[논문]CO2 레이저용접시 용접조건에 따른 플라즈마 방사신호의 특성연구

김종도; 이창제

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.11.1256

CO2 레이저용접시 용접조건에 따른 플라즈마 방사신호의 특성연구
A Study on Characteristics of Plasma Emission Signals with Welding Conditions in CO2 Laser 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.11=no.290, 2009년, pp.1256 - 1261

김종도 (한국해양대학교 기관시스템공학부) , 이창제 (한국해양대학교 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Today, implementation of the defect detection in laser welding has been researched for a long time, but most studies have been made around thin plate within $1{\sim}3mm^t$. Therefore, this study was measured and analyzed light emission signals of the induced plasma in $CO_2$ laser lap welding of $6mm^t$ Zn primer-coated steel, and based on this analysis, research made an investigation into possibility of monitoring in thick plate welding. It was been analyzing the measured signals by RMS and FFT processing, as a results, we were able to confirm definite difference of two signals between humping bead and sound bead. Thus, possibility of real time monitoring in $CO_2$ laser lap welding verified experimentally.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

보고되고 있다.(9) 따라서 본 연구에서도 레이저용접 시 측정된 방사신호의 보다 정확한 분석을 위하여 FFT처리를 실하여 각 용접조건별로 신호의 주파수 특성을 분석하고자 하였다. Fig.
Zn-riched primer coated 조선용 구조용강(AH₃₆)의 CO₂ 레이저 겹치기용접시 결함검출을 위한플라즈마 방사광신호의 신호특성을 연구하여 다음과 같은 결론은 얻었다.
특히, Zn코팅 강판의 경우 겹치기 용접 시 겹침부 사이의 Zn에 의한 험핑비드 및 용접 부내 다수의 기공 등이 발현된다는 문제점은 익히 잘 알려진 사실이다. 따라서 본 연구에서도 이러한 현상을 모니터링하기 위하여 기초실험을 실시하였다.

가설 설정

보고되고 있다.(0) 이때 유동적으로 변화하는 키홀내부의 금속증기압이 키홀의 움직임을 결정한다. 더불어 직경의 크기에 따른 키홀의 움직임을 비교하면, 직경이 작은 키홀이 큰 키홀에 비해 상대적으로 중력에 의한 움직임이 작음을 알 수 있다.

제안 방법

15mm의 갭 (G_c)을 주어 갭사이로 Zn 증기가 일부 배출됨으로써 건전한 용접이 될 수 있도록 하였다.(11) 이때 실제 결함이 발생한 비드와 건전한 비드를 평가하였다.
겹치기 용접은 비드용접과 마찬가지로 비코팅 강판 및 Zn코팅 강판으로 나누어 진행하였다. Fig.
따라서 본 연구는 이러한 연구들과 맥을 같이하여 Zn코팅 강판의 CO₂ 레이저 겹치기 용접시 발생하는 플라즈마의 방사신호를 측정한 후, 용접조건과 raw signal 그리고 FFT처리에 의한 주파수 변화를 서로 비교분석하였다. 이를 통해 Zn 코팅 강판의 CO₂ 레이저 겹치기용접시의 실시간 모니터링 기술의 기반자료를 확보하였다.
마지막으로 실제 적용을 위한 모니터링 평가를 실시하였다. 평가를 위해 Zn코팅 강판의 겹치기 용접 시 겹침부 사이에 0.
비드용접시 CO₂ 레이저 용접조건에 따른 플라즈마방사광의 신호측정을 위하여 레이저 출력 6kW에서 용접 속도를 1~3m/min으로 조절하였으며 , 15 I /min의 He 동축 실드가스 분위기에서 실험을 실시하였다.
1에 나타낸 것과 같이 대역폭이 200~1100nm인 Si계열의 포토다이오드를 사용하여 각 조건별로 신호를 수집하였다. 수집한 신호를raw signal 및 RMS신호로 비교분석하였으며, 각 신호들을 FFT처리하여 용접조건에 따른 주파수특성을 파악하고자 하였다.
시험편은 15_{㎛* 오}30_㎛의 primer가 코팅(知)된 강판과 코팅막이 제거된 비코팅강판의 3종류를 사용하였으며 , 레이저용접은 비드용접과 겹치기 용접을 행하였다.
실험은 CO₂ 레이저를 사용하여 최대출력 6kW 에서 용접속도를 변경해 가면서 실시하였으며, 우선비드용접을 통한 기초형상의 가공지배인자를 분석하고 이를 바탕으로 겹치기용접을 행하였다. 이 때 발생하는 유기 플라즈마에서 방사되는 광을 측정하기 위하여 Fig.
이때 결함이 발생한 험핑비드 구간과 건전한 구간을 각각 FFT처리하였다. 그 결과를 Fig.
평가를 위해 Zn코팅 강판의 겹치기 용접 시 겹침부 사이에 0.15mm의 갭 (G_c)을 주어 갭사이로 Zn 증기가 일부 배출됨으로써 건전한 용접이 될 수 있도록 하였다.(11) 이때 실제 결함이 발생한 비드와 건전한 비드를 평가하였다.

