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In-situ deformation monitoring during laser welding using single time-gated camera stereo-DIC

본 연구는 기존 청색광 DIC 시스템의 과노출 한계를 극복하고 변형 진화 및 경계 구속 효과에 대한 결정적인 데이터를 제공하기 위해, Ti6Al4V 합금의 레이저 용접 중 전영역 실시간 변형 모니터링을 가능케 하는 강렬한 플라즈마 및 열 복사를 효과적으로 억제하는 단일 시기 제한 카메라 스테레오-DIC 방법을 제시한다.

원저자: Yi Luo, Jianqiao Hu, Hengxu Song, Bing Pan

게시일 2026-09-14

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CC BY 4.0

원저자: Yi Luo, Jianqiao Hu, Hengxu Song, Bing Pan

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

티타늄은 강도와 가벼움 덕분에 엔지니어들이 사랑하는 금속으로, 항공기, 잠수함, 우주선을 제작하는 데 즐겨 사용됩니다. 하지만 티타늄 조각들을 서로 접합하는 것은 매우 섬세한 작업입니다. 이 금속을 극도로 높은 온도로 가열하여 녹이고 융합할 때, 금속은 팽창했다가 냉각되면서 다시 수축합니다. 이 과정은 잔류 응력이라고 불리는 보이지 않는 내부 힘을 만들어냅니다. 만약 이러한 힘을 이해하고 제어하지 못한다면, 최종 부품이 뒤틀리거나 나중에 수명 주기 동안 압력을 받아 균열이 생길 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 용접되는 동안 금속이 어떻게 움직이는지 실시간으로 관찰하여, 그것이 정확히 어떻게 늘어나고 수축하는지를 포착해야 합니다. 문제는 용접 과정 자체가 눈이 멀 정도로 밝다는 점입니다. 금속을 녹이는 데 사용되는 레이저는 초고온의 가스와 플라즈마 구름을 생성하며, 이는 강렬한 빛을 내뿜어 사진을 찍으려는 어떤 카메라도 무용지물로 만듭니다. 이는 마치 누군가가 고출력 손전등을 당신의 눈에 직접 비추는 동안 책을 읽으려는 것과 같아서, 페이지의 세부 사항이 단순히 사라져 버리는 것과 같습니다.

베이항 대학교와 중국과학원 연구진은 이 눈부신 눈부심을 뚫고 볼 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 용접 플라즈마의 지속적이고 눈부신 빛을 무시할 수 있을 만큼 아주 짧은 찰나의 순간에 사진을 찍을 수 있는 특수 카메라를 사용하는 시스템을 만들었습니다. 물리적인 차폐물로 빛을 막으려 하는 대신(차폐물은 연구하고자 하는 영역 자체를 가려버리기 때문), 그들은 타이밍의 기술을 사용했습니다. 그들은 단 150나노초 동안만 번쩍이는 파란색 레이저로 금속을 조사했는데, 이는 거의 즉각적인 수준으로 짧은 시간입니다. 카메라는 정확히 그 짧은 순간에 맞춰 셔터를 열도록 동기화되었습니다. 플라즈마의 눈부신 빛은 연속적인 반면 레이저 섬광은 매우 짧기 때문에, 카메라는 금속 표면에서 반사된 선명한 파란색 레이저만을 포착하며, 압도적인 플라즈마의 눈부심은 효과적으로 보이지 않게 됩니다. 이를 통해 그들은 용접 근처의 온도가 섭씨 2,000도를 넘는 상황에서도 금속에 그려진 스펙클 패턴을 보고 그 움직임을 정밀하게 추적할 수 있습니다.

이 방법을 테스트하기 위해 연구팀은 항공우주 분야에서 널리 쓰이는 티타늄 합금인 Ti6Al4V를 용접했습니다. 그들은 두 가지 방식으로 실험을 설정했는데, 하나는 금속판이 클램프로 단단히 고정된 상태였고, 다른 하나는 냉각될 때 금속판이 자유롭게 움직일 수 있는 상태였습니다. 연구팀은 새로운 단일 카메라 시스템을 사용하여 레이저가 이음매를 따라 이동하는 동안 수천 장의 이미지를 기록했습니다. 직접적인 비교 결과, 파란색 빛을 사용하는 표준 카메라 시스템은 용접이 시작되자마자 이미지가 완전히 하얗게 변해 쓸모없게 되어 즉시 실패했습니다. 반면, 새로운 시스템은 레이저가 금속에 닿는 순간부터 그 이후의 긴 냉각 기간까지 전 과정에 걸쳐 명확하고 선명한 이미지를 생성했습니다. 연구진은 금속의 전체 표면을 매핑하여, 열에 의해 팽창하고 냉각에 의해 수축하는 과정을 관찰할 수 있었습니다.

