KR20040070162A - 티그용접 모니터링 선처리 장치와 티그용접 모니터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티그용접 모니터링 장치와 그의 선처리 장치에 관한 것으로서, 자세하게는 티그용접기의 전압출력단에 연결되어 출력전압을 감지하는 전압센서와; 상기 전압센서에 의하여 감지된 일정수준의 고압을 차단시키는 정전압모듈과; 상기 정전압모듈의 출력을 신호처리 가능한 수준의 낮은 전압으로 감쇄시키는 감쇄모듈과; 상기 감쇄모듈에 연결되어 입력되는 전압에서 고주파 노이즈를 필터링시키는 로우패스 필터모듈과; 티그용접기의 전류출력단에 연결되어 출력전류을 감지하여 신호처리 가능한 수준의 신호로 감쇄하고 노이즈를 제거하는 전류센싱모듈과; 상기 전압센서의 출력에 동기되어 아크스타트 고주파 영역과 그 이후의 저주파 영역을 구분하여 트리거신호를 발생시키고, 상기 트리거신호의 제어에 의하여 상기 전류센싱모듈의 출력을 제어하는 SSR(soid state relay)를 구동시키는 동기모듈로; 구성되어 전압동기방식으로 티그용접기의 출력데이터를 모니터링시키는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하여 아크 스타트시의 고전압, 고주파 신호의 과도응답이 출력되고, 아크 스타트 전압과 전류의 특성 그래프가 동일 화면상에서 동일 시간축에 표현되는 티그용접 모니터링 장치가 제공되는 이점이 있다.

Description

티그용접 모니터링 선처리 장치와 티그용접 모니터링 장치{Signal Pre-Processing System for TIG Welding Monitoring and TIG Welding Monitoring System}

본 발명은 티그용접 모니터링 장치와 그의 선처리 장치에 관한 것으로서, 자세하게는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치에 있어서, 티그용접기의 전압출력단에 연결되어 출력전압을 감지하는 전압센서와; 상기 전압센서에 의하여 감지된 전압을 입력으로 하여 일정수준의 고압을 차단시키는 정전압모듈과; 상기 정전압모듈의 출력단에 연결되어 입력되는 전압을 신호처리 가능한 수준의 낮은 전압으로 감쇄시키는 감쇄모듈과; 상기 감쇄모듈에 연결되어 입력되는 전압에서 고주파 노이즈를 필터링시키는 로우패스 필터모듈과; 티그용접기의 전류출력단에 연결되어출력전류을 감지하여 신호처리 가능한 수준의 신호로 감쇄하고 노이즈를 제거하는 전류센싱모듈과; 상기 전압센서의 출력에 동기되어 아크스타트 고주파 영역과 그 이후의 저주파 영역을 구분하여 트리거신호를 발생시키고, 상기 트리거신호의 제어에 의하여 상기 전류센싱모듈의 출력을 제어하는 SSR(soid state relay)를 구동시키는 동기모듈로; 구성되어 전압동기방식으로 티그용접기의 출력데이터를 모니터링시키는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 TIG(Tungsten Inert Gas)용접은 비소모성 전극을 사용하며 모재와 전극이 일정간격 거리를 유지한 채 그 사이에서 고주파, 고전압을 인가하여 아크를 발생시키고, 발생된 아크열을 이용하여 모재와 혹은 투입되는 용가재를 녹여서 용접하며 때로는 이면비드까지 생성하여야 하는 기술로 상당한 기량이 요구되는 용접기술이다.

또한 TIG 용접은 아크가 안정되고 용접부 품질이 우수하므로 산화나 질화 등에 민감한 재질의 용접 및 피복 아크 용접을 적용하기 곤란한 경우에 주로 사용된다.

따라서 TIG용접은 고급용접 및 각종 배관의 초층용접에 주로 사용되고 있다.

한편 TIG용접의 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 줄이고전압을 증가시켜야 한다.

일반적으로 사용되는 아크 발생 방법으로는 접촉 발생 방법과 고주파 아크 발생기를 이용하는 방법을 들 수 있다.

접촉 발생 방법은 텅스텐 용접봉을 모재에 순간적으로 접촉 시키고 다시 떨어뜨림으로서 아크를 발생시키는 방법으로서, 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 적용 할 수 없는 경우에 사용되지만 현재에는 거의 사용되지 않고 있다.

