KR20180118540A - 온도 검출기를 이용한 용접 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20180118540A
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바드리 케이 나라야난
브루스 존 챈트리
데이비드 존 무질라
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

용접 환경의 열적 특성을 모니터링함으로써 용접 또는 금속 융착 공정을 위한 열 입력을 제어하는 실시예들이 개시되어 있다. 일 실시예는 용접 시스템을 이용하는 용접 동작 중에 쉘의 시야 창을 통해 용접 환경을 보는 동안 용접 작업자를 보호하기 위해 용접 작업자에 의해 착용될 쉘을 갖는 용접 헬멧을 포함한다. 열 감지 디바이스가 쉘과 통합 형성되어 용접 환경의 열 에너지를 감지하고 열 에너지에 기반하여 열 데이터를 발생시킨다. 열 분석 모듈이 쉘과 통합 형성되어 열 데이터를 분석하고 제어 파라미터들을 발생시킨다. 송신기 디바이스가 쉘과 통합 형성되어 용접 시스템에 제어 파라미터들을 송신한다. 제어 파라미터들은 용접 동작 중에 용접 시스템의 적어도 하나의 용접 파라미터를 제어한다.

Description

온도 검출기를 이용한 용접 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR WELDING WITH TEMPERATURE DETECTOR}
본 출원은 여기에 참조로서 전적으로 통합되어 있는, 2016년 7월 14일에 출원된 미국특허출원 제15/210,089호에 대한 우선권을 주장하며, 이 미국특허출원의 부분계속출원이다.
본 발명의 실시예들은 용접 환경의 열적 특성들을 모니터링함으로써 용접 또는 금속 융착 공정에 대한 열 입력을 제어하는 것에 관한 것이다.
용접 부위에 대한 열 입력은 중요한 고려사항이다. 종종 최대 열 입력 레벨이 결정된 다음, 용접에 적합한 용접 파형 및 파라미터들이 선택된다. 그러나 용접 중에 이들 파라미터 또는 열 입력을 변경하는 것은 어렵다. 따라서, 이러한 우려 사항들을 해결하는 개선된 용접 방안 및/또는 시스템이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용접 전류를 전극에 출력하여 전극과 모재 사이에 아크를 생성하도록 구성된 전원을 포함하는 용접 시스템이 제공된다. 이 시스템은 모재에 대해 용접 동작을 수행하여 용접 접합 부위를 생성하는 용접 토치를 더 포함할 수 있는데, 용접 토치는 전극을 포함한다. 이 시스템은 용접 동작 중에 이동 경로 또는 용접 접합 부위에 대한 경로를 따라 모재의 온도를 검출하도록 구성된 온도 센서를 더 포함한다. 이 시스템은 모재의 온도가 모재의 소재와 관련된 허용오차를 초과하는 경우 피드백 디바이스에 지시를 전달하도록 구성된 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일 유형의 소재를 갖는 모재와 전극 사이에 아크를 생성하는 단계; 아크로부터 임의의 거리에 있고, 아크와 정렬되어 있으며, 전극의 이동 경로에 평행한 위치에서 모재의 온도를 검출하는 단계; 모재의 검출 온도가 그 타입의 소재를 갖는 모재에 대한 허용오차를 초과하는 경우 피드백 디바이스에 지시를 전달하는 단계; 및 검출된 온도에 기반하여 아크에 대한 와이어 전달을 위한 와이어 공급 속도를 조정하는 단계를 적어도 포함하는 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극에 용접 전류를 출력하여 전극과 모재 사이에 아크를 생성하도록 구성된 전원; 전극을 포함하며, 모재에 대한 용접 동작을 수행하여 용접 접합 부위를 생성하는 용접 토치; 용접 동작 중에 용접 접합 부위에 인접한 경로를 따라 모재의 온도를 검출하는 수단; 모재의 온도가 모재의 소재와 관련된 허용오차를 초과하는 경우 지시를 전달하는 수단; 및 용접 동작을 수행하는 오퍼레이터에게 지시를 제공하는 수단을 적어도 포함하는 용접 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용접 전류를 전극에 출력하여 전극과 모재 사이에 아크를 생성함으로써 용접 동작 중에 용접 퍼들을 형성하도록 구성된 전원을 포함하는 용접 시스템이 제공된다. 이 용접 시스템은 또한 용접 작업자가 용접 동작 중에 용접 헬멧을 통해 전극과 모재를 볼 때 용접 작업자를 보호하기 위해 용접 작업자에 의해 착용되도록 구성된 용접 헬멧을 포함한다. 이 용접 시스템은 용접 헬멧과 통합 형성되어 용접 동작 중에 용접 환경의 열 에너지를 감지하고 열 에너지에 기반하여 열 데이터를 발생시키도록 구성된 열 감지 디바이스를 더 포함한다. 용접 환경은 모재, 전극, 및 용접 퍼들 중 적어도 하나를 포함한다. 용접 시스템은 또한 용접 헬멧에 통합 형성되어 열 감지 디바이스에 동작 가능하게 연결되는 송신기 디바이스를 포함한다. 송신기 디바이스는 열 데이터를 무선 송신하도록 구성된다. 용접 시스템은 또한 열 분석 모듈을 갖는 제어기를 더 포함한다. 제어기는 송신기 디바이스로부터 열 데이터를 무선 수신하고, 열 분석 모듈을 통해 열 데이터를 분석하여 제어 파라미터들을 발생시키며, 제어 파라미터들을 전원에 제공하도록 구성된다. 전원은 제어부로부터 제어 파라미터들을 수신하고 제어 파라미터들에 응답하여 용접 동작의 적어도 하나의 용접 파라미터를 수정하도록 더 구성된다. 용접 시스템은 또한 전극을 수용하여 전극이 모재를 향하도록 용접 작업자에 의해 파지되도록 구성되는 용접 토치를 포함한다. 열 데이터는 예를 들어, 용접 환경의 온도들, 공간적 열 구배들, 또는 시간적 열 구배들을 포함할 수 있다. 제어 파라미터들은 예를 들어, 전류 조정 명령, 전압 조정 명령, 파형 조정 명령, 또는 와이어 공급 속도 조정 명령을 포함할 수 있다. 용접 파라미터들은 예를 들어, 용접 전류, 용접 전압, 또는 와이어 공급 속도를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 용접 시스템은 용접 헬멧과 통합 형성되고 열 감지 디바이스 및 송신기 디바이스에 전기 에너지를 제공하도록 구성된 충전 배터리를 포함한다. 일 실시예에서, 용접 시스템은 전원에 동작 가능하게 연결된 와이어 공급기를 포함한다. 와이어 공급기는 모재를 향하는 용접 와이어(전극)를 아크에 임의의 와이어 공급 속도로 전달하도록 구성된다. 일 실시예에서, 열 분석 모듈은 제어기의 메모리에 저장된 룩업 테이블(LUT)로서 구성되어, 메모리에 대한 주소 지정 가능 입력(addressable input)으로서 열 데이터(또는 열 데이터로부터 추출된 데이터)를 이용하고 메모리의 출력으로서 제어 파라미터들을 제공한다. 일 실시예에서, 열 분석 모듈은 제어기의 메모리에 저장된 컴퓨터 실행가능 명령어 세트로서 구현되고 제어기의 프로세서에서 실행되도록 구성된 알고리즘을 포함한다. 일 실시예에서, 열 분석 모듈은 입력으로서 열 데이터(또는 열 데이터로부터 추출되는 데이터)를 사용하고 출력으로서 제어 파라미터들을 제공하도록 구성된 전자 회로를 포함한다. 그 밖의 다른 실시예들에서, 열 분석 모듈은 예를 들어, LUT, 전자 회로, 및 알고리즘 중 2 이상의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 필터링 시야 창을 갖는 쉘을 포함하는 용접 헬멧이 제공된다. 쉘은 용접 시스템을 이용하는 용접 작업자에 의해 수행되는 용접 동작 중에 용접 작업자가 시야 창을 통해 용접 환경을 볼 때 용접 작업자를 보호하기 위해 용접 작업자에 의해 착용되도록 구성된다. 이 용접 헬멧은 쉘과 통합 형성되어 용접 동작 중에 용접 환경의 열 에너지를 감지하고 열 에너지에 기반하여 열 데이터를 발생시키도록 구성된 열 감지 디바이스를 포함한다. 용접 환경은 모재, 전극, 및 용접 퍼들 중 적어도 하나를 포함한다. 용접 헬멧은 쉘에 통합 형성되어 열 감지 디바이스에 동작 가능하게 연결되는 열 분석 모듈을 포함한다. 열 분석 모듈은 열 데이터를 분석하여 제어 파라미터들을 발생시키도록 구성된다. 용접 헬멧은 또한 쉘에 통합 형성되어 열 분석 모듈에 동작 가능하게 연결되는 송신기 디바이스를 포함한다. 송신기 디바이스는 용접 시스템에 제어 파라미터들을 송신하도록 구성된다. 제어 파라미터들은 용접 동작 중에 용접 시스템의 적어도 하나의 용접 파라미터를 제어한다. 열 데이터는 예를 들어, 용접 환경의 온도들, 공간적 열 구배들, 또는 시간적 열 구배들을 포함할 수 있다. 제어 파라미터들은 예를 들어, 전류 조정 명령, 전압 조정 명령, 파형 조정 명령, 또는 와이어 공급 속도 조정 명령을 포함할 수 있다. 용접 파라미터들은 예를 들어, 용접 전류, 용접 전압, 또는 와이어 공급 속도를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 용접 시스템은 쉘과 통합 형성되어 열 감지 디바이스, 열 분석 모듈, 및 송신기 디바이스에 전기 에너지를 제공하도록 구성된 충전 배터리를 포함한다. 일 실시예에서, 열 분석 모듈은 메모리에 저장된 룩업 테이블(LUT)로서 구성되어, 메모리에 대한 주소 지정 가능 입력으로서 열 데이터(또는 열 데이터로부터 추출된 데이터)를 이용하고 메모리의 출력으로서 제어 파라미터들을 제공한다. 일 실시예에서, 열 분석 모듈은 프로세서, 메모리, 및 메모리에 저장되고 프로세서에서 실행되도록 구성된 컴퓨터 실행가능 명령어 세트로서 구현된 알고리즘을 포함한다. 일 실시예에서, 열 분석 모듈은 입력으로서 열 데이터(또는 열 데이터로부터 추출되는 데이터)를 사용하고 출력으로서 제어 파라미터들을 제공하도록 구성된 전자 회로를 포함한다. 그 밖의 다른 실시예들에서, 열 분석 모듈은 예를 들어, LUT, 전자 회로, 및 알고리즘 중 2개 이상의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 용접 헬멧은 송신기 디바이스에 동작 가능하게 연결된 안테나를 포함한다. 송신기 디바이스는 안테나를 통해 용접 시스템의 제어기 또는 전원에 제어 파라미터들을 무선 송신하도록 구성된다. 대체 실시예에서, 용접 헬멧은 용접 시스템의 제어기 또는 전원과 송신기 디바이스 사이에 연결되도록 구성된 통신 케이블을 포함한다. 송신기 디바이스는 통신 케이블을 통해 용접 시스템의 제어기 또는 전원에 제어 파라미터들을 송신하도록 구성된다.
이러한 목적 및 본 발명의 그 밖의 목적들은 도면, 상세한 설명, 및 첨부된 청구항의 관점에서 볼 때 더 명확해질 것이다.
본 발명은 특정 부품 및 부품 배치에서 물리적 형태를 취할 수 있으며, 그 바람직한 실시예는 명세서에 상세히 기재되어 있고, 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면에 예시되어 있다.
