KR20130036104A - 초음파용접의 실시간 품질 측정방법 - Google Patents

초음파용접의 실시간 품질 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파용접이 이루어질 때 발생되는 진동을 측정하여 정상 진동파형과 비교함으로써 실시간으로 용접의 품질 상태를 판단할 수 있는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 초음파용접의 실시간 품질 측정방법은, 초음파 용접을 수행하는 용접단계(S100)와; 상기 용접단계(S100)와 동시에 수행되며, 측정센서(72)에 의해 용접시 발생하는 진동을 측정하는 측정단계(S110)와; 상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동을 증폭하거나 타 신호로 변환하는 전처리단계(S120)와; 상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동의 유형을 직접 분석하거나 상기 전처리단계(S120)에서 타 신호로 변환된 것을 분석하여, 용접의 품질 상태를 평가하는 평가단계(S130)와; 상기 평가단계(S130)에서 평가된 용접 품질을 외부로 디스플레이(display)하는 표시단계(S150); 등으로 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 초음파 용접의 품질을 바로 확인할 수 있는 이점이 있다.

Description

초음파용접의 실시간 품질 측정방법 {Method of Live Inspecting Welding State on Ultrasonic Welding}
본 발명은 초음파용접의 실시간 품질 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파용접이 이루어질 때 발생되는 진동을 측정하여 정상 진동파형과 비교함으로써 실시간으로 용접의 품질 상태를 판단할 수 있는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 초음파 용접(ultrasonic welding)은 가벼운 하중 조건에 두 개의 용접팁 사이에 피용접재를 물리고, 가압하면서 초음파를 주어 초음파 진동을 이용하여 접합시키는 방법을 일컫는 것으로, 주로 연강과 알루미늄, 플라스틱 등의 접합용으로 사용된다.
즉, 초음파용접은, 대략 10～50㎑의 주파수에서의 초음파발진을 통한 기계적 에너지의 인가하게 된다. 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 통상 '혼(horn)'이라 불리는 진동용접헤드와 접촉시킴으로써 인가된다. 이 '혼(horn)'이 피용접재의 상면을 충분한 힘으로 누른 상태에서 초음파 용접이 수행된다.
그러나, 이와 같은 초음파용접의 방법에 대해서는 다양한 기술이 개시되고 있으나, 이러한 초음파 용접의 품질을 실시간으로 모니터링하는 기술은 전무한 실정이다. 즉, 한국 특허 제10-0315049호(구리박의 초음파용접방법)와 같이 얇은 금속재를 피용접재로 하는 초음파용접의 각종 방법에 대해서는 다양하게 개시되어 있으나, 초음파 용접에 대한 용접결과를 평가하는 시스템이 없어 초음파용접이 제대로 이루어졌는지 알 수 없는 문제점이 있다.
특허 제10-0315049호
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초음파 용접과 동시에 용접 상태를 인식할 수 있는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명에 의한 초음파용접의 실시간 품질 측정방법은, 초음파 용접을 수행하는 용접단계와; 상기 용접단계와 동시에 수행되며, 측정센서에 의해 용접시 발생하는 진동을 측정하는 측정단계와; 상기 측정단계에서 측정된 진동을 증폭하거나 타 신호로 변환하는 전처리단계와; 상기 측정단계에서 측정된 진동의 유형을 직접 분석하거나 상기 전처리단계에서 타 신호로 변환된 것을 분석하여, 용접의 품질 상태를 평가하는 평가단계와; 상기 평가단계에서 평가된 용접 품질을 외부로 디스플레이(display)하는 표시단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 평가단계 다음에는, 상기 용접단계에서 용접된 피용접재의 접합 강도를 수치화하는 강도계산단계가 더 포함됨을 특징으로 한다.
상기 평가단계에서 용접의 품질 상태가 불량으로 판단된 경우에는, 불량유형을 산출하는 유형산출단계가 더 진행되며; 상기 유형산출단계는, 과(過)용접인지 여부를 판단하는 1과정과, 미(未)용접인지 여부를 판단하는 2과정과, 피용접재의 정렬 불량인지의 여부를 판단하는 3과정이 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 측정센서는, 가속도센서로 이루어지며, 엔빌의 일측에 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 측정센서는, 상기 엔빌을 지지하는 엔빌지지대에 착탈 가능하게 설치됨을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 초음파용접의 실시간 품질 측정방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에서는 초음파 용접작업과 동시에 용접 상태가 외부로 디스플레이(display)된다. 따라서, 용접의 품질을 바로 작업자나 관리자가 인식할 수 있으므로, 용접 품질이 향상되는 장점이 있다.
