KR20030043425A - 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법 - Google Patents

레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법에 관한 것으로, 그 목적은 레이저 용접시 집광렌즈의 곡률반경과 재질을 알 수 없을 경우 용접풀의 크기 변화와 초점 이동을 서로 독립적으로 감시할 수 있는 3개 파장의 선정 및 신호 처리시의 보상 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 방법은 집속 렌즈의 곡률반경 및 재질을 알 수 없어서 색수차 특성을 계산할 수 없을 경우, 실험적으로 최적의 파장을 선정하고 3 개 파장의 신호처리에 필요한 상수를 측정하여, 용접 풀의 크기와 집속 렌즈의 초점위치를 레이저 출력 및 초점이동의 영향을 받지 않고 서로 독립적으로 측정할 수 있도록 한 방법을 발명의 요지로 한다.

Description

레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법{Method for monitoring the size variation and the focus shift of a weld pool in laser welding}
본 발명은 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법에 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 방법에 관한 것이다.
고출력 Nd:YAG 레이저를 이용한 정밀가공기술은 자동차 산업, 전자 산업, 항공산업 등을 중심으로 최근 활용이 크게 늘어나고 있다. 최근에는 6㎾ 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 같지는 않으며, 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.
종래 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 열복사 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 발명하였는데, 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 발명되었는데, 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 6,188,041에서는 앞에서 언급한 미국특허 5,875,026 와 대한민국특허 0193,276, 그리고 일본특허 2,895,021에서 발명된 광학계의 색수차 정보로부터 광원의 크기 변화와 초점 이동을 측정하는 방법을 이용하여 펄스 레이저 용접에서의 용접 풀의 크기 변화와 초점이동을 감시하는 방법을 발명하였다. 이 발명에서 열복사 신호의 측정은 레이저 펄스 사이의 냉각 과정에서 이루어 졌으며, 용접 풀의 크기가 줄어드는 것을 측정하여 용접 풀의 크기와 초점을 감시하였다.
이 발명은 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 6,188,041에서는 용접 풀의 초점 이동과 무관하게 용접 풀의 크기변화를 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 6,188,041에서 사용한 알고리즘과 최적화 과정의 적용이 불가능하다.
미국특허 출원번호 09/589,134 및 대한민국 특허 출원번호 10-2000-0029230 에서는 연속발진 레이저 용접시에 집속렌즈의 색수차 특성을 분석하여, 출력변화에 영향을 받지 않는 초점 이동 감시 방법과 초점 이동에 영향을 받지 않는 용접풀 크기의 변화를 측정하는 신호 처리 방법을 발명하였다. 그러나, 집속렌즈의 곡률 반경과 재질을 알 수 없을 경우에는 초점 이동 및 용접풀의 크기 변화 감시에 적용하기가 어려웠다는 단점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 레이저 용접시 집광렌즈의 곡률반경과 재질을 알 수 없을 경우 용접풀의 크기 변화와 초점 이동을 서로 독립적으로 감시할 수 있는 3개 파장의 선정 및 신호 처리시의 보상 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 용접 풀에서 나오는 열 복사 신호를 레이저빔집속 렌즈와 레이저빔의 크기를 제한했던 구멍이나 또는 다른 구멍을 통하여 3개의 파장에서 단일 광검출 소자를 사용하여 검출하고, 이 3개의 열복사 신호를 이용하여 집속렌즈의 곡률과 재질을 알지 못할 경우에 용접풀의 크기 변화와 초점 이동을 서로 독립적으로 감시할 수 있도록, 실험적으로 3개의 파장을 선정하는 방법과 실험적으로 용접풀의 크기 측정 신호가 초점이동에 따른 영향을 측정하여 이를 보상하는 방법을 제공함으로써 달성된다.
