KR20160077056A - 전압 및 전류 피드백으로부터 아크 길이의 추출 - Google Patents

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KR20160077056A
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Abstract

용접 시스템의 제어 방법은 전류 램프 속도로 전극에 공급된 용접 전류를 제어하는 것과, 제어된 용접 전류 및 변화하는 아크 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 길이를 결정하는 것을 포함한다. 아크 길이는 전극과 공작물 사이의 거리를 포함하고, 아크 전압은 전극과 공작물 사이의 전압을 포함한다.

Description

전압 및 전류 피드백으로부터 아크 길이의 추출{EXTRACTION OF ARC LENGTH FROM VOLTAGE AND CURRENT FEEDBACK}
본 발명은 일반적으로 용접 시스템에 관한 것으로서, 특히 금속 불활성 가스(metal inert gas: MIG) 용접 시스템으로서 또한 알려져 있는, 가스 금속 아크 용접(gas-metal arc welding: GMAW)용 용접 시스템의 제어에 관한 것이다.
아크 용접 시스템은 일반적으로 전극과 공작물(workpiece) 사이에 아크를 통과시켜, 이에 의해 전극과 공작물을 가열하여 용접부(weld)를 생성하기 위해 전극에 전류를 인가하는 전원을 포함한다. 가스 금속 아크 용접 시스템(GMAW)과 같은 다수의 시스템에서, 전극은 용접 토치를 통해 전진하는 와이어로 이루어진다. 전극이 아크에 의해 가열됨에 따라, 전극은 용융하고 공작물의 용융된 금속에 결합되어 용접부를 형성한다.
진보된 형태의 MIG 용접은 펄스형 가스 금속 아크 용접(pulsed gas metal arc welding: GMAW-P)이라 공지되어 있을 수도 있는 용접 전원 내의 펄스형 전력의 발생에 기초한다. 즉, 전류 펄스 및/또는 전압 펄스가 용접 와이어로부터 금속 액적의 형성 및 침착(deposition)을 조절하고, 용접풀(weld pool)의 원하는 가열 및 냉각 프로파일을 유지하고, 와이어와 용접풀 사이의 단락을 제어하는 등을 하도록 전원 제어 회로에 의해 명령을 받는 다양한 펄스형 체제가 수행될 수도 있다.
전극으로의 전압 및 전류의 공급을 제어함으로써, GMAW 시스템은 전극이 아크에 의해 용융되어 침착되는 방식을 제어할 수도 있다. 전극과 공작물 사이의 아크 길이를 제어하는 것은 인가된 에너지 및/또는 어떻게 전극이 아크에 의해 침착되는지에 영향을 미칠 수도 있다. 몇몇 GMAW 시스템은 토치에 인가된 용접 전압을 제어함으로써 일정한 아크 길이를 유지하도록 시도할 수도 있다. 그러나, 아크 길이를 가로지르는 아크 전압은 단지 토치와 공작물 사이의 용접 전압의 부분일 수도 있다.
원래 청구된 발명의 범주에 적당한 특정 실시예가 이하에 요약된다. 이들 실시예는 청구된 발명의 범주를 한정하도록 의도된 것은 아니라, 오히려 단지 이들 실시예는 본 발명의 가능한 형태의 간략한 요약을 제공하도록 의도된다. 실제로, 본 발명은 후술되는 실시예와 유사하거나 또는 상이할 수도 있는 다양한 형태를 포함할 수도 있다.
제1 실시예에서, 용접 시스템의 제어 방법은 전류 램프 속도(ramp rate)로 전극에 공급된 용접 전류를 제어하는 것 및 제어된 용접 전류 및 변화하는 아크 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 길이를 결정하는 것을 포함한다. 아크 길이는 전극과 공작물 사이의 거리를 포함하고, 아크 전압은 전극과 공작물 사이의 전압을 포함한다.
다른 실시예에서, 용접 시스템은 펄스 용접 파형을 토치에 제공하도록 구성된 전력 변환 회로, 하나 이상의 센서, 및 하나 이상의 센서에 결합된 처리 회로를 포함한다. 펄스 용접 파형은 피크부를 포함하고, 피크부는 램프업부(ramp up portion) 또는 램프다운부(ramp down portion)를 포함한다. 하나 이상의 센서는 토치 내의 전극에 인가된 펄스 용접 파형의 용접 전압 및 펄스 용접 파형의 용접 전류를 감지하도록 구성된다. 처리 회로는 램프업부 또는 램프다운부 중에 용접 전류에 대한 변화 및 용접 전압에 대한 변화에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 길이를 결정하도록 구성된다. 아크 길이는 전극과 공작물 사이의 거리를 포함한다.
다른 실시예에서, 용접 시스템의 제어 방법은 펄스 용접 파형의 변화하는 용접 전류 및 변화하는 전압을 감지하는 것, 변화하는 전류 및 변화하는 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 전극의 저항을 결정하는 것, 용접 전압, 저항 및 강하 전압(fall voltage)에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 전압을 결정하는 것, 및 아크 길이와 아크 전압 사이의 함수 관계에 적어도 부분적으로 기초하여 펄스 용접 파형 중에 아크 길이를 제어하는 것을 포함한다. 아크 길이는 전극과 공작물 사이의 거리를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점은 유사한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 표현하고 있는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 숙독할 때 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 기술의 양태에 따른 용접 작업을 수행하기 위한 와이어 피더(wire feeder)에 결합된 전원을 도시하고 있는 GMAW 시스템의 실시예이다.
도 2는 도 1에 도시되어 있는 유형의 용접 전원을 위한 제어 회로 구성요소의 실시예이다.
도 3은 도 1의 GMAW 시스템의 라인 3-3을 따라 취한, 전극과 공작물 사이의 용접 아크의 실시예이다.
도 4는 GMAW 시스템의 전압 및 전류 파형의 실시예이다.
도 5는 GMAW 시스템의 펄스 파형의 변화부의 샘플링된 전압 및 전류의 그래픽 표현이다.
도 6은 실시예에 따른, 아크 길이와 λ 사이의 관계의 그래픽 표현이다.
도 7은 실시예에 따른, 아크 길이 및 λ에 관한 데이터 세트를 얻기 위한 방법을 도시하고 있는 흐름도이다.
도 8은 펄스 파형의 아크 길이를 결정하고 제어하기 위한 방법을 도시하고 있는 흐름도이다.
본 발명의 하나 이상의 특정 실시예가 이제 설명될 것이다. 이들 실시예의 간명한 설명을 제공하려는 시도시에, 실제 구현예의 모든 특징이 명세서에 설명되어 있지는 않을 수도 있다. 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같이, 임의의 이러한 실제 구현예의 전개에 있어서, 하나의 구현예로부터 다른 구현예로 다양할 수도 있는 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제약에 대한 순응성과 같은 개발자의 특정 목표를 성취하기 위해 수많은 구현예 특정 결정이 이루어져야 한다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 이러한 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시내용의 이익을 갖는 당 기술 분야의 숙련자들에 대한 설계, 제작 및 제조의 일상적인 일 것이라는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소를 소개할 때, 단수 표현 및 "상기"는 하나 이상의 요소들이 존재한다는 것을 의미하도록 의도된다. 용어 "포함하는", "구비하는", 및 "갖는"은 포함적인 것이며 열거된 요소 이외의 부가의 요소가 존재할 수도 있다는 것을 의미하도록 의도된다.
