KR20140056252A

KR20140056252A - 스터드 용접 시스템, 소모품, 및 방법

Info

Publication number: KR20140056252A
Application number: KR1020147002681A
Authority: KR
Inventors: 제랄드 에드워드 존스; 발레리 엘. 로드스; 토드 얼 홀버슨; 아담 엔. 쿠네오; 스티븐 케이. 매든
Original assignee: 일리노이즈 툴 워크스 인코포레이티드
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-05-09
Also published as: WO2013012746A3; BR112014000905A2; US20130015163A1; US9744615B2; EP2731747A2; WO2013012746A2

Abstract

MIG, TIG 등의 다른 용접 프로세스를 위해 구성되는 파워 서플라이에 의해 스터드 용접 프로세스가 수행될 수 있다. 스터드 용접 건은 매거진 또는 다른 지지체 내에 미리 로딩되는 스터드를 수용(receive)할 수 있다. 스터드는, 스터드 용접 건의 척에 충전되고, 표면 상의 원하는 곳에 배치된다. 와이어 타입 전극과 같은 돌출부는, 스터드로부터 연장되고, 용접 아크를 확입하는 것을 지원할 수 있다. 스터드는 세라믹 페룰에 대한 요구를 제거하기 위해 노즐 또는 다른 실드(shield)에 의해 실딩(shielding)될 수 있다. 건 및/또는 스터드가 적절히 배치되면, 스터드 용접 프로세스를 개시하고 완료하기 위한 기초로서, 스터드 용접 건의 배향이 검출되고, 디스플레이되고, 사용될 수 있다.

Description

스터드 용접 시스템, 소모품, 및 방법{STUD WELDING SYSTEM, CONSUMABLES, AND METHOD}

[본원과 관련된 상호 참조 문헌]

본 출원은 여기에 참조로서 포함되는, "Stud Welding System, Consumables, and Method"를 발명의 명칭으로 하며, 2011년 7월 15일에 출원된, 미국 가특허출원 No. 61/508,431의 정식 특허출원이다.

본 발명은, 스터드(stud) 용접에 관한 것이고, 특히 새로운 스터드 용접 프로세스, 새로운 스터드 용접 소모품, 및 스터드 용접 방법에 관한 것이다.

용접 동작의 범위는 공지되어 있고, 현재 다양한 특정 애플리케이션을 위해 사용되고 있다. 이들 가운데 스터드 용접은 표면에 대하여 스터드를 융합시키는(fusing) 전류(electric current)의 적용에 의해 장착 표면 상에 스터드를 배치하는데 흔히 사용된다. 이 기술들은 건설, 조선(ship building) 등의 광범위한 애플리케이션에 사용된다. 다수의 애플리케이션에 있어서, 다수의 스터드는, 후속 동작에서 지지 표면에 대한 콤포넌트의 장착을 위한 방식으로 배치될 것이다. 다른 용접 기술 및 프로세스에서 현저한 발전이 이루어졌지만, 스터드 용접은 상당한 시간동안 약간 변화되지 않은채로 남아있다. 보통, 스터드 월더(stud welder)는 특정 파워 서플라이(power supply)에 연결되는 스터드 웰딩 건(stud welding gun)의 척(chuck)에 있어서의 세라믹 페룰(ceramic ferrule)에 의해 사전에 준비된 스터드를 배치(place)한다. 통상적으로 스터드 용접에 사용되는 파워 서플라이는 용접(weld)을 완수하기 위해 쇼트(short) 기간에 매우 높은 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서, 파워 서플라이는 스터드 용접 이외의 다른 목적으로 사용되지 않고, 적용성(applicability)을 제한한다. 스터드는 원하는 위치에 배치되고, 전류는 페룰에 의해 둘러싸여 있는 워크피스(workpiece) 표면과 스터드 사이에서 시작된다(initiated). 높은 전류가 흐르고, 스터드는 워크피스 표면 물질과 스터드의 융합(fusion)을 통해 워크피스 표면에 고정시키기 위한 위치에 플런징된다(plunged). 이어서, 스터드 주위로부터 페룰이 깨지고(broken), 표면이 세척된다(cleaned).

이러한 종래의 스터드 용접 기술에 다수의 단점이 관련되어 있다. 우선, 상기한 바와 같이, 파워 서플라이는 다른 용접 목적을 위해 사용될 수 없다. 또한, 아래에 놓인 표면에 대한 수직의 보장 및 스터드의 위치는, 마킹(marking)과 세심한 배치(placement)에 많은 시간 또는 날(day)이 필요하므로, 매우 시간 소모적이다. 또한, 세라믹 페룰의 사용은, 용접 및 용접 영역의 세정에 상당한 비용이 필요하다. 또한, 종래의 스터드 용접 건(stud welding gun)은 매우 부피가 크고, 다루기 불편할 수 있기 때문에 이동, 배치, 및 사용에 상당한 노력이 필요하다.

따라서, 이러한 단점들 중 일부 또는 모두에 응답할 수 있는 향상된 스터드 용접 기술이 요구된다.

본 발명은 이러한 필요에 응답하도록 설계된 스터드 용접 시스템, 방법, 및 소모품을 제공한다. 상기 기술은 스터드 용접을 위해 상당히 낮은 전류를 사용하고, 이에 따라 광범위한 다른 용접 프로세스를 수행할 수 있는 파워 서플라이의 사용을 가능하게 한다. 또한, 몇가지 양상의 다른 용접 프로세스가 스터드 용접 동작을 향상시켜서 향상된 용접과 향상된 퍼포먼스를 제공하는데 사용될 수 있다. 낮은 전류의 사용은, 스터드 용접 건에 파워 서플라이를 연결(tie)하는데 사용될 콘덕터(conductor)의 사이즈와 무게를 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 워크피스 표면에 대한 스터드의 양호한 수직성(perpendicularity)을 얻기 위한 용접공(welding operator)의 상대적 위치에 대한 적어도 피드백 또는 스터드 용접 건의 배향의 제어를 고려한다. 몇가지 실시형태에서, 적절한 배향이 얻어지면, 스터드가 배치되고 자동적으로 용접 동작이 이어질 수 있다. 또한, 본 발명은 종래 기술과 상이한 구조의 스터드를 고려한다. 예컨대, 스터드는, 워크피스 표면에 대하여 스터드를 적절하게 배치하고 용접 아크(welding arc)의 개시(initiation)를 돕는 스탠드오프(standoff) 또는 와이어(wire)를, 포함할 수 있다. 스터드 용접 건에서의 용이한 사용을 위한 종래의 네일 건 로드(nail gun load)와 마찬가지로, 스터드는 지지부(support) 상에 미리 로딩될(pre-loaded) 수 있다. 또한, 스터드의 베이스(base)에서의 브릿지 와이어(bridge wire) 또는 스탠드오프(standoff)는, 워크피스에 의한 스터드의 야금 합금(metallurgical alloying)을 용이하게 하는 야금(metallurgy)를 포함할 수 있고, 이에 따라 워크피스 물질에 비해 상이한 물질이 스터드 자체를 위해 사용되는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 상기한 특징 및 다른 특징들이 이하 상세히 개시된다.

본 발명의 상기 특징과 다른 특징들, 양상, 및 장점은, 도면을 통해 유사한 부분을 유사한 도면부호로 나타낸 첨부도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽으면, 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 양상에 따른 스터드 용접 시스템의 개략적인 묘사이다.
도 2 내지 도 8은 상기 시스템에서 사용될 수 있는 스터드에 대한 예시적 구성이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명에 의한 스터드 용접에서의 배치에 관한 스텝의 개략적인 묘사이다.
도 13은 스터드 용접 건에 고정되는 서라운딩 페룰(surrounding ferrule)를 갖는 스터드의 유사한 개략적 묘사이다.
도 14는 스터드 수직성(stud perpendicularity)의 피드백을 제공하기 위해 스터드 용접 건에서 사용될 수 있는 예시적 배향 디스플레이(exemplary orientation display)의 묘사이다.
도 15는 본 발명에 의한 스터드 용접 동작를 수행하기 위한 예시적 로직(logic)을 나타낸 플로우 차트이다.
도 16은 프로세스에서 사용될 수 있는 대체 로직을 나타낸 유사한 플로우 차트이다.