도 1은 색수차 공간여과의 원리도,
도 2는 본 발명의 용접 풀 열복사 신호의 색수차 공간여과 장치 구성도,
도 3은 본 발명에서의 집속 렌즈 광학계 구성도,
도 4는 여러 파장에서의 용접 풀 크기에 따른 열복사 신호의 투과율 계산결과도
도 5는 H(r)의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 650㎚ ),
도 6은 S(W1, W2, r0)의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 650㎚ ),
도 7은 H(r)의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 1550㎚ ),
도 8은 S(W1, W2, r0)의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 1550㎚ ),
도 9는 초점 이동에 따른 S(950, 650, r0)의 계산 결과도,
도 10은 초점 이동에 따른 S(950, 1550, r0)의 계산 결과도,
도 11은 초점 이동에 따른 크기변화의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 650㎚,W3= 1500㎚, C=0.53 ),
도 12는 초점 이동에 따른 초점변화의 계산 결과도( V1= 1500㎚, V2= 650㎚ )
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 용접 풀 (3) : 집속 렌즈
(5) : 구멍 (7) : 광 검출 장치
(11) : 용접 풀 (13, 15) : 집속 렌즈
(17) : 광섬유 (19, 39, 41, 43) : 렌즈
(21, 29, 31) : 색분리거울 (25) : 광섬유
(27) : 레이저 (33, 35, 37) : 협대역 광학필터
(45, 47, 49) : 광 검출기 (51) : 인터페이스
(53) : 신호처리 컴퓨터 (55) : 이송장치 드라이버
(57) : 이송장치 (61) : 출력 제어장치
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 색수차 공간여과의 원리도,
도 2는 본 발명의 용접 풀 열복사 신호의 색수차 공간여과 장치 구성도,
도 3은 본 발명에서의 집속 렌즈 광학계 구성도,
도 4는 여러 파장에서의 용접 풀 크기에 따른 열복사 신호의 투과율 계산결과도
도 5는 H(r)의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 650㎚ ),
도 6은 S(W1, W2, r0)의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 650㎚ ),
도 7은 H(r)의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 1550㎚ ),
도 8은 S(W1, W2, r0)의 계산 결과도( W1= 950㎚, W2= 1550㎚ ),
도 9는 초점 이동에 따른 S(950, 650, r0)의 계산 결과도,
도 10은 초점 이동에 따른 S(950, 1550, r0)의 계산 결과도,
도 11은 초점 이동에 따른 크기변화의 계산 결과도(W1= 950㎚, W2= 650㎚, W3= 1500㎚, C=0.53 ),
도 12는 초점 이동에 따른 초점변화의 계산 결과도(V1= 1500㎚, V2= 650㎚ )를 도시하고 있는데,
이하의 설명은 파장이 1.06㎛인 Nd:YAG 레이저 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 곡률반경과 재질을 알면 색수차 특성을 알 수 있고 용접 풀에서 방출되는 열복사 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 발명한 용접 풀에서 방출되는 열복사의 색수차 공간여과 장치의구성은 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 맺게 되고, 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㎛ 파장의 Nd:YAG 레이저빔은 색분리거울(21)에서 통과되어 열 복사 신호와 분리된다. 광학계의 구성에 따라 1.06㎛ 파장의 Nd:YAG 레이저빔을 반사시키고 나머지 열 복사 신호를 투과시키는 색분리거울을 사용할 수도 있다.
색분리거울(21)에서 반사된 열복사 신호는 다시 한 가지의 파장은 반사하고 두 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 추출되고렌즈(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㎳ 이하여야 하는데, 실제로 5㎳ 에서 50㎳ 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.
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㎛˚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㎚ 영역에서 감도가 좋고, InGaAs 광 검출기는 1000㎚에서 1700㎚ 정도의 파장 영역에서 감도가 좋다. 따라서 본 장치에서 가시광선에서 1000㎚ 영역에서는 실리콘 광검출기를 사용하였고, 1000㎚에서 1700㎚ 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.
파장 W1에서의 광검출기에서 검출되는 신호는 다음과 같이 기술할 수 있다.
(1)
여기에서 C1은 상수이고, T는 용접 풀의 온도를 ˚K로 나타낸 것이고, W1은 파장을 ㎛ 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 ㎛ 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㎜이다. 구멍의 크기와 용접 풀의 크기는 지름 1㎜ 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㎚ 이고 W2가 650㎚ 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㎚ 이고 W2가 650㎚ 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㎚ 이고 W2가 1500㎚ 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㎚ 이고 W2가 1500㎚ 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㎚, 650㎚, 1500㎚를 나타내고, X, Y, Z 은 각각 950㎚, 650㎚, 1500㎚에서 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㎚, 1500㎚ 일 때 두 파장에 대한 투과율 커브가 비슷함을 나타낸다. 도 12는 W1과 W2가 각각 1500㎚, 650㎚ 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.
