 조건이 동일한 채이며 펄스 파라미터가 최적값이어도, 용적 이행 타이밍은 어느 정도의 변동을 갖고 있다. 이 때문에, 단락 발생 시기가 조기 영역 또는 후기 영역으로 되는 일이, 어느 정도의 확률로 발생한다. 종래 기술에서는, 펄스 파라미터가 최적값으로 설정되어 있음에도 불구하고, 이 변동에 기인하여 펄스 파라미터가 펄스 주기마다 항상 변화하는 상태로 되는 경우가 발생한다. 이 결과, 용적 이행 상태가 불안정해지는 경우가 발생한다.

따라서, 본 발명에서는, 용적 이행 타이밍이 변동을 갖고 있더라도, 펄스 파라미터의 자동 조정을 안정되게 행할 수 있는 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 청구항 1의 발명은, 용접 와이어를 송급하고, 피크 기간 중의 피크 전류 및 베이스 기간 중의 베이스 전류의 통전을 1펄스 주기로 하여 반복하여 용접하는 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법에 있어서,

상기 펄스 주기마다 상기 용접 와이어와 모재의 단락의 발생 시기를 검출하고, 단위 시간당 상기 단락 발생 시기의 분포를 나타내는 지표를 산출하고, 이 지표에 기초하여 상기 용접 전류의 파형에 있어서의 펄스 파라미터를 변화시키는 것을 특징으로 하는 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법이다.

청구항 2의 발명은, 상기 펄스 주기를 조기 영역, 적정기 영역 및 후기 영역으로 미리 분할하고, 상기 단위 시간당 검출된 상기 단락 발생 시기를 상기 조기 영역, 상기 적정기 영역 또는 상기 후기 영역으로 분류하여 계수하고, 상기 지표는 상기 계수의 값이 가장 큰 영역인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법이다.

청구항 3의 발명은, 상기 단락 발생 시기를 상기 피크 기간의 종료 시점을 기준 시점으로 하여 그 이전을 음의 값으로 하고 그 이후를 양의 값으로 하여 시간으로 검출하고, 상기 지표는 상기 단위 시간당 상기 단락 발생 시기를 나타내는 상기시간의 평균값인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법이다.

종래 기술에서는, 펄스 주기마다, 단락 발생 시기에 기초하여 펄스 파라미터를 자동 조정하고 있었다. 이에 비하여, 본 발명에 따르면, 펄스 주기를 복수 포함하는 단위 시간마다, 단락 발생 시기를 통계적으로 처리한 값에 기초하여 펄스 파라미터를 자동 조정하고 있다. 이로 인하여, 본 발명에서는, 용적 이행 타이밍이 변동을 갖고 있더라도, 펄스 파라미터의 자동 조정을 안정되게 행할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 설명하기 위한 전류·전압 파형도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태 2에 따른 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 설명하기 위한 전류·전압 파형도이다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태 2에 따른 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다.
도 5는, 종래 기술에 있어서, 소모 전극식 펄스 아크 용접에 있어서의 일반적인 전류·전압 파형도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.

[실시 형태 1]

실시 형태 1의 발명에서는, 아크 길이 제어의 방식이 주파수 변조 제어이며, 자동 조정의 대상으로 되는 펄스 파라미터가 피크 기간 Tp인 경우에 대하여 설명한다. 따라서, 다른 펄스 파라미터인 피크 전류 Ip 및 베이스 전류 Ib는 소정값으로 설정되어 있으며, 펄스 주기 Tf가 피드백 제어된다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 따른 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 설명하기 위한 전류·전압 파형도이다. 동 도면의 (A)는 용접 전류 Iw의 파형을 나타내고, 동 도면의 (B)는 용접 전압 Vw의 파형을 나타낸다. 동 도면은 상술한 도 5와 동일한 파형이므로, 동일한 설명은 반복하지 않는다. 이하, 동 도면을 참조하여, 피크 기간 Tp의 자동 조정 제어에 대하여 설명한다.

