KR100558773B1 - The method of laser weld monitoring using time variation of frequency components - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 용접공정 감시 방법에 관한 것으로, 그 목적은 용접 풀에서 발생되는 열 복사 신호를 특정 파장에서 충분히 빠른 속도로 획득하고, 이 신호의 세기뿐 아니라 주파수 성분의 세기의 시간에 따른 변화를 이용하는 용접 감시 신호처리 알고리즘을 제시하며, 이를 이용하여 레이저용접 공정의 실시간 감시 방법을 제공하는데 있다. The present invention relates to a method for monitoring a laser welding process, the object of which is to obtain a heat radiation signal generated in the welding pool at a sufficiently fast speed at a specific wavelength, and to change the intensity of the signal as well as the time-dependent change of the frequency component. We propose a welding monitoring signal processing algorithm to be used, and to provide a real time monitoring method for the laser welding process using the same.
본 발명의 구성은 용접 풀에서 나오는 열 복사 신호를 레이저빔 집속 렌즈와 광섬유 등의 레이저 전달 경로를 통하여 외부에서 획득한 후, 고속 프리에 변환으로 주파수 성분을 분석하고, 특정한 주파수의 신호 세기의 시간적인 변화를 기준 신호와 비교하거나 특정 주파수 성분의 세기의 비를 서로 비교함으로써 레이저 용접상태를 감시하는 방법을 그 기술적 특징으로 한다.According to the present invention, the thermal radiation signal from the welding pool is externally acquired through a laser beam focusing lens and a laser transmission path such as an optical fiber, and then a frequency component is analyzed by a high-speed freeze transform, and the temporal The technical feature is to monitor the laser welding state by comparing the change with a reference signal or by comparing the ratio of the intensity of a particular frequency component to each other.
용접장치, 주파수, 신호처리, 열복사, 용접풀Welding device, frequency, signal processing, heat radiation, welding pool
Description
도 1은 본 발명 용접 신호 감시장치 구성도이고,1 is a block diagram of the present invention welding signal monitoring device,
도 2는 본 발명 용접 신호 관측 및 분석 프로그램의 신호처리 순서도이며,2 is a signal processing flowchart of the present invention welding signal observation and analysis program,
도 3은 본 발명 용접 신호 관측 및 분석 소프트웨어의 화면 구성도이고,3 is a screen configuration diagram of the present invention welding signal observation and analysis software,
도 4a,b는 본 발명 용접시편의 용접 결과 모습(앞 뒷면의 사진)이며,Figure 4a, b is a welding result of the welding specimen of the present invention (front and back photo),
도 5는 본 발명 용접시 광검출기에서 획득한 원본 신호이고,5 is an original signal obtained from the photodetector when welding the present invention,
도 6은 본 발명 10Hz와 20Hz 주파수 성분의 시간에 따른 변화(linear scale)이며,6 is a linear scale of the frequency components of the present invention 10Hz and 20Hz,
도 7은 본 발명 240Hz와 250Hz 주파수 성분의 시간에 따른 변화(linear scale)이고,7 is a linear scale of the 240Hz and 250Hz frequency components of the present invention,
도 8은 본 발명 10Hz와 20Hz 주파수 성분의 시간에 따른 변화(log scale).이며,8 is a log scale of the frequency components of the present invention 10Hz and 20Hz.
도 9는 본 발명 240Hz와 250Hz 주파수 성분의 시간에 따른 변화(log scale)이고,9 is a log scale of the 240Hz and 250Hz frequency components of the present invention over time;
도 10은 본 발명 시간에 따른 두 주파수 성분의 비(I(10 Hz)/I(250 Hz), I(20 Hz)/I(250 Hz))이며,10 is the ratio of two frequency components (I (10 Hz) / I (250 Hz) , I (20 Hz) / I (250 Hz) ) over time of the present invention,
도 11은 본 발명 시간에 따른 두 주파수 성분의 비(I(250 Hz)/I(10 Hz), I(250 Hz)/I(20 Hz))이다.11 is the ratio of two frequency components (I (250 Hz) / I (10 Hz) , I (250 Hz) / I (20 Hz) ) over time of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(1) : 레이저 (2) : 광섬유(1): laser (2): optical fiber
(3) : 신호처리 컴퓨터 (11) : 열거울(3): signal processing computer (11): enumeration
(12) : 집속렌즈 (13) : 협대역 필터(12): focusing lens (13): narrowband filter
(14) : 광 검출기 (21) : 용접헤드14: photo detector 21: welding head
(22) : 용접시편 (23) : 용접 풀(22) Weld Specimen (23) Weld Pool
본 발명은 레이저 용접공정 감시 방법에 관한 것으로, 특히 레이저 용접시 용접 풀에서 발산되는 열복사 신호를 측정하고, 주파수 분석을 하여 각 주파수 대역의 신호 세기를 기준 신호와 비교하여 용접 상태를 실시간 감시할 수 있는 용접감시 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for monitoring a laser welding process, in particular, by measuring the heat radiation signal emitted from the welding pool during laser welding, by performing a frequency analysis to compare the signal strength of each frequency band with a reference signal to monitor the welding state in real time The present invention relates to a welding monitoring method.