이제 도면으로 돌아가면, 도 1은 본 발명의 양상을 포함하는 예시적 스터드 용접 시스템(10)을 나타낸다. 상기 시스템은, 스터드(16)가 워크피스(18)에 용접되게 하는 것을 의도하는, 용접 파워 서플라이(12) 및 상기 파워 서플라이에 연결되는 스터드 용접 건(stud welding gun)(14)을 포함한다. 도시된 실시형태에서, 파워 서플라이(12)는, 스터드 용접뿐만 아니라 다른 용접 프로세스의 영역을 위해서도 구성된다. 이것은, 선택된 용접 프로세스에 따라 출력 파워를 제공하기 위해 협력하는 변전 회로(22)와 제어/프로세싱 회로(20)를 포함한다. 제어/프로세싱 회로(20)는 통상적으로 하나 이상의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서 등, 및 관련 메모리(별도로 표시되지 않음)를 포함할 것이다. 프로세싱 회로는 일반적으로 공지된 타입의 용접 프로세스를 수행하고, 스터드 용접 프로세스도 수행할 수 있다. 제어/프로세싱 회로(20)의 제어 하에서, 파워 그리드(power grid), 엔진 구동 제너레이터(engine-driven generator), 또는 다른 적합한 소스 등의 전원에 연결되는 변전 회로는, 인커밍 전력을 관련된 특정 용접 프로세스를 위해 충분한 용접 전력으로 변환한다. 변전 회로는 통상적으로 SCR, IGBT, 변압기, 및 변전을 위한 다른 적합한 회로 등의 전력 전자 소자를 포함할 것이다. 변전 회로의 특정 토폴로지(topology)는, 변전기, 역변전기, 벅 컨버터(buck converter), 부스트 컨버터(boost converter) 등을 포함하는 공지의 설계를 따를 수 있다.

스터드 용접을 포함하는 어떤 용접 프로세스에서 사용될 수 있는 실딩 가스(shielding gas)의 흐름을 제어하기 위해 밸빙(valving)(24)이 제공된다. 리모트 모듈(remote module) 또는 파워 서플라이에 제공될 수 있는 밸빙은, 실딩 가스의 소스에 연결될 것이고, 애플리케이션에 대한 실딩 가스의 흐름을 개시하고 중단시키기 위해 제어/프로세싱 회로(20)의 제어하에서 동작될 수 있다. 직접 또는 간접적으로 제어/프로세싱 회로(20)에 연결(link)되는 오퍼레이터 인터페이스 회로(26)도 제공된다. 오퍼레이션 인터페이스 회로는 오퍼레이터가 용접 프로세스를 선택하고, 용접 파라미터를 세팅하고, 용접 파라미터와 세팅 등을 리뷰(review)할 수 있게 한다. 오퍼레이터 인터페이스 회로(26)는 통상적으로 종래 방식으로 임의의 디스플레이, 버튼, 다이얼 등도 포함하는 파워 서플라이의 외부 표면 상의 제어 패널과 관련될 것이다. 그러나, 파워 서플라이, 스터드 용접 건 또는 이것들에 연결되는 임의의 다른 장치 상에 오퍼레이터 인터페이스가 제공될 수 있다는 것을 주목해야 한다.

상기한 바와 같이, 파워 서플라이(12)는 통상적인 스터드 용접 파워 서플라이에 대하여 다수의 상이한 용접 동작을 위해 구성된다. 도시된 실시형태에서, 프로그래밍(programming)은 파워 서플라이에 저장되고, 몇가지 종래의 용접 프로세스 중 임의의 하나 이상을 수행하기 위해 제어/프로세싱 회로(20)에 이용 가능하다. 이것들은, 28과 30으로 나타낸 GMAW[gas metal arc welding, 흔히 MIG(metal inert gas) 용접으로 나타냄], FCAW(flux-cored arc welding), SMAW[shielded metal arc welding, 흔히 스틱 용접(stick welding)으로 나타냄], GTAW[gas tungsten arc welding, 흔히 TIG(tungsten inert gas) 용접으로 나타냄], 탄소 아크 가우징(carbon arc gouging) 등 및

32로 나타낸 스터드 용접 프로세스를 포함할 수 있다. 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이 이러한 다수의 프로세스들은 공지되어 있고 파워 서플라이에서 이용 가능하다. MIG 프로세스는 통상적으로 용접 와이어 전극과 실딩 가스의 이송(feed)의 제어를 따라 MIG 용접 토치(torch)에 적용되는 전력의 제어를 포함할 것이다. TIG 프로세스는 통상적으로 실딩 가스의 흐름을 따라 비소모성(non-consumable) 텅스텐 전극에 대한 전력의 적용을 포함할 것이다. 후술하는 바와 같이, 스터드 용접 프로세스는, 전기 아크를 생성하기 위해 그리고 워크피스에 스터드를 견고히 고정하도록 스터드와 워크피스의 물질을 융합시키기 위해, 스터드에 대한 직류 또는 교류 전력이나 다양한 파형의 적용을 포함할 수 있다. 스터드 용접 프로세스는 후술하는 바와 같이, 펄스 용접(pulsed welding)과 같은 파워 서플라이에 의해 구현되는 다른 프로세스들의 소정의 특성을 이용하도록 구성될 수 있다.

또한, 파워 서플라이(12)는 스터드 용접 건(14)의 유사한 인터페이스 회로(36)와 통신하도록 설계되는 인터페이스 회로(34)를 포함한다. 이 인터페이스 회로는 이들 콤포넌트들 사이에서 용접 명령(용접 동작의 개시 또는 종료를 위함), 용접 파라미터(예컨대 전류 및 전압) 등을 통신할 수 있다. 종래의 멀티 핀 커넥터(multi-pin connector)통해 종료되는(terminated) 전용 케이블을 통해 통신할 수 있고, 또는 통신은 스터드 용접 건(14)에 변전 회로로부터 전력을 전달하는 용접 케이블(38)을 통해 또는 무선으로 이루어질 수 있다. 다른 용접 애플리케이션에서와 같이, 변전 회로는 또한 클램프(clamp)(44)를 통해 워크피스가 배치되는 픽스처(fixture) 또는 워크피스에 통상적으로 부착되는 워크 리드(work lead)(42)를 통해 용접 회로를 완비할(complete) 수 있다.

인터페이스 회로(36)에 더하여, 스터드 용접 건(14)은 건(gun)의 다양한 동작을 제어할 수 있는 제어 회로(46)를 포함할 수 있다. 제어 회로는 통상적으로 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 또는 메모리(별도 도시되지 않음)와 관련되는 다른 프로세싱 회로를 포함할 것이다. 예컨대, 제어 회로는 배치되는 각각의 스터드와 접촉하게 될 전극에 대한 변전 회로(22)로부터의 전력의 적용을 조절(regulate)할 수 있다. 이 제어는 예컨대 도 1에 도시되지 않은 트리거 또는 다른 오퍼레이터 제어 가능 장치에 의해 개시될 수 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 제어 회로는, 스터드의 적합한 배치와 배향에 기초하여 용접 동작에 대한 전력의 적용 등의 소정의 동작을 자동적으로 제어할 수 있다. 또한, 제어 회로는 스터드 공급 모터(50)와 같은 스터드 용접 건에서의 소정의 모션 디바이스를 조절할 수 있다. 현재 고려된 실시형태에서, 이송 시스템(feed system)은 선구성 매거진(pre-configured magazine)(52)으로부터 스터드를 인출(draw)할 수 있는 모터(50)를 통해 구현된다. 매거진은, 용접될 스터드를 지지부(54)가 유지(hold)하는 종래의 네일 건 차지(nail gun charge)와 마찬가지로 구성될 수 있다. 지지부는 종이, 플라스틱 필름 등의 적합한 임의의 형태를 취할 수 있다. 매거진은 스터드 이송 모터(50)의 전력 하에서 건으로 인출되고, 종래의 스터드 용접 건에서 확인되는 바와 마찬가지로 척(chuck)(56)으로의 로딩(loading)을 위한 위치로 인덱스된다(indexed). 척은 스탠드오프/스터드 진행 모터(standoff/stud advance motor)(58)와 같은 개별 모터의 전력하에서 개방 및 폐쇄될 수 있다. 또한, 모터는 모터 구동 회로(48)에 의해 제어될 수 있고, 척의 개방 및 폐쇄, 워크피스를 향하여 용접될 스터드의 진행, 및 용접 위치에서의 스터드의 최종적인 배치(eventual placement)를 가능하게 한다. 또한 후술하는 바와 같이, 척(56)의 개별적인 개방과 폐쇄를 위해, 그리고 하나 이상의 실드(shield)를 상승시키고 하강시키는 것 등을 위해, 건 내에서 다른 모션 장치가 제어될 수도 있다. 그러나, 스터드 용접 건(14)을 가볍게 하기 위해, 스프링, 압전 리니어 모터, 솔레노이드, 또는 선형 액추에이터(예컨대, 공기압 실린더)의 회전이나 왕복운동에 의해 원하는 모션을 달성하는 압축 가스(compressed gas), 압축 공기 등을 위한 밸빙(valving)에 의해 소정의 모터들이 교체될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 이러한 경우에, 이들 액추에이터의 동작은, 제어 회로(46)에 의해 제어될 수 있다.

