KR20110075639A - 레이저 용접용 모니터링 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 옵틱헤드의 일측에 부착되는 플라즈마 측정센서를 이용하여 레이저 용접 시, 그 용접부에 발생하는 플라즈마 증기의 발생 강도를 측정하여 상기 플라즈마 발생 강도의 변화를 모니터링하여 그 용접부의 용접품질을 실시간으로 판단할 수 있도록 하는 레이저 용접용 모니터링 장치 및 방법을 제공한다.

레이저 용접, 모니터링, 플라즈마

Description

레이저 용접용 모니터링 장치 및 그 방법{LASER WELDING MONITORING SYSTEM AND METHOD THEREOF}

본 발명은 레이저 용접용 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 용접 시, 그 용접부에 발생하는 플라즈마 증기의 발생 강도를 측정하여 그 용접부의 용접품질을 실시간으로 판단할 수 있도록 하는 레이저 용접용 모니터링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근, 산업분야에서 금속 소재의 절단, 용접 및 열처리 등은 원가절감, 공장 자동화 및 품질향상의 측면에서 우수한 효과를 갖는 레이저빔이 적용되고 있는 추세이다.

이러한 레이저빔의 적용에 있어 요구되는 몇 가지 목표는 레이저빔 에너지 분포의 균일화, 일정한 열처리 온도를 유지할 수 있는 레이저 출력제어, 생산성과 품질을 충족시킬 수 있는 최적 레이저빔의 조사 속도, 에너지 흡수율의 극대화 등을 들 수 있다.

즉, 이러한 목표들이 충족되어 질 때, 제품 개발에 있어 원가절감 및 품질향상의 효과를 기대할 수 있게 되는 것이다.

특히, 상기한 레이저빔을 이용한 레이저 용접의 경우, 그 용접부의 비드폭이 좁고, 고속으로 용접이 진행되는 특징이 있어 산업분야에서 널리 적용되는 추세이다.

이러한 레이저 용접의 물리적 현상은 금속 표면상에 고출력 레이저를 조사하면, 도 1에서 도시한 바와 같이, 고밀도의 레이저빔(LB)에 의하여 중심부에서는 금속(M)의 증발(V;증발부)이 일어나고, 그 외곽에서는 용융(L;용융부)이 일어난다.

상기 중심부의 큰 증기압은 용융 금속을 레이저빔(LB)이 조사되는 중심부로부터 바깥쪽으로 밀어내게 되며, 이로 인해 금속(M) 내부에는 좁고 깊은 형상의 키홀(keyhole)을 형성한다.

상기와 같이, 키홀이 형성되면, 키홀 내의 레이저빔(LB)이 난반사가 일어나서 금속(M)은 더 많은 에너지를 흡수하고, 용융된 금속은 기화하여 플라즈마(P)를 형성하게 되고, 이것은 레이저빔(LB)이 키홀 내로 들어가는 것을 방해하게 된다.

상기 레이저빔(LB)이 지나가면, 키홀 내에서는 용융된 금속이 다시 키홀을 메우면서 용접의 과정이 진행된다.

그런데, 이러한 레이저 용접은 상기와 같이 그 용접부의 비드폭이 좁고, 고속으로 용접이 진행되어 실시간 용접품질의 확인이 필요하나, 단시간에 급속한 열 방출 및 빛 반사가 수반되어 실명의 위험으로 인해 작업자가 육안으로 그 용접품질을 실시간 관찰할 수 없어 별도의 용접품질 모니터링 시스템이 적용되어야 한다.

이에, 상기와 같은 레이저 용접의 용접품질에 큰 영향을 주는 키홀의 형성과 플라즈마의 생성, 용융금속의 유동 등의 유용한 정보를 이용한 레이저 용접에 의한 그 용접부 용접품질을 실시간 모니터링할 수 있는 새로운 개념의 모니터링 시스템 및 방법이 요구된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 발명된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 레이저 옵틱헤드의 일측에 부착되는 플라즈마 측정센서를 이용하여 레이저 용접 시, 그 용접부에 발생하는 플라즈마 증기의 발생 강도를 측정하여 상기 플라즈마 발생 강도의 변화를 모니터링하여 그 용접부의 용접품질을 실시간으로 판단할 수 있도록 하는 레이저 용접용 모니터링 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 레이저 용접용 모니터링 장치는 레이저 옵틱헤드의 일측에 브라켓을 통하여 고정되어 실시간 용접부에서 발생되는 플라즈마를 검출하여 그 신호를 출력하는 플라즈마 측정센서; 상기 플라즈마 측정센서로부터 출력되는 플라즈마 검출신호를 수신하여 플라즈마 발생 강도값으로 변환하여 설정 범위값와 비교 판단하는 제어기; 상기 제어기로부터 출력되는 출력신호에 따라 상기 플라즈마 발생 강도값을 그래프로 표시하는 표시수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 표시수단은 모니터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 레이저 용접용 모니터링 장치를 이용한 모니터링 방법은 레이저 옵틱헤드의 일측에 부착되는 플라즈마 측정센서를 이용하여 레이저 용접 시, 그 용접부에 발생하는 플라즈마를 실시간 검출하여 그 발생 강도값을 초기 기 준값과 비교하여 상기 발생 강도값이 설정 범위내에 있는지 여부에 따라 상기 용접부의 용접불량 여부를 판단한다.

