KR20140057706A

KR20140057706A - 레이저 용접 모니터링 시스템 및 모니터링 방법

Info

Publication number: KR20140057706A
Application number: KR1020120121341A
Authority: KR
Inventors: 유영태; 양윤석; 황찬연; 이가람; 박은경; 김도형; 신호준
Original assignee: 조선대학교산학협력단; (주)아이비티
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-05-14
Also published as: KR101405267B1

Abstract

본 발명은 레이저 용접 모니터링 시스템 및 모니터링 방법에 관한 것으로, 레이저 용접시 발생되는 플라즈마와 스패터로부터 자외선과 적외선 및 가시광선에 대한 광신호를 획득하기 위한 3개의 포토다이오드를 광학헤드모듈에 내장하여 구조를 간소화할 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템 및 모니터링 방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 자외선 대역의 광신호를 획득하는 제1 포토다이오드(110)와, 적외선 대역의 광신호를 획득하는 제2 포토다이오드(120)와, 가시광선 대역의 광신호를 획득하는 제3 포토다이오드(130) 및 외부 환경으로부터 상기 포토다이오드를 보호하며 포토다이오드로 입사되는 광신호를 처리하는 광학계(140)가 구비된 광학모듈(100); 상기 광학모듈(100)에 의해 획득되는 광신호에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 필터(210); 상기 노이즈 필터(210)를 거친 신호를 증폭하는 연산증폭기(220); 상기 증폭된 신호를 처리하는 LC 필터(230); 상기 LC 필터(230)에 의해 처리된 신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환하는 DAQ 보드(240); 및 상기 DAQ 보드(240)로부터 전달되는 신호를 분석하여 용접 상태 정보를 검출하는 처리장치(300)로 구성된 레이저 용접 모니터링 시스템과, 상기 레이저 용접 모니터링 시스템을 이용한 모니터링 방법에 관한 것을 기술적 요지로 한다.

Description

레이저 용접 모니터링 시스템 및 모니터링 방법{Monitoring system and method for laser welding}

본 발명은 레이저 용접 모니터링 시스템 및 모니터링 방법에 관한 것으로, 특히 하나의 광학헤드모듈을 이용하여 자외선(150~550㎚), 적외선(700~1800㎚), 가시광선(200~110㎚) 대역의 광신호를 획득할 수 있도록 광학헤드모듈에 서로 다른 3개의 포토다이오드를 설치하여 모니터링 시스템의 구조를 간소화하고, 획득된 신호에 포함된 잡음성분을 웨이블렛 변환 방법을 이용하여 효과적으로 제거할 수 있도록 한 레이저 용접 모니터링 시스템 및 모니터링 방법에 관한 것이다.

레이저 가공은 레이저 빔과 재료의 상호작용에서 발생되는 열을 이용하는 방법으로 레이저의 높은 에너지 밀도( 10¹⁰~10¹¹ W/m²)와 고도의 지향성을 이용하는 가공 기술이다. 레이저빔은 큰 에너지 밀도를 만들어 낼 수 있기 때문에 용접, 절단, 열처리등 등 정밀 가공에 이용되고 있다. 레이저 가공기술은 CO₂, Nd:YAG 레이저와 같은 고출력 레이저의 개발과 함께 급속한 발전을 하고 있다. 이중 레이저 용접은 기존의 용접과 달리 정밀 집속이 가능하며 열 영향 부위가 적어 정밀하게 용접시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 레이저 용접은 고밀도 에너지 가공으로, 열 입열량이 적어서 재료의 뒤틀림 및 열응력의 변화가 적으며, 자동화가 용이하다.

한편 고도의 용접품질을 확보하기 위해서는 효율적인 레이저 용접 시스템을 갖춰야 하는데, 이를 위해서 용접할 때 용접품의 품질을 판단할 수 있는 실시간 검사시스템 구축이 필요하다.

레이저 용접의 경우, 레이저 빔의 파장, 출력, 용접속도, 재료의 열전달, 반사율, 재료의 형상, 보호가스의 종류와 유량, 초점거리에 따라서 용입 깊이, 비드 폭 뿐만 아니라 내부기공, 열간균열, 냉간균열 등 결함이 발생할 수 있으며, 레이저 빔은 파장이 길수록 가공재료 표면에서의 반사율이 매우 높아지며, 파장의 특성에 따라서 동일한 재료의 용입 특성은 달라진다.

레이저 용접은 용접과정에서 플라즈마(Plasma)와 스패터(Spatter)가 발생하며, 이러한 플라즈마와 스패터를 이용하여 용접품질을 예측하는 방법이 사용되고 있다.

