KR20100006566A - 용접 관찰 장치 - Google Patents
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Abstract
용접 아크 방전 하에 있어서, 용접 상태를 확인하기 위해 아크 방전광을 필터링하는 광학계로서, 텔레센트릭 광학계와 포토크로믹 필터(PCF)에 의한 부분 감광을 사용하고, PCF 상에서 결상시키지 않고, PCF 상으로부터 초점이 어긋나도 감광 성능을 확보할 수 있어, 용접 상태의 모니터링이 양호한 용접 관찰 장치를 제공한다. 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 대물 광학계(1, 2)와 대물 광학계(1, 2)에 의해 집광된 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계(3)와, 텔레센트릭 광학계(3)에 의해 도광된 광을 조사하는 PCF(4)와, PCF(4)를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치(9)를 포함하고, PCF(4)에 의하여 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
Description
본 발명은 용접 관찰 장치에 관한 것이며, 특히 용접 아크 방전 하에 있어서, 용접 상태를 확인하기 위해 아크 방전광을 필터링하는 광학계에 특징을 가지는 용접 관찰 장치에 관한 것이다.
아크 용접에는, 예를 들면, 티그 방식(TIG: Tungsten Inert Gas Welding), 미그 방식(MIG: Metal Inert Gas Welding), 마그 방식(MAG: Metal Active Gas Welding) 등이 있다. 또한, CO2 가스 아크 용접 방식(MAG) 등도 있다.
TIG 방식은, 아르곤 또는 헬륨 등의 불활성 가스 분위기 중, 텅스텐 전극과 모재(base material) 사이에 아크를 발생시키고, 이 아크열을 이용하여 모재와 용접봉(또는 용가봉(welding filler rod))을 용융시켜 용접하는 방법이다. 텅스텐 전극은 아크를 발생시킬 뿐이며, 스스로는 용융 이행(melting shfit)하지 않는다.
MAG 방식에 있어서는, 용접이 개시되면, 용접 와이어가 연속적으로 공급되고, 용접 와이어와 모재 사이에 발생한 아크가 지속되어, 용접이 진행된다. 용접 와이어는 아크를 발생하는 전극인 것으로 동시에, 그 아크열에 의하여, 스스로도 용융되어 용접 금속을 형성한다. 이때, 용접 토치 선단부(welding torch tip region)의 노즐로부터 유출하는 차폐 가스에 의하여, 용접 금속을 차폐하고, 대기의 악영향을 방지하고 있지만, 이 차폐 가스로서는, CO2 가스, 아르곤 가스, 아르곤 가스에 CO2 가스를 혼합한 가스 등이 사용된다. MAG 용접이라는 용어는, 차폐 가스의 종류, 특성을 고려하여 정의된 것이며, 용접법으로서의 원리는, MIG 용접이나 CO2 가스 아크 용접과 같다.
MIG 방식의 원리는 MAG 방식과 같지만, 차폐 가스의 종류로서 아르곤이나 헬륨(또는 이들의 혼합 가스) 등의 이너트 가스(불활성 가스)를 사용하거나, 또는 이에 CO2 가스나 산소 등의 액티브 가스(활성 가스)를 소량 첨가한 것을 사용한다.
아크 용접의 아크는, 일반적으로 강한 광, 특히 자외 방사와 가시광을 방사하기 위해, 작업 현장에서는 이 자외 방사에 의해 많은 각막염, 결막염이 발생하고 있다. 또한, 가시광에 의한 망막 장해의 사례도 보고되어 있다. 용접 아크는, 자외, 가시, 적외의 넓은 파장 범위에 광을 동시에 방사하지만, 그 스펙트럼의 형태는 일반적으로 용접법이나 조건에 따라 상이하다.
TIG 방식, MIG 방식, MAG 방식의 어느 방식에 있어서도, 종래의 용접 관찰 장치에 있어서는, 광학적인 다이나믹 레인지가 좁고, 용접 시에 있어서, 용접부의 고휘도 부분과 용접부의 주변 부분의 암부와의 사이에서, 동시에 관찰하는 것이 어려운 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 전자식 화상 합성 등을 사용하는 종래의 용접 관찰 장치에 있어서는, 장치가 크고 복잡하며, 장착하기 어렵고 고가이다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 레이저 조명 등의 고휘도 조명을 이용하는 종래의 용접 관찰 장치에 있어서는, 장치가 크고 장착하기 어렵고 고가인 것과 동시에, 레이저 조명에서는 컬러화되지 못하고, 아크 부분을 관찰할 수 없다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, ND(Neutral Density) 필터를 사용하는 종래의 용접 관찰 장치에 있어서는, 컬러화상을 선명하게 얻을 수 없어, 용접부의 주변 부분의 암부를 관찰할 수 없다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 부분 필터를 사용하는 종래의 용접 관찰 장치에 있어서는, 화면 구성 상, 부분 필터를 배치하기 위한 위치를 고정할 필요가 있다.
