KR20160054487A

KR20160054487A - 좁은 홈 용접 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20160054487A
Application number: KR1020167006714A
Authority: KR
Inventors: 케빈 파가노; 브라이언 더스틴 마쉬케; 토마스 로저 재거; 나우만 바싯; 케네스 에스 돕슨
Original assignee: 일리노이즈 툴 워크스 인코포레이티드
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-05-16
Also published as: WO2015038713A3; JP2016530107A; EP3046713A2; CN105531061A; WO2015038713A2; CA2918861A1; CA2918861C; US20150076120A1; MX2016000919A; US10953484B2; CN105531061B; MX370145B

Abstract

본 발명의 시스템은, 좁은 홈을 두고 분리되어 있는 가공물들과 전극 사이에 용접 아크를 형성하도록 구성되어 있는 용접 토치 어셈블리로서, 파워 서플라이로부터의 전력을 이용하면서, 이 용접 토치 어셈블리 내의 동작 제어 어셈블리에 의해 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 용접 토치 어셈블리를 포함한다. 상기 용접 토치 어셈블리는, 전극이 통과하여 급송되는 노즐로서, 전극이 그 안에서 반경방향으로 이동되는 것인 노즐을 포함한다.

Description

좁은 홈 용접 방법 및 시스템{NARROW GROOVE WELDING METHOD AND SYSTEM}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2013년 9월 16일자로 "NARROW GROOVE WELDING METHOD AND SYSTEM"이란 명칭으로 출원된 미국 가특허출원 제61/878,452호에 대해 우선권과 이익을 주장하는데, 이 출원은 사실상 그 전체 내용이 본원에 참조로 인용되어 있다.

본 발명은 일반적으로는 용접에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 좁은 홈에서의 용접을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 명세서는 2013년 2월 14일자로 "Adaptable Rotating Arc Welding Method and System"이란 명칭으로 출원된 이전 출원인 미국 특허출원 제13/797,392호와, 2012년 6월 18일자로 "Metal Cored Welding Method and System"이란 명칭으로 출원된 이전 출원인 미국 특허출원 제13/526,278호와, 2012년 11월 20일자로 "DC Electrode Negative Rotating Arc Welding Method and System"이란 명칭으로 출원된 이전 출원인 미국 특허출원 제13/681,687호, 그리고 2014년 9월 9일자로 "Synchronized Rotating Arc Welding Method and System"이란 명칭으로 출원된 공존 출원인 미국 특허출원 제14/481,507호와 관련이 있고, 이들 출원의 내용을 인용한다.

용접 작업에 의해 가공물들을 접합하는 다양한 기술이 개발되고 있다. 이들 기술은 여러 프로세스 및 재료를 포함하며, 가장 현대적인 프로세스는, 소모성 또는 비소모성 전극과 가공물들 사이에서 생기는 아크를 포함한다. 프로세스는 정전류 프로세스, 정전압 프로세스, 펄스 프로세스 등과 같은 카테고리들로 나뉘는 경우도 있다. 그러나, 이들 사이의 추가적인 분류는, 특히 전극을 소모하여 용접부에 필러 금속을 부가하는 프로세스에서 일반적이다. 사실상 그러한 모든 경우에서, 선택된 프로세스는 필러 재료 및 그 형태와 크게 연관되어 있으며, 일부 프로세스는 배타적으로 특정 유형의 전극을 이용한다. 예를 들어, 보다 큰 그룹의 일부분을 형성하는 금속 불활성 가스(MIG) 용접 프로세스의 일부 유형은, 종종 가스 금속 아크 용접(GMAW)으로 지칭된다.

GMAW 용접에서는, 와이어 형태의 전극이, 진행중인 용접 풀(weld pool)에 의해 소모되고, 전극과 가공물 사이의 아크의 열에 의해 용융된다. 와이어는 용접 건을 통과하게 스풀로부터 연속적으로 급송되며, 용접 건에서는 아크를 발생시키도록 와이어에 전하가 부여된다. 이들 프로세스에서 사용되는 전극 형태는 대개 솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어, 또는 메탈 코어드 와이어로서 지칭되는 경우도 있다. 각각의 유형은 다른 유형들에 비하여 구별되는 이점 및 단점을 갖는 것으로 고려되며, 그 성능을 최적화하기 위해서는 용접 프로세스 및 용접 세팅에 대한 세심한 조정이 요구될 수 있다. 예를 들어, 다른 유형들에 비해 비용이 덜 드는 솔리드 와이어는, 통상적으로 비교적 비용이 많이 들 수 있는 불활성 실드 가스와 함께 이용된다. 플럭스 코어드 와이어는 별도의 실드 가스 공급을 필요로 하지 않을 수도 있지만, 솔리드 와이어보다 고가이다. 메탈 코어드 와이어는 실드 가스를 필요로 하지만, 종종 솔리드 와이어에 필요한 믹스에 비해 덜 비용이 드는 믹스에 맞춰질 수도 있다.

이들 3가지 전극 유형 모두는, 금속을 전극 팁으로부터 진행중인 용접 비드로 이동시키는 기계적 및 전기 기계적 현상과 관련이 있는 서로 다른 트랜스퍼 모드로 사용될 수 있다. 단락 트랜스퍼, 구형 트랜스퍼, 스프레이 트랜스퍼 및 펄스 스프레이 트랜스퍼 등과 같은 다수의 트랜스퍼 모드가 존재한다. 실제로는, 프로세스 및 전극은 특정의 트랜스퍼 모드를 유지하도록 선택되는 경우가 있지만, 트랜스퍼 물리학은 이들 모드의 혼합체로서 나타날 수 있고, 용접 중에 실제 재료 트랜스퍼는 이들 모드의 사이에서 전이될 수 있다.

제조업자들은 항상, 자동화된 용접 방법을 개선시키고, 용접된 부재들의 성공률을 높이며, 전체적으로 제조 프로세스의 속도를 높이기 위한 새로운 방식을 찾고 있다. 특히, 가공물들 사이에 비교적 깊고 좁은 홈이 존재하는 경우에 가공물들을 용접하는 것에서는, 자동화된 용접 방법을 이용하더라도 극복하기 어려운 특정의 공간 제약성이 나타난다.

일 실시형태에서, 시스템은, 좁은 홈을 두고 분리되어 있는 가공물들과 전극 사이에 용접 아크를 형성하도록 구성되어 있는 용접 토치 어셈블리로서, 파워 서플라이로부터의 전력을 이용하면서, 이 용접 토치 어셈블리 내의 동작 제어 어셈블리에 의해 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 용접 토치 어셈블리를 포함한다. 상기 용접 토치 어셈블리는, 전극이 통과하여 급송되는 노즐로서, 전극이 그 안에서 반경방향으로 이동되는 것인 노즐을 포함한다.

다른 실시형태에서, 시스템은, 좁은 홈을 두고 분리되어 있는 가공물들과 전극 사이에 용접 아크를 형성하도록 구성되어 있는 용접 토치 어셈블리로서, 파워 서플라이로부터의 전력을 이용하면서, 이 용접 토치 어셈블리 내의 동작 제어 어셈블리에 의해 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 용접 토치 어셈블리를 포함한다. 상기 용접 토치 어셈블리는, 전극의 양측에 배치되어 있는 2개의 개별 실드 아암을 포함한다.

