KR102334487B1 - 용접 장치 및 용접 장치를 이용한 용접 방법 - Google Patents

용접 장치 및 용접 장치를 이용한 용접 방법 Download PDF

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Abstract

가스 쉴드 아크 용접을 위한 용접 장치에 있어서, 쉴드 가스의 분출을 가이드하는 노즐(210) 및 소모식 전극에 통전을 실행하는 콘택트 팁(220)을 구비한 용접 토치(200)가 장착된 가반형 용접 로봇과, 용접 토치에 소모식 전극을 공급하는 송급 장치와, 콘택트 팁(220)을 거쳐서 소모식 전극에 전력을 공급하는 용접 전원과, 용접 토치(200)에 쉴드 가스를 공급하는 가스 공급원과, 가반형 용접 로봇을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 용접 토치(200)를 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라볼 때, 노즐(210)의 개구의 내측에 콘택트 팁(220)이 배치되고, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)이 상대적으로 이동 가능한 구조를 가지며, 노즐(210)의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 용접 장치 및 이 용접 장치를 이용한 용접 방법을 제공한다.

Description

용접 장치 및 용접 장치를 이용한 용접 방법
본 발명은 가반형 용접 로봇을 포함한 용접 장치 및 이 용접 장치를 이용하는 용접 방법에 관한 것이다.
조선, 철골, 교량 등에 있어서의 용접 구조물의 제조에 있어서, 공장에 있어서의 용접 작업은 자동화가 진행되고, 다축의 용접 로봇이 다용되어 있다. 그 중에서도, 특히, 작업원이 혼자서 옮길 수 있는 경량의 가반형 소형 로봇이 넓게 이용되고 있다. 이러한 가반형 소형 로봇으로는, 작업 효율을 중시하고, 자동으로 장시간의 용접을 실행하는 것이 일반적이다. 이 때문에, 발생한 스패터가 노즐에 부착하여, 가스의 분출을 방해하므로, 아크 불안정이 조장되고, 게다가 스패터의 발생, 블로우 홀(blow hole) 등의 용접 결함의 발생이 현저하게 된다는 과제를 갖는다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 스패터를 제거하는 요철판과 절연 산화 피막을 제거하는 줄(file)로 이루어지는 노즐 클리너 겸 와이어 처리기를 갖는 가반형 용접 로봇이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제 2001-287032 호
특허문헌 1에 기재된 가반형 용접 로봇에서는, 가반형 용접 로봇에 구비된 노즐 클리너에 의해, 노즐에 부착하는 스패터를 제거한다. 그러나, 제거하는 경우에는 한 번 용접을 멈출 필요가 있어서, 장시간의 연속 용접이 곤란하고, 작업 효율이 저하한다는 문제를 갖는다.
본 발명은 상기 문제에 비추어 이루어진 것이며, 장시간의 연속 용접을 가능하게 하여, 작업 효율의 향상이 도모되는 용접 장치 및 이 용접 장치를 이용한 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적 아래, 본 발명의 하나의 태양에 따른 용접 장치는,
가스 쉴드 아크 용접을 위한 용접 장치이며,
쉴드 가스의 분출을 가이드하는 노즐 및 소모식 전극에 통전을 실행하는 콘택트 팁을 구비한 용접 토치가 장착된 가반형 용접 로봇과,
상기 용접 토치에 상기 소모식 전극을 공급하는 송급 장치와,
상기 콘택트 팁을 거쳐서 상기 소모식 전극에 전력을 공급하는 용접 전원과,
상기 노즐의 선단으로부터 분출하는 상기 쉴드 가스를 공급하는 가스 공급원과,
상기 가반형 용접 로봇을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 용접 토치를 상기 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라볼 때,
상기 노즐의 개구의 내측에 상기 콘택트 팁이 배치되고,
상기 노즐 및 상기 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 가지며,
상기 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나의 태양에 따른 용접 방법은,
용접 장치를 이용한 가스 쉴드 아크 용접 방법이며,
상기 용접 장치는,
쉴드 가스의 분출을 가이드하는 노즐 및 소모식 전극에 통전을 실행하는 콘택트 팁을 구비한 용접 토치가 장착된 가반형 용접 로봇과,
상기 용접 토치에 상기 소모식 전극을 공급하는 송급 장치와,
상기 콘택트 팁을 거쳐서 상기 소모식 전극에 전력을 공급하는 용접 전원과,
상기 노즐의 선단으로부터 분출하는 상기 쉴드 가스를 공급하는 가스 공급원과,
상기 가반형 용접 로봇을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 용접 토치를 상기 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라볼 때,
상기 노즐의 개구의 내측에 상기 콘택트 팁이 배치되고,
상기 노즐 및 상기 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖고,
상기 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 장치이며,
상기 쉴드 가스의 유량이 15L/min 이상 50L/min 이하의 범위 내에 있고,
상기 쉴드 가스의 유속이 1m/sec 이상 10m/sec 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 하나의 태양에 따른 다층 용접의 용접 방법은,
용접 장치를 이용한 다층 용접의 가스 쉴드 아크 용접 방법이며,
상기 용접 장치는,
쉴드 가스의 분출을 가이드하는 노즐 및 소모식 전극에 통전을 실행하는 콘택트 팁을 구비한 용접 토치가 장착된 가반형 용접 로봇과,
상기 용접 토치에 상기 소모식 전극을 공급하는 송급 장치와,
상기 콘택트 팁을 거쳐서 상기 소모식 전극에 전력을 공급하는 용접 전원과,
상기 노즐의 선단으로부터 분출하는 상기 쉴드 가스를 공급하는 가스 공급원과,
상기 가반형 용접 로봇을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 용접 토치를 상기 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라볼 때,
상기 노즐의 개구의 내측에 상기 콘택트 팁이 배치되고,
상기 노즐 및 상기 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖고,
상기 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 장치이며,
상기 쉴드 가스의 유량이 15L/min 이상 50L/min 이하의 범위 내에 있고,
상기 쉴드 가스의 유속이 1m/sec 이상 10m/sec 이하의 범위 내에 있으며,
상기 다층 용접의 경우,
(1) 제 1 층만,
(2) 제 1 층으로부터 제 2 층까지, 또는
(3) 제 1 층으로부터 제 3 층까지를,
상기 용접 전원으로부터 공급되는 용접 전류가 펄스 파형을 이용하지 않는 정(定)전압의 직류로 하여 실행하고,
나머지의 층을,
상기 용접 전류가 제 1 펄스와 제 2 펄스의 조합을 1 주기로 한 펄스 파형으로 하고,
상기 제 1 펄스는 상기 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높고,
상기 제 2 펄스는 상기 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 하여,
용접을 실행하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양에 의하면, 장시간의 연속 용접을 가능하게 하여, 작업 효율의 향상이 도모되는 용접 장치 및 이 용접 장치를 이용한 용접 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 가반형 용접 로봇을 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 3은　도 2에 도시되는 가반형 용접 로봇을 이용하여 용접을 실행하는 곳을 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 4는　본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치의 구조를 모식적으로 도시하는 측면 단면도이다.
도 5a는　도 4의 화살표 A-A로 나타내는 용접 토치를 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라본 모식도이며, 노즐 및 콘택트 팁이 대략 동심 상에 배치된 초기 상태를 도시하는 도면이다.
도 5b는　도 5a의 상태로부터, 노즐 및 콘택트 팁이 상대적으로 이동한 상태를 도시하는 모식도이다.
도 6은　본 발명의 하나의 실시형태에 따른 제어 장치가 생성하는 펄스 파형의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은　본 발명의 하나의 실시형태에 따른 제어 장치가 생성하는 펄스 파형에 의한 용접 와이어 선단부의 시계열 변화를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 8은 시간 2계 미분 값을 이용한 검출을 실행하는 용적 이탈 검출부를 갖는 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 실시형태를 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시형태는 본 발명의 기술 사상을 구체화하기 위한 것이며, 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명을 이하의 것으로 한정하지 않는다.
각 도면 중, 동일한 기능을 갖는 부재에는, 동일 부호를 부여하여 있는 경우가 있다. 요점의 설명 또는 이해의 용이성을 고려하여, 편의상 실시형태를 나누어 나타내는 경우가 있지만, 상이한 실시형태에서 나타낸 구성의 부분적인 치환 또는 조합은 가능하다. 후술의 실시형태에서는 전술의 실시형태와 공통의 사항에 대한 기술을 생략하고, 상이한 점에 대해서만 설명한다. 특히, 마찬가지의 구성에 의한 마찬가지의 작용 효과에 대해서는, 실시형태마다는 순서대로 언급하지 않는 것으로 한다. 각 도면이 나타내는 부재의 크기나 위치 관계 등은, 설명을 명확하게 하기 위해, 과장하여 나타내는 경우도 있다.
(하나의 실시형태에 따른 용접 장치)
처음에, 도 1을 참조하면서, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 장치의 설명을 실행한다. 도 1은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 용접 장치(50)는 가스 쉴드 아크 용접을 실행하기 위한 용접 장치이다. 용접 장치(50)는 용접 토치(200)를 구비한 가반형 용접 로봇(100)을 구비한다. 게다가, 용접 장치(50)는 용접 토치(200)에 소모식 전극(이하, "용접 와이어"라고 칭함)을 공급하는 송급 장치(300)와, 용접 와이어에 전력을 공급하는 용접 전원(400)과, 용접 토치(200)의 선단으로부터 분출하는 쉴드 가스를 공급하는 가스 공급원(500)과, 가반형 용접 로봇(100)을 제어하는 제어 장치(600)를 구비한다.
가반형 용접 로봇(100)은 오퍼레이터 혼자서 용이하게 운반할 수 있는 경량화된 용접 로봇이다. 가반형 용접 로봇(100)에 장착된 용접 토치(200)에는, 용접 와이어에 통전시키는 통전 기구인 콘택트 팁(220) 및 쉴드 가스를 분출하는 기구인 노즐(210)이 구비되어 있다.
용접 전원(400)의 정부극과, 콘택트 팁(220) 및 워크(W)가 각각 전기적으로 접속되어 있다. 송급 장치(300)에 의해 용접 토치(200)에 공급된 용접 와이어는, 용접 토치(200)의 내부를 통과하여, 선단부에 배치된 콘택트 팁(220)에 접촉한다. 이에 의해, 용접 토치(200) 선단의 콘택트 팁(220)을 거쳐서, 용접 전원(400)으로부터 용접 와이어에 전력이 공급된다. 따라서, 용접 와이어의 선단으로부터 아크가 발생하고, 그 열로 용접의 대상인 워크(W)를 용접할 수 있다. 용접시에는, 노즐(210)의 선단으로부터 쉴드 가스를 분출시켜서, 용접 개소의 분위기를 보호한다.
