KR102337622B1 - 아크 용접 제어 방법 - Google Patents

Abstract

용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하는 용접 방법에 있어서, 모재가 아연 도금 강판일 때의 용접 상태를 안정화하는 것이다. 모재의 재질이 아연 도금 강판이고, 용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하고, 단락 기간과 아크 기간을 반복하여 용접하는 아크 용접 제어 방법에 있어서, 아크 기간 중에는, 제1 아크 전류 Ia1을 통전하는 제1 아크 기간 Ta1과, 제2 아크 전류 Ia2를 통전하는 제2 아크 기간 Ta2와, 제3 아크 전류 Ia3을 통전하는 제3 아크 기간 Ta3을 경시적으로 전환하고, Ia1>Ia2>Ia3이 되도록 제어한다. 제2 아크 기간 Ta2 중에는 정전압 제어하고, 제1 아크 기간 Ta1 중에는 정전류 제어한다. 제1 아크 기간 Ta1 및/또는 제1 아크 전류 Ia1의 값을, 모재의 단위 면적당 아연 부착량에 따라 변화시킨다.

Description

아크 용접 제어 방법

본 발명은 모재의 재질이 아연 도금 강판이고, 용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하고, 단락 기간과 아크 기간을 반복하여 용접하는 아크 용접 제어 방법에 관한 것이다.

일반적인 소모 전극식 아크 용접에서는, 소모 전극인 용접 와이어를 일정 속도로 송급하고, 용접 와이어와 모재의 사이에 아크를 발생시켜 용접이 행해진다. 소모 전극식 아크 용접에서는, 용접 와이어와 모재가 단락 기간과 아크 기간을 교대로 반복하는 용접 상태로 되는 경우가 많다.

용접 품질을 더 향상시키기 위해, 용접 와이어의 정송과 역송을 주기적으로 반복하여 용접하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 공표 제2008-531283호 공보

아연 도금 강판의 아크 용접에 있어서는, 용접 중에 모재 표면의 아연이 아크 열에 의해 증기로 되고, 용융지로부터 가스로서 분출되어, 용접 상태가 불안정하게 되는 현상이 생긴다. 또한, 용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하는 아크 용접에서는, 송급 속도가 일정한 통상의 아크 용접에 비하여, 이 가스 분출 현상이 현저해진다.

그래서, 본 발명에서는 모재의 재질이 아연 도금 강판이고, 용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하는 아크 용접에 있어서, 용접 상태를 안정화하고, 스패터 발생량을 삭감할 수 있는 아크 용접 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시의 아크 용접 제어 방법은,

모재의 재질이 아연 도금 강판이고, 용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하고, 단락 기간과 아크 기간을 반복하여 용접하는 아크 용접 제어 방법에 있어서,

상기 아크 기간 중에는, 제1 아크 전류 Ia1을 통전하는 제1 아크 기간과, 제2 아크 전류 Ia2를 통전하는 제2 아크 기간과, 제3 아크 전류 Ia3을 통전하는 제3 아크 기간을 경시적으로 전환하고,

Ia1>Ia2>Ia3이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 개시의 아크 용접 제어 방법은, 상기 제2 아크 기간 중에는 정전압 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 개시의 아크 용접 제어 방법은, 상기 제1 아크 기간 중에는 정전류 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 개시의 아크 용접 제어 방법은, 상기 제1 아크 기간 및/또는 상기 제1 아크 전류의 값은, 아연 증기가 용융지로부터 배출되어 용융지 내에 잔류하지 않는 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 개시의 아크 용접 제어 방법은, 상기 제1 아크 기간 및/또는 상기 제1 아크 전류 Ia1의 값을, 상기 모재의 단위 면적당 아연 부착량에 따라 변화시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 개시의 아크 용접 제어 방법은, 상기 정송 기간과 상기 역송 기간의 반복 주파수의 평균값이 70Hz 이상 90Hz 이하의 범위가 되도록 상기 송급 속도의 파형 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 개시의 아크 용접 제어 방법은, 상기 파형 파라미터는 적어도 정송 피크값 및 역송 피크값인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 개시의 아크 용접 제어 방법은, 상기 주파수의 평균값을 상기 모재의 단위 면적당 아연 부착량이 많아질수록 낮아지도록 상기 파형 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 모재의 재질이 아연 도금 강판이고, 용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하는 아크 용접에 있어서, 용접 상태를 안정화하고, 스패터 발생량을 삭감할 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 도시하는 도 1의 용접 전원에 있어서의 각 신호의 타이밍 차트이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 아크 용접 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태 3에 관한 아크 용접 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 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 대하여 설명한다.

전원 주회로 PM은, 3상 200V 등의 상용 전원(도시는 생략)을 입력으로 하여, 후술하는 오차 증폭 신호 Ea에 따라 인버터 제어 등에 의한 출력 제어를 행하여, 출력 전압 E를 출력한다. 이 전원 주회로 PM은, 도시는 생략하지만, 상용 전원을 정류하는 1차 정류기, 정류된 직류를 평활화하는 평활 콘덴서, 평활된 직류를 고주파 교류로 변환하는 상기 오차 증폭 신호 Ea에 의해 구동되는 인버터 회로, 고주파 교류를 용접에 적합한 전압값으로 강압하는 고주파 변압기, 강압된 고주파 교류를 직류로 정류하는 2차 정류기를 구비하고 있다.

리액터 WL은, 상기 출력 전압 E를 평활화한다. 이 리액터 WL의 인덕턴스값은, 예를 들어 100μH이다.