다른 실시형태에서, 용접 방법은, 용접 프로세스 동안에, 좁은 홈을 두고 분리되어 있는 가공물들과 용접 전극 사이에 아크를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 용접 방법은 또한, 용접 프로세스 동안에, 상기 용접 토치 어셈블리 내의 동작 제어 어셈블리에 의해 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키면서, 전극을 용접 토치 어셈블리로부터 급송하여, 용접 비드를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 용접 방법은, 상기 아크와 용접 비드를 유지하면서, 상기 좁은 홈 내에서의 전극의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여, 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 상기한 특징, 양태 및 이점 그리고 그 밖의 특징, 양태 및 이점은, 도면 전체에 걸쳐 같은 부호가 같은 부분을 나타내고 있는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽을 때, 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명 기술의 양태를 이용하는 예시적인 용접 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명 기술의 양태에 따라 전극을 이동시키는 것을 보여주는 모식도이다.
도 3a는 함께 용접될 두 가공물 사이에 있는 통상적인 홈의 측면도이다.
도 3b는 본 발명 기술의 양태에 따라 함께 용접될 두 가공물 사이에 있는 좁은 홈의 측면도이다.
도 4는 본 발명 기술의 양태에 따라 용접 와이어 전극을 이동시키기 위해 원형 패턴을 이용하는 진행중인 용접 비드의 상면도이다.
도 5는 본 발명 기술의 양태에 따라 용접 와이어 전극용의 타원형 경로를 이용하는 진행중인 용접 비드의 유사한 상면도이다.
도 6은 본 발명 기술의 양태에 따라 용접 와이어 전극용의 다른 방향의 타원형 경로를 이용하는 진행중인 용접 비드의 다른 상면도이다.
도 7은 본 발명 기술의 양태에 따른 용접 토치 어셈블리의 사시도이다.
도 8은 용접 토치 본체의 설명을 용이하게 하기 위해 트롤리 시스템이 제거되어 있는 도 7의 용접 토치 어셈블리의 사시도이다.
도 9a는 본 발명 기술의 양태에 따른 용접 토치 어셈블리의 노즐 및 접촉 요소의 사시도이다.
도 9b는 종래의 용접 토치 어셈블리와의 차이점을 보여주는 노즐의 하부의 단면도이다.
도 10은 본 발명 기술의 양태에 따라 좁은 홈 내에 삽입되었을 때의 접촉 요소 및 노즐의 하부의 상측 단면도이다.
도 11a는 본 발명 기술의 양태에 따라 접촉 요소와 노즐의 벽 섹션들 사이에 가스 전달 튜브가 배치되어 있는 노즐의 하부 및 접촉 요소의 측면도이다.
도 11b는 본 발명 기술의 양태에 따라 접촉 요소와 노즐의 벽 섹션들 사이에 그리고 이들 벽 섹션에 인접하게 가스 전달 튜브가 배치되어 있는 노즐의 하부 및 접촉 요소의 측면도이다.
도 11c는 본 발명 기술의 양태에 따라 노즐의 벽 섹션들에 있어서 접촉 요소의 반대측에 가스 전달 튜브가 배치되어 있는 노즐의 하부 및 접촉 요소의 측면도이다.
도 12는 본 발명 기술의 양태에 따른 노즐 변경 시스템을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명 기술의 양태에 따른 위쪽을 향해 회동하는 실드를 갖는 용접 토치 어셈블리의 다른 실시형태의 사시도이다.
도 14는 설명을 목적으로 플레이트, 실드 및 가스 전달 튜브가 제거되어 있는 도 13의 용접 토치 어셈블리의 사시도이다.

본원에 기술된 실시형태들은 가공물들을 용접하는 용접 시스템으로서, 가공물들 사이의 홈이 통상적인 용접 홈에 비해 상대적으로 좁고 및/또는 깊은 홈(본원에서는 총괄하여 "좁은 홈"이라 함)인 것을 특징으로 하는 용접 시스템에 관한 것이다. 본원에 기술된 특정 실시형태들은, 노즐의 측면이 더 좁아서 노즐이 좁은 홈 내에 끼워지는 것을 용이하게 하도록 슬림한 프로파일의 노즐을 포함한다. 또한, 특정 실시형태들에서는, 홈 내에서의 용접부의 깊이가 변동됨에 따라, 노즐은 후퇴 가능하다. 본원에 기술된 실시형태들은 또한, 특정 용접 패스에 대한 홈의 깊이에 기초하여, 복수의 노즐 중의 하나가 노즐 변경 시스템으로부터 선택될 수 있도록, 노즐 변경 시스템을 포함한다. 예를 들어, 용접 프로세스는 좁은 홈의 바닥에서 시작될 수 있고, 홈에 용착 금속이 충전됨에 따라, 홈 내에 형성된 용접부의 깊이 변화를 보정하도록 다른 노즐이 선택될 수 있다. 또한, 특정 실시형태들에서는, 노즐의 전후(예컨대, 앞쪽과 뒤쪽) 측면 근방에, 가스를 용접 풀의 인근으로 전달하는 튜브가 부착될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 스핀 튜브와 접촉 팁은, 높은 온도를 견뎌낼 수 있는 비전도성 코팅으로 보호되어, 스핀 튜브와 모재 사이에 의도하지 않은 부수적인 접촉이 일어나는 것을 방지할 수 있다.

이제 도면을 살펴보면, 도 1은 가공물들(14) 사이에 있는 좁은 홈에 용접부(12)를 생성하기 위한 예시적인 용접 시스템(10)을 보여준다. 이 시스템은 통상적으로 가스 소스(18) 및 파워 그리드 등과 같은 파워 소스(20)에 연결되는 파워 서플라이(16)를 포함한다. 물론, 다른 파워 소스로는 발전기, 엔진 구동식 파워 팩(power pack) 등이 포함된다. 와이어 피더(22)가 파워 소스(20)에 연결되어 용접 토치(24)에 용접 와이어를 공급한다.

예시된 실시형태에 있어서, 파워 서플라이(16)는 제어 회로(28)에 연결된 파워 전환 회로(26)를 구비하는데, 이 제어 회로는 용접 작업에 적합한 파워 출력을 생성하도록 파워 전환 회로(26)의 동작을 규제한다. 파워 서플라이는, 정전류 프로세스, 정전압 프로세스, 펄스 프로세스, 단락 트랜스퍼 프로세스 등을 포함하는 용접 체제, 프로세스의 수 등에 따라 출력 파워를 생성하도록 설계 및 프로그램될 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 제어 회로(28)는 파워 전환 회로(26)를 제어하여, 재료가 용접 와이어로부터 진행중인 용접 풀로 트랜스퍼하는 것을 돕는 DCEN[경우에 따라 "정극성(straight polarity)"이라고도 함] 용접 체제를 생성한다. 물론, 다른 용접 체제가 사용될 수도 있다. 작업자 인터페이스(30)는, 용접 작업자가 용접 프로세스와 프로세스 세팅 모두를 변경할 수 있게 한다. 또한, 고려되는 특정 실시형태에 있어서, 작업자 인터페이스(30)는, 용접 토치(24) 및 용접 와이어의 이동에 관련된 특정 파라미터의 선택 수정을 할 수 있게 한다. 끝으로, 파워 서플라이(16)는 가스 소스(18)로부터의 실드 가스의 흐름을 규제하는 밸브(32)를 포함할 수 있다.

와이어 피더(22)는 통상적으로, 스풀(36), 배럴로부터의 용접 와이어의 급송, 또는 다른 용접 와이어 전달 방법을 규제하는 제어 회로(개괄적으로 도면부호 34로 도시됨)를 포함한다. 용접 와이어는, 통상적으로 제어 회로(34)의 제어하에 작은 전기 모터를 사용하는 것을 통해, 구동 어셈블리(38)에 의해 전진된다. 용접 와이어와, 가스, 그리고 제어 및 피드백 데이터는 용접 케이블(40)을 통하여 와이어 피더(22)와 용접 토치(24) 사이에서 교환될 수 있다. 가공물(14)은 또한, 용접 케이블(42)에 의해 파워 서플라이(16)에 연결되어, 전극(44)과 가공물(14) 사이에 전기 아크가 형성되는 경우에, 전극(44)을 통과하는 전기 회로를 완성한다. 이하에서 보다 완전하게 기술되는 바와 같이, 용접 토치(24)로부터 전진하는 전극(44)은, 도면부호 46으로 나타내어진 바와 같이, 예컨대 회전 동작으로, 움직이도록 강제된다.

