KR20150086555A - 다빙 펄스 용접 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20150086555A
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KR1020157018195A
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로버트 알 데이비드슨
리차드 제이 슈
매튜 알렉스 팔머
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일리노이즈 툴 워크스 인코포레이티드
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Abstract

펄스 용접 방식은 다빙 위상(74)이 뒤따르는 피크 위상(72)을 포함하되, 피크 위상에서 에너지는 전극과 용접 퍼들로 부가되고 용융 볼은 전극으로부터 분리되기 시작하며 다빙 위상에서 전류가 현저하게 감소되어 에너지를 거의 또는 전혀 부가함이 없이 볼을 용접 퍼들 내에 위치시킨다. 결과적인 단락 회로는 클리어되며 시스템은 배경 위상(70)을 진행한다. 다빙 위상 내에서의 전류는 배경 위상 동안의 전류보다 낮다. 공정은 특히 특정 용접 와이어를 위하여 적합할 수 있으며 그리고 특히 코어 와이어와 함께 사용하는 것에 아주 적합하다. 다빙 위상은 이러한 와이어의 피복에 전달될 보다 낮은 에너지를 고려하며, 그리고 각 펄스 사이클 후에 아크 길이를 재설정한다.

Description

다빙 펄스 용접 시스템 및 방법{DABBING PULSED WELDING SYSTEM AND METHOD}
본 출원은, 모든 의도로 본 명세서에서 참조로 그 전체 내용이 인용되는, 2012년 12월 12일자로 출원된 "다빙 펄스 용접 시스템 및 방법(Dabbing Pulsed Welding System and Method)"란 명칭의 미국 특허가출원 제61/736,393호의 정규특허출원이다.
본 발명은 용접기에 관한 것으로서, 특히 와이어가 용접 토치로부터 전진함에 따라 따라 펄스 파형이 용접 와이어에 인가되는 용접 작업을 수행하도록 구성된 용접기에 관한 것이다.
광범위한 용접 시스템 및 용접 제어 방안이 다양한 용도로 구현되어 있다. 연속 용접 작업에서, 금속 불활성 가스(MIG) 기법은 용접 토치로부터의 불활성 가스에 의하여 보호된 용접 와이어의 공급에 의해 연속적 용접 비드의 형성을 허용한다. 전력이 용접 와이어에 인가되고 회로가 공작물을 통해 회로가 완성되어, 원하는 용접부를 형성하도록 와이어와 공작물을 용융시키는 아크를 유지하게 된다.
발전된 형태의 MIG 용접은 용접 전력 공급 장치에서의 펄스 전력의 발생을 기초로 한다. 즉, 전력 공급 장치의 제어 회로가 전류 및/또는 전압 펄스를 통제하여 용접 와이어로부터의 금속 액적(metal droplets)의 형성 및 용착을 조절하고, 용융지(weld pool)의 원하는 가열 및 냉각 프로파일을 유지하고, 그리고 와이어와 용융지 간의 단락(shorting)을 제어하는 등의 다양한 펄스식 방안이 수행된다.
많은 용례에서 매우 효과적이지만, 이러한 펄스식 방안은 문제점을 겪을 수 있다. 예를 들어, 전달 모드에 따라 공정은 이동 속도를 제한하거나, (용접된 공작물의 시기 적절한 세척을 요구하는) 과도한 스패터(spatter)를 생성하거나, 최적에 미치지 못하는 침투를 제공하거나, 이들 또는 기타 효과의 임의의 조합을 초래할 수 있다. 또한, 스프레이 모드의 재료 전달로 작동하는 것과 같은 임의의 펄스식 공정은 특정 용례에 대해서는 과도하게 고온으로 될 수 있다. 단락 회로식 공정 등의 기타 공정에서는 보다 저온으로 될 수 있지만, 이는 또한 스패터나 기타 원치 않는 효과를 야기할 수 있다.
더욱이, 소정 용접 상황에서 그리고 소정 용접 전극에 있어서, 전극과 공작물 간에 주기적 단락 회로를 실현하도록 조절된 펄스식 용접 공정은 용접부에 과도한 에너지를 추가할 수 있다. 예를 들어, 코어드 와이어 전극(cored wire electrode)에 있어서, 그 전극은, 특히 용접 전류가 솔리드 와이어보다 용이하게 용융될 수 있는 와이어 피복을 통해 흐르는 경향이 있는 만큼, 와이어에 가해지는 과도한 전류에 의하여 가열될 수 있다. 결과적으로 아크가 넓어질(flaring) 수(길어질 수) 있다. 그러나, 갭을 잇고, 용락(burn-through)을 줄이고 그리고 이동 속도를 증가시키기 위하여 아크 길이를 최소한으로 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 불행하게도, 이는 와이어를 진행 중인 용접 퍼들(weld puddle)에 대해 단락시키고, 또한 단락 회로를 클리어하기 위하여 추가의 전류를 필요로 하고 이는 또한 코어드 와이어 피복의 가열을 다시 야기하고 아크가 넓어지게 한다.
따라서, 용접 품질과 유연성을 향상시키면서 펄스식 파형 방안으로 용접을 가능하게 하는 개선된 용접 전략이 필요하다.
