KR102237884B1 - 아크 용접 제어 방법 - Google Patents

Abstract

용접 와이어의 정송과 역송을 주기적으로 반복하는 용접 방법에 있어서, 용접 상태의 안정성을 향상시킨다. 용접 와이어의 송급 속도 Fw의 정송과 역송을 주기적으로 반복하여 단락 기간과 아크 기간을 발생시키고, 아크 기간 중에는 제1 용접 전류 Iw1을 통전한 후에 제1 용접 전류 Iw1보다 작은 제2 용접 전류 Iw2를 통전하는 아크 용접 제어 방법에 있어서, 아크 기간으로부터 단락 기간으로 이행한 시점 t21의 송급 속도 Fw의 위상을 검출하고, 검출된 위상에 따라서 제1 용접 전류의 값Iw1 및/또는 통전 기간 Tw1을 변화시킨다. 이에 의해, 외란에 의한 단락 발생 시의 송급 속도의 위상이 변동되는 것을 억제할 수 있으므로, 용접 상태의 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

아크 용접 제어 방법 {ARC WELDING CONTROL METHOD}

본 발명은, 용접 와이어의 송급 속도의 정송과 역송을 주기적으로 반복하여 단락 기간과 아크 기간을 발생시키고, 아크 기간 중에는 제1 용접 전류를 통전한 후에 제1 용접 전류보다 작은 제2 용접 전류를 통전하는 아크 용접 제어 방법에 관한 것이다.

일반적인 소모 전극식 아크 용접에서는, 소모 전극인 용접 와이어를 일정 속도로 송급하고, 용접 와이어와 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접이 행해진다. 소모 전극식 아크 용접에서는, 용접 와이어와 모재가 단락 상태와 아크 발생 상태를 교대로 반복하는 용접 상태로 되는 경우가 많다.

그런데, 용접 품질을 더욱 향상시키기 위해, 용접 와이어의 정송과 역송을 주기적으로 반복하여 용접하는 방법이 제안되어 있다.

도 3은, 송급 속도의 정송과 역송을 주기적으로 반복하는 용접 방법에 있어서의 파형도이다. 도 3의 (A)는 송급 속도 Fw의 파형을 나타내고, 도 3의 (B)는 용접 전류 Iw의 파형을 나타내고, 도 3의 (C)는 용접 전압 Vw의 파형을 나타낸다. 이하, 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는, 0보다 상측이 정송 기간이 되고, 하측이 역송 기간이 된다. 정송이라 함은, 용접 와이어를 모재에 근접하는 방향으로 송급하는 것을 말하고, 역송이라 함은 모재로부터 이반하는 방향으로 송급하는 것을 말한다. 송급 속도 Fw는, 정현파 형상으로 변화되고 있고, 정송측으로 시프트한 파형으로 되어 있다. 이로 인해, 송급 속도 Fw의 평균값은 양의 값이 되고, 용접 와이어는 평균적으로는 정송되고 있다.

도 3의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는, 시각 t1 시점에서는 0이고, 시각 t1∼t2의 기간은 정송 가속 기간이 되고, 시각 t2에서 정송의 최댓값이 되고, 시각 t2∼t3의 기간은 정송 감속 기간이 되고, 시각 t3에서 0이 되고, 시각 t3∼t4의 기간은 역송 가속 기간이 되고, 시각 t4에서 역송의 최댓값이 되고, 시각 t4∼t5의 기간은 역송 감속 기간이 된다.

용접 와이어와 모재의 단락은, 시각 t2의 정송 최댓값의 전후에서 발생하는 경우가 많다. 도 3에서는, 정송 최댓값 후의 정송 감속 기간 중의 시각 t21에서 발생한 경우이다. 시각 t21에 있어서 단락이 발생하면, 도 3의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 수 V의 단락 전압값으로 급감하고, 도 3의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw도 소전류값의 초기 전류값으로 감소한다. 그 후, 용접 전류 Iw는, 소정의 경사로 증가하여, 미리 정한 피크값에 도달하면 그 값을 유지한다.

도 3의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는, 시각 t3으로부터는 역송 기간이 되므로, 용접 와이어는 역송된다. 이 역송에 의해 단락이 해제되어, 시각 t31에 있어서 아크가 재발생한다. 아크의 재발생은, 시각 t4의 역송 최댓값의 전후에서 발생하는 경우가 많다. 도 3에서는, 역송 최댓값 전의 역송 가속 기간 중의 시각 t31에서 발생한 경우이다.

시각 t31에 있어서 아크가 재발생하면, 도 3의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 수십 V의 아크 전압값으로 급증한다. 도 3의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw는, 아크 재발생의 전조 현상인 용적의 수축을 검출하는 제어에 의해, 시각 t31보다 수백 μs 정도 전의 시점부터 급감하여, 시각 t31의 아크 재발생 시점에서는 소전류값으로 되어 있다. 이 수축의 검출은, 용적에 수축이 형성되면 통전로가 좁아져 용접 와이어와 모재 사이의 저항값 또는 용접 전압값이 상승하는 것을 검출함으로써 행해진다.

