KR20220033025A - 용접 전원 시스템 - Google Patents

Abstract

[과제] 용접 종료 후의 전극의 선단의 형상을 안정시킬 수 있는, 잠호 아크 용접의 용접 전원 시스템을 제공한다.
[해결 수단] 잠호 아크 용접을 행하기 위한 용접 시스템(A1)에 있어서, 인버터 회로(25)를 구비하고 전력을 공급하는 용접전원장치(2)와, 용접 와이어를 송급하는 와이어 송급장치(5)와, 용접전원장치(2) 및 와이어 송급장치(5)를 제어하는 제어장치(1)를 포함한다. 제어장치(1)는, 용접 중에는, 용접전원장치(2)에 교류 전류를 출력시키고, 용접 종료 시에는, 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 송급을 정지시켜서, 용접전원장치(2)에 직류 전류인 엔드 전류를 출력시켜, 엔드 전류의 출력 개시부터 정지까지의 엔드 전류 기간을 설정하고 있다.

Description

용접 전원 시스템{WELDING POWER SUPPLY SYSTEM}

본 발명은, 잠호 아크 용접(submerged arc welding)을 행하기 위한 용접 전원 시스템에 관한 것이다.

종래부터 잠호 아크 용접이 알려져 있다. 잠호 아크 용접은, 피용접물 위에 입자상의 플럭스를 살포하고, 플럭스 속에 용접 와이어를 송급(送給)해서, 용접 와이어의 선단과 피용접물 사이에 아크를 발생시켜서 용접을 행하는 것이다. 잠호 아크 용접에서는, 두꺼운 직경의 용접 와이어에 대전류를 흐르게 함으로써, 후판(厚板)을 고능률로 용접할 수 있다. 잠호 아크 용접을 행하기 위한 잠호 아크 용접 장치의 일례가 특허문헌 1에 개시되어 있다.

용접 와이어의 선단(이하에서는, "전극"이라고 기재할 경우가 있음)과 피용접물 사이에는, 용접전원장치로부터 교류 전력이 공급된다. 용접전원장치는, 변압기(transformer)를 구비하고 있고, 상용전원으로부터 입력되는 교류 전력을 변압기로 변압한 교류 전력을 출력한다. 잠호 아크 용접을 종료할 때에, 용접 와이어의 송급의 정지와 동시에 용접 전류의 출력이 정지되면, 관성에 의해서 진행된 용접 와이어의 선단이 피용접물에 접촉해서 들러붙어 버리는 스틱(stick) 현상이 발생한다. 이것을 방지하기 위하여, 용접 와이어의 송급의 정지로부터 지연되어, 용접 전류의 출력이 정지되는 안티스틱 처치가 행해진다.

JP 2000-117442 A

그러나, 용접 와이어의 송급을 정지해서, 교류 전류인 용접 전류를 잠시동안 통전하고 나서 정지시키므로, 전극의 선단의 형상이, 용접 종료마다 다른 형상이 된다.

본 발명은, 전술한 사정 하에 안출된 것으로, 용접 종료 후의 전극의 선단의 형상을 안정시킬 수 있는 용접 전원 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의해 제공되는 용접 전원 시스템은, 잠호 아크 용접을 행하기 위한 용접 시스템으로서, 인버터 회로를 구비하고 전력을 공급하는 용접전원장치와, 용접 와이어를 송급하는 와이어 송급장치와, 상기 용접전원장치 및 상기 와이어 송급장치를 제어하는 제어장치를 포함하되, 상기 제어장치는, 용접 중에는, 상기 용접전원장치에 교류 전류를 출력시키고, 용접 종료 시에는, 상기 와이어 송급장치에 상기 용접 와이어의 송급을 정지시켜서, 상기 용접전원장치에 직류 전류인 엔드 전류를 출력시켜, 상기 엔드 전류의 출력 개시부터 정지까지의 엔드 전류 기간을 설정하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 용접 와이어의 선단과 피용접물 사이에 인가되는 전압을 검출하는 전압 센서를 더 포함하고, 상기 엔드 전류 기간은, 상기 전압 센서가 검출한 검출 전압이 미리 설정된 전압 역치 이상이 될 때까지의 기간이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 용접 와이어의 선단과 피용접물 사이에 인가되는 전압을 검출하는 전압 센서를 더 포함하고, 상기 엔드 전류 기간은, 상기 전압 센서가 검출한 검출 전압의 변화율이 미리 설정된 변화율 역치 이상이 될 때까지의 기간이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 상기 엔드 전류 기간은 미리 설정된 제1 시간이 경과할 때까지의 기간이다.

본 발명에 의하면, 제어장치는, 용접 종료 시에, 엔드 전류 기간 동안, 용접 와이어의 송급을 정지시켜서, 엔드 전류를 출력시킨다. 엔드 전류의 통전에 의해 전극의 선단이 타오른 직후에 엔드 전류 기간을 종료시키도록 설정하면, 스틱 현상은 발생하지 않고, 그리고 전극의 선단이 날카로운 형상이 된다. 이것에 의해, 용접 종료 후의 전극의 선단의 형상을 안정시킬 수 있다. 또한, 엔드 전류는 직류 전류이므로, 교류 전류와 같이 아크 끊김이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 엔드 전류 기간에서의 전극의 타오름을 적절하게 제어할 수 있다.

도 1은 제1 실시형태에 따른 용접 시스템을 설명하기 위한 도면이고, (a)는 용접 시스템의 전체 구성을 나타내는 블록도이며, (b)는 용접전원장치의 내부구성을 나타내는 블록도이다.
도 2(a)는 개시 제어 처리를 나타낸 플로우 차트의 일례이고, (b)는 종료 제어 처리를 나타낸 플로우 차트의 일례이다.
도 3은 제1 실시형태에 따른 용접 시스템에서의 용접에 있어서의 각 상태를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 4는 제1 실시형태에 따른 용접 시스템의 변형예에 있어서의 종료 제어 처리를 나타낸 플로우 차트의 예이다.
도 5는 제1 실시형태에 따른 용접 시스템의 변형예에서의 용접에 있어서의 각 상태를 나타내는 타이밍 차트이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를, 첨부 도면을 참조해서 구체적으로 설명한다.