본 발명은 이러한 요구에 부응하도록 설계된 용접 시스템을 제공한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 용접 시스템은, 피크 위상, 그 직후의 다빙 위상(dabbing phase) 및 이에 후속한 배경 위상(backgroudn phase)를 포함한 제어 파형을 제공하도록 구성된 처리 회로; 및 제어 파형에 기초하여 용접 전력 출력을 제공하도록 구성된 전력 변환 회로를 포함한다.
본 발명은 또한, 하나의 양태에 따라 피크 위상, 그 직후의 다빙 위상 및 이에 후속한 배경 위상를 포함하는 용접 전력 출력을 위한 파형을 발생시키고 이 제어 파형에 기초하여 입력 전력을 용접 전력으로 변환시키는 것과 같은 용접 방법을 제공한다.
도 1은 본 기술의 양태에 따른 펄스식 용접 작업을 수행하도록 와이어 공급 장치에 결합된 전력 공급 장치를 설명하는 예시적인 MIG 용접 시스템의 개략적인 도면.
도 2는 도 1에 도시된 형태의 용접 전력 공급 장치를 위한 예시적인 제어 회로 요소의 개략적인 도면.
도 3은 본 기술에 따라 용융 금속을 용접 전극으로부터 용접 퍼들로 다빙(dabbing)하기 예시적인 파형의 도시적인 도면.
도 4는 실제 실행 중에 그러한 파형의 일련의 펄스에서의 전압과 전류의 도시적인 도면.
도 5는 그러한 용접 방안을 수행하는 소정 제어 로직을 도시한 플로우 차트.
도 6은 본 기술에 따라 용접 전극에서 용접 퍼들로 용융 금속을 다빙하기 위한 다른 예시적인 파형의 도시적인 도면.
도 7은 도 6의 용접 방안을 실행하는 데 있어 소정 제어 로직을 도시한 플로우 챠트.
도 8은 본 기술에 따른 전력 오프 신호를 생성하는 소정 제어 로직을 도시한 플로우 챠트.
도면으로 돌아가 도 1을 먼저 참고하면, 예시적인 용접 시스템은 전도체 또는 도관(14)을 통해 서로 결합된 전력 공급 장치(10)와 와이어 공급 장치(12)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 전력 공급 장치(10)는 와이어 공급 장치(12)와는 별개로 이루어져, 와이어 공급 장치가 전력 공급 장치로부터 얼마간 거리를 두고 떨어져 용접 위치 근처에 위치될 수 있다. 그러나, 일부 실시형태에서 와이어 공급 장치는 전력 공급 장치와 일체로 될 수 있다는 것은 이해할 것이다. 이러한 경우, 도관(14)은 시스템 내부에 있을 것이다. 와이어 공급 장치가 전력 공급 장치와는 별개로 이루어진 실시예에서, 전력 공급 장치로부터 와이어 공급 장치로 전력 및 가스가 제공될 수 있게 하고 또한 두 장치 간에 데이터 교환이 가능하도록 하기 위해, 단자가 전력 공급 장치 및 와이 공급 장치에 마련되어 전도체 또는 도관(14)를 그 시스템에 결합될 수 있도록 된다.
시스템은 용접 토치(16)에 와이어, 전원 및 보호 가스를 제공하도록 설계된다. 당업자라면, 용접 토치는 수많은 다양한 타입으로 이루어질 수 있으며, 통상적으로 2 개 이상의 금속편을 결합하도록 용접부가 형성될 공작물(18)에 인접한 위치로 용접 와이어 및 가스의 공급을 가능하게 한다는 점을 이해할 것이다. 통상, 제2 전도체가 용접 공작물로 연장하여, 전력 공급 장치와 공작물 간에 전기 회로를 완성한다.
시스템은 특히 전력 공급 장치 상에 제공된 작업자 인터페이스(20)를 통하여 작업자가 데이터 세팅을 선택할 수 있도록 설계된다. 작업자 인터페이스는 전형적으로 전력 공급 장치의 전면판에에 합체되어, 용접 공정, 사용될 와이어의 종류, 전압 및 전류 세팅 등을 선택할 수 있게 한다. 특히, 시스템은 다양한 강, 알루미늄 또는 토치를 통해 안내되는 다른 용접 와이어를 사용한 MIG 용접을 가능하게 하도록 설계된다. 그러한 용접 세팅은 전력 공급 장치 내의 제어 회로(22)에 전송된다. 시스템은 특히 코어드 전극과 같은 임의의 전극 형태를 위해 설계된 용접 방안을 실행하도록 조정될 수 있다.