레이저 용접에서 레이저빔은 렌즈에 의해 용접 대상체에 집속되면 용접 대상체가 녹아 용접이 이루어진다. 레이저 집속되는 영역에는 용접 풀(pool)이 생성되는데, 이 용접 풀에서는 열복사(thermal radiation)가 방출된다. 이 열복사 신호는 레이저의 출력이나, 초점 상태 등에 영향을 받게되므로, 이 신호를 획득/분석함으로써 레이저용접 상태를 감시할 수 있으며, 이러한 신호를 검출하여 용접 상태에 대한 정보를 추출하려는 광학식 감시 장치가 그동안 많이 개발되어 왔다.In laser welding, when a laser beam is focused on a welding object by a lens, the welding object melts and welding is performed. A weld pool is created in the laser focused area, where thermal radiation is emitted. Since the heat radiation signal is affected by the laser output, the focus state, etc., the laser welding state can be monitored by acquiring / analyzing the signal, and an optical monitoring device that detects such a signal and extracts information about the welding state is provided. It has been developed a lot.
레이저 용접상태의 광학식 감시방법은 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 하나는 CCD카메라나 적외선 카메라로 용접 풀의 영상을 획득하여 분석하는 방법이고, 다른 하나는 용접 풀에서 방출되는 열 복사 신호의 세기를 포토다이드 등의 광검출기로 측정하여 분석하는 방식이다. Optical monitoring method of laser welding state can be classified into two types. One is a method of acquiring and analyzing an image of a welding pool with a CCD camera or an infrared camera, and the other is a method of measuring and analyzing the intensity of a heat radiation signal emitted from the welding pool with a photodetector such as a photodide.
상기 영상을 획득하여 분석하는 방법은 많은 정보를 획득할 수 있다는 장점이 있지만, 다른 한편으로는 빠른 정보처리 능력을 가진 복잡하고 고가의 장치가 필요하고 또한 광섬유로 전송하는 레이저 용접의 경우에는 레이저를 전송하는 광섬유로 영상을 획득할 수 없다는 단점이 있다. The method of acquiring and analyzing the image has an advantage of obtaining a lot of information, but on the other hand, a complicated and expensive device with fast information processing capability is required, and in the case of laser welding transmitting to an optical fiber, There is a disadvantage in that an image cannot be acquired by a transmitting optical fiber.
이와 반대로, 상기 열복사 신호를 측정하는 방식은 장치가 간단하고 저렴하며, 신호 처리가 빠르고 산업적인 환경에서 안정성이 높다는 장점이 있다. 하지만 영상을 획득하는 방식에 비해 정보의 양이 제한적이라는 단점이 있다. On the contrary, the method of measuring the thermal radiation signal has the advantages of a simple and inexpensive device, fast signal processing, and high stability in an industrial environment. However, there is a disadvantage in that the amount of information is limited compared to the method of acquiring an image.
구체적인 종래 선행 기술의 예를 들자면 미국특허 6,479,786 (Laser welding system)은 CCD 카메라 등의 이미지 센서(image sensor)를 용접 헤드(head) 옆에 설치하여 용접 비드(bead)의 형상을 실시간 분석하여 용접 상태를 실시간 감시하는 장치에 대한 특허로, 용접 단면의 영상을 획득하므로 정확한 상태를 알 수 있다.For example, in the prior art, US Patent No. 6,479,786 (Laser welding system) installs an image sensor such as a CCD camera next to the welding head (head) to analyze the shape of the welding bead (bead) in real time welding state As a patent for a device for monitoring in real time, an image of a welded cross section is obtained so that an accurate state can be known.
또한 미국특허 5,659,479(Method and apparatus for real-time control of laser processing of materials.)는 카메라(camera)를 사용하여 용접단면을 실시간 측정하여 용접상태를 감시하고, 퍼지 로직 컨트롤(fuzzy logic control)을 이용하여 분석하는 것에 대한 특허로 적외선(IR), 음파신호, 자외선(UV) 신호도 동시에 활용하여 정확도를 높이는 방법을 제안하였다.In addition, U.S. Patent 5,659,479 (Method and apparatus for real-time control of laser processing of materials.) Uses a camera to monitor the welding section in real time to monitor the welding state and use fuzzy logic control. As a patent for the analysis by using an infrared (IR), sound wave signal, and ultraviolet (UV) signal at the same time proposed a method for improving the accuracy.
그러나 이러한 방법들은 감시장치에 카메라 장치가 있어야 하고, 영상정보의 처리장치가 필요하므로 장치가 고가여야 되고, 레이저빔을 전송하는 광섬유를 이용하여 영상을 전송하여 획득할 수 없으므로 장치의 구성이 복잡해진다는 단점이 있어, 이보다는 단일 센서를 사용하는 감시방법이 더 많이 고안되고 있다.However, these methods require a camera device in the monitoring device and a device for processing image information. Therefore, the device must be expensive, and the configuration of the device is complicated because it cannot be obtained by transmitting an image using an optical fiber that transmits a laser beam. There is a disadvantage, and more monitoring methods using a single sensor are being devised.