도 1은 용접 토치의 이동 경로에 인접한 거리에서의 모재(workpiece)의 측정 온도에 기반하여 열 입력의 비균일성(inconsistency)을 줄이는 용접 시스템의 예시적인 비한정적 실시예를 나타낸다.
도 2는 용접 동작 중에 열 입력 비균일성을 줄이기 위해 모재 상의 위치에서 온도를 검출할 수 있는 용접 시스템의 예시적인 비한정적 실시예를 나타낸다.
도 3은 도 2에 예시된 용접 시스템의 평면도이다.
도 4는 전극과 모재 사이에 생성된 아크로부터 임의의 거리인 위치에서 온도를 검출하기 위해 온도 센서를 포함하는 용접 토치의 예시적인 비한정적 실시예를 나타낸다.
도 5는 용접 토치의 이동 경로에 인접한 거리에서의 모재의 측정 온도에 기반하여 피드백 디바이스로 지시를 전달하는 용접 시스템의 예시적인 비한정적 실시예를 나타낸다.
도 6은 하나 이상의 양태에 따른 용접 제어기의 예시적인 비한정적 실시예를 나타낸다.
도 7은 용접 동작을 위한 열 입력의 비균일성을 줄이기 위해 모재의 온도를 검출하는 흐름도이다.
도 8은 이러한 모재 상에 생성된 아크로부터 임의의 거리인 위치에서 모니터링된 모재의 온도에 기반하여 피드백을 전달하는 흐름도이다.
도 9는 본 혁신(subject innovation)에 따른 모재를 나타낸다.
도 10은 본 혁신에 따른 그래프를 나타낸다.
도 11은 본 혁신에 따른 그래프를 나타낸다.
도 12는 본 혁신에 따른 예상 열등고선(heat contour)을 나타낸다.
도 13은 본 혁신에 따른 그래프를 나타낸다.
도 14는 본 혁신에 따른 그래프 및 차트를 나타낸다.
도 15는 용접 환경의 열적 특성들에 기반하여 용접 파라미터들을 제어하기 위한 용접 시스템(1500)의 제1 실시예를 나타낸다.
도 16은 도 15의 용접 시스템의 일부인 용접 헬멧의 일 실시예를 나타낸다.
도 17은 용접 환경의 열적 특성들에 기반하여 용접 파라미터들을 제어하기 위한 용접 시스템의 제2 실시예를 나타낸다.
도 18은 도 15의 용접 시스템 또는 도 17의 용접 시스템의 일부인 열 분석 모듈의 가능한 실시예들을 나타낸다.
도 19는 도 15의 용접 시스템 또는 도 17의 용접 시스템의 열 감지 디바이스에 의해 발생한 열 데이터의 예시적인 실시예의 그래픽 표현을 나타낸다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 반자동 또는 수동 용접에 관한 것으로서 기재(예를 들어, 모재) 온도를 검출하고, 기재 온도를 전달하고, 검출된 기재 온도에 기반하여 용접 동작을 조정하는 방법들 및 시스템들에 관한 것이다. 온도 센서는 아크로부터 임의의 거리인 위치에서, 예를 들어, 용접 토치의 이동 방향과 평행한 위치에서 온도를 검출할 수 있고, 이러한 검출 온도는 용접을 수행하는 사용자 또는 반자동 용접 시스템을 제어하는 사용자에게 전달될 수 있다. 사용자는 검출 온도가 소정의 온도 및/또는 기재의 유형에 대한 허용오차 또는 승인 범위 내에 있는지 또는 밖에 있는지 여부에 대해 통보 받을 수 있다. 각각의 기재 또는 모재는 양질의 용접을 위해 유지되어야 하는, 생성 아크의 중심으로부터의 해당 거리 및 온도를 가질 수 있다. 예를 들어, 허용오차 밖에 있는 검출 온도에 대해 통지 또는 지시할 때, 사용자는 너무 빠르거나 너무 느리게 냉각되는 기재의 온도를 보상하기 위해 사용자는 이동 속도 또는 와이어 공급 속도를 조정할 수 있다. 검출 온도 또는 지시는 이로 한정되는 것은 아니지만 청각, 시각, 적응형, 및 촉각 등과 같은 전달방식을 제공하는 피드백 디바이스를 통해 사용자에게 전달될 수 있다. 피드백 디바이스는 이로 한정되는 것은 아니지만, 헬멧, 장갑, 전자 디바이스, 착용식 전자 디바이스, 또는 앞치마일 수 있다. 본 혁신의 특정 실시예에서, 지시는 허용오차 내인 경우 녹색 광이고 허용오차 밖인 경우 적색 광일 수 있으며, 이러한 광은 헬멧 또는 헬멧의 용접 렌즈를 통해 사용자의 주변 시야에서 번쩍일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "용접하기" 또는 "용접" 및 이들 단어의 임의의 다른 구문소(formative)들은, 서브머지드(submerged) 아크, GTAW, GMAC, MAG, MIG, TIG 용접, 임의의 높은 에너지 열원 (예를 들어, 레이저, 전자빔 등), 또는 용접 시스템과 함께 사용되는 임의의 전기 아크를 포함하되 이에 한정되지 않는 전기 아크의 동작을 통한 용융 소재의 융착을 지칭한다. 또한, 용접 동작은 이로 한정되는 것은 아니지만 아연 도금 코팅(galvanized coating) 등의 코팅을 포함하는 모재 위에 수행될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "컴포넌트"는 적어도 실행할 명령어를 포함하는 메모리의 일부 및 프로세서를 포함하거나 활용할 수 있는 하드웨어의 일부, 소프트웨어의 일부, 또는 이들의 조합일 수 있다.
여기에서 사용되는 바와 같은 "허용오차" 및 이 단어의 임의의 다른 구문소들은 임의의 값에 대해 지정된 양의 허용 가능 변화량을 지칭한다. 특히, 일 유형의 용접 동작에 대한 일 유형의 모재를 위해 소정 위치에 대한 온도에 관한 허용오차가 (예를 들어, 동적으로, 미리) 정의될 수 있다. 본 혁신의 범주에서 벗어나지 않는 한 타당한 공학적 판단을 이용하고/이용하거나 당업자에 의해 허용오차가 선택될 수 있음은 물론이다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 앞서 설명된 시스템들과 방법들과 관련되어 있지만, 이들 실시예는 예시적인 것으로 의도되며, 이들 실시예의 이용 가능성을 여기에 개시된 설명에만 한정하려는 것은 아니다. 본 명세서에 설명된 제어 시스템들과 방안들은 앞서 설명된 발명들의 사상 또는 범주에서 벗어나지 않는 한, 아크 용접, 레이저 용접, 브레이징(brazing), 납땜, 플라즈마 절단, 워터젯 절단, 레이저 절단과 관련된 시스템들과 방법들 및 이와 유사한 제어 방안을 이용하는 임의의 다른 시스템들 또는 방법들에 동일하게 적용되어 활용될 수 있다. 본원의 실시예들과 설명들은 당업자에 의해 이들 시스템과 방안들 중 어느 하나에 용이하게 통합될 수 있다. 한정이 아닌 예시로서, 여기에 사용되는 바와 같은 전력 공급기(예를 들어, 용접 전력 공급기 등)는 용접, 아크 용접, 레이저 용접, 브레이징, 납땜, 플라즈마 절단, 워터젯 절단, 레이저 절단 등을 수행하는 디바이스를 위한 전력 공급기일 수 있다. 이에 따라, 타당한 공학 지식과 판단력을 갖춘 자는 본 발명의 실시예들의 의도된 보호 범주로부터 벗어나는 용접 전력 공급기 이외의 전력 공급기들을 선택할 수 있다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 모드는 본 특허출원의 출원 시에 출원인에게 공지된 최선의 모드를 나타내기 위해 이하에 설명된다. 예시들과 도면들은 단지 예시적인 것일 뿐 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 본 발명은 청구항들의 범주 및 사상에 의해 평가된다. 이하, 본 발명의 예시적인 실시예를 제한하려는 것이 아니라 단지 예시하는 도면들을 참조하면, 도 1 내지 도 5는 자동 또는 반자동 용접 시스템과 함께 사용되는 용접 시스템을 나타낸다. 도 1을 보면, 용접 토치의 이동 경로에 인접한 거리에서 측정된 모재의 온도에 기반하여 열 입력의 비균일성을 줄이는 용접 시스템(100)의 예시적인 비한정적 실시예가 예시되어 있다. 시스템(100)은 전원(104)이 전극과 모재(W) 사이에 아크(112)를 생성하는 전극을 갖는 용접 토치(110)("토치"라고도 지칭됨)를 포함하여 용접 동작을 수행할 전기 회로를 완성한다. 시스템(100)은 전극과 모재(W) 사이에 아크(112)를 생성하도록 구성된 전원(104)을 포함할 수 있고, 전극에 의해 형성된 퍼들(puddle)로 용접 와이어를 전달하도록 구성된 와이어 공급기(106)를 더 포함할 수 있다. 제어기(102)는 용접 동작을 위해 아크(112)를 생성하는 전원(104) 및 와이어 공급기(106)의 와이어 공급 속도(WFS)를 관리하도록 구성될 수 있다. 소모성 전극, 비소모성 전극, 차폐 가스, 비차폐 가스, 또는 이들의 조합을 이용한 용접 동작을 수행하는 데 이 시스템(100)이 이용될 수 있음은 물론이다.
용접 동작을 위한 열 입력은 생성된 용접 부위뿐 아니라 용접 부위가 모재(W)에 생성된 이후의 모재(W)에 대해서도 결정적 요인일 수 있다. 예를 들어, 일부 응용분야 또는 산업분야에서는 생성된 용접 부위에, 모재(W) 상에, 및/또는 모재(W) 조성의 비균일성을 회피하기 위해 용접 부위의 길이 방향을 따라 균일한 열 입력을 요구한다. 열 입력이 균일하지 않으면, 모재(W)에 대한 내부 균열, 모재(W)에 대한 내부 응력, 및/또는 모재(W) 경화를 초래하는 급속 냉각에 의해 결함이 나타날 수 있다. 또한, 균일하지 않은 열 입력의 경우 모재(W)에 기공을 증가시킬 수 있는 저속 냉각에 의해 결함들이 나타날 수 있다. 시스템(100)은 용접 부위가 생성된 후의 모재(W) 뿐 아니라 용접 부위에서의 균일성을 증가시키는 것이 가능하다.
시스템(100)은 용접 동작의 이동 경로와 인접한 위치 또는 경로에서 온도를 검출하도록 구성된 온도 센서(108)를 더 포함한다. 용접 동작의 이동 경로에 인접한 위치 또는 경로에서 온도를 검출하거나 측정함으로써, 시스템(100)은 모재(W)에 대해서뿐 아니라 생성된 용접 부위에 대해서 열 입력을 결정할 수 있다. 특히, 아크 상의 위치에서 또는 아크에서 온도를 측정하는 것은 이러한 위치를 둘러싼 변수들뿐 아니라 집중적 열 입력으로 인해 문제가 된다. 오히려, 시스템(100)은 아크로부터 멀리 떨어진 거리인 위치에서 온도를 측정하는데, 여기에서 이러한 거리는 모재(W)의 소재 유형, 온도가 측정되고 있는 위치, 수행되는 용접 동작 유형, 용접 파라미터 등 중 적어도 하나에 의존하는 온도 허용오차를 갖는다. 이로 인해, 일 유형의 소재를 갖는 모재(W) 상의 위치에 대한 온도 허용오차들을 계산함으로써, 온도 센서(108)는 검출 온도가 허용오차를 초과하면 제어기(102)가 지시를 발생시키는 위치에서 온도를 검출한다.
