KR101346648B1 - 용접 공정 동안 용접 품질의 광학적 평가 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

레이저 용접시, 용접 영역은 레이저 광학 소자(laser optics)를 통과하는 레이저 빔(3)에 대해 동축이고, 삼각측량선과 응고된 용접의 흑백 또는 칼라 이미지 뿐만 아니라 용접 공정의 공정 방사가 기록된다. 이러한 세 가지 이미지 요소들로부터 용접 공정 및 용접의 최적의 품질 평가가 이루어질 수 있다.

이미지 영역, 공정 조도, 센서, 광학 소자, 빔 스플리터

Description

용접 공정 동안 용접 품질의 광학적 평가 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR THE OPTICAL ASSESSMENT OF WELDING QUALITY DURING WELDING}

본 출원은 2006년 9월 6일 출원된 스위스 특허 출원 제1431/06호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 특히 용접 영역의 이미지가 기록되는 레이저 용접의 경우 용접 품질의 광학적 평가 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 방법을 실행하는 장치에 관한 것이다.

용접을 광학적으로 검사하는 것은 잘 알려져 있다. 특히, 2D 레이저 스캐너들은 레이저 광선(레이저 삼각측량선(laser triangulation line))을 용접 영역에 가로질러 조사하는데 사용되고, 용접의 기하학적 데이터는 그로부터 결정된다. 또한, 일본 특허 공개 공보 JP 2005111538호에는 레이저 용접시 용융된 금속의 이미지를 기록하고 그와 기준 데이터를 비교하는 것이 공지되어 있다.

본 발명은 용접의 광학적 품질 검사를 향상시키는 목적에 기반한다.

본 명세서의 도입부에 언급된 방법의 경우, 본 발명의 목적은 서로 다른 복수의 이미지 영역들 중 어느 하나의 이미지 영역에는 공정 방출(조도)가 기록되고 다른 이미지 영역에는 고형화된 용접의 흑백 또는 칼라 이미지 및 레이저 삼각측량선이 기록된다는 사실에 의해 이루어진다.

용접의 품질 평가는 두 개의 이미지 영역들에 기록된, 이미지의 서로 다른 상이한 이미지 요소들에 의해 용접 공정 동안 광학적으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 서로 다른 이미지 요소들은 복수의 이미지 영역들을 구비하고, 다중관심영역(Multiple Regions Of Interest; MROI)을 기록하는 것이 가능한 하나의 센서에 기록된다. 본 발명에 따르면, 이미지의 세 개의 이미지 요소들이 기록된 이미지 영역들을 모두 평가하기 위해서 하나의 센서를 판독하기만 하면 된다. 기록시, 공정 조도를 제1 이미지 영역에 5 마이크로초(㎲) 이하의 노출 시간으로 기록하는 것이 바람직하다. 공정 조도가 이미지 요소로 기록된 제1 이미지 영역은 센서의 로그 특성으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 레이저 삼각측량선의 이미지 요소와 용접의 흑백 또는 칼라 이미지의 이미지 요소가 함께 기록되는 제2 이미지 영역이 제공되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 이미지 영역은 약 10㎲의 노출 시간으로 기록되고, 플래쉬 광원을 이용하여 10㎲ 이하의 조명 시간으로 조명된다. 제1 및 제2 이미지 영역들의 기록을 위한 기록 매개 변수들은 기록들 사이에서 변경되는 것이 더욱 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 센서 영역들 또는 이미지 영역들을 위한 서로 다른 투명 영역들을 가진 평면 광학 소자(planar optics)는 칩 센서 바로 위에 제공된다.

또한, 기록은 용접 레이저의 레이저 빔을 통과시키기 위한 광학 소자를 통해 실행되는 것이 바람직하고, 이것은 별도의 광학 소자의 사용을 배제시킴으로써 장치의 소형 배치를 구현한다. 아크 용접(arc welding), 즉 MIG/MAG 용접의 경우, 토치(torch) 옆에 배치된 광학 소자를 사용한다.

본 발명은 또한 상기 방법을 실행하는 장치를 제공하는 목적에 기반한다. 상기 장치는 대응하는 장치 청구항에 따라 설계된다.

본 발명의 특징들, 장점들 및 응용들은 하기 도면을 참조하여 첨부한 청구 범위와 이하의 상세한 설명으로부터 설명될 것이다.

