KR101007724B1 - 레이저 용접 모니터 - Google Patents

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Abstract

펄스 레이저를 사용한 용접부의 용접 품질을 평가할 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 상기 펄스 레이저를 사용한 용접부의 용접 특성을 획득할 수 있는 하나 이상의 센서를 포함한다. 상기 용접 특성은 다양한 속성을 갖는다. 상기 시스템은 또한 용접 특성을 저장 및 분석하도록 채용되는 데이터 수집 및 처리 장치를 포함한다. 사용자는 먼저 다중 용접을 수행하여 각각의 용접에 대해 하나 이상의 용접 특성을 획득한다. 사용자는 그 후 각각의 용접의 용접 품질을 결정하고, 각각의 용접에 대한 하나 이상의 용접 특성에 대한 속성과 관련된 일련의 알고리즘 중 하나 이상을 구동하여 상기 관련 속성에 대한 단일 값 출력을 생성한다. 사용자는 상기 하나 이상의 알고리즘의 단일 값 출력을 용접의 용접 특성과 상호 관련시킴으로써 용접 품질의 속성 표시를 선택한다.
레이저 용접, 모니터

Description

레이저 용접 모니터{LASER WELD MONITOR}
도 1은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 용접 특성을 획득하기 위한 레이저 용접 모니터링 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 획득 및/또는 사용될 수도 있는 각기 다른 속성(또는 변수)을 나타내는 파형이다.
도 3A는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 공정 개발(예를 들면, 레이저 용접 특성의 속성을 기반으로 양호 및 불량 용접을 규정하기 위한) 및 공정 제어(예를 들면, 품질 제어를 위해 양호 또는 불량 중 하나로 용접을 분류하는)를 도시하는 순서도이다.
도 3B는 본 발명의 실시예에 있어서, 펄스 레이저의 초점 높이를 조절하는 절차를 도시하는 순서도이다.
도 4는 초점 위치에 따른 각기 다른 다양한 레이저 특성을 위해 실현될 수도 있는 파형들을 도시한다.
도 5A - 5C는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 반사 프로파일을 기반으로 용접 품질을 규정하기 위한 속성(또는 변수)을 획득하기 위한 절차를 도시한다.
도 6A - 6C는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 온도 (IR) 프로파일을 기반으로 용접 품질을 규정하기 위한 속성(또는 변수)을 획득하기 위한 절차를 도시한 다.
도 7A - 7D는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 음향 프로파일을 기반으로 용접 품질을 규정하기 위한 속성(또는 변수)을 획득하기 위한 절차를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 초점 위치에 관한 각기 다른 속성들에 대한 그래프를 도시한다.
도 9A - 9D는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 용접을 위한 에너지 레벨을 도시하며, 두개의 용접 표면에서 수행되는 테스트를 위한 개념을 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 용접 중에 사용되는 각기 다른 알고리즘을 사용하여 생성되는 속성(또는 변수)의 그래프를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 온도 (IR) 적분과 용접 경계 구역 사이의 관계를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 온도 (IR) 적분과 용접 강도 사이의 관계를 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 음향 적분과 용접 경계 구역 사이의 관계를 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 온도 (IR) 적분과 용접 강도 사이의 관계를 도시한다.
도 15는 본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 용접 특성을 획득하기 위한 레이저 용접 모니터링 시스템의 블록도이다.
도 16A는 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 용접 특성을 획득하기 위한 레이저 용접 모니터링 시스템의 블록도이다.
도 16B는 도 16A의 레이저 용접 모니터링 시스템에 적용될 수도 있는 2-칼라 검출기의 단면도이다.
도 16C는 도 16B의 2-칼라 검출기를 마무리하는 검출기에 대해 응답하는 검출기를 도시한다.
도 17은 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 용접 특성을 획득하기 위한 레이저 용접 모니터링 시스템의 블록도이다.
도 18은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 내부 센서를 갖는 레이저 용접 모니터링 시스템의 블록도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
102, 118 : 포토다이오드 124 : 마이크로폰 126 : 예비 증폭기
128 : 디지타이저 130 : 데이터 수집 및 처리 장치
132 : CCTV 카메라 134 : 비디오 렌즈
본 발명은 레이저 용접에 관한 것으로서, 특히, 펄스 레이저 용접 중에 용접 품질을 모니터링하는 방법 빛 장치에 관한 것이다. 본 발명은 용접의 공정 개발 및 공정 제어 모두에 사용될 수 있다.
레이저들은 최소의 열 입력을 필요로 하는 비-접촉 에너지원으로서 용접을 위해 사용되는 경우가 많다. 특히, 작은 반점 크기에 수반하는 최대출력을 보여주는 저-전력 펄스 Nd-Yag 레이저들은 용접 풀(weld pool) 인접부의 온도를 급격히 상승시키지 않고도 재료를 그들의 용융점 이상으로 가열할 수 있다. 펄스 형성 및 레이저 동력 피드백과 같은 진보된 특징들은 레이저 출력의 증가된 제어를 제공함으로써 고체-상태 레이저를 더욱 향상시켜왔다. 그러나, 이러한 진보된 특징들에도 불구하고, 레이저-재료 상호작용의 예측은 적중하지 못했으며; 따라서, 신뢰성 있고 사용하기 쉬운 레이저 용접 모니터링 시스템을 개발하는 것은 어려운 일이었다.
통상의 모니터링 기술은 적외선(IR), 자외선(UV), 고속 카메라, 음성 및 변환 음향과 같은 센서들을 사용한다. 그러나, 레이저-재료 상호작용의 예측에 대한 중요한 본성으로 인해, 양호 및 불량 용접을 구별하기 위한 모니터된 용접 특성을 분석하는 것이 때로는 어려운 일이다. 게다가, 복잡한 패턴 가공 및/또는 진보된 수학적 기술은 취해진 프로파일을 분석하도록 자주 사용되는 바, 이는 분석 및 처리 공정을 더욱 복잡하게 한다. 통상의 모니터링 기술 및 분석 관련 어려움들로 인해, 사용자들은 종종 모니터링 절차를 이해하지 못하며, 그 대신, 전적으로 시스템 개발자에게 의존하여 그들의 공정 개발 및/또는 공정 제어 필요에 합치하는 시스템을 생산할 것을 요구한다.
따라서, 본 발명은 용접 특성을 획득하고, 단순한 수학적 알고리즘을 활용하여 획득된 용접 특성을 분석하고, 이해하기 쉬우며 각각의 사용자의 공정 개발 및 공정 제어 필요에 합치하도록 맞춤형으로 될 수 있는 양호 및 불량 용접을 구별하기 위한 분석을 적용하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서, 펄스 레이저를 사용한 용접의 용접 품질을 평가할 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 상기 펄스 레이저를 사용한 용접의 용접 특성을 획득할 수 있으며, 상기 용접 특성은 복수의 속성을 갖는 하나 이상의 센서와; 상기 용접 특성을 저장 및 분석하도록 적용되는 데이터 수집 및 처리 장치를 포함하며, 사용자는 각각의 용접에 대해 하나 이상의 용접 특성을 획득하도록 복수의 용접을 수행하고, 각각의 용접의 용접 품질을 결정하고, 각각의 용접에 대한 상기 하나 이상의 용접 특성에 관한 속성들과 관련된 일련의 알고리즘 중 하나 이상을 구동하여 상기 관련 속성에 대한 단일 값 출력을 생성하며, 상기 하나 이상의 알고리즘의 단일 값 출력을 상기 용접의 용접 특성과 관련시킴으로써 용접 특성의 속성 표시를 선택한다.