스텝 1: 동 도면에 있어서, 펄스 주기 Tf가 개시되는 시각 t1로부터 피크 기간 Tp가 종료되는 시각 t2까지를 조기 영역으로 하고, 시각 t2로부터 소정 기간 Tt가 경과하는 시각 t22까지를 적정기 영역으로 하며, 시각 t22로부터 다음 펄스 주기 Tf가 개시되는 시각 t3까지를 후기 영역으로서 미리 정의한다. 상기 소정 기간 Tt는, 피크 전류 Ip가 하강하여 베이스 전류 Ib에 수렴한 시점으로 되도록 설정된다. 이 소정 기간 Tt는, 펄스 파라미터의 자동 조정 제어의 과도 응답성 및 정상 안정성을 고려하여 실험에 의하여 설정된다. 수치예를 들면, 시각 t1 내지 t2의 조기 영역(피크 기간 Tp)=2.0㎳, 시각 t2 내지 t22의 적정기 영역(소정 기간 Tt)=1.5㎳, 시각 t22 내지 t3의 후기 영역=0.5 내지 6.5㎳로 된다.

스텝 2: 단락의 발생을 판별한다. 단락의 발생은, 동 도면의 (B)에 나타낸 바와 같이, 용접 전압 Vw가 0V 정도로 낮아지는 것에 의하여 판별한다.

스텝 3: 판별된 단락의 발생 시기를 검출한다. 그리고, 미리 정한 단위 시간마다, 판별된 단락의 발생 시기에 의하여 조기 영역, 적정기 영역 또는 후기 영역으로 분류하여 계수한다. 단위 시간은, 0.1 내지 5.0초 정도의 범위로 설정된다. 펄스 주파수는 100 내지 250㎐ 정도의 범위이므로, 0.1초 사이에 10 내지 25회의 단락이 발생하고, 5.0초 사이에 500 내지 1250회의 단락이 발생한다. 이들 단락을 그 발생 시기에 따라 상기 3영역으로 분류하여 계수하게 된다.

스텝 4: 상기 단위 시간마다, 계수의 값이 가장 큰 영역을 판별하고, 그 영역이 조기 영역일 때는 지표 Sd=1을 출력하고, 적정기 영역일 때는 지표 Sd=2를 출력하며, 후기 영역일 때는 지표 Sd=3을 출력한다. 이 지표 Sd는, 단락 발생 시기의 분포를 나타내고 있다. 지표 Sd가 출력된 후에, 각 영역의 계수는 0으로 리셋된다.

스텝 5: 상기 단위 시간마다, 지표 Sd의 값에 따라 피크 기간 Tp를 미리 정한 수정량 Δd만큼 증감시킨다. 수정량 Δd는 양의 실수이며, 0.05 내지 0.3㎳ 정도로 설정된다. 수정량 Δd는, 펄스 파라미터의 자동 조정 제어의 게인에 상당하므로, 과도 응답성 및 정상 안정성을 고려하여 실험에 의하여 적정값으로 설정된다. 증감은, 이하와 같이 하여 행한다. Tp(m)은 현 시점에 있어서의 피크 기간의 설정값이며, Tp(m+1)은 증감 후의 피크 기간의 설정값이다. m은 1 이상의 정수이다.

Sd=1일 때 Tp(m+1)=Tp(m)-Δd

Sd=2일 때 Tp(m+1)=Tp(m)

Sd=3일 때 Tp(m+1)=Tp(m)+Δd

지표 Sd=1일 때는, 단위 시간당 발생한 단락의 발생 시기가 조기 영역에 가장 많이 분포하고 있었을 때이며, 이 경우에는 피크 기간 Tp의 현재의 설정값이 최적값보다도 길 때이다. 이 때문에, 피크 기간 Tp의 현재의 설정값을 수정량 Δd만큼 짧게 하고 있다.

지표 Sd=2일 때는, 단위 시간당 발생한 단락의 발생 시기가 적정기 영역에 가장 많이 분포하고 있었을 때이며, 이 경우에는 피크 기간 Tp의 현재의 설정값이 최적값일 때이다. 이 때문에, 피크 기간 Tp의 현재의 설정값을 그대로 유지한다.

지표 Sd=3일 때는, 단위 시간당 발생한 단락의 발생 시기가 후기 영역에 가장 많이 분포하고 있었을 때이며, 이 경우에는 피크 기간 Tp의 현재의 설정값이 최적값보다도 짧을 때이다. 이 때문에, 피크 기간 Tp의 현재의 설정값을 수정량 Δd만큼 길게 하고 있다.

