<3036BCF6C1A428C0FAC0DA292DC6AFC1FD2DB9DABFB5C8AF2E687770>

Transcription

1 레이저용접에서용접공정모니터링기술 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷 號別冊 22. 2

2 27 특집 : 용접공정의모니터링및용접품질평가기술 레이저용접에서용접공정모니터링기술 Weld Process Monitoring Technology in Laser Welding Young Whan Park. 서언 2. 레이저용접모니터링기법 레이저 (Laser) 는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 의첫머리글자를딴단어로복사의유도방출에의한빛의증폭현상이라는의미를갖는다. 레이저는단색광, 평행광, 직진성, 가간섭성을갖는품질이매우높은빛에너지로서집광하기쉬운특성을가지므로높은에너지밀도를갖을수있다. 이를이용하면고밀도의열원으로용접을비롯한다양한재료가공에사용이가능한특징을갖는다 ). 레이저를용접의열원으로사용하면높은에너지밀도의점열원을이용한용접으로용접품질이우수하고, 가공속도가매우빠르며, 철강재, 알루미늄및마그네슘합금, 플라스틱과이종접합등다양한소재에적용가능하기때문에많은산업현장에서사용되고있다. 레이저용접에서용접부품질향상을위하여용접공정을모니터링할수있는방법은크게 3가지로나눌수있다 2). 하나는용접전에용접되는재료및시스템의상태를감시하는것이다. 두번째는용접중에발생되는다양한현상을모니터링하는것으로레이저용접시발생되는다양한현상을이에맞는센서를이용하여계측하는방법이다. 세번째로는용접후용접부의결함등을모니터링하는것으로접된부위의형상, 기공등에의한불량등을외관검사및비파괴검사를통해검출하게된다. 레이저용접의모니터링기술은크게 2가지부분으로구성된다. 하나는다양한센서를이용한하드웨어시스템의개발이며, 다른하나는계측된신호혹은데이터를이용하여품질평가혹은용접부의기계적혹은형상적특성과매칭시키는기술이다. 본논문에서는레이저용접의모니터링기술과이를활용한데이터처리기술에대하여논하고자한다. 2. 음향신호를이용한모니터링레이저용접에서는다양한현상들이발생한다. 대표적인현상으로, 소리 (sound), 음향 (acoustic), 그리고빛의방출, 화상 (image), 플라즈마에의한용접부주변의전하의변동등이있으며, 이러한현상은다양한센서를이용하여계측한다 3-5). 음향신호를이용하여모니터링하는방법은 Fig. 과같다. 용접시발생되는신호중에서소리혹은음파는마이크로폰을이용하여계측을한다. 계측의방법에있어서용이하며, 레이저의가공특성과도밀접하게관련되어있어모니터링에쉽게적용될수있다. 그러나주변의소음에민감하게작용하며, 노이즈나외란인자에의한잡음신호의발생이쉬어용접부주변의상황을제어할수있는공간에서사용할수있다. 또다른모니터링기법으로는음향방사를계측하는방법으로레이저용접시발생되는상변화, 키홀의변동, 플라즈마증기압변동에의해발생되는음향신호혹은스트레스웨이브 (stress wave) 의변화를계측하는방법이다. 이러한신호는주로음향방사트랜스듀서 (acoustic emission transducer) 를이용하여계측한 Mirror Lens Micro phone Nozzle Plasma & vapor Work piece Fig. Acoustic/sound emission detection method Journal of KWJS Vol.3 No.(22) pp

3 Gas signal Welding process 류하였다. 이결과를 AE 신호의 FFT (fast fourier transformation) 을수행하여 에서 5Hz의신호와용접특성과를비교하였다 6). amplitude Workpiece = sts 34 Forcal diameter =.3mm Laser power = 5w Pulsed duration = ms Time Welding zone threshold Fig. 2 Examples of Acoustic emission signal by AE counts(no) Type A Type B Type C ms 2ms 3ms 2.2 광신호를이용한모니터링레이저용접에서발생되는현상중에는용접중발생되는광신호를계측하는방법도있다. 일반적인레이저용접에서빛을계측하는방법은크게 2가지방법으로나뉘는데하나는특정파장혹은전체파장에대한데이터를얻는방법이며이것은주로포토다이오드나분광기를이용한다. 다른하나는영상신호를얻는방법으로 CCD 혹은 CMOS 카메라를비롯한각종카메라를이용하여레이저가공공정을모니터링하는방법으로계측방법은 Fig. 4와같다. 