첨단 로봇이 용접 작업을 혁신하는 방법

용접 작업을 자동화할 적기인가요? 숙련 용접공을 얼마나 오래 유지할 수 있을지 걱정되나요? 가용 인력으로는 처리량을 늘릴 방법이 안 보이나요? 더 까다로운 소재에 도전하고 있나요? 다양한 기술 발전으로 용접 작업 자동화로 이 문제들을 비교적 쉽게 해결할 수 있으며, 놀랍도록 빠른 투자 회수가 가능합니다.

3배 더 빠름

자동 용접에는 소위 '고정' 자동화와 '유연'(또는 로봇) 용접의 두 가지 큰 범주가 있습니다. 고정 자동화는 종종 특정 용도에 특화되어 있으며 부품 형상과 용접이 매우 단순할 때 가장 좋습니다. 예를 들어 파이프 용접에 일반적으로 최적의 솔루션입니다. 하지만 대부분의 산업용 응용 분야와 복잡한 작업에는 로봇 용접이 이상적이며 이 기사의 초점입니다.

린컨 일렉트릭(클리블랜드)의 내부 영업 매니저 제이슨 랭은 "로봇의 주 목적은 용접 반복성을 돕는 것입니다. 둘째는 용접공의 신체적 부담을 줄이는 것입니다. 하루 종일 부품을 옮기고 다양한 고정구 아래를 기어다니는 것은 인간에게 힘든 일입니다. 로봇이 작업 공학을 돕습니다."라고 설명했습니다.

용접공을 더 쉽게 만드는 것은 두 배로 중요합니다. 그들을 찾기가 점점 어려워지고 있기 때문입니다. "전국에 걸쳐 용접 프로그램에 투자하는 기술 학교가 많이 그 격차를 메우려 노력하지만, 은퇴하는 사람 수가 들어오는 대체 인원을 초과하는 날이 많아 공백이 생깁니다. 로봇 용접이 그 공백을 메우는 데 도움이 됩니다."라고 랭은 계속했습니다.

동시에 "로봇 시스템의 투자 회수는 당신이 생각하는 것보다 훨씬 좋습니다."라고 밀러 일렉트릭 매뉴팩처링(위스콘신주 애플턴)의 레이저 그룹 비즈니스 개발 매니저 에릭 밀러는 설명했습니다. "로봇 시스템 한 대가 용접공 세 명만큼의 부품을 만듭니다. 교대당 두 명분의 인건비를 절약하고 평균 사전 엔지니어링된 셀 비용은 10만~12만 달러입니다. 약 1년 만에 회수됩니다. 일반적으로 공정을 자동화하여 1년 미만으로 회수할 수 있다면 즉시 실행해야 합니다. 2년이면 진지하게 고려해야 합니다."

로봇 자동화는 처리량 증가에 큰 도움이 됩니다. 하지만 이 기사 인터뷰 대상자들은 그것이 숙련 노동의 대체물이 아니라고 강조했습니다. "여전히 그 로봇을 운영할 품질 용접 인력이 필요합니다."라고 랭은 표현했습니다.

소재 변화, 자동화의 또 다른 이유

지난 10년간 작업 소재의 변화가 용접 개선을 이끌었으며, 레이저 용접 등 수동으로 적용하기 불가능한 많은 것들이 포함된다고 ABB 로보틱스(미시간주 오번 힐스)의 용접 및 절단 사업부 디렉터 어윈 디말란타는 말했습니다. "채굴 차량부터 자동차까지 모든 제조업체가 비용과 무게를 줄이고 다양한 파워트레인 솔루션을 수용하기 위해 다른 소재를 사용하고 있습니다. 자동차 제조업체는 더 높은 강도와 초고강도 강철로 전환했으며, 이는 더 강하고 가볍고 내식성이 뛰어나면서도 높은 성형성과 용접성을 갖춘 야금적 특성을 가지고 있습니다. 이는 금속 구조물의 설계, 성형, 조립 방식을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 제조업체가 전통적인 스탬핑 다이를 사용하여 부품에 특징을 절단하던 것에서 이제는 핫 스탬핑 공정과 자동화된 레이저 기술을 사용하여 부품을 성형하고 절단합니다."