이러한 단일 센서를 사용하는 감시 방법은 미국특허 6,060,685(Method for monitoring laser weld quality via plasma light intensity measurements), 5,728,992(Apparatus and method for real time evaluation of laser welds especially in confined spaces such as within heat exchanger tubing), 5,155,329(Monitoring method and system for laser beam welding), 6,188,041(Method and apparatus for real-time weld process monitoring in a pulsed laser welding), 6,329,635 (Methods for weld monitoring and laser heat treatment monitoring)이나, 국내특허 346090호(레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법 및 장치) 등이 있다. Monitoring methods using such a single sensor are described in US Pat. No. 6,060,685 (Method for monitoring laser weld quality via plasma light intensity measurements), 5,728,992 (Apparatus and method for real time evaluation of laser welds especially in confined spaces such as within heat exchanger tubing), 5,155,329 (Monitoring method and system for laser beam welding), 6,188,041 (Method and apparatus for real-time weld process monitoring in a pulsed laser welding), 6,329,635 (Methods for weld monitoring and laser heat treatment monitoring) or Korean Patent No. 346090 ( Welding pool size monitoring and focus control method and apparatus in laser welding).
상기 미국특허 6,060,685 나 5,329,091(Weld monitoring device)는 레이저 용접시 발생하는 플라즈마에서 발생하는 빛을 획득하여 그 세기나 형태를 기준신호와 비교하는 방법으로, 획득하는 파장 대역은 가시광선과 자외선이다.The US 6,060,685 or 5,329,091 (Weld monitoring device) is a method of obtaining the light generated in the plasma generated during laser welding and comparing the intensity or shape with a reference signal, the wavelength band obtained is visible light and ultraviolet light.
상기 미국특허 5,728,992, 5,155,329 등은 용접면의 열복사 신호를 Silicon detector, Lead sulfide detector 등의 광센서로 획득하고, 용접 풀에서 나오는 열복사 신호의 형태를 기준 형태와 비교하여 감시하는 방법이다. 정상적인 용접 상태에서 획득된 신호를 각 펄스마다 기록하여 두고, 레이저 용접 시 각 펄스에서 열복사 신호를 두 광센서에서 모두 각각 형태와 높이를 비교하는 방식으로, 수백 개의 펄스에 대한 신호를 평균하여 기준 신호와 비교한다.The US Patent 5,728,992, 5,155,329 and the like is a method of acquiring a heat radiation signal of the welding surface with an optical sensor such as a silicon detector, a lead sulfide detector, and monitoring the shape of the heat radiation signal from the welding pool in comparison with the reference form. The signals obtained in the normal welding state are recorded for each pulse, and the thermal radiation signal is compared with each other in the two laser sensors during the laser welding. Compare with
하지만 이들 특허는 모두 하나 또는 두 개의 단일 광센서를 사용하는 것으로 집속렌즈의 초점 이동 정보를 제공하지는 못한다. However, these patents all use one or two single light sensors and do not provide focus shift information of the focusing lens.
이러한 단점을 극복하기 위하여 미국특허 4,992,859에서는 렌즈의 색수차를 이용하여 렌즈의 초점 위치를 제어하고자 하였으며, 미국특허 5,785,651과 5,218,193 에서는 렌즈의 색수차 정보를 거리측정 및 거리제어에 사용하기도 하였다.In order to overcome this disadvantage, US Patent 4,992,859 attempts to control the focal position of the lens by using the chromatic aberration of the lens, and US Patent 5,785,651 and 5,218,193 also used the chromatic aberration information of the lens for distance measurement and distance control.
미국특허 6,329,635와 5,674,415 에서는 광센서로 획득된 용접면에서의 열복사 신호를 AC 성분과 DC 성분으로 나누어 그 세기를 기준 신호와 비교하는 방법을 고안하였는데, 기존의 방법에 비해서 정보 분석이 늘어남에 따라 용접 감시의 정밀도를 향상시킬 수 있지만, 아직도 카메라나 여러 개의 광센서를 사용하는 방법보다 는 정보량이 적어 감시 정확도에 제한이 있다.U.S. Patents 6,329,635 and 5,674,415 devised a method of dividing the thermal radiation signal from the welding surface obtained by the optical sensor into AC and DC components and comparing the intensity with a reference signal. Surveillance accuracy can be improved, but the accuracy of surveillance is limited because there is still less information than using cameras or multiple light sensors.
미국특허 5,486,677 과 4,121,339, 일본특허 2002-321073에서는 레이저 용접시에 발생하는 광신호를 고속 프리에 변환을 거쳐 주파수 성분을 계산하고 이러한 주파수 값을 기준 세기와 비교하는 보다 진보된 방법이 제안되었다. 하지만 이 특허들에서 제안한 방식은 주파수 성분을 기준 값과 비교하여 분석하는 방식으로, 주파수 성분의 시간에 따른 변화로 용접 신호를 정량화 시키는데는 미진한 수준이다.In US Pat. Nos. 5,486,677 and 4,121,339, and Japanese Patent 2002-321073, more advanced methods have been proposed for calculating frequency components by fast free-switching optical signals generated during laser welding and comparing these frequency values with reference intensities. However, the method proposed by these patents is a way to analyze the frequency component compared to the reference value, which is insufficient to quantify the welding signal by the change of the frequency component over time.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 용접 풀에서 발생되는 열 복사 신호를 특정 파장에서 충분히 빠른 속도로 획득하고, 이 신호의 세기뿐 아니라 주파수 성분의 세기의 시간에 따른 변화를 이용하는 용접 감시 신호처리 알고리즘을 제시하며, 이를 이용하여 레이저용접 공정의 실시간 감시 방법을 제공하는데 있다. An object of the present invention for solving the above problems is to obtain a thermal radiation signal generated in the welding pool at a sufficiently fast speed at a specific wavelength, and to use the strength of this signal as well as the time-dependent change in the strength of the frequency component. The present invention proposes a monitoring signal processing algorithm and provides a real time monitoring method for a laser welding process using the same.