[제1 실시형태]

도 1은 제1 실시형태에 따른 용접 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 해당 도 1(a)는 용접 시스템의 전체 구성을 나타내는 블록도이다. 해당 도 1(b)는 용접전원장치의 내부구성을 나타내는 블록도이다.

용접 시스템(A1)은, 잠호 아크 용접을 행하기 위한 용접 시스템이다. 도 1 (a)에 나타낸 바와 같이, 용접 시스템(A1)은 제어장치(1), 용접전원장치(2), 대차(4), 와이어 송급장치(5), 와이어 릴(6), 살포장치(7) 및 전극(8)을 구비하고 있다. 용접 시스템(A1)은, 피용접물(W)의 용접선을 따라서 대차(4)를 이동시키면서, 살포장치(7)의 호퍼에 저장된 입자 상태의 플럭스를 살포시켜, 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어를 플럭스 속에 송급시킨다. 용접 와이어는 와이어 릴(6)로부터 공급된다. 용접전원장치(2)는, 상용전원(P)으로부터 공급되는 교류 전력을 용접에 적합한 전력으로 변환해서 출력하고, 플럭스의 내부에서, 용접 와이어의 선단부분인 전극(8)과 피용접물(W) 사이에 아크를 발생시킨다. 해당 아크의 열에 의해, 용접이 행해진다. 이것에 의해, 피용접물(W)의 용접선을 따라서 용접이 행해진다. 또, 대차(4)를 이용하는 대신에, 피용접물(W)를 이동시키거나, 회전시키거나 해도 된다.

제어장치(1)는, 용접 시스템(A1)의 각종 제어를 행한다. 제어장치(1)는, 범용적인 컴퓨터에 용접 시스템(A1)의 각종 제어를 행하는 프로그램을 설치한 것이어도 되고, 용접 시스템(A1)의 제어를 위한 전용 장치이어도 된다. 제어장치(1)는, 대차(4)를 소정의 이동 속도로 이동시킨다. 이동 속도는, 피용접물(W)의 재질 및 두께 등에 따라서 설정된다. 제어장치(1)는 살포장치(7)에 플럭스의 살포를 지시한다. 제어장치(1)는 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 송급의 개시 및 정지를 지시하고, 또한, 용접 와이어 송급속도도 지시한다. 송급 속도는, 설정되는 용접 전류 등에 응해서 설정된다. 제어장치(1)는 용접전원장치(2)에 전력의 출력을 지시한다. 용접 개시 시 및 용접 종료 시에 제어장치(1)가 행하는 제어의 상세에 대해서는, 후술한다.

용접전원장치(2)는 상용전원(P)으로부터 공급되는 교류 전력을 소망의 주파수의 교류 전력으로 변환해서 출력한다. 또, 복수의 용접전원장치(2)가 서로 병렬 접속된 것(구체적으로는, 각 용접전원장치(2)의 각 출력 단자(a)가 서로 접속되어서 피용접물(W)에 접속되고, 각 출력 단자(b)가 서로 접속되어서 용접 와이어에 접속되는 것)이, 용접전원장치(2) 대신에 이용되어도 된다.

도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 용접전원장치(2)는, 정류 평활회로(21), 인버터 회로(22), 변압기(transformer)(23), 정류 평활회로(24), 인버터 회로(25), 전류 센서(26), 전압 센서(27) 및 제어 회로(28)를 구비하고 있다.

정류 평활회로(21)는 상용전원(P)으로부터 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환해서 출력한다. 정류 평활회로(21)는, 교류 전류를 정류하는 정류 회로와, 평활화하는 평활 컨덴서를 구비하고 있다. 또, 정류 평활회로(21)의 구성은 한정되지 않는다.

인버터 회로(22)는, 예를 들어, 단상 풀 브리지형의 PWM 제어 인버터이며, 4개의 스위칭 소자를 구비하고 있다. 인버터 회로(22)는, 제어 회로(28)로부터 입력되는 출력 제어 구동 신호에 의해 스위칭 소자를 스위칭시킴으로써, 정류 평활회로(21)로부터 입력되는 직류 전력을 고주파전력으로 변환해서 출력한다. 또한, 인버터 회로(22)는 직류 전력을 고주파전력으로 변환하는 것이면 되고, 예를 들면, 하프 브리지형이어도 되고, 그 밖의 구성의 인버터 회로이어도 된다.

변압기(23)는, 인버터 회로(22)가 출력하는 고주파전압을 변압해서, 정류 평활회로(24)에 출력한다. 변압기(23)는, 1차측 권선(23a) 및 2차측 권선(23b)을 구비하고 있다. 1차측 권선(23a)의 각 입력 단자는, 인버터 회로(22)의 각 출력 단자에 각각 접속되어 있다. 2차측 권선(23b)의 각 출력 단자는, 정류 평활회로(24)의 각 입력 단자에 각각 접속되어 있다. 인버터 회로(22)의 출력 전압은, 1차측 권선(23a)와 2차측 권선(23b)의 권수비(turns ratio)에 따라서 변압되어서, 정류 평활회로(24)에 입력된다. 2차측 권선(23b)은 1차측 권선(23a)에 대하여 절연되어 있으므로, 상용전원(P)으로부터 입력되는 전류가 2차측의 회로에 흐르는 것을 방지할 수 있다. 또한, 변압기(23)는, 인버터 회로(22)가 출력하는 고주파전압을 변압하므로, 상용전원(P)의 교류 전압을 변압하는 변압기와 비교해서, 소형 경량화되어 있다.

정류평활회로(24)는 변압기(23)로부터 입력되는 고주파전력을 직류 전력으로 변환해서 출력한다. 정류평활회로(24)는 고주파전류를 정류하는 정류 회로와, 평활화하는 직류 리액터를 구비하고 있다. 또, 정류 평활회로(24)의 구성은 한정되지 않는다.