온도 센서(108)는 모재(W) 상의 위치에서 모재(W)의 온도를 측정할 수 있다. 한정이 아닌 예시로서, 모재(W) 상의 위치는 아크(112), 용접 토치(110), 전극, 생성된 용접 부위, 전극의 이동 경로, 토치 헤드(110)의 이동 경로, 생성 예정된 용접 부위의 소정 경로, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나에 인접할 수 있다. 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 온도 센서(108)는 용접 동작 중에 모재(W)의 온도를 식별하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 온도 센서(108)는 임의의 시점에 모재(W)의 온도를 식별하도록 구성될 수 있는데, 여기서 시점은 이로 한정되는 것은 아니지만, 용접 동작 전, 용접 동작 중, 용접 동작 후, 또는 이들의 조합일 수 있다.
임의의 위치에서의 온도에 대해 허용오차가 초과되면 제어기(102)가 지시를 전달하도록 구성될 수 있음은 물론이며, 여기서 허용오차는 온도가 획득된 시간, 모재(W)의 소재 유형, 용접 동작 유형, 전극 유형(예를 들어, 소모성, 비소모성, 전극 조성 등), 용접 파라미터, 위치로부터의 거리, 모재 상의 위치 등 또는 이들의 조합 중 적어도 하나에 기반할 수 있다.
온도 센서(108)는 모재(W)의 온도를 측정, 검출, 또는 식별하도록 구성된다. 온도 센서(108)는 이로 한정되는 것은 아니지만, 적외선 온도 디바이스, 열 화상 디바이스, 열 감지 카메라, 서모커플(thermocouple), 서미스터(thermistor), 저항 온도 검출기(RTD), 원격 센서, 무선 센서, 무선 디바이스, 온도 센서를 구비한 송수신 시스템, 고온계(pyrometer), 랭뮤어 탐침(Langmuir probe), 온도계, 위치에 대한 온도 정보 또는 데이터를 전달하는 하나 이상의 디바이스 등일 수 있다. 또한, 온도 센서(108)가 독립형 센서로서 표시되어 있음에도 불구하고, 온도 센서(108) 또는 온도 센서(108)의 일부가 제어기(102), 토치 헤드(110), 와이어 공급기(106), 전원(104), 모재(W), 전극 또는 이들의 조합 중 적어도 하나에 통합될 수 있다. 예를 들어, 온도 센서(108)는 온도 센서가 온도 데이터를 획득하여 컴포넌트에 전달하는 온도 센서 시스템을 포함할 수 있는데, 여기서 컴포넌트는 제어기(102) 또는 제어기(102)에 온도 데이터를 전달하는 컴포넌트일 수 있다. 온도 센서(108)로부터의 이러한 온도 데이터 전달이 유선, 무선, 또는 하나 이상의 컴포넌트(예를 들어, 송신기, 수신기 등)를 통할 수 있음은 물론이다.
온도 센서(108)는 모재(W)의 실제 온도를 검출할 수 있는데, 여기서 이러한 검출은 모재(W)의 임의의 위치에서 또는 그 위에서 이루어질 수 있다. 시스템(100)이 모재(W)의 하나 이상의 위치에서 온도를 측정하는 하나 이상의 온도 센서(108)를 포함할 수 있음은 물론이다.
제어기(102)는 측정, 검출, 또는 획득된 온도가 용접 동작의 허용오차를 초과하면 지시를 전달하도록 구성될 수 있다. 전술된 바와 같이, 허용오차는 온도가 획득된 시간, 모재(W)의 소재 유형, 용접 동작 유형, 전극 유형(예를 들어, 소모성, 비소모성, 전극 조성 등), 용접 파라미터, 위치로부터의 거리, 모재 상의 위치 등 또는 이들의 조합 중 적어도 하나에 기반하여 결정될 수 있다. 지시는 이로 한정되는 것은 아니지만, 청각 지시, 촉각 피드백, 시각 지시, 전자 통신(예를 들어, 텍스트 메시지, 전자 메일, 디스플레이 된 텍스트, 전화 통신, 셀룰러 통신 등), 또는 이들의 조합일 수 있다.
추가적으로 또는 다른 방법으로서, 제어기(102)는 임계치를 초과하는 검출 온도에 기반하여 용접 파라미터를 조정할 수 있다. 특정한 비한정적 예시에서, 지시는 오퍼레이터가 용접 동작을 수행하여 용접 토치(110)의 이동 속도를 조정하는 것일 수 있다. 예를 들어, 용접 동작에 대한 최고 온도 초과의 검출 온도로 인해 초과된 허용오차의 경우, 지시는 이동 속도를 증가시키는 것일 수 있다. 다른 예시에서, 용접 동작에 대한 최저 온도 미만의 검출 온도로 인해 초과된 허용오차의 경우, 지시는 이동 속도를 감소시키는 것일 수 있다. 또 다른 비한정적 예시에서, 용접 동작을 수행하는 오퍼레이터 또는 제어기(102)는 와이어 공급기(106)를 통해 와이어 공급 속도를 조정할 수 있는데, 여기서 조정은 전달된 지시에 기반한다. 예를 들어, 용접 동작에 대한 최고 온도 초과의 검출 온도로 인해 초과된 허용오차의 경우 지시는 와이어 공급 속도를 감소시키는 것일 수 있다. 다른 예시에서, 용접 동작에 대한 최저 온도 미만의 검출 온도로 인해 초과된 허용오차의 경우, 지시는 와이어 공급 속도를 증가시키는 것일 수 있다.
일례로서, 용접 파라미터는 용접 동작 유형, 차폐 가스 유형, 모재(W)의 소재 조성, 용접 패턴, 전극 유형, 전극 조성, 와이어 공급 속도, 용접 동작에 사용된 파형, 용접 와이어의 극성, 플럭스(flux) 유형, 용접 동작시 사용된 전극의 수, 아크 전압, 용접 동작을 수행하는 트랙터 용접기(tractor welder)의 이동 속도, 용접 동작을 수행하는 토치의 이동 속도, 아크 전류 레벨, 토치 높이, 모재(W)와 토치 또는 전극의 단부 사이의 거리, 전극의 발진 폭, 용접 와이어의 온도, 전극의 온도, 모재(W)의 소재 유형, 전극의 발진 빈도, 아크 전류의 극성, 용접 와이어 전류의 극성, 용접 동작의 아크 전류에 영향을 미치는 파라미터, 와이어 게이지, 와이어 소재, 발진 드웰(dwell), 좌측 발진 드웰, 우측 발진 드웰, 모재(W) 상의 하나 이상의 위치에서의 모재(W)의 하나 이상의 온도, 모재(W)의 온도, 고급 공정 제어들의 임의의 그리고 모든 변형(예를 들어, 이동 제어, 펄스 주파수, 램프 레이트들(ramp rates), 배경 레벨비들(background level ratios) 등) 등일 수 있다.
도 2는 용접 동작 중에 열 입력 비균일성을 줄이기 위해 모재 상의 위치에서 온도를 검출하는 용접 시스템(200)의 예시적인 비한정적 실시예를 나타낸다. 도 3은 도 2의 평면도를 나타내는데, 다만 평면도임을 방해하지 않기 위해 온도 센서(108)를 나타내지 않았다. 간결함을 위해, 용접 시스템(200)은 시스템(100)의 일부를 나타내지만, 전극과 모재(W) 사이에 아크(112)를 생성하기 위해 제어기(102), 전원(104), 및/또는 와이어 공급기(106)가 활용됨은 물론이다. 용접 시스템(200)은 모재(W) 상에 용접 부위(202)를 생성하기 위해 아크(112)를 생성하며, 이동 방향은 이동 경로(204)를 가리키는데, 여기서 이동 경로(204)에는 용접 부위가 생성될 수 있다. 이동 경로(204)는 모재의 제1 측과 제2 측을 식별하기 위한 기준일 수 있는데, 제1 측은 적어도 위치(208)와 위치(212)를 포함하는 영역이고, (제1 측의 맞은편에 있는) 제2 측은 위치(210)와 위치(214)를 포함하는 영역이다.
온도 센서(108)는 모재(W) 상의 위치에서 온도를 검출하도록 구성될 수 있는데, 여기서 (적어도 도 1에 도시된) 제어기(102)는 이러한 검출 온도가 허용 오차를 초과하면 지시를 전달한다. 한정이 아닌 예시로서, 온도 센서(108)는 토치 헤드(110)에 고정되거나 결합된다. 그러나, 온도 센서(108)는 모재(W), 모재(W) 또는 용접 시스템의 일부에 결합된 지지 구조체 또는 디바이스, 용접 설비 등 중에서 적어도 하나에 고정되거나 결합될 수 있다.
온도 센서(108)는 모재(W)의 임의의 위치에서 온도를 검출할 수 있는데, 특히 제1 측, 제2 측, 또는 그 조합 중 적어도 하나 상의 위치에 있는 모재(W)의 표면에서 온도를 검출할 수 있다. 예를 들어, 온도는 아크(112), 토치 헤드(110), 용접 부위(202), 이동 경로(204), 또는 그 조합 중 적어도 하나로부터 또는 떨어진 거리에서 검출될 수 있다. 한정이 아닌 예시로서, 온도는 위치(208)의 지점, 위치(212)의 지점, 위치(210)의 지점, 위치(214)의 지점, 이동 경로(204)에 따른 지점, 용접 부위(202)에 따른 지점, 도면부호 206에 따른 지점, 용접 부위(202)가 생성된 표면 아래 지점, 모재(W)의 아랫면, 모재(W)의 가장자리 등 중 하나 이상에서 온도 센서(108)에 의해 검출될 수 있다.
예시로서, 온도는 아크(112), 토치 헤드(110), 또는 참조부호 206에 의해 지시되는 바와 같은 전극 중 적어도 하나와 정렬된 위치에서 검출될 수 있다. 다른 예시에서, 온도는 아크(112), 토치 헤드(110), 또는 전극으로부터 임의의 거리이며 아크(112), 토치 헤드(110), 또는 참조부호 206에 의해 지시되는 바와 같은 전극 중 적어도 하나와 정렬된 위치에서 검출될 수 있다. 이는 온도 센서(108)로 하여금 아크(112)로부터 임의의 거리이며 용접 시스템(200)에 대한 이동 방향 및/또는 이동 경로(204)에 평행한 경로를 따르는 도면부호 206에 정렬된 위치에서 온도를 검출하는 것을 허용한다.
다른 예시에서, 온도는 아크(112), 토치 헤드(110), 또는 전극 중 적어도 하나로부터 임의의 거리이며 도면부호 206 뒤에 있는(예를 들어, 래깅(lagging)) (제1 측의) 위치(208) 또는 (제2 측의) 위치(210)에서 검출될 수 있다. 다른 예시에서, 온도는 아크(112), 토치 헤드(110), 또는 전극 중 적어도 하나로부터 임의의 거리이며, 도면부호 206 앞에 있는 (예를 들어, 리딩(leading)) (제1 측의) 위치(212) 또는 (제2 측의) 위치(214)에서 검출될 수 있다.
또 다른 예시에서, 온도는 용접 부위(202) 또는 이동 경로(204) 중 적어도 하나에 배치된 위치에서 검출될 수 있다. 이러한 예시에서, 제어기(102)는 온도가 이러한 용접 동작 및/또는 모재(W)의 소재 유형에 대한 허용오차를 초과하는 경우 지시를 전달할 수 있다.