또한 본 발명의 다른 목적은 기존 광학 신호의 주파수 분석을 사용하는 실시간 레이저 감시방법에서는 주파수 성분의 세기만을 이용하는 방식으로 이러한 절대적인 주파수 신호의 비교/분석으로는 레이저 용접공정을 정밀하게 감시하기는 힘들다는 문제점을 해결하기 위하여 다양한 주파수 성분의 시간적인 변화를 통한 보다 정확한 레이저 용접감시 방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is the real-time laser monitoring method using the frequency analysis of the existing optical signal, it is difficult to precisely monitor the laser welding process by the comparison / analysis of these absolute frequency signals in a manner using only the intensity of the frequency component. In order to solve the problem is to provide a more accurate laser welding monitoring method through the time changes of various frequency components.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 레이저 용접 상태를 광학적으로 감시하는 실시간 레이저 용접 감시방법에 있어서,In the present invention to achieve the object as described above and to perform the problem to eliminate the conventional defects in the real-time laser welding monitoring method for optically monitoring the laser welding state,
용접 풀에서 나오는 열 복사 신호를 레이저빔 집속 렌즈와 광섬유 등의 레이저 전달 경로를 통하여 외부에서 획득한 후, 고속 프리에 변환으로 주파수 성분을 분석하고, 특정한 주파수의 신호 세기의 시간적인 변화를 기준 신호와 비교하거나 특정 주파수 성분의 세기의 비를 서로 비교함으로써 레이저 용접상태를 감시하는 방법을 특징으로 한다. The heat radiation signal from the welding pool is obtained from the outside through the laser beam focusing lens and the laser transmission path such as the optical fiber, and then the frequency component is analyzed by the high-speed freeze transform, and the temporal change of the signal intensity of the specific frequency is compared with the reference signal. A method of monitoring a laser welding state is characterized by comparing or comparing ratios of intensities of specific frequency components with each other.
상기 레이저 용접상태를 감시하는 방법은 용접 풀에서 방출되는 열 복사 광 신호를 레이저빔을 집속 및 전송하는 렌즈와 광섬유 등의 빔 전송 장치를 이용하여 용접 시편에서 멀리 떨어진 곳에 있는 광검출 기기부로 보내는 단계와;The method for monitoring the laser welding state is a step of sending a heat radiation optical signal emitted from the welding pool to the light detection device unit far away from the welding specimen by using a beam transmitting device such as a lens and an optical fiber for focusing and transmitting a laser beam. Wow;
시편에서 반사되는 레이저빔과 방출되는 열복사 광 신호를 색분리 거울로 분리하는 단계와;,Separating the laser beam reflected from the specimen and the emitted thermal radiation light signal with a color separation mirror;
열복사 광 신호를 협대역 광학필터를 사용하여 특정 파장의 광신호만을 통과시킨 후, 상기한 협대역 열복사 광 신호를 광 검출기로 검출하여 디지탈 신호로 변환하여 획득하는 단계와;Passing the thermal radiation optical signal only through an optical signal having a specific wavelength using a narrowband optical filter, and then detecting the narrowband thermal radiation optical signal by using an optical detector and converting the optical signal into a digital signal;
디지털화된 광 검출기 신호를 시간에 따른 각 주파수 성분의 변화를 알 수 있을 정도의 여러 개의 구간으로 나누어서 고속 프리에 변환법으로 각각의 구간에서의 각각의 주파수 성분의 세기를 구하고, 저주파와 고주파의 주파수 성분의 세기 의 시간적인 변화를 비교하고 이들 주파수 성분의 세기를 기준 값과 비교하는 단계를 거쳐 용접상태를 감시하는 것을 특징으로 한다.Divide the digitized photodetector signal into several sections that show the change of each frequency component over time, and obtain the intensity of each frequency component in each section by using the fast freeze transform method. The welding condition is monitored by comparing the temporal change of the intensity and comparing the intensity of these frequency components with a reference value.
상기에서 두 개 이상의 주파수 성분의 세기의 비의 시간적인 변화를 구하여, 이 값들의 시간적인 변화와 절대값의 크기를 감시함으로써 용접 상태를 평가하는 방법을 특징으로 한다.A method of evaluating a welding state by obtaining a temporal change in the ratio of the intensities of two or more frequency components, and monitoring the temporal change of these values and the magnitude of the absolute value.
상기에서 두 개 이상의 주파수 성분의 상용대수 값의 시간적인 변화를 구하여, 이 값들의 시간적인 변화와 절대값의 크기를 비교함으로써 용접 상태를 평가하는 방법을 특징으로 한다.In the above, the temporal change of common logarithm values of two or more frequency components is obtained, and the welding state is evaluated by comparing the temporal change of these values with an absolute value.
