KR100374072B1 - 공작물에 부품을 연결하기 위한용접방법 및 이러한 방법을 수행하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

공작물(7)위의 용접점과 부품 사이의 아아크에 의해 공작물(7)에 부품(6)의 연결을 위한 용접 방법에서, 아아크 전압이 설정되고 용접 가공시에 연속적으로 측정됨으로서 상기 부품의 상승량이 각각의 경우에 자동적으로 조절된다.

Description

공작물에 부품을 연결하기 위한 용접 방법 및 이러한 방법을 수행하기 위한 장치{WELDING METHOD FOR THE CONNECTION OF A COMPONENT TO A WORKPIECE, AND A DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD}

이러한 방법은 공지되어 있으며, 아아크에 의해 신속하고 정확하게 용접을 수행하기 위해 사용된다. 예를 들어, 상기 부품으로는 볼트 또는 스터드가 사용된다. 공지된 방법에서, 아아크 전압은 부품의 상승량에 의해 기계적으로 설정된다. 특히, 부품의 상승량은 아아크 전압과 비례한다. 이러한 경우에 있어, 실험에 기초한 값이 영구적으로 설정된다. 아아크 전압은 용접되어질 부품의 표면 특성, 및 재료의 품질과 용접 헤드의 접촉 압력에 대한 허용 공차로 인해 용접 가공시에 연속적으로 변화하게 되는데, 이러한 아아크 전압의 변화는 용착부의 품질 변동을 가져온다.

특허 명세서 EP-B-O 241 249 호는 부품의 아아크 용접을 위한 제어 회로와, 용접 아아크의 후방 운동 및 전방 운동에 대한 트리거 모멘트를 결정하는 연속 제어기와, 그리고 용접전 전류 아아크로부터 유도된 모니터링 전압에 대해 기술하고 있는데, 상기 모니터링 전압은 전환 모드의 전원 유닛을 제어하기 위해서 보정 전압으로 전환되고, 제어전압과 포개어지며, 이런 방법으로 보정된 제어 전압을 사용하여 상기 모니터링 전압으로부터 유도되는 용접전 전류 아아크의 저항에 대해 용접 가공시에 출력 전류를 조절한다. 용접 아아크의 후방 운동에 대한 트리거 모멘트는 용접전 전류 아아크로부터 유도되는 모니터링 전압의 도움을 받아 연속 제어기 내에서 또한 보정될 수 있다. 따라서, 용접 시간 및 출력 전류의 크기는 용접전 전류 아아크 전압에 근거하여 모든 용접 가공시에 조절된다. 부품의 상승량은 원통 코일 및 스프링에 의해 조절된다. 이때에도 역시, 아아크 전압은 전술한 변수의 결과로 용접 공정시에 연속적으로 변화될 수 있는데, 이는 바람직하지 못하게 품질의 저하를 유발한다.

아아크 전압에 영향을 미치기 위한 부품의 상승량 및 삽입 치수에 대한 공지된 기계적인 조절에 의해서, 이러한 변수들이 용착부에 대해 단지 1회만으로 보정될 수 있게 한다. 게다가, 부품의 상승량 및 삽입 치수의 기계적인 조절은 잘못된 조절로 인해 제품의 질이 떨어지는 제조상의 위험을 초래할 수 있다. 실제로, 작동자가 시간에 쫓길 때마다, 최적의 설정치로부터의 부정확성과 편차를 보정하거나 방지하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 이는 품질의 저하와 파기를 가져온다. 또한, 공지된 용접 장치의 작동에 있어서는 엄격한 요구 조건이 뒤따르게 된다. 게다가, 품질 향상에 대한 요구에 부응하기 위해서는, 필요하다면, 제조 과정에서 직접적으로 품질을 보정하고 확인하는 것이 바람직하다.