즉, 상기한 레이저 용접용 모니터링 방법은 레이저 옵틱헤드로부터 모재의 용접부에 대하여 레이저빔을 조사하여 레이저 용접을 진행하는 제1단계; 상기 용접부에서 발생되는 플라즈마를 플라즈마 측정센서로 실시간 검출하는 제2단계; 상기 플라즈마 측정센서로부터 출력되는 플라즈마 검출신호를 수신하여 플라즈마 발생 강도값으로 변환하는 제3단계; 상기 플라즈마 발생 강도값이 설정 범위내에 있는지를 판단하는 제4단계; 상기 조건을 만족하는 경우, 상기 레이저 용접을 유지하면서 제2단계로 리턴하는 제5단계; 상기 조건을 만족하지 않는 경우, 레이저 용접을 중단하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치 및 그 방법에 의하면, 레이저 옵틱헤드의 일측에 부착되는 플라즈마 측정센서를 이용하여 레이저 용접 시, 그 용접부에 발생하는 플라즈마 증기의 발생 강도를 측정하여 상기 플라즈마 발생 강도의 변화를 모니터링하여 그 용접부의 용접품질을 실시간으로 판단할 수 있으며, 이로 인해 레이저 용접 작업의 유지 및 중단을 공정 중에 판단하여 실시간으로 조치할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치가 적용된 레이저 용접 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 방법에 따른 제어 흐름도이다.

먼저, 본 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치는, 도 2에서 도시한 바와 같이, 로봇(1)의 아암(3) 선단에 장착되는 레이저 옵틱헤드(5)의 일측에 브라켓(7)을 통하여 플라즈마 측정센서(9)가 고정되어 실시간 용접부에서 발생되는 플라즈마(P)를 검출하여 그 신호를 출력한다.

그리고 상기 플라즈마 측정센서(9)는 제어기(C)와 전기적으로 연결되며, 상기 제어기(C)는 출력되는 플라즈마 검출신호를 수신하여 플라즈마 발생 강도값으로 변환하여 설정 범위값과 비교 판단하는 제어로직을 갖는다.

또한, 상기 제어기(C)로부터 출력되는 출력신호에 따라 상기 플라즈마 발생 강도값을 그래프로 표시하는 표시수단(D)으로 모니터가 구성된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 레이저 용접용 모니터링 장치를 이용한 모니터링 방법은 상기 레이저 옵틱헤드(5)의 일측에 부착되는 플라즈마 측정센서(9)를 이용하여 레이저 용접 시, 그 용접부에 발생하는 플라즈마(P)를 실시간 검출하여 그 발생 강도값을 설정 범위값와 비교 판단하여 상기 플라즈마 발생 강도값이 설정 범위내에 있는지 여부에 따라 상기 용접부의 용접불량 여부를 판단하게 된다.

즉, 상기한 레이저 용접용 모니터링 방법은, 도 2와 도 3에서 도시한 바와 같이, 로봇(1)의 아암(3) 선단에 장착된 레이저 옵틱헤드(5)가 상기 로봇(1)의 거동에 따라 모재인 소재(10)의 용접부를 따라 이동하면서 레이저 발진기에서 출력되 는 레이저빔(LB)을 상기 소재(10)의 용접부에 조사하여 레이저 용접을 진행한다.(S1)

이때, 상기 플라즈마 측정센서(9)가 상기 용접부에서 발생되는 플라즈마(P)를 실시간 검출하여 상기 제어기(C)로 그 검출신호를 출력한다.(S2)

그러면, 상기 제어기(C)는 상기 플라즈마 측정센서(9)로부터 출력되는 플라즈마 검출신호를 수신하여 플라즈마 발생 강도값으로 연산하여 변환하게 된다.(S3)

이어서, 상기 제어기(C)는 상기 플라즈마 발생 강도값이 최초에 맵화되어 프로그래밍으로 설정된 설정 범위값 내에 있는지를 판단한다.(S4)

이때, 상기 플라즈마 발생 강도값이 설정 범위값 내에 있는 경우, 제어기(C)는 상기 레이저 용접을 유지하면서(S5) 상위 단계인 플라즈마 측정센서(9)가 플라즈마(P)를 실시간 검출하는 단계(S2)로 리턴한다.

또한, 상기 플라즈마 발생 강도값이 설정 범위값을 벗어나는 경우, 제어기(C)는 로봇(1) 및 레이저 발진기의 제어기에 정지신호를 출력하여 상기 레이저 용접을 중단하게 된다.(S6)

한편, 도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치 및 방법에 의한 모니터링의 예를 설명하기 위한 용접시편의 평면도 및 용접시편의 부분 확대도로써, 본 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치 및 방법에 따른 모니터링으로 용접시편(T)의 용접품질을 검증하였다.

