KR20150024312A - 아크 용접 방법 및 아크 용접 장치 - Google Patents

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Abstract

단락과 아크를 반복하는 용접에서의 아크 용접 방법으로서, 단락의 개방의 징조를 검출하면, 징조를 검출한 시점의 제 1 전류값보다 낮은 제 2 전류값이 되도록 용접 전류를 저감한다. 단락의 개방을 검출하면, 아크 기간 동안에, 제 1 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급한다. 이로써, 아연 도금 강판을 용접할 때의 기공이나 스패터를 억제한다.

Description

아크 용접 방법 및 아크 용접 장치{ARC-WELDING METHOD AND ARC-WELDING APPARATUS}
본 발명은 소모 전극인 용접 와이어의 송급으로서, 정송(正送:a forward feed)과 역송(逆送:a reverse feed)을 반복하면서, 단락 상태와 아크 상태를 교대로 발생시켜서 용접을 행하는 아크 용접 방법 및 아크 용접 장치에 관한 것이다.
아연 도금 강판의 용접을 행하는 경우, 일반적으로 CO2 용접이나 MAG 용접 등의 단락 이행 용접이나, 펄스 MAG 용접이 널리 이용되고 있다. 도 8과 도 11(a) 및 도 11(b)는, 아연 도금 강판 등의 용접을 행하는 종래의 아크 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 용접법으로서 일반적인 소모 전극식 아크 용접 방법에 의해 아연 도금 강판을 시공했을 때의 비드(bead)의 단면을 나타내고 있다.
도 8에 나타내는 피용접물(25)의 표면에 도금되어 있는 아연 도금(27)의 아연의 비점은 907도로, 철의 융점 1536도보다 낮다. 아연 도금 강판에 대해 아크 용접을 행하면, 아연이 기화되고, 이 증기 아연이 용융 풀을 통과해서 외부로 확산되려고 한다. 그러나, 피용접물(25)인 용융 금속의 응고 속도가 빠른 경우, 증기 아연이 용융 풀의 외부로 충분히 방출될 수 없어서, 용접 비드(26)의 내부 또는 용접 비드(26)의 표면에 기공(28)으로서 잔존한다. 기공(28)이 용접 비드(26)의 내부에 머무는 경우에는 블로우 홀(blow hole)이 된다. 기공(28)이 용접 비드(26)의 표면을 개구하도록 머무는 경우에는 피트가 된다. 블로우 홀이나 피트는 모두 용접의 강도를 손상시킨다. 이 때문에, 예컨대, 아연 도금 강판이 많이 사용되고 있는 자동차 업계에서는, 블로우 홀이나 피트의 발생을 억제할 필요가 있고, 특히 피트의 발생량을 규정해서 관리하는 경우가 많다.
또한, 종래의 아연 도금 강판의 아크 용접 방법으로서, 도 11(a) 및 도 11(b)에, Ar 혹은 Ar에 탄산 가스를 25% 이하의 비율로 혼합한 가스를 이용해서 펄스 용접을 행하는 경우의 용접 전류와 와이어 송급 속도의 파형을 나타낸다. 도 11(a)는 용접 전류의 파형이고, 도 11(b)는 와이어 송급 속도의 파형이다.
도 11(a)에 나타낸 바와 같이, 용접 전류의 파형은 제 1 기간(TL)과 제 2 기간(TH)을 갖는다. 제 1 기간(TL)과 제 2 기간(TH)의 합이 웨이브니스 주기(TW:waviness period)이다. 웨이브니스 주기(TW)는, 1초간 반복되는 사이클수의 주기이다. 웨이브니스 주기(TW)에서, 전류 파형의 패턴 또는 와이어 송급 속도를 10~50Hz의 주파수로 변동시키는 아크 용접법이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
한편, 제 1 기간(TL)은 제 1 평균 아크력(FL)이 용융 풀에 작용하는 전류 파형을 갖는 기간이다. 또한, 제 2 기간(TH)은 제 1 평균 아크력(FL)보다 큰 아크력인 제 2 평균 아크력(FH)이 용융 풀에 작용하는 전류 파형을 갖는 기간이다.
아크력은 용융 풀을 밀어 내리는 힘으로서 작용한다. 이 때문에, 아크력이 제 1 평균 아크력(FL)과 제 2 평균 아크력(FH)으로 변동함으로써 용융 풀은 웨이빙(waving) 상태가 된다. 이 웨이빙 상태에 의해, 용융 풀 내에 아연 도금층으로부터 기공(28)이 발생해도, 이 기공(28)은 용융 풀의 흐름 및 기공(28)의 부력에 의해 용융 풀의 표면에 도달해서, 용융 풀의 외부로 방출된다.
일본 특허 공개 평 6-285643 호 공보
도 11(a) 및 도 11(b)를 이용해서 설명한 특허문헌 1에 기재된 종래의 아크 용접 방법에서는, 실시예로서, 판두께가 1.6mm, 아연 코팅량이 45g/m2인 피용접물에서의 블로우 홀의 저감 검토가 기재되어 있다. 그러나, 이 방법은 용융 풀을 진동시키는 것을 주목적으로 하고 있고, 이 방법에서는 도 8에 나타내는 피용접물(25)을 서로 중첩시켰을 때의 용접선인 루트부(32)가 노출할 정도로까지 용융 풀을 이동시키는 것은 불가능하다.
