KR20240018978A - 마찰교반용접 불량 검출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마찰교반용접 불량 검출장치에 관한 것으로서, 마찰교반용접 작업중 진동센서(210)에 의해 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우이거나 또는 전류센서(230)에 의해 측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우 제어기(220)의 제어에 의해 마찰교반용접 툴(110)의 작동이 일시적으로 종료할 수 있도록 된 것이다.

Description

마찰교반용접 불량 검출장치{APPARATUS FOR DETECTING FRICTION STIR WELDING FAULT}
본 발명은 마찰교반용접 작업시에 용접 불량을 검출할 수 있는 마찰교반용접 불량 검출장치에 관한 기술이다.
현대의 고도화된 산업사회에서 용접기술의 발달은 제품의 생산성과 품질을 더욱 향상시키고 있으며, 세계 각국은 수출품의 가격 경쟁력에 직접적인 영향을 미치는 생산성을 증대시키기 위한 새로운 용접기술의 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
1991년에 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 개발된 친환경적이며 에너지 절약형 생산공정인 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW) 기술은 모재가 녹지 않는 고상용접법으로 기존의 용융용접법에 비해 용접부의 특성과 품질이 뛰어나 산업계의 많은 주목을 받고 있으며 철도차량, 선박, 항공기기, 자동차, 반도체분야 등에 대한 적용화 과정에서 괄목할만한 성과를 얻고 있다.
마찰교반용접이란 금속의 접합부위에 회전도구를 설치하여 회전도구와 접합금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의하여 분할된 두 금속을 접합하는 방법을 말한다.
이러한 마찰교반용접은 고온의 용융 용접시에 용접균열과 용접변형이 발생하기 쉬운 석출 경화형 알루미늄 합금과 같은 비철재료의 판재에 주로 활용되고 있으며, 열감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.
마찰교반용접 장치는 접합되는 모재보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 마찰교반용접 툴, 및 마찰교반용접 툴을 회전시키면서 분할된 2개의 모재의 접합부를 따라 마찰교반용접 툴을 이동시키는 역할을 하는 구동부재를 포함한다.
따라서, 마찰교반용접 툴이 회전하면서 2개의 모재의 접합부를 따라 이동하면 마찰교반용접 툴과 모재의 접합부 사이에는 마찰열이 발생하고, 이러한 마찰열과 마찰교반용접 툴이 가하는 압력에 의하여 연화된 접합부의 소성유동으로 재질의 교반작용이 활성화되면서 고상접합이 이루어지게 되는 것이다.
한편, 종래에는 마찰교반용접이 진행되는 과정에서 작업자가 용접 불량을 인지할 수 있는 수단이 없었고, 이로 인해 용접 작업이 완료된 후에야 용접 불량을 판단할 수가 있었으며, 이에 따라 용접 불량에 따른 제품 폐기가 빈번하게 발생하는 단점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
대한민국공개특허공보 10-2020-0139885
본 발명은, 마찰교반용접 작업시에 발생하는 용접 불량을 검출할 수 있는 마찰교반용접 불량 검출장치로서, 용접 불량에 따른 불량 제품의 생산을 최소화할 수 있도록 하고, 이를 통해 품질 향상 및 불필요한 비용 낭비를 줄일 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마찰교반용접 불량 검출장치는, 마찰교반용접 툴이 회전 및 이동하면서 2개의 모재를 결합하는 과정에서 마찰교반용접 툴에서 발생하는 진동 주파수를 측정하는 진동센서; 및 상기 측정된 진동 주파수와 기준 주파수를 비교해서 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우 마찰교반용접 툴의 작동을 종료하도록 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 진동센서는 용접 대상에 해당하는 2개의 모재가 안착되는 지그에 고정되게 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 진동센서는 마찰교반용접 툴에 고정되게 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 마찰교반용접 툴은 툴바디에 회전 가능하게 설치되고; 상기 진동센서는 툴바디에 고정되게 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 마찰교반용접 툴을 회전시키는 모터로 공급되는 전류 값을 측정하는 전류센서를 더 포함하고; 상기 제어기는 측정된 전류 값과 기준 전류 값을 비교해서 측정 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우 마찰교반용접 툴의 작동을 종료하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우 및 측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우 중 어느 하나 이상의 경우에 마찰교반용접 툴의 작동을 종료하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마찰교반용접 불량 검출장치는, 마찰교반용접 작업중 진동센서에 의해 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우이거나 또는 전류센서에 의해 측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우 제어기의 제어에 의해 마찰교반용접 툴의 작동이 일시적으로 종료할 수 있는 구성으로, 마찰교반용접 툴의 작동 종료 후 용접 불량의 원인이 되는 요소를 제거해 준 다음 다시 용접 작업을 실시함에 따라 용접 불량에 따른 불량 제품의 생산을 최소화할 수 있게 되고, 이를 통해 품질 향상 및 불필요한 비용 낭비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마찰교반용접 불량 검출장치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다7" 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.
