KR20090085752A - 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법 - Google Patents

초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법에 관한 것으로서, 상세하게는 두 판의 겹치기 이음을 위한 레이저 용접시 용접부의 용입폭을 측정하는 방법에 있어서, 초음파 탐촉자로부터 상판에 초음파를 발신하고 상판의 저면에서 반사된 초음파를 수신하여 최대 에코높이를 측정하는 1단계와; 상기 초음파 탐촉자가 상기 레이저 용접부의 상측을 통과하도록 수평으로 이동시키면서 에코높이를 측정하는 2단계와; 상기 2단계에서 측정된 에코높이가 상기 1단계에 측정된 최대 에코높이의 1/2이 되는 초음파 탐촉자의 두 위치를 추출하는 3단계와; 상기 3단계에서 추출된 두 위치 사이의 거리를 상기 레이저 용접부의 용입폭으로 결정하고 상기 용입폭을 표준 용입폭과 비교하여 품질을 평가하는 4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이에 의하여 비파괴적인 방법으로 간단하게 용접부의 용입폭을 구할 수 있을 뿐 아니라 단시간 내에 용접부의 품질을 검사할 수 있으므로 용접작업의 경제성과 생산성을 극대화할 수 있다.
초음파, 에코, 탐촉자, 레이저 용접, 펄서, 리시버, 용접부, 용입폭

Description

초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법{MEASUREMENT METHOD OF PENETRATION WIDTH IN LASER WELDING USING ULTRASONIC INSPECTION}
본 발명은 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 용접에 의해 두 판 사이에 형성된 용접부의 용입폭을 초음파를 이용하여 간편하게 측정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 두 개의 금속 박판을 겹치기 이음으로 접합하는 방법으로 SPOT 용접을 사용한다.
그러나 SPOT 용접으로는 연속용접할 수 없으며 하중전달이 난산되어 용접부에 힘이 집중되는 경향이 있을 뿐 아니라 압흔 자국이 남는 점 때문에 새로운 접합기술로써 고출력, 고밀도 에너지에 의한 레이저 용접이 본격적으로 실용화되고 있으며 자동차, 철도차량 등으로 그 적용범위를 넓혀가고 있다.
특히 스테인레스 강으로 이루어진 철도차량 구체(승객실)의 외판과 골조를 겹치기 이음으로 레이저 용접하는 경우 비관통 용접이기 때문에 두 판 사이에 용접부가 형성되므로 용접완료 후 외관검사로만 용접품질의 정상 여부를 충분히 확인하기 어렵다.
더구나 겹치기 이음 같은 경우 접합면의 용입폭은 이음강도에 있어서 매우 중요한 요소이므로 이를 평가하기 위한 비파괴검사 방법이 필요하다.
일반적으로 초음파 탐상법에 의한 비파괴 검사는 간단하면서도 용이하게 용접부의 결함이나 품질을 검사할 수 있다.
좀더 자세히 말하자면, 검사체에 초음파를 입사하면 검사체 내부로 전파하며 내부에 불연속이 있으면 그곳에서 반사하여 되돌아 온다. 반사한 초음파의 음압(sound pressure), 초음파의 진행시간 등을 분석하면 불연속의 위치 및 크기를 알아낼 수 있다.
상기와 같이 초음파를 이용하여 용접부의 결함을 검출하는 방법은 일반화되어 있으나 용접부의 레이저 품질확인을 위하여 용입폭의 크기를 측정하는 방법은 드물다.
따라서 겹치기 이음 용접과 같이 외관상 관찰되지 아니하는 레이저 용접부의 용입폭을 측정하여 용접 품질을 평가하는 방법이 절실히 요구된다 할 것이다.
