1. 서 론
용접 기술은 현대 제조 산업의 핵심 기술 중 하나로, 다양한 산업 분야에서 필수 공정으로 적용되고 있다. 특히, 자동차, 항공, 조선 및 전자 산업 등에서 강도 높은 접합이 요구되는 부품들의 결합에 주로 활용된다. 용접 기술은 아크1-3), 초음파4,5) 등의 용접 방식에서부터 레이저6), 전자빔7,8) 등의 고밀도 에너지 열원을 활용한 접합 방식으로 발전하고 있으며, 이에 따라 용접 품질의 향상과 생산성 증대가 동시에 이루어지고 있다. 다양한 산업군에서 용접을 수행할 때 사용되는 소재들은 형상, 두께 혹은 구조 등에 의해서 부재와 모재 사이의 갭이 존재하는 경우가 많다. 갭이 존재할 경우에는 이를 보완하고자 와이어를 활용하여 부재와 함께 용융시켜 접합시키는 방법인 Gas Metal Arc Welding (GMAW)을 많이 채용하고 있다9,10).
GMAW은 낮은 용접 속도와 와이어의 용착량이 높기 때문에 갭도 안정적으로 용접이 가능하지만, 낮은 용접 속도로 인해 생산성이 떨어지며 제품에 열변형이 심하다는 단점이 존재한다11). 이러한 단점을 극복하기 위해 최근에는 레이저, 전자 빔과 같은 고밀도 에너지 열원을 활용이 점차 가속되는 추세이다. 그러나 고밀도 에너지 열원들은 수백 마이크로미터 수준으로 열원의 크기가 작기 때문에 갭 관리 및 지그장치 설계의 난이도가 높다는 단점이 있다.
대표적으로, 레이저를 활용하여 자동차 선루프 및 테일게이트에 용접하였을 때, 와이어를 공급하여 갭 대응력을 높이는 브레이징 기법이 사용된 바 있다12).
제살용접이 주로 이루어졌던 레이저와 전자빔 용접 공정에서 균열 억제 및 덧살의 형성 등을 목적으로 와이어 활용에 대한 연구 및 산업적 수요는 증가하고 있다13-15). 와이어를 활용한 레이저 및 전자빔 용접 공정은 와이어와 열원과의 겹치는 면적이 비드 형성 및 공정 안정성에 연관이 있기 때문에 동축 및 비동축으로 와이어 용융을 안정적으로 공급하는 장치를 지속적으로 개발되고 있다16-18). 하지만, 와이어의 용융이 변수 통제를 통한 안정적인 상태여도 비드 품질이 와이어 이행에 영향을 받는다. 따라서, 용융된 와이어 및 용접 품질을 지속적으로 모니터링 및 제어가 필요하다. GMAW 또는 WAAM에서 음향 센서19-24), 스펙트로미터25,26), 열 화상 이미지27,28), 카메라29-31) 과 같은 센서들을 이용하여 결함 발생 유무 또는 용융풀에 대한 지속적인 모니터링에 대한 연구가 되고 있다. 동시에 이를 기반으로 폐회로 제어하는 방식이 제안되고 있다32-34).
본 리뷰 논문에서는 국내외에서 레이저와 전자빔 용접 및 적층에서 적용가능한 와이어 이행 모니터링 및 제어 방식에 대한 문헌을 정리하여 소개하고자 한다.
2. 와이어 이행 형태와 용접 품질의 상관관계
용접 및 적층에서 비드 형상은 증착량에 의해 결정된다. 증착량은 송급된 와이어 양에 의해서 주로 결정되지만, 균일하게 증착시키기 위해서는 용융 와이어의 이행 형태가 중요하다. 문헌에서는 Fig. 1과 같이 용접에서의 와이어 이행을 크게 낙하이행(drop transfer)과 브리징이행(bridge transfer)으로 구분하고 있다37-41). 아크를 이용한 용접과 적층은 전압, 전류, 펄스 파형, 펄스 주기, 보호 가스 유량과 같은 공정 조건과 와이어 송급 속도, 각도, 아크 길이와 같은 와이어 조건에 따라서 와이어 용융 및 이행이 변화하는 것을 확인하였다42-45).