도 1에 도시된 용접 시스템(10)은 수동 작업을 위해 설계될 수도 있지만, 본 발명 기술에 대한 용례의 대부분은 자동화되어 있다. 즉, 용접 토치(24)는, 용접 토치(24)를 가공물(14)에 대하여 소기의 위치에 배치하도록 프로그램되어 있는 로봇에 고정되어 있다. 이때, 로봇은 전극(44)과 가공물(14) 사이에 아크를 일으키고 용접 토치(24)를 적절하게 정향시키며 가공물들(14) 사이에 있는 좁은 홈 내에서 미리 정해놓은 경로를 따라 용접 토치(24)를 전진시키는 행동을 취할 수 있는데, 좁은 홈에는 두 가공물(14)을 접합하도록 용접 비드가 생성된다. 이하에서 보다 완전하게 기술되는 바와 같이, 이러한 자동화 용례에서는, 본 발명 기술을 통해, 좁은 홈 용례에 있어서, 이동 속도를 크게 높일 수 있게 되며, 용접 비드 특성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명 기술은 솔리드 와이어, 플럭스 코어드 용접 와이어, 또는 메탈 코어드 용접 와이어 함께 사용하도록 고안되어 있다. 특히 접합되는 구성요소들의 야금학, 사용되는 실드 가스의 유형, 용접 비드의 예상 충전 용적(fill volume) 등에 따라, 용접 와이어[즉, 전극(44)]의 특징이, 특정의 용례에 맞춰 선택될 수 있다. 용접 와이어의 특정 기하구조가 전극 이동의 이점을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 용접 와이어는 통상적으로 소기의 직경을 갖도록 선택된다. 플럭스 코어드 용접 와이어 또는 메탈 코어드 용접 와이어에서, 직경은 시스(sheath) 벽 두께와 코어 직경을 포함한다. 이들 파라미터는, 용접 와이어의 성능을 향상시키도록, 그리고 아크 형성, 아크 유지, 재료 트랜스퍼, 결과적으로 생성된 용접 비드의 야금학, 용접 비드 침투 등의 특징을 개선하도록, 변경 및 최적화될 수도 있다.

특정 실시형태들에서는, DCEN 용접 체제와 함께 사용하기 위해 특정의 와이어가 선택될 수 있다. 이하에서 보다 완전하게 설명하는 바와 같이, 예를 들어 안정화제 및 망간(예컨대, AWS E5.18, 70C-6; 그리고 보다 일반적으로는 E5.18 XXC-6, 여기서 "XX"는 인장 강도를 나타냄) 등의 다른 성분을 포함하는 와이어 등과 같은 와이어와, DCEN 프로세스를 이용한 "스핀-아크" 운동의 조합이 우수한 결과를 제공하는 것으로 확인되었다. 이러한 와이어의 하나가, 오하이오주 트로이 소재의 Hobart Brothers에서 Metalloy® X-Cel™이라는 명칭으로 시판되어 있다. 더 나아가, 용접 와이어의 특정 배합은, 다른 와이어로 얻을 수 있는 이점을 넘어서는 이점을 제공하는 것으로 여겨진다. 이러한 배합은, 2004년 4월 20일자로 "Straight Polarity Metal Cored Wire"란 명칭으로 Nikodym 등에게 허여된 미국 특허 제6,723,954호; 2006년 8월 8일자로 "Straight Polarity Metal Cored Wire"란 명칭으로 Nikodym 등에게 허여된 미국 특허 제7,087,860호; 및 2011년 1월 4일자로 "Metal-Core Gas Metal Arc Welding of Ferrous Steels with Noble Gas Shielding란 명칭으로 Barhorst 등에게 허여된 미국 특허 제7,863,538호에 기술되어 있는데, 이들 특허는 모두 본원 명세서에 참고로 인용되어 있다. 또한, 이하에 설명하는 바와 같이, 아크의 강제 이동을 이용한 DCEN 프로세스에서의 상기 와이어의 성능을 향상시키도록, 상기 와이어에 대해 특정 조성 변경이 실시될 수 있다.

이하에 보다 상세히 기술되어 있는 바와 같이, 용접 시스템(10)은 또한, 좁은 홈 내에서 형성되고 있는 용접부(12)의 현재 깊이 등과 같은, 용접 시스템(10)의 현재의 작동 파라미터에 기초하여, 용접 토치(24)의 노즐을 선택적으로 교환하는 데 사용될 수 있는, 노즐 변경 시스템(48)을 포함할 수 있다. 특정 실시형태들에서 노즐 변경 시스템(48)은 파워 서플라이(16)의 제어 회로(28)에 의해 제어될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 다시 말하자면, 제어 회로(28)는, 용접 토치(24)에서 사용되고 있는 현재의 노즐이, 작업자 인터페이스(30)를 통해 작업자로부터 받는 입력, 제어 회로(28)에 프로그램되는 시간표 등에 기초하여 변경되어야 하는지를 결정할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가공물(14)들 사이에 이음부가 형성되고, 전극(44)이 뻗어나와 있는 용접 토치(24)가 용접 홈(50)에 근접하여 배치되어 있다. 이때, 접합되는 하부 금속과 전극(44) 사이에 아크가 형성된다. 전극(44)은, 이렇게 형성된 아크와 전극(44)의 움직임을 강제하도록 이동될 수 있는 (예컨대, 스핀 튜브와 접촉 팁을 포함할 수 있는) 접촉 요소(52)로부터 나온다. 접촉 요소(52)의 이동을 위하여, 동작 제어 어셈블리(54)가 용접 토치(24)에 마련되어 있다. 이러한 동작을 강제하기 위하여 수많은 기술이 사용될 수 있지만, 현재 고려되는 장치에 있어서는, 자체적으로 제어되며 용접 시스템(10)의 제어 회로(28)에 의해 파워를 공급받는 모터(58)에 의해, 캠(56)이 돌아가게 된다. 이에 따라, 접촉 요소(52)와 전극(44)은, 동작 제어 어셈블리(54)의 제어 및 기하구조에 의해 결정되는 대로 소정의 주파수 및 소정의 패턴으로 이동하도록 강제된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 접촉 요소(52)와 그에 따라 전극(44)은, 접촉 요소(60)의 중심선으로부터 소정 거리 또는 반경(68)으로 이동될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 이 동작에 대하여 다양한 패턴들이 이용될 수 있다. 이 프로세스 동안에 전극(44)이 전진되어 소기의 용접 비드를 형성한다. 또한, 전체 어셈블리는, 도면부호 62로 나타내어진 바와 같이 소기의 이동 속도로 이동된다.

도 3a 및 도 3b는 통상적인 용접 홈(50)(도 3a)과 본원에 기술된 좁은 용접 홈(50)(도 3b) 사이의 차이를 보여준다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 통상적인 용접 홈은, 가공물들(14)의 저부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_bottom이 상대적으로 작고, 가공물들(14)의 상부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_top이 상대적으로 큰 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서는, 가공물들(14)의 상부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_top이, 가공물들(14)의 저부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_bottom에 비해 10~30배 정도 더 클 수 있고, 그 결과 홈의 각도 α는 약 25° 내지 약 90°로 될 수 있다.

이와는 달리, 도 3b에 도시된 바와 같이, 좁은 용접 홈은, 가공물들(14)의 상부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_top과 가공물들(14)의 저부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_bottom이 상대적으로 유사한 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태에서는, 가공물들(14)의 상부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_top이, 가공물들(14)의 저부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_bottom에 비해 약 10~75%만 더 클 수 있고, 그 결과 좁은 홈의 각도 α가 약 10° 내지 약 25°, 약 1° 내지 약 10°, 약 0° 내지 약 5°, 약 0° 내지 약 2.5°로 매우 작아질 수 있고, 또는 더 작아질 수 있다. 실제로, 특정 실시형태에서는, 가공물들(14)의 상부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_top이, 가공물들(14)의 저부에서의 가공물들(14) 사이의 폭 w_bottom과 실질적으로 유사(예컨대, 0~5% 이내)할 수 있고, 그 결과 좁은 홈의 각도 α가 약 0°로 (예컨대, 1° 미만, 약 0.5° 미만 등으로) 될 수 있다. 그 밖의 덜 좁은 각도 α(예컨대, 약 35°~약 45°)가 본원에 기술된 실시형태들로부터 이익을 얻을 수 있을 것으로 이해될 것이다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 통상의 용접 홈(도 3a)과 좁은 용접 홈(도 3b) 모두에 뒷받침판(63)이 사용될 수 있다. 그러나, 가공물들(14)의 저부에서의 가공물들(14) 사이에 어느 정도 이상의 폭 w_bottom가 빈번히 존재하는 한, 좁은 용접 홈의 작은 각도 α로 인해, 뒷받침판(63)의 사용은 좁은 용접 홈에 훨씬 더 유리할 수 있다. 다시 말하자면, 좁은 용접 홈의 작은 각도 α 뿐만 아니라 용접 토치(24)가 좁은 홈 내에 배치되어 있어야 하는 필요성으로 인해, 가공물들(14)의 저부에서의 가공물들(14) 사이에 어느 정도 이상의 폭 w_bottom가 종종 필요해진다.