인버터 회로(25)는, 예를 들어, 단상 풀 브리지형의 PWM 제어 인버터이고, 4개의 스위칭 소자를 구비하고 있다. 인버터 회로(25)는, 제어 회로(28)로부터 입력되는 스위칭 구동 신호에 의해 스위칭 소자를 스위칭시킴으로써, 정류 평활회로(24)로부터 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환해서 출력한다. 인버터 회로(25)는, 출력 단자(a)(피용접물(W)에 접속)의 전위가 출력 단자(b)(용접 와이어에 접속)의 전위보다 높은 상태인 정극성과, 출력 단자(a)의 전위가 출력 단자(b)의 전위보다 낮은 상태인 역극성을 전환한다. 또, 인버터 회로(25)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 것이면 되고, 예를 들면, 하프 브리지형이어도 되고, 그 밖의 구성의 인버터 회로이어도 된다.

전류 센서(26)는, 용접전원장치(2)의 출력 전류를 검출하는 것이며, 본 실시형태에서는, 인버터 회로(25)의 한쪽 출력 단자와 출력 단자(a)를 접속하는 접속선에 배치되어 있다. 전류 센서(26)가 검출하는 용접전원장치(2)의 출력 전류는, 전극(8)을 흐르는 전류와 거의 동등하다. 전류 센서(26)는, 검출한 전류 순시값에 따른 전류값 신호를 제어 회로(28) 및 제어장치(1)에 출력한다. 또, 전류 센서(26)의 구성은 한정되지 않고, 접속선으로부터 출력 전류를 검출하는 것이면 된다. 또한, 전류 센서(26)의 배치 장소는 한정되지 않는다. 예를 들면, 전류 센서(26)는, 인버터 회로(25)의 다른 쪽의 출력 단자와 출력 단자(b)를 접속하는 접속선에 배치되어도 된다. 또한, 전류 센서(26)는 용접전원장치(2)의 외부에 배치되어도 된다.

전압 센서(27)는 용접전원장치(2)의 출력 전압을 검출하는 것이며, 본 실시형태에서는 출력 단자(a)와 출력 단자(b)의 단자간 전압을 검출한다. 해당 전압은, 피용접물(W)과 전극(8)의 선단 사이에 인가되는 전압과 거의 동등하다. 전압 센서(27)는, 검출한 전압 순시값에 따른 전압값 신호를 제어 회로(28) 및 제어장치(1)에 출력한다. 또, 전압 센서(27)의 구성은 한정되지 않고, 출력 단자(a)와 출력 단자(b)의 단자간 전압을 검출하는 것이면 된다. 또한, 전압 센서(27)의 배치 장소는 한정되지 않는다. 예를 들면, 전압 센서(27)는 용접전원장치(2)의 외부에 배치되어도 된다.

제어 회로(28)는, 용접전원장치(2)를 제어하기 위한 회로이며, 예를 들면, 마이크로컴퓨터 등에 의해서 실현되고 있다. 제어 회로(28)에는, 전류 센서(26)로부터 전류값 신호가 입력되고, 전압 센서(27)로부터 전압값 신호가 입력되고, 제어장치(1)로부터 각종 지령 신호가 입력된다. 그리고, 제어 회로(28)는 인버터 회로(22) 및 인버터 회로(25)에 각각 구동 신호를 출력한다.

제어 회로(28)는, 제어장치(1)로부터 전력출력의 개시를 지시하는 지령 신호를 수신했을 때에, 인버터 회로(22) 및 인버터 회로(25)에 각각 구동 신호의 출력을 개시함으로써, 전력의 출력을 개시시킨다. 또한, 제어 회로(28)는, 제어장치(1)로부터 전력출력의 정지를 지시하는 지령 신호를 수신했을 때에, 구동 신호의 출력을 정지함으로써, 전력의 출력을 정지시킨다.

또, 제어 회로(28)는, 전류 센서(26)로부터 입력되는 전류값 신호로부터 전류 실효치를 산출한다. 그리고, 제어 회로(28)는, 해당 전류 실효치와, 제어장치(1)로부터 입력되는 전류 지령값에 의거해서, 인버터 회로(22)의 스위칭 소자를 제어하기 위한 출력 제어 구동 신호를 생성하고, 인버터 회로(22)에 출력한다. 즉, 제어 회로(28)는, 전류 실효치가 전류 지령값과 일치하도록, 피드백 제어를 행한다. 또, 제어 회로(28)는, 전압 센서(27)로부터 입력되는 전압값 신호와 전압지령 값에 의거해서, 출력 제어 구동 신호를 생성할 수도 있다.

또한, 제어 회로(28)는, 전류 센서(26)로부터 입력되는 전류값 신호와, 내부에서 생성한 파형 지령 신호에 의거해서, 인버터 회로(25)의 스위칭 소자를 제어하기 위한 스위칭 구동 신호를 생성하여, 인버터 회로(25)에 출력한다. 즉, 제어 회로(28)는, 출력 전류의 파형이 파형 지령 신호로 지령하는 파형과 일치하도록, 피드백 제어를 행한다. 본 실시형태에서는, 파형 지령 신호는 정현파 신호이다. 제어 회로(28)가 파형 지령 신호에 의거해서 스위칭 구동 신호를 생성해서, 인버터 회로(25)에 출력함으로써, 인버터 회로(25)는, 파형 지령 신호에 따른 정현파 형상의 교류 전류를 출력한다. 또, 제어 회로(28)는, 출력 전류의 순시값을 이용하지 않고, 파형 지령 신호에만 의거해서, 스위칭 구동 신호를 생성해도 된다.

또한, 제어 회로(28)는, 후술하는 스타트 전류 기간 및 엔드 전류 기간 등에, 제어장치(1)로부터 직류 출력의 지령 신호가 입력되었을 경우, 인버터 회로(25)에 출력하는 스위칭 구동 신호를, 소정의 스위칭 소자를 온 상태로 고정하고, 그 밖의 스위칭 소자를 오프 상태로 고정하는 신호로 한다. 예를 들면, 정류 평활회로(24)의 정극측의 출력 단자와 출력 단자(a)가 접속되고, 정류 평활회로(24)의 부극측의 출력 단자와 출력 단자(b)가 접속된 채의 상태가 되도록, 각 스위칭 소자의 상태가 고정되면, 용접전원장치(2)는, 출력 단자(a)를 정극으로 하고, 출력 단자(b)을 부극으로 해서, 직류 전력을 출력한다. 즉, 용접 시스템(A1)은, 교류 전력뿐만 아니라 직류 전력도 출력할 수 있는 교직 양용의 용접 시스템이다. 또한, 용접전원장치(2)는, 제어장치(1)로부터 입력되는 전류 지령값에 의거해서, 출력 전류를 제어할 수 있다. 따라서, 용접 시스템(A1)은 출력 전류를 적절하게 제어 가능하다.