고주파 아크 발생기는 상기 접촉 발생 방법의 단점을 보완한 비접촉식이며, 아크의 발생이 보장되므로 널리 사용되고 있다.

고주파 아크 발생기는 고전압과 고주파에 의하여 아크를 발생시킨다.

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 발생기를 사용할 때 주의할 점은 고주파에 의한 간섭으로서, 이를 차단하지 못하면 주변의 다른 기기에 영향을 미치게 된다.

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

아크 스타트시의 이 같은 고압 고주파 신호는 높은 수준의 전자파 노이즈신호로 작용하여 용접 모니터링을 불가능하게 만드는 주된 원인이 되어 왔으며, 이는 곧 티그용접의 자동화를 곤란하게 하여 대부분의 티그 용접을 수작업에 의해 이루어지도록 하는 원인이 되는 문제점이 있었다.

그에 따라 티그용접에 의한 용접부의 품질평가 역시 작업자의 감각에 의존하거나 혹은 많은 비용을 투입한 비파괴 검사 등에 의존하고 있는 문제점이 있다.

이하 상기 티그용접기의 아크 스타트시 특성을 살펴보기로 한다.

도 11은 TIG용접에서 발생하는 전압신호의 시간응답특성을 시간, 전압영역에 나타낸 그래프이며, 상기 시간응답특성은 도 11에서 보여지는 바와 같이 크게 3개 구간의 경우로 구분된다.

여기에서 세로축은 양방향피크전압, 가로축은 시간축이며 Tr, Ts, Ta는 각각 용접스위치가 개방된 상태의 구간(준비구간), 아크스타트를 위한 고전압발생구간(과도상태구간), 아크발생구간(정상상태구간)을 나타낸다.

상기 도 11을 살펴보면 Ts구간(과도상태구간)이 Ta구간(정상상태구간)에 비해 양방향 피크전압이 훨씬 크게 발생됨을 알 수 있다.

즉 정상상태로 아크스타트가 이루어지기 위해서는 상당히 큰 과도전압이 인가되어야 함을 알 수 있는 것이다.

또한 Ts구간(과도상태구간)에서의 아크발생용 고압 고주파전압은 주기적 임펄스 신호의 특성을 갖는 것으로 기본 주파수의 주파수변이율은 크지 않은 반면 Ta구간(정상상태구간)의 아크용접시 발생하는 전압은 저압 저주파로서 주파수변이율은 상대적으로 더 크게 나타남을 알 수 있다.

이들 각 구간에서의 신호의 주파수 응답특성을 전압-주파수의 V-F영역에서 나타내면 도 12과 같은 집합영역 Sr(준비구간 : 주파수응답), Sa(정상상태구간 : 주파수 응답), Ss(과도상태구간 : 주파수 응답)로 구분된다.

상기 도 11과 도 12에서 보여지는 바와 같이 티그 용접기의 아크스타트 특성은 고주파, 고전압의 과도응답특성과 저주파, 저전압의 정상상태 특성을 가지는 것을 알 수 있으며, 상기 과도응답상태의 고주파, 고전압 특성으로 인하여 TIG 용접 계측을 위해 접속한 센서 및 계측장비가 극심한 손상을 입으며, 때에 따라서는 직접 연결되지 않은 주변 전자기기에 대해서도 손상을 가하는 것이다.

따라서, TIG 용접은 모니터링 자체가 불가한 용접법으로 인식되고 있었으며, 최근에 이르러 미국에서 상기 문제점을 극복하고 TIG 용접 모니터링 시스템이 개발되었는데, 상기 시스템은 아크 스타트시의 인가되는 고전압, 고주파의 영향을 받지 않기 위해, 티그용접기의 과도상태에서 발생되는 고전압, 고주파 신호를 우선 차단하고, 아크가 정상상태로 이루어진 이후의 낮아진 전압신호를 보내는 방식의 장치이다.

그런데 상기 미국에서 개발한 장치의 경우에는 과도상태 응답을 무시한 채, 정상상태 이후의 용접전류 및 전압만을 계측함으로써, 아크 스타트 시의 과도특성을 알 수 없는 문제점이 있다.

이하 상기에서 언급한 미국 Impact Welding사의 TIG 용접 모니터링 시스템의 특성을 살펴보기로 한다.

상기 Impact Welding사의 TIG 용접 모니터링의 기본 구성은 기존 용접 모니터링 시장에서 주류를 이루던 마이크로프로세서 타입의 모니터링 시스템에서 벗어나 PC 타입의 모니터링 장비를 생산하고 있다.