본 발명은 상기와 같은 요구를 해결하고자 안출된 것으로, 레이저 용접으로 두 판을 겹치기 이음한 용접부에 초음파를 발신 및 수신하고 초음파의 에코높이를 추출하여 용접부의 용입폭을 결정하고 용접 품질을 평가하는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 두 판의 겹치기 이음을 위한 레이저 용접시 용접부의 용입폭을 측정하는 방법에 있어서, 초음파 탐촉자로부터 상판에 초음파를 발신하고 상판의 저면에서 반사된 초음파를 수신하여 최대 에코높이를 측정하는 1단계와; 상기 초음파 탐촉자가 상기 레이저 용접부의 상측을 통과하도록 수평으로 이동시키면서 에코높이를 측정하는 2단계와; 상기 2단계에서 측정된 에코높이가 상기 1단계에 측정된 최대 에코높이의 1/2이 되는 초음파 탐촉자의 두 위치를 추출하는 3단계와; 상기 3단계에서 추출된 두 위치 사이의 거리를 상기 레이저 용접부의 용입폭으로 결정하고 상기 용입폭을 표준 용입폭과 비교하여 품질을 평가하는 4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상판의 저면에 도달하는 초음파는 상기 용입폭의 범위 내에 수용되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 초음파 탐촉자로부터 발신되는 초음파는 주파수가 10 Mhz 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 초음파 탐촉자는 상기 상판에 대해 수직으로 초음파를 발신하고 수신하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 초음파 탐촉자는 상판과 일정 높이를 유지하면서 수평 이동하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명은 초음파를 이용하여 비파괴적인 방법으로 간단하게 용접부의 용입폭을 구할 수 있을 뿐 아니라 단시간 내에 용접부의 품질을 검사할 수 있으므로 용접작업의 경제성과 생산성을 극대화할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법을 나타내는 순서도이고 도 2는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭을 측정하는 장치를 나타내는 구성도이며 도 3은 레이저 용접부의 용입폭을 측정하는 과정을 나타내는 개념도이다.
본 발명에서 용입폭(w)이라 함은, 도 3에 도시된 바와 같이 레이저로 용접하는 경우 용접부(40)가 형성될 때 하판(30)에서 상판(20)으로 용입된 레이저 용접부(40)가 상판(20)의 저면과 만나는 두 지점 간의 거리를 의미한다.
본 발명의 초음파를 이용한 레이저 용접부(40)의 용입폭(w) 측정방법은 총 4단계로 이루어진다.
1단계는 상판(20)과 하판(30)이 접합된 용접물(검사체)에 초음파를 발신하고 반사된 음파를 수신하여 최대 에코높이(Emax)를 측정하는 단계이다.
상기 상판(20)과 하판(30)은 철이나 스테인레스 강으로 이루어진 금속재가 일반적이며 레이저를 사용하여 겹치기 이음 용접된 상태이므로 일반적으로 도시된 바와 같은 용입 형상을 가진다.
즉 상기 하판(30)과 상판(20)의 일부가 용융되어 상기 하판(30)의 용융금속이 상기 상판(20)에 일부 관입되는 형상을 이룬다.
이하에서는 철도차량 구체에 사용되는 스테인레스 강판과 같이 두께가 1~2 mm 정도의 얇은 판재에 대해 주로 설명하고자 한다.
도 1에 사용된 장비는 초음파 탐상법에서 일반적으로 사용되는 장치를 사용하는 것이 바람직한데, 상기 장치는 내부에 진동자가 내장되어 초음파를 발신하고 수신하는 초음파 탐촉자(10)와, 상기 초음파 탐촉자(10)에 원하는 펄스를 신호로 보내는 초음파 펄서(pulser) 및 상기 초음파 탐촉자(10)에서 수신한 신호를 받아 증폭하는 리시버(receiver)와, 상기 리시버를 통해 수집한 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 변환부와, 상기 데이터 변환부에서 변환된 초음파의 진폭, 상기 초음파 탐촉자(10)의 위치 등의 데이터를 바탕으로 레이저 용접부(40)의 용입폭(w)을 측정하고 영상으로 표시하는 PC로 구성된다.
상기 초음파 탐촉자(10)를 상기 레이저 용접부(40)가 없는 지점에서 상기 상판(20)의 상측에 접촉시키거나 더 바람직하게는 일정 높이를 두고 설치하여 상기 초음파 펄서에서 상기 상판(20) 내로 초음파를 발신한다. 바람직한 것은 상기 상 판(20)에 대해 수직으로 발신하는 것이 좋다.
