KR101600604B1 - 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치 및 이를 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 용접이 이루어진 용접부를 포함하는 모재에 열이 발생하도록 기 설정된 가진 주파수를 이용하여 가진하는 가진부와, 용접부를 포함하는 열화상을 촬영하는 카메라부와, 상기 열화상에서 용접부에 대한 온도 프로파일을 도출하며, 추출된 온도 프로파일에서 온도 분포의 균일도가 미리 설정된 범위 내에 있는지 여부에 따라 상기 용접의 불량 여부를 판별하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치와 이에 따른 방법이 제공된다.

Description

온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치 및 이를 위한 방법{apparatus for welding inspection using temperature profile and method thereof}
본 발명은 용접 검사 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 온도 프로파일을 이용하여 용접 부위에 용접이 제대로 되어 있는지 여부를 검사하기 위한 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다.
용접은 같은 종류 또는 다른 종류의 금속재료에 열과 압력을 가하여 고체 사이에 직접 결합이 되도록 접합시키는 방법으로 융접법과 압접법이 있다. 융접법은 접합부에 금속재료를 가열, 용융시켜 서로 다른 두 재료의 원자 결합을 재배열하여 결합시키는 방법으로 아크용접, 가스용접, 테르밋용접 등이 있다. 압접법은 접합부에 외부의 강한 물리적 압력을 가해 접합하는 방법으로 가스압접이나 단접처럼 압력을 가하는 동시에 가열하는 방법을 특히 가열압접 또는 고온압접이라고 한다. 일반적으로 압접을 사용하는 재료에는 알루미늄, 구리 등과 같이 연성이 높은 재료를 사용하며 상온에서 가압하는 것만으로도 용접이 가능하여 냉간압접이라고 한다.
용접이 이루어지는 접합면은 불순물을 포함하여 쉽게 물러지는 경향이 있으므로 접합부에 산소를 없애주는 탈산제나 금속이 잘 섞이도록 용해를 촉진하는 융제를 사용하거나 또 비활성이나 환원성기체를 사용하여 산화를 방지하는 경우도 있다. 용접결과의 좋고 나쁨을 용접성이라고 하는데 이것에는 용접 시 그 대상이 되는 모재, 용접봉, 작업 조건의 모든 것이 영향을 받는다. 요즘 굉장히 두꺼운 판의 용접에 사용되고 있는 슬래그의 저항발열을 이용한 용접법인 일렉트로슬래그법(electroslag method)이나, 녹는점이 높은 재료의 용접이 가능한 전자빔용접법(electron-beam method) 등 새로운 용접기술이 개발되고 있다. 이외에도 초음파진동을 가하는 초음파용접, 정밀한 용접과 절단에 이용하는 레이저용접 등이 있다.
아크 용접은 피복금속아크 용접, 서브머지드아크 용접, 비활성기체 용접 등이 있다. 피복금속아크 용접은 용접하고자 하는 것, 즉 모재와 피복용접봉 사이에 전압을 걸어서 발생하는 아크의 열로 용접하는 가장 일반적인 용접법이다. 용접봉은 녹아서 모재의 녹은 것과 섞여 모재와 모재의 접합부의 틈을 메워 굳어서 용착금속이 된다. 서브머지드아크 용접은 긴 줄로 되어 있는 피복하지 않은 용접봉을 일정한 속도로 공급하고, 그 끝과 모재 사이에 생기는 아크의 열로 용접부를 녹여서 자동적으로 용접하는 방법이다. 이 경우 유리질인 특수한 입상 플럭스에 의해서 아크가 직접 보이지 않는 것이 특색이며, 이 때문에 밖에서는 아크를 볼 수 없다. 비활성기체용접에는 MIG와 TIG가 있는데, TIG는 전극이 거의 소모되지 않는다. 아르곤아크, 헬리아크 등은 TIG의 상품명이고, 시그마라고 하는 것은 MIG의 일종의 상품명이다.
가스 용접은 가스의 연소열로 용접부의 금속을 녹이는 용접법으로, 산소-아세틸렌 용접이 가장 일반적이다. 중성불꽃이 보통 사용되지만, 산소와 아세틸렌의 혼합비를 조절할 수도 있다. 발생하는 온도는 3,000℃ 정도로 아크용접의 6,000℃보다 낮다. 그밖에 아르곤, 질소, 헬륨, 수소 등이 쓰인다.
저항 용접은 접합부에 큰 전류를 단시간 보내어 접촉부의 저항발열에 의해서 이 부분을 국부적으로 녹여서 용접하는 방법이다. 보통 접합부를 가압한다. 간격을 두고 접점이 접합하는 점용접(spot welding)과 이것들을 잇는 심용접(seam welding) 외에 프로젝션용접, 초음파용접, 마찰용접 등이 있다.