"또 다른 예는 더 많은 응용 분야에 알루미늄으로 전환하는 것입니다." 디말란타가 말했습니다. "차종에 따라 차체의 최대 90%가 알루미늄일 수 있습니다. 전도성이 높기 때문에 알루미늄 스팟 용접에는 더 많은 전류가 필요하고 전류는 열과 동의어입니다. 그런데 우리는 더 얇은 게이지 소재로 가고 있습니다. 일부 차량에서는 소재 두께가 약 1mm입니다. 정반대 방향으로 가는 이 트렌드를 어떻게 다루나요?"

답은 아크 용접의 전자 및 기계 제어 기술 개선과 레이저 용접의 사용 증가입니다. 아크 용접의 경우 디말란타는 "전원 장치가 이제 매우 발전되어 전자적으로 제어됩니다. 용접 풀에 재료 증착이 맞춤형 파형으로 세심하게 제어됩니다."라고 말했습니다. 밀러는 그러한 특수 파형이 "부품에 열 입력을 제어하여 왜곡을 줄이고 용접의 외관도 개선할 수 있다"고 덧붙였습니다.

그는 파나소닉의 액티브 와이어(Active Wire)라는 기계적 방법도 지적했습니다. "와이어가 앞으로 공급되어 쇼트를 만들고 다시 풀에서 역방향으로 빠져나가며, 이 재봉틀 같은 동작을 120헤르츠로 반복합니다. 이는 열 입력을 줄이고 스패터도 크게 줄입니다. 또한 모든 용접에서 아크 스타트의 일관성을 향상시킵니다. 알루미늄 용접과 얇은 판금 용접에 매우 인기가 있습니다."

부품이 가벼울수록 복잡한 구조를 허용하면서 강도를 유지하기 위해 소재가 더 발전해야 한다고 디말란타는 말했습니다. "로봇과 그들의 고급 소프트웨어 시스템은 로봇의 경로를 통해 이러한 소재를 다루는 공정을 연결하는 데 도움을 줍니다."

레이저 용접, 매력적인 옵션

다양한 소재(이종 소재 포함)를 번개처럼 빠르게 용접할 수 있는 레이저는 수십 년 만에 용접 분야에 일어난 가장 큰 일일 것입니다. 그리고 트럼프(일리노이주 호프만 에스테이츠)의 레이저 용접 선임 첨단 기술 엔지니어 마수드 하루니는 "최근 몇 년간 레이저 용접의 가장 큰 뉴스는 레이저 가격 하락입니다."라고 말했습니다.

"레이저 용접 시스템은 제어하기 더 쉽습니다." 하루니가 계속했습니다. "하나의 전력과 하나의 속도를 선택합니다. 한번 조정하면 전체 부품을 적은 스패터로 가공합니다. 아크 용접에서는 아크를 유지해야 하고 용접 파라미터가 토치와 공작물 간 거리 변화에 민감합니다. 공작물의 다른 부분은 더 많은 전류나 적은 전류가 필요하며 이는 공정 안정성을 떨어뜨립니다. 최신 아크 용접 시스템의 피드백 루프가 매우 좋지만, 이 시스템들은 결코 완벽하게 조정되지 않습니다. 레이저 용접 부품은 아크 용접 부품보다 훨씬 적은 후처리가 필요하며, 아크 용접 부품은 종종 연마해야 합니다. 아크 용접 시스템에서 스패터를 처리하고 노즐을 청소하는 문제도 있습니다."

