실시간용접품질모니터링시스템의개발및적용동향 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷 1 號別冊 212. 2
44 특집 : 용접공정의모니터링및용접품질평가기술 실시간용접품질모니터링시스템의개발및적용동향 Development and Application of Realtime Weld Quality Monitoring System Dongsoo Hwang and Mihye Gho 1. 개요 실시간용접모니터링및검사시스템이란, 아크 (GMAW, GTAW, SAW등 ) 용접, 저항용접을비롯한일반적인용접공정에서좋은용접품질을확보하고실시간으로확인및적절한조치를취하기위하여, 각용접프로세스에적합한다양한센서등을사용하여실시간으로계측및결과분석을통해용접부의품질을예측, 평가관리하는기술을의미한다 1). 가장기초적인단계로는용접중의전류, 전압및기타관련파라미터를측정하고적절한상하한값의이탈여부를감시하는시스템으로, 실시간용접품질관리단계라고할수는없고단순하게용접공정파라메타들이관리범위내에서잘유지되고있는지의여부를파악하는단계로공정관리의기본단계라고보면된다. 이러한시스템들은주로자동차또는전장품등을대량생산하는저항용접공정을중심으로일반화되어적용되고있으며, 아크용접분야에는아직적용사례가많지않다. 산업현장에서실제로필요한시스템은, 실시간으로용접품질을측정및평가를하여용접부의양부를판단할수있는시스템으로이를위해서는각용접프로세스, 또는특정한용접조건별로필수파라미터의측정및측정값에대한최적의패턴분석에따른용접부품질평가 알고리즘의개발이필요하고 2-5), 이들알고리즘을실시간으로작동시키기위한 S/W 가하나의시스템으로융합이되어잘작동되어야하고, 판단확률을최대한높여서실시간전수검사시스템으로활용이될수있도록하여야할것으로판단된다. 본고에서는산업현장에서가장널리사용되는아크및저항용접공정을중심으로다양한용접공정파라미터의모니터링또는관리및상위단계라고할수있는실시간용접부품질평가시스템의개발내용및실제용접현장에서의적용사례등을중심으로정리하여보았다. 2. 용접프로세스및관리대상에따른용접모니터링시스템의분류 용접품질모니터링시스템은용접프로세스와관리의대상에따라대략아래의표 1와같이분류가가능하다. 여기에서 ARC 용접은일반적으로가장널리사용되는 GMAW 및 GTAW, SAW, Plasma 용접등을포함한광의의개념을말하고있으며, 아크안정성위주로용접전류및아크전압을초당 1,개 ~ 수만개까지측정하여상하한관리범위의만족여부를파악하고, 결과데이터를 DB 화하여분석을하는단독장비 (Weld Table 1 용접품질모니터링시스템의분류 용접프로세스관리대상관리수준적용장치일례 ARC 용접 아크안정성 측정값상하한관리 Weld Checker( 단독사용 ) 전용시스템 ( 다수대관리 ) 실시간용접부품질평가품질평가알고리즘작동전용시스템 ( 다수대관리 ) 저항용접 용접공정안정성 측정값상하한관리 Weld Checker( 단독사용 ) 전용시스템 ( 다수대관리 ) 실시간용접부품질평가품질평가알고리즘작동전용시스템 Journal of KWJS Vol.3 No.1(212) pp44-5 http://dx.doi.org/1.5781/kwjs.212.3.1.44
실시간용접품질모니터링시스템의개발및적용동향 45 Checker 로표현 ) 또는 PC Base 의통합관리 S/W 등을활용하여다수대의용접장비에대한측정값의상하한관리용의전용시스템과, 실시간용접품질평가알고리즘을적용한 S/W 를통해다수대의용접장비를동시에평가, 관리하는전용모니터링시스템등세가지 ; 그룹으로분류해보았다. 저항용접의경우도아크용접과유사한개념으로분류할수가있다. 3. ARC 용접용용접모니터링장비의종류및응용예 용접품질모니터링시스템은장치종류에따라다음과같이세가지유형으로나누어볼수있다. 먼저, ARC 용접용 Weld Checker 는통상휴대성이있는단말장치형태의측정기본체와전류, 전압또는차폐개스유량등을측정할수있는전용센서, 측정된용접결과데이터를자동저장하는저장매체 ( 통상 SD Memory Card 를사용 ) 및저장된데이터를다양하게분석할수있는전용소프트웨어등으로구성되는것이일반적이며, 용접공장내의다수대의용접장치를한대의 Weld Checker 로각각의용접결과데이터를수집하여분석하거나, 한대의용접장비에고정설치하여전용용접품질관리장비로활용할수있는장비로아래 Fig. 1에그일례를나타내었다. 