KR20200049588A - 이중 와이어 용접 또는 적층 가공 접점 팁 및 디퓨저 - Google Patents

이중 와이어 용접 또는 적층 가공 접점 팁 및 디퓨저 Download PDF

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Abstract

용접 또는 적층 가공 접점 팁은 본체의 근위 단부로부터 본체의 원위 단부로 연장되는 전기 전도성 본체를 포함한다. 본체는 본체의 원위 단부면의 제1 출구 오리피스에서 종결되는 제1 보어, 및 본체의 원위 단부면의 제2 출구 오리피스에서 종결되는 제2 보어를 형성한다. 제1 및 제2 출구 오리피스는 증착 작업 동안 제1 보어를 통해 전달된 제1 와이어 용접봉과 제2 보어를 통해 전달된 제2 와이어 용접봉 사이에 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 구성된 거리만큼 서로 분리된다.

Description

이중 와이어 용접 또는 적층 가공 접점 팁 및 디퓨저{DUAL WIRE WELDING OR ADDITIVE MANUFACTURING CONTACT TIP AND DIFFUSER}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 본원에 참조로 포함되는 2017년 8월 8일자로 출원된 미국 특허출원 제15/671,295호의 일부 계속 출원이다. 2018년 10월 26일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제62/750,893호의 이점이 본원에서 청구되며, 그 개시물은 본원에 참조로 포함된다.
본 발명에 따른 장치, 시스템, 및 방법은 이중 와이어 구성을 통한 재료 증착에 관한 것이다.
용접할 때 용접 비드의 폭을 증가시키거나 용접 동안 용접 퍼들(puddle)의 길이를 증가시키는 것이 흔히 바람직하다. 용접 업계에 널리 알려져 있는 이러한 요구에 대한 많은 상이한 이유가 있을 수 있다. 예를 들어, 다공성을 감소시키기 위해 더 긴 시간 기간 동안 용접 및 충전제 금속을 용융 상태로 유지하도록 용접 퍼들을 신장시키는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 용접 퍼들이 더 긴 시간 기간 동안 용융되는 경우, 비드가 응고되기 전에 유해 가스가 용접 비드를 빠져나가는 시간이 더 길어진다. 또한, 더 넓은 용접 갭을 커버하거나 와이어 증착 속도를 증가시키기 위해, 용접 비드의 폭을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 두 경우 모두, 증가된 용접봉 직경을 사용하는 것이 통상적이다. 둘 다가 아니라 용접 퍼들의 폭 또는 길이만을 증가시키는 것이 바람직할 수 있지만, 증가된 직경은 신장되고 넓어진 용접 퍼들 모두를 초래한다. 그러나, 이것이 단점이 없는 것도 아니다. 구체적으로는, 더 큰 용접봉이 사용되기 때문에, 적절한 용접을 원활하게 하기 위해 용접 아크에 더 많은 에너지가 필요하다. 이러한 에너지 증가는 용접 입열의 증가를 유발하고, 사용된 더 큰 직경의 용접봉으로 인해, 용접 작업에서 더 많은 에너지의 사용을 초래한다. 또한, 이는 특정 기계적 적용예를 위해 이상적이지 않은 용접 비드 프로파일 또는 단면을 생성할 수 있다. 용접봉의 직경을 증가시키는 대신에, 적어도 2개의 더 작은 용접봉들을 동시에 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
이하의 요약은 본원에서 설명되는 장치, 시스템 및/또는 방법의 일부 양태의 기본적인 이해를 제공하기 위해 간략화된 요약을 제시한다. 이러한 요약은 본원에서 설명되는 장치, 시스템 및/또는 방법의 포괄적인 개요가 아니다. 이는 중요한 요소를 식별하거나 그러한 장치, 시스템 및/또는 방법의 범위를 기술하려는 의도가 아니다. 이의 유일한 목적은 이후에 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 서두로서 일부 개념을 간략화된 형태로 제시하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따라, 용접 또는 적층 가공 접점 팁(contact tip)이 제공된다. 접점 팁은 본체의 근위 단부로부터 본체의 원위 단부로 연장되는 전기 전도성 본체를 포함한다. 본체는 본체의 원위 단부면의 제1 출구 오리피스에서 종결되는 제1 보어, 및 본체의 원위 단부면의 제2 출구 오리피스에서 종결되는 제2 보어를 형성한다. 제1 및 제2 출구 오리피스는 증착 작업 동안 제1 보어를 통해 전달된 제1 와이어 용접봉과 제2 보어를 통해 전달된 제2 와이어 용접봉 사이에 가교 액적(bridge droplet)의 형성을 촉진시키도록 구성된 거리만큼 서로 분리된다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 용접 또는 적층 가공 접점 팁이 제공된다. 접점 팁은 본체의 근위 단부로부터 본체의 원위 단부로 연장되는 전기 전도성 본체를 포함한다. 본체는 본체의 근위 단부의 제1 입구 오리피스로부터 본체의 원위 단부의 제1 출구 오리피스로 연장되는 본체를 통하는 제1 보어, 및 본체의 근위 단부의 제2 입구 오리피스로부터 본체의 원위 단부의 제2 출구 오리피스로 연장되는 본체를 통하는 제2 보어를 형성한다. 제1 및 제2 출구 오리피스는 증착 작업 동안 제1 보어를 통해 전달된 제1 와이어 용접봉과 제2 보어를 통해 전달된 제2 와이어 용접봉 사이에 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 구성된 거리만큼 서로 분리된다. 가교 액적은 증착 작업에 의해 생성된 용융 퍼들과 접촉되기 전에 제1 와이어 용접봉을 제2 와이어 용접봉에 결합시킨다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 용접 또는 적층 가공 접점 팁이 제공된다. 접점 팁은 본체의 근위 단부로부터 본체의 원위 단부로 연장되는 전기 전도성 본체를 포함한다. 본체는 본체의 원위 단부면에서 종결되는 제1 채널, 및 본체의 원위 단부면에서 종결되는 제2 채널을 형성한다. 본체의 원위 단부면에서, 제1 채널 및 제2 채널은 증착 작업 동안 제1 채널을 통해 전달된 제1 와이어 용접봉과 제2 채널을 통해 전달된 제2 와이어 용접봉 사이에 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 구성된 거리만큼 서로 분리된다. 가교 액적은 증착 작업에 의해 생성된 용융 퍼들과 접촉되기 전에 제1 와이어 용접봉을 제2 와이어 용접봉에 결합시킨다.
본 발명의 위의 양태 및/또는 다른 양태는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태를 상세히 설명함으로써 더 명백해질 것이며, 도면으로서:
도 1은 본 발명의 용접 시스템의 예시적인 실시형태의 개략도를 도시한다;
도 2는 본 발명의 실시형태의 예시적인 접점 팁 조립체의 개략도를 도시한다;
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 예시적인 실시형태의 용접 작업의 개략도를 도시한다;
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시적인 실시형태의 전류 및 자기장 상호 작용의 개략도를 도시한다;
도 5a는 단일 와이어를 통한 예시적인 용접 비드의 개략도를 도시하고, 도 5b는 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 용접 비드의 개략도를 도시한다;
도 6은 본 발명의 실시형태에 대한 예시적인 용접 공정 흐름도의 개략도를 도시한다;
도 7은 본 발명의 실시형태와 함께 사용하기 위한 접점 팁 조립체의 대안적인 실시형태의 개략도를 도시한다;
도 8은 본 발명의 실시형태에 대한 예시적인 용접 전류 파형의 개략도를 도시한다;
도 9는 본 발명의 실시형태에 대한 추가적인 예시적인 용접 전류 파형의 개략도를 도시한다;
도 10은 본 발명의 실시형태에 대한 추가적인 예시적인 용접 전류 파형의 개략도를 도시한다;
도 11은 용접 토치의 일부분을 도시한다;
도 12는 접점 팁 및 디퓨저(diffuser)의 사시도이다;
도 13은 접점 팁의 사시도이다;
도 14는 접점 팁의 사시도이다;
도 15는 디퓨저의 사시도이다;
도 16은 디퓨저의 사시도이다;
도 17은 접점 팁 및 편향 스프링의 사시도이다;
도 18은 접점 팁, 편향 스프링 및 디퓨저의 사시도를 도시한다;
도 19는 용접 토치의 일부분을 도시한다;
도 20은 접점 팁 및 디퓨저의 사시도이다;
도 21은 접점 팁의 사시도이다;
도 22는 접점 팁 및 디퓨저의 사시도이다;
도 23은 접점 팁 및 디퓨저의 사시도이다; 그리고
도 24는 디퓨저의 사시도이다.
