레이저 용접시 인프로세스 모니터링을 위한 유기 플라즈마와 방사신호와의 관련성 연구

Abstract

레이저 용접은 높은 파워밀도를 가진 레이저빔을 집광하여 재료를 용융·접합하는 가공이다. 이러한 가공은 높은 파워밀도에 기인한 금속의 급격한 증발과 플라즈마(plasma)를 발생시킨다. 이때 발생하는 유기 플라즈마와 용접부에서는 다양한 신호들이 방사된다. 이 신호들은 레이저 용접부의 가공현상을 실시간으로 반영하고 있으므로, 유럽 및 일본을 비롯한 선진 공업국의 연구자들은 이러한 플라즈마를 다각적인 측면에서 분석하고 관찰하여 레이저 용접시 결함형성과의 관련성 규명에 지속적이고도 경쟁적인 연구를 해오고 있다.

우선 레이저 용접시 발생하는 유기 플라즈마로부터 방사되는 신호들을 살펴보면, 크게 광신호(light emission signal)와 음향신호(acoustic emission signal) 그리고 금속증기의 플라즈마화에 따른 전위차 및 열 에너지가 있다. 이중 광신호는 자외선부터 적외선까지 다양하게 방사되며, 가공하고 있는 재료의 종류에 따라 주로 방사되는 파장도 달라진다. 또한 용접부에서는 재료에 미처 흡수되지 못하고 반사되는 레이저광과 융용금속에서 방사되는 적외선 신호도 있다.

이러한 방사신호는 레이저빔과 재료와의 상호작용에 크게 영향을 받으며, 아크용접과는 달리 직접적인 용접신호의 피드백이 어려운 레이저용접에서는 간접적인 신호로써 매우 유용하게 사용될 수 있다.

이와 같은 이유로 다양한 방사신호들 중 플라즈마의 방사신호가 레이저 용접 모니터링에 가장 먼저 활용되었으며, 특히 레이저용접시 방사되는 광신호를 포토다이오드로 측정한 연구가 상당히 이루어졌다. 그러나 신호의 분석방법이나 결함의 대응 등은 서로 상이한 결과들을 보고하고 있다.

한편, 파이버 레이저는 높은 빔품질에 기인한 광학적 특성으로 인하여 용접시 기존의 레이저보다 높은 어스팩스비(aspect ratio)와 비드의 폭이 매우 좁은 키홀(keyhole)을 형성하여 증발금속의 급격한 분출을 유발한다. 또한 이는 유기 플라즈마의 거동을 매우 불안정하고 격렬하게 만들어 분출하는 플라즈마의 관찰을 어렵게 한다. 때문에 화이버레이저 용접시 플라즈마의 관찰은 기존의 레이저에 비해서 측정장비의 세밀한 셋팅이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 파이버 레이저 용접시 유기 플라즈마의 방사신호 측정에 앞서 측정용 포토다이오드의 측정위치 및 각도에 따른 신호의 특성을 분석하여 측정 파장대별로 최적의 측정구간를 확인하였다. 그 결과, 측정부의 신호를 면적의 평균값으로 출력하는 포토다이오드의 특성상 측정각도가 상승함에 따라 신호가 비례적으로 증가하였으며, 특정각도에서부터는 급격한 신호의 감쇄가 나타났다. 또한 최대 광강도값을 나타내는 각도보다는 FFT시 신호의 피크(peak)가 잘 드러나는 각도구간이 존재했으며, 이 각도를 측정위치로 선정하였다.

또한 용접조건에 따른 입열량의 차이가 측정신호의 진폭에도 그대로 반영되고 있음을 알 수 있었다. 측정 파장대별로는 자외선과 가시광선은 입열량에 따른 신호의 진폭변화가 크게 나타났으며, 적외선 대역의 신호도 입열량 변화에 따른 신호의 증감이 나타지만 열전도형 용접에서 키홀용접으로 이행에 따른 용접모드의 변화를 보다 명확하게 분별할 수 있게 해주었다. 그러나 키홀의 주기운동을 반영한 FFT결과는 파장대와 상관없이 주파수의 피크가 일치하였다.

