KR102137370B1 - 초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

용접품질 판단장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 용접품질 판단장치는, 엔빌에 대한 혼의 높이를 측정하는 센서부를 포함하고, 센서부는, 혼의 마모도와, 용접 전후 혼의 높이 변화를 이용해서 용입 깊이를 측정하며, 용접기 출력 및 용접 안정도를 용입 깊이와 혼의 마모도와 대비함으로써 용접 품질을 판단하고, 용접기 출력 및 용접 안정도 그리고 용입 깊이 및 혼의 마모도를 저장하는 용접품질 판단부를 포함한다.

Description

초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING QUALITY OF ULTRASONIC WELDING}
본 발명은 초음파 용접의 품질 판단 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 용접(ultrasonic welding)은 가벼운 하중 조건에서 두 개의 용접팁 사이에 피용접재를 물리고, 가압하면서 초음파를 주어 초음파 진동을 이용하여 접합시키는 방법을 일컫는 것으로, 주로 연강과 알루미늄, 플라스틱 등을 용접하기 위해서 사용된다.
즉, 초음파용접은, 대략 10～80㎑의 주파수에서의 초음파발진을 통한 기계적 에너지를 피용접재에 인가한다. 그리고 충분한 에너지가 인가되면 국소적인 가열이 일어나고, 결과적으로 금속의 이동이 발생하여 접착이 이루어진다. 이는 통상의 용접법에서 행해지는 바와 같은 고온융착이나 제3금속의 첨가가 없는 용접이다.
초음파에너지는 피접착표면을 혼(horn)이라 불리는 진동용접헤드와 접촉시킴으로써 인가된다. 혼(horn)이 피용접재의 상면을 충분한 힘으로 누른 상태에서 초음파 용접이 수행된다.
초음파 용접에서 최적의 용접 품질을 얻기 위한 조건은, 피용착물의 크기, 형상 및 재질, 프레스 압력, 발진 시간, 혼의 진폭 등에 따라서 달라지기 때문에, 실험을 통해서 최적값을 구한 후 이를 이용하고 있다.
또한, 초음파 용접에서 용접 품질을 관리하기 위해서 종래에는 초음파 용접기의 가진기에 인가된 에너지를 측정하고 그 측정 에너지가 소정 범위를 초과하면 용접 불량으로 판단하는 방법만이 사용되고 있다. 그러나 상기와 같은 종래의 용접 품질 판단 방법은 판단 결과가 부정확한 경우가 발생하기 때문에 신뢰성이 낮은 문제점을 갖는다.
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 신뢰성이 우수한 초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접품질 판단장치는, 엔빌에 대한 혼의 높이를 측정하는 센서부를 포함하고, 센서부는, 혼의 마모도와, 용접 전후 혼의 높이 변화를 이용해서 용입 깊이를 측정하며, 용접기 출력 및 용접 안정도를 용입 깊이와 혼의 마모도와 대비함으로써 용접 품질을 판단하고, 용접기 출력 및 용접 안정도 그리고 용입 깊이 및 혼의 마모도를 저장하는 용접품질 판단부를 포함한다.
본 발명에 따른 용접품질 판단장치는 다음과 같은 실시예들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 용접 안정도는 혼의 높이 변화를 감지함으로써 구할 수 있다.
센서부는 혼에 연결된 선형 가변 변위 변환기에 해당할 수 있다.
본 발명에 일 측면에 따른 용접품질 판단방법은, 용접기 출력 및 용접 안정도를 획득하는 단계와, 용접 전후 혼의 높이 변화를 이용해서 용입 깊이를 측정하고, 용접 전 혼의 높이를 이용해서 혼의 마모도를 측정하는 단계와, 용접기 출력 및 용접 안정도 그리고 용입 깊이 및 혼의 마모도를 저장하는 단계와, 용접기 출력 및 용접 안정도를 용입 깊이와 혼의 마모도와 대비함으로써 용접 품질을 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명은 신뢰성이 우수한 초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치가 구비된 초음파 용접 시스템에 대한 도면이다.
도 2는 피용접재에 대한 혼의 상대적인 높이를 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 시간의 경과에 따른 용접기 출력을 예시한 그래프이다.
도 4는 시간의 경과에 따른 혼의 높이 변화를 예시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)가 구비된 초음파 용접 시스템에 대한 도면이다.
본 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)는 초음파 용접 시스템에 구비되어 초음파 용접의 품질을 실시간으로 판단할 수 있다.
본 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)는, 엔빌(138)에 대한 혼(136)의 높이를 측정하는 센서부(120)를 포함하고, 센서부(120)는, 혼(136)의 마모도와, 용접 전후 혼(136)의 높이 변화를 이용해서 용입 깊이를 측정한다. 그리고 본 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)는, 용접기 출력 및 용접 안정도를 용입 깊이와 혼의 마모도와 대비함으로써 용접 품질을 판단하고, 용접기 출력 및 용접 안정도 그리고 용입 깊이 및 혼의 마모도를 저장하는 용접품질 판단부(110)를 포함한다.
본 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)에 대해서 설명하기에 앞서, 초음파 용접 시스템에 대해서 설명하기로 한다.
초음파 용접 시스템은 공정제어기(114), 컨트롤러(130), 진동자(132), 부스터(134), 혼(136) 및 엔빌(138)을 포함한다.
공정제어기(114)는 용접 공정의 시작 및 종료, 제품 정보를 가지고 있으며, 이를 이용해서 컨트롤러(130)를 제어할 수 있다. 또한, 공정제어기(114)에 저장된 용접 공정에 대한 정보 및 제품 정보는 용접품질 판단부(110)에 저장될 수 있다.
컨트롤러(130)는 센서부(120)에 의해서 용접의 시작 준비가 완료된 경우, 진동자(132)에 공급되는 전력을 높이고 용접이 완료된 경우 진동자(132)에 공급되는 전력을 차단한다. 이와 같이, 컨트롤러(130)는 진동자(132)에 전력을 공급하고 제어한다.
