KR101977268B1 - 아크 용접의 네킹 제어방법 및 검출방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 아크 용접의 네킹 제어방법 및 검출방법에 관한 것으로서, 아크가 발생하여 용접이 이루어지는 구간으로 와이어의 선단에 용적이 커지면서 전류값이 점차 낮아지는 아크 유지 단계; 상기 와이어가 모재에 접촉하게 되면 전류가 급상승하게 되고, 저항열에 의하여 상기 와이어의 선단이 상기 모재와 단락된 상태에서 용융되어 가교를 형성하는 단락 단계; 용접 전류치와 아크 전압치를 곱하여 산출된 전력 특성치가 기준치에 도달하는 것을 검출하여 상기 전력 특성치가 상기 기준치에 도달할 경우, 네킹의 파단을 방지 할 수 있도록 전류를 감소시키는 전류 감소 단계; 및 재아크가 발생될 수 있도록 전류를 증가시키는 전류 증가 단계;를 포함할 수 있다.

Description

아크 용접의 네킹 제어방법 및 검출방법{Method of controlling and detecting necking of Arc welding}
본 발명은 아크 용접 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 아크 용접의 네킹 제어방법 및 검출방법에 관한 것이다.
일반적으로, 소모성 전극을 사용하는 GMA(Gas Metal Arc)용접은 용가재로서 작용하는 소모전극 와이어를 일정한 속도로 용융지에 송급하면서 전류를 통하여 와이어와 모재사이에서 아크가 발생되도록 하는 용접법이다. 연속적으로 송급되는 와이어가 아크열에 의해 와이어 선단에서 성장한 용적이 모재와 접촉하여 아크가 소멸하고 전압이 급감하고 전류가 급상승하는 단락이 발생하고, 단락된 용적이 핀치력에 의하여 네킹을 형성하고, 상기 네킹이 파단되고, 재아크가 발생하여 상기 모재에 용접이 이루어진다.
그러나, GMA 용접은 다량의 스패터 발생으로 인하여 자동화에 장애요인이 되었고, 또한, 아크 스타트 실패는 스패터 뿐만 아니라 용접초기 비드에 결함이나 무용접 구간이 발생하므로 자동용접에서 매우 중요하다. 또한, 아크에 의해 용융된 와이어는 모재에 접촉하여 용융된 용적이 중력에 의해서 모재의 용융풀로 이행하게 되는데, 이때, 단락이 발생하는 시점과 단락에서 재아크가 발생하는 시점에 전체 스패터 발생량의 대부분을 차지하고 있다.
이러한 GMA 용접의 단점을 보완하기 위하여 단락이행에서의 스패터 발생의 제어를 위한 수단이 개발되고 있다. 특히, 단락에서 재아크가 발생하기 전에 네킹이 형성될 때 전류를 급감시켜 재아크가 발생할 때까지 대기상태로 지연하는 방법이 개발되고 있으나, 네킹이 형성되는 순간을 정확하게 감지하기는 매우 어렵다.
이러한 종래의 아크용접은 단락이 발생하는 순간을 감지하기 위하여 단락발생 순간을 제어하는 방법만이 개시되어 있을 뿐, 단락에서 재아크가 발생하는 순간을 제어하는 기술이 개발되지 못하고 있는 문제점이 있다.
또한, 단락 이후 재아크가 발생하는 순간을 제어하기 위하여 아크전압의 미분치를 이용하는 방법이 개시되고 있으나, 이는 전압(혹은 저항치)은 변동이 매우 심하여 검출된 값이 네킹의 발생을 정확히 예측하는데 한계가 있어, 스패터의 발생을 효과적으로 제어하기 어려워 용접 결과가 불균일하여 용접 불량 및 모재(용접재)의 손상을 일으키는 문제점이 있었다.
