아크 용접 및 스폿 용접 제어 시스템은 용접 설정을 제어하는 전자 장치 및 소프트웨어 세트입니다. 이를 통해 각 용접의 일관성, 안전성 및 반복성을 보장합니다. 두 용접 공정은 서로 다른 물리적 원리에 기반하므로 제어 시스템에서 관리하는 변수도 다릅니다. 아크 용접 컨트롤러는 아크 안정성, 전류 및 전압을 관리하고, 스폿 용접 컨트롤러는 전류, 시간 및 전극 압력을 관리합니다. 하드웨어 엔지니어와 전자 제품 개발팀은 보드 레벨에서 다양한 선택을 해야 합니다. 전력단 선택, 절연 게이트 드라이브, 전류 측정 및 고전압 간격 등이 최종 설계에 영향을 미칩니다. 그 다음으로는 제조상의 제약 조건을 고려해야 합니다. 설계자는 제어 시스템이 생산 단계에 이르기 전에 열 순환, 연면 거리 및 절연 거리, 그리고 제조 용이성(DFM) 한계를 신중하게 검토해야 합니다.
주요 요점
아크 용접 제어 시스템은 용접의 일관성을 유지하기 위해 아크 안정성, 전류 및 전압을 관리합니다.
점용접 제어 시스템은 전류, 시간 및 전극 압력을 제어하여 강력하고 반복 가능한 용접을 수행합니다.
폐쇄 루프 피드백은 전극 마모 및 표면 변화를 보정하여 용접 품질을 향상시킵니다.
기판 수준에서의 설계 선택 , 예를 들어 열 제어 및 고전압 간격은 용접 시스템의 신뢰성에 영향을 미칩니다.
용접 원리를 이해하면 엔지니어는 각 작업에 적합한 제어 시스템을 선택하는 데 도움이 됩니다.
아크 용접 제어 시스템 기본 사항
아크 용접 제어 시스템은 외함과 그 안에 있는 회로 기판으로 구성됩니다. 이 부품들은 용접 전류, 전압, 와이어 공급 속도, 아크 거리 및 용접 이송 속도를 제어합니다. 컴퓨터 제어식 아크 용접 스테이션은 이러한 기능들을 동기화 상태로 유지합니다. 예를 들어, AWS-210-400-800 제품군은 마이크로프로세서 기반의 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치를 사용합니다. 이 장치는 용접 전류, 용접 이송 속도, 아크 거리 및 와이어 공급 속도를 폐루프 서보 제어 방식으로 제어합니다. 전류, 전압, 용접 이송 거리 및 와이어 공급 속도는 시스템 내에서 항상 동기화된 상태를 유지합니다.
주요 구성 요소 및 기능
디자인은 기능 영역별로 나뉩니다. 아래 표는 업무 분담을 요약한 것입니다.
제어 구성 요소 | 할당된 기능 |
|---|---|
컨트롤러 도메인 | 용접 공정 자체와 밀접하게 관련된 부품 및 기능을 다룹니다. |
감독자 도메인 | 보다 일반적인 기능(상위 수준의 감독)을 처리합니다. |
다변수 제어기 | 용접이 시작된 후(t > 0) 간접 용접 매개변수의 첫 번째 추정값을 대체합니다. |
운영자 입력 | 용접 폭 및 침투 깊이와 같은 직접 용접 매개변수만 설정합니다. |
따라서 용접기의 제어기는 공정 수준 제어와 상위 수준 감독을 분리합니다. 작업자는 용접 매개변수를 직접 설정합니다. 다변수 제어기는 아크 발생 후 간접 매개변수의 추정치를 개선합니다.
단계별 운영
일반적인 사이클은 여러 단계를 거칩니다. 작업자는 인터페이스에서 직접 매개변수를 입력합니다. 관리자 영역은 이러한 목표값을 공정 레벨 컨트롤러로 전달합니다. 그런 다음 전력 스테이지에서 아크를 발생시킵니다. 다변수 컨트롤러는 용접이 시작되면 간접 매개변수에 대한 추정치를 업데이트합니다. 폐루프 피드백을 통해 전류, 전압, 이동 거리 및 와이어 공급량을 목표값으로 유지합니다. 시스템은 용접 패스가 끝나면 아크를 차단합니다.