송급 모터 WM은, 후술하는 송급 제어 신호 Fc를 입력으로 하여, 정송과 역송을 교대로 반복하여 용접 와이어(1)를 송급 속도 Fw로 송급한다. 송급 모터 WM에는, 과도 응답성이 빠른 모터가 사용된다. 용접 와이어(1)의 송급 속도 Fw의 변화율 및 송급 방향의 반전을 빠르게 하기 위해, 송급 모터 WM은 용접 토치(4)의 선단 근처에 설치되는 경우가 있다. 또한, 송급 모터 WM을 2개 사용하여, 푸시 풀 방식의 송급계로 하는 경우도 있다.

용접 와이어(1)는, 상기 송급 모터 WM에 결합된 송급 롤(5)의 회전에 의해 용접 토치(4) 내로 송급되어, 모재(2)와의 사이에 아크(3)가 발생한다. 용접 토치(4) 내의 급전 팁(도시는 생략)과 모재(2)의 사이에는 용접 전압 Vw가 인가되고, 용접 전류 Iw가 통전된다. 모재(2)의 재질은 아연 도금 강판이다.

출력 전압 설정 회로 ER은, 미리 정한 출력 전압 설정 신호 Er을 출력한다. 출력 전압 검출 회로 ED는, 상기 출력 전압 E를 검출하여 평활화하여, 출력 전압 검출 신호 Ed를 출력한다.

전압 오차 증폭 회로 EV는, 상기 출력 전압 설정 신호 Er 및 상기 출력 전압 검출 신호 Ed를 입력으로 하여, 출력 전압 설정 신호 Er(+)와 출력 전압 검출 신호 Ed(-)의 오차를 증폭하여, 전압 오차 증폭 신호 Ev를 출력한다.

전류 검출 회로 ID는, 상기 용접 전류 Iw를 검출하여, 전류 검출 신호 Id를 출력한다. 전압 검출 회로 VD는, 상기 용접 전압 Vw를 검출하여, 전압 검출 신호 Vd를 출력한다. 단락 판별 회로 SD는, 상기 전압 검출 신호 Vd를 입력으로 하여, 이 값이 미리 정한 단락 판별값(10V 정도) 미만일 때에는 단락 기간에 있다고 판별하여 High 레벨이 되고, 이상일 때에는 아크 기간에 있다고 판별하여 Low 레벨이 되는 단락 판별 신호 Sd를 출력한다.

정송 가속 기간 설정 회로 TSUR은, 미리 정한 정송 가속 기간 설정 신호 Tsur을 출력한다.

정송 감속 기간 설정 회로 TSDR은, 미리 정한 정송 감속 기간 설정 신호 Tsdr을 출력한다.

역송 가속 기간 설정 회로 TRUR은, 미리 정한 역송 가속 기간 설정 신호 Trur을 출력한다.

역송 감속 기간 설정 회로 TRDR은, 미리 정한 역송 감속 기간 설정 신호 Trdr을 출력한다.

정송 피크값 설정 회로 WSR은, 미리 정한 정송 피크값 설정 신호 Wsr을 출력한다.

역송 피크값 설정 회로 WRR은, 미리 정한 역송 피크값 설정 신호 Wrr을 출력한다.

송급 속도 설정 회로 FR은, 상기 정송 가속 기간 설정 신호 Tsur, 상기 정송 감속 기간 설정 신호 Tsdr, 상기 역송 가속 기간 설정 신호 Trur, 상기 역송 감속 기간 설정 신호 Trdr, 상기 정송 피크값 설정 신호 Wsr, 상기 역송 피크값 설정 신호 Wrr 및 상기 단락 판별 신호 Sd를 입력으로 하여, 이하의 처리에 의해 생성된 송급 속도 패턴을 송급 속도 설정 신호 Fr로서 출력한다. 이 송급 속도 설정 신호 Fr이 0 이상일 때에는 정송 기간이 되고, 0 미만일 때에는 역송 기간이 된다.

1) 정송 가속 기간 설정 신호 Tsur에 의해 정해지는 정송 가속 기간 Tsu 중에는 0에서부터 정송 피크값 설정 신호 Wsr에 의해 정해지는 양의 값의 정송 피크값 Wsp까지 직선형으로 가속되는 송급 속도 설정 신호 Fr을 출력한다.

2) 계속해서, 정송 피크 기간 Tsp 중에는, 상기 정송 피크값 Wsp를 유지하는 송급 속도 설정 신호 Fr을 출력한다.

3) 단락 판별 신호 Sd가 Low 레벨(아크 기간)로부터 High 레벨(단락 기간)로 변화하면, 정송 감속 기간 설정 신호 Tsdr에 의해 정해지는 정송 감속 기간 Tsd로 이행하고, 상기 정송 피크값 Wsp에서부터 0까지 직선형으로 감속되는 송급 속도 설정 신호 Fr을 출력한다.

4) 계속해서, 역송 가속 기간 설정 신호 Trur에 의해 정해지는 역송 가속 기간 Tru 중에는 0에서부터 역송 피크값 설정 신호 Wrr에 의해 정해지는 음의 값의 역송 피크값 Wrp까지 직선형으로 가속되는 송급 속도 설정 신호 Fr을 출력한다.

5) 계속해서, 역송 피크 기간 Trp 중에는, 상기 역송 피크값 Wrp를 유지하는 송급 속도 설정 신호 Fr을 출력한다.

6) 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락 기간)로부터 Low 레벨(아크 기간)로 변화하면, 역송 감속 기간 설정 신호 Trdr에 의해 정해지는 역송 감속 기간 Trd로 이행하고, 상기 역송 피크값 Wrp에서부터 0까지 직선형으로 감속되는 송급 속도 설정 신호 Fr을 출력한다.