아크 용접을 비디오 관찰하기 위한 장치 및 방법에 대하여는, 이미 특허 문헌 1의 도 2에 개시되어 있다.
특허 문헌 1: 미국 특허 제5255088호 명세서. 특허 문헌 1에 있어서는, 아크 용접 환경 하에 있어서 발생하는 다양한 광을 필터링하기 위한 렌즈 구성 및 시스템이 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 관한 시스템에 있어서는, 아크 용접 시에 발생하는 용접부의 고휘도 광의 콘트라스트를 극적으로 저감화하여, 적절한 원격 감시를 가능하게 하고 있다. 구체적으로는, 포토크로믹 렌즈(Photochromic Lens)를 사용하여, 아크 용접부의 네거티브 이미지를 형성한다. 특허 문헌 1에 관한 시스템에 있어서는, 포토크로믹 렌즈를 사용하여 형성하는 아크 용접부의 네거티브 이미지는, 포토크로믹 렌즈 상에 조사되어 결상하는 용접부의 휘도를 저감화하기 위 한 농도 가능 광학 필터로서 기능한다. 특허 문헌 1에 관한 시스템에 있어서는, 먼저, 제1 렌즈를 사용하여, 포토크로믹 렌즈 상에 아크 용접부의 광을 집광ㆍ결상시키고, 다음에, 제2 렌즈를 사용하여, 자외광을 제거하여 카메라에 입력하는 화상을 형성하고 있다.
포토크로믹 렌즈를 사용하는 상기 특허 문헌 1의 시스템에 있어서는, 고성능의 포토크로믹 필터(PCF: Photochromic Filter)가 필요하고, 또한 초점이 어긋나면 감광 성능이 급격하게 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은, 용접 아크 방전 하에 있어서, 용접 상태를 확인하기 위해 아크 방전광을 필터링하는 광학계로서, 텔레센트릭 광학계와 PCF에 의한 부분 감광을 사용하고, PCF 상에서 결상시키지 않고, PCF 상으로부터 초점이 어긋나도 감광 성능을 확보할 수 있어 용접 상태의 모니터링이 양호한 용접 관찰 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 종류에 의하면, 아크 용접부와, 상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 대물 광학계와, 상기 대물 광학계에 의해 집광된 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계와, 상기 텔레센트릭 광학계에 의해 도광된 광을 조사하는 포토크로믹 필터와, 상기 포토크로믹 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 포함하고, 상기 포토크로믹 필터에 의해 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 것을 특징으로 하는 용접 관찰 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 아크 용접부와, 상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛과 상기 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터를 포함하는 대물 광학계와, 상기 제1 파장 필터를 투과한 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계와, 상기 텔레센트릭 광학계에 의해 도광된 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터와, 상기 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 포함하고, 상기 제3 파장 필터에 의해 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 것을 특징으로 하는 용접 관찰 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 아크 용접부와, 상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛과 상기 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터를 포함하는 대물 광학계와, 상기 제1 파장 필터를 투과한 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계와, 상기 텔레센트릭 광학계에 의해 도광된 광을 조사하는 포토크로믹 필터와, 상기 포토크로믹 필터를 투과한 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터와, 상기 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 포함하고, 상기 제3 파장 필터 및 상기 포토크로믹 필터에 의해 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 것을 특징으로 하는 용접 관찰 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 아크 용접부와, 상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 대물 광학계와, 상기 대물 광학계에 의해 집광된 광을 도광하는 이미지 파이버와, 상기 이미지 파이버에 의해 도광된 광을 조사하는 포토크로믹 필터와, 상기 포토크로믹 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 가지는 카메라부를 포함하고, 상기 포토크로믹 필터에 의하여, 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 것을 특징으로 하는 용접 관찰 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 아크 용접부와, 상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛과 상기 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터를 포함하는 대물 광학계와, 상기 제1 파장 필터를 투과한 광을 도광하는 이미지 파이버와, 상기 이미지 파이버에 의해 도광된 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터와, 상기 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 가지는 카메라부를 포함하고, 상기 제3 파장 필터에 의하여, 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 것을 특징으로 하는 용접 관찰 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 아크 용접부와, 상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛과 상기 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터를 포함하는 대물 광학계와, 상기 제1 파장 필터를 투과한 광을 도광하는 이미지 파이버와, 상기 이미지 파이버에 의해 도광된 광을 조사하는 포토크로믹 필터와, 상기 포토크로믹 필터를 투과한 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터와, 상기 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 가지는 카메라부를 포함하고, 상기 제3 파장 필터 및 상기 포토크로믹 필터에 의하여, 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 것을 특징으로 하는 용접 관찰 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 단면 구조도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 비교예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 단면 구조도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 광로도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 적용하는 제1 파장 필터의 필터링 특성예.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 적용하는 제1 파장 필터의 필터링 특성예.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 적용하는 제2 파장 필터의 필터링 특성예.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 적용하는 제3 파장 필터의 필터링 특성예.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 적용하는 고체 촬상 장치에 (CCD)의 CCD 출력 신호와 분광 방사 조도와의 관계를 설명하는 모식도.
