KR20200064918A - 스패터를 감소시키도록 아크 용접 시스템을 제어하는 방법 - Google Patents

Abstract

용접 과정 동안 단락 이벤트들을 조절함으로써 아크 길이를 제어하는 시스템은 용접 전극과 워크피스 사이에서 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정을 이끌도록 구성되는 용접 전원 공급기, 및 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정의 용접 파형을 제어하기 위해 용접 전원 공급기에 작동적 연결되는 제어기를 포함한다. 제어기는 테더링된 초기 단락들이 상기 용접 파형에 포함되는지 아닌지 여부를 자동적으로 판단하고, 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 단락 이벤트 특성을 모니터링하고, 상기 단락 이벤트 특성에 기반하여, 테더링된 초기 단락들이 상기 용접 파형에 포함된다고 판단한 후에 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 워크피스에 대한 용접 전극의 테더링된 초기 단락화를 조절하기 위해 상기 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터를 자동적으로 조정하도록 구성된다.

Description

스패터를 감소시키도록 아크 용접 시스템을 제어하는 방법{METHOD TO CONTROL AN ARC WELDING SYSTEM TO REDUCE SPATTER}

본 출원은 2010년 10월 22일자로 출원된 미국 가출원 제 61/405,895호 및 2010년 11월 12일자로 출원된 제 61/413,007호의 우선권을 주장하는 2011년 10월 6일자로 출원된 미국 실용 특허 출원 제 13/267,153호이며, 현재 미국 특허 제 9,415,457호의 분할 출원인 2016년 8월 15일자로 출원된 미국 실용 특허 출원 제 15/236,672호의 부분 계속 출원이다. 모든 앞서 확인된 특허 출원의 내용들은 전부 참조로 본원에 포함된다.

기술적 분야

특정 실시예는 펄스화 전기 아크 용접 장비 및 과정에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 특정 실시예는 스패터를 감소시키기 위해 단락의 시간 동안 출력 전류를 감소시킴으로써 펄스화 전기 아크 용접 과정 동안 용접 전극과 워크피스 사이에 형성되는 단락을 예측하거나 이것에 반응하는 것에 관한 것이다.

전기 아크 용접에서, 일반적인 용접 과정은 외부 보호 가스와 함께 고체 와이어 전극을 주로 사용하는 펄스 용접이다. MIG 용접은 진행하는 와이어 전극의 단부를 우선 용융시키는 이격된 펄스를 사용하고 그 다음 와이어의 단부로부터 아크를 통해 워크피스로 용융된 금속을 나아가게 한다. 용융된 금속의 구형 덩어리는 펄스 용접 과정의 각각의 펄스 주기 동안 전달된다. 특정 펄스 주기 동안, 특히 용접 전극이 워크피스에 매우 근접하게 가동하는 응용에서, 용융된 금속은 진행하는 와이어 전극으로부터 전부 방출되기 전에 워크피스와 접촉한다. 이는 진행하는 와이어 전극과 워크피스 사이에 (쇼트(short)로도 알려져 있는) 단락을 생성한다. 적절한 펄스 용접과 연관된 지속성을 얻기 위해 단락을 빠르게 삭제하거나 제거하는 것이 바람직하다. 그러나, 단락을 제거하는 것은 바람직하지 않은 스패터가 생성되는 것을 야기할 수 있다. 그러한 스패터는 용접 과정의 비효율을 야기하고 예를 들어, 연삭 공구를 사용하여 이후에 제거되어야 할 수 있는 용융된 금속이 워크피스를 통해 스패터링되는 것을 야기할 수 있다.

관습적이고, 통상적이고, 제안된 접근법의 추가 한계 및 단점이 도면을 참조하여 본 출원의 나머지에 제시되는 본 발명의 실시예와 그러한 접근법의 비교를 통해 당업자에게 명백해질 것이다.

이하의 요약은 본원에 논의되는 디바이스들, 시스템들 및/또는 방법들의 일부 양태의 기본 이해를 제공하기 위한 단순화된 요약을 제공한다. 본 요약은 본원에 논의되는 디바이스들, 시스템들 및/또는 방법들의 광범위한 개요가 아니다. 본 요약은 중대한 요소들을 식별하거나 그러한 디바이스들, 시스템들 및/또는 방법들의 범위를 기술하는 것으로 의도되지 않는다. 본 요약의 유일한 목적은 이후에 제공되는 보다 상세한 설명에 대한 서문으로서 단순화된 형태로 일부 개념을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 용접 과정 동안 단락 이벤트들을 조절함으로써 아크 길이를 제어하는 시스템이 제공된다. 시스템은 용접 전극과 워크피스 사이에서 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정을 이끌도록 구성되는 용접 전원 공급기, 및 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정의 용접 파형을 제어하기 위해 용접 전원 공급기에 작동적 연결되는 제어기를 포함한다. 제어기는 선택된 용접 파형에 기반하여, 용접 파형의 N번의 펄스 주기에 대한 테더링(tethering)된 초기 단락화의 빈도를 자동적으로 결정하도록 구성되며, 여기서 N은 정수이다. 제어기는 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 단락 이벤트들을 모니터링하고, 상기 단락 이벤트들에 기반하여, 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 워크피스에 대한 용접 전극의 테더링된 초기 단락화의 빈도를 조절하기 위해 상기 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터를 자동적으로 조정하도록 추가로 구성된다.

특정 실시예들에서, 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스폭을 포함한다. 특정 실시예들에서, 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스 크기를 포함한다. 특정 실시예들에서, 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스 빈도를 포함한다. 특정 실시예들에서, 상기 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 피크 펄스의 펄스폭 및 펄스 크기 둘 다를 포함한다. 특정 실시예들에서, 용접 파형은 피크 펄스, 및 상기 피크 펄스보다 더 작은 펄스 크기를 갖는 플라스마 상승 펄스를 포함하고, 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 플라스마 상승 펄스의 펄스 크기를 포함한다. 특정 실시예들에서, 테더링된 초기 단락화의 빈도는 더 많은 펄스 주기가 단락 이벤트를 포함하는 것보다 단락 이벤트가 없도록 조절된다. 특정 실시예들에서, 제어기는 선택된 펄스 주기들이 테더링된 초기 단락을 포함하고 다른 펄스 주기들이 테더링된 초기 단락을 포함하지 않도록 워크피스에 대한 용접 전극의 테더링된 초기 단락화의 빈도를 조절한다. 특정 실시예들에서, 제어기는 단락 이벤트들의 지속 기간에 기반하여 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터를 조정하도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 제어기는 각각의 펄스 주기 내에서의 단락 이벤트들의 타이밍에 기반하여 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터를 조정하도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 테더링된 초기 단락화의 빈도는 N번의 펄스 주기 당 한 번의 단락 이벤트이며, 여기서 N은 1보다 더 크다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 용접 과정 동안 단락 이벤트들을 조절함으로써 아크 길이를 제어하는 시스템이 제공된다. 시스템은 용접 전극과 워크피스 사이에서 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정을 이끌도록 구성되는 용접 전원 공급기, 및 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정의 용접 파형을 제어하기 위해 용접 전원 공급기에 작동적 연결되는 제어기를 포함한다. 제어기는 테더링된 초기 단락들이 상기 용접 파형에 포함되는지 아닌지 여부를 자동적으로 판단하고, 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 단락 이벤트 특성을 모니터링하고, 상기 단락 이벤트 지속 기간에 기반하여, 테더링된 초기 단락들이 상기 용접 파형에 포함된다고 판단한 후에 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 워크피스에 대한 용접 전극의 테더링된 초기 단락화를 조절하기 위해 상기 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터를 자동적으로 조정하도록 구성된다.

