KR20150038035A - 용접을 위해 필러 와이어 공급과 아크 생성 소스를 결합해서 시작하고 사용하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

용접 퍼들(weld puddle)을 생성하기 위한 아크 발생 전원 공급 장치(2130)와, 용융 온도 또는 그 근처로 가열되고 상기 용접 퍼들 내로 퇴적되는 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(filler wire, 140)를 이용하여 작업물(115)을 용접 또는 접합하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다.

Description

용접을 위해 필러 와이어 공급과 아크 생성 소스를 결합해서 시작하고 사용하기 위한 방법 및 시스템{METHOD OF AND SYSTEM FOR STARTING AND USING IN COMBINATION A FILLER WIRE FEED AND ARC GENERATING SOURCE FOR WELDING}
<우선권>
본 출원은, 본 명세서에 참조로서 그 전부가 포함되고, 2009년 1월 13일에 출원된, 미국 특허 출원 제 12/352,667호의 일부 계속 출원인, 본 명세서에 참조로서 그 전부가 포함되고, 2011년 8월 17일에 출원된, 미국 특허 출원 제 13/212,025호의 일부 계속 출원이고 그에 대한 우선권을 주장한다.
특정 실시예들은 필러 와이어 오버레이(filler wire overlaying) 응용들 뿐만 아니라 용접 및 접합(welding and joining) 응용들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 특정 실시예들은 납땜(brazing), 클래딩(cladding), 빌딩업(building up), 충진(filling), 표면 경화 오버레이(hard-facing overlaying), 접합 및 용접 응용들 중 어느 것을 위해서든지 조합 필러 와이어 공급 및 에너지 소스 시스템을 개시하고 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 용접의 필러 와이어법(예를 들면, 가스-텅스텐 아크 용접(gas-tungsten arc welding, GTAW) 필러 와이어법)은 전통적인 단독 아크 용접보다 증가된 퇴적 속도(deposition rate) 및 용접 속도(welding speed)를 제공한다. 토치(torch)에 선행하는 필러 와이어는 별도의 전원 장치(power supply)에 의해 저항-가열된다. 상기 와이어는 접촉관(contact tube)을 통해 작업물(workpiece)을 향해 공급되고, 상기 관을 넘어서서 연장된다. 상기 연장된 것은 그것이 퍼들(puddle)에 근접할수록 저항-가열될 수 있다. 텅스텐 전극은 용접 퍼들(weld puddle)을 형성하기 위해 상기 작업물을 가열하고 용융시키는데 이용될 수 있다. 전원 장치(power supply)는 상기 필러 와이어를 저항-용융시키기 위해 필요한 에너지의 많은 부분을 제공한다. 일부 경우들에서, 상기 와이어 공급은 미끄러지거나 흔들릴 수 있으며, 상기 와이어에서의 전류는 상기 와이어의 끝(tip)과 상기 작업물 사이에서 아크를 발생시킬 수 있다. 그러한 아크의 여분의 열은 용낙(burnthrough), 스패터(spatter) 및 불량한 표면 품질을 야기할 수 있다. 그러한 아크 발생의 위험은 상기 와이어가 초기에 작은 지점에서 상기 작업물과 접촉되는 공정의 개시시에 더 크다. 상기 와이어에서의 초기 전류가 너무 높으면, 상기 지점이 타버려서 아크를 발생시킬 수 있다.
종래의, 전통적인 및 제안된 접근 방식들의 추가적인 한계들 및 단점들은, 그러한 접근 방식들과 본 출원의 나머지 부분에서 진술되는 본 발명의 실시예들을 도면을 참고하여 비교함으로써, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자에게 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들은 조합 필러 와이어 공급기 및 에너지 소스 시스템을 개시하고 사용하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 본 발명의 제 1 실시예는 납땜, 클래딩, 빌딩업, 충진, 표면 경화 오버레이, 용접 및 접합 응용들 중 어느 것을 위해서든지 조합 와이어 공급 및 에너지 소스 시스템을 개시하고 사용하기 위한 방법을 제공한다. 상기 방법은 전원을 통해 적어도 하나의 저항성 필러 와이어와 작업물 간에 감지 전압(sensing voltage)를 인가하는 단계 및 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단부를 상기 작업물 쪽으로 전진시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 말단부가 언제 상기 작업물과 접촉하는지를 감지하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 감지에 응답하여 정의된 시간 간격에 걸쳐 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어에 대한 전원을 끄는 단계를 포함한다. 상기 방법은 적어도 하나의 저항성 필러 와이어를 통해 가열 전류(heating current)의 흐름을 인가하기 위해 상기 정의된 시간 간격의 끝에서 상기 전원을 켜는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 적어도 상기 가열 전류의 흐름을 인가하는 동안 상기 작업물을 가열하기 위해 고강도 에너지 소스로부터의 에너지를 상기 작업물에 인가하는 단계를 포함한다. 상기 고강도 에너지 소스는 레이저 장치, 플라즈마 아크 용접(plasma arc welding, PAW) 장치, 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding, GTAW) 장치, 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW) 장치, 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding, FCAW) 장치, 및 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding, SAW) 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 청구된 발명의 이들 및 다른 특징들 뿐만 아니라 이의 예시된 실시예들의 상세한 사항들은 다음의 설명, 청구항 및 도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 납땜, 클래딩, 빌딩업, 충진, 및 표면 경화 오버레이 응용들 중 어떠한 것을 위한 조합 필러 와이어 공급기 및 에너지 소스 시스템의 예시적인 실시예의 기능적 개략적 블록도를 도시한다;
도 2는 도 1의 시스템에 의해 이용되는 개시(start-up) 방법의 실시예의 흐름도를 도시한다;
도 3은 도 1의 시스템에 의해 이용되는 개시 후(post start-up) 방법의 실시예의 흐름도를 도시한다;
도 4는 도 3의 개시 후 방법과 연관된 한 쌍의 전압 및 전류 파형들의 제 1 예시적 실시예를 도시한다;
도 5는 도 3의 개시 후 방법과 연관된 한 쌍의 전압 및 전류 파형들의 제 2 예시적 실시예를 도시한다;
도 6 및 도 6a는 용접 작업을 수행하는데 이용되는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 7, 도 7a 및 도 7b는 본 발명으로 용접하는 추가적인 실시예들을 도시한다;
도 8은 동시에 접합부의 두 쪽을 접합하는 또 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 9는 본 발명으로 용접하는 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 10은 다수의 레이저들 및 와이어들로 접합부를 용접하는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예들과 함께 이용되는 접촉팁들(contact tips)의 예시적인 실시예들을 도시한다;
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 핫 와이어(hot wire) 전원 공급 시스템을 도시한다;
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 예시적 실시예들에 의해 생성된 전압 및 전류 파형들을 도시한다;
도 14는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 다른 용접 시스템을 도시한다;
도 15는 본 발명의 실시예에 의해 생성된 용접 퍼들(weld puddle)의 예시적 실시예를 도시한다;
도 16a 내지 도 16f는 본 발명의 실시예들에 따른 용접 퍼들들 및 레이저 빔 활용의 예시적 실시예들을 도시한다;
도 17은 본 발명의 다른 예시적 실시예에 따른 용접 시스템을 도시한다;
도 18은 본 발명의 실시예들에서 이용될 수 있는 램프 다운(ramp down) 회로의 예시적 실시예를 도시한다;
도 19는 본 발명에 따른 흄 추출 노즐(fume extraction nozzle)의 예시적 실시예를 도시한다;
도 20은 본 발명의 또 다른 용접 시스템의 예시적 실시예를 도시한다;
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다;
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 용접 시스템들에 의해 이용되는 전류 파형들의 예시적 실시예들을 도시한다;
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 다른 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다;
도 24는 본 발명의 실시예들과 함께 이용될 수 있는 전류 파형들의 다른 예시적 실시예를 도시한다;
도 25는 본 발명의 실시예들과 함께 이용될 수 있는 다른 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다;
도 25a는 도 25에 나타낸 실시예와 함께 이용될 수 있는 전류 파형들의 예시적 실시예를 도시한다;
도 26은 병렬형(side-by-side) 아크 용접 작업을 이용하는 또 다른 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다;
도 27은 본 발명의 추가적인 용접 작업의 예시적 실시예를 도시한다; 및
도 28은 자기적 조향(magnetic steering)을 이용하는 본 발명의 용접 작업의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
"오버레이(overlaying)"라는 용어는 본 명세서에서 폭 넓은 방식으로 사용되며 납땜(brazing), 클래딩(cladding), 빌딩업(building up), 충진(filling), 및 표면 경화(hard-facing)를 포함하는 어떠한 응용들을 의미하는 것일 수 있다. 예를 들면, "납땜" 응용에서, 필러 금속(filler metal)은 모세관 작용을 통해 접합부의 밀접하게 맞춰진 표면들 사이에 분포된다. 반면, "납땜 용접(braze welding)" 응용에서는, 상기 필러 금속이 갭(gap)으로 흘러 들어가도록 한다. 본 명세서에서, 그러나, 양 기법들은 모두 폭 넓게 오버레이(overlaying) 응용들로 칭해진다.
도 1은 납땜, 클래딩, 빌딩업, 충진, 표면 경화 오버레이, 및 접합/용접 응용들 중 어떤 것이든지 수행하기 위한 조합 필러 와이어 공급기 및 에너지 소스 시스템(100)의 예시적 실시예의 기능적 개략적 블록도를 도시한다. 상기 시스템(100)은 작업물(115)을 가열하기 위해 레이저 빔(110)을 상기 작업물(115) 상으로 포커싱할 수 있는 레이저 서브시스템을 포함한다. 상기 레이저 서브시스템은 고강도 에너지 소스(high intensity energy source)이다. 상기 레이저 서브시스템은, 비한정적으로 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크(Yb-disc), YB-섬유(YB-fiber), 섬유 전달 또는 직접 다이오드 레이저 시스템들을 포함하는, 어떠한 유형의 고에너지 레이저 소스일 수 있다. 또한, 백색광 또는 석영 레이저형 시스템들도, 이들이 충분한 에너지를 가지고 있다면, 이용될 수 있다. 상기 시스템의 다른 실시예들은, 상기 고강도 에너지 소스로서의 역할을 하는, 전자빔, 플라즈마 아크 용접 서브시스템, 가스 텅스텐 아크 용접 서브시스템, 가스 금속 아크 용접 서브시스템, 플럭스 코어드(flux cored) 아크 용접 서브시스템, 및 서브머지드(submerged) 아크 용접 서브시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다음의 명세서에서 상기 레이저 시스템, 빔 및 전원 공급 장치(power supply)를 반복적으로 언급할 것이지만, 그러나, 어떠한 고강도 에너지 소스라도 이용될 수 있으므로 이 언급은 예시적인 것임을 이해해야 할 것이다. 예를 들면, 고강도 에너지 소스는 적어도 500 W/㎠을 제공할 수 있다. 상기 레이저 서브시스템은 작동적으로 서로 연결된 레이저 장치(120) 및 레이저 전원 공급 장치(130)를 포함한다. 상기 레이저 전원 공급 장치(130)는 상기 레이저 장치(120)를 작동하기 위해 전력을 제공한다.
상기 시스템(100)은 또한 상기 레이저 빔(110) 근처의 상기 작업물(115)과 접촉하도록 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)을 제공할 수 있는 핫 필러 와이어 공급기(hot filler wire feeder) 서브시스템을 포함한다. 물론, 본 명세서에서 상기 작업물(115)을 참조하여, 상기 용융 퍼들(molten puddle)은 상기 작업물(115)의 일부로 간주되므로, 상기 작업물(115)과의 접촉은 상기 퍼들과의 접촉을 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 상기 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템은 필러 와이어 공급기(150), 접촉관(160), 및 핫 와이어 전원 공급 장치(170)를 포함한다. 작업 중에, 상기 레이저 빔(110)에 선행하는, 상기 필러 와이어(140)는 상기 접촉관(160)과 상기 작업물(115) 간에 작동적으로 연결되는 상기 핫 와이어 용접 전원 공급 장치(170)로부터의 전류에 의해 저항-가열된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 핫 와이어 용접 전원 공급 장치(170)는 펄스(pulsed) 직류(direct current, DC) 전원 공급 장치이지만, 교류(alternating current, AC) 또는 다른 유형의 전원 공급 장치들도 또한 가능하다. 상기 와이어(140)는 상기 필러 와이어 공급기(150)로부터 상기 접촉관(160)을 통해 상기 작업물(115) 쪽으로 공급되며 상기 관(160)을 넘어서 연장된다. 상기 와이어(140)의 연장 부분은, 상기 연장 부분이 상기 작업물 상의 용접 퍼들에 접촉하기 전에 융점에 근접하거나 또는 도달하도록, 저항-가열된다. 상기 레이저 빔(110)은, 용접 퍼들을 형성하고 또한 상기 와이어(140)를 상기 작업물(115) 상으로 용융시키기 위해, 상기 작업물(115)의 베이스 금속(base metal)의 일부를 용융시키는 역할을 한다. 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 필러 와이어(140)을 저항-용융시키기 위해 필요한 에너지의 많은 부분을 제공한다. 본 발명의 특정 다른 실시예들에 따르면, 상기 공급기 서브시스템은 하나 이상의 와이어들을 동시에 제공하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들면, 제 1 와이어는 상기 작업물을 표면 경화시키고(hard-facing) 및/또는 상기 작업물에 내식성(corrosion resistance)을 제공하는데 이용될 수 있고, 제 2 와이어는 상기 작업물에 구조를 추가하는데 이용될 수 있다.
상기 시스템(100)은, 상기 레이저 빔(110) 및 상기 저항성 필러 와이어(140)가 서로에 대해 고정된 관계로 남아 있도록, 상기 레이저 빔(110)(에너지 소스) 및 상기 저항성 필러 와이어(140)를 (적어도 상대적인 의미에서) 상기 작업물(115)을 따라 동일 방향(125)으로 이동시킬 수 있는 동작 제어(motion control) 서브시스템을 더 포함한다. 다양한 실시예들에 따르면, 상기 작업물(115)과 상기 레이저/와이어 조합 간의 상대적인 동작은 실제로 상기 작업물(115)을 이동시킴으로써 또는 상기 레이저 장치(120) 및 상기 핫 와이어 공급기 서브시스템을 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 도 1에서, 상기 동작 제어 서브시스템은 로봇(190)에 작동적으로 연결되는 동작 제어기(180)를 포함한다. 상기 동작 제어기(180)는 상기 로봇(190)의 동작을 제어한다. 상기 로봇(190)은, 상기 레이저 빔(110) 및 상기 와이어(140)가 상기 작업물(115)을 따라 효과적으로 이동하도록, 상기 작업물(115)을 상기 방향(125)으로 이동시키기 위해 상기 작업물(115)에 작동적으로 연결(예를 들면, 기계적으로 고정)된다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 상기 레이저 장치(110) 및 상기 접촉관(160)은 단일 헤드(single head)로 통합될 수 있다.상기 헤드는 상기 헤드에 작동적으로 연결되는 동작 제어 서브시스템을 통해 상기 작업물(115)을 따라 이동될 수 있다.
일반적으로, 고강도 에너지 소스/핫 와이어가 작업물에 대해 상대적으로 이동될 수 있는 여러가지 방법들이 있다. 상기 작업물이 원형인 경우에, 예를 들면, 상기 고강도 에너지 소스/핫 와이어는 정지되어 있고 상기 작업물은 상기 고강도 에너지 소스/핫 와이어 아래에서 회전될 수 있다. 대안적으로, 로봇 암(robot arm) 또는 선형 트랙터(linear tractor)가 상기 원형 작업물에 평행하게 이동할 수 있으며, 상기 작업물이 회전됨에 따라, 상기 고강도 에너지 소스/핫 와이어는, 예를 들면, 상기 원형 작업물의 표면을 오버레이하기 위해, 연속적으로 또는 회전당 한 번의 지수(index)로 이동할 수 있다. 상기 작업물이 평평하거나 또는 적어도 원형이 아닌 경우, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 작업물은 상기 고강도 에너지 소스/핫 와이어 아래에서 이동될 수 있다. 그러나, 로봇 암 또는 선형 트랙터 또는 심지어 빔-장착 캐리지가 상기 작업물에 대해 상대적으로 고강도 에너지 소스/핫 와이어 헤드를 이동시키는데 이용될 수 있다.
상기 시스템(100)은 상기 작업물(115) 및 상기 접촉관(160)에 작동적으로 연결되고(즉, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)의 출력에 효과적으로 연결되고) 상기 작업물(115)과 상기 핫 와이어(140) 간의 전위차(즉, 전압(V)) 및 상기 작업물(115)과 상기 핫 와이어(140)를 통과하는 전류(I)를 측정할 수 있는 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)를 더 포함한다. 상기 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)은 상기 측정된 전압 및 전류로부터 저항값(R=V/I) 및/또는 전력값(P=V*I)을 계산하는 것이 더 가능할 수 있다. 일반적으로, 상기 핫 와이어(140)가 상기 작업물(115)과 접촉하는 경우, 상기 핫 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간의 전위차는 0 볼트 또는 거의 0 볼트이다. 결과적으로, 본 명세서에서 이후에 더 상세히 설명하는 바와 같이, 상기 감지 및 전류 제어 서브시스템(195)은 상기 저항성 필러 와이어(140)가 언제 상기 작업물(115)과 접촉하는지를 감지할 수 있으며, 상기 감지에 응답하여 상기 저항성 필러 와이어(140)를 통과하는 전류의 흐름을 제어하는 것을 더 할 수 있도록 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)에 작동적으로 연결된다. 본 발며의 다른 실시예에 따르면, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)에 일체로 된 부분일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 동작 제어기(180)는 상기 레이저 전원 공급 장치(130) 및/또는 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 작동적으로 더 연결될 수 있다. 이런 방식으로, 상기 동작 제어기(180) 및 상기 레이저 전원 공급 장치(130)는, 상기 레이저 전원 공급 장치(130)가 상기 작업물(115)이 언제 이동하는지를 알도록 및 상기 동작 제어기(180)가 상기 레이저 장치(120)가 활성화되어 있는지 여부를 알도록, 서로 통신할 수 있다. 유사하게, 이런 방식으로, 상기 동작 제어기(180) 및 상기 감지 및 전류 제어기(195)는, 상기 감지 및 전류 제어기(195)가 상기 작업물(115)이 언제 이동하는지를 알도록 및 상기 동작 제어기(180)가 상기 핫 필러 와이어 공급기 서브시스템이 활성화되어 있는지 여부를 알도록, 서로 통신할 수 있다. 그러한 통신들은 상기 시스템(100)의 상기 다양한 서브시스템들 간에 활동들을 조정하는데 이용될 수 있다.
도 2는 도 1의 상기 시스템(100)에 의해 이용되는 개시(start-up) 방법(200)의 실시예의 흐름도이다. 단계(210)에서, 전원 공급 장치(170)를 통해 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)와 작업물(115) 간에 감지 전압(sensing voltage)을 인가한다. 상기 감지 전압은 상기 감지 및 전류 제어기(195)의 명령 하에 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)에 의해 인가될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 인가된 감지 전압은 상기 와이어(140)를 현저히 가열시킬 정도로 충분한 에너지를 제공하지 않는다. 단계(220)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단부를 상기 작업물(115) 쪽으로 전진시킨다. 상기 전진은 상기 와이어 공급기(150)에 의해 수행된다. 단계(230)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 언제 상기 작업물(115)과 처음으로 접촉하는지를 감지한다. 예를 들면, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 핫 와이어(140)를 통해 매우 낮은 수준의 전류(예를 들면, 3 암페어 내지 5 암페어)를 제공하도록 명령할 수 있다. 그러한 감지는 상기 감지 및 전류 제어기(195)가 (예를 들면, 상기 접촉관(160)을 통과하는) 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 약 0 볼트(예를 들면, 0.4 V)의 전위차를 측정함으로써 달성될 수 있다. 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)에 쇼트되는(즉, 상기 작업물과 접촉하는) 경우, 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 (0 볼트를 넘는) 현저한 전압 수준이 존재하지 않을 수 있다.
단계(240)에서, 상기 감지에 응답하여 정의된 시간 간격(예를 들면, 수 밀리초)에 걸쳐 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)에 대해 상기 전원 공급 장치(170)를 끈다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 전원 공급 장치(170)가 꺼지도록 명령할 수 있다. 단계(250)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 통해 가열 전류의 흐름을 인가하기 위해 상기 정의된 시간 간격의 끝에서 상기 전원 공급 장치(170)를 켠다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 전원 공급 장치(170)가 켜지도록 명령할 수 있다. 단계(260)에서, 적어도 상기 가열 전류의 흐름을 인가하는 동안 상기 작업물(115)을 가열하기 위해 고강도 에너지 소스(110)으로부터의 에너지를 상기 작업물(115)에 인가한다.
선택 사항으로, 상기 방법(200)은 상기 감지에 응답하여 상기 와이어(140)의 전진을 중지시키는 단계, 상기 정의된 시간 간격의 끝에서 상기 와이어(140)의 전진을 재시작(즉, 재전진(re-advancing))시키는 단계, 및 상기 가열 전류의 흐름을 인가하기 전에 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 여전히 상기 작업물(115)과 접촉되어 있는지를 확인하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 와이어 공급기(150)가 공급을 중지하도록 명령하고 상기 시스템(100)이 (예를 들면, 수 밀리초) 대기하도록 명령할 수 있다. 그러한 실시예에서, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 와이어 공급기(150)가 시작되고 중지되도록 명령하기 위해 상기 와이어 공급기(150)에 작동적으로 연결된다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는, 상기 와이어(140)를 가열하고 상기 와이어(140)를 상기 작업물(115) 쪽으로 다시 공급하기 위해, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 가열 전류를 인가하도록 명령할 수 있다.
일단 상기 개시 방법이 완료되면, 상기 시스템(100)은, 납땜 응용, 클래딩 응용, 빌드업 응용, 표면 경화 응용, 또는 용접/접합 작업 중 하나를 수행하기 위해, 상기 레이저 빔(110) 및 핫 와이어(140)가 상기 작업물(115)과 관련하여 이동되는 작업의 개시 후 모드(post start-up mode)로 진입할 수 있다. 도 3은 도 1의 상기 시스템(100)에 의해 이용되는 개시 후 방법(300)의 실시예의 흐름도를 도시한다. 단계(310)에서, 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 말단부가 고강도 에너지 소스(예를 들면, 레이저 장치(120))에 선행 또는 일치되어, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)가 작업물(115) 쪽으로 공급됨에 따라, 상기 고강도 에너지 소스(예를 들면, 레이저 장치(120)) 및/또는 상기 가열된 작업물(115)(즉, 상기 작업물(115)은 레이저 빔(110)에 의해 가열된다)로부터의 에너지(예를 들면, 상기 레이저 빔(110))가 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부를 상기 작업물(115) 상으로 용융시키도록, 상기 고강도 에너지 소스(예를 들면, 레이저 장치(120)) 및 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 상기 작업물(115)을 따라 이동시킨다. 상기 동작 제어기(180)는 상기 로봇(190)이 상기 레이저 빔(110) 및 상기 핫 와이어(140)에 대해 상기 작업물(115)을 이동시키도록 명령한다. 상기 레이저 전원 공급 장치(130)는 상기 레이저 빔(110)을 형성하도록 상기 레이저 장치(120)를 작동시키기 위해 전력을 제공한다. 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)는 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 명령된 바와 같이 상기 핫 와이어(140)에 전류를 제공한다.
단계(320)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)과의 접촉이 끊기려고 할 때마다 감지한다(즉, 예측 기능(preminition capability)을 제공한다). 그러한 감지는 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간의 전위차의 변화율(dv/dt), 이들을 통한 전류의 변화율(di/dt), 이들 간의 저항의 변화율(dr/dt), 또는 이들을 통한 전력의 변화율(dp/dt) 중 하나의 변화율을 측정하는 상기 감지 및 전류 제어기(195) 내의 예측 회로에 의해 달성될 수 있다. 상기 변화율이 미리 정의된 값을 초과하는 경우, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 접촉의 끊어지려 한다는 것을 정식으로 예고한다. 그러한 예측 회로들은 아크 용접에 대한 기술분야에 잘 알려져 있다.