<송급 장치>
송급 장치(300)는 용접 작업의 진행에 맞춰서, 스풀에 감겨진 용접 와이어를 용접 토치(200)에 보낸다. 송급 장치(300)에 의해 보내지는 용접 와이어는, 특별히 한정되지 않고, 워크(W)의 성질이나 용접 형태 등에 의해 선택되고, 예를 들면, 솔리드 와이어나 플럭스 코어드 와이어(flux cored wire)가 사용된다. 또한, 용접 와이어의 재질도 상관없고, 예를 들면, 연강이어도 좋고, 스테인리스나 알루미늄, 티타늄이라고 한 재질이어도 좋다. 게다가, 용접 와이어의 직경도 특별히 상관하지 않지만, 본 실시형태에 있어서 바람직하게는, 상한은 1.6㎜, 하한은 0.9㎜이다.
<용접 전원>
용접 전원(400)은 제어 장치(600)로부터의 지령에 의해, 용접 와이어 및 워크(W)에 전력을 공급한다. 이에 의해, 용접 와이어와 워크(W) 사이에 아크를 발생시킨다. 본 실시형태에 있어서는, 용접 전원(400)으로부터의 전력은 파워 케이블(410)을 거쳐서 송급 장치(300)에 보내지고, 송급 장치(300)로부터 콘딧 튜브(conduit tube)(420)를 거쳐서 용접 토치(200)에 보내진다. 그리고, 용접 토치(200) 선단의 콘택트 팁(220)을 거쳐서, 용접 와이어에 공급된다.
본 실시형태에서는 역극성으로 용접을 실행하는 경우를 나타내고, 용접 전원(400)은 플러스(＋)의 파워 케이블(410) 및 콘딧 튜브(420)를 거쳐서, 용접 토치(200) 선단의 콘택트 팁(220)에 접속된다. 한편, 용접 전원(400)은 마이너스(-)의 콘딧 케이블(430)을 거쳐서, 워크(W)와 접속된다. 단, 이에 한정되는 것은 아니며, 정극성으로 용접을 실행하는 경우에는, 플러스(＋)의 파워 케이블을 거쳐서 워크(W)에 접속되고, 마이너스(-)의 파워 케이블을 거쳐서 콘택트 팁측에 접속된다. 또한, 용접 작업시의 전류는 직류 또는 교류여도 좋고, 그 파형은 특별히 상관하지 않고, 직사각형파나 삼각파 등의 펄스 파형이어도 좋다.
<쉴드 가스 공급원>
본 실시형태에 따른 쉴드 가스 공급원(500)은 쉴드 가스가 봉입된 용기 및 밸브 등의 부대 부재로 구성된다. 쉴드 가스 공급원(500)으로부터, 쉴드 가스가 가스 튜브(510)를 거쳐서 송급 장치(300)에 보내지고, 송급 장치(300)로부터 콘딧 튜브(420)를 거쳐서 용접 토치(200)에 보내진다. 용접 토치(200)에 보내진 쉴드 가스는 용접 토치(200) 내를 흘러서, 노즐(210)에 가이드되어서, 용접 토치(200)로부터 분출한다. 본 실시형태에서 이용하는 쉴드 가스로서는, CO2, Ar 또는 이들의 혼합 가스를 예시할 수 있다.
본 실시형태에 따른 콘딧 튜브(420)는 튜브의 외피측에 파워 케이블로서 기능하기 위한 도전로가 형성되고, 튜브의 내부에, 용접 와이어를 보호하는 보호관이 배치되고, 쉴드 가스의 유로가 형성되어 있다. 단, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 용접 토치(200)에 용접 와이어를 송급하기 위한 보호관을 중심으로 하여, 전력 공급용 케이블이나 쉴드 가스 공급용의 호스를 묶은 것을 이용할 수도 있다. 또한, 예를 들면, 용접 와이어를 및 쉴드 가스를 보내는 튜브와, 파워 케이블을 개별적으로 설치할 수도 있다.
<제어 장치>
본 실시형태에 따른 제어 장치(600)는 제어 케이블(610)에 의해 가반형 용접 로봇(100)과 접속되고, 제어 케이블(620)에 의해 용접 전원(400)과 접속되어 있다. 이에 의해, 가반형 용접 로봇(100)의 동작 및 용접 조건을 제어한다. 제어 장치(600)는 미리 가반형 용접 로봇(100)의 동작 패턴, 용접 개시 위치, 용접 종료 위치, 용접 조건, 위빙 동작 등을 정한 티칭 데이터를 보지하고, 가반형 용접 로봇(100) 및 용접 전원(400)에 대해서 이들을 지시하여, 가반형 용접 로봇(100)의 동작 및 용접 조건을 제어한다. 본 실시형태의 제어 장치(600)는 티칭을 실행하기 위한 컨트롤러와 그 외의 제어 기능을 갖는 컨트롤러가 일체로 되어서 형성되어 있다. 단, 이에 한정되는 것은 아니며, 티칭을 실행하기 위한 컨트롤러 및 그 외의 제어 기능을 갖는 컨트롤러의 2개로 나누는 등, 역할에 따라서, 복수로 분할해도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는, 제어 케이블(610, 620)을 이용하여 신호가 보내지고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 무선으로 신호를 보낼 수도 있다.
<가반형 용접 로봇>
다음에, 도 2 및 도 3을 참조하면서, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 가반형 용접 로봇의 설명을 실행한다. 도 2는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 가반형 용접 로봇을 모식적으로 도시하는 측면도이다. 도 3은 도 2에 도시되는 가반형 용접 로봇을 이용하여 용접을 실행하는 곳을 모식적으로 도시하는 측면도이다.
본 실시형태에 따른 가반형 용접 로봇(100)은 가이드 레일(120), 가이드 레일(120) 상에 설치되는 로봇 본체(110) 및 로봇 본체(110)에 탑재된 토치 접속부(130)를 구비한다. 로봇 본체(110)는 주로, 가이드 레일(120) 상에 설치되는 본체부(112), 본체부에 장착된 고정 아암부(114), 및 고정 아암부(114)에 회전 가능한 상태로 장착된 가동 아암부(116)로 구성된다. 가동 아암부(116)에, 크랭크(170)를 거쳐서 토치 접속부(130)가 장착되어 있다. 토치 접속부(130)는 용접 토치(200)를 고정하는 토치 클램프(132, 134)로 구성된다. 용접 토치(200)가 장착되는 반대측에는, 송급 장치(300) 및 용접 토치(200)를 연결하는 콘딧 튜브(420)를 지지하는 케이블 클램프(150)가 구비되어 있다.
로봇 본체(110)는 도 2의 화살표(X)로 나타내는 바와 같이 횡방향으로 구동 가능하며, 화살표(Y)로 나타내는 바와 같이 상하 방향으로도 구동 가능하다. 게다가, 용접 토치(200)가 장착된 토치 접속부(130)는, 크랭크(170)에 의해, 지면 수직 방향인 Z방향에 대해, 전후로 요동 구동 가능하다. 가동 아암부(116)는 화살표(R)로 나타내는 바와 같이, 고정 아암부(114)에 대해서 회전 가능하게 장착되어 있고, 최적의 각도로 조정하여 고정할 수 있다. 이상과 같이, 본 실시형태에 따른 로봇 본체(110)는 3자유도에 있어서 구동 가능하다. 단, 이에 한정되는 것은 아니며, 용도에 따라서, 임의의 수의 자유도로 구동 가능한 로봇 본체를 채용할 수 있다.
이상과 같은 구동 기구에 의해, 가동 아암부(116)에, 크랭크(170)를 거쳐서 토치 접속부(130)에 장착된 용접 토치(200)의 선단부를 임의의 방향을 향하게 할 수 있다. 게다가, 가반형 용접 로봇(100)은 가이드 레일(120) 상을, 도 2, 도 3에 있어서 지면 수직 방향인 Z축 방향으로 구동 가능하다. 용접 토치(200)는 화살표(X) 방향으로 왕복 이동하면서, 로봇 본체(110)가 Z축 방향으로 이동하는 것에 의해, 위빙 용접을 실행할 수 있다. 또한, 크랭크(170)에 의한 구동에 의해, 예를 들면, 전진각 또는 후퇴각을 마련하는 등의 시공 상황에 따라, 용접 토치(200)를 기울일 수 있다.
가이드 레일(120)의 하방에는, 자석(140)이 설치되어 있고. 도 3에 도시되는 바와 같이, 자석(140)으로 워크(W)에 장착될 수 있다. 오퍼레이터는 가반형 용접 로봇(100)의 양측 손잡이(160)를 잡는 것에 의해, 용이하게 가반형 용접 로봇(100)을 가이드 레일(120) 상에 셋팅할 수 있다.
가반형 용접 로봇(100)은 상기의 화살표(X, Y, Z) 방향의 동작 스트로크 이내에서 구동한다. 오퍼레이터에 의한 인풋 데이터에 근거하는 제어 장치(600)에 의한 제어에 의해, 가반형 용접 로봇(100)은 용접선의 자동 센싱을 개시하고, 개선 형상, 판 두께, 시종단(始終端) 등의 자동 센싱을 실행하여, 용접 조건을 연산하고, 자동 가스 쉴드 아크 용접을 실현할 수 있다. 단, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기의 용접 조건 중 일부 또는 전부에 대해서, 오퍼레이터가 제어 장치(600)에 수치를 인풋할 수도 있다.
<용접 토치>
다음에, 도 4를 참조하면서, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치의 설명을 상세하게 실행한다. 도 4는 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치의 구조를 모식적으로 도시하는 측면 단면도이다.
본 실시형태에 따른 용접 토치(200)는 토치 근원측의 도면 좌측으로부터, 용접 토치 본체와 접속하는 팁 바디(240), 및 팁 바디(240)에 장착된 콘택트 팁(220)을 갖는다. 팁 바디(240)에는 가스를 분출하는 구멍(298)이 복수(본 실시형태에서는, 4개) 낼 수 있다. 팁 바디(240)에는, 가스를 정류하는 세라믹 재료로 이루어지는 오리피스(230)가 끼워넣어져 있다.