상기 플라즈마와 스패터에서 발생하는 파장은 190~1600nm 내외의 자외선(UV)에서 적외선(IR) 영역에 이르기까지 넓게 분포한다. 레이저 용접의 상태를 예측할 수 있는 플라즈마와 스패터의 거동을 자외선, 적외선 영역의 신호로 분석한 후 키홀(Keyhole)과 용융풀(Melt pool)에서의 거동을 예측하여 용접상태를 모니터링할 수 있다.

한편 레이저 용접시 발생된 자외선 영역의 광신호는 키홀의 반응에 의한 플라즈마의 변화에 대한 정보를 갖고 있기 때문에 자외선 영역의 광신호를 이용하여 키홀의 생성 및 용입정도를 측정하고 있으며, 적외선 영역의 광신호로는 용융풀의 온도나 크기를 알 수 있으므로 비드폭이나 용융깊이를 측정하는데 사용하고 있다.

이처럼 레이저 용접시 발생된 플라즈마와 스패터에 의한 자외선과 적외선을 획득하여 용접결과를 예측하는 종래의 모니터링 시스템의 경우, 자외선과 적외선을 따로 획득하는 구조로 시스템의 구조가 복잡하고, 자외선 및 적외선과 함께 획득된 잡음성분의 효과적이 제거가 어려워 신뢰성 있는 모니터링 시스템의 구축이 어려움 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 용접시 발생되는 플라즈마와 스패터로부터 자외선과 적외선 및 가시광선에 대한 광신호를 획득하기 위한 3개의 포토다이오드를 광학헤드모듈에 내장하여 구조를 간소화할 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 레이저 용접 과정에서 광신호와 함께 획득되는 잡음성분을 효과적으로 제거하여 용접결함에 대한 정확한 정보를 제공할 수 있도록 하는 레이저 용접 모니터링 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 레이저 용접 모니터링 시스템은 자외선 대역의 광신호를 획득하는 제1 포토다이오드(110)와, 적외선 대역의 광신호를 획득하는 제2 포토다이오드(120)와, 가시광선 대역의 광신호를 획득하는 제3 포토다이오드(130) 및 외부 환경으로부터 상기 포토다이오드를 보호하며 포토다이오드로 입사되는 광신호를 처리하는 광학계(140)가 구비된 광학모듈(100); 상기 광학모듈(100)에 의해 획득되는 광신호에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 필터(210); 상기 노이즈 필터(210)를 거친 신호를 증폭하는 연산증폭기(220); 상기 증폭된 신호를 처리하는 LC 필터(230); 상기 LC 필터(230)에 의해 처리된 신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환하는 DAQ 보드(240); 및 상기 DAQ 보드(240)로부터 전달되는 신호를 분석하여 용접 상태 정보를 검출하는 처리장치(300)로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 레이저 용접 모니터링 방법은 레이저 용접시 발생하는 플라즈마와 스패터로부터 자외선 대역의 광신호와 적외선 대역의 광신호를 획득하는 단계(S110);

상기 S110 단계에서 획득되는 광신호를 증폭함에 있어서 나타나는 60㎐ 전원 잡음제거를 위하여 노이즈 필터(210)로 광신호를 처리하는 단계(S120); 상기 S120 단계 후 연산증폭기(220)를 이용하여 신호를 증폭하는 단계(S130); 상기 S130 단계에서 증폭된 신호를 LC 필터(230)로 처리하는 단계(S140); 상기 S140 단계를 통해 처리된 신호를 DAQ 보드(240)로 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환하는 단계(S150); 및 상기 S150) 단계에서 변환된 디지털 신호를 이용하여 용접 상태에 대한 정보를 검출하고 표시하는 단계(S160)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 레이저 용접시 발생되는 플라즈마와 스패터로부터 자외선과 적외선 및 가시광선 광신호를 각각 획득하기 위한 3개의 포토다이오드를 광학모듈에 설치하여 레이저 용접 모니터링 시스템의 구조를 간소화할 수 있는 효과가 있다.

