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문제 정의
- 본 논문에는 레이저-아크 하이브리드 용접에서 발생되는 광 신호를 이용하여 용접부를 직접 계측 할 수 있는 동축 모니터링 시스템을 설계하였다. 레이저-아크 하이브리드 용접시 발생되는 아크광을 줄여, 신뢰성있는 용융지 계측 시스템을 구축하기 위하여, 광원 및 밴드패스 필터, ND(Neutral Density) 필터를 설계하였다.
- 본 논문에서는 디스크 레이저를 이용할 레이저-아크 하이브리드 용접의 동축 모니터링 시스템을 설계하였다. 또한 용접조건에 따른 동축 모니터링 이미지를 계측하여 분석하였다.
- 레이저-아크 하이브리드 용접은 레이저 용접과는 달리 아크 용접과의 복합 용접이므로, 모니터링시 레이저 용접과는 다른 방법이 요구된다. 특히 밝은 아크광에 의하여 용융지와 키홀이 관찰되지 않으므로 이를 보완하기 위해서 본 논문에서는 조명 및 광량, 그리고 필터 등을 최적화하여 용접 모니터링 시스템을 구현하였다.
제안 방법
- 그러나 그림에서 보는 바와 같이 용융지의 전체가 잘 보이는 것이 아니라 측면에서 조사하므로 용융지의 가운데를 중심으로 왼쪽이 오른쪽 보다 상대적으로 잘 보이고 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로 용접부 조명 시스템은 측면에서 조사하는 방법으로 설정하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 용접 초기에 레이저만 조사되는 부분에서는 아크없이 레이저에 의한 키홀만이 존재하고 있음을 알 수 있으며, 용융지의 폭이 좁다는 것을 알 수 있다. 그리고 중간 부분에 있어서 MIG 용접의 아크가 형성되어 하이브리드 용접이 진행되는 부분이지만, 아크가 안정되지 못하고 있으며 이로 인하여 용융지의 모습이 불안정 한 모습이 모니터링 시스템에 의하여 계측되었다. 그 후 아크가 안정되어 일정한 용융지가 형성되며, 키홀도 안정된 모습을 보이고 있다.
- 동축 모니터링 시스템을 구축하기 위하여 카메라를 이용한 이미지 계측 시스템과 이에 관련된 광학 필터를 설계 및 제작하였다. 또한 정확한 영상을 얻기 위하여 그린 레이저를 이용한 조명 시스템을 설치하였다.
- 또한 레이저 출력, 용접속도, 용접전류, 그리고 레이저-아크간 거리에 따른 동축 모니터링 시스템의 화상을 분석하여 설계된 동축 모니터링 시스템의 유효성을 검증하였다. 아크와 키홀의 안정성을 판단할 수 있었고 용융지의 폭을 정량적으로 측정할 수 있었다.
- 본 논문에서는 디스크 레이저를 이용할 레이저-아크 하이브리드 용접의 동축 모니터링 시스템을 설계하였다. 또한 용접조건에 따른 동축 모니터링 이미지를 계측하여 분석하였다.
- 동축 모니터링 시스템을 구축하기 위하여 카메라를 이용한 이미지 계측 시스템과 이에 관련된 광학 필터를 설계 및 제작하였다. 또한 정확한 영상을 얻기 위하여 그린 레이저를 이용한 조명 시스템을 설치하였다. 조명 시스템의 위치와 셔터 스피드 그리고 ND 필터의 값을 조정하여 최적의 값을 구하였고 이를 통해 신뢰성 있는 화상과 동축 모니터링 시스템을 구축하였다.
- 레이저 출력에 대한 동축 모니터링 결과를 보기 위하여 레이저 출력을 4, 3.5, 3, 2.5, 2kW 인 경우에 용접전류를 250, 300, 350A로 바꾸어 가면서 실험을 수행하였다. 이 경우 용접속도는 1m/min 으로 고정하였다.
- 본 논문에는 레이저-아크 하이브리드 용접에서 발생되는 광 신호를 이용하여 용접부를 직접 계측 할 수 있는 동축 모니터링 시스템을 설계하였다. 레이저-아크 하이브리드 용접시 발생되는 아크광을 줄여, 신뢰성있는 용융지 계측 시스템을 구축하기 위하여, 광원 및 밴드패스 필터, ND(Neutral Density) 필터를 설계하였다. 또한 설계된 동축 모니터링 시스템을 이용하여 다양한 용접조건에 따른 이미지를 계측하였고, 통계적 방법으로 그 결과를 분석하였다.
- 레이저-아크 하이브리드 용접에서 용접조건에 따른 동축 모니터링을 수행하였다. 레이저-아크 하이브리드 용접에서 용접부의 품질을 결정하는 다양한 인자가 존재한다.
- 레이저-아크간 거리에 따른 실험을 수행하였다. 레이저-아크간 거리는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6mm 로 바꾸어가며 실험을 수행하였다. 실험에서 레이저 출력은 4kW, 용접속도는 1m/min, 용접전류는 300A로 설정하였다.
