KR20160054502A

KR20160054502A - 동기형 회전 아크 용접 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20160054502A
Application number: KR1020167007645A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 수; 리차드 마틴 허치슨; 케빈 마이클 스콧; 케빈 파가노; 제임스 리 위커
Original assignee: 일리노이즈 툴 워크스 인코포레이티드
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-05-16
Also published as: JP2016530106A; MX367945B; CN105555456B; US20200156172A1; US10543551B2; WO2015038711A1; MX2016000918A; KR102198122B1; EP3046712A1; CA2918856A1; CN105555456A; US20150076119A1; CA2918856C; US11759879B2

Abstract

본 발명에 따른 용접 방법은, 용접 토치로부터 용접 전극을 축선방향으로 급송하는 단계, 동작 제어 어셈블리에 의해 용접 전극을 용접 토치 내에서 용접 토치의 중심축에 대하여 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 단계, 용접 이음부 또는 용접 풀에 대한 용접 전극의 위치에 대응하는 신호를 제어 회로부터 전송하는 단계, 용접부를 형성하도록 용접 토치 또는 가공물을 전진시키는 단계, 및 재료를 용접 전극으로부터 용접 풀의 영역 내에 있는 제1 위치로 트랜스퍼하는 단계를 포함한다. 용접 전극을 용접 토치로부터 급송하는 동안에 용접 전극이 반경방향으로 움직이며, 용접 전극으로부터의 재료는 소기의 패턴의 제1 사이클 동안에는 제1 위치로 트랜스퍼되고, 상기 제1 위치는 적어도 부분적으로 상기 신호에 기초하여 제어된다.

Description

동기형 회전 아크 용접 방법 및 시스템{SYNCHRONIZED ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2013년 9월 16일자로 "SYNCHRONIZED ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM"이란 명칭으로 출원된 미국 가특허출원 제61/878,404호에 대해 우선권과 이익을 주장하는데, 이 출원은 사실상 그 전체 내용이 본원에 참조로 인용되어 있다.

본 발명은 일반적으로는 용접 기술에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 향상된 자동화 용접 프로세스에 관한 것이다. 본 명세서는 2013년 2월 14일자로 "Adaptable Rotating Arc Welding Method and System"이란 명칭으로 출원된 이전 출원인 미국 특허출원 제13/767,392호와 관련이 있는데, 이 특허출원은 본 명세서에 참조로 인용되어 있다. 본 명세서는 또한 2012년 6월 18일자로 "Metal Cored Welding Method and System"이란 명칭으로 출원된 미국 특허출원 제13/526,278호와, 2012년 11월 20일자로 "DC Electrode Negative Rotating Arc Welding Method and System"이란 명칭으로 출원된 미국 특허출원 제13/681,687호를 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. 비소모성 전극을 이용한 용접 프로세스로는, 필러 재료의 영향을 받지 않는 비소모성 텅스텐 전극을 이용하는, 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접 프로세스를 들 수 있다. 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. 예시적인 프로세스로는, 금속 불활성 가스(MIG) 용접과 펄스 가스 금속 아크 용접(GMAW-P)이 있는데, 이에 국한되는 것은 아니며, 보다 큰 그룹의 일부분을 형성하는 상기한 두 용접 양자 모두를 종종 가스 금속 아크 용접(GMAW)이라 한다. 또한, 특정 실시형태들에서는, 금속 활성 가스(MAG) 프로세스, 플럭스-코어드 아크 용접(FCAW) 프로세스, 메탈-코어드 아크 용접(MCAW) 프로세스 등등과 같은 다른 유형의 용접 프로세스가 실행될 수 있다.

GMAW 용접에서는, 와이어 형태의 전극이, 진행중인 용접 풀(weld pool)에 의해 소모되고, 전극 와이어와 가공물 사이의 아크의 열에 의해 용융된다. 와이어는 용접 토치를 통과하게 스풀로부터 연속적으로 급송되며, 용접 토치에서는 아크를 발생시키도록 와이어에 전하가 부여된다. 이들 프로세스에서 사용되는 전극 유형은 대개 솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어, 또는 메탈 코어드 와이어로서 지칭된다. 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(예컨대, 용적 이행) 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. 일반적으로, 재료 트랜스퍼는 전극(44)의 반경방향 이동에 있어서의 원심력의 도움을 받을 수 있고, 그리고 특정 실시형태들에서는, 이하에 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 전극(44)의 축선방향 이동이 전진[즉, 가공물(14)을 향한] 이동에서 느려지거나 또는 전진[즉, 가공물(14)을 향한] 이동으로부터 후진[즉, 가공물(14)로부터 멀어지는] 이동으로 역전될 때, 전극(44)의 단부에 있는 액상 금속의 기계적 관성과 함께 상기 원심력의 도움을 받을 수 있다.

토치가 진행하고 와이어를 소모함에 따라, 토치는 두 가공물들 사이에 용접 비드로 알려진 필러 재료의 용착물을 남겨둔다. 일반적으로 트랜스퍼 모드 동안에 생성된 용접 비드의 폭은, 개별 작동 파라미터의 함수로서 확인된다. 가공물들 사이의 핏-업(fit-up)에 따라, 용접 비드의 폭은 완성된 용접 제품의 무결성을 보장하기에 충분할 수도 있고 또는 충분하지 않을 수도 있다. 이를 피하기 위해, 용접 작업자는 용접 전에 임의의 가공물 갭에 대한 핏-업을 시각적으로 검출하고 수동으로 보상하여 용접된 부재의 무결성을 보장해야만 한다. 그러나, 자동화 용접 시스템은 이러한 지적인 고려가 부족하며, 좁은 공차 범위를 넘어서는 핏-업 갭을 용납하지 못할 수 있다. 게다가, 가공물들에 있어서 상대적으로 얇은 부분들에 및/또는 용접 비드에 가해진 과도한 열이 용접 비드에 구멍을 형성할 수 있다. 이로써, 완성된 용접 부품들에 대해, 용접 결함이 생길 수 있고, 수동의 재작업을 행하게 될 수 있으며, 최악의 경우에는 폐기 처리하게 될 수 있다.

제조업자들은 항상, 자동화 용접 방법을 개선시키고, 용접된 부재들의 성공률을 높이며, 전체적으로 제조 프로세스의 속도를 높이기 위한 새로운 방식을 찾고 있다. 그러나, 제조업자들이 의지하게 된 높아진 프로세스의 속도와 결부되어 있는 현재의 자동화 용접 기술은, 다수의 완성된 가공물에 있어서 좋지 못한 핏-업을 초래할 수 있다.

일 실시형태에서, 용접 방법은, 용접 토치로부터 용접 전극을 축선방향으로 급송하는 단계, 동작 제어 어셈블리에 의해 용접 전극을 용접 토치 내에서 용접 토치의 중심축에 대하여 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 단계, 용접 이음부 또는 용접 풀에 대한 용접 전극의 위치에 대응하는 신호를 제어 회로부터 전송하는 단계, 용접부를 형성하도록 용접 토치 또는 가공물을 전진시키는 단계, 및 재료를 용접 전극으로부터 용접 풀의 영역 내에 있는 제1 위치로 트랜스퍼하는 단계를 포함한다. 용접 전극을 용접 토치로부터 급송하는 동안에 용접 전극이 반경방향으로 움직이며, 용접 전극으로부터의 재료는 소기의 패턴의 제1 사이클 동안에는 제1 위치로 트랜스퍼되고, 상기 제1 위치는 적어도 부분적으로 상기 신호에 기초하여 제어된다.

다른 실시형태에서, 용접 방법은, 용접 토치로부터 용접 전극을 축선방향으로 급송하는 단계, 동작 제어 어셈블리에 의해 용접 전극을 용접 토치 내에서 용접 토치의 중심축에 대하여 반경방향으로 소기의 이동 패턴으로 이동시키는 단계, 상기 소기의 이동 패턴 내에서의 용접 전극의 위치에 대응하는 신호를 제어 회로부터 전송하는 단계, 용접부를 형성하도록 용접 토치 또는 가공물을 전진시키는 단계, 및 적어도 부분적으로 상기 신호에 기초하여 용접 풀의 영역 및 가공물 중의 적어도 하나에 가해지는 열 패턴을 제어하는 단계를 포함한다. 용접 전극을 용접 토치로부터 급송하는 동안에 용접 전극이 반경방향으로 움직인다.

다른 실시형태에서, 용접 방법은, 가공물과 용접 전극 사이에 아크를 형성하는 단계, 동작 제어 어셈블리에 의해 약 5 ㎐ 내지 200 ㎐의 반경방향 이동 속도로 용접 전극을 용접 토치 내에서 용접 토치의 중심축에 대하여 소기의 패턴으로 이동시키면서, 용접 전극을 용접 토치로부터 급송하는 단계, 용접부를 형성하도록 용접 토치 또는 가공물을 전진시키는 단계, 용접 전류, 용접 전압, 아크 전압, 또는 콘택트 팁과 가공물 사이의 거리에 있어서의 변화를 모니터링하는 것을 통해 가공물의 핏-업 상태를 검출하는 단계, 및 상기 아크를 유지하면서, 적어도 부분적으로 상기 소기의 패턴 내에서의 용접 전극의 위치 및 검출된 핏-업 상태에 기초하여, 하나 이상의 용접 파라미터를 제어하는 단계를 포함한다. 상기 하나 이상의 용접 파라미터는, 용접 전극의 소기의 패턴으로의 반경방향 이동, 용접 전극에 인가된 용접 파워의 파라미터, 용접 토치 이동 속도, 용접 토치 이동 각도 및 용접 토치 각도 중의 적어도 하나를 포함한다.

용접 시스템은, 용접 파워 및 용접 와이어를 받도록 구성된 용접 토치와, 이 용접 토치와 연관된 용접 와이어 동작 제어 어셈블리를 포함한다. 용접 와이어 동작 제어 어셈블리는, 용접 와이어가 용접부를 형성하도록 가공물을 향해 전진될 때 용접 와이어를 이동시키도록 구성되어 있다. 용접 와이어 동작 제어 어셈블리는, 용접 토치의 중심축에 대해 용접 와이어를 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키도록 구성되어 있다. 용접 시스템은, 용접 와이어에 대한 용접 파워를 변경하도록, 그리고 용접 와이어로부터 용접 풀의 외주에 있는 제1 위치로의 재료의 트랜스퍼를 제어하도록 구성되어 있는 제어 회로를 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 도 1의 시스템과 함께 사용하는 메탈 코어드 전극의 말단부의 상세도이다.
도 3은 본 발명 기술의 양태에 따라 메탈 코어드 전극을 이동시키는 것을 보여주는 모식도이다.
도 4는 선 4-4를 따라 취한 도 3의 동작 제어 시스템의 실시형태의 상단면도이다.
도 5는 메탈 코어드 용접 와이어를 이동시키기 위해 원형 패턴을 이용하는 진행중인 용접 비드의 모식도이다.
도 6은 메탈 코어드 용접 와이어용의 타원형 경로를 이용하는 진행중인 용접 비드의 유사한 모식도이다.
도 7은 메탈 코어드 용접 와이어용의 다른 방향의 타원형 경로를 이용하는 진행중인 용접 비드의 또 다른 도면이다.
도 8은 이동하는 메탈 코어드 용접 와이어 전극을 이용하는 진행중인 용접 비드에 대한 예시적인 아크 위치와 트랜스퍼 모드를 보여주는 도면이다.
도 9는 예시적인 강제된 트랜스퍼 자취와 함께 메탈 코어드 용접 전극의 이동을 보여주는 타이밍 다이어그램이다.
도 10은 아크 트랜스퍼 프로세스 동안의 이동 패턴에 있어서 전극의 위치를 나타내는 모식도이다.
도 11은 도 10의 이동 패턴 동안에 전극에 인가된 전류 파형의 타이밍 다이어그램이다.
도 12는 이음부와 이동 패턴의 일 실시형태의 단면도이다.
도 13은 단락 트랜스퍼 프로세스에 있어서 가공물에 대해 상대 이동하는 전극의 일련의 위치들을 보여주는 도면이다.
도 14는 도 13의 위치들에 대응하는 전극에 인가된 전류 파형의 타이밍 다이어그램이다.
도 15는 도 13의 위치들에 대응하는 전극의 원형 이동 패턴을 보여주는 도면이다.
도 16은 도 13의 위치들에 대응하는 전극의 선형 이동 패턴을 보여주는 도면이다.
도 17은 용접 파라미터를 전극의 위치에 대해 동기화하는 것을 보여주는 방법 흐름도이다.
도 18은 초기 용접 파라미터를 갖는 진행 용접 토치 노즐 및 용접 비드를 보여주고, 용접 경로를 따라가다 갭과 마주칠 때 새롭게 조정된 용접 파라미터를 갖는 동일한 용접 토치 노즐의 가상도를 보여준다.
도 19는 용접 파라미터를 조정하기 위해 용접 경로를 따라 핏-업을 검출하고 촬상 및 파라미터 계산 구성요소에 그 정보를 전달하는, 카메라/검출 장치를 보여주는 도면이다.
도 20은 용접 파라미터들 중 하나 또는 복수를 조정해야 하는지를 결정하고 어떻게 조정할지를 결정하는 데 이용되는 예시적인 로직을 보여주는 방법 흐름도이다.
도 21a 및 도 21b는 전극의 진동 운동을 일으키는 데 사용될 수 있는 와이어 스트레이트너 어셈블리의 일 실시형태의 측면도들이다.
도 22는 본원에 기술된 전극 동작 제어 기술을 이용하여 형성된 t-필렛 용접부의 사시도이다.
도 23은 용접 시스템의 제어 구성요소의 개략적인 블록도이다.