또한 획득되는 광신호에 포함된 잡음성분을 효과적으로 제거하여 레이저 용접 상태를 보다 정확히 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 용접 모니터링 시스템의 구조를 보인 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 광학모듈의 구조를 보인 사시도,
도 3 은 본 발명의 모니터링 방법에 따른 순서도,
도 4 는 본 발명에 따른 시편의 구조를 보인 도면,
도 5a 는 레이저 용접과정에서 10㎑의 표본화 속도로 획득된 원신호의 파형을 나타낸 그래프,
도 5b 는 10㎐ 차단주파수를 가지는 HPF를 통과 시킨 후 파형을 나타낸 그래프,
도 5c 는 LPF로 DC 잡음을 제거한 신호 파형을 나타낸 그래프,
도 6 은 Haar 웨이블리의 스케일 함수와 웨이블릿 함수를 나타낸 도면,
도 7 은 웨이블릿 변환에 의해 변환된 신호를 나타낸 그래프,
도 8 은 도 4에 도시된 시편을 BOP 용접한 결과를 촬영한 사진,
도 9 는 광학모듈에서 획득되어 컴퓨터에서 실시간으로 받아들인 신호를 나타낸 그래프,
도 10 은 일반적인 필터링을 거친 신호를 나타낸 그래프,
도 11 은 본 발명에 따라 웨이블릿 변환 방법을 이용하여 신호를 처리한 결과를 타나낸 그래프,
도 12 는 웨이블릿 신호의 UV와 IR 스펙트로그램을 보인 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 용접 모니터링 시스템의 구조를 보인 구성도를, 도 2는 본 발명에 따른 광학모듈의 구조를 보인 사시도를 도시하고 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 용접 모니터링 시스템은 광학모듈(100)과, 노이즈 필터(210)와, 연산증폭기(220)와, LC 필터(230)와, DAQ 보드(240)와, 처리장치(300)로 구성된다.

상기 광학모듈(100)은 레이저 용접시 발생되는 플라즈마와 스패터로부터 방사되는 자외선과 적외선 및 가시광선에 대한 광신호를 획득하여 용접 상태 정보를 갖는 원(raw)신호를 획득하는 것이다.

이러한 광학모듈(100)은 주파수 대역이 150~550㎚인 자외선을 획득하기 위한 제1 포토다이오드(110)와, 주파수 대역이 700~1800㎚인 적외선을 획득하기 위한 제2 포토다이오드(120)와, 주파수 대역이 200~1100㎚인 가시광선을 획득하기 위한 제3 포토다이오드(130)와, 상기 각각의 포토다이오드와 짝을 이루도록 설치되어 외부환경으로부터 포토다이오드를 보호하고 포토다이오드로 입사되는 광신호를 적절하게 처리하는 광학계(140) 및 상기 포토다이오드들과 광학계를 수용하는 하우징(150)으로 구성되어 있다.

상기 광학계(140)는 제1 포토다이오드(110)와 짝을 이루는 제1 광학계(141)와, 상기 제2 포토다이오드(120)와 짝을 이루는 제2 광학계(142)와, 상기 제3 포토다이오드(130)와 짝을 이루는 제3 광학계(143)로 구성된다.

이때 상기 제1 광학계(141)는 광신호의 광량(Quantity of light)을 조절하기 위한 ND 필터(111)와, 흡열을 통해 적외선의 투과를 적게 하여 포토다이오드의 손상을 방지하는 열선 흡수 유리(Heat absorbing glass,112)와, 광신호의 집속효율을 높이는 집속렌즈(Bi-convex lens,113)와, 용접중 발생되는 스패터로 인한 광학계 및 포토다이오드의 손상을 방지하는 보호창(Windows,114)이 제1 포토다이오드(110)의 앞쪽에 순차적으로 배치된 것으로 구성되어 있다.

한편 상기 제2 광학계(142)는 광신호의 광량(Quantity of light)을 조절하기 위한 ND 필터(121)와, 파장별 신호를 획득할 수 있도록 하기 위하여 다층 유전체(Dielectric) 코팅으로 95%의 가시광선을 반사하고 90%이상 적외선 파장을 투과하는 콜드 미러(Cold mirror,122)와, 광신호의 집속효율을 높이는 집속렌즈(Bi-convex lens,123)와, 용접중 발생되는 스패터로 인한 광학계 및 포토다이오드의 손상을 방지하는 보호창(Windows,124)이 제2 포토다이오드(120)의 앞쪽에 순차적으로 배치된 것으로 구성되어 있다.

또한 상기 제3 광학계(143)는 광신호의 광량(Quantity of light)을 조절하기 위한 ND 필터(131)와, 파장별 신호를 획득할 수 있도록 하기 위하여 다층 유전체(Dielectric) 코팅으로 가시광선영역에서 90% 이상의 투과율을 가지며 95%이상 적외선 파장을 반사하는 핫 미러(Hot mirror,132)와, 광신호의 집속효율을 높이는 집속렌즈(Bi-convex lens,133)와, 용접중 발생되는 스패터로 인한 광학계 및 포토다이오드의 손상을 방지하는 보호창(Windows,134)이 제3 포토다이오드(130)의 앞쪽에 순차적으로 배치된 것으로 구성되어 있다.