설계시 고려 사항
보드 레벨에서의 선택은 성능에 큰 영향을 미칩니다 . 전력단에서는 IGBT, MOSFET, SCR 옵션을 스위칭 주파수 및 전도 손실과 비교하여 신중하게 고려해야 합니다. 충분한 데드 타임을 갖춘 절연 게이트 드라이브는 쇼트스루 현상을 방지합니다. 스너버, TVS 다이오드, 배리스터는 스위칭 과도 현상 및 라인 서지를 억제합니다. 전류 측정은 션트, 홀 센서 또는 전류 변압기를 사용합니다. 각 방법은 정확도와 절연성, 비용 간의 절충점을 가집니다. 광절연은 전력단과 제어 로직을 분리합니다. 연면 거리 및 절연 거리는 고전압 간격 규정을 준수해야 합니다. 두꺼운 구리와 버스바는 매우 높은 전류 경로를 담당합니다. 방열 및 열 사이클링은 소자의 수명을 제한합니다. DFM(설계 제조성) 제약 조건은 레이어 수, 구리 두께, 조립 흐름에 영향을 미칩니다. 이러한 절충점을 고려하여 어떤 설계가 양산될지 결정됩니다.
점용접 및 저항 점용접 시스템
점 용접 시스템은 금속판을 한 지점에서 접합합니다. 이 시스템은 압력을 가하고 접합된 금속판에 전류를 흘려보냅니다. 전기 저항으로 인한 열이 접합면의 모재를 녹입니다. 엔지니어들은 이를 저항 점 용접이라고 부르는데, 이는 여러 종류의 저항 용접 중 하나입니다. 생산 라인에서는 흔히 MFDC-RSW(중주파 직류) 장비를 사용하거나 PLC-제어 자동화. 네트워크로 연결된 셀에서 AW 컨트롤러 보드는 직렬 링크를 통해 785 통합 용접 제어 타이머 보드와 통신합니다. 타이머 보드는 소성 스케줄을 관리하고, AW 보드는 시퀀싱 및 핸드셰이크를 처리합니다.
스폿 용접 시스템 구성 요소
점 용접 시스템의 구성 요소는 기계, 전기 및 제어 그룹으로 나뉩니다. 아래 표는 각 구성 요소와 그 역할을 보여줍니다.
구성 요소 | 함수 |
|---|---|
공구 홀더 | 전극을 단단히 잡고, 필요에 따라 전극을 냉각하는 물 호스를 연결하여 지지하십시오. |
전극 | 용도에 따라 다양한 형태로 제작되는 저저항 구리 합금으로, 변압기 2차 회로의 일부를 구성합니다. |
전원 공급 장치 | 용접기에 전력을 공급합니다. |
에너지 저장 장치 | 콘덴서 뱅크는 순간적으로 높은 전력을 공급하지만, 전력 수요가 낮을 때는 필요하지 않습니다. |
스위치 | 저장된 에너지를 용접 변압기에 방출합니다. |
용접 변압기 | 전압을 낮추고 전류를 높여 스위치가 처리해야 하는 레벨 수준을 낮춥니다. |
컨트롤 박스 | 스위치를 관리하며 전극 전압 또는 전류를 모니터링할 수 있습니다. |
C형포 | 높은 강성과 공구 유연성, 그리고 직선 운동을 제공하여 두꺼운 재료에 대한 고강도 작업에 적합합니다. |
X형 총 | 작업 공간은 넓지만 강성은 떨어지며, 얇고 평평한 패널에 적합하고 돔형 팁이 필요합니다. |
점용접 방법: 제어 순서
작업자들은 정해진 순서를 따릅니다. 제어 상자는 각 단계의 시간을 측정합니다.
압착 시간 — 전류가 흐르기 전에 전극이 닫히고 힘이 발생하여 시트가 제자리에 고정되고 접촉이 안정화됩니다.
용접 시간 — 전류가 적층체를 통과하고 전기 저항 가열로 인해 너깃이 성장합니다.
유지 시간 — 전류는 멈추지만 힘은 계속 작용합니다. 금덩어리는 압력 하에서 굳어집니다.
정지 시간 — 전극이 후퇴하고 공작물이 전진하여 사이클 속도가 설정됩니다.
