KR20150119852A - 용적 이행 촉진 방법 및 상응하는 ｃｏ₂ 그로뷸러 이행을 위한 용접 시스템 - Google Patents

용적 이행 촉진 방법 및 상응하는 ｃｏ₂ 그로뷸러 이행을 위한 용접 시스템 Download PDF

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Abstract

본원에서 설명되는 발명은, 용접 공정을 제어하기 위해 음 극성 용접 출력 전류 파형을 생성하는 시스템 및 방법에 대체로 관련된다. 전기 아크 용접 시스템이 음 극성의 부분들을 갖는 전기 용접 파형을 생성한다. 전기 용접 파형의 사이클은 백그라운드 전류 위상, 백그라운드 전류 위상 뒤의 단락 클리어링 램프 위상, 피크 전류 위상, 및 전기 용접 파형의 테일아웃 전류 위상을 포함하는데, 피크 전류 위상은 음의 피크 전류 레벨을 제공하며, 테일아웃 전류 위상은 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 단조롭게 증가하는 테일아웃 전류 레벨을 제공하고, 단락 클리어링 램프 위상은 전기 용접 파형에 대한 양 극성 전류의 감소 전류 레벨을 제공한다.

Description

용적 이행 촉진 방법 및 상응하는 ＣＯ₂ 그로뷸러 이행을 위한 용접 시스템{METHODS OF PROMOTING DROPLET TRANSFER AND CORRESPONDING WELDING SYSTEM FOR CO2 GLOBULAR TRANSFER}
우선권
본 출원은 2008년 6월 27일자로 출원된 발명 명칭이 "METHOD AND SYSTEM TO INCREASE HEAT INPUT TO A WELD DURING A SHORT CIRCUIT ARC WELDING PROCESS"인 미국 특허 출원 제12/163,047호를 우선권 주장하는 2012년 7월 20일자로 출원된 발명 명칭이 "METHOD AND SYSTEM TO INCREASE HEAT INPUT TO A WELD DURING A SHORT-CIRCUIT ARC WELDING PROCESS"인 미국 특허 출원 제13/554,744호의 일부 계속이며, 이 개시물들의 전체는 참조로 본원에 통합된다.
관련 출원들에 대한 교차 참조/참조에 의한 통합
2008년 6월 27일 출원된 미국 특허출원 제12/163,047호는 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.
기술 분야
본원에서 설명되는 발명은 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW) 단락 아크 공정 동안 전극과 공작물 간의 그로뷸러 이행(Globular Transfer)에 관련한 시스템 및 방법에 대체로 관련된다.
용접 시스템들은 현대 산업 시대의 핵심에 존재한다. 대규모 자동차 조립 작업들로부터 자동화된 제조 환경들까지, 이들 시스템들은 더욱 더 복잡해진 제조 작업들에서의 접합을 용이하게 한다. 용접 시스템의 하나의 이러한 예는 전기 아크 용접 시스템을 포함한다. 이는 전류가 소모성 전극을 통과하고 전극과 공작물 사이에 전개된 아크를 가로지르는 동안의, 예를 들어, 공작물을 향한 소모성 전극의 이동을 수반할 수도 있다. 예를 들면, 전극의 원위단(distal) 상에 형성된 용융된 볼을 공작물로 이송하는 것을 용이하게 하기 위한 보호 가스(shielding gas)로서 CO2를 사용하는 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW) 공정이 CO2 그로뷸러 이행이다. 그로뷸러 이행 GMAW 공정들은 다른 아크 용접 공정과 비교하여 종종 더 큰 와이어 사이즈로 인해 불안정할 수 있고 다른 아크 용접 공정들보다 더 많은 스플래터(splatter)를 포함한다. 이는 더 낮은 와이어 피드 속력 범위로 인해 더 느린 아크 용접 공정으로 이어진다.
언급된 바와 같이, GMAW 공정은 불안정성 및/또는 용융지(puddle) 스플래터의 경향이 있기에, 그로뷸러 이행 GMAW 공정들을 수행하기 위한 개선된 용접 기법이 필요하다.
본 발명에 따라, 아크 용접 공정에서 사용되는 음 극성의 전류 내의 하나 이상의 부분들을 사용하기 위한 방법이 제공되는데, 그 방법은, 전극의 원위단에 용융 금속 볼을 생성하기 위해, 파형의 출력 전류 레벨을 전극과 공작물 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정하는 단계; 용융 금속 볼이 공작물 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용하기 위해, 용융 금속 볼이 공작물에 대해 단락되어 전기 아크를 소호(extinguishment)하는 것에 응답하여 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만으로 떨어뜨리는 단계; 용융 금속 볼이 전극의 원위단으로부터 핀치오프되도록 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만의 음 극성으로 자동으로 감소시키는 단계; 전극과 공작물 간에 전기 아크를 재형성하기 위해 용융 금속 볼이 전극의 원위단으로부터 공작물로 핀치오프할 때 출력 전류 레벨을 음 극성 내에서 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 단계; 전기 아크의 재형성에 응답하여 출력 전류 레벨을 음 극성 내에서 양 극성 백그라운드 전류 레벨로부터 멀어지게 파형의 음의 피크 전류 레벨로 감소시키는 단계; 및 전극의 원위단에 다음의 용융 금속 볼을 생성하기 위해 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라, 아크 용접 공정에서 사용되는 음 극성의 전류 내의 하나 이상의 부분들을 사용하기 위한 방법이 제공되는데, 그 방법은, 전극의 원위단에 용융 금속 볼을 생성하기 위해, 파형의 출력 전류 레벨을 전극과 공작물 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정하는 단계; 용융 금속 볼이 공작물 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용하기 위해, 용융 금속 볼이 공작물에 대해 단락되어 전기 아크를 소호하는 것에 응답하여 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만의 음 극성으로 떨어뜨리는 단계; 전기 아크의 재형성에 응답하여 출력 전류 레벨을 음 극성 내에서 음의 피크 전류 레벨로 떨어뜨리는 단계; 및 전극의 원위단에 다음의 용융 금속 볼을 생성하기 위해 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라, 전진하는 용접 전극과 금속 공작물 간에 전기 용접 파형을 생성하는 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템이 제공되는데, 그 시스템은, 전기 용접 파형의 백그라운드 전류 위상, 피크 전류 위상, 및 테일아웃(tail-out) 전류 위상을 생성하는 제 1 전자 컴포넌트 구성으로서, 백그라운드 전류 위상은 양의 백그라운드 전류 레벨을 제공하며, 피크 전류 위상은 음의 피크 전류 레벨을 제공하고, 테일아웃 전류 위상은 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 단조적으로 증가하는 테일아웃 전류 레벨을 제공하는, 상기 제 1 전자 컴포넌트 구성; 및 전기 용접 파형의 핀치 전류 위상을 생성하는 제 2 전자 컴포넌트 구성으로서, 상기 핀치 전류 위상은 백그라운드 전류 위상 후의 전기 용접 파형에 대한 양 극성 전류의 감소 핀치 전류 레벨을 제공하는, 상기 제 2 전자 컴포넌트 구성을 포함한다. 추가의 본 발명의 실시형태들은 음의 펄스로 용적(droplet)을 만드는 것과 양의 펄스들로 용융지를 터치하게 용적을 촉진시키는 것을 위한 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 실시형태들, 특성들 및 목적들은 도면들, 상세한 설명 및 첨부하는 청구범위의 측면에서 분명하게 될 것이다.
본 발명은 특정한 부분들과 부분들의 배치구성들에서 물리적 형태를 취할 수도 있고, 그것의 바람직한 실시형태는 명세서에서 상세히 설명되고 출원서의 일부를 형성하는 첨부 도면들에서 예시될 것인데, 도면들 중:
도 1a는 용접부에 대한 입열(heat input)을 증가시키기 위해 아크 용접 공정에서 사용되는 전기 용접 파형의 사이클의 예시적인 실시형태를 도시하며;
도 1b는 용접 전극과 금속 공작물 사이의 관계를 보여주는, 도 1a의 전기 용접 파형을 사용하는 도 1a의 사이클에 걸친 아크 용접 공정의 다양한 단계들을 예시하며;
도 2는 도 1의 전기 용접 파형을 생성하는 시스템의 예시적인 제 1 실시형태의 기능 블록도를 도시하며;
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 시스템의 다양한 능력들에 의해 생성되는 바와 같은 변조 파형의 부분들의 예시적인 실시형태들을 도시하며;
도 4는 도 1의 전기 용접 파형을 생성하는 시스템의 예시적인 제 2 실시형태의 기능 블록도를 도시하며;
도 5는 도 1의 전기 용접 파형과 도 2의 시스템 또는 도 4의 시스템을 사용하여, 아크 용접 공정 중에 용접부에 대한 입열을 증가시키는 방법의 예시적인 제 1 실시형태의 순서도를 도시하며;
도 6a와 도 6b는 도 4의 시스템을 사용하여, 아크 용접 공정 중에 용접부에 대한 입열을 증가시키는 방법의 예시적인 제 2 실시형태의 순서도 및 최종 전기 용접 파형을 도시하며;
도 7은 도 1의 전기 용접 파형 또는 도 6b의 전기 용접 파형과 도 2의 시스템 또는 도 4의 시스템을 사용하여, 아크 용접 공정 중에 용접부에 대한 입열을 증가시키는 방법의 예시적인 제 3 실시형태의 순서도를 도시하며;
도 8은 용접부에 대한 입열을 제어하기 위해 아크 용접 공정에서 사용되는 전기 용접 파형의 사이클의 추가의 예시적인 실시형태를 도시하며;
도 9는 음 극성의 전류 내의 하나 이상의 부분들을 갖는 전기 용접 파형을 생성하는 것을 용이하게 하는 용접기 시스템을 예시하는 블록도이며;
도 10은 아크 용접 공정에서 사용되는 음 극성의 전류 내의 하나 이상의 부분들을 갖는 전기 용접 파형의 사이클의 일 실시형태를 도시하는 블록도이며;
도 11은 아크 용접 공정에서 사용되는 음 극성의 전류 내의 하나 이상의 부분들을 갖는 전기 용접 파형의 사이클의 일 실시형태를 도시하는 블록도이며;
도 12는 아크 용접 공정을 제어하기 위해 전류 파형의 음 극성 부분을 이용하는 것을 용이하게 하는 하나 이상의 컴포넌트들을 예시하는 블록도이며;
도 13은 용접 공정을 제어하기 위한 음 극성 용접 출력 전류 파형을 생성하는 흐름도이며;
도 14는 용접 공정의 부분을 제어하기 위해 아크 용접 전류 파형에 대해 음 극성의 전류를 이용하는 흐름도이며; 그리고
도 15는 용접 공정의 부분을 제어하는 음 극성을 갖는 아크 용접 전류 파형들을 도시하는 그래프이다.
본 발명의 실시형태들은 용접 공정을 제어하기 위해 음 극성 용접 출력 전류 파형을 생성하는 것에 대체로 관련되는 방법들과 시스템들에 관련한다. 전기 아크 용접 시스템이 음 극성의 부분들을 갖는 전기 용접 파형을 생성한다. 전기 용접 파형의 사이클은 백그라운드 전류 위상, 백그라운드 전류 위상 뒤의 단락 클리어링 램프 위상, 피크 전류 위상, 및 전기 용접 파형의 테일아웃 전류 위상을 포함하는데, 피크 전류 위상은 음의 피크 전류 레벨을 제공하며, 테일아웃 전류 위상은 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 단조롭게 증가하는 테일아웃 전류 레벨을 제공하고, 단락 클리어링 램프 위상은 전기 용접 파형의 양 극성 전류의 감소 전류 레벨을 제공한다.
이제 본 발명을 수행하는 최선의 형태가 본 특허 출원의 출원 시에 출원인에게 알려진 최선의 형태를 예시하는 목적으로 설명될 것이다. 예들과 도면들은 예시적이기만 한 것이고 청구범위와 사상에 의해 측정되는 본 발명을 제한할 의도는 아니다.
도 1a는 용접부에 대한 입열을 증가시키기 위해 아크 용접 공정에서 사용되는 전기 용접 파형(100)의 사이클(101)의 예시적인 실시형태를 도시한다. 도 1b는 용접 전극(191)과 금속 공작물(199) 사이의 관계를 보여주는, 도 1a의 전기 용접 파형을 사용하는 사이클(101)에 걸친 아크 용접 공정의 다양한 단계들(A 내지 E)을 도시한다. 아크 용접 공정 동안, 전기 아크 펄스들을 생성하기 위해 전기 용접 파형(100)을 생성할 수 있는 전기 아크 용접 시스템을 사용하여, 전진하는 전극(191)과 금속 공작물(199) 사이에 일련의 전기 아크 펄스들이 생성된다. 일반적으로, 사이클(101)은 최종 용접부를 생성하기 위해 아크 용접 공정 동안 주기적으로 반복된다. 그러나, 사이클(101)은, 단락 조건이 발생하지 않는다면, 동일한 수의 열 증가 펄스들(150) 없이, 그리고 아마도 핀치 전류 위상(120) 없이 반복될 수도 있다.
전기 용접 파형(100)의 사이클(101)은 백그라운드 전류 레벨(111)을 제공하는 백그라운드 전류 위상(110), 단조적으로 증가하는 핀치 전류 레벨(121)을 제공하는 핀치 전류 위상(120), 피크 전류 레벨(131)을 제공하는 피크 전류 위상(130), 및 단조적으로 감소하는 테일아웃 전류 레벨(141)을 제공하는 테일아웃 전류 위상(140)을 포함한다.
백그라운드 전류 위상(110) 동안, 전기 아크(195)가 전극(191)과 공작물(199) 사이에 유지되어 전극(191)의 원위단에 용융 금속 볼(192)을 생성한다(도 1b의 단계 A 참조). 단계 B에서, 여전히 전극(191)에 연결되어 있는 용융 금속 볼(192)은 공작물(199)에 대해 단락된다. 단락이 발생할 때, 아크(195)는 소호되고 파형(100)의 전류 레벨은 백그라운드 전류 레벨(111)에서 또는 그 미만의 전류 레벨(112)로 떨어져, 용융 금속 볼(192)이 공작물(199) 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용한다.