레이저가공시발생되는빛은플라즈마와용융된재료의온도에의해방출되는빛이며이것은레이저용접의상태와키홀및용융풀의거동과매우밀접한관계를가지고있어일반적인레이저용접모니터링방법으로주로이용된다 7). Fig. 5 8) 는 Nd:YAG 레이저용접에서의빛의발광스펙트럼과이를계측하기위한센서의종류를나타내 Power(w) Fig. 3 Relation between AE count at high frequency (~5Hz) and weld bead quality Fiber coupler CCD camera IR/UV camera Mirror 다. 계측하는위치는주로용접하는재료, 보호가스노즐이나반사경위등에서계측을수행한다. 재료에서직접적으로계측하는경우는재료의상변화를그대로계측하기때문에균열 (crack), 용입부족등과같은결함을정확하게계측할수있지만접촉식이라는한계가있다. 그리고가공물의상단주변예를들면보호가스노즐이나반사거울에부착하여계측방법은키홀의압력변화에서발생하는신호를계측하는방법이다. 이방법은신호가매우미약하고, 재료와센서간의거리가멀면계측신호의신뢰성에매우큰영향을미치게된다. Fig. 2는 STS 34.2t에대하여 35W급 Nd: YAG 레이저를이용하여출력과 pulse duration 을변화시키면서용접하였을때방사되는 AE 신호의예이다. 계측된원데이터를바탕으로다양한신호처리기법을이용하여변환하여용접부의특성과비교함으로써신호의특성에따른용접부품질을유추할수있다. Fig. 3에서는용접부의특성을 Type A, B, C로나누고 A는용접이이루어지지않은경우, B는열변형없이용접비드가형성된경우, C는열변형이있는경우로분 Intensity UV sensor IR sensor Back reflected light Lens Nozzle Plasma & vapor Work piece Fig. 4 Light and image detection method P UV/VIS R 64nm 6mm mm 8mm Wavelength Fig. 5 The spectral range of photodiode sensor in Nd:YAG laser welding for monitoring T IR 28 Journal of KWJS, Vol. 3, No., February, 22

4 레이저용접에서용접공정모니터링기술 29 고있다. 레이저용접의모니터링은주로플라즈마와용융금속의온도계측을위한센서들이주로사용된다. 플라즈마는고온으로 UV(Ultra-violet) 혹은가시광선영역의빛이발산되기때문에이에맞는센서가이용되며, Fig. 5에서는 P 영역의반응파장을갖는센서를이용한다. 주로플라즈마플룸과키홀의거동을계측할수있다. T 영역의센서는적외선영역에서방출되는빛을계측하는센서로주로용접부의평균온도를측정할수있다. R 영역의센서는키홀이나용융풀의거동보다는용접시모재로부터반사되는레이저빛을계측하는센서이다. 레이저용접모니터링에있어서특정영역의빛을받기위하여광학필터혹은빔스플리터 (beam splitter) 의설계혹은효과적인수광을위한렌즈등의광학계설계가요구된다. Fig. 6은플라즈마계측을위한센서신호와이에따른비드의형상을보여주고있다 9). 실험에사용된레이저는 6 kw, CO 2 레이저이며, 사용된재료는아연코팅된강판으로겹치기용접을수행한것이다. 그림에서보는바와같이용접시기화된증기가용융부를통해배출됨으로인해험핑형태의비드가형성되었으며, 이때플라즈마계측신호의원신호와.5 초간격의 RMS 신호를통시에나타낸그림이다. 그림에서보는바와같이험핑비드가발생할때와안정적인비드가형성될때는다른형태의신호가얻어지는것을알수있다. 그림에서보는바와같이험핑비드구간에서는신호가급격히떨어지고, 이에따라 RMS 값역시적어짐을알수있다. Fig. 7은 AA582 알루미늄.4t 판재에 5356 용가와이어를공급되는공정에대하여용접조건에따른광신호의평균값의변화를보여주고있다 ). 광신호의평균값은플라즈마의광강도를나타내며, 광신호의분산값은플라즈마혹은키홀의안정도와밀접하게관련 P= 6kW, f d=-2mm, ν=.m/min, He shield : 5l/min t pr=5μm, G c=.5mm lap welding Average of signals for sensor (V) WFR=2m/min WFR=3m/min WFR=4m/min 3kW 3.5kW 4kW Welding speed(m/min) Fig. 7 Average of sensor signal according welding conditions in 5 series aluminum laser welding with filler wire 된다. 