KR100562984B1 - 레이저 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 용접방법에 관한 것으로, 레이저 용접시 용접 개시전과 종료점에서 발생하는 용융 및 응고에 의한 열 팽창 및 수축으로 인한 용접 결함을 줄일 수 있는 용접방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 용접용 레이저 빔의 진행 경로상에서 레이저 빔의 직경을 확대시킨 후 굴절 또는 반사에 의해 에너지가 균일하게 분포하는 다수의 분할 빔을 만들고, 상기 다수의 분할 빔을 용접 부재의 접합계면에 초점으로 맺히게 하는 레이저 분할 및 집속 광학계를 이용하여 용접을 실시하는 레이저 용접방법을 제공하여, 작은 직경의 봉 모양을 하거나 원통형 캔 모양 또는 파이프 모양 또는 그 외주 또는 플랜지의 맞대기 이음 또는 겹치기 이음시의 다점 동시 용접을 가능하게 한다.

레이저 용접, 빔 확대, 빔 분할, 집속 광학계, 다점 동시 용접

Description

레이저 용접방법{Welding method by laser}

도 1과 도 2는 종래의 저항 용접방법 설명도

도 3은 종래의 저항 용접방법에 의한 원통형 부재의 겹치기 점용접 방법 설명도

도 4는 종래의 1분기 레이저에 의한 원통형 부재의 용접방법 설명도

도 5는 종래의 3분기 레이저에 의한 원통형 부재의 점용접 방법 설명도

도 6은 종래의 연속용접 방법에 의한 이종 직경 원통형 부재의 연속 용접부 단면도

도 7은 본 발명의 굴절-반사광학계를 이용한 원형 레이저 용접방법 설명도

도 8은 본 발명의 굴절광학계를 이용한 원형 레이저 용접방법 설명도

도 9는 본 발명에 의한 원형 레이저 용접방법에서 사용되는 고리모양 굴절광학계의 단면형상도

도 10은 본 발명의 원형 레이저 용접방법을 이용한 연속 용접부의 단면형상도

도 11은 본 발명의 반사광학계를 이용한 원형 레이저 용접방법 설명도

도 12는 본 발명 용접방법에서 사용 가능한 3점 레이저 용접용 빔 분할 반사 광학계의 형상도

도 13은 본 발명 용접방법에서 사용 가능한 4점 및 5점 레이저 용접용 빔 분할 반사 광학계의 형상도

도 14의 (a)는 3점 레이저 용접방법을 이용한 동일직경 외주 맞대기 용접 설명도

도 14의 (b)는 3점 레이저 용접방법을 이용한 이직경 외주 겹치기 또는 내면 용접 설명도

도 14의 (c)는 4점 레이저 용접방법을 이용한 동일직경 외주 맞대기 용접 설명도

도 14의 (d)는 4점 레이저 용접방법을 이용한 이직경 외주 겹치기 또는 내면 용접 설명도

도 14의 (e)는 5점 레이저 용접방법을 이용한 동일직경의 외주 맞대기 용접 설명도

도 14의 (f)는 5점 레이저 용접방법을 이용한 이직경 외주 겹치기 또는 내면 용접 설명도

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,101 : 용접부재 102 : 면접합 용접부

103,104 : 내부, 외부 캔형 용접부재 105 : 저항 점용접부

106 : 레이저 점용접부 107 : 레이저 연속용접부

108 : 크레이터 결함 201 : 이동 클램프

202,302 : 고정 클램프 203 : 클램프 구동장치

204 : 용접 전원장치 205 : 이동 용접전극

206 : 고정 용접전극 207 : 용접전극 가압장치

300 : 회전 클램프 301 : 회전 클램프 구동장치

400 : 레이저 용접헤드 401 : 레이저 빔

402 : 빔 확대기 403 : 빔 분할기

404 : 빔분할기 구동장치 405 : 고리모양 오목거울 집속장치