그 외측에는, 토치 근원측의 도면 좌측으로부터, 절연통(250) 및 절연통(250)에 접속된 노즐(210)이 팁 바디(240) 및 콘택트 팁(220)의 외측을 덮도록 배치되어 있다. 절연통(250)의 내면측에는, 오리피스(230)와 접촉하는 내측 부재(250A)가 장착되어 있다. 진동 등에 의해 절연통(250) 및 노즐(210)의 접속이 느슨해지지 않도록, 웨이브 와셔(292)를 거쳐서 양자는 접속되어 있다. 도 4로부터 명백한 바와 같이, 절연통(250) 및 노즐(210)의 내주면과, 팁 바디(240) 및 콘택트 팁(220)의 외주면 사이가 이격하여 배치되어 있다.
도면 좌측의 절연통(250)의 근원측의 단부에 있어서, 절연통(250)(내측 부재(250A))의 외측은 고정 너트(260) 및 절연 커버(270)가 장착되어 있다. O링(280)은 전후에 배치된 와셔(294, 296)를 거쳐서, 내측 부재(250A) 및 고정 너트(260) 사이에 보지되어 있다. O링(280)의 내주면은 팁 바디(240)의 외주면에 접하여 있고, 절연통(250)은 O링(280)을 거쳐서 팁 바디(240)에 접속되어 있다고 말할 수 있다.
이와 같이, 팁 바디(240) 및 그 선단에 장착된 콘택트 팁(220)에 대해서, 근원측의 단부에서 O링의 탄성력으로 지지된 절연통(250) 및 그 선단에 장착된 노즐(210)이, 소정의 간극을 두고 배치되어 있다. 이러한 구조에 의해, O링은 탄성 변형 가능하므로, 절연통(250) 및 노즐(210)은 근원측의 단부를 경동(傾動) 중심으로, 팁 바디(240) 및 콘택트 팁(220)에 대해서 경동할 수 있다. 이 때, 압축 스프링(290)에 의해, 절연통(250) 및 노즐(210) 사이에 소정의 제동력을 걸어서, 덜컹거림이 없는 매끄러운 움직임을 실현하고 있다.
콘택트 팁(220)에 대해서 더욱 상세하게 설명하면, 약간 선단이 가늘은 원통 형상을 갖고, 그 축 중심에 용접 와이어를 가이드하는 도통 구멍을 갖는다. 콘택트 팁(220)은 구리 등의 통전성을 갖는 금속 재료로 형성되어 있다. 도통 구멍의 후단부에는, 후측을 향함에 따라 확경하는 유도 테이퍼면이 형성되어 있고, 이 유도 테이퍼면에 의해 용접 와이어가 순조롭게 도입된다. 콘택트 팁(220)은 용접 전류를 용접 와이어에 공급하는 동시에, 용접 와이어를 가이드하는 것이다.
송급 장치(300)로부터 공급되는 용접 와이어는, 콘딧 튜브(420) 안을 통해서 용접 토치 본체에 들어가고, 용접 토치 본체 및 팁 바디(240)를 통해서, 콘택트 팁(220)의 도통 구멍에 들어간다.
한편, 용접 전원(400)과 용접 토치 본체는, 파워 케이블(410) 및 콘딧 튜브(420)를 거쳐서 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 용접 토치 본체, 팁 바디(240) 및 콘택트 팁(220)은 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 용접 전원(400)으로부터 공급된 용접 전류는 콘택트 팁(220)으로부터 도통 구멍을 통과한 후 용접 와이어로 흘러서 아크를 발생한다.
쉴드 가스 공급원(500)으로부터 공급된 쉴드 가스는, 가스 튜브(510) 및 콘딧 튜브(420) 내를 흘러서, 용접 토치 본체에 들어가고, 용접 토치 본체 및 팁 바디(240)의 내부를 통해서, 팁 바디(240)의 복수의 구멍으로부터 외주측으로 흐른다. 그리고, 오리피스(230)에 의해 정류된 쉴드 가스가, 노즐(210)의 선단으로부터 아크를 덮도록 분출하여, 용접 개소의 분위기를 보호한다.
(노즐 및 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조)
다음에, 도 5a 및 도 5b를 참조하면서, 절연통(250) 및 노즐(210)이 팁 바디(240) 및 콘택트 팁(220)에 대해서 경동하는 것에 의해, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)이 상대적으로 이동 가능한 구조의 설명을 상세하게 실행한다. 도 5a는 도 4의 화살표 A-A로 나타내는 용접 토치를 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라본 모식도이며, 노즐 및 콘택트 팁이 대략 동심 상에 배치된 초기 상태를 도시하는 도면이다. 도 5b는 도 5a 상태로부터, 노즐 및 콘택트 팁이 상대적으로 이동한 상태를 도시하는 모식도이다.
노즐(210)에 하중이 걸리지 않은 초기 상태에 있어서는, 절연통(250)은 O링(280)으로부터 전체 둘레에 거의 동일한 탄성력이 걸려 있으므로, 도 5a에 도시되는 바와 같이, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)은 거의 동심원 형상으로 배치되어 있다. 이 초기 상태로부터, 도 4의 백색 화살표로 나타내는 바와 같이, 노즐(210)의 선단에 하측으로부터 힘(F)이 걸렸을 경우, O링(280)과 접하는 근원측의 단부를 경동 중심으로 하여, 절연통(250) 및 노즐(210)이 팁 바디(240) 및 콘택트 팁(220)에 대해서 반시계회전으로 경동한다. 이에 의해, 도 5a에 도시되는 상태로부터, 노즐(210)이 콘택트 팁(220)에 대해서 상대적으로 상방으로 이동한다.
그리고, 도 4의 화살표(B)로 나타내는 지점에 있어서, 절연통(250) 및 팁 바디(240)가 접촉하여 경동이 멈춘다. 단, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 노즐(210) 및 오리피스(230)의 플랜지부가 접촉하여 경동이 멈추도록 할 수도 있다. 도 5b는 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라본, 이 때의 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)의 위치 관계를 도시한다. 도 5b로부터 명백한 바와 같이, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220) 사이에는 아직 소정의 간극을 갖고 있다.
또한, F가 걸리지 않게 된 경우에는, O링(280)의 탄성력에 의해, 도 5a에 도시되는 초기 상태로 되돌아온다.
초기 상태에 있어서의 노즐(210)의 선단 내경 및 콘택트 팁(220)의 선단 외경 사이의 노즐-팁간 거리를 D로 하면, 노즐(210)은 콘택트 팁(220)에 대해서 이동 거리(M)만큼 이동하고, 노즐-팁간 거리가 C로 변화한다. 이 때, C=D-M의 관계를 갖는다. 즉, 노즐-팁간 거리는 이동 거리(M)만큼 좁아진다. 또한, 도 5b에 있어서, 초기 상태의 노즐(210)의 위치를, 일점 쇄선의 도면으로 나타낸다.
상기의 설명에서는, 노즐(210)이 콘택트 팁(220)에 대해서 상방으로 이동하는 경우를 나타냈지만, 본 실시형태에 대해서는, 가중이 가해지는 방향을 따라서, 노즐(210)은 콘택트 팁(220)에 대해서 임의의 방향으로 이동할 수 있는 것은 명백하다.
본 실시형태에서는, 노즐(210)에 하중이 걸리지 않는 초기 상태에 있어서, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)이 동심원 형상으로 배치되어 있다. 즉, 노즐-팁간 거리(D)가 전체 둘레에 있어서 거의 균일하게 되어 있다. 따라서, 아크의 주위를 확실하게 쉴드 가스로 덮어서, 용접 개소의 분위기를 보호할 수 있다. 단, 이에 한정되는 것은 아니며, 용도에 따라서, 초기 상태에서 노즐-팁간 거리(D)가 영역에 따라서 상이하도록 할 수도 있다.
가스 쉴드 용접에서는, 노즐의 선단으로부터 쉴드 가스를 분출하여, 용접 개소의 분위기를 보호할 수 있다. 그러나, 쉴드 가스가 개선 형상이나 바람이라고 하는 외란에 의해 혼란해지면, 대기를 권입하여, 가스의 전위 경도가 변한다. 이에 의해 아크 길이가 변동하고, 아크 불안정이나 대기 중의 질소(N)를 기인으로 한 기공 결함 등의 용접 결함이 발생한다. 가반형 용접 로봇이 적용되는 현장 용접에서는, 사람의 손으로 용접하는 복잡한 자세, 개선 형상도 있고, 또한 밖에서 용접하는 경우도 있기 때문에, 특히 쉴드 가스를 혼란시키는 외란이 일어나기 쉽다. 또한, 아크 불안정에 의해서 일어나는 스패터는 노즐 분출구를 폐색하여, 용접을 할수록 아크 불안정이 증가하여, 스패터의 증가나 용접 결함의 발생이 현저하게 된다.
본 실시형태에서는, 노즐(210)의 선단 내경을 좁히고, 가스의 유속을 높임으로써, 외란을 억제할 수 있다. 상태적으로는, 노즐(210)의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하고, 12㎜ 이상 18㎜ 이하의 범위 내에 있도록 하는 것이 더 바람직하다. 노즐의 선단 내경을 좁히는 것에 의해서, 아크 안정화가 가능하게 된다. 단, 선단 내경을 좁힐수록, 노즐 분출구가 스패터에 의해 폐색되기 쉬워진다. 즉, 초기에는 아크가 안정하여 스패터의 발생이 소량이어도, 연속으로 용접을 실행하면, 스패터가 서서히 분출구에 부착하고, 머지않아 쉴드 가스 불량이 발생한다. 노즐의 선단 내경을 좁혔을 경우, 스패터에 의한 노즐 폐색이 보다 현저하게 되기 때문에, 단순히 노즐 구경을 좁히는 것만으로는, 연속 용접에 적용할 수 없다.
그래서, 본 실시형태에서는, 노즐(210)의 선단 내경을 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내로 하는 동시에, 상기와 같이, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖고 있다.
본래 토치 손상의 방지로부터, 위빙 용접시, 개선 내에서 노즐과 개선의 벽면은 접촉시키지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 본 실시형태에서는, 콘택트 팁(220)을 중심으로 노즐(210)이 반경 방향으로 이동할 수 있으므로, 토치의 손상을 신경쓰지 않고, 개선의 벽면과 노즐을 충돌시키고, 그 충격에 의해, 노즐 분출구에 부착하는 스패터를 제거할 수 있다. 게다가, 노즐(210)의 선단 내경과 콘택트 팁(220)의 선단 외경의 차이인 노즐-팁간 거리가 변하는 것에 의해, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220) 사이에 부착하는 스패터를 기계적으로 제거할 수 있다. 즉, 용접 중이어도, 위빙 용접을 실행하는 것에 의해서, 부착한 스패터를 제거하는 것이 가능하게 된다.