본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 펄스 레이저 용접 품질을 모니터링하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 복수의 테스트 용접을 수행하는 단계와; 각각의 테스트 용접에 대해 하나 이상의 용접 특성을 획득하되, 상기 하나 이상의 용접 특성은 복수의 속성을 갖는 획득 단계와; 각각의 테스트 용접의 용접 특성을 결정하는 단계와; 각각의 용접에 대한 상기 하나 이상의 용접 특성에 관한 속성들과 관련된 일련의 알고리즘 중 하나 이상을 구동하여 상기 관련 속성에 대한 단일 값 출력을 생성하는 단계와; 상기 하나 이상의 알고리즘의 단일 값 출력을 상기 테스트 용 접의 용접 특성과 관련시킴으로써 용접 특성의 속성 표시를 선택하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 펄스 레이저의 초점 높이를 조절하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 각각의 테스트 용접이 소정의 초기 초점 높이를 중심으로 각기 다른 초점 높이에서 수행되는 복수의 테스트 용접을 수행하는 단계와; 각각의 테스트 용접의 온도 특성을 획득하는 단계와; 정확한 초점 높이로서 온도 특성 내에서 최대 상향 기울기를 유도하는 초점 높이를 결정하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 여러 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 레이저 용접 특성을 획득(또는 측정) 및 분석하기 위한 용접 모니터링 시스템(100)의 블록도이다. 상기 용접 모니터링 시스템(100)은 공정 개발 및 공정 제어중 하나 또는 둘 다를 위해 사용될 수도 있다. 이러한 실시예에 있어서, 세 가지 신호, 즉, 반사된 레이저 방사, 적외선 방사 및 음향 공기는 대응하는 숫자의 센서에 의해 획득된다.
또한, 폐쇄회로 텔레비전 (CCTV) 카메라는 용접 전후에 용접 부분의 이미지를 획득하도록 사용된다. 용접 전의 이미지의 분석(예를 들면, 프레임 그래버 타입 소프트웨어)은 부분 확인 및 위치설정의 승인을 허용할 수 있다. 예를 들면, 획득된 이미지는 레이저 빔을 용접 위치에 정렬시키도록 사용될 수도 있다. 용접 후 이미지는 용접 위치 및 반점 크기의 확인을 허용할 수도 있다. 이미지들로부터 얻어진 이러한 정보는, 양적으로든, 질적으로든, 용접 품질을 결정하기 위한 알고리즘 및/또는 테스트 데이터의 단일 값 출력과 연관되어 사용될 수도 있다.
반사된 레이저 방사("반사" 또는 "반사된 신호")는 용접 품질의 표시기로서 사용될 수도 있는 바, 이는 금속이 높은 초기 반사성을 갖지만 용융 온도를 급속히 낮추기 때문이다. 게다가, 용융 풀(melt pool) 형상은 방향성으로 인해 반사 신호를 변화시킨다. 예를 들면, 용접 표면의 오목 형상은 증가된 흡수성을 유도할 수 있으며, 신호에 있어서의 감소를 유도할 수도 있다. 더욱이, 평평한 형상은 직접 반사를 유도하여 강력한 신호를 유발할 수도 있다. 게다가, 오목 형상은 센서로부터 떨어진 반사를 유도하여 신호의 강도를 낮추게 된다.
용접 풀 열기로 인한 적외선 (IR) 방사("온도 신호", "IR 신호" 또는 "적외선 신호")는 표면 온도에 따라 다르다. 상기 IR 신호는 용접 풀 온도의 표시이지만 용접 풀의 정확한 온도의 측정은 아니다. 상기 IR 신호는 가열 수준 및 비율과 표면으로부터 열을 전도하는 재료의 성능을 나타낼 수도 있다. 게다가, IR 신호는 용접 표면 구역 크기와 용융 풀 유동에 따라 다르다. 덩어리가 성장함에 따라, 보다 많은 표면 구역이 IR 방사를 방출하도록 사용 가능하다. 상기 IR 신호는 또한 저-방출율 재료가 고-반사율을 갖는 경우 기반 물질의 방출성에 의존한다. 방출 값은 온도에 따라 변화할 수도 있다.
음향 공기("음향", "음향 신호" 또는 "공중 음향 파")는 용융 풀(통상적으로 매우 뜨거움)과 주변 공기(통상 상대적으로 차가움)의 상호 작용에 의해 유발된다. 음색은 압력 변화에 의해 생성된다. 이상기체방정식 PV=nRT는 여기서 적용될 수 있는 바, P=압력, V=체적, n=몰 수, R=상수(예를 들면, 0.0821). T=켈빈 온도이다. 미분하면, (dP/dt)V=nR(dT/dt)이다. 따라서, 시간에 대한 온도변화가 작다면, 압력 변화 및 그에 따른 음향 신호는 작다. 그러나, 시간에 대한 온도변화가 크다면, 압력 변화 및 그에 따른 음향 신호는 크다.
포토다이오드(118)는 표면으로부터 반사 신호(예를 들면, 1064nm (nano-meter))를 측정하도록 사용된다. 포토다이오드(118)는 예를 들면 800nm에서 최고 응답치를 갖는 Si(실리콘) 포토다이오드일 수도 있다. 더욱이, 포토다이오드(102)는 IR 신호를 측정하도록 사용된다. 상기 포토다이오드(102)는 예를 들면 1550nm에서 최고 응답치를 갖는 InGaAs (indium gallium arsenide)일 수도 있다. 게다가, 마이크로폰(124)은 음향 신호를 측정하도록 사용된다. 상기 마이크로폰(124)은 예를 들면 20-20kHz 플랫 응답 마이크로폰일 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 다른 센서 또는 검출기(예를 들면, 모니터 센서, 플라즈마 센서, 기계 영상 센서 등)가 포토다이오드(102, 118) 및/또는 마이크로폰(124)을 대체하거나 그것에 부가되어 레이저 용접 특성을 측정하도록 사용될 수도 있다.
도 1의 레이저 용접 모니터링 시스템(100)에 있어서, 포토다이오드(102, 118) 및 마이크로폰(124)으로부터의 무결점, 저소음 신호는 각기 다른 레이저 용접 특성의 분석을 위해 디지타이저(128, 디지털 오실로스코프와 같은 오실로스코프일 수도 있는)로 제공된다. 데이터 수집 및 처리장치(130, 컴퓨터 또는 자동 데이터 처리 장치가 데이터 처리 장치로서 참조될 수도 있다)는 디지타이저(128)에 연결되 어 측정된 용접 특성을 처리(예를 들면, 아날로그에서 디지털로의 변환을 수행)한다.
상기 데이터 수집 및 처리 장치(130)는 시스템 온 칩(SOC)을 포함할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 디지타이저(128) 및 데이터 수집 및 처리 장치(130)는 단일 모니터링 장치로서 일체화 될 수도 있으며, 데이터 수집 및 처리 장치로서 함께 불려질 수도 있다. 예를 들면, 디지타이저(128)는 다른 실시예에서 데이터 수집 및 처리 장치 내에서 구동되는 DSP(디지털 신호 처리) 및/또는 DAQ(데이터 수집) 보드일 수도 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 측정된 용접 특성의 분석은 데이터 수집 및 처리 장치를 적게 또는 거의 사용하지 않고 수작업으로 수행될 수도 있다.
레이저 신호는 광섬유 케이블(122), 예를 들면, 600SI(600μm, step index) 광섬유와 같은 모든 다중 모드 광섬유일 수도 있다. 상기 레이저가 반드시 용접 모니터링 시스템(110)의 일부분이 될 필요는 없지만, 어떤 적절한 펄스 레이저라도 사용될 수 있다. 가령, 레이저 신호는 예를 들면, 1064nm로 (예를 들면, 500W(와트)이하의 전력을 갖는)레이저 빔을 생성할 수도 있는 펄스 Nd:YAG 레이저에 의해 제공될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 예를 들면, 피드백 레이저, 비-피드백 레이저, CO2 레이저 또는 그린 레이저와 같은 다른 적절한 어떤 레이저라도 대신 사용될 수 있다. 광섬유 케이블(122)의 출력에서, 레이저 신호는 시준기(120)를 통과하는 바, 상기 시준기(120)는 예를 들면, 캘리포니아 먼로비아 소재의 Unitek-Miyachi Corporation으로부터 구매할 수 있는 100H COL(100 고밀도 시준기)와 같은 적절한 시준기를 사용할 수 있다.
