KR20220157328A - Ｃｏ₂ 차폐된 용접 와이어를 위한 액적 크기의 감소 - Google Patents

Ｃｏ₂ 차폐된 용접 와이어를 위한 액적 크기의 감소 Download PDF

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스티븐 알 피터스
매튜 에이 위크스
그레고리 엠 맥콜
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

아크 용접 시스템은 개선된 용융 금속 액적 이송을 제공한다. 시스템은, 용접 전력 공급기, 용접 파형 발생기, 및 제어기를 갖는 용접 전원을 포함한다. 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉이 전원에 연결되며, 전원에 의해 생성되는 동일한 용접 출력 전압 및 전류에 의해 전력 공급된다. 평균 용접 출력 전압을 유지시키기 위한 적응형 응답을 제공하기 위해, 피드백 회로가 전원에 연결된다. 제어기는, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 변경된 파형을 발생시키기 위해, CO2를 차폐 가스로 사용하는 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 용접 파형 상에 용접 전류 펄스를 중첩시키도록, 파형 발생기 및 전력 공급기를 제어한다. 변경된 용접 공정 동안 2개의 용접봉의 단부 사이에 용융 금속 액적을 형성하기 위해, 전류 펄스가 제시간에 중첩된다.

Description

ＣＯ₂ 차폐된 용접 와이어를 위한 액적 크기의 감소{REDUCTION OF DROPLET SIZE FOR ＣＯ₂ SHIELDED WELDING WIRE}
관련 출원에 대한 상호 참조/참조에 의한 통합
본 미국 특허출원은 2021년 5월 20일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제63/190,858호의 이익 및 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다. 2020년 10월 6일자로 특허 결정된 미국 특허 번호 제10,792,752호는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명의 실시형태는 가스 차폐된(gas shielded) 아크 용접에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일부 실시형태는 CO2 가스 차폐된 아크 용접 공정(예를 들어, 차폐를 위해 CO2 가스를 사용하는 플럭스 코어드 아크 용접(flux cored arc welding: FCAW) 공정)에서 형성된 용융 금속 용접 와이어 액적(droplet) 크기의 감소를 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
FCAW는, 플럭스를 포함하는 연속적으로 공급되는 소모성 용접봉(consumable electrode), 및 전형적으로 정전압 용접 전력 공급기를 사용하는 반자동 또는 자동 아크 용접 공정일 수 있다. 외부에서 공급되는 차폐 가스는, 흔히 대기로부터 필요한 보호를 생성하기 위해 플럭스와 함께 사용된다. FCAW는 흔히 이의 높은 용접 속도 및 휴대성으로 인해 건설 공사에 사용된다. CO2와 함께 사용하기 위한 FCAW 와이어의 대부분의 개발은, 용접 와이어의 개선, 또는 보다 구체적으로는, 용접 와이어의 코어의 내용물의 개선에 중점을 두는, 통상적인 정전압(CV) 전원 및 정속도 와이어 공급기(wire feeder)를 포함한다. CO2 와이어는 흔히 용입(penetration)을 개선하기 위해 사용되며, 아르곤 및 아르곤 혼합된 가스가 과도하게 비싼 세계의 지역에서 사용된다. CO2 가스 하에서 차폐된 통상적인 FCAW 용접 와이어는, 금속 액적을 방울 또는 구형 형태로 용접 풀(weld pool)에 이송한다. CO2의 반발력은 이들이 생성됨에 따라 용융 액적을 반발시키므로, 더 큰 액적이 형성될 수 있다. 예를 들어, 평행한 또는 이중 와이어 구성으로 사용된 경우, 액적은 훨씬 더 크게 성장될 수 있다. 큰 액적은 흔히 무질서하여, 작동성을 방해하며, 흔히 용접 공정 동안 배출되는 스패터(spatter)를 야기한다.
시스템 및 공정은, 전류의 중첩된 펄스와 함께 전압 및 암페어 수의 특성을 포함하는 아크 조절(예를 들어, CO2 FCAW 공정 동안)을 제공한다. 전류의 중첩된 펄스는, 하나 이상의 용접 와이어의 단부에서 액적의 성장 단계 동안 용융 액적을 앞뒤로 교반하는 역할을 한다. 교반은, 액적이 보다 지속적으로 그리고 보다 빨리 용접 풀에 접촉되도록 촉진함으로써, 액적이 바람직하지 않게 커지지 않도록 보장한다.
