KR101636247B1 - 초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

용접 품질 판단 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 용접 품질 판단 장치는, 센서 전달 정보를 제공하는 센서부와, 용접기 출력 에너지를 구하고 센서 전달 정보를 이용하여 센서 전달 에너지를 구한 후 용접 흡수 에너지를 산출하며, 용접 흡수 에너지를 이용하여 용접의 불량 여부를 판단하는 용접품질 판단부를 포함한다.

Description

초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING QUALITY OF ULTRASONIC WELDING}
본 발명은 초음파 용접의 품질 판단 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 용접(ultrasonic welding)은 가벼운 하중 조건에서 두 개의 용접팁 사이에 피용접재를 물리고, 가압하면서 초음파를 주어 초음파 진동을 이용하여 접합시키는 방법을 일컫는 것으로, 주로 연강과 알루미늄, 플라스틱 등을 용접하기 위해서 사용된다.
즉, 초음파용접은, 대략 10～80㎑의 주파수에서의 초음파발진을 통한 기계적 에너지를 피용접재에 인가한다. 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 혼(horn)이라 불리는 진동용접헤드와 접촉시킴으로써 인가된다. 혼(horn)이 피용접재의 상면을 충분한 힘으로 누른 상태에서 초음파 용접이 수행된다.
초음파 용접에서 최적의 용접 품질을 얻기 위한 조건은, 피용착물의 크기, 형상 및 재질, 프레스 압력, 발진 시간, 혼의 진폭 등에 따라서 달라지기 때문에, 실험을 통해서 최적값을 구한 후 이를 이용하고 있다.
또한, 초음파 용접에서 용접 품질을 관리하기 위해서 종래에는 초음파 용접기의 가진기에 인가된 에너지를 측정하고 그 측정 에너지가 소정 범위를 초과하면 용접 불량으로 판단하는 방법만이 사용되고 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 용접 품질 판단 방법은 신뢰성이 떨어지기 때문에 현재 사용되지 않고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2015-0097982호
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 신뢰성이 우수한 초음파 용접 품질 판단 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접 품질 판단 장치는, 센서 전달 정보를 제공하는 센서부와, 용접기 출력 에너지를 구하고 센서 전달 정보를 이용하여 센서 전달 에너지를 구한 후 용접 흡수 에너지를 산출하며, 용접 흡수 에너지를 이용하여 용접의 불량 여부를 판단하는 용접품질 판단부를 포함한다.
본 발명에 따른 용접 품질 판단 장치는 다음과 같은 실시예들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 용접 품질 판단부는, 용접 흡수 에너지가 일정치 미만인 경우 미용접으로 판단하고, 용접 흡수 에너지가 일정치를 초과하는 경우 과용접으로 판단할 수 있다.
센서부는 엔빌의 움직임을 측정할 수 있는 가속도 센서, 레이저 변위 센서, 와전류 센서 중에서 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다.
용접 품질 판단부는 초음파 용접 시스템의 컨트롤러 또는 진동자에 공급되는 전류 및 전압을 이용하여 용접기 출력 에너지를 구할 수 있다.
본 발명에 따른 용접 품질 판단 방법은, 용접기 출력 에너지 및 센서 전달 에너지를 측정하는 단계와, 용접기 출력 에너지 및 센서 전달 에너지를 이용하여 용접 흡수 에너지를 산출하는 단계와, 용접 흡수 에너지를 이용하여 용접의 품질을 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 용접 품질 판단 방법은 다음과 같은 실시예를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 용접 품질 판단 결과 불량인 것으로 판단되는 경우 가압력, 진폭, 시간 및 진동수 중에서 적어도 어느 하나를 제어하여 용접 품질이 적정용접이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 용접 품질 판단 방법.
본 발명은 신뢰성이 높은 용접 품질 판단 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 측정 방법이 간단하고 측정 결과가 직관적인 용접 품질 판단 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치가 구비된 초음파 용접 시스템에 대한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 방법을 예시하는 순서도이다.
도 3은 피용접부가 흡수하는 에너지에 따른 용접 품질을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)가 구비된 초음파 용접 시스템에 대한 도면이다.