도 3의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는, 시각 t31로부터 시각 t5까지 역송된다. 이 기간 중에는, 아크 길이가 길어지는 기간이 된다. 시각 t31∼t5의 기간 중에는, 도 3의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw는, 소정의 경사로 증가하여, 소정의 제1 용접 전류값에 도달하면 그 값을 아크 재발생 시(시각 t31)로부터의 소정 기간 유지한다. 그 후에는 다음 단락이 발생하는 시각 t61까지 제1 용접 전류보다 작아지는 제2 용접 전류가 통전된다.

도 3의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는, 시각 t5로부터 정송 기간이 되고, 시각 t6에서 정송 피크값이 된다. 그리고, 시각 t61에 있어서, 다음 단락이 발생한다. 이 시각 t5∼t61의 기간 중에는, 도 3의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 점차 감소하고, 도 3의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw도 점차 감소한다.

상술한 바와 같이, 단락과 아크의 주기는, 송급 속도의 정송과 역송의 주기와 대략 일치하게 된다. 즉, 이 용접 방법에서는, 송급 속도의 정송과 역송의 주기를 설정함으로써 단락과 아크의 주기를 원하는 값으로 할 수 있다. 이로 인해, 이 용접 방법을 실시하면, 단락과 아크의 주기의 변동을 억제하여 대략 일정하게 하는 것이 가능해지고, 스패터 발생량이 적고, 또한 비드 외관이 양호한 용접을 행할 수 있다.

그러나, 송급 속도의 정송과 역송을 반복하는 용접 방법에 있어서, 급전 칩·모재간 거리, 용융지의 불규칙한 운동, 용접 자세의 변화 등의 외란에 의해, 단락이 상술한 적정한 타이밍에서 발생하지 않는 경우가 발생한다. 이와 같이 되면, 단락과 아크의 주기와 정송과 역송의 주기가 동기하지 않게 되어, 단락과 아크의 주기가 변동되게 된다. 이 동기 어긋남 상태를 원래의 동기 상태로 복귀시키기 위한 방법이, 특허문헌 1에 개시되어 있다.

특허문헌 1의 발명에서는, 용접 와이어의 정송 중에서 송급 속도의 감속 중에, 송급 속도가 소정의 송급 속도가 될 때까지 단락이 발생하지 않는 경우에는, 주기적인 변화를 중지하여 송급 속도를 제1 송급 속도로 일정 제어하고, 제1 송급 속도에 의한 정송 중에 단락이 발생하면 제1 송급 속도로부터 감속을 개시하여 주기적인 변화를 재개하여 용접을 행하는 것이다. 이에 의해, 동기 어긋남 상태를 동기 상태로 복귀시키려고 하고 있다.

일본 특허 제4807474호 공보

특허문헌 1의 발명에서는, 단락이 적정한 타이밍에서 발생하지 않을 때에는, 송급 속도를 정송의 일정 속도로 전환하고, 단락이 발생하면 송급 속도를 원래의 주기적인 변화로 복귀시키고 있다. 그러나, 이 제어에서는, 송급 속도의 주기를 스스로 변동시키게 되어, 용접 상태가 불안정 상태에 빠지는 경우가 발생한다.

따라서, 본 발명에서는, 송급 속도의 정송과 역송의 주기를 일정하게 유지한 채, 단락과 아크의 주기와 송급 속도의 정송과 역송의 주기가 동기 어긋남 상태가 되는 것을 억제하여, 안정된 용접을 행할 수 있는 아크 용접 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,

용접 와이어의 송급 속도의 정송과 역송을 주기적으로 반복하여 단락 기간과 아크 기간을 발생시키고, 상기 아크 기간 중에는 제1 용접 전류를 통전한 후에 상기 제1 용접 전류보다 작은 제2 용접 전류를 통전하는 아크 용접 제어 방법에 있어서,

상기 아크 기간으로부터 상기 단락 기간으로 이행한 시점의 상기 송급 속도의 위상을 검출하고, 상기 검출된 위상에 따라서 상기 제1 용접 전류의 값 및/또는 통전 기간을 변화시키는 것을 특징으로 하는 아크 용접 제어 방법이다.

본 발명은, 상기 검출된 위상과 미리 정한 단락 위상 설정값의 오차에 따라서 상기 제1 용접 전류의 값 및/또는 통전 기간을 변화시키는 것을 특징으로 하는 아크 용접 제어 방법이다.