진동자(132)는 컨트롤러(130)로부터 공급되는 전원에 의해서 진동을 생성한다. 진동자(132)의 진동에너지에 의해서 피용접재(140)의 상면에서 혼(136)이 용접을 수행하게 된다.
부스터(booster, 134)는 혼(136)과 진동자(132) 사이에 위치하면서 진동자(132)의 진폭(amplitude)을 감소 또는 증폭시켜서 혼(136)에 전달한다. 그리고 컨트롤러(130)는 진동자(132)로 공급되는 전원을 제어하여 진동수 및 진폭을 제어한다.
혼(136)은 진동자(132)의 진동 에너지에 의해서 수평 방향으로 진동하고 피용접재(140)를 가압하여서 용접을 수행한다.
엔빌(anvil, 138)은 피용접재(140)를 지지하는 것으로 혼(136)과의 사이에서 피용접재(140)가 가압 및 진동에 의해서 용접이 이루어진다.
혼(136)과 엔빌(138) 사이에는 센서부(120)가 결합될 수 있다. 센서부(120)는 엔빌(138)에 결합되어 혼(136)과 접촉하면서 혼(136)의 높이, 용입 깊이, 혼(136) 및 엔빌(138)의 마모도 및 용접 안정도를 측정한다.
센서부(120)는 혼(136)의 높이를 측정할 수 있는 선형 가변 변위 변환기(Linear Variable Displacement Transducer, LVDT)에 해당할 수 있다. 센서부(120)의 일 단부는 엔빌(138)에 고정되고 타단부는 혼(136)과 접촉하면서 엔빌(138)에 대한 혼(136)의 높이를 측정할 수 있고, 이를 이용해서 혼(136)의 마모도, 용입 깊이 및 용접 안정도 등을 측정할 수 있다.
용접품질 판단부(110)는 컨트롤러(130)와 연결되어 용접기 출력을 모니터링 한다. 즉, 용접품질 판단부(110)는 컨트롤러(130)가 진동자(132)에 인가하는 전력을 제어하고 이를 모니터링 한다. 또한, 용접품질 판단부(110)는 컨트롤러(130)가 용접기에 전달하는 출력값(평균 출력 및 피크 출력 포함)을 저장한다.
용접품질 판단부(110)는 센서부(120)를 이용해서 용입 깊이, 혼(136) 및 엔빌(138)의 마모도 및 용접 안정도를 모니터링 한다.
용접품질 판단부(110)는 용접기 출력과, 용입 깊이, 혼(136) 및 엔빌(138)의 마모도 및 용접 안정성을 이용해서 용접품질을 판단한다. 즉. 용접품질 판단부(110)는 기본적으로 용접기 출력 및 용접 안정성을 이용해서 용접품질을 1차적으로 판단하고, 이를 용입 깊이, 혼(136) 및 엔빌(138)의 마모도와 대비함으로써 판단된 용접품질의 신뢰성을 높이는 것을 특징으로 한다.
용접품질 판단부(110)는 측정된 용입 깊이, 혼(136) 및 엔빌(138)의 마모도 및 용접 안정성에 대한 데이터를 저장하고, 이를 머신 러닝(machine learning)을 이용해서 향후 용접 품질 예측에 사용할 수 있다.
도 2는 피용접재(140)에 대한 혼(136)의 상대적인 높이를 순차적으로 나타낸 도면이다. 그리고 도 3은 시간의 경과에 따른 용접기 출력을 예시한 그래프이고, 도 4는 시간의 경과에 따른 혼의 높이 변화를 예시한 그래프이다.
참고로, 도 3 및 도 4에서 원 내부의 숫자는 도 2에 기재된 숫자에 대응한다. 이하에서는 도 2 내지 도 4에 기재된 원 내부의 숫자를 단계1 내지 단계8로 표시하기로 한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 엔빌(138)의 상부에 피용접재(140)가 놓여 있고 그 상부에 일정한 간격을 두고 혼(136)이 위치한다. 단계1 내지 단계3에서는 혼(136)이 하강하고, 단계4에서는 혼(136)이 피용접재(140)와 접촉한다. 또한, 단계1 내지 단계3에서는 혼(136)이 피용접재(140)를 가압하지 않고, 단계4에서는 혼(136)이 피용접재(140)를 하향 가압해서 혼(136)의 높이가 미세하게 하강할 수 있다. 또한, 단계1 내지 단계4에서는 용접기에 전력이 출력되지 않는 상태에 있다.
단계5에서 용접기에 전력이 출력되어 용접이 시작된다. 이때 용접의 진행으로 인해서 피용접재(140)가 상호 접착해서 혼(136)의 높이가 다소 하강할 수 있다. 또한, 단계5에서 용접의 진행으로 인해서 혼(136)의 높이가 미세하게 진동하고 시간의 경과에 따라서 혼의 높이가 완만하게 하강할 수 있다.
도 3 및 도 4의 단계5와 같은 그래프 파형이 나타나는 경우 용접 품질이 양호한 것으로 판단할 수 있다.
단계6은 용접이 완료된 상태로서, 용접기에 전력 공급이 차단되고, 혼(136)은 상승하지 않은 상태에 있다. 단계6과 단계4에서 혼(136)의 높이 차를 구하면 피용접재(140)의 용입 깊이를 구할 수 있다. 용입 깊이는 용접품질 판단장치(100)에서 용접의 품질을 평가할 때 사용될 수 있다.
용접 과정에서 혼(136) 및 엔빌(138)의 마모가 발생할 수 있는데, 이는 센서부(120)에 의해서 마모 정도를 구할 수 있다. 즉, 피용접재(140)의 두께 정보를 이용하고 단계4에서 혼(136)의 높이를 구함으로써 혼(136) 또는 엔빌(138)의 마모도를 구할 수 있다.
용접품질 판단장치(100)는 용접기 출력(도3에서 단계5) 및 용접 안정도(도 4에서 단계5)를 이용해서 용접 품질을 판단할 수 있다. 즉, 도3에서 단계5에서와 같은 용접기 출력이 확인되지 않거나 또는 도 4에서 단계5와 같은 혼의 높이 변화가 발생하지 않는 경우 용접이 불량한 것으로 판단할 수 있다.
용접품질 판단장치(100)는 용접기 출력 및 용접 안정도 이외에 용입 깊이 및 혼(136)과 엔빌(138)의 마모도를 이용해서, 도출된 용접 품질 결과에 대한 검증을 실시할 수 있다. 즉, 용접기 출력 및 용접 안정도를 이용해서 용접 품질이 양호한 것으로 판단된 경우에도, 용입 깊이가 원하는 값이 나오지 않거나 또는 혼(136)이 마모된 경우에는 용접 품질이 양호하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 따라서 용접품질 판단장치(100)는 용입 깊이 및 혼(136)과 엔빌(138)의 마모도를 추가로 이용함으로써 용접 결과 판단에 신뢰성을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 용접 품질 판단 장치
110: 용접 품질 판단부
120: 센서부
130: 컨트롤러
132: 진동자
134: 부스터
136: 혼
138: 엔빌
140: 피용접재

