KR20030082114A - 점 용접 품질평가 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점 용접 품질평가 시스템에 관한 것으로서 특히, 용접건의 전극에 고강성 와이어와 전류센서를 부착하여 용접시 변화하는 동저항(dynamic resistance)을 측정하여 점 용접 라인의 전 용접품질을 판단, 검사하도록 하는 것으로서, 접합하고자 하는 피용접재(10)를 맞대어 놓고, 두개의 마주보는 전극(20)을 이용하여 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하여, 압력을 받는 부위를 용접하는 용접장치에 있어서, 상기 전극의 양단에 연결되어 전압을 측정하는 전압측정부(100)와; 상기 전극 중 일측의 전극에 연결되어 전류를 측정하는 전류측정부(200)와; 상기 전압측정부(100)와 전류측정부(200)에 연결되어, 전압신호와 전류신호를 나누어주어 저항값을 산출하는 디바이더(300)로 구성되어, 전체적인 점 용접의 품질을 향상시킬 수 있고, 불량 타점에 대비한 여분의 타점을 없앨 수 있어, 불필요한 타점 수를 줄일 수 있고, 반파괴, 전파괴 검사의 인력과 시간을 줄일 수 있도록 하는 것이다.

Description

점 용접 품질평가 시스템 {System for valuating a status of spot welding}

본 발명은 점 용접 품질평가 시스템에 관한 것으로서 특히, 용접건의 전극에 고강성 와이어와 전류센서를 부착하여 용접시 변화하는 동저항(dynamic resistance)을 측정하여 점 용접 라인의 전 용접품질을 판단, 검사하도록 함으로써, 전체적인 점 용접의 품질을 향상시킬 수 있고, 불량 타점에 대비한 여분의 타점을 없앨 수 있어, 불필요한 타점 수를 줄일 수 있고, 반파괴, 전파괴 검사의 인력과 시간을 줄일 수 있도록 하는 점 용접 품질평가 시스템에 관한 것이다.

점 용접(스폿 용접: spot welding)은 전기저항 용접에 속하는 용접방법으로서, 금속에 전류가 흐를 때 발생하는 열을 이용하여 압력을 주면서 용접하는 방법을 말한다. 접합하고자 하는 두 금속을 맞대어 놓고 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하면 저항 열이 발생하는데, 이로 인해 압력 부위가 접합되는 성질을 이용하는 것이며, 이는 자동차의 차체 조립에 매우 많이 쓰이는 용접방법이다.

현재 점 용접은 승용차 1대의 총 용접 수 3500∼4000 요소 중 약 95%를 차지할 정도로 널리 사용되고 있는 용접법이다.

그러나 자동차 차체의 방청화 규제에 의하여 여러 종류의 표면처리 도금강판이 널리 사용됨에 따라 도금 층의 영향으로 인해 점 용접성이 현저하게 저하되고 있으며, 이러한 이유로 차체강도를 유지하기 위한 용접 품질과 용접성의 평가는 중요한문제로 부각되고 있다.

한편, 자동차 제조라인에서 판금부품조립에 사용되고 있는 점 용접에 있어, 그 용접성 평가는 접합강도와 관련된 박리시험(Peel Test)이나 인장-전단시험(Tensile Shear Test), 십자 인장 시험(Cross Tensile Test), 그리고 점 용접부의 너겟 직경 측정 등과 같은 실험결과에 전적으로 의존하고 있다.

도 1 내지 도 3은 점 용접에 있어서, 필 테스트를 통하여 용접 품질을 검사하는 단계를 나타내는 개략도로서, 도시하는 바와 같이, 용접된 두 재료(1, 2)에 너겟(3)이 드러나도록 기계적 힘을 가하여, 이때 나타나는 너겟(3)의 크기와 파단 상태를 육안으로 관측하여 용접 품질을 판단하게 된다.

