KR101194173B1 - 용접기 및 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 양태에 따르면, 용접 와이어와 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 설정하는 전류 설정부와, 용접 와이어 및 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 검출하는 전류 검출부와, 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율과 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율 비교하여, 용접 와이어 및 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율이 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율과 동일해지도록 용접 와이어 및 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정부를 포함하며, 전압 조정부는, 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율이 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율보다 더 클 때 전압을 감소시키고, 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율이 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율보다 더 작을 때 전압을 증가시키는 용접기 및 용접 방법을 제공한다.

Description

용접기 및 용접 방법{WELDING MACHINE AND WELDING METHOD}

본 발명은 용접기 및 용접 방법에 관한 것으로, 특히, 용접 부하에 걸리는 전압을 제어하여 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류의 변화율을 조절하는 용접기 및 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 아크 용접기는 코일 상태로 감겨진 용접 와이어(wire)를 송급 장치에 의해 굴곡성의 스프링 다이터와 콘택 튜브를 통해 용접 토치의 헤드부에 송급하고, 송급된 용접 와이어가 콘택 튜브를 통해 급전되어 다른 극성을 갖는 피용접물과의 사이에 아크를 발생시킴으로써 용접을 수행한다.

서로 다른 전기적 극성을 갖는 용접 와이어와 피용접물(모재)에서 단락이 발생하고, 이에 따라 용접 와이어와 피용접물 사이의 전압이 급격하게 떨어지고 이와 반대로 전류는 급격하게 증가하게 되면서 용접 와이어와 피용접물 사이에 아크가 발생하게 된다. 이 때, 증가되는 전류의 변화율(기울기)은 용접기가 갖는 리액턴스 성분에 의해 결정된다. 용접기의 리액턴스 성분은 주로 용접기에 포함된 리액터의 리액턴스로 이루어진다.

도 1은 일반적인 용접기를 이용하여 용접하는 경우의 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에서, 시간 t1은 용접 와이어와 피용접물 사이에 단락이 발생하는 시점이 되며, 시간 t2는 용접기에서의 아크가 발생하여 용접 와이어와 피용접물에서 아크 발생에 의해 용접이 시작되는 시점이 된다. 그리고, 시간 t3은 용접 아크의 발생이 종료하는 시점이다. 단락이 발생할 때부터 용접이 시작되는 지점까지의 시간(t2-t1)은 통상적으로 용접 와이어와 피용접물의 특성과 전류의 크기에 따라 달라지게 된다. 따라서, 전류의 크기는 증가하는 전류의 기울기에 따라 영향을 받게 되는데, 이는 용접기에서의 리액턴스 성분에 의해 결정된다. 또한, 시간 t2부터 시간 t3 사이의 구간은 아크 구간으로서 용접 와이어와 피용접물 사이에 아크가 발생하여 용접이 수행되는 구간이다.

이 경우, 예를 들어, 리액턴스 성분이 작은 경우에는 전류가 급격히 변하게 되므로 전류의 변화율은 크게 되고, 이와 반대로 리액턴스 성분이 큰 경우에는 전류가 서서히 변하게 되어 전류의 변화율은 작게 된다.

한편, 용접의 종류(예를 들어, 와이어의 종류, 피용접물의 종류 등)가 달라짐에 따라 용접 특성을 전환하는 경우에, 그 용접 특성은 아크가 발생할 때의 전류의 크기에 직접적인 영향을 받으므로, 용접의 종류가 달라지면 용접기의 리액터를 교체하여야 한다. 그러나, 용접할 때마다 용접기의 리액터를 교체하는 것은 작업 속도를 현저히 지연시킬 뿐만 아니라 용접의 종류에 따라 그에 맞는 리액터를 미리 준비하는 것은 거의 불가능하다.

