KR20150068486A - 용접 비드 형상 달성을 위한 조절 계획을 제공하는 시스템 및 방법 - Google Patents

용접 비드 형상 달성을 위한 조절 계획을 제공하는 시스템 및 방법 Download PDF

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조셉 에이 다니엘
타마라 사브린
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

하나 이상의 용접 파라미터를 조절하는 것에 의해 적층 용접 비드의 형상에 영향을 미치는 시스템 및 방법이 제공된다. 예를 들면, 적층 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 용접 출력 전류의 전극 네거티브 전류 부분이 변조될 수 있다. 또한, 적층 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 용접 전극(E)의 와이어 송급 속도가 용접 출력 전류의 전극 네거티브 전류 부분과 함께 협력적으로 조절될 수 있다.적층 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 2개 이상의 용접 공정이 특정 변조 주파수로 상호 교차 수행될 수 있다. 적층 용접 비드의 형상이 일관적으로 형성되도록 하나 이상의 용접 파라미터가 용접 이동 속도를 기초로 조절될 수 있다.

Description

용접 비드 형상 달성을 위한 조절 계획을 제공하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND POWER SOURCE PROVIDING MODULATION SCHEMES FOR ACHIEVING A CONSISTENT WELD BEAD APPEARANCE}
본 출원은 여기에 참조로 그 전체가 포함된, 2012년 10월 18일자 출원된 미국 가특허출원 제61/715,557호에 대한 우선권과 그 이익을 주장한다.
본 발명의 소정의 실시예들은 아크 용접에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 소정의 실시예들은 특정 용접 비드 형상을 달성하기 위해 하나 이상의 용접 파라미터들을 조절하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
소정의 종래 기술의 용접 시스템은 원하는 용접부의 용접 비드 형상을 얻기 위해 제한된 기술을 사용하거나 및/또는 용접 작업자에 의존한다. 결국, 원하는 용접 비드 형상을 일관적으로 얻을 수 있는 능력은 제한될 수 있고 용접자의 상당한 훈련과 경험을 필요로 할 수 있다.
통상적이고 전통적이며 제안된 접근법의 추가의 제한과 단점은 이러한 시스템과 방법을 본 발명의 도면을 참조로 한 본 출원의 나머지에 언급되는 본 발명의 여러 실시예와 비교하는 것을 통해 당업자에게 분명할 것이다.
소정의 용접 용례(예, 알루미늄에 대한 금속 불활성 기체 또는 MIG 용접)의 경우 적층된 다임(dime) 주화 형상을 갖는 용접 비드를 눕혀 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 적층된 다임 주화 형상은 당업계에 널리 알려진 것으로 예컨대 감소된 기공도와 개선된 입자 구조와 같은 향상된 야금학적 특성을 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 적층된 다임 주화 형상을 형성할 수 있는 능력은 언제나 간단한 것은 아니므로 용접자에 의한 숙련된 기술과 경험을 필요로 할 수 있다. 원하는 용접 비드 형상(예, 적층된 다임 주화 형상)을 얻기 위해 하나 이상의 용접 파라미터를 조절하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 예를 들면, 원하는 용접 비드 형상을 얻기 위해 2개 이상의 용접 파라미터를 상호 협력적으로 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 특정 용접 비드 형상을 얻기 위해 용접 공정 중 전극 네거티브 전류 부분이 조절된다. 소모성 용접 전극과 용접 공작물 사이에 아크를 발생시키는 아크 용접 전원이 제공된다. 전원은 스위칭 전원 공급 기구, 파형 발생기, 파형 발생기와 스위칭 전원 공급 기구에 작동적으로 연결된 제어기를 포함한다. 제어기, 파형 발생기 및 스위칭 전원 공급 기구는 전극 포지티브 및 네거티브 전류 부분을 갖는 주기적 용접 출력 전류를 생성하도록 구성된다. 전극 네거티브 전류 부분의 적어도 하나의 특성은 용접 공정 중 소모성 용접 전극으로부터 공작물로 적층되는 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 소정의 변조 주파수로 변조될 수 있다. 대안적으로, 전극 포지티브 전류 부분의 적어도 하나의 특성은 용접 공정 중 소모성 용접 전극으로부터 공작물로 적층되는 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 소정의 변조 주파수로 변조될 수 있다. 상기 전극 네거티브 전류 부분 또는 전극 포지티브 전류 부분의 적어도 하나의 특성은 제1 용접 에너지 입력 상태와 상기 제1 용접 에너지 입력 상태보다 더 많은 에너지를 제공하는 제2 용접 에너지 입력 상태 간에 주기 순환(cycling)하도록 소정의 변조 주파수로 변조될 수 있다. 