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광 센서를 이용한 레이저 가공공정의 모니터링
Monitoring of Laser Material Processing Using Photodiodes 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.3, 2009년, pp.515 - 520  

박영환 (부경대학교 기계공학부)

초록
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본 논문에서는 알루미늄 레이저 용접에서 발생하는 플라즈마의 빛을 계측하여 용접공정을 모니터링할 수 있는 시스템을 개발하였다. 분광분석을 통해 용접 시 플라즈마의 파장대를 계측하고 이를 근거로 하여 모니터링 시스템에 적합한 포토다이오드를 선정하였다. 이를 다양한 용접 조건에 대하여 적용하였고, 센서 신호의 특성은 플라즈마의 강도와 안정성에 밀접하게 연관되어 있음을 신호의 평균값과 FFT분석을 통하여 알 수 있었다. 이러한 신호 변동의 원인은 플라즈마와 키홀의 거동과 용접 비드의 형상과도 밀접한 관계가 있음을 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the monitoring system was developed measuring the light signal emitted from the plasma in aluminum laser welding. Spectrum of plasma was measured using a spectrometer, and the photodiode was selected based on the spectrum analysis. The sensor signals for various welding conditions cou...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 본 연구에서는 알루미늄 레이저 용접의 플라즈마 발광영역을 분석한 결과를 바탕으로 이에 적합한 센서를 선정하였다. 이것은 기존에 사용된 센서와는 다른, 플라즈마의 발광 영역에 가장 잘 반응하는 센서의 선택함으로써 알루미늄 레이저 용접에서 발생하는 플라즈마의 거동을 효과적으로 계측할 수 있다.
  • 이것을 레이저와 알루미늄간의 상호 작용과 이에 발생하는 플라즈마의 발광 영역이 다르기 때문이다. 그러므로 본 논문에서는 레이저와 알루미늄 합금간의 상호작용에서 발생되는 플라즈마의 발광특성을 파악하기 위하여 분광분석을 수행하였고, 이 결과를 바탕으로 모니터링에 적합한 포토다이오드(photodiode)를 선정하였다. 또한 실험을 통해 공정변수와 모니터 링 신호와의 상관관계를 규명하였다.
  • 신호의 요동(fluctuation)이 증가하는 이유는 레이저 용접에서는 모재의 표면 오염[14]이나 부분 용입에서 발생되는 용접조건에서 플라즈마와 키홀의 불안정성에 기인된다[13, 14]. 본 논문에서는 이 두 인자 이외에 용접용 와이어의 공급에 의하여도 센서 신호의 변동이 발생하는 것으로 사료된다.
  • 본 논문은 레이저 가공에서 발생되는 광신호를 이용하여 공정을 모니터링 할 수 있는 시스템을 구축하였고 용접조건에 따른 계측된 신호의 특성을 분석하였다. 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 본 연구에서는 알루미늄 레이저 용접에 대한 모니터링시스템을 구축하였다. 앞에서 언급한 기존 연구의 경우 대부분 철강재에 대한 것으로 본 연구에서 사용된 알루미늄 소재에 대하여, 기존의 센서를 직접적으로 적용이 불가능하다.
  • 그리고 레이저 가공은 고속으로 진행되므로 생산성 확보를 위해서는 용접공정을 모니터링하는 시스템이 필요하다. 본 연구에서는 알루미늄 레이저용접에서 품질의 신뢰성 확보를 위한 모니터링 시스템의 개발과 이를 통한 공정 변수와 센서 신호의 관계를 분석하여 용접부 검사 시스템에 활용하고자 한다.
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참고문헌 (14)

  1. A. Sun and E. Kannatey-Asibu, Jr., "Sensor System for Real-time Monitoring of Laser Weld Quality," Journal of Laser Applications, Vol. 11, No.4, pp. 153-168, 2001. 

  2. M. C. Jon, "Noncontact Acoustic Emission Monitoring of Laser Beam Welding," Welding Journal, Vol. 63, No.9, pp. 43-48, 1985. 

  3. H. B. Chen, L. Li, D. J. Brookfield, K. Williams and W. M. Steen, "Laser Process Monitoring with Dual Wavelength Optical Sensors", Proceeding of ICALEO '91, pp. 113-122, 1991. 

  4. W. Gatzweiler, D. Maischner and E. Beyer, "On-line Diagnostics for Process-control in Welding with $CO_2$ Lasers," High Power $CO_2$ Laser System & Applications, SPIE 1020, pp. 142-148, 1988. 

  5. D. Maischner, A. Drenker, B. Seidel, P. Abels and E. Beyer, "Process Control During Laser Bean Welding," Proceeding of ICALEO'91, pp. 150-155, 1991. 

  6. K. Mori, H. Sakamoto and I. Miyamoto, "Detection of Weld Defects in Tailored Blanks," Journal of Japan Welding Society, Vol. 14, No. 4, pp. 689-693, 1996. 

  7. I. Miyamoto, K. Kamimuki, H. Marno, K. Mori and M. Sakamoto, "In-Process Monitoring in Laser Welding of Automotive Parts," Proceeding of ICALEO'93, pp. 413-424, 1993. 

  8. I. Miyamoto and K. Mori, "Development of In-process Monitoring System for Laser Welding," Proceeding of ICALEO'95, pp. 759-767, 1995. 

  9. D. Farson, A. Ali and Y. Sang, "Relationship of Optical and Acoustic Emission to Laser Weld Penetration," Welding Journal, Vol. 77, No.4, pp. 142s-148s, 1998. 

  10. H. Park and S. Rhee, "Analysis of Mechanism of Plasma and Spatter in $CO_2$ Laser Welding," Optics and Laser Technology, Vol. 31, No.2, pp. 119-126, 1999. 

  11. H. Park and S. Rhee, "Estimation of Weld Bead Size in $CO_2$ Laser Welding by Using Multiple Regression and Neural Network," Journal of Laser Applications, Vol. 11, No.3, pp. 143-150, 1999. 

  12. H. Park and S. Rhee, "'Development of a Weld Quality Monitoring System in $CO_2$ Laser Welding by Using Photodiode," Journal of Laser Applications, Vol. 13, No. 1, pp. 12-18, 2001. 

  13. Y. W. Park, H. Park and S. Rhee, "Analysis on Behavior of Keyhole and Plama using Photodiode in Laser Welding of Aluminum 6000 Alloy," Journal of Korean Society of Laser Processing, Vol. 7, No. 3, pp. 11-24, 2004. 

  14. K. H. Leong, "Low Cost Laser Weld Monitoring System," Proceeding of Automotive Laser Applications Workshop, University of Michigan Press, pp. 26-35, 1997. 

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