3.4.5 용접장비

(2) 용접전원

용접전원은 기본적으로 와이어와 모재 사이에 발생하는 아크에 전력을 공급하기 위한 것이다. 그러나, 용접전원의 진정한 역할은 아크의 안정성과 입력전압 변동과 같은 외부조건 변동에 대하여 출력이 안정되게 하며, 출력전류 파형을 제어하여 스패터 발생을 억제하는 것 등이다. 그 밖에도 GMAW 전원은 와이어 송급 속도제어, 가스 공급제어, 용접 순서제어 등의 제어장치를 내장하고 있는 것이 일반적이다.

용접전원의 용량은 통상 최대 출력 전류치로 나타내는데, 100-750A 정도가 일반적이다. 전원 출력으로는 직류용이 대부분을 차지하고 있지만 Al 합금의 용접에서는 극성효과를 이용할 목적으로 교류용이 사용되고 있으며, 비철금속의 용접에는 펄스 기능을 가진 용접기도 사용된다.

* 용접전원의 사용율


전체 사용시간에 대해 얼마의 시간을 사용하는가에 대한 개념을 보통 10분을 잡는다.


* 정격사용율 : 정격전류로 안전하게 사용할 수 있는 사용율
일반적으로 용접기의 출력전류와 사용시간이 과다하게 높거나 길게 되면 용접기내부의 발열(Q=I2Rt)로 인하여 변압기의 출력이 감소하고 효율도 떨어지게 된다. 따라서 사용전류와 사용시간에 대한 많은 관리가 필요하다.



1) 용접전원의 외부특성
GMAW에서 사용되는 용접 전원의 외부 특성은 정전압 특성이며, 정속도 와이어 송급 제어방식을 조합하여 사용하고 있다. 이러한 조합은 이른바 자기제어 작용을 이용하여 아크길이를 자동적으로 일정하게 유지하도록 하기 위한 것이다.

2) 출력제어 방식에 따른 분류

용접 전원의 출력제어 방식에 따른 분류는 <그림1>에 나타내었다.

< 그림 1 > 용접전원(직류)의 출력제어 방식
GMAW에서는 정류기식이 주로 사용되고 있지만, 전원 설비가 없는 곳에서는 회전기식도 쓰인다. 특히, 최근에는 반도체 제어방식이 50%이상을 차지하고 있으며, 그 중에서도 트랜지스터 인버터 방식의 용접기가 급격히 증가하고 있다. 사이리스터 제어방식은 통상 3상 교류를 입력으로 하고, 변압기와 사이리스터를 6상 반파 정류회로로 구성하여, 위상제어에 의해 출력을 제어하는 것으로, 리액터에 의해 출력파형의 평활 및 용적의 제어를 행한다. 그 밖에 출력 신호를 궤환하여 외부 조건 변동에 대한 출력의 안정화 및 출력특성의 제어를 하는 경우도 있다. 트랜지스터 제어 방식은 교류 입력을 직류로 변환한 후 제어하는 것으로 용접용 변압기를 트랜지스터의 입력측에 설치하는 형식(아날로그 제어)과 출력측에 설치하는 형식(인버터 제어)으로 나눈다.

다음에 인버터 용접전원의 특성과 개발 동향에 대하여 나타내었다.

<< 인버터 용접전원의 특성과 개발 동향 >>
근래 용접기가 점차 고도화되고 출력의 고속, 정밀한 제어 전원, 소형·경량 등 종래 용접기에서의 단점을 없앤 고성능 용접기의 필요에 따라 인버터 제어 용접기의 보급이 두드러지고 있다.
(1) Inverter 란?

Inverter란 직류를 교류로 변환하는 장치를 말한다. 이에 반하여 교류를 직류로 변환하는 장치를 컨버터라고 한다. 인버터 제어 용접기에서는 상용교류를 컨버터에서 직류로 변환시키고 인버터에서 고주파수의 교류를 만든 다음 다시 직류로 변환하는 형식으로 되어 있다.
인버터 용접기에서는 인버터와 컨버더를 함께 가지고 있으나 통칭하여 Inverter 용접기라고 한다.
(2) Inverter와 Thyristor 용접전원의 회로구성 및 출력제어
Thyristor 제어 용접전원과 Inverter 제어 용접전원의 회로 구성에서 출력제어 소자의 위치가 가장 큰 특징이다.
Thyristor 제어의 SCR은 Transformer의 출력측에 위치하지만 Inverter 제어의 출력소자(Transistor 또는 IGBT)는 Transformer의 입력측에 위치한다.
종래 방식의 용접전원에서는 상용교류를 감압시킨 후 Thyristor에 의한 통전각 제어로 출력전류 또는 전압을 제어하지만 Inverter 제어에서는 상용교류를 직류로 변환하고 Switching 회로에 수kHz-수십kHz의 고주파 교류를 스위칭하여 Transformer로 인가한 후 2차측의 교류를 직류로 변환하여 용접전원으로 출력한다. Inverter 전원에서의 출력의 제어는 보통 주파수를 제어하는 방법(PFM)과 진폭을 제어하는 방법(PWM)이 사용되고 있으나 통상 PWM 방식이 많이 사용되고 있다.
PWM 방식은 주파수를 일정하게 하고 Switching Time. 즉, Transistor의 도통시간의 폭을 제어하므로써 출력을 제어한다.