406 : 고리모양 볼록렌즈 광학계 407 : 분할 빔

408 : 빔분할용다면뿔거울 409 : 빔 제어장치

410 : 집속거울 구동장치 411 : 고리모양 오목거울

412 : 고리모양 반사거울 413 : 3분할용 삼각뿔거울

414 : 3분할 집속용 삼각뿔거울 415 : 4분할용 사각뿔거울

416 : 5분할 집속용 오각뿔거울

본 발명은 레이저 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 빔을 에너지 분포가 동일한 다수의 빔으로 분할한 후 다시 용접 부재의 접합계면에 집속시켜 용접에 사용할 수 있도록 함으로써 표면처리가 되어 있거나 그렇지 않은 박판 금속재료를 이용하여 소형 전자 부품 또는 광학 부품을 제조할 때 레이저에 의한 미세부 점용접을 가능하게 하는 레이저 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 미세부 점용접에 사용되는 용접 부재는 작은 직경의 봉 모양을 하거나 원통형 캔 모양 또는 파이프 모양을 하고 있으며 그 외주 또는 플랜지의 맞대기 이음 또는 겹치기 이음을 실시하여 필요로 하는 형상과 기능을 갖도록 하여야 하며, 그 과정에서 소정의 용접기법을 적용하여 접합하거나 또는 고정을 하여야 한다.

종래의 용접기술에서는 이러한 목적을 달성하기 위하여 미세 저항 점용접 방법을 이용하거나 또는 1분기 레이저 용접방법을 이용하거나 또는 3분기 레이저 용접방법을 이용하여 왔다.

도 1과 도 2는 미세 저항 용접법을 이용하여 소형 부품의 맞대기 용접을 행하는 방법을 설명하는 것이다. 용접되어야 하는 두 개의 용접부재(100)와 용접부재(101)는 각각의 클램프(201)와 클램프(202)에 의하여 고정된 다음 용접장치의 몸체와 직접연결 되어 이동이 불가능한 고정 클램프(202)에 대하여 상대적으로 직선운동을 할 수 있는 이동 클램프(201)에 의하여 용접에 필요한 힘과 이동거리를 이동 클램프 구동장치(203)의 지령 신호에 따라 이동함으로써 두 부품소재를 맞닿게 한다.

이와 같은 과정을 통하여 용접이 가능한 조건이 만족되면 용접전원장치(204)에 의하여 필요한 전기 에너지를 공급 받아 용접을 행하게 되며 용접될 부재의 조건에 따라서는 용접될 용접부재(100)와 용접부재(101) 사이에 인서트 물질을 삽입하여 용접부의 품질을 높이는 방법을 택하기도 하여 건전한 면접합 용접부(102)를 만들며 용접이 완료된 다음 이동 클램프(201)와 고정 클램프(202)는 용접된 부재를 해방시키고 이동 클램프(201)의 원위치 작동에 의하여 다음 용접공정으로 넘어가게 된다.

용접될 용접부재의 형태가 파이프 또는 캔 모양이거나 소정의 전기회로 등을 그 내부에 포함하는 하우징 모양을 할 경우에는 도 3과 같은 형태의 저항 점용접 방법을 사용하여야 한다. 이러한 공정에서 용접될 소재인 내부 캔형 용접부재(103)은 외부 캔형 용접부재(104)의 벽 두께만큼 직경이 작은 것이 보통이며 그 결과 내부 캔형 용접부재(103)은 외부 캔형 용접부재(104)의 안쪽으로 소정의 거리만 큼 들어가 있으며 그 위에서 고정 용접전극(206)과 이동 용접전극(205)을 이용하여 겹치기 저항 점용접부(105)를 형성시켜 고정하는 방법을 이용한다. 이러한 용접공정에서 이동 용접전극(205)는 이동 용접전극 가압장치(207)에 의하여 소정의 미리 설정된 압력으로 용접된 내부 캔형 용접부재(103)과 외부 캔형 용접부재(104)를 고정하며 그 상태를 유지하면서 용접전원장치(204)에 의하여 필요한 용접 에너지를 공급 받는다.

