Monitoring of selected welding process parameters and spot welds quality
본 보고서는 저항 점 용접 공정에서 전극 마모가 용접부의 기계적 강도 및 너깃 형성에 미치는 영향을 실시간 모니터링 기술을 통해 분석한 연구 결과를 담고 있습니다. 특히 Al-Si 코팅 강판 용접 시 발생하는 동적 저항 및 전압 변화를 정량화하여 산업 현장에서의 품질 제어 가능성을 검토합니다.
본 연구는 WBLP40 공압식 저항 용접기와 MM-356B 모니터링 장치를 결합하여 실시간 용접 데이터를 수집하는 시스템을 구축하였습니다. M524 디지털 오실로스코프를 통해 용접 중 발생하는 전류 및 전압 파형을 고해상도로 기록하였으며, 이를 Excel 기반의 전용 분석 소프트웨어로 처리하여 SU(전압 면적) 및 SR(저항 면적) 파라미터를 산출하는 방법론을 적용하였습니다. 실험은 0.8mm 두께의 Al-Si 코팅 강판을 대상으로 수행되었으며, 전극 마모에 따른 품질 변화를 추적하기 위해 총 401회의 연속 용접 실험을 실시하였습니다.
Key Findings
실험 결과, 전극 마모가 진행됨에 따라 전극의 작업면 직경이 초기 4.5mm에서 최대 5.8mm까지 증가하였으며, 이는 전류 밀도의 급격한 저하를 초래하였습니다. 용접 너깃의 직경은 초기 4.5mm 수준에서 점차 감소하여 200회 용접 이후에는 품질 기준에 미달하는 경향이 관찰되었습니다. 통계적 분석을 통해 SU 및 SR 파라미터가 용접부의 최대 전단 하중 및 너깃 직경 변화와 0.9 이상의 높은 상관관계를 가짐을 확인하였으며, 이를 통해 비파괴적인 실시간 품질 판정이 가능함을 입증하였습니다.
저항 점 용접의 단계별 공정
Industrial Applications
이 연구 결과는 자동차 생산 라인의 자동화된 용접 공정에서 실시간 품질 감시 시스템으로 활용될 수 있습니다. 전극의 마모 상태를 실시간으로 진단하여 용접 파라미터를 자동으로 보정하거나, 최적의 전극 교체 시점을 예측함으로써 용접 불량률을 획기적으로 낮출 수 있습니다. 또한, 고가의 코팅 강판 사용 시 공정 안정성을 확보하여 생산 효율성을 높이고 재작업 비용을 절감하는 데 기여할 수 있습니다.
Theoretical Background
저항 용접의 열 발생 원리
저항 용접에서 발생하는 열량(Q)은 Joule-Lenz의 법칙에 의해 결정됩니다. 이는 용접 전류의 제곱, 회로의 총 전기 저항, 그리고 전류가 흐르는 시간의 곱으로 정의됩니다. 총 저항은 전극과 피재 사이의 접촉 저항, 피재 자체의 고유 저항, 그리고 피재 간의 접촉 저항의 합으로 구성됩니다. 용접 공정 초기에는 접촉 저항이 지배적이지만, 온도가 상승함에 따라 소재의 고유 저항이 증가하고 접촉 저항은 소멸하는 동적인 특성을 보입니다. 이러한 열 에너지는 소재를 국부적으로 용융시켜 너깃(Nugget)을 형성하는 원동력이 됩니다.
동적 저항 및 공정 모니터링 파라미터
용접 공정 중 실시간으로 변화하는 저항인 동적 저항(Dynamic Resistance)은 용접부의 형성 과정을 반영하는 중요한 지표입니다. 본 연구에서는 전압 곡선 아래의 면적을 적분한 SU(Voltage Area)와 저항 곡선 아래의 면적을 적분한 SR(Resistance Area) 파라미터를 도입하였습니다. 이 파라미터들은 단순한 피크 값보다 용접 에너지 투입량과 소재의 야금학적 변화를 더 정확하게 나타냅니다. 특히 전극 마모로 인해 접촉 면적이 변하면 동적 저항 곡선의 형태가 달라지므로, SU와 SR 값의 추이를 분석하여 용접 품질의 건전성을 정량적으로 평가할 수 있습니다.