본 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)는 초음파 용접 시스템에 구비되어 초음파 용접의 품질을 실시간으로 판단할 수 있다.
본 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)는, 센서 전달 정보를 제공하는 센서부(120)와, 용접기 출력 에너지(Eo)를 구하고 센서 전달 정보를 이용하여 센서 전달 에너지(Et)를 구한 후 용접 흡수 에너지(Ew)를 산출하며 용접 흡수 에너지(Ew)를 이용하여 용접의 불량 여부를 판단하는 용접품질 판단부(110)를 포함한다.
본 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 장치(100)에 대해서 설명하기에 앞서, 초음파 용접 시스템에 대해서 설명하기로 한다.
초음파 용접 시스템은 컨트롤러(130), 진동자(132), 부스터(134), 혼(136) 및 엔빌(138)을 포함한다.
진동자(132)는 컨트롤러(130)로부터 공급되는 전원에 의해서 진동을 생성한다. 진동자(132)의 진동에너지에 의해서 피용접재(140)의 상면에서 혼(136)이 용접을 수행하게 된다. 부스터(booster, 134)는 혼(136)과 진동자(132) 사이에 위치하면서 진동자(132)의 진폭(amplitude)을 감소 또는 증폭시켜서 혼(136)에 전달한다. 그리고 컨트롤러(130)는 진동자(132)로 공급되는 전원을 제어하여 진동수 및 진폭을 제어한다.
혼(136)은 진동자(132)의 진동 에너지에 의해서 수평 방향으로 진동하고 피용접재(140)를 가압하여서 용접을 수행한다.
엔빌(anvil, 138)은 피용접재(140)를 지지하는 것으로 혼(136)과의 사이에서 피용접재(140)가 가압 및 진동에 의해서 용접이 이루어진다. 엔빌(138)에는 센서부(120)가 결합될 수 있다.
센서부(120)는 엔빌(138)에 결합되어서 센서 전달 에너지(Et)를 구할 수 있게 하는 센서 전달 정보를 용접 품질 판단부(110)에 제공한다. 센서부(120)는 가속도 센서, 레이저 변위 센서 및 와전류 센서 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 해당할 수 있다.
가속도 센서(acceleration sensor)는 진동하는 엔빌(138)의 가속도 또는 충격의 세기를 측정한다. 엔빌(138)에 전달된 가속도 또는 충격과 같은 센서 전달 정보는 용접 품질 판단부(110)에 전달된다. 용접 품질 판단부(110)는 아래 식을 이용해서 센서 전달 에너지(Et)를 구할 수 있다.
Et = ½mv2
상기 식에서 m은 혼(136), 엔빌(138) 및 피용접재(140)의 중량의 합에 해당한다.
용접 품질 판단부(110)는 가속도 센서에 의해서 측정된 가속도값을 적분하여 속도(v)를 구한 후 상기 식을 통해서 센서 전달 에너지(Et)를 구할 수 있다.
가속도 센서는 엔빌(138)에 다양한 수단 및 방법에 의해 결합할 수 있다. 예를 들면, 가속도 센서는 엔빌(138)의 측면에 기계적으로 결합하거나 또는 다른 부재(도시하지 않음)에 의해서 엔빌(138)에 결합할 수도 있다. 이와 같이, 본 발명은 가속도 센서가 엔빌(138)에 결합하는 방법에 의해서 제한되지 않는다.
가속도 센서는 혼(136)에 결합하여 혼(136)의 가속도를 측정함으로써 센서 전달 정보를 용접 품질 판단부(110)에 제공할 수 있다.
레이저 변위 센서는 진동에 따른 엔빌(138)의 변위를 측정하고 이를 센서 전달 정보로서 용접 품질 판단부(110)에 제공한다. 용접 품질 판단부(110)는 레이저 변위 센서에 측정된 엔빌(138)의 변위에 대한 미분값인 속도(v)를 상기 식에 적용해서 센서 전달 에너지(Et)를 구할 수 있다. 물론, 레이저 변위 센서는 혼(136)의 변위를 측정할 수도 있다.