이제 본 발명의 예시적인 실시형태가 첨부된 도면을 참조하여 이하에 설명될 것이다. 설명되는 예시적인 실시형태는 본 발명의 이해를 돕도록 의도된 것이며, 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하려는 의도가 아니다. 전반적으로 유사한 참조 부호는 유사한 요소를 지칭한다.
본원에서 사용된 바와 같은, "적어도 하나", "하나 이상", 그리고 "및/또는"은 접속사 및 이접 접속사 모두로 사용되는 개방형 표현이다. 예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나", "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B, 및 C 중 하나 이상", "A, B, 또는 C 중 하나 이상" 및 "A, B, 및/또는 C"라는 각각의 표현은 A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B 모두, A 및 C 모두, B 및 C 모두, 또는 A, B 및 C 모두를 의미한다. 실시형태의 설명에서든, 청구범위에서든, 또는 도면에서든, 둘 이상의 대안적인 용어를 나타내는 임의의 이접 접속사 단어 또는 문구는 용어들 중 하나, 용어들 중 어느 하나, 또는 용어들 모두를 포함하는 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 문구는 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에서 설명된 본 발명의 실시형태가 GMAW 유형 용접과 관련하여 설명되지만, 본 발명의 다른 실시형태는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 실시형태는 SAW 및 FCAW 유형 용접 작업에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 유사한 유형의 용접 작업에도 사용될 수 있다. 또한, 본원에서 설명된 용접봉은 솔리드 용접봉이지만, 또한, 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 코어드(cored) 용접봉(플럭스 또는 금속 코어드)이 사용될 수도 있기 때문에, 본 발명의 실시형태는 솔리드 용접봉의 사용으로 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 실시형태는 수동식, 반자동식 및 로봇식 용접 작업에도 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 널리 알려져 있으므로, 본원에서 상세히 설명되지 않을 것이다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 용접 시스템(100)의 예시적인 실시형태를 도시한다. 용접 시스템(100)은 (도시되지 않은 접점 팁 조립체를 갖는) 용접 토치(111) 및 와이어 공급기(105) 모두에 결합되는 용접 전원(109)을 포함한다. 전원(109)은 본원에서 설명되는 전류 및 용접 파형, 예를 들어 펄스 스프레이, STT 및/또는 단락 아크 유형 용접 파형을 전달할 수 있는 임의의 알려진 유형의 용접 전원일 수 있다. 이러한 전원 공급기의 구성, 설계 및 작동은 널리 알려져 있으므로, 본원에서 상세히 설명될 필요는 없다. 또한, 용접 전원은 하나보다 많은 전원 공급기에 의해 동시에 공급될 수 있으며, 이러한 시스템의 작동도 알려져 있다는 점을 유의한다. 또한, 전원(109)은 사용자가 용접 작업을 위한 제어 또는 용접 파라미터를 입력할 수 있도록 하기 위한 사용자 인터페이스에 연결된 제어기(120)를 포함할 수 있다. 제어기(120)는 본원에서 설명된 바와 같은 용접 공정의 작동을 제어하기 위해 사용될 프로세서, CPU, 메모리 등을 가질 수 있다. 알려진 수동식, 반자동식 또는 로봇식 용접 토치와 유사하게 구성될 수 있는 토치(111)는 임의의 알려진 또는 사용되는 용접 건에 결합될 수 있으며, 전술한 바와 같이 직선형 또는 거위목형일 수 있다. 와이어 공급기(105)는 릴, 스풀, 컨테이너 등과 같은 임의의 알려진 유형일 수 있는 용접봉 소스(101 및 103)로부터 용접봉(E1 및 E2)을 각각 끌어당긴다. 와이어 공급기(105)는 알려진 구성이고, 용접봉(E1 및 E2)을 끌어당기고 용접봉을 토치(111)로 푸시하기 위한 공급 롤(107)을 사용한다. 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 공급 롤(107) 및 와이어 공급기(105)는 단일 용접봉 작업을 위해 구성된다. 이중 와이어 구성을 사용하는 본 발명의 실시형태는 단일 와이어 공급 작업만을 위해 설계된 롤러(107) 및 와이어 공급기(105)와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 롤러(107)는 단일 0.045 인치 직경의 용접봉을 위해 구성될 수 있지만, 와이어 공급기(105) 또는 롤러(107)에 대한 변형 없이 0.030 인치 직경의 2개의 용접봉을 구동하는데 적합할 것이다. 대안적으로, 와이어 공급기(105)는 용접봉(E1/E2)을 각각 공급하기 위한 별도의 롤러 세트를 제공하도록 설계될 수 있거나, 또는 (예를 들어, 2개의 용접봉을 수용할 수 있는 롤러 둘레의 사다리꼴 형상의 와이어 수용 홈을 통해) 2개 이상의 용접봉을 동시에 공급하도록 구성된 롤러를 가질 수 있다. 다른 실시형태에서, 2개의 별도의 와이어 공급기가 사용될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 와이어 공급기(들)(105)는 알려진 구성의 용접 작업에 따라 전원(109)과 통신한다.
롤러(107)에 의해 구동되면, 용접봉(E1 및 E2)은 라이너(113)를 통과하여 용접봉(E1 및 E2)을 토치(111)에 전달한다. 라이너(113)는 용접봉(E1 및 E2)이 토치(111)로 통과할 수 있도록 적절한 크기로 정해진다. 예를 들어, 2개의 0.030 인치 직경 용접봉의 경우, (전형적으로 단일 0.0625 인치 직경 용접봉을 위해 사용되는) 표준 0.0625 인치 직경 라이너(113)가 변형 없이 사용될 수 있다.
위에 언급된 실시예는 동일한 직경을 갖는 2개의 용접봉의 사용을 설명하지만, 실시형태가 상이한 직경의 용접봉을 사용할 수 있기 때문에, 본 발명은 이와 관련하여 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 실시형태는 더 큰 제1 직경의 용접봉, 및 더 작은 제2 직경의 용접봉을 사용할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 상이한 두께의 2개의 소재를 보다 간편하게 용접하는 것이 가능하다. 예를 들어, 더 큰 용접봉은 더 큰 소재로 배향될 수 있는 반면에, 더 작은 용접봉은 더 작은 소재로 배향될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시형태는 금속 불활성 가스, 서브머지드(submerged) 아크, 및 플럭스-코어드 용접을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다수의 상이한 유형의 용접 작업을 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시형태는 자동식, 로봇식 및 반자동식 용접 작업을 위해 사용될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 실시형태는 상이한 용접봉 유형으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 코어드 용접봉이 비-코어드 용접봉과 결합될 수 있다는 것을 고려한다. 또한, 최종 용접 비드의 원하는 용접 특성 및 조성을 달성하기 위해 상이한 조성의 용접봉이 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 넓은 범위의 용접 작업에 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 접점 팁 조립체(200)를 도시한다. 접점 팁 조립체(200)는 알려진 접점 팁 재료로 제조될 수 있으며, 임의의 알려진 유형의 용접 건에 사용될 수 있다. 이러한 예시적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 접점 팁 조립체는 접점 팁 조립체(200)의 길이로 이어지는 2개의 별도의 채널(201 및 203)을 갖는다. 용접 동안, 제1 용접봉(E1)은 제1 채널(201)을 통과하고, 제2 용접봉(E2)은 제2 채널(203)을 통과한다. 채널(201/203)은 전형적으로 이를 통과할 와이어의 직경에 대해 적절한 크기로 정해진다. 예를 들어, 용접봉들이 동일한 직경을 갖는 경우, 채널들은 동일한 직경을 갖는다. 그러나, 상이한 직경이 사용되는 경우, 채널은 전류를 용접봉에 적절히 전달하기 위한 적절한 크기로 정해져야 한다. 추가적으로, 도시된 실시형태에서, 채널들(201/203)은 용접봉들(E1/E2)이 접점 팁(200)의 원위 단부면에서 평행한 관계로 빠져나가도록 구성된다. 그러나, 다른 예시적인 실시형태에서, 각각의 용접봉들의 중심선들 사이에 +/- 15° 범위의 각도가 존재하도록 용접봉들(E1/E2)이 접점 팁의 원위 단부면에서 빠져나가도록 채널들이 구성될 수 있다. 각도 조절은 용접 작업의 원하는 성능 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 접점 팁 조립체는 도시된 바와 같은 채널을 갖는 단일의 일체형 접점 팁일 수 있는 반면에, 다른 실시형태에서 접점 팁 조립체는 서로 가까이 위치된 2개의 접점 팁 서브 조립체를 포함할 수 있으며, 여기서 전류는 각각의 접점 팁 서브 조립체로 지향된다는 점을 추가로 유의한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 용접봉(E1/E2)은 용접봉의 가장 가까운 에지들 사이의 거리인 거리(S)만큼 이격된다. 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 이러한 거리는 2개의 용접봉(E1/E2) 중 더 큰 것의 직경의 0.25배 내지 4배의 범위에 있는 반면에, 다른 예시적인 실시형태에서, 거리(S)는 가장 큰 직경의 2배 내지 3배의 범위에 있다. 예를 들어, 각각의 용접봉이 1 mm의 직경을 갖는 경우, 거리(S)는 2 내지 3 mm의 범위에 있을 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 거리(S)는 2개의 용접봉 중 더 큰 것과 같은, 와이어 용접봉들 중 하나의 직경의 0.25배 내지 2.25배의 범위에 있다. 수동식 또는 반자동식 용접 작업에서, 거리(S)는 가장 큰 용접봉 직경의 0.25배 내지 2.25배 범위에 있을 수 있는 반면에, 로봇식 용접 작업에서, 거리(S)는 가장 큰 용접봉 직경의 2.5배 내지 3.5배와 같이, 동일한 또는 다른 범위에 있을 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 거리(S)는 0.2 내지 3.5 mm의 범위에 있다.