도 1은 상부에 카메라가 배치된 용접 헤드의 개략적인 도면이다.

도 2는 본 발명에 따라 기록된 무결점 용접의 이미지를 보여준다.

도 3은 본 발명에 따라 기록된, 용접 와이어의 결점으로 인해 용접 결점이 발생된 이미지를 보여준다.

도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 용접 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면으로서, 용접될 두 개의 박판들(2', 2'')로 이루어진 용접 금속(2) 상부에 배치된 용접 헤드(1)의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 용접 토치는 레이저 빔(3)에 의해 형성되고, 레이저 빔(3)은 광학 소자(4)를 통해 용접 금속(2)에 레이저를 조사되어 그 위치에서 용접을 실시한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 레이저 용접 이외의 다른 용접 방법들, 특히 공지된 아크 용접 방법을 이용하는 용접 공정의 용접 품질의 평가도 가능하다. 이러한 용접은 MIG/MAG 용접으로서, 적절한 가스 공급에 의해 실행되는 것이 바람직하지만 이는 도 1의 개략도에 도시되지 않았다. 카메라(6)는 용접 금속(2) 상의 용접 영역을 관찰한다. 카메라는 고도의 동적 CMOS 카메라, 특히 복수의 이미지들을 센서 칩(MROI로도 알려져 있음)에 기록하고 하나의 이미지로 출력하도록 구성된 카메라인 것이 바람직하다. 특히, 스위스 Lachen CH-8853에 위치한 Photonfocus AG사의 Photonfocus Hurricane 타입 카메라인 MV-1024 CL80/160이 사용될 수 있으며, 이는 MROI를 갖추고 복수의 영역들에 노출 시간을 상이하게 할 수 있다. 그러나, 두 대의 카메라들 및/또는 두 개의 센서들을 사용하는 것도 가능하다. 그러나, 예를 들어, 카메라의 촬영 등과 같은 기록은 한 대의 카메라, 특히 용접 헤드 바로 위에 배치된 카메라(6)에 의해 실행되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 설명된 바와 같이, 전술한 기록은 레이저 빔을 통과시키기 위한 광학 소자(4)를 통해 용접 영역의 이미지를 직접 통과시켜 그 이미지가 카메라에 의해 촬영되도록 실행하는 것이 바람직하다. 즉, 용접 금속(2)으로부터 방출된 빛은 광학 소자(4)를 먼저 통과한 후 빔 스플리터(beam splitter)(7)를 지나 카메라 광학 소자(8)를 통과하여 CMOS 센서(6')에 도달한다. 참조부호 9는 기록 영역을 조명하는 조명 장치를 나타내며, 이러한 조명 장치는 빔 스플리터(7)를 경유하여 용접 금속(2)을 조명하는 것이 바람직하다. 상기 조명 장치에 대한 대응 빔 경로는 참조부호 5로 표시된다. 이러한 조명은 제논 플래쉬 조명(xenon flash illumination)이거나 LED 조명, 특히 표면 발광 레이저 다이오드들(수직 공진 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser/VCSEL))을 가진 조명이다. 상기 다이오드들은 낮은 패킹 밀도와 낮은 빔 발산과 함께 높은 광전력 특성을 가지며, 용접 영역을 적절한 광도로 조명할 수 있다. CMOS 센서의 센서 매개 변수들은 광도가 높은 공정 조도를 기록할 수 있도록 광학적으로 민감하지 않게 설정되며 레이저 광학 소자는 가시 광선에 대해 투명 특성이 좋지 않으므로, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따라 기록되어야 하는 모든 영역들을 용접 광학 소자(4)를 통해 기록하는 것은 매우 높은 휘도 레벨을 요구한다. 카메라(6)가 용접 광학 소자(4)를 통해 용접 영역을 관찰하는 경우 관찰되는 영역은 바람직한 형상이며, 이는 카메라가 레이저 광학 소자(4)를 통해 용접 영역을 관찰하지 않는 경우에 다른 형상이 가능하더라도 그러하다. 