GMAW 시스템의 실시예는 본 명세서에 설명될 때, 전극에 공급된 용접 전류 및 용접 전압의 감지된 변화에 적어도 부분적으로 기초하여 전극과 공작물 사이의 아크 길이를 제어할 수도 있다. GMAW 시스템(예를 들어, 펄스형 GMAW 시스템)의 제어 회로는 펄스 피크로 또는 펄스 피크로부터의 변화 중에 감지된 전압 및 전류로부터 아크 길이를 결정할 수도 있다. 전극에 공급된 용접 전압은 전극을 가로지르는 전압, 강하 전압, 및 아크 길이를 가로지르는 아크 전압과 같은 다수의 성분을 갖는다. 아크 전압은 아크 길이에 직접 관련될 수도 있다. 제어 회로는 다양한 아크 파라미터에 대응하는 시험 데이터와 함께 관찰된 용접 전류 및 용접 전압의 변화(예를 들어, 펄스의 램프업 또는 램프다운 중에)를 이용하여 용접 전압으로부터 다른 성분의 효과를 차감하는 것을 통해 아크 전압을 결정한다. 제어 회로는 펄스의 램프업 또는 램프다운부 중에 감지된 전압 및 전류로부터 전극 저항을 결정하여 전극을 가로지르는 전압을 결정할 수도 있다. 시험 데이터 및 관찰된 용접 전류 및 용접 전압을 사용하여, 전압 회로는 강하 전압, 아크 전압, 및 아크 길이를 결정할 수도 있다. 제어 회로는 결정된 아크 길이를 아크 길이 설정치에 비교하고, 결정된 아크 길이와 아크 길이 설정치 사이의 차이에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 길이에 영향을 미치는 아크 파라미터를 조정하도록 전원 및/또는 와이어 피더를 제어할 수도 있다. 이에 따라, 제어 회로는 폐루프 제어로 아크 길이를 결정하고 아크 길이를 제어할 수도 있다.
이제 도면을 참조하면, 그리고 도 1을 먼저 참조하면, 용접 시스템이 도전체 또는 도관(conduit)(14)을 통해 서로 결합된 전원(10) 및 와이어 피더(12)를 포함하는 것으로서 도시되어 있다. 도시되어 있는 실시예에서, 전원(10)은 와이어 피더(12)로부터 분리되어, 와이어 피더(12)가 용접 위치 부근에서 전원(10)으로부터 소정 거리 이격하여 위치될 수도 있게 된다. 그러나, 와이어 피더(12)는 몇몇 구현예에서, 전원(10)과 일체형일 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 경우에, 도관(14)은 시스템의 내부에 있을 것이다. 와이어 피더(12)가 전원(10)으로부터 분리되어 있는 실시예에서, 단자가 통상적으로 전원(10) 상에 그리고 와이어 피더(12) 상에 제공되어, 전원(10)으로부터 와이어 피더(12)에 전력 및 가스가 제공되게 하기 위해 도전체 또는 도관(14)이 시스템에 결합되게 하고, 그리고 2개의 장치 사이에 데이터가 교환되게 한다.
시스템은 와이어, 전력 및 차폐 가스를 용접 토치(16)에 제공하도록 설계된다. 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 용접 토치는 다수의 상이한 유형일 수도 있고, 통상적으로 용접부가 2개의 금속 부분을 결합하도록 형성될 공작물(18)에 인접한 위치로의 용접 와이어 및 가스의 이송을 허용한다. 제2 도전체[예를 들어, 클램프(58)]는 통상적으로 전원(10)과 공작물(18) 사이의 전기 회로를 완성하기 위해 용접 공작물(18)으로 연장한다.
시스템은 특히 전원(10) 상에 제공된 조작자 인터페이스(20)를 통해, 데이터 설정치(예를 들어, 용접 파라미터, 아크 길이)를 조작자에 의해 선택할 수 있도록 설계된다. 조작자 인터페이스(20)는 통상적으로 전원(10)의 정면 면판(faceplate)에 합체될 것이고, 설정치의 선택을 허용할 수도 있다. 용접 파라미터는 후술되는 바와 같은 아크 파라미터 및 시스템 파라미터를 포함할 수도 있다. 시스템 파라미터는 배경 및 피크 전류와 전압, 펄스 주파수, 펄스 주기 등을 포함할 수도 있다. 아크 파라미터는 전극 크기, 유형 및 재료, 와이어 이송 속도, 차폐 가스 조성물 등을 포함할 수도 있다. 특히, 용접 시스템은 다양한 강, 알루미늄 또는 토치(16)를 통해 유도되는 다른 용접 와이어에 의한 MIG 용접을 허용하도록 설계된다. 이들 용접 파라미터는 전원(10) 내의 회로(22)를 제어하도록 통신된다. 시스템은 중실형 및/또는 코어형 전극과 같은 특정 전극 유형을 위해 설계된 용접 체제를 구현하도록 특히 구성될 수도 있다.
더 상세히 후술되는 제어 회로(22)는 원하는 용접 작업을 수행하기 위해 용접 와이어에 인가된 전원(10)으로부터의 용접 전력 출력의 발생을 제어하도록 작동한다. 특정의 현재 고려되는 실시예에서, 예를 들어, 제어 회로(22)는 용접 와이어의 팁과 공작물(18) 사이에 실질적으로 일정한 아크 길이를 유지하는 GMAW-P 체제를 조절하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로(22)는 아크 길이 설정치의 임계 길이 이내로 아크 길이를 유지할 수도 있다. 임계 길이는 아크 길이 설정치의 대략 1, 5, 또는 10 퍼센트 이내일 수도 있다. 제어 회로(22)는 토치(16)에 제공된 펄스 파형 중에 아크 길이를 결정하고, 폐루프 제어 시스템을 거쳐 동일한 펄스 파형 또는 후속 펄스 파형 중에 아크 길이를 제어할 수도 있다. 제어 회로(22)는 측정을 위해 펄스 파형을 변경하지[예를 들어, 섭동(perturbation) 유도] 않고 펄스형 파형의 감지된 전압 및 전류로부터 본 명세서에 설명된 바와 같이 아크 길이를 결정할 수도 있다. 더욱이, 몇몇 실시예에서, 제어 회로(22)는 램프업 중에 그리고 펄스 파형을 피크값으로 제어하기 전에 아크 길이를 결정할 수도 있다. 제어 회로(22)는 토치(16)와 공작물(18) 사이의 전압을 감지하고, 용접 와이어에 걸친 전압 변화, 캐소드 강하 전압, 및 애노드 강하 전압 중 하나 이상에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 전압 및 아크 길이를 결정할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 회로(22)는 펄스형 파형의 피크부 중에 실질적으로 일정한 아크 길이를 유지하면서, 진행하는 용접 퍼들(puddle)로의 용융 금속의 단락 이행(short circuit transfer)을 촉진하기 위해 펄스 파형을 제공하도록 전원(10)에 지시할 수도 있다.
"단락" 모드에서, 용융 재료의 액적이 용접 아크에 의한 가열의 영향 하에서 용접 와이어 상에 형성되는 데, 이들 액적은 와이어와 액적과 용접풀 사이의 접촉 또는 단락에 의해 용접풀로 주기적으로 이행된다. "펄스형 용접" 또는 "펄스형 MIG 용접"이라는 것은 예를 들어, 진행하는 용접 퍼들 내로의 금속의 액적의 침착을 제어하기 위해 펄스형 전력 파형이 발생되는 기술을 칭한다. 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 전력 변환 회로(24)에 의해 발생되어 제어 회로(22)에 의해 제어되는 펄스형 파형은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 단락 이행[예를 들어, 조절형 금속 침착(regulated metal deposition: RMDTM)], 구상 이행(globular transfer), 스프레이 이행(spray transfer) 및 펄스형 스프레이, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다양한 GMAW 이행 모드를 위해 이용될 수도 있다.
제어 회로(22)는 따라서 전력 변환 회로(24)에 결합된다. 이 전력 변환 회로(24)는 토치(16)에서 용접 와이어에 최종적으로 인가될 펄스형 파형과 같은 출력 전력을 생성하도록 구성된다. 이들에 한정되는 것은 아니지만, 초퍼(chopper), 부스트 회로(boost circuitry), 벅 회로(buck circuitry), 인버터, 컨버터, 변압기 등을 포함하는 다양한 전력 변환 구성요소가 전력 변환 회로(24) 내에 채용될 수도 있다. 이러한 전력 변환 회로(24)의 구성은 일반적으로 당 기술 분야에 또는 자체로 공지된 유형일 수도 있다. 전력 변환 회로(24)는 화살표(26)에 의해 지시되어 있는 바와 같이 전력의 소스에 결합된다. 전력 변환 회로(24)에 인가된 전력은 전력망에서 기원할 수도 있지만, 엔진 구동식 발전기, 배터리, 연료 전지 또는 다른 대안적인 소스에 의해 발생된 전력과 같이, 전력의 다른 소스가 또한 사용될 수도 있다. 마지막으로, 도 1에 도시되어 있는 전원(10)은 제어 회로(22)가 와이어 피더(12)와 신호를 교환하게 하도록 설계된 인터페이스 회로(28)를 포함한다.