도 1은 메탈 코어드 용접 와이어 전극의 이동을 이용하는 예시적인 용접 시스템(10)을 도시하고 있지만, 전술된 바와 같이 이들 기술은 솔리드 와이어 또는 플럭스 코어드 와이어 등과 같은 많은 유형의 와이어와 함께 사용될 수 있다. 시스템(10)은 가공물(14) 상에 용접부(12)를 생성하도록 되어 있다. 용접부는 맞대기 용접부, 겹치기 용접부, 모서리 용접부, 비정상 위치 용접부 등을 비롯한 임의의 원하는 방식으로 맞춰질 수 있다. 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 서플라이(16)에 연결되어 용접 토치(24)에 메탈 코어드 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 회로의 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. 본원에 고려된 실시형태들은 단락 트랜스퍼, 구형 트랜스퍼, 스프레이 트랜스퍼 및 펄스 스프레이 트랜스퍼를 포함하는 (이들에 국한되는 것은 아님) 여러 트랜스퍼 프로세스로 이용될 수 있다. 본원에 고려된 실시형태에 있어서, 제어 회로(28)는 파워 전환 회로(26)를 제어하여, 재료가 메탈 코어드 용접 와이어로부터 진행중인 용접 비드로 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 인터페이스는, 용접 토치 및 메탈 코어드 용접 와이어의 이동에 관련된 특정 파라미터의 선택 수정을 할 수 있게 한다. 예를 들어, 작업자 인터페이스(30)는, 작업자가 전극의 반경방향 이동 속도와 동기화된 용접 파라미터로부터 비례 게인 및/또는 적분 게인을 조정할 수 있게 한다. 끝으로, 파워 서플라이는 가스 소스(18)로부터의 실드 가스의 흐름을 규제하는 밸브(32)를 포함할 수 있다. 실드 가스를 이용하는 것에 추가로 또는 대안으로, 전극과 아크가 플럭스 층 아래에 잠겨 있는 서브머지드 아크 용접(예컨대, SAW) 프로세스가 이용될 수 있다.

와이어 피더(22)는 통상적으로, 스풀(36)로부터의 용접 와이어의 급송을 규제하는, 개괄적으로 도면부호 34로 나타내어진, 제어 회로를 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, 작업 케이블(42)에 의해 파워 서플라이(16)에 연결되어, 전극과 가공물 사이에 전기 아크가 형성되는 경우에, 전극(44)을 통과하는 전기 회로를 완성한다. 이하에서 보다 완전하게 기술되는 바와 같이, 용접 토치로부터 전진하는 전극(44)은, 도면부호 46으로 나타내어진 바와 같이, 예컨대 회전 동작으로, 움직이도록 강제된다.

도 1에 도시된 용접 시스템은 수동 작업을 위해 설계될 수도 있지만, 본 발명 기술에 대한 용례의 대부분은 자동화되어 있다. 즉, 용접 토치(24)는, 용접 토치를 가공물(14)에 대하여 소기의 위치에 배치하도록 프로그램되어 있는 로봇 또는 고정 자동화 시스템에 고정되어 있다. 이때, 로봇은, 전극과 가공물 사이에 아크를 일으키고 용접 토치를 적절하게 정향시키며 미리 정해놓은 경로를 따라 용접 토치를 전진시키는 행동을 취할 수 있는데, 이 경우 두 구송요소를 접합하도록 용접 비드가 형성된다. 이하에서 보다 완전하게 기술되는 바와 같이, 이러한 자동화 용례에서는, 본 발명 기술을 통해, 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 있지만, 본 실시형태에서는 도 2에 예시된 메탈 코어드 용접 와이어를 보여준다. 이러한 용접 와이어는 일반적으로 하나 이상의 메탈 코어(50) 주위에 감겨진, 금속으로 제조된 시스(sheath)(48)를 포함한다. 이러한 메탈 코어드 용접 와이어를 생산하기 위한 다양한 기술이 알려져 있고, 이러한 기술들은 본 발명의 범위 밖에 있다. 특히 접합되는 구성요소들의 야금학, 사용되는 실드 가스의 유형, 용접 비드의 예상 충전 용적(fill volume) 등에 따라, 메탈 코어드 용접 와이어의 특징이, 특정의 용례에 맞춰 선택될 수 있다. 솔리드 와이어와 플럭스 코어드 와이어 중 어느 하나가 전술된 바와 같이 메탈 코어드 와이어 대신에 선택되는 경우, 이들 2개의 와이어 모두에 대해서도 동일한 사항이 적용된다. 도시된 실시형태에서, 메탈 코어드 용접 와이어의 특정 기하구조가 전극 이동의 이점을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있다. 예컨대, 용접 와이어는 통상적으로 소기의 직경(52)을 갖도록 선택된다. 이 직경은 시스 벽 두께(54)와 코어 직경(56)을 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.

현재 고려되는 실시형태에서는, 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.

도 3은 통상적인 용례에서 용접 와이어의 이동을 도시한다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 이음부(58)가 가공물들 사이에 형성되고, 전극(44)이 뻗어나와 있는 용접 토치가 대상으로 삼은 이음부에 근접하여 배치되어 있다. 이때, 접합되는 하부 금속과 전극 사이에 아크가 형성된다. 전극은, 이렇게 형성된 아크와 전극의 움직임을 강제하도록 이동될 수 있는 접촉 요소로부터 나온다. 접촉 요소의 이동을 위하여, 동작 제어 어셈블리(62)가 용접 토치에 마련되어 있다. 이러한 동작을 강제하기 위하여 수많은 기술이 사용될 수 있지만, 가상선으로 도시된 현재 고려되는 장치에 있어서는, 자체적으로 제어되며 시스템의 제어 회로에 의해 파워를 공급받는 모터(66)에 의해, 캠(64)이 돌아가게 된다.

도 1에 도시된 파워 서플라이(16)의 제어 회로(28)[및/또는 와이어 피더(22)의 제어 회로(34)]는 전극(44)의 소기의 이동을 일으키도록 동작 제어 어셈블리(62)를 제어할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 특정 실시형태들에서는, 용접 이음부(58)에 대한 전극(44)의 위치에 관련된 데이터를, 동작 제어 어셈블리(62) 단독으로 생성할 수는 없다. 제어 회로(28)[및/또는 제어 회로(34)]는, 동작 제어 어셈블리(62)에 관련된 데이터를 포함하는 토치(24)에 관련된 데이터를 고려하여, 용접 이음부(58) 또는 용접 풀(74)에 대한 전극(44)의 위치를 나타내는 신호를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 전극(44)의 위치에 관련된 신호는, 용접 프로세스의 여러 파라미터(예컨대, 전류, 전압, 와이어 급송 속도, 및 본원에 기술된 임의의 다른 파라미터)를 제어하도록 제어 회로(28)[및/또는 제어 회로(34)]에 의해 사용될 수 있다. 또한, 특정 실시형태들에서, 제어 회로(28)[및/또는 제어 회로(34)]는 상기 신호를 용접선 추적 용도, 입열 제어 용도, 콘택트 팁과 가공물 사이의 거리(CTWD) 제어 용도, 및/또는 공칭 아크 길이 제어 용도에 사용할 수 있다. 특정 실시형태들에서, 상기 신호는 적어도 부분적으로, 반경방향 이동 제어기로부터의 전극(44)의 반경방향 위치 데이터, 축선방향 이동 제어기로부터의 전극(44)의 축선방향 이동 데이터, 또는 로봇 제어기로부터의 토치 각도 데이터, 이동 각도 데이터, 또는 (예컨대, 이음부 중심으로부터의) 토치 오프셋 데이터에 기초할 수 있다. 또한, 특정 실시형태들에서, 상기 신호는, 적어도 부분적으로 용접 이음부(58) 또는 용접 풀(74)에 대한 전극(44)의 반경방향 위치에 기초할 수 있다.

도 23은 용접 시스템(10)의 제어 구성요소의 개략적인 블록도이다. 도시된 바와 같이, 용접 시스템(10)은 [예컨대, 특정 실시형태들에서는 제어 회로(28) 및/또는 제어 회로(34)를 포함할 수 있는] 주 제어 회로(346)를 포함할 수 있다. 특정 실시형태들에서, 일반적으로 도 3과 관련하여 설명한 모든 토치 요소를 포함하는 용접 토치(24)의 움직임(예컨대, 토치 각도, 이동 각도, 토치 오프셋 등)을 제어하는 것을 책임지는 로봇 제어기(348)가, 용접 이음부(58) 또는 용접 풀(74)에 대한 용접 토치(24)의 위치, 속도, 이동 방향 등에 관련된 데이터를 주 제어 회로(346)에 제공할 수 있다. 또한, 용접 시스템(10) 내에 배치된 용접 프로세스 센서(350)는, 실제 아크 전압 및 전류 등과 같은 용접 프로세스 파라미터에 관련된 데이터를, 주 제어 회로(346) 및/또는 용접 파워 서플라이 전류 제어기(352)[예컨대, 도 1의 파워 서플라이(16)의 파워 전환 회로(26)]에 제공할 수 있다. 일반적으로, 주 제어 회로(346)는, 로봇 제어기(348) 및 용접 프로세스 센서(350)로부터 받은 데이터를 이용하여, 용접 이음부(58) 또는 용접 풀(74)에 대한 전극(44)의 위치에 관련된 신호를 결정할 수 있고, 전극(44)의 반경방향 이동, 전극(44)의 축선방향 이동 및 아크의 용접 파라미터 등을 각각 제어하는 반경방향 모터 제어기(354)(예컨대, 반경방향 이동 제어기), 축선방향 모터 제어기(356)(예컨대, 축선방향 이동 제어기), 및/또는 용접 파워 서플라이 전류 제어기(352)에 제어 신호를 송신할 수 있다. 본원에 기술된 제어 회로 및 제어기 모두는, (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.

특정 실시형태들에서는, 용접 이음부(58) 또는 용접 풀(74)에 대한 전극(44)의 위치 설정에 관련된 데이터를 교정하는 데, 터치 감지 절차가 이용될 수 있다. 이러한 절차는, 전극(44) 또는 용접 토치(24)의 일부분이 가공물(14) 또는 다른 일부 구조에 닿을 때까지, 용접 토치(24)가 이동되는 것을 포함할 수 있고, 제어 회로(28)[및/또는 제어 회로(34)]는 위치를 기록해 둔다. 특정 실시형태들에서, 제어 회로(28)[및/또는 제어 회로(34)]는, 용접 토치(24)가 특정 방식으로 유지되어 있다는 추정과, 생산 변동은 무시해도 좋을 정도라는 추정을 내릴 수 있고, 그에 따라 터치 감지 절차가 필요 없게 된다. 그러나, 상기한 터치 감지 절차는, 제어 회로(28)[및/또는 제어 회로(34)]에 의해 예상되는 위치 데이터를 교정하는 데 도움이 될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 동작 제어 어셈블리(62)는, 접촉 요소(60) 및 전극(44)을 소기의 패턴으로 이동시키도록, 접촉 요소(60)의 측면들(예컨대, 직교하는 측면들)에 연결된 하나 이상의 솔레노이드를 포함한다. 특정 실시형태들에서, 솔레노이드는 접촉 요소(60) 및 전극(44)을 소기의 패턴으로 이동시키도록 보이스 코일을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "패턴"은 하나의 이동 사이클 동안에 있어서 전극(44)의 위치의 진행을 내포하도록 의도되어 있는데, 상기 사이클은 시작 위치와 동일한 위치에서 끝나는 것이다. 다시 말하자면, 상기 위치, 예컨대 전극(44)의 단부의 위치는, 상기 패턴의 하나의 사이클을 용접 토치(24)에 대한 축선방향 및 반경방향 위치에서 시작할 수 있고, 이 사이클 동안에 변화하는 용접 토치(24)에 대한 축선방향 및 반경방향 위치를 갖는 경로를 가로지를 수 있으며, 사이클의 시작 시와 대략 동일한 용접 토치(24)에 대한 축선방향 및 반경방향 위치에서 사이클을 끝낼 수 있다. 이에 따라, 상기 패턴은 폐쇄형 패턴이라 할 수도 있다.

또한, 본원에 기술된 전극(44)의 축선방향 및 반경방향 패턴은 용접 토치(24)의 고정 본체의 관점에서 본 것임을 주목해야 할 필요가 있다. 보다 구체적으로, 작동 시에, 로봇 제어기[예컨대, 도 23에 도시된 로봇 제어기(348)]가 용접 토치(24)의 본체를 이동시킬 것이지만, 이러한 동작은 본원에 기술된 전극(44)의 이동의 패턴과는 관계없는 것이다. 다시 말하자면, 본원에 기술된 바와 같이 전극(44)의 이동의 패턴은, 전극(44)의 관점에서 보았을 때 정지해 있는 것으로 추정되는 [그러나 실제로는 이와는 달리 용접 토치(24)의 본체는 독립적으로 이동하고 있을 수 있음] 용접 토치(24)의 본체에 대한 것이다. 동작 제어 어셈블리(62)는, 용접 토치(24)의 본체에 대해 상대 이동하는 특정 구성요소를 구비하는 것이며, 예를 들어 로봇 제어기(348)에 의해 개별적으로 이동될 수 있는, 용접 토치(24)의 다른 구성요소[예컨대, 접촉 요소(60) 등]로 인하여, 용접 토치(24)의 본체에 대한 전극(44)의 축선방향 및 반경방향 이동이 유발되게 하는 것으로 이해될 것이다.

