KR101182179B1 - 브레이크 슈 자동용접시 스패터 저감을 위한 용접시간 적응제어방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 용접변수 중 용접시간을 조정하는 방법에 있어서, 세부시간별로 조정구간을 갖도록 구성하고 이를 용접온도와 같은 용접상태에 따라 적응제어하는 장치를 제공하는 데 있다. 이에 따라, 본 발명은 자동차브레이크 슈의 웨브와 림의 프로젝션 자동용접 시 스패터의 저감을 위한 용접시간 적응제어방법으로서, 용접전류와 가압력은 고정하고; 용접시간은 A 내지 E구간에 해당하는 5개의 세부구간을 포함하되; 상기 A구간은 융착국부의 예열을 위해 용접전류를 가하는 통전구간이고, 상기 B구간은 비통전 구간이며, 상기 C구간은 융착국부의 용융온도로 높이기 위한 용융구간이고, 상기 D구간은 융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위하 완화구간이며, 상기 E구간은 통전정지구간이고, 각각의 상기 세부구간으로 구성된 용접시간은 용접상태에 따라 적응제어장치에 의해 적응제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

브레이크 슈 자동용접시 스패터 저감을 위한 용접시간 적응제어방법 및 그 장치{PROJECTION WELDING TIME MONITOR TO REDUCE SPATTER FOR AUTOMOBILES BRAKE SHOE}

본 발명은 스패터(spatter) 저감을 위한 브레이크 슈의 웨브(web)와 림(rim)의 프로젝션(projection) 용접시간 제어방법과 그 장치에 관한 건으로, 보다 상세하게는 자동차의 브레이크 슈의 웨브와 림의 프로젝션 용접시 스패터의 저감을 막기 위해 일정한 용접전류와 가압력에 대해서 용접시간을 5개의 구간을 갖도록 하는 것으로 구성하고; 5개의 구간은 A구간 :융착국부의 예열을 위해 용접전류를 가하는 통전구간, B구간: 비통전 구간, C구간: 융착국부의 용융온도로 높이기 위한 용융구간, D구간 융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위하 완화구간, E구간 :통전정지구간을 포함하고; 용접시간의 제어장치에 있어서, 세부시간별로 조정구간을 갖도록 구성하고 이를 적응제어하는 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

프로젝션 용접(projection welding)은 두 전극사이의 재료에 대전류를 흘려서 재료의 접촉저항으로 발생한 저항열을 이용하여 스폿 용접의 일종이며, 한 쪽 피용접재에 돌기를 만들어 그 부분을 평탄한 동전극으로 가압하면서 큰 전류를 흘려 너트를 형성시키는 공정이다.

일반적으로 자동차브레이크 슈(brake shoe)의 조립공정에서 프로젝션 용접방법이 많이 이루어지고 있는 데, 이는 프로젝션이 만들어진 쪽에 오목자국이 형성되지 않는 장점이 있기 때문이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 자동차브레이크 슈의 웨브(10)와 림(20)의 용접에 있어서, 1개당 10점 내외의 프로젝션 용접이 수행되고 있으나 현재의 브레이크 슈 용접 공정은 용접강도를 안정적으로 확보하기 위하여 조금 과도한 전류를 사용함으로써 스패터(30)로 인한 문제점을 안고 있다. 따라서 자동차업체의 용접연구자들은 용접품질을 만족하면서도 스패터 없는 용접공정을 이룩하기 위한 연구를 수행하고 있다.

상기 프로젝션 용접은 용접시 용접전류가 낮으면 발열량이 부족하여 충분한 너겟 형성이 이루어지지 않아 강도가 떨어지며 반대로 용접전류가 높으면 웨브(10) 및 림(20) 표면에 용접잔유물 등의 자국이 크게 형성되고 스패터(30)가 발생하게 된다.