용접 출력 전류의 전극 네거티브 전류 부분 또는 전극 포지티브 전류 부분의 적어도 하나의 특성은 진폭, 지속 시간 또는 펄스 폭, 상승 엣지 경사, 하강 엣지 경사, 또는 형태 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 소정의 실시예에 따르면, 용접 공정은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 특정 용접 비드 형상을 얻기 위해 전극 네거티브 전류 부분의 변조와 와이어 송급 속도(WFS)의 조절의 조합이 사용될 수 있다. 소모성 용접 전극과 용접 공작물 사이에 아크를 발생시키기 위해 아크 용접 시스템이 제공된다. 아크 용접 시스템은 소모성 용접 전극과 용접 공작물 사이에 아크를 발생시키기 위해 용접 출력 전류를 제공하도록 구성된 전원과, 소모성 용접 전극을 용접 공작물 측으로 송급하도록 구성된 와이어 송급기를 포함한다. 전원은 와이어 송급기가 와이어 송급 속도로 동작하도록 지시하고 전극 포지티브 전류 부분과 전극 네거티브 전류 부분을 갖는 주기적 용접 출력 전류를 발생시키도록 구성된다. 또한, 전원은 용접 공정 중 소모성 전극으로부터 공작물에 적층되는 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 전극 네거티브 전류 부분 중 적어도 하나의 특성과 와이어 송급 속도를 소정의 조절 속도로 상호 관련된 방식으로 변화시키도록 구성된다. 대안적으로, 전원은 전극 포지티브 전류 부분 중 적어도 하나의 특성과 와이어 송급 속도를 소정의 조절 속도로 상호 관련된 방식으로 변화시키도록 구성된다. 전극 네거티브 전류 부분 또는 전극 포지티브 전류 부분의 적어도 하나의 특성은 제1 용접 에너지 입력 상태와 상기 제1 용접 에너지 입력 상태보다 더 많은 에너지를 제공하는 제2 용접 에너지 입력 상태 간에 주기 순환하도록 소정의 변조 속도로 변화될 수 있다. 제1 용접 에너지 입력 상태는 제1 와이어 송급 속도의 기간들 중에 생길 수 있고, 제2 용접 에너지 입력 상태는 제2 와이어 송급 속도의 기간들 중에 생길 수 있으며, 제2 와이어 송급 속도는 제1 와이어 송급 속도보다 빠르다. 용접 출력 전류의 전극 네거티브 전류 부분 또는 전극 포지티브 전류 부분의 적어도 하나의 특성은 진폭, 지속 시간 또는 펄스 폭, 상승 엣지 경사, 하강 엣지 경사, 또는 형태 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 소정의 실시예에 따르면, 용접 공정은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 특정 용접 비드 형상을 얻기 위해 단락 아크 용접 공정과 펄스 용접 공정의 조합이 사용된다. 소모성 용접 전극과 용접 공작물 사이에 아크를 발생시키기 위해 아크 용접 전원이 제공된다. 전원은 스위칭 전원 공급 기구, 파형 발생기, 파형 발생기와 스위칭 전원 공급 기구에 작동적으로 연결된 제어기를 포함한다. 제어기, 파형 발생기 및 스위칭 전원 공급 기구는 소모성 용접 전극으로부터 공작물에 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 소정의 변조 주파수로 단락 아크 용접 공정과 펄스 용접 공정 사이에서 주기 순환하는 용접 출력 전류를 발생시키도록 구성된다. 일 실시예에 따르면, 펄스 용접 공정은 단락 아크 용접 공정보다 높은 열 전달 용접 공정일 수 있다. 또한, 제어기는 용접부에 종국적으로 인가되는 열 입력에 영향을 미치도록 상기 변조 주파수를 변화시키도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 특정 용접 비드 형상을 얻기 위한 하나 이상의 용접 파라미터의 조절은 아크 용접 도구의 이동 속도와 상호 연관된다. 소모성 용접 전극과 용접 공작물 사이에 아크를 발생시키기 위해 아크 용접 시스템이 제공된다. 아크 용접 시스템은 소모성 용접 전극과 용접 공작물 사이에 아크를 발생시키기 위해 주기적 용접 출력 전류를 제공하도록 구성된 전원과, 전원에 작동적으로 연결되고 소모성 용접 전극을 와이어 송급 속도로 송급하도록 구성된 와이어 송급기와, 소모성 용접 전극을 수용하여 해당 소모성 용접 전극을 용접 공작물 측으로 전달하도록 와이어 송급기에 작동적으로 연결된 용접 도구를 포함한다. 전원은 소모성 용접 전극으로부터 공작물에 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 와이어 송급 속도와 주기적 용접 출력 전류의 적어도 일부가 용접 도구에 있어서 선택된 이동 속도를 기초로 소정의 조절 속도로 상호 협력적인 방식으로 조절되게 하도록 구성된다. 주기적 용접 출력 전류의 상기 일부는 전극 네거티브 전류 부분 또는 전극 포지티브 전류 부분일 수 있다. 변조 주파수는 예컨대 상기 이동 속도가 변함에 따라 증감될 수 있다. 와이어 송급 속도는 예컨대 상기 이동 속도가 변함에 따라 증감될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 소모성 용접 전극와 용접 공작물 사이에 아크를 발생시키기 위해 아크 용접 전원이 제공된다. 전원은 소모성 용접 전극으로부터 공작물에 적층되는 용접 비드가 일관적인 형상으로 형성되도록 하기 위해 하나 이상의 용접 파라미터가 용접 이동 속도를 기초로 조절되는 변조 주파수를 조절하도록 구성된다. 하나 이상의 용접 파라미터는 용접 출력 전류의 진폭, 용접 출력 전류의 펄스 폭, 용접 출력 전류의 상승 엣지 경사, 용접 출력 전류의 하강 엣지 경사 또는 용접 출력 전류 파형의 형태 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 변조 주파수는 예컨대 용접 이동 속도가 증가함에 따라 증감될 수 있다.