비교적간단한 Weld Checker 류의경우, 용접공정상전류, 전압등의관리수준을파악하고, 용접기기및설정표준의준수여부등을관리하는장비로서는매우효용성이있으나, 실제용접부품의용접품질을평가하는데는한계가있다고하겠다. 두번째로, 실시간으로다수대의용접장비를동시에측정및측정값의상하한관리가가능한용접품질모니터링시스템은다음과같은시스템의구성을나타내게된다. 각용접장비별로측정장비및전용센서류가설치되고, 매용접비드마다용접시작신호및용접계열신 Fig. 1 ARC 용접용 Weld Checker 본체및각종센서일례 ( 모니텍 ( 주 ) 자료인용 ) Fig. 2 다수대의용접장비를동시에모니터링하는시스템의일례 ( 모니텍 ( 주 ) 자료인용 ) 호등을 PLC 등으로부터받거나또는자동으로 trigger 신호 ( 용접전류또는아크전압등이지정된값이상이될경우 ) 를받아측정을하고, 그결과값을 TCP/IP, WiFi, RS-485, RS-422 및 RS-232등다양한통신방식을이용하여메인관리용 PC로보내고, 메인 PC에서는전용 S/W 를통해측정값의상하한관리, Error 발생시 NG Signal 의외부출력, 측정값의자동 DB화, 데이터분석및자동보고서작성등매우다양한기능들을수행할수있는시스템으로구성된다. 시스템구성의일례를그림으로나타내면다음의 Fig. 2와같이나타내볼수있다. 여기에서, 단순한용접결과값 ( 각비드별평균용접전류값, 아크전압값등 ) 만으로상하한관리범위의만족여부를감시하는용접공정품질관리용시스템으로는매우불안정한용접조건으로작업이진행될경우실시간으로 NG판정을내릴수있는데, NG가아닌경우임에도불구하고실제용접부품의비드품질이 NG인경우가매우높은비율로나타나는경우가있다. 이는각용접비드별평균값또는실시간측정파형의상하한관리만으로는각용접 Bead 에서 NG로판단할수있는수준을확정하여관리하는것이불가능하기때문에나타나는필연적인결과라고볼수있다. 이런단점을보완하기위하여몇군데선도적인용접모니터링전문기업에서는실시간으로 ARC 용접품질을평가할수있는알고리즘을자체적으로개발하여실제용접현장에적용하고있으며, 아래에몇가지일례를나타내었다. Fig. 3의경우일반적인실시간용접파형분석방법을이용한품질평가의일례를나타내고있으며, 실제용접현장에서실시간으로용접부의품질을평가하기에는많은한계를가지는방법으로, 용접부에이상이발생시 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷第 1 號, 212 年 2 月 45
46 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2..71.4 2.1 2.8 3.5 4.2 4.9 5.6 6.3 7. 7.7 8.4 9.1 9.8 Fig. 3 용접전류, 전압의분포의변동을이용한품질평가 ( 미국 Impact 사자료인용 ) Fig. 5 ARC Start 부를포함한용접파형의분석방법일례 ( 독일 HKS 사자료인용 ) 전류또는전압의분포그래프가매우불안정한형태를보이는것은사실이나, 어느수준까지를 GOOD 또는 NG로판단할것인지그한계를정하기가매우모호하여자칫하면매우짧은시간대의전류또는전압의변동까지도상하한관리범위를벗어날경우, 실제의용접부품의측면에서허용될수있는수준의 ARC 불안정상태도 NG로판단하게되어현장에서의적용은매우곤란한경우가많이발생될수가있다. Fig. 4의경우, ARC Start시의전류, 전압파형상의불안정구간 ( 통상 1초내외 ) 은실제로제어가매우어려운부분이므로품질평가구간에서제외하고나머지용접구간에서다양한품질평가알고리즘을구사하여실제용접부품의 NG를판단하는분석방법의일례로써, 품질평가알고리즘의수준및관리범위의적정성에따라상당히높은수준의신뢰수준을기대해볼수있다. 주로한국의 M사및미국의 I사등에서유사한시스템을개발, 자동차차체및머플러등다양한부품류의용접공정품질관리용으로적용하고있는것으로알려져있다. Fig. 5의경우, ARC Start 구간을포함하여전체비드에해당하는구간을품질평가대상으로하는방법으로, 다소복잡한평가알고리즘을갖고있으며, 판단을 18 16 14 12 1 8 6 4 2..6 1.3 2. 