도 9는 연강의 MAG 용접에 있어서의 분광 방사 조도와 파장과의 관계(발광 스펙트럼)를 나타낸 일례.
도 10은 알루미늄 합금의 MIG 용접에 있어서의 분광 방사 조도와 파장과의 관계(발광 스펙트럼)를 나타낸 일례.
도 11은 MIG 용접, MAG 용접, CO2 용접의 분광 방사 조도와 파장과의 관계(발광 스펙트럼)와 컬러 필터의 창 영역의 존재를 설명하는 도면.
도 12는 MIG 용접, MAG 용접, CO2 용접의 분광 방사 조도와 파장과의 관계(발광 스펙트럼)와 단색광의 창 영역의 존재를 설명하는 도면.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치를 사용하여 관찰한 아크 용접 시의 촬영도.
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치를 사용하여 관찰한 다른 아크 용접 시의 촬영도.
도 15는 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치를 사용하여 관찰한 아크 용접 시의 고휘도 부분의 확대도.
도 16은 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 단면 구조도.
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 단면 구조도.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 전체 구성도.
다음에, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 부여하고 있다. 단, 도면은 모식적인 것이며 현실의 것과는 상이한 것에 유의해야 한다. 또한, 도면 상호 간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
또한, 이하에 나타내는 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것으로서, 본 발명의 기술적 사상은, 각 구성 부품의 배치 등을 하기의 것에 특정하는 것이 아니다. 본 발명의 기술적 사상은, 특허 청구의 범위에 있어서, 각종의 변경을 가할 수 있다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 단면 구조를 나타낸다. 또한, 도 2는 본 발명의 제1 실시예의 비교예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 단면 구조를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 대물 광학계(1)와, 대물 광학계(1)에 의해 집광된 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계(3)와, 텔레센트릭 광학계(3)에 의해 도광된 광을 조사하는 PCF(4)와, PCF(4)를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치(9)를 포함하고, PCF(4)에 의하여, 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛(1)과 윈도우 유닛(1)에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터(2)를 포함하는 대물 광학계와, 파장 필터(2)를 투과한 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계(3)와, 텔레센트릭 광학계(3)에 의해 도광된 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)와, 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치(9)를 포함하고, 제3 파장 필터(6)에 의하여, 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛(1)과 윈도우 유닛(1)에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터(2)를 포함하는 대물 광학계와, 파장 필터(2)를 투과한 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계(3)와, 텔레센트릭 광학계(3)에 의해 도광된 광을 조사하는 PCF(4)와, PCF(4)를 투과한 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)와, 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 포함하고, 제3 파장 필터(6) 및 PCF(4)에 의하여, 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
도 1에 있어서, 대물 광학계는, 윈도우 유닛(1)을 포함하고, 스페이서(44) 내에 배치되어 있다. 텔레센트릭 광학계는, 대물 렌즈(3)를 포함하고, 렌즈 홀더(46) 내에 수납되어 있다. 48은 보디, 50은 카메라 헤드, 7은 로패스 필터를 나타낸다.
