KR101172676B1

KR101172676B1 - 점용접의 용접 조건 설정 방법

Info

Publication number: KR101172676B1
Application number: KR1020060064659A
Authority: KR
Inventors: 조용준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2012-08-09
Also published as: KR20080006030A

Abstract

본 발명은 점용접의 용접 조건 설정 방법에 관한 것이며, 상세하게는 생산가공 제품의 다양한 변화에 따라 점용접시 판재의 두께변화에 대응하여 해당 점용접 동작에 따른 최적의 점용접 작업 조건을 제시할 수 있도록 데이터베이스를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 점용접 시의 용접 상태를 실시간 검출하여 용접 상태의 적정성 여부를 판별하는 점용접 품질 평가 시스템을 구비하고; 소정의 용접 전류를 공급하며 일정 가압력이 주어지는 용접 환경에서 특정 두께의 금속 판재를 용접 시간을 점차 증가시켜 용접하며, 상기 점용접 품질 평가 시스템을 통해 해당 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 1과정과; 상기 제 1과정을 통해 임의의 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득한 이후 용접 전류를 소정치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 2과정과; 상기 제 2과정을 통해 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득한 이후 용접 가압력을 소정치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 3과정; 및 상기 제 3과정을 통해 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득 한 이후 용접 판재의 두께를 소정치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 4과정을 포함하여 구성된다.

점용접, 가압력, 용접전류, 시간, 적정성

Description

점용접의 용접 조건 설정 방법 {WELDING CONDITION CREATION METHOD OF SPOT WELDING}

도 1은 본 발명의 적용을 위한 점용접 품질 평가 시스템의 구성 예시도

도 2는 도 1을 이용한 측정예를 나타내는 그래프

도 3은 도 1에 도시되어 있는 점용접 품질 평가 시스템의 동저항의 변화에 따른 품질 평가 원리를 나타내는 예시도

도 4는 본 발명에 따른 점용접 품질 향상을 위한 용접 조건 설정 과정의 동작 순서도

도 5는 종래 점용접에 있어 박리시험을 통하여 용접 품질을 검사하는 과정을 나타내는 개략도

일반적으로, 점용접(스폿 용접: spot welding)은 전기저항 용접에 속하는 용접 방법으로서, 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 용접 방법이다.

현재 점용접은 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 점용접성이 현저하게 저하되고 있으며, 이러한 이유로 차체 강도를 유지하기 위한 용접 품질과 용접성의 평가는 중요한 문제로 부각되고 있다.

한편, 자동차 제조라인에서 판금부품조립에 사용되고 있는 점용접에 있어, 그 용접성 평가는 접합 강도와 관련된 박리 시험(Peel Test)이나 인장-전단 시험 (Tensile Shear Test), 십자 인장 시험(Cross Tensile Test), 그리고 점용접부의 너겟 직경 측정 등과 같은 실험결과에 전적으로 의존하고 있다.

첨부한 도 5는 종래 점용접에 있어 박리시험을 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 샘플 검사가 될 수밖에 없고, 만일 불량으로 판단된다고 할지라도 수정이 불가능하며, 품질불량의 원인파악이 불가능하여 용접 품질의 개선이 어려울 뿐 아니라, 품질 검사에 많은 인력과 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

더욱이 일반적으로 점용접은 접합하고자 하는 두 금속을 맞대어 놓고 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하면 저항 열이 발생하는데, 이로 인해 압력 부위가 접합되는 성질을 이용하는 것이므로, 판재의 두께가 일정하다고 가정하면 용접 조건은 가압력, 시간, 흐르는 전류량으로 나타날 수 있다.

반면에, 판재의 두께에 따라 상기 용접 조건 역시 변화하게 되는데, 상술한 종래의 검사방식은 용접 품질이 우수하다 할지라도 해당 용접을 수행한 조건에 대한 자료를 데이터베이스화하기가 어렵고, 더욱이 종래에는 판재의 재질과 두께에 따라 적정하다고 판단되는 점용접 시스템의 매뉴얼을 기준으로 용접 조건을 설정하는 수준이기 때문에 생산가공 제품의 다양한 변화에 적응할 수 있는 기준이 없다는 문제점이 발생되었다.