다음에, 제어장치(1)가 행하는 용접 개시 시 및 용접 종료 시의 제어 처리에 대해서, 설명한다. 도 2는 제어장치(1)가 행하는 제어 처리를 설명하기 위한 플로우 차트이다.

도 2(a)는 용접 개시 시의 개시 제어 처리를 나타낸 플로우 차트의 일례이다. 개시 제어 처리는, 예를 들어, 용접을 개시시키는 조작 버튼이 눌렸을 때에 개시된다.

우선, 용접 와이어의 송급이 개시된다(S1). 구체적으로는, 제어장치(1)가, 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 송급의 개시를 지시한다. 이때, 제어장치(1)는, 용접 와이어를 순방향(와이어 릴(6)로부터 대차(4)를 향하는 방향)으로, 소정의 인칭 속도(한정되지 않지만, 예를 들면, 5m/min 정도)로 송급하도록, 지시를 낸다. 다음에, 피용접물(W)과 전극(8) 사이에, 직류전압(한정되지 않지만, 예를 들면, 15V 정도)을 인가시킨다(S2). 구체적으로는, 제어장치(1)가, 용접전원장치(2)에, 직류전압의 출력을 지시한다. 본 실시형태에서는, 용접전원장치(2)는, 제어 회로(28)에 의한 제어에 의해, 인버터 회로(25)가 직류전압을 출력한다. 또, 용접전원장치(2)는, 출력 단자(a), (b)에 병렬 접속된 직류전원을 별도로 구비하고, 피용접물(W)과 전극(8) 사이에 인가하는 직류전압을 해당 직류전원으로부터 출력해도 된다.

다음에, 전극(8)이 피용접물(W)에 접촉해서 단락되었는지의 여부가 판별된다(S3). 구체적으로는, 제어장치(1)가, 전압 센서(27)로부터 입력되는 전압값 신호에 의거해서 판별을 행한다. 전극(8)이 피용접물(W)에 단락된 경우, 전극(8)과 피용접물(W) 사이의 전압은 급감해서 "0"에 근접한다. 제어장치(1)는, 전압 센서(27)가 검출한 전압(이하에서는 "검출 전압"이라 칭함)이 단락 검출 역치 이하가 되었을 경우에, 단락되었다고 판별한다. 또, 단락의 판별 방법은 한정되지 않고, 예를 들어, 제어장치(1)는, 전류 센서(26)로부터 입력되는 전류값 신호에 의거해서, 단락의 판별을 행해도 된다. 단락이 검출되지 않은 경우(S3: 아니오), 단계 S3으로 되돌아가서, 단계 S3의 판별이 반복된다. 즉, 제어장치(1)는, 단락이 검출될 때까지 대기한다.

단락이 검출된 경우(S3: 예), 용접 와이어의 역방향(대차(4)로부터 와이어 릴(6)을 향하는 방향)으로의 송급이 개시된다(S4). 구체적으로는, 제어장치(1)가, 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 역방향으로의 송급의 개시를 지시한다. 이것에 의해, 용접 와이어가 역방향으로 진행하고, 피용접물(W)에 접촉한 전극(8)이 이격되어 리트랙트된다. 다음에, 전극(8)이 소정길이(한정되지 않지만, 예를 들면, 3㎜ 정도)만큼 리트랙트되었는지의 여부가 판별된다(S5). 구체적으로는, 제어장치(1)가, 역송급개시로부터의 시간을 계시(計時)하고, 소정 길이만큼 리트랙트하는데 필요한 시간이 경과했는지의 여부를 판별한다. 리트랙트가 완료되어 있지 않을 경우(S5: 아니오), 단계 S5로 되돌아가서, 단계 S5의 판별이 반복된다. 즉, 제어장치(1)는, 리트랙트가 완료될 때까지 대기한다. 리트랙트가 완료된 경우(S5: 예), 용접 와이어의 슬로다운 속도로의 순방향으로의 송급이 개시된다(S6). 슬로다운 속도는, 인칭 속도와 비교해서 충분히 느린 속도(한정되지 않지만, 예를 들면, 0.1m/min 정도)이다.

단계 S1 내지 S6의 처리에 의해, 용접 와이어는, 전극(8)이 피용접물(W)에 일단 접촉할 때까지는 비교적 빠른 속도로 송급되고, 접촉후 리트랙트된 후, 비교적 느린 속도로 송급된다. 이것에 의해, 전극(8)이 피용접물(W)에 접촉될 때까지의 시간을 단축하고, 그리고 전극(8)이 강한 텐션으로 피용접물(W)에 압압되는 것을 억제할 수 있다. 또, 인칭 속도가 충분히 느린 등, 전극(8)이 피용접물(W)에 접촉된 때에 전극(8)이 강한 텐션으로 피용접물(W)에 압압되는 것이 억제될 경우에는, 단계 S3 내지 S6을 생략해도 된다. 즉, 리트랙트 및 슬로다운 속도로의 송급을 행하지 않아도 된다.

다음에, 전극(8)이 피용접물(W)에 재차 접촉되어 단락되었는지의 여부가 판별된다(S7). 단락이 검출되지 않을 경우(S7: 아니오), 단계 S7로 되돌아가서, 단계 S7의 판별이 반복된다. 즉, 제어장치(1)는, 단락이 검출될 때까지 대기한다. 단락이 검출된 경우(S7: 예), 용접 와이어의 송급이 정지된다(S8). 구체적으로는, 제어장치(1)가 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 송급의 정지를 지시한다.

다음에, 피용접물(W)의 용접 와이어가 접촉되어 있는 용접 개시 지점 및 그 주변에, 플럭스가 살포된다(S9). 구체적으로는, 제어장치(1)가 살포장치(7)에 플럭스의 살포를 지시한다. 살포장치(7)는 미리 설정된 적정량의 플럭스를 살포한다.

