KR100493124B1

KR100493124B1 - 아크 용접 프로세스의 제어 방법 및 이를 이용하는 용접기

Info

Publication number: KR100493124B1
Application number: KR10-2001-7012738A
Authority: KR
Inventors: 블랜켄십조지디
Original assignee: 링컨 글로벌, 인크.
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2005-06-03
Also published as: AU3871901A; ATE367881T1; DE60129559T2; CN1260035C; KR20020083904A; AU759678B2; RU2223849C2; US6248976B1; DE60129559D1; JP4115704B2; EP1294521A4; EP1294521A1; WO2001068307A1; EP1294521B1; CN1380842A; JP2003526517A

Abstract

본 발명은 용접 전압 및 용접 전류를 갖고 전기 아크 용접 프로세스에 사용하기 위한 실시간 제어 신호(224)를 발생시키는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 제1의 시간(200)에서 아크 전압 및 아크 전류를 측정하는 단계와, 상기 아크 전압 혹은 아크 전류 중 하나를 약 10% 미만으로 순간적으로 변화시키는 단계와, 그 다음 상기 변화시킨 단계 이후의 제2의 시간(204)에서 상기 용접 전압 및 상기 용접 전류를 측정하는 단계와, 상기 제1의 시간(220) 및 상기 제2의 시간 사이에서의 용접 전압차를 결정하는 단계와, 상기 제1의 시간(220)과 상기 제2의 시간 사이에서의 용접 전류차를 결정하는 단계와, 상기 제1의 시간(220) 및 상기 제2의 시간 사이에서의 용접 전압차를 상기 제1의 시간 및 상기 제2의 시간 사이에서의 용접 전류차로 나눔으로써 상기 제어 신호를 대표하는 미분값을 산출하는 단계와, 상기 미분값에 의해 상기 제어 신호(224)를 발생시키는 단계를 포함한다.

Description

아크 용접 프로세스의 제어 방법 및 이를 이용하는 용접기{METHOD OF CONTROLLING ARC WELDING PROCESSES AND WELDER USING SAME}

본 발명은 전기 아크 용접 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 신규의 제어 변수를 이용하여 아크 용접 프로세스를 제어하는 방법 및 이러한 신규의 변수를 개발 및 이용하기 위한 제어기를 구비하는 용접기에 관한 것이다.

전기 아크 용접은 스프레이 이행(移行), 펄스 이행, DC GMAW(gas metal arc welding) 용접 혹은 AC 용접 중 어떤 것을 사용하는가에 따라 용접의 질에 영향을 미치는 다양한 프로세스 제어 변수들이 있는 복잡한 전기 현상이다. 전압이 일정한 용접 프로세스에 있어서, 용접 프로세스는 용접 전류(I_a)에 의해 통상 제어된다. 전압이 일정하게 유지될 때, CTWD(접촉 선단에서 가공물까지의 거리)의 변화는 다른 프로세스 변수뿐만 아니라 전류의 변화를 일으키며, 이에 따라 상기 프로세스의 볼트/암페어 특성 곡선을 이용하는 제어 장치는 고유의 한계를 갖는다. CTWD가 감소함에 따라 전류는 증가하거나 또는 그 역으로 되기 때문에, 상기 CTWD는 전류에 막대한 영향을 미친다. 이들 변수들은 실시간을 기초하여 결정하기 곤란하기 때문에, 전극 스틱아웃(stickout) 혹은 CTWD에 기초한 DC GMAW 용접 프로세스를 조절하기 위한 시도는 어려운 일이었다. 현재까지 아크 전류에 의해 전혀 영향을 받지 않는 제어 신호를 제공하는 측정 가능한 용접 프로세스 변수는 존재하지 않았다. 심지어, 실시간을 기초하여 아크 길이를 직접 조절하기 위한 제어 신호를 만들어 낼 어떠한 변수도 없다는 것이었다. 전극의 바닥과 가공물 사이의 거리를 일정하게 유지함으로써 용접의 질을 우수하고 재현 가능하게 할 수 있다는 것이 알려져 있다.

도 1은 아크 용접 작업에 있어서 몇몇 대표적인 사항을 도시하기 위한 측면도이다.

도 2는 본 발명의 양호한 실시예를 실시하기 위해 사용한 와이어 다이어그램과 블록 다이어그램을 조합한 도면이다.

도 3은 도 2에 도시한 본 발명의 양호한 실시예에 의해 야기된 전류의 요동을 도시하는 전류 및 전압 그래프이다.

도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 양호한 실시예에 의해 구한 전압 및 전류 데이터를 처리하는데 사용된 소프트웨어 프로그램의 순서도이다.

도 5 내지 도 9는 여러 형태의 용접 프로세스에 있어 본 발명의 실시 형태를 보여주기 위한 일련의 전류 및 전압 그래프이다.

도 10은 본 발명에 의해 생성된 기본 제어 신호(dV/dI)를 구하기 위한 변형된 방법의 블록 다이어그램이다.

도 11은 본 발명을 실시하는데 사용된 기본 제어 신호(R_z)를 구하기 위한 또 하나의 실시예를 도시한 블록 다이어그램이다.

도 11a는 도 11에 도시한 실시예에 의해 구한 변동의 일부를 나타내는 그래프이다.

도 12는 오퍼레이터의 개재 없이 신호(R_z)를 사용하여 아크 길이를 일정하게 유지하기 위한 소프트웨어 시스템의 블록 다이어그램이다.

도 13은 오퍼레이터의 개지를 수반하여 신호(R_z)를 사용하여 아크 길이를 일정하게 유지하기 위한 소프트웨어 시스템의 블록 다이어그램이다.

도 14는 경험적인 변경에 의해 도 12의 시스템을 간략화 하는 소프트웨어 시스템의 블록 다이어그램이다.

본 발명은 아크의 저항을 대표하지만, 용접 전류에 어떠한 영향을 미치지 않는 신규의 제어 신호를 만들기 위한 변수를 측정함으로써 아크 용접 프로세스를 제어하는데 있어서 종래의 문제점을 해결하였다. 결과적으로, 본 발명을 이용하여 만든 제어 신호는 용접 전류에 기초한 제어와 관련한 많은 변수에 의해 영향을 받지 않는다. 본 발명에 따르면, 용접 전류에 대한 용접 전압의 미분 계수는, 용접 프로세스 중에 아크 길이 등의 용접 조건을 일정하게 유지하기 위한 제어 신호로서 사용되는 변수의 값을 제공하기 위해 측정된다. 용접 전류에 대한 용접 전압의 미분 계수는 단순히 전압을 전류로 나누어 구한 부하(load) 저항과는 완전히 다른 새로 만든 신규의 제어 변수이다. 이러한 신규의 변수는 용접 프로세스의 제어용 신호를 만들기 위해 전기 아크 용접에서 현재까지 사용되거나 또는 새로 만들어진 적이 없었다.

본 발명은 기본적으로 아크 길이를 선택된 거리로 일정하게 유지하기 위한 실시간 제어 신호를 발생할 수 있는, 용접 프로세스의 특성을 나타내는 변수에 관한 것이다. 전극 스틱아웃(ESO)과 아크 길이를 합한 거리는 접촉 선단에서 가공물까지의 거리(CTWD)와 동일하다.