집속렌즈의 곡률과 재질을 알면 위와 같이 분석하여 초점 이동 및 용접풀 크기 감시 신호 검출을 위한 3 파장을 선정할 수 있으며 용접풀의 크기 감시 신호의 초점이동에 따른 영향을 보상할 수 있으나, 일반적으로 집속렌즈는 가공용 레이저장치에 부착되어 있고, 여기에 레이저 용접감시 장치를 추가할 경우는 대개의 경우 집속렌즈의 곡률과 재질을 알 수 없어서 위와 같은 분석을 할 수 없다.
그러나, 집속렌즈는 광학적으로 위의 분석과 같은 특성을 일반적으로 보이므로 간단한 레이저 용접실험을 통해 서로 독립적으로 초점이동 및 용접풀 크기 감시 신호를 얻을 수 있는 3 개의 파장을 선정할 수 있고, 용접풀 크기 감시 신호의 초점이동에 따른 영향을 보상할 수 있다.
초점이동 감시를 위한 파장 선정에 있어서, 레이저 출력변화, 즉, 용접풀의 크기 변화의 영향을 받지 않기 위해서는 2 파장의 투과특성이 같아야 하며, 색수차에 의한 초점 이동 감시 감도를 높히기 위해서는 레이저 파장에서 2 개의 파장이 가능한 멀리 떨어진 것이 유리하다. 따라서, 1.06㎛ Nd:YAG 레이저 용접에 있어서는 적외선 광검출에 많이 사용되는 InGaAs 광 검출기의 측정 감도가 높으면서 1.06㎛에서 멀리 떨러진 1.5㎛ 부근에서 하나의 파장을 결정할 수 있다. 이 때, 다른 파장은 레이저 파장 보다 짧은 쪽에서 파장을 변화시키면서, 초점 이동은 없으나 레이저 출력은 변화시키는 레이저 용접실험에서, 초점이동 감시 신호를 측정하여 레이저 출력의 변화에도 초점이동 감시 신호가 가장 변화하지 않는 파장을 선정하면 된다.
용접풀의 크기 감시 신호는 초점 이동 감시를 위해 선정된 2 파장에, 색분리 필터로 레이저파장을 차단할 수 있으면서, 레이저 파장과 색수차 특성이 거의 같은 레이저 파장에 인접한 파장을 선정하면 된다. 이 때, 이 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 짧은 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호는 용접풀의 크기변화에 따라 최소값 또는 최대값을 가지며, 이 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 긴 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호는 용접풀의 크기변화에 따라 계속적으로 증가 또는 감소하게 된다. 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 짧은 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호의 초점 이동에 따른 영향과, 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 긴 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호의 초점 이동에 따른 영향은 서로 반대부호를 가진다.
따라서, 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 짧은 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호에, 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 긴 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호에 초점 이동에 따른 영향을 보상할 수 있는 상수를 곱한 후에 빼서 최종적인 용접풀의 크기 감소 신호를 정하면 초점 이동에 영향을 받지 않고 용접풀의 크기 변화 감시가 가능하다. 초점 이동에 따른 영향을 보상하는 상수는, 단위거리 초점 이동에 따른 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 짧은 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호값의 변화량 나누기 단위거리 초점 이동에 따른 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 긴 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호값의 변화량이다.
그러나, 실험적으로 같은 용접풀의 크기에서 초점거리만을 이동시키면서 단위거리 초점 이동에 따른 두 용접풀의 크기 감시 신호값의 변화량을 측정하는 것은 어디에서 측정해야 할 지를 찾기가 쉽지 않다. 이 문제를 해결하는 방법은 레이저 파장에 인접한 파장과 레이저 파장보다 짧은 쪽의 파장에서 얻어지는 용접풀의 크기 감시 신호의 최소값 또는 최대값 발생 시점을 기준으로 측정하는 것이다.