대상 데이터

CO₂ 레이저 겹치기용접을 위해 사용된 재료는 Zn-riched primer가 코팅된 조선용 구조용강 AH₃₆ 으로 시편의 두께는 6mmt였으며, 50x150 mm으로 재단하여 실험을 실시하였다.
이를 바탕으로 겹치기용접을 행하였다. 이 때 발생하는 유기 플라즈마에서 방사되는 광을 측정하기 위하여 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 대역폭이 200~1100nm인 Si계열의 포토다이오드를 사용하여 각 조건별로 신호를 수집하였다. 수집한 신호를raw signal 및 RMS신호로 비교분석하였으며, 각 신호들을 FFT처리하여 용접조건에 따른 주파수특성을 파악하고자 하였다.
서로 비교분석하였다. 이를 통해 Zn 코팅 강판의 CO₂ 레이저 겹치기용접시의 실시간 모니터링 기술의 기반자료를 확보하였다.

성능/효과

(1) 비드용접시 관통용접과 비관통용접은 그 현상이 상이하나 방사광신호의 RMS값은 큰 차이를 보이지 않았으며, FFT에 의한 주파수해석 결과에서는 용접속도에 따른 차이가 나타났다.
(2) 겹치기용접시에는 모든 조건에서 RMS와 FFT 결과가 차이를 나타냈으며, 특히 코팅이 된 강판의 용접 시 겹침부까지 용입이 되는 조건에서는 RMS 와 FFT값 모두 신호가 아주 낮은 값을 보였다.
(3) 실제 적용을 위해 겹침부 사이의 Zn증기를 배출하는 갭을 준 상태에서 용접을 실시하여 결함이 발생한 부분의 신호를 비교분석한 결과 건전한 비드와 험핑비드 사이에서 RMS와 FFT에 의한 결함 검출이 가능한 것으로 확인되었다.
급격하게 증발하면서 비드용접에 비해 전체적으로 높은 광강도값을 보였으며, 코팅의 두께가 증가할수록 더욱 두드러졌다. 용접속도에 따른 신호의 변화를 살펴보면 관통용접의 경우 비코팅 강판과는 다르게 오히려 광강도가 상승하고 있는데, 이는 관통용접시 이면비드의 Zn코팅이 증발하면서 전면까지 영향을 미친 것으로 추정된다.
7과 같이 험핑비드가 형성되고 지속 가능한 플라즈마가 형성되지않는다. 따라서 RMS값도 Fig. 3와 달리 Fig. 6에서는 급격히 감소하였으며, 겹치기용접부까지 용입이 미치지 못하는 용접속도 2.0m/min부터 정상적인 RMS값을 회복하였다. 그 후의 경향은 비드용접과 비슷하였다.
비코팅강판의 경우 겹치기 용접이 되는 용접속도 1m/min을 비드용접과 비교해보면, 비드용접과 달리 비관통용접일 뿐만 아니라 더 깊은 용입으로 키홀 내벽의 융액의 양도 증가하므로 진동주기가 약 250Hz에서 150Hz로 이동하였다. 또한 용접속도가 증가함에 따라 용입 깊이와 함께 키홀도 작아져 키홀의 진동주기가 증가함으로 측정신호의 주파수값도 큰 폭으로 증가하였다.
4에 FFT처리에 의한 측정 신호의 주파수특성을 나타낸다. 먼저 비코팅 강판의 주파수 특성을 설펴보면, 관통용접구간에서 용접속도가 증가함에 따라 주파수가 증가함을 알 수 있는데, 이는 용접시 키홀의 직경과 연관성이 매우 많다.
실제 겹침부 사이의 Zn의 영향을 FFT 처리에 의한 주파수 그래프로 확인해보면, Fig. 9에서 보듯이 험핑비드가 발생하는 용접속도 1.0m/min에서는 스패터에 의해 형성되는 것으로 생각되는 약 50Hz의 저주기 주파수가 아주 낮은 power 값으로 감지되었으며, 험핑비드의 영향이 없는 용접속도 2.5m/min에서는 플라즈마의 주기신호의 약 250Hz의 주파수가 강도 높게 확인되고 있다. 또한 험핑비드가 형성되지 않더라도 Zn의 증발에 의한 영향으로 약 80Hz에서도 주파수 피크를 확인할 수 있다.

