KR101173070B1 - 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법에 관한 것으로서, 접합하고자 하는 금속박판을 2개의 전극 사이에 끼워 놓고 전류를 통전시키면 접촉부의 저항발열을 통해 상기 금속박판이 접합되도록 하는 점용접(Spot Welding)의 용접성에 대하여 초음파를 이용하여 비파괴적인 방법으로 평가하되, 피용접물의 용입량을 상기 점용접부의 용접성의 평가인자로 사용하게 되는데, 이때 초음파의 에코 손실량과의 상관관계를 이용하여 용접성을 평가함으로써, 우수한 용접 품질을 도모할 수 있으며, 이로 인해 작업 생산성을 향상시킬 수 있는 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법에 관한 것이다.

초음파, 점용접부, 용접성, 평가, 용입량

Description

초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법{Method of weld penetration inspection using the ultrasonic test system}

도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가장치를 나타내는 구성도,

도 2는 용접부의 용융부를 나타내는 사진,

도 3은 도 1의 용접성 평가장치를 이용하여 측정한 적정 용입량을 나타내는 그래프,

도 4는 용접성 평가장치를 이용하여 용입량 측정시 과다한 용입량을 갖는 용접점을 나타내는 그래프,

도 5는 용접성 평가장치를 이용하여 용입량 측정시 작은 용입량을 갖는 용접점을 나타내는 그래프,

도 6은 시편 두께에 따른 반사에코 감쇠율을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접부의 용융부와 모재부의 결정 구조의 차이에 의한 초음파의 감쇠량 및 그 초음파 반사에코의 전달시간을 통해 피용접물의 적정 용입량을 검출하여 우수한 용접 품질을 도출해 낼 수 있는 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법에 관한 것이다.

일반적으로, 접합하고자 하는 금속박판을 2개의 전극 사이에 끼워 놓고 전류를 통전시키면 접촉부의 저항발열을 통해 상기 금속박판이 접합되도록 하는 점용접(Spot Welding)은 승용차 1대의 총 용접수 4000 ~ 7000 요소 중 약 95%를 차지할 정도로 널리 사용되고 있는 용접법이다.

그러나 충돌 안정성 강화 및 연비향상을 위한 경량화에 의한 고장력강판의 사용량이 증가하면서, 그리고 자동차 차체의 방청을 위하여 여러 종류의 표면처리 도금강판이 널리 사용되면서 용접성능이 현저하게 저하되고 있다.

이러한 이유로 차체강도를 유지하기 위한 용접 품질 평가는 중요한 문제로 부각되고 있다.

한편, 자동차 제조라인에서 판금부품조립에 사용되고 있는 점용접에 있어서, 용접 품질 평가는 접합강도와 관련된 박리시험(Peel Test)이나 인장-전단시험(Tensile Shear Test), 그리고 점용접부의 너겟, 용입량, 오목자국 측정 등과 같은 파괴 시험(Fracture Test)에 의한 점용접부의 용접성 평가는 상당한 시간과 많은 재료를 필요로 하고, 실제 생산라인에서 용접물에 대해 적용하기에는 많은 어려움이 있다.

또한, 최근에 많이 적용되는 비파괴 시험(Non-Destructive Test)인 초음파를 이용하여 용접 너겟을 측정하고는 있지만 적정 너겟 사이즈는 금속박판 두께에 따라 달라지므로 용입량을 무시한 너겟 크기만으로는 용접 품질을 판단하기에 다소 무리가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 접합하고자 하는 금속박판을 2개의 전극 사이에 끼워 놓고 전류를 통전시키면 접촉부의 저항발열을 통해 상기 금속박판이 접합되도록 하는 점용접(Spot Welding)의 용접성에 대하여 초음파를 이용하여 비파괴적인 방법으로 평가하되, 피용접물의 용입량을 상기 점용접부의 용접성의 평가인자로 사용하게 되는데, 이때 초음파의 에코 손실량과의 상관관계를 이용하여 용접성을 평가함으로써, 우수한 용접 품질을 도모할 수 있으며, 이로 인해 작업 생산성을 향상시킬 수 있는 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법에 있어서,

피용접물의 점용접부에 초음파를 일정한 세기로 발신하고, 그 피용접물을 왕 복한 아날로그 신호를 탐촉자가 수신하여 이를 오실로스코프로 전송한 다음 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 초음파 반사에코 전달시간(Echo Transit Time) 및 반사에코의 감쇠량을 측정하는 단계와;

상기 반사에코의 전달시간 및 감쇠량을 통해 용입량을 검출하는 단계와;

기 설정된 적정 용입량과 검출된 용입량을 비교 판단하여 적정 용입량을 도출하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 용접부의 용융부를 나타내는 사진이다.

또한, 도 3 내지 도 5는 도 1의 용접성 평가장치를 이용하여 측정한 용접점을 나타내는 그래프이며, 도 6은 시편 두께에 따른 반사에코 감쇠율을 나타내는 그래프이다.

도 1에 도시된 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가장치는 초음파 발신장치로부터 탐촉자가 아날로그 신호를 피용접물에 발신하고, 그 피용접물을 왕복한 아날로그 신호를 탐촉자가 수신하여 이를 수신/증폭 회로를 통해 오실로스코프로 전송할 경우, 여기서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 오실로스코프에 디스플레이함으로서, 초음파 특성인자인 초음파 반사에코 전달시간(Echo Transit Time)을 측정할 수 있도록 되어 있다.

즉, 탐촉자에서 생성되어 피용접물의 내부로 전달된 음파는 점용접부에서 반 사되어 탐촉자로 복귀하게 되고, 이렇게 복귀하는 초음파 신호를 분석하여 용접부의 정밀한 용입량의 측정을 수행하게 된다.