특정 실시예들에서, 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스폭을 포함한다. 특정 실시예들에서, 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스 크기를 포함한다. 특정 실시예들에서, 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스 빈도를 포함한다. 특정 실시예들에서, 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터는 용접 파형에서의 피크 펄스의 펄스폭 및 펄스 크기 둘 다를 포함한다. 특정 실시예들에서, 제어기는 선택된 펄스 주기들이 테더링된 초기 단락을 포함하고 다른 펄스 주기들이 테더링된 초기 단락을 포함하지 않도록 워크피스에 대한 용접 전극의 테더링된 초기 단락화의 빈도를 조절한다. 추가 실시예들에서, 더 많은 펄스 주기가 단락 이벤트를 포함하는 것보다 단락 이벤트가 없다. 또 추가의 실시예들에서, 테더링된 초기 단락화의 빈도는 N번의 펄스 주기 당 한 번의 단락 이벤트이며, 여기서 N은 1보다 더 큰 정수이다. 특정 실시예들에서, 단락 이벤트 특성은 단락 지속 기간을 포함한다. 특정 실시예들에서, 단락 이벤트 특성은 워크피스에 대한 용접 전극의 테더링된 초기 단락화의 빈도를 포함한다. 특정 실시예들에서, 단락 이벤트 특성은 단락 제거 동안의 전류 크기를 포함한다. 특정 실시예들에서, 단락 이벤트 특성은 펄스 주기 내에서의 단락 이벤트의 타이밍을 포함한다. 특정 실시예들에서, 용접 파형은 펄스 주기 당 한 번 초과의 테더링된 초기 단락을 포함하고, 제어기는 펄스 주기 당 한 번 초과의 테더링된 초기 단락의 합계된 지속 기간에 기반하여 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터를 조정한다.

청구된 발명의 이러한 그리고 다른 특징들뿐만 아니라 청구된 발명의 예시된 실시예들의 상세들이 이하의 설명 및 도면들로부터 보다 충분히 이해될 것이다.

도 1은 용접 전류 복귀 경로에 스위칭 모듈을 포함시키는 전기 아크 용접 시스템의 예시적 실시예의 블록도를 도시한다.
도 2는 용접 전류 복귀 경로에 스위칭 모듈을 포함하는 도 1의 시스템의 일부의 예시적 실시예의 도면을 도시한다.
도 3은 도 1 및 도 2의 스위칭 모듈의 예시적 실시예의 개략도를 도시한다.
도 4는 도 1의 시스템을 이용하여 펄스화 전기 아크 용접 과정에서 스패터를 방지하는 방법의 제1 예시적 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 5는 도 4의 방법에 따른 도 1 내지 도 3의 스위칭 모듈을 사용하지 않는 통상적 펄스화 전기 아크 용접기에 기인하는 통상적 펄스화 출력 전류 파형의 일 예를 도시한다.
도 6은 테더링된 연결을 갖는 자유 비행 전달 과정에서의 고속 영상 기술을 사용하여 밝혀진 파열 스패터 과정을 도시한다.
도 7은 도 4의 방법에 따른 도 1 내지 도 3의 스위칭 모듈을 사용하는 도 1의 펄스화 전기 아크 용접기에 기인하는 펄스화 출력 전류 파형의 일 예를 도시한다.
도 8은 도 1의 시스템을 이용하여 펄스화 전기 아크 용접 과정에서 스패터를 방지하는 방법의 다른 예시적 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 9는 도 8의 방법에 따른 도 1 내지 도 3의 스위칭 모듈을 사용하는 도 1의 펄스화 전기 아크 용접기에 기인하는 펄스화 출력 전류 파형의 일 예를 도시한다.
도 10은 예시적 펄스 용접 파형을 도시한다.
도 11은 펄스 용접 과정 동안 단락 이벤트들을 제어하는 방법의 흐름도를 도시한다.

아크 용접 과정 동안, 전극의 팁과 워크피스 사이의 거리가 비교적 작을 때, 용융된 금속은 접촉 전달 과정(예를 들어, 표면 장력 전달 또는 STT 과정) 또는 테더링된 연결로의 자유 비행 전달 과정(예를 들어, 펄스화 용접 과정)을 통하여 전달될 수 있다. 접촉 전달 과정에서, 용접 전극의 팁 상의 용융된 금속 볼은 워크피스와 접촉하고(즉, 단락되고) 용융된 금속 볼이 전극의 팁으로부터 실질적으로 분리되기 시작하기 전에, 워크피스 상의 용융된 퍼들로 “침습하기” 시작한다.

자유 비행 전달 과정에서, 용융된 금속 볼은 전극의 팁에서 벗어나고 아크를 거쳐서 워크피스 쪽으로 “비행한다”. 그러나, 전극의 팁과 워크피스 사이의 거리가 비교적 짧을 때, 용융된 금속의 얇은 테더가 여전히 용융된 금속 볼을 전극의 팁에 연결시키면서, 아크를 거쳐서 비행하는 용융된 금속 볼은 워크피스와 접촉할(즉, 단락될) 수 있다. 그러한 테더링된 자유 비행 전달 시나리오에서, 테더를 통한 전류의 빠른 증가로 인해, 용융된 금속 볼이 본원의 도 6에 도시된 바와 같이 워크피스와 접촉할 때, 용융된 금속의 얇은 테더는 파열하여, 스패터를 야기하는 경향이 있다.

도 1은 용접 출력 복귀 경로에 스위칭 모듈(110)을 포함시키고 용접 출력부들(121 및 122)을 제공하는 전기 아크 용접 시스템(100)의 예시적 실시예의 블록도를 도시한다. 시스템(100)은 입력 전력을 용접 출력 전력으로 변환할 수 있는 전력 변환기(120)를 포함한다. 전력 변환기(120)는 예를 들어, 인버터-타입 전력 변환기 또는 초퍼-타입 전력 변환기일 수 있다. 시스템(100)은 용접 전극 와이어(E)를 용접 출력부(121)에 연결시키는 예를 들어, 용접 건(미도시)을 통해 용접 전극 와이어(E)를 공급할 수 있는 와이어 공급기(130)를 더 포함한다.

시스템(100)은 또한 전력 변환기(120)에 의해 생성되는 용접 출력 전류를 감지하기 위한 시스템(100)의 전류 피드백 센서(150)에 용접 출력 전류를 공급하기 위해 전력 변환기(120)와 용접 출력부(121) 사이에 작동적 연결되는 전류 분로(140)를 포함한다. 시스템(100)은 전력 변환기(120)에 의해 생성되는 용접 출력 전압을 감지하기 위해 용접 출력부(121)와 용접 출력부(122) 사이에 작동적 연결되는 전압 피드백 센서(160)를 더 포함한다. 대안으로서, 스위칭 모듈(110)이 나가는 용접 전류 경로에, 예를 들어 전력 변환기(120)와 전류 분로(140) 사이에, 또는 전류 분로(140)와 용접 출력부(121) 사이에 포함될 수 있다.

시스템(100)은 또한 용접 출력을 나타내는 신호들(161 및 162)의 형태로 감지된 전류 및 전압을 수신하기 위한 전류 피드백 센서(150) 및 전압 피드백 센서(160)에 작동적 연결되는 고속 제어기(170)를 포함한다. 시스템(100)은 고속 제어기(170)에 작동적 연결되는 파형 생성기(180)를 더 포함하여 실시간으로 용접 파형 신호(181)를 조정하는 방법을 파형 생성기에 알리는 커맨드 신호들(171)을 고속 제어기(170)로부터 수신한다. 파형 생성기(180)는 출력 용접 파형 신호(181)를 생성하고 전력 변환기(120)는 출력 용접 파형 신호(181)를 수신하기 위해 파형 생성기(180)에 작동적 연결된다. 전력 변환기(120)는 출력 용접 파형 신호(181)에 기반하여 입력 전력을 용접 출력 전력으로 변환함으로써 조절된 용접 출력(예를 들어, 전압 및 전류)을 생성한다.

