KR20150032832A - 적응식 회전 아크 용접 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

용접 작업은 용접 토치(24) 내의 용접 전극(14)의 이동으로부터 발생하는 회전 아크를 이용하여 수행된다. 예를 들어 카메라(134) 및 이미지 분석부(138)를 거쳐, 용접이 진행함에 따라 작업편의 모재정렬(fit-up)이 결정된다. 모재정렬이 예를 들어 작업편들 사이의 간극(118)의 발생에 의해 변화되는 경우에, 전극 이동의 기하학적 구조, 이동 속도, 와이어 공급 속도, 전극에 인가된 용접 전력 등과 같은 시스템의 하나 이상의 파라미터가 변경될 수도 있다. 본 기술은 예를 들어 용접 로봇(132)을 통해 용접을 허용하기 위해 자동화될 수도 있다.

Description

적응식 회전 아크 용접 방법 및 시스템{ADAPTABLE ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2012년 7월 27일자로 출원된 발명의 명칭이 "적응식 회전 아크 용접 방법 및 시스템( Adaptable Rotating Arc Welding Method and System )"인 미국 가특허 출원 제61/676,563호의 미국 정규 특허 출원에 관련된다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 용접 기술에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 성능을 향상시키고, 폐기물을 감소시키고, 완성된 부품의 거절을 감소시킬 수도 있는 방식으로 작업편들(workpieces) 사이의 불량 모재정렬(fit-up)을 검출하고 조정하는 향상된 프로세스에 관한 것이다. 본 개시내용은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2012년 6월 18일자로 출원된 발명의 명칭이 "금속 코어형 용접 방법 및 시스템(Metal Cored Welding Method and System)"인 선출원된 미국 특허 출원 제13/526,278호에 관련된다. 본 개시내용은 또한 2012년 11월 20일자로 출원된 발명의 명칭이 "DC 전극 네거티브 회전 아크 용접 방법 및 시스템(DC Electrode Negative Rotating Arc Welding Method and System)"인 미국 특허 출원 제13/681,687호를 합체한다.

광범위한 기술이 용접 작업에 의해 작업편들을 결합하기 위해 개발되어 왔다. 이들은 다양한 프로세스 및 재료를 포함하고, 대부분의 현대식 프로세스들은 소모품(consumable) 또는 비-소모품(non-consumable) 전극과 작업편들 사이에 발생된 아크를 수반한다. 프로세스는 종종 일정 전류 프로세스, 일정 전압 프로세스, 펄스화된 프로세스 등과 같은 카테고리로 그룹화된다. 그러나, 특히, 충전재 금속을 용접부에 추가하기 위해 전극을 소비하는 프로세스에서 이들을 추가적으로 구분하는 것이 일반적이다. 사실상 이러한 모든 경우에, 선택된 프로세스는 충전재 재료 및 그 형태에 고도로 연결되고, 특정 프로세스는 단지 특정 유형의 전극을 이용한다. 예를 들어, 더 큰 그룹의 부분을 형성하는 특정 유형의 금속 불활성 가스(metal inert gas: MIG) 용접 프로세스는 때때로 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding: GMAW)이라 칭한다.

GMAW 용접에서, 와이어의 형태의 전극은 진행 용접 풀(progressing weld pool)에 의해 소비되고, 전극 와이어와 작업편 사이의 아크의 열에 의해 용융된다. 와이어는 스풀로부터, 전하가 와이어에 부여되어 아크를 생성하는 용접건(welding gun)을 통해 연속적으로 공급된다. 이들 프로세스에 사용된 전극 구성은 종종 중실 와이어, 플러스 코어형 또는 금속 코어형이라 칭한다. 각각의 유형은 다른 유형에 비해 독특한 장점 및 단점을 갖는 것으로 고려되고, 용접 프로세스 및 용접 세팅에 대한 주의 깊은 조정이 이들의 성능을 최적화하기 위해 요구될 수도 있다. 예를 들어, 중실 와이어는 다른 유형들보다 저렴하지만, 통상적으로 비교적 고가일 수 있는 불활성 차폐 가스와 함께 사용된다. 플러스 코어형 와이어는 개별적인 차폐 가스 공급물을 필요로 하지 않을 수도 있지만, 중실 와이어보다 더 고가이다. 금속 코어형 와이어는 차폐 가스를 필요로 하지만, 이들은 중실 와이어를 위해 요구된 것들보다 때때로 저가인 혼합물로 조정될 수도 있다.

3가지 이들 전극 유형 모두는 전극 팁으로부터 진행 용접 비드(progressing weld bead)로 금속을 이동시키는 기계적 및 전기기계적 현상을 칭하는, 다양한 이행 모드(transfer mode)와 함께 사용될 수도 있다. 짧은 회로 이행, 구형 이행(globular transfer), 스프레이 이행 및 펄스화된 스프레이 이행과 같은 다수의 이러한 이행 모드가 존재한다. 실제로, 이행 물리학은 이들의 혼성으로서 나타날 수도 있고, 실제 재료 이행은 용접 중에 이들 사이에서 전이될 수도 있지만, 프로세스 및 전극은 종종 특정 이행 모드를 유지하도록 선택된다.

