KR20010041402A - 용접 심을 검사하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

버트 조인트의 레이저 용접에 의해 얻어지는 용접 심의 테스트는 상당한 문제점을 제기한다. 본 발명에 있어서, 용접의 단점을 검출하기 위해, 용접 심의 길이는 용접 심을 따라 연속적으로 주사되고 용접의 단점은 용접 심에 대해 상당히 상승한 영역을 기초로 하여 검출될 수 있다.

Description

용접 심을 검사하는 방법 및 장치{TESTING A WELD SEAM}

시트 금속부는 절단되고 특별한 사용을 위해 용접되며, 맞춤 부분(tailored blanks)이라는 용어로 불리기도 하는데, 특히 자동차 산업에 점점 사용되고 있다. 이것은 첫번째로 원료의 절약이 달성되고 둘째로 처리 계획 및 처리 수행이 간단해진다. 이와 같은 맞춤 부분은 레이저 용접에 의한 버트 조인트를 형성함으로써 제조된다. 이러한 과정의 진행으로, 서로 보충되기 위해 잘려진 2개의 시트 금속부의 가장자리는 서로 평평하게 맞물려 접촉되고, 클램핑 장치에 의해 고정되며 레이저로 설치된 용접 스테이션(welding station)을 통과한다. 깊은 용접에 영향을 줄 수 있는 고전력 레이저는 특히 이러한 목적을 위해 사용된다.

용융을 제외하고, 고전력 레이저는 금속의 증발 및 플라스마 형성이 또한 생긴다. 플라스마의 증기압은 상부 및 용융되는 영역에 위치되고 용융 풀에서 깊고 좁은 모세관을 개방한다. 용접 풀이라 불리는 용융 풀 위에 형성되는 플라스마 연기 또는 플라스마 불꽃은 고열이고 고밀도이다. 그러나, 이것은 레이저 빔의 스크리닝 및 용접 과정의 방해를 생기게 할 수 있다. 일반적으로, 대부분의 헬륨 또는 아르곤을 사용하는 처리 가스는 플라스마를 냉각시키기 위해 공급되고, 이것에 의해 밀도를 감소시킨다. 레이저 빔을 사용하는 깊은 용접 동안, 액체 금속은 모세관으로 계속 흐르게 되고, 어떤 환경에서는 폭발적으로 분출될 수 있다. 이러한 스피팅(spitting) 또는 스패터의 대부분은 용접 심 및 레이저 빔에 의해 결정되어 용접면내로 가게 된다.

깊은 용접 처리의 안정성과 이에 따른 용접 심의 질은 수많은 파라미터에 의존하고, 용접의 속도, 레이저의 성질, 및 특히 가장자리의 표면과 이에 따른 가장자리 절차에 있는 소재의 성질에 의존한다. 재생산할 수 있고 일정한 용접 결과를 얻기 위해, 기체 역학 예를 들면 처리 가스 공급의 형태, 용접 증기의 흡입에 의한 제거 및 레이저 빔 튜브의 에어레이션(aeration)에 속하는 관계는 매우 중요하다. 복잡하고 불안정한 평형 상태는 용접 처리 동안 모든 파라미터 사이에 존재한다.

평형 상태의 위치에 영향을 주는 변수에 있어서 임의의 변화에 의해 왜곡되면, 이것은 깊은 용접 작용의 일시적인 방해 및 용접 풀로부터 용융액의 불규칙한 분출을 생기게 할 수 있다. 분출된 재료의 양이 적으면, 국부적으로 부족한 금속은 액체 용접 풀에 의해 다시 배치된다. 그러나, 많은 양이 분출되면, 어떤 재배치도 발생하지 않는데, 이것은 용접 심상에 재료의 물방울 같은 용착을 생기게 한다. 재료의 용착은 용접 빔의 전 폭에 걸쳐 0.5mm 내지 5mm의 길이로 확장될 수 있고 약 1mm의 높이를 가질 수 있다. 이것이 분출될 때, 용접 모세관, 크레이터, 채널 또는 갭으로 더 이상 흘러 들어가지 않는 용착된 재료는 이와 같은 물방울과 같은 용착 앞에서 용접 심으로 형성된다. 이러한 형태의 단점은 용접이 고전력 레이저를 사용하여 실행될 때, 일반적으로 발생하고 명세서에 있어서 ISO 13919-1에서 정의된 레이저 빔에 의해 생산된 용접 조인트의 용접 심의 질에 대해 견딜 수 없다.