레이저 변위 센서는 엔빌(138) 및 혼(136) 중 어느 하나에 결합되거나 또는 엔빌(138) 및 혼(136)으로부터 이격되어 위치할 수 있다.
와전류 센서(eddy current sensor)는 도전체에 발생하는 와전류에 의한 코일의 인덕턱스 변화를 이용한 센서로서, 진동하는 엔빌(138)의 변위를 측정하고 이를 센서 전달 정보로서 용접 품질 확인부(110)에 전달한다. 용접 품질 판단부(110)는 와전류 센서에 의해 측정된 엔빌(138)의 변위에 대한 미분값인 속도(v)를 상기 식에 적용해서 센서 전달 에너지(Et)를 구할 수 있다.
물론, 와전류 센서도 혼(136)의 변위를 측정하여 이를 센서 전달 정보로서 용접 품질 판단부(110)에 전달할 수 있다.
와전류 센서도 엔빌(138) 및 혼(136) 중 어느 하나에 결합되거나 또는 엔빌(138) 및 혼(136)으로부터 이격되어 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 용접 품질 판단 장치(100)는 센서부(120)의 센서 종류 및 그 결합 구조에 의해서 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 센서부는 엔빌(136) 및 혼(136) 중에서 적어도 어느 하나의 가속도, 속도 또는 변위를 측정할 수 있는 것이라면 어떠한 것도 가능함은 물론이다. 본 발명에 따른 센서부는 혼(136)에도 결합할 수 있고, 혼(136) 및 엔빌(138)로부터 모두 이격되어 위치할 수도 있다.
용접 품질 판단부(110)는 센서부(120)를 통해 입력된 센서 전달 정보를 이용해서 상기와 같은 방법에 의해서 센서 전달 에너지(Et)를 구한다. 또한, 용접 품질 판단부(110)는 용접기 출력 에너지(Eo)를 구한다.
용접 품질 판단부(110)는 초음파 용접 시스템의 컨트롤러(130)에 공급되는 구동전류와 전압을 이용하여 용접기 출력 에너지(Eo)를 구할 수 있다. 또한, 용접 품질 판단부(110)는 초음파 용접 시스템의 진동자(132)에 공급되는 전류와 전압을 이용해서 용접기 출력 에너지(Eo)를 구할 수도 있다.
용접 품질 판단부(110)는 용접기 출력 에너지(Eo) 및 센서 전달 에너지(Et)를 구한 후 아래 식에 의해서 용접 흡수 에너지(Ew)를 산출한다. 용접 흡수 에너지(Ew)는 초음파 용접에 의해서 피용접재(140)에 실제 흡수된 에너지에 해당할 수 있다.
Eo = Et + Ew
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 방법을 예시하는 순서도이다. 그리고 도 3은 피용접부가 흡수하는 에너지에 따른 용접 품질을 나타낸 그래프이다.
도 2 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 용접 품질 판단 방법은, 용접기 출력 에너지 및 센서 전달 에너지를 측정하는 단계와, 용접기 출력 에너지 및 센서 전달 에너지를 이용하여 용접 흡수 에너지를 산출하는 단계와, 용접 흡수 에너지를 이용하여 용접의 품질을 판단하는 단계와, 용접 결과를 디스플레이하고 적정 용접인지 여부를 판단한 후 적정 용접이 아닌 경우 용접 파라미터를 변경하는 단계를 포함한다.
용접 품질 판단부(110)는 용접기 출력 에너지(Eo) 및 센서 전달 에너지(Et)를 각각 구한 후 상기 식에 의해서 용접 흡수 에너지(Ew)를 산출할 수 있다. 그리고 용접 품질 판단부(110)는 산출된 용접 흡수 에너지(Ew)를 이용하여 용접의 품질을 미용접, 적정 용접 및 과용접 중 어느 하나인 것으로 판단한다.