본 발명의 예시되는 실시예들의 상세는 다음의 설명, 도면 및 청구범위로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 소모성 용접 전극과 공작물에 작동적으로 연결된 예시적인 실시예의 아크 용접 시스템의 개략적 블록도를 예시하며;
도 2는 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치기 위한 예시적인 실시예의 용접 출력 전류 파형으로서, 전극 포지티브 전류 부분과 전극 네거티브 전류 부분을 갖는 해당 파형을 예시하며;
도 3은 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치는 예시적인 실시예를 예시한 것으로, 와이어 송급 속도와 용접 출력 전류 파형을 상호 협력적으로 조절하는 실시예를 나타내며;
도 4는 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치는 예시적인 실시예를 예시한 것으로, 2개의 용접 공정 간을 주기적으로 순환하는 실시예를 나타내며;
도 5는 적층되는 용접 비드의 형상이 일관된 형상으로 얻어지도록 하는 예시적인 실시예를 예시한 것으로, 용접 전원이 용접 이동 속도를 기초로 하나 이상의 용접 파라미터의 변조 주파수를 조절하는 방식을 나타내며;
도 6은 적층된 다임 주화의 형상을 갖는 알루미늄 용접 비드의 예를 예시한다.
다음은 명세서 내에서 사용될 수 있는 예시적 용어들의 정의이다. 모든 용어의 단수 및 복수의 형태는 다음과 같은 각각의 의미 내에 있다:
여기서 사용되는 "소프트웨어" 또는 "컴퓨터 프로그램"은 컴퓨터 또는 다른 전자 디바이스가 원하는 방식으로 기능, 액션 및/또는 행동을 수행하게 하는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 및/또는 실행가능 명령들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 상기 명령들은 동적으로 연결된 라이브러리들로부터의 개별 애플리케이션 또는 코드를 포함하는 루틴(routine), 알고리즘, 모듈, 또는 프로그램과 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 소프트웨어는 자립형 프로그램(stand-alone program), 펑션 콜(function call), 서블릿(servlet), 애플릿(applet), 애플리케이션, 메모리에 저장된 명령어, 운영체제의 일부, 또는 다른 타입의 실행가능 명령들과 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어의 형태는 예컨대 원하는 애플리케이션의 요구사항, 소프트웨어가 실행되는 환경, 및/또는 디자이너/프로그래머의 희망사항 등에 의존한다는 것을 통상의 기술자는 인식할 것이다.
여기서 사용되는 "컴퓨터" 또는 "프로세싱 요소(processing element)" 또는 "컴퓨터 디바이스"는 데이터를 저장, 검색, 및 프로세싱할 수 있는 임의의 프로그래밍된 또는 프로그래밍 가능한 전자 디바이스를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. "비일시적 컴퓨터-판독가능 매체"는 CD-ROM, 착탈식 플래시 메모리 카드, 하드 디스크 드라이브, 마그네틱 테이프, 및 플로피 디스크를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
여기 사용되는 "용접 도구"는 용접 건, 용접 토치 또는 용접 전원에 의해 제공되는 소모성 용접 전극에 전력을 인가하기 위한 목적으로 소모성 용접 전극을 수영하는 임의의 용접 기구를 지칭하만 이에 한정되지 않는다.
여기 사용되는 "용접 출력 회로 경로"는 용접 전원의 용접 출력의 제1 측면으로부터 제1 용접 케이블(또는 용접 케이블의 제1 측면)을 통해 용접 전극까지, 제2 용접 케이블(또는 용접 케이블의 제2 측면)을 통해 공작물(용접 전극과 공작물 간의 단락 또는 아크에 의해)까지, 그리고 다시 용접 전원의 용접 출력의 제2 측면까지의 전기적 경로를 지칭한다.
여기 사용되는 "용접 케이블"은 용접 전극과 공작물 사이에 연결되어(예, 용접 와이어 송급기를 통해) 전력을 제공함으로써 용접 전극과 공작물 사이에 아크를 형성할 수 있는 전기 케이블을 지칭한다.
여기 사용되는 "용접 출력"은 용접 전원의 전기적 출력 회로 또는 출력 포트 또는 단자를 지칭하거나 용접 전원의 전기적 출력 회로 또는 출력 포트에 의해 제공되는 전력, 전압 또는 전류를 지칭할 수 있다.
여기 사용되는 "컴퓨터 메모리"는 컴퓨터 또는 프로세싱 요소에 의해 검색될 수 있는 디지털 데이터 또는 정보를 저장하도록 구성된 저장 장치를 지칭한다.
여기 사용되는 "제어기"는 용접 전원을 제어하는데 관련된 로직 회로 및/또는 처리 요소와 그 관련 소프트웨어나 프로그램을 지칭한다.
"신호", "데이터", 및 "정보"란 용어는 여기서 호환 가능하게 사용될 수 있으며 디지털 또는 아날로그 형태일 수 있다.
