KR102153154B1 - 네가티브 전극 펄스 용접 시스템 및 방법 - Google Patents

네가티브 전극 펄스 용접 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

용접 시스템은 파워를 생성하고 그 파워를 용접 토치에 전달하도록 구성된 파워 소스를 포함한다. 파워는 안정화 위상이 후속하고 백그라운드 레벨로 리턴되는, 주기적인 피크를 포함하는 네가티브 전극 펄스 용접 체제에 따라서 제공된다. 안정화 위상은 일반적인 포물선 전류 형상을 가지며, 천이 포인트까지 전류-폐쇄 루프 방식으로 수행되며, 여기서 백그라운드 레벨에 도달될 때까지 제어는 전압-폐쇄 루프가 된다. 결과적인 용접 성능이 구형과 유사한 전사 모드에 대하여 향상되고, 단락이 감소되고 아크 안정성이 증가된다.

Description

네가티브 전극 펄스 용접 시스템 및 방법{ELECTRODE NEGATIVE PULSE WELDING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 네가티브 전극 펄스 용접 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 일반적으로 용접 프로세스들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펄스화된 스프레이 가스 금속 아크 용접(pulsed spray gas metal arc welding; GMAW-P) 프로세스들에서 전극 전사를 제어하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
용접은 다양한 산업들에서 아주 흔한 프로세스이며, 많은 금속 구조 및 어셈블리 애플리케이션들을 용이하게 하는데 이용될 수도 있다. 예컨대, 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding; GMAW)으로서 흔히 알려져 있는 하나의 프로세스는 가장 일반적으로 연속적인 필터 금속 전극 및 워크피스(workpiece) 사이에 용접 아크를 이용하는 특정 용접 프로세스이다. 임의의 GMAW 유도 프로세스들 또는 스프레이 전사(trasnfer) 및 펄스화된 스프레이 전사(예컨대, GMAW-P)와 같은 전사 모드들은, 비교적 얇은 금속 워크피스들 위에 용접 아크 전반에 걸쳐서 금속 전극 재료의 액적을 전사하기 위하여, 비교적 높은 전압 레벨들, 높은 엠퍼리지(amperage) 레벨들 및 고속 와이어 공급 속도(wire feed speed; WFS)를 포함할 수도 있다. 불행하게도, 네가티브 전극 극성 용접 아크를 이용하는 경우에, 금속 전극은 용접 아크 전반에 걸쳐서 재료를 전사하기는 것을 꺼리게(reluctant) 될 수도 있다.
이에 따라서, 금속 전극은 펄스화된 네가티브 전극 용접 체제(regime)를 이용하는 많은 애플리케이션들에서 유리하지만, 종래의 기술들은 용접 부위에 더 많은 에너지를 부가하고, 브리징 단락 및 모순되는 금속 전사, 불규칙한 아크 길이를 생성하고, 스패터를 원하지 않을 수도 있다. 용접 성능을 개선하는 것은 당해 분야에서 진보적인 것인 반면에 이러한 파형을 이용하도록 허용하는 분야에서는 개선적인 것이 된다.
일 실시형태에 있어서, 이하의 초기 리뷰가 완성 되도록 용접 시스템을 포함한다.
발명의 이러한 그리고 다른 특징들, 양태들 및 이점들은, 이하의 상세한 설명이 동일한 문자들이 도면들 전반에 걸쳐서 동일한 부분들을 나타내는 첨부 도면들을 참조하여 읽혀질 때 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 개시에 따라는 예시적인 GMAW 시스템의 블록도이다.
도 2는 개선된 펄스 용접 프로세스에서 직류 전극 네가티브(direct current electrode negative; DCEN) 극성을 이용하여 도 1의 GMAW 시스템의 용접 전극의 예시적인 정면도이다.
도 3은 펄스 용접 프로세스의 피크 위상 동안의 재료 전사를 나타내는 도 2에 도시된 전극의 예시적인 정면도이다.
도 4는 펄스 용접 프로세스 전압 및 엠퍼리지 파형들의 예시적인 타이밍도이다.
도 5는 펄스화된 용접 프로세스의 임의의 위상의 상세한 그래픽 표현이다.