본 발명의 장치구성은 레이저 용접 상태를 광학적으로 감시하는 실시간 레이저 용접 감시장치에 있어서,The device configuration of the present invention is a real-time laser welding monitoring apparatus for optically monitoring the laser welding state,
레이저빔을 발진시키는 레이저(1)와;A
발진된 레이저빔을 반사하도록 레이저 앞단에 설치된 열거울(11)과;Enumeration beams 11 provided at the front end of the laser to reflect the oscillated laser beam;
열거울에서 반사된 레이저를 집속하는 집속렌즈(12)와;A focusing
집속된 레이저를 전송하는 광섬유(2)와;An
광섬유로부터 집속된 레이저빔을 전송받아 용접시편(22)에 집속시켜 용접 풀(23)을 생성시키는 용접 헤드(21)와; A
용접 풀(23)에서 방출된 열 복사 신호를 용접헤드(21)와 광섬유(2)를 통해 다시 전송받아 집속렌즈(12)에 의해 시준 광이 된 후 열거울(11)에 의해 용접면에 서 반사되어 오는 레이저빔과 분리되어 협대역 필터(13)에 의해 특정 파장만을 투과하여 검출하는 광 검출기(14)와;The heat radiation signal emitted from the
광 검출기와 인터페이스로 연결되어 A/D 변환기를 통해 광검출기의 출력값을 디지털 신호로 처리하여 열복사 신호를 디지털 형태로 획득하여 저장하는 수단과, Means for interfacing with the photo detector and processing the output of the photo detector as a digital signal through an A / D converter to obtain and store the thermal radiation signal in digital form;
레이저 용접 상태를 위해 실시간으로 감시 분석하도록 디지털화된 광검출기 신호를 시간에 따른 각 주파수 성분의 변화를 알수 있을 정도의 여러개의 구간으로 나누어서 고속 프리에 변환법으로 각각의 구간에서의 각각의 주파수 성분의 세기를 구하고, 저주파와 고주파의 주파수 성분의 세기의 시간적인 변화를 비교하고 이들 주파수 성분의 세기를 기준값과 비교하는 프로그램을 저장한 수단을 구비한 신호처리 컴퓨터(3)로 구성된 것을 특징으로 한다.The digitized photodetector signal is monitored in real time for the laser welding condition. The digitized photodetector signal is divided into several sections to show the change of each frequency component over time. And a
상기와 같은 본 발명의 신호처리 방법 및 장치구성은 하나의 단일 광센서에서 획득한 신호를 세기의 주파수 성분뿐 아니라, 주파수 성분의 시간에 따른 변화와 주파수 성분의 비의 시간에 따른 변화를 감시함으로써, 레이저 용접 상태 감시의 정확성을 높일 수 있다.The signal processing method and apparatus configuration of the present invention as described above by monitoring the signal obtained by one single optical sensor as well as the frequency component of the intensity, the change over time of the frequency component and the change over time of the ratio of the frequency component The accuracy of the laser welding condition monitoring can be improved.
이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하의 설명은 파장이 1.06 ㎛인 연속발진 Nd:YAG레이저 용접에 관한 예를 든 것이나, 다른 레이저 용접에서도 동일한 원리의 적용이 가능하다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description gives an example of continuous oscillation Nd: YAG laser welding having a wavelength of 1.06 mu m, but the same principle can be applied to other laser welding.
도 1은 본 발명 용접 신호 감시장치 구성도로, 용접 풀에서 방출되는 열복사 를 이용한 실시간 용접공정 감시장치의 구성을 보이고 있는데, 이를 설명하면 다음과 같다. 1 is a block diagram of a welding signal monitoring device according to the present invention, showing a configuration of a real-time welding process monitoring device using heat radiation emitted from a welding pool.
레이저(1)로부터 발진된 레이저빔은 레이저 앞단의 열거울(11)에서 반사된 후 집속렌즈(12)로 집속되어 광섬유(2)로 용접 헤드(21)까지 전송된다.The laser beam oscillated from the
용접헤드(21)에서 집속된 레이저빔은 용접시편(22)에 집속되어 용접 풀(23)을 생성시킨다. The laser beam focused on the
용접 풀(23)에서 방출된 열 복사 신호는 용접헤드(21)와 광섬유(2)를 통해 다시 전송된다. The heat radiation signal emitted from the
이 전송된 열복사 신호는 집속렌즈(12)에 의해 시준 광이 되고 열거울(11)에 의해 용접면에서 반사되어 오는 1.06 ㎛ 파장의 Nd:YAG 레이저빔과 분리되고, 협대역 필터(13)에 의해 특정 파장만을 투과하여 광 검출기(14)로 검출된다.The transmitted thermal radiation signal is collimated by the focusing
광 검출기의 출력은 인터페이스를 통하여 신호처리 컴퓨터(3)에 연결되는데, A/D 변환기를 통해 디지털 신호가 되어 처리된다. The output of the photo detector is connected to the
디지털 신호의 분해능은 12 비트 이상이 되도록 하여 정밀도를 높게 유지하였다. The resolution of the digital signal was 12 bits or more to keep the precision high.
정밀 용접에서는 획득신호의 정밀 분석을 위하여, 신호획득 시간간격이 충분히 작아야 한다. In precision welding, the signal acquisition time interval must be small enough for the precise analysis of the acquired signal.