참고로 상기 초음파 탐촉자(10)와 상판(20) 사이에 공기층이 있으면 초음파가 전달되지 않으므로 상기 초음파 탐촉자(10)와 상판(20) 사이에 접촉 매질(couplant)이 필요하다.
그래서 상기 상판과 하판으로 이루어진 검사체를 물 등의 접촉 매질 속에 침수시킨 후 측정하거나 상기 초음파 탐촉자(10)와 검사체 사이에 국부적인 접촉 매질의 막이 형성되도록 한 후 측정한다.
발신된 상기 초음파는 상기 상판(20)의 저면에서 대부분 반사되어 상기 초음파 탐촉자(10)에 의해 다시 수신되고 수신된 신호는 상기 리시버와 데이터 변환부를 통해 증폭, 변환되어 PC에서 시현된다.
이때 시현된 에코는 일정한 진폭을 가지는데 이것을 에코높이(echo height)라고 한다. 상기 에코높이는 반사되어 수신된 초음파의 음압(sound pressure)을 나타낸다고 보면 된다.
여기서, 일반적인 초음파 탐상에 사용하는 협대역 초음파 탐촉자(narrow band ultrasonic probe) 를 사용할 수도 있으나 상기 철도차량 구체에 사용되는 얇은 박판의 경우 에코의 진폭변화를 정확히 관찰하기 위해서 광대역 초음파 탐촉자(broad band ultrasonic probe)를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 용입폭(w)도 작기 때문에 주파수가 10 Mhz 이상인 고주파수 초음파를 발신하는 초음파 탐촉자(10)를 사용하여 충분한 감도로 측정될 수 있어야 한다.
정리하자면, 1단계에서는 상기 상판(20)에 초음파를 발신하되, 상기 레이저 용접부(40)가 없는 부분에 발신하여 최대 에코높이(Emax)를 측정하는 것이다.
다음으로 2단계는 상기 초음파 탐촉자(10)를 수평으로 이동시키면서 각 지점에서의 에코높이를 측정하는 단계이다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 초음파 탐촉자(10)를 수평으로 이동하면서 연속적으로 에코높이를 측정해야하는데, 상기 레이저 용접부(40) 상측을 통과하도록 이동한다.
이때 측정되어 시현되는 에코높이는 상기 초음파 탐촉자(10)의 위치에 따라 달라진다.
좀더 자세히 설명하자면, 상기 레이저 용접부(40)가 없는 위치에서 초음파는 상기 상판(20)과 하판(30)의 경계면, 즉 상기 상판(20)의 저면에서 반사되지만 상기 초음파 탐촉자(10)가 상기 레이저 용접부(40)의 상측에 위치할 경우 초음파는 상기 레이저 용접부(40)를 통과해서 계속 진행하게 된다. 다시 말해, 경계면이 없기 때문에 반사하지 않게 되므로 에코가 나타나지 않거나 그 진폭이 감소하게 된다.
도시된 바를 참조하면, 도 3에서 1번 위치에서 최대 에코높이(Emax)가 측정되지만 상기 초음파 탐촉자(10)가 이동하여 상기 레이저 용접부(40)가 상기 상판(20)과 하판(30)의 경계면과 만나는 위치에 도달할 때 에코높이는 최대 에코높이(Emax)의 1/2이 된다.(그래프 참조)
이것은 상기 초음파 탐촉자(10)에서 발신되는 초음파는 방사형으로 진행하며 상기와 같은 위치에서는 절반만 반사되기 때문에 측정되는 에코높이가 절반으로 줄어들게 된다.
앞서 언급한 바와 같이 상기 레이저 용접부(40)를 통과하는 초음파는 실제로 상기 하판(30)의 저면에서 반사될 수 있지만 측정할 부위의 시간값을 초음파가 상기 상판(20)의 저면에서 반사되어 되돌아 오는 시간값으로 한정하여 측정하므로 상기 하판(30)의 저면에서 반사되는 에코는 배제된다.
상기 초음파 탐촉자(10)가 3번 위치에 올 때 상기 상판(20)의 저면에서 에코높이는 0 이거나 매우 작은 값을 가지게 되며 다시 4번 위치에서 최대 에코높이의 1/2이 된다.