도 1에 도시된 스터드 용접 건은 스터드 용접 건의 배향을 검출, 디스플레이, 및 제어하는 장치들을 더 포함할 수 있다. 특히, 다수의 애플리케이션에서, 스터드의 배치를 위해 원하는 각도가 지시될 것이고, 대부분의 애플리케이션에서, 각도 배향은 워크피스 표면에 수직이 될 것이다. 따라서, 도시된 스터드 용접 건은, 가속도계, 고체 상태 자이로스코프 장치, MEMS 장치, 또는 적합한 임의의 다른 배향 감지 장치를 포함할 수 있는 하나 이상의 배향 감지기(60)를 포함한다. 배향 감지기(60)는, 제어 회로(46)에 신호를 제공할 수 있고, 제어 회로(46)는 이들 신호를 용접 건, 특히 척에 충전되는 스터드의 배향 및/또는 배치를 나타내는 2차원 또는 3차원 데이터로 변환한다. 이어서, 제어 회로는, 수치적 위치 정보, 배향 정보 등을 사용자에게 제공할 수 있는 배향 판독 회로(62)에 연결될 수 있다.

소정의 실시형태에서, 배향 정보는 용접 동작 및 품질 제어의 파라미터의 기록을 위해 용접 건 또는 파워 서플라이(또는 이 장치들에 연결된 임의의 장치에) 중 하나에 기록될 수 있다. 또한, 도시된 용접 건은 용접 건(14) 및/또는 스터드(16)의 배향을 그래픽 방식으로 표시하도록 구성되는 디스플레이(64)를 포함한다. 이하 더 상세히 설명하는 바와 같이, 이들 디스플레이의 다양한 물리적 구성이 고려된다. 그러나, 디스플레이는 배향의 간단하고 직관적인 그래픽적 피드백을 이상적으로 제공하여, 용접 오퍼레이터가 스터드의 적절한 배치(예컨대, 수직으로)를 위해 건을 적절히 배향시키는 것을 가능하게 한다.

도 1에 매뉴얼 시스템이 개시되고 예시되었지만, 상기 시스템은 부분적으로 또는 완전히 자동화될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 즉, 용접 건(14)은 스터드의 배치와 용접을 위해 자동화된 시스템에 장착하도록 구성될 수 있다. 다수의 스터드가 배치될 위치 또는 그 근방에 이러한 로봇(robot)이 배치될 수 있다는 것과 3차원 데이터가 개별 스터드의 배치에 대응하는 로봇에 저장될 수 있다는 것이 현재 고려된다. 따라서, 스터드의 휴먼 오퍼레이터(human operator) 배치가 이어지는 세심한 마킹(marking)이 필요한 종래의 시스템에 대하여, 자동화된 배치는 마킹의 필요를 적어도 부분적으로 또는 완전히 제거할 수 있고, 개별 스터드의 배치를 위한 기준 포인트를 제공하기 위해 로봇이 적절히 배치되면 스터드 용접 동작의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 자동화는 스터드의 오배치(out of position) 용접의 경우에도 워크피스 또는 표면에 관하여 스터드의 각도 배향의 향상된 제어를 가능하게 한다.

도 2 내지 도 8은 스터드 용접 시스템에 의한 사용을 위해 현재 고려되는 예시적 스터드 구조를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스터드(16)는 스터드 바디(stud body)(66) 및 스탠드오프 전극 또는 "브릿지 와이어(bridge wire)"(68)를 포함한다. 스터드의 바디는 평면이거나 나삿니를 포함하거나 애플리케이션을 위해 원하는 다른 임의의 물리적 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 브릿지 와이어는 직경 74 및 길이 76으로 특정될 수 있고, 스터드는 직경 70 및 길이 72를 포함하는 사이즈에 의해 특정될 것이다. 도 2에서 스터드 와이어(68)는 각이 있는(angled) 팁(tip)으로 도시되어 잇지만, 다양한 구조의 브릿지 와이어 또는 다른 전극이 고려될 수 있다. 또한, 스터드 및 브릿지 와이어는, 브릿지 와이어가 스터드 바디(66)와 동일 물질로 이루어지는 터닝 오퍼레이션(turning operation), 스탬핑(stamping), 포밍(forming) 등의 임의의 적합한 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 다른 제조 기술은 전극 및 스터드 바디의 상이한 물질을 제공한다. 브릿지 와이어(68)는 근본적으로 종래의 MIG 프로세스에서의 용접 와이어와 같이 기능하거나 모방한다(mimic). 따라서, 스터드를 용접하기 위해 구현되는 용접 프로세스는, 브릿지 와이어가 용해되거나 증발되고, 현재의 스터드 용접 애플리케이션에서와 같이 스터드를 후퇴시키지(retracting) 않고 워크피스와 와이어의 접촉 또는 근접에 의해 아크(arc)가 개시되는 MIG 용접을 위한 알고리즘에 기초할 수 있다. 다른 사이즈가 사용될 수 있지만, 브릿지 와이어를 위해 현재 고려되는 직경은 0.023 인치 및 0.125 인치 사이에서 연장될 수 있다. 작은 단면적의 돌출부(extension) 또는 더 작은 직경의 와이어는 더 낮은 전류가 아크 개시를 위해 사용될 수 있게 한다. 브릿지 와이어의 길이는 스터드와 베이스 물질 사이에서 원하는 아크의 길이에 기초하여 선택된다. 이 길이는, 베이스 물질이 너무 이르게 스터드와 재접속하는 것을 회피하는 동안 적합한 아크를 확입 및 유지하도록 하기 위해 선택될 것이다. 다른 길이가 사용될 수 있지만, 현재 고려되는 길이는 0.2 인치와 0.5 인치 사이가 된다. 또한, 브릿지 와이어 상의 예리하거나 비교적 예리한 팁은 용접 아크의 개시를 용이하게 할 수 있다는 것이 현재 고려된다.

스터드와 이러한 전극의 조합의 사용은 종래의 프로세스에 대하여 현저한 장점을 제공하는 프로세스 향상과 무게 감소를 제공할 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 예컨대, 사용되는 전력 회로는, 아크의 확립이 후속하는 스터드의 후퇴를 위한 후퇴 기구를 구동하기 위한 전력을 제공할 필요가 없고, 이 수정 위치는 브릿지 와이어에 의해 제공된다. 프로세스 중에 스터드의 배치와 발전을 위해 요구되는 케이블링(cabling), 전력, 및 프로세싱의 감소라는 추가적인 장점이 존재한다. 또한, 종래의 스터드 용접 시스템에서의 800A의 오더로 더 높은 전류와는 대조적으로, 브릿지 와이어가 용해 및/또는 증발되면, MIG 용접과 같은 다른 용접 프로세스에서 공통인 전류, 공통 용접과 유사한 전류[100-500A의 오더(order)로]를 사용하는 것이, 스터드 용접을 위해 사용될 수 있다. 더 상세히 후술하는 바와 같이, 현재 고려되는 실시형태는 브릿지 와이어에 의해 아크가 확립되면 스터드 베이스와 워크피스 표면의 용해를 위한 "유지 시간(hold time)"을 포함한다. 이 유지 시간은 종래의 스터드 용접 시스템보다 약간 더 길 수 있고, 베이스 물질을 향한 스터드의 진행 이전에, 진행 중에, 또는 진행의 약간 이후에 전력이 중단될 수 있다. 특히, 물질들의 최종 배치 혼합(final placement infusion)을 위한 베이스 물질을 향하여 스터드가 진행됨에 따라 전류가 제한될 수 있다.

