KR100733327B1 - 고주파 전기 저항 용접의 용접품질 판정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 전기 저항 용접에 의한 강관 제조시 용접품질을 보다 정확히 판정할 수 있는 방법 및 장치의 제공에 관한 것이다.

본 발명은 고주파 전기 저항 용접의 용접품질을 판정하기 위한 방법으로서, 피용접재의 두께 및 재질에 따라서 V 수렴 용접점 근방 영역에 대한 가열면적의 기준값과 그 허용범위를 설정해 두는 단계와, 상기 용접부 가열면적에 대한 영상정보를 이용하여 V 수렴 용접점을 계산하는 단계와, 상기 V 수렴 용접점 근방의 일정 영역의 가열면적을 계산하는 단계와, 상기 가열면적 기준값 및 그 허용범위 설정 단계에서 미리 설정해 둔 기준치 및 허용범위와 상기 V 수렴 용접점 근방의 일정 영역의 가열면적을 계산하는 단계에서 계산된 가열면적을 비교 판단하여 용접이상 유,무를 판정하는 단계와, 용접후 용접중 허용한계를 벗어난 곳의 위치, 벗어난 횟수, 벗어난 길이를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 전기 저항 용접의 용접품질 판정 방법과, 동 방법의 수행을 위한 CCD 카메라(14)와 이미지보드(15), 영상처리 및 분석부(16), 용접품질 판정부(17), 용접품질 판정결과 표시부(18)로 이루어진 장치를 제공한다.

Description

고주파 전기 저항 용접의 용접품질 판정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING WELDING QUALITY IN HIGH FREQUENCY ELECTRIC RESISTANCE WELDING}

도1은 고주파 전기 저항 용접에 의한 강관 제조의 모식도,

도2는 종래의 자동 입열제어장치의 구성개요도,

도3은 본 발명에 따른 고주파 전기 저항 용접의 용접품질을 판정하기 위한 장치의 구성개요도,

도4는 본 발명에 따른 용접품질 판정 방법의 플로우차트,

도5는 용접부 가열면적과 용접결함간의 상관관계를 나타낸 그래프,

도6은 용접부에 대한 영상획득과 이에 따른 가열면적 추출을 순차도시한 그림들.

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 피용접재 11 : 접촉자 12 : 가압롤

13 : 관찰영역 14 : CCD 카메라 15 : 이미지보드

16 : 영상처리 및 분석부 17 : 용접품질 판정부

18 : 용접품질판정결과 표시부 19 : 가열면적

본 발명은 강관을 제조하는데 쓰이는 고주파 전기 저항 용접(High Frequency Electric Resistance Welding)의 용접품질 판정 방법 및 장치에 관한 것이다.

고주파 전기 저항 용접은 300∼1000kHz 정도의 고주파 전류를 피용접재에 인가하고 이 때 발생되는 저항열에 의하여 가열된 용접부에 압축을 가하여 접합하는 용접법이다. 이 용접법이 적용되는 대표적인 예는 도1에 예시된 바와 같이 강판스트립을 정원형태의 단면이 얻어지도록 순차성형한 후 그 접합부위를 용접시켜 강관을 제조하는 공정이다. 이러한 고주파 전기 저항 용접법은 피용접재(1)에 고주파 전류를 인가하는 방법에 따라 도1의 (a)와 같이 유도 코일(2)을 이용하여 고주파 전류를 유도시켜 가열하는 고주파 유도 용접법과, (b)와 같이 접촉자(3)를 피용접재(1)에 접촉시켜 직접적으로 전류을 공급하는 고주파 저항 용접법이 있다.

도1에서 4는 용접점, 5는 용접부, 6은 가압롤, 7은 임피더를 각각 나타낸다.

고주파 전기 저항 용접법의 특성은 고주파를 사용함으로써 발생되는 표피효과(skin effect)와 근접효과(proximity effect)로 인하여 저항열이 용접되는 단면에 집중되기 때문에 열영향부가 작고 용접속도를 크게 할 수 있어 타 용접공정에 비하여 생산성이 월등히 높은 공정이다.

이 같은 용접법으로 만들어지는 석유관 및 가스관, 기계 구조용 강관 등은 고도의 품질을 요구하고 만일 용접부에 결함이 발생하면 큰 사고나 환경재해가 발생하는 결과가 초래되므로 용접결함이 엄격하게 관리되어야 한다.

