［ENG강좌］아크 용접기기의 발전 동향과 전망

* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김영식(ygskim@reseat.re.kr)

* 출처 : 上山智之,“ア-ク溶接機器の進步と未來”, 「溶接學會誌(日本)」, 78(8), 2009, pp. 693~708

1. 머리말

1950년대에 일본은 아크 용접기기의 국산화가 본격적으로 시작되어 피복 아크 용접법 및 서브머지드 아크 용접법이 일본의 중후장대 산업을 이끌어 왔다. 1970년대부터는 이들 용접법은 탄산가스 아크 용접이나 TIG 용접을 중심으로 하는 가스 실드 아크 용접법으로 전환되어 이들 용접기기의 개발이 진행되었다.

1980년대에는 다관절 용접로봇의 보급과 트랜지스터 인버터 제어식 용접전원의 등장에 의해 아크 용접기기는 자동차산업을 중심으로 용접의 능률화, 자동화를 위한 기술개발이 진척되었다. 그 후 용접전원은 디지털 제어화가 이루어지고, 고성능 마이크로프로세서 채용과 더불어 제어능력이 향상되었으며, 인버터 전원 주회로의 고속 제어화 등이 급속히 발전하고 있다.

2. 아크 용접기기의 개발경과

1980년에 현재의 펄스 MAG?MIG 용접의 원형인 사인파 펄스 프로세서를 탑재한 펄스전원이 개발되어, 트랜지스터 초퍼(Transistor chopper) 제어로 출력이 제어되는 세계 최초의 범용 트랜지스터 제어 용접전원이 시판되었다. 1983년에는 인버터 제어 용접전원의 실용화가 본격적으로 실현되어 인버터 제어 펄스 MAG?MIG 용접전원의 개발에 의해 트랜지스터 초퍼 제어 펄스 전원은 자취를 감추게 되었다.

그 후 용접전원은 전부 인버터 제어식으로 발전하였으며, 1990년에는 마이크로프로세서 제어와 결합된 고기능·고성능 전원이 개발되었고 더 나아가 퍼지(Fuzzy) 제어를 탑재한 지능화 용접전원이 출현하였다.

20세기 말에는 용접전원의 디지털 제어화가 본격적으로 시작되어 제어회로의 대부분이 아날로그 제어에서 디지털 제어로 변경됨으로써 용접조건의 재현성 향상이 이루어졌다. 최근에는 고속제어소자를 이용한 출력제어의 고속화가 적극적으로 추진되어 용접현상 및 아크현상을 거의 이상적으로 제어할 수 있는 고성능의 용접전원도 시판되기에 이르렀다.

디지털 용접전원은 출력, 와이어송급, 실드가스 및 각종 시퀀스 제어와 전원 판넬의 표시 혹은 각종 센서 신호에 따른 동작 등이 전부 디지털 신호로 처리된다. 또한 데이터베이스의 일부는 사용자가 자유롭게 입력 또는 출력할 수 있도록 EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory)의 탑재가 가능하다. 나아가 통신기능을 이용하여 외부의 제어장치나 IT기기와 접속이 가능하여 용접모드나 설정데이터의 변경도 가능하다.

디지털 인버터 제어식 용접전원에 적용된 마이크로프로세서의 성능에 대해 살펴보면 1996년에는 16bit 용량의 마이크로프로세서로 펄스 파라미터의 최적화 제어 및 퍼지 제어에 의한 용접전류·전압의 자유조정 기능 등 복수의 제어를 1개 칩의 마이크로컴퓨터에 의해 할 수 있게 되었다. 2000년에는 32bit로 종래에 비해 2배 이상의 제어 주기로 4~8배의 용량을 갖는 마이크로프로세서가 적용되기에 이르렀다. 최근에는 32bit 마이크로컴퓨터와 DSP(Digital Signal Processor)를 1개로 통합시킨 고집적회로를 갖는 FPGA(Field Programmable Gate Array)가 용접전원에 적용되어 제어속도 및 프로그램 용량도 10년 전에 비해 10~20배 이상 향상되고 있다.

용접아크 현상 중 전원의 특성과 직접 관련을 갖는 현상은 (1)극점거동을 포함한 아크방전 현상, (2)전극의 소모와 이행 현상, (3)응고 후의 비드형성을 포함한 용융 풀 현상으로 대별된다. 최근에는 출력제어 주파수가 100㎑ 이상에 이르는 높은 출력제어 주파수를 갖는 디지털 제어 용접전원이 출현하여 가장 고속인 아크의 음극점 거동도 제어할 수 있는 레벨에 도달하여 용접 품질의 개선뿐만 아니고 기기의 중량을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.

