KR20120053704A - 저항 점 용접방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저항 점 용접방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저항 점 용접방법은 용접판재에 인가되는 가압력과 상기 용접판재로 출력되는 목표용접전류를 설정하여 입력하는 초기 입력단계, 상기 목표용접전류를 출력하기 위한 입력전류의 공급을 개시하여 용접을 실행하는 용접 실행단계, 상기 입력전류의 공급에 따라 상기 용접판재로 출력되는 실제용접전류를 계측하는 전류 계측단계, 상기 실제용접전류와 상기 목표용접전류를 비교하는 전류 비교단계 및 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 다른 경우 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 같아지도록 피드백 제어하는 피드백 제어단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 날림 현상을 방지하여 용접 품질을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

저항 점 용접방법{RESISTANCE SPOT WELDING METHOD}
본 발명은 저항 점 용접방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 날림 현상을 방지하여 용접 품질을 향상시킬 수 있는 저항 점 용접방법에 관한 것이다.
전기저항용접은 용접재를 서로 접촉시켜 적당한 압력을 주면서 통전함으로써 접촉저항 및 금속자체의 비저항에 의하여 발생하는 열로 가열되었을 때 압력을 가하여 접합하는 방식이며, 이음형식에 따라 맞대기 용접(butt welding)과 겹치기 용접(lap welding) 분류할 수 있다.
저항 점 용접은 판의 점 접합을 수행하는 용접으로서, 겹치기 용접의 일종이다.
도 1은 저항 점 용접의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 저항 점 용접에 있어서, 저항 발열에 의한 열의 흐름 및 용접부위인 너겟(nugget)의 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 저항 점 용접은 두 전극(전극1, 전극2) 간에 2매의 판(용접판재1, 용접판재2)을 겹쳐서 넣고 가압하면서 통전하여 발생하는 저항열에 의한 융접이며, 이 융합부를 너겟(nugget)이라 한다. 전극은 통전 역할뿐 아니라 압력을 가하고, 냉각 효과를 주기 위한 수단이기 때문에, 전기전도성 및 열전도성이 양호하며, 경도가 큰 특수 동합금을 이용한다.
이러한 저항 점 용접을 수행하는 과정에서, 입열량이 적정하게 제어되지 않으면 용융물 즉, 너겟이 비산하여 흩어지는 날림(expulsion) 현상이 발생하여 용접 품질이 저하되는 문제점이 발생한다.
특히, 종래에는 고강도강의 DC 저항 점 용접공정을 수행하는 과정에서, 용접부의 품질을 높이기 위해 입열량을 과다하게 높여 용접하는 경우가 일반적이었다. 이러한 경우 과다한 입열로 인해 날림 현상이 보다 빈번하게 발생하게 되고 이로 인해 용접 결함이 발생하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 날림 현상을 방지하여 용접 품질을 향상시킬 수 있는 저항 점 용접방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 특히, 고강도 강에 대한 저항 점 용접과정에서 빈번하게 발생하는 날림 현상의 발생을 극소화하기 위해 용접전류를 제어하여 용접부위로 공급되는 입열량을 제어함으로써, 용접 결함의 발생을 극소화시키고 용접 품질을 크게 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 저항 점 용접방법은 용접판재에 인가되는 가압력과 상기 용접판재로 출력되는 목표용접전류를 설정하여 입력하는 초기 입력단계, 상기 목표용접전류를 출력하기 위한 입력전류의 공급을 개시하여 용접을 실행하는 용접 실행단계, 상기 입력전류의 공급에 따라 상기 용접판재로 출력되는 실제용접전류를 계측하는 전류 계측단계, 상기 실제용접전류와 상기 목표용접전류를 비교하는 전류 비교단계 및 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 다른 경우 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 같아지도록 피드백 제어하는 피드백 제어단계를 포함하여 구성된다.
상기 초기 입력단계와 상기 용접 실행단계 사이에, 상기 입력전류의 파형을 설정하여 입력하는 전류파형 설정/입력단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류파형 설정/입력단계에서, 상기 입력전류가 하이레벨을 유지하는 가열시간과 로우레벨을 유지하는 냉각시간의 비(ratio)를 설정하여 입력하는 것을 특징으로 한다.
상기 입력전류는 펄스 파형을 갖고, 상기 입력전류를 구성하는 단위펄스의 가열시간은 10ms 이상 50ms 이하이고, 상기 단위펄스의 냉각시간은 1ms 이상 20ms 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 초기 입력단계에서, 추가적으로 용접종료조건을 설정하여 입력하는 것을 특징으로 한다.