핀치 전류 위상(120) 동안, 파형(100)의 전류 레벨은 백그라운드 전류 레벨(111)보다 높게 단조적으로 (예컨대, 상향 경사로) 증가되어 증가하는 핀치 전류 레벨(121)을 제공하며, 이는 도 1b의 단계 C에 도시된 바와 같이, 단락된 용융 금속 볼(192)이 전극(191)의 원위단으로부터 공작물(199)의 용융지로 핀치오프를 시작하게 한다. 용융 금속 볼(192)이 전극(191)으로부터 막 핀치오프되려고 할 때, 파형(100)의 전류 레벨은 스패터(spatter)를 피하기 위해 백그라운드 전류 레벨(111) 미만의 전류 레벨(112)로 다시 떨어지고, 아크(196)가 전극(191)과 공작물(199) 사이에 재형성된다.
일단 아크(196)가 재형성되면, 파형(100)은 피크 전류 위상(130)으로 진입한다. 피크 전류 위상(130) 동안, 파형(100)의 전류 레벨은 피크 전류 레벨(131)로 증가하여 유지된다. 본 발명의 일 실시형태에 따라, 피크 전류 레벨(131)은 파형(100)의 최고 전류 레벨이고, 전극(191)과 공작물(199) 사이에, 전극(191)의 원위단에서 다음 용융 금속 볼(198)의 형성을 시작하기에 충분한 강도의 아크(197)를 형성한다.
피크 전류 위상(130) 후, 파형(100)은 테일아웃 전류 위상(140)으로 진입한다. 테일아웃 전류 위상(140) 동안, 파형(100)의 전류 레벨은 백그라운드 전류 레벨(111)을 향해 단조적으로(예컨대, 기하급수적으로) 감소하여, 감소하는 테일아웃 전류 레벨(141)을 제공한다. 파형(100)의 전류는 용접부에 열을 가한다. 테일아웃 전류 위상(140)은 파형(100)에 대한 대략적인(coarse) 열 제어 위상으로서 기능을 하는 반면, 백그라운드 전류 위상(110)은 파형(100)에 대한 미세(fine) 열 제어 위상으로서 기능을 한다. 그러나, 특정한 아크 용접 응용에서는, 추가의 입열 제어를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다.
테일아웃 전류 위상(140) 후에, 백그라운드 전류 위상(110)으로 다시 진입하여, 백그라운드 전류 레벨(111)을 제공하고 전극(191)의 원위단에서 실질적으로 균일한 다음 용융 금속 볼(198)을 생성한다(단계 A). 백그라운드 전류 위상(110) 동안, 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스(150)가 생성되어, 백그라운드 전류 레벨(111)과 피크 전류 레벨(131) 사이의 중간 전류 레벨(151)을 제공한다. 열 증가 전류 펄스(150)는 용융 금속 볼(198)과 공작물(199) 사이에서 다음 단락이 발생하기까지 백그라운드 전류 위상(110) 내에서 주기적으로 반복될 수도 있고, 다음 단락이 발생할 때 아크(195)는 소호되고 파형(100)의 전류 레벨은 백그라운드 전류 레벨(111) 미만의 전류 레벨(112)로 떨어져 다음 용융 금속 볼(198)이 공작물(199) 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용한다(단계 B). 열 증가 전류 펄스들(150)은 용입을 증가시키기 위해 용융지 및 주변 영역을 재가열하는 역할을 한다. 열 증가 전류 펄스들(150)에 의해 제공되는 그러한 열의 증가는, 예를 들어, 용융지의 유동성을 증가시키는 일 없이 더 양호한 용입을 제공하기 위하여 개방식 루트 조인트의 용접에서 바람직할 수도 있다. 열 증가 펄스는, 아크를 가로질러 용적을 이동시킬 만큼 진폭이 크지 않고 용접 시스템을 단락 아크 전이를 뛰어 넘어 그로뷸러 이행으로 강제할 만큼 펄스폭이 넓지 않다. 또한, 일반적으로 사이클(101)은 최종 용접부를 생성하기 위해 아크 용접 공정 중에 주기적으로 반복된다. 그러나, 사이클(101)은, 단락이 발생하지 않는다면, 동일한 수의 열 증가 펄스들(150) 없이 그리고 아마도 핀치 전류 위상(120) 없이 반복될 수도 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "전류 레벨"이라는 용어는 실질적으로 안정적이지만 전기 용접 파형을 생성하는 다소 부정확한 성질로 인한 일부 변동을 가질 수도 있는 전류 진폭을 의미한다.
일 예로서, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 아크 용접 공정은 보호 가스들로서 아르곤 및 이산화탄소(CO2)를 사용하는 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정이다. 백그라운드 전류 레벨(111)은 약 70 암페어이며, 피크 전류 레벨(131)은 약 330 암페어이고, 중간 전류 레벨(151)은 약 210 암페어이다. 단일 열 증가 펄스(150)의 펄스폭은 약 1 밀리초이고, 백그라운드 전류 위상(110) 동안 최대 3 내지 6 개 펄스까지 약 매 3 밀리초마다 반복될 수도 있다. 사이클(101)의 주기는 약 15 밀리초이다.
도 2는 도 1의 전기 용접 파형(100)을 생성하기 위한 시스템(200)의 예시적인 제 1 실시형태의 기능 블록도를 도시한다. 시스템(200)은 전력 생성 능력(210)과, 변조 파형(100')을 만들기 위한 변조 파형 생성 및 성형 능력(220)을 제공한다. 시스템(200)은 전극(191)과 공작물(199) 사이에 단락 조건이 발생할 때를 검출하고 용융 금속 볼(예컨대, 192)이 공작물(199) 상의 용융지에 핀치오프됨에 따라 단락 조건이 막 종료될 때(단락 해제 조건)을 예측하기 위한 단락 검출 및 징후 검출(단락 해제 예측) 능력(230)을 또한 제공한다.
변조 파형 생성 및 성형 능력(220)에 의해 생성된 변조 파형(100')은, 전기 용접 파형(100) 형태로 전극(191) 및 공작물(199)에 전류를 제공하는 전력 생성 능력(210)을 변조하는데 사용된다. 변조 파형 생성 및 성형 능력(220)은 주기적 기본 파형 생성 능력(221)을 포함한다. 도 3a 내지 도 3d는 도 2의 시스템(200)의 다양한 능력들에 의해 생성된 바와 같은 변조 파형(100')의 부분들의 예시적인 실시형태들을 도시한다. 도 3a는 주기적 기본 파형 생성 능력(221)에 의해 생성되는 주기적 기본 파형 부분(310)을 예시한다. 주기적 기본 파형 생성 능력(221)은 주기적 방식으로 변조 파형(100')의 백그라운드 전류 위상(110), 피크 전류 위상(130), 및 테일아웃 전류 위상(140)의 생성을 제공한다.
변조 파형 생성 및 성형 능력(220)은 핀치 전류 위상 생성 능력(222)을 또한 포함한다. 도 3b는 핀치 전류 위상(120)이 추가된 도 3a의 주기적 기본 파형 부분(310)을 예시한다. 본 발명의 일 실시형태에 따라, 핀치 전류 위상(120)은 변조 파형 생성 및 성형 능력(220)의 신호 합산 능력(223)을 사용하여 주기적 기본 파형 부분(310)과 합산될 수도 있다.
변조 파형 생성 및 성형 능력(220)은 열 증가 펄스 생성 능력(224)을 더 포함한다. 도 3c는, 도 3b의 핀치 전류 위상(120)을 갖고 백그라운드 전류 위상(110) 동안 스위칭되는 열 증가 펄스들(150)을 갖는 도 3a의 주기적 기본 파형 부분(310)을 예시한다. 본 발명의 일 실시형태에 따라, 열 증가 전류 펄스들(150)은 변조 파형 생성 및 성형 능력(220)의 신호 스위칭 능력(225)을 사용하여 백그라운드 전류 위상(110) 동안 스위칭될 수도 있다.
변조 파형 생성 및 성형 능력(220)은 서브백그라운드 전류 레벨 생성(전류 감소) 능력(226)을 또한 포함한다. 도 3d는 도 3b의 핀치 전류 위상(120), 도 3c에 도시된 바와 같은 열 증가 전류 펄스(150)를 갖는 백그라운드 전류 위상(110)을 갖고, 서브백그라운드 전류 부분(112')이 추가된 주기적 기본 파형 부분(310)을 보여준다. 본 발명의 일 실시형태에 따라, 서브백그라운드 전류 부분(112')은 변조 파형 생성 및 성형 능력(220)의 신호 합산 능력(223)을 사용하여 주기적 기본 파형 부분(310) 및 핀치 전류 위상(120)과 합산될 수도 있다.
도 3d의 최종 변조 파형(100')은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전극(191) 및 공작물(199)에 전기 용접 파형(100)의 다양한 부분들의 실제 전류 레벨들(111, 112, 121, 131,141, 151)을 제공하기 위해 전력 생성 능력(210)을 조정하는데 사용된다.
시스템(200)을 사용한 용접 공정 중에, 단락 검출 및 단락 해제 예측 능력(230)은 전극(191) 및 공작물(199)에서의 전류 및 전압을 모니터링하여 전극(191)과 공작물(199) 사이에 단락 조건이 발생할 때를 검출하고, 또한 단락 조건이 막 종료되려고 할 때(단락 해제 조건)를 예측한다. 단락 조건이 발생할 때, 서브백그라운드 전류 레벨 생성 능력(226)은, 검출된 단락 조건에 응답하여, 파형(100)의 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(110) 미만의 전류 레벨(112)로 즉시 떨어뜨려, 본원에서 이미 설명된 바와 같이 용융 금속 볼이 공작물(199) 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용한다. 그 후, 핀치 전류 위상 생성 능력(222)은 단조적으로 증가하는 핀치 전류 레벨(121)을 파형(100)에 적용한다.
단락 해제 조건이 예측될 때(즉, 용융 금속 볼이 전극의 원위단에서 막 핀치오프될 때), 서브백그라운드 전류 레벨 생성 능력(226)은 단락 해제 조건이 예측되는 것에 응답하여, 스플래터를 피하기 위하여 파형(100)의 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(110) 미만의 전류 레벨(112)로 다시 떨어뜨린다. 더욱이, 변조 파형 생성 및 성형 능력(220)의 타이밍 능력(227)이 트리거된다. 타이밍 능력(227)은 파형(100)이 백그라운드 전류 위상(110)에 도달하기까지 피크 전류 위상(130) 및 테일아웃 전류 위상(140)이 차지하는 시간 세그먼트들에 걸쳐 카운트 다운한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라, 타이밍 능력은 단락 해제 조건과 백그라운드 전류 위상(110)으로의 진입 사이에 발생하는 시간량으로 사전 프로그래밍된다. 일단 타이밍 능력(227)이 카운트 다운을 완료하여 백그라운드 전류 위상(110)에 진입하였음을 나타내면, 신호 스위칭 능력(225)은 열 증가 펄스 생성 능력(224)으로부터 열 증가 펄스들(150)에서 스위칭하기 위해 트리거된다. 열 증가 펄스들(150)은 다음 단락 조건이 검출되기까지 백그라운드 전류 위상(110) 동안 파형(100)으로 스위칭된다.
도 2의 시스템(200)의 다양한 기능적 능력들은 아날로그 및/또는 디지털 전자 컴포넌트들을 포함할 수도 있는 전자 컴포넌트 구성들을 사용하여 구현될 수도 있다. 그러한 전자 컴포넌트 구성들은, 예를 들어, 펄스 생성기, 타이머, 계수기, 정류기, 트랜지스터, 인버터, 발진기, 스위치, 변압기, 파형 성형기, 증폭기, 상태 머신(state machine), 디지털 신호 프로세서, 마이크로프로세서, 및 마이크로컨트롤러를 포함할 수도 있다. 그러한 구성들의 부분들은 구현에서 유연성을 제공하기 위하여 프로그래밍 가능할 수도 있다. 이러한 전자 컴포넌트 구성들의 다양한 예들은 미국 특허 제4,972,064호, 미국 특허 제6,051,810호, 미국 특허 제6,498,321호, 및 미국 특허출원 제11/861,379호에서 찾아볼 수도 있으며, 그것들의 각각은 그 전체가 참조로 본원에 통합된다.
본 발명의 일 실시형태에 따라, 시스템(200)은 전기 용접 파형(100)의 백그라운드 전류 위상(110), 피크 전류 위상(130), 및 테일아웃 전류 위상(140)을 생성하기 위한 제 1 전자 컴포넌트 구성을 포함한다. 시스템(200)은 전기 용접 파형(100)의 핀치 전류 위상(120)을 생성하기 위한 제 2 전자 컴포넌트 구성을 더 포함한다. 시스템(200)은 백그라운드 전류 위상(110) 동안 전기 용접 파형(100)의 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스(150)를 생성하기 위한 제 3 전자 컴포넌트 구성을 또한 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라, 시스템(200)은 공작물에 대한 전극의 단락에 응답하여 백그라운드 전류 위상(110)의 종료 시에 전기 용접 파형(100)의 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨 미만으로 감소시키기 위한 제 4 전자 컴포넌트 구성을 또한 포함한다. 시스템(200)은 공작물로부터의 전극의 단락 해제의 예측에서 핀치 전류 위상(120)의 종료 시에 전기 용접 파형(100)의 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨 미만으로 감소시키기 위한 제 5 전자 컴포넌트 구성을 더 포함한다.
제 1 내지 제 5 전자 컴포넌트 구성들은 서로에 대해 반드시 독립적인 것이 아니라, 특정한 전자 컴포넌트를 공유할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 제 1 구성의 다수의 전자 컴포넌트들이 제 3 구성의 다수의 전자 컴포넌트들과 동일할 수도 있다. 마찬가지로, 제 4 구성의 다수의 전자 컴포넌트들은 제 5 구성의 다수의 전자 컴포넌트들과 동일할 수도 있다. 본 발명의 다양한 실시형태들에 따라, 다른 공유 컴포넌트들이 또한 가능할 수도 있다.