도 4는 전극(44)의 특정 패턴의 동작과 함께 진행중인 예시적인 용접 비드(64)를 보여준다. 당업자라면 이해하게 되는 바와 같이, 용접 비드는, 전극(44)의 가열로부터 생기는 용융 금속과, 가공물(14)의 모재의 주위 금속으로 이루어지는, 용접 풀 또는 퍼들(66)의 뒤에서 진행된다. 도 4의 실례에서 전극(44)은 도면부호 68로 나타내어진 바와 같이 대략 원형 패턴으로 이동된다. 전극(44)이 용접 퍼들(66)과 가공물의 주변 영역에 충분히 접근해 있도록, 상기한 동작이 용접 토치(24)의 이동 속도와 조화를 이루게 되어, 아크를 유지하고 아크를 이들 영역 사이에서 이동시키며, 전극(44)과 주변 금속을 가열하면서 용접 풀을 유지할 수 있는 것으로, 현재 고려되고 있다. 후술하는 바와 같이, 또한 와이어 급송 속도, 전극(44)의 이동 속도 또는 진동수, 펄스 주파수, 또는 용접 프로세스에 대한 DC 파라미터(예컨대, 아크를 발생시키도록 인가된 전류 및 전압) 등의 다른 조화 인자들이 채용될 수 있는 것으로 고려된다.

도 5는 전극(44)의 이동에 관한 다른 가능한 패턴으로서, 이 경우에는 대략 타원형 패턴(70)을 보여준다. 이 경우에 타원은, 용접부 및 용접 토치(24)의 이동 방향을 따라 장축(72)을 갖고 상기 이동 방향을 가로지르는 단축(74)을 갖는다. 또한, 도 6은, 다른 가능한 패턴, 즉 타원형 이동의 장축(72)이 용접부 및 용접 토치(24)의 이동 방향을 가로지르고 있는, 가로 타원형 패턴(76)을 보여준다. 그러나, 임의의 원하는 패턴이 이용될 수도 있고, 동작 제어 어셈블리(54)가 특히 이들 패턴을 구현하도록 되어 있을 수 있다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 예를 들어, 지그재그, 가로로 왕복하는 라인 등을 형성하는 패턴이, 특정 용접부에 대하여 사용될 수 있고 최적화할 수도 있다.

상기 기술에 있어서 변경될 수 있는 파라미터에는, 전극(44)의 이동 속도, 정상 또는 중앙 위치에 대한 전극(44)의 이동 정도 등과 같은 인자들이 포함될 수 있다. 특히, 물론 본 발명은 원형 패턴에 제한되는 것이 아니지만, 원형 패턴이 이용된 경우에는, 50 ㎐보다 높고, 100 ㎐ 내지 120 ㎐ 및 그 이상에 이르는 회전 속도가 바람직할 수 있고, 이에 따라 용접 비드가 보다 평평해지며, 용착율이 높아지게 되는 것으로 고려된다. 몇몇 실시형태에서, 전극(44)은 반경방향으로 (예컨대, 원형 패턴으로) 이동하면서 둘레방향으로 이동(예컨대, 스핀)할 수 있다. 이동하는 전극(44)으로부터 트랜스퍼된 용융 볼은, 상기한 반경방향의 전극 이동으로 인해 접선 속도를 가질 수 있는데, 그 결과, 용융 볼이 전극(44)으로부터 분리되는 위치의 바로 아래 이외의 위치에서는, 용융 볼이 가공물(14)과 접속되어 있게 된다. 본원에 기술된 바와 같이, 전극(44)의 반경방향 이동 속도는, 용융 볼이 가공물(14), 이음부, 및/또는 용접 풀 상의 소기의 위치에 용착되도록 제어될 수 있다. 반경방향 이동 속도가 약 150 ㎐ 미만인 경우, 이러한 반경방향 이동으로 인해 용융 볼에 작용하는 구심력은, 용융 볼의 용착 위치를 실질적으로 일관되게 제어할 수 있게 한다.

일반적으로, 전극(44)의 반경방향 이동 속도는 약 2.5 ㎐보다 크거나, 약 3.0 ㎐보다 크거나, 약 3.5 ㎐보다 크거나, 약 4.0 ㎐보다 크거나, 약 4.5 ㎐보다 크거나, 또는 약 5.0 ㎐보다 클 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전극(44)의 반경방향 이동 속도는 약 5 ㎐ 내지 200 ㎐, 약 10 ㎐ 내지 150 ㎐, 약 30 ㎐ 내지 100 ㎐, 또는 약 50 ㎐ 내지 90 ㎐일 수 있다. 상기 반경방향 이동 속도는 적어도 부분적으로 실드 가스, 와이어 직경, 와이어 재료, 가공물 재료, 용접 프로세스, 이동 패턴, 또는 용융 전극 볼의 표면 장력, 또는 이들의 임의의 조합에 기초할 수 있다. 상기 반경방향 이동 속도의 범위는 특정 유형의 트랜스퍼 프로세스 및/또는 이동 패턴에 대응할 수 있다. 예를 들어, SAW 용접 프로세스에 있어서의 반경방향 이동 속도는, 약 50 ㎐ 내지 100 ㎐의 반경방향 이동 속도를 이용할 수 있는 MIG 용접 프로세스에 비해 낮을 수 있다(예컨대, 5 ㎐ 내지 30 ㎐). 몇몇 실시형태에서, 원형 이동 패턴은 지그재그 이동 패턴에 비해 낮은 반경방향 이동 속도를 가질 수 있다. 또한, 현재 회전 직경은 약 1.0 ㎜ 내지 1.5 ㎜ 정도로 고려되어 있지만, 보다 큰 직경, 예컨대 약 4.0 ㎜ 정도의 직경이 요망될 수도 있다. 이러한 여러 파라미터는 모재에의 침투, 전극 재료의 용착, 아크의 유지 뿐만 아니라 그 밖의 용접 파라미터에 도움을 줄 수 있다.

또한 아마도, 전극 팁에서 전개되는 스프레이 또는 용융 볼에 부여된 기계적 힘(예컨대, 원심력)으로 인하여, 용접 퍼들은 전극(44)이 이동함에 따라 보다 양호하게 이동할 수 있는 것으로 고려된다. 이에 따라, 이 프로세스는 이전의 프로세스에 비해 저온에서 진행될 수 있다. 또한, 특정 유형의 가공물(14) 및 가공물 야금학에도 향상된 이점이 제공될 수 있다. 또한, 이 프로세스는, 현재 상기한 용접 전극과 함께 사용되고 있는 아르곤 혼합물에 비해 비용이 덜 드는 실드 가스, 예컨대 CO₂ 등을 허용할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 솔리드 와이어, 메탈 코어드 와이어 및 플럭스 코어드 와이어는 본 발명 기술과 함께 사용될 수 있을 뿐만 아니라 각각이 프로세스에 대해 고유의 이점을 제공할 수 있다.

본원에 기술된 좁은 홈의 비교적 깊고 좁은 특성 때문에, 가공물들(14) 사이에 있는 홈(50)을 충전하는 데 복수의 용접 패스가 필요할 수 있다. 도 4 내지 도 6에 도시된 진행중인 용접 비드의 실례는, 가공물들(14) 사이에 있는 홈(50)을 충전하는 단일 패스의 예이다. 단일 패스가 고려된 경우에는, 좁은 홈(50)이 완전히 충전될 때까지, 제1 패스 등의 위에 제2 패스가 수행될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 각 패스는 동일한 방향으로 수행될 수 있다. 그러나, 다른 실시형태들에서, 각 후속 패스는, 바로 앞 패스가 종료된 좁은 홈(50)의 단부에서 시작될 수 있다.