Fig. 1
Molten metal transfer images using high-density energy source; (a) liquid bridge transfer: a phenomenon in which molten filler metal is stably transferred to the base metal, (b) free-flight droplet transfer: a phenomenon that occurs periodically droplet is formed at the end of the wire
고밀도 에너지 열원도 와이어 송급 변수와 용접 품질과의 상관관계는 많은 연구자에 의해 연구된 바 있다. A. Salminen et al.46,47)은 레이저를 활용한 와이어 용융과정에서 와이어에 가해지는 입열량, 용융된 와이어의 높이, 송급 속도, 각도, 방향, 공정 속도 등에 의해서 용융 거동이 변화하며, 용접 퀄리티에 영향을 끼친다는 것을 증명하였다. 이것은 저자의 이전 연구에서도 증명한 바 있다48). 레이저15,49,50) 및 전자 빔51,52) 용접 및 적층을 수행한 다수의 문헌에서 낙하이행보다는 브리징이행이 안정적인 이행 형태라고 주장되고 있다15,49).
낙하이행의 경우, 용적의 크기가 균일하지 않아, 비드 너비와 높이의 불균일을 초래하기 때문이다. Takahashi et al.39)과 Yu et al.53)의 연구에 의하면, 브리징이행의 경우 비드가 균일하지만, 낙하이행의 경우 용적의 이행주기가 불규칙하여 험핑 비드가 형성되는 것을 확인하였다. 또한, 키홀에서 발생하는 플라즈마는 주기적 낙하이행을 방해하고, 스패터의 발생을 유도하기도 한다49-51).
Liang et al.54)은 용융된 와이어가 용융풀에 접촉하는 시간이 용적이 생성되는 시간보다 긴 경우, 낙하이행에서 브리징이행으로 이행모드가 변경된다고 보고하였다. 또한, Qin wang et al.55), Duan et al.56)과 Zhao et al.57)은 와이어와 부재 사이의 거리가 증가하면 브리징이행에서 낙하이행으로 변경된다고 하였다. 즉, 안정적으로 브리징이행을 유지하기 위해서는 와이어와 부재 사이의 거리를 일정 이하로 유지하여야 함을 알 수 있다.
와이어 용적이행은 와이어에 가해지는 입열량에 따라서도 달라진다. Huang et al.58)과 Yu et al.53)에 의하면 입열량이 와이어 송급 속도와 비교하였을 때, 송급이 빠른 경우에는 stubbing 현상(와이어가 용융지에 꽂힌 채 응고하여 와이어가 끊어지는 현상)이 발생하고 송급이 느린 경우에는 와이어보다 큰 직경의 용적이 낙하이행 한다고 하였다.
브리징이행 조건을 선정하여도, 열변형, 와이어 번백, 공차 등에 변위 발생은 언제든지 발생 가능하다. 균일한 비드 너비와 높이를 확보하기 위해서는 와이어 송급 위치 제어 및 열원 출력 증감을 통해 이행을 제어할 필요가 있다.
3. 와이어 용융 제어
와이어 용융을 제어한다는 것은 목적하는 이행 형태가 유지될 수 있도록 와이어로 전달되는 에너지를 제어하는 것을 일컫는다. 대다수의 용접 연구에서 Fig. 2와 같이 대상물인 와이어 송급(속도, 위치)을 직접적으로 제어하는 방식과, 열 에너지 공급원인 레이저 또는 전자빔을 제어하는 방식으로 구분할 수 있다. Table 1에 모니터링 방법 및 제어 방법을 정리하여 나타냈다.