일 실시형태에서, 개선된 용융 금속 액적 이송을 제공하는 아크 용접 시스템이 제공된다. 시스템은, 용접 전력 공급기, 용접 파형 발생기, 및 제어기를 갖는 용접 전원을 포함한다. 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉이 용접 전원에 작동 가능하게 연결된다. 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉은, 용접 전원에 의해 생성되는 동일한 용접 출력 전압 및 용접 출력 전류에 의해 전력 공급된다. 평균 용접 출력 전압을 유지시키기 위한 적응형 응답을 제공하기 위해, 피드백 회로가 용접 전원에 작동 가능하게 연결된다. 제어기는, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 변경된 파형을 발생시키도록 정전압(CV) 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 용접 파형 상에 용접 전류 펄스를 중첩시키기 위해, 적어도 용접 파형 발생기 및 용접 전력 공급기를 제어하도록 프로그래밍된다. 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정은, 차폐 가스로서 CO2를 사용한다. 중첩된 용접 전류 펄스는, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉의 단부 사이의 용융 금속 액적의 형성을 촉진시키도록 제시간에 중첩된다. 이로 인해, 용융 금속 액적은, 달리 중첩된 용접 전류 펄스가 없는 것보다, 용접 퍼들(weld puddle)로의 이송 시에 크기가 더 작아진다. 일 실시형태에서, 용융 금속 액적의 단일 액적은, 중첩된 용접 전류 펄스의 2개 이상의 펄스마다 용접 퍼들에 이송된다. 피드백 회로는, 다양한 실시형태에 따라, 전압 피드백 회로 및/또는 전류 피드백 회로를 포함할 수 있다. CO2 차폐 가스는, 용접 출력 전류가 용융 금속 액적의 액적의 단부를 통과함에 따라 용접 출력 전류를 제한함으로써, 용접 퍼들로부터 이격되게 액적에 대한 상향 작용력을 생성한다. 중첩된 용접 전류 펄스의 각각의 전류 펄스는, 용접 퍼들로부터 이격되게 용융 금속 액적의 액적에 대한 상향 작용력을 발생시킨다. 일 실시형태에서, 아크 용접 시스템은, 중첩된 용접 전류 펄스의 진폭, 지속시간, 및 주파수 중 적어도 하나를 조정하도록 구성된 사용자 인터페이스를 포함한다. 일 실시형태에서, 아크 용접 시스템은, 이를 통하는 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉의 통과를 촉진시키도록 구성된 용접 건(welding gun), 및 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉을 용접 건에 공급하도록 구성된 적어도 하나의 와이어 공급기를 포함한다. 일 실시형태에서, 용접 건은 접점 팁을 포함하며, 이를 통하여 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉은 접점 팁의 동일한 오리피스(orifice)로부터 그리고 나란히 통과하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 개선된 용융 금속 액적 이송을 제공하는 아크 용접 방법이 제공된다. 방법은, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 변경된 파형을 발생시키기 위해, 용접 전원에서 정전압(CV) 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 용접 파형 상에 용접 전류 펄스를 중첩시키는 단계를 포함한다. 방법은, 변경된 파형을 사용하는 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 용접 전원에 의해 생성되는 동일한 용접 출력 전압 및 용접 출력 전류에 의해, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉에 전력 공급하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 일부로서, CO2를 차폐 가스로서 제공하는 단계를 더 포함한다. 중첩된 용접 전류 펄스는, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉의 단부 사이의 용융 금속 액적의 형성을 촉진시키도록 제시간에 중첩됨으로써, 이로 인해 용융 금속 액적은, 달리 중첩된 용접 전류 펄스가 없는 것보다, 용접 퍼들로의 이송 시에 크기가 더 작아진다. 일 실시형태에서, 용융 금속 액적의 단일 액적은, 중첩된 용접 전류 펄스의 2개 이상의 펄스마다 용접 퍼들에 이송된다. CO2 차폐 가스는, 용접 출력 전류가 용융 금속 액적의 액적의 단부를 통과함에 따라, 용접 출력 전류를 제한함으로써, 용접 퍼들로부터 이격되게 액적에 대한 상향 작용력을 생성한다. 중첩된 용접 전류 펄스의 각각의 전류 펄스는, 용접 퍼들로부터 이격되게 용융 금속 액적의 액적에 대한 상향 작용력을 발생시킨다. 일 실시형태에서, 방법은, 용접 전원의 사용자 인터페이스를 통해, 중첩된 용접 전류 펄스의 진폭, 지속시간, 및 주파수 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 포함한다. 일 실시형태는, 와이어 공급기를 통해 용접 건에 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉을 공급하는 단계, 및 용접 건의 접점 팁의 동일한 오리피스로부터 그리고 나란히 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉을 통과시키는 단계를 포함한다. 일 실시형태에서, 방법은, 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 용접 전원의 전압-전류(VI) 특성을 조절하는 단계, 및 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉이 용접 전원에 의해 전력 공급됨에 따라, 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 평균 용접 출력 전압 및 평균 아크 길이를 유지시키도록 전압-전류(VI) 특성을 적응시키는 단계를 포함한다. 방법은, 전압-전류(VI) 특성의 적응을 촉진시키기 위해, 용접 출력 전압 또는 용접 출력 전류 중 적어도 하나를 용접 전원의 제어기에 피드백하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 전반적인 개념의 다수의 양태는 예시적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명, 청구범위, 및 첨부된 도면으로부터 용이하게 명백해질 것이다.
본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 개시물의 다양한 실시형태를 도시한다. 도면의 도시된 요소 경계(예를 들어, 박스, 박스의 그룹, 또는 다른 형상)는 경계의 일 실시형태를 나타낸다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시형태에서, 하나의 요소가 다수의 요소로서 설계될 수 있거나, 다수의 요소가 하나의 요소로서 설계될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다른 요소의 내부 구성 요소로서 도시된 요소는 외부 구성 요소로서 구현될 수 있고 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 또한, 요소는 일정한 비율로 도시되지 않을 수 있다.
