KR20180051384A - 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

플라스마 아크 용접에 있어서, 스탠드 오프가 길 때일지라도 확실하게 메인 아크를 발생시키고, 또한, 용접 개시 시의 용접 품질을 양호하게 하는 것.
플라스마 가스(Fp)를 흘리고, 파일럿 아크를 발생시키고, 기동 신호 Om이 출력되면 메인 아크(Cm)를 발생시키는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법에 있어서, 기동 신호 Om이 출력된 시점 t1부터 미리 결정된 초기 기간이 경과하는 시각 t2까지는 플라스마 가스의 유량 Fp를 미리 결정된 초기값으로 설정하는 제1 공정과, 초기 기간 중에 메인 아크(Cm)가 발생하지 않을 때는 플라스마 가스의 유량 Fp를 경사를 갖고 증가시키는 제2 공정과, 메인 아크(Cm)가 발생하면 플라스마 가스의 유량 Fp를 미리 정한 정상값으로 변화시키는 제3 공정을 구비한다.

Description

플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법{ARC START CONTROL METHOD OF PLASMA ARC WELDING}
본 발명은 플라스마 가스를 흘리고, 파일럿 아크를 발생시키고, 기동 신호가 출력되면 메인 아크를 발생시키는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법에 관한 것이다.
플라스마 아크 용접은, 고에너지 밀도의 플라스마 아크를 이용함으로써 박판의 고속도 용접 또는 후판의 관통 용접이 가능하다. 플라스마 아크 용접에서는, 파일럿 아크를 발생시켜 두고, 이 파일럿 아크에 의해 메인 아크를 유발시켜서 용접을 개시한다. 용접 개시 시에 있어서, 파일럿 아크로부터 원활하게 메인 아크를 발생시키는 것은, 용접 품질을 양호하게 하여, 용접 작업을 효율화하기 위하여 중요하다.
파일럿 아크로부터 메인 아크를 원활하게 유발하기 위해서는, 플라스마 가스의 유량이 중요해진다. 특허문헌 1의 발명에서는, 용접 개시 시의 플라스마 가스의 유량을 용접중보다도 크게 하여 파일럿 아크의 아크 길이를 늘려서, 메인 아크를 원활하게 발생시키도록 하고 있다.
일본 특허 공개 소61-82975호 공보
종래 기술과 같이 용접 개시 시의 플라스마 가스의 유량을 용접중보다도 크게 하면, 메인 아크의 발생은 원활해진다. 특히, 용접 토치 선단·모재간 거리(이하, 스탠드 오프라고 한다)가 길어지면, 메인 아크가 발생하기 어려워진다. 이러한 상태일 때에, 종래 기술을 적용하면, 메인 아크의 발생이 원활해지는 효과가 있다.
그러나, 용접 개시 시의 플라스마 가스의 유량을 크게 하면, 파일럿 아크에 의한 아크 압력이 증대하게 된다. 이 때문에, 박판 용접에 있어서는, 파일럿 아크의 아크 압력에 의해 용락이 발생한다는 문제가 있었다. 또한, 후판 용접에 있어서도, 파일럿 아크의 아크 압력에 의해 모재 표면이 용융되어, 용접 개시 시의 비드 외관이 나빠진다는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명에서는, 스탠드 오프가 긴 경우에도, 메인 아크를 원활하게 발생시킬 수 있고, 또한, 용접 개시 시의 용접 품질을 양호하게 할 수 있는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1의 발명은,
플라스마 가스를 흘리고, 파일럿 아크를 발생시키고, 기동 신호가 출력되면 메인 아크를 발생시키는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법에 있어서,
상기 기동 신호가 출력된 시점부터 미리 결정된 초기 기간이 경과할 때까지는 상기 플라스마 가스의 유량을 미리 결정된 초기값으로 설정하는 제1 공정과,
상기 초기 기간 중에 상기 메인 아크가 발생하지 않을 때는 상기 플라스마 가스의 유량을 경사를 갖고 증가시키는 제2 공정과,
상기 메인 아크가 발생하면 상기 플라스마 가스의 유량을 미리 정한 정상값으로 변화시키는 제3 공정
을 구비한 것을 특징으로 하는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법이다.
청구항 2의 발명은, 상기 제2 공정에서의 상기 플라스마 가스의 증가에 미리 정한 상한값을 설정하는,
것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법이다.
