KR100327892B1 - 점 용접기의 익스펄전 발생 판단 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 점 용접기의 동저항 특성을 이용하여 익스펄전의 발생 여부를 검출하는 방법에 관한 것으로, 점 용접기를 이용하여 용접할 때에 점 용접기의 동저항을 감지하는 단계와; 용접기의 매 타점마다의 동저항 변화량중 최대값과 동저항 변화량의 최대값이 검출된 사이클의 다음 사이클부터 마지막 통전 사이클까지의 동저항값의 편차량을 이용하여 익스펄전이 발생할 확율을 검출하는 단계와; 익스펄전 발생 확율(Rpro)이 기 설정 값 이상인가를 판단하여 익스펄전의 발생 여부를 결정하는 단계를 구비하므로써 익스펄전 발생 확율을 점더 정확하게 판단할 수 있다는 효과가 있다.

Description

점 용접기의 익스펄전 발생 판단 방법{METHOD FOR DETECTING EXPULSION GENERATING STATE}
본 발명은 점 용접기의 용접 전류 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동 스텝퍼 기능의 수행을 위하여 익스펄전(Expulsion) 발생 여부를 판단할 때에 동저항값을 이용하여 익스펄전의 발생 여부를 정확하게 검출할 수 있는 점 용접기의 익스펄전 발생 판단 방법에 관한 것이다.
저항 점 용접(Resistance Spot Welding : 이하 점 용접이라 함)은 전극 팁 사이에 두장 또는 또는 그 이상의 얇은 박판을 공기압으로 압착시킨 상태에서 큰 전류(8,000A ∼ 30,000A)를 공급하여 모재 사이에 발생하는 접촉 및 압축 저항을 이용한 주울 열로 모재의 접촉부를 용융, 접합시키므로써 단순하면서도 깨끗한 접합부를 얻을 수 있는 용접 방법이다. 이러한 점 용접에서 용접 품질을 결정하는 요소는 다양하나 이 중에서도 특히 용접 전류, 통전 시간(또는 통전 사이클) 및 전극 가압력을 3대 기본 요소라 한다.
도 1은 점 용접에서 전형적인 동저항 곡선을 보인 도면이며, 도 2a 내지 도 2b는 가압력을 일정하게 유지시킨 상태에서 용접 전류를 변화시킬 때에 발생하는 동저항 특성 변화를 보인 도면으로, 용접 모재로는 자동차 생산에서 흔히 사용되는 두께 1.0mm의 냉연압연강판 두겹을 사용하여 얻어진 결과를 보이고 있다.
용접 품질은 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이 통전 사이클이 증가함에 따라 용융(Melting Start)(시점 a), 너겟 성장(Nugget Growth)(시점 b), 함입(Indentation)(시점 c)이라는 일련의 과정을 거쳐서 안정된다. 시점(d)에서는 익스펄전(Expulsion : 불꽃 발생 현상)이 일어남을 보이고 있다. 용접 시간이 필요이상 길어지거나 용접 전류가 너무 큰 경우에는 용융부가 확산되며, 용융부 주위의 용접 시편이 전극 가압력을 재탱하지 못하게 된다. 이 경우, 익스펄전이 일어나 용융 금속이 시편 사이로 분출되며, 이때에는 동저항이 급격히 감소하는 파형을 보인다. 여기서, 익스펄전 현상은 충분한 너겟의 크기를 보장하므로 용접 품질에 대한 보증으로 사용되나, 이러한 익스펄전은 작업자에게 재해에 대한 불안감을 주고, 용접 장비에 손상을 줄 위험이 있다. 따라서, 가장 적은 에너지로 가장 높은 용접 강도를 낼 수 있는 최적의 용접 조건은 익스펄전이 발생하기 직전의 용접 조건으로 생각되고 있다.
