레이저 출력을 변화시켜 비드온플레이트(Bead-on-plate: BOP)용접하면서 방사하는 발 광신호를 중심으로 실시간에 모니터링 하였다. Fig. 4-1, 4-2는 용접속도를 1m/min로 고 정한 후 레이저 출력을 1200W~2000W로 변화시키면서 BOP 용접했을 때 발생된 플라 즈마 방사신호의 원(Raw)신호를 나타냈다.
Fig. 4-1에서 나타낸 것처럼 UV 초기신호는 레이저빔이 재료의 표면에 조사될 때 재료의 특성에 따라 일부는 흡수되기도 하고 일부는 반사되기도 한다. 재료에 대한 레 이저 빔의 반사율과 흡수율은 레이저 빔의 파장, 가공재료의 표면상태 등에 따라 변한 다. 레이저빔을 금속표면에 조사하면 고체면의 경면반사에 의해 UV의 초기신호가 크 게 나타난 다음 표면의 용융풀이 형성되면서 용융풀의 유체유동의 반사 현상 때문에 난반사가 되면서 반사강도가 감소되었다. 레이저빔의 출력을 증가시키면 금속표면에서 초기의 반사강도가 출력에 비례하여 UV신호가 크게 측정되었다. 이와 같은 현상은 본 연구에서 제작한 모니터링 시스템이 레이저빔의 출력변화에 따라 민감하게 잘 반응하 고 있음을 의미한다.
레이저빔이 금속표면에 조사되어 키홀이 형성되면 에너지가 급속하게 흡수되어 금 속표면이 용융되기도 하고 더욱 출력이 증가하면 기화된다. 레이저빔을 시편에 조사하 면 레이저빔의 중심부 에너지 밀도가 높아 금속증기압이 발생하고, 이 금속증기가 반 발하는 압력으로 용융풀이 시편내부로 이동하면서 키홀이 생성되고, 레이저빔이 움직 임에 따라 키홀이 이동하므로 키홀 후방의 용융금속이 응고하면서 비드가 형성되어 용 접이 이루어진다. 여기서 UV신호는 플라즈마 생성 및 키홀의 거동에서 발생하는 신호 이며, 짧고 불규칙적인 특성을 가진다. 반면 IR 신호는 비교적 일정주기를 가지는 신호 로 재료의 용융 및 응고과정에서 발생하는 특징을 가진다. 그러므로 IR 신호는 용접 표면 구역의 크기와 용융풀 유동에 따라 달라진다.
Fig. 4-3은 1200W와 2000W 출력별 비교하여 나타냈다. 레이저 출력이 클수록 키홀 및 UV 방사신호가 커지고 높은 온도에서 용융풀의 폭은 넓게 형성되면서 IR 신호도 커진다. 레이저 출력이 커지면 재료에 흡수되는 입열량이 증가하며, 플라즈마 방사강도 증가 때문에 상대적으로 DC 전압이 높게 나타냄을 알 수가 있다.
UV 신호는 키홀의 거동에 의존하는 플라즈마 플라즈마에서 방출되고, IR 신호는 용 융풀과 같이 가열된 시편에서 방출된다. 용접 과정 중 용접성을 모니터링하기 위해서 는 외부잡음 발생, 키홀의 비 주기성, 용융풀의 유동 현상에 의한 스패터 발생 등으로 인하여 신호들의 특성을 파악하고 분석하는데 많은 어려움을 해결해야 한다.
Fig. 4-1 UV signal of the measured signals at 1200~2000W of laser power
Fig. 4-2 IR signal of the measured signals at 1200~2000W of laser power
Fig. 4-3 UV and IR signal for laser powers
Fig. 4-4, 4-5 는 Fig. 4-3의 원신호를 분석하기 위해 웨이블릿 필터를 사용해 나타냈 다. Fig. 4-3에 나타낸 용접 신호에는 많은 잡음이 포함되어 있다. 앞서 설명한 것처럼 이 특정대역 신호의 갑작스런 변화성분을 감쇠시키지 않기 때문에 상대적으로 원신호 를 분석하기 위해 웨이블릿 필터를 적용한 결과이다.
Fig. 4-6에서 레이저 빔의 출력 크기에 따라 UV신호와 IR신호가 양호하게 반응하고 있음을 알 수 있다. UV신호는 레이저 출력의 변화에 매우 민감하게 반응하지만 IR신 호는 UV신호에 비해 다소 덜 민감하게 반응한다. 그 이유는 IR 신호는 레이저빔이 시 편에 조사되어 용융되고 있을 때 용융온도에 반응하지만 UV신호는 레이저빔의 출력 변화에 따른 강도변화를 나타내기 때문이다. 레이저빔의 출력이 증가할지라도 재료의 특성에 따라 용융이 시작되면 용융온도는 거의 일정하게 반응하기 때문에 IR신호가 UV 신호에 비해 덜 민감하게 반응하고 있어 신호 검출특성을 잘 나타내고 있다.
Fig. 4-4 UV wavelet signal of processing at 1200~2000W of laser power
Fig. 4-5 IR wavelet signal of processing at 1200~2000W of laser power
Fig. 4-6 UV and IR wavelet signal for laser powers
레이저출력이 1200W인 경우 낮은 입열량에 의해 키홀 크기가 작게 형성되기 때문 에 용융풀이 겹쳐지는 오버랩 되는 것과 비드파형이 균일하지 않는 것은 신호의 진폭 과 짧은 주기를 판단하여 알 수 있었다. 이와 반대로 레이저 출력이 2000W로 증가한 경우에는 시편에 인입되는 에너지가 많기 때문에 키홀 크기가 커져 용융풀의 크기가 커져 높은 전압을 나타낸다.