그러나, 상기와 같은 용접 품질 검사는 파괴 샘플검사가 될 수밖에 없고, 만일 불량으로 판단된다고 할지라도 수정이 불가능하며, 품질 불량의 원인 파악이 불가능하여 용접 품질의 개선이 어려울 뿐 아니라, 품질 검사에 많은 인력과 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 전체적인 점 용접의 품질을 향상시킬 수 있고, 불량 타점에 대비한 여분의 타점을 없앨 수 있어, 불필요한 타점 수를 줄일 수 있고, 반파괴, 전파괴 검사의 인력과 시간을 줄일 수 있도록 하는 점 용접 품질평가 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 접합하고자 하는 피용접재를 맞대어 놓고, 두개의 마주보는 전극을 이용하여 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하여, 압력을 받는 부위를 용접하는 용접장치에 있어서, 상기 두개의 전극의 양단에 와이어를 부착하여, 상기 전극 양단간의 전압을 측정하고, 상기 전극에 전류센서를 부착하여 전류를 측정한 후에, 상기 전압측정값을 전류측정값으로 나누어 저항값을 산출함으로써, 용접시 발생하는 저항의 변동을 측정하도록 함으로써 달성된다.

도 1 내지 도 3은 점 용접에 있어서, 필 테스트를 통하여 용접 품질을

검사하는 단계를 나타내는 개략도,

도 4는 본 발명의 점용접 품질평가 시스템을 나타내는 블럭도,

도 5는 본 발명의 점용접 품질평가 시스템이 용접장치에 적용된 상태를

나타내는 개략도,

도 6은 본 발명의 점용접 품질평가 시스템의 동저항의 변화에 따른 품질평가

원리를 나타내는 설명도,

도 7은 본 발명의 점용접 품질평가 시스템을 이용하여 측정한 일례를

나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 피용접재 20 : 전극

30 : 와이어 100 : 전압측정부

110 : 차동증폭기 120 : 변화이득증폭기

130 : 전파장정류기 200 : 전류측정부

210 : 전류센서 220 : 감쇠기/전압 폴러워

230 : 적분기 240 : 변화이득증폭기

250 : 전파장정류기 300 : 디바이더

400 : 저역통과필터 500 : 출력부

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 점용접 품질평가 시스템을 나타내는 블럭도로서, 본 발명은, 접합하고자 하는 피용접재(10)를 맞대어 놓고, 두개의 마주보는 전극(20)을 이용하여 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하여, 압력을 받는 부위를 용접하는 용접장치에 있어서, 상기 두개의 전극의 양단에 와이어(30)를 부착하여, 상기 전극 양단간의 전압을 측정하고, 상기 전극에 전류센서(210)를 부착하여 전류를 측정한 후에, 상기 전압신호를 전류신호로 나누어줌으로써, 용접시 발생하는 저항의 변동을 측정하도록 하는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.

보다 상세하게는, 상기 전극의 양단에 연결되어 전압을 측정하는 전압측정부(100)와; 상기 전극 중 일측의 전극에 연결되어 전류를 측정하는 전류측정부(200)와; 상기 전압측정부(100)와 전류측정부(200)에 연결되어, 전압신호와 전류신호를 나누어주어 저항값을 산출하는 디바이더(300)로 구성함으로써 그 목적을 이룰 수 있다.

상기 전압측정부(100)는, 상기 전극의 양단에 연결되는 차동증폭기(differential amplifier: 110)와; 상기 차동증폭기(110)에 연결되는 변화이득증폭기(variable gain amplifier: 120)와; 상기 변화이득증폭기(120)에 연결되는 전파장정류기(full-wave rectifier: 130)로 구성된다.

또한, 상기 전류측정부(200)는, 상기 전극의 일측에 설치되는 전류센서(210)와; 상기 전류센서(210)에 연결되는 감쇠기/전압 폴러워(attenuator/voltage follower: 220)와; 상기 감쇠기/전압 폴러워(220)에 연결되는 적분기(integrator: 230)와; 상기 적분기(230)에 연결되는 변화이득증폭기(240)와; 상기 변화이득증폭기(240)에 연결되는 전파장정류기(250)로 구성되어, 상기 디바이더(300)에서 상기 전압측정부(100)와 전류측정부(200)의 출력신호를 나누어줄 수 있도록 파워를 조절하고 정류시킨다.

