신제품 소개: TIG용접 모니터링 시스템의 개발
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제2회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
TIG(Tungsten Inert Gas)용접 모니터링 시스템의 개발
모니텍(주), 부경대학교 조 상 명 교수
1. 서론
TIG(Tungsten Inert Gas)용접은 비소모성 전극을 사용하며 모재와 전극이 일정간격 거리를 유지한 채 그 사이에서 고주파, 고전압을 인가하여 아크를 발생시키고, 발생된 아크열을 이용하여 모재와 혹은 투입되는 용가재를 녹여서 용접하며 때로는 이면비드까지 생성하여야 하는 기술로 상당한 기량이 요구되는 용접기술이다.
또한 TIG 용접은 아크가 안정되고 용접부 품질이 우수하므로 산화나 질화 등에 민감한 재질의 용접 및 피복 아크 용접을 적용하기 곤란한 경우에 주로 사용된다.

그러나 자동화가 어려워 대부분 수작업에 의해 용접이 이루어지고 있으며 그에 따라 용접부의 품질평가 역시 작업자의 감각에 의존하거나 혹은 많은 비용을 투입한 비파괴 검사 등에 의존하고 있는 실정이다.
그러므로 비교적 적용이 상당부분 이루어지고 있는 일반 아크 용접용 모니터링 시스템과 마찬가지로 TIG 용접에서도 모니터링 시스템이 적용된다면 용접품질의 향상 및 용접품질의 정량화 등을 기대할 수 있고 또한 용접 품질 평가에 투입되는 막대한 경비를 절감 할 수 있을 것이다.

그러나 TIG 용접의 경우 용접 현상적 특징인 초기 아크 스타트시 인가되는 고전압, 고주파로 인해 계측을 위해 접속한 센서 및 계측장비에 대하여 막대한 손상을 입히며 때에 따라서는 직접 연결되지 않은 주변 전자기기에 대해서도 손상을 입힐 수 있게 된다.
그로인해 현재까지 TIG 용접은 모니터링 자체가 불가한 용접법으로 인식되고 있다.
그러나 최근에 미국에서는 이러한 어려움을 극복하고 TIG 용접 모니터링 시스템이 개발되었다. 하지만 미국에서 개발한 시스템은 아크 스타트시의 인가되는 고전압, 고주파의 영향을 받지 않기 위해 고전압, 고주파 신호를 우선 차단하고, 아크가 정상적으로 이루어진 이후의 저전압신호를 받아 계측이 가능하도록 하여 아크 스타트 시의 특성을 알 수가 없다.

다시 말해 일정 전압 이상의 전압인지 여부를 체크하여 일정 전압 이상이면 입력되는 전압자체를 차단하여 끊어버림으로서 아크 스타트시 생성되는 정보는 버리게 되는 것이다.
그러나 실제 TIG 용접에서는 아크 스타트 불안에 의한 용접부 불량이 많이 발생 하고 있으므로 미국의 시스템을 사용하게 되면 아크 스타트시에 발생하는 불량에 대해서는 판단 할 수 없게 된다. 그러므로 아크 스타트 특성까지 계측이 가능한 TIG 용접 모니터링 시스템의 개발이 절실히 요구되었고 이에 본사에서 TIG 용접 모니터링 시스템을 개발하여 소개하고자 한다.
2. TIG 용접 모니터링 시스템의 구성
2.1 기본구성
그림1은 개발된 TIG 용접 모니터링 시스템이다. 앞에서도 설명하였듯이 TIG 용접의 정상적인 모니터링을 위해서는 아크스타트시의 고전압, 고주파를 효과적으로 회피, 억제 혹은 차단하는 방법이 모색되어야 하는데 이를 위해서는 시간적인 회피 구간을 정확히 구별 인식한 후 신호로 출력하는 회피구간감응장치의 구성이 필수적이다.

회피구간감응장치 구성은 크게 전류신호 동기방식과 전압신호 동기방식의 두 경우로 구분된다. 대체로 전류신호에 기초한 동기방식은 구성이 간단한 반면 모니터링이 가능한 구간이 보다 제한되고 초기 아크 스타트시의 일부 전압이 손실되며, 사용 편의성이 적은 반면 전압신호에 기초한 방식은 회로구성이 복잡해지는 대신 검출 대역이 확장되고 사용이 편리하다.
그러므로 어떠한 방식이든지 기본적으로 회피구간감음장치가 필요하게 된다. 따라서 본 개발에서는 전압신호 동기방식으로 개발을 하였다.

한편 여러 가지 용접인자 (예를 들면 용접전류 및 전압)를 측정할 수 있는 센서가 필요하며 전류 센서의 경우 일반적으로 전류 센싱에 많이 사용되는 홀 센서를 사용하였다. 그러나 아크 스타트시에 발생되는 고전압, 고주파에 잘 견딜 수 있어야 하므로 내전압 및 노이즈 방지대책이 잘 된 센서를 사용하였다.
다음으로 센서에 의해 측정된 아날로그 신호를 집합, 이송, 증폭 혹은 감쇄 등의 처리를 위한 콘트롤러가 필요하다. 본 개발에서 사용한 콘트롤러는 기존 본사에서 제작, 판매중인 아크용접용 모니터링 시스템의 콘트롤러를 그대로 사용하였다.

