KR20160140852A - 교류 용접 파형을 이용하기 위한 방법 및 시스템 그리고 아연도금 공작물의 용접을 개선하기 위한 향상된 소모품 - Google Patents

교류 용접 파형을 이용하기 위한 방법 및 시스템 그리고 아연도금 공작물의 용접을 개선하기 위한 향상된 소모품 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예가 아크 용접 시스템 만을 이용하여, 또는 핫 와이어(hot wire) 시스템과 조합되어, 코팅된 재료를 용접 또는 접합하기 위한 시스템(100, 1200, 2000) 및 방법을 포함하고, 여기에서 아크 용접 시스템은 공작물(115)로 전달하기 위한 액적(droplet)(D)을 구축하기 위해서 AC 전류 부분을 가지는 용접 전류를 이용한다. 추가적인 실시예에서, 공작물(115)이 아연과 같은 재료로 코팅되고, 아크 용접 시스템은, 기공 또는 비산(spatter)이 없이 또는 거의 없이, 코팅된 공작물(115)을 용접할 수 있고 향상된 성능을 달성할 수 있는 AC 용접 파형을 이용한다. 부가적인 실시예가 향상된 전극을 이용하여 최적의 기공 성능을 제공한다. 그러한 실시예는, 기공 및 비산이 매우 적거나 없게, 그리고 빠른 용접 속도로, 코팅된 재료를 용접할 수 있게 한다.

Description

교류 용접 파형을 이용하기 위한 방법 및 시스템 그리고 아연도금 공작물의 용접을 개선하기 위한 향상된 소모품{METHOD AND SYSTEM TO USE AC WELDING WAVEFORM AND ENHANCED CONSUMABLE TO IMPROVE WELDING OF GALVANIZED WORKPIECE}
본원은, 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2014년 4월 4일자로 출원된 가출원 제61/975,227호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 제1항에 따른 용접 시스템, 제8항에 따른 용접 방법 및 제15항에 따른 코팅된 공작물을 용접하기 위한 용접 소모품에 관한 것이다. 특정 실시예가 용접 및 접합 적용예에 관한 것이다. 보다 특히, 특정 실시예는, 기공이 매우 적거나 없이 고속으로 아연도금 공작물을 용접 또는 접합하기 위해서, 향상된 소모품이 있거나 없이, 향상된 AC 용접 파형을 이용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
아연도금 공작물과 같이 내식성 코팅을 가지는 공작물들을 접합하기 위해서 많은 상이한 용접 방법들 및 시스템들이 이용된다. 그러나, 내식성 코팅의 존재로 인해서, 이러한 방법 및 시스템이 그들의 용도에 있어서 제한된다. 구체적으로, 이러한 시스템 및 방법은, 코팅이 용접부를 과도하게 오염시키지 않도록 보장하기 위해서, 전형적으로 느리다. 그러나, 이러한 프로세스가 느리기 때문에, 그러한 프로세스는 용접 접합부 내로의 열 입력을 증가시키는 경향이 있다. 이는, 특히 공작물이 비교적 얇은 적용예에서 바람직하지 못하다.
전형적이고, 통상적이며, 기존에 제시된 접근 방식을, 도면을 참조하여 본원의 나머지에서 전개되는 바와 같은 본 발명의 실시예와 비교하는 것을 통해서 그러한 접근 방식의 추가적인 한계 및 단점이 당업자에게 명확해질 것이다.
얇은 공작물의 용접의 개선과 관련하여, 제1항에 따른 용접 시스템, 제8항에 따른 용접 방법 및 제15항에 따른 코팅된 공작물을 용접하기 위한 용접 소모품이 설명된다. 바람직한 실시예가 종속항의 청구 대상이 된다. 본 발명의 실시예가 아크 용접 시스템 만을 이용하여, 또는 핫 와이어(hot wire) 시스템과 조합되어, 코팅된 재료를 용접 또는 접합하기 위한 시스템 및 방법을 포함하고, 여기에서 아크 용접 시스템은 공작물로 전달하기 위한 액적(droplet)을 구축하기 위해서 AC 전류 부분을 가지는 용접 전류를 이용한다. 추가적인 실시예에서, 공작물이 아연과 같은 재료로 코팅되고, 아크 용접 시스템은, 기공 또는 비산(spatter)이 매우 적거나 없이 코팅된 공작물을 용접할 수 있고 향상된 성능을 달성할 수 있는 AC 용접 파형을 이용한다. 그러한 실시예는, 기공 및 비산이 매우 적거나 없게, 그리고 빠른 용접 속도로 코팅된 재료를 용접할 수 있게 한다.
청구된 발명의 이러한 그리고 다른 특징뿐만 아니라, 설명된 발명의 실시예의 상세 내용이 이하의 설명 및 도면으로부터 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은, 브레이징, 크래딩(cladding), 살붙이기(building-up), 충진, 및 표면-경화 덧붙임(hard-facing overlaying) 적용예들 중 임의의 적용예를 위한 조합형 필러 와이어 공급기(combination filler wire feeder) 및 에너지 공급원 시스템의 예시적인 실시예의 기능적인 개략적 블록도를 도시한다.
도 2는 도 1의 시스템에 의해서 이용되는 시동 방법의 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 3은 도 1의 시스템에 의해서 이용되는 시동 후(post start-up) 방법의 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 4는 도 3의 시동 후 방법과 연관된 전압 및 전류 파형의 쌍의 제1의 예시적 실시예를 도시한다.
도 5는 도 3의 시동 후 방법과 연관된 전압 및 전류 파형의 쌍의 제2의 예시적 실시예를 도시한다.
도 6 및 도 6a는 용접 동작을 실시하기 위해서 이용되는 본 발명의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도 7, 도 7a 및 도 7b는 본 발명을 이용한 용접의 부가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도 8은 동시에 접합부의 2개의 측부(side)를 접합하는 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도 9는 본 발명을 이용하는 용접의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10은 복수의 레이저 및 와이어로 접합부를 용접하는데 있어서의 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예와 함께 이용되는 접촉 선단부의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 핫 와이어 전력 공급 시스템을 도시한다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 예시적인 실시예에 의해서 생성된 전압 및 전류 파형을 도시한다.
도 14는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 다른 용접 시스템을 도시한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 의해서 생성된 용접 용탕(weld puddle)의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 16a 내지 도 16f는 본 발명의 실시예에 따른 용접 용탕 및 레이저 빔 이용의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 17은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 용접 시스템을 도시한다.
도 18은 본 발명의 실시예에서 이용될 수 있는 강하 회로(ramp down circuit)의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 19는 본 발명에 따른 연기 추출 노즐(fume extraction nozzle)의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 20은 본 발명의 추가적인 용접 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 용접 동작의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 용접 시스템에 의해서 이용되는 전류 파형의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 다른 용접 동작의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 24는 본 발명의 실시예와 함께 이용될 수 있는 전류 파형의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 25는 본 발명의 실시예와 함께 이용될 수 있는 다른 용접 동작의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 25a는 도 25에 도시된 실시예와 함께 이용될 수 있는 전류 파형의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 26은 단계별(side-by-side) 아크 용접 동작들을 이용하는 추가적인 용접 동작의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 27은 본 발명의 부가적인 용접 동작의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 28은 자기적 조향(magnetic steering)을 이용하는 본 발명의 용접 동작의 부가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도 29는 본 발명의 예시적인 실시예와 함께 이용될 수 있는 아크 발생 전류 파형의 부가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도 30은 본 발명의 예시적인 실시예와 함께 이용될 수 있는 아크 발생 전류 및 전압 파형의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
"덧붙임"이라는 용어는 본원에서 넓은 방식으로 사용되고, 브레이징, 크래딩, 살붙이기, 충진, 및 표면-경화를 포함하는 임의의 적용예를 지칭할 수 있을 것이다. 예를 들어, "브레이징" 적용예에서, 필러 금속이 모세관 작용을 통해서 접합부의 밀접하게 피팅되는 표면들(closely fitting surfaces) 사이에서 분포된다. 반면, "브레이즈 용접" 적용예에서, 필러 금속이 갭 내로 유동하게 된다. 그러나, 본원에서 사용된 바와 같이, 양 기술이 덧붙임 적용예로서 넓게 지칭된다.
도 1은, 브레이징, 크래딩, 살붙이기, 충진, 표면-경화 덧붙임, 및 접합/용접 적용예들 중 임의의 적용예를 실시하기 위한 조합형 필러 와이어 공급기 및 에너지 공급원 시스템(100)의 예시적인 실시예의 기능적인 개략적 블록도를 도시한다. 시스템(100)은, 공작물(115)을 가열하기 위해서 공작물(115) 상으로 레이저 빔(110)의 초점을 맞출 수 있는 레이저 하위시스템(subsystem)을 포함한다. 레이저 하위시스템이 큰 세기의 에너지 공급원이다. 레이저 하위시스템이, 비제한적으로 이산화탄소, Nd:YAG, Yb-디스크, YB-섬유, 섬유 전달형 또는 다이렉트 다이오드 레이저 시스템을 포함하나 이에 제한되지 않는, 임의 유형의 고에너지 레이저 공급원일 수 있다. 또한, 충분한 에너지를 갖는 경우에, 심지어 백색광 또는 석영 레이저 유형의 시스템도 이용될 수 있다. 시스템의 다른 실시예가, 큰 세기의 에너지 공급원으로서의 역할을 하는, 전자 빔, 플라즈마 아크 용접 하위시스템, 가스 텅스텐 아크 용접 하위시스템, 가스 금속 아크 용접 하위시스템, 플럭스 코어형 아크 용접 하위시스템, 및 서브머지드(submerged) 아크 용접 하위시스템 중 적어도 하나를 포함할 수 있을 것이다. 이하의 명세서에서 레이저 시스템, 빔 및 전원이 반복적으로 언급될 것이나, 임의의 큰 세기의 에너지 공급원이 이용될 수 있음에 따라, 이러한 언급이 예시적인 것임을 이해하여야 할 것이다. 예를 들어, 큰 세기의 에너지 공급원이 적어도 500 W/cm2를 제공할 수 있다. 레이저 하위시스템이, 서로 동작적으로 연결된, 레이저 장치(120) 및 레이저 전원(130)을 포함한다. 레이저 전원(130)이 레이저 장치(120)를 동작시키기 위한 전력을 제공한다.
시스템(100)이 또한 레이저 빔(110)의 근접부에서 공작물(115)과 접촉시키기 위해서 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)를 제공할 수 있는 핫 필러 와이어 공급기 하위시스템을 포함한다. 물론, 본원에서 공작물(115)에 대한 언급에 의해서, 용융된 용탕이 공작물(115)의 일부로서 간주되고, 그에 따라 공작물(115)과의 접촉에 대한 언급이 용탕과의 접촉을 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 핫 필러 와이어 공급기 하위시스템이 필러 와이어 공급기(150), 접촉 관(160), 및 핫 와이어 전원(170)을 포함한다. 동작 중에, 레이저 빔(110)을 선행하는(lead) 필러 와이어(140)가, 접촉 관(160)과 공작물(115) 사이에 동작적으로 연결되는 핫 와이어 용접 전원(170)으로부터의 전류에 의해서 저항-가열된다. 본 발명의 실시예에 따라서, 핫 와이어 용접 전원(170)이 펄스형 직류(DC) 전원이나, 교류(AC) 또는 다른 유형의 전원일 수도 있다. 와이어(140)가 필러 와이어 공급부(150)로부터 접촉 관(160)을 통해서 공작물(115)을 향해서 공급되고 관(160)을 넘어서 연장된다. 와이어(140)의 연장 부분이 저항-가열되고, 그에 따라 연장 부분은, 공작물 상의 용접 용탕과 접촉하기에 앞서서, 용융점에 접근하거나 도달하게 된다. 레이저 빔(110)은, 용접 용탕을 형성하기 위해서 그리고 또한 와이어(140)를 공작물(115) 상으로 용융시키기 위해서, 공작물(115)의 기본 금속의 일부를 용융시키는 역할을 한다. 전원(170)은 필러 와이어(140)를 저항-용융시키기 위해서 필요한 에너지의 대부분을 제공한다. 본 발명의 특정의 다른 실시예에 따라서, 필러 하위시스템이 하나 이상의 와이어를 동시적으로 제공할 수 있을 것이다. 예를 들어, 제1 와이어가 공작물을 표면-경화시키기 위해서 및/또는 공작물로 내식성을 제공하기 위해서 이용될 수 있을 것이고, 제2 와이어가 공작물로 구조물(structure)을 부가하기 위해서 이용될 수 있을 것이다.
시스템(100)은, 레이저 빔(110) 및 저항형 필러 와이어(140)가 서로에 대해서 고정된 관계로 유지되도록 (적어도 상대적인 의미에서) 레이저 빔(110)(에너지 공급원) 및 저항형 필러 와이어(140)를 공작물(115)을 따라서 동일한 방향(125)으로 이동시킬 수 있는 이동 제어 하위시스템을 더 포함한다. 여러 실시예에 따라서, 공작물(115)을 실제로 이동시키는 것에 의해서 또는 레이저 장치(120) 및 핫 와이어 공급기 하위시스템을 이동시키는 것에 의해서, 공작물(115)과 레이저/와이어 조합 사이의 상대적인 이동이 달성될 수 있을 것이다. 도 1에서, 이동 제어 하위시스템이, 로봇(190)에 동작적으로 연결되는 이동 제어기(180)를 포함한다. 이동 제어기(180)가 로봇(190)의 이동을 제어한다. 로봇(190)이 공작물(115)에 동작적으로 연결되어(예를 들어, 기계적으로 고정되어) 공작물(115)을 방향(125)을 따라 이동시키고, 그에 따라 레이저 빔(110) 및 와이어(140)가 공작물(115)을 따라서 효과적으로 이동된다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따라서, 레이저 장치(120) 및 접촉 관(160)이 단일 헤드 내로 통합될 수 있을 것이다. 헤드가 그러한 헤드에 동작적으로 연결된 이동 제어 하위시스템을 통해서 공작물(115)을 따라서 이동될 수 있을 것이다.
일반적으로, 큰 세기의 에너지 공급원/핫 와이어를 공작물에 대해서 이동시킬 수 있는 몇몇 방법이 있다. 예를 들어, 공작물이 둥글다면, 큰 세기의 에너지 공급원/핫 와이어가 정지적일 수 있고 공작물이 큰 세기의 에너지 공급원/핫 와이어 아래에서 회전될 수 있을 것이다. 대안적으로, 로봇 아암 또는 선형 트랙터가 둥근 공작물에 평행하게 이동될 수 있고 그리고, 공작물이 회전됨에 따라, 예를 들어, 둥근 공작물의 표면에 덧붙이기 위해서, 큰 세기의 에너지 공급원/핫 와이어가 연속적으로 이동되거나 회전당 한번씩 색인화될(index) 수 있을 것이다. 만약 공작물이 편평하거나 적어도 둥글지 않다면, 공작물이 도 1에 도시된 바와 같이 큰 세기의 에너지 공급원/핫 와이어 아래에서 이동될 수 있을 것이다. 그러나, 로봇 아암 또는 선형 트랙터 또는 심지어 빔-장착형 캐리지를 이용하여 큰 세기의 에너지 공급원/핫 와이어 헤드를 공작물에 대해서 이동시킬 수 있을 것이다.
시스템(100)은, 공작물(115) 및 접촉 관(160)에 동작적으로 연결되고(즉, 핫 와이어 전원(170)의 출력부에 효과적으로 연결되고) 공작물(115)과 핫 와이어(140) 사이의 전위차(즉, 전압(V)) 및 공작물(115)과 핫 와이어(140)를 통한 전류(I)를 측정할 수 있는 감지 및 전류 제어 하위시스템(195)을 더 포함한다. 감지 및 전류 제어 하위시스템(195)이 추가적으로 측정된 전압 및 전류로부터 저항 값(R=V/I) 및/또는 전력 값(P=V*I)을 계산할 수 있다. 일반적으로, 핫 와이어(140)가 공작물(115)과 접촉할 때, 핫 와이어(140)와 공작물(115) 사이의 전위차가 영 볼트이거나 영 볼트에 매우 근접한다. 결과적으로, 본원에서 더 구체적으로 후술되는 바와 같이, 감지 및 전류 제어 하위시스템(195)은 저항형 필러 와이어(140)가 공작물(115)과 접촉하는 때를 감지할 수 있고 그리고, 그러한 감지에 응답하여 저항형 필러 와이어(140)를 통한 전류의 유동을 추가적으로 제어할 수 있도록, 핫 와이어 전원(170)에 동작적으로 연결된다. 본 발명의 다른 실시예에 따라서, 감지 및 전류 제어기(195)가 핫 와이어 전원(170)의 일체형 부분일 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서, 이동 제어기(180)가 레이저 전원(130) 및/또는 감지 및 전류 제어기(195)에 추가적으로 동작적으로 연결될 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 이동 제어기(180) 및 레이저 전원(130)이 서로 소통될 수 있을 것이고, 그에 따라 레이저 전원(130)은, 공작물(115)이 이동하는 때를 알 수 있고, 그에 따라 이동 제어기(180)는 레이저 장치(120)가 활성적인지의 여부를 알 수 있다. 유사하게, 이러한 방식으로, 이동 제어기(180) 그리고 감지 및 전류 제어기(195)가 서로 소통될 수 있을 것이고, 그에 따라 감지 및 전류 제어기(195)는, 공작물(115)이 이동하는 때를 알 수 있고, 그에 따라 이동 제어기(180)는 핫 필러 와이어 공급 하위시스템이 활성적인지의 여부를 알 수 있다. 그러한 소통을 이용하여, 시스템(100)의 여러 하위시스템들 사이의 활동을 조율할 수 있을 것이다.
도 2는 도 1의 시스템(100)에 의해서 이용되는 시동 방법(200)의 실시예의 흐름도를 도시한다. 단계(210)에서, 전력 공급원(170)을 통해서 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이에 감지 전압을 인가한다. 감지 전압이 감지 및 전류 제어기(195)의 명령 하에서 핫 와이어 전원(170)에 의해서 인가될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라서, 인가된 감지 전압은 와이어(140)를 상당히 가열하기에 충분한 에너지를 제공하지 않는다. 단계(220)에서, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)의 원위 단부(distal end)를 공작물(115)을 향해서 전진시킨다. 그러한 전진은 와이어 공급기(150)에 의해서 실시된다. 단계(230)에서, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과 최초로 접촉하는 때를 감지한다. 예를 들어, 감지 및 전류 제어기(195)는, 핫 와이어 전원(170)이 핫 와이어(140)를 통해서 매우 낮은 레벨의 전류(예를 들어, 3 내지 5 암페어)을 제공하도록 명령할 수 있을 것이다. 그러한 감지가, (예를 들어, 접촉 관(160)을 통해서) 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이에서 약 영 볼트(예를 들어, 0.4 V)의 전위차를 측정하는 감지 및 전류 제어기(195)에 의해서 달성될 수 있을 것이다. 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)에 대해서 최단 거리가 될 때(즉, 공작물과 접촉될 때), 상당한 전압 레벨(영 볼트 초과)이 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이에 존재하지 않을 수 있을 것이다.
단계(240)에서, 감지에 응답하여 규정된 시간 간격(예를 들어, 몇 밀리초)에 걸쳐 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)에 대한 전력 공급원(170)을 턴 오프시킨다. 감지 및 전류 제어기(195)는 전력 공급원(170)을 턴 오프하도록 명령할 수 있을 것이다. 단계(250)에서, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)를 통해서 가열 전류의 유동을 인가하기 위해서, 규정된 시간 간격의 말기에 전력 공급원(170)을 턴 온시킨다. 감지 및 전류 제어기(195)는 전력 공급원(170)을 턴 온하도록 명령할 수 있을 것이다. 단계(260)에서, 적어도 가열 전류의 유동을 인가하는 동안 공작물(115)을 가열하기 위해서, 큰 세기의 에너지 공급원(110)으로부터 공작물(115)로 에너지를 인가한다.
선택 사항으로서, 방법(200)이 감지에 응답하여 와이어(140)의 전진을 정지시키는 단계, 규정된 시간 간격의 말기에 와이어(140)의 전진을 재시작시키는 단계(즉, 재-전진시키는 단계), 및 가열 전류의 유동을 인가하는 단계에 앞서서 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과 여전히 접촉하는지를 확인하는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 감지 및 전류 제어기(195)는, 공급을 중단하도록 와이어 공급기(150)로 명령할 수 있을 것이고 대기(예를 들어, 몇 밀리초)하도록 시스템(100)으로 명령할 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 와이어 공급기(150)가 시작 및 정지되도록 명령하기 위해서, 감지 및 전류 제어기(195)가 와이어 공급기(150)에 동작적으로 연결된다. 감지 및 전류 제어기(195)는, 와이어(140)를 가열하기 위한 가열 전류를 인가하도록 그리고 와이어(140)를 공작물(115)을 향해서 다시 공급하도록 핫 와이어 전원(170)으로 명령할 수 있을 것이다.
시동 방법이 일단 완료되면, 시스템(100)은 동작의 시동 후 모드로 진입할 수 있을 것이고, 그러한 시동 후 모드에서는 레이저 빔(110) 및 핫 와이어(140)가 공작물(115)과 관련하여 이동되어 브레이징 적용예, 크래딩 적용예, 살붙이기 적용예, 표면-경화 적용예, 또는 용접/접합 동작 중 하나를 실시한다. 도 3은 도 1의 시스템(100)에 의해서 이용되는 시동 후 방법(300)의 실시예의 흐름도를 도시한다. 단계(310)에서, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)의 원위 단부가 큰 세기의 에너지 공급원(예를 들어, 레이저 장치(120))을 선행하도록 또는 큰 세기의 에너지 공급원(예를 들어, 레이저 장치(120))과 일치되도록, 그에 따라 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)가 공작물(115)을 향해서 공급될 때, 큰 세기의 에너지 공급원(예를 들어, 레이저 장치(120)) 및/또는 가열된 공작물(115)(즉, 공작물(115)이 레이저 빔(110)에 의해서 가열된다)로부터의 에너지(예를 들어, 레이저 빔(110))가 필러 와이어(140)의 원위 단부를 공작물(115) 상으로 용융시키도록, 큰 세기의 에너지 공급원(예를 들어, 레이저 장치(120)) 및 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)를 공작물(115)을 따라서 이동시킨다. 이동 제어기(180)는, 레이저 빔(110) 및 핫 와이어(140)와 관련하여 공작물(115)을 이동시키도록 로봇(190)에 명령한다. 레이저 전원(130)은, 레이저 장치(120)를 동작시켜 레이저 빔(110)을 형성하기 위해서 전력을 제공한다. 핫 와이어 전원(170)은, 감지 및 전류 제어기(195)에 의해서 명령된 바에 따라서, 전류를 핫 와이어(140)로 제공한다.
단계(320)에서, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과의 접촉을 상실하려고 할 때를 감지한다(즉, 예상(premonition) 능력을 제공한다). 그러한 감지는, 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이의 전위차(dv/dt), 필러 와이어(140)와 공작물(115)을 통한 전류(di/dt), 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이의 저항(dr/dt), 또는 필러 와이어(140)와 공작물(115)을 통한 전력(dp/dt) 중 하나의 변화율을 측정하는 감지 및 전류 제어기(195) 내의 예상 회로에 의해서 이루어질 수 있을 것이다. 변화율이 미리 규정된 값을 초과할 때, 감지 및 전류 제어기(195)는, 접촉의 상실이 발생되려 한다는 것을 공식적으로(formally) 예측한다. 그러한 예상 회로가 아크 용접에 관한 당업계에서 널리 알려져 있다.
와이어(140)의 원위 단부가 가열로 인해서 다량 용융되기 시작할 때, 원위 단부가 와이어(140)로부터 공작물(115) 상으로 핀치 오프되기(pinch off) 시작할 수 있을 것이다. 예를 들어, 그러한 시간에, 전위차 또는 전압이 증가하는데, 이는, 와이어의 원위 단부가 핀치 오프됨에 따라, 와이어의 원위 단부의 횡단면이 급속히 감소되기 때문이다. 그에 따라, 그러한 변화율을 측정하는 것에 의해서, 시스템(100)은, 원위 단부가 공작물(115)로부터 핀치 오프되려 하는 때 그리고 공작물(115)과의 접속을 상실하려 하는 때를 예견할 수 있을 것이다. 또한, 접촉이 완전히 상실되는 경우에, 영 볼트 보다 상당히 더 큰 전위차(즉, 전압 레벨)가 감지 및 전류 제어기(195)에 의해서 측정될 수 있을 것이다. 이러한 전위차는, 단계(330)에서의 작용이 취해지지 않는 경우에, 와이어(140)의 새로운 원위 단부와 공작물(115) 사이의 아크 형성(이는 바람직하지 않다)을 유발할 수 있다. 물론, 다른 실시예에서, 와이어(140)가 어떠한 상당한 핀칭(pinching)도 나타내지 않고, 용탕 내로 거의 일정한 횡단면을 유지하면서 연속적인 양식으로 용탕 내로 유동될 수 있을 것이다.
단계(330)에서, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과의 접촉을 상실하려 한다는 것을 감지하는 것에 응답하여, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)를 통한 가열 전류의 유동을 턴 오프시킨다(또는 적어도 크게, 예를 들어 95% 만큼 감소시킨다). 접촉이 상실되려 한다는 것을 감지 및 전류 제어기(195)가 결정할 때, 제어기(195)는 핫 와이어(140)로 공급되는 전류를 차단하도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 핫 와이어 전원(170)에 명령한다. 이러한 방식으로, 원치 않는 아크의 형성이 방지되고, 그에 따라 비산 또는 용낙(burnthrough)과 같은 바람직하지 못한 결과가 발생되지 않게 한다.
단계(340)에서, 와이어(140)가 공작물(115)을 향해서 계속적으로 전진하는 것으로 인해서, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과 다시 접촉하는 때를 감지한다. 그러한 감지가, (예를 들어, 접촉 관(160)을 통해서) 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이에서 약 영 볼트의 전위차를 측정하는 감지 및 전류 제어기(195)에 의해서 달성될 수 있을 것이다. 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)에 대해서 최단 거리가 될 때(즉, 공작물과 접촉될 때), 영 볼트를 초과하는 상당한 전압 레벨이 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이에 존재하지 않을 수 있을 것이다. "다시 접촉된다"는 문구는 본원에서, 와이어(140)가 공작물(115)을 향해서 전진되고, 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)로부터 실제로 완전히 핀치 오프되거나 그러지 않은지의 여부와 관계없이, (예를 들어, 접촉 관(160)을 통한) 와이어(140)와 공작물(115) 사이의 측정된 전압이 약 영 볼트가 되는 상황을 언급하기 위해서 사용된다. 단계(350)에서, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어의 원위 단부가 공작물과 다시 접촉하는 것의 감지에 응답하여, 적어도 하나의 저항형 필러 와이어를 통해서 가열 전류의 유동을 재-인가한다. 감지 및 전류 제어기(195)는, 계속 와이어(140)를 가열하기 위해서 가열 전류를 재-인가하도록 핫 와이어 전원(170)으로 명령할 수 있을 것이다. 이러한 프로세스가 덧붙임 적용예의 지속시간 동안 계속될 수 있을 것이다.
예를 들어, 도 4는 도 3의 시동 후 방법(300)과 연관된, 각각의 전압 및 전류 파형들(410 및 420)의 쌍의 제1의 예시적 실시예를 도시한다. 전압 파형(410)이 감지 및 전류 제어기(195)에 의해서 접촉 관(160)과 공작물(115) 사이에서 측정된다. 전류 파형(420)이 감지 및 전류 제어기(195)에 의해서 와이어(140) 및 공작물(115)을 통해서 측정된다.
저항형 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과의 접촉을 상실하려 할 때, 전압 파형(410)의 변화율(즉, dv/dt)이 미리 결정된 문턱값을 초과할 것이고, 이는 핀치 오프가 발생하려 한다는 것을 나타낸다(파형(410)의 지점(411)에서의 기울기 참조). 대안으로서, 필러 와이어(140)와 공작물(115)을 통한 전류의 변화율(di/dt), 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이의 저항의 변화율(dr/dt), 또는 필러 와이어(140)와 공작물(115)을 통한 전력의 변화율(dp/dt)이 그 대신에 이용되어 핀치 오프가 발생하려 한다는 것을 나타낼 수 있을 것이다. 그러한 변화율 예상 기술이 당업계에 주지되어 있다. 그러한 시점에, 감지 및 전류 제어기(195)는, 와이어(140)를 통한 전류의 유동을 턴 오프하도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 핫 와이어 전원(170)에 명령할 것이다.
약간의 시간 간격(430) 이후에(예를 들어, 전압 레벨이 지점(412)에서 약 영 볼트로 다시 강하된 후에) 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과 다시 양호하게 접촉한다는 것을 감지 및 전류 제어기(195)가 감지할 때, 감지 및 전류 제어기(195)는, 저항형 필러 와이어(140)를 통한 전류의 유동을 미리 결정된 출력 전류 레벨(450)을 향해서 상승시키도록(상승부(425) 참조) 핫 와이어 전원(170)에 명령한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상승이 설정점 값(440)으로부터 시작된다. 이러한 프로세스는, 에너지 공급원(120) 및 와이어(140)가 공작물(115)에 대해서 이동될 때 그리고 와이어(140)가 와이어 공급기(150)로 인해서 공작물(115)을 향해서 전진될 때 반복된다. 이러한 방식으로, 와이어(140)의 원위 단부와 공작물(115) 사이의 접촉이 주로(largely) 유지되고, 아크가 와이어(140)의 원위 단부와 공작물(115) 사이에서 형성되는 것이 방지된다. 가열 전류를 상승시키는 것은, 해당 조건이 존재하지 않을 때, 전압의 변화율이 핀치 오프 조건으로서 또는 아크발생 조건으로서 우발적으로 해석되는 것을 방지하는데 도움이 된다. 임의의 전류의 큰 변화는, 가열 회로 내의 인덕턴스로 인해서, 잘못된 전압 판독값이 취해지게 할 수 있을 것이다. 전류가 점진적으로 상승될 때, 인덕턴스의 영향이 감소된다.
도 5는 도 3의 시동 후 방법과 연관된, 각각의 전압 및 전류 파형들(510 및 520)의 쌍의 제2의 예시적 실시예를 도시한다. 전압 파형(510)이 감지 및 전류 제어기(195)에 의해서 접촉 관(160)과 공작물(115) 사이에서 측정된다. 전류 파형(520)이 감지 및 전류 제어기(195)에 의해서 와이어(140) 및 공작물(115)을 통해서 측정된다.
저항형 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과의 접촉을 상실하려 할 때, 전압 파형(510)의 변화율(즉, dv/dt)가 미리 결정된 문턱값을 초과할 것이고, 이는 핀치 오프가 발생하려 한다는 것을 나타낸다(파형(510)의 지점(511)에서의 기울기 참조). 대안으로서, 필러 와이어(140)와 공작물(115)을 통한 전류의 변화율(di/dt), 필러 와이어(140)와 공작물(115) 사이의 저항의 변화율(dr/dt), 또는 필러 와이어(140)와 공작물(115)을 통한 전력의 변화율(dp/dt)이 그 대신에 이용되어 핀치 오프가 발생하려 한다는 것을 나타낼 수 있을 것이다. 그러한 변화율 예상 기술이 당업계에 주지되어 있다. 그러한 시점에, 감지 및 전류 제어기(195)는, 와이어(140)를 통한 전류의 유동을 턴 오프하도록(또는 적어도 크게 감소시키도록) 핫 와이어 전원(170)에 명령할 것이다.