따라서, 최적의 용접 품질은 동저항값이 어느 정도의 기울기로 증가하다가, 최대값(Rmax)을 가진 후에 익스펄전이 발생하기 직전의 값으로 떨어질 때까지만 수행되어야 한다. 만약 열 입력(용접 전류와 통전 사이클 수에 의하여 결정되나, 일단 통전 사이클 수가 고정된 것으로 하였다. 따라서, 열 입력은 용접 전류값에 대응한다)이 부족하다면 도 2a에 도시된 바와 같이 동저항값이 감소되지 않는 바, 최대 동저항값(Rmax)이 적절한 동저항값까지 떨어지지 않아 용접 품질을 보장할 수 없다. 이와는 반대로 열입력이 과다한 경우에는 도 2b에 도시된 바와 같이 동저항값이 최대 동저항값(Rmax)으로부터 급속하게 변화하여 익스펄전이 발생하므로 바람직하지 않다.
그러나, 사용자가 이러한 동저항값의 변화를 일일이 확인을 행하면서 용접 전류값을 설정할 수는 없으며, 특히 전극 팁이 마모되면 마모될수록 전류 밀도가 낮아지므로 전류값을 증가시킬 필요가 있다. 즉, 용접 수행시에는 바람직한 용접 전류 값을 용접기 및 모재 등의 특성에 따라 자동으로 제공할 필요가 있으며, 이러한 필요성에 부응하여 특허 출원 94-3146 호 및 96-29481 호에서는 자동 스텝퍼(Auto Stepper) 기능을 제안하였다. 자동 스텝퍼 기능에서는 사용자가 용접 기준 타점수 및 기준 익스펄전 발생수를 설정한다. 용접 기준 타점수는 용접이 수행되는 횟수를 의미하며, 기준 익스펄전 발생수라함은 설정된 용접 기준 타점수내에서 익스펄전이 발생되어야하는 횟수를 의미한다. 이러한 기준값들이 설정된 상태에서 용접 기준 타점수에 대응한 횟수의 용접을 행하고, 용접의 수행시에 발생하는 익스펄전의 발생수와 기준 익스펄전 발생수를 비교한다. 비교 결과, 익스펄전 발생수가 기준 익스펄전 발생수 이상인 경우에는 용접 전류가 과다함을 의미하므로 용접 전류를 기 설정 비율로 낮추나, 익스펄전의 발생수가 기준 익스펄전 발생수 이하인 경우에는 용접 전류를 기 설정 비율로 높여 용접 전류가 익스펄전 발생 한계점 부근에 있게 한다.
한편, 상술한 바와 같이 종래의 자동 스탭퍼 기능을 수행하기 위해서는 익스펄전의 발생을 정확히 감지하여야 한다. 이를 위하여 종래에는 익스펄전 발생 확율(Epro)을 이용하였다. 익스펄전 발생 확율(Epro)은 용접시 익스펄전이 발생하였을 확율을 동저항값의 변화량을 이용하여 검출하는 것으로서, 다음의 수학식 1로 검출한다.
여기서, Rmax는 도 3에 도시된 바와 같이 동저항값의 변화 곡선에서 동저항의 최대값을 의미하고, ΔRmax는 매 용접 사이클에서 매 반사이클마다의 동저항 변화량중 최대값을 의미하며, Rend는 마지막 통전 사이클에서 동저항을 의미하며, Rmin은 동저항의 최소값을 의미한다.
수학식 1에서의 익스펄전 발생 확율(Epro)은 동저항값의 최대값(Rmax)과 마지막 통전 사이클의 동저항값(Rend)간의 차값과 최대 동저항의 변화량(ΔRmax)과의 비로서 계산하는 것이다.
익스펄전 발생 확율(Epro)은 문자 그대로 익스펄전이 발생할 확율만을 의미하는 것이므로 익스펄전이 발생하였다고 최종 판단하기 위하여는 익스펄전 발생 확율(Epro)이 기 설정값 이상이어야 할 것이이다. 따라서, 종래에는 실제 재료로 시험 용접을 행하여 익스펄전이 발생하였다고 판정할 수 있는 판정 기준값을 설정하고, 익스펄전 발생 확율(Epro)이 판정 기준값 이상일 때에 한하여 익스펄전이 발생하였다고 최종 판단한다.