7) 상기 1) 내지 6)을 반복함으로써 정부의 사다리꼴 파형으로 변화하는 송급 패턴의 송급 속도 설정 신호 Fr이 생성된다.

송급 제어 회로 FC는, 상기 송급 속도 설정 신호 Fr을 입력으로 하여, 송급 속도 설정 신호 Fr의 값에 상당하는 송급 속도 Fw로 용접 와이어(1)를 송급하기 위한 송급 제어 신호 Fc를 상기 송급 모터 WM에 출력한다.

감류 저항기 R은, 상기 리액터 WL과 용접 토치(4)의 사이에 삽입된다. 이 감류 저항기 R의 값은, 단락 부하(0.01 내지 0.03Ω 정도)의 10배 이상 큰 값(0.5 내지 3Ω 정도)으로 설정된다. 이 감류 저항기 R이 통전로에 삽입되면, 리액터 WL 및 외부 케이블의 리액터에 축적된 에너지가 급방전된다.

트랜지스터 TR은, 상기 감류 저항기 R과 병렬로 접속되어, 후술하는 구동 신호 Dr에 따라 온 또는 오프 제어된다.

잘록부 검출 회로 ND는, 상기 단락 판별 신호 Sd, 상기 전압 검출 신호 Vd 및 상기 전류 검출 신호 Id를 입력으로 하여, 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락 기간)일 때의 전압 검출 신호 Vd의 전압 상승값이 기준값에 도달한 시점에서 잘록부의 형성 상태가 기준 상태로 되었다고 판별하여 High 레벨이 되고, 단락 판별 신호 Sd가 Low 레벨(아크 기간)로 변화한 시점에서 Low 레벨이 되는 잘록부 검출 신호 Nd를 출력한다. 또한, 단락 기간 중의 전압 검출 신호 Vd의 미분값이 그것에 대응한 기준값에 도달한 시점에서 잘록부 검출 신호 Nd를 High 레벨로 변화시키도록 해도 된다. 또한, 전압 검출 신호 Vd의 값을 전류 검출 신호 Id의 값으로 제산하여 용적의 저항값을 산출하고, 이 저항값의 미분값이 그것에 대응하는 기준값에 도달한 시점에서 잘록부 검출 신호 Nd를 High 레벨로 변화시키도록 해도 된다.

저레벨 전류 설정 회로 ILR은, 미리 정한 저레벨 전류 설정 신호 Ilr을 출력한다. 전류 비교 회로 CM은, 이 저레벨 전류 설정 신호 Ilr 및 상기 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 DR은, 상기 전류 비교 신호 Cm 및 상기 잘록부 검출 신호 Nd를 입력으로 하여, 잘록부 검출 신호 Nd가 High 레벨로 변화하면 Low 레벨로 변화하고, 그 후에 전류 비교 신호 Cm이 High 레벨로 변화하면 High 레벨로 변화하는 구동 신호 Dr을 상기 트랜지스터 TR의 베이스 단자에 출력한다. 따라서, 이 구동 신호 Dr은 잘록부가 검출되면 Low 레벨이 되고, 트랜지스터 TR이 오프 상태가 되어 통전로에 감류 저항기 R이 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 TR이 온 상태가 되므로, 감류 저항기 R은 단락되어 통상의 상태로 복귀된다.

제1 아크 기간 설정 회로 TA1R은, 미리 정한 제1 아크 기간 설정 신호 Ta1r을 출력한다. 제1 아크 기간 회로 STA1은, 상기 단락 판별 신호 Sd 및 상기 제1 아크 기간 설정 신호 Ta1r을 입력으로 하여, 단락 판별 신호 Sd가 Low 레벨(아크 기간)로 변화하고 미리 정한 지연 기간 Tc가 경과한 시점에서부터 제1 아크 기간 설정 신호 Ta1r에 의해 미리 정한 제1 아크 기간 Ta1 중에는 High 레벨이 되는 제1 아크 기간 신호 Sta1을 출력한다.

제1 아크 전류 설정 회로 IA1R은, 미리 정한 제1 아크 전류 설정 신호 Ia1r을 출력한다.

제3 아크 기간 회로 STA3은, 상기 단락 판별 신호 Sd를 입력으로 하여, 단락 판별 신호 Sd가 Low 레벨(아크 기간)로 변화한 시점에서부터 미리 정한 전류 강하 시간 Td가 경과한 시점에서 High 레벨이 되고, 그 후에 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락 기간)이 되면 Low 레벨이 되는 제3 아크 기간 신호 Sta3을 출력한다.

제3 아크 전류 설정 회로 IA3R은, 미리 정한 제3 아크 전류 설정 신호 Ia3r을 출력한다.

전류 제어 설정 회로 ICR은, 상기 단락 판별 신호 Sd, 상기 저레벨 전류 설정 신호 Ilr, 상기 잘록부 검출 신호 Nd, 상기 제1 아크 기간 신호 Sta1, 상기 제3 아크 기간 신호 Sta3, 상기 제1 아크 전류 설정 신호 Ia1r 및 상기 제3 아크 전류 설정 신호 Ia3r을 입력으로 하여, 이하의 처리를 행하고, 전류 제어 설정 신호 Icr을 출력한다.

1) 단락 판별 신호 Sd가 Low 레벨(아크 기간)로 변화한 시점에서부터 제1 아크 기간 신호 Sta1이 High 레벨로 변화할 때까지의 지연 기간 중에는, 저레벨 전류 설정 신호 Ilr의 값이 되는 전류 제어 설정 신호 Icr을 출력한다.