도 4는 선 4-4를 따라 취한 도 3의 동작 제어 어셈블리(62)의 실시형태의 상측 단면도이다. 접촉 요소(60)에 연결된 제1 솔레노이드(300) 또는 보이스 코일이 전극(44)을 제1 축(302)을 따라 이동시킬 수 있고, 접촉 요소(60)에 연결된 제2 솔레노이드(304) 또는 보이스 코일이 전극(44)을 제2 축(306)을 따라 이동시킬 수 있다. 제어 회로(28)는 하나 이상의 솔레노이드 제어기(308)에 공급된 제어 신호를 통하여 상기 소기의 패턴에 따른 전극(44)의 이동을 제어할 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 동작 제어 어셈블리(62)는, 접촉 요소(60)를 소기의 패턴으로 끌어당기거나 밀어내도록, 접촉 요소(60)의 측면들(예컨대, 직교하는 측면들)에 연결된 영구 자석 및/또는 전자석을 포함한다. 또한, 하나 이상의 압전 액추에이터, 하나 이상의 리니어 액추에이터, 하나 이상의 리니어 모터, 하나 이상의 유성 기어, 또는 이들의 임의의 조합이, 접촉 요소(60)의 측면들(예컨대, 직교하는 측면들)에 연결될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 제1 솔레노이드(300)는 접촉 요소(60)를 제1 축(302)을 따라 제1 주파수로 이동시킬 수 있고, 제2 솔레노이드(304)는 접촉 요소(60)를 제2 축(306)을 따라 제2 주파수로 이동시킬 수 있다. 제1 및 제2 주파수는 서로 같거나 또는 서로 다를 수 있다. 위 내용에서 보듯이, 주파수들은 접촉 요소(60) 및 전극(44이을 실질적으로 이동 영역(310) 내의 임의의 지점으로 이동하는 것을 제어하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 접촉 요소(60)를 리사주(Lissajous) 곡선을 따라 소기의 패턴으로 이동시키도록 제1 및 제2 솔레노이드(300, 304)를 제어할 수 있다. 동작 제어 어셈블리(62)는, 동작 제어 어셈블리(62)에 의해 다른 방식으로 제어되고 있는 경우 외에는, 접촉 요소(60)를 실질적으로 중립 위치(314)에 위치시키도록 접촉 요소(60)에 연결되어 있는 하나 이상의 바이어스 요소(312)(예컨대, 스프링)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 접촉 요소(60)와 전극(44)은, 동작 제어 어셈블리(62)의 제어 및 기하구조에 의해 결정되는 대로 소정의 주파수 및 소정의 패턴으로 이동하도록 강제된다. 일부 실시형태들에서, 작업자는 전극의 이동을 제어하는 모터의 가속 및/또는 감속을 조정할 수 있다.

도 3을 다시 참조해 보면, 접촉 요소(60)의 팁과 그에 따라 전극(44)은, 토치(24)의 축(57)으로부터 소정 거리 또는 반경(68)으로 이동될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 이 동작에 대하여 다양한 패턴들이 이용될 수 있다. 패턴은 이음부(58)에 대해 대칭 또는 비대칭 패턴일 수 있다. 이하에 설명하는 바와 같이, 소기의 패턴은 토치(24)의 축(57)에 수직한 평면 내에 반경방향 부분을 갖는다. 일부 실시형태들에서, 소기의 패턴은, 전극(44)이 토치(24)의 축(57)을 따라 이동할 수 있게 하는, 예를 들어 이음부(58) 안으로 및/또는 밖으로 이동할 수 있게 하는, 축선방향 부분을 갖는다. 예를 들어, 전극(44)은, 형성된 아크가 상대적으로 얇은 가공물에 비해 상대적으로 두꺼운 가공물을 더 가열하도록 이동될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 형성된 아크는, 용접 비드에 의해 접합될 수 있는 핏-업 갭의 공차 범위를 용접 시스템(10)이 확장할 수 있게 하기 위해, 가공물에 인가되는 열 패턴을 제어하도록 이동될 수 있다. 이 프로세스 동안에 전극(44)이 전진되어 소기의 용접 비드를 형성한다. 또한, 전체 어셈블리는, 도면부호 70으로 나타내어진 바와 같이 소기의 이동 속도로 이동된다.

도 5는 전극(44)의 특정 패턴의 동작과 함께 진행중인 예시적인 용접 비드(72)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(74)의 뒤에서 진행된다. 도 5의 실례에서 전극은 도면부호 76으로 나타내어진 바와 같이 대략 원형 패턴으로 이동된다. 전극이 용접 퍼들(74)과 가공물의 주변 영역에 충분히 접근해 있도록, 상기한 동작이 용접 토치의 이동 속도와 조화를 이루게 되어, 아크를 유지하고 아크를 이들 영역 사이에서 이동시키며, 전극과 주변 금속을 가열하면서 용접 퍼들을 유지할 수 있는 것으로, 현재 고려되고 있다. 후술하는 바와 같이, 또한 와이어 급송 속도, 전극의 이동 속도 또는 주파수, 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 6은 전극의 이동에 관한 다른 가능한 패턴으로서, 이 경우에는 대략 타원형 패턴(78)을 보여준다. 이 경우에 타원은, 용접부 및 토치의 이동 방향을 따라 장축(80)을 갖고 상기 이동 방향을 가로지르는 단축(82)을 갖는다. 또한, 도 7은, 다른 가능한 패턴, 즉 타원형 이동의 장축(80)이 용접부 및 토치의 이동 방향을 가로지르고 있는, 가로 타원형 패턴(84)을 보여준다. 그러나, 임의의 소기의 패턴이 이용될 수도 있고, 동작 제어 어셈블리가 특히 이들 패턴을 구현하도록 되어 있을 수 있다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 상기 소기의 패턴은 하나 이상의 직선 및/또는 하나 이상의 곡선을 갖는 패턴을 포함할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 일부 실시형태들에서, 상기 소기의 패턴은 패턴 내에 중지부 또는 중단부, 예컨대 동작 제어 어셈블리가 전극(44)을 이동시키지 않는 시간 간격 등을 포함할 수 있다. 상기 소기의 패턴은 원, 타원, 지그재그, 8자, 가로 왕복 라인, 초승달 모양, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 비선형 패턴, 비대칭 패턴, 중지부, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 위 내용에서 보듯이, 특정 용접부 및/또는 용접 위치에 대해 패턴 또는 패턴의 조합이 사용될 수 있고 최적화될 수 있다.

도 8은 메탈 코어드 용접 와이어가 강제된 움직임을 갖고서 이용될 때 작용하는 것으로 고려되는 예시적인 용착 및 침투 체제를 보여준다. 즉, 전극(44)은 접합되는 가공물들(86 및 88) 사이에서 이동된다. 가공물들 내로 침투하는 용접 비드(90)로서, 용접 비드가 전진함에 따라 대략 편평한 표면을 생성하는 용접 비드가 형성된다. 도 8의 도해에서, 도면 부호 92는 가공물(86)을 향한 용접 와이어의 시스(48)의 최대 접근을 나타내는 반면에, 도면 부호 94는 가공물(88)쪽으로의 시스(48)의 최대 접근을 나타낸다.

본 실시형태에서, 메탈 코어드 용접 와이어와 가공물 및/또는 진행중인 용접 퍼들 사이에 형성된 아크는 단지 시스(48)와 이들 요소 사이에만 존재하는 것으로 여겨진다. 따라서, 특유의 트랜스퍼 위치들이 도면 부호 98에 의해 나타내어진 바와 같이 형성된다. 결과적으로 생성된 용접부는, 솔리드 와이어 전극을 사용하여 전극 운동에 의해 형성될 수 있는 유사한 용접부보다 더 편평한 것으로 관찰되었다. 게다가, 향상된 모재에의 침투가 도면부호 100에 의해 나타내어진 바와 같이 얻어지는 것으로 여겨진다. 그러나, 이는 사용 가능한 임의의 특정 유형의 와이어에 대한 한정으로서 봐서는 안 될 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술은 메탈 코어드 와이어 이외에도 솔리드 와이어 및 플럭스 코어드 와이어와 함께 사용될 수 있다.

전극(44)이 소기의 동작 패턴[예컨대, 원형 패턴(76)]으로 이동함에 따라, 전극(44)으로부터의 재료가 용착된다. 본원에서, 와이어 급송 속도 및 콘택트 팁과 가공물 사이의 거리(CTWD) 파라미터는 토치(24)의 축(57)에 대한 축선방향 이동으로서 정해질 수 있는 반면에, 토치(24)의 축에 수직한 평면에서의 전극(44)의 이동은 반경방향 이동으로서 정해질 수 있다. 전극(44)의 반경방향 이동은, 토치(24)의 축에 수직한 평면에서의 소정 패턴[예컨대, 원형 패턴(76)]의 움직임과, 토치(24)의 축에 수직한 평면에서의 전극(44)의 회전(예컨대, 스핀) 이동을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 반경방향 이동은 전극(44)의 축선방향 이동과는 별개로 제어될 수 있다. 따라서, 전극(44)의 용착 속도는 실질적으로 전극(44)의 반경방향 이동과는 별개일 수 있다. 예를 들어, 용접 시스템(10)은, 전극을 축선방향으로 후퇴시키지 않고서 반경방향 이동을 제어하는 것을 통해, 이음부에 대한 열 및/또는 필러 재료의 적용을 제어할 수 있다. 위 내용에서 보듯이, 전극을 축선방향으로 후퇴시키는 것은, 필러 재료의 용착 속도에 영향을 미칠 수 있다.

상기 기술에 있어서 변경될 수 있는 파라미터에는, 전극의 반경방향 이동 속도, 정상 또는 중앙 위치에 대한 전극의 이동 정도 등과 같은 인자들이 포함될 수 있다. 특히, 물론 본 발명은 원형 패턴에 제한되는 것이 아니지만, 원형 패턴이 이용된 경우에는, 약 50 ㎐의, 그리고 100 ㎐ 내지 120 ㎐ 및 그 이상에 이르는 반경방향 이동의 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 가공물과 접속되어 있게 된다. 본원에 기술된 바와 같이, 전극(44)의 반경방향 이동 속도는, 용융 볼이 가공물, 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 이동의 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. 비교적 높은 전극(44)의 반경방향 이동 속도는, 용접 토치(24)의 특정 부분만을, 전체 용접 토치(24)와는 대조적으로 진동시킴으로써 달성되는 것을 주목해야 할 필요가 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 특정 실시형태들에서는, 접촉 요소(60) 및 전극(44)만이 동작 제어 어셈블리(62)에 의해 진동하게 될 수 있다. 이러한 식으로, 관성 요건이 감소됨으로써, 비교적 높은 전극(44)의 반경방향 이동 속도가 가능하게 된다.

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, 도 8 또는 원형 이동 패턴은 지그재그 이동 패턴에 비해 낮은 반경방향 이동 속도를 가질 수 있다. 또한, 현재 반경방향 이동의 직경은 약 1.0 ㎜ 내지 1.5 ㎜ 정도로 고려되어 있지만, 보다 큰 직경, 예컨대 약 4.0 ㎜ 정도의 직경이 요망될 수도 있다. 또한, 가스 흐름과 동기화된 또는 조화된 전극 이동을 제공하는 것이 바람직할 수 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, 구심력)으로 인하여, 용접 퍼들은 메탈 코어드 전극이 이동함에 따라 보다 양호하게 이동할 수 있는 것으로 고려된다. 이에 따라, 이 프로세스는 이전의 프로세스에 비해 저온에서 진행될 수 있다. 또한, 특정 유형의 가공물 및 가공물 야금학에도, 특히 아연 도금 가공물에도, 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 및 플럭스 코어드 와이어는 본 발명 기술과 함께 사용될 수 있을 뿐만 아니라 각각이 프로세스에 대해 고유의 이점을 제공할 수 있다.

도 9는 전극 팁으로부터 재료의 트랜스퍼가 강제되고 있는 메탈 코어드 용접 전극의 이동과 관련된 예시적인 타이밍 다이어그램을 도시하고 있다. 도 9의 다이어그램에서, 전극 팁 이동은 시간 경과에 따른 자취 102로 나타내어져 있는 한편, 강제된 트랜스퍼는 자취 104로 나타내어져 있다. 원형 이동 패턴에서, 대략 사인 곡선형 동작이, 진행중인 용접 비드 또는 퍼들 내의 임의의 특정 지점, 또는 이음부의 임의의 특정 위치의 관점으로부터 예상될 것이다. 이 동작에서의 점 106에서, 전극의 시스는 가공물의 모재의 측면들에 가장 가깝게 접근할 수 있다. 용접 프로세스는, 예를 들어 도면부호 108에 의해 대략적으로 나타내어진 바와 같이, 이들 위치에서 전극으로부터 재료의 트랜스퍼를 강제 또는 향상시키도록, 펄스형 용접 체제의 제어에 의해 또는 정전압 용접 체제 동안의 전류의 제어에 의해, 조정될 수 있다. 이러한 시간들은 시간(110)에 의해 나타내어진 바와 같이 통상적으로 주기적으로 생길 것이다. 이들 및 다수의 다른 제어 체제가 전술된 바와 같이, 메탈 코어드 용접 전극의 동작과 트랜스퍼 모드를 조화시키기 위해, 특히 전극의 시스와만 아크를 형성하는 것을 이용하기 위해 고려될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술은 메탈 코어드 와이어 이외에도 솔리드 와이어뿐만 아니라 플럭스 코어드 와이어와도 함께 사용될 수 있기 때문에, 이는 예시적인 예로 보아야 한다.

전극(44)의 반경방향 이동은, 하나 이상의 특정 지점에서 재료를 이음부에 대해 소기의 패턴을 따라 트랜스퍼할 수 있게 하도록, 전극 팁으로부터의 재료의 강제된 트랜스퍼와 동기화될 수 있다. 재료의 강제된 트랜스퍼는, 전류가 제어되는 정전압 트랜스퍼 모드 및/또는 펄스 트랜스퍼 모드로부터의 펄스형 전류 및/또는 전압에 기인할 수 있다. 도 10은 두 가공물(14a, 14b) 사이의 이음부(58) 상의 접선방향(204)에 있어서 전극(44)의 소기의 패턴의 반경방향 부분(202)을 보여준다. 도 10에 도시된 소기의 패턴의 반경방향 부분(202)은 대략 원형 패턴(76)이지만, 전술한 다른 소기의 패턴이 전극 팁으로부터의 재료의 강제된 트랜스퍼와 동기화될 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 제어 회로(28)는, 전극(44)이 이동 방향(206)으로 이동할 때 가공물들(14a, 14b)과 용접 풀(74)에 인가되는 열(예컨대, 가열 패턴)을 제어하도록, 전극(44)의 이동과 아크의 형성을 제어한다. 이음부(58) 상의 용접 풀(74)에의 입열을 감소시킴으로써, 진행중인 용접 비드(72)에서의 용접 결함(예컨대, 구멍, 박화, 용락)이 줄어들 수 있다. 구체적으로, 용접 풀(74)의 앞부분(208)에의 입열을 감소시킴으로써, 용접 비드(72)에서의 용접 결함이 줄어들 수 있다.