도 1은 용접 전원을 포함하는 아크 용접 시스템의 일 실시형태를 도시한다;
도 2는 용접 전원이 조절되는 방식을 나타내는 통상적인 전압-암페어 특성의 그래프의 일 실시형태를 도시한다;
도 3은 통상적인 전력 출력 곡선의 그래프의 일 실시형태를 도시한다;
도 4는 통상적인 정전압(CV) 아크 용접 공정 동안의 전압 및 전류의 트레이스(trace)의 일 실시형태를 도시한다;
도 5는 전류의 몇몇 급증, 및 전압의 상응하는 강하를 갖는 통상적인 정전압(CV) 아크 용접 공정 동안의 전압 및 전류의 트레이스의 일 실시형태를 도시한다;
도 6은 차폐 가스로서 CO2를 사용하는 것과 차폐 가스로서 아르곤을 사용하는 것 간의 차이점을 도시한다;
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 개선된 아크 용접 공정 동안의 전압 및 전류의 트레이스를 도시한다;
도 8은 CO2 차폐 가스를 사용하는 경우 도 7의 개선된 아크 용접 공정을 사용하는 용융 금속 액적의 이송의 일 실시형태를 도시한다;
도 9는 본원에 개시된 바와 같은 개선된 아크 용접 공정의 일 실시형태의 흐름도를 도시한다; 그리고
도 10은 예를 들어, 도 1의 시스템에서 사용될 수 있는 제어기의 예시적인 실시형태의 블록도를 도시한다.
본원에서의 실시예 및 도면은 단지 예시적인 것이며, 청구범위의 범위 및 사상에 의해 판단되는 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다.
다수의 전원은, 전력, 전류 성분을 갖는 전압, 또는 전압 성분을 갖는 전류에 기초하는 전압-전류(VI) 특성의 조절에 의해, FCAW 공정을 제어한다. 이러한 조절 외에도, 오퍼레이터 또는 기계가 접점 팁 대 작업 거리(CTWD)의 길이를 가변(변경)시키는 경우에도, 평균 아크 길이를 유지시키기 위해, 적응형 응답이 흔히 추가된다. CO2 가스 하에서 차폐된 FCAW는, 액적이 생기고, 성장하여, 공간 내에서 매우 빠르게 이동하는, 매우 동적인 공정이다. VI 특성은, 변경되는 전압에 응답하여 가변되는 전류에 의해 유도된 자기력의 인가에 의해, 이러한 이동에 반작용한다. VI 특성의 설정값은, 비교적 일정한 아크 길이를 유지시키기 위해 장기적 적응형 제어로 조정된다. 접점 팁 대 작업 거리(CTWD)의 변경은, 소모성 용접 와이어의 단부 상의 액적으로의 이동 및 변경에 대하여 비교적 느리게 이루어진다.
다수의 통상적인 변압기 설계는, 100 암페어당 ½ 내지 8 볼트의 비율로 전류가 증가됨에 따라 감소된 전압에 기초하여 설계되었다. 다수의 최신 인버터 설계는, 해당 평균 정전압을 유지시키기 위한 추가된 적응형 제어를 통해, 이러한 응답을 모방하도록 프로그래밍된다. 본 발명의 일 실시형태에서, 200 암페어로 작동되는 35 볼트의 설정값을 사용하여, 100 암페어당 5 볼트의 강하를 갖는 전압의 VI 특성이 사용됨으로써, 10 볼트의 강하를 야기하여, 조절 전압이 25 볼트가 되게 한다. 장기적 적응형 제어는, 25 볼트의 평균 사전 설정값을 유지하도록 설정값을 조정한다.
본 발명의 일 실시형태에 따라, 델타 전류(전류 펄스)가 프로그래밍을 통해 설정 주파수에서 중첩되는 경우, 용접 와이어 용접봉의 단부 상에 형성되는 액적의 크기가 감소될 수 있다. 각각의 전류 펄스는 액적에 대한 자기(magnetic) 반발력을 유도하여, 용접 풀로부터 추가로 이격되게 이를 가압한다. 전류 펄스가 완료되고, 출력이 정상 상태 VI 특성으로 복귀하는 경우, 자기력이 완화되며, 액적이 너무 커지기 전에(원하는 것보다 더 커지기 전에), 액적은 (표면 장력을 통해) 용접 풀을 향해 반향되고 흔히 용접 풀과 접촉되어 금속 이송을 개시한다. 이러한 교반은, 더 빠른/더 작은 액적이 용접 풀로 이송되도록 촉진시킴으로써, 공정을 보다 제어되게 한다. 또한, 평균 전압을 조절하도록 작용하는 적응형 응답은, (전류 펄스에 응답하여) VI 설정값을 감소시키므로, 공급 와이어로부터의 가압이 액적에 작용하는 반발력을 극복할 수 있게 한다.
이제 도면을 참조하면, 도면은 단지 본 발명의 예시적인 실시형태를 도시하기 위한 목적이고 이를 제한하기 위한 목적이 아니며, 도 1은 용접 전원(110)을 포함하는 아크 용접 시스템(100)의 일 실시형태를 도시한다. 용접 전원(110)은, 용접 아크(A)를 발생시키기 위해, 적어도 하나의 용접 와이어 용접봉(E)(예를 들어, 2개의 용접 와이어 용접봉(E))을 통하여, 용접 건/토치(130) 및 소재(workpiece)(W)에 용접 파형 출력을 전달한다. 용접 와이어 용접봉(들)(E)은, 적어도 하나의 와이어 공급기(150)를 통해 용접 작업에 전달된다. 와이어 공급기(150)는, 용접봉(들)(E)을 용접부에 전달할 수 있도록 하는 임의의 알려진 구성일 수 있으며, 일부 실시형태에서, 와이어 공급기(150)는, 전원(110)으로부터의 신호에 기초하여 용접봉(들)(E)의 와이어 공급 속도를 조정할 수 있다.
일 실시형태에서, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉(E)은, 용접 전원(110)에 작동 가능하게 연결된다. 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉(E)은, 용접 전원(110)에 의해 생성되는 동일한 용접 출력 전압 및 용접 출력 전류에 의해 전력 공급된다. 용접 건은, 이를 통하는 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉의 통과를 촉진시키도록 구성된다. 와이어 공급기는, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉을 용접 건에 공급하도록 구성된다. 용접 건은 접점 팁을 포함하며, 이를 통하여 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉이 나란히 통과하도록 구성된다(예를 들어, 2020년 10월 6일자로 특허 결정된 미국 특허 번호 제10,792,752호를 참조하며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다).