본 발명의 일 실시예는 용접기에서 리액터의 교체 없이 용접시 용접 와이어와 피용접물 사이에 흐르는 전류를 증가시키는 용접기 및 용접 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 용접 와이어와 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 설정하는 전류 설정부와, 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 검출하는 전류 검출부와, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율과 상기 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율 비교하여, 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율이 상기 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율과 동일해지도록 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정부;를 포함하며, 상기 전압 조정부는, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율이 상기 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율보다 더 클 때 상기 전압을 감소시키고, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율이 상기 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율보다 더 작을 때 상기 전압을 증가시키는 용접기를 제공한다.

삭제

일 실시예에서, 상기 전압 조정부는 상기 전압을 펄스 폭 변조 방식으로 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 용접 와이어와 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 설정하는 전류 설정 단계와, 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 검출하는 전류 검출 단계와, 상기 전류 검출 단계에서 검출된 전류의 변화율과 상기 전류 설정 단계에서 설정된 전류의 변화율 비교하여, 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율이 상기 전류 설정 단계에서 설정된 전류의 변화율과 동일해지도록 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정 단계를 포함하며, 상기 전압 조정 단계는, 상기 전류 검출 단계에서 검출된 전류의 변화율이 상기 전류 설정 단계에서 설정된 전류의 변화율보다 더 클 때 상기 전압을 감소시키고, 상기 전류 검출 단계에서 검출된 전류의 변화율이 상기 전류 설정 단계에서 설정된 변화율보다 더 작을 때 상기 전압을 증가시킬 수 있다.

삭제

일 실시예에서, 상기 전압 조정단계에서, 상기 전압은 펄스 폭 변조 방식으로 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 용접기에서 리액터의 리액턴스를 가변하지 않고서도 용접 와이어 및 피용접물에 적정한 크기 및 변화율을 갖는 전류를 공급할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 용접기를 이용하여 용접하는 경우의 와이어와 피용접물에 흐르는 전류의 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접기(100)의 블록도이다.
도 3은 용접시의 용접 와이어와 모재 사이에 형성되는 회로에 대한 등가 회로도이다.
도 4는 도 3의 회로에 인가되는 전압(Va)의 파형의 일례를 도시한다.
도 5는 도 4의 파형이 인가되는 경우의 전류(Ia)에 대한 그래프를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 방법에 대한 플로우 차트이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접기(100)의 블록도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 용접 조건에 따라 용접 용접 와이어 및 피용접물에 흐르는 전류를 설정하는 전류 설정부(110)와, 용접시 용접 와이어 및 피용접물에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(120)와, 검출된 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류의 크기 및 변화율에 따라 용접 와이어 및 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정부(130)를 포함한다.

용접기(100)를 이용하여 용접을 할 때, 용접기를 통해 공급되는 용접 와이어와 피용접물인 모재는 각각 상이한 극성의 전압이 걸린다. 예를 들어, 용접 와이어에 (+) 극인 전압이 걸린 때에는 모재에는 (-) 극인 전압이 걸린다. 따라서, 모재에의 피용접 부분에 용접이 수행될 때 용접 와이어와 피용접물에는 서로 접촉하여 단락이 일어나게 된다. 이 때, 단락에 의해 용접 와이어와 피용접물에 걸리는 전압은 급격히 감소하고, 이와 반대로 용접 와이어와 피용접물 사이의 전류는 급격하게 증가하게 된다. 이러한 전류의 변화는 용접 와이어와 피용접물 사이에서의 아크에 의한 용접 와이어와 피용접물의 용융 등에 의해 용접이 저항 특성의 급격한 변화가 일어나는 시점까지 이루어진다.

이 때의 등가 회로를 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 용접시의 용접 와이어와 피용접물 사이에 형성되는 회로에 대한 등가 회로도이다. 도 3에서 L은 용접기의 리액터(즉, 리액턴스 성분)이며, Ra는 용접 와이어와 모재의 등가 저항이며, Vs는 용접기에서 저항(Ra) 및 리액터(L)에 공급되는 전압이며, Ia는 용접 와이어와 모재에 흐르는 전류이다.