Claims (4)

  1. 엔빌에 대한 혼의 높이를 측정하는 센서부를 포함하고,
    상기 센서부는, 상기 혼의 마모도와, 용접 전후 혼의 높이 변화를 이용해서 용입 깊이를 측정하며,
    용접기 출력 및 용접 안정도를 상기 용입 깊이와 혼의 마모도와 대비함으로써 용접 품질을 판단하고, 상기 용접기 출력 및 용접 안정도 그리고 용입 깊이 및 혼의 마모도를 저장하는 용접품질 판단부를 포함하는 용접품질 판단장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접 안정도는 혼의 높이 변화를 감지함으로써 구하는 것을 특징으로 하는 용접품질 판단장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 혼에 연결된 선형 가변 변위 변환기에 해당하는 것을 특징으로 하는 용접품질 판단장치.
  4. 용접기 출력 및 용접 안정도를 획득하는 단계;
    용접 전후 혼의 높이 변화를 이용해서 용입 깊이를 측정하고, 용접 전 혼의 높이를 이용해서 혼의 마모도를 측정하는 단계;
    상기 용접기 출력 및 용접 안정도 그리고 상기 용입 깊이 및 혼의 마모도를 저장하는 단계; 및
    용접기 출력 및 용접 안정도를 상기 용입 깊이와 혼의 마모도와 대비함으로써 용접 품질을 판단하는 단계를 포함하는 용접품질 판단방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011056557A (ja) * 2009-09-11 2011-03-24 Nissan Motor Co Ltd 超音波接合検査装置および方法
JP2017170474A (ja) * 2016-03-23 2017-09-28 日産自動車株式会社 超音波接合装置
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