상기 전류 비교단계 이후, 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 같은 경우 상기 용접종료조건이 충족되었는지를 판단하는 용접종료조건 판단단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 용접종료조건은 사용자에 의해 기 설정된 용접시간인 것을 특징으로 한다.
상기 피드백 제어단계에서는 비례적분미분(Proportional Integral Differential, PID) 제어방식으로 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 같아지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 날림 현상을 방지하여 용접 품질을 향상시킬 수 있는 저항 점 용접방법이 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 고강도 강에 대한 저항 점 용접과정에서 빈번하게 발생하는 과다한 입열량으로 인한 날림 현상의 발생을 극소화하기 위해 용접전류를 제어하여 용접부위로 공급되는 입열량을 안정적으로 제어함으로써, 용접 결함의 발생을 극소화시키고 용접 품질을 크게 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 저항 점 용접의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 저항 점 용접에 있어서, 저항 발열에 의한 열의 흐름 및 용접부위인 너겟(nugget)의 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저항 점 용접방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 본 발명의 일 실시 예에 따른 저항 점 용접방법을 실시하기 위한 장치 구성의 예를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 용접전류에 따라 나타나는 용접부위인 너겟(nugget)의 변화를 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 용접부위로 전류를 공급하기 위한 전류 공급 시스템을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접전류 제어 파형의 예를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 종래의 용접전류 파형과 본 발명의 일 실시 예에 적용된 용접전류 제어 파형을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접전류 제어 파형의 다른 예들을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 종래의 방식과 본 발명의 일 실시 예를 적용한 경우의 용접부위를 비교 촬영한 사진이다.
도 12는 종래의 방식과 본 발명의 일 실시 예를 적용한 경우의 실제 용접수행 현장을 비교 촬영한 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저항 점 용접방법을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 본 발명의 일 실시 예에 따른 저항 점 용접방법을 실시하기 위한 장치 구성의 예를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저항 점 용접방법은 초기 입력단계(S10), 전류파형 설정/입력단계(S20), 용접 실행단계(S30), 전류 계측단계(S40), 전류 비교단계(S50), 피드백 제어단계(S60) 및 용접종료조건 판단단계(S70)를 포함하여 구성된다.
<초기 입력단계(S10)>
초기 입력단계(S10)에서는, 사용자가 용접판재에 인가되는 가압력과 용접판재로 출력되는 목표용접전류를 설정하여 입력하는 과정이 수행된다.
목표용접전류는 변압, 정류 등의 과정을 거쳐 최종적으로 용접판재로 출력되는 전류이며, 사용자는 용접판재의 재질이나 두께 등과 같은 특정한 용접조건하에서 이 목표용접전류를 설정하여 입력한다. 도 5에 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 용접전류에 따라 나타나는 용접부위인 너겟(nugget)의 변화를 촬영한 사진이 개시되어 있다.
가압력은 용접의 대상이 되는 용접판재1과 용접판재2에 인가되는 물리적인 힘이다. 이 가압력은 용접판재1에 접촉된 전극1과 용접판재2에 접촉된 전극2를 매개로 인가된다. 이 가압력에 따라 용접부위인 너겟(nugget)의 접촉저항이 변화하며, 이 접촉저항의 변화에 따라 출력되는 용접전류가 변화한다. 따라서 이 가압력은 용접조건에 따라 적정한 크기로 인가되어야 한다. 가압력이 낮은 경우, 높은 접촉저항으로 인하여 용접 초기에 날림(expulsion) 현상이 발생하고 용접부위에 기포와 균열이 발생할 가능성이 높아진다. 또한 가압력이 높은 경우에는, 낮은 접촉저항으로 인하여 발열 부족 현상이 초래되고 과도한 가압으로 용접판재의 외주면에 깊은 용접 자국이 남게 된다.
이 초기 입력단계(S10)에서는, 사용자가 추가적으로 용접종료조건을 설정하여 입력할 수 있으며, 이 용접종료조건은 사용자에 의해 미리 설정되는 용접시간일 수 있다.
<전류파형 설정/입력단계(S20)>
전류파형 설정/입력단계(S20)에서는, 입력전류의 파형을 설정하여 입력하는 과정이 수행된다. 예를 들어, 전류파형 설정/입력단계(S20)는 초기 입력단계(S10)와 용접 실행단계(S30) 사이에서 실행될 수 있으며, 입력전류가 하이레벨을 유지하는 가열시간과 로우레벨을 유지하는 냉각시간의 비(ratio)를 설정하여 입력하는 방식으로 수행될 수 있다.