이와 같이 파장별 신호를 획득하기 위한 제1,2,3 포토다이오드(110,120,130)와 광학계(140)를 하나의 하우징(150)에 설치하여 광학모듈(100)을 구성함으로써 레이저 용접 모니터링 시스템의 구조를 간소화할 수 있게 된다.

상기 노이즈 필터(Noise filter,210)는 포토다이오드(110,120,130)에 의해 획득된 광신호를 증폭함에 있어서 나타나는 60㎐ 전원 잡음을 제거하는 것이다.

상기 연산증폭기(OP-amp,220)는 노이즈 필터(210)를 거쳐 전원 잡음이 제거된 신호를 증폭하는 것이다.

상기 LC 필터(230)는 연산증폭기(220)에 의해 증폭된 신호의 고주파를 차단하는 것이다.

상기 DAQ 보드(240)는 LC 필터(230)에서 처리된 신호를 컴퓨터와 같은 처리장치(300)에서 인식할 수 있는 디지털 신호를 변환하는 것이다.

이와 같은 노이즈 필터(210)와 연산증폭기(220) 및 LC 필터(230) 그리고 DAQ 보드(240)는 광학모듈(100)에서 획득되는 광신호를 처리하도록 하나의 전자회로모듈로 구성될 수 있다.

도 3 은 본 발명의 모니터링 방법에 따른 순서도를 도시하고 있다.

상기와 같이 구성된 레이저 용접 모니터링 시스템을 이용한 모니터링 방법은 자외선, 적외선, 가시광선 대역의 광신호를 획득하기 위한 제1,2,3 포토다이오드를 갖는 광학모듈을 이용하여 레이저 용접과정에서 발생되는 플라즈마와 스패터로부터 광신호를 획득하는 단계(S110); 상기 S110 단계에서 획득되는 광신호에 포함된 노이즈를 제거하는 단계(S120); 및 상기 S120 단계를 통해 노이즈가 제거된 신호를 이용하여 용접 상태에 대한 정보를 검출하고, 해당 정보를 화면으로 표시하며, 용접품질을 평가하는 단계(S130)로 이루어진다.

상기 S110 단계는 제1,2,3 포토다이오드(110,120,130)가 설치된 광학모듈(100)을 이용하여 레이저 용접시 발생되는 플라즈마 및 스패터로부터 적외선과 자외선 및 가시광선에 대한 광신호를 획득하는 단계이다.

상기 S120 단계는 획득된 광신호에 포함된 노이즈를 제어하는 단계로서, 노이즈 필터(210)와 LC 필터(230)를 이용하는 1차 필터링 단계(S121)와, 로우패스 필터 및 웨이블릿 변환을 이용하는 2차 필터링 단계(S122)로 구성된다.

한편 상기 1차 필터링 단계(S121)는 S110 단계에서 획득되는 광신호를 증폭함에 있어서 나타나는 60㎐ 전원 잡음제거를 위하여 노이즈 필터(210)로 광신호를 처리하는 단계(S121-1); 상기 S121-1 단계 후 연산증폭기(220)를 이용하여 신호를 증폭하는 단계(S121-2); 상기 S121-2 단계에서 증폭된 신호를 LC 필터(230)로 처리하는 단계(S121-3)로 구성된다.

이때 상기 S121-3 단계는 신호에 포함된 외부잡음을 제거하는 단계로서, 우선 연산증폭기(220)에 의해 증폭된 신호를 LC 필터(230)로 처리하고, LC 필터(230)에 의해 처리된 신호를 ADC(Analog-to-Digital Converter)보드를 이용하여 디지털 신호로 변환한 뒤, IIR(Infinite Impulse Response) 디지털 필터로 저주파 잡음을 제거하게 된다.

상기 S130 단계는 노이즈가 제거된 신호를 화면에 표시하여 용접 상태정보를 사용자가 알 수 있도록 하고, 해당 신호로부터 결함을 검출하며, 검출된 결함과 미리 설정된 기준값을 비교함으로써 용접품질을 평가하게 된다.

이하, 표 1과 같은 화학 조성을 갖으며, 100㎜×60×3.2t로 제작된 S45C 시편에 임의로 외부결함을 만들고, 평균유효출력이 2㎾인 연속파(Continuous wave:CW) Nd:YAG 레이저를 이용하여 시편을 용접하면서 발생되는 플라즈마와 스패터를 이용하여 용접상태를 모니터링 하는 과정을 예시로 설명함으로써, 본 발명에 따른 모니터링 장치와 모니터링 방법이 갖는 작용효과를 보다 명확히 하도록 한다.