도 2에 도시된 기능 구현은 하나의 예시적인 실시형태를 도시한다. 다른 실시형태들이 또한 가능하다. 예를 들어, 다른 실시형태에 따라, 핀치 전류 위상(120)은 신호 합산 능력(223)을 통해 합산되는 대신에, 신호 스위칭 능력(225)을 통해 변조 파형(100')으로 스위칭될 수도 있다. 마찬가지로, 열 증가 펄스들(150)은 신호 스위칭 능력(225)을 통해 스위칭되는 대신에, 신호 합산 능력(223)을 통해 변조 파형(100')에 합산될 수도 있다. 다른 실시형태에 따라, 전류 레벨 부분(112')을 포함하지 않는 변조 파형의 생성을 허용하게, 서브백그라운드 전류 레벨 생성 능력(226)이 존재하지 않을 수도 있거나, 또는 옵션적일 수도 있다. 도 1의 전기 용접 파형(100) 또는 백그라운드 전류 위상 동안 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스를 갖는 유사한 파형들이 생성되게 하는 다른 수정된 실시형태들이 또한 가능하다.
도 4는 도 1의 전기 용접 파형(100)을 생성하기 위한 시스템(400)의 예시적인 제 2 실시형태의 기능 블록도를 도시한다. 시스템(400)은 본원에서 설명되는 바와 같은 상태 머신 유형의 시스템이다. 상태 머신 유형의 용접 시스템의 일례는 Lincoln Electric Power Wave™ 450 시스템이다.
시스템(400)은 상태 기반 기능 생성기(420) 상에 로딩된 용접 프로그램(410)을 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따라, 상태 기반 기능 생성기(420)는 프로그램 가능한 마이크로프로세서 디바이스를 포함한다. 용접 프로그램(410)은 전기 용접 파형을 생성하기 위한 소프트웨어 명령어를 포함한다. 그 시스템은 상태 기반 기능 생성기(420)와 동작 가능하게 인터페이싱하는 디지털 신호 프로세서(digital signal processor, DSP)(430)를 더 포함한다. 시스템은 또한 DSP(430)와 동작 가능하게 인터페이싱하는 고속 증폭기 인버터(440)를 또한 포함한다.
DSP(430)는 상태 기반 기능 생성기(420)로부터 자신의 명령어를 취하고 고속 증폭기 인버터(440)를 제어한다. 고속 증폭기 인버터(440)는 DSP(430)로부터의 제어 신호들(435)에 따라 고전압의 입력 전력(441)을 저전압 용접 출력 전력으로 변환한다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에 따라, DSP(430)는 다양한 위상들의 전기 용접 파형을 생성하기 위해 고속 증폭기 인버터(440)에 대한 점호각(firing angle)(스위치 활성화 타이밍)을 결정하는 제어 신호(435)를 제공한다.
고속 증폭기 인버터(440)의 출력들(442 및 443)은 용접 전극(450) 및 공작물(460)에 각각 동작 가능하게 접속되어 전극(450)과 공작물(460) 간에 전기 아크를 형성하는 용접 전류를 제공한다. 시스템(400)은, 전극(450)과 공작물(460) 사이의 전압을 감지하고 전극(450), 공작물(460), 및 고속 증폭기 인버터(440)에 의해 형성된 용접 회로를 통해 흐르는 전류를 감지하는 전압 및 전류 피드백 능력(470)을 또한 포함한다. 감지된 전류 및 전압은 공작물(460)에 대한 전극(450)의 단락(즉, 단락 조건)을 검출하고 용융 금속 볼이 전극(450)으로부터 막 핀치오프되려는 때(즉, 단락 해제 조건)를 검출하기 위해 상태 기반 기능 생성기(420)에 의해 사용된다.
시스템(400)은 전류 저감기(480)와 다이오드(490)를 더 포함한다. 전류 저감기(480)와 다이오드(490)는 고속 증폭기 인버터(440)의 출력들(442 및 443) 사이에 동작 가능하게 접속된다. 전류 저감기(480)는 DSP(430)에 또한 동작 가능하게 인터페이싱한다. 전극(450)과 공작물(460) 사이에서 단락 조건이 발생할 때, DSP(430)는 제어 신호(436)를 통해 전류 저감기(480)에 대해 용접 회로를 통과하는 전류 레벨을 미리 정해진 백그라운드 전류 레벨 미만으로 떨어뜨릴 것을 명령한다. 마찬가지로, 단락 해제 조건이 발생할 때(즉, 용융 금속 볼이 전극(450)의 원위단에서 핀치오프될 때), DSP(430)는 전류 저감기(480)에 대해 용접 회로를 통과하는 전류 레벨을 미리 정해진 백그라운드 전류 레벨 미만으로 떨어뜨릴 것을 명령한다. 본 발명의 일 실시형태에 따라, 전류 저감기(480)는 달링턴 스위치(Darlington switch), 레지스터 및 스너버(snubber)를 포함한다.
도 5는 도 1의 전기 용접 파형(100)과 도 2의 시스템(200) 또는 도 4의 시스템(400)을 사용하여, 아크 용접 공정 중에 용접부에 대한 입열을 증가시키는 방법(500)의 예시적인 제 1 실시형태의 순서도를 도시한다. 단계 510에서, 전극(예컨대, 191 또는 450)의 원위단에 용융 금속 볼(192)을 생성하기 위해, 파형(100)의 출력 전류 레벨을 전극(예컨대, 191 또는 450)과 공작물(예컨대, 199 또는 460) 간에 전기 아크(195)를 유지하는 백그라운드 전류 레벨(111)로 조정한다. 단계 520에서, 용융 금속 볼(192)이 공작물(예컨대, 199 또는 460) 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용하기 위해, 용융 금속 볼(192)이 공작물(예컨대, 199 또는 460)에 대해 단락되어 전기 아크(195)를 소호시키는 것에 응답하여 출력 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(111) 미만으로 떨어뜨린다. 단계 530에서, 용융 금속 볼(192)이 전극(예컨대, 191 또는 450)의 원위단으로부터 핀치오프되도록 출력 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(111)보다 높게 자동으로 증가시킨다.
단계 540에서, 전극(예컨대, 191 또는 450)과 공작물(예컨대, 199 또는 460) 간에 전기 아크(196)를 재형성하기 위해, 용융 금속 볼(192)이 전극(예컨대, 191 또는 450)의 원위단에서 공작물(예컨대, 199 또는 460) 상으로 핀치오프됨에 따라 출력 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(111) 미만으로 감소시킨다. 단계 550에서, 전기 아크(196)의 재형성에 응답하여 출력 전류 레벨을 파형(100)의 피크 전류 레벨(131)로 증가시킨다. 단계 560에서, 출력 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(111)을 향해 감소시켜, 전극(예컨대, 191 또는 450)의 원위단 상에 다음 용융 금속 볼(198)을 생성한다. 단계 570에서, 다음 용융 금속 볼(198)과 공작물(예컨대, 199 또는 460) 사이에서 다음 단락이 형성되기까지 출력 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(111)과 피크 전류 레벨(131) 사이의 중간 전류 레벨(151)과 백그라운드 전류 레벨(111) 사이에서 미리 정해진 펄스 속도로 펄스를 형성한다. 단계 580에서, 아크 용접 공정이 완료되지 않으면, 단계 520으로 되돌아가 진행하고, 그렇지 않다면 종료한다.
도 6a와 도 6b는 도 4의 시스템을 사용하는 아크 용접 공정 중에 용접부에 대한 입열을 증가시키는 방법(600)의 예시적인 제 2 실시형태의 순서도 및 최종 전기 용접 파형(650)을 예시한다. 단계 601에서, 전기 용접 파형(650)의 출력 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(602)로 조정한다. 단락 조건이 검출될 때, 단계 603에서, 전류 저감기(480)를 트리거함으로써 출력 전류 레벨을 백그라운드 전류 레벨(602) 미만인 서브레벨(604)로 감소시킨다. 단계 605에서, 핀치 전류 램프(606)에 따라 출력 전류 레벨을 증가시키기 시작한다. 단락 해제 조건(핀치오프)가 검출될 때, 단계 607에서, 전류 저감기(480)를 트리거함으로써 출력 전류 레벨을 서브레벨(604)로 다시 감소시킨다.
단계 608에서, 전극(450)과 공작물(460) 사이의 전기 아크의 재형성에 응답하여 출력 전류 레벨을 피크 전류 레벨(609)로 조정한다. 단계 610에서, 단조적으로 감소하는 테일아웃 전류 램프(611)에 따라 피크 전류 레벨(609)로부터 백그라운드 전류 레벨(602)을 향해 출력 전류 레벨을 감소시킨다. 단계 612에서, 열 증가 전류 펄스(615)를 형성하는 제 1 펄스 구간(614) 동안 출력 전류 레벨을 열 증가 전류 레벨(613)로 조정한다. 그 방법(600)은 미리 결정된 횟수 동안 또는 다음 단락 조건이 검출될 때까지, 단계 601과 단계 612를 번갈아 실행할 수 있다(즉, 출력 전류는 열 증가 전류 레벨(613)과 백그라운드 전류 레벨(602) 사이에서 왔다갔다 스위칭되어 후속 열 증가 전류 펄스들을 형성할 수도 있다). 더욱이, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 용접 작업의 세부사항(예컨대, 용접 금속, 보호 가스 등)에 따라, 연속적인 열 증가 전류 펄스(615')의 펄스폭 및 진폭은 최초 열증가 전류 펄스(615)의 펄스폭 및 진폭과 동일 또는 상이할 수도 있다.
도 7은 도 1의 전기 용접 파형(100) 또는 도 6b의 전기 용접 파형(650)과 도 2의 시스템(200) 또는 도 4의 시스템(400)을 사용하여 아크 용접 공정 중에 용접부에 대한 입열을 증가시키는 방법(700)의 예시적인 제 3 실시형태의 순서도를 도시한다. 단계 710에서, 백그라운드 전류 레벨(예컨대, 111)을 제공하는 백그라운드 전류 위상(예컨대, 110), 피크 전류 레벨(예컨대, 131)을 제공하는 피크 전류 위상(예컨대, 130), 및 감소하는 테일아웃 전류 레벨(예컨대, 141)을 제공하는 테일아웃 전류 위상(예컨대, 140)을 갖는 전기 용접 파형(예컨대, 100)의 기본 사이클(예컨대, 310)을 생성한다. 단계 720에서, 백그라운드 전류 위상(예컨대, 110)과 피크 전류 위상(예컨대, 130) 사이에, 증가하는 핀치 전류 레벨(예컨대, 121)을 제공하는, 전기 용접 파형(예컨대, 100)의 핀치 전류 위상(예컨대, 120)을 생성한다. 단계 730에서, 백그라운드 전류 위상(예컨대, 110) 동안, 백그라운드 전류 레벨(예컨대, 111)과 피크 전류 레벨(예컨대, 131) 사이의 중간 전류 레벨(예컨대, 151)을 제공하는, 전기 용접 파형(예컨대, 100)의 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스(예컨대, 150)를 생성한다.
도 8은 본 발명의 추가의 예시적인 실시형태를 묘사한다. 이 실시형태는, 이 실시형태에서 대다수의 백그라운드 전류(111) 및 열 증가 전류 펄스들(150)은 제 1 극성을 갖는 반면, 사이클(101)의 나머지는 반대 극성을 갖는다는 점을 제외하면, 도 1a 및 도 1b에 관해 도시되고 논의된 것과 유사하다. 도 8에 도시된 실시형태에서, 열 증가 펄스들(150)과 대다수의 백그라운드 전류(111)는 양의 극성을 갖는 한편 사이클(101)의 나머지는 음의 극성을 갖는다. 파형의 이들 부분들에 대해 반대 극성들을 사용함으로써 용접부 속으로의 입열은 추가로 제어될 수 있다. 도시된 예시적인 실시형태에서 비교적 냉(cool) 용접 작업이 달성될 수 있다. 음 극성을 갖는 사이클들(101)의 벌크를 가짐으로써, 단락 동작은 사이클(101)의 전체가 양의 극성일 때보다 더 차가울 수 있다. 이는 일반적으로 전류 흐름의 방향으로 인한 것이고 더 구체적으로는 용접 아크의 "열"이 용융지로부터 와이어의 말단까지 변화하도록 용접 공정의 애노드 및 캐소드를 뒤바꾼 결과이다. 따라서, 주어진 용적 사이즈를 생성하기 위해 (피크 또는 플라즈마 부스트 중 어느 하나를 통해) 더 적은 전류가 요구된다. 이는 수행되고 있는 단락 동작들에 의존하여 매우 바람직할 수 있다. 그러나, 용접부 용융지와 용입을 원하는 대로 제어하기 위해 용접부로의 입열을 제어하고 열 증가 전류 펄스들(150)을 이용하여 용접부로 임의의 원하는 또는 필요한 열을 입력할 수 있는 것이 여전히 바람직하다.
이 예시적인 실시형태에서, 단락 이벤트가 발생하는 용접 동안(801) (도 1b에서의 단계 B), 용접 전원 공급부는 용접 전류를 제 1 극성(도 8의 양)으로부터 반대 극성(도 8의 음)으로 전환시킨다. 용접 전력 소스가 단락 회로에서 극성을 바꾸는 것이 일반적으로 더 용이하다. 이는 극성에서의 변화 후에 아크를 재형성할 필요가 없고 따라서 아크를 형성하는데 필요한 폭발적 방전을 없애기 때문이다. 이러한 경우, 와이어는 이미 단락되었고, 이처럼, 전원은 한층 더 제어되는 방식으로 필요한 대로 전류를 감소시키며, 극성을 바꾸고 전류를 증가시킬 수 있다. 전류의 극성을 바꾼 후, 핀치 전류 위상(120)은, 더 낮은 전류 레벨(112)로 후속하여 감소되며, 피크 전류 위상(130)과 테일아웃 전류 위상(140)은 위에서 길게 설명한 바와 유사하게 구현된다. 테일아웃 전류 위상(140)이 (점 803에서) 백그라운드 전류 레벨(111')에 접근하거나 또는 도달함에 따라, 전원 공급부는 용접 신호의 극성을 백그라운드 레벨(111)로 다시 스위칭한 다음, 위에서 대체로 설명한 바와 같이 열 증가 전류 펄스들(150)을 구현한다.