와이어 피더(12)는 인터페이스 회로(28)에 결합된 상보형 인터페이스 회로(30)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 멀티핀 인터페이스가 양 구성요소(28, 30) 상에 제공될 수도 있고, 멀티 도전체 케이블이 각각의 인터페이스 회로 사이에 연장하여 와이어 이송 속도, 프로세스, 선택된 전류, 전압, 아크 길이, 또는 전력 레벨 등과 같은 이러한 정보가 전원(10), 와이어 피더(12) 중 하나 또는 모두 상에 설정되게 한다.
와이어 피더(12)는 인터페이스 회로(30)에 결합된 제어 회로(32)를 또한 포함한다. 더 상세히 후술되는 바와 같이, 제어 회로(32)는 조작자 선택에 따라 와이어 이송 속도가 제어되게 하고, 이들 설정치가 인터페이스 회로(30)를 거쳐 전원(10)으로 피드백되는 것을 허용한다. 제어 회로(32)는 하나 이상의 용접 파라미터, 특히 와이어 이송 속도의 선택을 허용하는 와이어 피더(12) 상의 조작자 인터페이스(34)에 결합된다. 조작자 인터페이스(34)는 또한 프로세스, 이용된 와이어의 유형, 전류, 전압, 아크 길이, 또는 전력 설정치 등과 같은 이러한 용접 파라미터의 선택을 허용할 수도 있다. 제어 회로(32)는 또한 토치(16)로의 차폐 가스의 유동을 조절하는 가스 제어 밸브(36)에 결합된다. 일반적으로, 이러한 가스는 용접시에 제공되고, 용접 직전에 그리고/또는 용접 후에 짧은 시간 동안 턴온될 수도 있다. 가스 제어 밸브(36)에 공급된 가스는 통상적으로 참조 번호 38에 의해 표현되어 있는 바와 같이, 가압병(pressurized bottles)의 형태로 제공된다.
와이어 피더(12)는 제어 회로(36)의 제어 하에서, 용접 토치(16)에 그리고 이에 의해 용접 적용부에 와이어를 이송하기 위한 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 용접 와이어의 하나 이상의 스풀(40)이 와이어 피더(12) 내에 수용된다. 용접 와이어(42)는 스풀(40)로부터 풀려지고(unspooled), 토치(16)로 점진적으로 이송된다. 스풀(40)은 와이어(42)가 토치(16)에 공급되려고 할 때 스풀(40)을 분리하는 클러치(44)와 연계될 수도 있다. 클러치(44)는 또한 스풀(40)의 자유 회전을 회피하기 위해 최소 마찰 레벨을 유지하도록 조절될 수도 있다. 와이어(42)를 와이어 피더(12)로부터 토치(16)를 향해 압박하도록 이송 롤러(48)와 결합하는 이송 모터(46)가 제공된다. 실제로, 롤러(48) 중 하나는 이송 모터(46)에 기계적으로 결합되고, 와이어 피더(12)로부터 와이어(42)를 구동하도록 이송 모터(46)에 의해 회전되고, 반면에 정합 롤러(48)는 2개의 롤러(48)와 와이어(42) 사이에 양호한 접촉을 유지하도록 와이어(42)를 향해 편위된다(biased). 몇몇 시스템은 이 유형의 다수의 롤러(48)를 포함할 수도 있다. 마지막으로, 회전속도계(tachometer)(50)가 실제 와이어 이송 속도의 지시를 제공하기 위해 모터(46), 롤러(48), 또는 임의의 다른 연계된 구성요소의 속도를 검출하기 위해 제공될 수도 있다. 회전속도계(50)로부터의 신호는 예를 들어, 캘리브레이션을 위해, 제어 회로(36)에 피드백된다.
다른 시스템 구성 및 입력 방안이 또한 구현될 수도 있다는 것이 주목되어야 한다. 예를 들어, 용접 와이어(42)는 벌크 저장 용기(예를 들어, 드럼)로부터 또는 와이어 피더(12)의 외부의 하나 이상의 스풀(40)로부터 이송될 수도 있다. 유사하게, 와이어(42)는 스풀(40)이 용접 토치(16) 상에 또는 부근에 장착되어 있는 "스풀건(spool gun)"으로부터 이송될 수도 있다. 본 명세서에 언급된 바와 같이, 와이어 이송 속도 설정치는 조작자 입력(34)을 거쳐 와이어 피더(12) 상에 또는 전원(10)의 조작자 인터페이스(20) 상에 또는 양자 모두에 입력될 수도 있다. 용접 토치(16) 상에 와이어 이송 속도 조정부를 갖는 시스템에서, 이는 설정치를 위해 사용된 입력일 수도 있다.
전원(10)으로부터의 전력은 통상적으로 종래의 방식으로 용접 케이블(52)에 의해 와이어(42)에 인가된다. 유사하게, 차폐 가스는 와이어 피더(12) 및 용접 케이블(52)을 통해 이송된다. 용접 작업 중에, 와이어(42)는 용접 케이블 재킷을 통해 토치(16)를 향해 전진된다. 토치(16) 내에서, 부가의 견인 모터(pull motor)(54)가 특히 알루미늄 합금 용접 와이어를 위해, 연계된 구동 롤러를 구비할 수도 있다. 토치(16) 상의 트리거 스위치(56)는 와이퍼 피더(12)로 재차 이송되고 그로부터 전원(10)으로 재차 이송되는 신호를 제공하여 용접 프로세스가 조작자에 의해 시작 및 정지되는 것을 가능하게 한다. 즉, 트리거 스위치(56)의 누름시에, 가스 유동이 시작되고, 와이어(42)가 전진되고, 전력이 용접 케이블(52)로 그리고 토치(16)를 통해 전진하는 용접 와이어에 인가된다. 이들 프로세스는 또한 더 상세히 후술된다. 마지막으로, 공작물 케이블 및 클램프(58)는 작업 중에 용접 아크를 유지하도록 전원으로부터 용접 토치, 전극(와이어), 및 공작물을 통한 전기 회로를 폐쇄하는 것을 허용한다.
도 2는 도 1에 도시되어 있는 유형의 시스템 내에서 기능하도록 설계된 제어 회로(22)를 위한 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 제어 회로(22)는 전술된 조작자 인터페이스(20)와, 와이어 피더(12), 용접 토치(16) 및 다양한 센서 및/또는 액추에이터와 같은 하류측 구성요소로 그리고 하류측 구성요소로부터 파라미터의 통신을 위한 인터페이스 회로(28)를 포함한다. 제어 회로(22)는 용접 체제를 수행하고, 용접 체제 내에 구현된 파형을 위한 계산을 행하는 등을 하도록 설계된 하나 이상의 응용 주문형 또는 범용 프로세서를 자체로 포함할 수도 있는 처리 회로(62)를 포함한다. 처리 회로(62)는 처리로부터의 제어 신호를 전력 변환 회로(24)의 전력 전자 스위치에 인가된 구동 신호로 변환하는 구동기 회로(64)와 연계된다. 일반적으로, 구동기 회로(64)는 처리 회로(62)로부터 이러한 제어 신호에 반응하여 전력 변환 회로(24)가 본 명세서에 설명된 유형의 용접 체제를 위한 제어형 파형을 발생하게 한다. 처리 회로(62)는 예를 들어, 구현된 용접 체제를 제공하고, 용접 파라미터를 저장하고, 용접 설정치를 저장하고, 에러 로그를 저장하는 등을 위해, 하나 이상의 유형의 영구적 및 일시적 데이터 저장 장치로 이루어질 수도 있는 메모리 회로(66)와 또한 연계될 것이다.