이하에서 보다 상세하게 설명될 제어 회로는 원하는 용접 작업을 수행하도록 용접 와이어에 인가될 용접 전력 출력의 발생을 제어하도록 작동한다. 현재 고려된 소정 실시예에서, 예를 들어 제어 회로는 용접부 또는 전극에 과도한 에너지를 부가하지 않고 진행하는 용접 퍼들로의 용융 금속의 단락 회로 전달(short circuit transfer)을 "다빙" 또는 촉진하는 펄스 MIG 용접 방안을 조절하도록 될 수 있다. "단락 회로" 모드에서, 용융 금속의 액적은 용접 아크에 의한 가열의 영향 하에서 용접 와이어 상에 형성되며, 이들 액적은 와이어와 액적 그리고 용융지 간의 접촉 또는 단락 회로에 의하여 주기적으로 용융지로 전달된다. "펄스식 용접" 또는 "펄스식 MIG 용접"은 진행하는 용접 퍼들로의 금속 액적의 용착을 제어하도록 하는 등을 위해 펄스형 전력 파형이 발생되는 기술을 가리킨다. 본 발명의 특정 실시예에서, "하이브리드 펄스-단락 회로 용접 방안(Hybrid Pulsed-Short Circuit Welding Regime)"란 명칭으로 Hutchison 등에 의해 2012년 10월 18일자로 출원되고 본 명세서에서 참조로 인용되는 미국 특허출원 제13/655,174호에 기재된 바와 같이, "하이브리드" 전달 모드 형태로, 단락 회로 용접과 스프레이 용접의 특징 모두를 갖는, 펄스를 발생시키는 특수한 펄스식 용접 방안이 실행될 수도 있다.
따라서 제어 회로는 전력 변환 회로(24)에 결합된다. 이 전력 변환 회로는 궁극적으로 토치에서 용접 와이어에 인가될 펄스 파형과 같은 출력 전력을 생성하도록 된다. 초퍼, 부스트 회로, 벅 회로(buck circuit), 인버터, 컨버터 등을 포함하는 다양한 전력 변환 회로가 이용될 수 있다. 이러한 회로의 구성은 당업계에에서 그리고 그 자체가 대체로 알려진 형태일 수 있다. 전력 변환 회로(24)는 화살표 26에 의하여 지시된 바와 같이 전력원에 결합된다. 엔진 구동식 발전기에 으해 발생된 전력, 배터리, 연료 전지 또는 기타 대안적인 전원 등과 같은 다른 전력 소스가 사용될 수 있지만, 전력 변환 회로(24)에 인가되는 전력은 전력망에서 얻어질 수 있다. 마지막으로, 도 1에 도시된 전력 공급 장치는 제어 회로(22)가 와이어 공급 장치(12)와 신호를 교환하도록 설계된 인터페이스 회로(28)를 포함한다.
와이어 공급 장치(12)는 인터페이스 회로(28)와 결합된 보조 인터페이스 회로(30)를 포함한다. 일부 실시예에서, 두 요소들 모두에 멀티-핀 인터페이스가 마련되고 멀티-도전체 케이블이 인터페이스 회로들 사이에서 연장하여, 와이어 공급 속도, 공정, 선택된 전류, 전압 또는 전력 레벨 등과 같은 정보가 전력 공급 장치(10)와 와이어 공급 장치(12) 중 어느 하나 또는 둘 모두에서 세팅될 수 있도록 할 수 있다.
와이어 공급 장치(12)는 또한 인터페이스 회로(30)에 결합된 제어 회로(32)를 포함한다. 이하에서 더 충분하게 설명될 바와 같이, 제어 회로(32)는 작업자의 선택에 따라 와이어 공급 속도가 제어될 수 있게 하고 또한 그 세팅이 인터페이스 회로를 통해 전력 공급 장치에 피드백될 수 있게 한다. 제어 회로(32)는 하나 이상의 용접 파라미터의 선택, 특히 와이어 공급 속도의 선택이 가능한 와이어 공급 장치 상의 작업자 인터페이스(34)에 결합된다. 작업자 인터페이스는 또한 공정, 이용된 와이어 종류, 전류, 전압 또는 전력 세팅 등의 용접 파라미터의 선택을 허용할 수도 있다. 제어 회로(32)는 또한 토치로의 보호 가스의 흐름을 조절하는 가스 제어 밸브(36)에 결합된다. 일반적으로, 이러한 가스는 용접시 제공되는 것으로, 용접 직전에 그리고 용접에 뒤이어 짧은 시간 동안에 켜진다. 가스 제어 밸브(36)에 가해진 가스는 통상적으로 도면 부호 38로 나타낸 바와 같이 압축 보틀 형태로 제공된다.
와이어 공급 장치(12)는 제어 회로(36)의 제어 하에서 용접 토치로 이에 의해 용접 부위로 와이어를 공급하는 요소를 포함한다. 예를 들어, 용접 와이어의 하나 이상의 스풀(40)이 와이어 공급 장치 내에 수용된다. 용접 와이어(42)는 스풀에서 풀려져 점차 토치로 공급된다. 스풀은 클러치(44)와 결합될 수 있는 데, 그 클러치는 와이어를 토치에 공급하려 할 때에 스풀을 해방시키게 된다. 클러치는 또한 스풀의 자유로운 회전을 방지하기 위해 최소한의 마찰 수준을 유지하도록 조절될 수 있다. 공급 롤러(48)와 맞물리는 공급 모터(46)가 마련되어, 와이어 공급 장치로부터의 와이어를 토치를 향해 밀게 된다. 실제로 롤러(48) 중 하나는 모터에 기계적으로 결합되며 모터에 의하여 회전하여 와이어 공급 장치로부터 와이어를 구동하는 반면에, 상대 롤러는 와이어를 향해 압박되어, 2개의 롤러와 와이어 간의 양호한 접촉을 유지한다. 일부 시스템은 이러한 형태의 다수의 롤러를 포함할 수 있다. 마지막으로, 모터(46), 롤러(48) 또는 다른 관련된 요소의 속도를 검출하여 실제 와이어 공급 속도를 표시하도록 타코메터(50)가 마련될 수 있다. 타코메터로부터의 신호는 이하에서 설명될 바와 같은 캘리브레이션 등을 제어 회로(36)로 피드백된다.
