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도영 최
5 years ago
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1 특집 : 용접공정의모니터링및용접품질평가기술 저항점용접의모니터링 전극팽창신호와서보건응용기법에대하여 Monitoring of Resistance Spot Welding Processes Hee Seok Chang and Jong Yub Lee 1. 서언 저항점용접은다른용접공정에비하여가장높은생 산성이보장되고용접부의열변형및물성변화가작은 장점으로인하여자동차 철도 항공기및일반산업현 장에서널리사용되어왔고최근 산업의비약적발전 에따라초소형전자기 통신관련전장부품 수요가 증가하며마이크로저항용접도지속적으로확대적용되 고있다 특히공기압실린더와스프링을사용하던종래의가 압방식에대비되는서보가압방식의장점이널리인식 되며자동차차체공정에서는신설용접라인에 서 보건을사용할정도이다 또한차량공조관련부품산업 이나일반산업현장에서실린저 튜브형상부품으로 를형성하며밀봉하는공정에서 예전에는 브레이징이나마이크로티그용접이사용되어낮은생산 성한계를극복할수없었으나높은정밀도의볼나사와 리니어가이드가사용되고 다단가압 가압을실현할수있는서보가압식저항용접기 가출현하여이를혁신적으로대체하고있다 2. 저항점용접의모니터링변수에대한개괄적고찰 미국은이미 년에 컨소시엄을구성 하였고이에자동차업계및각종용접재료생산업체 저항용접장비업체와연구소등을총망라하여차세대 자동차산업및기타산업에사용 응용될저항점용접 기개발방향을제시하고새로운연구과제방향을설 정하였다 이컨소시엄에서제시한프로그램이 이며그내용을살 펴보면다음과같다 저항점용접품질의정의 연강 도금강판및알루미늄합금에서너깃성장 메카니즘모델링및해석 저항점용접공정모델링 공정모니터링과피드 백알고리즘개발 센서및공정모니터링 용접장비특성파악및최고성능의장비개발 연강 도금강판및알루미늄합금재료에서공정모 니터링과피드백제어기개발 시스템통합과중장기개발및연구인력교육계획 이상의사례에서알수있듯이저항용접품질을관리 하는첫번째과정이모니터링단계이다 모니터링수 단이확실해야이를근거로피드백제어가가능하다 모니터링에이용되는공정변수는용접전류 용접 시간 전극가압력등이다 여기서용접전류 용접전 압은제어기내부에서전류제어알고리듬에이용되므로 손쉽게저항값을계산할수있고이를활용한기법이전 통적으로많이사용된동저항 모 니터링이다 동저항모니터링에대해서는그동안수없 이많은문헌에서보고되어여기서는기술을생략하기 로한다 한편전극가압력은고전류가흐르는측정환 경이므로정밀측정이쉽지않아동저항만큼널리이용 되지는못하였다 로드셀 을전류가흐르지 않을때상 하부전극팁사이에설치하여측정할수 있는데 실시간으로통전중에측정하려면전극홀더부 에스트레인게이지를 로부착하면서편심 으로인한굽힘효과를상쇄시킬수있고전기적절연 상태를유지할수있는특수로드셀을제작해야하는기 술적어려움이있다 참조 이러한이유로전극 가압력을공정변수로하는상용모니터링시스템은아 직시장에나온바없다 전극가압력대신전극팽창 수축변위를측정하는