그러나 원신호(raw signal)를 이용한 신호의 분석은 격렬한 플라즈마의 운동이 그대로 반영되기 때문에 정량적인 평가를 매우 어렵게 한다. 따라서 이를 회피하기 위해 신호의 이득(gain)을 낮춘다거나 저대역필터(lowpass filter)를 사용하여 고대역의 신호를 제거함으로써 평활한 신호(smoothing signal)를 얻고자 하였다. 하지만 이럴 경우, 신호의 왜곡이 나타나거나 키홀의 운동을 반영한 FFT분석을 하기 어렵게 한다. 때문에 본 연구에서는 특정시간의 신호를 RMS함으로써 신호의 진폭변화를 정량화하고자 하다. 특히, 음향신호를 측정하여 모니터링에 반영하고자 할 때에는 종파인 소리의 특성상 단순히 산술평균값을 취하면 모든 값이 “zero”가 되므로 RMS에 의한 평가는 매우 타당성 있는 방법이라고 생각된다.

이를 통해서 용접조건별로 측정신호들을 RMS함으로써 용접결함과의 관련성을 뚜렸히 분별할 수 있었다. 특히, Zn 코팅강판의 겹치기 용접시 겹침간극에 따른 스패터와 기공발생률을 RMS한 신호와 비교한 결과, 결함발생부에서의 신호감쇄를 명확히 비교할 수 있었다. 또한 건전한 용접조건에서의 신호평가를 정량적으로도 비교할 수 있게 되었다.

한편, FFT에 의해 분석된 주파수를 통과대역으로 설정하여 원신호에 적용하면, 단순히 이득을 낮추거나 저대역 필터링한 신호들보다 키홀의 거동을 반영하면서도 선명한 신호를 얻을 수 있었다. 더불어 이를 광신호뿐만 아니라 음향신호에도 적용하여 RMS하면, 원신호를 바로 RMS할 때보다도 건전한 용접조건에서의 신호평가 신뢰도가 높아졌다.

지금까지 FFT의 주파수가 키홀의 주기운동을 반영한다는 보고가 몇몇 있었으며, 이를 바탕으로 연구를 수행하였다. 그러나 화이버 레이저는 기존의 레이저들과는 매우 상이한 결과를 보여주었기 때문에 FFT값이 키홀의 거동을 반영하는지 확인할 필요가 있었다. 이를 위하여 화이버 레이저 용접시 고속도 비디오 촬영을 실시하였다. 그 결과, 키홀 개구의 개폐주기가 FFT의 주파수와 거의 일치하는 것으로 나타났다.

특히, 본 연구에서 가장 의미있는 것 중 하나는 레이저의 파장대와 빔품질에 따른 방사신호의 거동을 최초로 평가했다는데 있다. 이를 위해서 파장대가 10.6㎛인 CO₂레이저와 1,070㎚인 파이버 레이저의 측정신호 평가를 통하여 파장에 따른 키홀의 주기 운동차이를 간접적으로 확인하였으며. 파장대가 1,064㎚와 1,070㎚로 거의 비슷한 Nd:YAG 레이저와 파이버 레이저의 비교를 통하여 빔품질에 따른 키홀의 레이저 흡수율의 차이가 신호에도 반영됨을 알 수 있었다.

마지막으로 기존의 레이저 용접 모니터링 연구는 FFT 결과를 신호에 반영하는데 매우 소극적이다. 그 이유는 키홀의 주기운동이 시간변화에 따라 변화함으로 분석구간의 주기값이 모든 구간을 대표하지 않기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 방사신호 분석에 STFT의 일종인 Gabor 변환을 사용하여 시간-주피수 분석을 실시하였다. 그 결과 단순한 FFT에 의한 저대역 필터 보다 한 차원 높은 신호의 선명도를 확보할 수 있었다.

이러한 일련의 평가와 연구를 통하여 유기 플라즈마의 방사신호 측정을 통한 레이저 용접의 인프로세스 모니터링(inprocess monitoring)이 가능함으로 확인하였다.

methods such as lowering signal gains or removing high-bandwidth signals using low-pass filter. However, all these results in signal distortion or makes it difficult to perform the FFT analysis that properly reflects keyhole movement. Therefore, this research seeks to quantize the amplitude changes in signals using RMS value of the signal at a particular time. This method can become especially valid when measuring acoustic signals, as taking an arithmetic mean of longitudinal waves such as sound waves will simply result in zero instead of a meaningful value.

Using the previously described method, taking RMS value of measured signals in each different welding condition resulted in clear distinction of relationships in regards to weld defects. In specific, a clear comparison of reduced signal in defective zone could be made in lap welding of Zn-coated steel, by comparing the RMS of porosity formation rate and spatter as a function of lap clearance. This in turn allowed quantitative comparison of signals in sound welding conditions.