토치가 진행하고 와이어를 소비함에 따라, 토치는 용접 비드로서 알려진 2개의 작업편들 사이의 충전재 재료의 침착물을 남겨두게 된다. 일반적으로, 이행 모드 중에 생성된 용접 비드의 폭은 여러 작동 파라미터의 함수로서 나타난다. 작업편들 사이의 모재정렬에 따라, 용접 비드폭은 완성된 용접 제품의 완전성을 보장하는 데 적절할 수도 있고 또는 적절하지 않을 수도 있다. 이를 회피하기 위해, 용접 작업자는 용접에 앞서 임의의 작업편 간극들에 대한 모재정렬을 시각적으로 검출해야 하고 용접된 부분의 완전성을 보장하도록 수동으로 보상해야 한다. 그러나, 자동화된 용접 시스템은 이러한 지능형 고려가 결여되어 있고, 존재할 수도 있는 간극들 및 모재정렬 오류에도 불구하고 사전 결정된 경로를 따라 용접을 간단히 완료한다. 이는 용접 결함, 수동 재가공, 및 완성된 용접 부품의 최종적인 거절을 야기할 수도 있다.

제조업자들은, 자동화 용접 방법을 향상시키고, 용접된 부분의 성공률을 증가시키며, 제조 프로세스 전체를 가속화하기 위한 신규한 방식을 계속 추구하고 있다. 그러나, 제조업자들이 의존해 온 프로세스의 증가된 속도와 결합된 현재의 자동화 용접 기술은 열악한 모재정렬을 갖는 다수의 완성된 작업편들을 야기할 수 있다.

본 개시내용은 용접 프로세스 중에 실시간으로 작업편 간극과 같은 모재정렬 파라미터를 자동으로 검출하고, 작업편들 사이의 용접 비드의 폭을 변경함으로써 모재정렬 파라미터를 고려하는 새로운 기술을 요약한다. 이는, 스피닝 아크 또는 전극을 이용하여 그리고 전극의 스핀 기하학적 구조, 용접 토치의 이동 속도, 전극의 와이어 공급 속도, 전극에 인가되는 용접 전력 또는 다수의 다른 파라미터 중 하나와 같은 용접 파라미터를 자동으로 조정함으로써 성취된다. 수반된 프로세스는, 용접 비드폭이 이때 모재정렬 및 적절한 비율로 추가된 적절한 양의 재료를 수용하도록 변경될 수 있도록, 작업편들 사이의 용접 토치 경로를 따른 간극, 또는 더 일반적으로는 모재정렬을 검출하는 카메라/레이저 검출 장치에 의존한다. 모재정렬을 상세히 설명하는 검출 장치로부터의 정보는, 촬상 시스템 요소, 그리고 결정 요소가 전술된 용접 파라미터들 중 임의의 하나로의 조정이 행해져야 하는지를 결정하는 것을 허용하는 파라미터 결정 요소로 피드백된다. 작동 파라미터의 변화의 결과는, 용접 토치가 간극을 충전하는 데 사용되는 재료의 양을 변경할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 자동화 용접 방법을 향상시키고, 용접된 부분의 성공률을 증가시키며, 제조 프로세스 전체를 가속화하기 위한 신규한 방식을 얻을 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점은 유사한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 숙독할 때 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 기술의 양태를 이용하는 예시적인 용접 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 시스템과 함께 사용하기 위한 금속 코어형 전극의 단부의 상세도이다.
도 3은 본 발명의 기술의 양태에 따른 금속 코어형 전극의 이동을 표현하는 개략도이다.
도 4는 금속 코어형 용접 와이어의 이동을 위한 원형 패턴을 이용하는 진행 용접 비드의 개략도이다.
도 5는 금속 코어형 용접 와이어를 위한 타원형 경로를 이용하는 진행 용접 비드의 유사한 도면이다.
도 6은 금속 코어형 용접 와이어를 위한 상이하게 배향된 타원형 경로를 이용하는 진행 용접 비드의 다른 도면이다.
도 7은 이동하는 금속 코어형 용접 와이어 전극을 이용하는 진행 용접 비드를 위한 예시적인 아크 위치 및 이행 모드의 도면이다.
도 8은 예시적인 강제 이행 자취와 함께 금속 코어형 용접 전극의 이동을 도시하고 있는 타이밍 다이어그램이다.
도 9는 초기 용접 파라미터를 갖는 진행 용접 토치 노즐 및 용접 비드의 도면, 그리고 새롭게 조정된 용접 파라미터를 갖는 용접 경로를 따르는 간극에 부닥칠 때의 동일한 용접 토치 노즐의 가상도이다.
도 10은 용접 파라미터를 조정하기 위해 용접 경로를 따른 모재정렬을 검출하고 촬상 및 파라미터 계산 요소에 그 정보를 전달하는, 카메라/검출 장치의 도면이다.
도 11은 용접 파라미터들 중 하나 또는 다수를 조정해야 하는지 및 어떻게 조정할지를 결정하기 위해 이용되는 예시적인 로직을 도시하고 있는 방법 흐름도이다.

도 1은 금속 코어형 용접 와이어 전극의 이동을 이용하는 예시적인 용접 시스템(10)을 도시하고 있지만, 전술된 바와 같이 이들 기술은 중실 와이어 또는 플럭스 코어형 와이어와 같은 다수의 유형의 와이어와 함께 사용될 수 있다. 시스템(10)은 작업편(14) 상에 용접부(12)를 생성하도록 설계된다. 용접부는 맞대기 용접(butt weld), 겹침 용접(lap weld), 앵글 용접(angled weld), 위치 외 용접(out of position weld) 등을 포함하는 임의의 원하는 방식으로 배향될 수도 있다. 시스템은, 통상적으로 가스 소스(18) 및 전력 그리드와 같은 전력 소스(20)에 결합될 전원(16)을 포함한다. 물론 다른 전력 소스로는 발전기, 엔진 구동식 전력팩 등이 포함된다. 와이어 피더(wire feeder)(22)가 전력 소스(20)에 결합되고 금속 코어형 용접 와이어를 용접건(24)에 공급한다.