용접 프로세스들은 다양한 산업들에서 흔한 것이 되고, 금속 구조 및 어셈블리 애플리케이션들을 용이하게 하는데 이용될 수도 있다. GMAW는 연속적인 필러 금속 전극과 워크피스 사이에 용접 아크를 이용하는 가장 일반적인 특정 용접 프로세스이다. 임의의 GMAW 유도 프로세스들 또는 스프레이 전사 및 펄스화된 스프레이 전사(GMAW-P)와 같은 전사 모드들은, 비교적 얇은 금속 워크피스들 상에 용접 작업들을 수행하기 위하여 용접 아크 전반에 걸쳐서 금속 전극 재료의 액적들을 전사하기 위하여 비교적 높은 전압 레벨들, 높은 암페어수 레벨들, 및 고속 와이어 공급 속도(WFS)를 포함할 수도 있다. 불행하게도, 전극 음극성 용접 아크를 이용할 때, 금속 전극은 용접 아크 전반에 걸쳐서 금속을 전사하기를 꺼릴 수도 있다.
따라서, 본 실시형태들은 아크 안전성뿐만 아니라 DCEN 펄싱 용접 아크 전반에 걸친 금속 전극 전사를 향상시키기 위하여 전압 및 엠퍼리지(amperage) 출력 레벨의 하나 이상의 특징을 조정하는데 유용한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 펄스 용접 체제에서의 각 피크 펄스의 하강 에지 천이(transition)를 감소시키는 것은, 피크와 백그라운드 위상 사이에 “안정화 위상”을 생성하고, 클리어링을 요구하는 “강고한 단락”에 대한 변경을 회피하거나 감소시키는 동안에 정착시키기 위하여 퇴적을 위한 전류-폐쇄 루프 출력에서의 시간을 충분하게 그리고 응답을 느리게 한다. 종래 기술에 있어서, 피크 위상에 이은 공격적인 전류 제어는 급속한 전압 변화, 아크 불안정, 스패터(spatter), 및 빈번한 단락을 야기하도록 의도된다. 펄스 주파수, 백그라운드 주기, 및 펄스 폭과 같은 전압 및 엠퍼리지(amperage) 출력 레벨의 다른 특징은 또한 아크 제어를 향상시키기 위하여 조정될 수도 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, “안정화 펄스”는 전압(및 전류)가 백그라운드 레벨로 리턴되는 위상으로 천이되기 이전에, 펄스 용접 체제의 피크 위상에 이은 전류(및 전압)의 제어를 지칭할 수도 있다. 안정화 위상은 일반적으로 DC 전극 네가티브 펄스 용접 기술을 이용하여 사용되며, 용접 파워 출력에서의 포물선의 전류-폐쇄 루프 감소에 의해 특징지워질 수 있다. 안정화 위상은 종래의 펄스 용접 체제에서 보다 더 높게 프로그램된 전류에서 종료될 수도 있다. 그 후, 안정화 위상에 이은 “백그라운드로의 리턴” 위상에 있어서, 단지 비례 이득(proportional-only gain)은 전압-폐쇄 루르 제어에 이용된다. 그러나, 여기서 설명된 기술은 스프레이 전사 및 펄스화된 스프레이 전사 GMAW 프로세스로 한정되지 않고, 또한 다른 GMAW 프로세스로 확장될 수도 있음을 인식하여야 한다. 실제로, 아래에 설명되는 바와 같이, 스프레이-타입 전이보다는, 안정화 위상은, 특히 EN 극성에 대하여 사용될 때 용접 퍼들(puddle)에 필러 금속의 더 구형의 전이를 촉진시키려는 경향이 있다.