2 Surface breakdown Temperature First Asperity softening Increase melting Nugget growth Mechanical collapse Electrode Initial rate of rise ΔS/Δt Electrode movement(s) Smax Base Smin Hold cycle 것도훌륭한대안이다 왜냐하면 큰오차없이가압 력은전극변위에가압부의강성 을곱해주 면구할수있기때문이다 전극변위측정에는주로 가사용되었으나동특성 정밀도 전기적절연 등에문제가있다 비접촉식변위측정기갭센서 는동특성이우수하고높은정밀도를보이나 갭센서와측정 사이에확보되어야하는간극 이그리크지않아서저항용접의전체행정을 포함하는전극변위를측정하기어렵다 구체적예를 들면일본 사의갭센서모델에서측정가능범위는 로매우좁은구간이다 특수지 그를설계하여전극홀더에부착해야하는번거로움이 따른다 참조 이와같이복잡하게구성된전극 변위측정법이라도적용될수없는경우가마이크로점 용접공정이다 전극홀더에갭센서를부착할공간이 없고전극자체의직경이 내외이며전극팽창량이 최대 μ 정도이므로비접촉식변위측정기사용이 거의불가능하다 최근초소형가속도계를사용하여미 세한전극팽창량을성공적으로측정하는기법이소개되 었다 연료전지 의용접이나전기차용밧데 리터미널용접등최근지대한관심을끌고있는마이 크로점용접적용공정을살펴보면실시간용접품질관 리기준이한층강화되는추세이므로전극팽창신호를 통한모니터링기법이유력한해결책이라고생각한다 3. 전극팽창신호 - 저항점용접의가장신뢰할만한모니터링변수 저항점용접공정변수는크게두가지로전기적변수 와기계적변수 로구별된다 전기적변수는전술한바와 같이용접도중측정되는용접전압 용접전류이다 용 접전류제어기의내부에서이미측정된전압값과전 류값이제어로직에사용되므로간편하게이를이용모 니터링시스템을구축할수있고동저항 도간단히계산된다 이와대비되는기계적 변수로는전극가압력 전극팽창신호가있다 여기서 전극팽창신호는저항용접부의열팽창 용융 소성변형 및열변형현상이모두반영되어있는신호라는관점에 서전기적변수즉 동저항보다기계적으로적당한공 정변수라할수있다 에서전극으로눌려있던 용접시편판재에서용접전류가흐르기시작하면 열 에의해가열된다 가열되어강성이감소 된판재의표면에서초기함몰이일어나두전극의상 대위치가약간가까워졌다가판재의열팽창에의하여 두전극이서로멀어지는방향으로전극팽창신호가나 타난다 여기서초기기울기 가클수록열입력이 커서열팽창이커짐을알수있다 그러다가판재의중 심부터용융이일어나며용융부주위로소성역이확장 되면전극가압력이판재를누르는힘판재가지탱하지 못하여판재가함몰되기시작한다 이함몰량과팽창량 이평형을이루는시기가전극팽창신호 의최대값을 보이는시점이다 이최대점을지나면함몰량이팽창량 보다커지므로두전극은계속가까워지며전극팽창신 호는계속감소한다 용접이끝나는시점에서최대값에 서약 정도감소하면양호한용융부가형성 된다 유지시간 에측정된전극팽창신호는 에도시된보와같이초기값보다감소하여음 의값 을보이는데이값이전극함몰자국 이며육안 으로용접결과를확인하는중요한기준이됨은널리알 려진사실이다 동저항 은 에나타난 열물리적현상이전기적신호인전압 전류에반영되어 나타나는간접측정치 이기때문에