일부 예시적인 실시형태들에서, 전류가 백그라운드 레벨(111')에 도달한 후 전이점(803)이 발생한다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 전이점(803)은 전류가 백그라운드 레벨(111')에 접근할 때 발생한다. 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 전이점(111')은 전류가 백그라운드 전류(111') 레벨의 10% 내에 있을 때 발생한다. 예를 들어, 백그라운드 전류 레벨(111')이 50 암페어로 설정되면, 전류가 감소함에 따라, 전이점(803)은 55 내지 50 암페어의 범위에 있을 것이다. 본 발명의 추가의 예시적인 실시형태들에서, 전이점(803)은 전류가 피크(131) 후 50 내지 75 암페어의 범위에 있을 때 발생한다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 출력 전류 레벨이 임계 레벨에 또는 이 임계 레벨 미만에 있지 않는 한 극성의 변화가 발생하지 않도록 최대 전류 전이 레벨이 설정된다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 이 임계 레벨은 75 내지 100 암페어의 범위에 있다. 예를 들어, 임계 레벨이 80 암페어로 설정되면, 출력 전류가 80 암페어에 또는 그 미만이 되기까지 파형의 극성은 변하지 않을 것이다. 따라서, 전원 공급부는 이 임계값에 도달되기까지 전류를 떨어뜨린 다음 극성 스위치를 개시되게 할 것이다. 일부 용접 작업들 중에, 백그라운드 전류 레벨이 위의 임계 값보다 더 높은 경우가 있을 수도 있다. 그 경우일 때 전류는 임계 값에 도달하거나 또는 그 임계 값 미만으로 떨어지기까지 전류는 감소된 다음 극성이 스위칭된다. 스위칭에 뒤따라 전류 레벨은 소망의 레벨로 간다.
게다가, 예시적인 실시형태들에서 백그라운드 전류(111')와 백그라운드 전류(111)는 동일한 절대 값 크기를 (반대 극성과 함께) 가질 수 있는 한편, 다른 실시형태들에서 크기들이 상이할 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시형태들에서, (열 증가 전류 펄스들(150)과 함께 사용되는) 백그라운드 전류(111)는 백그라운드(111')의 반대 극성을 갖는 50 내지 75 암페어의 범위에 있다.
따라서, 용접 중 또는 전 중 어느 하나에, 본 발명의 전류 파형들은 용접부 조인트의 용입 또는 침윤을 증가시키기 위해 용접부로의 입열을 증가 또는 관리하는데 사용될 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 열 증가 전류 펄스들(150)은 용접부로의 입열을 증가시키는 다수의 방법들로 수정 또는 구현될 수 있다. 다시 말하면, 펄스들(150)의 주파수, 피크 전류, 펄스폭, 및/또는 양은 바람직한 입열량을 제공하기 위해 수정될 수 있다. 덧붙여, 펄스들(150)이 펄스들의 임의의 하나의 시리즈에서 동일한 펄스폭 또는 피크 전류 크기를 갖는 것이 필요하지 않다. 일부 예시적인 실시형태들에서, 주어진 시리즈 내의 (또는 주어진 사이클(101) 내의) 후속 펄스들(150)의 피크 전류(151) 및/또는 펄스폭은 감소될 수 있다. 예를 들어, 일련의 4 개의 펄스들(150)이 사이클(101)에서 사용되면, 각각의 후속 펄스는 선행하는 펄스보다 낮은 전류 피크(151)를 가질 것이다. 다른 실시형태들에서, 전류 및/또는 펄스폭은 증가될 수 있다.
이전에 설명된 바와 같이, 펄스들(150)은 용접 전극에서부터 용접부 용융지로의 용적들을 이송하는데 사용되지 않고, 대신 용접부 용융지로의 입열을 필요한 대로 증가시키는데 사용된다. 본 발명의 예시적인 실시형태들, 펄스들(150)은 피크 전류 레벨(151)보다 더 높은 백그라운드 레벨을 갖고, 일부 실시형태들에서 50 내지 250 암페어의 범위에 있다. 다른 예시적인 실시형태들에서, 펄스들(150)의 피크 전류 레벨(151)은 100 내지 250 암페어의 범위에 있다. 단일 펄스(150)의 펄스폭은 0.5 내지 2 ms의 범위에 있다. 대부분의 실시형태들에서, 단일 펄스(150)의 펄스폭은 용적 전달 함수/펄스의 펄스폭 미만이다. 물론, 본 발명의 실시형태들은 다른 값들이 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나는 일 없이 사용될 수 있으므로 이들 범위로 제한되지 않는다. 그러나, 대부분의 예시적인 실시형태들에서 펄스들(150)의 피크 전류 레벨(151)은 백그라운드 레벨과 파형(예컨대, 131)의 피크 전류 미만일 것이다.
본 발명의 이들 실시형태들은 본원에서 설명된 바와 유사한 용접 전원 공급부 및 장비를 사용하여, 그리고 유사한 제어 수법을 사용하여 구현될 수 있고 이와 같이 본 설명의 반복은 필요하지 않다. 물론, 이용되는 장비/전원 공급부는, 도 8에 도시된 바와 같이, 극성들 간에 급격히 변화하는 용접 신호를 생성할 수 있어야만 한다. 예를 들어, 미국 오하이오주, 클리블랜드의 The Lincoln Electric Company에 의해 제조된 Power Wave®는 이러한 용접을 할 수 있다.
본 발명의 부가적인 예시적 실시형태들에서, 도 1a와 도 8에 도시된 바와 같은 사이클들의 조합으로 이루어진 용접 파형(100)이 이용될 수 있다. 다시 말하면, 파형(100)은 전체 사이클이 도 8에 관해 설명된 바와 동일한 극성과 사이클들(101)을 갖는 사이클들(101)의 조합을 가질 수 있다. 이러한 실시형태들은 부가적인 입열 조정 능력들을 제공한다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 복수의 사이클들이 뒤따르는 도 1a에 도시된 바와 같은 복수의 사이클들(101)을 갖는 파형(100)이 이용될 수 있다. 본 발명의 실시형태들에서, 파형(100)에서의 개별 사이클들의 수는 입열 제어를 최대화하기 위해 가변될 수 있다. 다시 말하면, 각각의 유형의 사이클들(101)의 개별 수들이 동일한 것은 필요하지 않다.
본 발명의 다른 추가의 예시적인 실시형태에서, 파형(100)에서의 사이클들(101)은 "극성들을 뒤집을(flip)" 수 있다. 다시 말하면, 파형(100)은 도 8의 사이클(101)과 유사하게 보이는 복수의 사이클들(101)을 포함할 수 있고, 펄스들(150)과 백그라운드(111)가 음 극성을 갖고 사이클(101)의 나머지는 양 극성을 갖는 도 8의 거울 이미지인 복수의 사이클들(101)을 포함할 수 있다.
위의 유연성은 용접부로의 입열을 정확히 관리하고 제어하는 용접 파형들이 생성되는 것을 허용한다. 더욱이, 본 발명의 실시형태들은, 사용자가 다용도 용접 파형을 사용하여 용접부로의 입열을 신중히 제어하고 관리하는 것을 허용한다. 더욱이, 도 1a와 도 3a 내지 3d에 설명된 실시형태들에서처럼, 본 발명의 실시형태들은 이들 도면들에서 도시된 것과 같은 펄스들(130)과 파형의 백그라운드 부분을 사용하는 다양한 다른 유형들의 펄스 용접 파형들의 사용으로 제한되지 않는다.
요약하면, 아크 용접 공정 중에 용접부에 대한 입열을 증가시키기 위한 방법 및 시스템이 개시되어 있다. 전기 아크 펄스들을 생성하기 위해 전기 용접 파형을 생성할 수 있는 전기 아크 용접 시스템을 사용하여 전진하는 용접 전극과 금속 공작물 사이에 일련의 전기 아크 펄스들이 생성된다. 전기 용접 파형의 사이클이 증가하는 핀치 전류 레벨을 제공하는 핀치 전류 위상, 피크 전류 레벨을 제공하는 피크 전류 위상, 감소하는 테일아웃 전류 레벨을 제공하는 테일아웃 전류 위상, 및 백그라운드 전류 레벨을 제공하는 백그라운드 전류 위상을 포함한다. 그 사이클의 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스가 백그라운드 전류 위상 동안 생성되어 열 증가 전류 레벨을 제공하는데, 열 증가 전류 레벨은 백그라운드 전류 레벨보다 높다. 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스를 갖는 전기 용접 파형의 사이클은 아크 용접 공정이 완료되기까지 반복될 수도 있다. 열 증가 전류 펄스는 용입을 증가시키기 위해 용융지 및 주변 영역을 재가열하는 역할을 한다. 열 증가 전류 펄스들에 의해 제공되는 그러한 열의 증가는, 예를 들어, 용융지의 유동성을 증가시키는 일 없이 더 양호한 용입을 제공하기 위하여 개방식 루트 조인트의 용접에서 바람직할 수도 있다. 열 증가 펄스는, 아크를 가로질러 용적을 이동시킬 만큼 진폭이 크지 않고 용접 시스템을 단락 아크 전이를 뛰어 넘어 그로뷸러 이행으로 강제할 만큼 펄스폭이 넓지 않다. 추가의 예시적인 실시형태들에서, 열 증가 펄스들은 핀치, 피크 및 테일아웃 전류 극성들과는 반대 극성을 갖는다.
특정한 실시형태들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 다양한 변경이 이루어질 수도 있고 균등물로 치환될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 덧붙여서, 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응시키는 많은 수정들이 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시형태로 제한되는 것이 아니라, 첨부하는 청구범위 내에 속하는 모든 실시형태들을 포함할 것이 의도된다.
본 발명의 예시적인 실시형태를 도시하는 것만이 목적이고 그것을 제한할 목적은 아닌 추가의 도면들을 이제 참조하면, 도 9는 소모성 용접 전극(E)과 공작물(W)에 동작 가능하게 접속되는 용접 시스템(900)의 개략적인 블록도를 도시한다. 용접 시스템(900)은 공급된 전력이, 양 극성, 음 극성, 교류(AC), 직류(DC), 또는 이들 중 스위칭되는 둘 이상의 전류를 포함할 수 있는 전력을 용접 시스템(900)에 제공하는 스위치 전원 공급부(910)를 포함한다. 스위치 전원 공급부(910)는 용접 전극(E)과 공작물(W) 사이에 용접 출력 전력을 제공하는 전력 변환 회로(912)를 포함한다. 전력 변환 회로(912)는 하프 브리지(half bridge) 출력 토폴로지를 갖는 변압기 기반일 수도 있다. 예를 들어, 전력 변환 회로(912)는, 예를 들어, 용접 변압기의 일차 측 및 이차 측에 의해 기술되는 바와 같은 입력 전력 측과 출력 전력 측을 포함하는 인버터 유형일 수도 있다. 예를 들어, DC 출력 토폴로지를 갖는 초퍼(chopper) 유형과 같은 다른 유형들의 전력 변환 회로들이 또한 가능하다. 와이어 피더(5)가 와이어 용접 전극(E)을 공작물(W)을 향해 피드한다. 와이어 피더(5), 소모성 용접 전극(E) 및 공작물(W)은 용접 시스템(900)의 부분은 아니지만 용접 출력 케이블(미도시)을 통해 용접 시스템(100)에 동작 가능하게 접속될 수도 있다.
용접 시스템(900)은 AC 컴포넌트(914)를 또한 구비한다. AC 컴포넌트(914)는 AC 전류를 용접 시스템(900)에 제공한다. AC 컴포넌트(914)는, 예를 들면, 메인 브리지 회로와 보조 브리지 회로를 갖는 하이브리드 브리지 회로일 수 있는데, 메인 브리지 회로는 전력 변환 회로(912)에 동작 가능하게 접속되고 용접 시스템(900)의 용접 출력에 동작 가능하게 접속된 낮은 임피던스 용접 출력 회로 경로(전극(E) 및 공작물(W)을 포함함)를 통해 출력 전류의 방향을 제어기(930)의 커맨드로 스위칭하도록 구성된다.
용접 시스템(900)은 파형 생성기(920)와 제어기(930)를 더 포함한다. 파형 생성기(920)는 제어기(930)의 커맨드로 용접 파형들을 생성한다. 파형 생성기(920)에 의해 생성된 파형이 전극(E)과 공작물(W) 간에 용접 출력 전류를 생성하기 위해 전력 변환 회로(912)의 출력을 조정한다.
용접 시스템(900)은 모니터링된 전압과 전류를 제어기(930)로 다시 제공하기 위해 전극(E)과 공작물(W) 간의 용접 출력 전압과 전류를 모니터링하는 전압 피드백 회로(940)와 전류 피드백 회로(950)를 더 포함할 수도 있다. 피드백 전압과 전류는, 예를 들어, 파형 생성기(920)에 의해 생성된 용접 파형을 수정하는 것에 관한 판정들을 하기 위해 그리고/또는 용접 시스템(900)의 안전 동작에 영향을 미치는 다른 판정들을 하기 위해 제어기(930)에 의해 사용될 수도 있다.
용접 시스템(900)은 파형 생성기(920)에 의해 생성된 용접 파형의 부분을 조정하기 위하여 용접 공정의 측정 파라미터를 이용할 수 있다는 것이 이해된다. 일 실시형태에서, 측정 파라미터는 다른 것들도 있지만 무엇보다도, 전류 판독치의 변화율(derivative), 전압 판독치의 변화율, 저항 판독치의 변화율, 전력의 변화율과 같은 용접 공정 중에 시간에 걸친 용접 파라미터의 변화율일 수 있다. 더구나, 용접 파라미터의 변화율은 실시간으로 검출될 수 있다. 일 실시형태에서, 용접 파라미터의 변화율은 다른 것들도 있지만 무엇보다도 용접 공정에서의 변화, 파형, 파형의 부분, 그것들의 조합에 대한 트리거일 수 있다.