"AC 용접"이란 용어는 여기에 전반적으로 사용되며 실질적인 AC 용접, 양극 및 음극 모두의 DC 용접, 가변 극성 용접 및 다른 하이브리드 용접 공정을 지칭할 수 있다.
"용접 파라미터"란 용어는 여기에 광범위하게 사용되며 용접 출력 전류 파형의 일부(예, 진폭, 펄스 폭 또는 지속 시간, 경사, 전극 극성), 용접 공정(예, 단락 용접 공정 또는 펄스 용접 공정), 와이어 송급 속도, 변조 주파수, 또는 용접 이동 속도의 특성을 지칭할 수 있다.
여기 사용되는 "변조(조절)"와 "변조하다(조절하다)"란 용어는 용접 파라미터를 정해진 듀티 사이클을 갖는 정해진 속도 또는 주파수로 변조, 조절 또는 변화시키는 것을 지칭할 수 있다.
여기 사용되는 바와 같이, "에너지 출력 상태"란 용어는 용접 전원의 관점으로부터이고 "용접 입력 상태"란 용어는 용접부의 관점으로부터이지만, 이들 용어는 본질적으로 등가이며 여기서 호환 가능하게 사용될 수 있다.
도 1은 소모성 용접 전극과 공작물에 작동적으로 연결된 예시적인 실시예의 아크 용접 시스템(100)의 개략적 블록도를 예시한다. 시스템(100)은 전력 변환 회로(110)와 용접 전극(E)과 공작물(W) 사이에 용접 출력 전력을 제공하는 브릿지 스위칭 회로(180)를 갖는 스위칭 전원 공급 기구(105)를 포함한다. 전력 변환 회로(110)는 하프 브릿지 출력 토폴로지에 기초한 변압기일 수 있다. 예를 들면, 전력 변환 회로(110)는 용접 변환기의 1차측 및 2차측 각각에 의해 기술되는 바와 같은 입력 전력측과 출력 전력측을 포함하는 인버터 타입의 것일 수 있다. 예컨대 DC 출력 토폴로지를 갖는 초퍼(chopper) 타입과 같은 다른 타입의 전력 변환 회로도 가능하다. 또한, 스위칭 전원 공급 기구(105)는 전력 변환 회로(110)에 작동적으로 연결되고 용접 출력 전류의 극성의 방향을 스위칭하도록 구성된(예, AC 용접의 경우) 브릿지 스위칭 회로(180)를 포함한다.
시스템(100)은 파형 발생기(120)와 제어기(130)를 더 포함한다. 파형 발생기(120)는 제어기(130)의 명령으로 용접 파형을 발생시킨다. 파형 발생기(120)에 의해 발생된 파형은 전극(E)과 공작물(W) 사이에 용접 출력 전류를 생성하도록 전력 변환 회로(110)의 출력을 조절한다. 또한, 제어기(130)는 브릿지 스위칭 회로(180)의 스위칭을 지시하며 용접 공정 중 전력 변환 회로(110)에 제어 명령을 제공할 수 있다.
시스템(100)은 전극(E)과 공작물(W) 사이의 용접 출력 전압 및 전류를 모니터링하고 모니터링된 전압 및 전류를 다시 제어기(130)로 제공하기 위해 전압 피드백 회로(140)와 전류 피드백 회로(150)를 더 포함할 수 있다. 피드백 전압 및 전류는 파형 발생기(120)에 의해 발생된 용접 파형을 변조하는 것에 대해 결정하거나 및/또는 예컨대 시스템(100)의 동작에 영향을 미치는 다른 결정을 내리기 위해 제어기(130)에 의해 사용될 수 있다. 소정의 실시예에 따르면, 제어기(130)는 소모성 용접 전극으로부터 공작물에 적층되는 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 하나 이상의 용접 파라미터가 가변되는 변조 주파수를 제어하는데 사용된다.
소정의 실시예에 따르면, 스위칭 전원 공급 기구(105), 파형 발생기(120), 제어기(130), 전압 피드백 회로(140) 및 전류 피드백 회로(150)는 시스템(100)의 용접 전원을 구성한다. 또한, 시스템(100)은 소모성 와이어 용접 전극(E)을 용접 도구(6)를 통해 공작물(W) 측으로 송급하는 와이어 송급기(5)를 포함한다. 와이어 송급기(5), 용접 도구(6), 소모성 용접 전극(E) 및 공작물(W)은 용접 전원의 일부는 아니지만 하나 이상의 용접 출력 케이블을 통해 용접 전원(100)에 작동적으로 연결될 수 있다.
도 2는 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치기 위한 예시적인 실시예의 AC 용접 출력 전류 파형(200)으로서, 전극 포지티브 전류 부분(210)과 전극 네거티브 전류 부분(220)을 갖는 해당 파형을 예시한다. 제어기(130)의 명령하에, 파형(200)의 전극 네거티브 전류 부분은 보다 낮은 에너지 출력 상태(221)와 보다 높은 에너지 출력 상태(222) 사이에서 변화될 수 있다. 예를 들면, 낮은 에너지 출력 상태(221)를 제공하는 전극 네거티브 전류 부분(220)이 x 연속 파형 주기(예, 10 파형 주기) 동안 형성된 후 y 연속 파형 주기(예, 5 파형 주기) 동안 높은 에너지 출력 상태(222)가 형성될 수 있다. 처리는 정해진 소정의 변조(조절) 속도로 반복된다. 따라서, 전극 네거티브 전류 부분(220)은 해당 변조 속도로 낮은 에너지와 높은 에너지 상태 사이에서 앞뒤로 변화될 수 있다.