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 공지된 장치(11)를 이용하여 부가적인 레이저로 고형화된 용접에 적어도 하나의 삼각 측량선이 투사된다. 대체적으로 컴퓨터에 의해 형성되는 제어장치 및/또는 평가 회로(10)는 카메라로부터 판독된 이미지 데이터를 평가하기 위해 테이터를 수신한다. 아크 용접(MIG/MAG 용접)의 경우, 기록은 용접 토치 근방에 배치된 광학 소자를 가진 카메라에 의해 실행되며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 무결점 용접 공정의 경우, 용접 영역의 기록된 이미지들의 하나의 예를 보여준다. 도 2는 공정 조도와 공정 후의 이미 고형화된 용접이 동일한 센서에 이미지로 기록되고 하나의 이미지로 출력된 후 검사될 수 있도록 카메라의 객체 필드를 크게 하여 기록된 것을 보여준다. 여기서, 공정 조도나 공정 광원의 평가는 용접 영역을 가시(visible) 영역에서 빛나는 여전히 액상의 용접 물질로 기록 및 평가하는 것으로 이해된다. 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 세 개의 상이한 이미지 요소들이 기록된다. 이러한 경우, 용접의 국부적인 결점들은 공지된 레이저 삼각측량선으로 검출되는데, 이를 위해 용접 영역에 대응하도록 투사된 삼각측량선이 기록되고, 이에 따라 용접 영역의 이미지는 흑백 이미지 분석 또는 가능하면 칼라 이미지 분석에 의해 기록된다. 공정 조도 또한 기록된다. 카메라의 센서(6')가 두 개의 제1 이미지 영역(A)과 제2 이미지 영역(B)으로 분할되도록 진행하는 것이 가능하다. 이 영역들은 특히 동일한 카메라 센서(6')의 두 개의 독립된 노출가능한 영역들일 수 있다. 공정 조도를 시각화한 도 2에 따른 제1 이미지 영역(A)에서, 센서 영역은 로그 특성으로 작동되고 바람직하게 5㎲ 이하의 노출 시간으로 작동된다. 제2 이미지 영역(B)의 경우, 레이저 삼각측량선을 이미지 요소로 영역(B1)에 기록하고 용접의 이미지를 다른 이미지 요소로 영역(B2)에 기록하기 위하여, 선형 또는 로그 특성으로 작동되고 10㎲ 범위의 노출 시간으로 작동된다. 이러한 경우, 노출 시간은 영역(B1)의 레이저 삼각측량선이 평가를 위해 충분히 밝도록 선택되지만 공정 조도에 의한 과도한 방사가 방지되도록 선택된다. 노출 시간과 관련하여, 노출 시간이 10㎲ 이하인 광 펄스는 플래쉬 광원 또는 전술한 VCSEL 광원을 이용하여 조명한다. 스위스 Bergdietikon에 위치한 Soudronic AG사의 광학적 용접 검사 장치 SOUVIS 5000에 사용되는 제논 플래쉬 광원은 5㎲ 내지 10㎲의 펄스 폭으로 작동될 수 있고, 따라서 용접 영역을 충분히 밝게 조명할 수 있다. 이러한 경우 짧은 점멸 폭은 움직임에 따른 불선명도를 방지한다. 바람직하게, 카메라 매개 변수들은 영역에 따라 기록 상태를 최적화하기 위해 두 개의 영역들의 기록들 사이에서 변환된다. 이러한 목적을 위해, 스위스 Bergdietikon에 위치한 Soudronic AG사의 Soudronic 고속 트랙 카메라 모듈을 사용하는 것이 가능한데, 상기 모듈은 카메라 매개 변수들이 신속하게 변환되도록 하고 CMOS 센서(6')의 두 영역들이 신속하게 판독되도록 하고, 전술한 Photonfocus사의 Hurricane 카메라와 협력한다. 상기 카메라를 위한 적절한 제어장치는 도 1에서 참조부호 10으로 표시된다. 또한, 제1 이미지 영역(A)과 제2 이미지 영역(B)을 각각 기록하기 위해서, 센서 칩 바로 위에 또는 센서 칩으로부터 이격되어 위치하는 평면 광학 소자를 가진 센서를 도 2의 제1 및 제2 이미지 영역들(A, B)에 따라 감광도가 서로 다른 두 개의 영역들로 분할하는 것이 바람직하다. 상기 평면 광학 소자는 투명도가 상이한 두 개의 영역들을 가진 커버 글래스(cover glass)로 구성될 수 있다. 이러한 경우, 투명도는 형상과 흑백 이미지를 평가하기 위해 제2 이미지 영역(B)에 대해 100%일 수 있으며, 공정 광원 및/또는 제1 이미지 영역(A)을 평가하기 위해 50% 이하일 수 있다.