이 때문에, 판두께가 2.0mm 또는 그 이상으로 두껍게 되면, 필요한 침투량(amount of penetration)도 증가하기 때문에, 용융 풀의 두께도 증가되어, 증기 아연이 방출되기 어렵게 된다. 또한, 아연 코팅량이 45g/m2보다 증가한 아연 도금 강판을 용접하면, 증기 아연의 발생량 자체가 증가한다. 이들 증기 아연은 방출되지 않고 용접 비드(26)에 잔존된다. 이 때문에, 기공(28)(블로우 홀이나 피트)의 발생량이 많아진다.
또한, 증기 아연은 용융 풀 내를 부상해서 용융 풀 표면으로부터 방출되기 때문에, 증기 아연의 방출시에 분출한 용융 금속이 그대로 스패터(spatter)로서 외부로 비산된다. 혹은, 증기 아연의 방출시에 분출한 용융 금속이 용접 와이어와 단락되어 전기 에너지에 의해 스패터로서 비산된다. 이 때문에, 스패터가 매우 다량 발생한다.
본 발명의 아크 용접 방법은 단락과 아크를 반복하는 용접에서의 아크 용접 방법으로서, 단락의 개방의 징조를 검출하면, 징조를 검출한 시점의 제 1 전류값보다 낮은 제 2 전류값이 되도록 용접 전류를 저감한다. 단락의 개방을 검출하면, 아크 기간 동안에 제 1 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급한다.
또한, 본 발명의 아크 용접 방법은 상기에 더해서, 아크 기간 동안에 복수회 공급되는 펄스 전류의 하한값은 제 1 전류값보다 낮다.
또한, 본 발명의 아크 용접 방법은 상기에 더해서, 아크 기간 동안에 복수회 공급되는 펄스 전류의 하한값은 제 2 전류값보다 낮다.
본 발명의 아크 용접 방법은 단락과 아크를 반복하는 용접에서의 아크 용접 방법으로, 단락의 개방을 검출하면, 아크 기간 동안에, 단락 개방시의 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급한다.
또한, 본 발명의 아크 용접 방법은 상기에 더해서, 아크 기간 동안에 복수회 공급되는 펄스 전류의 하한값은 단락 개방시의 전류값보다 낮다.
또한, 본 발명의 아크 용접 방법은 상기에 더해서, 정송과 역송을 반복하는와이어 송급 속도로 와이어의 송급을 행한다.
또한, 본 발명의 아크 용접 방법은 상기에 더해서, 와이어 송급 속도의 정송과 역송의 반복을 소정의 주기와 소정의 진폭으로 주기적으로 행한다.
또한, 본 발명의 아크 용접 방법은 상기에 더해서, 와이어 송급 속도의 정송과 역송의 반복은 주기적이 아니며, 용접 상태가 단락 상태인 것을 검출하면 역송을 행하고, 용접 상태가 아크 상태인 것을 검출하면 정송을 행한다.
또한, 본 발명의 아크 용접 장치는, 단락과 아크를 반복해서 용접을 행하는 아크 용접 장치로서, 1차 정류부와, 스위칭부와, 변압기와, 2차 정류부와, 구동부와, 용접 전압 검출부와, 단락/아크 검출부와, 단락 제어부와, 아크 제어부를 갖는다. 1차 정류부는 입력한 전력을 정류하고, 스위칭부는 1차 정류부의 출력을 교류로 변환한다. 변압기는 스위칭부의 출력을 변압하고, 2차 정류부는 변압기의 출력을 정류한다. 구동부는 스위칭부를 제어하고, 용접 전압 검출부는 용접 전압을 검출한다. 단락/아크 검출부는 용접 전압 검출부의 출력에 기초해서 용접 상태가 단락 상태인지 아크 상태인지를 판정하는 기능과, 용접 전압 검출부의 출력에 기초해서 단락 상태로부터 아크 상태가 되는 징조를 검출하는 기능을 갖는다. 단락 제어부는 단락 상태일 때 용접 출력의 제어를 행하고, 아크 제어부는 아크 상태일 때 용접 출력의 제어를 행한다. 단락의 개방의 징조를 검출하면, 징조를 검출한 시점의 제 1 전류값보다 낮은 제 2 전류값이 되도록 용접 전류를 저감한다. 단락의 개방을 검출하면, 아크 기간 동안에 제 1 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급한다.
또한, 본 발명의 아크 용접 장치는 단락과 아크를 반복해서 용접을 행하는 아크 용접 장치로서, 1차 정류부와, 스위칭부와, 변압기와, 2차 정류부와, 구동부와, 용접 전압 검출부와, 단락/아크 검출부와, 단락 제어부와, 아크 제어부를 갖는다. 1차 정류부는 입력한 전력을 정류하고, 스위칭부는 1차 정류부의 출력을 교류로 변환한다. 변압기는 스위칭부의 출력을 변압하고, 2차 정류부는 변압기의 출력을 정류한다. 구동부는 스위칭부를 제어하고, 용접 전압 검출부는 용접 전압을 검출한다. 단락/아크 검출부는 용접 전압 검출부의 출력에 기초해서 용접 상태가 단락 상태인지 아크 상태인지를 판정한다. 단락 제어부는 단락 상태일 때 용접 출력의 제어를 행하고, 아크 제어부는 아크 상태일 때 용접 출력의 제어를 행한다. 단락 상태로부터 아크 상태가 된 것을 검출하면, 아크 기간 동안에 단락 개방시의 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급한다.
