KR20210083878A - 용접 모니터링 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 용접을 위한 용접헤드가 장착된 레이저용접부, 상기 용접 중 용접헤드로 입사된 용접광을 분광하여 이미지신호로 변환하는 분광부, 및 상기 분광부로부터 수신되는 상기 이미지신호에 따라 상기 용접상태를 분석하는 분석부를 포함하는 용접 모니터링 시스템이 제공된다.

Description

용접 모니터링 시스템 및 그 방법{MONITORING SYSTEM OF WELDING AND MONITORING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 용접 모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 분광기 및 이미지센서를 이용하여 용접 중 발생되는 용접광을 폭넓게 검토할 수 있고 용접시 발생하는 플라즈마를 이용하여 보다 정확한 모니터링 결과를 도출할 수 있는 용접 모니터링 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

용접에 의한 소재의 접합은 매우 다양한 산업에서 오래전부터 사용되어 왔다. 일반적인 용접방법에는 아크용접과 가스용접이 있으며 특수용접으로 테르밋용접, 일렉트로 슬래그 용접 및 전자빔 용접 등 매우 다양한 방법들이 개발되어 활용되고 있다.

근래에 들어서는 자동차, 항공, 원자력, 이차전지 등과 같은 산업에서 다양한 부품들의 정밀 용접에 대한 필요성이 증가하면서 고출력 산업용 레이저를 이용한 레이저용접도 점차 활용범위가 넓어지고 있다. 아울러 대량생산의 효율성 향상을 위하여 용접로봇 등을 이용하여 용접의 자동화 지속적으로 개발 및 활용되어 오고 있다.

자동화된 용접의 경우 용접품질이 우선적으로 확보되어야 하며 용접품질에 대한 모니터링이 필수적이다. 이에 따라 용접 중 형성되는 용융풀(molten pool, 용융지라고도 함)에서 발생되는 복사파장, 키홀(key hole)의 생성 여부, 스패터(spatter) 발생빈도 등을 실시간으로 측정 및 분석하여 용접품질을 예측하는 연구가 이루어지고 있다.

현재까지의 연구에 따르면 용접 시 키홀의 생성 및 용입(penetration) 정도를 측정하는 데에는 자외선 영역의 용접광을 활용하고, 용융풀의 온도와 크기는 적외선 영역의 용접광을 활용하는 것으로 알려져 있다. 따라서 용접 시 해당되는 파장의 용접광을 검출할 수 있는 포토다이오드를 각각 이용하여 용접결함을 예측하고자 하는 시도가 진행되고 있다.

그 일환으로 대한민국특허청 등록특허공보 제1405267호(이하, "선행기술"이라 칭함)를 예로 들 수 있다.

선행기술에는 자외선 대역의 용접광을 획득하는 포토다이오드와, 적외선 대역의 용접광을 획득하는 포토다이오드와, 가시광선 대역의 용접광을 획득하는 포토다이오드가 함께 설치된 광학모듈을 모재에 근접하게 배치하고 레이저용접 중 포토다이오드들에 의해 획득되는 각 대역별 신호들을 분석하여 용접품질을 평가한다는 내용이 개시되어 있다.

일반적으로 레이저용접 중에는 스패터나 플라즈마 등이 발생하며 이로 인하여 포토다이오드를 장시간 사용할 수 없다. 따라서 선행기술은 레이저용접 중 발생되는 스패터나 플라즈마로 인한 광학계 및 포토다이오드의 손상을 방지하는 보호창을 추가적으로 구성하였다.

하지만 이러한 구성에도 불구하고 일정시간 용접을 행한 후에는 보호창에 부착된 이물질을 제거하거나 보호창을 교체하기 위하여 용접을 중단하여야 하는 단점이 있다.

아울러, 선행기술은 용접을 위한 레이저광선과 모니터링을 위한 용접광을 획득하는 경로가 동축(coaxial)으로 구성되어 있지 않기 때문에 모니터링을 위한 용접광을 획득하는 경로가 좁아져서 용융풀의 정확한 형상을 파악하기 어려울 뿐만 아니라, 모재 부근에 광학모듈이 점유하는 영역을 별도로 형성해야 하기 때문에 모재의 형상에 제한이 따르거나 용접헤드의 규모가 증가되는 등의 문제가 발생한다.