Table 1
Summary of wire feeding control references reviewed in this paper
| Heat source | Monitoring parameter | Control factor | Control method | Reference |
|---|---|---|---|---|
| Laser | Bead height | Wire feeding speed | Height from crossed point of two-line laser | 59) |
| Electric resistance | Wire feeding speed | Resistance model | 60) | |
| Electric resistance | Wire feeding speed | Iterative learning control | 61) | |
| Contact force between wire and substrate | Wire feeding force and speed | Weight compensation model | 62) | |
| Melt pool temperature | Laser power | Thermal indicator system values determined by fast FPGA algorithm | 63) | |
| Melt pool length | Laser power | Internal control model of the pyrometer | 64) | |
| Melt pool length and layer height | Laser power Print speed | The multiple mode model | 65) | |
| Melt pool width and length | Laser power | The Hammerstein-Wiener and ARX model | 66) | |
| Electron beam | Current between wire and substrate | Wire height between wire and substrate | Closed loop control | 70) |
| Droplet height | Wire height between wire and substrate | PID control using threshold of processed image | 67) | |
| Molten pool length | Sub-beam point | PID control | 68) | |
| Electrical resistance | Beam power | Fuzzy-PID control | 69) |
3.1 와이어 위치 제어 방식
와이어의 안정적인 용융 및 이행을 유지하기 위해서는 공정 빔과 와이어 간 접촉 면적이 일정하도록 제어하는 것이 중요하다. 와이어는 스풀에 감긴 형상으로 공급이 주로 되는데, 와이어에 남아있는 잔류 응력 및 변형은 와이어의 정확한 위치로의 송급을 까다롭게 만드는 요인이다. 때문에 와이어를 보다 직선에 가깝게 만들어주는 기구부 및 와이어 송급 팁 끝단을 용융지에 가깝게 위치시키는 방법 등을 활용하기도 한다. 특히, 와이어-레이저 조사면적, 송급 방향과 송급 속도는 이행 안정성 및 이행 주기에 직접적 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다39,50,56,60,65).
와이어 위치를 기구부 제어하기 위해서 일반적으로 채택되는 방식은 최종 공정물 높이와 궤적을 모니터링하거나, 용접 공정 중 용융 이행을 모니터링하여 이를 기반으로 제어하는 방식이다.
Takushima et al.59)는 Fig. 3와 같이 와이어의 이행 제어 및 증착량을 제어하기 위해 두 개의 라인 레이저를 용접 방향의 선행 위치를 두어, 레이저가 위치한 곳의 비드의 높이를 목표 높이와 비교하여 와이어 송급 속도를 조절함으로써 비드 높이가 일정하도록 하였다.
Hagqvist et al.60)는 Fig. 4와 같이 와이어 용융 이행을 전기 저항의 변화로써 감지하고자 하였다. 저자는 브리지 이행을 다시 3단계로 나누었으며 부재와의 높이차가 목표값과 같은 조건을 기준으로 하여, 작은 경우를 stubbing (d < dnom), 큰 경우를 weak link (d < dnom)라고 정의하였다. 저항 기반의 제어 기법으로써, 공정 중 형상에 따른 거리 변화에도 제어를 하여 stubbing을 방지하고 와이어 끝단과 부재와의 거리를 성공적으로 조절하였다고 보고하였다. 저자는 저항 제어 시스템을 평가하기 위해서 부재와 와이어 사이 간 거리를 0.7 mm로 두고 용접을 진행하였다. Fig. 5와 같이 와이어의 위치를 제어하지 않은 경우 균일하지 않는 비드가 형성되고 제어하는 경우에는 비드의 너비가 균일하게 생성되는 것을 확인하였다.
Fig. 4
Electrical resistance sensing based wire feeding rate control method; (a) control strategy; transfer mode as (b) bridging, (c) stubbing, and (d) weak link60)
Fig. 5
Weld deposit results with and without controller. The upper bead was not controlled and the bottom bead was controlled60)
Hagqvist et al.61)은 저항 제어 시스템을 기반으로 한 적층물 높이 제어 시스템을 제안하였다. 저자는 로봇의 액츄에이터를 저항 제어 시스템을 복합적으로 설계하여 와이어 송급 속도 변화 시점을 더 정밀하게 제어하였다. 제어의 핵심은 반복적 학습 제어를 통해서 적층물의 시작점과 끝점에서의 갑작스러운 높이 변화 범위를 인지하여 와이어 송급 속도를 제어하여 이행 형태를 유지하는 방식이다.