상술한 바에서 짐작할 수 있듯이 본 발명에서 측정하고자 하는 레이저 용접부(40)의 용입폭(w)은 상기 에코높이가 1/2이 되는 두 지점간의 거리와 동일함을 알 수 있다.
여기서, 바람직한 것은 상기 상판(30)의 저면 위치에서 기준으로 한 상기 초음파 빔폭(b)이 상기 용입폭(w)의 길이보다 작아야 정확한 측정값을 구할 수 있는 것이다.
예를 들어 상기 용입폭(w)의 길이가 1mm 정도이면 1mm 이하의 초음파 빔폭(b)을 가지는 초음파를 발신해야 정확한 측정결과를 얻을 수 있다.
그런데 상기 초음파는 일반적으로 진행방향으로 진행할수록 빔폭(b)이 점점 증가하는 방사상으로 발신된다.
따라서 매우 얇은 박판의 경우 상기 용입폭(w)도 매우 작으므로 초음파의 빔 폭(b)이 상기 용입폭(w)보다 크면 측정의 정확성이 떨어진다. 따라서 초음파의 빔폭(b)이 상기 용입폭(w) 내에 포함 되도록 방사상으로 퍼지는 초음파를 모아주는 장치가 필요한데 이를 위해 상기 초음파 탐촉자(10) 표면에 음향렌즈(미도시)를 부착시켜 초음파를 집속할 필요가 있다.
참고로 상기 음향렌즈는 광학렌즈와 같이 초음파를 모아주는 공지된 구성인데, 상기 음향렌즈가 부착된 초음파 탐촉자를 집속 탐촉자(focusing probe)라고 하며 상기 음향렌즈는 상기 초음파 탐촉자(10) 내에 구비된 진동자 하부에 설치된다.
따라서 상기 초음파 탐촉자(10)에서 발신된 초음파가 상기 음향렌즈에 의해 한점으로 좁아져 초점을 형성하되 상기 초점이 상기 상판(10)의 저면에 위치하여 반사되도록 상기 초음파 탐촉자(10)와 상판(20) 간의 거리를 조절한 후 측정한다.
이렇게 함으로써 상기 초음파의 초점의 빔폭(b)은 상기 용입폭(w)보다 작아지므로 정확한 측정값을 구할 수 있게 된다.
바람직하게는 상기 상판(20) 저면에서의 초음파 빔폭(b)이 상기 용입폭(w)보다 작다면 상기 초음파 탐촉자(10)를 상기 상판(20)의 표면에 접촉하여 수평 이동하면서 측정할 수도 있으나 상기 상판(20)과 초음파 탐촉자(10) 간의 거리를 일정하게 유지하여 수평 이동하면서 측정하는 것이 더 바람직하다.
왜냐하면 시험체 표면에는 미세 굴곡이 존재하여 상기 상판(20)의 저면 에코의 시간값이 계속 변하므로 상기 상판(20) 저면의 에코만을 연속적으로 추출하기 어렵다.
반면에 상기 초음파 탐촉자(10)를 상기 상판(20)으로부터 이격시켜 측정하는 경우 상기 상판(20)의 상면에서 반사된 에코를 확인할 수 있으며, 상기 상면에서 반사된 에코와 저면에서 반사된 에코 사이의 시간 간격은 표면 굴곡에 상관없이 항상 일정하므로 이값을 기준으로 측정하면 안정적인 측정이 가능하다.
참고로 상기 초음파 탐촉자(10)를 이격된 상태로 자동이동하기 위해 자동스캔장치를 구성하여 실현할 수 있음은 당업자에게 있어 자명하다.
다음으로 3단계에 대해 설명하기로 한다.
상기 3단계는 상기 2단계에서 측정된 에코높이가 상기 1단계에 측정된 최대 에코높이(Emax)의 절반이 되는 초음파 탐촉자(10)의 두 위치를 구하는 단계이다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 초음파 탐촉자(10)를 상기 레이저 용접부(40) 상측으로 통과하면서 연속적으로 측정하면 두 위치에서 에코높이가 최대 에코높이(Emax)의 1/2이 되므로 그 두 위치를 측정 데이터로 추출한다.