이때 임의로 만들어진 외부 결함은 직경 1㎜이며 깊이가 각각 1㎜, 1.5㎜, 2㎜, 3.2㎜로 가공되었다.

이와 같은 시편의 구조가 도 4에 도시되어 있다.

한편 레이저 용접은 초점거리가 200㎜인 용접렌즈를 사용하여 초점직경이 0.6㎜인 레이저 빔을 시험편의 표면에 조사하였으며, 보호가스는 플라즈마 차장 영향을 상쇄시키는 아르곤(Ar)을 사용하였고, 유량과 분사노즐의 입사각은 각각 15ℓ/min와 45°로 설정하였으며, 광학모듈(100)은 시편 표면을 기준으로 45°로 50㎜ 높이에 설치하여 신호를 획득하였다.

또한 레이저 출력은 1900W로 하고, 용접속도는 1m/min로 하였으며, 용접길이는 50㎜로 하였다.

이와 같은 조건하에서 레이저 용접을 하면서 각각의 파장대열별로 제1,2,3 포토다이오드(110,120,130)를 이용하여 광신호를 획득하였다. 이처럼 제1,2,3 포토다이오드(110,120,130)에서 획득되는 광신호 중 가시광선은 용접이 이루어지는 전반적인 현상을 모니터링 하는데 사용되고, 자외선과 적외선은 용접 결함을 모니터링 하는데 사용된다.

한편 획득되는 광신호는 내/외부 환경에 막대한 영향을 받게 되므로 잡음(noise)을 제거하기 위해 광학모듈(100)과 접지하였고, 플라즈마 신호를 증폭함에 있어서 나타나는 60㎐ 전원 잡음을 노이즈 필터(210)로 제거하였다.

한편 증폭된 신호를 LC 필터(230)로 처리한 후 DAQ 보드(240)를 사용하여 처리장치(300)인 컴퓨터에서 인식 가능한 디지털 신호를 변환하였다. 이때 DAQ 보드(240)의 분해능은 16bit이고, 샘플링 속도는 초당 10,000개의 데이터를 받도록 설정하여 분석하였다.

한편 레이저 용접 과정에서 발생하는 외부잡음은 용접부를 모니터링 하는데 있어서 많은 문제점을 야기하게 되므로, 외부잡음과 내부결함을 감지할 수 있도록 신호를 분리하는 작업이 요구된다.

이에 본 발명에서는 플라즈마 신호를 증폭하면서 나타나는 60㎐ 전원 잡음을 제거하기 위하여 노이즈 필터(210)를 사용하였고, 이렇게 증폭된 신호는 1차 아날로그 LC 필터(230)로 처리한 후, 신호 변환 장치인 ACD(Analog-to-Digital Converter) 보드를 이용하여 처리하였다.

이때 높은 정밀도를 가지는 ADC 보드를 사용해야만 ADC가 추가적으로 발생시키는 양자화 잡음을 최소화하면서 미약한 용접 신호를 디지털 신호로 변환시킬 수 있으며, 높은 표본화 속도로 표본화해야 Anti-Aliasing 용도로 사용하는 아날로그 LPF의 차수를 감소시킬 수 있어 고차의 아날로그 LPF가 추가적으로 발생시키는 잡음을 최소화시킬 수 있다. 또한 16비트의 분해능을 가지는 ADC는 10㎑의 표본화 속도로 구동시키고, 이렇게 변환된 신호는 필터링을 통해 제거하였다.

한편 외부잡음과 내부결함에 대한 신호를 보다 명확하게 구분하기 위하여 2차적으로 디지털 필터링 과정을 거치게 된다.

디지털 필터링 방법으로는 FIR, IIR 필터 등 여러 가기 디지털 필터가 사용될 수 있으나, 대역폭이 아주 좁은 신호의 경우 FIR 필터는 상당히 높은 차수를 필요로 하고, 이로 인해 위상 변화가 생기기 때문에 IIR 디지털 필터를 사용하는 것이 바람직하다.

참고로, IIR 필터는 식(1)과 같이 정의할 수 있다.

IIR 필터에서는 b_k와 a_k의 두 가지 계수를 필요로 하며, b_k를 전진계수라 부르고, a_k를 역계수라고 한다. 여기서 x[n]은 신호 입력값이며, y[n]은 시스템의 출력값이다. IIR 필터는 이전 출력값인 y[n-1]를 함께 사용하며 최초 계산시에는 필터의 이전 결과값이 없기 때문에 y[n-1]=0으로 정의한다.

