BIW 용접의 발전 - RSW 비산 감소 및 3D 비전 시스템 개선

1. 저항점 용접으로 인한 비산율 감소를 위한 포괄적이고 현재 진행 중인 접근 방법.

2. 용접 및 경납땜 품질 개선을 위한 3D 레이저 비전 시스템의 현재 기능.

요점 #1

공정 분석 및 스마트 데이터를 통한 저항점 용접 비산율 감소

현재 진행 중인 BMW MINI UK 및 TWI Ltd(용접 연구소, Uk)의 연구는 스폿 용접 시 뜨거운 액체 금속이 자동차의 다른 부품에 닿아 많은 비용을 발생시키는 문제점인 용접 비산을 감소시키는 데 그 목표를 두고 있습니다. 용접 스플래시 또는 액체 금속 방출이라고도 알려진 비산으로 인해 다음 사항들이 발생할 수 있습니다:

• 아연 코팅을 연소시키고, 부식 방지 기능을 저하시킵니다
• 눈에 보이는 차량 부품의 시각적 결함

용접 비산으로 인해 손상된 부품의 식별 및 재작업은 매우 시간 소모적입니다.

이미 낮은 상태에 있는 비산율을 저하시킵니다

옥스포드에 있는 BMW 그룹의 MINI 플랜트는 3.7%의 낮은 비산율을 기록하고 있습니다. 그러나 영국 정부의 WeldZero 프로젝트의 목표는 용접 결함 제로입니다. WeldZero의 자금 지원으로 MINI Plant Oxford와 The Welding Institute는 모든 MINI 모델에서 볼 수 있는 6000개의 저항점 용접(RSW) 각각에 대해 공장별 비산율을 훨씬 더 낮추기 위해 체계적으로 노력해 왔습니다.

MINI Plant Oxford는 모든 스폿 용접에 대한 통합/적응형 제어 기능을 갖춘 최첨단 고급형 로봇 및 용접 건을 사용하고 있어, 품질이 낮거나 크기가 작거나 강도가 낮은 용접과 관련된 문제가 없습니다. 남아 있는 유일한 문제점은 용접 스플래시입니다.

진행 중인 연구에서 데이터 분석은 다음을 식별하는 데 사용됩니다:

• 용접 비산 발생
• 근본 원인
• 각 근본 원인에 대한 데이터 패턴

생산 엔지니어에게 적절한 시정 조치를 알리기 위해.

용접 스플래시에 대한 초기 시정 조치

• 과압이 공기 공급에서 용접 건까지의 거리에 나타나는 차이를 보상해 줄 수 있다는 잘못된 믿음에서 애초에 의도적으로 “과압” 상태에 있는 용접 건 공기 압력을 줄입니다. 공기 압력을 낮추면 모든 용접 건에 대한 압력 비율을 보다 잘 균등화하여 용접 배출을 줄이는 동시에 공기 공급 에너지 비용을 25%까지 절감합니다.
• 용접 건으로 흐르는 냉각수 유량을 모니터링하여 유량 레벨이 막히거나 저하되는 것을 확인합니다. 냉각수 유량이 중단되면 용접 전극이 과열되고 과도한 전극 마모가 발생하였고, 그 결과 용접 스플래시가 발생했습니다.
• 용접 전압, 용접 전류, 용접력 및 측정된 저항에 대한 용접 공정 데이터를 분석한 후 용접 비산이 가장 많이 발생한 용접 로봇과의 상관관계를 밝혔습니다.
  
  

데이터 분석을 통해 추가적인 용접 비산 요인을 밝혔습니다

그 다음 TWI와 BMW는 나머지 용접 비산 데이터를 분석하여 주요 요인을 결정했습니다:

