디지털마이크로스폿용접기기술지원 2006. 1. 지원기관지원기업 한국생산기술연구원기가산전 산업자원부
제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 디지털마이크로스폿용접기기술지원 ( 지원기간 : 2004.11.1. ~ 2005.10.31) 과제의기술지원성과보고서로제출합니다. 2006. 1.. 지원기관 : 한국생산기술연구원 ( 대표자 ) 김기협 지원기업 : 기가산전 ( 대표자 ) 김경숙 지원책임자 참여연구원 : : : : : : : 유회수 김희진 김영삼 서준석 김재학 김재학 정욱환 - 2 -
기술지원성과요약서 1. 사업목표 반도체부품등미세부품의고품질점용점이가능하고특히비철금속의점용접 이우수한디지털마이크로스폿용접기개발기술지원 2. 기술지원내용및범위 - 용접시용접상황과출력되는전류의파형을측정하는장비지원 - 용접시발생되는스패터측정장비지원 - 스패터최소화및용접품질제어에대한파형제어기술지원 - 용접품질평가지원 - 각재료별최적의용접파형데이터구축지원 - 3 -
3. 지원실적 지원항목 기술지원前 지원내용 기술지원後 비고 용접전류파형측정 고전류측정불가 전류제어의정확성향상 스패터발생 정밀제어취약 제어기법향상으로 스패터발생무 파형제어기술 전류제어 전류/ 전압제어를분할 제어로품질향상 용점품질평가지원 평가무판매실적무 용접품질평가지원으로 판매가능 재료별 동합금 비철합금 적절한 최적파형지원 접합불가 용접가능 팀사용 - 4 -
4. 기술지원성과및효과 1) 해당기술적용제품ㅇ적용제품명 : Clean spot ㅇ모델명 : GDW-3000A 2) 품질및가격 해당기술적용제품 구 분 경쟁제품 지원전 지원후 경쟁제품대비품질 일본: 미야쯔 50% 90% 경쟁제품대비가격 일본: 미야쯔 50% 30% 비고일산: 1000만원국산: 300만원 3) 원가절감효과 구분절감금액비고 원부자재절감인건비절감계 백만원/ 년( %) 백만원/ 년( %) 백만원/ 년( %) 공정개선및품질향상등으로인한절감효과반영 - 5 -
4) 적용제품시장전망 ( 매출성과 ) 구 분 당해연도매출 차년도예상매출 전년대비증가비율 비고 내수 3 백만원/ 년 30 백만원/ 년 10,000% * 수출천달러/ 년천달러/ 년 % 계 3 백만원/ 년 30 백만원/ 년 % 참고 ) * 현재참여기업의용접기에대한매출이거의전무하였음. 따라서전문용접자동화업체와연계를지원하였으며, 차년도에매출실적 이크게향상될것으로예상됨 - 6 -
5) 수입대체효과 모델명 MDA-4000 계 당해연도 수입액 차년도수입 액 수입대체금 5,000 천달러/ 년 3,000 천달러/ 년 2,000 천달러/ 년 천달러/ 년천달러/ 년천달러/ 년 5,000 천달러/ 년 3,000 천달러/ 년 2,000 천달러/ 년 액 비 고 6) 해당기술의기술력향상효과 디지털마이크로스폿용접기의정전류제어와정전압제어의복합제어와디지털 PI제어기법을적용시킴으로정밀제어를통한최적의용접품질을얻을수있으며, 또한수입품과의가격경쟁력이향상되어시장선점이확보될수있을것임. 7) 기수적파급효과 디지털마이크로스폿용접기의개발을통하여고전류제어기술을보유하게되 었으며, 기타고전류전원장치에개발에파급효과가크며, 국내용접기의대부분 이외산용접기를복제하고있으나, 과큼. 자체기술개발로국내기술력향상에파급효 - 7 -
5. 적용기술인증, 지적재산권획득여부 1) 규격, 인증획득 2) 지적재산권 - 8 -
