KR910003525B1 - 아아크 용접방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 본 발명 실시예의 개요를 나타낸 사시도.
제 2 도는 전극팁 선단부를 나타낸 측면도.
제 3 도는 회전하는 아아크위치를 아타낸 평면도.
제 4 도는 용접전류(I)와 아아크전압(E)의 변화특성도.
제 5 도는 통전팁 선단부의 동작 설명도.
제 6 도는 통전팁과 모재간의 거리(Ex)가 변화할 때, 아아크길이의 변화를 나타낸 설명도.
제 7 도는 제 6 도에 나타낸 아아크길이의 변화에 의한 용접전류(I)와 아아크전압(E)의 변화 특성도.
제 8 도는 와이어 돌출길이의 변화 특성도.
제 9 도는 와이어 돌출길이의 변화를 나타낸 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전극노즐 2 : 통전팁(electrode tip)
3 : 회전모우터 4 : 용접와이어
5 : 아아크 6 : 용융푸울
7 : 용접비이드(bead) 8 : 홈(groove)의 중심
9 : 모재
본 발명은 아아크 용접방법, 특히 아아크에 의한 홈 모방(groove copying) 성능을 향상되게 함에 관한 것이다.
예컨대, 일본국 특개소 55-133871호 공보에 게재되어 있다. 전극와이어를 회전시킴에 따라 아아크를 고속으로 회전하여 용접을 하는 고속회전 아아크 용접방법은 아아크의 고속회전에 따라 아아크 힘이라거나 아아크 열 등의 물리적 효과가 용융푸울 주변에 균일하게 분산되어 용접비이드의 만곡화나 평활화, 그렇지 않으면 주변용입의 증가를 가져오기 때문에, 좁은 홈 용접이나 필렛 용접(fillet weld)에 적용하면 뛰어난 효과를 얻을 수 있는 용접방법이다.
나아가서, 일본국 특개소 57-91877호 공보에 게재되어 있는 바와같이, 상기한 고속회전 아아크 용접방법은 고속회전에 의한 아아크 전압파형 그렇지 않으면 아아크 전류파형을 용접 진행방향 좌우에 분할 적분하여 그 편차전압을 직접 구동모우터의 입력으로 하는 자동드라이브가 가능하기 때문에 홈의 자동 모방을 할 수 있고 그 응답성도 양호하며, 상기한 비이드 형성상의 잇점에 가하여 용접중에 전극 선단위치를 고정밀도로 위치 결정할 수 있다고 하는 효과를 갖는다.
한편, 용접 아아크의 전류파형이나 전압파형을 홈 모방 센서로서 사용한다. 이른바, 아아크센서방식은 상기한 고속회전 아아크 용접방법뿐 아니라, 전극을 홈의 폭방향에 진선적으로 요동시키는 용접방법에 있어서도, 예컨데, 일본국 특개소 54-19445호 공보, 혹은 일본국 특개소 54-26261호 공보에 게재되어 있는 바와 같이 주지의 기술이다.
동 아아크센서방식에 있어서는 아아크의 단위시간(초) 당의 아아크의 회전수 혹은 요동회수를 나타낸 아아크의 회전속도(Hz) 혹은 요동속도(Hz)가 빠를수록 아아크센서로서의 검출능력과 제어능력이 뛰어나게 된다.
상기한 종래의 직선요동방식의 용접방법에서, 아아크의 요동속도는 기구적인 면에서 그다지 빠르게는 할 수 없고, 실용적으로는 5(Hz)정도가 한계로 되어 있다. 이 때문에, 아아크센서로서의 분해능력에 한계가 있어 검출능력 제어정밀도의 가열층의 향상을 도모하는 것이 곤란하였다.
한편, 고속회전 아아크 용접방법에 있어서는 아아크의 회전속도는, 예컨데, 1oo(Hz) 정도의 회전속도에서도 간단히 얻을 수 있기 때문에 아아크센서로서의 검출능력, 제어능력의 가일층의 향상을 도모할 수 있다는 점에서 직선요동방식의 용접방법 보다 뛰어나 있다.
