들어가며..
흔히 자작인들이 사용하는 배터리 스폿용접기는 저항용접 방식이고 순수 혹은 도금된 니켈판이나 스트립을 주로 사용합니다.
이 니켈스트립은 제조공정과정에서 유분과 같은 산화물이 코팅되어 있어 알콜솜으로 닦아주면 용접에 도움이 된다고 알려져 있습니다. 그런데 실제 갈갈이 (한 번 용접된 배터리의 재사용을 위한 정리 및 평탄화) 작업을 한 배터리에 테스트를 해보았지만 0.2t 기준에서 체감될 정도의 성능 향상을 느끼지는 못했습니다.
추정건대,, 산업용 티그용접이나 강판같이 포인트가 크지않고 배터리 스폿용접을 위해 전용으로 제작된 니켈 스트립이 비교적 평탄한데다가 비교적 얇은 편이라 용접에 필요한 열량이 충분하고 손으로 작업하는 과정에서 제법 강하게 누르기 때문일 것입니다.
듀얼펄스 개념은
첫 번째 펄스에서 용접재의 유분과 같은 산화물 없애고 불규칙한 컨택포인트를 녹여 평탄화 하는 컨디셔닝이 목적이고, 두 번째 펄스에서 실제 용접을 진행하는 방식입니다.
듀얼펄스는 용접재나 모재가 거친 티그 용접이나 산업용 스폿용접기의 제작사 매뉴얼에서 관련 글을 볼 수 있습니다.
[참고]
알리익스프레스에서 구할 수 있는 저렴한 AC 컨트롤러의 경우 설정 전류값을 반주기로 나누고 각각 반사이클마다 설정된 강도만큼 용접하는 방식입니다. 이를 듀얼펄스라고 광고하고 있습니다만 구현방법의 일종으로 듀얼펄스의 운용방식과는 전혀 다른 일종의 페이크 광고입니다.
☞ 관련글 : 알리발 스폿용접회로와 분양중인 아두이노 회로의 타임계산법
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예전 일부 유투버들 중심으로 '끝판왕'같은 자극적인 문구와 함께 슈퍼콘 스폿용접기를 종종 소개했었습니다. 커패시터 자체가 순간적으로 방출하는 전류량이 커서 스폿은 잘되지만 높은 전류를 스위칭하다보니 들어가는 소자가 비싸고 잦은 고장, 특히 커패시터 관리가 힘들어 대중적으로 인기를 얻지 못했다가 최근 슈퍼콘 업체가 카페를 개설하고 대량으로 판매를 시작하면서 가격적인 부분이 해소되자 다시금 인기를 끌고 있습니다.
각설, 위 제품에 수동방식의 듀얼펄스가 구현되어 있습니다. 첫번째 펄스와 쿨링타임 값은 직접 테스트 스폿용접을 진행하면서 오실로스코프로 파형을 봐야 최적의 값을 찾을 수 있기때문에 컨트롤러 자체에 스코프 파형을 볼 수 있는 기능이 포함되어 있습니다.
즉 이 방식은 용접재가 바뀌면 매번 테스트 용접을 하면서 파형을 보고 그 값을 변경해주어야 하는 번거로움이 있습니다.
> 사실 듀얼스폿이 배터리 스폿에서 극적인 효과를 체감할 수 없어 대충 설정해도 붙기는 매한가지라 유저에게는 다소 복잡하고 어려운 사족같은 기능이 아닐까 싶기는 합니다.
사용자가 직접 첫 번째 펄스 값을 설정하는 것이 전문가에게도 다소 까다롭고 어렵기때문에 산업용 스폿용접기에서는 프로그래밍을 통해서 자동으로 적용하고 있습니다.
[참고]
https://sunstonewelders.com/products/micro-resistance-welders/cd-welders/cd-advanced-micro-resistance-welders
Micro Resistance - Advanced Dual Pulse CD Spot Welder
The CDDP-A Dual Pulse Advanced Capacitive Discharge Spot Welder comes in a 200, 400, and 600ws power option.CDDP-A Welders DatasheetCDDP-A Welder User Manual
sunstonewelders.com
이하 제작중인 회로에 이 개념을 적용하기 위해 프로그래밍 관점에서 이슈를 정리해봅니다.