또한, 본 발명에서는 초음파 용접작업시 발생되는 진동을 이용하여 용접 품질을 측정한다. 따라서, 주변 소음에 무관하게 진동에 의해 측정가능하므로 품질측정이 보다 정밀하게 이루어지는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 비파괴에 의해 용접 품질을 평가하게 된다. 따라서, 소재의 파손이 불필요하므로 재료비의 절감이 가능하며, 전수검사가 가능한 이점이 있다.
그리고, 본 발명에서는, 초음파 용접 품질을 합격과 불합격 등으로 나타내는 것은 물론, 불량유형도 판단하여 나타낼 수 있으며, 접합강도도 수치화하여 디스플레이(display)할 수 있다. 따라서, 사용자나 관리자가 용접의 문제점을 다양하게 파악하여 조치할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 초음파용접의 실시간 품질 측정방법이 적용되는 초음파 용접의 전체 시스템도.
도 2는 본 발명이 적용되는 초음파 용접시스템을 구성하는 측정센서가 엔빌지지대에 설치되는 구성은 보인 단면도.
도 3은 본 발명이 적용되는 초음파 용접시스템을 구성하는 센서어셈블리의 구성을 보인 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 초음파용접의 실시간 품질 측정방법의 바람직한 실시예의 흐름도.
도 5는 본 발명 실시예를 구성하는 측정단계에 의해 측정된 진동신호의 다양한 패턴을 보인 예시도.
도 6은 본 발명 실시예를 구성하는 전처리단계를 통해 증폭된 신호를 예시한 그래프.
도 7은 본 발명 실시예를 구성하는 유형산출단계의 세부과정을 보인 플로우차트.
이하 본 발명에 의한 초음파용접의 실시간 품질 측정방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명에 의한 초음파용접의 실시간 품질 측정방법이 적용되는 초음파 용접의 전체 시스템의 일례가 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 초음파용접시스템은, 외부로부터 공급되는 전원에 의해 진동을 생성하는 진동자(10)와, 진동자(10)의 진동에너지에 따라 피용접재(W)의 상면에 접하여 용접을 수행하는 혼(20)과, 상기 진동자(10)와 혼(20) 사이에 구비되는 부스터(booster, 30) 등으로 이루어진다.
상기 진동자(10)의 일측에는 진동자(10)로 공급되는 전원을 제어하여 초음파의 발생을 제어하는 제어기(40)가 더 구비되고, 상기 혼(20)의 하측에는 피용접재(W)를 지지하는 엔빌(50)이 설치된다.
상기 엔빌(50)은 '수압대'라고도 불리는 것으로, 피용접재(W)를 지지하게 된다.
그리고, 상기 엔빌(50)의 일측에는 진동을 측정하는 측정센서(72)가 구비된다. 이러한 측정센서(72)는 측정된 진동을 이용하여 용접 품질을 평가하여 외부로 디스플레이하는 출력수단(80)에 연결되어 있다.
상기 측정센서(72)로는 가속도센서(acceleration sensor, 加速度센서)가 사용된다. 가속도센서는 이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서로, 출력신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정하는데 사용되는 것이다.
상기 측정센서(72)는, 상기 엔빌(50)에 직접 부착 설치되는 것도 가능하나, 상기 엔빌(50)을 지지하는 별도의 지지체에 설치됨이 바람직하다.
도 2는 상기 측정센서(72)가 엔빌지지대(60)에 설치되는 구성은 보인 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 엔빌(50)은 엔빌(50)의 하반부를 감싸는 엔빌지지대(60)에 안착되며, 이러한 엔빌지지대(60)는 내부 상측에 안착된 엔빌(50)을 고정볼트(62) 등으로 고정하게 된다.
그리고, 상기 측정센서(72)는 상기 엔빌지지대(60)의 외면에 나사결합에 의해 장착된다.
한편, 상기와 같이 측정센서(72)가 엔빌지지대(60)에 직접 나사체결되는 외에도 다양한 방식으로 엔빌(50)의 일측에 구비되어 진동을 측정할 수도 있다.