도 3은 도 1의 GMAW 시스템의 라인 3-3을 따라 취한 전극(80)과 공작물(18) 사이의 용접 아크(78)의 실시예이다. 그래프(82)는 토치(16) 내의 접촉점(84)과 공작물(18) 사이의 전압을 도시하고 있다. 이해될 수도 있는 바와 같이, 전극(80)은 전원(10)으로부터 펄스형 파형을 전달하는 토치(16)로부터 연장하는 용접 와이어(42)의 단부이다. 토치(16)는 접촉점(84)에서 전극(80)에 펄스형 파형을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 접촉점(84)은 전류 및/또는 전압 피드백을 제공하기 위해 제어 회로(22)에 결합된 센서를 포함한다. 펄스형 파형은 전압 성분 및 전류 성분을 갖고, 하나 또는 양 성분은 제어 회로(22)를 거쳐 전력 변환 회로(24)에 의해 제어될 수도 있다. 접촉점(84)에서, 펄스형 파형은 공작물(18)에 대해 용접 전압(Vweld)을 갖는 전극(80)에 인가된다. 예를 들어, 펄스형 파형의 피크부 중에, Vweld는 조작자 인터페이스(20)를 통해 설정된 대략 피크 전압일 수도 있다. 펄스형 파형의 배경부 중에, Vweld는 조작자 인터페이스(20)를 통해 설정된 대략 배경 전압일 수도 있다. 전극을 가로지르는 전압(VEE)은 전극(80)의 저항, 접촉점(84)과 전극(80)의 팁(94) 사이의 전극(80)의 길이(86)(예를 들어, 전극 돌출길이), 또는 전극(80)의 온도, 또는 이들의 임의의 조합에 적어도 부분적으로 기초하여 전극(80)을 따라 공작물(18)을 향해 변동한다. 몇몇 실시예에서, VEE는 길이(86)와 대략 선형 관계로 변화한다. 몇몇 실시예에서, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, VEE는 접촉점(84)에 근접한 제2 부분(92)보다 단부(88)에 근접한 제1 부분(90)에서 더 많이 감소한다. 예를 들어, 전극(80)의 제1 부분(90)은 제2 부분(92)보다 더 고온이고 더 큰 저항을 가질 수도 있다.
용접 프로세스 중에, 단부(88)의 팁(94)은 본 명세서에서 애노드로서 특징화될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 팁(94)은 대략 5, 10, 20, 또는 50 미크론 미만 직경이다. 애노드 전압(Vanode)은 전극(80)의 유형(예를 들어, 중실형, 코어형), 전극 재료, 전극(80)의 직경, 전극 이송 속도, 또는 차폐 가스 또는 이들의 임의의 조합에 적어도 부분적으로 기초할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, Vanode는 팁(94)을 통한 용접 전류에 대해 실질적으로 독립적일 수도 있다. 아크(78)는 팁(94)과 공작물(18)의 표면 영역(98) 사이에서 아크 길이(96)(예를 들어, l arc)를 가로질러 연장한다. 표면 영역(98)은 본 명세서에서 캐소드로서 특징화될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 표면 영역(98)은 대략 5, 10, 20, 또는 50 미크론 미만 직경이다. 캐소드 전압(Vcathode)은 공작물(18)의 재료, 조인트의 유형, 전극 이송 속도, 또는 차폐 가스, 또는 이들의 임의의 조합에 적어도 부분적으로 기초할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, Vcathode는 표면 영역(98)을 통한 용접 전류에 대해 실질적으로 독립적일 수도 있다. Vanode 및 Vcathode는 함께 본 명세서에서 강하 전압(Vfall)이라 칭할 수도 있고, 그 각각은 용접 전류에 대해 실질적으로 독립적일 수도 있다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 용접 전압(Vweld)은 식 (1)에 나타낸 바와 같이 다수의 성분을 포함한다:
Figure pct00001
식 (1)
몇몇 실시예에서, Varc는 Vweld의 대략 10, 15, 20, 또는 25 퍼센트 미만이다. 예를 들어, 분당 400 인치의 속도로 0.045 인치 연강 전극이 이송되고, 차폐 가스 혼합물이 90-10 아르곤-CO2이고, 전극 돌출길이가 0.75 인치이고, 그리고 피크 펄스 중에 0.2 인치 아크 길이를 갖는 실시예에서, Vweld = 32 V, VEE = 9 V, Vfall = 18 V, 및 Varc = 5 V이다. 아크 길이(96)(l arc)는 l arc(96)를 가로지르는 아크 전압(Varc)에 직접 관련될 수도 있다. 제어 회로(22)의 현재 고려되는 실시예는 펄스형 파형 중에 Varc를 결정할 수도 있고, 결정된 Varc를 이용하여 Vweld를 제어하고 조정부를 통해 l arc(96)를 펄스형 파형으로 조정할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 회로(22)는 현재 및/또는 후속 펄스형 파형의 아크 길이(96)(l arc)의 제어를 위해 펄스형 용접 중에 동적으로 Varc를 결정한다.
도 4는 전원(10)의 제어 회로(22)에 의해 구현된 바와 같이, 모두 시간축(118)을 가로지르는 전압축(112)을 갖는 예시적인 전압 파형(110) 및 전류축(116)을 갖는 전류 파형(114)을 도시하고 있다. 제어 회로(22)는 접촉점(84)에서 전압 및 전류 파형(110, 114)을 전극(80)에 공급하도록 전력 변환 회로(24)를 제어한다. 전압 파형(110)은 일정 전압의 세그먼트를 포함할 수도 있고, 반면에 전류 파형(114)은 대응 일정 전압 세그먼트 중에 용접 전류가 변동하게 하는 세그먼트 및 전력 변환 회로(24)에 의해 제어된 바와 같은 실질적으로 일정한 속도로 전류를 램프업 또는 램프다운하는 세그먼트를 포함할 수도 있다. 펄스형 파형은 주기(120)를 갖는 사전결정된 또는 설정된 주파수에서 반복될 수도 있다.
전압 파형(110)을 참조하면, 제1 일정 전압 세그먼트(122)는 그 동안에 배경 전압 레벨(124)이 일정하게 유지되는 제1 배경 페이즈(phase)를 표현하고 있다. 전류 파형(114)에서, 제1 배경 페이즈 중에 대응 용접 전류가 배경 전압 레벨(124)을 유지하기 위해 변동하도록 허용된다. 예시적인 전압 파형(110)에서, 배경 전압 레벨(124)은 단락이 제1 일정 전압 세그먼트(122) 중에 발생하지 않을 수도 있도록 충분히 낮고, 후속 펄스의 전압 증가 전에 전극 재료의 용융 볼을 형성하도록 전극(80)의 단부(88)를 예열하도록 충분히 높다. 이에 따라, 다양한 실시예에서, 배경 전압 레벨(124)은 대략 17 V 내지 20 V의 범위이지만, 주파수, 와이어 이송 속도(wire feed speed: WFS), 피크 전압 레벨(126), 전극(80)의 선택 등과 같은 변수에 따라, 배경 전압(124)은 더 높거나 더 낮을 수도 있다.
제1 일정 전압 세그먼트(122) 직후에, 제1 배경 페이즈는 종료하고 피크 페이즈(136)가 시작한다. 전력 변환 회로(24)는 피크 전류 램프업 속도(128)에서 용접 전류를 피크 전류 레벨(130)로 증가시킨다. 일단 용접 전류가 피크 전류 레벨(130)에 도달하면, 전력 변환 회로(24)는 세그먼트(132) 중에 피크 전압 레벨(126)에 도달하도록 전압을 증가시켜, 전압 램프업 속도(134)로 상승한다. 전압 램프업 속도(134)는 명령되지 않을 수도 있고, 오히려 전류 파형(114)의 명령된 피크 전류 램프업 속도(128) 및 전극(80)의 저항으로부터 발생한다. 전압은 피크 페이즈(136)가 만료할 때까지 피크 전압 레벨(126)로 유지될 수도 있다. 세그먼트(132) 중에, 용접 전류(114)는 변동할 수도 있고, 반면에 전압(110)은 피크 페이즈(136)가 만료할 때까지 일정하게 유지된다. 피크 전압 레벨(126), 피크 페이즈(136), 피크 전류 램프업 속도(128), 및 초기 피크 전류 레벨(130)은 용접 퍼들을 향한 용융 전극 재료의 이송을 실질적으로 초기화하면서 l arc(96) 및 Varc를 제어하도록 선택될 수도 있다.