본 발명은 청구범위 제 1항의 전제부에 따라 공작물에 부품(예를 들어, 스터드)을 연결하기 위한 용접 방법 및 이러한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 도시한 도면이고,

도 2는 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

본 발명의 목적은 전술한 단점들을 극복할 수 있으며, 현재의 품질 보증 요구를 수용할 수 있으며, 또한 용이하게 수행이 가능한 형태의 방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 본 발명의 목적은, 기준 전압 프로파일(reference voltage profile)이 아아크 전압에 대해 설정되고 아아크 전압이 측정되어 용접 공정시에 제어 루프 내의 전류 기준 전압과 반복적으로 비교되며, 보정 변수가 제어 변수로서, 측정된 아아크 전압과 전류 기준 전압 사이의 차이값으로 각각의 단계에서 결정되고, 이 보정 변수에 의해 부품의 상승량은 조종된 변수로서 각각의 단계에서 자동적으로 보정되는 본 발명에 따라 수행된다. 결과적으로, 소정의 아아크 전압은 전체 용접 가공시에 정밀하게 유지됨으로써, 공작물의 상이한 표면 특성에 대해서도 용접 품질의 현저한 개선을 보장하게 된다. 게다가, 공작물과 스터드 사이의 시간 소모적인 조절과 보정은 더 이상 필요하지 않게 된다.

전술한 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치는 스터드 용접 장치, 스터드 고정기를 구비한 용접 헤드 제어 유닛, 및 마이크로 프로세서 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장점들은 종속항의 결과로서 발생한다.

본 발명의 실시예가 도면을 참조로 하여 하단에 더 상세히 기술되어질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다. 공작물에 용접되어질 부품은 본 발명에서 설명의 편의상 스터드로 지칭하지만, 본 발명은 물론 스터드에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 장치는 공지의 스터드 용접 장치(1)를 포함하고 있는데, 조절가능한 용접 시간중에 또한 조절가능한 용접 전류를 발생시키는데 적합하다. 상기 조절은 사용되는 재료와 용착부 직경의 함수로서 수행된다. 용접 헤드 제어 유닛(2)은 입력 신호에 근거하여 유압식으로 신속하고 정확하게 위치 제어를 수행하기에 적합한 공지의 전자 유압식 제어 밸브(3)를 포함하고 있다. 제어 밸브(3)는 유압식 실린더(4)에 연결되며, 유압식 실린더(4)에 스터드 고정기(5)가 장착되어 있다. 상기 고정기는 공작물(7)에 용접되어지는 스터드(6)를 고정시키는데 적합하다. 더욱이, 제어 밸브(3)는 공지의 유압식 유닛(8)에 유압식 제어 라인(9)을 경유하여 연결된다. 스터드 고정기(5)는 용접 전류 라인(10)을 경유하여 스터드 용접 장치(1)에 연결된다. 마이크로 프로세서 제어기(12)는 제어 라인(13)을 경유하여 스터드 용접 장치(1)에 연결되며, 측정 라인(15)을 통해 스터드 고정기(5)에 연결된다. 또한, 마이크로 프로세서 제어기(12)는 제어 라인(16)을 통해 유압식 유닛(8)에 연결된다. 용접 헤드 제어 유닛(2)은 공작물(7)상에 스터드(6)를 정확하게 위치시키기 위해 지지대를 가질 수 있다. 그러나, 용접 헤드 제어 유닛(2)은 도시되지는 않았으나 공지되어진 위치측정 시스템과 바람직하게 결합된다.

공작물(7)에 스터드(6)를 용접시키기 위해, 스터드(6)를 공작물(7)위의 용접점상에 위치시킴으로써 스터드 단부와 공작물(7)의 용접점 사이에 확실한 전기 접점이 초기에 발생한다. 이러한 영점 위치는 위치 측정 시스템에 의해 측정되고 기준값으로서 마이크로 프로세서 제어기(12)내의 메모리 수단에 저장된다. 소정의 아아크 전압(즉, 용접 가공시에 아아크 전압 제어 변수의 기준 전압 프로파일)과, 용접 시간 및 용접 전류와, 스터드 및 공작물 사이의 거리와 아아크 전압사이의 비는 마이크로 프로세서 제어기(12)내에서 설정되고, 제어 라인(13)을 경유하여 스터드 용접 장치(1)에 간다. 공작물(7) 상의 용융된 용접점으로 용융된 스터드 단부의 삽입과 관련한 추가의 변수들은 하단에 기술되는 바와 같이 조절이 가능하다.

