KR102299184B1 - 광간섭 단층촬영장치를 활용한 레이저 용접 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 용접 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 간섭계를 활용하여 용접의 키홀의 깊이와 폭을 측정하여 용접품질의 적합 여부를 판단하는 모니터링 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 광간섭 단층 촬영장치를 활용한 레이저 용접 모니터링 시스템은, 레이저 용접 및 모니터링을 위한 프로세스빔과 측정빔을 가공물에 조사할 수 있도록 상기 가공물의 상방에 위치하는 용접헤드; 상기 용접헤드 내부에 구비되고 가공물을 용접하기 위해 상기 프로세스빔을 생성 및 출력을 조절하는 프로세스 빔 발생부; 상기 프로세스빔을 가공물로 반사시켜 키홀을 생성하며, 상기 프로세스빔의 조사 위치를 이동할 수 있도록 반사각 조절이 가능한 제1 편향장치; 상기 용접헤드 내부에 구비되고 상기 프로세스빔의 진행 방향과 평행하게 측정빔을 발생하는 측정빔 발생부와 반사된 측정빔을 분석하는 광간섭 단층촬영장치; 상기 측정빔을 가공물로 반사시키고 상기 측정빔의 조사 위치를 이동할 수 있도록 반사각 조절이 가능한 제2 편향장치; 및 상기 광간섭 단층촬영장치를 통한 측정데이터를 저장하며, 상기 측정데이터를 용접 작업의 품질 기준에 따른 작업데이터와 비교하여 품질의 적합 여부를 판단하는 품질검사기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광간섭 단층촬영장치를 활용한 레이저 용접 모니터링 시스템 {Laser welding monitoring system using Optical Coherence Tomography}

본 발명은 레이저 용접 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 간섭계를 활용하여 용접의 키홀의 깊이 또는 폭의 정보 중 하나 이상을 측정하여 용접품질의 적합 여부를 판단하는 모니터링 시스템에 관한 것이다.

레이저 용접 공정은 레이저 가공 빔을 하나 이상의 가공물, 이음새, 또는 부착물의 가장자리에 조사하여 용접하는 공정이다.

이러한 레이저 용접의 품질의 판단 여부는 용융된 가공물의 깊이, 표면의 핀홀의 유무, 결합 면의 면적 등이 있으며, 그 중에 용융된 가공물의 깊이와 직접적인 관련이 있는 키홀의 깊이가 용접품질에 중요한 척도로 이용되고 있으며 키홀의 깊이를 측정하기 위한 다양한 방법이 요구되고 있다.

따라서 키홀의 깊이측정 데이터를 수집하기 위하여 광 간섭 단층 촬영법(Optical Coherence Tomography, OCT) 방법이 개발되었으며, OCT 방식은 광파 간섭과 그에 따른 효과를 측정하는 방법으로, 광학 측정 빔의 축을 따라 마이크로미터 범위에서 높이 차이를 측정할 수 있다.

종래의 OCT를 활용한 레이저 용접 측정 장치는 키홀의 측정을 하기위하여 미국등록특허 제10654126호 간섭계를 사용하여 키홀 역학을 측정하여 레이저 가공 특성을 특성화하는 방법 및 시스템 (Methods and systems for characterizing laser machining properties by measuring keyhole dynamics using interferometry)와 같이 복수의 측정빔을 측정하여 키홀의 깊이를 측정할 수 있는 레이저 용접 모니터링 기술이 개발되었으나, 깊이 이외의 용융된 용접면적에 대한 측정방법이 없어 용접면적에 따른 가공물의 인장강도를 추측하기가 어려운 점이 있어 실시간 용접의 품질 판단이 어려운 점이 있다.

따라서 레이저 용접 시 키홀의 깊이를 측정함과 동시에 용접품질과 관련된 다른 데이터를 측정하여 실시간으로 용접의 품질을 판단하는 방법이 요구되고 있다.

미국등록특허 제10654126호 (2020.05.19.)

