KR100524253B1 - 첨두 에너지를 가진 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용한 벨로즈 용접 - Google Patents

첨두 에너지를 가진 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용한 벨로즈 용접 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용하여 피막처리된 원형의 강재로 제작된 다이야프램용 칠링과 결합된 벨로즈를 용접하는 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 얇은 금속판의 용접에 적합한 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 얻기 위하여, 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저에 공급하는 전원공급부는 펄스 신호의 펄스당 에너지 밀도가 높으면서 안정된 출력으로 유도할 수 있는 스위칭 모드 파워 서플라이와 고속 스위칭 소자를 사용하여 특별히 제작되었으며, 상기 특별히 제작된 전원공급부에서 공급되는 전기적 펄스신호에 의하여 안정된 첨두형 펄스에너지를 발생하는 레이저 빔을 이용하여 벨로즈 용접을 수행하는 것에 그 특징이 있다. 본 레이저 용접 장치의 구성은 상기 펄스 변조형 레이저에서 발생된 레이저빔을 용접 부위 가까이 까지 전송하는 광섬유와, 광섬유에 의하여 전송된 레이저 빔을 집속시키기 위하여 부착된 집속렌즈를 구비한 용접용 레이저 헤드와, 용접부위의 영상을 감지하는 CCD 카메라와 카메라를 통해서 받은 영상신호에 의하여 용접부위를 감시할 수 있는 모니터 등이 있다. 본 발명의 또 다른 특징은 상기 모니터 상에 나타난 용접부위의 영상신호에 기초하여 용접해야할 부위를 따라 실시간으로 레이저 헤드(트래킹 수단)를 이동하여 정확하게 용접하는 것에 있다. 또한 본 발명은 무광택으로 검게 피막처리한 원형의 강재로 이루어진 다이야프램용 칠링을 사용함으로써 깨끗한 영상 신호를 얻을 수 있어 보다 우수한 벨로즈 용접을 가능하게 하는 장치를 제공하는 것이다.

Description

첨두 에너지를 가진 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용한 벨로즈 용접 {Bellows welding using pulse moderation Nd-YAG laser with the peak energy}
본 발명은 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용하여 피막처리된 원형의 강재로 제작된 다이야프램용 칠링이 결합된 벨로즈를 용접하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 사용된 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저는 종래의 일반적인 CO2 레이저, CW Nd-YAG 레이저, 일반적인 가스증기 레이저 및 레이저 다이오드와는 달리 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 구현하기 위하여 전기적 펄스 신호를 입력하는 전원장치는 상기 일반적인 레이저에서 사용하고 있는 것과는 완전히 다르며, 펄스당 에너지 밀도가 높고 안정된 출력으로 유도할 수 있으며 펄스의 크기, 모양 및 주파수를 변조하여 필요에 따라 용접에 사용되는 펄스의 에너지를 변화시킬 수 있다.
지금까지는 벨로즈와 같은 얇은 금속판을 용접하기 위하여, TIG 용접, 일반적인 CW CO2 레이저, CW Nd-YAG 레이저 및 레이저 다이오드 등을 많이 사용되어 왔었다. TIG 용접의 경우는 레이저 용접에 비하여 에너지 집속도가 떨어져 많은 입열 에너지가 투입되어 정밀한 용접이 불가능하여 양질의 용접을 기대할 수 없고, CW 레이저의 경우 역시 용접 부위의 입열이 심하여 용접 부위의 변형이 쉽게 일어날 수 있어 양질의 용접을 기대하기 어렵다.