실제적인 용접 공정은 공작물을 용접시키기 위해, 공작물(7)에서 스터드(6)를 상승시키고 공작물(7)상의 용접점과 스터드 단부사이에서 아아크를 발생시킴으로서 이루어진다. 전체 용접 공정시에 마이크로 프로세서 제어기(12)에 의해 제어 루프 내에서 전류 아아크 전압은 회로 수단을 이루는 측정 라인(14,15)에 의해 측정되고, 설정된 기준 전압 형상의 전류 기준 전압과 반복적으로 비교되며, 측정된 아아크 전압과 전류 기준 전압 사이의 차이값으로부터 보정변수가 제어 변수로서 각각의 단계에서 결정된다. 각각의 단계에서, 이러한 보정 변수는 제어 라인(16)을 경유하여 유압식 유닛(8)에 공급되며, 유압식 유닛은 유압식 제어 라인(9)을 경유하여, 제어 밸브(3)에 의해 스터드와 공작물 사이의 거리에서 대응 보정을 각각의 경우에 발생시킨다. 스터드와 공작물 사이의 거리는 유압식 유닛(8)과 유압식 제어 밸브(3)에 의해 결정된 보정 변수를 전환함으로써, 제어 루프 내에서 조종된 변수로서 각각의 경우에 자동적으로 보정된다. 아아크 전압은 용접시에 연속적으로 측정되고, 스터드와 공작물 사이의 거리는 초당 수백회로 조절된다.

공작물(7)의 용융된 용접점으로 용융된 스터드 단부의 재설정 및 삽입은 마이크로 프로세서 제어기(12)를 경유하여 또한 측정되고 제어된다. 아아크 형성이 완료되면, 제어 루프에 의해 스터드와 공작물 사이의 거리의 자동 보정은 또한 완료된다. 스터드와 공작물 사이의 거리의 마지막 설정은 위치 측정 시스템에 의해 측정되고 마이크로 프로세서 제어기(12)내에 저장되며, 저장된 영점 위치는 기준값으로 사용된다. 스터드와 공작물 사이의 거리의 제어된 재설정과 삽입은 시행된다. 삽입 깊이(또한 삽입 치수로도 지칭됨)와 삽입 속도는 마이크로 프로세서 제어기(12)로 설정이 가능하며, 각각의 경우 저장된 영점 위치는 기준값으로 사용된다. 이러한 설정치는 위치 측정 시스템과 결합한 유압식 제어 밸브(3)에 의해 삽입 치수와 삽입 속도로 전환되며, 이는 제어 루프에 의해 차례로 행해지고, 각각의 경우 삽입 치수는 위치 측정 시스템에 의해 제어된 변수로서 반복적으로 결정된 설정값에 따라 측정되고 적용된다. 이러한 방식으로, 재설정 및 삽입시에 자동적으로 고도의 정밀성이 이루어지며, 용접 품질의 개선을 가져온다. 최대 삽입 깊이를 설정하고 난 후에, 영점 위치로의 반환은 재설정 시간 이후에 다시 행하여지며 유사하게 조절가능하다.

전술한 유압식 실시예는 비교적 큰 장치에 적합하며, 용접 헤드 제어 유닛(2)을 영구적으로 설치하는 것이 가능하다.

도 2는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이러한 경우에 있어, 용접 헤드 제어 유닛(2)은 제어 자석(17)과 이와 연결된 스터드 고정기(18)를 포함하며, 상기 고정기는 공작물(7)에 용접되어질 스터드(6)를 고정시키기에 적합하며, 용접 전류 라인(10)을 경유하여 스터드 용접 장치(1)에 연결되어 있으며, 제어 자석(17)은 스터드 고정기(18)와 함께, 용접 헤드로서 사용된다. 예를 들어, 제어 자석(17)은 변경된 유압식 제어 밸브이다. 공지되어진 내장된 전자 장치를 갖는 제어 밸브는 유압 장치로 사용되며, 입력 신호에 따라 유압식으로 신속하고 정확한 위치 제어를 행하는 것이 적합하며, 이러한 제어 밸브는 유압식 밸브 부분이 생략되고 자기로 제어된 샤프트가 스터드 고정기(18)에 직접 연결되도록 변경된다. 제어 자석(17)은 높은 정밀도를 갖는 단일 방식으로 실행되며, 집적 위치 측정 시스템(integrated position measurement system)은 부가적으로 존재한다. 제어 자석(17)은 제어 라인(19)을 경유하여 마이크로 프로세서 제어기(12)에 연결된다.

