용접 전원
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1. 개요
용접 전원은 용접 작업에 필요한 전력을 공급하는 장치로, 정전류(CC) 또는 정전압(CV) 방식으로 분류된다. 정전류 전원은 피복 금속 아크 용접(SMAW) 및 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에 사용되며, 정전압 전원은 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)에 주로 사용된다. 용접 전원은 변압기, 발전기 또는 인버터 방식을 사용하며, 인버터 방식은 고효율과 다양한 제어 기능을 제공한다.
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| 용접 전원 | |
|---|---|
| 용접 전원 공급 장치 | |
 | |
| 개요 | |
| 종류 | 전기 장비 |
| 설명 | 용접에 필요한 전력을 공급하는 장치 |
2. 분류
용접 기계는 일반적으로 출력 특성에 따라 정전류(Constant Currenteng, CC) 방식과 정전압(Constant Voltageeng, CV) 방식으로 분류된다. 각 방식은 서로 다른 용접 공정과 작업 환경에 적합한 특성을 가진다.
2. 1. 사용 용접
용접기는 일반적으로 정전류(CC) 또는 정전압(CV) 방식으로 분류된다. 정전류 용접기는 일정한 전류를 유지하기 위해 출력 전압을 변경하며, 정전압 용접기는 설정된 전압을 유지하기 위해 출력 전류를 변동시킨다.피복 금속 아크 용접(SMAW)과 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 주로 정전류(CC) 전원을 사용한다. 반면, 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)은 일반적으로 정전압(CV) 전원을 사용한다. 다만, 전압 감지 와이어 공급기를 사용하는 경우에는 정전류 전원으로도 이들 용접 방식이 가능하다.
정전류(CC) 전원은 주로 피복 금속 아크 용접이나 가스 텅스텐 아크 용접과 같이 수동으로 이루어지는 용접 작업에 사용된다. 수동 용접은 작업자의 손이 완벽하게 일정한 거리를 유지하기 어렵기 때문에 아크 길이가 계속 변할 수 있다. 정전류 전원을 사용하면 아크 길이가 변하여 아크 전압이 달라지더라도 용접 전류는 크게 변하지 않는다. 결과적으로 용접 부위에 가해지는 열량이 비교적 일정하게 유지되어 안정적인 용접이 가능하다.
정전압(CV) 기계의 특성은 가스 금속 아크 용접과 플럭스 코어드 아크 용접에 일반적으로 필요하다. 만약 용접공이 피복 금속 아크 용접(SMAW) 작업에 정전압(CV) 기계를 사용하려고 하면, 아크 거리의 작은 변화에도 전류 출력이 크게 변동하여 용접이 어려워질 수 있다. 정전류(CC) 기계를 사용하면 용접공은 아크 길이에 관계없이 재료에 일정한 전류를 공급하며 작업할 수 있다.
3. 전원 공급 장치 설계
가장 일반적으로 사용되는 용접 전원은 그 설계 방식에 따라 여러 유형으로 분류할 수 있다.[1] 주요 유형으로는 상용 전원을 용접에 적합한 전압과 전류로 변환하는 변압기 방식, 기계적 에너지를 이용하는 발전기 및 교류 발전기 방식, 그리고 반도체 기술을 활용하여 효율과 제어 성능을 높인 인버터 방식 등이 있다. 이 외에도 특정 용접 방식에 특화된 다른 설계 방식들도 존재한다.
3. 1. 변압기 (Transformer)
변압기 유형 용접 전원은 상용 전원(일반적으로 230 또는 115 V AC)을 용접에 적합한 고전류 및 저전압(일반적으로 17~45V 무부하 전압, 55~590A)으로 변환하는 가장 기본적인 방식이다. 상대적으로 고가인 기기에서는 정류기를 사용하여 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하기도 한다.이 설계는 일반적으로 용접기가 다음과 같은 방법을 통해 출력 전류를 선택할 수 있도록 한다.
- 변압기의 1차 권선과 2차 권선 사이의 거리를 조절한다.
- 변압기 코어 안팎으로 자기 션트(magnetic shunt)를 이동시킨다.
- 2차 전류 출력과 직렬로 연결된 가변 포화 리액터(saturable reactor)를 사용한다.
- 변압기 2차 권선에 있는 여러 탭(tap) 중 하나를 선택하여 출력 전압을 변경한다.
이러한 변압기 방식의 기계는 일반적으로 가장 저렴하다는 장점이 있다.