상기 와이어(140)의 상기 말단부가 가열로 인해 상당히 용융되는 경우, 상기 말단부는 상기 와이어(140)로부터 상기 작업물(115) 상으로 핀치 오프(pinch off)되기 시작할 수 있다. 예를 들면, 그 때에, 상기 와이어의 상기 말단부가 핀치 오프됨에 따라 그것의 단면이 급속히 감소하기 때문에, 상기 전위차 또는 전압이 증가한다. 그러므로, 그러한 변화율을 측정함으로써, 상기 시스템(100)은 상기 말단부가 핀치 오프되어 상기 작업물(115)과의 접촉이 끊기려고 하는 때를 예측할 수 있다. 또한, 접촉이 완전히 끊기는 경우, 0 볼트보다 현저하게 큰 전위차(즉, 전압 레벨)가 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정될 수 있다. 단계(330)에서 조치가 취해지지 않는 경우, 이 전위차는 상기 와이어(140)의 새로운 말단부과 상기 작업물(115) 간에 (원치 않는) 아크를 형성시킬 수 있다. 물론, 다른 실시예들에서, 상기 와이어(140)는 어떤 뚜렷한 핀칭(pinching)을 나타내지 않을 수 있지만, 대신에 상기 퍼들 내로 거의 일정한 단면을 유지하면서 연속적인 방식으로 상기 퍼들 내로 흐를 것이다.
단계(330)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)가 상기 작업물(115)과 접촉이 끊어지려 한다는 것을 감지한 것에 응답하여 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)를 통한 상기 가열 전류의 흐름을 끈다(또는 적어도 크게, 예를 들면, 95% 만큼 감소시킨다). 상기 감지 및 전류 제어기(195)가 접촉이 끊기려 한다는 것을 결정하는 경우, 상기 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 핫 와이어(140)에 공급되는 상기 전류를 차단하도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 명령한다. 이런 식으로, 원치 않는 아크의 형성이 방지되고, 스플래터(splatter) 또는 용락(burnthrough)과 같은 어떠한 원치 않는 효과들이 발생하는 것을 방지한다.
단계(340)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 계속해서 상기 작업물(115) 쪽으로 전진하는 상기 와이어(140)로 인해 상기 작업물(115)과 다시 접촉할 때마다 감지한다. 그러한 감지는 상기 감지 및 전류 제어기(195)가 (예를 들면, 상기 접촉관(160)을 통과하는) 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 약 0 볼트의 전위차를 측정함으로써 달성될 수 있다. 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)에 쇼트되는(즉, 상기 작업물과 접촉하는) 경우, 상기 필러 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 0 볼트를 넘는 현저한 전압 레벨이 존재하지 않을 수 있다. 상기 "다시 접촉한다(again makes contact)"는 구절은 본 명세서에서, 상기 와이어(140)의 상기 말단부가 실제로 상기 작업물(115)로부터 완전히 핀치 오프되든지 아니든지, 상기 와이어(140)가 상기 작업물(115) 쪽으로 전진하고 (상기 접촉관(160)을 통과하는) 상기 와이어(140)와 상기 작업물(115) 간에 상기 측정된 전압이 약 0 볼트인 상황을 말하는데 사용된다. 단계(350)에서, 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어의 상기 말단부가 상기 작업물과 다시 접촉한다는 것을 감지하는 것에 응답하여 상기 적어도 하나의 저항성 필러 와이어를 통해 상기 가열 전류의 흐름을 재인가(re-apply)한다. 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 와이어(140)를 계속하여 가열하기 위해 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 가열 전류를 재인가하도록 명령할 수 있다. 이 공정은 상기 오버레이(overlaying) 응용이 지속되는 동안 계속될 수 있다.
예를 들면, 도 4는 도 3의 개시 후 방법(300)과 연관된 한 쌍의 전압 및 전류 파형들(410 및 420)의 제 1 예시적 실시예를 각각 도시한다. 상기 전압 파형(410)은 상기 접촉관(160)과 상기 작업물(115) 사이에서 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정된다. 상기 전류 파형(420)은 상기 와이어(140)과 작업물(115)을 통해 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정된다.
상기 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)과 접촉이 끊기려 할 때마다, 상기 전압 파형(410)의 변화율(즉, dv/dt)은 미리 결정된 한계값을 초과할 것이고, 핀치 오프가 발생하려 한다고 표시할 것이다(상기 파형(410)의 지점(411)에서의 기울기(slope) 참조). 대안들로서, 상기 필러 와이어(140) 및 상기 작업물(115)을 통한 전류의 변화율(di/dt), 이들 간의 저항의 변화율(dr/dt), 또는 이들을 통한 전력의 변화율(dp/dt)이 핀치 오프가 발생하려 한다고 표시하기 위해 대신 이용될 수 있다. 그러한 변화율 예측 기법들은 본 발명이 속하는 기술분야에 잘 알려져 있다. 그 시점에서, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 와이어(140)를 통한 상기 전류의 흐름을 끄도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 명령할 것이다.
상기 감지 및 전류 제어기(195)가 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 일부 시간 간격(430) 이후에 상기 작업물(115)과 다시 양호하게 접촉되는 것(예를 들면, 상기 전압 레벨이 지점(412)에서 다시 약 0 볼트로 떨어지는 것)을 감지하는 경우, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 저항성 필러 와이어(140)를 통한 상기 전류의 흐름을 미리 결정된 출력 전류 레벨(450) 쪽으로 램프 업(ramp up)하도록(램프(425) 참조) 명령한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 램프 업은 설정 지점값(440)에서 시작된다. 상기 에너지 소스(120) 및 와이어(140)가 상기 작업물(115)에 대해 상대적으로 이동함에 따라 및 상기 와이어(140)가 상기 와이어 공급기(150)로 인해 상기 작업물(115) 쪽으로 전진함에 따라 이 과정이 반복된다. 이런 방식으로, 상기 와이어(140)의 상기 말단부와 상기 작업물(115) 간의 접촉은 대체로 유지되고, 상기 와이어(140)의 상기 말단부와 상기 작업물(115) 간에 아크가 형성되는 것이 방지된다. 상기 가열 전류의 램핑(ramping)은 전압의 변화율을 핀치 오프 조건 또는 아크 발생 조건(arcing condition)으로, 이러한 조건이 없는 경우에, 의도치 않게 해석하는 것을 방지하는데 도움이 된다. 전류의 임의의 큰 변화는 상기 가열 회로에서의 인덕턴스(inductance)로 인해 잘못된 전압 판독값을 취하도록 만들 수 있다. 상기 전류가 서서히 램프 업되는 경우, 인덕턴스의 상기 효과는 감소된다.
도 5는 도 3의 개시 후 방법과 연관된 한 쌍의 전압 및 전류 파형들(510 및 520)의 제 2 예시적 실시예를 각각 도시한다. 상기 전압 파형(510)은 상기 접촉관(160)과 상기 작업물(115) 간에 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정된다. 상기 전류 파형(520)은 상기 와이어(140)와 작업물(115)을 통해 상기 감지 및 전류 제어기(195)에 의해 측정된다.
상기 저항성 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 상기 작업물(115)과의 접촉이 끊기려고 할 때마다, 상기 전압 파형(510)의 변화율(즉, dv/dt)은 미리 결정된 한계값을 초과할 것이고, 핀치 오프가 발생하려 한다고 표시할 것이다(상기 파형(510)의 지점(511)에서 기울기 참조). 대안들로서, 상기 필러 와이어(140) 및 상기 작업물(115)을 통한 전류의 변화율(di/dt), 이들 간의 저항의 변화율(dr/dt), 또는 이들을 통한 전력의 변화율(dp/dt)이 핀치 오프가 발생하려 한다고 표시하기 위해 대신 이용될 수 있다. 그러한 변화율 예측 기법들은 본 발명이 속하는 기술분야에 잘 알려져 있다. 그 시점에서, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 와이어(140)를 통한 상기 전류의 흐름을 끄도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 명령할 것이다.
상기 감지 및 전류 제어기(195)가 상기 필러 와이어(140)의 상기 말단부가 일부 시간 간격(530) 이후에 상기 작업물(115)과 다시 양호하게 접촉되는 것(예를 들면, 상기 전압 레벨이 지점(512)에서 다시 약 0 볼트로 떨어지는 것)을 감지하는 경우, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 상기 저항성 필러 와이어(140)를 통한 가열 전류의 흐름을 인가하도록(가열 전류 레벨(525) 참조) 명령한다. 상기 에너지 소스(120) 및 와이어(140)가 상기 작업물(115)에 대해 상대적으로 이동함에 따라 및 상기 와이어(140)가 상기 와이어 공급기(150)로 인해 상기 작업물(115) 쪽으로 전진함에 따라 이 과정이 반복된다. 이런 방식으로, 상기 와이어(140)의 상기 말단부와 상기 작업물(115) 간의 접촉은 대체로 유지되고, 상기 와이어(140)의 상기 말단부와 상기 작업물(115) 간에 아크가 형성되는 것이 방지된다. 상기 가열 전류는 이 경우에 서서히 램핑되지 않으므로, 특정 전압 판독값들은 상기 가열 회로에서의 인덕턴스로 인해 의도치 않거나 잘못된 것으로 무시될 수 있다.
요약하면, 납땜, 클래딩, 빌딩없, 충진, 및 표면 경화 오버레이 응용들 중 임의의 것을 위해서든 조합 와이어 공급 및 에너지 소스 시스템을 개시하고 이용하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 고강도 에너지가 작업물을 가열하기 위해 상기 작업물 상으로 인가된다. 하나 이상의 저항성 필러 와이어들이 상기 작업물 쪽으로 상기 인가되는 고강도 에너지에 또는 상기 고강도 에너지 바로 앞에 공급된다. 상기 하나 이상의 저항성 필러 와이어들의 말단부가 상기 인가되는 고강도 에너지에서 또는 상기 고강도 에너지 근처에서 언제 상기 작업물과 접촉하는지의 감지가 수행된다. 상기 하나 이상의 저항성 필러 와이어들에 대한 전기적 가열 전류는 상기 하나 이상의 저항성 필러 와이어들의 상기 말단부가 상기 작업물과 접촉하고 있는지 여부에 기반하여 제어된다. 상기 인가되는 고강도 에너지 및 상기 하나 이상의 저항성 필러 와이어들은 서로에 대해 고정된 관계로 상기 작업물을 따라 동일 방향으로 이동된다. 또 다른 예시적 실시예들에서, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 용접 또는 접합 작업들에 이용된다. 상기 논의된 실시예들은 오버레이 작업들에 있어서 필러 금속들의 이용에 초점을 맞추었다. 그러나, 본 발명의 측면들은 작업물들이 용접 작업 및 필러 금속을 이용하여 접합되는 용접 및 접합 응용들에 이용될 수 있다. 필러 금속을 오버레이하는데 목표를 두고 있지만, 상기 설명한 실시예들, 시스템들 및 방법들은, 하기에서 더 상세히 설명되는, 용접 작업들에 이용되는 것과 유사하다. 그러므로, 다음의 논의들에서, 다른 언급이 없는 한, 상기 논의들이 일반적으로 적용된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 다음의 논의는 도 1 내지 도 5에 대한 참조를 포함할 수 있다.
용접/접합 작업들은 통상적으로 접합부를 형성하기 위해 필러 금속이 작업물 금속의 적어도 일부와 결합되는 용접 작업에서 다수의 작업물들을 서로 접합하는 것으로 알려져 있다. 용접 작업들에서 생산 처리량(production throughput)을 증가시키기를 원하기 때문에, 표준 이하의 품질을 갖는 용접부들(welds)을 초래하지 않는 보다 신속한 용접 작업들에 대한 지속적인 요구가 있다. 또한, 원격 작업 현장들에서와 같이, 불리한 환경 조건들 하에서 신속하게 용접할 수 있는 시스템들을 제공할 필요가 있다. 하기에 설명하는 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예들은 기존의 용접 기술들에 비해 현저한 이점들을 제공한다. 그러한 이점들은, 비한정적으로, 상기 작업물의 저왜곡(low distortion)을 가져오는 감소된 총 열 입력, 매우 높은 용접 진행 속도, 매우 낮은 스패터(spatter)율, 차폐(shielding) 없이 하는 용접, 스패터가 거의 없이 또는 스패터 없이 고속으로 도금된(plated) 또는 코팅된(coated) 물질들의 용접 및 고속으로 복잡한 물질들의 용접을 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예들에서, 아크 용접 대비, 매우 높은 용접 속도가, 통상적으로 상당한 준비 작업을 요구하고 아크 용접 방법들을 사용하여 훨씬 느린 용접 공정들인, 코팅된 작업물들을 이용하여 얻어질 수 있다. 일 예로서, 다음의 논의는 아연 도금(galvanized) 작업물들을 용접하는 것에 초점을 맞출 것이다. 금속의 아연 도금은 상기 금속의 내식성을 높이는데 이용되며 많은 산업적 응용들에 있어서 바람직하다. 그러나, 종래의 아연 도금 작업물들의 용접은 문제가 있을 수 있다. 구체적으로, 용접 중에, 아연 도금의 아연이 기화되고, 이 아연 증기가 용접 퍼들(weld puddle) 고형화됨에 따라 상기 용접 퍼들에 갇힐 수 있어, 기공(porosity)을 유발할 수 있다. 이 기공은 용접 접합부의 강도에 부정적인 영향을 미친다. 이 때문에, 기존 용접 기법들은 상기 아연 도금을 제거하거나 또는 더 낮은 가공 속도로 및 일정 수준의 결함들(defects)을 가지고 상기 아연 도금을 관통하여 용접하는 제 1 단계를 요구한다 - 이는 비효율적이고 지연을 유발하거나, 또는 상기 용접 공정이 천천히 진행될 것을 요구한다. 상기 공정을 늦춤으로써, 상기 용접 퍼들은 상기 기화된 아연이 빠져 나갈 수 있도록 하는 더 긴 시간 동안 용융된 상태로 남아 있다. 그러나, 상기 느린 속도 때문에, 생산 속도가 느리고 상기 용접부로의 전체 열 입력이 높을 수 있다. 유사한 문제를 야기할 수 있는 다른 코팅들은, 비한정적으로, 페인트, 스탬핑 윤활제들(stamping lubricants), 유리 라이닝들(glass linings), 알루미늄 처리 코팅들(aluminized coatings), 표면 열처리, 질화 또는 탄화 처리들, 클래딩 처리들, 또는 기타 기화 코팅들 또는 물질들을 포함한다. 하기에 설명하는 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예들은 이러한 문제들을 제거한다.
도 6 및 도 6a(각각 단면 및 측면도)로 돌아오면, 대표적인 용접 겹침 접합부(welding lap joint)가 도시되어 있다. 이 도면에서, 두 개의 코팅된(예를 들면,아연 도금된) 작업물들(W1/W2)이 겹침 용접부(lap weld)와 함께 접합될 것이다. 상기 겹침 접합부 표면들(601 및 603)은 초기에 상기 코팅뿐만 아니라 작업물(W1)의 표면(605)으로 덮혀 있다. 통상적인 용접 작업(예를 들면, GMAW)에서, 상기 덮혀 있는 표면(605)의 부분들은 용융된다. 이는 표준 용접 작업의 통상적인 침투 깊이(depth of penetration) 때문이다. 상기 표면(605)은 용융되기 때문에, 상기 표면(605) 상의 상기 코팅은 기화되지만, 그러나 상기 용접 풀(weld pool)의 표면으로부터 상기 표면(605)의 거리가 크기 때문에, 가스들은 상기 용접 풀이 고형화됨에 따라 갇힐 수 있다. 본 발명의 실시예들을 이용하면, 이는 발생하지 않는다.
도 6 및 도 6a에 나타낸 바와 같이, 레이저 빔(110)이 상기 레이저 장치(120)로부터 상기 용접 접합부, 구체적으로 상기 표면들(601 및 603)로 겨냥된다. 상기 레이저 빔(110)은 용융 퍼들들(601A 및 603A)을 생성하는 상기 용접 표면들의 부분들을 용융시키기 위한 에너지 밀도이며, 이는 일반적인 용접 퍼들을 생성한다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 저항-가열되는, 필러 와이어(140)는 용접 비드(weld bead)를 위한 필요한 필러 물질을 제공하기 위해 상기 용접 퍼들로 향해진다. 대부분의 용접 공정들과 달리, 상기 필러 와이어(140)는 용접 공정 동안 접촉하여 상기 용접 퍼들로 빠져 들어간다. 이는 이 공정이 상기 필러 와이어(140)를 전송하기 위해 용접 아크를 이용하지 않고 대신에 상기 필러 와이어를 상기 용접 퍼들 내로 용융시키기 때문이다.
상기 필러 와이어(140)는 그것의 융점 또는 그 근처로 사전가열되기 때문에, 상기 용접 퍼들 내의 그것의 존재는 상기 퍼들을 상당하게 냉각 또는 고형화시키지 않을 것이며 상기 용접 퍼들 내로 신속하게 소모된다. 상기 필러 와이어(140)의 일반적인 작업 및 제어는 상기 오버레이 실시예들에 대해 앞서 설명한 바와 같다.
상기 레이저 빔(110)은 상기 표면들(601/603)에 정밀하게 포커싱되고 겨냥될 수 있기 때문에, 상기 풀들(601A/603A)에 대한 침투 깊이는 정밀하게 제어될 수 있다. 이 깊이를 조심스럽게 제어함으로써, 본 발명의 실시예들은 상기 표면(605)의 어떠한 불필요한 침투 또는 용융도 방지한다. 상기 표면(605)이 과도하게 용융되지 않기 때문에, 상기 표면(605) 상의 어떠한 코팅도 기화되지 않으며 상기 용접 퍼들에 갇히게 되지 않는다. 또한, 상기 용접 접합부(601 및 603)의 상기 표면 상의 어떠한 코팅도 상기 레이저 빔(110)에 의해 쉽게 기화되고 그 가스가, 상기 용접 퍼들이 고형화되기 전에, 상기 용접 영역(weld zone)을 빠져나갈 수 있게 된다. 가스 추출 시스템이 어떠한 기화되는 물질들이든지 제거하는데 도움이 되도록 이용될 수 있다.
용접 퍼들 침투의 깊이는 정밀하게 제어될 수 있기 때문에, 기공은 현저하게 최소화 또는 제거하면서, 코팅된 작업물을 용접하는 속도는 크게 증가될 수 있다. 일부 아크 용접 시스템은 용접에 대해 양호한 진행 속도를 달성할 수 있지만, 보다 높은 속도에서 기공 및 스패터와 같은 문제들이 발생할 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, (본 명세서에서 논의되는 바와 같이) 기공 또는 스패터가 거의 없이 또는 전혀 없이 매우 높은 진행 속도가 달성될 수 있으며, 실제로 50 inches/min을 초과하는 진행 속도가 많은 상이한 유형의 용접 작업들에 대해 달성될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 80 inches/min을 초과하는 용접 진행 속도를 달성할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의되는 바와 같이, 다른 실시예들은 기공 또는 스패터를 최소화하거나 또는 전혀 없이 100 inches/min 내지 150 inches/min 범위의 진행 속도를 달성할 수 있다. 물론, 달성되는 속도들은 작업물 특성들(두께 및 조성) 및 와이어 특성들(예를 들면, 직경)의 함수일 것이지만, 이러한 속도들은, 본 발명의 실시예들을 이용하는 경우, 많은 상이한 용접 및 접합 응용들에서 쉽게 달성가능하다. 또한, 이들 속도들은 100% 이산화탄소 차폐 가스와 함께 달성될 수 있거나, 또는 아무런 차폐 없이 달성될 수 있다. 또한, 이들 진행 속도들은 상기 용접 퍼들의 생성 및 용접 이전에 어떠한 표면 코팅도 제거함이 없이 달성될 수 있다. 물론, 더 높은 진행 속도들이 달성될 수 있음을 고려할 수 있다. 나아가, 상기 용접부로의 감소된 열 입력으로 인해, 이들 높은 속도들은, 왜곡을 방지하기 위해 열 입력이 낮게 유지되어야 하기 때문에 통상적으로 보다 느린 용접 속도를 갖는, 보다 얇은 작업물들(115)에 있어서 달성될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 기공 또는 스패터가 거의 없이 또는 전혀 없이 상기 설명한 높은 진행 속도들을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 저혼합(low admixture)으로, 매우 높은 퇴적 속도를 또한 달성할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 차폐 가스 없이 및 기공 또는 스패터가 거의 없이 또는 전혀 없이 10 lb/hr 이상의 퇴적 속도를 달성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 퇴적 속도는 10 lb/hr 내지 20 lb/hr 범위이다.
본 발명의 예시적 실시예들에서, 이러한 매우 높은 진행 속도들은 기공이 거의 또는 전혀 없이 및 스패터가 거의 또는 전혀 없이 달성된다. 용접부의 기공은 기공률(porosity ratio)을 식별하기 위해 상기 용접 비드의 단면 및/또는 길이를 조사하여 결정될 수 있다. 상기 단면 기공률은 해당 지점에서의 상기 용접 접합부의 총 단면적 분의 주어진 단면에서의 기공의 총 면적이다. 상기 길이 기공률은 주어진 용접 접합부의 단위 길이에서 기공들의 총 축적된 길이이다. 본 발명의 실시예들은 0%와 20% 사이의 단면 기공률을 가지면서 상기 설명한 진행 속도들을 달성할 수 있다. 따라서, 버블(bubbles) 또는 공동(cavities)이 없는 용접 비드는 0% 기공률을 가질 것이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 단면 기공율은 0% 내지 10% 범위일 수 있으며, 다른 실시예에서는, 2% 내지 5% 범위일 수 있다. 일부 용접 응용들에서, 특정 레벨의 기공률은 수용가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 용접부의 길이 기공률은 0% 내지 20% 범위이고, 0% 내지 10% 일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 길이 기공률은 1% 내지 5% 범위이다. 따라서, 예를 들면, 단면 기공율이 2% 내지 5% 범위이고 길이 기공률이 1% 내지 5%인 용접부들이 생성될 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예들은 스패터가 거의 또는 전혀 없는 상기 확인된 진행 속도들로 용접할 수 있다. 상기 용접 퍼들의 액적들(droplets)이 유발되어 상기 용접 영역 외부로 튀는 경우 스패터가 발생한다. 용접부 스패터가 발생하는 경우, 그것은 상기 용접부의 품질을 악화시킬 수 있고 생산 지연을 유발할 수 있으므로, 그것은 통상적으로 용접 공정 후에 상기 작업물들에서 세정되어야만 한다. 따라서, 스패터 없이 고속으로 용접하는데 큰 이점이 있다. 본 발명의 실시예들은 0 내지 0.5의 스패터 인자(spatter factor)를 가지면서 상기 높은 진행 속도들로 용접할 수 있으며, 여기서 상기 스패터 인자는 주어진 진행 거리(X)에 걸친 상기 소모된 필러 와이어(140)의 중량(Kg 단위) 분의 동일한 거리(X)에 걸친 상기 스패터의 중량(mg 단위)이다. 즉:
스패터 인자=(스패터 중량(mg)/소모된 필러 와이어 중량(kg))
상기 거리(X)는 상기 용접 접합부의 대표적인 샘플링을 감안한 거리여야 한다. 즉, 상기 거리(X)가 너무 짧은, 예를 들면, 0.5 inch인 경우, 그것은 상기 용접부를 대표하지 못할 수 있다. 따라서, 0의 스패터 인자를 갖는 용접 접합부는 상기 거리(X)에 걸쳐 상기 소모된 필러 와이어에 대해 아무런 스패터도 갖지 않을 것이고, 2.5의 스패터 인자를 갖는 용접부는 2 Kg의 소모된 필러 와이어에 대해 5 mg의 스패터를 가지게 될 것이다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 스패터 인자는 0 내지 1의 범위이다. 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 스패터 인자는 0 내지 0.5 범위이다. 본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 상기 스패터 인자는 0 내지 0.3 범위이다. 본 발명의 실시예들은, 차폐 가스 또는 아니면 플럭스 차폐를 포함하는, 어떠한 외부적인 차폐를 사용하여 또는 사용하지 않고 상기 설명한 스패터 인자 범위들을 달성할 수 있다. 나아가, 상기 스패터 인자 범위들은, 아연 도금된 작업물들 - 용접 작업 이전에 상기 아연 도금을 제거함이 없이 - 을 포함하여 코팅되지 않은 또는 코팅된 작업물들을 용접하는 경우, 달성될 수 있다.
