A Study on Defect Monitoring in Stainless Steel Laser Welding Processes Using a Multi-Sensor System

현대 전기 자동차의 세계에서 배터리가 심장이라면, 냉각 시스템은 배터리가 과열되지 않도록 유지하는 혈관계와 같습니다. 이러한 시스템은 누설을 방지하고 안전을 보장하기 위해 매우 정밀하게 접합되어야 하는 얇은 금속 패널에 의존합니다. 수년 동안 엔지니어들은 가볍다는 장점 때문에 이 부품들에 알루미늄을 사용해 왔지만, 알루미늄은 배터리가 위험하게 과열되는 열 폭주 현상과 같은 극한의 온도 상황에서는 어려움을 겪을 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 제조업체들은 더 높은 열을 견딜 수 있고 구조적 강도가 더 뛰어난 SUS304L로 알려진 특정 유형의 스테인리스 스틸로 눈을 돌리고 있습니다. 그러나 이 강철을 접합하려면 레이저 용접이라는 정밀하고 고에너지인 공정이 필요합니다. 레이저는 매우 빠르게 움직이고 많은 에너지를 전달하기 때문에, 조건이 완벽하지 않으면 용접선을 따라 미세한 기포나 틈새와 같은 숨겨진 결함을 쉽게 만들 수 있습니다. 이러한 결함은 누설이나 구조적 실패로 이어질 수 있어 위험하지만, 용접이 끝난 후에는 육안으로 식별하기 어려운 경우가 많습니다.

이러한 결함이 문제를 일으키기 전에 잡아내기 위해, 한국산업기술시험원의 연구진과 산업 파트너들은 용접 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 더 스마트한 방법을 구축하고자 했습니다. 그들은 에너지 빔의 형태를 조절하여 더 안정적인 용융 금속 풀(molten metal pool)을 만들 수 있는 Adjustable Ring Mode 레이저라는 최신 유형의 레이저에 집중했습니다. 단일 도구에 의존하는 대신, 그들은 각기 다른 물리적 단서를 관찰하는 관찰자 팀처럼 작동하는 다중 센서 시스템을 구축했습니다. 한 센서는 초고온의 플라즈마와 용융 금속이 어떻게 거동하는지 보여주는 자외선 및 적외선 스펙트럼의 빛의 번쩍임을 관찰했습니다. 또 다른 센서인 고속 열화상 카메라는 용접 주변의 열 분포를 지도화했습니다. 연구진은 이 다양한 관점들을 결합함으로써, 레이저가 움직이는 동안에도 완벽한 용접과 결함이 발생하는 용접을 구분해 내는 것을 목표로 했습니다.

연구진은 다양한 조건에서 스테인리스 스틸 판을 용접하며 시스템을 테스트하였으며, 이때 기공(porosity, 금속 내부에 갇힌 작은 구멍), 언더컷(undercut, 용접 가장자리가 너무 많이 녹아내리는 현상), 그리고 용입 부족(non-penetration, 용접이 아래층까지 충분히 깊게 침투하지 못하는 현상)이라는 세 가지 흔한 유형의 결함을 의도적으로 만들어냈습니다. 그들은 센서 데이터와 X-선 이미지 및 금속의 물리적 단면을 비교하여 센서가 무엇을 보고 있는지 정확히 확인했습니다. 정상적이고 완벽한 용접 조건 하에서 센서들은 차분하고 안정적인 리듬을 보여주었습니다. 적외선 신호는 예측 가능한 범위 내에 머물렀고, 자외선 신호는 평탄하고 안정적이었습니다. 이 안정적인 상태는 연구진에게 용융 풀이 예상대로 거동하고 있다는 "이상 없음" 신호 역할을 하는 기준점이 되었습니다.

결함이 발생했을 때 센서들은 문제의 종류에 따라 각기 다른 방식으로 경고를 보냈습니다. 기공이 발생하면 자외선 센서가 가장 먼저 반응했습니다. 보통 일정하게 유지되던 신호가 불규칙하게 떨어지고 튀어 올랐습니다. 이는 공기 주머니(기공)의 형성이 용융 금속 위의 이온화된 가스인 플라즈마를 불안정하게 만들어 자외선 빛을 깜빡이게 만들기 때문입니다. 반면, 언더컷 결함이 나타나면 적외선 센서가 주도권을 잡았습니다. 열 신호는 용융 금속이 용접 가장자리에서 불균일하게 흐르고 있음을 나타내는 불규칙하고 날카로운 피크를 보여주었습니다. 연구진은 자외선 빛이 기공을 포착하는 데 탁월한 반면, 적외선 열 신호가 가장자리 결함을 감지하는 데 가장 좋은 지표라는 것을 발견했습니다.

연구진은 열화상 카메라를 사용하는 방법 또한 무엇을 보느냐만큼 중요하다는 것을 발견했습니다. 그들은 두 가지 방식의 열화상 분석을 테스트했습니다. 전체 용접 비드(weld bead)의 길이를 관찰하여 전반적인 열 이력을 보는 '전체 영역 분석(total area analysis)' 방식입니다. 이 방법은 넓은 시야를 제공하지만, 스패터(spatter)라고 불리는 뜨거운 금속 파편에 의해 데이터에 가짜 피크가 생성되어 혼동을 일으키기 쉬웠습니다. 두 번째 방식인 '국부 영역 분석(local area analysis)'은 카메라를 레이저 스폿과 즉각적인 용융 풀에 밀착시켜 집중시켰습니다. 이 접근 방식은 용접이 실제로 일어나는 지점의 열을 훨씬 더 안정적이고 신뢰성 있게 측정했습니다. 연구진이 금속을 완전히 관통하기에 레이저 출력이 너무 낮은 조건을 테스트했을 때, 국부 영역 분석은 열 반응의 변화를 명확하게 보여준 반면, 전체 영역 뷰는 덜 뚜렷했습니다. 이는 용접 작용 구역을 가깝고 꾸준하게 관찰하는 것이 용입 부족과 같은 깊은 결함을 잡아내는 데 가장 효과적인 방법임을 확인시켜 주었습니다.

이러한 통찰력을 결합하여, 연구진은 용접 품질을 모니터링하기 위한 새로운 규칙 세트를 확립했습니다. 그들은 단일 센서만으로는 전체 이야기를 전달할 수 없으며, 완벽한 용접을 위해서는 안정적인 적외선 신호, 일정한 자외선 신호, 그리고 일관된 국부 열 패턴이 모두 필요하다는 것을 발견했습니다. 만약 자외선 신호가 요동친다면 공기 주머니가 형성되고 있을 가능성이 높습니다. 만약 적외선 신호가 불규칙하게 튀어 오른다면 가장자리가 너무 많이 녹고 있는 것입니다. 만약 적외선 신호가 크게 변동하면서 국부 열 패턴도 함께 변한다면, 용입이 충분하지 않을 가능성이 큽니다. 이러한 다중 센서 접근 방식은 빛과 열이라는 서로 다른 각도의 "목소리"를 들음으로써, 엔지니어가 결함이 발생하는 즉시 이를 감지할 수 있음을 입증했습니다. 이 연구는 이 방법이 더 안전하고 신뢰할 수 있는 전기 자동차 배터리를 만드는 데 필수적인 단계가 될 수 있으며, 배터리를 결합하는 스테인리스 스틸 부품에 숨겨진 결함이 없음을 보장할 수 있음을 시사합니다.