스위칭 모듈(110)은 작동 동안 용접 워크피스(W)에 연결되는 용접 출력부(122)와 전력 변환기(120) 사이에 작동적 연결된다. 고속 제어기(170)는 또한 스위칭 커맨드 신호(또는 귀선 소거 신호)(172)를 스위칭 모듈(110)에 제공하도록 스위칭 모듈(110)에 작동적 연결된다. 고속 제어기(170)는 본 발명의 일 실시예에 따라 로직 회로망, 프로그래밍 가능 마이크로프로세서 및 컴퓨터 메모리를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고속 제어기(170)는 각각의 펄스 주기 동안, 단락이 진행하는 전극(E)과 워크피스(W) 사이에서 일어날 때, 단락이 제거되려 할 때, 그리고 단락이 실제로 제거되었을 때를 결정하기 위해 감지된 전압 신호(161), 감지된 전류 신호(162) 또는 2개의 조합을 사용할 수 있다. 단락이 일어날 때 그리고 단락이 제거될 때를 결정하는 그러한 방식들은 관련 분야에 널리 알려져 있고, 예를 들어, 미국 7,304,269에 설명되며, 부분들은 참조로 본원에 포함된다. 고속 제어기(170)는 단락이 일어날 때 그리고/또는 단락이 제거될 때, 파형 신호(181)를 변경할 것을 파형 생성기(180)에 명령할 수 있다. 예를 들어, 단락이 제거되었던 것으로 결정될 때, 고속 제어기(170)는 이전 단락의 제거 직후에 다른 단락이 일어나는 것을 방지하기 위해 파형 신호(181)에 플라스마 상승 펄스(도 7의 펄스(750) 참조)를 포함시킬 것을 파형 생성기(180)에 명령할 수 있다.

도 2는 용접 전류 복귀 경로에 스위칭 모듈(110)을 포함하는 도 1의 시스템(100)의 일부의 예시적 실시예의 도면을 도시한다. 전력 변환기(120)는 인버터 전원(123) 및 환류 다이오드(124)를 포함할 수 있다. 용접 출력 경로는 용접 출력 경로 내의 다양한 전기 구성 요소로 인해 고유 용접 회로 인덕턴스(210)를 가질 것이다. 스위칭 모듈(110)은 저항성 경로(112)(예를 들어, 높은 전력 등급 저항기들의 네트워크)와 병렬의 전기 스위치(111)(예를 들어, 전력 트랜지스터 회로)를 갖는 것으로 도시된다.

용접 파형의 펄스 주기 동안, 어떤 단락도 존재하지 않을 때, 전기 스위치(111)는 고속 제어기(170)로부터의 스위칭 커맨드 신호(172)에 의해 폐쇄되도록 명령 받는다. 전기 스위치(111)가 폐쇄될 때, 전기 스위치(111)는 출력 용접 복귀 경로에서의 매우 낮은 저항 경로를 제공하여, 스위치(111)를 통해 전력 변환기(120)로 용접 전류가 자유롭게 복귀하는 것을 가능하게 한다. 저항성 경로(112)는 용접 출력 복귀 경로에서 여전히 존재하지만, 전류의 대부분은 폐쇄된 스위치(111)에 의해 제공되는 낮은 저항 경로를 통해 흐를 것이다. 그러나, 단락이 검출될 때, 전기 스위치(111)는 고속 제어기(170)로부터의 스위칭 커맨드 신호(172)에 의해 개방되도록 명령 받는다. 전기 스위치(111)가 개방될 때, 전류는 스위치(111)를 통해 흐르는 것으로부터 컷 오프되고 저항성 경로(112)를 통해 흐르도록 강제되어, 저항성 경로(112)에 의해 제공되는 저항으로 인해 전류의 레벨이 감소되는 것을 야기한다.

도 3은 도 1 및 도 2의 스위칭 모듈(110)의 예시적 실시예의 개략도를 도시한다. 스위칭 모듈(110)은 도시된 바와 같이 트랜지스터 회로(111) 및 저항기 네트워크(112)를 포함한다. 스위칭 모듈(110)은 예를 들어, 트랜지스터 회로(111), 저항기 네트워크(112), LED들 및 상태 로직 회로망을 포함하는 모듈(110)의 다양한 전기 구성 요소를 장착하기 위한 회로 기판을 포함할 수 있다.

도 4는 도 1의 시스템(100)을 이용하여 펄스화 전기 아크 용접 과정에서 스패터를 방지하는 방법(400)의 제1 예시적 실시예의 흐름도를 도시한다. 단계(410)는 스위칭 모듈(110)의 스위치(111)가 정상적으로 폐쇄되는(단락 조건 없음) 작동을 나타낸다. 단계(420)에서, 단락이 검출되지 않으면, 그 때 스위치(111)는 폐쇄되게 유지된다(단락 조건 없음). 그러나, 단락이 검출되면, 그 때 단계(430)에서, 스위치(111)는 단락 구간(즉, 전극이 워크피스에 단락되는 기간) 동안 개방 및 폐쇄 시퀀스를 거치도록 명령 받는다.

단계(430)에서의 개방/폐쇄 시퀀스는 단락이 우선 검출될 때, 스위치(111)를 개방함으로써 시작된다. 스위치(111)는 제1 기간(예를 들어, 단락 구간의 제1의 10%) 동안 개방되게 유지된다. 이는 출력 전류를 빠르게 감소시키므로, 단락은 바로 벗어나 다량의 스패터를 야기하지 않는다. 제1 기간 후에, 스위치는 다시 폐쇄되고 출력 전류는 제2 기간 동안 기울어져 전극에서 벗어나고 단락을 제거하려는 시도로 용융된 금속이 좁은 넥(neck)을 형성하기 시작하게 한다. 이러한 제2 기간 동안, 전류가 기울고 있음에 따라, 단락이 제거될 때(즉, 넥이 깨어질 때)를 예측하기 위해 dv/dt 검출 방식이 수행된다. 그러한 dv/dt 방식은 관련 분야에 널리 알려져 있다. 스위치(111)는 그 다음 넥이 실제로 깨어질 때(즉, 단락이 실제로 제거될 때), 과도한 스패터링을 방지하기 위해 출력 전류를 또 다시 빠르게 낮추도록 단락이 제거되려 하기 직전에(예를 들어, 단락 구간의 마지막 10% 동안) 다시 개방된다.

단계(440)에서, 단락(전극과 워크피스 사이의 단락)이 여전히 존재하면, 그 때 스위치(111)는 개방되게 유지된다. 그러나, 단락이 제거되었으면, 그 때 단계(450)에서, 스위치(111)는 다시 폐쇄된다. 이러한 방식으로 단락 조건 동안, 스위치(111)는 개방/폐쇄 시퀀스를 거치고 스위치가 개방될 때, 용접 출력 경로를 통해 흐르는 전류는 감소되어, 감소된 스패터를 야기한다. 방법(400)은 본 발명의 일 실시예에 따라 고속 제어기(170)로 구현된다. 더욱이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시스템(100)은 120 ㎑의 속도로 반응할 수 있어(즉, 스위칭 모듈(110)은 이러한 높은 속도로 스위칭 온되고 스위칭 오프될 수 있어), 효과적인 방식으로 방법(400)을 구현하기 위해 단락의 검출 및 단락의 제거의 검출에 대한 충분한 반응을 제공한다.