마지막으로 4단계는 상기 3단계에서 추출한 두 위치 간의 거리를 상기 용입폭(w)을 결정하고 다른 검사체의 표준적인 용입폭과 비교하여 상기 레이저 용접부(40)의 용접상태와 품질을 평가하는 단계이다.
즉 상기 두 위치 사이의 거리가 바로 구하고자 하는 상기 용입폭(w)이므로 간단한 수치계산에 의해 상기 용입폭(w)을 결정하여 상기 PC에서 시현하게 할 수 있으며 기준이 되는 용입폭과 비교하여 용접작업의 적절성 및 품질을 평가하게 된다.
도 4는 SPOT 용접부의 용입폭을 측정하는 경우를 나타내는 개념도이다.
또 다른 일 실시 예로 상기 레이저 용접부(40)가 아닌 일반적인 SPOT 용접 부(50)의 경우도 본 발명의 방법에 의해 용입폭(w)을 간단하게 결정할 수 있다.
도시된 바와 같이 용입부의 형상은 다르나 이미 설명한 단계를 통해 용입폭(w)을 쉽게 구할 수 있음을 알 수 있다.
참고적으로 상기 상판(20)의 표면에 굴곡이 많은 경우에는 초음파 탐상법에서 사용되는 예비 스캔을 통해 초음파 탐촉자(10)로부터 검사체 표면의 굴곡 상태를 미리 파악한 후, 실제 검사에서는 예비 스캔에서 얻어진 데이터를 기준으로 하여 상기 초음파 탐촉자(10)와 검사체 표면 간의 거리를 항상 일정하게 유지하면서 측정하도록 프로그램하면 검사체의 표면 굴곡으로 인한 검사 오류를 방지할 수 있을 것이다.
본 발명은 초음파를 이용하여 용접부에서의 에코높이가 용접부가 없는 위치에서의 최대 에코높이의 절반이 되는 초음파 탐촉자의 두 위치를 추출하여 용입폭을 결정하는 방법을 주안점으로 하고 있으며 본 발명에서 설명한 것은 본 발명의 일 실시 예에 지나지 아니하므로 본 발명의 진정한 범위는 청구범위를 기준으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법을 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭을 측정하는 장치를 나타내는 구성도.
도 3은 레이저 용접부의 용입폭을 측정하는 과정을 나타내는 개념도.
도 4는 SPOT 용접부의 용입폭을 측정하는 경우를 나타내는 개념도.
<< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >>
10 : 초음파 탐촉자 20 : 상판
30 : 하판 40 : 레이저 용접부
50 : SPOT 용접부 Emax : 최대 에코높이
b : 빔폭 w : 용입폭

Claims (5)

  1. 두 판의 겹치기 이음을 위한 레이저 용접시 용접부의 용입폭을 측정하는 방법에 있어서,
    초음파 탐촉자(10)로부터 상판(20)에 초음파를 발신하고 상판(20)의 저면에서 반사된 초음파를 수신하여 최대 에코높이를 측정하는 1단계;
    상기 초음파 탐촉자(10)가 상기 레이저 용접부(40)의 상측을 통과하도록 수평으로 이동시키면서 에코높이를 측정하는 2단계;
    상기 2단계에서 측정된 에코높이가 상기 1단계에 측정된 최대 에코높이의 1/2이 되는 초음파 탐촉자(10)의 두 위치를 추출하는 3단계;
    상기 3단계에서 추출된 두 위치 사이의 거리를 상기 레이저 용접부(40)의 용입폭(w)으로 결정하고 상기 용입폭(w)을 표준 용입폭(w)과 비교하여 품질을 평가하는 4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상판(20)의 저면에 도달하는 초음파는 상기 용입폭(w)의 범위 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 초음파 탐촉자(10)로부터 발신되는 초음파는 주파수가 10 Mhz 이상인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 초음파 탐촉자(10)는 상기 상판(20)에 대해 수직으로 초음파를 발신하고 수신하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 초음파 탐촉자(10)는 상판(20)과 일정 높이를 유지하면서 수평 이동하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법.
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