그러므로 용접을 위한 레이저광선과 모니터링을 위한 용접광의 획득경로가 동축을 형성하면서도 폭넓은 분석이 가능한 용접 모니터링 기술이 필요한 실정이다.

대한민국특허청 등록특허공보 제1405267호(2014. 06. 02.)

따라서, 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 실시예는 용접헤드와 모재가 형성하는 간격과 모니터링을 위한 용접광의 획득경로가 동축을 형성하는 용접 모니터링 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명의 실시예는 용접 중 획득된 용접광을 폭넓게 분석하여 다양한 조건의 용접에 대하여 용접결함의 예측 정확도를 높일 수 있는 용접 모니터링 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

또한, 레이저용접시 발생하는 플라즈마를 이용하여 용접품질을 보다 정확하게 판단할 수 있는 용접 모니터링 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 용접을 위한 용접헤드가 장착된 레이저용접부; 상기 용접 중 용접헤드로 입사된 용접광을 분광하여 이미지신호로 변환하는 분광부; 및 상기 분광부로부터 수신되는 상기 이미지신호에 따라 상기 용접상태를 분석하는 분석부를 포함하는 용접 모니터링 시스템을 포함한다.

본 발명에 있어서 상기 분광부는 상기 용접헤드 내에 설치되고, 상기 용접헤드로 입사된 상기 용접광을 다른 방향으로 반사하는 미러; 내부에 복수의 렌즈가 설치되고, 상기 미러에 의해 반사된 상기 용접광을 집광시키는 경통; 상기 경통에 의해 집광된 상기 용접광을 전달하는 광케이블; 상기 광케이블을 통해 전달되는 용접광을 스펙트럼으로 분광하는 분광기; 및 상기 스펙트럼을 상기 이미지신호로 변환하는 이미지센서를 포함하되, 상기 미러는 레이저광선을 투과시키고 상기 레이저광선이 조사되는 방향과 동축으로 방사되는 상기 용접광을 수광하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 상기 분석부는 상기 모재의 두께와 재질을 포함하는 용접조건에 따라 미리 정해진 특성값이 저장되는 데이터베이스; 및 상기 이미지신호를 상기 스펙트럼의 파장 범위에 따라 적어도 하나의 대역폭으로 분할하고, 분할된 상기 이미지신호와 상기 특성값을 비교하여 분할된 상기 이미지신호가 상기 특성값의 범위 내에 있는지의 여부를 판단하는 처리회로를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 상기 용접 중 발생하는 플라즈마를 분석하여 용접 품질을 모니터링 하기 위한 모니터링부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 용접 모니터링 시스템 및 그 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명은 모재에 용접을 행하는 용접헤드와 용접광 획득경로를 동축으로 형성하여 전체 구성을 소형화하는 것이 가능하고 정확한 모니터링 및 정비를 위한 용접작업의 중단 빈도를 감소시켜 줄 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 분광기를 이용하여 용접광을 파장대역에 따라 정밀하게 분석하고, 용접조건에 따라 용접광 중 특성이 있는 파장대역을 더 집중적으로 분석함으로써 모니터링을 통한 용접결함의 예측 정확도를 향상시켜 줄 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 레이저용접시 발생하는 플라즈마를 이용하여 용접결함에 대한 보다 폭넓은 판단 기준을 제공해 줄 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 2 는 도 1에 도시된 이미지센서로부터 수신된 이미지신호를 파장 범위에 따라 복수로 분할한 것을 예시한 도면.
도 3 및 도 4 는 도 2 에서 분할된 이미지신호의 시간경과에 따른 변화를 미리 정해진 특성값과 비교하는 과정을 예시한 도면.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.

도 1 을 참조하면, 용접 모니터링 시스템(100)은 레이저용접부(110), 분광부(150), 및 분석부(170)를 포함한다.

우선, 레이저용접부(110)는 용접헤드(111)와 헤드컨트롤러(113)를 포함한다. 용접헤드(111)는 모재(10)에 레이저광선(130)을 조사하여 용접이 이루어지도록 하는 장치이고, 헤드컨트롤러(113)는 레이저광선(130)의 세기, 용접헤드(111)와 모재(10) 사이의 간격을 조절하는 장치이다.