전술한 바를 고려하면, 도 1에 나타낸 예시적인 GMAW 시스템(10)과 같은 용접 시스템의 실시형태를 설명하는 것이 유용하게 될 수도 있다. 나타낸 시스템은, 나타낸 배치가 많은 방식들로 변경될 수도 있지만, 자동화 또는 반자동화(예를 들어, 로봇식) 용접 시스템에 대하여 일반적일 수도 있고, 기술들이 또한 핸드-헬드 용접 프로세스들에서 이용될 수도 있다. 나타낸 바와 같이, 용접 시스템(10)은, 용접 파워 소스(12), 용접 와이어 피더(14), 가스 공급 시스템(16), 및 용접 토치(18)를 포함할 수도 있다. 용접 파워 소스(12)는 일반적으로 용접 시스템(10)을 위한 용접 파워를 공급할 수도 있다. 예컨대, 파워 소스(12)는 파워 케이블(20)을 통하여 용접 와이어 피더(14)와 결합될 뿐만 아니라 리드 케이블(22)를 경유하여 워크피스(24)에 클램프(26) 등을 통하여 결합될 수도 있다. 예시된 실시형태에 있어서, 용접 와이어 피더(14)는 용접 시스템(10)의 동작 동안에 예컨대 금속 코어드 용접 전극을 공급하고 용접 토치(18)에 동력을 공급하기 위하여 용접 케이블(28)을 통하여 용접 토치(18)에 결합된다. 일부 배치에 있어서, 와이어 피더는 파워 소스에 통합될 수도 있다. 가스 공급 시스템(16)으로부터의 가스는 또한 일반적으로 용접 케이블(28)을 통하여 전송된다. 워크피스에 관하여, 다른 재료 및 재료의 크기가 개시된 바와 같이 용접될 수도 있지만, 본 기술은 비교적 얇은 아연 도금된(또는 코팅된) 게이지 스틸을 포함하는 워크피스에 특히 매우 적합하게 될 수도 있다고 여겨진다. 또한, 적어도 30 in/min의 이동 속도와 같은 여러 가지 이동 속도는, 다른 속도가 또한 이용될 수도 있지만, 매뉴얼에 의해, 또는 더욱 일반적인 토치, 워크피스 또는 이들 양자의 로봇식 움직임에 의해 수용될 수도 있다.
용접 파워 소스(12)는, 일반적으로 파워 소스(30)[예컨대, AC 파워 그리드, 엔진/발전기 세트, 또는 이들의 조합]로부터 입력 파워를 수신하고, 그 입력 파워를 컨디셔닝하고, 용접을 위한 DC 또는 AC 출력 파워를 제공하는 파워 변환 회로(별도로 도시되지 않음)를 더 포함할 수도 있다. 용접 파워 소스(12)는 또한 용접 파워 출력을 제공하기 위한 출력 단자들을 포함하며, 이러한 단자들은 포지티브 또는 네가티브 극성 용접 체제 중 어느 하나에 따라서 접속을 허용할 수도 있다. 특히, 용접 파워 소스(12)는 용접 시스템(10)의 요구에 따라서 용접 와이어 피더(14)에 그리고 더 나아가 용접 토치(18)에 동력을 공급할 수도 있다. 이러한 개시에 의해 고려된 임의의 실시형태들에 있어서, 용접 토치(18)는, EN 용접 체제 그리고 특히 펄스 용접 프로세스를 구현하기 위하여 전원 장치 및 와이어 피더에 결합될 수도 있다. 즉, 파워 소스(12)는 DCEN 출력을 제공하는데 유용하게 될 수도 있고, 전류는 네가티브 방향으로부터 포지티브 방향으로 완성된 회로를 통하여 흐르며, 이에 따라 용접 아크 및/또는 용접 프로세스에 영향을 준다. DCEN 출력에 더하여, 파워 소스(12)는 또한 하나 이상의 용접 프로세스를 수행하기 위하여 AC 입력 파워를 직류 포지티브 전극(direct current electrode positive; DCEP) 출력, DC 가변 극성, 펄스화된 DC, 또는 가변 발란스(예컨대, 발란스된 또는 언발란스된) AC 출력으로 변환할 수 있는 회로 요소들(예컨대, 변압기, 정류기, 스위치 등)을 포함할 수도 있다.
GMAW 실시형태들에 대하여, 용접 시스템(10)은 또한 하나 이상의 실드 가스 소스로부터 용접 토치(18)에 실드 가스 또는 실드 가스 혼합물을 공급하는 가스 공급 시스템(16)을 포함한다. 실드 가스는 특정한 국부적 분위기를 제공하기 위하여(예컨대, 용접 아크를 실드하고, 아크 안전성을 향상시키고, 금속 산화물의 형성을 제한하고, 금속 표면의 습윤성을 향상시키고, 용접 침전물의 화학적 성질을 변경하기 위하여 등) 용접 아크 및/또는 용접 풀(pool)에 제공될 수도 있는 임의의 가스 또는 가스들의 혼합물일 수도 있다. 예컨대, 실드 가스는 아르곤(Ar), 헬륨(He), 카본 디옥사이드(CO2), 산소(O2), 및 질소(N2) 중 하나 또는 그 혼합물을 포함할 수도 있다.