전원(110)의 전반적인 구성은, 전원(110)이 본원에 설명된 바와 같이 기능 및 작동될 수 있는 한, 예를 들어 GMAW 및 FCAW 유형의 용접 작업을 할 수 있는 알려진 전원의 구성과 유사할 수 있다. 예를 들어, 전원(110)은, 오하이오주 클리블랜드의 The Lincoln Electric Company에 의해 제조된 Power Wave® 유형 전원의 구성과 유사하게 구성될 수 있다. 물론, 본 발명의 실시형태는 그러한 구성으로 제한되지 않으며, 이는 단지 예시적인 것으로 의도된 것일 뿐이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전원(110)은 L1, L2 및 L3을 통하여 입력 신호를 수신하도록 구성된다. 도 1은 3상 입력을 도시하지만, 다른 실시형태는 단상 입력을 사용할 수 있다. 전원(110)은 전력 변환 장치(112)를 포함하며, 전력 변환 장치(112)는 입력 신호를 수신할 수 있고, 출력 위상(예를 들어, 출력 인버터(114))에 신호를 출력할 수 있으므로, 전원(110)의 출력이 용접 아크를 지속시킬 수 있다. 전력 변환 장치(112)는 다수의 상이한 구성 요소로 구성될 수 있다. 예를 들어, 이는 정류기 회로, 및 정류된 신호를 수신하여 정전압을 출력 인버터(114)에 출력하는 벅-승압(buck-boost) 회로를 포함할 수 있다. 물론, 다른 예시적인 실시형태에서, 출력 인버터(114)는, 용접 신호를 출력하기 위해 전력 변환 장치(112)와 협업할 수 있는 임의의 다른 유형의 출력 회로 또는 초퍼(chopper)일 수 있다. 일 실시형태에 따라, 전력 변환 장치(112) 및 출력 인버터/초퍼(114)는 함께 용접 전력 공급기 또는 단지 전력 공급기로 본원에서 지칭된다.
전원(110)은 파형 발생기(116)를 더 포함하며, 파형 발생기(116)는, 아크(A)를 발생시키기 위해 사용될 원하는 용접 파형을 제공하도록, 전력 변환 장치(112) 및 출력 인버터(114) 중 적어도 하나 또는 둘 모두의 출력을 제어하는 것을 보조하는 회로이다. 예를 들어, 파형 발생기(116)는, 용접 동안 아크(A)를 생성하여 유지시키기 위해 사용되는 원하는 전류 파형을 발생시키기 위해 사용될 수 있으며, 전력 변환 장치(112) 및 출력 인버터(114)(또는 어떤 출력 구성 요소가 사용되더라도) 중 하나 또는 둘 모두와 연결될 수 있다. 또한, 전원(110)은 제어기(118)를 가지며, 제어기(118)는, 예를 들어, 전원(110)의 기능 및 작업을 제어할 수 있는 임의의 유형의 CPU 또는 프로세서 유형 장치일 수 있다. 예를 들어, 본원의 도 10의 제어기(1000)를 참조한다. 예를 들어, 다양한 유형의 전자 회로(예를 들어, 로직 회로) 및 메모리를 갖는, 다른 유형의 제어기도 가능하다.
일 실시형태에서, 제어기(118)는, 용접 작업 동안 용접 아크(A)로부터 전류 및 전압 피드백을 (각각) 제공하는, 전류 피드백 회로(120) 및 전압 피드백 회로(122)로부터 피드백을 수신한다. 이러한 피드백을 통해, 제어기(118)는, 원하는 출력을 제공하도록 전원(110)의 성능을 조정 및 최적화할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 피드백 회로(122)는, 용접 전원(110)(예를 들어, 용접 전원(110)의 일부)에 작동 가능하게 연결되며, 평균 용접 출력 전압을 유지시키기 위한 적응형 응답을 제공한다. 일 실시형태에서, 전류 피드백 회로(120)는 전류 션트(shunt)(121)를 포함하는 전류 감지 구성의 일부이며, 건(130)에 전기적으로 연결된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일부 실시형태에서, 제어기(118)는 또한 와이어 공급기(150)에 연결됨으로써, 제어기는, 용접 작업 동안, 와이어 공급 속도와 같은, 와이어 공급기(150)의 작동을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 와이어 공급기(150)로부터 피드백을 수신할 수 있다.
일 실시형태에서, 제어기(118)는, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 변경된 파형을 발생시키도록 정전압(CV) 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 용접 파형 상에 용접 전류 펄스를 중첩시키기 위해, 적어도 용접 파형 발생기(116) 및 용접 전력 공급기를 제어하도록 프로그래밍된다. 중첩된 용접 전류 펄스는, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어(E) 용접봉의 단부 사이의 용융 금속 액적의 형성을 촉진시키도록 제시간에 중첩된다. 이로 인해, 용융 금속 액적은, 달리 중첩된 용접 전류 펄스가 없는 것보다, 용접 퍼들로의 이송 시에 크기가 더 작아진다.