다른 실시예에서, 시스템(200)은 용접 동작에 대한 2 이상의 거리에 대응하는 2 이상의 허용오차를 활용하여 용접 동작에 대한 열 입력을 모으고, 제어기(102)를 통한 용접 동작 또는 오퍼레이터에 대한 통지 또는 지시를 실시간으로 조정할 수 있다. 온도 센서(108)는 용접 부위(202) 또는 이동 경로를 따라 또는 이와 일직선으로 아크(112)로부터 제1 거리만큼 떨어져서 제1 온도를 검출하고 도면부호 206을 따라 또는 이와 일직선으로 아크(112)로부터 제2 거리만큼 떨어져서 제2 온도를 검출하도록 구성될 수 있다. 제어기(102)는 1) 검출된 제1 온도가 용접 동작의 제1 거리에 대한 제1 허용오차를 초과하는 경우; 및 2) 검출된 제2 온도가 용접 동작의 제2 거리에 대한 제2 허용오차를 초과하는 경우 지시를 전달할 수 있다. 이러한 지시는 오퍼레이터가 용접 토치(110)에 대한 이동 속도 또는 와이어 공급 속도를 조정하는 것일 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기(102)는 검출된 온도들에 대한 하나 이상의 초과된 허용오차들에 기반하여 이동 속도 또는 와이어 공급 속도를 조정할 수 있다.
다른 실시예에서, 온도 센서(108)는 모재(W)의 표면 아래의 임의의 깊이에서 온도를 검출하도록 구성될 수 있다. 시스템(200)이 모재(W)의 임의의 표면에서 또는 모재(W)의 내부에서 온도를 검출할 수 있음은 당연하다. 또한, 제어기(102)의 지시 전달 여부를 온도가 결정하도록, 모재(W)에서의 또는 그 위에서의 각각의 깊이 또는 위치에 대한 허용오차가 사용될 수 있다.
온도 센서(108)는 하나 이상의 위치에서 하나 이상의 온도를 검출할 수 있는데, 하나 이상의 위치 각각은 최고 온도, 최저 온도, 온도 범위 등 중 적어도 하나를 규정하는 각각의 온도 허용오차를 가질 수 있다. 각각의 온도 허용오차는 모재(W) 위에 또는 그 내부의 위치 또는 거리에 특정될 수 있다. 또 다른 예시에서, 온도 허용오차는 용접 동작 유형 및/또는 모재(W)의 소재 유형에만 국한될 수 있다. 한정이 아닌 예시로서, 아래에는 본 혁신에 따라 허용오차들을 나타낸 표가 있다. 본 혁신에 따른 허용오차들이 전술된 바와 같이 다양한 파라미터들에 대해 결정될 수 있기 때문에 아래의 표가 배타적인 것이 아니라 하나의 예일 뿐임은 물론이다.
다른 실시예에서, 시스템(200)은 다수의 온도 센서(예를 들어, 1개보다 많은 온도 센서(108))를 활용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 시스템(200)은 물질을 모재에 융착하는 다수의 금속 융착 소스를 포함할 수 있다. 다수의 금속 융착 소스를 갖는 이러한 예시에서, 이러한 금속 융착 소스들은 연속적으로 작동될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 2개의 금속 융착 소스를 포함할 수 있는데, 제1 금속 융착 소스가 우선 소재를 융착시킬 수 있고, 완료 시에 또는 이와 동시에 제2 금속 융착 소스가 나중에 소재를 융착시킬 수 있다.
도 9 내지 도 14를 보면, 본 혁신의 다양한 실시예가 설명된다. 도 9는 융착 금속(예를 들어, 용접 부위)을 갖는 모재(W)의 평면도를 예시하는데, 여기서 모재(W)는 제1 온도 센서(Al1)(902), 제2 온도 센서(Al2)(904), 및 제3 온도 센서(Al3)(906)를 갖는다. 도 10은 각각의 온도 센서에 대한 온도와 시간의 그래프이다. 아래에는 다음의 각각에 대해 더 상세한 내용을 예시한 표 1이 있다.
용접 부위로부터의 거리 (mm) 13. 23. 33.
용접 부위로부터의 거리 (in) 0.53 0.94 1.3
서모커플 Al1 (F) Al2 (F) Al3 (F)
최고 온도(F) 1482 594 459
최고 온도(℃) 805. 312. 237.
전술된 바에 대한 금속 융착 공정은 1인치 폭의 비드(bead)(예를 들어, 용접 부위로부터의 총 거리에서 0.5를 더함)일 수 있다. 또한, 온도 센서들(예를 들어, 서모커플들)의 위치는 엔드 플레이트 치수(end plate dimension)인 3/4인치의 두께, 16인치의 길이, 17인치의 폭으로부터 거의 6인치 내지 9인치일 수 있다. 특히, 이 위치는 엔드 플레이트로부터 7.5인치일 수 있다.
아래에는 예측 평가와 관련된 정보를 도시한 표 2가 있다. 용접 공정 파라미터들에 기반한 용접 풀(weld pool)들의 모델링이 실제 측정 값으로부터 편차를 가질 수 있음에 유의한다.
전압 22 15.7 19.4 16.1 18.9
전류 117 146 212 107 113
전력 3507 2782 5415 2391 3017
열 입력 근사치 (kj/in) 4.2 4.8 6.5 2.9 3.6
비드 폭 (in) 0.21 0.27 0.28 0.16 0.19
비드 폭 (mm) 5.3 6.8 7.1 4.1 4.7
예상 비드 폭 (mm) 3.9 4.3 4.7 2.9 3.5
도 11은 측정 비드 폭에 대한 예상 비드 폭의 그래프를 나타낸다. 도 12는 Y 방향의 방향 변위 대 X 방향의 방향 변위를 나타내는데, 여기서 예상 비드 폭은 모델들로부터 유래된 것으로서 액상선 온도(liquidus temperature)를 약 1400℃로 간주하였다.
도 13을 보면, 열 입력 대 비드 폭의 그래프가 예시되어 있다. 공정 파라미터들에 기반한 열 입력이 계산될 수 있다. 비드 폭은 룩업 테이블들로부터의 열 입력에 기반할 수 있다. 이는 도 12에 도시된 바와 같은 온도 등고선(temperature contour)들로 변환될 수 있다. 도 12는 측정 값에 의해서가 아니라 모델링에 기반한 예측일 수 있는 열 등고선을 나타낸다. 도 12는 열적 프로파일이 어떻게 보일 수 있는지를 나타내지만, 이는 (본 출원서가 제공하는) 실시간 측정의 필요성으로 인해 종종 부정확하게 모델링된다. 도 12는 열 영향 구역 폭(heat affected zone width)과 같은 측정 기준을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 열 영향 구역 폭은 허용오차를 발생시키는데 사용될 수 있는데, 여기서 허용오차는 용접 부위의 비드의 중심으로부터의 거리에 대한 실제 측정 온도의 적정화에 기반할 수 있으며, 적절한 열 영향 구역 폭을 달성하기 위해 상이한 이동 속도 또는 와이어 공급 속도를 제안할 수 있다.
도 14를 보면, 열 영향 구역 폭 정보가 예시되어 있다. 열 입력은 공정 파라미터들에 기반하여 계산될 수 있다. 비드 폭은 룩업 테이블로부터의 열 입력에 기반하여 결정되거나, 사용자에 의해 사전에 정의되거나 메모리에 저장될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 이러한 정보는 온도 등고선으로 변환될 수 있고, 열 영향 구역 폭과 같은 측정 기준이 결정될 수 있다. 본 혁신은 실제 온도 측정값으로부터의 열 영향 구역(HAZ)의 정확한 추정값의 결정을 가능하게 할 수 있으며, 비드 중심으로부터의 거리에 대해 실제 온도 측정값들을 적정화할 수 있다. "허용 오차"는 예상 열 등고선에 대한 이러한 적정화에 기반할 수 있으며, 적절한 HAZ 폭을 달성하기 위해 상이한 이동 속도 또는 와이어 공급 속도를 제안할 수 있다.
용접 동작의 각 유형 및/또는 모재(W)의 각 소재 유형이 온도 등고선을 포함할 수 있음은 당연하며, 여기서 온도 등고선은 아크(112)로부터의 거리들 및/또는 모재(W) 상의 또는 내의 위치들에 대한 온도들을 포함할 수 있다. 위치 또는 거리마다, 허용오차가 정의될 수 있다. 각각의 온도 등고선의 정의는 적어도 사전에 규정되거나, 사용자 입력 또는 컴퓨터 모니터링에 기반하여 동적으로 생성되거나, 클라우드 컴퓨팅 서비스로부터 다운로드 또는 전달되거나, 사전에 규정되고 수행된 용접 동작들에 기반하여 나중에 업데이트되거나, 이들의 조합에 의해 이루어질 수 있다. 온도 등고선은 이로 한정되는 것은 아니지만, 아크(112)로부터의 거리 및/또는 모재(W) 상의 또는 내의 위치들 중 적어도 하나에 기반한 온도들 또는 허용오차들, 모재(W) 상의 또는 내의 위치에 대한 최고 온도, 모재(W) 상의 또는 내의 위치에 대한 최저 온도, 모재(W) 상의 또는 내의 위치에서 허용되는 온도 범위, 용접 동작에 기반한 위치에 대한 온도 또는 허용오차, 모재(W)의 소재 유형에 기반한 위치에 대한 온도 또는 허용오차, 전극 유형에 대한 온도 또는 허용오차, 용접 동작에 대한 온도 또는 허용오차 등과 같은 정보를 더 포함할 수 있다.
제어기(102)는 모재(W) 상의 또는 내의 하나 이상의 위치에 대한 2개 이상의 온도 판독 값을 수신하는 것에 기반하여 모재(W)의 평균 온도를 식별하도록 구성될 수 있다. 제어기(102)는 모재(W)의 평균 온도가 이러한 용접 동작 및 특히 이러한 모재의 평균 온도에 대한 허용오차를 초과하는 경우 지시를 더 전달할 수 있다. 특정 예시에서, 온도 센서는 제1 측의 제1 위치에서 제1 온도를 검출할 수 있고, 제2 측의 제2 위치에서 제2 온도를 검출할 수 있는데, 여기서 제1 측의 제1 위치는 제2 측의 제2 위치에 미러링된다. 이러한 특정 예시에서, 제어기는 제1 온도와 제2 온도 모두의 평균 온도를 제1 위치 및/또는 제2 위치에 대한 허용오차로 평가할 수 있다.
다른 특정 예시에서, 온도 센서는 제1 측의 제1 위치에서 제1 온도를 검출할 수 있고, 제2 측의 제2 위치에서 제2 온도를 검출할 수 있는데, 여기서 제1 측의 제1 위치는 제2 측의 제2 위치에 미러링되지 않는다. 이러한 특정 예시에서, 제어기는 제1 온도 및/또는 제2 온도를 제1 위치 및/또는 제2 위치 각각에 대한 허용오차로 평가할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 온도 센서(108)는 모재(W)의 기준 온도(baseline temperature)를 포착하여 이러한 기준 온도를 용접 동작 중에 또는 용접 동작 후에 포착된 온도와 비교할 수 있다. 이러한 비교는 생성된 용접 부위 및/또는 모재(W)를 평가하고, 생성된 용접 부위 및/또는 모재(W)가 특정 응용분야 또는 산업분야에 적합한지 여부를 평가하는데 사용될 수 있다. 특히, 제어기(102)는 용접 동작 중에 다수의 초과된 허용오차를 평가하도록 구성되고, 용접 동작의 모재(W) 또는 생성된 용접 부위가 적합한지 여부를 평가하는데 사용될 수 있는 스코어를 발생시키도록 구성될 수 있다.
도 4는 전극과 모재(W) 사이에 생성된 아크로부터의 임의의 거리인 위치에서 온도를 검출하기 위해 온도 센서(108)를 포함하는 용접 토치(110)의 예시적인 비한정적 실시예를 나타낸다. 토치(110)는 도 4의 페이지로부터 나오는 이동 방향으로 예시되어 있다. 온도 센서(108)(도 4에서 "센서(108)"로 지칭됨)는 토치(110)에 통합되거나 착탈식으로 부착될 수 있다. 특정 실시예에서, 센서(108)는 모재(W)의 일 측에 대응하는 토치(110)의 제1 측에 고정될 수 있다. 센서(108)는 전극(404) 또는 용접 토치(110)("토치(110)"라고도 지칭됨) 중 적어도 하나로부터 떨어진 거리(402)인 위치에서 온도를 검출할 수 있다.