따라서, 이전에 언급된 바와 같이, 용접 토치(18)는 일반적으로 워크피스(24) 상에 용접 동작을 수행하기 위하여 용접 와이어 피더(14)로부터 금속 용접 전극을 그리고 가스 공급 시스템(16)으로부터 실드 가스 흐름을 수신한다. 동작 동안에, 용접 토치(18)는, 용접 전극(32)이 워크피스에 접근하고 용접 아크(34)가 확립되도록 워크피스(22) 부근에 제공될 수도 있다. 또한, 본 기술은 특정 유형의 전극 와이어에 대하여 특히 유용하게 될 수 있다고 여겨진다. 예컨대, 전극(34)은 DCEN 용접 극성에 대하여 사용하기에 적합한 금속 코어드 용접 와이어일 수도 있다. 이러한 경우들에 있어서, 전극은 하나 이상의 금속 코어들을 둘러싸는 금속으로 이루어지는 시스(sheath)를 포함한다. 용접 전극은 또한 아크 안정 장치로서 기능할 수도 있는 플럭싱 또는 합금 구성요소를 포함할 수도 있고, 또한 용접에 적어도 부분적으로 통합될 수도 있다. 본 기술에 따른 DCEN 펄스 용접에 유용한 하나의 금속 코어드 용접 와이어는 바호스트(Barhorst) 등에 의해 2013년 1월 16일자로 출원되며, 명칭이 “용접 전극을 위한 시스템 및 방법(Systems and Methods for Welding Electrodes)”인 미국 특허 출원 제13/743,178호에 개시되며, 이는 참고로 본 개시에 통합된다.
임의의 실시형태들에 있어서, 용접 파워 소스(12), 용접 와이어 피더(14), 및 가스 공급 시스템(16)은 각각 제어 회로(36)에 의해 제어되고 지시될 수도 있다. 제어 회로(36)는 현재 개시된 기술을 수행하기 위한 메모리에 저장된 명령어들을 실행하도록 메모리(40)에 통신가능하게 결합될 수 있는 하나 이상의 프로세서(38)들 및 협력 데이터 프로세싱 및 감지 회로를 포함한다. 이러한 명령어들은 메모리(40) 및/또는 다른 저장소와 같은 유형의 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장된 프로그램들 또는 코드로 인코딩될 수도 있다. 펄스 용접 기술은 일반적으로 특정 와이어 타입 및 크기를 위하여 사전 프로그램되며, 원하는 특정한 프로세스는 인터페이스(별도로 도시되지 않음)를 통하여 용접 조작자에 의해 선택될 수도 있다. 프로세서(38)는 범용 프로세서, 시스템-온-칩(system-on-chip; SoC) 디바이스, 주문형 반도체(application-specific integrated circuit; ASIC) 또는 다른 프로세서 구성일 수도 있다. 프로세서(38)는 또한 예컨대 일리노이즈 툴 워크스 인코포레이티드(Illinois Tool Works, Inc.)로부터 입수가능한 Pro-Pulse ™, Accu-Pulse ™, Accu-Curve ™, 및 Profile Pulse ™와 같은 애플리케이션들을 지원할 수 있는 운영 체제를 지원할 수도 있다. 이와 유사하게, 메모리(40)는 예컨대 랜덤-액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 플래시 메모리(예컨대, NAND) 등을 포함할 수도 있다. 추가로 알 수 있는 바와 같이, 일 실시형태에서, 제어 회로(36)의 메모리(40)는 용접 출력 파워 그리고 더 나아가서 용접 아크(34)의 하나 이상의 파라미터 특징을 변경하는 명령어들을 포함하도록 (예컨대, 유선 및/또는 무선 데이터 송신, 프로그래밍 등을 통하여) 플레시 업데이트될 수도 있다. 많은 구성들에 있어서, 별도의 프로세싱 및 제어 회로는 전원 장치를 위하여 그리고 와이어 피더를 위하여 제공될 수도 있음에 주목하여야 한다. 전원 장치는 일반적으로 원하는 출력을 생성하기 위하여 파워 전자 디바이스들(예컨대, SCR, IGBT 등)을 제어하는데 사용되는 제어 신호들의 프로세싱을 수행한다. 현재 고려된 실시형태들에 있어서, 안정화 위상을 이용하여 DCEN 펄스 용접 프로세스를 규정하는 코드는 메모리(40) 내에 저장되고, 전원 장치 내의 프로세싱 회로에 의해 실행된다.