특수 용접은 전자빔용접, 레이저용접, 로봇용접 등이 이에 해당하는데, 용접기술이 급속도로 발전하면서 새롭게 등장한 용접법이다. 고에너지 밀도용접법이라고도 한다.
한국등록특허 제10-0173676호 1998년 10월 31일 공개 (명칭: 전기저항용접의 온라인 비파괴 검사장치 및 그 방법)
본 발명의 목적은 열화상을 통해 용접 부위의 온도 프로파일을 도출하고, 이로부터 용접 부위의 양부를 검사하기 위한 장치 및 이를 위한 방법을 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치는 용접이 이루어진 용접부를 포함하는 모재에 열이 발생하도록 기 설정된 가진 주파수를 이용하여 가진하는 가진부와, 용접부를 포함하는 열화상을 촬영하는 카메라부와, 열화상에서 용접부에 대한 온도 프로파일을 도출하며, 추출된 온도 프로파일에서 온도 분포의 균일도가 미리 설정된 범위 내에 있는지 여부에 따라 용접의 불량 여부를 판별하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는 온도 프로파일로부터 온도의 표준 편차를 도출하고, 도출된 표준 편차가 기 설정된 크기 이상이면, 불량인 것으로 판별하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 제어부는 온도 프로파일을 복수의 단위 온도 프로파일로 구분하고, 구분된 복수의 단위 프로파일 각각의 상호간의 유사도를 산출한 후, 유사도의 합이 기 설정된 값 미만이면 불량으로 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가진 주파수는 용접부와 모재에서 용접부가 아닌 영역인 비용접부 각각에서 발생하는 열에 대한 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 제어부는 용접부와 비용접부에 점진적으로 주파수를 증가시키되, 증가치는 점진적으로 줄어들도록 하며, 주파수의 증가에 따라 용접부와 비용접부 각각에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 증가하는지 여부를 판단하여, 판단 결과 차이가 증가하다가 감소했을 때의 주파수 및 차이가 감소하기 바로 이전의 주파수를 이용하여 용접부와 비용접부 각각에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대인 주파수를 추정하고, 추정된 주파수를 가진 주파수로 결정하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용접 검사 장치의 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 방법은 용접이 이루어진 용접부를 포함하는 모재에 열이 발생하도록 기 설정된 가진 주파수를 이용하여 가진하는 단계와, 용접부를 포함하는 열화상을 촬영하는 단계와, 열화상에서 용접부에 대한 온도 프로파일을 도출하는 단계와, 추출된 온도 프로파일에서 온도 분포의 균일도가 미리 설정된 범위 내에 있는지 여부에 따라 용접의 불량 여부를 판별하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 검사 부위에 대해 가진하는 주파수를 최적의 값으로 조절할 수 있어, 검사 결과의 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, 온도 프로파일을 통해 정량적으로 검사 부위에 대한 용접의 양부를 판단하기 때문에 신뢰도 있는 검사 결과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 대상의 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 방법의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용접 검사 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가진 주파수를 설정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가진 주파수를 결정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 방법을 설명하기 위한 화면 예이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 대상의 용접 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 검사 방법의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접은 판재의 피용접대상인 상부 및 하부 모재(11, 12)를 2개의 전극(팁, TIP)(21, 22) 사이에 두고 가압하면서 단시간에 전류(대전류)를 도통시키면, 주울(joule)의 범칙에 의해 용접부에 저항 발열이 발생하고, 해당 부분을 용융시켜 접합시킨다. 이러한 용접에 따라 용접 부분에는 소위, 너겟이라고 칭해지는 용융으로 인한 용접부(30)가 생성된다.
도 2a에 도 1에 설명된 바와 같은 방법으로 용접된 모재(11, 12)의 단면도가 도시되었고, 도 2b는 도 2a의 평면도가 도시되었다. 이때, 상부 및 하부 모재(11, 12)에 대해 복수번, 예컨대, 5번의 용접을 통해 용접부(30: 31, 32, 33, 34, 35)가 형성되었다고 가정한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 모재(11, 12)에 대해 소정의 주파수로 가진하여 모재(11, 12)에 진동을 발생시킨다. 그러면, 이러한 진동으로 인해 모재(11, 12)에는 열이 발생한다. 이때, 비용접부(50)는 용접부(30)와 소정 길이(s) 이격되어 있으며, 이 길이(s)는 진동에 의해 발생하는 열이 용접부(30)와 비용접부(50) 상호간에 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 이격되는 길이이다.
이때, 용접부(30)의 경우, 상부 모재(11)와 하부 모재(12)가 용접으로 인해 부착된 상태이다. 그리고 용접부(30)가 아닌 부분, 예컨대, 도면 부호 50이 지시하는 부분(이하, '비용접부'로 칭함)은 밀착되어 있지만, 부착된 상태는 아니다. 따라서 진동으로 인해 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도는 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도에 비해 높을 것이다. 예컨대, 모재(11, 12)에 진동이 가해질 때, 그 진동으로 인해 용접부(30)에서 도면 부호 pf1이 지시하는 부분을 따라 측정된 열의 온도의 평균은 비용접부(50)에서 도면 부호 pf2가 지시하는 부분을 따라 측정된 열의 온도의 평균 보다 낮을 것이다.