다른 실시예에서, 센서(108)는 토치(110)에 통합되거나 착탈식으로 부착될 수 있다. 이러한 특정 실시예에서, 센서(108)는 모재(W)의 일 측에 대응하는 토치(110)의 제1 측에 고정될 수 있고, 추가 센서(406)가 모재(W)의 제2 측에 대응하는 토치(110)의 제2 측에 고정될 수 있는데, 여기서 토치(110)의 제1 측은 토치(110)의 제2 측의 맞은편에 있으며 제1 측은 제2 측의 맞은편에 있다. 센서(108) 및 추가 센서(406)는 전극(404) 또는 용접 토치(110) 중 적어도 하나로부터 떨어진 거리를 각각 갖는 2개 이상의 위치에서 온도를 검출할 수 있다.
도 5는 용접 토치(110)의 이동 경로에 인접한 거리에서의 모재(W)의 측정 온도에 기반하여 피드백 디바이스(502)로 지시를 전달하는 용접 시스템(500)의 예시적인 비한정적 실시예를 나타낸다. 시스템(500)은 전원(104)이 전극과 모재(W) 사이에 아크(112)를 생성하는 전극을 갖는 용접 토치(110)를 포함하여 용접 동작을 수행할 전기 회로를 완성한다. 시스템(500)은 전극과 모재(W) 사이에 아크(112)를 생성하도록 구성된 전원(104)을 포함할 수 있고, 전극에 의해 형성된 퍼들로 용접 와이어를 전달하도록 구성된 와이어 공급기(106)를 더 포함할 수 있다. 제어기(102)는 용접 동작을 위해 아크(112)를 생성하는 전원(104) 및 와이어 공급기(106)의 와이어 공급 속도(WFS)를 관리하도록 구성될 수 있다. 이 시스템(500)이 소모성 전극, 비소모성 전극, 차폐 가스, 비차폐 가스, 또는 이들의 조합을 이용하여 용접 동작을 수행하는 데 이용될 수 있음은 물론이다. 제어기(102)는 온도 센서(108)에서 검출된 온도가 허용오차를 초과하거나 충족시키지 않는 경우 지시를 전달하도록 더 구성된다. 지시는 와이어 공급 속도 및/또는 이동 속도를 조정하라는 명령을 제공하는 용접 동작을 수행하는 오퍼레이터에 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기(102)는 온도가 허용오차를 초과하거나 충족시키지 않는 것에 응답하여 이동 속도를 조정하도록 오퍼레이터에게 통지할 뿐 아니라 와이어 공급 속도를 조정한다. 또 다른 실시예에서, 제어기는 검출 온도가 허용오차를 충족하지 않거나 초과하는 것에 응답하여 이동 속도 및/또는 와이어 공급 속도를 조정할 수 있다.
제어기(102)는 지시를 피드백 디바이스(502)에 전달할 수 있다. 피드백 디바이스(502)는 지시를 전달할 수 있는데, 이러한 지시는 이로 한정되는 것은 아니지만, 청각 지시, 시각 지시, 적응형 지시, 촉각 지시 등일 수 있다. 피드백 디바이스(502)는 이로 한정되는 것은 아니지만, 스피커, 컴퓨터, 디스플레이, 휴대 전화, 태블릿, 컴퓨팅 디바이스, 사이렌, 전등, LED, 헬멧, 장갑, 전자 디바이스, 착용형 전자 디바이스, 또는 앞치마일 수 있다. 본 혁신의 특정 실시예에서, 지시는 허용오차 내인 경우 녹색 광이고 허용오차 밖인 경우 적색 광일 수 있으며, 이러한 광은 헬멧을 통하거나 헬멧의 용접 렌즈를 통해 사용자의 주변 시야에서 번쩍일 수 있다. 다른 실시예에서, 피드백 디바이스(502)는 용접 동작을 수행하는 오퍼레이터가 용접 파라미터, 와이어 공급 속도, 및/또는 이동 속도 중 적어도 하나를 조정하도록 지시하기 위해 이미지 및/또는 사운드를 제공하는 헤드업 디스플레이(HUD)일 수 있다. 특정 예시에서는, 오퍼레이터에 대한 지시로서 진동이 사용될 수 있는데, 여기서 진동은 용접 토치, 장갑, 착용형 디바이스, 용접 헬멧, 마루 매트, 벨트, 앞치마 등인 피드백 디바이스(502)에 의해 제공된다. 또 다른 예시에서, 지시는 광 또는 LED일 수 있는데, 여기서 피드백 디바이스(502)는 제어기(102)로부터 지시를 수신하고 광 또는 LED는 허용오차가 충족되거나 초과되는 경우 신호 전송될 수 있다. 예를 들어, 광 또는 LED를 위한 색상들은 특정 지시에 지정될 수 있다(예를 들어, 허용오차를 초과하는 경우 적색, 허용오차 내인 경우 녹색). 다른 예시에서, 헬멧에 있는 HUD는 열 입력 및/또는 허용오차들이 초과되거나 초과되지 않는다고 예시하기 위해 모재 상의 열에 대한 열 지도 또는 적외선 지도와의 그래픽 오버레이(graphic overlay)를 제공할 수 있다.
시스템(500)은 모재(W) 상의 또는 내의 위치에서의 검출 온도에 적어도 기반하여 추가 열 또는 냉각을 모재(W)에 전달하도록 구성된 온도 디바이스(504)를 더 포함한다. 온도 디바이스(504)는 모재(W) 영역에서의 또는 모재(W)의 일부에 대한 열 입력을 증가시키기 위한 가열 소자이거나, 모재(W) 영역에서의 또는 모재(W)의 일부에 대한 열 입력을 감소시키기 위한 냉각 소자일 수 있다. 예를 들어, 온도 디바이스(504)는 와이어 공급 속도 또는 이동 속도를 조정하는 대신 모재(W)에 대한 열 입력을 조정하는데 사용될 수 있다. 다른 예시에서, 온도 디바이스(504)는 와이어 공급 속도 및/또는 이동 속도를 조정하는 것과 함께 모재(W)에 대한 열 입력을 조정하는데 사용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 하나 이상의 양태에 따른 제어기(102)의 예시적인 비한정적 실시예의 개략적 블록도가 예시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제어기(102)는 프로세서(610), 메모리(620), 및 인터페이스(630)를 포함하는 마이크로컨트롤러일 수 있다. 프로세서(610)는 예를 들어, 메모리(620)에 의해 저장되는 명령어들(622)과 같은 컴퓨터 실행 가능 명령어들을 실행하도록 구성된다. 명령어들(622)은 제어기(102)가 본 명세서에 설명된 양태들을 수행하도록 구성하기 위해 프로세서(610)에 의해 실행 가능한 소프트웨어를 포함한다. 메모리(620)는 휘발성 저장 매체(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리, 데이터 캐시, 레지스터) 및/또는 하드 드라이브, 플래시 메모리, 휴대용 매체(예를 들어, 플로피 디스크, USB 드라이브, 광학 디스크 등), 리드 온리 메모리 등을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다. 설명을 목적으로, 앞서 설명된 다양한 형태의 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 메모리(620)로 통칭되어 표시되어 있다. 인터페이스(630)는 제어기(102)로 하여금 용접 전원(104), 온도 센서(108) 등과 같은 다른 컴포넌트와 통신하게 하는 통신 인터페이스일 수 있다. 일례에서, 인터페이스(630)는 다양한 신호 라인 또는 회로 경로에 결합되어 신호들을 송수신할 수 있는 범용 입출력(I/O) 핀들을 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 인터페이스(630)는 데이터 버스에 대한 연결부일 수 있다. 또 다른 예시에서, 인터페이스(630)는 무선 인터페이스일 수 있다.
인터페이스(630)를 통해 제어기(102)는 시스템들(100, 200, 400, 및/또는 500)과 관련된 하나 이상의 조건(예를 들어, 환경적 조건들, 물리적 조건들, 동작 조건들 등)을 나타내는 조건 신호들(640)을 수신할 수 있다. 조건 신호들(640)에 기반하여 메모리(620)에 저장된 허용오차 데이터(624)가 발생될 수 있다. 프로세서(610)는 허용오차 데이터(624)를 갖는 모델(626)을 채택하여, 예를 들어, 모재 온도에 기반한 피드백을 위한 전달방식들, 온도 센서에 의해 검출된 온도에 대한 용접 동작을 위한 이동 속도, 온도 센서에 의해 검출된 온도에 대한 용접 동작을 위한 와이어 공급 속도 등을 결정할 수 있다. 이들 결정된 수량 또는 값에 기반하여, 제어기(102)는 인터페이스(630)에 의해 송신된 제어 신호들(650)을 발생시킬 수 있다. 제어 신호들(650)은 전원(104)으로 송신되어 전원(104)에 의해 발생되는 용접 출력을 한정하거나, 사용자 인터페이스에 송신되어 오퍼레이터에게 입력 한계값들을(예를 들어, 용접 출력 사전 설정 한계값들)을 통보하고/통보하거나 이들 한계에 따라 입력들을 정규화할 수 있다. 예를 들어, 이러한 한계값들은 이로 한정되는 것은 아니지만, 이동 속도, 와이어 공급 속도, 용접 파라미터 등일 수 있다. 또한, 인터페이스(630)는 허용오차 데이터(624)를 발생 또는 보충하는데 활용되거나 제어 신호(650)를 통해 제어기(102)가 구현되는 설정들(예를 들어, 출력 사전 설정값)을 구축하는데 활용될 수 있는 입력 신호들(660)(예를 들어, 온도 판독값들, 이동 속도 판독값들, 와이어 공급 속도)을 수신할 수 있다.
모델(626)은 전술된 바와 같이 아크로부터 임의의 거리인 위치에서의 모재 온도, 특정 소재 유형의 모재 온도, 모재를 위한 아크로부터의 거리 등에 다양한 조건들을 상관시키는 수학적 관계들의 집합일 수 있다. 따라서, 프로세서(610)는 허용오차 데이터(624)와의 수학적 관계들의 집합을 활용하여 전달 가능 전력, 이동 속도, 와이어 공급 속도, 또는 용접 파라미터를 계산할 수 있다. 다른 예시에서, 모델(626)은 경험적 데이터에 기반할 수 있다. 예를 들어, 각각의 조건들 및 특히 조건들에 대한 각각의 레벨 또는 값의 경우, 결과들이 실험적으로 측정되고 수집될 수 있다. 이들 결과는, 예를 들어, 모재일 수 있는 다양한 유형의 소재들에 대한 가변 조건들 하에서의 온도들의 실제 측정값일 수 있다. 이들 결과는 도표화될 수 있으며, 제어기(102)에 의해 모인 허용오차 데이터(624)에 기반하여 원하는 수량을 결정하거나 보간하는데 활용되는 모델(626) 형식의 표일 수 있다. 다른 예시에서, 경험적 데이터는 인공 지능 또는 기계 학습 기법들을 통해 모델(626)을 발생 내지 훈련시키기 위해 활용된다. 예를 들어, 모델(626)은 모재 온도와 이동 속도 및/또는 와이어 공급 속도 사이의 관계들을 개발하기 위해 경험적 데이터에 대해 훈련된 신경망 또는 그 밖의 다른 분류 방식일 수 있다. 개발된 관계들은 현장 내에서 새로운 조건 입력들로부터의 용접 파라미터들을 결정하는데 활용될 수 있다. 이 실시예에 따르면, 모델(626)은 예를 들어, 신경망, 의사 결정 트리(decision tree), 연관 규칙, 서포트 벡터 머신(support vector machine), 베이지안 망(Bayesian network), 유전자 알고리즘들 등을 포함하거나 수반할 수 있다.