본 발명의 제1 실시예의 비교예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛(1)과 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터(2)를 포함하는 대물 광학계와, 파장 필터(2)를 투과한 광을 도광하는 대물 렌즈(3)와, 대물 렌즈(3)에 의해 도광된 광이 결상하는 PCF(4)와, PCF(4)를 투과한 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)와, 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치(9)를 포함하고, 제3 파장 필터(6) 및 PCF(4)에 의하여, 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
본 발명의 제1 실시예의 비교예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서는, 텔레센트릭 광학계를 사용하지 않는다. 대물 렌즈(3)에 의해 도광된 광이 PCF(4)면 상에 결상되기 때문에, 고성능의 PCF(4)를 사용하면, 아크 용접부(8)로부터의 광을 극적인 콘트라스트로 감광할 수 있다. 그러나 대물 렌즈(3)에 의해 도광된 광이 PCF(4)면 상에 결상되기 때문에, 조금이라도 초점이 어긋난 경우에는, 초점 심도가 얕은 구성이므로 감광 특성이 급격하게 열화되어 버린다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 텔레센트릭 광학계를 사용함으로써, 초점 심도가 깊어지고, 극적인 콘트라스트로 감광할 수는 없지만, 컬러화 화상을 얻을 수 있고, 넓은 다이나믹 레인지 특성을 얻을 수 있으며, 저가격의 PCF를 복수개 중첩하여 부분 감광이 가능하는 등, 다양한 고기능화를 실현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 광로 도면을 나타낸다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 대응하고 있다.
윈도우 유닛(1)은, 전 광량의 조정을 행하는 기능을 포함한다. 대물 렌즈(3)와 함께 텔레센트릭 광학계의 일부를 구성하고 있는 것으로 볼 수도 있다.
제1 파장 필터(2)는, 자외광(UV)을 투과하고, 가시광(VIS)을 흡수 또는 반사하는 성능을 가진다. 도 4는, 제1 파장 필터(2)의 필터링 특성예(200nm ~ 500nm), 도 5는, 제1 파장 필터(2)의 필터링 특성예(200nm~ 2000nm)를 나타낸다.
대물 렌즈(3)는, 결상용의 렌즈이지만, UV광, VIS광의 어느 것도 투과 가능하다.
PCF(4)는, UV광에 의해 부분적으로 농도 변화하고, VIS광을 마스크하는 성능을 포함한다.
제2 파장 필터(5)는, 고체 촬상 장치(9)의 보호를 위해, UV광을 반사하고, VIS광을 투과하는 성능을 가진다. 도 6은, 제2 파장 필터(5)의 필터링 특성예를 나타낸다.
제3 파장 필터(6)는, 적외(IR)광을 반사하고, VIS광을 투과하는 성능을 가진다. 도 7은, 제3 파장 필터(6)의 필터링 특성예를 나타낸다. 제3 파장 필터(6)는, 파장 선택을 위한 필터이며, 예를 들면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 창파장(window wavelength)을 가지는 대역 통과 필터로서 기능한다.
(CCD 카메라의 성능)
도 8은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 적용하는 고체 촬상 장치로서, 전하 전송 소자(CCD: Charge Coupled Device)의 출력 신호와 분광 방사 조도와의 관계를 설명하는 모식도이다.
TIG, MIG, MAG 등의 아크 용접에서는 아크의 부분이 매우 밝기 때문에, 통상의 CCD 카메라에서는, 다이나믹 레인지가 충분하지 않으므로, 아크와 공작물을 동시에 관찰할 수 없다.
즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, CCD 출력 신호는, 암 전류(dark current) Isn로 정해지는 분광 방사 강도 P0와, 포화 출력 신호 ISAT로 정해지는 분광 방사 강도 P1의 범위에서 대략 리니어 다이나믹 레인지를 얻을 수 있다.
CCD 출력 신호는, 분광 방사 강도 P1로 포화 출력 신호 ISAT로 되고, 분광 방사 강도가 P1보다 큰 P2에서는, 포화 출력 신호 ISAT에 고정되어, 넓은 다이나믹 레인지에서 기대되는 출력 신호 IP0를 얻을 수 없다.
본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서는, 컬러화, 카메라의 소형화를 유지하기 위해, PCF라는 자외선에 의해 가시 영역에서의 농도가 변화하는 필터를 사용한다. TIG나, MIG, MAG의 용접에서는, 아크에 부분으로부터 다량의 자외선이 방사되므로 PCF를 사용하여, PCF를 부분적으로 검게 하여, 가시광 영역에서 감광시키고 있다.