예를 들어, 제어 회로(28)는, 위치 Ⅱ에서 전극(44)으로부터 분리되는 첫 번째 볼을 형성하는 위치 I에서, 전극(44)을 가열하도록 아크를 제어한다. 상기 첫 번째 볼은, 전극(44)에 대한 첫 번째 볼의 접선방향 이동으로 인해, 대략 용접 풀(74)의 영역 211 내의 위치 210에 [예컨대, 가공물(14a)의 루트(root) 면 또는 측벽 상에, 용접 풀(74)의 측면 상에] 용착될 수 있다. 제어 회로(28)는, 위치 Ⅳ에서 전극(44)으로부터 분리되는 두 번째 볼을 형성하는 위치 Ⅲ에서, 전극(44)을 가열하도록 아크를 제어한다. 첫 번째 볼과 유사하게, 상기 두 번째 볼은, 전극(44)에 대한 두 번째 볼의 접선방향 이동으로 인해, 대략 용접 풀(74)의 영역 211 내의 위치 212에 [예컨대, 용접 풀(74)의 뒷부분(214)에, 고화되고 있는 용접 비드(72) 상에] 용착될 수 있다. 제어 회로(28)는, 위치 Ⅵ에서 전극(44)으로부터 분리되는 세 번째 볼을 형성하는 위치 V에서, 전극(44)을 가열하도록 아크를 제어한다. 상기 세 번째 볼은, 전극(44)에 대한 세 번째 볼의 접선방향 이동으로 인해, 대략 용접 풀(74)의 영역 211 내의 위치 216에 [예컨대, 가공물(14b)의 루트 면 또는 측벽 상에, 용접 풀(74)의 측면 상에] 용착될 수 있다. 제어 회로(28)는, 용접 풀(74)의 앞부분(208)에서 용착될 수 있는 볼을 전극(44)이 형성하지 않도록 아크를 제어할 수 있다. 본원에서 설명한 바와 같이, 용접 풀(74)의 영역 211은 용접 풀(74)의 중앙(215)으로부터 대략 거리 213에 있을 수 있고, 이 경우 거리 213은 적어도 부분적으로 용접 풀(74)의 폭(217) 및/또는 이음부(58)의 폭(219)에 기초한다. 예를 들어, 거리 213은 용접 풀(74)의 폭(217)의 대략 2배, 3배, 4배 또는 5배보다 작거나, 또는 거리 213은 이음부(58)의 폭(219)의 대략 2배, 3배, 4배, 5배, 6배, 7배, 8배, 9배 또는 10배보다 작을 수 있다. 영역 211은 가공물들 사이의 이음부(58), 용접 풀, 가공물의 측벽, 또는 고화되고 있는 용접 비드(72)의 일부분, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

위치 210 및 216은 용접 풀(74)보다 두꺼울 수 있다. 따라서, 제어 회로(28)는, 용접 풀(74)보다는 가공물들에 위치 210 및 216에서 열을 더 가하도록, 아크와 전극(44)의 이동을 동기화시킬 수 있다. 일부 실시형태들에서, 동작 제어 어셈블리(62)는, 이음부에 대한 전극(44)의 위치에 대응하는 신호를 제어 회로(28)에 공급한다. 제어 회로(28)는 이 위치 신호를 이용하여 가공물에 대한 열의 인가를 동기화시킬 수 있고 및/또는 용접 풀(74)에의 재료의 트랜스퍼를 동기화시킬 수 있다. 전극 위치로의 재료의 트랜스퍼를 동기화시킴으로써, 용접 시스템은, 제어된 전극 재료의 인가를 통해 이음부를 형성하도록 핏-업 공차 윈도우를 증대시킬 수 있게 된다. 일부 실시형태들에서, 제어 회로(28)는 용접 풀(74)의 뒷부분(214)에 있는 위치 212 보다 또는 용접 풀(74)의 앞부분(208) 보다 위치 210 및 216에서 전극(44)으로부터 더 많은 볼을 용착시키도록 아크를 제어한다. 위 내용에서 보듯이, 용접 풀(74)의 앞부분(208)은 용접 풀(74)의 뒷부분(214)에 비해 얇을 수 있다. 제어 회로(28)는 용접 풀(74)의 앞부분(208) 보다 용접 풀(74)의 뒷부분(214), 측면(예컨대, 위치 210 및 216), 또는 중간부에서 전극(44)으로부터 더 많은 볼을 용착시키도록 아크를 제어할 수 있다.

도 11은 도 10에 도시된 소기의 패턴의 반경방향 부분(202)을 따라 전극(44)이 이동하는 동안에 전극(44)에 인가되는 전류 파형(222)의 그래프(220)이다. 전류 파형(222)은 펄스 프로세스 또는 정전압 프로세스에 따라 제어될 수 있다. 제어 회로(28)가 전극(44) 상에 볼을 형성하도록 아크를 제어하고 있는 곳인 위치 I, Ⅲ 및 V에 전극(44)이 있을 때, 전류 파형(222)은 상대적으로 높다. 볼이 전극(44)으로부터 분리되는 때인 위치 Ⅱ, Ⅳ 및 Ⅵ에 전극(44)이 있을 때, 전류 파형(222)은 상대적으로 낮다. 위 내용에서 보듯이, 이들 위치 Ⅱ, Ⅳ 및 Ⅵ에서의 전류 파형의 하락을 통해, 이들 위치에서 전극(44) 및/또는 가공물(14a, 14b)의 가열이 감소될 수 있고, 용접 풀(74)로부터의 스패터링이 감소될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 전류 파형(222) 및/또는 전류 파형(222)의 극성은, 적어도 부분적으로 전극(44)의 이동에 기초한 패턴을 갖는다. 예컨대, 위치 I, Ⅱ 및 Ⅲ에서는 가공물의 산화물을 음극 세정하기 위해 전극(44)이 양극성을 가질 수 있고, 위치 Ⅳ, V 및 Ⅵ에서는 가열을 증대시켜 전극(44)의 용융 속도를 증대시키기 위해 전극(44)이 음극성을 가질 수 있다. 일부 실시형태들에서, 전류 파형(222)의 주기(224)는 전극(44)의 반경방향 이동(예컨대, 진동)의 속도와 관계가 있을 수 있다. 예컨대, 전류 파형(222)의 주기(224)(초)는 대략 전극(44)의 반경방향 이동의 속도(㎐)의 역일 수 있다. 특정 실시형태들에서, 전류 파형(222)은 또한 본원에 기술된 바와 같이 전극(44)의 축선방향 이동의 함수일 수 있는 것으로 이해될 것이다.

일부 실시형태들에서, 소기의 패턴은, 전극(44)이 토치의 축에 대해 축선방향으로 이동하는 축선방향 부분을 갖는다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 특정 실시형태들에서, 동작 제어 어셈블리(62)는, 접촉 요소(60)를 축(57)을 따라 축선방향으로 병진 이동시켜, 전극(44)이 용접 이음부(58)에 더 가까워지게 하거나 또는 더 멀어지게 하도록 구성될 수 있고, 그 결과 축(57)에 대략 수직한 평면에서 일어나는 이동의 반경방향 부분 이외에도 [예컨대, 축(57)에 대해 평행한] 이동의 축선방향 부분이 가능해진다. 이에 따라, 용접 이음부(58)에 대한 전극(44)의 동작은 사실상 3차원일 수 있다. 다시 말하자면, 동작 제어 어셈블리(62)는, 용접 이음부(58)에 대해 3차원 동작 패턴을 형성하도록, 축(57)에 대해 대략 수직한 평면에서 전극(44)의 위빙 패턴을 형성하는 능력 이외에도, 전극(44)을 축선방향으로 이동시키는 능력을 가질 수 있고, 본원에 기술된 바와 같이, 이러한 3차원 동작 패턴에는, 이 3차원 동작 패턴을 따라서의 서로 다른 지점들에 있어서 특정 용접 파라미터(예컨대, 전류, 전압, 입열, 극성, 와이어 급송 속도 등)의 변경이 수반될 수 있다. 이 3차원 패턴은 전극(44)의 축선방향 이동 및 반경방향 이동의 조화를 통해 발생되는 굴곡부 및/또는 만곡부를 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한, 특정 실시형태에서는, 접촉 요소(60)의 병진을 통해 전극(44)의 병진을 가능하는 것에 추가로(또는 대안으로), 제어 단락(CSC) 트랜스퍼 프로세스가, 와이어를 반경방향 동작과 동기화하여 축선방향으로 이동시키기 위해 전진 및 후진 이동시키는 데 사용될 수 있고, 그 결과, 3차원 패턴의 동작의 형성이 가능해진다.

도 12는 가공물들(14a, 14b) 사이의 이음부(58)와 소기의 패턴(160)의 일 실시형태의 단면도이다. 토치는 전극(44)을 이동 방향(162)으로 이동시키는데, 이 이동 방향은 도 12의 단면 평면의 밖으로 나오는 것으로서 이해될 수 있다. 소기의 패턴(160)은 반경방향 부분을 포함하고 축선방향 부분을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 제어 회로(28)는 동작 제어 어셈블리(62)를 통해 상기 축선방향 부분을 제어한다. 추가적으로 또는 대안으로서, 제어 회로(28)는 토치(24)의 이동을 제어하는 것을 통해, 예컨대 용접 로봇 또는 기계화된 토치 조종기를 통해, 상기 축선방향 부분을 제어할 수 있다. 소기의 패턴(160)의 반경방향 부분은, 토치의 축(57)에 수직한 평면에 있어서의 제1 반경방향 위치(162)와 제2 반경방향 위치(164) 사이에서 전극(44)의 반경방향 이동을 포함한다. 소기의 패턴(160)의 축선방향 부분은, 제1 축선방향 위치(166)와 제2 축선방향 위치(168) 사이에서 축(57)에 대해 축선방향으로의(예컨대, 평행한) 전극(44)의 이동을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 상기 축선방향 부분은, 전극(44)이 이음부(58)의 기하학적 구조를 실질적으로 따라 이동할 수 있게 하도록 상기 반경방향 부분과 동기화된다. 예를 들어, 소기의 패턴의 축선방향 부분은 전극을 가공물(14a)로부터 제1 거리(170) 오프셋시키고 가공물(14b)로부터 제2 거리(172) 오프셋시킬 수 있는데, 이 경우 제1 거리(170)가 제2 거리(172)와 같다고는 할 수 없다. 일부 실시형태들에서, 제1 거리(170) 및/또는 제2 거리(172)는 이음부(58)의 중심에 관하여 달라질 수 있다.

제어 회로(28)는 전극의 소기의 패턴의 축선방향 부분을 제어할 수 있다. 전극(44)은 축선방향 이동 속도로 상기 축선방향 부분을 통과해 이동한다. 일부 실시형태들에서는, 상기 반경방향 부분을 통과하는 전극의 1회, 2회, 3회, 4회, 5회 또는 그 이상의 사이클마다 상기 축선방향 부분을 통과하는 전극의 사이클이 1회 진행되도록, 상기 축선방향 이동의 속도를 상기 반경방향 이동의 속도와 동기화시킨다. 예를 들어, 소기의 패턴은, 전극이 상기 축선방향 부분의 1회 사이클마다 상기 반경방향 부분의 1회 이상의 사이클을 끝마치는 나선형 패턴을 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, 제어 회로(28)는 용접 전극을 이동시키는 사이클 동안에 전극(44)의 이동 속도(예컨대, 반경방향 이동 속도 및/또는 축선방향 이동 속도)를 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(28)는 가공물(14a) 상에서 전극을 제1 이동 속도로 이동시키고 및/또는 정지시킬 수 있는 반면에, 제어 회로(28)는 가공물(14b) 상에서 전극을 다른 제2 이동 속도로 이동시킬 수 있다.

일부 실시형태들에서, 상기 축선방향 부분은 가공물의 재료 및/또는 가공물의 두께에 기초한다. 예를 들어, 일부 재료는 다른 재료에 비해 높은 용융 온도를 가질 수 있고, 이러한 높은 용융 온도는 볼을 가공물과 함께 습윤시키기 위해 가공물에 가해지는 열의 양에 영향을 미친다. 소기의 패턴(160)의 축선방향 부분을 제어함으로써, 열이 이음부(58)에서 가공물(14)에 인가되는 곳을 제어 회로(28)가 제어할 수 있게 된다. 일부 실시형태들에서는, 소기의 패턴의 축선방향 부분을 제어함으로써, 용접 풀(74)에 있어서 볼이 트랜스퍼되는 영역(211)을 제어 회로(28)가 조정할 수 있게 된다. 예를 들어, 전극(44)으로부터 용접 풀(74)까지 또는 가공물(14)의 측벽까지의 거리를 조정함으로써, 볼이 분리되었을 때 분리된 볼이 접선 방향(204)으로 이동할 수 있는 거리가 조정된다.