보다 구체적으로 이와 관련된 종래기술을 살펴보면, 벨로즈 용접과 관련된 기술은 미국특허 제5,478,983호, 미국특허 제5,410,123호 및 대한민국 공개특허공보 2001-0045143등이 있으며, 이들 모두는 일반적인 레이저 빔을 사용하여 벨로즈 용접을 실시하는 벨로즈용 용접 장치에 대하여 기술하고 있다. 즉, 이들 발명들 모두는 벨로즈와 같이 얇은 금속판을 용접함에 있어서 필수적으로 고려하여야할 용접부위에서의 입열 에너지와 입열 에너지에 따라서 변화될 수 있는 얇은 금속판의 변형에 대해서 전혀 고려하고 있지 않으며, 용접부위를 따라 용접을 행함에 있어서도 영상신호에 기초하여 실시간으로 트래킹하면서 정교하게 용접하는 것에 대한 기술내용을 포함하고 있지 않아 정교하고 양호한 용접을 이룰 수 없었다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 벨로즈 용접의 문제점을 인식하고 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용하여 피막처리된 원형의 강재로 제작된 다이야프램용 칠링이 결합된 벨로즈의 외경 용접을 수행함에 있어서, 얇은 금속판으로 구성된 벨로즈 용접을 실시하는 과정에서 중요한 첨두형 펄스 에너지의 집속도를 적절히 높여서 저입형 에너지를 용접부위에 공급함으로써 용접부위의 변형을 최대한 감소시켜 용접부위의 변형이 적은 양호한 벨로즈 용접을 달성하는 것이다.
즉, 본 발명은 상기 TIG 용접과 일반적이 레이저를 사용한 벨로즈 용접의 문제점을 인식하고, 펄스 변조형 YAG 레이저를 사용하여 레이저에 입력되는 펄스의 시작부분에 첨두치를 적당히 높게 하여 얇은 금속판의 용접부위에 초기 에너지의 집속도를 높임과 동시에 용접 부위의 입열 에너지를 줄여 용접 부위의 변형없이 양질의 벨로즈 용접을 이루는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 벨로즈 다이아프램과 벨로즈를 용접함에 있어서 원형 강재 다이야프램용 칠링을 무광택으로 검게 피막처리하여 조명장치에서 발생하는 빛의 반사를 줄여서 CCD 카메라로부터 양호한 영상 신호를 얻고 양호한 영상신호에 기초하여 실시간으로 용접부위를 따라서 움직이므로 레이저 헤드의 오동작을 방지하여 정교한 벨로즈 용접을 가능하게 하는데 있다.
본 발명은 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용하여 무광택으로 피막처리된 원형의 강재(SUS계의 스프링)로 제작된 다이야프램용 칠링(칠링, chilling, 도5 참조)이 결합된 벨로즈의 외경을 용접하는 장치에 관한 것이다. 본 장치에서 레이저 발생을 위하여 사용된 Nd-YAG는 Neodymium-yttrium allumium garnnet의 약어이며, Nd는 도핑 물질이고, YAG가 호스트이다. 상기 유리봉을 제작함에 있어서, Nd는 무게 비중으로 호스트의 약 1%정도로 구성되어 있다. Nd-YAG 봉은 반경이 6-10 ㎜ 이고, 길이가 10 ㎜ 정도로 유리봉과 비슷한 형태이다. 하나 또는 두 초점을 가지는 타원형의 공동 중간에 하나 또는 두개의 램프를 위치시키고 하나 또는 두개의 램프를 나란히 또는 중간에 Nd-YAG 봉을 위치시킨다. 이 때 램프와 Nd-YAG 봉의 각각의 위치는 공동의 초점을 이용하여 램프에서 발생한 빛을 Nd-YAG 봉에 효과적으로 전달되어 그 효율을 극대화할 수 있는 구조로 한다. 램프에 전원을 공급하면 램프에서 발생하는 빛을 효과적으로 Nd-YAG 봉에 전달하여 Nd 이온을 여기시켜 레이저 빔의 발생을 유도한다. 이 때 램프에서는 발생한 빛은 다양한 파장을 발생하지만 램프에서 발생한 빛을 흡수한 Nd-YAG는 램프에서 발생한 빛에 의하여 여기된 Nd 원소가 기저 상태로 떨어질 때 1.06 um 의 일정한 파장을 가진 빛을 발생하게 된다. 이 때 발생하는 레이저 빔이 가지는 에너지 값은 후레쉬 램프에 공급되는 전기적 신호와 밀접한 관계를 가진다.
펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 사용자가 원하는 벨로즈 용접용 레이저 출력을 얻기 위해서는 후레쉬 램프에 공급되는 펄스 신호를 사용자가 원하는 에너지의 출력과 동일내지 유사한 모양을 가진 신호로 만들어서 공급하여야 한다. 본 발명은 벨로즈 용접에 적합한 레이저 출력을 얻기 위하여 펄스 신호를 상용 3상 220V 전원으로부터 스위칭 모드 파워스플라이와 고속으로 스위칭이 가능한 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하여 벨로즈와 같은 얇은 금속판을 입열에 의한 큰 변형없이 정교하게 용접할 수 있는 초기에 적당한 첨두치를 가지는 펄스 신호(도2 참조)를 만들어 램프에 공급한다. 펄스의 출력, 주파수 및 펄스 폭의 제어는 스위칭모드 파워서플라이로부터 얻은 전기에너지를 IGBT를 이용하여 원하는 시간 간격으로 게이트(트랜지스터를 온/오프시킴)를 열어주는 것으로 가능하며, 이는 마이크로 컴퓨터로 상기 트랜지스터(IGBT)를 온/오프시키기 위하여 공급되는 펄스신호의 폭을 제어함에 의하여 이루어지며, 최대 펄스 변조 주파수는 용접속도와 원하는 출력에너지에 따라 300Hz 까지 변조 가능하다.
벨로즈와 같이 얇은 금속판을 정교하고 양호한 상태로의 용접을 달성하기 위하여 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저에 공급되어야할 펄스 신호의 파형은 도2와 같으며, 도2의 펄스 형태를 살펴보면, 펄스의 시작부분의 첨두치를 적절히 높게 하여 순간적으로 적은 입열 에너지를 주입함과 동시에 펄스의 뒷부분의 에너지를 낮추므로 용접부위에 계속적인 입열을 방지할 수 있어 얇은 금속판의 변형을 방지하여 양질의 벨로즈 용접을 이룰 수 있는 최적의 펄스 신호의 형태이다. 즉, 벨로즈의 소재가 얇은 금속판이므로 많은 에너지가 계속해서 투입되면 금속물질의 열 변형에 의하여 양질의 정교한 용접을 수행하기 어려우므로 얇은 금속판 내부로의 순간적으로 에너지 흡수를 증가시키기 위해서는 금속으로 열이 전도되기 전에 금속표면 온도를 상승시켜줄 적절히 높은 펄스 첨두 출력이 요구된다. 본 발명에 사용된 펄스신호는 시작부분에 적절히 높은 에너지를 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저에 공급해줌으로 레이저 광 흡수계수를 증가시키고 적은 입열 에너지로 양질의 정교한 용접을 얻을 수 있다.
이와 관련하여 도3에서, 금속의 온도 변화에 따른 흡수계수의 변화를 살펴보면 일반적으로 상온의 금속에서 레이저 광 흡수도는 그다지 높지 않은데 금속 표면 온도가 상승하면 레이저 광 흡수도가 크게 증가함을 알 수 있다.
상기 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저에서 발생한 레이저 빔은 광섬유를 통해서 전송되며 최종 목표인 용접대상물로 전송되기 전에 광 집속렌즈를 사용하여 레이저 빔을 집속하여 직경 400㎛의 광섬유내부로 보낸다. 이 때에 사용된 광섬유는 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저의 파장에서 손실이 적은 재료로 제작된 것(FQSI type, 직경 400㎛, 길이 10m)을 채택하여 사용하였다.
상기 광섬유를 통해서 전송된 레이저빔은 정밀하고 양호한 벨로즈 레이저 용접을 가능하게 하기 위하여 레이저 빔을 집속하는 광학부, CCD(charge coupled device) 카메라 및 양호한 영상신호를 얻기 위하여 용접부위를 조명하기 위한 조명부로 레이저 용접헤드를 구성한다.