2) 제1 아크 기간 신호 Sta1이 High 레벨(제1 아크 기간)일 때에는, 제1 아크 전류 설정 신호 Ia1r이 되는 전류 제어 설정 신호 Icr을 출력한다.

3) 제1 아크 기간 신호 Sta1이 Low 레벨로 변화한 시점에서부터 제3 아크 기간 신호 Sta3이 Low 레벨로 변화할 때까지의 기간(제2 아크 기간 및 제3 아크 기간) 중에는, 제3 아크 전류 설정 신호 Ia3r이 되는 전류 제어 설정 신호 Icr을 출력한다.

4) 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락 기간)로 변화하면, 미리 정한 초기 기간 중에는 미리 정한 초기 전류 설정값이 되고, 그 후에는 미리 정한 단락 시 경사로 미리 정한 단락 시 피크 설정값까지 상승하여 그 값을 유지하는 전류 제어 설정 신호 Icr을 출력한다.

5) 그 후에, 잘록부 검출 신호 Nd가 High 레벨로 변화하면, 저레벨 전류 설정 신호 Ilr의 값이 되는 전류 제어 설정 신호 Icr을 출력한다.

전류 오차 증폭 회로 EI는, 상기 전류 제어 설정 신호 Icr 및 상기 전류 검출 신호 Id를 입력으로 하여, 전류 제어 설정 신호 Icr(+)와 전류 검출 신호 Id(-)의 오차를 증폭하여, 전류 오차 증폭 신호 Ei를 출력한다.

전원 특성 전환 회로 SW는, 상기 전류 오차 증폭 신호 Ei, 상기 전압 오차 증폭 신호 Ev, 상기 제1 아크 기간 신호 Sta1 및 상기 제3 아크 기간 신호 Sta3을 입력으로 하여, 이하의 처리를 행하고, 오차 증폭 신호 Ea를 출력한다.

1) 제1 아크 기간 신호 Sta1이 Low 레벨로 변화하고, 제3 아크 기간 신호 Sta3이 High 레벨로 변화할 때까지의 제2 아크 기간 Ta2 중에는, 전압 오차 증폭 신호 Ev를 오차 증폭 신호 Ea로서 출력한다.

2) 그 이외의 기간 중에는, 전류 오차 증폭 신호 Ei를 오차 증폭 신호 Ea로서 출력한다.

이 회로에 의해, 용접 전원의 특성은, 단락 기간, 지연 기간, 제1 아크 기간 Ta1 및 제3 아크 기간 Ta3 중에는 정전류 특성이 되고, 제2 아크 기간 Ta2 중에는 정전압 특성이 된다.

도 2는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 아크 용접 제어 방법을 도시하는 도 1의 용접 전원에 있어서의 각 신호의 타이밍 차트이다. 도 2의 (A)는 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 단락 판별 신호 Sd의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (E)는 제1 아크 기간 신호 Sta1의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (F)는 제3 아크 기간 신호 Sta3의 시간 변화를 나타낸다. 이하, 도 2를 참조하여 각 신호의 동작에 대하여 설명한다.

도 2의 (A)에 도시하는 송급 속도 Fw는, 도 1의 송급 속도 설정 회로 FR로부터 출력되는 송급 속도 설정 신호 Fr의 값으로 제어된다. 송급 속도 Fw는, 도 1의 정송 가속 기간 설정 신호 Tsur에 의해 정해지는 정송 가속 기간 Tsu, 단락이 발생할 때까지 계속되는 정송 피크 기간 Tsp, 도 1의 정송 감속 기간 설정 신호 Tsdr에 의해 정해지는 정송 감속 기간 Tsd, 도 1의 역송 가속 기간 설정 신호 Trur에 의해 정해지는 역송 가속 기간 Tru, 아크가 발생할 때까지 계속되는 역송 피크 기간 Trp 및 도 1의 역송 감속 기간 설정 신호 Trdr에 의해 정해지는 역송 감속 기간 Trd로부터 형성된다. 또한, 정송 피크값 Wsp는 도 1의 정송 피크값 설정 신호 Wsr에 의해 정해지고, 역송 피크값 Wrp는 도 1의 역송 피크값 설정 신호 Wrr에 의해 정해진다. 이 결과, 송급 속도 설정 신호 Fr은, 정부의 대략 사다리꼴파 파형으로 변화하는 송급 패턴이 된다.

[시각 t1 내지 t4의 단락 기간의 동작]

정송 피크 기간 Tsp 중의 시각 t1에 있어서 단락이 발생하면, 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 수 V의 단락 전압값으로 급감하므로, 도 2의 (D)에 도시하는 바와 같이, 단락 판별 신호 Sd가 High 레벨(단락 기간)로 변화한다. 이것에 응동하여, 시각 t1 내지 t2의 미리 정한 정송 감속 기간 Tsd로 이행하고, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 송급 속도 Fw는 상기 정송 피크값 Wsp에서부터 0까지 감속된다. 예를 들어, 정송 감속 기간 Tsd=1ms로 설정된다.

도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 송급 속도 Fw는 시각 t2 내지 t3의 미리 정한 역송 가속 기간 Tru에 들어가고, 0에서부터 상기 역송 피크값 Wrp까지 가속된다. 이 기간 중에는 단락 기간이 계속된다. 예를 들어, 역송 가속 기간 Tru=1ms로 설정된다.

시각 t3에 있어서 역송 가속 기간 Tru가 종료되면, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 송급 속도 Fw는 역송 피크 기간 Trp에 들어가고, 상기 역송 피크값 Wrp가 된다. 역송 피크 기간 Trp는, 시각 t4에 아크가 발생할 때까지 계속된다. 따라서, 시각 t1 내지 t4의 기간이 단락 기간이 된다. 역송 피크 기간 Trp는 소정값은 아니지만, 4ms 정도가 된다. 또한, 예를 들어 역송 피크값 Wrp=-20 내지 -50m/min로 설정된다.