Results and Analysis
Experimental Setup
실험에는 0.8mm 두께의 Al-Si 코팅 강판(fal 1)과 Cu-Cr 합금 재질의 G16 x 20 규격 전극 캡이 사용되었습니다. 용접 장비는 WBLP40 공압식 저항 용접기를 사용하였으며, 용접력 2250N, 용접 시간 8주기(50Hz), 용접 출력 50%의 고정 파라미터를 설정하였습니다. 데이터 수집을 위해 MM-356B 모니터링 장치와 M524 디지털 오실로스코프를 연동하여 매 용접 시마다 전압 및 전류 파형을 기록하고 분석 소프트웨어로 전송하였습니다.
Visual Data Summary
수집된 파형 데이터 분석 결과, 전극 마모가 진행됨에 따라 전압 강하 폭이 줄어들고 동적 저항의 피크 값이 낮아지는 현상이 관찰되었습니다. 현미경을 이용한 너깃 관찰 결과, 초기 용접부에서는 4.5mm 이상의 건전한 너깃이 형성되었으나, 전극 마모가 심화된 300회 이후에는 너깃 직경이 3.0mm 이하로 급격히 감소하거나 불완전한 용융 상태를 보였습니다. 이는 전극 작업면의 확대로 인한 전류 밀도 저하가 시각적으로 입증된 결과입니다.
Variable Correlation Analysis
전극의 마모 상태(접촉 면적)와 용접 품질 지표 사이의 상관관계를 분석한 결과, 전극 면적이 넓어질수록 SU 및 SR 파라미터 값이 감소하는 경향을 보였습니다. 특히 SR 파라미터는 용접부의 최대 전단 하중 변화와 매우 높은 일치성을 나타냈습니다. 이는 실시간으로 계산되는 SR 값을 통해 파괴 시험 없이도 용접부의 기계적 강도를 예측할 수 있음을 의미하며, 공정 중 품질 편차를 감시하는 핵심 변수로서의 유효성을 확인하였습니다.
Paper Details
Monitorování vybraných parametrů svařovacího procesu a kvalita odporových bodových svarů
1. Overview
Title: Monitoring of selected welding process parameters and spot welds quality
Author: Michal Krejbich
Year: 2009
Journal: Technical University of Liberec (Diploma Thesis)
2. Abstract
본 학위 논문은 용접 공정 중 전극의 열화를 유발하는 주요 요인들과 점 용접의 최종 품질 사이의 관계를 관찰하는 데 중점을 둡니다. 저항 용접 방법의 특성과 물리적 원리가 본문에 기술되어 있습니다. 주요 용접 파라미터와 이것이 저항 용접 품질에 미치는 영향뿐만 아니라, 파괴 및 비파괴 시험을 통한 점 용접 품질 평가 방법이 설명됩니다. 본 연구의 목적은 용접 직후 획득한 데이터를 즉시 처리하여 다음 용접이 이루어지기 전에 용접 파라미터를 보정할 수 있는 방법론을 개발하는 것입니다. 이를 위해 시간에 따른 동적 전류 흐름과 전압을 모니터링할 수 있는 실험용 소프트웨어가 설계되었습니다.
Obr. 13: Svarovací program s jedním impulsem [2]
3. Methodology
3.1. 실험 재료 및 전극 준비: 0.8mm 두께의 Al-Si 코팅 강판(fal 1)과 Cu-Cr 합금 재질의 G16 x 20 전극 캡을 준비하고 초기 상태를 기록함. 3.2. 용접 시스템 및 모니터링 장치 구축: WBLP40 용접기에 MM-356B 모니터링 장치와 M524 디지털 오실로스코프를 연결하여 실시간 데이터 수집 환경을 조성함. 3.3. 용접 파라미터 설정 및 실험 수행: 용접력 2250N, 용접 시간 8주기, 출력 50%의 조건으로 총 401회의 점 용접을 수행하며 전극 마모를 유도함. 3.4. 데이터 처리 및 품질 분석: 수집된 전압 및 전류 데이터를 Excel 분석 프로그램을 통해 SU 및 SR 파라미터로 변환하고, 전단 시험 및 박리 시험을 통해 기계적 강도와 너깃 직경을 측정함.
4. Key Results
전극 마모가 진행됨에 따라 전극의 작업면 직경이 초기 4.5mm에서 실험 종료 후 최대 5.8mm까지 증가하였으며, 이는 전류 밀도의 감소로 이어졌습니다. 용접 너깃의 직경은 초기 4.5mm 수준에서 점차 감소하여 200회 이후에는 품질 기준에 미달하는 경우가 발생하였습니다. 전단 시험 결과, 최대 파단 하중은 너깃 직경의 감소와 직접적인 상관관계를 보였으며, SU 및 SR 파라미터는 용접 품질의 변화를 0.9 이상의 높은 상관계수로 추적할 수 있음을 확인하였습니다. 특히 SR(저항 면적) 파라미터는 전극 마모 상태를 진단하는 데 매우 효과적인 지표로 판명되었습니다.