용접 품질 판단부(110)는 해당 피용접재의 크기, 형상 및 재질 등에 대한 용접 흡수 에너지(Ew)에 따른 용접 품질에 대한 데이터 베이스를 저장하고 있거나 이와 같은 정보를 이용할 수 있다. 도 3을 참고하면, 적정 용접에 대한 용접 흡수 에너지(Ew)의 범위가 a~b인 경우, 산출된 용접 흡수 에너지(Ew)가 a 미만인 경우 미용접으로 판단할 수 있고, 용접 흡수 에너지(Ew)가 b 초과인 경우 과용접으로 판단할 수 있다. 물론, 산출된 용접 흡수 에너지(Ew)가 a~b 범위 내에 있는 경우, 용접 품질 판단부(110)는 적정용접이 이루어지고 있는 것으로 판단할 수 있다. 용접 품질 판단부(110)에 의한 용접 품질에 대한 결과는 실시간으로 측정될 수 있다.
용접 품질 판단부(110)는 측정된 용접 품질을 디스플레이(112)를 통해서 표시할 수 있다.
용접 품질 판단부(110)는 측정된 용접 품질에 대한 정보를 이용하여 용접 파라미터를 실시간으로 변경할 수 있다. 예를 들면, 용접 품질 판단 결과 미용접인 것으로 판단되는 경우 피용접재(140)에 대한 혼(136)의 가압력 및 진폭 중에서 적어도 어느 하나를 증가시킬 수 있고, 과용접으로 판단되는 경우 피용접재(140)에 대한 혼(136)의 가압력 및 진폭 중에서 적어도 어느 하나를 감소시킬 수 있다. 용접 품질 판단부(110)는 용접 파라미터로서 혼(136)의 가압력 및 진폭 이외에 진동수 및 시간 중에서 적어도 어느 하나를 추가로 제어할 수 있다.
본 실시예에 따른 용접 품질 판단 장치(100)는 용접기 출력 에너지(Eo)와 센서 전달 에너지(Et)를 구한 후 이를 이용하여 용접 흡수 에너지(Ew)를 구하기 때문에 용접 품질 판단에 대한 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 용접 품질 판단 장치(100)는 용접기 출력(Eo) 및 용접 흡수 에너지(Ew)를 용이하게 측정할 수 있기 때문에, 결과적으로 용접 품질을 용이하게 판단할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 용접 품질 판단 장치
110: 용접 품질 판단부
120: 센서부
130: 컨트롤러
132: 진동자
134: 부스터
136: 혼
138: 엔빌
140: 피용접재

Claims (8)

  1. 센서 전달 정보를 제공하는 센서부; 및
    용접기 출력 에너지(Eo)와, 상기 센서 전달 정보를 이용하여 센서 전달 에너지(Et)를 구한 후 아래 식에 의해서 용접 흡수 에너지(Ew)를 산출하며,
    (식) Eo = Et + Ew
    상기 용접 흡수 에너지(Ew)를 이용하여 용접의 불량 여부를 판단하는 용접품질 판단부를 포함하는 초음파 용접 품질 판단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    용접 품질 판단부는, 상기 용접 흡수 에너지가 일정치 미만인 경우 미용접으로 판단하고, 상기 용접 흡수 에너지가 일정치를 초과하는 경우 과용접으로 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 품질 판단 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 엔빌에 결합된 가속도 센서인 것을 특징으로 하는 초음파 용접 품질 판단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 레이저 변위 센서인 것을 특징으로 하는 초음파 용접 품질 판단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 와전류 센서인 것을 특징으로 하는 초음파 용접 품질 판단 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용접 품질 판단부는 초음파 용접 시스템의 컨트롤러 또는 진동자에 공급되는 전류와 전압를 이용하여 상기 용접기 출력 에너지를 구하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 품질 판단 장치.
  7. 용접기 출력 에너지(Eo) 및 센서 전달 에너지(Et)를 측정하는 단계;
    상기 용접기 출력 에너지(Eo) 및 상기 센서 전달 에너지(Et)를 이용하여 아래 식에 의해 용접 흡수 에너지(Ew)를 산출하는 단계;
    (식) Eo = Et + Ew
    상기 용접 흡수 에너지(Ew)를 이용하여 용접의 품질을 판단하는 단계를 포함하는 초음파 용접 품질 판단 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용접 품질 판단 결과 불량인 것으로 판단되는 경우 용접 파라미터를 제어하여 용접 품질이 적정용접이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 품질 판단 방법.
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