2.7 3.4 4.1 4.8 5.5 6.2 6.9 7.6 8.3 9. 9.7 Fig. 4 ARC Start 부를제외한용접파형의분석방법일례 ( 독일 HKS 사자료인용 ) 위한 criteria 를 warm 과 critical 두가지수준으로관리하고, 각비드별로측정값에대한기여도등을계산한총점을수치로나타내어평가하는방법의일례를나타내주고있다. 독일의 H사에서유렵지역자동차부품사를중심으로유사한시스템을공급하고있다. 4. SPOT 용접용용접모니터링장비의종류및응용예 SPOT 용접용 Weld Checker 는 ARC 용접용과유사하게휴대성이있는단말장치형태의측정기본체와전류, 전압또는공압등을측정할수있는전용센서, 측정된용접결과데이터를자동저장하는저장매체 ( 통상 SD Memory Card 를사용 ) 및저장된데이터를다양하게분석할수있는전용소프트웨어등으로구성되는것이일반적이며, 용접공장내의다수대의용접장치를한대의모니터링장비로이동하며각각의용접결과데이터를수집하여분석하거나, 한대의용접장비에고정설치하여전용용접품질관리장비로사용할경우에활용할수있는장비로매우오랜역사를갖고있으나, 각장비별로측정대상및 DATA 응용의차이가매우크며, 대표적인장비들의일례를아래 Table.2 에그일례를나타내었다. 반면, 실시간으로용접전류, 전압값등측정값중심의상하한관리를하고, 측정된데이터를저장및분석할수있도록하는단순한용접공정품질관리시스템은과거부터다양하게적용되어져오고있다. 몇가지사례로는, 저항용접 TC의용접조건값들을 TCP/IP 또는 RS-485 등의네트워크를통하여메인 PC로불러들여다수대의용접장치에대한중앙집중식조건관리를하거나, 각용접장치에서측정된전류, 용접시간등의측정결과값들을상하한관리를하는정도의시스템이대표적인경우로저항용접용 Weld Checker 의기능을 46 Journal of KWJS, Vol. 3, No. 1, February, 212
실시간용접품질모니터링시스템의개발및적용동향 47 Table 2 Weld Checker 일례 ( 모니텍, MIYACHI, 조웰사자료인용 ) 형태측정가능채널통신지원출력방법 전류, 전압, 공압 LAN(TCP/IP) WiFi RS-485, 232 실시간품질평가시스템용으로활용가능 SD Memory 저장, 분석용 S/W 전류, 전압 RS-232 Roll 프린터출력 전류 RS-232 Roll 프린터출력 네트워크화한수준으로볼수있다. 이경우전류, 전압등의측정값이관리하고자하는범위를이탈하여발생될수있는용접부불량은관리가가능하나, 평균전류값등이관리범위내에존재함에도불구하고발생될수있는대부분의용접부품질불량은전혀대응할수없는한계를갖고있다. 최근들어전세계적으로용접부품질불량에의한대규모리콜사태등에대응하기위하여자동차부품, 전장품또는전자부품등의산업에서실제의용접부품질을보다높은신뢰성수준으로평가할수있는실시간용접품질평가시스템의개발에대한요구가커지고있다. 실제로용접현장에서실물을대상으로다양한용접불량 TEST 를행하고이때수집된파형을분석하여파괴검사등으로검사한실제불량여부와비교한결과, 매타점별로전류, 전압, 동저항및입열량등측정값의 평균이용접조건관리범위를현저하게벗어난경우에실제용접부품에서약 9% 정도는실제불량으로나타났으나, 용접결과값이용접조건관리범위내에존재함에도불구하고실물의파괴시험결과, 불량으로나타난경우가전체불량테스트시편중약 85% 를차지하고있어실제용접현장에서단순한측접값의상하한관리만으로는불량품의선별이거의불가능함을알수가있다. Fig. 6의그래프는너트프로젝션용접에서각용접파라미터별로상하한관리만으로양부를판단한후용접후의시편을파괴 TEST 를통해판단율을검토한것으로서, 그래프상의마름모기호는너트분리 ( 냉접 ) 을, 정사각형기호는정상을나타내고있으며, 용접전류, 전압, 동저항및입열량으로적정상하한관리를시행할경우, GOOD 을 GOOD 으로또는 NG를 NG로판단할수있는능력은대략 15% 수준으로매우낮은신뢰 13 3.1 전류 (A) 128 126 124 122 12 M8 너트분리 M8 정상 1 2 3 4 전압 (V) 3 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 M8 너트분리 M8 정상 1 2 3 4 저항 (mω) 245 24 235 23 225 22 M8 너트분리 M8 정상 1 2 3 4 입열량 (kj) 51 5 49 48 47 46 45 M8 너트분리 M8 정상 1 2 3 4 Fig. 6 전류, 전압, 저항, 입열량의상하한관리시판단신뢰성일례 ( 모니텍 ( 주 ) 자료인용 ) 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷第 1 號, 212 年 2 月 47