그러나, 이러한 종래의 익스펄전 발생 확율 검출 방법은 노이즈가 많은 환경 아래에서는 반 사이클당의 동저항 변화량에 신뢰도가 낮아 실제 환경에서는 단독으로 적용하는데 문제가 많이 발생한다. 더구나, 적용되는 용접기 또한 판재의 종류에 따라 동저항의 변화폭(Rmax- Rend)이 가변적이며, 변화폭(Rmax- Rend)이 아주 적은경우에는 작은량의 노이즈가 최대 동저항의 변화량(ΔRmax)에 큰 영향을 주게 되어 익스펄전 발생 확율(Epro)값에 상당한 왜곡이 발생한다. 즉, 동저항의 변화폭(Rmax-Rend)이 큰 경우에는 노이즈에 의한 영향이 작으나, 동저항의 변화폭(Rmax-Rend)이 작은 경우에는 노이즈에 의한 영향이 커 익스펄전 발생 여부를 정확이 판단할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 동저항값을 이용하여 익스펄전의 발생 여부를 정확하게 검출할 수 있는 점 용접기의 익스펄전 발생 판단 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 점 용접기의 동저항 변화 특성을 도시한 도면,
도 2는 점 용접기에서 용접 전류와 동저항간의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 3은 익스펄전 발생 확율을 검출하는 종래 공식을 설명하기 위한 동저항 변화 특성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 점 용접기의 용접 전류 결정 장치의 블럭도,
도 5는 본 발명에 따라 익스펄전 발생 확율을 검출하는 공식을 설명하기 위한 동저항 변화 특성을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따라 익스펄전 발생 확율을 검출하는 공식을 설명하기 위한 동저항 변화 특성을 도시한 도면.도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따라 계산된 익스펄전 발생 확율과 기존의 방법으로 계산된 확율을 비교하기 위한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 용접기
20 : 동저항 검출기
30 : 익스펄전 검출기
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 점 용접시 모재의 동저항 변화에 근거하여 익스펄전의 발생 여부를 판단하는 점 용접기의 익스펄전 발생 판단 방법에 있어서, 동저항간의 변화량의 최대값 및 동저항간의 변화량의 최대값이 측정된 직후부터 마지막 통전시까지 동저항이 변동된 량을 근거로하여 익스펄전의 발생 여부를 판단한다.
도 4에는 본 발명의 장치의 개략 블럭도가 도시되어 있다. 도시된 블럭도에서 부호(10)는 일반 용접기를 의미하는 것으로, 용접기(10)의 용접 전류는 후술하는 익스펄전 검출기(30)의 용접 전류 제어 신호에 의하여 제어된다. 용접기(10)에 의한 용접의 수행시에 발생하는 동저항값은 동저항 검출기(20)에 의하여 검출되며, 검출된 동저항값은 익스펄전 검출기(30)에 제공된다.
익스펄전 검출기(30)는 수학식 2를 이용하여 익스펄전 발생 여부를 판단하고, 이에 대응하는 용접 전류 제어 신호를 용접기(10)에 제공한다.
여기서, Rmax는 도 5에 도시된 바와 같이 동저항값의 곡선에서 동저항의 최대값을 의미하고, ΔRmax는 인접한 사이클의 동저항 변화량중 최대값을 의미하며, Rend는 마지막 통전 사이클에서 동저항을 의미하며, LD는 ΔRmax가 감지된 사이클 다음 사이클(t+1)부터의 마지막 통전 사이클까지 동저항 값들의 표준 편차량을 의미한다.