아마 더 중요한 것은 레이저 용접이 알루미늄과 마그네슘처럼 아크 용접 시 크랙이나 기공이 생기기 쉬운 소재에서도 열 손상 없이 깊은 용입을 달성할 수 있다는 것입니다. 하루니는 레이저가 제곱센티미터당 10^8 와트의 전력 밀도에 도달할 수 있기 때문이라고 설명했습니다. 이는 공작물의 금속을 기화시켜 생성되는 깊은 공동인 키홀(keyhole)을 만듭니다. 레이저 빔이 부품을 따라 이동하면서 이 작은 키홀을 용융 풀로 둘러싸인 채로 유지하고, 뒤따르는 소재가 응고됩니다.

"극한의 열 입력 없이 강하고 깊은 용접을 얻을 수 있습니다." 그가 말했습니다. "아크 용접에는 전력 밀도가 없으므로 더 깊은 용입을 얻으려면 열 입력을 늘리는 수밖에 없습니다. 열 입력이 적고 왜곡이 적은 용접 부품의 기계적 특성이 더 높은 열 입력을 가진 부품보다 훨씬 우수합니다."

밀러는 "레이저 용접의 초기 영향은 높은 볼륨과 [기술적 이점]으로 인해 자동차 용접에 있었습니다. 시트메탈 제조업체도 레이저 용접을 고려해야 합니다. 진정한 이점은 저항 스팟 용접을 대체하는 데 있는데, 이는 중소량 생산에서 어려울 수 있습니다. 고정구가 어렵고 부품의 상하 양면에 접근이 필요하지만, 레이저 용접은 상면 접근만 필요하므로 자동화하기 더 쉽습니다. 더 낮은 페이로드 로봇과 심플한 고정 광학계를 레이저 용접에 사용할 수도 있습니다."

큰 페이로드 로봇에 강한 팔로 큰 공구와 두 전극을 장착하는 대신, 제조업체는 이제 안전한 8kg 로봇을 사용하고 공정 헤드를 장착하여 저항 스팟 용접을 비교적 쉽게 자동화할 수 있습니다.

"시트메탈에서 레이저 용접이 유익한 또 다른 영역은 박스 제조입니다." 그가 말했습니다. "외부 코너 용접으로 외관 품질이 필요하고 후속 금속 마감이 거의 또는 전혀 필요 없는 영역에서 많은 관심을 보았습니다."

밀러에 따르면 레이저는 접근이 제한된 부품에 좋은 솔루션을 제공합니다. 레이저는 용접을 위해 시선(line of sight)만 필요하지만, 아크 용접에서는 로봇이 부피가 큰 토치를 부품 안팎으로 움직여야 하는데 매우 어려울 수 있습니다. "레이저 용접에서는 종종 공작물에서 500mm 떨어져 있습니다. 레이저 총을 쏘는 것과 같습니다. 레이저는 훨씬 높은 가공 속도와 전체 부품에 대한 낮은 열 입력을 가지므로 왜곡을 줄입니다. 자율 용접(autogenous welding)에 완벽한 도구입니다."

하루니가 설명한 레이저 용접의 단점은 "부품 간 간격이 사실상 없도록 하거나, 와이어 어시스트와 결합한 퓨전 라인(fusion line)을 사용하여 와이어를 풀에 녹여 간격을 메워야 합니다. 하지만 레이저 용접이 훨씬 빠르기 때문에 고정구에 추가 투자할 가치가 충분합니다. 예를 들어 로봇 아크 용접으로 하루 50개 부품을 만든다면, 로봇 레이저 용접으로는 하루 300개, 500개, 심지어 수천 개의 동일한 부품을 생산할 수 있습니다."

용접 자동화 시작하기

용접 자동화에 뛰어드는 것은 그 어느 때보다 쉽습니다. 먼저 주요 업체들이 오프라인 설정 소프트웨어를 제공하여 PC에서 높은 현실감으로 다음 작업을 프로그래밍하고, 그 프로그램을 로봇에 전송하여 용접을 시작합니다. ABB는 가상 현실 기술을 사용하여 사용자가 로봇 용접 장비와 '협업'할 수 있게 합니다.