용접 공정의 연속은 전술한 유압식 실시예의 경우에 있어서와 유사하다. 그러나, 필요로 하는 모든 위치 측정은 제어 자석(17) 내에 일체화된 위치 측정 시스템을 직접적으로 사용함으로써 수행된다. 스터드와 공작물 사이의 거리를 위한, 마이크로 프로세서 제어기(12)에 의해 보정 변수는 제어 라인(19)을 경유하여 각각의 경우 스터드와 공작물 사이의 거리에 각각 대응 보정을 발생하는 전자 제어식 전자 자석(17)에 직접 공급된다. 스터드와 공작물 사이의 거리는 각각의 경우에 결정된 보정 변수를 제어 자석(17)에 의해 전환함으로서, 제어 루프 내에서 조종된 변수로서 자동적으로 보정된다.

예를 들어, 이러한 목적으로 간단한 아나로그 제어기가 충분하다 하더라도, 연속적으로 아크 전압이 연속적으로 측정되어 비교기내에서 전류 기준 전압과 비교되는 경우에, 이러한 차이값은 필터를 경유하여 PD 또는 PID 조절기를 통해 처리되고 보정 신호로서 제어 자석(17)에 공급된다. 이러한 경우에, 제어 자석(17)의 관성은 낮음에도 불구하고 전압 스파이크의 여과에 기여함으로써 공명을 피할 수 있다.

재설정 및 삽입은 또한 도 1을 참조로 하여 전술한 방식과 동일하게 실행된다. 이러한 경우, 삽입 속도와 삽입 치수에 대해 마이크로 프로세서 제어기 (12)내에서 설정된 값은 제어 자석(17)에 의해 소정의 운동으로 전환된다.

전술된 전자석 실시예는 제어 자석(17)이 스터드 고정기(18)와 함께, 용접 건으로서 구성된다면 수동으로 쉽게 작동된다.

도시되지 않은 또 다른 실시예에 따라, 스터드와 공작물 사이의 거리의 자동 보정과 삽입 치수의 설정은 전기 모터 및 스핀들에 의해 결정된 보정 변수의 전환으로 수행된다.

스터드와 공작물 사이의 거리와 삽입 치수의 자동 조절을 위한 본 발명에 따른 방법과 장치는 리프트 오프(lift-off) 점화 또는 단-사이클(short-cycle) 방법을 사용하는 임의의 상업상 이용가능한 스터드 용접 장치와 직접 결합될 수 있다. 마이크로 프로세서 제어기를 갖는 스터드 용접 장치의 경우에, 마이크로 프로세서 제어기(12)는 일체화가 가능하다.

Claims (12)

1. 공작물의 용접점에 부품을 위치시키는 단계와,

   상기 공작물을 용융시키기 위해 상기 공작물 위로 부품을 상승시키고 상기 부품의 단부와 상기 공작물의 용접점 사이에 아아크를 발생시키는 단계와,

   그리고 용융된 상기 부품의 단부를 상기 공작물의 용융된 용접점으로 재설정하여 삽입하는 단계를 포함하는, 공작물에 부품을 연결하기 위한 용접 방법에 있어서,

   아아크 전압에 대해 기준 전압 프로파일을 설정하고, 용접 공정시에 상기 아아크 전압을 측정하여 제어 루프 내에서 반복적으로 전류 기준 전압과 비교함에 있어, 측정된 아아크 전압과 전류 기준 전압 사이의 차이값으로부터 보정변수를 제어 변수로서 각각의 시점에서 결정하고, 상기 보정 변수에 따라서 상기 부품의 상승량을 변경하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 재설정하여 삽입하는 단계는 조절가능한 속도와 조절가능한 삽입 깊이로 자동적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
3. 공작물에 단부를 가진 부품을 연결하기 위한 용접 방법으로서,