예시되어 있는 실시예에서, 전원(16)은 용접 작업에 적합한 전력 출력을 생성하기 위해 전력 변환 회로의 작동을 조절하는 제어 회로(28)에 결합된 전력 변환 회로(26)를 포함할 것이다. 전원은 일정 전류 프로세스, 일정 전압 프로세스, 펄스화된 프로세스, 짧은 회로 이행 프로세스 등을 포함하는, 다수의 프로세스, 용접 양식 등에 따라 출력 전력을 생성하도록 설계 및 프로그램될 수도 있다. 현재 고려되는 실시예에서, 제어 회로(28)는 금속 코어형 용접 와이어로부터 진행 용접 비드로의 재료의 이행을 보조하는 DCEN[때때로 "정극성(straight polarity)"이라 칭함] 용접 양식을 생성하기 위해 전력 변환 회로(26)를 제어한다. 그러나, 다른 용접 양식이 물론 사용될 수도 있다. 작업자 인터페이스(30)는 용접 작업자가 용접 프로세스와 프로세스 세팅 모두를 변경할 수 있게 한다. 더욱이, 고려되는 특정 실시예에서, 작업자 인터페이스는 용접건 및 금속 코어형 용접 와이어의 이동에 관련된 특정 파라미터의 선택 수정을 허용할 수도 있다. 마지막으로, 전원은 가스 소스(18)로부터의 차폐 가스의 유동을 조절하기 위한 밸브(32)를 포함할 수도 있다.

와이어 피더(22)는 통상적으로 스풀(36)로부터의 용접 와이어의 공급을 조절하는, 일반적으로 도면 부호 34로 도시되어 있는 제어 회로를 포함할 것이다. 용접 와이어는 통상적으로 제어 회로(34)의 제어 하에서 소형 전기 모터의 사용을 통해 구동 조립체(38)에 의해 전진된다. 용접 와이어, 가스, 및 제어 데이터와 피드백 데이터는 용접 케이블(40)을 거쳐 와이어 피더(22)와 용접건(24) 사이에서 교환될 수도 있다. 작업편(14)은 또한 전기 아크가 전극과 작업편 사이에 형성될 때 전극(44)을 통한 전기 회로를 완성하도록 작업 케이블(42)에 의해 전원에 결합된다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 용접건으로부터 전진하는 전극(44)은 예를 들어 도면 부호 46에 의해 지시된 바와 같이 회전 운동으로 강제로 이동된다.

도 1에 도시되어 있는 용접 시스템은 수동 작업을 위해 설계될 수도 있지만, 본 발명의 기술을 위한 다수의 용례는 자동화될 것이다. 즉, 용접건(24)은 작업편에 대해 원하는 위치에 용접 토치를 위치시키도록 프로그램된 로봇에 고정될 것이다. 로봇은 이때 전극과 작업편 사이에 아크를 개시하도록 그리고 용접건을 적절하게 배향하고 용접 비드가 2개의 부품들을 결합하도록 형성되어야 하는 사전 규정된 경로를 따라 용접건을 전진시키도록 작동할 수도 있다. 이하에 더 충분하게 설명되는 바와 같이, 이러한 자동화 용례에서, 본 발명의 기술은 크게 향상된 이동 속도 및 향상된 용접 비드 특성을 가능하게 한다.

본 발명의 기술은 중실 와이어, 플럭스 코어형 또는 금속 코어형 용접 와이어와 함께 사용하기 위해 설계되지만, 본 실시예에서는 도 2에 도시되어 있는 유형의 금속 코어형 와이어가 도시되어 있다. 이러한 용접 와이어는 일반적으로 하나 이상의 금속 코어(50) 주위에 감겨진, 금속으로 제조된 외장(sheath)(46)을 포함한다. 이러한 금속 코어형 용접 와이어를 제조하기 위한 다양한 기술이 공지되어 있고, 본 발명의 범주 외에 있다. 금속 코어형 용접 와이어의 특성은 특히 결합될 부품들의 야금학, 사용될 차폐 가스의 유형, 용접 비드의 예상된 충전 체적 등에 따라, 특정 용례를 위해 선택될 수도 있다. 중실 와이어 및 플럭스 코어형 와이어 중 어느 하나가 전술된 바와 같이 금속 코어형 와이어 대신에 선택되면 이들 2개의 와이어 모두에 대해 동일한 사항이 성립한다. 도시된 실시예에서, 금속 코어형 용접 와이어의 특정한 기하학적 구조는 전극 이동의 이익을 증대시키는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 용접 와이어는 통상적으로 원하는 직경(52)을 갖도록 선택될 것이다. 직경은 외장 벽두께(54) 및 코어 직경(56)을 포함한다. 이들 파라미터는, 용접 와이어의 성능을 향상시키고 개량된 아크 형성, 아크 유지, 재료 이행, 최종 용접 비드의 야금학, 용접 비드 침투 등과 같은 특성을 제공하도록, 변경 및 최적화될 수 있다.