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로, 본 발명의 목적은 광간섭 단층촬영장치를 활용하여 키홀의 깊이와 폭을 이용하여 가공물의 용접품질을 실시간으로 판단할 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 광간섭 단층촬영장치를 활용한 레이저 용접 모니터링 시스템에 있어서, 레이저 용접 및 모니터링을 위한 프로세스빔과 측정빔을 가공물에 조사할 수 있도록 상기 가공물의 상방에 위치하는 용접헤드; 상기 용접헤드에 연결되고 가공물을 용접하기 위해 상기 프로세스빔을 생성 및 출력을 조절하는 프로세스 빔 발생부; 상기 프로세스빔을 가공물로 반사시켜 키홀을 생성하며, 상기 프로세스빔의 조사 위치를 이동할 수 있도록 반사각 조절이 가능한 제1 편향장치; 상기 용접헤드에 연결되고 상기 프로세스빔의 진행 방향과 평행하게 측정빔을 발생하고 반사된 측정빔을 분석하는 광간섭 단층촬영장치; 상기 측정빔을 가공물로 반사시키고 상기 측정빔의 조사 위치를 이동할 수 있도록 반사각 조절이 가능한 제2 편향장치; 및 상기 광간섭 단층촬영장치를 통한 측정데이터를 저장하며, 상기 측정데이터를 용접 작업의 품질 기준에 따른 작업데이터와 비교하여 용접품질의 적합 여부를 판단하는 품질검사기;를 포함한다.

그리고, 상기 측정빔은 상기 가공물 용접 진행방향의 횡단으로 조사되며, 상기 제2 편향장치를 통하여 용접방향의 전방, 후방으로 이동 가능하며 가공물의 표면 위치를 측정한다.

또한, 상기 측정데이터는 상기 가공물의 표면 위치를 기준으로 하여 키홀의 깊이 또는 폭의 정보 중 하나 이상을 포함하며 시간에 따른 변화량 측정이 가능하다.

더하여, 상기 측정데이터를 통하여 상기 가공물의 용접 심을 추적할 수 있으며, 상기 용접 심을 기준으로 상기 프로세스빔의 초점을 획득하는 것이 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광간섭 단층촬영장치를 활용한 레이저 용접 모니터링 시스템은 프로세스빔과 측정빔 출력이 동시에 가능한 용접헤드를 구비하여, 용접 중에도 실시간으로 용접의 품질에 대한 판단을 내림으로써, 용접 공정의 후공정으로 진행되는 품질공정의 효율이 향상되고, 키홀의 깊이정보 이외에 키홀의 폭도 측정 가능하여 신뢰도가 향상된 품질 검사 결과를 도출해 낼 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 용접 모니터링 시스템의 전체 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 가공물의 용접 중 프로세스 빔과 측정빔의 관계를 나타낸 사시도.
도 3a는 본 발명에 따른 측정데이터를 통하여 프로세스 빔의 초점을 획득하는 과정에 대한 예시를 나타낸 그래프.
도 3b는 본 발명에 따른 초점에 프로세스 빔이 조사되어 용접된 가공물의 측정데이터 예시를 나타낸 그래프.
도 4은 본 발명에 따른 측정빔이 키홀의 폭을 측정하는 방법에 대한 평면도.
도 5a는 본 발명의 품질 기준에 따른 작업데이터의 예시를 나타낸 그래프.
도 5b는 본 발명의 키홀의 깊이를 통하여 품질의 적합 여부를 판단하는 방법에 대한 예시를 나타낸 그래프.
도 6a는 본 발명의 품질에 적합한 키홀의 폭의 예시시 정면도.
도 6b는 본 발명의 품질에 부적합한 키홀의 폭의 예시 정면도.
도 6c는 본 발명의 키홀의 폭의 예시를 시간에 따른 변화량으로 표시한 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 중요한 요지는 광간섭 단층촬영장치를 활용한 레이저 용접 모니터링 시스템은 프로세스빔(12)과 측정빔(21) 출력이 동시에 가능한 용접헤드를 구비하여, 용접 중에도 실시간으로 용접의 품질에 대한 판단을 내림으로써, 용접 공정의 후공정으로 진행되는 품질공정의 효율이 향상되고, 키홀의 깊이 정보 이외에 키홀의 폭도 측정 가능하여 신뢰도가 향상된 품질 검사 결과를 도출해 낼 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 용접 모니터링 시스템의 전체 개략도이다.

도시된 바와 같이, 레이저 용접기의 로봇 암의 끝단에 위치하여 레이저 용접 및 모니터링을 위한 프로세스빔(12)과 측정빔(21)을 가공물(101)에 조사할 수 있도록 가공물(101)의 상방에 위치하는 용접헤드(100)가 있고, 용접헤드(100) 내부에 구비되고 가공물(101)을 용접하기 위해 프로세스빔(12)을 생성 및 출력을 조절하는 프로세스 빔 발생부(10)가 있으며, 프로세스 빔 발생부(10)에서 발생된 프로세스빔(12)은 제1 광섬유 커넥터(15)를 통해 출력되고, 제1 시준렌즈(14)를 통하여 프로세스빔(12)이 정렬되며, 반사각 조절이 가능한 제1 편향장치(13)에 의하여 가공물(101) 방향으로 반사되고, 광학렌즈(31)를 통하여 초점 조절이 된 후 가공물(101)로 조사되어 용접이 시작됨과 동시에 키홀(105)을 생성하게 된다.