본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서는, 자외 화상을, PCF 상에는 결상시키지 않는다. 렌즈는 텔레센트릭 광학계를 사용하고, 자외광, 및 가시광의 광선속(light ray flux)은, PCF 전체에 퍼지지 않고, 부분적으로 작게 투과하여 간다. 그러므로 본 발명의 제1 실시예의 비교예에 관한 용접 관찰 장치만큼 콘트라스트가 샤프(sharp)하지 않지만, 자외광의 강한 광의 부분, 즉 아크의 부분을 공간적으로, 부분적으로 감광할 수 있다. 그러므로 PCF의 농도 변화율이 낮아도, PCF를 복수개 중첩하는 것에 의하여, 감광 특성을 강화할 수 있다. TIG 용접 등에서는, 양호한 관찰 결과를 얻을 수 있으며, 예를 들면, 시야경(diameter of visual field)은 약 40mm, 워킹 디스턴스(Working Distance; WD)는 150mm 정도의 용접 관찰 장치를 얻을 수 있다.
용접 아크는, 자외, 가시, 적외의 넓은 파장 범위에 광을 동시에 방사하지 만, 그 스펙트럼의 형태는 일반적으로 용접법이나 조건에 따라 상이하다.
발생하는 광의 스펙트럼(파장 분포)의 예를 도 9 및 도 10에 나타낸다.
도 9는, 연강(soft steel)의 MAG 용접에 있어서의 분광 방사 조도와 파장과의 관계(발광 스펙트럼)를 나타낸 일례이며, 아크로부터 거리 약 1m의 위치에서의 분광 방사 조도를 나타낸다. 선스펙트럼의 대부분이 철(Fe)에 의한 것으로, 연강 및 스테인레스강의 용접의 경우에는, 이것과 닮은 형태의 스펙트럼이 된다.
도 10은, 알루미늄 합금의 MIG 용접에 있어서의 분광 방사 조도와 파장과의 관계(발광 스펙트럼)를 나타낸 일례이며, 아크로부터 거리 약 1m의 위치에서의 분광 방사 조도를 나타낸다. 선스펙트럼의 대부분이 알루미늄, 마그네슘, 아르곤에 의한 것이다.
도 11은, MIG 용접, MAG 용접, CO2 용접의 분광 방사 조도와 파장과의 관계(발광 스펙트럼)와, 컬러 필터의 창 영역의 존재를 설명하는 도면이며, 도 12는, MIG 용접, MAG 용접, CO2 용접의 분광 방사 조도와 파장과의 관계(발광 스펙트럼)와, 단색광의 창 영역의 존재를 설명하는 도면이다.
또한, 도 13은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치를 사용하여 관찰한 아크 용접 시의 촬영예이며, 도 14는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치를 사용하여 관찰한 다른 아크 용접 시의 촬영예이다.
또한, 도 15는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치를 사용하여 관찰한 아크 용접 시의 고휘도 부분의 확대도이다.
(제1 실시예의 변형예)
도 16은, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 단면 구조를 나타낸다. 예를 들면, MIG, MAG 등의 용접에 있어서, 하이파워 광(high power light), 펄스 광 등을 관찰하는 경우에는, 공간적인 감광만으로는, 아크 광을 감광할 수 없는 경우(감광 특성이 충분하지 않은 경우)에, 파장역으로 차광하는 방법을 조합시키는 것이 유효하다.
본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛(1)과 윈도우 유닛(1)에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터(2)를 포함하는 대물 광학계와, 제1 파장 필터(2)를 투과한 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계(3)와, 텔레센트릭 광학계(3)에 의해 도광된 광을 조사하는 PCF(4)와, PCF(4)를 투과한 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터(5, 80)와, 제2 및 제3 파장 필터(5, 80)를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치(9)를 포함하고, 제3 파장 필터(80) 및 PCF(4)에 의하여, 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
도 1에 나타낸 본 발명의 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치와의 차이는, 제3 파장 필터(80)의 특성이 상이한 것이다.
본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 제3 파장 필터로서, RGB의 3파장 컬러 필터를 사용하여 컬러화할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 제3 파장 필터로서, 아크 용접의 발광 스펙트럼의 창파장에 대응하여, 협대역화된 RGB 대역 통과 필터를 사용하여 컬러화할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 제3 파장 필터로서, 아크 용접의 발광 스펙트럼의 창파장에 대응한 대역 통과 필터를 사용하여 단색화하여 감광할 수도 있다.