상기 광섬유를 통해서 전송된 레이저 빔을 벨로즈 용접에 적합한 광의 크기로 집속하는 광학부는 광섬유를 통해서 전송된 빔의 방향을 전환하기 위하여 사용되는 미러나 광을 집속하기 위한 광 집속 렌즈등을 사용하여 레이저 빔을 원하는 방향으로 변경 집속하여 용접부위에 고밀도의 에너지를 전달하는데 있고, CCD 카메라는 레이저 용접헤드 가까이 부착되어 용접 부위를 관찰하고 용접부위의 영상신호를 CCD 센서로 받아서 모니터 상에 표시하게 되며, 조명부는 용접대상물의 용접부위의 영상신호를 모니터 상에 보다 선명하게 관찰할 수 있게 하는데 있다. 본 벨로즈 용접장치는 상기 조명부의 조명에 의하여 나타난 용접대상물을 CCD 카메라로부터 받아 모니터 상에 나타난 영상신호(이미지)에 기초하여 용접부위인 벨로즈 다이야프램과 벨로즈의 연결부를 따라가면서 실시간으로 X축 서보모터를 가변하면서 정교하게 용접을 수행한다. 본 발명에 채용된 X-Y 테이블 컨트롤러는 두 개의 AC 서보모터로 구동되며 5/10000 mm 까지 정교하게 이동가능하며, 상기 영상신호를 받아서 표시하는 모니터와 연계하여 모니터 상에 나타난 용접부위를 따라서 실시간으로 이동함으로써 정교한 용접을 가능하게 하는 역할을 한다.
벨로즈 다이야프램과 벨로즈를 지그에 고정하여(도5 참조) 일정한 속도로 회전시키는 용접대상물의 회전체는 필요에 따라 역방향 또는 정방향으로 회전시킬 수 있다. 용접대상물의 회전체의 동작과 관련하여 용접 조건을 모니터를 통해서 입력할 수 있고 이에 대하여 도4에 잘 나타나 있으며, 도4에 나타난 모니터 상에서 입력되는 변수 중 최고속도는 회전체가 돌아가는 속도로 rpm 단위로 표시되고, 초기 속도는 레이저가 초당 내보내는 펄스의 수로 pps 단위로 표시되며 이는 용접용 레이저의 출력과도 관계된다. 가속시간은 정지상태에서 최고 속도가 되는데 소요되는 시간이고, 감속시간은 최고 속도에서 정지상태가 되는데 까지 소요되는 시간을 나타낸다.
보다 양호한 레이저 용접을 달성하기 위하여 모니터 상에서 입력할 수 있는 변수는 용접 대상물의 회전 속도, 레이저 빔을 발생하는 펄스의 초당 발생 수(레이저 출력), 가속시간, 감속시간, 영상신호를 따라가면서 용접할 때 용접 부위를 따라가면서 자동으로 트래킹할 시 트래킹의 정밀도등으로 설정되어 있어, 이들 변수를 잘 제어함에 의하여 정교하고 양호한 벨로즈 용접을 달성할 수 있다. 즉, CCD 카메라에 의하여 모니터에 입력된 용접부위의 영상신호를 이용하여 실시간으로 트래킹하면서 용접함과 동시에 하나의 마이크로 프로세서에 의하여 벨로즈와 벨로즈 다이야프램을 고정하고 회전시키는 회전체와 트래킹시에 이용되는 X-Y 구동축(레이저 헤드 지지대)을 이동시키는 AC 서보모터와 서로 연계되어 동작을 일체화함으로써 최적의 벨로즈 용접을 가능하게 하는 것이다.
상기 벨로즈 용접과 관련하여, 불활성 가스 주입부는 일반적으로 사용되어온 방식으로 용접부위의 산화 방지와 불순물 유입을 방지하여 보다 양호한 용접을 달성하기 위하여 용접부위에 불활성 가스를 용접기간 동안에 계속 불어넣어 주는 장치이다.
본 발명과 관련하여 사용된 벨로즈 다이야프램용 칠링은 무광택으로 검게 피막처리된 강선(재료; SUS)을 사용하였으며, 피막처리를 하는 이유는 레이저 헤드의 양측면에 설치된 조명에서 발하는 빛의 반사를 막아서 보다 정확한 영상신호를 얻어서 보다 정교한 트래킹을 유도하기 위한 것이다.
도5는 벨로즈 다이야프램과 다아야프램용 칠링(칠링, chilling)을 고정하고 있는 샤프트, 스톱퍼, 스리브등을 나타내고 있다.
