KR20190082033A

KR20190082033A - 용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치

Info

Publication number: KR20190082033A
Application number: KR1020180034602A
Authority: KR
Inventors: 이흥주
Original assignee: 화성기전(주)
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2019-07-09
Also published as: KR102043394B1

Abstract

본 발명은 아크의 점호를 토치의 원거리와 저전류에서 정확하게 쉽게 발생시키고, 이로 인해 불활성 가스를 이용하는 용접에서 비접촉식으로 아크를 안정적으로 발생시키기 위한 용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치에 관한 것이다.
이를 위해, 용접용 직류 고압 고주파 발생장치는 발생인버터부의 스위칭에 의한 직류전원을 발생트랜스포머를 통하여 고속다이오드로 정류된 전압을 얻고, 센터탭 방식의 발생트랜스포머의 전원을 1차측제어전원과 2차측제어전원에 의한 전위차에 의해 초퍼스위칭유닛의 동작으로 고속 스위칭되어 리엑터에 흐르는 전류에 의한 고압의 임시전원을 고속다이오드를 통하여 발생전극부의 (+)극 측으로 전달한다.

Description

용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치{DIRECT CURRENT HIGH-VOLTAGE HIGH-FREQUENCY GENERATOR FOR WELDING AND ARC GENERATOR USING THE SAME}

본 발명은 용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 아크의 점호를 토치의 원거리와 저전류에서 정확하게 쉽게 발생시키고, 이로 인해 불활성 가스를 이용하는 용접에서 비접촉식으로 아크를 안정적으로 발생시키기 위한 용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 티그(TIG, Tungsten Inert Gas) 용접은 비소모성 전극을 사용하며 모재와 전극이 일정간격 거리를 유지한 채 그 사이에서 고주파, 고전압을 인가하여 아크를 발생시키고, 여기서 발생된 아크열을 이용하여 모재와 투입되는 용가재를 녹여서 용접하는 것이다. 이때, 용접 부위에는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이들의 혼합가스 등이 포함된 불활성 가스가 공급된다.

티그 용접은 때로는 이면 비드까지 생성하여야 하는 기술로 상당한 기량이 요구되는 용접기술이다. 또한, 티그 용접은 아크가 안정되고, 용접부 품질이 우수하므로, 산화나 질화 등에 민감한 재질의 용접 및 피복 아크 용접을 적용하기 곤란한 경우에 주로 사용된다. 따라서, 티그 용접은 고급 용접 및 각종 배관의 초층 용접에 주로 사용되고 있다.

한편, 티그 용접의 경우, 비소모성 전극이 모재와 일정한 간격을 유지하여 아크를 발생시키려면 대략 1012V/m의 높은 전압 기울기가 필요하다. 이와 같이 높은 전압 기울기를 얻기 위하여 용접봉과 모재의 거리를 줄이고 전압을 증가시켜야 한다.

여기서, 일반적으로 사용되는 아크 발생 방법으로는 접촉을 이용하는 아크 발생 방법과, 고주파 아크 발생기를 이용하는 아크 발생 방법을 들 수 있다.

접촉을 이용하는 아크 발생 방법은 텅스텐 용접봉을 모재에 순간적으로 접촉시키고, 다시 떨어뜨림으로써, 아크를 발생시키는 방법이고, 용접봉과 모재가 떨어지는 순간의 거리가 아주 작기 때문에 용접기에서 출력되는 수 십V의 무부하 전압으로도 아크 발생에 필요한 전압 기울기를 얻을 수 있다. 이 방법은 특별한 장치가 필요 없으나 모재와의 접촉에 의한 용접부의 오염 가능성이 있고, 항시 아크가 발생된다는 보장이 없다. 또한, 수작업에서 주로 사용되며, 고주파 방법을 적용할 수 없는 경우에 사용되지만, 현재에는 거의 사용되지 않고 있다.

고주파 아크 발생기를 이용하는 아크 발생 방법은 접촉을 이용하는 아크 발생 방법의 단점을 보완한 비접촉식이며, 아크의 발생이 보장되므로, 널리 사용되고 있다.

여기서, 고주파 아크 발생기는 고전압과 고주파에 의하여 아크를 발생시키는 것으로, 고전압으로 아크 발생에 필요한 전압 기울기를 얻고, 고주파에 의하여 전류가 쉽게 흐를 수 있도록 한다. 또한, 작업자가 감전되어도 고주파 전류는 표피 효과에 의하여 인체에 표면을 흐르므로, 안전사고를 방지하는 장점이 있다.

고주파 아크 발생기를 사용함에 있어서, 주의할 점은 고주파에 의한 간섭으로써, 이를 차단하지 못하면 주변의 다른 기기에 영향을 미치게 된다.

특히, 계측 기기나 로봇 등의 자동화 장비를 사용하는 경우에 주의하여야 한다. 그러나 일단 아크가 발생하면, 직류의 경우에는 아크가 안정하게 유지되지만, 교류 용접에서는 연속적으로 소멸되고, 재발생시켜야 하므로 고주파 아크 발생기를 항상 작동시켜야 한다.