6. 세부지원실적 항 기술정보제공 시제품제작 양산화개발 공정개선 품질향상 시험분석 목 수출및해외바이어발굴 교육훈련 지원건수 지원성과 3건절곡기제어기술등 4건스폿용접기, 족온기등 2건스폿용접기, 족온기 2건족온기제작 2건스폿용점기, 족온기 8건판매를위한시제품용접품질평가 건 건 기술마케팅/ 경영자문 5건 정책자금알선 논문게재및학술발표 사업관리시스템지원실적업로드회수 지원기업방문회수 판매기술지원및업체경영협의, 판매대리점확보 2건정부기술개발과제알선 건 23 건 건 기타 7건 상기세부지원실적에대한세부내용첨부 프로그램개발지원등최적설계지원 - 9 -
7. 종합의견 지원기업의지원결과국내의기술로디지털마이크로스폿용접기가개발되었으며, 기타다양한지원으로기업의어려움을해결하여줌으로기업의새로운발전의발판이마련되었음특히본기술지원통하여신제품개발을지원함으로서업체의사업이크게번창되어큰보람이되었음. - 10 -
목 차 제 1 장서론 제 1 절기술지원필요성 제 2 절기술지원목표 제 3 절기술지원내용 제 2 장본론제 1 절기술지원성과 1. 스폿용접기의분류 2. 디지털마이크로스폿용접기의하드웨어설계 3. 디지털마이크로스폿용접기제어부설계 4. 디지털마이크로스폿용접기성능평가 5. 기타지원실적제 2 절기술지원수행 1. 기술지원추진일정대비일정분석 2. 수행주체의담당업무분석 제 3 장결론 부 록 - 11 -
제 1 장서론 제 1 절기술지원필요성 접합및용접공정은조선산업, 자동차산업, 건설산업등의대형구조물을취급하는 중공업에서부터소형부품을결합하는전자산업에이르기까지다양한산업분야에 필수적인기반기술이다. 산업이고도화되면서부품이마이크로단위의크기및초 정밀화되고있다. 따라서이러한부품의제조를위한마이크로용접기수요가높 아지고있다. 기계와전자부품의소형정밀화추세에따라국내외에서소형부품의가공과관련 된분야에대한연구가활발하게진행되고있다. 현재가장널리사용되는미세가 공(micro-machining) 기술은 etching 방법과 laser ablation 방법이며, 응용분야로 반도체와 MEMS 등을들수있다. 국내반도체제조기술이상당한수준이므로 etching 방법등의반도체가공기술을활용한미세가공기술은높은수준이지만, 이에비하여마이크로접합기술수준은상대적으로낮은것으로평가된다. 대형부품에사용되는일반용접공정은국내에서상당한연구와실용화가이루어지 고있지만, 미세접합의경우주로대학을중심으로초음파접합, 솔더링, 확산접합 등의분야에대하여제한적인연구가수행되고있다. 미세접합과관련하여국내에 서가장활발한연구분야로서반도체부품과관련된전자패키징분야를들수있 는데, 이에관한기계분야에서의연구는주로설계와냉각을위한열전달등에집 중되고있다. 그러므로국내에서마이크로스폿용접기의개발은매우미흡한실정 이다. - 12 -
선진외국의경우에는미소부품의부가가치가높고에너지절약형산업이기때문에 미세접합에관한연구를매우활발하게수행하고있다. 특히, 미국과일본의경우 대학과연구소에서기초연구결과를바탕으로정밀기계부품의접합, 반도체와전 자제품의회로접합에응용하기위한실용화연구를수행하고있다. 대부분국내의마이크로스폿용접기는 1000만원이상의일본산이많이사용되고 있다. 따라서본과제에서는디지털마이크로스폿용접기를개발하고자하였다. 디 지털마이크로스폿용접기개발에서의핵심은초고속디지털제어기술과전류드 라이브기술을확보하고있으나, 스폿용접현상에대한전문적이지식이부족하여 용접기제작에어려움을겪고있다. 따라서기술애로사항은용접시순간적인용접 상황을측정할수있는장비와스패터분석기술이부족하며, 스패터최소화를위한 파형제어기술이부족하고, 각금속별최적의용접파형데이터구축이매우어려운 실정이다. - 13 -