제2 배경 페이즈는 피크 페이즈(136)가 만료한 직후에 시작한다. 용접 전류(114)는 전류 램프다운 속도(138)로 감소하여, 배경 용접 전류 레벨(142)이 도달될 때까지 전압 램프다운 속도(140)에서 전압 파형(110)의 감소를 야기한다. 전압 및 용접 전류 펄스의 정밀도를 최대화하기 위해, 전류 램프다운 속도(138)는 피크 전류 램프업 속도(128)보다 상당히 더 고속일 수도 있다. 일 실시예에서, 전류 램프다운 속도(138)는 2000 A/ms인데, 1000 A/ms의 피크 전류 램프업 속도(128)의 두배이다. 제1 배경 페이즈 중에서와 같이, 전압은 이어서 배경 전압 레벨(124)로 유지되고, 반면에 용접 전류는 제2 배경 페이즈의 기간 동안 변동한다.
용융 전극 재료는 전극(80)의 팁에 여전히 부착되어 있는 동안 용접 퍼들에 도달할 수도 있어, 단락을 야기하고 간략히 아크(78)를 소화한다(extinguishing). 단락은 전압 강하(144)가 임계 전압(146)을 교차하는 점에서 검출될 수도 있어, 제2 배경 페이즈의 종료와 재점호(restrike) 페이즈(148)의 시작을 트리거링한다. 재점호 페이즈(148) 중에, 전류는 대략 재점호 전류 레벨(150)로 일시적으로 일정하게 유지될 수도 있어 단락이 제거되게 한다. 재점호 전류 레벨(150)은 용접 퍼들로 이송되는 동안 용융 전극 재료를 실질적으로 유체 상태로 유지하도록 충분히 높을 수도 있다. 용융 전극 재료가 전극(80)의 단부(88)로부터 탈착되고 단락이 제거되기 시작함에 따라, 전압 증가(152)가 자연적으로 발생하고, 전압이 대략적으로 임계 전압(146)을 교차하는 점에서 아크 재점호(154)가 발생하고, 제어 회로(22)는 단락이 제거되어 있는 것을 검출한다는 것이 주목되어야 한다. 제어 회로(22)는 용접 전류(114)를 대략적으로 배경 전류 레벨(142)로 제어할 수도 있고, 전압(110)을 주기(120)의 종료까지 대략적으로 배경 전압 레벨(124)로 제어할 수도 있다.
제어 회로(22)는 펄스형 파형[예를 들어, 전압 파형(110) 및 용접 전류 파형(114)]의 측정으로부터의 계산에 적어도 부분적으로 기초하여 도 4에 도시되어 있는 바와 같은 펄스형 파형 중의 아크 길이(96)(l arc)를 제어한다. 펄스형 파형 중의 시간(t)에 대해, 용접 전압(Vweld)은 식 (2)로부터 결정될 수도 있고,
Figure pct00002
식 (2)
여기서, REE는 전극(80)의 저항이다. Vweld(I(t)) 및 I(t)는 센서로부터의 직접 측정 및/또는 전력 변환 회로(24)의 제어를 통해 제어 회로(22)에 대한 공지의 값일 수도 있다.
전술된 바와 같이, Varc는 아크 길이(96)에 직접 관련될 수도 있다(예를 들어, 함수임)[예를 들어, Varc = Varc(l arc)]. 이에 따라, 식 (2)는 식 (3)으로서 고쳐쓸 수도 있는 데,
Figure pct00003
식 (3)
여기서, λ는 식 (4)에 의해 정의된다.
Figure pct00004
식 (4)
피크 페이즈(136)로부터의 램프업 또는 피크 페이즈(136)로부터의 램프다운 중에 용접 전압 및 용접 전류는 전극 저항(REE)을 결정하는 데 이용될 수도 있다. 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 제어 회로(22)는 펄스형 파형이 변화할 때[예를 들어, 피크 페이즈(136)로의 램프업 또는 피크 페이즈(136)로부터의 램프다운 중에] 용접 전류(182) 및 대응 용접 전압(180)을 샘플링할 수도 있다. 다른 실시예에서, 제어 회로(22)는 전류(180) 및 대응 전압(182)의 단지 2개의 점(184)만을 샘플링할 수도 있다. 점-기울기 식을 이용하여, 제어 회로(22)는 식 (5)로부터 REE를 결정할 수도 있는 데,
Figure pct00005
식 (5)
여기서, I1 및 V1은 피크 전류 및 전압 레벨[예를 들어, 각각 레벨(130, 126)]로의 램프업 중에 용접 전류 및 대응 전압의 제1 값이고, I2 및 V2는 피크 전류 및 전압 레벨로의 램프업 중에 용접 전류 및 대응 전압의 제2 값이다. 몇몇 실시예에서, I1 및 V1은 피크 전류 및 전압 레벨로의 램프다운 중에 전류 및 대응 전압의 제1 값이고, I2 및 V2는 피크 전류 및 전압 레벨로의 램프다운 중에 용접 전류 및 대응 전압의 제2 값이다. 몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 값은 샘플링된 점(184) 또는 샘플링된 점(184) 사이의 보간된 값일 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 제어 회로(22)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 전류(180) 및 대응 전압(182)의 3개 이상의 점(184)을 샘플링할 수도 있다. 제어 회로(22)는 다수의 샘플링된 용접 전류값과 대응 전압값 사이의 함수 관계를 제공하는 회귀선(regression line)(186) 또는 다른 근사치를 결정할 수도 있다. 제어 회로(22)는 REE를 결정하기 위해 함수 관계를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 도 5는 0.8 인치 접촉팁 대 공작물 거리(contact tip to work distance: CTWD)를 갖는, 분당 300 인치로 이송된 0.045 인치 연강 전극을 갖는 실시예에서 피크 페이즈의 램프업 중에 용접 전류(180) 및 전압(182)을 도시하고 있다. 본 예에서 대응 회귀선(186)은 식 (6)에 의해 정의될 수도 있는 데,
Figure pct00006
식 (6)
여기서, REE는 0.03521 Ω인 것으로 결정된다. 식 (3) 및 식 (5)로부터 결정된 REE 또는 함수 관계[예를 들어, 식 (6)]를 이용하여, 제어 회로(22)는 식 (7)에 나타낸 바와 같이, λ를 위한 값을 결정할 수도 있다.
Figure pct00007
식 (7)
제어 회로(22)는 메모리 회로(66)로부터 로딩된 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 λ로부터 아크 길이(l arc)를 결정한다. 메모리 회로(66)는 아크 파라미터의 다양한 조합에 대해 λ와 l arc 사이의 대응 관계를 제공하는 하나 이상의 시험 및 캘리브레이션으로부터 파퓰레이팅된 데이터를 갖는 데이터베이스를 포함할 수도 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 아크 파라미터는 전극 유형, 전극 재료, 전극 크기, 전극 돌출길이, 와이어 이송 속도, 차폐 가스 조성물, 토치 유형, CTWD, 펄스 주파수 등을 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 도 6의 차트(200)는 아크 파라미터의 다양한 조합에 대한 λ 값(204)에 대응하는 아크 길이(l arc)(202)를 도시하고 있다. 각각의 차트 또는 데이터점(206)의 세트에 대해, 아크 파라미터는 데이터 세트에 대해 실질적으로 일정하게 유지되는 제어 아크 파라미터와, 데이터 세트에 대해 조정되는 가변 아크 파라미터로 분할될 수도 있다. 예를 들어, 도 6의 차트(200)는 제어 아크 파라미터가 전극 유형, 전극 재료, 전극 크기, 및 차폐 가스이고 가변 아크 파라미터가 전극 돌출길이 및 와이어 이송 속도 중 하나 또는 모두를 포함하는 샘플 세트로부터 데이터점(206)을 도시하고 있다. 몇몇 실시예에서, 데이터점(206)은 가변 아크 파라미터가 조정되는 시험 또는 캘리브레이션 용접 중에 아크 길이(202)의 시각적 측정을 통해(예를 들어, 비디오 촬영을 거쳐) 얻어진다. 이해될 수 있는 바와 같이, 아크 길이(202)의 시각적 측정은 λ 값(204)에 대응하고, λ 값(204)은 도 5 및 식 (3) 내지 (7)에서 전술된 바와 같이 결정될 수도 있다.