한정이 아닌 예시로서, 용접 파라미터는, 이로 한정되는 것은 아니지만, 용접 동작 유형, 차폐 가스 유형, 모재(W)의 소재 조성, 용접 패턴, 전극 유형, 전극 조성, 와이어 공급 속도, 용접 동작에 사용된 파형, 용접 와이어의 극성, 플럭스 유형, 용접 동작시 사용된 전극의 수, 아크 전압, 용접 동작을 수행하는 트랙터 용접기의 이동 속도, 용접 동작을 수행하는 토치의 이동 속도, 아크 전류 레벨, 토치 높이, 모재(W)와 토치 또는 전극의 단부 사이의 거리, 전극의 발진 폭, 용접 와이어의 온도, 전극의 온도, 모재(W)의 소재 유형, 전극의 발진 빈도, 아크 전류의 극성, 용접 와이어 전류의 극성, 용접 동작의 아크 전류에 영향을 미치는 파라미터, 와이어 게이지, 와이어 소재, 발진 드웰(dwell), 좌측 발진 드웰, 우측 발진 드웰, 모재(W) 상의 하나 이상의 위치에서의 모재(W)의 하나 이상의 온도, 고급 공정 제어들의 임의의 그리고 모든 변형(예를 들어, 이동 제어, 펄스 주파수, 램프 레이트, 배경 레벨비 등) 등일 수 있다.
일 실시예에서, 지시는 모재의 온도가 준수하도록 용접 접합 부위를 따라 용접 토치의 이동 속도를 조정하라고 오퍼레이터에게 통보한다. 일 실시예에서, 시스템은 아크에 용접 와이어를 전달하도록 구성된 와이어 공급기를 포함할 수 있는데, 여기서 제어기는 모재의 온도가 허용오차를 초과하는 경우 와이어 공급기의 와이어 공급 속도를 조정하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기는 모재의 소재, 아크로부터의 거리, 또는 용접 공정 중 적어도 하나에 기반하여 허용오차를 교정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 시스템은 추가 경로에서 모재의 추가 온도를 검출하도록 더 구성된 온도 센서 및 온도와 추가 온도의 평균 온도가 허용오차를 초과하는 경우 피드백 디바이스에 지시를 전달하도록 더 구성된 제어기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 경로는 용접 토치와 정렬되고 용접 토치의 이동 경로에 평행한 위치이다. 일 실시예에서, 경로는 용접 토치 전방에 있고, 전극으로부터 임의의 거리이고, 용접 토치의 이동 경로에 평행한 위치이다. 일 실시예에서, 경로는 용접 토치 후방에 있고, 전극으로부터 임의의 거리이고, 용접 토치의 이동 경로에 평행한 위치이다.
일 실시예에서, 시스템은 용접 토치에 고정되어, 모재의 제1 측에 있고 아크로부터 임의의 거리에 있는 경로를 이용하는 용접 동작 중에 용접 접합 부위에 인접한 경로를 따라 모재의 온도를 검출하는 온도 센서를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 시스템은 용접 토치에 고정되어, 모재의 제2 측에 있고 아크로부터 임의의 거리에 있는 추가 경로를 이용한 용접 동작 중에 용접 접합 부위에 인접한 추가 경로를 따라 모재의 추가 온도를 검출하도록 구성된 추가 온도 센서를 포함할 수 있는데, 제1 측은 제2 측의 맞은 편에 있고, 용접 토치의 이동 경로는 제1 측과 제2 측 사이에 있다.
본 실시예에서, 제어기는 모재의 평균 온도가 모재의 소재와 관련된 허용오차를 초과하는 경우 피드백 디바이스에 지시를 전달하도록 더 구성되는데, 여기서 평균 온도는 제1 측의 경로에서의 온도와 제2 측의 추가 경로에서의 추가 온도의 평균 온도이다.
일 실시예에서, 지시는 시각 지시자이고, 피드백 디바이스는 헬멧이다. 일 실시예에서, 지시는 촉각 피드백이고, 피드백 디바이스는 장갑 또는 용접 토치 중 적어도 하나이다.
일 실시예에서, 모재의 온도가 허용오차를 계산하는데 사용된 최저 온도 미만인 경우, 제어기는 와이어 공급기의 와이어 공급 속도를 증가시킨다. 일 실시예에서, 모재의 온도가 허용오차를 계산하는데 사용된 최고 온도 초과인 경우, 제어기는 와이어 공급기의 와이어 공급 속도를 감소시킨다.
일 실시예에서, 시스템은 아크로부터의 제1 거리인 경로를 이용한 용접 동작 중에 용접 접합 부위에 인접한 경로에 따라 모재의 온도를 검출하는 온도 센서; 아크로부터의 제2 거리에 있는 추가 경로를 이용한 용접 동작 중에 용접 접합 부위에 인접한 추가 경로에 따라 모재의 추가 온도를 검출하는 온도 센서; 및 모재의 온도 또는 추가 온도가 제1 거리 또는 제2 거리에 대한 모재의 소재와 관련된 허용오차를 초과하는 경우 피드백 디바이스에 지시를 전달하도록 더 구성된 제어기를 더 포함할 수 있다.
앞서 설명된 예시적인 디바이스들 및 요소들을 고려해 볼 때, 개시된 주제에 따라 구현될 수 있는 방안들은 도 7 및 도 8의 흐름도들 및/또는 방안을 참조하여 더 잘 이해될 것이다. 방안들 및/또는 흐름도를 일련의 블록들로서 도시되고 설명되어 있는데, 일부 블록들이 상이한 순서로 일어날 수 있고/있거나 본 명세서에 표기되고 설명된 것으로부터 다른 블록들과 동시에 일어날 수 있기 때문에, 주장되는 주제는 블록들의 순서에 의해 한정되지 않는다. 또한, 이후 설명되는 방법들 및/또는 흐름도들을 구현하기 위해 예시된 블록 모두가 요구되지 않을 수 있다.
연속하여, 모재의 온도를 검출하여 용접 동작에 대한 열 입력의 비균일성을 줄이는 흐름도(700)인 도 7의 의사 결정 트리 흐름도(700)에서 예시된 바와 같이 다음의 설명이 일어난다. 참조 블록 702에서, 전극과 모재 사이의 아크가 생성될 수 있다. 참조 블록 704에서, 아크로부터 임의의 거리인 위치에서의 모재의 온도가 검출될 수 있는데, 여기서 위치는 전극의 이동 경로에 평행하다. 특히, 온도는 전극의 이동 경로에 인접할 수 있는 경로에 따라 실시간으로 계속 검출될 수 있다. 특정 예시에서, 온도는 전극의 각각의 측의 전극의 이동 경로에 평행한 경로(또는 2개 이상의 온도 센서에 대한 경로들)에 따라 검출될 수 있다. 참조 블록 706에서, 모재의 검출 온도가 허용오차를 초과하는 경우 피드백 디바이스로 지시가 전달될 수 있다. 참조 블록 708에서, 아크에 대한 와이어 전달을 위한 와이어 공급 속도 또는 이동 속도 중 적어도 하나는 검출 온도에 기반하여 조정될 수 있다. 특히, 와이어 공급 속도 또는 이동 속도 중 적어도 하나는 허용오차 내이거나, 허용오차를 계산하는데 사용된 최고 온도를 초과하거나, 허용오차를 계산하는데 사용된 최저 온도 미만인 검출 온도에 기반하여 유지되거나, 증가되거나, 감소될 수 있다.
도 8은 이러한 모재 상에 생성된 아크로부터의 임의의 거리인 위치에서 모니터링된 모재의 온도에 기반하여 피드백을 전달하는 흐름도(800)이다. 참조 블록 802에서, 모재 상의 위치의 실제 온도가 모니터링될 수 있는데, 여기서 위치는 전극과 모재 사이에 생성된 아크로부터의 임의의 거리에 있다. 참조 블록 804에서, 임의의 유형의 모재 소재에 대한 온도가 수신될 수 있다. 참조 블록 806에서, 온도에 대한 허용오차 밖에 있는 모재 상의 위치에서 실제 온도의 검출에 기반하여 피드백이 전달될 수 있다. 예를 들어, 허용오차는 특정 유형의 모재의 소재에 대한 아크로부터의 거리에 기반할 수 있고, 이러한 허용오차는 (예를 들어, 최소 온도 내지 높은 온도까지의) 온도 범위일 수 있다. 다른 예시에서, 허용오차는 특정 거리(예를 들어, 목표 온도의 ±5 퍼센트)에서의 특정 유형의 모재의 소재에 대한 목표 온도의 퍼센티지일 수 있다.
일 실시예에서, 지시는 모재의 온도가 허용오차를 준수하도록 용접 토치의 이동 속도를 조정하라고 오퍼레이터에게 통보한다.
일 실시예에서, 이 방법은 아크로부터의 추가 거리에 있고, 아크와 정렬되고, 전극의 이동 경로에 평행한 추가 위치에서 모재의 추가 온도를 검출하는 단계 및 모재의 검출 온도 또는 추가 온도가 거리 또는 추가 거리에 대한 허용오차를 초과하는 경우 피드백 디바이스에 지시를 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 이 방법은 모재 소재의 유형, 아크로부터의 거리, 또는 용접 공정 중 적어도 하나에 기반하여 허용오차를 교정하는 단계를 포함할 수 있다.
도 15는 용접 환경의 열적 특성들에 기반하여 용접 파라미터들을 제어하기 위한 용접 시스템(1500)의 제1 실시예를 나타낸다. 용접 환경은 예를 들어, 모재, 전극, 및 용접 퍼들(puddle)을 포함할 수 있다. 용접 시스템(1500)은 열 감지 디바이스(1515), 송신기 디바이스(1520), 및 충전 배터리(1525)를 갖는 용접 헬멧(1510)을 포함한다. 충전 배터리(1525)는 열 감지 디바이스(1515) 및 송신기 디바이스(1520)에 전력을 공급한다(즉, 전기 에너지를 제공한다). 용접 시스템(1500)은 또한 열 분석 모듈(1535)을 갖는 제어기(1530)를 포함한다. 용접 시스템(1500)은 전원(1540), 와이어 공급기(1550), 및 용접 토치 또는 용접 건(gun)(1560)을 더 포함한다. 용접 동작 중에, 와이어 공급기(1550)에 의해 토치(1560)로 전극(예를 들어, 용접 와이어 전극)이 제공되어 모재(1570)와 전극 팁 사이에 아크(1565)를 생성한다. 일 실시예에서, 와이어 공급기(1550)는 전원(1540)에 동작 가능하게 연결되고, 모재(1570)를 향하는 용접 와이어 전극을 아크(1565)에, 선택되거나 제어된 와이어 공급 속도로 전달하도록 구성된다.
도 16은 도 15의 용접 시스템(1500)의 일부인 용접 헬멧(1510)의 일 실시예를 나타낸다. 용접 헬멧(1510)은 필터링 시야 창(filtered viewing window)(1620)을 갖는 쉘(shell)(1610)을 포함한다. 용접 헬멧(1510)은 용접 동작 중에 용접 작업자가 시야 창(1620)을 통해 용접 환경을 볼 때 용접 작업자를 보호하기 위해 용접 작업자에 의해 착용되도록 구성된다. 필터링 시야 창(1620)은 일 실시예에 따라 자동 차광 필터(ADF)에 의해 필터링된다. 다른 실시예들에서는 다른 유형의 필터들 또한 가능하다.