위에서 언급된 바와 같이, 제어 회로(36)의 구성요소는, 용접 파워 소스(12), 용접 와이어 피더(14), 및 가스 공급 시스템(16)에 통신가능하게 결합되고(또는 그 소스(12) 내에 삽입되고), 그리고 언급된 바와 같이 전술한 구성요소들의 각각과 연관되는 하나 이상의 파라미터(예컨대, 자동화된 애플리케이션들을 위한 전압 및 엠퍼리지 출력, 와이어 피드 속도, 이동 속도 등)를 제어한다.
도 2는 DCEN 극성 전기 용접 아크(34)를 이용하는 용접 프로세스의 실시형태를 나타낸다. 이전에 언급된 바와 같이, 일단 워크피스 부근에 여자(energized)되고 위치 결정된 용접 전극(33)은 워크피스(24)의 용접을 수행하기 위하여 전기 용접 아크(34)를 확립한다. 특히, DCEN 극성 용접 아크(34)를 이용할 때, 가열은 특히 와이어 전극에서 발생하여, DCEP 프로세스들을 이용하는 것보다 덜 투과시킨다. 이러한 프로세스에 있어서, 전극은 “네가티브”로서 지정되는 반면에 워크피스는 “포지티브”로서 지정된다. 화살표(42)에 의해 표시된 전극 흐름은, 전극(32)으로부터 워크피스까지, 그리고 주로 용접 퍼들(44)까지 행해진다. 이러한 기술은 때때로 “정극성(straight polarity)”으로서 지칭된다. 일반적으로, 아크 길이(46)는 전극의 팁과 용접 퍼들(44) 사이에 유지된다. 이러한 아크 길이가 어느 정도는 결정될 수도 있지만, 많은 점에 있어서, 전극에 그리고 이를 통해서 상기 아크, 상기 용접 퍼들, 및 상기 워크피스에 입력된 파워에 의해 제어될 수도 있다. 많은 종래 기술에 있어서, 효과는 아크 길이를 엄밀히 제어하도록 행해지며, 본 기술은, 피크 펄스들을 따르는 안정화 위상의 사용을 통하여, 아크 길이의 엄격한 제어에 걸친 아크 안정성을 강조하는 경향이 있다.
또한, 종래의 GMAW-P 프로세스에서, 전극으로부터의 금속의 전사는 스프레이 모드에 있게 되는 경향이 있다. 이러한 기술에 있어서, 용접 전원 장치는, 스프레이 전사를 생성하는 레벨들에서의 하이 피크 전류 세트로 용접 출력을 펄싱하고, 아크를 유지하는 낮은 백그라운드 전류 레벨을 펄싱하지만, 이는 임의의 금속 전사가 발생하기에 너무 작다. 금속이 사이클의 백그라운드 위상 동안에 전사되기 때문에, 용접 퍼들은 약간 동결될 수도 있다.
본 기술은 GMAW-P 프로세스로서 일반적으로 분류될 수도 있지만, 이는 몇몇 중요한 점에 있어서 종래의 프로세스들과는 상이하게 되는 경향이 있다. 예컨대, 종래 GMAW-P 프로세스들은, 전류와 시간 사이의 선형관계(예컨대, A/ms)에 기초하여 피크로부터의 전류 레벨들에서의 감소(decline)를 제어한다. 이들은 또한 아크 길이를 더욱 엄격하게 유지하고 본 기술에서 보다 더 낮은 전류 레벨에서 전압 위상으로 천이시키도록 (전류 및/또는 전압에 대한) 제어 루프들을 폐쇄하는 경향이 있다. 또한, 이러한 기존의 기술은 일반적으로 펄스 피크가 후속하는 램프의 백그라운드 부분으로의 리턴에 대하여 전압-폐쇄 루프 제어를 위한 비례/적분 이득을 이용한다. 이러한 인자들의 결과는, 전압 및 전류가 공격적으로 감소한다는 것이고, 이는 후속 피크 이전에 클리어링을 요구할 수도 있는 단락을 빈번하게 발생시킨다.
본 기술은, 특히 EN 극성이 사용될 때, “소프터” 다운 램프를 생성하고, 아크 안정성을 강조하고, 단락의 위험을 피하거나 또는 감소시킨다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전사 모드는 종래의 GMAW-P 프로세스보다 더 구형이 되는 경향이 있다. 전사는 피크 위상 동안에 발생하는 반면에, 재료는 전극으로부터 계속해서 용융되고, 하나 이상의 글로뷸(globule)(48)은 전극과 용접 퍼들 부근에 남겨지거나 또는 이들 사이에 다소 매달리는 경향이 있다. 단락 그리고 특히 “강고한 단락”이 일반적으로 회피되고, 아크가 더욱 안정하게 되는 경향이 있더라도, 아치 길이(46)는 변하거나 또는 엄격히 한정하는 것이 어려울 수도 이다.