용접 시간은 압착 시간 이후에 자동으로 시작됩니다. 유지 시간은 가열 시간 이후에 발생하며, 오프 시간은 루프를 닫습니다. 이러한 점 용접 매개변수(압착, 용접, 유지, 오프)는 특정 접합부에 대한 점 용접 매개변수를 설정합니다. 폐루프 피드백은 션트 저항 또는 홀 센서를 사용하여 용접 전류를 측정합니다. 이는 전극 마모 및 탭 산화를 보정하기 때문에 개루프 타이밍 방식보다 우수합니다. 전류 변압기는 또 다른 절연 옵션을 제공합니다. 제어 시스템은 목표값을 유지하기 위해 점화 시기를 조정합니다.
설계 지침
주전원 돌입 전류 및 서지 처리는 초기 단계에서부터 고려해야 합니다. 배리스터와 TVS 클램프를 사용하여 프런트 엔드를 보호합니다. 열 순환으로 인해 팁과 납땜 접합부가 마모되므로 방열판으로 전력 소자와 전극을 모두 덮어야 합니다. 스폿 용접 압력 설정은 전류 및 용접 시간과 상호 작용하므로 세 가지 모두 함께 확인해야 합니다. DFM(설계 제조성) 제약 조건은 버스바 레이아웃과 구리 두께를 결정합니다. 고전압 측에서는 연면 거리와 절연 거리를 충분히 확보해야 합니다. 적절한 저항 용접 기술은 짧은 용접 시간과 충분한 힘을 결합합니다. 모든 스폿 용접 장비는 신중한 보드 설계를 통해 최상의 결과를 제공합니다. 스폿 용접 공정은 전자 부품이 목표값을 유지할 때 반복성을 확보할 수 있습니다.
제어 시스템 비교 및 설계 절충점
아크형 vs. 스팟형: 주요 차이점
아크 용접 제어 시스템은 아크 안정성, 전류 및 전압을 관리합니다. 점 용접 제어기는 전류, 시간 및 전극 압력을 관리합니다. 아크 용접 공정은 안정적인 플라즈마 기둥을 필요로 하므로 아크 제어기는 초당 여러 번 전압과 전류를 조정합니다. 점 용접 공정은 접합면의 전기 저항으로 발생하는 열에 의존합니다. 여기서 제어기는 전류 펄스의 타이밍을 조절하고 점 용접 압력을 일정하게 유지합니다.
점 용접의 매개변수(압착, 용접, 유지, 해제)는 아크 용접에는 대응되는 것이 없습니다. 아크 용접 시스템은 대신 와이어 공급, 이동 속도 및 아크 거리를 제어합니다. 점 용접기는 각 지점마다 한 번씩 펄스를 발생시킵니다. 아크 용접 시스템은 용접 이음매를 따라 멈추지 않고 계속 작동합니다. 이러한 차이점 때문에 기판 설계가 달라집니다. 아크 용접 기판은 빠른 전류 루프가 필요하고, 점 용접 기판은 정확한 용접 시간 카운터가 필요하며 용접 시간과 전류가 함께 추적되어야 합니다.
응용 분야 및 제조상의 절충점
자동차 제조에는 두 가지 공정이 모두 대량으로 사용됩니다. 자동차 제조 라인에서는 저항 용접의 여러 유형이 혼합되어 사용되기도 합니다. 아래 표는 차량 제조에 사용되는 점 용접과 아크 용접의 일반적인 용도를 보여줍니다.
용접 과정 | 일반적인 자동차 적용 사례 | 오시는 길 |
|---|---|---|
로봇 TIG 용접 | 얇은 벽 튜브, 용접 마감면이 드러남 | 0.5mm~3mm 두께의 벽면을 처리할 수 있으며, ABB IRB 1660ID 로봇 및 Miller Dynasty 전원 공급 장치와 함께 사용하여 정밀한 아크 제어가 가능합니다. |
저항 스폿 용접 | 자동차 차체 및 판금 조립품 | FANUC R-2000iC 로봇(서보건 장착); 시간당 1,200~1,800개 스팟 처리; 너겟 인발 시험 합격률 99.7% 이상; 전극 압력 300~800파운드 |
MIG/MAG(GMAW) | 강철 및 알루미늄 부품(배기 매니폴드 브래킷 포함) | 1.2mm~12mm 강재 가공에 최적화된 핵심 공정; 펄스 MIG 용접으로 스패터 감소; CMT 용접으로 알루미늄 스패터 제거; 최고급 Tier 1 배기 매니폴드 브래킷 생산 시설: 교대당 340개 생산, 22초 사이클, 불량률 4.2%에서 0.3%로 감소 |
일반적인 자동차 차체에는 수천 개의 점 용접 부위가 있습니다. 이처럼 많은 양의 용접이 가능한 이유는 점 용접이 조립 라인에서 로봇 팔이 매우 빠르고 쉽게 수행할 수 있는 작업이기 때문입니다.