또한, 본 발명의 아크 용접 장치는, 상기에 더해서, 용접 와이어의 송급을 제어하는 와이어 송급 속도 제어부를 더 갖고, 정송과 역송을 반복하는 와이어 송급 속도로 용접 와이어의 송급을 행한다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 표면 처리가 행해진 부재를 용접용 와이어를 이용해서 용접하는 경우에, 부재가 서로 중첩된 부분이 노출되도록 용융 풀을 누른다. 이로써, 부재로부터 발생한 기체가, 노출된 루트부로부터 빠져나가기 때문에 블로우 홀 등의 기공 발생 및 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 있어서의 와이어 송급 속도(정현파 형상)와 용접 전압과 용접 전류의 파형을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 있어서의 아크 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서의 아크 용접 방법으로 용접을 행하는 상태를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서의 용접 전류 파형을 나타내는 도면,
도 5(a)는 본 발명의 실시예에 있어서의 단락 상태의 단면도,
도 5(b)는 본 발명의 실시예에 있어서의 단락 개방후의 1번째 펄스를 인가한 상태의 단면도,
도 5(c)는 본 발명의 실시예에 있어서의 단락 개방후의 4번째 펄스를 인가한 상태의 단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서의 용접 개소의 단면을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서의 용접 개소의 단면을 나타내는 도면,
도 8은 종래의 아크 용접 제어 방법에 의해 아연 도금 강판을 용접한 경우의 용접 개소의 단면을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 있어서의 와이어 송급 속도(사다리꼴파 형상)와 용접 전압과 용접 전류의 파형을 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예에 있어서의 와이어 송급 속도와 용접 전압과 용접 전류의 파형을 나타내는 도면,
도 11(a)는 종래의 아크 용접 방법에 있어서의 용접 전류의 파형을 나타내는 도면,
도 11(b)는 종래의 아크 용접 제어 방법에 있어서의 와이어 송급 속도의 파형을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 있어서의 소모 전극식의 아크 용접 방법 및 아크 용접 장치에 대해서 도면을 이용해서 설명한다.
본 실시예에서는, 우선 아크 용접 방법에 대해서 설명하고, 그 후 아크 용접 방법을 행하는 아크 용접 장치에 대해서 설명한다.
도 1은 단락 상태와 아크 상태를 교대로 반복하는 소모 전극식의 아크 용접에서의, 와이어 송급 속도와 용접 전압과 용접 전류의 시간 변화의 파형을 나타내는 도면이다.
우선, 도 1을 이용해서 본 실시예에 있어서의 와이어 송급 제어에 대해서 설명한다. 도 1에서는, 소정의 와이어 송급 속도(Wf1)를 기준으로 해서, 소정의 주파수와 소정의 속도 진폭인 와이어 송급 제어를 행하고 있다. 이것을 정현파 형상의 기본 파형으로 해서, 정송과 역송을 주기적으로 반복하는 와이어 송급 제어를 행하고 있다. 즉, 용접 상태가 단락 상태인지 아크 상태인지에 관계없이, 정현파 형상의 기본 파형에 따라서 정송과 역송을 주기적으로 반복한다. 그리고, 정송측의 피크시에는 시점 P1의 주변에서 단락이 발생하고, 역송측의 피크시에는 시점 P2의 주변에서 아크가 발생한다. 또한, 시점 P2 이후의 정송의 피크시인 시점 P3의 주변에서 다음 단락이 발생한다.
시점 P1으로부터 시점 P3까지를 제어의 1주기로 하고, 이것을 반복해서 용접을 행한다. 그리고, 와이어 송급 속도(Wf)가 정송인 경우에는 단락이 촉진되고, 역송의 경우에는 개방이 촉진된다. 이와 같이, 단락 상태나 아크 상태의 발생은 기본적으로, 와이어 송급 속도의 정송과 역송을 주기적으로 반복하는 와이어 송급 제어에 의존한다.
다음으로 도 1을 이용해서, 본 실시예에 있어서의 용접 제어에 대해서 설명한다.
시점 P1은 단락을 개시한 시점을 나타내고 있고, 시점 P1으로부터 단락 초기 전류 SA를 소정 시간 출력한다. 그 후, 단락 전류의 제 1 번째 단의 증가 기울기 di/dt(단위 시간당 전류의 증가량)로 단락 전류를 증가시킨다. 이어서, 제 1 번째 단의 증가 기울기 di/dt(단위 시간당 전류의 증가량)보다 기울기가 완만한 단락 전류의 제 2 번째 단의 증가 기울기 di/dt(단위 시간당 전류의 증가량)로 단락 전류를 증가시킨다.