도 2는 용접 전원이 조절될 수 있는 방식을 나타내는 통상적인 전압-암페어(VI) 특성의 그래프(200)의 일 실시형태를 도시한다. 그래프(200)의 전압-암페어 특성은, 100 암페어의 전류마다 5 볼트 기울기를 갖는다. 예를 들어, 그래프(200)를 사용하여, 사전 설정 전압이 24 볼트로 설정된 경우, 용접 전원은 아크 용접 공정 동안 360 암페어의 전류를 전달한다. 아크 용접 공정 동안, 용접 와이어 용접봉(들)의 팁 상에 용융 금속의 액적이 생성됨에 따라, 액적이 공간 내에서 이동한다. 액적이 용접 퍼들(용접 풀)에 더 접근하는 경우, 전압은 예를 들어, 23 볼트로 강하될 수 있다. 그 다음, 전류는 380 암페어로 증가된다. 이러한 전류의 증가는 퍼들로부터 이격되게 액적을 유도하는 경향이 있으며, 아크 길이는 더 길어지고, 전압은 더 커질 것이다. 25 볼트에서, 전류는 340 암페어이다. 더 낮은 전류는, 액적이 용접 퍼들에 더 근접할 수 있게 한다. 조절된 시스템은, 아크 용접 공정을 자연계 평형(natural equilibrium)으로 유도한다. 일 실시형태에서, (예를 들어, 제어기(118)에 의해 제어되는) 적응형 제어는, 평형점을 원하는 전압과 동일하게 하기 위해, 그래프(200)의 설정값(이러한 실시예에서, 개방 회로 전압(OCV) = 42 볼트로서 설명됨)을 위 또는 아래로 조정함으로써, 시스템의 평균 전압을 사전 설정 전압으로 유도한다.
도 3은 통상적인 전력 출력 곡선의 그래프(300)의 일 실시형태를 도시한다. 전력 출력 곡선은, 용접 전원을 조절하기 위한 다른 방법이다. 도 2의 기울기와 유사하게, 전력 출력 곡선은 출력을 평형점으로 유도한다. 전력 설정값은, 다양한 실시형태에 따라, 시스템을 사전 설정 전압으로 유도하기 위한 적응형 제어를 받을 수 있거나 받지 않을 수 있다.
도 4는 통상적인 정전압(CV) 아크 용접 공정 동안의 전압 및 전류의 트레이스의 일 실시형태를 도시한다. 상부 트레이스(410)는 미가공 전압(V)을 나타내고, 중간 트레이스(420)는 미가공 전류(I)를 나타낸다. 통상적인 CV 아크 용접 공정은, (예를 들어, 도 2에서와 같은) 전압-암페어 특성에 의해 조절된다. 적응형 응답은, 평균 전압 또는 아크 길이를 유지시키기 위한 전압에 대한 피드백 루프로서 하부 트레이스(430)에 도시된다.
도 5는 전류의 몇몇 급증, 및 전압의 상응하는 강하를 갖는 통상적인 정전압(CV) 아크 용접 공정 동안의 전압 및 전류의 트레이스의 일 실시형태를 도시한다. 상부 트레이스(510)는 미가공 전압(V)을 나타내고, 하부 트레이스(520)는 미가공 전류(I)를 나타낸다. 전류의 급증 및 전압의 상응하는 강하는, 더 큰 액적이 용접 풀로 이송되는 경우를 나타낸다. 이벤트는 통상적인 CV에서 1 내지 5 헤르츠마다 나타난다. 펄싱된 경우, 이송은 더 자주 발생하며, 전류의 급증이 제거될 필요가 없으므로, 더 적은 스패터를 야기한다.
도 6은 차폐 가스로서 CO2를 사용하는 것과 차폐 가스로서 아르곤을 사용하는 것 간의 차이점을 도시한다. 아르곤이 지배적인 차폐 가스로서 사용된 경우(도 6의 우측)에 대비하여, CO2가 차폐 가스로서 사용된 경우(도 6의 좌측), 반발력이 생성된다. 아르곤은 전류가 액적을 통과함에 따라 넓은 아크를 야기하므로, 작용력이 하향하여, 액적이 와이어(들)의 단부로부터 가압되게 한다. CO2는 전류가 액적의 단부를 통과함에 따라 전류를 제한함으로써, 액적에 대한 상향 작용력을 생성한다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 개선된 아크 용접 공정 동안의 전압 및 전류의 트레이스를 도시한다. 상부 트레이스(710)는 미가공 전압(V)을 나타내고, 중간 트레이스(720)는 미가공 전류(I)를 나타낸다. 트레이스는, 중첩된 전류의 펄스(즉, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 변경된 파형)와 함께, 통상적인 전압-암페어 특성을 포함하는 새로운 펄스형 파형을 나타낸다. 전류의 각각의 펄스는, 용접 와이어 용접봉의 단부의 액적 상에 상향하는 반발력을 배치한다. 전류의 펄스가 완화(감쇠)되는 경우, 작용력은 제거되고, 액적이 다시 반발되어, 흔히 용접 풀과 접촉된다. 이러한 방식으로, 전류의 펄스를 추가함으로써, 용융 금속 액적은, 용접 풀과 접촉되어 용접 풀로 이송되기 전에, 너무 커지지 않는 경향이 있다. 이는 CO2를 차폐 가스로서 사용하는 경우 특히 유용하다. 트레이스(710 및 720)는 이하의 조건에 해당한다: 100% CO2 가스 하에서 차폐된 트윈(2개 와이어) 0.045 울트라코어(Ultracore) 12C 용접 와이어를 사용하여, 29 V/310 암페어에서 분당 300 인치(ipm) 와이어 공급 속도.