약간의 시간 간격(530) 이후에(예를 들어, 전압 레벨이 지점(512)에서 약 영 볼트로 다시 강하된 후에) 필러 와이어(140)의 원위 단부가 공작물(115)과 다시 양호하게 접촉한다는 것을 감지 및 전류 제어기(195)가 감지할 때, 감지 및 전류 제어기(195)는, 저항형 필러 와이어(140)를 통해서 가열 전류의 유동을 인가하도록(가열 전류 레벨(525) 참조) 핫 와이어 전원(170)에 명령한다. 이러한 프로세스는, 에너지 공급원(120) 및 와이어(140)가 공작물(115)에 대해서 이동될 때 그리고 와이어(140)가 와이어 공급기(150)로 인해서 공작물(115)을 향해서 전진될 때 반복된다. 이러한 방식으로, 와이어(140)의 원위 단부와 공작물(115) 사이의 접촉이 주로 유지되고, 아크가 와이어(140)의 원위 단부와 공작물(115) 사이에서 형성되는 것이 방지된다. 이러한 경우에 가열 전류가 점진적으로 상승되지 않기 때문에, 특정 전압 판독값이 가열 회로 내의 인덕턴스로 인해서 우발적인 것으로 또는 잘못된 것으로 무시될 수 있을 것이다.
요약하면, 브레이징, 크래딩, 살붙이기, 충진, 및 표면-경화 덧붙임 적용예 중 임의의 것을 위한, 조합형 와이어 공급 및 에너지 공급원 시스템을 시작하고 이용하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 큰 세기의 에너지가 공작물 상으로 인가되어 공작물을 가열한다. 하나 이상의 저항형 필러 와이어가, 큰 세기의 에너지가 인가되는 곳에서 또는 그 바로 앞에서 공작물을 향해서 공급된다. 큰 세기의 에너지의 인가가 달성되는 곳에서 또는 그 부근에서 하나 이상의 저항형 필러 와이어의 원위 단부가 공작물과 접촉하는 것의 감지가 달성된다. 하나 이상의 저항형 필러 와이어의 원위 단부가 공작물과 접촉하거나 그렇지 않은지의 여부를 기초로, 하나 이상의 저항형 필러 와이어에 대한 전기 가열 전류가 제어된다. 인가된 큰 세기의 에너지 및 하나 이상의 저항형 필러 와이어가 공작물을 따라서 서로 일정한(fixed) 관계로 동일한 방향으로 이동된다.
추가적인 예시적 실시예에서, 본 발명의 시스템 및 방법이 용접 또는 접합 동작을 위해서 이용된다. 전술한 실시예는 덧붙임 동작에서의 필러 금속의 이용에 초점을 맞춘 것이다. 그러나, 본 발명의 양태가, 공작물이 필러 금속의 이용 및 용접 동작을 이용하여 접합되는 용접 및 접합 적용예에서 이용될 수 있다. 비록 필러 금속을 덧붙이는 것과 관련되었지만, 전술한 실시예, 시스템 및 방법은, 이하에서 더 완전히 설명되는 용접 동작에서 이용되는 실시예, 시스템 및 방법과 유사하다. 그에 따라, 이하의 설명에서, 달리 기술하는 바가 없는 한, 전술한 설명이 일반적으로 적용된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 이하의 설명은 도 1 내지 도 5에 대한 참조를 포함할 수 있을 것이다.
전형적으로, 용접/접합 동작은, 필러 금속이 공작물 금속의 적어도 일부와 조합되어 접합부를 형성하는 용접 동작에서, 복수의 공작물을 함께 접합한다는 것이 알려져 있다. 용접 동작에서의 생산 처리량(throughput)을 증가시키기 위한 희망으로 인해서, 수준 이하의 품질을 가지는 용접부를 초래하지 않는, 보다 신속한 용접 동작이 지속적으로 요구되고 있다. 또한, 원격지 작업 장소에서와 같은, 불리한 환경적 조건 하에서 신속하게 용접할 수 있는 시스템을 제공하는 것이 요구되고 있다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예가 기존 용접 기술을 뛰어 넘는 상당한 장점을 제공한다. 그러한 장점에는, 비제한적으로, 공작물의 적은 왜곡을 초래하는 감소된 총 열 입력, 매우 빠른 용접 이동 속력, 매우 낮은 비산율, 차폐가 없는 용접, 비산이 없거나 거의 없는, 도금된 또는 코팅된 재료의 고속의 용접, 및 복합 재료들의 고속 용접이 포함된다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 아크 용접에 비해서 매우 빠른, 코팅된 공작물을 이용하는 용접 속력이 얻어질 수 있으며, 코팅된 공작물은 전형적으로 상당한 예비 작업을 필요로 하고 아크 용접 방법을 이용할 때 상당히 느린 용접 프로세스가 된다. 예로서, 이하의 설명은 아연 도금된 공작물을 용접하는 것에 초점을 맞출 것이다. 금속의 아연도금은 금속의 내식성을 높이기 위해서 이용되고 많은 산업적 적용예에서 바람직하다. 그러나, 아연 도금된 공작물의 통상적인 용접이 문제가 될 수 있다. 구체적으로, 용접 중에, 아연 도금에서의 아연이 증발되고, 용탕이 응고될 때, 이러한 아연 증기가 용접 용탕 내에 포획될 수 있고, 기공을 유발할 수 있다. 이러한 기공은 용접 접합부의 강도에 부정적인 영향을 미친다. 이로 인해서, 기존의 용접 기술은 아연 도금을 제거하는 제1 단계 또는 느린 프로세싱 속력으로 그리고 약간의 결함 레벨을 가지는 상태로 아연 도금을 통해서 용접하는 제1 단계 - 이는 비효율적이고 지연을 유발하거나, 용접 프로세스가 느리게 진행될 것을 요구한다 - 를 필요로 한다. 프로세스를 느리게 하는 것에 의해서, 증기화된 아연이 빠져나갈 수 있게 하는 긴 기간 동안 용접 용탕이 용융되어 유지된다. 그러나, 느린 속력으로 인해서, 생산 속도가 떨어지고 용접부 내로의 전체적인 열 입력이 많아질 수 있다. 유사한 문제를 유발할 수 있는 다른 코팅이, 비제한적으로: 페인트, 스탬핑 윤활제, 유리 라이닝, 알루미늄 처리된 코팅, 표면 열처리, 질화 또는 탄화 처리, 크래딩 처리, 또는 다른 코팅 또는 재료의 증발을 포함한다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는 이러한 문제를 제거한다.
도 6 및 도 6a(각각, 단면도 및 측면도)를 참조하면, 대표적인 겹치기 접합부(lap joint)를 용접하는 것이 도시되어 있다. 이러한 도면에서, 겹치기 용접으로 2개의 코팅된(예를 들어, 아연 도금된) 공작물(W1/W2)을 접합하고자 한다. 겹치기 접합부 표면(601 및 603)이 공작물(W1)의 표면(605)뿐만 아니라 코팅으로 초기에 커버되어 있다. 전형적인 용접 동작(예를 들어, GMAW)에서, 커버된 표면(605)의 일부가 용융된다. 이는, 표준 용접 동작의 전형적인 침투 깊이 때문이다. 표면(605)이 용융되기 때문에 표면(605) 상의 코팅이 증기화되나, 표면(605)의 용접 풀(weld pool)의 표면으로부터의 거리가 멀기 때문에, 용접 풀이 응고됨에 따라 가스가 포획될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 이러한 것이 발생되지 않는다.
도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(110)이 레이저 장치(120)로부터 용접 접합부로, 구체적으로 표면(601 및 603)으로 지향된다. 레이저 빔(110)은 용접 표면의 일부를 용융시켜 용융된 용탕(601A 및 603A)을 생성하기 위한 에너지 밀도를 가지며, 용융된 용탕은 일반적인 용접 용탕을 생성한다. 또한, - 전술한 바와 같이 저항 가열되는 - 필러 와이어(140)가 용접 용탕으로 지향되어 용접 비드(weld bead)를 위한 필요 필러 재료를 제공한다. 대부분의 용접 프로세스와 달리, 필러 와이어(140)가 용접 프로세스 중에 용접 용탕과 접촉하고 그 내부로 침잠된다(plunged). 이는, 이러한 프로세스가 필러 와이어(140)를 전달하기 위해서 용접 아크를 이용하지 않고, 그 대신에 필러 와이어를 용접 용탕 내로 단순히 용융시키기 때문이다.
필러 와이어(140)가 그 융점으로 또는 그 부근으로 예열되기 때문에, 용접 용탕 내의 필러 와이어의 존재는 용탕을 상당히 냉각시키거나 응고시키지 않을 것이고 용접 용탕 내로 신속하게 소비된다. 필러 와이어(140)의 일반적인 동작 및 제어는 덧붙임 실시예에 대해서 전술한 바와 같다.
레이저 빔(110)이 표면(601/603)으로 정밀하게 초점화되고 지향될 수 있기 때문에, 풀(601A/603A)에 대한 침투 깊이가 정밀하게 제어될 수 있다. 이러한 깊이를 주의 깊게 제어하는 것에 의해서, 본 발명의 실시예는 어떠한 불필요한 표면(605)의 용융 또는 침투도 방지한다. 표면(605)이 과다하게 용융되지 않기 때문에, 표면(605) 상의 어떠한 코팅도 증발되지 않고 용접 용탕 내에 포획되지 않는다. 또한, 용접 접합부의 표면(601 및 603) 상의 임의 코팅이 레이저 빔(110)에 의해서 용이하게 증발되고, 그러한 가스는 용접 용탕이 응고되기 전에 용접 구역을 빠져나갈 수 있다. 임의의 증발된 코팅 재료의 제거에 도움을 주기 위해서, 가스 추출 시스템을 이용할 수 있다는 것을 생각할 수 있을 것이다.
용접 용탕 침투의 깊이가 정밀하게 제어될 수 있기 때문에, 기공을 상당히 최소화하거나 배제하면서, 코팅된 공작물을 용접하는 속력이 상당히 빨라질 수 있다. 일부 아크 용접 시스템이 용접을 위한 양호한 이동 속력을 달성할 수 있거나, 더 빠른 속력에서는 기공 및 비산과 같은 문제가 발생될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, (본원에서 설명된 바와 같이) 기공 또는 비산이 없거나 거의 없이 매우 빠른 이동 속력이 달성될 수 있고, 사실상 50 인치/분을 초과하는 이동 속력이 많은 상이한 유형의 용접 동작에서 용이하게 달성될 수 있다. 본 발명의 실시예가 80 인치/분을 초과하는 용접 이동 속력을 달성할 수 있다. 또한, 다른 실시예는, 본원에서 설명된 바와 같이, 기공이나 비산이 최소화되거나 없이, 100 내지 150 인치/분의 범위의 이동 속력을 달성할 수 있다. 물론, 달성되는 속력은 공작물 성질(두께 및 조성)과 와이어 성질(예를 들어, 직경)의 함수가 될 것이나, 본 발명의 실시예를 이용할 때, 이러한 속력이 많은 상이한 용접 및 접합 적용예에서 용이하게 달성될 수 있다. 또한, 이러한 속력이 100% 이산화탄소 차폐 가스를 이용하여 달성될 수 있으나, 차폐 가스가 전혀 없이도 달성될 수 있다. 부가적으로, 용접 용탕의 생성 및 용접에 앞서서 어떠한 표면 코팅도 제거하지 않고, 이러한 이동 속력이 달성될 수 있다. 물론, 더 빠른 이동 속력이 달성될 수 있다는 것을 생각할 수 있을 것이다. 또한, 용접부 내로의 감소된 열 입력으로 인해서, 이러한 빠른 속력이 얇은 공작물(115)에서 달성될 수 있고, 그러한 얇은 공작물은 전형적으로 느린 용접 속력을 갖는데, 이는 왜곡을 피하기 위해서 열 입력이 적게 유지되어야 하기 때문이다. 본 발명의 실시예가 기공이나 비산이 없이 또는 거의 없이 전술한 빠른 이동 속력을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 또한 적은 혼화제(admixture)로 매우 빠른 침착 속도(deposition rate)를 달성할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는 차폐 가스 없이 그리고 기공이나 비산이 없거나 거의 없이 10 lb/시간 또는 그 초과의 침착 속도를 달성할 수 있다. 일부 실시예에서, 침착 속도가 10 내지 20 lb/시간의 범위이다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 이러한 극히 빠른 이동 속력이 기공이 없거나 거의 없이 그리고 비산이 없거나 거의 없이 달성된다. 용접부의 기공은, 기공 비율을 식별하기 위해서 용접 비드의 횡단면 및/또는 길이를 검사하는 것에 의해서 결정될 수 있다. 횡단면 기공 비율은 주어진 횡단면 내의 총 기공의 면적을 해당 지점에서의 용접 접합부의 총 횡단면 면적으로 나눈 것이다. 길이 기공 비율은 용접 접합부의 주어진 단위 길이 내의 총 누적 기공 길이이다. 본 발명의 실시예가, 0 내지 20%의 횡단면적 기공으로, 전술한 이동 속력을 달성할 수 있다. 그에 따라, 기포 또는 공동을 가지지 않는 용접 비드가 0% 기공을 가질 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 횡단면적 기공이 0 내지 10%의 범위일 수 있고, 다른 예시적인 실시예에서 2 내지 5%의 범위일 수 있다. 일부 용접 적용예에서, 약간의 레벨의 기공이 용인될(acceptable) 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 용접부의 길이 기공이 0 내지 20%의 범위이고, 0 내지 10%가 될 수 있다. 추가적인 예시적 실시예에서, 길이 기공 비율이 1 내지 5%의 범위이다. 그에 따라, 예를 들어, 2 내지 5% 범위의 횡단면적 기공 및 1 내지 5%의 길이 기공 비율을 가지는 용접부가 생성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예가 비산이 없거나 거의 없이 앞서서 기재한 이동 속력으로 용접할 수 있다. 비산은, 용접 용탕의 액적이 용접 구역의 외부로 비산되도록 유도될 때 발생된다. 용접 비산이 발생될 때, 그러한 비산이 용접부의 품질을 손상시킬 수 있고 생산 지연을 유발할 수 있는데, 이는, 그러한 비산이 통상적으로 용접 프로세스 이후에 공작물로부터 제거되어야 하기 때문이다. 또한, 공작물이 코팅될 때, 예를 들어 아연 도금될 때, 비산물이 아연도금에 고착되는 경향이 있고 부식의 도입 지점을 생성한다. 그에 따라, 비산이 없이 고속으로 용접하는 것이 크게 유리하다. 본 발명의 실시예는 0 내지 0.5 범위의 비산 인자로 전술한 고속 이동 속력으로 용접할 수 있고, 여기에서 비산 인자는, 주어진 이동 거리(X)에 걸친 비산물의 중량(mg)을 동일한 거리(X)에 걸친 소비된 필러 와이어(140)의 중량(Kg)으로 나눈 것이다. 즉:
비산 인자 = (비산물 중량(mg)/소비된 필러 와이어 중량(Kg))
거리(X)가 용접 접합부를 대표하는(representative) 샘플링을 허용하는 거리가 되어야 한다. 즉, 만약 거리(X)가 너무 짧다면, 예를 들어 0.5 인치라면, 이는 용접부를 나타내지 못할 수 있을 것이다. 그에 따라, 0의 비산 인자를 가지는 용접 접합부가 거리(X)에 걸쳐 소비된 필러 와이어에 대해서 비산을 나타내지 않을 것이고, 2.5의 비산 인자를 가지는 용접부가 2 kg의 소비된 필러 와이어에 대해서 5 mg의 비산물을 갖는다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 비산 인자가 0 내지 1의 범위이다. 추가적인 예시적 실시예에서, 비산 인자가 0 내지 0.5의 범위이다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 비산 인자가 0 내지 0.3의 범위이다. 본 발명의 실시예가 - 차폐 가스나 플럭스 차폐를 포함하는 - 어떠한 외부 차폐도 없이 또는 그러한 차폐가 있는 상태에서 전술한 비산 인자 범위를 달성할 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 또한, - 용접 동작에 앞서서 아연 도금을 제거하지 않고도 - 아연 도금된 공작물을 포함하는, 코팅된 또는 코팅되지 않은 공작물을 용접할 때, 전술한 비산 인자 범위가 달성될 수 있다.
용접 접합부에 대한 비산을 측정하기 위한 많은 방법이 있다. 하나의 방법이 "비산 보트(spatter boat)"의 이용을 포함할 수 있다. 그러한 방법에서, 대표적인 용접부 샘플이, 용접 비드에 의해서 생성된 비산의 전부, 또는 거의 전부를 포획하기에 충분한 크기를 가지는 용기 내에 배치된다. 용기 또는 - 상단과 같은 - 용기의 일부가 용접 프로세스와 함께 이동되어, 비산이 포획되도록 보장한다. 전형적으로, 보트가 구리로 제조되고, 그에 따라 비산물이 표면에 고착되지 않는다. 대표적인 용접이 용기의 하단 위에서 실시되고, 그에 따라 용접 중에 생성되는 모든 비산물이 용기 내로 낙하될 것이다. 용접 중에, 소비되는 필러 와이어의 양이 모니터링된다. 용접이 완료된 후에, 용기의 용접-전 및 용접-후 중량 사이의 차이가 존재하는 경우에, 그러한 차이를 결정하기에 충분한 정확도를 가지는 장치에 의해서, 비산 보트의 중량이 측정된다. 이러한 차이는 비산물의 중량을 나타내고, 이어서, 소비된 필러 와이어의 Kg 단위의 양으로 나누어진다. 대안적으로, 비산물이 보트에 고착되지 않는다면, 비산물을 제거할 수 있고 그 비산물 만을 중량 측정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 레이저 장치(120)의 이용은 용접 용탕의 깊이의 정밀한 제어를 가능하게 한다. 또한, 레이저 장치(120)의 이용은 용접 용탕의 크기 및 깊이의 용이한 조정을 가능하게 한다. 이는, 레이저 빔(110)이 용이하게 초점화될/탈초점화될(defocused) 수 있기 때문이거나, 그 빔 세기가 매우 용이하게 변화될 수 있기 때문이다. 이러한 능력으로 인해서, 공작물(W1 및 W2) 상의 열 분포가 정밀하게 제어될 수 있다. 이러한 제어는, 공작물 상의 용접 구역의 크기의 최소화뿐만 아니라 정밀한 용접을 위한 매우 좁은 용접 용탕의 생성을 가능하게 한다. 이는 또한, 용접 비드에 의해서 영향을 받지 않는 공작물의 지역을 최소화하데 있어서 장점을 제공한다. 구체적으로, 용접 비드에 인접한 공작물의 지역이 용접 동작으로부터 최소의 영향을 받을 것이고, 이는 아크 용접 동작의 경우에 종종 그러하지 않다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 빔(110)의 형상 및/또는 세기가 용접 프로세스 중에 조정/변화될 수 있다. 예를 들어, 공작물 상의 특정 장소에서 침투 깊이를 변화시키는 것 또는 용접 비드의 크기를 변화시키는 것이 필요할 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 빔(110)의 형상, 세기, 및/또는 크기가 용접 프로세스 동안에 조정되어, 용접 매개변수의 필요 변화를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 필러 와이어(140)가 레이저 빔(110)과 동일한 용접 용탕에 충돌한다. 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140)가 레이저 빔(110)과 동일한 위치에서 용접 용탕에 충돌한다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 필러 와이어(140)가 레이저 빔으로부터 이격되어 동일한 용접 용탕에 충돌할 수 있다. 도 6a에 도시된 실시예에서, 필러 와이어(140)가 용접 동작 중에 빔(110)을 추적한다. 그러나, 이러한 것이 필수적인 것이 아닌데, 이는 필러 와이어(140)가 선도 위치에 배치될 수 있기 때문이다. 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는데, 이는, 필러 와이어(140)가 빔(110)과 동일한 용접 용탕과 충돌하기만 한다면, 필러 와이어(140)가 빔(110)에 대한 다른 위치에 배치될 수 있기 때문이다.
전술한 실시예는, 아연 도금과 같은 코팅을 가지는 공작물에 대해서 설명되었다. 그러나, 본 발명의 실시예가 또한 코팅을 가지지 않는 공작물 상에서 이용될 수 있다. 구체적으로, 동일한 전술한 용접 프로세스가 비-코팅형 공작물과 함께 이용될 수 있다. 그러한 실시예는, 코팅된 금속과 관련하여 전술한 것과 동일한 성능 속성을 달성한다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 스틸 공작물을 용접하는 것으로 제한되지 않고, - 이하에서 더 설명되는 바와 같이 - 알루미늄, 또는 보다 복잡한 금속들을 용접하기 위해서 또한 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 양태가 차폐 가스와 관련된다. 전형적인 아크 용접 동작에서, 차폐 가스 또는 차폐 플럭스를 이용하여, 대기 내의 산소 및 질소, 또는 다른 유해 원소가 용접 용탕 및 금속 전달과 상호작용하는 것을 방지한다. 그러한 간섭은 용접부의 품질 및 외관에 유해할 수 있다. 그에 따라, 거의 모든 아크 용접 프로세스에서, 차폐가, 외부적으로 공급되는 차폐 가스, 상부에 플럭스를 가지는 전극(예를 들어, 스틱 전극, 플럭스 코어형 전극 등)의 소비에 의해서 또는 외부적으로 공급되는 과립형 플럭스(예를 들어, 서브-아크(sub-arc) 용접)에 의해서 생성되는 차폐 가스의 이용에 의해서 제공된다. 또한, 특별한 금속을 용접하는 것 또는 아연도금된 공작물을 용접하는 것과 같은, 일부 용접 동작에서, 특별한 차폐 가스 혼합물이 이용되어야 한다. 그러한 혼합물이 매우 고가일 수 있다. 또한, 극단적인 환경에서 용접할 때, 대량의 차폐 가스를 작업 장소(예를 들어, 파이프라인)로 운송하는 것이 종종 어렵거나, 바람이 차폐 가스를 아크로부터 멀리 불어내는 경향이 있다. 또한, 연기 추출 시스템의 이용이 최근 몇년간 증가되었다. 이러한 시스템이 연기를 제거하는 경향이 있지만, 시스템이 용접 동작에 근접하여 배치되는 경우에, 그러한 시스템이 차폐 가스를 빼내어 제거하는 경향을 또한 갖는다.
본 발명의 장점은, 용접시에 최소량의 차폐 가스를 이용할 수 있거나 이용하지 않을 수 있다는 것을 포함한다. 대안적으로, 본 발명의 실시예는, 일반적으로는 특정의 용접 동작을 위해서 이용될 수 없는 차폐 가스의 이용을 가능하게 한다. 이에 대해서는 이하에서 추가적으로 설명한다.
아크 용접 프로세스로 전형적인 공작물(비-코팅형)을 용접할 때, - 그 형태와 관계없이 - 차폐가 요구된다. 본 발명의 실시예로 용접할 때, 차폐가 요구되지 않는다는 것을 발견하였다. 즉, 차폐 가스, 입자형 플럭스 및 자가-차폐 전극이 사용될 필요가 없다. 그러나, 아크 용접 프로세스와 달리, 본 발명은 품질이 양호한 용접부를 생성한다. 즉, 전술한 용접 속력이 어떠한 차폐도 이용하지 않고 달성될 수 있다. 이는 종래의 아크 용접 프로세스로 달성될 수 없었다.
전형적인 아크 용접 프로세스 중에, 필러 와이어의 용융된 액적이 필러 와이어로부터 용접 아크를 통해서 용접 용탕으로 전달된다. 차폐가 없는 상태에서, 액적의 전체 표면이 전달 중에 대기에 노출되고 그에 따라 대기 중의 질소 및 산소를 획득하고 질소 및 산소를 용접 용탕으로 전달하는 경향이 있다. 이는 바람직하지 않다.
본 발명이 액적 또는 유사한 프로세스를 이용하지 않고 필러 와이어를 용접부로 전달하기 때문에, 필러 와이어가 동일한 정도로 대기에 노출되지 않는다. 그에 따라, 많은 용접 적용예에서, 차폐의 이용이 요구되지 않는다. 그에 따라, 본 발명의 실시예가 기공이나 비산이 없이 또는 거의 없이 빠른 용접 속력을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 차폐 가스를 이용하지 않고도 그러한 것을 달성할 수 있다.
차폐를 이용할 필요가 없이, 용접 중에 연기 추출 노즐을 용접 접합부에 상당히 근접하여 위치시킬 수 있고, 그에 따라 보다 효율적이고 효과적인 연기 추출을 제공할 수 있다. 차폐 가스가 이용될 때, 차폐 가스의 기능을 방해하지 않도록, 소정 위치에 연기 추출 노즐을 배치할 필요가 있다. 본 발명의 장점으로 인해서, 그러한 제한이 존재하지 않으며 연기 추출이 최적화될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 예시적인 실시예에서, 레이저 빔(110)이 레이저 가림판(shroud) 조립체(1901)에 의해서 보호되며, 그러한 레이저 가림판 조립체는 레이저(120)로부터의 빔을 공작물(115)의 표면 부근에 대해서 차폐한다. 이러한 것을 나타낸 것이 도 19에서 확인될 수 있다. 가림판(1901)(횡단면으로 도시됨)은 동작 중에 빔(110)을 간섭으로부터 보호하고 부가적인 안전을 제공한다. 또한, 가림판이, 용접 구역으로부터 임의의 용접 연기를 멀리 빼내는 연기 추출 시스템(1903)에 결합될 수 있다. 실시예가 차폐 가스 없이 이용될 수 있기 때문에, 가림판(1901)이 용접부에 매우 근접하여 용접 구역으로부터 멀리 연기를 빼낼 수 있다. 사실상, 용접부 위의 가림판의 거리(Z)가 0.125 내지 0.5 인치의 범위가 되도록, 가림판(1901)이 배치될 수 있다. 물론, 다른 거리가 이용될 수 있으나, 용접 용탕을 방해하지 않도록 또는 가림판(1901)의 효과를 상당히 감소시키지 않도록 주의를 기울여야 한다. 연기 추출 시스템(1903)이 용접 산업에서 일반적으로 이해되고 있고 알려져 있기 때문에, 그 구성 및 동작에 대해서는 본원에서 구체적으로 설명하지 않을 것이다. 비록 도 19가 단지 빔(110)을 보호하는 가림판(1901)을 도시하고 있지만, 접촉 선단부(160) 및 와이어(140)의 적어도 일부를 둘러싸도록 가림판(1901)이 구성되는 것도 물론 가능하다. 예를 들어, 연기 추출 증대를 위해서, 가림판(1901)의 하단 개구부가 거의 전체적인 용접 용탕을 덮기에 충분할 정도로 클 수 있거나, 심지어 용접 용탕 보다 더 클 수 있다.
아연 도금된 공작물과 같은 코팅된 공작물을 용접하기 위해서 이용되는 본 발명의 예시적인 실시예에서, 상당히 낮은 가격의 차폐 가스가 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 100% CO2 차폐 가스가, 연강을 포함하는, 많은 상이한 재료를 용접하기 위해서 이용될 수 있다. 이는 또한, 100% 질소 차폐 가스 만을 이용하여 용접될 수 있는, 스테인리스 스틸, 듀플렉스 스틸 및 수퍼 듀플렉스 스틸과 같은, 보다 복잡한 금속을 용접할 때에도 마찬가지이다. 전형적인 아크 용접 동작에서, 스테인리스 스틸, 듀플렉스 스틸 또는 수퍼-듀플렉스 스틸의 용접은, 매우 고가일 수 있는, 차폐 가스의 보다 복잡한 혼합물을 필요로 한다. 본 발명의 실시예는 이러한 스틸이 100% 질소 차폐 가스만으로 용접될 수 있게 한다. 또한, 다른 실시예는 차폐 없이 이러한 스틸이 용접되게 할 수 있다. 아연 도금된 재료를 위한 전형적인 용접 프로세스에서, 아르곤/CO2 블렌드(blend)와 같은, 특별한 혼합 차폐 가스가 이용되어야 한다. 이러한 유형의 가스가, 부분적으로, 사용될 필요가 있는데, 이는 일반적인 아크 용접 중에 음극 및 양극이 용접 구역 내에 존재하기 때문이다. 그러나, 전술한 바와 같이 그리고 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 용접 아크가 존재하지 않고, 그에 따라, 용접 구역 내에 양극 또는 음극이 존재하기 않기 때문이다. 그에 따라, 충진 금속이 대기로부터 유해한 요소를 획득할 수 있는 기회가 크게 감소되는데, 이는 아크가 존재하지 않고 액적 전달이 존재하지 않기 때문이다. 본 발명의 많은 실시예가 - 차폐 가스와 같은 - 차폐의 이용이 없는 용접을 허용하지만, 용접 구역으로부터 증기 또는 오염물질을 제거하기 위해서 가스 유동이 용접부 위에서 이용될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 즉, 용접 중에, 공기, 질소, CO2, 또는 다른 가스가 용접부 위로 송풍되어 용접 구역으로부터 오염물질을 제거할 수 있다는 것을 생각할 수 있다.
코팅된 물질을 고속으로 용접할 수 있게 하는 것에 더하여, 본 발명의 실시예가 또한, 열 영향 구역(heat affected zone)("HAZ")이 상당히 감소된 상태로, 이중-상(dual-phase) 스틸을 용접하기 위해서 이용될 수 있다. 이중-상 스틸은, 페라이트 및 마르텐자이트 미세조직 모두를 가지고, 그에 따라 스틸이 고강도 및 양호한 성형성(formability)을 가질 수 있게 하는 고강도 스틸이다. 이중-상 스틸의 성질로 인해서, 이중 상 스틸 용접부의 강도가 열 영향 구역의 강도에 의해서 제한된다. 열 영향 구역은, 용접 프로세스로부터 상당히 가열되고 그에 따라 아크 용접 프로세스로 인해서 그 미세조직이 부정적으로 변화되는 용접 접합부(필러 금속은 포함하지 않음) 주위의 구역이다. 공지된 아크 용접 프로세스에서, 열 영향 구역이 매우 큰데, 이는 아크 플라즈마의 크기 및 용접 구역 내로의 많은 열 입력 때문이다. 열 영향 구역이 매우 크기 때문에, 열 영향 구역이 용접부의 강도를 제한하는 부분이 된다. 그에 따라, 아크 용접 프로세스는 그러한 접합부를 용접하기 위해서 전형적으로 연강 필러 와이어(140)(예를 들어, ER70S-6, 또는 -3 유형의 전극)를 사용하는데, 이는 고강도 전극의 사용이 불필요하기 때문이다. 또한, 이로 인해서, 설계자는 이중-상 스틸 내의 용접 접합부를 - 자동차 프레임, 범퍼, 엔진 크래들 등과 같은 - 큰 응력 구조물의 외부에 전략적으로 위치시켜야 한다.