전극 용접 재료의 용융 속도는 전극 네거티브 전류 부분에 대한 전극 포지티브 전류 부분의 비율이 전극 네거티브 전류 부분의 변조에 의해 변함에 따라 변한다. 예를 들면, 와이어 전극(E)은 용접 출력 전류 파형(200)의 전극 네거티브 전류 부분 구간에서 더 빨리 용융될 수 있다. 용접 출력 전류의 전극 네거티브 전류 부분의 이러한 변조는 원하는 형상의 적층 용접 비드(예, 적용된 용접이 알루미늄 또는 알루미늄 합금 MIG 용접이 적용된 경우의 적층 다임 주화 형상)를 형성할 수 있다. 도 6은 적층된 다임 주화 형상을 갖는 알루미늄 용접 비드(600)의 예를 나타낸다.
용접 출력 전류 파형(200)의 전극 네거티브 전류 부분(220)은 다양한 방식으로 변조될 수 있다. 도 2에서는 전극 네거티브 전류 부분(220)의 진폭 및 지속 시간 또는 펄스 폭이 변화된다. 예컨대 전극 네거티브 전류 부분(220)의 하강 및 상승 경사 또는 전극 네거티브 전류 부분(220)의 전체 형태와 같은 다른 파라미터 또는 특성도 변화될 수 있다.
도 3은 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치는 예시적인 실시예를 예시한 것으로, 와이어 송급 속도와 용접 출력 전류 파형을 상호 협력적으로 조절하는 실시예를 나타낸다. 도 3의 상부는 낮은 에너지 전극 네거티브 전류 부분(310)을 갖는 용접 출력 전류(300)의 파형 사이클과 높은 에너지 네거티브 전류 부분(320)을 갖는 용접 출력 전류(300)의 파형 사이클 사이의 전이(301)를 보여준다. 즉, 용접 출력 전류(300)의 전극 네거티브 전류 부분은 소정의 정해진 변조 속도로 변조된다. 도 3의 하부는 와이어 송급기(5)에 의해 송급되는 용접 전극 와이어(E)의 저속 와이어 송급 속도부(330)와 고속 와이어 송급 속도부(340) 사이의 전이(301)를 보여준다. 즉, 와이어 송급 속도는 소정의 정해진 조절 속도로 조절된다(처리는 그 조절 속도로 반복된다).
소정의 실시예에 따르면, 저속 와이어 송급 속도부(330)는 용접 출력 전류(300)의 낮은 에너지 전극 네거티브 전류 부분(310)에 상관되고, 고속 와이어 송급 속도부(340)는 용접 출력 전류(300)의 높은 에너지 전극 네거티브 전류 부분(320)에 상관된다. 그러므로, 용접 출력 전류(300)와 와이어 송급 속도의 조절을 통해 원하는 적층 용접 비드의 형상(예, 적용된 용접이 알루미늄 또는 알루미늄 합금 MIG 용접이 적용된 경우의 적층된 다임 주화 형상; 예, 도 6의 적층된 다임 주화 비드 형상 참조)이 얻어질 수 있다.
도 4는 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치는 예시적인 실시예를 예시한 것으로, 2개의 용접 공정 간을 주기적으로 순환하는 실시예를 나타낸다. 예를 들면, 도 4의 경우, 용접 공정은 펄스 용접(410)의 주기(예, 10 주기)와 단락 아크 용접 공정(420)의 주기(예, 15 주기) 사이의 주기가 소정의 정해진 조절 속도로 주기 순환된다. 펄스 용접 공정과 단락 아크 용접 공정은 당업계에 잘 알려진 것이다. 소정의 실시예에 따르면, 2개의 용접 공정이 조절 속도로 주기 순환되는 것은 제어기(130)의 제어하에 이루어진다. 펄스 용접 공정(410)은 전극(E)과 공작물(W) 간의 아크를 가로질러 용접 용융 액적의 높은 열 전달을 제공할 수 있다. 단락 아크 용접 공정(420)은 전극(E)을 공작물(W)에 단락시키는 것에 의해 전극(E)으로부터 공작물(W)에 대한 용접 용융 액적의 낮은 열 전달을 제공할 수 있다. 용접부 내로의 종국적인 열 입력을 제어하기 위해 조절 속도가 제어될 수 있다. 용접 공정의 이러한 조절은 원하는 적층 용접 비드의 형상을 얻을 수 있게 한다(예, 적용된 용접이 실리콘 청동 또는 알루미늄 MIG 용접이 적용될 때의 적층된 다임 주화 형상). 다른 실시예에 따르면, 전극과 공작물 사이에는 다른 저열 및 고열 용접 공정이 주기 순환될 수 있다.