디말란타는 "로봇의 목을 잡고, 말하자면 개 목줄처럼 당신이 원하는 대로 지시할 수 있습니다. 이것은 티치 펜던트 사용하는 것보다 훨씬 더 직관적일 수 있습니다."라고 설명했습니다.
둘째, 이러한 시스템은 부품 간 위치 변화를 자동으로 적응하고 용접 품질을 모니터링하는 메커니즘을 가질 수 있습니다.

밀러 일렉트릭의 제품 전문가 데이비드 셰퍼는 "조인트 위치 변화를 다루는 여러 센서 유형이 있습니다. 하나는 단순 터치 센싱이고 다른 하나는 아크 통과 심 추적(through-the-arc seam tracking)입니다. 터치 센싱을 사용하면 로봇이 내려와 아크 용접 와이어로 부품을 프로빙합니다. 프로그래밍된 위치와 실제 위치 사이의 델타를 확인하여 기본적으로 스스로 재프로그래밍합니다."

"아크 통과 심 추적에서는 조인트를 가로질러 위빙할 때, 필렛 용접이나 랩 용접처럼 충분히 두꺼운 소재일 경우 암페리지 변화를 감지하여 언제 조인트 안인지 밖인지 판단하고 용접하면서 그 용접을 따라갑니다." 셰퍼가 계속했습니다. "와이어 타입 센싱 대신 레이저 광학을 사용할 수도 있지만 기본 아이디어는 같습니다."

린컨 일렉트릭의 랭은 "또 다른 방법은 2D 또는 3D 사진을 찍는 카메라를 사용하는 것입니다. 부품의 물리적 위치에 따라 프로그램을 오프셋하고 조인트를 오프셋할 수 있습니다. 최신 카메라는 몇 년 전 카메라가 부품의 눈부심에 영향을 받았던 것과 달리 눈부심에 덜 영향을 받습니다. 더 많은 색상을 보고 부품의 정의를 읽을 수 있어 그림자와 반사를 부품과 구별합니다." 하루니는 "오늘날의 광학계는 파괴 시험 없이 실시간으로 용접 품질을 확인하는 능력도 제공합니다."라고 덧붙였습니다.

셋째, 모든 로봇은 어떤 형태의 충돌 감지 기능을 제공합니다. 밀러 일렉트릭의 밀러는 이것이 로봇 팔 자체에서 가장 중요한 개선이라고 말했습니다. "이전에는 고객이 토치의 알려진 X-Y-Z 위치를 기반으로 프로그램을 만들었습니다. 로봇이 반 교대 동안 용접하고 작업자가 클램프를 열어둔 채 떠난다고 가정해봅시다. 로봇은 클램프에 부딪혀 토치를 구부릴 가능성이 높습니다. 그러면 토치 끝이 구부러지고 위치가 변경되어 그 프로그램의 모든 용접이 정렬에서 벗어납니다. 오늘날 로봇이 고속으로 물체에 부딪히면 결과적인 전류 스파이크를 장애물로 읽습니다. 이로 인해 로봇이 즉시 플렉스 서보 모드로 진입하여 각 축에 지정된 특정 거리 동안 브레이크 적용을 지연시킵니다. 로봇이 '절름발이'가 되어 관성을 소산시켜 공구 손상을 최소화합니다. 이는 고속 충돌에서도 토치가 구부러지지 않음을 의미합니다."