설명된 바와 같이, 용접에 의해 부착된 부분인 용접부(30)와 부착되지 않은 부분인 비용접부(50)를 비교하면, 진동에 의해 발생하는 열에는 차이가 있다. 마찬가지로, 용접이 제대로 이루어져 완벽하게 부착된 부분과 용접이 제대로 이루어지지 않아 불완전하게 부착된 부분 또한 진동에 의해 발생하는 열에는 차이가 있다. 본 발명은 이러한 원리를 이용한다. 용접부(30)는 31 내지 35와 같은 소정 길이의 연속된 프로파일을 가진다. 이러한 용접부(30)의 용접이 제대로 이루어진 경우, 용접부(30)에서 도면부호 31 내지 35에서 발생하는 열에 의한 온도 프로파일은 편차가 크지 않을 것이다. 하지만, 용접이 바르게 이루어지지 않은 경우, 즉, 용접불량인 경우, 용접부(30)에서 도면부호 31 내지 35를 따라 발생하는 열에 의한 온도 프로파일은 용접이 바르게 이루어진 것에 비해 그 편차가 클 것이다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 용접 검사 방법은 용접부(30)의 온도 프로파일을 통해 불량 여부를 판단한다.
그러면, 보다 상세하게 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 설명하기로 한다. 먼저, 본 발명의 실시예에 따른 용접 검사 장치(100)에 대해서 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 용접 검사 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 용접 검사 장치(100)는 가진부(110), 카메라부(120), 저장부(130), 표시부(140) 및 제어부(150)를 포함한다.
가진부(110)는 모재(11, 12)에 대해 소정 주파수로 진동을 가하는 역할을 수행한다. 이때, 가진부(110)가 모재(11, 12)에 대해 가하는 진동의 주파수, 즉, 가진 주파수는 제어부(150)의 제어에 따라 가변될 수 있다. 가진 주파수는 초음파 대역 혹은 고주파 대역이 될 수 있다. 또한, 이러한 가진 주파수는 모재(11, 12)의 종류에 따라 구해질 수 있다. 가진 주파수를 도출하는 방법에 대해서는 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
카메라부(120)는 모재(11, 12)에 진동이 주어졌을 경우 발생하는 열화상을 촬영하기 위한 것이다. 따라서 카메라부(120)는 열화상 카메라인 것이 바람직하다. 이러한 카메라부(120)는 피사체의 실물이 아니라 피사체의 표면으로부터 복사되는 열에너지를 시각적으로 촬영하여 열화상을 생성한다. 이러한 열화상은 열 에너지를 전자파의 일종인 적외선 파장의 형태로 검출하여 피사체 표면의 복사열의 강도에 따라서 각각 다른 색상으로 표현할 수 있다. 적외선 파장은 전자기 스펙트럼의 한 종류로써 감마레이, 엑스레이, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파 및 고주파로부터 나오는 방사선을 포함한다. 모든 물체는 각각의 온도에 따라 고유한 흑체방사(black-body radiation)특성을 가진다. 일반적으로 높은 온도를 갖는 물체일수록 방출되는 더 많은 적외선을 방출한다. 열화상을 위한 카메라부(120)는 렌즈를 포함하며, 가시광선과 적외선은 파장이 다르기 때문에 일반 렌즈는 적외선 복사 에너지를 통과시키지 못한다. 따라서 적외선 복사 에너지는 통과되고 가시광선은 통과되지 않는 렌즈제작을 위하여 게르마늄과 실리콘을 사용한다. 또한, 열화상은 온도 측정에 사용하기 위해 가장 밝은 부분은 관례상 흰색으로, 중간 온도는 빨간색이나 노란색으로, 그리고 어두운 부분은 파란색으로 표시라고, 온도관련 스케일(scale)을 촬영된 이미지 옆에 표시할 수 있다.
저장부(130)는 용접 검사 장치(100)의 검사 절차에 필요한 각 종 데이터를 저장할 수 있다. 예컨대, 이러한 데이터는 모재의 종류, 모재의 종류의 특징(두께, 재질) 및 모재의 종류에 따라 구해진 가진 주파수, 불량 여부를 판별하기 위한 미리 설정된 각 종 기준값 등을 포함한다. 저장부(130)에 저장되는 각 종 데이터는 사용자의 조작에 따라, 삭제, 변경, 추가될 수 있다.