도 3의 도시에서, 스터드(78)는 브릿지 와이어 또는 전극(82)을 수용(receive)하도록 형성되는 통로(passageway)(80)를 포함한다. 통로(80)가 바디(66)를 완전히 통과하여 주행(run)하는 경우에 편리한 압출(extrusion)에 의한 압출 동작 또는 터닝 동작에 의해 본 실시형태의 바디(66)가 형성될 수 있다. 대안으로서, 통로(80)가 바디 내로 부분적으로만 연장되도록 스터드 바디 내에 리세스(recess)가 형성될 수 있다. 브릿지 와이어 또는 전극(82)을 위해 그리고 바디(66)를 위해 상이한 물질이 사용되는 애플리케이션에 대하여 이러한 구조가 유용할 수 있다. 특히, 다수의 애플리케이션은, 알루미늄과 텅스텐 합금, 구리 합금, 및 특수강 등의 특별한 물질에 장착 또는 용접될 스터드를 필요로할 수 있다. 또한, 스터드의 비용에 실질적으로 추가되지만, 이 물질들과의 양호한 융합을 제공하기 위해 스터드 바디는, 이들 물질들로 이루어질 수 있다. 따라서, 더 특별하거나 비싼 베이스 물질이 사용되는 경우에, 베이스 물질과 스터드 사이의 융합을 향상시키는데 전극(82)이 사용될 수 있는 것이 고려된다. 이것은 더 낮은 비용의 스터드가 이 물질들에 장착되는 것을 허용할 수 있다. 예컨대, 카본 강 또는 다른 합금으로 이루어진 스터드는 베이스 물질과의 융합을 용이하게 하기 위해 특별하게 만들어진 합금으로 이루어진 브릿지 와이어 또는 전극을 포함할 수 있다(예컨대, 티타늄과 티타늄 합금, HSLA 80 또는 110 강 등).

다른 스터드 설계는 상이한 구조, 스타일, 및 위치의 전극, 스탠드오프 또는 와이어를 사용할 수 있는 도 4 내지 도 7에 도시되어 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 스터드(84)는, 스터드 바디(66)와 브릿지 와이어(68)를 구비하는 것뿐만 아니라 측방향 프로젝션(lateral projection)(86)도 포함한다. 이러한 형상은 너겟 형성을 보조하거나 그렇지 않으면 용탕(weld pool) 관통(penetration) 및/또는 분포(distribution)을 최적화할 수 있는 것이 고려된다. 즉, 플라즈마 아크는 최소 저항의 경로를 따르는 경향이 있다. 도면에 도시된 타입의 피처들은 스터드의 하나의 영역(area)을 지지하는데(favor) 사용될 수 있다. 스터드의 외부 엣지(outer edge) 상에 올라온 측방향 돌출부 또는 릿지(ridge)(86)는 더 넓은 용접 너겟(wider weld nugget)을 수용(accommodating)하는 외부 엣지로 아크를 이동시키는 경향이 있다.

전극 엘리먼트(90) 또는 두껍거나 넓은 브릿지 와이어가 제공되도록 상기한 바와 같이 도 5에 도시된 타입의 스터드(88)는 기계화(machined)될 수 있다. 이상적으로는 용이하게 용해 또는 증발되는 영역이 사용될 것이다. 따라서, 포인트를 갖는 스터드는 대용 와이어(surrogate wire) 또는 전극으로서의 사용을 위해 충분하게 될 수 있다. 포인트는 용해 및/또는 증발을 위해 초과 전류가 필요하지 않은 직경이 충분히 작게 될 수 있다. 브릿지 와이어 또는 포인트의 형상, 길이, 및 저항은, 프로세스가 모든 시간에 아크를 개시하고 아크 정전 또는 쇼트 회로없이 용접 상태로 전이하도록 하기 위해 파워 서플라이의 응답에 매칭될 수 있다.

도 6에 도시된 타입의 스터드(92)는 유사하지만 아크 개시를 위해 더 크거나 더 깊은 돌출부(extension)(94)를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 스터드는 단부(end)는 일반적으로 중심에 배치되고 그 형상이 원뿔형 또는 삼각형인 돌출부를 포함한다. 이러한 구조는 스터드의 중심에 아크를 집중시키는 경향을 가질 수 있다. 이것은 아크를 중심에 포커싱하고, 베이스 물질에 대한 더 깊은 관통(penetration)을 촉진하는데 유용할 수 있다.

또한, 도 7에 도시된 타입의 스터드(96)는 오프-셋 돌출부(off-set extension)(98)가 제공되어 사용될 수 있다. 돌출부(98)와 같은 상승 영역(raised area)은 스터드의 한쪽 사이드(side)를 지지할 수 있고, 이 스터드는 아크의 대부분을 그 사이드로 강제(force)하는 경향이 있다. 이것은 오배치 용접 내의 용접 너겟의 배치를 용이하게 할 수 있다. 이러한 경우에, 돌출부를 적절히 배향시키는데 요구되는 바와 같이 돌출부가 척과 짝을 이루도록 하기 위해, 스터드 용접 건이 적절하게 배향(수동 또는 로봇으로)될 수 있고, 용접 건 또는 로봇 장착 구조는 이 원하는 배향을 제공하기 위해 회전될 수 있다.

마지막으로, 도 8에 도시된 타입의 스터드(100)는 나삿니를 가질 수 있는 중심 개구부 또는 오프-셋 개구부(104)[예컨대 공통으로 "용접 너트"라 함]에 의해 횡당하는 홀로우 바디(hollow body)(102)를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 고리 모양 또는 다수의 돌출부(106)는 아크를 개시하기 위해 스터드의 저부(bottom)으로부터 돌출되어(raised) 제공될 수 있다.

스터드 상의 브릿지 와이어와와 같은 돌출부의 사용은 용접 아크를 개시하기 위해 특히 유용할 것으로 믿어진다는 것을 주목해야 한다. 일반적으로, 브릿지 와이어 또는 전극은, 베이스 물질과 접촉하거나 베이스 물질에 접근하게 됨에 따라 전기적으로 충전되거나 뜨거워지게(hot) 된다. 즉, 브릿지 와이어 또는 전극의 제1 포인트 또는 포인트들이 베이스 물질과 접촉하거나 베이스 물질에 근접하게 되면, 전류가 흐르기 시작하여 아크가 확립된다. 예컨대, 파워 서플라이가 600 A/ms의 오더의 비교적 빠른 속도로 전류를 제공하면, 콘택트의 제1 포인트 또는 포인트들은 거의 순간적으로 증발될 수 있다. 이러한 현상을 사용하기 위해, 후술하는 바와 같이, 스터드는, 유지되고, 용접 건으로 리세싱되고(recessed), 노즐 또는 스탠드오프에 의해 둘러싸일 수 있다. 스터드가 전방으로 진행되면, 이것은 비교적 느린 속도(예컨대, 1 inch/s보다 느림)가 될 수 있다. 이것은 아크의 개시를 용이하게 할 것이다. 따라서, 프로세스는 후술하는 바와 같은 2개의 진행 스텝을 사용할 수 있고, 제1 스텝은 아크 개시 및 유지를 위한 것이고, 제2 스텝은 스터드가 용접 풀에 고정되고 베이스 물질에 융합되는 플런징(plunging)을 위한 것이다.

또한, 스터드 용접 프로세스를 위한 아크를 개시하기 위해 대체 기술이 채택될 수 있다는 것을 주목해야 한다. 예컨대, 파워 서플라이, 스터드 용접 건, 또는 다른 콤포넌트에 통합될 수 있는, 고주파 아크 스타터(high frequency arc starter)가 사용될 수 있다. 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이, 이러한 장치들은 TIG 용접과 같은, 관련없는 다른 프로세스에서 사용된다. 이것들은 확장된 에어 갭(air gap)을 가로질러 아크를 개시할 수 있는 고주파수, 고전압 펄세이션(high voltage pulsation)을 생성할 수 있다. 이러한 장치 중 하나의 예는 HF 250이라는 명칭으로 Appleton, Wisconsin의 Miller Electric Mfg.로부터 구할 수 있다. 이러한 경우에, 아크를 개시하는 스텝을 지원(aid)하기 위해 후술하는 바와 같이 스터드의 베이스 상에 매우 날카로운 팁(tip)을 제공하는 것이 유용할 수 있다. 또한, 전류의 쇼트 버스트(short burst)가 아크를 개시하기 위해 적용될 수 있다. 또한, 스터드와 워크피스를 용해하기 위해 시전류 레벨(time current level)이 실질적으로 증가되는 실질적인 가열이 필요할 때까지, 낮은 에너지 아크가 개시되고 유지되는, 소위 파일럿 아크(pilot arc)가 사용될 수 있다.