결과는 금속이 어떻게 행동하는지에 대한 명확한 이야기를 보여주었습니다. 레이저가 이동함에 따라, 레이저 바로 앞의 영역은 열로 인해 팽창했고, 레이저 뒤쪽의 영역은 수축하기 시작했습니다. 연구진은 금속이 용접 방향을 따라 늘어나고 측면으로부터 안쪽으로 당겨지는 현상을 관찰했습니다. 금속이 클램프에 고정되어 있을 때는 측면 움직임이 제한되어 전체적인 왜곡이 적었습니다. 반면 금속이 자유롭게 움직일 수 있을 때는 더 크게 수축하여 더 큰 최종 변형을 초래했습니다. 이는 금속을 고정하는 것이 응력이 쌓이고 안정되는 방식을 변화시킨다는 것을 확인시켜 주었습니다. 이 연구는 이 시간 차단(time-gated) 카메라 기술이 강렬한 빛 때문에 이전에는 불가능했던 레이저 용접 중 변형의 전체 이력을 성공적으로 포착할 수 있음을 입증합니다. 티타늄이 공정 중에 어떻게 움직이고 모양이 변하는지에 대한 명확한 데이터를 제공함으로써, 이 방법은 컴퓨터 모델을 검증하고 핵심 부품의 제조를 개선하여 차세대 항공기와 심해 선박의 안전과 내구성을 보장하는 신뢰할 수 있는 방법을 제시합니다.

기술 요약: 단일 시각 게이트 카메라 스테레오-DIC를 이용한 레이저 용접 중 인시투(In-situ) 변형 모니터링

문제 정의
티타늄 합금 부품의 구조적 무결성과 서비스 신뢰성, 특히 항공우주 및 방위 산업 분야에서의 신뢰성은 용접으로 인한 잔류 응력과 변형에 의해 크게 좌우된다. 용접 과정 중 발생하는 변형의 동적 진화를 이해하는 것은 열기계적 모델을 검증하고 공정 파라미터를 최적화하는 데 매우 중요하다. 그러나 레이저 용접 중 티타늄 합금의 실시간(in-situ) 변형 데이터를 정확한 전영역(full-field) 데이터로 획득하는 것은 상당한 도전 과제이다. 이 공정은 레이저-플룸 상호작용에 의해 생성된 강렬한 플라즈마 복사와 극심한 온도(2000°C 초과)를 수반한다. 블루 라이트 디지털 이미지 상관법(DIC)과 같은 기존의 광학 측정 기술은 이러한 복사로 인해 심각한 이미지 과노출을 겪으며, 이로 인해 스펙클 패턴의 대비가 손실되어 DIC 분석이 불가능해진다. 물리적 차폐나 고출력 펄스 레이저를 이용한 협대역 통과 필터링 등의 시도가 있었으나, 이는 용접부 근처의 실제 변형장을 포착하는 데 실패하거나 티타늄 합금 용접의 극한 조건에는 불충분한 경우가 많았다. 또한, 전통적인 스테레오-DIC 시스템은 두 대의 카메라 동기화를 필요로 하여 복잡성과 비용을 증가시킨다.

방법론
이러한 문제를 해결하기 위해 저자들은 단일 시각 게이트 카메라 스테레오-DIC (STG stereo-DIC) 시스템을 제안하고 검증한다. 본 방법론은 강렬한 플라즈마 및 열 복사를 억제하기 위해 이중 도메인 필터링 전략에 의존한다:

스펙트럼 필터링: 능동 조명원으로 사용되는 고출력 블루 펄스 레이저(450 nm, 150 ns 펄스 폭)와 일치하는 협대역 통과 광학 필터(450 ± 10 nm)를 사용한다. 이는 가열된 시편으로부터 나오는 광대역 열 복사를 차단한다.
시간적 필터링: 나노초 단위의 노출 성능(스위칭 속도 $10^{-8}$ ~ $10^{-9}$ s)을 가진 게이트 카메라를 레이저 펄스와 동기화한다. 노출 창을 반사된 레이저 펄스의 지속 시간 동안으로 제한함으로써, 플라즈마 및 열 복사의 연속적인 에너지를 수 차례의 차수로 감소시켜 능동 조명 신호에 비해 무시할 수 있는 수준으로 만든다.