이때, 용접헤드(100) 내부에 구비되고 프로세스 빔 발생부(10)보다 상부에 위치하여 측정빔(21)을 발생하고, 반사된 측정빔을 분석하는 광간섭 단층촬영장치(20)가 있으며, 광간섭 단층촬영장치(20)에서 발생된 측정빔(21)은 제2 광섬유 커넥터(25)를 통해 출력되고, 제2 시준렌즈(24)를 통하여 측정빔(21)이 정렬되며, 반사각 조절이 가능한 제2 편향장치(23)에 의하여 가공물(101) 방향으로 반사되고, 광학렌즈(31)를 통하여 초점이 조절된 후 가공물(101)로 조사되어 가공물(101)표면의 정보를 측정하게 되며, 공정의 진행 상황에 따라 해당 측정빔은 21a 내지 21b로 유동적으로 측정하게 된다.

일반적인 레이저 용접의 경우 가공물(101)과 상대가공물(102)을 프로세스빔(12)을 이용하여 조사할 경우 가공물(101)과 상대가공물(102)이 가열로 인해 용융되며 키홀(105)이 형성되고 고체와 액체의 상이 공존하는 용융된 가공물(103)이 형성된 후 프로세스빔(12)이 지나가고 온도가 내려가면 용융된 가공물(103)의 온도가 내려가며 고체의 형태로 재결합된 용접비드(104)가 형성이 되는데 본 발명의 실시예는 측정빔(21)은 제2 편향장치(23)의 각도를 조절하는 방식을 사용하기 때문에 가공물(101)의 용접 전과 후를 모두 조사하여 가공물의 측정데이터 획득이 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 가공물의 용접 중 프로세스 빔(12)과 측정빔(21)의 관계를 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이 프로세스빔(12)이 초점(50)위로 조사되어 용접 진행방향(41)으로 레이저 용접이 진행됨에 따라, 용접비드(104)가 형성되고 있고, 측정빔(21)은 용접 진행방향(41)의 횡단(27)으로 조사되며, 상기 제2 편향장치(23)를 통하여 용접방향의 전후방(22)으로 이동 가능하므로 측정빔(21)은 가공물(101)과 상대가공물(102)의 표면의 위치를 연속적인 측정데이터로 생성한다.

도 3a는 용접기 컨트롤러에서 명령하는 절대좌표에 의한 용접 외에 본 발명에 따른 층고가 있는 가공물(101)과 상대가공물(102)의 용접 시 프로세스빔의 초점(50)을 선정하는 과정에 대한 예시를 나타낸 그래프이다.

도 3b는 본 발명에 따른 초점(50)에 프로세스빔(12)이 조사되어 용접된 가공물의 측정데이터 예시를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이 측정빔(21e)을 통하여 가공물(101)과 상대가공물(102)이 맞닿아 있는 곳을 측정하게 되면 도 3a와 같은 그래프가 나타나게 되고 그래프가 가공물(101)과 상대가공물(102)의 높낮이에 위치에 의해 끊어진 곳을 용접 심으로 판독하고, 핀홀(105)을 형성하여 용접하는 것을 고려하여 가공물(101)의 끝단을 초점(50)으로 선정할 수 있다.

또한, 용접이 진행된 후 올바른 용접이 되었다면 측정빔(21a)를 통하여 비드(104)가 측정됨에 따라 도 3b와 같이 선형의 그래프를 확인할 수 있으며, 용접불량의 원인이 되는 핀홀이나 균일하지 못한 용접으로 생긴 고르지 못한 면적을 확인할 수 있기 때문에 용접품질 판단의 요소로 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 측정빔이 키홀의 폭을 측정하는 방법에 대한 평면도이며, 도 5a는 본 발명의 품질 기준에 따른 작업데이터의 예시를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 키홀의 깊이를 통하여 품질의 적합 여부를 판단하는 방법에 대한 예시를 나타낸 그래프이다.

그리고, 도 6a는 본 발명의 품질에 적합한 키홀의 폭의 예시 정면도이며, 도 6b는 본 발명의 품질에 부적합한 키홀의 폭의 예시 정면도이고, 도 6c는 본 발명의 키홀의 폭의 예시를 시간에 따른 변화량으로 표시한 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 초점(50)으로 프로세스빔(12)이 조사되며 용접 진행방향(41)으로 수행될 때, 용접 진행방향(41)의 횡단(27)으로 조사되고 있는 측정빔(21c)은 키홀(105)의 폭(26)을 측정한다.