도 9 내지 도 12는 현재 고려되는 실시형태에 의한, 워크피스(18)에 대한 스터드(16)의 배치 및 용접을 도해하여 나타낸다. 상기한 바와 같이, 스터드 사이즈, 스터드 스타일, 스터드 타입, 베이스 물질 두께, 합금 타입, 실딩 가스 타입(shielding gas type) 등의 본 프로세스를 제어하는데 사용되는 소정 파라미터의 입력을 위해 파워 서플라이 또는 용접 건이 구성될 수 있다. 대안으로서, 시스템은 이 변수들을 자동적으로 감지하고, 이것들과 매칭시키기 위해 시스템을 자동적으로 구성할 수 있다. 예컨대, 특히, 매거진, 롤(role), 또는 다른 스터드 홀딩 시스템이 사용되는, 스터드 또는 스터드 지지체에 대한 마킹에 기초하는 공지의 기술에 의하여 이러한 자동 감지가 수행될 수 있다. 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 현재 고려되는 실시형태에서, 종래기술인 스터드 용접 시스템에서와 마찬가지로 페룰이 사용되지 않는다. 대신, 실딩 가스가 스터드 주위를 둘러싸게 하고, 아크 개시 또는 후속 배치를 위해 스터드의 위치를 규정할 수 있는 노즐 또는 스탠드오프(108)에 의해 스터드(16)가 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 즉, 노즐 또는 스탠드오프는 용접 건으로부터 연장되거나, 스터드의 낮은 표면으로부터 및/또는 전극의 가장 낮은 부분 아래로부터 원하는 양을 돌출될 수 있다. 소정의 실시형태에서, 전극 또는 브릿지 와이어는 적어도 최초로 노즐 또는 스탠드오프(108) 이상으로 연장될 것이다.

도 9 내지 도 12의 예시에서, 스톱(110)은 스터드(16)의 후부(rear) 또는 상부(top)와 접촉하는 것으로 도시되어 있다. 또한 실제로, 이것은, 용접 아크의 확립을 위해 스터드를 충전하도록 하는 전기 접촉으로서 기능할 수 있다. 대안으로서 전력(electrical power)이 척(56)을 통해 제공될 수 있다. 도 9의 예시에서, 스터드 용접 건은 배치 및 전류의 인가를 위한 위치에 스터드를 유지한다. 노즐 또는 스탠드오프(108)는, 용접 영역을 둘러싸는 가스 커버리지(gas coverage)가 CO2 또는 높은 아르곤 화합물(high argon mixture)과 같은 용접 실딩 가스에 의해 영역을 보호하는 것을 가능하게 한다. 또한, 노즐은 도시된 바와 같이 스탠드오프 세팅 메카니즘(standoff setting mechanism)으로서 기능할 수 있다. 그러나, 이 2개의 기능은 개별적이 될 수 있고, 다른 스탠드오프 또는 배치 장치(positioning device)가 사용될 수도 있다는 것이 명확하게 되어야 한다. 도시된 실시형태에서, 우선 브릿지 와이어는 전체 거리의 대략 25% 또는 약 0.1 인치 내지 0.2 인치만큼 스탠드오프 세팅 메카니즘을 지나 연장된다. 이것은 브릿지 와이어가 베이스 물질과 접촉되는 것을 보장한다. 스터드와 건이 베이스 물질에 가까운 위치로 이동하면, 스톱(110)에 가까운 척에 의해 유지되는 스터드는, 화살표 112로 표시한 바와 같이 이것들이 진행되거나 낮아지기 때문에 작은 거리에 의해 건으로 푸시 백(push back)될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 스터드가 베이스 물질과 전기 접촉하고 스터드가 정확하게 조정(align)되면, 용접 아크(114)를 개시하기 의해 용접 전류가 인가될 수 있다. 이것은 예컨대 감지된 조정 및/또는 건 배향에 기초하여 오퍼레이터에 의해 또는 자동적으로 트리거 또는 스위치의 활성화(activation) 시에 발생할 수 있다. 현재 고려되는 실시형태에서, 0.05초 내지 0.5초의 오더와 같은 원하는 시간동안 브릿지 와이어를 용해 및/또는 증발시키기 위해, 400A보다 더 큰, 비교적 높은 전류 레벨이 인가될 수 있다. 이것은, 도 11에 도시된 바와 같이, 베이스 물질과 스터드 사이에 아크를 생성한다. 상기한 바와 같이, 고주파 아크 스타터, 파일럿 아크 등의 사용과 같은 아크를 개시하기 위해 대체 기술이 채택될 수 있다. 그 이후에, 전류는 더 낮은 레벨로 감소될 수 있고, 전류 레벨에 따라 0.1초 내지 5초의 오더와 같은 원하는 양의 시간동안 더 낮은 레벨에 유지될 수 있다. 또한, 용접 전류가 인가되는 동안 스터드는 원하는 위치 또는 높이(elevation)에 유지될 수 있다. 이것은, 용접 동작을 위해 충분한 스터드 및 베이스 물질의 용해를 야기한다. 도 11의 예시에서, 118의 높이는 이 홀딩 페이즈(holding phase) 동안 유지되고(maintained), 스터드와 베이스 물질의 영역(120 및 122)이 각각 용해된다.

용접 아크의 열 하에서의 물질의 준비에 이어서, 스터드는 도 2에 도시된 바와 같이 물질을 융합(fuse)하기 위한 위치로 플런징(plunging)되거나 진행될 수 있다. 이 포인트에서, 용접 전류는 아크를 없애기 위해 대폭 감소되어 종료될(terminated) 수 있다. 이 종료는, 스터드의 진행 직전에, 스터드의 진행 중에 발생하거나, 펄스 기술 등에 기초하여,

스터드에 인가되는 전력을 위한 다양한 제어 레짐(control regime)이 구현될 수 있다. 따라서, 베이스 물질과 스터드(16) 사이에 용접 너겟(124)이 형성된다.

스탠드오프와 노즐 배열과, 스터드의 배치 및 위치를 위해 사용되는 스페이싱 장치(spacing device)를 위한 대체 구조의 범위를 상상할 수 있다. 도 13은 링 또는 페룰(126)이 노즐(108)에 부착되는 대체 구조의 일례를 나타낸다. 소정의 실시형태에서, 이 링 구조는, 위치 내의 용접 퍼들(weld puddle)을 유지하고 실딩 가스 또는 플럭스(flux)를 포함하기 위한 페룰의 위치 내에 있는 냉각되고 두꺼운 구리 셀(cooled, thick copper shell)이 될 수 있다. 세라믹, 텅스텐, 그라파이트(graphite) 등의 고온 적응력(capability)을 갖는 다양한 물질이 사용될 수 있다. 교체 전에 다수의 용접을 위해서 이러한 구조가 반복적으로 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 또한 여기서, 임의의 개별 스터드 부착 페룰의 부재(absence)는 이러한 장치들과 관련된 비용(cost) 및 클린업(cleanup)을 방지한다.

상기한 바와 같이, 원하는 스터드 부착 각도를 위해 오퍼레이터가 적절히 건을 조정 또는 기울이도록, 건의 배향의 그래피컬 프리젠테이션(graphical presentation)과 하나 이상의 배향 감지 장치가 스터드 용접 건에 장착될 수 있는 것이 현재 고려된다. 도 14는 일련의 직교 배치된 LED(130)를 포함하는 예시적 디스플레이(128)를 나타낸다. 용접 건의 감지된 배향에 기초하여, 적절한 배향(예컨대, 수직성)을 얻기 위해 건이 불이 켜진 LED(lit LED)로부터 멀리 이동될 필요가 있는 것을 오퍼레이터에게 표시하기 위해 하나 이상의 LED가 불이 켜질(lit) 수 있다. 다른 유사한 디스플레이는 일련의 LED, LCD 또는 라인(line)에서와 같은 그래피컬 디스프레이, 타켓(target) 등과 같은 콘센트릭 링(concentric ring)에 배열되는 라이트(light)를 포함할 수 있다.

