The spot welding process has been used extensively for joining of sheet metal, which is subject to many process parameter variation and is a good plant for an active process control.
Among many variables associated with the welding process, electrode movement and dynamic resistance were examined for quality monitoring and control. Since the electrode movement is a mechanical response of the process, it was found to be more indicative of the weld quality and more adequate for weld quality control. And the correlation between the electrode movement and the weld quality was investigated by a series of experiment.
The shunt effect and the electrode wear which have been a long-standing process disturbance were studied to examine their effects on the weld quality in connection with the electrode movement variable. Especially, numerical model was developed to predict the shunt effect and the electrode wear phenomenon was investigated by a series of extensive experiments.
This study presents a conventional PI feedback control system that utilizes the electrode movement as a feedback signal. The control algorithm was implemented to the actual spot welder with a micro-computer for real-time process control. The performance of this control system was evaluated through real-time compensation of the shunt effect and the electrode wear.
Self-learning control of the welding process was also developed for more intelligent welding control system and its advantage over the conventional feedback control system was experimentally evaluated and discussed in detail.
저항 점 용접은 금속판을 포개어 놓고 순간적으로 매우 큰 전류를 통했을때 금속판의 접촉저항으로 발생하는 열에 의해 접촉부분이 녹아서 용융지(nugget)가 형성되며 접합되는 용접공정이다. 저항 점 용접공정은 생산성이 다른 용접공정에 비해 높고 잔류응력 상태가 양호한 장점이 있으나 극히 짧은 시간(약 0.1-0.6초)에 수 kA 정도의 큰 전류가 흐르면서 접촉저항에 의해 용접이 되므로 관련된 용접변수의 미세한 변화가 외란 (disturbance)으로 작용하여 용접질이 현저하게 변하고 또한 이러한 현상을 쉽게 확인 할 수 없는 단점이 있다.
현재 산업현장에서는 용접시행 전에 미리 금속판의 재질, 두께등의 용접조건에 따라 용접변수를 미리 조정하는 방식이 대부분 사용되고 있으나 실제 용접공정 도중에 발생하는 여러 외란효과 때문에 균일한 용접질을 보장할 수 없는 문제가 생산성 향상을 위한 용접 자동화 작업에 커다란 장애요인이 되고 있다. 외란효과 중에서 일반적으로 전극마모 현상과 shunt effect (분류효과)가 가장 심각한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
이러한 외란효과를 용접도중 감지하려면 용접공정을 잘 나타내주는 용접변수가 필수적이나 아직까지 용접변수를 외란효과와 용접질의 정량적 상관관계에 중점을 둔 관점에서 연구한 사례는 그리 많지 않다. 본 연구의 제 2장에서는 전극분리 현상(electrode movement)과 동 저항(dynamic resistance)을 용접변수로서 채택 할 경우 각 용접변수와 용접질의 정량적인 상관 관계를 실험을 통하여 구했고 또한 용접 공정제어의 관점에서 적합성을 비교 검토하여 전극분리 현상이 보다 우수한 변수임을 밝혔다.
제 3장에서는 shunt effect 가 용접질에 미치는 영향을 3차원 유한차분 모델에 의해 수치적 계산으로 규명한 결과 용접되는 위치가 이미 용접된 용융지에 근접할 수록 용접전류가 분류(shunt)되는 현상이 심해지고 용접전류의 밀도가 낮아져서 용융지가 작게 나타나는 현상을 예측할 수 있었고 이에 수반되는 비대칭적인 전위분포와 온도분포가 계산되었으며 이러한 계산결과를 실험적으로 확인 할 수 있었다. 전극마모 현상은 방대한 실험을 통하여 마모가 진행될때 전극과 시편의 접촉면적이 변화하고 용융지의 크기는 이에 반비례 한다는 현상을 규명하였다.
제 4장에서는 외란효과를 보상제어 하기위한 용접 공정제어 시스템을 개발하여 shunt effect 와 전극 마모 현상에 기인한 용접질 저하효과를 전극분리 현상으로 감지하여 제어 입력을 비례-적분제어 방법으로 산출하여 용접기의 열 입력이 조절되면서 외란의 효과가 훌륭히 보상됨을 실제 실험을 통하여 보였다.
진보된 개념의 용접 공정제어 시스템을 개발하기 위한 목적으로 제 5장에서는 학습제어 (self-learning control) 개념을 도입하여 제어 시스템을 개발하였고 학습제어 방법이 일반적으로 사용되어 온 비례-적분제어 방법보다 제어 이득의 선정이 시스템의 성능에 큰 영향을 미치지 않는다는 관점에서 상당히 우수함을 실험적으로 입증하였다.
