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문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 동저항 특성을 활용하여 양질의 용접상태를 확보하기 위한 제어기법을 제시하고자 한다. 5,000 A급 2 kHz의 스위칭 주파수를 가지는 저항 용접 인버터 전원장치를 구성한 후 제어용 MPU인 Cortex M3를 사용하여 0.
- 본 논문에서는 저항 점용접의 용접 품질을 향상시키기 위한 새로운 제어기법을 제안하였다. 실제 산업현장에서 사용되고 있는 저항 스폿 용접의 80 % 이상이 정전류 제어기법을 사용하고 있는데 정전류 제어기법의 경우 용접의 3대 조건이 충족되는 조건에서는 양호한 용접상태를 얻을 수 있으나 외부 요인에 의해 모재의 접촉부 저항이 변하면 용접 상태도 영향을 받는다.
제안 방법
- 2 mm로 설정 하였다. 3절에서 기술한 바와 같이 용접의 3 대 조건인 용접전류, 통전시간, 가압력을 조절하여 너깃 크기가 3.2 mm일 경우의 동저항 파형을 최적의 파형으로 결정하고 동저항 파형에서 용접전압과 너깃이 성장하기 시작하는 시점을 계산한 후 실험하였다.
- 본 논문에서는 이러한 동저항 특성을 활용하여 양질의 용접상태를 확보하기 위한 제어기법을 제시하고자 한다. 5,000 A급 2 kHz의 스위칭 주파수를 가지는 저항 용접 인버터 전원장치를 구성한 후 제어용 MPU인 Cortex M3를 사용하여 0.5 mm 두께의 강판 시편을 대상으로 한 실험을 통해 최적의 동저항 파형을 얻었다. 실제 현장에서 발생 가능한 용접 품질에 영향을 미치는 외부 요인을 임의로 발생시키기 위하여 용접용 가압장치를 제작하여 가압력을 변화시킴으로서 접촉저항에 변화를 주었다.
- 모재에 압력을 가하는 가압장치의 전극에서 검출된 모재 양단의 전압을 피드백하여 정전압이 되도록 하였으며 제어기는 일반적인 PI제어기를 사용하였다. 또한 정전류 제어 모드에서의 정전류 기준값도 그림 6의 동일한 시점에서의 전류값이 되며 PI제어기를 사용하여 전류제어가 되도록 하였다.
- 즉, 정전압 제어 모드에서의 정전압 기준값은 그림 6의 화살표로 나타내는 시점에서의 전압값이 된다. 모재에 압력을 가하는 가압장치의 전극에서 검출된 모재 양단의 전압을 피드백하여 정전압이 되도록 하였으며 제어기는 일반적인 PI제어기를 사용하였다. 또한 정전류 제어 모드에서의 정전류 기준값도 그림 6의 동일한 시점에서의 전류값이 되며 PI제어기를 사용하여 전류제어가 되도록 하였다.
- 5 mm 두께의 강판 시편을 대상으로 한 실험을 통해 최적의 동저항 파형을 얻었다. 실제 현장에서 발생 가능한 용접 품질에 영향을 미치는 외부 요인을 임의로 발생시키기 위하여 용접용 가압장치를 제작하여 가압력을 변화시킴으로서 접촉저항에 변화를 주었다. 이러한 변화에도 불구하고 제안된 기법으로 용접한 후 용접부의 상태가 균일하게 용접됨을 확인함으로써 본 논문에서 제안된 기법의 타당성을 증명하였다.
- 실제 현장에서 발생하는 다양한 외부 요인을 임의로 만들기 위해 접촉저항이 변하도록 하였는데 모재 사이의 접촉저항에 변화를 주기 위해 최적의 접촉저항일 경우에는 가압력을 75 kg, 접촉저항을 감소시킨 경우에는 95 kg, 접촉저항을 증가시킨 경우에는 60 kg으로 변화시켜 총 여섯 가지 경우로 나누어 실험하였으며 재현성을 알아보기 위해 각각 동일 조건에서 3 번 반복 실험하였다. 형성된 너깃 크기는 모재를 분리해 버니어캘리퍼스로 측정한 후 용접부를 사진촬영 하였으며 용접부 파형은 전류, 전압, 그리고 동저항 파형을 나타내었다.