< 그림 2 > Arc 기동시 전류파형

  출 력 제 어
종래방식
PWM 인버터방식

< 그림 3 > 용접전원의 출력제어 비교

  회 로 구 성
종래방식
PWM 인버터방식

< 그림 4 > 용접전원의 회로구성 비교
(3) INVERTER 제어방식 용접전원의 일반적 특성
1) 소형 경량화
변압기의 권선수, 코어, 전압 및 출력의 관계식은 다음과 같이 표현된다.

N : 권선수, A : 전 류, V : 전 압, W : 출 력, B : 자속밀도 S : 코어 단면적, F : 주파수


< 그림 5 > 변압기 부피와 주파수와 관계

여기에서 주파수를 높이면 코어 단면적과 권선수가 작은 Transformer의 설계가 가능하므로 수 kHz ∼ 수십 kHz의 주파수를 사용하는 인버터 용접전원이 상용주파수를 사용하는 종래 Thyrisror 방식의 용접기 보다 Transformer크기를 대폭 줄일수 있게 된다. 뿐만 아니라 출력측 평활회로의 직류 리액터를 소형, 경량화 할 수 있다. 그러나 Inverter 제어에서는 방열판 등이 필요하게 되므로 실제의 전원의 크기는 Thyristor 제어 전원의 1/3 ∼ 1/2이 된다.

2) 고속 제어성
종래 Thyristor 방식의 용접전원의 제어 및 응답속도는 상용주파수의 내수 범위에서 수배 정도의 속도가 한계이나 인버터 제어식은 스위칭 반도체 소자로 수 kHz ∼ 수십kHz의 고주파로 스위칭 되므로 그 제어속도 및 응답속도도 상용주파수의 수백배의 고속제어를 가능하게 한다. 그러므로 아크가 안정되어 고속용접 및 고품질의 용접이 가능하다.

3) 에너지 절감형
인버터 제어형은 작업휴지 중에는 무부하 전력손실을 차단하는 기능이 있고 Transformer에서의 전력손실이 적어서 정격입력이 적어도 되므로 에너지 손실을 절감하는 효과가 있다.

< 그림 6 > 출력전원과 입력전류의 비교
(4) 각 용접전원에서의 인버터 제어의 적용과 특성
1) 제어 방식별 인버터 용접 전원 종류
a) 정전류 제어식
출력전류를 Feed Back 하여 인버터 펄스폭을 제어하므로 아크 길이에 관계 없이 출력전류를 항상 일정하게 유지하는 전원 (MIG, TIG, 가우징)
b) 정전압 제어식
출력전압을 인버터 회로에 귀환시켜서 아크의 변화에도 불구하고 출력전압을 일정하게 유지하는 전원 (CO2, MIG, MAG)
c) 정전력 제어식
[ 전압 × 전류 = 일정 ]의 제어를 하며 주로 고속제어가 가능한 인버터형 저항용접에 채용되고 있다 (Inverter SPOT)

2) 인버터 CO2/MAG 용접기
a) CO2/MAG 용접기의 종류
출력제어방식 구 성 특 징
Slide trans 방식 * 구성이 간단
* 출력파형이 양호
* Remote control이 관란*전원전압 변동보상이 곤란
* 저렴함 가격
Tap 전환방식
Thyristor 제어방식 * 대전류화 용이
* Remote control 용이
* 출력 리플이 크다
Inverter 방식 * 성능 향상이 용이
* 소형 경량
* 고가