상기 스텝 1 내지 5에 의하여 피크 기간 Tp의 자동 조정 제어가 행해진다. 상기에 있어서, 피크 전류 Ip의 자동 조정 제어를 동시에 행해도 된다. 이 경우에는, 상기 지표 Sd의 값에 따라 피크 전류 Ip를 자동 조정하면 된다. 즉, 지표 Sd=1일 때는 피크 전류 Ip의 현재의 설정값을 미리 정한 수정량만큼 작게 하고, Sd=2일 때는 그대로 유지하며, Sd=3일 때는 수정량만큼 크게 하면 된다.

펄스 폭 변조 제어의 경우에는, 상기 지표 Sd의 값에 따라 펄스 주기 Tf 및/또는 피크 전류 Ip를 자동 조정하면 된다. 마찬가지로, 피크 전류 변조 제어의 경우에는, 상기 지표 Sd의 값에 따라 피크 기간 Tp 및/또는 펄스 주기 Tf를 자동 조정하면 된다.

도 2는 도 1에서 상술한 본 발명의 실시 형태 1에 따른 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다. 이하, 동 도면을 참조하여 각 블록에 대하여 설명한다.

전원 주회로 PM은, 3상 200V 등의 상용 전원(도시는 생략)을 입력으로 하여, 후술하는 구동 신호 Dv에 따라 인버터 제어에 의한 출력 제어를 행하고, 용접 전류 Iw 및 용접 전압 Vw를 출력한다. 이 전원 주회로 PM은, 도시는 생략하지만, 상용 전원을 정류하는 1차 정류기, 정류된 직류를 평활하는 콘덴서, 평활된 직류를 상기 구동 신호 Dv에 따라 고주파 교류로 변환하는 인버터 회로, 고주파 교류를 아크 용접에 적합한 전압값으로 강압하는 고주파 변압기, 강압된 고주파 교류를 정류하는 2차 정류기, 정류된 직류를 평활하는 리액터를 구비하고 있다.

용접 와이어(1)는 와이어 릴(1a)에 감겨 있다. 용접 와이어(1)는 와이어 송급 모터 WM에 결합된 송급 롤(5)의 회전에 의하여 용접 토치(4) 내에 송급되고, 모재(2)와의 사이에 아크(3)가 발생하여 용접이 행해진다. 아크(3) 중을 용접 전류 Iw가 통전되고, 용접 와이어(1)와 모재(2) 사이에 용접 전압 Vw가 인가된다.

용접 전압 검출 회로 VD는, 용접 전압 Vw를 검출하여 용접 전압 검출 신호 Vd를 출력한다. 용접 전압 평균값 산출 회로 VAV는, 이 용접 전압 검출 신호 Vd를 입력으로 하여, 저역 통과 필터에 통과시킴으로써 평균화하고, 용접 전압 평균값 신호 Vav를 출력한다. 용접 전압 설정 회로 VR은, 미리 정한 용접 전압 설정 신호 Vr을 출력한다. 전압 오차 증폭 회로 EV는, 이 용접 전압 설정 신호 Vr과 상기 용접 전압 평균값 신호 Vav의 오차를 증폭하여, 전압 오차 증폭 신호 Ev를 출력한다.

전압·주파수 변환 회로 VF는, 상기 전압 오차 증폭 신호 Ev를 입력으로 하여, 이 전압 오차 증폭 신호 Ev의 값에 따른 주파수를 갖는 펄스 주기 신호 Tf를 출력한다. 이 펄스 주기 신호 Tf는, 펄스 주기마다 단시간 High 레벨로 되는 신호이다.

단락 판별 회로 SA는, 상기 용접 전압 검출 신호 Vd를 입력으로 하고, 그 값에 의하여 단락 상태를 판별하여 High 레벨로 되는 단락 판별 신호 Sa를 출력한다. 이 회로는, 상술한 스텝 2의 동작을 행하고 있다.

지표 생성 회로 SD는, 상기 펄스 주기 신호 Tf, 후술하는 피크 기간 수정 설정 신호 Tps 및 상기 단락 판별 신호 Sa를 입력으로 하여, 이하에 나타내는 처리를 행하고, 지표 신호 Sd를 출력한다.