일부 실시형태들에서, 제어 회로(28)는 소기의 패턴에 있어서 전극의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 극성 및/또는 트랜스퍼 프로세스를 조정한다. 용접 프로세스 동안에 극성 및/또는 트랜스퍼 프로세스를 제어함으로써, 가공물 및 전극에 인가되는 열 프로파일이 변경될 수 있다. 또한, 용접 프로세스 동안에 극성 및/또는 트랜스퍼 프로세스를 제어함으로써, 스패터링의 양, 형성된 볼의 크기, 또는 형성된 볼의 수량, 또는 이들의 임의의 조합이 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(28)는 가공물(14a)에 있어서 위치 174에서는 트랜스퍼 프로세스를 펄스 또는 펄스 스프레이 트랜스퍼 프로세스로 제어할 수 있고, 위치 176에서는 트랜스퍼 프로세스를 단락 트랜스퍼 프로세스(예컨대, RMD™)로 제어할 수 있다. 이음부(58)를 가로질러서, 제어 회로(28)는, 가공물(14a)에 비해 얇거나 및/또는 낮은 용융점을 가질 수 있는 가공물(14b)에 있어서, 위치 178에서는 트랜스퍼 프로세스를 제어 단락(CSC) 트랜스퍼 프로세스로 제어할 수 있다. 이용될 수 있는 트랜스퍼 프로세스로는, 펄스, 스프레이, 구형 단락(예컨대, RMD™), 전극 후퇴를 갖는 제어 단락(CSC), 매립 아크, 서브머지드 아크, 핫 와이어, 축선방향 단락 클리어, 반경방향 단락 클리어, 또는 교류, 또는 이들의 임의의 조합을 들 수 있지만, 이들에 국한되는 것은 아니다. 반경방향 단락 클리어 트랜스퍼 프로세스에서, 전극은 반경방향에서 용접 풀과의 단락을 형성하고 및/또는 이 단락에서 나간다. 즉, 전극은, 예컨대 소기의 패턴에서의 반경방향 이동을 통해, 반경방향으로 용접 풀 안으로 그리고 밖으로 이동할 수 있다. 축선방향 단락 클리어 트랜스퍼 프로세스에서, 전극은 축선방향에서 용접 풀과의 단락을 형성하고 및/또는 이 단락에서 나간다. 즉, 전극은 축선방향으로 용접 풀 안으로 그리고 밖으로 이동할 수 있다. 위 내용에서 보듯이, 축선방향에서의 전극의 이동에는, 토치의 축선방향 이동, 토치를 통해 용접 풀에 전극을 급송하는 것, 또는 전극을 용접 풀로부터 후퇴시키는 것, 또는 이들의 임의의 조합이 포함될 수 있지만, 이들에 국한되는 것은 아니다.

제어 회로(28)는 단락 용접 프로세스[예컨대, RMD™(regulated metal deposition)]에서의 작동 중에 전극(44)을 반경방향으로 이동시킬 수 있다. 도 13은 전극(44)이 이동 패턴[예컨대, 원형 패턴(74)]을 따라 이동하고 토치(24)가 방향 228로 이동할 때, 전극(44)이 반경방향 단락 트랜스퍼 프로세스를 통해 재료를 용접 풀(74)에 트랜스퍼하는 것을 보여주는 일련의 도면이다. 도 13은 용접부의 종축에서의 용접 풀(74)의 단면도이다. 위치 A에서는, 제어 회로(28)가 전극(44)을 통해 아크를 형성하여 전극(44)의 팁에 볼(232)을 형성할 때, 전극(44)이 토치(24)의 축(230)을 따라 항행하고 있다. 위치 B에서는, 제어 회로(28)가 동작 제어 어셈블리(62)를 제어하여 전극(44)과 부착된 볼(232)을 가공물(14)과 용접 풀(74)을 향하는 방향 234로 이동시킨다. 이하에 설명하는 바와 같이, 일부 실시형태들에서, 제어 회로(28)는 전극(44)과 용접 풀(74) 사이의 단락을 예측하여 전극(44)에 공급되는 전류를 감소시키도록 파워 전환 회로(26)를 제어한다. 위치 C에서는, 부착된 볼(232)이 용접 풀(74)과 접속(예컨대, 융합, 용융, 습윤, 접촉)하여 전극(44)과 가공물(14) 사이에 단락을 형성하도록, 제어 회로(28)가 동작 제어 어셈블리(62)를 계속 제어하여 전극(44)을 가공물(14)을 향해 반경방향으로 이동시킨다. 위치 C에서, 볼(232)은 전극(44)으로부터 용접 풀(74)을 향해 분리되기 시작할 수 있다. 축(230)으로부터의 거리가 도면부호 236에 상당하는 위치 D로 전극(44)을 이동시키도록, 제어 회로(28)가 동작 제어 어셈블리(62)를 제어한 경우, 볼(232)은 계속 전극(44)으로부터 분리될 수 있고 용접 풀(74)과 통합될 수 있다. 거리 236은 이동 패턴의 반경일 수 있다.

위치 D에서부터는, 전극(44)을 반경방향으로 용접 풀(74)로부터의 반대 방향(238)으로 이동시켜 단락을 클리어하도록, 제어 회로(28)가 동작 제어 어셈블리(62)를 제어한다. 일부 실시형태들에서는, 위치 E에서, 제어 회로(28)는 전류 레벨이 낮은 용접 풀(74)로부터의 전극(44)의 분리를 아크 전압으로부터 감지한다. 위치 F에서는, 전극이 다시 이음부(58)의 축(230)을 따라 항행하고 있을 때, 전극(44)에 다른 볼(232)을 형성하도록, 제어 회로(28)가 동작 제어 어셈블리(62)와 파원 전환 회로(26)를 제어한다. 위치 G에서는, 전극(44)이 이동 축(230)으로부터 도면부호 236에 상당하는 거리로 이동되어 있다. 전극(44)이 용접 비드(72)를 형성하면서 반경방향 이동 속도로 이동 패턴을 통해 순환할 때, 제어 회로(28)는 동작 제어 어셈블리(62)를 위치 A에서 G까지를 반복하도록 제어할 수 있다.

도 14는 도 13에 도시된 위치들 각각에 있어서 전극(44)에 공급되는 전류 파형(242)의 그래프(240)이다. 이에 따라, 전류 파형(242)이 전극(44)에 공급되는 전류를 시간의 함수로서 뿐만 아니라 반경방향 이동의 패턴 내에서의 전극(44)의 위치의 함수로서 나타내고 있는 한, 도 14에 도시된 전류 파형(242)은 종래의 전류 대 시간 파형과 구별될 수 있다. 또한, 특정 실시형태들에서, 전류 파형(242)은 또한 본원에 기술된 바와 같이 전극(44)의 축선방향 이동의 함수일 수 있는 것으로도 이해될 것이다. 위치 A에서, 전류 파형(242)은 용접 풀(74)에 접근하기에 앞서 높은 값(244)에 있다. 위치 B에서 전극(44)이 용접 풀(74)에 가까워짐에 따라, 전류 파형(242)이 감소되고, 그 결과 전극(44)이 용접 풀(74)에 진입하기 이전의 위치 C에서, 전류 파형(242)은 낮은 값(246)에 있다. 전극(44)이 위치 C에 있을 때[예컨대, 전극(44)이 용접 풀(74)과 접촉하기 시작할 때]와, 전극(44)과 가공물(14) 사이에 단락이 존재하는 때에 상당하는 위치 D에 있을 때에는, 전류 파형(242)이 낮은 값(246)에 있다. 전극(44)이 용접 풀(74)에서 나간(예컨대, 치워진) 때인 위치 E에서, 전류 파형(242)은 낮은 값(246)에 있다. 전극(44)이 위치 F에 있을 때, 제어 회로는 다른 볼(232)을 형성하도록 전류 파형(242)을 높은 값(244)으로 제어한다. 전극(44)이 용접 풀(74)에 진입하고 용접 풀(74)에서 나갈(치워질) 때 전류 파형(242)을 낮은 값(246)으로 제어함으로써, 스패터링이 감소될 수 있고, 및/또는 용접 결함이 감소될 수 있다. 도 15는 원형 이동 패턴(248)을 보여주고 도 16은 가로방향 이음부 이동 패턴(250)을 보여준다. 도 13 및 도 14에 기술된 단락 트랜스퍼 프로세스 동안의 전극(44)의 대응 위치들이 이동 패턴 248과 250으로 도시되어 있다. 일부 실시형태들에서, 전극(44)의 극성은 소기의 패턴에 있어서 전극의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 바뀔 수 있다. 예를 들어, 위치 A, B 및 C에 있을 때 전극(44)은 제1 극성(예컨대, 양극성 또는 음극성)을 가질 수 있고, 위치 D에서 전극은 극성을 반전시킬 수 있으며, 위치 E, F 및 G에 있을 때 반대되는 제2 극성(예컨대, 음극성 또는 양극성)을 가질 수 있다. 이로써, 단락 동안에 극성이 반전(예컨대, 영전압 교차)되는 것이 가능해진다. 일부 실시형태들에서는, 위치 D에서 극성을 변화시킴으로써, 전극 또는 가공물에의 입열의 제어가 증가될 수 있고, 및/또는 다른 위치들에서 극성을 변화시키는 것에 비해 교류 프로세스의 안정성이 증가될 수 있다.

이제 도 14를 다시 살펴보면, 전류 파형(242)이 예시되어 있지만, 용접 프로세스의 다른 파라미터들도 도 13에 예시된 바와 같이 용접 풀에 대한 다른(예컨대, 외주) 위치들(예컨대, A, B, C, D, E, F 및 G)에 관하여 변경될 수 있다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 예를 들어, 전압 파형, 와이어 급송 속도, z-위치[예컨대, 도 13에 예시된 축(230)을 따라서의 전극의 위치로서, 예를 들어 용접 풀(74)에 더 가깝거나 혹은 용접 풀(74)로부터 더 멀리 있는 위치] 뿐만 아니라 용접 프로세스에 관한 다른 파라미터들이 전극(44)의 위치(예컨대, A, B, C, D, E, F 및 G)에 기초하여 변경될 수 있다. 다시 말하자면, 용접 프로세스의 성능에 영향을 미치는 임의의 파라미터가 자동적으로 조정될 수 있고, 실제로 전극(44)의 진동과 동기화될 수 있으며, 그 결과 용접부의 여러 소기의 속성들[예컨대, 침투의 정도의 차, 충전의 정도의 차, "디깅(digging)" 혹은 "가우징(gouging)" 혹은 아크에 의한 모재 용융의 정도의 차, 등등]이 용접 풀(74) 내의 서로 다른 위치들(리딩 에지 혹은 트레일링 에지, 벽 부근, 중심선 부근, 등등)에서 달성된다.

실제로, 도 13 내지 도 16에 관하여 예시 및 기술된 위치들(예컨대, A, B, C, D, E, F 및 G)도 단지 예시적인 것이며 제한하는 것을 의도하고 있지 않다. 예를 들어, 도 13에서는 맞대기 용접 이음부에 적용하는 것으로 대략적으로 예시되어 있지만, 다른 유형의 용접 이음부(예컨대, 티 이음부, 겹치기 이음부, 코너 이음부, 에지 이음부, 등등)가 본원에 기술된 기술들을 이용할 수 있으며, 전극(44)이 진동할 때의 용접 파라미터의 변동은 각 유형의 용접 이음부마다 다를 수 있다. 이에 따라, 도 13에 예시된 위치들(예컨대, A, B, C, D, E, F 및 G)은 예를 들어 티 용접 이음부의 경우에 완전히 다를 수 있다. 한 예로서, t-필렛이 약 6 ㎜~15 ㎜의 비교적 큰 용접 다리 길이를 갖는 특정 용례에서는, 전극(44)으로부터 비교적 다량의 필러 금속이 용착될 필요가 있다. 이에 따라, 다른 경우에는 용접되고 있는 플레이트를 후벼내는 경향이 있는 아크 힘을 형성할 수 있는, 비교적 높은 전류와 높은 온도가 요구된다. 이러한 상황에서는, 미적으로 보기 좋은 용접부를 비교적 높은 속도와 높은 강도로 형성하기가 상대적으로 어려울 수 있다. 일반적으로, 이러한 상황에서, 보다 많이 충전하는 범위 안에서 보다 많이 침투시키기를 원한다. 보다 구체적으로, 파내어진 구멍을 다시 메울 필요가 있다.

본원에 기재된 기술을 이용하면, 디깅 단계와 충전 단계는 분리될 수 있고, 아크에 의해 모재가 용융되어 사라지는 언더컷 또는 언더필을 방지하도록 상황에 맞춰 제어될 수 있다. 도 22는 t-이음부(316)에 형성되어 있는 용접부(314)를 예시한다. 예를 들어, 전극(44)이 벽(318)의 바로 옆에 [예컨대, 위치 320과 유사한 위치에] 있을 때, 시스템은 디깅 단계에 있지만, 구멍을 다시 메우기 위해 유체가 필요하다. 이에 따라, 전극(44)이 벽(318)에 가까울 때, 열이 감소될 수 있다. 반대로, 전극(44)이 루트에 [예컨대, 위치 320과 유사하게, 용접 비드의 후방 측면 또는 전방 측면에] 가까울 때, 루트가 용융되도록 열이 증가될 수 있다. 용접 풀(74)의 후방측(예컨대, 후미측)에 있을 때, 측벽(318)에 트렌치를 가열 디깅하는 일 없이 보다 많은 열이 가해질 수 있다. 이러한 유형의 제어는, 충전(예컨대, 와이어 용융)과 침투(예컨대, 루트 구속, 가열, 등등)를 분리한다. 위치 322에서 와이어를 용융시키기 위해 높은 전류가 가해질 수 있는데, 이는 어느 지점에서라도 검출될 수 있다. 그 후에, (예컨대, 적정량의 액체가 용융 단계 동안에 형성되어 있으므로, 이 액체를 내보내지만 아크 전류를 감소시킴으로써) 구멍들을 충전하기 위해 수직 벽(318a)에서 분리가 일어날 수 있다. 수직 벽(318a)에서 언더컷이 흔히 발생된다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 특정 상황에서는, 수직 벽(318a)에서 두 방울을 분리시킬 수 있고, 바닥 벽(318b)에선 한 방울만을 분리시킬 수 있다. 보다 높은 속도로 용접할 때, 용접 비드는 바닥 벽(318b) 상에서 롤업되는 경향이 있다. 전극(44)이 바닥 벽(318b) 상의 위치 320b로 이동될 때 열이 더 가해질 수 있고, 그 결과 용접 비드의 롤업을 방지하도록 습윤이 더 일어날 수 있다. 일반적으로, 용접 비드의 전방(선두)측에 있을 때 루트를 구속하고, 비교적 높은 피로 강도를 갖는 오목한 용융부를 구비하며, 그 결과 토우(toe) 반경이 상대적으로 커지게 되고 피로 강도가 양호해지도록, 충분한 열을 갖는 것이 바람직하다.