즉, 점용접 시스템의 용접 조건을 세팅하고자 하는 경우 숙련자의 숙련도로 용접 조건을 설정하고 상기 도 5에 도시되어 있는 바와 같은 테스트를 통해 조건을 재설정하는 방식이기 때문에 용접 조건이 바뀔 때마다 번거로운 테스트 등이 파괴방식으로 이루어지게 되어 작업 손실을 가져오는 문제점이 발생되며, 따라서 공법서 작성 과정에서도 대강의 용접 조건만 기록할 뿐 현실적인 용접 조건 기록은 불 가능하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 점용접 품질 평가 시스템을 이용하여 임의의 재질을 갖는 판재의 두께를 변화(예를 들어 0.5t 에서 10t 까지)시켜가면서 각각의 두께에서 해당 판재의 점용접 적정영역에 대한 용접 조건을 실험적으로 얻어 이를 데이터베이스화하여 점용접시 판재의 두께변화에 대응하여 해당 점용접 동작에 따른 최적의 점용접 작업 조건을 제시할 수 있도록 하기 위한 점용접 품질 향상을 위한 점용접의 용접 조건 설정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일정한 기계적 압력이 가해지는 상태에서 일정 전류를 도통시켜 가압되는 부분에서 발생되는 열에 의해 접합하고자 하는 두 금속을 접합시키는 점용접 시의 용접 조건 설정 방법에 있어서, 용접 상태를 실시간 검출하여 용접 상태의 적정성 여부를 판별하는 점용접 품질 평가 시스템을 구비하고; 소정의 용접 전류를 공급하며 일정 가압력이 주어지는 용접 환경에서 특정 두께의 금속 판재를 용접 시간을 점차 증가시켜 용접하며, 상기 점용접 품질 평가 시스템을 통해 해당 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 1과정과; 상기 제 1과정을 통해 임의의 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득한 이후 용접 전류를 소정치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 2과정과; 상기 제 2과정을 통해 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득한 이후 용접 가압력을 소정 치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 3과정; 및 상기 제 3과정을 통해 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득한 이후 용접 판재의 두께를 소정치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 4과정을 포함하여 구성한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선 본 발명은 이하에서 설명하는 것에 국한되지 않고 유한요소법(finite element method; FEM)에 의해 해석될 수도 있음을 미리 밝혀두며, 이하에서는 대한민국등록특허 10-0482487호에 기재되어 있는 점용접 품질 평가 시스템의 구성을 이용하는 예이다.

첨부한 도 1은 본 발명의 적용을 점용접 품질 평가 시스템의 구성 예시도이며, 도 2는 도 1을 이용한 측정예를 나타내는 그래프이고, 도 3은 도 1에 도시되어 있는 점용접 품질 평가 시스템의 동저항의 변화에 따른 품질 평가 원리를 나타내는 예시도이다.

첨부한 도 1에 도시되어 있는 점용접 품질 평가 시스템의 구성을 살펴보면, 접합하고자 하는 피용접재(10)를 맞대어 놓고, 두 개의 마주보는 전극(20)을 이용 하여 적당한 기계적 압력을 주면서 전류를 흐르게 하여, 압력을 받는 부위를 용접하는 용접에 적용하는 것으로, 상기 두 개의 전극의 양단에 와이어(30)를 부착하여 상기 전극 양단간의 전압을 측정하고, 상기 전극에 전류 센서(210)를 부착하여 전류를 측정한 후에 상기 전압신호를 전류신호를 기준으로 용접시 발생하는 저항의 변동을 측정하도록 하는 것이다.

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 구성된다.

상기 구성 중 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 전류 센서 (210)와; 상기 전류 센서(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 그래프로 디스플레이하도록 함(도 2 참조)으로써, 용접시에 실시간으로 저항의 변화를 알 수 있도록 한다.