도면에는 도시되지 않았으나, 모재(10)는 용접헤드(111)에 의해 용접이 행해지는 동안 모재(10)가 지지되도록 하는 지지대와, 지지대를 상하방향으로 이동시켜 용접헤드(111)와 지지대의 상대적 간격을 조절하기 위한 모재이송수단이 부가될 수 있다. 이때 헤드컨트롤러(113)는 용접헤드(111) 및 모재이송수단의 위치를 제어하여 용접헤드(111)와 모재(10) 사이의 간격을 조절하는 것이 가능하다.

용접헤드(111)로부터 모재(10)를 향하여 레이저광선(130)이 조사되어 용접이 행해지면 모재(10)의 일부가 용융된 용융풀 및 키홀 등이 형성되고 스패터가 비산되며 용접광과 추가적으로 이온화된 플라즈마가 발생한다. 참고로, 용접광은 적외선영역, 가시광선영역 및 자외선역영에 이르는 전자기파를 포함한다.

여기서 레이저용접부(110)는 다른 종류의 용접기로 대체될 수 있다. 예를 들어 플라즈마용접, TIG(tungsten ingot gas welding), MIG(metal inert gas welding), MAG(metal active gas welding) 및 가스용접 등도 본 실시예에 적용될 수 있으며, 이에 따라 레이저광선(130)은 아크나 용접불꽃 등으로 대체될 수 있다.

다음으로, 분광부(150)에는 미러(151), 경통(152), 광케이블(153), 분광기(154) 및 이미지센서(155)가 포함된다.

우선, 미러(151)는 도시된 바와 같이 용접헤드(111) 내에 배치되고, 용접 중 발생된 용접광 중 모재(10)로부터 용접헤드(111) 방향을 향하여 용접헤드(111) 내로 입사되는 용접광(131)을 다른 방향인 경통(152) 방향으로 반사한다.

미러(151)는 레이저광선(130)을 투과시키고 모재(10)로부터 용접헤드(111)로 입사되는 용접광(131)은 반사시키는 하프미러(half mirror)가 사용될 수 있으며, 레이저광선(130)의 조사방향에 대하여 45도의 경사각을 갖도록 설치될 수 있다.

다만, 용접헤드(111)를 구성하는 다른 구성요소와 경통(152) 사이에 간섭이 발생될 경우 이후 설명될 경통(152)의 위치가 변경될 수 있으며, 이에 따라 미러(151)가 레이저광선(130)의 조사방향에 대하여 용접광(131)을 반사시키는 각도는 45도 이외의 각도로 변경될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템(100)은 미러(151)가 용접헤드(111) 내에 배치되며 용접광 중 레이저광선(130)이 조사되는 방향과 동축으로 방사되는 용접광(131)을 수광할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템(100)은 이러한 구성을 통해 용접광을 검출하는데 있어서 필요한 구성의 크기를 최소화할 수 있으며 모재(10)에 형성된 용융풀 및 키홀 등의 형상에 따른 정보를 최대한 왜곡되지 않은 형태로 수신하는 것이 가능하다.

한편, 상술한 바와 같이 레이저용접부(110)가 다른 종류의 용접기로 대체되더라도 그 용접헤드(111) 내에 미러(151)가 배치될 수 있으며, 필요에 따라 미러(151)의 중심부나 가장자리 일부분에 전극이 통과되는 통공이 형성되도록 할 수도 있다.

다음으로, 경통(152)은 내부에 복수의 렌즈가 배치되어 미러(151)로부터 반사되어 입사되는 용접광(131)을 집광한 후 아래에서 설명할 광케이블(153)로 전달한다.

참고로, 경통(152) 내에 배치된 렌즈들은 자외선차단 코팅이 되지 않은 것을 사용할 수 있다. 이는 용접 중 발생되는 용접광에 포함된 유의미한 정보가 자외선영역에 포함되어 있을 가능성이 높기 때문이다.

광케이블(153)은 일단이 경통(152)에 연결되고 타단이 분광부(150)에 연결된다. 그래서 경통(152)을 통해 전달되는 집광된 용접광은 광케이블(153)을 통해 분광기(154)로 전달 및 조사된다.

분광기(154)는 광케이블(153)을 통해 전달되는 집광된 용접광을 분광하기 위한 구성으로서 분광기(154)로 조사되는 집광된 용접광은 파장별로 분산되어 스펙트럼(133)을 형성한다.