- 레이저-아크간 거리에 따른 실험을 수행하였다. 레이저-아크간 거리는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6mm 로 바꾸어가며 실험을 수행하였다.
- 밴드패스 필터는 광원 레이저의 파장인 532nm에 대해 ±5nm의 투과 파장영역을 갖는 필터를 사용하여 광원에 의해 반사된 레이저 빛을 효과적으로 모니터링 이미지를 계측할 수 있었다.
- 본 논문에서 사용된 레이저-아크 하이브리드 용접 시스템은 크게 레이저 시스템과 아크 용접 시스템 그리고 이를 이용하여 용접하기 위한 용접 헤드와 이송 장치로 구분된다.
- 레이저-아크 하이브리드 용접에서 용접부의 품질을 결정하는 다양한 인자가 존재한다. 본 논문에서는 다양한 인자중에서 레이저 출력, 용접속도, 용접전류, 그리고 레이저-아크 간 거리의 4가지를 제어 인자로 선택하였다.
- 그러므로 아크광의 세기를 적절히 감쇠시키어 키홀이 잘 보이며, 용융지의 형상도 잘 보이는 조합은 ND 16에 셔터 스피드가 1/1,000sec 인 경우와 ND 32에 1/500sec 인 경우로 판단된다. 셔터 스피드가 빠를수록 정확한 이미지를 계측 할 수 있기 때문에 본 연구에서는 ND 16에 셔터 스피드가 1/1,000sec 인 경우를 선택하였다. 최종적으로 얻어진 동축 모니터링 시스템의 설계 결과는 Table 1과 같다.
- 용융지의 계측은 전체 용접길이에 대하여 중앙부에서 얻은 영상을 이용하여 계측하였다. Fig.
- 이 경우 용접속도는 1m/min 으로 고정하였다. 용접속도에 따른 동축 모니터링 결과를 알아보기 위하여 용접속도를 1, 1.5, 2, 2.5, 3m/min으로 바꾸어 가면서 실험을 수행하였다. 이 때, 용접전류는 250, 300, 350A로 3수준으로 나누었고, 레이저 출력은 4kW로 고정하여 그 결과의 변화를 관찰하였다.
- 이 때, 용접전류는 250, 300, 350A로 3수준으로 나누었고, 레이저 출력은 4kW로 고정하여 그 결과의 변화를 관찰하였다. 용접전류에 따른 동축 모니터링 결과를 알아보기 위하여 용접전류를 250, 275, 300, 325, 350A의 5수준으로 나누었다. 이 때, 레이저 출력은 4, 2 kW, 그리고 용접속도는 1, 2m/min으로 바꾸어 실험을 수행하여 레이저 출력과 용접속도에 따른 영향력도 함께 관찰하였다.
- 용접전류에 따른 동축 모니터링 결과를 알아보기 위하여 용접전류를 250, 275, 300, 325, 350A의 5수준으로 나누었다. 이 때, 레이저 출력은 4, 2 kW, 그리고 용접속도는 1, 2m/min으로 바꾸어 실험을 수행하여 레이저 출력과 용접속도에 따른 영향력도 함께 관찰하였다. 이와 같이 용접 입열의 변화에 따른 실험에서 레이저-아크간 거리는 2mm로 설정하였다.
- 5, 3m/min으로 바꾸어 가면서 실험을 수행하였다. 이 때, 용접전류는 250, 300, 350A로 3수준으로 나누었고, 레이저 출력은 4kW로 고정하여 그 결과의 변화를 관찰하였다. 용접전류에 따른 동축 모니터링 결과를 알아보기 위하여 용접전류를 250, 275, 300, 325, 350A의 5수준으로 나누었다.
- 또한 정확한 영상을 얻기 위하여 그린 레이저를 이용한 조명 시스템을 설치하였다. 조명 시스템의 위치와 셔터 스피드 그리고 ND 필터의 값을 조정하여 최적의 값을 구하였고 이를 통해 신뢰성 있는 화상과 동축 모니터링 시스템을 구축하였다.
- 조명의 위치는 반사되는 빛에 큰 영향을 미치므로 본 논문에서는 그 방향을 2가지 방법에 따라 실험을 수행하였다. 하나는 용접 진행 방향에 대하여 후면에서 조사하는 방법과 다른 하나는 용접 진행 방향의 측면에서 조사하는 방법을 이용하였다.
- 조명의 위치는 반사되는 빛에 큰 영향을 미치므로 본 논문에서는 그 방향을 2가지 방법에 따라 실험을 수행하였다. 하나는 용접 진행 방향에 대하여 후면에서 조사하는 방법과 다른 하나는 용접 진행 방향의 측면에서 조사하는 방법을 이용하였다. 이 두 방법과 이 때 얻어지는 이미지는 Fig.
대상 데이터
- 레이저-아크 하이브리드 용접은 아크광이 매우 강하기 때문에 외부의 조명없이는 용융지를 관찰하기가 매우 어렵다. 그러므로 조명으로는 그린 레이저(green laser)를 이용하였다. 레이저를 조명으로 사용한 이유는 레이저의 광원의 강도는 다른 광원에 비하여 강하며, 집광이 쉽고 그 크기를 작게할 수 있다.