본 발명의 사상은, 용접 전력 신호를 이용하여 소정의 네킹 형성이 예측되는 기준치를 넘어서면 네킹이 발생하였음을 판단하여 스패터의 발생을 방지하고, 이를 통하여 아크 용접의 뛰어난 품질 제어 기술을 구현하고, 날림 및 스패터 등의 용접불량을 최소화하며, 용접 재현성을 향상시키고, 연속타점으로 인한 전극의 오염도 증가에도 용접품질의 변화를 최소 내지 억제하는 아크용접의 네킹 검출방법을 제공함에 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 아크용접의 네킹 제어방법은, 아크가 발생하여 용접이 이루어지는 구간으로 와이어의 선단에 용적이 커지면서 전류값이 점차 낮아지는 아크 유지 단계; 상기 와이어가 모재에 접촉하게 되면 전류가 급상승하게 되고, 저항열에 의하여 상기 와이어의 선단이 상기 모재와 단락된 상태에서 용융되어 가교를 형성하는 단락 단계; 용접 전류치와 아크 전압치를 곱하여 산출된 전력 특성치가 기준치에 도달하는 것을 검출하여 상기 전력 특성치가 상기 기준치에 도달할 경우, 네킹의 파단을 방지 할 수 있도록 전류를 감소시키는 전류 감소 단계; 및 재아크가 발생될 수 있도록 전류를 증가시키는 전류 증가 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 상기 전류 감소 단계에서, 상기 기준치는 소정의 설정값으로 상기 전력 특성치가 상기 설정값에 도달한 경우 전류를 감소시키는 것일 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 상기 전류 감소 단계에서, 상기 기준치는 소정의 기울기값으로 상기 전력 특성치의 기울기가 상기 기울기값에 도달한 경우 전류를 감소시키는 것일 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 상기 전류 감소 단계에서, 상기 기준치는 소정의 진동폭으로 상기 전력 특성치의 진동폭이 상기 진동폭 이상이 될 경우 전류를 감소시키는 것일 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 상기 전류 감소 단계 이후에, 재아크 이후의 불안정한 아크의 안정성을 안정화 시킬 수 있도록 상기 전류를 재아크가 발생할 때까지 감소된 제 1 전류치로 인가하는 저전류 유지 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면 아크용접의 네킹 검출방법은, 아크 용접의 용접 전류치를 산출하는 용접 전류치 산출 단계; 상기 아크 용접에서 검출된 아크 전압치을 산출하는 아크 전압치 산출 단계; 상기 용접 전류치와 상기 아크 전압치를 곱하여 전력 특성치를 산출하는 전력 특성치 산출 단계; 및 상기 전력 특성치가 미리 정해진 기준치에 도달하는 것을 검출하는 네킹 검출 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면, 상기 기준치는, 소정의 설정값으로 상기 전력 특성치가 상기 설정값에 도달한 경우나, 소정의 기울기값으로 상기 전력 특성치의 기울기가 상기 기울기값에 도달한 경우나, 또는 소정의 진동폭으로 상기 전력 특성치의 진동폭이 상기 진동폭 이상이 될 경우를 검출하는 기준값일 수 있다.
본 발명에 따른 아크용접의 네킹 제어방법 및 검출방법에 의하면, 용접전류와 아크전압을 이용하여 네킹이 발생하는 순간을 정확하게 예측할 수 있어, 이러한 신호를 이용하여 단락에서 재아크가 발생하기 전 전류의 급감을 정확하게 수행할 수 있다. 스패터를 더욱 효과적으로 제어하여, 날림 및 스패터 등의 용접불량을 최소화할 수 있으며, 용접 재현성을 향상시킬 수 있고, 연속타점으로 인한 전극의 오염도 증가에도 용접품질의 변화를 최소 내지 억제할 수 있는 효과를 가진다. 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접의 전류값에 따른 단계별 아크의 형상을 나타내는 비교도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접 네킹 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 아크 용접 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접 네킹 검출방법을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접의 전압값과 전류값을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접 네킹을 검출하기 위한 전력 특성치를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접의 용적을 나타내는 단면도이다.
도 8은 종래의 GDA 용접의 단락이행모드에서의 용접전류와 아크전압의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 8의 재아크 발생 순간의 아크전압을 나타내는 C1을 확대하여 나타내는 그래프이다.
도 10은 종래의 GDA 용접의 단락이행모드에서의 용접전류와 용접전력의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 10의 재아크 발생 순간의 용접전력을 나타내는 C2를 확대하여 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 GDA 용접의 단락이행모드에서의 용접전류와 아크전압의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 12의 재아크 발생 순간의 용접전류를 나타내는 C3를 확대하여 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 GDA 용접의 단락이행모드에서의 용접전류와 용접전력의 파형을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접의 전류값에 따른 단계별 아크의 형상을 나타내는 비교도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 아크 용접 네킹 제어방법을 도시한 순서도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 아크용접의 네킹을 검출하기 위하여 아크용접이 이루어지는 동안의 전류값의 수치를 파형으로 나타낼 수 있다.
상기 파형을 구분하기 쉽도록 구간별로 나누어 보면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 아크 유지 단계(S10), 단락 단계(S20), 전류 감소 단계(S30), 전류 증가 단계(S40) 및 저전류 유지 단계(S50)를 포함할 수 있다.