이상과 같이, 본 실시형태에 따른 가반형 용접 로봇(100)은 현장 용접에서 다용되고, 아크가 불안정하게 되기 쉽고, 스패터가 현저하게 발생하는 100% CO2 가스를 이용한 경우의 쉴드 가스 용접에 특히 유효하다. 본 실시형태에서는, 노즐(210)의 선단 내경의 세경화에 의해, 스패터의 발생을 억제할 수가 있고, 또한 만약 노즐(210)에 스패터가 부착했다고 해도, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)이 상대적으로 이동 가능한 구조를 가지므로, 위빙 용접시에 노즐-팁간 거리를 변화시켜서, 노즐(210)에 부착하는 스패터를 제거할 수 있다. 특히, 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 경우에, 효과적으로 스패터의 발생을 억제하고, 또한 노즐(210)에 부착하는 스패터를 제거할 수 있다.
이러한 구조에 의해, 연속 용접이어도 노즐(210)에 부착하는 스패터를 방지하는 것이 가능하게 되어, 쉴드 가스 불량을 방지할 수 있다. 이에 의해, 용접 중, 아크의 안정화를 시종 유지할 수 있고, 저스패터화의 계속 및 용접 결함의 억제를 가능하게 하고, 작업 효율의 향상에 기여할 수 있다.
따라서, 장시간의 연속 용접을 가능하게 하여, 작업 효율의 향상을 도모할 수 있는 용접 장치 및 용접 방법을 제공할 수 있다.
게다가, 본 실시형태에서는, 초기 상태에 있어서의 노즐(210)의 선단 내경 및 콘택트 팁(220)의 선단 외경 사이의 노즐-팁간 거리(D)가 2㎜ 이상 7㎜ 이하의 범위 내가 되도록 형성되어 있다. 노즐-팁간 거리(D)를 2㎜ 이상 7㎜ 이하의 범위 내로 하는 것에 의해, 아크의 안정화 및 노즐 분출구의 스패터에 의한 폐색의 억제를 밸런스시킬 수 있다.
게다가, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220) 사이에 융착하는 일 없이, 효과적인 스패터 제거 효과를 얻으려면, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)의 상대적 이동 거리(M)를, 초기 상태의 노즐-팁간 거리(D)에 대해서 소정의 범위에 두는 것이 중요하다. 이에 관한 여러가지 검토, 시험에 근거하여, 이하를 지견하였다.
상대적 이동 거리(M)의 노즐-팁간 거리(D)에 대한 비율(M/D)이 30% 미만인 경우에는, 이동 범위가 적고 스패터 제거 효과가 낮다. 한편, M/D가 90%보다 큰 경우에는, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220) 사이에서 융착할 가능성이 높아진다. 즉, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)의 상대적 이동 거리(M)가, 노즐-팁간 거리(D)의 30% 이상 90% 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직한 것을 지견하였다.
이상과 같이, 초기 상태에 있어서의 노즐(210)의 선단 내경 및 콘택트 팁(220)의 선단 외경 사이의 노즐-팁간 거리(D)가 2㎜ 이상 7㎜ 이하의 범위 내에 있고, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)의 상대적 이동 거리(M)가, 노즐-팁간 거리(D)의 30% 이상 90% 이하의 범위 내에 있는 경우에는, 아크의 안정화 및 노즐 분출구의 스패터에 의한 폐색의 억제를 적당하게 밸런스시키는 동시에, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220) 사이에서의 융착을 막으면서, 유효한 스패터 제거 효과를 얻을 수 있다.
또한, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220) 사이에서 융착을 확실히 막는 관점에서는, 30% 이상 85% 이하의 범위 내에 있는 것이 더 바람직하다고 생각된다.
용도나 용접 현장에 따라서는, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)의 상대적 이동 거리(M)를 변경시키는 것이 바람직한 경우도 있다. 본 경우, 내경이 상이한 절연통(250) 또는 외경이 상이한 팁 바디(240)로 변경함으로써, 절연통(250) 및 팁 바디(240)가 접촉하는 위치를 변경하는 것에 의해, 이를 실현할 수 있다.
또한, 예를 들면, 절연통(250)이 타원형의 단면 형상을 갖는 경우, 위빙 용접을 실행하는 용접 토치(200)의 요동의 방향과, 그에 직교하는 가반형 용접 로봇(100)의 진행 방향으로, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)의 상대적 이동 거리(M)를 상이하게 할 수도 있다. 이에 의해, 충분한 쉴드 가스를 공급하는 동시에, 스패터 제거 효과를 높일 수 있다.
상기의 실시형태에서는, 탄성 재료로서 O링을 이용하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 스프링이나 그 외의 탄성체를 포함하는 그 외의 임의의 부재를 이용할 수 있다. 게다가, 상기의 구조는 일례에 지나지 않고, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)을 상대적으로 이동시킬 수 있는 기구이면, 그 외의 임의의 기구를 적용할 수 있다.
또한, 상기의 가반형 용접 로봇(100)을 이용한 용접에 있어서, 노즐(210)로부터 분출하는 쉴드 가스의 유량이 15L/min 이상 50L/min 이하의 범위 내이며, 쉴드 가스의 유속이 1m/sec 이상 10m/sec 이하의 범위 내에 있는 경우에, 아크의 안정화 및 저스패터화를 효과적으로 실현되는 것을 지견하였다.
(펄스 파형의 용접 전류에 의한 용접)
상기와 같이, 가반형 용접 로봇이 대부분 적용되는 현장 용접에서는, 외란이 크고 아크 불안정으로 빠지기 쉽다. 아크가 안정한 경우, 일반적으로, 용접 전류를 펄스 파형으로 한 쪽이 스패터의 저감으로 연결된다. 그러나, 아크 불안정으로 빠지면, 용적 이행이 혼란되어, 정전압의 직류(펄스 無)의 경우보다 스패터가 증가한다. 이 때문에, 가반형 용접 로봇이 적용되는 용접에 있어서는, 이러한 문제로 펄스 파형은 적용되지 않았다. 본 실시형태에서는, 상기대로, 연속한 용접에 있어서도 아크를 안정화할 수 있으므로, 더욱 저스패터화를 위해서도 펄스 파형으로 할 수 있다. 특히, 현장 용접에서 다용되는 100% CO2 가스 분위기화에서 적용하는 펄스 파형에 대해서, 도 6 및 도 7을 참조하면서, 하기에 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 제어 장치가 생성하는 펄스 파형의 일례를 도시하는 도면이다. 여기서, 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 용접 와이어에 공급하는 용접 전류를 나타낸다. 도 7은 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 제어 장치가 생성하는 펄스 파형에 의한 용접 와이어 선단부의 시계열 변화를 모식적으로 도시하는 설명도이다.
본 실시형태의 아크 길이 제어 방법에서는, 미리 설정된 파형 파라미터에 근거하여, 도 6에 도시되는 상이한 2종류의 펄스 파형을, 펄스 주기의 1 주기 동안에 교대로 생성하여, 용접 전원에 출력함으로써, 1용적의 이행을 실행하는 소모 전극식 펄스 아크 용접을 전제로 하고 있다.
도 6에 도시되는 제 1 펄스(701)는 와이어 선단으로부터의 용적을 이탈시키기 위한 제 1 펄스 파형이다. 제 1 펄스(701)의 피크 기간(Tp1) 및 베이스 기간(Tb1)을 포함하는 기간을 제 1 펄스 기간이라 부른다. 본 명세서에서는, 제 1 펄스(701)에는, 피크 전류 값(Ip1) 및 베이스 전류 값(Ib1)이 설정되어 있다. 또한, 피크 전류 값(Ip1)은 제 2 펄스(702)의 피크 전류 값(Ip2)보다 크다.
도 6에 도시되는 제 2 펄스(702)는 용적을 정형하기 위한 제 2 펄스 파형이다. 제 2 펄스(702)의 피크 기간(Tp2) 및 베이스 기간(Tb2)을 포함하는 기간을 제 2 펄스 기간이라 부른다. 본 명세서에서는, 제 2 펄스(702)에는, 피크 전류 값(Ip2) 및 베이스 전류 값(Ib2)이 설정되어 있다.
펄스 주기의 1 주기는 제 1 펄스 기간과 제 2 펄스 기간으로 이루어진다. 펄스 주기의 1 주기는 제 1 펄스(701)와 제 2 펄스(702)를 이 순서대로 출력하는 기간이다. 도 6에 전회를 나타내는 제 (n-1)번째의 펄스 주기를 Tpb(n-1)로서 나타냈다. 또한, 금회를 나타내는 제 n번째의 펄스 주기를 Tpb(n)로 하여 나타냈다.
실제로는, 베이스 전류로부터 피크 전류에 도달하는 상승 슬로프 기간(제 1 펄스 상승 슬로프 기간, 제 2 펄스 상승 슬로프 기간)이나 피크 전류로부터 베이스 전류에 도달하는 펄스 하강 슬로프 기간이 존재한다. 그러나, 본 명세서에서는, 이러한 슬로프 기간을 포함하지 않고, 도 6에서는, 제 1 펄스(701) 및 제 2 펄스(702)의 형상을 직사각형으로 나타내고 있다.
본 실시형태에 따른 제어 장치(600)는 용접 중에 아크 전압 및 용접 전류를 검출하여 있다. 용접 전류, 아크 전압, 및 아크 전압과 용접 전류의 비(V/I: 저항) 중 적어도 1개에 근거하여, 용적의 이탈, 또는 도 7에 도시되는 바와 같은 용적의 이탈 직전 상태를 검출한 경우에, 즉시 제 1 펄스(701)의 전류 값을 검출시의 전류 값보다 낮은 소정 값 또는 슬로프 기간으로 바뀐다. 또한, 도 7에서는 베이스 전류로 바뀌는 예를 도시하고 있다. 용적 이행의 상세는 이하대로이다.