Impact Welding 사에서 판매중인 TIG 용접 모니터링 시스템은 콘트롤러, 전류센서, SPSTWM 모듈로 구성된다.

상기 Impact Welding사의 TIG 용접 모니터링 시스템의 출력특성은 아크 스타트 전압이 차단되고 이후 정상적인 아크가 생성되면 낮은 전압을 콘트롤러 쪽으로 보내주므로 아크 스타트특성을 파악할 수 없는 문제점이 있다.

도 13은 상기 Impact Welding사의 응답특성 그래프로서, 상기 도 13을 살펴보면 아크 스타트시의 전압특성은 나타나지 않으며, 아크가 안정된 이후의 임계전압 이하 값만 나타나는 것을 확인할 수 있다.

그런데 실제 TIG 용접에서는 아크 스타트시에 발생되는 스타트 실패 및 지연으로 인하여 그 용접특성이 많이 나빠지는 것으로 보고 되고 있어서 그 과도특성에 대한 데이터가 매우 중요한 의미를 가지고 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 아크 스타트시의 고전압, 고주파 신호의 과도응답에 대한 모니터링 장치를 제공함으로써, 티그용접의 자동화를 가능하게 하는 티그용접 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 작업자의 감각에 의존하거나 혹은 많은 비용을 투입한 비파괴 검사 등에 의존하고 있는 티그용접에 의한 용접부의 품질평가를 자동으로 제공하는 티그용접 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 아크 스타트 전압과 정상상태의 아크전압이 TIG 용접 모니터링 시스템의 출력특성으로 나타나는 티그용접 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 전압과 전류의 특성 그래프가 동일 화면상에서 동일 시간축에 표현되어 아크 스타트 특성을 파악할 수 있는 티그용접 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 티그용접 모니터링 장치를 제공하기 위하여 본 발명은 또한 아크 스타트시 발생되는 고전압, 고주파를 차단하는 티그용접 모니터링 선처리 장치(SPSTWM : Signal Pre-Processing System for TIG Welding Monitoring)를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 실시구성도

도 2는 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 전체블럭도

도 3은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 회로의 이중소자 유니트를 보여주는 회로 블럭도

도 4는 도 3의 블럭도의 실시예시도

도 5는 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 내부 상세 블럭도

도 6은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 선처리 장치에 있어서 고주파 처리부의 회로 블럭도

도 7은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 선처리 장치에 있어서 정상상태입력 처리부에 대한 회로 블럭도

도 8은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 출력그래프

도 9에서 도 10은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 실험그래프

도 11은 TIG용접에서 발생하는 전압신호의 시간응답특성을 시간, 전압영역에 나타낸 그래프

도 12은 TIG용접에서 발생하는 전압신호의 주파수응답특성을 주파수, 전압 영역에 나타낸 그래프

도 13은 상기 Impact Welding사의 응답특성 그래프

*도면의 주요부분에 관한 부호의 설명*

10 : 전압센서 20 : 정전압모듈

30 : 감쇄모듈 40 : 로우패스 필터모듈

50 : 감쇄절연증폭단 70 : 로우패스 필터

80 : 동기모듈 90 : 전류센서

100 : 모니터링 장치의 신호 선처리 장치

400 : 티그용접기

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치에 있어서, 티그용접기의 전압출력단에 연결되어 출력전압을 감지하는 전압센서와; 상기 전압센서에 의하여 감지된 전압을 입력으로 하여 일정수준의 고압을 차단시키는 정전압모듈과; 상기 정전압모듈의 출력단에 연결되어 입력되는 전압을 신호처리 가능한 수준의 낮은 전압으로 감쇄시키는 감쇄모듈과; 상기 감쇄모듈에 연결되어 입력되는 전압에서 고주파 노이즈를 필터링시키는 로우패스 필터모듈과; 티그용접기의 전류출력단에 연결되어 출력전류을 감지하여 신호처리 가능한 수준의 신호로 감쇄하고 노이즈를 제거하는 전류센싱모듈과; 상기 전압센싱모듈의 출력에 동기되어 아크스타트 고주파 영역과 그 이후의 저주파 영역을 구분하여, 상기 전류센싱모듈의 출력단에 연결된 SSR(soid state relay)를 구동시키는 트리거신호를 발생시키는 동기모듈로; 구성되는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치를 기술적 요지로 한다.