아크 유지 단계(S10)는, 아크가 발생하여 용접이 이루어지는 구간으로 와이어의 선단에 용적이 커지면서 전류값이 점차 낮아지는 단계로, 연속적으로 송급되는 와이어와 모재 사이에서 아크의 높은 열에 의해 용융되어 아크가 발생되는 단계이다.
구체적으로, 아크 유지 단계(S10)는 상기 와이어의 선단의 아크가 발생하는 시점에서 아크 길이가 매우 짧기 때문에 일정한 아크길이를 유지하기 위하여 평균전류보다 높은 전류를 공급하여 상기 모재의 용융속도를 상기 와이어의 송급속도 보다 빠르게 하여 아크길이를 길게 하여 안정화시킬 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 단락 단계(S20)는, 상기 와이어가 상기 모재에 접촉(단락)하게 되면 전류가 급상승하게 되고, 전류가 상승하면서 와이어와 모재의 접촉저항에 의한 저항열에 의하여 상기 와이어의 선단이 상기 모재와 단락된 상태에서 용융되어 가교를 형성한다.
예컨대, 단락 단계(S20)에서 상기 와이어가 단락되면 용접전원은 약 30A가 넘기 시작하면 용접전류검출(WCR) 신호를 외부에 알리게 되며, 동시에 상기 와이어의 송급속도는 설정전류에 해당하는 속도로 공급된다. 이때, 상기 가교는 단락 단계에서 형성되는 것으로, 상기 가교가 핀치력에 의하여 네킹을 형성할 수 있다.
상기 와이어가 단락된 후에 용융지와 상기 용적이 충분히 접촉하여 가교가 형성될 수 있다. 이때, 상기 용적을 용융지로 이행시켜 상기 가교를 파단시키려는 중력, 전자기력과 상기 가교를 유지하려는 표면장력이 작용한다. 그러나 낮은 전류에서는 표면장력이 중력과 전자기력에 비해 매우 크기 때문에 상기 가교가 파단 되기 어렵다.
단락이행은 보호가스에 관계없이 저전류, 저전압의 조건에서 나타나는 이행 형태로 아크열에 의해 와이어 선단에서 성장한 용적이 용융지와 접촉하여 아크가 소멸된다. 이때, 단락으로 인하여 저항이 작아지게 되고, 전압은 순간적으로 약 3V이하로 떨어지며, 전류는 급상승을 시작한다.
더욱 구체적으로, 상기 용적이 용융지와 접촉하는 면의 반경이 전극의 반경보다 상대적으로 작을 경우 전자기력은 위로 작용하며, 반대로 크기가 클 경우 아래로 작용하게 된다. 즉, 단락 순간에 접촉하는 면의 반경이 전극의 반경보다 작은 경우 용적에는 전자기력이 용적을 위로 밀어 올리는 힘이 작용하며, 용적이 완전히 이행되지 못하고 오히려 핀치력에 의하여 용융지와의 접촉이 끊어지면서 아크를 재 발생시킨다.
즉, 단락과 동시에 지속적인 전류의 상승으로 전자기적 핀치력이 점차적으로 강하게 작용하면 네킹이 형성되고, 높은 용접전류의 제곱에 비례하여 작용하는 전자기력에 의해 불안정한 용적의 단락으로 인하여 스패터가 발생한 후 상기 네킹이 파단 되어 아크가 재 발생하게 된다.
더욱 구체적으로, 용적은 표면장력(Fs)에 의하여 와이어의 선단에 부착되어 있으며, 용적의 이탈을 위해서는 용적에서 용융지 방향으로 표면장력(Fs)보다 큰 외력이 작용하여야 한다.
용적에 작용하는 힘에는 일반적으로 [식 1]에 나타낸 바와 같이, 중력(FG), 전자기력(Fem) 및 플라즈마양력(FD)과 표면장력(Fs)을 포함할 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이, 용적의 반지름(a), 와이어의 반지름(b), 용적중앙부로부터 아크가 용적을 감싸고 있는 영역(θ)를 사용하여 전자기력(Fem)를 산출할 수 있다.
[식 1]
FG + Fem + FD = Fs
특히, [식 2]와 같이, 전자기력(Fem)은 전류(I)의 제곱에 비례함으로 전류(I)에 매우 민감하여 전류값의 영향을 가장 많이 받는다.