도 7에 있어서, 부호 811로 나타내는 와이어 선단(805)은 전회의 펄스 주기(Tpb(n-1))에서 용적이 이탈한 후의 제 2 펄스 피크 기간(Tp2)에 성장한 것이다. 제 2 베이스 기간(Tb2)에 전류가 급격하게 감소하기 때문에, 용적에 작용하는 상방에의 밀어올리는 힘이 약해져서, 용적은 와이어 선단(805)에 현수 정형(懸垂整形)된다.
계속해서, 제 1 펄스 피크 기간(Tp1)에 접어들면, 피크 전류에 의한 전자 핀치력에 의해, 부호 812로 나타내는 바와 같이, 용적은 변형하고, 급속히 잘록부(806)가 생긴다. 이러한 용적의 이탈 직전 상태를 검지하는 것에 의해, 제 1 펄스 피크 기간 중 또는 제 1 펄스 하강 슬로프 기간 중이어도, 즉석으로 제 1 베이스 전류 또는 검지시의 전류보다 낮은 소정 전류로 바뀐다. 이탈 후의 와이어측에 아크가 이동하는 순간에 있어서는, 부호 813으로 나타내는 바와 같이 전류가 낮아져 있는 상태로 한다. 이에 의해, 와이어의 잘록부(806) 부분의 비산이나 이탈 후의 잔류 융액의 비산에 의한 소립 스패터를 큰 폭으로 저감할 수 있다.
계속해서, 부호 814로 나타내는 바와 같이, 제 2 펄스 피크 기간에서는, 용적 이탈 후의 와이어에 잔류한 융액이 이탈하거나 비산하거나 하지 않는 레벨로 미리 제 2 펄스 피크 전류 값(Ip2)을 설정한 다음 용적을 성장시킨다. 그리고, 부호 815로 나타내는 바와 같이, 제 2 베이스 기간(Tb2)에서 용적의 정형을 실행하면서 다시, 부호 811로 나타내는 상태로 되돌아오기 때문에, 1 주기당 1용적의 이행을 극히 규칙적으로 실현할 수 있다.
이상과 같이, 현장 용접에서 다용되는 100% CO2 가스 분위기화에서, 적용하는 펄스 파형으로서, 제 1 펄스와 제 2 펄스의 조합을 1 주기로 한 펄스 파형이며, 제 1 펄스는 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높고, 게다가, 제 2 펄스는 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 하는 것이 바람직하다.
100% CO2 가스 분위기화에 있어서는, 용적 이행 형태가, 용적이 전극 와이어 직경 이상의 크기가 되어 이행하는 글로뷸 이행이 되기 때문에, 규칙적으로 용적을 이탈하는 방법이 가장 스패터의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 제 1 펄스는 조대화(粗大化)한 용적을 이탈하기 위해서 마련된다. 제 2 펄스는 아크 반력에 의한 요동을 막으면서 용적을 일정한 크기까지 용해시키기 위해서 마련된다. 요동이 억제된 용적은, 다시 제 1 펄스에 의해서 이탈이 촉진되고, 용적 이행이 완료된다. 즉, 제 1 펄스와 제 2 펄스로 1용적을 안정적으로 이탈시키는 특수 펄스 파형이 된다. 따라서, 그 제 1 펄스, 제 2 펄스의 작용의 차이로부터, 제 1 펄스는 제 2 펄스보다 피크 전류 값을 높게, 제 2 펄스는 제 1 펄스보다 피크 기간을 길게 설정하는 것이 바람직하다.
이상을 정리하면, 바람직한 펄스 파형은 제 1 펄스 및 제 2 펄스의 조합을 1 주기로 한 펄스 파형이며, 제 1 펄스는 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높고, 제 2 펄스는 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 되어 있다. 이에 의해, 소립 스패터의 발생을 큰 폭으로 저감할 수 있고, 1 주기당 1용적의 이행을 극히 규칙적으로 실현될 수 있다.
상기의 작용 효과를 확실하게 이루기 위해, 하기와 같은 펄스 파형을 적용하는 것이 더욱 바람직한 것을 지견하였다.
(1) 제 1 펄스의 피크 전류 값은 400A 이상 600A 이하의 범위 내,
(2) 제 2 펄스의 피크 전류 값은 300A 이상 500A 이하의 범위 내,
(3) 제 1 펄스의 피크 기간은 0.5msec 이상 3.5msec 이하의 범위 내,
(4) 제 2 펄스의 피크 기간은 1.5msec 이상 5.5msec 이하의 범위 내.
아크가 불안정하게 되기 쉬운, 용접 개시 후의 소정 시간 내 및 용접 종료 전의 소정 시간 내에 대해서는, 용접 전류가 펄스 파형이 아닌 정전압의 직류로 용접하고, 중간의 기간에 있어서, 용접 전류가 펄스 파형의 용접을 실행할 수도 있다.
상기의 제 1 펄스 및 제 2 펄스의 조합을 1 주기로 한 펄스 파형을 이용한 용접에 있어서, 어떠한 외란으로 용적 이행의 규칙성이 무너졌을 때에는, 제 1 펄스에 이어서 제 2 펄스와는 상이한 제 3 펄스를 출력하는 것도 고려된다. 이 제 3 펄스는 용적을 강제적으로 이탈시키기 위한 펄스로 할 수도 있고, 용적을 순조롭게 이탈할 수 있도록 다시 재차 정형하기 위한 펄스로 할 수도 있다. 이에 의해, 용적 이행의 규칙성이 무너졌을 때에 정상 상태로 복귀시키기까지 필요로 하는 기간을, 보다 짧게 할 수 있다. 따라서, 정상 상태로 복귀시키기까지 필요로 하는 기간에 발생하는 스패터 및 흄(fume)을 저감할 수 있다.
<다층 용접>
다층의 가스 쉴드 아크 용접에도, 상기의 펄스 파형을 이용할 수 있다. 다층 용접의 경우, 하기와 같은 용접 방법을 예시할 수 있다.
(1) 제 1 층만,
(2) 제 1 층으로부터 제 2 층까지, 또는
(3) 제 1 층으로부터 제 3 층까지를,
용접 전류가 펄스 파형이 아닌 정전압의 직류로 용접하고, 나머지의 층을, 상기와 마찬가지인 용접 전류가 펄스 파형의 용접을 실행한다.
상세하게 설명하면, 나머지의 층에 대해서는, 용접 전류가 제 1 펄스와 제 2 펄스의 조합을 1 주기로 한 펄스 파형으로 하고, 제 1 펄스는 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높고, 제 2 펄스는 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 하여 용접을 실행한다.
(용적 이탈 검출부를 구비한 제어 장치)
상기의 펄스 파형을 이용한 용접에서는, 제 1 펄스의 피크 기간에 있어서, 아크에 의해 융해된 용접 와이어의 선단에 형성된 용적의 이탈 또는 이탈 직전 상태를 검출하는 것이 중요하다. 또한, 이하에 있어서는, 용적의 이탈 및 용적의 이탈 직전 상태를 검출하는 것을, 통합하여 「용적의 이탈을 검출한다」라고 기재한다.
상기와 같이, 용접 전류, 아크 전압, 및 아크 전압과 용접 전류의 비(V/I: 저항) 중 적어도 1개에 근거하여, 용적의 이탈을 검출할 수 있다.
다음에, 「용접 전류, 아크 전압, 및 아크 전압과 용접 전류의 비(V/I: 저항) 중 적어도 1개에 근거하는」 것의 일례로서, 도 8을 참조하면서, 아크 전압 등의 시간 2계 미분 값을 이용하여, 용적의 이탈을 검출하는 경우를 설명한다. 도 8은 시간 2계 미분 값을 이용한 검출을 실행하는 용적 이탈 검출부를 구비한 제어 장치의 일례를 나타내는 블럭도이다.
본 실시형태에서는, 아크 전압의 시간 2계 미분 값을 사용하는 것이다. 3상 교류 전원(도시되지 않음)에, 출력 제어 소자(1)가 접속되어 있고, 이 출력 제어 소자(1)에 주어진 전류는 트랜스(2), 다이오드로 이루어지는 정류부(3), 직류 리액터(8) 및 용접 전류를 검출하는 전류 검출기(9)를 거쳐서, 콘택트 팁(4)에 주어진다. 피용접재(7)는 트랜스(2)의 저위 전원측에 접속되어 있고, 콘택트 팁(4) 내를 관통 삽입하여 급전되는 용접 와이어(5)와, 피용접재(7) 사이에 용접 아크(6)가 발생된다.
콘택트 팁(4)과 피용접재(7) 사이의 아크 전압은, 전압 검출기(10)에 의해 검출되어서 출력 제어기(15)에 입력된다. 출력 제어기(15)에는, 게다가, 전류 검출기(9)로부터 용접 전류의 검출 값이 입력되어 있고, 출력 제어기(15)는 아크 전압 및 용접 전류를 기초로, 와이어(5)에 급전하는 용접 전류 및 아크 전압을 제어하고 있다.
전압 검출기(10)에 의해 검출된 아크 전압은, 용적 이탈 검출부(16)의 아크 전압 미분기(11)에 입력되고, 아크 전압 미분기(11)에 있어서, 시간 1층 미분이 연산된다. 다음에, 이 아크 전압의 1층 미분 값은 2계 미분기(12)에 입력되고, 이 2계 미분기(12)에 있어서, 아크 전압의 시간 2계 미분이 연산된다. 그 후, 이 시간 2계 미분 값은 비교기(14)에 입력된다. 2계 미분 값 설정기(13)에, 2계 미분 설정 값(문턱 값)이 입력되어서 설정되어 있다. 비교기(14)는 2계 미분기(12)로부터의 2계 미분 값과 2계 미분 값 설정기(13)로부터의 설정 값(문턱 값)을 비교하여, 2계 미분 값이 설정 값을 넘은 순간에, 용적 이탈 검출 신호를 출력한다. 이 2계 미분 값이 설정 값을 넘은 순간이, 용적의 이탈을 검출하였다고 판정된다.
이 용적 이탈 검출 신호는 파형 생성기(18)에 입력되고, 파형 생성기(18)에 있어서, 용적 이탈 후의 용접 전류 파형이 제어되고, 출력 보정 신호가 출력 제어기(15)에 입력된다. 이 파형 생성기(18)는 용적 이탈 검출 신호가 입력되면, 파형 생성기(18)에 설정된 기간은, 검출시의 용접 전류 값보다 낮은 용접 전류 값이 되도록 출력 제어기(15)에 제어 신호(출력 보정 신호)를 출력한다. 파형 설정기(17)는 파형 생성기(18)에 있어서, 출력 보정 신호를 출력하는 기간 및 용접 전류를 저하시키는 정도를 입력하는 것이며, 파형 설정기(17)에 의해, 출력 보정 신호를 출력하는 기간 및 용접 전류를 저하시키는 정도가 파형 생성기(18)에 설정된다.