신호획득 시간간격은 인터페이스에서 조정할 수 있도록 하였는데, 100 kHz 속도로 처리가 가능하여 수백 Hz 정도의 신호를 추출하는데 문제가 없었다.The signal acquisition time interval can be adjusted at the interface, but it can be processed at 100 kHz speed, so there is no problem in extracting signals of several hundred Hz.
신호처리 컴퓨터(3)에서는 열복사 신호를 디지털 형태로 획득하여 저장하고, 레이저 용접 상태를 감시하기 위해 실시간으로 분석한다.The
용접면에서의 열복사 신호의 세기를 실시간으로 디스플레이 하여주며, 각각의 주파수 성분을 지정하면 그 주파수 성분의 스펙트럼(spectrum)을 시간에 따라 보여주어, 신호의 세기 보다 정밀한 용접상태 감시 신호를 나타낸다. The intensity of the heat radiation signal on the welding surface is displayed in real time. When each frequency component is specified, the spectrum of the frequency component is shown over time, indicating a more precise welding state monitoring signal.
주파수 신호의 변화가 미리 정해진 범위를 벗어나면 "오차" 알람을 내 보내는 기능도 갖는다.It also has the ability to issue an "error" alarm if the change in the frequency signal is outside the predetermined range.
상기한 본 발명의 구성을 가지고 실제 레이저 용접 실험시의 용접신호를 획득하여 용접신호의 주파수 분석 방법의 효과를 알아보는 실험을 하였다. With the configuration of the present invention described above, the experiment was performed to obtain the welding signal during the actual laser welding experiment and to find out the effect of the frequency analysis method of the welding signal.
본 실험에서 사용한 레이저는 독일 트럼프사 연속 발진형 CW Nd:YAG 레이저로 파장은 1.06㎛ 평균 출력은 2㎾를 가지며, HAAS 레이저 시스템은 매우 컴팩트(compact)한 구조를 가지고 있다. The laser used in this experiment is Trump's continuous oscillation CW Nd: YAG laser with a wavelength of 1.06㎛ average power of 2 ㎾ and HAAS laser system has a very compact structure.
레이저빔은 광섬유를 통하여 전송되며 레이저 로드는 직경 10㎜와 150㎜의 길이를 가진다. 레이저 시스템은 CNC 머신과 연동하여 제어하도록 구성 되어있다. The laser beam is transmitted through the optical fiber and the laser rod has a diameter of 10 mm and a length of 150 mm. The laser system is configured to control in conjunction with a CNC machine.
레이저 용접시 사용된 열복사 파장을 측정하기 위해서 실리콘 검출기(Thorlab 사, DET 100)를 사용하였다. A silicon detector (Thorlab, DET 100) was used to measure the thermal radiation wavelength used in laser welding.
또한 광 검출기의 응답속도가 10 ns로 용접 중 발생되는 신호를 100㎑ 이상 검출할 수 있다. In addition, the response speed of the light detector is 10 ns, it is possible to detect a signal generated during welding more than 100kHz.
광검출기 신호 데이터의 획득은 PCMCIA 소켓용 소형 데이터 수집 보드(DAQ- 112B, IO Tech.)를 사용하여 레이저 용접 과정에서 발생되는 아날로그 신호를 컴퓨터가 이용 가능한 디지털 신호로 데이터를 획득하였다. 도 2는 용접 신호 관측 및 분석 프로그램의 신호처리 순서도이며, 도 3은 용접 신호 관측 및 분석 소프트웨어의 화면이다.The photodetector signal data was acquired using a small data acquisition board for the PCMCIA socket (DAQ-112B, IO Tech.) And the analog signal generated during the laser welding process as a digital signal available to the computer. 2 is a signal processing flowchart of a welding signal observation and analysis program, and FIG. 3 is a screen of welding signal observation and analysis software.
도 4a 및 b는 두께가 1㎜와 2㎜인 두 개의 SUS 316 plate를 겹쳐 놓고, 초점을 -10㎜ 만큼 out-of-focus 한 상태(좌측 끝)에서 시작하여 정확한 초점을 지나 +10㎜ 만큼 out-of-focus 한 상태(우측 끝)로 끝나는 용접 실험 결과이다. 레이저빔의 세기는 1.5㎾의 레이저 출력을 사용하였다. 아래 사진은 용접 후의 시편의 을 앞/ 뒤 면 모습으로, 가운에 부분(초점이 맞는 부분)의 용접 상태가 아주 양호하지만 그 폭이 크지 않으며, 양 옆 부분(초점이 맞지 않는 부분)은 거의 용접이 되지 않음을 알 수 있다. 도4a는 용접시편의 용접 결과 앞 면 모습이고, 도4b는 뒷면 모습을 보인 사진이다.Figures 4a and b overlap two SUS 316 plates with thicknesses of 1 mm and 2 mm, starting at -10 mm out-of-focus (left end) and passing the correct focus by +10 mm. This is the result of a welding experiment ending in an out-of-focus state (right end). The laser beam intensity used a laser power of 1.5 kHz. The picture below shows the front / back side of the specimen after welding. The welding condition of the part of the gown (the part in focus) is very good but the width is not large, and the side parts (the part out of focus) are almost welded. It can be seen that this is not. Figure 4a is a front view of the welding result of the welding specimen, Figure 4b is a photograph showing the back side.