약간 더 단순한 대안적인 실시예에 따르면, 도 4에 대하여 상술한 개방/폐쇄 시퀀스를 거치는 것 대신에, 용접 회로 경로의 전류는 진행하는 와이어 전극과 워크피스 사이의 단락의 검출에 응하여 적어도 결정된 기간 동안 스위치(111)를 개방하며, 따라서 용접 회로 경로에서의 저항을 증가시킴으로써 감소된다. 대부분의 펄스 주기의 경우, 결정된 기간은 용접 회로 경로의 전류를 우선 증가시킬 필요가 없이 단락이 제거되는 것을 가능하게 하는 지속 기간이다. 주어진 펄스 주기 동안, 원하는 바에 따라 결정된 기간이 만료되기 전에, 단락이 제거되면, 그 때 과정은 펄스 주기의 다음 부분으로 진행한다. 그러나, 단락이 그 때 미리 결정된 기간 내에서 제거되지 않으면, 결정된 기간 직후에, 스위치(111)는 다시 폐쇄되어, 용접 회로 경로의 전류가 또 다시 증가하고 단락을 제거하게 한다. 그러한 대안적인 실시예에서, 스위치(111)는 단락의 검출에 응하여 결정된 기간의 적어도 일부 동안 단순히 개방된다. 대부분의 펄스 주기에서, 전류는 단락을 제거하기 위해 증가될 필요가 없다.

더욱이 선택 사항으로서, 진행하는 와이어 전극과 워크피스 사이의 단락이 검출될 때, 진행하는 와이어 전극의 속도는 늦추어질 수 있다. 진행하는 와이어 전극의 속도를 늦추는 것은 달리 추가될 것만큼 많은 재료를 단락부에 추가하지 않음으로써 보다 손쉽게 단락을 제거하는 것을 돕는다. 진행하는 와이어 전극의 속도를 늦추기 위해, 와이어 전극을 진행시키는 와이어 공급기의 모터가 스위칭 오프될 수 있고 브레이크가 모터에 적용될 수 있다. 브레이크는 다양한 실시예들에 따라 기계 브레이크 또는 전기 브레이크일 수 있다.

도 5는 도 4의 방법(400) 또는 상술한 더 단순한 대안적인 방법에 따른 도 1 내지 도 3의 스위칭 모듈(110)을 사용하지 않는 통상적 펄스화 전기 아크 용접기에 기인하는 통상적 펄스화 출력 전류 파형(500)의 일 예를 도시한다. 도 5의 파형(500)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 피크 펄스(510)가 발해진 후에, 예를 들어, 시간(530), 예를 들어 단락이 제거될 때까지 지속되는 시간(520)에서 시작되는 단락이 일어날 수 있다. 시간들(520 및 530)은 단락 구간(540)을 한정한다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 피크 펄스들(510)은 용접 과정의 다수 번의 펄스 주기 또는 사이클 동안 규칙적인 구간들로 발해진다. 임의의 주어진 사이클 또는 펄스 주기 동안, 단락 조건은 일어날 수 있거나 일어나지 않을 수 있다. 통상적 시스템에서, 단락이 일어날 때, 인덕턴스와 비교하여 용접 출력 경로에서의 매우 적은 저항이 있다. 전류는 전원이 턴 오프되더라도 계속해서 흐른다.

다시 도 5를 참조하면, 단락 구간(540) 동안, 전극(E)과 워크피스(W) 사이의 아크의 결여(저항이 매우 낮아짐)로 인해, 그리고 전력 변환기(120)가 다시 최소 레벨로 페이즈드(phased)화될 때에도 용접 회로 인덕턴스(210)가 용접 출력 경로에서 흐르는 전류를 유지하도록 작용한다는 사실로 인해 출력 전류는 증가하는 경향이 있다. 전류는 단락이 제거될 때까지(즉, 용융된 금속 단락이 전극(E)에서 벗어날 때까지) 증가하는 경향이 있다. 그러나 그러한 증가된 전류 레벨들에서, 단락이 깨어지거나 제거될 때, 증가된 전류 레벨들은 용융된 금속이 파열하게 하여 스패터를 야기하는 경향이 있다.

도 6은 테더링된 연결을 갖는 자유 비행 전달 과정에서의 고속 영상 기술을 사용하여 밝혀졌던 파열 스패터 과정을 도시한다. 높은 피크 펄스(예를 들어, 510)는 용융된 금속의 볼(610)이 워크피스(W) 쪽으로 밀어내어지게 하여 볼(610)과 전극(E) 사이에 좁은 테더(620)를 생성한다. 볼(610)이 아크를 거쳐서 워크피스(W) 쪽으로 비행함에 따라, 테더(620)가 좁아지고, 궁극적으로, 테더(620)를 통해 전극(E)과 워크피스(W) 사이에 단락이 일어난다. 이러한 조건은 용접 전극이 워크피스에 매우 근접하게 가동하는 작동에서 거의 모든 펄스 주기마다 일어나는 경향이 있다. 특히, 자유 비행 전달 펄스 용접 과정의 경우, 테더(620)가 초기 단락을 생성하고 다량의 전류가 좁은 테더(620)를 통해 흐르기 시작할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 전류 레벨을 증가시키는 것은 결국 도 6에 도시된 바와 같이 비교적 얇은 용융된 테더(620)가 파열하게 하여 스패터(630)를 생성한다. 그러나, 본원에 상술한 바와 같은 스위칭 모듈(110) 및 방법(400)(또는 더 단순한 대안)을 포함시킴으로써, 생성되는 스패터(630)는 크게 감소될 수 있다.

도 7은 도 4의 방법(400)에 따른 도 1 내지 도 3의 스위칭 모듈(110)을 사용하는 도 1의 펄스화 전기 아크 용접기(100)에 기인하는 펄스화 출력 전류 파형(700)의 일 예를 도시한다. 도 7의 파형(700)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 피크 펄스(710)가 발해진 후에, 예를 들어, 시간(730), 예를 들어 단락이 제거될 때까지 지속되는 시간(720)에서 시작되는 단락이 일어날 수 있다. 시간들(720 및 730)은 단락 구간(740)을 한정한다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 피크 펄스들(710)은 용접 과정의 다수 번의 펄스 주기 또는 사이클 동안 규칙적인 구간들로 발해진다. 임의의 주어진 사이클 동안, 단락 조건은 일어날 수 있거나 일어나지 않을 수 있다. 그러나, 전극의 팁과 워크피스 사이의 거리가 비교적 작을 때, 단락이 거의 모든 사이클 상에서 일어날 수 있다.

다시 도 7을 참조하면, 단락 구간(740) 동안, 스위칭 모듈(110)의 스위치(111)는 단락이 우선 일어날 때, 그리고 다시 단락이 제거되려 할 때, 개방되어, 출력 전류가 저항성 경로(112)를 통해 흐르게 하고, 그러므로, 전류 레벨이 감소하게 한다. 일 예로서, 스위칭 신호(172)는 단락이 검출될 때, 높음에서 낮음으로 나아가, 스위치가 개방되게 하는 로직 신호일 수 있다. 마찬가지로, 단락이 제거될 때, 스위칭 신호(172)는 낮음에서 높음으로 나아가 스위치(111)를 다시 폐쇄할 수 있다. 스위치(111)가 개방될 때, 저항성 경로(112)는 용접 출력 경로 상에 부하를 두어, 환류 전류가 원하는 레벨들로 빠르게 강하하는 것을 가능하게 한다. 전류는 단락이 제거될 때까지 감소하는 경향이 있고, 그러한 감소된 전류 레벨들에서, 단락이 깨어지거나 제거될 때, 용융된 금속은 비파열성 방식으로 핀치 오프(pinch off)되는 경향이 있어, 생성되는 스패터를 제거하거나 적어도 이것의 양을 감소시킨다. 또한 도 7의 파형(700)에서, 막 제거되었던 단락 직후에 다른 단락이 일어나는 것을 방지하는 것을 돕는데 사용되는 플라스마 상승 펄스(750)가 보다 두드러지고 잠재적으로 보다 효과적이다.