일반적으로, 특정 실시형태들에서는, 루트를 예열하고 루트에서의 용접 침투를 보장하도록, 용접 경로를 따라서의 용접 풀보다 앞선 위치에 추가적인 열이 가해질 수 있다. 추가적으로, 특정 실시형태들에서는, 바닥 벽(318b) 상에서 롤-오버 비드 프로파일을 방지하고 습윤을 촉진하도록, t-필렛 이음부의 바닥 벽(318b)(즉, 수평 부재) 상의 위치 320b에 추가적인 열이 가해질 수 있다. 추가적으로, 아크 가우징 효과에 기인한 언더컷을 방지하도록, t-필렛 이음부의 수직 벽(318a)(즉, 수직 부재) 상의 위치 320a에 보다 적은 양의 추가적인 열이 가해질 수 있고, 아크에 의해 제거된 가공물의 금속을 덮거나 교체하고 이에 따라 수직 벽(318a)에서의 언더컷을 방지하도록, 수직 벽(318a) 상의 위치 320a에 전극(44)으로부터 트랜스퍼되는 재료의 양이 증가된다.

또한, 도 14에서는 진동의 사이클들(예컨대, A에서부터 G까지) 사이에서 순환하는(예컨대, 동일한 성질로 반복하는) 것으로 예시되어 있지만, 다른 실시형태들에서, 상기한 위치들에 기초하여 자동적으로 제어되는 용접 파라미터들[예컨대, 비제한적인 예로서 도 14의 전류 파형(242)]은 순환식으로 반복될 수 없다. 오히려, 진동의 사이클의 임의의 주어진 위치 사이에서 특정 용접 파라미터의 변동이 있을 수 있다. 예를 들어, 도 14에 예시된 전류 파형(242)으로서, 두 위치 A에서 전류가 동일한 대신에, 두 번째 A의 경우(즉, 예시된 두 번째 진동 사이클 동안)에서의 전류가 첫 번째 A의 경우(즉, 예시된 첫 번째 진동 사이클 동안)에서의 전류에 비해 약간 감소된 전류 파형을 사용할 수 있다. 이와 같이 진동 사이클 사이에 차이를 둠으로써, 용접 프로세스가 용접 이음부를 따라 진행될 때, 생성되는 용접 풀(74)을 적응 제어하는 것이 가능해질 수 있다.

일부 실시형태들에서, 용접 풀(74)에 가하는 힘들이, 적어도 부분적으로 유체인 용접 풀(74)에 리플(ripple)을 형성할 수 있다. 용접 풀(74)에 가하는 힘들로는, 용융 볼(232)의 추가, 전극(44)의 이동, 아크, 실드 가스, 중력 및 가공물의 이동을 들 수 있으며, 이들에 국한되는 것은 아니다. 전극(44)은 적어도 부분적으로 반경방향 이동 속도에 기초하여 용접 풀(74)에 들어가고 용접 풀(74)에서 나오므로, 용접 풀(74)의 표면(239)에 리드미컬한 리플 또는 파형부가 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 전극(44)이 규칙적인 간격으로 용접 풀(74)에 들어가고 용접 풀(74)에서 나와, 그 결과 규칙적인 간격으로 단락을 형성하도록, 전극(44)의 이동이 용접 풀(74)의 리드미컬한 리플과 동기화될 수 있다. 따라서, 제어 회로(28)는, 단락이 일어날 때를 예측 또는 예상하는 다른 인자보다는, 상기한 규칙적인 단락 간격에 기초하여, 단락 트랜스퍼 프로세스에서 전극(44) 및 전류 파형(242)을 제어할 수 있다. 일부 실시형태에서, 용접 풀(74)에 대한 전극(44)의 리드미컬한 이동은, 중력, 표면 장력, 또는 전기적 핀치력 중의 하나 이상이, 전극(44)으로부터 용접 풀(74)로의 재료의 트랜스퍼에 대해 미치는 영향을 줄일 수 있다.

제어 회로(28)는, 용접 파라미터의 소기의 세트가 이동 패턴의 소기의 위치에서 전극(44)에 공급되도록, 전극(44)의 반경방향 이동 속도 및/또는 이동 패턴과 용접 파라미터를 동기화시킬 수 있다. 용접 파라미터로는 전극(44)에 공급되는 용접 전류, 전극(44)에 공급되는 용접 전압, 와이어 급송 속도, 이동 속도 및 전극(44)의 반경방향 이동 속도를 들 수 있지만, 이들에 국한되는 것은 아니다. 도 17은 전극(44)의 이동 패턴을 소기의 용접 파라미터와 동기화하도록 전극(44)을 제어하는 방법(251)의 일 실시형태를 보여준다. 제어 회로(28)는 이동 패턴을 받는데(블록 252), 이 이동 패턴으로는 원형, 타원형, 지그재그, 또는 전술한 바와 같은 다른 이동 형태를 들 수 있다. 일부 실시형태들에서, 이동 패턴은 적어도 부분적으로 가공물, 이음부 핏-업, 또는 작업자 인터페이스를 통한 작업자 입력에 기초한다. 이동 패턴은 가공물에 대한 전극의 일련의 위치 P_0-N일 수 있다.

제어 회로(28)는 이동 패턴의 각 위치들에 대응하는 동기화 세팅을 받는다(블록 254). 이러한 동기화 세팅으로는, 상기한 위치들 사이에서의 반경방향 이동 속도(f _0-N), 상기한 위치들 사이에서의 용접 파워(I_0-N, V_0-N), 및 상기한 위치들에서의 와이어 급송 속도 등을 들 수 있지만, 이들에 국한되는 것은 아니다. 따라서, 제어 회로(28)는, 용접 파라미터의 세트가 일련의 위치(P_0-N)의 각 위치에 대응하도록, 이동 패턴과 용접 파라미터를 동기화시킬 수 있다. 일부 실시형태들에서, 전극(44)의 위치는 동작 제어 어셈블리(62)의 모터(66)에 연결된 인코더, 접촉 요소(60)에 연결된 위치 센서, 또는 접촉 요소(60)에 연결된 선형 가변 차동 트랜스포머(LVDT)를 통해 결정될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 전극(44)의 위치를 결정하기 위해, 접촉 요소(60) 및 전극(44)의 이동을 제어하는 명령 펄스 스텝이 이용될 수 있다. 각 위치에 대한 용접 파라미터는, 용접 프로세스의 개시 이전에 제어 회로(28)가 리셋하는(블록 256) 카운터에 기초하여 선택될 수 있다.

제어 회로(28)는 용접 파워를 전극(44)에 공급하고(블록 258), 위치 P_X에서 가공물과 전극(44) 사이에 아크를 발생시킨다(블록 260). 제어 회로(28)는 와이어 급송 속도 및 이동 속도를 위치 P_X에 대응하는 각각의 값으로 제어할 수 있다. 일부 위치 P_X에서, 대응하는 용접 파라미터는 재료가 전극(44)으로부터 분리되게 한다(블록 262). 앞서 설명한 바와 같이, 재료는 위치 P_X에서 분리될 수 있지만, 재료는 전극(44)의 반경방향 이동 속도로 인해 가공물 상에 다른 위치에 용착될 수 있다. 제어 회로(28)는, 전극을 반경방향 이동 속도 f _x로 P_X에서 P_X ₊₁로 이동(블록 264)시키도록, 동작 제어 어셈블리(62)를 제어한다. 카운터의 값이 이동 패턴의 끝을 나타내고 있는 경우(노드 266), 제어 회로(28)는 카운터를 리셋(블록 256)함으로써 이동 패턴을 재시작(블록 268)한다. 위 내용에서 보듯이, 이동 패턴이 반복될 수 있지만, 제어 회로(28)는 전극(44)을 이음부를 따라 이동 속도로 이동하도록 동작 제어 어셈블리(62)를 제어하고, 그 결과 반복되는 이동 패턴은 이음부를 따라 서로 다른 위치에 재료를 용착한다. 카운터의 값이 이동 패턴의 끝에서의 값보다 적은 경우, 제어 회로(28)는 카운터를 다음 값으로 가게 한다(블록 270). 그 후에, 이동 패턴의 끝까지 또는 작업자/로봇이 용접을 정지시키기까지, 제어 회로(28)는 이동 패턴의 각각의 증분 위치에 대해 블록 258-264를 반복한다.

제어 회로(28)는, 재료를 이음부에서의 소기의 위치에 용착시키도록, 용접 파라미터와 전극(44)의 이동 패턴을 동기화시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 도 10과 도 11은, 재료가 용접 풀(74)의 앞부분보다는 위치 210, 212, 또는 216에서 용착되도록, 용접 전류가 반경방향 이동 속도 및 이동 패턴과 동기화되어 있는 실시형태를 보여준다. 일부 실시형태들에서는, 이동 패턴을 따르는 반경방향 이동의 사이클마다 하나 이상의 위치(예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 더 많은 위치)에서 재료가 용접 풀에 트랜스퍼되도록, 제어 회로(28)가 용접 파라미터를 제어한다. 일부 실시형태들에서, 제어 회로(28)는 스패터링을 줄이도록 전극(44)의 반경방향 이동 속도를 와이어 급송 속도 및/또는 용접 전류와 동기화시킬 수 있다. 예를 들어, 와이어 급송 속도 및/또는 용접 전류가 증가될 때, 제어 회로(28)는 상기 반경방향 이동 속도를 줄일 수 있다.

상기의 예에 더하여, 전술한 메칼 코어드 용접 와이어와 함께, 아크의 기계적 이동과 함께, DCEN 용접 절차를 이용함으로써, 매우 양호한 결과를 제공할 수 있고, 특정 유형의 가공물(또는 베이스 플레이트 재료)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. 이러한 조합은, (예컨대, 자동차 용례에서의) 아연 도금 판재 용접, 피복 혹은 도장된 재료의 용접, (예컨대, 가구 제조에서의) 얇은 강철 용접, 등등에 매우 유용할 수 있다.

(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.

일부 실시형태들에서, 전극(44)을 이동 패턴으로 이동시키는 용접 프로세스는, 가공물을 필러 재료(예컨대, 소모성 전극)로 클래딩하는 데 이용될 수 있다. MIG 및 TIG 용접 프로세스는 가공물을 클래딩하는 데 이용될 수 있다. 필러 재료로는 스테인리스강 합금, 인코넬 합금, 니켈계 티타늄 합금, 및 다른 내식성 재료를 들 수 있지만, 이들에 국한되는 것은 아니다. 전극(44)의 반경방향 이동(예컨대, 중심축을 중심으로 한 진동)은 아크에 의해 가공물(14)에 가해지는 열을 줄일 수 있고, 이에 따라 가공물(14)에 있어서 용융된 부분에 의한 필러 재료의 희박화를 줄일 수 있는 것으로 고려된다. 일부 실시형태들에서, 아크와 전극(44)의 반경방향 이동은 용접 풀(74)을 휘저을 수 있고, 이에 따라 가공물(14) 상에서의 복합 클래딩 재료들의 혼합이 증가된다.

전극(44)의 이동 패턴(예컨대, 원형, 타원형, 왕복 라인)에 의해, 전극(44)은 이전에 트랜스퍼된 용접 비드(90)[예컨대, 용접 풀(74)]의 일부분의 위로 이동될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 전극(44)으로부터의 아크(96)가 용접 비드(90)를 재가열하고 템퍼링한다. 전극(44)의 이동 패턴에서부터의 재가열로, 트랜스퍼된 재료의 입자들이 미세화될 수 있고 이들 입자의 방위가 변경될 수 있으며, 이에 따라 냉각 및 고화시에 용접 비드(90)의 기계적 특성 및 미세 구조가 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 용접 비드(90)의 재가열은 용접 비드(90)의 내충격성을 증대시킬 수 있다.

관련된 특정 DCEN 프로세스에 대해서는, 이들 프로세스가 통상적으로, 전극의 직경, 전극의 범위(예컨대, 콘택트 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.

본원에 고려되는 실시형태에서, 전술한 유형의 용접 시스템의 여러 파라미터는 용접 중에 검출되는 여러 핏-업 문제에 부응하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 18에 도시된 바와 같이, 용접이 진행됨에 따라, 용접 토치 노즐(112) 및 전극은 소정의 용접 라인(116)을 따라 이동하면서, 진행중인 용접 비드(114)를 남겨둔다. 도시된 바와 같이, 용접의 라인은 도면부호 118에 의해 대략 나타내어진 바와 같이, 갭 또는 핏-업 문제에 직면할 것이다. 용접 라인은 초기 스핀 기하학적 구조(120), 이동 속도(122) 및 와이어 급송 속도(124)의 결과로서 생긴다. 임의의 적절한 파라미터들이 가공물의 재료, 와이어 전극의 유형 및 크기 등과 같은 인자에 따라 이용될 수 있다. 일반적으로, "스핀 기하학적 구조"는 전극 팁의 이동의 직경 또는 반경, 이동의 패턴 등을 비롯한 여러 인자를 포함할 수 있다는 것을 또한 주목해야 할 필요가 있다. 함께 취한 이들 초기 파라미터는, 완성된 용접 부재에서의 결함을 회피하기에 충분한 침투 및 폭의 용접 비드를 형성한다. 이때, 이들 초기 파라미터는, 가공물들 사이에서 마주치게 되는 갭 등과 같은, 핏-업에서의 문제점을 보상하기 위해 다수의 방식으로 변경될 수 있다. 핏-업은 용접 경로를 따라서 달라질 수 있기 때문에, 용접 파라미터들은 용접부에서의 결함을 회피하기에 충분한 새로운 조합으로 조정될 필요가 있을 수 있다. 도 18의 가상도에 도시되어 있는 바와 같이, 이들 새로운 파라미터는, 용접 토치가 핏-업에 근접함에 따라 조정된 제2 스핀 기하학적 구조(126)(예를 들어, 전극 팁의 이동의 다른 직경 또는 반경), 제2 이동 속도(128) 및 제2 와이어 급송 속도(130)를 포함할 수 있고, 갭(핏-업 파라미터)(118)에 의해 제기되는 측정 제약에 직접적으로 관련이 있다.