도 3에는 상기 측정센서(72)가 조립체(ASSEMBLY)형태로 구성되는 구조의 예가 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 센서어셈블리(70)는, 상기에서 설명한 측정센서(72)와, 상기 측정센서(72)를 지지하는 고정체(74)와, 상기 고정체(74)의 일측에 구비되는 자석(76)등으로 이루어진다.
상기 측정센서(72)는 상기 고정체(74)에 나사체결되며, 상기 자석(76)은 영구자석으로 이루어지며 고정체(74)의 내측에 내장된다.
이렇게 되면, 상기 고정체(74)에 측정센서(72)가 설치되어 있으며, 내부에는 자석(76)이 내장되어 있으므로, 상기 센서어셈블리(70)를 금속재질의 상기 엔빌지지대(60)에 밀착시키면, 상기 센서어셈블리(70)가 저절로 상기 엔빌지지대(60)에 부착된다.
이하에서는 본 발명의 초음파용접의 실시간 품질 측정방법에 대해 살펴본다. 즉, 상기와 같은 초음파용접시스템에 의해 수행되는 용접의 품질을 측정하는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법에 대해 도 4를 참조하여 살펴본다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 초음파용접의 실시간 품질 측정방법은, 초음파 용접을 수행하는 용접단계(S100)와, 측정센서(72)에 의해 용접시 발생하는 진동을 측정하는 측정단계(S110)와, 상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동을 증폭하거나 타 신호로 변환하는 전처리단계(S120)와, 상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동의 유형을 직접 분석하거나 상기 전처리단계(S120)에서 타 신호로 변환된 것을 분석하여 용접의 품질 상태를 평가하는 평가단계(S130)와, 상기 용접단계(S100)에서 용접된 피용접재의 접합 강도를 수치화하는 강도계산단계(S140)와, 상기 평가단계(S130)에서 평가된 용접 품질을 외부로 디스플레이(display)하는 표시단계(S150) 등으로 구성된다.
상기 용접단계(S100)는, 상기에서 설명한 엔빌(50)과 혼(20) 사이에 한 쌍의 피용접재(W)를 삽입한 다음, 혼(20)을 누르면서 진동을 발생시켜 초음파 용접을 행하는 과정이다.
상기와 같은 초음파 용접단계(S100)는 짧은 시간에 행하여지며, 용접에 필요한 마찰열 발생을 위하여 피용접재(W)와 접하는 상기 엔빌(50)과 혼(20)의 표면에는 격자무늬가 형성되기도 한다.
상기 측정단계(S110)는 상기 용접단계(S100)와 동시에 수행되며, 가속도센서로 이루어지는 상기 측정센서(72)를 이용하여 진동을 측정하는 과정이다. 즉, 상기와 같은 초음파 용접은 필연적으로 진동자(10)에서 진동이 발생하므로, 이 진동이 상기 엔빌(50)을 통해 엔빌지지대(60)와 측정센서(72)로 전달된다. 따라서, 측정센서(72)가 진동을 측정하게 되는 것이다.
도 5에는 상기 측정단계(S110)에 의해 측정된 진동신호의 다양한 패턴이 도시되어 있다. 즉, 패턴1(Pattern-1)은 용접이 다소 과도하게 이루어진 경우의 불량 패턴이며, 패턴2(Pattern-2)와 패턴3(Pattern-3)은 용접이 양호하게 이루어진 경우의 패턴이다.
그리고, 패턴4(Pattern-4) 내지 패턴7(Pattern-7)은 용접이 미흡하게 이루어진 경우의 불량패턴이며, 패턴8(Pattern-8)은 정렬불량으로 인한 용접불량을 도시한 패턴이다.
상기 전처리단계(S120)는, 상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동을 증폭하는 단계이다. 즉, 상기 측정센서(72)에서 측정된 낮은 진동 강도를 크기를 증폭시키는 과정이다.
그리고, 이러한 전처리단계(S120)에는 상기와 같은 진동 증폭 외에, 진동신호를 음파신호 등으로 변환하는 과정이 포함되기도 한다. 즉, 진동신호를 증폭시키는 전후(前後)에 음파신호로 변환하는 과정이 추가되기도 한다.
이러한 음파신호 변환은, HMM(Hidden Markov Model)알고리즘을 이용한다. HMM(Hidden Markov Model)은 음성인식을 위한 기본단위(음소)를 모델링하는 방법으로, 음성인식 엔진에 사용되는 것이므로 여기서는 더 이상의 상세 설명은 생략한다.