도 15는 본 발명에 의한 스터드 용접 동작을 위한 예시적 로직의 스텝들을 나타낸다. 스텝 134에서 스터드의 로딩에 의해 스터드 용접 동작(132)이 시작된다. 상기한 바와 같이, 이것은, 스트립 타입 배열 또는 매거진으로부터 이루어지거나, 자동화된 방식으로, 캐니스터(canister) 또는 다른 홀더(holder)로부터 수행될 수도 있다. 대안으로서, 스터드는 종래의 스터드 용접 건에서와 같이 손(hand)으로 로딩될 수 있다. 스텝 136에서 스터드와 건은 원하는 위치에 배치된다. 이 포인트에서, 기록 및 수정을 위해 오퍼레이터에게 배향의 판독 및/또는 그래피컬 재현이 제공될 수 있다. 위치가 적절하지 않으면, 블록 138에 표시한 바와 같이, 스터드 및/또는 건의 재배치가 필요할 수 있다. 배치가 적절하면, 용접 동작이 진행될 수 있다. 상기한 바와 같이, 배치는 수동 또는 자동으로 수행될 수 있고, 프로세스를 위해 메카니즘이 사용될 수 있다. 특히, 베이스 물질 표면에 스터드를 적절하게 배치하는 것과 용접 사양(specification)에 따라 적절하게 스터드를 배향하는 것을 하나 이상의 로봇이 보조할 수 있다는 것이 현재 고려된다.

워크피스 표면과 스터드의 브릿지 와이어 또는 다른 전극 돌출부(electrode extension) 사이에서와 같이 초기 아크가 생성되는 스텝 140에서 실제 용접 동작이 개시된다. 또한 여기서, 용접 펄스, 고주파 스타팅 등의 일반적으로 공지된 용접 프로세스 또는 상승된 전압과 전류의 인가에 의해 아크가 개시될 수 있고, 그리고/또는 파일롯 아크 스타팅은 아크를 개시하기 위해 채택될 수 있다. 스텝 142에서, 선택적으로 아크의 개시에 후속하여 스터드가 진행될 수 있다. 이것은, 상기한 바와 같이, 워크피스 표면 위에 원하는 높이에 스터드를 배치하기 위해 수행될 수 있다. 스텝 144에서, 배열이 제자리에 유지되거나 진행되고, 아크가 연속된다. 또한, 상기한 바와 같이, 이 스테이지에서, 아크를 유지하기 위해, 그리고 원하는 용접을 위한 스터드와 워크피스를 적어도 부분적으로 용해시키기 위해, 감소된 전류가 사용될 수 있다. 또한, 펄스 용접(pulsed welding)과 같은 다른 용접 레짐이 채택되는 경우에, 펄스는 아크 유지를 위해 구성될 수 있고, 원치 않는 스패터(spatter), 디스차지(discharge), 스프레이(spray) 등을 회피한다. 이어서, 유지 시간(hold time) 이후에, 스텝 144에서 표시된 바와 같이, 스터드가 진행될 수 있다. 상기한 바와 같이, 이것은 스터드 용접 건 내의 모터 또는 다른 액추에이터에 의해 수행될 수 있다. 다른 고려된 배열에서, 제자리에 스터드를 플런징하고 용접을 완료하기 위해, 솔레노이드(solenoid)와 같이, 하나 이상의 스프링이, 미리 충전되고, 솔레노이드의 비활성화(deactivation)시에 릴리즈될(released) 수 있다. 스텝 148에서, 스터드의 진행 직전 또는 스터드의 진행에 의해 전력이 종료될 수 있다. 스텝 150에서 표시된 바와 같이, 스터드가 제자리에 용접되면, 스터드가 건으로부터 릴리즈될 수 있다.

도 16은 스터드 용접 프로세스의 자동적인 개시를 위한 로직에 있어서의 몇가지 스텝들을 나타낸다. 스텝 154로 표시된 바와 같은 펄스 레짐(pulse regime)에서의 낮은 펄스 속도(pulse rate) 등을 통한 전력의 개시에 의해 도면부호 152로 표시된 이 자동 스텝들이 시작된다. 일반적으로, 스텝 154는 상기한 스터드를 유지하는 스텝에 후속할 수 있다. 스텝 156에서 표시된 바와 같이, 위치 감지기로부터의 피드백에 기초하여 스터드의 위치가 원하는 바와 같은지의 여부를 시스템이 자동적으로 결정할 수 있다. 스텝 154에서 낮은 전력이 인가됨으로써 위치가 원하는 바대로 되면, 스텝 158에서 표시된 바와 같이, 시스템은 자동적으로 스터드를 진행시키고, 스터드에 인가되는 전력 또는 펄스 속도를 증가시키고, 또는 다른 프로세스를 변경시킬 수 있다. 이 프로세스는 프로세스의 개시를 용이하게 할 수 있고, 원하는 위치가 얻어질 때까지 지연을 실행할 수 있다.

상기 시스템, 소모품, 및 방법은 다수의 상이한 대체물과 개선에 서브젝팅(subjecting)될 수 있다. 예컨대, 사용되는 프로세스에 관하여, 베이스 및/또는 스터드에서의 열을 증가 및/또는 감소시키기 위해, 상이한 극성의 용접 전력 또는 교류의 사용이 고려될 수 있다. 0 퍼센트와 100 퍼센트 사이의 조정의 전 범위 내에서 네거티브/포지티브 비(negative/positive ratio)가 조정될 수 있다. 또한, 파형의 듀티 사이클과 주파수가 조정될 수 있다. 이것은, 베이스 물질로의 침투(penetration)를 그 두께에 매칭시키는 것의 이익을 가질 수 있다. 마찬가지로, 선택된 용접 전력 레짐은 스터드와 워크피스의 배향에 따라 구성될 수 있다. 예컨대, 소정의 펄스 레짐은 오배치 용접을 위해 더 적합하게 될 수 있고, 상기 레짐은 이러한 경우에 변경될 수 있다.

또한, 스터드의 배향 및 진행에 관하여, MIG 와이어 피더(wire feeder)와 같은 종래의 용접 장비에 대한 부착을 위해 스터드 진행 메카니즘이 설계될 수 있다. 즉, MIG 와이어 건은 이러한 애플리케이션에서 접속 해제되고, 스터드 건으로 교체될 수 있다. 이러한 방식으로, 모든 상류측 장비는, 인벤토리(inventory), 비용, 케이블링(cabling), 시간 및 공간 필요조건을 감소시키는 2개의 프로세스들 모두를 위해 기능할 수 있다. MIG 와이어 피더는, 전력과 실딩 가스를 위한 양호한 접속 포인트를 제공할 수 있고, 프로세스 파라미터의 조정을 위한 유저 인터페이스를 제공할 수 있다. 대안으로서, MIG 건과 스터드 건 모두는 파워 서플라이 또는 와이어 피더에 항상 접속될 수 있다. 마찬가지로, 스터드 건은 TIG 용접기 및 스틱 용접기 등의 다른 공통 용접 시스템 타입으로 사용될 수 있다. 또한, 상기 배향 감지 스터드 건은, 상이한 배향을 갖고 건의 바디에 대한 정상 접속을 갖기 위해 감지 메카니즘이 장착되거나, 최고 리졸루션(resolution)을 허용하는 중력장 내에 감지기가 배치되도록 하기 위해, 리던던트 센서(redundant sensor)를 구비할 수 있다. 즉, 일부 배향에 있어서, 중력에 비해, 일부 감지기들은, 소정의 배향에서의 적은 리졸루션을 가질 수 있고, 충분한 정확도를 공급하기 위해 대체 배향(alternative orientation)을 필요로 할 수 있다.