즉, 초점 이동 없이 레이저 출력만을 변화시키는 레이저 용접 실험에서 레이저 파장보다 짧게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호의 최소값 또는 최대값 발생시점에서, 동시에, 레이저 파장보다 충분히 길게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호를 측정하고, 단위거리만큼 초점을 이동시키고 동일한 레이저 용접 실험을 수행하여 이 두 용접풀 크기변화 신호 측정값의 단위거리 초점 이동에 따른 변화량을 측정한다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같이 본 발명의 방법은 용접 풀에서 나오는 열 복사 신호를, 레이저빔 집속 렌즈와 레이저빔의 크기를 제한했던 구멍이나 또는 다른 구멍을 통하여 3개 파장의 단일(single-element) 광검출 소자를 사용하여 측정하는 방식으로 구성된다.
집속 렌즈의 색수차 때문에, 각 파장에서 검출되는 열복사 신호는 용접 풀의 크기와 초점이동에 대해 서로 다른 특성을 보이는데, 본 발명 방법에서는 집속 렌즈의 곡률반경 및 재질을 알 수 없어서 색수차 특성을 계산할 수 없을 경우, 실험적으로 최적의 파장을 선정하고 3 개 파장의 신호처리에 필요한 상수를 측정하여, 용접 풀의 크기와 집속 렌즈의 초점위치를 레이저 출력 및 초점이동의 영향을 받지 않고 서로 독립적으로 감시 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

Claims (5)

  1. 레이저 용접시 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 3개의 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 용접풀의 크기 변화 신호와 초점이동 신호를 계산하는 레이저 용접 감시방법에 있어서,
    하나 이상의 렌즈로 구성된 집속장치의 색수차 특성에 맞추어 3 개의 파장을 선정하여, 상기의 초점 이동 신호가 레이저출력 변화에 영향을 받지 않게 하며, 용접풀의 크기변화 신호가 초점 이동에 영향을 받지 않게 하는 방법을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초점이동 신호를 얻기 위한 2 개의 파장 선정시, 초점이동 신호가 레이저 출력 변화에 영향을 받지 않도록 하나의 파장은 레이저 파장보다 충분히 길어서 색수차 효과를 낼 수 있도록 선정하고, 다른 하나는 레이저 파장보다 짧은 파장에서 정하는 방법에 있어서, 초점이동이 없는 레이저 용접시 레이저 출력만을 변화시키면서 초점이동 신호가 레이저 출력 변화에 영향을 가장 안 받는 파장으로 레이저 파장보다 짧은 파장을 선정하는 방법을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법.
  3. 제 1항 및 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접풀의 크기변화 신호를 얻기 위한 3 번째의 파장을 레이저 파장에 인접하지만 색분리필터로 레이저 파장과 분리가 가능하도록 선정하는 방법에 있어서, 레이저 용접 실험을 통해, 레이저 파장보다 충분히 길게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호의 초점 이동에 따른 변화를 측정하고 레이저 파장보다 짧게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호의 초점 이동에 따른 변화를 측정하여 초점이동에 따른 변화가 서로 상쇄되도록 신호를 처리하는 방법을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 초점이동 없이 레이저 출력만을 변화시키면서 용접풀의 크기변화를 측정할 때, 레이저 파장보다 짧게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호의 최소값 또는 최대값 발생시점에서, 동시에, 레이저 파장보다 충분히 길게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호를 측정하고, 단위거리 만큼 초점을 이동시킨 후에 레이저 출력만을 변화시키면서 같은 방법으로 이 두 용접풀 크기변화 신호 측정값의 초점 이동에 따른 변화량을 측정하여, 레이저 파장보다 짧게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호에, 레이저 파장보다 충분히 길게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호를 초점이동의 변화가 상쇄되게 상수를 곱한 후에 빼서 초점이동에 영향을 받지 않는 최종 용접풀의 크기변화 신호를 얻는 방법을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 두 용접풀 크기변화 신호 측정값의 초점 이동에 따른 변화를 상쇄하는 상수를 단위거리 초점이동에 따른 레이저 파장보다 짧게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한 파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호값의 변화량을, 단위거리 초점이동에 따른 레이저 파장보다 충분히 길게 선정된 파장과 레이저 파장에 인접한파장에서 얻어진 용접풀의 크기변화 신호값의 변화량으로 나누어서 얻는 방법을 특징으로 하는 레이저 용접시 용접 풀 크기감시 및 초점제어 방법.
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