도 7은 본원에 기술된 용접 와이어 전극 전달 기술을 구현하기 위한 예시적인 용접 토치 어셈블리(78)의 사시도이다. 구체적으로, 용접 토치 어셈블리(78)는 도 2에 관해 전술한 동작 제어 어셈블리(54)를 포함한다. 복수의 모터 케이블(79)이 용접 토치 어셈블리(78)의 메인 하우징(80)에 수용된다. 이들 모터 케이블(79)은, 예를 들어 동작 제어 어셈블리(54)의 모터 구동부용의 제1 케이블과, 인코더용의 제2 케이블을 포함할 수 있다. 용접 가스와, 가스, 그리고 제어 및 피드백 데이터는 별도의 케이블(도시 생략)을 통해 용접 토치 어셈블리(78)에 의해 따로따로 수신된다. 전술한 바와 같이, 메인 하우징(80)에 배치되어 있는 동작 제어 어셈블리(54)는, 캠(56)(예컨대, 도 2에 도시), 또는 전달된 용접 와이어 전극(44)의 진동 특성을 구현하는 다른 기구를 포함할 수 있다.

특정 실시형태들에서, 용접 토치 어셈블리(78)는 또한, 용접 토치(24)를 좁은 홈(50) 내에 정렬하는 것을 용이하게 하는 트롤리 시스템(82)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 트롤리 시스템(82)은 용접될 가공물들(14)의 상면과 접속되는 복수의 휠(86)을 갖는 트롤리(84)를 포함한다. 접촉 요소(52)가 통과해 나오는 원통형 용접 토치 본체(88)가, 화살표 90으로 나타내어진 바와 같이, 트롤리(84)를 통과하는 상대 원통형 개구의 안으로 삽입 가능하고 상기 상대 원통형 개구의 밖으로 후퇴 가능하여, 용접 토치 어셈블리(78)의 노즐을 좁은 홈(50)에 삽입하는 것과 좁은 홈(50)으로부터 빼내는 것이 용이해진다. 도 7에 도시된 바와 같이, 특정 실시형태에서, 실드 가스를 트롤리(84)에 전달하는 한 쌍의 가스 전달 튜브(92)가 용접 토치 본체(88)의 양측에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 특정 실시형태에서, 가스 전달 튜브(92)는 트롤리(84)를 가공물(14)과 접촉하고 있는 상태로 유지하도록 스프링을 포함할 수 있다. 트롤리(84)가 최대로 연장되어 있는 동안에, 실드 가스가 빠져나가는 것을 막도록, 노즐 칼라(94)가 노즐을 둘러싸고 있다. 토치가 최대로 후퇴된 경우, 노즐은 좁은 홈(50) 내에 있으므로, 칼라(94)는 용접 토치 본체(88) 위로 후퇴된다. 트롤리(84)가 최대로 후퇴됨에 따라, 노즐 칼라 스프링(96)이 압축되어, 화살표 90을 따라 가능한 큰 이동 거리가 허용된다.

도 8은 용접 토치 본체(88)의 설명을 용이하게 하기 위해 트롤리 시스템(82)이 제거되어 있는 도 7의 용접 토치 어셈블리(78)의 사시도이다. 전술한 바와 같이, 원통형의 용접 토치 본체(88)는 그 축을 따라 화살표 90으로 나타내어진 바와 같이 이동 가능하여, 용접 토치 어셈블리(78)의 노즐(100)[뿐만 아니라 접촉 요소(52)]을 좁은 홈(50)에 삽입하는 것과 좁은 홈(50)으로부터 빼내는 것이 용이해진다. 도 1에 관하여 전술한 제어 회로(28)는, 용접 토치 본체(88)를 화살표 90을 따라 축선 방향으로 작동시키는 것을 제어하도록 구성되어 있는 것으로 이해될 것이다.

도 9a는 용접 토치 어셈블리(78)의 노즐(100) 및 접촉 요소(52)의 사시도이다. 접촉 요소(52)가 그 안에 배치되어 있는 실질적으로 대칭인 원통형의 벽을 포함하는 종래의 용접 건 노즐과는 대조적으로, 접합되는 가공물들(14) 사이의 좁은 홈(50) 내에서의 용접을 용이하게 하기 위해, 용접 토치 어셈블리(78)의 노즐(100)은 대신에, 접촉 요소(52)의 양측에 배치되어 있는 2개의 대향 노즐 벽 섹션(102)을 포함한다. 보다 구체적으로, 노즐(100)은 완전히 원통형인 벽(106)을 구비하는 상부(104)와, 상기 원통형 벽(106)으로부터 연장되는 2개의 대향 벽 섹션(102)을 구비하는 하부(108)를 포함한다. 요컨대, 노즐(100)을 좁은 홈(50)에 삽입하는 것과 좁은 홈(50)으로부터 빼내는 것을 용이하게 하도록, 노즐(100)의 양측면[즉, 2개의 대향 벽 섹션(102)을 연결하여 완전한 원통형 벽을 형성하는 벽 섹션들]이 노즐(100)의 하부(108)에서 제거되어 있다. 특정 실시형태들에서, 2개의 대향 벽 섹션(102)은 대략 아치형이거나 또는 둥근 형태일 수 있다. 그러나, 다른 실시형태들에서, 2개의 대향 벽 섹션(102)은 그 밖의 형태일 수 있다.

도 9b는 종래의 용접 토치 어셈블리와의 차이점을 보여주는 노즐(100)의 하부(108)의 단면도이다. 구체적으로, 도시된 바와 같이, 실질적으로 노즐(100)의 하부(108)의 2개의 대향 벽 섹션(102)은, 종래의 용접 건 노즐이 되려는 것을 깎아 내어 된 것이다. 이에 따라, 도 9a에 도시된 바와 같이, 접촉 요소(52)는 2개의 대향 벽 섹션(102) 사이에 있는 측면에서 노출된다.

도 10은 좁은 홈(50) 내에 삽입되었을 때의 접촉 요소(52) 및 노즐(100)의 하부(108)의 상측 단면도이다. 도시된 바와 같이, 접촉 요소(52)와 그에 따라 용접 와이어 전극(44)은, 용접이 화살표 112의 방향으로 진행됨에 따라, 화살표 110으로 나타내어진 바와 같이, 대략 원형 패턴으로 진동된다. 그러나, 본원에 기술된 바와 같이, 다른 진동 패턴도 또한 사용될 수 있다. 위 내용에서 보듯이, 다른 경우에서는 노즐(100)의 2개의 대향 벽 섹션(102) 사이에 존재하게 되는 특정 벽 섹션을 제거함으로써, 좁은 홈(50) 내에서 진동하기 위한 공간이 접촉 요소(52)에 더 제공된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 대향 벽 섹션(102)은, 외부 공기가 용접 영역으로부터 차단되도록, 용접 영역을 실질적으로 격리시킨다. 또한, 접촉 요소(52)와 그에 따른 용접 와이어 전극(44)의 진동은, 대향 벽 섹션(102)과의 접촉 없이 일어난다. 보다 구체적으로, 진동의 최대 직경이 접촉 요소(52)와 대향 벽 섹션(102) 각각과의 접촉을 초래하지 않도록, 대향 벽 섹션(102) 사이의 거리가 선택된다. 접촉 요소(52)와 그에 따른 용접 와이어 전극(44)의 진동 운동은, 가공물들(14)의 벽에의 용접부의 침투를 향상시키고, 그 결과 용접부의 강도를 향상시킨다.

특정 실시형태들에서는, 도 10에 도시된 바와 같이, 2개의 대향 벽 섹션(102)이 실제로는 얇은 연결 벽(114)에 의해 이어질 수 있으며, 그 안에서 접촉 요소(52)와 용접 와이어 전극(44)이 진동한다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1의 얇은 연결 벽(114)이 2개의 대향 벽 섹션(102)의 제1 단부에서 2개의 대향 벽 섹션(102)을 연결할 수 있고, 제2의 얇은 연결 벽(114)이 2개의 대향 벽 섹션(102)의 제2 단부에서 2개의 대향 벽 섹션(102)을 연결할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 얇은 연결 벽(114)은 노즐(100)과는 별개로 좁은 홈(50)으로부터 빼내어질 수 있다. 이러한 실시형태들에서, 얇은 연결 벽(114)은 필요한 경우에만 사용될 수 있다. 얇은 연결 벽(114)이 노즐(100)과는 별개로 빼내어질 수 있는 실시형태들에서, 얇은 연결 벽(114)은 세라믹 재료 또는 플라스틱 재료로 제조될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 얇은 연결 벽(114)은 대략 직선형이고 대략 서로 평행할 수 있다. 전술한 바와 같이, 가공물들(14) 사이의 좁은 홈(50)은 비교적 좁고 깊다. 이에 따라, 용접 토치 어셈블리(78)의 노즐(100) 그리고 특히 노즐(100)의 하부(108)는, 좁은 홈(50)에서의 용접을 용이하게 하도록, 마찬가지로 길고 좁을 수 있다.