즉, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 11에 나타내는 아크 용접 시의 발광 스펙트럼에 있어서, BGR로 나타낸 바와 같이, 아크 방사 강도의 적은 부분을 창으로 하여, 다른 파장 영역을 파장 필터로 감광할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 11에 나타낸 아크 용접 시의 발광 스펙트럼에 있어서, BGR의 복수개의 창파장을 투과하는 필터를 사용하고, 이로써, 컬러화상을 얻을 수 있다. 이 경우에는, CCD 카메라 측에 있어서, 색보정 수단을 설치하는 것도 필요해진다.
또한, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 파장역으로서 예를 들면, 600nm ~ 700nm 정도의 범위를 대역 통과 필터로 선택적으로 관찰할 수 있다. 밴드 폭은 좁게 설정할 수도 있고, 또는 상기 범위에서 넓게 설정할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 다른 파장으로서 적외 영역의 광을 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, PCF를 사용하지 않고, 파장 필터만을 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예 및 그 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 아크 용접부(8)는, TIG 용접, MIG 용접, MAG 용접, 또는 탄산 가스 용접에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예 및 그 변형예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서, PCF는, 모듈화되고 교환 가능한 구조를 포함하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 제1 실시예 및 그 변형예에 관한 용접 관찰 장치는, 아크 용접기에 적용할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예 및 그 변형예에 관한 용접 관찰 장치에 의하면, 광학계만으로 구성할 수 있으므로, 컴팩트화되고, 장착하는 스페이스를 잡지 않기 때문에, 공간절약화가 가능하다.
또한, 본 발명의 제1 실시예 및 그 변형예에 관한 용접 관찰 장치는 부품수가 적기 때문에, 저비용화를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예 및 그 변형예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서는, PCF를 중첩하여 사용할 수 있으므로, 자외광 양에 대한 가시 농도가 변화하도록 필터 성능이 뒤떨어져도, 또한 두께가 커도 충분히 사용 가능하다.
또한, 본 발명의 제1 실시예 및 그 변형예에 관한 용접 관찰 장치에 의하면, 컬러 관찰을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예 및 그 변형예에 관한 용접 관찰 장치에 의하면, 아크 부분(밝은 부분)과 공작물 부분(어두운 부분)의 동시 관찰을 실현할 수 있다.
[제2 실시예]
도 17은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 모식적 단면 구조 를 나타낸다. 또한, 도 18은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 전체 구성을 나타낸다.
본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치의 전체 구성은, 도 18에 나타낸 바와 같이, 대물 광학계(52)와, 대물 광학계(52)에 접속되는 이미지 파이버(54)와, 이미지 파이버(54)에 접속되는 카메라부(56)와, 카메라부(56)에 접속되는 카메라 제어부(60)를 가진다.
본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서는, 제1 실시예에서의 텔레센트릭 광학계(3)를 이미지 파이버(54)로 치환한 구성을 가지며, 그 외의 구성은, 제1 실시예에 관한 용접 관찰 장치와 마찬가지이다. 그러므로 각 부의 상세한 구성은, 중복되므로 설명을 생략한다.