표시부(140)는 제어부(150)로부터 출력되는 영상을 수신하여 수신된 영상을 화면으로 표시할 수 있다. 이 영상은 열화상 혹은 그 열화상으로부터 얻어지는 온도 프로파일 그래프를 포함한다. 즉, 즉, 표시부(140)는 용접부(30)에 대한 열화상 혹은 온도 프로파일 그래프를 화면으로 표시할 수 있다. 예컨대, 표시부(140)는 액정표시장치(LCD, Liquid Crystal Display), 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diodes), 능동형 유기 발광 다이오드(AMOLED, Active Matrix Organic Light Emitting Diodes) 등으로 형성될 수 있다.
제어부(150)는 용접 검사 장치(100)의 전반적인 동작 및 용접 검사 장치(100)의 내부 블록들 간 신호 흐름을 제어하고, 데이터를 처리하는 데이터 처리 기능을 수행할 수 있다. 이러한 제어부(150)는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit : CPU), 어플리케이션 프로세서(Application Processor) 등이 될 수 있다. 또한, 제어부(150)는 본 발명의 실시예에 따른 열화상에 대한 이미지프로세싱을 위한 이미지 프로세서를 더 포함할 수 있다.
기본적으로, 제어부(150)는 카메라부(120)가 촬영한 열화상에서 용접부(30)에 대한 온도 프로파일을 도출하며, 추출된 온도 프로파일에서 온도 분포의 균일도가 미리 설정된 범위 내에 있는지 여부에 따라 상기 용접의 불량 여부를 판별하는 역할을 수행한다. 이러한 제어부(150)의 동작은 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
전술한 바와 같이, 용접 검사 장치(100)는 모재(11, 12)의 종류에 따라 소정의 가진 주파수로 모재(11, 12)에 진동을 가할 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에 따른 모재(11, 12)별 가진 주파수 설정 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가진 주파수를 설정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가진 주파수를 결정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2a, 도 2b, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하면, 모재(11, 12)를 소정 주파수로 가진하면, 모재(11, 12)에 발생되는 진동으로 인해 모재(11, 12)에는 열이 발생한다. 용접부(30)의 용접 상태가 양호한 것으로 가정할 때, 용접부(30)의 경우, 상부 모재(11)와 하부 모재(12)가 용접으로 인해 부착된 상태이고, 비용접부(50)는 부착된 상태가 아니기 때문에, 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도는 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도에 비해 높을 것이다.
전술한 결과를 보이는 그래프를 도 5 및 도 6에 도시하였다. 도 5는 도 2b의 용접부(30)를 촬영한 열화상에서 pf1이 지시하는 영역을 따라 측정된 온도 프로파일을 나타내는 그래프이며, 도 6은 도 2b의 비용접부(50)를 촬영한 열화상에서 pf2가 지시하는 영역을 따라 측정된 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 여기서, T1과 T3는 동일하거나 본 발명의 실시예에서 무시할 수 있는 정도의 차이를 가지는 온도이며, T4는 T2 보다 높은 온도이다. 즉, 도시된 바와 같이, 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)는 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1) 보다 높다.
본 발명은 검사는 용접부(30)에 대해서만 이루어지지만, 용접이 제대로 이루어지지 않은 부분에서 발생하는 열과 제대로 이루어진 부분에서 발생하는 열의 온도 차이는 도 5와 같은 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도와 도 6과 같은 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 차이에 비례하는 것으로 가정한다. 따라서 검사를 보다 용이하게 하기 위해서는 도 5와 같은 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도와 도 6과 같은 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 차이가 커야 한다. 도 7에 모재(11, 12)에 가해지는 진동의 주파수에 따른 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 차이를 나타내는 그래프를 도시하였다. 도 7에서 D는 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이를 나타내며, F는 모재(11, 12)에 가해지는 주파수를 의미한다. 도시된 바와 같이, 진동의 주파수가 증가할수록 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도 평균의 차이, 즉, M1 및 M2의 차이는 커진다. 하지만, 이는 임계치가 존재하며 임계치 이상으로 주파수가 증가하면 오히려 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 차이는 줄어든다. 즉, 과도한 열이 발생할 경우에는 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이는 점점 줄어들게 된다.
따라서 본 발명은 도 4에 도시된 흐름도에 따라 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 차이가 가장 큰 주파수를 추정하며, 추정된 주파수를 이용하여 검사를 수행한다. 도 4에서 사용되는 모재(11, 12)의 용접부(30)의 용접은 검사 기준에 따라 제대로 이루어진 상태라고 가정한다. 이에 따라, 제어부(150)는 S110 단계에서 가진부(110)를 통해 초기 주파수로 모재(11, 12)에 대해 가진한다. 예컨대, 초기 주파수는 도 7의 f0이 될 수 있다. 그런 다음, 제어부(150)는 S120 단계에서 용접부(30)와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이를 산출한다. 즉, 도 5 및 도 6을 참조하면, 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이를 산출한다. 예컨대, S120 단계에서 산출된 차이는 d0가 될 수 있다.