도 6에는 상기 전처리단계(S120)를 통해 증폭된 신호를 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 이에 도시된 바와 같이, 도 5에 도시된 상기 측정단계(S110)에 의해 측정된 진동신호의 8가지 패턴이 각각 증폭된 형태로 나타나게 되어, 그 양상이 확실히 구분된다.
상기 평가단계(S130)는, 상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동의 유형을 직접 분석하거나, 상기 전처리단계(S120)에서 타 신호로 변환된 것을 분석하여 용접이 제대로 되었는지를 판단하는 과정이다.
구체적으로 살펴보면, 상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동신호를 데이터베이스(DB)에 저장된 신호데이터와 비교한다. 즉, 상기 출력수단(80) 또는 다른 저장장치(컴퓨터 등)에 다양한 신호데이터가 실험에 의해 측정되어 데이터베이스(DB)에 미리 저장된다.
예로, 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같은, 다수의 양호한 신호패턴과 불량 신호패턴이 미리 설정되어 데이터베이스(DB)에 저장되어 있으며, 상기 평가단계(S130)에는 이러한 저장된 데이터베이스(DB)의 신호패턴과 상기 측정단계(S110)에서 측정된 신호패턴을 서로 비교하여, 측정 패턴이 합격패턴인지 불량패턴인지를 판별하게 된다.
또한, 상기 측정단계(S110) 이후에 상기 전처리단계(S120)가 수행된 경우에는 도 6과 같은 증폭패턴이 미리 저장된 데이터베이스(DB)의 신호패턴 중 어느 것과 일치하는지를 판단하게 된다.
상기 평가단계(S130) 다음에는, 상기 용접단계(S100)에서 용접된 피용접재의 접합 강도를 수치화하는 강도계산단계(S140)가 더 진행된다.
상기 강도계산단계(S140)는 반드시 구비되어야 하는 과정은 아니며, 필요에 따라 구비될 수 있다.
상기 강도계산단계(S140)에서는, 상기 평가단계(S130)에서 평가된 합격과 불합격의 판단 외에, 상기 측정단계(S110)나 전처리단계(S120)에서 측정된 신호패턴으로 접합강도의 크기를 연계하여 분석하는 과정이다. 물론, 이러한 접합강도의 계산은, 미리 다수의 실험 등을 통해 신호패턴과 접합강도의 연관성에 대한 데이터가 축정되어야 가능하며, 데이터베이스(DB)에 미리 저장된 접합강도 중 어느 하나가 측정된 신호패턴와 매칭되거나 근사치인 경우 자동 계산에 의해 접합강도가 계산된다.
상기 표시단계(S150)는, 상기 평가단계(S130)에서 평가된 용접 품질을 외부로 디스플레이(display)하는 단계이다. 물론, 이 표시단계(S150)에서는 상기 강도계산단계(S140)에서 계산된 접합강도와, 아래에서 설명할 유형산출단계(S160)에서 산출된 불량유형도 함께 외부로 디스플레이(display)하게 된다.
상기 표시단계(S150)를 통한 외부 디스플레이(display)는 상기 출력수단(80)에 의해 이루어지며, 원거리 또는 SMS 등에 의한 외부 전달 기능도 함께 구비될 수 있다.
한편, 상기 평가단계(S130)에서, 용접의 품질 상태가 불량으로 판단된 경우에는, 불량유형을 산출하는 유형산출단계(S160)가 더 진행된다.
상기 유형산출단계(S160)는 용접 품질이 합격이 아닌 경우에, 어떤 이유로 불합격인지를 판단하는 과정이다.
도 7에는 상기 유형산출단계(S160)의 과정이 플로우차트로 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 유형산출단계(S160)는, 과(過)용접인지 여부를 판단하는 1과정(S162)과, 미(未)용접인지 여부를 판단하는 2과정(S164)과, 피용접재의 정렬 불량인지의 여부를 판단하는 3과정(S166) 등으로 이루어진다.
구체적으로 살펴보면, 상기 평가단계(S130)에서는 용접 품질이 합격인지 불량인지를 판단하게 되고, 이 중 합격인 경우에는 상기 강도계산단계(S140)나 표시단계(S150)가 진행되며, 불량인 경우에는 상기 유형산출단계(S160)가 진행된다.