[식 2]
Figure 112017116108188-pat00001
(μ0 : 자유표면에서의 투자율, I : 전류)
단락 단계(S20) 이후 아크 재발생 시 강한 폭발력으로 용적과 용융지를 강타하여 용적과 용융지의 일부가 비산되고, 아크 폭발로 인하여 표면장력으로 구형을 유지하던 용적은 매우 불규칙한 모양으로 바뀌고 용융지 유동도 매우 불규칙해짐으로써 아크의 방향이 불규칙하게 바뀌어 여러 방향으로 스패터를 발생시킬 수 있다.
즉, 단락 단계(S20)를 지나면서 전류가 최대치에 도달하였을 때 아크가 재생되며, 이 때 재생된 아크는 강한 폭발력(아크 반발력)으로 용융지를 쳐내면서 스패터를 발생시킬 수 있다.
따라서, 아크 재생 시 발생하는 스패터를 억제하기 위해서는 가능한 낮은 전류를 유지한 상태에서 아크가 재생하도록 하여야 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전류 감소 단계(S30)는, 용접 전류치(A)와 아크 전압치(V)를 곱하여 산출된 전력 특성치(VA)가 기준치에 도달하는 것을 검출하여 전력 특성치(VA)가 상기 기준치에 도달할 경우, 네킹의 파단을 방지 할 수 있도록 전류를 감소시킬 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 기준치는 소정의 설정값으로 상기 전력 특성치 값이 상기 설정값에 도달한 경우 전류를 감소시킬 수 있다. 또는 다른 예로서, 상기 기준치는 소정의 기울기값으로 상기 전력 특성치 기울기값이 기 설정된 소정의 기울기값에 도달한 경우 전류를 감소시킬 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 기준치는 소정의 진동폭으로 상기 전력 특성치 진동폭이 기 설정된 소정의 진동폭 이상이 될 경우 전류를 감소시킬 수 있다.
즉, 아크가 재발생하기 전에 네킹이 형성되는 시점에 상기 가교의 발생을 최소화하기 위하여 전류를 낮추어 핀치력을 최소한으로 할 수 있어, 단락에서 재아크가 발생하기 전에 전류를 감소시켜 스패터의 발생을 제어하고, 용접불량을 최소화할 수 있다.
전류 증가 단계(S40)는, 재아크가 발생될 수 있도록 전류를 증가시키는 것으로, 전류를 낮추어 핀치력을 최소한으로 하여 전류를 증가하여 재아크 발생하여도 스패터의 발생을 방지할 수 있다.
저전류 유지 단계(S50)는, 전류 증가 단계(S40) 이후에, 재아크 이후의 불안정한 아크의 안정성을 안정화 시킬 수 있도록 상기 전류를 재아크가 발생할 때까지 감소된 제 1 전류치로 인가할 수 있다.
예컨대, 저전류 유지 단계(S50)는, 제 1 전류치까지 낮추어 인가되는 전류값을 상기 제어부에 미리 저장된 시간동안 또는, 용접에 따라 변화하는 주변 환경에 따라 일정 시간동안 제 1 전류치를 유지하면서 전류를 인가할 수 있다.
즉, 저전류 유지 단계(S50)는, 용융지와 상기 와이어가 분리되는 순간 아크는 재생성되면서 아크전압 상태로 급상승하게 되고, 전류는 아크가 유지되는 동안 점차적으로 감소하여 최종적으로 아크 전류 상태가 되면서 한 주기를 마무리하게 된다.
아크 유지 단계(S10), 단락 단계(S20), 전류 감소 단계(S30), 전류 증가 단계(S40) 및 저전류 유지 단계(S50)를 거치는 단락이행 과정에서 용접전류는 상승과 하강을 반복하게 되는데, 상승 및 하강속도는 용접전원의 인덕턴스에 의해 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접 네킹 검출방법을 도시한 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접의 전압값과 전류값을 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접 네킹를 검출하기 위한 전력 특성치를 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 아크용접의 네킹 검출방법은, 용접 전류치 산출 단계(S31), 아크 전압치 산출 단계(S32), 전력 특성치 산출 단계(S33), 네킹 검출 단계(S34)를 포함할 수 있다.
용접 전류치 산출 단계(S31)는, 아크 용접의 용접 전류치(A)를 산출하는 것이고, 아크 전압치 산출 단계(S32)는, 상기 아크 용접에서 검출된 아크 전압치(V)을 산출하는 것이다.
아크 용접의 용접 전류치(A)를 그래프로 도시하면, 도 1 에 도시된 바와 같이, 아크 유지 단계(S10), 단락 단계(S20) 및 저전류 유지 단계(S50)를 포함할 수 있다.