따라서, 다양한 방법이 공지되며, 이것에 의해 용접 심의 질이 검사될 수 있다. 레이저 빔으로 버트 조이트를 형성하기 위해 깊은 용접에 의해 생산된 용접 심을 검사하는 방법 또는 특허.....(Soudronic)로부터 알려진 방법은 특히 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있다. 후자의 문서에 나타난 방법은 광학 시스템에 의해 용접 심 프로필의 검출에 관한 것이다. 평가 장치는 시트 금속부 사이에 용접 조인트의 용접 심 프로필이 질적인 요구사항을 따르는지 아닌지를 평가할 수 있다. 이러한 방법에 있어서, 용접 프로필 측정은 약 15mm로 만들어진다.

미국특허 제 4,827,099 호에 설명된 바와 같이, 용접 심 검사의 다른 공지된 방법은 용접 처리 그 자체를 감시하고 플라스마 연기에 의해 방출된 자외선 및 강렬한 용접 스패터(glowing weld spatter)에 의해 방출된 IR 방사능의 검사에 기초를 두고 있다. 이러한 방법에 있어서, 용접의 단점은 측정된 스펙트럼 값 및 저장된 참조 값을 비교함으로써 검출된다. 용접 과정의 모니터링에 대한 이러한 유형의 방법은 비용적으로 참조 값의 편집이 필요로 하고 복잡한 검출 시스템을 요구한다. 불행하게도, 이러한 방법은 본질적으로 복잡한 용접 과정중 2개의 측정된 양만을 고려하여 취해지기 때문에 잘못된 데이터 값이 항상 발생한다.

GB-A-2 359 269는 플라스마에 의해 방출된 음향 신호에 근거를 둔 용접에 대한 단점의 규명과 관련이 있다.

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 레이저 빔을 사용하여 깊은 용접에 의한 버트 조인트로 생기는 시트 금속부 사이의 용접 조인트에 대한 용접 심을 검사하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 단점이 없는 용접 심의 개략도이다

도 2는 깊은 용접 방법의 개략적인 실시예이다

도 3은 크레이터 형성을 갖는 용접 심의 개략도이다

도 4는 갭을 갖는 용접 심의 개략도이다

도 5는 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예의 개략적인 실시예이다

따라서, 본 발명의 목적은 레이저 빔을 사용하여 깊은 용접에 의한 버트 조인트의 생성물에 대한 용접 심의 검사를 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 상기 레이저 빔은 방법 및 장치가 공지된 방법 및 장치의 단점이 존재하지 않고, 특히 간단하고 확실한 방법으로 용접 심을 할 수 있다.

본 발명은 특히 용접 단점, 특히 크레이터, 채널, 갭 및/또는 용접 심에 따른 물질의 축적이 간단한 방법으로 검출될 수 있고 ISO 13919-1에서 정의된 명세서의 컴플라이언스가 검사될 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의해 이러한 목적은 특허청구범위 제 1항에 따라 용접 심을 검사하는 방법에 의해 및 특허청구범위 제 6항의 특징부를 포함하는 장치에 의해 달성된다. 레이저 빔을 사용하여 깊은 용접에 의한 버트 조인트로서 생산된 시트 금속부 사이에 용접 조인트에서 상기 용접의 단점을 검출하기 위해, 특히 용접 높이에 제공된 방법이 용접 심을 따라 연속적으로 스캔될 수 있다. 상술한 바와 같이, 크레이터, 채널 및 갭은 위에서 용접 심에 대한 물질을 축적함으로써 검출될 수 있다.

고전력 레이저에 의해 깊은 용접을 하는 동안 용접의 단점은 전 너비를 초과할 정도로 상당한 높이의 용접 심을 생기게 하는 인접한 물질의 물방울 같은 용착에 의해 동반되기 때문에 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서 이것은 검출된 용접 심의 단지 초과된 높이의 지역일 뿐이다.

주사된 높이의 값이 디스플레이나 혹은 평가 장치로 전송되는 것이 이해되어야 한다. 특히 평가 장치는 주사된 값을 ISO 13919-1의 질적인 다양한 등급과 비교할 수 있어야 하고 용접 단점의 정확한 위치를 검사 및 측정한 데이터를 저장할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 방법은 극히 간단한 측정 원리와 구별되며, 이것은 간단한 장치 구성을 허용하고 용접 심을 검사하고 용접의 단점을 검출하는 확실하며 복잡하지 않고 비용이 효과적인 방법을 구성한다.

이러한 측정의 간단한 원리는 아주 다른 방법이 연속적으로 용접 심을 따라 용접 심 높이를 스캔닝으로 사용할 수 있도록 해준다. 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 거리 측정에 대한 모든 방법이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 적합한 방법은 연속적으로 용접 심이 스캔될 수 있도록 광학 거리 측정 장치를 포함한다.

본 발명에 따라 다른 방법의 실시예에서 스타일러스가 제공되는데, 이것은 예를 들면 압전 수정자에 의해 전기 신호로 변환될 수 있는 기계적 왕복 운동을 실행할 수 있다.