그러나 순수한 변압기 설계는 50 또는 60Hz의 낮은 주파수에서 작동하기 때문에 부피가 크고 무겁다는 단점이 있다. 이러한 저주파 변압기는 불필요한 전류 손실(낭비적인 션트 전류)을 방지하기 위해 높은 자화 인덕턴스를 가져야 한다. 또한, 변압기는 용접봉이 공작물에 달라붙는 경우 단락으로부터 보호하기 위해 상당한 누설 인덕턴스를 갖도록 설계될 수 있다. 이 누설 인덕턴스는 가변적일 수 있으며, 작업자가 출력 전류를 설정하는 데 사용되기도 한다.
3. 2. 발전기 및 교류 발전기 (Generator and Alternator)
용접 전원은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 발전기 또는 교류 발전기를 사용하기도 한다. 최신 설계는 주로 내연 기관으로 구동되지만, 구형 기계는 전기 모터를 사용하여 교류 발전기나 발전기를 구동할 수도 있다. 이 방식은 전력을 먼저 기계적 에너지로 변환한 후, 다시 전기 에너지로 바꾸어 변압기와 유사한 전압 강하 효과를 얻는다. 발전기의 출력은 직류(DC)일 수도 있고, 더 높은 주파수의 교류(AC)일 수도 있다. 따라서 이러한 구형 기계는 정류기 없이도 AC에서 DC를 생성할 수 있으며, 과거의 헬리 아크(현재는 TIG 용접으로 더 자주 불림) 방식처럼 별도의 고주파 발생 장치 없이 교류 발전기가 직접 더 높은 주파수의 AC 전류를 생성하는 데 사용되기도 했다.3. 3. 인버터 (Inverter)
절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 같은 고출력 반도체의 등장으로, 아크 용접의 높은 부하를 감당할 수 있는 스위치 모드 전원 공급 장치 설계가 가능해졌다. 이러한 설계를 인버터 용접 장치라고 부른다.인버터 방식은 일반적으로 먼저 외부에서 들어오는 교류(AC) 전원을 직류(DC)로 변환(정류)한다. 그 다음, 이 DC 전원을 고속으로 껐다 켰다 하면서(스위칭 또는 인버팅) 변압기로 보내 원하는 용접 전압이나 전류를 만들어낸다. 이때 스위칭 주파수는 보통 10 kHz 이상으로 매우 높다.
높은 스위칭 주파수를 사용하면 몇 가지 장점이 있다. 복잡한 부품과 회로가 필요하지만, 스위칭 주파수가 높아질수록 같은 전력을 내기 위한 변압기나 인덕터 같은 자기 부품의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다. 따라서 인버터 용접기는 기존 방식보다 훨씬 작고 가볍게 만들 수 있다. 또한 인버터 회로는 전력 제어나 과부하 보호 같은 부가 기능도 쉽게 구현할 수 있다. 고주파 인버터 방식 용접기는 일반적으로 기존 방식보다 효율이 높고, 다양한 용접 조건을 더 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.
인버터 용접기 내부의 IGBT는 마이크로컨트롤러에 의해 제어된다. 덕분에 용접 전원의 전기적 특성을 실시간으로, 매우 짧은 시간 단위(사이클 단위)로 소프트웨어를 통해 바꿀 수 있다. 기존 방식으로는 수백 사이클이 걸리던 제어가 가능해진 것이다. 컨트롤러 소프트웨어는 용접 전류의 파형을 조절하거나, 용접 과정 중에 전류량이나 주파수를 바꾸는 등 다양한 기능을 구현한다. 또한 점 용접에 필요한 정확한 시간 제어도 가능하다. 이러한 기능들은 기존의 변압기 기반 용접기로는 구현하기 매우 어렵거나 비용이 많이 들지만, 소프트웨어로 제어하는 인버터 방식에서는 프로그램 코드만으로 비교적 쉽게 구현할 수 있다. 따라서 필요에 따라 소프트웨어를 업데이트하여 새로운 기능을 추가할 수도 있어, 기기 전체를 교체하지 않고도 성능을 개선할 수 있다.
3. 4. 기타 유형 (Other types)
앞서 설명한 변압기, 전동기/발전기, 인버터를 사용하는 방식 외에도 다른 유형의 용접기가 존재한다. 예를 들어, 레이저 용접기는 앞서 논의된 유형들과는 다른 방식의 전원 공급 장치 설계를 필요로 한다. 마찬가지로, 스폿 용접기도 다른 유형의 전원 공급 장치가 필요한데, 여기에는 보통 다른 용접 전원에서는 찾아보기 힘든 정교한 타이밍 회로나 대규모 축전기 뱅크가 포함되는 경우가 많다.참조
[1]
서적
Welding and Metal Fabrication
https://books.google[...]
Cengage Learning
2011-01-27
[1]
서적
Welding Skills, Processes and Practices for Entry-Level Welders
https://books.google[...]
Cengage Learning
2009-02-12
[1]
서적
New Developments in Advanced Welding
https://books.google[...]
CRC Press
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