수학식 2의 물리적 의미는 다음과 같다. 먼저 동저항 파형 분석 결과 확실히 익스펄전이 발생한 경우, 익스펄전 발생 시점의 다음 사이클(t+1)에서 Rend까지의 동저항값의 표준 편차량이 극히 적다는 것을 알 수 있다. 따라서, 수학식 2에서 익스펄전이 발생한 경우 그 정도에 따라 분모량이 줄어들며, 상대적으로 ΔRmax가 크기 때문에 전체 량이 큰 값을 가진다. 반대로 익스펄전이 발생하지 않은 경우 ΔRmax가 감지된 사이클 이후부터의 편차량이 커서 전체 발생 정도의 값이 그 만큼 감소하게 되어 노이즈에 의한 ΔRmax신뢰성 문제를 극복할 수 있다.
익스펄전 발생 확율을 검출하는 다른 방법은 수학식 3으로서 검출하는 것이다.
상기 식에서 ST은 도 6a 및 b에 도시된 바와 같이 ΔRmax가 나타난 시점부터 마지막 용접 사이클 순간(tend)까지의 직선으로 연결하였을 때 그 직선상의 저항값들을 의미하며, R은 ΔRmax가 나타난 시점(t)부터 마지막 용접 사이클 순간(tend)까지 샘플링 된 순간들의 동저항값을 의미한다. 또한 Dev는 표준 편차량 구하라는 명령을 의미하므로, 수학식 6은 가상 동저항값(ST)와 샘플링된 동저항값(R)간의 편차량들의 표준 편차량을 의미한다.즉, 익스펄전이 발생한 경우 계산된 수학식 3의 결과와 발생하지 않은 경우에 계산된 수학식 3의 결과는 각각의 경우에 도 6의 가상의 패턴(ΔRmax가 나타난 시점의 저항과 마지막 용접 사이클의 저항을 연결한 직선)과 실제의 저항 패턴이 구성하는 면적과 등가적인 개념이며, 이는 익스펄전의 발생 여부에 따라 큰 차이를 가지게 됨은 저항 용접에 대한 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있을 것이다.
이러한 수학식 3에 의하여 익스펄전 발생 확율(Epro)을 검출할 수 있는 이유는 도 6a및 6b에 의하여 명료히 알 수 있다. 도 6a은 익스펄전이 발생한 경우이며, 도 6b은 익스펄전이 발생하지 않은 경우이다. 도시된 바와 같이 익스펄전이 발생한 경우에는 도 6a에서와 같이 수학식 3에 의한 익스펄전 발생 확율(Epro)이 높게 되나, 익스펄전이 발생하지 않은 경우에는 도 6b에서와 같이 수학식 3에 의한 익스펄전 발생 확율(Epro)이 낮게 된다 이러한 이유는 익스펄전이 발생하지 않는 경우에는 최대 동저항값(Rmax)가 발생한 이후에 냉각(Cooling) 단계로 들어가기 때문에 동저항이 안정되게 즉, 점차적으로 감소하는 특성을 가지기 때문이다.
따라서, 본 발명의 행하기 위한 익스펄전의 발생 여부의 판단은 수학식 1보다는 수학식 2 또는 수학식 3을 이용하는 것이 바람직할 것이다.
상기 수학식 2 또는 3에 의하여 익스펄전 발생 확율을 검출한 익스펄전 검출기(30)는 검출한 익스펄전 발생 확율을 기 설정된 기 설정 기준값과 비교한다. 여기서, 기준값은 실제 재료로 시험 용접을 행하여 익스펄전이 발생하였다고 판정할 수 있는 값(익스펄전 발생 확율값)으로 설정하여야 할 것이다.