용접 접합부에 대해 스패터를 측정하는 많은 방법들이 있다. 한 가지 방법은 "스패터 보트(spatter boat)"의 사용을 포함할 수 있다. 그러한 방법에 대해, 대표적인 용접부 샘플은 용접 비드에 의해 발생되는 상기 스패터를 모두 또는 거의 모두 포획(capture)하기에 충분한 크기를 갖는 용기(container)에 놓여진다. 상기 용기 또는 상기 용기의, 상단과 같은, 부분들은 상기 스패터가 포획되는 것을 보장하기 위해 상기 용접 공정과 함께 이동할 수 있다. 통상적으로, 상기 보트는 구리로 만들어지고, 따라서 상기 스패터는 상기 표면들에 들러붙지 않는다. 상기 대표적인 용접은 상기 용접 중에 생성되는 어떠한 스패터라도 상기 용기 내로 떨어지도록 상기 용기의 바닥 위쪽에서 수행된다. 상기 용접 중에, 소모되는 필러 와이어의 양이 모니터링된다. 상기 용접이 완료된 후, 상기 스패터 보트는, 있다면, 상기 용기의 용접 전과 용접 후 중량 간의 차이를 결정하기에 충분한 정확도를 갖는 장치에 의해 중량이 측정되어야 한다. 이 차이는 상기 스패터의 중량을 나타내며, 다음에 상기 소모된 필러 와이어의, Kg 단위의, 양으로 나누어진다. 대안적으로, 상기 스패터가 상기 보트에 들러붙지 않는 경우, 상기 스패터는 제거되어 그 자체로 중량 측정될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 레이저 장치(120)의 사용은 상기 용접 퍼들의 깊이를 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 나아가, 상기 레이저(120)의 사용은 상기 용접 퍼들의 크기 및 깊이를 쉽게 조절할 수 있게 한다. 이는 상기 레이저 빔(110)이 쉽게 포커싱/디포커싱될 수 있거나 또는 그 빔 강도를 매우 쉽게 변경하기 때문이다. 이들 능력들로 인해, 상기 작업물들(W1 및 W2) 상의 열 분포는 정밀하게 제어될 수 있다. 이 제어는 정밀한 용접을 위한 매우 좁은 용접 퍼들들을 생성할 수 있게 할 뿐만 아니라 상기 작업물의 상기 용접 영역의 크기를 최소화할 수 있게 한다. 이는 또한 상기 용접 비드에 의해 영향받지 않는 상기 작업물의 영역들을 최소화하는데 이점을 제공한다. 구체적으로, 상기 용접 비드에 인접한 상기 작업물의 영역들은, 종종 아크 용접 작업에 있어서의 경우가 아닌, 상기 용접 작업으로부터 최소한의 영향을 받게 될 것이다.
본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 빔(110)의 형태 및/또는 강도는 상기 용접 공정 중에 조정/변경될 수 있다. 예를 들면, 작업물 상의 특정 장소들에서 침투 깊이를 변경하거나 또는 상기 용접 비드의 크기를 변경하는 것이 필요할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 빔(110)의 형태, 강도, 및/또는 크기는, 상기 용접 파라미터들의 필요한 변경을 제공하기 위해, 상기 용접 공정 동안 조정될 수 있다.
상기한 바와 같이, 상기 필러 와이어(140)는 상기 레이저 빔(110)과 동일한 용접 퍼들에 충돌한다. 예시적 실시예에서, 상기 필러 와이어(140)는 상기 레이저 빔(110)과 동일한 위치에서 상기 용접 퍼들에 충돌한다. 그러나, 다른 예시적 실시예들에서, 상기 필러 와이어(140)는 상기 레이저 빔으로부터 멀리 떨어져서 동일한 용접 퍼들에 충돌할 수 있다. 도 6a에 나타낸 실시예에서, 상기 필러 와이어(140)는 상기 용접 작업 동안 상기 빔(110)을 추적한다. 그러나, 상기 필러 와이어(140)가 선행하는 위치에 위치함에 따라 그것은 필요하지 않게 된다. 상기 필러 와이어(140)가 상기 빔(110)과 동일한 용접 퍼들에 충돌하는 한 상기 필러 와이어(140)는 상기 빔(110)에 대해 상대적으로 다른 위치들에 위치할 수 있으므로, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다.
상기에서 설명한 실시예는, 아연 도금과 같은, 코팅을 갖는 작업물들에 관하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 또한 코팅을 갖지 않는 작업물들 상에서 이용될 수 있다. 구체적으로, 동일한 상기에서 설명한 용접 공정이 코팅되지 않은 작업물들과 함께 이용될 수 있다. 그러한 실시예들은 코팅된 금속들에 관해 상기에서 설명한 바와 동일한 성능 특성들을 달성한다.
또한, 본 발명의 예시적 실시예들은 강철(steel) 작업물들에 제한되는 것이 아니라, 하기에서 더 설명될 바와 같이, 알루미늄, 또는 더 복잡한 금속들을 용접하는데도 또한 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 측면은 차폐 가스와 관련된다. 통상적인 아크 용접 작업에서, 차폐 가스 또는 차폐 플럭스는 대기 중의 산소 및 질소, 또는 다른 유해한 원소들이 상기 용접 퍼들 및 금속 이행(metal transfer)과 상호작용하는 것을 방지하는데 이용된다. 그러한 간섭은 상기 용접부의 품질 및 외관에 해로울 수 있다. 그러므로, 거의 모든 아크 용접 공정들에서, 외부적으로 공급되는 차폐 가스, 위에 플럭스를 갖는 전극(예를 들면, 스틱 전극, 플럭스 코어드 전극 등)의 소모에 의해 또는 외부적으로 공급되는 입상화(granulated) 플럭스(예를 들면, 서브-아크 용접)에 의해 생성되는 차폐 가스를 사용하여 차폐가 제공된다. 또한, 전문화된 금속들의 용접 또는 아연 도금된 작업물들의 용접과 같은 일부 용접 작업들에서, 특별한 차폐 가스 혼합물이 사용되어야 한다. 그러한 혼합물들은 매우 값이 비쌀 수 있다. 또한, 극단적인 환경들에서 용접하는 경우, 종종 많은 양의 차폐 가스를 (파이프라인들에서와 같이) 작업 현장으로 전송하는 것이 어렵거나, 또는 바람이 상기 차폐 가스를 상기 아크로부터 불어 날리기 쉽다. 또한, 흄 추출 시스템들의 사용이 최근에 증가하였다. 이들 시스템들은 흄들을 제거하기 쉬운 반면에, 그것들은 상기 용접 작업에 가까이 위치하는 경우 차폐 가스를 끌어내기도 쉽다.
본 발명의 이점들은 용접시 차폐 가스를 최소한의 양으로 사용하거나 또는 전혀 사용하지 않을 수 있다는 것을 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 실시예들은 보통 특정 용접 작업에 사용될 수 없는 차폐 가스들을 사용할 수 있게 한다. 이는 하기에서 더 논의된다.
아크 용접 공정으로 통상의 (코팅되지 않은) 작업물들을 용접하는 경우, 차폐가 - 그 형태와 상관없이 - 요구된다. 본 발명의 실시예들로 용접하는 경우, 아무런 차폐도 필요하지 않다는 것이 발견되었다. 즉, 아무런 차폐 가스, 아무런 입상(granular) 플럭스 및 아무런 자체-차폐(self-shielding) 전극들도 사용될 필요가 없다는 것이다. 그러나, 아크 용접 공정에서와 달리, 본 발명은 양질의 용접부를 생성한다. 즉, 상기 설명한 용접 속도들이 어떠한 차폐도 사용하지 않고 달성될 수 있다. 이는 이전의 아크 용접 공정들에서는 달성될 수 없었을 것이다.
통상의 아크 용접 공정 중에, 상기 필러 와이어의 용융 액적(molten droplet)은 상기 필러 와이어에서 상기 용접 퍼들로 상기 용접 아크를 통해 전송된다. 차폐가 없다면, 상기 액적의 전 표면이 전송 중에 대기에 노출되고 이와 같이 대기 중의 질소 및 산소를 잡아들여 상기 질소 및 산소를 상기 용접 퍼들로 전달하기 쉽다. 이는 바람직한 것이 아니다.
본 발명은, 액적들 또는 유사한 공정들을 사용하지 않고, 상기 필러 와이어를 상기 용접부로 전달하기 때문에, 상기 필러 와이어가 그만큼 대기에 노출되지 않는다. 그러므로, 많은 용접 응용들에서, 차폐의 사용을 필요로 하지 않는다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들은 기공 또는 스패터가 거의 또는 전혀 없이 높은 용접 속도들을 달성할 뿐만 아니라, 차폐 가스를 사용하지 않고도 그렇게 할 수 있다.
차폐를 사용할 필요 없이, 용접 중에 흄 추출 노즐을 상기 용접 접합부에 훨씬 더 가깝게 위치시키는 것이 가능하며, 이에 따라 더 효율적이고 효과적인 흄 추출을 제공할 수 있다. 차폐 가스가 이용되는 경우, 흄 추출 노즐을 그것이 상기 차폐 가스의 기능과 간섭하지 않도록 위치시키는 것이 필요하다. 본 발명의 이점들로 인해, 그러한 제한이 없으며 흄 추출이 최적화될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 레이저 빔(110)은 상기 빔을 상기 레이저(120)에서부터 상기 작업물(115)의 표면 근처까지 차폐하는 레이저 슈라우드 어셈블리(laser shroud assembly, 1901)에 의해 보호된다. 이것의 표현은 도 19에서 볼 수 있다. 상기 슈라우드(1901)(단면으로 도시)는 상기 빔(110)을 간섭으로부터 보호하고 작업 동안 추가적인 안전을 제공한다. 나아가, 상기 슈라우드는, 상기 용접 영역으로부터 멀어지는 어떠한 용접 흄들이라도 끌어들이는, 흄 추출 시스템(1903)에 결합될 수 있다. 실시예들은 아무런 차폐 가스 없이 이용될 수 있기 때문에, 상기 슈라우드(1901)는 상기 용접 영역으로부터 멀어지는 상기 흄들을 직접 끌어들이기 위해 상기 용접부에 매우 가깝게 위치될 수 있다. 실제로, 상기 슈라우드(1901)는 상기 용접부 위쪽으로 그것의 거리(Z)가 0.125 인치 내지 0.5 인치 범위가 되도록 위치될 수 있다. 물론, 다른 거리들이 사용될 수 있지만, 상기 용접 퍼들을 교란시키지 않도록 또는 상기 슈라우드(1901)의 유효성을 현저하게 떨어뜨리지 않도록 주의 해야 한다. 흄 추출 시스템들(1903)은 용접 산업에서 일반적으로 이해되고 알려져 있기 때문에, 그 구성 및 작용은 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다. 도 19는 상기 슈라우드(1901)가 단지 상기 빔(110)만을 보호하는 것을 보여주고 있지만, 상기 슈라우드(1901)가 그것이 상기 와이어(140) 및 접촉팁(160)의 적어도 일부를 포괄하도록 구성되는 것도 물론 가능하다. 예를 들면, 상기 슈라우드(1901)의 바닥 개구부가, 흄 추출을 증가시키기 위하여, 거의 전체 용접 퍼들을 덮을 정도로 충분히 크거나, 또는 상기 용접 퍼들보다 더 큰 것도 가능하다.
아연 도금된 작업물들과 같은, 코팅된 작업물들을 용접하는데 이용되는 본 발명의 예시적 실시예들에서, 훨씬 덜 비싼 차폐 가스가 이용될 수 있다. 예를 들면, 100% CO2 차폐 가스가, 연강(mild steels)을 포함하여, 많은 상이한 물질들을 용접하는데 이용될 수 있다. 이는 또한, 단지 100% 질소 차폐 가스만으로 용접될 수 있는, 스테인리스강, 듀플렉스강(duplex steel) 및 슈퍼 듀플렉스강(super duplex steel)과 같은, 더 복잡한 금속들을 용접하는 경우에도, 적용된다. 통상의 아크 용접 작업들에서, 스테인리스강, 듀플렉스강 또는 슈퍼 듀플렉스강이 용접은, 매우 비쌀 수 있는, 더 복잡한 차폐 가스 혼합물을 필요로 한다. 본 발명의 실시예들은 이들 강철들이 단지 100% 질소 차폐 가스만으로 용접될 수 있도록 한다. 또한, 다른 실시예들은 이들 강철들이 아무런 차폐 없이 용접될 수 있도록 한다. 아연 도금된 물질들을 위한 통상의 용접 공정에서, 아르곤/CO2 배합과 같은, 특별한 혼합 차폐 가스가 사용되어야 한다. 보통의 아크 용접 동안, 음극 및 양극이 상기 용접 영역에 존재하기 때문에, 부분적으로, 이 유형의 가스가 사용될 필요가 있다. 그러나, 상기에서 설명되고 하기에서 더 설명되는 바와 같이, 용접 아크가 없고, 이와 같이, 상기 용접 영역에 양극 또는 음극이 없다. 그러므로, 아크가 없고 및 액적 이행(droplet transfer)이 없으므로, 상기 필러 메탈이 대기로부터 유해한 원소들을 잡아들일 기회가 크게 감소된다. 본 발명의 많은 실시예들이, 차폐 가스와 같은, 차폐의 이용 없이 용접할 수 있게 한다 하더라도, 상기 용접 영역으로부터 증기 또는 오염물들을 제거하기 위해 상기 용접부 위로 가스 흐름을 이용할 수 있다는 것을 주의해야 할 것이다. 즉, 용접 중에, 공기, 질소, CO2, 또는 기타 가스들이 상기 용접 영역으로부터 오염물들을 제거하도록 상기 용접부 위로 날려보낼 수 있다는 것을 고려할 수 있다.
고속으로 코팅된 물질들을 용접할 수 있다는 것에 부가하여, 본 발명의 실시예들은 또한 현저히 감소된 열 영향부(heat affected zone, HAZ)와 함께 이상 조직강(dual-phase steel)을 용접하는데 이용될 수 있다. 이상 조직강은 페라이트(ferrite) 및 마르텐사이트(martensitic) 마이크로구조를 갖는 고강도 강철이며, 따라서 상기 강철이 고강도 및 양호한 성형성을 가질 수 있다. 이상 조직강들의 본성으로 인해, 이상 조직강 용접부의 강도는 상기 열 영향부의 강도에 의해 제한된다. 상기 열 영향부는 그것의 마이크로구조가 상기 아크 용접 공정으로 인해 부정적으로 변화되도록 상기 용접 공정으로부터 현저히 가열되는 (상기 필러 금속을 포함하지 않는) 상기 용접 접합부 주위의 영역이다. 공지된 아크 용접 공정들에서, 상기 열 영향부는, 아크 플라즈마의 크기 및 상기 용접 영역으로의 높은 열 입력으로 인해, 매우 크다. 상기 열 영향부가 매우 크기 때문에, 상기 열 영향부는 상기 용접부의 강도 제한 부분이 된다. 이와 같이, 고강도 전극들의 사용이 불필요하므로, 아크 용접 공정들은 통상적으로 그러한 접합부들을 용접하기 위해 연강 필러 와이어들(140)을 이용한다(예를 들면, ER70S-6, 또는 -3 유형 전극들). 나아가, 이로 인해, 설계자들은 이상 조직강들에서의 용접 접합부들을 전략적으로 고스트레스(high stress) 구조들 - 자동차 프레임, 범퍼, 엔진 크레이들 등에서와 같이 - 에서 벗어나도록 위치시켜야 한다.
상기한 바와 같이, 상기 레이저 장치(12)의 사용은 상기 용접 퍼들의 생성에 있어서 높은 수준의 정밀도를 제공한다. 이 정밀도로 인해, 상기 용접 비드를 둘러싸는 상기 열 영향부가 매우 작게 유지될 수 있거나, 또는 상기 작업물에 대한 상기 열 영향부의 전체 효과가 최소화될 수 있다. 실제로, 일부 실시예들에서, 상기 작업물의 상기 열 영향부는 거의 제거될 수 있다. 이는 상기 레이저 빔(110)의 초점을 퍼들이 생성되어야 할 상기 작업물의 부분들에만 유지함으로써 성취된다. 상기 열 영향부의 크기를 현저하게 감소시킴으로써, 상기 베이스 금속의 강도는 아크 용접 공정이 이용되는 경우만큼 나빠지지 않는다. 이와 같이, 상기 열 영향부의 존재 또는 위치는 용접 구조물의 설계에 있어서 더 이상 제한 인자가 아니다. 본 발명의 실시예들은, 상기 열 영향부 대신에, 상기 작업물의 조성과 강도 및 상기 필러 와이어의 강도가 구조적 설계에 있어서 구동 인자들이 될 수 있기 때문에, 보다 고강도의 필러 와이어들을 이용할 수 있게 한다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 이제, ER80S-D2 유형 전극들과 같이, 적어도 80 ksi 항복 강도(yield strength)를 갖는 전극들을 사용할 수 있게 한다. 물론, 이 전극은 예시하고자 한 것이다. 나아가, 다음으로 아크 용접으로부터 열 입력이 더 적기 때문에, 상기 퍼들의 냉각 속도가 더 빨라질 것이며, 이는 사용되는 필러 와이어들의 화학적 특성(chemistry)이 약해질 수 있지만 기존 와이어보다 동등 이상의 성능을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 현저히 감소된 차폐 요구조건들과 함께 티탄(titanium)을 용접하는데 이용될 수 있다. 아크 용접 공정으로 티탄을 용접하는 경우, 허용가능한 용접부가 생성되는 것을 보장하기 위해 매우 주의해야 한다는 것이 알려져 있다. 이는 상기 용접 공정 동안 티탄이 강한 친화성을 가져 산소와 반응하기 때문이다. 티탄과 산소 간의 반응은, 상기 용접 풀에 존재한다면 상기 용접 접합부의 강도 및/또는 연성(ductility)을 현저히 감소시킬 수 있는, 이산화티탄을 생성시킨다. 이 때문에, 티탄을 아크 용접하는 경우, 상기 퍼들이 냉각됨에 따라 대기로부터 상기 아크뿐만 아니라 후행하는(trailing) 용융 퍼들을 차폐하기 위해 매우 많은 양의 후행하는 차폐 가스를 제공할 필요가 있다. 아크 용접으로부터 발생되는 열로 인해, 상기 용접 퍼들은 매우 크고 장시간 동안 용융된 채로 남아 있을 수 있으며, 따라서 상당한 양의 차폐 가스를 필요로 한다. 본 발명의 실시예들은 물질이 용융되고 급속히 냉각되는 시간을 현저히 감소시켜 이 여분의 차폐 가스에 대한 필요가 감소된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 상기 레이저 빔(110)은 상기 용접 영역으로의 전체 열 입력을 현저히 감소시켜 이에 따라 상기 용접 퍼들의 크기를 현저히 감소시키도록 매우 조심스럽게 포커싱될 수 있다. 상기 용접 퍼들이 더 작기 때문에, 상기 용접 퍼들이 훨씬 빨리 냉각된다. 이와 같이, 상기 용접부에 후행(trailing) 차폐 가스뿐만 아니라 차폐도 필요 없게 된다. 또한, 상기에서 논의된 유사한 이유로, 용접 속도가 증가되지만, 티탄 용접시 스패터 인자가 크게 감소된다.
도 7 및 도 7a로 돌아오면, 개방 루트형(open root type) 용접 접합부가 나타나 있다. 개방 루트 접합부들은 종종 두꺼운 판들 및 파이프들을 용접하는데 이용되며 종종 원격 및 환경적으로 어려운 장소들에서 발생할 수 있다. 차폐 금속 아크 용접(shielded metal arc welding, SMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding, GTAW), 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW), 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding, FCAW), 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding, SAW), 및 자체 차폐, 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding, self shielded, FCAW-S)를 포함하여, 개방 루트 접합부들을 용접하는 많은 알려지 방법들이 있다. 이들 용접 공정들은 차폐의 필요, 속도 한계, 슬래그의 생성, 등을 포함하는 다양한 단점들을 가진다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 이러한 유형의 용접들이 수행될 수 있는 효율 및 속도를 크게 향상시킨다. 구체적으로, 차폐 가스의 사용이 제거되거나 또는 크게 감소될 수 있으며, 슬래그의 발생이 완전히 제거될 수 있다. 나아가, 고속의 용접이 최소한의 스패터 및 기공과 함께 얻어질 수 있다.
도 7 및 도 7a는 본 발명의 예시적 실시예들에 의해 용접되는 대표적인 개방 루트 용접 접합부들을 보여준다. 물론, 본 발명의 실시예들은, 단지 겹침(lap) 또는 개방 루트형 접합부들만이 아니라, 매우 다양한 용접 접합부들을 용접하는데 이용될 수 있다. 도 7에서, 갭(705)이 상기 작업물들(W1/W2) 사이에 도시되어 있고 각각의 작업물은 경사진(angled) 표면(701/703)을 가진다. 바로 상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 상기 표면들(701/703) 위에 정밀한 용융 퍼들을 생성시키기 위해 레이저 장치(120)를 사용하며, 예비-가열된 필러 와이어(미도시)는, 상기한 바와 같이, 상기 퍼들들 내로 각각 퇴적된다.
실제로, 본 발명의 예시적 실시예들은 단일 필러 와이어를 각각의 용접 퍼들로 겨냥하는 것에 제한되지 않는다. 본 발명에서 설명되는 용접 공정에서는 용접 아크가 발생되지 않기 때문에, 한 개를 초과하는 필러 와이어가 어느 하나의 용접 퍼들로 겨냥될 수 있다. 주어진 용접 퍼들에 대해 필러 와이어의 수를 증가시킴으로써, 상기 용접 공정의 전체 퇴적 속도는 열 입력의 현저한 증가 없이 현저하게 증가될 수 있다. 따라서, (도 7 및 도 7a에 도시된 유형과 같은) 개발 루트 용접 접합부들이 단일 용접 패스(weld pass)로 충진될 수 있다고 생각할 수 있다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 다수의 레이저 빔들(110 및 110A)이 상기 용접 접합부에서 하나 초과의 위치를 동시에 용융시키기 위해 이용될 수 있다. 이는 많은 방법들로 성취될 수 있다. 도 7에 나타낸, 제 1 실시예에서, 빔 스플리터(121)가 사용되어 상기 레이저 장치(120)에 결합된다. 빔 스플리터(121)는 레이저 장치들을 알 수 있을 만한 자들에게 알려져 있으며 본 명세서에서 상세히 논의될 필요가 없다. 상기 빔 스플리터(121)는 상기 레이저 장치(120)로부터의 빔을 두 개(또는 두 개 이상)의 별개의 빔들(110/110A)로 분열시키고 이들을 두 개의 상이한 표면들로 향하게 할 수 있다. 그러한 실시예에서, 다수의 표면들이 동시에 조사될 수 있어, 용접에 있어서 더 나은 정밀도 및 정확도를 제공한다. 다른 실시예에서, 상기 별개의 빔들(110 및 110A)은 각각 별개의 레이저 장치에 의해 생성될 수 있으며, 이에 따라 각각의 빔은 그 자체의 전용 장치로부터 방출된다.
그러한 실시예에서, 다수의 레이저 장치들을 이용하여, 상기 용접 작업의 많은 측면들이 상이한 용접 요구들에 적합하도록 변화될 수 있다. 예를 들면, 상기 별개의 레이저 장치들에 의해 발생되는 상기 빔들은 상이한 에너지 밀도를 가질 수 있고; 상기 용접 접합부에서 상이한 형태들, 및/또는 상이한 단면적들을 가질 수 있다. 이러한 유연성과 함께, 상기 용접 공정의 측면들은 필요한 어떠한 특정 용접 파라미터들이든지 만족시키도록 변경 및 맞춤화될 수 있다. 물론, 이는 단일 레이저 장치 및 빔 스플리터(121)의 사용과 함께 달성될 수도 있지만, 상기 유연성의 일부는 상기 단일 레이저 소스의 사용과 함께 제한될 수 있다. 또한, 레이저들이 원하는 대로 얼마든지 사용될 수 있다고 생각할 수 있으므로, 본 발명은 단일 또는 아니면 이중 레이저 구성에 제한되지 않는다.