즉, 용접이 이루어질 때, 리액터(L)와 저항(Ra)의 RL 회로가 구성되며, L과 Ra에 따라 정해지는 전류가 용접 와이어 및 피용접물에 흐르게 된다. 이 때, Ia는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, τ는 시정수로서 L/Ra 이다

한편, Ia의 시간에 대한 변화율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

따라서, L이 큰 값인 경우에는 전류의 변화율(특히, 증가율)은 작아지고, L이 작은 값인 경우에는 전류의 변화율은 크게 되어, 도 1에서 설명한 바와 같이, 용접 와이어와 모재의 단락 시점에서 전원이 공급되는 시간 동안에 전류는 L의 크기에 의존하는 변화율을 가지면서 증가한다. 그러므로, 아크 구간이 시작되는 시간(도 3의 t3)에서의 전류의 크기는 L이 작은 경우에는 큰 값이 되고, L이 큰 경우에는 작은 값이 된다.

도 4는 도 3의 회로에 인가되는 전압(Va)의 파형의 일례를 도시하며, 도 5는 도 4의 파형이 인가되는 경우의 전류(Ia)에 대한 그래프를 도시한다. 도 4의 파형이 인가될 때, 시간의 경과에 따라 전류는 증가하다가 Vm/Ra에 수렴한다. 그리고, 펄스가 소멸될 때에는 시간의 경과에 따라 전류는 감소하다가 0으로 수렴한다.

따라서, 용접 와이어와 피용접물에 공급되는 전압이 일정하다면, 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류는 수학식 1에 의해 결정되고, 용접 조건을 달리하는 경우에는 리액터를 가변하여야만 된다.

한편, 도 1의 그래프에서, 아크 구간의 시작 시점에서의 전류의 크기는 다음과 같이 정해진다.

[수학식 3]

여기에서 (t2-t1)의 값은 용접기에서 정해지는 값이고, Ra의 크기는 일정한 값이므로, 아크 구간의 시작 시점에서의 전류의 크기는 Vm에 비례한다. 따라서, 아크 구간의 시작 지점에서 전류가 기설정된 크기의 전류가 되기 위해서는 Vm의 값을 가변시키면 된다.

따라서, 전압 조정부(130)는 용접 와이어와 피용접물 사이의 단락이 개시한 후 아크 발생이 시작되는 시점에서의 상기 전류의 크기가 기설정된 전류와 동일해지도록 상기 전압을 조정하는 것이 바람직하다.

도 2를 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접기(100)의 동작을 설명한다. 먼저, 사용자는 전류 설정부(110)를 통해 용접기(100)에서 수행되는 용접 조건에 따라 용접 와이어와 피용접물에 흘러야할 전류의 변화율을 설정한다. 사용자가 용접기(100)에 구비될 수 있는 용접 조건 설정 장치(미도시)를 통해 용접 조건을 선택하면, 선택된 용접 조건에 따라 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류의 변화율이 설정된다. 용접 조건 설정 장치 대신에, 사용자는 전류 설정 장치 등을 통해 기설정된 변화율을 갖는 전류를 설정할 수 있다.

따라서, 사용자는 용접 와이어와 피용접물에서 용접을 수행할 때, 용접 와이어와 피용접물의 단락 시점으로부터 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류의 변화율을 미리 용접 조건에 따라 설정할 수 있다.

전류 설정부(110)에서 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류의 변화율이 설정되고, 기설정된 전류에 대응하는 전압을 생성하여 공급한다. 다음으로, 용접이 개시되면, 즉, 용접 와이어와 피용접물인 모재가 단락되면, 전류 검출부(120)는 용접 와이어 및 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율 검출하여 전압 조정부(130)에 제공한다. 전압 조정부(130)는 전류 검출부(120)에서 검출된 용접 와이어 및 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율과 전류 설정부(110)에서 설정된 전류의 변화율을 비교한다.

또한, 전압 조정부(130)는 그 비교 결과에 따라 용접 와이어 및 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정한다. 특히, 용접 와이어 및 피용접물 사이에 인가되는 전압은, 전술한 바와 같이, 용접 와이어와 피용접물 사이의 단락이 개시한 후 아크 발생이 시작되는 시점에서 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류 변화율이 전류 설정부(110)에서 설정된 전류의 변화율과 동일해지도록 용접 와이어 및 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정한다.