다른 시스템 구성 및 입력 체계 또한 실행될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 용접 와이어는 벌크 저장 컨테이너(예를 들어, 드럼)로부터 또는 와이어 공급 장치 밖의 하나 이상의 스풀로부터 공급될 수 있다. 마찬가지로, 스풀이 용접 토치 상에 또는 용접 토치 근처에 배치된 "스풀 건(spool gun)"으로부터 와이어가 공급될 수 있다. 본 명세서에서 언급하는 바와 같이, 와이어 공급 속도 세팅은 와이어 공급 장치 상의, 전력 공급 장치의 작업자 인터페이스(20) 상의, 또는 이들 둘 모두 상의 작업자 입력부(34)를 통하여 입력될 수 있다. 용접 토치 상에서 와이어 공급 속도 조절부를 갖는 시스템에서, 이는 설정을 위하여 사용된 입력부일 수 있다.
전력 공급 장치로부터의 전력은 통상 일반적인 방식으로 용접 케이블(52)을 통하여 와이어로 인가된다. 마찬가지로, 보호 가스가 와이어 공급 장치와 용접 케이블(52)을 통하여 공급된다. 용접 작업 동안에, 와이어는 용접 케이블 재킷을 통과해 토치(16)를 향하여 전진하다. 토치 내에는 추가적 견인 모터(54: pull motor)가 특히 알루미늄 용접 와이어를 위해 관련 구동 롤러와 함께 마련될 수 있다. 이하에서 더 상세하게 설명될 바와 같이 원하는 와이어 공급 속도를 제공하기 위하여 모터(54)는 조절된다. 토치 상의 트리거 스위치(56)는 와이어 공급 장치로 피드백되고 그리고 와이어 공급 장치로부터 전력 공급 장치로 피드백되는 신호를 제공하여 작업자에 의하여 용접 공정이 시작되고 종료될 수 있게 한다. 즉, 트리거 스위치의 누름에 따라 가스 흐름이 시작되고, 와이어가 앞으로 전진하며, 전력이 용접 케이블(52)에 인가되고 토치를 통하여 전진하는 용접 와이어로 인가된다. 이 과정은 또한 이하에서 더욱 상세하게 설명된다. 마지막으로, 작업 중에 용접 아크를 유지하기 위하여 공작물 케이블과 클램프(58)는 전력 공급 장치로부터 용접 토치, 전극(와이어) 그리고 공작물을 통과하는 전기 회로를 완성하게 할 수 있다.
와이어 공급 속도가 작업자에 의하여 "설정"될 수 있는 반면에, 제어 회로의 명령에 따른 실제 속도는 일반적으로 용접 동안에 다양한 이유로 달라질 것이다. 예를 들어, "런 인(run in)"(아크 시작을 위한 와이어의 초기 공급)을 위한 자동화된 알고리즘은 설정 속도로부터 유도된 속도를 사용할 수 있다. 마찬가지로, 와이어 공급 속도의 다양한 선형적 증가 및 감소가 용접 중에 지시될 수 있다. 다른 용접 공정은 용접부에 후속한 오목부를 채우도록 와이어 공급 속도가 변경되는 "크레이터링(cratering)" 단계를 필요로 할 수 있다. 더욱이, 펄스식 용접 방안에서, 와이어 공급 속도는 정기적으로 또는 주기적으로 달라질 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 형태의 시스템에서 기능하도록 설계된 제어 회로(22)를 위한 예시적인 실시예를 도시한다. 도면에서 도면 부호 60으로 지시된 전체 회로는 위에서 설명된 작업자 인터페이스(20), 그리고 와이어 공급 장치, 용접 토치 및 다양한 센서 및/또는 액츄에이터와 같은 하류 구성 요소 내외로의 파라미터의 전달을 위한 인터페이스 회로(28)를 포함한다. 회로는 용접 계획을 실행하너 그 용접 계획에서 구현될 파형을 위한 연산을 행하는 등을 위해 설계된 하나 이상의 주문형 또는 범용 프로세서를 포함할 수 있는 처리 회로(62) 등을 포함한다. 처리 회로는 구동 회로(64)와 관련이 있으며, 이 구동 회로는 처리 회로로부터의 제어 신호를 전력 변환 회로(24)의 전원 전자 스위치로 인가되는 구동 신호로 변환한다. 일반적으로 구동 회로는 처리 회로로부터의 이러한 제어 신호에 응답하여 전력 변환 회로가 본 명세서에서 설명된 형태의 펄스 용접 방안을 위한 제어된 파형을 발생시키는 것을 허용한다. 처리 회로(62)는 또한 실행될 용접 방안을 제공하기 위한, 용접 변수를 저장하기 위한, 용접 세팅을 저장하기 위한, 그리고 에러 로그를 저장하기 위한 것과 같은 한 종류 이상의 영구적인 그리고 일시적인 데이터 저장 장치로 이루어질 수 있는 메모리 회로(66)와 협력할 수 있다.