본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 도 17에 나타낸 바와 같이, 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 대물 광학계(52)와, 대물 광학계(52)에 의해 집광된 광을 도광하는 이미지 파이버(54)와, 이미지 파이버(54)에 의해 도광된 광을 조사하는 PCF(4)와, PCF(4)를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치(9)를 가지는 카메라부(56)를 포함하고, PCF(4)에 의하여, 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛(1)과 윈도우 유닛(1)에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터(2)를 포함하는 대물 광학계(52)와, 제1 파장 필터(2)를 투과한 광을 도광하는 이미지 파이버(54)와, 이미지 파이버(54)에 의해 도광된 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)와, 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치(9)를 가지는 카메라부(56)를 포함하고, 제3 파장 필터(6)에 의하여, 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 아크 용접부(8)와, 아크 용접부(8)로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛(1)과 윈도우 유닛(1)에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터(2)를 포함하는 대물 광학계(52)와, 제1 파장 필터(2)를 투과한 광을 도광하는 이미지 파이버(54)와, 이미지 파이버(54)에 의해 도광된 광을 조사하는 PCF(4)와, PCF(4)를 투과한 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터(5, 6)와, 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치(9)를 가지는 카메라부(56)를 포함하고, 제3 파장 필터(6) 및 PCF(4)에 의하여, 아크 용접부(8)로부터의 광을 부분 감광한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 제3 파장 필터로서, RGB의 3파장 컬러 필터를 사용하여 컬러화할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 제3 파장 필터로서, 아크 용접의 발광 스펙트럼의 창파장에 대응한 협대역화된 RGB 대역 통과 필터를 사용하여 컬러화할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 제3 파장 필터로서, 아크 용접의 발광 스펙트럼의 창파장에 대응한 대역 통과 필터를 사용하여 단색화하여 감광할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 제3 파장 필터로서, 적외광 대역 통과 필터를 사용하여 적외광을 관찰할 수도 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, TIG 용접, MIG 용접, MAG 용접, 또는 탄산 가스 용접에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서는, PCF(4)는, 모듈화되고 교환 가능한 구조를 포함하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 아크 용접기에 적용할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 전자 기기(카메라부)로의 열전도를 차단할 수 있고, 또한 냉각 쟈켓의 장착이 어려운 경우에 적용할 수 있다. 내열 온도로서는, 예를 들면, 약 150℃이다.
이미지 파이버(54)는, 석영계의 이미지 파이버를 적용할 수 있고, 예를 들면, 화소수로서는, 약 3만 화소 정도이다.
본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 의하면, 광학계만으로 구성할 수 있으므로, 컴팩트화되고, 장착하는 스페이스를 잡지 않기 때문에, 공간절약화가 가능하다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치는 부품수가 적기 때문에, 저비용화를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 있어서는, PCF를 중첩하여 사용할 수 있으므로, 자외광 양에 대한 가시 농도가 변화하는 필터 성능이 뒤떨어져도, 또한 두께가 커도 충분히 사용 가능하다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 의하면, 컬러 관찰을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 의하면, 아크 부분(밝은 부분)과 공작물 부분(어두운 부분)의 동시 관찰을 실현할 수 있다.
[그 외의 실시예]
상기한 바와 같이, 본 발명을 제1 내지 제2 실시예에 의해 기재했지만, 이 개시된 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것인 것으로 이해해서는 안 된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시예, 실시예 및 운용 기술이 명백해 질 것이다.
본 발명은 제1 내지 제2 실시예에 관한 용접 관찰 장치에 적용하는 고체 촬상 장치는, CCD로 한정되지 않고, CMOS 이미지 센서, 비정질 이미지 센서, MOS형 이미지 센서 등, 다른 방식의 이미지 센서를 적용할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은 여기서는 기재하고 있지 않은 다양한 실시예 등을 포함하는 것은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기한 설명으로부터 타당한 특허 청구의 범위에 관한 발명 특정 사항에 의해서만 정해지는 것이다.
본 발명의 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 용접 아크 방전 하에 있어서, 용접 상태를 확인하기 위해 아크 방전광을 필터링하는 광학계에 특징을 가지며, 용접 상태의 모니터링을 양호하게 할 수 있으므로, MIG, MAG, CO2 용접에 있어서의 용접 감시 장치나, 자동 용접기 등에의 조립에 최적이다. 또한, 본 발명의 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 아크 램프(Xe, 메탈 할라이드 등), 파이버 융착기, 플라즈마를 사용한 장치의 관찰 장치로서도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 관한 용접 관찰 장치는, 용접 장치의 제어 장치, 용접부의 검사 장치로서도 적용할 수 있다.
본 발명의 용접 관찰 장치에 의하면, 용접 아크 방전 하에 있어서, 용접 상태를 확인하기 위해 아크 방전광을 필터링하는 광학계를 가지는 것에 의하여, 용접 상태의 모니터링을 양호하게 할 수 있다.
Claims (20)
- 아크 용접부와,상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 대물 광학계와,상기 대물 광학계에 의해 집광된 광을 도광하는 텔레센트릭(telecentric) 광학계와,상기 텔레센트릭 광학계에 의해 도광된 광을 조사하는 포토크로믹 필터와,상기 포토크로믹 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 포함하고,상기 포토크로믹 필터에 의해 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 용접 관찰 장치.
- 아크 용접부와,상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛과 상기 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터를 포함하는 대물 광학계와,상기 제1 파장 필터를 투과한 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계와,상기 텔레센트릭 광학계에 의해 도광된 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터와,상기 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 포함하고,상기 제3 파장 필터에 의해 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 용접 관찰 장치.