와이어 용접봉(E1/E2)은 접점 팁(200)의 단부면 상의 출구 오리피스로부터 돌출된다. 출구 오리피스의 직경은 와이어 용접봉(E1/E2)의 직경보다 약간 더 크다. 예를 들어, 0.035 인치 와이어의 경우, 출구 오리피스의 직경은 0.043 인치(1.09 mm)일 수 있다; 0.040 인치 와이어의 경우, 출구 오리피스의 직경은 0.046 인치(1.17 mm)일 수 있다; 0.045 인치 와이어의 경우, 출구 오리피스의 직경은 0.052 인치(1.32 mm)일 수 있다. 채널들(201, 203) 및 출구 오리피스들은 증착 작업 동안 와이어 용접봉들(E1/E2) 사이에 단일 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 적절하게 이격된다. 0.045 인치 이하의 직경을 갖는 용접봉에 대해 크기가 정해진 출구 오리피스의 경우, 출구 오리피스들 사이의 거리(거리(S)와 유사한, 내주 대 내주)는 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 3 mm 미만일 수 있다. 그러나, 와이어 크기, 자기력, 채널(201, 203)의 배향(예를 들어, 각도) 등에 따라, 출구 오리피스들 사이에 3 mm 이상의 간격이 가능할 수 있다. 특정 실시형태에서, 출구 오리피스들 사이의 거리는 출구 오리피스들 중 하나 또는 둘 모두의 직경의 20% 내지 200%의 범위 내에 있으며, 이는 또한 용접봉의 직경의 0.25배 내지 2.25배의 범위에 있는 와이어 용접봉들 사이의 거리(S)에 해당할 수 있다.
아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 용접봉들이 가교 액적을 통해 접촉되는 것 외에 서로 접촉되는 것을 방지하면서, 액적이 전달되기 전에 용접봉들 사이에 단일 가교 액적이 형성되는 것을 보장하도록 거리(S)가 선택되어야 한다.
도 3a는 각각의 용접봉(E1 및 E2)으로부터의 자기력의 상호 작용을 나타내는 동시에 본 발명의 예시적인 실시형태를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전류의 흐름으로 인해, 용접봉의 둘레에 자기장이 생성됨으로써, 와이어들을 서로를 향해 끌어당기는 핀치 작용력을 생성하는 경향이 있다. 이러한 자기력은 2개 용접봉들 사이에 액적 가교를 생성하는 경향이 있으며, 이는 아래에 더 상세히 설명될 것이다.
도 3b는 2개의 용접봉들 사이에 생성되는 액적 가교를 도시한다. 즉, 각각의 용접봉을 통과하는 전류가 용접봉의 단부를 용융시킴에 따라, 자기력은 서로 연결될 때까지 용융 액적들을 서로를 향해 끌어당기는 경향이 있다. 거리(S)는 용접봉들의 솔리드 부분들이 서로 접촉되게 끌어 당겨지지 않도록 하기에 충분히 멀지만, 용융 액적이 용접 아크에 의해 생성된 용접 퍼들로 전달되기 전에 액적 가교가 생성되도록 하기에는 충분히 가깝다. 액적은 도 3c에 도시되며, 액적 가교는 용접 동안 퍼들에 전달되는 단일의 큰 액적을 생성한다. 도시된 바와 같이, 액적 가교에 작용하는 자기 핀치 작용력은 단일 용접봉 용접 작업에서의 핀치 작용력의 사용과 유사하게 액적을 핀치 오프하도록 작용한다.
또한, 도 4a는 본 발명의 실시형태의 전류 흐름의 예시적인 표현을 도시한다. 도시된 바와 같이, 용접 전류는 각각의 용접봉 각각을 통해 흐르도록 분할되며, 가교 액적이 형성됨에 따라 가교 액적에 전달되어 가교 액적을 통과한다. 그 다음, 전류는 가교 액적으로부터 퍼들 및 소재로 전달된다. 용접봉들이 동일한 직경 및 유형인 예시적인 실시형태에서, 전류는 본질적으로 용접봉들을 통해 균등하게 분할된다. 용접봉들이 예를 들어, 상이한 직경 및/또는 조성/구성으로 인해 상이한 저항값을 갖는 실시형태에서, 알려진 방법과 유사하게 용접 전류가 접점 팁에 인가됨에 따라, V = I*R의 관계로 인해 각각의 전류가 배분되며, 접점 팁은 접점 팁의 채널과 용접봉 사이의 접촉을 통해 각각의 용접봉에 용접 전류를 제공한다. 도 4b는 가교 액적을 생성하도록 돕는 가교 퍼들 내의 자기력을 도시한다. 도시된 바와 같이, 자기력은 용접봉들의 각각의 용융 부분들을 이들이 서로 접촉될 때까지 서로를 향해 끌어당기는 경향이 있다.