듀얼 펄스 프로그래밍 이슈
(a) 설정시간 만큼 한 번만 용접이 되는 single pulse 입니다.
(b) 실제 용접 전류보다 짧은 시간동안 선처리 스폿용접을 진행하고 쿨링타임 후에 실제 용접을 진행합니다. 이 다이어그램에서는 전류는 실제 용접 전류보다 높게 되어 있습니다.
쿨링타임에 대한 설명이 추가된 그림이고 첫번째 펄스가 실제 스폿 전류보다 낮고 더 길게 되어 있습니다. 즉 첫 번재 펄스에 대한 전류와 시간은 정해지지 않고 용접 재질과 오염/손상 상황에 따라 모두 다르다고 할 수 있습니다.
b를 참고하면 첫번째 펄스에 컨디셔닝을 하고 쿨링타임을 거쳐 실제 스폿을 하게 되는데 원리는 대동소이하고, 첫번째 펄스의 정전력 컨트롤과 시간을 산출하는 것이 프로그래밍의 중요 포인트라고 할 수 있습니다.
첫 번째 펄스 (1st Pulse )
- 심하게 산회된 부품은 깨끗한 부품보다 컨디셔닝하는데 시간이 더 오래 걸리고 출력수준은 부품의 크기, 사용되는 전극 및 용접력에 따라 크게 달라짐. >>> 니켈스트립으로 한정!!
- 스코프를 참고하여 전류파형을 낮게 시작하여 급격히 증가하다가 평준화 되는 구간을 검출? - 어려움
- 스코프 파형이 수평으로 유지되는것은 저항이 안정화되고 부품이 더 밀착되었다고 판단할 수 있다!
- 파형이 너무 빠르게 상승하거나 스파크가 발생하면 전력 레벨을 낮추고 전류가 충분히 상승하지 않으면 전력레벨을 키운다.
- 전류는 파형이 수평으로 유지되기 직전의 수치값을 참고하여 설정
쿨링타임
- 재료의 두께가 두꺼울수록 길게
- 재료의 열전도율이 높은 경우 짧게
- 용접기의 설정이 높을수록 쿨링 시간은 짧게
> 사용자가 선택하게 할 것인가? 0.1~0.3t 테스트 이후 전체적 평균치로 고정할 것인가...?
두 번째 펄스 ( 2nd Pulse )
- 설정된 시간동안 용접을 진행
- 싱글 펄스보다 다소 짧게 설정을 권고
☞ 사용자가 최소한의 설정으로 운용
Level (1~8) 을 설정하면 준하여 1st Pulse와 Cooling Time을 스폿 타임에 연동하여 자동으로 계산
배터리 극과 니켈의 손상여부 두께등에 따라 선택적 레벨 운용
정리
정전압/정전류로 다양한 용접재인 도금 및 산화물에 최적의 값을 찾기란 쉽지 않지만 다행히 배터리 용접은 니켈스트립으로 한정할 수 있습니다.
다양한 방법이 있겠지만 정전력 방식은 HW가 추가 변경이 수반되어야 하기 때문에, 지금 회로에서 설정 시간 값의 1/4~ 1/8 정도 니켈 포인트가 열로 변형되기 직전수치의 평균적인 값과 함께 니켈 두께에 따른 쿨링타입을 적용하여 테스트를 해보고 의미있는 결과를 도출, 회로에 반영하고자 합니다.
앞서 이야기 했듯이 니켈 스트립을 사용한 배터리 용접은 더블펄스의 효과가 체감될 정도로 극적인 향상을 보여주지는 않습니다. 하지만 위와 같은 실험결과를 토대로 SW로 구현이 가능한 부분이 있기에 추가해 두려 합니다.
이상은 슈퍼콘 컨트롤러를 제작하면서 프로그래밍 관점에서 어떤 방식으로 구현해야할지 고민해보고 정리한 글입니다.충분히 필드테스트를 거치고 분양중인 AC컨트롤러에도 적용하도록 하겠습니다.
참고페이지
- https://www.spotweldingconsultants.com/capacitive-discharge-welders/spot-welder-160ws-dual-pulse-tech.htm
- https://www.mdpi.com/2075-4701/10/10/1279
- https://sunstonewelders.com/products/micro-resistance-welders/cd-welders/cd-advanced-micro-resistance-welders
- https://www.mdpi.com/1996-1944/14/4/802
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