1) 판별된 단락의 발생 시기를 검출한다. 단락 발생 시기의 검출은, 이하와 같이 하여 행한다. 상기 단락 판별 신호 Sa가 High 레벨로 변화한 시점이, 상기 펄스 주기 신호 Tf가 High 레벨로 변화한 시점(도 1의 시각 t1)으로부터 상기 피크 기간 수정 설정 신호 Tps에 의하여 정해지는 기간 중(도 1의 시각 t1 내지 t2)일 때는 단락이 조기 영역에서 발생했다고 판별하고, 그로부터 미리 정한 소정 기간 Tt 중(도 1의 시각 t2 내지 t22)일 때는 단락이 적정기 영역에서 발생했다고 판별하며, 그 이후의 기간 중(도 1의 시각 t22 내지 t3)일 때는 단락이 후기 영역에서 발생했다고 판별한다(상술한 스텝 1 및 3의 동작).

2) 미리 정한 단위 시간마다, 판별된 단락을 발생 시기에 따라 조기 영역, 적정기 영역 또는 후기 영역으로 분류하여 계수한다(상술한 스텝 3의 동작).

3) 상기 단위 시간마다, 계수의 값이 가장 큰 영역을 판별하고, 그 영역이 조기 영역일 때는 지표 신호 Sd=1을 출력하고, 적정기 영역일 때는 지표 신호 Sd=2를 출력하며, 후기 영역일 때는 지표 신호 Sd=3을 출력한다. 이 지표 신호 Sd는, 단락 발생 시기의 분포를 나타내고 있다. 지표 신호 Sd가 출력된 후에, 각 영역의 계수는 0으로 리셋된다(상술한 스텝 4의 동작).

피크 기간 설정 회로 TPR은, 미리 정한 피크 기간 설정 신호 Tpr을 출력한다. 피크 기간 수정 설정 회로 TPS는, 이 피크 기간 설정 신호 Tpr 및 상기 지표 신호 Sd를 입력으로 하고, 피크 기간 설정 신호 Tpr의 값을 초기값으로 하여, 상기 단위 시간마다, 지표 신호 Sd=1일 때는 현 시점의 설정값으로부터 미리 정한 수정량 ΔD를 감산하고, Sd=2일 때는 0을 가산하며, Sd=3일 때는 Δd를 가산하여, 피크 기간 수정 설정 신호 Tps를 출력한다. 즉, Tps=Tpr+Σ(단위 시간마다의 수정량)이다. 이 회로는, 상술한 스텝 5의 동작을 행하고 있다.

타이머 회로 TM은, 이 피크 기간 수정 설정 신호 Tps 및 상기 펄스 주기 신호 Tf를 입력으로 하여, 펄스 주기 신호 Tf가 High 레벨로 변화할 때마다 피크 기간 수정 설정 신호 Tps에 의하여 정해지는 기간만큼 High 레벨로 되는 타이머 신호 Tm을 출력한다. 따라서, 이 타이머 신호 Tm이 High 레벨일 때는 피크 기간으로 되고, Low 레벨일 때는 베이스 기간으로 된다.

피크 전류 설정 회로 IPR은, 미리 정한 피크 전류 설정 신호 Ipr을 출력한다. 베이스 전류 설정 회로 IBR은, 미리 정한 베이스 전류 설정 신호 Ibr을 출력한다. 상기 피크 기간 설정 신호 Tpr, 상기 피크 전류 설정 신호 Ipr 및 상기 베이스 전류 설정 신호 Ibr의 각 값은, 용접 와이어의 재질, 직경, 품목, 급전 칩·모재 간 거리, 송급 속도, 용접 속도 등의 용접 조건에 대하여 표준으로 되는 용접 조건을 상정하고, 이 표준 용접 조건 하에서 실험에 의하여 적정값을 구하여 설정된다.

전환 회로 SW는, 상기 타이머 신호 Tm, 상기 피크 전류 설정 신호 Ipr 및 상기 베이스 전류 설정 신호 Ibr을 입력으로 하여, 타이머 신호 Tm이 High 레벨일 때는 피크 전류 설정 신호 Ipr을 전류 제어 설정 신호 Icr로서 출력하고, Low 레벨일 때는 베이스 전류 설정 신호 Ibr을 전류 제어 설정 신호 Icr로서 출력한다.