• 패널 불일치：불량한 부품 형태 및 스프링백 포함，그러나 다른 부품에 의해 제 위치를 벗어나는 부품 등의 문제점들 또한 포함됨.
• 간극의 영향: 고강도와 두꺼운 구성품의 경우, 또는 3장 또는 4장의 시트가 겹쳐져 있는 구성품의 경우 패널 사이의 간극이 용접 공정을 불안정하게 하여 용접 비산을 일으킬 수 있습니다.
• 전극 가장자리 간격: 패널 불일치로 인해 용접 전극이 패널 가장자리에 너무 가까워져 용접 구역이 패널 가장자리를 에서 "파손”되어, 그 결과 과도한 비산이 발생할 수 있습니다.
• 용접 스폿 방향 불량: 패널 불일치 또는 형상 결함으로 인해 전극이 이상적인 90도 방향에 있지 않습니다. 이러한 상황은 용접 비산은 물론 전극 열화로 이어지고, 그 결과 비산이 더 많이 발생할 수 있습니다.
• 심하게 마모된 전극 팁: 전극에서 아연 합금의 양은 비산율에 영향을 미칩니다.
• 용접 건의 용수 냉각이 잘못 설계됨：냉각 채널이 막히거나 심하게 구부러져 냉각수 유량을 제한하였고, 그 결과 전극이 과열되고 지나치게 빨리 마모되어 용접 비산으로 이어졌습니다.

용접 스플래시에서 각 요인의 중요도 결정

그 다음 TWI는 자체 실험실에서 BMW 생산 공정을 시뮬레이션하기 위해 로봇 용접 셀을 설정했습니다. 그 다음에는 위에 열거된 각 요인에 대한 공정 허용 오차를 식별하여 용접 비산을 유발하는 각 요인들의 심각도를 결정했습니다.

이들은 또한 용접기 타이머에서 용접 공정 데이터 특징들을 식별하여 각 사례별 비산 원인을 진단했습니다.

"스모킹 건"：전극 팁 상태

본 연구에서는 각 비산 요인의 민감도는 전극의 현재 상태에 따라 다르다는 것을 확인했습니다. 또한 전극 팁 마모는 비산 데이터 특징에 영향을 미쳤습니다.

그림 2: 전극 마모 조건 및 용접 비산과 연관된 공정 데이터 분석의 예. 이미지 제공: TWI Ltd 및 BMW MINI UK.

현재 진행 중인 연구의 다음 단계

"[용접] 비산의 원인을 진단할 수 있는 공정 내 데이터 분석 시스템을 달성하기 위해 마지막 드레싱 작업 이후 [전극] 팁으로 만들어진 용접 수를 고려할 수 있는 모델을 개발해야 합니다...현재 특정 공구를 개발하고 있는데, 이 공구로는 수용 불가능한 비산 수준을 가진 용접기를 온라인으로, 실시간으로 식별하고 비산 원인을 진단하여 문제를 효율적으로 해결하고자 합니다.”

요점 #2

용접 및 경납땜 품질 개선을 위한 3D 레이저 비전 시스템의 현재 기능

EV 배터리 인클로저와 같이 안전 요구 사항이 높은 자동차 부품에 대한 완벽하지 않은 용접으로 인한 불이익은 상당합니다. 그러나 Servo-Robot Corp.에서 보고한 바와 같이, 3D 레이저 비전 카메라 시스템은 자동차 부품에 대한 로봇 레이저 용접，레이저 브레이징 및 아크 용접의 생산성과 품질을 개선할 수 있습니다 - 이러한 부품에는 바디 인 화이트(BIW), 섀시 및 EV 배터리 보호용 구조물 등이 포함되어 있습니다.

2 kHz(초당 2000 프레임）이상의 속도를 가진 카메라를 고출력(최대 30 kW) 레이저 헤드에 통합할 수 있습니다. 레이저 초점 스폿의 20 mm 내에 위치한 이러한 카메라는 고속 용접 시, 곡선 형상에서도 용접심을 추적할 수 있으며, 실시간 공정 모니터링과 용접 후 검사도 가능합니다.

그림 3: 3D 레이저 카메라 용접심 추적 및 검사를 통한 맞춤형 블랭크 용접. 이미지 제공: Servo-Robot Corp.

대형 자동차 부품 + 대형 용접 로봇 = 용접 조인트와의 편차가 더 커집니다

바디 사이드 프레임 및 도어 내부 패널과 같은 대형 부품용 레이저 맞춤형 용접 블랭크(TWB)에는 대형 용접 로봇이 필요합니다 . 규모가 크기 때문에 로봇은 용접 조인트의 100미크론 이내에서 레이저 스폿을 유지할 수 없을 수도 있습니다 . 백래시가 제로인 액추에이터를 갖춘 고속 레이저 비전, 용접심 추적 카메라는 이러한 문제를 극복할 수 있으며, 최대 분당 15미터의 용접 속도에서 정밀 추적이 가능합니다.