아크 용접의 용접 전류치(A)를 나타내면, 아크 유지 단계(S10)에서는 용접 전류치(A)는 점점 감소하는 형상으로 지속적으로 감소하는 것을 나타내고 있다. 이어서, 단락 단계(S20)에서는 전류값이 급격이 상승하는 모습을 나타내고 있으며, 용접 전류치(A)는 지속적으로 상승하다가 저전류 유지 단계(S50)에서 다시 감소하고 있는 그래프로 나타난다.
도 5에 도시된 용접 전류치(A) 그래프도 이와 같은 형상으로 해석이 가능하다.
아크 용접의 아크 전압치(V)를 도시하면, 도 1 에 도시된 바와 같이, 아크 유지 단계(S10), 단락 단계(S20) 및 저전류 유지 단계(S50)를 포함할 수 있다.
아크 용접의 아크 전압치(V)를 나타내면, 아크 유지 단계(S10)에서는 아크 전압치(V)는 작은 수치로 감소를 하고 있으나 거의 일정하게 높은 전압을 유지하면서 아크를 유지하는 단계를 지나고 있으며, 이어서, 단락 단계(S20)에서는 전압값이 급감하는 그래프를 나타내고 있다. 아크 전압치(V)는 급감한 상태에서 단락이 된 상태이후 낮은 전압이 지속적으로 유지되다가, 저전류 유지 단계(S50)에서 다시 급증하여 다시 높은 전압을 유지하는 그래프로 나타난다.
전력 특성치 산출 단계(S33)는, 용접 전류치(A)와 아크 전압치(V)를 동시에 고려하여 전력 특성치(VA)를 산출하는 것으로, 예컨대, 전력 특성치 산출 단계(S33)의 전력 특성치(VA)는 아크 전압치(V)와 용접 전류치(A)의 곱으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 도 5의 각 시간에 따른 용접 전류치(A)와 아크 전압치(V)를 곱하여 나오는 수치를 전력 특성치(VA)라고 할 수 있으며, 전력 특성치(VA)를 다시 그래프로 나타내면, 도 6에 나타난 바와 같이, 전체적으로는 용접 전류치(A)의 형상과 같이, 용접이 진행되는 동안은 점점 감소하다가 단락되어 전류값이 급격이 상승하고 재용융 되어 다시 감소하는 형상의 그래프를 나타내고 있으며, 아크 전압치(V)의 변동성이 큰 파동이 모두 포함되어 나타내고 있다.
따라서, 전력 특성치(VA)를 사용하여 작성된 그래프는, 용접 전류치(A)와 아크 전압치(V)의 수치에서 발생하는 특성을 모두 포함하고 있으며, 이러한 특성을 이용하여 네킹이 발생하는 순간을 정확하게 예측할 수 있어, 네킹이 형성되는 순간에, 즉, 단락에서 재아크가 발생하기 전에 전류를 제어할 수 있다.
네킹 검출 단계(S34)는, 전력 특성치(VA)가 미리 정해진 기준치(S)에 도달하는 것을 검출하는 것으로, 예컨대, 기준치(S)는 상기 모재, 와이어, 공급가스의 특성에 따라 미리 제어부에 저장된 값으로 전력 특성치(VA)가 기준치(S)에 도달하여 기준치(S) 이상으로 증가하면 네킹의 발생이 예상되는 것으로 다음단계의 제어를 수행할 수 있다.
네킹 검출 단계(S34)에서 기준치(S)는 상술한 바와 같이, 상기 기준치는, 소정의 설정값으로 상기 전력 특성치가 상기 설정값에 도달한 경우나, 소정의 기울기값으로 상기 전력 특성치의 기울기가 상기 기울기값에 도달한 경우나, 또는 소정의 진동폭으로 상기 전력 특성치의 진동폭이 상기 진동폭 이상이 될 경우를 검출하는 기준값일 수 있다.
또는, 전력 특성치(VA)에서 재용융이 시작되는 시점을 검출하고 재용융이 시작되기 전에 네킹이 발생되는 시점을 산출하여, 네킹이 발생되는 시점의 아크 전압치(V)와 용접 전류치(A)를 곱한 전력값이 기준치(S)로 설정될 수 있다. 이후, 재용융 단계(5)를 지나 다음 주기의 네킹발생 단계(4)에서 전류값을 제어할 수 있도록 적확한 시점을 예측할 수 있다.