이 경우, 전압 조정부(130)는, 검출된 전류의 변화율이 설정 전류의 변화율보다 더 클 때 전압을 감소시키고, 전류의 크기가 상기 기설정된 전류의 크기보다 더 작을 때 전압을 증가시키는 것이 바람직하다.

한편, 전압 조정부(130)는 용접 와이어와 피용접물에 걸리는 전압을 펄스 폭 변조(PWM) 방식으로 제어할 수 있다.

이러한 과정을 통하여, 용접 와이어와 피용접물 사이에 아크가 발생하는 시점에서의 용접 와이어와 피용접물에 흐르는 전류의 변화율을 미리 정해진 변화율을 갖는 전류가 되도록 제어할 수 있으며, 용접기 내의 리액터의 교체는 전혀 필요하지 않다.

다음으로, 본 발명 일 실시예에 따른 용접 방법에 대한 실시예를 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 방법에 대한 플로우차트이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 용접방법은, 용접 와이어와 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 설정하는 전류 설정 단계(S110)와, 용접 와이어 및 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 검출하는 전류 검출 단계(S120)와, 전류 검출 단계(S120)에서 검출된 전류의 변화율과 전류 설정 단계(S110)에서 설정된 전류의 변화율 비교하여, 용접 와이어 및 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율이 전류 설정 단계에서 설정된 전류의 변화율과 동일해지도록 용접 와이어 및 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정 단계(S130)를 포함한다.

특히, 전압 조정 단계(S130)에서, 전류 검출부(S120)에서 검출된 전류의 변화율이 전류 설정 단계(S110)에서 설정된 전류의 변화율보다 더 클 때 용접 와이어와 피용접물 사이에 인가되는 전압을 감소시키고, 전류 검출 단계(S120)에서 검출된 전류의 변화율이 전류 설정부(S110)에서 설정된 전류의 변화율보다 더 작을 때 용접 와이어와 피용접물 사이에 인가되는 전압을 증가시키는 것이 바람직하며, 또한, 전압 조정 단계(S10)에서, 용접 와이어와 피용접물 사이에 걸리는 전압은 전압 펄스 폭 변조 방식으로 제어될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.

100: 용접기
120: 전류 검출부
130: 전압 조정부
110: 전류 설정부

Claims (6)

1. 용접 와이어와 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 설정하는 전류 설정부;
   상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 검출하는 전류 검출부; 및
   상기 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율과 상기 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율 비교하여, 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율이 상기 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율과 동일해지도록 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정부;를 포함하며,
   상기 전압 조정부는, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율이 상기 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율보다 더 클 때 상기 전압을 감소시키고, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류의 변화율이 상기 전류 설정부에서 설정된 전류의 변화율보다 더 작을 때 상기 전압을 증가시키는,
   용접기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 전압 조정부는 상기 전압을 펄스 폭 변조 방식으로 제어하는,
   용접기.
   
4. 용접 와이어와 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 설정하는 전류 설정 단계;
   상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율을 검출하는 전류 검출 단계; 및
   상기 전류 검출 단계에서 검출된 전류의 변화율과 상기 전류 설정 단계에서 설정된 전류의 변화율 비교하여, 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 흐르는 전류의 변화율이 상기 전류 설정 단계에서 설정된 전류의 변화율과 동일해지도록 상기 용접 와이어 및 상기 피용접물 사이에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정 단계;를 포함하며,
   상기 전압 조정 단계는, 상기 전류 검출 단계에서 검출된 전류의 변화율이 상기 전류 설정 단계에서 설정된 전류의 변화율보다 더 클 때 상기 전압을 감소시키고, 상기 전류 검출 단계에서 검출된 전류의 변화율이 상기 전류 설정 단계에서 설정된 변화율보다 더 작을 때 상기 전압을 증가시키는,
   용접 방법.
   
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,
   상기 전압 조정단계에서, 상기 전압은 펄스 폭 변조 방식으로 제어되는,
   용접 방법.

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