KR20010109558A

KR20010109558A - 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법 및장치

Info

Publication number: KR20010109558A
Application number: KR1020000029230A
Authority: KR
Inventors: 김철중; 백성훈; 김민석; 정진만
Original assignee: 장인순; 한국원자력연구소
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2001-12-12
Also published as: KR100346090B1; US6344625B1

Abstract

레이저 용접에서 고출력 레이저빔은 렌즈에 의해 용접 대상체에 집속된다. 집속 렌즈는 레이저빔의 크기를 제한하는 구멍(aperture)의 상을 용접 대상체에 맺게 하므로, 집속된 레이저빔의 크기는 용접 대상체에 맺히는 구멍의 상의 크기와 같다. 레이저빔이 집속되는 영역에 용접 대상체가 녹아 용접 풀(pool)이 생성되며, 이 용접 풀에서는 열복사(thermal radiation)가 방출된다. 이 용접 풀의 크기는 열전도 등에 의해 집속된 레이저빔의 크기와 반드시 같지는 않으며, 레이저의 출력이나 집속 렌즈의 초점위치에 의해 영향을 받는다. 본 발명은 용접 풀에서 방출되는 열복사 신호를 이용하여 집속 렌즈의 초점과 레이저 출력 등 레이저 용접의 상태를 실시간으로 감시하는 방법 및 장치에 대한 것이다. 본 방법 및 장치는 용접 풀에서 방출되는 열 복사 신호를, 레이저빔 집속 렌즈와 레이저빔의 크기를 제한했던 구멍이나 또는 다른 구멍을 통하여 최소한 3개 파장이상에서 단일 광검출 소자를 사용하여 검출하는 방식으로 구성된다. 집속 렌즈의 색수차 때문에, 각 파장에서 검출되는 열복사 신호는 용접 풀의 크기와 초점이동에 대해 서로 다른 특성을 보인다. 본 방법 및 장치의 신호처리 알고리즘은 이 3개 이상의 열복사 신호를 이용하여, 용접 풀의 크기와 집속 렌즈의 초점위치를 레이저 출력의 영향을 받지 않고 서로 독립적으로 측정할 수 있다.

Description

레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법 및 장치{Method and apparatus for monitoring the size variation and the focus shift of a weld pool in laser welding}

(1) 발명의 대상

본 발명은 레이저 용접공정 감시 방법 및 장치에 관한 것으로 특히, 레이저 집속 렌즈의 색수차를 이용하여 용접 풀에서 발산되는 열복사 신호를 측정하고 분석하여 용접 풀의 크기 변화와 집속 렌즈의 초점을 제어할 수 있는 실시간 용접감시 방법 및 장치에 관한 것이다.

고출력 Nd:YAG 레이저를 이용한 정밀가공기술은 자동차 산업, 전자 산업, 항공산업 등을 중심으로 최근 활용이 크게 늘어나고 있다. 최근에는 6 kW 급의 고출력 레이저가 상품화되어, 광섬유를 이용한 원격 용접도 활성화되고 있다. 극한 환경에서의 원격 용접은 정밀한 감시와 제어 기술이 수반되어야 하므로, 이러한 산업적 요구에 따라 여러 가지의 음파해석 및 광학적인 감시 방법이 개발되고 있다. 그러나 음파해석 방법은 환경적인 소음이 심할 경우 근본적으로 사용이 어려우므로, 실제 산업적 환경에서는 광학적 방법이 유리하다.

레이저 용접에서 고출력 레이저빔은 렌즈에 의해 용접 대상체에 집속된다. 집속 렌즈는 레이저빔의 크기를 제한하는 구멍(aperture)의 상을 용접 대상체에 맺게 하므로, 집속된 레이저빔의 크기는 용접 대상체에 맺히는 구멍의 상 크기와 같다. 레이저빔이 집속되는 영역에 용접 대상체가 녹아 용접 풀(pool)이 생성된다. 이 용접 풀의 크기는 열전도 등에 의해 집속된 레이저빔의 크기와 반드시 같지는않으며, 레이저의 출력이나 집속 렌즈의 초점위치에 의해 영향을 받는다. 용접 풀에서는 열복사(thermal radiation)가 방출하므로, 이 열복사 신호를 검출하여 용접 상태에 대한 정보를 추출하려는 광학식 감시 장치가 그동안 많이 개발되어 왔다.

본 발명의 방법 및 장치는 이 용접 풀에서 나오는 열 복사 신호를, 레이저빔 집속 렌즈와 레이저빔의 크기를 제한했던 구멍이나 또는 다른 구멍을 통하여 최소한 3개 파장 이상에서 단일(single-element) 광검출 소자를 사용하여 측정하는 방식으로 구성된다. 본 방법 및 장치의 신호처리 알고리즘은 이 3개 이상의 열복사 신호를 이용하여, 용접크기와 집속 렌즈의 초점위치를 레이저 출력의 영향을 받지 않고 서로 독립적으로 감시 할 수 있다는 장점을 갖는다.

⑵ 종래기술

레이저 용접상태의 광학식 감시방법은 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 하나는 CCD카메라나 적외선 카메라로 용접 풀의 영상을 획득하여 분석하는 방법이고, 다른 하나는 용접 풀에서 방출되는 열 복사 신호를 하나 또는 다수의 단일 광검출기로 측정하여 감시하는 방식이다.

영상을 획득하여 분석하는 방법은 빠른 정보처리 능력을 가진 복잡하고 고가의 장치가 필요하다. 또한 광섬유로 전송하는 레이저 용접의 경우에는 레이저를 전송하는 광섬유로 영상을 전송하여 획득할 수 없으므로 활용이 어렵다는 단점이 있다. 이와 반대로, 열복사 신호를 측정하는 방식은 장치가 간단하고 저렴하며, 신호 처리가 빠르고 산업적인 환경에서 안정성이 높다는 장점이 있다. 하지만 영상을 획득하는 방식에 비해 정보의 양이 제한적이라는 단점이 있으므로, 다수의 광검출기를 사용하여 자외선부터 적외선까지 여러 파장의 열복사 신호를 획득하여 용접 상태를 감시한다. 미국특허 4,446,354, 5,155,329, 5,272,312, 5,360,960, 5,506,386, 5,651,903, 5,674,415, 5,681,490, 5,728,992는 모두 이러한 방식의 용접감시 방법 및 장치에 대한 것이다.

그러나 이러한 방법들은 용접 상태 중 일부의 정보만 획득하여 감시하기 때문에, 가장 중요한 정보인 집속 렌즈의 초점 이동 정보를 제공하지 못한다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 미국특허 4,992,859에서는 렌즈의 색수차를 이용하여 렌즈의 초점 위치를 제어하고자 하였으며, 미국특허 5,785,651와 5,218,193 에서는 렌즈의 색수차 정보를 거리측정 및 거리제어에 사용하기도 하였다.