여기서 상기 감쇄모듈은 절연 오피(OP)회로로 구성되어 고압에 대하여 출력단에 연결된 모듈의 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치로 되는 것이 바람직하다.

또한 상기 정전압모듈은 입력단을 구성하는 소자 유니트를 2중으로 형성시킴으로써, 입력단에 부가되는 소자의 부하를 분산시켜 고전압에 대한 소자의 파손을 방지하는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치로 되는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리장치와; 상기 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리장치의 출력을 입력받아 컴퓨터의 데이터 정보신호로 가공하여 전달시키는 인터페이스와; 상기 인터페이스의 데이터 출력을 전달받아, 티그용접기의 출력상태에 대한 모니터링 정보를 디스플레이시키는 모니터링 시스템으로; 구성되어 고주파, 고전압의 아크스타트 구간에 대한 데이터 정보가 디스플레이 되는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치를 또 다른 기술적 요지로 한다.

이하 도면과 함께 본 발명에 관하여 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 실시구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 전체블럭도이며, 도 3은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 회로의 이중소자 유니트를 보여주는 회로 블럭도이며, 도 4는 도 3의 블럭도의 실시예시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 내부 상세 블럭도이며, 도 6은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 선처리 장치에 있어서 고주파 처리부의 회로 블럭도이며, 도 7은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 선처리 장치에 있어서 정상상태입력 처리부에 대한 회로 블럭도이며,도 8은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 출력그래프이며, 도 9에서 도 10은 본 발명에 따른 티그용접 모니터링 장치의 실험그래프이다.

이하 본 발명의 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치(SPSTWM : Signal Pre-Processing System for TIG Welding Monitoring)에 관하여 먼저 살펴보기로 한다.

일반적으로 티그용접 모니터링을 위해서는 과도응답영역의 발생구간을 선택적으로 회피하기 위하여 과도응답영역에서의 고강도 노이즈세력을 효과적으로 감쇄및 차단하는 것이 필요하다.

따라서 티그용접 모니터링 장치를 구성하기 위하여는 이 과도응답영역의 신호를 선택적 감쇄 혹은 차단시키는 구간감응장치 즉, 본 발명의 구성과 같은 SPSTWM(Signal Pre-Processing System for TIG Welding Monitoring)의 구성이 필수적이며, 상기 본 발명의 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치(100)는 크게 전압센서(10)와 정전압모듈(20)과 감쇄모듈(30)과 로우패스 필터모듈(40)과 전류센싱모듈(90,50,60)과 동기모듈(80)로 구성된다.

본 발명의 상기 전압센서(10)와 전류센싱모듈(90,50,60)은 티그용접기(400)의 출력단의 전류와 전압을 측정하는 감지장치이다.

상기 전압센서(10)와 전류센싱모듈(90,50,60)은 일반적으로 널리 알려진 공지의 기술내용으로써, 예를들어 본 발명에 있어서의 상기 전류센싱모듈은 일반적으로 전류 센싱에 많이 사용되는 홀 센서 타입의 센서로서 아크 스타트시에 발생되는 고전압, 고주파에 잘 견딜 수 있도록 내전압 및 노이즈 방지대책이 잘 된 전류센서(90)와 감쇄절연증폭단(50), 로우패스 필터(70)로 구성된 것이 사용된다.

이하 도 3과 도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 상기 정전압모듈(20)은 상기 전압센서(10)에 의하여 감지된 전압을 입력으로 하여 일정수준의 고압을 차단시키는 장치부이다.

상기 정전압모듈(20)은 티그용접기(400)의 출력단에서 발생되는 과전압이 계측장비를 손상시키는 것을 방지하기 위하여 비정상상태의 과전압을 차단시키기 위하여 형성된다.

본 발명의 실시에 있어서는 약 5kV이상의 고전압을 1차적으로 차단해주는 정전압모듈(20)이 사용되는 것이 바람직한데, 이는 일반적으로 티그용접기(400)에서의 최대출력전압은 5kV가 가장 많이 사용되고 있기 때문이며, 따라서 상기 정전압모듈(20)의 최대정압값은 사용되는 티그용접기의 출력에 따라 연동되어 설계될 것이다.

본 발명의 상기 감쇄모듈(30)은 상기 정전압모듈(20)의 출력단에 연결되어 입력되는 전압을 신호처리 가능한 수준의 낮은 전압으로 감쇄시키는 모듈이다.