도 3은 용접 공정 시 용접 와이어의 결함으로 인해 용접 결함이 발생하였지만 도 2의 방식과 마찬가지인 전술한 방식으로 실행된 기록을 보여준다. 제2 이미지 영역(B)의 경우, 영역(B1)에 기록된 레이저 삼각측량선은 고형화된 영역 내의 용접 결함을 확인하는 것으로 보여진다. 제2 이미지 영역(B)에서 용접 영역의 대응하는 조도는 영역(B2)에 흑백 이미지로 기록될 수 있다. 따라서, 제어장치(10) 또는 별도의 컴퓨터에서도 수행될 수 있는 평가에 의해 용접 결함의 위치를 즉시 알아내는 것이 가능하다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같은 정상적인 이미지로부터의 편차는 공정 조도가 기록된 제1 이미지 영역(A)에서도 마찬가지로 명확하게 검출될 것이다. 이는 또한 이미지 평가에 의해 그 위치를 즉시 알아낼 수 있으며 용접 작업의 품질을 제어하는 데 사용될 수 있다. 공정 조도의 경우, 카메라는 도 2에 명백히 도시된 바와 같이, 가시 영역 내의 일반적인 광원 분포 및 도 3에 도시된 바와 같이, 결함이 있는 용접의 존재로 저해된 광원 분포를 각각 관찰한다. 제2 이미지 영역(B)에 레이저 선과 흑백 이미지를 기록함으로써, 용접 폭과 용접 위치, 및 오목함이나 볼록함과, 적절하다면, 가장자리 조정 불량 같은 기하학적인 데이터를 공지된 방식으로 측정하는 것도 가능하다. 또한, 용접 용적은 공지된 방식으로 측정될 수 있다. 이러한 경우, 기하학적 데이터의 측정은 레이저 삼각측량선을 통해 실행되고, 국부적 결함 장소 및 전체적인 결함 부위의 검출은 흑백 이미지 분석 및 레이저 삼각측량선을 통해 실행된다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 하기의 청구 범위 내에서 다른 방식으로 실행될 수 있음은 자명하다.

이러한 경우, 용접과 흑백 이미지의 분석을 이용하여 기하학적 측정과 함께 강도 및 기하학적 특징을 위해 공정 조도를 평가하는 것은 용접의 품질에 대한 신뢰성 있는 진술을 발생시킨다. 센서 영역들(A, B)의 신속한 변환은 두 개의 센서 영역들에 각각 기록하도록 설정된 상이한 작업들에 대한 최적의 센서 특징들 및/또는 카메라 매개 변수들을 가능하게 만든다. 모든 기록들은 하나의 센서를 이용하여 실행되는 것이 바람직하며, 이것은 장치의 비용, 작업 비용 및 관리 유지 비용을 절감시킨다. 센서 및/또는 카메라가 용접 토치 바로 위에 배치됨으로써, 별도의 용접 검사에서 별도의 처리를 위한 비용이 실질적으로 소요되지 않는다. 본 발명은 용접, 특히 모든 종류의 MIG/MAG 용접의 품질을 모니터할 뿐만 아니라 표면 상태를 검사하고 용접 공정을 모니터함과 동시에 표면의 형상을 모니터하는데 사용될 수 있다.

Claims (22)

1. 광학 센서에 의해 용접 영역이 관찰되고, 고형화된 용접 부분에 레이저 삼각측량선이 조사되는 용접 작업 동안 용접 품질을 광학적으로 평가하는 방법에 있어서,

   가시 영역에서 조사되는 액상 용접 물질의 공정 방출은 제1 이미지 영역(A)에 기록되고, 고형화된 용접 부분에 조사되는 상기 레이저 삼각측량선은 용접 시임(seam)의 흑백 또는 칼라 이미지와 함께 제2 이미지 영역(B)에 기록되며;

   상기 제1 이미지 영역(A)과 제2 이미지 영역(B)은 단일 센서(6')에 기록되어 단일 이미지로서 판독되며;

   상기 공정 방출을 상기 제1 이미지 영역(A)에 기록하는 단계는 상기 레이저 삼각측량선과 상기 흑백 또는 칼라 이미지를 상기 제2 이미지 영역(B)의 기록하는 단계와 분리되어 수행되고;