미국 특허 5,850,068에서는 집속 렌즈의 색수차를 이용하여 광섬유 전송 레이저 용접에서의 초점 이동에 대한 정보를 획득하는 방법을 고안하였는데, 이 특허에서는 한 파장의 열복사 신호에서 다른 파장의 열복사 신호를 빼는 방법을 사용하였다. 이 특허의 방법은 용접 풀의 크기 변화에 대한 정보를 얻지는 못하였다. 또한 이 방법은 초점 이동과 무관하게 레이저 출력이 바뀌면 두 파장에서의 신호의 차이도 같이 바뀌기 때문에, 레이저 출력이 바뀌면 초점 이동에 대한 정보도 바뀐다는 단점이 있다. 용접 풀의 크기가 변하면 각 파장에서의 신호 세기가 큰 초점 위치도 변하며 집속 렌즈의 위치가 이동하지 않아도 초점 오차 신호가 변하므로, 레이저 용접 중에 용접 풀의 크기가 변하면 초점 이동에 대한 정확도도 떨어진다.

레이저 장치에서 나오는 레이저 출력의 변화는 레이저 본체에서 감시가 가능하지만, 용접 대상체에서의 레이저 출력의 변화는 감시하기가 쉽지 않다. 용접 대상체에서의 레이저 출력은 전송과정에서의 흡수에 의해 손실이 있으므로 레이저 장치에서의 출력과 같지 않다. 또한, 레이저 용접 상태감시장치가 산업적인 응용이 가능하려면 레이저 용접 초점이동 감시 장치는 레이저 출력 및 용접 풀의 크기와 무관하게 초점을 측정할 수 있어야 한다.

CCD 카메라나 IR 카메라를 사용하는 영상 감시 방법에서 용접 풀의 크기는, 용접 면에서의 레이저 출력과 용접 깊이와 같은 용접 상태에 대한 중요한 정보를 제공한다. 만약 용접 풀의 크기를 측정할 수 있다면, 레이저 출력을 조절하여 용접 크기를 제어하는 일도 가능하다. 그러나, 카메라를 사용하여 용접 풀의 크기를 측정하는 방식은 초점 이동의 영향을 받는다. 용접 중에 용접면의 위치가 변하면 카메라로 측정된 용접 풀의 크기가 변하며, 따라서 용접 풀에 대한 정보는 틀리게 된다. 따라서 용접 풀의 크기 측정은 초점과 무관하게 이루어져야 한다.

미국특허 5,875,026 과 대한민국특허 0193,276, 그리고 일본특허 2,895,021 에서는 광학계의 색수차를 이용하여 광원의 크기 변화와 초점 이동을 측정하는 방법이 고안되었는데, 여기서는 광원에서 나온 빛이 광학계를 통과하여 구멍으로 집속될 때 투과되는 신호를 몇 개의 파장에서 측정하고 광학계의 색수차를 이용하여 광원의 크기변화와 초점 이동에 대한 정보를 얻게 된다.

미국특허 출원번호 09/190,234에서는 앞에서 언급한 미국특허 5,875,026 와 대한민국특허 0193,276, 그리고 일본특허 2,895,021에서 고안된 광학계의 색수차 정보로부터 광원의 크기 변화와 초점 이동을 측정하는 방법을 이용하여 펄스 레이저 용접에서의 용접 풀의 크기 변화와 초점이동을 감시하는 방법을 고안하였다. 이 발병에서 열복사 신호의 측정은 레이저 펄스 사이의 냉각 과정에서 이루어 겼으며, 용접 풀의 크기가 줄어드는 것을 측정하여 용접 풀의 크기와 초점을 감시하였다.

이 고안은 다음과 같은 두 개의 신호처리 알고리즘은 가진다. 하나는 용접 풀의 크기를 측정하기 위한 알고리즘으로, 각 파장에서의 투과율로부터 하나의 함수를 정의하고 집속된 레이저빔의 크기인 기준 크기에서의 함수 값을 얻은 후 각 파장에서 얻은 신호들로부터 계산된 함수 값과 기준 크기에서의 함수 값을 비교하여 용접 풀의 크기를 측정하는 것이다. 또 다른 하나는 초점 이동을 측정하는 알고리즘으로, 각 파장에서의 투과율로부터 초점 이동을 측정하기 위한 다른 함수를 이용하여 실제실험에서 얻은 값과 이 함수에서 계산된 초점 이동 값을 비교하여 초점 이동을 측정하는 것이다.

미국특허 출원번호 09/190,234에서는 용접 풀의 초점 이동과 무관하게 용접 풀의 크기 변화를 측정할 수 있고, 용접 풀의 크기와 무관하게 초점 이동을 측정할 수 있도록 신호를 획득하는 파장과 시간이 최적화되었다. 이러한 특성은 펄스 레이저 용접에서 열 전도에 의해 레이저 펄스 사이의 냉각 과정에서 용접 풀의 크기가 줄어드는 특성을 이용함으로써 가능하였다. 그러나 연속발진 레이저 용접에서는 용접 중의 냉각 과정이 없으므로 용접 풀의 크기는 용접 초기가 지나면 계속적으로 집속된 레이저빔의 크기보다 크다. 따라서 연속발진 레이저 용접 감시에서는 미국특허 출원번호 09/190,234에서 사용한 알고리즘과 최적화 과정의 적용이 불가능하다.

(1) 발명의 목적

상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 3개 이상의 파장에서 색수차 공간 여과 신호를 획득하는 장치 구성과 용접 시 냉각과정이 없는 연속 발진 레이저 용접에 적용할 수 있는 용접 풀의 크기 변화와 초점 이동을 서로 독립적으로 감시할 수 있는 신호처리 알고리즘을 제시하며, 이를 이용하여 레이저용접 중에 초점 및 용접 풀의 크기를 일정하게 제어하는 데 있다.

(2) 발명의 요점

본 발명에서는 용접 풀에서 나오는 열 복사 신호를 레이저빔 집속 렌즈와 레이저빔의 크기를 제한했던 구멍이나 또는 다른 구멍을 통하여 3개 이상의 파장에서 단일 광검출 소자를 사용하여 검출하고, 이 3개 이상의 열복사 신호를 이용하여 용접 풀의 크기 변화와 집속 렌즈의 초점위치를 레이저 출력의 영향을 받지 않고 서로 독립적으로 획득할 수 있는 방법 및 장치를 개발하였다.

도 1 은 색수차 공간여과의 원리도

도 2 는 용접 풀 열복사 신호의 색수차 공간여과 장치 구성도

도 3 은 본 발명에서의 집속 렌즈 광학계 구성도

도 4 는 여러 파장에서의 용접 풀 크기에 따른 열복사 신호의 투과율 계산결과

도 5 는 H(r)의 계산 결과( W₁= 950 nm, W₂= 650 nm )

도 6 은 S(W₁, W₂, r₀)의 계산 결과( W₁= 950 nm, W₂= 650 nm )

도 7 은 H(r)의 계산 결과( W₁= 950 nm, W₂= 1550 nm )

도 8 은 S(W₁, W₂, r₀)의 계산 결과( W₁= 950 nm, W₂= 1550 nm )

도 9 는 초점 이동에 따른 S(950, 650, r₀)의 계산 결과

도 10 은 초점 이동에 따른 S(950, 1550, r₀)의 계산 결과

도 11 은 초점 이동에 따른 크기변화의 계산 결과

(W₁= 950 nm, W₂= 650 nm, W₃= 1500 nm, C=0.53 )

도 12 는 초점 이동에 따른 초점변화의 계산 결과

(V₁= 1500 nm, V₂= 650 nm)

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 용접 풀 (3) : 집속 렌즈

(5) : 구멍 (7) : 단일 소자 광 검출 장치

(11) : 용접 풀 (13)(15) : 집속 렌즈

(17) : 광섬유 (19) : 렌즈

(21) : 색분리거울 (25) : 광섬유

(27) : 레이저 (29) : 색분리거울

(31) : 색분리거울 (33)(35)(37) : 협대역 광학필터

(39)(41)(43) : 렌즈 (45)(47)(49) : 광 검출기

(51) : 인터페이스 (53) : 신호처리 컴퓨터)

(55) : 드라이버 (57) : 이송장치

(61) : 출력 제어장치

(1) 발명의 구성 (실시 예)

본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같다. 이하의 설명은 파장이 1.06 um인 Nd:YAG레이저 용접에 관한 예를 든 것이나, 다른 레이저 용접에서도 동일한 원리의 적용이 가능하다.