제 2 절기술지원목표 - 주요목표 세계수준의용접조건, 용접품질, 적정파형설계등의성능을가지고있는디지털마이 크로스폿용접기개발 - 14 -
제 3 절기술지원내용 - 용접시용접상황과출력되는전류의파형을측정하는장비지원 - 용접시발생되는스패터측정장비지원 - 스패터최소화및용접품질제어에대한기술지원 - 용접품질평가지원 - 각재료별최적의용접파형데이터구축지원 - 디지털용접기설계기술지원 - 15 -
제 2 장본론 제 1 절기술지원성과 1. 스폿용접기의분류 1) 교류(AC) 스폿용접전원 교류용접전원은그림 1에보인바와같이 50Hz~60Hz 주파수를갖는 220V 또는 440V의교류전원을변압기를통하여 5V이하로강압하여용접부와연결된전극에 전력을공급하는방식이다. 전류는 SCR 에의한위상제어방식이며, 그파형을그 림 2의 AC 에나타내었다. 가격이저렴하여보급이많이되어있으나, 입력전원이 커야하고저주파수로트랜스가커야한다. 그리고제어가그리므로초정밀용접에는 부적당하며, 주로철용접에사용한다. 그림 1. AC 스폿용접전원개략도 - 16 -
그림 2. 스폿용접전원별전류파형비교 2) 컨덴서스폿용접전원 콘덴서용접기는낮은에너지를대용량콘덴서에저장한후, 필요한시점에서짧은 시간에방전시켜용접에필요한에너지를얻으며, 그림 3 에나타내었다. 그림 2의 Capacitive Discharge 전류파형에서보는바와같이순간적으로방전하면서높은 전류를흘린다. 콘덴서스폿용접기는방전에너지를저장하기위하여용량이대단 히큰콘덴서가필요하며, 용접기의변압기가커지는결점이있다. 또한그림 2에 서보는바와같이방전전류를일정수준으로유지하는데어려운점이많다. 또한방 전전류제어가불가능함으로스패터가다량발생하는단점이있으며, 비철금속용접 에적합하다. - 17 -
그림 3. 콘덴서스폿용접전원개략도 3) 트랜지스터스폿용접전원 콘덴서용접전원과비슷하나그림 4에보인바와같이콘덴서와용접헤드사이에트 랜지스터를통하여통전전류를고속및고정밀의제어가가능하다. 따라서매우미 세부품( 전구의필라멘트, 반도체부품등) 과고저항재료( 몰리브덴및텅스텐등) 의 초정밀용접이가능하다. 전류파형은그림 2의 Transistor 에나타내었다. 그림 4. 트랜지스터스폿용접전원개략도 - 18 -
4) 인버터직류(DC) 스폿용접전원 그림 5에보인바와같이인버터직류스폿용접전원은 3상의교류를 1차정류하여 고속스위칭소자(IGBT, FET 등) 를이용하여약 20Khz의교류를만든다음트랜스를 통하여전류를높인다. 따라서인버터제어방식은역률개선, 소형화( 스위칭주파수 가높은수록트랜스크기가작아짐), 용접전로제어의정밀화로용접품질의고급 화를실현할수있기때문에그수요가점점늘어나고있다. 전류파형은그림 2에 DC Inverter 보인바와같이트랜지스터용접기와유사하다. 그림 5. 인버터 DC 스폿용접전원개략도 5) 교류(AC) 인버터스폿용접전원 교류인버터스폿용접전원을그림 6 에나타내었으며, 그림 5이 DC 인버터와구조 에서 2 차축출력단의정류기를제거한것과유사하다. 그림 2의전류파형은 AC와 유사하나그주파수조정이가능하다. 단상 AC 스폿용접기의전류는피크치가실 효치의약 1.7배정도로서용접부의온도변화가심한데비하여 AC 인버터스폿용 접기는 2 차측주파수를가변할수있으며, 전류의피크치가낮고고속제어가가능 함으로짧은통전시간을줄수있다. - 19 -
DC에비하여큰장점은 Peltier effect 를최소화할수있다. Peltier effect란이종금 속에전류를흘리면모재의저항류관계에의해, 하부전극보다상부전극에많은열 이발생한다. 이때모재의접촉부위에열이발행되고흡수가이루어져온도가상부 에온도가높아지는현상이다. 따라서이종금속의용접에유리하다. 그림 6. AC 인버터스폿용접전원개략도 - 20 -