- 레이저 시스템은 4 kW급 Disk 레이저를 이용하였고, 아크 용접기는 MAG(Metal Active Gas) 용접기를 사용하였다. 구성된 시스템은 Fig.
- 전체 용접중 시작부의 15mm는 레이저만 조사하였다. 보호가스는 Ar 80%와 CO2 20%가 혼합된 가스를 이용하였고 유량은 30L/min였다. 레이저의 초점은 모재의 표면에 맞추었다.
- 8V, 그리고 350A 에서는 32V로 설정되어 있다. 실험에 사용된 시편은 연강을 이용하였고 용접방법은 BOP(Bead On Plate) 방법을 이용하였다.
- 위에 언급된 제어인자 이외의 고정인자는 다음과 같이 설정하였다. 팁-모재간 거리(CTWD: Contact Tube to Workpiece Distance)는 17mm로, 전체 용접길이는 235mm로 설정하였다. 전체 용접중 시작부의 15mm는 레이저만 조사하였다.
데이터처리
- 아크와 키홀의 안정성을 판단할 수 있었고 용융지의 폭을 정량적으로 측정할 수 있었다. 또한 분산 분석을 이용하여 용융지의 폭에 대한 각 제어 인자의 영향력을 판단할 수 있었다. 용융지의 폭에 대하여 레이저 출력 보다는 용접속도와 용접전류가 큰 영향력을 미치고 있음을 설계된 동축 모니터링 시스템을 통해 정량적으로 확인 할 수 있었다.
- 레이저-아크 하이브리드 용접시 발생되는 아크광을 줄여, 신뢰성있는 용융지 계측 시스템을 구축하기 위하여, 광원 및 밴드패스 필터, ND(Neutral Density) 필터를 설계하였다. 또한 설계된 동축 모니터링 시스템을 이용하여 다양한 용접조건에 따른 이미지를 계측하였고, 통계적 방법으로 그 결과를 분석하였다.
- Table 2에서 LP는 레이저 출력을, AC는 용접전류를 WS는 용접속도를 의미한다. 분산 분석을 통하여 데이터의 제곱 합(sum of square: SS)을 인자(factor), 오차(error)와 교호 작용(interaction)을 포함한 요인(source) 별로 분해하고, 오차에 대한 각 요인간의 비(ratio)를 통하여 결과에 대한 영향력을 판단할 수 있다. Table 2에서 MS는 평균 제곱(Mean Square), DOF는 자유도(Degree of Freedom)의 약자이며, ‘×’ 는 두 개 이상의 인자 간의 교호 작용을 의미한다.
- 분산 분석을 통하여 용접 제어인자의 영향력을 평가하였다. 종속 인자로서는 용융지의 폭을 선택하여 분산 분석(ANOVA: Analysis of Variation)을 수행하였고 그 결과는 Table 2와 같다.
- 분산 분석을 통하여 용접 제어인자의 영향력을 평가하였다. 종속 인자로서는 용융지의 폭을 선택하여 분산 분석(ANOVA: Analysis of Variation)을 수행하였고 그 결과는 Table 2와 같다. Table 2에서 LP는 레이저 출력을, AC는 용접전류를 WS는 용접속도를 의미한다.
이론/모형
- 화상을 이용한 방법도 용접부를 모니터링하는 기법으로 이용되었다. Richardson 등9)은 GTA(Gas Tungsten Arc) 용접에서 용접 토치와 동축으로 카메라를 설치하여 용융부의 폭을 측정하였고, Ohshima10)는 GMA(Gas Metal Arc) 용접에서 CCD(Charge Coupled Device) 카메라의 셔터신호를 용접전류 신호와 동기시켜 모니터링과 용입깊이를 제어하였다.
성능/효과
- 그러나 용접속도가 빠른 2m/min에서는 각 용접전류 조건에서 레이저 출력이 큰 경우가 용융지의 폭이 크다는 것을 알 수 있다. 결과적으로 용융지의 폭은 레이저 출력보다는 용접전류와 용접속도에 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있다.
- 또한 레이저 출력, 용접속도, 용접전류, 그리고 레이저-아크간 거리에 따른 동축 모니터링 시스템의 화상을 분석하여 설계된 동축 모니터링 시스템의 유효성을 검증하였다. 아크와 키홀의 안정성을 판단할 수 있었고 용융지의 폭을 정량적으로 측정할 수 있었다. 또한 분산 분석을 이용하여 용융지의 폭에 대한 각 제어 인자의 영향력을 판단할 수 있었다.
- 또한 분산 분석을 이용하여 용융지의 폭에 대한 각 제어 인자의 영향력을 판단할 수 있었다. 용융지의 폭에 대하여 레이저 출력 보다는 용접속도와 용접전류가 큰 영향력을 미치고 있음을 설계된 동축 모니터링 시스템을 통해 정량적으로 확인 할 수 있었다.
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