후속연구

따라서 Zn코팅 강판의 겹치기용접시 실제 모니터링의 관점에서 raw signal과 RMS값의 비교뿐만 아니라 주파수분석을 통한 신호해석을 통해서 보다 정확한 레이저용접 모니터링 시스템을 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (11)

Beyer, E., Gasser, A., Gatzweiler, W. and Sokolowski, W., 1987, 'Plasma Fluctuations in Laser Welding with cw- $CO_{2}$ Lasers,' Proc. ICALEO '87, pp.17-23
Sokolowski, W., Herziger, G. and Beyer, E., 1988, 'Spectral Plasma Diagnostics in Welding with $CO_{2}$ Lasers,' High Power $CO_{2}$ Laser Systems and Applications, SPIE Vol.1020, pp.96-102
Gatzweiler, W., Maischner, D. and Beyer, E., 1988, 'On-line Plasma Diagnostics for Process-Control in Welding with $CO_{2}$ Lasers,' High Power $CO_{2}$ Laser Systems and Applications, SPIE Vol.1020, pp.142-148
Gatzwiler, W., Maischner, D., Faber, F. J., Derichs, C. and Beyer, E., 1989, 'Model of Dynamic Behaviour in Laser Beam Welding,' High Power Lasers and Laser Machining Technology, SPIE Vol.1132, pp.157-165
Li, L. and Steen, W.M., 1992, 'Non-contact Acoustic Emission Monitoring During Laser Processing,' ICALEO '92, SPIE Vol.1990, pp.719-728
Li, L., Steen, W.M., Shi, K. and Brookfield, D.J., 1992, 'Sensor Development for In-process Quality Inspection and Optimization of High Speed Laser Can Welding Process,' Proc. LAMP '92, pp.415-420
Li, L., 2002, 'A Comparative of Ultrasound Emission Characteristics in Laser Processing,' Applied Surface Science, Vol.186, pp.604-610

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Park, H.J., Kim, J.D. and Kim, Y.S., 2003, 'The Weldability of Primer-coated Steel for Shipbuilding by $CO_{2}$ Laser,' Proc. KSME Spring, pp.316-321
Kim, J.D. and Kim, Y.S., 2000, 'The State of In-Process Quality Monitoring Technology in Laser Welding,' Journal of KWJS, Vol.18, No.4, pp.433-440
Ready, John F., 2001, 'LIA Handbook of Laser Materials Processing,' Laser Institude of America, pp.361-379
Kim, J.D. and Park, H.J., 2005, 'The Weldability of $6mm^{t}$ Primer-coated Steel for Shipbuilding by $CO_{2}$ Laser(I),' Journal of KWJS, Vol.23, No.3, pp.288-294

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