용접을 위한 특정 상태 기계의 보다 상세한 설명이, 예를 들어 2001년 9월 19일자로 Holverson 등에 허여된 "상태 기반 컨트롤러를 갖는 용접형 전력 공급 장치(Welding-Type Power Supply With A State-Based Controller)"란 명칭의 미국특허 제6,747,247호; 2004년 5월 7일자로 Holverson 등에 허여된, "상태 기반 컨트롤러를 갖는 용접형 전력 공급 장치(Type Power Supply With A State-Based Controller)"라는 명칭의 미국특허 제7,002,103호; 2006년 2월 3일자로 Holverson 등에 허여된, "상태 기판 컨트롤러를 갖는 용접형 전력 공급 장치(Welding-Type Power Supply With A State-Based Controller)"라는 명칭의 미국특허 제7,307,240호; 및 2001년 9월 19일자로 Davidson 등에 허여된, "구성 요소들 사이의 네트워크와 다단계 메시징을 갖는 용접형 시스템(Welding-Type System With Network And Multiple Level Messaging Between Components)"라는 명칭의 미국특허 제6,670,579호에 제공되며, 이들 특허 문헌은 본 명세서에서 참고로 인용된다.
도 3은 전극에 인가된 용접 전류의 제어된 감소에 의하여 용접 전극으로부터의 용융된 금속이 용접 퍼들 내로 "다빙(dabbing)"되는 용접 기술을 위한 예시적인 파형을 도시한다. 이와 관련해서, "다빙"이란 용어는 비교적 과도한 단락은 방지되는 반면, 용융 금속이 이미 전극으로부터 분리되어 용접 퍼들로 전달되자 마자 매우 짧은 단락 회로가 형성될 수 있다는 점을 전달하고자 한 것이다. 따라서 보다 과도한 또는 보다 긴 단락 회로가 사용된다면 필요로 하였을 과도한 에너지를 추가하지 않고 금속이 전달된다. 그에 따른 용접 공정의 대부분의 사이클에서, 어떠한 특별한 단락 클리어링 시퀀스(short clearing sequence)는 필요로 하지 않은데, 이러한 시퀀스는 보다 긴 또는 과도한 단락 회로가 발생하는 경우에 실행되도록 프로그램되거나 준비되어 있을 수도 있다. "다빙"에 의해 금속이 전달되고 나면, 아크 길이는 사실상 재설정되어, 전극이 "보다 타이트하게 진행하게" 또는 용접 퍼들에 더 근접하게 진행하여 짧은 아크를 유지할 수 있게 한다. 위에서 설명된 바와 같이, 전압 및/전류 피크 후에 용융 금속(예를 들어, 금속의 볼)이 이미 분리되기 때문에 단락 회로를 클리어(clear)하기 위하여 전류가 거의 부가되지 않거나 또는 전류가 부가되지 않는다. 그 결과, 코어드 와이어가 사용될 때에 피복의 가열을 최소한으로 하면서 매우 낮은 전압의 아크(즉, 짧은 아크 길이)와 안정적인 아크가 얻어진다.
전체적으로 도면 부호 68로 나타낸, 도 3에 도시된 파형은 배경 위상(70), 피크 위상(72) 및 다빙 위상(74; 짧은 단락 회로)을 포함하는 다수의 위상을 실행한다. 보다 과도한 단락이 발생하여 그 단락을 클리어하기 위하여 부가적인 전류가 필요한 경우에, 단락 클리어링 루틴(76)이 포함될 수 있다. 그러나, 많은 또는 대부분의 파형의 사이클에서, 그 루틴은 필요하지 않을 수 있으며 용접 및 와이어에 부가된 에너지를 더 감소시킨다.
도 4에 대하여 아래에서 설명될 바와 같이, 전압 파형이 유사한 거동과 위상을 보일지라도 도 3에 도시된 파형(68)은 전류 파형이다. 도 3의 예시적인 실시예에서, 예를 들어, 배경 위상 및 피크 위상 동안에, 목표 전압이 유지되고 전류가 변화하여 원하는 레벨에서 전압을 유지시키는 폐루프 제어 방식이 수행된다. 중간 램프(ramp) 동안에, 폐루프 제어 방안은 전류와 전류 램프를 유지할 수 있다. 따라서 시스템은 전류와 전압 제어 사이에서 주기적으로 전이될 수 있어 원하는 파형을 실행한다.
예로써, 도 3에 도시된 파형에서, 배경 위상(70) 동안, 원하는 배경 전압 레벨을 만족시키기 위하여 다시 변할 수 있을지라도, 약 25 내지 125 암페어(즉, 도 3에 도시된 바와 같이 약 115 암페어) 범위의 전류가 유지될 수 있다. 그후 피크 위상(72) 동안에, 약 250 내지 450 암페어(즉, 도 3에 도시된 바와 같이 약 400 암페어) 범위의 전류가 유지될 수 있고, 전압이 폐루프 제어된다면 다시 변할 수 있다. 다빙 위상(74) 동안에, 전류는 약 15 내지 25 암페어(즉, 도 3에 도시된 바와 같이 약 25 암페어) 범위일 수 있다. 에너지 전달, 전극 상에서의 용융된 볼의 형성, 볼의 이동 등을 허용하기 위하여 파형의 이들 위상 그리고 다른 위상의 지속 기간은 또한 프로그램될 수 있다. 특정 전압, 전류 그리고 실행된 기간은 사용된 전극 형태, 전극 치수, 와이어 공급 속도, 진행 속도 등과 같은 요소에 좌우될 수 있다.