그러나, 고속회전 아아크용접에 있어서 아아크의 회전속도가 늦을 때에는 아아크 전압파형, 혹은 전류파형을 용접 진행방향 좌우에 분할 적분하여 얻은 편차전압이 명확하게 되지 않으므로 이 때문에 소음의 영향이 커서 아아크센서의 효과를 충분히 발휘할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 그와 같은 문제점을 해결하기 위하여 성취한 것으로, 아아크센서의 효과를 충분히 발휘할 수 있는 하한의 회전속도를 명확히 한 아아크 용접방법을 제안한 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 관한 아아크 용접방법은 고속회전 아아크 접속방법에 있어서, 아아크 회전속도 N(Hz)을 다음 식으로 얻을 수 있는 와이어 용융속도 변화의 시정수(時定數)(τ)로 정하는 회전속도보다 크게 하는 것을 특징으로 한다.
단, I : 용접전류, B : 전극와이어의 직경, 재질로 정하는 정수, ΔL/ΔEx: 통전팁과 모재간 거리(Ex)의 변화량에 대한 최종 정상상태에서의 와이어 돌출길이(L)의 변화량.
본 발명에 있어서는 아아크의 회전속도(N)를 일정속도 이상으로 함에 따라 홈 중심위치와 홈 최단부위치에 있어서의 용접전류의 차를 크게 한다.
제 1 도는 본 발명의 한 실시예에 관한 고속회전 아아크 용접방법의 개요를 나타낸 사시도이며, 도면에서 1은 전극노즐, 2는 전극노즐(1)의 선단에 고정된 통전팁(通電 tip), 3은 전극노즐(1)을 회전하는 회전모우터, 4는 전극노즐(1)의 중심에 송급되어 통전팁(2)의 편심구멍에 의하여 편심되어 있는 용접와이어, 5는 아아크, 6은 용융푸울, 7은 용접비이드, 8은 피용접제(9)에 설치된 홈(groove)의 중심이다.
상기한 바와같이 구성된 고속회전 아아크 용접방법에 있어서는 전극노즐(1)을 회전모우터(3)로 예컨대, 화살표(N) 방향으로 고속회전하면 용접와이어(4) 선단의 아아크(5)는 통전팁(2)의 편심구멍의 편심량에 대응한 직경의 원주형상에 단일한 용융푸울(6)위를 회전하게 된다.
다음에, 회전하는 아아크(5)를 아아크센서로서 이용하였을 경우의 검출 능력을 검토한 결과를 설명한다.
제 2 도는 아아크(5)가 회전하고 있을 때의 통전팁(2) 선단부를 나타낸 측면도이며, 도면에서 실선으로 나타낸 아아크(5)는 제 3 도에 나타낸 바와같이 아아크(5)가 홈의 중심(8)의 위치(A)에 있을 경우, 파선으로 나타낸 아아크(5)는 아아크가 회전하여 홈의 중심(8)으로부터 9o°차이진 홈의 최단부위치(B)에 있을 경우를 나타낸 것이다. 도면에 나타낸 바와같이 아아크(5)가 홈 중심(8)의 위치(A)에 있을 때의 용접와이어(4)의 돌출길이를 LA, 아아크길이를 lA, 용접전류를 IA라고 하고, 아아크(5)가 회전하여 아아크(5)가 홈의 최단부위치(B)에 도달하였을 때의 용접와이어(4)의 돌출길이를 LB, 아아크길이를 lB, 용접전류를 IB라고 하면, 아아크(5)의 위치에 따라 통전팁(2)과 모재간의 거리(Ex)가 다르기 때문에 아아크길이(lA)와 아아크길이(lB)가 변화한다. 아아크길이가 변화하면 부하특성이 변화하여 용접전류(I)나 통전팁(2)과 모재간의 전압(E)(다음에 아아크전압이라 한다)이 변화한다.