용접 프로세스의 아크 전압(V_arc)은 상수 B에 아크 길이 L_arc 를 곱한 값에 상수 A를 더한 것과 동일한 성분을 포함한다. 제1의 상수(A)는 캐소드 플러스 애노드와 캐소드 전압 강하에서의 워크 함수(work function)이다. 애노드와 캐소드 전압 강하는 철 재료의 경우 약 4.15 볼트인 것으로 알려져 있다. 본 발명의 양호한 실시예는 강을 용접하기 위한 프로세스이지만, 다른 금속 예컨대 알루미늄도 본 발명을 이용하여 용접 가능하다. 따라서, 애노드 강하 및 캐소드 강하는 8.3 볼트와 동일한 상수이다. 워크 함수는 캐소드 현상이며 통상 약 3.7이다. 결국, 아크 전압을 제공하는 공식에 적합한 제1의 상수(A)는 일반적으로 12.0, 즉 8.3 + 3.7 이다. 아크 길이(L_arc)에 의해 곱해지게 될 제2의 상수(B)는 용접 프로세스에서 사용될 차폐 가스에 관한 것이다. 아르곤 85% 와 이산화탄소 15% 로 합성된 가스의 경우, 이 상수는 18.7이다. 결국, 아크 전압(V_arc)은 아크 길이(L_arc)(단위, 센티미터)를 곱한 제2의 상수(18.7)와 제1의 상수(12.0)를 더한 값에 따라 변한다. 아크 전압(V_arc)의 다른 성분은 용접 전류(I_a)에 아크 저항(R_arc)을 곱한 것이다. 즉, 요약하자면 V_arc= BL_arc+ I_aR_arc이다. 그 결과, V_arc를 알고 있을 경우, 적절한 알고리즘을 사용하여 아크 길이를 결정한다. 그 다음, 아크 길이를 일정하게 유지할 수 있다. 용접 전류(I_a)를 감지할 수 있기 때문에, 아크 저항(R_arc)만이 미지수가 된다. 본 발명은 신호 아크 저항을 대표하는 신호를 제공한다. 따라서, 아크 길이는 아크 저항을 대표하는 신호 또는 값을 밝혀내려는 본 발명을 사용함으로써 일정하게 유지할 수 있다.

본 발명에서는, 신규의 변수 즉, 전류에 대한 전압(dV/dI)이 아크 길이를 일정하게 유지하는 데 사용하기 위한 아크 저항을 대표하는 제어 신호로서 사용된다. 이러한 미분 함수는 아크 자체의 저항과 관련이 있다. 실제로, 이것은 CTWD 양단에서의 총저항(R_ESO + R_arc)과 관련이 있다. R_ESO의 상대 크기가 작기 때문에, 본 발명의 dV/dI 신호는 아크 용접 프로세스에서 아크 저항을 기본적으로 대표한다. 이 신호는 실시간에 기초하여 용접 전압을 용접 전류로 단지 나눔으로써 구한 부하 저항과 동일한 것은 아니다. 본 발명은 전류와 완전히 무관한 저항 함수를 부여하기 위해 전류에 대한 전압의 미분 계수를 감지하는 개념을 채택하고 있다. 이러한 변수는 아크의 길이를 일정하게 유지하는 것뿐만 아니라 아크 양단의 전압을 결정하기 위해 사용된다.

본 발명에 따르면, 용접 전압 및 용접 전류를 갖는 전기 아크 용접 프로세스에 사용하기 위한 실시간 제어 신호를 발생시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 제어 신호를 발생시키기 위해 용접 전류에 대해 용접 전압의 미분 계수를 결정하는 단계를 포함한다. 이 제어 신호는 전압을 전류로 나누는 것을 포함하고 있기 때문에 저항 혹은 임피던스로 칭해진다. 따라서, 신규의 제어 신호는 아크 저항의 크기에 따라 변하고, 아크의 전압에 직접적인 상호 관계를 갖는 것으로서 사용된다. 유사 저항["증가 저항(incremental resistance)"]은 제어 신호이며 본 발명의 기본 개념인 신규의 변수를 구성한다. 이 제어 신호는 아크 길이의 값이 더해질 값을 구하도록 실제 용접 전류를 곱하여 아크 양단의 전압을 대표하는 신호 레벨을 구한다. 공지의 제어 기능은 다음과 같다. 즉, 제1의 항(a)은 제1의 상수(철 금속에 대해, 약 8-20, 12)의 합이고, 제2의 상수(90% 아르곤, 10% CO₂에 대해 약 10-35, 18.5) 곱하기 길이(L_arc)는 제2의 항(b), 즉 아크 전압 마이너스 용접 전류 곱하기 아크 저항인 제2의 항과 비교하여 (c) 아크 길이를 일정하게 유지한다. 본 발명은 아크 저항에 따라 변화거나 혹은 그것을 대표하는 제어 신호를 만듦으로써 상기 제어 기능을 행할 수 있게 해준다. 아크 길이를 일정하게 유지하기 위한 이들 제어 시스템은, 용접 프로세스에서의 총 전류에 대해 용접 프로세스에서의 총 전압의 미분 계수로 신규의 제어 신호를 만드는 본 발명에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 하나의 태양에 따르면, 본 발명의 주요한 특징을 구성하는 미분 계수는 용접 전류의 미소한 변동(dither)에 의해 구해진다. 변동 패턴은 용접 회로의 "증가 임피던스" 혹은 "증가 저항(R_z)" 을 결정하기 위해 용접 전류에 인가된다. 변동 이전에 전압 및 전류가 감지된다. 그 다음, 변동 패턴은 전류를 증가시키고 시간 지연을 위해 대기한다. 이러한 지연은 유도 리액턴스에 의해 야기된 왜곡을 제거한다. 전압 및 전류는 다시 측정되고 기록된다. 판독된 전압간의 차를 계산하고, 또 판독된 전류간의 차를 계산하여 전압차를 전류차로 나눔으로써 전류에 대한 전압의 미분 계수를 구한다. 전압과 전류간의 미분 관계를 사용함으로써, 전류차는 매우 작고, 그 결과의 미분값이 일반적으로 0.005-0.075 오옴의 범위에 있기 때문에 높은 리솔루션 회로(resolution circuit)가 사용된다. 또한, 전압차도 매우 작고, 일반적으로 0.15 내지 2.0 볼트 범위이다. 그 결과, 높은 리솔루션은 감지를 위해 사용된다. 그러나, 증가 임피던스의 값이 미분 측정치이기 때문에, 절대적인 정확성은 중요하지 않다. 따라서, 높은 리솔루션은 필요하지만 그 데이터 값의 정확성은 중요하지 않다. 큰 값의 전류 변동은 또한 아크 길이에 영향을 미치기 때문에, 변동은 아크 길이에 영향을 미치지 못하도록 낮은 퍼센트의 용접 전류로 제한된다. 실제로, 전류의 변동은 용접 프로세스에서 사용되는 전류의 약 10% 미만이며, 일반적으로 그 전류의 약 5% 미만이다. 비록 미분 계수는 전류의 증가 전후의 전압 및 전류를 측정하기 위해 전류를 단지 증가시킴으로써만 구할 수 있지만, 본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 전류는 제2의 전압 및 전류 측정에 앞서 증가된다. 그 후, 전류는 제3의 측정을 제공하기 위해 용접 전류 이하로 감소된다. 이러한 측정에 후속하여, 전류는 제4의 측정을 위해 용접 전류까지 다시 상승하게 된다. 결국, 하나의 전류 변동 패턴을 위해 수집된 3개의 별도의 차이값을 제공하기 위해 4회의 전압 및 전류 판독이 존재한다. 제2의 차이값은 변동 패턴에 의해 야기된 제1의 또는 최종 전류차 보다 상당히 더 큰 전류 변화에 기초를 두고 있다. 3세트의 차이값을 구하고, 이들을 나누어 미분 계수를 제공한 다음 그 미분 계수의 합을 3으로 나누어 평균을 냄으로써, 더욱 양호한 대표성을 갖는 실제 미분값 혹은 제어 신호를 구하게 된다.