   상기 제1 이미지 영역(A)과 제2 이미지 영역(B)은 다른 노출 시간들로 판독되고;

   상기 제2 이미지 영역(B)은 10㎲의 노출 시간으로 기록되고, 공정은 10㎲ 이하의 플래쉬 조명원에 의한 조명 주기로 조사되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 이미지 영역(A)에서 공정 조사(process illumination)의 기록은 5 ㎲이하의 노출 시간으로 수행되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 이미지 영역(A)에서 공정 조사의 기록은 센서의 로그 특성으로 실행되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 이미지 영역(B)은 상기 레이저 삼각측량선을 포함하는 하위 영역(B1)과 상기 흑백 또는 칼라 이미지를 포함하는 하위 영역(B2)을 포함하고,

   상기 하위 영역들(B1, B2)은 함께 기록되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 이미지 영역들(A, B)의 기록을 위한 기록 매개 변수들은 각각의 기록 사이에서 변경되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 기록은 용접 레이저의 레이저 빔을 통과시키기 위한 광학 소자(4)를 통해 용접 영역의 빛을 통과시킴으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 용접 작은 아크 용접이고;

   상기 기록은 토치 상에 또는 토치 근방에 배치된 카메라에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 방법.
8. 제1항에 있어서,

   영역들(A 또는 B)에 상응하는 분리된 민감 영역들이고 다른 투명도를 가진 2개의 영역들로 분리된 커버 글래스를 구비하고;

   상기 커버 글래스는 칩 센서에 직접 배치되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 장치에 있어서,

   용접 장치, 적어도 하나의 레이저 삼각측량선을 발생시키는 장치(11), 및 상기 용접 장치에 배치되어 용접 영역을 관찰하고 공정 방출과 고형화된 용접 영역을 기록하도록 구성된 카메라(6)를 구비하고;

   복수의 이미지 영역들(A,B)은 단일 센서(6')에 기록되어 단일 이미지로서 판독되고;

   상기 공정 방출을 이용하는 제1 이미지 영역(A)의 기록은 삼각 측량선과 흑백 또는 칼라 이미지를 이용하는 제2 이미지 영역(B)의 기록과 분리되어 수행되고;

   상기 카메라(6)는 상기 복수의 이미지 영역들(A,B)을 위해 다른 노출 시간들로 촬영할 수 있고;

   상기 제2 이미지 영역(B)은 10㎲의 노출 시간으로 기록되고, 상기 장치는 10㎲ 이하의 플래시 조명원에 의한 조명 주기로 조사되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 카메라(6)는 빔 스플리터(7)를 경유하여 용접 광학 소자(4)를 통해 상기 용접 영역을 관찰하는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 장치.
11. 제9항에 있어서,

    표면 발광 레이저 다이오드를 가진 플래쉬 조명을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 장치.
12. 제9항에 있어서,

    상기 단일 센서(6') 위에 배치된 커버 글래스를 더 구비하고;

    상기 커버 글래스는 복수의 센서 영역들을 위한 다수의 투명도 범위들을 가지며,

    상기 커버 그래스는 상기 레이저 삼각측량선과 상기 흑백 또는 칼라 이미지가 기록될 수 있는 영역(B)에 대해 100%의 투명도를 가지며, 공정 조도가 기록될 수 있는 영역(A)에 대해 50% 이하의 투명도를 갖는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 장치.
13. 제9항에 있어서,

    공정 조사(process illumination)를 위한 제1 이미지 영역(A)의 기록은 5㎲이하의 노출 시간으로 수행되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 장치.
14. 제9항에 있어서,

    공정 조사를 위한 제1 이미지 영역(A)의 기록은 5㎲ 이하의 노출 시간으로 실행되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 장치.
15. 제9항에 있어서,

    상기 제2 이미지 영역(B)은 상기 레이저 삼각측량선을 포함하는 하위 영역(B1)과 상기 흑백 또는 칼라 이미지를 포함하는 하위 영역(B2)을 구비하고;

    상기 하위 영역들(B1, B2)은 함께 기록되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 장치.
16. 제9항에 있어서,

    상기 복수의 이미지 영역들(A, B)의 기록을 위한 기록 매개 변수들은 각각의 기록들 사이에서 변경되는 것을 특징으로 하는 용접 품질의 광학적 평가 장치.
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