도 1은 색수차 공간 여과의 원리에 대한 것으로, 용접 풀(1)에서 방출되는 열복사 신호는 집속 렌즈(3)와 구멍(5)을 거쳐 여러 파장에서의 신호를 검출하기 위하여 여러 개의 단일 광 검출기로 구성된 광 검출 장치(7)에서 측정된다. 각 파장에서의 신호는 용접 풀(1)의 초점 이동이나 용접 풀(1)의 크기 변화에 따라 달라진다. 집속 렌즈의 색수차는 알려져 있고 용접 풀에서 방출되는 열 복사 신호는 흑체 복사 법칙에 따르기 때문에 각 파장에서의 신호 변화는 계산 될 수 있다. 그러므로, 각 파장에서의 신호는 투과율 함수로부터 계산된 값과 비교되어 용접 풀(1)의 크기 변화와 초점 이동을 감시하기 위해 사용된다.

본 발명에서 고안한 용접 풀에서 방출되는 열복사의 색수차 공간여과 장치의 구성은 첨부한 도 2와 같다. 레이저(27)로부터 발진된 레이저빔은 레이저 앞단의 광섬유(25)와 용접 대상체 쪽의 광섬유(17)를 통과하고 집속 렌즈(13, 15)를 통과하여 용접 대상체에 집속되어 용접 풀(11)을 생성시킨다. 용접 대상체 쪽 광섬유(17) 끝단의 코어(core)는 구멍(aperture)의 역할을 한다. 용접 풀(11)에서 방출된 열 복사 신호는 집속 렌즈(13, 15)에 의해 상기한 구멍에 영상을 맺게되고, 광섬유(17)를 통해 전송된다. 이 전송된 열복사 신호는 렌즈(19)에 의해 시준 광이 되고 색분리거울(21)에 의해 반사된다. 용접면에서 반사되어 오는 1.06 um 파장의 Nd:YAG 레이저빔은 색분리거울(21)에서 통과되어 열 복사 신호와 분리된다. 광학계의 구성에 따라 1.06 um 파장의 Nd:YAG 레이저빔을 반사시키고 나머지 열 복사 신호를 투과시키는 색분리거울을 사용할 수도 있다.

색분리거울(21)에서 반사된 열복사 신호는 다시 한 가지의 파장은 반사하고두 가지 파장은 투과하는 색분리거울(29)과 협대역 광학필터에 의해 파장별로 분리된다. 색분리거울(29)에서 반사된 신호는 대역폭이 레이저 파장의 수십에서 수백 분의 1 정도인 협대역 광학필터(33)를 거치면서 선택된 파장만이 추출되고 렌즈(39)에 의해 단일 소자 광 검출기(45)에 집속 된다. 색분리거울(29)을 통과한 두 파장의 신호는 또 다른 색분리거울(31)에서 두 개의 파장으로 나뉜다. 색분리거울(31)을 통과한 한 파장의 신호는 대역폭이 레이저 파장의 수십에서 수백 분의 1 정도인 협대역 광학필터(37)에서 추출되고 렌즈(43)에 의해 단일 소자 광 검출기(49)에 집속된다. 색분리거울(31)에서 반사된 또 다른 파장의 신호는 대역폭이 레이저 파장의 수십에서 수백 분의 1 정도인 협대역 광학필터(35)에서 추출되고 렌즈(41)에 의해 단일 소자 광 검출기(47)에 집속된다. 만약에 상기한 3개의 협대역 광학필터(33, 35, 37)의 대역폭이 너무 좁으면, 광 검출기에서 획득되는 열 복사 신호가 너무 약해 검출이 어려울 수 있다. 또 상기한 3개의 협대역 광학필터(33, 35, 37)의 대역폭이 너무 넓으면, 색수차 공간여과의 효과가 감소하여 정확도가 떨어질 수 있다.

상기한 세 개의 광 검출기(45, 47, 49)의 출력은 인터페이스(51)를 통하여 신호처리 컴퓨터(53)에 연결된다. 상기한 신호처리 컴퓨터(53)는 이송장치 드라이버(55)를 제어하여 이송장치(57)의 위치를 조정하며, 출력 제어장치(61)를 제어하여 레이저(27)의 출력도 조절한다. 인터페이스(51)는 상기한 세 개의 광 검출기의 신호를 디지털 신호로 변환하여 획득한다. 디지털 신호의 분해능은 8 비트 이상이 되도록 하여 정밀도를 높게 유지한다. 그러나 16 비트 이상이 되면 처리 속도가 늦게 되는 단점이 있다. 실제 장치에서는 12 비트에서 16 비트 정도면 정밀도와 속도 모두 문제가 없다. 정밀 용접에서는 용접 크기를 감시하고 초점 제어를 정밀하게 하기 위하여, 신호획득 시간간격이 충분히 작아야 한다. 용접 공정 제어를 위해서는 신호획득 시간간격이 100 ms 이하여야 하는데, 실제로 5 ms 에서 50 ms 정도의 간격이면 충분하다. 신호획득 시간간격은 인터페이스(51)에서 조정할 수 있도록 하였다.

신호처리 컴퓨터(53)는 각 파장에서의 신호를 디지털 형태로 획득하여 저장하고, 레이저 용접 풀(11)의 크기 변화와 초점 이동을 감시하기 위해 실시간으로 분석한다. 또한 용접면에서의 레이저 출력을 감시하기 위하여 용접 풀의 크기 변화에 대한 "크기 오차" 신호를 실시간으로 디스플레이 하여주며, 크기 변화가 미리 정해진 범위를 벗어나면 "크기 오차" 알람을 내 보내고 균일한 용접을 위하여 "크기 오차" 신호를 이용하여 레이저 출력을 조절하는 기능을 갖는다. 초점 이동을 감시하기 위하여 초점 이동량에 대한 "초점 오차" 신호를 실시간으로 디스플레이 하여주며, 초점 이동이 미리 정해진 범위를 벗어나면 "초점 오차" 알람을 내 보내고 "초점 오차" 신호를 이용하여 초점을 맞추는 기능을 갖는다.