아크 파라미터(예를 들어, 제어 아크 파라미터, 가변 아크 파라미터)의 세트에 대한 아크 길이(l arc)(202) 및 λ(204)의 값은 함수 관계를 가질 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 함수 관계는 데이터점(206)의 제1 부분이 제1 함수로 모델링될 수도 있고, 데이터점(206)의 제2 부분이 상이한 제2 함수로 모델링될 수도 있는 구분 관계(piece-wise relationships)일 수도 있다. 예를 들어, 대략 0.1 인치 초과의 아크 길이(l arc)(202)에 대응하는 데이터점(206)은 제1 회귀 모델(208)로 모델링될 수도 있고, 대략 0.1 인치 미만의 아크 길이(l arc)(202)에 대응하는 데이터점(206)은 제2 회귀 모델(210)로 모델링될 수도 있다. 2개 이상의 함수 관계가 데이터점(206)의 세트에 대한 관계를 모델링하도록 이용될 수도 있다. 더욱이, 이해될 수 있는 바와 같이, 각각의 구분 관계에 대한 모델은 선형 모델, 다항식 모델, 로그함수 모델, 및 지수함수 모델을 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 실시예에서, 세트의 모든 데이터점(206)에 대한 함수 관계가 다항식 모델(212)(예를 들어, 3차, 4차, 또는 5차 이상)로, 또는 표 데이터점 사이의 보간을 거쳐 모델링될 수도 있다.
차트(200)는 제어 아크 파라미터의 세트에 대해 λ(204)의 성분(예를 들어, Vfall 및 Varc)을 결정하는 데 사용될 수도 있다. Varc는 l arc가 대략 0 인치일 때, Varc가 대략 0 볼트가 되도록 l arc에 직접 관련된다. 이에 따라, 식 (4) 및 차트(200) 및/또는 함수 관계를 이용하여, Vfall은 l arc 값(202)이 대략 0인[예를 들어, larc와 전압값(204)의 인터셉트] 전압값(204)으로서 근사될 수도 있다. Vfall은 유지된 제어 아크 파라미터 및 조정된 가변 아크 파라미터를 갖는 데이터점(206)의 세트에 걸쳐 실질적으로 일정하여, 이에 의해 Varc의 결정, 및 따라서 아크 파라미터의 세트에 대한 l arc의 결정을 가능하게 한다.
메모리 회로(66)는 다양한 데이터 세트 및 아크 파라미터의 조합을 위한 다수의 차트(200)의 데이터를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 회로(22)는 Vfall, Varc, 및 l arc를 추정하기 위해(예를 들어, 보간을 거쳐) 하나 이상의 데이터 세트를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 차폐 가스 조성물(예를 들어, 90% 아르곤, 15% CO2)을 갖는 전극 크기(예를 들어, 0.045 인치 직경)를 갖는 제어 아크 파라미터에 대응하는 데이터 세트가 상이한 치수의 전극(예를 들어 0.05 인치 직경) 및/또는 상이한 차폐 가스 조성물(예를 들어, 85% 아르곤, 15% CO2)을 갖는 제어 아크 파라미터에 대해 Vfall, Varc, 및 l arc를 추정하는 데 이용될 수도 있다. Vfall, Varc 및 l arc를 결정하는 데 이용된 시험 또는 캘리브레이션 데이터는 메모리 회로(66)에 수동으로 입력될 수도 있고[예를 들어, 조작자 인터페이스(20)를 거쳐], 또는 입출력 장치(예를 들어, 네트워크, 외부 메모리)를 거쳐 로딩될 수도 있다.
도 7은 메모리 회로(66) 내에 저장하기 위해 데이터 세트 또는 차트(200)에 대한 데이터점(206)을 얻는 방법(220)을 설명하고 있는 흐름도를 도시하고 있다. 방법(220)의 시작시에, 조작자는 아크 파라미터를 조작자 인터페이스 내에 입력한다(블록 222). 몇몇 실시예에서, 입력은 전원 또는 전원에 결합된 개별 시험 제어기(예를 들어, 테스트 단말)에서 수신될 수도 있다. 아크 파라미터는 데이터 세트 중에 실질적으로 유지되는 제어 아크 파라미터, 및 데이터 세트의 다양한 용접부에 대해 조정되는 가변 아크 파라미터를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제어 아크 파라미터는 전극 유형(예를 들어, 중실형, 코어형, 중공형), 전극 재료(예를 들어, 강, 알루미늄), 전극 기하학적 구조(예를 들어, 직경), 차폐 가스 조성물(예를 들어, 아르곤, CO2, 수소, 산소), 및 공작물 파라미터(예를 들어, 공작물 재료, 조인트 유형)를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 가변 아크 파라미터는 와이어 이송 속도, 전극 돌출길이, CTWD, 및 차폐 가스 공급 속도를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 조작자는 예를 들어, 전원 조작자 인터페이스를 거쳐, 공급된 펄스형 파형에 관한 시스템 파라미터를 조작자 인터페이스 내로 입력한다(블록 224). 시스템 파라미터는 배경 및 피크 전류 및 전압, 펄스 주파수, 피크 펄스 기간 등을 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
데이터 세트를 위한 아크 및 시스템 파라미터가 입력된 후에, 조작자는 시험 용접을 수행할 수도 있다(블록 226). 시험 용접은 용접풀로 하나 이상의 액적을 침착하는 하나 이상의 펄스형 파형을 포함할 수도 있다. 시험 용접 중에, 제어 회로는 용접 전류 및 용접 전압이 변화하는(예를 들어, 램프업, 램프다운) 동안 용접 전류 및 용접 전압을 모니터링한다. 제어 회로는 전술된 바와 같이, 관찰된 용접 전류 및 용접 전압의 회귀 모델 또는 관찰된 용접 전류 및 용접 전압을 갖는 점-기울기 식에 적어도 부분적으로 기초하여 REE를 결정한다(블록 228). REE는 관찰된 증가하는 또는 감소하는 용접 전류 및 용접 전압값으로부터 결정될 수도 있다. REE, 관찰된 용접 전류 및 용접 전압, 및 식 (3)을 이용하여, 제어 회로는 λ의 값으로서 Vfall과 Varc의 합을 결정한다(블록 230). 시험 용접의 아크 길이(l arc)는 예를 들어 고속 비디오 촬영을 거쳐 측정된다(블록 232). 몇몇 실시예에서, 시험 용접의 비디오 촬영 관찰된 용접 전류 및 용접 전압으로 이후에 처리되고, 아크 길이가 시험 용접의 완료 후에 측정된다. 일단 아크 길이가 측정되면, l arc 및 대응 λ가 데이터점(206)으로서 데이터 세트 내에 기록된다(블록 234). 몇몇 실시예에서, 조작자는 다음의 시험 용접을 수행하기 위해 블록 226으로 복귀하기 전에 가변 아크 파라미터 중 하나 이상을 조정한다(블록 236). 부가적으로 또는 대안에서, 전원에 결합된 제어 회로 또는 시험 제어기(예를 들어, 컴퓨터)는 시험 용접을 정지하지 않고 다양한 λ의 값에 대해 아크 길이의 원하는 데이터 세트를 얻도록 명령의 세트에 적어도 부분적으로 기초하여 가변 아크 파라미터를 조정할 수도 있다. 달리 말하면, 제어 회로는 데이터 세트를 파퓰레이팅하기 위해 가변 아크 파라미터를 자동으로 조정하도록 데이터 세트 취득 명령을 실행할 수도 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 블록 228, 230, 232, 및 234에서의 단계는 전원의 제어 회로 및/또는 시험 제어기에 의해 수행될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 방법(220)은 작업 부지에서 사용에 앞서 메모리 회로(66) 내에 로딩될 수도 있는 데이터베이스를 파퓰레이팅하기 위해 아크 파라미터의 다수의 조합에 대해 수행될 수도 있다.
도 8은 GMAW 프로세스(예를 들어, 단락, 구상, 스프레이, 펄스) 중에 아크 길이를 결정하고 제어하기 위해 데이터를 이용하는 방법(250)을 도시하고 있다. 조작자는 아크 파라미터를 입력하고(블록 222), 전원 및/또는 와이어 피더의 조작자 인터페이스 내로 시스템 파라미터를 입력한다(블록 224). 조작자는 또한 아크 길이 설정치를 조작자 인터페이스에 입력한다(블록 252). 이해될 수 있는 바와 같이, 아크 길이는 전극 및 공작물에 입력된 열, 뿐만 아니라 용접 품질 및 공작물으로의 전극의 이송과 연계될 수도 있다. 조작자는 펄스형 파형을 토치에 공급하는 용접 프로세스를 개시할 수도 있다(블록 254).