도 5는 용접실험시에 광검출기에서 획득한 용접 표면에서의 광신호의 원본을 나타낸 것이다. 실제 용접한 시간은 약 2.5초이며, 용접 신호의 획득속도는 10㎑로 용접 전후의 data 까지 포함하여 총 data의 개수는 약 31,000여 개가 된다. 도 5에서 신호가 큰 부분이 실제 레이저빔이 나와서 용접이 되는 순간을 나타낸다. 도 4a,b의 용접 단면 모습에서와 같이 가운에 부분(초점이 맞는 부분)의 용접 신호는 고주파 성분이 작은 안정된 신호를 나타내고, 옆 부분(초점이 맞지 않는 부분)은 요동이 큰 신호의 형태를 보인다.Figure 5 shows the original of the optical signal on the welding surface obtained by the photodetector in the welding experiment. The actual welding time is about 2.5 seconds, the acquisition speed of the welding signal is 10㎑, and the total number of data including the data before and after welding is about 31,000. In FIG. 5, a large portion of the signal represents a moment when the actual laser beam comes out and is welded. As shown in the welding cross-sectional view of Figs. 4A and 4B, the welding signal of the part of the gown (the part in focus) shows a stable signal having a small high frequency component, and the side part (the part of the out of focus part) shows the shape of a signal with a large swing. see.
상기 도 5의 광검출기 신호에 대한 주파수 분석을 실시하였다. 도 5와 같은 시간 축에 대한 신호의 주파수 분석을 위해 프리에(Fourier) 변환을 하면 주파수 축에 대한 그래프가 그려지는데, 본 발명 장치에서는 이 주파수의 시간에 따른 크기변화를 알아야 하므로 구역을 나누어 주파수 분석을 하였다. 즉, 전체 30,000-32,000 여 개의 신호를 512개씩 묶어 약 60개의 구역으로 나누고, 각 512 개의 data로 주파수 분석을 한 후, 특정 주파수 신호를 추출하여 특정 주파수의 시간에 따른 변화를 분석하는 방식이다.Frequency analysis of the photodetector signal of FIG. 5 was performed. When Fourier transformation is performed for frequency analysis of a signal on the time axis as shown in FIG. 5, a graph is drawn on the frequency axis. In the present invention, since a magnitude change of the frequency is known over time, the frequency division is divided into regions. Was done. In other words, the total 30,000-32,000 signals are grouped by 512 and divided into about 60 zones, frequency analysis is performed on each of 512 data, and then a specific frequency signal is extracted to analyze the change over time of a specific frequency.
이렇게 주파수 분석을 한 결과가 도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10, 도11 이다. The frequency analysis results are shown in FIGS. 6, 7, 8, 9, 10, and 11.
도 6과 도 7은 각 주파수의 세기를 선형 scale에서 나타낸 것이고, 도 8과 도 9는 로그 scale에서 나타낸 것이다. 즉, 도 6은 10㎐와 20㎐ 주파수 성분의 시간에 따른 변화(linear scale)를 나타낸 것이고, 도 7은 240㎐와 250㎐ 주파수 성분의 시간에 따른 변화(linear scale)를 나타낸 것이고, 도 8은 10㎐와 20㎐ 주파수 성분의 시간에 따른 변화(log scale)를 나타낸 것이고, 도 9는 240㎐와 250㎐ 주파수 성분의 시간에 따른 변화(log scale)이다.6 and 7 show the intensity of each frequency on a linear scale, and FIGS. 8 and 9 show the logarithmic scale. That is, FIG. 6 shows a linear scale of 10 kHz and 20 kHz frequency components, and FIG. 7 shows a linear scale of 240 kHz and 250 kHz frequency components. Is the log scale of the 10 Hz and 20 Hz frequency components over time, and FIG. 9 is the log scale of the 240 Hz and 250 Hz frequency components over time.
도 10은 시간에 따른 두 주파수 성분의 비(I(10 Hz)/I(250 Hz) , I(20 Hz)/I (250 Hz))이고, 도 11은 시간에 따른 두 주파수 성분의 비(I(250 Hz)/I(10 Hz), I(250 Hz) /I(20 Hz))를 나 타낸 것으로, 도 10과 도 11은 두 주파수 성분의 비를 나타낸 것이다. 도 10에서 용접이 잘 된 부분은 비의 값이 2 이하인 것과 잘 일치하며, 값이 클수록 용접이 잘 되지 않은 부분이다. 도 11에서는 이와 반대의 양상을 보이는데, 여기서는 용접이 잘 된 부분일수록 큰 값을 보인다.10 is the ratio of two frequency components over time (I (10 Hz) / I (250 Hz) , I (20 Hz) / I (250 Hz) ), and FIG. 11 is the ratio of two frequency components over time ( I (250 Hz) / I (10 Hz) , I (250 Hz) / I (20 Hz) ) are shown, Figure 10 and Figure 11 shows the ratio of the two frequency components. In FIG. 10, the well welded portion corresponds well to the ratio of 2 or less, and the larger the value, the poorer the weld. In FIG. 11, the opposite aspect is shown. In this case, the better the welded part, the larger the value.