이때, 첨부한 도 3을 참조하여 본 발명에서 이용하는 점용접 품질 평가 시스템의 동저항의 변화에 따른 품질평가원리를 살펴보면, 동저항(dynamic resistance)이란 용접 사이클이 진행됨에 따라서 용접부의 저항변화를 시간에 따라 고찰한 것으로서, 상기 도 3에서 도시하는 동저항 값은 용접의 진행과정을 보여줌으로써 실제 용접부의 품질의 지표가 된다.

상기 도 3의 I 단계에서는 초기전류의 통전과 동시에 금속 표면의 오염물질이 붕괴되면서 급격한 저항 감소를 보이게 된다. 이 구간은 수 ms 이내에 발생되므로 예열이 없는 일반적인 용접 조건의 경우에는 관찰하기가 어렵다.

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

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

마지막으로 V 단계에서, 상기 IV 단계의 피크를 지나면서 용융 너겟의 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 용접 상태의 분석을 토대로 실제 동저항 값의 측정치를 이용하여 용접의 품질을 평가할 수가 있는 것이다.

즉, 첨부한 도 2의 1번 신호는 적정 용접 품질이 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 용접 품질에 이상이 발생한 것으로 해석된다.

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

그러므로 첨부한 도 2의 1번 신호가 검출되는 경우의 점용접 조건(흐르는 전류의 크기, 시간, 가압력)에 대한 데이터가 하나의 판재에 대해 취득될 수 있는 것이다.

이렇게 취득되는 데이터를 판재의 두께를 변경 예를 들어 0.5t 에서 10t 까지 변경시켜가면서 각 두께에 대한 최적 점용접 조건을 취득하여 데이터베이스화시키는 것이다.

이러한 데이터베이스 형성 과정을 첨부한 도 5를 참조하여 살펴보면, 스텝 S101에서 점용접 작업을 위한 최적의 용접 조건을 취득하기 위한 시험 모델을 세팅하게 된다.

점용접은 일정한 기계적 압력이 가해지는 상태에서 일정 전류를 도통시켜 가압되는 부분에서 발생되는 열에 의해 접합하고자 하는 두 금속을 접합시키는 것이므로, 스텝 S102에서는 용접 판재의 두께를 초기 세팅시키고, 스텝 S103에서는 용접 판재의 가압력을 초기 세팅시키며, 스텝 S104에서는 판재의 용접을 위한 용접 전류를 초기 세팅시키고, 스텝 S105에서는 판재의 용접 시간을 초기 세팅시키게 된다.

상기 스텝 S102 내지 S105의 과정을 통해 용접 작업 환경에 대한 초기 세팅이 완료되어지면 스텝 S106으로 진행하여 점용접 동작을 수행하게 된다.

이때 상기 스텝 S106의 과정을 진행하는 가운데, 스텝 S107에서는 상기 도 1내지 도 3을 참조하여 설명하였던 점용접 품질 평가 시스템을 통하여 용접 상태가 적정 상태로 인정되는 범위로 진입하였는가를 판단하여 아직은 용접이 제대로 이루어지지 않았다고 판단되는 경우 상기 스텝 S108로 진행하여 용접 시간을 증가시켜 스텝 S105로 진행하여 판재의 용접 시간을 종전의 세팅값에서 변경시키게 된다.

반면에 상기 스텝 S107에서 현재 용접 상태가 적정 상태로 인정되는 범위로 진입하였다고 판단되는 경우 스텝 S109로 진행하여 상기 스텝 S102 내지 S105의 과정을 통해 세팅되어진 작업 환경에 대한 데이터를 저장한다.

이후, 상술한 과정을 통한 용접 상태가 적정 상태로 인정되는 범위를 벗어났 는가를 스텝 S110에서 판단하는데, 이는 해당 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하기 위한 것으로 결국 용접의 적정 범위를 용접 시간의 범위로 검출이 이루어진다.