본 발명에 따르면, 단락이 발생하였을 때의 송급 속도의 위상에 따라서 제1 용접 전류의 값 및/또는 통전 기간을 변화시킴으로써 아크 기간의 시간 길이를 조정할 수 있으므로, 단락이 발생하는 송급 속도의 위상의 변동을 억제할 수 있다. 이로 인해, 본 발명에서는, 송급 속도의 정송과 역송의 주기를 일정하게 유지한 채, 단락과 아크의 주기와 송급 속도의 정송과 역송의 주기가 동기 어긋남 상태가 되는 것을 억제하여, 안정된 용접을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 아크 용접 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 아크 용접 제어 방법을 설명하기 위한, 도 1의 용접 전원에 있어서의 각 신호의 타이밍 차트이다.
도 3은 종래 기술에 있어서, 송급 속도의 정송과 역송을 주기적으로 반복하는 용접 방법에 있어서의 파형도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

[실시 형태 1]

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 아크 용접 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다. 이하, 도 1을 참조하여, 각 블록에 대해 설명한다.

전원 주회로(PM)는, 3상 200V 등의 상용 전원(도시는 생략)을 입력으로 하고, 후술하는 오차 증폭 신호 Ea에 따라서 인버터 제어 등의 출력 제어를 행하여, 용접 전압 Vw 및 용접 전류 Iw를 출력한다. 이 전원 주회로(PM)는, 도시는 생략하지만, 상용 전원을 정류하는 1차 정류기, 정류된 직류를 평활하는 평활 콘덴서, 평활된 직류를 고주파 교류로 변환하는 인버터 회로, 고주파 교류를 용접에 적합한 전압값으로 강압한 고주파 변압기, 강압된 고주파 교류를 직류로 정류하는 2차 정류기, 정류된 직류를 평활하는 리액터, 상기한 오차 증폭 신호 Ea를 입력으로 하여 펄스폭 변조 제어를 행하는 변조 회로, 펄스폭 변조 제어 신호를 입력으로 하여 인버터 회로의 스위칭 소자를 구동하는 인버터 구동 회로를 구비하고 있다.

감류 저항기(R)는, 상기한 전원 주회로(PM)와 용접 토치(4) 사이에 삽입된다. 이 감류 저항기(R)의 값은, 단락 부하(0.01∼0.03Ω 정도)의 10배 이상 큰 값(0.5∼3Ω 정도)으로 설정된다. 이 감류 저항기(R)가 통전로에 삽입되면, 용접 전원 내의 직류 리액터 및 외부 케이블의 리액터에 축적된 에너지가 급방전된다. 트랜지스터(TR)는, 감류 저항기(R)와 병렬로 접속되어, 후술하는 구동 신호 Dr에 따라서 온 또는 오프 제어된다.

송급 모터(WM)는, 후술하는 송급 제어 신호 Fc를 입력으로 하고, 정송과 역송을 주기적으로 반복하여 용접 와이어(1)를 송급 속도 Fw로 송급한다. 이 송급 모터(WM)에는, 과도 응답성이 빠른 모터가 사용된다. 용접 와이어(1)의 송급 속도 Fw의 변화율 및 송급 방향의 반전을 빠르게 하기 위해, 송급 모터(WM)는 용접 토치(4)의 선단부 부근에 설치되는 경우가 있다. 또한, 송급 모터(WM)를 2개 사용하여, 푸시 풀 방식의 송급계로 하는 경우도 있다.

용접 와이어(1)는, 상기한 송급 모터(WM)에 결합된 송급 롤(5)의 회전에 의해 용접 토치(4) 내를 송급되어, 모재(2)와의 사이에 아크(3)가 발생한다. 용접 토치(4) 내의 급전 칩(도시는 생략)과 모재(2)의 사이에는 용접 전압 Vw가 인가되어, 용접 전류 Iw가 통전된다.

용접 전류 검출 회로(ID)는, 상기한 용접 전류 Iw를 검출하여, 용접 전류 검출 신호 Id를 출력한다. 용접 전압 검출 회로(VD)는, 상기한 용접 전압 Vw를 검출하여, 용접 전압 검출 신호 Vd를 출력한다.

단락 판별 회로(SD)는, 상기한 용접 전압 검출 신호 Vd를 입력으로 하여, 이 값이 미리 정한 단락/아크 판별값(10V 정도로 설정) 미만일 때에는 단락 기간에 있다고 판별하여 High 레벨이 되고, 이상일 때에는 아크 기간에 있다고 판별하여 Low 레벨이 되는 단락 판별 신호 Sd를 출력한다.

송급 속도 설정 회로(FR)는, 도 2의 (A)에서 상세하게 서술하는 바와 같이, 정송과 역송이 주기적으로 반복되는 미리 정한 패턴의 송급 속도 설정 신호 Fr을 출력한다.

송급 제어 회로(FC)는, 이 송급 속도 설정 신호 Fr을 입력으로 하여, 이 설정값에 상당하는 송급 속도 Fw로 용접 와이어(1)를 송급하기 위한 송급 제어 신호 Fc를 상기한 송급 모터(WM)에 출력한다.

단락 위상 설정 회로(BR)는, 단락을 발생시키는 송급 속도 Fw의 위상을 설정하기 위한 단락 위상 설정 신호 Br을 출력한다. 단락 위상 검출 회로(BD)는, 상기한 송급 속도 설정 신호 Fr 및 상기한 단락 판별 신호 Sd를 입력으로 하고, 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락)로 변화되었을 때의 송급 속도 설정 신호 Fr의 위상을 검출하여, 단락 위상 검출 신호 Bd로서 출력한다. 이 동작의 상세는, 도 2에서 후술한다.