도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 시각 t1 내지 t4의 단락 기간 중의 용접 전류 Iw는, 미리 정한 초기 기간 중에는 미리 정한 초기 전류값이 된다. 그 후, 용접 전류 Iw는, 미리 정한 단락 시 경사로 상승하고, 미리 정한 단락 시 피크값에 도달하면 그 값을 유지한다.

도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 용접 전압 Vw는, 용접 전류 Iw가 단락 시 피크값이 될 즈음부터 상승한다. 이것은, 용접 와이어(1)의 역송 및 용접 전류 Iw에 의한 핀치력의 작용에 의해, 용접 와이어(1)의 선단의 용적에 잘록부가 점차 형성되기 때문이다.

그 후에 용접 전압 Vw의 전압 상승값이 기준값에 도달하면, 잘록부의 형성 상태가 기준 상태가 되었다고 판별하여, 도 1의 잘록부 검출 신호 Nd는 High 레벨로 변화한다.

잘록부 검출 신호 Nd가 High 레벨이 된 것에 응동하여, 도 1의 구동 신호 Dr은 Low 레벨이 되므로, 도 1의 트랜지스터 TR은 오프 상태가 되고 도 1의 감류 저항기 R이 통전로에 삽입된다. 동시에, 도 1의 전류 제어 설정 신호 Icr이 저레벨 전류 설정 신호 Ilr의 값으로 작아진다. 이 때문에, 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 용접 전류 Iw는 단락 시 피크값으로부터 저레벨 전류값으로 급감한다. 그리고, 용접 전류 Iw가 저레벨 전류값까지 감소하면, 구동 신호 Dr은 High 레벨로 되돌아가므로, 트랜지스터 TR은 온 상태가 되고 감류 저항기 R은 단락된다. 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 용접 전류 Iw는, 전류 제어 설정 신호 Icr이 저레벨 전류 설정 신호 Ilr 그대로이므로, 아크 재발생에서부터 미리 정한 지연 기간 Tc가 경과할 때까지는 저레벨 전류값을 유지한다. 따라서, 트랜지스터 TR은, 잘록부 검출 신호 Nd가 High 레벨로 변화한 시점에서부터 용접 전류 Iw가 저레벨 전류값으로 감소할 때까지의 기간만 오프 상태가 된다. 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 용접 전압 Vw는, 용접 전류 Iw가 작아지므로 일단 감소한 후에 급상승한다. 상술한 각 파라미터는, 예를 들어 이하의 값으로 설정된다. 초기 전류=40A, 초기 기간=0.5ms, 단락 시 경사=2ms, 단락 시 피크값=400A, 저레벨 전류값=50A, 지연 기간 Tc=1ms.

[시각 t4 내지 t7의 아크 기간의 동작]

시각 t4에 있어서, 용접 와이어의 역송 및 용접 전류 Iw의 통전에 의한 핀치력에 의해 잘록부가 진행되어 아크가 발생하면, 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 수십 V의 아크 전압값으로 급증하므로, 도 2의 (D)에 도시하는 바와 같이, 단락 판별 신호 Sd가 Low 레벨(아크 기간)로 변화한다. 이것에 응동하여, 시각 t4 내지 t5의 미리 정한 역송 감속 기간 Trd로 이행하고, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 송급 속도 Fw는 상기 역송 피크값 Wrp에서부터 0까지 감속된다.

시각 t5에 있어서 역송 감속 기간 Trd가 종료되면, 시각 t5 내지 t6의 미리 정한 정송 가속 기간 Tsu로 이행한다. 이 정송 가속 기간 Tsu 중에는, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 송급 속도 Fw는 0에서부터 상기 정송 피크값 Wsp까지 가속된다. 이 기간 중에는 아크 기간이 계속된다. 예를 들어, 정송 가속 기간 Tsu=1ms로 설정된다.

시각 t6에 있어서 정송 가속 기간 Tsu가 종료되면, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 송급 속도 Fw는 정송 피크 기간 Tsp에 들어가고, 상기 정송 피크값 Wsp가 된다. 이 기간 중에도 아크 기간이 계속된다. 정송 피크 기간 Tsp는, 시각 t7에 단락이 발생할 때까지 계속된다. 따라서, 시각 t4 내지 t7의 기간이 아크 기간이 된다. 그리고, 단락이 발생하면, 시각 t1의 동작으로 되돌아간다. 정송 피크 기간 Tsp는 소정값은 아니지만, 5ms 정도가 된다. 또한, 예를 들어 정송 피크값 Wsp=20 내지 50m/min로 설정된다.

시각 t4에 있어서 아크가 발생하면, 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 수십 V의 아크 전압값으로 급증한다. 한편, 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 용접 전류 Iw는, 시각 t4에서부터 지연 기간 Tc인 동안에는 저레벨 전류값을 계속한다. 이것은, 아크가 발생한 직후에 전류값을 상승시키면, 용접 와이어의 역송과 용접 전류에 의한 용접 와이어의 용융이 가산되어, 아크 길이가 급속하게 길어지고, 용접 상태가 불안정해지는 경우가 있기 때문이다.