또한, 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit), 하이브리드 제어기(HCU: Hybrid Control Unit) 등의 명칭에 포함된 유닛(Unit) 또는 제어 유닛(Control Unit)은 차량 특정 기능을 제어하는 제어 장치(Controller)의 명명에 널리 사용되는 용어일 뿐, 보편적 기능 유닛(Generic function unit)을 의미하는 것은 아니다.
제어기(Controller)는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
이하에서는 도 1을 참조해서 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 마찰교반용접 불량 검출장치에 대해 살펴보기로 한다.
도시된 바와 같이 마찰교반용접 장치는 회전 및 이동을 통해 지그(10, 작업다이)위에 올려진 2개의 모재(20)를 결합하는 마찰교반용접 툴(110), 상기 마찰교반용접 툴(110)이 회전 가능하게 설치되는 툴바디(120), 및 상기 툴바디(120)에 회전 가능하게 결합되고 마찰교반용접 툴(110)의 측부에서 모재(20)와 접촉해서 모재(20)를 가압하는 툴바디롤러(130)를 포함한다.
2개의 모재(20)는 상하방향으로 적층된 상태일 수 있고, 상하 적층된 2개의 모재(20)는 마찰교반용접 툴(110)의 회전 및 이동을 통해 상하 적층된 상태로 서로 용접 결합된다.
다른 예로 2개의 모재(20)는 상하방향이 아닌 좌우방향으로 연결된 형태로 배치될 수도 있다.
2개의 모재(20)는 모두 알루미늄 재질의 판재로 구성되거나, 또는 1개의 모재는 알루미늄 재질의 판재로 구성되고 나머지 1개의 모재는 알루미늄 보다 강도가 다소 약한 이종 재질의 판재로 구성될 수도 있다.
마찰교반용접 장치는 마찰교반용접 툴(120)의 회전을 위해 동력을 제공하는 모터(140), 및 마찰교반용접 툴(110)의 이동을 위한 구동부재(150)를 구비할 수 있다.
구동부재(150)는 툴바디(120)를 전후좌우 및 상하방향으로 이동시킬 수 있으며, 이를 위해 툴바디(120)와 결합된 로봇암이 구동부재로 구성될 수 있다.
툴바디(120)에 모터(140)와 마찰교반용접 툴(110)이 설치되며, 모터(140)는 툴바디(120)에 고정되게 설치되고, 마찰교반용접 툴(110)은 툴바디(120)에 회전 가능하게 설치되며, 모터(140)의 동력은 마찰교반용접 툴(110)로 전달되도록 구성된다.
툴바디(120)에 툴바디롤러(130)가 회전 가능하게 결합되고, 툴바디롤러(130)는 마찰교반용접 툴(110)의 측부에 위치하도록 배치된다.
즉, 용접진행방향을 따라서 마찰교반용접 툴(110)의 전방쪽에 툴바디롤러(130)가 위치하도록 구비될 수 있다.
마찰교반용접 툴(110)의 회전 및 이동으로 2개의 모재(20)가 결합될 때에 툴바디롤러(130)는 마찰교반용접 툴(110)의 측부에서 모재(20)와 접촉해서 모재(20)를 가압하게 되고 이로 인해 모재(20)의 상방향 이동이 구속된다.
또한, 툴바디롤러(130)는 마찰교반용접 툴(110)이 이동할 때에는 모재(20)와 접촉한 상태로 툴바디(120)에 대해 회전해서 마찰교반용접 툴(110)의 이동을 도와주는 역할을 한다.
툴바디롤러(130)의 회전에 의해 마찰교반용접 툴(110)의 이동이 원활히 진행되며, 이를 통해 용접의 품질성능 향상을 도모할 수 있게 된다.