전술한 바와 같이, 레이저 장치(120)의 이용은 용접 용탕의 생성에서 높은 레벨의 정밀도를 제공한다. 이러한 정밀도로 인해서, 용접 비드를 둘러싸는 열 영향 구역이 매우 작게 유지될 수 있거나, 공작물에 대한 열 영향 구역의 전체적인 영향이 최소화될 수 있다. 사실상, 일부 실시예에서, 공작물의 열 영향 구역이 거의 제거될 수 있다. 이는, 용탕을 생성하고자 하는 공작물의 부분 상에서만 레이저 빔(110)의 초점을 유지하는 것에 의해서 이루어진다. 열 영향 구역의 크기를 상당히 감소시키는 것에 의해서, 기본 금속의 강도는, 아크 용접 프로세스가 이용되는 경우 만큼 손상되지 않는다. 그에 따라, 열 영향 구역의 존재 또는 위치가 용접 구조물의 설계에서 더 이상 제한 인자가 되지 않는다. 본 발명의 실시예는 고강도 필러 와이어의 이용을 허용하는데, 이는, 열 영향 구역이 아니라, 공작물의 조성 및 강도 그리고 필러 와이어의 강도가 구조적 설계에 있어서의 구동 인자가 될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 이제 ER80S-D2, 유형의 전극과 같이, 적어도 80 ksi의 항복 강도를 가지는 전극의 이용을 허용한다. 물론, 이러한 전극이 예시적인 것으로 의도된 것이다. 또한, 전체적인 열 입력이 아크 용접으로부터의 열 입력 보다 적기 때문에, 용탕의 냉각 속도가 더 빠를 것이고, 이는, 기존 와이어와 동일한 또는 그보다 우수한 성능을 제공하면서도, 사용되는 필러 와이어의 화학적 성질(chemistry)이 더 희박할(leaner) 수 있다는 것을 의미한다.
부가적으로, 본 발명의 예시적인 실시예가, 상당히 감소된 차폐 요건에서 티타늄을 용접하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 아크 용접 프로세스로 티타늄을 용접할 때, 용인될 수 있는 용접부가 생성되도록 보장하기 위해서 상당한 주의를 기울여야 한다는 것이 공지되어 있다. 이는, 용접 프로세스 동안에, 티타늄이 산소와의 반응에 대해서 강력한 친화도를 가지기 때문이다. 티타늄과 산소 사이의 반응은 이산화티타늄을 생성하고, 그러한 이산화티타늄이 용접 풀 내에 존재하는 경우에, 이산화티타늄은 용접 접합부의 강도 및/또는 연성을 상당히 감소시킬 수 있을 것이다. 이로 인해서, 티타늄을 아크 용접하는 경우에, 용탕이 냉각될 때, 아크뿐만 아니라 후행하는(trailing) 용융 용탕을 대기로부터 차폐하기 위해서 상당한 양의 후행 차폐 가스를 제공할 필요가 있다. 아크 용접으로부터 발생되는 열로 인해서, 용접 용탕이 매우 클 수 있고 긴 기간 동안 용융되어 유지될 수 있고, 이는 상당한 양의 차폐 가스를 필요로 한다. 본 발명의 실시예는, 재료가 용융되어 있는 시간을 상당히 단축하고 신속하게 냉각시키며, 그에 따라 이러한 여분의 차폐 가스에 대한 필요성을 감소시킨다.
전술한 바와 같이, 용접 구역 내로의 전체적인 열 입력을 상당히 감소시키도록 그에 따라 용접 용탕의 크기를 상당히 감소시키도록, 상당히 주의 깊게 레이저 빔(110)의 초점을 맞출 수 있다. 용접 용탕이 작기 때문에, 용접 용탕이 훨씬 더 신속하게 냉각된다. 그에 따라, 후행 차폐 가스가 필요치 않고, 용접부에서의 차폐만이 요구된다. 또한, 전술한 것과 유사한 이유로, 티타늄을 용접할 때 비산 인자가 크게 감소되는 한편 용접 속도가 빨라진다.
이제 도 7 및 도 7a를 참조하면, 개방 초층(open root) 유형의 용접 접합부가 도시되어 있다. 개방 초층 접합부는 두꺼운 판들 및 파이프들을 용접하기 위해서 빈번하게 이용되고 원격지의 그리고 환경적으로 어려운 위치에서 종종 발생될 수 있다. 차폐형 금속 아크 용접(SMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW), 플럭스 코어형 아크 용접(FCAW), 서브머지드 아크 용접(SAW), 및 플럭스 코어형 아크 용접, 자가 차폐형(FCAW-S)을 포함하는, 개방 초층 접합부를 용접하기 위한 많은 수의 공지된 방법이 있다. 이러한 용접 프로세스는, 차폐의 필요성, 속력 제한, 슬래그의 형성 등을 포함하는 여러 가지 단점을 갖는다.
그에 따라, 본 발명의 실시예는, 이러한 유형의 용접이 실시될 수 있는 속력 및 효율을 크게 개선한다. 구체적으로, 차폐 가스의 이용이 배제되거나, 크게 감소될 수 있고, 슬래그의 생성이 완전히 배제될 수 있다. 또한, 고속 용접이 최소 비산 및 기공과 함께 얻어질 수 있다.
도 7 및 도 7a는 본 발명의 예시적인 실시예에 의해서 용접되는 대표적인 개방 초층 용접 접합부를 도시한다. 물론, 본 발명의 실시예는, 겹치기 접합부 또는 개방 초층 유형의 접합부뿐만 아니라, 매우 다양한 용접 접합부를 용접하기 위해서 이용될 수 있다. 도 7에서, 갭(705)이 공작물들(W1/W2) 사이에 도시되어 있고, 각각의 개별적인 공작물이 각도형(angled) 표면(701/703)을 각각 갖는다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 표면(701/703) 상에서 정밀한 용융 용탕을 생성하기 위해서 레이저 장치(120)를 이용하고, 전술한 바와 같이, 예열된 필러 와이어(미도시)가 용탕 내로 각각 침착된다.
사실상, 본 발명의 예시적인 실시예는 단일 필러 와이어를 각각의 개별적인 용접 용탕으로 지향시키는 것으로 제한되지 않는다. 본원에서 설명된 용접 프로세스에서 용접 아크가 발생되지 않기 때문에, 하나 초과의 필러 와이어가 임의의 하나의 용접 용탕으로 지향될 수 있다. 주어진 용접 용탕에 대한 필러 와이어의 수를 증가시키는 것에 의해서, 열 입력의 상당한 증가 없이도, 용접 프로세스의 전체적인 침착 속도가 상당히 증가될 수 있다. 그에 따라, (도 7 및 도 7a에 도시된 유형과 같은) 개방 초층 용접 접합부가 단일 용접 통과(pass)로 충진될 수 있다는 것이 생각될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 복수의 레이저 빔(110 및 110A)을 이용하여 용접 접합부 내의 하나 초과의 위치를 동시에 용융시킬 수 있다. 이는 수많은 방식으로 달성될 수 있다. 도 7에 도시된, 제1 실시예에서, 빔 분리기(121)가 이용되고 레이저 장치(120)에 결합된다. 빔 분리기(121)는 레이저 장치를 알 수 있는 사람들에게 공지되어 있고 본원에서 구체적으로 설명할 필요가 없다. 빔 분리기(121)는 레이저 장치(120)로부터의 빔을 2개의(또는 그 초과의) 분리된 빔(110/110A)으로 분리하고 그러한 빔들을 2개의 상이한 표면으로 지향시킬 수 있다. 그러한 실시예에서, 복수의 표면이 동시에 조사되어(irradiated), 용접에서 추가적인 정밀도 및 정확도를 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 빔이 그 자체의 전용 장치로부터 방출되도록, 분리된 빔(110 및 110A)의 각각이 분리된 레이저 장치에 의해서 생성될 수 있다.
그러한 실시예에서, 복수의 레이저 장치를 이용하여, 상이한 용접 요구사항들에 맞춰 용접 동작의 많은 양태들을 변경할 수 있다. 예를 들어, 분리된 레이저 장치들에 의해서 생성된 빔들이 상이한 에너지 밀도들을 가질 수 있고; 용접 접합부에서 상이한 형상들, 및/또는 상이한 횡단면 면적을 가질 수 있다. 이러한 탄력성으로, 요구되는 임의의 특정의 용접 매개변수를 충족시키도록, 용접 프로세스의 양태들이 수정될 수 있고 맞춰질 수 있다. 물론, 이는, 단일 레이저 장치 및 빔 분리기(121)의 이용으로 또한 달성될 수 있으나, 탄력성의 일부가 단일 레이저 공급원의 이용에 의해서 제한될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 단일 또는 이중 레이저 구성으로 제한되지 않는데, 이는 임의 수의 레이저가 원하는 바에 따라서 이용될 수 있다는 것을 생각할 수 있기 때문이다.
추가적인 예시적 실시예에서, 빔 스캐닝 장치가 이용될 수 있다. 그러한 장치가 레이저 또는 빔 방출 분야에서 공지되어 있고, 공작물의 표면에 걸쳐 패턴을 가지고 빔(110)을 스캐닝하기 위해서 이용된다. 그러한 장치로, 스캔 속도 및 패턴뿐만 아니라 체류 시간을 이용하여 공작물(115)을 희망하는 양식에 따라 가열할 수 있다. 또한, 에너지 공급원(예를 들어, 레이저)의 출력 파워를 희망에 따라 조절하여 희망하는 용탕 포메이션(formation)을 생성할 수 있다. 부가적으로, 레이저(120) 내에서 이용되는 광학장치가 희망하는 동작 및 접합부 매개변수를 기초로 최적화될 수 있다. 예를 들어, 라인 또는 적분기 광학장치(integrator optics)를 이용하여 넓은 용접 또는 크래딩 동작을 위한 초점화된 라인 빔을 생성할 수 있거나, 적분기를 이용하여 균일한 파워 분포를 가지는 정사각형/직사각형 빔을 생성할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고, 그러한 실시예에서 단일 빔(110)이 개방 초층 접합부로 지향되어 표면(701/703)을 용융시킨다.
레이저 빔(110 및 110A)의 정밀도로 인해서, 빔(110/110A)이 표면(701/703) 상으로만 그리고 갭(705)으로부터 멀리 초점 맞춰질 수 있다. 이로 인해서, (일반적으로 갭(705)을 통해서 낙하되는) 완전한-용융(melt-through)이 제어될 수 있고, 이는 후방-측부 용접 비드(갭(705)의 하단 표면에 위치되는 용접 비드)의 제어를 크게 개선한다.
도 7 및 도 7a의 각각에서, 용접 비드(707)로 충진된 갭(705)이 공작물들(W1/W2) 사이에 존재한다. 예시적인 실시예에서, 이러한 용접 비드(707)가 레이저 장치(미도시)에 의해서 생성된다. 그에 따라, 예를 들어, 용접 동작 중에, 제1 레이저 장치(미도시)가 제1 레이저 빔(미도시)을 갭(705)으로 지향시켜 공작물들(W1 및 W2)을 레이저 용접 비드(707)와 함께 용접하는 한편, 제2 레이저 장치(120)가 적어도 하나의 레이저 빔(110/110A)을 표면(701/703)으로 지향시켜 용접 용탕을 생성하고, 그러한 용접 용탕에서 필러 와이어(들)(미도시)가 침착되어 용접을 완료한다. 갭 용접 비드(707)는, 갭이 충분히 작은 경우에, 레이저에 의해서만 생성될 수 있거나, 갭(705)이 요구하는 경우에, 레이저 및 필러 와이어의 이용에 의해서 생성될 수 있다. 구체적으로, 갭(705)을 적절하게 충진하기 위해서 필러 금속을 부가할 필요가 있을 수 있고, 그에 따라 필러 와이어가 이용되어야 한다. 이러한 갭 비드(705)의 생성은 본 발명의 여러 가지 예시적인 실시예와 관련하여 전술한 것과 유사하다.
본원에서 설명된 레이저 장치(120)와 같은, 큰 세기의 에너지 공급원이, 희망 용접 동작을 위한 필요 에너지 밀도를 제공하기에 충분한 파워를 가지는 유형이어야 한다는 것을 주목하여야 할 것이다. 즉, 레이저 장치(120)가 용접 프로세스 전체를 통해서 안정적인 용접 용탕을 생성 및 유지하기에, 그리고 또한 희망 용접 침투에 도달하기에 충분한 파워를 가져야 한다. 예를 들어, 일부 적용예의 경우에, 레이저가 피용접 공작물을 "열쇠구멍 가공(keyhole)"할 수 있는 능력을 가져야 한다. 이는, 공작물을 완전히 침투하기에 충분하면서도, 레이저가 공작물을 따라 이동할 때, 그러한 침투 레벨을 유지하기에 충분한 파워를 레이저가 가져야 한다는 것을 의미한다. 예시적인 레이저가 1 내지 20kW 범위의 파워 능력을 가져야 하거나, 5 내지 20kW 범위의 파워 능력을 가질 수 있을 것이다. 더 큰 파워의 레이저가 이용될 수 있으나, 매우 고비용이 될 수 있다. 물론, 빔 분리기(121) 또는 복수 레이저의 이용이 다른 유형의 용접 접합부에서 또한 이용될 수 있고, 도 6 및 도 6a에 도시된 것과 같은 겹치기 접합부에서 이용될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다.
도 7b는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 좁은 홈의, 깊은 개방 초층 접합부가 도시되어 있다. 아크 용접이 깊은(깊이가 1 인치 보다 깊은) 접합부를 용접하는 경우에, 홈에 대한 갭(G)이 좁을 때, 접합부의 하단을 용접하는 것이 어려울 수 있다. 이는, 차폐 가스를 그러한 깊은 홈 내로 효과적으로 전달하는 것이 어렵고 홈의 좁은 벽들이 용접 아크의 안정성과의 간섭을 유발할 수 있기 때문이다. 공작물이 전형적으로 철계 재료이기 때문에, 접합부의 벽이 용접 아크와 자기적으로 간섭할 수 있다. 이로 인해서, 전형적인 아크 용접 과정을 이용할 때, 아크가 안정적으로 유지되도록 홈의 갭(G)이 충분히 넓을 필요가 있다. 그러나, 홈이 넓을수록, 용접 완료에 보다 많은 필러 금속이 요구된다. 본 발명의 실시예가 차폐 가스를 필요로 하지 않고 용접 아크를 이용하지 않기 때문에, 이러한 문제가 최소화된다. 이는, 본 발명의 실시예가 깊고, 좁은 홈을 효과적 및 효율적으로 용접할 수 있게 한다. 예를 들어, 공작물(115)이 1 인치 보다 두꺼운 두께를 가지는 본 발명의 예시적인 실시예에서, 갭(G)의 폭이 필러 와이어(140)의 직경의 1.5배 내지 2배 범위이고, 측벽 각도가 0.5 내지 10도의 범위이다. 예시적인 실시예에서, 그러한 용접 접합부의 초층 통과 준비(root pass preparation)가, 1/16 내지 1/4 인치 범위의 랜드(land)와 함께, 1 내지 3 mm 범위의 갭(RG)을 가질 수 있다. 그에 따라, 깊은 개방 초층 접합부가 일반적인 아크 용접 프로세스 보다 더 신속하게 그리고 상당히 더 적은 필러 재료로 용접될 수 있다. 또한, 본 발명의 양태가 용접 구역 내로 상당히 더 적은 열을 도입하기 때문에, 용접 용탕으로의 훨씬 더 근접한 전달을 촉진하여 측벽과의 접촉을 피하도록, 선단부(160)가 디자인될 수 있다. 즉, 선단부(160)가 더 작게 만들어질 수 있고 좁은 구조를 가지는 절연된 안내부로서 구성될 수 있다. 추가적인 예시적인 실시예에서, 병진운동 장치 또는 메커니즘을 이용하여 레이저 및 와이어를 용접부의 폭을 가로질러 이동시켜 접합부의 양 측부를 동시에 용접할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 맞대기-유형의 접합부(butt-type joint)가 본 발명의 실시예로 용접될 수 있다. 도 8에서, 동일한 높이의(flush) 맞대기-유형의 접합부가 도시되어 있으나, 용접 접합부의 상단 표면 및 하단 표면 상에 v-노치 홈을 가지는 맞대기-유형의 접합부가 또한 용접될 수 있다는 것을 생각할 수 있다. 도 8에 도시된 실시예에서, 2개의 레이저 장치(120 및 120A)가 용접 접합부의 양 측부 상에 도시되어 있고, 각각의 레이저 장치가 그들 자체의 용접 용탕(801 및 803)을 각각 생성한다. 도 7 및 도 7a와 유사하게, 가열된 필러 와이어가 보이지 않는데, 이는 도시된 도면에서 필러 와이어가 레이저 빔(110/110A) 뒤를 후행하기 때문이다.
맞대기-유형의 접합부를 공지된 아크 기술로 용접할 때, "아크 블로(arc blow)"로 상당한 문제가 발생할 수 있고, 그러한 아크 블로는 용접 아크들에 의해서 생성된 자기장들이 서로 간섭할 때 발생하고, 그에 따라 아크들이 서로를 변칙적으로 이동시킨다. 또한, 동일한 용접 접합부 상에서의 용접을 위해서 둘 이상의 아크 용접 시스템이 이용될 때, 각각의 용접 전류의 간섭에 의해서 상당한 문제가 유발될 수 있다. 부가적으로, 아크 용접 방법의 침투 깊이 때문에, - 부분적으로 - 많은 열 입력으로 인해, 용접 접합부의 양 측부 상에서 아크로 용접될 수 있는 공작물의 두께가 제한된다. 즉, 그러한 용접은 얇은 공작물 상에서 이루어질 수 없다.
본 발명의 실시예로 용접할 때, 이러한 문제가 제거된다. 용접 아크가 이용되지 않기 때문에, 아크 블로 간섭 또는 용접 전류 간섭 문제가 발생하지 않는다. 또한, 레이저의 이용을 통해서 달성 가능한 열 입력 및 침투 깊이의 정밀한 제어로 인해서, 상당히 더 얇은 공작물들이 용접 접합부의 양 측부 상에서 동시에 용접될 수 있다.
본 발명의 추가적인 예시적인 실시예가 도 9에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 특유의 용접 프로파일을 생성하기 위해서 2개의 레이저 빔(110 및 110A)이 - 서로 같은 선 상에서 - 이용된다. 도시된 실시예에서, (제1 레이저 장치(120)로부터 방출된) 제1 빔(110)을 이용하여 제1 횡단면 면적 및 깊이를 가지는 용접 용탕의 제1 부분(901)을 생성하는 한편, (제2 레이저 장치(미도시)로부터 방출된) 제2 빔(110A)을 이용하여, 용접 용탕의 제1 부분과 상이한, 제2 횡단면 면적 및 깊이를 가지는 용접 용탕의 제2 부분(903)을 생성한다. 용접 비드의 나머지 보다 침투 깊이가 더 깊은 용접 비드의 부분을 가지고자 할 때, 이러한 실시예가 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 용탕(901)은, 더 넓고 얕게 만들어진 용접 용탕(903) 보다 더 깊고 좁게 만들어진다. 공작물들이 만나는 곳에서 깊은 침투 레벨이 요구되나 용접 접합부의 전체 부분에 대해서는 요구되지 않을 때, 그러한 실시예가 이용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 예시적인 실시예에서, 제1 용탕(903)이, 접합부를 위한 용접부를 생성하는 용접 용탕일 수 있다. 이러한 제1 용탕/접합부가 제1 레이저(120) 및 필러 와이어(미도시)로 생성되고, 적절한 침투 깊이까지 만들어진다. 이러한 용접 접합부가 만들어진 후에, 제2 레이저 빔(110A)을 방출하는 제2 레이저(미도시)가 접합부 위를 통과하여 상이한 프로파일을 가지는 제2 용탕(903)을 생성하고, 여기에서 이러한 제2 용탕은, 전술한 실시예에서 설명된 바와 같이, 소정 종류의 덧붙임을 침착시키기 위해서 이용된다. 이러한 덧붙임은, 제1 필러 와이어와 상이한 화학적 성질을 가지는 제2 필러 와이어를 이용하여 침착될 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예를 이용하여, 접합부가 용접되고 짧은 시간 후에 또는 그 직후에, 용접 접합부 위에 내식성 크래딩 층을 배치할 수 있다. 이러한 용접 동작은 또한, 희망하는 용접 용탕 프로파일을 제공하기 위해서 빔(110)이 제1 빔 형상/밀도와 제2 빔 형상/밀도 사이에서 진동되는 단일 레이저 장치(120)로 달성될 수 있다. 그에 따라, 복수의 레이저 장치를 이용할 필요가 없다.
전술한 바와 같이, (아연 도금과 같은) 공작물 상의 내식성 코팅이 용접 프로세스 중에 제거된다. 그러나, 내식성을 목적으로 용접 접합부를 다시 코팅하는 것이 바람직할 수 있고, 그에 따라 제2 빔(110A) 및 레이저를 이용하여, 크래딩 층과 같은, 내식성 덧붙임부(903)를 접합부(901)의 상단 상에 부가할 수 있다.
본 발명의 여러 가지 장점으로 인해서, 용접 동작을 통해서 이질적(dissimilar) 금속들을 용이하게 접합할 수 있다. 아크 용접 프로세스를 이용하여 이질적 금속들을 접합하는 것이 어려운데, 이는 이질적 재료들 및 필러 재료를 위한 필요 화학적 성질들이 균열 및 열등한 용접부를 유도할 수 있기 때문이다. 이는, 매우 상이한 용융 온도들을 가지는 알루미늄 및 스틸을 함께 아크 용접하려 할 때 특히 그러하고, 또는 스테인리스 스틸을 연강에 용접하고자 할 때 특히 그러한데, 이는 그들의 상이한 화학적 성질들 때문이다. 그러나, 본 발명의 실시예를 이용할 때, 그러한 문제가 완화된다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. 비록 V-유형의 접합부가 도시되어 있지만, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 도 10에서, 2개의 이질적 금속이 용접 접합부(1000)에서 접합되는 것으로 도시되어 있다. 이러한 예에서, 2개의 이질적 금속이 알루미늄 및 스틸이다. 이러한 예시적인 실시예에서, 2개의 상이한 레이저 공급원(1010 및 1020)이 이용된다. 그러나, 2개의 레이저 장치가 모든 실시예에서 요구되는 것이 아닌데, 이는 단일 장치가 진동하여 2개의 상이한 재료를 용융시키기 위한 필요 에너지를 제공할 수 있기 때문이다 - 이에 대해서는 이하에서 더 설명될 것이다. 레이저(1010)는, 스틸 공작물로 지향되는 빔(1011)을 방출하고, 레이저(1020)는 알루미늄 공작물로 빔(1021)을 방출한다. 개별적인 공작물의 각각이 상이한 금속들 또는 합금들로 제조되기 때문에, 그 공작물들은 상이한 용융 온도들을 갖는다. 그에 따라, 개별적인 레이저 빔(1011/1021)의 각각이 용접 용탕들(1012 및 1022)에서 상이한 에너지 밀도들을 갖는다. 에너지 밀도들을 달리하는 것으로 인해서, 개별적인 용접 용탕(1012 및 1022)의 각각이 적절한 크기 및 깊이에서 유지될 수 있다. 이는 또한 용융 온도가 낮은 공작물 - 예를 들어, 알루미늄 - 에서의 과다한 침투 및 열 입력을 방지한다. 일부 실시예에서, 적어도 용접 접합부로 인해서, (도 10에 도시된 바와 같은) 2개의 분리된, 별개의 용접 용탕들을 가질 필요가 없고, 그 대신에 단일의 용접 용탕이 양 공작물들로 형성될 수 있으며, 여기에서 각각의 공작물의 용융된 부분들이 단일의 용접 용탕을 형성한다. 또한, 공작물이 상이한 화학적 성질들을 가지나 유사한 용융 온도를 갖는다면, 하나의 공작물이 다른 공작물 보다 더 용융될 것임을 이해하면서, 단일 빔을 이용하여 양 공작물을 동시에 조사할 수 있다. 또한, 간략히 전술한 바와 같이, 양 공작물을 조사하기 위해서 (레이저 장치(120)와 같은) 단일 에너지 공급원을 이용할 수 있다. 예를 들어, 레이저 장치(120)가 제1 공작물을 용융시키기 위해서 제1 빔 형상 및/또는 에너지 밀도를 이용할 수 있고, 이어서 제2 공작물을 용융시키기 위해서 제2 빔 형상 및/또는 에너지 밀도로 진동(oscillate)/변화될 수 있다. 빔 특성의 진동 및 변화는, 양 공작물의 적절한 용융이 유지되도록 그에 따라 용접 프로세스 중에 용접 용탕(들)이 안정적으로 그리고 일관되게 유지되도록 보장하기에 충분한 비율(rate)로 달성되어야 한다. 다른 단일 빔 실시예가, 각각의 공작물의 충분한 용융을 보장하기 위해서 다른 공작물에서 보다 더 많은 열 입력을 하나의 공작물 내로 제공하는 형상을 가지는 빔(110)을 이용할 수 있다. 그러한 실시예에서, 빔의 에너지 밀도가 빔의 횡단면에 대해서 일정할 수 있다. 예를 들어, 빔(110)이 사다리꼴 또는 삼각형 형상을 가질 수 있고, 그에 따라, 빔의 형상으로 인해서, 하나의 공작물 내로의 전체적인 열 입력이 다른 공작물 내로의 열 입력 보다 작을 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예가, 빔의 횡단면 내에서 일정하지 않은 에너지 분포를 가지는 빔(110)을 이용할 수 있다. 예를 들어, (빔이 양 공작물과 충돌하도록) 빔(110)이 직사각형 형상을 가질 수 있으나, 빔의 제1 영역이 제1 에너지 밀도를 가질 것이고 빔(110)의 제2 영역이 제1 영역과 상이한 제2 에너지 밀도를 가질 것이고, 그에 따라 각각의 영역이 각각의 공작물을 적절하게 용융시킬 수 있다. 예로서, 빔(110)이 스틸 공작물을 용융시키기 위한 높은 에너지 밀도를 가지는 제1 영역을 가질 수 있는 한편, 제2 영역은 알루미늄 공작물을 용융시키기 위한 낮은 에너지 밀도를 가질 것이다.
도 10에서, 2개의 필러 와이어(1030 및 1030A)가 도시되어 있고, 각각의 필러 와이어는 용접 용탕(1012 및 1022)으로 각각 지향된다. 비록 도 10에 도시된 실시예가 2개의 필러 와이어를 이용하고 있지만, 본 발명은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 다른 실시예에 대해서 전술한 바와 같이, 희망하는 비드 형상 및 침착 속도와 같은, 희망하는 용접 매개변수에 따라서, 하나의 필러 와이어만이 이용될 수 있다는 것, 또는 2개 초과의 와이어가 이용될 수 있다는 것을 생각할 수 있을 것이다. 단일 와이어가 이용될 때, 단일 와이어가 (양 공작물의 용융 부분들로부터 형성된) 공통 용탕으로 지향될 수 있거나, 와이어가 용접 접합부 내로의 통합을 위해서 용융된 부분 중 하나만으로 지향될 수 있다. 그에 따라, 예를 들어, 도 10에 도시된 실시예에서, 와이어가 용융된 부분(1022)으로 지향될 수 있고, 이어서, 그러한 용융된 부분이 용융된 부분(1012)과 조합되어 용접 접합부를 형성할 것이다. 물론, 단일 와이어가 이용되는 경우에, 그러한 와이어가 내부로 담겨지는(immersed) 부분(1022/1012) 내에서 와이어가 용융될 수 있게 하는 온도까지 와이어가 가열되어야 한다.
이질적인 금속들이 접합되기 때문에, 와이어들이 피접합 금속들과 충분히 결합될 수 있게 보장하도록 필러 와이어들의 화학적 성질이 선택되어야 한다. 또한, 필러 와이어가 용융될 수 있게 하고 낮은 온도의 용접 용탕의 용접 용탕 내에서 소비될 수 있게 하는 적절한 용융 온도를 필러 와이어가 가지도록, 필러 와이어(들)의 조성이 선택되어야 한다. 사실상, 적절한 용접부의 화학적 성질을 획득하기 위해서 복수의 필러 와이어들의 화학적 성질들이 상이할 수 있다는 것을 생각할 수 있다. 이는, 2개의 상이한 공작물들이, 재료들 사이에서 혼합이 최소로 발생되는 재료 조성물들을 가지는 경우에 특히 그러하다. 도 10에서, 낮은 온도의 용접 용탕이 알루미늄 용접 용탕(1012)이며, 그에 따라 필러 와이어(들)(1030(A))가 그와 유사한 온도에서 용융되도록, 그에 따라 그러한 필러 와이어(들)이 용탕(1012) 내에서 용이하게 소비될 수 있도록, 필러 와이어(들)(1030(A))의 포뮬레이션이 결정된다. 전술한 예에서, 알루미늄 및 스틸 공작물을 이용할 때, 필러 와이어가, 공작물의 용융 온도와 유사한 용융 온도를 가지는, 규소 청동, 니켈 알루미늄 청동 또는 알루미늄 청동계 와이어일 수 있다. 물론, 피용접 공작물 중 적어도 하나의 용융 특성과 유사한 용융 특성을 동시에 제공하면서, 희망하는 기계적 및 용접 성능 성질에 맞출 수 있도록, 필러 와이어 조성이 선택되어야 한다는 것을 생각할 수 있을 것이다.
도 11a 내지 도 11c는 이용될 수 있는 선단부(160)의 여러 실시예를 도시한다. 도 11a는, 구성 및 동작이 일반적인 아크 용접 접촉 선단부의 구성 및 동작과 매우 유사한 선단부(160)를 도시한다. 본원에서 설명된 바와 같은 핫 와이어 용접 중에, 가열 전류가 전원(170)으로부터 접촉 선단부(160)로 지향되고, 선단부(160)로부터 와이어(140) 내로 전달된다. 이어서, 공작물(W)에 대한 와이어(140)의 접촉을 거쳐, 전류가 와이어를 통해서 공작물로 지향된다. 이러한 전류의 유동은 본원에서 설명된 바와 같이 와이어(140)를 가열한다. 물론, 전원(170)이 도시된 바와 같이 접촉 선단부에 직접적으로 결합되지 않을 수 있고, 선단부(160)로 전류를 지향시키는 와이어 공급기(150)에 결합될 수 있을 것이다. 도 11b는 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기에서 선단부(160)가 2개의 구성요소(160 및 160')로 이루어지고, 전원(170)의 음의 단자가 제2 구성요소(160')에 결합된다. 그러한 실시예에서, 가열 전류가 제1 선단부 구성요소(160)로부터 와이어(140)로 그리고 이어서 제2 선단부 구성요소(160') 내로 유동한다. 구성요소(160)와 구성요소(160') 사이의, 와이어(140)를 통한 전류의 유동은 본원에서 설명된 바와 같이 와이어가 가열되게 한다. 도 11c는 다른 예시적인 실시예를 도시하며, 여기에서 선단부(160)는 유도 코일(1110)을 포함하고, 그러한 유도 코일은 선단부(160) 및 와이어(140)가 유도 가열을 통해서 가열되게 한다. 그러한 실시예에서, 유도 코일(1110)이 접촉 선단부(160)와 일체로 제조될 수 있거나 선단부(160)의 표면 주위로 코일화될 수 있다. 물론, 와이어가 용접 동작을 위한 희망 온도를 가질 수 있도록 선단부가 필요한 가열 전류/전력을 와이어(140)로 제공하기만 한다면, 선단부(160)를 위한 다른 구성이 이용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 동작을 설명할 것이다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 큰 세기의 에너지 공급원 및 필러 와이어를 가열하는 전원 모두를 이용한다. 이러한 프로세스의 각각의 양태를 차례로 설명할 것이다. 이하의 설명 및 논의가, 전술한 덧붙임 실시예에 대해서 앞서서 제공된 어떠한 논의도 대체하거나 교체하기 위한 것이 아니고, 용접 또는 접합 적용예에 대한 그러한 논의를 보충하기 위한 것임을 주목하여야 할 것이다. 덧붙임 동작에 관한 이전의 논의가 접합 및 용접의 목적을 위해서 또한 포함된다.