2. 디지털마이크로스폿용접기하드웨어설계 1) 개념설계 스폿용접기는정전류제어방시고가정전력제어방식이있다. 정전류제어방식은 전류를검출하여설정치와비교함으로서스폿용접기의전류를제어하는방식이다. 저항용접의원리는식(1) 에보인바와같이저항발열의원리이다. 따라서정전력방 식은저항(R) 에따라열량이변하므로과대또는과소열량이모재에공급될수있 음으로용접강도의저하, 스패터(or splash) 발생된다. 저항은전극의마모에따라 변하며, 용접중시간에따라변한다. 따라서경전력제어방식이마이크로스폿용접 에부적당하다. Q= 발열량(cal), I= 전류, R= 전기저항, t= 통전시간 정전력방식은용접중의저항변화(R=V/I) 를피드백받아통전중의전력 (P=I V) 이 일정하게되도록제어한다. 따라서정전력방식은전극의마모나모재의불균일에 관계없이일정한용접강도를얻을수있으며, 고유저항이높은금속과낮은가압력 에서도스패터( 또는 splash) 가없이매우건전한용접이가능하다. 또한표 1의스폿용접전원별특징을보면미세부품용접에는트랜지스터형과 AC 인버터형이가장적당하며, 트랜지스터형의가격이좀더저렴하다. - 21 -
표. 1 스폿용접전원별특징비교 따라서본연구에서는그림 7에보인바와같이정전압과정전류방식을혼합한트 랜지스터방식의마이크로스폿용접기를개발하고자하였다. 그림 7. 정전류 / 정전압혼합제어방식의마이크로스폿용접기개념도 - 22 -
2) 충전콘덴서정전용량설계 스폿용접기의설계사양은최대전류를최대 10V로 10ms 동안통전할수있어야함 으로이에적합한충전콘덴서정전용량량을설계하였다. 그림 8에보인바와같이두개의전극판사이에유전체를넣고전압을가하면그 림과같이분극작용에의하여전극에는정전기가축적된다. 이때축적된전하량 Q 는다음식과같다. 여기서 C 는콘덴서의정전용량(Capacitance) 이며단위는 F 이다. V는공급전압이 다. 그리고전하량 Q는전류 I를 t초동안통전한양이므로다음식으로표현할수 있다. 따라서 (2) 식과 (3) 을통하여콘덴서의정전용량 C 는다음과같다. 그림 8. 콘덴서정전용량 따라서 10V, 1,500A를 10ms 동안통전하기위해서는정전용량 1,500,000μF의콘 덴서가필요하다. - 23 -
또한 3,000A일경우 3,000,000μF그리고 20,000A일경우 200,000,00μF의용량이 필요하다. 그러나이러한대용량의콘덴서는시중에없기때문에 1,000,000 μf(16v) 의콘덴서를주문제작하여병렬연결을통하여용량을맞추었다. 즉 1,500A 용접기 의경우 1,000,000 μf(16v) 콘덴서 1 개, 3,000A용접기의경우 2 개, 그리고 20,000A 의경우 14 개이상의콘덴서가병렬로연결해야한다. 그림 9는본연구에서사용 된지름이 76mm이며길이가 218mm인 1,000,000 μf(16v) 용량의콘덴서사진이 다. 그림 9. 개발품에사용된정전용량 1,000,000 μf (16V) 콘덴서 3) 콘덴서충전용변압기용량설계 설계사양에서 1,500A용량의경우 1F 콘덴서 1개가사용되고초당 5회용접을해야 함으로초당 5 회충전을해야한다. 따라서 16V로 200ms 동안콘덴서용량 1F를 충전해야한다. 따라서식(4) 에서전류는 80A임으로변압기용량은 80A 16V=1.28KVA 이된다. 3000A용저기의경우 160A 16V=2.56KVA 이다. 이를 시뮬레이션으로검정하기위하여그림 10과같이 3000A용용접기의회로를구성하 였다. 입력전원은초당 5 회의사각파를입력하였으며( 즉충전시간이 200ms 되도 록), 전류가입력전류가 160A가되도록저항 R1을 0.1 Ω이되도록하였다. - 24 -