마찰교반용접 장치에 툴바디롤러가 없는 경우 마찰교반용접 작업시 마찰교반용접 툴의 주변부 모재를 가압해줄 수가 없게 되고, 또한 마찰교반용접 툴의 이동을 도와줄 수가 없어서, 결과적으로 용접의 품질성능이 나빠지는 문제가 발생할 수 있다.
반면에, 툴바디(120)에 툴바디롤러(130)가 구비된 경우는 용접 작업시 툴바디롤러(130)를 이용해서 마찰교반용접 툴(110) 주변의 모재(20)를 가압해 줄 수가 있게 되고, 또한 모재(20)의 상방향 이동을 구속해 줄 수가 있게 되며, 더 나아가 마찰교반용접 툴(110)이 이동할 때에는 모재(20)와 접촉한 상태로 툴바디(120)에 대해 회전해서 마찰교반용접 툴(110)의 이동을 도와줄 수 있게 됨으로써, 결과적으로 용접의 품질성능 향상을 도모할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 실시예는 마찰교반용접 작업시 용접 불량을 실시간으로 검출할 수 있도록 하고, 용접 불량 발생시 용접 작업을 일시적으로 종료한 후 용접 불량의 원인이 되는 요소를 제거함으로써 용접 불량에 따른 불량 제품의 생산을 최소화할 수 있도록 하며, 이를 통해 품질 향상 및 불필요한 비용 낭비를 줄일 수 있도록 한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명에 따른 마찰교반용접 불량 검출장치는 도시된 바와 같이 마찰교반용접 툴(110)이 회전 및 이동하면서 2개의 모재(20)를 결합하는 과정에서 마찰교반용접 툴(110)에서 발생하는 진동 주파수를 측정하는 진동센서(210); 및 상기 측정된 진동 주파수와 기준 주파수를 비교해서 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우 마찰교반용접 툴(110)의 작동을 종료하도록 제어하는 제어기(220);를 포함한다.
일예로, 용접부에 이물질이 있거나 또는 용접부 표면의 거칠기가 매우 거친 상태이면, 마찰교반용접 툴(110)이 회전 및 용접진행방향을 따라 이동하는 과정에서 정상적인 이동이 불가하게 되고, 이럴 경우 용접부의 간섭으로 인해 진동센서(210)에 의해 측정된 진동 주파수는 기준 주파수의 정상범위를 벗어나게 된다.
측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어나게 되면 용접부의 정상적인 마찰교반용접이 불가하여 용접 불량이 발생할 확률이 높고, 이로 인해 불량 제품이 생산될 확률이 높아지게 된다.
따라서, 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어나게 되는 경우에는 제어기(220)의 제어에 의해 모터(140) 및 구동부재(150)의 작동을 종료해서 마찰교반용접 툴(110)의 작동을 일시적으로 종료하게 되고, 마찰교반용접 툴(110)의 작동 종료 후 용접 불량의 원인이 되는 요소를 제거해 줌으로써 용접 불량에 따른 불량 제품의 생산을 최소화하고, 이를 통해 품질 향상 및 불필요한 비용 낭비를 줄일 수 있도록 한다.
측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어나게 되는 경우 제어기(220)는 에러로 판단하게 되고, 에러 신호는 디스플레이 및 음향기기 등을 통해 작업자에게 시각적 및 청각적으로 알람을 줄 수 있게 된다.
반대로, 측정된 진동 주파수와 기준 주파수를 비교한 결과 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위내에 있는 경우에는 제어기(220)의 제어에 의해 마찰교반용접 툴(110)이 계속해서 작동해서 마찰교반용접 작업을 완료하게 된다.
본 발명에 따른 진동센서(210)는 용접 대상에 해당하는 2개의 모재(20)가 안착되는 지그(10)에 고정되게 설치되거나 또는 마찰교반용접 툴(110)에 고정되게 설치되거나 또는 툴바디(120)에 고정되게 설치될 수 있다.
즉, 진동센서(210)는 지그(10)와 마찰교반용접 툴(110) 및 툴바디(120) 중 어느 하나에 설치될 수 있다.
다른 예로 진동센서(210)는 지그(10)와 마찰교반용접 툴(110) 및 툴바디(120) 중 적어도 하나 이상의 부품에 설치될 수도 있다.
본 발명에 따른 마찰교반용접 불량 검출장치는 마찰교반용접 툴(110)을 회전시키는 모터(140)로 공급되는 전류 값을 측정하는 전류센서(230)를 더 포함할 수 있다.