이와같이용접시발생되는광신호를계측하는방법은다양한파장영역대의포토다이오드를이용함으로써많은정보를쉽고싸게얻을수있다는장점이있지만용접부내부에발생되는결함은검출하기어려운단점이있다. 2.3 카메라를이용한모니터링 카메라를이용한레이저용접모니터링을하는방법은용접부외부에서카메라를설치하여용접부를관찰하는방법과레이저와동축으로관찰하는방법으로나뉜다. Nd:YAG 레이저를이용한용접의경우는 Fig. 8 ) 과같이빔스플리터를이용하여쉽게동축으로모니터링할수있다. 이경우모니터링카메라가헤드내부에창착되어작고쉽게영상을얻을수있으나 Nd: YAG 의 46 nm 파장을제거하는필터가요구된다. CO 2 레이저를이용하여용접하는경우빔전송이주로구리미러를이용하기때문에동축으로모니터링하기어렵다. 이런경우는카메라를외부에설치하여모니터링하며이경우설치가쉽고편리하나용접부와계측지점과의각도에의해영상의보정이필요하다. fiber Camera Signal indensity(v) Raw signal RMS Measuring time(sec) Fig. 6 Sensor signal and humping bead shape Optic of Workpiece Optic of camera Fig. 8 Co-axial monitoring system for Nd:YAG laser welding 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷第 號, 22 年 2 月 29

5 3 v s : m/min v s : 2 m/min v s : 3 m/min v s : 4 m/min v s : 5 m/min v s : 6 m/min (frame) 까지측정이된다. 이경우키홀이나용융풀의빠른움직임을관찰할수없는단점이있다. 이를극복하기위해고속카메라를이용하기도하지만실시간으로그결과를보기힘들고많은영상이미지에의해데이터처리에시간이오래걸린다. 그리고적외선 (infrared: IR) 카메라나자외선 (ultraviolet: UV) 카메라를이용하는방법은그가격이매우비싸다는단점이있다. 2.4 분광분석을이용한모니터링 Fig. 9 Weld pool monitoring image using CMOS camera ) 이외의방법으로는레이저재료가공시발생하는빛을화이버커플러 (fiber coupler) 로집광및전달하고분광기 (spectrometer) 를이용하여계측하는방법도사용된다 4). Fig. 은 CO 2 레이저를이용한스테인레스파이프용접에서발생되는분광학적특성으로특정스펙트럼선의경우금속원자의여기에의해서발생되는것이다 5). 이와같이분광기를통해얻어지는정보는용접시플라즈마에서여기되는금속원자의분석에주로사용된다. 그리고특정파장에서시간에따른데이터확보를통하여용접부의품질을예측하는연구도수행되고있다 4). 분광기를이용한모니터링은가격이매우비싸고, 샘플링속도의한계가있다. 3. 모니터링을이용한품질예측기술 Fig. Weld monitoring system in laser-arc hybrid welding Fig. 9는 Fig. 8과같은동축모니터링기법을이용하여 3 kw Nd:YAG 레이저로다양한속도에따라모니터링을수행한결과이다 ). 그림에서보는바와같이용접속도가 m/min 인경우는용융풀과키홀이관찰되며, 용접속도가증가함에따라키홀의밑면이점점뒤로이동하는것을알수있다. 위의실험결과에서는키홀의밑면이보이지않는경우에서불완전용입으로판단하였으나, 다른연구에의하면속도증가에의해키홀의밑면이관찰되지않아도완전용입이형성된다고보고되고있다 2). Fig. 은레이저아크하이브리드용접에서동축모니터링시스템을이용한결과이다. 초기레이저만조사되어용접되는경우와중간부분에서아크가형성되었으나용적이행이불안정한상태, 그리고후반부에서안정된아크의형성과키홀이관찰되는것을볼수있다 3). 카메라를이용하는모니터링하는경우일반적인 CCD (charge coupled device) 는초당 3 프레임 레이저용접을앞장에서기술한다양한기법을이용하여모니터링을수행한다. 이러한모니터링신호는용접부의품질과매우밀접하게관련되어있다. 그러므로많은연구자들이모니터링신호와용접부품질과의매핑기술을이용하여그연관성을찾고자노력하고있다. Fig. 2는 DP 98.5t 의겹치기레이저용접에서용접시발생되는소리신호를계측하여용입깊이를신경회로망을이용하여예측한것이다. 9.97% 의평균오 Intensity (a.u.) Mn(I) 43.54nm Wavelength mm) Fig. Spectroscopic spectrum for light emission of plasma Fe(I) nm Cr(I) 54.7nm 3 Journal of KWJS, Vol. 3, No., February, 22