그 후, 시점 P2 이전에, 단락의 개방이 가까워짐에 따라서 용접 대상물에 형성된 용융 풀과 용접 와이어의 선단 사이에 형성된 용적의 수축(constriction)을 검출한다. 단락 개방의 징조인 용적의 수축을 검출하면, 단락 개방시의 스패터를 억제하기 위해서, 용접 전류를, 수축을 검출한 시점의 전류 IA(제 1 전류값)보다 낮은 전류인 수축 전류 NA(제 2 전류값)으로 순간적으로 저하시킨다.
시점 P2는 용적의 수축이 분리되어서 단락이 개방되어, 단락 상태가 종료되고 아크 상태가 발생한 시점을 나타내고 있다. 시점 P2부터의 아크 기간에 있어서, 단락 개방 직후 즉, 아크 발생 직후에, 피크 전류 PP인 용접 전류를, 피크 전류 기간 TP 동안 출력한다. 그 후, 용접 전류는 피크 전류 PP부터 베이스 전류 PB로 이행해서, 베이스 전류 PB를 베이스 전류 기간 TB 동안 출력한다. 이 피크 전류 PP와 베이스 전류 PB의 변화에 있어서는, 전류의 변화의 소정의 기울기 di/dt(단위 시간당 전류의 변화량), 또는 상승 시간 및 하강 시간으로 제어되고, 소정의 펄스 주파수(펄스 주기 PF)로 소정의 펄스수를 출력한다. 그 후, 단락 대기 전류 IB로 용접 전류를 제어한 상태에서 다음 단락을 대기한다. 한편, 도 1에서는, 펄스수가 4인 경우의 예를 나타내고 있다. 그리고, 피크 전류 PP는 수축을 검출한 시점의 전류 IA 및 수축 전류 NA보다 크다. 또한, 베이스 전류 PB는 수축을 검출한 시점의 전류 IA 및 수축 전류 NA보다 작다.
시점 P3은 시점 P1의 다음 단락이 발생한 시점을 나타내고 있고, 시점 P1과 마찬가지의 상태이다.
다음으로 본 실시예의 아크 용접 제어를 행하는 아크 용접 장치에 대해서, 도 2를 이용해서 설명한다. 도 2는 본 실시예에 있어서의 아크 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
아크 용접 장치는 주로, 용접 전원 장치(15)와, 매니퓰레이터(18)와, 로봇 제어 장치(16)와, 토치(21)를 갖는다. 로봇 제어 장치(16)는 매니퓰레이터(18)를 제어하고, 토치(21)는 매니퓰레이터(18)에 부착되며, 피드 롤러(22)와 용접 칩(23)을 갖는다.
도 2에 있어서, 용접 전원 장치(15)는 1차 정류부(2)와, 스위칭부(3)와, 변압기(4)와, 2차 정류부(5)와, DCL(6)과, 구동부(7)와, 용접 전압 검출부(8)와, 용접 전류 검출부(9)와, 단락/아크 검출부(10)와, 단락 제어부(11)와, 아크 제어부(12)와, 펄스 파형 제어부(13)와, 와이어 송급 속도 제어부(14)를 갖는다. 1차 정류부(2)는 입력 전원(1)으로부터 입력한 전력을 정류한다. 스위칭부(3)는 1차 정류부(2)의 출력을 교류로 변환한다. 변압기(4)는 스위칭부(3)의 출력을 강압(降壓)한다. 2차 정류부(5) 및 인덕터스인 DCL(6)는 변압기(4)의 출력을 정류한다. 구동부(7)는 스위칭부(3)를 제어한다. 용접 전압 검출부(8)는 용접 전원 장치(15)의 출력 단자 사이에 접속되어 있으며, 용접 전압을 검출한다. 용접 전류 검출부(9)는 용접 출력 전류를 검출한다. 단락/아크 검출부(10)는 용접 전압 검출부(8)로부터의 신호에 기초해서 용접 와이어(20)와 피용접물(25)이 단락되어 있는 단락 상태인지, 아니면, 용접 와이어(20)와 피용접물(25) 사이에서 아크가 발생하고 있는 아크 상태인지를 판정한다. 단락 제어부(11)는 단락/아크 검출부(10)로부터 단락 상태인 것을 나타내는 신호를 받아서 단락 기간에 단락 전류의 제어를 행한다. 아크 제어부(12)는 단락/아크 검출부(10)로부터 아크 상태인 것을 나타내는 신호를 받아서 아크 기간에 아크 전압의 제어를 행한다. 펄스 파형 제어부(13)는 아크 제어부(12) 내에 마련되어 있다. 와이어 송급 속도 제어부(14)는 용접 와이어(20)의 송급을 제어한다. 한편, 단락/아크 검출부(10)는 용접 전압 검출부(8)의 출력에 기초해서 단락 상태로부터 아크 상태가 되는 징조인 수축을 검출하는 기능도 갖고 있다.
또한, 용접 전원 장치(15)의 출력은, 와이어 보존부(19)로부터 인출되어 용접 칩(23)을 지나는 용접 와이어(20)와, 피용접물(25) 사이에 인가된다. 이로써, 용접 와이어(20)와 피용접물(25) 사이에서 아크(24)가 발생한다.