여기서 스패터(spatter)란 용접중 용착금속 주위로 비산하는 일부용융 물질의 미립자를 말하는 것으로 중간날림(expulsion)과 표면날림(surface flash)을 포괄하는 슬래그(slag) 및 금속입자를 말한다.

상기 서술한 스패터(30)는 브레이크 슈 외관에 달라붙어 이후 세척공정에서 심각한 품질문제를 야기시키며 추가적인 제거공정으로 인한 생산성 저하와 분진발생으로 인한 작업환경 악화를 초래한다. 또한 스패터(30)의 다량발생은 용접부의 용입두께(penetration thickness)를 감소시키기 때문에 용접부에 응력집중이 발생하여 용접강도를 저하시키는 원인이 되고 있다.

그러나 상기한 바와 같이 브레이크 슈의 웨브(10)와 림(20)은 이종강판이며, 이종강판 사이에도 스패터(30)가 발생하는 단점을 가지고 있다. 일부 브레이크 슈에 냉각 및 윤활효과를 가지는 스패터(30) 고착방지 오일을 도포하여 용접중 발생된 스패터(30)가 외판에 용융고착 되지 않게 하는 공법이 사용되고 있으나 이 또한 작업환경을 악화시키는 원인이 되고 있다.

일반적으로 스패터(30)의 발생원인은 웨브(10)와 림(20)의 융착국부에서의 용융온도 지점에서 순간적으로 용융온도보다 높은 온도대역으로 이동하면서 금속이 비산하여 스패터(30)가 발생하는 것으로 알려져 있다. 실제 작업환경에서는 용접품질을 높이기 위해 스패터(30)가 발생하는 정도의 온도를 넘은 직후에 통전을 정지하게 되어 있다.

상기와 같이 통상의 온도상승은 용접전류에 비례하기 때문에 일반적으로 용접전력을 조절하여 스패터(30)의 발생을 줄이는 것이 종전의 방법이다.

그러나 상기와 같은 용접전력을 조절하는 방법은 전원을 사용하는 통상의 프로젝션 저항용접기에 적용할 경우 기존의 AC 단상용접의 전력 특성상 통전 중 무통전 시간과 높은 피크(PEAK) 전력, 단상 대 전력 소모로 인한 전력 드롭(DROP) 등의 문제로 인하여 브레이크 슈와 같은 이종강판의 용접 시 매우 많은 스패터(30)가 발생하고, 높은 용접품질의 확보가 어려워지는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 갖는 종래 기술의 단점을 해소하기 위하여 발명된 된 것으로써, 본 발명의 목적은 용접변수 중 용접시간을 조정하는 방법에 있어서, 세부시간별로 조정구간을 갖도록 구성하고 이를 용접온도와 같은 용접상태에 따라 적응제어하는 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 자동차브레이크 슈의 웨브와 림의 프로젝션 자동용접 시 스패터의 저감을 위한 용접시간 적응제어방법으로서, 용접전류와 가압력은 고정하고; 용접시간은 A 내지 E구간에 해당하는 5개의 세부구간을 포함하되; 상기 A구간은 융착국부의 예열을 위해 용접전류를 가하는 통전구간이고, 상기 B구간은 비통전 구간이며, 상기 C구간은 융착국부의 용융온도로 높이기 위한 용융구간이고, 상기 D구간은 융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위하 완화구간이며, 상기 E구간은 통전정지구간이고, 각각의 상기 세부구간으로 구성된 용접시간은 용접상태에 따라 적응제어장치에 의해 적응제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 용접시간의 세부구간별 전체 사이클은 7 ~10 cycle을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 용접시간의 세부구간 중 융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위한 완화구간은 다른 구간의 시간에 비교해 1.5배 이상의 용접시간을 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 용접상태를 용접온도로 적응제어하고, 상기 A구간은, 설정된 온도까지 예열시간을 지속하여 설정된 예열온도 도달하면 B구간 비통전구간을 제공하기 위해 전류를 OFF시키며, 상기 B구간은, 상기 예열온도가 적정온도범위보다 클 경우 비통전구간의 시간은 증가시켜 적정용융온도 시점을 결정하게 하고 예열온도가 적정온도보다 작을 경우 비통전구간의 시간을 짧게 유지하여 상기 C구간의 시점을 앞당기도록 하고, 상기 C구간은, 용융구간의 시간과 전류량은 적정수준을 유지하되 용융온도가 적정구간의 수준의 오차범위를 넘어설 경우 상기 D구간 완화구간의 시간을 조절하여 용융온도의 오차에 의한 용접상태를 적정수준을 유지하도록 결정하며, 상기 D구간은, 상기 C구간의 용융온도구간의 상태에 따라 증가 또는 감소시간을 결정하는 순서를 갖는 것을 다른 특징으로 한다.