아크 스타트 시의 이와 같은 고압 고주파 신호는 높은 수준의 전자파 노이즈신호로 작용하여 티그 용접의 자동화를 곤란하게 하여 대부분의 티그 용접을 수작업에 의해 이루어지도록 하는 원인이 되는 문제점이 있었다. 이에 따라, 티그 용접에 의한 용접부의 품질 평가 역시 작업자의 감각에 의존하거나, 많은 비용을 투입한 비파괴 검사 등에 의존하고 있는 문제점이 있다.

티그 용접에서의 아크 스타트 특성은 고주파, 고전압의 과도응답특성과 저주파, 저전압의 정상 상태 특성을 가지는 것을 알 수 있으며, 과도응답상태의 고주파, 고전압 특성으로 인하여 티그 용접 주변의 전자기기에 대해서도 손상을 가하는 것이다.

실제 티그 용접에서는 아크 스타트 시에 발생되는 스타트 실패 및 지연으로 인하여 그 용접 특성이 많이 나빠지는 것으로 보고되고 있어서 그 과도응답특성에 대한 문제점이 있다.

또한, 티그 용접에서 토치 전극과 피용접부 사이에서 아크를 안정적으로 발생시키는 것이 어렵고, 아크 스타트 시에 발생되는 스타트의 실패 및 지연으로 인하여 용접 특성이 나빠지고, 저전류에서의 아크 스타트 시에 급속한 전류의 증대로 인하여 박판의 소손 및 파괴 현상이 발생되었다. 그리고 용접 케이블의 길이에 따라서 아크 스타트의 불량률이 증대되거나, 아크 스타트의 실패가 현저하게 증대되며, 아크가 발생하지 않는 경우도 발생하였다.

대한민국 공개특허공보 제2016-0033934호(발명의 명칭 : 직류모터 회로를 이용한 대 전력 고주파 발생장치, 2016. 03. 29. 공개)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하고자 새로운 회로에 대한 제안을 구성한 것으로서, 용접에서 전극봉과 모재 사이에서 아크를 안정적으로 발생시키고, 아크 스타트 시에 발생되는 스타트의 실패 및 지연을 예방하여 용접 특성을 향상시키며, 저전류 및 용접 케이블의 길이에 따른 아크 스타트를 개선함은 물론 불안정성을 없애기 위한 용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치를 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치는 모재와 전극봉 사이에서 직류 고압 고주파를 발생시키는 용접용 직류 고압 고주파 발생장치이고, 외부의 상용전원을 정류하고 안정화시켜 제어전원을 얻는 발생1차정류유닛; 상기 제어전원을 1차측제어전원과 상기 1차측제어전원과 구분되는 2차측제어전원으로 분리하는 발생트랜스포머; 상기 2차측제어전원을 정류하고 정류된 2차측제어전원에서 리플 성분을 감소 또는 제거하는 발생2차정류유닛; 상기 발생트랜스포머와 상기 발생2차정류유닛에 접속되고, 상기 모재와 상기 전극봉에 각각 접속되는 양(+)극과 음(-)극이 구비된 발생전극부; 상기 발생2차정류유닛에 접속되어 상기 발생2차정류유닛을 거친 2차측제어전원을 바탕으로 임시전원이 축적되는 리액터; 상기 1차측제어전원의 전위와 상기 정류된 2차측제어전원의 전위차에 의해 온오프 스위칭되는 초퍼스위칭유닛; 및 상기 초퍼스위칭유닛의 스위칭 동작에 따라 상기 리액터에 축적된 임시전원을 상기 발생전극부로 전달하는 고속다이오드;를 포함한다.

여기서, 상기 발생전극부에서 전류가 흐르면, 상기 초퍼스위칭유닛를 끄고, 상기 발생전극부에서 전류가 검출되지 않으면, 상기 초퍼스위칭유닛의 온 트리거를 시행하며, 상기 초퍼스위칭유닛의 온 트리거 후 오프하면, 상기 리액터에 순간 충전된 임시전원이 상기 고속다이오드를 통해 상기 발생전극부에 전달되어 상기 발생전극부에서 순간적인 전위가 상승한다.

본 발명에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치는 상기 발생트랜스포머와 상기 발생전극부 사이에 구비되고, 상기 발생전극부에서 흐르는 전원의 유무에 따라 상기 초퍼스위칭유닛과 함께 온오프 스위칭되는 릴레이;를 더 포함한다.

본 발명에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치는 상기 발생1차정류유닛의 동작과 상기 초퍼스위칭유닛의 온오프 스위칭 동작을 제어하는 발생컨트롤러;를 더 포함한다.

본 발명에 따른 용접용 아크 발생장치는 외부의 상용전원을 정류하고 안정화시켜 공급전원을 얻는 메인1차정류유닛; 상기 공급전원을 1차측공급전원과 상기 1차측공급전원과 구분되는 2차측공급전원으로 분리하는 메인트랜스포머; 상기 2차측공급전원을 정류하고 안정화시켜 메인전원을 얻는 메인2차정류유닛; 상기 메인2차정류유닛에 접속되고, 상기 모재와 상기 전극봉에 각각 접속되는 양(+)극과 음(-)극이 구비된 메인전극부; 상기 메인전극부에서 전류가 흐르는 상태를 감지하는 홀센서; 및 상기 홀센서에서 감지되는 전류의 상태와 상기 메인전극부에서 검출되는 전위를 바탕으로 상기 메인1차정류유닛의 동작과 상기 메인2차정류유닛의 동작을 제어하는 메인컨트롤러;를 포함한다.