증가 임피던스(R_z)를 구하기 위한 양호한 방법은 전류 파형을 요동시키기 위해 용접기의 전원 제어 시스템을 사용한다. 그 결과의 전압 및 전류 데이터를 측정하여 전술한 방법으로 dV/dI 를 구한다. 변형례로서, 전원 자체가 전류 파형을 요동시킨다. 그 결과의 전압 및 전류 데이터를 측정하여 dV/dI를 구한다. 또 다른 실시예에 따르면, 전류 혹은 전압에 관계되는 신호, 예컨대 PWM 제어식 용접기에서 펄스 폭으로의 입력 등과 같은 신호를 요동시키기 위해 사용된다. 그 다음, 그 결과로 생긴 전압 및 전류 데이터를 측정한다. 또 다른 실시예에서는 전류 혹은 전압에 요동을 부여하기 위해 높은 전원의 함수 발생기 등의 외부 회로를 사용한다. 그 결과로 생긴 전압 및 전류 데이터를 측정하여 dV/dI를 구한다. 본 발명의 또 다른 실시예는 아크로부터 전류의 일부를 단락시키기 위해 사용되는 높은 전원의 트랜지스터 등의 외부 회로를 가지고 전원의 출력을 요동시킨다. 그 결과로 생긴 전압 및 전류 데이터를 측정하여 dV/dI를 구한다. 비록 본 발명에 사용된 차이값을 구하기 위해 양호한 실시예는 전류 혹은 전압 중 하나의 갑작스런 증가 및 감소를 포함하고 있지만, 요동의 타이밍이 미분 신호 dV/dI 를 만드는데 중요하지 않기 때문에 사인파 혹은 다른 임의의 파를 가지고 떨리게 할 수 있다. 각각의 측정 이전에 시간 지연이 존재하므로 유도성 리액턴스가 측정 결과에 에러를 유발하지 않는다. 전압차는 전류가 안정된 후에 감지된다. 안정을 위한 시간은 일반적으로 50-100 마이크로세컨드 범위에 있다는 것이 밝혀졌다. 최소 지연이 존재하고, 상대적으로 긴 지연은 부적절하다.

본 발명의 변동 패턴을 수집하는 복합 데이터에서, 전류는 양으로 전이한 다음 음으로 전이한다. 이는 변동에 의해 야기된 아크 길이의 미소하고 순간적인 변화를 균형 잡는데 도움이 된다. 전이의 동등한 양 및 음의 트랜지션(transition)은 전원의 출력을 균형잡기 때문에 용융 비율이 전류 변동에 의해 영향을 받지 않는다. 변동 패턴의 제2의 전류 전이는 일반적으로 제1의 전류 트랜지션의 2배이다. 이는 수집한 데이터 값을 배가시켜 양호한 리솔루션을 제공하게 된다. 3회의 연속한 미분을 사용함으로써, 더욱 일관된 제어 신호가 발생한다. 실질적으로 전압 및 전류 측정은 각각 약 10 밀리세컨드 걸린다. 이러한 타이밍은 대부분의 파형을 제어 파형으로 변경시키지 못한다. dV/dI 데이터는 전극 스택아웃과 아크 길이를 평가할 목적으로 추출된다.

전술한 바와 같이, 많은 제어 메커니즘이 전원의 출력을 요동시킬 수 있으며, dV/dI를 구하기 위해 필요한 데이터를 측정한다. 대부분의 고속 용접의 전원은 벅 컨버터(buck converter) 혹은 DC-DC 컨버터 등의 전원 장치의 스위칭에 기초를 두고 있다. 스위칭 노이즈의 샘플링을 필요 없게 하는 특수한 회로를 사용하지 않을 경우, 스위칭 소음은 용접 전류 및 전압의 정확한 측정을 매우 어렵게 만든다. 고속 스위칭 전원 장치를 사용할 때 dV/dI 측정을 행하기 위한 양호한 방법은 상기 요동을 제어하고 또 전원 장치의 스위칭과 동시적으로 필요한 데이터를 측정하기 위해 특수하게 설계된 고속 내장형 제어 알고리즘을 사용하는 것이다. dV/dI의 측정이 요구될 때에는, 주요 용접 전원 장치는 내장 알고리즘으로 제어를 패스시킨다. 내장 알고리즘은 전술한 시퀀스에 전류를 옮기고, 전원 장치에서 동력 반도체의 스위칭 동안 그 데이터를 정확한 시간에서 측정한다. 일단 데이터를 구하면, 제어는 주요 용접 제어 시스템으로 다시 패스된다. 내장된 제어 시스템의 실시는 디지털 신호 프로세스, 프로그램 가능한 게이트 어레이 혹은 마이크로프로세스에 의해 행해진다. 물론, 변형된 방법으로도 전류 변동을 얻을 수 있고, 또 본 발명을 실시하기 위해 데이터를 수집할 수도 있다.

dV/dI 제어 신호를 실시간 함수로서 구하기 위해, 전류 혹은 전압을 요동시키고 또 상이한 시간에서 측정하여 미분값을 구한다. 양호한 리솔루션 및 방음은 한 스텝(step) 이상의 요동을 도입함으로써 구해진다. dV/dI 값은 요동 후 여러 dV/dI 측정의 평균인 제어 신호를 제공하기 위해 산출한다. 이러한 절차는 스프레이 이행, 펄스 이행, 단락 회로(사이클의 플라즈마 부분 동안), DC 및 AC 금속 용접 등의 아크를 이용하는 용접 프로세스에 적용할 수 있다. 이들 용접 프로세스 각각은 아크를 통해 프로세스화된 전류를 가지며, 이 전류는 미리 선택된 아크 길이 혹은 용접 프로세스의 다른 변수를 일정하게 유지하는 데 사용하기 위한 증가 임피던스 혹은 저항(R_z)을 만들기 위해 떨리게 된다.

본 발명의 제1의 목적은 전기 아크 용접 프로세스에서 사용되고, 전류에 대한 전압의 미분 계수인 제어 신호를 만들기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다. 이 제어 신호는 용접 프로세스의 피드백 루프 제어를 위한 다른 변수를 구하기 위해, 주로 선택된 아크 길이를 일정하게 유지하기 위해 사용된다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 바와 같은 방법 및 시스템을 제공하는 데 있으며, 이 방법 및 시스템은 아크 길이 혹은 다른 변수를 일정하게 유지하기 위한 제어 함수를 정확하게 구하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전술한 바와 같은 방법 및 시스템을 제공하는 데 있으며, 이 방법 및 시스템은 전기 아크 용접 프로세스의 각종 변수를 정확하게 측정한다. 이들 변수는 종래의 제어에서 쉽게 구할 수 없었던 것이다.

이러한 목적 및 다른 장점은 첨부 도면을 참조하여 설명한 이하의 설명을 통해 명백해질 것이다.