청구항 3의 발명은, 상기 기동 신호가 출력된 시점부터 미리 결정된 기준 시간이 경과해도 상기 메인 아크가 발생하지 않을 때는, 아크 스타트 이상을 통지하는,
것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법이다.
본 발명에 따르면, 스탠드 오프가 긴 경우에도, 메인 아크를 원활하게 발생시킬 수 있고, 또한, 용접 개시 시의 용접 품질을 양호하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법을 실시하기 위한 용접 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1에서 상술한 용접 장치에 있어서의 각 신호의 타이밍 차트이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
[실시 형태 1]
도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법을 실시하기 위한 용접 장치의 블록도이다. 이하, 도 1을 참조하여 각 블록에 대하여 설명한다.
용접 토치는, 주로 전극(1), 그것을 둘러싸는 플라스마 가스 노즐(4) 및 그것을 둘러싸는 실드 가스 노즐(5)을 포함한다. 전극(1)에는, 텅스텐 전극 등이 사용된다.
파일럿 아크 개시 회로(OP)는, 파일럿 아크(3p)를 발생시킬 때에 High 레벨로 되는 파일럿 아크 개시 신호 Op를 출력한다. 이 파일럿 아크 개시 회로(OP)는, 예를 들어 용접 장치의 프론트 패널에 설치된 스위치이다. 이 스위치가 온되면, 파일럿 아크 개시 신호 Op가 High 레벨로 되어서 출력된다.
기동 회로(OM)는, 메인 아크(3m)를 발생시킬 때에 High 레벨로 되는 기동 신호 Om을 출력한다. 이 기동 회로(OM)는, 용접 토치에 설치된 토치 스위치이다. 또한, 기동 회로(OM)는, 로봇 제어 장치 내에 설치되는 경우도 있다.
플라스마 가스 유량 설정 회로(FR)는, 상기 기동 신호 Om 및 후술하는 메인 아크 전류 통전 판별 신호 Cm을 입력으로 하여, 도 2에서 후술하는 플라스마 가스 유량 Fp를 설정하기 위한 플라스마 가스 유량 설정 신호 Fr을 출력한다.
플라스마 가스 전자기 밸브(GP)는, 상기 파일럿 아크 개시 신호 Op에 의해 개폐 상태가 제어된다. 파일럿 아크 개시 신호 Op가 High 레벨로 되면, 플라스마 가스 전자기 밸브(GP)가 개방 상태로 되고, 플라스마 가스 봄베(6)로부터의 플라스마 가스(7)가 흐른다.
플라스마 가스 유량 조정기(FP)는, 상기 플라스마 가스 유량 설정 신호 Fr에 따라서 정해지는 값으로 플라스마 가스(7)의 유량을 조정한다.
실드 가스 유량 조정기(FS)는, 실드 가스 봄베(8)로부터의 실드 가스(9)의 유량을 조정한다. 유량의 조정은, 실드 가스 유량 조정기(FS)의 본체의 회전 손잡이를 수동으로 조작함으로써 행한다. 실드 가스(9)의 유량은, 예를 들어 10리터/분으로 조정된다.
실드 가스 전자기 밸브(GS)는, 상기 기동 신호 Om에 의해 개폐 상태가 제어된다. 기동 신호 Om이 High 레벨로 되면, 실드 가스 전자기 밸브(GS)가 개방 상태로 되어 실드 가스(9)가 흐른다.
플라스마 가스 노즐(4) 내에 플라스마 가스(7)가 흐른다. 또한, 실드 가스 노즐(5) 내에 실드 가스(9)가 흐른다. 플라스마 가스(7) 및 실드 가스(9)로는 아르곤이 사용되는 경우가 많다. 파일럿 아크(3p)는 전극(1)과 플라스마 가스 노즐(4) 간에 발생하고, 메인 아크(3m)는 전극(1)과 모재(2) 간에 발생한다. 파일럿 아크(3p)에 의해 유발되어서 메인 아크(3m)가 발생한다. 파일럿 아크(3p)는 전극(1)이 부극이 되고, 플라스마 가스 노즐(4)이 정극이 되어서 발생한다. 메인 아크(3m)는 전극(1)이 부극이 되고, 모재(2)가 정극이 되어서 발생한다.
