KR20210007819A - 레이저 용접 장치 - Google Patents

Abstract

레이저 용접 장치 및 방법에 관한 것으로, 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저빔을 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재에 조사하는 레이저빔 조사부 및 미리 설정된 용접 비드 패턴에 따라 레이저빔을 회전시켜 중첩되게 조사하도록, 상기 레이저 발진기 및 조사부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련하여, 용접 모재 사이의 간극이 용접 모재의 두께 대비 약 30% 미만에서도 정상 용접이 가능하다.

Description

레이저 용접 장치{LASER WELDING APPARATUS}

본 발명은 레이저 용접 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모재의 표면에 레이저빔을 회전 조사하여 용접하는 레이저 용접 장치에 관한 것이다.

레이저 용접은 높은 에너지 밀도의 점 열원을 이용하는 이른바 키홀 용접법이기 때문에 용접부 형성 기구가 아크 용접 등 기존의 용융 용접법과는 다르다.

아크 용접의 경우, 아크열에 의한 모재의 용융과 열전도가 용접 에너지 절단의 기본이므로, 용접부의 폭이 그 깊이에 비하여 넓다. 따라서, 아크 용접은 두꺼운 재료를 용접하기 위해, 용접 그루브를 가공하고, 용접봉 등의 용가재를 사용하여 다층 용접을 실시하는 것이 일반적이다.

반면, 레이저 용접은 용접에 필요한 에너지를 전달할 때 재료 표면을 기점으로 점진적인 전달이 아니라, 두께 방향으로 직접 열을 투입하는 용접법이다.

이러한 레이저 용접은 고효율 에너지빔을 이용하여 고속 생산이 가능하고, 용접부 품질이 우수한 특징이 있다.

그러나 레이저 용접은 일부 강종 또는 이음부에서 기공(porosity) 또는 피트(pit)와 같은 용접 결함이 발진하는 문제점이 지속적으로 지적되고 있다.

일반적으로, 피트는 기공 결함이 현저하게 발진되는 조건에서 발진되며, 기공 내의 가스분압이 증가되어 용접비드의 표면까지 노출된 결함을 의미한다.

최근에는 자동차의 경량화 요구에 부응하기 위해서, 소재간의 두께차가 큰 이음부가 증가하고 있어서, 기공 또는 피트 결함이 더욱 현저하게 발진하여 문제점으로 대두되고 있다.

예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 레이저 용접 장치 및 방법 기술이 개시되어 있다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1449118호(2014년 10월 10일 공고) 대한민국 특허 공개번호 제10-2011-0029344호(2011년 3월 23일공개)

한편, 레이저 용접의 경우, 맞대기 용접시 용접 모재 사이의 간극(gap)이 중요한 용접조건의 하나이며, 간극의 허용범위는 용접 모재 두께의 약 10% 내지 15% 정도로 관리하는 것이 바람직하다.

즉, 맞대기 용접에서 간극이 없는 것이 용접성 측면에서는 바람직하나, 실제로는 간극을 완전히 없애는 것이 사실상 불가능하며, 그러한 조건에서 용접될 소재의 배치는 경우에 따라서 용접 품질에 매우 중요하게 작용할 수 있다.

따라서 맞대기 용접시 레이저빔의 회전 동작을 통해 용접 모재 간 간극에 효과적으로 대응할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 모재의 표면에 레이저빔을 회전 조사하여 용접 모재를 맞대기 용접할 수 있는 레이저 용접 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 레이저 회전빔을 이용해서 용접 모재 간극에 대한 대응이 가능한 레이저 용접 장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 용접 장치는 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저빔을 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재에 조사하는 레이저빔 조사부 및 미리 설정된 용접 비드 패턴에 따라 레이저빔을 회전시켜 중첩되게 조사하도록, 상기 레이저 발진기 및 조사부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 용접 모재 사이의 간극이 용접 모재의 두께 대비 30% 미만에서도 정상 용접이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 용접 방법은 (a) 레이저 발진기에서 레이저빔을 발진하는 단계, (b) 레이저빔 조사부에서 광학 케이블을 통해 전달되는 레이저빔을 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재에 조사하는 단계 및 (c) 제어부에서 용접 모에 레이저빔을 회전시켜 중첩되게 조사하여 미리 설정된 용접 비드 패턴을 형성하도록 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하는 단계를 포함하여 용접 모재 사이의 간극이 용접 모재의 두께 대비 30% 미만에서도 정상 용접이 가능한 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 용접 장치 및 방법에 의하면, 레이저빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 중첩되게 회전시켜 미리 설정된 패턴으로 용접할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 일반적인 레이저 용접에서 용접 모재의 두께 대비 약 10% 내지 15%의 간극에 대응이 가능한 종래기술과 달리, 레이저 회전빔을 이용해서 용접 모재의 두께 대비 약 30% 미만의 간극에도 효과적으로 대응할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 방법을 단계별로 설명하는 공정도,
도 3 내지 도 6은 레이저 회전빔에 의해 형성되는 용접 비드 패턴의 예시도,
도 7은 레이저 회전빔을 이용한 맞대기 용접시 간극에 대한 대응 결과를 설명하는 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 장치의 구성도이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기(20), 레이저 발진기(20)에서 발진된 레이저빔을 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재(11)에 조사하는 레이저빔 조사부(이하 '조사부'라 약칭함)(30) 및 미리 설정된 용접 비드 패턴에 따라 레이저빔을 회전시켜 중첩되게 조사하도록, 레이저 발진기(20) 및 조사부(30)의 구동을 제어하는 제어부(40)를 포함한다.