(실시예)
본 발명과 관련하여 하나의 실시예로, 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저 전원 회로는 스위칭 모드 파워 서플라이와 고속 수위치 수단를 구비하고, 도2와 같이 후레쉬 램프에 공급되는 펄스 초기에 첨두치를 가진 펄스신호를 얇은 금속물질인 벨로즈 용접에 적합한 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저의 후레쉬 램프의 입력 신호로 공급한다. 그리고, 상기 벨로즈 용접시 용접부위에 주입하여 산화를 방지하고 양질의 용접을 가능하게 하기 위하여 불활성 가스를 공급하며, 후래쉬 램프의 빛이 레이저 빔으로 변환되는 과정에 발생하는 열을 냉각시키기 위하여 냉각장치를 가동한다.
도2와 도3의 원리에 기초하여, 펄스의 시작부분의 첨두치를 적절히 높게 하여 순간적으로 적은 입열 에너지를 주입함과 동시에 펄스의 뒷부분에서 에너지를 낮추어 줌으로써 용접부위의 금속물질이 계속적인 입열에 의하여 변형됨을 방지하여 양질의 벨로즈 용접을 이루기 위한 최적의 전기적 펄스 신호를 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저에 공급한다. 즉, 벨로즈의 소재가 얇은 금속판이므로 많은 에너지가 계속해서 투입되면 입열 에너지가 증가하여 양질의 정교한 용접을 수행하기 어려우므로 짧은 시간내에 얇은 금속판 내부로의 에너지 흡수를 증가시키기 위해서는 금속으로 열이 전도되기 전에 온도를 상승시켜 줄 수 있는 적절히 높은 첨두 출력이 요구된다. 본 발명에 사용된 신호의 시작부분에 적절히 높은 에너지를 공급하는 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저는 순간적으로 레이저 광 흡수계수를 증가시키고 적은 입열 에너지로 양질의 정교한 벨로즈 용접을 가능하게 한다.
즉, 본 발명에서 사용된 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저는 첨두형 펄스를 이용하므로써 적은 입열 에너지와 계속되는 입열에 의한 용접부의 변형을 최소화하여 양질의 정교한 벨로즈 다이야프램과 벨로즈의 용접을 이룰 수 있다.
또한 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저와, 레이저 헤드에 부착되어 용접부위의 영상신호를 카메라를 통해서 모니터로 전송하고 전송된 용접부위의 영상신호에 기초하여 용접부위를 따라가면서 용접을 가능하게 하는 트래킹 수단과, 마이크로 프로세서에 연계되어 용접 대상물의 회전 속도, 레이저 빔을 발생하는 초당 펄스의 발생 수(레이저 출력), 서보 모터의 가속시간 및 감속시간등이 서로 연동하여 동작한다.
레이저를 이용한 벨로즈 용접의 구체적인 동작 단계를 살펴보면,
먼저, 레이저 용접 시스템은 크게 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저 본체와 가공시스템으로 나누어지며, 가공시스템은 용접대상물이 고정되어 있는 회전체와, 광섬유와 광학부로 구성된 용접용 헤드를 고정하고 X-Y테이블을 좌우로 이동할 수 있게 AC 서보 모터가 부착된 트레킹부로 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 벨로즈 레이저 용접시스템은 용접대상물의 회전체, X-Y축을 구동하는 AC 서보 모터 및 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저의 펄스폭과 펄스 크기등을 서로 연계하여 모두 컴퓨터 프로그램으로 제어한다. 컴퓨터 프로그램에 의해서 제어되는 벨로즈 용접을 구체적으로 단계별(도4 참조)로 살펴보면,
가. 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저, 용접대상물의 회전체 및 X-Y축을 구동하는 AC 서보 모터, 조명장치, 모니터 및 냉각장치에 먼저 전원을 공급한다.
나. 전원이 공급되면 CCD 카메라를 통해서 모니터상의 용접부위의 영상신호가 표시되고 원하는 위치로의 이동은 마우스를 통해서 클릭함에 의하여 이루어진다.
다. 원하는 위치로 이동한 다음 가공설정에서 가공개수와 간격을 입력하여 용접할 개수와 간격을 설정하고 가공버턴을 클릭하면 자동으로 용접이 이루어진다.