와이어 송급에 있어서도 디지털 제어화가 이루어져 제어성능이 많이 향상되었으나, 0.01초(100㎐) 정도의 동작시간이 한계로 용접전원 제어의 발전에 비하면 기계적 제어의 고속화가 앞으로의 과제로 남아 있다.

3. TIG·플라즈마 용접기

최근의 디지털 인버터 제어식 용접기에서 채용하고 있는 새로운 기능, 성능에 대해 살펴보면 다음과 같다.

① 용접전류 조정기능 : TIG 용접 중의 용접전류의 조정은「토치스위치에 의한 전류조정」방식으로 발전하여 토치스위치를 싱글 클릭(Single click)하면 용접전류는 정해진 설정값만큼 감소하고 더블 클릭하면 소정의 설정값만큼 증가하도록 되어 있다.

② 정현파 펄스기능 : 펄스 TIG 용접에서 보통의 구형(矩形)파 형태의 용접 전류는 용융 풀

에 강한 충격이 가해지고, 강한 아크 음이 발생한다. 따라서「무소음 정현파 펄스」전원이 개발되어 있다.

③ 교류주파수 제어 : 인버터 제어식 교류용접전원은 EP(Electrode Positive) 극성 시간 비율을 크게 변화시켜 비드형상 제어 및 전극소모를 저감시킬 수 있다. 또한 교류주파수도 임의로 변화시킬 수 있어 주파수를 높여 직류에 가까운 특성을 얻을 수 있어 알루미늄 합금에서는 용입 깊이를 깊게 하고 클리닝 폭을 감소시킬 수 있다.

④ 고능률 TIG 용접시스템 : TIG 용접의 결점은 용접속도 및 용입 깊이가 다른 용접법에 비해 떨어지고 필러 와이어의 송급에 따른 용접 자세나 용접 진행방향에 제약을 받는다는 점이다. 이러한 문제점을 해결하는 방법으로 필러 와이어를 텅스텐 전극과 거의 일치한 각도로 하여 고온의 아크 속으로 진입하도록 함으로써 용착속도를 높이고 여타의 결점도 해결하는 고능률 용접시스템이 개발되어 있다.

⑤ 플라즈마 용접기 : 플라즈마 용접기도 최근에는 디지털 인버터 제어식이 개발되어 특히 아크 플라즈마의 특성에 직접 영향을 미치는 플라즈마 가스 유량 조정이 디지털 제어로 발전하였다. 또한 용접조건을 디지털 방식으로 설정이 가능하여 용접조건의 재현성이 향상되어 작업자에 의한 편차가 없는 용접이 가능케 되었다.

4. 탄산가스/MAG/MIG 용접기

최근의 디지털 인버터 제어식 탄산가스·MAG·MIG 용접기에 채용되고 있는 새로운 기능·성능에 대해 살펴보면 다음과 같다.

① 아크안정화와 스패터 저감 : 단락이행 아크 용접에서「DAC(Dynamic Arc Control)법」이 개발되어 CPU에 의한 디지털 연산으로 전류파형의 파형 제어를 실현함으로써 고속 과도 응답 특성을 갖는 전류파형을 얻을 수 있게 되어 아크안정이나 스패터 저감에 획기적인 성과를 가져올 수 있게 되었다.

또한「CBT(Controlled Bridge Transfer) 프로세스」라고 하는 방법은 용적이행 상태의 변화를 검출하여 정확히 재점호 타이밍을 예측하여 재점호 시의 아크 전류를 급감시키는 방법을 구사함으로써 스패터 발생을 방지하는 새로운 방법도 개발되어 있다. 외국에서도 스패터 발생을 억제하는 방법으로 Cold Arc법, CSC(Controlled Short Circuit)법, CMT(Cold Metal Transfer) 프로세스 등이 제안되어 있다.

그러나 이들의 방법들은 적용 가능한 용접전류의 범위가 200A 정도 (철강재료의 용접와이어 1.2㎜ 직경, 7m/min 정도의 용융속도)여서 중·후판의 용접구조물 적용에는 능률면에서 과제로 남아 있다.

② 펄스 MAG/MIG 용접의 아크 안정화 : 새로이 개발된 용접전원은 단순한 구형(矩形)파에서 탈피하여 양호한 재현성을 가지면서도 각각의 조건에 부합한 보다 복잡한 형태의 펄스파형을 구현할 수 있게 되어 아크의 안정과 스패터 저감효과를 획기적으로 가져올 수 있게 되었다. 또한 1펄스 1용적 이행이 안정적으로 이루어지도록 되었다.