이러한 이유로, 고주파 전기 저항 용접법으로 제조되는 강관의 용접부 결함 의 발생빈도를 줄이기 위하여 용접부에 대한 입열량을 자동 조절해 주는 자동 입열 제어 방법이 제안되어 사용된 바 있다. 도2는 이 방법의 개요를 보여 주는데, 상기 방법은 피용접재(1)의 진행속도 신호(S1)와, 용접부(5)에 대한 가압력 신호(S2), 현재의 입열량 신호(S3) 등을 컴퓨팅유닛(8)으로 피드백시키고, 상기 컴퓨팅유닛(8)에서는 피드백되는 신호들로부터 현재 상황에 상응하는 용접부 가열폭 목적치와 현재의 가열폭 신호(S5)를 생성하여 용접 제어기(9)로 송출하도록 하는 방법이다. 그러나 이 방법은 피드백 신호인 용접부 가열폭이 시간에 따른 잡음의 영향을 크게 받는다는 문제점을 가지고 있고, 가열폭의 측정 위치를 고정하여 측정하고 있기 때문에 V 형으로 수렴되는 용접점의 변동에 대해서도 능동적으로 대처하지 못하는 단점을 지니고 있다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 용접부의 가열현상에 관한 영상정보를 이용하는 새롭고 유용한 용접품질 판정방법 및 장치를 제공하고자 하는 것으로, 비전시스템을 이용하여 용접현상을 가장 잘 표현하는 용접점 근방의 영상을 획득하는 단계와, 획득된 영상으로부터 용접품질과 상관성이 있고 노이즈가 작은 영상정보인 가열면적에 대한 영상정보를 획득하는 단계와, 이 가열면적에 대한 영상정보로부터 용접품질을 판정하는 단계를 포함하는 방법 및 동 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하려는 것이다.

이하에서, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법 및 장치를 첨부도면 들을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 도3은 본 발명에 따른 장치의 전체적인 구성개요를 나타낸 것인데, 이는 용접현상의 영상정보를 추출하기 위한 비전시스템을 포함한 고주파 전기 저항 용접의 용접품질 판정 장치이고, 도4는 용접품질과 상관성이 있는 영상정보 획득 및 분석 알고리즘을 나타낸 것이다.

먼저, 도3은 본 발명의 방법을 수행하는데 사용되는 장치로서, 여기에서 11은 용접전원으로부터 용접될 피용접재(1)에 고주파 전류를 공급해주는 접촉자(contact tip)이고, 12는 고주파 전류에 의해 국부적으로 가열된 단면을 가압하여 접합시키는 역할을 하는 가압롤(squeeze roll)이고, 13은 고주파 전기 저항 용접에서 용접현상을 가장 잘 묘사하고 가장 많은 정보를 제공하는 부분인 V 수렴 용접점 근방영역으로 CCD 카메라의 관찰영역이고, 14는 영상정보와 용접품질과의 상관관계를 도출하기 위해 용접점 근방영역을 수직한 방향에서 관찰할 수 있도록 설치 구성한 CCD 카메라이고, 15는 CCD 카메라(14)로부터 획득된 영상을 컴퓨터에서 처리하고 분석할 수 있도록 디지털 신호로 변환해주는 이미지보드이고, 16은 디지털 영상신호를 이용하여 영역을 분할하고 용접점을 계산하고 가열면적을 계산하는 등의 역할을 담당하는 디지털 영상처리 및 분석부이고, 17은 디지털 영상처리 및 영상분석을 통하여 획득된 정보인 현재의 가열면적과 미리 설정된 허용범위를 포함한 가열면적을 비교하여 용접품질을 판정하는 용접품질 판정부이고, 18은 용접품질 판정부(17)에 입력된 용접부의 가열면적과 허용 가열면적 범위 및 용접품질 판정부의 판정결과를 작업자에게 알려 주기 위한 용접품질 판정결과 표시부이다.

본 발명에서 용접현상을 평가할 영상은 V형으로 수렴되는 용접점을 기준으로 한 영상을 사용한다. 이 V 수렴 용접점을 기준으로 가열된 용접부 면적의 영상을 특성값으로 했을 경우 신호의 표준편차가 작고 용접결함과 상관성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.

도5는 10mm 두께의 한 강관 재료에 대한 강관 제조시 본 발명에서 제안한 가열면적과 용접결함간의 관계를 나타내고 있다. 조건 1(Condition 1)은 용접부의 V 수렴 각도가 5도이고 용접속도가 16m/min 인 용접조건에서, 조건 2(Condition 2)는 V 수렴 각도가 5 도이고 용접속도가 20m/min 인 용접조건에서, 조건 3(Condition 3)은 V 수렴 각도가 6도이고 용접속도가 16m/min인 용접조건에서 각각 용접한 결과이다. 용접속도나 V 수렴 각도에 관계없이 어느 한 조건에서 용접전력이 증가하면 가열면적이 선형적으로 증가한다는 것을 알 수 있고, 본 재료와 두께에 대해서는 가열면적이 100∼200mm²에서 양호한 용접품질을 나타내고, 그 영역을 벗어나면 용접결함을 나타내고 있다. 이것으로부터 어떤 재료나 두께에 대하여 기준 가열면적과 허용한계를 설정해 놓으면 이 허용영역을 벗어날 경우 용접결함이 발생하는 것을 쉽게 모니터링하여 용접품질의 양부를 판정할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