그림 11 은시뮬레이션결과를나타내었다. 계산에서는 200ms동안 16V가충전되어 야하나시뮬레이션에서는 200ms동안 10V충전되어도만족하지만더높은전압이 충전되도록하기위하여입력전류를 200A 로설계변경하였다. 이에대한시뮬레이 션결과를그림 12 에나타냈었으며, 약 200ms 동안 11V 가충전되었다. 따라서트 랜스용량은계산에서이었지만시뮬레이션결과이상의트랜스용량이계산되었으 며, 제작된트랜스는그림 13 에나타내었다. 또한입력절류를또한의경우경우 이상의트랜스용량이요구된다. 그림 10. 2F 콘덴서충전시간시뮬레이션 (3,00A 용 ) - 25 -
그림 11. 입력전류가 160A 일경우 2F 콘덴서충전시간시뮬레이션결과 (3,000A 용 ) 그림 12. 입력전류가 200A 일경우 2F 콘덴서충전시간시뮬레이션결과 (3,000A 용 ) - 26 -
그림 13. 개발품에사용된 3,000A 용 3.5KVA 트랜스 4) 전력제어용파워드라이브설계 파워드라이브는고속제어소자인 FET 60A용량을 50개병렬로연결하여최대 3,000A 를제어하도록모듈화하였다. 이를그림 14 에나타내었다. 용접기의신뢰성 을위해서실제사용용량은설계용량의 2 배로하였다. 즉 3,000A용량의용접기는 100개의 FET 가사용되었으며, 최대 6,000A 까지사용이가능하도록하였다. 그림 14. 개발품에사용된 50 개병렬연결된 FET 모듈 - 27 -
3. 디지털마이크로스폿용접기제어부설계 마이크로스폿용접부의품질은여러가지요인들즉, 재질상태, 용접기의종류및 제어방식등에의하여결정된다. 저항용접부의품질에미치는여러가지요인중 용접기와관련된것은용접기의종류및제어방식이다. 특히스폿용접기의제어방 법은용접품질에큰영향을미치므로매우중요하다. 기본적인파형제어개념은다 음과같다. 1) 정전류/ 정전압제어개념 스폿용접시용접저항은그림 15 와같이통전시간에따라변한다. 특초기에가압 력의증가에따라모재의저항보다는접촉저항이감소한다. 이후접합부의온도상 승에따라저항이점점커져최고점에이른후너겟이형성된다. 이후에저항이감 소한다. 따라서그림 16에보인정전류제어의경우초기에접촉저항이크기때문 에 V=IR 임으로전류(I) 는일정하고저항(R) 이크기때문에전압(V) 이높게되고, 입열량이커져스패터( 또는 splash) 가발생된다. 따라서정전류제어만으로는고품 질의용접부를얻을수없다. - 28 -
그림 15. 용접중용접저항변화 그림 16. 정전류제어파형 또한그림 17 은정전압제어파형을나타내었다. 정전압제어는전압이일정함으로 I=V/R 에서저항이낮아지면전류가증가됨으로용접말기에전류가최대가됨으로 splash 가발생된다. 따라서정전류및정전압제어로만고품질을얻기어렵다. - 29 -
그림 17. 정전압제어파형 2) 스패터저감을정전류/ 정전압제어개념설계 정전류제어의문제점을해결하기위해서전류의상승기울기를조절하여그림 16과 같이초기전압의급상승을억제할수있다. 따라서다음과같이용접단계별전류 제어를하도록하였다. 용접단계는다음그림 18에보인바와같이 6 단계로구성되었다. 1은가압이시작된후 2의 Pre-Heating 이시작되기전까지의시간이다. 2 (Pre-Heating) 는모재와모재가접촉하는부위에이물질등으로인하여접촉저 항의높아져본용접( 5) 의불량을야기할수있음으로약간의전류를가하여모재 와모재간의접촉을양호하게하여본용접을도와주는역할은한다. 다음휴지시 간 3이후본용접단계까지의상승속도그리고본용접후하강속도 6을통하여 냉각이진행된다. - 30 -