즉, 회피구간감응장치를 별도로 제작하여 아크용접용 모니터링 시스템의 콘트롤러와 연결만 하면 바로 TIG 용접 모니터링 시스템으로 사용할 수 있게 하기 위해서였다.
그리고 콘트롤러에서 처리된 신호를 컴퓨터에서 처리하기 위해 디지털 신호로 변환해 주는 A/D Converter가 필요한데 이때 콘트롤러와 A/D Converter를 연결하는 케이블에서 노이즈의 영향을 많이 받게 되므로 이 부분 역시 노이즈 실드 처리가 된 케이블을 사용하였다.
그리고 모든 정보를 나타내고, 계산해주며 정보를 저장해주는 컴퓨터로 구성되어 있다.
(a)콘트럴러(b)회피구간 감응장치
그림1 개발된 TIG 용접 모니터링 시스템
2.2 회로 구성
그림2는TIG 용접 모니터링 시스템의 기본구성도이다.
블록 SYCM, HSPM, LSPM은 각각 Ts구간 동기출력신호모듈, 고압신호처리모듈, 저압신호처리모듈을 나타낸다. LSPM는 정상적인 아크발생시의 전압전류 파형을 대상으로 신호처리를 하며 이 후 데이터처리모듈(Data Proc Mod)과 데이터출력모듈(Output Mod) 및 신호연산모듈(Sig Calc Mod)을 통해 용접신호파형이 최종 출력된다.
그림2 TIG 용접 모니터링 시스템의 기본구성도
그림3 에서의 회피구간감응회로는 모든 용접구간에서 고전압, 고주파 성분의 위해한 신호를 차단 및 감쇄하는 선택적 신호감쇄의 필터회로를 포함하며 이것에 의해 정상 아크발생시의 용접신호에 대해서는 높은 이득의 통과특성을 나타낸다.

회피구간감응회로은 모듈간의 신호전달을 절연회로에 의해 구성함은 물론 선택적으로 구간별 감쇄를 고속으로 처리하기 위하여 비 스위칭방식의 감쇄성능 구현을 기본으로 하였으며 또한 회로입력단의 소자유니트를 2중화함으로써 동작의 안정성을 확보하였다.
그림3 TIG용접 모니터링 시스템의 연결도
그림4는 회피구간감응회로의 구성도를 나타낸 것으로 입력단의 감쇄저항단과 전압감응유닛은 모두 2중화함으로써 고전압에 대한 보호기능을 안정화시키고 있다.
그림4 회피구간감응장치의 구성도
TIG 용접은 아크 스타트시에 고전압, 고주파의 발생으로 주변 전자기기에 많은 손상을 입히게 된다. 개발된 TIG 용접 모니터링 시스템의 경우 핵심 기기인 회피구간감응장치 이외에도 콘트롤러, 센서, PC, A/D Converter Card등 전자기기들이 같이 구성되어 있다.
그러므로 연속 사용시에 장치들의 이상 유무 및 계측상태의 평가가 중요하며 또한 초기 아크 스타트시의 측정이 정확하게 이루어지는지의 여부 또한 중요하다.
본 평가에서는 개발된 TIG 용접 모니터링 시스템의 안정성 여부와 측정능력에 대한 평가를 실시하였다.
3.
3.1 연속 용접에 대한 안정성 평가
반복적인 작업에 의해 계속되는 아크 스타트시에 본 TIG 용접 모니터링 시스템의 안정성에 대한 평가를 실시하였다. 5초 용접 5초 휴식을 반복하면서 100번 연속 용접을 하여 계측을 실시하였으며, 이때 장치의 이상 유무 및 계측진행의 여부와 계측된 값들에 대한 편차등을 살펴보았다.
그림5는 100회 연속 용접시 계측된 파형으로 (a)는 첫 번째부터 10번째까지 계측된 파형이고 (b)는 91번째부터 100번째 까지 계측된 파형을 나타내었다. 그림에 나타나 있듯이 전체적으로 안정되게 계측이 되었고, 100번 계측 중 시스템에는 아무런 문제가 발생하지 않고 계측이 정확히 완료되었다.
(a)1-10번째 파형(b)91-100번째 파형
그림5 100회 연속 용접시의 TIG 용접 파형
그림6은 100회 연속 용접시 계측된 용접 전류값 및 전압값의 출력 특성을 나타낸 것으로 그 편차가 작고 안정되게 계측되고 있는 것을 알 수가 있다.
그림6 100연속 용접시의 용접전류 및 전압 출력 특성
그림7은 100번 연속 계측된 용접전류 및 전압에 대한 변동계수를 나타낸 것이다. 그림에 나타나 있듯이 용접전류의 경우 변동계수가 평균 0.032이고, 그 변화폭 역시 작게 나타나고 있고, 용접전압도 평균 변동계수가 0.027이고 변화폭도 작게 나타나고 있다.