상기 레이저 신호는 그 후 이색성 거울(110)에 적용될 수도 있는 바, 상기 이색성 거울(110)은 예를 들면, 1064nm에서 99.5%, 633nm에서 10%를 반사시킬 수 있다. 이와 같이, 대부분의 1064nm 레이저 빔은 용접 표면에 반사 및 적용된다. 반사된 레이저 신호는 초점 렌즈(112)에 의해 초점이 맞춰지는 바, 상기 초점 렌즈(112)는 예를 들면, 100H FOC (100 고밀도 초점 렌즈)와 같은 적절한 렌즈를 사용할 수 있다.
레이저 신호의 일부는 용접 표면으로부터 다시 반사된다. (예를 들면, 반사된 신호를 포함하는)광학 신호는 초점 렌즈(112)와 이색성 거울(110)을 통과하여 차가운 거울(109)에 적용된다. 차가운 거울(109)은 예를 들면, 450-750nm에서 90%를 반사시킬 수 있으며, IR(적외선)에서는 단지 10%만 반사시킬 수 있다. 차가운 거울(109)에 의해 반사되는 광학 신호의 일부는 비디오 렌즈(134)를 통해 CCTV 카메라(132)로 제공된다. 전술된 실시예에 있어서, 상기 CCTV 카메라(132)는 그가 용접 덩어리 이미지 및/또는 용접 위치와 일렬로 위치하도록 용접 공정과 동축 관계를 갖는다. 게다가, CCTV 카메라(134)의 작동 또는 이미지 거리는 적절하게 길어지지 않는다. 그러나, 차가운 거울(109)은 IR 방사의 일부를 반사 및/또는 흡수할 수도 있으며, 상기 IR 방사는 보다 긴 거리를 이동함으로써, 감소된 신호를 유도할 수도 있다.
상기 CCTV 카메라(134)의 출력은 분석을 위해 디지타이저(128)로 또한 제공될 수도 있다. 상기 디지타이저는 이미지 획득을 위해 주문형으로 맞춰질 수 있으 며, 프레임 그래버(grabber)를 포함할 수도 있다. 차가운 거울(109)을 통과하는 상기 반사된 신호는 이색성 거울(108, 예를 들면, 1064nm에서 100%, 663nm에서 10%)로부터 반사되어, 간섭 필터(114, 예를 들면, 1064+/-10nm 간섭 필터)로 1064nm에서 필터링 되며, 렌즈(116, 예를 들면, 75 평판-볼록 렌즈일 수도 있음)에 의해 포토다이오드(118)위로 초점이 맞춰진다.
포토다이오드(118)는 예를 들면, 1064nm에서 양호한 민감도를 가짐으로서 신속한 응답성을 가질 수도 있다. 포토다이오드(118)의 출력은 파형 검토 및/또는 분석을 위해 디지타이저(128)에 적용된다. 다른 실시예에 있어서, 디지타이저(128)는 사용되지 않을 수도 있으며, 대신에, 포토다이오드 출력이 데이터 수집 및 처리 장치(130)에 직접 제공될 수도 있는 바, 이는 디지타이저의 기능을 가질 수도 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 저-투과 필터, 예를 들면, 3-극 15kHz(키로 헤르츠) 저-투과 필터는 용접 레이저 및 스테퍼 모터(예를 들면, 초점 렌즈(112)를 이동시켜 용접 렌즈를 초점 내외로 이동시키도록 사용될 수도 있는)에 기인하는 전기적 소음을 제거하도록 사용될 수도 있다.
용접 표면으로부터의 IR 신호는 초점 렌즈(112), 이색성 거울 및 차가운 거울(109)을 통과하여, 세 개의 긴 투과 필터(106, 예를 들면 1400nm 이상에서)에 의해 필터링 되며, 렌즈(104, 예를 들면, 25 평판-볼록 렌즈일 수도 있는)에 의해 포토다이오드(102)상에 초점이 맞춰진다. 세 개의 긴 투과 필터는 이와 같은 경우에 사용되지만 그 숫자는 적용에 따라 감소될 수도 있고 증가될 수도 있다. 스테판-볼츠만 법칙에 따라, 대부분 금속의 용융점은 1400-1700nm 영역에서 양호한 응답성 을 보여준다. 따라서, 포토다이오드(102)는 예를 들면, 1400-1700nm 영역에서 강력한 민감도를 가질 수도 있다. 상기 25 평판-볼록 렌즈는 예를 들면, 10의 인자에 의해 신호 강도를 향상시킬 수도 있다. 긴 투과 필터(106, 예를 들면, 스톱 밴드에서 OD 3(10-3의 투과율에 대한 광학 밀도)을 각각 구비하는)는 1064nm 신호 누출을 감소 또는 제거하도록 사용될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 세 개 이상 또는 이하의 긴 투과 필터가 사용될 수도 있다.
포토다이오드(102)의 출력은 또한 처리 및 분석을 위해 디지타이저(128)로 제공된다. 상기 디지타이저(128)가 오실로스코프인 경우, 이는 파형 검토를 위해 사용될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 3-극 15kHz 저-투과 필터는 포토다이오드(118)로부터의 출력의 경우와 마찬가지로 포토다이오드(102)와 디지타이저(128)사이에 위치될 수도 있다.
마이크로폰(124)은 용접부에 인접한 공기의 급속한 팽창으로 인해 야기되는 음향 신호를 감지하도록 사용된다. 예비-증폭기(126)는 디지타이저(128)로 제공되기 전에 적절한 값까지 신호를 높여준다. 다른 실시예에 있어서, 마이크로폰(124)과 예비-증폭기(126)는 단일 일체형 장치일 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 저-투과 필터, 예를 들면, 3-극 15kHz 저-투과 필터는 예비 증폭기(126)와 디지타이저(128) 사이에서 사용될 수도 있다. 상기 저-투과 필터는, 예를 들면, 레이저 동력 공급 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)로 인해 존재할 수도 있는 20kHz 신호를 감소 또는 제거할 수도 있다. 상기 20kHz 신호는 예를 들면 LW 52(Unitek-Miyachi 레이저 용접기)와 같은 비-피드백 레이저 또는 다른 비-동력 피드백 레이 저 용접기에서는 존재하지 않을 수도 있다.
용접 표면은 예를 들면, 스테인리스 스틸(예를 들면, 304SS)로부터 형성될 수도 있는 바, 이는 Nd:YAG 방사가 304SS와 잘 결합하며, 상기 재료가 잘 용접될 수 있기 때문이다. 304SS의 사용은 재료의 왜곡 없이 기하학적 구조로부터 단순하게 해석될 결과를 허용할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 용접 표면은 구리, 알루미늄, 또는 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다른 적절한 금속 또는 합금일 수도 있다.
포토다이오드(102, 118)와 마이크로폰(124)의 출력은 용접 중 및/또는 후에 디지타이저(128, 오실로스코프인 경우)상에 먼저 디스플레이 될 수도 있다. 상기 디지타이저(128)는 하나 또는 그 이상의 데이터 수집 보드(DAQ), 디지털 신호 처리(DSP)보드 및/또는 주문형 전자 부품을 포함할 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 센서 출력의 표시는 적절한 장치, 예를 들면, LED(발광 다이오드)조명과 같은 것에 의해 제공될 수도 있다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서, 알고리즘은 거친 모니터 신호를 해석 및 결정의 목적으로 분석하도록 개발되어 왔다. 상기 알고리즘은 도 2에 도시된 바와 같이 적분 및 최대 값과 같은 상대적으로 단순한 수학적 기법으로 수식화 될 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예에 있어서 측정 및/또는 사용될 수도 있는 각기 다른 속성(또는 변수)을 도시하는 파형(152, 예를 들면, 하나의 검출기에 의해 획득되는 용접 특성의 프로파일)의 그래프(150)이다. 파형 데이터가 데이터 수집 및 처리 장치/컴퓨터로 전송된 후, 최대 값, 최소 값, 기울기, 적분 등과 같은 단순한 수학적, 대수적 및/또는 연산 작업을 포함하는 알고리즘은 불량 용접으로부터 양호한 용접을 구별하는데 유용할 수도 있는 속성(변수 또는 특성)을 위한 단일 값 출력을 얻도록 사용될 수도 있다. 상기 알고리즘은 비교를 용이하게 하도록 정상화될 수도 있다.