그림 18. 디지털스폿용접전원용접단계 만약전압상승이설정전압이상일경우전류제어모드에서전압제어모드로바뀌도 록하여 splash 가나지않도록하였다. 이를그림 19 에나타내었다. 그림 19. 정전압및정전류를혼합한제어개념 : 전압리미트를넘으면전압제어모드로변환됨 - 31 -
3) 디지털제어부설계 디지털제어부 CPU는 Intel사의 16비트마이크로컨트롤러인 80C296SA는사용하였 다. 이 CPU는 CHMOS의고속연산과고속입출력을장점으로설계되어있으며, 80196 계열의명령어코드와의호환성을유지하도록설계되어있지만수행능력에 있어서는파이프라인으로처리된명령구조, 향상된산술연산, DSP 를지원한다. 또 한곱셈과덧셈연산시간이 80ns 이다. 따라서성능과가격대비하여본용접기에 적합한 CPU 이다. 전체적인디지털제어부의개략도를그림 20 에나타내었다. 상단부터 DA 컨버터는 FET gate 를드라이브하여전류를제어할수있는출력이며, I/O 는용접시작/ 종류 및용접건전성을외부 PLC 나기타외부제어장치로신호를내보내며, AD 컨버터 는용접전압, 용접전류및콘덴서전압을입력받아제어의피드백값으로사용된다. 또한제어변수를 16키를갖는키보드를통하여입력하고 16 문자 4 라인의 LCD를 통하여입력값이출력되도록하였다. 그림 20. 디지털제어기의개략도 - 32 -
다음표2 는디지털제어기의주요부품사양표를나타내었다. 그림 21은제작된디 지털제어보드의 CPU 주변장치와디지털입력부를나타내었으며, 그림 22는아날 로그입출력부와키입력및 LCD출력부그리고 FET 드라이브를나타내었다. 표 2. 디지털제어기주요부품사양 그림 21. CPU 주변장치및디지털입출력부 - 33 -
그림 22. 아날로그입출력, 키보드 /LCD 출력및 FET 게이트구동부 제어시퀸스는그림 23 에나타내었으며, START는상위장치에서용접을지령하는 신호이며, 이신호의상승에지를인식용접시작지령하고 WELDING은 START 용 접지령에의해용접기가실제용접을하는시간이다. GOOD은용접완료를상위 장치에알리는신호로평상시에 ON' 되어있다가용접완료시 OFF' 을 10msec를 내보낸후다시 ON' 으로복귀된다. 그림 23. 용접제어시퀀스 - 34 -
4) PI 전류제어 전류제어는 shut에의하여전류가검출되면 low pass 필터를거쳐 AD컨버터에의 하여입력되면설정전류와의오차가계산되어지고이를 PI 제어기를통하여 DA컨 버터로 FET 제어값을출력한다. 즉 PI제어의기본식은편차 e에비례하는비례동 작(P: proportional action) 과편차 e 의미분에비례하는출력을내는미분동작(D: Derivative action) 의합으로표현된다. 즉비례동작은현재의편차의크기에대응하 며, 미분동작은과거의편차의누적치에대응된다. 이를식(5) 에나타내었다. 여기서 V 는조작량, e 는편차, Kp 는비례이득, TI 는적분시간이고, Vo는 e가 O인 정상상태의제어값이다. 식(5) 를디지털형태로변환시키기위하여적분항을다음과같은식으로근사시킬 수있다. 즉 n 번째샘플링순간에제어기의출력은, 이고 (n-1) 번째의샘플링순간에제어기의출력은, 따라서 n 번째출력값과이전값을빼면 ( 식(6)- 식(7)) 식(8) 을얻을수있다. - 35 -