또한, 특정 실시형태들에서, 실드 가스는 노즐(100)의 상부(104)를 통해, 앞쪽 벽 섹션(102)과 접촉 요소(52)의 사이에 있는 전방 캐비티(116)와, 뒤쪽 벽 섹션(102)과 접촉 요소(52)의 사이에 있는 후방 캐비티(118) 모두에 전달될 수 있다. 구체적으로, 도 11a에 도시된 바와 같이, 제1 가스 흐름(120)이 제1 가스 전달 튜브(122)를 통해 전방 캐비티(116)에 분사될 수 있고, 별도의 제2 가스 흐름(124)이 제2 가스 전달 튜브(126)를 통해 후방 캐비티(118)에 분사될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 제1 및 제2의 가스 흐름(120, 124)에 있어서 가스의 혼합, 가스의 유량 등은 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 특정 실시형태들에서, 제1 가스 흐름(120)은 제2 가스 흐름(124)보다 더 많이 혹은 더 적게 아르곤을 함유할 수 있고, 제1 가스 유량은 제2 가스 유량보다 더 크거나 혹은 더 적을 수 있으며, 그 밖의 유사한 경우도 가능하다. 또한, 일부 실시형태에서, 가스는 가스 전달 튜브(122, 126)를 통해 전달되기 전에 정전하가 부가될 수 있다.

특정 실시형태들에서, 제1 및 제2 가스 전달 튜브(122, 126)의 길이는 도 11a에 도시된 것과는 다를 수 있다. 예를 들어, 도 11b에 도시된 바와 같이, 특정 실시형태들에서는, 가스 흐름(120, 124)이 노즐(100)의 말단부(128)의 부근으로 전달되도록, 가스 전달 튜브(122, 126)가 노즐(100)의 내부에 걸쳐 연장될 수 있다. 또한, 특정 실시형태들에서, 가스 전달 튜브(122, 126)는 각 벽 섹션(102)의 내벽에 부착될 수 있다.

또한, 특정 실시형태들에서, 가스 전달 튜브(122, 126)는 노즐(100) 내부에 배치되는 것이 아니라 노즐(100) 외부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 11c에 도시된 바와 같이, 특정 실시형태들에서, 가스 전달 튜브(122, 126)는 각 벽 섹션(102)의 외벽에 부착될 수 있다. 그러나, 다른 실시형태들에서, 가스 전달 튜브(122, 126)는 노즐(100)에 직접 부착되어 있는 것이 아니라, 그 대신에 노즐(100)로부터 조금 떨어져서 연장될 수 있지만, 여전히 각각의 가스 흐름(120, 124)을 상대적으로 노즐(100)의 말단부(128)의 부근으로 전달할 수 있다.

전술한 바와 같이, 가공물들(14) 사이의 좁은 홈(50)을 충전하기 위해 용접이 수행될 때, 진행중인 용접부가 가공물들(14) 사이에서 상방으로 이동함에 따라, 노즐(100)은 점차 홈(500)으로부터 후퇴될 수 있다. 적어도 부분적으로는 용접부가 차곡차곡 쌓아져 올라감에 따라 변화하는 깊이로 인하여, 접촉 요소(52), 노즐(100) 및 용접 토치 어셈블리(78)의 작동 파라미터들이 전체적으로 변화될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 이에 따라, 상기한 변화하는 작동 파라미터들을 간소화하기 위해, 도 1에 관하여 전술한 노즐 변경 시스템(48)을 사용하여 용접 토치 어셈블리(78)의 하나의 노즐(100)을 다른 하나의 노즐(100)과 바꿀 수 있다. 도 12는 예시적인 노즐 변경 시스템(48)을 보여준다. 특정 실시형태들에서, 노즐 변경 시스템(48)은 로봇(130)을 포함하는데, 이 로봇은, 예를 들어 현재 용접 토치 어셈블리(78)에 의해 사용되고 있는 노즐(100)을 회수하고, 복수의 노즐(100)을 유지하는 랙(132)에 상기 노즐(100)을 넣으며, 교체 노즐(100)을 랙(132)으로부터 취하고, 그 후에 교체 노즐(100)을 용접 토치 어셈블리(78)에 설치하는 데 사용되는 아암을 구비할 수 있다. 예를 들어, 제1 노즐(100)이 용접부의 루트 패스(예컨대, 제1 층)에 사용될 수 있고, 가공물(14)의 깊이를 따라 특정 지점까지는 제2 노즐(100)이 용접부의 후속 패스에 사용될 수 있으며, 제3 노즐(100)이 용접부의 나머지 패스에 사용될 수 있다.

도 13은 용접 토치 어셈블리(78)의 다른 실시형태의 사시도이다. 도시된 실시형태에서, 도 8 내지 도 11에 관하여 전술한 노즐(100)은 접촉 요소(52)의 양측에 배치된 실드(134)의 세트로 대체되어 있다. 특히, 특정 실시형태들에서는, 대략 직사각형의 플레이트(136)가 용접 토치 본체(88)의 저부에 부착된 칼라(138) 주위에 배치되어 있고, 상기 플레이트(136)는 그 양측에 피벗 조인트(140)를 포함한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 특정 실시형태들에서, 각각의 실드(134)는 만곡된 제1 단부(144)와 보다 큰 만곡된 제2 단부(146)를 구비하는 아암(142)을 포함하고, 각 아암(142)의 제2 단부(146)는 각 피벗 조인트(140)에 연결되도록 구성되어 있어, 아암(142)은 용접 토치 어셈블리(78)에 대해 상방으로[예컨대, 접촉 요소(52)로부터 멀어지게] 회동할 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 실드(134)는 좁은 홈(50) 내에서의 용접이 시작될 때의 초기 작동 위치인 최대 연장 위치에 있다. 그러나, 용접이 진행됨에 따라, 실드(134)는 화살표 148에 의해 나타내어진 바와 같이 점차 상방으로 후퇴될 수 있다. 요컨대, 실드(134)가 용접 영역으로 유입되고 있는 공기로부터 좁은 홈(50)에서 진행되고 있는 용접 작업을 차단하는 한에 있어서, 실드(134)는 전술한 노즐(100)의 대향 벽 섹션(102)과 동일한 방식으로 작용한다. 그러나, 도 8 내지 도 11에 관하여 전술한 실시형태에서, 노즐(100)은 대략 접촉 요소(52)와 협력하여 후퇴 가능하다. 이와는 달리, 도 13에 도시된 실시형태에서, 실드(134)는 접촉 요소(52)의 후퇴와는 별개로 후퇴 가능하다. 도 13에서 화살표 152와 154로 나타내어진 바와 같이, 칼라(138) 및 플레이트(136)를 약간 회전시키는 것을 통해 실드(134)도 또한 약간 회전되어, 실드(134)를 약간 측방으로 이동시킬 수 있게 되며, 그 결과 로봇 용접이 용이해진다.

또한 도 13에 도시된 바와 같이, 가스 전달 튜브(122, 126)도 또한 화살표 150에 의해 나타내어진 바와 같이 빼내어질 수 있지만, 진행중인 용접부의 부근으로 계속해서 가스를 전달할 수 있다. 특히, 도시된 바와 같이, 특정 실시형태들에서, 가스 전달 튜브(122, 126)는 실드(134)의 아암(142)의 제2 단부(146) 내에 있는 개구(156)를 통해 연장될 수 있다. 이들 개구는, 가스 전달 튜브(122, 126)가 실드(134)의 상방 회동과는 관계없이 개구(156)를 통해 빼내어질 수 있도록 구성되어 있다.