접합/용접을 위한 예시적인 실시예가 도 1에 도시된 실시예와 유사할 수 있다. 전술한 바와 같이, 가열 전류를 필러 와이어(140)로 제공하는 핫 와이어 전원(170)이 제공된다. 전류가 (임의의 공지된 구성일 수 있는) 접촉 선단부(160)로부터 와이어(140)로 그리고 이어서 공작물 내로 전달된다. 이러한 저항 가열 전류는 선단부(160)와 공작물 사이의 와이어(140)가, 이용되는 필러 와이어(140)의 융융 온도에 또는 그에 근접한 온도에 도달하게 한다. 물론, 필러 와이어(140)의 용융 온도는 와이어(140)의 크기 및 화학적 성질에 따라 달라질 것이다. 따라서, 용접 중의 필러 와이어의 희망 온도가 와이어(140)에 따라서 달라질 것이다. 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 필러 와이어에 대한 희망 동작 온도가, 용접 중에 희망 와이어 온도가 유지되도록 용접 시스템 내로 입력되는 데이터일 수 있다. 어떠한 경우에도, 와이어가 용접 동작 중에 용접 용탕 내로 소비되도록, 와이어의 온도가 결정되어야 한다. 예시적인 실시예에서, 와이어가 용접 용탕으로 진입할 때, 필러 와이어(140)의 적어도 일부가 고체이다. 예를 들어, 필러 와이어가 용접 용탕으로 진입할 때, 필러 와이어의 적어도 30%가 고체이다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 핫 와이어 전원(170)이, 필러 와이어의 적어도 일부를 그 용융 온도에서 또는 그 용융 온도의 75% 초과의 온도에서 유지하는 전류를 공급한다. 예를 들어, 연강 필러 와이어(140)를 이용할 때, 와이어가 용탕 내로 진입하기 전의 와이어의 온도가 약 1,600 ℉일 수 있는 반면, 와이어는 약 2,000 ℉의 용융 온도를 갖는다. 물론, 각각의 용융 온도 및 희망 동작 온도가 적어도 필러 와이어의 합금, 조성, 직경 및 공급 속도에 따라서 달라질 것임을 이해할 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 전원(170)은 필러 와이어의 용융 온도에서 또는 그 용융 온도의 90% 초과의 온도에서 필러 와이어의 일부를 유지한다. 추가적인 예시적인 실시예에서, 와이어의 일부가, 그러한 와이어의 용융 온도에서 또는 그 용융 온도의 95% 초과의 와이어의 온도에서 유지된다. 예시적인 실시예에서, 와이어(140)는, 가열 전류가 와이어(140) 및 용탕으로 부여되는 지점으로부터 온도 구배를 가질 것이고, 용탕에서의 온도는 가열 전류의 입력 지점에서의 온도 보다 높다. 와이어(140)의 효과적인 용융을 돕기 위해서, 와이어가 용탕으로 진입되는 지점에서 또는 그 부근에서 가장 높은 와이어(140) 온도를 가지는 것이 바람직하다. 그에 따라, 전술한 온도 백분율은, 와이어가 용탕으로 진입되는 지점에서 또는 그 부근에서 와이어 상에서 측정된다. 필러 와이어(140)를 그 용융 온도에서 또는 그에 근접한 온도에서 유지하는 것에 의해서, 와이어(140)가 가열 공급원/레이저(120)에 의해서 생성된 용접 용탕 내로 용이하게 용융되거나 소비된다. 즉, 와이어(140)는, 그러한 와이어(140)가 용탕과 접촉할 때 용접 용탕을 상당히 급냉시키는 결과를 초래하지 않는 온도를 갖는다. 와이어(140)의 높은 온도로 인해서, 와이어가 용접 용탕과 접촉될 때 와이어가 신속하게 용융된다. 와이어가 용접 풀 내에서 바닥에 닿지 않도록 - 용접 풀의 비-용융 부분과 접촉하지 않도록 - 와이어의 온도가 결정되는 것이 바람직하다. 그러한 접촉은 용접부의 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
전술한 바와 같이, 일부 예시적인 실시예에서, 단지 와이어(140)를 용탕 내로 집입시키는 것에 의해서, 와이어(140)의 완전한 용융이 촉진될 수 있다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 와이어(140)가, 용탕과 와이어(140)의 일부 상에 충돌하는 레이저 빔(110)의 조합에 의해서 완전히 용융될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 빔(110)이 와이어(140)의 가열에 기여하도록, 와이어(140)의 가열/용융이 레이저 빔(110)에 의해서 보조될 수 있다. 그러나, 많은 필러 와이어(140)가 반사적일 수 있는 재료로 제조되기 때문에, 만약 반사적인 레이저 유형이 이용된다면, 와이어 표면의 반사도를 감소시켜 빔(110)이 와이어(140)의 가열/용융에 기여할 수 있도록, 와이어(140)가 소정 온도까지 가열되어야 한다. 이러한 구성의 예시적인 실시예에서, 와이어(140) 및 빔(110)은, 와이어(140)가 용탕 내로 진입하는 지점에서 교차된다.
도 1에 관련하여 또한 전술한 바와 같이, 전원(170) 및 제어기(195)는 와이어(140)에 대한 가열 전류를 제어하며, 그에 따라, 용접 동안에, 와이어(140)가 공작물과 접촉을 유지하고 아크가 발생되지 않는다. 아크 용접 기술과 대조적으로, 본 발명의 실시예로 용접할 때, 아크의 존재는 상당한 용접 결함을 초래할 수 있다. 그에 따라, (전술한 실시예와 같은) 일부 실시예에서, 와이어(140)와 용접 용탕 사이의 전압이 0 볼트에서 또는 그 부근에서 유지되어야 하며, 그러한 0 볼트는, 와이어가 공작물/용탕으로 단락되거나 그와 접촉한다는 것을 나타낸다.
그러나, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 아크 생성이 없이 0 볼트 초과의 전압 레벨이 얻어지도록 하는 그러한 레벨의 전류를 제공할 수 있다. 더 높은 전류 값을 이용하는 것에 의해서, 더 높은 레벨의 그리고 전극의 용융 온도에 더 근접한 온도에서 전극(140)을 유지할 수 있다. 이는 용융 프로세스가 더 신속하게 진행될 수 있게 한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 전원(170)은 전압을 모니터링하고, 전압이 0 볼트를 초과하는 어떠한 지점의 전압 값에 도달하거나 그에 접근할 때, 아크가 생성되지 않게 보장하기 위해서, 전원(170)은 와이어(140)로의 전류 유동을 중단시킨다. 사용되는 용접 전극(140)의 유형으로 인해서, 전압 문턱값 레벨이, 적어도 부분적으로, 전형적으로 변경될 것이다. 예를 들어, 본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 문턱값 전압 레벨이 6 볼트 또는 그 미만이다. 다른 예시적인 실시예에서, 문턱값 레벨이 9 볼트 또는 그 미만이다. 추가적인 예시적 실시예에서, 문턱값 레벨이 14 볼트 또는 그 미만이고, 부가적인 예시적 실시예에서; 문턱값 레벨이 16 볼트 또는 그 미만이다. 예를 들어, 연강 필러 와이어를 이용할 때, 전압에 대한 문턱값 레벨이 낮은 유형의 문턱값이 될 것인 한편, 스테인리스 스틸 용접을 위한 필러 와이어는, 아크 생성_전까지, 더 높은 전압을 취급할 수 있다.
추가적인 예시적 실시예에서, 전술한 바와 같이 전압 레벨을 문턱값 미만으로 유지하는 대신에, 전압이 동작 범위 내에서 유지된다. 그러한 실시예에서, 전압을 최소량 초과로 유지하여 - 필러 와이어를 그 용융 온도에서 또는 그 부근에서 유지하기에 충분히 높은 전류를 보장하는 그러나 용접 아크가 발생되지 않도록 소정의 전압 레벨 미만을 보장하는 - 것이 바람직하다. 예를 들어, 전압이 1 내지 16 볼트의 범위 내에서 유지될 수 있다. 추가적인 예시적 실시예에서, 전압이 6 내지 9 볼트의 범위 내에서 유지된다. 다른 예에서, 전압이 12 내지 16 볼트로 유지될 수 있다. 물론, 희망하는 동작 범위가 용접 동작을 위해서 이용되는 필러 와이어(140)에 의해서 영향을 받을 수 있고, 그에 따라, 적어도 부분적으로, 사용되는 필러 와이어 또는 사용되는 필러 와이어의 특성을 기초로, 용접 동작을 위해서 이용되는 범위(또는 문턱값)가 선택된다. 그러한 범위의 이용에서, 그 범위의 하한선은, 필러 와이어가 용접 용탕 내에서 충분히 소비될 수 있는 전압으로 설정되고, 그 범위의 상한선은 아크의 생성이 방지되는 전압으로 설정된다.
전술한 바와 같이, 전압이 희망 문턱값 전압을 초과할 때, 아크가 생성되지 않도록 가열 전류가 전원(170)에 의해서 차단된다. 본 발명의 이러한 양태가 이하에서 더 설명될 것이다.
전술한 많은 실시예에서, 전원(170)은, 전술한 바와 같이 전압을 모니터링하고 유지하기 위해서 이용되는 회로망을 포함한다. 그러한 유형의 회로망의 구성이 당업자에게 공지되어 있다. 그러나, 통상적으로, 그러한 회로망은 아크 용접을 위해서 전압을 특정 문턱값 초과로 유지하기 위해서 이용되어 왔다.
추가적인 예시적 실시예에서, 가열 전류가 또한 전원(170)에 의해서 모니터링 및/또는 조절될 수 있다. 이는, 전압, 전력, 또는 전압/암페어 특성의 어떠한 레벨을 모니터링하는 것에 부가하여, 대안으로서 이루어질 수 있을 것이다. 즉, 와이어(140)가 - 용접 용탕 내에서의 적절한 소비를 위한, 그러나 아크 발생 전류 레벨 미만을 위한 - 적절한 온도에서 유지되도록 보장하기 위해서 전류가 희망 레벨 또는 레벨들에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 그러한 실시예에서, 전압 및 전류 중 하나 또는 양자 모두가 특정의 범위 내에 있도록 또는 희망 문턱값 미만이 되도록 보장하기 위해서, 전압 및/또는 전류가 모니터링된다. 이어서, 전원이 공급 전류를 조절하여, 아크가 생성되지 않게 그러나 희망 동작 매개변수가 유지되게 보장한다.
또 다른 본 발명의 추가적인 예시적 실시예에서, 가열 전력(V x I)이 또한 전원(170)에 의해서 모니터링되고 조절될 수 있다. 구체적으로, 그러한 실시예에서, 가열 전력을 위한 전압 및 전류가 희망 레벨에서 또는 희망 범위 내에서 유지되도록 모니터링된다. 그에 따라, 전원이 와이어로의 전압 또는 전류를 조절할 뿐만 아니라, 전류 및 전압 모두를 조절할 수 있다. 그러한 실시예가 용접 시스템에 걸친 개선된 제어를 제공할 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 와이어로의 가열 전력이 상부 문턱값 레벨로 또는 최적의 동작 범위로 설정될 수 있고, 그에 따라 (전압과 관련하여 전술한 것과 유사하게) 전력이 문턱값 레벨 미만으로 또는 희망 범위 내에서 유지될 수 있다. 다시, 문턱값 또는 범위 설정이 필러 와이어의 특성 및 실시되는 용접을 기초로 할 것이고, - 적어도 부분적으로 - 선택된 필러 와이어를 기초로 할 수 있다. 예를 들어, 직경이 0.045"인 연강 스틸 전극에 대한 최적의 전력 설정이 1,950 내지 2,050 와트의 범위 이내가 되는 것이 결정될 수 있을 것이다. 전력이 이러한 동작 범위 내에서 유지되도록, 전원이 전압 및 전류를 조절할 것이다. 유사하게, 전력 문턱값이 2,000 와트로 설정된다면, 전력 레벨이 그러한 문턱값을 초과하지 않도록 그러나 그에 근접하도록, 전원이 전압 및 전류를 조절할 것이다.
본 발명의 추가적인 예시적 실시예에서, 전원(170)은 회로를 포함하고, 그러한 회로는 가열 전압의 변화율(dv/dt), 전류의 변화율(di/dt), 및 전력의 변화율(dp/dt)을 모니터링한다. 그러한 회로는 종종 예상 회로로 지칭되고 그들의 일반적인 구성이 공지되어 있다. 그러한 실시예에서, 전압, 전류 및/또는 전력의 변화율이 모니터링되고, 그에 따라, 변화율이 특정 문턱값을 초과하는 경우에, 와이어(140)로의 가열 전류가 턴 오프된다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 저항의 변화(dr/dt)가 또한 모니터링된다. 그러한 실시예에서, 접촉 선단부와 용탕 사이의 와이어 내의 저항이 모니터링된다. 용접 중에, 와이어가 가열됨에 따라, 와이어가 가늘어지기 시작하고(neck down) 아크를 형성하는 경향을 가지며, 그러한 시간 동안 와이어 내의 저항이 기하급수적으로 증가된다. 이러한 증가가 검출될 때, 전원의 출력이 본원에서 설명된 바와 같이 턴 오프되어, 아크가 생성되지 않게 보장한다. 실시예는, 와이어 내의 저항이 희망 레벨에서 유지되도록 보장하기 위해서, 전압, 전류, 또는 양자 모두를 조절한다.
본 발명의 추가적인 예시적 실시예에서, 문턱값 레벨이 검출될 때 가열 전류를 차단하는 대신에, 전원(170)이 가열 전류를 비-아크 발생 레벨로 감소시킨다. 그러한 레벨은, 와이어가 용접 용탕으로부터 분리되는 경우에 아크를 생성하지 않는, 배경(background) 전류 레벨일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 예시적인 실시예가 50 amp의 비-아크 발생 전류 레벨을 가질 수 있고, 아크 발생이 일단 검출되거나 예측되는 경우에, 또는 (전술한) 상부 문턱값에 도달한 경우에, 미리 결정된 양의 시간(예를 들어, 1 내지 10 ms) 동안 또는 검출된 전압, 전류, 전력, 및/또는 저항이 상부 문턱값 미만으로 낮아질 때까지, 전원(170)이 가열 전류를 그 동작 레벨로부터 비-아크 발생 레벨로 낮춘다. 이러한 비-아크 발생 문턱값이 전압 레벨, 전류 레벨, 저항 레벨, 및/또는 전력 레벨일 수 있다. 그러한 실시예에서, 아크 발생 이벤트 중에 - 낮은 레벨이지만 - 전류 출력을 유지하는 것에 의해서, 가열 전류 동작 레벨로 신속하게 복귀될 수 있게 한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 용접 동작 중에 실질적인 아크가 생성되지 않도록, 전원(170)의 출력이 제어된다. 일부 예시적인 용접 동작에서, 필러 와이어(140)와 용탕 사이에서 실질적인 아크가 생성되지 않도록, 전원이 제어될 수 있다. 아크가 필러 와이어(140)의 원위 단부와 용접 용탕 사이의 물리적 갭 사이에서 생성된다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예는, 필러 와이어(140)를 용탕과 접촉시켜 유지하는 것에 의해서, 이러한 아크가 생성되는 것을 방지한다. 그러나, 일부 예시적인 실시예에서, 사소한 아크의 존재가 용접부의 품질을 손상시키지 않을 것이다. 즉, 일부 예시적인 용접 동작에서, 단락 지속시간 중의 사소한 아크의 생성이, 용접 품질을 손상키는 열 입력의 레벨을 초래하지 않을 것이다. 그러한 실시예에서, 아크를 완전히 방지하는 것에 대해서 본원에서 설명된 바와 같이 용접 시스템 및 전원이 제어되고 동작되나, 아크가 생성되는 경우에, 그러한 아크가 사소한 것이 되도록 전원(170)이 제어된다. 일부 예시적인 실시예에서, 생성된 아크가 10 ms 미만의 지속시간을 가지도록 전원(170)이 동작된다. 다른 예시적인 실시예에서, 아크가 1 ms 미만의 지속시간을 가지고, 다른 예시적인 실시예에서, 아크가 300 ㎲ 미만의 지속시간을 갖는다. 그러한 실시예에서, 그러한 아크의 존재가 용접 품질을 손상시키지 않는데, 이는 아크가 용접부 내로 실질적인 열 입력을 부여하지 않거나 상당한 비산 또는 기공을 유발하지 않기 때문이다. 그에 따라, 그러한 실시예에서, 아크가 생성되는 경우에, 그러한 아크가 사소한 지속시간으로 유지되도록, 그에 따라 용접 품질이 손상되지 않도록, 전원(170)이 제어된다. 다른 실시예에 대해서 본원에서 설명한 것과 동일한 제어 로직 및 구성요소가 이러한 예시적인 실시예에서 이용될 수 있다. 그러나, 상부 문턱값에 대해서, 전원(170)이, 미리 결정된 또는 예측되는 아크 생성 지점 미만의 (전류, 전력, 전압, 저항의) 문턱값 지점 대신에, 아크 생성의 검출을 이용할 수 있다. 그러한 실시예는 용접 동작이 그 한계에 더 근접하여 동작하게 할 수 있다.
필러 와이어(140)가 지속적으로 단락된 상태일 것(용접 용탕과 지속적으로 접촉될 것)이 요구되기 때문에, 전류가 느린 속도로 감쇠(decay)되는 경향을 갖는다. 이는, 전원, 용접 케이블 및 공작물 내에 존재하는 인덕턴스 때문이다. 일부 적용예에서, 와이어 내의 전류가 빠른 속도로 감소되도록, 전류가 더 빠른 속도로 감쇠되게 강제할 필요가 있을 수 있을 것이다. 일반적으로, 전류가 더 빨리 감소될 수록, 접합 방법에 걸친 보다 양호한 제어가 달성될 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 전류에 대한 강하 시간은, 문턱값에의 도달 또는 초과의 검출 이후의, 1 밀리초이다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 전류에 대한 강하 시간이 300 마이크로초 또는 그 미만이다. 다른 예시적 실시예에서, 강하 시간이 300 내지 100 마이크로초의 범위이다.
예시적인 실시예에서, 그러한 강하 시간을 달성하기 위해서, 강하 회로가 전원(170) 내로 도입되고, 그러한 강하 회로는, 아크가 예측되거나 검출될 때, 강하 시간을 감소시키는데 도움을 준다. 예를 들어, 아크가 검출되거나 예측될 때, 강하 회로가 개방되고, 이는 회로 내로 저항을 도입한다. 예를 들어, 저항이, 전류의 흐름을 50 마이크로초 이내에 50 amp 미만으로 감소시키는 유형일 수 있다. 그러한 회로의 단순화된 예가 도 18에 도시되어 있다. 전원이 동작하고 전류를 제공할 때 스위치(1803)가 폐쇄되도록, 용접 회로 내로 배치된 저항기(1801) 및 스위치(1803)를 회로(1800)가 갖는다. 그러나, (아크의 생성을 방지하기 위해서 또는 아크가 검출될 때) 전원이 전력 공급을 중단시킬 때, 스위치가 개방되어 저항기(1801)를 통해서 유도 전류를 강제시킨다. 저항기(1801)가 회로의 저항을 크게 증가시키고 더 빠른 속도로 전류를 감소시킨다. 용접 산업에서 일반적으로 알려진 그러한 회로 유형은, 표면-장력-전달 기술(surface-tension-transfer technology)("STT")을 포함하는, 미국 오하이오 클리블랜드 소재의 The Lincoln Electric Company에 의해서 제조되는 Power Wave® 용접 전원에서 찾을 수 있다. STT 기술이 미국 특허 제4,866,247호, 제5,148,001호, 제6,051,810호 및 제7,109,439호에서 일반적으로 설명되어 있고, 그러한 특허들 전체가 본원에서 참조로 포함된다. 물론, 이러한 특허는, 아크가 생성되고 유지되게 보장하기 위해서 개시된 회로를 이용하는 것을 일반적으로 설명하고 있다 - 당업자는 아크가 생성되지 않도록 보장하기 위해서 그러한 시스템을 용이하게 구성할 수 있다.
전술한 설명은, 예시적인 용접 시스템을 도시하고 있는 도 12를 참조할 때 더 잘 이해될 수 있다. (명료함을 위해서 레이저 시스템이 도시되지 않았다는 것을 주목하여야 할 것이다). (도 1에서 170으로 도시된 것과 유사한 유형일 수 있는) 핫 와이어 전원(1210)을 가지는 시스템(1200)이 도시되어 있다. 전원(1210)이, 인버터-유형의 전원과 같은, 공지된 용접 전원 구성일 수 있다. 그러한 전원의 디자인, 동작 및 구성이 공지되어 있기 때문에, 그에 대해서는 본원에서 구체적으로 설명하지 않을 것이다. 전원(1210)은 사용자가 데이터를 입력할 수 있게 하는 사용자 입력부(1220)를 포함하고, 그러한 데이터는, 비제한적으로, 와이어 공급 속력, 와이어 유형, 와이어 직경, 희망 전력 레벨, 희망 와이어 온도, 전압 및/또는 전류 레벨을 포함한다. 물론, 필요에 따라 다른 입력 매개변수가 이용될 수 있다. 사용자 인터페이스(1220)가 CPU/제어기(1230)에 결합되고, 그러한 CPU/제어기(1230)는 사용자 입력 데이터를 수신하고 이러한 정보를 이용하여, 전력 모듈(1250)을 위한 필요한 동작 설정 지점 또는 범위를 생성한다. 전력 모듈(1250)이, 인버터 또는 변압기 유형의 모듈을 포함하는, 임의의 공지된 유형 또는 구성일 수 있다.
CPU/제어기(1230)는, 참조표의 이용을 포함하는, 임의의 수의 방법으로 희망 동작 매개변수를 결정할 수 있다. 그러한 실시예에서, CPU/제어기(1230)는 입력 데이터, 예를 들어, 와이어 공급 속력, 와이어 직경 및 와이어 유형을 이용하여, (와이어(140)를 적절하게 가열하기 위한) 출력을 위한 희망 전류 레벨 및 문턱값 전압 또는 전력 레벨(또는 전압 또는 전력의 용인 가능한 동작 범위)을 결정한다. 이는, 와이어(140)를 적절한 온도까지 가열하는데 필요한 전류가 적어도 입력 매개변수를 기초로 할 것이기 때문이다. 즉, 알루미늄 와이어(140)가 연강 전극 보다 낮은 용융 온도를 가질 수 있을 것이고, 그에 따라 와이어(140)를 용융시키는데 있어서 적은 전류/전력이 필요하다. 부가적으로, 작은 직경의 와이어(140)가 큰 직경의 전극 보다 적은 전류/전력을 필요로 할 것이다. 또한, 와이어 공급 속력이(그리고 그에 따라 침착 속도가) 증가됨에 따라, 와이어를 용융시키기 위해서 필요한 전류/전력 레벨이 더 높아질 것이다.
유사하게, CPU/제어기(1230)가 입력 데이터를 이용하여, 아크 생성이 방지되는 동작을 위한 전압/전력 문턱값 및/또는 범위(예를 들어, 전력, 전류, 및/또는 전압)를 결정할 수 있을 것이다. 예를 들어, 직경이 0.045 인치인 연강 전극이 6 내지 9 볼트의 전압 범위 설정을 가질 수 있고, 6 내지 9 볼트의 전압을 유지하도록 전력 모듈(1250)이 구동된다. 그러한 실시예에서, 전류, 전압, 및/또는 전력이 - 전극을 적절히 가열할 수 있을 정도로 충분히 높은 전류/전력을 보장하는 - 최소 6 볼트를 유지하도록 구동되고, 그리고 아크가 생성되지 않게 그리고 와이어(140)의 용융 온도가 초과되지 않게 보장하기 위해서 9 볼트로 또는 9 볼트 미만으로 전압을 유지한다. 물론, 전압, 전류, 전력, 또는 저항 비율 변화와 같은, 다른 설정점 매개변수가 또한 희망에 따라서 CPU/제어기(1230)에 의해서 설정될 수 있다.
도시된 바와 같이, 전원(1210)의 양의 단자(1221)가 핫 와이어 시스템의 접촉 선단부(160)에 결합되고, 전원의 음의 단자가 공작물(W)에 결합된다. 그에 따라, 가열 전류가 양의 단자(1221)를 통해서 와이어(140)로 공급되고 음의 단자(1222)를 통해서 복귀된다. 그러한 구성이 일반적으로 공지되어 있다.
물론, 다른 예시적인 실시예에서, 음의 단자(1222)가 선단부(160)에 또한 연결될 수 있다. 와이어(140)를 가열하기 위해서 저항 가열이 이용될 수 있기 때문에, 음의 단자 및 양의 단자(1221/1222) 모두가 와이어(140)를 가열하기 위해서 접촉 선단부(140)에 결합될 수 있는 (도 11에 도시된 바와 같은) 구성을 선단부가 가질 수 있다. 예를 들어, 접촉 선단부(160)가 (도 11b에 도시된 바와 같은) 이중 구성을 가질 수 있거나, (도 11c에 도시된 바와 같은) 유도 코일을 이용할 수 있다.
피드백 감지 리드(1223)가 또한 전원(1210)에 연결된다. 이러한 피드백 감지 리드가 전압을 모니터링할 수 있고 검출된 전압을 전압 검출 회로(1240)로 전달할 수 있다. 전압 검출 회로(1240)가 검출된 전압 및/또는 검출된 전압 변화율을 CPU/제어기(1230)로 통신하며, 그러한 CPU/제어기(1230)는 그에 따라 모듈(1250)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 검출된 전압이 희망 동작 범위 미만이라면, CPU/제어기(1230)는, 검출된 전압이 희망 동작 범위 이내가 될 때까지 출력(전류, 전압 및/또는 전력)을 증가시키도록 모듈(1250)에 지시한다. 유사하게, 검출된 전압이 희망 문턱값이거나 그 초과라면, CPU/제어기(1230)는, 아크가 생성되지 않도록, 선단부(160)로의 전류의 유동을 차단하라고 모듈(1250)에 지시한다. 만약 전압이 희망 문턱값 미만으로 낮아진다면, CPU/제어기(1230)는 용접 프로세스를 지속하기 위해서 전류 또는 전압, 또는 양자 모두를 공급하라고 모듈(1250)에 지시한다. 물론, CPU/제어기(1230)가 또한 희망 전력 레벨을 유지 또는 공급하라고 모듈(1250)에 지시할 수 있다.
검출 회로(1240) 및 CPU/제어기(1230)가 도 1에 도시된 제어기(195)와 유사한 구성 및 동작을 가질 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 샘플링율/검출율이 적어도 10 KHz이다. 다른 예시적 실시예에서, 검출율/샘플링율이 100 내지 200 KHz의 범위이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시예에서 이용되는 예시적인 전류 및 전압 파형을 도시한다. 이러한 파형의 각각을 차례로 설명할 것이다. 도 13a는, - 아크 검출 이벤트 이후에 - 전원 출력이 다시 턴 온된 후에 필러 와이어(140)가 용접 용탕을 터치하는 실시예에 대한 전압 및 전류 파형을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전원의 출력 전압이, 결정된 문턱값(9 볼트) 미만의 소정 동작 레벨이었고 이어서 용접 중에 이러한 문턱값까지 증가된다. 동작 레벨이, (전술한) 여러 가지 입력 매개변수를 기초로 결정된 레벨일 수 있고, 설정된 동작 전압, 전류 및/또는 전력 레벨일 수 있다. 이러한 동작 레벨이 주어진 용접 동작을 위한 전원(170)의 희망 출력이고, 희망 가열 신호를 필러 와이어(140)로 제공한다. 용접 중에, 아크 생성을 유도할 수 있는 이벤트가 발생될 수 있을 것이다. 도 13a에서, 이벤트가 전압의 증가를 유도하여, 전압이 지점(A)까지 증가되게 한다. 지점(A)에서 전원/제어 회로망이 (아크 검출 지점 또는, 아크 생성 지점 미만일 수 있는 단순히 미리 결정된 상부 문턱값일 수 있는) 9 볼트 문턱값과 만나고 전원의 출력을 턴 오프시켜, 전류 및 전압이 지점(B)의 감소된 레벨까지 낮아지게 한다. 전류 하강의 기울기가 (본원에서 설명된 바와 같은) 강하 회로의 포함에 의해서 제어될 수 있고, 그러한 강하 회로는 시스템 인덕턴스로부터 초래되는 전류를 급격히 감소시키는데 도움을 준다. 지점(B)에서의 전류 또는 전압 레벨이 미리 결정될 수 있거나 미리 결정된 지속 시간 이후에 그러한 레벨에 도달될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 용접을 위해서 설정된 전압(또는 전류 또는 전력)에 대한 상부 문턱값뿐만 아니라, 낮은 비-아크 발생 레벨도 있다. 이러한 낮은 레벨은, 아크가 생성될 수 없게 보장하고 그에 따라 전원을 다시 턴 온하기 위해서 용인될 수 있고 아크가 생성되지 않게 보장하는 낮은 전압, 전류, 또는 전력 레벨일 수 있다. 그러한 낮은 레벨을 가지는 것은, 전원이 신속하게 다시 턴 온될 수 있게 하고 아크가 생성되지 않게 보장한다. 예를 들어,전압 문턱값이 11 볼트이고, 용접을 위한 전원 설정 점이 2,000 와트로 설정된다면, 이러한 낮은 전력 설정이 500 와트로 설정될 수 있다. 그에 따라, (실시예에 따라서 전류 또는 전력 문턱값일 수 있는) 상부 전압 문턱값에 도달되었을 때, 출력이 500 와트로 감소된다. (이러한 하부 문턱값이 또한 낮은 전류 또는 전압 설정, 또는 양자 모두일 수 있다). 대안적으로, 낮은 검출 한계를 설정하는 대신에, 타이밍 회로를 이용하여 설정된 지속 시간 이후에 전류 공급 시작으로 전환시킬 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 그러한 지속 시간이 500 내지 1000 ms의 범위일 수 있다. 도 13a에서, 지점(C)은, 출력이 다시 와이어(140)로 공급되는 시간을 나타낸다. 지점(B)과 지점(C) 사이에 도시된 지연이 의도된 지연의 결과일 수 있다는 것 또는 단순히 시스템 지연의 결과일 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 지점(C)에서, 전류가 다시 공급되어 필러 와이어를 가열한다. 그러나, 필러 와이어가 아직 용접 용탕을 터치하지 않았기 때문에, 전압이 증가되는 한편 전류는 증가되지 않는다. 지점(D)에서, 와이어가 용탕과 접촉하고, 전압 및 전류가 희망 동작 레벨로 안착된다. 도시된 바와 같이, 전압이 지점(D)에서 접촉하기에 앞서서 상부 문턱값을 초과할 수 있을 것이고, 이는, 전력 공급원이 동작 문턱값의 OCV 레벨 보다 더 높은 OCV 레벨을 가질 때 발생할 수 있다. 예를 들어, 이러한 높은 OCV 레벨이, 전원의 디자인 또는 제조의 결과로서 전원 내에서 설정된 상한일 수 있다.
도 13b는, 전원의 출력이 증가될 때 필러 와이어(140)가 용접 용탕과 접촉하는 것을 제외하고, 전술한 것과 유사한 것이다. 그러한 상황에서, 와이어가 용접 용탕을 결코 떠나지 않았거나 와이어가 지점(C)에 앞서서 용접 용탕과 접촉되었다. 도 13b는 지점(C 및 D)를 함께 도시하는데, 이는 출력이 다시 턴 온되었을 때 와이어가 용탕과 접촉하기 때문이다. 그에 따라, 전류 및 전압 모두가 지점(E)에서 희망 동작 설정까지 증가된다.