일 실시형태에서, 각각의 중첩된 전류 펄스는, 1.5 밀리초의 지속시간 동안 추가적인 175 암페어의 전류를 나타내며, 약 70 헤르츠로 인가된다. 용융 금속 액적의 단일 액적은, 중첩된 용접 전류 펄스의 2개 이상의 펄스마다 용접 퍼들에 이송된다. 사용자 인터페이스(예를 들어, 사용자 노브(knob), 푸시 버튼, 또는 터치스크린 디스플레이)는, 중첩된 전류 펄스의 진폭 및/또는 지속시간 및/또는 주파수를 조정하도록 한정될 수 있다. 적응형 응답(하부 트레이스(730)에 도시됨)은 평균 전압(예를 들어, 약 28 볼트)을 유지한다. 평균 전류는 접점 팁 대 작업 거리(CTWD)에 따라 좌우되며, 예를 들어, 265 암페어일 수 있다. 이러한 실시형태에서, 공정은 250 ipm 와이어 공급 속도로 2개의 0.045 또는 1.2 mm FCAW 와이어를 연장시킨다. 두 와이어 모두는, 접점 팁의 동일한 오리피스를 통하여, 나란히 동일한 접점 팁을 통해 연장된다. 중첩된 펄스를 갖는 동일한 전류가 두 와이어 모두에 인가된다. 다른 실시형태는 접점 팁의 별도의 오리피스를 통하여 연장되는 두 와이어를 모두 가질 수 있거나, 하나의 와이어만을 가질 수 있다(예를 들어, 1/16 또는 0.052 FCAW 와이어).
도 8은 CO2 차폐 가스를 사용하는 경우 도 7의 개선된 아크 용접 공정을 사용하는 용융 금속 액적의 이송의 일 실시형태를 도시한다. 액적(810)은, 전류 펄스(820) 전에, 전류 펄스(820) 동안에, 그리고 전류 펄스(820) 후에 대하여 몇몇 단계로 도시된다. 전류 펄스(820)는, (액적(810) 내에 도시된 상향하게 지향되는 화살표로 나타낸 바와 같이) 상향하게 액적(810)을 반발시킨다. 이는 작용력이 용접 풀을 향해 액적을 가압하는 통상적인 펄스형 용접과는 상이하다. 전류가 (피크 후에) 완화되는 경우, 액적(810)은, 용접 풀과 접촉되어 이송되는 경향을 가지면서, (액적(810) 내에 도시된 하향하게 지향되는 화살표로 나타낸 바와 같이) 용접 풀을 향해 반발되어 분사된다.
도 9는 본원에 개시된 바와 같은 개선된 아크 용접 공정(900)의 일 실시형태의 흐름도를 도시한다. 공정(900)의 단계(910)에서, 볼트-암페어(VI) 특성은 용접 전원에 의해 조절되며, 사전 설정 전압(예를 들어, 평균 아크 길이를 야기하는 평균 용접 출력 전압)을 유지시키도록 적응된다. (예를 들어, 제어기(118)에서) 타이머 또는 주파수 조건에 해당되는 경우, 공정(900)의 단계(920)에서, 전류 펄스가 용접 전류 상에 중첩된다. (예를 들어, 제어기(118)에 의해 결정되는 바와 같은) 피크 시간 후에, 아크 용접 공정은 단계(910)로 되돌아가고, 공정이 반복된다. 이러한 방식으로, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 변경된 파형을 발생시키기 위해, 용접 전원에서 정전압(CV) 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 용접 파형 상에 용접 전류 펄스가 중첩된다. 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉은, 변경된 파형을 사용하는 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 용접 전원에 의해 생성되는 동일한 용접 출력 전압 및 용접 출력 전류에 의해 전력 공급된다. CO2는 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 일부로서 차폐 가스로 사용된다. 중첩된 용접 전류 펄스는, 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉의 단부 사이의 용융 금속 액적의 형성을 촉진시키도록 제시간에 중첩된다. 이로 인해, 용융 금속 액적은, 달리 중첩된 용접 전류 펄스가 없는 것보다, 용접 퍼들로의 이송 시에 크기가 더 작아진다. 이러한 방식으로, 용접 와이어 용접봉(들)의 단부 상에 형성되는 용융 금속 액적의 크기의 더 양호한 제어가 달성됨으로써, 더 적은 스패터로 용접 퍼들로의 액적의 보다 바람직한 이송을 야기한다.
도 10은 예를 들어, 도 1의 시스템에서 (예를 들어, 제어기(118)로서) 사용될 수 있는 제어기(1000)의 예시적인 실시형태의 블록도를 도시한다. 도 10을 참조하면, 제어기(1000)는, 버스 서브시스템(1012)을 통해 다수의 주변 장치와 통신하는 적어도 하나의 프로세서(1014)(예를 들어, 마이크로프로세서, 중앙 처리 장치, 그래픽 처리 장치)를 포함한다. 이러한 주변 장치는 예를 들어, 메모리 서브 시스템(1028) 및 파일 저장 장치 서브 시스템(1026)을 포함하는 저장 장치 서브 시스템(1024), 사용자 인터페이스 입력 장치(1022), 사용자 인터페이스 출력 장치(1020), 및 네트워크 인터페이스 서브 시스템(1016)을 포함할 수 있다. 입력 및 출력 장치는 제어기(1000)와의 사용자 상호 작용을 가능하게 한다. 네트워크 인터페이스 서브시스템(1016)은 외부 네트워크와의 인터페이스를 제공하고, 다른 장치의 해당 인터페이스 장치에 연결된다.
