전단간섭계를 이용한 저항 점용접 품질의 비파괴 평가 및 공정·구조 건전성 모니터링(Resistance Spot Welding, Shearography, Non-Destructive Testing, In-Process Monitoring, Structural Health Monitoring, Weld Quality Evaluation, Optical Interferometry, Artificial Intelligence)

 

목차

 

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연구의 목적과 배경

Shearography를 이용한 점용접 분석 시험 설계, 팜테크

이 논문은 저항 점용접(Resistance Spot Welding, RSW) 공정에서 용접 품질을 비파괴적으로 평가하기 위한 새로운 방법을 제안하는 연구이다. 저항 점용접은 자동차 차체와 같은 박판 구조물의 접합에 널리 사용되는 공정으로, 생산성이 높고 자동화에 적합하다는 장점이 있다. 그러나 각 용접부의 품질은 구조물의 강도와 안전성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 신뢰성 있는 품질 관리가 필수적이다. 기존 산업 현장에서는 치즐 테스트나 인장 시험과 같은 파괴 시험을 통해 용접 품질을 평가하는 경우가 많았으나, 이러한 방법은 시간과 비용이 많이 들고 전수 검사가 불가능하다는 한계가 있다. 이에 따라 본 연구는 전단간섭계(Shearography)를 이용하여 용접 품질을 실시간으로 평가하고, 더 나아가 구조물 사용 단계에서도 용접 상태를 모니터링할 수 있는 가능성을 검토하는 것을 목적으로 한다.

 

 

전단간섭계(Shearography)의 기본 원리와 특징

 

[점용접] Shearography를 이용한 점용접 분석 시험 설계, 팜테크

전단간섭계는 레이저를 이용한 광학 간섭 기법으로, 물체 표면에서 발생하는 미세한 변형의 기울기를 측정하는 비접촉식 전단 변형 측정 기술이다. 이 기법은 절대적인 변위 값을 측정하는 것이 아니라, 인접한 두 지점 간의 상대적인 변형 차이를 검출하기 때문에 내부 구조의 강성 변화나 결함에 민감하게 반응한다. 저항 점용접의 경우 용접 과정 중 발생하는 가열과 냉각에 의해 열응력과 잔류 변형이 형성되는데, 이러한 변형은 표면에 특정한 간섭무늬 형태로 나타난다. 용접이 양호한 경우에는 넓고 대칭적인 변형 패턴이 관찰되는 반면, 용접 불량이 존재할 경우에는 불규칙하거나 대비가 낮은 패턴이 나타난다. 이러한 특성으로 인해 전단간섭계는 용접 내부의 너깃 형성 상태와 기계적 건전성을 간접적으로 평가하는 데 적합한 기법으로 평가된다.

 

 

용접 공정 중 품질 모니터링(In-process Monitoring)

점용접, 비파괴 검사 분석화면, Shearography, 팜테크

본 연구에서는 전단간섭계를 이용한 용접 공정 중 품질 모니터링 기법을 검증하기 위해, 서로 다른 품질 수준의 저항 점용접 시편을 제작하였다. 용접 전류, 용접 시간, 전극 압력을 조절하여 정상 용접, 중간 크기 너깃, 작은 너깃, 아연층 결합 불량의 네 가지 품질 등급을 구현하였으며, 용접 직후 냉각 과정에서 발생하는 표면 변형을 전단간섭계로 측정하였다. 각 용접부에 대해 여러 시점의 전단간섭 이미지를 획득한 후, 이를 합성곱 신경망 기반의 딥러닝 모델에 학습시켜 자동 분류를 수행하였다. 그 결과, 모델은 약 99% 이상의 높은 정확도로 용접 품질을 구분할 수 있었으며, 계산 시간 또한 매우 짧아 실제 생산 라인에서의 실시간 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 이는 전단간섭계와 인공지능을 결합할 경우, 용접 공정 중 즉각적인 품질 판별이 가능함을 의미한다.

 

 

기존 용접부의 구조 건전성 모니터링(SHM)

Microscopy, Shearography, 점 용접 시험 분석 결과, 팜테크

연구의 또 다른 축은 이미 제작된 용접부에 대한 구조 건전성 모니터링이다. 이를 위해 용접이 완료된 시편에 유도 가열을 가하고, 이로 인해 발생하는 열 변형을 전단간섭계로 측정하였다. 측정된 변형 신호는 선형 분석을 통해 파형 형태로 평가되었으며, 신호의 최대·최소값 사이의 거리와 신호대잡음비(SNR)가 용접 너깃의 크기 및 품질과 밀접한 상관관계를 보였다. 특히 너깃이 충분히 형성된 용접부에서는 뚜렷하고 규칙적인 신호가 나타난 반면, 아연층 결합 불량과 같은 치명적인 결함이 존재할 경우 신호 대비가 매우 낮고 불규칙한 형태를 보였다. 전단간섭계를 통해 추정한 너깃 직경은 실제 단면 관찰 결과와 비교했을 때 오차가 3% 이내로 나타나, 구조 건전성 평가 도구로서의 신뢰성을 확인할 수 있었다.

 

 

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