3 저항점용접의모니터링 전극팽창신호와서보건응용기법에대하여 너깃형성과정에서발생한피용접물변위가직접측정 된전극팽창신호보다는효용가치가떨어진다고할수있다 그러나저항용접제어기 메이커들은전극팽창신호를거의사용하지않고동저항만모니터변수로사용한다 이는전극팽창신호를측정하기가쉽지않기때문이고현장에편리하게적용할수있는수단을아직찾지못했기때문이다 동저항등의전기적변수만사용하여외국 메이커들은정전류제어 정전압제어 지능제어및적응제어등현란한미사려구를동원하여국내지동차메이커를공략하고있는데그들이주장하는성능을철저히검증해볼필요가있다 Electrode movement and load squeeze time A : Electrode load B : Electrode movement weld time hold time 3.1 비접촉식변위측정기로측정한전극팽창신호 비접촉식변위측정기 로저항점용접에 서전극팽창신호를측정하려면 에도시된바와 같이시스템을구성해야한다 상부전극과하부전극의 상대운동변위가측정되어야하므로전기적절연에유 의하여상부전극에는철제 를 설치해야여기에와류 가유도되어하부 전극에설치한갭센서가동작한다 그런데 절에기술 한바와같이갭센서가측정할수있는범위가상부전 극의전체행정 에비하여상당히작으므로이 를기술적으로해결해야한다 에서 를 사용하여불필요한 레벨을처리하지않으면측정기 기가손상될가능성이있다 에도시된전극가압력은 처럼전극팁 홀더에설치된 로측정된것 이다 동시에측정된전극팽창신호는 의장치로 측정하였다 여기서유의할점은상부전극의전체행정 이상당히커서경험이많지않은실험자는신호파형을 잘못해석할가능성이있다는것이다 즉 D/A Converter Matching circuit Driver Electrode Sensing plate Sensor Controller Gap detector amplifier A/D Converter low-pass Filter Clipper DC-Bias Amp circuit Time, sec 이끝나갈시점에전극이시편을누르고전극표 면의함몰도안정화되므로 에서전극가압력은 파형으로 전극팽창신호는 파형으로관찰된다 여 기서통전이시작되면아주작은전극팽창파형이 파형으로나오고통전이끝나면 동안 이 점에서 점까지계속됨을알수있 다 이상의전극팽창파형에대한고찰에서유의할점은 보통문헌에소개된파형이통전시간동안측정된파형 만을다룬다는점이다 이점을독자들은유의해야한 다 통전시간동안측정된전극팽창파형을여러가지용 접조건에서측정한결과가 와 에도시되 어있다 연강판재가두가지두께로점용접될때전 극팽창신호를비교한것이다 가압력은 세조건으로변화하였고입열량도세가 지로변화시킨경우이다 이전극팽창신호파형을자세 히관찰하면용접시편이서로다른두경우라도용섭상 태에따라나타나는전극팽창신호파형이놀랄만큼유 사하다는점을알수있다 의 파형에서 입열량이불충분한경우가 파형이고입열량이증가함 에따라 파형에서 파형으로변하여 의전형 적인전극팽창신호를보인다 그런데 에서도 시편두께가작은경우이지만입열량증가에따른경항 는아주똑같은경향을보임을확인할수있다 전극 가압력이 로큰경우는 로적당한경 우보다전체적인전극팽창량은억제된다 그러나입열 량에따른팽창신호의패턴은동일함을알수있다 와 를비교관찰하여도위와동일한

4 Electrode movement, x.1mm Electrode movement, x.1mm Electrode movement, x.1mm Electrode movement, x.1mm 경향을확인할수있다 이상의결과에서전극팽창신호는너깃형성과정을반 영하는아주훌륭한모니터링변수이며이를잘활용하 면너깃크기추정을포함한용접품질관리시스템을성 공적으로구성할수있다 3.2 가속도계를이용하여측정한전극팽창신호 최근 산업이비약적으로발전함에따라초소형전 자기 통신관련전장부품수요가꾸준히증가하여마 이크로저항용접도지속적으로확대적용되고있다 그 런데마이크로점용접기는전극홀더를비롯한전극팁 크기가직경 로작고피용접물자체도 내외의박판재이므로전극팽창량을측정하기 가거의불가능하다고생각하기쉽다 가높은초소형가속도계 Power Unit 48E9 Integrator 231 Amplifier Oscilloscope 그러나감도 를가 동전극 보통상부전극 홀더에 과같이간단히 설치하면 과 에도시된것처럼통전중발 생하는전극의미세팽창량 보통 μ 내외 을가속 도를통하여측정할수있다 4. 서보건 (servogun) 개요 서보모터의회전토크와리니어가이드 볼나사를이 용해서가압력을발생시키는서보건은일본에서최초로 출시되었고유럽에서도여러회사가각축을벌이고있 다 우리나라에서는 주 나우테크가유일하게순수국 산기술로서보건을제작하여차량제조사에공급하고있다 자동차차체공정에서서보건과로봇의연계동작은생 산성을결정하는아주중요한인자이다 기존의실린더 타입의공기압건은스트로크가일정하므로공정시간을 불필요하게길게소모하였으며또한가압력의실시간 제어가불가능하기때문에용접품질면에서많은문제 가발생하였다 이에비하여서보건은가변스트로크로 동작하므로복잡한용접구조물에서의간섭의효과를 상당히줄일수가있어생산성을획기적으로높일수 있다 이와같이많은장점을지닌서보건은여러가지우 수한기능과특징을가지고있으므로자동차생산라인