보다 자세한 방법 및 장치의 설명에 앞서서, 용접 풀의 크기 변화와 초점 이동의 동시 감시 조건에 관하여 살펴보기로 한다. 만약 용접 풀의 크기 변화나 초점 이동이 아주 크면, 초점 이동 감시는 용접 풀의 크기 변화에 영향을 받는다. 따라서 산업적인 레이저 용접에 응용하려면, 용접 풀의 크기 변화는 초점 이동과 동시에 감시되어야 한다. 용접 풀의 크기는 용접 대상체에서의 레이저 출력에 의해 변한다. 반면에 용접 사양에서 허락되는 깊이 변화가, 예를 들어 용접 깊이의 1/10 이라든지 1/20등과 같이 결정된다. 이러한 용접시 허락되는 깊이 변화는 초점 이동이 없을 때 허락될 수 있는 용접 풀의 크기변화 범위를 결정하며 마찬가지로 용접 풀의 크기변화가 없을 때 허락될 수 있는 초점이동 범위를 결정하게 된다. 마찬가지로 초점 이동이 없을 때의 용접 풀의 크기변화 측정한계와, 용접 풀의 크기 변화가 없을 때의 초점이동 측정한계가 정해진다.

레이저 용접을 실제 산업적으로 활용할 때, 허락되는 초점제어 범위는 용접 풀의 위치가 허락되는 초점이동 범위 안에 있도록 하는 제어 범위로 정의된다. 이 허락되는 초점제어 범위는 허락되는 초점이동 범위와 같거나, 조금 작을 수 있다. 왜냐하면, 레이저 용접의 시작 단계에서 용접 풀이 초점 근처에 위치하면 초점은 본 발명에 의하여 용접 풀의 초점을 허락되는 초점이동 범위 안으로 유지시켜 주기 때문이다. 허락되는 초점제어 범위는 레이저 용접의 시작 단계에 용접 풀이 이 범위 안에 쉽게 위치할 수 있을 정도로 충분히 큰 값을 가져야 한다. 그러나 허락되는 초점제어 범위의 최대 값에서 초점 이동은 용접 크기 감시에 영향을 미치며 용접 크기 감시 결과에 어느 정도의 오차 요인이 된다. 정확한 크기 변화를 감시하려면, 이렇게 유발된 오차와 크기 변화와 크기변화 측정한계의 합이 허락되는 크기변화 범위보다 작아야 한다. 마찬가지로, 허락되는 크기변화 범위에서 유발된 초점이동 오차와 초점이동 측정한계의 합은 허락되는 초점제어 범위 보다 작아야 한다. 이와 같은 조건이 만족되면 허락되는 초점제어 범위보다 작은 초점 이동은 용접풀의 크기 변화에 대한 별도의 보상 과정이 없어도 허락되는 크기변화 범위 안에서감시될 수 있다. 이러한 기준은 간단한 것이나, 실제적으로 쉽게 이루어지는 것은 아니다. 초점 이동의 감시는 크기 변화에 의한 오차가 최소화 되도록 최적화되어야 하며, 그 반대도 마찬가지이다. 이 경우, 용접 풀의 크기 변화 감시는 초점 이동과 무관하게 가능하며, 그 반대도 마찬가지이다. 이것이 레이저 용접에서의 크기 변화와 초점 이동을 동시에 감시하기 위한 조건이다.

레이저 용접에서, 용접 풀은 레이저빔이 집속된 용접 대상 면에 생긴다. 따라서 각 파장에서 광 검출기로 검출되는 신호는 용접 풀의 각 위치에서 방출하는 빛의 세기와 상기한 파장에서의 투과율의 곱을 용접풀의 전체면적에 따라 적분한 것이 된다. 파장에 따라 용접 풀의 각 위치에서 방출하는 빛의 투과율이 달라지므로, 각각의 파장에서 측정한 광 검출기의 신호는 용접 풀의 크기 변화에 대한 정보를 가지고 있다. 또한 각 파장에서의 투과율은 상기한 시편의 초점 이동에 관계하므로, 상기한 초점 이동에 따른 투과율은 시편의 초점 이동에 대한 정보를 가지고 있다.

정량적인 계산을 위하여 용접 풀을 일정한 세기를 갖는 온도 T˚K의 열 복사 광원으로 생각할 수 있다. 복사 파장과 온도를 곱한 양이 14380 um˚K 보다 아주 작으면 Planck의 흑체 복사 방정식은 Wiens 법칙으로 근사할 수 있는데, 실제 용접에서의 온도는 2000˚K 정도이므로 열 복사의 파장이 가시광선에서 근적외선인 경우 Wiens 법칙을 사용할 수 있다. 실리콘 광 검출기는 가시광선에서 1000 nm 영역에서 감도가 좋고, InGaAs 광 검출기는 1000 nm에서 1700 nm 정도의 파장 영역에서 감도가 좋다. 따라서 본 장치에서 가시광선에서 1000 nm 영역에서는 실리콘 광검출기를 사용하였고, 1000 nm에서 1700 nm 영역에서의 신호 검출에는 InGaAs 광검출기를 사용한다.

하나의 파장 W₁은 레이저빔의 파장과 가까운 값으로 선택하여 레이저빔의 파장과 거의 같은 색수차를 갖도록 한다. 그러나 색분리 거울과 협대역 광학필터로 레이저빔과 분리하기 위해서는 약간의 파장 차이는 필요하다. 또 다른 파장 W₂는 집속 렌즈의 색수차 값을 크게 하기 위하여 W₁과 크게 차이나는 파장을 선택한다. 그러나 구면 수차가 많을 경우 색수차 공간 여과의 정밀도가 떨어지므로 구면 수차는 최소화하여야 한다. 파장 W₁은 레이저 파장의 1/10에서 1/20 정도 레이저 파장과 차이나는 파장을 선택한다. 또한 집속 렌즈는 구면수차를 작게 하면서 색수차를 크게 하기 위해 고굴절 렌즈를 사용하는 것이 유리하다.

파장 W₁에서의 광검출기에서 검출되는 신호는 다음과 같이 기술할 수 있다.

(1)

여기에서 C₁은 상수이고, T는 용접 풀의 온도를 ˚K로 나타낸 것이고, W₁은 파장을 μm 단위로 표시한 것이며, t₁은 파장이 W₁일 때의 투과율이며, r₀는 용접 풀의 반지름이다. 마찬가지로 파장이 W₂일 때의 신호는 다음과 같다.

(2)

여기에서 C₂는 상수이고, T 는 용접 풀의 온도를 ˚K로 나타낸 것이고, W₂는 파장을 μm 단위로 표시한 것이며, t₂는 파장이 W₂일 때의 투과율이며, r₀는 용접 풀의 반지름이다.

일정한 시간 간격을 두고 측정한 신호를 X',Y' 라 하면, 두 신호 비의 자연 대수는 각각 다음과 같다.

(3)

(4)

이 두 식에서 T'와 r₀' 는 일정한 시간 간격 후의 온도와 용접 풀의 반지름을 나타낸다. 다음과 같이 온도 항을 소거시킬 수 있다.

(5)

여기서 C₃는 광검출기의 이득과 C₁,C₂에 의해 정해지는 상수이다.