위에서 참조된 바와 같이, 용접 시스템(900)은 전극(E)과 공작물(W) 간에 용접 출력 전류를 생성하기 위해 음 극성 전류를 (파형을 통해) 구현한다. 음 극성을 갖는 파형의 부분의 채용은 용접 시스템 및/또는 용접 공정에 다양한 이점들 및 장점들을 제공한다. 파형의 음 극성은 더 차가운 아크 용접 공정을 제공하는데, 이벤트(예컨대, 피크 전류 위상, 단락 클리어링 램프 위상, 테일아웃 전류 위상 등)에 대해 음 극성에서 사용되는 전류 진폭이 이러한 이벤트에 대해 양 극성에서 필요한 전류 진폭 미만이다. 더구나, 파형의 음 극성은 용융된 볼이 파형의 양 극성에 비하여 더 신속히 생성되는 것을 허용한다. 예를 들면, 음 극성은 용융지가 아니라 전극(260)을 가열하는데, 양 극성은 통상적으로 용융지를 가열한다. 더구나, 파형에 대한 음 극성은 GMAW 공정 내에서의 양 극성의 사용에 비교하여 더 작은 용융지 함몰을 제공한다. 일 실시형태에서, 표면 장력 전달(surface tension transfer, STT)은 파형을 통해 음 극성 전류의 부분을 채용할 수 있다. 파형의 음의 부분은 다른 것들도 있지만 무엇보다도 표면 장력 전달(STT) 용접 공정, GMAW 공정, 아크 용접 공정과 같은 용접 공정과 함께 비제한적으로 사용될 수 있다는 것이 이해되고 인정된다.
더구나, 본 발명은 음의 전류를 갖는 증가와 음의 전류를 갖는 감소를 언급하는데, 음의 전류 레벨을 갖는 (예컨대, 음 극성 내의) 증가는 0의 전류 레벨 또는 양의 전류 레벨에 접근하는 음의 전류 레벨을 지칭하고 음의 전류 레벨을 갖는 (예컨대, 음 극성 내의) 감소는 0의 전류 레벨 또는 양의 전류 레벨로부터 후퇴하는 음의 전류 레벨을 지칭한다는 것이 이해된다. 예를 들면, 본원 발명의 목적을 위해, -5 전류 레벨에 대한 1 단위의 증가는 -4 전류 레벨(예컨대, 0의 전류 레벨에 접근하는 음의 전류 레벨)일 것이고 -5 전류 레벨에 대한 1 단위의 감소는 -6 전류 레벨(예컨대, 0의 전류 레벨로부터 후퇴하는 (멀어지는) 음의 전류 레벨)일 것이다.
도 10은 용접 출력 전류 파형(1000)을 도시한다. 파형(1000)은 백그라운드 전류 위상(1010), 단락 클리어링 램프 위상(1020), 피크 전류 위상(1030), 및 테일아웃 전류 위상(1040)을 포함한다. 백그라운드 전류 선택(1010) 중에, 파형(1000)의 출력 전류 레벨이 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정된다. 단락 클리어링 램프 위상(1020) 동안, 파형(1000)의 출력 전류 레벨은, 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨뿐만 아니라 영(0) 미만으로 감소시키는 음 극성으로 감소된(예컨대, 떨어진)다. 피크 전류 위상(1030) 동안, 출력 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨로부터 음의 피크 전류 레벨까지 음 극성으로 더욱 더 멀어지게 감소되는데, 음의 피크 전류 레벨은 파형(1000)을 갖는 최고의 음의 전류 레벨이다. 테일아웃 전류 위상(1040) 동안, 출력 전류는 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가된다.
파형(1000)을 이용한 단락 동작 동안, 도 10에 예시된 바와 같은 단계 A 동안(즉, 백그라운드 전류 위상(1010) 동안), 용융 금속 볼(1050)은 소모성 용접 전극(1060)의 말단에 생성된다. 도 10에 예시된 바와 같은 단계 B 동안(즉, 단락 클리어링 램프 위상(1020) 동안), 용융 금속 볼(1060)은 공작물(1070)에 대해 단락되고 전류는 0과 0 미만의 음 극성의 전류를 향해 감소되어, 용융 금속 볼(1050)이 공작물(1070) 상의 용융지에 침윤하는 것을 허용한다. 도 10에 예시된 바와 같은 단계 C 동안(즉, 단락 클리어링 램프 위상(1020) 동안), 경사진(예컨대, 음의 기울기를 가짐) 전류가 전극(1060)의 말단에서부터 공작물(1070) 상의 용융지로의 용융 금속 볼(1050) 핀치오프을 돕기 위해 단락에 인가된다. 도 10에 예시된 바와 같은 단계 D 동안(즉, 피크 전류 위상(1030) 동안), 전류는 음의 피크 전류 레벨까지 감소되어(더욱 더 음이고 양 극성 백그라운드 전류 레벨로부터 멀어져서), 용접 아크(1080)가 용융 금속 볼(1050)이 전극(1060)으로부터 핀치오프된 후 전극(1060)과 공작물(1070) 간에 쉽사리 재형성되는 것을 허용하여, 단락을 제거한다. 도 10에 예시된 바와 같은 단계 E 동안(즉, 테일아웃 전류 위상(1040) 동안), 전류는 (양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해) 증가되어 전극(1060)의 원위단 상에 다음의 용융 금속 볼을 생성한다. 테일아웃 전류 위상(1040) 동안, 전류가 피크 전류 레벨로부터 백그라운드 전류 레벨로 전이하는 레이트를 제어함으로써 생성되는 열이 제어된다. 파형은 용접 공정 동안 용접부를 형성하기 위해 반복한다.
테일아웃 전류 위상(1040) 후에, 백그라운드 전류 위상(1010)으로 다시 진입하여, 백그라운드 전류 레벨을 제공하고 전극(1060)의 원위단에서 실질적으로 균일한 다음 용융 금속 볼(1098)을 생성한다(단계 A). 백그라운드 전류 위상(1010) 후(예컨대, 파형(1000)의 제 1 사이클 후 및 테일아웃 전류 위상(1040) 후), 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스(1050)가 생성되어, 양의 백그라운드 전류 레벨보다 크고 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작은 중간 전류 레벨(1051)을 제공한다. 열 증가 전류 펄스(1050)는 용융 금속 볼(1098)과 공작물(1070) 사이에서 다음 단락이 발생하기까지 백그라운드 전류 위상(1010) 내에서 주기적으로 반복될 수도 있고, 다음 단락이 발생할 때 아크(1095)는 소호되고 파형(1000)의 전류 레벨은 백그라운드 전류 레벨 미만의 음 극성(예컨대, 영(0) 미만)으로 떨어져 다음 용융 금속 볼(1098)이 공작물(1070) 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용한다(단계 B).
열 증가 전류 펄스들(1050)은 용입을 증가시키기 위해 용융지 및 주변 영역을 재가열하는 역할을 한다. 열 증가 전류 펄스들(1050)에 의해 제공되는 그러한 열의 증가는, 예를 들어, 용융지의 유동성을 증가시키는 일 없이 더 양호한 용입을 제공하기 위하여 개방식 루트 조인트의 용접에서 바람직할 수도 있다. 열 증가 펄스는, 아크를 가로질러 용적을 이동시킬 만큼 진폭이 크지 않고 용접 시스템을 단락 아크 전이를 뛰어 넘어 그로뷸러 이행으로 강제할 만큼 펄스폭이 넓지 않다. 또한, 일반적으로 사이클(1001)은 최종 용접부를 생성하기 위해 아크 용접 공정 중에 주기적으로 반복된다. 그러나, 사이클(1001)은, 단락이 발생하지 않는다면, 동일한 수의 열 증가 펄스들(1051) 없이 그리고 아마도 단락 클리어링 램프 위상(1020) 없이 반복될 수도 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "전류 레벨"이라는 용어는 실질적으로 안정적이지만 전기 용접 파형을 생성하는 다소 부정확한 성질로 인한 일부 변동을 가질 수도 있는 전류 진폭을 의미한다. 비록 전류 펄스(1050)가 양 극성으로 예시되지만, 전류 펄스(1050)의 극성은 양의 부분, 음의 부분, 또는 양의 부분과 음의 부분 간의 스위칭을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 덧붙여, 전류 펄스(1050)는 (다른 것들도 있지만 무엇보다도, 예컨대, 동적으로 조절되는, 사용자 정의된, 미리 정의된, 그것들의 조합인) 설정에 기초하여 조절가능한 폭(예컨대, 지속기간)을 가질 수 있다는 것이 이해된다. 일 실시형태에서, 각각의 전류 펄스(1050)의 폭(예컨대, 펄스의 지속기간)은 와이어 피드 속력에 기초하여 가변할 수 있다. 예를 들면, 와이어 피드 속력이 증가함에 따라, 전류 펄스(1050)의 폭(예컨대, 지속시간)은 증가할 수 있다.
도 11은 용접 출력 전류 파형(1100)을 예시한다. 파형(1100)은 표면 장력 전달(STT) 공정으로서 알려진 단락 이행 용접 공정에서의 사용을 위해 설계된다. 도 11은 아크 용접 공정에서 사용되는 전기 용접 파형(1100)의 사이클(1101)을 도시한다. 도 11은 용접 전극(1191)과 금속 공작물(1199) 사이의 관계를 보여주는, 전기 용접 파형(1100)을 사용하는 사이클(1101)에 걸친 아크 용접 공정의 다양한 단계들(A 내지 E)을 추가로 도시한다. 아크 용접 공정 동안, 전기 아크 펄스들을 생성하기 위해 전기 용접 파형(1100)을 생성할 수 있는 전기 아크 용접 시스템을 사용하여, 전진하는 전극(1191)과 금속 공작물(1199) 사이에 일련의 전기 아크 펄스들이 생성된다. 일반적으로, 사이클(1101)은 최종 용접부를 생성하기 위해 아크 용접 공정 동안 주기적으로 반복된다. 그러나, 사이클(1101)은, 단락 조건이 발생하지 않는다면, 동일한 수의 열 증가 펄스들(1150) 없이, 그리고 아마도 핀치 전류 위상(1120) 없이 반복될 수도 있다.
전기 용접 파형(1100)의 사이클(1101)은 양 극성 백그라운드 전류 레벨(1111)을 제공하는 백그라운드 전류 위상(1110), (양 극성 백그라운드 전류 레벨로부터 멀어지게) 단조적으로 감소하는 핀치 전류 레벨(1121)을 제공하는 핀치 전류 위상(1120), 음의 피크 전류 레벨(1131)을 제공하는 피크 전류 위상(1130), 및 (양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해) 단조적으로 증가하는 테일아웃 전류 레벨(1141)을 제공하는 테일아웃 전류 위상(1140)을 포함한다.
백그라운드 전류 위상(1110) 동안, 전기 아크(1195)가 전극(1191)과 공작물(1199) 사이에 유지되어 전극(1191)의 원위단에 용융 금속 볼(1192)을 생성한다(단계 A 참조). 단계 B에서, 여전히 전극(1191)에 연결되어 있는 용융 금속 볼(1192)이 공작물(1199)에 대해 단락된다. 단락이 발생할 때, 아크(1195)는 소호되고 파형(1100)의 전류 레벨은 백그라운드 전류 레벨(1111) 미만으로 전류 레벨(1112)까지 떨어져, 용융된 볼(1192)이 공작물(1199) 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용한다.
핀치 전류 위상(1120) 동안, 파형(1100)의 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨(1111) 미만의 음 극성으로 단조롭게 감소되어(예컨대, 음의 기울기로 경사져), 단락된 용융 금속 볼(1192)이 단계 C에 도시된 바와 같이 전극(1191)의 원위단으로부터 공작물(1199)의 용융지로 핀치오프하는 것을 시작하게 하는 음의 핀치 전류 레벨(1121)을 제공한다. 용융 금속 볼(1192)이 전극(1191)으로부터 막 핀치오프되려고 할 때, 파형(1100)의 전류 레벨은 스패터를 피하기 위해 양 극성 백그라운드 전류 레벨(1111) 미만의 전류 레벨(1112)을 향해 증가되고, 아크(1196)가 전극(1191)과 공작물(1199) 사이에 재형성된다.
일단 아크(1196)가 재형성되면, 파형(1100)은 피크 전류 위상(1130)으로 진입한다. 피크 전류 위상(1130) 동안, 파형(1100)의 전류 레벨은 (양 극성 백그라운드 전류(1111)로부터 멀어져서) 음의 피크 전류 레벨(1131)로 감소되고 그 음의 피크 전류 레벨로 유지된다. 본 발명의 일 실시형태에 따라, 음의 피크 전류 레벨(1131)의 절대 값은 파형(1100)의 최고 전류 레벨이고, 전극(1191)과 공작물(1199) 사이에, 전극(1191)의 원위단에서 다음 용융 금속 볼(1198)의 형성을 시작하기에 충분한 강도의 아크(1197)를 형성한다.
피크 전류 위상(1130) 후, 파형(1100)은 테일아웃 전류 위상(1140)으로 진입한다. 테일아웃 전류 위상(1140) 동안, 파형(1100)의 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨(1111)을 향해 단조적으로(예컨대, 기하급수적으로) 증가하여, 증가하는 테일아웃 전류 레벨(1141)을 제공한다. 파형(1100)의 전류는 용접부에 열을 가한다. 테일아웃 전류 위상(1140)은 파형(1100)에 대한 대략적인 열 제어 위상으로서 기능을 하는 반면, 백그라운드 전류 위상(1110)은 파형(1100)에 대한 미세 열 제어 위상으로서 기능을 한다. 그러나, 특정한 아크 용접 응용에서는, 추가의 입열 제어를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다.
테일아웃 전류 위상(1140) 후에, 백그라운드 전류 위상(1110)으로 다시 진입하여, 양 극성 백그라운드 전류 레벨(1111)을 제공하고 전극(1191)의 원위단에서 실질적으로 균일한 다음 용융 금속 볼(1198)을 생성한다(제 2 의 단계 A). 백그라운드 전류 위상(1150) 동안, 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스(1150)가 생성되어, 양 극성 백그라운드 전류 레벨(1111)보다 크고 음의 피크 전류 레벨(1131)의 절대 값보다 작은 중간 전류 레벨(1151)을 제공한다. 열 증가 전류 펄스(1150)는 용융 금속 볼(1198)과 공작물(1199) 사이에서 다음 단락이 발생하기까지 백그라운드 전류 위상(1110) 내에서 주기적으로 반복될 수도 있고, 다음 단락이 발생할 때 아크(1195)는 소호되고 파형(1100)의 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨(1111) 미만의 전류 레벨(1112)로 떨어져 다음 용융 금속 볼(1198)이 공작물(1199) 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용한다(단계 B).