첨부 도면은 본 발명의 양호한 실시예를 예시할 목적이고 그것을 한정하려는 의도가 아니며, 이 도면을 참조하면, 도 1에는 전기 아크 용접 프로세스(10)가 도시되어 있으며, 접촉 선단(12)은 개구(14)를 구비하며, 이 개구를 통해 강철 전극(E)이 철 가공물(WP)을 향해 전진한다. 양호한 실시예에 있어서의 용접 금속은 강철이지만, 알루미늄 등의 다른 금속의 용접에도 본 발명을 적용할 수 있다. 전극의 단부와 가공물 사이에 전기 아크(C)가 존재한다. 실제로, 전기 에너지는 아크(C)를 생성하여 전극의 단부를 용융시켜 스프레이 이행, 단락 이행 혹은 구상(球狀) 이행 중 하나의 금속 이행을 야기하기 위해 전극(E)을 통해 접촉 선단(12)에 의해 정향된다. 용접 프로세스에 있어서, 선단(12)과 가공물(WP) 간의 거리는 CTWD 이며, 이는 전기 스틱아웃(stickout: ESO)과 아크 길이(L_arc)의 합이다. 용접 전압(V_a)은 전극 양단의 전압(V_ESO)과 아크(C) 양단의 전압(V_arc)으로 구분된다. 이들 변수들은 전기 아크 용접 기술에서 표준이며, 본 발명을 설명하기 위해 사용된다. 용접 프로세스에서, 전극(E)은 도 1에 도시된 바와 같이 용접 전류(I_a)로 I²R 만큼 가열된다. 가열은 길이(ESO)를 따라 균일하게 행해진다. 전극 가열은 아크(C)에 의해 발생된 IV 가열과 완전히 상이하다. 아크 가열은 통상적으로 전극(E)의 단부로부터 용융된 금속의 총 가열의 75-80%에 해당한다. 용융은 전극의 단부에서 일어나며, 이 단부는 장벽(20)을 구비하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 장벽은 전극(E)을 아크(C)로부터 발생된 열로부터 차단시킨다. 공지된 바와 같이, 온도가 증가함에 따라 저항은 증가하지만, 전극(E)의 잔여부의 저항은 어느 정도 일정한 상태로 남게 된다. 열전도 및 비열은 또한 온도의 증가와 함께 상승한다. 따라서, 장벽(20)은 아크를 전극으로부터 차단시키며, 또 전극(E)이 전진함에 따라 금속을 용융시키기 위해 상당한 열 증대가 일어나는 매우 얇은 층이다. 용접 전압(V_a)은 상수 A에 의해 영향을 받는데, 이 상수는 캐소드 혹은 가공물(WP)의 워크 함수와, 또 정상적인 애노드 혹은 케소드 전압(모두 약 4.15 볼트)에 관계된다. 실제로 강철을 용접할 경우 이 상수 A는 약 12이다. 상수 A를, 차폐 가스의 형태와 관련되는 상수 B에 길이(L_arc)를 곱한 값에 더한다. 이러한 관계(A + BL_arc)는 용접 전류를 아크 저항(R_arc)에 곱한 값으로 더하여 아크 전압을 대표하는 값을 부여하게 된다. 아크 전압은 용접 전압(V_a)과, 용접 전류(I_a)와 스틱아웃의 저항(R_ESO)의 곱인 전압(V_ESO)의 합이다. 스틱아웃의 저항(R_ESO)은 작기 때문에 V_arc는 대개 V_a로 된다. 이러한 수학적 관계로 인해, 아크의 길이는 V_a, I_a및 아크 저항을 모니터함으로써 일정하게 유지할 수 있다. 본 발명은 일반적으로 아크 저항을 나타내는 어떤 값을 만들기 위해 사용한다. 수학적 관계(V_arc= A + BL_arc+ I_aR_arc)는 본 발명에 따라 개발된 변수 혹은 신규의 제어 신호를 사용하기 위해 적용된다. 이 제어 신호는 증가 저항(R_z)으로 일컫는 변수인 계산된 미분 변수(dV/dI)이다. 증가 저항 혹은 증가 임피던스(R_z)는 아크 저항(R_z)에 적은 전극 저항(R_ESO)을 더한 것과 관계가 있으며, 그러나 이는 용접 전압을 용접 전류로 나눔으로써 결정되는 부하(load) 저항은 아니다. 아크 전압(V_arc)은 직접 측정할 수 없다. 그러나, 전압(V_a)은 측정할 수 있고, 전류(I_a)에 R_ESO 를 곱하여 V_arc 를 더한 값과 동일하다. V_a= V_arc + I_aR_ESO따라서, 대수학적으로 치환하면 V_a= A + BL_arc+ I_a[R_arc+ R_ESO)]와 같다.

실제로 디지털 수인 새로운 신호(dV/dI)를 제공하기 위해, 여러 소프트웨어 회로를 사용한다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 소프트웨어 회로는 도 3에 도시된 전류 요동을 생성하기 위해 사용된다. 이 실시예에서, 용접기(30)는 전극(E)과 가공물(WP)의 양단에 용접 전압(V_a)을 생성한다. 실질적으로, 아크 전압은 도 1에 도시된 바와 같이 선단(12)과 가공물(WP)의 양단에 인가된다. 따라서, 이러한 전압과 용접 전류(I_a)를 생성하도록 전극(E)과 가공물(WP)의 양단에 연결된 출력 리드선(42, 44)을 갖춘 전원 장치(40)가 제공된다. 전원 장치의 입력은 3상 입력 라인(52)에 연결된 정류기(50)이다. 전원 장치는 고주파수의 스위칭 인버터이며, 용접 전류의 파형은 펄스 폭 변조기(60)의 출력 라인(62) 내의 신호에 의해 결정된다. 변조기는 출력(72a) 및 입력(72b, 72c)을 갖는 에러 증폭기(72)의 명령하에서 파형 회로(70)에 의해 제어된 전압 레벨 혹은 신호를 갖는 입력 라인(64)을 구비한다. 입력(72b)은 명령 전류 신호(I_c)이다. 입력(72c)은 전극(E)을 통해 용접 작업 중에 가공물(WP)로 통하는 용접 전류(I_a)이다. 순간적인 혹은 실시간의 용접 전압을 측정하기 위해, 표준 절차에 따라 평행하게 횡단하는 리드선(42, 44)에 연결된 입력 리드선(82, 84)을 갖는 센서(80)가 마련된다. 이와 유사한 방법으로, 센서(90)는 리드선(94, 96)을 경유하여 분로(92)로부터의 용접 전류(I_a)를 감지한다. 전술한 바와 같이, 용접기(30)는 표준 용접 절차에 따라 작동하며 스프레이 용접, 단락 용접, 구상 용접, DC 용접 혹은 AC 용접을 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 의해, 용접 전류(I_a)에 대한 용접 전압(V_a)의 미분 계수인 새로운 제어 신호가 개발되었다. 용접 전류 및 그 결과물인 용접 전압은 도 3에 도시되어 있다. 미분 계수 신호를 구하기 위하여, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 시스템이 도 2에 도시되어 있다. 강제 전류 변동 패턴(100)은 동반 전압 패턴(100a)을 생성한다. 패턴(100)은 시간 T1에서 전압 레벨(110a)에 상응하는 제어된 레벨(110)로부터 전압 레벨(112a)에 상응하는 새로운 레벨(112)로 증가하는 용접 전류(I_a)를 포함한다. 이 새로운 레벨은 전류 레벨(110)의 10% 미만이며, 양호하게는 그 레벨(110)의 5% 미만이다. 미분 계수 신호의 값(dV/dI)은 라인(110b)에 표시된 바와 같이 시간 T1 이전에 포인트 1에서의 전압(V_a) 및 전류(I_a)와, 라인(112b)에 표시된 바와 같이 시간 T2 이전에 포인트 2에서의 전압 및 전류를 결정함으로써 이러한 변동으로부터 구할 수 있다. 이들 두 전압 및 전류를 뺀 다음 전압차를 전류차로 나눈다. 포인트 2에서의 레벨(112) 측정은 시간(T1)과 라인(112b) 사이의 100 마이크로세컨드로 표시된 시간 지연 후에 행해진다. 이는 유도성 리액턴스에 의해 야기된 전압이 포인트 1과 포인트 2 사이에서의 전압 및 전류의 판독을 취하기 전에 분산되도록 해준다. 시간 T2 에서, 용접 전류는 레벨(114)로 감소하고, 이 레벨은 일반적으로 시간 T1 에서 증가 전류의 크기와 동일한 크기만큼 레벨(110) 아래에 있다. 낮은 레벨(114)은 도 3에 도시된 바와 같이 전압(114a)에 대응한다. 시간 T3 바로 이전에, 라인(114b)에 표시된 바와 같이 포인트 3에서 제3의 전압 및 전류 측정을 행한다. 그 후, 전류는 최초의 레벨(110)에 상응하는 레벨(116)로 상승한다. 시간 지연 후, 다시 약 10 마이크로세컨드 지연 후에 제4의 측정이 포인트 4에서 행해진다. 포인트 1과 포인트 2간의 차, 포인트 2와 포인트 3간의 차, 그리고 포인트 3과 포인트 4간의 차를 측정함으로써, 동일한 제어 신호의 개별적인 3번의 판독이 행해진다. 이들 3번의 판독을 기록하여 더하고 3으로 나누어 최종 미분 계수의 변수 혹은 dV/dI 에 상응하는 신호를 산출한다. 이러한 신규의 변수 혹은 신호가 본 발명의 사용에 의해 구한 신규의 제어 신호이다. 임의의 시간이 경과한 후, 또 다른 변동 패턴(100)이 변수 혹은 신호 dV/dI의 후속의 판독을 위해 행해진다. 패턴(100)을 주기적으로 실시간을 기준으로 반복하여 용접 프로세스를 제어하기 위해 미분 계수의 값 혹은 신호를 생성한다.