도 5a에 도시한 바와 같이, 표면위치(30)를 기준으로 하여 품질 기준에 따른 적합한 키홀(105) 깊이의 변화량을 작업데이터로 품질검사기에 저장한다.

도 5b에 도시한 바와 같이, 측정빔(21c)을 통하여 측정한 키홀(105) 깊이의 변화량을 작업데이터와 비교하였을 때, 품질 기준이 되는 키홀의 깊이(28)에 도달하지 못한 시간을 제1 불량률(29)로 정의하여 제품의 불량을 사용자가 판단할 수 있도록 한다.

도 6a 내지 도 6b에 도시한 바와 같이, 용접 공정 시 일정한 용접비드(104)의 생성은 용접품질을 확인하는 방법으로 활용할 수 있으며, 용접비드(104)의 폭을 측정하여 용접품질을 확인하는 방법을 제시한다.

더하여, 품질 기준이 되는 키홀의 깊이(28)에서 폭을 측정하여 용접 품질에 만족하는 폭을 기준 폭(39)으로 선정하여 작업데이터로 품질검사기에 저장한다.

도 6c에 도시한 바와 같이 품질 기준이 되는 키홀의 깊이(28)에서 키홀의 폭(26)을 시간에 대한 데이터로 나타내었을 때, 기준 폭(39)에 도달하지 못한 시간을 계산하여 제2 불량률(60)로 정의하여 제품의 불량을 사용자가 판단할 수 있도록 한다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

10: 프로세스빔 발생부
12: 프로세스빔
13: 제1 편향장치
14: 제1 시준렌즈
15: 제1 광섬유 커넥터
20: 측정빔 발생부
21: 측정빔
22: 용접방향의 전후방
23: 제2 편향장치
24: 제2 시준렌즈
25: 제2 광섬유 커넥터
26: 키홀의 폭
27: 횡단
28: 품질 기준이 되는 키홀의 깊이
29: 제1 불량률
30: 표면위치
31: 광학렌즈
38: 접합면
39: 기준 폭
41: 용접 진행방향
50: 초점
60: 제2 불량률
100: 용접헤드
101: 가공물
102: 상대가공물
103: 용융된 가공물
104: 용접비드
105: 키홀

Claims (4)

1. 레이저 용접 및 모니터링을 위한 프로세스빔과 측정빔을 가공물에 조사할 수 있도록 상기 가공물의 상방에 위치하는 용접헤드;
   상기 용접헤드에 연결되고 가공물을 용접하기 위해 상기 프로세스빔을 생성 및 출력을 조절하는 프로세스빔 발생부;
   상기 프로세스빔을 가공물로 반사시켜 키홀을 생성하며, 상기 프로세스빔의 조사 위치를 이동할 수 있도록 반사각 조절이 가능한 제1 편향장치;
   상기 용접헤드에 연결되고 상기 프로세스빔의 진행 방향과 평행하게 측정빔을 발생하고 반사된 측정빔을 분석하는 광간섭 단층촬영장치;
   상기 측정빔을 가공물로 반사시키고 상기 측정빔의 조사 위치를 이동할 수 있도록 반사각 조절이 가능한 제2 편향장치; 및
   상기 광간섭 단층촬영장치를 통해 분석된 측정데이터를 저장하며, 상기 측정데이터를 용접 작업의 품질 기준에 따른 작업데이터와 비교하여 용접품질의 적합 여부를 판단하는 품질검사기;를 포함하되,
   상기 측정빔은 상기 가공물 용접 진행방향의 횡단으로 조사되며, 상기 제2 편향장치를 통하여 용접방향의 전방, 후방으로 이동 가능하며 가공물의 표면 위치를 측정하며,
   상기 측정데이터를 통하여 상기 가공물의 용접 심을 추적할 수 있으며, 상기 용접 심을 기준으로 상기 프로세스빔의 초점을 획득하고,
   상기 측정데이터는 상기 프로세스빔의 초점을 기준으로 하여 키홀의 깊이 와 상기 품질 기준이 되는 키홀의 깊이에서 키홀의 폭 중 하나 이상을 포함하며,
   상기 품질검사기는 상기 키홀의 깊이가 상기 품질 기준에 만족하지 못하는 시간을 제1 불량률로 정의하고, 상기 키홀의 폭이 상기 품질 기준에 만족하지 못하는 시간을 제2 불량률로 정의하며, 상기 제1 불량률과 상기 제2 불량률 중 하나 이상의 값을 상기 작업데이터와 비교하여 상기 용접품질의 적합 여부를 실시간으로 판단하는 것을 특징으로 하는 광간섭 단층 촬영장치를 활용한 레이저 용접 모니터링 시스템.
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