조사부(30)는 레이저 발진기(20)와 광학 케이블(21)을 통해 연결되고, 광학 케이블(21)을 통해 조사부(30)로 전달된 레이저빔은 조사부(30)의 동작에 의해 회전 조사되어 레이저 회전빔으로 전환된다.

예를 들어, 조사부(30)는 광학 케이블(21)을 통해 전달되는 레이저빔이 퍼지지 않도록 평행광을 형성하는 평행광 렌즈(collimator lens)(31), 평행광 형태의 레이저빔을 집광해서 레이저빔의 크기를 축소하는 집광 렌즈(condenser lens)(32) 및 용접 방향을 따라 이동하면서 집광된 레이저빔을 회전시켜 레이저 회전빔을 형성하도록 이동 및 회전 가능하게 마련되는 회전렌즈(33)를 포함할 수 있다.

이를 위해, 조사부(30)는 용접로봇(도면 미도시) 등에 마련된 이동모듈에 설치되거나 작업자의 수동 조작에 의해 용접 방향을 따라 이동 가능하게 마련되고, 회전 렌즈(33)는 회전 렌즈(33)를 회전시키는 구동모듈(도면 미도시)에 의해 회전 렌즈(33)의 중심점을 중심으로 전후 좌우 방향 등 다양한 방향 및 각도로 회전 가능하게 마련될 수 있다.

제어부(40)는 레이저 발진기(20)와 조사부(30), 상기 용접로봇 등의 구동을 제어하는 메인 컨트롤러로서, 내부의 메모리에 저장된 프로그램을 실행시켜 레이저 회전빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 중첩되게 조사해서 미리 설정된 용접 비드 패턴(12)을 형성하도록 제어할 수 있다.

여기서, 레이저 발진기(20)는 제어부(40)의 제어신호에 따라 연속파(Continue Wave) 형태의 레이저빔을 발진하고, 회전 렌즈(33)는 상기 구동모듈의 구동을 제어하는 제어부(40)의 제어신호에 포함된 설정주파수에 따라 회전 각도, 회전 반경 등이 가변될 수 있다.

물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 발진기(20)에서 펄스파(Pulse Wave) 형태의 레이저빔을 발진하고, 발진된 펄스파 형태의 레이저빔을 회전시켜 중첩되게 조사하여 용접 모재(11)를 용접하도록 변경될 수 있다.

다음, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 방법을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, (a) 레이저 발진기(20)에서 레이저빔을 발진하는 단계(S10), (b) 조사부(30)에서 광학 케이블(21)을 통해 전달되는 레이저빔을 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재(11)에 조사하는 단계(S12) 및 (c) 제어부(40)에서 용접 모재(11)에 레이저빔을 회전시켜 중첩되게 조사하여(S14) 미리 설정된 용접 비드 패턴(12)을 형성하도록 레이저빔 조사부(30)의 구동을 제어하는 단계(S16)를 포함한다.

예를 들어, 도 3 내지 도 6은 레이저 회전빔에 의해 형성되는 용접 비드 패턴의 예시도이다.

도 3에는 레이저 회전 빔을 이용해서 원 형상으로 용접된 용접 비드 패턴이 도시되어 있고, 도 4에는 용접 방향과 직교하는 직선 또는 타원 형상으로 용접된 용접 비드 패턴이 도시되어 있으며, 도 5에는 숫자 8 형상으로 용접된 용접 비드 패턴이 도시되어 있고, 도 6에는 무한대 기호 ∞ 형상으로 용접된 용접 비드 패턴이 도시되어 있다.

제어부(40)는 레이저 회전빔을 용접 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이동시키면서 이전에 형성된 패턴과 중첩되게 조사하여 도 3 내지 도 6에 도시된 용접 비드 패턴(12)을 형성하도록 제어한다.