다음에, 스타트 전류의 출력이 개시된다(S10). 구체적으로는, 제어장치(1)가, 용접전원장치(2)에, 스타트 전류의 출력을 지시한다. 스타트 전류는, 예를 들면, 1000A 정도의 직류 전류이다. 또, 스타트 전류의 전류값은, 한정되지 않고, 사용되는 용접 와이어의 재질 및 직경마다 달라도 된다. 또한, 스타트 전류는, 직류 전류로 한정되지 않고, 교류 전류이어도 된다.

다음에, 스타트 전류 기간의 경과를 판별하기 위한 시간(T)의 계시가 개시된다(S11). 스타트 전류 기간은, 용접 와이어의 송급을 정지한 상태에서, 스타트 전류를 흐르게 하는 기간이다. 다음에, 시간(T)이 미리 설정된 제1 시간(T1)(한정되지 않지만, 예를 들면, 400㎳ 정도)이 될 때까지 대기되고(S12), 제1 시간(T1)은 스타트 전류 기간을 시간에 의해서 규정하기 위한 설정 시간이다. 제1 시간(T1)은, 스타트 전류의 통전에 의해 전극(8)이 타올라서, 전극(8)의 선단과 피용접물(W) 사이에 아크가 발생하고, 해당 아크가 안정적인 상태가 될 때까지의 시간이며, 실험이나 시뮬레이션에 의거해서 설정되어 있다. 즉, 스타트 전류 기간은, 전극(8)이 피용접물(W)에 재차 접촉해서 단락된 때부터, 전극(8)에 스타트 전류를 흐르게 해서, 아크를 발생시켜서 안정시키기 위한 기간이다. 또, 제1 시간(T1)은, 사용되는 용접 와이어의 재질 및 직경마다 설정되어도 되고, 용접 시스템(A1)에 사용될 수 있는 모든 용접 와이어에 적용할 수 있는 단일 시간을 설정해도 된다.

개시 제어 처리 종료 후에 실행되는 용접 처리에서는, 제어장치(1)는, 용접 조건에 따라서, 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 송급을 행하게 하고, 용접전원장치(2)에 교류의 용접 전력의 출력을 행하게 해서, 대차(4)를 이동시킨다. 또한, 제어장치(1)는, 대차(4)의 이동에 따라서, 살포장치(7)에 플럭스의 살포를 행하게 한다. 용접전원장치(2)가 출력하는 용접 전력은 교류 전력이어도 되고, 직류 전력이어도 된다. 또, 용접 처리의 구체적인 제어에 관한 설명은 생략한다.

도 2(b)는, 용접 종료 시의 종료 제어 처리를 나타낸 플로우 차트의 일례이다. 종료 제어 처리는, 예를 들어, 피용접물(W)의 용접 종료 지점까지 용접이 완료된 때나, 용접을 종료시키는 조작 버튼이 눌린 때에 개시된다.

우선, 용접 와이어의 송급이 정지된다(S21). 구체적으로는, 제어장치(1)가 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 송급의 정지를 지시한다. 다음에, 교류의 용접 전력의 출력이 정지되어서, 직류의 엔드 전류의 출력이 개시된다(S22). 구체적으로는, 제어장치(1)가 용접전원장치(2)에 엔드 전류의 출력을 지시한다. 엔드 전류는, 예를 들면, 500A 정도의 직류 전류이다. 또, 엔드 전류의 전류값은, 한정되지 않고, 사용되는 용접 와이어의 재질 및 직경마다 달라도 된다. 용접 와이어의 송급이 정지된 상태에서, 전극(8)에 엔드 전류가 통전됨으로써, 전극(8)은 타오른다. 다음에, 전압 센서(27)가 검출한 검출 전압(V)이, 미리 설정된 종료시 전압 역치(Ve)(한정되지 않지만, 예를 들면, 35V 정도) 이상이 될 때까지 대기된다(S23). 종료시 전압 역치(Ve)는, 전극(8)이 타오르기 시작해서 검출 전압(V)이 상승하기 시작한 것을 검출하기 위한 역치이다. 전극(8)이 타올라서, 아크 길이가 길어져서, 검출 전압(V)이 커질수록, 전극(8)의 선단의 직경이 커진다. 종료시 전압 역치(Ve)는, 전극(8)이 확실하기 타오르기 시작해서, 그리고 전극(8)의 선단의 직경이 아직 그다지 커져 있지 않은 상태가 되는 전압이 설정된다.

전술한 바와 같이, 제어장치(1)는, 용접 개시 시에, 전극(8)을 피용접물(W)에 접촉시켜서, 전극(8)에 스타트 전류를 통전시킴으로써 아크를 발생시킨다. 전극(8)의 선단의 직경이 클수록, 피용접물(W)과의 접촉 면적이 커지므로, 전류밀도가 작아져서, 아크의 발생이 실패할 확률이 높아진다. 아크의 발생의 실패를 억제하기 위해서는, 전극(8)의 선단은, 직경이 작고 날카로운 형상인 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시형태에서는, 제어장치(1)는, 용접 종료 시에, 직류 전류인 엔드 전류를 통전해서, 전극(8)이 타오른 직후에 엔드 전류를 정지시킴으로써, 전극(8)의 선단을, 직경이 작고 날카로운 형상으로 하고 있다.

다음에, 엔드 전류의 출력이 종료된다(S24). 구체적으로는, 제어장치(1)가, 용접전원장치(2)에, 엔드 전류의 출력 종료를 지시한다. 용접 와이어의 송급이 정지되고, 엔드 전류가 출력 개시되고 나서 정지될 때까지, 전극(8)에 엔드 전류를 통전하는 기간이, 엔드 전류 기간이다. 엔드 전류의 전류값을 큰 값으로 설정할수록, 엔드 전류 기간을 단축시킬 수 있다. 다음에, 플럭스의 살포가 종료되어서 (S25), 종료 제어 처리는 종료된다.

또, 도 2의 플로우 차트에 나타내는 처리는 일례이며, 제어장치(1)가 행하는 개시 제어 처리 및 종료 제어 처리는 전술한 것으로 한정되지 않는다.