또 다른 예시적 실시예들에서, 빔 스캐닝 장치가 사용될 수 있다. 그러한 장치들은 레이저 또는 빔 방출 기술분야에 잘 알려져 있으며 상기 작업물의 표면 위에서 패턴을 가지고 상기 빔(110)을 스캔하는데 이용된다. 그러한 장치들과 함께, 스캔 속도 및 패턴뿐만 아니라 체류 시간(dwell time)이 원하는 방식으로 상기 작업물(115)을 가열하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 상기 에너지 소스(예를 들면, 레이저)의 출력 전력은 원하는 퍼들 형성을 생성하기 위해 원하는 대로 조절될 수 있다. 또한, 상기 레이저(120) 내에 사용되는 광학계는 원하는 작업 및 접합부 파라미터들에 기반하여 최적화될 수 있다. 예를 들면, 라인(line) 및 적분기(integrator) 광학계가 널리 용접 또는 클래딩 작업을 위해 포커싱된 라인 빔을 생성하기 위해 이용될 수 있거나, 또는 적분기가 균일한 전력 분포를 갖는 정사각형/직사각형 빔을 생성하기 위해 이용될 수 있다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 단일 빔(110)이 상기 표면들(701/703)을 용융시키기 위해 상기 개방 루트 접합부로 겨냥된다.
상기 레이저 빔들(110 및 110A)의 정밀도로 인해, 상기 빔들(110/110A)은 상기 갭(705)에서 떨어져서 상기 표면들(701/703) 위로만 포커싱될 수 있다. 이 때문에, (보통 상기 갭(705)을 통해 떨어지게 되는) 용락(melt-through)이 제어될 수 있으며, 이는 후면 용접 비드(상기 갭(705)의 바닥 표면의 용접 비드)의 제어를 크게 향상시킨다.
각각의 도 7 및 도 7a에서, 갭(705)은 상기 작업물들(W1 및 W2) 사이에 존재하며, 이는 용접 비드(707)로 충진된다. 예시적 실시예에서, 이 용접 비드(705)는 레이저 장치(미도시)에 의해 생성된다. 따라서, 예를 들면, 용접 작업 중에, 제 1 레이저 장치(미도시)는 상기 작업물들(W1 및 W2)을 상기 레이저 용접 비드(707)와 용접하기 위해 제 1 레이저 빔(미도시)을 상기 갭(705)으로 향하게 하고, 반면에 상기 제 2 레이저 장치(120)는 필러 와이어(들)(미도시)이 용접을 완료하기 위해 퇴적되는 용접 퍼들들을 생성하기 위해 적어도 하나의 레이저 빔(110/110A)을 상기 표면들(701/703)로 향하게 한다. 상기 갭 용접 비드(707)는, 상기 갭이 충분히 작은 경우, 단지 레이저에 의해 생성될 수 있거나, 또는 상기 갭(705)이 그렇게 요구하는 경우, 레이저 및 필러 와이어를 이용하여 생성될 수 있다. 구체적으로, 적절하게 상기 갭(705)를 충진하기 위해 필러 금속을 첨가할 필요가 있을 수 있으며, 이에 따라 필러 와이어가 사용되어야 한다. 이 갭 비드(705)의 생성은 본 발명의 다양한 예시적 실시예들과 관련하여 상기에서 설명한 것과 유사하다.
본 명세서에서 논의된 상기 레이저 장치들(120)과 같은, 고강도 에너지 소스들은 원하는 용접 작업에 필요한 에너지 밀도를 제공하기에 충분한 전력을 갖는 유형이어야 한다는 것에 주의해야 한다. 즉, 상기 레이저 장치(120)는 상기 용접 공정에 걸쳐 안정적인 용접 퍼들을 생성 및 유지하기에 충분한 전력을 가져야 하며, 또한 원하는 용접 침투(weld penetration)에 도달하여야 한다. 예를 들면, 일부 응용들에 대해, 레이저들은 용접되는 상기 작업물들을 "키홀(keyhole)"시키는 능력을 가져야 한다. 이는 상기 레이저가 상기 작업물을 완전히 관통하기에 충분한 전력을 가져야 하고, 동시에 상기 레이저가 상기 작업물을 따라 진행됨에 따라 그 침투 수준을 유지해야 한다는 것을 의미한다. 바람직한 레이저들은 1 kW 내지 20 kW 범위의 전력 능력을 가져야 하며, 5 kW 내지 20 kW 범위의 전력 능력을 가질 수 있다. 더 높은 전력의 레이저들이 사용될 수 있지만, 매우 많은 비용이 들 수 있다. 물론, 상기 빔 스플리터(121) 및 다수의 레이저들이 또한 다른 유형의 용접 접합부들에 이용될 수 있으며, 도 6 및 도 6a에 나타낸 것들과 같은, 겹침 접합부들(lap joints)에 이용될 수 있다는 것에 주의해야 한다.
도 7b는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 좁은 홈(narrow groove), 깊은 개방 루트 접합부가 나타나 있다. (깊이가 1 inch를 초과하는) 깊은 접합부들을 아크 용접하는 경우, 상기 홈에 대한 갭(G)이 좁을 때 상기 접합부의 바닥을 용접하는 것이 어려울 수 있다. 이는 그렇게 깊은 홈으로 차폐 가스를 효과적으로 전달하는 것이 어렵고 상기 홈의 좁은 벽들이 용접 아크의 안정성과 간섭을 유발할 수 있기 때문이다. 상기 작업물이 통상적으로 철계(ferrous) 물질이기 때문에, 상기 접합부의 벽들은 상기 용접 아크와, 자기적으로, 간섭할 수 있다. 이 때문에, 통상의 아크 용접 절차들을 이용하는 경우, 상기 홈의 갭(G)은 상기 아크가 안정적으로 남아 있을 수 있도록 충분히 넓을 필요가 있다. 그러나, 상기 홈이 더 넓어질수록, 상기 용접을 완료하기 위해 더 많은 필러 금속이 필요하게 된다. 본 발명의 실시예들은 차폐 가스를 필요로 하지 않고 용접 아크를 이용하지 않기 때문에, 이들 문제들이 최소화된다. 이는 본 발명의 실시예들이 깊고, 좁은 홈들은 효율적이고 효과적으로 용접할 수 있도록 한다. 예를 들면, 상기 작업물(115)이 1 inch를 초과하는 두께를 가지는, 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 갭 폭(G)은 상기 필러 와이어(140)의 직경의 1.5 내지 2 배의 범위이고, 측벽 각도(sidewall angle)는 0.5 도 내지 10 도 범위이다. 예시적 실시예에서, 그러한 용접 접합부의 초층 용접(root pass) 준비는 1/16 inch 내지 1/4 inch 범위의 랜드(land)와 함께 1 mm 내지 3 mm 범위의 갭(RG)을 가진다. 따라서, 깊은 개방 루트 접합부들은 보통의 아크 용접 공정들보다 더 빠르게 및 훨씬 더 적은 필러 금속을 가지고 용접될 수 있다. 또한, 본 발명의 측면들은 훨씬 더 적은 열을 상기 용접 영역에 도입하기 때문에, 상기 팁(160)은 상기 측벽과의 접촉을 방지하기 위해 상기 용접 퍼들에 훨씬 더 가깝게 전달되는 것이 용이하도록 설계될 수 있다. 즉, 상기 팁(160)은 더 작게 만들어질 수 있고 좁은 구조를 갖는 절연 가이드(insulated guide)로서 구성될 수 있다. 또 다른 예시적 실시예에서, 변환(translation) 장치 또는 메카니즘이 상기 접합부의 양쪽을 동시에 용접하기 위해 상기 레이저 및 와이어를 상기 용접부의 폭을 가로질러 이동시키는데 이용될 수 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 맞댐형 접합부(butt-type joint)가 본 발명의 실시예들로 용접될 수 있다. 도 8에, 플러시(flush) 맞댐형 접합부가 도시되어 있지만, 그러나 상기 용접 접합부의 상부 및 바닥 표면들 상의 v-노치 홈을 갖는 맞댐형 접합부들도 또한 용접될 수 있음을 생각할 수 있다. 도 8에 나타낸 실시예에서, 두 개의 레이저 장치들(120 및 120a)이 상기 용접 접합부의 양쪽에 도시되어 있으며, 각각은 그 자체의 용접 퍼들(801 및 803)을 생성한다. 도 7 및 도 7a와 마찬가지로, 가열된 필러 와이어들은, 그들이 도시된 도면에서 상기 레이저 빔들(110/110A) 뒤에서 후행하고 있으므로, 도시되어 있지 않다.
공지된 아크 기술로 맞댐형 용접부들을 용접하는 경우, 용접 아크들에 의해 발생되는 자기장들이 서로 간섭하여 상기 아크들이 서로를 비정상적으로 이동하도록 하는 경우 발생하는, "아크 블로우(arc blow)"로 인해 상당한 문제가 있을 수 있다. 또한, 두 개 이상의 아크 용접 시스템들이 동일한 용접 접합부 상에서 용접하기 위해 사용되고 있는 경우, 상기 각각의 용접 전류들의 간섭에 기인하는 상당한 문제들이 있을 수 있다. 또한, 아크 용접 방법들의 침투 깊이 때문에, 부분적으로, 높은 열 입력으로 인해, 상기 용접 접합부의 양쪽에서 아크들로 용접될 수 있는 작업물들의 두께들이 제한된다. 즉, 그러한 용접은 얇은 작업물에서는 수행될 수 없다.
본 발명의 실시예들로 용접하는 경우, 이러한 문제들은 제거된다. 사용되는용접 아크가 없기 때문에, 아크 블로우 간섭 또는 용접 전류 간섭 문제들이 없다. 또한, 레이저들의 사용을 통해 가능한, 열 입력 및 침투 깊이에 있어서의 정밀한 제어로 인해, 훨씬 더 얇은 작업물들이 용접 접합부의 양쪽에서 동시에 용접될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예가 도 9에 나타나 있다. 이 실시예에서, 두 개의 레이저 빔들(110 및 110A)이 고유한 용접 프로파일을 생성하기 위해 - 서로 나란하게 - 이용된다. 도시된 실시예에서, (제 1 레이저 장치(120)로부터 방출되는) 제 1 레이저 빔(110)은 제 1 단면적 및 깊이를 갖는 용접 퍼들(901)의 제 1 부분을 생성하는데 이용되며, 반면에 (제 2 레이저 장치(미도시)로부터 방출되는) 제 2 레이저 빔(110A)은, 상기 제 1의 것과 상이한, 제 2 단면적 및 깊이를 갖는 용접 퍼들(903)의 제 2 부분을 생성하는데 이용된다. 이 실시예는 상기 용접 비드의 일부가 상기 용접 비드의 나머지 부분보다 더 깊은 침투 깊이를 갖는 것이 바람직한 경우에 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 상기 퍼들(901)은 더 넓고 더 얕게 만들어지는 상기 용접 퍼들(903)보다 더 깊고 더 좁게 만들어진다. 그러한 실시예는 상기 작업물들이 만나는 곳에서 깊은 침투 깊이가 필요하지만 상기 용접 접합부의 전 부분에 대해서는 원하지 않는 경우에 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 제 1 퍼들(903)은 상기 접합부에 대한 용접부를 생성하는 용접 퍼들일 수 있다. 이 제 1 퍼들/접합부는 제 1 레이저(120) 및 필러 와이어(미도시)를 이용하여 생성되고, 적절한 침투 깊이로 만들어진다. 이 용접 접합부가 만들어진 후, 제 2 레이저 빔(110A)을 방출하는 제 2 레이저(미도시)가 상이한 프로파일을 갖는 제 2 퍼들(903)을 생성하기 위해 상기 접합부 위로 지나가며, 여기서 이 제 2 퍼들은, 상기 실시예들과 함께 설명한 바와 같이, 특정 종류의 오버레이를 퇴적하는데 이용된다. 이 오버레이는 상기 제 1 필러 와이어와 상이한 화학적 성질(chemistry)을 갖는 제 2 필러 와이어를 이용하여 퇴적될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 접합부가 용접된 후 곧 또는 즉시 상기 용접 접합부 위에 내식성의 클래딩층을 배치하기 위해 이용될 수 있다. 이 용접 작업은 또한, 상기 빔(110)이 원하는 용접 퍼들 프로파일을 제공하기 위해 제 1 빔 형태/밀도와 제 2 빔 형태/밀도 사이에서 진동하는, 단일 레이저 장치(120)와 함께 성취될 수 있다. 따라서, 다수의 레이저 장치들이 사용될 필요가 없다.
상기에서 설명한 바와 같이, (아연 도금과 같은) 상기 작업물들 상의 내식성 코팅은 상기 용접 공정 중에 제거된다. 그러나, 상기 용접 접합부가 내식성 목적을 위해 다시 코팅되는 것이 바람직할 수 있으므로, 상기 제 2 빔(110A) 및 레이저가, 클래딩층과 같은, 내식성 오버레이(903)를 상기 접합부(901)의 상단 위에 추가하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 다양한 이점들로 인해, 용접 작업을 통해 비유사한 금속들을 쉽게 접합하는 것도 또한 가능하다. 비유사한 금속들 및 필러 물질에 대해 요구되는 화학적 성질들은 크래킹(cracking) 및 열등한 용접부들을 초래할 수 있기 때문에, 아크 용접 공정을 이용하여 비유사한 금속들을 접합하는 것은 어렵다. 이는 매우 상이한 용융 온도들을 갖는, 알루미늄과 강철을 서로 아크 용접하려고 시도하는 경우, 또는 스테인리스강들을 연강에 용접하려고 시도하는 경우에도, 그들의 상이한 화학적 성질들 때문에, 특히 그대로 해당된다. 그러나, 본 발명의 실시예들을 이용하면, 그러한 문제들은 경감된다.
도 10은 본 발명의 예시적 실시예를 도시한다. V-형 접합부가 도시되어 있지만, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 도 10에서, 두 개의 비유사한 금속들이 용접 접합부(1000)에서 접합되고 있는 것으로 도시되어 있다. 이 예에서, 상기 두 개의 비유사한 금속들은 알루미늄 및 강철이다. 이 예시적 실시예에서, 두 개의 상이한 레이저 소스들(1010 및 1020)이 이용된다. 그러나, 단일 장치가 상기 두 개의 상이한 물질들을 용융시키기 위해 필요한 에너지를 공급하도록 진동될 수 있으므로 - 이는 하기에서 더 논의될 것이다 -, 두 개의 레이저 장치들은 모든 실시예들에서 요구되지 않는다. 레이저(1010)는 상기 강철 작업물에 겨냥되는 상기 빔(1011)을 방출하고, 상기 레이저(1020)는 상기 알루미늄 작업물에 상기 빔(1021)을 방출한다. 상기 각각의 작업물들은 상이한 금속들 또는 합금들로 만들어지기 때문에, 그들은 상이한 용융 온도를 가진다. 이와 같이, 상기 각각의 레이저 빔들(1011/1021)은 상기 용접 퍼들들(1012 및 1022)에서 상이한 에너지 밀도를 가진다. 상이한 에너지 밀도로 인해, 각각의 용접 퍼들들(1012 및 1022)는 적절한 크기 및 깊이로 유지될 수 있다. 이는 또한 더 낮은 용융 온도를 갖는 작업물 - 예를 들면, 알루미늄 - 에서 과도한 침투 및 열 입력을 방지한다. 일부 실시예들에서, 적어도 상기 용접 접합부로 인해, (도 10에 나타낸 바와 같이) 두 개의 별도의, 개별적인 용접 퍼들들을 가질 필요가 없고, 오히려 두 작업물들과 함께 단일의 용접 퍼들이 형성될 수 있으며, 여기서 상기 각각의 작업물들의 상기 용융되는 부분들은 단일의 용접 퍼들을 형성한다. 또한, 상기 작업물들이 상이한 화학적 성질들을 갖지만 유사한 용융 온도들을 갖는 경우, 두 작업물들을 동시에 조사하기 위해 단일 빔을 이용하는 것이 가능하며, 하나의 작업물은 다른 작업물보다 더 많이 용융될 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 상기에서 간략히 설명한 바와 같이, 두 작업물들을 조사하기 위해 (레이저 장치(120)와 같은) 단일 에너지 소스를 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 레이저 장치(120)는 상기 제 1 작업물을 용융시키기 위해 제 1 빔 형태 및/또는 에너지 밀도를 사용하고 다음에 제 2 작업물을 용융시키기 위해 제 2 빔 형태 및/또는 에너지 밀도로 진동/변경될 수 있을 것이다. 상기 빔 특성의 진동 및 변경은, 상기 용접 공정 동안 상기 용접 퍼들(들)이 안정적이고 일관되게 유지되도록 두 작업물들의 적절한 용융이 유지되는 것을 보장하기 위해, 충분한 속도로 수행되어야 한다. 다른 단일 빔 실시예들은, 각 작업물의 충분한 용융을 보장하기 위해, 하나의 작업물로 다른 것보다 더 많은 열 입력을 제공하는 형태를 갖는 빔(110)을 이용할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 빔의 에너지 밀도는 상기 빔의 단면에 대해 균일할 수 있다. 예를 들면, 상기 빔(110)은 평행사변형 또는 삼각형 형태를 가질 수 있으며, 이에 따라, 상기 빔의 형태로 인해, 하나의 작업물로의 총 열 입력이 다른 것보다 더 적게 될 것이다. 대안적으로, 일부 실시예들은 그 단면에 있어서 불균일한 에너지 분포를 갖는 빔(110)을 이용할 수 있다. 예를 들면, 상기 빔(110)은 (그것이 두 작업물들에 충돌하도록) 직사각형 형태를 가질 수 있지만, 상기 빔의 제 1 영역은 제 1 에너지 밀도를 가지게 될 것이고 상기 빔(110)의 제 2 영역은 상기 제 1 영역과 상이한 제 2 에너지 밀도를 가지게 될 것이므로, 상기 각각의 영역들은 각각의 작업물들을 적절하게 용융시킬 수 있다. 일 예로서, 상기 빔(110)은 강철 작업물을 용융시키기 위해 높은 에너지 밀도를 갖는 제 1 영역을 가질 수 있고, 반면에 제 2 영역은 알루미늄 작업물을 용융시키기 위해 보다 낮은 에너지 밀도를 가지게 될 것이다.
도 10에, 두 개의 필러 와이어들(1030 및 1030A)이 도시되어 있고, 각각 용접 퍼들(1012 및 1022)로 겨냥된다. 도 10에 나타낸 실시예는 두 개의 필러 와이어들을 이용하고 있지만, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 다른 실시예들과 관련하여 상기에서 논의한 바와 같이, 원하는 비드 형태 및 퇴적 속도와 같은, 원하는 용접 파라미터들에 따라, 오직 하나의 필러 와이어가 사용될 수 있거나 또는 두 개를 초과하는 와이어들이 사용될 수 있음을 생각할 수 있다. 단일 와이어가 사용되는 경우, 그것은 (상기 두 작업물들의 용융된 부분들로부터 형성되는) 공통 퍼들로 향해질 수 있거나, 또는 상기 와이어는 상기 용접 접합부로의 통합을 위해 용융된 부분들 중 오직 하나로만 향해질 수 있다. 따라서, 예를 들면, 도 10에 나타낸 실시예에서, 와이어는 상기 용접 접합부의 형성을 위해 차후 상기 용융된 부분(1012)과 결합될 상기 용융된 부분(1022)으로 향해질 수 있다. 물론, 단일 와이어가 사용되는 경우, 상기 와이어는 상기 와이어가 그것이 침지되는 상기 부분(1022/1012)에서 용융될 수 있도록 하는 온도로 가열되어야 한다.
비유사한 금속들이 접합되고 있기 때문에, 상기 필러 와이어들의 화학적 성질은 상기 와이어들이 접합되는 상기 금속들과 충분히 접착될 수 있는 것을 보장하도록 선택되어야 한다. 나아가, 상기 필러 와이어(들)의 조성은 그것이, 그것이 용융되고 상기 더 낮은 온도의 용접 퍼들에서 소모될 수 있도록 하는, 적합한 용융 온도를 가지도록 선택되어야 한다. 사실상, 다수의 필러 와이어들의 화학적 성질은 적절한 용접 화학적 성질을 달성하도록 서로 다를 수 있다는 것이 고려된다. 이는 특히 상기 두 개의 상이한 작업물들이, 상기 물질들 간에 최소한의 혼합(admixture)이 발생하게 될, 물질 조성들을 가지는 경우이다. 도 10에서, 상기 더 낮은 온도의 용접 퍼들은 알루미늄 용접 퍼들(1012)이고, 이와 같이 상기 필러 와이어(들)(1030(a))은 유사한 온도에서 용융되도록 만들어지며, 이에 따라 그들은 상기 퍼들(1012)에서 쉽게 소모될 수 있다. 상기 예에서, 알루미늄 및 강철 작업물들을 이용하여, 상기 필러 와이어들은, 상기 작업물의 용융 온도와 유사한 용융 온도를 갖는, 규소 청동(silicon bronze), 니켈 알류미늄 청동(nickel aluminum bronze) 또는 알루미늄 청동(aluminum bronze) 기반의 와이어일 수 있다. 물론, 상기 필러 와이어 조성들은 원하는 기계적 및 용접 성능 특성들에 부합하도록 선택되어야 하지만, 이와 동시에 용접될 상기 작업물들 중 적어도 하나의 용융 특성과 유사한 용융 특성을 제공해야 한다는 것을 고려할 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 사용될 수 있는 상기 팁(160)의 다양한 실시예들을 도시한다. 도 11a는 보통의 아크 용접 접촉팁과 구성에 있어서 매우 유사한 팁(160)을 도시하고 있다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 핫 와이어 용접 동안, 가열 전류는 상기 전원 공급 장치(170)로부터 상기 접촉팁(160)으로 향해지고, 상기 팁(160)으로부터 상기 와이어(140) 내로 통과된다. 상기 전류는 그 다음에 상기 와이어를 통해 상기 작업물로, 상기 와이어(140)의 접촉을 통해 상기 작업물(W)로 향해진다. 이 전류의 흐름은, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 상기 와이어(140)를 가열한다. 물론, 상기 전원 공급 장치(170)는 도시한 바와 같이 상기 접촉팁에 직접 결합되지 않을 수 있지만 상기 전류를 상기 팁(160)으로 향하게 하는 와이어 공급기(150)와 결합될 수 있다. 도 11b는 본 발명의 다른 실시예를 보여주며, 여기서 상기 팁(160)은 두 개의 구성요소들(160 및 160')로 구성되며, 이에 따라 상기 전원 공급 장치(170)의 음극 단자는 상기 제 2 구성요소(160')에 결합된다. 그러한 실시예에서, 상기 가열 전류는 상기 제 1 팁 구성요소(160)에서 상기 와이어(140)로 그 다음에 상기 제 2 팁 구성요소(160')로 흐른다. 상기 구성요소들(160 및 160') 사이에서 상기 와이어(140)를 통한 상기 전류의 흐름은, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 상기 와이어가 가열되도록 한다. 도 11c는 상기 팁(160)이, 상기 팁(160) 및 상기 와이어(140)가 유도 가열(induction heating)을 통해 가열되도록 하는, 유도 코일(1110)을 포함하는 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 그러한 실시예에서, 상기 유도 코일(1110)은 상기 접촉팁(160)과 통합하여 만들어질 수 있거나 또는 상기 팁(160)의 표면 둘레에 권취될 수 있다. 물론, 상기 와이어가 상기 용접 작업에 대해 원하는 온도를 성취할 수 있도록 상기 팁이 상기 와이어(140)에 필요한 가열 전류/전력을 전달하는 한, 다른 구성들이 상기 팁(160)에 이용될 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예들의 작업이 설명될 것이다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 고강도 에너지 소스 및 상기 필러 와이어를 가열하는 전원 공급 장치 둘 모두를 사용한다. 이 공정의 각 측면은 차례로 논의될 것이다. 다음의 설명들 및 논의들은 앞서 논의된 오버레이 실시예들과 관련하여 앞서 제공된 논의들 중 어느 것을 대신하거나 대체하고자 하는 것이 아니라, 용접 또는 접합 응용들과 관련하여 그 논의들을 보충하고자 하는 것임을 주의해야 할 것이다. 앞서 오버레이 작업들에 관한 논의들이 또한 접합 및 용접의 목적으로 포함된다.