48 성을보여주고있다. 용접품질을평가하여전수검사개념의역할이가능한모니터링시스템은학계및연구소등의연구단계로서는많은성과가이미나타나있지만 6), 실제용접현장에의적용은초보단계에머물러있다. 그이유는, 저항용접공정자체가매우짧은용접시간중에용접이이루어지고있고, 용접전원의종류및모재의특성등이매우다양하여각각의응용분야별로적용가능한품질평가알고리즘을개발하여야하고, 개발된품질평가알고리즘을전용소프트웨어상에서실시간으로구현하여야하는과정을거쳐야비로소적용성이생기므로, 개발과정상에많은노력과비용과시간이소요되면서도호환성이나범용성이부족하므로상업적인측면에서개발및적용이힘들다는현실적문제를내포하고있기때문이라보인다. Fig. 7은저항용접시측정값의상하한관리만으로용접부품질을관리할수없는한계를극복하기위하여 NUT Projection 용접에서다양한불량조건에서수집된파형들의패턴분석을거쳐개발된품질판단용알고리즘 (NQ1, NQ2 로표시 ) 을실시간으로전용 S/W 에서작동시키는순서도의일례를나타내고있다. Fig. 8, Fig. 9는 Fig. 7의품질평가알고리즘적용의순서도에따라 1단계용접품질관리 ( 측정값또는동저항, 입열량등의값에대한상하한관리 ) 에서 GOOD 이러고판단된데이터를 NQ1, NQ2 2단계의알고리즘을실시간으로적용하여판단을내린경우의결과일례로, 약 8% 이상의비교적높은신뢰성을나타내었다. 앞에서도언급한바와같이저항용접은매우다양한변수들을포함하고있으므로, 특정용접변수들을그룹화하여, 이와같이실시간으로용접품질을평가할수있 용접시작전류, 전압계측 NQ1 -.2 -.22 -.24 -.26 -.28 -.3 -.32 -.34 -.36 NQ2 1 95 9 85 8 75 7 65 6 NQ1 너트분리 NQ1 정상 1 2 3 4 5 6 7 NQ2 너트분리 NQ2 정상 1 2 3 4 5 6 7 2 단계평가 ( 판단율증가 ) 3 단계평가 (8% 이상확률 ) Fig. 8 품질평가알고리즘을적용한실시간품질평가결과일례 _1( 모니텍 ( 주 ) 자료인용 ) NQ1 NQ2 -.2 -.25 -.3 -.35 -.4 2단계평가 ( 판단율증가 ) -.45 NQ1 너트분리 NQ1 정상 -.5 2 4 6 8 1 11 15 1 95 9 85 8 75 7 65 6 2 4 6 8 1 NQ2 너트분리 NQ2 정상 3 단계평가 (8% 이상확률 ) Fig. 9 품질평가알고리즘을적용한실시간품질평가결과일례 _2( 모니텍 ( 주 ) 자료인용 ) NG 판정 No No P1~P6 정상 Yes NQ1 NQ1 D No NQ2>NQ2 D Yes GOOD 판정 판단완료 Fig. 7 품질판단알고리즘작동순서도일례 ( 모니텍 ( 주 ) 자료인용 ) Yes 는알고리즘을확보해나가는동시에, 다양한패턴분석방법의적용으로판단력을높여시스템의신뢰성을 95% 이상으로높여간다면, 가장경제적이면서현실성을갖춘실시간용접품질관리용시스템으로자리잡게될것으로보인다. 참고로미국, 독일등용접품질 ARC 용접모니터링분야에서실시간용접품질평가시스템을적용하고있는국가에서도아직저항용접공정에대하여는실시간으로품질평가알고리즘을적용한예는별로알려진바가없어, 이분야에서만큼은이미비교적높은수준 48 Journal of KWJS, Vol. 3, No. 1, February, 212