전술된 방법(220)에 유사하게, 제어 회로는 용접 프로세스 중에 공급된 전력에 대한 변화(예를 들어, 증가 또는 감소)에 대해 용접 전류 및 용접 전압을 모니터링한다. 제어 회로는 관찰된 용접 전류 및 용접 전압의 회귀 모델 또는 변화(예를 들어, 램프업 또는 램프다운) 중에 관찰된 용접 전류 및 용접 전압을 갖는 점-기울기 식에 적어도 부분적으로 기초하여 REE를 결정한다(블록 228). REE, 변화 중에 관찰된 용접 전류 및 용접 전압 및 식 (3)을 이용하여, 제어 회로는 λ의 값으로서 Vfall과 Varc의 합을 결정한다(블록 230). 제어 회로는 입력 아크 파라미터 및 입력 시스템 파라미터에 관한 데이터를 메모리 회로로부터 로딩한다(블록 256). 몇몇 실시예에서, 제어 회로는 용접 프로세스를 개시하기(블록 254) 전에 메모리 회로로부터 데이터를 로딩한다(블록 256). 이해될 수 있는 바와 같이, 메모리 회로로부터 로딩된 데이터는 도 7의 방법(200)을 통해 발생될 수도 있다.
메모리 회로로부터 로딩된 하나 이상의 데이터 세트를 이용하여, 제어 회로는 λ와 l arc 사이의 함수 관계로부터 아크 길이를 결정한다(블록 258). 몇몇 실시예에서, λ와 l arc 사이의 함수 관계는 λ 값에 기초하는 상이한 함수를 갖는 구분 함수(piece-wise function)이다. 몇몇 실시예에서, λ와 l arc 사이의 함수 관계는 다항식 함수(예를 들어, 3차)이다. λ로부터 아크 길이의 결정시에, 제어 회로는 블록 258로부터 결정된 아크 길이와 블록 252로부터 아크 길이 설정치 사이의 차이를 결정한다(블록 260). 제어 회로는 아크 길이차에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 길이를 조정하도록 폐루프 제어로 전원 및/또는 와이어 피더를 제어한다(블록 262). 예를 들어, 제어 회로는 전류 파형(예를 들어, 배경 전류, 피크 전류, 피크 기간, 램프업 속도, 램프다운 속도), 전압 파형(예를 들어, 배경 전압, 피크 전압, 피크 기간, 램프업 속도, 램프다운 속도), 펄스 주파수, 펄스 주기, 전극 돌출길이, 및 와이어 이송 속도 중 하나 이상을 조정하여, 이에 의해 현재 펄스형 파형 또는 후속 펄스형 파형의 아크 길이를 조정하도록 전력 변환 회로 및/또는 와이어 피더를 제어할 수도 있다.
제어 회로는 폐루프 제어 시스템에서 아크 길이를 결정하고 제어한다. 몇몇 실시예에서, 제어 회로는 펄스 주기 이내에 단계 228, 230, 256, 258, 260 및 262를 수행할 수도 있어, 이에 의해 제어 회로가 토치에 공급된 각각의 펄스형 파형의 아크 길이를 제어할 수 있게 한다. 예를 들어, 제어 회로는 일련의 펄스 파형의 제1 펄스 파형의 용접 전류 및 용접 전압을 모니터링하고, 제1 펄스 파형의 피크 페이즈의 시작시에 아크 길이를 결정하고, 제1 펄스 파형의 종료 전에 제1 펄스 파형의 아크 길이를 제어할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 회로는 후속의 펄스형 파형(예를 들어, 파형 n+1, n+2, n+3, n+..., 등)의 아크 길이를 제어하도록 제1 펄스형 파형(예를 들어, 파형 n)으로부터 아크 길이를 이용할 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 전술된 제어 회로는 아크 길이가 전극 돌출길이에 독립적으로 제어될 수 있게 한다. 전극 돌출길이에 독립적인 아크 길이의 제어는 조작자가 비교적 깊은 점에서 원하는 아크 길이를 갖는 용접부를 형성하는 것을 가능하게 할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 회로는 아크 길이로의 변화에 적어도 부분적으로 기초하여 토치의 접촉점 상의 마모를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 펄스형 파형을 전극으로 이송하는 마모된 접촉점은 부분적으로 전극에 융착될 수도 있고 공작물을 향한 전극의 이송을 중지시키거나 느리게할 수도 있다. 이 부분 융착은 제1 펄스형 파형으로부터 제2 펄스형 파형으로 하나 이상의 액적 직경(예를 들어, 임계차)만큼 아크 길이를 변화시킬 수도 있다. 이에 따라, 아크 길이의 이 변화의 결정은 토치의 마모된 접촉점을 지시할 수도 있다. 제어 회로는 조작자 인터페이스를 거쳐 마모된 접촉점을 조작자에게 통지할 수도 있다(예를 들어, 경고 신호를 통해).
몇몇 실시예에서, 제어 회로는 식 (5)에서 전술된 바와 같이 전극의 결정된 저항에 적어도 부분적으로 기초하여 전극 돌출길이 및/또는 CTWD를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 제어 회로는 전극 돌출길이와 전극 저항 사이의 함수 관계(예를 들어, 공지의 전극 직경에 대해 Ω/mm)를 통해 전극 돌출길이를 결정할 수도 있다. 후속의 펄스형 파형과 제1 펄스형 파형 중에 결정된 저항의 비교를 통해, 제어 회로는 토치의 접촉점에 대한 마모의 정도 및/또는 유형을 결정할 수도 있다. 제어 회로는 통계적 분석을 이용하여 다수의 펄스형 파형을 위한 결정된 저항을 비교하고 전극 돌출길이, CTWD, 또는 접촉팁 마모, 또는 이들의 임의의 조합을 결정할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 회로는 결정된 저항, 전극 돌출길이 또는 CTWD에 적어도 부분적으로 기초하여 공작물을 통한 전극 또는 용접풀의 침투를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 실질적으로 일정한 CTWD를 유지하면서 증가된 저항은 전극 돌출길이가 증가하고 있고 용접풀이 공작물을 침투하는 것을 지시할 수도 있다. 이에 따라, 제어 회로는 침투를 위한 지시기로서 저항을 모니터링할 수도 있다.
요약하면, 제어 회로는 피크 페이즈의 시작, 피크 페이즈의 종료, 또는 다른 변화를 지시할 수도 있는 전류 및/또는 전압의 변화(즉, 증가 또는 감소)에 대해 펄스 파형을 모니터링한다. 전류 및/또는 전압의 변화의 관찰시에, 제어 회로는 변화로부터 샘플링된 전류 및 전압값을 이용하여 회귀 모델 또는 점-기울기 식으로부터 REE를 결정할 수도 있다. REE의 결정시에, 제어 회로는 식 (3) 및 샘플링된 전압 및 샘플링된 전류값을 이용하여 λ 값을 결정한다. 몇몇 실시예에서, 제어 회로는 λ 단독에 기초하여 아크 길이를 조정하도록 펄스 파형을 제어할 수도 있다. λ 단독에 기초하는 조정은 제어 회로가 VFall 및 Varc를 조정하면서 VEE의 변화(예를 들어, 전극 돌출길이에 기인하는)를 보상하는 것을 가능하게 한다. 부가적으로 또는 대안에서, 제어 회로는 현재 용접부의 아크 파라미터에 적어도 부분적으로 관련된 메모리로부터 로딩된 하나 이상의 데이터 세트 및 λ로부터 l arc를 결정할 수도 있다. l arc의 결정에 적어도 부분적으로 기초하는 폐루프 제어에서, 제어 회로는 현재 용접부의 현재 펄스형 파형 및/또는 후속의 펄스형 파형의 Varc 및 대응 l arc를 조정하도록 전원 및/또는 급전기를 제어할 수도 있다.
본 발명의 단지 특정 특징만이 본 명세서에 도시되어 설명되었지만, 다수의 수정 및 변경이 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 있는 것으로서 모든 이러한 수정 및 변경을 커버하도록 의도된다.