접합/용접에 대한 예시적 실시예들은 도 1에 나타낸 것과 유사할 수 있다. 상기한 바와 같이, 가열 전류를 상기 필러 와이어(140)에 제공하는, 핫 와이어 전원 공급 장치(170)가 제공된다. 상기 전류는 (임의의 공지된 구성일 수 있는) 상기 접촉팁(160)으로부터 상기 와이어(140)로 그 다음에 상기 작업물 내로 지나간다. 이 저항 가열 전류는 상기 팁(160)과 상기 작업물 사이의 상기 와이어(140)가 사용되고 있는 상기 필러 와이어(140)의 용융 온도 또는 이에 가까운 온도에 도달하도록 한다. 물론, 상기 필러 와이어(140)의 상기 용융 온도는 상기 와이어(140)의 크기 및 화학적 성질에 따랄 달라질 것이다. 따라서, 용접 중 상기 필러 와이어의 원하는 온도는 상기 와이어(140)에 따라 달라질 것이다. 하기에서 더 논의될 바와 같이, 상기 필러 와이어에 대한 원하는 작업 온도는, 상기 원하는 와이어 온도가 용접 중에 유지되도록 상기 용접 시스템에 입력되는 데이터일 수 있다. 어떤 경우든, 상기 와이어의 온도는 상기 와이어가 상기 용접 작업 동안 상기 용접 퍼들 내로 소모되도록 해야 한다. 예시적 실시예들에서, 상기 필러 와이어(140)의 적어도 일부는 상기 와이어가 상기 용접 퍼들로 진입함에 따라 고형화된다. 예를 들면, 상기 필러 와이어의 적어도 30%가 상기 필러 와이어가 상기 용접 퍼들로 진입함에 따라 고형화된다.
본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)는 상기 필러 와이어의 적어도 일부를 그것의 용융 온도의 75% 이상의 온도로 유지시키는 전류를 공급한다. 예를 들면, 연강 필러 와이어(140)를 사용하는 경우, 상기 와이어가 상기 퍼들로 진입하기 전의 상기 와이어의 온도는 약 1,600℉일 수 있으며, 반면에 상기 와이어는 약 2,000℉의 용융 온도를 가진다. 물론, 각각의 용융 온도들 및 원하는 작업 온도들은 적어도 상기 필러 와이어의 합금, 조성, 직경 및 공급 속도에 따라 달라질 것이다. 다른 예시적 실시예에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 필러 와이어의 일부를 그것의 용융 온도의 90% 이상의 온도로 유지시킨다. 또 다른 예시적 실시예들에서, 상기 와이어의 부분들은 그것의 용융 온도의 95% 이상인 상기 와이어의 온도로 유지된다. 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140)는 상기 가열 전류가 상기 와이어(140) 및 상기 퍼들에 부여되는 지점에서부터 온도 구배(temperature gradient)를 가질 것이며, 여기서 상기 퍼들에서의 온도는 상기 가열 전류의 입력 지점에서의 온도보다 더 높다. 상기 와이어(140)이 효율적인 용융을 용이하게 하기 위해 상기 와이어가 상기 퍼들로 진입하는 지점 또는 그 근처에서 상기 와이어(140)의 가장 뜨거운 온도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 상기에서 언급한 온도 퍼센티지들은 상기 와이어들이 상기 퍼들로 진입하는 지점 또는 그 근처에서의 상기 와이어에 대해 측정되어야 한다. 상기 필러 와이어(140)를 그것의 용융 온도 또는 그에 가까운 온도로 유지함으로써, 상기 와이어(140)는 상기 열 소스/레이저(120)에 의해 생성되는 상기 용접 퍼들 내로 쉽게 용융 또는 소모된다. 즉, 상기 와이어(140)는, 상기 와이어(140)가 상기 퍼들과 접촉하는 경우에 상기 용접 퍼들을 현저히 급랭(quenching)시키는 결과를 초래하지 않는, 온도를 가진다. 상기 와이어(140)의 높은 온도로 인하여, 상기 와이어는 그것이 상기 용접 퍼들과 접촉하는 경우 빠르게 용융된다. 상기 와이어가 상기 용접 풀에서 바닥을 치지 않도록 - 상기 용접 풀의 미용융된 부분과 접촉하지 않도록, 와이어 온도를 갖는 것이 바람직하다. 그러한 접촉은 상기 용접부의 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 일부 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140)의 완전한 용융은 상기 와이어(140)의 상기 퍼들 내로의 진입에 의해서만 용이하게 될 수 있다. 그러나, 다른 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140)는 상기 퍼들 및 상기 와이어(140)의 일부에 충돌하는 상기 레이저 빔(110)의 조합에 의해 완전히 용융될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예들에서, 상기 와이어(140)의 가열/용융은, 상기 빔(110)이 상기 와이어(140)의 가열에 기여하도록, 상기 레이저 빔(110)에 의해 도움을 받을 수 있다. 그러나, 많은 필러 와이어들(140)이 반사성일 수 있는 물질들로 만들어지기 때문에, 반사 레이저 유형이 사용되는 경우, 상기 와이어(140)는 그것의 표면 반사율(surface reflectivity)이 감소되어 상기 빔(110)이 상기 와이어(140)의 가열/용융에 기여할 수 있도록 하는 온도로 가열되어야 한다. 이 구성의 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140) 및 빔(110)은 상기 와이어(140)가 상기 퍼들로 진입하는 지점에서 교차한다.
또한 도 1과 관련하여 앞서 논의한 바와 같이, 상기 전원 공급 장치(170) 및 상기 제어기(195)는, 용접 중에 상기 와이어(140)가 상기 작업물과의 접촉을 유지하고 아크가 발생되지 않도록, 상기 와이어(140)로의 가열 전류를 제어한다. 아크 용접 기술과 반대로, 본 발명의 실시예들로 용정하는 경우 아크의 존재는 현저한 용접 결함들을 초래할 수 있다. 따라서, (상기에서 논의된 것들과 같은) 일부 실시예들에서, 상기 와이어(140)와 상기 용접 퍼들 간의 전압은, 상기 와이어가 상기 작업물/용접 퍼들과 쇼트되어 있거나 또는 접촉되어 있음을 표시하는, 0 볼트 또는 그 근처로 유지되어야 한다.
그러나, 본 발명의 다른 예시적 실시예들에서, 0 볼트를 초과하는 전압 레벨이 아크가 발생함이 없이 달성되도록 하는 그러한 레벨로 전류를 제공하는 것이 가능하다. 더 높은 전류값들을 사용함으로써, 상기 전극(140)을 전극의 용융 온도보다 높은 레벨 및 이에 가까운 온도로 유지하는 것이 가능하다. 이것은 용접 프로세스가 더 빠르게 진행되는 것을 가능케 한다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 전압을 모니터링하며, 상기 전압이 0 볼트를 초과하는 어떤 지점에서의 전압값에 도달 또는 근접함에 따라 상기 전원 공급 장치(170)는 아크가 발생하지 않는 것을 보장하기 위해 상기 와이어(140)로 전류를 흘려주는 것을 중지한다. 전압 문턱값 레벨은 통상적으로, 적어도 부분적으로, 사용되는 용접 전극(140)의 유형에 따라 달라질 것이다. 예를 들면, 본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 상기 한계 전압 레벨은 6 볼트 이하이다. 다른 예시적 실시P에서, 상기 문턱값 레벨은 9 볼트 이하이다. 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 문턱값 레벨은 14 볼트 이하이고, 추가적인 예시적 실시예에서, 상기 문턱값 레벨은 16 볼트 이하이다. 예를 들면, 연강 필러 와이어들을 이용하는 경우, 전압에 대한 상기 문턱값 레벨은 더 낮은 유형이 될 것이지만, 반면에 스테인리스강을 위한 필러 와이어들은 아크가 생성되기 전의 보다 높은 전압을 다룰 수 있다.
또 다른 예시적 실시예들에서, 상기와 같이, 전압 레벨을 문턱값 미만으로 유지하는 대신에, 상기 전압은 작업 범위로 유지된다. 그러한 실시예에서, 상기 필러 와이어를 그것의 용융 온도 또는 그 근처로 유지하기에 충분히 높은 전류이지만, 용접 아크가 생성되지 않도록 하는 전압 레벨 미만이 되도록 보장하는, 최소량을 초과하도록 상기 전압을 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 전압은 1 볼트 내지 16 볼트 범위로 유지될 수 있다. 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 전압은 6 볼트 내지 9 볼트 범위로 유지된다. 다른 예에서, 상기 전압은 12 볼트와 16 볼트 사이에서 유지될 수 있다. 물론, 원하는 작업 범위는 상기 용접 작업에 사용되는 상기 필러 와이어(140)에 의해 영향받을 수 있으며, 이에 따라 용접 작업에 사용되는 범위(또는 문턱값)가, 적어도 부분적으로, 상기 사용되는 필러 와이어 또는 상기 사용되는 필러 와이어의 특성에 기반하여, 선택된다. 그러한 범위를 이용함에 있어, 상기 범위의 하단은 상기 필러 와이어가 상기 용접 퍼들에서 충분히 소모될 수 있는 전압으로 설정되고 상기 범위의 상한은 아크의 생성이 방지되도록 하는 전압으로 설정된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 전압이 원하는 문턱값을 초과함에 따라, 상기 가열 전류는, 아크가 생성되지 않도록, 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 차단된다. 본 발명의 이 측면은 하기에서 더 논의될 것이다.
상기에서 설명한 많은 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는, 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 전압을 모니터링하고 유지하기 위해 이용되는 회로를 포함한다. 그러한 유형의 회로의 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 자들에게 알려져 있다. 그러나, 전통적으로 그러한 회로는 아크 용접에 대해 전압을 어떤 문턱값을 초과하도록 유지하는데 이용되어 왔다.
또 다른 예시적 실시예들에서, 상기 가열 전류는 또는 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 모니터링 및/또는 조절될 수 있다. 이는 전압, 전력, 또는 대안으로서 전압/암페어 특성의 어떤 레벨을 모니터링하는 것에 부가하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 전류는 원하는 레벨 또는 상기 와이어(140)가 적절한 온도에서 유지되도록 보장하는 레벨들 - 상기 용접 퍼들에서의 적절한 소모를 위한, 그러나 아직도 아크 발생 전류 레벨 미만인 - 로 유지될 수 있다. 예를 들면, 그러한 실시예에서, 상기 전압 및/또는 상기 전류는 어는 하나 또는 둘 모두가 특정 범위 내 또는 원하는 문턱값 미만이 되는 것을 보장하기 위해 모니터링된다. 상기 전원 공급 장치는 그 다음에 아크가 생성되지 않지만 원하는 작업 파라미터들이 유지되는 것을 보장하기 위해 공급되는 전류를 조절한다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 가열 전력(V×I)도 또한 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 모니터링되고 조절될 수 있다. 구체적으로, 그러한 실시예들에서, 상기 가열 전력에 대한 전압 및 전류는 원하는 레벨 또는 원하는 범위로 유지되도록 모니터링된다. 따라서, 상기 전원 공급 장치는 상기 와이어에 대한 전압 또는 전류를 조절할 뿐만 아니라, 상기 전류 및 상기 전압 둘 모두를 조절할 수 있다. 그러한 실시예는 상기 용접 장치에 대한 향상된 제어를 제공할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 와이어에 대한 가열 전력은 상위 문턱값 또는 상기 전력이 상기 문턱값 레벨 미만으로 또는 원하는 범위 내로 유지되도록 하는 최적 작업 범위(상기 전압에 관하여 상기에서 논의한 바와 유사함)로 설정될 수 있다. 다시 말하면, 상기 문턱값 또는 범위 설정들은 상기 필러 와이어의 특성 및 수행되는 용접에 기반할 것이며, 적어도 부분적으로, 선택되는 상기 필러 와이어에 기반할 수 있다. 예를 들면, 직경이 0.045"인 연강 전극에 대한 최적 전력 설정은 1950 와트 내지 2,050 와트 범위라고 결정할 수 있다. 상기 전원 공급 장치는 상기 전력이 이 작업 범위에 남아 있도록 상기 전압 및 전류를 조절할 것이다. 유사하게, 상기 전력 문턱값이 2,000 와트로 설정되는 경우, 상기 전원 공급 장치는 상기 전력 레벨이 이 문턱값을 초과하지 않지만 이 문턱값에 가깝게 되도록 상기 전압 및 전류를 조절할 것이다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 가열 전압의 변화율(dv/dt), 전류의 변화율(di/dt), 및 전력의 변화율(dp/dt)을 모니터링하는 회로들을 포함한다. 그러한 회로들은 종종 예측 회로들(premonition circuits)로 불리며, 그들의 일반적인 구성은 알려져 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 전압, 전류 및/또는 전력의 변화율은, 상기 변화율이 어떤 문턱값을 초과하는 경우 상기 와이어(140)에 대한 가열 전류가 꺼지도록, 모니터링된다.
본 발명의 예시적 실시예에서, 저항의 변화(dr/dt)도 또한 모니터링된다. 그러한 실시예에서, 상기 접촉팁과 상기 퍼들 사이의 상기 와이어의 저항이 모니터링된다. 용접 중에, 상기 와이어가 가열됨에 따라, 그것은 넥다운(neck down)되기 시작하여 아크를 형성하는 경향이 있으며, 이 동안 상기 와이어의 저항은 지수적으로 증가한다. 이 증가가 검출되는 경우, 상기 전원 공급 장치의 출력은 아크가 생성되지 않도록 보장하기 위해, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 꺼진다. 실시예들은, 상기 와이어의 저항이 원하는 레벨로 유지되는 것을 보장하기 위해, 상기 전압, 전류, 또는 둘 모두를 조절한다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예들에서, 상기 문턱값 레벨이 검출되는 경우 상기 가열 전류를 차단하는 대신, 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 가열 전류를 아크 비발생 레벨로 감소시킬 수 있다. 그러한 레벨은 상기 와이어가 상기 용접 퍼들로부터 분리되는 경우 아크가 발생하지 않을 백그라운드 전류 레벨일 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 예시적 실시예는 50 암페어의 아크 비발생 전류 레벨을 가질 수 있으며, 여기서 일단 아크 발생이 검출 또는 예측되거나, 또는 (상기에서 논의된) 상위 문턱값에 도달하는 경우, 상기 전원 공급 장치(170)는, 미리 결정된 양의 시간(예를 들면, 1 ms 내지 10 ms) 동안 또는 상기 검출된 전압, 전류, 전력, 및/또는 저항이 상기 상위 문턱값 미만으로 떨어질 때까지, 상기 가열 전류를 그것의 작업 레벨에서 상기 아크 비발생 레벨로 떨어뜨린다. 이 아크 비발생 문턱값은 전압 레벨, 전류 레벨, 저항 레벨, 및/또는 전력 레벨일 수 있다. 그러한 실시예들에서, 아크 발생 이벤트 동안 - 비록 낮은 레벨에서이긴 하지만 - 전류 출력을 유지함으로써, 그것은 상기 가열 전류 작업 레벨로 보다 빨리 회복되게 할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 상기 전원 공급 장치(170)의 출력은 용접 작업 동안 실질적으로 아크가 생성되지 않도록 제어된다. 일부 예시적 용접 작업들에서, 상기 전원 공급 장치상기 필러 와이어(140)와 상기 퍼들 사이에서 실질적으로 아크가 생성되지 않도록 제어될 수 있다. 상기 필러 와이어(140)의 말단부와 상기 용접 퍼들 사이의 물리접 갭 사이에서 아크가 생성된다고 일반적으로 알려져 있다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 예시적 실시예들은 상기 필러 와이어(140)가 상기 퍼들과 접촉을 유지함으로써 이 아크가 생성되는 것을 방지한다. 그러나, 일부 예시적 실시예들에서, 실질적이지 않은 아크의 존재는 상기 접합부의 품질을 악화시키지 않을 것이다. 즉, 일부 예시적 용접 작업들에서, 단시간의 실질적인지 않은 아크의 생성은 상기 용접부 품질을 악화시킬 열 입력 수준을 초래하지 않을 것이다. 그러한 실시예들에서, 상기 용접 시스템 및 전원 공급 장치는 아크를 완전히 방지하는 것과 관련하여 본 명세서에서 설명한 바와 같이 제어되고 작동되지만, 상기 전원 공급 장치(170)는 아크가 생성될 정도까지 상기 아크가 실질적이지 않도록 제어된다. 일부 예시적 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 생성된 아크가 10 ms 미만의 지속시간을 갖도록 작동된다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 아크는 1 ms 미만의 지속시간을 가지며, 다른 예시적 실시예들에서, 상기 아크는 300 ㎲ 미만의 지속시간을 가진다. 그러한 실시예들에서, 상기 아크가 상기 용접부로 실질적인 열 입력을 부여하거나 또는 현저한 스패터 또는 기공을 유발하지 않기 때문에, 그러한 아크들의 존재는 상기 용접부 품질을 악화시키지 않는다. 따라서, 그러한 실시예들에서, 상기 전원 공급 장치(170)는 아크가 생성될 정도까지 그것이 지속시간에 있어서 실질적이지 않은 상태로 유지되어 상기 용접부 품질이 악화되지 않도록 제어된다. 다른 실시예들과 관련하여 본 명세서에서 논의된 바와 동일한 제어 논리 및 구성요소들이 이들 예시적 실시예들에서 이용될 수 있다. 그러나, 상기 상위 문턱값에 대해, 상기 전원 공급 장치(170)는, 미리 결정된 또는 예측된 아크 생성 지점 미만의 (전류, 전력, 전압, 저항의) 문턱값 지점 대신에, 아크의 생성의 검출을 이용할 수 있다. 그러한 실시예는 상기 용접 작업이 그것의 한계들에 가깝게 운용될 수 있도록 할 수 있다.
상기 필러 와이어(140)는 지속적으로 쇼트되어 있는 상태로(상기 용접 퍼들과 지속적으로 접촉되어 있는 상태로) 있는 것이 바람직하기 때문에, 상기 전류는 느린 속도로 감쇄하는 경향이 있다. 이는 상기 전원 공급 장치, 용접 케이블들 및 작업물에 존재하는 인덕턴스 때문이다. 일부 응용들에서, 상기 와이어의 전류가 고속으로 감소되도록 상기 전류는 보다 빠른 속도로 감쇄시킬 필요가 있을 수 있다. 일반적으로, 상기 전류가 더 빨리 감소될 수 있을수록, 상기 접합 방법에 대한 더 양호한 제어가 달성될 것이다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 전류에 대한 램프 다운(ramp down) 시간은, 도달되는 또는 초과되는 문턱값의 검출 이후에, 1 밀리초이다. 본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 상기 전류에 대한 상기 램프 다운 시간은 300 마이크로초 이하이다. 다른 예시적 실시예에서, 상기 램프 다운 시간은 300 마이크로초 내지 100 마이크로초 범위이다.
예시적 실시예에서, 그러한 램프 다운 시간들을 달성하기 위해, 아크가 예측 또는 검출되는 경우 상기 램프 다운 시간을 감소시키는데 도움이 되는, 램프 다운 회로가 상기 전원 공급 장치(170)에 도입된다. 예를 들면, 아크가 검출 또는 아니면 예측되는 경우, 램프 다운 회로는 개방되며, 이는 상기 회로에 저항을 도입한다. 예를 들면, 상기 저항은 상기 전류의 흐름을 50 마이크로초 만에 50 암페어 미만으로 감소시키는 유형일 수 있다. 그러한 회로의 단순화된 예가 도 18에 나타나 있다. 상기 회로(1800)는 저항체(1801) 및 상기 전원 공급 장치가 작동되고 전류를 공급하고 있는 경우에 스위치(1803)가 닫히도록 상기 용접 회로 내에 배치되는 상기 스위치(1803)을 가진다. 그러나, 상기 전원 공급 장치가 (아크의 생성을 방지하기 위해 또는 아크가 검출될 때) 전력을 공급하는 것을 중지하는 경우, 상기 스위치는 개방되어 상기 저항체(1801)를 통해 유도 전류(induced current)를 강제한다. 상기 저항체(1801)는 상기 회로의 저항을 크게 증가시키고 빠른 속도로 상기 전류를 감소시킨다. 그러한 회로 유형은 용접 산업에 일반적으로 알려져 있으며, 표면 장력 이행 기술(surface-tension-transfer technology, STT)을 가지고 있는, 오하이오, 클리브랜드의 링컨 전기 회사(Lincoln Electric Company)에 의해 제조된 Power Wave® 용접 전원 공급 장치에서 찾아 볼 수 있다. STT 기술은 일반적으로, 그 전부가 참조로서 본 명세서에 포한되는, 미국 특허 제 4,866,247호, 제 5,148,001호, 제 6,051,810호 및 제 7,109,439호에 설명되어 있다. 물론, 이 특허들은 일반적으로 아크가 생성되고 유지되도록 보장하기 위해 개시된 회로를 이용하는 것을 논의한다 - 본 발명이 속하는 산업분야의 숙련된 자들이라면 아크가 생성되지 않도록 보장하기 위해 그러한 시스템을 쉽게 조정할 수 있다.
상기 논의는 예시적 용접 시스템이 도시되어 있는 도 12를 참조하여 더 이해될 수 있다.(상기 레이저 시스템은 명확성을 위해 도시되어 있지 않음에 주의해야 한다). 상기 시스템(1200)은 (도 1에서 170으로 도시된 것과 유사한 유형일 수 있는) 핫 와이어 전원 공급 장치(1210)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 상기 전원 공급 장치(1210)는, 인버터형(inverter-type) 전원 공급 장치와 같은, 공지된 용접 전원 공급 장치 구성일 수 있다. 그러한 전원 공급 장치들의 설계, 작동 및 구성은 공지되어 있으므로, 그것들은 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다. 상기 전원 공급 장치(1210)는 사용자가, 비한정적으로, 와이어 공급 속도, 와이어 유형, 와이어 직경, 원하는 전력 레벨, 원하는 와이어 온도, 전압 및/또는 전류 레벨을 포함하는, 데이터를 입력할 수 있도록 하는 사용자 입력 장치(user input, 1220)를 포함한다. 물론, 다른 입력 파라미터들이 필요에 따라 이용될 수 있다. 상기 사용자 입력 장치(1220)는, 상기 사용자 입력 데이터를 수신하고 상기 전력 모듈(1250)에 대해 필요한 작업 설정 지점들 또는 범위들을 생성하기 위해 이 정보를 이용하는, CPU/제어기(1230)에 결합된다. 상기 전력 모듈(1250)은, 인버터형 또는 트랜스포머형 모듈을 포함하여, 어떤 공지된 유형 또는 구성일 수 있다.
상기 CPU/제어기(1230)는, 룩업 테이블(lookup table)을 이용하는 것을 포함하여, 얼마든지 다양한 방식으로 상기 원하는 작업 파라미터들을 결정할 수 있다. 그러한 실시예에서, 상기 CPU/제어기(1230)는 상기 입력 데이터, 예를 들면, 와이어 공급 속도, 와이어 직경 및 와이어 유형을 이용하여, (적절히 상기 와이어(140)를 가열하기 위해) 출력에 대한 원하는 전류 레벨 및 문턱값 전압 또는 전력 레벨(또는 허용가능한 전압 또는 전력의 작업 범위)을 결정한다. 이는 상기 와이어(140)를 적절한 온도로 가열하기 위해 필요한 전류가 적어도 상기 입력 파라미터들에 기반할 것이기 때문이다. 즉, 알루미늄 와이어(140)는 연강 전극보다 낮은 용융 온도를 가질 수 있고, 따라서 상기 와이어(140)를 용융시키기 위해 더 적은 전류/전력을 필요로 한다. 또한, 더 작은 직경의 와이어(140)는 더 큰 직영의 전극보다 더 적은 전류/전력을 필요로 할 것이다. 또한, 상기 와이어 속도가 증가함에 따라(이에 따라 퇴적 속도가 증가함에 따라), 상기 와이어를 용융시키기 위해 필요한 전류/전력 레벨은 더 높아질 것이다.
유사하게, 상기 입력 데이터는 아크의 생성을 방지되도록 작업에 대한 전압/전력 문턱값들 및/또는 범위들(예를 들면, 전력, 전류, 및/또는 전압)을 결정하기 위해 상기 CPU/제어기(1230)에 의해 이용될 것이다. 예를 들면, 0.045 인치의 직경을 갖는 연강 전극은 6 볼트 내지 9 볼트의 전압 범위 설정을 가질 수 있으며, 여기서 상기 전력 모듈(1250)은 상기 전압을 6 볼트와 9 볼트 사이로 유지하도록 구동된다. 그러한 실시예에서, 상기 전류, 전압, 및/또는 전력은 - 상기 전류/전력이 상기 전극을 적절히 가열하기에 충분히 높도록 보장하는 - 6 볼트의 최소값을 유지하도록 구동되며, 아크가 생성되지 않도록 및 상기 와이어(140)의 용융 온도가 초과되지 않도록 보장하기 위해 상기 전압을 9 볼트 이하로 유지한다. 물론, 전압, 전류, 전력, 또는 저항 변화들과 같은, 다른 설정 지점 파라미터들이 또한 원하는 바대로 상기 CPU/제어기(1230)에 의해 설정될 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 전원 공급 장치(1210)의 양극 단자(1221)는 상기 핫 와이어 시스템의 상기 접촉팁(160)에 결합되고, 상기 전원 공급 장치의 음극 단자는 상기 작업물(W)에 결합된다. 따라서, 가열 전류는 상기 양극 단자(1221)를 통해 상기 와이어(140)로 공급되고 상기 음극 단자(1222)를 통해 복귀한다. 그러한 구성은 일반적으로 공지되어 있다.