제 4 도는 가로축에 용접전류(I)를 세로축에 아아크전압(E)를 잡고, 용접전원의 특성이 정전압 특성의 경우의 아아크길이의 변화에 따른 용접전류(I)와 아아크전압(E)의 변화특성을 나타낸 것으로, 도면에서 1o은 용접 전원의 외부특성곡선, 11은 아아크의 부하특성곡선이며, 아아크의 부하특성곡선(11)은 아아크길이(lA)와 아아크길이(lB)에 따라서 도면에 나타낸 바와같이 변화한다. 동 부하특성곡선(11)은 lA〉lB의 경우를 나타낸다.
아아크의 동작점은 외부특성곡선(10)과 각각의 아아크의 부하특성곡선(11)의 교점이며, 아아크(5)가 홈의 최단부위치(B)에 있을 때는 통전팁(2)과 모재간의 거리(Ex)가 홈 종심위치(A)에 있을 때 보다도 짧아지게 되기 때문에, 아아크길이(lB)도 아아크길이(lA)보다 짧아진다.
따라서, 아아크의 동작점도 SA점에서 SB점으로 바뀌어 용접전류(I)도 IA에서 IB점에로 증가한다. 2개의 용접전류의 차 ΔI=IB-IA가 아아크센서로서의 검출능력이 된다. 따라서 아아크(5)가 홈의 최단부위치(B)에 있을 때의 용접전류(IB)가 커질수록 아아크센서의 검출능력이 높아지게 된다.
이 용접전류(IB)는 아아크(5)의 회전속도가 빨라질수록 증가하며, 어떤 회전속도 이상이 되면 급속히 커진다. 아아크(5)의 회전속도가 매우 빨라지면, 용접와이어(4)의 돌출길이(LB)는 대략 돌출길이(LA)와 같은 일정장치가 되어, 제 5 도에 나타낸 바와같이 아아크길이(lB)만큼 짧아지게 되고, 아아크의 동작점도 제 4 도의 (SB')점으로 바뀐다. 따라서, 용접전류도 IB'만큼 증가하고, 아아크(5)가 홈 중심위치(A)에 있을 때와 가장 앞선 최단부위치(B)에 있을 때의 용접전류차(ΔI)도 증가하여 아아크센서의 검출능력을 높일 수 있다.
그리하여 아아크(5)의 회전속도를 어느 정도 이상으로 높이면 아아크센서로서 효과적인 용접전류차(ΔI)를 얻을 수 있는가를 제 6 도 및 제 7 도에 따라 설명한다. 제6 도는 전극팁(2)과 모재(9) 사이의 거리(Ex)가 순간적으로 변화하는 경우의 설명도, 제 7 도는 거리(Ex)의 변화에 따라 아아크길이가 변화하였을 때의 용접전류(I)와 아아크전압(E)의 변화 특성도이다.
제 6 도에서 (a)는 통전팁(2)과 모재(9) 사이의 거리(Ex)가 Exo로 되고, 돌출길이(Lo), 아아크길이(lo)로 용접을 하고 있는 상태를 나타내고 있으며, (b)는 상태(a)로부터 화살표에 나타낸 방향으로 용접을 진행하여 통전팁(2)과 모재(9)사이의 거리(Exo)가 순간적으로 ΔEx만큼 감소한 직후의 상태를 나타낸다. (c)는 상태(b)로부터 충분히 시간이 경과한 정상상태를 나타낸다.