5 저항점용접의모니터링 전극팽창신호와서보건응용기법에대하여 V V Weld time Time (ms) Electrode movement ( μm ) ka 1.8 ka 1.6 ka 1.2 Ka 1. Ka 1.4 ka Weld time Time (ms) V Weld time Time (ms) Weld time Time (ms) 에서의적용범위의확대가기대되고있고공기압과스 프링으로전극가압력을발생시키는저항점용접기는차 체용접현장에서는점차사라지고있고일반산업현장 에서도높은품질이요구되는경우는서보건으로대체 되고있다 현재차체용접현장에서서보건제어기는주로범용 로봇제어기를프로그램하여사용하고있다 이범용 로봇제어기를일반사용자들이프로그램하며사용하기 가쉽지않으므로일반산업현장에서서보건급성능이 필요한사용자들에게는서보건전용제어기를권유하고 싶다 서보건전용제어기는범용로봇제어기가아니고 저항점용접공정에알맞게설계된 을기반으로하는서보가압력제어장치이다 사용자가 몇가지파라미터를입력만하면간편하게사용할수있다 여기서는서보건을구동시키는서보건전용제어기에 서서보모터 출력을이용하여서보건전극변 위를모니터링하는예를소개함으로써독자들이장차 서보건제어기를저항점용접공정에적용할경우전극 변위모니터링시스템을고안하는데도움이되기를바 란다 4.1 서보건전용제어기에서 encoder 펄스를이용한전극변위측정 서보건전극양단에시편을물리지않고가압동작을 하는것이원점동작 이다 이원점동 작시서보모터출력인엔코더펄스를환산하여나온수 치가 두께가 에해당하는값이다 아래에서 의 형서보건과 의 형서보건에대하여원 점동작을수행시키며모니터한수치값이아래 와 에도시되어있다 에서는 건 에대한값으로 회평균값이 로나왔

servo gun servo controller timer & contactor weld schedule (weld time, weld current) Zero monitor(mm) #~#512 zero operation : HDcgun1- exp A (avg : -.75).2.1 -.1 -.2 -.3 -.

6787).18.16.14.12.1.8.6.4.2 1 2 3 4 5 6 Number of trial Thickness monitor(mm) 2.5 2.45 2.4 2.35 2.3 2.25 2.2 Thickness monitor before and after offset adjustment offset :.4m.

6 servo gun servo controller timer & contactor weld schedule (weld time, weld current) Zero monitor(mm) #~#512 zero operation : HDcgun1- exp A (avg : -.75) Number of trial Thickness monitor(mm) Thickness monitor with tip wear Number of weld Zero monitor(mm) #~#512 zero operation : HDxgun1- exp B (avg :.6787) Number of trial Thickness monitor(mm) Thickness monitor before and after offset adjustment offset :.4m.1mm at 468- th welding Number of weld 고 에서는 건에대한 회평균값이 가구해졌다 여기서 건은 건에비하여기구부가간단하므로볼나사와리니어가이드등틈새 흔들림등에의한오차가작게나옴을알수있다 특히 건에서반복정밀도가 정도이므로이서보건자체가정밀한시편두께및전극팁변위측정장치로사용될수있다 이러한특성을응용하여전극양단에물리는시편의두께를자동감지하여적당한용접전류를흘려줄수있는 두께자동감지식서보저항점용접시스템 을실현한예가 에도시되어있다 차체용접공정에서적용되는두겹또는세겹의박판판재조합에따라달라지는총용접두께를측정한예가 와 에나와있다 각 에서총 회실제용접을수행하며매타점에서시편두께를모니터한정밀도와정확도를그래프가보여준다 여기서모니터된두께값에서 회용접횟수마다반복되는주기성을보이는이유는시편한판재당총 회용접한후새로운판재를사용하였기때문이다 용접자국에인접한곳을서보건으로가압하면강성이새로운판재보다크므로측정두께가작게나오는경향이있다 에는시편두께조합을변경하며동일한시험을반복하였고 와유사한결과를얻을수있었다 여기서 회째시험직전에서보건 을 에서 로인위적으로증가시킨이유는 그증가된