물론, 다른 예시적 실시예에서, 상기 음극 단자(1222)는 또한 상기 팁(160)에 연결될 수도 있다. 저항 가열이 상기 와이어(140)를 가열하는데 이용될 수 있으므로, 상기 팁은 (도 11에 나타낸 바와 같이) 상기 음극 및 양극 단자들(1221/1222) 둘 모두가 상기 와이어(140)를 가열하기 위해 상기 접촉팁(140)에 결합될 수 있는 구성일 수 있다. 예를 들면, 상기 접촉팁(160)은 (도 11b에 나타낸 바와 같이) 이중 구성을 가질 수 있거나 또는 (도 11c에 나타낸 바와 같이) 유도 코일을 이용할 수 있다.
피드백 감지 리드(feedback sense lead, 1223)가 또한 상기 전원 공급 장치(1210)에 결합된다. 이 피드백 감지 리드는 전압을 모니터링하고 상기 검출된 전압을 전압 검출 회로(1240)로 전달할 수 있다. 상기 전압 검출 회로(1240)는 검출된 전압 및/또는 검출된 전압 변화율을, 이에 따라 상기 모듈(1250)의 작동을 제어하는, 상기 CPU/제어기(1230)로 통신한다. 예를 들면, 상기 검출된 전압이 원하는 작업 범위 미만인 경우, 상기 CPU/제어기(1230)는, 상기 검출된 전압이 상기 원하는 작업 범위 내가 될 때까지, 상기 모듈(1250)이 그것의 출력(전류, 전압, 및/또는 전력)을 증가시키도록 지시한다. 유사하게, 상기 검출된 전압이 원하는 문턱값 이상인 경우, 상기 CPU/제어기(1230)는, 아크가 생성되지 않도록, 상기 모듈(1250)이 상기 팁(160)에 대한 전류의 흐름을 차단하도록 지시한다. 상기 전압이 상기 원하는 문턱값 미만으로 떨어지는 경우, 상기 CPU/제어기(1230)는 상기 용접 공정을 계속하기 위해 상기 모듈(1250)이 전류 또는 전압, 또는 둘 모두를 공급하도록 지시한다. 물론, 상기 CPU/제어기(1230)는 또한 상기 모듈(1250)이 원하는 전력 레벨을 유지 또는 공급하도록 지시할 수도 있다.
상기 검출 회로(1240) 및 CPU/제어기(1230)는 도 1에 도시한 제어기(195)와 유사한 구성 및 작동을 가질 수 있음에 주의해야 할 것이다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 샘플링/검출율은 적어도 10 KHz이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 검출/샘플링율은 100 KHz 내지 200 KHz 범위이다.
도 13a 내지 도 13c은 본 발명의 실시예들에서 이용되는 예시적 전류 및 전압 파형들을 도시한 것이다. 이들 각각의 파형들은 차례로 논의될 것이다. 도 13a는 - 아크 검출 이벤트 후 - 상기 전원 공급 장치 출력이 다시 켜진 후 상기 필러 와이어(140)가 상기 용접 퍼들을 터치하는 실시예에 대한 전압 및 전류 파형들을 보여준다. 도시한 바와 같이, 상기 전원 공급 장치의 상기 출력 전압은 결정된 문턱값(9 볼트) 미만의 어떤 작업 레벨에 있었고 그 다음에 용접 중에 이 문턱값으로 증가된다. 상기 작업 레벨은 (앞서 논의된) 다양한 입력 파라미터들에 기반하여 결정된 레벨일 수 있으며 설정된 작업 전압, 전류, 및/또는 전력 레벨일 수 있다. 이 작업 레벨은 주어진 용접 작업에 대해 상기 전원 공급 장치(170)의 원하는 출력이며 상기 필러 와이어(140)에 원하는 가열 신호를 제공하게 된다. 용접 중에, 아크의 생성을 초래하는 이벤트가 발생할 수 있다. 도 13a에서, 상기 이벤트는 상기 전압의 증가를 유발하여, 그것이 지점(A)으로 증가되도록 한다. 지점(A)에서, 상기 전력 공급/제어 회로는 (아크 검출 지점 또는 단순히 미리 결정된 상위 문턱값일 수 있는, 아크 생성 지점 미만일 수 있는) 상기 9 볼트 문턱값에 도달하며 상기 전류 및 전압이 지점(B)에서의 감소된 레벨로 떨어지도록 하는 상기 전원 공급 장치의 출력을 끈다. 상기 전류 강하의 기울기는 상기 시스템 인덕턴스로부터 초래되는 전류를 급속히 감소시키는데 도움이 되는 (본 명세서에서 논의된 바와 같은) 램프 다운 회로를 포함함으로써 제어될 수 있다. 지점(B)에서의 상기 전류 또는 전압 레벨들은 미리 결정될 수 있거나 또는 이들은 미리 결정된 지속시간 후에 도달될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 전압(또는 전류 또는 전력)에 대한 상위 문턱값이 용접에 대해 설정될 뿐만 아니라, 하위 아크 비발생 레벨이 설정될 수 있다. 이 하위 레벨은, 상기 전원 공급 장치를 다시 켜는 것이 허용될만 하고 아크가 생성되지 않도록 아크가 생성되지 않을 수 있음이 보장되는, 하위의 전압, 전류, 또는 전력 레벨일 수 있다. 그러한 하위 레벨을 가지는 것은 상기 전원 공급 장치가 신속하게 다시 켜지고 아크가 생성되지 않음을 보장할 수 있도록 한다. 예를 들면, 용접에 대한 전원 공급 장치 설정 지점이, 11 볼트의 전압 문턱값과 함께, 2,000 와트로 설정될 수 있는 경우, 이 하위 전력 설정은 500 와트로 설정될 수 있다. 따라서, (실시예에 따라 전류 또는 전력 문턱값일 수도 있는) 상기 상위 전압 문턱값에 도달되는 경우, 상기 출력은 500 와트로 감소된다. (이 하위 문턱값은 또한 하위 전류 또는 전압 설정, 또는 둘 다일 수도 있다). 대안적으로, 하위 검출 한계를 설정하는 대신, 타이밍 회로(timing circuit)가 설정된 지속시간 후에 전류 공급을 시작하게 하는데 이용될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 그러한 지속시간은 500 ms 내지 1000 ms 범위일 수 있다. 도 13a에서, 지점(C)은 출력이 다시 상기 와이어(140)로 공급되는 시간을 나타낸다. 지점(B)과 지점(C) 사이에 나타낸 지연은 의도적인 지연의 결과일 수 있거나 또는 단순히 시스템 지연의 결과일 수 있다는 것에 주의해야 할 것이다. 지점(C)에서, 전류는 다시 상기 필러 와이어로 공급된다. 그러나, 상기 필러 와이어는 아직도 상기 용접 퍼들을 터치하지 못하고 있으므로, 상기 전압은 증가하는 반면에 상기 전류는 그렇지 않다. 지점(D)에서 상기 와이어는 상기 퍼들에 접촉하고, 상기 전압 및 전류는 원하는 작업 레벨들로 다시 정착한다. 도시한 바와 같이, 상기 전압은 D에서 접촉하기 이전에 상기 상위 문턱값을 초과할 수 있으며, 이는 상기 전원이 상기 작업 문턱값의 OCV 레벨보다 높은 OCV 레벨을 가지는 경우에 발생할 수 있다. 예를 들면, 이 더 높은 OCV 레벨은 전원 공급 장치의 설계 또는 제조의 결과로 상기 전원 공급 장치에서 설정된 상한(upper limit)일 수 있다.
도 13b는, 상기 필러 와이어(140)가 상기 전원 공급 장치의 출력이 증가하는 경우에 상기 용접 퍼들에 접촉하고 있는 점을 제외하고, 상기에서 설명한 것과 유사하다. 그러한 상황에서, 상기 와이어는 결코 상기 용접 퍼들을 떠나지 않거나 또는 아니면 상기 와이어는 지점(C) 이전에 상기 용접 퍼들과 접촉되었다. 상기 와이어는 상기 출력이 다시 켜지는 경우에 상기 퍼들과 접촉하게 되므로, 도 13b는 지점들(C 및 D)을 함께 보여주고 있다. 따라서, 상기 전류 및 전압은 둘 모두 지점(E)에서 상기 원하는 작업 설정으로 증가한다.
도 13c는 꺼지고 있는 출력(지점(A))과 다시 켜지고 있는 출력(지점(B)) 사이에 거의 또는 전혀 지연이 없는 실시예이며, 상기 와이어는 지점(B) 이전의 얼마 동안 상기 퍼들과 접촉한다. 상기 도시된 파형들은, 더 낮은 문턱값에 도달되는 경우에 - 그것의 전류, 전력, 또는 전압이든 상관없이 - 상기 출력이 거의 또는 전혀 지연 없이 다시 켜지도록 상기 더 낮은 문턱값이 설정되는, 상기에서 설명한 실시예들에 이용될 수 있다. 이 더 낮은 문턱값 설정은 본 명세서에서 설명하는 바와 같은 상기 작업 상위 문턱값들 또는 범위들과 동일한 또는 유사한 파라미터들을 이용하여 설정될 수 있다는 것에 주의해야 할 것이다. 예를 들면, 이 더 낮은 문턱값은, 본 명세서에서 설명하는, 와이어 조성, 직경, 공급 속도, 또는 다양한 기타 파라미터들에 기반하여 설정될 수 있다. 그러한 실시예는 용접에 대해 상기 원하는 작업 설정 지점들로 복귀함에 있어서의 지연을 최소화할 수 있고 상기 와이어에서 발생할 수 있는 어떠한 네킹(necking)도 최소화할 수 있다. 네킹의 최소화는 아크가 생성되는 기회를 최소화하는데 도움이 된다.
도 14는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 도 14는 도 1에 나타낸 바와 같은 실시예와 유사한 실시예를 보여준다. 그러나, 어떤 구성요소들 및 연결들은 명확성을 위해 도시되어 있지 않다. 도 14는 열 센서(thermal sensor, 1410)가 상기 와이어(140)의 온도를 모니터링하는데 사용되는 시스템(1400)을 도시하고 있다. 상기 열 센서(1410)는 상기 와이어(140)의 온도를 검출할 수 있는 어떠한 공지의 유형일 수 있다. 상기 센서(1410)는 상기 와이어(140)와 접촉될 수 있거나 또는 상기 와이어의 온도를 검출하도록 상기 팁(160)에 결합될 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 센서(1410)는 상기 와이어(140)와 접촉하지 않고 - 필러 와이어의 직경과 같은 - 작은 대상의 온도를 측정할 수 있는 레이저 또는 적외선 빔을 이용하는 유형이다. 그러한 실시예에서, 상기 센서(1410)는 상기 와이어(140)의 온도가 상기 와이어(140) 중의 스틱(stick)에서 - 즉 상기 팁(160)의 말단과 상기 용접 퍼들 사이의 어떤 지점에서 - 검출될 수 있도록 위치된다. 상기 센서(1410)는 또한 상기 와이어(140)에 대한 상기 센서(1410) 상기 용접 퍼들 온도를 감지하지 않도록 위치된다.
상기 센서(1410)는, 온도 피드백 정보가 상기 전원 공급 장치(170) 및/또는 상기 레이저 전원 공급 장치(130)에 제공되어 상기 시스템(1400)의 제어가 최적화될 수 있도록, (도 1과 관련하여 논의된) 상기 감지 및 제어 유닛(195)에 결합된다. 예를 들면, 상기 전원 공급 장치(170)의 전력 또는 전류 출력은 적어도 상기 센서(1410)로부터의 피드백에 기반하여 조정될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서, 사용자는 (주어진 용접부 및/또는 와이어(140)에 대한) 원하는 온도 설정을 입력할 수 있거나 또는 상기 감지 및 제어 유닛이 다른 사용자 입력 데이터(와이어 공급 속도, 전극 유형, 등)에 기반하여 원하는 온도를 설정할 수 있으며, 그 다음에 상기 감지 및 제어 유닛(195)은 적어도 상기 전원 공급 장치(170)가 해당 원하는 온도를 유지하도록 할 것이다.
그러한 실시예에서, 상기 와이어가 상기 용접 퍼들에 진입하기 전에 상기 와이어(140)에 충돌하는 상기 레이저 빔(110)으로 인해 발생할 수 있는 상기 와이어(140)의 가열을 설명하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들에서, 상기 와이어(140)의 온도는 오직 전원 공급 장치(170)를 통해서만 상기 와이어(140)의 전류를 제어함으로써 제어될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 와이어(140)의 가열의 적어도 일부는 상기 와이어(140)의 적어도 일부에 충돌하는 상기 레이저 빔(110)으로부터 비롯된다. 이와 같이, 상기 전원 공급 장치(170) 단독으로부터의 상기 전류 또는 전력은 상기 와이어(140)의 상기 온도를 대표하지 못할 수 있다. 이와 같이, 상기 센서(1410)의 이용은 상기 전원 공급 장치(170) 및/또는 상기 레이저 전원 공급 장치(130)의 제어를 통해 상기 와이어(140)의 상기 온도를 조절하는데 도움일 될 수 있다.
(도 14에도 도시되어 있는) 또 다른 예시적 실시예에서, 온도 센서(1420)는 상기 용접 퍼들의 온도를 감지하는 것을 목적으로 한다. 이 실시예에서, 상기 용접 퍼들의 온도는 또한 상기 감지 및 제어 유닛(195)에 결합되어 있다. 그러나, 다른 예시적 실시예에서, 상기 센서(1420)는 상기 레이저 전원 공급 장치(130)에 직접 결합될 수 있다.상기 센서(1420)로부터의 피드백은 레이저 전원 공급 장치(130)/레이저(120)로부터의 출력을 제어하는데 이용된다. 즉, 상기 레이저 빔(110)의 에너지 밀도는 상기 원하는 용접 퍼들 온도가 달성되는 것을 보장하도록 변경될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 센서(1420)를 상기 퍼들로 향하게 하는 대신에, 그것은 상기 용접 퍼들에 인접한 작업물의 영역으로 향해질 수 있다. 구체적으로, 상기 용접부에 인접한 상기 작업물로의 열 입력이 최소화되도록 보장하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 센서(1420)는 문턱값 온도가 상기 용접부 근처에서 초과되지 않도록 이 온도 민감 영역을 모니터링하도록 위치될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서(1420)는 상기 작업물 온도를 모니터링하고 상기 감지된 온도에 기반하여 상기 빔(110)의 에너지 밀도를 감소시킬 수 있다. 그러한 구성은 상기 용접 비드 근처의 열 입력이 원하는 문턱값을 초과하지 않는 것을 보장하게 될 것이다. 그러한 실시예는 상기 작업물로의 열 입력이 크리티컬(critical)한 정밀 용접 작업들에 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 상기 감지 및 제어 유닛(195)은 와이어 공급 메카니즘(미도시 - 하지만 도 1의 150 참조)에 결합되는 공급력 검출 유닛(feed force detection unit)(미도시)에 결합될 수 있다. 상기 공급력 검출 유닛들은 공지되어 있으며 상기 와이어가 상기 작업물(115)에 공급됨에 따라 상기 와이어(140)에 인가되는 공급력을 검출한다. 예를 들면, 그러한 검출 유닛은 상기 와이어 공급기(150)의 와이어 공급 모터에 의해 인가되는 토크(torque)를 모니터링할 수 있다. 상기 와이어(140)가 완전히 용융되지 않고 상기 용융 용접 퍼들을 통과하는 경우, 그것은 상기 작업물의 고체 부분에 접촉할 것이고 그러한 접촉은 상기 모터가 설정된 공급 속도를 유지하려고 함에 따라 상기 공급력이 증가하도록 만들 것이다. 이 힘/토크의 증가는 검출되고, 상기 퍼들에서의 상기 와이어(140)의 적절한 용융을 보장하기 위해 이 정보를 이용하여 상기 와이어(140)에 대한 전압, 전류 및/또는 전력을 조정하는 상기 제어 유닛(195)으로 중계될 수 있다.
본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 상기 와이어는 상기 용접 퍼들 내로 지속적으로 공급되는 것이 아니라, 원하는 용접 프로파일에 기반하여 단속적으로(intermittently) 공급될 수 있다는 것에 주의해야 할 것이다. 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시예들의 융통성(versatility)은 작업자 또는 상기 제어 유닛(195)이 원하는 대로 상기 퍼들 내로 상기 와이어(140)를 공급하는 것을 개시 및 중지할 수 있도록 한다. 예를 들면, 필러 금속(상기 와이어(140))의 사용을 필요로하는 상기 용접 접합부의 어떤 부분들 및 필러 금속의 사용을 필요로 하지 않는 동일 작업물 상의 다른 부분들을 가질 수 있는, 복잡한 용접 프로파일들 및 기하하적 구조의 많은 상이한 유형들이 있다. 이와 같이, 용접부의 제 1 부분 작업 동안, 상기 제어 유닛(195)은 오직 상기 레이저(120)가 상기 접합부의 이 제 1 부분만을 레이저 용접하도록 작동시킬 수 있지만, 용접 작업이 - 필러 금속의 사용을 필요로 하는 - 상기 용접 접합부의 제 2 부분에 도달하는 경우, 상기 제어기(195)는 상기 전원 공급 장치(170) 및 상기 와이어 공급기(150)로 하여금 상기 와이어(140)를 상기 용접 퍼들 내로 퇴적하는 것을 시작하도록 한다. 그 다음에, 상기 용접 작업이 상기 제 2 부분의 끝에 도달함에 따라, 상기 와이어(140)의 퇴적은 중지될 수 있다. 이는 한 부분에서 그 다음 부분까지 현저하게 달라지는 프로파일을 갖는 연속적인 용접부들을 생성할 수 있게 한다. 그러한 능력은, 많은 개별적 용접 작업들을 갖는 것에 반대되는, 단일 용접 작업으로 작업물이 용접될 수 있도록 한다. 물론, 많은 변형들이 구현될 수 있다. 예를 들면, 용접부는, 각 용접부 부분에서 상기 레이저 및 상기 와이어(140)의 사용이 어려울 수 있도록, 다양한 형태, 깊이 및 필러 요구조건들을 갖는 용접 프로파일을 요구하는 셋 이상의 별개의 부분들을 가질 수 있다. 나아가, 추가적인 와이어들이 또한 필요에 따라 추가 또는 제거될 수 있다. 즉, 제 1 용접 부분은 오직 레이저 용접만을 필요로 할 수 있는 반면에 제 2 부분은 오직 단일 필러 와이어(140)의 사용만을 필요로 하며, 상기 용접부의 마지막 부분은 둘 이상의 필러 와이어들의 사용을 필요로 한다. 상기 제어기(195)는 연속적인 용접 작업에서 그러한 변화하는 용접 프로파일을 달성하기 위해 상기 다양한 시스템 구성요소들을 제어할 수 있도록 만들어 질 수 있으며, 이에 따라 연속적인 용접 비드가 단일 용접 패스(weld pass)로 생성된다.
도 15는 본 발명의 예시적 실시예들에 따라 용접하는 경우의 통상적인 용접 퍼들(P)을 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 레이저 빔(110)은 상기 작업물(W)의 표면에 상기 퍼들(P)를 생성한다. 상기 용접 퍼들은 에너지 밀도의 함수인 길이(L), 형태 및 상기 빔(110)의 이동을 가진다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 상기 빔(110)은 상기 용접 퍼들의 후행 에지(trailing edge)로부터 거리(Z)에 있는 상기 퍼들(P)로 향해진다. 그러한 실시예들에서, 고강도 에너지 소스(예를 들면, 상기 레이저(120))는 상기 에너지 소스(120)가 상기 와이어(140)를 용융시키지 않도록 그것의 에너지가 상기 필러 와이어(140) 상에 직접 충돌하도록 만들지만, 오히려 상기 와이어(140)는 그것의 상기 용접 퍼들과의 접촉으로 인해 용융이 완료된다. 상기 퍼들(P)의 상기 후행 에지는 일반적으로 상기 용융 퍼들이 끝나고 상기 생성된 용접 비드(WB)가 고형화되기 시작하는 지점으로 정의될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 상기 거리(Z)는 상기 퍼들(P)의 상기 길이(L)의 50%이다. 또 다른 예시적 실시예에서, 상기 거리(Z)는 상기 퍼들(P)의 상기 길이(L)의 40% 내지 75% 범위이다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 상기 필러 와이어(140)는 상기 빔(110) 뒤에서 - 용접부의 진행 방향으로 - 상기 퍼들(P)에 충돌한다. 도시한 바와 같이, 상기 와이어(140)는 상기 퍼들(P)의 상기 후행 에지 앞의 거리(X)에서 상기 퍼들(P)과 충돌한다. 예시적 실시예에서, 상기 거리(X)는 상기 퍼들(P)의 상기 길이의 20% 내지 60% 범위이다. 다른 예시적 실시예에서, 상기 거리(X)는 상기 퍼들(P)의 상기 거리(L)의 30% 내지 45% 범위이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 와이어(140) 및 상기 빔(110)은, 용접 공정 동안 상기 빔(110)의 적어도 일부가 상기 와이어(140)에 충돌하도록, 상기 퍼들(P)의 표면에서 또는 상기 퍼들(P) 위쪽 지점에서 교차한다. 그러한 실시예에서, 상기 레이저 빔(110)은 상기 퍼들(P)에서의 퇴적을 위해 상기 와이어(140)을 용융시키는데 도움이 되도록 이용된다. 상기 와이어(140)가 상기 퍼들(P)에서 신속하게 소모되기에 너무 차가운 경우, 상기 와이어(140)를 용융시키는데 도움이 되도록 상기 빔(110)을 사용하는 것은 상기 와이어(140)가 상기 퍼들(P)을 급랭(quenching)시키는 것을 방지하는데 도움이 된다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같이,(도 15에 나타낸 바와 같은) 일부 예시적 실시예들에서, 용융은 상기 용접 퍼들의 열에 의해 완료되므로, 상기 에너지 소스(120) 및 상기 빔(110)은 상기 필러 와이어(140)의 어떤 부분도 상당하게 용융시키지 못한다.
도 15에 나타낸 실시예에서, 상기 와이어(140)는 상기 빔(110)을 뒤쫓아 가며 상기 빔(110)과 나란하다. 그러나, 상기 와이어(140)는 (상기 진행 방향으로) 선행할 수 있으므로, 본 발명은 이 구성에 제한되지 않는다. 또한, 상기 와이어(140)는 상기 진행 방향으로 상기 빔과 나란할 필요가 없지만, 상기 와이어는, 상기 퍼들에서 적절한 와이어 용융이 발생하는 한, 어느 방향에서든지 상기 퍼들에 충돌할 수 있다.
도 16a 내지 도 16f는 상기 도시된 레이저 빔(110)의 풋프린트(footprint)를 갖는 다양한 퍼들들(P)을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 일부 예시적 실시예들에서, 상기 퍼들(P)는 원형의 풋프린트를 가진다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이 구성에 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 퍼들이 타원형의 또는 기타의 형태를 가질 수 있다는 것을 생각할 수 있다.
또한, 도 16a 내지 도 16f에서, 상기 빔(110)은 원형의 단면을 갖는 것으로 도시되어 있다. 다시 말하면, 상기 빔(110)은 용접 퍼들(P)을 효과적으로 생성하도록 타원형, 직사각형, 또는 기타의 형태를 가질 수 있으므로, 본 발명의 다른 실시예들은 이와 관련하여 제한되지 않는다.