정송 가속 기간 Tsu 중의 시각 t51에 있어서, 지연 기간 Tc가 종료되면, 도 2의 (E)에 도시하는 바와 같이, 제1 아크 기간 신호 Sta1이 High 레벨로 변화하고, 시각 t51 내지 t61의 미리 정한 제1 아크 기간 Ta1로 이행한다. 이 제1 아크 기간 Ta1 중에는 계속해서 정전류 제어되고, 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 도 1의 제1 아크 전류 설정 신호 Ia1r에 의해 정해지는 소정의 제1 아크 전류 Ia1이 통전된다. 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 전류값 및 아크 부하에 의해 정해지는 값이 되고, 큰 값이 된다. 예를 들어, 제1 아크 기간 Ta1=1 내지 2ms 정도로 설정되고, 제1 아크 전류 Ia1=300 내지 500A 정도로 설정된다.

시각 t62에 있어서, 아크 발생 시점 t4에서부터 미리 정한 전류 강하 시간 Td가 경과하면, 도 2의 (F)에 도시하는 바와 같이, 제3 아크 기간 신호 Sta3이 High 레벨로 변화한다. 시각 t61 내지 t62의 기간이 제2 아크 기간 Ta2가 된다. 이 제2 아크 기간 Ta2 중에는 정전압 제어된다. 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 제2 아크 전류 Ia2는 아크 부하에 따라 변화하지만, 제1 아크 전류 Ia1보다 작은 값이며, 또한 제3 아크 전류 Ia3보다 큰 값이 된다. 즉, Ia1>Ia2>Ia3이 되도록 출력 제어된다. 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 정전압 제어에 의해 소정값으로 제어되고, 제1 아크 기간 Ta1의 전압값과 제3 아크 기간 Ta3의 전압값의 중간값이 된다. 제2 아크 기간 Ta2는 소정값은 아니지만, 3 내지 6ms 정도가 된다.

제3 아크 기간 신호 Sta3이 High 레벨로 변화하는 시각 t62에서부터 단락이 발생하는 시각 t7까지의 기간이, 제3 아크 기간 Ta3이 된다. 이 제3 아크 기간 Ta3 중에는 정전류 제어된다. 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 도 1의 제3 아크 전류 설정 신호 Ia3r에 의해 정해지는 소정의 제3 아크 전류 Ia3이 통전된다. 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 용접 전압 Vw는 전류값 및 아크 부하에 의해 정해지는 값이 된다. 예를 들어, 제3 아크 전류 Ia3=60A로 설정된다. 제3 아크 기간 Ta3은 소정값은 아니지만, 1 내지 2ms 정도가 된다.

이하, 실시 형태 1의 작용 효과에 대하여 설명한다. 실시 형태 1에 따르면, 아크 기간을, 주로 제1 아크 전류 Ia1이 통전되는 제1 아크 기간 Ta1, 제2 아크 전류 Ia2가 통전되는 제2 아크 기간 Ta2 및 제3 아크 전류 Ia3이 통전되는 제3 아크 기간 Ta3의 3개의 기간으로 구분하여 출력 제어하고 있다. Ia1>Ia2>Ia3이다.

(1) 제1 아크 전류 Ia1을 대전류값으로 함으로써 용융지에 대한 입열을 크게 하고, 아연 증기의 용융지로부터의 배출을 촉진하며, 또한 건전한 용입을 확보하고 있다. 따라서, 제1 아크 기간 Ta1 및/또는 제1 아크 전류 Ia1의 각 값은, 아연 증기가 용융지로부터 배출되어 용융지 내에 잔류하지 않도록 설정된다.

(2) 제2 아크 전류 Ia2를 제1 아크 전류 Ia1보다 소전류값으로 함으로써, 아연 증기의 용융지로부터의 폭발적 분출을 억제하고, 용접 상태를 안정화하고 있다. 제2 아크 전류 Ia2는 아연 증기의 발생을 완화할 수 있는 전류값이 된다.

(3) 제3 아크 전류 Ia3을 더 소전류값으로 함으로써 용접 와이어의 용융을 억제하고, 단락 발생으로 유도하고 있다. 이에 의해, 단락 기간과 아크 기간의 반복 주기를 안정화하고, 용접 상태의 안정화를 도모하고 있다. 제3 아크 전류 Ia3은, 용접 와이어가 용융되지 않을 정도의 소전류값으로 설정된다.

또한, 제2 아크 기간 Ta2는 정전압 제어하는 것이 바람직하다. 이 기간을 정전압 제어함으로써 아크 길이를 적정값으로 유지할 수 있고, 용접 상태를 안정화할 수 있다.

또한, 제1 아크 기간 Ta1은 정전류 제어하는 것이 바람직하다. 정전류 제어하면, 제1 아크 전류 Ia1의 값이 아크 부하에 구애되지 않고 소정값이 된다. 이 때문에, 이 기간 중에 있어서의 용융지에 대한 입열량을 원하는 값으로 제어할 수 있다. 이 결과, 적정한 입열에 의해 아연 증기의 배출을 촉진할 수 있다. 이 기간에 있어서의 입열량이 과대해지면, 제2 아크 기간 Ta2 중의 제2 아크 전류 Ia2의 평균값이 작아지므로, 비드 외관이 나빠진다. 따라서, 이 기간 중의 입열량을 적정화하는 것은 중요하다.

[실시 형태 2]

실시 형태 2의 발명은, 제1 아크 기간 Ta1 및/또는 제1 아크 전류 Ia1의 값을 모재의 단위 면적당 아연 부착량에 따라 변화시킨다.

도 3은, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 아크 용접 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다. 도 3은, 상술한 도 1과 대응하고 있으며, 동일 블록에는 동일 부호를 붙여, 그들 설명은 반복하지 않는다. 도 3은, 도 1에 아연 부착량 설정 회로 ZR을 추가하고, 도 1의 제1 아크 기간 설정 회로 TA1R을 수정 제1 아크 기간 설정 회로 TA1R로 치환하고, 도 1의 제1 아크 전류 설정 회로 IA1R을 수정 제1 아크 전류 설정 회로 IA1R로 치환한 것이다. 이하, 도 3을 참조하여, 이들 블록에 대하여 설명한다.