이어서, 이미지센서(155)는 분광기(154)에서 분광된 스펙트럼(133)을 이미지신호로 변환하기 위한 구성으로서 이미지센서(155)는 분광기(154)에서 분광된 스펙트럼(133)이 수광면에 분포되도록 배치한다. 그래서 이미지센서(155)의 수광면에 스펙트럼(133)이 조사되면 이미지센서(155)는 이에 따른 이미지신호를 출력한다. 이때 출력되는 이미지신호는 용접광(131)에 포함된 파장별 세기의 정보를 담은 신호가 된다.

도면에는 분광기(154)로 프리즘이 사용된 것이 예시되었으나, 필요에 따라서는 회절격자(diffraction grating)가 사용될 수도 있다. 그리고, 이미지센서(155)로는 CCD(charge-coupled device) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 등이 사용될 수 있다. 이미지센서(155)의 경우 스펙트럼(133)에 포함된 적외선영역부터 자외선영역까지 모두 감지가 가능한 구성이 사용될 수 있다.

필요에 따라서는 이미지센서(155)로써 디지털카메라에 사용되는 CCD나 CMOS에 자외선영역이나 적외선영역에 대해 감지가 가능한 구성을 스펙트럼(133)이 조사되는 해당 위치에 추가로 배치한 것도 가능하다.

참고로, 광케이블(153)을 이용하여 용접헤드(111)와 분광기(154)를 서로 이격하여 배치한 것은 용접헤드(111)의 규모를 보다 더 최소화하기 위한 것으로, 모재(10)가 요철 형상을 가지는 경우에도 용접헤드(111)와 간섭이 일어나는 것을 방지하기 위한 것이다.

아래에서 설명할 수신회로(171)는 이러한 이미지신호를 수신한 후 여기에 포함된 각종 노이즈를 제거한다. 이미지신호로부터 노이즈를 제거하는 방법은 이미지센서를 이용하여 영상을 획득하는 다양한 영상장비에 의해 잘 알려진 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

다만, 앞에서 언급한 노이즈를 최소화하기 위하여, 도면에는 도시되지는 않았으나, 용접헤드(111)와 모재(10)가 배치된 부분 및 분광기(154)와 이미지센서(155)가 배치된 부분에는 자연광이나 조명광이 포함되지 않도록 차광수단이 설치될 수 있다.

예를 들어 차광수단은 차광성을 갖는 패널이나 차양막 등으로 이루어진 상자 또는 천막 등의 형상을 가질 수 있으며, 용접헤드(111)와 모재(10), 광케이블(153)과 분광부(150)의 연결부, 분광기(154)와 이미지센서(155)를 각각 감싸는 형상으로 설치될 수 있다.

이때, 모재(10)의 위치를 육안으로 확인할 수 있도록 하기 위하여 필요에 따라서는 차광수단 내에 조명을 설치하되, 용접이 행해질 때에는 조명이 소등되도록 구성할 수 있다.

분석부(170)는 수신회로(171), 처리회로(172), 데이터베이스(173) 및 컨트롤러(174)를 포함한다. 여기서 데이터베이스(173, DB: data base)는 앞에서 설명한 특성값에 대한 정보가 저장되어 있는 기억장치를 지칭할 수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이 수신회로(171)에 의해 노이즈 등이 제거된 이미지신호는 처리회로(172)에 의해 수신된다. 처리회로(172)는 모재(10)의 두께와 재질 및 레이저광선(130)의 세기와 종류 등을 포함하는 용접조건에 따라 수신회로(171)를 거친 이미지신호 중 일부 이상을 스펙트럼(133)의 파장 범위에 따라 하나 또는 복수의 대역폭으로 분할 한 다음, 이들을 데이터베이스(173)에 미리 저장되어 있는 특성값과 비교하여 이미지신호가 특성값의 범위 내에 있는지의 여부를 판단한다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템(100)은 레이저용접부(110) 대신 다른 종류의 용접기가 사용될 수 있으며, 이 경우 용접조건에 해당 용접헤드에서 방출되는 아크의 세기, 용접불꽃의 세기 및 온도 등이 용접조건에 포함될 수 있다.

그래서 만약 분할된 이미지신호들이 특성값의 범위 내에 있으면 용접이 정상적으로 진행 중인 것으로 판단하고, 특성값의 범위를 벗어나면 비정상적인 상태인 것으로 판단할 수 있다.