도 19에 도시된 바와 같이, 예시적인 용례에서, 용접 로봇(132)은 용접 라인을 따라 용접 토치(24)를 이동시킨다. 위 내용에서 보듯이, 일부 실시형태들은 고정 자동화 시스템에 의해 작동되는 용접 토치(24)에 대해 가공물을 상대 이동시킨다. 용접 경로를 따라서의 핏-업에서의 임의의 변화를 모니터링하는 것을 책임지는 카메라/검출 장치(134)가, 기계적 마운트(136)를 통해 토치에 부착되어, 검출 장치가 토치와 함께 이동할 수 있게 된다. 이 장치는, 토치의 바로 앞에서 가공물(86)과 가공물(88) 사이의 핏-업을 검사할 수 있게 하는 방식으로 위치 결정된다. 픽셀화된 이미지의 형태일 수 있는 이 정보는, 촬상 시스템/갭 검출 구성요소(138)가 용접 라인과 갭(118) 사이에서의 파라미터 변화를 주목할 수 있게 한다. 이는, 예를 들어, 벌어지는 갭(또는 반대로 더 가까이 피팅되는 부재들)을 나타내는 공간 또는 픽셀을 검출함으로써 행해질 수 있다. 그 후에, 이러한 정보는, 충분한 양의 재료를 갭에 적절하게 충전하기 위해, 만약에 있다면, 초기 용접 파라미터들 중 어느 것이 조정될 필요가 있는지를 결정하는 파라미터 계산 요소(140)로 전송된다. 추가적으로 또는 대안으로서, 핏-업에서의 변화는, 용접 전류, 용접 전압, 또는 콘택트 팁과 가공물 사이의 거리 중의 하나 이상(이들에 국한되는 것은 아님)을 포함하는 용접 제어 파라미터에서의 변화를 (예컨대, 제어 회로를 통해) 모니터링하는 것을 통해 검출될 수 있다. 적절한 파라미터 조정의 결정은 적절한 계산, 룩업 테이블, 또는 임의의 다른 소기의 알고리즘에 의해 수행될 수도 있다. 이러한 테이블은, 예를 들어 다양한 핏-업 또는 갭 파라미터들(예를 들어, 크기 또는 거리)을 불러내고, 이러한 파라미터들을, 특정 핏-업에 적합한 와이어 급송, 용접 토치 및/또는 가공물의 이동 속도, 파워, 전극 스핀 등에 연관시킨다. 예를 들어, 이 구성요소는, 갭에 필요한 새로운 스핀 기하학적 구조가 더 커야 하는지 또는 더 작아야 하는지, 혹은 다른 형상을 가져야 하는지를 결정할 수도 있는데, 이는 전극이 이동되는 방식을 변경하는 것을 요구한다. 또한, 이동 속도가 이전과 동일하게 유지될 수도 있는지를 및/또는 와이어 급송 속도가 증가/감소되어야 하는지를 결정할 수도 있다. 이와 동시에, 전극에 대한 전하가 조정되어야 하는지도 또한 결정될 수 있다. 이 시점에, 이들 파라미터들은 상기한 결정에 따라 조정되고, 용접 토치는 갭을 향해 그 전진을 계속한다. 핏-업에서의 변화에 부응하도록 파라미터들이 조정되어야 할 때, 이들 파라미터가 일반적으로, 관련된 적절한 시스템 구성요소에 의해 제어된다는 점을 주목해야 할 필요가 있다. 예를 들어, 용접 파워의 변경은 파워 소스 또는 서플라이에 의해 조정된다. 와이어 급송 속도의 변경은 와이어 피더에 의해 실시된다. 자동화된 용례에 있어서, 이동 속도의 변경은, 용접 토치를 이동시키는 로봇에 의해 조정된다. 스핀 기하학적 구조의 변경은, 용접 전극을 이동시키는 용접 토치 내의 기구에 의해 구현된다. 당업자라면, 이들 장치가 용접 작업 동안에 변경된 파라미터들을 구현하도록 구성될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

갭을 검출하고 필요에 따라 용접 파라미터들을 변경하는 능력은 도 20에 요약되어 있는데, 이 도 20은 가공물들 사이의 갭 등과 같은 핏-업 변화를 다루기 위해, 시스템 구성요소들에 의해 이용되는 예시적인 제어 로직(142)을 도시하고 있는 방법 흐름도이다. 용접 토치 및 전극이 갭에 접근함에 따라, 용접 토치 및 전극은 단계 144에서 나타내어진 바와 같이, 이들의 초기 회전 기하학적 구조, 이동 속도, 와이어 급송 속도 및 전극에 인가된 용접 전력을 갖고서 그렇게 접근한다. 그 후에, 검출 장치는 단계 146에 나타내어진 바와 같이, 촬상을 통해 핏-업을 검출 및 측정하고, 연관된 정보는 단계 148에 나타내어진 바와 같이, 파라미터들이 변화되어야 하는지 여부를 결정하는 데 사용된다. 용접 라인의 경로가 초기 파라미터들에 대한 변동을 보증하지 않는 경우, 용접 토치는 계속 작동하여, 동일한 기하학적 구조, 이동 속도, 와이어 급송 속도 및 전극에 인가된 용접 파워를 갖고서 용접 라인을 따라 진행한다. 이러한 경우에, 검출 장치는 핏-업을 간단히 계속 검출하여, 단계 146으로 복귀한다. 초기 파라미터들이 변화되어야 한다고 제어부가 결정하는 경우에, 제어 로직은, 단계 150에 나타내어진 바와 같이, 룩업 테이블을 통해 이들 변화를 계산하거나 또는 수치를 얻는 것으로 진행한다. 여기서, 스핀 기하학적 구조, 용접 토치 및/또는 가공물의 이동 속도, 와이어의 급송 속도 및 용접 파워 등과 같은 파라미터들 중 하나 또는 임의의 조합이, 갭을 가로질러 가공물들을 함께 적절하게 용접하기 위해 조정될 수 있다. 결정을 내린 후에, 적절한 파라미터들은 단계 152에 나타내어진 바와 같이, 계산/룩업 테이블에 따라 조정되고, 용접 토치는 단계 154에 나타내어진 바와 같이 용접을 계속한다. 갭 위에 용접한 후에, 또는 더 일반적으로 새로운 파라미터를 구현한 후에, 제어 로직은 단계 144로 복귀하고, 여기서 핏-업을 모니터링하는 프로세스(단계 146) 및 용접 파라미터가 변경되어야 하는지를 결정하는 프로세스(단계 148)를 계속한다. 후속의 갭 폐쇄 등과 같이, 핏-업이 용접 동안에 향상된 경우, 동일한 로직이 향상된 핏-업을 반영하기 위해 용접 시스템 파라미터의 유사한 변경을 허용할 수도 있다는 것에 주목해야 할 필요가 있다.

제어 회로(28)는 이음부(58)에 용접 비드(72)를 형성하도록 토치(24)의 이동 및/또는 전극(44)의 이동을 제어할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제어 회로(28)는 핏-업 상태를 검출할 수 있고, 검출된 상태와는 상관없이 소기의 용접 비드(72)의 형성을 가능하게 하도록 용접 시스템(10)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(28)는 용접 시스템(10)이 핏-업 갭에서의 변동 및/또는 가공물의 (예컨대, 홈 이음부, 맞대기 이음부 등의) 하이-로우 상태와는 상관없이 실질적으로 균일한 용접 비드를 형성할 수 있게 한다. 일부 실시형태들에서, 제어 회로(28)는 전극의 소기의 패턴을 조정함으로써 이음부(58)의 핏-업에서의 변동(예컨대, 하이-로우 상태, 핏-업 갭에서의 변화)을 보상할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로(28)는 소기의 패턴의 기하학적 구조(예컨대, 반경방향 형상, 축선방향 형상), 소기의 패턴에서의 용접 전극의 반경방향 이동 속도, 또는 소기의 패턴에서의 용접 전극의 축선방향 이동 속도 혹은 위치, 또는 이들의 임의의 조합을 조정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 제어 회로는 용접 시스템의 파라미터, 예컨대 트랜스퍼 프로세스, 용접 출력 극성, 용접 출력 파워, 토치의 이동 속도, 토치 각도, 또는 토치의 이동 각도, 또는 이들의 임의의 조합 등을 조정할 수 있다.

도 3과 도 4에 관하여 전술한 바와 같이, 동작 제어 어셈블리(62)의 다양한 기계적 특징부는, 전극(44)의 축에 대략 수직한 (진동에 의한 약간의 이동 고려) 평면의 두 차원(303, 306)에 있어서 전극(44)의 반경방향 진동을 일으키는 데 사용될 수 있다. 이러한 진동을 일으키는 임의의 기계적 수단이 사용될 수 있는 한, 전술한 기계적 특징부는 단지 예시적인 것이고 제한하려는 의도는 없다. 예컨대, 특정 실시형태들에서, 와이어 스트레이트너와 유사한 기계적 특징부가 진동을 일으키는 데 사용될 수 있다. 도 21a는 와이어 스트레이트너 어셈블리(324)의 측면도이다. 도시된 바와 같이, 일반적으로 와이어 스트레이트너 어셈블리(324)는 입구 와이어 가이드(326), 출구 와이어 가이드(328), 2개의 상위 롤러(330), 1개의 하위 롤러(332) 및 압력 조정 노브(336)를 포함한다. 일반적으로, 용접 와이어(334)는 입구 와이어 가이드(326)와 출구 와이어 가이드(328)를 통과해 급송되며, 이들 두 가이드(326, 328)의 사이에서 용접 와이어(334)가 펴지며, 그 결과 용접 와이어는 대략 직선인 경로를 가로질러 출구 와이어 가이드(328)에서 나간다. 특히, 롤러(330, 332)는, 용접 와이어(334)가 대략 직선인 경로를 가로질러 출구 와이어 가이드(328)에서 나가는 것을 보장하도록 용접 와이어(334)에 작용한다. 압력 조정 노브(336)는 용접 와이어(334)에 대한 압력을 조정하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 맥락에서는, 도 21b에 도시된 바와 같이, 용접 와이어(334)가 대략 일직선으로 [예컨대, 입구 및 출구 와이어 가이드(326, 328)의 축(338)에 평행하게] 출구 와이어 가이드(328)에서 나가는 것을 보장하는 대신에, 용접 와이어(334)가 소정의 곡률을 갖고 [즉, 입구 및 출구 와이어 가이드(326, 328)의 축(338)에 대략 평행하게 가로지르지 않고] 출구 와이어 가이드(328)에서 나가게 되도록, 롤러(330, 332)가 자동 압력 조정 시스템(340)에 의해 [즉, 수동 압력 조정 노브(336) 대신에] 조작될 수 있다. 도 21b에는 입구 및 출구 와이어 가이드(326, 328)의 축(338)에 수직한 제1 차원(342)으로 출구 와이어 가이드(328)에서 나가는 용접 와이어(334)를 만곡시키는 기구를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 유사한 추가적인 기구가, 입구 및 출구 와이어 가이드(326, 328)의 축(338)에 수직한 제2 차원(344)으로 출구 와이어 가이드(328)에서 나가는 용접 와이어(334)를 만곡시키는 데 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 출구 와이어 가이드(328)에서 나가는 용접 와이어(334)의 곡률은 도 3과 도 4에 관하여 전술한 반경방향의 진동을 초래하는 것으로 이해될 것이다. 다시 말하자면, [두 차원(342, 344)으로 용접 와이어(334)를 만곡시키도록 변형된] 도 21b의 와이어 스트레이트너 어셈블리(324)는 전술한 동작 제어 어셈블리(62)의 적어도 일부분을 구성할 수 있다.

전술한 실시형태들은 소모성 전극(예컨대, 메탈 코어드, 플럭스 코어드, 솔리드, 또는 관형 와이어)을 이용하는 용접 프로세스를 설명하고 있지만, 비소모성 전극(예컨대, 텅스텐 전극)을 이용하는 토치도 또한 이동 및/또는 회전할 수 있다. 소모성 전극과 마찬가지로, 이동 패턴에 따른 비소모성 전극의 이동이 아크를 이동시킬 수 있다. 이동하는 아크는 가공물에 트랜스퍼되는 열의 양에 영향을 미친다. 일부 실시형태에서, 비소모성 전극의 반경방향 이동은, 이음부의 측벽으로의 용접 비드의 용입을 향상시킬 수 있다. 위 내용에서 보듯이, 비소모성 전극을 이동/회전시키면서 필러 재료를 이음부에 급송하는 데 자동화 시스템이 이용될 수 있다.