또한 예를 들어, 입력전류가 펄스 파형을 갖는 경우, 입력전류를 구성하는 단위펄스의 가열시간을 10ms 이상 50ms 이하의 범위 내에서 조절하고, 단위펄스의 냉각시간을 1ms 이상 20ms 이하의 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다. 가열시간이 10ms 미만이면 용접부위로 공급되는 입열량의 부족해지고, 가열시간이 50ms를 초과하는 경우에는 용접부위로 과다한 입열량이 가해져서 용융물의 날림 현상이 발생한다. 냉각시간의 범위는 이러한 가열시간의 범위를 고려하여 산출된 값이다.
이를 전체적인 전류 공급 시스템을 나타낸 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 있어서, 용접부위로 전류를 공급하기 위한 전체적인 전류 공급 시스템을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 파형제어 회로는 사용자에 의해 설정되어 입력되는 파형 설정 명령에 따라 입력전류의 파형을 변환하여 게이트 드라이버로 출력한다. 용접부위로 출력되는 용접전류의 파형은 이 입력전류의 파형과 대응하는 파형을 갖게 된다.
다음으로, PWM 인버터는 게이트 드라이버로부터 출력되는 게이트 제어신호에 따라 펄스폭 변조된 신호 즉, 1차 전류를 변압기로 출력한다.
변압기로부터 출력되는 2차 전류는 정류기 등을 거쳐 최종적으로 용접전류로 변환되어 출력된다.
도 7은 종래의 용접전류 파형과 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접전류 제어 파형의 예를 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 8은 종래의 용접전류 파형과 본 발명의 일 실시 예에 적용된 용접전류 제어 파형을 구체적으로 비교하여 나타낸 도면이다. 도 7과 도 8을 참조하면, 본 실시 예에 따라 제어된 파형은 종래의 경우와 달리 하이레벨을 유지하는 가열시간과 로우레벨을 유지하는 냉각시간이 제어된 것을 알 수 있다.
본 실시예에서, 도 7에 개시된 바와 같은 구형 펄스 이외에도, 도 9에 도시된 삼각파 펄스 또는 도 10에 도시된 바와 같은 임의의 형태를 가진 펄스가 용접전류로 적용될 수 있다.
이와 같이 용접전류의 파형이 펄스 형태를 갖도록 하고 펄스의 듀티비(duty ratio)를 제어하면, 용접공정 수행과정에서 용접전류가 일정하게 공급되도록 할 수 있으며, 종래의 경우와 달리 용융물의 날림 현상을 방지할 수 있다.
<용접 실행단계(S30)>
용접 실행단계(S30)에서는, 목표용접전류를 출력하기 위한 입력전류의 공급을 개시하여 용접을 실행하는 과정이 수행된다. 입력전류는 사용자가 설정하여 입력한 목표용접전류에 의하여 계산된다. 보다 구체적으로, 사용자가 용접기에 구비된 입력수단을 통하여 원하는 목표용접전류를 입력하면, 용접기에 구비된 로직(logic)에서 전류 공급을 위한 시스템에 포함되어 있는 변압기의 변압비 등의 변수에 기초하여 목표용접전류를 출력하기 위한 입력전류가 자동 연산된다.
보다 구체적으로, 용접 실행단계(S30)에서는, 용접판재에 접촉되어 있는 전극에 가압력을 인가한 후, 용접전류를 전극으로 공급함으로써, 저항열을 발생시켜 용접판재 간에 용융물인 너겟을 생성하여 용접판재가 용접되도록 한다.
<전류 계측단계(S40)>
전류 계측단계(S40)에서는, 입력전류의 공급에 따라 용접판재로 출력되는 실제용접전류를 계측하는 과정이 수행된다.
실제용접전류의 크기는 매우 크기 때문에, 예를 들어, 도시하지 않은 감압 회로 및 절연소자를 이용하여 신호 변환 과정을 수행한 이후에 측정하는 것이 바람직하다.
<전류 비교단계(S50)>
전류 비교단계(S50)에서는, 실제용접전류와 목표용접전류를 비교하는 과정이 수행된다.
전류 비교단계(S50)에서의 비교 결과, 1) 실제용접전류가 목표용접전류와 다른 경우 후술하는 피드백 제어단계(S60)로 전환되고, 2) 실제용접전류가 목표용접전류와 같은 경우 후술하는 용접종료조건 판단단계(S70)로 전환된다.
<피드백 제어단계(S60)>
피드백 제어단계(S60)에서는, 실제용접전류가 목표용접전류와 다른 경우 실제용접전류가 목표용접전류와 같아지도록 피드백 제어하는 과정이 수행된다.