여기서, 상기 메인컨트롤러에는, 제1항 또는 제2항에 기재된 용접용 직류 고압 고주파 발생장치가 구비된다.

본 발명에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치에 따르면 용접에서 전극봉과 모재 사이에서 아크를 안정적으로 발생시키고, 아크 스타트 시에 발생되는 스타트의 실패 및 지연을 예방하여 용접 특성을 향상시키며, 저전류 및 용접 케이블의 길이에 따른 아크 스타트를 개선함은 물론 불안정성을 없앨 수 있다.

또한, 본 발명은 티그 용접에서 불활성 가스를 보호가스로 사용할 때, 비소모성 전극인 텅스텐 전극봉과 모재 사이에서 아크를 확실하고 안정되게 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 아크 스타트 시에 직류 고압 고주파 전원을 만들어 줌으로써, 용접성 및 아크의 안정성을 확보하고, 일 회의 아크로 정확한 아크를 발생할 수 있다.

또한, 본 발명은 최소 전류가 발생되도록 하여 모재에 국부적인 열 영향을 미치게함으로써, 용접에 탁월한 아크를 발생시킬 수 있고, 박판 용접에 탁월한 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명은 용접 작업의 용이함과 에너지를 효율적으로 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 아크 발생장치가 적용된 티그 용접기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 아크 발생장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 아크 발생장치에 적용된 직류 고압 고주파 발생장치를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접기는 티그 용접(TIG welding, Tungsten Inert Gas Welding)에 적용되는 것으로, 불활성 가스를 보호가스(40)로 사용하면서 비소모성 전극인 전극봉(30)과 모재(10) 사이에서 발생된 아크열로 모재(10)와 용가재(50)를 용융시켜 접합한다. 일예로, 전극봉(30)은 텅스텐 재질을 포함하고, 보호가스(40)로는 모재(10)와 전극봉(30)의 산화를 방지하기 위하여 불활성 가스인 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등을 사용할 수 있다.

여기서, 아크 발생 시 텅스텐 전극봉(30)의 팁에서 플라즈마 기류가 모재(10)를 향해 흘러 형성되는 아크의 축 방향 압력을 아크압력이라 말한다.

티그 용접의 아크 압력분포는 아크의 중심부에서 가장 크게 형성되고, 아크의 변두리에서는 거의 0으로 되지만, 전극봉(30)의 팁의 형상과 보호가스(40), 아크 길이 등에 따라 크게 변화한다.

티그 용접에서 아크 압력은 양극인 용융풀 (molten pool) 위에 플라즈마 젯의 충돌로 인한 운동량의 전달에 의해 생성되는 현상이며, 용입과 비드가 형성되는 물리적 아크 현상을 이해함에 있어서 가장 중요한 인자 중의 하나이다.

전류가 도체를 통하여 흐를 때, 도체 주변에 자장(magnetic field)을 형성하므로, 전류와 자기장의 사이에 상호작용은 로런츠 힘(Lorentz force)이라는 전자기력을 생성하며, 티그 용접의 전도체는 이온화된 보호가스(40)이고, 아크(32)를 수축시키는 전자기력은 반대 방향에서 아크(32)가 작용하는 방사상의 압력 구배에 의해 균형을 유지한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접기는 보호가스(40)를 모재(10)의 용융부(11)에 공급하는 노즐(20)과, 콜릿척(31)을 매개로 노즐(20)에 결합되는 전극봉(30)과, 상용전원(P)의 양(+)극과 음(-)극이 각각 모재(10)와 전극봉(30)에 접속되고 모재(10)와 전극봉(30) 사이의 간격을 유지한 채 공급되는 상용전원(P)에 의해 아크(32)를 발생시키는 아크 발생기를 포함할 수 있다.

그리고 용가재(50)가 용융부(11)에 공급되면, 아크(32)에 의해 용융되어 용융부(11)를 형성하고, 용접 부위에는 용융부(11)를 통해 융착부(12)를 형성한다.