예를 들면, 파형(152)은 최대 값(154), 하향 기울기(156), 상향 기울기(158), 파형 아래 부분의 적분(160)의 특성을 갖는다. 실시예에 있어서, 상기 알고리즘은 마이크로소프트 엑셀 방정식 및/또는 비주얼 베이직 프로그램을 사용하여 수행될 수도 있다. 마이크로소프트와 비주얼 베이직은 워싱턴 레드몬드 소재의 마이크로소프트사와 델라웨어사의 등록상표이다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서, 결정 과정은 속성에 대한 단일 값을 갖는 알고리즘 결과에 의해 향상된다. 결정을 위한 단일 값 사용은 얻어진 파형에 대한 진보된 수학적 기법을 매칭 및/또는 적용하는 패턴보다 통상적으로 수행하기가 더 용이하다. 따라서, 속성에 대한 단일 데이터 값은 용접 성능의 양적 측정으로서 사용될 수도 있다. 양적 결과는 "양호" 또는 "불량" 판단에 대한 소정의 값에 대해 용이하게 비교될 수 있다. 게다가, 접합부 품질 측정, 그 자체 단일 값은, 접합부 품질의 측정을 제공하기 위한 알고리즘 결과와 상호 관련될 수도 있다.
도 3A는 본 발명에 따른 실시예에 있어서의 셋업(즉, 공정 개발)과 용접 모니터링(즉, 공정 제어)을 수행하는 프로세스를 도시한다. 단계(200-208)들은 용접 모니터를 초기 셋업하도록 사용되는 공정 개발로서 통상 용접 공정의 시점에서 구 동된다. 한편, 단계(210 및 212)들은 진행하는 용접 공정에 대한 공정 제어를 제공하도록 반복 구동될 수도 있는 공정 제어 단계들이다.
단계(200)에 있어서, 용접(예를 들면, 테스트 용접)이 수행되고 용접 특성은 획득된다(즉, 용접 특성의 프로파일(예를 들면, 반사율, IR 및/또는 음향 신호)은 각기 다른 레이저 에너지 레벨 등에 대한 초과시간을 취하게 된다.).
단계(202)에 있어서, 단일 데이터 값은 속성과 관련되는 일련의 알고리즘들로부터 선택되는 알고리즘(들)을 구동함으로써 각각의 용접 특성에 대한 하나 또는 그 이상의 속성(또는 변수)에 대해 결정된다. 예를 들면, 각각의 용접 특성(반사율, 음향, IR, 등)에 대해, 속성에 대한 단일 값은 수학적 알고리즘(최대 값, 최소 값, 기울기, 적분 기타 대수/연산 기능 등)을 통해 결정되며, 상기 단일 값은 좌표화된다. 상기 속성들은 기간, 예를 들면, 레이저 펄스의 시점에서 시작 기간에 대해 규정될 수도 있다. 모든 속성들은 비교의 목적으로 동일한 그래프 상에 표현된다. 예를 들면, 도 8은 초점 위치에 대해 각기 다른 속성의 그래프를 도시한다. 초점 위치가 초점 내외로 변화함에 따라 변화하는 속성에 대한 값들이 도 8로부터 보여질 수 있다.
단계(204)에 있어서, 용접 품질은 각각의 용접에 대해 결정된다. 일부의 용접은 "양호"로 결정될 수 있는 반면 다른 것은 "불량"으로 결정될 수도 있다. 용접 품질은 물리적 실험 및/또는 육안 검사를 통해 평가될 수도 있다. 물리적 실험은 용접 강도, 용접 경계 구역, 용접 단면 등의 실험을 포함하며, 파괴검사를 통해 확인될 수도 있다. 예를 들면, 실시예에 있어서, a) 최고부터 --> b) 양호 --> c) 보통 --> d) 불량 --> e) 최악까지 다섯 가지 그룹의 용접으로 결정될 수 있다. 상기 그룹들은 각기 다른 레이저 셋팅(예를 들면, 에너지 레벨)을 통해 결정될 수도 있으며, 각각의 그룹은 복수의 용접부(예를 들면, 5)를 포함할 수도 있다.
단계(206)에 있어서, 알고리즘(들)의 단일 값 출력(예를 들면, 단계(202)로부터))은 용접 품질과 상호 연관되어 용접 품질의 속성 표시를 선택한다. 선택된 속성의 성질은 양호 용접으로부터 불량 용접까지 구별하도록 그를 신뢰하기 위해 일정(예를 들면, 최적의 경우에 대해 증가 또는 감소하는 기능)하여야 한다. 예를 들면, 도 8에 있어서, 예를 들면, 온도 (IR) 상향 기울기, 음향 적분, 음향 상향 기울기 등과 같은 복수의 속성은 초점이 0.000 cm(정확한 초점)의 초점 변수 값만큼 떨어져 이동함에 따라 높은 민감도를 보여준다.
단계(208)에 있어서, 양호 및 불량 용접은 품질 제어 목적으로 선택된 속성과 관련되는 알고리즘의 단일 값 출력에 대해 규정된다. 도 11을 참조하여 예를 들면, 0.0852 또는 그 이상의 용접 경계 구역을 구비하는 모든 용접은 양호한 것으로 보이는 반면, 0.085㎟이하의 용접 경계 구역은 불량으로 보인다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 0.085㎟의 용접 경계 구역은 대략 0.007의 온도 (IR) 곡선 아래의 구역과 대략 대응한다.
단계(210)에 있어서, 용접이 수행되고, 상기 선택된 속성과 관련된 알고리즘이 대응 단일 값 출력을 얻도록 구동된다. 그 후, 용접은 단계(212)에서 알고리즘의 단일 값 출력을 기반으로 양호 또는 불량 용접으로서 분류된다. 예를 들면, 단계(210)에서의 용접에 있어서, 거의 0.007 또는 그 이상의 온도 (IR) 곡선(0.085㎟ 의 용접 경계 구역에 대응하는)을 구비하는 용접은 양호 용접으로 보여 진다.
도 3B는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 펄스 레이저의 초점 높이를 조절하는 공정을 도시하는 순서도이다. 단계(214)에 있어서, 복수의 용접(테스트 용접)이 수행되고, 하나 이상의 온도 특성이 각각의 용접에서 획득된다. 이들 용접은 소정의 초기 초점 높이에 대해 각기 다른 초점 높이에서 수행된다. 초기 초점 높이는 시스템 개발자 또는 사용자에 의해 선택될 수도 있으며, 대략 레이저의 초점이 맞춰지는 초점 높이가 되어야 한다.
따라서, 예를 들면, 테스트 용접은 대략 초점이 맞은 초점 높이에서 먼저 수행되며, 각각의 초점 높이에서 온도 특성을 획득하는 동안, 초점 높이는 초기에 대략 초점이 맞은 초점 높이를 중심으로 상하 조절될 수도 있다.
단계(216)에 있어서, 온도 특성의 최대 상향 기울기(즉, 최대 상향 기울기의 단일 값 출력 또는 온도 변화의 최고 비율)를 초래하는 초점 높이는 올바른(초점이 맞는) 초점 높이로서 결정된다. 이는 원하는 속성(예를 들면, 온도 특성의 최대 상향 기울기)이 초점이 정확한 초점 높이의 속성 표시로서 이미 결정되어 있다는 점에서 도 3A에 도시된 프로세스의 특수한 경우로서 고려될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 초점이 정확한 초점 높이의 속성 표시는 또한 하나 또는 그 이상의 알고리즘을 용접부 상에서 구동함으로써 선택될 수도 있으며, 각각의 용접에 대한 용접 품질을 결정하고, 그 후, 알고리즘의 단일 값 출력을 용접 품질과 상호 관련시킨다.