용접 전류 검출 회로 ID는, 용접 전류 Iw를 검출하여 용접 전류 검출 신호 Id를 출력한다. 전류 오차 증폭 회로 EI는, 상기 전류 제어 설정 신호 Icr과 상기 용접 전류 검출 신호 Id의 오차를 증폭하여, 전류 오차 증폭 신호 Ei를 출력한다. 구동 회로 DV는, 이 전류 오차 증폭 신호 Ei를 입력으로 하여, PWM 제어를 행하고, 상기 전원 주회로 PM의 인버터 회로를 구동하기 위한 구동 신호 Dv를 출력한다.

용접 전류 평균값 설정 회로 IR은, 미리 정한 용접 전류 평균값 설정 신호 Ir을 출력한다. 송급 속도 설정 회로 FR은, 이 용접 전류 평균값 설정 신호 Ir을 입력으로 하여, 미리 내장되어 있는 용접 전류 평균값과 송급 속도의 관계식에 의하여 용접 전류 평균값 설정 신호 Ir의 값에 대응한 송급 속도 설정 신호 Fr을 산출하여 출력한다. 송급 제어 회로 FC는, 이 송급 속도 설정 신호 Fr을 입력으로 하여, 이 값에 의하여 정해지는 송급 속도로 용접 와이어(1)를 송급하기 위한 송급 제어 신호 Fc를 상기 와이어 송급 모터 WM에 출력한다.

상술한 실시 형태 1은 펄스 주기를 조기 영역, 적정기 영역 및 후기 영역으로 미리 분할하고, 단위 시간당 검출된 단락 발생 시기를 조기 영역, 적정기 영역 또는 후기 영역으로 분류하여 계수하고, 이 계수의 값이 가장 큰 영역에 대응한 지표에 기초하여 용접 전류의 파형에 있어서의 펄스 파라미터를 변화시켜 자동 조정하는 것이다. 종래 기술에서는, 펄스 주기마다, 단락 발생 시기에 기초하여 펄스 파라미터를 자동 조정하고 있었다. 이에 비하여, 본 실시 형태에 의하면, 펄스 주기를 복수 포함하는 단위 시간마다, 단락 발생 시기를 통계적으로 처리한 누적값에 기초하여 펄스 파라미터를 자동 조정하고 있다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 용적 이행 타이밍이 변동을 갖고 있더라도, 펄스 파라미터의 자동 조정을 안정되게 행할 수 있다.

「실시 형태 2」

도 3은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 설명하기 위한 전류·전압 파형도이다. 동 도면의 (A)는 용접 전류 Iw의 파형을 나타내고, 동 도면의 (B)는 용접 전압 Vw의 파형을 나타낸다. 동 도면은 상술한 도 1과 동일한 파형이므로, 동일한 설명은 반복하지 않는다. 이하, 동 도면을 참조하여, 피크 기간 Tp의 자동 조정 제어에 대하여 설명한다.

스텝 10: 단락의 발생을 판별한다. 단락의 발생은, 동 도면의 (B)에 나타낸 바와 같이, 용접 전압 Vw가 0V 정도로 낮아지는 것에 의하여 판별한다(도 1의 스텝 1과 동일한 동작).

스텝 20: 판별된 단락의 발생 시기를, 피크 기간 종료 시점(시각 t2)을 기준 시점으로 하여 그 이전을 음의 값으로 하고 그 이후를 양의 값으로 하여 시간 Td(시각 t2 내지 t21의 시간)로 검출한다. 그리고, 미리 정한 단위 시간마다, 검출된 각 시간 Td의 평균값을 산출하여 지표 Sd로서 출력한다. 이 지표 Sd는, 단락 발생 시기의 분포를 나타내고 있다.

스텝 30: 상기 단위 시간마다, 지표 Sd의 값에 따라 피크 기간 Tp를 미리 정한 수정량 Δd만큼 증감시킨다. 이 수정량 Δd에 대해서는, 도 1과 마찬가지이다. 증감은, 이하와 같이 하여 행한다. Tp(m)은 현 시점에 있어서의 피크 기간의 설정값이고, Tp(m+1)은 증감 후의 피크 기간의 설정값이다. m은 1 이상의 정수이다. Tt는, 도 1과 마찬가지로 소정 기간이다.