위상 오차 증폭 회로(EB)는, 상기한 단락 위상 설정 신호 Br(+)과 상기한 단락 위상 검출 신호 Bd(-)의 오차를 증폭하여, 위상 오차 증폭 신호 Eb＝G·(Br-Bd)를 출력한다. 여기서, G는, 미리 정한 증폭률(양의 값)이다.

제1 용접 전류 설정 회로(IWR1)는, 상기한 위상 오차 증폭 신호 Eb 및 상기한 단락 판별 신호 Sd를 입력으로 하고, 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락)로 변화될 때마다, Iwr1＝I0+ΣEb의 가산을 용접 중에 행하여, 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1을 출력한다. I0은, 미리 정한 초기값이다. 이 회로에 의해, 단락 위상 검출 신호 Bd가 단락 위상 설정 신호 Br과 일치하도록 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1이 피드백 제어된다.

제1 용접 전류 통전 기간 설정 회로(TWR1)는, 상기한 위상 오차 증폭 신호 Eb 및 상기한 단락 판별 신호 Sd를 입력으로 하고, 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락)로 변화될 때마다, Twr1＝T0+ΣEb의 가산을 용접 중에 행하여, 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1을 출력한다. T0은, 미리 정한 초기값이다. 이 회로에 의해, 단락 위상 검출 신호 Bd가 단락 위상 설정 신호 Br과 일치하도록 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1이 피드백 제어된다.

수축 검출 회로(ND)는, 상기한 단락 판별 신호 Sd, 상기한 용접 전압 검출 신호 Vd 및 상기한 용접 전류 검출 신호 Id를 입력으로 하고, 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락 기간)일 때의 용접 전압 검출 신호 Vd의 전압 상승 값이 미리 정한 수축 검출 기준값에 도달한 시점에서 수축이 형성되었다고 판별하여 High 레벨이 되고, 단락 판별 신호 Sd가 Low 레벨(아크 기간)로 변화된 시점에서 Low 레벨이 되는 수축 검출 신호 Nd를 출력한다. 또한, 단락 기간 중의 용접 전압 검출 신호 Vd의 미분값이 그것에 대응한 수축 검출 기준값에 도달한 시점에서 수축 검출 신호 Nd를 High 레벨로 변화시키도록 해도 된다. 또한, 용접 전압 검출 신호 Vd의 값을 용접 전류 검출 신호 Id의 값으로 제산하여 용적의 저항값을 산출하고, 이 저항값의 미분값이 그것에 대응하는 수축 검출 기준값에 도달한 시점에서 수축 검출 신호 Nd를 High 레벨로 변화시키도록 해도 된다.

저레벨 전류 설정 회로(ILR)는, 미리 정한 저레벨 전류 설정 신호 Ilr을 출력한다. 전류 비교 회로(CM)는, 이 저레벨 전류 설정 신호 Ilr 및 상기한 용접 전류 검출 신호 Id를 입력으로 하여, Id＜Ilr일 때에는 High 레벨이 되고, Id≥Ilr일 때에는 Low 레벨이 되는 전류 비교 신호 Cm을 출력한다.

구동 회로(DR)는, 이 전류 비교 신호 Cm 및 상기한 수축 검출 신호 Nd를 입력으로 하여, 수축 검출 신호 Nd가 High 레벨로 변화되면 Low 레벨로 변화되고, 그 후에 전류 비교 신호 Cm이 High 레벨로 변화되면 High 레벨로 변화되는 구동 신호 Dr을 상기한 트랜지스터(TR)의 베이스 단자에 출력한다. 따라서, 이 구동 신호 Dr은 수축이 검출되면 Low 레벨이 되고, 트랜지스터(TR)가 오프 상태로 되어 통전로에 감류 저항기(R)가 삽입되므로, 단락 부하를 통전하는 용접 전류 Iw는 급감한다. 그리고, 급감한 용접 전류 Iw의 값이 저레벨 전류 설정 신호 Ilr의 값까지 감소하면, 구동 신호 Dr은 High 레벨이 되고, 트랜지스터(TR)가 온 상태로 되므로, 감류 저항기(R)는 단락되어 통상의 상태로 복귀된다.

전류 제어 설정 회로(ICR)는, 상기한 단락 판별 신호 Sd, 상기한 저레벨 전류 설정 신호 Ilr, 상기한 수축 검출 신호 Nd 및 상기한 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1을 입력으로 하고, 이하의 처리를 행하여, 전류 제어 설정 신호 Icr을 출력한다.

1) 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락)로 변화된 시점으로부터 미리 정한 초기 기간 중에는, 미리 정한 초기 전류 설정값을 전류 제어 설정 신호 Icr로서 출력한다.