따라서 n 번째샘플링순간의제어기출력값(Vn) 은이전(n-1) 의제어기출력값과 n 번째오차값(en) 에서 n-1 의오차값을통하여계산될수있다. 따라서식 (8) 은디 지털제어기에적합한식이된다. 5) Low pass filter 에의한노이즈저감 제어의정확성을높이기위해서노이즈제거는매우중요하다. 그러나전류피드백 은고전류임으로션트저항에서전위차를이용하여전류를측정하기때문에노이즈 가많이발생한다. 그림 24 의 (a) 그림과같이 43kHz 주파수를가지고진폭은 ±70mV 이었다. 그림 24. 전류피드백의션트저항에서발생하는노이즈 이를위해서페라이트코어를적용하였으며, 그림 25(a) 에페라이트코어설치모 습을나타내었으며, 그림 25(b) 에서페라이트코어설치후측정한노이즈를나타내 었다. - 36 -
그림 24와비교하여볼때약 3 배이상전류노이즈가감소되었다. (a) 페라이트코어설치모습 (b) 페라이트코어설치후 그림 25. 페라이트코어설치후전류노이즈측정 - 37 -
4. 디지털마이크로스폿용접기성능평가 그림 26 은완성된디지털마이크로스폿용접기의시제품사진이다. 우측은용접전원 이고좌측은가압부이다. 가압부는공압으로가압된다. 그림 27은용접전원내부이 다. 상단은 FET 모듈이장착되어있고하단은우측은제어부, 하단의좌측은콘덴 서, 정류다이오드및트랜스가위치하고있다. 그림 26. 디지털마이크로스폿용접기의시제품사진 그림 27. 디지털마이크로스폿용접기의시제품의내부사진 - 38 -
1) 전류제어의정확성 디지털스폿용접기시제품의전류제어성능을평가하기위하여 weld-checker기를 이용하여전류제어와통전시간제어의정확성을측정하였다. 측정결과를그림 28에 나타내었으며, 최대 3000A 가정확히측정되었으며, 통전시간도 5ms로정확히설정 값과일치하였다. 그림 28. 디지털스폿용접기의최대전류및통전시간측정 - 39 -
2) 전압제어의정확성 디지털스폿용접기시제품의전압제어성능을평가하기위하여오실로스코프를이 용하여측정하였다. 프리히트 5V/50ms와메인히트 8V/10ms를설정하여측정한결 과를그림 29 에나타내었다. 그림에서보는바와같이설정값에정확히도달하는 것을볼수있었다. 그림 29. 디지털스폿용접기의전압및통전시간측정 - 40 -
3) 고속촬영 스패터발생을평가하기위하여고속카메라로초당 1000 프레임으로촬영하였다. 그림 30 은열이최대가되는시점의사진으로약간의흉만발생하였다. 보는바와 같이스패터는거의발생하지않음을볼수있다. 그림 30. 스폿용접중의고속영상사진 - 41 -
4) 용접실험 용접성능평가를위하여텅스텐전극을사용하여 0.3mm 동판을용접하였다. 이때 용접전류는 5000A 로하였으며, 용접통전시간은 50ms와 90ms 로하였다. 용접한 결과를그림 31 에나타내었다. 인장시험한결과 50ms와 90ms의결과가유사하였 으며, 따라서 5000A/50ms 조건에서용접이가능하였다. 그림 31. 0.3mm 동판용접, 5000A/50ms,90ms 또한 A1 0.3mm 박판을용접하였으며, 이때용접조건은 4000A/10ms 이었으며, 그 림 32 에나타내었다. 그림 32. 0.3mm 알루미늄판용접, 4000A/10ms - 42 -
그리고이종소재의접합시험을위해서스테인리스 0.2mm 박판과구리 0.3mm 박 판을용접하였으며, 조건은 4000A/50ms 이었으며, 그림 33 에나타내었다. 그림 33. 0.2mm 스테인리스 +0.3mm 동용접, 4000A/10ms 다음은동판과동선의용접을그림 34 에나타내었다. 이때용접조건은 3000A/5ms 이었다. 그림 34 동판과동와이어의접합 - 43 -