다른 펄스식 용접 방안과는 대조적으로, 짧은 "다빙"에 기초하여 파형의 위상을 전달하기 위하여 용어 "피크", "다빙(dabbing)" 그리고 "배경"이 본 명세서에서 사용된다는 것이 주목될 수 있다. 본 기술 분야에 의하여 고려된 저-에너지 다빙을 실행하기 위하여 일반적인 시스템에서 이들 위상들이 프로그램되지 않을지라도 다른 프로그래밍 언어에서, 이 위상들은 "볼(ball)", "백(back)" 그리고 "선-단락(pre-short)"에 대응할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 형태의 프로그램에 기초한 다빙 펄스 파형의 다수의 사이클을 도시한다. 도 4에서, 전압 파형은 도면 부호 78에 의하여 지시되는 반면에, 전류 파형은 도면 부호 80에 의하여 지시된다. 전압 파형에서 보여질 수 있는 바와 같이, 각 사이클은 전압 배경 위상(82)을 포함하며, 전압 배경 위상 동안에 아크는 계속 진행하며 에너지는 전극과 용접 퍼들에 (그리고 주변 공작물에) 부가된다. 배경 위상에 피크 위상(84)이 후속하여, 그 배경 위상 동안에 생성된 용융된 금속이 피크 위상 동안에 용접 퍼들로 전달된다. 본 실시에서, 배경 위상과 피크 위상 모두는 폐루프 전압 제어되며, 아래에서 설명될 바와 같이, 대응하는 위상 동안에 전류의 변화를 야기한다. 용융된 금속이 용접 퍼들로 이동됨에 따라 도면 부호 86에 의하여 지시된 바와 같이, 전압의 신속한 강하는 짧은 단락 회로를 나타낸다. 이 위상은 대체로 빠르며, 이 시간 동안에 감소된 전류 목표를 사용함에 의하여 "과도한 단락(hard short)"이 방지될 수 있다.
대응하는 전류 파형(80) 상에서, 배경 위상은 도면 부호 88에 의하여 지시되는 반면에, 피크 위상은 도면 부호 90에 의하여 지시된다. 시스템이 목표 또는 프로그램된 전압을 유지하려고 시도함에 따라 이들 위상 동안에 전류는 변할 수 있다는 점을 유념해야할 것이다. 위에서 지적된 바와 같이, 그후 도면 부호 92에 의하여 지시된 바와 같이 감소된 다빙 전류 목표는 용융된 볼을 용접 퍼들 내에 용착하기 위하여 이용된다. 소정 사이클에서, 단락 회로를 클리어링하는 것을 돕기 위하여 "습윤(wet)" 위상(94)이 실행될 수 있다. 또한, 단락 회로가 쉽게 클리어되지 않는 사이클에서, 도면 부호 96에 의하여 지시된 바와 같이, 단락 회로를 강제적으로 클리어하기 위하여 더욱 상승된 전류가 이용될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 파형에서, 결과적인 "다빙" 방안은 일반적인 단락 회로 용접 파형과 다르다는 점을 유념해야 한다. 특히, 일반적인 용접 방안에서 후속의 배경 레벨보다 높은 레벨로 전류가 유지되는 "니(knee)" 위상이 피크 위상에 후속한다. 필요하다면, 니 위상은 단락 회로를 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 필요하지 않다면, 니 위상은 기간이 감소될 수 있으며 그리고 파형은 배경 레벨로 더욱 빠르게 복귀될 수 있다.
한편, 본 기술에서, 피크 위상 직후에 배경 전류 레벨보다 작은 전류가 대상이 된다. 예를 들어, 배경 전류 레벨이 약 25 내지 125암페어일 수 있는 반면에, 다빙 전류는 약 25암페어보다 작을 수, 예를 들어 약 15 내지 25 암페어일 수 있다. 다빙 위상의 기간은 약 1 내지 5 밀리초와 같이 매우 짧을 수 있다. 이 감소된 전류는 단락 회로가 매우 적은 에너지로 용융 금속을 이동시키는 것을 허용하며 따라서 전극이 가열되는 것을 방지한다. 따라서 아크 길이는 재설정되며 그리고 아크의 과도한 돌출 및 넓어짐(flaring)이 방지된다.