익스펄전 검출기(30)는 기 설정되어 있는 기 설정기 설정의 타점내에서 검출된 익스펄전의 발생수가 기준 익스펄전 발생수를 비교하고, 익스펄전 발생수가 기준 익스펄전 발생수 이상인 경우에는 용접 전류가 과다한 경우에는 용접 전류를 기 설정 비율로 낮추는 용접 전류 제어 신호를 용접기(10)에 제공하나, 익스펄전의 발생수가 기준 익스펄전 발생수 이하인 경우에는 용접 전류를 기 설정 비율로 낮추는 용접 전류 제어 신호를 용접기(10)에 제공하여 용접 전류가 익스펄전 발생 한계점 부근에 있게 한다.도 7은 본 발명의 한 방법인 수학식 3을 이용하여 실제 용접시 계산한 발생 확율과 기존의 방법인 수학식 1을 이용해서 계산한 발생 확율의 결과를 정렬하여 도시한 것이다. 3종류의 용접 대상물을 각각 100 타점씩 도합 300 타점의 용접하면서 실제 익스펄전 발생 여부를 관찰하여 기록한 결과와 제어기가 계산한 결과(익스펄전 발생 확율)을 동시에 보여주고 있다.도 7a는 수학식 3을 사용한 결과인데, 발생 확율 30%를 전후로 하여 실제 익스펄전 발생 여부가 명확히 구분되며, 이 부근에서의 발생 확율 35%를 기준으로 익스펄전 발생 확율도 급격히 증가함을 알 수 있다.따라서, 발생 확율 35%를 익스펄전 발생 여부 판단의 기준값으로 설정하면 정확한 익스펄전의 검출이 가능하다.반면, 도 7b는 수학식 1의 결과이며 발생 확율 35%를 기준으로 익스펄전 발생 여부가 구분되나 이 부근에서도 실제 익스펄전의 발생 여부는 혼재하며, 발생 확율 역시 서서히 변화하므로 익스펄전 발생 여부를 명확히 판단하기 어렵다.따라서, 발생 확율 35% 근방의 특정값을 익스펄전 발생 여부 판단의 기준값으로 설정하더라도 상당한 오판 가능성을 배제하기 어렵고, 실제로 수학식 1을 이용한 종래 장치의 경우 상기 기준값의 선택을 사용자에게 떠맡기고 있는 실정이다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는 익스펄전 발생 확율을 점더 정확하게 판단할 수 있어 최적의 용접 조건을 용이하게 검출할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 점 용접시 모재의 동저항 변화에 근거하여 익스펄전의 발생 여부를 판단하는 점 용접기의 익스펄전 발생 판단 방법으로,
    상기 동저항간의 변화량의 최대값 및 상기 동저항간의 변화량의 최대값이 측정된 직후부터 마지막 통전 시까지 동저항이 변동된 량을 근거로 익스펄전의 발생 여부를 판단하는 점 용접기의 익스펄전 판단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 익스펄전의 발생 여부는 상기 동저항간의 변화량의 최대값 및 상기 동저항간의 변화량의 최대값이 측정된 직후부터 마지막 통전시까지 동저항이 변동된 량을 이용하여 하기식으로 익스펄전 발생 확율(Epro)를 검출하고,
    (ΔRmax는 매 사이클마다의 동저항 변화량중 최대값을 의미하며, LD는 ΔRmax가 감지된 사이클의 다음 사이클부터의 마지막 통전 사이클까지 동저항 값들의 편차량)
    상기 익스펄전 발생 확율(Epro)가 기 설정값 이상이면 익스펄전이 발생한 것으로 판단하는 점 용접기의 익스펄전 발생 판단 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 익스펄전의 발생 여부는 상기 동저항간의 변화량의 최대값 및 상기 동저항간의 변화량의 최대값이 측정된 직후부터 마지막 통전시까지 동저항이 변동된 량을 이용하여 하기식으로 익스펄전 발생 확율(Epro)를 검출하고,
    (ST은 ΔRmax가 나타난 시점부터 마지막 용접 순간(tend)까지를 직선으로 연결하였을 때의 저항값들을 의미하며, R은 ΔRmax가 나타난 시점부터 마지막 용접 사이클 순간(tend)까지 샘플링 된 순간들의 동저항값을 의미하며, Dev는 표준 편차량)
    상기 익스펄전 발생 확율(Epro)이 기 설정값 이상일 때에 익스펄전이 발생한 것으로 판단하는 점 용접기의 익스펄전 발생 판단 방법.
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