가속도계를 이용한 마이크로스폿용접의 인프로세스 모니터링

In-Process Monitoring of Micro Resistance Spot Weld Quality using Accelerometer

본 연구는 IT 기기 및 미세 기계 부품 조립에 널리 사용되는 마이크로 저항 스폿 용접(MRSW)의 품질을 실시간으로 감시하기 위한 시스템 개발을 다룹니다. 미세 가속도계를 활용하여 전극의 미세한 거동을 측정하고, 이를 통해 용접 너겟의 형성 과정을 정밀하게 분석하여 산업 현장에서의 품질 신뢰성을 확보하는 방안을 제시합니다.

Paper Metadata

• Industry: 마이크로 전자 부품 및 정밀 기계 제조
• Material: Nickel 200 합금 (두께 0.16 mm)
• Process: 마이크로 저항 스폿 용접 (MRSW)

Keywords

• Micro spot welding
• Accelerometer
• Dynamic electrode movement
• Nugget size
• In-process monitoring
• Thermal expansion

Executive Summary

Research Architecture

본 연구의 실험 장치는 MSSPOT-2000 마이크로 스폿 용접기와 서보 구동 전극 가압 시스템으로 구성되었습니다. 상부 전극 홀더에 초소형 가속도계(PCB Piezotronics Model 352C65)를 장착하여 용접 중 발생하는 전극의 가속도를 측정하였습니다. 측정된 아날로그 신호는 하드웨어 적분기를 통해 두 번 적분되어 전극의 변위 신호로 변환되었으며, 디지털 저장 오실로스코프를 통해 데이터를 수집하고 분석하는 체계를 구축하였습니다.

Key Findings

실험 결과, 마이크로 스폿 용접에서의 전극 변위는 10μm 미만의 매우 작은 진폭을 보였으나, 가속도계를 통해 이를 성공적으로 검출하였습니다. 용접 전류가 1.4 kA에서 1.6 kA로 증가함에 따라 전극 변위 곡선의 초기 상승률과 최대값이 점진적으로 증가하는 경향을 확인하였습니다. 특히 변위 곡선의 초기 상승률은 너겟의 직경 및 용입 깊이와 높은 상관관계(R² 값 기준 유의미한 선형성)를 나타내어 품질 판단의 핵심 지표임을 입증하였습니다.

Industrial Applications

개발된 모니터링 시스템은 대규모 생산 라인에서 비파괴적인 방식으로 용접 품질을 실시간 검사하는 데 활용될 수 있습니다. 고가의 레이저 변위 센서나 정밀 LVDT를 대체하여 저비용으로도 마이크로 단위의 전극 거동을 감시할 수 있으며, 용접 불량(Stuck weld 또는 Expulsion)을 즉각적으로 감지하여 공정 제어의 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있습니다.

Theoretical Background

동적 전극 변위의 메커니즘

저항 스폿 용접 과정에서 전극의 움직임은 열팽창과 전극 매몰(Embedding)이라는 두 가지 상반된 메커니즘의 벡터 합으로 결정됩니다. 용접 초기에는 줄 가열에 의한 피용접재의 열팽창이 지배적이며 전극 사이의 거리가 멀어집니다. 이후 너겟이 형성되고 재료가 연화되면서 가압력에 의해 전극이 재료 내부로 파고드는 매몰 현상이 발생하며 변위 곡선이 하강하게 됩니다. 이러한 동적 변위 곡선은 너겟의 성장 과정을 직접적으로 반영하는 중요한 기계적 변수입니다.

가속도 신호의 이중 적분 원리

마이크로 스폿 용접은 변위량이 매우 작고 변화 속도가 빠르기 때문에 일반적인 변위 센서로는 정밀한 측정이 어렵습니다. 가속도계는 전극 헤드의 순간적인 가속도를 민감하게 포착할 수 있으며, 가속도 신호를 시간에 대해 한 번 적분하면 속도가 되고, 두 번 적분하면 변위가 됩니다. 본 연구에서는 하드웨어 적분 회로를 설계하여 실시간으로 가속도 신호를 변위 신호로 변환함으로써 미세한 전극 거동을 고해상도로 관찰할 수 있게 하였습니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 두께 0.16 mm, 폭 5 mm의 Nickel 200 합금 판재가 사용되었습니다. 전극은 Cu-Cr 소재로 상부는 직경 3 mm의 돔형, 하부는 평면형으로 가공되었습니다. 용접 조건은 용접 시간 5 ms, 전극 가압력 4 kgf로 고정하고, 용접 전류를 1.0 kA에서 2.0 kA까지 변화시키며 실험을 수행하였습니다. 가속도계는 상부 전극 홀더에 장착되어 용접 중 발생하는 모든 가속도 성분을 정밀하게 측정하였습니다.