이상으로 용접 신호의 각각의 주파수 성분의 시간에 대한 변화로부터 용접 상태를 감시하는 것이 용접 부위에서 발생되는 신호 그 자체만으로 감시하는 것보다 정량화 하는데 유리함을 알 수 있다. 실제 용접 감시장치를 구성함에 있어서는 이러한 주파수 성분의 비 뿐만 아니라, 합과 차이나 적절한 수식에 의한 물리량 등을 도입함으로써 더욱 효과적인 용접의 실시간 감시가 가능할 것으로 생각된다.As described above, it can be seen that monitoring the welding state from the change of time of each frequency component of the welding signal is advantageous in quantifying it than monitoring by the signal itself generated at the welding site. In actual construction of the welding monitoring device, it is thought that more effective real-time monitoring of welding is possible by introducing not only the ratio of the frequency components but also the sum and difference or the physical quantity based on the appropriate equation.
상기에서는 특정 레이저 용접 감시 예에 대하여 기술하였지만, 다른 레이저를 사용하거나 다른 시편을 사용하는 레이저 용접 등 거의 모든 레이저 용접 실험에서 적용이 가능하며, 각각의 레이저나 시편의 재질 특성에 따라 다른 주파수와 다른 주파수 성분의 식을 찾아 최적화함으로써 좋은 결과를 얻을 수 있다.Although a specific laser welding monitoring example has been described above, it can be applied in almost all laser welding experiments such as laser welding using different lasers or using different specimens, and different frequencies and different frequencies depending on the material characteristics of each laser or specimen. Good results can be obtained by finding and optimizing the equations of the frequency components.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기한 바와 같이 본 발명은 레이저 용접시 용접 풀에서 발생되는 열복사 광 신호를 포토다이오드 등의 단일 광센서로 획득하고, 광 신호 세기를 주파수를 분석하여, 시간에 따른 특정 주파수 신호의 변화를 계산하고, 이들 신호의 비와 차이 등을 비교함으로써, 용입 깊이, 레이저 출력 이상유무 등의 레이저용접 상태를 감시하는 방법이다. 본 주파수 성분의 시간적인 변화를 이용하는 방법은 기존의 레이저 용접시 발생하는 열복사 신호의 상대적인 세기를 이용하는 방법이나 주파수 성분의 세기를 기준 신호와 비교하는 방법에 비해, 보다 많은 양의 정보를 비교할 수 있다는 특성이 있어서 더욱 정확한 용접상태 감시가 가능하다.As described above, the present invention obtains a thermal radiation optical signal generated in the welding pool during laser welding with a single optical sensor such as a photodiode, analyzes the frequency of the optical signal, and calculates a change in a specific frequency signal over time. By comparing the ratio and the difference of these signals, the laser welding state such as penetration depth and laser output abnormality is monitored. The method using the temporal variation of the frequency component can compare a greater amount of information than the method of using the relative intensity of the thermal radiation signal generated by laser welding or comparing the intensity of the frequency component with the reference signal. This feature allows for more accurate welding condition monitoring.
또한 본 발명은 레이저 용접에서 레이저빔은 렌즈에 의해 용접 대상체에 집속되면 용접 대상체가 녹아 용접이 이루어진다. 레이저 집속되는 영역에는 용접 풀(pool)이 생성되는데, 이 용접 풀에서는 열복사(thermal radiation)가 방출된다. 이 열복사 광 신호는 레이저의 출력이나, 초점 상태 등에 영향을 받게되므로, 이 신호를 획득/분석함으로써 레이저용접 상태를 감시할 수 있다.In addition, in the present invention, when the laser beam is focused on the welding object by a lens, the welding object is melted and welded. A weld pool is created in the laser focused area, where thermal radiation is emitted. Since the heat radiation optical signal is affected by the output of the laser, the focus state, and the like, the laser welding state can be monitored by acquiring / analyzing the signal.
또한 본 발명은 레이저 용접시 용접 풀에서 발생되는 열복사 광 신호를 포토다이오드 등의 단일 광센서로 획득하고, 광 신호 세기를 주파수를 분석하여, 시간에 따른 특정 주파수 신호의 변화를 계산하고, 이들 신호의 비와 차이 등을 비교함으로써, 용입 깊이, 레이저 출력 이상유무 등의 레이저용접 상태를 감시할수 있다.In addition, the present invention obtains a heat radiation optical signal generated in the welding pool during laser welding with a single optical sensor such as a photodiode, and analyzes the frequency of the optical signal intensity to calculate the change of a specific frequency signal over time, these signals By comparing the ratio and the difference, it is possible to monitor the laser welding state such as penetration depth and laser output abnormality.
따라서 본 발명 주파수 성분의 시간적인 변화를 이용하는 방법은 기존의 레이저 용접시 발생하는 열복사 신호의 상대적인 세기를 이용하는 방법이나 주파수 성분의 세기를 기준 신호와 비교하는 방법에 비해, 보다 많은 양의 정보를 비교할 수 있다는 특성이 있어서 더욱 정확한 용접상태 감시가 가능하다는 장점을 가는 유용한 발명으로 산업상 이용이 크게 기대되는 발명이다.
Therefore, the method of using the temporal variation of the frequency component of the present invention can compare a greater amount of information than the method of using the relative intensity of the thermal radiation signal generated in the conventional laser welding or comparing the intensity of the frequency component with the reference signal. It is a useful invention that has the advantage of being able to monitor the welding state more precisely because of its characteristics, and is an invention which is expected to be greatly used in industry.
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