예를 들어, 피드백 제어단계(S60)에서는 비례적분미분(Proportional Integral Differential, PID) 제어방식으로 실제용접전류가 목표용접전류와 같아지도록 제어할 수 있다.
피드백 제어가 비례적분미분 제어방식으로 수행되는 경우, 제어하고자 하는 대상 즉, 전류 계측단계(S40)에서 계측된 실제용접전류와 초기 입력단계(S10)에서 설정된 목표용접전류와의 오차 값을 계산하고, 이 이 오차 값을 이용하여 제어에 필요한 제어 값을 계산하고, 이 제어 값을 이용하여 실제용접전류가 목표용접전류와 같아지도록 제어하는 방식으로 수행된다.
<용접종료조건 판단단계(S70)>
용접종료조건 판단단계(S70)에서는, 실제용접전류가 목표용접전류와 같은 경우 용접종료조건이 충족되었는지를 판단하는 과정이 수행된다.
이 용접종료조건은 초기 입력단계(S10)에서 설정하여 입력할 수 있다. 또한, 용접종료조건은 사용자에 의해 미리 설정된 용접시간일 수 있다.
용접 공정은 미리 설정된 용접종료조건의 충족에 의해 종료되는 외에, 사용자에 의하여 강제 종료될 수도 있다.
도 11은 종래의 방식과 본 발명의 일 실시 예를 적용한 경우의 용접부위를 비교 촬영한 사진이고, 도 12는 종래의 방식과 본 발명의 일 실시 예를 적용한 경우의 실제 용접수행 현장을 비교 촬영한 사진이다.
도 11과 도 12를 참조하면, 종래의 경우와 달리 본 실시 예에 따르면 날림 현상이 극소화되어 용접 품질이 크게 향상되는 것을 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 날림 현상을 방지하여 용접 품질을 향상시킬 수 있는 저항 점 용접방법이 제공되는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 고강도 강에 대한 저항 점 용접과정에서 빈번하게 발생하는 과다한 입열량으로 인한 날림 현상의 발생을 극소화하기 위해 용접전류를 제어하여 용접부위로 공급되는 입열량을 안정적으로 제어함으로써, 용접 결함의 발생을 극소화시키고 용접 품질을 크게 향상시키는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
S10: 초기 입력단계
S20: 전류파형 설정/입력단계
S30: 용접 실행단계
S40: 전류 계측단계
S50: 전류 비교단계
S60: 피드백 제어단계
S70: 용접종료조건 판단단계

Claims (8)

  1. 저항 점 용접방법에 있어서,
    용접판재에 인가되는 가압력과 상기 용접판재로 출력되는 목표용접전류를 설정하여 입력하는 초기 입력단계;
    상기 목표용접전류를 출력하기 위한 입력전류의 공급을 개시하여 용접을 실행하는 용접 실행단계;
    상기 입력전류의 공급에 따라 상기 용접판재로 출력되는 실제용접전류를 계측하는 전류 계측단계;
    상기 실제용접전류와 상기 목표용접전류를 비교하는 전류 비교단계; 및
    상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 다른 경우 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 같아지도록 피드백 제어하는 피드백 제어단계를 포함하는, 저항 점 용접방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 초기 입력단계와 상기 용접 실행단계 사이에, 상기 입력전류의 파형을 설정하여 입력하는 전류파형 설정/입력단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 저항 점 용접방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전류파형 설정/입력단계에서, 상기 입력전류가 하이레벨을 유지하는 가열시간과 로우레벨을 유지하는 냉각시간의 비(ratio)를 설정하여 입력하는 것을 특징으로 하는, 저항 점 용접방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 입력전류는 펄스 파형을 갖고, 상기 입력전류를 구성하는 단위펄스의 가열시간은 10ms 이상 50ms 이하이고, 상기 단위펄스의 냉각시간은 1ms 이상 20ms 이하인 것을 특징으로 하는, 저항점 용접방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 초기 입력단계에서, 추가적으로 용접종료조건을 설정하여 입력하는 것을 특징으로 하는, 저항 점 용접방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전류 비교단계 이후, 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 같은 경우 상기 용접종료조건이 충족되었는지를 판단하는 용접종료조건 판단단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 저항 점 용접방법.
  7. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 용접종료조건은 사용자에 의해 기 설정된 용접시간인 것을 특징으로 하는, 저항 점 용접방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 피드백 제어단계에서는 비례적분미분(Proportional Integral Differential, PID) 제어방식으로 상기 실제용접전류가 상기 목표용접전류와 같아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 저항 점 용접방법.
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