라. 보다 구체적으로, 설정메뉴에는 이동설정, 원점 찾기, 레이저 설정, 중심표시 설정, 화면비율설정 및 가공설정등을 할 수 있다.
이동설정을 선택하면, 회전축과 용접용 헤드 이송축의 속도와 위치를 설정할 수 있다. 가로방향 위치이동은 이동하고자하는 거리의 수치를 입력하고 이동 버턴을 누르면 정해진 위치로 이동한다. 회전 방향은 '정'과 '역'을 선택하여 원하는 방향으로 회전체를 움직일 수 있다.
이동 속도는 '속도'버턴을 누르면, 속도를 설정할 수 있는 창이 나타나고 초기속도는 pps(초당 펄스수; pulse per second)로 표시되고 이것은 최고속도의 1/10정도이면 적당하다. 최고속도는 이동시 최고속도인데 rpm으로 표시되며 회전축에만 유효한 값이다. 가속시간은 정지상태에서 최고속도가 되는데 소요되는 시간이고, 감속시간은 최고속도에서 정지상태가 되는데 까지 소요되는 시간이다. 레이저 감속시간과 가속시간에서의 양호한 용접을 이루기 위하여 약 10도 정도 중첩되어 용접되도록 설정하는 것이 바람직하다.
자동 따라가기 기능은 세부조정속도와 비율로 조정한다. 세부조정속도는 용접을 할 때 가로방향의 이동속도를 결정하게 되고, 일반적으로 빠른 속도에서는 작은 값을 느린 속도에서는 큰 값을 설정하는 것이 바람직하다.
마. 원점 찾기는 가로축이 기 설정된 원점을 찾아가는 기능이다.
바. 레이저 설정에서는 레이저의 출력, 주파수, 세기 및 가공시간을 설정할 수 있다. 하이셋은 레이저 최고 출력을 설정하고, 루우셋은 레이저 최저출력을 설정한다. 레이저 세기에 따라 하이셋과 로우셋이 차지하는 비율이 달라진다. 즉, 레이저 세기가 크면 하이셋이 오래가고, 세기가 약해지면 로우셋이 더 오래간다. 가공시간은 위치이동의 회전속도를 수정하면 자동으로 설정된다.
바. 중심표시 설정은 레이저 가공 위치를 확인할 수 있다.
사. 화면 비율설정은 화면에서 보이는 거리와 실제거리의 비율을 설정해 주는 것이다.
아. 가공메뉴는 가공 버턴을 누르면 '가공설정'에서 설정한 개수와 간격으로 용접선을 따라 좌우로 움직이면서 상기 메뉴에서 이미 설정된 용접조건으로 용접가공을 수행한다.
자. 가공설정은 연속적인 가공을 위하여 가공개수와 가공간격을 설정할 수 있다. 가공개수와 가공간격을 입력하고 첫 번째 위치로 이동하여 '가공' 버턴을 누르면 가공이 수행된다. '시작 위치'와 '대기위치' 버턴을 누르면 여기서 주어진 위치로 이동하게 된다. 가공각도를 더 늘여주면 조금 더 회전하여 처음부분과 끝 부분이 다소 중첩(조금 더 회전함)하여 가공하게 된다.
본 발명에 의하여 기대되는 효과는 상기 TIG 용접과 일반적인 레이저를 사용한 벨로즈 용접의 문제점을 인식하고, 펄스 변조형 YAG 레이저를 사용하여 펄스의 초기에 첨두치를 주어 펄스의 초기 에너지의 집속도를 높임과 동시에 용접 부위의 입열 에너지를 줄여 용접 부위의 변형없이 양질의 벨로즈 용접을 이루는 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 벨로즈 다이아프램과 벨로즈의 용접을 수행함에 있어서 원형 강재의 벨로즈 다이야프램을 무광택으로 검게 피막처리하여 조명장치에서 발생하는 빛을 감소시켜 CCD 카메라로부터 보다 양호한 영상 신호를 얻고 양호한 영상신호로부터 용접 부위를 실시간으로 트래킹하여 정교한 용접을 가능하게 하는 효과가 있다.
도1 : 첨두 에너지를 가진 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용한 벨로즈 용접장치의 개략도.