즉, 도 4에서 도시한 바와 같이, 용접 단면상에 3개의 구멍(H)과 두 가닥의 철사(W)를 일정간격으로 구성한 스테인리스 시편을 사용하였으며, 상기 용접시 편(T)상의 3개의 구멍(H)을 통하여 기계가공 결함으로 인하여 플라즈마(P)가 발생하지 않는 결함 부분을 감지할 수 있는지 확인하고자 하였으며, 상기 두 가닥의 철사(W)를 통하여 레이저 초점거리 변화에 의한 플라즈마(P)의 발생변화를 감지할 수 있는지를 확인하고자 하였다.

그리고 상기 용접시편(T)에 적용한 용접조건은 레이저 출력이 3kW이고, 용접속도는 3m/min로 하여 실험을 수행하였다.

상기 용접시편(T)에 같은 조건으로 5번의 실험을 수행하였으며, 용접시편(T) 상에 표시된 두 개의 화살표(S)는 용접 실험 진행 순서를 나타낸다.

즉, 도 5는 용접 실험을 진행한 후, 용접시편(T)에 있는 구멍(H)과 철사(W) 부위의 확대도로써, 구멍(H) 부위에서 용융부가 소멸했다 다시 생성된 것을 확인할 수 있고, 철사(W) 위를 레이저빔(LB)이 지나가는 구간에서는 용접조건이 변화되어 용융부가 일정하지 않음을 확인할 수 있었다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치 및 방법에 의한 모니터링의 예에 따른 플라즈마 발생 강도 그래프로써, 상기 용접시편(T)의 용접부에 구멍(H)과 철사(W)에 의한 용접불량과 플라즈마 발생 강도의 상관관계를 나타낸다.

즉, 상기 플라즈마 발생 강도 그래프에서 P1 부분은 용접시편(T)의 구멍(H) 위치에서 발생한 파형으로, 이를 분석해 보면 플라즈마(P)가 소멸되면서 UV 신호가 급감하고, 이와 달리, 상기 그래프에서 P2 부분과 같이 철사(W)가 위치한 부분에서는 플라즈마(P)가 급격히 소멸 및 증가가 발생하여 초점거리의 변화로 플라즈마(P) 의 발생 양은 변화하지만 소멸되지 않고 플라즈마(P)의 발생은 계속되고 있음을 선도로부터 확인할 수 있었다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치 및 방법은 플라즈마 발생 강도를 이용한 레이저 용접의 품질을 판단할 수 있는 개연성이 있으며, 더욱이 레이저 용접공정 중, 실시간으로 용접부의 건전성을 판별할 수 있다.

도 1은 레이저 용접의 물리적인 현상을 도시한 레이저 용접의 개념도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치가 적용된 레이저 용접 시스템의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 방법에 따른 제어 흐름도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치 및 방법에 의한 모니터링의 예를 설명하기 위한 용접시편의 평면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치 및 방법에 의한 모니터링의 예를 설명하기 위한 용접시편의 부분 확대도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접용 모니터링 장치 및 방법에 의한 모니터링의 예에 따른 플라즈마 발생 강도 그래프이다.

Claims (4)

1. 레이저 용접용 모니터링 장치에 있어서,

   레이저 옵틱헤드의 일측에 브라켓을 통하여 고정되어 실시간 용접부에서 발생되는 플라즈마를 검출하여 그 신호를 출력하는 플라즈마 측정센서;

   상기 플라즈마 측정센서로부터 출력되는 플라즈마 검출신호를 수신하여 플라즈마 발생 강도값으로 변환하여 설정 범위값와 비교 판단하는 제어기;

   상기 제어기로부터 출력되는 출력신호에 따라 상기 플라즈마 발생 강도값을 그래프로 표시하는 표시수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 모니터링 장치.
2. 제1항에서,

   상기 표시수단은

   모니터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 모니터링 장치.
3. 레이저 용접용 모니터링 방법에 있어서,

   레이저 옵틱헤드의 일측에 부착되는 플라즈마 측정센서를 이용하여 레이저 용접 시, 그 용접부에 발생하는 플라즈마를 실시간 검출하여 그 발생 강도값을 초기 기준값과 비교하여 상기 발생 강도값이 설정 범위값 내에 있는지 여부에 따라 상기 용접부의 용접불량 여부를 판단하는 레이저 용접용 모니터링 방법.
4. 레이저 용접용 모니터링 방법에 있어서,

   레이저 옵틱헤드로부터 모재의 용접부에 대하여 레이저빔을 조사하여 레이저 용접을 진행하는 제1단계;

   상기 용접부에서 발생되는 플라즈마를 플라즈마 측정센서로 실시간 검출하는 제2단계;

   상기 플라즈마 측정센서로부터 출력되는 플라즈마 검출신호를 수신하여 플라즈마 발생 강도값으로 변환하는 제3단계;

   상기 플라즈마 발생 강도값이 설정 범위값 내에 있는지를 판단하는 제4단계;

   상기 조건을 만족하는 경우, 상기 레이저 용접을 유지하면서 제2단계로 리턴하는 제5단계;

   상기 조건을 만족하지 않는 경우, 레이저 용접을 중단하는 제6단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 모니터링 방법.

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