다른 관점에서 본 발명은, 본 발명의 브레이크 슈의 웨브와 림의 세부구간을 갖는 용접시간을 도출하기 위한 적응제어장치에 있어서, 프로젝션 용접에 따른 웨브와 림의 용접온도변화를 검출하는 온도센서; 및 온도변화로부터 온도상승시간을 추출하여 그에 따른 적정온도와의 상관관계를 판단하고, 온도상승시간의 해석을 통해 판단인자를 추출하며, 상기 추출된 판단인자를 적용하여 적응제어함수를 결정하는 적응제어부;를 포함하되, 상기 적응제어부의 적응제어추론과정은 용접품질을 판단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차브레이크 슈 웨브와 림의 용접시간 적응제어장치를 제공하는 것을 다른 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 자동차 브레이크 슈의 웨브와 림의 프로젝션 용접시간 제어방법과 그 장치에 의하면,
첫째, 본 발명은 적정의 용접시간을 가지고 있으며, 세부구간으로 나눈 용접시간 중에 융착국부의 순간적 온도상승을 억제하는 완화구간이 비교적 긴 용접시간을 가진 항목이 스패터 발생비율이 가장 낮음을 알 수 있었다. 이에 충분한 긴 완화구간을 가진 용접시간에 대한 용접전류 제어 메카니즘을 하드웨어적으로 구현하면 자동용접장치에 의한 스패터 발생비율을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

둘째, 본 발명은 일반적인 이종강판 사이의 용접시, 융착국부에서의 용융온도 지점에서 순간적으로 용융온도보다 높은 온도대역으로 이동하는 것을 억제하여 금속이 비산하여 스패터가 발생하는 것을 막을 수 있는 잇점이 있다.

셋째, 본 발명은 용접시 획득할 수 있는 다양한 용접변수에 대하여 모니터링하고 이 자료를 데이터베이스화 하여 용접품질 관리에 응용하게 되면 양산라인에서 반복적으로 발생되는 문제점을 확인 할 수 있고 이를 통계적 방법으로 추적 개선해 나간다면 용접 불량 감소 및 생산성 향상에 도움이 되며 작업자의 공정 능력 향상 및 기업의 기술축적에도 높은 기여를 할 수 있을 것이다. 용접 적응제어와 다양한 용접변수 모니터링이 한 시스템에서 이루어 질 때 높은 용접성 확보와 불량률 감소, 원가절감, 생산성 향상 등의 효과가 극대화 될 것이다.

도 1은 웨브와 림이 용접된 자동차용 브레이크 슈와 용접상태(점선안)을 나타낸 것이다.
도 2는 종래 용접방법에 의해 나타난 브레이크 슈 표면의 스패터(spatter)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적응제어방법에 있어서, 용접시간의 세부시간별 제어구간을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 적응제어방법에 있어서, 용접시간의 세부시간별 제어구간에 관한 적정시간을 조사한 표이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 용접시간의 세부시간별 제어구간별 용접강도와 스패터 발생의 저감비율을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용접시간상태 적응제어장치의 개략적인 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 프로젝션 용접결과를 모니터링하는 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 보다 상세하게 설명한다.