Sd<0일 때 Tp(m+1)=Tp(m)-Δd

0≤Sd<Tt일 때 Tp(m+1)=Tp(n)

Tt≤Sd일 때 Tp(m+1)=Tp(m)+Δd

지표 Sd<0일 때는, 단위 시간당 발생한 단락의 발생 시기의 평균값이 도 1에서 정의한 조기 영역에 존재하고 있을 때이며, 이 경우에는 피크 기간 Tp의 현재의 설정값이 최적값보다도 길 때이다. 이 때문에, 피크 기간 Tp의 현재의 설정값을 수정량 Δd만큼 짧게 하고 있다.

지표 Sd가 0≤Sd<Tt일 때는, 단위 시간당 발생한 단락의 발생 시기의 평균값이 도 1에서 정의한 적정기 영역에 존재하고 있을 때이며, 이 경우에는 피크 기간 Tp의 현재의 설정값이 최적값일 때이다. 이 때문에, 피크 기간 Tp의 현재의 설정값을 그대로 유지한다.

지표 Sd≥Tt일 때는, 단위 시간당 발생한 단락의 발생 시기의 평균값이 도 1에서 정의한 후기 영역에 존재하고 있을 때이며, 이 경우에는 피크 기간 Tp의 현재의 설정값이 최적값보다도 짧을 때이다. 이 때문에, 피크 기간 Tp의 현재의 설정값을 수정량 Δd만큼 길게 하고 있다.

상기 스텝 10 내지 30에 의하여 피크 기간 Tp의 자동 조정 제어가 행해진다. 상기에 있어서, 피크 전류 Ip의 자동 조정 제어를 동시에 행해도 된다. 이 경우에는, 상기 지표 Sd의 값에 따라 피크 전류 Ip를 자동 조정하면 된다. 펄스 폭 변조 제어의 경우에는, 상기 지표 Sd의 값에 따라 펄스 주기 Tf 및/또는 피크 전류 Ip를 자동 조정하면 된다. 마찬가지로, 피크 전류 변조 제어의 경우에는, 상기 지표 Sd의 값에 따라 피크 기간 Tp 및/또는 펄스 주기 Tf를 자동 조정하면 된다.

도 4는, 도 3에서 상술한 본 발명의 실시 형태 2에 따른 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다. 동 도면은 상술한 도 2와 대응하고 있으며, 동일 블록에는 동일 부호를 붙이고 그들의 설명은 반복하지 않는다. 동 도면은, 도 2의 지표 생성 회로 SD를 제2 지표 생성 회로 SD2로 치환하고, 도 2의 피크 기간 수정 설정 회로 TPS를 제2 피크 기간 수정 설정 회로 TPS2로 치환한 것이다. 이하, 동 도면을 참조하여, 이들 블록에 대하여 설명한다.

제2 지표 생성 회로 SD2는, 펄스 주기 신호 Tf, 피크 기간 수정 설정 신호 Tps 및 단락 판별 신호 Sa를 입력으로 하여, 이하에 나타내는 처리를 행하고, 지표 신호 Sd를 출력한다.

1) 판별된 단락의 발생 시기를 검출한다. 단락 발생 시기의 검출은, 이하와 같이 하여 행한다. 상기 펄스 주기 신호 Tf가 High 레벨로 변화한 시점(도 3의 시각 t1)으로부터 상기 단락 판별 신호 Sa가 High 레벨로 변화한 시점(도 3의 시각 t21)까지의 시간 Ta를 계측한다. 그리고, 단락 발생 시기를 나타내는 시간 Td=Ta-Tps를 산출한다(상술한 스텝 20의 동작).

2) 미리 정한 단위 시간마다, 검출된 단락 발생 시기의 각 시간 Td의 평균값을 산출하여 지표 신호 Sd로서 출력한다(상술한 스텝 20의 동작).

제2 피크 기간 수정 설정 회로 TPS2는, 피크 기간 설정 신호 Tpr 및 상기 지표 신호 Sd를 입력으로 하여, 피크 기간 설정 신호 Tpr의 값을 초기값으로 하고, 상기 단위 시간마다, 지표 신호 Sd<0일 때는 현 시점의 설정값으로부터 미리 정한 수정량 ΔD를 감산하고, 0≤Sd<Tt일 때는 0을 가산하며, Tt≤Sd일 때는 Δd를 가산하여, 피크 기간 수정 설정 신호 Tps를 출력한다. Tt는 미리 정한 소정 기간이다. 즉, Tps=Tpr+Σ(단위 시간마다의 수정량)이다. 이 회로는, 상술한 스텝 30의 동작을 행하고 있다.