도 5a는 단일 용접봉 용접 작업으로 이루어진 용접부의 예시적인 단면을 도시한다. 도시된 바와 같이, 용접 비드(WB)는 적절한 폭이지만, 도시된 바와 같이 소재(W) 내로 침투하는 용접 비드(WB)의 핑거(F)는 비교적 좁은 폭을 갖는다. 이는 더 높은 증착 속도가 사용되는 경우 단일 와이어 용접 작업에서 발생할 수 있다. 즉, 이러한 용접 작업에서, 핑거가 원하는 방향으로 침투했다고 가정하는 것이 신뢰 가능하지 않을 정도로 핑거(F)가 좁아질 수 있으므로, 적절한 용접 침투의 신뢰 가능한 지표일 수 없다. 또한, 이러한 좁은 핑거가 더 깊이 들어감에 따라, 이것은 핑거 근처에 포획된 공극과 같은 결함을 유발할 수 있다. 추가적으로, 이러한 용접 작업에서, 용접 비드의 유용한 측면은 원하는 만큼 깊이 침투되지 않는다. 따라서, 특정 적용예에서, 이러한 기계적 결합은 원하는 만큼 강하지 않다. 추가적으로, 수평 필릿(fillet) 용접부를 용접하는 경우와 같은 일부 용접 적용예에서, 단일 용접봉의 사용은 용접 작업에 너무 많은 열을 추가하지 않으면서, 높은 증착 속도로 동일한 크기의 용접 레그를 달성하기 어렵게 만든다. 이러한 문제는, 핑거의 침투를 감소시킬 수 있고 핑거를 확산시켜서 용접부의 측면 침투를 더 넓게 만들 수 있는 본 발명의 실시형태에 의해 완화된다. 이러한 실시예는 본 발명의 실시형태의 용접 비드를 도시하는 도 5b에 도시된다. 이러한 실시형태에 도시된 바와 같이, 용접 조인트 내의 용접 깊이로 더 넓은 용접 비드가 달성될 수 있을 뿐만 아니라, 유사한 또는 개선된 용접 비드 레그 대칭 및/또는 길이가 달성될 수 있다. 이러한 개선된 용접 비드 형상은 용접부로의 적은 총 입열을 사용하면서 달성된다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 더 적은 양의 입열을 사용하여 그리고 개선된 증착 속도로 개선된 기계적 용접 성능을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 예시적인 용접 작업의 흐름도(600)를 도시한다. 이러한 흐름도는 예시적인 것으로 의도되며, 한정적인 것으로 의도되지 않는다. 도시된 바와 같이, 용접 전류/출력이 용접 전원에 의해 제공됨으로써(610), 알려진 시스템 구성에 따른 접점 팁 및 용접봉으로 전류가 보내진다. 예시적인 파형은 아래에 추가로 설명된다. 용접 동안, 가교 액적이 용접봉들 사이에 형성될 수 있으며(620), 각각의 용접봉으로부터의 각각의 액적들이 서로 접촉되어 가교 액적을 생성한다. 가교 액적은 용접 퍼들과 접촉되기 전에 형성된다. 가교 액적의 형성 동안, 액적이 전달될 크기에 도달하는 그러한 시간까지 지속 시간 또는 액적 크기 중 적어도 하나가 검출된 다음, 액적이 퍼들로 전달된다(640). 공정은 용접 작업 동안에 반복된다. 용접 공정을 제어하기 위해, 전원 제어기/제어 시스템은 가교 액적 전류 지속 시간 및/또는 가교 액적 크기 검출 중 어느 하나를 사용하여, 가교 액적이 전달될 크기인지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 주어진 용접 작업을 위해 미리 결정된 가교 전류 지속 시간이 사용됨으로써, 해당 지속 시간 동안 가교 전류가 유지된 다음, 그 후에 액적 전달이 개시된다. 추가적인 예시적인 실시형태에서, 전원/전원 공급기의 제어기는 용접 전류 및/또는 전압을 모니터링할 수 있고, 주어진 용접 작업을 위한 미리 결정된 임계치(예를 들어, 전압 임계치)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시형태에서, 검출된 아크 전압(알려진 유형의 아크 전압 검출 회로를 통해 검출됨)이 가교 액적 임계치 레벨에 아크 전압이 도달했음을 검출함에 따라, 전원 공급기는 액적 분리 부분의 용접 파형을 개시한다. 이는 본 발명의 실시형태와 함께 사용될 수 있는 용접 파형의 일부 예시적인 실시형태에서 아래에 추가로 설명될 것이다.
도 7은 본 발명의 실시형태와 함께 사용될 수 있는 접점 팁(700)의 대안적인 예시적인 실시형태를 도시한다. 앞서 설명된 바와 같이, 일부 실시형태에서, 용접봉은 단일 와이어 가이드/라이너를 통해 토치로 지향될 수 있다. 물론, 다른 실시형태에서, 별도의 와이어 가이드/라이너들이 사용될 수 있다. 그러나, 단일 와이어 가이드/라이너가 사용되는 그러한 실시형태에서, 접점 팁은 용접봉들이 접점 팁 내에서 서로 분리되도록 설계될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 예시적인 접점 팁(700)은 접점 팁(700)의 상류 단부에서 단일 오리피스를 갖는 단일 입구 채널(710)을 갖는다. 각각의 용접봉은 이러한 오리피스를 통해 접점 팁에 진입하고, 접점 팁의 분리 부분(720)에 도달할 때까지 채널(710)을 따라 통과하며, 분리 부분은 하나의 용접봉을 제1 출구 채널(711)로 지향시키고 제2 용접봉을 제2 출구 채널(712)로 지향시킴으로써, 용접봉들이 이들의 개별 출구 오리피스(701 및 702)로 각각 지향되도록 한다. 물론, 채널(710, 711 및 712)은 사용될 용접봉의 크기에 대해 적절한 크기로 정해져야 하며, 분리 부분(720)은 용접봉을 스크래치내거나 자국을 남기지 않도록 성형되어야 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 출구 채널들(711 및 712)은 서로에 대해 각을 이루고 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 이들 채널들이 서로 평행하게 배향될 수도 있다.
이제 도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시형태와 함께 사용될 수 있는 다양한 예시적인 파형이 도시된다. 일반적으로, 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 가교 액적을 생성하고 전달을 위해 이를 축적하도록 전류가 증가된다. 예시적인 실시형태에서, 전달 시에, 가교 액적은 용접봉들 중 어느 하나의 직경보다 더 클 수 있는 용접봉들 사이의 거리(S)와 유사한 평균 직경을 갖는다. 액적이 형성되면 높은 피크 전류를 통해 전달되며, 그 후에 와이어에 작용하는 아크 압력을 제거하기 위해 전류가 더 낮은(예를 들어, 백그라운드) 레벨로 강하한다. 그 다음, 가교 전류는 너무 많은 핀치 작용력을 가하여 발생하는 액적을 핀치 오프시킬 수 없도록 하지 않으면서 가교 액적을 축적시킨다. 예시적인 실시형태에서, 이러한 가교 전류는 백그라운드 전류와 피크 전류 사이의 30 내지 70% 범위의 레벨에 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 가교 전류는 백그라운드 전류와 피크 전류 사이의 40 내지 60% 범위에 있다. 예를 들어, 백그라운드 전류가 100 암페어이고 피크 전류가 400 암페어인 경우, 가교 전류는 120 내지 180 암페어 범위(즉, 300 암페어 차이값의 40 내지 60%)에 있다. 일부 실시형태에서, 가교 전류는 1.5 내지 8 ms 범위의 지속 시간 동안 유지될 수 있는 반면에, 다른 예시적인 실시형태에서, 가교 전류는 2 내지 6 ms 범위의 지속 시간 동안 유지된다. 예시적인 실시형태에서, 가교 전류 지속 시간은 백그라운드 전류 상태의 종료 시에 시작되고, 가교 전류 램프 업을 포함하며, 여기서 램프 업은 가교 전류 레벨 및 램프 속도에 따라 0.33 내지 0.67 ms의 범위에 있을 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 단일 와이어 공정과 비교하여 파형의 펄스 주파수가 감쇠될 수 있으므로, 제어를 개선할 수 있는 액적 성장을 가능하게 하고, 단일 와이어 작업과 비교하여 더 높은 증착 속도를 가능하게 한다.