도 2에 도시된 블록 다이어그램을 다시 참조하면, 패턴(100)은 라인(122)에서 전압 신호에 의해 동작할 때 이 패턴을 생성하는 신호 발생기(120)에 의해 펄스 폭 변조기(60)를 오버라이드함으로써 야기된다. 이 신호는 라인(124)을 경유하여 펄스 폭 변조기(60)로 향하는 제2의 입력으로서 사용된다. 신호 발생기(120)가 개시될 때마다, 변동 패턴(100)은 펄스 폭 변조기에 의해 실행된다. 신호 발생기를 동작시키기 위해, 하나의 단락(134)을 주기적으로 작동시키기 위해 업카운팅 카운터(132)를 구동하는 진동자(130)가 제공된다. 이 진동자 및 카운터는 수초마다 매번 주기적으로 반복되는 패턴(100)으로 프로그램 된다. 따라서, 라인(122)에서의 신호는 전류(I_a)의 변동 패턴(100)을 반복하기 위해 생긴다(10 밀리세컨드). 포인트 1, 2, 3, 4에서, 라인(150)에 신호가 나타나게 되며, 이는 용접 전압(V_a)이 블록(154)에 의해 판독될 수 있게 해주고, 용접 전류(I_a)가 블록(154)에 의해 판독될 수 있게 해준다. 그 다음, 이들 2개의 값은 블록(160)으로 표시된 바와 같이 미분 계수를 부여하기 위해 나누어진다. 각각의 미분 계수의 측정이 블록(162)에 표시된 바와 같이 저장되어 그 미분 계수는 제어 신호(R_z)를 부여하기 위해 블록(164)에 의해 표시된 바와 같이 평균을 낼 수 있다. 패턴(100)에서, 3번의 판독이 행해진다. 이들 3번의 판독은 저장된 다음 도 2에 도시된 바와 같이 제어 신호(R_z)인 미분 계수의 신호(dV/dI)를 만들기 위해 평균을 낸다. 이 신호는 일반적으로 단지 1회의 dV/dI 계산에 의한 신호와 동일하다.

여러 개의 제어 신호 혹은 증가 저항(R_z)의 평균을 내기 위한 소프트웨어 프로그램은 도 4에 대략적으로 도시되어 있으며, 이 프로그램은 도 3에 도시된 변동 패턴(100)을 생성하도록 도 2에 도시된 시스템에 의해 산출된 데이터를 처리하기 위한 것이다. 이 프로그램에서, 마이크로프로세스 혹은 다른 제어 장치는 블록(200)으로 표시된 바와 같이 포인트 1에서 용접 전압 및 용접 전류를 판독한다. 이 데이터는 블록(202)으로 표시된 바와 같이 저장된다. 그 후, 블록(204)으로 표시된 바와 같이, 포인트 2에서의 용접 전압 및 전류는 판독되고 블록(206)에 표시된 바와 같이 저장된다. 이와 유사한 방법으로, 블록(208)으로 표시된 바와 같이, 포인트 3에서 용접 전압 및 전류는 판독되고, 블록(210)에 표시된 바와 같이 저장된다. 포인트 4에서의 최종 변동 판독은 블록(212)에 의해 표시된 바와 같이 전압 및 전류를 위해 판독되고 블록(214)에 의해 표시된 바와 같이 저장된다. 그 다음, 프로그램의 알고리즘은 220에서 설명된 바와 같은 기능을 행하며, 여기서 제1의 미분 계수(dV/dI)와 일치하는 디지털 수가 계산된다. 이 수는 아날로그일 경우 신규의 제어 신호가 된다. 그 후 미분 계산을 2회 반복한다. 이들 미분 계산의 값(디지털 혹은 아날로그, 이들 모두는 실질적으로 동일해야 함)은 블록(220)에 표시한 바와 같이 더해진다. 그 다음 전체의 값을 블록(222)에 표시된 바와 같이 3으로 나누어 라인(224)에서의 평균 dV/dI 또는 R_z을 생성한다. 이는 용접기(30) 혹은 다른 종류의 용접기를 제어하는데 사용하기 위해 미리 3회 측정한 제어 신호의 평균인 제어 신호이다. 변동 패턴(100)은 본 발명의 양호한 실시예에 사용되기 때문에, 평균을 내는 프로세스는 3개의 제어 신호(R_z)의 결정을 필요로 한다. 물론, 제어 신호의 어떤 수를 합한 다음 평균을 낼 수 있다.

신규의 제어 신호(R_z)는 용접 사이클 중에 소모성 전극 및 아크를 사용하는 모든 용접 방법으로 구할 수 있다. 이러한 프로세스에서, 용융된 금속을 가공물상에 용착시키기 위해 전극의 단부를 용융시키기 위한 전기 스틱아웃 및 아크가 존재한다. 변동 패턴(100) 중에 미소한 전류 변화는 전극 용융에서 변화가 없는 단시간 동안에 일어난다. 실시간 제어 신호(R_z)의 광범위한 응용례들이 도 5 내지 도 9에 도시되어 있다. 예컨대, 도 5에 도시된 전류 및 전압을 갖는 스프레이 용접 프로세스의 경우, 변동 패턴(230)이 주기적으로 용접 전류에 생성된다. 이 패턴은 용접 전압에서 대응하는 변동 패턴(230a)을 생성한다. 전류에 대한 전압의 미분 계수는 그 다음 제어 신호 혹은 증가 저항(R_z)을 만들기 위해 이용할 수 있다. 이와 유사한 방법으로, 펄스 용접 프로세스에서는 백그라운드 전류 및 도 6에 도시된 바와 같은 피이크 혹은 펄스 전류가 존재한다. 이는 아래의 그래프에 도시된 유사한 전압 곡선을 만든다. 백그라운드 전류에서는, 가공물로의 전극의 충분한 이행이 존재하지 않지만, 변동 패턴(240) 및 이에 대응하는 변동 패턴(240a)이 만들어진다. 이렇게 만들어진 변동 패턴은 미분값 혹은 신호(dV/dI)의 발생을 허용한다. 보다 중요하게, 피이크 전류의 펄스 동안에, 그 전압에서의 변동 패턴(242a)에 대응하는 변동 패턴(242)이 만들어진다. 또한, 피이크 전류에 대한 증가 저항의 값(R_z)이 구해진다. 이는 아크 길이를 일정하게 유지하기 위해 사용할 수 있다. 도 7을 참조하면, 단락 용접 전류 및 전압이 도시되어 있다. 사이클의 아크 혹은 플라즈마 부분 동안, 변동 패턴(250)이 용접 전류에서 생긴다. 이는 그 전압에서 대응하는 변동 패턴(250a)을 부여한다. 용접 사이클의 단락 부분(252) 동안에는 아크가 존재하지 않기 때문에 측정이 존재하지 않는다. 미국 오하이오주 클리버랜드 소재의 링컨 일렉트릭 컴패니에 의해 개발된 STT 용접 사이클은 또한 본 발명에서 백그라운드 전류 동안 그리고 플라즈마 부스트(boost) 동안 사용될 수 있다. 이 때, 전류는 일정하게 유지된다. 그러나, STT의 단락 부분 동안, 전류는 일정하게 유지되지 않기 때문에 떨리지 않을 수 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명은 전류가 일정하게 유지되고 떨릴 수 있는 아크를 이용하는 모든 타입의 용접 사이클에 적용할 수 있다. 이는 전류 변동 패턴(260)이 대응하는 전압 변동 패턴(260a)을 생성하는 일정한 전류 혹은 전압 용접 사이클인 도 8에 더욱 상세히 도시되어 있다. 일정한 전류 커브는 도 5에 도시된 스프레이 용접에 해당하는 커브와 유사하다. AC 용접 작업에서, 전류는 일반적으로 일정하게 유지되지만 도 9에 도시된 바와 같이 정반대의 극성으로 되어 있다. 양극성 동안, 변동 패턴(270)이 상기 전류에서 생성되며, 그 결과 상기 전압에서 대응하는 변동 패턴(270a)이 생긴다. 음극성 동안, 변동 패턴(272)이 상기 전류에서 생성되며, 그 결과 상기 전압에서 변동 패턴(272a)이 생긴다. 도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 여러 가지의 일반적인 용접 프로세스 동안 전류 및 전압은 신규의 제어 신호 혹은 증가 저항(R_z)의 광범위한 응용례를 보여주기 위해 제공되었다. 물론, 사이클의 일부 동안 전류가 일정한 다른 전기 아크 용접 프로세스에도 본 발명을 적용할 수 있으며, 여기서 전극은 소모성이며 전극의 저항보다 일반적으로 약간 높은 아크 C에서의 저항을 갖는다.