여기서, 아크 발생기는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 아크 발생장치를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 아크 발생장치에 적용되는 것으로 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 아크 발생장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)에서는 외부에서 공급되는 통상의 상용전원(P)을 사용하여 아크 용접기의 구동 및 용접에 필요한 전원을 제공한다. 여기서, 외부에서 공급되는 통상의 상용전원(P)은 3상의 교류(AC, alternating current) 전원이거나 2상의 교류 전원일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)는 모재(10)와 전극봉(30) 사이에서 직류 고압 고주파를 발생시킴으로써, 모재(10)와 전극봉(30) 사이에서 지속적인 아크(32)가 발생을 유도한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)는 외부에서 공급되는 통상의 상용전원(P)을 정류하고 안정화시켜 제어전원을 얻는 발생1차정류유닛(210)과, 제어전원을 1차측제어전원과 1차측제어전원과 구분되는 2차측제어전원으로 분리하는 발생트랜스포머(230)와, 2차측제어전원을 정류하고 정류된 2차측제어전원에서 리플 성분을 감소 또는 제거하는 발생2차정류유닛(220)과, 발생트랜스포머(230)와 발생2차정류유닛(220)에 접속되고 모재(10)와 전극봉(30)에 각각 접속되는 양(+)극과 음(-)극이 구비된 발생전극부(250)와, 발생2차정류유닛(220)에 접속되어 발생2차정류유닛(220)을 거친 2차측제어전원을 바탕으로 임시전원이 축적되는 리액터(244)와, 1차측제어전원의 전위와 정류된 2차측제어전원의 전위차에 의해 온오프 스위칭되는 초퍼스위칭유닛(243)과, 초퍼스위칭유닛(243)의 스위칭 동작에 따라 리액터(244)에 축적된 임시전원을 발생전극부(250)로 전달하는 고속다이오드(242)를 포함한다.

이에 따라, 발생전극부(250)에서 전류가 흐르면, 모재(10)와 전극봉(30) 사이에서 아크(32)가 유지되므로, 초퍼스위칭유닛(243)를 끄고, 릴레이(260)도 끈다.

또한, 발생전극부(250)에서 전류가 검출되지 않으면, 초퍼스위칭유닛(243)의 온 트리거를 시행하고, 반복적으로 전류 검출 여부를 체크한다. 일예로, 초퍼스위칭유닛(243)은 100kHz 1uSec로 온 트리거를 시행할 수 있다.

그리고 초퍼스위칭유닛(243)의 온 트리거 후 오프하면, 리액터(244)에 순간 충전된 임시전원은 고속다이오드(242)를 통하므로, 메인전극부(150)의 양(+)극 측으로 유기되어 발생전극부(250)에서 순간적인 전위가 상승하므로, 양(+)극과 음(-)극이 충돌하고, 순간적인 전계 충돌로 보호가스(40)에 전류가 흐르도록 만든다. 이에 따라 모재(10)와 전극봉(30) 사이에서 아크(32)가 발생된다.

여기서, 발생트랜스포머(230)와 발생전극부(250) 사이에는 릴레이(260)가 더 구비될 수 있다. 릴레이(260)는 발생전극부(250)에서 흐르는 전원의 유무에 따라 초퍼스위칭유닛(243)과 함께 온오프 스위칭되도록 한다.

다른 표현으로, 초퍼스위칭유닛(243)이 온 스위칭되면, 릴레이(260)도 온 스위칭되어 모재(10)와 전극봉(30) 사이의 아크(32) 발생을 원활하게 한다. 또한, 초퍼스위칭유닛(243)이 오프 스위칭되면, 릴레이(260)도 오프 스위칭되어 모재(10)와 전극봉(30) 사이에서 아크(32)가 유지되도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)는 발생1차정류유닛(210)의 동작과 초퍼스위칭유닛(243)의 온오프 스위칭 동작을 제어하는 발생컨트롤러(270)를 더 포함할 수 있다.

발생컨트롤러(270)에는 발생전극부(250)의 전위를 검출하는 발생전위검출부(272)와, 발생전위검출부(272)의 수신정보에 따라 발생1차정류유닛(210)의 발생인버터부(213)의 온오프 스위칭을 제어하는 발생인버터스위칭부(271)와, 초퍼스위칭유닛(243)으로부터 전달되는 전위차 신호에 따라 초퍼스위칭유닛(243)의 온오프 스위칭을 제어하는 초퍼스위칭부(273)가 포함된다.

발생1차정류유닛(210)은 외부의 상용전원(P)을 정류하는 제1발생정류부(211)와, 정류된 상용전원(P)에서 리플 성분을 감소 또는 제거하는 제1발생콘덴서부(212)와, 제1발생콘덴서부(212)를 거친 상용전원(P)을 안정화시켜 제어전원을 얻는 발생인버터부(213)를 포함할 수 있다.

제1발생정류부(211)에서는 입력되는 교류 전원이 직류 전원(DC, direct current)으로 변환되도록 할 수 있다. 제1발생콘덴서부(212)에서는 정류된 상용전원(P)에서 리플 성분을 흡수함으로써, 정류된 상용전원(P)에서 리플 성분을 감소 또는 제거할 수 있다. 제1발생콘덴서부(212)는 충전전압평활용 콘덴서를 포함함으로써, 직류 전원에 리플 전원을 감소시키고, 발생인버터부(213)에 일정한 직류 전원을 공급하여 리플에 의한 과전류가 발생하는 것을 방지한다. 발생인버터부(213)에서는 발생컨트롤러(270)에서 일정한 전원을 만들기 위하여 발생트랜스포머(230)에 입력되는 전원을 조절할 수 있고, 입력되는 직류 전원이 교류 전원으로 변환될 수 있다.

발생트랜스포머(230)에서는 입력되는 제어전원을 1차측제어전원과 2차측제어전원으로 분리함으로써, 센터탭 방식 교류 전원을 얻을 수 있다. 발생트랜스포머(230)는 입력되는 제어전원을 증폭시킬 수 있다.