저항 점 용접과 아크 용접은 자동차 산업과 같은 대량 생산 작업에서 얇은 판금 프레임을 접합하는 데 자주 사용됩니다.
점 용접의 장점과 단점은 바로 속도에서 비롯됩니다. 점 용접은 빠르고 로봇 작업에 적합하지만, 얇은 판재만 접합할 수 있습니다. 또한 전극 마모로 인해 시간이 지남에 따라 용접 전류가 변동될 수 있습니다. 아크 용접은 더 두꺼운 판재와 긴 이음매를 접합할 수 있습니다. 제조상의 고려 사항으로는 비용, 열 순환, 연면 거리 및 절연 거리, 그리고 제조 용이성(DFM) 제약 등이 있습니다. 저항 용접 회로 기판은 심한 열 순환 에 노출됩니다 . 저항 용접과 아크 용접 모두 버스바와 구리 설계에 세심한 주의가 필요합니다.
용접 제어 시스템은 용접 공정을 관리하는 전자 장치 및 소프트웨어입니다. 아크 용접 제어 시스템은 아크 안정성, 전류 및 전압을 목표값으로 유지합니다. 반면 스폿 용접 시스템은 용접 전류, 용접 시간 및 전극 압력을 제어합니다. 두 시스템 모두 일관되고 반복 가능하며 안전한 용접을 제공합니다. 스폿 용접 공정은 정확한 타이밍에 의존하는 반면, 아크 용접은 빠른 전류 순환에 의존합니다. 보드 레벨 설계 및 제조상의 제약 조건을 고려하여 특정 제품에 적합한 제어 시스템을 결정합니다. 엔지니어는 제품 출시 전에 열 순환, 연면 거리 및 절연 거리, 그리고 제조 용이성(DFM) 한계를 고려해야 합니다. 정밀한 용접 매개변수 설정과 안정적인 전류 경로를 통해 모든 용접의 반복성을 확보할 수 있습니다.
FAQ
용접 제어 시스템은 실제로 무엇을 제어하는가?
용접 제어 시스템은 용접부에 전달되는 에너지를 제어합니다. 아크 시스템은 아크의 안정성, 전류 및 전압을 목표치로 유지합니다. 반면 스폿 용접기는 펄스 타이밍을 조절하고 전극 압력을 유지합니다. 각 제어기는 해당 공정의 물리적 특성에 맞춰 설계되었습니다.
점용접에 폐루프 전류 피드백이 필요한 이유는 무엇입니까?
전극 마모와 표면 산화는 시간이 지남에 따라 저항 경로를 변화시킵니다. 개방 루프 타이밍 방식으로는 이러한 변화를 감지할 수 없습니다. 폐쇄 루프 제어기는 용접 전류를 측정하고 점화 각도를 보정합니다. 따라서 스폿 용접 공정은 수천 번의 사이클 동안 일관성을 유지합니다.
엔지니어는 제품에 적합한 아크등과 스팟 조명 중에서 어떤 것을 선택할까요?
접합부의 형상이 용접 방식을 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 얇은 판재를 여러 겹으로 쌓아 올리는 작업에는 점 용접이 적합하고, 두꺼운 판재의 긴 이음매에는 아크 용접이 적합합니다. 생산량 또한 중요한데, 시간당 1,200~1,800개의 점 용접을 처리하는 로봇 셀에는 저항 용접이 유리하지만, 소량 생산에는 아크 용접 장비가 더 적합합니다.
보드 레벨 문제 중 현장 고장을 가장 많이 일으키는 원인은 무엇입니까?
열 순환이 가장 중요한 요소입니다. 전력 소자와 전극 팁은 반복적인 열 충격으로 인해 마모됩니다. 고전압 측의 연면 거리 및 절연 거리가 불량하면 절연 파괴가 발생할 수도 있습니다. 설계자는 또한 주 전원 돌입 전류를 조기에 제한해야 합니다. 전류 경로를 신중하게 설계하면 과열 지점을 방지할 수 있습니다.