도 16은 시야 창(1620) 위의 용접 헬멧(1510)의 전방 상단부에 위치하는 온도 감지 디바이스(1515) 및 송신 디바이스(1520)를 도시한다. 일반적으로, 다양한 실시예에 따르면, 열 감지 디바이스(1515) 및 송신 디바이스(1520)는 다양한 방식 중 어느 하나로 쉘(1610)과 통합적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 열 감지 디바이스(1515)는 송신 디바이스(1520)에 부착되고, 송신 디바이스(1520)는 쉘(1610)에 부착된다. 무선 주파수 송신을 용이하게 하기 위해 송신 디바이스(1520)에는 안테나(1521)가 동작 가능하게 부착된다.
열 감지 디바이스(1515)는 용접 동작 중에 용접 환경을 "볼" 수 있도록 배치될 수 있다. 용접 환경은 용접 동작 중에 모재 위에 아크(1565)에 의해 형성된 용접 퍼들(미도시), 토치(1560)로부터 기원한 전극, 및 모재(1570)의 적어도 일부를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 열 감지 디바이스(1515)는 열 에너지의 적외선 파장을 감지할 수 있는 열 촬상 디바이스이다. 예를 들어, 열 감지 디바이스(1515)는 적외선 온도 디바이스, 열 화상 디바이스, 열 감지 카메라, 서모커플 디바이스, 서미스터 디바이스, 저항 온도 검출기(RTD) 등을 포함할 수 있다. 열 감지 디바이스(1515)는 용접 동작 중에 용접 환경의 열 에너지를 감지하고 감지된 열 에너지에 기반하여 열 데이터를 발생시키도록 구성된다. 열 데이터는 예를 들어, 온도, 공간적 열 구배, 또는 시간적 열 구배의 형태일 수 있다. 다른 실시예들에서는 다른 유형의 열 데이터 또한 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 송신기 디바이스(1520)는 예를 들어, WiFi 기술을 이용하는 무선 주파수 송신기이다. 그 밖의 무선 주파수 기술들 또한 가능하다(예를 들어, 블루투스(Bluetooth®)). 송신기 디바이스(1520)는 열 감지 디바이스(1515)에 의해 발생된 열 데이터를 제어기(1530)에 무선 송신하도록 구성된다. 제어기(1530)는 예를 들어, WiFi 기술을 통해 송신기 디바이스로부터 열 데이터를 무선 수신하도록 구성된다. 제어기는 열 데이터를 분석하여 제어 파라미터들을 발생시키도록 구성된 열 분석 모듈(1535)을 포함한다. 열 분석 모듈(1535)은 적어도 도 18에 대해 여기에 더 상세히 후술되어 있다.
일 실시예에 따르면, 제어 파라미터들은 전류 조정 명령, 전압 조정 명령, 파형 조정 명령, 또는 와이어 공급 속도 조정 명령 중 하나 이상을 포함한다. 제어 파라미터들(조정 명령들)은 제어기(1530)로부터 전원(1540)으로 전송되어 용접 파라미터들의 현재 설정들로부터 일정량 또는 일정 퍼센트만큼 용접 동작의 하나 이상의 용접 파라미터들을 조정 또는 수정할 수 있다. 수정된 용접 파라미터들은 예를 들어, 용접 전류, 용접 전압, 용접 파형, 또는 와이어 공급 속도를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서는 다른 용접 파라미터들 또한 가능하다. 다른 실시예들에 따르면, 제어 파라미터들이 다른 형태를 취할 수도 있다. 예를 들어, 제어 파라미터들은 전류 절대값, 전압 절대값, 파형 절대값, 및 와이어 공급 속도 절대값 중 선택 가능한 설정치들을 포함할 수 있다. 또한, 용접 파형 용접 파라미터는 예를 들어, 파형 형상, 파형 펄스 주파수, 파형 극성, 파형 DC 오프셋, 파형 밸런스, 파형 램프(ramp) 레이트, 파형 백그라운드 레벨 등을 실제로 포함할 수 있는데, 이들 파라미터는 제어기(1530)로부터의 대응 제어 파라미터에 의해 조정될 수 있다.
열 분석 모듈(1535)은 용접 환경의 열 데이터를 분석하여 용접 환경의 특성들이 용접 동작 중에 원하는 방식으로 제어되도록 구성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 열 분석 모듈(1535)은 열 데이터를 분석하며, 용접 부위에 대한 열 입력량을 제어하거나, 기재가 너무 빠르거나 너무 느리게 냉각되는 것을 보상하거나, 열 영향 구역(HAZ)의 사이즈를 변경하거나, 이들의 몇몇 조합을 야기하는 제어 파라미터들을 발생시킨다. 다른 실시예들에 따르면 용접 환경의 다른 특성들이 제어될 수도 있다. 예를 들어, 다른 실시예들에 따르면, 용접 전극의 온도가 제어되거나, 용접 퍼들의 온도가 제어될 수 있다. 용접 환경의 이러한 특성들의 제어는 실시간 자동으로 달성된다. 용접 작업자는 용접하고 멈춰서 이러한 변경들을 수행할 필요가 없음에 따라 용접 파라미터들의 변경 방법을 결정할 필요가 없다.
도 17은 용접 환경의 열적 특성들에 기반하여 용접 파라미터들을 제어하기 위한 용접 시스템(1500)의 제2 실시예를 나타낸다. 용접 시스템(1700)은 열 분석 모듈(1535)이 제어기(1720)를 대신하여 용접 헬멧(1710)에 통합 형성된다는 점을 제외하고 도 15의 용접 시스템(1500)과 유사하다. 열 감지 디바이스(1515)는 열 분석 모듈(1535)에 열 데이터를 제공하고, 열 분석 모듈(1535)은 열 데이터의 분석에 기반하여 제어 파라미터들을 발생시킨다. 열 데이터를 무선 송신하는 대신에, 송신기 디바이스(1520)는 제어기(1720)에 제어 명령을 송신한다. 용접 헬멧(1710)은 열 데이터의 분석이 용접 헬멧(1710)에서 수행된다는 관점에서 "스마트" 용접 헬멧이다. 이러한 방식으로, 제어기(1720)는 도 15의 제어기(1530)보다 덜 복잡하다. 그러나, 제어기(1720)는 여전히 용접 헬멧(1710)으로부터 정보(즉, 제어 명령들)를 무선 수신할 수 있다.
도 16을 참조하면, 일 실시예에 따라 도 17의 용접 헬멧(1710)은 송신기 디바이스(1520)에 부착된 열 감지 디바이스(1515)와 열 분석 모듈(1535)을 통합 형성함으로써 구성될 수 있다. 다른 방법으로, 다른 실시예에 따라 열 분석 모듈(1535)은 쉘(1610)에 부착된 송신기 디바이스(1520)와 통합 형성될 수 있다. 열 분석 모듈(1535)을 용접 헬멧과 통합 형성하는 다른 실시예들 또한 가능하다.
도 18은 도 15의 용접 시스템(1500) 또는 도 17의 용접 시스템(1700)의 일부인 열 분석 모듈(1535)의 가능한 실시예들을 나타낸다. 도 18에 관한 설명을 목적으로, "열 데이터"라는 용어는 열 감지 디바이스(1515)로부터의 원시 열 데이터를 지칭하거나, 일부 방식으로 원시 열 데이터(예를 들어, 사전 처리된 열 데이터)로부터 추출된 데이터를 지칭할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 열 분석 모듈(1535)은 인터페이스(1810), 및 메모리(1830)에 저장된 룩업 테이블(LUT)(1820)을 포함한다. 인터페이스(1810)는 열 데이터를 수신하여 주소 지정 가능 입력으로서 메모리(1830)에 제공하도록 구성된다. 메모리(1830)에 저장된 LUT(1820)는 각각의 주소 지정 가능 입력이 메모리(1830)의 출력으로서 하나 이상의 제어 파라미터를 제공하도록 구성된다. 제어 파라미터들은 인터페이스(1810)를 통해 열 분석 모듈(1535)로부터 출력된다.
다른 실시예에 따르면, 열 분석 모듈(1535)은 인터페이스(1810) 및 전자 회로(1840)(예를 들어, 논리 회로 또는 디지털 신호 프로세서)를 포함한다. 인터페이스(1810)는 열 데이터를 수신하여 입력으로서 전자 회로(1840)에 제공하도록 구성된다. 전자 회로(1840)는 각각의 입력이 결과적으로 하나 이상의 제어 파라미터들이 전자 회로(1840)로부터 출력되게 하도록 구성된다. 그 다음, 제어 파라미터들은 인터페이스(1810)를 통해 열 분석 모듈(1535)로부터 출력된다.
또 다른 실시예에 따르면, 열 분석 모듈(1535)은 인터페이스(1810), 프로세스(1850), 및 메모리(1830)에 저장되어 프로세서(1850)에서 실행되도록 구성된 컴퓨터 실행 가능 명령어 세트로서 구현된 알고리즘(1860)을 포함한다. 인터페이스(1810)는 열 데이터를 수신하여 입력으로서 프로세서(1850)에 제공하도록 구성된다. 알고리즘(1860)의 컴퓨터 실행 가능 명령어들이 프로세서(1850)로 로드되고, 프로세서(1850)는 알고리즘을 실행함으로써 입력(열 데이터)에 대해 동작하여 하나 이상의 제어 파라미터들을 프로세서(1850)의 출력으로서 발생시킨다. 그 다음, 제어 파라미터들은 인터페이스(1810)를 통해 열 분석 모듈(1535)로부터 출력된다.
LUT, 전자 회로, 알고리즘, 또는 이들의 조합으로 구현되든지, 열 분석 모듈(1535)은 입력 열 데이터를 효과적으로 분석하여 출력 제어 파라미터들을 발생시키도록 구성된다. 예를 들어, 도 19는 도 15의 용접 시스템(1500) 또는 도 17의 용접 시스템(1700)의 열 감지 장치(1515)에 의해 발생되고 열 분석 모듈(1535)에 의해 사전 처리된 사전 처리 열 데이터(1900)의 예시 실시예의 그래픽 표현을 나타낸다. 사전 처리 열 데이터(1900)는 모재(1570)의 표현의 일부 위의 (상이한 음영 영역들에 의해 지시되는 바와 같은) 다양한 온도 영역들을 나타낸다. 다양한 온도 영역들은 열 감지 디바이스(1515)의 외부의 원시 열 온도 데이터의 픽셀들의 온도 값들에 소정의 온도 임계 범위들을 적용함으로써 열 분석 모듈(1535)에 의해 발생되었다. 6개의 온도 영역은 6개의 상이한 음영 영역들로서 도 19에 도시되어 있다.