상기 1과정(S162)에서는, 먼저 용접이 지나치게 많이 되어 과(過)용접인지 여부를 판단하게 된다. 그리고, 이러한 1과정(S162)에서의 판단결과, 과(過)용접이 아닌 경우에는 용접이 미흡한 미(未)용접인지 여부를 판단하는 2과정(S164)이 진행된다.
그런 다음, 이러한 2과정(S164)에서의 판단결과, 과(過)용접도 아닌 경우에는 피용접재(W)의 정렬 불량인지의 여부를 판단하는 3과정(S166)이 진행된다.
상기와 같은, 제1과정(S162) 및 제2과정(S164)과 제3과정(S166)에서의 판단은, 데이터베이스(DB)에 미리 저장된 신호패턴을 상기 측정단계(S110)나 전처리단계(S120)에서 측정된 신호패턴과 비교함으로써 이루어진다.
예를 들어, 상기 1과정(S162)에서 판단하는 과(過)용접인지 여부 판단은, 상기 측정단계(S110)나 전처리단계(S120)에서 측정된 신호패턴이 도 5에 도시된 패턴1(Pattern-1)과 일치하는지를 판단하는 것이다.
그리고, 상기 2과정(S164)에서 판단하는 미(未)용접인지 여부 판단은, 상기 측정단계(S110)나 전처리단계(S120)에서 측정된 신호패턴이 도 5에 도시된 패턴4(Pattern-4) 내지 패턴7(Pattern-7) 중 어느 하나와 일치하는지를 판단하는 것이다.
마찬가지로, 상기 3과정(S166)에서 판단하는 정렬불량인지 여부 판단은, 상기 측정단계(S110)나 전처리단계(S120)에서 측정된 신호패턴이 도 5에 도시된 패턴8(Pattern-8)과 일치하는지를 판단하는 것이다.
물론, 도 5에서 예시된 합격과 불량의 패턴은, 재질과 용접환경 등에 의해 변경 가능할 것이며, 패턴의 종류도 다양하게 나올 수 있다.
그리고, 상기 1과정(S162)과 2과정(S164) 및 3과정(S166)은 상기에서 설명한 순서대로 진행되지 않고 다른 순서로 진행되는 것도 가능할 것이며, 상기 1과정(S162)과 2과정(S164) 및 3과정(S166)을 거치면서도 유형이 판별되지 않은 경우에는 '기타'부류로 분류한다.
이와 같은 과정에 의해 작업자와 관리자 등은 초음파 용접이 이루어짐과 동시 또는 작업 직후에 바로 용접 품질을 확인할 수 있으며, 용접의 불량 유형과 접합강도 등도 바로 시각적으로 확인할 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당 업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
S100. 용접단계 S110. 측정단계
S120. 전처리단계 S130. 평가단계
S140. 강도계산단계 S150. 표시단계
S160. 유형산출단계

Claims (5)

  1. 초음파 용접을 수행하는 용접단계(S100)와;
    상기 용접단계(S100)와 동시에 수행되며, 측정센서(72)에 의해 용접시 발생하는 진동을 측정하는 측정단계(S110)와;
    상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동을 증폭하거나 타 신호로 변환하는 전처리단계(S120)와;
    상기 측정단계(S110)에서 측정된 진동의 유형을 직접 분석하거나 상기 전처리단계(S120)에서 타 신호로 변환된 것을 분석하여, 용접의 품질 상태를 평가하는 평가단계(S130)와;
    상기 평가단계(S130)에서 평가된 용접 품질을 외부로 디스플레이(display)하는 표시단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 평가단계(S130) 다음에는,
    상기 용접단계(S100)에서 용접된 피용접재의 접합 강도를 수치화하는 강도계산단계(S140)가 더 포함됨을 특징으로 하는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 평가단계(S130)에서 용접의 품질 상태가 불량으로 판단된 경우에는, 불량유형을 산출하는 유형산출단계(S160)가 더 진행되며;
    상기 유형산출단계(S160)는,
    과(過)용접인지 여부를 판단하는 1과정(S162)과, 미(未)용접인지 여부를 판단하는 2과정(S164)과, 피용접재의 정렬 불량인지의 여부를 판단하는 3과정(S166)이 포함되는 것을 특징으로 하는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 측정센서(72)는,
    가속도센서로 이루어지며, 엔빌(50)의 일측에 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 측정센서(72)는,
    상기 엔빌(50)을 지지하는 엔빌지지대(60)에 착탈 가능하게 설치됨을 특징으로 하는 초음파용접의 실시간 품질 측정방법.
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