실시간용접품질모니터링시스템의개발및적용동향 49 의현장응용력을갖추고있는한국이향후선도적인역할을할수있을것으로기대된다. 5. 복합적인용접부품질평가시스템의개발동향 이상주로 ARC 용접및저항용접에서비교적측정이용이한전류, 전압, 가압력등을이용한현장활용예를중심으로실시간용접품질평가시스템에대하여정리해보았으며, 기본적인측정값이외에도 ARC 용접시의온도분포를실시간으로측정하여실제용접부의열량차이를통한품질평가를실시하는경우의일례를아래의 Fig. 1에나타내었다. 또한 pipe 조관용접라인등에서실시간 ARC( 주로 GTAW 또는 Plasma용접 ) 용접품질평가시스템과더불어 3차원레이저센서등을활용한용접 Bead의형상 (Bead 폭및높이 ) 을연속적으로측정하여관리하는융합시스템 7-9) 도일부공정에서적용되고있다. 이경우측정센서의크기나측정위치등의요구조건을만족시킬수있는공정에만적용이가능하므로, 용접용 Head 가고정되고피용접물이이동되는공정등에주로응용이가능하다. 향후측정센서류등의내구성향상및크기의소형화등이진전된다면응용범위는더욱확대될수있을것으로보인다. 이외에도 ARC 부방출광량또는음향의변화를이용한평가시스템등도제안되고있으나, 용접공정주변의환경등에서오는영향을완전히제거하기위한제한요소등비교적복잡한요구사항을만족시켜야하므로, 상업적인활용까지는뛰어넘어야할벽이아직은많이존재한다고보여진다. 저항용접공정에있어서도가속도계를이용한마이크로스폿용접의실시간모니터링 1), 압전형힘, 변위센 Fig. 1 용접 Bead 부의온도분포측정일례 ( 독일 HKS 사자료인용 ) 서를이용한공정신호계측 11) 및초음파등을이용한너겟경의실시간비파괴측정등을위한많은연구가이루어지고있고, 일부초기단계의제품들이출시되어있지만, 정확한측정및평가를위한사전요구사항및측정대상의제한등으로샘플링검사용으로는적용이가능하나실시간평가용으로적용될수있기까지는더욱많은노력이필요하다고보인다. 6. 결론 이상대량생산공정에일반적으로가장많이사용되고있는 ARC, 저항용접등의실제용접공정에서이미적용되고있거나적용가능성이있는용접품질관리장치또는실시간용접품질평가시스템에대하여정리를해보았다. 실시간으로용접전류, 전압, 저항 ( 또는동저항 ) 및입열량등측정결과값을중심으로상하한관리를하는장비또는시스템은어느정도일반화되어적용이되고있는반면, 다양한실시간품질평가알고리즘을활용한실시간용접부품질모니터링시스템은적용의초기단계또는도입단계에머물러있는수준이며, 세계적으로도몇군데전문기업을중심으로지속적인신제품의개발등이이루어지고있는수준으로보인다. 특히저항용접공정의실시간용접품질모니터링시스템은, 일단용접이완료되고나면그이후에전수검사등을할수있는적절한방법이제안되어있지않으므로, 이런분야에대한학계, 연구소및전문기업들간의협력에의해산업현장에활용될수있는용접품질모니터링시스템의개발이시급하다고보인다. 참고문헌 1. Monitech Korea : Welding Monitoring System, Monthly Steel Structural Technology, 124(23), 11-116 (in Korean) 2. S. J. Na, H. S. Moon : Signal Processing Algorithm for Analysis of Welding Phenomena. Journal of KWJS, 14-4 (1996), 24-32 (in Korean) 3. Moonjin Kang,Sehun Rhee, Kiwoan Eom : Development of the Index for Estimating the Arc Status in the Short-circuiting Transfer Region of GMA Welding, Journal of KWJS, 17-4 (1999), 85-92 (in Korean) 4. Kwang-Moo Bae, Sang-Myung Cho : A study on the Development of Arc Length Estimation Method in FCAW, Journal of KWJS, 27-3 (29) 67-72 (in Korean) 5. Junsu Ahn, Suck-Joo Na, Jong-Hwa Kim, Jiho Lim: A Study on Large Area Roll Projection Welding for 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷第 1 號, 212 年 2 月 49
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