Visual Data Summary

수집된 데이터 분석 결과, 용접 전류가 증가함에 따라 너겟의 크기가 커지는 것을 단면 사진을 통해 확인하였습니다. 1.3 kA 이하에서는 접합 계면만 살짝 붙는 ‘Stuck weld’ 현상이 관찰되었고, 이때의 변위 곡선은 매우 낮은 피크값을 보였습니다. 1.5 kA 내외에서는 적정 크기의 타원형 너겟이 형성되며 전형적인 변위 곡선 패턴을 나타냈으나, 1.8 kA 이상의 과도한 전류에서는 날림(Expulsion) 현상이 발생하며 변위 곡선이 급격히 하강하는 특징을 보였습니다.

Variable Correlation Analysis

전극 변위 곡선의 초기 상승률(Rate of rise)과 너겟 품질 지표 간의 상관관계를 분석하였습니다. 너겟 직경과 초기 상승률 사이에는 y = 3.1707x + 0.2216의 선형 관계가 성립하였으며, 너겟 용입 깊이와는 y = 8.7048x + 0.9224의 관계를 나타냈습니다. 이는 용접 초기의 전극 팽창 속도만으로도 최종 형성될 너겟의 크기를 상당히 정확하게 예측할 수 있음을 의미하며, 인프로세스 모니터링의 타당성을 뒷받침합니다.

Paper Details

가속도계를 이용한 마이크로스폿용접의 인프로세스 모니터링

1. Overview

• Title: 가속도계를 이용한 마이크로스폿용접의 인프로세스 모니터링
• Author: 장희석, 권효철
• Year: 2011
• Journal: 대한용접·접합학회지 (Journal of KWJS)

2. Abstract

본 연구는 미세 가속도계를 사용하여 마이크로 저항 스폿 용접 공정을 위한 인프로세스 모니터링 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다. 초소형 가속도계가 상부 가동 전극 팁 홀더에 장착되었다. 높은 감도와 주파수 응답 특성을 가진 가속도계 출력 신호가 성공적으로 기록되었으며, 마이크로 스폿 용접 공정 중 전극 팽창을 반영하기 위해 두 번 적분되었다. 전극 팽창 패턴 분석을 통해 스폿 용접 품질과의 상관관계를 찾고자 시도하였다. 대형 저항 스폿 용접 공정에서 전극 팽창 신호를 이용한 품질 평가와 관련된 주요 기존 연구 결과들이 이 인프로세스 모니터링 시스템에서도 유효함이 증명되었다.

3. Methodology

3.1. 시스템 구성: MSSPOT-2000 용접기와 PCB 352C65 가속도계를 결합하여 전극 가속도 측정 환경을 구축하였습니다.
3.2. 신호 처리: 가속도계의 아날로그 출력을 자체 설계한 하드웨어 이중 적분기에 입력하여 실시간 변위 신호를 생성하였습니다.
3.3. 실험 설계: Nickel 200 판재를 대상으로 전류 범위를 1.0~2.0 kA로 설정하여 반복 실험을 수행하고 너겟 단면을 분석하였습니다.
3.4. 데이터 분석: 변위 곡선의 초기 기울기, 최대 변위량 등을 추출하여 너겟 직경 및 용입 깊이와의 상관 계수를 산출하였습니다.

4. Key Results

가속도계를 이용한 변위 측정 시스템은 10μm 미만의 미세 거동을 30Hz 저역 통과 필터링을 통해 노이즈 없이 안정적으로 포착하였습니다. 적정 용접 조건(1.4~1.6 kA)에서 전극 변위 곡선은 이론적인 열팽창-매몰 모델과 일치하는 형태를 보였습니다. 너겟 직경이 커질수록 변위 곡선의 초기 상승률이 선형적으로 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났습니다. 또한, 용접 중 발생하는 날림 현상은 변위 곡선의 급격한 하락으로 나타나 실시간 불량 감지가 가능함을 확인하였습니다.

5. Mathematical Models

전극의 전체 거동은 다음과 같은 벡터 합으로 표현됩니다:
$$Electrode \ movement = thermal \ expansion – electrode \ embedding$$
가속도 신호($E_{IN}$)로부터 변위($E_0$)를 산출하는 이중 적분 모델은 다음과 같습니다:
$$E_0 = \frac{1}{(RC)^2} \int_0^t \int_0^t E_{IN} d^2t$$

Figure List

1. 전형적인 전극 거동 곡선 및 해석
2. 가속도계 장착 및 시스템 구성도
3. 이중 적분을 위한 하드웨어 회로도
4. 원본 가속도, 1차 적분(속도), 2차 적분(변위) 신호 비교
5. 다양한 용접 전류에 따른 동적 전극 변위 곡선
6. 용접 전류별 압흔(Indentation) 및 번 마크 사진
7. 용접부 단면 사진과 대응하는 전극 변위 곡선
8. 상승률과 너겟 직경 간의 상관관계 그래프
9. 상승률과 너겟 용입 깊이 간의 상관관계 그래프