여기서, 용적 이탈 검출 신호는 용적의 이탈을 검출했을 경우에 출력하는 신호이다. 용적이 이탈할 때에는, 와이어 선단에 존재하는 용적의 근원이 잘록하게 되고, 그 잘록부가 진행한 결과, 아크 전압 및 저항이 상승한다. 또한, 용적이 이탈하면 아크 길이가 길어지기 때문에, 아크 전압 및 저항이 상승한다. 이를 전압 및 저항값 또는 이들의 미분 값으로 검출한 경우, 용접 중, 용접 조건이 변화하면, 그 용접 조건의 변화에 영향을 받아서, 용적 이탈 검출부가 오검출을 빈발하고, 스패터를 증대시킨다. 그러나, 본 실시형태에 의한 2계 미분 값에 의한 검출의 경우, 용접 중에 용접 조건이 변화해도, 그 변화에 영향을 받지 않고, 정확하게 용적의 이탈을 검출할 수 있다. 또한, 용적 이탈 직전의 잘록부에 의한 전압 또는 아크 저항의 변화에 상당하는 2계 미분 값을 2계 미분 값 설정기(13)로 설정하면, 용적의 이탈을 확실하게 검출하여, 용접 파형을 제어할 수 있다. 이에 의해, 용접 와이어의 선단에 잔류한 융액을 불어보내서 소립 스패터를 발생시켜 버린다는 문제를 해소하는 것을 기대할 수 있다.
이와 같이, 용적의 이탈을 검출한 후의 출력 보정에 대해서 설명한다. 파형 설정기(17)에서 전류·전압 등의 필요한 파라미터를 설정한다. 출력 제어기(15)는 전류 검출기(9), 전압 검출기(10), 파형 생성기(18)로부터의 신호를 입력하고, 출력 제어 소자(1)를 제어하는 것에 의해서, 아크를 제어한다. 용적 이탈 검출 신호가 파형 생성기(18)에 입력되지 않는 경우, 전류 검출기(9)의 검출 전류 및 전압 검출기(10)의 검출 전압이 파형 설정기(17)에서 설정된 전류·전압이 되도록 출력 제어 소자(1)에 제어 신호를 출력한다. 파형 생성기(18)는 용적 이탈 검출부(16)의 용적 이탈 검출 신호를 입력하면, 파형 설정기(17)에서 설정한 기간은, 파형 설정기(17)에서 설정한 용접 전류가 되도록 출력 보정 신호를 출력 제어기(15)에 출력한다. 이 때의 용접 전류는 검출시의 용접 전류보다 낮기 때문에, 용적을 밀어올리는 아크 반력이 약해지고, 용적은 와이어 연장 방향으로부터 크게 휘어지지 않고 용해지로 이행한다. 따라서, 용적이 스패터로서 비산하기 어려워진다.
이상과 같이, 본 실시형태에 따른 용적 이탈 검출부는 제 1 펄스의 피크 기간에 있어서, 전압 검출기(10) 및/또는 전류 검출기(9)로부터 얻어진, 아크 전압의 시간 2계 미분 값, 용접 전류의 시간 2계 미분 값, 또는 아크 전압과 용접 전류의 비(V/I: 저항)의 시간 2계 미분 값에 근거하여, 용적의 이탈을 검출했을 때, 제 1 펄스의 피크 전류 값을 저하시키는 제어 처리를 실행한다.
이와 같이, 용접 전류, 아크 전압, 및 아크 전압과 용접 전류의 비(V/I: 저항) 중 적어도 1개에 근거하여, 용적의 이탈을 검출하여, 용접 파형을 제어할 수 있기 때문에, 용접 와이어의 선단에 잔류한 융액을 불어보내서 소립 스패터를 발생시켜 버린다는 문제의 해소를 기대할 수 있다.
용적 이탈 검출부(16)가 용적의 이탈을 시간 지연이 적고 정확하게 검출하려면, 전류 검출기(9)나 전압 검출기(10)가 검출하는 데이터의 정밀도가 중요하다. 용접 토치(200)에 전력을 공급하는 파워 케이블의 길이가 긴 경우에는, 파워 케이블의 전기 저항에 의해, 용접 전원(400)으로부터 용접 토치(200)에 공급되는 동안의 전압 값, 전류 값의 강하나 타임 래그(time lag)가 현저해진다. 따라서, 용접 전원(400)측에 마련된 전류 검출기(9)가 검출하는 전류 값의 정밀도나 전압 검출기(10)가 검출하는 전압 값의 정밀도가 저하한다.
케이블의 전기 저항은 케이블 길이에 비례하고, 케이블의 단면적에 반비례한다. 그래서, 용접 전원(400) 및 가반형 용접 로봇(100) 사이를 접속하는 파워 케이블의 케이블 길이 및 케이블의 단면적을 이용하여, 용적 이탈 검출부(16)가 확실하게 용적의 이탈의 검출을 실행할 수 있는 요건을 검토하였다.
그 결과, 용접 전원(400)과 가반형 용접 로봇(100) 사이를 접속하는 파워 케이블의 케이블 길이를 L㎜, 케이블 단면적을 S㎜2로 하면, L의 S에 대한 비율(L/S)이 L/S≤10000의 관계를 갖는 경우에, 용적 이탈 검출부가 확실하게 용적의 이탈의 검출을 실행할 수 있는 것을 지견하였다. 또한, L/S의 단위는, 1/㎜가 된다.
실시예
다음에, 상기의 실시형태에 따른 용접 토치 등을 이용하여 실제로 용접 시험을 실행한 시험 1 및 시험 2의 설명을 실행한다.
(시험 조건)
시험 1 및 시험 2에 있어서 공통되는 기본적인 시험 조건을 이하에 나타낸다.
(1) 용접 와이어: JIS Z3312:2009 YGW11 선형 1.2㎜
(2) 워크: SM490B　판 두께 12㎜
(3) 쉴드 가스: 100% CO2
(4) 용접 조건
(a) 용접 전류: 280A 내지 300A
(b) 아크 전압: 34V 내지 36V
(c) 개선: 편면 개선
(d) 적층: 3층 3패스
(e) 루트 간격: 4㎜
(f) 입열 조건: 40kJ/cm 이하
(g) 용접 길이: 350㎜
(평가 방법)
시험 1 및 시험 2 모두, 시험 결과를 연속 용접성, 스패터성 및 용접 결함의 3점으로부터 평가하였다.
(1) 연속 용접성
3층 3패스의 용접이 용접 노즐의 스패터 제거 작업을 위해서 정지하는 일 없이, 연속적으로 실시되었을 경우에, 시험 결과를 「○」(양)으로 판정하였다. 한편, 쉴드 가스 공급의 불량 등에 의해, 아크가 불안정하게 되어 용접이 정지했을 경우에, 「×」(불량)으로 판정하였다.
(2) 스패터성
최종 층의 주변에 부착하는 스패터량으로 평가하였다. 더 상세하게 설명하면, 용접 길이 50㎜, 용접선으로부터 하판측 25㎜, 입판측 25㎜의 범위에 대해, 부착하여 있는 스패터량으로 평가하였다.
(a) 스패터가 1.0㎜ 이하인 것을 「◎」(우량)으로 평가하였다.
(b) 1.0㎜를 상회하는 스패터가, 1개 이상 5개 이하로 부착하여 있는 것을 「○」(양)으로 평가하였다.
(c) 1.0㎜를 상회하는 스패터가, 6개 이상 10개 이하로 부착하여 있는 것을 「△」(가(可))로 평가하였다.
(d) 1.0㎜를 상회하는 스패터가, 11개를 넘은 상태로 부착하여 있는 것은, 스패터 부착이 현저하고, 용접 작업성이 조악한 것으로서 「×」(불량)으로 평가하였다.
(3) 용접 결함
비드 외관, 및 초음파 탐상 시험에서 결함이 없으면 「○」(양)으로 평가하고, 결함이 있으면 「×」(불량)으로 평가하였다.
(시험 1)
다음에, 표 1 내지 표 4를 참조하면서, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치 및 종래의 용접 토치를 이용하여 용접 시험을 실행한 시험 1의 결과를 설명한다. 시험 1에서는, 펄스 파형은 이용하지 않는 정전압의 직류에 의한 용접을 실행하였다. 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치를 이용한 실시예를 시험 번호 1 내지 19로 나타낸다. 시험 번호 40 내지 43의 비교예는, 노즐 및 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖지만, 시험 번호 44 및 45의 비교예는, 노즐 및 콘택트 팁을 상대적으로 이동할 수 없는 종래의 구조로 되어 있다.
표 1에, 실시예에 있어서의 용접 노즐의 사양 및 쉴드 가스의 유량, 유속을 나타내고, 표 2에, 비교예에 있어서의 용접 노즐의 사양 및 쉴드 가스의 유량, 유속을 나타낸다. 표 3에, 실시예에 있어서의 시험 1의 결과를 나타내고, 표 4에, 비교예에 있어서의 시험 1의 결과를 나타낸다. 또한, 시험 번호 1 내지 19 및 시험 번호 40 내지 45의 파워 케이블의 케이블 길이(L: ㎜)는 1000㎜, 케이블 직경(Dc: ㎜)은 17㎜로 하였다.
[표 1]
Figure 112020102049541-pct00001
[표 2]
Figure 112020102049541-pct00002
[표 3]
Figure 112020102049541-pct00003
[표 4]
Figure 112020102049541-pct00004
<노즐의 선단 내경>
시험 번호 1 내지 19의 실시예에서는, 모두 노즐의 선단 내경이 10㎜ 내지 20㎜의 범위에 있다. 이러한 실시예에서는, 연속 용접성 및 용접 결함에 있어서, 모두 「○」(양)으로 평가되었다. 또한, 스패터성에 대해서는, 「○」(양) 또는 「△」(가)로 평가되었다. 이상과 같이, 노즐 및 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖고, 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 경우에는, 연속 용접성, 스패터성 및 용접 결함에 있어서, 충분한 성능을 갖는 것이 판명되었다.
게다가, 노즐의 선단 내경이 12㎜ 내지 18㎜의 범위에 있는 실시예의 대부분이, 스패터성에 대해서 「○」(양)으로 판정되어 있어서, 노즐의 선단 내경이 12㎜ 내지 18㎜의 범위에 있는 것이 더 바람직한 것이 판명되었다.