본 발명을 실시할 때, 전압 및 전류의 미분 계수는 제어 신호로서 구해진다. 여러 시스템들이 미분값을 구하기 위해 사용될 수 있다. 도 2는 하나의 시스템을 도시하는 반면, 도 10 및 도 11은 미분값을 구하기 위한 다른 시스템들을 도시하고 있다. 도 10에 있어서, 전원 장치(40)는 출력 리드선(42, 44)의 양단에 연결된 함수 발생기(400)를 포함한다. 함수 발생기는 전원 장치의 양 출력단에 전류 변동을 발생하며, 여러 개의 특수한 측정 포인트를 만들기 위해 소망하는 특정의 변동을 생성하기 위한 시간을 정한다. 발진기(402)는 카운터(404)를 구동한다. 라인(406) 상의 카운터의 출력은 센서(80, 90)로부터의 전압 및 전류의 값이 블록(410)에 의해 표시된 바와 같이 각각 판독 및 저장될 때의 실례를 표시한다. 그 다음, 라인(224)에서 제어 신호(R_z)를 산출하기 위해 블록(222)에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 이러한 값들의 평균을 낸다. 이와 유사한 방법으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 카운터(420)는 스위치(450)의 케이트 드라이브(424)를 제어하는 라인(422)상의 일련의 신호를 산출하기 위해 진동자(420a)에 의해 구동된다. 이는 레지스터(452)를 통해 아크로부터 아크 전류(I_a)의 일부를 주기적으로 단락시킨다. 이러한 변동 패턴은 단지 2개의 전류 레벨을 구비한다. 이는 도 11의 우측에 확대한 커브로서 도 11a에 도시되어 있다. 스위치(450)가 작동할 때, 전류는 프로세스 용접 전류로부터 낮은 레벨(460)로 감소된다. 전압 및 전류는 포인트 1 및 포인트 2에서 블록(410)에 의해 판독된다. 이는 제어 신호(dV/dI)이다. 이들 신호의 대부분은 직렬로 생성되며, 라인(472)에서 제어 신호(R_z)를 산출하도록 블록(470)에서 표시된 바와 같이 이들의 평균을 낸다. 증가 저항(R_z)으로 언급되는 제어 신호(dV/dI)를 디지털적으로 결정하기 위해 다른 장치를 사용할 수 있다. 이 신호는 아크에서 저항과 관련된다.

다양한 시스템 및 소프트웨어 구성이 제어 신호(R_z)를 구하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 제어 신호는 실시되는 용접 프로세스에 대한 제어 신호 혹은 명령 신호를 구하기 위해 다른 여러 변수와 함께 취급될 수 있다. 미분 제어 신호의 실시간 발생은 용접 분야에서 특이한 것으로 다양한 용도에 적용되며, 이들 용도 중 몇 몇은 용접 프로세스에서dV/dI를 구하는데 큰 장점을 예시하는 본 명세서에 기재되어 있다. 본 명세서에 기재된 신규의 제어 신호의 사용은 완전한 것은 아니다. 신규의 제어 신호의 다른 용례는 당업계에 잘 알려져 있다. 본 발명은 수학적으로 이루어진 구성을 이용하는 제어 시스템 또는 경험적인 변형에 의해 간략화된 그러한 시스템에 사용된다.

도 12에는 본 발명에 따라 아크 길이를 일정하게 유지하기 위해 사용되는 제어 시스템이 도시되어 있다. 아크 길이(L_arc)의 조절은 제어 신호(R_z) 혹은 dV/dI 에 대한 값을 구함으로써 가능해진다. 용접 전압(V_a)은 전극 전압(V_ESO) 더하기 아크 전압(V_arc)이며, 이 아크 전압(V_arc)은 다음을 합한 것이다. 즉, (a) 제1의 상수 A(8-20), (b) 제2의 상수 B(10-35)에 아크 길이(L_arc)를 곱한 수, (c) 용접 전류(I_a) 곱하기 저항(R_arc). 아크 길이를 일정하게 유지함으로써, 아크 저항은 변하지 않으며, 저항의 합, 즉 [R_ESO+R_arc]는 아크 길이가 설정된 값으로 유지되기 때문에 아크 길이 제어 시스템에서 일정하게 유지된다. 전술한 바와 같이, 아크의 전압(V_a)은 V_ESO+V_arc이다. V_arc= A + B L_arc + I_a R_arc 이다. 따라서, V_a = A + B L_arc + I_a R_arc + V_ESO혹은 V_a = A + B L_arc + I_a [R_arc + R_ESO] 이다. 실제, dV/dI 는 [R_arc + R_ESO]과 직접 관련하여 변한다. 그 결과, V_a 는 dV/dI 에 따라 변한다. 결국, 제어를 위해, V_a 은 A + B L_arc + I_a dV/dI 와 같다. 이러한 관계는 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명을 이용하는 시스템(500)에 의해 아크 길이를 일정하게 유지하기 위해 사용된 제어 방정식이다. 용접 전압(V_a)은 필터(502)에서 여과되고, 곱셈 블록(504)에서 본 발명의 제어 신호(dV/dI)에 곱해진다. 이는 I_a dV/dI 와 일치하는 신호 레벨을 산출한다. 합계 접합점(508)에서 필터(506)에 의해 여과된 피드백 용접 전압(V_a)에서 디지털 포멧에서의 신호 레벨을 뺀다. 레벨 V_a- I_a dV/dI 는 합계 접합점 혹은 에러 증폭기(510)에서 실제 아크 길이(L_arc)에 따라 변하는 레벨 혹은 값과 비교된다. 이러한 아크 길이의 제어된 레벨은 A + B L_arc 이며, 여기서 실제 L_arc 는 블록(520)에서 제2의 상수 B(8-20)로 곱해지고 블록(522)에서 제1의 상수 A(10-35)에 더해진다. 라인(530)에 있는 에러 신호 혹은 레벨은 아크 길이(L_arc)를 유지하기 위해 표준 펄스 폭 변조기(540)를 제어한다. 시스템(500)은 아크 길이를 일정하게 유지하도록 신규의 제어 신호 R_z혹은 dV/dI 를 이용하기 위해 이제 실제로 사용된 제어 시스템이다.