References

1. Gedeon S. A. et al. (1987). Measurement of dynamic electrical and mechanical properties of resistance spot welding.
2. Dickinson D.W. et al. (1980). Characterization of spot welding behavior by dynamic electrical parameter monitoring.
3. IEEE Trans. Ind. Electron (1985). Microprocessor-based Electrode Movement Controller.
4. Chang H. S. (1989). In-process Monitoring and Control of Weld Nugget Geometry, Ph.D. Thesis, KAIST.
5. Lim T.G. et al. (1993). The Use of Neural Networks in the Monitoring of Spot Weld Quality.

Technical Q&A

Q: 마이크로 스폿 용접에서 가속도계를 사용하는 이유는 무엇입니까?

마이크로 스폿 용접에서의 전극 변위는 보통 10μm 미만으로 매우 작아 일반적인 LVDT나 광학 엔코더로는 정밀하게 측정하기 어렵습니다. 가속도계는 저비용이면서도 가볍고 감도가 매우 높아 전극 헤드의 미세한 가속도 변화를 민감하게 포착할 수 있습니다. 이를 이중 적분하면 고해상도의 변위 데이터를 얻을 수 있어 미세 공정 모니터링에 적합합니다.

Q: 전극 변위 곡선에서 ‘초기 상승률’이 갖는 의미는 무엇입니까?

초기 상승률은 용접 전류 인가 직후 발생하는 재료의 열팽창 속도를 나타냅니다. 이는 입열량 및 초기 너겟 형성 속도와 직접적인 관련이 있습니다. 본 연구에서는 이 상승률이 최종 너겟의 직경 및 용입 깊이와 강한 선형 상관관계를 가짐을 확인하였으며, 이를 통해 용접 완료 전이라도 품질을 예측할 수 있는 지표로 활용 가능함을 제시하였습니다.

Q: 용접 중 발생하는 ‘날림(Expulsion)’ 현상은 신호에 어떻게 나타납니까?

과도한 입열로 인해 용융 금속이 비산하는 날림 현상이 발생하면, 지지하던 재료의 부피가 급격히 줄어들면서 전극이 순간적으로 하강하게 됩니다. 가속도계 기반의 변위 곡선에서는 완만하게 상승하거나 유지되던 신호가 갑자기 마이너스 값으로 뚝 떨어지는 급격한 단차 형태로 나타나며, 이는 시스템에서 즉각적인 불량 신호로 감지될 수 있습니다.

Q: 동적 저항 모니터링과 비교했을 때 전극 변위 모니터링의 장점은 무엇입니까?

동적 저항은 너겟 형성을 간접적으로 나타내는 전기적 지표인 반면, 전극 변위는 열팽창, 용융, 소성 변형 등 너겟 형성의 물리적 과정을 직접적으로 반영하는 기계적 지표입니다. 전극 변위 신호는 용접부의 온도 변화와 기계적 거동 정보를 동시에 포함하고 있어, 복합적인 열-전기-기계적 공정인 저항 용접의 품질을 보다 직관적이고 정밀하게 평가할 수 있습니다.

Q: 가속도계 설치가 용접 공정 자체에 영향을 미치지는 않습니까?

본 연구에서 사용된 가속도계는 초소형 및 경량 모델로, 전극 홀더의 동적 특성이나 가압 시스템의 거동에 미치는 영향이 거의 없습니다. 또한 비접촉식 센서인 레이저 변위계에 비해 설치가 간편하고 환경 노이즈에 강하며, 용접 전극의 실제 움직임을 직접 측정하므로 공정 간섭 없이 안정적인 데이터 수집이 가능합니다.

Conclusion

본 연구는 가속도계를 활용한 마이크로 저항 스폿 용접의 새로운 인프로세스 모니터링 방법을 성공적으로 제안하였습니다. 가속도 신호의 이중 적분을 통해 얻은 전극 변위 곡선은 너겟의 성장 과정을 정밀하게 묘사하였으며, 특히 곡선의 초기 상승률이 너겟 품질을 결정짓는 핵심 파라미터임을 규명하였습니다. 이 시스템은 단순하고 경제적이면서도 높은 신뢰성을 제공하여, 정밀 전자 부품의 대량 생산 라인에서 실시간 품질 보증을 위한 효과적인 솔루션이 될 것으로 기대됩니다.

Source Information

Citation: 장희석, 권효철 (2011). 가속도계를 이용한 마이크로스폿용접의 인프로세스 모니터링. 대한용접·접합학회지 제29권 제1호.

DOI/Link: Not described in the paper

Technical Review Resources for Engineers:

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