거리를 측정하기 위해 상업적으로 이용할 수 있는 장치는 용접 심을 따라 용접 심 높이를 스캔하는 방법으로 사용될 수 있다.

본 발명은 아래의 실시예 및 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 두께가 다른 2개의 시트 금속부(12, 13) 사이의 용접 심에 대한 개략도이며, 이것은 레이저 빔으로 깊게 용접함으로써 버트 조인트(butt joint)로 생산된다. 용접 심의 폭(14), 용접 심에 수직한 높이의 윤곽(15) 및 용접 심을 가로지르는 표면 구조(16)는 용접 파라미터, 예를 들면 레이저의 성질 및 제품의 성질, 특히 가장자리의 표면, 가장자리의 진행 및 가장자리의 준비에 종속적이고 시트 금속 가장자리의 두께 및 용접 속도에 또한 종속적이다. 따라서, 예를 들면 용접 심의 폭(14)은 0.3 내지 1.3mm에서 변화될 수 있다. 시트 금속부 사이의 용접 조인트에 있어서, 이것은 적절한 표준에 따르며, 용접 심(11)은 겹쳐진 표면 구조를 일반적으로 가지며, 용접 심을 가로지르는 용접 심 높이의 변화는 백분에 몇 mm, 예를 들면 0.02mm의 범위에 해당한다.

여기에서 사용되는 "시트 금속부"라는 표현은 편평한 금속 제품과 관련이 있으며 이것은 강철, 예를 들면 임의의 크기, 두께 및 표면 영역의 금속 스트립 또는 금속판으로 제조되는 것이 바람직하다. 여기에서 설명되는 시트 금속부 사이의 용접 조인트는 2개의 시트 금속 가장자리 사이의 조인트와 관련이 있으며 이것은 용접으로 생산되고, 시트 금속 가장자리는 다른 두께일 수 있고 2개의 분리된 시트에서 반드시 생기는 것이 아니라, 미리 압연되어 있는 원피스 금속 시트의 부분을 형성할 수 있다. 여기에서 "버트 조인트"라는 용어는 시트 금속부의 위치를 표시하기 위해 사용되며, 이것의 시트 가장자리는 서로에 대해 같은 높이로 접하고 고정된다. "용접 심의 높이"라는 용어는 용접 심에서 2개의 디프레션(depressions) 뿐만 아니라 초과 높이의 영역을 포함한다.

도 2는 용접 위치에서 위치의 개략적인 실시예이다. 고전력 레이저 빔(21)은 용접되는 시트 금속부(22, 33)와 충돌한다(시트 금속부(33)는 도시되지 않음). 레이저 빔(21)의 입사 에너지는 시트 금속부(22, 33)를 녹여서 용접 풀(weld pool)(27)을 형성한다. 또한, 레이저 빔(21)에 의해 발생되는 열은 플라스마(24)를 발생시키고, 플라스마는 용접 풀(27)에서 깊고 좁은 모세관(25)을 형성한다. 레이저 빔(21)의 상대 운동(R) 및 시트 금속부(22, 33)는 용접 풀(27)의 뒤에 지역(26)이 생기고, 지역은 응고된 용접 재료를 포함하고 용접 심을 형성한다. 레이저 빔(2)의 정면에 배치된 액화 금속(28)은 상대 운동(R)때문에 용접이 되는 동안 레이저 빔(21)의 뒤에 재배치되는 것이 도 2로부터 알 수 있으며, 지역(26)의 상부면에 우선적으로 용착된다. 이것은 겹친 표면 구조를 결과적으로 형성한다. 이러한 도면의 도움으로, 플라스마(24)의 평형이 방해받는다면, 모세관(25)은 액체 용접 재료로 채워지므로 어떠한 용접도 생기지 않거나 부분 용접이 생긴다는 것이 또한 이해될 수 있다. 레이저 빔(21)이 이미 존재하는 용접 풀(27)과 충돌한다면, 더 많은 양의 액체 용접 재료는 액체 용접 재료로부터 폭발적으로 방출될 수 있다. 이러한 방출 양은 용접 빔 뒤의 용접 심에 일반적으로 용착되고 물방울 같은 형성으로 확실히 인식될 수 있다.