도 8은 종래의 GDA 용접의 단락이행모드에서의 용접전류와 아크전압의 파형을 나타내는 그래프이고, 도 9는 도 8의 재아크 발생 순간의 아크전압을 나타내는 C1을 확대하여 나타내는 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 아크가 발생하여 용접이 이루어지면서 용접 전류와 아크 전압이 유지되는 아크 유지 단계(S10), 상기 와이어가 단락되어 용접 전류가 일시적으로 감소하다가 급격히 증가하고 아크 전압이 급격히 감소하는 단락 단계(S20), 핀치력이 점차적으로 강하게 작용하면 네킹이 형성되고 상기 네킹이 파단 되어 아크가 재 발생하여 아크를 다시 유지하는 저전류 유지 단계(S50)를 나타내고 있다.
특히, 단락 단계(S20) 이후 아크 재발생 시 아크 전압이 급격하게 증가하여 강한 폭발력으로 스패터가 발생하고, 스패터가 발생한 후에 아크 전압이 점차 안정되며 아크를 유지하는 것으로 나타나고 있다.
도 9는 도 8의 C1 영역의 아크 전압을 확대하여 나타낸 그래프로, 도 9에 도시된 바와 같이, 스패터가 발생하기 이전에 아크 전압치 V1 내지 V7까지 점진적으로 크기가 증가하는 파동을 가지며, 파동의 피크를 나타내는 V1, V3, V5는 점차적으로 증가하고 있는 것을 나타내고 있다.
도 10은 종래의 GDA 용접의 단락이행모드에서의 용접전류와 용접전력의 파형을 나타내는 그래프이고, 도 11은 도 10의 재아크 발생 순간의 용접전력을 나타내는 C2를 확대하여 나타내는 그래프이다.
도 10에 도시된 용접 전력은 도 8의 용접 전류와 아크 전압의 곱으로 산출된 값으로 도 8의 변동성이 큰 아크 전압의 그래프와 유사하게 나타나고 있다.
특히, 단락 단계(S20) 이후 아크 재발생 시 용접 전력이 급격하게 증가하여 강한 폭발력으로 스패터가 발생하고, 스패터가 발생한 후에 용접 전력이 점차 안정되며 아크를 유지하는 것으로 나타나고 있으며, 그래프 상에서 8000W에서 4500W까지 큰 폭으로 감소하는 것으로 나타나고 있다.
이때, 용접 전력은 입열량 또는 전력 특성치일 수 있다.
도 11은 도 10의 C2 영역의 용접 전력을 확대하여 나타낸 그래프로, 도 11에 도시된 바와 같이, 스패터가 발생하기 이전에 용접 전력 P1 내지 P7까지 점진적으로 크기가 증가하는 파동을 가지며, 파동의 피크를 나타내는 P1, P3, P5는 점차적으로 증가하고 있는 것을 나타내고 있다.
도 12는 본 발명의 GMA 용접의 단락이행모드에서의 용접전류와 아크전압의 파형을 나타내는 그래프이고, 도 13은 도 12의 재아크 발생 순간의 용접전류를 나타내는 C3를 확대하여 나타내는 그래프이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 아크 유지 단계(S10), 단락 단계(S20), 전류 감소 단계(S30), 전류 증가 단계(S40), 저전류 유지 단계(S50)를 나타내고 있다.
특히, 단락 단계(S20) 이후 아크 재발생 시 아크 전압이 급격하게 증가하여 강한 폭발력으로 스패터가 발생하는 것을 방지할 수 있도록, 아크 전압을 낮추기 위하여 인가되는 용접 전력을 감소시키는 전류 감소 단계(S30)와, 재아크가 발생될 수 있도록 전류를 증가시키는 전류 증가 단계(S40)를 포함하고 있다.
도 12의 C3 영역에 나타난 바와 같이, 용접 전류를 감소함으로써 아크 전압이 일시적으로 감소하였다가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 도 12의 C3 영역의 아크 전압을 확대하여 나타낸 그래프로, 스패터가 발생하기 이전에 아크 전압치 V11 내지 V17까지 점진적으로 크기가 증가하는 파동을 가지며, 파동의 피크를 나타내는 V11, V13, V15, V17은 점차적으로 증가하고 있는 것을 나타내고 있다.
그러나, 전류 감소 단계(S30)에서 인가되는 전류를 일시적으로 감소시킨 이후에 아크 전압은 큰폭으로 하락하고 있으며, 전류 증가 단계(S40)에서 인가되는 전류를 증가시킴으로서 재아크를 발생하기 위하여 아크 전압이 증가하면서 안정되는 것을 나타내고 있다.