이 C₃가 결정되지 않으면 용접 풀의 크기를 결정하기 위하여 측정되는 값인 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)+C₃] 를 계산 값인 S(W₁, W₂, r₀) 와 직접적으로 비교 할 수 없다. S(W₁, W₂, r₀)는 용접 풀 반지름의 함수인데 집속 렌즈와 구멍에 대한 정보로부터 계산이 가능하다. 그러나 두 개의 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)+C₃] 값의 차이는 계산 값인 S(W₁, W₂, r₀) 값의 두 개의 차이와 직접 비교할 수 있다. 이것은 최소한 한 지점에서의 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)+C₃] 값을 기준으로 알고 있어야 가능하다.

만약 함수 S(W₁, W₂, r₀) 가 반지름 r₀에서 최대값이나 최소값을 가진다면, 이것은 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)+C₃] 의 측정값이 용접 풀의 동일한 반지름 r₀에서 최대값이나 최소값을 가진다는 것을 의미한다. 만약 용접 풀의 반지름이 레이저 용접 과정에서 변하며, 즉 펄스레이저 용접에서 레이저펄스 사이의 냉각과정에서나 연속발진 레이저용접에서 용접이 시작할 때 반지름 r₀를 지난다면, 이 r₀에서 측정된 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)+C₃] 값은 용접 풀의 크기를 측정하는데 기준 값이 될 수 있다. 이것을 정량적으로 표시하기 위하여, S(W₁, W₂, r₀)를 r₀로 미분하면 다음과 같다.

(6)

다음 식의 조건을 만족하면, (6)식이 0 이 되고 S(W₁, W₂, r₀)은 용접 풀의 크기가 R₀일 때 최대 혹은 최소 값을 갖는다.

(7)

도 3 은 색수차 공간여과의 신호 해석을 위한 광학계를 나타낸 것이다. 두 개의 렌즈는 고굴절율을 갖는 SF11 재질로 만들어졌고, 각각의 조리개 치는 F/3.8, 초점거리는 100 mm이다. 구멍의 크기와 용접 풀의 크기는 지름 1 mm 로 가정한다. 렌즈는 평면-볼록 형태로서 구면수차를 최소화하였다. 도 4 는 여러 파장에서의 투과율 t 를 구한 것으로, t 는 용접 풀 반지름의 함수로 나타난다. 투과율 함수 t 는 용접 풀의 중심에서는 거의 100 % 이지만, 반지름이 점점 커짐에 따라 거의 0 에 접근한다. 파장 W₁은 레이저빔의 파장과 거의 같으므로 집속된 레이저빔의 반지름과 거의 같은 영역에서 t₁은 0 이 된다. 이와는 반대로 파장 W₂는 레이저의 파장과 멀리 떨어진 값을 선택하므로, t₂는 집속된 레이저빔의 반지름 보다 훨씬 큰 영역에서 0 이 된다. 두 파장 다 반지름이 0 인 영역에서 투과율은 100%가 되므로 H(r=0)은 1이 되고, r 이 집속 레이저빔의 크기와 같아지면 H(r)은 0 에 가까워진다. 그러므로 W₂가 W₁보다 작을 경우, H(R₀) = W₂/W₁이 되는 R₀가 집속된 레이저빔의 반지름 근처에 존재한다. 도 5는 도 3과 같은 광학계에서 W₁이 950 nm 이고 W₂가 650 nm 일때, H(r)을 나타낸 것이다. H(r) = 650/950 = 0.684 일 때, 집속된 레이저빔의 반지름 근처에서 최소 값이 나타난다. 도 6 은 도 3 과 같은 광학계에서 W₁이 950 nm 이고 W₂가 650 nm 일때, 초점에 따른 S(W₁, W₂, r₀) 값을 나타낸 것이다. S(950, 650, r₀) 의 값은 r₀에서 H(r₀) = 0.684 의 조건을 만족하며 최소값을 갖는다. 도 7 은 도 3과 같은 광학계에서 W₁이 950 nm 이고 W₂가 1500 nm 일때, H(r)을 나타낸 것이다. H(r)이 1.58 보다 작으므로 최소값과 최대값이 존재하지 않는다. 도 8은 도 3과 같은 광학계에서 W₁이 950 nm 이고 W₂가 1500 nm 일 때 초점위치에서의 S(W₁, W₂, r₀) 값을 나타낸 것이다. S(950, 1500, r₀) 은 용접 풀의 반지름이 커짐에 따라 점점 커지는 형태를 보인다.

펄스레이저 용접에서는 용접 풀의 크기가 최소의 S(950, 650, r₀)이 되도록 작아질 때까지 반복적으로 측정함으로써 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)+C₃] 신호의 최소값을 측정할 수 있다. 보통 이것은 레이저 펄스 사이의 냉각 과정에서 나타난다. 따라서 이 최소값은 그 펄스 중에 측정한 모든 순간의 용접 풀의 크기를 감시하는데 기준으로 사용된다. 연속발진 레이저 용접에서는 레이저용접 초기에 최소의 S(950, 650, r₀)를 지나고 그 이후에는 계속 이보다 큰 값을 갖는다. 따라서 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)+C₃] 신호를 반복적으로 측정하여 레이저 용접 초기에 지난 최소의 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)+C₃]값을 기준으로 한다면 전체의 용접 풀의 크기를 감시할 수 있다.

이제까지의 용접 풀의 크기 감시에서는 초점이동에 의한 효과는 생각하지 않았다. 도 9와 도 10은 용접 풀의 초점에 따른 S(950, 650, r₀) 와 S(950, 1500, r₀) 신호를 나타낸 것이다. 도 9 는 초첨 이동시 동일한 형태의 이동된 모양을 보여준다. 즉, 초점이 이동되어도 최소점을 기준으로한 상대적인 S(950, 650, r₀) 커브는 크게 변하지 않는다. 펄스레이저 용접에서는 하나의 펄스와 다른 펄스 사이에 초점이동이 있을 수 있지만 한 펄스 안에서는 초점이동이 없으므로 한 펄스 안에서 측정한 값을 비교하고 초점위치에 있는 S(950, 650, r₀) 커브를 사용하여 용접 풀의 크기를 초점이동에 무관하게 감시할 수 있다. 펄스레이저 용접에서는 기준 위치를 각각의 펄스마다 측정하며 최소점을 기준으로 한 상대적인 S(950, 650, r₀) 커브는 크게 변하지 않으므로 초점 이동은 용접 풀의 크기 측정에 큰 오차 요인이 되지 않는다. 그러나 연속 발진 레이저 용접에서는 기준 위치는 오직 한번 용접 초기에 측정하게 되므로 간격을 두고 측정한 값들은 초점 이동의 영향을 받을 소지가 많다. 따라서 초점 이동에 의한 오차를 제거할 수 있는 알고리즘이 필요하다.

도 9와 도 10의 초점 이동 의존성은 서로 다른 부호를 갖는다. 즉, 하나는 플러스의 의존성을 나타내며, 다른 하나는 마이너스의 의존성을 나타낸다. 그러나 도 9와 도 10의 크기 변화 감시의 경우에는 용접 풀의 크기가 실제 관심 있는 영역인 집속된 레이저빔의 크기와 비슷하거나 클 때에 크기변화 감시 신호는 같은 부호를 갖는다. 따라서 S(950, 650, r₀) 와 초점이동 보상 상수를 곱한 S(950, 1500, r₀) 의 합은 초점 이동의 효과를 제거한 용접 풀의 크기 변화 감시 신호로 사용할 수 있다.