파일럿 아크용 전원(PPS)은, 정전류 특성 또는 수하 특성을 갖는 전원이며, 이 전원에 의해 파일럿 아크(3P)를 발생시킨다. 파일럿 아크용 스위치(SP)는, 상기 파일럿 아크 개시 신호 Op에 따라서 상기 파일럿 아크용 전원(PPS)의 온/오프를 행한다. 이 파일럿 아크용 스위치(SP)로서는, 릴레이, 반도체 스위칭 소자 등을 사용한다.
메인 아크 전류 설정 회로(IR)는, 미리 정한 메인 아크 전류 설정 신호 Ir을 출력한다. 메인 아크용 전원(MPS)은, 이 메인 아크 전류 설정 신호 Ir을 입력으로 하여, 정전류 특성 또는 수하 특성을 갖는 전원이며, 메인 아크 전류 설정 신호 Ir에 의해 정해지는 메인 아크 전류 Im을 통전하고, 메인 아크(3m)를 발생시킨다. 메인 아크용 스위치(SM)는, 상기 기동 신호 Om에 따라서 상기 메인 아크용 전원(MPS)의 온/오프를 행한다. 이 메인 아크용 스위치(SM)로서는, 릴레이, 반도체 스위칭 소자 등을 사용한다.
메인 아크 전류 통전 판별 회로(CM)는, 메인 아크 전류 Im이 통전하고 있을 때는 High 레벨로 되는 메인 아크 전류 통전 판별 신호 Cm을 출력한다.
통지 회로(AR)는, 상기 기동 신호 Om 및 상기 메인 아크 전류 통전 판별 신호 Cm을 입력으로 하여, 기동 신호 Om이 High 레벨(기동)로 변화한 시점부터 미리 결정된 기준 시간이 경과해도 메인 아크 전류 통전 판별 신호 Cm이 High 레벨(통전)로 변화하지 않을 때는, 아크 스타트 이상을 통지한다. 통지 수단은, 소리, 이상등의 점등, 알람 신호의 외부로의 출력 등이다. 또한, 이 통지에 연동하여, 기동 신호 Om을 강제적으로 Low 레벨로 해서, 용접 장치로부터의 출력을 정지하게 해도 된다.
도 2는, 도 1에서 상술한 용접 장치에 있어서의 각 신호의 타이밍 차트이다. 도 2의 (A)는 파일럿 아크 개시 신호 Op의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (B)는 기동 신호 Om의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (C)는 플라스마 가스 유량 Fp[리터/분]의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (D)는 실드 가스 유량 Fs[리터/분]의 시간 변화를 나타내고, 도 2의 (E)는 메인 아크 전류 통전 판별 신호 Cm의 시간 변화를 나타낸다. 이하, 도 2 및 도 1을 참조하여 설명한다.
용접 작업자는, 용접 작업을 개시할 때에, 용접 장치에 상용 교류 전원을 접속하고, 파일럿 아크 개시 회로(OP)의 스위치를 온으로 한다. 이것에 응동하여, 파일럿 아크 개시 신호 Op가 High 레벨로 변화하여 출력되므로, 파일럿 아크용 스위치(SP)가 폐쇄 상태로 결정되어, 전극(1)과 플라스마 가스 노즐(4) 간에 전압이 인가된다. 동시에, 플라스마 가스 전자기 밸브(GP)가 개방 상태로 되어, 플라스마 가스(7)가 흐른다. 이때의 플라스마 가스 유량 Fp는, 플라스마 가스 유량 설정 신호 Fr에 의해 정해지는 미리 정한 초기값으로 되고, 플라스마 가스 유량 조정기(FP)에 의해 유량이 조정된다. 이 결과, 전극(1)과 플라스마 가스 노즐(4) 간에 파일럿 아크(3p)가 발생한다. 상기 초기값은 0.2 내지 0.5리터/분 정도이다. 파일럿 아크(3p)의 전류값은, 5 내지 15A 정도이다. 복수의 워크(모재(2))를 용접하는 기간중에는, 파일럿 아크(3p)는 발생한 상태를 유지한다. 즉, 파일럿 아크(3p)를 발생시킬 때까지가, 용접의 전준비로 된다.
시각 t1로부터, 용접을 개시하는 공정으로 이행한다. 이 시각 t1 이전부터, 상술한 바와 같이, 도 2의 (A)에 도시한 바와 같이, 파일럿 아크 개시 신호 Op는 High 레벨로 되어 있고, 도 2의 (C)에 도시한 바와 같이, 플라스마 가스 유량 Fp는 초기값으로 되어 있다.