현재 고려되는 실시예에서, 특정 와이어는 DCEN 용접 양식과 함께 사용하기 위해 선택될 수 있다. 이하에 더 충분히 설명되는 바와 같이, 예를 들어, DCEN 프로세스와, 안정화제 및 다른 성분, 예컨대 망간을 포함하는 와이어와 같은 와이어의 "스핀-아크(spin-arc)" 이동의 조합(예를 들어, AWS E5.18 70C-6; 더 일반적으로, E5.18 XXC-6, 여기서 "XX"는 인장 강도를 나타냄)이 우수한 결과를 제공하는 것으로 판명되었다. 이러한 와이어는 미국 오하이오주 트로이 소재의 호버트 브라더스(Hobart Brothers)로부터 명칭 Metalloy^® X-Cel^TM 하에서 상업적으로 입수 가능하다. 또한, 용접 와이어의 특정 제형(formulation)은 다른 와이어로 얻어질 수 있는 것들을 넘는 이익을 제공하는 것으로 판단된다. 이러한 제형은 2004년 4월 20일자로 니코딤(Nikodym) 등에 허여된 발명의 명칭이 "정극성 금속 코어형 와이어(Straight Polarity Metal Cored Wire)"인 미국 특허 제6,723,954호; 2006년 8월 8일자로 니코딤(Nikodym) 등에 허여된 발명의 명칭이 "정극성 금속 코어형 와이어(Straight Polarity Metal Cored Wire)"인 미국 특허 제7,087,860호; 및 2011년 1월 4일자로 바호스트(Barhorst) 등에 허여된 발명의 명칭이 "희가스 차폐부를 갖는 철강의 금속-코어 가스 금속 아크 용접(Metal-Core Gas Metal Arc Welding of Ferrous Steels with Noble Gas Shielding)"인 미국 특허 제7,863,538호에 설명되어 있고, 이들 특허는 모두 본 명세서에 참조로서 합체되어 있다. 더욱이, 특정 조성 수정이 이하에 설명되는 바와 같이, 아크의 강제 이동과 함께 DCEN 프로세스에서 이들의 성능을 향상시키기 위해 전술한 와이어에 대해 행해질 수도 있다.

도 3은 통상적인 용례에서 용접 와이어의 이동을 도시하고 있다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 조인트(58)가 작업편들 사이에 형성되고, 그로부터 연장되는 전극(44)을 갖는 용접 토치가 의도된 조인트에 매우 근접하여 위치된다. 아크는 이때 전극과, 결합될 기초 금속 사이에 형성된다. 전극은 형성된 아크 및 전극의 강제 운동으로 이동될 수 있는 접촉 요소(60)로부터 나온다. 접촉 요소의 이동을 위해, 운동 제어 조립체(62)가 용접건에 제공된다. 수많은 기술이 이러한 운동을 강제하기 위해 이용될 수도 있지만, 현재 고려되는 구성에서, 캠(64)은 자체로 시스템의 제어 회로에 의해 제어 및 통전되는 모터(66)에 의해 회전된다. 접촉 요소 및 전극은 따라서 운동 제어 조립체(62)의 기하학적 구조 및 제어에 의해 결정되는 바와 같이 사전 규정된 패턴에서 그리고 사전 규정된 주파수로 이동하도록 강제된다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 접촉 요소의 팁 및 이에 따른 전극은 접촉 요소의 중심 라인으로부터 사전 결정된 거리 또는 반경(68)만큼 이동될 수도 있다. 이하에 설명되는 바와 같이, 다양한 패턴이 이 운동을 위해 이용될 수도 있다. 전극(44)은 원하는 용접 비드를 형성하기 위해 이 프로세스 중에 전진된다. 더욱이, 전체 조립체는 도면 부호 70으로 지시되어 있는 바와 같이 원하는 이동 속도로 이동된다.

도 4는 전극(44)의 특정 운동 패턴과 함께 예시적인 진행 용접 비드(72)를 도시하고 있다. 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 용접 비드는 작업편의 모재의 주위 금속과 전극의 가열로부터 발생하는 금속 및 몰트(molt)로 구성된 용접 풀 또는 퍼들(puddle)(74) 후방으로 진행한다. 도 4의 도면에서 전극은 도면 부호 76에 의해 지시되어 있는 바와 같이 일반적으로 원형 패턴으로 이동된다. 이러한 운동은, 전극이 용접 퍼들(74) 및 작업편의 주연 영역에 충분히 근접하여 아크를 유지하고 이들 영역 사이에서 아크를 이동시켜, 전극과 주위 금속을 가열하면서 용접 퍼들을 유지하도록, 용접건의 이동 속도로 조정될 수도 있다는 것이 본 발명에서 고려된다. 이하에 설명되는 바와 같이, 와이어 공급 속도, 전극의 이동의 속도 또는 주파수, 용접 프로세스를 위한 펄스 주파수 또는 DC 파라미터(예를 들어, 아크를 생성하기 위해 인가되는 전류 및 전압) 등과 같은 다른 조정 팩터가 이용될 수도 있다는 것이 또한 고려된다.

도 5는 전극의 이동을 위한 다른 가능한 패턴, 이 경우에 일반적으로 타원형인 패턴(78)을 도시하고 있다. 이 경우에 타원은 용접부 및 토치의 이동 방향을 따른 장축(80) 및 이동 방향에 횡방향인 단축(82)을 갖는다. 더욱이, 도 6은 다른 가능한 패턴, 즉 타원 이동의 장축(80)이 용접부 및 토치의 이동 방향에 횡방향인 횡방향 타원형 패턴(84)을 도시하고 있다. 그러나, 임의의 원하는 패턴이 이용될 수도 있고, 운동 제어 조립체는 무엇보다도, 이들 패턴을 구현하도록 되어 있을 수도 있다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 지그재그, 숫자 8, 횡방향 왕복 라인 등을 형성하는 패턴들이, 특정 용접부를 위해 사용 및 최적화될 수도 있다.