도 5는 적층된 용접 비드가 일관적인 형상으로 형성되도록 하기 위한 예시적인 실시예를 예시한 것으로, 용접 전원이 용접 이동 속도를 기초로 하나 이상의 용접 파라미터 중 변조 속도 또는 주파수를 조절하는 방식을 나타낸다. 용접 이동 속도는 용접기(또는 기계화된 기구)가 소모성 전극으로부터 용접 비드를 적층하도록 용접 경로를 따라 용접 도구를 이동시키는 속도에 대응한다. 조절되는 하나 이상의 용접 파라미터는 예컨대, 용접 출력 전류의 전극 네거티브 전류 부분(예, 진폭과 지속 시간), 와이어 송급 속도 또는 용접 공정(예, 단락 아크 및 펄스)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따라 다른 용접 파라미터도 조절 가능하다.
예로서, 변조 주파수는 도 5의 그래프(510)에 나타낸 바와 같이 용접 이동 속도에 대해 정비례로 선형으로 변할 수 있다. 대안적으로, 변조 주파수는 도 5의 그래프(520)에 나타낸 바와 같이 용접 이동 속도에 대해 반비례로 선형으로 변할 수 있다. 다른 예로서, 변조 주파수는 도 5의 그래프(540)에 나타낸 바와 같이 용접 이동 속도에 대해 구간적으로 선형으로 변할 수 있다. 소정의 실시예에 따르면, 2개 이상의 용접 파라미터가 서로 상관되거나 동기화되어 동일한 변조 주파수에 따라 변할 수 있다.
용접 이동 속도가 변함에 따른 이러한 하나 이상의 용접 파라미터의 변조 주파수의 변동은 적층 용접 비드의 형상이 일관되게 형성되도록 할 수 있다(예, 적용된 용접이 니켈 또는 니켈 합금 MIG 용접이 적용된 경우의 적층된 다임 주화 형상). 다른 실시예들에 따르면, 변조 주파수와 용접 이동 속도 사이에 다른 관계도 가능하다.
하나 이상의 용접 파라미터를 조절하는 것에 의해 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치는 시스템 및 방법이 개시된다. 예를 들면, 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 용접 출력 전류의 전극 네거티브 전류 부분이 변조될 수 있다. 또한, 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치기 위해 용접 전극의 와이어 송급 속도가 용접 출력 전류의 전극 네거티브 전류 부분과 상호 협력적으로 조절될 수 있다. 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 2개 이상의 용접 공정이 특정 변조 주파수로 상호 교차 수행될 수 있다. 적층된 용접 비드의 형상이 일관적으로 형성되도록 하기 위해 하나 이상의 용접 파라미터가 용접 이동 속도를 기초로 조절될 수 있다.
첨부된 청구범위에서, 용어 "포함하다" 및 "구비하다"는 "~으로 구성되다"와 동등한 용어로서 사용되고, 용어 "~에 있어서(in which)"는 "여기서(wherein)"과 동등한 용어이다. 또한, 청구범위에서 용어 "제1", "제2", "제3", "상방의", "하방의", "바닥", "상부" 등은 다른 객체에 대하여 숫자적 또는 위치적인 요구사항을 도입하기 위한 의도가 아니라 단지 라벨(label)로서 사용된다. 또한, 청구범위의 한정은, 이러한 청구의 한정이 추가 구조가 없는 기능의 진술(statement)이 이어지는 "~을 위한 수단(means for)"의 문구를 명시적으로 사용하지 않으면, 수단-플러스-기능의 형식으로 기재되지 않고, 35 U.S.C. § 112, 여섯번째 단락에 기초하여 해석되는 것을 의도하지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수형으로 나열되고 단어 "부정관사(a)" 또는 "부정관사(an)"으로 진행되는 엘리먼트 또는 스텝은 이러한 배제가 명확하게 언급되지 않으면 복수의 상기 엘리먼트 또는 스텝을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 "일 실시 형태"로의 참조는, 나열된 특징부도 통합하는 추가의 실시형태의 존재를 배제하는 것으로 해석되는 것을 의도하지 않는다. 또한, 명백히 반대로 언급되지 않으면, 특정 속성을 갖는 엘리먼트 또는 복수의 엘리먼트를 "포함하고", "내포하고", 또는 "구비하는" 실시형태는 그 속성을 갖지 않는 추가적인 엘리먼트를 포함할 수 있다. 또한, 어떤 실시형태는 비슷하거나 유사한 엘리먼트를 구비하는 것으로 보여질 수 있지만 단지 예시를 목적으로 하는 것이고, 이러한 실시형태는 청구범위에 명시되지 않으면 동일 엘리먼트를 필연적으로 구비할 필요가 없다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "할 수 있다" 및 "될 수 있다"는, 환경의 설정; 특정 속성, 기능, 또는 특징의 보유 내에서의 발생의 가능성을 나타내고, 그리고/또는 부여된 동사와 연관된 능력, 역량, 또는 가능성 중 하나 이상의 표현에 의한 다른 동사를 수식한다. 따라서, "할 수 있다" 및 "될 수 있다"의 사용은, 일부 환경에서, 수정된 용어가 때로는 적절하게, 허용 가능하게, 또는 적합하게 되지 않는 것을 고려하면서, 수정된 용어가 표시된 역량, 기능, 또는 사용을 위해 분명히 적절한, 허용 가능한, 또는 적합하게 된다는 것을 표시한다. 예컨대, 다른 환경에서, 사건 또는 가능성이 발생할 수 없지만, 일부 환경에서, 사건 또는 가능성이 예상될 수 있고, 이 대조(distinction)는 용어 "할 수 있다" 및 "될 수 있다"에 의해 포착된다.