(제1 공정)
시각 t1에 있어서, 용접 작업자에 의해 기동 회로(OM)의 스위치가 온되면, 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 기동 신호 Om이 High 레벨로 변화한다. 이것에 응동하여, 메인 아크용 스위치(SM)가 폐쇄 상태로 결정되어, 전극(1)과 모재(2) 간에 무부하 전압이 인가된다. 동시에, 실드 가스 전자기 밸브(GS)가 개방 상태로 되어, 실드 가스(9)가 흐른다. 도 2의 (D)에 도시한 바와 같이, 실드 가스 유량 Fs는, 실드 가스 유량 조정기(FS)에 의해 조정된 값으로 된다. 실드 가스 유량 Fs는 용접중에는 일정값이며, 10리터/분 정도로 된다. 시각 t1 내지 t2의 미리 정한 초기 기간 중에 메인 아크(3m)가 발생하고 있지 않으므로, 도 2의 (C)에 도시한 바와 같이, 플라스마 가스 유량 Fp는 초기값 그대로다. 초기 기간은, 0.5 내지 1.0초 정도로 설정된다.
(제2 공정)
시각 t2부터, 플라스마 가스 유량 Fp는, 미리 정한 증가율로 증가한다. 이 증가는, 메인 아크(3m)가 발생할 때까지 계속되게 된다. 증가율은, 1초간당 0.2 내지 1.0리터/분 정도로 설정된다. 플라스마 가스 유량 Fp가 증가함에 따라, 파일럿 아크(3p)의 아크 길이가 길어져, 메인 아크(3m)의 발생을 보다 강하게 유발한다.
(제3 공정)
시각 t3에 있어서, 메인 아크(3m)가 발생하면 메인 아크 전류 Im이 통전하므로, 도 2의 (E)에 도시한 바와 같이, 메인 아크 전류 통전 판별 신호 Cm이 High 레벨로 변화한다. 이것에 응동하여, 도 2의 (C)에 도시한 바와 같이, 플라스마 가스 유량 Fp는 미리 정한 정상값으로 변화한다. 이 정상값은, 판 두께에 따라서 0.2 내지 3.5리터/분 정도로 설정된다. 메인 아크 전류 Im은, 50 내지 250A 정도로 설정된다.
시각 t4에 있어서, 첫번째의 워크 용접이 종료되면, 용접 작업자는 기동 회로(OM)의 스위치를 오프하므로, 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 기동 신호 Om이 Low 레벨로 변화한다. 이것에 응동하여, 메인 아크용 스위치(SM)가 개방 상태로 결정되고, 메인 아크 전류 Im의 통전이 정지되므로, 도 2의 (E)에 도시한 바와 같이, 메인 아크 전류 통전 판별 신호 Cm은 Low 레벨이 된다. 동시에, 실드 가스 전자기 밸브(GM)가 폐쇄 상태로 되므로, 도 2의 (D)에 도시한 바와 같이, 실드 가스 유량 Fs는 0이 된다. 그러나, 도 2의 (A)에 도시한 바와 같이, 파일럿 아크 개시 회로(OP)의 스위치는 온 그대로이므로, 파일럿 아크용 스위치(SP)는 폐쇄 상태 그대로 있고, 파일럿 아크(3p)는 발생한 상태를 유지한다. 또한, 플라스마 가스 전자기 밸브(GP)는 개방 상태 그대로이므로, 플라스마 가스(7)는 흐름을 유지한다. 단, 도 2의 (C)에 도시한 바와 같이, 플라스마 가스 유량 fp는 정상값으로부터 초기값으로 변화한다. 도 2에서는, 정상값=초기값인 경우이지만, 서로 다른 값으로 설정되는 경우도 있다. 다음 워크의 용접을 개시할 때는, 다시 시각 t1부터의 동작을 반복하게 된다.
시각 t1 내지 t2의 초기 기간 중에, 메인 아크(3m)가 발생한 경우에는, 시각 t3의 동작으로 즉시 이행하고, 플라스마 가스 유량 Fp는 정상값으로 변화한다.