3D 측정을 구현하면서 이중 카메라 동기화의 복잡성을 피하기 위해, 시스템은 단일 게이트 카메라 앞에 **4면 거울 어댑터(four-mirror adapter)**를 배치한다. 이 어댑터는 시편으로부터 오는 빛을 두 개의 광 경로로 분리하여, 동일한 센서의 좌측 및 우측 부분에 각각 좌측 및 우측 뷰를 투영한다. 이는 단일 카메라를 사용하여 스테레오 비전 시스템을 모사하는 방식이다.

시스템은 10 kW 파이버 레이저를 사용하여 Ti6Al4V 티타늄 합금 판재(120 mm × 60 mm × 4 mm)에 대해 테스트되었다. 실험은 클램프(clamped)(양 끝단과 측면이 단단히 고정됨) 및 프리(free)(작업대에 테이프로만 고정됨)라는 두 가지 경계 조건 하에서 수행되었다. 기존의 블루 라이트 스테레오-DIC 시스템이 비교를 위한 대조군으로 사용되었다.

핵심 기여

새로운 응용: 본 연구는 2000°C 이상의 온도와 심각한 플라즈마 복사가 특징인 티타늄 합금 레이저 용접 분야에 STG stereo-DIC를 적용한 첫 번째 사례이다.
이중 도메인 억제: 스펙트럼 및 시간적 필터링을 결합함으로써 플라즈마 복사를 무시할 수 있는 수준으로 효과적으로 감쇄시켜, 기존 방식이 실패하는 지점에서도 선명한 스펙클 이미징이 가능함을 입증하였다.
단일 카메라 스테레오 구성: 4면 거울 어댑터와 타임 게이트 카메라의 통합은 비용 효율적이며 동기화가 필요 없는 3D 인시투 변형 측정 솔루션을 제공한다.
전영역 데이터 획득: 본 방법은 열 팽창에서 수축으로의 전이를 포함하여, 용접 및 냉각 사이클 전체에 걸친 전영역 변위 및 변형률 진화를 성공적으로 포착한다.

결과

이미징 성능: STG stereo-DIC 시스템은 용접 과정 내내 일관되게 선명하고 과노출되지 않은 스펙클 이미지를 포착하였다. 반면, 기존의 블루 라이트 DIC 시스템은 용접 시작과 동시에 즉각적이고 심각한 과노출을 겪었으며, 평균 강도 값은 최대 그레이스케일(256)에 근접하고 평균 강도 구배는 0에 가깝게 떨어졌다.
측정 정확도: 정지된 시편에 대한 정적 테스트 결과, 인플레인(in-plane) 변위 변동이 ±0.2 μm 이내, 표준 편차가 0.5 μm 이내로 나타나 서브 픽셀 수준의 측정 안정성을 보였다.
변형 진화: 전영역 변위 맵은 인플레인 변형 성분(용접선에 평행 및 수직 방향)이 가열 중 열 팽창에서 냉각 중 수축으로 전환됨을 보여주었다.
경계 조건 효과:
- 클램프 조건 하에서는, 수직 방향의 인플레인 변형 및 최종 잔류 변형이 프리 경계 조건보다 유의미하게 작았으며, 이는 기계적 구속 효과와 일치한다.
- 프리 경계 조건 하에서는, 시편이 용접선에 수직인 방향을 중심으로 더 큰 전체 변형 및 잔류 왜곡을 나타냈다.
- 전체적인 변형 패턴과 진화 경향은 두 조건 모두 유사하게 나타났으며, 이는 클램핑이 크기를 제한하지만 변형 메커니즘 자체를 근본적으로 바꾸지는 않음을 나타낸다.

의의 및 주장
본 논문은 제안된 STG stereo-DIC 방법이 티타늄 합금 용접에서 잔류 응력 및 왜곡의 생성과 진화를 이해하기 위한 신뢰할 수 있는 실험적 기초를 제공한다고 주장한다. 이미지 과노출 문제를 해결함으로써, 본 방법은 이러한 극한 조건 하에서 이전에는 도달할 수 없었던 고충실도 전영역 데이터 획득을 가능하게 한다. 저자들은 이러한 능력이 열기계적 모델을 검증하고 용접 파라미터를 최적화하는 데 필수적이라고 밝히고 있다. 본 연구는 해당 방법이 인시투 모니터링을 위한 견고한 솔루션을 제공한다고 결론지으며, 향후 연구 계획으로 글로벌 표면 매핑에서 국부적인 용접부 근처의 정밀한 국부 측정으로 전환하여 국부 변형 구배를 더 잘 특성화하는 것을 목표로 하고 있다.

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