7 저항점용접의모니터링 전극팽창신호와서보건응용기법에대하여 Monitored thickness(mm) Thickness(c#2 : during welding) Thickness(mm) Wear monitor(mm) Tip wear / per # Number of weld( 5) 값이두께모니터값에반영되는지확인하기위 해서였으며반영된두께증가값을확인하였다 이기능 은이장치에서전극팁마모가발생하여실제두께보 다작게모니터되는것을방지하기위한기능이다 이상과같이모든시편두께조합 참조 에대하여 오차범 위에서훌륭하게시편두께를모니터했으며이에따라 자동으로용접조건을찾아가며자동용접을수행할수 있었다 4.2 서보건전용제어기에서 encoder 펄스를이용한전극 tip 마모량측정 에어건과대비되는서보건의대표적장점은서보모터 츨력을변위로환산하는소프트웨어를이용하 여전극팁의마모량을측정할수있어이를보정하는 기능을실현할수있다는점이다 이는가압에의하여 발생하는건의암 처짐을보정하여전체용접행 정을일정하게유지할수있는기능처럼서보건제어기 에서는일반화된기능이다 에도시된 건에서실제용접을수행하며모니터링한전극팁의마모량을도시한결과가 에나와있다 이와같이서보모터 출력펄스를잘활용하면실시간으로전극변위에대한유용한정보를얻을수있어저항점용접품질모니터링에사용할수있다 현재외국 메이커들은서보건제어기와이러한유용한데이터를공유하는기능이탑재되어있지않기때문에팁마모를보상하기위하여단순히 라는원시적방안을고수하고있고이기능이유용하다고주장하고있다 그러나용접타점몇회당몇 용접전류를자동증가시키는식으로전극팁마모를보정하려다가오히려전극마모를촉진시키는결과가초래될가능성이상당히높다 5. 결론 전통적계측이론에의하여간접측정으로해석될수있는전기적측정변수 용접전압 용접전류 동저항등 보다는너깃형성과정에서직접적으로측정되는기계적측정변수 전극팽창신호 전극가압력신호 가더용접현상을정확히반영한다 서보건에서서보모터 펄스가서보건제어기내부에서위치기준데이터로이미활용되고있는바 이를잘활용하면전극변위및전극마모량을산출하여모니터링및제어에활용할수있음을보였다 국내의 메이커들과저항용접공정개발자들은전극팽창신호측정방법과그활용방안에대하여더많은관심을가져야할것이다 저항점용접공정에서혁신적인모니터링기법이개발되지않고서는혁신적인저항점용접제어기의출현도기대하기힘들다 차체용접용건 과 로통칭하는용접제어기로대표되는국내저항용접장비산업은자동차생산량 대강국에걸맞게급속히팽창해왔으나국내업계가보유하고있는저항용접제어기관련기술력은 조웰과효성에서꾸준히개발에매진해왔음에도불구하고 아직많이부족하다 용접장비를대기업에납품하는일부기업에서는계속업그레이드되는용접제어기관련요구사항을만족시킬개발능력이부족하여자체기술개발보다는외국기술도입 주로완제품수입으로대응함 에의존하는악순환을반복하고있다 대부분의저항용접제어기공급업체가외국계한국법인인사실이이를반증한다 토종국내기업들이열악한환경임에도불구하고기술개발노력을경주해왔지만아직도외제 가차체용접현장대부분을점유하고있는부인할수없

의모니터링기법으로는도저히 해결할수없는생산기술적문제가있다는사실을주지 해야할것이다 참고문헌 장희석

8 는현실을보면학계와연구계가책임을통감해야한다 차체용접현장의생산기술을책임지고있는분들에게 한마디당부하고자한다 차 차측또는전극팁까 지측정선 을설치하더라도용접전압과용접전류 만측정하는외제 의모니터링기법으로는도저히 해결할수없는생산기술적문제가있다는사실을주지 해야할것이다 참고문헌 장희석 년생 명지대학교기계공학과교수 저항점용접계측및제어 서보건전용제어기 이종엽 년생 주 나우테크용접기사업부장 저항점용접제어기 서보건

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DBPIA-NURIMEDIA 연구논문 자동차차체제조공정에서용접공정오류검출을위한지능형모니터링시스템개발 김태형 유지영 이세헌 박영환 미시건대학교기계공학과 한양대학교대학원기계공학과 한양대학교기계공학부 부경대학교기계공학과 Development of Intelligent Monitoring System for Welding Process Faults Detection in Auto Body Assembly