한편, 상기 디바이더(300)의 타측단에는, 상기 측정한 저항값 중 필요한 신호만을 필터링하는 저역통과필터(400)와; 상기 신호를 디스플레이하는 출력부(500)를 추가 구성하고, 상기 출력부(500)에서는 시간에 따른 저항의 변화를 그래프로디스플레이 하도록 함(도 7 참고)으로써, 용접시에 실시간으로 저항의 변화를 알 수 있도록 하는 것이 보다 바람직하다.

도 5는 본 발명의 점용접 품질평가 시스템이 용접장치에 적용된 상태를 나타내는 개략도로서, 상기 전압측정부(100)와 전류측정부(200)의 연결은, 상기 전극(20) 끝단에 절연 피복제를 입힌 스테인레스 재질의 고강성 와이어(30)를 부착함으로써 연결하고, 상기 와이어(30)는 상기 용접장치(50)의 내부를 관통하는 측정 케이블(40)에 연결되어 용접장치(50)의 제어기에 연결되도록 하여, 반복적인 용접작업에도 와이어(30)가 단선되거나 접지되지 않아 내구성을 확보하도록 한다.

도 6은 본 발명의 점용접 품질평가 시스템의 동저항의 변화에 따른 품질평가 원리를 나타내는 설명도이고, 도 7은 본 발명의 점용접 품질평가 시스템을 이용하여 측정한 일례를 나타내는 그래프로서, 이하, 상기 도 4 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

동저항(dynamic resistance)이란 용접 사이클이 진행됨에 따라서 용접부의 저항변화를 시간에 따라 고찰한 것으로서, 상기 도 6에서 도시하는 동저항 값은 용접의 진행과정을 보여줌으로써 실제 용접부의 품질의 지표가 된다.

상기 도 6의 I 단계에서는 초기전류의 통전과 동시에 금속 표면의 오염물질이 붕괴되면서 급격한 저항 감소를 보이게 된다. 이 구간은 수 ms 이내에 발생되므로 예열이 없는 일반적인 용접조건의 경우에는 관찰하기가 어렵다.

이후, II 단계 및 III 단계에서는 접촉면의 요철부가 사라지면서 전류가 흐르는 접촉면적이 증가하여 저항이 감소함과 동시에 접촉부의 온도 상승으로 비저항이 증가한다. 따라서 두 저항변화가 평형을 이루어 극점이 된 후에 비저항의 증가로 동저항이 다시 증가한다.

IV 단계에서는 접촉부의 용융이 시작되고, 온도 증가에 의한 비저항의 증가가 용융부의 확장에 따른 통전영역 증가 및 소성변형에 따른 통전거리 단축으로 인한 저항감소와 평형을 이루어 극점을 이룬다.

마지막으로 V 단계에서, 상기 IV 단계의 피크를 지나면서 용융너겟의 성장과 소성변형에 의한 두께 감소가 두드러져 동저항이 현저히 감소하게 된다. 이후 가압력을 받고 있는 너겟 주위의 고상 금속이 더 이상 용융 금속을 지탱하지 못하게 되면 중간날림(expulsion)이 발생하고 이로 인하여 순간적인 동저항의 불연속적인 감소를 유발한다.

이러한 일반적인 저항변화에 따른 용접상태의 분석을 토대로 실제 동저항 값의 측정치를 이용하여 용접의 품질을 평가할 수가 있는 것이다.

즉, 도 7의 1번 신호는 적정 용접품질이 되었을 때의 동저항 신호를 나타내는 것으로서, 중간 정도의 피크치에 완만한 경사를 보이나, 2번 신호는 저항열이 부족하여 너겟이 제대로 형성되지 못한 상태를 나타내고 있다.

또한, 3번 신호는 과다 열량으로 스패터가 발생하여 용접품질에 이상이 발생한 것으로 해석된다.

이상과 같이, 동저항의 측정치를 이용하여 용접된 상태의 품질을 평가할 수 있는 것이다.