일 실시예에 따르면, 열 분석 모듈(1535)이 열 감지 디바이스(1515)로부터 원시 열 데이터를 사전 처리한 후, 열 분석 모듈(1535)은 온도 영역들을 나타내는 다양한 음영 영역들의 사이즈(예를 들어, 픽셀수)의 비율들을 발생시킨다. 비율들의 최종적인 조합은 다양한 용접 파라미터들(예를 들어, 용접 전류, 용접 전압, 용접 파형, 및/또는 와이어 공급 속도)이 모재(1570) 전체에 걸쳐 원하는 온도 프로파일을 유지하도록 조정될 퍼센티지들과 상관관계에 있다. 예를 들어, 이러한 상관관계들이 이전의 실험을 통해 결정될 수 있다. 이후, 열 분석 모듈(1535)은 전원(1540) 및/또는 와이어 공급기(1550)에서 조정하도록 제어부(1530 또는 1720)에게 명령할 제어 파라미터들을 발생시킨다. 이러한 방식으로, 용접 동작 중에 모재(1570) 전체에 걸쳐 원하는 온도 프로파일이 유지될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 다른 유형의 사전 처리 및/또는 분석은 열 분석 모듈(1535)에 의해 수행되어 용접 동작의 다른 열적 특성들을 제어할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 앞서 설명된 시스템들과 방법들과 관련되어 있지만, 이들 실시예는 예시적인 것으로 의도되며, 이들 실시예의 적용 가능성을 여기에 개시된 설명에만 한정하려는 것은 아니다. 본 명세서에 설명된 제어 시스템들과 방안들은 앞서 설명된 발명들의 사상 또는 범주에서 벗어나지 않는 한, 아크 용접, 레이저 용접, 브레이징, 납땜, 플라즈마 절단, 워터젯 절단, 레이저 절단과 관련된 시스템들과 방법들 및 이와 유사한 제어 방안을 이용하는 임의의 다른 시스템들 또는 방법들에 동일하게 적용되어 활용될 수 있다. 본원의 실시예들과 설명들은 당업자에 의해 이들 시스템과 방안 중 임의의 시스템 또는 방법으로 용이하게 통합될 수 있다. 한정이 아닌 예시로서, 여기에 사용되는 바와 같은 전력 공급기(예를 들어, 용접 전력 공급기 등)는 용접, 아크 용접, 레이저 용접, 브레이징, 납땜, 플라즈마 절단, 워터젯 절단, 레이저 절단 등을 수행하는 디바이스를 위한 전력 공급기일 수 있다. 이에 따라, 타당한 공학 지식과 판단력을 갖춘 자는 본 발명의 실시예들의 의도된 보호 범주를 벗어나는 용접 전력 공급기 이외의 전력 공급기들을 선택할 수 있다.
상기 예시들은 단지 본 발명의 다양한 양태들의 여러 가능한 실시예들을 예시한 것인데, 여기서 균등한 변경 및/또는 변형들은 본 명세서 및 첨부 도면들을 읽고 이해할 때 당업자에게 일어날 수 있다. 특히, 앞서 설명된 컴포넌트들(조립체들, 디바이스들, 시스템들, 회로들 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 본 발명의 예시된 구현예에서 기능을 수행하는 개시된 구조에 구조적으로 균등하지 않음에도 불구하고, 그러한 컴포넌트들을 설명하기 위해 사용된 용어들("수단"에 대한 참조 포함)은 (예를 들어, 기능적으로 동등한), 달리 지시되지 않는 한, 설명된 컴포넌트의 지정된 기능을 수행하는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합과 같은 임의의 컴포넌트에 대응되게 하려는 것이다. 또한, 본 발명의 특별한 특징이 몇몇 구현예들 중 단지 하나와 관련하여 개시되었을지라도, 그러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정한 애플리케이션에 대해 바람직하고 유리할 수 있는 바와 같이 다른 구현예들의 하나 이상의 다른 특징들과 결합될 수 있다. 또한, "포함하는", "포함한다", "갖는", "갖다", 및 "구비한"이라는 용어들 또는 그 변형된 용어들이 발명의 상세한 설명 및/또는 청구항에 사용되는 한도에서, 이러한 용어들은 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄하게 하려는 것이다.
여기에 서술된 설명은 예시들을 사용하여 본 발명(최선의 모드 포함)을 개시하고, 당업자가 임의의 디바이스들 또는 시스템들을 제조하고 이용하며 임의의 통합된 방법들을 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 예시들을 사용한다. 본 발명의 특허 가능 범주는 청구항에 의해 규정되며, 당업자에게 일어난 다른 예시들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은 청구항들의 문자 그대로의 언어와 다르지 않은 구조적 요소들을 갖는 경우 또는 청구항들의 문자 그대로의 언어와 실질적으로 차이가 없는 균등한 구조적 요소들을 포함하는 경우 청구항들의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 모드는 그 당시 출원인에게 공지된 최선의 모드를 나타내기 위해 설명되어 왔다. 청구항들의 범주와 이점에 의해 측정되는 바와 같이, 예시들은 단지 일례일 뿐 본 발명을 한정하려는 것을 의미하지 않는다. 본 발명은 바람직한 실시예 및 다른 실시예들을 참조하여 설명되었다. 명확하게도, 변형들 및 변경들은 본 명세서를 읽고 이해할 때 일어날 것이다. 이러한 변형들 및 변경들은 첨부된 청구항들 또는 이들의 균등물의 범주 내에 있는 한 모두 포함하는 것을 의도한다.

Claims (20)

  1. 용접 동작 중에 용접 퍼들(puddle)을 형성하기 위해 전극과 모재 사이에 아크를 생성하도록 상기 전극에 용접 전류를 출력하도록 구성된 전원;
    용접 작업자가 상기 용접 동작 중에 상기 전극과 상기 모재를 볼 때 상기 용접 작업자를 보호하기 위해 상기 용접 작업자에 의해 착용되도록 구성된 용접 헬멧;
    상기 용접 헬멧과 통합 형성되며, 상기 용접 동작 중에 상기 모재, 상기 전극, 및 상기 용접 퍼들 중 적어도 하나를 포함하는 용접 환경의 열 에너지를 감지하고 상기 열 에너지에 기반하여 열 데이터를 발생시키도록 구성된 열 감지 디바이스;
    상기 용접 헬멧과 통합 형성되고, 상기 열 감지 디바이스에 동작 가능하게 연결되며, 상기 열 데이터를 무선 송신하도록 구성된 송신기 디바이스; 및
    열 분석 모듈을 가지며, 상기 송신기 디바이스로부터 상기 열 데이터를 무선 수신하고, 상기 열 분석 모듈을 통해 상기 열 데이터를 분석하여 제어 파라미터들을 발생시키고, 상기 제어 파라미터들을 상기 전원으로 제공하도록 구성된 제어기를 포함하며,
    상기 전원은 상기 제어기로부터 상기 제어 파라미터들을 수신하고 상기 제어 파라미터들에 응답하여 상기 용접 동작의 적어도 하나의 용접 파라미터를 수정하도록 더 구성되는, 용접 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 데이터는 상기 용접 환경의 온도들, 공간적 열 구배들, 또는 시간적 열 구배들 중 적어도 하나를 포함하는, 용접 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 파라미터들은 전류 조정 명령, 전압 조정 명령, 파형 조정 명령, 또는 와이어 공급 속도 조정 명령 중 적어도 하나를 포함하는, 용접 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 용접 파라미터는 상기 용접 전류, 용접 전압, 용접 파형, 또는 와이어 공급 속도를 포함하는, 용접 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 용접 헬멧과 통합 형성되고 상기 열 감지 디바이스 및 상기 송신기 디바이스에 전기 에너지를 제공하도록 구성된 충전 배터리를 더 포함하는, 용접 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전원에 동작 가능하게 연결되고 상기 모재를 향하는 용접 와이어를 상기 아크에 임의의 와이어 공급 속도로 전달하도록 구성된 와이어 공급기를 더 포함하며, 상기 용접 와이어는 상기 전극인, 용접 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열 분석 모듈은 상기 제어기의 메모리에 저장된 룩업 테이블로서 구성되어, 상기 메모리에 대한 주소 지정 가능 입력으로서 상기 열 데이터를 이용하고 상기 메모리의 출력으로서 상기 제어 파라미터들을 제공하는, 용접 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열 분석 모듈은 상기 제어기의 메모리에 저장된 컴퓨터 실행가능 명령어 세트로서 구현되고 상기 제어기의 프로세서에서 실행되도록 구성된 알고리즘을 포함하는, 용접 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 열 분석 모듈은 입력으로서 상기 열 데이터를 사용하고 출력으로서 상기 제어 파라미터들을 제공하도록 구성된 전자 회로를 포함하는, 용접 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전극을 수용하고, 상기 전극이 상기 모재를 향하도록 상기 용접 작업자에 의해 파지되도록 구성되는 용접 토치를 더 포함하는, 용접 시스템.
  11. 필터링 시야 창을 갖고, 용접 시스템을 이용하는 용접 작업자에 의해 수행되는 용접 동작 중에 상기 용접 작업자가 상기 시야 창을 통해 용접 환경을 볼 때 상기 용접 작업자를 보호하기 위해 상기 용접 작업자에 의해 착용되도록 구성된 쉘(shell);
    상기 쉘과 통합 형성되고, 상기 용접 동작 중에 상기 용접 환경의 열 에너지를 감지하고 상기 열 에너지에 기반하여 열 데이터를 발생시키도록 구성된 열 감지 디바이스로서, 상기 용접 환경은 모재, 전극, 및 용접 퍼들 중 적어도 하나를 포함하는 열 감지 디바이스;
    상기 쉘과 통합 형성되고, 상기 열 감지 디바이스에 동작 가능하게 연결되며, 상기 열 데이터를 분석하여 제어 파라미터들을 발생시키도록 구성된 열 분석 모듈; 및
    상기 쉘에 통합 형성되고, 상기 열 분석 모듈에 동작 가능하게 연결되며, 상기 제어 파라미터들을 상기 용접 시스템에 송신하도록 구성된 송신기 디바이스를 포함하고,
    상기 제어 파라미터들은 상기 용접 동작 중에 상기 용접 시스템의 적어도 하나의 용접 파라미터를 제어하는, 용접 헬멧.
  12. 제11항에 있어서, 상기 열 데이터는 상기 용접 환경의 온도들, 공간적 열 구배들, 또는 시간적 열 구배들 중 적어도 하나를 포함하는, 용접 헬멧.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제어 파라미터들은 전류 조정 명령, 전압 조정 명령, 파형 조정 명령, 또는 와이어 공급 속도 조정 명령 중 적어도 하나를 포함하는, 용접 헬멧.
  14. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 용접 파라미터는 용접 전류, 용접 전압, 용접 파형, 또는 와이어 공급 속도를 포함하는, 용접 헬멧.
  15. 제11항에 있어서, 상기 쉘과 통합 형성되고 상기 열 감지 디바이스, 상기 열 분석 모듈, 및 상기 송신기 디바이스에 전기 에너지를 제공하도록 구성된 충전 배터리를 더 포함하는, 용접 헬멧.
  16. 제11항에 있어서, 상기 열 분석 모듈은 메모리에 저장된 룩업 테이블로서 구성되어, 상기 메모리에 대한 주소 지정 가능 입력으로서 상기 열 데이터를 이용하고 상기 메모리의 출력으로서 상기 제어 파라미터들을 제공하는, 용접 헬멧.
  17. 제11항에 있어서, 상기 열 분석 모듈은
    프로세서;
    메모리; 및
    상기 메모리에 저장되고 상기 프로세서에서 실행되도록 구성된 컴퓨터 실행가능 명령어 세트로서 구현된 알고리즘을 포함하는, 용접 헬멧.
  18. 제11항에 있어서, 상기 열 분석 모듈은 입력으로서 상기 열 데이터를 사용하고 출력으로서 상기 제어 파라미터들을 제공하도록 구성된 전자 회로를 포함하는, 용접 헬멧.
  19. 제11항에 있어서, 상기 송신기 디바이스에 동작 가능하게 연결된 안테나를 더 포함하며, 상기 송신기 디바이스는 상기 안테나를 통해 상기 용접 시스템의 제어기 또는 전원에 상기 제어 파라미터들을 송신하도록 구성되는, 용접 헬멧.
  20. 제11항에 있어서, 상기 용접 시스템의 제어기 또는 전원과 상기 송신기 디바이스 사이에 연결되도록 구성된 통신 케이블을 더 포함하며, 상기 송신기 디바이스는 상기 통신 케이블을 통해 상기 용접 시스템의 제어기 또는 전원에 상기 제어 파라미터들을 송신하도록 구성되는, 용접 헬멧.
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