용접 공정의 모든 것을 확인할 수 있는 팬텀 고속 카메라
Phantom
카메라를 이용해 용접 공정을 모니터링하는 것은 전혀 새롭지 않다. 이것은 운영자가 위험하거나 열악한 지역에서 자동 용접 장비의 품질과 속도 혹은 위치 정확도를 제어할 수 있도록 돕는다.
그러나 대부분의 카메라로는 여전히 용접 풀(weld pool, 용탕) 즉, 모재가 용융점에 도달하는 용접부에 있는 용융 영역의 명확한 이미지를 제공하는 데 부족하다. 전기 아크의 엄청난 밝기와 결부된 용융 조인트의 크기가 작기 때문에 기존의 용접 카메라에서는 공정을 기록하기 어려웠다.
Ribeiro는 “Phantom v711을 써보기 전에 다른 카메라를 써봤습니다. 그러나 필터를 장착한 뒤에도 여전히 아무것도 볼 수 없었습니다.”고 말했다. Ribeiro는 Ceara 연방 대학교(UFC)의 야금 혹은 재료 공학과에 속하는 용접 연구·기술 연구소(LPTS)의 회원이다. 연구소에선 지난 몇 년 동안 Phantom v711 고속 카메라를 활용해 Ribeiro와 그의 동료들이 직경 1 mm 미만의 용접 조인트를 효과적으로 이미지화 할 수 있게 됐다.
여기에선 Phantom 카메라가 어떻게 공정 연구와 개발을 도우면서 실험실에서 중요한 노릇을 하는지에 대해 알아본다.
아크 용접
LPTS의 주안점 중 하나인 아크 용접은 두 금속을 접합하는 융합 공정이다. 전기 아크를 이용해서 열을 발생시키며, 이 열은 금속을 녹여서 두 부분 사이의 접합부에서 섞게 한다.
냉각할 때 금속은 금속 결합을 통해 결합된다. 전극과 베이스 금속 사이에서 생성되는 아크는 조인트를 따라 수동 또는 기계적으로 유도할 수 있다. 전극의 주요 기능은 전류를 공급하는 것이지만, 이 과정에서 전극이 녹을 수 있도록 특별히 준비돼 접합부에 추가 필러 금속을 공급할 수도 있다. 아크 용접 공정은 수동, 자동 또는 이 둘의 조합으로 수행할 수 있다.
용접 시 카메라의 중요성
그동안 제작자는 도달하기 어려운 조인트의 자동화 또는 기계화 용접을 지원하거나 완전한 조인트를 보장하기 위해 용접 카메라를 채택했다. 카메라는 장비의 용접 품질, 속도, 포지셔닝 정확도를 모니터링하고 장비 작업자의 작업 조건을 개선하는 데 특히 유용하다. 예를 들어, 카메라 시스템을 활용하면 작업자는 자동화된 장비를 원격으로 제어해 작고 좁은 용접 사이트와 핵 방사성 물질과 같은 기타 위험한 장소에서 멀리할 수 있다. 또한 운영자는 장기간에 걸쳐 밝은 용접 풀을 쳐다보지 않아도 되므로 시각을 보호할 수 있다.
최근 몇 년 동안 카메라 전자 장치가 발전됐다. 이미지 품질이 향상되고 이러한 기술의 비용이 절감돼 용접 응용 분야에서 카메라를 더 많이 쓰게 됐다. 그러나 아크와 용접 풀을 포함한 용융 영역을 시각화할 때 대부분의 카메라에는 동적 범위와 프레임 속도가 부족하다. 첫째, 용접 과정이 너무 빨리 일어나서 물방울 분리 또는 접합부의 결함 형성과 같은 미세한 부분을 해독할 수 없다. 둘째, 아크의 밝기는 대부분의 카메라 센서가 처리할 수 있는 것 이상이며 픽셀이 포화돼 결과 이미지가 번져 보일 수 있다.