도 14는 설명을 목적으로 플레이트(136), 실드(134) 및 가스 전달 튜브(122, 126)가 제거되어 있는 도 13의 용접 토치 어셈블리(78)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 특정 실시형태들에서, 접촉 요소(52)는, 접촉 요소(52)의 반경방향 주변 둘레에 배치된 초고온 절연 슬리브(158)를 가질 수 있다. 이 절연 슬리브(158)는 일반적으로 용접 중에 경험하게 되는 고온으로부터 접촉 요소(52)를 보호하고, 또한 용접 중에 접촉 요소(52)가 가공물(14)과 의도치 않게 접촉하는 것을 방지하는 것으로, 특정 실시형태에서는 비전도성 재료로 제조될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 절연 슬리브(158)는 세라믹 재료 또는 섬유 유리 재료로 제조될 수 있다. 특정 실시형태들에서는, 절연 슬리브(158)를 사용하지 않고, 슬리브 대신에 절연 코팅을 접촉 요소(52)에 피복할 수 있다.

특정 실시형태들에서, 접촉 요소(52)와 그에 따른 용접 와이어 전극(44)의 진동은, 도 1에 관하여 설명한 제어 회로(28)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 진동 패턴 또는 "기하형상" 뿐만 아니라 진동 패턴의 크기 양자 모두를 포함하는, (예컨대, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같은) 진동의 주파수 및 형상은, 진행중인 용접부의 깊이, 가공물들(14) 사이의 폭, 와이어 급송 속도, 진행중인 용접부의 방향[예컨대, 가공물들(14)의 벽에 대략 평행한 방향]에 있어서의 접촉 요소(52)의 이동 속도, 진행중인 용접부의 방향 및 진행중인 용접부의 방향에 대한 횡방향[예컨대, 가공물들(14)의 벽에 대해 대략 수직한 방향] 양자 모두에 있어서의 홈(50) 내에서의 접촉 요소(52) 및/또는 용접 와이어 전극(44)의 위치 등에 기초하여 달라질 수 있다.

이러한 조정들에 영향을 미치는 추가적인 작동 파라미터들로는, 가공물들(14)의 재료, 용접 와이어 전극(44)의 유형 및 크기, 파워 서플라이(16)에 의해 공급되는 전압 및/또는 전류 등과 같은 인자들이 포함될 수 있다. 이러한 작동 파라미터들 모두는 다른 작동 파라미터들에 기초하여 제어 회로(28)에 의해 조정될 수 있다. 비제한적인 예로서, 용접 와이어 전극(44)의 주파수 및/또는 형상은, 용접 와이어 전극(44)이 홈(50)의 중앙 부근에 있을 때와, 용접 와이어 전극(44)이 가공물들(44) 중의 어느 하나의 벽들 중에 어느 하나의 부근에 있을 때에 서로 다를 수 있다. 앞서 열거한 작동 파라미터들은 시스템(10)의 도처에 배치된 센서들에 의해 감지될 수 있거나, 또는 로봇 용접의 경우에는 시스템(10)을 통해 알게 될 수 있다.

파라미터들이 조정되었을 때, 이들 파라미터가 일반적으로, 관련된 적절한 시스템 구성요소에 의해 제어된다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 예를 들어, 용접 파워의 변경은 파워 서플라이(16)에 의해 조정된다. 와이어 급송 속도의 변경은 와이어 피더(22)에 의해 실시된다. 가스 유량의 변경은, 파워 서플라이(16)에 있어서의 밸브(32) 또는 와이어 피더(22)의 다른 유사한 구성요소에 의해 실시될 수 있다. 자동화된 용례에 있어서, 이동 속도의 변경은, 용접 토치(24)를 이동시키는 로봇에 의해 조정된다. 스핀 기하형상의 변경은, 용접 와이어 전극(44)을 이동시키는 동작 제어 어셈블리(54)에 의해 구현된다. 당업자라면, 이들 장치가 용접 작업 동안에 변경된 파라미터들을 구현하도록 구성될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

이에 따라, 제어 회로(28)[및/또는 제어 회로(34) 및/또는 동작 제어 어셈블리(54)]는, 본원에 기술된 파라미터들 중의 어느 것이라도, 용접 홈(50) 내에서의 와이어 전극(44)[및/또는 접촉 요소(52)]의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 제어할 수 있다. 예를 들어, 파라미터들은 적어도 부분적으로, 와이어 전극(44)[및/또는 접촉 요소(52)]의 위치로서, 용접 홈(50) 내에서 (예컨대, 도 3b에 도시된 깊이 d를 따라서의) 깊이에서의 위치, [예컨대, 도 3b의 지면(紙面) 속으로 들어가는 방향에서의 가공물들(14)의 길이를 따라서의] 용접 홈(50)의 길이를 따라서의 위치, 다른 여러 패턴들 중에서도 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 패턴들(68, 70, 76)을 따라서의 임의의 반경방향 위치에 기초하여, 그리고 용접 홈(50)에 대한 와이어 전극(44)[및/또는 접촉 요소(52)]의 임의의 다른 위치에 기초하여, 제어 회로(28)에 의해 제어될 수 있다. 와이어 전극(44)[및/또는 접촉 요소(52)]의 위치에 기초하여 제어 회로(28)에 의해 제어될 수 있는 파라미터의 유형의 한 예는, 와이어 전극(44)의 소기의 패턴의 기하형상(예컨대, 소기의 패턴의 크기, 소기의 패턴의 형상, 원형 동작의 주파수 등)일 수 있다. 와이어 전극(44)[및/또는 접촉 요소(52)]의 위치에 기초하여 제어 회로(28)에 의해 제어될 수 있는 다른 파라미터로는, 와이어 전극(44)의 와이어 급송 속도, 와이어 전극(44), 접촉 요소(52), 노즐(100), 용접 토치(24) 및/또는 용접 토치 어셈블리(78)의 이동 속도, 와이어 전극(44), 접촉 요소(52), 노즐(100), 용접 토치(24) 및/또는 용접 토치 어셈블리(78)의 (예컨대 후속 패스에 따라서의, 코너 주변에서의, 등등) 이동 방향, 와이어 전극(44)에 인가된 용접 파워의 파라미터(예컨대, 전류, 전압, 극성 등등), 가스 흐름의 파라미터(예컨대, 가스 유량, 사용된 가스의 유형, 사용된 가스의 혼합물 등등), 용접 홈(50)의 형태(예컨대, 깊이, 협소도 등등)를 들 수 있다. 본원에 기술된 제어를 달성하는 제어 회로(28)는, (특정 유형의 회로를 비롯한) 하드웨어 요소, (비일시적 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터 코드를 비롯한) 소프트웨어 요소, 또는 하드웨어 요소와 소프트웨어의 조합을 포함할 수 있는 것으로 이해될 것이다.

상기의 예에 더하여, 전술한 용접 와이어와 함께, 아크의 기계적 이동과 함께, DCEN 용접 절차를 이용함으로써, 매우 양호한 결과를 제공할 수 있고, 특정 유형의 가공물(14)에는 훨씬 더 매력적일 수 있는 것으로 확인되었다. 예를 들어, 앞서 언급된 Metalloy® X-Cel™은, 용접 금속의 습윤을 개선하면서(과도하게 "왕관" 형태로 되는 비드를 피하면서) 스패터링을 줄이는 데에 특히 적합하다. 또한, DCEN 프로세스를 아크 이동과 함께, 그리고 상기한 와이어와 연합하여 이용함으로써, 과열이 감소된다.

(일반적으로 전술한 X-Cel™와이어에 대응하는) 이들 용례에 적합한 용접 와이어는 아크를 안정화시키는 (스패터링이 적은 안정적인 아크를 생성하는) 성분을 특징으로 하는 것으로 현재 고려되고 있다. 예컨대, 이러한 안정화제는 칼륨과, (칼륨장석, 티탄산칼륨, 티탄산망간칼륨, 황산칼륨, 탄산칼륨, 인산칼륨, 몰리브덴산칼륨, 질산칼륨, 규소불화수소산칼륨, 및 칼륨을 함유하는 복합 산화물 화합물 등과 같이) 용접 프로세스 중에 칼륨을 내놓는 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 흑연질 및 비흑연질 탄소 소스는, 아크 기둥으로 승화시키고 보다 미세한 액적의 금속을 트랜스퍼되게 함으로써, 안정화시킬 수 있다. (전술한 바와 같은) 기존의 용접 와이어의 가능한 변형예는, 전술한 임의의 다른 소스 또는 보다 많은 소스로부터의 칼륨을 포함할 수 있고, 철 및/또는 합금 분말을 함유하는 적절한 탄소 소스, 예컨대 그래파이트 또는 카본을 포함할 수 있다.