처리회로(172)에 의해 용접이 비정상적인 상태인 것으로 판단될 경우에는 경보를 울려 작업자에게 현황을 알리거나, 컨트롤러(174)에 의해 용접헤드(111)의 위치가 조절되도록 함으로써 모재(10)에 맺힌 레이저광선(130)의 초점이 정확하게 조절되도록 하거나, 용접헤드(111)의 이송속도를 증감시키거나 레이저광선(130)의 세기가 조절되도록 하는 등의 조치가 취해지도록 할 수 있다.

만약 본 실시예에 레이저용접부(110)가 아닌 다른 방식의 용접기가 적용된 경우에는 용접헤드(111)의 위치 변경 외에 용접가스나 전원의 공급여부를 조절하여 작동이 조절되도록 할 수 있다.

여기서, 용접이 비정상적인 상태인 것으로 판단될 경우에는 작업자 또는 컨트롤러(174)에 의해 조절된 상태가 다시 데이터베이스(173)에 저장되도록 하고, 이러한 정보가 데이터베이스(173)에 누적됨에 따라 특성값에 의한 비교는 용접의 비정상적인 상태를 더욱 정확하게 판단할 수 있게 된다.

참고로, 상술한 용접조건에는 모재(10)의 두께와 재질 및 레이저광선(130)의 세기와 종류 외에, 모재(10)가 레이저광선(130)의 초점거리로부터 이탈되는 경우, 레이저광선(130)의 초점이 용접 접합부 라인을 벗어나는 경우, 레이저광선(130)의 출력이 떨어지는 경우, 보조가스가 적절히 공급되지 않는 경우, 모재(10)의 표면이 불규칙한 경우, 용접면에 이물질이 존재하는 경우, 모재 내부에 기공이 형성된 경우 등 매우 다양한 조건이 포함된다.

만약 상술한 바와 같이 본 실시예(100)가 레이저용접부(110)가 아닌 다른 방식의 용접기가 적용된 경우에는 아크의 길이나 전극전압, 불활성가스의 공급, 용접가스의 조성 등의 조건 또한 추가될 수 있다.

상술한 특성값은 이러한 용접조건에 따라 용접을 행하는 실험을 통해 구할 수 있으며, 앞에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템(100)에 의해 레이저용접이 행해짐에 따라 다양한 용접조건에 대해서 더욱 정확한 특성값의 범위가 형성될 수 있다.

아울러, 앞에서 언급했던 바와 같이 레이저용접부(110) 대신 다른 종류의 용접기가 사용되는 경우 아크나 용접불꽃에 의한 용접조건 또한 실험을 통해 구하여 데이터베이스(173)에 저장되도록 할 수 있다.

아래에서는 도 2 내지 도 4 를 참조하여 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 모니터링 방법에 대해 설명한다.

도 2 는 도 1 에 도시된 이미지센서(155)로부터 수신된 이미지신호를 파장 범위에 따라 복수로 분할한 것을 나타낸 도면이 도시되어 있다.

도 2 를 참조하면, 가로축은 파장, 세로축은 신호의 세기를 나타내는 그래프가 도시되어 있고, 가로축에는 파장별로 선택된 대역폭(A, B, C)이 표시되어 있으며, 그래프에는 선택된 대역폭(A, B, C)에 해당되는 면적(SA, SB, SC)이 각각 표시되어 있다.

이 그래프는 처리회로(172)가 수신회로(171)로부터 수신된 정보를 처리하여 획득한 것이다. 즉 이 그래프는 앞에서 설명한 용접헤드(111)로 입사된 용접광(131)이 분광기(154)에 의해 분광되어 형성된 스펙트럼(133)을 수신한 이미지센서(155)가 이를 이미지신호로 변환하는 과정을 통하여 이루어진다. 이 과정을 신호획득단계라고 칭하기로 한다.

한편, 파장 범위에 따른 대역폭(A, B, C)의 선택은 상술한 용접조건에 의해 결정될 수 있다.

즉, 작업자는 상술한 바와 같은 실험을 통해 획득되는 정보를 기준으로 하여, 모재(10)의 재질이나 두께 및 레이저광선(130)의 세기나 종류에 따라 용접 시 발생되는 용접광(131) 중 가장 특성을 나타내는 파장 범위에 따른 대역폭(A, B, C)을 선택할 수 있다.