도 12에 도시된 제어 시스템(500)은 아크 길이를 가공물(WP)로부터 전극(E)까지의 간격으로 일정하게 유지할 것이다. 이는 본 발명의 가장 중요한 용례이다. 그러나, 와이어 공급 속도(WFS)가 증가함에 따라, 전류(I_a)는 이러한 간격을 유지하기 위해 증가되어야 한다. 더 높은 전류는 가공물 상의 용접 퍼들(puddle)로 더 깊은 아크의 침투를 유발한다. 따라서, 아크 길이는 유지된 간격보다 더 크며, 이를 보상하기 위해 전극은 더 큰 스틱아웃으로 강제된다. 이러한 편차를 보상하기 위해, 오퍼레이터는 도 13에 도시된 바와 같이 이득(K₁)을 구할 수 있게 된다. 시스템(500')은 곱셈 블록이 오퍼레이터에 의해 조절된 이득(K₁)을 포함하는 것만 제외하고 시스템(500)과 유사하다. 이득(K₁)은 0.0 내지 2.0 사이에서 변할 수 있다. 통상적으로 오퍼레이터는 이득(K₁)을 약 0.2 내지 0.3으로 설정한다. 일정한 전압 용접 프로세스에 있어서, 이득은 일반적으로 0.0 이다. 아크 길이를 완전히 조절하였을 때, 이득은 높은 레벨 즉, 1.0 내지 2.0 이다. 실제로, 이득은 약 0.3이다.

도 12와 도 13에 도시된 실시예에 따른 시스템(500 및 500')의 간단한 변형례가 도 14의 소프트웨어 제어 시스템(600)에 의해 제공된다. 도 12의 블록(502, 504)과 도 13의 블록(502', 504')에 의해 제공된 제어 함수 K₁I_a dV/dI 는 용접 전류(I_a)의 사용을 피하기 위해 간소화될 수 있다. I_a dV/dI 는 K₃dV/dI + K₄ 와 같다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다. 여기서 상수 K₃,K₄ 는 실험을 통해 유도된다. 시스템(600)은 아크 길이를 일정하게 유지하며, 그 구성요소들의 도면 부호는 시스템(500)의 것과 같다. 구성 요소(502, 504)는 K₃와 dV/dI 를 곱하기 위한 블록(602)과 K₄를 더하기 위한 블록(604)으로 대체되었다. 아크 길이는 일정하게 유지된다. 실질적으로, 와이어 공급 속도는 아크 길이로 설정된 라인(610)이다. 테이블 찾기(620)로의 라인(610) 상의 WFS 값은 특정의 와이어 속도에 대한 상수 K₃,K₄를 실험적으로 구하기 위해 사용된다. 소프트웨어 시스템은 신규의 신호 dV/dI 를 이용하여 아크 길이를 제어한다. 알 수 있는 바와 같이, 다른 변형 및 제어 시스템이 특히 아크 길이를 일정하게 유지할 목적으로 신규의 제어 신호 dV/dI 를 사용하기 위해 수학적으로 혹은 실험적으로 개발될 수 있다.

Claims

용접 전압 및 용접 전류를 갖는 전기 아크 용접 프로세스에 사용하기 위한 실시간 제어 신호를 발생시키는 방법으로,

제1의 시간에서 아크 전압 및 아크 전류를 측정하는 단계와,

상기 아크 전압 혹은 아크 전류 중 하나를 약 10% 미만으로 순간적으로 변화시키는 단계와,

상기 변화 이후의 제2의 시간에서 상기 용접 전압 및 상기 용접 전류를 측정하는 단계와,

상기 제1의 시간 및 상기 제2의 시간 사이에서의 용접 전압차를 결정하는 단계와,

상기 제1의 시간 및 상기 제2의 시간 사이에서의 용접 전류차를 결정하는 단계와,

상기 제1의 시간 및 상기 제2의 시간 사이에서의 용접 전압차를 상기 제1의 시간 및 상기 제2의 시간 사이에서의 용접 전류차로 나눔으로써 상기 제어 신호를 대표하는 미분값을 산출하는 단계와,

상기 미분값에 의해 상기 제어 신호를 발생시키는 단계

를 포함하는 실시간 제어 신호 발생 방법.
제1항에 있어서, 연속한 시간에서 복수 개의 미분값을 산출하는 단계와, 상기 미분값의 평균을 내어 상기 제어 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제2항에 있어서, 상기 변화는 상기 용접 전류를 변화시키는 것에 의한 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제1항에 있어서, 상기 변화는 상기 용접 전류를 변화시키는 것에 의한 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제3항에 있어서, 상기 복수개는 적어도 3인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제2항에 있어서, 상기 복수개는 적어도 3인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제3항에 있어서, 상기 복수개는 3의 배수인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제2항에 있어서, 상기 복수개는 3의 배수인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
접촉 선단과 가공물 사이에 용접 전압을 발생시키고, 상기 선단으로부터 연장하는 전극을 통해 그리고 전기 아크를 통해 용접 전류를 발생시키기 위한 전원 장치와, 용접 전압을 감지하기 위한 센서와, 용접 전류를 감지하기 위한 센서와, 상기 용접 전압과 상기 용접 전류 중 하나 이상을 제어하기 위한 제어기를 구비하는 전기 아크 용접기에 사용되는 실시간 제어 신호를 발생시키는 시스템으로서,

제1의 시간과 그 다음 제2의 시간에서 용접 전압 및 용접 전류를 기록하는 디지털 장치와;

상기 용접 전류를 상기 제1의 시간과 상기 제2의 시간 사이에서 변화시키기 위한 제어 장치와;

상기 제1의 시간 및 제2의 시간에서 상기 용접 전압과 상기 용접 전류간의 차이를 측정하기 위한 디지털 장치와;