용접이 상태(a)에서 상태(b)로 진행하면, 통전팁(2)과 모재(9)사이의 거리(Exo)가 순간적으로 ΔEx만큼 감소하기 때문에 상태(b)에 있어서의 돌출길이는 상태(a)와 마찬가지 (Lo)로 되고, 아아크길이가 lo에서 lo'=lo-ΔEx로 변화한다. 나아가서, 용접이 진행하여 정상상태인 상태(c)에 도달하면 돌출길이와 아아크길이는 통전팁(2)와 모재(9) 사이의 거리(Ex-ΔEx)에 대응한 돌출길이(Lf)와 아아크길이(lf)로 변화한다. 이때, 아아크길이는 lo〉lf〉lo'의 관계에 있으며, 상태(a),(b),(c)에 있어서의 용접전류는 제 7 도에 나타낸 바와같이 용접전원의 외부특성곡선(10)과 각 아아크길이(lo), (lo'), (lf)에 대한 아아크의 부하특성곡선(11)의 교점인 동작점(So), (So'), (Sf)에 따라 구할 수 있다. 따라서, 상태(a)에서 상태(b)로 용접이 진행하였을 경우, 용접전류는 제7도에 나타낸 바와같이 Io에서 Io'로 변화하여, 더욱 정상상태(c)에 도달하면 용접전류 If로 변화한다.
한편, 소모전극 용접에 있어서의 와이어 용융속도(MR)는 용접전류(I)와 용접와이어(4)의 돌출길이(L)의 함수로서 하기 식으로 주어짐을 알 수 있다.
여기서, A, B는 용접와이어(4)의 재질, 지름, 아아크의 분위기등으로 정하는 정수이다. 또, 돌출길이(L)의 변화속도(dL/dt)는 다음 식으로 나타낸 바와같이, 와이어 송급속도(Vf)와 와이어 용융속도(MR)의 차로 주어진다.
더욱이, 정전압 특성의 용접전원을 사용하는 소모전극 용접에 있어서는 와이어 송급속도(Vf)는 일정하다. 따라서, 제6도에 나타낸 상태(a)의 용접전류(Io)로부터 와이어 송급속도(Vf)는 다음 식으로 얻을 수 있다.
또, 상태(a)에서 상태(c)로 진행하는 동안의 돌출길이(t)와 용접전류 I(t)로부터 와이어 용융속도(MR)는
으로 나타낼 수 있으며, 또한
라고 두어, (3)∼(6)식을 (2)에 대입하고, ΔI, ΔL의 2차 항을 생략하면 (2)식은 다음 식으로 나타낼 수 있다.
용접전원의 외부특성곡선(10) 및 아아크길이 아아크전압곡선은 제6도에 나타낸 ΔEx가 작은 범위, 예를 들면 ΔEx가 10mm이하 정도에서 대략 직선이라고 간주하여도 상관이 없으므로, 용접전원의 외부특성곡선(10)의 구배를 K(V/A)라고 하고, ΔEx가 변화한 순간을 기준(t=0)으로하여 시간(t)의 경과에 의해 아아크전압 변화를 구하면,
따라서
(9)식을 (7)식에 대입하여 정리하면,
라고 하면, (10)식은 다음 식으로 나타낼 수 있다.
적분정수를 C1이라 놓고 (12)식을 풀면
(13)식에서, t=0 및 t=∞라고 놓았을 때 제6도의 상태(a)인 때의 돌출길이(Lo)와 상태(c)인 때의 돌출길이(Lf)는
이라 나타낼 수 있어 (13), (14)식으로부터 다음 식을 얻을 수 있다.
한편, (7)식을 제6도의 정상상태(c)에 적용하면, 정상상태에 있어서는 돌출길이의 변화속도(dL/dt)는 영이기 때문에
을 얻을 수 있어 (16)식을 (11)식의 α에 대입함에 따라, 와이어 용융속도 변화의 시정수(τ)는 다음 식으로 얻을 수 있다.
상기한 (15)식으로 부여되는 돌출길이 L(t)의 변화를 세로축에 돌출길이 L(t)로하여 잡고, 가로축에 시간 t를 잡아서 제8도의 곡선(12)에 나타내었다. 제8도에서 (17)식에 나타낸 시정수(τ)는 시간 t=0에 있어서의 곡선(12)의 접선(13)과 돌출길이 L(t)=L(f)의 직선(14)과의 교점(15)의 시간 t의 값이며, 돌출길이 L(t)는 제9도에 나타낸 바와같이 근사적으로 t=τ에서 대략 최종 정상치(Lf)에 도달한다고 생각하여도 관계없다.