도 5는 다빙 방안을 실행하기 위한 예시적인 제어 로직을 도시한다. 도면 부호 98에 의하여 전체적으로 지시된 로직은 주기적이나, 도면 부호 100에 의하여 지시된 바와 같은 배경 위상(전류 실행에서 일정한 전압)을 유지하는 것으로 시작되는 것으로 고려될 수 있다. 이 위상 동안에, 아크가 형성되어 에너지는 전극과 용접 퍼들로 추가된다. 그후 도면 부호 102에 의하여 지시된 바와 같은, 피크 위상이 실행(전류 실행에서 다시 일정한 전압)된다. 이 위상은 대부분의 용융 금속의 분리가 이루어진다(즉, 높은 전류에 의하여 발생된 아크 힘으로 인하여 용융된 볼이 와이어의 단부에서 밀려 떨어진다), 그러나 이 위상 동안에 볼은 전체적으로 분리되진 않는다(그러나, 후미 테일에 의하여 부착된 상태로 남아 있다). 다빙 위상에서 뒤이은 단락 동안에 볼은 분리되지만, 볼이 이미 전극의 단부에서 떨어져 연장되어 있기 때문에 단락 회로를 제거하기 위하여 부가적인 에너지가 거의 또는 전혀 요구되지 않는다. 단계 104에서, 전류는 목표 최소값으로 감소되어 매우 낮은 에너지의 부가로 용융된 볼을 용접 퍼들 내로 다빙한다. 전류와 전압 레벨이 단락 회로가 지속되고 그리고 뒤이은 다빙 전류를 클리어하지 않았다는 것을 지시할 때와 같이, 필요하다면, 도면 부호 106에 의하여 지시된 바와 같이 단락 회로 루틴은 실행될 수 있다. 단계 108에서, 제어는 배경 레벨로 복귀하며 사이클은 반복될 수 있다.
일부 실행에서 피크 위상에 뒤이은 저전류 목표에 의한 것보다는 다른 방식으로 다빙이 수행될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 예를 들어, 출력 단락 회로는 스위치를 통하여 생성될 수 있어 전극과 작업물 그리고 용접 퍼들 사이의 전류를 빠르게 감소시킨다. 유사하게, 아크를 소멸시키기 위하여 또는 적어도 에너지를 거의 또는 전혀 추가시키지 않기 위하여 피크 위상에 뒤이은 단기간 동안 출력 전력은 꺼질 수 있다.
도 3 및 도 4에 대하여 위에서 언급된 바와 같이, 피크 위상 직후에 (배경 전류 레벨보다 높은 전류 레벨에서의) 니 위상이 방지될 수 있다는 점에서 본 명세서에서 설명된 어떤 실시예는 일반적인 펄스 용접 파형과 다르다. 그러나, 또한 위에서 언급된 바와 같이, 하나 이상의 니 위상은 임의의 실시예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 6은 대체로 도 3에 도시된 파형과 유사하지만 피크 위상(72) 직후 그리고 다빙 위상(74) 직전의 하나 이상의 니 위상(112)을 포함하는 예시적인 파형(110)을 도시한다. 일반적으로, 하나 이상의 니 위상(112)이 피크 위상(72)을 뒤따르며, 그후 하나 이상의 배경 위상(70)이 뒤따르는 다빙 위상(74)으로 단락이 강제로 이루어진다. 도 6에는 단지 하나의 니 위상(112)과 단지 하나의 배경 위상(70)을 갖는 것으로 도시되어 있을지라도, 소정 실시예에서 하나 이상의 니 위상(112) 및/또는 하나 이상의 배경 위상(70)이 이용될 수 있는 것이 인식될 것이다. 일반적으로, 하나 이상의 니 위상(112)은 하나 이상의 배경 위상(70)보다는 크지만 피크 위상(72)보다는 작은 전류를 가질 것이다. 예를 들어, 도 6에 도시된 니 위상(112)은 약 125 암페어의 전류 레벨에 있는 반면에, 배경 위상(70)은 약 115 암페어의 전류 레벨에 있고 피크 위상(72)은 약 400 암페어의 전류 레벨에 있다. 다른 실시예에서, 전류 레벨이 하나 이상의 배경 위상(70)의 전류 레벨 이상을 유지하는 한 하나 이상의 니 위상(112)은 약 125 내지 250 암페어 범위의 전류 레벨을 가질 수 있다.
도 7은 도 6의 다빙 방안을 수행하기 위한 예시적인 컨트롤 로직을 도시한다. 전체적으로 도면 부호 114로 지시된 로직은 도 5에 도시된 로직(98)과 실질적으로 유사하나, 피크 위상(72)과 다빙 위상(74) 사이의 하나 이상의 니(knee) 위상(112)을 갖는 부가적인 단계(116)를 갖는다. 소정 실시예에서, 피크 위상(72), 니 위상(112) 또는 다빙 위상(74)은 전원 오프 신호로 교체될 수 있다. 특히, 전류 명령을 영(zero; 또는 약 1~2 암페어 또는 1 암페어보다도 작은 전류와 같은 매우 낮은 명령 레벨)으로 강하시킴에 의하여, 전력 공급 장치(10)를 구동하는 엔진을 비활성화시킴에 의하여 또는 전력 공급 장치(10)의 전원 게이트 신호를 턴 오프함에 의하여 전력 공급 장치(10)는 턴-오프될 수 있다. 전력 공급 장치(10)를 비활성화시킴에 의하여 도 7에 도시된 로직(114)의 피크 위상(72)과 관련된 단계 (예를 들어, 단계 102), 다빙 위상(74)과 관련된 단계(예를 들어, 단계 116) 또는 다빙 위상(74)과 관련된 단계(예를 들어, 단계 104) 중 어느 하나가 아크를 소멸시키는 단계로 대체될 수 있다. 예를 들어, 도 8은 대신에 전력 공급 장치(10)에 전력 오프 신호를 보내도록 이들 단계 중 어느 하나를 우회시키기 위한 예시적인 제어 로직(118)을 도시한다. 어떤 실시예에서, 아크가 소멸되면, 상대적으로 작은 전류(예를 들어, 약 1~2 암페어 또는 1 암페어보다도 낮은 전류)가 인가될 수 있어 전력 공급 장치(10)를 재활성화하고 아크를 재점화하며, 하나 이상의 배경 위상(70; 예를 들어 로직(118)의 단계(108)로의 복귀)이 그 뒤를 잇는다. 어떤 실시예에서, 아크가 점화되면, (정전 용량과 유도 용량으로 인하여 아크가 수 밀리초 동안 유지할 수 있기 때문에) 단락을 위하여 전압이 모니터링될 수 있으며, 그리고 아크가 소멸되면, 상대적으로 작은 전류(예를 들어, 약 1~2 암페어 또는 1 암페어보다도 낮은 전류)가 인가될 수 있어 전력 공급 장치(10)를 재활성화하고 아크를 재점화한다.