즉, 아크가 재발생하기 전에 미리 설정한 기준치에 도달하는 순간 도용접 전류를 낮추어 아크 전압을 제어 할 수 있다. 따라서, 단락에서 재아크가 발생하기 전에 전류를 감소시켜 스패터의 발생을 제어하고 용접불량을 최소화할 수 있다.
도 14는 도 13의 용접전류와 용접전력의 파형을 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따르며, 단락 단계(S20) 이후, 아크 전압을 낮추기 위하여 인가되는 용접 전력을 감소시키는 전류 감소 단계(S30)에서 전류를 감소하는 순간을 검출하기 위하여, 전력 특성치가 기준치에 도달하는 시점을 산출하여 전류를 감소할 수 있다.
이때, 상기 기준치는 단락 단계(S20)에서 스패터가 발생하기 전의 용접 전력의 파장을 사용하여 산출할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 스패터가 발생하기 이전에 용접 전력 P11 내지 P17까지 점진적으로 크기가 증가하는 파동을 가지며, 파동의 피크를 나타내는 P11, P13, P15, P17는 점차적으로 증가하고 있는 것을 나타내고 있다.
상기 용접 전력 P11 내지 P17은 파동을 가지고 형성되며, 상기 용접 전력 P11 내지 P17은 각각 피크값, 상기 피크값의 기울기, 상기 용접 전력 P11 내지 P17의 파동 크기를 산출 할 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도 12 내지 14에 도시된 바와 같이, 용접 전력이 미리 정해진 기준치에 도달하는 것이 검출되면 전류를 감소하는 것으로, 예컨대, 상기 기준치는 상기 모재, 와이어, 공급가스의 특성에 따라 미리 제어부에 저장된 값으로 전력 특성치 값(M)이 상기 기준치의 설정값에 도달하여 상기 설정값 이상으로 증가하면 네킹의 발생이 예상되는 것으로 다음단계의 제어를 수행할 수 있다.
상기 기준치는 소정의 설정값, 기울기값 또는 진동폭 중 어느 하나 이상을 선택하여 미리 입력할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 단락 단계(S20)에서 용접 전력의 파동으로 전력 특성치 값(M), 전력 특성치 기울기 값(N), 전력 특성치 진동폭(L)을 산출 할 수 있다.
전력 특성치 값(M)이 상기 설정값에 도달하여 상기 설정값 이상이 되거나, 전력 특성치 기울기 값(N)이 상기 기울기값에 도달하여 상기 기울기값 이상으로 증가하거나, 전력 특성치 진동폭(L)이 상기 진동폭에 도달하여 상기 진동폭 이상으로 증가할 경우 네킹의 발생이 예상되는 것으로 다음단계의 제어를 수행할 수 있다.
즉, 상기 기준치는 소정의 설정값으로 상기 전력 특성치 값(M)이 상기 설정값에 도달한 경우 전류를 감소시킬 수 있다. 또는, 상기 기준치는 소정의 기울기값으로 상기 전력 특성치 기울기값(N)이 상기 기울기값에 도달한 경우 전류를 감소시킬 수 있다. 또는, 상기 기준치는 소정의 진동폭으로 상기 전력 특성치 진동폭(L)이 상기 진동폭 이상이 될 경우 전류를 감소시킬 수 있다.
[표 1]은 본 발명의 아크용접의 네킹 제어방법에 따라, 보호가스는 Ar 90% + CO2 10% 사용시에 전력 특성치가 기준치에 도달한 경우 전류를 감소시켰을 경우에, 와이어 송급속도와 설정 전압에 따른 종래 발명과 본 발명의 스패터 발생량을 비교한 표이다.
Figure 112017116108188-pat00002
와이어 송급속도가 4m/min 내지 8 m/min 일 때, 설정전압이 16V 내지 25V에서 스패터 발생량은 최저 0.36 g/min 에서 0.27 g/min 으로 0.09 g/min 감소하였으며, 최대 1.26 g/min 에서 0.53 g/min 으로 0.72 g/min 감소한 것으로 나타났다.
[표 2]는 본 발명의 아크용접의 네킹 제어방법에 따라, 보호가스는 CO2 100% 사용시에 전력 특성치가 기준치에 도달한 경우 전류를 감소시켰을 경우에, 와이어 송급속도와 설정 전압에 따른 종래 발명과 본 발명의 스패터 발생량을 비교한 표이다.