즉, 상기 감쇄모듈(30)은 일종의 감쇄 증폭기로서 입출력단을 절연시켜주는 오피(OP)앰프회로가 사용되며, 이에 따라 상기 감쇄모듈(30)을 전후로 하여 본 발명은 오피앰프회로(B 구간) 이전을 고압신호처리모듈(A 구간), 그 이후를 저압신호처리모듈(C 구간)로 구분할 수도 있다.

상기 감쇄모듈(30)의 후단에 연결되는 저압신호처리모듈에서는 티그용접기의 정상상태 아크발생시의 전압전류 파형이 신호처리되어, 후단에 연속되는 데이터처리모듈(Data Proc Mod)과 데이터출력모듈(Output Mod) 및 신호연산모듈(Sig Calc Mod) 등으로 구성되는 인터페이스(300)를 통해 용접신호파형 데이터가 모니터링 시스템(300)으로 출력된다.

본 발명에 있어서 상기 저압신호처리모듈은 로우패스 필터모듈(40)을 포함하여 구성되어, 상기 감쇄모듈(30)의 출력전압에서 고주파 노이즈를 필터링시켜 고주파에 의한 회로 및 데이터의 손상을 방지시키는 회로부가 된다.

한편 상기 정전압모듈(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 입력단을 구성하는 소자 유니트를 이중으로 형성시킴으로써, 입력단에 부가되는 소자의 부하를 분산시켜 고전압에 대한 소자의 파손을 방지시키는 것이 바람직하다.

이하 도 3, 도 4와 함께 상기 이중 소자 유니트를 살펴보면, 도 3의 RU01, RU02는 입력전압 VA01, VA02와 연계하는 양방향성 1차 감쇄용 저항단으로서, 과전압시 VA01, VA02를 보호하는 역할을 겸한다.

또한, 상기 RU02는 2차 감쇄용 저항단으로서 RU01의 백업용 저항이며 감쇄시 나타나는 RU01에서의 발열을 분산시킨다.

상기 VA01, VA02 에 의해 저항특성이 비선형으로 급변하며 1000V이상의 전압에서 단자저항은 급감한다.

따라서 1000V의 소자 2 개를 각각 병렬로 하여 구성하여 내용량을 증가시켰으며 VA01과 VA02를 직렬 구성함으로써 2000V의 전압기준에서 선택적 감쇄특성이 얻어진다.

도 3의 FC01는 저역통과특성의 필터회로단으로 50kHz 이상의 노이즈 주파수 성분을 차단시킨다.

도 3의 절연인터페이스 회로는 감쇄모듈(30)로서 보상궤환식 전압측정회로를 내장한 절연OP회로에 의해 입력전압을 저전압의 측정레벨 전압신호로 변환출력시키며, 구체적으로는 도 4의 B 구간과 같은 실시예로 나타난다.

본 발명의 상기 동기모듈(80)은 상기 티그용접기(400)의 전압출력에 동기되어 티그용접기(400)의 과도상태출력인 아크스타트 특성이 가지는 고전압, 고주파영역과 티그용접기(400)의 정상상태출력인 저전압, 저주파 영역을 구분하여, 상기 전류센싱모듈(90,50,60)의 출력단에 연결된 SSR(soid state relay)를 구동시키는 트리거신호를 발생시키는 모듈부이다.

즉, 동기모듈(80)의 제어구간을 기준으로 본 발명을 구분하면 도 5와 같이 고주파 처리구간(HSPM)과 저주파 처리구간(LSPM)으로 구분할 수 있다.

도 1을 참조하여 상기 동기모듈(80)을 살펴보면, 본 발명은 상기 동기모듈(80)의 구동에 의하여, 고전압, 고주파 상태인 아크 스타트특성에 대한 전류신호는 차단되고 전압신호만 감지되며, 정상아크 상태에서는 전압과 전류의 데이터가 모두 감지되며, 이로인해 본 발명이 고주파 전류에 의한 노이즈를 차단하고, 회로의 손상을 방지하면서 티그 용접기의 과도특성에 대한 데이터는 전압 데이터로 얻게하는 특성을 가지게 된다.

따라서 이상 설명한 본 발명의 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치에 의하면, 상기 티그용접기의 과도상태출력(아크스타트 특성)이 고주파, 고전압 특성을 가지고 있으며, 정상상태출력은 저주파, 저전압특성을 가지고 있음에 착안하여, 티그용접기의 출력전압에 대한 시간영역해석으로 정상상태 여부를 판단하되, 상기 출력전압에 연동되는 동기모듈로서 전류신호를 선택적으로 출력시킴으로서, 과도상태의 데이터와 정상상태의 데이터가 모두 획득되는 장치가 제공된다.