도 7은 금속 코어형 용접 와이어가 강제 운동과 함께 이용될 때 작동하는 것으로 고려되는 예시적인 침착 및 침투 양식을 도시하고 있다. 즉, 전극(44)은 결합될 작업편(86)과 작업편(88) 사이에서 이동된다. 작업편들 내로 침투하고 용접 비드가 전진함에 따라 대체로 편평한 표면을 생성하는 용접 비드(90)가 형성된다. 도 7의 도면에서, 도면 부호 92는 작업편(86)을 향한 용접 와이어의 외장(48)의 최대 접근을 나타내고, 반면에 도면 부호 94는 작업편(88)으로의 외장(48)의 최대 접근을 표현하고 있다.

본 실시예에서, 금속 코어형 용접 와이어와 작업편 및/또는 진행 용접 퍼들 사이에 형성된 아크는 단지 외장(48)과 이들 요소 사이에만 존재하는 것으로 간주된다. 이에 따라, 독특한 이행 위치가 도면 부호 98에 의해 지시되어 있는 바와 같이 설정된다. 최종 용접부는 중실 와이어 전극을 사용하여 전극 운동에 의해 설정될 수도 있는 유사한 용접부보다 더 편평한 것으로 관찰되었다. 더욱이, 모재 내로의 향상된 침투는 도면 부호 100에 의해 지시되어 있는 바와 같이 얻어지는 것으로 판단된다. 그러나, 이는 사용될 수 있는 임의의 특정 유형의 와이어에 대한 한정으로서 이해되어서는 안 된다. 전술된 바와 같이, 본 발명의 기술은 금속 코어형 와이어에 추가하여 중실 와이어 및 플럭스 코어형 와이어와 함께 또한 사용될 수 있다.

본 기술에서 변경될 수도 있는 파라미터들은 전극의 이동 속도, 및 통상 위치 또는 중심 위치에 대한 전극의 이동도와 같은 인자를 포함할 수도 있다. 특히, 본 발명은 원형 패턴에 명백히 한정되는 것은 아니지만, 원형 패턴이 사용되는 경우에, 50 Hz 초과, 및 100 내지 120 Hz 이상으로 확장되는 회전 속도가 바람직할 수도 있고, 더 편평한 용접 비드 및 더 높은 침착율을 얻는 것으로 판단된다. 더욱이, 회전의 직경은 현재 1.5 mm 정도인 것으로 고려되지만, 1.2 mm 정도와 같은 더 큰 직경이 바람직할 수도 있다. 가스 유동과 동기화 또는 조정된 전극 이동을 제공하는 것이 또한 바람직할 수도 있다. 이들 다양한 파라미터는 모재 내로의 침투, 전극 재료의 침착, 아크의 유지뿐만 아니라 다른 용접 파라미터를 보조할 수도 있다.

용접 퍼들은 가능하게는 전극 팁에서 발생하는 용융 볼 또는 스프레이 상에 부여된 기계적 힘(예를 들어, 원심력)에 기인하여, 금속 코어형 전극의 이동에 따라 더 양호하게 이동할 수도 있는 것이 또한 고려된다. 프로세스는 따라서 이전의 프로세스보다 더 저온에서 실행되는 것이 가능할 수도 있다. 향상된 이익이 특정 유형의 작업편 및 작업편 야금학, 특히 아연도금된 작업편에서 마찬가지로 제공될 수도 있다. 더욱이, 프로세스는 이러한 용접 전극과 함께 현재 사용되는 아르곤 혼합물보다 CO2와 같은 저가의 차폐 가스를 허용할 수도 있다. 전술된 바와 같이, 중실 와이어 및 플럭스 코어형 와이어는 마찬가지로 본 발명의 기술과 함께 사용될 수도 있고, 각각 이들의 고유의 장점을 프로세스에 제공할 수도 있다.

도 8은 전극 팁으로부터 재료의 강제 이행을 나타내는 금속 코어형 용접 전극의 이동과 관련한 예시적인 타이밍 다이어그램을 도시하고 있다. 도 8의 다이어그램에서, 전극 팁 이동은 시간 경과에 따라 자취(102)에 의해 지시되어 있고, 반면에 강제된 이행은 자취(104)에 의해 지시되어 있다. 원형 이동 패턴에서, 일반적으로 사인곡선형 운동이 전진하는 용접 비드, 또는 퍼들 내의 임의의 특정 점 또는 조인트의 임의의 특정 위치의 관점으로부터 예측될 것이다. 이 운동에서의 점 106에서, 전극의 외장은 작업편의 모재의 측면들에 가장 근접하게 접근할 수도 있다. 용접 프로세스는 예를 들어 도면 부호 108에 의해 일반적으로 지시되어 있는 바와 같이, 이들 위치들에서 전극으로부터 재료의 이행을 강제 또는 향상시키기 위해 펄스화된 용접 양식의 제어에 의해 적응될 수도 있다. 이들 시간들은 시간(110)에 의해 지시되어 있는 바와 같이 통상적으로 주기적으로 발생할 것이다. 이들 및 다수의 다른 제어 양식이 금속 코어형 용접 전극의 운동과 이행 모드의 조화를 위해, 특히 전극의 외장만에 의한 아크의 형성을 이용하기 위해 전술된 바와 같이 고려될 수도 있다. 전술된 바와 같이, 이는 본 발명의 기술이 금속 코어형 와이어에 추가하여 중실 와이어뿐만 아니라 플럭스 코어형 와이어와 함께 사용될 수 있기 때문에, 예시적인 예로서 이해되어야 한다.