도 13c는, 턴 오프되는 출력(지점(A))과 다시 턴 온되는 출력(지점(B)) 사이에 지연이 없거나 거의 없고, 와이어가 시간적으로 지점(B)에 약간 앞서서 퍼들과 접촉하는 실시예이다. 도시된 파형이 전술한 실시예에서 이용될 수 있고, 여기에서, - 하부 문턱값의 전류, 전력, 또는 전압이든지 간에 - 하부 문턱값에 도달될 때 지연이 없이 또는 거의 없이 출력이 다시 턴 온되도록, 하부 문턱값이 설정된다. 이러한 하부 문턱값 설정이 본원에서 전술한 바와 같은 동작적인 상부 문턱값 또는 범위와 동일한 또는 유사한 매개변수를 이용하여 설정될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 예를 들어, 이러한 하부 문턱값이 와이어 조성, 직경, 공급 속력, 또는 본원에서 설명된 여러 가지 다른 매개변수를 기초로 설정될 수 있다. 그러한 실시예가 용접을 위한 희망 동작 설정점으로의 복귀에 있어서 지연을 최소화할 수 있고, 와이어 내에서 발생될 수 있는 어떠한 가늘어짐도 최소화할 수 있다. 가늘어짐의 최소화는 아크 생성 기회를 최소화하는데 도움이 된다.
도 14는 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 도 14는 도 1에 도시된 실시예와 유사한 실시예를 도시한다. 그러나, 명료함을 위해서 특정 구성요소 및 연결부를 도시하지 않았다. 도 14는, 열 센서(1410)를 이용하여 와이어(140)의 온도를 모니터링하는 시스템(1400)을 도시한다. 열 센서(1410)가 와이어(140)의 온도를 검출할 수 있는 임의의 공지된 유형일 수 있다. 와이어의 온도를 검출하기 위해서, 센서(1410)가 와이어(140)와 접촉할 수 있거나 선단부(160)에 결합될 수 있다. 본 발명의 추가적인 예시적 실시예에서, 센서(1410)는, 와이어(140)와 접촉하지 않고 - 필러 와이어의 직경과 같은 - 작은 물체의 온도를 검출할 수 있는 레이저 또는 적외선 빔을 이용하는 유형이다. 그러한 실시예에서, 와이어(140)의 온도가 - 선단부(160)의 단부와 용접 용탕 사이의 소정 지점인 - 와이어(140) 외부의 스틱(stick)에서 검출될 수 있도록, 센서(1410)가 배치된다. 와이어(140)를 위한 센서(1410)가 용접 용탕 온도를 감지하지 않도록, 센서(1410)가 또한 배치되어야 한다.
온도 피드백 정보가 전원(170) 및/또는 레이저 전원(130)으로 제공될 수 있도록, 그에 따라 시스템(1400)의 제어가 최적화될 수 있도록, 센서(1410)가 (도 1과 관련하여 설명된) 감지 및 제어 유닛(195)에 결합된다. 예를 들어, 적어도 센서(1410)로부터의 피드백을 기초로 전원(170)의 전력 또는 전류 출력이 조정될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서, 사용자가 (주어진 용접 및/또는 와이어(140)에 대한) 희망 온도 설정을 입력할 수 있거나, 감지 및 제어 유닛이 다른 사용자 입력 데이터(와이어 공급 속력, 전극 유형 등)를 기초로 희망 온도를 설정할 수 있고 이어서 감지 및 제어 유닛(195)이 적어도 전원(170)을 제어하여 해당 희망 온도를 유지할 수 있을 것이다.
그러한 실시예에서, 와이어가 용접 용탕으로 진입하기 전에 레이저 빔(110)이 와이어(140)에 충돌하는 것으로 인해서 발생될 수 있는 와이어(140)의 가열을 설명할 수 있다(account for). 본 발명의 실시예에서, 와이어(140)의 온도가, 와이어(140) 내의 전류를 제어하는 것에 의해서 전원(170)을 통해서만 제어될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 와이어(140)의 가열의 적어도 일부가 와이어(140)의 적어도 일부에 충돌하는 레이저 빔(110)으로부터 도입될 수 있다. 그에 따라, 전원(170)으로부터의 전류 또는 전력만이 와이어(140)의 온도를 나타내지 않을 수 있을 것이다. 그에 따라, 센서(1410)의 이용이, 전원(170) 및/또는 레이저 전원(130)의 제어를 통한 와이어(140)의 온도 조절에 도움을 줄 수 있다.
(또한 도 14에 도시된) 추가적인 예시적 실시예에서, 온도 센서(1420)가 용접 용탕의 온도를 감지하도록 지향된다. 이러한 실시예에서, 용접 용탕의 온도가 또한 감지 및 제어 유닛(195)으로 결합된다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 센서(1420)가 레이저 전원(130)에 직접적으로 결합될 수 있다. 센서(1420)로부터의 피드백을 이용하여 레이저 전원(130)/레이저(120)로부터의 출력을 제어한다. 즉, 희망 용접 용탕 온도가 달성되도록 보장하기 위해서, 레이저 빔(110)의 에너지 밀도가 변경될 수 있다.
본 발명의 또 다른 추가적인 예시적 실시예에서, 센서(1420)를 용탕으로 지향시키는 대신에, 센서가 용접 용탕에 인접한 공작물의 지역으로 지향될 수 있다. 구체적으로, 용접부에 근접한 공작물로의 열 입력이 최소화되도록 보장하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 용접부에 인접한 곳에서 문턱값 온도가 초과되지 않도록, 센서(1420)가 이러한 온도 민감 지역을 모니터링하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 센서(1420)가 공작물 온도를 모니터링할 수 있고, 감지된 온도를 기초로, 빔(110)의 에너지 밀도를 감소시킬 수 있다. 그러한 구성은, 용접 비드에 인접한 곳에서의 열 입력이 희망 문턱값을 초과하지 않도록 보장할 수 있을 것이다. 그러한 실시예가, 공작물 내로의 열 입력이 중요한 정밀 용접 동작에서 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 감지 및 제어 유닛(195)이, 와이어 공급 메커니즘(미도시 - 그러나 도 1의 150 참조)에 결합된 공급 힘 검출 유닛(미도시)에 결합될 수 있다. 공급 힘 검출 유닛이 공지되어 있고, 와이어가 공작물(115)로 공급될 때, 와이어(140)로 인가되는 공급 힘을 검출한다. 예를 들어, 그러한 검출 유닛이 와이어 공급기(150) 내의 와이어 공급 모터에 의해서 인가되는 토크를 모니터링할 수 있다. 만약 와이어(140)가 완전히 용융되지 않고 용융된 용접 용탕을 통과한다면, 와이어(140)가 공작물의 고체 부분과 접촉할 것이고 그러한 접촉은, 모터가 설정된 공급 속도를 유지하려 함에 따라, 공급 힘을 증가시킬 것이다. 이러한 힘/토크의 증가가 검출될 수 있고 제어부(195)로 중계될 수 있으며, 제어부(195)는, 용탕 내의 와이어(140)의 적절한 용융을 보장하기 위해서, 이러한 정보를 이용하여 와이어(140)로의 전압, 전류 및/또는 전력을 조정한다.
본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 와이어가 용접 용탕 내로 일정하게 공급되지 않고, 희망 용접 프로파일을 기초로, 간헐적으로 공급될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 구체적으로, 본 발명의 여러 실시예의 다재다능성은, 조작자 또는 제어 유닛(195)이 원하는 바에 따라서 용탕 내로의 와이어(140)의 공급을 시작 및 중단시킬 수 있게 한다. 예를 들어, 많은 상이한 유형의 복잡한 용접 프로파일 및 기하형태가 존재하며, 이는 필러 금속(와이어(140))의 이용을 필요로 하는 용접 접합부의 일부 부분 그리고 필러 금속의 사용을 필요로 하지 않는 동일한 접합부의 또는 동일한 공작물 상의 다른 부분을 가질 수 있을 것이다. 그에 따라, 용접의 제1 부분 중에, 제어 유닛(195)이 레이저(120) 만을 동작시켜 접합부의 이러한 제1 부분이 레이저 용접되게 할 수 있으나, 용접 동작이 - 필러 금속의 이용을 필요로 하는 - 용접 접합부의 제2 부분에 도달할 때, 제어기(195)는 전원(170) 및 와이어 공급기(150)로 하여금 와이어(140)를 용접 용탕 내로 침착시키는 것을 시작하게 한다. 이어서, 용접 동작이 제2 부분의 단부에 도달할 때, 와이어(140)의 침착이 중단될 수 있다. 이는, 하나의 부분으로부터 다른 부분으로 상당히 변화되는 프로파일을 가지는 연속적인 용접부의 생성을 가능하게 한다. 그러한 능력은, 많은 별개의 용접 동작을 가지는 것에 대비되는 것으로서, 단일 용접 동작으로 공작물이 용접될 수 있게 한다. 물론, 많은 변경이 구현될 수 있다. 예를 들어, 형상, 깊이 및 필러 요건이 상이한 용접 프로파일을 요구하는 3개 이상의 별개의 부분들을 용접부가 가질 수 있고, 그에 따라 레이저 및 와이어(140)의 이용이 각각의 용접 부분에서 상이할 수 있다. 게다가, 또한 필요에 따라, 부가적인 와이어가 부가될 수 있거나 제거될 수 있다. 즉, 제1 용접 부분이 레이저 용접만을 필요로 할 수 있는 한편, 제2 부분은 단일 필러 와이어(140)의 이용만을 필요로 할 수 있고, 용접의 마지막 부분이 둘 이상의 필러 와이어의 이용을 필요로 할 수 있다. 그러한 변화되는 용접 프로파일을 연속적인 용접 동작에서 달성하기 위해서, 그에 따라 연속적인 용접 비드가 단일 용접 통과 중에 생성되게 하기 위해서, 여러 가지 시스템 구성요소를 제어할 수 있는 제어기(195)가 만들어질 수 있다.
도 15는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 용접할 때의 전형적인 용접 용탕(P)을 도시한다. 전술한 바와 같이, 레이저 빔(110)은 공작물(W)의 표면 내에서 용탕(P)을 생성한다. 용접 용탕은, 빔(110)의 에너지 밀도, 형상 및 이동의 함수인 길이(L)를 갖는다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 빔(110)이 용접 용탕의 후행 연부로부터 거리(Z)에서 용탕(P)으로 지향된다. 그러한 실시예에서, 큰 세기의 에너지 공급원(예를 들어, 레이저(120))은 그 에너지가 필러 와이어(140)에 직접적으로 충돌하게 하며, 그에 따라 에너지 공급원(120)이 와이어(140)를 용융시키지 않고, 그 대신에 와이어(140)는 용접 용탕과의 접촉으로 인해서 그 용융을 완성한다. 용탕(P)의 후행 연부는, 생성된 용융 용탕 단부 및 용접 비드(WB)가 응고되기 시작하는 지점으로서 일반적으로 규정될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 거리(Z)가 용탕(P)의 길이(L)의 50%이다. 추가적인 예시적 실시예에서, 거리(Z)가 용탕(P)의 길이(L)의 40 내지 75%의 범위이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 필러 와이어(140)가 - 용접의 이동 방향으로 - 빔(110) 뒤에서 용탕(P)과 충돌한다. 도시된 바와 같이, 와이어(140)는, 용탕(P)의 후행 연부 앞의 거리(X)에서 용탕(P)과 충돌한다. 예시적 실시예에서, 거리(X)가 용탕(P)의 길이의 20 내지 60%의 범위이다. 다른 예시적 실시예에서, 거리(X)가 용탕(P)의 길이(L)의 30 내지 45%의 범위이다. 다른 예시적인 실시예에서, 와이어(140) 및 빔(110)이 용탕(P)의 표면에서 또는 그 위의 지점에서 교차하고, 그에 따라 빔(110)의 적어도 일부가 용접 프로세스 중에 와이어(140) 상에서 충돌한다. 그러한 실시예에서, 레이저 빔(110)을 이용하여 용탕(P) 내의 침착을 위한 와이어(140)의 용융을 돕는다. 와이어(140)의 용융을 돕기 위해서 빔(110)을 이용하는 것은, 와이어(140)의 온도가 너무 낮아서 용탕(P) 내에서 신속하게 소비될 수 없는 경우에 와이어(140)가 용탕(P)을 급냉시키는 것을 방지하는데 도움이 된다. 그러나, (도 15에서 도시된 바와 같은) 일부 예시적인 실시예에서 전술한 바와 같이, 용융이 용접 용탕의 열에 의해서 완료될 때, 에너지 공급원(120) 및 빔(110)이 필러 와이어(140)의 어떠한 부분도 현저하게 용융시키지 않는다.
도 15에 도시된 실시예에서, 와이어(140)가 빔(110)을 후행하고 빔(110)과 같은 선 상에 위치된다. 그러나 본 발명이 이러한 구성으로 제한되지 않는데, 이는 와이어(140)가 (이동 방향으로) 선행할 수 있기 때문이다. 또한, 와이어(140)가 이동 방향으로 빔과 같은 선 상에 있는 것이 필수적인 것이 아니고, 적합한 와이어 용융이 용탕 내에서 발생되기만 한다면, 와이어가 임의의 방향으로부터 용탕과 충돌할 수 있다.
도 16a 내지 도 16f는 도시된 레이저 빔(110)의 풋프린트(footpring)와 함께 여러 가지 용탕(P)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 일부 예시적인 실시예에서, 용탕(P)이 원형 풋프린트를 갖는다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이러한 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 용탕이 타원형 또는 다른 형상을 또한 가질 수 있다는 것을 생각할 수 있을 것이다.
또한, 도 16a 내지 도 16f에서, 원형 횡단면을 가지는 빔(110)이 도시되어 있다. 다시, 본 발명의 다른 실시예가 이와 관련하여 제한되지 않는데, 이는 용접 용탕(P)을 효과적으로 생성하기 위해서 빔(110)이 타원형, 정사각형, 또는 다른 형상을 가질 수 있기 때문이다.
일부 실시예에서, 레이저 빔(110)이 용접 용탕(P)에 대해서 정지적으로 유지될 수 있다. 즉, 빔(110)이 용접 중에 용탕(P)에 대해서 비교적 일관된 위치에서 유지된다. 그러나, 다른 실시예는, 도 16a 내지 도 16d에 예시된 바와 같은, 그러한 방식으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 16a는, 빔(110)이 용접 용탕(P) 주위의 원형 패턴으로 병진운동되는 실시예를 도시한다. 이러한 도면에서, 빔(110) 상의 적어도 하나의 지점이 용탕의 중심(C)과 항상 중첩되도록, 빔(110)이 병진운동된다. 다른 실시예에서, 원형 패턴이 이용되나, 빔(110)이 중심(C)과 접촉하지 않는다. 도 16b는, 빔이 하나의 선을 따라서 전후로 병진운동되는 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는, 희망하는 용탕(P) 형상에 따라서 용탕(P)을 연신시키거나 넓히기 위해서 이용될 수 있다. 도 16c는, 2개의 상이한 빔 횡단면이 이용되는 실시예를 도시한다. 제1 빔 횡단면(110)이 제1 기하형태를 가지고, 제2 빔 횡단면(110')이 제2 횡단면을 갖는다. 그러한 실시예를 이용하여, - 필요한 경우에 - 큰 용탕 크기를 여전히 유지하면서 용탕(P) 내의 지점에서 침투를 증가시킬 수 있다. 이러한 실시예는, 레이저 렌즈 및 광학장치의 이용을 통해서 빔 형상을 변화시키는 것에 의해서 단일 레이저(120)로 달성될 수 있거나, 복수의 레이저(120)의 이용을 통해서 달성될 수 있다. 도 16d는 용탕(P) 내에서 타원형 패턴으로 병진운동되는 빔(110)을 도시한다. 다시, 그러한 패턴을 이용하여 필요에 따라 용접 용탕(P)을 연신시키거나 넓힐 수 있다. 다른 빔(110) 병진운동을 이용하여 용탕(P)을 생성할 수 있다.
도 16e 및 도 16f는, 상이한 빔 세기들을 이용한, 공작물(W) 및 용탕(P)의 횡단면을 도시한다. 도 16e는 더 넓은 빔(110)에 의해서 생성된 얕고 넓은 용탕(P)을 도시하는 반면, 도 16f는 - 전형적으로 "열쇠구멍"으로서 지칭되는 - 깊고 좁은 용접 용탕(P)을 도시한다. 이러한 실시예에서, 빔의 초점이 공작물(W)의 상부 표면 근처가 되도록, 빔의 초점이 맞춰진다. 그러한 초점에서, 빔(110)은 공작물의 전체 깊이를 통해서 침투할 수 있고 공작물(W)의 하단 표면 상에서 후방 비드(back bead)(BB)를 생성하는데 도움을 준다. 용접 중의 용접 용탕의 희망하는 성질을 기초로, 빔 세기 및 형상이 결정된다.
레이저(120)가 임의의 공지된 방법 및 장치를 통해서 이동, 병진운동, 또는 동작될 수 있다. 레이저의 이동 및 광학장치가 일반적으로 공지되어 있기 때문에, 그에 대해서는 본원에서 구체적으로 설명하지 않을 것이다. 도 17은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 시스템(1700)을 도시하고, 여기에서 레이저(120)가 이동될 수 있고 동작 중에 변화되거나 조정되는 (그 렌즈와 같은) 그 광학장치를 갖는다. 시스템(1700)이 감지 및 제어 유닛(195)을 모터(1710) 및 광학장치 구동 유닛(1720) 모두에 결합시킨다. 용접 용탕에 대한 빔(110)의 위치가 용접 중에 이동되도록, 모터(1710)가 레이저(120)를 이동시키거나 병진운동시킨다. 예를 들어, 모터(1710)가 빔(110)을 전후로 병진운동 시킬 수 있고, 원형 패턴으로 이동시킬 수 있으며, 기타 등등을 실시할 수 있다. 유사하게, 광학장치 구동 유닛(1720)이 감지 및 제어 유닛(195)으로부터 명령어를 수신하여 레이저(120)의 광학장치를 제어한다. 예를 들어, 광학장치 구동 유닛(1720)은 빔(110)의 초점이 공작물의 표면에 대해서 이동되게 하거나 변화되게 할 수 있고, 그에 따라 용접 용탕의 침투 또는 깊이를 변화시킬 수 있다. 유사하게, 광학장치 구동 유닛(1720)은, 레이저(120)의 광학장치가 빔(110)의 형상을 변화시키게 할 수 있다. 그에 따라, 용접 중에, 감지 및 제어 유닛(195)이 레이저(120) 및 빔(110)을 제어하여, 동작 중에 용접 용탕의 성질을 유지 및/또는 변경한다.
도 1, 도 14 및 도 17의 각각에서, 명료함을 위해서, 레이저 전원(130), 핫 와이어 전원(170), 그리고 감지 및 제어 유닛(195)이 분리되어 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 이러한 구성요소가 단일 용접 시스템 내로 통합되어 제조될 수 있다. 본 발명의 양태는, 전술한 구성요소들이 분리된 물리적 유닛으로서 또는 단독형 구조물로서 개별적으로 유지될 것을 요구하지 않는다.
전술한 바와 같이, 큰 세기의 에너지 공급원이, 용접 전력 공급원을 포함하는, 임의 수의 에너지 공급원일 수 있다. 이러한 예시적인 실시예가 도 20에서 도시되어 있고, 도 20은 도 1에 도시된 시스템(100)과 유사한 시스템(2000)을 도시한다. 시스템(2000)의 많은 구성요소가 시스템(100) 내의 구성요소와 유사하고, 그에 따라 그들의 동작 및 이용에 대해서는 다시 구체적으로 설명하지 않을 것이다. 그러나, 시스템(2000)에서는, 레이저 시스템이 GMAW 시스템과 같은 아크 용접 시스템으로 대체된다. GMAW 시스템은 전원(2130), 와이어 공급기(2150) 및 토치(2120)를 포함한다. 용접 전극(2110)이 와이어 공급기(2150) 및 토치(2120)를 통해서 용융 용탕으로 전달된다. 본원에서 설명된 유형의 GMAW 용접 시스템의 동작이 잘 알려져 있고 본원에서 구체적으로 설명할 필요가 없을 것이다. 비록 도시된 예시적인 실시예와 관련하여 GMAW 시스템이 도시되고 설명되어 있지만, 본 발명의 예시적인 실시예가 또한, 공작물 상의 용융된 용탕으로 소모품을 전달하는데 도움을 주기 위해서 아크를 이용하는 그러한 시스템을 포함하여, GTAW, FCAW, MCAW, 및 SAW 시스템, 크래딩 시스템, 브레이징 시스템, 및 이러한 시스템의 조합 등과 함께 이용될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 공지된 방법에 따라서 이용될 수 있는 차폐 가스 시스템 또는 서브 아크 플럭스 시스템이 도 20에 도시되어 있지 않다.
전술한 레이저 시스템과 유사하게, (큰 세기의 에너지 공급원으로서 이용될 수 있는) 아크 발생 시스템을 이용하여 용융된 용탕을 생성하고, 앞서서 구체적으로 설명된 바와 같은 시스템 및 실시예를 이용하여 핫 와이어(140)가 그러한 용융된 용탕으로 부가된다. 그러나, 아크 발생 시스템의 이용에서, 공지된 바와 같이, 부가적인 소모품(2110)이 또한 용탕으로 부가된다. 이러한 부가적인 소모품은 본원에서 설명된 핫 와이어 프로세스에 의해서 제공되는 이미 증대된 침착 성능을 더 증대시킨다. 이러한 성능에 대해서는 이하에서 더 구체적으로 설명할 것이다.
또한, 일반적으로 공지된 아크 발생 시스템에서와 같이, 그러한 GMAW는 전진되는 소모품과 공작물 상의 용융된 용탕 사이에서 아크를 생성하기 위해서 높은 레벨의 전류를 이용한다. 유사하게, GTAW 시스템은, 소모품이 내부로 부가되는, 전극과 공작물 사이의 아크를 생성하기 위해서 높은 전류 레벨을 이용한다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 일정 전류, 펄스 전류 등과 같은, 많은 상이한 전류 파형이 GTAW 또는 GMAW 용접 동작을 위해서 이용될 수 있다. 그러나, 시스템(2000)의 동작 중에, 전원(2130)에 의해서 생성된 전류가, 와이어(140)를 가열하기 위해서 이용되는 전원(170)에 의해서 생성되는 전류와 간섭할 수 있다. (전술한 것과 유사하게, 와이어 및 아크가 각각 동일한 용융 용탕으로 지향되는 것으로 인해서) 와이어(140)가 전원(2130)에 의해서 생성된 아크에 근접하기 때문에, 각각의 전류가 서로 간섭할 수 있다. 구체적으로, 전류의 각각이 자기장을 생성하고, 그들의 필드가 서로 간섭할 수 있고 그들의 동작에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 핫 와이어 전류에 의해서 생성된 자기장이 전원(2130)에 의해서 생성된 아크의 안정성을 방해할 수 있다. 즉, 각각의 전류 사이의 적절한 제어 및 동기화가 없는 상태에서는, 경쟁적인 자기장들이 아크를 불안정하게 할 수 있고 그에 따라 프로세스를 불안정하게 할 수 있다. 그에 따라, 예시적인 실시예는 안정적인 동작을 보장하기 위해서 전원들(2130 및 170) 사이의 전류 동기화를 이용하며, 이에 대해서는 이하에서 추가적으로 설명할 것이다.
도 21은 본 발명의 예시적인 용접 동작의 근접도를 도시한다. 확인할 수 있는 바와 같이, (예시적으로 GMAW/MIG 토치일 수 있는) 토치(2120)가 - 일반적으로 공지된 바와 같이 - 아크의 이용을 통해서 소모품(2110)을 용접 용탕(WP)으로 전달한다. 또한, 핫 와이어 소모품(140)이 전술한 실시예 중 임의의 실시예에 따라서 용접 용탕(WP)으로 전달된다. 비록 토치(2120) 및 선단부(160)가 이러한 도면에서 분리되어 도시되어 있지만, 이러한 구성요소들이, 소모품(2110) 및 소모품(140) 모두를 용탕으로 전달하는 단일 토치 유닛 내로 통합되어 제조될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 물론, 일체형 구성이 이용되는 경우에, 토치 내의 전기 절연을 이용하여, 프로세스 중에 소모품들 사이의 전류 전달을 방지하여야 한다. 전술한 바와 같이, 각각의 전류에 의해서 유도된 자기장이 서로 간섭할 수 있고 그에 따라 본 발명의 실시예는 각각의 전류를 동기화한다. 동기화가 여러 가지 방법을 통해서 달성될 수 있다. 예를 들어, 전원(2130 및 170)의 동작을 제어하여 전류를 동기화하기 위해서, 감지 및 전류 제어기(195)가 이용될 수 있다. 대안적으로, 전원 중 하나가 다른 전원의 출력을 제어하기 위해서 이용되는, 마스터-슬레이브 관계가 또한 이용될 수 있다. 상대적인 전류들의 제어가, 전원들의 출력 전류들이 안정적인 동작을 위해서 동기화되도록 전원들을 제어하는 상태표(state table) 또는 알고리즘의 이용을 포함하는, 많은 수의 방법론에 의해서 달성될 수 있다. 이러한 것이 도 22a 내지 도 22c에 대해서 설명될 것이다. 예를 들어, 미국 특허공개 제2010/0096373호에서 설명된 것과 유사한 이중-상태 기반의 시스템 및 장치가 이용될 수 있다. 2010년 4월 22일자로 공개된 미국 특허공개 제2010/0096373호의 전체가 참조로 본원에 포함된다.
도 22a 내지 도 22c의 각각이 예시적인 전류 파형을 도시한다. 도 22a는, 와이어(2110)로부터 용탕으로 액적을 전달하는 것을 돕기 위해서 전류 펄스(2202)를 이용하는 예시적인 용접 파형(GMAW 또는 GTAW)을 도시한다. 물론, 도시된 파형이 예시적인 것이고 대표적이며 그리고 제한적인 것으로 의도되지 않으며, 예를 들어 전류 파형이 펄스형 분무 전달(pulsed spray transfer), 펄스 용접, 표면 장력 전달 용접 등을 위한 파형일 수 있다. 핫 와이어 전원(170)은, 앞서서 대체로 설명된 바와 같이 저항 가열을 통해서 와이어(140)를 가열하기 위한 일련의 펄스(2204)를 또한 가지는 전류 파형(2203)을 출력한다. 전류 펄스(2204)가 낮은 전류 레벨의 배경 레벨에 의해서 분리된다. 앞서서 대체로 설명된 바와 같이, 파형(2203)은 와이어(140)를 그 용융 온도까지 또는 그 부근까지 가열하기 위해서 이용되고, 저항 가열을 통해서 와이어(140)를 가열하기 위해서 펄스(2204) 및 배경을 이용한다. 도 22a에 도시된 바와 같이, 각각의 전류 파형으로부터의 펄스(2202 및 2204)가 동기화되고, 그에 따라 그러한 펄스들이 서로 같은 위상이 된다(in phase). 이러한 예시적인 실시예에서, 전류 펄스(2202/2204)가 유사한, 또는 동일한, 주파수를 가지도록 그리고 도시된 바와 같이 서로 같은 위상이 되도록, 전류 파형이 제어된다. 놀랍게도, 같은 위상의 파형을 가지는 것이 안정적이고 일관된 동작을 생성한다는 것을 발견하였고, 여기에서 아크는 파형(2203)에 의해서 생성된 가열 전류에 의해서 크게 간섭을 받지 않는다.
도 22b는 본 발명의 다른 예시적인 실시예로부터의 파형을 도시한다. 이러한 실시예에서, 펄스(2206)가 일정한 위상 각도(θ) 만큼 펄스(2202)와 위상차를 가지도록, 가열 전류 파형(2205)이 제어/동기화된다. 그러한 실시예에서, 프로세스의 안정적인 동작을 보장하도록 그리고 아크가 안정적인 조건에서 유지되게 보장하도록, 위상 각도가 선택된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 위상 각도(θ)가 30 내지 90 도의 범위이다. 다른 예시적인 실시예에서, 위상 각도가 0 도이다. 물론, 다른 위상 각도가 안정적인 동작 획득을 위해서 이용될 수 있고, 0 내지 360 도의 범위일 수 있는 한편, 다른 예시적인 실시예에서, 위상 각도가 0 내지 180 도의 범위이다.
도 22c는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시하며, 여기에서 핫 와이어 전류(2207)가 용접 파형(2201)과 동기화되고, 그에 따라 핫 와이어 펄스(2208)가 위상차를 가지며, 그에 따라 위상 각도(θ)가 용접 펄스(2202)와 약 180 도가 되고, 파형(2201)의 배경 부분(2210) 중에만 발생된다. 이러한 실시예에서, 각각의 전류가 동시에 피크가 되지 않는다. 즉, 파형(2207)의 펄스(2208)가, 파형(2201)의 각각의 배경 부분(2210) 중에 시작되고 종료된다.
본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 용접 및 핫 와이어 펄스들의 펄스 폭이 동일하다. 그러나, 다른 실시예에서, 각각의 펄스 폭이 상이할 수 있다. 예를 들어, 핫 와이어 펄스 파형과 함께 GMAW 펄스 파형을 이용할 때, GMAW 펄스 폭이 1.5 내지 2.5 밀리초의 범위이고, 핫-와이어 펄스 폭이 1.8 내지 3 밀리초의 범위이고, 그리고 핫 와이어 펄스 폭이 GMAW 펄스 폭 보다 넓다.
비록 가열 전류가 펄스형 전류로서 도시되어 있지만, 일부 예시적인 실시예의 경우에, 가열 전류가 전술한 바와 같이 일정한 전력일 수 있다는 것을 주목하여야 한다. 핫 와이어 전류가 또한 펄스형 가열 전력, 일정 전압, 경사진 출력 및/또는 주울/시간 기반의 출력일 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같이, 양 전류가 펄스형 전류인 경우에, 안정적인 동작을 보장하기 위해서 그러한 전류들이 동기화된다. 동기화 신호의 이용을 포함하는, 많은 방법이 이러한 것의 달성을 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, (양자택일적으로 전원(170/2130)에 대해서 일체형일 수 있는) 제어기(195)가, 펄스형 아크 피크를 시작하도록 동기화 신호를 설정할 수 있고 그리고 또한 핫 와이어 펄스 피크에 대한 희망 시작 시간을 설정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 펄스들이 동시에 시작되도록 동기화될 것인 반면, 다른 실시예에서, 동기화 신호가 아크 펄스 피크 이후의 소정 지속시간에 핫 와이어 전류를 위한 펄스 피크의 시작을 설정할 수 있다 - 그러한 지속시간은 동작을 위한 희망 위상 각도를 획득하기에 충분한 것일 수 있다.
도 23은 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예에서, GTAW 용접/코팅 동작이 이용되고, 여기에서 GTAW 토치(2121) 및 전극(2122)이 아크를 형성하며, 그러한 아크 내로 소모품(2120)이 전달된다. 다시, 아크 및 핫 와이어(140)가 동일한 용탕(WP)으로 전달되어 도시된 바와 같이 비드(WB)를 생성한다. 아크 및 핫 와이어(140)가 동일한 용접 용탕(WP)과 상호작용한다는 점에서, GTAW 실시예의 동작이 전술한 동작과 유사하다. 다시, 전술한 GMAW 동작에서와 같이, GTAW 동작에서 아크를 생성하기 위해서 이용되는 전류가 핫 와이어 동작을 위한 전류와 동기화된다. 예를 들어, 펄스 관계가 도 22a 내지 도 22c에 도시된 바와 같이 이용될 수 있다. 또한, 제어기(195)가 이중-상태표, 또는 다른 유사한 제어 방법을 이용하여 전원들 사이의 동기화를 제어할 수 있다. 소모품(2120)이 저온 와이어로서 용접부로 전달될 수 있거나 또한 핫 와이어 소모품일 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 즉, 양 소모품(2110 및 140)이 본원에서 설명된 바와 같이 가열될 수 있다. 대안적으로, 소모품(2120 및 140) 중 하나 만이 본원에서 설명된 바와 같은 핫-와이어일 수 있다.