상술한 실시 형태 2는 단락 발생 시기를 피크 기간 종료 시점을 기준 시점으로 하여 그 이전을 음의 값으로 하고 그 이후를 양의 값으로 하여 시간으로 검출하고, 단위 시간당 이들 시간의 평균값인 지표에 기초하여 용접 전류의 파형에 있어서의 펄스 파라미터를 변화시켜 자동 조정하는 것이다. 종래 기술에서는, 펄스 주기마다, 단락 발생 시기에 기초하여 펄스 파라미터를 자동 조정하고 있었다. 이에 비하여, 본 실시 형태에 의하면, 펄스 주기를 복수 포함하는 단위 시간마다, 단락 발생 시기를 통계적으로 처리한 시간의 평균값에 기초하여 펄스 파라미터를 자동 조정하고 있다. 이로 인하여, 본 실시 형태에서는, 용적 이행 타이밍이 변동을 갖고 있더라도, 펄스 파라미터의 자동 조정을 안정되게 행할 수 있다.

1: 용접 와이어
1a: 와이어 릴
2: 모재
3: 아크
4: 용접 토치
5: 송급 롤
Dv: 구동 신호
EI: 전류 오차 증폭 회로
Ei: 전류 오차 증폭 신호
EV: 전압 오차 증폭 회로
Ev: 전압 오차 증폭 신호
FC: 송급 제어 회로
Fc: 송급 제어 신호
FR: 송급 속도 설정 회로
Fr: 송급 속도 설정 신호
Ib: 베이스 전류
IBR: 베이스 전류 설정 회로
Ibr: 베이스 전류 설정 신호
Icr: 전류 제어 설정 신호
ID: 용접 전류 검출 회로
Id: 용접 전류 검출 신호
Ip: 피크 전류
IPR: 피크 전류 설정 회로
Ipr: 피크 전류 설정 신호
IR: 용접 전류 평균값 설정 회로
Ir: 용접 전류 평균값 설정 신호
Iw: 용접 전류
PM: 전원 주회로
SA: 단락 판별 회로
Sa: 단락 판별 신호
SD: 지표 생성 회로
Sd: 지표(신호)
SD2: 제2 지표 생성 회로
SW: 전환 회로
Ta: 펄스 주기의 개시 시점으로부터의 시간
Tb: 베이스 기간
Td: 피크 기간의 종료 시점으로부터의 시간
Tf: 펄스 주기(신호)
TM: 타이머 회로
Tm: 타이머 신호
Tp: 피크 기간
TPR: 피크 기간 설정 회로
Tpr: 피크 기간 설정 신호
TPS: 피크 기간 수정 설정 회로
Tps: 피크 기간 수정 설정 신호
TPS2: 제2 피크 기간 수정 설정 회로
Tt: 소정 기간
VAV: 용접 전압 평균값 산출 회로
Vav: 용접 전압 평균값(신호)
Vb: 베이스 전압
VD: 용접 전압 검출 회로
Vd: 용접 전압 검출 신호
VF: 전압·주파수 변환 회로
Vp: 피크 전압
VR: 용접 전압 설정 회로
Vr: 용접 전압 설정 신호
Vw: 용접 전압
WM: 와이어 송급 모터
Δd: 수정량

Claims

용접 와이어를 송급(送給)하고, 피크 기간 중의 피크 전류 및 베이스 기간 중의 베이스 전류의 통전을 1펄스 주기로 하여 반복하여 용접하는 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법에 있어서,
상기 펄스 주기마다 상기 용접 와이어와 모재의 단락 발생 시기를 검출하고, 단위 시간당 상기 단락 발생 시기의 분포를 나타내는 지표를 산출하고, 이 지표에 기초하여 상기 용접 전류의 파형에 있어서의 펄스 파라미터를 변화시키고,
상기 펄스 주기를 조기 영역, 적정기 영역 및 후기 영역으로 미리 분할하고, 상기 단위 시간당 검출된 상기 단락 발생 시기를 상기 조기 영역, 상기 적정기 영역 또는 상기 후기 영역으로 분류하여 계수하고, 상기 지표는 상기 계수의 값이 가장 큰 영역인 것을 특징으로 하는 펄스 아크 용접의 출력 제어 방법.
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