이때 이미 상기 스텝 S102 내지 스텝 S104의 과정을 통해 용접 판재의 두께, 용접 판재의 가압력 및 용접을 위한 용접 전류의 데이터는 용접 작업 환경에 대한 선행조건의 값으로 취득되어져 있다.

이후, 스텝 S112의 과정을 통해 용접 작업 환경에 대한 선행조건으로 용접 전류에 대한 변화에 대해서도 모든 데이터를 통해 데이터 취득이 이루어졌는가를 판단하여 완료되지 않았다고 판단되면 스텝 S113으로 진행하여 용접 시간에 대한 데이터를 초기화시키고 용접 전류는 증가시킨 후 스텝 S104로 진행하게 된다.

따라서 변화된 용접 전류에 대한 용접 시간에 대한 데이터를 취득하게 된다.

반면에 스텝 S112의 과정을 통해 용접 전류에 대한 가능 범위의 데이터를 모두 취득하였다고 판단되는 경우 스텝 S114로 진행하여 용접 작업 환경에 대한 선행조건으로 가압력에 대한 변화에 대해서도 모든 데이터를 통해 데이터 취득이 이루어졌는가를 판단하여 완료되지 않았다고 판단되면 스텝 S115로 진행하여 용접 시간과 용접 전류에 대한 데이터를 초기화시키고 가압력은 증가시킨 후 스텝 S103으로 진행하게 된다.

따라서 변화된 가압력에 대한 용접 전류와 용접 시간에 대한 데이터를 취득하게 된다.

반면에 스텝 S114의 과정을 통해 가압력 조건의 변화에 대한 가능 범위의 데 이터를 모두 취득하였다고 판단되는 경우 스텝 S116으로 진행하여 용접 작업 환경에 대한 선행조건으로 판재의 두께에 대한 변화에 대해서도 모든 데이터를 통해 데이터 취득이 이루어졌는가를 판단하여 완료되지 않았다고 판단되면 스텝 S117로 진행하여 용접 시간과 용접 전류 및 용접 가압력에 대한 데이터를 초기화시키고 판재의 두께를 증가시킨 후 스텝 S103로 진행하게 된다.

이러한 과정을 통해 스텝 S118의 과정에서 판재의 두께의 변화에 대한 용접 전류, 시간 및 가압력에 대한 3차원적인 용접 조건의 데이터를 취득하게 된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상과 같이 본 발명은 생산가공 제품의 다양한 변화에 따라 점용접시 판재의 두께변화에 대응하여 해당 점용접 동작에 따른 최적의 점용접 작업 조건을 제시할 수 있도록 데이터베이스를 제공할 수 있음으로 차량의 개발기간을 단축하고 품질의 균일성을 유지할 수 있는 것이다.

Claims

일정한 기계적 압력이 가해지는 상태에서 일정 전류를 도통시켜 가압되는 부분에서 발생되는 열에 의해 접합하고자 하는 두 금속을 접합시키는 점용접 시의 용접 조건 설정 방법에 있어서,

용접 상태를 실시간 검출하여 용접 상태의 적정성 여부를 판별하는 점용접 품질 평가 시스템을 구비하고;

소정의 용접 전류를 공급하며 일정 가압력이 주어지는 용접 환경에서 특정 두께의 금속 판재를 용접 시간을 점차 증가시켜 용접하며, 상기 점용접 품질 평가 시스템을 통해 해당 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 1과정과;

상기 제 1과정을 통해 임의의 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득한 이후 용접 전류를 소정치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 2과정과;

상기 제 2과정을 통해 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득한 이후 용접 가압력을 소정치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 3과정; 및

상기 제 3과정을 통해 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득한 이후 용접 판재의 두께를 소정치 증가시켜 용접 환경을 변경시키고, 상기 제 1과정으로 진행하여 변경된 용접 환경에서의 적정 용접이 이루어지는 용접 시간의 범위에 대한 데이터를 취득하는 제 4과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 점용접의 용접 조건 설정 방법.