b) 인버터 용접전원의 직류 리액터 특성
CO2 용접에서는 전류값에 따라서 Arc 상태가 변화하고 Wire 선단의 용적의 크기나 단락횟수가 달라지며 직류 Reactor의 크기에 따라서 Arc상태가 달라지므로 직류 Reactor의 작용을 용접전류에 따라서 적정화 시키면 안정된 Arc을 얻을 수 있게 된다. Arc의 안정성은 전류 파형의 규칙성과 관계가 있으며 Spatter의 발생량에도 큰 관계가 있다. <그림7>과 같이 Thyristor 제어와 Inverter 제어의 출력파형에서 Inverter 제어의 파형이 규칙적인 파형을 나타내고, 이와 같이 CO2 용접이나 소·중전류 이하의 MAG 용접에서는 1초간에는 수십, 수백회의 단락과 Arc 발생이 반복되며 용접이 진행된다. <그림8>과 같이 단락 기간 중 전류는 증가하고 Arc가 발생하는 중에는 전류가 감소한다. 이 전류 증가 및 감소속도에 영향을 주는 것은 직류 Reactor인데 직류 Reactor는 전류가 증가하려 하면 증가를 억제하고 감소하려 하면 전류의 감소를 억제하는 작용이 있으므로 Thyristor 용접전원에서 사용되는 크기의 직류 Reactor를 Inverter 용접전원에 사용하게 되면 인버터 제어의 특징인 고속제어의 특징이 무의미 해진다.

따라서 Inverter 제어 전원에서는 직류 Reactor를 작게 하는 대신 전자회로로 직류 Reactor의 기능을 병행하여 사용하므로써 Inverter 용접기의 고속 제어성을 살리고 있다. 또한 아크 기동시 와이어가 Tip에 녹아붙는 Burn back 현상은 직류 Reactor의 크기와 밀접한 관계가 있으며 직류 Reactor가 클수록 Burn back 현상이 일어나기 쉽다. 그러나 Inverter 제어 전원에서는 전자 Reactor의 채용으로 직류 Reactor의 크기가 작으므로 Burn back 현상이 대폭 개선되어 아크 기동 실패가 거의 발생되지 않는다.


< 그림 7 > Thyristor 제어와 Inverter 제어의 출력파형


< 그림 8 > CO2/MAG 용접기의 단락이행에서의 전류파형

c) Invereter CO2/MAG 용접기의 Arc start 특성
Inverter CO2/MAG 용접기의 제어는 매우 고속이므로 Arc 기동시 전류의 상승은 Thyristor 제어 보다 매우 빨라서 600A의 전류에 도달하는 시간이 1ms 이하로 되어 있다. 이와 같이 빠른 전류상승은 Arc start 성능을 향상시켜서 Arc start 실패율이 Thyristor 용접전원에 비교하여 대폭 개선된다.
d) 인버터 CO2/MAG 용접기의 전류 파형 제어
인버터 전원은 Thyristor 전원에 비하여 수십 배의 제어속도를 가지고 있기 때문에 와이어의 용접 이행현상에 대한 제어가 가능하며 단락상태 및 Arc 발생시간중 전류의 변화 즉, 전류파형을 제어함으로써 스패터의 감소 및 안정된 Arc 이행제어가 가능해진다. 즉, 단락직후에 전류증가를 억제하여 단락을 확실히 하고 Arc 발생의 전류증가 속도를 조절하여 스패터 감소와 아크 안정성을 얻고 있다.

< 그림 9 > Arc 기동시 전류상승 속도의 비교


< 그림 10 > Arc 기동 성능


< 그림 11 > di/dt를 이용한 전류파형제어


< 그림 12 > 전류검출 미분방식의 전류파형 제어


< 그림 13 > 전압검출 방식의 전류파형 제어

3) Pulse MAG/MIG 용접기

Pulse MAG/MIG 용접에서는 Solid wire를 전극으로 하여 전극 자체가 Arc에 의해 용융되는 형태이므로 Pulse TIG 용접에서 모재로의 입열량 제어 또는 Arc 지향성을 개선하는 목적과는 달리 모재의 용융상태를 제어하는 것이 주목적이다. <그림14>는 Pulse MAG/MIG 용접에서 용융 이행상태를 보인 것으로 대전류 Pulse 전류기간에 Wire 선단의 용적이 Wire에서 이탈하고 모재에 단락하지 않고 이행한다. 즉, 와이어를 용융할 수 있는 임계전류(Wire 굵기나 재질에 따라서 달라짐)는 Ic 이상으로 Tp의 시간동안 Pulse 전류를 인가 하므로써 전 전류 범위에서 단락이 없는 Spray 이행의 용접이 진행된다. 여기에서 Base 전류 Ib는 Arc의 유지를 위한 것 일뿐 Wire의 용융에는 거의 영향을 미치지 않는다.

< 그림 14 > Pulse MAG/MIG 용접의 용적이행
a) Pulse MAG/MIG 용접기의 회로구성
Thyristor Pulse 제어 전원에서는 Pulse전류, Base전류, 변압기, 직류 Reactor, SCR 등이 각각 필요한 구성으로 되어 있으나 Inverter 제어에서는 IGBT, 직류 Reactor등 회로는 기존 Pulse type이 아닌 인버터 용접기와 다를 바 없으나 Pulse 전류출력 및 Base 전류 출력은 제어회로만에 의해서 만들 수 있으므로 회로가 간단하며 복잡하고 세밀한 Pulse 파형의 제어가 용이하다.