(다른 아크 유형의 방법의 이용을 포함하여) 전술한 GTAW 또는 GMAW 유형의 실시예에서, 아크가 - 이동 방향에 대해서 - 선행하여 배치된다. 이러한 것이 도 21 및 도 23에 각각 도시되어 있다. 이는, 공작물(들) 내에서 희망하는 침투를 달성하기 위해서 아크가 이용되기 때문이다. 즉, 용융된 용탕을 생성하기 위해서 그리고 공작물(들) 내에서 희망하는 침투를 달성하기 위해서 아크가 이용된다. 이어서, 본원에서 구체적으로 설명되는 핫 와이어 프로세스가 아크 프로세스 뒤를 따른다. 핫 와이어 프로세스의 부가는, 적어도 2개의 아크가 이용되는 통상적인 직렬형(tandem) MIG 프로세스에서와 같은, 다른 용접 아크의 부가적인 열 입력이 없이, 용탕으로 보다 많은 소모품(140)을 부가한다. 그에 따라, 본 발명의 실시예가, 공지된 직렬형 용접 방법 보다 상당히 적은 열 입력으로 상당한 침착 속도를 달성할 수 있다.
도 21에 도시된 바와 같이, 핫 와이어(140)가 아크와 동일한 용접 용탕(WP) 내로 삽입되나, 거리(D) 만큼 아크의 뒤를 따라 후행한다. 일부 예시적인 실시예에서, 이러한 거리가 5 내지 20 mm의 범위이고, 다른 실시예에서, 이러한 거리가 5 내지 10 mm의 범위이다. 물론, 와이어(140)가 선행하는 아크에 의해서 생성된 용융 용탕과 동일한 용융 용탕 내로 공급되기만 한다면, 다른 거리가 이용될 수 있다. 그러나, 와이어(2110 및 140)가 동일한 용융 용탕 내에 침착되고, 거리(D)는, 와이어(140)를 가열하기 위해서 이용되는 가열 전류에 의한 아크와 자기적으로 최소로 간섭하도록 하는 거리가 된다. 일반적으로, - 아크 및 와이어가 집합적으로 내부로 지향되는 - 용탕의 크기가, 와이어(2110)와 와이어(140) 사이의 희망 거리를 결정하는데 있어서의 인자가 또한 될 수 있는, 용접 속력, 아크 매개변수, 와이어(140)에 대한 총 전력, 재료 유형 등에 의존할 것이다.
제어기(195) 또는 전원(170)에 의해서 아크 이벤트가 검출되거나 예측될 때, 핫 와이어 전류(예를 들어, 2203, 2203, 또는 2207)의 동작이 본원에서 구체적으로 설명된 동작과 유사하다는 것을 주목하여야 할 것이다. 즉, 비록 전류가 펄스화되지만, 아크가 생성되거나 검출되는 경우에, 그러한 전류가 본원에서 설명된 바와 같이 차단되거나 최소화될 수 있다. 또한, 일부 예시적인 실시예에서, 배경 부분(2211)이 (사용자 입력 정보를 기초로 제어기(195)에 의해서 결정될 수 있는) 와이어(140)에 대한 아크 발생 레벨 미만의 전류 레벨을 가지고, 아크가 검출될 때 핫 와이어 전류를 차단하는 대신에, 전원(170)이, 소정 지속시간 동안 또는 (대체로 전술한 바와 같이) 아크가 소거되거나 발생하지 않을 것으로 결정될 때까지 , 전류를 배경 레벨(2211)로 낮출 수 있다. 예를 들어, 전원(170)이 미리 결정된 수의 펄스(2203/2205/2207)를 건너 뛸 수 있거나 10 내지 100 ms와 같은 지속시간 동안 단순히 펄스화되지 않을 수 있고, 그러한 시간 이후에, 전원(170)이 펄스를 다시 시작하여 와이어(140)를 적절한 온도까지 가열할 수 있다.
전술한 바와 같이, 적어도 2개의 소모품(140/2110)이 동일한 용탕 내에서 이용되기 때문에, 단일 아크 동작의 열 입력과 유사한 열 입력으로, 매우 빠른 침착 속도가 달성될 수 있다. 이는, 공작물 내로의 매우 많은 열을 입력하는 직렬형 MIG 용접 시스템 보다 상당히 우수한 장점을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예가, 단일 아크의 열 입력으로, 적어도 23 lb/시간의 침착 속도를 용이하게 달성할 수 있다. 다른 예시적인 실시예가 적어도 35 lb/시간의 침착 속도를 갖는다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 와이어(140 및 2110)의 각각이, 동일한 조성, 직경 등을 갖는다는 점에서, 동일하다. 그러나, 다른 실시예에서, 와이어들이 상이할 수 있다. 예를 들어, 와이어들이 특별한 동작을 위해서 희망하는 바에 따라 상이한 직경들, 와이어 공급 속력들, 및 조성을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 선행 와이어(2110)에 대한 와이어 공급 속력이 핫 와이어(140)에 대한 공급 속력 보다 빠르다. 예를 들어, 선행 와이어(2110)가 450 ipm의 와이어 공급 속력을 가질 수 있는 한편, 후행 와이어(140)가 400 ipm의 와이어 공급 속력을 갖는다. 또한, 와이어가 상이한 크기 및 조성을 가질 수 있다. 사실상, 핫 와이어(140)가 용탕 내로 침착되도록 아크를 통해서 이동될 필요가 없기 때문에, 핫 와이어(140)는, 전형적으로 아크를 통해서 양호하게 전달되지 않는 재료/구성요소를 가질 수 있다. 예를 들어, 와이어(140)가, 아크로 인해서 전형적인 용접 전극으로 부가될 수 없는, 텅스텐 탄화물 또는 다른 유사한 표면 경화 재료를 가질 수 있다. 부가적으로, 선행 전극(2110)이, 희망하는 비드 형상을 제공하기 위해서 용탕을 습윤시키는데 도움을 줄 수 있는, 습윤제(wetting agent)가 풍부한 조성을 가질 수 있다. 또한, 핫 와이어(140)가 또한, 용탕을 보호하는데 도움이 될 슬래그 원소를 포함할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예는 용접부의 화학적 성질에 있어서 큰 탄력성을 허용한다. 와이어(2110)가 선행 와이어이기 때문에, 아크 용접 동작은, 선행 와이어로, 용접 접합부를 위한 침투를 제공하고, 그러한 용접 접합부에서 핫 와이어가 접합부를 위한 부가적인 충진을 제공한다는 것을 주목하여야 할 것이다.
본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 아크 및 핫-와이어의 조합을 이용하여, 실시하고자 하는 구체적인 동작의 요건 및 제한과 일치되게, 용접 침착에 대한 열 입력의 균형을 맞출 수 있다. 예를 들어, 접합 적용예를 위해서 선행 아크로부터의 열이 증가될 수 있고, 그러한 적용예에서는 아크로부터의 열이 공작물들을 접합하는데 필요한 침투를 달성하는데 있어서 도움이 되고 핫-와이어가 접합부의 충진을 위해서 일차적으로 이용된다. 그러나, 크래딩 또는 살붙이기 프로세스에서, 희석을 최소화하고 살붙임을 증가시키기 위해서, 핫-와이어 공급 속력이 증가될 수 있다.
또한, 상이한 와이어의 화학적 성질들이 이용될 수 있기 때문에, 통상적으로 2개의 분리된 통과에 의해서 달성되는, 상이한 층들을 가지는 용접 접합부가 생성될 수 있다. 선행 와이어(2110)가 통상적인 제1 통과를 위해서 필요한 요구되는 화학적 성질을 가질 수 있는 한편, 후행 와이어(140)가 통상적인 제2 통과를 위해서 필요한 화학적 성질을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 와이어(140/2110) 중 적어도 하나가 코어형 와이어일 수 있다. 예를 들어, 핫 와이어(140)가, 희망 재료를 용접 용탕 내로 침착시키는 분말 코어를 가지는 코어형 와이어일 수 있다.
도 24는 본 발명의 전류 파형의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서 핫 와이어 전류(2403)는, (GMAW 또는 GTAW이든지 간에) 용접 전류(2401)와 동기화되는 AC 전류이다. 이러한 실시예에서, 가열 전류의 양의 펄스(2404)가 전류(2401)의 펄스(2402)와 동기화되는 한편, 가열 전류(2403)의 음의 펄스(2405)가 용접 전류의 배경 부분(2406)과 동기화된다. 물론, 다른 실시예에서, 동기화가 반대일 수 있고, 이 경우, 양의 펄스(2404)가 배경(2406)과 동기화되고 음의 펄스(2405)가 펄스(2402)와 동기화된다. 다른 실시예에서, 펄스형 용접 전류와 핫 와이어 전류 사이에 위상 각도가 존재한다. AC 파형(2403)를 이용하는 것에 의해서, 교류 전류(및 그에 따라 교번적인 자기장)를 이용하여 아크 안정화에 도움을 줄 수 있다. 물론, 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고도, 다른 실시예가 이용될 수 있다. 예를 들어, 서브머지드 아크 용접(SAW) 동작을 이용하는 시스템에서, SAW 전류 파형이 AC 파형일 수 있고, 핫 와이어 전류 파형이 AC 또는 펄스형 DC 전력 파형이며, 여기에서 각각의 파형이 서로 동기화된다.
또한, 용접 전류가 일정한 또는 거의 일정한 전류 파형인 곳에서 본 발명의 실시예가 이용될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 그러한 실시예에서, 교류 가열 전류(2403)를 이용하여 아크의 안정성을 유지할 수 있다. 안정성이 가열 전류(2403)로부터의 일정하게 변화되는 자기장에 의해서 달성된다.
도 25는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시하고, 여기에서 핫 와이어(140)가 2개의 직렬형 아크 용접 동작들 사이에 배치된다. 도 25에서, 아크 용접 동작이 GMAW 유형의 용접으로서 도시되어 있지만, GTAW, FCAW, MCAW 또는 SAW 유형의 시스템이 될 수도 있다. 이러한 도면에서, 선행 토치(2120)가 제1 전원(2130)에 결합되고 아크 용접 동작을 통해서 제1 전극(2110)을 용탕으로 전달한다. (전술한 바와 같이 침착되는) 핫 와이어(140)가 선행 아크를 후속하여 따른다. 제2 전원(2130'), 제2 토치(2120'), 및 제2 아크 용접 와이어(2110')를 이용하는 후행 아크 용접 동작이 핫 와이어(140)를 후속하여 뒤따른다. 그에 따라, 그러한 구성은 직렬형 GMAW 용접 시스템의 구성과 유사하나, 토치들(2120 및 2120') 사이의 공통 용탕 내로 침착되는 핫-와이어(140)를 갖는다. 그러한 실시예는 용탕 내로의 재료의 침착 속도를 추가적으로 증가시킨다. 본 발명의 실시예가 단일 동작에서 부가적인 용접 토치 및/또는 핫 와이어 소모품을 이용할 수 있다는 것, 그리고 도면에 도시된 실시예로 제한되지 않는다는 것을 주목하여야 할 것이다. 예를 들어, 단일 통과 중에 부가적인 재료를 용탕 내로 침착시키기 위해서 핫-와이어 이외의 것이 이용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본원에서 대체로 설명된 GMAW 프로세스 대신에, SAW 프로세스가 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 25에 도시된 실시예가, 이러한 도면에서 도시된 구성과 유사한 구성을 가지는 선행 및 후행 SAW 프로세스를 이용할 수 있다. 물론, 차폐 가스 대신에, 입자형 플럭스를 이용하여 아크를 차폐할 수 있을 것이다. SAW와 같은 다른 용접 방법론을 이용할 때, 전술한 바와 같은, 전체적인 방법 또는 동작 및 제어가 유사하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 25a는, 본원에서 설명된 바와 같은 핫-와이어와 함께 SAW 시스템에서 이용될 수 있는 예시적인 파형을 도시한다. 도시된 바와 같이, 선행 SAW 전류 파형(2501)이 복수의 양의 펄스(2503) 및 복수의 음의 펄스(2505)를 가지는 AC 파형인 한편, 후행 SAW 전류(2521)가 또한 복수의 양의 펄스(2523) 및 복수의 음의 펄스(2525)를 가지는 AC 파형이며, 여기에서 후행 파형(2521)이 위상 각도(α) 만큼 선행 파형(2501)으로부터 위상차를 갖는다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 위상 각도(α)가 90 내지 270 도의 범위이다. 또한, 도시된 실시예에서, 후행 파형(2521)이 선행 파형(2501) 보다 큰 음의 오프셋을 가진다는 점에서, 파형(2501)과 파형(2521) 사이의 +/- 오프셋이 상이하다는 것을 또한 주목하여야 한다. 다른 예시적인 실시예에서, 오프셋이 동일할 수 있거나, 반전될 수 있다. 핫 와이어 전류(2510)가 배경 레벨(2513)에 의해서 분리된 복수의 양의 펄스들(2511)을 가지는 펄스 전류로 도시되어 있고, 여기에서 파형(2510)이, 위상 각도(α)와 상이한, 오프셋 위상 각도(θ)를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 핫 와이어 위상 각도(θ)가 45 내지 315 도의 범위이나, 위상 각도(α)와 상이하다.
비록 전술한 설명이 SAW 유형의 동작에 관한 것이었지만, 유사한 동기화 방법론을 이용하는 다른 예시적인 실시예가 GMAW, FCAW, MCAW, 또는 GTAW 유형의 동작, 또는 그 조합일 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예가, 통상적인 직렬형 시스템 보다 적은 총 열 입력을 유지하면서, 용탕 내로의 재료의 침착을 크게 증가시킬 수 있다. 그러나, 일부 예시적인 실시예가, 통상적인 직렬형 방법 보다 높은 용접 비드(WB) 형상을 생성할 수 있다. 즉, 용접 비드(WB)가 공작물의 표면 위로 더 높게 직립되는 경향이 있고, 직렬형 시스템 만큼 용접 비드(WB)의 측부를 습윤시키지 않는다. 일반적으로, 이는, 핫 와이어(140)가 선행 아크 용접 동작에 후속하는 용탕 급냉을 도울 것이기 때문이다. 그에 따라, 본 발명의 일부 예시적인 실시예는, 용접/코팅 동작 중에 용탕을 넓히는데 또는 습윤시키는데 도움을 주기 위한 시스템 및 구성요소를 이용한다.
도 26은 예시적인 실시예를 도시하고, 그러한 예시적인 실시예에서 2개의 GMAW 토치(2120 및 2120')가 선으로 배치되지 않고, 그 대신에 - 도시된 바와 같이 - 나란한(side-by-side) 위치로 배치되며, 여기에서 핫 와이어(140)가 2개의 토치(2120/2120') 뒤에서 후행한다. 이러한 실시예에서, 나란한 구성의 2개의 GMAW 아크를 가지는 것이 용탕(WP)을 넓힐 것이고 용접 비드(WB)를 편평하게 하기 위해서 용탕을 습윤시키는데 도움을 줄 것이다. 다른 실시예에서와 같이, 핫 와이어(140)가 아크 용접 동작에 후행하고 그리고 아크 용접 동작 뒤에 용접 비드(WB)의 중심-선 상에 배치될 수 있다. 그러나, 핫 와이어(140)가 중심선 내에서 유지될 필요가 없는데, 이는 핫 와이어가 용접 동작 중에 용탕에 대해서 진동되거나 이동될 수 있기 때문이다.
도 27은 다른 예시적인 실시예를 도시하고, 그러한 실시예에서 레이저(2720 및 2720')가 용접 용탕(WP)의 양 측부 상에서 이용되어, 용탕의 편평화를 돕거나 용탕의 습윤을 돕는다. 각각의 레이저(2720/2720')가 용탕의 측부 상에서 빔(2710/2710')을 각각 방출하여, 용탕을 가열하기 위한 열을 부가하고 용탕의 습윤을 도우며, 그에 따라 용탕 형상이 바람직하게 된다. 레이저(2720/2720')가 본원에서 설명된 유형일 수 있고 전술한 바와 같이 제어될 수 있다. 즉, 레이저가 제어기(195), 또는 유사한 장치에 의해서 제어되어, 희망하는 용접 비드 형상을 제공할 수 있다. 또한, 희망하는 용접 비드 형상을 달성하기 위해서 2개의 레이저를 이용하는 대신에, 단일 레이저가 빔 분리기와 함께 이용될 수 있고, 그러한 빔 분리기는 빔(2710)을 분리하고 분리된 빔을 용접 용탕 상의 적절한 위치로 지향시켜 희망하는 용접 비드 형상을 달성한다. 명료함을 목적으로, 선행 아크 용접 프로세스가 도 27에 도시되지 않았다는 것을 주목하여야 할 것이다.
추가적인 예시적 실시예에서, (이동 방향으로) 아크 프로세스의 바로 하류에서 또는 핫 와이어(140)의 하류에서 용탕으로 지향되는 단일 레이저 빔(2710)이 이용될 수 있고, 여기에서 빔(2710)이 측방향으로 진동되어 용탕의 편평화를 돕는다. 그러한 실시예에서, 단일 레이저(2720)가 이용될 수 있고, 용접 중에 용탕의 습윤을 돕는 것이 바람직한 용탕의 지역으로 지향된다. 레이저(2720)의 제어 및 동작은 도 1등과 관련하여 전술한 레이저(120)의 제어 및 동작과 유사하다.
도 28은 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 이러한 예시적인 실시예에서, GTAW(또는 GMAW, FCAW, MCAW) 전극(2801)이 아크 용접 프로세스를 위해서 이용되고, 용접 중에 아크의 이동을 제어하기 위해서 자기적 탐침(2803)이 전극(2801)에 인접하여 배치된다. 탐침(2803)이, 제어기(195)에 결합되거나 결합되지 않을 수 있는, 자기적 제어 및 전원(2805)으로부터 전류를 수신하고, 그러한 전류는 자기장(MF)이 탐침(2803)에 의해서 생성되게 한다. 그러한 자기장이 아크에 의해서 생성된 자기장과 상호작용하고 그에 따라 용접 중에 아크를 이동시키기 위해서 이용될 수 있다. 즉, 아크가 용접 중에 옆으로 이동될 수 있다. 이렇게 옆으로 이동하는 것을 이용하여, 용탕을 넓히고 용탕의 습윤을 도와서 희망하는 용접 비드 형상을 달성한다. 비록 명료함을 위해서 도시하지는 않았지만, 용접 비드를 위한 부가적인 충진을 제공하기 위해서 본원에서 설명된 바와 같은 핫-와이어 소모품이 아크에 후속된다. 자기적 조향 시스템의 이용 및 구현이 용접 산업의 당업자에게 일반적으로 공지되어 있고 본원에서 구체적으로 설명할 필요가 없을 것이다.
물론, (본원에서 설명된 다른 도시된 실시예뿐만 아니라) 도 26 및 도 28의 실시예가 레이저(2720)를 이용하여 본원에서 설명된 바와 같이 용접 용탕의 성형을 도울 수 있다.
도 29는, 본원에서 설명된 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예와 함께 이용될 수 있는 다른 예시적인 전류 파형을 도시한다. 전술한 바와 같이, 통상적인 용접 방법으로 코팅된 재료(예를 들어, 아연 도금된 재료)를 용접할 때, 기공 및 비산으로 인해서 문제가 발생될 수 있다. 또한, 본원에서 부가적으로 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예가 기공 및 비산의 문제를 해결할 수 있고 통상적인 용접 및 덧붙임 시스템 보다 상당히 개선된 성능을 달성할 수 있다. 예를 들어, 아크 용접 및 핫-와이어 모두를 이용하는 방법 및 시스템이, 본원의 도 20 내지 도 28에 대해서 설명된 바와 같은, 개선된 성능을 제공할 수 있다. 도 29는, 도 20에 대체로 도시된 아크 용접 동작을 위해서 이용될 수 있는 전류 파형의 추가적인 예시적 실시예를 나타낸다. 즉, 도 29의 전류 파형이 전원(2130)에 의해서 생성될 수 있고 전극(2110)으로 제공될 수 있다. 도 29의 전류 파형을 이제 설명할 것이다.
도 29에 도시된 바와 같이, 예시적인 전류 파형(3000)이 양의 부분 및 음의 부분 모두를 가지는 AC 유형의 파형이다. 본 발명의 예시적인 실시예를 이용할 때, 파형(3000)의 이용이, 빠른 이동 속력 및 침착 속도에서 전술한 기공 및 비산 능력을 제공할 수 있다. 사실상, 파형(3000)의 장점이 동일한 용접 용탕 내의 핫-와이어(140)를 이용하여 또는 이용하지 않고 달성될 수 있다 - 이에 대해서는 이하에서 더 구체적으로 설명할 것이다. 도 29에 도시된 파형(3000)은 본 발명의 예시적인 실시예로 의도된 것이고, 그러한 것으로 제한되지 않는다.
도시된 바와 같이, 파형(3000)이 많은 수의 위상을 갖는다. 구체적으로, 파형(3000)이 적어도 액적 전달 위상(P1) 및 액적 구축 위상(P2)을 갖는다. 액적 전달 위상(P1)은, 전극(2110)으로부터 공작물(115)로 액적(D)을 전달하기 위해서 이용되는 적어도 하나의 액적 전달 펄스(3010)를 포함한다. 전형적으로, 액적 전달 펄스(3010)는 양의 전류 펄스이고, 예를 들어 비산이 제한된, 액적(D)의 공작물로의 매끄러운 전달을 허용하는 프로파일을 갖는다. 도시된 실시예에서, 펄스(3010)가 피크 전류 레벨(3013)까지 지수함수적인 전류 증감율(ramp rate)(3011)을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 피크 전류 레벨(3013)이 300 내지 500 amp의 범위이다. 물론, 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고도, 다른 피크 전류 레벨(3013)이 이용될 수 있다. 추가적으로, 펄스(3010)는, 액적(D)이 파괴될 때 비산이 제한되도록, 전극(2110)이 액적(D)과 전극(2110) 사이에서 가늘어질 수 있게 허용하는 전류 강하 프로파일(3015)을 가질 수 있다. 또한, 비록 지수함수적인 기울기(3011)가 도시되어 있지만, 다른 실시예가 이러한 프로파일로 제한되지 않는다. 전류 증감율이 공작물(115)로의 액적(D)의 매끄러운 전이를 허용하기만 한다면, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 다른 전류 증감율 프로파일이 이용될 수 있다. 즉, 일부 예시적인 실시예에서, 공지된 액적 전달 펄스 프로파일이 이용될 수 있다. 액적 전달 펄스(3010)의 말기에서, 액적(D)이 공작물(115) 상의 용탕과 접촉하고 공작물(115)로 전달된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 액적 전달 펄스(3010)의 말기에, 전극(2110)이 짧아진 상태이고, 여기에서 액적(D)이 용탕 및 전극(2110) 모두와 접촉한다. 그러한 예시적인 실시예에서, 단락 제거 부분(short clearing portion)(3020)이 파형(3000) 내에 존재한다. 단락 제거 부분(3020)이, 최소의 비산으로 또는 비산이 없이, 단락 조건을 제거할 수 있는 임의의 공지된 단락 제거 기능일 수 있다. 예를 들어, 단락 제거 기능이 공지된 STT(표면 장력 전달) 기술에서 이용되는 기능과 유사할 수 있다. 도시된 실시예에서, 단락 제거 부분(3020) 중에, 액적(D)이 전극(2110)으로부터 분리될 때까지, 전류가 배경 레벨(3025) 보다 낮은 레벨(3021)로 낮아진다. 분리 이후에, 전류가 플라즈마 부스트 레벨(plasma boost level)(3023)까지 증가되어 전극(2110)의 번 백(burn back)이 용탕으로부터 멀어질 수 있게 하며, 그 이후에, 액적 축적 위상(P2)이 시작되기 전에, 전류가 배경 레벨(3025)로 복귀된다. 일부 예시적인 실시예에서, 단락 회로 전달 방법이 액적 전달을 위해서 이용되지 않을 수 있을 것이고, 그에 따라 단락 제거 부분(3020)이 파형(3000) 내에 존재할 필요가 없다는 것을 주목하여야 할 것이다. 물론, 그러한 실시예에서도, 단락 이벤트가 여전히 발생될 수 있을 것이다. 그에 따라, 그러한 실시예에서, 전원(2130)이 단락을 제거하기 위해서 단락 제거 기능을 이용한다. 따라서, 일부 예시적인 실시예에서, 액적 전달 펄스(3010)의 종료시에 의도적인 단락 조건이 생성되지 않으나, 단락 조건이 생성되는 경우에, 단락 제거 기능이 개시되고 도 29에 도시된 부분(3020)과 유사해질 수 있다.
액적 전달 위상(P1) 및 임의의 단락 제거 부분(3020)(존재하는 경우) 이후에, 액적 구축 위상(P2)이 시작된다. 도 29에 도시된 바와 같이, 액적 구축 위상(P2)은, 단락 제거 부분(3020) 이후에 그리고 전류가 배경 레벨(3025)로 복귀된 후에 시작된다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 액적 구축 위상(P2)이 단락 제거 부분(3020) 직후에 시작될 수 있고, 그에 따라 전류가 배경 전류 레벨(3025)로 복귀되지 않고 그리고 그러한 배경 전류 레벨에서 유지되지 않는다. 예를 들어, 전류가 플라즈마 부스트(3023)로부터 액적 구축 위상(P2)으로 직접적으로 낮아질 수 있다. 전달되는 액적(D)이 액적 구축 위상(P2) 중에 주로 형성된다. 도시된 바와 같이, 액적 구축 위상(P2)이 액적(D)을 생성하기 위해서 AC 파형 프로파일을 이용한다. 이러한 AC 파형 프로파일을 이용하여 희망하는 크기 및 안정성의 액적을 생성하는 한편, 동시에 열 입력을 최소화한다. 액적 구축 위상(P2) 중에, 도시된 바와 같이, 액적(D)의 의도적인 전달이 파형의 이러한 위상 중에 존재하지 않는다. 그 대신에, 파형의 이러한 부분을 이용하여 전달 위상(P1)에서의 전달을 위한 액적(D)을 구성한다. 물론, 실제 용접에서, 때때로 우발적인 액체 전달 또는 단락 회로가 존재할 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 그러나, 구축 위상(P2) 중에는 의도적인 액적 전달이 없다.
도시된 바와 같이, 액적 구축 위상(P2)의 도입부에서, 전류가 제1 음의 극성의 액적 구축 펄스(3030)로 진입한다. 즉, 전류가 음의 배경 레벨(3031)에서 양의 극성으로부터 음의 극성으로 변화되며, 시간(T1)의 기간 동안 그 레벨에서 유지된다. 예시적인 실시예에서, 전류 레벨(3031)이 30 내지 300 amp의 범위이다. 다른 예시적인 실시예에서, 전류 레벨(3031)이 35 내지 125 amp의 범위이다. 또한, 예시적 실시예에서, 시간(T1)이 400 ㎲ 내지 3 ms의 범위이다. 추가적인 예시적 실시예에서, 시간(T1)이 700 ㎲ 내지 2 ms의 범위이다. 이러한 것이 음의 극성 펄스로서 지칭될 수 있다. 도시된 바와 같이, 이러한 구축 펄스(3030) 중에, 새로운 액적(D)이 전극(2110)의 단부에서 형성되기 시작하고, 그리고 전류가 음이기 때문에, (양의 전류 유동에 대비하여) 열 입력이 비교적 적다. 그러나, 일반적으로 이해되는 바와 같이, 음의 전류 유동 중에, 음극 스폿(cathode spot)이 전극(2110)을 위로 이동시키는 경향을 가질 수 있고, 이는 액적(D)이 위쪽으로 회전되게 하고 불안정하게 만드는 경향이 있다. 그에 따라, 제1 액적 구축 펄스(3030) 이후에, 제1 액적 안정화 펄스(3040)가 이용되고, 여기에서 제1 액적 안정화 펄스(3040)가 양의 피크 전류 레벨(3041)을 갖는다. 이러한 피크 레벨(3041)이 시간(T3) 동안 유지되고, 예시적인 실시예에서, 300 내지 500 amp의 범위일 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 전류(3041)가 350 내지 400 amp의 범위이다. 예시적 실시예에서, 시간(T3)이 300 ㎲ 내지 2.5 ms의 범위이다. 추가적인 예시적 실시예에서, 시간(T3)이 500 ㎲ 내지 1.5 ms의 범위이다. 도시된 바와 같이, 액적(D)을 계속 구축하는 것에 더하여, 안정화 펄스(3040)가, 액적(D)을, 공작물(115)을 향해서 지향된 보다 안정적인 위치로 복귀시킨다. 이는, 액적이 보다 안정적인 방식으로 성장할 수 있게 한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 안정화 펄스(3040)의 전류 레벨(3041)이 펄스(3030)의 전류 레벨(3031) 보다 (그 크기가) 더 크고, 지속시간이 더 짧다(즉, T3이 T1 보다 짧다). 예시적인 실시예에서, 전류 레벨(3041)이 음의 전류 레벨(3031)의 크기의 1.5 내지 3배의 범위이다. 또한, 예시적인 실시예에서, 지속시간(T1)이 양의 피크 전류(3041)의 지속시간(T3)의 1.25 내지 3배이다.
그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 양의 피크 전류 레벨(3041)이 음의 피크 전류(3031) 보다 (그 크기가) 작을 수 있고, 및/또는 지속시간이 더 길 수 있다. 예를 들어, 일부 예시적인 실시예에서, 안정화 피크 레벨(3041)이 액적 구축 펄스(3030)의 피크 레벨(3031) 보다 (그 크기가) 작은 50 내지 125 amp의 범위이다. 이는 사용되는 전극(E)의 유형에 의해서 영향을 받을 수 있고，희망하는 액적 구축 및 안정성 특성을 제공하도록 펄스(3030/3040)의 상대적인 지속시간 및 피크 레벨이 선택되어야 한다.
도시된 바와 같이， 제１ 액적 안정화 펄스(3040) 이후에， 제２ 액적 구축 펄스(3030') 및 안정화 펄스(3041')가 이용된다. 도시된 실시예에서, 제2 액적 구축 펄스(3030') 및 안정화 펄스(3041')의 각각이 제1 펄스(3030/3040)와 동일한 전류 레벨(3031/3041) 및 지속시간(T1/T3)을 갖는다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 지속시간 및 피크 전류 레벨(3031'/3041') 중 어느 하나, 또는 양자 모두가 제1 펄스(3030/3040)의 지속시간 및 피크 전류 보다 작을 수 있다. 즉, 제1 구축 펄스 및 안정화 펄스를 이용하여 가장 많은 양의 액적 구축 에너지를 제공할 수 있는 한편, 이어지는 펄스(들)가 적은 액적 구축 에너지를 제공한다. 또한, 다른 실시예에서, 지속시간 및 피크 전류 레벨(3031'/3041') 중 어느 하나, 또는 양자 모두가 제1 펄스(3030/3040)의 지속시간 및 피크 전류 보다 클 수 있다. 그러한 실시예에서, 액적 축적 에너지가 후속 펄스로 증가될 수 있다.