제어기(220)는 전류센서(230)에 의해 측정된 전류 값과 기준 전류 값을 비교하게 되고, 비교 결과 측정 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우에는 마찰교반용접 툴(110)의 작동을 종료하도록 제어하게 된다.
일예로, 용접부에 이물질이 있거나 또는 용접부 표면의 거칠기가 매우 거친 상태이면, 마찰교반용접 툴(110)이 회전 및 용접진행방향을 따라 이동하는 과정에서 정상적인 이동이 불가하게 되고, 이럴 경우 용접부의 간섭으로 인해 모터(140)로 공급되는 전류 값이 일시적으로 크게 증가하여 전류센서(230)에 의해 측정된 전류 값은 기준 전류 값의 정상범위를 벗어나게 된다.
측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어나게 되면 용접부의 정상적인 마찰교반용접이 불가하여 용접 불량이 발생할 확률이 높고, 이로 인해 불량 제품이 생산될 확률이 높아지게 된다.
따라서, 측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어나게 되는 경우에는 제어기(220)의 제어에 의해 모터(140) 및 구동부재(150)의 작동을 종료해서 마찰교반용접 툴(110)의 작동을 일시적으로 종료하게 되고, 마찰교반용접 툴(110)의 작동 종료 후 용접 불량의 원인이 되는 요소를 제거해 줌으로써 용접 불량에 따른 불량 제품의 생산을 최소화하고, 이를 통해 품질 향상 및 불필요한 비용 낭비를 줄일 수 있도록 한다.
측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어나게 되는 경우 제어기(220)는 에러로 판단하게 되고, 에러 신호는 디스플레이 및 음향기기 등을 통해 작업자에게 시각적 및 청각적으로 알람을 줄 수 있게 된다.
반대로, 측정된 전류 값과 기준 전류 값을 비교한 결과 측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위내에 있는 경우에는 제어기(220)의 제어에 의해 마찰교반용접 툴(110)이 계속해서 작동해서 마찰교반용접 작업을 완료하게 된다.
한편, 제어기(220)는 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우 및 측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우 중 어느 하나 이상의 경우에 마찰교반용접 툴(110)의 작동을 종료하도록 제어하게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 마찰교반용접 불량 검출장치는, 마찰교반용접 작업중 진동센서(210)에 의해 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우이거나 또는 전류센서(230)에 의해 측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우 제어기(220)의 제어에 의해 마찰교반용접 툴(110)의 작동이 일시적으로 종료할 수 있는 구성으로, 마찰교반용접 툴(110)의 작동 종료 후 용접 불량의 원인이 되는 요소를 제거해 준 다음 다시 용접 작업을 실시함에 따라 용접 불량에 따른 불량 제품의 생산을 최소화할 수 있게 되고, 이를 통해 품질 향상 및 불필요한 비용 낭비를 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 - 지그 20 - 모재
110 - 마찰교반용접 툴 120 - 툴바디
130 - 툴바디롤러 140 - 모터
150 - 구동부재 210 - 진동센서
220 - 제어기 230 - 전류센서

Claims (6)

  1. 마찰교반용접 툴이 회전 및 이동하면서 2개의 모재를 결합하는 과정에서 마찰교반용접 툴에서 발생하는 진동 주파수를 측정하는 진동센서; 및
    상기 측정된 진동 주파수와 기준 주파수를 비교해서 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우 마찰교반용접 툴의 작동을 종료하도록 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 불량 검출장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동센서는 용접 대상에 해당하는 2개의 모재가 안착되는 지그에 고정되게 설치된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 불량 검출장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동센서는 마찰교반용접 툴에 고정되게 설치된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 불량 검출장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 마찰교반용접 툴은 툴바디에 회전 가능하게 설치되고;
    상기 진동센서는 툴바디에 고정되게 설치된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 불량 검출장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 마찰교반용접 툴을 회전시키는 모터로 공급되는 전류 값을 측정하는 전류센서를 더 포함하고;
    상기 제어기는 측정된 전류 값과 기준 전류 값을 비교해서 측정 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우 마찰교반용접 툴의 작동을 종료하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 불량 검출장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어기는 측정된 진동 주파수가 기준 주파수의 정상범위를 벗어난 경우 및 측정된 전류 값이 기준 전류 값의 정상범위를 벗어난 경우 중 어느 하나 이상의 경우에 마찰교반용접 툴의 작동을 종료하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 불량 검출장치.
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