상기 예에 추가하여, 아크의 기계적 이동과 함께, 전술된 금속 코어형 와이어를 이용한 DCEN 용접 절차의 사용은 특히 양호한 결과를 제공할 수도 있고, 특정 유형의 작업편(또는 베이스플레이트 재료) 상에서 더욱 더 매력적일 수도 있다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 전술된 Metalloy^® X-Cel^TM은 용접 금속 습윤[과도하게 "크라운된(crowned)" 비드를 방지함]을 향상시키면서 스패터(spatter)를 감소시키는 데 특히 양호하게 적합된다. 더욱이, DCEN 프로세스의 사용은 아크 이동을 처리하고, 이러한 와이어와 조합하여 과열을 감소시킨다. 상기 조합은 (예를 들어, 자동차 용례에서) 아연도금된 시트 재료 용접을 위해, 코팅된 또는 페인팅된 재료 용접을 위해, (예를 들어, 가구 제조에 있어서) 얇은 강 용접 등을 위해 특히 유용할 수 있다.

이들 용례에 적합한 용접 와이어(언급된 X-Cel^TM 와이어에 일반적으로 대응함)는 아크를 안정화하는 요소(감소된 스패터를 갖는 안정한 아크를 생성함)에 의해 특징화되는 것으로 현재 고려되고 있다. 예를 들어, 이러한 안정화제는 용접 프로세스 중에 칼륨 및 칼륨을 제공하는 화합물(칼륨 장석, 칼륨 티타네이트, 칼륨 망가나이트-티타네이트, 칼륨 설페이트, 칼륨 카보네이트, 칼륨 포스페이트, 칼륨 몰리브데이트, 칼륨 니트레이트, 칼륨 플루오실리케이트 및 칼륨을 함유하는 복합 산화물 화합물과 같음)을 포함할 수도 있다. 더욱이, 흑연 및 비-흑연 탄소 소스는 아크 기둥으로 승화함으로써 그리고 더 미세한 액적 금속 이행을 제공함으로써 안정화를 제공할 수도 있다. 현존하는 용접 와이어(언급된 것들과 같음)의 가능한 수정은 전술된 임의의 다른 또는 더 많은 소스로부터의 칼륨, 및 흑연 또는 탄소 함유 철 및/또는 합금 분말과 같은 적합한 탄소 소스를 포함할 수 있다.

수반된 특정 DCEN 프로세스에 관하여, 이들은 통상적으로 전극 직경, 전극 연장부(예를 들어, 플레이트로의 접촉 팁), 용접 위치, 작업편 또는 베이스 플레이트 유형 및 직경, 이동 속도 및 침착 속도, 와이어 공급 속도 등에 적어도 부분적으로 기초하여 선택된 전류 및 전압에서 수행될 것이다. 예를 들어, 21 내지 30 볼트의 범위의 전압이 150 내지 450 암페어의 범위의 전류와 함께 적합할 수도 있다. 더욱이, 차폐 가스와 관련하여, 적합한 가스 혼합물은 아르곤 및 이산화탄소를 포함하는 것으로 고려되며, 이때 아르곤은 최소 75% 및 최대 95%(그러나, 98% 아르곤, 2% 산소와 같은, 다른 양 및 조합이 만족스러울 수도 있음)이다. 또한, 선택된 DCEN 극성은 비펄스화된 전류 및 펄스화된 전류를 포함할 수도 있는 것이 고려된다.

현재 고려되는 실시예에서, 전술된 유형의 용접 시스템의 다양한 파라미터가, 검출되는 다양한 모재정렬 문제를 해소하도록 용접 중에 변경될 수도 있다. 예를 들어, 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 용접이 진행함에 따라, 용접 토치 노즐(112) 및 전극은 사전 결정된 용접 라인(116)을 따라 이동하면서 전진하는 용접 비드(114)를 뒤에 남겨둔다. 도시되어 있는 바와 같이, 용접의 라인은 도면 부호 118에 의해 일반적으로 지시되어 있는 바와 같이, 간극 또는 모재정렬 문제에 부닥칠 것이다. 용접 라인은 초기 스핀 기하학적 구조(120), 이동 속도(122) 및 와이어 공급 속도(124)의 결과로서 발생된다. 임의의 적합한 파라미터들이 작업편의 재료, 와이어 전극의 유형 및 크기 등과 같은 이러한 인자에 따라 이용될 수도 있다. 일반적으로, "스핀 기하학적 구조"는 전극 팁의 이동 직경 또는 반경, 이동의 패턴 등을 포함하는 다양한 인자를 포함할 수도 있다는 것이 또한 주목되어야 한다. 함께 취한 이들 초기 파라미터는 완성된 용접된 부분에서의 결함을 회피하기 위해 적절한 폭의 용접 비드 및 침투를 형성한다. 이들 초기 파라미터들은 이때 작업편들 사이에서 부닥치게 되는 간극들과 같은 모재정렬에 있어서의 문제점을 보상하기 위해 다수의 방식으로 변경될 수도 있다. 모재정렬은 용접 경로를 따라 변할 수도 있기 때문에, 용접 파라미터는 용접부 내의 결함을 회피하기 위해 적절한 새로운 조합으로 조정될 필요가 있을 수도 있다. 도 9의 가상도에 도시되어 있는 바와 같이, 이들 새로운 파라미터는 용접 토치가 모재정렬부에 접근함에 따라 조정된 제2 스핀 기하학적 구조(126)(예를 들어, 전극 팁의 이동의 다양한 직경 또는 반경), 제2 이동 속도(128) 및 제2 와이어 공급 속도(130)를 포함할 수 있고, 간극(모재정렬 파라미터)(118)에 의해 부여된 측정 제약에 직접 관련된다.