도2 : 첨두 에너지를 가진 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저의 후레쉬 램프에 입력되는 펄스신호모양.
도3 : 금속 표면 온도가 상승하면 레이저 광 흡수도.
도4 : 벨로우즈 용접시에 모니터상에 나타나는 입력변수.
도5 : 벨로즈와 원형 벨로즈 다이야프램의 고정부.
1; 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저, 2; 레이저 전원공급부, 3; 레이저 냉각장치, 4; 레이저 용접 헤드, 5; X-Y 테이블(AC 서보모터부착), 6; 레이저 전송용 광섬유, 7; 마이크로 프로세서, 8; 모니터, 9; 용접대상물, 10; 회전체(모터), 11; 조명수단, 12; 카메라, 13; 불활성가스 입력부, 14; 용접조건 입력부, 15; 심(seam) 트랙커
①; 사프트, ②; 스톱퍼, ③; 스톱퍼, ④; 칼라, ⑤; 슬리브, ⑥; 벨로즈

Claims (5)

  1. 첨두 에너지를 가진 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저를 이용하여 원형의 강재로 이루어진 다이야프램용 칠링이 결합된 벨로즈의 외경 용접장치에 있어서,
    용접부위의 변형을 줄이고 양호한 용접을 얻기 위하여 후래쉬 램프에 공급되는 전기적인 펄스신호의 초기에 첨두치를 주어 높은 초기 에너지밀도를 가진 펄스를 발생하여 전기적 신호를 공급하는 전원공급부와,
    상기 전원공급부에서 공급하는 전기적 신호에 기초하여 얇은 금속판을 양호하게 용접하기 위하여 첨두치를 갖는 펄스전기신호를 공급받아서 첨두 에너지를 갖는 레이저빔을 필요한 펄스 폭, 주기 및 강도를 제어하여 발생하는 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저와,
    상기 첨두치를 가진 펄스 변조형 Nd-YAG 레이저에서 발생된 레이저빔을 광섬유로 전송하기 위하여 레이저빔을 집속하는 집속렌즈와,
    상기 레이저 빔 집속렌즈에 의하여 집속된 레이저 빔을 용접 대상물까지 전송하는 광섬유와,
    상기 광섬유를 통해서 전송된 레이저 빔을 집속렌즈로 용접 부위에 집속시켜 에너지 밀도를 높이기 위한 집속렌즈가 부착된 용접용 레이저 헤드와,
    상기 레이저 빔 집속렌즈가 부착된 용접용 레이저 헤드를 용접대상물에 수직한 방향 또는 원하는 각도로 위치시키기 위한 x축, y축 및 z축을 가변할 수 있는 스테이지와,
    상기 레이저 헤드가 부착된 스테이지의 양측에 부착되어 용접부위를 CCD 카메라에 의하여 양호한 영상신호를 얻기 위한 조명수단과,
    상기 조명수단에 의해서 조명된 용접부위가 CCD 카메라를 통하여 모니터에 입력 표시되고 입력된 영상신호에 기초하여 용접부위의 변위에 연동하여 상기 용접용 레이저 헤드를 실시간으로 이동하여 정확하게 용접부위를 찾아서 용접을 가능하게 하는 트레킹부와,
    상기 트레킹부가 용접부위를 정확하게 트레킹하도록 하기 위하여 상기 조명에 의하여 반사되는 빛을 줄이기 위하여 원형의 강선으로 제작된 칠링을 무광택으로 검게 피막처리를 하는 수단과,
    상기 트레킹부와 연동하여 벨로즈와 원형의 벨로즈 다이야프램을 고정하고 일정한 회전을 유도하는 벨로즈와 벨로즈 다이야프램의 회전부와,
    상기 벨로즈와 벨로즈 다이야프램의 용접시에 산화를 방지하고 양호한 용접을 이루기 위하여 아르곤 또는 불활성 가스의 공급수단을 구비한 벨로즈 다이야프램이 결합된 벨로즈 용접장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벨로즈 다이야프램용 칠링은 SUS 재질의 원형의 강선으로 이루어진 벨로즈 다이야프램이 결합된 벨로즈 용접장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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