도 11은 S(950, 650, r₀) 와 초점이동 보상 상수 0.53을 곱한 S(950, 1500, r₀) 의 합으로 계산되는 크기변화 함수를 나타낸 것이다. S(950, 650, r₀) 와 초점이동 보상 상수 0.53을 곱한 S(950, 1500, r₀)의 합은 크기 변화의 감시를 위해 측정된 [W₂ln(Y)-W₁ln(X)] +0.53·[W₃ln(Z)-W₁ln(X)] 값과 비교함으로써 용접 풀의 크기 변화를 감시하는 신호로 사용될 수 있다. 여기서 W₁, W₂, W₃은 각각 950 nm, 650 nm, 1500 nm를 나타내고, X, Y, Z 은 각각 950 nm, 650 nm, 1500 nm에서 측정한 신호이다. 도 11은 용접 풀의 크기가 실제 레이저 용접에서 나타나는 경우인 집속된 레이저빔의 크기부터 1.5 배까지 일 때 용접 풀의 크기가 초점 이동에 의해 거의 영향을 받지 않는 것을 보여준다. 이것은 초점 이동과 독립적으로 용접 풀의 크기가 측정 가능하다는 것을 의미한다. 집속된 레이저 빔 근처에서의 크기변화 함수의 최소값은 크기 감시 신호에서의 기준 값으로 사용할 수 있다.

용접 풀의 초점이동을 감시하기 위해서는 초점 이동에 따른 색수차 공간여과 신호의 특성을 이용하게 된다. 두 신호의 비는 레이저 출력에 따른 신호의 차이를 상쇄시키므로 두 신호의 비를 이용하였다. 신호의 변화를 두 신호의 차가 아닌 비로 구할 경우 광 검출기들의 이득에 의한 오차도 줄일 수 있다.

식(1)과 식(2)에서, 두 파장(V₁과 V₂)에서의 신호 X', Y'의 비의 자연 대수인 초점 이동 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(8)

레이저 출력 변화에 의한 온도의 변화는 레이저 용접시 작으며, 레이저 출력 변화는 용접 풀 크기의 변화를 일으킨다. 따라서, 식(8)의 3째 항인 초점이동 함수 ln(F(V₁, r₀)) -ln(F(V₂, r₀)) 의 용접 풀의 크기에 대한 의존성은 최소화 되어야 한다. 즉, 초점이동 함수 ln(F(V₁, r₀)) -ln(F(V₂, r₀)) 의 용접 풀의 크기에 대한 미분값은 용접풀의 크기에서 0 이어야 한다. 따라서, 초점이동 함수를 미분하면 다음과 같다.

(9)

투과율 t₁(r₀)과 t₂(r₀) 의 형태가 같다면 식(9)의 d[ln(F(V₁, r₀))-ln(F(V₂, r₀))]/dr₀는 0이 된다. 다시 말하면, 두 파장에서의 투과율 곡선이 가능한 한 같은 두 파장을 선택해야 한다. 이 조건은 하나의 파장은 레이저의 파장보다 짧은 것으로 하고 다른 하나의 파장은 레이저 파장 보다 긴 것으로 하면 만족 될 수 있다. 또한 색수차를 크게 하기 위해 레이저의 파장에서 멀리 떨어져야 한다.

도 4는 도 3 과 같은 광학계에서 두 파장이 650 nm, 1500 nm 일 때 두 파장에 대한 투과율 커브가 비슷함을 나타낸다. 도 12는 W₁과 W₂가 각각 1500 nm, 650 nm 일 때, ln(F(V₁, r₀)) -ln(F(V₂, r₀))의 초점 이동의 의존성을 나타낸 것이다. 초점이동 감시 신호는 용접 풀의 크기가 집속 레이저빔의 크기에서 집속 레이저빔의 크기의 1.5 배 사이 일 때, 레이저 출력의 변화에 따른 용접 풀의 크기 변화에 거의 무관함을 알 수 있다.

초점 이동 신호의 측정 감도는 초점 이동된 위치에서의 초점 이동 함수와 초점 위치에서의 초점 동 함수의 차이를 초점 동의 양으로 나눔으로써 얻을 수 있다. 도 12에서는 용접 풀의 크기가 집속 레이저빔의 크기에서 집속 레이저빔의 크기의 1.5 배 사이 일 때, 초점이동 함수 ln(F(V₁, r₀)) -ln(F(V₂, r₀))의 초점이동 감도가 mm 초점 이동당 0.2 보다 높음을 나타내었다. 이와같은 감도의 초점이동 신호는 용접 풀의 초점 제어에서 초점 오차 신호를 결정한다.

도 3과 같은 장치 구성에서, 구멍의 구경이 1.0 mm 이고 용접 풀의 크기가 1.3 mm 이며 집속된 레이저빔의 크기가 1.0 mm인 경우를 고려해 보자. 도 11에서 크기변화 함수의 초점에서의 크기 변화 감도가 1mm 의 크기변화에 1 μm이므로, 노이즈 레벨이 ±0.02 (um) 이하이면 크기 변화의 측정 한계는 0.04 mm 이하이다. 이 정도의 신호는 12 비트의 디지탈 정밀도와 신호 대 잡음 비가 수백인 광검출기 회로로 얻을 수 있다. 용접 풀의 초점 이동 감시 경우, 초점 이동 감도가 0.2/mm 보다 좋은 초점 이동 함수로 측정 가능한 초점이동 측정 한계는 초점에서 노이즈 레벨이 ±0.02 일 때 0.2 mm 이다. 이것 역시 12 비트의 디지탈 정밀도와 신호 대 잡음 비가 수백 이상인 광 검출기 회로로 얻을 수 있다.

식(8)의 용접 풀의 온도에 따른 초점이동 신호의 오차는 용접 풀의 온도가 2000˚K이고 온도 변화가 50˚K 일 때 약 0.15 정도이며, 0.75 mm 정도의 초점이동 오차를 유발한다. 일반적으로 ±0.1 mm 정도의 크기 변화를 일으키는 온도 변화는 레이저 용접의 경우에 50˚K 이하로 알려져 있다. 용접 풀의 크기가 1.3 mm 인 레이저 용접에서, ±0.1 mm 의 용접 풀 크기 변화는 허락할 수 있는 수준으로 이에 따른 용접 깊이의 변화도 균일한 용접이라고 할 수 있을 정도로 충분히 작다. 그러므로 실제의 초점이동 측정 한계는 용접 풀의 변화를 ±0.1 mm 까지 허용할 때, 온도변화에 의한 오차를 포함하여 ±0.5 mm 이하가 된다.