발생2차정류유닛(220)은 2차측제어전원을 정류하는 제2발생정류부(221)와, 정류된 2차측제어전원에서 리플 성분을 감소 또는 제거하는 제2발생콘덴서부(222)를 포함할 수 있다.

제2발생정류부(221)에서는 입력되는 교류 전원이 직류 전원으로 변환되도록 할 수 있다. 제2발생콘덴서부(222)에서는 정류된 상용전원(P)에서 리플 성분을 흡수함으로써, 정류된 상용전원(P)에서 리플 성분을 감소 또는 제거할 수 있다.

초퍼스위칭유닛(243)은 초퍼IGBT(chopper insulated gate bipolar mode transistor)를 포함할 수 있다.

미설명부호 241도 고속다이오드이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치의 동작을 살펴보면, 외부에서 공급되는 통상의 상용전원(P)인 교류 전원을 제1발생정류부(211)를 통하여 직류 전원으로 변환하고, 변환된 직류 전원은 제1발생콘덴서부(212)를 통해 리플이 제거되며, 변환된 직류 전원은 발생인버터부(213)의 고주파 스위칭으로 제어전원인 고압의 교류 전원을 만든다. 다시 제어전원은 제2발생정류부(221)에서 정류한 다음, 고속의 초퍼스위칭유닛(243)으로 스위칭하여 임시전원인 고압 고주파 전원을 만들고, 발생컨트롤러(270)의 시퀀스(Sequence)에 따라 토치 입력이 들어오면, 모재(10)와 전극봉(30) 사이에 보호가스(40)가 공급되고, 고압 고주파 전원이 공급되어 아크(32)의 점호가 발생하고, 아크의 점호가 발행하면, 초퍼스위칭유닛(243) 및 릴레이(260)로 공급되는 고압 고주파 전원을 차단한다.

발생인버터부(213)는 발생컨트롤러(270)에서 일정한 전원을 만들기 위하여 발생트랜스포머(230)의 1차 전압을 제어하며, 발생인버터부(213)에서 제어된 전원을 1차, 2차로 분리하는 발생트랜스포머(230)에 의해 2차측 센터탭 방식의 교류 전원을 얻는다. 발생트랜스포머(230)의 2차측 전원은 제2발생정류부(221)를 통하여 직류 전원으로 만들어지고, 리플 전원을 제거하기 위하여 직류 전원은 제2발생콘덴서부(222)에 저장되고 저장된 전위는 유지된다.

그리고 리액터(244)와 초퍼스위칭유닛(243)을 추가하고, 고속스위칭에 의한 전위의 증가를 발생전극부(250)의 양(+)극 측으로 보내주는 고속다이오드(242)가 추가됨으로써, 초퍼스위칭유닛(243)의 고속스위칭에 의한 고압 고주파 전원을 유기하여 발생전극부(250)의 양(+)극 측으로 보내줄 수 있다.

또한, 발생컨트롤러(270)에서는 발생전위검출부(272)를 통해 발생전극부(250)의 양(+)극과 음(-)극 전위를 검출하여 직류 전원이 원하는 전위인가를 체크하고, 발생인버터부(213)의 Duty ratio를 조절한다. 그리고 메인컨트롤러(160)에서 외부신호부(165)로부터 토치입력신호를 입력받고, 메인전위검출부(161)와 홀센서(140) 및 홀스캐너(162)를 통해 전류 및 전압을 센싱하여 원하는 전압, 전류가 얻어지는지 검토한 다음, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)에서 발생컨트롤러(270)는 초퍼스위칭부(273)를 통해 초퍼스위칭부(243)를 제어하고, 전류가 정상적으로 흐르면, 초퍼스위칭부(243)와 릴레이(260)를 차단하여 고압 고주파 전원을 차단한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 아크 발생장치는 외부의 상용전원(P)을 정류하고 안정화시켜 공급전원을 얻는 메인1차정류유닛(110)과, 공급전원을 1차측공급전원과 1차측공급전원과 구분되는 2차측공급전원으로 분리하는 메인트랜스포머(130)와, 2차측공급전원을 정류하고 안정화시켜 메인전원을 얻는 메인2차정류유닛(120)과, 메인2차정류유닛(120)에 접속되고 모재(10)와 전극봉(30)에 각각 접속되는 양(+)극과 음(-)극이 구비된 메인전극부(150)와, 메인전극부(150)에서 전류가 흐르는 상태를 감지하는 홀센서(140)와, 홀센서(140)에서 감지되는 전류의 상태와 메인전극부(150)에서 검출되는 전위를 바탕으로 메인1차정류유닛(110)의 동작과 메인2차정류유닛(120)의 동작을 제어하는 메인컨트롤러(160)를 포함한다.

메인1차정류유닛(110)은 외부의 상용전원(P)을 정류하는 제1메인정류부(111)와, 정류된 상용전원(P)에서 리플 성분을 감소 또는 제거하는 제1메인콘덴서부(112)와, 제1메인콘덴서부(112)를 거친 상용전원(P)을 안정화시켜 공급전원을 얻는 제1메인인버터부(113)를 포함할 수 있다.