여기서 또한, 파형은 포지티브 전극 극성을 이용하여 사용될 수도 있지만, 네가티브 전극 극성 및 프로세스를 이용하여 용접할 때 특히 유용하게 된다고 여겨진다. 제어를 위하여, 전원 제어 회로는 전압-폐쇄 루프 제어와 전류-폐쇄 루프 제어 사이를 주기적으로 천이시킴으로써 파워 출력을 조정할 수도 있다. 전극 및 용접 퍼들의 가열이 지속되지만, 용접 파워 출력이 낮은 시간 동안에(예컨대, 펄스화된 파형의 백그라운드 위상 동안에), 용접 아크는 확립된 상태로 남겨지지만, 전극 및 워크피스에 작은 에너지를 추가할 수 있다. 이러한 백그라운드 위상 동안에, 전극 및 풀은 다소 냉각되도록 허용되고, 피크 위상과 백그라운드 위상 사이에서, 안정화 위상은 아래에 더욱 충분히 논의되는 바와 같이 구현된다. 또한, 전극으로부터 전사된 대다수의 금속은, 각 펄스의 피크 위상 동안에 전사된다. 각 피크 위상을 따르는 이러한 안정화 위상은, 용접 퍼들 불안정 및 스패터를 감소시키고, (적어도 부분적으로 “강고한 단락”을 회피함으로써) 용접에 대한 에너지 입력을 감소시키고, 다공성을 완화시키고, 워크피스의 “용낙(burn through)”을 감소시킨다.
도 4는 펄스 용접의 일부 순차적인 사이클에 걸친 예시적인 전압 트레이스(52) 및 전류 트레이스(54)에 관하여 나타내는 예시적인 DCEN 펄스 용접 프로세스(50)를 나타낸다. 각 사이클 동안에, 전압 램프(56)는, 전압 피크(58)의 리딩 에지이며, 이어서 전류-폐쇄 루프인 안정화 위상 다운 램프(60)가 후속하며, 전압-폐쇄 루프 램프(62)가 백그라운드 전압 레벨(64)로 돌아간다. 대응하는 위상들은 전류 파형(54)에서 보여질 수도 있다. 즉, 전류-폐쇄 루르 램프(66)는 전압-폐쇄 루프 제어된 피크(68)로 상승하도록 구현된다. 피크 동안에, 제어기는 전압을 원하는 레벨로 유지하도록 전류를 변경시킬 수도 있다. 실제로, 원하는 전압 커맨드는, 실제 전압이 아크의 역학(dynamics), 발생할 수 있는 비정기적인 단락 등에 기초하여 변할 수도 있지만, 피크 위상 동안에 발행된다. 그 후, 전류-폐쇄 루프, 일반적으로 포물선 안정화 위상 램프(72)는 전류를 하향 구동시켜 전압-폐쇄 루프 램프(74)로 천이되고, 이어서 백그라운드 레벨(78)로 리턴된다. 그 후, 동일한 사이클이 용접 동작 전반에 걸쳐서 반복된다.
예를 들어, 일 실시형태에 있어서, 전류 파형(54)의 상승 에지 부분(66)은 대략 600 A/ms의 램프 레이트로 제어될 수도 있다. 피크 엠퍼리지(68)의 달성시에, 제어 회로는 피크 기간(70) 동안에 대략 200 V와 같은 원하는 전압 피크를 유지한다. 전류-폐쇄 루프 제어의 일반적인 포물선 안정화 위상(72)은 그 후에 전류가 프로그램된 천이 포인트에 도달할 때까지 임의의 시간(76) 동안에 구현된다. 여기서, 본 개시의 전반에 걸쳐서, 특정 전압, 전류, 램프 레이트 등이 일반적으로 미리 프로그램되며(“트레이닝되며”), 특정 와이어 및 와이어 크기 등에 대하여 최적화된다. 또한, 일부 시스템들에 있어서, 파라미터들의 어느 정도의 조작자 또는 프로그래머 제어가 제공될 수도 있다.