도 8은 펄스 스프레이 용접 유형 작업을 위한 예시적인 전류 파형(800)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 파형(800)은 백그라운드 전류 레벨(810)을 가지며, 이어서 가교 액적이 전달될 크기로 성장되는 가교 전류 레벨(820)로 천이한다. 가교 전류 레벨은 액적이 퍼들로의 이의 전달을 시작하는 스프레이 천이 전류 레벨(840) 미만이다. 가교 전류(820)의 종결 시에, 전류는 스프레이 천이 전류 레벨(840)을 넘어서 피크 전류 레벨(830)로 상승된다. 그 다음, 액적의 전달이 완료될 수 있도록 피크 전류 레벨이 피크 지속 시간 동안 유지된다. 그 다음, 전달 후에, 공정이 반복됨에 따라, 전류는 백그라운드 레벨로 다시 낮아진다. 따라서, 이들 실시형태에서, 파형의 가교 전류 부분 동안에는 단일 액적의 전달이 이루어지지 않는다. 그러한 예시적인 실시형태에서, 가교 전류(820)의 더 낮은 전류 레벨은 과도한 핀칭 작용력 없이 액적이 형성될 수 있게 함으로써 액적을 퍼들로 지향시킨다. 가교 액적의 사용으로 인해, 단일 와이어를 사용하는 것보다 더 높은 레벨로 더 긴 지속 시간 동안 피크 전류(830)가 유지될 수 있는 용접 작업이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태는 550 내지 700 암페어 범위의 피크 전류 레벨, 및 150 내지 400 암페어 범위의 백그라운드 전류에서, 적어도 4 ms 동안, 그리고 4 내지 7 ms 범위로 피크 지속 시간을 유지할 수 있다. 그러한 실시형태에서, 크게 개선된 증착 속도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태는 19 내지 26 lbs/hr 범위의 증착 속도를 달성하는 반면에, 유사한 단일 와이어 공정은 10 내지 16 lbs/hr 범위의 증착 속도만을 달성할 수 있다. 예를 들어, 한정적이지 않은 일 실시형태에서, 700 암페어의 피크 전류, 180 암페어의 백그라운드 전류 및 340 암페어의 액적 가교 전류를 사용하여, 0.040"의 직경을 갖는 한 쌍의 트윈 와이어가 120 Hz의 주파수에서 19 lb/hr의 속도로 증착될 수 있다. 이러한 증착은 통상적인 용접 공정보다 훨씬 더 작은 주파수로 이루어지므로, 보다 안정적이다.
도 9는 단락 아크 유형 용접 작업에 사용될 수 있는 다른 예시적인 파형(900)을 도시한다. 또한, 파형(900)은 액적과 퍼들 사이의 단락을 제거하도록 구조화되는 단락 응답 부분(920) 이전에 백그라운드 부분(910)을 갖는다. 단락 응답(920) 동안, 단락을 제거하도록 전류가 상승되고, 단락이 제거됨에 따라, 전류는 가교 액적이 형성되는 가교 전류 레벨(930)로 강하된다. 또한, 가교 전류 레벨(930)은 단락 응답(920)의 피크 전류 레벨 미만이다. 가교 전류 레벨(930)은 가교 액적이 형성되어 퍼들로 지향될 수 있게 하는 가교 전류 지속 시간 동안 유지된다. 그 다음, 액적의 전달 동안, 전류는 백그라운드 레벨로 강하되어, 단락이 발생할 때까지 액적이 전진할 수 있게 한다. 단락이 발생하면, 단락 응답/가교 전류 파형이 반복된다. 본 발명의 실시형태에서, 용접 공정을 보다 안정적으로 만드는 것은 가교 액적의 존재라는 점을 유의해야 한다. 즉, 다수의 와이어를 사용하는 기존의 용접 공정에서는 가교 액적이 없다. 하나의 와이어가 단락되거나 퍼들과 접촉되는 그러한 공정에서는, 아크 전압이 강하되고, 다른 용접봉을 위한 아크가 나온다. 이것은 가교 액적이 각각의 와이어에 공통인 본 발명의 실시형태에서는 발생하지 않는다.
도 10은 STT(표면 장력 전달) 유형 파형인 추가적인 예시적인 파형(1000)을 도시한다. 이러한 파형은 알려져 있기 때문에, 본원에서 상세히 설명되지 않을 것이다. STT 유형 파형, 이의 구조, 사용 및 구현을 추가로 설명하기 위해, 2012년 4월 5일에 출원된 미국 공보 제2013/0264323호는 그 전체 내용이 본원에 포함된다. 또한, 이러한 파형은 백그라운드 레벨(1010), 및 제1 피크 레벨(1015)과 제2 피크 레벨(1020)을 가지며, 제2 피크 레벨은 액적과 퍼들 사이의 단락이 제거된 후에 도달된다. 제2 피크 전류 레벨(1020) 후에, 전류는 가교 액적이 형성되는 가교 전류 레벨(1030)로 강하되고, 그 후에 전류가 백그라운드 레벨(1010)로 강하됨으로써, 액적이 퍼들과 접촉될 때까지 퍼들로 전진될 수 있게 한다. 다른 실시형태에서, AC 파형이 사용될 수 있으며, 예를 들어 AC STT 파형, 펄스 파형 등이 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 다중 와이어 증착 작업(예를 들어, 용접, 적층 가공, 표면 경화 등)에 사용되는 와이어 용접봉들은 와이어 용접봉들 사이에 가교 액적의 형성을 촉진시키는 거리(S)만큼 이격될 수 있다. 가교 액적의 크기는 와이어 용접봉들 사이의 간격 및 접점 팁의 출구 오리피스들 사이의 간격에 의해 결정된다. 가교 액적의 크기는 증착 작업 동안 존재하는 전기 아크의 폭을 결정하며, 출구 오리피스들 사이 및 와이어 용접봉들 사이의 간격을 감소시키면 아크 폭이 좁아진다. 더 큰 가교 액적은 더 큰 용접부를 위해 바람직할 수 있으며, 더 작은 가교 액적은 더 작은 용접부를 위해 바람직할 수 있다. 증착 속도는 아크 폭에 의해 영향을 받으며, 출구 오리피스들 사이 및 와이어 용접봉들 사이의 간격을 감소시킴으로써(예를 들어, 약 2 mm로부터 1 mm로) 작은 게이지 와이어에 대한 증착 속도가 증가될 수 있다.
출구 오리피스들 사이 및 와이어 용접봉들 사이의 최대 간격은 (예를 들어, 피크 전류 레벨의) 전류 파형에 의해 발생된 자기력이 여전히 가교 액적의 형성을 가능하게 하는 경우 도달되며, 가교가 더 이상 가능하지 않는 경우 초과된다. 최소 간격은 와이어들을 가교 지점에서 분리된 상태로 유지시키는 간격이다. 자기력은 와이어 용접봉들을 함께 끌어당기는 경향이 있으며, 와이어는 다소 가요성이다. 따라서, 출구 오리피스들 사이 및 와이어 용접봉들 사이의 최소 간격은 와이어 직경, 구성 재료 등과 같은 파라미터에 의해 영향을 받는 용접봉들의 강성도에 따라 좌우된다.
도 11은 본 발명에 따른 예시적인 용접 토치의 단부 부분을 도시한다. 용접 토치의 구성 및 작동은 일반적으로 알려져 있으므로, 이러한 구성 및 작동의 세부 사항은 본원에서 상세히 설명되지 않을 것이다. 도시된 바와 같이, 토치는 다수의 구성 요소를 포함하고, 용접 또는 적층 가공 작업을 위한 소재에 적어도 2개의 와이어 용접봉 및 보호 가스를 전달하기 위해 사용된다. 토치는 용접 작업을 위한 보호 가스를 적절하게 지향시켜서 분배하도록 보조하는 디퓨저(205)를 포함한다. 용접 동안 접점 팁을 동시에 통과하는 적어도 2개의 와이어 용접봉으로 용접 전류를 전달하기 위해 사용되는 접점 팁(200)이 디퓨저(205)의 하류 단부에 결합된다. 접점 팁(200)은 접점 팁의 보어 또는 채널을 통해 전달되는 와이어 용접봉들 사이에 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 구성된다. 가교 액적은 전술한 바와 같이, 증착 작업에 의해 생성된 용융 퍼들과 접촉되기 전에 제1 와이어 용접봉을 제2 와이어 용접봉에 결합시킨다.
디퓨저(205)의 외부 상에 절연체(206)가 장착된다. 절연체(206)는 토치 내의 전기적으로 통전되는 구성 요소들로부터 노즐(204)을 전기적으로 절연시킨다. 노즐(204)은 용접 동안 디퓨저(205)로부터 토치의 원위 단부 및 소재로 보호 가스를 지향시킨다.