6 레이저용접에서용접공정모니터링기술 3 Normalized depth of weld(a.u) Predicted depth of weld by NN Experiment index for NN model test (a) result from NN 8 Normalized depth of weld(a.u) Predicted depth of weld by NN Experiment index for NN model test (b) result from NN 5 Fig. 2 Weld penetration estimation using acoustic signal and neural network Width (mm) Data number Real Estimation Fig. 3 Bead shape estimation using light signal and multiple regression analysis 차율을갖는예측성능을가지고있다 6). Fig. 3은 6kW급 CO 2 레이저를이용하여 GA 강판.5t 에대하여용접한것을 2개의각도가다른 UV 포토다이오드와 개의 IR신호를이용하여모니터링한센서신호를이용하여용접부비드의폭을예측한것이다. 예측을위해서사용된방법은다중회귀모델을사용한것으로예측성능이우수한것을알수있다 7). Fig. 4는 Disk 레이저를이용한알루미늄판재의레이저용접에서발생되는플라즈마를가시광선영역의포토다이오드를이용하여모니터링하고, 이를이용하여용접부품질을예측한프로그램의예이다. 적정용접조건에서얻어지는플라즈마의광강도를이용하여기준신 Fig. 4 Example of weld quality estimation program in aluminum laser welding 호의상한과하한을작성하고, 새로운용접신호가들어왔을때, 얻어지는신호의패턴을기준신호와비교하여용접부의품질을판단하는것이다. 패턴을분석하는방법으로는퍼지패턴인식기법을이용하였다 8). 레이저용접에서용접시스템에대한하드웨어적모니터링시스템을구성하는것도매우중요하다. 그뿐만아니라얻어진다양한신호들을분석하여용접현상을이해하고, 신호처리혹은화상처리과정을거쳐우리가원하는정보를찾아내느냐또한매우중요하다. 이러한소프트웨어적인해석및평가방법에대한연구가지속적으로진행되어야한다. 4. 결론 레이저용접은자동차, 전자, 조선, 철강등다양한산업현장에서사용되고있다. 사용되는범위가넓어질수록품질관리및용접부의신뢰성확보는더욱더큰이슈로되고있다. 이에따라레이저용접모니터링기술에대한요구는한층더높아지고있으며, 이에따라산, 학, 연에서그중요성과연구의필요성이제기되고있고또한많은연구가진행되고있다. 이러한모니터링기술의산업적적용과생산현장에서의활용을통해레이저용접의생산성과경쟁력, 용접의신뢰성향상에크게기여할수있을것으로기대한다. 참고문헌. J. F. Ready and D. F, Farson : LIA Handbook of Laser Material Processing, Laser Institute of America, 2, Kyoung-Don Lee : Quality Monitoring System for Tailored Blank Welding, Journal of KWS, 8-3 (2), 32-4 (in Korean) 3. A. Sun, E. Kannatey-Asibu, Jr. and M. Gartner : 大韓熔接 接合學會誌第 3 卷第 號, 22 年 2 月 3

7 32 Sensor System for Real-time Monitoring of Laser Weld Quality, Journal of Laser Applications, -4 (2), D. Farson, A. Ali and Y. Sang : Relationship of Optical and Acoustic Emission to Laser Weld Penetration, Welding Journal, 77-4 (998), 42s-48s 5. 대한용접학회편 : 용접 접합편람 III 공정및열가공, 대한용접학회, 27, 5-52 (in Korean) 6. S. H. Lee, J. U. Choi and J. E. Choi : Acoustic Emission Monitoring during Laser Spot Welding of Stainless Steel Sheets, Journal of the Korean Society of Precision Engineering, 22-4 (25), 6-67 (in Korean) 7. J. D. Kim : Fundamental Study on the Weld Defects and