이와 같이 기재된 설명은 최상의 모드를 포함하는 본 발명을 설명하기 위해, 통상의 기술자가 임의의 장치들 또는 시스템들을 제작하고 사용하는 것을 포함하고 임의의 통합된 방법들을 수행하는 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위한 실시예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는, 청구범위에 의해 규정되고, 통상의 기술자에게 발생하는 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예들은, 청구범위의 문자적 언어와 다르지 않은 구조적 엘리먼트를 구비하거나 청구범위의 문자적 언어와 사소한 차이를 갖는 등가의 구조적 엘리먼트를 포함한다면, 청구범위 내에 있는 것으로 의도된다.
본 출원의 청구된 대상을 일부 실시형태를 참조하여 설명했지만, 다양한 변경이 이루어질 수 있고, 등가물이 청구된 대상의 범위로부터 벗어나지 않고 대체될 수 있다는 것을 통상의 기술자가 이해할 것이다. 또한, 그 범위로부터 벗어나지 않고 청구된 대상의 설명에 대항 특정 사항 또는 물질에 적합하게 되도록 다수의 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 청구된 대상은 개시된 특정 실시형태에 한정되지 않지만 청구 범위 내에 있는 모든 실시 형태를 포함하는 것이 의도된다.
5: 와이어 송급기 6: 용접 도구
100: 아크 용접 시스템 105: 전원
110: 변환 회로 120: 파형 발생기
130: 제어기 140: 전압 피드백 회로
150: 전류 피드백 회로 180: 스위칭 회로
200: 전류 파형 210: 포지티브 전류 부분
220: 파형 221: 낮은 에너지 출력 상태
222: 높은 에너지 출력 상태 300: 출력 전류
301: 전이 310: 낮은 에너지 전극 네거티브 전류 부분
320: 높은 에너지 전극 네거티브 전류 부분
330: 저속 와이어 송급 속도부 340: 고속 와이어 송급 속도부
410: 펄스 용접 공정 420: 단락 아크 용접 공정
510: 그래프 520: 그래프
530: 그래프 540: 그래프
600: 비드 E: 전극
W: 공작물

Claims (20)

  1. 소모성 용접 전극(E)과 용접 공작물(W) 사이에 아크를 발생시키는, 특히 제18항에 따른 아크 용접 전원으로서, 해당 전원은:
    스위칭 전원 공급 기구(105)와;
    파형 발생기(120)와;
    상기 파형 발생기(120와 상기 스위칭 전원 공급 기구(105)에 작동적으로 연결된 제어기(130)를 포함하며,
    상기 제어기(130), 상기 파형 발생기(120) 및 상기 스위칭 전원 공급 기구(105)는 전극 포지티브 전류 부분 및 전극 네거티브 전류 부분을 갖는 주기적 용접 출력 전류(300)를 생성하도록 구성되며, 상기 전극 네거티브 전류 부분 또는 상기 전극 포지티브 전류 부분의 적어도 하나의 특성은 용접 공정 중 소모성 용접 전극으로부터 공작물(W)로 적층되는 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 변조되는 것을 특징으로 하는 아크 용접 전원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극 네거티브 전류 부분 또는 상기 전극 포지티브 전류 부분의 상기 적어도 하나의 특성은 제1 용접 에너지 입력 상태와 상기 제1 용접 에너지 입력 상태보다 더 많은 에너지를 제공하는 제2 용접 에너지 입력 상태 간에 주기 순환하도록 변조되는 아크 용접 전원.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용접 출력 전류의 상기 전극 네거티브 전류 부분 또는 상기 전극 포지티브 전류 부분의 상기 적어도 하나의 특성은 진폭, 지속 시간 또는 펄스 폭, 상승 엣지 경사, 하강 엣지 경사, 또는 형태 중 하나 이상을 포함하는 아크 용접 전원.
  4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 상기 용접 공정은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정인 아크 용접 전원.
  5. 소모성 용접 전극(E)과 용접 공작물(W) 사이에 아크를 발생시키는 아크 용접 시스템(100)으로서, 해당 시스템은:
    소모성 용접 전극과 용접 공작물 사이에 아크를 발생시키기 위해 용접 출력 전류를 제공하도록 구성된, 특히 제1항 내지 제4항 중 한 항에 따른 전원과;
    상기 소모성 용접 전극을 상기 용접 공작물(W) 측으로 송급하도록 구성된 와이어 송급기를 포함하며,
    상기 전원은 상기 와이어 송급기가 소정의 와이어 송급 속도로 동작하도록 지시하고 전극 포지티브 전류 부분과 전극 네거티브 전류 부분을 갖는 주기적 용접 출력 전류를 발생시키도록 구성되며, 상기 전원은 용접 공정 중 상기 소모성 전극으로부터 상기 공작물에 적층되는 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 상기 전극 네거티브 전류 부분 또는 상기 전극 포지티브 전류 부분의 적어도 하나의 특성과 상기 와이어 송급 속도를 상호 관련된 방식으로 변화시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 아크 용접 시스템(100).