그러므로 레이저 출력이 낮거나 초점거리가 부적합한 경우에는 용융풀의 온도가 낮 아지고 레이저빔이 깊이방향으로 전달되는 것보다 표면에서 전도되는 양이 많아 온도 분포의 폭은 넓어지는 현상이 나타나며, 레이저 출력이 커지면 온도가 증가함에 따라 방사광의 강도도 증가한다. 용융부는 깊이가 낮아짐에 따라 용융풀의 질량이 작아지기 때문에 용융풀의 탄성계수와 관계를 나타내는 키홀의 변동주기에서 진폭은 크고 주기 가 짧아짐을 알 수가 있었다.
이 결과로 토대로 했을 때 계측된 신호는 용접입열이 충분한 경우 레이저빔의 에너 지가 깊이방향으로 진행되면서 안정적으로 키홀과 용융풀을 형성하고 있음을 알 수 있 다. 반면에 신호의 요동이 증가하는 경우에는 용접 시편의 표면 오염이나, 부분용입에 서 발생되는 용접 조건에서 플라즈마와 키홀의 불안정성에 기인한 급격한 주파수성분 의 신호특성을 나타내고 있다.
그래서 시편에 조사된 레이저 출력에 따라 UV와 IR신호의 해석으로 레이저 용접 중 발생하는 내․외부 결함을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 시편의 특성에 따라 레이저빔과 상호작용이 달라지므로 이 신호를 기준신호로 정하여 결함을 분석하고자
한다.
레이저 용접시 검출된 방사신호의 데이터를 정량적으로 분석하기 위해 식(4.1)을 이 용하여 히스토그램(Histogram)의 특징 벡터 검출 하였다.
(4.1)
여기서, 는 출력 시퀀스 히스토그램이며, n은 시퀀스 x의 원소 개수를 나타낸다.
Fig. 4-7는 레이저 출력 변화에 따른 UV 신호의 히스토그램으로 나타냈다. 레이저 출력에 따른 신호의 강도를 나타내는 횡축(x축)은 지정된 구간에서 발생하는 빈도를 나타내고, 종축(y축)은 전압을 표시하여 강도 빈도수를 나타냈다.
레이저 출력이 1200W일 때 발생된 방사신호의 전압은 최대 1볼트(Volt)이였고, 출력 이 증가함에 따라 1.5~1.6 V의 전압 빈도수가 가장 많이 나타났다. 실험결과를 나타내 는 그림은 레이저 출력은 1200W에서 2000W로 증가 시켰을 때 실험결과 이다.
실험결과를 분석한 완전 용입 조건과 최적 입열량 판단 기준이 1.6V에 근사하기 때 문에 1.6V기준으로 전압의 변위차가 적은 범위를 확보해야 용접 품질을 결정짓는 판단 기준이 된다.
Fig. 4-7 Histogram of UV_signal in laser power;
(a)1200W, (b)1400W, (c)1600W, (d)1800W, (e)1900W, (f)2000W
Fig. 4-8은 레이저 출력에 따른 플라즈마 방사신호를 DC 평균전압변화량으로 분석한 결과를 나타냈다. 기존의 연구에서는 UV신호를 계측․비교함으로서 완전용입과 부분 용입을 판별하였고, 더불어 완전용입시 UV 신호가 감소하였다.
그러나 Fig. 4-6에 나타낸 것처럼 완전용입시 UV신호는 감소되지 않고 증가하는 것 을 볼 수 있다. 그리고 레이저 출력이 증가할수록 IR 영역에서의 발광신호가 점진적으 로 증가하고 있는 것을 볼 수 있다.
이는 IR 발광신호가 용융풀의 온도크기와 관련이 있기 때문에 입열량이 증가할수록 용입폭과 깊이가 커지는 것으로 판단된다. 레이저빔의 출력이 증가하면서 UV신호가 1600W까지는 급격하게 증가한 후 1600W부터는 UV신호 증가비율이 크지 않다.
레이저빔의 출력이 증가하면서 급격하게 플라즈마가 발생하면서 UV신호가 증가하기 때문을 이때부터는 건전한 용접을 위해서는 보호가스로 플라즈마의 차창효과를 감소시 키기 위해 효율적으로 제거해야 함을 의미한다. 반면에서 열선을 나타내는 IR신호는 레이저빔의 출력이 증가할지라도 용융온도는 재료의 특징에 따라 결정되기 때문에 레
이저빔의 출력이 증가할지라도 용융온도가 크게 변화하지 않다가 관통용접이 이루이면 서 근소하게 용융온도가 감소하였다.
이렇게 관찰된 신호를 DC 평균전압 변화량을 이용해 분석했을 때 약 0.4V의 전압차 가 발생할 경우 완전용입이 되었음을 판단하는 기준이 된다.
Fig. 4-8 Average DC voltage of signals in laser welding
Fig. 4-9은 레이저 용접 속도에 따른 주파수성분 변화량을 나타내었다. FFT처리에 의 한 측정신호의 주파수 성분은 용접속도가 증가함에 따라 주파수도 증가한다. 용접속도 가 증가하면 입열량의 감소와 비드폭이 감소함에 따라 키홀의 크기가 작아지고 용융부 의 깊이가 얕아지면서 키홀의 변동주기가 짧아지는 것으로 생각된다.
또한 용접속도가 증가하면 입열량의 감소와 비드폭이 감소함에 따라 키홀 크기가 작 아지면서 키홀이 요동치는 빈도수가 증가하기 때문에 주파수가 증가한 것으로 사료된 다.
1200W 1400W 1600W 1800W 1900W 2000W 70
80 90 100 110 120
Frequency in FFT(Hz)
Laser power(W) Welding speed(1m/min)
Fig. 4-9 FFT analysis for UV signal in laser welding