도 3은 용접 시스템(A1)에서의 용접에 있어서의 각 상태를 나타내는 타이밍 차트이다. 해당 도 3(a)는 용접 상태의 시간변화를 나타내고 있다. 도 3(b)는 전압 센서(27)가 검출한 검출 전압의 시간변화를 나타내고 있다. 도 3(c)는 전류 센서(26)가 검출한 검출 전류의 시간변화를 나타내고 있다. 도 3(d)는 용접 와이어의 송급속도의 시간변화를 나타내고 있다. 용접 와이어가 순방향으로 송급되고 있는 경우, 송급속도는 정의 값이 되고, 역방향으로 송급되고 있을 경우, 송급속도는 부의 값이 되고 있다. 도 3(e)는 플럭스의 살포 상태의 시간변화를 나타내고 있다. 플럭스가 살포되어 있을 때에 온 상태로 되어 있다. 또, 도 3에 나타낸 타이밍 차트의 세로축 및 가로축은, 이해를 용이하게 하기 위하여, 적당히 확대, 축소한 것이며, 또한 나타낸 각 파형도, 이해의 용이를 위하여 간략화되어 있거나, 또는 과장 혹은 강조되어 있다(도 5에 대해서도 마찬가지이다).

시각(t0)에 있어서, 용접을 개시시키는 조작 버튼이 눌러짐으로써, 용접 상태가 온이 되어서(도 3(a) 참조), 개시 제어 처리가 개시되고 있다. 이때, 인칭 속도에서의 용접 와이어의 순방향으로의 송급이 개시되고(도 3(d) 참조), 직류전압의 출력이 개시되고 있다(도 3(b) 참조). 또, 송급속도는, 관성에 의해, 제어장치(1)에 의한 지시 후, 경사를 가지고 상승하고 있다. 이후의 송급속도의 변경 시에도 마찬가지이다.

시각(t1)에서는, 전극(8)이 피용접물(W)에 접촉되어서 단락됨으로써, 검출 전압이 급감하고 있다(도 3(b) 참조). 이것에 의해, 단락이 검출되어서, 용접 와이어의 역방향으로의 송급이 개시되어, 송급 속도가 부의 값이 되어 있다(도 3(d) 참조). 용접 와이어의 역방향으로의 송급에 의해, 전극(8)이 피용접물(W)로부터 이격되어서, 검출 전압은 원래로 되돌아가고, 시각(t2)에서 소정길이의 리트랙트가 완료되어, 슬로다운 속도에서의 용접 와이어의 순방향으로의 송급이 개시되고 있다(도 3(d) 참조).

그리고, 시각(t3)에서 전극(8)이 피용접물(W)에 재차 접촉되어 단락됨으로써, 검출 전압이 급감해서(도 3(b) 참조), 검출 전류가 급증하고 있다(도 3(c) 참조). 이것에 의해, 단락이 검출되어서, 용접 와이어의 송급이 정지되어, 송급 속도가 "0"이 되고(도 3(d) 참조), 플럭스의 살포가 개시되고 있다(도 3(e) 참조). 또한, 스타트 전류의 출력이 개시되어(도 3(c) 참조), 전극(8)이 타올라서, 전극(8)의 선단과 피용접물(W) 사이에 아크가 발생하고, 검출 전압이 소정의 전압이 되어 있다(도 3(b) 참조). 시각(t3)으로부터 제1 시간(T1) 경과 후의 시각(t4)까지, 스타트 전류 기간이 지속되어, 전극(8)에 스타트 전류가 통전된다. 이것에 의해, 전극(8)이 타올라서 아크 길이가 서서히 커지고, 검출 전압이 이것에 따라서 서서히 상승하고 있다(도 3(b) 참조).

그리고, 시각(t4)에 있어서, 스타트 전류 기간이 종료되어, 개시 제어 처리가 종료되고, 용접 조건에 따른 용접 처리가 개시된다. 이것에 의해, 전류 지령값에 따른 교류의 용접 전류가 출력되고(도 3(c) 참조), 용접 와이어의 송급이 개시된다(도 3(d) 참조).

시각(t5)에 있어서, 용접을 종료시키는 조작 버튼이 눌러짐으로써, 용접 상태가 오프가 되어서(도 3(a) 참조), 종료 제어 처리가 개시되고 있다. 이때, 용접 와이어의 송급이 종료되고(도 3(d) 참조), 교류의 용접 전류의 출력이 정지되어서, 직류의 엔드 전류의 출력이 개시되고 있다(도 3(c) 참조). 엔드 전류의 통전에 의해, 전극(8)이 서서히 타올라서, 검출 전압이 상승하기 시작한다(도 3(b) 참조). 시각(t6)에 있어서, 검출 전압이 종료 시 전압 역치(Ve) 이상이 되었을 때에, 엔드 전류 기간이 종료되고, 엔드 전류의 출력이 종료되고(도 3(c) 참조), 플럭스의 살포가 종료되어서(도 3(e) 참조), 종료 제어 처리가 종료되고 있다. 또, 제어장치(1)가 와이어 송급장치(5)에 송급의 정지를 지시해도, 관성에 의해서, 용접 와이어의 송급은 곧바로 정지되지 않는다. 제어장치(1)는, 와이어 송급장치(5)의 도시하지 않은 엔코더로부터의 신호에 의해서 용접 와이어가 실제로 정지된 것을 검지했을 때에, 엔드 전류의 출력을 개시시켜서, 엔드 전류 기간을 개시해도 된다.

다음에, 본 실시형태에 따른 용접 시스템(A1)의 작용 및 효과에 대해서 설명한다.