도 4는 초점 위치, 즉, +0.254cm, +0.127cm, 0.000cm, -0.127cm 및 -0.254cm 의 초점 위치를 기반으로 하는 각기 다른 프로파일들을 보여주는 오실로스코프 출력(220)을 도시한다. 상기 프로파일(222)은 위에 언급한 +0.254cm의 초점 거리에 대한 반사율, IR 및 음향 프로파일을 도시한다. 추가로, 상기 프로파일(224)은 위에 언급한 +0.127cm의 초점 거리에 대한 반사율, IR 및 음향 프로파일을 도시한다. 또한, 상기 프로파일(226)은 초점이 맞는 경우(즉, 0.000cm의 거리)에 대한 반사율, IR 및 음향 프로파일을 도시한다. 상기 프로파일(228, 230)은 이하의 초점 거리 -0.127cm 및 -0.254cm의 초점 거리에 대한 프로파일들을 각각 도시한다.
이러한 프로파일들을 취하는 경우, 작업 거리는 초점 위치 가변 용접 중에 변화될 수도 있으며, 알고리즘 결과는 상기 변화에 대해 강한 민감도를 보여줄 수도 있다. 점 용접은 판위의 비드 형상으로 수행될 수도 있다. 5kW 최대 동력의 LW50A(Unitek-Miyachi 레이저 용접기) 펄스 Nd:YAG 용접기가 상기 프로파일들을 취하도록 사용될 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 다른 동력 피드백 레이저는 모두 상기 프로파일들을 취하도록 사용될 수도 있다.
상기 레이저 펄스(예를 들면, 1kW, 5J)는 초점을 맞추는 동안 직경 0.610㎜ 및 깊이 0.305㎜ 크기의 용접 덩어리를 생성할 수도 있다. z-축 스테퍼 모터가 본 발명에 따른 실시예에 있어서의 초점 높이를 변화시키도록 0.127cm의 증분을 갖도록 사용될 수도 있다.
용접 프로파일과 가공하지 않은 모니터 신호(용접 특성의 프로파일)에서의 동향이 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 용접 프로파일 벽은 초점에서 급경사를 이룰 수도 있지만, 초점 높이가 초점 위치로부터(위 및 아래 초점 으로) 이격되어 이동됨에 따라 점차적으로 얕아지게(전도성 용접 형태) 될 수도 있다. 마찬가지로, 모든 모니터 신호(용접 특성의 프로파일)는 초점 내에서 초점 외로 이동하는 경우 형상을 변화시킬 수도 있다.
온도 (IR) 신호는 초점에서 강력한 상향 기울기로 인해 그 곡선아래에서 최대 면적을 가질 수도 있다. 온도 (IR) 상향 기울기는 작업 거리가 초점으로부터(위와 아래로) 이동함에 따라 감소될 수도 있고 삼각 형상을 생성할 수도 있다. 초점에서, 음향 신호 형상은 초기에, 그리고 펄스 뒤의 최대 음(-)의 강하에서 최대값을 가질 수도 있다. 양(+)의 값과 음(-)의 강하는 초점으로부터(위와 아래로) 이격되어 덜 표시될 수도 있다.
도 5A-5C, 6A-6C 및 7A-7D 는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 초점이 변화함에 따라 각기 다른 용접 특성을 기반으로 용접 품질을 규정하기 위한 속성(또는 변수)에 대한 단일 값 출력을 추출하기 위한 프로세스(수학적 알고리즘)를 도시한다.
도 5A-5C는 본 발명에 따른 실시예에 있어서 반사 프로파일을 기반으로 용접 품질을 규정하기 위한 속성에 대한 단일 값 출력을 추출하기 위한 프로세스(수학적 알고리즘)를 도시한다. 도 5A의 단계(250)에 있어서, 반사 신호의 최대 값은 각각의 프로파일에 대해 결정되며, 가장 큰 최대 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 단계(252)에서 선택된다.
도 5B의 단계(260)에 있어서, 반사 프로파일은 0.4 ms부터 5 ms까지 적분되며, 최대 값은 단계(262)에서 각각의 프로파일에 대해 결정된다. 단계(264)에 있 어서, 가장 작은 최대 값을 구비하는 상기 프로파일은 포커스가 맞은 용접에 대한 프로파일로서 결정된다. 도 5C의 단계(270)에 있어서, 반사 프로파일은 0 ms부터 5 ms까지 적분되며, 최대 값은 단계(272)에서 각각의 프로파일에 대해 결정된다. 단계(274)에 있어서, 가장 작은 최대 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 결정된다.
도 6A-6C는 본 발명에 따른 실시예에 있어서 IR 프로파일을 기반으로 용접 품질을 규정하기 위한 속성에 대한 단일 값 출력을 추출하기 위한 프로세스(수학적 알고리즘)를 도시한다. 도 6A의 단계(300)에 있어서, 반사 신호의 최대 값은 각각의 프로파일에 대해 결정되며, 가장 큰 최대 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 단계(302)에서 선택된다.
도 6B의 단계(310)에 있어서, 기울기는 0.0 ms부터 0.5 ms까지 취해지며, 최대 값은 단계(312)에서 각각의 프로파일에 대해 결정된다. 단계(314)에 있어서, 가장 큰 최대 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 결정된다. 도 6C의 단계(320)에 있어서, IR 프로파일은 0 ms부터 5 ms까지 적분되며, 최대 값은 단계(322)에서 각각의 프로파일에 대해 결정된다. 단계(324)에 있어서, 가장 큰 최대 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 결정된다.
도 7A-7D는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 음향 프로파일을 기반으로 용접 품질을 규정하기 위한 속성에 대한 단일 값 출력을 추출하기 위한 프로세스(수학적 알고리즘)를 도시한다. 도 7A의 단계(350)에 있어서, 음향 신호의 최소 값은 각각의 프로파일에 대해 결정되며, 가장 작은 최소 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 단계(352)에서 선택된다.
도 7B의 단계(360)에 있어서, 상기 프로파일은 0.0 ms부터 0.5 ms 까지 적분되며, 최대 값은 단계(362)에서 각각의 프로파일에 대해 결정된다. 단계(364)에 있어서, 가장 큰 최대 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 결정된다. 도 7C의 단계(370)에 있어서, 음향 프로파일은 5 ms부터 11.5 ms 까지 적분되며, 최대 값은 단계(372)에서 각각의 프로파일에 대해 결정된다. 단계(374)에 있어서, 가장 작은 최소 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 결정된다. 도 7D의 단계(380)에 있어서, 기울기는 0.25 ms부터 0.4 ms까지 취해지며, 최대 값은 단계(382)에서 각각의 프로파일에 대해 결정된다. 단계(384)에 있어서, 가장 큰 최대 값을 구비하는 상기 프로파일은 초점이 맞는 용접에 대한 프로파일로서 결정된다.
초점 위치에 대한 강한 민감도를 보여주는 알고리즘 결과가 도 8에 도시되어 있다. 알고리즘 경향은 낮은, 보통 그리고 높은 민감도로서 분류될 수도 있다. 높은 민감도 알고리즘은 예를 들면, 초점 위치에서 1의 (정상화된) 값과 극도로 초점이 안맞는 낮은 값(<0.3)을 가질 수도 있다. 낮은 민감도 알고리즘(예를 들면, 최대 값이 < 0.8)은 측정 가변성이 용접부터 용접까지 낮은 경우 여전히 특히 유용하다. 정상화된 알고리즘 출력(400)에서 볼 수 있는 바와 같은 실시예에 있어서, IR 및 음향 알고리즘은 초점 위치에 대해 가장 민감하게 될 수도 있다.
도 9A는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 기반 재료(424 및 426)가 용접(422)에 의해 함께 결합되는 경우의 랩 조인트 용접(420)을 도시한다. 예를 들면, 기반 재료(424)는 0.102㎜ 두께의 스테인리스 스틸(예를 들면, 304 타입)일 수도 있으며, 기반 재료(426)는 0.635㎜ 두께의 스테인리스 스틸(예를 들면, 304 타입)일 수도 있다. 상기 레이저는 LW50A 레이저일 수도 있으며, 400SI 광섬유는 용접에 대한 레이저 신호를 운송하도록 사용될 수도 있다. 상기 레이저 신호는 100/100 FX Focus Head(Unitek-Miyachi Fx 시리즈 포커스 헤드) 또는 다른 적절한 포커스 헤드에 의해 초점이 맞아질 수도 있다. 용접은 예를 들면, 4도 경사에서 수행될 수도 있으며, 거의 0.480㎜ 용접이 실현된다.