여기서, 마이크로프로세서의 통제하에 작동되는 상기 초음파 발신장치(Pulser)는 댐핑된 넓은 대역폭을 갖는 초음파 탐촉자에게 단방향으로 넓은 대역폭의 전압 임펄스(Voltage Impulse)를 인가하고, 이렇게 인가된 전압에 의해 탐촉자에서 생성된 넓은 대역폭의 초음파 펄스(Ultrasonic Pulse)는 피용접물 내부로 전달하게 된다.

이렇게 전달된 신호는 매우 미세하기 때문에 증폭기(Amplifier)의 수신/증폭 회로에 의해 증폭되고, 또한 마이크로프로세서에 의해 통제되는 타이머의 타이밍 회로(Timing Logic Circuits)는 발신부에서 수신부에 이르는 일련의 과정을 동기화시켜 피용접물 내의 초음파 진행 시간을 정확히 산출하게 된다.

마이크로프로세서는 이러한 측정된 시간과 메모리에 저장되어 있는 피용접물의 음속값 및 초기 펄스 지연값을 이용하여 반사에코 전달시간의 측정을 수행하게 된다.

이때, 스위프(sweep) 회로는 상기 오실로스코프에서 전자 빔을 수평 방향으로 주사하기 위해 전압을 발생하는 회로이며, 마커(marker) 회로는 음성 신호와 회로 신호를 연결하는 장치이다.

이와 같이 구성된 점용접부의 용접성 평가장치는 피용접물의 점용접부에 10MHz의 초음파를 80dB의 세기로 발신하고, 초음파 반사에코의 전달시간과 그 반사에코의 감쇠량을 측정하여 용접성을 평가하게 되는 것이다.

이때, 점용접에서 갖는 종파의 속도는 일반적인 스틸인 경우, 5900m/s를 갖는데, 초음파는 재질을 통해 진행할 때 필연적으로 에너지의 손실을 유발하므로 상기와 같은 반사에코의 감쇠량이 발생하는 것이다.

통상적으로 사용되는 차체용 강판은 도 2의 사진에서 보이는 바와 같이, 대부분이 페라이트+펄라이트 조직으로 구성되어 있는 바, 상기 페라이트 조직은 원자 충진율이 0.68인 BCC의 결정구조를 가지지만, 용융부의 조직은 마르텐사이트+잔류오스테나이트 등의 조직으로 구성되어 있으며, 원자 충진율이 0.74인 BCT와 FCC의 결정구조를 가지고 있다.

여기서, 상기 원자 충진율이 크다는 것은 초음파의 종파가 진행할 때 원자와 마주치는 확률이 커지며 이로 인하여 산란이 많이 발생하게 되어 반사에코의 감쇠량이 커지게 되는 것을 말한다.

도 3은 상기 마이크로프로세서에 설정되어 있는 적정 용입량을 갖는 용접점이며 초음파 반사에코가 감지할 수 있는 영역에서 용접소재의 두께에 따라 다르겠지만 10dB의 감쇠폭을 가지며 소멸된다.

도 4는 융입량이 과다한 용접점이며, 초음파의 반사에코가 40dB 정도로 크며, 피크가 2개만을 나타내는 것이 특징이다.

도 5는 용입량이 적은 용접점이며, 적정 용입량에 비해 반사에코 감쇠폭이 작으며, 감지하는 피크의 수가 많다.

이렇게 상기 평가장치에서 측정된 반사에코의 피크 수와 초음파 반사에코의 감쇠량으로 용접 품질을 도출해 낼 수 있다.

한편, 도 6은 다양한 시편 두께에 대한 반사에코 감쇠율을 나타낸 것으로서, 용접점이 적정성능을 나타낼 수 있는 용입량을 차체용 강판 두께 대비 30 ~ 90%로 설정한 것을 보여주고 있다.

상기 도 4 및 도 5의 적정하지 않은 점용접부의 용입량에 대해, 초음파의 반사에코의 크기가 적정 용입량을 가지는 용접점에서 용입량이 과다한 경우, 스패터(spatter) 발생으로 인하여 용접 표면품질의 저하 및 작업환경 오염 등의 문제가 발생하며, 반면에 용입량이 적을 경우, 자동차의 충돌 사고시 쉽게 용접점이 분리되어 자동차 차체가 분해되므로 더 큰 인명피해가 우려된다.

따라서, 본 발명은 상기의 적정한 용입량을 도출하여 이를 예방할 수 있도록 하는 것이 본 발명의 주안점인 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법에 의하면, 피용접물의 점용접부에 초음파를 발신하고 초음파 반사에코 전달시간과 감쇠량을 측정하여 상기 점용접부의 용입량을 판단 가능하므로 점용접부의 용접성을 비파괴적인 방법으로 평가할 수 있을 뿐만 아니라, 단시간 내에 점용접부의 용접성을 평가할 수 있어 용접 표면의 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 용접 작업에 대한 환경 오염을 줄여 궁극적으로 작업 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법에 있어서,

   피용접물의 점용접부에 초음파를 일정한 세기로 발신하고, 그 피용접물을 왕복한 아날로그 신호를 탐촉자가 수신하여 이를 오실로스코프로 전송한 다음 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 초음파 반사에코 전달시간(Echo Transit Time) 및 반사에코의 감쇠량을 측정하는 단계와;

   상기 반사에코의 전달시간 및 감쇠량을 통해 용입량을 검출하는 단계와;

   기 설정된 적정 용입량과 검출된 용입량을 비교 판단하여 적정 용입량을 도출하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 초음파는 그 주파수가 10MHz이며, 80dB의 세기로 발신되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 적정 용입량은 차체용 강판 두께 대비 30 ~ 90%로 설정된 것을 특징으 로 하는 초음파를 이용한 점용접부의 용접성 평가방법.

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