도 1과 도 2는 웨브(10)와 림(20)이 용접된 자동차 브레이크 슈(break shoe)를 나타낸 것이고, 도 2의 점선원안은 용접시 발생된 스패터(30)를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용접시간 적응제어장치에 있어서, 용접시간의 세부시간별 제어구간이다.

본 발명의 실시예에 따른 용접시간 적응제어장치에 있어서, 도 3에서 도시한 바와 같이, A구간은 융착국부의 예열을 위해 용접전류를 가하는 통전구간이며, B는 비통전 구간, C는 융착국부의 용융온도로 높이기 위한 용융구간, D는 융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위하 완화구간, E는 통전정지구간으로 구성된다.

상기 A~E구간에 따른 전체 용접시간은 7~10사이클(cycle)로 정하고, 완화구간인 D구간은 비교적 긴시간을 유지하도록 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스패터 저감을 위한 브레이크 슈 용접시간 적응제어장치에 있어서, 상기 용접시간의 세부시간별 제어구간에 관한 적정시간을 조사한 표이다.

상기 도 4에서와 같이, 전체 , A, B, C, D, E 구간별로 적정시간을 조사하기 위해 도 4와 같은 조건을 조사하였다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스패터 저감을 위한 브레이크 슈 용접시간 적응제어장치의 용접시간의 세부시간별 제어구간에 있어서, 상기 5구간의 서로 다른 시간대를 가진 6가지 항목에 대해 스패터 발생비율을 나타낸 것이며, 각 항목에 대한 용접강도도 함께 나타낸 것이다.

상기 도 5에서와 같이 각 항목은 도 4에서와 같이 각각 정해진 구간시간별 시료를 다수 용접하여 육안검사에 의한 스패터 발생빈도수를 전체 용접시료수에 나눈 값으로 하였다.

상기 도 5에서와 같이 “Ⅰ”항목에 대한 구간이 가장 양호한 용접강도와 스패터 발생이 저감된 것을 알 수 있고, 이때의 스패터 발생비율은 3.5%이고, “Ⅴ”항목에 대한 구간은 스패터 발생비율이 약 12.5% 정도로 다른 항목에 비해 높게 나타남을 알 수 있다. 즉, 세부구간으로 나눈 용접시간 중에 융착국부의 순간적 온도상승을 억제하는 완화구간이 비교적 긴 용접시간을 가진 항목이 스패터 발생비율이 가장 낮음을 알 수 있었다. 이에 충분한 긴 완화구간을 가진 용접시간에 대한 용접전류 제어 메카니즘을 하드웨어적으로 구현하면 자동용접장치에 의한 스패터 발생비율을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 이에 따라, 용접시간의 세부구간 중 융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위한 완화구간은 다른 구간의 시간과 비교해 1.5배 이상의 용접시간을 유지하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 용접시간 적응제어장치의 개략적인 구성을 도시한 것이다.

상기 도 6에서와 같이 본 발명은 온도센서(100)와 적응제어부(200), 데이터베이스(300), 표시기(400) 및 프로젝션용접장치(500)를 포함한다.

상기 도 6에 있어서, 온도센서(100)는 브레이크 슈의 웨브와 림의 용접시 용접전류에 대한 용용온도의 상승시 온도변화를 실시간으로 측정하여 그에 대한 신호를 적응제어부(200)에 제공한다.

적응제어부(200)는 온도센서(100)로부터 측정되는 온도신호의 용융온도 상승변화로부터 적정용융온도와 적정용접시간의 용접상태의 상관관계를 판단하고 판단인자를 추출한 다음 적응제어함수를 결정하여 프로젝션용접 결과의 상태를 판단하여 그 결과를 데이터베이스(300)로 관리한다.

데이터베이스(300)는 상기 적응제어부(200)가 용접상태의 결과를 판단하기 위해 일련의 물리적인 변수와 데이터가 표로 설정된다.