도 8은 도 1의 시스템(100)을 이용하여 펄스화 전기 아크 용접 과정에서 스패터를 방지하는 방법(800)의 다른 예시적 실시예의 흐름도를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 방법(800)은 제어기(170)에 의해 수행된다. 고속 제어기(170)는 단락의 발생 및/또는 단락의 제거의 시간들을 추적하고 단락 구간(940)(단락의 발생과 단락이 제거될 때 사이의 시간)(도 9 참조)이 적어도 다음 펄스 주기 동안 언제 일어날 지의 추정치를 제공한다. 이러한 추정치로부터, 귀선 소거 신호(172)를 생성하는데 사용되는 귀선 소거 구간(960)(도 9 참조)이 결정될 수 있다.

방법(800)의 단계(810)에서, 시스템(100)은 알려진 기법들에 따라 펄스화 용접 파형의 반복되는 펄스 주기들 동안 단락의 발생 및/또는 그러한 단락의 제거를 검출한다. 단계(820)에서, 펄스 주기들 내의 검출된 단락의 발생 및/또는 제거의 시간이 (예를 들어, 고속 제어기(170)에 의해) 추적된다. 단계(830)에서, 다음 펄스 주기에 대한 단락 구간(940)(도 9 참조)의 위치 및 지속 기간이 추적 결과들에 기반하여 추정된다. 단계(840)에서, 적어도 다음 펄스 주기에 대한 중첩되는 귀선 소거 구간(960)이 다음 펄스 주기에 대한 단락 구간의 추정된 위치에 기반하여 결정된다. 단계(850)에서, 다음 펄스 주기 동안 스위칭 모듈(110)에 적용될 귀선 소거 신호(스위칭 신호의 타입)(172)가 (예를 들어, 제어기(170)에 의해) 생성된다.

도 9는 도 8의 방법(800)에 따른 도 1 내지 도 3의 스위칭 모듈(110)을 사용하는 도 1의 펄스화 전기 아크 용접기(100)에 기인하는 펄스화 출력 전류 파형(900)의 일 예를 도시한다. 도 9의 파형(900)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 피크 펄스(910)가 발해진 후에, 예를 들어, 시간(930), 예를 들어 단락이 제거될 때까지 지속되는 시간(920)에서 시작되는 단락이 일어날 수 있다. 시간들(920 및 930)은 단락 구간(940)을 한정한다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 피크 펄스들(910)은 용접 과정 동안 규칙적인 구간들로 발해진다. 임의의 주어진 사이클 동안, 단락 조건은 일어날 수 있거나 일어나지 않을 수 있다. 그러나, 아크 길이가 비교적 짧은(즉, 와이어 전극이 워크피스에 비교적 근접하게 가동되는) 용접 과정 동안, 단락들은 거의 모든 펄스 주기에서 일어날 수 있다.

방법(800)에 따르면, 펄스 주기 내의 단락의 발생 및/또는 단락의 제거의 시간들은 펄스 주기마다 결정되고 추적된다. 이러한 방식으로, 제어기(170)는 다음의 또는 다가오는 펄스 주기들에서 일어날 것으로 예상될 단락 구간의 위치를 추정할 수 있다. 그러나 펄스화 용접 과정의 시작에서, 임의의 실질적 추적 정보가 이용 가능하기 전에, 단락 구간의 위치는 예를 들어, 실험적 데이터 또는 이전 용접 과정으로부터 저장된 데이터에 기반한 저장된 디폴트 위치일 수 있다. 귀선 소거 신호(172)는 다음 펄스 주기(들)에 대해 추정된 단락 구간(940)을 일시적으로 중첩시키는 귀선 소거 신호(172) 내의 귀선 소거 구간(960)을 형성하도록 조정되거나 변경될 수 있다. 이상적으로, 귀선 소거 구간(960)은 다음 펄스 주기의 단락 구간(940) 직전에(예를 들어, 시간(920) 전에) 시작되고 다음 펄스 주기의 단락 구간(940) 직후에(예를 들어, 시간(930) 후에), 따라서 일시적 중첩 직후에 종료된다. 일 실시예에서, 단락의 제거가 아닌 단락의 발생의 시간들만이 추적된다. 그러한 일 실시예에서, 귀선 소거 구간의 지속 기간은 실험적 인지에 기반하여 단락이 제거되기에 충분히 오래 지속되도록 설정된다.

이러한 방식으로, 다음 펄스 주기 동안의 단락의 실제 발생은 스위칭 모듈(110)의 스위치(111)가 개방될 수 있기 전에, 검출될 필요가 없다. 펄스화 용접 과정이 진행함에 따라, 예를 들어, 와이어 전극과 워크피스 사이의 거리가 이동하거나 변화함에 따라, 단락 구간의 위치가 이동하거나 변화할 수 있다. 그러나 이러한 실시예에서, 단락 구간의 위치가 시간이 지남에 따라 추적되고 있으므로, 귀선 소거 신호의 위치는 단락 구간을 효과적으로 추종하고 예측하도록 조정될 수 있다. 귀선 소거 구간(960) 동안 스위치(111)를 개방함으로써, 전류가 강하하고 테더가 귀선 소거 구간(960) 동안 일어나고 깨어질 것으로 예상된다.

실험적 결과들은 특정 펄스화 용접 시나리오에서 본원에 설명하는 바와 같은 스위칭 모듈(110)을 사용하여, 단락을 제거하려는 순간의 용접 출력 전류 레벨이 대략 280 암페어에서 대략 40 암페어로 감소되어, 생성되는 스패터의 양의 대단한 차이를 만들 수 있다는 것을 나타내었다. 일반적으로, 50 암페어 미만으로 전류를 감소시키는 것은 스패터를 상당히 감소시키는 것으로 보인다. 게다가, 이동 속도들(예를 들어, 60 내지 80 인치/분) 및 증착 속도들이 유지될 수 있다.

단락이 용접 전극과 워크피스 사이에 존재하는 기간 동안 용접 출력 전류 레벨을 감소시키는 다른 수단 및 방법들이 또한 가능하다. 예를 들어, 대안적인 실시예에서, 용접 전원의 제어 토폴로지는 단락의 시간 동안 고도로 조절된 레벨로 출력 전류를 제어하도록 구성될 수 있다. 전원은 스패터를 감소시키기 위해 단락화 구간 동안 더 낮은 레벨(예를 들어, 50 암페어 미만)로 단락화 전류를 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 스위칭 모듈(110)이 디스에이블링되거나 제거되어, 용접 출력 회로 경로에서 전류가 자유롭게 흐르는 것을 가능하게 할 수 있다. 제어기(170)는 용접 출력 회로 경로를 통한 용접 출력 전류를 감소시키기 위해 귀선 소거 구간 동안 용접 과정의 출력 용접 파형 신호(181)의 일부를 변경할 것을 파형 생성기(180)에 명령하도록 구성된다. 그러므로 이러한 대안적인 실시예에서, 제어기(170)는 스위칭 모듈(110)을 통해서 대신에 파형 생성기(180) 및 전력 변환기(120)를 통해 귀선 소거 구간 동안 전류를 감소시킨다. 그러한 대안적인 실시예는 용접 회로의 인덕턴스(210)가 충분히 낮으면, 상당히 양호하게 작동할 수 있다.