통상적인 접점 팁은 디퓨저 내에 장착되는 접점 팁의 상류 또는 근위 단부 상에 나사산을 갖는다. 접점 팁 및 디퓨저는 접점 팁을 디퓨저 내에 나사로 고정시킴으로써 연결된다. 이러한 체결 시스템은 단일 와이어로 용접하기 위해 매우 효과적이다. 용접 와이어는 접점 팁을 통하여 장착될 수 있고, 접점 팁은 와이어 둘레에 여러 번 회전되어 디퓨저 내에 나사로 고정될 수 있다. 그러나, 접점 팁을 동시에 통과하는 다수의 용접 와이어로 용접하는 경우, 이러한 체결 시스템은 용접 와이어들의 바람직하지 않은 비틀림을 초래한다. 예를 들어, 2개의 용접 와이어가 접점 팁을 통과하는 경우, 360° 초과의 회전을 필요로 하는 다수의 회전에 의해 접점 팁을 디퓨저 상에 후속적으로 장착하면, 용접 와이어들이 비틀리게 되어 접점 팁을 통해 공급될 수 없게 된다.
도 11의 접점 팁(200)은 270°(3/4 회전), 180°(1/2 회전), 90°(1/4 회전), 90° 미만 등과 같은 360° 미만의 접점 팁의 회전에 의해 디퓨저(205)에 부착된다. 접점 팁을 디퓨저(205)에 부착하기 위해 필요한 접점 팁(200)의 회전은 바람직하게는 360° 미만인 원하는 임의의 각도일 수 있으며, 접점 팁의 설치 동안 과도하게 비틀리게 되지 않도록 다수의 와이어 용접봉이 접점 팁을 통과하게 된다. 접점 팁의 설치 동안 용접 와이어들이 과도하게 비틀리는 경우, 와이어 공급 문제가 발생하며, 용접 와이어들의 "버드 네스팅(bird nesting)"이 발생할 수 있다.
도 11 내지 도 16을 참조하면, 접점 팁(200)은 디퓨저 내에서 접점 팁의 1/4 회전, 시계 방향 회전에 의해 디퓨저(205)에 부착된다. 접점 팁(200)은 테이퍼형 형상을 갖는 전방 또는 하류 원위 부분을 가지며, 플라이어(plier)와 같은 도구에 의한 파지를 수용하기 위한 평탄부(215)를 포함한다. 접점 팁(200)은 대체로 원통형인 후방 또는 상류 근위 부분(208)을 갖지만, 접점 팁을 디퓨저에 견고하게 연결하기 위해, 디퓨저(205)의 내벽의 슬롯(212)과 맞물리는 반경 방향 돌출 탭(210)을 포함한다. 접점 팁(200)의 후방 부분(208)은 접점 팁이 디퓨저 상에 설치될 때 디퓨저(205) 내에 위치되며, 접점 팁을 위한 장착 섕크(shank)로서 작용한다. 접점 팁의 후방 부분(208)의 직경은 인접한 하류 부분보다 더 작아서, 견부(211)가 접점 팁의 원통형 후방 부분(208)으로부터 반경 방향으로 돌출된다는 것을 알 수 있다. 견부(211)는 접점 팁(200)이 디퓨저 상에 설치될 때 디퓨저(205)의 말단 단부면과 접촉되어 고정된다.
접점 팁(200)은 알려진 접점 팁 재료로 제조될 수 있으며, 임의의 알려진 유형의 용접 건에 사용될 수 있다. 접점 팁은 이의 후방 근위 단부로부터 이의 전방 원위 단부로 연장되는, 구리와 같은 전기 전도성 본체를 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 접점 팁(200)은 접점 팁의 길이로 이어지는 2개의 별도의 와이어 채널 또는 보어(214 및 216)를 갖는다. 채널(214/216)은 장착 섕크(208)의 근위 단부면 상의 와이어 입구 오리피스와 접점 팁의 원위 단부면 상의 와이어 출구 오리피스 사이로 연장될 수 있다. 용접 동안, 제1 와이어 용접봉은 제1 채널(214)을 통해 전달되고, 제2 와이어 용접봉은 제2 채널(216)을 통해 전달된다. 채널(214/216)은 전형적으로 채널을 통해 공급되는 와이어의 직경에 대해 적절한 크기로 정해진다. 예를 들어, 용접봉들이 동일한 직경을 갖는 경우, 채널들은 동일한 직경을 갖는다. 그러나, 상이한 와이어 크기들이 함께 사용되는 경우, 채널들은 전류를 상이한 크기의 용접봉들에 적절히 전달하기 위한 적절한 크기로 정해져야 한다. 추가적으로, 도시된 실시형태에서, 채널들(214/216)은 용접봉들이 접점 팁(200)의 원위 단부면에서 평행한 관계로 빠져나가도록 구성된다. 그러나, 다른 예시적인 실시형태에서, 각각의 용접봉들의 중심선들 사이에 +/- 15° 범위의 각도가 존재하도록 용접봉들이 접점 팁의 원위 단부면에서 빠져나가도록 채널들이 구성될 수 있다. 각도 조절은 용접 작업의 원하는 성능 특성에 기초하여 결정될 수 있다. 본원에서 설명된 예시적인 접점 팁은 2개의 용접봉 보어를 갖는 것으로 도시된다. 그러나, 접점 팁은 3개 이상의 보어와 같이, 2개보다 많은 용접봉을 위한 보어를 가질 수 있음을 이해해야 한다.
디퓨저(205)의 내벽의 슬롯(212)은 축방향 부분(218) 및 나선형 부분(220)을 포함한다. 슬롯(212)의 축방향 부분(218)은 접점 팁(200)의 견부(211)가 접촉되어 고정되는 디퓨저(205)의 하류 말단 단부면으로 연장된다. 용접 용접봉이 접점 팁(200)을 통해 공급된 후에, 장착 섕크(208) 상의 반경 방향 돌출 탭(210)이 슬롯(212)의 축방향 부분(218) 내로 삽입되고, 접점 팁이 디퓨저(205) 내로 푸시된다. 탭(210)이 슬롯의 나선형 부분(220)에 도달하면, 접점 팁(200)은 탭을 나선형 부분의 단부로 이동시키도록 회전된다. 나선형 부분(220)은 접점 팁이 회전됨에 따라 접점 팁(200)을 내향하게 끌어당기는 약간의 상류 피치를 가짐으로써, 접점 팁의 견부(211)가 디퓨저(205)의 하류 말단 단부면과 접촉되어 고정된다. 장착 섕크(208) 상의 탭(210)은 디퓨저(205)의 슬롯(212)의 피치와 매칭되는 테이퍼형 에지(217)를 가질 수 있어서, 2개의 구성 요소들 사이의 밀착 연결을 보장하도록 돕는다. 도시된 예시적인 실시형태에서, 슬롯(212)의 나선형 부분(220)은 접점 팁을 디퓨저(205)에 고정시키도록 접점 팁(200)의 1/4 회전을 가능하게 한다. 그러나, 다른 회전 각도(예를 들어, 1/4 회전 또는 90° 초과 또는 미만)가 가능하다는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, 슬롯의 나선형 부분(220)은 디퓨저(205)의 내부 챔버의 내주 둘레로 360° 미만으로 연장될 수 있다.
도 17 및 도 18은 접점 팁과 디퓨저(205) 사이에 축방향 작용력을 제공하기 위한 편향 기구를 포함하는 접점 팁(200)의 예시적인 실시형태를 도시한다. 도시된 편향 기구는 웨이브 와셔와 같은 편향 스프링(222)이다. 편향 스프링(222)은 접점 팁(200)이 디퓨저(205)에 장착될 때, 접점 팁과 디퓨저 사이의 축방향 작용력을 유지시키도록 압축된다. 축방향 작용력은 장착 섕크(208) 상의 반경 방향 돌출 탭(210)을 디퓨저(205)의 슬롯(212)에 고정시키도록 돕는다. 특히, 축방향 작용력은 디퓨저(205)의 슬롯의 측벽과 접촉되게 탭(210)의 테이퍼형 표면을 푸시할 수 있으므로, 접점 팁을 제자리에 고정시키고 (예를 들어, 열 사이클, 기계적 충격 등으로 인한) 이완을 억제하도록 도울 수 있다. 장착 섕크(208)는 접점 팁(200)의 견부 부분(211)으로부터 연장되고, 편향 스프링(222)은 반경 방향 돌출 탭과 견부 부분 사이의 장착 섕크의 둘레에 환형으로 배치될 수 있다. 편향 스프링(222)은 장착 섕크(208) 상에 포획될 수 있으므로, 편향 스프링 또는 접점 팁을 파손하지 않고는 분리될 수 없다. 예를 들어, 로크 와셔 또는 코일 스프링과 같은, 다양한 유형의 편향 기구가 접점 팁(200)과 디퓨저(205) 사이의 축방향 작용력을 유지시키기 위해 사용될 수 있다.
