단면 점용접을 활용한 철도 차량의 접합 기술

한 용접 기술 전문 업체가 궤도차 제작에 단면(한 쪽 면) 점용접 기술로 접합 대안 기술을 개발하였다.

크리스티안 마니겔(Christian Mannigel): 저널리스트

핵심 내용

  • 중량이 상당히 나가는 철도 차량은 알루미늄을 이용한 경량 구조가 필요하다.
  • 이 분야에서 경량 구조를 경제적으로 제작하기 위해서는 저항 용접과 같은 접합 기술이 필요하다.
  • Nimak은 전류 강도뿐만 아니라 용접 과정에 힘을 제어하는 이른바 ‘magneticdrive’ 기술을 개발하였다.
  • ‘magneticdrive’를 토대로 열팽창을 기반한 프로세스 제어를 적용하여 단면 점용접을 개발하였으며, 이 단면 점용접 덕분에 경량 구조가 전성기를 맞이하였다.

용접 전문 업체 Nimak GmbH는 저항 용접 시스템의 선도적인 공급자로, 로봇 용접 홀더와 수동 용접 홀더로 원래 유명하다. 토비아스 브로다는 지난해 말까지 SLV Halle GmbH의 R&D 부서에서 프레스 용접 부서장을 맡았으며 Nimak과 공동 개발에 참여하였다. “이전에는 생각할 수 없었던 제작 방식이었는데 혁신을 통해 개선되었습니다. 이 새로운 방식은 철도 차량 접합 기술에서 아무런 제약이 없는 기술적 돌파구가 되었습니다.”

특수한 유형의 점용접

토비아스 브로다 팀은 Nimak과 협력하여 열팽창 기반 프로세스 제어를 적용한 단면 점용접을 개발하는 데 성공하였다. 이 아이디어는 독일 경제 에너지부의 중소기업 혁신지원 프로그램(ZIM)의 후원을 받아 Nimak이 개발한 ‘magneticdrive’ 기술을 기반으로 한다. 이 기술은 마이크로프로세서가 지원되는 전자 마그넷을 이용하여 전류 세기뿐만 아니라 프레스 용접 중에 힘을 제어하여, 매우 정밀하고 부드럽게 개별적인 힘 프로파일을 실행할 수 있다. 이는 10 ~ 20ms 이내에 극도로 짧은 접합 프로세스로 이어진다. Nimak에 따르면 ‘magneticdrive’의 빠른 제어는 프로그래밍된 목표 힘으로 진행한다고 한다.

지난 해 말까지 SLV Halle에서 프레스 용접 매니저로 일한 토비아스 브로다가 테스트 시스템을 보고 있다. Nimak과 함께 열팽창 기반 프로세스 제어를 적용한 단면 점용접 시스템을 개발하였다.

이번에 개발한 단면 점용접은 특히 경량 구조가 필요한 분야에서 새로운 가능성을 제공한다. SLV Halle의 핵심 역량인 철도 차량 제작이 이에 속하며, 철도 차량 제작 시 프로파일 구조와 파이프 구조가 무게를 줄이는 데에 도움이 된다. 양면 저항 점용접은 현재 한계에 부딪혔다. 양면 저항 점용접은 구조적 형상으로 인해 접합 반대 지점이 닿지 않기 때문이다.

경량 구조에서 저항 용접이 관심을 많이 받고 있다. 이 접합 기술은 빠르고 경제적이기 때문이다. 이번 프로젝트의 목적은 까다로운 알루미늄에 적합하면서 재현 가능한 용접 프로세스를 개발하는 것이다.

열팽창 기반 제어

Nimak이 새로 개발한 한 쪽 면에서 동시에 시트를 누르는 전극 두 개를 사용하는 더블 포인터로 인해, 한 면에서만 접근할 수 있는 지점에서 접합 기술이 가능해졌다.

전통적인 양면 점용접과 다르게 단면 점용접은 두 개의 전극이 상부 시트와 하부 시트가 서로 닿을 수 없다. 따라서 Nimak은 새로운 유형의 “더블 포인터”를 개발하였다. 알루미늄은 우수한 도체로, 전류 흐름을 상부 시트를 지난 다음 하부 시트나 프레임 구조물을 통과한 후 다시 역으로 안내하는 것이 매우 어렵다. 따라서 연결부의 우수한 품질을 형성하기 위해, 특별히 조정된 용접-힘 프로그램으로 작업해야 한다. 일반적인 공압 또는 전동식 유닛 대신 힘 컨트롤러가 통합된 두 개의 ‘magneticdrive’ 힘 공급 시스템과 후퇴 시스템을 사용하며, 종래의 더블 포인트 시스템과 다른 더블 포인터가 이를 수행하고 있다.