아연 부착량 설정 회로 ZR은, 모재의 단위 면적당 아연 부착량에 상관된 아연 부착량 설정 신호 Zr을 출력한다. 예를 들어, 이 아연 부착량 설정 신호 Zr은, 용접 전원의 프론트 패널에 마련된 손잡이의 위치에 대응하여 1 내지 5의 양수값을 출력하는 신호이다. 표준값은 3으로 되어 있다. 용접 작업자가 모재의 아연 부착량이 많다고 판단하였을 때에는 손잡이를 조정하여 4 또는 5로 한다. 반대로 아연 부착량이 적다고 판단하였을 때에는 1 또는 2로 조정한다.

수정 제1 아크 기간 설정 회로 TA1R은, 상기 아연 부착량 설정 신호 Zr을 입력으로 하여, 아연 부착량 설정 신호 Zr의 값이 커질수록 제1 아크 기간 설정 신호 Ta1r의 값을 길게 하여 출력한다.

수정 제1 아크 전류 설정 회로 IA1R은, 상기 아연 부착량 설정 신호 Zr을 입력으로 하여, 아연 부착량 설정 신호 Zr의 값이 커질수록 제1 아크 전류 설정 신호 Ia1r의 값을 크게 하여 출력한다.

본 발명의 실시 형태 2에 관한 아크 용접 제어 방법을 나타내는 타이밍 차트는, 상술한 도 2와 마찬가지이므로, 설명은 반복하지 않는다. 단, 제1 아크 기간 Ta1 및/또는 제1 아크 전류 Ia1의 값이, 아연 부착량 설정 신호 Zr의 값에 따라 변화한다는 점은 상이하다.

상술한 실시 형태 2에 따르면, 제1 아크 기간 및/또는 제1 아크 전류 Ia1의 값을, 모재의 단위 면적당 아연 부착량에 따라 변화시킨다. 이에 의해, 제1 아크 기간 중의 용융지에 대한 입열량을 모재의 아연 부착량에 따라 적정화할 수 있다. 이 때문에, 아연 부착량에 따라 아연 증기의 배출 효과를 적정화할 수 있다.

[실시 형태 3]

실시 형태 3의 발명은, 정송 기간과 역송 기간의 반복 주파수의 평균값이 70Hz 이상 90Hz 이하의 범위가 되도록 송급 속도의 파형 파라미터를 설정한다.

도 4는, 본 발명의 실시 형태 3에 관한 아크 용접 제어 방법을 실시하기 위한 용접 전원의 블록도이다. 도 4는, 상술한 도 3과 대응하고 있으며, 동일 블록에는 동일 부호를 붙여, 그들의 설명은 반복하지 않는다. 도 4는, 도 3의 정송 피크값 설정 회로 WSR 및 역송 피크값 설정 회로 WRR을 삭제하고, 정송 역송 피크값 설정 회로 WR을 추가한 것이다. 이하, 도 4를 참조하여, 이 블록에 대하여 설명한다.

정송 역송 피크값 설정 회로 WR은, 상기 아연 부착량 설정 신호 Zr을 입력으로 하는 미리 정한 함수에 의해 산출된 정송 피크값 설정 신호 Wsr 및 역송 피크값 설정 신호 Wrr을 출력한다. 이 함수는, 아연 부착량 설정 신호 Zr의 값이 클수록 정송 피크값 설정 신호 Wsr 및 역송 피크값 설정 신호 Wrr의 값이 작아지는 함수이다. 송급 속도 Fw의 정송 기간과 역송 기간의 반복 주파수의 평균값이 70Hz 이상 90Hz 이하의 범위가 되도록 이 함수는 설정된다. 보다 바람직하게는 주파수가 75Hz 이상 85Hz 이하의 범위가 되도록 이 함수는 설정된다. 아연 부착량 설정 신호 Zr의 값이 클수록 정송 피크값 설정 신호 Wsr 및 역송 피크값 설정 신호 Wrr의 값이 작아지므로, 주파수는 상기 범위 내에서 낮아지도록 변화한다.

본 발명의 실시 형태 3에 관한 아크 용접 제어 방법을 나타내는 타이밍 차트는, 상술한 도 2와 마찬가지이므로, 설명은 반복하지 않는다. 단, 이하의 점은 상이하다. 실시 형태 3에 따르면, 송급 속도의 정송 기간과 역송 기간의 반복 주파수의 평균값이 70Hz 이상 90Hz 이하의 범위가 되도록 송급 속도의 파형 파라미터를 설정한다. 송급 속도의 파형 파라미터로서는, 적어도 정송 피크값 및 역송 피크값이다. 주파수가 70Hz보다 작아지면, 아크 기간 중의 모재에 대한 입열이 과대해지고, 아연 증기의 분출이 격해진다. 이 결과, 용접 상태가 불안정해지고, 스패터 발생량도 많아진다. 주파수가 90Hz를 초과하면, 아크 기간이 짧아져, 제3 아크 기간을 확보하기가 어려워진다. 이 결과, 스패터 발생량이 많아지고, 용접 상태도 나빠진다. 주파수가 75Hz 이상 85Hz 이하의 범위에 있으면, 용접 상태는 더 안정화되고, 스패터 발생량도 보다 적어진다.