제1메인정류부(111)에서는 입력되는 교류 전원이 직류 전원으로 변환되도록 할 수 있다. 제1메인콘덴서부(112)는 전해콘덴서와 고주파용 콘덴서를 포함할 수 있다. 그러면, 정류된 전원에서 저주파 리플 성분은 전해콘덴서에서 흡수하고, 고주파 리플 성분은 고주파용 콘덴서에서 흡수하여 안정된 전원을 제1메인인버터부(113)에 공급할 수 있다. 제1메인콘덴서부(112)에서는 정류된 상용전원(P)에서 리플 성분을 흡수함으로써, 정류된 상용전원(P)에서 리플 성분을 감소 또는 제거할 수 있다. 제1메인콘덴서부(112)는 직류 전원에 리플 전원을 감소시키고, 제1메인인버터부(113)에 일정한 직류 전원을 공급하여 리플에 의한 과전류가 발생하는 것을 방지한다.

제1메인인버터부(113)에서는 메인컨트롤러(160)에서 일정한 전원을 만들기 위하여 메인트랜스포머(130)에 입력되는 전원을 조절할 수 있고, 입력되는 직류 전원이 교류 전원으로 변환될 수 있다.

메인트랜스포머(130)에서는 입력되는 공급전원을 1차측공급전원과 2차측공급전원으로 분리함으로써, 센터탭 방식 교류 전원을 얻을 수 있다. 메인트랜스포머(130)는 입력되는 공급전원을 증폭시킬 수 있다.

메인2차정류유닛(120)은 2차측공급전원을 정류하는 제2메인정류부(121)와, 정류된 2차측제어전원에서 리플 성분을 감소 또는 제거하는 제2메인콘덴서부(122)와, 제2메인콘덴서부(122)를 거친 직류 전원을 안정화시켜 메인전원을 얻는 제2메인인버터부(123)를 포함할 수 있다. 메인2차정류유닛(120)은 제2메인정류부(121)와 제2메인콘덴서부(122) 사이에 구비되어 정류된 2차측공급전원을 임시로 저장하는 인덕터(124)를 더 포함할 수 있다.

제2메인정류부(121)에서는 입력되는 교류 전원이 직류 전원으로 변환되도록 할 수 있다. 제2메인콘덴서부(122)에서는 정류된 직류 전원에서 리플 성분을 흡수함으로써, 정류된 직류 전원에서 리플 성분을 감소 또는 제거할 수 있다. 제2메인콘덴서부(122)는 직류 전원에 리플 전원을 감소시키고, 제2메인인버터부(123)에 일정한 직류 전원을 공급하여 리플에 의한 과전류가 발생하는 것을 방지한다.

제2메인인버터부(123)에서는 메인컨트롤러(160)에서 일정한 전원을 만들기 위하여 메인전극부(150)에 입력되는 전원을 조절할 수 있고, 입력되는 직류 전원이 교류 전원으로 변환될 수 있다.

메인전극부(150)는 상술한 발생전극부(250)와 동일할 수 있다.

메인컨트롤러(160)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)가 포함될 수 있다. 그러면, 메인컨트롤러(160)와 발생컨트롤러(270)는 초퍼신호를 공유할 수 있다.

또한, 메인컨트롤러(160)에는 메인전극부(150)의 전위를 검출하는 메인전위검출부(161), 홀센서(140)의 센싱값을 수신하는 홀스캐너(162)와, 메인전위검출부(161)의 수신정보를 바탕으로 메인1차정류유닛(110)의 제1메인인버터부(113)의 온오프 스위칭을 제어하는 제1메인인버터드라이버(163)와, 메인전위검출부(161)의 수신정보를 바탕으로 메인2차정류유닛(120)의 제2메인인버터부(123)의 온오프 스위칭을 제어하는 제2메인인버터드라이버(164)와, 토치신호와 각종 전압 및 전류 신호가 입력되고 보호가스(40)의 배출 여부를 알리는 솔레노이드 신호와 송풍팬(미도시)의 동작 신호를 출력하는 외부신호부(165)가 포함될 수 있다.

제1메인인버터드라이버(163)에는 홀스캐너(162)의 수신정보에 따라 제1메인인버터부(113)에 스위칭 제어신호를 전송하는 제1메인스위칭신호부(1631)가 구비될 수 있다. 또한, 제2메인인버터드라이버(164)에는 홀스캐너(162)의 수신정보에 따라 제2메인인버터부(123)에 스위칭 제어신호를 전송하는 제2메인스위칭신호부(1641)가 구비될 수 있다.

미설명부호 1632는 메인컨트롤러(160)와 제1메인인버터드라이버(163) 중 적어도 어느 하나에 안정된 전원을 공급하는 제1안정화공급부이다. 미설명부호 1642는 제2메인인버터드라이버(164)에 안정된 전원을 공급하는 제2안정화공급부이다. 일예로, 제1안정화공급부(1632)와 제2안정화공급부(1642)는 SMPS(switched mode power supply)가 포함될 수 있다.