2) 그 후에는, 전류 제어 설정 신호 Icr의 값을, 상기한 초기 전류 설정값으로부터 미리 정한 단락 시 경사로 미리 정한 피크 설정값까지 상승시키고, 그 값을 유지한다.

3) 수축 검출 신호 Nd가 High 레벨로 변화되면, 전류 제어 설정 신호 Icr의 값을 저레벨 전류 설정 신호 Ilr의 값으로 전환하여 유지한다.

4) 단락 판별 신호 Sd가 Low 레벨(아크)로 변화되면, 전류 제어 설정 신호 Icr을, 미리 정한 아크 시 경사로 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1의 값까지 상승시키고, 그 값을 유지한다.

오프 딜레이 회로(TDS)는, 상기한 단락 판별 신호 Sd 및 상기한 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1을 입력으로 하여, 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨로부터 Low 레벨로 변화되는 시점을 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1의 기간만큼 오프 딜레이시켜 지연 신호 Tds를 출력한다. 따라서, 이 지연 신호 Tds는, 단락 기간이 되면 High 레벨이 되고, 아크가 재발생하고 나서 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1의 기간만큼 오프 딜레이되어 Low 레벨이 되는 신호이다.

전류 오차 증폭 회로(EI)는, 상기한 전류 제어 설정 신호 Icr(+)과 상기한 용접 전류 검출 신호 Id(-)의 오차를 증폭하여, 전류 오차 증폭 신호 Ei를 출력한다.

전압 설정 회로(VR)는, 아크 기간 중의 용접 전압을 설정하기 위한 미리 정한 전압 설정 신호 Vr을 출력한다. 전압 오차 증폭 회로(EV)는, 이 전압 설정 신호 Vr(+)과 상기한 용접 전압 검출 신호 Vd(-)의 오차를 증폭하여, 전압 오차 증폭 신호 Ev를 출력한다.

제어 전환 회로(SW)는, 상기한 전류 오차 증폭 신호 Ei, 상기한 전압 오차 증폭 신호 Ev 및 상기한 지연 신호 Tds를 입력으로 하여, 지연 신호 Tds가 High 레벨(단락 개시로부터 아크가 재발생하여 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1의 기간이 경과할 때까지의 기간)일 때에는 전류 오차 증폭 신호 Ei를 오차 증폭 신호 Ea로서 출력하고, Low 레벨(아크)일 때에는 전압 오차 증폭 신호 Ev를 오차 증폭 신호 Ea로서 출력한다. 이 회로에 의해, 단락 기간＋제1 용접 전류 통전 기간 중에는 정전류 제어가 되고, 그 이외의 아크 기간 중에는 정전압 제어가 된다.

도 2는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 아크 용접 제어 방법을 설명하기 위한, 도 1의 용접 전원에 있어서의 각 신호의 타이밍 차트이다. 도 2의 (A)는 용접 와이어(1)의 송급 속도 Fw의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (B)는 용접 전류 Iw의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (C)는 용접 전압 Vw의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (D)는 수축 검출 신호 Nd의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (E)는 구동 신호 Dr의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (F)는 지연 신호 Tds의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (G)는 전류 제어 설정 신호 Icr의 시간 변화를 나타낸다. 이하, 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는, 0보다 상측의 양의 값일 때에는 용접 와이어가 정송되고 있는 것을 나타내고, 0보다 하측의 음의 값일 때에는 역송되고 있는 것을 나타낸다. 도 2의 (A)에 나타내는 송급 속도 Fw는 송급 속도 설정 신호 Fr(도시는 생략)에 의해 설정되므로, 양 파형은 상사 파형이 된다. 또한, 도 2의 (A)에 나타내는 송급 속도 Fw는, 도 3의 (A)의 송급 속도 Fw와 동일 파형이다.

도 2의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는, 시각 t1 시점에서는 0이고, 시각 t1∼t2의 기간은 정송 가속 기간이 되고, 시각 t2에서 정송의 최댓값이 되고, 시각 t2∼t3의 기간은 정송 감속 기간이 되고, 시각 t3에서 0이 되고, 시각 t3∼t4의 기간은 역송 가속 기간이 되고, 시각 t4에서 역송의 최댓값이 되고, 시각 t4∼t5의 기간은 역송 감속 기간이 된다. 따라서, 송급 속도 Fw는, 시각 t1∼t5의 기간을 1주기로 하여 반복하는 파형이 된다. 이 1주기는, 용접 중에는 일정 값이며 변화되지 않는다. 송급 속도 Fw의 위상은, 시각 t1이 0°가 되고, 시각 t2가 90°가 되고, 시각 t3이 180°가 되고, 시각 t4가 270°가 되고, 시각 t5가 360°(0°)가 된다. 도 2에서는 정현파 형상으로 변화하고 있지만, 삼각파 형상 또는 사다리꼴파 형상으로 변화하도록 해도 된다. 예를 들어, 시각 t1∼t3의 정송 기간은 5.4ms이고, 시각 t3∼t5의 역송 기간은 4.6ms이고, 1주기는 10ms가 된다. 또한, 정송의 최댓값은 50m/min이고, 역송의 최댓값은 -40m/min이다. 이때의 송급 속도 Fw의 평균값은 약 +4m/min이 되고, 평균 용접 전류값은 약 150A가 된다.