Real-time Monitoring Method, Journal of KWS, 2-, (22), (in Korean) 8. I. Eriksson, J. Powell and A. F. H. Kaplan : Signal Overlap in the Monitoring of Laser Welding, Measurement Science and Technology, 2- (2), J. D. Kim and C. J. Lee : A Study on Characteristics of Plasma Emission Signals with Welding Conditions in CO 2 Laser, Transactions of the KSME A, 33- (29), (in Korean). Y. W. Park and S. Rhee : Monitoring of Laser Material Processing and Developments of Tensile Strength Estimation Model Using Photodiodes, Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, 7- (28), 98-8 (in Korean).J. Beersiek : A CMOS Camera as a Tool for Process Analysis not only for Laser Beam Welding, Proceedings of ICALEO, (2), F J. H. Kim, C. H. Kim, J. H. Kim and S. Rhee : Coaxial Monitoring during Laser Lap Welding, Proceedings of the KSME 27 Spring Annual Meeting, (in Korean) 3. Y. W. Park, S. Rhee and C. H. Kim : Development of Coaxial Monitoring System in Laser Arc Hybrid Welding for Automotive Body Application, Journal of KWS, 27-6 (29), (in Korean) 4. S. Palanco, M. Klassen, J. Skupin, K. Hansen, E. Schubert, G. Sepold and J. J. Laserna : Spectroscopic Diagnostics on CW-laser Welding Plasmas of Aluminum Alloys, Spectrochimica Acta Part B : Atomic Spectroscopy, 56-6 (2), A. Ancona, T. Sibillano and P. M. Lugara : Optical Plasma Spectroscopy as a Tool for Monitoring Laser Welding Processes, Journal of Achievements in Materials and MAnufacturing Engineering, 3-2 (28), W. Huang and R. Kovacevic : A Neural Network and Multiple Regression Method for the Characterization of the Depth of Weld Penetration in Laser Welding Based on Acoustic Signatures, Journal of Intelligent Manufacturing, 22-2 (2), H. Park and S. Rhee : Estimation of Weld Bead Size in CO 2 Laser Welding by Using Multiple Regression and Neural Network. Journal of Laser Application, -3 (999), Y. W. Park and D. Kim : Optimization of Laser Welding Parameters in Aluminum Alloy Welding and Development of Quality Monitoring System for Light Weight Vehicle, Materials Science Forum, (22), ( 朴永煥 ) 972년생 국립부경대학교기계공학과 레이저용접, 용접공정및자동화 parkyw@pknu.ac.kr 32 Journal of KWJS, Vol. 3, No., February, 22