본 명세서 내에서 본 발명의 어떠한 특징만이 도시되고 설명된 반면에, 변형과 변화가 본 기술 분야의 지식을 가진 자에게 떠오를 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상에 포함됨에 따라 이러한 변형과 변화 모두를 포함하도록 의도되었다는 것이 이해된다.

Claims (20)

  1. 피크 위상, 이 피크 위상 직후의 다빙 위상(dabbing phase), 및 이 다빙 위상에 후속한 배경 위상(backgroudn phase)를 포함하는 제어 파형을 제공하도록 구성된 처리 회로; 및
    제어 파형에 기초하여 용접 전력 출력을 제공하도록 구성된 전력 변환 회로
    를 포함하는 용접 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 배경 위상 동안에 용접 전력 출력은 약 25 암페어와 약 125 암페어 사이의 전류 레벨을 갖는 것인 용접 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 다빙 위상 동안에 용접 전력 출력은 약 25 암페어보다 작은 전류 레벨을 갖는 것인 용접 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 다빙 위상은 약 1 밀리초와 약 5 밀리초 사이의 기간을 갖는 것인 용접 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 피크 위상 동안에 용융 금속의 볼이 용접 전극에서 분리되기 시작하며, 다빙 위상 동안에 단락 회로가 볼과 공작물 사이에 형성되는 것인 용접 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 다빙 위상 동안에 단락 회로가 끊어지는 것인 용접 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 다빙 위상 동안에 클리어되지 않은 단락 회로를 클리어하기 위하여 단락 회로 클리어링 시퀀스를 포함하는 것인 용접 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 단락 회로 클리어링 시퀀스는 다빙 위상 동안에 단락 회로가 클리어되지 않을 경우에만 실행되는 것인 용접 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 다빙 위상은 용융된 금속의 볼이 용착되는 용접 퍼들과 용접 전극의 단부 사이의 아크 길이를 재설정하는 것인 용접 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 피크 및 배경 위상 동안에 용접 출력 전력은 폐루프 제어되어 목표 전압을 유지하는 것인 용접 시스템.
  11. 피크 위상, 이 피크 위상 직후의 다빙 위상, 및 이 다빙 위상에 후속한 배경 위상를 포함하는, 용접 전력 출력을 위한 파형을 발생시키는 것; 및
    입력 전력을 제어 파형에 기초하여 용접 전력으로 변환시키는 것
    을 포함하는 용접 방법.
  12. 제11항에 있어서, 배경 위상 동안에 용접 전력 출력은 약 25 암페어와 약 125 암페어 사이의 전류 레벨을 갖는 것인 용접 방법.
  13. 제12항에 있어서, 다빙 위상 동안에 용접 전력 출력은 약 25 암페어보다 작은 전류 레벨을 갖는 것인 용접 방법.
  14. 제13항에 있어서, 다빙 위상은 약 1 밀리초와 약 5 밀리초 사이의 기간을 갖는 것인 용접 방법.
  15. 제11항에 있어서, 피크 위상 동안에 용융 금속의 볼이 용접 전극에서 분리되기 시작하며, 다빙 위상 동안에 단락 회로가 볼과 공작물 사이에 형성되는 것인 용접 방법.
  16. 제15항에 있어서, 다빙 위상 동안에 단락 회로가 끊어지는 것인 용접 방법.
  17. 제11항에 있어서, 다빙 위상 동안에 클리어되지 않은 단락 회로를 클리어하기 위하여 단락 회로 클리어링 시퀀스를 포함하는 것인 용접 방법.
  18. 제17항에 있어서, 단락 회로 클리어링 시퀀스는 다빙 위상 동안에 단락 회로가 클리어되지 않을 경우에만 실행되는 것인 용접 방법.
  19. 제11항에 있어서, 다빙 위상은 용융된 금속의 볼이 증착되는 용접 퍼들과 용접 전극의 단부 사이의 아크 길이를 재설정하는 것인 용접 방법.
  20. 제11항에 있어서, 피크 및 배경 위상 동안에 용접 출력 전력은 폐루프 제어되어 목표 전압을 유지하는 것인 용접 방법.
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