관련된 특정 DCEN 프로세스에 대해서는, 이들 프로세스가 통상적으로, 전극의 직경, 전극의 범위(예컨대, 접촉 팁부터 플레이트까지), 용접 위치, 가공물 또는 베이스 플레이트의 유형 및 직경, 이동 속도 및 용착율, 와이어 급송 속도 등에, 적어도 부분적으로 기초하여 선택된 전류 및 전압에서 수행될 것이다. 예컨대, 21 내지 30 볼트의 전압이 적합할 수 있고, 전류는 150 내지 450 암페어의 범위일 수 있다. 또한, 실드 가스에 대해서는, 아르곤 및 이산화탄소를 포함하며, 아르곤을 최소 75% 최대 95%로 갖는 가스 혼합물이 적절한 것으로 고려된다(다만, 98%의 아르곤, 2%의 산소 등과 같은 다른 양과 조합도 만족스러울 수 있다). 더 나아가, 선택된 DCEN 극성은 비펄스 전류 및 펄스 전류를 포함할 수 있는 것으로 고려된다.

본 발명의 소정의 특징부만을 본원 명세서에 예시 및 기재하였지만, 여러 변경 및 변형이 당업자에 떠오르게 될 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 정신 내에 속하는 모든 이러한 변경 및 변형을 커버하는 것을 목적으로 하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

시스템으로서,
좁은 홈을 두고 분리되어 있는 가공물들과 전극 사이에 용접 아크를 형성하도록 구성되어 있는 용접 토치 어셈블리로서, 파워 서플라이로부터의 전력을 이용하면서, 이 용접 토치 어셈블리 내의 동작 제어 어셈블리에 의해 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 용접 토치 어셈블리
를 포함하고, 상기 용접 토치 어셈블리는, 전극이 통과하여 급송되는 노즐로서, 전극이 그 안에서 반경방향으로 이동되는 것인 노즐을 구비하는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 노즐은 노즐의 양측에 배치된 2개의 분리된 벽 섹션을 구빈하는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 노즐은 앞쪽 벽 섹션, 뒤쪽 벽 섹션, 상기 앞쪽 벽 섹션의 제1 단부를 상기 뒤쪽 벽 섹션의 제1 단부에 연결하는 제1 측벽 섹션, 및 상기 앞쪽 벽 섹션의 제2 단부를 상기 뒤쪽 벽 섹션의 제2 단부에 연결하는 제2 측벽 섹션을 구비하는 것인 시스템.
제3항에 있어서, 상기 앞쪽 벽 섹션과 뒤쪽 벽 섹션은 양자 모두 전반적으로 아치형이고, 상기 제1 측벽 섹션과 제2 측벽 섹션은 양자 모두 전반적으로 직선형이며 서로 평행한 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 노즐은 상기 좁은 홈에 대해 후퇴 가능한 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 용접 토치 어셈블리는 실드 가스를 용접 아크 부근으로 전달하는 복수의 가스 전달 튜브를 구비하는 것인 시스템.
제6항에 있어서, 상기 복수의 가스 전달 튜브는, 전극과 노즐의 앞쪽 벽 섹션의 사이에 있는 전방 캐비티에 실드 가스를 전달하는 제1 가스 전달 튜브와, 전극과 노즐의 뒤쪽 벽 섹션의 사이에 있는 후방 캐비티에 실드 가스를 전달하는 제2 가스 전달 튜브를 포함하는 것인 시스템.
제6항에 있어서, 상기 복수의 가스 전달 튜브는 각각, 노즐의 벽 섹션들에 있어서 전극의 반대측에 배치되어 있는 것인 시스템.
제1항에 있어서, 상기 동작 제어 어셈블리는, 전극이 통과하여 급송되는 접촉 요소를 작동시켜, 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 것인 시스템.
제9항에 있어서, 상기 접촉 요소의 외부에 배치되는 절연 재료를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 복수의 대체 노즐을 구비하는 노즐 변경 스테이션을 포함하고, 상기 용접 토치 어셈블리는 상기 노즐을 상기 대체 노즐들 중의 하나로 교체하도록 구성되어 있는 것인 시스템.
시스템으로서,
좁은 홈을 두고 분리되어 있는 가공물들과 전극 사이에 용접 아크를 형성하도록 구성되어 있는 용접 토치 어셈블리로서, 파워 서플라이로부터의 전력을 이용하면서, 이 용접 토치 어셈블리 내의 동작 제어 어셈블리에 의해 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 용접 토치 어셈블리
를 포함하고, 상기 용접 토치 어셈블리는, 상기 전극의 양측에 배치되어 있는 2개의 개별 실드 아암을 포함하는 것인 시스템.
제12항에 있어서, 상기 동작 제어 어셈블리는, 전극이 통과하여 급송되는 접촉 요소를 작동시켜, 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 것인 시스템.
제13항에 있어서, 상기 실드 아암은 상기 접촉 요소로부터 멀어지게 상방으로 회동하도록 구성되어 있는 것인 시스템.
제13항에 있어서, 상기 접촉 요소의 외부에 배치되는 절연 재료를 포함하는 시스템.
제13항에 있어서, 상기 접촉 요소는 상기 좁은 홈에 대해 후퇴 가능한 것인 시스템.
제12항에 있어서, 상기 용접 토치 어셈블리는 실드 가스를 용접 아크 부근으로 전달하는 복수의 가스 전달 튜브를 구비하는 것인 시스템.
제17항에 있어서, 상기 복수의 가스 전달 튜브는, 전극과 전방 실드 아암의 사이로 실드 가스를 전달하는 제1 가스 전달 튜브와, 전극과 후방 실드 아암의 사이로 실드 가스를 전달하는 제2 가스 전달 튜브를 포함하는 것인 시스템.
용접 방법으로서,
용접 프로세스 동안에, 좁은 홈을 두고 분리되어 있는 가공물들과 용접 전극 사이에 아크를 형성하는 단계;
용접 프로세스 동안에, 용접 토치 어셈블리 내의 동작 제어 어셈블리에 의해 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키면서, 전극을 용접 토치 어셈블리로부터 급송하여, 용접 비드를 형성하는 단계; 및
상기 아크와 용접 비드를 유지하면서, 상기 좁은 홈 내에서의 전극의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여, 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계
를 포함하는 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 좁은 홈 내에서의 전극의 깊이에 적어도 부분적으로 기초하여, 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 좁은 홈의 길이를 따라서의 전극의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여, 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계는, 상기 소기의 패턴의 기하형상을 변경하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제22항에 있어서, 상기 소기의 패턴의 기하형상을 변경하는 단계는, 상기 소기의 패턴의 크기를 변경하는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
제22항에 있어서, 상기 소기의 패턴의 기하형상을 변경하는 단계는, 상기 소기의 패턴의 형상을 변경하는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계는, 상기 전극의 원형 동작의 주파수를 변경하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계는, 상기 전극의 와이어 급송 속도를 변경하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계는, 상기 용접 토치 어셈블리의 이동 속도를 변경하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계는, 상기 용접 토치 어셈블리의 이동 방향을 변경하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계는, 상기 전극에 인가된 용접 파워의 파라미터를 변경하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접 프로세스의 파라미터를 변경하는 단계는, 가스 흐름의 파라미터를 변경하는 단계를 포함하는 것인 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 용접 토치 어셈블리는 용접 로봇에 장착되는 것인 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 좁은 홈 내에서 복수 패스의 용접을 수행하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제32항에 있어서, 용접의 패스들 사이에 상기 용접 토치 어셈블리의 노즐을 변경하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제19항에 있어서, 상기 소기의 패턴의 기하형상을 변경하는 단계는, 적어도 부분적으로 상기 좁은 홈의 형태에 기초하는 것인 용접 방법.