열 증가 전류 펄스들(1150)은 용입을 증가시키기 위해 용융지 및 주변 영역을 재가열하는 역할을 한다. 열 증가 전류 펄스들(1150)에 의해 제공되는 그러한 열의 증가는, 예를 들어, 용융지의 유동성을 증가시키는 일 없이 더 양호한 용입을 제공하기 위하여 개방식 루트 조인트의 용접에서 바람직할 수도 있다. 열 증가 펄스는, 아크를 가로질러 용적을 이동시킬 만큼 진폭이 크지 않고 용접 시스템을 단락 아크 전이를 뛰어 넘어 그로뷸러 이행으로 강제할 만큼 펄스폭이 넓지 않다. 또한, 일반적으로 사이클(1101)은 최종 용접부를 생성하기 위해 아크 용접 공정 중에 주기적으로 반복된다. 그러나, 사이클(1101)은, 단락이 발생하지 않는다면, 동일한 수의 열 증가 펄스들(1151) 없이, 그리고 아마도 핀치 전류 위상(1120) 없이 반복될 수도 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "전류 레벨"이라는 용어는 실질적으로 안정적이지만 전기 용접 파형을 생성하는 다소 부정확한 성질로 인한 일부 변동을 가질 수도 있는 전류 진폭을 의미한다. 비록 전류 펄스(1150)가 양 극성으로 예시되지만, 전류 펄스(1150)의 극성은 양의 부분, 음의 부분, 또는 양의 부분과 음의 부분 간의 스위칭을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 덧붙여, 전류 펄스(1150)는 (다른 것들도 있지만 무엇보다도, 예컨대, 동적으로 조절되는, 사용자 정의된, 미리 정의된, 그것들의 조합인) 설정에 기초하여 조절가능한 폭(예컨대, 지속기간)을 가질 수 있다는 것이 이해된다. 일 실시형태에서, 각각의 전류 펄스(1150)의 폭(예컨대, 지속기간)은 와이어 피드 속력에 기초하여 가변할 수 있다. 예를 들면, 와이어 피드 속력이 증가함에 따라, 전류 펄스(1150)의 폭(예컨대, 지속시간)은 증가할 수 있다.
도 12는 도 10의 파형(1000) 또는 도 11의 파형(1100) 중 적어도 하나에 따라 파형들을 생성하도록 구성되는 시스템(1200)을 예시한다. 도 10 및 도 11의 파형들(1000 및/또는 1100)을 각각 이용하는 도 9의 시스템(1100)의 다양한 기능적 능력들은 아날로그 및/또는 디지털 전자 컴포넌트들을 포함할 수도 있는 전자 컴포넌트 구성들을 사용하여 구현될 수 있다. 컴포넌트가 소프트웨어의 부분, 하드웨어의 부분, 또는 그것들의 조합일 수 있지만 그것들로 제한되지 않는다. 시스템(1200)은 적어도 하나의 컴포넌트(1210)를 포함하는데, 컴포넌트(1210)는 메모리(1230)에 커플링된 프로세서(1220)를 구비한다. 메모리(1230)는 프로세서(1220)에 의해 실행될 수 있는 적어도 하나의 명령어를 저장한다. 그러한 전자 컴포넌트 구성들은, 예를 들어, 펄스 생성기, 타이머, 계수기, 정류기, 트랜지스터, 인버터, 발진기, 스위치, 변압기, 파형 성형기, 증폭기, 상태 머신, 디지털 신호 프로세서, 마이크로프로세서, 및 마이크로컨트롤러를 포함할 수도 있다. 그러한 구성들의 부분들은 구현에서 유연성을 제공하기 위하여 프로그래밍 가능할 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따라, 시스템(1200)은 전기 컴포넌트 구성1 내지 전기 컴포넌트 구성N으로의 제한 없이 그와 같은 적합한 수의 전기 컴포넌트 구성을 포함하며, 여기서 N은 양의 정수이다. 일 실시형태에서, 이 시스템은 전기 용접 파형의 백그라운드 전류 위상, 피크 전류 위상, 및 테일아웃 전류 위상을 생성하는 제 1 전자 컴포넌트 구성을 포함하는데, 백그라운드 전류 위상은 양의 백그라운드 전류 레벨을 제공하며, 피크 전류 위상은 음의 피크 전류 레벨을 제공하고, 테일아웃 전류 위상은 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 단조적으로 증가하는 테일아웃 전류 레벨을 제공한다. 일 실시형태에서, 시스템(1200)은 전기 용접 파형의 단락 클리어링 램프 위상을 생성하는 제 2 전자 컴포넌트 구성을 포함하는데, 단락 클리어링 램프 위상은 전기 용접 파형에 대한 양 극성 전류의 감소 전류 레벨을 제공한다.
일 실시형태에서, 시스템(1200)은 백그라운드 전류 위상 동안 전기 용접 파형의 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스를 생성하는 제 3 전자 컴포넌트 구성을 포함하는데, 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스는 양의 백그라운드 전류 레벨보다 크고 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작은 중간 전류 레벨에 있다. 일 실시형태에서, 시스템(1200)은 상기 공작물에 대한 전극의 단락에 응답하여 백그라운드 전류 위상의 종료 시에 전기 용접 파형의 전류 레벨을 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 제 4 전자 컴포넌트 구성을 포함한다. 일 실시형태에서, 시스템(1200)은 상기 공작물로부터의 전극의 단락 해제의 예측으로 단락 클리어링 램프 위상의 종료 시에 상기 전기 용접 파형의 전류 레벨을 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 제 5 전자 컴포넌트 구성을 포함한다. 일 실시형태에서, 시스템(1200)은 백그라운드 전류 위상이 상기 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스를 포함하도록 백그라운드 전류 위상, 단락 클리어릴 램프 위상, 피크 전류 위상, 및 테일아웃 전류 위상을 연속하여 주기적으로 재생성하는 제 6 전자 컴포넌트 구성을 포함한다.
하나의 실시형태에서, 컴포넌트(1210)는 본원에서 설명되는 방법들(1300 및 1400)을 포함한 개시된 수법들 및 공정들을 실행하도록 동작가능한 컴퓨터이다. 본 발명의 다양한 양태들에 대한 부가적인 콘텍스트를 제공하기 위하여, 다음의 논의는 본 발명의 다양한 양태들이 구현될 수도 있는 적합한 컴퓨팅 환경의 간단한 일반적인 설명을 제공하려는 의도이다. 본 발명은 하나 이상의 컴퓨터들 상에서 실행할 수도 있는 컴퓨터 실행가능 명령어의 일반적인 맥락에서 위에서 설명되었지만, 당업자들은 본 발명이 다른 프로그램 모듈들과 조합하여 그리고/또는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 조합으로서 또한 구현될 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 일반적으로, 프로그램 모듈들은 특정 태스크들을 수행하거나 특정 추상 데이터 유형들을 구현하는 루틴들, 프로그램들, 컴포넌트들, 데이터 구조들 등을 포함할 수 있다.
더구나, 발명적 방법들이 단일-프로세서 또는 다중프로세서 컴퓨터 시스템들, 마이크로컴퓨터들, 메인프레임 컴퓨터들, 뿐만 아니라 개인용 컴퓨터들, 핸드헬드 컴퓨팅 디바이스들, 마이크로프로세서 기반 또는 프로그램가능 소비자 가전기기들 등 - 그것들의 각각은 하나 이상의 연관된 디바이스들에 동작 가능하게 커플링될 수도 있음 - 을 포함한 다른 컴퓨터 시스템 구성들과 함께 실용화될 수도 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 본 발명의 예시된 양태들은 특정한 태스크들이 통신 네트워크를 통해 링크되는 원격 프로세싱 디바이스들에 의해 수행되는 분산형 컴퓨팅 환경들에서 또한 실용화될 수도 있다. 분산형 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들은 국소 및 원격 메모리 저장 디바이스들 양쪽 모두에 위치할 수도 있다. 예를 들면, 원격 데이터베이스, 로컬 데이터베이스, 클라우드 컴퓨팅 플랫폼, 클라우드 데이터베이스, 또는 그것들의 조합이 컴포넌트(1210)와 함께 이용될 수 있다.
컴포넌트(1210)는, 컴퓨터가 프로세싱 유닛, 시스템 메모리 및 시스템 버스를 포함하는 상기 컴퓨터를 포함한 본 발명의 다양한 양태들을 구현하는 예시적인 환경을 이용할 수 있다. 시스템 버스는 시스템 메모리를 비제한적으로 포함하는 시스템 컴포넌트들을 프로세싱 유닛에 커플링시킨다. 프로세싱 유닛은 상업적으로 입수가능한 다양한 프로세서들 중 임의의 것일 수도 있다. 이중 마이크로프로세서들과 다른 멀티-프로세서 아키텍처들이 프로세싱 유닛으로서 또한 채용될 수 있다.
시스템 버스는 상업적으로 입수가능한 다양한 버스 아키텍처들 중 임의의 것을 사용하는 메모리 버스 또는 메모리 제어기, 주변 버스 및 로컬 버스를 포함한 여러 버스 구조 유형들 중 임의의 것일 수 있다. 시스템 메모리는 리드 온리 메모리(ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM)를 포함할 수 있다. 이를테면 기동(start-up) 시에, 컴포넌트(1210) 내의 엘리먼트들 간에 정보를 전달하는 것을 돕는 기본 루틴들을 포함하는 기본 입출력 시스템(basic input/output system, BIOS)이 ROM에 저장된다.
컴포넌트(1210)는, 예컨대, 착탈식 디스크로부터 판독하고 그 착탈식 디스크에 기록하는 하드 디스크 드라이브, 자기 디스크 드라이브, 예컨대, CD-ROM 디스크를 판독하거나 또는 다른 광 매체들로부터 판독하거나 또는 그것들에 기록하는 광학적 디스크 드라이브를 더 포함할 수 있다. 컴포넌트(1210)는 컴퓨터 판독가능 매체들 중 적어도 일부 형태를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체들은 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체들일 수 있다. 비제한적인 예로서, 컴퓨터 판독가능 매체들은 컴퓨터 저장 매체들 및 통신 매체들을 포함할 수도 있다. 컴퓨터 저장 매체들은, 컴퓨터 판독가능 명령어들, 데이터 구조들, 프로그램 모듈들, 또는 다른 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현되는 휘발성 및 비휘발성, 착탈식 및 비착탈식 매체들을 포함한다. 컴퓨터 저장 매체들은, RAM, ROM, EEPROM, 플래시 메모리 또는 다른 메모리 기술, CD-ROM, 디지털 다기능 디스크들(DVD) 또는 다른 자기 저장 디바이스들, 또는 원하는 정보를 저장하는데 사용될 수 있고 컴포넌트(1210)에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함하나 그것들로 제한되지 않는다.
통신 매체들은 통상 컴퓨터 판독가능 명령어들, 데이터 구조들, 프로그램 모듈들, 또는 반송파 또는 다른 전송 메커니즘과 같은 변조된 데이터 신호에서의 다른 데이터를 수록하고 임의의 정보 전달(delivery) 매체들을 포함한다. "변조된 데이터 신호"라는 용어는 그 신호에 정보를 인코딩하는 것과 같은 방식으로 설정 또는 변경된 특성들 중의 하나 이상을 갖는 신호를 의미한다. 비제한적인 예로서, 통신 매체들은 유선 네트워크 또는 직접 배선(direct-wired) 접속과 같은 유선 매체들과, 음향, 무선 주파수(RF), 근접장 통신(Near Field Communications, NFC), 무선 주파수 식별(Radio Frequency Identification, RFID), 적외선, 및 다른 무선 매체들과 같은 무선 매체들을 포함한다. 상기한 것들 중 임의의 조합들이 컴퓨터 판독가능 매체들의 범위 내에 또한 포함되어야 한다.
운영 체제, 하나 이상의 애플리케이션 프로그램들, 다른 프로그램 모듈들, 및 프로그램 데이터를 포함한 다수의 프로그램 모듈들이 드라이브들 및 RAM에 저장될 수도 있다. 컴포넌트(1210)에서의 운영 체제는 상업적으로 입수가능한 다수의 운영 체제들 중 임의의 것일 수 있다.
컴퓨터는 원격 컴퓨터(들)와 같은 하나 이상의 원격 컴퓨터들에 대한 논리적 및/또는 물리적 접속들을 사용하는 네트워크형 환경에서 동작할 수 있다. 원격 컴퓨터(들)는 워크스테이션, 서버 컴퓨터, 라우터, 개인용 컴퓨터, 마이크로프로세서 기반 앤터테인먼트 가전기기, 피어(peer) 디바이스 또는 다른 공통 네트워크 노드일 수 있고, 컴퓨터에 관해 위에서 설명된 엘리먼트들의 대부분 또는 전부를 통상 포함한다. 묘사된 논리적 접속들은 로컬 영역 네트워크(LAN)와 광역 네트워크(WAN)를 포함한다. 이러한 네트워킹 환경들은 사무실들, 전사적(enterprise-wide) 컴퓨터 네트워크들, 인트라넷들 및 인터넷에서 아주 흔하다.
LAN 네트워킹 환경에서 사용될 때, 컴퓨터는 네트워크 인터페이스 또는 어댑터를 통해 로컬 네트워크에 접속된다. WAN 네트워킹 환경에서 사용될 때, 컴퓨터는 모뎀을 통상 포함하거나, 또는 LAN 상의 통신 서버에 접속되거나, 또는 인터넷과 같은 WAN을 통해 통신들을 확립하는 다른 수단을 갖는다. 네트워크형 환경에서, 컴퓨터, 또는 그것의 부분들에 관해 묘사된 프로그램 모듈들은, 원격 메모리 저장 디바이스에 저장될 수도 있다. 본원에서 설명되는 네트워크 접속들은 예시적이고 컴퓨터들 간에 통신 링크를 확립하는 다른 수단이 사용될 수도 있다.