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

용접 방법으로서,
용접 토치로부터 용접 전극을 축선방향으로 급송하는 단계;
용접 토치로부터 용접 전극을 급송하면서, 동작 제어 어셈블리에 의해 용접 전극을 용접 토치 내에서 용접 토치의 중심축에 대하여 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 단계;
용접 이음부 또는 용접 풀에 대한 용접 전극의 위치에 대응하는 신호를 제어 회로부터 전송하는 단계;
용접부를 형성하도록 용접 토치 또는 가공물을 전진시키는 단계; 및
소기의 패턴의 제1 사이클 동안에는 용접 전극으로부터의 재료를 용접 풀의 영역 내의 제1 위치로 트랜스퍼하는 단계로서, 상기 제1 위치는 적어도 부분적으로 상기 신호에 기초하여 제어되는 것인 트랜스퍼 단계
를 포함하는 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 소기의 패턴은 원, 타원, 지그재그, 8자, 가로 왕복 라인, 초승달 모양, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 비선형 패턴, 비대칭 패턴, 중지부, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 용접 전극을 반경방향으로 이동시키는 단계는, 약 5 ㎐ 내지 약 200 ㎐의 반경방향 이동 속도로 용접 전극을 소기의 패턴으로 이동시키는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
제3항에 있어서, 상기 소기의 패턴 내에서의 용접 전극의 반경방향 위치와 조화되어 용접 전극에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 용접 전극으로부터의 재료는 단락 트랜스퍼를 통해 가공물에 트랜스퍼되는 것인 용접 방법.
제5항에 있어서, 단락의 개시 이전에 그리고 단락의 종료 전에 전류를 감소시키도록, 용접 전극에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제6항에 있어서, 단락의 종료 이후에 전류를 증가시키도록, 전극에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 용접 전극으로부터의 재료는 펄스 용적(droplet) 트랜스퍼를 통해 가공물에 트랜스퍼되는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 용접 전극으로부터의 재료는 스프레이 트랜스퍼를 통해 가공물에 트랜스퍼되는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 용접 전극으로부터의 재료는 구형 트랜스퍼를 통해 가공물에 트랜스퍼되는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 용접 전극으로부터의 재료는, 용접 전극의 반경방향 이동의 원심력의 도움을 받아, 펄스 트랜스퍼, 스프레이 트랜스퍼, 또는 구형 트랜스퍼를 통해 가공물에 트랜스퍼되는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 소기의 패턴의 제1 사이클 동안에, 용접 전극으로부터 재료를 용접 풀의 외주 위치에 있는 제2 위치로 트랜스퍼하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제1항에 있어서, 제1 위치는 용접 풀, 가공물의 측벽, 용접부, 이음부 루트, 가공물에서의 갭, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 용접 풀의 앞부분보다 용접 풀의 옆부분, 중앙부분, 또는 뒷부분에 더 많은 재료를 용접 전극으로부터 트랜스퍼하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 용접 토치는 용접 로봇 또는 기계화된 토치 조종기에 장착되어 있는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 금속 불활성 가스(MIG) 프로세스, 가스 금속 아크 용접(GMAW) 프로세스, 펄스 GMAW(GMAW-P) 프로세스, 금속 활성 가스(MAG) 프로세스, 플럭스-코어드 아크 용접(FCAW) 프로세스, 메탈-코어드 아크 용접(MCAW) 프로세스, 또는 서브머지드 아크 용접(SAW) 프로세스에서, 재료가 용접 전극으로부터 트랜스퍼되는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 재료는, 교류(AC), 펄스 프로세스, 스프레이 프로세스, 구형 프로세스, 단락 프로세스, 제어 단락(CSC) 프로세스, 매립 아크 프로세스, 서브머지드 아크 프로세스, 핫 와이어 프로세스, 축선방향 단락 클리어 프로세스, 반경방향 단락 클리어 프로세스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 트랜스퍼 프로세스를 통하여 용접 전극으로부터 트랜스퍼되는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 용접 전극을 축선방향으로 소기의 패턴으로 이동시키는 단계를 포함하는 용접 방법.
제18항에 있어서, 용접 전극을 축선방향으로 가공물로부터 멀어지게 후퇴시키는 단계를 포함하는 용접 방법.
제18항에 있어서, 용접 전극의 축선방향 위치는, 용접 풀에 대한 용접 전극의 팁의 위치의 함수인 것인 용접 방법.
제18항에 있어서, 상기 용접 전극을 축선방향으로 이동시키는 단계는, 약 1 ㎐ 내지 약 200 ㎐의 축선방향 이동 속도로 용접 전극을 소기의 패턴으로 이동시키는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
제21항에 있어서, 용접 전극의 축선방향 또는 반경방향 위치에 적어도 부분적으로 기초하여, 용접 전극에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제22항에 있어서, 상기 용접 전극의 축선방향 위치는, 상기 용접 전극의 반경방향 위치와 동기화되는 것인 용접 방법.
제18항에 있어서, 용접 전극의 축선방향 이동이 전진 이동에서 느려지거나 또는 전진 이동으로부터 후진 이동으로 역전될 때, 용접 전극의 단부에 있는 액상 금속의 기계적 관성과 함께 용접 전극의 반경방향 이동의 원심력의 도움을 받아, 용접 전극으로부터의 재료가, 펄스 트랜스퍼, 스프레이 트랜스퍼, 또는 구형 트랜스퍼를 통해 가공물에 트랜스퍼되는 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 소기의 패턴은 조화된 축선방향 및 반경방향 이동을 통해 3차원 패턴인 것인 용접 방법.
제1항에 있어서, 제1 사이클 동안에 용접 전극의 이동 속도를 조정하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제1항에 있어서, 가공물의 핏-업(fit-up) 상태를 검출하는 단계; 및
검출된 핏-업 상태에 적어도 부분적으로 기초하여, 소기의 패턴의 기하학적 구조, 소기의 패턴에서의 용접 전극의 반경방향 이동 속도, 트랜스퍼 프로세스, 용접 전극의 축선방향 위치, 용접 파워 서플라이 출력, 이동 속도, 토치 각도, 이동 각도, 극성, 또는 이들의 임의의 조합을 변경하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제27항에 있어서, 홈 이음부의 하이-로우(high-low) 상태를 검출하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제27항에 있어서, 상기 검출된 핏-업 상태는 홈 이음부 또는 맞대기 이음부의 갭을 포함하는 것인 용접 방법.
제27항에 있어서, 상기 신호는 적어도 부분적으로, 반경방향 이동 제어기로부터의 전극의 반경방향 위치 데이터, 축선방향 이동 제어기로부터의 전극의 축선방향 이동 데이터, 또는 로봇 제어기로부터의 토치 각도 데이터, 이동 각도 데이터, 또는 토치 오프셋 데이터에 기초하는 것인 용접 방법.
제27항에 있어서, 용접 전극으로부터 재료를 트랜스퍼하기 전에, 터치감 교정 절차를 수행하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 신호는 용접 이음부 또는 용접 풀에 대한 용접 전극의 반경방향 위치에 기초하여 측정되고, 이 용접 방법은, 상기 신호를 용접선 추적용으로, 입열 제어용으로, 콘택트 팁과 가공물 사이의 거리(CTWD) 제어용으로, 및 공칭 아크 길이 제어용으로 사용하는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
용접 방법으로서,
용접 토치로부터 용접 전극을 축선방향으로 급송하는 단계;
용접 토치로부터 용접 전극을 급송하면서, 동작 제어 어셈블리에 의해 용접 전극을 용접 토치 내에서 용접 토치의 중심축에 대하여 반경방향으로 소기의 이동 패턴으로 이동시키는 단계;
상기 소기의 이동 패턴 내에서의 용접 전극의 위치에 대응하는 신호를 제어 회로부터 전송하는 단계;
용접부를 형성하도록 용접 토치 또는 가공물을 전진시키는 단계; 및
적어도 부분적으로 상기 신호에 기초하여 용접 풀의 영역 및 가공물 중의 적어도 하나에 가해지는 열 패턴을 제어하는 단계
를 포함하는 용접 방법.
제33항에 있어서, 상기 소기의 이동 패턴은 원, 타원, 지그재그, 8자, 가로 왕복 라인, 초승달 모양, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 비선형 패턴, 비대칭 패턴, 중지부, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 용접 방법.
제33항에 있어서, 상기 용접 전극을 반경방향으로 이동시키는 단계는, 약 5 ㎐ 내지 약 200 ㎐의 반경방향 이동 속도로 용접 전극을 소기의 이동 패턴으로 이동시키는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
제33항에 있어서, 용접 전극에 공급되는 전류를 제어하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제33항에 있어서, 상기 소기의 이동 패턴의 제1 사이클 동안에, 용접 풀의 제1 위치 및 외주에 있는 제2 위치에 가해지는 열을 증가시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 위치는 가공물의 제1 측벽을 포함하며, 상기 제2 위치는 상기 제1 측벽의 반대편에 있는 가공물의 제2 측벽을 포함하는 것인 용접 방법.
제37항에 있어서, 용접 풀의 외주에 있는 제3 위치에 인가되는 열을 증가시키는 단계를 포함하고, 상기 제3 위치는 용접 풀의 일부분을 포함하는 것인 용접 방법.
제33항에 있어서, 용접 이음부의 루트를 예열하고 용접 이음부의 루트에서의 용접 침투를 보장하도록, 용접 경로를 따라서의 용접 풀보다 앞선 위치에 추가적인 열을 가하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제33항에 있어서, 수평 부재 상에서 롤-오버(roll-over) 비드 프로파일을 방지하고 습윤을 촉진하도록, t-필렛 이음부의 수평 부재 상의 위치에 추가적인 열을 가하는 단계를 포함하는 용접 방법.
제40항에 있어서, 아크 가우징 효과에 기인한 언더컷을 방지하도록, t-필렛 이음부의 수직 부재 상의 위치에 보다 적은 양의 추가적인 열을 가하고, 아크에 의해 제거된 가공물의 금속을 덮거나 교체하도록, 상기 수직 부재 상의 위치에 전극으로부터 트랜스퍼되는 재료의 양을 증가시키는 것인 용접 방법.
용접 방법으로서,
가공물과 용접 전극 사이에 아크를 형성하는 단계;
동작 제어 어셈블리에 의해 약 5 ㎐ 내지 약 200 ㎐의 반경방향 이동 속도로 용접 전극을 용접 토치 내에서 용접 토치의 중심축에 대하여 소기의 패턴으로 이동시키면서, 용접 전극을 용접 토치로부터 급송하는 단계;
용접부를 형성하도록 용접 토치 또는 가공물을 전진시키는 단계;
용접 전류, 용접 전압, 아크 전압, 또는 콘택트 팁과 가공물 사이의 거리에 있어서의 변화를 모니터링하는 것을 통해 가공물의 핏-업 상태를 검출하는 단계; 및
상기 아크를 유지하면서, 적어도 부분적으로 상기 소기의 패턴 내에서의 용접 전극의 위치 및 검출된 핏-업 상태에 기초하여, 하나 이상의 용접 파라미터를 제어하는 단계
를 포함하고, 상기 하나 이상의 용접 파라미터는, 용접 전극의 소기의 패턴으로의 반경방향 이동, 용접 전극에 인가된 용접 파워의 파라미터, 용접 토치 이동 속도, 용접 토치 이동 각도 및 용접 토치 각도 중의 적어도 하나를 포함하는 것인 용접 방법.
제42항에 있어서, 상기 하나 이상의 용접 파라미터를 제어하는 단계는, 아크에 의해 용융된 모재를 보충하도록, 용접 전극으로부터 재료를 용접 풀의 특정 외주 위치에 있는 위치로 트랜스퍼하는 것을 포함하는 것인 용접 방법.
제42항에 있어서, 동작 제어 어셈블리에서의 인코더, 선형 가변 차동 트랜스포머(LVDT), 또는 명령 펄스 스텝들로부터의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 소기의 패턴에서의 용접 전극의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 용접 방법.
용접 시스템으로서,
용접 파워를 받도록 구성된 용접 토치 및 용접 와이어;
용접 와이어가 용접부를 형성하도록 가공물을 향해 전진될 때 용접 와이어를 이동시키도록 구성되어 있으며 용접 토치와 연관되어 있는 용접 와이어 동작 제어 어셈블리로서, 용접 토치의 중심축에 대해 용접 와이어를 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키도록 구성되어 있는 것인 용접 와이어 동작 제어 어셈블리; 및
용접 와이어에 대한 용접 파워를 변경하도록, 그리고 용접 와이어로부터 용접 풀의 외주에 있는 제1 위치로의 재료의 트랜스퍼를 제어하도록 구성되어 있는 제어 회로
를 포함하는 용접 시스템.
제45항에 있어서, 상기 용접 와이어 동작 제어 어셈블리는 모터, 하나 이상의 솔레노이드, 하나 이상의 자석, 하나 이상의 리니어 액추에이터, 하나 이상의 리니어 모터, 하나 이상의 유성 기어, 하나 이상의 압전 액추에이터, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 용접 시스템.
제45항에 있어서, 상기 소기의 패턴은 원, 타원, 지그재그, 8자, 가로 왕복 라인, 초승달 모양, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 비선형 패턴, 비대칭 패턴, 중지부, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 용접 시스템.
제45항에 있어서, 상기 제어 회로는 파워 서플라이 및 와이어 피더 중 적어도 하나의 회로를 포함하는 것인 용접 시스템.
제45항에 있어서, 상기 용접 와이어 동작 제어 어셈블리는, 약 5 ㎐ 내지 약 200 ㎐의 반경방향 이동 속도로 용접 전극을 반경방향으로 소기의 패턴으로 이동시키도록 구성되어 있는 것인 용접 시스템.
제45항에 있어서, 상기 용접 와이어 동작 제어 어셈블리는 인코더 또는 선형 가변 차동 트랜스포머(LVDT)를 포함하는 것인 용접 시스템.
제45항에 있어서, 상기 용접 와이어 동작 제어 어셈블리는, 용접 전극을 축선방향으로 소기의 패턴으로 이동시키도록 구성되어 있는 것인 용접 시스템.
제51항에 있어서, 상기 용접 와이어의 축선방향 이동 속도는 약 5 ㎐ 내지 약 200 ㎐인 것인 용접 시스템.
제45항에 있어서, 상기 용접 토치에 연결되어 있고 상기 제어 회로에 의해 적어도 부분적으로 제어되는 용접 로봇 또는 기계화된 토치 조종기를 포함하는 용접 시스템.