도 8은 상기 본 발명의 특성이 구체적으로 나타난 본 발명에 의한 티그용접기의 전압, 전류출력 모니터링 그래프이다.

이하 도 8을 참조로 하여 본 발명의 실시결과를 살펴보기로 한다.

도 8는 용접전류 57A, 용접전압 12.5V에서 실제 아크를 발생시켰을 때의 용접파형을 나타낸 것으로 도 8a는 전체파형을 도 8b는 아크 스타트 부분만 확대한 것이다.

도 8a를 보면 초기에 아크 스타트 전압이 크게 상승하는데 이 구간이 초기 아크 스타트 구간(과도응답특성구간)이 된다.

여기에 나타난 아크 스타트 전압은 실제 아크 스타트 전압값이 아님을 고려하여야 할 것이다.

이는 SPSTWM 을 통과함으로써 아크 스타트 전압 신호가 감쇄되기 때문이며, 그럼에도 불구하고 그 응답시간이 실제 시간과 같음을 주목한다.

도면에 도시된 바와 같이 아크 스타트시에 전압이 높이 상승하는데 도 8b에 나타난 "A"구간이 아크 스타트 개시 시간(과도응답시간)이 된다.

즉, 이 시간이 길수록 아크 스타트가 늦어지고 용접기에서는 계속해서 아크 스타트를 위한 고전압, 고주파를 발생하게 되는 것이다.

한편 도 8b에서 보여지는 바와 같이 본 발명에 있어서는 상기 티그용접기의 전류파형은 상기 아크 스타트 개시시간이 종료된 직후부터 모니터링 되기 시작함을 알 수 있다.

즉, 종래기술방식에서는 아크 스타트 개시시간을 정확하게 측정할 수 없었기 때문에, 작업자의 감각적 시간 조정에만 의존하여 전류파형을 모니터링 하였으나, 본 발명에 의하여 정확한 아크 개시 시간을 알 수가 있다.

따라서 이러한 아크 개시 시간을 이용하여 전극팁의 교체주기, 정확한 전극팁과 모재간의 거리, 전극팁 및 모재의 청정성 등을 정량적으로 평가 할 수 있게 되는 정보가 획득가능하게 되었다.

한편 본 발명의 기술적 요지는 이에 한하는 것은 아니며, 상기 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치(100)의 출력신호를 인지 가능한 정보로 가공하여 티그용접기의 거동에 관한 모니터링 신호로 보여주는 티그용접 모니터링 장치를 또한 그 기술적 요지로 한다.

즉, 본 발명의 상기 티그용접 모니터링 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치(100)에 인터페이스(300)와 상기 인터페이스 출력을 모니터링 정보로 출력시키는 모니터링 시스템(300)으로 구성된다.

상기 인터페이스(300)는 출력 아날로그 신호를 집합, 이송, 증폭 혹은 감쇄 등의 처리를 위한 회로부로서, 예를들어 데이터처리모듈과 신호연산모듈 등으로 구성된다.

상기 데이터처리모듈은 상기 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리장치의 출력을 입력받아 전압, 전류파형의 데이터로 신호처리하는 모듈부이며, 상기 신호연산모듈은 상기 데이터 처리모듈의 출력을 입력받아 연결되는 모니터링 시스템에 용접파형신호로 출력시키는 모듈부로서, 본 발명의 인터페이스는 상기 데이터 처리모듈의 콘트롤러에서 처리된 신호를 컴퓨터에서 처리하기 위해 디지털 신호로 변환해 주는 A/D Converter나, 상기 콘트롤러와 A/D Converter를 연결하는 케이블의 노이즈 필터링 장치, 그리고 모든 정보를 나타내고, 계산해주며 정보를 저장해주는 제어부와 컴퓨터 인터페이스로 구성되는 등 다양한 실시예가 있을 것이다.

상기 모니터링 시스템(300)은 상기 인터페이스 출력을 그래프나 수치정보로 출력시키는 컴퓨터를 의미하며, 그외 그와 유사한 처리를 하는 디스플레이 장치 등의 모든 수단이 포함될 것이다.