관통 깊이는 랩 조인트 용접에 대해 변화될 수도 있다. 레이저 용접 모니터 결과는 관통 깊이 변화와 함께 상호 관련될 수도 있다. 레이저 펄스 에너지는 1.4 kW의 고정 최고 동력에서 펄스의 폭을 증가시킴으로써 증가될 수도 있다.
도 9B는 용접의 강도를 측정하기 위한 인장 당김 테스트(430)를 수행하는 것을 도시한다. 인장 당김 테스트는 용접된 기반 재료(424 및 426)가 서로 당겨져서 그들이 파괴되지 않고 버티는 힘이 얼마인지를 측정하는 파괴 테스트이다. 도 9C는 용접을 유효하게 하도록 적용되는 각기 다른 펄스 에너지와 에너지 레벨에 따라 변화할 수도 있는 펄스의 기간을 도시한다. 도 9D는 바닥 기반 재료(426)의 표면상의 용접 경계 구역(436)의 평면도(434)를 도시한다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서, 복수의 알고리즘은 가공되지 않은 모니터 신호(용접 특성의 프로파일)에 대해 개발 및 적용된다. 도 10은 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 각기 다른 용접 관통 깊이에 대한 용접 특성에 대해 적용되는 각 기 다른 알고리즘으로부터 생성되는 속성에 대한 단일 값 출력의 그래프(440)를 도시한다. 어떤 경향은 예측될 수 없으며 어떤 경향은 예측되지만 낮은 민감도를 갖는 반면, 어떤 경향은 예측되며 양호한 민감도를 갖는다는 것을 알 수 있다. 양호한 민감도를 갖는 예측되는 경향은 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 온도 (IR) 적분, 음향 최소 음성(-), 음향 적분 및 음향 상향 기울기이다.
랩 용접은 각각의 셋팅에서 다중 용접으로 반복될 수도 있다. 도 11-14는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 용접 강도와 모니터 신호 사이의 상호 관계의 결과를 도시한다. 음향 적분 및 품질 출력(경계 구역 및 인장 강도) 사이의 선형 접합은 예를 들면, 0.95 보다 큰 R2 값을 유지할 수도 있고, 온도 (IR) 적분 접합은 유사 R2 값에 도달할 수도 있다.
다중 용접은 반복 측정 목적으로 수행될 수도 있다. 데이터 포인트의 산포는 모니터와 조인트 품질 측정 변화 모두의 표시일 수도 있다. 강한 상호관계는 다중 용접에 걸쳐 유지될 수도 있으며, 실시예의 잠재력 또는 산업적 적용에서의 사용을 표시할 수도 있다.
도 11은 용접 경계 구역과 온도 (IR) 적분 사이의 상호관계의 그래프(450)를 도시한다. 데이터 포인트는 곡선 y = -712.31x2 + 19.558x - 0.0718 및 R2 = 0.9643으로 접합된다. 도 12는 용접 강도(파운드)와 온도 (IR) 적분 사이의 상호 관계의 그래프(452)를 도시한다. 데이터 포인트는 곡선 y = -93681x2 + 2641.6x - 2.6676 및 R2 = 0.9434로 접합된다. 도 13은 용접 경계 구역과 음향 적분 사이의 상호 관계의 그래프(470)를 도시한다. 데이터 포인트는 곡선 y = -2.2322x - 0.0167 및 R2 = 0.9598로 접합된다. 도 14는 인장 용접 강도와 온도 (IR) 적분 사이의 상호 관계의 그래프(480)를 도시한다. 데이터 포인트는 곡선 y = -296.72x - 2.5192 및 R2 = 0.972로 접합된다.
도 15는 본 발명에 따른 실시예에 있어서, 레이저 용접 특성을 획득(또는 측정) 및 분석하기 위한 용접 모니터링 시스템(500)의 블록도이다. 본 실시예에 있어서, 반사된 레이저 방사(즉, 반사 신호) 및 적외선 방사(즉, IR 신호)는 각각 포토다이오드(526 및 524)에 의해 획득된다. 게다가, 폐쇄회로 텔레비전(CCTV) 카메라(502)는 용접 전 및/또는 후에 용접부의 이미지를 획득하도록 사용된다. 도 15의 시스템(500) 내의 많은 구성요소는 도 1의 시스템(100) 내의 구성요소와 유사 도는 동일할 수도 있다. 게다가, 포토다이오드 및/또는 CCTV 카메라의 출력은 시스템(100)에서 사용되는 것과 유사한 디지타이저 및/또는 데이터 수집 및 처리 장치에 대해 처리 및 분석하도록 제공될 수도 있다.
포토다이오드(526)는 용접 표면으로부터 반사 신호(예를 들면, 1064nm)를 측정하도록 사용된다. 포토다이오드(526)는 예를 들면, 800nm에서 최고 응답을 갖는 Si(실리콘) 포토다이오드일 수도 있다. 게다가, 포토다이오드(524)는 예를 들면, 1550nm에서 최고 응답을 갖는 InGaAs(indium gallium arsenide) 포토다이오드일 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 포토다이오드(524 및/또는 526)에 대해 대체 또 는 부가되는 다른 센서 또는 검출기(예를 들면, 모니터 센서, 기계 비전 센서 등)는 레이저 용접 특성을 측정하도록 사용될 수도 있다.
레이저 신호는 적절한 모든 광섬유일 수도 있는 광섬유 케이블(522)을 통해 제공될 수도 있다. 레이저 신호는 펄스 1064nm Nd:YAG 레이저에 의해 제공될 수도 있다. 광섬유 케이블(522)의 출력에서, 레이저 신호는 모든 적절한 시준기일 수도 있는 시준기(518)를 통과한다. 그 후, 레이저 신호는 예를 들면, 1064nm에서 99.5% 및 633nm에서 10%를 반사할 수도 있는 이색성 거울(510)에 대해 적용될 수도 있다. 상기 반사된 레이저 신호는 용접 표면상으로 적절한 초점 렌즈(512)에 의해 초점이 맞춰진다.
레이저 신호의 일부분은 용접 표면으로부터 다시 반사된다. 상기 반사된 신호는 초점 렌즈(512)와 이색성 거울(510)을 다시 통과하며, 이색성 거울(508, 예를 들면, 1064nm에서 100% 및 663nm에서 10%)로부터 반사되며, 간섭 필터(516, 예를 들면, 1064+/-10 nm 간섭 필터)로 1064nm에서 필터링하며, 예를 들면, 75㎜(밀리미터) 평판-볼록 렌즈일 수도 있는 렌즈(520)에 의해 포토다이오드(526)상으로 초점이 맞춰진다.
용접 표면으로부터의 IR 신호는 초점 렌즈(512) 및 이색성 거울을 통과하며, 예를 들면, 1400-1700nm에서 100%를 반사할 수도 있는 반도체 레이저 거울(506)에 대해 적용된다. 고온 공정에 있어서, 반도체 레이저 거울(506)은 1200-1300nm 거울로 대체될 수도 있다. IR 신호는 예를 들면, 25㎜ 평판-볼록 렌즈일 수도 있는 렌즈(514)에 의해 포토다이오드(524)상으로 초점이 맞춰진다. 이러한 실시예에 있 어서, 도 1의 긴 투과 필터(106)와 같은 긴 투과 필터는 필요하지 않을 수도 있는 바, 이는 반도체 레이저 거울(506)이 1400-1700nm의 파장 사이에서 포토다이오드(524)로 방사를 반사하기 때문이다.