펄스 용접 동안, 작은 아크 길이가 더 긴 아크 길이들을 사용하여 생성되는 용접점들과 비교하여 증가된 이동 속도로 더 양호한 용접 비드를 야기하는 경향이 있음에 따라, 작은 아크 길이가 일반적으로 원해진다. 그러나, 작은 아크 길이들로의 용접은 와이어 전극과 용접 퍼들과 접촉하는 용융된 전극 재료 사이의 테더링된 연결들로 인해 초기 단락들과 같은 스패터 이벤트들을 야기할 수 있다. 테더링된 초기 단락들은 전극의 팁에 용융된 금속 볼을 연결시키는 용융된 금속의 얇은 테더에 의해 야기되고, 그러한 테더링된 초기 단락들은 용접 동안 원해질 수 있거나 원해지지 않을 수 있다. 일부 펄스 용접 과정 동안, 테더링된 초기 단락들은 (예를 들어, 각각의 피크 펄스 이후의) 각각의 펄스 주기 동안 원해질 수 있는데 반해, 다른 펄스 용접 과정들 동안, 테더링된 초기 단락들은 (예를 들어, 스패터 이벤트들 및 결과로서 생기는 스패터링을 감소시키기 위해) 전혀 원해지지 않을 수 있다. 추가 펄스 용접 과정들에서, 테더링된 초기 단락들은 2번마다 한 번의 펄스 주기, 3번마다 한 번의 펄스 주기, 4번마다 한 번의 펄스 주기, 10번마다 한 번의 펄스 주기, 12번마다 한 번의 펄스 주기 등과 같은 다른 것들은 아닌 일부 펄스 주기 동안 원해질 수 있다.

적절한 펄스 용접 파형들은 용접 동안(각각의 펄스 주기 동안 또는 모든 펄스 주기가 아닌 일부 펄스 주기 동안) 테더링된 초기 단락들을 생성하거나, 테더링된 초기 단락들의 발생을 피하도록 설계될 수 있다. 어떠한 경우에도, 용접 파형들은 용접 출력 경로의 모델을 염두에 두고 설계된다. 예를 들어, 전형적 용접 회로 인덕턴스(210) 레벨(도 2) 및 저항 레벨이 용접 파형들을 설계할 때 가정될 수 있다. 용접 파형들은 예상된 보호 가스 혼합물 또는 전극 설계에 기반하여 추가로 설계될 수 있다. 특정 용접 설정(예를 들어, 용접 출력 경로, 가스 혼합물, 전극 등)이 가정된 설정과 부합하면, 그 때 용접 파형들은 설계된 바에 따라 작동해야(예를 들어, 펄스 용접 동안 테더링된 초기 단락들을 야기하거나 피해야) 한다. 그러나, 특정 용접 설정이 긴 용접 케이블들이 사용되거나 가스 혼합물이 변경될 때와 같이 가정된 설정과 부합하지 않으면, 그 때 용접 파형은 설계된 바에 따라 작동하지 않을 수 있다(예를 들어, 아크 길이가 변화될 수 있다). 예를 들어, 테더링된 초기 단락들이 각각의 펄스 주기 동안 일어나지 않을 수 있거나, 원해지지 않을 때 일어날 수 있다. 수직 용접에서 수평 용접으로와 같이 용접 위치를 변경하는 것도 용접 파형의 성능 그리고 아크 및 아크 길이에 영향을 줄 수 있다.

통상적으로, MIG 용접 전원 공급기들은 용접 파형을 제어하기 위해 폐 루프 전압 제어(예를 들어, 미리 설정된 평균 전압을 달성하기 위한 폐 루프 제어)를 채용한다. 그러나, 그러한 통상적 제어는 앞서 논의된 바와 같은 용접 설정에 기반하여 달라지는 타입들의 액적 전달을 야기할 수 있다. 도 1을 참조하면, 제어기(170)는 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 동안 단락 이벤트들(예를 들어, 테더링된 초기 단락들)의 발생을 모니터링하고 단락 이벤트들과 연관된 조건들 또는 특성들에 기반하여 용접 파형의 파라미터들을 조정할 수 있다. 그러한 조건들은 단락 이벤트들의 빈도, 지속 기간 또는 격렬함, 단락이 제거되거나 깨어짐에 따른 용접 전류 크기, 단락이 일어남에 따른 용접 전류 크기, 용접 파형에서의 피크 펄스에 대한 단락의 타이밍(예를 들어, 피크 펄스와 단락 사이의 시간 지연), 및 펄스 주기 내에서의 테더링된 초기 단락의 일시적 위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 펄스 용접 동안 단락 이벤트들의 특성들 또는 빈도에 기반하여, 제어기(170)는 워크피스(W)에 대한 용접 전극(E)의 테더링된 초기 단락화를 제거하거나, 또는 그러한 단락들을 조절하여(예를 들어, 그러한 단락들의 빈도 및/또는 지속 기간을 제어하여) 그러한 단락들이 각각의 펄스 주기에 대해 또는 N번의 펄스 주기마다 1번의 단락 이벤트와 같은 다른 원하는 빈도로 일어나기 위해(여기서, N은 정수임)(N은 1이거나 1보다 더 클 수 있음) 파형 신호(181)를 변경할 것을 파형 생성기(180)에 명령할 수 있다.

제어기(170)는 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 동안 단락 이벤트들의 발생에 기반하여 용접 출력 및 아크 길이를 제어하고 원하는 모드의 액적 전달을 달성하기 위해 용접 파형의 하나 이상의 파라미터를 조정할 수 있다. 단락 지속 기간, 빈도, 펄스 주기 내에서의 위치, 또는 단락화의 결여에 대한 용접 출력의 특성들이 특정 용접 응용에 대해 의도되거나 원해지는 바에 따르지 않으면, 제어기(170)는 이러한 편차를 자동적으로 인지하고 (예를 들어, 워크피스에 대한 용접 전극의 테더링된 초기 단락화를 조절하도록) 그에 상응하게 용접 파형 파라미터들을 조정할 수 있다. 예를 들어, 단락 이벤트 특성들에 기반하여 용접 파형 파라미터들을 조정함으로써, 제어기(170)는 N번의 펄스 주기마다 한 번과 같이 테더링된 초기 단락들이 얼마나 흔히 일어나는지, 단락들이 펄스 주기 내에서 일어날 때, 단락들이 얼마나 오래 지속되는지, 단락 이벤트들 동안의 전류 크기들 등을 제어할 수 있다.

특정 실시예들에서, 선택된 펄스 주기들만이 테더링된 초기 단락을 포함하는 반면에, 다른 펄스 주기들은 그렇지 않다. 펄스 주기들이 얼마나 빈번하게 단락을 포함하는지는 와이어 공급 속도(WFS)와 같은 부가 용접 파라미터들에 기반할 수 있다. 예를 들어, 더 빠른 WFS로의 용접은 더 느린 WFS로의 용접보다 단락을 포함하는 더 많은 펄스 주기를 야기할 수 있다. 특정 실시예들에서, 용접 파형은 각각의 펄스 주기 동안 한 번 초과의 단락 이벤트를 포함할 수 있고, 제어기(170)는 다수 번의 단락 이벤트의 전체의 또는 합계된 지속 기간에 기반하여 용접 파형의 파라미터들을 조정할 수 있다.