도 3에 도시된 동일한 두께를 갖는 2개의 시트 금속부(32, 33)사이의 용접 조인트의 용접 심(31)은 여기에 직접 인접한 재료의 물방울 같은 용착(35)을 갖는 크레이터(34)의 형성으로 용접의 단점을 포함한다. 이러한 형태의 크레이터는 약 0.1㎜ 또는 그 이상의 직경을 갖는 작은 구멍(pin hole)으로 또한 공지되며, 다른 깊이일 수 있고, 일반적으로 전체 용접 심에 걸쳐 연장되는 것이 아니라 용접 심의 중심에 우선적으로 배치된다. 재료의 물방울 같은 용착(35)은 용접 심에서 상당한 높이의 영역에 생기며, 그것은 전체 용접 심 폭에 걸쳐 연장될 수 있고 약 0.5㎜ 내지 5㎜의 길이 및 수십 ㎜의 높이를 갖는다.

도 4에 도시된 동일한 두께를 갖는 2개의 시트 금속부(42, 43) 사이의 용접 심(41)에 대한 개략도는 갭(44) 뒤에 직접 배치된 재료의 물방울 같은 용착(45)을 갖는 용접 심에 대한 갭(44)의 형성으로 용접의 단점을 포함한다. 이러한 형태의 용접 심 갭은 0.05 내지 0.2㎜의 범위인 길이를 가지는 것이 일반적이고 전체 용접 심에 걸쳐 연장되는 것이 아니라 약 0.2㎜의 폭을 갖는 것이 일반적이다. 용접 심 갭(44)은 약 0.3㎜의 직경을 갖는 구멍의 형성으로 종종 나타난다. 재료의 물방울 같은 용착(45)은 용접 심에서 상당한 높이의 영역에 생기며, 그것은 수십 ㎜의 높이를 갖는다.

도 5는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 개략적인 실시예이다. 광학 수단(54)은 다른 두께를 갖는 2개의 시트 금속부(52, 53) 사이의 용접 조인트의 용접 심(51)을 따라 용접 심 높이를 주사하는데 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 광학 수단(54)은 3개의 광학 거리 측정 장치를 포함하며, 이것은 표면과 법선인 30도의 경사각으로 배치되는 것이 바람직하고, 이것은 반도체 레이저로 갖추어진다.

다른 실시예에 있어서, 용접 심(51)을 따라 안내되는 검출기 스타일러스는 광학 검출기 대신 사용된다. 압전 수정자에 의해, 이러한 검출기 스타일러스의 왕복 운동은 전기 신호로 변환될 수 있으며, 이것은 상응하는 임계값 회로에 의해 차례차례 처리될 수 있다. 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그에게 적당한 다른 길이 측정 장치 예를 들면 초음파 센서를 또한 사용할 수 있다. 이러한 검출기의 구성은 본 발명의 부분을 형성할 수 없고 여기에서 상세히 설명될 수 없을 것이다. 적당한 검출기의 선택을 고려하여, 검출기는 확실하고 간단한 방법으로 수십 mm의 배치 높이에서 차이를 결정할 수 있는 것이 필수적이다. 특히, 검출기는 용접 심에서 이러한 배치의 크기에 대한 상당한 높이의 영역을 검출할 수 있어야만 한다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치의 장점은 특히 용접 심에서 상당한 높이의 영역을 검출하는 것에 의해서만 고전력 레이저를 갖는 깊은 용접 동안 용접의 단점을 검출하는 것이 간단하다. 또한, 용접 심의 연속적인 주사는 용접의 단점을 확실하게 검출할 수 있다.

Claims (10)

1. 레이저 빔을 사용하여 깊은 용접에 의해 버트 조인트로서 생기는 시트 금속부 사이에서 용접 조인트의 용접 심을 검사하기 위한 방법에 있어서,

   용접 심을 지나는 용접 심 높이는 용접의 단점을 검출하기 위해 연속적으로 주사되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   용접 심의 단점이 용접 심의 초과 높이 영역에서 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,

   용접 심의 높이는 기계 스타일러스로 주사되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,

   용접 심의 높이는 가시 거리 측정 장치로 주사되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,

   용접 심의 높이는 음향 거리 측정 장치로 주사되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 레이저 빔을 사용하여 깊은 용접에 의해 버트 조인트로서 생기는 시트 금속부 사이에서 용접 조인트의 용접 심을 검사하기 위한 장치에 있어서,

   상기 장치는 주사 장치(54)를 포함하며, 주사 장치(54)는 용접 심(51) 위에 구성되고 용접 심 표면 위에 상기 주사 장치의 높이를 측정하기 위한 거리 측정 장치로서 설계되며, 상기 장치는 용접 심의 방향으로 주사 장치를 연속적으로 안내하기 위한 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   주사 장치는 측정 높이 값으로부터 수십 mm의 배치 높이에서 차이를 알 수 있게 설계되는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 6 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 주사 장치는 적어도 1개의 기계 스타일러스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 6 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 주사 장치는 적어도 1개의 가시 거리 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 6 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 주사 장치는 적어도 1개의 음향 거리 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.