예를 들어, 앞에서 설명한 바와 같이 레이저용접 중 키홀의 생성 및 용입정도를 측정하기 위해서는 용접광 중 자외선 영역에 해당되는 대역폭(여기서는 A라고 가정함)을 선택할 수 있고, 용융풀의 온도와 크기는 적외선 영역에 해당되는 대역폭(여기서는 C라고 가정함)을 선택할 수 있으며, 스패터의 발생빈도는 가시광선 영역에 해당되는 대역폭(여기서는 B라고 가정함)을 선택할 수 있다.

이러한 대역폭의 넓이 및 대역폭의 분할 수 등은 용접조건에 따라 상이해진다. 즉, 모재(10)가 자동차의 프레임과 같이 비교적 두꺼운 것일 때에는 용융풀 및 키홀의 형상이 중요한 의미를 가지므로 해당 대역폭이 필수적으로 선택될 수 있고, 자동차용 배터리의 버스바(bus bar)와 같이 비교적 얇은 모재(10)가 사용되어 용접헤드(111)의 이송속도가 빠른 경우에는 키홀의 형성 보다는 스패터의 비산량에 대한 정보가 필수적으로 선택될 수 있다.

이와 같이 레이저용접부(110)에 의해 행해지는 레이저용접의 특성에 따라 획득된 이미지신호를 스펙트럼(133)의 파장 범위에 따라 적어도 하나의 대역폭을 선택하여 분할하는 것을 분할단계라고 칭하기로 한다.

참고로, 앞에서 언급했던 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템(100)의 레이저용접부(110)는 아크용접기나 가스용접기와 같은 다른 방식의 용접기로 대체될 수 있다. 이 경우 당연히 분할단계에서 선택 및 분할되는 대역폭의 넓이와 수 등은 용접방식에 상응하게 변경될 수 있다.

도 3 및 도 4 은 앞에서 설명한 분할단계에서 선택된 대역폭(A, B)의 면적(SA, SB) 데이터의 시간경과에 따른 변화를 미리 정해진 특성값과 비교하는 것을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

참고로, 면적(SA, SB, SC) 데이터는 적분 등의 방법을 이용하여 용이하게 산출할 수 있는데, 이는 잘 알려진 사항이므로 상세한 설명은 생략한다.

전술한 바와 같이 레이저용접부(110)에 의해 행해지는 레이저용접의 특성이 A 대역폭 및 B 대역폭에서 명확히 나타나는 것이라 가정할 경우, 시간 경과에 따른 면적(SA, SB) 데이터의 변화를 각각 도 3 및 도 4 와 같이 나타낼 수 있다.

또한 데이터베이스(173)에 저장된 값을 이용하여 그 시간의 경과(t)에 따른 면적(SA, SB) 데이터의 변동이 미리 정해진 특성값의 범위(WA, WB) 내에 있는지 각각 비교함으로써 레이저용접이 정상적으로 진행되고 있는가의 여부를 판단할 수 있다.

이러한 판단은 처리회로(172)에서 이루어지며, 만약 도 4 에 도시된 바와 같이 면적(SB) 데이터가 미리 정해진 특성값의 범위(WB)를 벗어나는 경우(tB)에는 그에 상응하는 조치를 취할 수 있다.

여기서, 도 3 에 예시된 특성값의 범위(WA)는 시간의 경과(t)에 무관하게 일정한 반면, 도 4 는 특성값의 범위(WB)가 시간의 경과(t)에 따라 변동되는 것이 예시되어 있다.

이는 도 3에 예시된 특성값의 범위(WA)가 일정한 조건이 유지되는 용접상태를 예시한 것인 반면, 도 4에 예시된 특성값의 범위(WB)는 용접 중 그 조건에 변화가 발생되는 것을 예시한 것이다.

예를 들어, 대형선박의 선각(shell)과 같이 용접을 행하는 동안 두께가 점차 두꺼워지거나 얇아지는 형상을 갖는 모재를 용접하는 경우에는 미리 정해진 특성값의 범위(WB) 또한 모재의 특성에 맞게 변경되어야 한다. 시간의 경과에 따라 변동되는 특성값의 범위(WB)는 실험을 통하여 구할 수 있으며, 실험이 행해질 때마다 그 결과가 데이터베이스(173)에 저장되도록 함으로써 정확도가 증가되도록 할 수 있다.

이와 같이 분할된 이미지신호를 가공하여 데이터베이스(173)에 저장된 특성값의 범위 내에 있는지의 여부를 판단하는 것을 분석단계라 칭하기로 한다.