일부 실시예들에서, 상기 레이저 빔(110)은 상기 용접 퍼들(P)에 대해 정지된 상태로 있을 수 있다. 즉, 상기 빔(110)은 용접 중에 상기 퍼들(P)에 대해 상대적으로 일관된 위치에 남아 있다. 그러나, 다른 실시예들은, 도 16a 내지 도 16d에 예시한 바와 같이, 그러한 방식에 제한되지 않는다. 예를 들면, 도 16asms 상기 빔(110)이 상기 용접 퍼들(P) 주위에서 원형 패턴으로 변환되는 실시예를 도시하고 있다. 이 도면에서, 상기 빔(110)은 상기 빔(110) 상의 적어도 한 지점이 항상 상기 퍼들의 중심(C)과 중첩되도록 변환된다. 다른 실시예에서, 원형 패턴이 사용되지만 상기 빔(110)은 상기 중심(C)과 접촉하지 않는다. 도 16b는 상기 빔이 단일 라인을 따라 왕복하도록 변환되는 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 원하는 퍼들(P) 형태에 따라 상기 퍼들(P)을 연신(elongate) 또는 확대(widen)시키는데 이용될 수 있다. 도 16c는 두 개의 상이한 빔 단면들이 이용되는 실시예를 도시하고 있다. 상기 제 1 빔 단면(110)은 제 1 기하구조를 가지고 상기 제 2 빔 단면(110')은 제 2 단면을 가진다. 그러한 실시예는 - 필요한 경우 - 보다 큰 퍼들 크기를 여전히 유지하면서 상기 퍼들 내의 지점에서 침투(penetration)를 증가시키는데 이용될 수 있다. 이 실시예는 단일 레이저(120)를 이용하여 레이저 렌즈들 및 광학계의 사용을 통해 상기 빔 형태를 변경함으로써 성취될 수 있거나, 또는 다수의 레이저들(120)의 사용을 통해 성취될 수 있다. 도 16d는 상기 퍼들(P)에서 타원형 패턴으로 변환되는 빔(110)을 도시하고 있다. 다시 말하면, 그러한 패턴은 필요에 따라 상기 용접 퍼들(P)을 연시 또는 확대하는데 이용될 수 있다. 다른 빔(110) 변환들이 상기 퍼들(P)를 생성하기 위해 이용될 수 있다.
도 16e 및 도 16f는 상이한 빔 강도를 이용하는 작업물(W) 및 퍼들(P)의 단면을 도시하고 있다. 도 16e는 보다 폭 넓은 빔(110)에 의해 생성되는 얕고 보다 폭 넓은 퍼들 P를 도시하고 있지만, 반면에 도 16f는 보다 깊고 좁은 용접 퍼들(P) - 통상적으로 "키홀(keyhole)"이라 부른다 - 을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 빔은 그것의 초점이 상기 작업물(W)의 상부 표면에 가깝도록 포커싱된다. 그러한 초점으로, 상기 빔(110)은 상기 작업물의 전체 깊이를 관통하여 상기 작업물(W)의 바닥 표면 상의 이면 비드(BB)를 생성하는데 도움이 될 수 있다. 상기 빔 강도 및 형태는 용접 동안의 상기 용접 퍼들의 원하는 특성들에 기반하여 결정되어야 한다.
상기 레이저(120)는 어떠한 공지된 방법들 및 장치들을 통해서는 이동, 변환 또는 작동될 수 있다. 레이저들의 이동 및 광학계는 일반적으로 공지되어 있으므로, 그것들은 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다. 도 17은 본 발명의 예시적 실시예에 다른 시스템(1700)을 도시하고 있으며, 여기서 상기 레이저(120)는 이동되고, 작업 중에 변경 또는 조정되는, (그것의 렌즈들과 같은) 그것의 광학계를 가질 수 있다. 이 시스템(1700)은 상기 감지 및 제어 유닛(195)을 모터(1710) 및 광학계 구동 유닛(1720) 둘 모두에 결합시킨다. 상기 모터(1710)는 용접 중에 상기 용접 퍼들에 대해 상대적인 상기 빔(110)의 위치가 이동되도록 상기 레이저(120)를 이동 또는 변환시킨다. 예를 들면, 상기 모터(1710)는 상기 빔이 왕복하도록 변환시키는 것, 그것을 원형 패턴으로 이동시키는 것, 등을 할 수 있다. 유사하게, 상기 광학계 구동 유닛(1720)은 상기 레이저(120)의 상기 광학계를 제어하도록 상기 감지 및 제어 유닛(195)으로부터 명령을 수신한다. 예를 들면, 상기 광학계 구동 유닛(1720)은 상기 빔(110)의 초점이 상기 작업물의 표면에 대해 상대적으로 이동 또는 변경되도록 하여, 이에 따라 상기 용접 퍼들의 침투 또는 깊이를 변경할 수 있다. 유사하게, 상기 광학계 구동 유닛(1720)은 상기 레이저(120)의 광학계가 상기 빔(110)의 형태를 변경시키도록 할 수 있다. 이와 같이, 용접 중에, 상기 감지 및 제어 유닛(195)은 작업 동안 상기 용접 퍼들의 특성들을 유지 및/또는 변경하기 위해 상기 레이저(120) 및 빔(110)을 제어한다.
각각의 도 1, 도 14 및 도 17에서, 상기 레이저 전원 공급 장치(130), 핫 와이어 전원 공급 장치(170) 및 감지 및 제어 유닛(195)는 명확성을 위해 별개로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에서, 이들 구성요소들은 단일 용접 시스템으로 통합되어 제조될 수 있다. 본 발명의 측면들은 상기에서 개별적으로 논의된 구성요소들이 별개의 물리적인 유닛들 또는 독립적 구조(stand alone structure)로 유지될 것을 요구하지 않는다.
상기한 바와 같이, 상기 고강도 에너지 소스는, 용접 전원들을 포함하여, 수많은 에너지 소스들일 수 있다. 이것의 예시적 실시예는, 도 1에 나타낸 시스템(100)과 유사한 시스템(2000)을 보여주는, 도 20에 도시되어 있다. 상기 시스템(2000)의 구성요소들 중 많은 것들이 상기 시스템(100)의 구성요소들과 유사하며, 이에 따라 그것들의 작동 및 활용은 다시 상세히 논의되지 않을 것이다. 그러나, 상기 시스템(2000)에서, 상기 레이저 시스템은, GMAW 시스템과 같은, 아크 용접 시스템으로 대체된다. 상기 GMAW 시스템은 전원 공급 장치(2130), 와이어 공급기(2150) 및 토치(2120)을 포함한다. 용접 전극(2110)은 상기 와이어 공급기(215) 및 상기 토치(2120)을 통해 용융 퍼들로 전달된다. 본 명세서에서 설명되는 유형의 GMAW 용접 시스템의 작동은 잘 알려져 있어 본 명세서에서 상세히 설명될 필요는 없다. GMAW 시스템이 도시된 예시적 실시예들과 관련하여 도시되고 논의되지만, 본 발명의 예시적 실시예들은, 작업물 상의 용융 퍼들로 소모품(consumable)을 전송하는 것에 도움이 되도록 아크를 이용하는 그러한 시스템들을 포함하여, GTAW, FCAW, MCAW, 및 SAW 시스템들, 클래딩 시스템들, 납땜 시스템들, 및 이들 시스템들의 조합, 등과 함께 이용될 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 공지된 방법들에 따라 이용될 수 있는, 차폐 가스 시스템 또는 서브 아크 플럭스(sub arc flux) 시스템은 도 20에 도시되어 있지 않다.
상기에서 설명한 레이저 시스템들과 마찬가지로, (상기 고강도 에너지 소스로 이용될 수 있는) 아크 발생 시스템들이 상기에서 상세히 설명한 바와 같은 시스템들 및 실시예들을 이용하여 상기 핫 와이어(140)가 첨가되는 상기 용융 퍼들을 생성하기 위해 이용된다. 그러나, 상기 아크 발생 시스템들을 이용하여, 알려진 대로, 추가적인 소모품(2110)이 또한 상기 퍼들에 첨가된다. 이 추가적인 소모품은 본 명세서에서 설명되는 핫 와이어 공정에 의해 제공되는 이미 증가된 퇴적 성능에 추가된다. 이 성능은 하기에서 보다 상세히 논의될 것이다.
또한, 일반적으로 알려진 바와 같이, GMAW와 같은 아크 발생 시스템들은 상기 전진하는 소모품과 상기 작업물 상의 상기 용융 퍼들 사이에 아크를 발생시키기 위해 높은 레벨의 전류를 이용한다. 유사하게, GTAW 시스템들은 전극과, 소모품이 첨가되어 들어가는, 상기 작업물 간에 아크를 발생시키기 위해 높은 전류 레벨을 이용한다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 정전류(constant current), 펄스 전류(pulse current), 등과 같은, 많은 상이한 전류 파형들이 GTAW 또는 GMAW 용접 작업에 이용될 수 있다. 그러나, 상기 시스템(2000)의 작동 중에, 상기 전원 공급 장치(2130)에 의해 발생되는 전류는 상기 와이어(140)를 가열하는데 이용되는 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 발생되는 전류와 간섭할 수 있다. 상기 와이어(140)는 상기 전원 공급 장치(2130)에 의해 발생되는 아크에 근접해 있기 때문에(왜냐하면 그것들이 각각, 상기에서 설명한 것과 유사하게, 동일한 용융 퍼들로 향해지기 때문에), 상기 각각의 전류들은 서로 간섭할 수 있다. 구체적으로, 각각의 전류들은 자기장을 발생시키고 이들 자기장들은 서로 간섭하여 상기 전류들의 작동에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 상기 핫 와이어 전류에 의해 발생되는 상기 자기장들은 상기 전원 공급 장치(2130)에 의해 발생되는 상기 아크의 안정성을 저해할 수 있다. 즉, 상기 각각의 전류들 간에 적절한 제어 및 동기화가 없으면, 상기 경합하는 자기장들은 상기 아크를 불안정하게 만들고 따라서 상기 공정을 불안정하게 만들 수 있다. 그러므로, 예시적 실시예들은 안정적인 작업을 보장하기 위해 상기 전원 공급 장치들(2130 및 170) 간의 전류 동기화(current synchronization)를 이용하며, 이는 하기에서 더 논의될 것이다.
도 21은 본 발명의 예시적 용접 작업의 보다 자세한 도면이다. 볼 수 있는 바와 같이, (예시적 GMAW/MIG 토치일 수 있는) 상기 토치(2120)는 아크의 이용을 통해 소모품(2110)을 용접 퍼들(WP)로 전달한다 - 일반적으로 알려진 바와 같이. 또한, 상기에서 설명한 실시예들 중 어떠한 것에 따르든, 상기 핫 와이어 소모품(140)은 상기 용접 퍼들(WP)로 전달된다. 상기 토치(212) 및 상기 팁(160)은 이 도면에서 별도로 도시되어 있지만, 이들 구성요소들은 소모품들(2120 및 140) 둘 모두를 상기 퍼들로 전달하는 단일 토치로 통합적으로 제조될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 물론, 통합 구성이 이용될 정도로, 상기 공정 중에 상기 소모품들 간의 전류 전송을 방지하도록 상기 토치 내에서 전기적 절연이 이용되어야 한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 상기 각각의 전류들에 의해 유도되는 자기장들은 서로 간섭할 수 있으며, 따라서 본 발명의 실시예들은 상기 각각의 전류들을 동기화한다. 동기화는 다양한 방법을 통해 달성될 수 있다. 예를 들면, 상기 감지 및 전류 제어기(195)는 상기 전류들을 동기화하기 위해 상기 전류 공급 장치들(2130 및 170)의 작동을 제어하도록 이용될 수 있다. 대안적으로, 상기 전류 공급 장치들 중 하나가 다른 것의 출력을 제어하는데 이용되는 경우, 마스터-슬레이브 관계(master-slave relationship)가 또한 이용될 수 있다. 상기 상대적인 전류들의 제어는 상태표들(state tables) 또는, 안정적인 작업을 위해 상기 전원 공급 장치들의 출력 전류들이 동기화되도록 상기 전원 공급 장치들을 제어하는, 알고리즘들의 이용을 포함하는 많은 방법들에 의해 성취될 수 있다. 이는 도 22a 내지 도 22c와 관련하여 논의될 것이다. 예를 들면, 미국 특허 공개 제 2010/0096373호에서 설명된 것과 유사한 이중 상태(dual-state) 기반 시스템 및 장치들이 이용될 수 있다. 2010년 4월 22일에 공개된, 미국 특허 공개 제 2010/0096373호는 그 전부가 참조로서 본 명세서에 포함되어 있다.
각각의 도 22a 내지 도 22c는 예시적 전류 파형들을 도시하고 있다. 도 22a는, 상기 와이어(2110)로부터 상기 퍼들로 액적들(droplets)을 전송하는데 도움이 되도록 전류 펄스들(2202)을 이용하는, 예시적 용접 파형(GMAW 또는 GTAW)을 도시한다. 물론, 도시된 파형은 예시적이고 대표적인 것이고 제한하고자 한 것이 아니며, 예를 들면, 상기 전류 파형들은 펄스 스프레이 이행(pulsed spray transfer), 펄스 용접(pulse welding), 표면 장력 이행 용접(surface tension transfer welding), 등에 대한 파형일 수 있다. 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)는, 상기에서 일반적으로 설명되는 바와 같은 저항 가열을 통해, 상기 와이어(140)를 가열하기 위해 일련의 펄스들(2204)을 가지는 전류 파형(2203)을 출력한다. 상기 전류 펄스들(2204)은 레이저 전류 레벨의 백그라운드 레벨만큼 이격된다. 앞서 일반적으로 설명된 바와 같이, 상기 파형(2203)은 상기 와이어(140)를 그것의 용융 온도 또는 그 근처로 가열하는데 이용되며, 저항 가열을 통해 상기 와이어(140)를 가열하기 위해 상기 펄스들(2204) 및 백그라운드를 이용한다. 도 22a에 나타낸 바와 같이, 상기 각각의 전류 파형들로부터의 상기 펄스들(2202 및 2204)은 그것들이 서로 위상이 같도록 동기화된다. 이 예시적 실시예에서, 상기 전류 파형들은, 상기 전류 펄스들(2202/2204)이 도시한 바와 같이 유사 또는 동일한 주파수를 갖고 서로 위상이 같도록, 제어된다. 놀랍게도, 동일 위상의 파형들을 갖는 것은 안정적이고 일관된 작업을 초래한다는 것이 발견되었으며, 여기서 상기 아크는 상기 파형(2203)에 의해 발생되는 가열 전류에 의해 현저하게 방해받지 않는다.
도 22b는 본 발명의 다른 예시적 실시예로부터의 파형들을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 가열 전류 파형(2205)은, 상기 펄스들(2206)이 상기 펄스들(2202)과 일정한 위상각(constant phase angle, Θ) 만큼 위상이 달라지도록, 제어/동기화된다. 그러한 실시예에서, 상기 위상각은 상기 공정의 안정적인 작업을 보장하도록 및 상기 아크가 안정적인 상태로 유지되는 것을 보장하도록 선택된다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 위상각(Θ)은 30 도 내지 90 도 범위이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 위상각은 0 도이다. 물론 다른 위상각들이 안정적인 작업을 얻도록 이용될 수 있으며, 0 도 내지 360 도 범위일 수 있지만, 반면에 다른 예시적 실시예들에서, 상기 위상각은 0 도 내지 180 도 범위이다.
도 22c는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 상기 핫 와이어 전류(2207)는, 상기 핫 와이어 펄스들(2208)이 상기 용접 펄스들(2202)과의 상기 위상각(Θ)이 약 180 도가 되도록 위상이 다르고, 상기 파형(2201)의 상기 백그라운드 부분(2210) 동안에만 발생하도록, 상기 용접 파형(2201)과 동기화된다. 이 실시예에서, 상기 각각의 전류들은 동시에 최고점에 달하지 않는다. 즉, 상기 파형(2207)의 상기 펄스들(2208)은 상기 파형(2201)의 상기 각각의 백그라운드 부분들(2210) 동안에 시작되고 끝난다.
본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 상기 용접 및 핫 와이어 펄스들의 펄스폭은 동일하다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 각각의 펄스폭들은 상이할 수 있다. 예를 들면, 핫 와이어 펄스 파형과 함께 GMAW 펄스 파형을 이용하는 경우, 상기 GMAW 펄스폭은 1.5 밀리초 내지 2.5 밀리조 범위이고 상기 핫 와이어 펄스폭은 1.8 밀리초 내지 3 밀리초 범위이며, 상기 핫 와이어 펄스폭이 상기 GMAW 펄스폭보다 더 크다.
상기 가열 전류는 펄스 전류로서 도시되어 있지만, 일부 예시적 실시예들에 대해, 상기 가열 전류는 앞서 설명한 바와 같이 일정한 전력(constant power)일 수 있다는 것에 주의해야 한다. 상기 핫 와이어 전류는 또한 펄스 가열 전력, 일정한 전압, 경사진 출력(sloped output) 및/또는 줄/시간(joule/time) 기반 출력일 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 두 개의 전류들이 펄스 전류들이 될 정도까지, 그것들은 안정적인 작업을 위해 동기화되어야 한다. 동기화 신호들을 이용하는 것을 포함하여, 이것을 성취하기 위해 이용될 수 있는 많은 방법들이 있다. 예를 들면, (상기 전원 공급 장치들(170/2130) 중 어느 하나에 통합될 수 있는) 상기 제어기(195)는 펄스 아크 피크(pulsed arc peak)를 개시하기 위해 동기화 신호를 설정하고 또한 상기 핫 와이어 펄스 피크에 대한 원하는 개시 시간을 설정할 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 일부 실시예들에서, 상기 펄스들은 동시에 시작되도록 동기화 될 것이지만, 반면에 다른 실시예들에서, 상기 동기화 신호는 상기 핫 와이어 전류에 대한 펄스 피크의 개시를 상기 아크 펄스 피크 이후 어떤 지속시간 경과시로 설정할 수 있다 - 상기 지속시간은 상기 작업에 대해 원하는 위상각을 얻기에 충분해야 할 것이다.
도 23은 본 발명의 다른 예시적 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, GTAE 용접/코팅 작업이 이용되며, 여기서 GTAW 토치(2121) 및 전극(2122)은 소모품(2120)이 전달되어 들어가는 아크를 생성한다. 다시 말하면, 상기 아크 및 상기 핫 와이어(140)는 도시된 바와 같이 비드(WB)를 생성하기 위해 동일한 퍼들(WP)로 전달된다. GTAW 실시예의 작업은, 상기 아크 및 상기 핫 와이어(140)가 동일한 용접 퍼들(WP)과 상호작용한다는 점에서, 상기에서 설명한 것과 유사하다. 다시 말하면, 상기에서 설명한 GMAW 작업을 이용하는 경우와 같이, 상기 GTAW 작업에서 아크를 발생시키기 위해 이용되는 전류는 상기 핫 와이어 작업에 대한 전류와 동기화된다. 예를 들면, 도 22a 내지 도 22c에 나타낸 바와 같이, 펄스 관계가 이용될 수 있다. 또한, 상기 제어기(195)는 이중 상태표(dual-state table), 또는 기타 유사한 제어 방법들을 이용하여 상기 전원 공급 장치들 간의 동기화를 제어할 수 있다. 상기 소모품(2120)은 콜드 와이어(cold wire)로서 상기 용접부에 전달될 수 있거나 또는 핫 와이어 소모품일 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 즉, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 두 개의 소모품들(2110 및 140)이 가열될 수 있다. 대안적으로, 상기 소모품들(2120 및 140) 중 오직 하나만, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 핫 와이어일 수 있다.
(다른 아크형 방법들을 포함하여) 상기에서 논의된 GTAW 또는 GMAW 유형의 실시예들에서, 상기 아크는 - 상기 진행 방향에 대해 상대적으로 - 선두(lead)에 위치한다. 이는 각각의 도 21 및 도 23에 도시되어 있다. 이는 상기 아크가 상기 작업물(들)에서 원하는 침투를 달성하기 위해 이용되기 때문이다. 즉, 상기 아크는 용융 퍼들을 생성시키고 상기 작업물(들)에서 원하는 침투를 달성하기 위해 이용된다. 다음에, 본 명세서에서 상세히 설명되는, 핫 와이어 공정이 상기 아크 공정 뒤에 이어진다. 상기 핫 와이어 공정의 추가는, 적어도 두 개의 아크들이 이용되는 탠덤 MIG(tandem MIG) 공정에서와 같이, 다른 용접 아크의 추가적인 열 입력 없이 더 많은 소모품(140)을 상기 퍼들에 첨가한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 공지된 탠덤 용접 방법들보다 상당히 더 적은 열 입력으로 현저한 퇴적 속도를 달성할 수 있다.
도 21에 나타낸 바와 같이, 상기 핫 와이어(140)는 상기 아크과 동일한 용접 퍼들(WP)로 삽입되지만, 상기 아크 뒤에서 거리(D) 만큼 후행한다. 일부 예시적 실시예들에서, 이 거리는 5 mm 내지 20 mm 범위이며, 다른 실시예들에서, 이 거리는 5 mm 내지 10 mm 범위이다. 물론, 상기 와이어(140)가 상기 선행하는 아크에 의해 형성되는 것과 동일한 용융 퍼들 내로 공급되는 한, 다른 거리들이 이용될 수 있다. 그러나, 상기 와이어들(2110 및 140)은 동일한 용융 퍼들에 퇴적되어야 하고 상기 거리(D)는 상기 와이어(140)를 가열하는데 이용되는 가열 전류에 의한 상기 아크의 간섭이 최소가 되도록 되어야 한다. 일반적으로, - 상기 아크 및 상기 와이어가 총괄적으로 향해 들어가는 - 상기 퍼들의 크기는, 와이어들(2110 및 140) 간의 원하는 거리를 결정하는데 있어서의 인자들이기도 한, 용접 속도, 아크 파라미터들, 상기 와이어(140)에 대한 총 전력, 물질 유형, 등에 의존하게 될 것이다.
아크 이벤트가 상기 제어기(195) 또는 상기 전원 공급 장치(170)에 의해 검출 또는 예측되는 경우, 상기 핫 와이어 전류(예를 들면, 2203, 2203, 또는 2207)의 작업은 본 명세서에서 상세히 설명되는 것과 유사하다는 것에 주의해야 한다. 즉, 상기 전류가 펄스화된다 하더라도, 아크가 생성되거나 검출되는 경우, 상기 전류는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 차단되거나 또는 최소화될 수 있다. 나아가, 일부 예시적 실시예들에서, 상기 백그라운드 부분들(2211)은 (사용자 입력 정보에 기반하여 상기 제어기(195)에 의해 결정될 수 있는) 상기 와이어(140)에 대한 아크 발생 레벨 미만의 전류 레벨을 가지며, 아크가 검출되는 경우에 상기 핫 와이어 전류를 차단하는 대신에, (앞서 일반적으로 설명한 바와 같이) 상기 전원 공급 장치(170)는 지속시간 동안 또는 상기 아크가 없어지거나 또는 발생하지 않을 것이라고 결정될 때까지 상기 전류를 상기 백그라운드 레벨(2211)로 떨어뜨릴 수 있다. 예를 들면, 상기 전원 공급 장치(170)는 미리 결정된 수의 펄스들(2203/2205/2207)을 생략하거나 또는, 10 ms 내지 100 ms와 같은, 지속시간 동안 단지 맥동(pulse)하지 않을 수 있으며, 상기 시간 후에 상기 전원 공급 장치(170)는 상기 와이어(140)를 적절한 온도로 가열하기 위해 다시 펄스들을 시작할 수 있다.
상기에서 언급한 바와 같이, 적어도 두 개의 소모품들(140/2110)이 동일한 퍼들에서 사용되기 때문에, 열 입력은 단일 아크 작업의 그것과 유사하면서, 매우 높은 퇴적 속도가 달성될 수 있다. 이는 상기 작업물 내로 매우 높은 열 입력을 가지는 탠덤 MIG 용접 시스템들보다 큰 이점들을 제공한다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 단일 아크의 열 입력을 가지면서 적어도 23 lb/hr의 퇴적 속도를 쉽게 달성할 수 있다. 다른 예시적 실시예들은 적어도 35 lb/hr의 퇴적 속도를 가진다.