사용자 인터페이스 입력 장치(1022)는 키보드, 마우스, 트랙볼, 터치패드 또는 그래픽 태블릿과 같은 포인팅 장치, 스캐너, 디스플레이 내에 통합된 터치스크린, 음성 인식 시스템, 마이크로폰과 같은 오디오 입력 장치, 및/또는 다른 유형의 입력 장치를 포함할 수 있다. 일반적으로, "입력 장치"라는 용어의 사용은 제어기(1000)로 또는 통신 네트워크 상으로 정보를 입력하기 위한 모든 가능한 유형의 장치 및 방식을 포함하는 것으로 의도된다.
사용자 인터페이스 출력 장치(1020)는 디스플레이 서브시스템, 프린터, 또는 오디오 출력 장치와 같은 비-시각적 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이 서브시스템은 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD)와 같은 평판 장치, 프로젝션 장치, 또는 가시 영상을 생성하기 위한 일부 다른 기구를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 서브시스템은 예를 들어 오디오 출력 장치를 통해, 비-시각적 디스플레이를 제공할 수 있다. 일반적으로, "출력 장치"라는 용어의 사용은 제어기(1000)로부터 사용자로 또는 다른 기계나 컴퓨터 시스템으로 정보를 출력하기 위한 모든 가능한 유형의 장치 및 방식을 포함하는 것으로 의도된다.
저장 장치 서브시스템(1024)은, 본원에 설명된 기능의 일부 또는 전부를 제공하는 프로그래밍 및 데이터 구성체를 저장한다. 예를 들어, 일반적으로 컴퓨터 실행 가능 명령 및 데이터는, 프로세서(1014) 단독으로 또는 다른 프로세서와 조합하여 실행된다. 저장 장치 서브시스템(1024)에 사용되는 메모리(1028)는, 프로그램 실행 동안 명령 및 데이터의 저장을 위한 주 랜덤 액세스 메모리(RAM)(1030), 및 고정된 명령이 저장되는 판독 전용 메모리(ROM)(1032)를 포함하는 다수의 메모리를 포함할 수 있다. 파일 저장 장치 서브시스템(1026)은 프로그램 및 데이터 파일을 위한 영구적인 저장을 제공할 수 있으며, 하드 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, 연관된 착탈식 매체와 함께 플로피 디스크 드라이브, CD-ROM 드라이브, 광 드라이브, 또는 착탈식 매체 카트리지를 포함할 수 있다. 특정 실시형태의 기능을 구현하는 컴퓨터 실행 가능 명령 및 데이터는, 파일 저장 장치 서브시스템(1026)에 의해 저장 장치 서브시스템(1024)에 저장될 수 있거나, 프로세서(들)(1014)에 의해 액세스 가능한 다른 기계에 저장될 수 있다.
버스 서브 시스템(1012)은 제어기(1000)의 다양한 구성 요소 및 서브 시스템이 의도된 바와 같이 서로 통신하게 하기 위한 메커니즘을 제공한다. 버스 서브 시스템(1012)은 단일 버스로서 개략적으로 도시되지만, 버스 서브 시스템의 대안적인 실시형태는 다수의 버스를 사용할 수 있다.
제어기(1000)는 다양한 유형일 수 있다. 컴퓨팅 장치 및 네트워크의 변화무쌍한 특성으로 인해, 도 10에 도시된 제어기(1000)에 대한 설명은 일부 실시형태를 예시하기 위한 목적의 구체적인 실시예로서만 의도된다. 도 10에 도시된 제어기(1000)보다 더 많거나 더 적은 구성 요소를 갖는 제어기의 많은 다른 구성이 가능하다.
개시된 실시형태가 상당히 상세하게 도시되고 설명되었지만, 이는 첨부된 청구범위의 범위를 그러한 세부사항으로 제한하거나 어떠한 방식으로도 한정하려는 의도가 아니다. 물론, 청구대상의 다양한 양태를 설명하기 위한 목적으로 구성 요소들 또는 방법들의 모든 안출 가능한 조합을 설명하는 것은 가능하지 않다. 따라서, 본 개시물은 도시되고 설명된 특정 세부사항 또는 예시적인 실시예로 한정되지 않는다. 따라서, 본 개시물은 35 U.S.C. §101의 법정 청구대상 요건을 충족시키는 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 변경예, 수정예 및 변형예를 포함하는 것으로 의도된다. 특정 실시형태에 대한 위의 설명은 실시예로서 주어진 것이다. 주어진 본 개시물로부터, 당업자는 일반적인 본 발명의 개념 및 부수적인 이점을 이해할 뿐만 아니라, 개시된 구조 및 방법에 대한 명백한 다양한 변경예 및 수정예를 알아낼 수도 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위에 의해 한정된 바와 같은 일반적인 본 발명의 개념의 사상과 범위 내에 속하는 바와 같은 모든 그러한 변경예 및 수정예와 이들의 등가물을 포괄하고자 한다.