< 그림 15 > 종래 Thyristor Pulse MAG/MIG 용접기 구성


< 그림 16 > 인버터 Pulse MAG/MIG 용접기 구성
b) Pulse MAG/MIG 용접전원의 비교
Thyristor 제어에서는 전류리플이 큰 Pulse 파형으로써 Pulse전류 Ip를 크게 하면 Pulse전류 Ip와 Pulse폭 Tp를 독립적으로 변화시킬 수 없다. 또한 Pulse 주파수는 상용 교류 주파수의 2∼3배 정도로 밖에 변화시킬 수 없다. 인버터 제어에서는 전류 리풀이 극히 작은 Pusle 파형이 만들어지며 Ip·Tp Pulse 주파수는 임의로 변화 제어될 수 있다.
  Thyristor 제어 전원 Inverter 제어 전원
제어소자 Thyristor Transistor, IGBT, IPM
파 형
Pulse 전류 Ip와 Ib 연동, 독립설정 불가능 Ip, Ib 독립설정 가능
Base 전류 용접전류에 따라 설정 용접전류와 무관하게 설정
Pulse 주파수 60/120 Hz 일정 연속적 변화
용적이행 Pulse에 동기한 이행은 일부 전류 영역에서만 가능 저전류 영역에서 Pulse에 동 기한 이행이 가능
Arc 길이 길다 (짧으면 단락의 발생이 생기기 쉽다) 짧다

< 표 2 > Pulse MAG/MIG 용접전원의 비교
c) Synchro Pulse 제어 MAG/MIG 용접기
Inverter 제어 전원에서는 Ip와 Tp, Pulse 주파수등을 임의로 설정할 수 있기 때문에 Wire 굵기와 재질에 따라서 Ip와 Tp의 적정치를 정해 놓고 적정 용접전류는 펄스 주파수를 변경 시킴으로써 적정 용접조건을 얻을 수 있다. 즉, Wire 송급량이 적은 소전류 영역에서는 저주파 Pulse를 가하여 Wire 송급량이 많은 대전류 영역에서는 고주파 Pulse를 인가하여 저전류 영역에서 하나의 Pulse에 하나의 용적이 이행되는 동기이행을 얻어 내므로써 Spatter의 발생이 거의 없는 용접이행이 가능해진다. 또한, Wire 송급속도를 일정하게 Pulse 전류나 Pulse 주파수를 일정한 주기로 고/저의 조건으로 반복시킴으로써 저주파 Pulse TIG와 같이 입열제어의 효과를 얻을 수 있으므로 특히 알루미늄 용접에 탁월한 성능을 발휘한다.

< 그림 17 > Pulse 주파수에 의한 용적이행 제어


< 그림 18 > Pulse 주파수와 평균전류와의 관계
(3) 용접에 있어서의 효과
용접성능, 용접품질은 용접장비 전체의 특성과 와이어, 가스의 성능에 따라 크게 좌우되지만 여기에는 용접전원의 제어 방식(사이리스터 제어와 인버터 제어)의 차이가 용접현상에 미치는 효과를 기술하는 것으로 한정시킨다. 인버터 방식의 용접전원은 출력 파형을 보다 정밀하게 제어하는 것이 가능함으로 용적 이행 과정을 보다 효과적으로 제어할 수 있다. 특히, 용적이 모재와 단락되는 과정에서 단락전류의 증가, 감소, 피크치의 제어가 가능하여, CO2 용접에서는 스패터 발생량을 대폭적으로 감소시키는 것이 가능하게 되었다.<그림18>
그 밖에도 이 방식은 초기전류를 적정값으로 제어할 수 있어 순간 아크 발생률을 100% 가까이 올리는 것이 가능하다. 한편, 와이어의 종류, 직경, 가스의 종류와 용접전류, 용접전압, 용접속도에 최적의 파형을 데이터 뱅크에 저장하고, 인공지능 제어를 하므로써 고속화를 꾀한 용접전원도 실용화되어 있다. 펄스 마그(미그) 용접에 있어서는 용적의 이행을 펄스 전류에 동기시켜 1펄스 1용적(1 pulse 1 drop)이 되도록 펄스 주파수 및 펄스 파형을 제어함으로써 스프레이 이행의 안정화를 꾀하는 장치도 사용되고 있다.

< 그림 19 > 스패터 발생량 비교



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