로봇 제어 장치(16)는, 설정 전류 즉 평균 용접 전류를 설정하기 위한 설정 전류 설정부(17)를 갖는다. 그리고, 설정 전류 설정부(17)의 출력은 와이어 송급 속도 제어부(14)에 입력된다.
한편, 단락/아크 검출부(10)는 용접 전류 검출부(9)로부터의 신호에 기초해서 단락 상태인지 아크 상태인지를 판정한다. 단락/아크 검출부(10)는 용접 전압 검출부(8)로부터의 신호와 용접 전류 검출부(9)로부터의 신호의 양쪽의 신호에 기초해서 단락 상태인지 아크 상태인지를 판정하도록 해도 된다.
단락 제어부(11)는 단락/아크 검출부(10)로부터 단락 기간인 것을 나타내는 신호를 입력하고 있는 경우에, 구동부(7)를 제어해서 단락 기간에 있어서의 용접 출력 제어를 행한다.
아크 제어부(12)는 단락/아크 검출부(10)로부터 아크 기간인 것을 나타내는 신호를 입력하고 있는 경우에, 구동부(7)를 제어해서 아크 기간에 있어서의 용접 출력 제어를 행한다.
아크 제어부(12) 내에 마련된 펄스 파형 제어부(13)는, 설정 전류 설정부(17)에서 설정된 설정 전류마다 적합한 펄스 파형을 결정한다.
한편, 펄스 파형 제어부(13)에 있어서, 설정 전류 설정부(17)에서 설정한 설정 전류마다 적합한 펄스 파형과 펄스 주파수와 펄스 개수를 결정한다. 그리고, 펄스 파형 제어부(13)에는, 설정 전류와 펄스 파형과 펄스 주파수와 펄스의 개수를 관계지은 테이블 혹은 관계식이 마련되어 있다. 펄스 파형 제어부(13)는, 설정 전류에 기초해서 펄스 파형을 소정의 주파수로 소정의 개수 출력할 것을 결정한다.
여기서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 아크 기간 동안에 펄스 파형을 소정의 주파수(소정의 주기)로 소정의 개수 출력하는 것이, 아연 도금 강판의 용접에 유효한 이유에 대해서 설명한다.
도 3은 본 실시예에 있어서의 용접 상태를 나타내는 모식도이다. 도 4는 본 실시예에 있어서의 용접 전류의 파형을 나타내는 도면이다. 도 5(a)는 본 실시예에 있어서의 단락 상태의 단면도이다. 도 5(b)는 본 실시예에 있어서의 단락 개방 후의 1번째 펄스를 인가한 상태의 단면도이다. 도 5(c)는 본 실시예에 있어서의 4번째 펄스를 인가한 상태의 단면도이다. 도 6은 본 실시예에 있어서의 용접 개소의 단면을 나타내는 도면이다. 도 7은 본 실시예에 있어서의 용접 개소의 단면을 나타내는 도면이다. 한편, 도 6은, 도 3에 나타내는 용접 상태의 B-B 단면이고, 도 7은 도 3에 나타내는 용접 상태의 C-C 단면이다.
한편, 도 5(a)~도 5(c)는, 도 3에 나타내는 용접 상태의 A-A 단면으로, 도 4에 나타내는 용접 전류 파형에 있어서의 각 시점 a~c에 대응한 것이다. 구체적으로는, 도 5(a)는, 도 4에 나타내는 시점 a에서의 단면도이다. 즉, 단락 상태의 단면도이다. 도 5(b)는, 도 4에 나타내는 시점 b에서의 단면도이다. 즉, 단락 개방후의 아크 기간에 있어서 1번째 펄스 전류를 인가했을 때의 단면도이다. 도 5(c)는, 도 4에 나타내는 시점 c에서의 단면도이다. 즉, 단락 개방후의 아크 기간에 있어서 4번째 펄스 전류를 인가했을 때의 단면도이다.
도 5(a)에 나타내는 단락 상태에서는, 피용접물(25)의 루트부(32)가 용융 풀의 용융 금속(33)으로 덮여져 있다. 그러나, 도 5(b)에 나타내는 단락 개방후의 제 1 번째 펄스 전류를 인가한 상태에서는, 피용접물(25)의 루트부(32)를 덮는 용융 풀의 용융 금속(33)을 누르기 시작한다. 도 5(c)에 나타내는 단락 개방후의 제 4 번째 펄스 전류를 인가한 상태에서는, 피용접물(25)의 루트부(32)를 덮고 있던 용융 풀의 용융 금속(33)을 완전히 밀어낼 수 있었던 것을 나타내고 있다.
이와 같이, 아크 기간 동안에 펄스 전류를 복수회 공급함으로써, 아크(24) 바로 아래에서, 피용접물(25)의 루트부(32)를 덮는 용융 풀의 용융 금속(33)이 밀려나서, 루트부(32)가 노출된다. 이로써, 도 6에 나타낸 바와 같이, 피용접물(25)인 상판과 하판의 중첩 부분인 아연 도금 기화부(31)로부터 아연 증기(30)가 외부로 방출되기 쉽게 되는 메커니즘이다.