도 29에 도시된 바와 같이, 제3 액적 구축 펄스(3030")가 제2 안정화 펄스(3040')에 후속된다. 이러한 펄스(3030")가 액적(D)의 포메이션을 완성하거나 액적(D)의 포메이션이 거의 완료되게 하고, 그리고 공작물 상에 액적(D)을 침착시키기 위한 다른 액적 전달 펄스(3010)가 후속된다. 도시된 실시예에서, 펄스(3030")는, 이전의 펄스(3030/3030')의 전류 레벨(3031/3031')과 동일한 전류 레벨(3031")을 갖는다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 전류 레벨(3031")이, 희망하는 에너지 입력에 따라서, 이전의 펄스의 전류 레벨 보다 높거나 낮을 수 있다. 또한, 도시된 실시예에서, 전류는, 액적 전달 펄스(3010)가 시작되기 전의 짧은 순간 동안, 배경 레벨(3025)로 복귀된다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 전류가 액적 전달 펄스(3010) 내로 직접적으로 진행될 수 있다. 또한 도시된 바와 같이, 최종 액적 구축 펄스(3030")가, 이전의 펄스(3030/3030') 보다 지속시간(예를 들어, T1)이 짧은 지속시간(T2) 동안 피크 전류 레벨(3031")을 갖는다. 이는, 액적이 적절한 크기에 도달하도록 그리고 액적(D)을 전달하기에 앞서서 불안정화되지 않도록 보장한다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 지속시간(T2)이 이전의 펄스(3030/3030')의 지속시간(T1)과 동일하거나 그보다 길 수 있다. 이는, 전달 이전의 희망 액적 크기에 의존할 수 있다.
도 29에 도시된 파형(3000)이 예시적인 것으로 의도되었다는 것, 그리고 다른 유사한 기능을 하는 파형이 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고도 이용될 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 예를 들어, 도 29에 도시된 실시예와 달리, 액적 전달 위상(P1)으로의 전이가, 도시된 바와 같이, 액적 구축 펄스 대신에, 액적 안정화 펄스로부터 비롯될 수 있다. 또한, 다른 예시적인 실시예에서, 액적 구축 위상(P2)이 액적 안정화 및 전진 스테이지로 전이될 수 있고, 그러한 스테이지에서 전류가, (펄스(3030/3040) 중 어느 하나 이후에) 피크 레벨(3040') 보다 낮은 (예를 들어, 50% 초과 만큼 낮은) 양의 전류 레벨로 변화된다. 이는 액적을 안정화시키는 것을 도울 것이고 액적의 구축이 느려지게 하며, 그에 따라, 전이 위상(P1)에 앞서서, 와이어 공급에 의해서 액적이 용탕에 더 근접하게 밀릴 수 있게 한다. 추가적인 예시적인 실시예에서, (예를 들어, 표면 장력 전달 - STT - 을 이용하여) 액적이 용탕과 접촉될 수 있고 단락 회로를 통해서 전달될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 액적이 와이어 공급기를 통해서 (구축 위상(P2) 이후에) 용탕으로 전진되어 용탕과 접촉될 수 있고, 이어서 전극이 가늘어지도록 전류가 제어되고 그리고 와이어가 용탕으로부터 후퇴되어(reversed), 용탕 내에 액적을 남긴다. 추가적인 예시적 실시예에서, 낮은 전류의 양의 펄스(전술한 안정화 펄스)가 구축 위상(P2)과 전이 위상(P1) 사이의 중간 펄스/위상일 수 있다. 즉, 구축 위상(P2)으로부터, 전류가 낮은 양의 전류 펄스 안정화 위상으로, 그리고 이어서 펄스 전달 위상(P1)으로 진입할 것이다. 펄스 안정화 위상에서, 전류 펄스가, 액적을 안정화시키기 위한 그리고 전달을 위해서 액적을 준비하기 위한 전류 피크 및 지속시간을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 이러한 안정화 위상 내의 양의 안정화 펄스가, 이러한 안정화 위상의 바로 전에 선행하는 피크 전류 레벨(3041')의 35 내지 60%의 범위인 피크 전류를 갖는다. 이러한 안정화 피크 전류의 지속시간이 (제어기에 의해서) 고정되거나 가변적일 수 있다. 예를 들어, 제어기가 액적 구축 위상(P2) 중에 생성되는 에너지의 양을 모니터링할 수 있고 이어서 양의 안정화 펄스의 피크 및/또는 지속시간을 조정하여 액적 전달 위상(P1)에 앞서서 적절한 양의 에너지가 생성되도록 보장한다. 즉, 시스템 제어기(예를 들어, 195)가, 액적 전달에 앞서서 달성하고자 하는 희망 에너지 입력(X)(예를 들어, 주울)을 결정할 수 있고, 그리고 위상(P2) 중의 에너지 입력의 양이 X 미만이라면, 제어기(195)가 (위상(P1)과 위상(P2) 사이의) 양의 전류의 안정화 위상을 이용하여, 결정된 부가적인 에너지를 부가할 수 있다. 추가적인 예시적 실시예에서, 전달 위상(P1)에 앞서서, 액적(D)을 전달하는 것이 바람직하거나 필수적일 수 있고, 그에 따라 전술한 안정화 위상 내의 전류 펄스가 액적을 전달하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 구축 위상 중에, 액적(D)이 희망 또는 예측 보다 더 빠르게 구축될 수 있고, 그에 따라 구축 위상(P2)의 말기에 또는 그 부근에서, 액적이 전달되도록 준비되거나, 용탕과 접촉하려 한다. 이는, 전류, 전압, 전력 및/또는 용접 신호의 dv/dt를 모니터링하는 것에 의해서 제어기(195)에 의해서 검출될 수 있다. 만약 이러한 것이 검출된다면, 제어기가 펄스(3040), 또는 (안정화 위상 중의 전술한 펄스와 유사한) 작은 양의 펄스를 이용하여 - 펄스(3010)의 개시에 앞서서 - 액적(D)을 전달할 수 있다. 전달이 일단 완료되면, 제어기(195)는 전달 펄스(3010)를 건너뛰게 하며 이어서 다음 액적을 위한 구축 위상(P2)을 시작한다.
도 29 내의 파형(3000)이 3개의 구축 펄스(3030/3030'/3030") 및 2개의 안정화 펄스(3040/3040')로 도시되어 있지만, 다른 예시적인 실시예가 이러한 방식으로 제한되지 않는다는 것을 주목하여야 할 것이다. 즉, 일부 실시예에서, 더 많은 펄스(3030/3040), 또는 더 적은 펄스가 있을 수 있다. 사실상, 일부 예시적인 실시예에서, 단일 액적 구축 펄스(3030) 및 액적 안정화 펄스(3040) 만이 있을 수 있다. 물론, 적절한 전달을 보장하기 위한 희망하는 액적 크기 및 안정화를 달성하기 위해서는 다수의 펄스가 이용되어야 한다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 액적 전달 펄스(3010)가 2 내지 50 ms 범위의 사이클 지속시간을 갖는다. 일부 예시적인 실시예에서, 후속 액적 전달 펄스(3010)가 20 내지 300 Hz 범위의 주파수를 가지고, 액적 구축 및 안정화 펄스가 300 내지 1000 Hz 범위의 주파수를 갖는다. 물론, 다른 주파수를 이용하여 희망하는 성능을 달성할 수 있다. 그러나, 본 발명의 예시적인 실시예에서, (도 29에서와 같이) 구축 펄스 및 안정화 펄스의 복수의 조합이 있는 경우에, 이러한 펄스의 주파수가 전달 펄스(3010)의 주파수 보다 높을 것이다. 예시적인 실시예에서, 구축/안정화 펄스의 주파수가 전달 펄스(3010)의 주파수의 1.5 내지 3배의 범위일 것이다.
다른 실시예에 대해서 전술한 바와 같이, 파형(3000)이 전원(2130)에 의해서 생성되고, 그 출력이 전원(2130) 또는 제어기(195), 또는 양자 모두에 의해서 제어될 수 있다. 액적 구축 위상(P2)의 길이와 관련하여, 지속시간(TDF)이 제어기(195) 및/또는 전원(2130)에 의해서 제어된다. 예를 들어, 일부 예시적인 실시예에서, 타이머가 제어기(195) 또는 전원(2130) 내에서 이용되고, 지속시간(TDF)이 용접 동작 시작에 앞서서 결정된다. 동작 중에, 액적 구축 위상(P2)의 길이가 미리 결정된 지속시간(TDF)과 일치되도록 제어되고, 그에 따라 지속시간(TDF)의 완료시에, 후속 전달 펄스(3010)가 개시된다. 지속시간(TDF)이, 용접 동작과 관련된 사용자 입력 정보를 기초로, 알고리즘, 참조표 등을 통해서 결정될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에서, 액적 전달 부분(P1)으로의 전이가 바람직한 지점에서 액적 구축 위상(P2)이 종료되도록, 액적 구축 위상(P2) 내의 펄스의 주파수 및/또는 지속시간이 (예를 들어, 제어기(195)에 의해서) 결정된다. 예를 들어, 도 29에 도시된 바와 같이, 액적 구축 위상(P2)이 액적 구축 펄스(3031")의 말기에 종료된다. 추가적인 예시적 실시예에서, 지속시간(TDF)이, 결정된 펄스의 수(N)가 발생될 수 있게 하는 지속시간이 되도록, 액적 구축 위상(P2) 중에 펄스의 수를 계수하기 위해서, 제어기(195)(또는 전원(2130))가 계수기 유형의 회로를 이용한다. 달리 설명하면, 제어기(195)는, 액적 구축 위상(P2) 중에 이용되는 펄스의 수(N) 및 펄스의 주파수를 결정하고, 지속시간(TDF)이 그러한 결정된 펄스의 수(N)가 후속되는 액적 전달 위상(P1) 이전에 구현될 수 있게 허용하도록 시스템의 동작을 제어한다. 다른 예시적인 실시예에서, 제어기(195)가 용접 동작 내로의 출력 에너지를 기초로 구축 위상(P2)의 지속시간(TDF)을 제어할 수 있다. 즉, 제어기(195)가 구축 위상(P2) 중에 프로세스로 입력하고자 하는 희망하는 에너지의 양을 결정할 수 있고, 미리 결정된 양의 에너지가 위상(P2) 중에 펄스들로 출력되게 보장하도록 파형 출력을 제어하며, 이어서 주어진 위상(P2) 중에 미리 결정된 양의 에너지(예를 들어, 주울)에 도달되었을 때 후속 전달 펄스(3010)를 트리거링한다(trigger). 다른 예시적인 실시예에서, 다른 제어 방법론을 이용하여, 희망하는 액적 크기 및 안정성이 전달 이전에 달성되도록 보장할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 구축 위상의 지속시간(TDF)이 전달 위상(P1)의 지속시간 보다 1.5 내지 5배 더 긴 범위에 있다.
앞서서 인지된 바와 같이, 일부 용접 동작 동안, 단락 회로 조건이 액적 구축 위상(P2) 중에 존재할 수 있고, 이는 (구축 위상(P2) 중의) 너무 이른 액적의 전달을 초래할 수 있을 것이다. 그러한 상황에서, 본 발명의 실시예는 단락 조건의 파괴를 위해서 단락 제거 기능을 개시할 것이고, 적절한 액적이 전달 전에 형성되도록 보장하기 위해서 액적 구축 위상(P2)을 재시작할 것이다.
도 30은, 코팅된 재료를 용접하기 위해서 본 발명의 실시예와 함께 이용될 수 있는 다른 예시적인 파형/용접 프로세스를 도시한다. 도 29에 도시된 파형과 같이, 도 30의 실시예가 본원에서 설명된 바와 같은 부가적인 핫-와이어 소모품과 함께 또는 없이 이용될 수 있고, 본원에서 추가적으로 설명되는 바와 같이, 희망하는 기공 및 비산 성능을 제공할 수 있다. 도 29와 유사하게, 도 30에 도시된 파형이 예시적인 것으로 의도된 것이다. 이하의 설명에서, 전압 파형(3200) 및 전류 파형(3100)이 일반적으로 함께 설명될 것임을 주목하여야 할 것인데, 이는 액적 구축 위상 및 액적 전달 위상이 설명되고 필요한 경우에만 분리되어 설명될 것이기 때문이다. 용이한 상호연관을 위해서, 서로에 대해서 상응하는 각각의 파형(3100/3200)의 부분이 유사한 번호(예를 들어, 3101 및 3201 등)를 가질 것이다.
도 30은, 소모품(2110)으로부터의 액적(D)의 전달의 위상을 도시할 뿐만 아니라, 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 전류 파형(3100) 및 전압 파형(3200) 모두를 도시한다. 도 29의 파형(3000)과 같이, 도 30의 파형이 또한 AC 파형이다. 파형(3000)과 같이, 파형(3100)은 용접 동작 중에 공작물의 (아연과 같은) 임의 코팅의 상호 작용을 제어하는데 도움을 준다. 도시된 바와 같이, 파형(3100)이 음의 낮은 전류 레벨(3101/3201)을 시작한다. 이러한 전류 레벨이 15 내지 100 amp의 범위일 수 있고 동작을 위해서 이용되는 와이어 공급 속력을 기초로 할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 온도를 공작물 코팅 - 예를 들어 아연 - 의 증기화 온도 미만의 온도로 유지하도록, 전류 레벨이 선택된다. 전류가 음의 극성 상태이기 때문에, 이러한 것에 도움이 된다. 구체적으로, 공작물 대신에 전극(2110) 상에서 음극 스폿을 가지는 것에 의해서, 양극 스폿이 (공작물 상에서) 정지적이고, 코팅이 증발되지 않도록 온도가 충분히 낮게 유지될 수 있다. 지점(A)에서, 제어된 증감 위상(ramp up)(3103/3203) 중에 전류가 증가되어 전극(2110)의 선단부가 보다 신속하게 용융되게 하고 액적(D)을 생성하게 한다. 그러나, 전류가 제어된 속도로 증가되어, 아크의 음극 스폿이 제어된 방식으로 전극(2110) 위로 오르도록(climb) 보장한다. 만약 증감율이 너무 크다면, 음극 스폿이 불안정해지기 시작할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제어된 증감 위상(3103) 중의 전류 증감율이 25 내지 100 amp/ms의 범위이다. 이러한 위상 중에, 음극 스폿이 제어된 방식으로 이동되고, 그에 따라 아크의 전류 밀도가 제어되어 유지된다. 예시적인 실시예에서, 증감율이, 와이어 공급 속력 및 (전극 재료, 직경 등을 조합하여 또는 분리적으로 포함할 수 있는) 전극 유형과 같은, 사용자 입력 정보 등을 기초로 전원의 제어기에 의해서 결정될 수 있다.
(지점(B)에서) 아크가 액적(D)을 일단 둘러싸면, 전류가 음의 피크 전류 레벨(3105/3205)까지 보다 신속하게 상승될 수 있다. 제어된 증감율 부분(3103)으로부터 (지점(B)에 위치되는) 높은 전류 증감율로의 전이가 상이한 방식들로 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전원이 미리 결정된 기간 동안 제어된 증감율을 유지할 수 있고, 그러한 미리 결정된 기간은, WFS, 전극 정보 등과 같은 사용자 입력 데이터를 기초로 제어되는 것에 의해서 설정될 수 있을 것이다. 그에 따라, 지속시간의 만료시에, 전류 증감율이 위상(3103) 중의 증감율로부터 (전원의 가능한 가장 빠른 증감율이 될 수 있는) 더 높은 증감율로 변화된다. 다른 예시적인 실시예에서, 전원이 미리 결정된 전압 레벨을 이용할 수 있고, 그에 따라, 이러한 전압 레벨에 도달될 때, 전원이 위상(3103) 중의 증감율로부터 더 높은 증감율로 변화된다. 다시, 이러한 미리 결정된 전압 문턱값이, WFS, 전극 유형 등과 같은 사용자 입력 데이터를 기초로 전원에 의해서 결정된다. 예시적인 실시예에서, 전극(2110) 상의 형성된 액적(D)을 아크가 완전히 둘러싸는 것으로 - 즉, 아크의 적어도 일부가 액적(D) 위의 전극(2110)과 접촉하는 것으로 - 이해되는 전압 레벨이 되도록, 전압 문턱값이 결정된다. 피크 전류 레벨(3105)이, 희망 액적 크기를 제공하는 전류 레벨이고, 그리고 예시적인 실시예에서, 150 내지 400 amp의 범위일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 피크 전류 레벨(3105)이, 와이어 공급 속력 및 전극 유형 등과 같은 사용자 입력 정보를 기초로 전원의 제어기에 의해서 결정될 수 있다.
파형(3100)의 처음의 3개의 위상 중에, 전류가 음으로 유지되고, 그에 따라 (공작물 상의) 양극 스폿이 비교적 안정적이 되고 공작물 상의 용탕 내로 초점 맞춰진다는 것을 주목하여야 할 것이다. 이로 인해서, 아크는, 용탕 외부에 있는, 예를 들어 열 영향 영역 내에 있는 어떠한 새로운 코팅(예를 들어, 아연)도 증발시키는 경향을 가지지 않는다. 그에 따라, 새롭게 증발되는 코팅이 생성되지 않아서(또는 제한된 양으로 생성되어서), 그러한 증발된 재료가 용탕 내로 흡수되는 것을 최소화한다.
음의 피크 전류 위상(3105) 중에, 아크의 음극 스폿이 액적(D) 위로 계속적으로 오른다. 그러나, 음극 스폿이 액적(D) 위로 너무 오른다면, 아크가 불안정해지기 시작할 수 있다. 이러한 것이 발생되는 것을 방지하기 위해서, 제1의 양의 전류 레벨(3107)에 도달할 때까지, 지점(C)에서 전류가 음으로부터 양으로 신속하게 변화된다. 증감 부분(3103)의 지속시간과 유사하게, 음의 피크 부분(3105)의 지속시간이, 사용자 입력 정보를 기초로 설정되는, 미리 결정된 시간의 지속시간, 또는 미리 결정된 전압 문턱값에 의해서 결정될 수 있다. 어떠한 경우에도, 음극 스폿이 전극(2110) 상의 액적(D) 보다 상당히 더 높게 오르지 않도록, 피크(3015)의 지속시간이 선택되어야 한다. 만약 스폿이 너무 높아진다면, 아크가 불안정하게 되기 시작할 것이고 용탕 연부 부근의 임의 코팅이 증발되기 시작할 것이다. 충분한 양의 전류 레벨(3107)로 전환하는 것에 의해서, 아크의 전류 밀도가 용탕 내에서 초점화되어 유지된다. 즉, 양의 전류에서, 전류 밀도가 이제 전극(2110)을 통과하고 그리고 전극(2110)이 가늘어지기 시작하도록 유도하며, 그에 따라 아크 핀치 힘(arc pinch force)을 최대화한다. (이제 공작물로 이동된) 음극 스폿이 용탕 내에서 유지되도록 보장하기 위해서, 음의 피크(3105)로부터 제1의 양의 전류 레벨로의 전이가 신속하게 발생되어야 한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 제1의 양의 전류 레벨(3107)이 50 내지 200 amp범위의 전류 레벨이고, 일부 실시예에서 75 내지 150 amp의 범위이다. 제1 전류 레벨이, WFS 및 (재료 및/또는 직경 등을 포함하는) 전극 유형과 같은, 용접 프로세스와 관련된 사용자 입력 정보를 기초로 전원 제어기에 의해서 미리 결정될 수 있다.
일단 전류가 제1의 양의 전류 레벨(3107)에 도달하면, 전류가 양의 전류 증감 위상(3109)으로 진입하고, 그러한 위상에서 전류가 양의 피크 전류 레벨(3111)로 증감된다. 다시, 음의 증감 위상(3103)과 같이, 양의 램프 위상이 또한 예시적인 실시예에서 제어되어, 제어된 아크의 증가 및 제어된 전극(2110)의 용융을 제공한다. 본원에서 설명된 다른 예시적인 실시예에서와 같이, 전극(2110)이 중실형(solid) 또는 코어형 전극 유형일 수 있다. (중실형이든지 또는 플럭스 코어형이든지 간에) 코어형 전극 유형을 이용할 때, (양 섹션(3103 및 3109) 내의) 제어된 전류 증감율은, 용접 품질을 손상시킬 수 있는 코어 내의 요소 과열을 방지하는데 도움이 된다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 양의 제어된 부분(3109)의 증감율이 음의 부분(3103)의 증감율 보다 더 빠르고, 300 내지 600 amp/ms의 범위일 수 있다. 추가적인 예시적인 실시예에서, 증감율이 400 내지 500 amp/ms의 범위이다. WFS 및 전극을 포함하는 용접 동작과 관련된 입력 데이터를 기초로, 증감율이 선택될 수 있다. 전류가 피크 레벨(3111)에 도달할 때, 그 증가가 중단된다. 피크 레벨(3111)은, 액적(D)이 용탕으로의 전달을 위한 충분한 크기에 도달하도록, 그리고 액적 분리를 허용하는 충분한 핀치 힘을 생성하도록 보장하는 전류 레벨이다. 예시적인 실시예에서, 피크 전류 레벨(3111)이, 피크 레벨(3105) 보다 높은 피크 레벨을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 피크 전류 레벨(3111)이 300 내지 600 amp의 범위이고, WFS, 전극 정보 등과 같은 사용자 입력 용접 데이터를 기초로 선택된다. 이러한 파형의 위상 중에, 전극(2110)이 상당히 가늘어지고, 액적(D)의 파형이 전극(2110)으로부터 분리되기 시작한다. 피크 전류(3111)가, 도 30에 도시된 바와 같이, 지점(D)까지 지속시간 동안 피크 레벨에서 유지된다. 예시적인 실시예에서, 액적(D)의 전달이 발생될 수 있을 정도로 액적 테더(tether)(또는 넥(neck))이 충분히 작아질 때까지, 피크 전류(3111)의 지속시간이 유지된다. 이러한 지속시간이 (사용자 입력 정보를 기초로) 미리 결정된 시간의 지속시간을 이용하여 또는 아크의 dv/dt를 모니터링하는 것에 의해서 결정될 수 있고, 전압 변화율이 미리 결정된 문턱값에 도달할 때, 액적이 충분히 형성되었다는 것 그리고 전류가 피크로부터 강하되기 시작할 수 있다는 것이 결정된다. 실시예의 각각에서, 시간의 지속시간 또는 전압 변화율(dv/dt)이, WFS, 전극 등을 포함하는, 사용자 입력 정보를 기초로 전원 제어기에 의해서 설정될 수 있다. 도시된 바와 같이, (지속시간 또는 dv/dt이든지 간에) 미리 결정된 문턱값에 일단 도달하면, 지점(D)에서, 전류가 극성 전환 전류 레벨(3113)에 도달할 때까지, 제어된 강하 위상(3112)으로 전류가 진입한다. 각각의 실시예에서, 액적(D)의 전달이 일어나기 쉽도록, 미리 결정된 지속시간 또는 미리 결정된 dv/dt 레벨이 문턱값으로 설정된다는 것을 주목하여야 할 것이다. 예시적인 실시예에서, 전극(2110)에 대한 액적(D)의 테더(T)가 전극(2110)의 직경의 75% 이하가 되도록, 이러한 문턱값이 설정된다. 다른 예시적인 실시예에서, 액적의 테더(T)가 전극(2110)의 직경의 50% 이하이다.
전류의 강하(3112) 중에, 아크가 안정적으로 유지되도록 그리고 용탕 상의 음극 스폿이 용탕에 대해서 상당히 이동되지 않도록, 강하율이 제어된다. 일부 예시적인 실시예에서, 이러한 강하율은 위상(3109)의 상승율과 동일하다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 강하율이 더 느리거나 더 빠를 수 있다. 강하율이, WFS, 전극 유형 등을 포함하는 사용자 입력 데이터를 기초로 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 강하율이 300 내지 1000 amp/ms의 범위이다. 다른 예시적인 실시예에서, 강하율이 400 내지 750 amp/ms의 범위이다.
도시된 바와 같이, 전류가, 100 내지 200 amp범위일 수 있고, 다른 실시예에서 75 내지 150 amp의 범위일 수 있는 극성 전환 전류 레벨(3113)까지 강하된다. 일부 예시적인 실시예에서, 극성 전환 전류 레벨(3113)이 지점(3107)과 동일한 전류 레벨인 한편, 다른 실시예에서 상이할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전류 레벨(3113)이, WFS, 전극 유형 등과 같은, 프로세스와 관련된 사용자 입력을 기초로 하는 미리 결정된 전류 레벨 설정점이다. 이러한 전류 레벨에 일단 도달하면, 전류가 음의 극성 말단부 레벨(negative polarity tail out level) (3115)로 가능한 한 신속하게 전환된다. 이러한 전환은 신속하게 이루어지는데, 이는, 전류 레벨이 너무 오랫 동안 너무 낮게 머무르는 경우에, 용탕 상의 음극 스폿이 이동되기 시작할 것이고 용탕의 연부에 접근될 수 있기 때문이다. 이는 부가적인 코팅이 증발되게 할 것이고, 이는 바람직하지 않다. 음의 극성으로의 신속한 전환에 의해서, 액적(D)이 전극(2110)으로부터의 분리 지점에 근접할 때, 음극 스폿이 전극(2110)으로 다시 이동된다. 그러나, 이때, 전류가 여전히, 액적(D) 주위가 아니라, 액적(D)을 통해서 흐른다. 이는 액적(D)의 안정적인 전달을 허용한다. 예시적인 실시예에서, 음의 극성 말단부 레벨(3115)이, (배경 레벨로 또한 지칭될 수 있는) 음의 낮은 전류 레벨(3101) 보다 (그 크기가) 큰 전류를 갖는다. 이어서, 비산 이벤트가 없는 액적(D) 전달을 돕기 위해서 전류가 강하된다. 도 30에 도시된 실시예에서, 액적(D)이 단락 회로 전달을 통해서 전달되고, 여기에서 액적(D)은, 전극(2110)에 여전히 연결되어 있으면서, 용탕과 접촉된다. 이러한 전달 방법은 매우 신속한 전달 방법을 제공할 수 있다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 단락(물리적 연결)이 생성되지 않는 "자유 비행(free flight)" 전달을 통해서 액적(D)이 전달될 수 있다. 단락 회로 전달 방법론의 이용이 가장 짧은 아크 길이를 이용하고, 지점(3117)에서, 전류가 감소되거나 차단되어, 액적이 분리될 때 비산 이벤트가 발생되는 것을 방지할 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 단락 회로 전달 방법을 이용하는 본 발명의 예시적인 실시예에서, 용탕의 표면 장력은, 전극(2110)으로부터 액적(D)을 당기기에 충분하여야 한다. 그러한 실시예에서, 전류가 낮은 레벨 또는 배경 레벨(3101)까지 감소되기만 하면 되고 차단될 필요는 없다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 액적(D)이 전극(2110)으로부터 충분히 분리되도록 보장하기 위해서, 단락 제거 루틴이 이용될 수 있다. 그러한 단락 제거 루틴이 공지되어 있고, 본원에서 구체적으로 설명될 필요가 없을 것이다. 일부 예시적인 실시예에서, (시간(3119) 중에) 전극(2110)이 단락된 상태에 있는 지속시간이 측정될 수 있다. 만약 단락의 지속시간이 미리 결정된 지속시간을 초과하는 경우에, 표면 장력이 액적을 당겨 분리하기에 충분하지 않다는 것이 결정되고 그리고 단락 제거 루틴이 개시되나(예를 들어, 전류가 액적을 핀치 오프시키도록 제어)되나, 단락이 미리 결정된 지속시간 내에 제거된다면, 단락 제거 기능이 필요치 않게 된다. 예시적인 실시예에서, 단락 지속시간 문턱값이 0.5 내지 1 ms의 범위로 설정된다. 단락 지속시간 문턱값이, WFS, 전극 유형 등과 같은 사용자 입력 데이터를 기초로 설정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 단락 제거 루틴이 필요하지 않다면(액적 전달이 용이하게 발생된다면), 전류가 지점(3121)에서 배경 레벨(3101)로 복귀될 수 있다. 필요한 경우에, 단락 제거 또는 핀치 루틴이 지점(3121)에서 개시되어 적절한 액적 전달을 보장할 수 있다. 도 30의 전압 및 전류 파형이 단일 액적 전달만을 도시한다는 것을 주목하여야 할 것이다.
전술된 예시적인 실시예의 이용을 통해서, 그와 유사한 이동 속력이, 순수하게 DC + 파형이나, 통상적인 프로세스 보다 상당히 더 낮은 와이어 공급 속력을 갖는다. 이러한 성능 개선이, 전술한 바와 같이, 감소된 비산 및 접합부 기공과 함께 달성된다. 본 발명의 실시예는 제어된 방식으로 임의 코팅(예를 들어, 아연)이 연소될 수 있게 하고 연소된 아연이 용탕 내로 흡수되는 것을 최소화한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예가, 380 내지 630 인치/분의 범위의 와이어 공급 속력을 이용하면서, 40 내지 60 인치/분의 범위의 이동 속력을 달성할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 예시적인 실시예가 중실형 및 코어형 와이어(금속 또는 플럭스) 모두와 함께 이용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는, 낮은 기공 및 비산을 가지나, 용인 가능한 열 입력과 함께 빠른 속력으로 달성될 수 있는 용접부가, 코팅된 재료(예를 들어, 아연 도금된 스틸) 상에서 생성될 수 있게 한다. 즉, 공지된 시스템 보다 크게 개선된 성능을 달성하기 위해서, 도 20에 도시된 것과 유사한 예시적인 시스템이 전술된 예시적인 파형 중 임의의 파형과 함께 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는, 10 내지 150 인치/분의 범위의 속력으로 용접하면서, 전술한 기공 및 비산을 달성할 수 있다. 추가적인 예시적 실시예에서, 용접 속력이 30 내지 80 ipm의 범위이다.
또한, 본 발명의 일부 예시적인 실시예에서, 핫 와이어 소모품(140) 및 핫 와이어 전원(170)이 없이, 도 20의 시스템이 이용될 수 있다. 즉, 도 29 및 도 30에서 도시된 파형의 예시적인 실시예가 일반적으로 통상적인 용접 시스템과 함께 이용될 수 있고 통상적인 시스템 보다 개선된, 코팅된 재료의 용접 성능을 제공한다. 이는, 본 발명의 실시예로 인해서, 용탕 응고에 앞서서 임의의 증발된 코팅(예를 들어, 아연)이 빠져나갈 수 있게 하기 때문이다.
본 발명의 추가적인 예시적 실시예에서, 용접 용탕의 용융 온도 특성을 변화시켜 임의의 증발된 코팅 재료의 탈출을 추가적으로 허용하도록, 와이어(140) 및 전극(2110) 중 적어도 하나가 향상된다. 구체적으로, 소모품(140/2110) 중 어느 하나, 또는 양자 모두가, Al, C 및 Si 중 적어도 하나, 또는 그 임의 조합의 부가적인 양으로 향상된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 핫-와이어(140)만이 향상된 소모품인 한편, 다른 실시예에서, 아크 전극(2110) 만이 향상되고, 또 다른 실시예에서, 양자 모두가 향상될 수 있다. Al, C 및/또는 Si로 소모품 중 적어도 하나의 화학적 조성을 향상시키는 것에 의해서, 용접 용탕의 용융점이 낮아지고 용탕의 용융 범위가 넓어진다. 그에 따라, 향상된 소모품의 예시적인 실시예의 이용은, 용접 용탕이 공작물(115) 상에서 응고되는데 필요한 시간을 연장시킬 것이다. 응고 시간을 연장시키는 것에 의해서, 본 발명의 실시예는 임의의 증발된 코팅이 용접 용탕으로부터 빠져 나가기 위한 추가적인 시간을 제공한다. 사실상, 본원에서 설명된 향상된 소모품의 예시적인 실시예가 본원에서 설명된 예시적인 시스템과 함께 이용될 수 있다. 예를 들어, 향상된 소모품이 도 1, 도 14, 도 17 및 도 20에서 설명된 것과 유사한 임의의 예시적인 실시예, 및 본원에서 고려된 임의의 다른 실시예와 함께 이용될 수 있고, 또는 용접 용탕의 응고를 지연시키고자 하는 경우에 이용될 수 있다. 예를 들어, 1400 내지 1480℃ 범위의 온도에서 용접 용탕이 95% 응고에 도달하도록, 본 발명의 예시적인 실시예가 용접 용탕의 용융 온도를 낮출 수 있고, 여기에서 용접 용탕은, 코팅된 연강인 공작물 내에서 만들어진다. 실시예에서, 코팅이 아연일 수 있다. 이는, 1520 내지 1550℃ 범위의 온도에서 용탕이 95% 응고에 도달할 수 있게 하는 통상적인 소모품 보다 상당히 낮다. 그에 따라, 본 발명의 실시예는 임의의 증발된 코팅 재료가 빠져나갈 수 있게 하는 보다 많은 시간을 허용한다 - 기공을 감소시킨다.