또한 용접상태 판단에 대한 결과 데이터를 데이터베이스로 저장하여 정형적인 용접상태 관리 및 자동화 프로젝션용접장치(500)의 유지관리가 제공되도록 한다.

표시기(400)는 상기 적응제어부(200)에서 평가되는 프로젝션용접의 결과를 설정된 다양한 방식으로 작업자 및 관리자에게 지시하여 준다.

상기에서 서술한 바와 같이 본 발명에서 스패터 저감을 위한 브레이크 슈의 웨브와 림의 프로젝션 용접시간 제어방법과 그 장치에 대하여 보다 상세하게 서술하면 다음과 같다.

도 7에서와 같이, 자동차 브레이크 슈의 웨브와 림의 소재를 자동 용접시키는 프로젝션 용접이 개시되면 웨브(10)와 림(20)이 접촉되는 전극의 내부에 장착되는 온도센서(100)가 용접부위의 온도변화를 실시간으로 모니터링하여 그에 대한 신호를 적응제어부(200)로 제공한다.

이때, 적응제어부(200)는 온도센서(100)의 정보로부터 용접부위의 온도변화를 본 발명의 용접시간에 의한 세부구간별 온도상태로 계측한다.

또한 용접하는 시간동안 즉, 7사이클(cycle)에서 10사이클(cycle)사이 용접부위의 온도상태에 따라 A구간, B구간, C구간, D구간 및 E구간별 제어시간을 온도에 따라 결정하도록 한다.

용접이 개시됨에 따라 웨브와 림의 접촉부에서 용융되는 온도에 있어서, 비산되는 금속입자들을 억제하기 위해 융착국부의 예열을 위해 용접전류를 가하는 통전구간과 더불어 일시적 비통전구간과 융착국부의 용융온도로 높이기 위한 용융구간 및 융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위한 완화구간을 두어 최대한 안정된 형태로 온도가 검출되도록 이 B, C, D 세구간에서 최소 5에서 6사이클이상 유지한다.

따라서 적응제어부(200)는 온도센서(100)에서 검출되는 접촉부의 초기온도로부터 세부구간별 온도와 그에 따른 용접 상태의 상관관계를 판단한다.

상기 이후, 용접 상태를 판단하는 데 필요한 판단인자를 추출한다.

상기 판단인자는 PID 적응제어법을 사용하여 측정된 온도 정보를 해석한 다음 해석된 레벨의 패턴 차이를 하나의 판단인자로 사용한다.

특히 웨브(10)와 림(20)이 접촉되는 순간부터 가해지는 용접전류량과 용접시간을 계산하여 다른 하나의 판단인자로 사용한다. 즉, 자동차 브레이크 슈의 웨브(10)와 림(20)의 용접시 두께변화는 없기 때문에 오로지 용접전류와 용접시간이 판단인자가 된다.

또한 상기 용접전류는 브레이크 슈의 웨브(10)와 림(20)의 두께변화가 없으므로 일정한 전류량을 가지도록 고정한다. 즉, 각 A, B, C, D, E세부구간별 전류량은 고정한다.

따라서 상기 브레이크 슈의 웨브(10)와 림(20)의 용접에 변수가 되는 것은 용접시간이므로 각 A, B, C, D, E세부구간별 용접시간은 용접상태에 따른 판단인자가 된다.

A구간 예열구간에 있어서, 정해진 예열온도까지 예열시간을 지속한다. 만약 정해진 온도까지 예열온도가 결정되면 즉시 B구간 비통전구간을 제공하기 위해 전류를 OFF시킨다.

B구간 비통전구간에 있어서, 만약 예열온도가 적정온도범위보다 클 경우 비통전구간의 시간은 증가시켜 적정용융온도(C구간) 시점을 결정하게 한다. 예열온도가 적정온도보다 작을 경우 비통전구간의 시간을 짧게 유지하여 C구간의 시점을 앞당기도록 한다.