- 실험은 기존의 정전류 제어와 제안된 제어기법 두 가지 경우로 구분하여 수행하였으며 그 결과를 비교하였다.
- 제안된 제어기법은 통전 전반부에는 접촉저항의 변화에 따라 적절한 전류를 흘릴 수 있는 정전압 제어를 적용하고, 통전 후반부에는 안정되게 너깃이 성장하게 하는 정전류 제어를 적용함으로서 각각의 장점만을 취한 것이다. 제어를 바꾸는 시점은 그림 6의 화살표로 나타낸 바와 같이 최적의 동저항 파형에서 저항이 증가하다가 감소하는 시점인 너깃이 성장하기 시작하는 시점이 된다.
- 제안된 제어기법을 적용하기 위해 이 시점 이전까지는 접촉저항이 변화하여도 적절한 용접전류가 흐르게 하려고 최적의 용접 파형에서 계산된 전압이 일정하게 모재에 걸리도록 저항 용접 인버터 전원장치를 제어하고 이후에는 이 시점에서 흐르는 전류가 유지되도록 제어하여 정전압 제어에서 발생하는 후기 날림을 억제하여 안정되게 너깃이 성장하게 제어하였다.
- 제안된 제어기법의 타당성을 증명하기위해 그림 2와 같이 용접 시스템을 구성하여 다양한 실험을 하였다.
- 그림 2의 C부분은 제어부를 나타낸다. 제어용 MPU인 Cortex M3의 PWM 모듈을 사용하여 저항 용접 인버터 전원장치의 출력을 제어하고 A/D 모듈을 사용하여 용접전류, 용접전압, 동저항을 계측한 후 데이터를 이더넷 통신을 통해 제어 및 계측 프로그램이 실행되고 있는 컴퓨터로 전송한다. 그림 4는 실제로 제작된 저항 용접 제어기 및 계측장치의 외관 사진이다.
- 실제 현장에서 발생하는 다양한 외부 요인을 임의로 만들기 위해 접촉저항이 변하도록 하였는데 모재 사이의 접촉저항에 변화를 주기 위해 최적의 접촉저항일 경우에는 가압력을 75 kg, 접촉저항을 감소시킨 경우에는 95 kg, 접촉저항을 증가시킨 경우에는 60 kg으로 변화시켜 총 여섯 가지 경우로 나누어 실험하였으며 재현성을 알아보기 위해 각각 동일 조건에서 3 번 반복 실험하였다. 형성된 너깃 크기는 모재를 분리해 버니어캘리퍼스로 측정한 후 용접부를 사진촬영 하였으며 용접부 파형은 전류, 전압, 그리고 동저항 파형을 나타내었다.
대상 데이터
- 본 논문에 사용된 모재의 두께는 0.5 mm이며 냉간압연 강판을 사용하였다. 전극은 도전율 75 %이상인 크롬동을 사용하였으며 형상은 직경이 13 mm, 선단경이 6 mm인 DR형의 전극을 사용하였다.
- 전극은 도전율 75 %이상인 크롬동을 사용하였으며 형상은 직경이 13 mm, 선단경이 6 mm인 DR형의 전극을 사용하였다. 용접 시험편은 KS B 8051에 있는 시험편의 모양과 치수 규정에 따라 제작하였으며 구체적인 모양과 치수는 그림 7에 나타내었다.
- 5 mm이며 냉간압연 강판을 사용하였다. 전극은 도전율 75 %이상인 크롬동을 사용하였으며 형상은 직경이 13 mm, 선단경이 6 mm인 DR형의 전극을 사용하였다. 용접 시험편은 KS B 8051에 있는 시험편의 모양과 치수 규정에 따라 제작하였으며 구체적인 모양과 치수는 그림 7에 나타내었다.