[실시예 1]

도 6과 도 7의 VIN, CIN은 각각 입력단의 전압파형신호와 전류파형신호이고 VA1, CA1,출력단의 전압, 전류파형신호이며, SYNC는 상기 전압파형신호에 의하여 전류파형 신호의 출력을 제어시키는 동기출력신호이다.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이 각각의 입력신호는 신호변환회로(Cvt)와 밴드패스필터(BPF)를 통하고, Sync Gen블록에서는 전압파형을 기초로 과도상태 출력신호를 회피하는 동기신호를 트리거신호 발생회로(Tig. Circuit)에 전달시켜 두 개의 SSR(Soid State Relay)를 구동함으로써 전류파형을 선택적으로 차단시킨다.

상기 실시예와 같이 전류센싱모듈의 출력을 제어시키는 상기 동기모듈의 SSR의 위치는 도 1과 달리 감쇄모듈의 전단부이어도 본 발명의 요지가 충분히 구현됨을 알 수 있으며, 본 발명의 기술적 요지가 이를 포함하고 있음은 물론이다.

이하 본 발명의 응용분야를 고찰할 수 있는 실험예에 관하여 살펴보기로 한다.

[실험예 1]

아크스타트 특성분석

아크 스타트는 용접을 하기 위해 아크를 처음 발생시키는 것을 말하는 것으로, TIG 용접을 제외한 소모성 전극을 사용하는 아크 용접의 경우 전극이 모재와 접촉하는 순간 큰 전류에 의해 스파크가 발생하면서 아크가 생기게 된다.

반면에 TIG 용접의 경우 비소모성 전극을 사용함으로 아크 스타트시 일정간격 전극과 모재가 떨어지고 그 간격 사이에 생기는 절연을 파괴해야 함으로 순간 아주 높은 전압이 인가되게 된다.

그러므로 앞에서도 설명했듯이 그 아크 스타트 순간에 발생되는 고전압, 고주파로 인해 지금까지 TIG 용접은 모니터링을 할 수 없었다.

본 실험에서는 이러한 문제점을 해결한 TIG 용접 모니터링 시스템을 통해 TIG 용접의 아크 스타트시에 어떠한 특성을 나타내는지 알아보았다.

가. 실험방법

도 1과 같이 TIG 용접 모니터링 시스템을 설치한 후 실제 TIG 용접기를 사용하여 용접을 실시하여 계측을 실시하였다.

이때 아크 스타트 특성을 알아보기 위하여 용접이 되는 모재의 표면에 흑피를 제거하여 아크 스타트 특성이 좋게 한 시편과 흑피를 제거하지 않아 아크 스타트 특성이 나쁜 모재를 준비하였다.

각각의 시편에 용접을 실시하여 그 아크 스타트시의 파형을 분석하였다.

그러나 종래기술의 티그용접 모니터링 장치의 경우에는 아크 스타트시의 고전압, 고주파가 차단됨으로 그 특성을 볼 수 없어 계측할 수 없었다.

도 9는 흑피를 제거하여 아크 스타트가 잘되게 한 시편에서 용접한 파형을 나타낸 것이다.

도 9의 아크 스타트 부분을 확대하여 살펴보면, 흑피가 제거되어 양호한 아크 스타트 특성을 보임을 알 수 있다.

즉, 티그용접 스위치의 ON 시, 아크 스타트 지연시간에 대한 과도응답 이후 안정된 아크 스타트가 되는 출력 모습을 보이고 있다.

그에 반해 도 10은 흑피가 존재하는 모재에서 용접한 파형으로 도 10a는 전체 파형이고 도 10b는 전체파형중 아크 스타트부분만 확대한 파형이다.

도 9b와 마찬가지로 아크 스타트 특성을 확대한 도 10b그림을 살펴보면, 흑피로 인해 아크 스타트가 실패하여 전류 및 전압파형이 상당히 불안함을 보여주고 있다.

또한 이 경우 아크가 짧게나마 생겼다, 꺼졌다를 반복함으로 모재 및 전극에 상당한 영향을 미칠 것임을 판단하게 한다.

본 실험을 통해서 본 발명의 TIG 용접 모니터링 시스템은 TIG 용접의 아크 스타트 특성 분석이 가능함을 알 수 있으며, 새로운 평가항목들에 대한 다양한 활용 역시 가능할 것이다.

이상 설명한 본 발명에 의하여 아크 스타트시의 고전압, 고주파 신호의 과도응답에 대한 모니터링 장치를 제공함으로써, 티그용접의 자동화를 가능하게 하는티그용접 모니터링 장치가 제공되는 이점이 있다.