도 2는, 단락 위상 설정 신호 Br(도시는 생략)＝100°인 경우로 한다. 도 2의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 와이어와 모재의 단락이 시각 t21에서 발생하면, 용접 전압 Vw는 수 V의 단락 전압값으로 급감한다. 이때, 도 1의 단락 위상 검출 회로(BD)에 의해, 단락이 발생하였을 때의 송급 속도 Fw(송급 속도 설정 신호 Fr)의 위상이 검출되어 단락 위상 검출 신호 Bd가 출력된다. 도 2에서는, Bd＝110°인 경우로 한다.

다음으로, 도 1의 위상 오차 증폭 회로(EB)에 의해, 위상 오차 증폭 신호 Eb＝G·(Br-Bd)＝G·(100-110)＝G·(-10)이 출력된다. 여기서, G는 미리 정한 증폭률(양의 값)이다. 그리고, 이 위상 오차 증폭 신호 Eb가 도 1의 제1 용접 전류 설정 회로(IWR1) 및 제1 용접 전류 통전 기간 설정 회로(TWR1)에 입력되어, 아크 발생(시각 t33) 후의 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1 및 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1이 출력된다. 도 2에서는, 위상 오차 증폭 신호 Eb가 음의 값이므로, 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1 및 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1이 감소한다. 이로 인해, 시각 t33∼t61의 아크 기간의 시간 길이가 짧아지도록 제어된다. 이에 의해, 시각 t61의 다음의 단락 발생의 위상이 빨라져, 단락 위상 검출 신호 Bd의 값이 작아지므로, 단락 위상 설정 신호 Br의 값에 가까워지게 된다.

반대로, 시각 t21에 발생한 단락의 위상이 단락 위상 설정 신호 Br의 값보다 작은 경우에는, 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1 및 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1은 증가한다. 이 결과, 다음의 단락 발생의 위상이 지연되어, 단락 위상 검출 신호 Bd가 커지므로, 단락 위상 설정 신호 Br의 값에 가까워지게 된다.

시각 t21에 있어서 단락이 발생하여 용접 전압 Vw가 단락/아크 판별값 Vta 미만으로 된 것을 판별하면, 도 2의 (F)에 나타내는 바와 같이, 지연 신호 Tds는 Low 레벨로부터 High 레벨로 변화된다. 이것에 응동하여, 도 2의 (G)에 나타내는 바와 같이, 전류 제어 설정 신호 Icr은 시각 t21에 있어서 작은 값인 미리 정한 초기 전류 설정값으로 변화된다.

시각 t3으로부터는 역송 가속 기간이 되므로, 송급 속도 Fw는 역송 방향으로 전환된다. 도 2의 (G)에 나타내는 바와 같이, 전류 제어 설정 신호 Icr은, 시각 t21∼t22의 미리 정한 초기 기간 중에는 상기한 초기 전류 설정값이 되고, 시각 t22∼t23의 기간 중에는 미리 정한 단락 시 경사로 상승하고, 시각 t23∼t31의 기간 중에는 미리 정한 피크 설정값이 된다. 단락 기간 중에는 상술한 바와 같이 정전류 제어되어 있으므로, 용접 전류 Iw는 전류 제어 설정 신호 Icr에 상당하는 값으로 제어된다. 이로 인해, 도 2의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw는, 시각 t21에 있어서 아크 기간의 용접 전류로부터 급감하고, 시각 t21∼t22의 초기 기간 중에는 초기 전류값이 되고, 시각 t22∼t23의 기간 중에는 단락 시 경사로 상승하고, 시각 t23∼t31의 기간 중에는 피크값이 된다. 예를 들어, 초기 기간은 1ms로, 초기 전류는 50A로, 단락 시 경사는 400A/ms로, 피크값은 450A로 설정된다. 도 2의 (D)에 나타내는 바와 같이, 수축 검출 신호 Nd는, 후술하는 시각 t31∼t33의 기간은 High 레벨이 되고, 그 이외의 기간은 Low 레벨이 된다. 도 2의 (E)에 나타내는 바와 같이, 구동 신호 Dr은, 후술하는 시각 t31∼t32의 기간은 Low 레벨이 되고, 그 이외의 기간은 High 레벨이 된다. 따라서, 도 2에 있어서 시각 t31 이전의 기간 중에는, 구동 신호 Dr은 High 레벨이 되고, 도 1의 트랜지스터(TR)가 온 상태로 되므로, 감류 저항기(R)는 단락되어 통상의 소모 전극 아크 용접 전원과 동일한 상태로 된다.