대안으로 또는 덧붙여서, 로컬 또는 클라우드(다른 것들도 있지만 무엇보다도, 예컨대, 로컬, 클라우드, 원격) 컴퓨팅 플랫폼이 데이터 수집, 프로세싱, 및 전달을 위해 이용될 수 있다. 이 목적으로, 클라우드 컴퓨팅 플랫폼은 복수의 프로세서들, 메모리, 및 서버들을 특정 원격 로케이션에서 포함할 수 있다. 서비스형 소프트웨어(software-as-a-service, SaaS) 패러다임 하에, 단일 애플리케이션이 클라우드에 존재하는 데이터에 액세스하기 위해 복수의 사용자들에 의해 채용된다. 이런 방식으로, 로컬 레벨에서의 프로세싱 요건들이 데이터 프로세싱이 일반적으로 클라우드에서 행해지는 것으로서 완화됨으로써, 사용자 네트워크 자원들을 경감시킨다. 서비스형 소프트웨어 애플리케이션은 사용자들이 클라우드에 존재하는 모든 프로그램들을 호스팅하는 웹 기반 서비스에 (예컨대, 웹 브라우저를 통해) 로그인하는 것을 허용한다.
일 예에서, 복수의 사용자들이 로컬 또는 클라우드 데이터베이스(다른 것들도 있지만 무엇보다도, 예컨대, 로컬 데이터베이스, 클라우드 데이터베이스, 원격 데이터베이스) 컴퓨팅 플랫폼(예컨대, 컴포넌트(1210))에 태블릿, 패드, 랩톱, 셀 전화기, 컴퓨터, 또는 다른 컴포넌트와 같은 컴퓨팅 디바이스 상의 웹 기반 애플리케이션을 통해 액세스할 수 있다. 웹 기반 애플리케이션은 데이터를 실질적으로 임의의 포맷으로 그리고 성능 벤치마크 등과 같은 임의의 수의 메트릭들에 비교하여 정량화하는 특정 보고서들을 사용자가 구성하는 것을 허용할 수 있다. 더구나, 소프트웨어 애플리케이션들은 각각의 사용자가 최신, 최고의 기술을 사용하는 것을 보장하기 위해 글로벌 패션으로 업데이트 및 분산될 수 있다.
위에서 설명된 예시적인 디바이스들 및 엘리먼트들의 측면에서, 개시된 요지에 따라 구현될 수도 있는 수법들은 도 13과 도 14의 순서도 및/또는 수법들을 참조하여 양호하게 이해될 것이다. 그 수법들 및/또는 흐름도들은 일련의 블록들로서 도시되고 설명되며, 청구된 요지는 그 블록들의 순서에 의해 제한되지 않는데, 일부 블록들이 본원에서 묘사되고 설명된 다른 블록들과는 상이한 순서들 및/또는 동일한 시간에 발생할 수도 있어서이다. 더구나, 모든 도시된 블록들이 이후 설명되는 방법들 및/또는 흐름도들을 구현하는데 요구되지 않을 수도 있다.
순차적으로, 다음은, 예를 들면, GMAW 공정과 같은 용접 공정을 제어하는 음 극성 용접 출력 전류 파형을 생성하는 흐름도(1300)인 도 13의 결정 트리 흐름도(1300)에서 예시된 바와 같이 발생한다. 전극의 원위단에 용융 금속 볼을 생성하기 위해, 파형의 출력 전류 레벨이 전극과 공작물 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정된다(참조 블록 1310). 용융 금속 볼이 공작물 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용하기 위해, 용융 금속 볼이 공작물에 대해 단락되어 전기 아크를 소호하는 것에 응답하여 출력 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만으로 떨어진다(참조 블록 1320). 용융 금속 볼이 전극의 원위단으로부터 핀치오프되도록 출력 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만의 음 극성으로 자동으로 감소된다(참조 블록 1330). 전극과 공작물 간에 전기 아크를 재형성하기 위해 용융된 볼이 전극의 원위단으로부터 공작물로 핀치오프할 때 출력 전류 레벨은 음 극성 내에서 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가된다(참조 블록 1340). 전기 아크의 재형성에 응답하여 출력 전류 레벨은 음 극성 내에서 양 극성 백그라운드 전류 레벨로부터 멀어져서 파형의 음의 피크 전류 레벨로 감소된다(참조 블록 1350). 전극의 원위단에 다음의 용융 금속 볼을 생성하기 위해 출력 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가된다(참조 블록 1360).
일 실시형태에서, 방법(1300)은 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정과 같은 아크 용접 공정에 관련되며, GMAW 공정은 아르곤과 CO2를 보호 가스들로서 사용한다. 일 실시형태에서, 방법(1300)은 음 극성 내의 출력 전류 레벨로 용융지보다 더 많이 전극을 가열하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 방법(1300)은 전극의 원위단에 다음의 용융 금속 볼을 생성하기 위해 파형의 음의 피크 전류 레벨을 이용하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 방법(1300)은 양 극성 백그라운드 전류 레벨과 중간의 양의 전류 레벨 사이의 출력 전류 레벨로 펄스를 형성하는 단계를 포함하는데, 중간의 양의 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨보다 크고 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작다. 일 실시형태에서, 방법(1300)은 양 극성 백그라운드 전류 레벨과 중간의 음의 전류 레벨 사이의 출력 전류 레벨의 펄스를 형성하는 단계를 포함하는데, 중간의 음의 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨보다 작고 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작다. 일 실시형태에서, 방법(1300)은 다음의 단락이 다음의 용융 금속 볼과 공작물 사이에서 형성되기까지 미리 정의된 펄스 레이트로 출력 전류 레벨의 펄스를 형성하는 단계를 포함한다.
도 14는 용접 공정의 부분을 제어하기 위해 아크 용접 전류 파형에 대한 음 극성 전류를 이용하는 것에 관련된 흐름도(1400)를 도시한다. 전극의 원위단에 용융 금속 볼을 생성하기 위해, 파형의 출력 전류 레벨이 전극과 공작물 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정된다(참조 블록 1410). 용융 금속 볼이 공작물 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용하기 위해, 용융 금속 볼이 공작물에 대해 단락되어 전기 아크를 소호하는 것에 응답하여 출력 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만의 음의 극성으로 떨어진다(참조 블록 1420). 전기 아크의 재형성에 응답하여 출력 전류 레벨은 음 극성 내에서 음의 피크 전류 레벨로 떨어진다(참조 블록 1430). 전극의 원위단에 다음의 용융 금속 볼을 생성하기 위해 출력 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가된다(참조 블록 1440).
일 실시형태에서, 방법(1400)은 가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정인 아크 용접 공정을 채용하는데, GMAW 공정은 아르곤과 CO2를 보호 가스들로서 사용한다. 일 실시형태에서, 방법(1400)은 음 극성 내의 출력 전류 레벨로 용융지보다 더 많이 전극을 가열하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 방법(1400)은 전극의 원위단으로부터 핀치오프하는 용융 금속 볼로부터의 용용지의 함몰을 완화하기 위해 음 극성 내의 출력 전류 레벨을 이용하는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 방법(1400)은 양 극성 백그라운드 전류 레벨과 중간의 양의 전류 레벨 사이의 출력 전류 레벨로 펄스를 형성하는 단계를 포함하는데, 중간의 양의 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨보다 크고 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작다. 일 실시형태에서, 방법(1400)은 양 극성 백그라운드 전류 레벨과 중간의 음의 전류 레벨 사이의 출력 전류 레벨의 펄스를 형성하는 단계를 포함하는데, 중간의 음의 전류 레벨은 양 극성 백그라운드 전류 레벨보다 작고 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작다. 일 실시형태에서, 방법(1400)은 다음의 단락이 다음의 용융 금속 볼과 공작물 사이에서 형성되기까지 미리 정의된 펄스 레이트로 출력 전류 레벨의 펄스를 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 용적 전달을 촉진하는 용접 시스템이, 전극의 원위단에 용융 금속 볼을 생성하기 위하여, 파형의 출력 전류 레벨을 전극과 공작물 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정하는 단계, 용접 시스템에서 단락 이벤트를 검출하는 단계, 단락 이벤트에 기초하여 전극의 원위단으로부터의 용적의 핀치 오프를 증가시키는 전류 레벨로 양 극성 백그라운드 전류를 변경하는 단계, 용적의 분리 후 아크의 재생성 단계, 상기 전류 레벨로부터 양 극성 백그라운드 전류로의 전이를 제어하는 단계, 및/또는 전극의 원위단에서의 용적을 촉진시켜 용융지에 터치하게 하기 위해 양의 백그라운드 전류로 펄스를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 더욱이, 그 실시형태는 전류 레벨에 대해 음 극성을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 시스템은, 전극과 공작물 간에 아크를 유지하기 위해 파형의 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정하는 것, 전극의 원위단에 용적을 생성하는 것, 용적이 공작물 상의 용융지에 침윤하는 것을 허용하기 위해 용적이 공작물에 대해 단락되어 아크를 소호하는 것에 응답하여 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만의 음 극성으로 떨어뜨리는 것, 아크의 재생성에 응답하여 출력 전류 레벨을 음 극성 내의 음의 피크 전류 레벨로 떨어뜨리는 것, 및/또는 전극의 원위단에 다음의 용적을 생성하기 위해 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
도 15는 용접 공정의 부분을 제어하기 위하여 음 극성을 갖는 아크 용접 전류 파형을 예시하는 그래프(1500)를 도시한다. 그래프(1500)는 하나 이상의 펄스들(1510), STT(1520), 백그라운드 전류(1530), 및 펄스들 간의 백그라운드 전류(1540)를 포함한다. 그래프(1500)는 일 예로서 단독으로 묘사되고 본 발명에 대한 제한은 아니다. 예를 들면, 값들(다른 것들도 있지만 무엇보다도, 예컨대, 시간, 전류, 전압, 와이어 속력, 와어이 게이지, 와이어 피드 레이트)이 예를 들어 단독으로 사용되고 다른 값들은 사운드 엔지니어링 판단으로 선택될 수 있다.
그래프(1500)로 예시된 일 실시형태에서, 단락 아크/그로뷸러 전이보다 위인 .052 와이어(예컨대, 100% CO2 하에서 차폐된 ER70S-6 연강)가 277 IPM(inches per minute) 와이어 피드 속력(wire feed speed, WFS)에서 사용된다. 이는 100% CO2로 수행될 수 있는데, 이 WFS에서의 가스가 몹시 튀기어서 제어가 어려울 수 있다. 하나 이상의 펄스들(1510)은 출력을 증가시키는 대신 출력을 감소시킬 수 있다. 여기서, 용적에 대한 아크 힘을 감소시키는 것은 단락을 촉진한다. 기존의 그로뷸러 이행에서, 용적은 그것이 용융지에 터치하기 전에 매우 긴 시간 동안 매달려 있다.
용적이 터치하지 않으면, 출력은 복원되고 하나 이상의 펄스들(1510)이 나중의 시간에 다시 사용된다. 용적이 이 진동(oscillation)은 기존의 그로뷸러 이행 기법들에 우선하여 용적이 용융지에 터치하고 이행하는 것을 촉진한다. 백그라운드 전류(1530)는 단락 아크에 비교해서 비교적 긴 시간 동안(예컨대, 1초에 비해 16 밀리초 정도로) 유지된다. 시스템이 전력을 갖는 것을 필요로 하고 음의 세그먼트가 상대적으로는 용융지가 아니라 와이어에 전력을 넣는 동안 양의 백그라운드 세그먼트는 이 전력을 제공한다. 단락 클리어링 루틴은 정의된 전류일 수 있지만 경사는 아니다. 용적은 매우 크고 높은 전류로 제한된 전력 소스는 안정한 분리를 촉진한다.
일 실시형태에서, 단락 클리어링 램프는 420 암페어의 절대 전류이다. 일 실시형태에서, 하나 이상의 펄스들(1510)이 전력을 감소시켜 용적이 낮은 전력 하에 용융지에 터치하는 것을 허용한다. 일 실시형태에서, 백그라운드 시간은 공정 작업을 하게 하는 요청된 전력을 획득하기 위한 16 밀리초이다. 일 실시형태에서, 용적이 용융지를 터치하지 않으면, 출력은 더 많은 전력을 추가하기 위해 백그라운드로 다시 설정된다.
일 실시형태에서, 백그라운드 전류(1530 및/또는 1540)는 16 ms의 지속기간(예컨대, 시스템에 열을 가하는 기능을 하는 1.5 ms의 펄스 시간과 비교할 때 더 긴 지속기간)으로 92 암페어에 있을 수 있다. 더욱이, 펄스 전류는 3 ms의 지속기간으로 40 암페어에 있을 수 있다(예컨대, 펄스들 동안, 용적이 용융지에 터치하는 것을 촉진하기 위해 전류는 떨어질 수 있다). 용적이 3 ms 내에 터치하지 않으면, 백그라운드는 10 ms 동안 복원될 수 있다. 덧붙여, 단락 전류는 420 암페어일 수 있고 피크 전류는 470 암페어일 수 있다. 다른 것들도 있지만 무엇보다도, 자체 차폐된 와이어, CO2와 함께 사용하기 위한 상대적인 스케일을 실제 시간들과 전류들은 예를 들어 단독으로 제공하는 것임이 이해된다.
위의 예들은 본 발명의 다양한 양태들의 여러 가능한 실시형태들의 예시적인 것일 뿐이며, 본 명세서와 첨부 도면들을 읽고 이해하는 당업자에게 동등한 개조들 및/또는 수정들이 발생할 것이다. 특히 위에서 설명된 컴포넌트들(조립체들, 디바이스들, 시스템들, 회로들 등)에 의해 수행된 다양한 기능들에 관해, 이러한 컴포넌트들을 설명하는데 사용된 용어들("수단"에 대한 언급을 포함함)은, 달리 표시되지 않는 한, 심지어 본 발명의 도시된 구현예들에서의 기능을 수행하는 개시된 구조와는 구조적으로 동등하지 않더라도, 설명된 컴포넌트의 특정 기능을 수행하는 (예컨대, 기능적으로 동등한) 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그것들의 결합물들과 같은 임의의 컴포넌트에 대응하도록 의도된다. 덧붙여서 비록 본 발명의 특정 특징이 여러 구현예들 중 하나에 대해서만 개시되었을 수도 있지만, 이러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정 애플리케이션에 대해 바람직하고 유익할 수도 있도록 다른 구현예들의 하나 이상의 다른 특징들과 결합될 수도 있다. 또한, "포함하는", "포함한다", "갖는", "갖는다", "가지는"이란 용어들, 또는 그 변형들이 상세한 설명에서 그리고/또는 청구항들에서 사용된 결과로, 이러한 용어들은 "구비하는"이란 용어에 유사한 방식으로 포함되는 것이 의도된다.