다음으로, 제어부(150)는 S130 단계에서 증가치 만큼 증가시킨 주파수로 모재(11, 12)에 대해 가진한다. 여기서, 증가치는 예컨대, △1이 될 수 있다. 이어서, 제어부(150)는 S140 단계에서 용접부(30)와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이를 산출한다. 앞서 S120 단계와 마찬가지로, 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이를 산출한다. 도 7에 보인 바와 같이, 주파수의 증가에 따라 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이 또한 증가하지만 임계치가 존재하며, 임계치 이상에서는 그 차이가 다시 줄어들기 시작한다. 따라서 제어부(150)는 S150 단계에서 차이가 증가하는지 혹은 감소하는지 여부를 판단한다.
S150 단계의 판단 결과 차이가 증가한 경우, 제어부(150)는 S160 단계로 진행하여, 증가치를 감소시킨 후, 감소된 증가치 만큼 증가된 주파수로 모재에 대해 가진한다. 여기서, 증가치는 예컨대, △2, △3 및 △4 중 어느 하나가 될 수 있다. 즉, 제어부(150)는 바로 이전에 진동을 가할 때 사용한 주파수 보다 증가치 만큼 증가된 주파수로 모재(11, 12)에 대해 진동을 가할 수 있다. 예컨대, 이전에 모재(11, 12)에 진동을 주기 위해 사용된 주파수가 f0이면, △1 만큼 증가시켜 f1의 주파수로 모재(11, 12)에 진동을 가하며, 이전에 모재(11, 12)에 진동을 주기 위해 사용된 주파수가 f1이면 △2 만큼 증가시켜 f2의 주파수로 모재(11, 12)에 진동을 가하고, 이전에 모재(11, 12)에 진동을 주기 위해 사용된 주파수가 f2이면 △3 만큼 증가시켜 f3의 주파수로 모재(11, 12)에 진동을 가하며, 이전에 모재(11, 12)에 진동을 주기 위해 사용된 주파수가 f3이면 △4 만큼 증가시켜 f4의 주파수로 모재(11, 12)에 진동을 가한다. 여기서, 유의할 점은 S160 단계에서 증가치는 이전에 사용한 증가치 보다 점점 줄어든다는 점이다. 예컨대, 증가치는 △1 > △2 > △3 > △4을 만족한다.
한편, S150 단계의 판단 결과 차이가 감소된 경우, 제어부(150)는 S170 단계로 진행하여, 차이가 최대인 주파수를 추정하여 가진 주파수를 결정한다. 예컨대, 차이가 감소하였다는 것은 임계치를 초과하였다는 것이며, 이후로는 주파수가 증가하는 경우에도 주파수의 증가에 따라 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이는 줄어들 것이다. 따라서 본 발명의 실시예에 따르면 주파수를 증가시켰을 때 차이가 감소하면 차이가 최대인 주파수를 가진 주파수로 결정한다. 이때, 차이가 최대인 주파수는 일 실시예에 따르면, 주파수 증가에 따라 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이가 감소하기 바로 이전에 사용한 주파수를 차이가 최대인 주파수로 추정할 수 있다. 예컨대, 도 7에서 f3에서 △4 만큼 주파수를 증가시켜 f4의 주파수로 가진하였을 때, 차이가 감소한다. 따라서 일 실시예에 따르면, f3을 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이가 최대인 주파수로 추정하고, 이를 가진 주파수로 결정할 수 있다.
일 실시예의 대안으로 다른 실시예에 예에 따르면, 주파수 증가에 따라 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이가 감소하기 시작한 주파수와 그 주파수 바로 이전에 사용한 주파수의 평균 주파수를 차이가 최대인 주파수로 추정할 수 있다. 예컨대, 도 7에서 주파수 증가에 따라 차이가 감소하기 시작한 주파수는 f4이며, 그 주파수 바로 이전에 사용한 주파수는 f3이고, f3 및 f4의 평균 주파수는 fm이다. 따라서 다른 실시예에 따르면 fm을 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이가 최대인 주파수로 추정하고, 이를 가진 주파수로 결정할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 결정된 가진 주파수를 모재(11, 12)의 종류에 매핑하여 저장부(130)에 저장할 수 있다. 예컨대, 이는 다음의 표 1과 같이 저장될 수 있다.
재료 가진 주파수
1 저탄소강(두께 1.0 mm) f11
2 저탄소강(두께 1.1 mm) f12
3 알루미늄(두께 0.8 mm) f9
4 스테인레스강(두께 1.2mm) f13
... ... ...