용접 파형은 용접 시스템의 조작자 또는 제어기(170)와 통신하는 별도의 제어 시스템(예를 들어, 로봇 제어기, 프로그래밍 가능 로직 제어기(PLC) 등)에 의해 선택될 수 있다. 용접 파형은 선택된 용접 과정과 같은 다양한 설정 또는 파라미터에 기반하여 제어기(170)에 의해 선택될 수도 있다. 특정 실시예들에서, 제어기(170)는 테더링된 초기 단락들이 용접 동안 의도되거나 용접 파형에 포함되는지 아닌지 여부를 자동적으로 판단할 수 있다. 제어기(170)는 테더링된 초기 단락들이 얼마나 빈번하게 일어날 지, 테더링된 초기 단락들이 얼마나 오래 지속될 지 등을 결정할 수도 있다. 예를 들어, 제어기(170)는 단락들이 용접 동안 의도되는지 아닌지 여부 그리고/또는 단락들의 빈도 및 다른 특성들을 결정하기 위해 선택된 용접 파형을 한정하는 데이터를 분석할 수 있다. 선택된 용접 파형을 한정하는 데이터는 단락들이 용접 동안 의도되는지 아닌지 여부 그리고 단락들과 관련되는 특성들 또는 조건들에 관한 지시를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 단락화 이벤트들의 횟수 또는 빈도, 단락화 이벤트들의 지속 기간들, 펄스 주기 내에서의 단락화 이벤트들의 위치 또는 펄스 주기의 다른 양태들에 대한 타이밍(예를 들어, 피크 펄스 또는 플라스마 상승 펄스로부터의 일시적 오프셋), 단락이 제거됨에 따른 용접 전류의 크기 등은 용접 파형의 일부로서 제어기로 프로그래밍될 수 있다. 선택된 용접 파형으로부터, 제어기(170)는 단락들의 특성들을 자동적으로 결정할 수 있다. 능동 용접 동안, 제어기(170)는 실제로 일어나는 단락화를 모니터링할 수 있다. 제어기(170)는 단락들이 원해지지 않거나 용접 파형에 포함되지 않으면 단락들을 제거하거나, 단락들이 프로그래밍된 특성들을 충족시키도록(예를 들어, 적절한 지속 기간, 빈도 등이도록) 단락들을 조절하기 위해 용접 파형의 하나 이상의 파라미터를 자동적으로 조정할 수 있다. 전극이 너무 빠르게 또는 너무 오랜 지속 기간 동안과 같이 용접 퍼들로 너무 심하게 단락되고 있거나, 전혀 단락되고 있지 않거나 너무 짧은 지속 기간 동안 단락되고 있거나, 펄스 주기 내에서의 잘못된 빈도 또는 잘못된 위치에서 단락되고 있으면, 용접 파형의 파라미터들은 피드백으로서 평균 전압을 사용하는 것보다는 오히려 또는 이것에 더하여 피드백으로서 단락들의 모니터링된 특성들을 이용하여 폐 루프 방식으로 조정될 수 있다. 제어기(170)는 용접 전압 또는 전류와 같은 부가 모니터링된 데이터에 기반하여 용접 파형의 하나 이상의 파라미터를 조정할 수도 있다. 예를 들어, 제어기(170)는 단락 지속 기간 및/또는 빈도, 그리고 용융된 볼이 전극으로부터 분리되기 직전에 단락 동안 일어나는 전류 레벨 둘 다에 기반하여 파라미터 조정들을 행할 수 있다. 단락 동안의 전류 레벨이 너무 높으면, 용접 파형의 하나 이상의 펄스는 전극으로부터 용융된 볼을 분리시키는 것을 돕도록(그리고 따라서 단락의 격렬함을 감소시키도록) 파형으로 더 많은 에너지를 더하기 위해 지속 기간 또는 크기가 증가될 수 있다.

원하는 테더링된 초기 단락들을 달성하거나, 그러한 단락들을 제거하도록 제어기(170)에 의해 조정될 수 있는 용접 파형의 예시적 파라미터들은 용접 전압, 용접 전류, 피크 펄스의 펄스폭, 피크 펄스의 펄스 크기, 플라스마 상승 펄스의 펄스폭, 플라스마 상승 펄스의 펄스 크기, 피크 펄스의 상승하고 하락하는 램프 속도들, 피크 펄스 및/또는 플라스마 상승 펄스의 펄스 빈도 등을 포함한다. 예를 들어, 테더링된 초기 단락들이 용접 동안 일어나지만, 너무 오랜 지속 기간 동안 지속되는 것과 같이 너무 극심하면, 피크 펄스폭 및/또는 크기는 전극으로부터 용융된 금속을 더 빠르게 핀칭하는 것을 돕도록 증가될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이 테더링된 초기 단락화를 조절함으로써, 원하는 작은 아크 길이가 용접 동안 달성될 수 있다.

도 10은 용접 동안 테더링된 초기 단락들의 발생에 기반하여 변경될 수 있는 예시적 펄스 용접 파형(1000)을 도시한다. 파형(1000)은 일련의 주기적 피크 펄스들(1010A, 1010B, 1010C, 1010D)을 포함한다. 파형(1000)은 백그라운드 레벨들(1020), 및 낮은 전압 단락 이벤트들(1030A, 1030B)을 더 포함한다. 제1 단락 이벤트(1030A)의 지속 기간(X1)이 제2 단락 이벤트(1030B)의 지속 기간(X2)보다 더 작다는 것을 알 수 있다. 제1 단락 이벤트(1030A)가 충분히 극심하지(예를 들어, 지속 기간이 너무 짧지) 않으면, 이후의 피크 펄스(1010B)의 펄스폭 및/또는 펄스 크기는 파선들로 나타내어지는 바와 같이 하향으로 조정될 수 있다. 제2 단락 이벤트(1030B)가 너무 극심하면, 이후의 피크 펄스(1010D)의 펄스폭 및/또는 펄스 크기는 파선들로 나타내어지는 바와 같이 상향으로 조정될 수 있다. 펄스 용접 파형(1000)은 도 7에 도시된 바와 같은 플라스마 상승 펄스들을 포함할 수도 있고, 플라스마 상승 펄스들은 원하는 단락 지속 기간들 및 빈도들을 달성하기 위해 피크 펄스들과 마찬가지로 조정될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 단락 지속 기간, 빈도, 펄스 주기에서의 위치, 또는 단락화의 결여에 대한 파형(1000)의 펄스 특성들이 의도되거나 원해지는 바에 따르지 않으면, 제어기는 이러한 편차를 자동적으로 인지하고 그에 상응하게 용접 출력을 조정할 수 있다. 모든 펄스 주기가 단락 이벤트를 포함해야 하는 것은 아니라는 것을 도 10에서 추가로 알 수 있다. 피크 펄스(1010B)와 피크 펄스(1010C) 사이에서 어떤 단락 이벤트도 일어나지 않는다. 이는 2번마다 한 번의 펄스 주기가 단락 이벤트를 포함하는 것으로 의도되면, 용인 가능하거나, 모든 펄스 주기가 단락 이벤트를 포함하는 것으로 의도되면, 용인 가능하지 않을 수 있다.