On the other hand, if a FFT-analysed frequency was set as filtering band then applied to raw signal, a clear signal could be obtained than gain-lowered or low-pass filtered signals while still reflecting keyhole's movement. Applying same technique and obtaining RMS on acoustic signals allowed higher reliability in analytical results within sound welding condition, even more so than RMS of raw signals.

Until now, there have been several researches that reported FFT frequencies reflect periodic movement of keyhole, and additional researches were performed based on this finding. However fiber lasers showed much different results than conventional lasers: thus above finding needed to be verified. As a result, the periods in which the keyhole aperture opened closely matched FFT frequencies.

One of particular importances in this research is the very first evaluation of movements of emitted signals in relation to beam quality and laser's wavelength band. An indirect confirmation of variation in keyhole's periodic movement based on wavelength band could be made by comparing emission signals of 10.6㎛ CO₂laser with 1,070㎚ fiber laser. As well, comparing Nd:YAG laser whose wavelength band closely matches that of fiber laser-1,064㎚ versus 1,070㎚-revealed that keyhole's laser absorption rate based on beam quality is reflected on emitted signals.

Lastly, conventional researches in laser welding monitoring have been very passive in applying FFT results to signals because keyhole？s periodic movement varies with time changes-resulting in the inability for analyzed periodic value to represent the whole range. Therefore, this research used Gabor Transform, a variation of STFT, in analysing time -frequency of emitted signals. This allowed obtaining a new level of signal clarity than simple band- pass filtering using FFT.

All these methods and findings have confirmed that in-process monitoring of laser welding was possible using signal analysis of induced plasma.

this was thus chosen as a measuring position.

It was also found that the differences in heat input capacity within different welding conditions had direct effects on the amplitude of measured signals. Specifically, wavelengths in UV and visible light band had the largest fluctuation in signal depending on heat input capacity. While IR showed similar fluctuation, it allowed clear differentiation of changes in welding mode？from conduction to keyhole. However, frequency peaks all matched regardless of wavelength band in FFT results reflecting the periodic motion of keyhole.

Nevertheless, a quantitative evaluation can be very difficult when analysing raw signals as it directly reflects the violent movements of plasma. Various methods have been used previously to avoid this and to obtain smoother signal

Laser welding is a process in which a given material is melted and/or joined by a condensed laser beam of high power density. This power density results in rapid vaporization of metal while producing plasma during its process. The resulting induced plasma and weldment emits various kinds of signals that reflect their processing phenomena in real time, making it an attractive field of research to many researchers and scientists around the world. In particular, continued and competitive research efforts have been made on analyzing and observing such plasmas to find the relationship between laser welding and formation of defects in its process.

First, there are four types of major signals emitted from the induced plasma during laser welding: light emission, acoustic emission, electric potential resulting from plasmatisation of metal vapour, and thermal energy. Light emission, for example, has many different rays ranging from UV to IR with different wavelengths emitted depending on the material being processed. In case of weldments, there are the reflected laser beam that hasn？t been absorbed and IR signals emitted from molten metal.

All these emission signals are highly affected by interactions between the laser beam and the material, and can provide a valuable indirect information in laser welding where receiving feedback of welding signals is much more difficult than methods such as arc welding.

As such, plasma emission signals were the first to be used among all different emission signals in laser welding monitoring, along with great advance in researches which measured light signals emitted during laser welding through photodiodes. However, different researches have reported contradicting findings in analysis method and response to defects.

On the other side, there？s fiber laser. Due to its unique optical character based on high beam quality, it provides much higher aspect ratio than conventional laser during welding, and produces keyhole with very narrow beads resulting in a rapid eruption of vaporized metal. As well, this makes behaviors of induced plasma highly unstable and furious, creating further difficulties in observation of erupting plasma. Therefore a much finer settings and adjustment of measuring devices are required in fiber laser welding.

In preparation of measuring emission signals in induced plasma from fiber laser welding, this research seeks to find the optimal measuring range of each wavelength band by analyzing signal characteristics of photodiodes in different measuring position and angle. Since photodiodes use average value of receptor area as its output, results showed signal increasing proportionally as measuring angle increased until it reached a specified angle on which the signal started to rapidly fade out. As well, there exists a range of angles that reveals signal peaks better in FFT than just an angle with highest light intensity