물론, 본 발명은 도 3 내지 도 6에 도시된 용접 비드 패턴으로 한정되는 것은 아니며, 삼각 형상이나 사각 형상과 같은 다각 형상 등 다양한 형상으로 중첩시켜 용접 비드 패턴을 형성할 수도 있다.

그리고 본 발명은 서로 다른 용접 비드 패턴을 둘 이상 선택적으로 혼합해서 다양한 형상의 용접 비드 패턴을 형성하도록 변경될 수도 있다.

다음, 도 7을 참조하여 레이저 회전빔을 이용한 맞대기 용접시 간극에 대한 대응 결과를 설명한다.

도 7은 레이저 회전빔을 이용한 맞대기 용접시 간극에 대한 대응 결과를 설명하는 예시도이다.

도 7의 (a) 내지 (g)에는 두께가 1.5T인 알루미늄 재질의 박판으로 마련된 용접 모재(11) 사이의 간극을 약 0㎜에서 약 0.45㎜까지 약 0.05㎜ 또는 0.1㎜ 간격으로 변경한 상태에서 맞대기 용접된 상태가 도시되어 있다.

도 7에서, 레이저 회전빔을 중첩시켜 용접 비드 패턴을 형성하는 경우, 용접 모재(11) 사이의 간극이 약 0㎜에서 0.40㎜에서는 용접 불량없이 정상적으로 용접이 가능하였다.

반면, 용접 모재(11) 사이의 간극이 용접 모재 두께 대비 약 30%인 약 0.45㎜인 경우, 용접 불량이 발생하였다.

따라서 레이저 회전빔을 이용하는 본 발명은 용접 모재 두께 대비 약 30% 미만의 간극에 대응이 가능한 것을 확인할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 레이저빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 중첩되게 회전시켜 미리 설정된 패턴으로 용접할 수 있다.

이에 따라, 일반적인 레이저 용접에서 용접 모재의 두께 대비 약 10% 내지 15%의 간극에 대응이 가능한 반면, 본 발명은 레이저 회전빔을 이용해서 용접 모재의 두께 대비 약 30% 미만의 간극에도 효과적으로 대응할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 레이저 회전빔을 이용해서 용접 모재의 두께 대비 약 30% 미만의 간극에 효과적으로 대응 가능한 레이저 용접 장치 및 방법 기술에 적용된다.

10: 레이저 용접 장치
11: 용접모재
12: 비드
20: 레이저 발진기
21: 광학 케이블
30: 레이저빔 조사부
31: 평행광 렌즈
32: 집광 렌즈
33: 회전 렌즈
40: 제어부

Claims (3)

1. 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기,
   상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저빔을 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재에 조사하는 레이저빔 조사부 및
   미리 설정된 용접 비드 패턴에 따라 레이저빔을 회전시켜 중첩되게 조사하도록, 상기 레이저 발진기 및 조사부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여
   용접 모재 사이의 간극이 용접 모재의 두께 대비 30% 미만에서도 정상 용접이 가능하며,
   상기 용접 비드 패턴은 원이나 타원, 용접 방향과 직교하는 직선, 숫자 8이나 무한대 기호, 다각 형상 중에서 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 조사부는 상기 레이저 발진기로부터 광학 케이블을 통해 전달되는 레이저빔이 퍼지지 않도록 평행광을 형성하는 평행광 렌즈,
   평행광 형태의 레이저빔을 집광해서 레이저빔의 크기를 축소하는 집광 렌즈 및
   용접 방향을 따라 이동하면서 집광된 레이저빔을 회전시켜 레이저 회전빔을 형성하도록 이동 및 회전 가능하게 마련되는 회전렌즈를 포함하고,
   상기 회전 렌즈는 상기 회전 렌즈의 중심점을 중심으로 전후 좌우 방향을 포함한 서로 다른 방향 및 각도로 회전 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 기재된 레이저 용접 장치의 레이저 용접 방법에 있어서,
   (a) 레이저 발진기에서 레이저빔을 발진하는 단계,
   (b) 레이저빔 조사부에서 광학 케이블을 통해 전달되는 레이저빔을 맞대기 용접하고자 하는 용접 모재에 조사하는 단계 및
   (c) 제어부에서 용접 모에 레이저빔을 회전시켜 중첩되게 조사하여 미리 설정된 용접 비드 패턴을 형성하도록 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하는 단계를 포함하여
   용접 모재 사이의 간극이 용접 모재의 두께 대비 30% 미만에서도 정상 용접이 가능하며,
   상기 용접 비드 패턴은 원이나 타원, 용접 방향과 직교하는 직선, 숫자 8이나 무한대 기호, 다각 형상 중에서 하나 또는 둘 이상을 혼합한 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.

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