본 실시형태에 의하면, 제어장치(1)는, 용접 종료 시에, 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 송급을 정지시켜서, 검출 전압(V)이 종료시 전압 역치(Ve) 이상이 될 때까지, 용접전원장치(2)에 엔드 전류를 출력시킨다. 용접 와이어의 송급이 정지된 상태에서 전극(8)에 엔드 전류가 통전됨으로써, 전극(8)은 타오르고, 타오르기 시작하면 곧바로 엔드 전류가 정지된다. 전극(8)이 타오르고 있으므로 스틱 현상은 발생하지 않는다. 또한, 전극(8)의 선단이 타오른 직후에 엔드 전류가 정지되므로, 전극(8)의 선단은, 직경이 그다지 커지지 않고, 날카로운 상태가 된다. 즉, 용접 종료 후의 전극(8)의 선단의 형상은, 날카로운 상태로 안정적이다. 이것에 의해, 다음에 용접을 행할 때에, 전극(8)의 선단의 피용접물(W)과의 접촉 면적이 작아져, 전류밀도를 크게 할 수 있으므로, 아크 발생의 실패를 억제할 수 있다. 또한, 전극(8)의 선단을 날카로운 상태로 하기 위하여, 펜치(pinchers) 등으로 절단을 행할 필요가 없다.

또, 본 실시형태에 의하면, 제어장치(1)는, 검출 전압(V)이 종료시 전압 역치(Ve) 이상이 되었을 때에 엔드 전류를 정지시킨다. 이것에 의해, 전극(8)이 타오르기 시작한 것을 적절하게 검출해서, 엔드 전류를 정지시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에 의하면, 제어장치(1)는, 용접 개시 시에, 용접 와이어의 선단을 피용접물(W)에 접촉시켜, 스타트 전류 기간 동안, 와이어 송급장치(5)에 용접 와이어의 송급을 정지시킨 채, 용접전원장치(2)에 스타트 전류를 출력시킨다. 스타트 전류의 제1 시간(T1)의 통전에 의해 전극(8)이 타올라서, 전극(8)의 선단과 피용접물(W) 사이에 아크가 발생하고, 해당 아크가 안정적인 상태가 된다. 이때, 용접 와이어는 송급되지 않으므로, 전극(8)의 선단이 피용접물(W)에 압압되어서 스틱 현상이 발생하는 것이 억제된다. 또한, 아크를 발생시키기 위해서 금속 분말이나 스틸 울 등의 다른 재료를 이용하지 않으므로, 용접 개시 시의 작업을 자동화하고, 그리고 용접 후의 비드에 불순물이 혼입되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 의하면, 제어장치(1)는, 용접 개시 시에, 용접 와이어를 인칭 속도로 송급시켜서 선단을 피용접물(W)에 접촉시킨 후, 소정 길이만큼 리트랙트시키고 나서, 슬로다운 속도로 송급시킨다. 이것에 의해, 전극(8)이 피용접물(W)에 접촉할 때까지의 시간을 단축시키고, 그리고 전극(8)이 강한 텐션으로 피용접물(W)에 압압되는 것을 억제할 수 있다.

또, 본 실시형태에 있어서는, 제어장치(1)는, 검출 전압(V)이 종료시 전압 역치(Ve) 이상이 됨으로써, 전극(8)이 타오르기 시작한 것을 검출할 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다.

예를 들면, 제어장치(1)는, 엔드 전류를 통전하기 시작했을 때부터의 검출 전압(V)의 전압변화량(ΔV)이 변화량 역치(ΔVe) 이상이 되었을 때에, 전극(8)이 타오르기 시작한 것을 검출해도 된다. 도 4(a)는, 이 변형예에 있어서의 종료 제어 처리를 나타낸 플로우 차트의 일례이다. 도 4 (a)에 나타낸 플로우 차트는, 도 2(b)에 나타낸 플로우 차트에 있어서, 단계 S23을, 단계 S31, S32로 변경한 것이다. 단계 S31에서는, 전압변화량(ΔV)이 산출되어 있다. 구체적으로는, 제어장치(1)는, 엔드 전류를 통전하기 시작했을 때에 전압 센서(27)가 검출한 검출 전압(V)를 기억해두고, 현재의 검출 전압(V)으로부터 감산함으로써, 전압변화량(ΔV)을 산출한다. 다음에, 단계 S32에서는, 전압변화량(ΔV)이, 미리 설정된 변화량 역치(ΔVe)(한정되지 않지만, 예를 들면, 15V 정도) 이상인지의 여부가 판별된다(S32). 변화량 역치(ΔVe)는, 전극(8)이 타오르기 시작해서 검출 전압(V)이 상승하기 시작한 것을 검출하기 위한 역치이다. 전압변화량(ΔV)이 변화량 역치(ΔVe) 미만인 경우(S32: 아니오), 단계 S31로 되돌아가, 단계 S31, S32의 처리가 반복된다. 한편, 전압변화량(ΔV)이 변화량 역치(ΔVe) 이상인 경우(S32: 예), 단계 S24로 진행한다. 본 변형예에 있어서도, 전극(8)이 타오르기 시작하면 곧바로 엔드 전류가 정지된다. 이것에 의해, 스틱 현상이 발생하지 않고, 또한, 전극(8)의 선단은 날카로운 상태가 된다.

또, 제어장치(1)는, 검출 전압(V)의 전압변화율이 변화율 역치 이상이 되었을 때에, 전극(8)이 타오르기 시작한 것을 검출해도 된다. 도 4(b)는 이 변형예에 있어서의 종료 제어 처리를 나타낸 플로우 차트의 일례이다. 도 4(b)에 나타낸 플로우 차트는, 도 2(b)에 나타낸 플로우 차트에 있어서, 단계 S23을, 단계 S41, S42로 변경한 것이다. 단계 S41에서는, 전압변화율이 산출되어 있다. 구체적으로는, 제어장치(1)는, 전압 센서(27)가 검출한 검출 전압(V)를 기억해두고, 현재의 검출 전압(V)의 전압변화율을 산출한다. 다음에, 단계 S42에서는, 전압변화율이, 미리 설정된 변화율 역치(한정되지 않지만, 예를 들면, 10V/100㎳ec 정도) 이상인지의 여부가 판별된다(S42). 변화율 역치는, 전극(8)이 타오르기 시작해서 검출 전압(V)이 상승하기 시작한 것을 검출하기 위한 역치이다. 전압변화율이 변화율 역치 미만인 경우(S42: 아니오), 단계 S41로 되돌아가서, 단계 S41, S42의 처리가 반복된다. 한편, 전압변화율이 변화율 역치 이상인 경우(S42: 예), 단계 S24로 진행한다. 본 변형예에 있어서도, 전극(8)이 타오르기 시작하면 곧바로 엔드 전류가 정지된다.