Zixiang et al.70)은 전자빔 적층 과정에서 이행 변화에 의한 전류 변화를 통한 제어 가능성을 제시하였다. Z. Liang et al.54) 이전 연구에서 전류가 흡수되는 현상을 모니터링한 연구를 소개하였다. 부재와 와이어가 이행되는 과정에서 접촉되는 경우 부재와 와이어가 접점이 생기게 되면서 와이어와 부재에 각각 흐르는 전류가 측정되지 않는 결과를 확인하였다. 기존 실험 결과를 바탕으로 낙하이행과 브리징이행을 구분하였으며 제어 로직에 의해서 CNC 기기가 와이어 높이를 조정하였다. 저자는 검증을 Fig. 6와 같이 경사진 적층을 진행하는 동안 와이어 높이 변화에 따른 이행 제어가 가능한 것을 확인하였다.
Teichmann et al.62)은 Fig. 7와 같이 와이어에 가해지는 힘을 감지하여 제어하는 방식을 제안하였다. 동축 와이어 레이저 시스템에 부착되어있는 와이어 피더기에서 부재와 와이어가 접촉하면서 야기되어지는 5N 미만의 압력을 인지하고, 측 CNC에 고정된 높낮이 조정 가능한 판이 위치를 조절하게 된다. 판의 위치 변화에 따라서 스프링이 와이어 피더기가 달려 있는 블록에 힘을 전달한다. 감지된 힘을 바탕으로 기존 송급 속도에 비례하여 송급 속도를 조정하여 안정적인 용착 과정을 보여주게 된다. 이 방식의 장점은 낮은 입열 조건에서도 안정적인 용융을 지속적으로 제어가 가능하다는 장점이 존재한다.
Zixiang et al.67) 은 Fig. 8와 같이 이미지를 이용하여 와이어 위치를 제어하였다. 제어 시스템은 카메라로 촬영된 용적을 이미지 전처리 과정을 통해서 구분하게 된다. 용적의 위치가 용융풀과 가까워지게 되거나 접촉하면 이미지의 범위가 임계값 보다 상승하게 된다. 와이어의 위치가 상승하여 이미지 범위에 임계값이 낮아지는 방식으로 이행이 안정적으로 되도록 한다.
와이어를 직접적으로 제어하는 방식은 공정 중 입열량을 증가시키지 않기 때문에 부재의 변형을 최소화하며 공정을 유지할 수 있다. 하지만, 와이어의 용융 정도에 따라서 실시간으로 열원과의 접촉 면적을 제어해야 하는 어려움이 존재한다.
3.2 입열량 제어 방식
용융풀 또는 와이어로 공급되는 입열량을 제어하는 방식은 레이저(전자) 빔의 출력을 제어하는 방식이 일반적으로 적용되고 있다. 입열량 제어 방식은 와이어 송급 제어 방식에 비해 변수가 적다는 특징이 있으나, 대상물 (와이어, 부재)의 빔 흡수율, 접촉각 등이 공정 중 온도변화에 따라 달라지기 때문에 공급 입열량이 온도 및 이행 형태에 따라 변형될 수 있다. 반면에 용융풀은 변형이 크게 없기에 파이로미터, 포토다이오드, 카메라 등으로 측정 시 데이터가 균일하여 제어에 용이하다71-74). 특히, 금속 분말 또는 와이어 표면이 녹아 이행되는 과정에서는 굴절율 변화가 극심하여 상대적으로 표면 유동이 안정적인 용융풀을 센싱하고 제어하는 방식이 제안되고 있다75-77).
Dieter et al.64)은 Fig. 9와 같이 hot wire cladding 공정에서 안정적인 와이어 용융 및 증착을 위해 레이저 출력 제어를 제안하였다. 2 채널 파이로미터를 이용하여 용융풀의 길이를 측정하고 용융풀의 길이를 일정하게 유지하기 위해 레이저 출력을 제어하였다. 저자의 제어 방식은 제어를 하지 않는 경우에는 처음과 끝의 용입 깊이가 11.7 % 증가하였으며 공정이 진행되는 동안 용융풀의 길이가 11 % 상승하게 되면서 불안정한 공정물이 생성되었다. 반면에 출력을 제어하는 방식을 사용했을 경우 용융풀의 길이와 용입 깊이가 처음과 끝이 거의 동일한 것을 확인할 수 있었다.