또한, 주파수의 평균값을 아연 도금 강판의 단위 면적당 아연 부착량이 많아질수록 낮아지도록 상기 파형 파라미터를 설정한다. 모재의 아연 부착량이 많아질수록 아연 증기의 분출이 격해지므로, 주파수의 평균값이 상기 범위 내에 있어서 낮아지도록 하는 편이, 용접 상태는 안정화된다.

<산업상 이용가능성>

본 발명에 따르면, 모재의 재질이 아연 도금 강판이고, 용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하는 아크 용접에 있어서, 용접 상태를 안정화하고, 스패터 발생량을 삭감할 수 있는 아크 용접 제어 방법을 제공할 수 있다.

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

본 출원은 2016년 10월 31일에 출원된 일본 특허 출원 제2016-213269호와, 2016년 11월 30일에 출원된 일본 특허 출원 제2016-232039호에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 원용된다.

1: 용접 와이어
2: 모재
3: 아크
4: 용접 토치
5: 송급 롤
CM: 전류 비교 회로
Cm: 전류 비교 신호
DR: 구동 회로
Dr: 구동 신호
E: 출력 전압
Ea: 오차 증폭 신호
ED: 출력 전압 검출 회로
Ed: 출력 전압 검출 신호
EI: 전류 오차 증폭 회로
Ei: 전류 오차 증폭 신호
ER: 출력 전압 설정 회로
Er: 출력 전압 설정 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
Ia1: 제1 아크 전류
IA1R: (수정) 제1 아크 전류 설정 회로
Ia1r: 제1 아크 전류 설정 신호
Ia2: 제2 아크 전류
Ia3: 제3 아크 전류
IA3R: 제3 아크 전류 설정 회로
Ia3r: 제3 아크 전류 설정 신호
ICR: 전류 제어 설정 회로
Icr: 전류 제어 설정 신호
ID: 전류 검출 회로
Id: 전류 검출 신호
ILR: 저레벨 전류 설정 회로
Ilr: 저레벨 전류 설정 신호
Iw: 용접 전류
ND: 잘록부 검출 회로
Nd: 잘록부 검출 신호
PM: 전원 주회로
R: 감류 저항기
SD: 단락 판별 회로
Sd: 단락 판별 신호
STA1: 제1 아크 기간 회로
Sta1: 제1 아크 기간 신호
STA3: 제3 아크 기간 회로
Sta3: 제3 아크 기간 신호
SW: 전원 특성 전환 회로
Ta1: 제1 아크 기간
TA1R: (수정) 제1 아크 기간 설정 회로
Ta1r: 제1 아크 기간 설정 신호
Ta2: 제2 아크 기간
Ta3: 제3 아크 기간
Tc: 지연 기간
Td: 전류 강하 시간
TR: 트랜지스터
Trd: 역송 감속 기간
TRDR: 역송 감속 기간 설정 회로
Trdr: 역송 감속 기간 설정 신호
Trp: 역송 피크 기간
Tru: 역송 가속 기간
TRUR: 역송 가속 기간 설정 회로
Trur: 역송 가속 기간 설정 신호
Tsd: 정송 감속 기간
TSDR: 정송 감속 기간 설정 회로
Tsdr: 정송 감속 기간 설정 신호
Tsp: 정송 피크 기간
Tsu: 정송 가속 기간
TSUR: 정송 가속 기간 설정 회로
Tsur: 정송 가속 기간 설정 신호
VD: 전압 검출 회로
Vd: 전압 검출 신호
Vw: 용접 전압
WL: 리액터
WM: 송급 모터
WR: 정송 역송 피크값 설정 회로
Wrp: 역송 피크값
WRR: 역송 피크값 설정 회로
Wrr: 역송 피크값 설정 신호
Wsp: 정송 피크값
WSR: 정송 피크값 설정 회로
Wsr: 정송 피크값 설정 신호
ZR: 아연 부착량 설정 회로
Zr: 아연 부착량 설정 신호

Claims (8)

1. 모재의 재질이 아연 도금 강판이고, 용접 와이어의 송급 속도를 정송 기간과 역송 기간으로 교대로 전환하고, 단락 기간과 아크 기간을 반복하여 용접하는 아크 용접 제어 방법에 있어서,
   상기 아크 기간 중에는, 제1 아크 전류 Ia1을 통전하는 제1 아크 기간과, 제2 아크 전류 Ia2를 통전하는 제2 아크 기간과, 제3 아크 전류 Ia3을 통전하는 제3 아크 기간을 경시적으로 전환하고, Ia1>Ia2>Ia3이 되도록 제어하며, 상기 제3 아크 전류 Ia3은 정전류인, 아크 용접 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 아크 기간 중에는 정전압 제어하는, 아크 용접 제어 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 아크 기간 중에는 정전류 제어하는, 아크 용접 제어 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 아크 기간 및/또는 상기 제1 아크 전류의 값은, 아연 증기가 용융지로부터 배출되어 용융지 내에 잔류하지 않는 값으로 설정되는, 아크 용접 제어 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 아크 기간 및/또는 상기 제1 아크 전류 Ia1의 값을, 상기 모재의 단위 면적당 아연 부착량에 따라 변화시키는, 아크 용접 제어 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정송 기간과 상기 역송 기간의 반복 주파수의 평균값이 70Hz 이상 90Hz 이하의 범위가 되도록 상기 송급 속도의 파형 파라미터를 설정하는, 아크 용접 제어 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 파형 파라미터는 적어도 정송 피크값 및 역송 피크값인, 아크 용접 제어 방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 주파수의 평균값을 상기 모재의 단위 면적당 아연 부착량이 많아질수록 낮아지도록 상기 파형 파라미터를 설정하는, 아크 용접 제어 방법.

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