이와 같은 메커니즘을 실현할 때, CO2 용접과 같은 아크 집중성이 높은 가스를 사용하는 경우, 상술한 바와 같이 펄스 전류를 복수개 출력할 필요성은 없고, 1번의 펄스 전류로 충분하다. 1번의 펄스 전류로 피용접물(25)의 루트부(32)의 용융 풀의 용융 금속(33)을 밀어낼 수 있다.
그러나, MAG 용접과 같은 아크 집중성이 약한 가스를 사용하는 경우에는, 높은 전류를 많은 회수 인가한다. 즉, 펄스 전류를 복수회 인가함으로써 피용접물(25)의 루트부(32)의 용융 풀의 용융 금속(33)을 밀어내고, 루트부(32)를 노출시키는 것이 필요하게 된다. 한편, 펄스 전류를 복수회 인가하도록 함으로써, 용적이 이탈하지 않고, 미소 단락도 억제할 수 있다.
또한, 펄스 전류의 적절한 개수는 아연 도금(27)의 코팅량에 따라 다르다. 코팅량이 많을수록, 피용접물(25)의 루트부(32)의 노출 시간을 길게 해서, 아연 증기(30)를 방출하기 쉽게 할 필요가 있다. 이를 위해, 적절한 기간의 펄스 전류의 개수를 많게 하는 것이 바람직하다. 단, 펄스 전류의 수가 너무 많아지면 단락 회수가 지나치게 낮아진다. 이 때문에, 단락 회수가 30회가 되는 7회 정도가 상한으로서 바람직하다.
또한, 토치(21)의 자세를 후퇴각으로 함으로써, 아연 증기(30)의 방출 효과를 더욱 발휘할 수 있다.
한편, 아크(24)의 아크력에 의해, 도 5(c)나 도 6에 나타낸 바와 같이, 루트부(32)가 완전히 노출되어 있는 경우에는, 아연 증기(30)의 방출시에, 종래와 같은 스패터의 발생 등이 없고, 아연 증기(30)는 용이하게 방출된다. 또한, 도 6에 있어서, 용융부(29) 및 피용접물(25)의 루트부(32) 상의 용융 풀의 용융 금속(33)의 일부분이 노출부를 덮고 있었다고 해도, 덮고 있는 용융 금속(33)의 두께가 0.5mm 정도 이하의 얇은 상태라면, 아연 증기(30)의 방출을 저해하는 일은 없다. 이 상태에서는, 피용접물(25)의 루트부(32)는, 아연의 부피 팽창에 의한 방출에 의해 용이하게 노출되어, 용이하게 아연 증기(30)가 외부로 방출된다. 즉, 피용접물(25)인 상판이나 하판에서 발생한 아연 증기(30)가, 부피 팽창에 의해 피용접물(25)의 루트부(32)를 덮고 있는 용융부(29)나 용융 풀의 용융 금속(33)을 돌파해서 빠져나오는 것이 가능한 두께가 되도록, 아크(24)에 의한 아크력에 의해 용융 풀의 용융 금속(33)을 누르도록 해도 된다.
이상과 같이, 용접 중에 발생하는 아연 증기(30)를 규칙적으로 방출 가능하게 함으로써 스패터의 발생을 대폭 억제할 수 있다. 한편, 종래 기술에서는, 용융 금속(33) 중에 아연 증기(30)가 체류해서 도 8에 나타낸 바와 같이 기공(28)(블로우 홀이나 피트)을 발생시키고 있었다. 또한, 종래 기술에서는, 아연 증기(30)가 용융 금속(33)으로부터 강하게 방출될 때 용접 와이어(20)의 선단에 단락하거나 함으로써, 스패터의 발생을 증가시켜 버린다. 그러나 본 실시예에 의하면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 기공(28)(블로우 홀이나 피트)을 억제할 수 있다.
여기서, 본 실시예와 같은 메커니즘을 규칙적으로 안정시키기 위해서는, 정송과 역송을 반복하는 와이어 송급 제어를 행하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 단락 상태와 아크 상태를 규칙적으로 생기게 할 수 있음과 아울러, 단락 개방 직후의 아크 길이를 순간적으로 확보함으로써 상기 메커니즘을 유효하게 실현할 수 있기 때문이다. 그리고, 단락 개방 직후의 아크 길이가 짧은 상태(1mm에서 2mm 정도)에서 용융 풀의 용융 금속(33)을 누름으로써 루트부(32)를 노출시킬 수 있다. 한편, 단순한 펄스 용접에서는, 아크 길이가 짧더라도 4mm에서 5mm 정도이고, 이와 같이 아크 길이가 긴 경우에는, 용융 풀의 용융 금속(33)을 누르기 위해서는 충분한 아크력을 인가하는 것은 불가능하다.
다음으로 펄스 파형의 적정한 파라미터에 대해서 설명한다. 도 1에 나타내는 펄스 파형의 피크 전류 PP나 베이스 전류 PB, 펄스 주파수(펄스 주기 PF)로서는, 이하와 같은 파라미터로 함으로써 피용접물(25)의 루트부(32)를 노출하는 것이 가능해진다.