도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 예시적인 용례에서, 용접 로봇(132)은 용접 라인을 따라 용접 토치(24)를 이동시킨다. 용접 경로를 따른 모재정렬의 임의의 변화를 모니터링하는 것을 담당하는 카메라/검출 장치(134)가 기계적 장착부(136)를 통해 토치에 부착되어, 검출 장치가 토치와 함께 이동하게 한다. 카메라/검출 장치는 토치의 바로 앞에서 작업편(86)과 작업편(88) 사이의 모재정렬을 검사하게 하는 이러한 방식으로 위치된다. 픽셀화된 이미지의 형태일 수도 있는 이 정보는 촬상 시스템/간극 검출 요소(138)가 용접 라인과 간극(118) 사이의 파라미터 변화를 주목하게 한다. 이는, 예를 들어, 발생하는 간극(또는 역으로 더 근접하게 끼워진 부분들)을 지시하는 공간 또는 픽셀을 검출함으로써 행해질 수도 있다. 이때 이 정보는, 존재한다면, 충분한 양의 재료를 간극에 적절하게 충전하기 위해 초기 용접 파라미터들 중 어느 것이 조정될 필요가 있는지를 결정하는 파라미터 계산 요소(140)로 전송된다. 적절한 파라미터 조정의 결정은 적절한 계산, 룩업 테이블 또는 임의의 다른 원하는 알고리즘에 의해 수행될 수도 있다. 이러한 테이블은 예를 들어 다양한 모재정렬 또는 간극 파라미터(예를 들어, 크기 또는 거리)를 호출하고, 특정 모재정렬을 위해 적절한 와이어 공급, 이동 속도, 전력, 전극 스핀 등과 이들 파라미터를 관련시킨다. 예를 들어, 이 구성 요소는 간극을 위해 필요한 새로운 스핀 기하학적 구조가 더 커야 하는지 또는 더 작아야 하는지 혹은 상이한 형상을 가져야 하는지를 결정할 수도 있는데, 이는 전극이 이동하는 방식을 변경하는 것을 요구한다. 더욱이, 이동 속도가 이전의 속도와 동일하게 유지될 수도 있는지 그리고/또는 와이어 공급 속도가 증가/감소되어야 하는지를 결정할 수도 있다. 동시에, 전극으로의 충전이 마찬가지로 조정되어야 하는지가 결정될 수도 있다. 이 시점에, 이들 파라미터들은 결정에 따라 조정되고, 용접 토치는 간극을 향해 그 전진을 계속한다. 파라미터들이 모재정렬의 변화들을 수용하도록 조정되어야 할 때, 이들 파라미터는 수반되는 적절한 시스템 부품에 의해 일반적으로 제어된다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 용접 전력의 변화는 전력 소스 또는 전원에 의해 조정된다. 와이어 공급 속도의 변화는 와이어 피더에 의해 행해진다. 자동화 용례에서 이동 속도의 변화는 용접 토치를 이동시키는 로봇에 의해 조정된다. 스핀 기하학적 구조의 변화는 용접 전극을 이동시키는 용접 토치 내의 기구에 의해 구현된다. 당 기술 분야의 숙련자들은, 이들 장치가 용접 작업 중에 변경된 파라미터를 구현하도록 설계될 수도 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

간극을 검출하고 필요에 따라 용접 파라미터들을 변경하는 능력은 도 11에 요약되어 있는데, 도 11은 작업편들 사이의 간극과 같은 모재정렬 변화를 다루기 위해 시스템 요소들에 의해 이용되는 예시적인 제어 로직(142)을 도시하고 있는 방법 흐름도이다. 용접 토치 및 전극이 간극에 접근함에 따라, 이들은 단계 144에서 지시되어 있는 바와 같이, 이들의 초기 회전 기하학적 구조, 이동 속도, 와이어 공급 속도 및 전극에 인가된 용접 전력으로 이와 같이 접근한다. 검출 장치는 이어서 단계 146에서 지시되어 있는 바와 같이, 촬상을 거쳐 모재정렬을 검출 및 측정하고, 연계된 정보는 단계 148에서 지시되어 있는 바와 같이, 파라미터들이 변화되어야 하는지 여부를 판정하는 데 사용된다. 용접 라인의 경로가 초기 파라미터들에 대한 변동을 보증하지 않으면, 용접 토치는 계속 작동하여, 동일한 기하학적 구조, 이송 속도, 와이어 공급 속도 및 전극에 인가된 용접 전력을 갖고 용접 라인을 따라 전진한다. 이 경우에, 검출 장치는 모재정렬을 간단히 계속 검출하여, 단계 146으로 복귀한다. 초기 파라미터들이 변화되어야 한다고 제어부가 결정하는 경우에, 제어 로직은 단계 150에 지시되어 있는 바와 같이, 룩업 테이블을 거쳐 이들 변화를 계산하거나 숫자들을 얻도록 전진한다. 여기서, 스핀 기하학적 구조, 토치 이동 속도, 와이어의 공급 속도 및 용접 전력과 같은 파라미터들 중 하나 또는 임의의 조합이, 간극을 가로질러 작업편들을 함께 적절하게 용접하기 위해 조정될 수도 있다. 결정을 행한 후에, 적절한 파라미터들이 단계 152에 지시되어 있는 바와 같이, 계산/룩업 테이블에 따라 조정되고, 용접 토치는 단계 154에 지시되어 있는 바와 같이 용접을 계속한다. 간극 위에 용접한 후에, 또는 더 일반적으로 새로운 파라미터를 구현한 후에, 제어 로직은 단계 144로 복귀하고 여기서 모재정렬을 모니터링하는 프로세스(단계 146) 및 용접 파라미터가 변경되어야 하는지를 결정하는 프로세스(단계 148)를 계속한다. 간극의 후속의 폐쇄와 같이, 모재정렬이 용접 중에 향상되어야 하면, 동일한 로직이 향상된 모재정렬을 반영하기 위해 용접 시스템 파라미터의 유사한 변경을 허용할 수도 있다는 것에 주목해야 한다.