Bernauer et al.63)은 동축 와이어 레이저 용접 시스템에서 파이로미터를 이용하여 용융풀의 온도를 제어하는 방식을 이용하였다. 용융풀의 평균 온도 데이터를 기준으로 하여 레이저 출력 제어를 하는 방식을 활용하였다. 제어하지 않은 경우는 부재의 두께가 달라졌을 때 과한 입열량에 의하여 완전 용입이 되는 것을 확인할 수 있었다.
Gibson et al.65)은 Fig. 10와 같이 열화상카메라와 라인레이저 스캐너를 활용하여 용융풀 길이와 비드 높이를 측정하여 용융풀의 길이에 따라서 레이저 출력을 제어하였고 비드 높이 변화를 통해서 각 층마다 용착량을 제어하는 방식을 활용하였다. 열화상 카메라의 이미지 픽셀크기를 2600 픽셀에서 3400 픽셀까지 모드에 따라서 제어하여 비드 너비를 일정하게 유지 또는 변화가 가능하다는 장점이 있었다. 또한, 갑작스러운 공정 속도 변화가 발생하여도 비드 너비는 동일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
반면, Zixiang et al.68)은 Fig. 11와 같이 출력이 아닌 빔 사이의 간격을 제어하는 방식으로 용융풀과 이행을 제어하였다. 저자는 두 가지의 와이어를 주기적으로 녹여서 적층의 매 층마다 균일한 화학적 성분을 이루어야 했다. 제어 시스템은 산업용 카메라를 이용해서 용융풀 길이를 측정하였으며 길이의 변화에 따라서 이중 전자빔 중 서브 빔의 방향을 조절하여 용융풀의 길이를 제어하고 용융풀의 흐름을 생성하였다. 결과적으로 층마다 와이어의 화학적 성분이 균일하게 퍼지도록 제어하였다. 저자는 용융풀 길이를 24 mm로 제어를 하여 적층을 진행하였을 때, 제어하지 않은 경우는 용융풀 길이가 8 번째 층이 26 mm까지 증가하여 첫 번째 층 보다 18 % 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 제어되는 경우 용융풀의 길이는 기준 24 mm를 크게 벗어나지 않는 것을 확인하였다.
Liang et al.69)은 Fig. 12와 같이 IR 카메라를 통해서 획득되는 이미지를 바탕으로 용융풀의 너비를 측정하고 너비의 변화에 따라서 전자빔의 출력을 증감하였다. 저자는 비선형 공정, 관계 모델, 장비의 응답성을 고려하여 세부화하는 제어 형식을 제안하였다. 기존의 응답성을 고려하지 않은 제어 모델은 비드 너비가 5547 ms까지 이전 공정 조건을 따랐으나, 응답성을 고려한 개선된 제어 모델에서는 880 ms까지만 이전 공정 조건을 따르게 되어, 공정 변화에 따른 안정적인 비드 형성이 가능하다는 것을 증명하였다. 또한, 공정 속도의 변화가 발생하여 oscillation과 overshoot이 발생하는 것에 대하여 분석한 결과 이상이 없는 것을 확인하였다. 따라서, 개선된 폐회로 제어를 통해 비드의 너비가 갑작스러운 변화 없이 균일하게 유지되고 용융풀의 안정성 및 재현성을 향상시킬 수 있었다고 언급하였다.