용융 풀에 있는 용융 금속(33)을 누르기 충분한 정도의 아크력으로서, 피크 전류 PP는 400A~600A가 바람직하고, 또한 어느 정도 아크력에 강약을 주기 위해서, 베이스 전류 PB는 100A~250A가 바람직하다. 피크 전류 기간 TP나 베이스 전류 기간 TB는, 용융 풀의 용융 금속(33)을 누르기 충분한 정도의 시간으로서, 각각 100μs~500μs가 바람직하다. 그리고, 이상의 파라미터를 바탕으로, 펄스 주파수는 300Hz부터 1500Hz, 즉 펄스 주기 PF로서는, 약 3333μs~약 666μs가 적합하다. 한편, 피크 전류 기간 TP나 베이스 전류 기간 TB는, 같은 시간일 필요성은 없다. 또한, 베이스 전류 PB부터 피크 전류 PP로의 상승 기울기 di/dt나, 피크 전류 PP부터 베이스 전류 PB로의 하강 기울기 di/dt는 상기 파라미터에 기초해서 결정되는 것이다.
이와 같은 펄스 파형을 복수개 출력해도, 용접 와이어(20)의 선단에서 용적이 크게 성장할 뿐, 용적이 이탈하는 일은 없다. 이 때문에, 적은 단락 회수에 있어서, 큰 용적을 형성해도, 아크 기간 동안 불규칙한 단락은 발생하기 어렵다. 따라서, 아연 도금 강판의 용접에 적합한 단락 회수로서도, 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 용융 풀이 형성되기 어려운 아크 스타트부에서도, 본 실시예의 제어를 행함으로써 기공(28)의 발생을 억제할 수 있다. 한편, CO2 용접에서는, 정상 용접 기간에서는 필요없지만, 아크 스타트부에서는, MAG 용접에 한하지 않고, CO2 용접에서도 펄스를 복수개의 출력하는 것은 유효하다.
한편, 본 실시예에서는, 설정 전류에 기초해서, 펄스 파형의 피크 전류 PP, 베이스 전류 PB, 펄스 주파수(펄스 주기 PF), 펄스 파형의 개수 등을 결정하는 예를 게시했다. 그러나, 설정 전류는, 와이어 송급 속도나 와이어 송급량과 비례의 관계에 있다는 것이 널리 알려져 있다. 그래서, 설정 전류 대신, 와이어 송급 속도나 와이어 송급량에 기초해서 펄스 파형에 관련된 파라미터 등을 결정하도록 해도 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기에서는, 와이어 송급 속도의 변화가, 도 1에 나타낸 바와 같이 정현파 형상인 경우의 예를 게시했다. 그러나, 도 9에 나타낸 바와 같이, 와이어 송급 속도의 변화가 사다리꼴파 형상인 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 용접 상태가 단락 상태인 것을 검출하면 역송을 행하고, 용접 상태가 아크 상태인 것을 검출하면 정송을 행하는 송급 제어를 도입해도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 도 10에서는 송급 제어가 결과적으로 주기적으로 되어 있지만, 반드시 주기적일 필요는 없다.
한편, 도 1에서는, 시점 P2 직전에, 단락의 개방이 가까워짐에 따라서 피용접물(25)에 형성된 용융 풀과 용접 와이어(20)의 선단 사이에 발생한 용적의 수축을 검출하고 있다. 그리고, 용접 전류를, 수축을 검출한 시점의 전류 IA보다 저전류인 수축 전류 NA로 순간적으로 이행시키고, 그 후 펄스 전류를 복수개 인가하는 예를 게시했다. 그러나, 도시하지 있지는 않지만, 도 1과 같이 수축의 검출 및 수축의 검출에 의한 전류의 저감은 행하지 않고, 단락의 개방의 검출을 해도 된다. 이 경우, 단락의 개방을 검출하면, 아크 기간 동안에, 단락 개방시의 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급함으로써, 스패터나 블로우 홀에 관해서 아연 도금의 영향을 저감시키는 효과가 있다. 또한, 이 경우에도, 아크 기간 동안에 복수회 공급되는 펄스 전류의 하한값은 단락 개방시의 전류값보다 낮게 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 펄스 전류의 상한값과 펄스 전류의 하한값의 차이가 큰 편이, 어느 정도 아크력에 강약을 줄 수 있어, 용융 풀의 용융 금속(33)을 누르는 효과가 증가하기 때문이다. 또한, 펄스 전류의 하한값이 작을수록, 용접 와이어(20)에 인가하는 에너지를 낮출 수 있기 때문에, 용적의 이탈을 억제할 수 있다.
(산업상 이용 가능성)
본 발명에 의하면, 아연 도금 강판 등의 표면 처리가 행해진 부재를 용접용 와이어를 이용해서 용접하는 경우에, 부재의 중첩 부분이 노출하도록 용융 풀을 누름으로써 부재로부터 발생한 기체가 노출부로부터 빠져나간다. 이 때문에, 블로우 홀 등의 기공 발생 및 스패터의 발생을 현저하게 억제할 수 있어, 아연 도금 강판 등의 표면 처리가 행해진 부재와 같은 용접시에 기체가 발생하는 모재에 대해서 행하는 아크 용접 방법 및 아크 용접 장치로서 산업상 유용하다.
