[논문]플라즈마/플름 측정에 의한 레이저 용접 공정 감시

플라즈마/플름 측정에 의한 레이저 용접 공정 감시
Monitoring and Measurement of Plasma/Plume in Laser Welding Process 원문보기

박서정 (포항산업과학연구원) , 김숙환 (포항산업과학연구원) , 권영각 (포항산업과학연구원)

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이상과 같이 레이저 용접에 있어 공정감시의 주 대상은 키 홀의 거동과 분석이라고 말 할 수 있다. 본 장에서는 레이저 빔과 재료의 상호작용에서 발생하는 유기 플라즈마/플름을 모니터링하는 수법과 해석 방법에 대해 논의 하기로 한다.

5은 플라즈마/플름의 발광 스펙트럼을 측정하기 위한 장치도이다. 가공점에서 플라즈마/플름이 방출되면 집광 렌즈에 의해 석영 글래스(Glass)의 광 파이버 로 집속을 하고 분광기와 스트리크 카메라(Streak Camera)를 사용하여 분석한다. 이때 스펙트럼 발광강도 1(λ)는 보정이 필요한데 분광기안에 내장된 회절격 자의 회절 효율 Eg ⑴과 스트리크 카메라의 파장감도 특성 Es(λ)을 고려하여야만 한다.
그리고 플라즈마의 전자 밀도 측 정법에는 강도비례법, 프로브 빔 (Probe beam)의 투과 에 의한 방법 등이 있다. 본 장에서는 플라즈마/플름의 발광강도를 광 검출 다이오드 센서로서 측정 하는 방법 과 분광 계측법에 의한 플라즈마의 온도 측정(절대 강도법 =볼쯔만 플롯법)에 관해 논의한다.
이 수단과 방 법은 미야모토 교수에 의해 제안(1992년)%되어졌고, 공간적으로 변화하는 발광의 강도를 측정 할 수 있다는 데 착안 한 것이다. 일정한 거리에 각도 θ의 위치에 수개의 광 검출 다이오드를 설치하고 재료표면에 대한 개개의 광 검출 다이오드의 각도는 0에서 86도의 범위로 하였고, 고속 비디오 카메라에 의해 광 검출 다이오드의 샘플링과 동기 시켜 플라즈마/플름의 촬영도 행하 였다.

(3) 원자, 분자 등의 이온화는 사하(Saha)의식에 따르고, 분자나 라디칼의 해리는 화학 평균적으로 취 급을 한다.
또한 100Hz 정도의 파형 피크는 플름의 분출을 시사하고 있다. 이러한 수단과 방법에 의하여 Fig. 2에 표시된 개념도에서와 같이 ①플름의 평균 발광 강도 PP (측정 광 검출 다이오드의 각도 : 0도), ② 키 홀 핑거부(Key hole finger part) 에서의 발광 강도 Pf (측정 광 검출 다이오드의 각도 : 45도-83도), ③ 키 홀 개구부(Key hole opening)의 발광 강도 R(측 정 광 검출 다이오드의 각도 : 0도-45도) 의 변화를 알 수 있으며 또한 주파수 특성을 분석하여 키 흘 내부의 거동 해석과 용융 깊이의 변화를 추정 할 수 있다.
이상과 같은 방법으로 온도를 측정 할 수 있으나 플 라즈마 분광계측법의 최대 제약으로써는 분광기에 의해 측정된 발광강도가 측정방향의 적분된 평균치라는 것이 다. 실제 유기 플라즈마의 발생상황은 매우 불안정하고 시간적, 공간적으로 변동이 심하기 때문에 이들에 대응 한 플라즈마 분광계측법의 연구가 필요하다.

상기의 플라즈마 플름의 발광 특성을 통하여 키 홀의 변화를 알아보는 공정감시 기술은 비교적 간단하며, 컴 팩트한 시스템 설계에 의해 실제 현장에서의 적용도 가능할 것으로 기대 되어 진다.

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