또한, 작업자의 감각에 의존하거나 혹은 많은 비용을 투입한 비파괴 검사 등에 의존하고 있는 티그용접에 의한 용접부의 품질평가를 자동으로 제공하는 티그용접 모니터링 장치가 제공되는 이점이 있다.

그리고 아크 스타트 전압과 정상상태의 아크전압이 TIG 용접 모니터링 시스템의 출력특성으로 나타나고, 전압과 전류의 특성 그래프가 동일 화면상에서 동일 시간축에 표현됨으로써, 아크 스타트 특성을 파악할 수 있는 티그용접 모니터링 장치가 제공되는 이점이 있다.

한편 상기 티그용접 모니터링 장치를 제공하기 위하여 본 발명은 또한 아크 스타트시 발생되는 고전압, 고주파를 차단하는 티그용접 모니터링 선처리 장치(SPSTWM : Signal Pre-Processing System for TIG Welding Monitoring)를 제공하는 또 다른 이점이 있다.

또한 모든 용접구간에서 고전압, 고주파 성분의 위해한 신호를 차단 및 감쇄하는 선택적 신호감쇄의 필터회로를 포함하며 이것에 의해 정상 아크발생시의 용접신호에 대해서는 높은 이득의 통과특성을 나타내며, 모듈간의 신호전달을 절연회로에 의해 구성함은 물론 선택적으로 구간별 감쇄를 고속으로 처리하기 위하여 비 스위칭방식의 감쇄성능 구현을 기본으로 하였으며 또한 회로입력단의 소자유니트를 2중화함으로써 동작의 안정성을 확보하는 티그용접 모니터링 선처리 장치(SPSTWM : Signal Pre-Processing System for TIG Welding Monitoring)를 제공하는 이점이 있다.

그리고 본 발명에 의하여 비교적 적용이 쉬운 일반 아크 용접용 모니터링 시스템과 마찬가지로 TIG 용접에서도 적절한 모니터링 시스템이 제공됨으로써, 용접품질의 향상 및 용접품질의 정량화 등을 기대할 수 있고 또한 용접 품질 평가에 투입되는 막대한 경비를 절감 할 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치에 있어서,

   티그용접기의 전압출력단에 연결되어 출력전압을 감지하는 전압센서와;

   상기 전압센서에 의하여 감지된 전압을 입력으로 하여 일정수준의 고압을 차단시키는 정전압모듈과;

   상기 정전압모듈의 출력단에 연결되어 입력되는 전압을 신호처리 가능한 수준의 낮은 전압으로 감쇄시키는 감쇄모듈과;

   상기 감쇄모듈에 연결되어 입력되는 전압에서 고주파 노이즈를 필터링시키는 로우패스 필터모듈과;

   티그용접기의 전류출력단에 연결되어 출력전류을 감지하여 신호처리 가능한 수준의 신호로 감쇄하고 노이즈를 제거하는 전류센싱모듈과;

   상기 전압센서의 출력에 동기되어 아크스타트 고주파 영역과 그 이후의 저주파 영역을 구분하여 트리거신호를 발생시키고, 상기 트리거신호의 제어에 의하여 상기 전류센싱모듈의 출력을 제어하는 SSR(soid state relay)를 구동시키는 동기모듈로;

   구성되어 전압동기방식으로 티그용접기의 출력데이터를 모니터링시키는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치.
2. 제1항에 있어서 상기 감쇄모듈은

   절연 오피(OP)회로로 구성되어 고압에 대하여 출력단에 연결된 모듈의 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치.
3. 제1항에 있어서 상기 정전압모듈은

   입력단을 구성하는 소자 유니트를 2중으로 형성시킴으로써, 입력단에 부가되는 소자의 부하를 분산시켜 고전압에 대한 소자의 파손을 방지하는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리 장치.
4. 제1항의 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리장치와;

   상기 티그용접 모니터링 장치의 신호 선처리장치의 출력을 입력받아 컴퓨터의 데이터 정보신호로 가공하여 전달시키는 인터페이스와;

   상기 인터페이스의 데이터 출력을 전달받아, 티그용접기의 출력상태에 대한 모니터링 정보를 디스플레이시키는 모니터링 시스템으로;

   구성되어 고주파, 고전압의 아크스타트 구간에 대한 데이터 정보가 디스플레이 되는 것을 특징으로 하는 티그용접 모니터링 장치.