전압의 변동계수가 상당히 낮게 나타나는 것이 중요한 것으로 이는 초기 아크 스타트시 발생되는 고전압, 고주파의 영향에도 불구하고 전압의 변동계수가 상당히 낮게 나타나는 것은 효율적으로 아크 스타트시의 고전압, 고주파를 차단, 감쇄하고 있음을 보여주고 있는 것이다. (그림7 측정정밀도 특성)

3.2 아크 스타트 부분의 측정 평가
본 TIG 용접 모니터링 시스템의 경우 아크 스타트 부분의 모니터링도 가능하게 하기 위한 목적으로 개발되었다. 그러므로 아크 스타트에 대한 정확한 측정이 이루어져야 한다. 그래서 모재의 청정도에 따른 아크 스타트 특성을 분석하였고, 특히 아크 스타트 지연에 관한 정량적인 데이터 확보에 대한 평가도 실시하였다.

그림8은 연강판 위에 흑피가 존재한 상태와 흑피를 제거한 상태에서 각각 TIG용접을 실시하여 계측한 파형을 나타낸 것이다.
그림8의(a)그림은 흑피를 제거한 모재의 전체 파형으로 아크 스타트 특성을 잘 알 수가 없지만 (a)그림의 아크 스타트 부분을 확대하여 나타낸 (b)그림으로는 아크 스타트 특성을 확인 할 수 있다. 이 경우 흑피가 제거되어 양호한 아크 스타트를 보이고 있다.
그림8 (a)흑피제거 모재의 전체파형그림8 (b)흑피제거 모재의 아크스타트부 확대한 파형
그림8 (c)흑피존재 모재의 전체파형그림8 (b)흑피존 모재의 스타트부 전체파형
그림8 흑피제거 모재의 아크 스타트 특성
아크 스타트를 위한 스위치 ON 이후 약간의 아크 스타트 지연시간이 존재하고 아크 스타트가 되면서 전압은 급격히 감소, 전류는 급격히 증가하며 이후 완전히 아크가 안정되기까지 약간 높은 전압이 인가되고, 이후 아크가 안정되면서 안정된 전압이 출력되는 모습을 보이고 있다.
그에 반해 그림8의 (c),(d)는 흑피가 존재하는 모재에서 용접한 파형으로 (c)그림이 전체 파형이고 (d)그림이 전체파형 중 아크 스타트부분만 확대한 파형이다. (c)그림에서는 아크 스타트 특성을 확인 할 수 없고 (c)그림의 아크 스타트 부분을 확대한 (d)그림에서는 흑피를 제거한 모재와는 전혀 다른 모습을 보이고 있다.

즉 흑피로 인해 아크 스타트가 어려워 전류 및 전압파형이 상당히 불안한 모습을 보이고 있다. 또한 이 경우 아주 짧은 시간 아크의 소멸이 반복함으로 모재 및 전극에 상당한 영향을 미칠 것으로 판단된다.

3.3 교류 TIG 용접의 모니터링 평가
알루미늄을 용접할 때는 알루미늄 표면의 산화막(Al2O3)을 제거하는 클리닝 효과를 얻기 위해 DCEP로 용접을 해야 한다. 그러나 이 경우 전극봉의 손실이 많으며, 용입이 낮아지게 된다. 그러므로 클리닝 효과와 용입을 깊게 하기 위해서 교류를 사용하는 경우가 많다.

교류 TIG의 경우 +, - 극성이 바뀔 때 마다 아크 스타트가 이루어짐으로 많은 고전압, 고주파가 짧은 시간에 인가되게 된다. 그러므로 시스템의 안전성에 지대한 영향을 미칠 수가 있다. 본 평가에서는 이러한 교류 TIG 용접의 모니터링 가능 여부에 대한 평가를 실시하였다.

그림9는 교류 TIG 용접을 계측한 파형이다. (a)는 전체파형이고 (b)는 확대한 파형이다. 일단 교류 TIG 용접의 경우도 계측에는 지장 없이 계측이 잘 되고 있음을 확인 할 수 있고, 교류 TIG 용접의 특성 또한 잘 나타내고 있다. 그리고 최초 아크 스타트가 (-)방향에서 먼저 생성되는 것을 확인 할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이 개발한 TIG 용접 모니터링 시스템의 경우 직류는 물론 교류 TIG 용접까지 계측이 가능함을 확인 할 수 있었다.
그림9 (a)전체파형그림9 (b)확대한 파형
4. 결론

지금까지 불가능하다고 여겨져 오던 TIG 용접에 대한 모니터링의 인식을 이번에 개발된 TIG 용접 모니터링 시스템으로 불식시킬 수 있을 것으로 기대되고, 특히 TIG 용접의 아크 스타트 부분에 대한 정량적인 평가가 가능하게 되어 TIG 용접의 품질평가 방법에 대한 또 다른 방향을 제시 할 수 있을 것으로 기대된다.
아울러 TIG 용접 자동화 생산라인의 In-line 품질 모니터링 등에도 응용을 확대할 계획이다.
제2회부산국제용접&절단&레이저설비산업전시회
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