   공작물의 용접점에 부품의 단부를 위치시키는 단계와,

   상기 부품의 단부와 상기 공작물의 상기 용접점을 포함하는 회로를 통해 전류를 인가하는 단계와,

   상기 부품의 단부와 상기 용접점을 용융하기 위해서 상기 공작물로부터 상기 부품을 상승시켜서 상기 부품의 단부와 상기 용접점사이에 아아크 전압과 연관해서 아아크를 발생시키는 단계와,

   용접 공정시 소망의 아아크 전압값을 나타내는 기준 전압 프로파일을 설정하는 단계와,

   상기 아아크 전압을 측정하고 측정된 상기 아아크 전압과 상기 기준 전압 프로파일을 비교해서 이들 사이의 차이값을 결정하는 단계와,

   결정된 상기 차이값에 따라서 상기 공작물에 대해서 상기 부품의 위치를 조정하여 아아크 전압을 변경하는 단계와,

   그리고 용융된 상기 부품의 단부를 상기 공작물의 용융된 용접점으로 재설정하여 삽입하는 단계를 포함하는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 공작물에 대한 상기 부품의 위치를, 측정된 상기 아아크 전압이 상기 기존 전압 프로파일에 대응하도록 조정하는 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 아아크 전압을 반복적으로 측정해서 상기 기존 전압 프로파일과 비교하고, 따라서 상기 공작물에 대한 상기 부품의 위치를 용접 공정시에 상기 아아크 전압이 상기 기준 전압 프로파일에 대응하도록 조정하는 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 재설정하여 삽입하는 단계는 조절가능한 속도와 조절가능한 삽입 깊이로 자동적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 용접 방법.
7. 공작물에 단부를 가진 스터드를 연결하기 위한 스터드 용접 장치로서,

   스터드 홀더와 상기 공작물의 용접점에 대해서 상기 스터드를 용접하기 위해 상기 스터드 홀더에 연결된 위치 측정 수단을 가진 용접 헤드 제어 유닛과,

   상기 스터드의 단부와 상기 공작물의 상기 용접점을 포함하는 회로를 통해 용접 전류를 인가하기 위한 전원회로와,

   상기 용접 헤드 제어 유닛에 연결되고, 상기 위치 측정 수단이 상기 스터드를 상기 공작물로부터 상승시키도록 상기 용접 헤드 제어 유닛에 공급되어지는 제어 신호를 생성함으로서, 상기 스터드의 단부와 상기 용접점을 용융하기 위해서 상기 스터드의 단부와 상기 용접점 사이에 아아크 전압과 연관해서 아아크를 발생시키는 제어기와,

   상기 아아크 전압을 감지하기 위해 상기 제어기에 연결된 회로 수단을 포함하며,

   상기 제어기는 용접 공정시 소망의 아아크 전압값을 나타내는 기준 전압 프로파일을 저장하기 위한 메모리 수단과, 감지된 상기 아아크 전압과 상기 기준 전압 프로화일을 비교하여, 상기 위치 측정 수단이 감지된 상기 아아크 전압과 상기 기존 전압 프로화일사이의 차이값에 따라서 상기 공작물에 대해서 상기 스터드의 위치를 조정하도록 상기 용접 헤드 제어 유닛에 공급되어지는 추가의 제어 신호를발생하기 위한 수단을 더 포함하는 장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 스터드의 위치는 상기 아아크 전압이 상기 기준 전압 프로파일에 대응하도록 조정되는 장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 제어기는 감지된 상기 아아크 전압을 반복적으로 상기 기존 전압 프로파일과 비교하고, 용접 공정시 상기 스터드의 위치를 따라서 조정할 수 있도록 상기 용접 헤드 제어 유닛에 제공되어지는 제어신호를 발생하도록 되어 있는 장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 용접 헤드 제어 유닛의 위치 측정 수단은 유압식 제어 밸브, 유압식 실린더 및 유압식 유닛을 포함하는 장치.
11. 제 9항에 있어서, 상기 용접 헤드 제어 유닛의 위치 측정 수단은 제어 자석을 포함하는 장치.
12. 제 9항에 있어서, 상기 용접 헤드 제어 유닛의 위치 측정 수단은 전기 모터 및 스핀들을 포함하는 장치.

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