도 11은 펄스 용접 과정 동안 단락 이벤트들을 제어하는 방법(1100)의 흐름도를 도시한다. 방법(1100)은 도 1에 대하여 앞서 논의된 제어기(170)에 의해 전부 또는 부분적으로 실행될 수 있다. 용접 파형이 예를 들어, 제어기 또는 용접 시스템의 조작자에 의해 선택된다(1110). 테더링된 초기 단락들이 선택된 용접 파형에 포함되는지 아닌지 여부에 관한 결정(1120)이 그 다음 행해진다. 테더링된 단락들이 선택된 용접 파형에 포함되는지 아닌지 여부에 관계 없이, 아크 길이 단락을 유지하는 것을 돕기 위해 N번의 펄스 주기마다와 같이 주기적으로 테더링된 초기 단락들을 생성하는 것이 여전히 바람직할 수 있다. 따라서, 단락들이 용접 파형에 포함되지 않거나 특정 펄스 주기들만에 포함되더라도(예를 들어, 더 많은 펄스 주기가 단락 이벤트를 포함하는 것보다 단락 이벤트가 없을 수 있더라도) 용접 파형의 N번의 펄스 주기에 대한 단락화 이벤트들의 원하는 빈도의 결정(1125)이 행해질 수 있다. 단락 이벤트들은 단락 이벤트들의 지속 기간, 빈도, 격렬함 등과 같은 다양한 특성을 기록하기 위해 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 모니터링된다(1130). 용접 파형 파라미터들은 그 다음 단락들을 조절하기 위해 단락 이벤트 지속 기간, 그리고 가능하게는 다른 정보(예를 들어, 단락 조건 동안의 용접 전류 레벨)에 기반하여 조정된다(1140). 단락들이 용접 파형에 포함되면, 용접 파형 파라미터들은 (예를 들어, 각각의 펄스 주기 동안 또는 선택된 펄스 주기들 동안) 적절한 지속 기간 및 빈도의 테더링된 초기 단락을 달성하도록 조정될 수 있다. 단락들이 용접 파형에 포함되지 않으면, 용접 파형 파라미터들은 펄스 주기들의 대부분이 단락이 없거나 또는 펄스 주기들 모두가 단락이 없도록 조정될 수 있다. 주기적 테더링된 초기 단락들을 생성하기 위해 용접 파형을 제어하는 것은 주기적 테더링된 초기 단락들이 용접 동안 일반적으로 원해지지 않고 각각의 펄스 주기 동안 포함되지 않을 때에도 아크 길이 단락을 유지하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 10번마다 한 번의 펄스 주기는 아크 길이를 조절하기 위해 테더링된 초기 단락을 포함할 수 있다. 단락들이 원해지지 않고 특정 펄스 주기들 동안 여전히 일어나면, 그러한 단락들의 빈도는 예를 들어, WFS와 같은 부가 용접 파라미터들로부터 결정될 수 있다.

본 출원의 청구된 논제 사안을 특정 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 청구된 논제 사안의 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 행해질 수 있고 동등물들이 대체될 수 있다는 점이 당업자에 의해 이해될 것이다. 게다가, 청구된 논제 사안의 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 청구된 논제 사안의 교시들에 특정 상황 또는 제재를 적응시키도록 많은 변경이 행해질 수 있다. 그러므로, 청구된 논제 사안이 개시되는 특정 실시예에 제한되지 않고, 청구된 논제 사안이 첨부된 청구항들의 범위에 포함되는 모든 실시예를 포함할 것이라는 점이 의도된다.

Claims (24)

1. 용접 과정 동안 단락 이벤트들을 조절함으로써 아크 길이를 제어하는 시스템으로서:
   용접 전극과 워크피스 사이에서 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정을 이끌도록 구성되는 용접 전원 공급기; 및
   상기 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정의 용접 파형을 제어하기 위해 상기 용접 전원 공급기에 작동적 연결되는 제어기로서, 상기 제어기는:
   선택된 용접 파형에 기반하여, 상기 용접 파형의 N번의 펄스 주기에 대한 테더링된 초기 단락화의 빈도를 자동적으로 결정하며, 여기서 N은 정수이고,
   상기 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 상기 단락 이벤트들을 모니터링하고,
   상기 단락 이벤트들에 기반하여, 상기 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 상기 워크피스에 대한 상기 용접 전극의 상기 테더링된 초기 단락화의 빈도를 조절하기 위해 상기 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터를 자동적으로 조정하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스폭을 포함하는, 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스 크기를 포함하는, 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스 빈도를 포함하는, 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 피크 펄스의 펄스폭 및 펄스 크기 둘 다를 포함하는, 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 용접 파형은 피크 펄스, 및 상기 피크 펄스보다 더 작은 펄스 크기를 갖는 플라스마 상승 펄스를 포함하고, 상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 플라스마 상승 펄스의 상기 펄스 크기를 포함하는, 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 테더링된 초기 단락화의 빈도는 더 많은 펄스 주기가 상기 단락 이벤트를 포함하는 것보다 상기 단락 이벤트가 없도록 조절되는, 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는 선택된 펄스 주기들이 테더링된 초기 단락을 포함하고 다른 펄스 주기들이 테더링된 초기 단락을 포함하지 않도록 상기 워크피스에 대한 상기 용접 전극의 상기 테더링된 초기 단락화의 빈도를 조절하는, 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 단락 이벤트들의 지속 기간에 기반하여 상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터를 조정하도록 구성되는, 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 각각의 펄스 주기 내에서의 상기 단락 이벤트들의 타이밍에 기반하여 상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터를 조정하도록 구성되는, 시스템.
11. 제1항에 있어서,
    상기 테더링된 초기 단락화의 빈도는 N번의 펄스 주기 당 한 번의 단락 이벤트이며, 여기서 N은 1보다 더 큰, 시스템.
12. 용접 과정 동안 단락 이벤트들을 조절함으로써 아크 길이를 제어하는 시스템으로서:
    용접 전극과 워크피스 사이에서 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정을 이끌도록 구성되는 용접 전원 공급기; 및
    상기 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정의 용접 파형을 제어하기 위해 상기 용접 전원 공급기에 작동적 연결되는 제어기로서, 상기 제어기는:
    테더링된 초기 단락들이 상기 용접 파형에 포함되는지 아닌지 여부를 자동적으로 판단하고,
    상기 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 단락 이벤트 특성을 모니터링하고,
    상기 단락 이벤트 특성에 기반하여, 상기 테더링된 초기 단락들이 상기 용접 파형에 포함된다고 판단한 후에 상기 자유 비행 전달 펄스화 아크 용접 과정 동안 상기 워크피스에 대한 상기 용접 전극의 테더링된 초기 단락화를 조절하기 위해 상기 용접 파형의 적어도 하나의 파라미터를 자동적으로 조정하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스폭을 포함하는, 시스템.
14. 제12항에 있어서,
    상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스 크기를 포함하는, 시스템.
15. 제12항에 있어서,
    상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 주기적 펄스의 펄스 빈도를 포함하는, 시스템.
16. 제12항에 있어서,
    상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터는 상기 용접 파형에서의 피크 펄스의 펄스폭 및 펄스 크기 둘 다를 포함하는, 시스템.
17. 제12항에 있어서,
    상기 제어기는 선택된 펄스 주기들이 상기 테더링된 초기 단락을 포함하고 다른 펄스 주기들이 상기 테더링된 초기 단락을 포함하지 않도록 상기 워크피스에 대한 상기 용접 전극의 테더링된 초기 단락화의 빈도를 조절하는, 시스템.
18. 제17항에 있어서,
    더 많은 펄스 주기가 단락 이벤트를 포함하는 것보다 단락 이벤트가 없는, 시스템.
19. 제18항에 있어서,
    상기 테더링된 초기 단락화의 빈도는 N번의 펄스 주기 당 한 번의 단락 이벤트이며, 여기서 N은 1보다 더 큰 정수인, 시스템.
20. 제12항에 있어서,
    상기 단락 이벤트 특성은 단락 지속 기간을 포함하는, 시스템.
21. 제12항에 있어서,
    상기 단락 이벤트 특성은 상기 워크피스에 대한 상기 용접 전극의 테더링된 초기 단락화의 빈도를 포함하는, 시스템.
22. 제12항에 있어서,
    상기 단락 이벤트 특성은 단락 제거 동안의 전류 크기를 포함하는, 시스템.
23. 제12항에 있어서,
    상기 단락 이벤트 특성은 펄스 주기 내에서의 상기 단락 이벤트의 타이밍을 포함하는, 시스템.
24. 제12항에 있어서,
    상기 용접 파형은 펄스 주기 당 한 번 초과의 테더링된 초기 단락을 포함하고, 상기 제어기는 상기 펄스 주기 당 한 번 초과의 테더링된 초기 단락의 합계된 지속 기간에 기반하여 상기 용접 파형의 상기 적어도 하나의 파라미터를 조정하는, 시스템.

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