본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 각각의 와이어들(140 및 2110)은, 이들이 동일한 조성, 직경, 등을 가진다는 점에서, 동일하다. 그러나, 다른 예시적 실시예들에서, 상기 와이어들은 상이할 수 있다. 예를 들면, 상기 와이어들은, 구체적인 작업에 대해 원하는 바에 따라, 상이한 직경들, 와이어 공급 속도들 및 조성을 가질 수 있다. 예시적 실시예에서, 상기 선두 와이어(lead wire, 2110)에 대한 와이어 공급 속도는 상기 핫 와이어(140)에 대한 것보다 더 높을 수 있다. 예를 들면, 상기 선두 와이어(2110)는 450 ipm의 와이어 공급 속도를 가질 수 있지만, 반면에 상기 후행 와이어(trail wire, 140)는 400 ipm의 와이어 공급 속도를 가진다. 또한, 상기 와이어들은 상이한 크기 및 조성을 가질 수 있다. 실제로, 상기 핫 와이어(140)는 상기 퍼들로 퇴적되기 위해 아크를 통과할 필요가 없기 때문에, 상기 핫 와이어(140)는 통상적으로 아크를 통해 잘 이행되지(transfer) 않는 물질들/구성요소들을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 와이어(140)는, 상기 아크로 인해 통상적인 용접 전극에 첨가될 수 없는, 탄화 텅스텐(tungsten carbide), 또는 유사한 표면 경화(hard facing) 물질을 가질 수 있다. 또한, 상기 선행 전극(2110)은, 원하는 비드 형태를 제공하기 위해 상기 퍼들을 습윤(wetting)시키는데 도움이 될 수 있는, 습윤제들이 많은 조성을 가질 수 있다. 또한, 상기 핫 와이어(140)는 상기 퍼들을 보호하는데 도움이 될 슬래그(slag) 요소들도 함유할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예들은 용접부 화학적 성질에 있어서 큰 유연성을 허용한다. 상기 와이어(2110)는 선두 와이어이기 때문에, 상기 아크 용접 작업은, 상기 선두 와이어와 함께, 용접 접합부에 대한 침투를 제공하며, 여기서 상기 핫 와이어는 상기 접합부에 대한 추가적인 충진(fill)을 제공한다는 것에 주의해야 한다.
본 발명의 일부 예시적 실시예들에서, 아크와 핫 와이어의 조합이, 수행될 특정 작업의 요구조건들 및 제한들과 부합하면서, 용접 퇴적물(weld deposit)에 대한 열 입력의 균형을 유지하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들면, 선두 아크(lead arg)로부터의 열은, 아크로부터의 열이 작업물들을 접합하기 위해 필요한 침투를 얻는데 도움이 되고 상기 핫 와이어가 상기 접합부의 충진(fill)에 일차적으로 이용되는, 접합 응용들에 대해 증가될 수 있다. 그러나, 클래딩 또는 빌드업 공정들에서, 상기 핫 와이어 공급 속도는 희석(dilution)을 최소화하고 빌드업을 증가시키기 위해 증가될 수 있다.
또한, 상이한 와이어 화학적 성질들이 이용될 수 있기 때문에, 전통적으로 두 개의 별도 패스들(passes)에 의해 성취되는, 상이한 층들을 가지는 용접 접합부가 생성될 수 있다. 상기 선두 와이어(2110)는 전통적인 제 1 패스에 필요한 화학적 성질을 가질 수 있지만, 반면에 상기 후행 와이어(140)는 전통적인 제 2 패스에 필요한 화학적 성질을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 상기 와이어들(140/2110) 중 적어도 하나는 코어드 와이어(cored wire)일 수 있다. 예를 들면, 상기 핫 와이어(140)는 원하는 물질을 상기 용접 퍼들 내로 퇴적시키는 파우더 코어(powder core)를 가지는 코어드 와이어일 수 있다.
도 24는 본 발명의 전류 파형들의 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 핫 와이어 전류(2403)는 상기 용접 전류(2401)(그것이 GMAW 또는 GTAW 이든 간에)와 동기화되는 AC 전류이다. 이 실시예에서, 가열 전류의 양의 펄스들(2404)은 상기 전류(2401)의 펄스들(2402)와 동기화되지만, 반면에 가열 전류의 음의 펄스들(2405)은 상기 용접 전류의 백그라운드 부분들과 동기화된다. 물론, 다른 실시예들에서, 상기 동기화는, 상기 양의 펄스들(2402)이 상기 백그라운드(2406)와 동기화되고 상기 음의 펄스들(2405)이 상기 펄스들(2402)과 동기화 된다는 점에서, 반대가 될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 펄스 용접 전류와 상기 핫 와이어 전류 간에 위상각이 있다. AC 파형(2403)을 사용함으로써, 교류 전류(이에 따라 교류 자기장)가 상기 아크를 안정화시키는 것을 돕는데 이용된다. 물론, 다른 실시예들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이용될 수 있다. 예를 들면, 서브머지드 아크 용접(SAW) 작업을 이용하는 시스템에서, 상기 SAW 전류 파형은 AC 파형일 수 있고 상기 핫 와이어 전류 파형은 AC 또는 펄스 DC 파워(pulsed DC power) 파형이며, 여기서 각각의 파형들은 서로 동기화된다.
본 발명의 실시예들은 용접 전류가 일정한(constant) 또는 거의 일정한 전류 파형인 경우에 이용될 수 있다는 것에 또한 주의해야 한다. 그러한 실시예들에서, 교류 가열 전류(2403)가 상기 아크의 안정성을 유지하기 위해 이용될 수 있다. 상기 안정성은 상기 가열 전류(2403)에 기인하는 지속적으로 변화되는 자기장에 의해 성취된다.
도 25는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 핫 와이어(140)는 두 개의 탠덤 아크 용접(tandem arc welding) 작업들 사이에 위치한다. 도 25에서, 상기 아크 용접 작업들은 GMAW형 용접으로 도시되어 있지만, GTAW, FCAW, MCAW 또는 SAW형 시스템들일 수도 있다. 도면에서, 선두 토치(lead torch, 2120)은 제 1 전원 공급 장치(2130)에 결합되고 제 1 전극(2110)을 아크 용접 작업을 통해 상기 퍼들로 전달한다. (상기에서 논의한 바와 같이 퇴적되는) 상기 핫 와이어(140)는 상기 선두 아크에 후행한다(trailing). 상기 핫 와이어(140)을 뒤쫓아 가는 것은 제 2 전원 공급 장치(2130'), 제 2 토치(2120') 및 제 2 아크 용접 와이어(2110')을 이용하는 후행하는(trailing) 아크 용접 작업이다. 따라서, 상기 구성은 탠덤 GMAW 용접 시스템의 구성과 유사하지만 상기 토치들(2120 및 2120') 사이에서 공통 퍼들 내로 퇴적되는 핫 와이어(140)를 가진다. 그러한 실시예는 상기 퍼들 내로의 물질들의 퇴적 속도를 더 증가시킨다. 본 발명의 실시예들은 단일 작업에서 추가적인 용접 토치들 및/또는 핫 와이어 소모품들을 사용할 수 있으며, 상기 도면에 도시된 실시예에 제한되지 않는다는 것에 주의해야 한다. 예를 들면, 단일 패스(single pass) 동안 상기 퍼들 내로 추가적인 물질들을 퇴적시키기 위해 더 많은 핫 와이어가 사용될 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 본 명세서에서 일반적으로 논의되는 GMAW 공정들 대신에, SAW 공정들이 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 25에 도시된 실시예는 본 도면에 나타낸 것과 유사한 구성으로 선행(leading) 및 후행(trailing) SAW 공정들을 이용할 수 있다. 물론, 차폐 가스 대신에, 입상 플럭스(granular flux)가 상기 아크들을 차폐하는데 이용될 수 있을 것이다. 상기에서 논의한 바와 같은, 전체 방법 또는 작업 및 제어는, SAW와 같은 다른 용접 방법들을 이용하는 경우에, 유사하게 적용가능하다. 예를 들면, 도 25a는 본 명세서에서 설명하는 핫 와이어와 함께 SAW 시스템에 이용될 수 있는 예시적 파형들을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 상기 선두 SAW 전류 파형(2501) 복수의 양의 펄스들(2503) 및 복수의 음의 펄스들(2505)를 갖는 AC 파형이지만, 반면에 후행하는 SAW 전류(2521)도 또한 복수의 양의 펄스들(2523) 및 복수의 음의 펄스들(2525)을 갖는 AC 파형이며, 여기서 후행 파형(2521)은 상기 선행 파형(2501)과 위상각(α) 만큼 위상이 다르다. 본 발명의 예시적 실시예들에서, 상기 위상각(α)은 90 도 내지 270 도 범위이다. 도시된 실시예에서, 상기 파형들(2501 및 2521) 간의 +/- 오프셋(offset)은, 상기 후행 파형(2521)이 상기 선행 파형(2501)보다 더 큰 음의 오프셋을 가진다는 점에서, 상이하다는 것에 또한 주의해야 할 것이다. 다른 예시적 실시예들에서, 상기 오프셋은 동일할 수 있거나, 또는 반대로 될 수 있다. 복수의 양의 펄스들(2511)을 갖는 펄스 전류로 도시된 핫 와이어 전류(2510)는 백그라운드 레벨(2513) 만큼 이격되어 있으며, 여기서 상기 파형(2510)은, 상기 위상각(α)과는 상이한, 오프셋 위상각(θ)을 가진다. 예시적 실시예에서, 상기 핫 와이어 위상각(θ)은 45 도 내지 315 도 범위이지만, 상기 위상각(α)과 상이하다.
상기 논의는 SAW형 작업을 목적으로 했지만, 유사한 동기화 방법을 이용하는 다른 예시적 실시예들은 GMAW, FCAW, MCAW 또는 GTAW형 작업, 또는 이들의 조합일 수 있다는 것에 주의해야 할 것이다.
상기에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 전통적인 탠덤 시스템들보다 낮은 총 열 입력을 유지하면서 상기 퍼들 내로 물질들의 퇴적을 크게 증가시킬 수 있다. 그러나, 일부 예시적 실시예들은 전통적인 탠덤 방법들보다 높은 용접 비드(WB) 형태를 생성할 수 있다. 즉, 상기 용접 비드(WB)는 상기 작업물의 표면 위로 더 높게 서있는 경향이 있으며 탠덤 시스템들 만큼 많이 상기 용접 비드(WB)의 측면들로 습윤되지 않는다. 일반적으로, 이는 상기 핫 와이어(140)가 선행 아크 용접 작업에 이어지는 상기 퍼들을 급랭(quenching)하는데 도움일 될 것이기 때문이다. 그러므로, 본 발명의 일부 예시적 실시예들은 용접/코팅 작업 중에 상기 퍼들을 넓히거나(widening) 또는 습윤시키는데(wetting out) 도움이 되도록 시스템들 및 구성요소들을 이용한다.
도 26은 예시적 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 두 개의 GMAW 토치들(2120 및 2120')은 줄을 지어 위치하는 것이 아니라, - 도시한 바와 같이 - 나란하게 위치되고, 여기서 상기 핫 와이어(140)는 상기 두 개의 토치들(2120/2120')을 뒤쫓아 간다. 이 실시예에서, 나란한 구성에서 상기 두 개의 GMAW 아크들을 갖는 것은 상기 퍼들(WP)을 확대시킬 것이고 상기 용접 비드(WB)를 납작하게 만들기 위해 상기 퍼들을 습윤시키는데 도움이 된다. 상기 다른 실시예들에서와 같이, 상기 핫 와이어(140)는 상기 아크 용접 작업을 뒤쫓고, 상기 아크 용접 작업들 뒤에서 상기 용접 비드(WB)의 중심선(center-line) 상에 위치될 수 있다. 그러나, 상기 핫 와이어(140)는 용접 작업 중에 진동되거나 또는 상기 퍼들에 대해 상대적으로 이동될 수 있으므로, 상기 핫 와이어(140)는 상기 중심선에 남아 있을 필요는 없다.
도 27은 레이저들(2720 및 2720')이 상기 퍼들을 납작하게 하는 것을 돕거나 또는 상기 퍼들을 습윤시키는 것을 돕기 위해 상기 용접 퍼들(WP)의 양쪽에서 이용되는 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 상기 레이저들(2720/2720')은 상기 퍼들에 열을 추가하기 위해 빔들(2710/2710')을 상기 퍼들의 옆쪽들 상으로 방출하고, 상기 퍼들 형태가 바람직하게 되도록 상기 퍼들을 습윤시키는 것을 돕는다. 상기 레이저들(2720/2720')은 본 명세서에서 설명하는 유형일 수 있고, 상기에서 설명한 바와 같이 제어될 수 있다. 즉, 상기 레이저들은 원하는 용접 비드 형태를 제공하도록 상기 제어기(195) 또는 유사한 장치에 의해 제어될 수 있다. 나아가, 원하는 용접 비드 형태를 성취하기 위해 두 개의 레이저들을 사용하는 대신에, 상기 빔(2710)을 분열시키고 상기 분열된 빔들을, 원하는 용접 비드 형태를 성취하기 위해, 상기 용접 퍼들 상의 적절한 위치로 향하게 하는 빔 스플리터와 함께, 단일 레이저가 사용될 수 있다. 선행 아크 용접 공정은 명확성을 위해 도 27에 도시되지 않았음에 주의해야 할 것이다.
또 다른 예시적 실시예에서, (진행 방향으로) 상기 아크 공정의 바로 하류에서 또는 상기 핫 와이어(140)의 하류에서 상기 퍼들로 향해지는, 단일 레이저 빔(2710)이 사용될 수 있으며, 여기서 상기 빔(2710)은 상기 퍼들을 납작하게 만드는 것을 돕기 위해 좌우로(from side to side) 진동된다. 그러한 실시예들에서, 단일 레이저(2720)가 사용되고 상기 퍼들의 영역들로 겨냥될 수 있으며, 여기서 용접 중에 상기 퍼들을 습윤시키는 것을 돕는 것이 바람직하다. 상기 레이저(2720)의 제어 및 작동은 도 1 등과 관련하여 상기에서 설명한 상기 레이저(120)의 제어 및 작동과 유사하다.
도 28은 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시하고 있다. 이 예시적 실시예에서, GTAW(또는 GMAW, FCAW, MCAW) 전극(2801)이 아크 용접 공정에 이용되고, 자기 프로브(magnetic probe, 2803)가 용접 중에 아크의 이동을 제어하기 위해 상기 전극(2801)에 인접하게 위치된다. 상기 프로브(2803)는, 상기 제어기(195)에 결합될 수도 또는 결합되지 않을 수도 있는, 자기 제어 및 전원 공급 장치(magnetic control and power supply, 2805)로부터 전류를 수신하고, 상기 전류는 자기장(MF)이 상기 프로브(2803)에 의해 발생되도록 만든다. 상기 자기장은 상기 아크에 의해 발생되는 자기장과 상호작용하고, 이에 따라 용접 중에 상기 아크를 이동시키는데 이용될 수 있다. 즉, 상기 아크는 용접 중에 좌우로 이동될 수 있다. 이 좌우의 이동은 상기 퍼들을 확대시키고 원하는 용접 비드 형태를 성취하기 위해 상기 퍼들을 습윤시키는 것을 돕는데 이용된다. 명확성을 위해 도시되지 않았지만, 상기 용접 비드에 대한 추가적인 충진(filling)을 제공하기 위해 본 명세서에서 논의되는 바와 같은 핫 와이어 소모품이 상기 아크를 뒤따른다. 자기 조향 시스템(magnetic steering system)의 사용 및 구현은 일반적으로 용접 산업에 종사하는 자들에 의해 공지되어 있어 본 명세서에서 상세히 설명될 필요는 없다.
물론, 도 26 및 도 28(뿐만 아니라 본 명세서에서 설명되는 다른 도시된 실시예들) 중 어느 한 쪽에서의 실시예들은 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 상기 용접 퍼들의 형태에 도움이 되도록 상기 레이저(2720)을 이용할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 어떤 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형들이 이루어질 수 있고 동등한 것들이 대체될 수 있다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자들에 의해 이해될 것이다. 또한, 특정 상황 또는 물질을 본 발명의 교시에 적합하게 하기 위해, 많은 변경들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명이 개시된 특정 실시예들에 제한되도록 하고자 한 것이 아니라, 본 발명이 첨부한 청구항의 범위에 속하는 모든 실시예들을 포함하도록 하고자 한 것이다.
<참조 번호>
100: 시스템 110: 레이저 빔
110A: 레이저 빔 110': 단면
115: 작업물 120: 레이저 장치
121: 빔 스플리터 125: 방향
130: 레이저 전원 공급 장치 140: 필러 와이어(filler wire)
150: 필러 와이어 공급기 160: 접촉관(contact tube)
160': 구성요소 170: 핫 와이어 전원 공급 장치
180: 동작 제어기 190: 로봇
195: 전류 제어 서브시스템 200: 개시 방법(start-up method)
210: 단계 220: 단계
230: 단계 240: 단계
250: 단계 260: 단계
300: 개시 방법 310: 단계
320: 단계 330: 단계
340: 단계 350: 단계
410: 전압 파형 411: 지점
412: 지점 420: 전류 파형
425: 램프(ramp) 430: 시간 간격
440: 설정 지점값 450: 전류 레벨
510: 전압 파형 511: 지점
512: 지점 520: 전류 파형
525: 전류 레벨 530: 시간 간격
601: 접합부 표면 601A: 용융 퍼들(molten puddle)
603: 접합부 표면 603A: 용융 퍼들
605: 표면 701: 경사진 표면(angled surface)
703: 경사진 표면 705: 갭
707: 용접 비드(weld bead) 801: 용접 퍼들
803: 용접 퍼들 901: 용접 퍼들
903: 용접 퍼들 1000: 용접 접합부
1010: 레이저 소스 1011: 빔
1012: 용접 퍼들 1020: 레이저 소스
1021: 빔 1022: 용접 퍼들
1030: 필러 와이어 1030A: 필러 와이어
1110: 유도 코일 1200: 시스템
1210: 핫 와이어 전원 공급 장치 1220: 사용자 입력
1221: 양극 단자 1222: 음극 단자
1223: 피드백 감지 리드 1230: CPU/제어기
1240: 전압 검출 회로 1250: 전력 모듈
1400: 시스템 1410: 열 센서
1420: 온도 센서 1700: 시스템
1710: 모터 1720: 광학계 구동 유닛
1800: 회로 1801: 저항체
1803: 스위치 1901: 레이저 슈라우드 어셈블리
1903: 흄 추출 시스템 2000: 시스템
2110: 용접 전극 2110': 용접 와이어
2120: 토치 2120': 제 2 토치
2121: 토치 2122: 전극
2130: 전원 공급 장치 2130': 제 2 전원 공급 장치
2150: 와이어 공급기 2201: 용접 파형
2202: 전류 펄스들 2203: 전류 파형
2204: 펄스들 2205: 전류 파형
2206: 펄스들 2207: 핫 와이어 전류
2208: 핫 와이어 펄스들 2210: 백그라운드 부분
2211: 백그라운드 부분들 2401: 용접 전류
2402: 펄스들 2403: 핫 와이어 전류
2404: 양의 펄스들 2405: 음의 펄스들
2406: 백그라운드 부분들 2501: 전류 파형
2503 양의 펄스들 2505: 음의 펄스들
2510: 핫 와이어 전류 2511: 양의 펄스들
2513: 백그라운드 레벨 2521: SAW 전류
2523: 양의 펄스들 2525: 음의 펄스들
2710: 빔 2710': 빔
2720: 레이저 2720': 레이저
2801: 전극 2803: 자기 프로브
2805: 전원 공급 장치 D: 지점/거리
E: 지점 G: 갭 폭
I: 전류 L: 길이
MF: 자기장 P: 용접 퍼들
V: 전압 W: 작업물
W1: 작업물 W2: 작업물
WB: 용접 비드 WP: 용접 퍼들
X: 진행 거리 Z: 거리
A: 지점 B: 지점
C: 지점/중심 α: 각
Θ: 각 θ: 각

Claims (15)

  1. 용접 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 작업물(workpiece, 115) 상에 용융 퍼들(molten puddle)을 생성시키도록 전극과 상기 적어도 하나의 작업물(115) 간에 아크를 발생시키기 위해 상기 전극에, 복수의 전류 펄스들을 포함하는 아크 발생 신호를 제공하는 아크 발생 전원 공급 장치(arc generating power supply);
    적어도 하나의 소모품(consumable)이 상기 용융 퍼들과 접촉하는 경우 상기 소모품이 상기 용융 퍼들에 용융되도록 상기 소모품을 가열하기 위해, 복수의 가열 전류 펄스들을 포함하는 가열 신호를 발생시키는 핫 와이어 전원 공급 장치(hot wire power supply, 170); 및
    상기 아크 발생 신호의 상기 전류 펄스들과 상기 가열 전류 펄스들 간에 일정한 위상각(phase angle)이 유지되도록 상기 아크 발생 신호 및 상기 가열 신호 둘 모두를 동기화시키는 제어기(controller, 195)를
    포함하고,
    상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170) 및 제어기(195) 중 적어도 하나는 상기 가열 신호와 관련된 피드백을 모니터링하고, 상기 피드백을 아크 발생 문턱값(threshold)과 비교하며, 상기 핫 와이어 전원 공급 장치(170)는 상기 피드백이 상기 아크 발생 문턱값 레벨에 도달하는 경우 상기 가열 신호를 끄는 것인, 용접 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상각은 0 도 내지 180 도 범위이고, 특히 상기 위상각은 0 도인 것인, 용접 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상각은 30 도 내지 90 도 범위인 것인, 용접 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 신호는 AC 신호인 것인, 용접 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 아크 발생 신호에 의해 용융되고 상기 용융 퍼들 내로 퇴적되는 소모품인 것인, 용접 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융 퍼들에 열을 추가하기 위해 레이저 빔(110)이 상기 용융 퍼들을 향하는 적어도 하나의 레이저(120)를 더 포함하고, 그리고/또는 상기 아크와 상호작용하기 위해 자기장을 발생시키는 적어도 하나의 자기장 발생 장치를 더 포함하는, 용접 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 아크가 상기 용융 퍼들과 접촉되도록 상기 제 1 전극과 적어도 하나의 작업물 간에 상기 제 2 아크를 발생시키기 위해 제 2 전극에, 복수의 제 2 전류 펄스들(2202)을 포함하는 제 2 아크 발생 신호를 제공하는 제 2 아크 발생 전원 공급 장치(2130')를
    포함하고,
    상기 제어기는 상기 아크 발생 신호들의 상기 전류 펄스들과 상기 가열 전류 펄스들 간에 일정한 위상각이 유지되도록 상기 아크 발생 신호들 및 상기 가열 신호 둘 모두를 동기화하는 것인, 용접 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 아크 발생 신호들은 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding) 신호들인 것인, 용접 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 아크 발생 신호들 각각 및 상기 가열 신호는 서로 위상이 다르도록 동기화되는 것인, 용접 시스템.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 아크 발생 신호들 중 적어도 하나는 AC 신호인 것인, 용접 시스템.
  11. 방법에 있어서,
    아크 발생 신호를 발생시키고, 적어도 하나의 작업물(115) 상에 용융 퍼들을 생성시키도록 전극과 상기 적어도 하나의 작업물(115) 간에 아크를 발생시키기 위해 상기 전극에, 복수의 전류 펄스들을 포함하는 상기 아크 발생 신호를 제공하는 단계;
    적어도 하나의 소모품(consumable)이 상기 용융 퍼들과 접촉하는 경우 상기 소모품이 상기 용융 퍼들에 용융되도록 상기 소모품을 가열하기 위해, 복수의 가열 전류 펄스들을 포함하는 가열 신호를 발생시키는 단계;
    상기 아크 발생 신호의 상기 전류 펄스들과 상기 가열 전류 펄스들 간에 일정한 위상각(phase angle)이 유지되도록 상기 아크 발생 신호 및 상기 가열 신호 둘 모두를 동기화시키는 단계; 및
    상기 가열 신호에 관련된 피드백 신호를 모니터링하고 상기 피드백을 아크 발생 문턱값과 비교하며 상기 피드백이 상기 아크 발생 문턱값 레벨에 도달하는 경우 상기 가열 신호를 끄는 단계를
    포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 위상각은 0 도 내지 180 도 범위이거나, 상기 위상각은 0 도인 것인, 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 위상각은 30 도 내지 90 도 범위인 것인, 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 신호는 AC 신호인 것인, 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 아크 발생 신호에 의해 용융되고 상기 용융 퍼들 내로 퇴적되는 소모품이고, 그리고/또는 상기 방법은 상기 용융 퍼들에 열을 추가하기 위해 적어도 하나의 레이저 빔(110)을 상기 용융 퍼들로 향하게 하는 단계를 더 포함하고, 그리고/또는 상기 아크와 상호작용하기 위해 자기장을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것인, 방법.
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