이색성 거울 또는 반도체 레이저 거울(506)에 의해 반사되지 않는 레이저 용접으로부터의 광신호의 일부는 비디오 렌즈(504)를 통해 CCTV 카메라(502)로 제공된다. 전술된 실시예에 있어서, CCTV 카메라(502)는 용접 공정과 동축 관계를 갖는다. 다시 말하면, 카메라는 용접이 수행될 위치에 대해 정렬된다. 도 1의 레이저 용접 시스템(100)에 대해 비교되는 바와 같이, 카메라의 작업 거리는 증가될 수도 있으며, 관점 및/또는 배율의 비교적 감소된 시야를 초래할 수도 있다.
도 16A는 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 레이저 용접 특성을 획득(또는 측정) 및 분석하기 위한 용접 모니터링 시스템(550)의 블록도이다. 이러한 실시예에 있어서, 반사된 레이저 방사(즉, 반사 신호) 및 적외선 방사(즉, IR 신호)는 두 가지 색 검출기(552)에 의해 획득된다. 게다가, 폐쇄회로 텔레비전(CCTV) 카메라(568)는 용접 전 및/또는 후에 용접부의 이미지를 획득하도록 사용된다. 다른 실시예에 있어서, 두 가지 색 검출기(552)에 대해 대체 또는 부가되는 다른 센서 또는 검출기(예를 들면, 모니터 센서, 기계 비전 센서 등)가 레이저 용접 특성을 측정하도록 사용될 수도 있다.
도 16A의 시스템(550)내의 많은 구성요소는 도 1의 시스템(100)내의 구성요소와 유사 또는 동일할 수도 있다. 게다가, 포토다이오드 및/또는 CCTV 카메라의 출력은 시스템(100)에서 사용되는 것과 유사한 디지타이저 및/또는 데이터 수집 및 처리 장치에 대한 처리 또는 분석을 위해 제공될 수도 있다.
레이저 신호는 적절한 모든 광섬유일 수도 있는 광섬유 케이블(570)을 통해 제공될 수도 있다. 레이저 신호는 1064nm 펄스 Nd:YAG 레이저에 의해 제공될 수도 있다. 광섬유 케이블(570)의 출력에서, 레이저 신호는 적절한 모든 시준기일 수도 있는 시준기(564)를 통과한다. 레이저 신호는 그 후 예를 들면, 1064nm에서 99.5% 및 633nm에서 10%를 반사할 수도 있는 이색성 거울(560)에 대해 적용될 수도 있다. 반사된 레이저 신호는 적절한 초점 렌즈(562)에 의해 용접 표면상에 초점이 맞춰진다.
용접 공정으로부터의 광학 신호는 다른 광학 신호와 마찬가지로 반사 신호 및 IR 신호를 포함한다. 광학 신호는 초점 렌즈(562)와 이색성 거울(560)을 통과하며, 차가운 거울(558)에 대해 적용된다. 차가운 거울(558)은 예를 들면, 450-750nm에서 90%를 반사할 수도 있고, IR(적외선)에서 단지 10% 만을 반사할 수도 있다. 차가운 거울(558)에 의해 반사되는 광학 신호의 일부는 비디오 렌즈(566)를 통해 CCTV 카메라(568)로 제공된다.
차가운 거울(558)을 통과하는 광학 신호의 일부는 예를 들면 25㎜ 평판-볼록 렌즈일 수도 있는 렌즈(554)를 통해 두 가지 색 검출기(552)에 대해 적용된다. 광학 신호 부분은 1.2 - 1.31 μm 반도체 거울 또는 긴 투과 필터( >1μm), 선택적으로 둘 중 하나를 통해 또한 통과될 수도 있다.
도 16B는 도 16A의 두 가지 색 검출기(552)로서 적용될 수도 있는 두 가지 색 검출기(580)의 단면도이다. 두 가지 색 검출기(580)는 상부 검출기(582)와 바 닥 검출기(584)를 포함한다. 도 16B로부터 알 수 있는 바와 같이, 상부 검출기(582)는 바닥 검출기(584)의 것과 동일하거나 그보다 더 큰 활성 구역을 갖는다. 상부 검출기는 예를 들면, 1064nm에서 반사 신호를 검출하기 위한 실리콘 검출기일 수도 있다. 바닥 검출기는 예를 들면, 1200-1700nm에서 IR 신호를 검출하기 위한 InGaAs 검출기일 수도 있다.
도 16C는 도 16B의 두 가지 색 검출기를 마무리하는 검출기에 대한 검출기 응답(592 및 594)을 도시한다. 검출기 응답(592)은 예를 들면, 1000nm 근처의 피크를 갖는 상부 검출기(예를 들면, 실리콘 검출기)를 위한 것이며, 검출기 응답(594)은 예를 들면, 1500nm 근처의 피크를 갖는 바닥 검출기(예를 들면, InGaAs 검출기)를 위한 것이다.
도 1 의 시스템(100)에 비교되는 바와 같이, 시스템(550)은 크기 면에서 보다 소형이며, 적은 수의 구성요소를 포함한다. 게다가, CCTV 카메라(568)의 작업 또는 이미지 거리는 감지할 수 있을 정도로 연장되지 않는다. 그러나, 두 가지 색 검출기가 사용되는 경우, IR 방사는 그가 상부 검출기(즉, Si 검출기)를 통과함에 따라 30% 만큼 감소될 수도 있다. 게다가, 상부 검출기는 1064nm 신호를 모두 흡수하지 못하며, InGaAs 검출기에서 적용되는 신호를 오염시킬 수도 있다.
도 17은 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 레이저 용접 특성을 획득(또는 측정) 및 분석하기 위한 용접 모니터링 시스템(600)의 블록도이다. 이러한 실시예에 있어서, 반사된 레이저 방사 및 적외선 방사는 각각 포토다이오드(602 및 628)에 의해 획득된다. 게다가, 폐쇄회로 텔레비전(CCTV) 카 메라(608)는 용접 전 및/또는 후에 용접부의 이미지를 획득하도록 사용된다. 도 17의 시스템(600)내의 많은 구성요소는 도 1의 시스템(100)내의 구성요소와 유사 또는 동일할 수도 있다. 게다가, 포토다이오드 및/또는 CCTV 카메라의 출력은 시스템(100)에서 사용된 것과 유사한 디지타이저 및/또는 데이터 수집 및 처리장치에 대해 처리 및 분석을 위해 제공될 수도 있다.
포토다이오드(628)는 용접 표면으로부터의 반사 신호(예를 들면, 1064nm)에 사용된다. 포토다이오드(628)는 예를 들면, 800nm에서 최고 응답을 구비하는 Si (실리콘) 포토다이오드일 수도 있다. 게다가, 포토다이오드(602)는 IR 신호를 측정하도록 사용된다. 포토다이오드(602)는 예를 들면, 1550nm에서 최고 응답을 구비하는 InGaAs 포토다이오드일 수도 있다. 다른 실시예에 있어서, 포토다이오드(602 및 628)에 대해 대체 또는 부가되는 다른 센서 또는 검출기(예를 들면, 모니터 센서, 기계 비전 센서 등)가 레이저 용접 특성을 측정하도록 사용될 수도 있다.
레이저 신호는 적절한 모든 광섬유일 수도 있는 광섬유 케이블(626)을 통해 제공될 수도 있다. 레이저 신호는 펄스 1064nm Nd:YAG 레이저에 의해 제공될 수도 있다. 광섬유 케이블(626)의 출력에서, 레이저 신호는 적절한 모든 시준기일 수도 있는 시준기(622)를 통과한다. 레이저 신호는 그 후, 예를 들면, 1064nm에서 99.5% 및 633nm에서 10% 반사시킬 수도 있는 이색성 거울(620)에 대해 적용될 수도 있다. 반사된 레이저 신호는 그 후, 차가운 거울(624)을 통과하며 적절한 초점 렌즈에 의해 용접 표면상에 초점이 맞춰진다. 차가운 거울(624)은 예를 들면, 450-750nm에서 90% 및 IR에서 10% 반사시킬 수도 있다.
용접 표면으로부터의 광학 신호는 초점 렌즈(612)를 통해 차가운 거울(624)에서 먼저 적용된다. 광학 신호의 450-750nm 구성요소는 비디오 렌즈(610)를 통한 CCTV 카메라(608)에 의한 검출을 위해 차가운 거울(624)에 의해 거의 반사된다. 이러한 실시예에 있어서, CCTV 카메라(608)는 용접 공정과 동축 관계를 가지며, 상기 카메라의 작업 또는 이미지 거리는 짧아진다. 차가운 거울(612)은 IR 방사의 일부를 반사 및 흡수할 수도 있다.