또한비정질합금에대한용접시험을행하였다. 재료는 Cu54Ni6Zr22Ti18 이며, 두 께는 1mm 이었다. 용접조건은 3000A에서 10, 30, 50, 100ms 를통전하였다. 용접 부 SEM 사진을그림 35 에나타내었다. 10ms에서는 120 μm의용접이되었으며, 30ms에서는 700 μm접합부가형성되었으며, 결정화는없었다. 50ms이상부터용접 부에크랙이발생하였으며, 그림 36의 XRD결과로부터열영향부에결정화가진행되 었다는것이확인되었다. (a) 10ms (b) 30ms (a) 50ms (b) 100ms 그림 35. 통전시간에따른비정질합금의용접부 - 44 -
그림 36. 통전시간 50ms 용접후비정질합금의 XRD - 45 -
5) 판매지원 그림 37은 KBS송신소에판매지원한 6000A 급마이크로스폿용접기설치모습이다. 그림 38에보인용접제품은송신소의증폭기에사용되는중요부품으로정밀접합이 요구되는것으로용접품질에대하여인증을받았다. 또한 SUS 및비철합금용접에 다용도사용이가능하여좋은호평을받았음. 그림 37. KBS (6000A 급 ) 송신소에판매지원된디지털마이크로스폿용접기설치사진 그림 37. 고용량송신기의접점부품 - 고정밀용접이요구됨 - 46 -
5. 기타지원실적 1) 족온기디지털제어지원 ( 지원전 ) ( 지원후 ) - 47 -
2) 절곡기스프링백및절곡각도계산프로그램개발지원 - 절곡기개요 - 48 -
- 스프링백(spring-back) 계산 기본공식 계산순서 - 49 -
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- 절곡각도계산프로그램개발( 절곡기펀치스트로크따른절곡각도계산) * 단순계산법 펀치반경, 다이반경, 재료두께등으로인하여계산차이큼 * 계산프로그램개발 - 51 -
제 2 절기술지원수행 1) 기술지원추진일정대비일정분석기술지원의추진은최초일정계획대로수행이되었으며, 판매뿐만아니라판매대리점모집이가능하게되었다. 시제품의품질을인정받아 - 52 -
2) 수행주체의담당업무분석 기술지원연구원의기업체의문제점을해결하기위하여제품의분석및평가를담당 하였으며, 특히지원업체의타신제품개발등을지원하여기술적문제를지원하였 으며, 기타업체의신제품판매와경영및제반사항에대한지원을통하여업체의 어려움을해결해주었다. 다음그림에구체적인내용을나타내었다. 특히 KBS 송신 소에첫납품을함으로서그품질을인정받았고, 용접자동화업체인한국하이테크 와대리점계약을함으로서안정된판매가될것으로기대된다. 또한기타발판난 로개발과절곡기개발을지원함으로서매출증대와기술적어려움을극복하여지 원지업의발전에큰힘이되었다. 또한제품의불량분석을통하여업체간법정문 제를해결한바도있다. - 53 -
제 3 장결론 디지털마이크로스폿용접기기술지원을통하여외산의성능과유사한품질의용접기가개발되었으며, 또한성능평가및분석및신제품개발등업체전반에대한기술및기타제반문제를지원하여업체의매출증대에크게기여할수있었다. 기술지원을통하여얻은성과는다음과같다. 1) 고품질의디지털마이크로스폿용접기를개발 2) 디지털 PI 제어기술개발 3) 스패터저감이가능한전류제어기술개발 4) 고전류드라이브기술개발 5) 신제품판매지원 6) 고장분석지원 - 54 -
주 의 1. 이보고서는산업자원부에서시행한부품ㆍ소재종합기술지원사업의기술지원보고서이다. 2. 이기술지원내용을대외적으로발표할때에는반드시산업자원부에서시행한부품ㆍ소재종합기술지원사업의기술지원결과임을밝혀야한다. - 55 -
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