한편, 노즐의 선단 내경이 10㎜ 미만의 시험 번호 41의 비교예에서는, 연속 용접성, 스패터성 및 용접 결함의 모든 점에서 「×」(불량)으로 평가되었다. 또한, 노즐의 선단 내경이 20㎜보다 크고, 노즐 및 콘택트 팁을 상대적으로 이동할 수 없는 구조의 시험 번호 45의 비교예에서도, 연속 용접성, 스패터성 및 용접 결함의 모든 점에서 「×」(불량)으로 평가되었다. 노즐의 선단 내경이 20㎜보다 큰 시험 번호 40의 비교예에서는, 스패터성 및 용접 결함의 점에서 「×」(불량)으로 평가되었다.
이상과 같이, 노즐 및 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖고, 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 경우에, 효과적으로 스패터의 발생을 억제하고, 또한 노즐에 부착하는 스패터를 제거할 수 있는 것이 실증되었다.
<노즐-팁간 거리>
시험 번호 1 내지 19의 실시예에서는, 모두 노즐-팁간 거리가 2㎜ 이상 7㎜ 이하의 범위 내에 있다. 또한, 시험 번호 7 및 10을 제외한 실시예에서는, 노즐 및 콘택트 팁의 상대적 이동 거리가, 노즐-팁간 거리의 30% 이상 90% 이하의 범위 내에 있다. 이러한 실시예의 대부분에 있어서, 스패터성에 대해 「○」(양)으로 판정되어 있다.
한편, 노즐 및 콘택트 팁의 상대적 이동 거리가 노즐-팁간 거리의 30% 미만의 시험 번호 7의 실시예에서는, 스패터성에 대해서 「△」(가)로 평가되어 있다. 또한, 노즐 및 콘택트 팁의 상대적 이동 거리가 노즐-팁간 거리의 90%보다 큰 시험 번호 10의 실시예에서도, 스패터성에 대해서 「△」(가)로 평가되어 있다.
게다가, 시험 번호 44 및 45의 비교예에서는, 노즐 및 콘택트 팁을 상대적으로 이동할 수 없는 구조로 되어 있으므로, 최초는 아크 상태가 안정하여 있어도, 노즐 내에 스패터가 부착하는 불안정이 되고, 스패터 제거 작업을 실행하지 않으면 용접을 계속할 수 없는 상태에 빠졌다. 노즐-팁간 거리가 2㎜ 미만의 시험 번호 41의 비교예, 및 이동 가능 거리가 1.5㎜의 시험 번호 43의 비교예에서는, 쉴드 가스의 유속이 너무 빠르기 때문에, 개선 내(토치 직하 주위)의 가스가 혼란되어 대기를 권입하기 쉬워져서, 블로우 홀 등의 용접 결함이 발생하였다.
이상과 같이, 노즐-팁간 거리가 2㎜ 이상 7㎜ 이하의 범위 내에 있고, 노즐 및 콘택트 팁의 상대적 이동 거리가 노즐-팁간 거리의 30% 이상 90% 이하의 범위 내에 있는 경우에, 아크의 안정화 및 노즐 분출구의 스패터에 의한 폐색의 억제를 적당하게 밸런스시키는 동시에, 노즐 및 콘택트 팁 사이에서의 융착을 막으면서, 유효한 스패터 제거 효과를 얻을 수 있는 것이 실증되었다.
<쉴드 가스의 유속>
시험 번호 1 내지 19의 실시예에서는, 모두 쉴드 가스의 유량이 15L/min 이상 50L/min 이하의 범위 내에 있고, 쉴드 가스의 유속이 1m/sec 이상 10m/sec 이하의 범위 내에 있다.
한편, 쉴드 가스의 유량이 15L/min 미만이며, 쉴드 가스의 유속이 1m/sec 미만의 시험 번호 42의 비교예에서는, 연속 용접성, 스패터성 및 용접 결함의 모든 점에서 「×」(불량)으로 평가되었다. 또한, 쉴드 가스의 유속이 10m/sec보다 큰 시험 번호 41의 비교예에서도, 연속 용접성, 스패터성 및 용접 결함의 모든 점에서 「×」(불량)으로 평가되었다.
이상과 같이, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치를 이용한 용접에서는, 노즐로부터 분출하는 쉴드 가스의 유량이 15L/min 이상 50L/min 이하의 범위 내이며, 쉴드 가스의 유속이 1m/sec 이상 10m/sec 이하의 범위 내에 있는 경우에, 아크의 안정화 및 저스패터화를 효과적으로 실현할 수 있는 것이 실증되었다.
(시험 2)
다음에, 표 5-1, 표 5-2 및 표 6을 참조하면서, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치를 이용하여, 펄스 용접 시험을 실행한 시험 2의 결과를 설명한다. 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치를 이용한 실시예를 시험 번호 20 내지 39로 나타낸다. 표 5-1에, 용접 노즐의 사양 및 쉴드 가스의 유량, 유속을 나타내고, 표 5-2에, 케이블의 사양 및 펄스 용접의 조건을 나타낸다. 표 6에, 펄스 용접에 의한 시험 2의 결과를 나타낸다. 표 5-1의 항목에 대해서는, 시험 번호 20 내지 39의 모든 실시예에서 동일하게 설정되어 있다.
[표 5-1]
Figure 112020102049541-pct00005
[표 5-2]
Figure 112020102049541-pct00006
[표 6]
Figure 112020102049541-pct00007
시험 2에서는, 용적의 이탈을 검출하여, 펄스 용접의 제어를 실행하였다. 또한, 1층째의 용접에서는, 펄스 파형은 이용하지 않는 정전압의 직류에 의한 용접을 실행하고, 2층째의 용접으로부터 펄스 용접을 실행하였다.
<펄스 시험 1>
시험 번호 24를 제외한 실시예에서는, 제 1 펄스는 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높게 되어 있고, 또한 제 2 펄스는 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 되어 있다. 이러한 실시예에서는, 시험 번호 23의 실시예를 제외하고, 펄스파를 이용한 용접에 의해, 연속 용접성 및 용접 결함에 대해서, 「○」(양) 이상의 평가가 얻어지는 것이 판명되었다. 또한, 시험 번호 23의 실시예에 대해서는, 스패터성에 대해서 「△」(가)로 평가되어 있지만, 후술하는 케이블 길이에 관한 고찰에 있어서 그 원인을 설명한다.
한편, 제 1 펄스가 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높게 되어 있지 않은 시험 번호 24의 실시예에서는, 펄스파를 이용했음에도 상관없이, 스패터성에 대해서 「△」(가)로 평가되어 있다.
이상과 같이, 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 용접 토치를 이용하여 펄스 용접을 실행할 때, 제 1 펄스가 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높고, 제 2 펄스가 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 되는 경우에는, 스패터성에 있어서 뛰어난 성능을 갖는 것이 실증되었다.
<펄스 시험 2>
게다가, 시험 번호 20, 21, 22, 25, 27, 29, 31, 33, 36 및 38의 실시예에서는, 제 1 펄스의 피크 전류 값이 400A 이상 600A 이하의 범위 내에 있고, 제 2 펄스의 피크 전류 값이 300A 이상 500A 이하의 범위 내에 있고, 제 1 펄스의 피크 기간이 0.5msec 이상 3.5msec 이하의 범위 내에 있으며, 제 2 펄스의 피크 기간이 1.5msec 이상 5.5msec 이하의 범위 내에 있다.
이러한 실시예에서는, 펄스파를 이용한 용접에 의해, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가가 얻어지는 것이 판명되었다.
한편, 예를 들면, 제 1 펄스의 피크 전류 값이 400A 미만의 시험 번호 28의 실시예에서는, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가는 얻어지지 않는다. 제 1 펄스의 피크 전류 값이 600A보다 큰 시험 번호 26의 실시예에서도, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가는 얻어지지 않는다.
제 2 펄스의 피크 전류 값이 300A 미만의 시험 번호 32의 실시예에서는, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가는 얻어지지 않는다. 제 2 펄스의 피크 전류 값이 500A보다 큰 시험 번호 30의 실시예에서도, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가는 얻어지지 않는다.
제 1 펄스의 피크 기간이 0.5msec 미만의 시험 번호 39의 실시예에서는, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가는 얻어지지 않는다. 제 1 펄스의 피크 기간이 3.5msec보다 큰 시험 번호 24, 37의 실시예에서는, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가는 얻어지지 않는다. 제 2 펄스의 피크 기간이 1.5msec 미만의 시험 번호 34의 실시예에서는, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가는 얻어지지 않는다. 제 2 펄스의 피크 기간이 5.5msec보다 큰 시험 번호 35의 실시예에서는, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)의 평가는 얻어지지 않는다.
이상과 같이, 펄스 파형에 있어서, 제 1 펄스의 피크 전류 값이 400A 이상 600A 이하의 범위 내에 있고, 제 2 펄스의 피크 전류 값이 300A 이상 500A 이하의 범위 내에 있고, 제 1 펄스의 피크 기간이 0.5msec 이상 3.5msec 이하의 범위 내에 있으며, 제 2 펄스의 피크 기간이 1.5msec 이상 5.5msec 이하의 범위 내에 있는 경우는, 스패터성에 있어서 극히 뛰어난 성능을 갖는 것이 실증되었다.
<케이블 길이>
파워 케이블의 케이블 길이(L㎜)의 케이블 단면적(S㎜2)에 대한 비율(L/S: 단위 1/㎜)이 10000보다 큰 시험 번호 23의 실시예에서는, 펄스 용접을 실시했음에도 상관없이, 스패터성에 대해서 「△」(가)로 평가되어 있다. 이는, 케이블 단면적(S)에 대해서 케이블 길이(L)가 너무 길었다는 것에 기인한다. 시험 번호 22의 실시예로 나타내는 바와 같이, L/S의 값이 10000 미만의 경우에는, 스패터성에 있어서 「◎」(우량)으로 평가되어 있다.
따라서, 확실하게 용적의 이탈의 검출을 실행하여, 적절한 펄스 용접을 실행하려면, L/S≤10000의 관계를 갖는 것이 중요한 것임이 실증되었다.