도 3과 같이 구멍의 구경이 1.0 mm 이고 두 개의 집속 렌즈를 사용하는 레이저 용접에서, 허락되는 초점 이동은 집속렌즈의 초점거리 100 mm 의 1% 인 ±1.0 mm 보다 크다. 그러므로, 허락되는 초점이동 제어범위는 ±1.0 mm 로 할 수 있다. 도 11에서 보듯이, 용접 풀 크기변화 감시의 최대 오차는 허락하는 초점 이동 범위 1.0 mm의 최대 값에서 ±0.05 mm 이하이다. 따라서 크기변화 측정 한계와 허락하는 초점이동 범위 ±1.0 mm에서의 크기감시 오차의 최대 값과의 합은 ±0.1 mm 이하이다. 또한 용접 크기의 변화가 ±0.1 mm 일 때 초점 이동 감시 신호에 유발되는 오차는 0.5 mm 이하이다. 따라서 실제의 초점 이동 측정 한계 ±0.5 mm 와 용접 풀의 크기 변화가 ±0.1 mm 일 때 초점이동 감시 신호의 오차의 합은 ±1.0 mm 보다 작고, ±1.0 mm 의 초점 이동 감시는 1.3 ±0.1 mm 에서 크기 변화와 무관하게 얻을수 있다. 결론적으로, 본 발명에서의 알고리즘은 용접 풀의 크기 변화와 무관하게 동시에 초점 이동을 감시할 수 있으며 그 반대도 마찬가지이다.

(2) 발명의 변형 예, 응용 예 및 법적해석

본 발명은 특정 예에 대하여 자세히 기술하였지만, 여러 가지 다른 수정과 변화를 주어도 같은 원리를 이용하여 장치를 구성할 수 있다.

레이저 용접시 초점 위치 제어 및 레이저 출력 조정에 의해 균일한 레이저 용접을 얻을 수 있다.

Claims

레이저 용접시 용접 풀의 크기 변화와 초점 이동을 동시에 측정하거나 또는 각각 측정 할 수 있는 레이저 용접 감시 방법에 있어서,

레이저빔의 크기를 제한하는 구멍을 통하여 레이저빔을 통과시키고,

통과된 레이저빔을 어느 정도의 색수차를 보유하지만 구면 수차는 작은 하나 이상의 렌즈를 사용하여 시편 위에 집속시키고,

용접 풀에서 방출되는 열 복사 신호를 하나 이상의 렌즈와 열복사 신호가 측정되는 용접 풀의 크기를 제한하기 위한 상기한 구멍이나 다른 구멍을 통과시켜 측정하고,

시편에서 반사되는 레이저빔과 방출되는 열복사 신호를 색분리 거울로 분리하고,

열복사 신호를 색분리거울로 3개 이상의 파장으로 분리하고,

분리된 신호를 협대역 광학필터를 사용하여 파장별로 추출하고,

각각의 협대역 열복사 신호를 단일 소자 광 검출기로 검출하여,

검출된 신호를 디지탈 신호로 변환하여 획득하고,

다수의 디지털화된 광 검출기 신호를 처리하여 용접 풀의 크기 변화 신호와 초점 이동 신호를 계산하고,

상기한 용접 풀의 크기 변화 신호와 초점 이동 신호로부터 용접 풀의 크기오차 신호와 초점 이동 오차 신호를 획득하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제1항에 있어서,

상기한 파장별 추출을 위한 협대역 광학필터는 최소 3개의 협대역 광학필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 2항에 있어서,

상기한 파장별 추출을 위한 3개 이상의 협대역 광학필터 중 처음 협대역 광학필터의 중심 파장은 레이저 파장의 십분의 일에서 이십 분의 일 정도 레이저빔의 파장과 차이가 나는 정도의 레이저 파장과 근접한 파장이어야 하고, 두 번째 협대역 광학필터의 중심 파장은 레이저빔의 파장에서 짧은 파장 쪽으로 많이 떨어진 파장이어야 하고, 세 번째 협대역 광학필터의 중심 파장은 레이저빔의 파장에서 긴 파장 쪽으로 많이 떨어진 파장으로, 세 번째 협대역 광학필터 파장에서의 열 복사 신호가 상기한 구멍을 통과하는 투과율 함수는 두 번째 협대역 광학필터 파장에서의 열 복사 신호가 상기한 구멍을 통과하는 투과율 함수와 거의 같은 형태를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 1항에 있어서,

상기한 단일 소자 광 검출기 신호의 디지털 신호화 및 획득은 단일 소자 광검출기의 전기 신호를 8에서 16 비트의 디지털 신호(특히 12에서 16 비트의 신호를 우선함)로 변환하고,

일정한 시간 간격으로 계속적으로 획득하며 시간 간격을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 1항에 있어서,

다수의 디지털화된 광 검출기 신호의 처리는

각 파장에서의 디지털화된 신호의 자연 대수를 구하고,

각 파장에서의 디지털화된 신호의 자연 대수에 파장을 곱한 파장 가중 신호를 구하고,

크기 결정신호-1을 가장 짧은 파장에서의 파장 가중 신호에서 중간 파장에서의 파장 가중 신호를 뺀 값으로 구하고,

크기 결정신호-2를 가장 긴 파장에서의 파장 가중 신호에서 중간 파장에서의 파장 가중 신호를 뺀 값으로 구하고,

크기변화 신호는 크기 결정신호-1에 초점이동 보상 상수를 곱한 크기 결정신호-2를 더하여 구하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 5항에 있어서,

상기한 초점이동 보상 상수는

용접 풀에서 방출되는 열복사가 하나 이상의 레이저빔 집속 렌즈와 레이저빔의 크기를 제한하는 구멍을 통과할 때의 각각의 파장과 용접 풀의 위치에 대한 투과율을 다수의 용접 풀의 초점 이동에 대하여 계산하고,

용접 풀의 위치에 대해 적분된 투과율 함수를 각각의 파장과 다수의 용접 풀의 초점 이동에 대하여 용접 풀의 반지름 R에 대한 함수로 계산하고,

적분된 투과율 함수의 자연 대수를 각각의 파장과 다수의 용접 풀의 초점 이동에 대하여 용접 풀의 반지름 R에 대한 함수로 계산하고,

파장별 크기 결정 함수를 각각의 파장별로 다수의 용접 풀의 초점 이동에 대하여 적분된 투과율 함수의 자연 대수에 그 파장을 곱하여 용접 풀의 반지름 R에 대한 함수로 계산하고,

크기결정함수-1을 다수의 용접 풀의 초점 이동에 대하여 가장 짧은 파장에서의 파장별 크기 결정 함수에서 중간 파장에서의 파장별 크기 결정 함수를 빼서 구하고,

크기결정함수-2를 다수의 용접 풀의 초점 이동에 대하여 가장 긴 파장에서의 파장별 크기 결정 함수에서 중간 파장에서의 파장별 크기 결정 함수를 빼서 구하고,

크기 결정 함수-2에 초점이동 보상 상수를 곱한 후 크기 결정 함수-1과 더한 값인 용접 풀의 크기변화 함수가 초점 이동의 영향을 최소화하도록 하는 초점이동 보상 상수를 관심의 대상이 되는 용접 풀의 반지름의 범위에서의 다수의 초점 이동 위치에 대하여 선택하고,

크기 결정 함수-2에 초점이동 보상 상수를 곱한 후 크기 결정 함수-1과 더한 값인 용접 풀의 크기변화 함수를 다수의 초점 이동 위치에 대하여 계산하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 6항에 있어서,