NEUMANN, H.: Sledování a řízení svařovacího procesu při 점 용접, 1990.
PLÍVA, L.: Odporové svařování v praxi, 1963.
Technical Q&A
Q: 전극 마모가 용접 너깃 형성에 미치는 구체적인 영향은 무엇인가?
전극 끝단의 마모로 인해 피재와의 접촉 면적이 넓어지면, 동일한 전류가 흐르더라도 단위 면적당 전류 밀도가 낮아집니다. 이로 인해 발생하는 열량이 줄어들어 용융부인 너깃의 크기가 작아지거나 제대로 형성되지 않는 ‘냉간 용접(Cold weld)’ 현상이 발생할 수 있습니다. 본 연구에서는 401회의 용접을 통해 전극 면적이 약 30% 증가할 때 너깃 직경이 약 25% 감소함을 정량적으로 확인하였습니다.
Q: Al-Si 코팅 강판 용접 시 발생하는 주요 문제점은 무엇인가?
Al-Si 코팅층은 강판 표면의 접촉 저항을 변화시키며, 용접 중 전극과 반응하여 전극 표면에 합금층을 형성합니다. 이는 전극의 마모를 가속화하고 동적 저항 곡선의 변동성을 높여 일관된 용접 품질 유지를 어렵게 만듭니다. 특히 코팅 성분이 전극으로 전이되면서 전기 전도도를 낮추고 열 축적을 유발하여 전극 수명을 단축시키는 원인이 됩니다.
Q: 본 연구에서 제안한 SU 및 SR 파라미터의 장점은 무엇인가?
SU(Voltage Area)와 SR(Resistance Area)은 용접 공정 전체의 에너지 투입량과 저항 변화를 적분하여 수치화한 값입니다. 단일 시점의 피크 데이터보다 용접부의 기계적 강도와 상관관계가 훨씬 높으며, 알고리즘을 통해 실시간으로 계산이 가능하여 즉각적인 공정 제어에 유리합니다. 이를 통해 용접 중 발생하는 미세한 공정 변동을 감지하고 품질 불량을 사전에 차단할 수 있습니다.
Q: 실험에 사용된 전극의 재질과 형상은 어떠한가?
Cu-Cr(구리-크롬) 합금 재질의 G16 x 20 규격 전극 캡을 사용하였습니다. 초기 작업면 직경은 4.5mm이며, 선단 각도는 15도, 곡률 반경은 40mm인 형상을 채택하여 표준적인 점 용접 환경을 조성하였습니다. 이 재질은 높은 전기 전도도와 기계적 강도를 동시에 갖추고 있어 자동차 산업에서 널리 사용되지만, 코팅 강판 용접 시 표면 합금화에 취약한 특성이 있습니다.
Q: 품질 평가를 위해 실시한 파괴 시험의 종류와 목적은?
용접부의 기계적 성능을 확인하기 위해 전단 시험(Shear test)과 박리 시험(Peel test)을 실시하였습니다. 전단 시험을 통해 최대 파단 하중을 측정하여 구조적 건전성을 평가하였고, 박리 시험을 통해 실제 형성된 너깃의 직경과 파단 형태(계면 파단 또는 플러그 파단)를 분석하였습니다. 이러한 파괴 시험 데이터는 모니터링 시스템에서 수집된 비파괴 데이터의 신뢰성을 검증하는 기준점으로 사용되었습니다.
Conclusion
본 연구는 저항 점 용접 공정에서 전극 마모가 품질에 미치는 영향을 실시간 모니터링 시스템을 통해 정량적으로 분석하였습니다. Al-Si 코팅 강판 용접 시 전극 마모에 따른 전류 밀도 저하가 품질 저하의 핵심 원인임을 규명하였으며, SU 및 SR 파라미터를 활용한 새로운 품질 평가 모델을 제시하였습니다. 실험을 통해 구축된 데이터베이스는 용접 횟수에 따른 품질 변화를 정확히 예측할 수 있음을 보여주었습니다. 향후 이 시스템을 실제 생산 현장에 적용할 경우, 용접 불량률 감소와 전극 수명 관리의 효율성을 크게 향상시켜 자동차 제조 공정의 스마트화를 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다.
Source Information
Citation: Michal Krejbich (2009). Monitoring of selected welding process parameters and spot welds quality. Technical University of Liberec.
![Obr. 13: Svarovací program s jedním impulsem [2]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-1702.webp)