미설명부호 166은 제1메인인버터부(113)의 제어신호를 수동으로 입력하기 위해 제1메인인버터드라이버(163)에 접속되는 터치부이다. 일예로, 터치부(166)는 RS232를 매개로 제1메인인버터드라이버(163)에 접속될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 아크 발생장치의 동작을 살펴보면, 무부하 시에 제1메인인버터드라이버(163)의 제1메인스위칭신호부(1631)에 의해 풀 스위칭하여 제1메인콘덴서부(112)를 거친 전원을 메인트랜스포머(130)로 공급하면, 제1메인인버터부(113)는 메인트랜스포머(130)의 권선비에 따라 2차 전압이 유기된다.

메인트랜스포머(130)로 유기된 전원은 제2메인정류부(121)에서 정류되고, 정류된 전원은 제2메인인버터부(123)에 의해 교류 전원 또는 직류 전원을 만든다.

외부신호부(165)에서 토치스위치의 토치신호가 입력되면, 시퀀스에 따라 운전하고, 외부신호부(165)에서 솔레노이드 신호가 출력되어 가스밸브가 동작함에 따라 노즐(20)에서는 보호가스(40)가 나오며, 무부하 전원이 인가된다. 이때, 전류가 흐르지 않으면 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)가 동작된다. 보호가스(40)의 절연을 파괴하고 전류를 흐르게 하기 위하여 용접용 직류 고압 고주파 발생장치(200)에서 초퍼스위칭부(273)가 100kHz로 동작한 다음, 홀센서(140)를 통해 메인전극부(150)의 전류를 검출한다.

여기서, 메인전극부(150)에서 전류가 흐르면, 모재(10)와 전극봉(30) 사이에서 아크(32)가 유지되므로, 초퍼스위칭유닛(243)를 끄고, 릴레이(260)도 끈다.

또한, 메인전극부(150)에서 전류가 검출되지 않으면, 초퍼스위칭유닛(243)의 온 트리거를 시행하고, 반복적으로 전류 검출 여부를 체크한다. 일예로, 초퍼스위칭유닛(243)은 100kHz 1uSec로 온 트리거를 시행할 수 있다.

그리고 초퍼스위칭유닛(243)의 온 트리거 후 오프하면 리액터(244)에 순간 충전된 임시전원은 고속다이오드(242)를 통하므로, 메인전극부(150)의 양(+)극 측으로 유기되어 메인전극부(150)에서 순간적인 전위가 상승하므로, 양(+)극과 음(-)극이 충돌하고, 순간적인 전계 충돌로 보호가스(40)에 전류가 흐르도록 만든다. 이에 따라 모재(10)와 전극봉(30) 사이에서 아크(32)가 발생된다.

다른 표현으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접용 직류 고압 고주파 발생장치는 발생인버터스위칭부(271)에 의한 적정한 직류 전원을 발생트랜스포머(230)를 통하여 제2발생정류부(221)로 풀브릿지 정류된 전압을 얻고 센터탭 방식의 발생트랜스포머(230)의 전원을 1차측제어전원(센터탭 전원)과 정류된 2차측제어전원(풀브릿지 정류에 의한 전원) 사이의 전위차에 의한 초퍼스위칭유닛(243)의 동작으로 고속 스위칭되어 리액터(244)에 흐르는 전류에 의한 임시전원인 고압의 전원을 고속다이오드(242)를 통하여 메인전극부(150)의 양(+)극 측으로 방전한다.

그리고 고속의 초퍼스위칭유닛(243)에 온 신호 후 오프하면, 발생트랜스포머(230)의 전위와 리액터(244)의 충전전류 및 리액터(244)의 값에 의하여 충전전압이 결정된다. 초퍼스위칭유닛(243)에 온 신호 후 오프하면, 메인전극부(150)의 양(+)극 전위가 생성되며 고속다이오드(242)로 리엑터(244)에 충전된 임시전원이 방전된다.

또한, 1차 고주파 스위칭 제어는 ZVS(Zero Voltage Switch)로 제어하여 메인트랜스포머(130)의 권선비 및 제1메인인버터부(113)의 온오프비에 의해 일정한 공급전원을 얻으며, 제2메인인버터부(123)는 메인컨트롤러(160)에 의한 전원이 출력되고, 전류를 체크하여 전류가 흐르지 않으면, 초퍼스위칭유닛(243)을 온오프 스위칭시켜 고압 고주파수의 전원을 발생하여 아크를 발생시키고, 아크 발생 후 전류가 흐르는 것을 감지하면, 초퍼스위칭유닛(243) 및 릴레이(260)를 오프한다

상술한 용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치에 따르면 용접에서 토치 전극과 피용접부 사이에서 아크를 안정적으로 발생시키고, 아크 스타트 시에 발생되는 스타트의 실패 및 지연을 예방하여 용접 특성을 향상시키며, 저전류 및 용접 케이블의 길이에 따른 아크 스타트를 개선함은 물론 불안정성을 없앨 수 있다.

또한, 티그 용접에서 불활성 가스를 보호가스(40)로 사용할 때, 비소모성 전극인 텅스텐 전극봉(30)과 모재(10) 사이에서 아크를 확실하고 안정되게 발생시킬 수 있다.

또한, 아크 스타트 시에 직류 고압 고주파 전원을 만들어 줌으로써, 용접성 및 아크의 안정성을 확보하고, 일 회의 아크로 정확한 아크를 발생할 수 있다.