도 2의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 전압 Vw는, 용접 전류 Iw가 피크값이 되는 시각 t23 부근으로부터 상승한다. 이것은, 용접 와이어의 역송 및 용접 전류 Iw에 의한 핀치력의 작용에 의해, 용적에 수축이 점차 형성되기 때문이다.

시각 t31에 있어서, 수축의 형성 상태가 기준 상태에 도달하면, 도 2의 (D)에 나타내는 바와 같이, 수축 검출 신호 Nd는 High 레벨로 변화된다. 이것에 응동하여, 도 2의 (E)에 나타내는 바와 같이, 구동 신호 Dr은 Low 레벨이 되므로, 도 1의 트랜지스터(TR)는 오프 상태로 되어 감류 저항기(R)가 통전로에 삽입된다. 동시에, 도 2의 (G)에 나타내는 바와 같이, 전류 제어 설정 신호 Icr은 저레벨 전류 설정 신호 Ilr의 값으로 작아진다. 이로 인해, 도 2의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw는 피크값으로부터 저레벨 전류값 Il로 급감한다. 그리고, 시각 t32에 있어서 용접 전류 Iw가 저레벨 전류값 Il까지 감소하면, 도 2의 (E)에 나타내는 바와 같이, 구동 신호 Dr은 High 레벨로 복귀되므로, 도 1의 트랜지스터(TR)는 온 상태로 되어 감류 저항기(R)는 단락된다. 도 2의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw는, 전류 제어 설정 신호 Icr이 저레벨 전류 설정 신호 Ilr인 상태이므로, 시각 t33의 아크 재발생까지는 저레벨 전류값 Il을 유지한다. 따라서, 트랜지스터(TR)는, 시각 t31에 수축 검출 신호 Nd가 High 레벨로 변화된 시점으로부터 시각 t32에 용접 전류 Iw가 저레벨 전류값 Il로 감소할 때까지의 기간만 오프 상태로 된다. 도 2의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 전압 Vw는, 용접 전류 Iw가 작아지므로 시각 t31로부터 일단 감소한 후에 급상승한다. 저레벨 전류값 Il은, 예를 들어 50A로 설정된다.

시각 t33에 있어서, 용접 와이어의 역송 및 용접 전류 Iw의 통전에 의한 핀치력에 의해 수축이 진행되어 아크가 재발생하면, 도 2의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 전압 Vw의 값은 단락/아크 판별값 Vta 이상이 된다.

아크가 재발생한 직후의 시각 t4로부터는 역송 감속 기간이 되므로, 도 2의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는 역송 상태를 유지하면서 감속한다. 시각 t33에 아크가 재발생하면, 도 2의 (G)에 나타내는 바와 같이, 전류 제어 설정 신호 Icr의 값은, 저레벨 전류 설정 신호 Ilr의 값으로부터 미리 정한 아크 시 경사로 상승하고, 상기한 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1의 값에 도달하면 그 값을 유지한다. 도 2의 (F)에 나타내는 바와 같이, 지연 신호 Tds는, 시각 t33에 아크가 재발생하고 나서 상기한 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1의 기간 Td가 경과하는 시각 t41까지 High 레벨 상태이다. 따라서, 용접 전원은 시각 t41까지 정전류 제어되어 있으므로, 도 2의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw는, 시각 t33으로부터 아크 시 경사로 상승하고, 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1의 값에 도달하면 그 값을 시각 t41까지 유지한다. 도 2의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 전압 Vw는, 시각 t33∼t41의 제1 용접 전류 통전 기간 Tw1 중에는 큰 값의 제1 용접 전압값의 상태에 있다. 도 2의 (D)에 나타내는 바와 같이, 수축 검출 신호 Nd는, 시각 t33에 아크가 재발생하므로, Low 레벨로 변화된다. 예를 들어, 아크 시 경사는 400A/ms로 설정된다.

시각 t41에 있어서, 도 2의 (F)에 나타내는 바와 같이, 지연 신호 Tds가 Low 레벨로 변화된다. 이 결과, 용접 전원은 정전류 제어로부터 정전압 제어로 전환된다. 시각 t33에 아크가 재발생하고 나서 시각 t5까지는, 용접 와이어는 역송하고 있으므로, 아크 길이는 점차 길어진다. 시각 t5로부터는 정송 가속 기간이 되므로, 도 2의 (A)에 나타내는 바와 같이, 송급 속도 Fw는 정송으로 전환된다. 시각 t41에 정전압 제어로 전환되면, 도 2의 (B)에 나타내는 바와 같이, 용접 전류 Iw는, 제1 용접 전류 Iw1로부터 점차 감소하는 제2 용접 전류 Iw2가 통전한다. 마찬가지로, 도 2의 (C)에 나타내는 바와 같이, 용접 전압 Vw는, 제1 용접 전압값으로부터 점차 감소한다.