레이저 공정 제어 시스템(LPCS)의 일부로서, 카메라와 소프트웨어를 역반사 센서와 결합하면 표면 결함과 내부 결함을 감지할 수 있으며, 그 결과를 즉각적으로 용접 로봇으로 전달하여 이후의 불량 용접을 방지할 수 있습니다.

레이저 공정 제어 시스템의 역반사 센서는 용융 풀 키홀 영역에서 방출되는 열방사을 측정합니다 . 용접 조인트 및 용융 풀에 의한 레이저 전력 흡수에 변화가 발생하면 용접에 내부 결함이 있다는 것을 뜻합니다. 맞춤형 용접 블랭크의 경우, 간극 변동, 블랭크 엣지 차이, 오염 또는 불충분한 레이저 에너지 등의 조건에 의해 발생하는 결함을 실시간으로 감지합니다.

BIW의 레이저 및 레이저 하이브리드 용접

유사한 3D 레이저 비전 시스템을 BIW 부품의 레이저 및 레이저 하이브리드 용접에 사용할 수 있습니다(예：차량 루프 및 바디 접합）. 알루미늄 스티치 용접 및 스틸 패널 용접을 포함한 EV 배터리 인클로저(일명 케이지，보호 프레임)의 레이저 및 레이저 하이브리드 용접에도 사용됩니다.

레이저로 경납땝한 루프 이음부의 용접 비드 형상을 확인합니다

경납땜한 루프 조인트와 같은 레이저로 경납땜한 이음부 역시 2중 카메라 비전 시스템의 장점을 활용할 수 있습니다. 첫 번째 카메라는 조인트를 찾아 추적하여 센터라인을 찾습니다. 두 번째 카메라는 비드의 형상을 측정하여 0.1 mm 해상도로 표면 결함을 찾습니다 . 경납땜한 접합부의 내부 안전성을 확인하려면 역반사 센서를 사용해야 합니다.

필요한 곳에 용접 와이어 확보

아크 용접에서 품질 문제와 생산성 저하를 가져오는 가장 큰 원인은 공정 그 자체에 있지 않고, 단순히 용접 와이어가 용접 조인트에 정확하게 위치하지 않기 때문입니다. 부적절한 와이어 배치의 가장 흔한 이유는 세부적인 부품 변동, 어셈블리 내 허용 오차 중첩, 용접 입열량으로 인한 변형 등이며, 이로 인해 로봇이 이동하도록 프로그래밍되어 있지 않은 곳에 접합부가 놓이게 됩니다.

3D 비전 시스템을 이용한 심 찾기 기능은 실제 조인트 위치를 찾습니다. 그 다음 와이어 위치가 실제 조인트 위치에 맞춰 변경되어 용접 품질을 최적화할 수 있습니다. 또한 수용 불가능한 간극이 존재할 경우, 적응형 용접 스케쥴을 사용하여 용접 전류, 이동 속도 또는 직조 패턴 등을 변경하여 수용 가능한 프로세스 창을 열 수 있습니다.

그림 6: 섀시 측면 레일 용접을 위해 용접심 추적을 수행하는 3D 카메라. 이미지 제공: Servo-Robot Corp.

Industry 4.0용 자동화된 시각적 아크 용접 검사

완전 자동화된 로봇 아크 용접 검사는 수동 검사보다 빠르고 안정적일 뿐만 아니라 Industry 4.0 요구 사항을 충족할 수 있는 귀중한 데이터를 제공합니다. 이 데이터는 아크 용접에 결함이 생기는 추세를 예측하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 부품 품질, 고정장치 반복성 또는 용접 공정 자체와 같이 개선해야 할 사항을 나타낼 수 있습니다.

아크 용접은 아크 용접 크기，규칙성 및 표면 평활도 등이 매우 다양하기 때문에 레이저 용접 또는 경납땜보다 검사하기가 더 어렵습니다.

이러한 이유로 아크 용접 검사에 가장 성공적으로 접근하려면 비교 방법을 사용해야 합니다: “황금 부품”에 대한 명목상의 용접 품질을 설정한 후 실제 생산 용접을 이 품질과 비교하여 수용 불가능한 차이들을 찾아냅니다. 이러한 차이들이 과도하다면, 이는 용접 작업이 통제권 안에 있지 않고, 따라서 용접 결함을 일으킬 수 있다는 것을 뜻합니다.