넷째, 모든 주요 업체는 필요한 모든 것이 팔렛트(또는 여러 개)에 실린 사전 엔지니어링된 로봇 셀을 제공합니다. 랭은 "작업 셀은 모든 안전장치가 갖춰진 완전히 설계된 유닛입니다. 보통 펜스나 강철 벽, 안전 스캐너, 라이트, 로봇을 작동시키는 푸시 버튼, 키 인터록, 로봇 앞의 위치 결정 장치(턴테이블 또는 관람차 등)를 볼 수 있습니다. 이 장치들은 작업자가 반대쪽에 추가 부품을 적재하는 동안 부품을 작업 구역으로 가져옵니다. 아니면 로봇이 가공할 고정 테이블만 있을 수도 있습니다. 용접 전원, 토치, 필요한 경우 비트를 청소하는 리머도 있습니다. 전기와 가스 소스만 연결하면 됩니다." 그리고 기성 솔루션이 맞지 않으면 맞춤형 턴키 솔루션도 이용 가능합니다.

그럼 무엇에 주의해야 할까?

"잠재 고객과 용접 자동화에 대해 상담할 때 우리는 그들의 업스트림 제작을 봅니다." 밀러 일렉트릭의 셰퍼가 설명했습니다. "그들이 레이저와 CNC 장비로 소재를 절곡, 브레이크, 절단한다면 로봇으로 용접하는 데 훨씬 더 성공적일 것입니다. 손으로 자르거나 초퍼 톱을 사용한다면 말이죠. 그런 작업장은 지금 용접공이 수동 용접 시 적절히 조정할 수 있기 때문에 괜찮지만, 로봇은 그렇게 하지 않습니다." 밀러는 용접이 보통 공장에서 마지막으로 자동화되는 것이라고 덧붙였습니다. 업스트림 공정이 먼저 정확해야 하기 때문입니다. "부품이 정확하게 절단되고, 정확하게 절곡되어야 합니다. 그런 다음 용접할 수 있습니다."

부품이 반복 가능하도록 보장하는 것 외에도, 간격을 제한하거나 없애는 고정구가 필요합니다. 셰퍼가 설명했듯이: "공기를 용접할 수는 없습니다. 인간 작업자는 간격을 보고 일반적으로 와이어 스틱아웃을 늘려 암페리지를 줄이고, 열과 침투를 줄인 다음 위빙을 시작하여 간격을 메웁니다. 로봇은 그렇게 하지 않습니다. 그냥 뚫어버립니다."

반면 랭은 일부 고객이 부품을 고정하기 위해 툴링에 수천 또는 수십만 달러를 쓰는 경우가 있는데, 업스트림 공정을 개선하면 그 가격을 절반으로 줄일 수 있다고 말했습니다. 이는 다운스트림에서 필요한 반복성을 제공하여 궁극적으로 툴링 비용을 낮추고 재작업 및 스크랩 양을 줄입니다.
부품 품질과 반복성 다음으로 가장 중요한 우려는 "용접 공정 자체와 자동화 장치를 통한 용접과 관련된 용접 공정을 알고 이해하는 것"이라고 랭은 말했습니다.

그러면 누가 자동 용접을 운영하도록 훈련해야 할까요? 숙련된 용접공이거나 용접을 배우고자 하는 열정 있는 사람(몇 주 소요) 그리고 용접 자동화입니다.
셰퍼는 "시설에 올바른 문화가 필요합니다. 일자리를 가진 사람들은 자동화가 시설에 들어오는 것에 위협을 느낄 수 있습니다. 나는 내 사람들에게 이점, 회사를 더 효율적으로 만들고 성장시키고 경쟁력을 높여 궁극적으로 더 많은 사람을 고용하게 될 것이라는 점을 매우 솔직하게 알릴 것입니다."라고 경고했습니다.

마지막으로 배치 크기가 자동화에 충분히 커야 합니다. 랭이 말했듯이 "오프라인 프로그래밍을 하고 로봇에 넣고 퀵 셋업을 하는 데 걸리는 시간은 배치 크기가 대략 하루나 하루 반 정도 실행된다면 확실히 좋은 수익을 냅니다. 매시간 부품을 바꾼다면 ROI 면에서 그만큼 효과적이지 않을 수 있습니다."