도4는 본 발명에 따른 용접부에 대한 디지털 영상처리 및 용접품질 판정의 과정을 나타내고 있고, 도6은 위 도3의 장치와 도4의 디지털 영상처리 및 영상분석 알고리즘을 이용하여 용접부의 영상을 획득하고 가열면적을 추출하는 한 예를 보여주고 있다. 먼저 피용접물의 재질과 두께에 따른 적정 가열면적 및 허용범위를 설정해 두고, 용접시작과 함께 CCD 카메라(14)와 이미지보드(15)로부터 용접부 영상 을 획득한다. 용접부에서 획득된 최초의 영상은 도6의 (a)와 같이 그레이(gray) 분포를 갖는 흑백 영상이다. 다음에, 영상처리 및 분석부(16)에서 획득한 영상영역에 대한 히스토그램을 이용하여 임계값을 결정하고 임계값을 기준으로 가열된 영역과 배경이 되는 영역을 구분한 다음 임계값 이하의 영역은 0으로 처리하고 임계값 이상의 영역(가열된 영역)은 255 값으로 처리한다. 이 과정으로 도6의 (b)와 같은 2진화된 영상이 획득된다. 다음에, 영상처리 및 분석부(16)에서 상기 2진화된 영상으로부터 V 수렴 용접점을 찾기 위해 도6의 (c)와 같은 두 라인에 대한 라인프로파일(Line1, Line2) 정보로부터 모서리(edge) 점을 검출한 다음 V 수렴각을 이루는 두 직선의 방정식을 획득하여 이 두 직선의 식으로부터 V 수렴 용접점을 계산한다. 다음에, 위와 같이 계산된 V 수렴 용접점을 기준으로 상하 각각 10mm, 전후 각각 25mm를 ROI(region of interest)로 설정하여 가열면적(19)을 계산한다(도6의(d)). 다음에, 용접품질 판정부(17)에서는 현재 계산된 가열면적이 미리 설정된 허용범위에 포함되면 용접품질을 양호로 판정하고, 허용범위를 벗어나면 불량으로 판정한다. 마지막으로, 용접품질 판정결과 표시부(18)는 현재의 용접품질의 결과를 실시간으로 작업자에게 알려 주어 현재의 용접공정 상태를 쉽게 모니터링할 수 있도록 정보를 제공한다.

용접품질 판정에 관해 좀더 자세히 설명하면, 먼저 피용접재의 재질과 두께에 따른 기준 용접부 가열면적 및 허용범위를 미리 설정해 두고, 실제 용접시 영상처리장치 및 영상분석을 통하여 획득된 용접부 가열면적과 비교하여 허용범위를 벗어나면 용접 불량으로 판정하고, 허용범위 내에 있으며 용접 양호로 판정한다. 또 한, 용접은 일정한 속도로 수행되고 영상정보 획득주기도 예컨대 1/30 초로 일정하게 하면 용접시작점에 대한 정보를 기준으로 용접 불량 판정의 위치를 계산하고 불량 판정의 회수를 누적하여 총 용접 불량의 길이를 계산한다. 그리고, 용접 종료시 용접 양호 판정회수와 용접 불량 판정회수 비율로부터 용접결함의 백분율을 계산한다.

본 발명은 상기와 같은 방법으로 고주파 전기 저항 용접법에 의한 강관의 용접제작시 피용접재의 재질과 두께에 따라서 V 수렴형태의 용접점 근방의 일정 영역에 대한 가열면적을 계산하고 미리 설정해 둔 기준치 및 허용한계에 대하여 용접중 허용한계를 벗어난 곳의 위치, 벗어난 회수, 벗어난 길이 등에 대한 정보를 실시간 제공하여 보다 정확한 용접품질의 판정을 내리도록 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 강관 제조에 적용되는 고주파 전기 저항 용접에서 V 수렴 용접점을 기준으로 동 용접점 근방의 일정 영역에 대한 영상을 획득하는 CCD 카메라(14)와, 상기 CCD 카메라(14)로부터 아날로그 영상신호를 디지털 영상신호로 변화시키는 이미지보드(15)와, 상기 이미지보드(15)로부터의 디지털 영상신호를 이용하여 용접부 가열면적을 추출하는 영상처리 및 분석부(16)와, 용접부 가열면적을 이용하여 용접이상 유,무를 판정하는 용접품질 판정부(17)와, 상기 용접품질 판정부(17)로부터 출력되는 결과를 작업자에게 알려 주는 용접품질 판정결과 표시부(18)를 구비함을 특징으로 하는 고주파 전기 저항 용접의 용접품질 판정 장치.
2. 고주파 전기 저항 용접의 용접품질을 판정하기 위한 방법으로서, 피용접재의 두께 및 재질에 따라서 V 수렴 용접점 근방 영역에 대한 가열면적의 기준값과 그 허용범위를 설정해 두는 단계와, 상기 용접부 가열면적에 대한 영상정보를 이용하여 V 수렴 용접점을 계산하는 단계와, 상기 V 수렴 용접점 근방의 일정 영역의 가열면적을 계산하는 단계와, 상기 가열면적 기준값 및 그 허용범위 설정 단계에서 미리 설정해 둔 기준치 및 허용범위와 상기 V 수렴 용접점 근방의 일정 영역의 가열면적을 계산하는 단계에서 계산된 가열면적을 비교 판단하여 용접이상 유,무를 판정하는 단계와, 용접후 용접중 허용한계를 벗어난 곳의 위치, 벗어난 횟수, 벗어난 길이를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 전기 저항 용접의 용접품질 판정 방법.

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