10: 전원 12: 와이어 피더
14: 도관 16: 용접 토치
18: 공작물 20: 조작자 인터페이스
22: 제어 회로 24: 전력 변환 회로
26: 화살표 28: 인터페이스 회로
30: 상보형 인터페이스 회로 32: 제어 회로
34: 조작자 인터페이스 36: 가스 제어 밸브
38: 참조 번호 40: 스풀
42: 용접 와이어 44: 클러치
46: 이송 모터 48: 이송 롤러
50: 회전속도계 52: 용접 케이블
54: 부가의 견인 모터 56: 트리거 스위치
58: 클램프 62: 처리 회로
64: 구동기 회로 66: 메모리 회로
78: 용접 아크 80: 전극
82: 그래프 84: 접촉점
86: 길이 88: 단부
90: 제1 부분 92: 제2 부분
94: 팁 96: 아크 길이
98: 표면 영역 110: 전압 파형
112: 전압축 114: 전류 파형
116: 전류축 118: 양 축과 교차하는 시간축
120: 주기 122: 제1 일정 전압 세그먼트
124: 배경 전압 레벨 126: 피크 전압 레벨
128: 피크 전류 램프 속도 130: 피크 전류 레벨
132: 세그먼트 134: 속도
136: 피크 페이즈 시간 138: 배경 전류 램프 속도
140: 참조 번호 142: 배경 전류 레벨
144: 전압 강하 146: 임계 전압
148: 재점호 페이즈 150: 재점호 전류 레벨
152: 전압 증가 154: 아크 재점호
180: 전류 182: 대응 전압
184: 점 186: 회귀선
200: 차트 204: 감마값
206: 데이터점 202: 아크 길이
208: 제1 회귀 모델 210: 제2 회귀 모델
212: 다항식 모델 220: 방법
222: 블록 224: 블록
226: 블록 228: 블록
230: 블록 232: 블록
234: 블록 236: 블록
250: 블록 252: 블록
254: 블록 256: 블록
258: 블록 260: 블록
262: 블록

Claims (20)

  1. 용접 시스템의 제어 방법으로서:
    전류 램프 속도에서 전극에 공급된 용접 전류를 제어하는 것;
    상기 제어된 용접 전류 및 변화하는 아크 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 길이를 결정하는 것
    을 포함하고, 상기 아크 길이는 상기 전극과 공작물 사이의 거리를 포함하고, 상기 아크 전압은 상기 전극과 상기 공작물 사이의 전압을 포함하는 것인 용접 시스템의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어된 용접 전류 및 상기 변화하는 아크 전압을 감지하는 것; 및
    상기 결정된 아크 길이에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 용접 시스템의 하나 이상의 용접 파라미터를 제어하는 것을 포함하는 용접 시스템의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    제1 펄스의 램프업(ramp up) 중에 상기 제어된 용접 전류 및 상기 변화하는 아크 전압을 감지하는 것; 및
    상기 제1 펄스 이후의 제2 펄스 중에 상기 하나 이상의 용접 파라미터를 제어하는 것을 포함하고,
    상기 하나 이상의 용접 파라미터는 아크 길이, 와이어 이송 속도, 또는 전극 돌출길이, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 용접 시스템의 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 용접 파라미터를 제어하는 것은 상기 결정된 아크 길이에 적어도 부분적으로 기초하여 폐루프 제어를 이용하는 것을 포함하는 것인 용접 시스템의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 아크 길이를 결정하는 것은
    상기 제어된 용접 전류 및 상기 변화하는 아크 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전극의 저항을 결정하는 것;
    용접 전압, 저항, 및 강하 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 아크 전압을 결정하는 것; 및
    상기 아크 길이와 상기 아크 전압 사이의 함수 관계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 아크 길이를 결정하는 것을 포함하는 것인 용접 시스템의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    전극 파라미터 입력 및 차폐 가스 입력을 수신하는 것;
    상기 전극 파라미터 입력 및 상기 차폐 가스 입력에 적어도 부분적으로 기초하여 메모리로부터 상기 함수 관계를 로딩하는 것을 포함하는 용접 시스템의 제어 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 용접 파라미터를 제어하는 것은 제1 펄스 전체에 걸쳐 원하는 아크 길이의 임계 길이 이내로 상기 아크 길이를 유지하는 것을 포함하는 것인 용접 시스템의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어된 용접 전류 및 상기 변화하는 아크 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 전극의 저항을 결정하는 것;
    상기 저항과 전극 돌출길이 사이의 함수 관계에 적어도 부분적으로 기초하여 전극 돌출길이를 결정하는 것을 포함하는 용접 시스템의 제어 방법.
  9. 용접 시스템으로서:
    펄스 용접 파형을 토치에 제공하도록 구성된 전력 변환 회로로서, 상기 펄스 용접 파형은 피크부를 포함하고, 상기 피크부는 램프업부 또는 램프다운부를 포함하는 것인, 전력 변환 회로;
    상기 토치 내의 전극에 인가된 상기 펄스 용접 파형의 용접 전압 및 상기 펄스 용접 파형의 용접 전류를 감지하도록 구성된 하나 이상의 센서; 및
    상기 하나 이상의 센서에 결합된 처리 회로로서, 상기 처리 회로는 상기 램프업부 또는 상기 램프다운부 중에 상기 용접 전류에 대한 변화 및 상기 용접 전압에 대한 변화에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 길이를 결정하도록 구성되고, 상기 아크 길이는 상기 전극과 공작물 사이의 거리를 포함하는 것인, 처리 회로
    를 포함하는 용접 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 아크 길이에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 펄스 용접 파형의 피크부를 제어하도록 구성되는 것인 용접 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 처리 회로는 메모리를 포함하고, 상기 처리 회로는 아크 전압과 상기 아크 길이 사이의 함수 관계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 아크 길이를 결정하도록 구성되고, 상기 함수 관계는 상기 메모리 내에 저장되고, 상기 아크 전압은 상기 전극과 상기 공작물 사이의 전압을 포함하는 것인 용접 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 펄스 용접 파형의 전체에 걸쳐 원하는 아크 길이의 임계 길이 이내로 상기 아크 길이를 유지하기 위해 상기 전력 변환 회로를 제어하도록 구성되는 것인 용접 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 처리 회로에 결합된 조작자 지시기를 포함하고, 상기 처리 회로는 결정된 아크 길이가 임계 길이를 초과하면 상기 조작자 지시기에 경고 신호를 전송하도록 구성되는 것인 용접 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 전극과 상기 공작물 사이의 아크 전압 및 강하 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 아크 길이를 제어하도록 구성되는 것인 용접 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 강하 전압은 전극의 재료, 상기 토치에 제공된 차폐 가스, 또는 이들의 임의의 조합에 적어도 부분적으로 기초하는 용접 시스템.
  16. 제9항에 있어서, 상기 처리 회로는 결정된 아크 길이에 적어도 부분적으로 기초하여 하나 이상의 용접 파라미터를 제어하도록 구성되고, 상기 용접 파라미터는 와이어 이송 속도, 전극 돌출길이, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 용접 시스템.
  17. 제9항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 램프업부 또는 상기 램프다운부 중에 상기 피크부의 용접 전류 및 용접 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 전극 저항을 결정하도록 구성되고, 상기 처리 회로는 상기 전극 저항에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 아크 길이를 결정하도록 구성되는 것인 용접 시스템.
  18. 용접 시스템의 제어 방법으로서:
    펄스 용접 파형의 변화하는 용접 전류 및 변화하는 전압을 감지하는 것;
    상기 변화하는 용접 전류 및 상기 변화하는 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 전극의 저항을 결정하는 것;
    용접 전압, 상기 저항 및 강하 전압에 적어도 부분적으로 기초하여 아크 전압을 결정하는 것; 및
    아크 길이와 상기 아크 전압 사이의 함수 관계에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 펄스 용접 파형 중에 아크 길이를 제어하는 것
    을 포함하고, 상기 아크 길이는 상기 전극과 상기 공작물 사이의 거리를 포함하는 것인 용접 시스템의 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    임계 길이를 수신하는 것; 및
    상기 펄스 용접 파형 전체에 걸쳐 원하는 아크 길이의 임계 길이 이내로 상기 아크 길이를 유지하는 것을 포함하는 용접 시스템의 제어 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 함수 관계는 상기 전극의 재료 및 토치에 의해 제공된 차폐 가스에 적어도 부분적으로 기초하는 용접 시스템의 제어 방법.
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