또한, 제어장치(1)는, 엔드 전류 기간을, 검출 전압에 의거해서 규정하는 것은 아니고, 경과 시간으로 규정해도 된다. 엔드 전류 기간은, 전극(8)을 완전히 타오르게 하고, 그리고 지나치게 타올라서 전극(8)의 선단의 직경이 커지기 전에 엔드 전류를 정지할 수 있으면 된다. 따라서, 사용되는 용접 와이어의 재질 및 직경마다, 엔드 전류를 통전했을 때에, 전극(8)을 완전히 타오르게 하고, 그리고 지나치게 타올라서 전극(8)의 선단의 직경이 커지기 전의 타이밍이 되는 제2 시간(T2)을 실험이나 시뮬레이션에 의거해서 미리 설정해 두고, 엔드 전류의 출력 개시로부터 해당 제2 시간(T2)이 경과했을 때에, 엔드 전류를 정지시켜도 된다. 도 4(c)는, 이 변형예에 있어서의 종료 제어 처리를 나타낸 플로우 차트의 일례이다. 도 5는 이 변형예에서의 용접에 있어서의 각 상태를 나타내는 타이밍 차트이다.

도 4(c)에 나타낸 플로우 차트는, 도 2(b)에 나타낸 플로우 차트에 있어서, 단계 S23을, 단계 S51, S52로 변경한 것이다. 단계 S51에서는, 엔드 전류 기간의 경과를 판별하기 위한 시간(T)의 계시가 개시된다. 다음에, 단계 S52에서는, 시간(T)이 미리 설정된 제2 시간(T2)이 될 때까지 대기되고, 그 후, 단계 S24로 진행한다. 도 5에 나타낸 타이밍 차트에 있어서는, 시각(t5)으로부터 제2 시간(T2) 경과 후의 시각(t6)까지, 엔드 전류 기간이 지속되고, 전극(8)에 엔드 전류가 통전된다. 이것에 의해, 전극(8)이 서서히 타오르고, 검출 전압이 상승하기 시작한다(도 5(b) 참조). 그리고, 시각(t6)에 있어서, 엔드 전류 기간이 종료되고, 종료 제어 처리가 종료되어 있다. 본 변형예에 있어서도, 전극(8)이 타오르기 시작하면 곧바로 엔드 전류가 정지된다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 스타트 전류 기간을, 시간으로 규정했을 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 스타트 전류 기간은, 전극(8)과 피용접물(W) 사이에 아크를 발생시켜서 해당 아크를 안정시키기 위하여 스타트 전류를 흐르게 하기 위한 기간이므로, 아크의 안정을 검출할 수 있었을 때에 종료시켜도 된다. 예를 들면, 제어장치(1)는, 전압 센서(27)가 검출한 검출 전압(V)이, 미리 설정된 개시시 전압 역치(Vs)(한정되지 않지만, 예를 들면, 20V 정도) 이상이 되었을 경우에, 스타트 전류 기간을 종료시켜도 된다. 개시시 전압 역치(Vs)는, 아크가 안정한 것을 검출하기 위한 역치이며, 발생한 아크의 아크 길이가 소정의 길이가 되었을 때의 전압이 설정된다. 본 변형예에 의하면, 검출 전압(V)에 의거해서 아크 길이가 소정의 길이가 되었을 때에 스타트 전류 기간을 종료시키므로, 아크 길이가 짧은 동안에 스타트 전류 기간을 종료시켜서 스틱 현상이 발생하거나, 전극(8)이 지나치게 타올라서, 도시하지 않은 토치에 용착되어 버리는 것을 억제할 수 있다. 또한, 아크가 안정되기 전에 검출 전압(V)이 개시시 전압 역치(Vs) 이상이 되어도 스타트 전류 기간을 종료시키지 않도록, 제어장치(1)는, 소정의 제3 시간(T3)(한정되지 않지만, 예를 들면, 100㎳ 정도)이 경과할 때까지는 스타트 전류 기간을 지속시켜도 된다. 제3 시간(T3)은, 아크의 안정에 최저한 필요한 시간이며, 사용되는 용접 와이어의 재질 및 직경마다, 미리 설정하면 된다.

본 발명에 따른 용접 시스템은, 전술한 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 용접 시스템의 각 부의 구체적인 구성은, 다양하게 설계 변경 가능하다.

A1: 용접 시스템, 1: 제어장치, 2: 용접전원장치, 25: 인버터 회로, 27: 전압 센서, 5: 와이어 송급장치, 7: 살포장치

Claims (4)

1. 잠호 아크 용접(submerged arc welding)을 행하기 위한 용접 시스템으로서,
   인버터 회로를 구비하고 전력을 공급하는 용접전원장치;
   용접 와이어를 송급(送給)하는 와이어 송급장치; 및
   상기 용접전원장치 및 상기 와이어 송급장치를 제어하는 제어장치
   를 포함하되,
   상기 제어장치는,
   용접 중에는, 상기 용접전원장치에 교류 전류를 출력시키고,
   용접 종료 시에는, 상기 와이어 송급장치에 상기 용접 와이어의 송급을 정지시켜서, 상기 용접전원장치에 직류 전류인 엔드 전류를 출력시켜, 상기 엔드 전류의 출력 개시부터 정지까지의 엔드 전류 기간을 설정하고 있는, 용접 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용접 와이어의 선단과 피용접물 사이에 인가되는 전압을 검출하는 전압 센서를 더 포함하되,
   상기 엔드 전류 기간은, 상기 전압 센서가 검출한 검출 전압이 미리 설정된 전압 역치 이상이 될 때까지의 기간인, 용접 전원 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 용접 와이어의 선단과 피용접물 사이에 인가되는 전압을 검출하는 전압 센서를 더 포함하되,
   상기 엔드 전류 기간은, 상기 전압 센서가 검출한 검출 전압의 변화율이 미리 설정된 변화율 역치 이상이 될 때까지의 기간인, 용접 전원 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 엔드 전류 기간은, 미리 설정된 시간이 경과할 때까지의 기간인, 용접 전원 시스템.

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