한편 용접 중 획득된 DC 성분에서는 저주파 잡음이 존재한다. 이 DC 잡음은 2차 IIR LPF를 통해 효과적으로 제거될 수 있다. 이 LPF는 표본화 속도가 높을수록 높은 정밀도의 계수가 필요하기 때문에 10㎑로 표본화된 신호에서 DC를 제거하는 것이 효율적이다. 용접신호에 영향을 주지 않는 범위에서 이 저주파 잡음을 제거하기 위하여 차단주파수가 180㎐인 2차 IIR LPF를 사용하였다.

참고로, 도 5a는 레이저 용접과정에서 10㎑의 표본화 속도로 획득된 원신호의 파형을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 10㎐ 차단주파수를 가지는 HPF를 통과 시킨 후 파형을 나타낸 그래프이며, 도 5c는 LPF로 DC 잡음을 제거한 신호 파형을 나타낸 그래프이다.

한편 다양한 외란을 포함하고 있는 신호들의 특성은 시간 및 주파수의 국부성을 가지므로, 통계적 특성을 모르거나 시간적으로 예측하기 힘든 신호가 발생한다. 이에 본 발명은 비주기적인 과도현상을 해석하기 위해서 웨이블릿 변환을 이용하였다.

참고로 웨이블릿(Wavelet)은 Little wave 라는 뜻이다. 이제까지 Fourier Transform이 공학 발전에 기여를 했지만 시간 아니면 주파수의 한 정보밖에 줄 수 없다는 등 몇 가지 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 시간 및 주파수 정보를 동시에 줄 수 있는 웨이블릿 변환(Wavelet transform)이라는 수학적 방법이 약 10여년 전에 개발이 되어 최근 수년 전부터 여러 응용 분야에서 각광을 받고 있다. 웨이블릿 변환의 응용 분야는 편미방의 해석, Image compression, Denoising noisy date 등이 있다. Fourier Transform은 sine과 consine의 2가지 base function을 가지고 있지만 웨이블릿 변환은 모 웨이블릿이라는 아주 다양한 base을 가지고 있다는 점에서 Fourier transform과 큰 차이가 있다.

상기 웨이블릿 변환을 통한 분석은 신호를 다양한 천이(Translation)와 스케일리(Scaling)을 갖는 모 웨이블릿(Mother wavelet)으로 분해하는 것이다. 그러므로 주파수 대역에 따라 서로 다른 분해능을 가지는 윈도우 함수를 제공하며 모 함수(Mother wavelet)를 φ라 하면 웨이블릿 변환 함수 F는 식(2)와 같다.

여기서 S=2^j(j는 정수)라 하면 웨이블릿 변환은 식(3) 및 식(4)와 같이 계산할 수 있다.

h_k는 스케일 함수 계수와 관련된 저대역(Low pass)필터 계수이고, g_k는 웨이블릿 계수와 관련된 고대역(High pass)필터 계수이다. 각 필터를 지나 그 길이가 반으로 감소한 신호를 다음 스케일 레벨에서 반복하여 변환시킨다.

웨이블릿 변환은 원 신호를 웨이블릿 모 함수의 전이와 압축계수의 변환에 따라 여러 가지 신호성분으로 분해하여 시간에 따라 주파수 성분의 변환 추이를 알 수 있으며, 압축계수의 범위에 따라 웨이블릿 스스로 압축되어 변화한다. 이러한 장점으로 신호를 분해할 수 있고 분해된 신호를 다중 해상도 분석(Multi resolution Analysis)할 수 있다. 또한 간단한 연산을 통해 데이터의 축소가 가능하고 데이터를 쉽게 복구할 수도 있다. 특정대역의 신호만 통과시키는 BPF는 시간축에서 갑자기 변화하는 넓은 대역을 차지하는 비 주기성을 가진 신호의 크기를 감쇠시킨다. 하지만 웨이블릿 필터 방식은 신호의 갑작스런 변화 성분을 낮은 스케일 범위의 계수로 변환해두기 때문에 갑작스럽게 변화하는 특성을 가진 신호를 감쇠시키지 않는다. 웨이블릿 모 함수는 Haar, Daubechies, Biorthogonal, Coiflets, Symlets, Morlet, Mexicam Hat, Meyer 등 많은 유형들이 있다.

본 발명에서 적용한 모 함수는 Harr 웨이블릿이며, 식(5) 및 식(6)은 Haar 웨이블릿 함수를 나타냈다.