이상과 같이, 상기의 실시형태에 따른 용접 장치에 있어서는, 노즐(210)의 선단 내경의 세경화와 함께, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖고, 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 것에 의해서, 스패터의 발생을 억제하는 동시에, 노즐(210)에 스패터가 부착했다고 해도, 부착하는 스패터를 제거할 수 있다. 특히, 초기 상태에 있어서의 노즐-팁간 거리가 2㎜ 이상 7㎜ 이하의 범위 내에 있고, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220)의 상대적 이동 거리(M)가, 노즐-팁간 거리(D)의 30% 이상 90% 이하의 범위 내에 있는 경우에는, 노즐(210) 및 콘택트 팁(220) 사이에서의 융착을 막으면서, 유효한 스패터 제거 효과를 얻을 수 있다. 게다가, 이러한 구조의 용접 토치(200)를 채용하는 것에 의해, 연속한 용접에 있어서도 아크를 안정화할 수 있으므로, 펄스 파형의 용접 전류를 이용한 펄스 용접에 의해, 아크의 안정화, 저스패터화를 보다 촉진할 수 있다.
본 발명의 실시형태, 실시태양을 설명하였지만, 개시 내용은 구성의 세부에 있어서 변화해도 좋고, 실시형태, 실시태양에 있어서의 요소의 조합이나 순서의 변화 등은 청구된 본 발명의 범위 및 사상을 일탈하는 일 없이 실현될 수 있는 것이다.
1 : 출력 제어 소자 2 : 트랜스
3 : 정류부 4 : 콘택트 팁
5 : 와이어 6 : 아크
7 : 피용접재 8 : 리액터
9 : 전류 검출기 10 : 전압 검출기
11 : 전압 미분기 12 : 2계 미분기
13 : 2계 미분 값 설정기 14 : 비교기
15 : 출력 제어기 16 : 용적 이탈 검출부
17 : 파형 설정기 18 : 파형 생성기
50 : 용접 장치 100 : 가반형 용접 로봇
110 : 로봇 본체 112 : 본체부
114 : 고정 아암부 116 : 가동 아암부
120 : 가이드 레일 130 : 토치 접속부
132, 134 : 토치 클램프 140 : 자석
150 : 케이블 클램프 160 : 양측 손잡이
170 : 크랭크 200 : 용접 토치
210 : 노즐 220 : 콘택트 팁
230 : 오리피스 240 : 팁 바디
250 : 절연통 250A : 내측 부재
260 : 고정 너트 270 : 절연 커버
280 : O링 290 : 압축 스프링
292 : 웨이브 와셔 294 : 와셔
296 : 와셔 298 : 구멍
300 : 송급 장치 400 : 용접 전원
410 : 파워 케이블 420 : 콘딧 튜브
430 : 콘딧 케이블 500 : 가스 공급원
510 : 가스 튜브 600 : 제어 장치
610, 620 : 제어 케이블

Claims (10)

  1. 가스 쉴드 아크 용접을 위한 용접 장치에 있어서,
    쉴드 가스의 분출을 가이드하는 노즐 및 소모식 전극에 통전을 실행하는 콘택트 팁을 구비한 용접 토치가 장착된 가반형 용접 로봇과,
    상기 용접 토치에 상기 소모식 전극을 공급하는 송급 장치와,
    상기 콘택트 팁을 거쳐서 상기 소모식 전극에 전력을 공급하는 용접 전원과,
    상기 노즐의 선단으로부터 분출하는 상기 쉴드 가스를 공급하는 가스 공급원과,
    상기 가반형 용접 로봇을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 용접 토치를 상기 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라볼 때,
    상기 노즐의 개구의 내측에 상기 콘택트 팁이 배치되고,
    상기 노즐 및 상기 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 가지며,
    상기 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있고,
    상기 용접 전원으로부터 공급되는 용접 전류는,
    제 1 펄스 및 제 2 펄스의 조합을 1 주기로 한 펄스 파형이며,
    상기 제 1 펄스는 상기 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높고,
    상기 제 2 펄스는 상기 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 되고,
    상기 용접 전원은,
    용접 아크 전압을 검출하는 전압 검출기,
    용접 전류를 검출하는 전류 검출기, 및
    상기 소모식 전극의 선단에 형성된 용적의 이탈을 검출하는 용적 이탈 검출부를 갖고,
    상기 용적 이탈 검출부는,
    상기 제 1 펄스의 피크 기간에 있어서, 상기 전압 검출기 및 상기 전류 검출기로부터 얻어진, 상기 용접 전류, 상기 아크 전압, 및 아크 전압과 용접 전류의 비(V/I: 저항) 중 적어도 1개에 근거하여, 상기 용적의 이탈을 검출했을 때, 상기 제 1 펄스의 피크 전류 값을 저하시키는 것을 특징으로 하는
    용접 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    초기 상태에 있어서의, 상기 노즐의 선단 내경 및 상기 콘택트 팁의 선단 외경 사이의 노즐-팁간 거리가 2㎜ 이상 7㎜ 이하의 범위 내에 있고,
    상기 노즐 및 상기 콘택트 팁의 상대적 이동 거리가, 상기 노즐-팁간 거리의 30% 이상 90% 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는
    용접 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 펄스의 피크 전류 값은 400A 이상 600A 이하의 범위 내에 있고,
    상기 제 2 펄스의 피크 전류 값은 300A 이상 500A 이하의 범위 내에 있고,
    상기 제 1 펄스의 피크 기간은 0.5msec 이상 3.5msec 이하의 범위 내에 있으며,
    상기 제 2 펄스의 피크 기간은 1.5msec 이상 5.5msec 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는
    용접 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 용접 전원 및 상기 가반형 용접 로봇 사이를 접속하는 파워 케이블의 케이블 길이를 L㎜, 케이블 단면적을 S㎜2로 하면, L의 S에 대한 비율(L/S: 단위 1/㎜)이 L/S≤10000의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는
    용접 장치.
  7. 용접 장치를 이용한 가스 쉴드 아크 용접 방법에 있어서,
    상기 용접 장치는,
    쉴드 가스의 분출을 가이드하는 노즐 및 소모식 전극에 통전을 실행하는 콘택트 팁을 구비한 용접 토치가 장착된 가반형 용접 로봇과,
    상기 용접 토치에 상기 소모식 전극을 공급하는 송급 장치와,
    상기 콘택트 팁을 거쳐서 상기 소모식 전극에 전력을 공급하는 용접 전원과,
    상기 노즐의 선단으로부터 분출하는 상기 쉴드 가스를 공급하는 가스 공급원과,
    상기 가반형 용접 로봇을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 용접 토치를 상기 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라볼 때,
    상기 노즐의 개구의 내측에 상기 콘택트 팁이 배치되고,
    상기 노즐 및 상기 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖고,
    상기 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 장치이며,
    상기 쉴드 가스의 유량이 15L/min 이상 50L/min 이하의 범위 내에 있고,
    상기 쉴드 가스의 유속이 1m/sec 이상 10m/sec 이하의 범위 내에 있고,
    상기 용접 전원으로부터 공급되는 용접 전류는,
    제 1 펄스와 제 2 펄스의 조합을 1 주기로 한 펄스 파형이며,
    상기 제 1 펄스는 상기 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높고,
    상기 제 2 펄스는 상기 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 되고,
    상기 용접 전원은,
    용접 아크 전압을 검출하는 전압 검출기,
    용접 전류를 검출하는 전류 검출기, 및
    상기 소모식 전극의 선단에 형성된 용적의 이탈을 검출하는 용적 이탈 검출부를 갖고,
    상기 용적 이탈 검출부는,
    상기 제 1 펄스의 피크 기간에 있어서, 상기 전압 검출기 및 상기 전류 검출기로부터 얻어진, 상기 용접 전류, 상기 아크 전압, 및 아크 전압과 용접 전류의 비(V/I: 저항) 중 적어도 1개에 근거하여, 상기 용적의 이탈을 검출했을 때, 상기 제 1 펄스의 피크 전류 값을 저하시키는 것을 특징으로 하는
    가스 쉴드 아크 용접 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 펄스의 피크 전류 값은 400A 이상 600A 이하의 범위 내에 있고,
    상기 제 2 펄스의 피크 전류 값은 300A 이상 500A 이하의 범위 내에 있고,
    상기 제 1 펄스의 피크 기간은 0.5msec 이상 3.5msec 이하의 범위 내에 있으며,
    상기 제 2 펄스의 피크 기간은 1.5msec 이상 5.5msec 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는
    가스 쉴드 아크 용접 방법.
  10. 용접 장치를 이용한 다층 용접의 가스 쉴드 아크 용접 방법에 있어서,
    상기 용접 장치는,
    쉴드 가스의 분출을 가이드하는 노즐 및 소모식 전극에 통전을 실행하는 콘택트 팁을 구비한 용접 토치가 장착된 가반형 용접 로봇과,
    상기 용접 토치에 상기 소모식 전극을 공급하는 송급 장치와,
    상기 콘택트 팁을 거쳐서 상기 소모식 전극에 전력을 공급하는 용접 전원과,
    상기 노즐의 선단으로부터 분출하는 상기 쉴드 가스를 공급하는 가스 공급원과,
    상기 가반형 용접 로봇을 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 용접 토치를 상기 쉴드 가스의 분출측으로부터 바라볼 때,
    상기 노즐의 개구의 내측에 상기 콘택트 팁이 배치되고,
    상기 노즐 및 상기 콘택트 팁이 상대적으로 이동 가능한 구조를 갖고,
    상기 노즐의 선단 내경이 10㎜ 이상 20㎜ 이하의 범위 내에 있는 장치이며,
    상기 쉴드 가스의 유량이 15L/min 이상 50L/min 이하의 범위 내에 있고,
    상기 쉴드 가스의 유속이 1m/sec 이상 10m/sec 이하의 범위 내에 있으며,
    상기 다층 용접의 경우,
    (1) 제 1 층만,
    (2) 제 1 층으로부터 제 2 층까지, 또는
    (3) 제 1 층으로부터 제 3 층까지를,
    상기 용접 전원으로부터 공급되는 용접 전류가 펄스 파형을 이용하지 않는 정전압의 직류로 하여 실행하고,
    나머지의 층을,
    상기 용접 전류가 제 1 펄스와 제 2 펄스의 조합을 1 주기로 한 펄스 파형으로 하고,
    상기 제 1 펄스는 상기 제 2 펄스보다 피크 전류 값이 높고,
    상기 제 2 펄스는 상기 제 1 펄스보다 피크 기간이 긴 펄스 파형으로 하여,
    용접을 실행하는 것을 특징으로 하는
    다층 용접 방법.
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