도 5는 전류 파형의 피크, 안정화, 및 리턴 위상을 다소 더 상세하게 나타낸다. 도시된 바와 같이, 전류 피크(80)는 백그라운드 레벨(78)에서 개시된다. 천이 포인트(82)에서, 그 후, 선형 램프(66)가, 210 A 내지 400 A와 같은 피크 전류 천이 포인트(84)에 대한 450 A/ms 내지 650 A/ms의 레이트 등에서 개시된다. 물론 이러한 범위들은 단지 예시적이며, 통상 다른 와이어 사이즈 및 와이어 피드 속도에 대하여 상이하게 된다. 현재 고려된 실시형태에 있어서, 이 포인트에서의 천이는 실제로 2개의 고려 사항 중 하나에 기초하여 발생할 수도 있다. 즉, 전류가 언급된 바와 같이 프로그램된 레벨에 도달할 수도 있거나 또는 전류가 그 레벨에 도달하기 이전에 전압이 프로그램된 피크 값에 도달할 수 있으므로, 전류 한계에 도달하기 전에 천이된다. 그 후, 피크 위상 동안에, 전류는 전압-폐쇄 루프 방식으로 전압을 원하는 레벨로 유지하도록“플로팅”된다. 천이 포인트(86)에 의해 표시된 바와 같이, 이러한 피크에 대한 기간에 후속하여, 전류 내지 전류-폐쇄 루프 제어에서의 감소를 포함하는 안정화 위상이 개시된다.
안정화 위상 동안의 전류 파형의 일반적인 포물선 형상은, 전류에서의 램프화된 감소 동안에 단위 시간 제곱당 전류(i/t2) 관계의 구현으로부터 기인한다. 일단 전류가 25 A 내지 325 A와 같이 천이 포인트(88)에 도달하면, 제어는 다시 전압-폐쇄 루프 제어로 천이하고, 전류 파형은 원하는 전압 감소를 백그라운드 레벨까지 유지하도록 시도하는 제어로부터 기인하는 형상을 나타낸다. 그러나, 안정화 위상을 빠져나가는 천이 포인트는 다른 와이어 크기 및 레이팅에 대하여 변할 수도 있고, 하나 이상의 범위 내에서 프로그램될 수도 있다는 점에 주목하여야 한다. 예컨대, 0.045" 와이어에 대하여, 출구 포인트는 100 A 내지 325 A 사이에 프로그램될 수도 있고, 0.040" 와이어에 대하여, 출구 포인트는 50 A 내지 275 A 사이에 프로그램될 수 있고, 0.035" 와이어에 대하여, 출구 포인트는 25 A 내지 225 A 사이에 프로그램될 수도 있다. 프로그램된 값은 기존 펄스 용접 체제에서 피크 다운 램프에서의 전류 제어/전압 제어 천이보다 더 높은 대략 25 A 내지 50 A가 되는 경향이 있다(여기서 전류는 전류-폐쇄 루프 제어 하에서 백그라운드 레벨로 리턴되는 동안에 조정 개시됨). 또한, 현재 고려된 구현에 있어서, 이러한 전압-폐쇄 루프 제어의 “리턴”위상 동안에 적용되는 이득은, 현재 고려된 실시형태에 있어서, (다른 이득 관계가 사용될 수도 있지만) 단지 비례한다. 포물선 안정화 위상, 초기의 출구 포인트, 및 백그라운드 레벨로의 리턴을 위한 단지 비례적 이득의 이용의 조합은, 개별적으로 및/또는 함께, (아크 길이에 걸쳐 우선적으로 처리되는) 아크 안정성의 제어를 더 좋아지게 하고, 빈번한 단락을 적게 하며, “강고한 단락”을 회피하는 경향을 가지게 한다고 여겨진다.
본 발명의 임의의 특징들만을 여기서 예시하고 설명하였지만, 많은 변형 및 변경이 당업자에게 발생할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 포함되는 바와 같이 모든 이러한 변형 및 변경을 커버하도록 의도된다.