③ 교류 펄스 MAG/MIG 용접법 : 교류 펄스의 EN비율(=EN극성전류 / (EP극성 펄스전류 EP극성 베이스전류 EN 극성전류)을 변화시켜 비드폭과 용입 깊이를 감소시켜 과대한 간격을 갖는 용접부에도 양호한 비드형상을 얻게 되었다.

④ 와이어 송급의 디지털화: 와이어 송급의 디지털 제어화에 의해 송급속도의 안정성이 확보되고 새로운 아크 스타트 제어법이 개발되어 아크 스타트 불량이나 그에 따른 스패터 발생을 획기적으로 저감시킬 수 있게 되었다.

5. 서브머지 아크 용접기

미국에서 교류/직류 디지털 인버터 제어식 서브머지 아크 용접기가 개발되어 있다. 이처럼 디지털 제어 전원에서는 다전극 서브머지 용접전원의 경우에도 교류파형의 위상제어가 임의로 가능하여 아크의 상호간섭을 배제할 수 있게 되어 양호한 용접비드를 얻는 것이 가능케 되었다.

6. 용접 프로세스의 복합화

2개 이상의 용접 프로세스를 복합시켜 각 프로세스의 단점을 보완하고 장점을 유효하게 활용하여 용접 능률을 극대화하는 프로세스가 개발되어 있다. 복합화 프로세스로는 다음과 같은 것들이 개발되어 있다.

① 탠덤(Tandem) GMA 용접 : 로봇 용접에의 적용을 고려하여 1개의 토치 중에 2개의 와이어를 송급함과 더불어 독립시킨 2대의 용접전원에서 각각의 와이어에 개별적인 출력을 공급하는 탠덤 펄스 GMA용접시스템이 개발되어 있다.

② 레이저·아크 하이브리드 용접 : 레이저 광의 후방에 아크를 투입함으로써 레이저 광에 의해 아크 근방의 분위기에 전기 전도성이 좋은플라즈마가 형성되어 아크가 안정화된다. 또한 아크 용융 풀 근방에레이저에 의한 용융 풀이 형성되어 용접속도를 높일 수 있고 과대한 용접 간격에 대해서도 안정된 용접비드를 얻을 수 있다.

④ 플라즈마 GMA 용접 : 이 시스템은 플라즈마 GMA 용접 전용토치, GMA용 용접전원, 플라즈마용 용접전원 및 GMA 용접용 와이어 송급장치를 구비하고 있다. 용접토치와 용접전원의 접속은 GMA측과 플라즈마측 모두 극에 접속하고, 모재측은 ㅡ극에 접속되어 있다.

이 시스템은 스패터나 용접 퓸(Fume) 발생이 매우 작은 용접결과를 얻을 수 있다. 또한 재래의 펄스 MAG 용접에 비해 용입 깊이는 작으면서 비드 폭이 넓어 토우(Toe)부의 여유각이 큰 용접비드가 얻어진다.

7. 금후의 전망

전자제어기술의 발달과 더불어 용접전원, 기기의 특성이나 기능이 크게 개선되어 고성능, 고능률, 고기능화를 목표로 새로운 아크 용접 프로세스?기기가 개발되어 있다. 이와 더불어 전원의 제어기술도 큰 발전을 이루어 직류파형에서 교류파형에 이르기까지 광범위하며 복잡한 전류 전압의 파형 제어방법도 개발되어 있다. 금후에는 디지털 인버터 제어전원의 고속제어성이 보다 향상되는 방향으로 발전해 갈 것으로 예측된다.

그러나 현재로서는 디지털제어 용접전원, 기기가 갖는 특성을 충분히 활용한 방법의 개발에는 도달하지 못하고 있으며, 재래의 출력파형 제어방법을 근본적으로 바꾸는 데는 이르지 못하였다. 즉 용접기기의 발전을 위해서는 아크현상을 주체로 한 용접프로세스의 물리현상에 대해 더 깊은 이해가 불가결한 요소로서 금후의 발전을 위해서는 이의 중요성이 더욱 커지리라 생각한다. 이를 위해서는 용접현상의 정성적인 이해에 머물지 않고 용융 용접부에 생기는 현상을 정량적으로 이해하는 것이 중요할 것이다.

최근에는 컴퓨터의 성능이 크게 향상되어 복잡한 용접현상을 모델화해서 시뮬레이션 할 수 있는 환경이 만들어지고 있다. 따라서 보다 발전된 용접 프로세스의 해석, 개발이 가능케 되어 전혀 새로운 프로세스 및 출력제어가 출현할 것이 기대되고 있다.