  6. 제5항에 있어서, 상기 전극 네거티브 전류 부분 또는 상기 전극 포지티브 전류 부분의 상기 적어도 하나의 특성은 제1 용접 에너지 입력 상태와 상기 제1 용접 에너지 입력 상태보다 더 많은 에너지를 제공하는 제2 용접 에너지 입력 상태 간에 주기 순환하도록 변조되는 아크 용접 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제1 용접 에너지 입력 상태는 제1 와이어 송급 속도의 기간들 중에 생기며, 상기 제2 용접 에너지 입력 상태는 제2 와이어 송급 속도의 기간들 중에 생기며, 상기 제2 와이어 송급 속도는 상기 제1 와이어 송급 속도보다 빠른 아크 용접 시스템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 한 항에 있어서, 상기 용접 출력 전류의 상기 전극 네거티브 전류 부분 또는 상기 전극 포지티브 전류 부분의 상기 적어도 하나의 특성은 진폭, 지속 시간 또는 펄스 폭, 상승 엣지 경사, 하강 엣지 경사, 또는 형태 중 하나 이상을 포함하는 아크 용접 시스템.
  9. 제5항 내지 제8항 중 한 항에 있어서, 상기 용접 공정은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정인 아크 용접 시스템.
  10. 소모성 용접 전극(E)과 용접 공작물(W) 사이에 아크를 발생시키는 아크 용접 전원으로서, 해당 전원은:
    스위칭 전원 공급 기구(105)와;
    파형 발생기(20)와;
    상기 파형 발생기(20)와 상기 스위칭 전원 공급 기구(105)에 작동적으로 연결된 제어기(130)를 포함하며,
    상기 제어기(130), 상기 파형 발생기(120) 및 상기 스위칭 전원 공급 기구(105)는 소모성 용접 전극으로부터 공작물에 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 소정의 변조 주파수로 단락 아크 용접 공정(short arc welding process)과 펄스 용접 공정(pulse welding process) 사이에서 주기 순환하는 용접 출력 전류를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 아크 용접 전원.
  11. 제10항에 있어서, 상기 펄스 용접 공정은 상기 단락 아크 용접 공정보다 높은 열 전달 용접 공정인 아크 용접 전원.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 제어기는 용접부에 종국적으로 인가되는 열 입력에 영향을 미치도록 상기 변조 주파수를 변화시키도록 구성된 아크 용접 전원.
  13. 소모성 용접 전극(E)과 용접 공작물(W) 사이에 아크를 발생시키는 아크 용접 시스템(100)으로서, 해당 시스템은:
    소모성 용접 전극(E)과 용접 공작물(W) 사이에 아크를 발생시키기 위해 주기적 용접 출력 전류를 제공하도록 구성된, 특히 제10항 내지 제12항 중 한 항에 따른 전원과;
    상기 전원에 작동적으로 연결되고 상기 소모성 용접 전극을 소정의 와이어 송급 속도로 송급하도록 구성된 와이어 송급기와;
    상기 소모성 용접 전극(E)을 수용하여 해당 소모성 용접 전극(E)을 상기 용접 공작물(W) 측으로 전달하도록 상기 와이어 송급기에 작동적으로 연결된 용접 도구를 포함하며,
    상기 전원은 상기 소모성 용접 전극으로부터 상기 공작물에 적층된 용접 비드의 형상에 영향을 미치도록 상기 와이어 송급 속도와 상기 주기적 용접 출력 전류의 적어도 일부가 상기 용접 도구의 선택된 이동 속도를 기초로 상호 협력적인 방식으로 변조되게 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 아크 용접 시스템(100).
  14. 제13항에 있어서, 상기 주기적 용접 출력 전류의 상기 일부는 전극 네거티브 전류 부분인 아크 용접 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 주기적 용접 출력 전류의 상기 일부는 전극 포지티브 전류 부분인 아크 용접 시스템.
  16. 제13항 내지 제15항 중 한 항에 있어서, 상기 변조의 주파수는 상기 이동 속도의 증가에 따라 증가되는 아크 용접 시스템.
  17. 제13항 내지 제16항 중 한 항에 있어서, 상기 와이어 송급 속도는 상기 이동 속도의 증가에 따라 증가되는 아크 용접 시스템.
  18. 소모성 용접 전극(E)와 용접 공작물(W) 사이에 아크를 발생시키는 아크 용접 전원으로서, 해당 전원은 상기 소모성 용접 전극(E)으로부터 상기 공작물(W)에 적층되는 용접 비드가 일관적인 형상으로 형성되도록 하기 위해 하나 이상의 용접 파라미터가 용접 이동 속도를 기초로 조절되는 변조 주파수를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 아크 용접 전원.
  19. 제18항에 있어서, 상기 하나 이상의 용접 파라미터는 용접 출력 전류의 진폭, 용접 출력 전류의 펄스 폭, 용접 출력 전류의 상승 엣지 경사, 용접 출력 전류의 하강 엣지 경사 또는 용접 출력 전류 파형의 형태 중 하나 이상을 포함하는 아크 용접 전원.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 변조 주파수는 상기 용접 이동 속도가 증가함에 따라 증가되는 아크 용접 전원.
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