시각 t6의 정송 최댓값 후의 시각 t61에 있어서, 다음 단락이 발생한다. 이 단락 발생의 위상은, 시각 t21의 단락 발생의 위상보다 단락 위상 설정 신호 Br의 값에 근접하고 있다. 이로 인해, 단락이 발생하는 송급 속도 Fw의 위상은 외란이 발생해도 대략 일정하게 유지되므로, 단락과 아크의 주기와 송급 속도의 정송과 역송의 주기가 동기 어긋남 상태가 되는 것을 억제할 수 있다. 이때, 시각 t1∼t5의 송급 속도 Fw의 1주기는 일정하며, 변화되지 않는다.

상술한 실시 형태 1에서는, 위상 오차 증폭 신호 Eb에 따라서 제1 용접 전류 설정 신호 Iwr1 및 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호 Twr1이 피드백 제어되는 경우를 설명하였지만, 어느 한쪽만을 제어하도록 해도 된다.

상술한 실시 형태 1에 따르면, 아크 기간으로부터 단락 기간으로 이행한 시점의 송급 속도의 위상을 검출하고, 검출된 위상에 따라서 제1 용접 전류의 값 및/또는 통전 기간을 변화시킨다. 이에 의해, 단락이 발생하였을 때의 송급 속도의 위상에 따라서 제1 용접 전류의 값 및/또는 통전 기간을 변화시킴으로써 아크 기간의 시간 길이를 조정할 수 있으므로, 단락이 발생하는 송급 속도의 위상 변동을 억제할 수 있다. 이로 인해, 본 실시 형태에서는, 송급 속도의 정송과 역송의 주기를 일정하게 유지한 채, 단락과 아크의 주기와 송급 속도의 정송과 역송의 주기가 동기 어긋남 상태가 되는 것을 억제하여, 안정된 용접을 행할 수 있다.

본 발명에 따르면, 송급 속도의 정송과 역송의 주기를 일정하게 유지한 채, 단락과 아크의 주기와 송급 속도의 정송과 역송의 주기가 동기 어긋남 상태가 되는 것을 억제하여, 안정된 용접을 행할 수 있는 아크 용접 제어 방법을 제공할 수 있다.

이상, 본 발명을 특정 실시 형태에 의해 설명하였지만, 본 발명은 이 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 개시된 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.

본 출원은, 2014년 4월 22일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2014-088319호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 포함된다.

1 : 용접 와이어
2 : 모재
3 : 아크
4 : 용접 토치
5 : 송급 롤
BD : 단락 위상 검출 회로
Bd : 단락 위상 검출 신호
BR : 단락 위상 설정 회로
Br : 단락 위상 설정 신호
CM : 전류 비교 회로
Cm : 전류 비교 신호
DR : 구동 회로
Dr : 구동 신호
Ea : 오차 증폭 신호
EB : 위상 오차 증폭 회로
Eb : 위상 오차 증폭 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
Fw : 송급 속도
ICR : 전류 제어 설정 회로
Icr : 전류 제어 설정 신호
ID : 용접 전류 검출 회로
Id : 용접 전류 검출 신호
Il : 저레벨 전류값
ILR : 저레벨 전류 설정 회로
Ilr : 저레벨 전류 설정 신호
Iw : 용접 전류
Iw1 : 제1 용접 전류
Iw2 : 제2 용접 전류
IWR1 : 제1 용접 전류 설정 회로
Iwr1 : 제1 용접 전류 설정 신호
ND : 수축 검출 회로
Nd : 수축 검출 신호
PM : 전원 주회로
R : 감류 저항기
SD : 단락 판별 회로
Sd : 단락 판별 신호
SW : 제어 전환 회로
TDS : 오프 딜레이 회로
Tds : 지연 신호
TR : 트랜지스터
Tw1 : 제1 용접 전류 통전 기간
TWR1 : 제1 용접 전류 통전 기간 설정 회로
Twr1 : 제1 용접 전류 통전 기간 설정 신호
VD : 용접 전압 검출 회로
Vd : 용접 전압 검출 신호
VR : 전압 설정 회로
Vr : 전압 설정 신호
Vta : 단락/아크 판별값
Vw : 용접 전압
WM : 송급 모터

Claims (2)

1. 용접 와이어의 송급 속도의 정송과 역송을 주기적으로 반복하여 단락 기간과 아크 기간을 발생시키고, 상기 아크 기간 중에는 제1 용접 전류를 통전한 후에 상기 제1 용접 전류보다 작은 제2 용접 전류를 통전하는 아크 용접 제어 방법에 있어서,
   상기 아크 기간으로부터 상기 단락 기간으로 이행한 시점의 상기 송급 속도의 위상을 검출하고, 상기 검출된 위상에 따라서 상기 제1 용접 전류의 값 및 통전 기간 중 어느 하나 또는 둘 모두를 변화시키는 것을 특징으로 하는, 아크 용접 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 검출된 위상과 미리 정한 단락 위상 설정값의 오차에 따라서 상기 제1 용접 전류의 값 및 통전 기간 중 어느 하나 또는 둘 모두를 변화시키는 것을 특징으로 하는, 아크 용접 제어 방법.

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