성능/효과
- 우선 그림 1의 동저항 파형의 형성원리를 활용하여 용접의 3대 조건인 용접전류, 통전시간, 가압력을 적절히 변화시켜가면서 최적의 용접 상태를 찾아야 한다. 0.5 mm 두께의 강판을 모재로 하여 용접 전류는 50 A, 통전시간은 10 ms, 가압력은 5 kg의 구간으로 변화시켜가면서 최적의 용접상태를 찾은 결과 각각 3750 A, 100 ms, 75 kg의 데이터를 얻을 수 있었다.
- 5 %에 달할 정도로 심각하다. 그러나, 제안된 제어기법으로 동일한 가압력 조건에서 실험한 결과 너깃 크기는 불과 2.1 %(3.05 mm) 밖에 변하지 않았다. 이는 제안된 제어기법이 정전류 제어기법에 비하여 용접 품질의 안정도를 10 배 이상 증가시켰음을 의미한다.
- 실제 산업현장에서 사용되고 있는 저항 스폿 용접의 80 % 이상이 정전류 제어기법을 사용하고 있는데 정전류 제어기법의 경우 용접의 3대 조건이 충족되는 조건에서는 양호한 용접상태를 얻을 수 있으나 외부 요인에 의해 모재의 접촉부 저항이 변하면 용접 상태도 영향을 받는다. 실험 결과 가압력을 정상치(75 kg)의 -20 %(60 kg)와 +27 %(95 kg)로 변화시킨 결과 용접 상태를 나타내는 너깃 크기는 정상 평균값 3.117 mm에 비해 각각 8.13 %(3.37 mm), -13.4 %(2.7 mm) 변하였다. 즉, 너깃 크기의 변동은 무려 21.
- 실제 현장에서 발생 가능한 용접 품질에 영향을 미치는 외부 요인을 임의로 발생시키기 위하여 용접용 가압장치를 제작하여 가압력을 변화시킴으로서 접촉저항에 변화를 주었다. 이러한 변화에도 불구하고 제안된 기법으로 용접한 후 용접부의 상태가 균일하게 용접됨을 확인함으로써 본 논문에서 제안된 기법의 타당성을 증명하였다.
- 117 mm이다. 접촉저항을 감소시켰음에도 불구하고 기존 방식과는 달리 너깃 크기가 KS B 8050의 규정값인 3.2 mm에 근접함을 알 수 있고 통전 초기의 높은 접촉저항에 반비례하여 전류가 경사를 가지고 증가하여 초기 날림을 억제했으며 동저항 파형의 변화도 정전류 제어의 경우와 달리 제안된 제어기법의 다른 용접파형과 비슷하게 일어남을 알 수 있다.
- 367 mm이다. 접촉저항의 증가로 인해 너깃 크기가 증가하였고 동저항 파형의 변화도 최적의 동저항 파형보다 심하게 일어남을 알 수 있으며 통전 종료 부분의 동저항 파형의 변화가 거의 없는 것으로 보아 통전을 시작하고 90 ms 이후에는 더 이상 너깃이 성장하지 않았음을 알 수 있다. 그림 9와 10을 통해 알 수 있듯이 용접 중 외부 요인으로 인하여 접촉저항이 변하면 너깃 크기도 변해서 양질의 용접상태를 확보하기 어렵다.
- 접촉저항이 증가하였음에도 불구하고 정전류 제어의 경우와 비교하여 너깃 크기의 변화가 적음을 알 수 있으며 동저항 파형의 변화도 제안된 제어기법의 다른 용접파형과 비슷하게 일어남을 알 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서 제안된 새로운 제어기법은 저항 점용접시 외부 요인에 의해 모재의 접촉부 저항이 변화하더라도 용접 품질을 안정적으로 확보할 수 있어서 실제 산업 현장에서도 효과적으로 사용될 것으로 기대된다.
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