만약 이 가공된 신호(면적 SB)가 미리 정해진 특성값의 범위(WB)를 벗어나는 경우, 앞에서 설명한 바와 같이 용접이 비정상적인 상태로 분석됨을 작업자에게 알리거나, 용접헤드(111)를 조절하는 방법 등이 적용되도록 할 수 있다. 여기서 용접헤드(111)가 컨트롤러(174)에 의해 조절되도록 하는 것을 조절단계라 칭하기로 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시예에 따른 용접 모니터링 방법에는 신호획득단계, 분할단계 및 분석단계가 포함되며, 필요에 따라 조절단계가 더 포함될 수 있다.

분석단계 이후, 용접품질에 이상이 발생된 것으로 분석되는 시간(tB)에 해당되는 용접부의 상태를 면밀하게 점검함으로써 데이터베이스(173)에 저장된 특성값(WA, WB)이 용접조건에 더 알맞게 변경되도록 할 수 있다. 이에 따라 선택될 대역폭(A, B, C)의 수와 파장 범위의 넓이가 가감될 수 있으며, 용접이 반복될수록 특성값(WA, WB)의 정확도가 더욱 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 실험이나 용접을 행할 때마다 데이터베이스(174)에 다량의 데이터가 축적되도록 하여 빅데이터를 형성하고, 여기에 HMM(hidden Markov model)이나 퍼지 로직(fuzzy logic), 머신 러닝 등의 기법을 적용하면 용접품질과 용접강도가 더욱 정확하게 예측되도록 할 수도 있으며, 처리회로(172)에 이를 피드백하여 컨트롤러(174) 등을 구동시키게 함으로써 더욱 완성도가 높은 자동용접이 행해지도록 할 수도 있다.

이와 같이 본 실시예에 따라 용접에 대한 실시간 모니터링 및 용접품질의 유지가 확보되면 용접의 생산성이 비약적으로 향상될 수 있으므로, 전수조사가 필요했던 자동차용 배터리의 버스바 용접 등에도 본 발명의 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템 및 그 방법이 널리 활용될 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 레이저용접 모니터링 시스템 110: 레이저용접기
111: 용접헤드 113: 헤드컨트롤러
130: 레이저광선 131: 용접광
133: 스펙트럼 150: 분광부
151: 미러 152: 경통
153: 광케이블 154: 분광기
155: 이미지센서 170: 분석부
171: 수신회로 172: 처리회로
173: 데이터베이스 174: 헤드컨트롤러

Claims (4)

1. 용접을 위한 용접헤드가 장착된 레이저용접부;
   상기 용접 중 용접헤드로 입사된 용접광을 분광하여 이미지신호로 변환하는 분광부; 및
   상기 분광부로부터 수신되는 상기 이미지신호에 따라 상기 용접상태를 분석하는 분석부를 포함하는
   용접 모니터링 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분광부는
   상기 용접헤드 내에 설치되고, 상기 용접헤드로 입사된 상기 용접광을 다른 방향으로 반사하는 미러;
   내부에 복수의 렌즈가 설치되고, 상기 미러에 의해 반사된 상기 용접광을 집광시키는 경통;
   상기 경통에 의해 집광된 상기 용접광을 전달하는 광케이블;
   상기 광케이블을 통해 전달되는 용접광을 스펙트럼으로 분광하는 분광기; 및
   상기 스펙트럼을 상기 이미지신호로 변환하는 이미지센서를 포함하되,
   상기 미러는 레이저광선을 투과시키고 상기 레이저광선이 조사되는 방향과 동축으로 방사되는 상기 용접광을 수광하는 것을 특징으로 하는 용접 모니터링 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 분석부는
   상기 모재의 두께와 재질을 포함하는 용접조건에 따라 미리 정해진 특성값이 저장되는 데이터베이스; 및
   상기 이미지신호를 상기 스펙트럼의 파장 범위에 따라 적어도 하나의 대역폭으로 분할하고, 분할된 상기 이미지신호와 상기 특성값을 비교하여 분할된 상기 이미지신호가 상기 특성값의 범위 내에 있는지의 여부를 판단하는 처리회로를 포함하는
   용접 모니터링 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 용접 중 발생하는 플라즈마를 분석하여 용접 품질을 모니터링 하기 위한 모니터링부를 더 포함하는 용접 모니터링 시스템.

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