도 6은 Haar 웨이블리의 스케일 함수와 웨이블릿 함수를 나타낸 도면이고, 도 7은 웨이블릿 변환에 의해 변환된 신호를 나타낸 그래프를 도시하고 있다.

Harr 웨이블릿 함수는 정규직교하는 성질을 갖고 있기 때문에 함수들의 선형조합으로 원래 데이터를 표현할 수 있다. Haar 웨이블릿은 분석이 용이하고 계수들의 계산이 간단하며, 평균의 변환가 발생하는 이상상황 분석에 탁월한 성능을 보인다.

도 8은 도 4에 도시된 시편을 BOP 용접한 결과를 촬영한 사진이고, 도 9는 광학모듈에서 획득되어 컴퓨터에서 실시간으로 받아들인 신호를 나타낸 그래프를 도시하고 있다.

레이저 빔을 시편에 조사했을 때 용융이 발생하지 않은 초기에 반사가 많이 발생하여 자외선 신호가 피크를 형성하고 시편 온도 증가로 용융이 발생하면 낮아진다. 임의로 결함을 발생시킨 시편에 대한 레이저 용접 과정에서 레이저 빔이 ①구역에 도달할 때 기준 표면과 비교하면 1㎜ 오목한 형상 때문에 레이저 빔이 홀 내부에 난반사가 발생하여 레이저 빔의 에어지가 흡수되어 파형은 하강하고, ①구역을 지나면 반사강도가 다시 회복되어 방사강도가 높아진다. 이처럼 레이저 빔을 임의로 결함을 발생시킨 방향으로 이동하면서 BOP 용접을 하면 홀의 깊이가 증가할수록 UV와 IR 강도가 함께 감소하는 현상이 발생된다.

한편 도 9의 신호는 전처리를 하지 않은 신호로 결함이 발생 되어졌다는 용접의 개략적인 흐름만 파악할 수 있으며, 결함의 깊이나 용융풀 폭 등의 정보에 대한 신호는 선명하게 파악하기 어렵다.

도 10은 일반적인 필터링을 거친 신호를 나타낸 그래프를 도시하고 있다.

일반적인 필터링 과정을 거친 도 10의 신호를 아무런 전처리 과정을 거치지 않은 도 9의 신호와 비교하면, DC 전압, 용융풀에서 발생되는 스패터, 외부잡은 등은 제거가 되지만 결함에 대한 정보를 복원할 수 없다.

도 11은 본 발명에 따라 웨이블릿 변환 방법을 이용하여 신호를 처리한 결과를 타나낸 그래프를 도시하고 있다.

도 11에 나타낸 신호는 웨이블릿 영역에서 잡음제거법(Denoising technique)을 이용하여 신호에 첨가된 화이트가우시안 노이즈(White Gaussian noise)를 제거하고 이의 잡음제거 특성을 고찰하였다.

도 11에서 ①~④구역에서 결함 때문에 발생하는 전압차이를 구분할 수가 있었다. 용접 진행 방향으로 홀의 깊이가 깊어질수록 용융금속이 공간을 채우지 못하고, 비드표면이 시편의 표면이나 후면보다 안쪽에 생기게 된다. 이러한 현상은 도 8에 나타나듯이 더욱더 오목한 현상 때문에 전압이 떨어지는 현상임을 알 수 있다.

원신호를 웨이블릿 변환 시 각 스케일로 신호를 분리할 수 있게 되는데, 이때 각 스케일에 포함된 잡음성분은 웨이블릿 변환의 특성상 원신호의 크기보다 상대적으로 작아지게 되고, 웨이블릿 영역에서 잡음치를 추정하여 적절한 threshold 이하의 값을 제거한 후 다시 합성함으로써 잡음성분을 효과적으로 제거할 수 있었다.

레이저 용접은 비주기성이지만 최적 신호를 규명하는데 있어서 규칙적인 복합파를 찾기 위한 방법이 필요하다. 그러므로 본 발명에서는 레이저 용접중 발생된 복합파를 시각화하여 분석하기 위한 도구로 웨이브폼(Waveform)과 스펙트럼의 특징이 조합되어 있는 스펙트로그램(Spectrogram)을 제시했다.

도 12는 웨이블릿 신호의 UV와 IR 스펙트로그램을 보인 그래프를 도시하고 있다.

도 12는 외부결함에 의해 복합파를 시각적으로 일목요연하게 나타내고 있다. 일반적으로 분석하는 신호는 시간에 따라 그 질도 변하고, 그 크기의 변화도 매우 복잡하다. 다시 말해 신호는 시간에 따라 그 구성 성분의 종류와 양이 변화한다.