이 기재의 명세서는 최선의 실시형태를 포함하여 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 또 당업자가 임의의 디바이스들 또는 시스템들을 제조 및 이용하는 것과 임의의 통합된 방법들을 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 실용화하는 것을 가능하게 하기 위해 예들을 이용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구항들에 의해 정의되고, 당업자들에 대해 발생하는 다른 예들을 포함할 수도 있다. 이러한 다른 예들은 그것들이 청구항들의 문언적 표현(literal language)과는 상이하지 않은 구조적 엘리먼트들을 가진다면, 또는 그것들이 청구항들의 문언적 표현과는 대단찮은 차이들을 갖는 동등한 구조적 엘리먼트들을 포함한다면, 청구범위 내에 있도록 의도된다.
이제 본 발명을 수행하는 최선의 형태가 출원 시에 출원인에게 알려진 최선의 형태를 예시하는 목적으로 설명될 것이다. 예들은 예시적이기만 한 것이고 청구항범위와 장점에 의해 측정되는 본 발명을 제한할 의도는 아니다. 본 발명은 바람직한 및 대체 실시형태들에 관해 설명되었다. 분명히, 수정과 변경이 명세서를 읽고 이해하는 타인에게 발생할 것이다. 모든 그러한 수정과 변경이 첨부의 청구범위 또는 그 균등물 내에 들어가는 한 그러한 것들을 포함하도록 의도된다.
5 와이어 피더 400 시스템
100 전기 용접 파형 410 용접 프로그램
100' 변조 파형 420 생성기
101 사이클 430 디지털 신호 프로세서
110 백그라운드 전류 위상 435 제어 신호
111 백그라운드 전류 레벨 436 제어 신호
111' 백그라운드 전류 레벨 440 고속 증폭기 인버터
112 전류 레벨 441 고 전압 입력 전력
112' 서브백그라운드 전류 부분 442 출력
120 핀치 전류 위상 443 출력
121 핀치 전류 레벨 450 LE 전력 파
130 피크 전류 위상 460 공작물
131 피크 전류 레벨 470 전류 피드백 능력
140 테일아웃 전류 위상 480 전류 저감기
141 테일아웃 전류 레벨 490 다이오드
150 열 증가 펄스 500 방법
151 중간 전류 레벨 510 단계
191 용접 전극 520 단계
192 용융 금속 볼 530 단계
195 전기 아크 540 단계
196 아크 550 단계
197 아크 560 단계
198 용융 금속 볼 570 단계
199 금속 공작물 580 단계
200 시스템 600 방법
210 전력 생성 능력 601 단계
220 성형 능력 602 백그라운드 전류 레벨
221 파형 생성 능력 603 단계
222 전류 위상 생성 능력 604 서브레벨
223 신호 합산 능력 605 단계
224 펄스 생성 능력 606 핀치 전류 램프
225 신호 스위칭 능력 607 단계
226 전류 저감 능력 608 단계
227 타이밍 능력 609 피크 전류 레벨
230 징후 검출 능력 610 단계
310 파형 부분 611 테일아웃 전류 램프
612 단계 1121 핀치 전류 레벨
613 열 증가 전류 레벨 1130 피크 전류 위상
614 제 1 펄스 구간 1131 피크 전류 레벨
615 열 증가 전류 펄스 1140 테일아웃 전류 위상
615' 열 증가 전류 펄스 1141 테일아웃 전류 레벨
650 전기 용접 파형 1150 열 증가 펄스
700 방법 1151 중간 전류 레벨
710 단계 1191 용접 전극
720 단계 1192 용융 금속 볼
730 단계 1195 전기 아크
801 단락 이벤트 1196 아크
803 전이점 1197 아크
900 용접 시스템 1198 용융 금속 볼
910 스위치 전원 공급부 1199 금속 공작물
912 전력 변환 회로 200 시스템
914 AC 컴포넌트 1210 컴포넌트
920 파형 생성기 1220 프로세서
930 제어기 1230 메모리
940 전압 피드백 회로 1300 방법
950 전류 피드백 회로 1310 참조 블록
1000 전류 파형 1320 참조 블록
1001 사이클 1330 참조 블록
1010 백그라운드 전류 위상 1340 참조 블록
1020 램프 위상 1350 참조 블록
1030 피크 전류 위상 1360 참조 블록
1040 테일아웃 전류 위상 1400 방법
1050 용융 금속 볼 1410 참조 블록
1051 중간 전류 레벨 1420 참조 블록
1060 용접 전극 1430 참조 블록
1070 공작물 1440 참조 블록
1080 용접 아크 1500 그래프
1095 아크 1510 펄스
1098 용융 금속 볼 1520 STT
1100 전류 파형 1530 백그라운드 전류
1101 사이클 1540 펄스
1110 백그라운드 전류 위상 1111 백그라운드 전류 레벨
A 단계 1120 핀치 전류 위상
B 단계 C 단계
E 용접 전극/단계 D 단계
W 공작물

Claims (15)

  1. 용접 시스템의 용적 이행을 촉진하는 방법에 있어서,
    전극(E, 1060)의 원위단(distanl end)에 용융 금속 볼(198, 1098)을 생성하기 위해, 파형의 출력 전류 레벨을 상기 전극(E, 1060)과 공작물(W, 1070) 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성(positive polarity) 백그라운드 전류 레벨로 조정하는 단계;
    상기 용융 금속 볼(198, 1098)이 상기 공작물(W, 1070) 상의 용융지(puddle)에 침윤되는 것을 허용하기 위해, 상기 용융 금속 볼(198, 1098)이 공작물에 대해 단락되어 전기 아크(1080)를 소호하는 것에 응답하여 상기 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만으로 떨어뜨리는 단계;
    상기 용융 금속 볼(198, 1098)이 상기 전극(E, 1060)의 원위단으로부터 핀치오프되도록 상기 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만의 음 극성으로 자동으로 더욱 감소시키는 단계;
    상기 전극(E, 1060)과 상기 공작물(W, 1070) 간에 전기 아크를 재형성하기 위해 상기 용융 금속 볼(198, 1098)이 상기 전극(E, 1060)의 원위단으로부터 상기 공작물(W, 1070)로 핀치오프할 때 상기 출력 전류 레벨을 음 극성 내에서 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 단계;
    상기 전기 아크의 재형성에 응답하여 상기 출력 전류 레벨을 음 극성 내에서 양 극성 백그라운드 전류 레벨로부터 멀어지게 파형의 음의 피크 전류 레벨로 감소시키는 단계; 및
    상기 전극(E, 1060)의 원위단에 다음의 용융 금속 볼(198, 1098)을 생성하기 위해 상기 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 단계를 포함하는, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
  2. 용접 시스템의 용적 이행을 촉진하는 방법에 있어서,
    전극(E, 1060, 1195)의 원위단에 용융 금속 볼(198, 1098)을 생성하기 위해, 파형의 출력 전류 레벨을 전극(E, 1060, 1191)과 공작물(W, 1070) 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정하는 단계;
    상기 용융 금속 볼(198, 1098)이 상기 공작물(W, 1070) 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용하기 위해, 상기 용융 금속 볼(198, 1098)이 공작물(W, 1070)에 대해 단락되어 전기 아크(1080, 195)를 소호하는 것에 응답하여 상기 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만의 음 극성으로 떨어뜨리는 단계;
    전기 아크의 재형성에 응답하여 상기 출력 전류 레벨을 음 극성 내에서 음의 피크 전류 레벨로 떨어뜨리는 단계; 및
    상기 전극(E, 1060, 1191)의 원위단에 다음의 용융 금속 볼(1192)을 생성하기 위해 상기 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 단계를 포함하는, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    아크 용접 공정은 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW) 공정인, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 GMAW 공정은 아르곤과 CO2를 보호 가스(shieding gas)들로서 사용하는, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음 극성 내에서 상기 출력 전류 레벨로 상기 용융지보다 더 높게 상기 전극을 가열하는 단계를 더 포함하는, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극의 원위단으로부터 핀치오프하는 상기 용융 금속 볼로부터의 용융지의 함몰을 완화하기 위해 상기 음 극성 내의 상기 출력 전류 레벨을 이용하는 단계를 더 포함하는, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양 극성 백그라운드 전류 레벨과 중간의 양의 전류 레벨 사이의 상기 출력 전류 레벨로 펄스를 형성하는(pulsing) 단계를 더 포함하며, 상기 중간의 양의 전류 레벨은 상기 양 극성 백그라운드 전류 레벨보다 크고 상기 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작고, 바람직하게는 상기 출력 전류 레벨로 펄스를 형성하는 지속기간은 와이어 피드 속력에 기초하는, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양 극성 백그라운드 전류 레벨과 중간의 음의 전류 레벨 사이의 상기 출력 전류 레벨로 펄스를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 중간의 음의 전류 레벨은 상기 양 극성 백그라운드 전류 레벨보다 작고 상기 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작은, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
  9. 전진하는(advancing) 용접 전극(E, 1060, 1191)과 금속 공작물(W, 1070) 사이에서 용적 이행을 촉진하는 전기 용접 파형을 생성하는 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding, GMAW) 시스템에 있어서,
    상기 전기 용접 파형의 백그라운드 전류 위상, 피크 전류 위상, 및 테일아웃 전류 위상을 생성하는 제 1 전자 컴포넌트 구성으로서, 상기 백그라운드 전류 위상은 양의 백그라운드 전류 레벨을 제공하며, 상기 피크 전류 위상은 음의 피크 전류 레벨을 제공하고, 상기 테일아웃 전류 위상은 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 단조적으로 증가하는 테일아웃 전류 레벨을 제공하는, 상기 제 1 전자 컴포넌트 구성; 및
    상기 전기 용접 파형의 단락 클리어링 램프 위상(short clearing ramp phase)을 생성하는 제 2 전자 컴포넌트 구성으로서, 상기 단락 클리어링 램프 위상은 상기 백그라운드 전류 위상 후의 상기 전기 용접 파형에 대한 양 극성 전류의 감소 전류 레벨을 제공하는, 상기 제 2 전자 컴포넌트 구성을 포함하는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 백그라운드 전류 위상 동안 상기 전기 용접 파형의 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스를 생성하는 제 3 전자 컴포넌트 구성으로서, 상기 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스는, 상기 양의 백그라운드 전류 레벨보다 크고 상기 음의 피크 전류 레벨의 절대 값보다 작은 중간 전류 레벨에 있는, 상기 제 3 전자 컴포넌트 구성을 더 포함하는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 공작물(W, 1070)에 대한 상기 전극(E, 1060, 1191)의 단락 조건에 기초하여 상기 전기 용접 파형에 대한 음의 전류를 생성하도록 구성된 제 1 컴포넌트를 더 포함하는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극(E, 1060, 1190)이 상기 공작물(E, 1070)에 대해 단락되는 것에 응답하여 상기 백그라운드 전류 위상의 종료 시에 상기 전기 용접 파형의 전류 레벨을 상기 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 제 4 전자 컴포넌트 구성을 더 포함하는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공작물로부터의 상기 전극의 단락 해제의 예측으로 상기 단락 클리어링 램프 위상의 종료 시에 상기 전기 용접 파형의 전류 레벨을 상기 양의 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 제 5 전자 컴포넌트 구성을 더 포함하는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 백그라운드 전류 위상이 상기 적어도 하나의 열 증가 전류 펄스를 포함하도록 상기 백그라운드 전류 위상, 상기 단락 클리어릴 램프 위상, 상기 피크 전류 위상, 및 상기 테일아웃 전류 위상을 연속하여 주기적으로 재생성하는 제 6 전자 컴포넌트 구성을 더 포함하는, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 시스템.
  15. 용접 시스템의 용적 이행을 촉진하는 방법에 있어서,
    전극의 원위단에 용융 금속 볼을 생성하기 위해, 파형의 출력 전류 레벨을 상기 전극과 공작물 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정하는 단계;
    상기 용접 시스템에서 단락 이벤트(short circuit event)를 검출하는 단계;
    상기 단락 이벤트에 기초하여 상기 전극의 원위단으로부터의 용적의 핀치 오프를 증가시키는 전류 레벨로 상기 양 극성 백그라운드 전류를 변경하는 단계;
    상기 용적의 분리 후 아크의 재생성 단계;
    상기 전류 레벨로부터 양 극성 백그라운드 전류로의 전이를 제어하는 단계; 및
    상기 전극의 원위단에서의 용적을 촉진시켜 용융지에 터치하게 하기 위해 상기 양의 백그라운드 전류로 펄스를 형성하는 단계를 포함하며,
    더 바람직하게는 상기 전류 레벨에 대해 음 극성을 이용하는 단계를 포함하며;
    더 바람직하게는,
    상기 전극의 원위단에 용적을 생성하기 위해, 파형의 출력 전류 레벨을 상기 전극과 공작물 간에 전기 아크를 유지하는 양 극성 백그라운드 전류 레벨로 조정하는 단계;
    상기 용적이 상기 공작물 상의 용융지에 침윤되는 것을 허용하기 위해, 상기 용적이 상기 공작물에 대해 단락되어 아크를 소호하는 것에 응답하여 상기 출력 전류 레벨을 양 극성 백그라운드 전류 레벨 미만의 음 극성으로 떨어뜨리는 단계;
    상기 아크의 재형성에 응답하여 상기 출력 전류 레벨을 음 극성 내에서 상기 음의 피크 전류 레벨로 떨어뜨리는 단계; 및
    상기 전극의 원위단에 다음의 용적을 생성하기 위해 상기 출력 전류 레벨을 상기 양 극성 백그라운드 전류 레벨을 향해 증가시키는 단계를 포함하는, 용접 시스템의 용적 이행 촉진 방법.
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