이하, 본 실시 형태의 작용 효과에 대하여 설명한다. 시각 t1에 기동 신호 Om이 High 레벨로 변화한 시점부터, 초기 기간중에는 플라스마 가스 유량 Fp를 작은 값으로 하여 메인 아크(3m)의 발생을 기다린다. 이 초기 기간 중에 메인 아크(3m)가 발생하면, 플라스마 가스 유량 Fp는 작은 값이므로, 용접 개시 시의 용접 품질은 양호해진다. 스탠드 오프가 적정 거리(2 내지 5mm 정도)의 범위에 있을 때는, 대부분의 기간 중에 메인 아크(3m)가 발생한다. 스탠드 오프가 적정 거리보다도 긴 경우(5 내지 9mm 정도)에는, 초기 기간 중에 메인 아크(3m)가 발생하지 않는 경우가 많아진다. 이러한 경우에는, 시각 t2 이후의 동작이 되고, 플라스마 가스 유량 Fp는 계시적(繼時的)으로 미리 정한 증가율로 증가한다. 그리고, 메인 아크(3m)가 발생하면, 플라스마 가스 유량 Fp를 정상값으로 변화시킨다. 이렇게 하면, 메인 아크(3m)를 발생시키기 위하여 필요 최소한만 플라스마 가스 유량 Fp가 증가하므로, 용접 개시 시의 용접 품질은 거의 나빠지지 않는다. 또한, 확실하게 메인 아크(3m)를 발생시킬 수 있다.
도 2에 있어서, 기동 신호 Om이 High 레벨로 되는 시각 t1부터의 경과 시간이 미리 정한 기준 시간이 되어도 메인 아크(3m)가 발생하지 않을 때는, 통지 회로(AR)에 의해 경보가 통지된다. 동시에, 기동 신호 Om이 Low 레벨로 강제적으로 변화되고, 메인 아크용 스위치(SM)는 개방 상태로 되고, 출력이 정지된다. 기준 시간은, 1.5 내지 3초 정도로 설정된다.
도 2에 있어서, 시각 t2로부터의 플라스마 가스 유량 Fp에 미리 정한 상한값을 설정해도 된다. 이에 의해, 플라스마 가스 유량 Fp가 과대해지는 것을 억제할 수 있다.
1: 전극
2: 모재
3m: 메인 아크
3P: 파일럿 아크
4: 플라스마 가스 노즐
5: 실드 가스 노즐
6: 플라스마 가스 봄베
7: 플라스마 가스
8: 실드 가스 봄베
9: 실드 가스
AR: 통지 회로
CM: 메인 아크 전류 통전 판별 회로
Cm: 메인 아크 전류 통전 판별 신호
FP: 플라스마 가스 유량 조정기
Fp: 플라스마 가스 유량
FR: 플라스마 가스 유량 설정 회로
Fr: 플라스마 가스 유량 설정 신호
FS: 실드 가스 유량 조정기
Fs: 실드 가스 유량
GP: 플라스마 가스 전자기 밸브
GS: 실드 가스 전자기 밸브
Im: 메인 아크 전류
IR: 메인 아크 전류 설정 회로
Ir: 메인 아크 전류 설정 신호
MPS: 메인 아크용 전원
OM: 기동 회로
Om: 기동 신호
OP: 파일럿 아크 개시 회로
Op: 파일럿 아크 개시 신호
PPS: 파일럿 아크용 전원
SM: 메인 아크용 스위치
SP: 파일럿 아크용 스위치

Claims (3)

  1. 플라스마 가스를 흘리고, 파일럿 아크를 발생시키고, 기동 신호가 출력되면 메인 아크를 발생시키는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법에 있어서,
    상기 기동 신호가 출력된 시점부터 미리 결정된 초기 기간이 경과할 때까지는 상기 플라스마 가스의 유량을 미리 결정된 초기값으로 설정하는 제1 공정과,
    상기 초기 기간 중에 상기 메인 아크가 발생하지 않을 때는 상기 플라스마 가스의 유량을 경사를 갖고 증가시키는 제2 공정과,
    상기 메인 아크가 발생하면 상기 플라스마 가스의 유량을 미리 정한 정상값으로 변화시키는 제3 공정
    을 구비한 것을 특징으로 하는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 공정에서의 상기 플라스마 가스의 증가에 미리 정한 상한값을 설정하는,
    것을 특징으로 하는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기동 신호가 출력된 시점부터 미리 결정된 기준 시간이 경과해도 상기 메인 아크가 발생하지 않을 때는, 아크 스타트 이상을 통지하는,
    것을 특징으로 하는 플라스마 아크 용접의 아크 스타트 제어 방법.
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