스터드의 진행을 위해, 다양한 메카니즘 및 스프링 배열이 고려될 수 있다. 하나의 간단한 배열에 있어서, 수동 또는 자동으로 척에 다음 스터드가 로딩되면 스프링이 맞물려(engaged) 미리 로딩(preloaded)될 수 있다. 스터드를 확실히 유지하기 위한 사이드 스프링 포스(side spring force)를 갖는 척에 스터드가 유지될 수 있다. 적절한 스페이싱(spacing)을 확보하기 위해, 상기 스톱에 대하여 스터드가 마무리된다(bottom out). 상기한 바와 같이, 척은 용접 전류를 전달하는 콤포넌트로서 기능할 수 있다. 이러한 배열에 있어서, 원하는 용접 시간에 후속하여 스프링이 릴리즈될 수 있고, 용접에 스터드가 플런징된다. 용접 프로세스 중에 스터드의 느리고 연속적인 진행을 제공할 수 있는 댐프닝 장치(dampening device)와 협력하는 스트링과 같은 배열이 채택될 수 있는 것도 고려된다. 또한, 폐루프(closed-loop)가 될 수 있고, 스터드 및/또는 스터드 용접 건의 거리 또는 위치는 레이저 삼각측량 시스템(laser triangulation system)과 같은 감지기 등의 사용을 통해 피드백 제어를 위해 감지될 수 있다. 스터드의 느린 진행이 사용되면, 스터드의 사이즈, 워크피스의 두께, 인가된 전류 등에 기초하여, 진행의 속도가 조정 가능하게 될 수 있다. 마찬가지로, 인가된 용접 전력(예컨대, 전류 및 전압)은, 용접 위치로부터 용해 물질의 원치 않는 움직임과 스패터를 회피하면서 아크를 유지하는 것 등을 위해, 워크피스로부터의 스터드의 상대 적 거리에 기초하여, 변경될 수 있다.

또한, 다양한 타입의 건 스페이싱 수단이 제공될 수 있다. 이것들은 베이스 물질 상의 스터드 건의 배치를 가능하게 한다. 상기한 바와 같이, 소정의 배열에 있어서, 아크를 개시하기 위해 브릿지 와이어가 사용될 수 있다. 일부의 경우에, 브릿지 와이어는, 건이 베이스 물질을 향하여 가압(push)됨에 따라 유연하게되고(flexible) 만곡(bend)될 수 있다. 브릿지 와이어만의 만곡은 베이스 물질에 대한 스터드의 접속을 위해 충분한 힘을 제공할 수 있다. 다른 대체물에 있어서, 스프링의 릴리징(releasing) 또는 트리거링(triggering)에 의해 최소 이동(예컨대, 브릿지 와이어 길이의 대략 10 퍼센트 내지 50 퍼센트)을 갖는 작은 스프링이 사용될 수 있다. 즉, 스프링은 항상, 압축 범위(compression range) 내에서, 자유롭게 되고, 이동 가능하게 될 수 있다. 베이스 물질로 스터드 또는 용접 너트를 진행시키는 스프링은, 너겟이 형성되는 동안 제한된 움직임을 갖는다. 용접을 위한 시간 제한이 달성되면, 베이스 물질로 스터드를 진행[느리게 또는 플런지(plunge)에서]시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 스터드가 지구의 중력에 대하여 수직으로 배치되는 애플리케이션에서, 작은 스프링 힘을 대신하여 중력이 사용될 수 있지만, 그럼에도 불구하고 스터드와 베이스 물질이 용해되는 동안 스터드는 제자리에 유지될 것이다. 예컨대, 건은 자유 유동(free flowing travel)(예컨대, 브릿지 와이어 길이의 약 10 퍼센트 내지 50 퍼센트)을 가질 수 있고, 스터드가 브릿지 물질의 거리의 대략 10 퍼센트 내지 50 퍼센트만을 이동하는 동안, 중력은 스터드를 베이스 물질로 끌어당길 수 있다.

스터드 물질과 구성에 관하여 상기한 바와 같이, 이러한 설계의 범위가 채택될 수 있다. 추가 대체물에서, 스터드의 중심을 통해 와이어가 주행하는 것과 마찬가지로, 용접 와이어는 용접될 콤포넌트의 외측(outside) 주변에서 라우팅될(routed) 수 있다. 이러한 경우에, 콤포넌트의 스터드 또는 용접 너트 또는 임의의 유사한 구조가 될 수 있다. 용접 와이어는, 완전 고리모양 커버리지의 일부분을 회전하거나 고정되어 있는 콤포넌트 또는 멀티플 와이어의 외측 주위로 회전(spin)하는 싱글 와이어로 구성될 수 있다. 이 기술은 더 강한 접속을 위해 베이스 물질의 추가적이고 더 광범위한 융합을 제공할 수 있다.

마지막으로, 용접 중에 발생하는 단락 회로 이벤트(short circuit event)로부터의 복구를 위해 다양한 기술이 고려될 수 있다. 상기한 바와 같이, 다양한 물질 전달 모드를 따르는 펄스 레짐와 같은 다양한 용접 프로세스가 채택될 수 있다. 현재 고려되는 한가지 기술에서, 쇼트를 클리어(clear)하기 위해 정전압 용접 파워 서플라이의 응답과 마찬가지로 쇼트 회로가 검출되는 이벤트에서 전류 흐름이 증가될 수 있다. 용접을 반복 또는 재실행하기 의해 후속 연장된 용접 시간이 추가될 수 있다. 쇼트 클리어 이전에 쇼트를 클리어할 예정이고, 이어서 전력을 현저히 감소시키는 감지의 수단에 의해 고전류 응답이 채택되고, 이에 의해 쇼트를 클리어하는 포인트에서 전력의 양을 감소시키고, 용접 조인트(weld joint)로부터 배출될 수 있는 물질의 양을 현저히 감소시킨다. 이러한 기술은 펄스 및 쇼트 회로 용접 프로세스에서 쇼트 클리어링 등을 위해 상이한 콘텍스트(context)에서 사용된다. 또한, 쇼트 회로가 감지(전류의 증가 또는 전압 하강 등의 참조에 의함)될 수 있고, 스터드는 베이스 물질로부터 후퇴될(retracted away) 수 있고, 이것은 통상적으로 아크가 재확립되는 동안 전류가 낮은 레벨로 유지되게 할 것이다.

이 모든 기술에 있어서, 용접 시스템 및/또는 원격 연결된 모니터링 및/또는 제어 장비에 의해 다양한 파라미터가 감지 및 저장될 수 있다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 소정의 애플리케이션에서, 이것은, 스터드 바이 스터드 기반(stud-by-stud basis)에서 기록 키핑(record keeping) 및 품질 제어를 가능하게 한다.

본 발명의 소정의 피처(feature)들만이 여기에 도시 및 개시되어 있지만, 다수의 수정 및 변경이 통상의 기술자에 의해 발생할 것이다. 따라서, 청구범위는 본 발명의 실제 사상 내에 있는 이러한 수정과 변경을 모두 커버(cover)하는 것을 의도하고 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims

스터드 용접 시스템에 있어서,
스터드 용접 프로세스 및 적어도 하나의 다른 용접 프로세스를 수행하도록 구성되는 파워 서플라이(power supply)로서, 상기 스터드 용접 프로세스 및 상기 적어도 하나의 다른 용접 프로세스를 실행하기 위한 제어 회로와, 상기 용접 프로세스 중 선택된 하나를 위해 적합한 전력을 출력하도록 구성되는 변전 회로를 포함하는, 파워 서플라이; 및
상기 파워 서플라이로부터의 출력 전력을 수신하고, 워크피스(workpiece)에 대한 스터드의 스터드 용접 프로세스를 수행하도록 구성되는 스터드 용접 건(stud welding gun)
을 포함하는, 스터드 용접 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스터드 용접 건은, 상기 스터드 용접 프로세스 중에 상기 스터드의 후퇴(retraction) 없이 단일 방향으로 상기 워크피스로의 스터드의 이동을 제어하기 위한 제어 회로를 포함하는 것인,
스터드 용접 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스터드 용접 건은, 상기 워크피스에 대한 용접을 위해 상기 스터드 용접 건 내에 로딩되는 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 각도 배향(angular orientation)을 검출하기 위한 배향 감지기를 포함하는 것인,
스터드 용접 시스템.
제3항에 있어서,
상기 스터드 용접 건은, 상기 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 배향의 오퍼레이터 감지 가능 표시(operator perceptible indication)을 제공하도록 구성되는 판독부(readout)를 포함하는 것인,
스터드 용접 시스템.
제3항에 있어서,
상기 스터드 용접 건은, 상기 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 배향의 오퍼레이터 감지 가능 표시를 제공하도록 구성되는 광 디스플레이를 포함하는 것인,
스터드 용접 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스터드 용접 건은, 용접될 스터드를 상기 워크피스에 대하여 원하는 위치에 간격을 두고 배치하도록 구성되는 노즐 또는 스탠드오프(standoff)를 포함하는 것인,
스터드 용접 시스템.
제1항에 있어서,
상기 파워 서플라이는, 펄스 용접 레짐(pulsed welding regime)에 기초하여 스터드 용접을 수행하도록 구성되는 것인,
스터드 용접 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스터드 용접 건은, 상기 워크피스에 대한 스터드의 용접을 위해 원하는 위치와 배향으로 상기 스터드 용접 건을 배치하는 자동화 시스템에 연결되는 것인,
스터드 용접 시스템.
스터드 용접 건에 있어서,
스터드 용접 프로세스를 제어하도록 구성되는 제어 회로;
워크피스에 대한 용접을 위해 용접 건 내에 충전되는 스터드 및/또는 상기 용접 건의 위치 및/또는 배향을 검출하기 위한 배향 감지기
를 포함하는, 스터드 용접 건.
제9항에 있어서,
상기 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 배향의 오퍼레이터 감지 가능 표시(operator perceptible indication)를 제공하도록 구성되는 판독부(readout)를 포함하는,
스터드 용접 건.
제9항에 있어서,
상기 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 배향의 오퍼레이터 감지 가능 표시를 제공하도록 구성되는 광 디스플레이를 포함하는,
스터드 용접 건.
제9항에 있어서,
용접될 스터드를 상기 워크피스에 관하여 원하는 위치에 간격을 두고 배치하도록 구성되는 노즐 또는 스탠드오프(standoff)를 포함하는,
스터드 용접 건.
제9항에 있어서,
상기 제어 회로는, 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 원하는 위치 및/또는 배향의 검출시에, 상기 스터드의 용접을 위해 아크를 자동적으로 개시하도록 구성되는 것인,
스터드 용접 건.
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드에 있어서,
바디(body);
상기 바디의 하부 표면으로부터의 아크 개시 돌출부(arc-initiating extension)로서, 스터드를 워크피스에 용접하는 프로세스에서 용접 아크의 개시를 위해 상기 워크피스와 접촉하거나 상기 워크피스에 근접하도록 구성되는, 아크 개시 돌출부
를 포함하는, 스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
제14항에 있어서,
상기 아크 개시 돌출부는 브릿지 와이어(bridge wire)를 포함하는 것인,
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
제15항에 있어서,
상기 브릿지 와이어는, 상기 스터드의 바디보다 실질적으로 더 작은 단면적 사이즈를 갖는 것인,
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
제15항에 있어서,
상기 브릿지 와이어는, 날카로운 하방 단부(sharpened lower extremity)를 갖는 것인,
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
제14항에 있어서,
상기 아크 개시 돌출부는 상기 바디의 하부면에 관하여 중심에 배치되는 것인,
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
제14항에 있어서,
상기 아크 개시 돌출부는 상기 바디에 형성되는 리세스(recess)에 끼워 맞춤되는 것인,
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
제14항에 있어서,
상기 아크 개시 돌출부는 상기 바디와 상이한 물질로 이루어지는 것인,
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
제14항에 있어서,
상기 아크 개시 돌출부는 상기 바디의 하부면의 주위에 배치되는 것인,
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
제14항에 있어서,
상기 스터드는 페룰(ferrule)를 포함하지 않는 것인,
스터드 용접에서의 사용을 위한 스터드.
스터드 전달 장치에 있어서,
지지체; 및
전체적으로 병렬 방식 또는 인라인 방식(in-line fashion)으로 상기 지지체에 고정되는 복수의 스터드
를 포함하고,
상기 스터드와 지지체는, 스터드 용접 건에 대한 연속 방식(serial fashion)으로의 전달을 위해 구성되는 것인,
스터드 전달 장치.
제23항에 있어서,
상기 지지체는 테이프(tape)를 포함하는 것인,
스터드 전달 장치.
제23항에 있어서,
상기 지지체는 매거진(magazine)을 포함하는 것인,
스터드 전달 장치.
스터드 용접 방법에 있어서,
바디와 아크 개시 돌출부를 구비하는 스터드를 스터드 용접 건에 로딩(loading)하는 것;
상기 아크 개시 돌출부를 워크피스에 접촉시키거나 근접시킴으로써, 상기 워크피스에 관하여 원하는 위치에 상기 스터드 용접 건을 배치하는 것;
상기 아크 개시 돌출부와 상기 워크피스 사이에서 용접 아크를 개시하는 것;
상기 스터드와 상기 워크피스 사이에서 상기 아크를 유지하면서, 원하는 시간동안 상기 워크피스로부터 떨어져서 상기 스터드를 유지하는 것; 및
상기 워크피스에 상기 스터드를 연결(join)하기 위해 상기 워크피스로 상기 스터드를 진행시키는 것
을 포함하는, 스터드 용접 방법.
제26항에 있어서,
상기 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 위치 및/또는 배향을 검출하는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
제27항에 있어서,
상기 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 상기 위치 및/또는 배향의 사용자 인식 가능 표시(user viewable indication)를 디스플레이하는 것을 포함하는 것인,
스터드 용접 방법.
제27항에 있어서,
상기 스터드 및/또는 상기 스터드 용접 건의 상기 위치 및/또는 배향이 원하는 위치 및/또는 배향에 도달하면, 상기 용접 아크를 자동적으로 개시하는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
제26항에 있어서,
상기 스터드 용접 건은, 자동화 시스템에 의해 상기 원하는 위치에 배치되는 것인,
스터드 용접 방법.
제26항에 있어서,
상기 아크를 개시하기 위해 상기 스터드에 제1 전류를 인가하고, 상기 아크의 개시에 후속하여, 상기 스터드에 상기 제1 전류보다 더 낮은 제2 전류를 인가하는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
제31항에 있어서,
상기 제1 전류는, 약 400 암페어(A)보다 높은 것인,
스터드 용접 방법.
제32항에 있어서,
상기 제1 전류는, 상기 아크를 개시하기 위해, 고주파수로 인가되는 것인,
스터드 용접 방법.
제31항에 있어서,
상기 제2 전류는, 약 400 암페어(A)보다 낮은 것인,
스터드 용접 방법.
제34항에 있어서,
약 100 암페어(A)보다 낮은 전류를 상기 아크에 인가하는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
제26항에 있어서,
상기 워크피스로부터 떨어져서 상기 스터드를 유지하는 것 중에 또는 상기 워크피스로부터 떨어져서 상기 스터드를 유지하는 것 이전에, 그리고 상기 아크의 개시에 후속하여, 상기 워크피스에 근접하는 원하는 위치에 상기 스터드를 진행시키는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
제26항에 있어서,
상기 스터드는, 상기 아크의 개시에 후속하여, 느린 속도로 진행되는 것인,
스터드 용접 방법.
제26항에 있어서,
상기 스터드 주위에 실딩 가스(shielding gas)를 적용하는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
제38항에 있어서,
상기 스터드 용접 건의 노즐 또는 스탠드오프를 통해 상기 실딩 가스를 제한(confining)하는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
제26항에 있어서,
상기 아크는, 용접 파워 서플라이로부터의 펄스 전력(pulsed power)에 의해 개시 및 유지되는 것인,
스터드 용접 방법.
제26항에 있어서,
상기 워크피스에 대한 상기 스터드의 용접 중에, 상기 스터드 용접 건 및/또는 스터드의 상기 위치 및/또는 배향을 로깅(logging)하는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
상기 워크피스에 대한 상기 스터드의 용접 중에, 적어도 하나의 용접 파라미터로 로깅하는 것을 포함하는,
스터드 용접 방법.
스터드 용접 시스템에 있어서,
스터드 용접 프로세스 및 적어도 하나의 다른 용접 프로세스를 수행하도록 구성되는 파워 서플라이(power supply)로서, 상기 스터드 용접 프로세스 및 상기 적어도 하나의 다른 용접 프로세스를 실행하기 위한 제어 회로와, 상기 용접 프로세스 중 선택된 하나를 위해 적합한 전력을 출력하도록 구성되는 변전 회로를 포함하는, 파워 서플라이;
상기 파워 서플라이로부터의 출력 전력을 수신하고, 워크피스(workpiece)에 대한 스터드의 스터드 용접 프로세스를 수행하도록 구성되는 스터드 용접 건(stud welding gun); 및
상기 워크피스에 대한 스터드의 용접을 위해 원하는 위치와 배향으로 상기 스터드 용접 건을 배치하는 자동화 시스템
을 포함하는, 스터드 용접 시스템.