Claims (20)

  1. 개선된 용융 금속 액적 이송을 제공하는 아크 용접 시스템으로서,
    상기 아크 용접 시스템은,
    용접 전원으로서,
    상기 용접 전원은,
    용접 전력 공급기,
    용접 파형 발생기, 및
    제어기를 포함하는, 용접 전원;
    상기 용접 전원에 작동 가능하게 연결된 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉으로서, 상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉은, 상기 용접 전원에 의해 생성되는 동일한 용접 출력 전압 및 용접 출력 전류에 의해 전력 공급되는, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉; 및
    평균 용접 출력 전압을 유지시키기 위한 적응형 응답을 제공하기 위해, 상기 용접 전원에 작동 가능하게 연결된 피드백 회로를 포함하며,
    상기 제어기는, 변경된 정전압(CV) 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 변경된 파형을 발생시키도록, CO2를 차폐 가스로서 사용하는 정전압(CV) 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 용접 파형 상에 용접 전류 펄스를 중첩시키기 위해, 적어도 상기 용접 파형 발생기 및 상기 용접 전력 공급기를 제어하도록 프로그래밍되고,
    상기 중첩된 용접 전류 펄스는, 상기 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉의 단부 사이의 용융 금속 액적의 형성을 촉진시키도록 제시간에 중첩됨으로써, 이로 인해, 상기 용융 금속 액적은, 달리 상기 중첩된 용접 전류 펄스가 없는 것보다, 용접 퍼들로의 이송 시에 크기가 더 작아지는,
    개선된 용융 금속 액적 이송을 제공하는 아크 용접 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용융 금속 액적의 단일 액적은, 상기 중첩된 용접 전류 펄스의 2개 이상의 펄스마다 상기 용접 퍼들에 이송되는, 아크 용접 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 회로는 전압 피드백 회로를 포함하는, 아크 용접 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 회로는 전류 피드백 회로를 포함하는, 아크 용접 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 CO2 차폐 가스는, 상기 용접 출력 전류가 상기 용융 금속 액적의 액적의 단부를 통과함에 따라 상기 용접 출력 전류를 제한함으로써, 상기 용접 퍼들로부터 이격되게 상기 액적에 대한 상향 작용력을 생성하는, 아크 용접 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중첩된 용접 전류 펄스의 각각의 전류 펄스는, 상기 용접 퍼들로부터 이격되게 상기 용융 금속 액적의 액적에 대한 상향 작용력을 발생시키는, 아크 용접 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중첩된 용접 전류 펄스의 진폭, 지속시간, 및 주파수 중 적어도 하나를 조정하도록 구성된 사용자 인터페이스를 더 포함하는, 아크 용접 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    이를 통하는 상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉의 통과를 촉진시키도록 구성된 용접 건을 더 포함하는, 아크 용접 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉을 상기 용접 건에 공급하도록 구성된 적어도 하나의 와이어 공급기를 더 포함하는, 아크 용접 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 용접 건은 접점 팁을 포함하며, 이를 통하여 상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉이 상기 접점 팁의 동일한 오리피스로부터 그리고 나란히 통과하도록 구성되는, 아크 용접 시스템.
  11. 개선된 용융 금속 액적 이송을 제공하는 아크 용접 방법으로서,
    상기 아크 용접 방법은,
    변경된 정전압(CV) 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 변경된 파형을 발생시키기 위해, 용접 전원에서 정전압(CV) 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 용접 파형 상에 용접 전류 펄스를 중첩시키는 단계;
    상기 변경된 파형을 사용하는 상기 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 상기 용접 전원에 의해 생성되는 동일한 용접 출력 전압 및 용접 출력 전류에 의해, 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉에 전력 공급하는 단계; 및
    상기 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정의 일부로서 CO2를 차폐 가스로 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 중첩된 용접 전류 펄스는, 상기 변경된 CV 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉의 단부 사이의 용융 금속 액적의 형성을 촉진시키도록 제시간에 중첩됨으로써, 이로 인해, 상기 용융 금속 액적은, 달리 상기 중첩된 용접 전류 펄스가 없는 것보다, 용접 퍼들로의 이송 시에 크기가 더 작아지는,
    개선된 용융 금속 액적 이송을 제공하는 아크 용접 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 용융 금속 액적의 단일 액적은, 상기 중첩된 용접 전류 펄스의 2개 이상의 펄스마다 상기 용접 퍼들에 이송되는, 아크 용접 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 CO2 차폐 가스는, 상기 용접 출력 전류가 상기 용융 금속 액적의 액적의 단부를 통과함에 따라 상기 용접 출력 전류를 제한함으로써, 상기 용접 퍼들로부터 이격되게 상기 액적에 대한 상향 작용력을 생성하는, 아크 용접 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 중첩된 용접 전류 펄스의 각각의 전류 펄스는, 상기 용접 퍼들로부터 이격되게 상기 용융 금속 액적의 액적에 대한 상향 작용력을 발생시키는, 아크 용접 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 용접 전원의 사용자 인터페이스를 통해, 상기 중첩된 용접 전류 펄스의 진폭, 지속시간, 및 주파수 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 더 포함하는, 아크 용접 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    용접 건의 접점 팁의 동일한 오리피스로부터 그리고 나란히 상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉을 통과시키는 단계를 더 포함하는, 아크 용접 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    와이어 공급기를 통해 상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉을 상기 용접 건에 공급하는 단계를 더 포함하는, 아크 용접 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 상기 용접 전원의 전압-전류(VI) 특성을 조절하는 단계; 및
    상기 2개의 플럭스 코어드 용접 와이어 용접봉이 상기 용접 전원에 의해 전력 공급됨에 따라, 상기 변경된 플럭스 코어드 아크 용접 공정 동안, 평균 용접 출력 전압 및 평균 아크 길이를 유지시키도록 상기 전압-전류(VI) 특성을 적응시키는 단계를 더 포함하는, 아크 용접 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적응시키는 단계를 촉진시키기 위해, 상기 용접 출력 전압을 상기 용접 전원의 제어기에 피드백하는 단계를 더 포함하는, 아크 용접 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 적응시키는 단계를 촉진시키기 위해, 상기 용접 출력 전류를 상기 용접 전원의 제어기에 피드백하는 단계를 더 포함하는, 아크 용접 방법.
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