C구간 용융구간에 있어서, 용융구간의 시간과 전류량은 적정수준을 유지하되 만약 용융온도가 적정구간의 수준의 오차범위를 넘어설 경우 D구간 완화구간의 시간을 조절하여 용융온도의 오차에 의한 용접상태를 적정수준을 유지하도록 결정한다.

D구간 완화구간에 있어서, 앞서 C구간의 용융온도구간의 상태에 따라 증가 또는 감소시간을 결정한다.

상기한 절차를 통해 브레이크 슈의 용접에 대한 상태가 판단되면, 그에 대한 결과를 표시기(400)를 통해 설정된 다양한 방식으로 표시하고, 데이터베이스(300)에 저장하여 관리데이터로 활용하도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시 예는 장치 및 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 매체를 통해 구현될 수 있다.

10; 웨브 20; 림
30; 스패터 100; 온도센서
200; 적응제어부 300; 데이터베이스
400; 표시기 500; 프로젝션용접장치

Claims (5)

1. 자동차브레이크 슈의 웨브와 림의 프로젝션 자동용접 시 스패터의 저감을 위한 용접시간 적응제어방법으로서,
   용접전류와 가압력은 고정하고;
   용접시간은 순차적으로 실시되는 A 내지 E구간에 해당하는 5개의 세부구간을 포함하되;
   상기 A구간은 융착국부의 예열을 위해 용접전류를 가하는 통전구간이고,
   상기 B구간은 비통전 구간이며,
   상기 C구간은 융착국부의 용융온도로 높이기 위한 용융구간이고,
   상기 D구간은 융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위한 완화구간이며,
   상기 E구간은 통전정지구간이고,
   상기 완화구간은 다른 구간의 시간에 비교해 1.5배 이상의 용접시간을 유지하는 것을 특징으로 하는 자동차브레이크 슈 웨브와 림의 용접시간 적응제어방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 용접시간의 세부구간별 전체 사이클은 7 ~10 cycle을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차브레이크 슈 웨브와 림의 용접시간 적응제어방법.
3. 제 1 항 또는 제2항에 있어서,
   상기 A 내지 E구간으로 구성된 용접시간은 용접상태에 따라 적응제어장치에 의해 적응제어하되,
   상기 적응제어는
   상기 A구간에서, 설정된 온도까지 예열시간을 지속하여 설정된 예열온도에 도달하면 B구간 비통전구간을 제공하기 위해 전류를 오프(OFF)시키며,
   상기 B구간은, 상기 예열온도가 설정된 적정온도범위보다 클 경우 비통전구간의 시간을 증가시키고 상기 예열온도가 상기 적정온도범위보다 작을 경우 비통전구간의 시간을 짧게 유지하여 상기 C구간의 시점을 앞당기도록 하는 것을 특징으로 하는 자동차브레이크 슈 웨브와 림의 용접시간 적응제어방법.
4. 자동차브레이크 슈의 웨브와 림의 프로젝션 자동용접 시 스패터의 저감을 위한 용접시간 적응제어를 위해,
   융착국부의 예열을 위해 용접전류를 가하는 통전구간인 A구간,
   비통전 구간인 B구간,
   융착국부의 용융온도로 높이기 위한 용융구간인 C구간,
   융착국부의 순간온도 상승을 억제하기 위한 완화구간인 D구간,
   통전정지구간인 E구간이 순차적으로 실시되는 용접시간을 도출하기 위한 적응제어장치에 있어서,
   프로젝션 용접에 따른 웨브와 림의 용접온도변화를 검출하는 온도센서; 및
   온도변화로부터 온도상승시간을 추출하여 그에 따른 적정온도와의 상관관계를 판단하고, 온도상승시간의 해석을 통해 판단인자를 추출하며, 상기 추출된 판단인자를 적용하여 적응제어함수를 결정하는 적응제어부;를 포함하되,
   상기 적응제어부의 적응제어추론과정은 용접품질을 판단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차브레이크 슈 웨브와 림의 용접시간 적응제어장치.
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