마지막으로, 관절은 믿을 수 없을 정도로 작다. Ribeiro는 “Phantom v711을 사용하기 전에 다른 카메라를 써봤습니다. 그러나 필터를 장착한 뒤에도 여전히 아무것도 볼 수 없었습니다.”하고 말했다.
Ribeiro는 아크 밝기, 용접 속도, 조인트 크기와 관련된 문제를 극복하기 위해 Phantom v711을 사용했으며, 여기엔 용접 기능에 특히 적합한 기능 몇 가지가 포함돼 있다. 우선, Phantom v711의 금속 몸체는 열악한 환경을 견딜 수 있다. 또한 와이드 스크린 1,280 x 800 CMOS 센서가 포함돼 있어 더욱 긴 시간 동안 프레임의 작고 확대된 용접 지점을 유지한다. 마지막으로 카메라의 대용량 메모리는 32 GB의 내부 메모리와 최대 512 GB의 비 휘발성 메모리를 제공하는 Phantom CineMag II-Vision Research의 독점 저장 장치와의 호환성을 포함해 더 오래 기록할 수 있게 한다.
Ribeiro와 그의 팀은 그들의 시험을 위해 카메라를 용접 전극을 유도하고 용접 공정을 2,000 fps로 기록하는 로봇 팔에 부착했다. Phantom v711은 필요한 경우 최대 해상도 7,530 fps, 감소된 해상도로 최대 680,000 fps, FAST 옵션으로 1,400,000 fps를 포함해 더 빠른 레코딩 속도로 설정할 수 있다.
기계 용접과 자동 용접
직선형이든 원주형이든, 이와 상관없이 접합 이음매는 궤도 용접기, 포지셔너, 회전자를 포함한 여러 장비를 사용해 용접된다. 때로는 운영자가 이 기계의 움직임을 제어(기계화된 용접)하거나 장비의 센서가 자동으로 공정(자동 용접)을 제어하는 경우가 있다. 어느 쪽이든 용접 카메라를 사용하면 제작자가 용접 품질과 속도와 위치 정확도를 더욱 잘 모니터링하고 제어할 수 있다.
높은 다이내믹 레인지를 통한 ARC의 밝기 초월
Phantom v711은 빠른 레코딩 속도와 대용량 메모리 외에도 57.7 dB의 높은 동적 범위를 제공한다.
이 기능은 용접과 같이 밝게 불이 들어오는 응용 분야에 특히 중요하다. 동적 범위는 가장 어두운 그림자에서 가장 밝은 하이라이트까지에 대한 광도 범위를 나타낸다. 예를 들어, 동적 범위가 낮은 카메라는 용융점과 기타 높은 노출 영역을 밝은 흰색으로 표시하므로 애플리케이션의 미세한 세부 사항이 흐려진다. 반면 높은 다이내믹 레인지를 가진 카메라는 빛의 강도에 대한 미묘한 차이를 처리할 수 있어, 아크의 엄청난 밝기에도 불구하고 용접 점에서 발생하는 세부사항을 나타낸다.
그러나 Phantom v711을 다이내믹 레인지 측면에서 다른 고속 카메라와 차별화하는 또 다른 기능은 EDR(Extreme Dynamic Range) 기능이다. 이 기능을 사용하면 피사체의 어두운 부분을 노출한 다음 별도의 독립 픽셀 수준을 지정할 수 있다. 따라서 EDR은 과다 노출되는 경향이 있는 이미지 영역에서 픽셀이 과다 노출되는 것을 방지한다.
Ribeiro는 “카메라를 통해 용접 과정을 천천히 시각화하고 분석할 수 있어 장력과 가스 흐름 따위의 개선 효과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 카메라를 이용해 용접 부위의 균열을 관찰할 수 있습니다. 그러므로 카메라는 문제 해결을 위한 강력한 도구가 됩니다. 현지 석유 회사들과의 협력은 상당 부분 독점적입니다. 그렇지만 제가 말할 수 있는 건, 카메라가 아니라면 우리는 이러한 현상을 볼 수 없을 것이란 점입니다.”고 말했다.
자료 제공 : Phantom(www.phantomhighspeed.com)
