제품해설②
너트 프로젝션 용접 모니터링 시스템
너트 프로젝션 용접 모니터링 시스템(Nut Projection Welding Monitoring System)은 전압·전류·저항·가압력·입열량 등의 평가인자를 통해 불량품을 선별하여 용접 품질을 확보하는 데 목적을 두고 화신이 지난해에 개발했다. 이 시스템은 현재 경북 영천에 있는 화신 봉동공장 프로젝션 라인에 모니터링 9대와 랙 2대가 설치되어 운용 중이다. 오는 4월에는 화신 미국법인에 2대가 설치될 예정이다.
서형준 화신 생산연구팀 주임
프로젝션 용접법 특징
프로젝션 용접이라고 하면, 용접하려고 하는 금속판의 한쪽 또는 양쪽에 돌기 부분을 만들어 놓고 압력을 가하면서 전류를 통하면 전류와 압력이 집중하게 되어 집중열이 발생하게 되는데 그 열로 용접하는 것을 말한다. 이때 전극은 평평한 것을 사용하며 스포트 용접과 같은 방법으로 전류를 통하고 용접한다. 그러므로 이것은 스프트 용접의 일종이라고도 볼 수 있다.
프로젝션 용접을 하면 돌기부가 가열되어 그 형상이 변화하면서 용접 면적이 증가되므로 과열되는 일이 적다. 열용량이 너무 심하게 변하는 엷은 판과 두꺼운 판을 용접할 때에는 두꺼운 판재를 프로젝션 가공하여 엷은 판과 같이 용접할 수 있다. 프로젝션 가공의 높이는 대체로 판재의 약 1/3 정도로 한다.
프로젝션 용접법은 크게 5가지 특징을 지닌다.
· 열용량의 차이가 많은 서로 다른 금속의 접합에서도 좋은 열평형이 얻어진다.
· 동시에 수 개의 용접이 가능하고 작업 속도가 빠르다.
· 전극의 수명이 길고 작업 능률이 높다.
· 점 사이의 거리가 작은 스포트 용접이 가능하다.
· 작은 용접점이 높은 신뢰도 아래서 쉽게 얻어진다.
이러한 장점으로 전기 기구, 자동차 부품 등의 제작에 널리 쓰인다. 또한 프로젝션 용접은 스포트 용접의 전극부를 개조하여 그대로 사용할 수도 있으나 일반적으로 동시에 다점 용접용으로 설계되고 전극 가압 면적이 넓기 때문에 가압력과 출력도 그것에 따라 크게 된다.
주요 기능
현재 너트 프로젝션 용접은 릴레이와 타이머를 결합하고 배션을 통하여 제어를 하고 있다. 일종의 방오(Pool proof)장치를 꾸며 생산량, 팁드레싱 주기, 팁교환 주기, 타점누락 등을 표시한다. 또한 너트 프로젝션에서 가장 중요한 전류, 가압력, 통전시간 등을 주기적(예를 들어 1주에 한번)으로 체크한다. 따라서 이러한 부분들이 실시간으로 변했을 시 용접 불량(너트 분리 등)이 발생할 가능성이 있으며, 이를 인지하지 못하여 불량품이 납품되어 고객의 클레임이 발생하는 경우가 있다.
화신은 이러한 문제를 해결하고자 실시간 모니터링 시스템 개발에 착수했다. 화신의 너트 프로젝션 용접 모니터링 시스템은 기존 방오장치의 기능에 불량 판정 기능을 추가했다. 불량 판정 시 장비가 정지되며 불량과 관계된 사항을 조치한 후 이상해제 버튼을 누르면 장비가 작동하도록 했다.
메인 화면 내에 이미지 사진·계열·기준값·타점수·품명·품번·차종·재질 등의 정보가 디스플레이 되므로 기존 아이템을 변경할 때마다 작업표준을 바꿔 달아야 하는 번거로움도 간편하게 바뀌었다.
또한 보통 계열이라고도 표현을 하는데, 계열마다 전류값, 트랜스버, 싸이클 등의 기준 조건을 저장하여 계열신호를 조합해 용접기에 신호를 준다. 기존에는 로터리 스위치를 사용하여 신호를 조절했는데, 이 방식은 작업 시 아이템에 맞는 계열을 일일이 스위치를 돌려가며 맞춰야 한다. 이러한 불편함을 없애고자 차종과 아이템 선택 시 자동으로 계열신호를 출력해주도록 설계했다.
또한 전류·전압·압력·저항·입열량 등의 제품 데이터를 PC에 저장함으로써 불량이 발생했을 시 이력관리 및 불량추이를 확인할 수 있도록 했다. 3000타점을 하루에 작업한다면 26일/월 기준으로 20년 이상의 데이터를 저장할 수 있는 능력이 된다.
데이터 조회 시 CP-CPK(공정 능력 지수)를 자동으로 계산하여 그래프로 보여주며, 검색되는 값을 클릭했을 때 전류전압·저항·입열량 등의 파형을 표시해줌으로써 불량 원인을 찾는 데 도움을 준다(그림 2). 동일 불량이 연속해서 발생할 경우, 그 횟수를 지정하여 관리자 PC로 메시지를 보냄으로써 관리자가 불량이 발생하고 있다는 것을 사무실에서 확인할 수 있다.
불량 판정 알고리즘으로 불량률 사전 차단
너트 프로젝션 용접의 경우 외부의 요인으로 인한 불량을 잡기란 상당히 어렵다. 전류, 가압력, 통전시간을 정상적으로 주었음에도 불구하고 너트 분리가 발생한다. 외부에서의 이물질 침투, 돌기 높이 산포, 전극 상태, 너트와 피용접물과의 편평도(갭) 등의 요인으로 인해 불량(너트 분리)이 발생한다.
용접기의 고장이나 전력의 문제가 발생한다면 당연히 불량을 잡을 수 있지만, 위와 같은 외부 요인이 발생했을 경우는 측정된 전류·전압·가압력·저항·입열량 등 조건의 범위 설정 알고리즘으로는 한계가 있다.
그래서 개발한 것이 실시간 저항 기울기 및 저항 변동비의 알고리즘이다(그림 2). 보통 전류나 전압 파형은 일정한 형태를 띠지만, 외부 이물질의 침투로 고유저항이 달라졌을 경우나 용접기 자체적인 문제로 파형이 급격히 변하는 경우에 문제가 발생될 가능성이 있다.
저항은 전압/전류이므로 임의의 두 점을 정하고 그 두 점에서의 저항값을 구하여 그 기울기에 큰 변화가 있을 경우 파형이 급상승/하락한 것으로 생각하여 불량이 발생했다고 볼 수 있다.
저항 변동비의 경우 한 주기당 일정 수의 샘플링을 통해 구한 각각의 저항값들이 일정값 이하로 변하였을 시 불량으로 판단한다.