이상에서 설명된 방법은 임계치 이전까지는 주파수 증가에 따라 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 차이가 증가하지만, 임계치 이후부터는 그 차이가 감소한다는 것을 기초로 한다. 즉, 임계치는 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이가 최대가 되는 주파수이며, 도 4 내지 도 7은 이를 추정하는 방법에 대한 일 실시예이다. 또한, 모재(11, 12)의 종류, 보다 구체적으로 모재(11, 12)의 소재의 종류 별로, 용접부(30) 및 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수는 상이할 것이다. 따라서 본 발명은 검사를 수행하기 전, 용접부(30) 및 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수를 추정하는 것이다(f3 혹은 fm).
한편, 앞서 설명된 바와 같이, 도 4에서 설명된 방법은 용접부(30)와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수를 구하는 방법이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 용접부(30)와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수를 구하는 방법이라면, 그 변형예들은 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.
도 4의 방법은 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이가 최대가 되는 주파수를 추정에 의해 산출한다. 대안적인 예로, f3과 f4 사이의 주파수 중 용접부(30)와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수를 연산을 통해 구할 수도 있다. 하지만, 본 발명의 추정에 의한 방법은 명확하게 용접부(30)와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수를 구할 때, 정확한 값을 구하지 않지만, 그 차이를 무시할 수 있는 범위 내에서 용접부(30)와 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수를 구할 수 있으며, 프로세스를 현저하게 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 용접부(30) 및 비용접부(50)에서 발생하는 열에 대한 온도의 평균의 차이는 용접부(30)의 용접 상태가 양호한 경우와 불량인 경우에 발생하는 열의 온도의 차이에 비례하는 것으로 가정한다. 따라서 본 발명은 용접부(30) 및 비용접부(50)에서 발생하는 열에 대한 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수는 용접부(30)의 용접 상태가 양호한 경우와 불량인 경우에 발생하는 열의 온도의 차이가 최대가 되는 주파수이다. 즉, 용접부(30) 및 비용접부(50)에서 발생하는 열에 대한 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수를 이용하여 검사를 수행하는 경우, 용접부(30)의 용접 상태가 양호한 경우와 불량인 경우에 발생하는 열의 온도의 차이가 최대가 되기 때문에, 보다 명확하게 양호 및 불량을 구분할 수 있다.
그러면, 용접부(30) 및 비용접부(50)에서 발생하는 열에 대한 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수를 이용하여 용접 상태의 불량 여부를 판단하는 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 방법을 설명하기 위한 화면 예이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 검사가 시작되면, 제어부(150)는 S210 단계에서 가진 주파수로 모재(11, 12)를 가진한다. 여기서, 가진 주파수는 앞서 도 4의 S170 단계에서 도출된 용접부(30)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M1)과 비용접부(50)에서 발생하는 열의 온도의 평균(M2)의 차이가 최대가 되는 주파수이며, 표 1에서 설명된 바와 같이, 저장부(140)에 저장된 값을 사용할 수 있다.
S210 단계의 가진에 따라 모재(11, 12)에는 열이 발생할 것이다. 그러면 제어부(150)는 S220 단계에서 모재(11, 12)의 용접부(30)를 촬영하여 열화상을 생성한다. 생성된 열화상의 화면 예가 도 9의 (A) 및 도 10의 (C)에 도시되었다. 도시된 바와 같이, 이러한 열화상은 도 2에 도시된 바와 같은 촬영 방향(FD)으로 촬영된 것이다. 도 9의 (A)는 용접이 양호한 상태의 예를 보이며, 도 10의 (C)는 용접이 불량인 경우의 예를 보인다.
다음으로, 제어부(150)는 S220 단계에서 모재(11, 12)의 용접부(30)를 촬영한 열화상으로부터 온도 프로파일을 도출한다. 제어부(150)는 이러한 온도 프로파일을 표시부(140)를 통해 그래프로 표시할 수 있다. 이러한 그래프의 화면 예가 도 9의 (B) 및 도 10의 (D)에 도시되었다. 도 9의 (B)에 도시된 온도 프로파일 그래프는 도 9의 (A)의 열화상에서 제1 용접부(41)에 대한 온도의 변화를 추출하고, 이를 기록한 온도 프로파일을 포함하며, 이를 설명의 편의상 제1 온도 프로파일(P1)이라고 칭한다. 또한, 도 10의 (D)에 도시된 온도 프로파일 그래프는 도 9의 (C)의 열화상에서 제2 용접부(42)에 대한 온도의 변화를 추출하고, 이를 기록한 온도 프로파일을 포함하며, 이를 설명의 편의상 제2 온도 프로파일(P2)이라고 칭한다.