상기 제어 신호를 산출하기 위해 용접 전류차로 나눈 용접 전압차의 값을 측정하기 위한 미분 회로

를 포함하는 것인 시스템.
용접 전압 및 용접 전류를 갖는 전기 아크 용접 프로세스에 사용하기 위한 실시간 제어 신호를 발생시키는 방법으로,

제1의 시간에서 프로세스 용접 전압 및 프로세스 용접 전류를 측정하는 단계와,

용접 전류를 상기 프로세스 용접 전류보다 높게 증가시키는 단계와,

제1의 시간 지연 후 제2의 시간에서 용접 전압 및 용접 전류를 다시 측정하는 단계와,

용접 전류를 상기 프로세스 용접 전류보다 낮게 감소시키는 단계와,

제2의 시간 지연 후 제3의 시간에서 용접 전압 및 용접 전류를 측정하는 단계와,

상기 용접 전류를 상기 프로세스 용접 전류에 가깝게 증가시키는 단계와,

제3의 시간 지연 후 제4의 시간에서 상기 용접 전압 및 상기 용접 전류를 측정하는 단계와,

제2의 시간 및 상기 제3의 시간 사이에서의 상기 용접 전압차와 상기 용접 전류차를 결정하는 단계와,

상기 제어 신호를 발생시키기 위해 상기 전압차를 상기 전류차로 나누는 단계

를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제10항에 있어서, 상기 시간 지연 각각은 약 50 마이크로세컨드를 초과하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제10항에 있어서, 상기 제1의 시간 및 제2의 시간 사이에서 상기 아크 전압차 및 상기 아크 전류차를 결정하는 단계와, 상기 제3의 시간 및 제4의 시간 사이에서 상기 아크 전압차 및 상기 아크 전류차를 결정하는 단계와, 상기 아크 전압차를 상기 아크 전류차로 나누는 단계와, 상기 3개의 몫을 더하는 단계와, 상기 제어 신호를 발생시키도록 상기 값을 3으로 나누는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제12항에 있어서, 상기 시간 지연 각각은 약 50 마이크로세컨드를 초과하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제13항에 있어서, 전극 스틱아웃(stickout) 전류를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제어 신호를 프로세스 용접 전류로 곱하는 단계와, 상기 용접 프로세스의 전극 스틱아웃을 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제12항에 있어서, 전극 스틱아웃 전류를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제어 신호를 프로세스 용접 전류로 곱하는 단계와, 상기 용접 프로세스의 전극 스틱아웃을 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제11항에 있어서, 전극 스틱아웃 전류를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제어 신호를 프로세스 용접 전류로 곱하는 단계와, 상기 용접 프로세스의 전극 스틱아웃을 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제10항에 있어서, 전극 스틱아웃 전압를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제어 신호를 프로세스 용접 전류로 곱하는 단계와, 상기 용접 프로세스의 전극 스틱아웃을 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제13항에 있어서, 전극의 스틱아웃 전압을 대표하는 제1의 값을 부여하기 위해 상기 제어 신호에 프로세스 용접 전류를 곱하는 단계와, 용접 프로세스의 아크 양단의 전압을 대표하는 제2의 값을 부여하기 위해 프로세스 용접 전압으로부터 상기 대표 스틱아웃 전압 신호를 빼는 단계와, 제3의 값을 부여하기 위해 상기 제2의 값에서 제1의 기지의 상수를 빼는 단계와, 아크 길이를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제3의 값을 제2의 기지의 상수로 나누는 단계와, 상기 용접 프로세스의 아크 길이를 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제18항에 있어서, 상기 제1의 기지의 상수는 약 8-20인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제18항에 있어서, 상기 제2의 기지의 상수는 10-35 범위 내인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제12항에 있어서, 전극의 스틱아웃 전압을 대표하는 제1의 값을 부여하기 위해 상기 제어 신호에 프로세스 아크 전류를 곱하는 단계와, 용접 프로세스의 아크 양단의 전압을 대표하는 제2의 값을 부여하기 위해 프로세스 용접 전압으로부터 상기 대표 스틱아웃 전압 신호를 빼는 단계와, 제3의 값을 부여하기 위해 상기 제2의 값에서 제1의 기지의 상수를 빼는 단계와, 아크 길이를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제3의 값을 제2의 기지의 상수로 나누는 단계와, 상기 용접 프로세스의 아크 길이를 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제21항에 있어서, 상기 제1의 기지의 상수는 약 8-20인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제21항에 있어서, 상기 제2의 기지의 상수는 10-35 범위 내인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제11항에 있어서, 전극의 스틱아웃 전압을 대표하는 제1의 값을 부여하기 위해 상기 제어 신호에 프로세스 아크 전류를 곱하는 단계와, 용접 프로세스의 아크 양단의 전압을 대표하는 제2의 값을 부여하기 위해 프로세스 용접 전압으로부터 상기 대표 스틱아웃 전압 신호를 빼는 단계와, 제3의 값을 부여하기 위해 상기 제2의 값에서 제1의 기지의 상수를 빼는 단계와, 아크 길이를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제3의 값을 제2의 기지의 상수로 나누는 단계와, 상기 용접 프로세스의 아크 길이를 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제24항에 있어서, 상기 제1의 기지의 상수는 약 8-20인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제24항에 있어서, 상기 제2의 기지의 상수는 10-35 범위 내인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제10항에 있어서, 전극의 스틱아웃 전압을 대표하는 제1의 값을 부여하기 위해 상기 제어 신호에 프로세스 아크 전류를 곱하는 단계와, 용접 프로세스의 아크 양단의 전압을 대표하는 제2의 값을 부여하기 위해 프로세스 용접 전압으로부터 상기 대표 스틱아웃 전압 신호를 빼는 단계와, 제3의 값을 부여하기 위해 상기 제2의 값에서 제1의 기지의 상수를 빼는 단계와, 아크 길이를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제3의 값을 제2의 기지의 상수로 나누는 단계와, 상기 용접 프로세스의 아크 길이를 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제27항에 있어서, 상기 제1의 기지의 상수는 약 8-20인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제27항에 있어서, 상기 제2의 기지의 상수는 10-35 범위 내인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
프로세스 용접 전압 및 프로세스 용접 전류를 갖는 전기 아크 용접 프로세스에 사용하기 위한 실시간 제어 신호를 발생시키는 방법으로,

용접 전류에 대한 상기 용접 전압의 미분 계수를 감지하여 상기 제어 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
제30항에 있어서, 전극 스틱아웃 전류를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제어 신호를 프로세스 용접 전류로 곱하는 단계와, 상기 용접 프로세스의 전극 스틱아웃을 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제30항에 있어서, 전극의 스틱아웃 전압을 대표하는 제1의 값을 부여하기 위해 상기 제어 신호에 프로세스 용접 전류를 곱하는 단계와, 용접 프로세스의 아크 양단의 전압을 대표하는 제2의 값을 부여하기 위해 프로세스 용접 전압으로부터 상기 대표 스틱아웃 전압 신호를 빼는 단계와, 제3의 값을 부여하기 위해 상기 제2의 값에서 제1의 기지의 상수를 빼는 단계와, 아크 길이를 대표하는 신호를 구하기 위해 상기 제3의 값을 제2의 기지의 상수로 나누는 단계와, 상기 용접 프로세스의 아크 길이를 제어하기 위해 상기 대표 신호를 폐쇄 루프의 피드백으로서 사용하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제32항에 있어서, 상기 제1의 기지의 상수는 약 8-20인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제32항에 있어서, 상기 제2의 기지의 상수는 10-35 범위 내인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제30항에 있어서, 신호 레벨을 구하기 위해 상기 제어 신호에 아크 저항과 관련한 상수를 곱하는 단계와, 실시간 용접 전압을 대표하는 신호로부터 상기 신호 레벨을 빼는 단계와, 피드백 신호를 생성하여 아크 길이를 거의 일정하게 유지하기 위해 제2 상수로 곱하고 제1 상수에 더한 아크 길이를 대표하는 아크 길이 신호를 상기 신호차와 비교하는 단계를 포함하는 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제35항에 있어서, 상기 제1의 기지의 상수는 약 8-20인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
제35항에 있어서, 상기 제2의 기지의 상수는 10-35 범위 내인 것인 실시간 제어 신호 발생 방법.
미리 선택 설정한 전류 파형을 위치하기 위한 제어기를 구비하고, 용접 전류 및 용접 전압을 생성하기 위한 전원 장치를 포함하는 아크 용접 프로세스를 수행하는 아크 용접기로서,

제1의 시간에서 상기 설정된 전류의 10% 미만까지 상기 설정된 전류보다 높은 레벨만큼 상기 용접 전류를 증가시키고, 시간 지연 동안 상기 레벨을 유지시킨 다음, 제2의 시간에서 상기 용접 전류를 상기 설정된 전류에 적어도 가깝게 감소시키는 회로와;

상기 제1의 시간 및 상기 제2의 시간에서 상기 용접 전압과 용접 전류를 측정하기 위한 센서와;

상기 2개의 전압을 빼 하나의 값을 부여하기 위한 회로와;

상기 용접 프로세스에서 선택된 변수를 제어하는데 사용하기 위한 신호를 생성하기 위해 그 값을 상기 2개의 전류차로 나누는 회로

를 포함하는 것인 아크 용접기.
제38항에 있어서, 상기 선택된 변수는 아크 길이인 것인 아크 용접기.