그리하여 상기한 제 2 도, 제 3 도에서 아아크(5)가 홈의 중심(8)의 위치(A)에서 홈의 중심(8)으로부터 차이진 홈의 최단부위치(B)로 바꾸는 시간(t)이 시정수(τ)이하이면 아아크(5)의 회전속도의 증가에 따라 홈의 최단부위치(B)에 있어서의 와이어 돌출길이(LB)는 제 5 도에 나타낸 바와같이 홈의 중심위치(A)의 돌출길이(LA)에 접근하게 된다.
따라서, 제4도에 나타낸 아아크(5)의 동작점(SB)도 동작점(SB')에 가까워져서 용접전류의 변화(ΔI)가 크게 잡을 수 있도록 되어 아아크센서로서의 검출능력을 높일 수 있다.
아아크(5)의 1회전이 시간 T는 아아크(5)가 홈의 중심위치(A)로부터 최단부위치(B)에 옮겨가는 시간의 4배이기 때문에 그 회전속도이 된다. 따라서, 아아크센서로서의 효과를 충분히 발휘하기 위한 아아크(5)의 회전속도(N)의 하한치는이다.
여기서, 시정수(τ)는 (17)식으로 주어지므로,
의 조건을 만족하면, 아아크센서로서의 검출능력 발휘할 수 있다.
또, 제어정밀도에 대하여도 회전속도(N)가 빠를수록 위치의 검출에 필요한 1회전에 요하는 시간이 짧아지므로 제어정밀도를 높일 수 있다.
다음에 실제의 용접에 있어서의 회전속도(N)의 구체예를 설명한다. 와이어지름(1.2mm), 시일드가스를 10% CO2-Ar, 와이어 송급속도를 8.7m/min로 용접을 하였을 경우의 통전팁(2)과 모재간 거리(Ex)의 변화에 의한 용접전류(I) 및 와이어 돌출길이(L)의 변화를 실측한 결과를 표 1에 나타내었다.
[표 1]
또, (17)식에 있어서의 B의 값은 약 5×10-5이므로 시정수(τ)는
로 되어, 아아크의 회전속도(N)의 최소필요치(Nmin)는 이러한 조건의 경우
로 된다.
다음에, 제1표에 나타낸 용접조건으로 회전직경 D=2mm에서 아아크를 회전하면서 고속회전 아아크 필렛용접을 하여, 홈 중심위치(A)와 최단부위치(B)에 있어서의 전류차(ΔI)를 조사한 결과를 제2표에 나타내었다.
[표 2]
제2표로부터 명백한 바와같이, 회전속도(N)가 1(Hz)와 같이 Nmin=10(Hz)보다 늦을 때는 전류차(ΔI)가 작아서 아아크센서로서의 검출감도가 우수하였다.
나아가서, 이렇게 용접할 때의 노이즈에 의한 용접전류의 변동은 3∼4(A)이며, 회전속도(N)가 1(Hz)인 때는 전류차(ΔI)와 노이즈에 의한 전류변동의 차가 작아서 노이즈의 영향을 크게 받지만 회전속도(N)가 50(Hz)인 때에는 노이즈의 영향을 1%정도 작게 할 수 있다.
본 발명은 이상에서 설명한 바와같이, 고속회전 아아크 용접에 있어서 아아크의 회전속도 N(Hz)를 일정속도 이상으로 함에 따라 홈 중심위치와 홈 최단부위치에 있어서의 용접전류의 차를 크게 하기 때문에, 아아크센서로서의 검출능력, 제어능력을 더욱 높일 수 있다.
나아가서, 홈 중심위치와 홈 최단부위치의 용접전류의 차가 커지기 때문에 용접속의 노인즈에 영향을 받지 않고 홈 모방을 할 수 있는 효과도 지니고 있다.
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