Claims (22)

  1. 용접 시스템에 있어서,
    용접 파워를 발생시키고 그 용접 파워를 용접 토치에 전달하도록 구성된 파워 소스로서, 상기 용접 토치는 상기 파워 소스의 네가티브 출력 단자에 결합되는 것인 상기 파워 소스와,
    금속 코어드 전극을 상기 용접 토치에 전진 레이트로 전진시키도록 구성된 용접 와이어 피더와,
    전압-폐쇄 루프 피크 위상, 상기 피크 위상에 후속하는 일반적인 포물선 전류-폐쇄 루프 안정화 위상 및 상기 안정화 위상에 후속하는 전압-폐쇄 루프 리턴 위상을 포함하는 전극 네가티브 펄스 용접 체제(regime)를 구현하도록 구성된 제어 회로를 포함하는 용접 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안정화 위상은, 단위 시간 제곱 당 전류 관계에 의해 규정된 전류의 다운 램프를 포함하는 것인 용접 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 리턴 위상은 전압에 대한 비례 이득만을 포함하는 것인 용접 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 피크 위상의 리딩 에지는, 미리 정해진 천이 포인트에 대한 선형 전류-폐쇄 루프 램프를 포함하는 것인 용접 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 피크 위상 동안의 상기 용접 파워의 전압 커맨드는 18 v 내지 28 v인 것인 용접 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 안정화 위상과 상기 리턴 위상 사이의 천이는 25 A와 325 A 사이에서 프로그램될 수 있는 것인 용접 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 안정화 위상과 상기 리턴 위상 사이의 상기 천이는 50 A보다 높은 것인 용접 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 안정화 위상과 상기 리턴 위상 사이의 상기 천이는 100 A보다 높은 것인 용접 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 펄스 용접 체제는 상기 전극으로부터 용접 퍼들(puddle)로의 용융 금속의 일반적인 구형(globular) 전사를 생성하는 것인 용접 시스템.
  10. 용접 방법에 있어서,
    원하는 피크 천이에 대한 선형 전류-폐쇄 루프 제어된 램프를 생성하는 단계와,
    피크 위상 동안에 용접 파워를 전압-폐쇄 루프 조정하는 단계와,
    원하는 리턴 천이로의 안정화 위상 동안에 비선형 전류-폐쇄 루프 램프를 생성하는 단계와,
    백그라운드 파워 레벨에 대한 전압-폐쇄 루프 리턴을 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 단계들은, 네가티브 극성 전극을 이용하여 용접 동작 전반에 걸쳐서 주기적으로 수행되는 것인 용접 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 안정화 위상은 단위 시간 제곱 당 전류 관계에 의해 규정된 전류의 다운 램프를 포함하는 것인 용접 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 리턴의 위상은 전압에 대한 비례 이득만을 포함하는 것인 용접 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 방법은 금속 코어드 용접 와이어 전극을 이용하여 수행되는 것인 용접 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 피크 위상 동안의 상기 용접 파워의 전압 커맨드는 18 v 내지 28 v인 것인 용접 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 안정화 위상과 상기 리턴의 위상 사이의 천이는, 25 A와 325 A 사이에서 프로그램될 수 있는 것인 용접 방법.
  16. 제10항에 있어서, 펄스 용접 체제는, 상기 전극으로부터 용접 퍼들로의 용융 금속의 일반적인 구형 전사를 생성하는 것인 용접 방법.
  17. 컴퓨터 실행가능한 코드가 저장되는 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체에 있어서,
    상기 코드는,
    원하는 피크 천이에 대한 선형 전류-폐쇄 루프 제어된 램프를 생성하는 단계에 대한 명령어와,
    피크 위상 동안에 용접 파워를 전압-폐쇄 루프 조정하는 단계에 대한 명령어와,
    원하는 리턴 천이로의 안정화 위상 동안에 비선형 전류-폐쇄 루프 램프를 생성하는 단계를 위한 명령어와,
    백그라운드 파워 레벨로의 전압-폐쇄 루프 리턴을 생성하는 단계를 위한 명령어를 포함하며,
    상기 단계들은 네가티브 극성 전극을 이용하여 용접 동작 전반에 걸쳐서 주기적으로 수행되는 것인 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 안정화 위상은, 단위 시간 제곱 당 전류 관계에 의해 규정된 전류의 다운 램프를 포함하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체.
  19. 제17항에 있어서, 상기 리턴의 위상은 전압에 대한 비례 이득만을 포함하는 것인 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체.
  20. 제17항에 있어서, 상기 단계들은 금속 코어드 용접 와이어 전극을 이용하여 수행되는 것인 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체.
  21. 제17항에 있어서, 상기 피크 위상 동안의 상기 용접 파워의 전압 커맨드는 18 v 내지 28 v인 것인 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체.
  22. 제17항에 있어서, 상기 안정화 위상과 상기 리턴의 위상 사이의 천이는 25 A와 325 A 사이에서 프로그램될 수 있는 것인 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체.
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