더욱이, 상기와 같은 세 가지의 신호를 퍼지룰을 이용하여 알고리즘을 구현하면 용접품질을 실시간으로 판단할 수가 있다. 이때 출력된 품질정보를 저장하여 이후의 공정에 전달해주면 이후의 공정에서는 그 데이터를 받아 불량타점 부위를 보수할 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 전류 부족에 의한 작은 너겟 사이즈의 용접점, 스패터 발생 방지 등 불량 용접타점 부위를 줄일 수 있어, 전체적인 점 용접의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 불량 타점에 대비한 여분의 타점을 없앨 수 있어, 종래 불량타점에 대비한 여분의 타점을 없앨 수 있어, 약 10%의 타점 수를 줄일 수 있다.

무엇보다, 종래 행하던 반파괴, 전파괴 검사의 인력과 시간을 줄일 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (8)

1. 접합하고자 하는 피용접재를 맞대어 놓고, 두개의 마주보는 전극을 이용하여 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하여, 압력을 받는 부위를 용접하는 용접장치에 있어서,

   상기 두개의 전극의 양단에 와이어를 부착하여, 상기 전극 양단간의 전압을 측정하고, 상기 전극에 전류센서를 부착하여 전류를 측정한 후에, 상기 전압측정값을 전류측정값으로 나누어 저항값을 산출함으로써, 용접시 발생하는 저항의 변동을 측정하도록 함을 특징으로 하는 점용접 품질평가 시스템.
2. 접합하고자 하는 피용접재를 맞대어 놓고, 두개의 마주보는 전극을 이용하여 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하여, 압력을 받는 부위를 용접하는 용접장치에 있어서,

   상기 전극의 양단에 연결되어 전압을 측정하는 전압측정부와;

   상기 전극 중 일측의 전극에 연결되어 전류를 측정하는 전류측정부와;

   상기 전압측정부와 전류측정부에 연결되어, 전압신호와 전류신호를 나누어주어 저항값을 산출하는 디바이더로 구성되는 것을 특징으로 하는 점용접 품질평가 시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 전압측정부는,

   상기 전극의 양단에 연결되는 차동증폭기와;

   상기 차동증폭기에 연결되는 변화이득증폭기와;

   상기 변화이득증폭기에 연결되는 전파장정류기로 구성되는 것을 특징으로 하는 점용접 품질평가 시스템.
4. 제 2항에 있어서, 상기 전류측정부는,

   상기 전극의 일측에 설치되는 전류센서와;

   상기 전류센서에 연결되는 감쇠기/전압 폴러워와;

   상기 감쇠기 및 전압 폴러워에 연결되는 적분기와;

   상기 적분기에 연결되는 변화이득증폭기와;

   상기 변화이득증폭기에 연결되는 전파장정류기로 구성되는 것을 특징으로 하는 점용접 품질평가 시스템.
5. 제 2항에 있어서, 상기 디바이더의 타측단에는,

   상기 측정한 저항값 중 필요한 신호만을 필터링하는 저역통과필터와;

   상기 신호를 디스플레이하는 출력부가 추가 구성됨을 특징으로 하는 점용접품질평가 시스템.
6. 제 5항에 있어서, 상기 출력부에서는 시간에 따른 저항의 변화를 그래프로 디스플레이 하도록 함을 특징으로 하는 점용접 품질평가 시스템.
7. 제 2항에 있어서, 상기 전압측정부와 전류측정부의 연결은, 상기 전극 끝단에 절연 피복제를 입힌 스테인레스 재질의 고강성 와이어를 부착함으로써 연결함을 특징으로 하는 점용접 품질평가 시스템.
8. 제 1항, 2항, 및 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어는 상기 용접장치의 내부를 관통하는 측정 케이블에 연결되어 용접장치의 제어기에 연결되도록 하여,

   반복적인 용접작업에도 와이어가 단선되거나 접지되지 않아 내구성을 확보하도록 함을 특징으로 하는 점용접 품질평가 시스템.