향상된 소모품(140/2110)이, 물리적으로, 공지된 소모품과 유사하게 구성될 수 있다. 즉, 그러한 소모품이 중실형 또는 코어형(플럭스 또는 금속) 구성을 가질 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 부가되는 Al, C 및/또는 Si가 소모품의 조성에 일체로 부가된다. 즉, 부가되는 Al, C 및/또는 Si가 중실형 와이어 구성, 금속 외피 조성물 또는 임의의 플럭스 또는 금속 코어에 일체화될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 부가적인 Al, C 및/또는 Si가 소모품 상의 외부 층으로서 소모품에 부가될 수 있다. 즉, 외부 코팅 또는 층이, Al, C 및 Si 중 임의의 하나, 또는 조합을 포함하는 소모품(140/2110)에 도포될 수 있고, 이는, 용탕 내에서 이러한 부가된 재료를 침착시켜 용탕을 위한 희망 용융 성질을 달성할 것이다. 예를 들어, 부가된 양의 탄소(C)를 제공하기 위해서, 그라파이트의 코팅이 기상 증착 프로세스(또는 유사한 것)를 통해서 소모품에 도포될 수 있다. 이러한 탄소는 용탕에 영향을 미쳐, 전술한 바와 같이, 용탕 용융 온도를 낮출 수 있고 용융 범위를 넓힐 수 있다. 또한, Al 및 Si 모두가 기상 증착 프로세스(또는 유사한 것)를 통해서 부가되어 소모품 상의 코팅을 제공할 수 있다. 그러나, 코팅된 소모품이 이용되는 경우에, 부가된 재료가 용탕 내로 충분히 침착되도록 보장하기 위해서, 소모품을 핫-와이어 소모품(예를 들어, 140 - 도 20)으로서 이용하는 것이 바람직할 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 만약 향상된 소모품이 코팅된다면, 그리고 아크 전극(2110)으로서 이용된다면, 코팅이 용탕으로 진입하기에 앞서서, 아크가 코팅을 증발시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 예시적인 향상된 소모품이, 용탕의 용융 특성을 개선하기 위해서, Si, Al 및 C 중 적어도 하나, 또는 그 조합을 갖는다. 구체적으로, 예시적인 실시예가 소모품의 0 내지 5 중량% 범위의 알루미늄(Al) 함량, 소모품의 0 내지 0.5 중량% 범위의 탄소(C) 함량, 및/또는 소모품의 0 내지 2 중량% 범위의 규소(Si) 함량을 가질 수 있다. 추가적인 예시적 실시예에서, 소모품이, 소모품의 1 내지 5 중량% 범위의 알루미늄(Al) 함량, 소모품의 0.001 내지 0.5 중량% 범위의 탄소(C) 함량, 및/또는 소모품의 0.1 내지 2 중량% 범위의 규소(Si) 함량을 가질 수 있다. 많은 예시적인 실시예가, 용탕의 희망 용융 프로파일을 달성하기 위해서, 희망하는 양들로 조합된, 전술한 원소 중 적어도 2개를 가질 수 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 물론, 희망하는 용접 조성 및 성질을 제공하도록, 이러한 소모품이 다른 원소를 가질 수 있을 것이다. 그러한 원소 및 조성이 일반적으로 공지되어 있고, 구체적으로 설명할 필요는 없을 것이다. 즉, 본원에서 설명된 소모품의 향상이, 아연 도금된 스틸 제품과 같은 코팅된 스틸들을 접합하기 위해서 이용되는 많은 상이한 유형들의 소모품들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 그러한 소모품의 하나의 예가 소모품의 0.05 내지 0.4 중량% 범위의 C, 소모품의 0.6 내지 2.1 중량% 범위의 Si, 소모품의 0.35 내지 1.5 중량% 범위의 세륨(Ce)을 가질 수 있고, 여기에서 C, Si 및 Ce의 조합은 소모품의 1.0 내지 4 중량%의 범위이다. 세륨은, 규소 및 탄소가 철을 가지는 용액 내에서 체류될 수 있게 간접적으로 허용하고 그에 따라 용탕의 용융점을 낮추는 탈산제이다. 다른 예 및 조합이 본원에서 고려되며, 전술한 예는 예시적인 것으로 의도된 것이다. 예를 들어, 특별한 코팅된 금속을 위한 소모품(CONSUMABLE FOR SPECIALTY COATED METALS)이라는 명칭의, 계류중인 미국 출원 제13/798,398호에서 설명된 것과 유사하게 구성된 예시적인 소모품이 본 발명의 실시예와 함께 이용되어 희망하는 용탕 용융 프로파일을 달성할 수 있다. 이러한 출원은 그 전체가, 그리고 특히 코팅된 재료를 접합하기 위해서 이용될 수 있는 소모품에 대해서 본원에서 참조로 포함된다.
전술한 바와 같이, 본원에서 설명된 예시적인 향상된 소모품은, 개선된 용접 용탕 용융 프로파일을 전달하여 코팅된 재료의 용접 성능의 개선을 가능하게 하는 용접 용탕 조성을 제공한다. 이하의 설명은, 본원에서 고려된 예시적인 향상된 소모품에 의해서 생성된, 희석되지 않은 용접 금속 조성의 특성에 관한 것이다.
용탕의 용융 온도를 감소시키기 위해서 (소모품 내에서) C 및 Si의 조합을 이용하는 향상된 소모품의 제1의 예시적인 실시예에서, 소모품이 (희석되지 않은 용접 침착물로 또한 지칭될 수 있는) 희석되지 않은 용접 금속을 제공하며, 그러한 희석되지 않은 용접 금속은 희석되지 않은 용접 금속의 0.05 내지 0.3 중량% 범위의 C, 및 희석되지 않은 용접 금속의 0.6 내지 2.0 중량% 범위의 Si를 가지며, 여기에서 Al은 소모품 또는 침착물로 의도적으로 부가되지 않는다(그에 따라, Al이 존재하는 경우에, 이는 단지 미량으로 존재할 것이다). 그에 따라, C 및 Si의 각각에 대해서 전술한 범위를 제공하도록, 소모품 조성(즉, C 및 Si의 양)이 선택된다. 물론, 희석되지 않은 용접 금속이, 일반적으로 공지된 그리고 본원에서 설명할 필요가 없는 다른 원소 및 화합물을 가질 것이다. 이러한 범위에서, 희석되지 않은 용접 금속이, 용접 강도 및 희망하는 용접 성질을 희생시키지 않으면서, 개선된 용융 특성을 가질 것이다. 추가적인 예시적 실시예에서, C가 희석되지 않은 용접 금속의 0.1 내지 0.3 중량%의 범위이고, Si는 1.0 내지 2.0 중량%의 범위이다. 그러한 예시적인 실시예가 또한 세륨(Ce)을 포함할 수 있을 것이다. 전술한 바와 같이, Ce는, 규소 및 탄소가 용액 내에서 체류할 수 있게 간접적으로 허용하고 그에 따라 용접 용탕의 용융 온도를 낮추는데 도움이 되는 탈산제이다. 그러한 실시예에서, Ce은 희석되지 않은 용접 금속의 0.35 내지 1.5 중량%의 범위이다.
용탕의 용융 온도를 낮추기 위해서 (소모품 내에서) Al 및 Si의 조합을 이용하는 추가적인 예시적 실시예에서, 소모품은, 희석되지 않은 용접 금속의 2 내지 5 중량% 범위의 Al, 및 희석되지 않은 용접 금속의 1.0 내지 2.0 중량% 범위의 Si를 가지는 희석되지 않은 용접 금속을 제공한다. 이러한 실시예에서, 소모품으로부터 희석되지 않은 용접 금속으로 C가 부가되지 않도록 또는 거의 부가되지 않도록, 소모품이 구성될 수 있다. 즉, 그러한 실시예에서, 희석되지 않은 용접 금속 내의 C가 희석되지 않은 용접 금속의 0 내지 0.06 중량%의 범위일 수 있는 한편 다른 실시예에서, C가 0 내지 0.03 중량%의 범위이다. 다시, C가 소모품에 의해서 부가되지 않는 실시예에서, C가 미량으로 존재할 수 있다. 다시, Al 및 Si의 각각에 대해서 전술한 범위를 제공하도록, 소모품 조성(즉, Al 및 Si의 양)이 선택된다. 물론, 희석되지 않은 용접 금속이, 일반적으로 공지된 그리고 본원에서 설명할 필요가 없는 다른 원소 및 화합물을 가질 것이다. 이러한 범위에서, 희석되지 않은 용접 금속이, 용접 강도 및 희망하는 용접 성질을 희생시키지 않으면서, 개선된 용융 특성을 가질 것이다. 추가적인 예시적 실시예에서, Al이 희석되지 않은 용접 금속의 3 내지 5 중량%의 범위이고, Si는 1.5 내지 2.0 중량%의 범위이다.
용탕의 용융 온도를 낮추기 위해서 (소모품 내에서) Al 및 C의 조합을 이용하는 부가적인 예시적 실시예에서, 소모품은, 희석되지 않은 용접 금속의 1 내지 5 중량% 범위의 Al, 및 희석되지 않은 용접 금속의 0.1 내지 0.3 중량% 범위의 C를 가지는 희석되지 않은 용접 금속을 제공한다. 이러한 실시예에서, 소모품으로부터 희석되지 않은 용접 금속으로 Si가 부가되지 않도록 또는 거의 부가되지 않도록, 소모품이 구성될 수 있다. 즉, 그러한 실시예에서, 희석되지 않은 용접 금속 내의 Si가 희석되지 않은 용접 금속의 0.01 내지 0.25 중량%의 범위일 수 있다. 그에 따라, 일부 Si가 소모품 내에 존재/부가될 수 있다. 다시, Si가 소모품에 의해서 부가되지 않는 실시예에서, Si가 미량으로 존재할 수 있다. 다시, Al 및 C의 각각에 대해서 전술한 범위를 제공하도록, 소모품 조성(즉, Al 및 C의 양)이 선택된다. 물론, 희석되지 않은 용접 금속이, 일반적으로 공지된 그리고 본원에서 설명할 필요가 없는 다른 원소 및 화합물을 가질 것이다. 이러한 범위에서, 희석되지 않은 용접 금속이, 용접 강도 및 희망하는 용접 성질을 희생시키지 않으면서, 개선된 용융 특성을 가질 것이다. 추가적인 예시적 실시예에서, Al이 희석되지 않은 용접 금속의 1.5 내지 4 중량%의 범위이고, C는 0.2 내지 0.3 중량%의 범위이다.
전술한 바와 같이, 본원에서 설명된 시스템 및/또는 소모품의 실시예가 코팅된 공작물 상으로, 예를 들어 아연 도금된 공작물 상으로 개선된 비산 및 기공 성능을 제공할 수 있다. 이러한 개선된 성능이, 공작물의 용접 표면 상에서 적어도 20 미크론 두께의 아연 도금된 코팅을 가지는 공작물 상에서 얻어질 수 있다. 물론, 본 발명의 실시예가, 20 미크론 보다 훨씬 더 두꺼운 코팅을 가지는 공작물에서 이용될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예가, 코팅된 재료를 용접할 때, 공지된 용접 시스템, 방법 및 소모품 보다 개선된 기공 수치(porosity metric)를 가지는 희석되지 않은 용접 침착물을 제공할 수 있다. 예를 들어, (전술한) 예시적인 소모품이, 단독적으로 또는 본원에서 설명된 시스템 및 방법과 결합되어, 본원에서 전술한 기공 및 비산 성능을 달성할 수 있다. 부가적으로, 예시적인 시스템이 50 인치/분의 이동 속력을 가지고 소모품 침착율이 4 내지 6.5 lb/시간의 범위일 때, 0.5 내지 3의 범위의 기공 수치가 달성될 수 있다. 동일한 예시적인 소모품이, 40 인치/분의 이동 속력 및 4 내지 6.5 lb/시간의 침착율에서, 0 내지 1의 범위의 기공 수치를 제공할 수 있다. 본원에서 이용된 바와 같이, 기공 수치는, 단위 길이(인치)에 걸쳐 0.5 mm 보다 큰 유효 직경을 가지는, 희석되지 않은 용접 금속 내에 존재하는 기공의 수이다. 즉, 2의 기공 수치는, 희석되지 않은 용접 금속을 따라서, 평균적으로 인치당 - 0.5 mm 보다 큰 유효 직경을 가지는 - 2개의 기공이 존재한다는 것을 의미한다. 이는, 통상적인 시스템, 방법 및/또는 소모품에 의해서 얻어질 수 없는 기공 수치이다. 본원에서 설명된 추가적인 예시적 소모품이, 4 내지 8 kJ/인치 범위의 열 입력에서 이동 속력이 50 인치/분일 때, 0.5 내지 3의 기공 수치를 제공할 수 있고, 4 내지 8 kJ/인치 범위의 열 입력에서 이동 속력이 40 인치/분일 때, 0 내지 1의 기공 수치를 제공할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예는, 낮은 열 입력 레벨 및 고속 용접에서, 용접 무결성 또는 성질을 손상시키지 않고, 코팅된 공작물 상으로 상당히 개선된 기공 성능을 제공할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예는, 기공 또는 비산이 없이 또는 거의 없이, 넓은 범위의 열 입력에 걸쳐서 빠른 이동 속력의 코팅된 재료의 용접을 허용하는 용접 시스템, 방법 및 소모품을 제공한다. 공지된 시스템에서, 적은 기공을 달성하기 위해서, 프로세스는, (용탕 냉각을 늦추기 위한) 큰 열 입력으로 서서히 진행되어야 하며, 이는 과다 열 입력을 초래하였다. 이러한 과다 열 입력이 공작물(특히 얇은 공작물)을 손상시킬 수 있고, (용접부에 근접한) 코팅의 과다량을 증발시킬 수 있으며, 이는 부식을 촉진한다. 이러한 문제는 본 발명의 실시예로 방지된다.
본원에서 설명된 소모품이 통상적인 용접 적용예(예를 들어, GMAW)와 함께 이용될 수 있고 크게 개선된 성능을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 본원에서 설명된 예시적인 시스템 및 방법과 함께, 코팅된 재료를 용접하기 위한 통상적인 방법에 대한 부가적인 성능 개선을 제공한다.
특정 실시예를 참조하여 본 방법을 설명하였지만, 당업자는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 여러 가지 변화가 이루어질 수 있다는 것 그리고 균등물로 치환될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 특별한 상황이나 재료를 본 발명의 교시 내용에 맞춰 구성하기 위한 많은 수정이 이루어질 수 있을 것이다. 그에 따라, 본 발명이, 개시된 특별한 실시예로 제한되지 않고, 본 발명이 본원에서 설명된 범위 내에 포함되는 모든 실시예를 포함할 것이다.
100 시스템
110 레이저 빔
110A 레이저 빔
115 공작물
120 레이저 장치
120A 레이저 장치
121 빔 분리기
125 방향
130 레이저 전원
140 필러 와이어
150 필러 와이어 공급기
160 접촉 관
160' 구성요소
170 핫 와이어 전원
180 이동 제어기
190 로봇
195 제어기
200 시동 방법
210 단계
220 단계
230 단계
240 단계
250 단계
260 단계
300 시동 후 방법
310 단계
320 단계
330 단계
340 단계
350 단계
410 전류 파형
411 지점
412 지점
420 전류 파형
425 증감부
430 간격
440 지점 값
450 전류 레벨
510 전류 파형
511 지점
512 지점
520 전류 파형
525 전류 레벨
530 시간 간격
601 표면
601A 용탕/풀
603 표면
603A 용탕/풀
605 표면
701 표면
703 표면
705 갭
707 용접 비드
801 용접 용탕
803 용접 용탕
901 용탕
903 용탕
1000 용접 접합부
1010 레이저
1011 빔
1012 용탕
1020 레이저
1021 빔
1022 용융된 부분/용탕
1030 필러 와이어
1030A 필러 와이어
1110 코일
1200 시스템
1210 전원
1220 사용자 인터페이스
1221 양의 단자
1222 음의 단자
1223 감지 리드
1230 제어기
1240 회로
1250 전력 모듈
1400 시스템
1410 열 센서
1420 온도 센서
1700 시스템
1710 모터
1720 구동 유닛
1800 회로
1801 저항기
1803 스위치
1901 가림판 조립체
1903 시스템
2000 시스템
2110 용접 전극
2211 배경 레벨
2120 토치
2120' 토치
2121 토치
2122 전극
2130 전원
2130' 제2 전원
2150 와이어 공급기
2201 파형
2202 펄스
2203 파형
2204 펄스
2205 파형
2206 펄스
2207 핫 와이어 전류
2208 핫 와이어 펄스
2210 배경 부분
2401 용접 전류
2402 펄스
2403 핫 와이어 전류
2404 양의 펄스
2405 음의 펄스
2406 배경
2501 파형
2503 양의 펄스
2505 음의 펄스
2510 파형
2511 양의 펄스
2513 배경 레벨
2521 전류
2523 양의 펄스
2525 음의 펄스
2710 빔
2710' 빔
2720 레이저
2720' 레이저
2801 전극
2803 자기적 탐침
2805 전원
3000 파형
3010 펄스
3011 증감율
3013 레벨
3015 프로파일
3020 제거 부분
3021 레벨
3023 레벨
3025 레벨
3030 펄스
3030' 펄스
3030" 펄스
3031 레벨
3031' 레벨
3031" 레벨
3040 펄스
3040' 펄스
3041 레벨
3041' 펄스
3101 레벨
3103 증감 부분
3105 피크
3107 레벨
3109 부분
3111 레벨
3112 위상
3113 레벨
3115 레벨
3121 지점
3201 레벨
3203 위상
3205 레벨
Θ 위상 각도
C 중심
D 액적
G 갭
MF 자기장
P 용탕
P1 액적 전달 위상
P2 액적 구축 위상
X 거리
Z 거리
WB 용접 비드
WP 용접 용탕
W1 공작물
W2 공작물

Claims (26)

  1. 용접 시스템(100, 1200, 2000)으로서:
    공작물(115) 상으로의 침착을 위해서 용접 전류를 생성하고 상기 용접 전류를 소모품으로 전달하는 용접 전원을 포함하고; 상기 용접 전류가 복수의 사이클을 포함하고, 상기 복수의 사이클의 각각이 액적 구축 위상(P2) 및 액적 전달 위상(P1)을 포함하며,
    상기 액적 구축 위상(P2)이 제1 피크 전류 레벨 및 제1 지속시간을 가지는 적어도 하나의 음의 극성의 액적 구축 펄스 그리고 제2 피크 전류 및 제2 지속시간을 가지는 적어도 하나의 양의 극성의 액적 안정화 펄스를 포함하고, 상기 음의 극성의 액적 구축 펄스가 상기 양의 극성의 액적 안정화 펄스에 선행하며;
    상기 액적 전달 위상(P1)이 상기 액적 구축 위상(P2)을 뒤따르고, 상기 액적 전달 위상(P2)이, 양의 극성을 가지는 액적 전달 펄스를 이용하고, 상기 액적 전달 펄스 중에 단일 액적(D)이 상기 소모품으로부터 상기 공작물(115)로 전달되며,
    상기 액적 구축 위상(P1) 중에, 액적(D)이 상기 소모품으로부터 상기 공작물(115)로 전달되지 않는, 용접 시스템(100, 1200, 2000).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 피크 전류 레벨이 30 내지 300 amp의 범위이고 400 ㎲ 내지 3 ms 범위의 지속시간 동안 유지되고, 및/또는 상기 제2 피크 전류 레벨이 300 내지 500 amp의 범위이고 300 ㎲ 내지 2.5 ms의 지속시간 동안 유지되며, 및/또는 상기 제2 피크 전류 레벨이 상기 제1 피크 전류 레벨의 크기의 1.5 내지 3배의 범위이고, 및/또는 상기 제2 피크 전류가 상기 제1 피크 전류 보다 크기가 더 큰, 용접 시스템(100, 1200, 2000).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액적 구축 위상(P2)이 복수의 상기 음의 극성의 액적 구축 펄스 및 복수의 상기 양의 액적 안정화 펄스를 포함하고, 상기 양의 극성의 액적 안정화 펄스 중 각각의 하나의 펄스가 각각의 음의 극성의 구축 펄스에 후속하는, 용접 시스템(100, 1200, 2000).
  4. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 음의 극성의 액적 구축 펄스 중 제2의 펄스의 피크 전류 레벨 및 지속시간 중 적어도 하나가 상기 제1 피크 전류 및 상기 제1 지속시간과 각각 상이하고, 및/또는 상기 복수의 양의 극성의 액적 안정화 펄스 중 제2의 펄스의 피크 전류 레벨 및 지속시간 중 적어도 하나가 상기 제2 피크 전류 및 상기 제2 지속시간과 각각 상이한, 용접 시스템(100, 1200, 2000).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용접 파형이, 상기 액적 전달 위상(P1) 이후에, 단락 회로 제거 부분을 포함하는, 용접 시스템(100, 1200, 2000).
  6. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 음의 극성의 액적 구축 펄스 및 상기 복수의 양의 극성의 액적 안정화 펄스의 각각이 300 내지 1000 Hz 범위의 주파수를 가지는, 용접 시스템(100, 1200, 2000).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용접 전원이 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 액적 구축 위상의 지속시간을 결정하고, 각각의 상기 사이클 내의 상기 액적 구축 위상이 상기 결정된 지속시간에서 유지되도록, 상기 용접 파형을 제어하며, 및/또는 상기 전원이 상기 용접 파형의 에너지 출력을 모니터링하고 상기 모니터링된 에너지 출력을 기초로 상기 액적 구축 위상의 지속시간을 결정하는, 용접 시스템(100, 1200, 2000).
  8. 용접 방법으로서:
    용접 전류를 생성하고 공작물 상으로의 침착을 위한 소모품으로 전달하는 단계; 및
    상기 소모품을 상기 공작물 상의 용접 지역으로 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 용접 전류가 복수의 사이클을 포함하고, 상기 복수의 사이클의 각각이 액적 구축 위상 및 액적 전달 위상을 포함하며,
    상기 액적 구축 위상이 제1 피크 전류 레벨 및 제1 지속시간을 가지는 적어도 하나의 음의 극성의 액적 구축 펄스 그리고 제2 피크 전류 및 제2 지속시간을 가지는 적어도 하나의 양의 극성의 액적 안정화 펄스를 포함하고, 상기 음의 극성의 액적 구축 펄스가 상기 양의 극성의 액적 안정화 펄스에 선행하며;
    상기 액적 전달 위상이 상기 액적 구축 위상을 뒤따르고, 상기 액적 전달 위상이, 양의 극성을 가지는 액적 전달 펄스를 이용하고, 상기 액적 전달 펄스 중에 단일 액적이 상기 소모품으로부터 상기 공작물로 전달되며; 그리고
    상기 액적 구축 위상 중에, 액적이 상기 소모품으로부터 상기 공작물로 전달되지 않는, 용접 방법.
  9. 제13항에 있어서,
    상기 제1 피크 전류 레벨이 30 내지 300 amp의 범위이고 400 ㎲ 내지 3 ms 범위의 지속시간 동안 유지되고, 및/또는 상기 제2 피크 전류 레벨이 300 내지 500 amp의 범위이고 300 ㎲ 내지 2.5 ms의 지속시간 동안 유지되며, 및/또는 상기 제2 피크 전류 레벨이 상기 제1 피크 전류 레벨의 크기의 1.5 내지 3배의 범위이고, 및/또는 상기 제2 피크 전류가 상기 제1 피크 전류 보다 크기가 더 큰, 용접 방법.
  10. 제13항에 있어서,
    상기 액적 구축 위상이 복수의 상기 음의 극성의 액적 구축 펄스 및 복수의 양의 상기 액적 안정화 펄스를 포함하고, 상기 양의 극성의 액적 안정화 펄스 중 각각의 하나의 펄스가 각각의 음의 극성의 구축 펄스에 후속하는, 용접 방법.
  11. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 음의 극성의 액적 구축 펄스 중 제2의 펄스의 피크 전류 레벨 및 지속시간 중 적어도 하나가 상기 제1 피크 전류 및 상기 제1 지속시간과 각각 상이하고, 및/또는 상기 복수의 양의 극성의 액적 안정화 펄스 중 제2의 펄스의 피크 전류 레벨 및 지속시간 중 적어도 하나가 상기 제2 피크 전류 및 상기 제2 지속시간과 각각 상이한, 용접 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 방법이, 상기 액적 전달 위상 이후에, 단락 회로 제거 부분을 제공하는 단계를 포함하는, 용접 방법.
  13. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 음의 극성의 액적 구축 펄스 및 상기 복수의 양의 극성의 액적 안정화 펄스의 각각이 300 내지 1000 Hz 범위의 주파수를 가지는, 용접 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 액적 구축 위상의 지속시간을 결정하고, 각각의 상기 사이클 내의 액적 구축 위상이 상기 결정된 지속시간에서 유지되도록, 상기 용접 파형을 제어하는 단계, 및/또는 상기 용접 파형의 에너지 출력을 모니터링하고 상기 모니터링된 에너지 출력을 기초로 상기 액적 구축 위상의 지속시간을 결정하는 단계를 더 포함하는, 용접 시스템.
  15. 코팅된 공작물을 용접하기 위한 용접 소모품으로서:
    외부 표면을 가지는 금속 구성요소를 포함하고; 그리고
    상기 소모품이 조성을 가지고, 상기 조성이:
    상기 소모품의 0 내지 5 중량% 범위의 알루미늄;
    상기 소모품의 0 내지 0.5 중량% 범위의 탄소; 및
    상기 소모품의 0 내지 2 중량% 범위의 규소; 중 어느 하나, 또는 임의 조합을 포함하며,
    상기 용접 소모품은, 용접 용탕이 코팅된 연강 스틸 공작물 내에서 생성될 때, 1400 내지 1480℃ 범위의 온도에서 95% 응고에 도달하는 상기 용접 용탕을 제공하는, 용접 소모품.
  16. 제25항에 있어서,
    상기 소모품이 상기 소모품의 1 내지 5 중량% 범위의 알루미늄; 상기 소모품의 0.001 내지 0.5 중량% 범위의 탄소; 및 상기 소모품의 0.1 내지 2 중량% 범위의 규소 중 임의의 하나, 또는 임의 조합을 포함하고, 및/또는 상기 소모품이 상기 소모품의 0.35 내지 1.5 중량% 범위의 세륨; 상기 소모품의 0.05 내지 0.4 중량% 범위의 탄소; 및 상기 소모품의 0.6 내지 2.1 중량% 범위의 규소를 포함하고, 상기 세륨, 탄소 및 규소의 조합이 상기 소모품의 1 내지 4 중량% 범위인, 용접 소모품.
  17. 제25항에 있어서,
    상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물이 희석되지 않은 용접 금속의 0.05 내지 0.3 중량% 범위의 탄소 및 희석되지 않은 용접 침착물의 0.6 내지 2.0 중량% 범위의 규소를 가지며, 및/또는 상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물이 희석되지 않은 용접 침착물의 0.1 내지 0.3 중량% 범위의 탄소 및 희석되지 않은 용접 침착물의 1.0 내지 2.0 중량% 범위의 규소를 가지며, 상기 소모품이 바람직하게 상기 소모품의 0.35 내지 1.5 중량% 범위의 세륨을 더 포함하는, 용접 소모품.
  18. 제25항에 있어서,
    상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물은 희석되지 않은 용접 침착물의 2 내지 5 중량% 범위의 알루미늄 및 희석되지 않은 용접 침착물의 1.0 내지 2.0 중량% 범위의 규소를 가지며, 및/또는 상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물은 희석되지 않은 용접 침착물의 3 내지 5 중량% 범위의 알루미늄 및 희석되지 않은 용접 침착물의 1.5 내지 2.0 중량% 범위의 규소를 가지는, 용접 소모품.
  19. 제32항에 있어서,
    상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물은 희석되지 않은 용접 침착물의 0 내지 0.06 중량% 범위의 탄소를 가지고, 및/또는 상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물은 희석되지 않은 용접 침착물의 0 내지 0.03 중량% 범위의 탄소를 가지는, 용접 소모품.
  20. 제25항에 있어서,
    상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물은 희석되지 않은 용접 침착물의 1 내지 5 중량% 범위의 알루미늄 및 희석되지 않은 용접 침착물의 0.1 내지 0.3 중량% 범위의 탄소를 가지며, 및/또는 상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물은 희석되지 않은 용접 침착물의 1.5 내지 4 중량% 범위의 알루미늄 및 희석되지 않은 용접 침착물의 0.2 내지 0.3 중량% 범위의 탄소를 가지는, 용접 소모품.
  21. 제36항에 있어서,
    상기 소모품이 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 희석되지 않은 용접 침착물은 희석되지 않은 용접 침착물의 0.01 내지 0.25 중량% 범위의 규소를 가지는, 용접 소모품.
  22. 제25항에 있어서,
    상기 소모품이, 0.5 내지 3의 범위의 기공 수치를 가지는 희석되지 않은 용접 침착물을 제공하고, 상기 기공 수치는 인치당, 0.5 mm 보다 큰 유효 직경을 가지는 상기 희석되지 않은 용접 침착물 내의 기공의 수인, 용접 소모품.
  23. 제39항에 있어서,
    상기 기공 수치는, 상기 소모품이 4 내지 8 kJ/인치 범위의 열 입력으로 50 인치/분의 이동 속력으로 침착될 때 얻어지고, 및/또는 상기 기공 수치는, 상기 소모품이4 내지 6.5 lb/시간 범위의 침착율로 50 인치/분의 이동 속력으로 침착될 때 얻어지는, 용접 소모품.
  24. 제40항에 있어서,
    0 내지 1 범위의 제2 기공 수치가, 상기 소모품이 4 내지 8 kJ/인치 범위의 열 입력으로 40 인치/분의 이동 속력으로 침착될 때 얻어지는, 용접 소모품.
  25. 제25항에 있어서,
    상기 탄소, 알루미늄 및 규소 중 적어도 하나가 상기 소모품의 외부 표면 상에 침착되고, 및/또는 상기 탄소, 알루미늄 및 규소 중 적어도 하나가 상기 금속 구성요소 내에 포함되는, 용접 소모품.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 소모품이 코어형 소모품이고, 상기 탄소, 알루미늄 및 규소 중 적어도 하나가, 상기 소모품의 외부 외피인 상기 금속 구성요소 내에 포함되는, 용접 소모품.
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