도 19 내지 도 24는 다중 와이어 용접 또는 적층 가공을 위한 접점 팁(302) 및 디퓨저(300)의 추가적인 실시형태를 도시한다. 접점 팁(302)은 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 디퓨저(300) 상에 설치될 때 회전을 필요로 하지 않는다. 용접 토치의 노즐(204) 및 절연체 부분(206)은 도 7의 실시형태와 실질적으로 유사하다. 또한, 접점 팁(302)은 전술한 바와 같이, 와이어 채널(214/216) 및 견부(211)를 포함한다.
접점 팁(302) 및 디퓨저(300)는 접점 팁과 디퓨저 사이에 하나의 가능한 설치 배향만이 존재하도록 맞춰진다. 디퓨저의 내부 표면(304) 및 접점 팁의 후방 부분(306) 또는 장착 섕크는 디퓨저와 접점 팁을 맞추는 대응하는 평탄부들을 갖는 것으로 도시된다. 그러나, 예를 들어, 슬롯 및 돌출 맞춤 기구와 같은 다른 맞춤 기구가 사용될 수 있다.
용접 용접봉이 접점 팁(302)을 통과한 후에, 접점 팁을 비틀거나 회전시키지 않으면서 접점 팁이 디퓨저(300) 내로 축방향으로 삽입된다. 디퓨저(300)는 콜릿(collet) 스타일이며, 접점 팁의 후방 부분(306)과 접촉되게 밀착 체결됨으로써, 마찰에 의해 이를 제자리에 고정시킨다. 디퓨저(300)는 접점 팁(302)이 디퓨저 내로 삽입됨에 따라 디퓨저의 하류 단부가 약간 확장될 수 있게 하는 다수의 슬롯(308, 310, 312)을 포함할 수 있다. 디퓨저(300)의 하류 단부의 확장은 접점 팁의 후방 부분(306) 상에 반경 방향으로 가해지는 체결력을 유발한다. 원하는 경우, 디퓨저(300) 내에 접점 팁(302)을 추가로 고정시키기 위해, 추가적인 체결 기구가 사용될 수 있다. 예를 들어, 고정 나사가 접점 팁을 디퓨저에 체결시킬 수 있거나, 또는 클램프가 접점 팁의 후방 부분의 둘레에 디퓨저의 하류 단부를 추가로 압축시킬 수 있다. 그러한 클램프는 디퓨저 상에 장착됨에 따라, 디퓨저의 하류 단부에 가해지는 체결력이 클램프의 축방향 이동에 의해 제공되도록 디퓨저 상에 장착될 수 있다.
본원에서 설명된 실시형태의 사용은 알려진 용접 작업에 비해 안정성, 용접 구조 및 성능에 있어서 현저한 개선을 제공할 수 있다. 그러나, 실시형태는 용접 작업과 더불어, 적층 가공 작업에 사용될 수 있다. 실제로, 전술한 시스템(100)은 용접 작업에서와 같이 적층 가공 작업에 사용될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 개선된 증착 속도가 적층 가공 작업에서 달성될 수 있다. 예를 들어, 단일 와이어 적층 공정에 STT 유형 파형을 사용하는 경우, 0.045” 와이어를 사용하면, 불안정해지기 전에 약 5 lb/hr의 증착 속도를 제공할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시형태 및 2개의 0.040” 와이어를 사용하는 경우, 7 lbs/hr의 증착 속도가 안정적인 전달로 달성될 수 있다. 적층 가공 공정 및 시스템은 알려져 있기 때문에, 그 세부 사항은 본원에서 설명될 필요가 없다. 이러한 공정에서, 전술한 것과 같은 가교 전류가 적층 가공 전류 파형에서 사용될 수 있다.
다른 용접 유형 파형이 본 발명의 실시형태와 함께 사용될 수 있기 때문에, 예시적인 실시형태는 위에서 논의되고 본원에서 설명된 파형의 사용으로 한정되지 않는다는 점을 유의한다. 예를 들어, 다른 실시형태는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 가변 극성 펄스 스프레이 용접 파형, AC 파형 등을 사용할 수 있다. 예를 들어, 가변 극성 실시형태에서, 용접 파형의 가교 부분은 용접 퍼들로의 전체 입열을 감소시키면서 가교 액적이 생성되도록 음의 극성으로 수행될 수 있다. 예를 들어, AC 유형 파형을 사용하는 경우, 파형은 2개의 와이어를 용융시켜서 이들 사이에 가교 액적을 형성하기 위해, 교번하는 음 및 양의 펄스의 60 내지 200 Hz의 주파수를 가질 수 있다. 추가적인 실시형태에서, 주파수는 80 내지 120 Hz의 범위에 있을 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시형태는 플럭스 코어드 소모품을 포함하는 상이한 유형 및 조합의 소모품과 함께 사용될 수 있다. 실제로, 본 발명의 실시형태는 플럭스 코어드 용접봉을 사용하는 경우 더 안정적인 용접 작업을 제공할 수 있다. 구체적으로는, 가교 액적의 사용은 단일 와이어 용접 작업에서 불안정한 경향이 있을 수 있는 플럭스 코어 액적을 안정화시키도록 보조할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시형태는 더 높은 증착 속도로 증가된 용접 및 아크 안정성을 가능하게 한다. 예를 들어, 높은 전류 및 높은 증착 속도의 단일 와이어 용접 작업에서, 액적의 전달 유형은 스트리밍 스프레이로부터 회전식 스프레이로 변경될 수 있으며, 이는 용접 작업의 안정성을 현저하게 감소시킨다. 그러나, 본 발명의 예시적인 실시형태를 통해, 가교 액적은 액적을 안정화시켜서 20 lb/hr 초과의 증착 속도와 같은 높은 증착 속도로 아크 및 용접 안정성을 크게 개선한다.
추가적으로, 위에 나타낸 바와 같이, 소모품은 주어진 용접 작업을 최적화시킬 수 있는 상이한 유형 및/또는 조성일 수 있다. 즉, 원하는 용접 조인트를 생성하기 위해, 2개의 상이하지만 양립 가능한 소모품들의 사용이 조합될 수 있다. 예를 들어, 표면 경화 와이어, 스테인리스 와이어, 상이한 조성의 니켈 합금 및 강철 와이어를 포함하는 양립 가능한 소모품들이 조합될 수 있다. 구체적인 일 실시예로서, 309 스테인리스강 조성물을 제조하기 위해, 연강 와이어가 오버합금(overalloyed) 와이어와 조합될 수 있다. 이는 원하는 유형의 단일 소모품이 바람직한 용접 특성을 갖지 않는 경우 유리할 수 있다. 예를 들어, 전문적인 용접을 위한 일부 소모품은 원하는 용접 화학적 특성을 제공하지만, 사용하기가 매우 어렵고 만족스러운 용접을 제공하는 데 어려움이 있다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 원하는 용접 화학적 특성을 생성하기 위해 용접이 더 용이한 2개의 소모품이 조합되어 사용될 수 있게 한다. 본 발명의 실시형태는 상업적으로 달리 입수 가능하지 않거나, 그렇지 않으면 제조하기에 너무 고가의 합금/증착물 화학적 특성을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 고가의 또는 입수 불가능한 소모품이 필요하지 않도록 2개의 상이한 소모품이 사용될 수 있다. 또한, 실시형태는 희석된 합금을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 용접 와이어는 통상적인 저가의 합금일 수 있고, 제2 용접 와이어는 특수 와이어일 수 있다. 원하는 증착물은 고가의 특수 와이어에 비해, 더 낮은 평균 비용의 2개의 와이어로 가교 액적의 형성물 중에 잘 혼합된 2개의 와이어의 평균일 것이다. 또한, 일부 적용예에서, 적절한 소모품 화학적 특성의 결여로 인해, 원하는 증착물은 입수 불가능할 수 있지만, 2개의 표준 합금 와이어를 혼합함으로써 달성될 수 있으며, 가교 액적 내에서 혼합되어 단일 액적으로서 증착될 수 있다. 또한, 내마모성 금속의 적용예와 같은 일부 적용예에서, 원하는 증착물은 하나의 와이어로부터의 텅스텐 탄화물 입자와 다른 와이어로부터의 크롬 탄화물 입자의 조합물일 수 있다. 또 다른 적용예에서, 더 큰 입자를 내부에 수용하는 더 큰 와이어는 더 적은 입자 또는 더 작은 입자를 함유하는 더 작은 와이어와 혼합됨으로써, 2개의 와이어의 혼합물을 증착시킨다. 여기서, 각각의 와이어에 의한 예상 기여도는 와이어 공급 속도가 동일한 경우, 와이어의 크기에 비례한다. 또 다른 실시예에서, 와이어들의 와이어 공급 속도는 생성된 합금이 원하는 증착물에 따라 변경될 수 있도록 상이하지만, 와이어들의 혼합물은 여전히 와이어들 사이에 생성된 가교 액적에 의해 생성된다.