따라서 스팩트로그램은 시간의 개념 없이 신호의 파형을 구성하고 있는 내용물의 질과 양을 보여주는 스팩트럼과 달리 시간의 축을 덧붙여 주파수와 진폭의 시간에 따른 변화를 보여주는 삼차원 적인 그림이라 할 수 있다. 그러므로 스팩트럼은 x 와 y 의 두 축으로 구성되어 있는 반면, 스팩트로그램은 x, y, z의 세 축을 가지고 있다.

도 12의 스팩트로그램은 x 축을 시간, y 축을 주파수, z 축을 진폭(강도)으로 표시했다. 그 결과 깊이의 변화에 따른 신호의 해석 구분이 되었고, 깊이가 깊어질수록 주파수 성분은 낮아지는 것을 확인 할 수가 있었다.

이처럼 본 발명에 따른 레이저 용접 모니터링 장치와 모니터링 방법은 잡음성분을 효과적으로 제거하고, 결함에 대한 정보를 비교적 정확하게 나타낼 수 있으므로, 보다 신뢰성 있는 모니터링 시스템을 구축할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 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.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(100) : 광학모듈 (110) : 제1 포토다이오드
(120) : 제2 포토다이오드 (130) : 제3 포토다이오드
(140) : 광학계 (210) : 노이즈 필터
(220) : 연산증폭기 (230) : LC 필터
(240) : DAQ 보드 (300) : 처리장치

Claims

자외선 대역의 광신호를 획득하는 제1 포토다이오드(110)와, 적외선 대역의 광신호를 획득하는 제2 포토다이오드(120)와, 가시광선 대역의 광신호를 획득하는 제3 포토다이오드(130) 및 외부 환경으로부터 상기 포토다이오드를 보호하며 포토다이오드로 입사되는 광신호를 처리하는 광학계(140)가 구비된 광학모듈(100);
상기 광학모듈(100)에 의해 획득되는 광신호에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 필터(210);
상기 노이즈 필터(210)를 거친 신호를 증폭하는 연산증폭기(220);
상기 증폭된 신호를 처리하는 LC 필터(230);
상기 LC 필터(230)에 의해 처리된 신호를 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환하는 DAQ 보드(240); 및
상기 DAQ 보드(240)로부터 전달되는 신호를 분석하여 용접 상태 정보를 검출하는 처리장치(300)로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 광학계(140)는,
상기 제1 포토다이오드(110)의 전단에 순차적으로 배치된 ND 필터(111), 열선 흡수 유리(112), 집속렌즈(113) 및 보호창(114)으로 구성된 제1 광학계(141);
상기 제2 포토다이오드(120)의 전단에 순차적으로 배치된 ND 필터(121), 콜드 미러(122), 집속렌즈(123) 및 보호창(124)으로 구성된 제2 광학계(142); 및
상기 제3 포토다이오드(130)의 전단에 순차적으로 배치된 ND 필터(131), 핫 미러(132), 집속렌즈(133) 및 보호창(134)으로 구성된 제3 광학계(143)로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 포토다이오드(110)는 파장영역이 150~550㎚인 광신호를 획득하는 포토다이오드로 구성되고, 상기 제2 포토다이오드(120)는 파장영역이 700~1800㎚인 광신호를 획득하는 포토다이오드로 구성되며, 상기 제3 포토다이오드(130)는 파장영역이 200~1100㎚인 광신호를 획득하는 포토다이오드로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
자외선, 적외선, 가시광선 대역의 광신호를 획득하기 위한 제1,2,3 포토다이오드를 갖는 광학모듈을 이용하여 레이저 용접과정에서 발생되는 플라즈마와 스패터로부터 광신호를 획득하는 단계(S110);
상기 S110 단계에서 획득되는 광신호에 포함된 노이즈를 제거하는 단계(S120); 및
상기 S120 단계를 통해 노이즈가 제거된 신호를 이용하여 용접 상태에 대한 정보를 검출하고, 해당 정보를 화면으로 표시하며, 용접품질을 평가하는 단계(S130)로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 용접 모니터링 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 S120 단계는 노이즈 필터와 LC 필터를 이용한 1차 필터링 단계(S121)와,
로우패스 필터와 웨이블릿 변환을 이용한 2차 필터링 단계(S122)로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 용접 모니터링 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 S130 단계는 웨이브폼(Waveform)과 스펙트럼의 특징이 조합된 스펙트로그램(Spectrogram)을 이용하여 시간과 주파수 및 진폭을 각각의 축으로 하여 용접 상태 정보를 표시하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 모니터링 방법.