- 아크 용접부와,상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛과 상기 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터를 포함하는 대물 광학계와,상기 제1 파장 필터를 투과한 광을 도광하는 텔레센트릭 광학계와,상기 텔레센트릭 광학계에 의해 도광된 광을 조사하는 포토크로믹(photochromic) 필터와,상기 포토크로믹 필터를 투과한 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터와,상기 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 포함하고,상기 제3 파장 필터 및 상기 포토크로믹 필터에 의해 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 용접 관찰 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 제3 파장 필터로서 RGB의 3파장 컬러 필터를 사용하여 컬러화한 용접 관찰 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 제3 파장 필터로서, 상기 아크 용접의 발광 스펙트럼의 창파장(window wavelength)에 대응한 협대역화된 RGB 대역 통과 필터를 사용하여 컬러화한 용접 관찰 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 제3 파장 필터로서, 상기 아크 용접의 발광 스펙트럼의 창파장에 대응한 대역 통과 필터를 사용하여 단색화하여 감광한 용접 관찰 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 제3 파장 필터로서 적외광 대역 통과 필터를 사용하여 적외광을 관찰하는 용접 관찰 장치.
- 아크 용접부와,상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 대물 광학계와,상기 대물 광학계에 의해 집광된 광을 도광하는 이미지 파이버(image fiber)와,상기 이미지 파이버에 의해 도광된 광을 조사하는 포토크로믹 필터와,상기 포토크로믹 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 가지는 카메라부를 포함하고,상기 포토크로믹 필터에 의하여 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하 는 용접 관찰 장치.
- 아크 용접부와,상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛과 상기 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터를 포함하는 대물 광학계와,상기 제1 파장 필터를 투과한 광을 도광하는 이미지 파이버와,상기 이미지 파이버에 의해 도광된 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터와, 상기 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 가지는 카메라부를 포함하고,상기 제3 파장 필터에 의하여 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 용접 관찰 장치.
- 아크 용접부와,상기 아크 용접부로부터의 광을 집광하는 윈도우 유닛과 상기 윈도우 유닛에 의해 집광된 광을 조사하는 제1 파장 필터를 포함하는 대물 광학계와,상기 제1 파장 필터를 투과한 광을 도광하는 이미지 파이버와,상기 이미지 파이버에 의해 도광된 광을 조사하는 포토크로믹 필터와,상기 포토크로믹 필터를 투과한 광을 조사하는 제2 및 제3 파장 필터와,상기 제2 및 제3 파장 필터를 투과한 광을 수광하는 고체 촬상 장치를 가지 는 카메라부를 포함하고,상기 제3 파장 필터 및 상기 포토크로믹 필터에 의하여, 상기 아크 용접부로부터의 광을 부분 감광하는 용접 관찰 장치.
- 제9항 또는 제10항에 있어서,상기 제3 파장 필터로서 RGB의 3파장 컬러 필터를 사용하여 컬러화한 용접 관찰 장치.
- 제9항 또는 제10항에 있어서,상기 제3 파장 필터로서, 상기 아크 용접의 발광 스펙트럼의 창파장에 대응한 협대역화된 RGB 대역 통과 필터를 사용하여 컬러화한 용접 관찰 장치.
- 제9항 또는 제10항에 있어서,상기 제3 파장 필터로서, 상기 아크 용접의 발광 스펙트럼의 창파장에 대응한 대역 통과 필터를 사용하여 단색화하여 감광한 용접 관찰 장치.
- 상기 제3 파장 필터로서 적외광 대역 통과 필터를 사용하여 적외광을 관찰하는 용접 관찰 장치.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 아크 용접부는 TIG 용접에 의해 형성되는, 용접 관찰 장치.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 아크 용접부는 MIG 용접에 의해 형성되는, 용접 관찰 장치.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 아크 용접부는 MAG 용접에 의해 형성되는, 용접 관찰 장치.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,상기 아크 용접부는 탄산 가스 용접에 의해 형성되는, 용접 관찰 장치.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,상기 포토크로믹 필터는 모듈화되고 교환 가능한 구조를 포함하는, 용접 관찰 장치.
- 상기 제1항 내지 제19항 중 어느 하나에 기재된 용접 관찰 장치를 포함하는 아크 용접기.
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