반사 신호는 이색성 거울(620)을 다시 통과하며, 이색성 거울(618, 예를 들면, 1064nm에서 100% 및 633nm에서 10%)에서 반사시키며, 간섭 필터(614, 예를 들면, 1064+/-10 nm 간섭 필터)로 1064nm에서 필터링 되며, 예를 들면, 75㎜(밀리미터) 평판-볼록 렌즈일 수도 있는 렌즈(616)에 의해 포토다이오드(628)상에 초점이 맞춰진다.
용접 표면으로부터의 IR 신호는 초점 렌즈(612), 차가운 거울(624) 및 이색성 거울을 통과하여 세 개의 긴 투과 필터(106, 예를 들면, >1400nm에서)에 의해 필터링 되며, 예를 들면, 25㎜(밀리미터) 평판-볼록 렌즈일 수도 있는 렌즈(604)에 의해 포토다이오드(602)상에 초점이 맞춰진다.
본 발명에 따른 실시예에 있어서, 센서(668, 예를 들면, 용접 모니터 센서)는 도 18의 레이저 시스템(650)에서 도시된 바와 같이 레이저에 대해 내부의 것이다. 레이저 시스템은 레이저 출력을 제공하는 레이저 공동(652)을 포함한다. 레이저 출력은 거울(654 및 656)에 의해 반사되고, 그 후, 광섬유 입력 연결기(658)를 통해 다중 모드 광섬유(660)에 연결된다. 레이저 출력은 다중 모드 광섬유(660)의 단부에서 단부 효과기(662)로, 그 후, 용접 표면(664)으로 적용된다. 반사된 레이저 신호는 상기 레이저로 다시 제공되며, 센서(668)에 의해 검출된다. 센서(668)와 같은 내부 센서를 사용하는 것은 용접부 근처에 향상된 공간 배치를 유도할 수도 있다.
본 발명이 특정의 실시예에 대해 설명되었지만, 많은 추가적인 수정과 변형이 가능하다는 것은 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명료한 것이 될 것이다. 따라서, 본 발명은 특별히 설명된 것 이외에도 실행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로서 모든 관점에서 고려되어야 하며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위와 그 등가물에 의해 결정된다.
예를 들면, 다른 실시예에 있어서, 각기 다른 용접이 용접 특성을 평가하도록 사용되어 그로부터의 프로파일을 생성할 수도 있다. 예를 들면, 다른 실시예에 있어서, 경계 갭 변화, 접합 용접 조인트 변화 및/또는 필레 조인트 용접 변화는 용접 특성을 얻도록 수행될 수도 있으며, 용접 품질 제어를 위한 알고리즘을 개발한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 용접 특성을 획득하고, 단순한 수학적 알고리즘을 활용하여 획득된 용접 특성을 분석하고, 이해하기 쉬우며 각각의 유저의 공정 개발 및 공정 제어 필요에 합치하도록 맞춤형으로 될 수 있는 양호 및 불량 용접을 구별하기 위한 분석을 적용하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

Claims (22)

  1. 펄스 레이저를 사용한 용접의 용접 품질을 평가할 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템에 있어서,
    상기 펄스 레이저를 사용한 용접의 용접 특성을 획득할 수 있는 하나 이상의 센서와;
    상기 용접 특성을 저장 및 분석하기 위해 적용되는 데이터 수집 및 처리 장치를 포함하고,
    상기 용접 특성은 복수의 속성을 가지며,
    복수회 수행된 각각의 용접에 대해 하나 이상의 용접 특성을 획득하며, 각각의 용접의 용접 품질을 결정하며, 각각의 용접에 대한 상기 하나 이상의 용접 특성에 대한 상기 속성과 관련되는 일련의 알고리즘 중 하나 이상을 구동시켜 상기 관련 속성에 대한 단일 값 출력을 생성시키며, 상기 하나 이상의 알고리즘의 단일 값 출력과 상기 용접의 용접 품질을 상호 관련시킴으로써 상기 용접 품질의 속성 표시를 선택하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용접이 각기 다른 용접 조건에서 실행되는 경우, 상기 용접 조건이 변화함에 따라, 용접 품질의 변화를 상기 하나 이상의 알고리즘에 대한 단일 값 출력에서의 변화와 상호 연관시키는 레이저 용접 모니터링 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서는 포토다이오드, 마이크로폰, 모니터 센서, 플라즈마 센서 및 기계 비전 센서로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 특성은 반사 신호, IR 신호 및 음향 신호로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 속성은 최대 값, 최소 값, 기울기, 적분, 하나 이상의 대수 기능 및 하나 이상의 연산 기능으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 펄스 레이저는 피드백 레이저, 비-피드백 레이저, Nd:YAG 레이저, CO2 레이저 및 그린 레이저로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 레이 저 용접 모니터링 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 용접부의 이미지를 획득할 수 있는 CCTV 카메라를 더 포함하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 수집 및 처리 장치는 상기 용접 특성을 처리하기 위한 디지타이저를 포함하며, 상기 디지타이저는 오실로스코프, 디지털 오실로스코프, DSP 보드, DAQ 보드 및 주문형 전자제품으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 속성과 관련되는 알고리즘의 라이브러리를 미리 설정되어 있는 것들 중에서 선택하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 펄스 레이저 용접 품질을 모니터링하는 방법에 있어서,
    복수의 테스트 용접을 수행하는 단계와;
    각각의 테스트 용접의 하나 이상의 용접 특성을 획득하며, 상기 하나 이상의 용접 특성은 복수의 속성을 갖는 단계와;
    각각의 테스트 용접의 상기 용접 품질을 결정하는 단계와;
    각각의 용접의 상기 하나 이상의 용접 특성에 대한 속성과 관련되는 일련의 알고리즘 중 하나 이상을 구동하여 상기 관련 속성에 대한 단일 값 출력을 생성하는 단계와;
    상기 하나 이상의 알고리즘의 단일 값 출력을 상기 테스트 용접의 상기 용접 품질과 상호 연관시킴으로써 상기 용접 품질의 속성 표시를 선택하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 복수의 테스트 용접을 사용하는 단계는 각기 다른 용접 조건에서 테스트 용접을 수행하여, 상기 용접 조건이 변화함에 따라, 용접 품질의 변화를 상기 하나 이상의 알고리즘에 대한 상기 단일 값 출력에 있어서의 변화와 상호 연관시키는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 일련의 알고리즘 중 하나 이상을 구동하는 단계는 최대 값, 최소 값, 기울기, 적분, 하나 이상의 대수 기능 및 하나 이상의 연산 기능으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 속성에 대한 상기 단일 값 출 력을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 용접 품질을 결정하는 단계는 용접 강도 테스트를 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 용접 품질을 결정하는 단계는 용접 경계 구역 테스트를 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 선택된 속성과 관련되는 알고리즘의 상기 단일 값 출력을 기반으로 양호 및 불량 용접을 규정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    용접을 수행하는 단계와;
    상기 용접의 상기 용접 특성을 획득하는 단계와;
    상기 용접의 용접 특성에 대한 상기 선택된 속성과 관련되는 상기 알고리즘을 구동하여 상기 단일 값 출력을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 양호 및 불량 용접의 정의와 상기 용접에 대한 상기 단일 값 출력을 비교함으로써 양호 용접 또는 불량 용접 중 하나가 될 용접을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 펄스 레이저의 초점 높이를 조절하는 방법에 있어서,
    복수의 테스트 용접을 수행하며, 각각의 테스트 용접은 소정의 초기 초점 높이를 중심으로 각기 다른 초점 높이에서 수행되는 단계와;
    각각의 테스트 용접의 온도 특성을 획득하는 단계와;
    올바른 초점 높이로서 상기 온도 특성에서 최대 상향 기울기를 초래하는 상기 초점 높이를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
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