‘magneticdrive’ 시스템에는 경로 측정 시스템 또는 용접 중 용접 라인 신장을 측정할 수 있는 센서 장치가 있다. 토비아스 브로다는 이번 프로젝트에서 이 열팽창 범위를 조사하여, 용접 프로세스에 대한 통제 변수를 도출하였다. 이를 통해 팽창과 수축 그리고 렌즈 직경 간의 확실한 상관관계를 알아내고자 한다. “이 분석 결과를 열팽창 제어 프로그래밍에 반영할 수 있었습니다.”(카이 나겔, Nimak 판매 매니저) 이를 바탕으로 용접 프로세스가 진행되는 동안 최적의 전류 프로파일과 시간 프로파일 그리고 힘 프로파일로 작업할 수 있습니다. 카이 나겔에 따르면 마그넷의 경로 신호 또는 전류 신호는 힘 조정을 통해 렌즈 크기에 영향을 미치는 데에도 사용한다.

‘magneticdrive’ 시스템은 두 가지 측면에서 유용하다. 먼저 열로 인한 용접 렌즈 팽창을 측정할 때이다. 이는 지금까지 고려되지 못했던 것이다. 그리고 두 번째는 용접 렌즈가 수축할 때이다. 이는 전극이 빠르게 후퇴한다. 힘 제어를 통해 용접 결과가 훨씬 우수하다. 용접은 알루미늄 두께에 따라 50kA에 훨씬 못 미치는 용접 전류로 이루어질 수 있으며, 이로 인해 훨씬 작은 용접 변압기와 용접 컨버터를 사용할 수 있고, 용접 시스템의 무게가 현저히 감소되어 산업용 로봇을 조합할 수 있다.

“열팽창을 기반한 단면 저항 점용접의 목적은 결점이 없는 최적화된 용접 렌즈 크기를 찾아내는 것입니다.”(카이 나겔) 용접 렌즈가 얼마나 팽창되고 전극이 시트에 얼마나 깊이 들어가는지 정확하게 측정하여 용접이 요구 사항을 충족하는지 그렇지 않은지를 정확하게 확인할 수 있다. Nimak 용접 기술은 새로운 DIN EN 15085에 따라 독일 도이체 반(독일 철도)의 철도 차량 제작에 대한 규정을 충족한다. 용접 렌즈의 최소 직경과 필요한 부하 용량에 도달하여 품질 요건을 충족한다. 공정 안정성은 DIN EN ISO 15614 파트 12에 따른 절차 검증에서 육안 시험, 전단-인장 샘플 그리고 테스트 연결부의 마크로 시험을 통해 검증하였다.

경량 구조가 특징인 모든 분야에 매력적이다

“새로운 Nimak 용접 기술은 시장에서 유통하기에 무르익었습니다.”(토비아스 브로다) 비록 새로운 기술이 현장에 적용하기까지 다소 시간이 걸리고, 철도 차량 제작은 다소 보수적으로 반응하지만, 토비아스 브로다는 전망이 좋다고 한다. “최근에 들은 경험담과 SLV Halle 철도 차량 용접 기술자들의 계속 교육을 통해 단면 점용접 기술이 긍정적으로 받아들여지고 관심을 받게 되었습니다.”

박리 시험은 Nimak이 개발한 단면 점용접의 품질을 입증하였다. 단면 점용접 강도는 기본 용접 강도보다 강한 것으로 나타났다. 산출된 접합부 포인트 직경은 철도 차량 제작의 기본 요건을 충족하고 남았다.

이번 성공은 Nimak 과의 긴밀한 협업에 기반한다. 프로젝트에 적극적으로 참여하고 모든 문제에 의견을 활발하게 교환한 것이 큰 도움이 되었다고 한다. “열팽창 기반 제어를 적용한 이동식 단면 저항 점용접 시스템 개발은 Nimak의 역량을 입증했습니다.”(토비아스 브로다) 카이 나겔도 철도 교통뿐만 아니라, 경량 구조가 중요한 역할을 하고, 연결 지점이 한 면에서만 접근할 수 있어 리벳이나 나사 체결로 접합할 수 있었던 분야는 이 혁신적인 단면 점용접 기술이 지닌 잠재력을 높이 평가하였다. 카이 나겔은 다른 산업 분야로 항공 우주 분야와 버스 생산 분야를 언급하였다.