Figure 112017116108188-pat00003
와이어 송급속도가 4m/min 내지 8 m/min 일 때, 설정전압이 18V 내지 27V에서 스패터 발생량은, 최저 1.11 g/min 에서 0.67 g/min 으로 0.44 g/min 감소하였으며, 최대 2.99 g/min 에서 1.34 g/min 으로 1.64 g/min 감소한 것으로 나타났다.
이와 같이 본 발명에 따른 아크용접의 네킹 제어방법 및 검출방법에 따르면, 용접전류와 아크전압을 이용하여 네킹이 발생하는 순간을 정확하게 예측할 수 있어, 이러한 신호를 이용하여 단락에서 재아크가 발생하기 전 전류의 급감을 정확하게 제어하여 스패터 등의 용접불량을 최소화할 수 있으며, 용접 재현성을 향상시킬 수 있고, 연속타점으로 인한 전극의 오염도 증가에도 용접품질의 변화를 최소 내지 억제할 수 있는 효과를 가진다. 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
A : 용접 전류치
L : 전력 특성치 진동폭
M : 전력 특성치 값
N : 전력 특성치 기울기값
P : 용접 전력
S : 기준치
V : 아크 전압치
VA : 전력 특성치

Claims (7)

  1. 아크가 발생하여 용접이 이루어지는 구간으로 와이어의 선단에 용적이 커지면서 전류값이 점차 낮아지는 아크 유지 단계;
    상기 와이어가 모재에 접촉하게 되면 전류가 급상승하게 되고, 저항열에 의하여 상기 와이어의 선단이 상기 모재와 단락된 상태에서 용융되어 가교를 형성하는 단락 단계;
    용접 전류치와 아크 전압치를 곱하여 산출된 전력 특성치가 기준치에 도달하는 것을 검출하여 상기 전력 특성치가 상기 기준치에 도달할 경우, 네킹의 파단을 방지 할 수 있도록 전류를 감소시키는 전류 감소 단계; 및
    재아크가 발생될 수 있도록 전류를 증가시키는 전류 증가 단계;
    를 포함하고,
    상기 기준치는, 네킹이 발생되었던 시점의 아크 전압치와 용접 전류치를 곱한 전력값으로 설정되는 것인, 아크용접의 네킹 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 감소 단계에서,
    상기 기준치는 소정의 설정값으로 상기 전력 특성치가 상기 설정값에 도달한 경우 전류를 감소시키는 것인, 아크용접의 네킹 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 감소 단계에서,
    상기 기준치는 소정의 기울기값으로 상기 전력 특성치의 기울기가 상기 기울기값에 도달한 경우 전류를 감소시키는 것인, 아크용접의 네킹 제어방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 감소 단계에서,
    상기 기준치는 소정의 진동폭으로 상기 전력 특성치의 진동폭이 상기 진동폭 이상이 될 경우 전류를 감소시키는 것인, 아크용접의 네킹 제어방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 감소 단계 이후에,
    재아크 이후의 불안정한 아크의 안정성을 안정화 시킬 수 있도록 상기 전류를 재아크가 발생할 때까지 감소된 제 1 전류치로 인가하는 저전류 유지 단계;
    를 더 포함하는, 아크용접의 네킹 제어방법.
  6. 아크 용접의 용접 전류치를 산출하는 용접 전류치 산출 단계;
    상기 아크 용접에서 검출된 아크 전압치을 산출하는 아크 전압치 산출 단계;
    상기 용접 전류치와 상기 아크 전압치를 곱하여 전력 특성치를 산출하는 전력 특성치 산출 단계; 및
    상기 전력 특성치가 미리 정해진 기준치에 도달하는 것을 검출하는 네킹 검출 단계;
    를 포함하고,
    상기 기준치는, 네킹이 발생되었던 시점의 아크 전압치와 용접 전류치를 곱한 전력값으로 설정되는 것인, 아크용접의 네킹 검출방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 네킹 검출 단계에서,
    상기 기준치는, 소정의 설정값으로 상기 전력 특성치가 상기 설정값에 도달한 경우나, 소정의 기울기값으로 상기 전력 특성치의 기울기가 상기 기울기값에 도달한 경우나, 또는 소정의 진동폭으로 상기 전력 특성치의 진동폭이 상기 진동폭 이상이 될 경우를 검출하는 기준값인, 아크용접의 네킹 검출방법.
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KR20140144730A (ko) * 2012-04-05 2014-12-19 링컨 글로벌, 인크. 표면 장력 이행 단락 용접의 개선된 프로세스

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