본 발명은 예시적인 실시형태를 참조하여 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시형태로 한정되지 않는다. 당업자는 이하의 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 본원에서 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (25)

  1. 용접 또는 적층 가공 접점 팁으로서,
    본체의 근위 단부로부터 본체의 원위 단부로 연장되는 전기 전도성 본체를 포함하며,
    상기 본체는,
    상기 본체의 원위 단부면의 제1 출구 오리피스에서 종결되는 제1 보어; 및
    상기 본체의 상기 원위 단부면의 제2 출구 오리피스에서 종결되는 제2 보어를 형성하고,
    상기 제1 및 제2 출구 오리피스는 증착 작업 동안 상기 제1 보어를 통해 전달된 제1 와이어 용접봉과 상기 제2 보어를 통해 전달된 제2 와이어 용접봉 사이에 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 구성된 거리만큼 서로 분리되는,
    용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 출구 오리피스는 직경을 가지며, 상기 거리는 상기 직경의 20% 내지 200%의 범위 내에 있는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 거리는 상기 제1 및 제2 와이어 용접봉의 가장 가까운 에지들 사이에서 측정될 때, 상기 제1 및 제2 와이어 용접봉의 직경의 0.25배 내지 2.25배의 범위 내에 있는 상기 제1 와이어 용접봉과 상기 제2 와이어 용접봉 사이의 간격(S)을 제공하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 거리는 3 mm 미만인, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 장착 섕크를 포함하며, 하나 이상의 입구 오리피스가 상기 장착 섕크 상에 위치되고, 상기 장착 섕크는 반경 방향 돌출 탭을 포함하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반경 방향 돌출 탭과 상기 본체의 상기 원위 단부면 사이에 위치된 편향 스프링을 더 포함하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 장착 섕크는 상기 접점 팁의 견부 부분으로부터 연장되며, 상기 편향 스프링은 상기 견부 부분과 상기 반경 방향 돌출 탭 사이의 상기 장착 섕크의 둘레에 환형으로 배치되는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반경 방향 돌출 탭은 테이퍼형 에지를 가지며, 상기 편향 스프링은 웨이브 와셔인, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  9. 용접 또는 적층 가공 접점 팁으로서,
    본체의 근위 단부로부터 본체의 원위 단부로 연장되는 전기 전도성 본체를 포함하며,
    상기 본체는,
    상기 본체의 상기 근위 단부의 제1 입구 오리피스로부터 상기 본체의 상기 원위 단부의 제1 출구 오리피스로 연장되는 상기 본체를 통하는 제1 보어; 및
    상기 본체의 상기 근위 단부의 제2 입구 오리피스로부터 상기 본체의 상기 원위 단부의 제2 출구 오리피스로 연장되는 상기 본체를 통하는 제2 보어를 형성하고,
    상기 제1 및 제2 출구 오리피스는 증착 작업 동안 상기 제1 보어를 통해 전달된 제1 와이어 용접봉과 상기 제2 보어를 통해 전달된 제2 와이어 용접봉 사이에 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 구성된 거리만큼 서로 분리되며,
    상기 가교 액적은 상기 증착 작업에 의해 생성된 용융 퍼들과 접촉되기 전에 상기 제1 와이어 용접봉을 상기 제2 와이어 용접봉에 결합시키는,
    용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 출구 오리피스는 직경을 가지며, 상기 거리는 상기 직경의 20% 내지 200%의 범위 내에 있는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 거리는 상기 제1 및 제2 와이어 용접봉의 가장 가까운 에지들 사이에서 측정될 때, 상기 제1 및 제2 와이어 용접봉의 직경의 0.25배 내지 2.25배의 범위 내에 있는 상기 제1 와이어 용접봉과 상기 제2 와이어 용접봉 사이의 간격(S)을 제공하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 거리는 3 mm 미만인, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 와이어 용접봉이 상기 제1 출구 오리피스에서 빠져나가고 상기 제2 와이어 용접봉이 상기 제2 출구 오리피스에서 빠져나감에 따라, 상기 제1 와이어 용접봉의 중심선과 상기 제2 와이어 용접봉의 중심선 사이의 각도는 +15도 내지 -15도의 범위에 있는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 본체는 장착 섕크를 포함하며, 상기 제1 입구 오리피스 및 상기 제2 입구 오리피스는 상기 장착 섕크 상에 위치되고, 상기 장착 섕크는 반경 방향 돌출 탭을 포함하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 반경 방향 돌출 탭과 상기 본체의 상기 원위 단부 사이에 위치된 편향 스프링을 더 포함하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 장착 섕크는 상기 접점 팁의 견부 부분으로부터 연장되며, 상기 편향 스프링은 상기 견부 부분과 상기 반경 방향 돌출 탭 사이의 상기 장착 섕크의 둘레에 환형으로 배치되는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 반경 방향 돌출 탭은 테이퍼형 에지를 가지며, 상기 편향 스프링은 웨이브 와셔인, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  18. 용접 또는 적층 가공 접점 팁으로서,
    본체의 근위 단부로부터 본체의 원위 단부로 연장되는 전기 전도성 본체를 포함하며,
    상기 본체는,
    상기 본체의 원위 단부면에서 종결되는 제1 채널; 및
    상기 본체의 상기 원위 단부면에서 종결되는 제2 채널을 형성하고,
    상기 본체의 상기 원위 단부면에서, 상기 제1 채널 및 상기 제2 채널은 증착 작업 동안 상기 제1 채널을 통해 전달된 제1 와이어 용접봉과 상기 제2 채널을 통해 전달된 제2 와이어 용접봉 사이에 가교 액적의 형성을 촉진시키도록 구성된 거리만큼 서로 분리되며,
    상기 가교 액적은 상기 증착 작업에 의해 생성된 용융 퍼들과 접촉되기 전에 상기 제1 와이어 용접봉을 상기 제2 와이어 용접봉에 결합시키는,
    용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 채널은 상기 본체의 상기 원위 단부면의 직경을 가지며, 상기 거리는 상기 직경의 20% 내지 200%의 범위 내에 있는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 거리는 상기 제1 및 제2 와이어 용접봉의 가장 가까운 에지들 사이에서 측정될 때, 상기 제1 및 제2 와이어 용접봉의 직경의 0.25배 내지 2.25배의 범위 내에 있는 상기 제1 와이어 용접봉과 상기 제2 와이어 용접봉 사이의 간격(S)을 제공하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 거리는 3 mm 미만인, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 본체는 장착 섕크를 포함하며, 하나 이상의 입구 오리피스가 상기 장착 섕크 상에 위치되고, 상기 장착 섕크는 반경 방향 돌출 탭을 포함하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 반경 방향 돌출 탭과 상기 본체의 상기 원위 단부면 사이에 위치된 편향 스프링을 더 포함하는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 장착 섕크는 상기 접점 팁의 견부 부분으로부터 연장되며, 상기 편향 스프링은 상기 견부 부분과 상기 반경 방향 돌출 탭 사이의 상기 장착 섕크의 둘레에 환형으로 배치되는, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 반경 방향 돌출 탭은 테이퍼형 에지를 가지며, 상기 편향 스프링은 웨이브 와셔인, 용접 또는 적층 가공 접점 팁.
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