화면 예를 통해 직관적으로 알 수 있는 바와 같이, 용접이 양호한 상태의 예인 도 9의 (A)의 제1 용접부(41)에 대한 제1 온도 프로파일(P1)은 그 온도의 분포가 전체적으로 소정 범위 내에서 균일하다. 반면, 용접이 불량인 상태의 예인 도 10의 (C)의 제2 용접부(42)에 대한 제2 온도 프로파일(P2)은 그 온도의 분포가 전체적으로 균일하지 못하다. 따라서 본 발명은 이러한 차이를 통해 용접의 불량 여부를 판단한다. 즉, 제어부(150)는 S240 단계에서 제1 혹은 제2 온도 프로파일(P1 혹은 P2)와 같은 온도 프로파일에서 온도 분포의 균일도가 미리 설정된 범위 내에 있는지 여부에 따라 용접의 불량 여부를 판단한다.
일 실시예에 따르면, 온도 프로파일에서 온도 분포의 균일도는 표준 편차를 이용하여 판단될 수 있다. 제어부(150)는 온도 프로파일에서 온도의 표준 편차를 도출하고, 도출된 표준 편차가 기 설정된 값 이상이면, 불량인 것으로 판단할 수 있다. 즉, 표준 편차가 기 설정된 값 이상인 경우, 온도 프로파일의 온도의 분포가 균일하지 못함을 알 수 있다. 따라서 기 설정된 값 이상의 표준 편차를 갖는 경우, 용접의 불량이라고 판단하는 것이다. 여기서, 불량 여부를 판단하는 표준 편차의 기 설정된 값은 반복된 사전 실험을 통해 얻어질 수 있으며, 검사 과정에서 누적된 검사 결과를 통해 보완될 수 있다.
이러한 표준 편차는 제1 혹은 제2 온도 프로파일(P1 혹은 P2)의 모든 온도값을 통해 산출하는 것이 바람직하다. 도 11에 보인 바와 같이, 하지만, 연산량을 줄이기 위하여 일정 단위의 값만을 이용하여 표준 편차를 산출할 수도 있다. 즉, x1 내지 x14 각각에서의 온도 값만을 이용하여 표준 편차를 산출할 수 있다.
전술한 일 실시예의 대안으로, 다른 실시예에 따르면, 제어부(150)는 온도 프로파일을 복수의 단위 온도 프로파일로 구분하고, 복수의 단위 프로파일 각각의 상호간의 유사도를 산출한 후, 유사도의 합이 기 설정된 값 미만이면, 불량으로 판단할 수 있다. 유사도를 통해 균일도를 판정하는 대안적인 실시예를 설명하기 위한 화면 예가 도 12에 도시되었다. 도 12의 (가)는 용접 상태가 양호한 경우의 예이며, 도시된 바와 같이, 온도 프로파일을 복수의 단위 프로파일(p11 내지 p17) 별로 구분하였다. 예컨대, 각 단위 프로파일(p11 내지 p17)은 온도가 피크치를 가지며, 위로 볼록한 형태이다. 도시된 바와 같이, 제어부(150)는 온도가 진동하는 각 주기를 단위 프로파일(p11 내지 p17)로 구분한다. 그런 다음, 모든 단위 프로파일(p11 내지 p17) 상호간의 유사도를 다음의 표 2와 같이 비교한다.
p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17
p11 - 90% 86% 90% 90% 89% 77%
p12 55% - 89% 89% 89% 90% 69%
p13 77% 89% - 77% 91% 92% 74%
p14 91% 89% 85% - 92% 91% 77%
p15 85% 88% 84% 77% - 91% 84%
p16 84% 89% 83% 91% 92% - 76%
p17 89% 91% 82% 89% 90% 91% -
그런 다음, 제어부(150)는 유사도의 합을 구하고, 그 유사도의 합에 따라 용접인 양호한지 혹은 불량인지를 결정할 수 있다. 유사도의 합이 높을수록 균일한 용접 상태를 가지는 것이기 때문에 양호한 용접이 이루어진 것이며, 유사도의 합이 낮을수록 균일하지 못한 용접 상태를 가지기 때문에 불량으로 판단할 수 있다.
도 12의 (나)는 용접 상태가 불량한 경우의 예이며, 도시된 바와 같이, 온도 프로파일을 복수의 단위 프로파일(p21 내지 p27) 별로 구분하였다. (가)의 경우와 마찬가지로, 각 단위 프로파일(p21 내지 p27)은 온도가 피크치를 가지며, 위로 볼록한 형태이며, 제어부(150)는 온도가 한번 진동하는 각 주기를 단위 프로파일(p21 내지 p27)로 구분한다. 그런 다음, 모든 단위 프로파일(p21 내지 p27) 상호간의 유사도를 다음의 표 3과 같이 비교할 수 있다.