상기한 크기변화 함수의 최소값이나 최대값을 용접 풀의 크기를 결정하는 기준 값으로 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 6항에 있어서,

크기변화 신호와 레이저용접시 유지해야하는 크기변화 신호 목표 값과의 차이를 용접 풀의 크기에서의 크기변화 함수의 기울기로 나누어서 크기오차 신호를 얻는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 1항에 있어서,

상기한 다수의 디지털화된 광 검출기 신호의 처리는

각각의 파장에서의 디지털화된 신호의 자연 대수를 계산하고,

가장 긴 파장에서의 신호의 자연 대수에서 가장 짧은 파장에서의 신호의 자연 대수를 뺀 값으로 초점이동 신호를 계산하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 9항에 있어서,

초점이동 신호의 감도의 결정은

다수의 용접 풀의 초점 이동 위치에 대하여 가장 짧은 파장과 가장 긴 파장의 용접 풀에서 방출되는 열 복사 신호가 하나 이상의 집속 렌즈와 레이저빔의 크기를 제한하는 구멍을 통과할 때의 투과율을 하나 이상의 렌즈와 구멍의 광학 설계 방법으로 용접 풀의 위치에 대한 함수로 계산하고,

적분된 투과율 함수의 자연 대수를 가장 짧은 파장과 가장 긴 파장에서의 다수의 용접 풀의 초점 이동에 대하여 용접 풀의 반지름 R에 대한 함수로 계산하고,

가장 긴 파장에서 용접 풀의 반지름 R의 함수로 주어지는 적분된 투과율 함수의 자연 대수에서 가장 짧은 파장에서 용접 풀의 반지름 R의 함수로 주어지는 적분된 투과율 함수의 자연 대수를 뺀 값으로 초점이동 함수를 계산하고,

초점 이동된 위치에서의 초점 이동 함수의 값과 초점 위치에서의 초점 이동 함수의 값을 도입된 초점 이동 양으로 나눈 값의 차이로 초점이동 신호의 감도를 계산하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 10 항에 있어서,

초점오차 신호는 용접 풀이 초점 위치에 있을 때 측정된 초점이동 신호 값과 초점이동 신호의 차이를 용접 풀의 크기에서의 초점이동 신호의 감도로 나누어 계산하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
제 1항에 있어서,

크기 오차 신호를 이용하여 레이저 출력을 제어하는 방법과

초점 오차 신호를 이용하여 최소한 하나의 렌즈의 초점 위치를 제어하는 방법을 포함하는 레이저 용접시 용접 풀 크기 감시 및 초점제어방법.
레이저 용접에서 용접 풀의 크기 변화와 초점 이동을 동시에 측정하거나 또는 각각 측정 할 수 있는 레이저 용접 감시 장치에 있어서,

레이저빔의 크기를 제한하는 구멍을 통하여 레이저빔을 통과시키는 장치와,

통과된 레이저빔을 어느 정도의 색수차를 보유하지만 구면 수차는 작은 하나 이상의 렌즈를 사용하여 시편 위에 집속시키는 장치와,

용접 풀에서 방출되는 열 복사 신호를 하나 이상의 렌즈와 열복사 신호가 측정되는 용접 풀의 크기를 제한하기 위한 상기한 구멍이나 다른 구멍을 통과시켜 측정하는 장치와,

시편에서 반사되는 레이저빔과 방출되는 열복사 신호를 색분리 거울로 분리하는 장치와,

열복사 신호를 색분리거울로 3개 이상의 파장으로 분리하기 위한 장치와,

분리된 신호를 협대역 광학필터를 사용하여 파장별로 추출하는 장치와,

각각의 협대역 열복사 신호를 단일 소자 광 검출기로 전기신호 형태로 검출하는 장치와,

검출된 신호를 디지탈 신호로 변환하여 획득하는 장치와,

다수의 디지털화 된 광 검출기 신호를 처리하여 용접 풀의 크기 변화 신호와 초점 이동 신호를 계산하는 장치와,

상기한 용접 풀의 크기 변화 신호와 초점 이동 신호로부터 용접 풀의 크기오차 신호와 초점이동 오차 신호를 획득하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 13 항에 있어서,

광섬유의 한 쪽 끝단이 상기한 구멍의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 감시 장치.
제 13 항에 있어서,

광섬유를 통과한 레이저빔을 집속시키기 위한 하나 이상의 렌즈로 이루어진 광학계가 고굴절 렌즈로 제작된 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 13 항에 있어서,

상기한 색분리거울은 레이저빔과 열복사 신호를 분리하기 위하여 레이저빔은 반사하고 열복사 신호는 투과하든지, 열복사 신호는 반사하고 레이저빔은 투과하는 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 13항에 있어서,

상기한 색분리거울은 하나의 파장의 신호를 반사시키고 다른 하나 이상의 신호는 투과시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 13항에 있어서,

상기한 협대역 광학필터의 대역폭은 레이저 파장의 수십에서 수백 분의 1 정도인 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 13항에 있어서,

상기한 파장별 추출을 위한 협대역 광학필터는 최소 3개의 협대역 광학필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 19항에 있어서,

상기한 파장별 추출을 위한 3개 이상의 협대역 광학필터 중 처음 협대역 광학필터의 중심 파장은 레이저 파장의 십분의 일에서 이십 분의 일 정도 레이저빔의 파장과 떨어지는 정도의 레이저빔과 근접한 파장이어야 하고, 두 번째 협대역 광학필터의 중심 파장은 레이저빔의 파장에서 짧은 파장 쪽으로 많이 떨어진 파장이어야 하고, 세 번째 협대역 광학필터의 중심 파장은 레이저빔의 파장에서 긴 파장 쪽으로 많이 떨어진 파장이며 세 번째 협대역 광학필터 파장에서 열 복사 신호가 상기한 구멍을 통과하는 투과율 함수는 두 번째 협대역 광학필터 파장에서 열 복사 신호가 상기한 구멍을 통과하는 투과율 함수와 거의 같은 형태를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 13 항에 있어서,

3개 이상의 단일 소자 광 검출기가 각각 협대역 광학필터로 추출된 신호를 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 21항에 있어서,

하나 이상의 실리콘 광 검출기가 가시광선에서 1000nm 의 근적외선 파장의 하나 이상의 신호를 검출하는데 사용되고,

하나 이상의 InGaAs 광 검출기가 1000nm에서 1700 nm 영역의 파장의 하나 이상의 신호를 검출하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 13항에 있어서,

상기한 단일 소자 광 검출기의 전기 신호의 디지털 신호화 및 획득은

단일 소자 광 검출기의 전기 신호를 8에서 16 비트의 디지털 신호(특히 12에서 16 비트의 신호를 우선함)로 변환하고,

일정한 시간 간격으로 계속적으로 획득하며 시간 간격을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.
제 13항에 있어서,

크기 오차 신호를 디스플레이 해주는 장치,

초점 오차 신호를 디스플레이 해주는 장치,

크기 오차 신호가 미리 설정된 허가 범위를 벗어날 경우 레이저 출력을 조정하는 장치,

초점 오차 신호가 미리 설정된 허가 범위를 벗어날 경우 하나 이상의 렌즈의 위치를 조정하는 장치가 추가되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접풀 크기감시 및 초점제어장치.