1 : 입력 전원 2 : 1차 정류부
3 : 스위칭부 4 : 변압기
5 : 2차 정류부 6 : DCL
7 : 구동부 8 : 용접 전압 검출부
9 : 용접 전류 검출부 10 : 단락/아크 검출부
11 : 단락 제어부 12 : 아크 제어부
13 : 펄스 파형 제어부 14 : 와이어 송급 속도 제어부
15 : 용접 전원 장치 16 : 로봇 제어 장치
17 : 설정 전류 설정부 18 : 매니퓰레이터
19 : 와이어 보존부 20 : 용접 와이어
21 : 토치 22 : 피드 롤러
23 : 용접 칩 24 : 아크
25 : 피용접물 26 : 용접 비드
27 : 아연 도금 28 : 기공
29 : 용융부 30 : 아연 증기
31 : 아연 도금 기화부 32 : 루트부
33 : 용융 금속

Claims (11)

  1. 단락과 아크를 반복하는 용접에서의 아크 용접 방법으로서,
    단락의 개방의 징조를 검출하면, 징조를 검출한 시점의 제 1 전류값보다 낮은 제 2 전류값이 되도록 용접 전류를 저감하고,
    단락의 개방을 검출하면, 아크 기간 동안에, 상기 제 1 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급하는
    아크 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크 기간 동안에 복수회 공급되는 상기 펄스 전류의 하한값은 상기 제 1 전류값보다 낮은 아크 용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크 기간 동안에 복수회 공급되는 상기 펄스 전류의 하한값은 상기 제 2 전류값보다 낮은 아크 용접 방법.

  4. 단락과 아크를 반복하는 용접에서의 아크 용접 방법으로서,
    단락의 개방을 검출하면, 아크 기간 동안에, 단락 개방시의 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급하는
    아크 용접 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 아크 기간 동안에 복수회 공급되는 상기 펄스 전류의 하한값은 상기 전류값보다 낮은 아크 용접 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    정송(正送:a forward feed)과 역송(逆送:a reverse feed)을 반복하는 와이어 송급 속도로 와이어의 송급을 행하는 아크 용접 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    와이어 송급 속도의 정송과 역송의 반복을 소정의 주기와 소정의 진폭으로 주기적으로 행하는 아크 용접 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    와이어 송급 속도의 정송과 역송의 반복은 주기적이 아니며, 용접 상태가 단락 상태인 것을 검출하면 역송을 행하고, 용접 상태가 아크 상태인 것을 검출하면 정송을 행하는 아크 용접 방법.
  9. 단락과 아크를 반복해서 용접을 행하는 아크 용접 장치로서,
    입력한 전력을 정류하는 1차 정류부와,
    상기 1차 정류부의 출력을 교류로 변환하는 스위칭부와,
    상기 스위칭부의 출력을 변압하는 변압기와,
    상기 변압기의 출력을 정류하는 2차 정류부와,
    상기 스위칭부를 제어하기 위한 구동부와,
    용접 전압을 검출하는 용접 전압 검출부와,
    상기 용접 전압 검출부의 출력에 기초해서 용접 상태가 단락 상태인지 아크 상태인지를 판정하는 기능과 상기 용접 전압 검출부의 출력에 기초해서 상기 단락 상태로부터 아크 상태가 되는 징조를 검출하는 기능을 갖는 단락/아크 검출부와,
    상기 단락 상태일 때 용접 출력의 제어를 행하기 위한 단락 제어부와,
    상기 아크 상태일 때 용접 출력의 제어를 행하기 위한 아크 제어부
    를 구비하고,
    단락의 개방의 징조를 검출하면, 징조를 검출한 시점의 제 1 전류값보다 낮은 제 2 전류값이 되도록 용접 전류를 저감하고,
    단락의 개방을 검출하면, 아크 기간 동안에, 상기 제 1 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급하는
    아크 용접 장치.
  10. 단락과 아크를 반복해서 용접을 행하는 아크 용접 장치로서,
    입력한 전력을 정류하는 1차 정류부와,
    상기 1차 정류부의 출력을 교류로 변환하는 스위칭부와,
    상기 스위칭부의 출력을 변압하는 변압기와,
    상기 변압기의 출력을 정류하는 2차 정류부와,
    상기 스위칭부를 제어하기 위한 구동부와,
    용접 전압을 검출하는 용접 전압 검출부와,
    상기 용접 전압 검출부의 출력에 기초해서 용접 상태가 단락 상태인지 아크 상태인지를 판정하는 단락/아크 검출부와,
    상기 단락 상태일 때 용접 출력의 제어를 행하기 위한 단락 제어부와,
    상기 아크 상태일 때 용접 출력의 제어를 행하기 위한 아크 제어부
    를 구비하고,
    상기 단락 상태로부터 아크 상태가 된 것을 검출하면, 아크 기간 동안에, 단락 개방시의 전류값보다 피크값이 큰 펄스 전류를 복수회 공급하는
    아크 용접 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    용접 와이어의 송급을 제어하는 와이어 송급 속도 제어부를 더 구비하고,
    정송과 역송을 반복하는 와이어 송급 속도로 상기 용접 와이어의 송급을 행하는
    아크 용접 장치.
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