p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27
p21 - 54% 43% 52% 51% 69% 67%
p22 55% - 44% 56% 56% 60% 59%
p23 67% 59% - 51% 54% 62% 54%
p24 61% 59% 42% - 52% 57% 57%
p25 65% 58% 40% 50% - 53% 44%
p26 64% 54% 39% 49% 52% - 56%
p27 69% 55% 56% 48% 50% 51% -
그런 다음, 제어부(150)는 유사도의 합을 구하고, 그 유사도의 합에 따라 용접인 양호한지 혹은 불량인지를 결정할 수 있다. 유사도의 합이 높을수록 균일한 용접 상태를 가지는 것이기 때문에 양호한 용접이 이루어진 것이며, 유사도의 합이 낮을수록 균일하지 못한 용접 상태를 가지기 때문에 불량으로 판단할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 단위 프로파일 각각의 상호간의 유사도를 산출한 후, 유사도의 합이 기 설정된 값 미만이면 불량으로 판단한다. 여기서, 기 설정된 값은 반복된 사전 실험을 통해 얻어질 수 있으며, 검사 과정에서 누적된 검사 결과를 통해 보완될 수 있다.
마지막으로 제어부(150)는 S250 단계에서 표시부(140)를 통해 사용자가 인지할 수 있는 이미지, 텍스트 등을 통해 불량 여부를 나타낼 수 있다. 그 밖에 도시되지는 않았지만, 용접 검사 장치(100)는 오디오 신호를 출력할 수 있는 모듈을 추가로 더 포함할 수 있으며, 이러한 경우, 사용자가 청취할 수 있는 오디오 신호를 출력하여 불량 여부를 나타낼 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 검사 부위, 즉, 용접부(30)에 대해 가진하는 주파수를 비용접부(50)와의 비교를 통해 최적의 값을 도출하고 이를 활용할 수 있어, 검사 결과의 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, 온도 프로파일을 통해 정량적으로 검사 부위에 대한 용접의 양부를 판단하기 때문에 검사자의 경험칙을 통한 검사 결과에 비해 신뢰도 있는 검사 결과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 검사 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 판독 가능한 소프트웨어 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 예컨대 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory), DVD(Digital Versatile Disk)와 같은 광 기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM, Random Access Memory), 플래시 메모리, SSD(Solid State Disk), HDD(Hard Disk Drive) 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
11, 12: 모재 21, 22: 전극
30: 용접부 50: 비용접부
110: 가진부 120: 카메라부
130: 저장부 140: 표시부
150: 제어부

Claims (6)

  1. 용접이 이루어진 용접부를 포함하는 모재에 열이 발생하도록 기 설정된 가진 주파수를 이용하여 가진하는 가진부;
    상기 용접부를 포함하는 열화상을 촬영하는 카메라부; 및
    상기 열화상에서 용접부에 대한 온도 프로파일을 도출하며, 추출된 온도 프로파일에서 온도 분포의 균일도가 미리 설정된 범위 내에 있는지 여부에 따라 상기 용접의 불량 여부를 판별하는 제어부;를 포함하며,
    상기 가진 주파수는 상기 용접부와 상기 모재에서 상기 용접부가 아닌 영역인 비용접부 각각에서 발생하는 열에 대한 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수인 것을 특징으로 하는 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    온도 프로파일로부터 온도의 표준 편차를 도출하고, 도출된 표준 편차가 기 설정된 크기 이상이면, 불량인 것으로 판별하는 것을 특징으로 하는 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 온도 프로파일을 복수의 단위 온도 프로파일로 구분하고, 구분된 복수의 단위 프로파일 각각의 상호간의 유사도를 산출한 후, 유사도의 합이 기 설정된 값 미만이면 불량으로 판단하는 것을 특징으로 하는 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 용접부와 상기 비용접부에 점진적으로 주파수를 증가시키되, 그 증가치는 점진적으로 줄어들도록 하며, 상기 주파수의 증가에 따라 상기 용접부와 상기 비용접부 각각에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 증가하는지 여부를 판단하여, 상기 판단 결과 상기 차이가 증가하다가 감소했을 때의 주파수 및 상기 차이가 감소하기 바로 이전의 주파수를 이용하여 상기 용접부와 상기 비용접부 각각에서 발생하는 열의 온도의 평균의 차이가 최대인 주파수를 추정하고, 추정된 주파수를 상기 가진 주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 장치.
  6. 용접이 이루어진 용접부를 포함하는 모재에 열이 발생하도록 기 설정된 가진 주파수를 이용하여 가진하는 단계;
    상기 용접부를 포함하는 열화상을 촬영하는 단계;
    상기 열화상에서 용접부에 대한 온도 프로파일을 도출하는 단계; 및
    상기 도출된 온도 프로파일에서 온도 분포의 균일도가 미리 설정된 범위 내에 있는지 여부에 따라 상기 용접의 불량 여부를 판별하는 단계;를 포함하며,
    상기 가진 주파수는 상기 용접부와 상기 모재에서 상기 용접부가 아닌 영역인 비용접부 각각에서 발생하는 열에 대한 온도의 평균의 차이가 최대가 되는 주파수인 것을 특징으로 하는 용접 검사 장치의 온도 프로파일을 이용한 용접 검사 방법.
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