3 차원 원격 레이저 용접에서 광센서를 이용한 동축 모니터링 시스템에 대한 연구

Abstract

현재 자동차관련 산업에서 차체중량 감소를 위해 알루미늄합금과 마그네슘합금을 이용한 기술개발과 생산성을 위한 품질판단 모니터링연구가 활발히 진행 중이다. 차체경량화는 연비향상과 연료절감에 따른 환경오염방지에 적합하고 모니터링연구는 생산성을 극대화하기 위한 가장 효과적인 방법이다. 본 연구에서는 5J32 합금의 3차원 원격레이저를 이용하여 겹치기 레이저용접을 실시하고, 이를 광센서를 이용하여 용접 시 플라즈마를 모니터링 하였다. 조사각도를 0°, 8°, 16°의 3수준, 레이저출력(Laser Power)을 3, 3.5, 4kW의 3수준, 용접 속도(Welding Speed)를 3, 4, 5m/min의 3수준으로 실시하여 용접 시 발생되는 플라즈마의 양과 인장강도간의 관계를 관찰하였다. 플라즈마의 특성에 맞는 포토다이오드를 사용하여 신뢰성 있는 모니터링 연구를 하였다. 허용인장강도를 만족할 시 일정구간에서 플라즈마방출 신호가 관찰되었으며, 허용인장강도를 만족하지 못할 시에는 위 구간을 벗어나는 신호가 관찰되었다. 상대적으로 저출력 영역인 3kW에서는 4kW보다 높은 플라즈마방출 신호가 측정되었는데 이는 용접 부 외관을 통해 설명하였다. 이를 통해 용접공정변수와 플라즈마, 키홀의 거동을 분석하였고 이는 센서 신호와 밀접한 관련이 있음을 알 수 있었다. 레이저 가공공정의 모니터링 신호를 이용하여 품질을 예측할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 품질평가 알고리즘은 계측된 신호의 평균을 클러스터링 기법 (Clustering Technique)과 퍼지 패턴인식 알고리즘 (fuzzy multi-feature pattern recognition algorithm)을 통해 분석하여 전체적인 신호의 품질을 판단하였다. 최종 용접부의 품질은 두 알고리즘을 거쳐 모두 좋은 경우만 양호한 것으로 판단하였고, 그렇지 못할 경우는 불량으로 판단하였다.