본 발명의 단지 특정 특징이 본 명세서에 예시되고 설명되었지만, 다수의 수정 및 변경이 당 기술 분야의 숙련자들에게 가능할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 있는 이러한 모든 수정 및 변경을 포괄하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.

10: 용접 시스템 12: 용접부
14: 작업편 16: 전원
18: 가스 소스 20: 전력 소스
22: 와이어 피더 24: 용접건
26: 전력 변환 회로 28: 제어 회로
30: 작업자 인터페이스 32: 밸브
38: 구동 조립체 40: 용접 케이블

Claims (20)

1. 용접 전극과 작업편 사이에 아크를 형성하는 것과;
   용접 토치 내의 운동 제어 조립체에 의해 원하는 패턴으로 전극을 주기적으로 이동시키면서 용접 토치로부터 전극을 공급하는 것과;
   상기 용접 토치 또는 작업편을 전진시켜 용접 비드를 형성하는 것과;
   아크 및 용접 비드를 유지하면서 원하는 패턴의 기하학적 구조를 변경하는 것
   을 포함하는 용접 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 원하는 패턴의 기하학적 구조를 변경하는 것은 대체로 원형인 패턴의 직경을 변경하는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전극의 와이어 공급 속도를 변경하는 것
   을 더 포함하는 용접 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 용접 토치의 이동 속도를 변경하는 것
   을 더 포함하는 용접 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 전극에 인가되는 용접 전력의 파라미터를 변경하는 것
   을 더 포함하는 용접 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 작업편의 모재정렬(fit-up) 파라미터를 검출하는 것
   을 포함하고, 상기 원하는 패턴의 기하학적 구조는 검출된 모재정렬에 기초하여 변경되는 것인 용접 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 모재정렬 파라미터는 상기 용접 토치에 장착된 검출기에 의해 검출되는 것인 용접 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 용접 토치는 용접 로봇에 장착되는 것인 용접 방법.
9. 용접 전극과 작업편 사이에 아크를 형성하는 것과;
   용접 토치 내의 운동 제어 조립체에 의해 원하는 패턴으로 전극을 주기적으로 이동시키면서 용접 토치로부터 전극을 공급하는 것과;
   상기 용접 토치 또는 작업편을 전진시켜 용접 비드를 형성하는 것과;
   상기 작업편의 모재정렬 파라미터를 검출하는 것과;
   아크 및 용접 비드를 유지하면서 상기 검출된 모재정렬 파라미터에 기초하여 원하는 패턴의 기하학적 구조를 변경하는 것
   을 포함하는 용접 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 원하는 패턴의 기하학적 구조를 변경하는 것은 대체로 원형인 패턴의 직경을 변경하는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 검출된 모재정렬 파라미터에 기초하여 상기 전극의 와이어 공급 속도를 변경하는 것
    을 더 포함하는 용접 방법.
12. 제9항에 있어서,
    상기 검출된 모재정렬 파라미터에 기초하여 상기 용접 토치의 이동 속도를 변경하는 것
    을 더 포함하는 용접 방법.
13. 제9항에 있어서,
    상기 검출된 모재정렬 파라미터에 기초하여 상기 전극에 인가되는 용접 전력의 파라미터를 변경하는 것
    을 더 포함하는 용접 방법.
14. 용접 전극과 작업편 사이에 아크를 형성하는 것과;
    용접 토치 내의 운동 제어 조립체에 의해 원하는 패턴으로 전극을 주기적으로 이동시키면서 용접 토치로부터 전극을 공급하는 것과;
    용접 토치 또는 작업편을 전진시켜 용접 비드를 형성하는 것과;
    아크 및 용접 비드를 유지하면서 원하는 패턴의 기하학적 구조, 용접 토치 이동 속도, 전극 와이어 공급 속도, 전극에 인가되는 용접 전력의 파라미터, 및 전극의 주기적 이동 속도 중 적어도 하나를 변경하는 것
    을 포함하는 용접 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 작업편의 모재정렬 파라미터를 검출하는 것
    을 포함하고, 상기 변경은 검출된 모재정렬에 기초하는 것인 용접 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 모재정렬 파라미터는 상기 용접 토치에 장착된 검출기에 의해 검출되는 것인 용접 방법.
17. 용접 전력을 발생하도록 구성된 전원과;
    용접 전력을 수신하도록 구성된 용접 토치와;
    상기 용접 토치에 용접 와이어를 공급하도록 구성된 와이어 피더(wire feeder)와;
    상기 용접 토치와 연관되고, 상기 용접 와이어가 작업편을 향해 전진될 때 그리고 아크가 용접 전력에 의해 유지될 때 상기 용접 와이어를 이동하도록 구성된 용접 와이어 회전 조립체와;
    상기 작업편의 모재정렬 파라미터를 검출하도록 구성된 모재정렬 파라미터 검출 요소와;
    상기 모재정렬 파라미터에 기초하여 상기 용접 와이어의 이동을 변경하도록 구성된 제어 회로
    를 포함하는 용접 시스템.
18. 제17항에 있어서, 상기 용접 토치의 이동은, 상기 용접 토치가 장착되는 용접 로봇에 의해 제어되는 것인 용접 시스템.
19. 제17항에 있어서, 상기 모재정렬 파라미터 검출 요소는 상기 용접 토치에 장착되는 것인 용접 시스템.
20. 제17항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 전원과 상기 와이어 피더 중 적어도 하나의 회로를 포함하는 것인 용접 시스템.

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