또한, 최소 전류가 발생되도록 하여 모재(10)에 국부적인 열 영향을 미치게함으로써, 용접에 탁월한 아크를 발생시킬 수 있고, 박판 용접에 탁월한 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 용접 작업의 용이함과 에너지를 효율적으로 절감할 수 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

10: 모재 11: 용융부 12: 융착부
20: 노즐 30: 전극봉 31: 콜릿척
32: 아크 40: 보호가스 50: 용가재
110: 메인1차정류유닛 111: 제1메인정류부 112: 제1메인콘덴서부
113: 제1메인인버터부 120: 메인2차정류유닛 121: 제2메인정류부
122: 제2메인콘덴서부 123: 제2메인인버터부 124: 인덕터
130: 메인트랜스포머 140: 홀센서 150: 메인전극부
160: 메인컨트롤러 161: 메인전위검출부 162: 홀스캐너
163: 제1메인인버터드라이버 1631: 제1메인스위칭신호부
1632: 제1안정화공급부 164: 제2메인인버터드라이버
1641: 제2메인스위칭신호부 1642: 제2안정화공급부
165: 외부신호부 166: 터치부
200: 용접용 직류 고압 고주파 발생장치 210: 발생1차정류유닛
211: 제1발생정류부 212: 제1발생콘덴서부 213: 발생인버터부
220: 발생2차정류유닛 221: 제2발생정류부 222: 제2발생콘덴서부
230: 발생트랜스포머 241, 242: 고속다이오드
243: 초퍼스위칭유닛 244: 리액터 250: 발생전극부
260: 릴레이 270: 발생컨트롤러 271: 발생인버터스위칭부
272: 발생전위검출부 273: 초퍼스위칭부 P: 상용전원

Claims

모재와 전극봉 사이에서 직류 고압 고주파를 발생시키는 용접용 직류 고압 고주파 발생장치이고,
외부의 상용전원을 정류하고 안정화시켜 제어전원을 얻는 발생1차정류유닛;
상기 제어전원을 1차측제어전원과 상기 1차측제어전원과 구분되는 2차측제어전원으로 분리하는 발생트랜스포머;
상기 2차측제어전원을 정류하고 정류된 2차측제어전원에서 리플 성분을 감소 또는 제거하는 발생2차정류유닛;
상기 발생트랜스포머와 상기 발생2차정류유닛에 접속되고, 상기 모재와 상기 전극봉에 각각 접속되는 양(+)극과 음(-)극이 구비된 발생전극부;
상기 발생2차정류유닛에 접속되어 상기 발생2차정류유닛을 거친 2차측제어전원을 바탕으로 임시전원이 축적되는 리액터;
상기 1차측제어전원의 전위와 상기 정류된 2차측제어전원의 전위차에 의해 온오프 스위칭되는 초퍼스위칭유닛; 및
상기 초퍼스위칭유닛의 스위칭 동작에 따라 상기 리액터에 축적된 임시전원을 상기 발생전극부로 전달하는 고속다이오드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 직류 고압 고주파 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 발생전극부에서 전류가 흐르면, 상기 초퍼스위칭유닛를 끄고,
상기 발생전극부에서 전류가 검출되지 않으면, 상기 초퍼스위칭유닛의 온 트리거를 시행하며,
상기 초퍼스위칭유닛의 온 트리거 후 오프하면, 상기 리액터에 순간 충전된 임시전원이 상기 고속다이오드를 통해 상기 발생전극부에 전달되어 상기 발생전극부에서 순간적인 전위가 상승하는 것을 특징으로 하는 용접용 직류 고압 고주파 발생장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 발생트랜스포머와 상기 발생전극부 사이에 구비되고, 상기 발생전극부에서 흐르는 전원의 유무에 따라 상기 초퍼스위칭유닛과 함께 온오프 스위칭되는 릴레이;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 직류 고압 고주파 발생장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 발생1차정류유닛의 동작과 상기 초퍼스위칭유닛의 온오프 스위칭 동작을 제어하는 발생컨트롤러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 직류 고압 고주파 발생장치.
외부의 상용전원을 정류하고 안정화시켜 공급전원을 얻는 메인1차정류유닛;
상기 공급전원을 1차측공급전원과 상기 1차측공급전원과 구분되는 2차측공급전원으로 분리하는 메인트랜스포머;
상기 2차측공급전원을 정류하고 안정화시켜 메인전원을 얻는 메인2차정류유닛;
상기 메인2차정류유닛에 접속되고, 상기 모재와 상기 전극봉에 각각 접속되는 양(+)극과 음(-)극이 구비된 메인전극부;
상기 메인전극부에서 전류가 흐르는 상태를 감지하는 홀센서; 및
상기 홀센서에서 감지되는 전류의 상태와 상기 메인전극부에서 검출되는 전위를 바탕으로 상기 메인1차정류유닛의 동작과 상기 메인2차정류유닛의 동작을 제어하는 메인컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접용 아크 발생장치.
제5항에 있어서,
상기 메인컨트롤러에는,
제1항 또는 제2항에 기재된 용접용 직류 고압 고주파 발생장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 용접용 아크 발생장치.