M. R. Dehaghani et al.66)의 연구에서는 용융풀 너비 및 길이를 입열량으로 제어하는 시스템에 대한 평가를 진행하였다. CMOS 카메라 이미지를 활용하여 이미지 임계값 변화를 통하여 용융풀의 길이와 너비를 측정하였다. 측정된 너비와 길이를 바탕으로 레이저 출력, 용접 속도, 와이어 송급 속도, 전력량을 변경하는 방식으로 평가가 진행되었으며 와이어 송급 속도와 전력량을 변경하는 방식으로는 용융풀 너비를 제어하기 어렵다는 사실을 확인하였다. 그리고 제어 모델의 반응 속도까지 평가하였을 때 레이저 출력을 제어하는 방식의 용융풀의 너비와 길이 제어에 수월하며 비드도 균일하게 나오는 것을 확인하였다.
입열량을 제어하는 방식은 와이어와 부재에 용융풀 온도 유지가 유리하기 때문에 와이어 위치를 제어하는 방식보다는 와이어 용융을 제어하기 쉽다는 장점이 있다. 하지만, 와이어의 안정적인 용융을 위해서는 와이어의 직진성을 유지해야 한다. 그렇지 않다면 용융풀의 범위를 증가시켜 와이어가 안정적으로 용융풀의 접촉되도록 제어해야 한다. 또한, 용융풀에서 와이어로 전달되는 에너지와 용융풀에서 반사되는 레이저 등 부가적인 열원에 의해서 입열량이 증가하여 낙하 이행로 형태로 변할 수 있다. 결과적으로 와이어의 이행 변화를 제어하면서 부재가 적은 열변형을 받기 위해서는 와이어의 위치와 방향성에 따른 실시간으로 제어할 필요가 있다.
4. 결 론
본 기고에서는 고밀도 에너지 열원을 이용한 용접 공정에서 와이어 이행 제어 및 모니터링 방법에 대해 논의하였다. 레이저와 전자빔을 활용한 용접공정에서 와이어의 이행 형태는 비드 형성 및 용접품질에 중요한 영향을 미치며, 이를 안정적으로 유지하기 위해 다양한 제어 기술이 요구됨을 확인할 수 있다.
낙하이행보다는 브리징이행이 더 안정적인 비드 형상을 제공하며, 이는 와이어와 부재 사이의 거리를 일정하게 유지함으로써 달성할 수 있다. 또한 와이어 송급 속도, 각도, 방향, 공정 속도 동의 변수와 함께, 와이어와 용융풀의 접촉 면적 또는 와이어와 레이저와의 접촉 면적을 일정하게 유지하는 것이 중요하다.
고밀도 열원을 이용한 와이어 용접에서 부재와 와이어 사이의 거리 또는 레이저와 와이어 간 접촉 면적 또는 입열량 제어는 와이어 이행 안정성을 통해 비드 형상 및 용접 품질 향상에 필수적이다.
이를 위해 다양한 모니터링 및 제어 방식이 필요로 하고 있으며 이 중 전기 저항, 압력 감지 등을 이용한 모니터링과 와이어 송급 속도, 열원에서 전달되는 입열량을 제어하는 방법이 효과적임을 확인했다.
와이어 위치를 제어하는 방식의 경우 와이어 송급 속도 제어를 통해서 와이어 위치를 항상 유지하는 것이 부재와 와이어 간 거리를 조절하여 브리징이행을 유지하면서 부재의 변형을 최소하고 적층물 또는 비드 높이를 균일하게 제어하기 용이하게 한다. 또한, 일부 적층물 형상에 맞추어 속도 제어를 통한 두께 조절이 용이하다.
입열량 제어 방식의 경우, 레이저 또는 전자빔의 출력을 조절하여 용융풀의 길이와 너비 안정성을 유지하는 것이 필수적이며, 파이로미터, 열화상 카메라, IR 카메라 등의 센서를 활용한 실시간 제어가 주요하였음을 알 수 있다. 일부 제어 방식에서는 용융풀의 안정성 유지 말고도 용융풀의 흐름을 제어하여 적층 레이어 마다 균일한 화학적 성질을 갖도록 할 수 있다.
기고를 통해 와이어 용융 및 이행 제어의 중요성을 강조하고, 이들의 와이어 위치 또는 입열량 제어 방식이 용접 및 적층 공정의 품질과 안정성 확보에 필수적임을 제안한다.
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