도 2와 같은 형태의 용접부품을 만들기 위한 보다 효율적인 방법은 레이저 용접방법을 이용하는 것이며 그것은 도 4에 표시한 것과 같은 1분기 레이저에 의한 용접방법으로 달성할 수가 있다. 이 용접방법은 회전을 할 수 있는 회전 클램프(300)과 회전운동 구동장치(301)의 사이에 용접될 용접부재(100)와 용접부재(101)를 삽입한 다음 그들을 적절한 힘으로 고정하고 소정의 속도로 회전하면서 용접을 실시하는 방법이며 그 과정에서 레이저 용접 헤드(400)을 통하여 공급 및 집속된 레이저 빔(401)의 에너지를 이용하여 연속적인 용접부를 얻는 방법이다. 이러한 1분기 레이저에 의한 원통부품 용접방법은 연속발진 레이저 에너지를 이용할 경우 도 4의 아래 부분에 나타낸 것과 같이 용접될 용접부재(100)와 용접부재(101)의 계면에 원주방향으로 연속 용접부(107)을 얻을 수도 있으며 또 펄스 발진 레이저 용접장치를 이용하여 용접될 용접부재(100)와 용접부재(101) 사이에 한 점 이상의 레이저 점용접부(106)를 얻을 수 있는 장점이 있으며 어떠한 용접법을 이용하더라도 용접자동화 등 높은 생산성의 작업이 가능하다는 특징을 가지고 있다.

또 도 5와 같이 2분기 이상의 레이저 광학계를 이용하면 원통형 부품의 외주에 2점 이상의 점용접부를 동시에 만들 수도 있으며 도 4와 같은 회전 고정장치를 동시에 이용하면 연속 용접부를 짧은 시간 안에 만들 수 있는 방법이 있다.

이상과 같은 종래의 용접방법에서는 미소 정밀 부품의 최종 품질을 손상시키는 결정적인 문제점을 여러 가지 내포하고 있으며 도 1~도 3에서 제시한 것과 같은 저항용접방법에서는 그 용접법의 원리에서 필연적으로 일정 수준 이상의 압력을 용접될 부재의 축 방향 또는 원주 방향으로 가하여야 한다. 이러한 힘은 극히 박판소재이며 성형가공 특성이 매우 우수한 소재로 만들어진 부재의 표면 변형을 유발할 수 있으므로 용접 후 외관 형상 불량으로 인한 불량 처리를 받아야 하며 또 표면의 변형이 그 내부에 장착되어 있는 전자회로에 영향을 미치게 되면 그 부품은 소정의 성능을 발휘할 수 없기 때문에 전체 기기의 성능을 낮추거나 고가 장비의 불량처리 또는 신뢰성을 크게 해칠 수 있다. 특히 이러한 용접방법이 정밀 광학부품의 제조에 이용되었을 경우 외적인 힘에 의한 미소 변형은 광축의 어긋남을 유발하여 마이크로미터 단위로 제어되고 관리되어야 하는 정밀 부품의 용접에서는 심각한 문제를 일으킬 수도 있다.

도 4와 도 5의 레이저 용접방법은 이상과 같은 외부 하중의 영향을 최소화하는 용접방법이며 또한 용접 자동화에 의한 고속용접이 가능한 방법이기 때문에 한 차원 발전된 용접방법이었으나, 1분기 레이저 용접에서는 매우 작은 점으로 집속된 에너지를 설정된 위치에 정확하게 맞추어 회전하는 것의 어려움과 재현성이 문제점으로 제기되고 있으며 용접될 부재의 가공정밀도와 허용도를 매우 엄격하게 유지하여야 한다는 문제점도 결코 간과할 수 없는 것이며, 저항용접방법과는 다르게 레이저 용접방법은 완전용융용접을 실시하여야 하기 때문에 용접부는 용접과정에서 완전히 용융된 다음 응고를 하며 응고 과정에서 발생하는 응고 수축량의 제어와 예측을 통한 용접설계가 극히 중요하며 또한 어렵다.

또 연속 용접의 경우 도 6에 제시한 바와 같이 연속 용접의 시작점과 종료점에서는 크레이터 결함(108)이라는 용접균열이 매우 빈번하게 일어나기 때문에 용접 균열에 안전한 소재를 선택하여야 하지만 그러한 소재 선정의 과정은 용접 균열 안전성과는 별도로 여타의 가공성과 가격경쟁력도 중요한 재료 선정의 요소이므로 간단하게 해결될 수 있는 문제들이 아니다. 따라서 실제의 레이저 용접에서는 용접 에너지의 기울기 제어방법을 이용하여 용접 개시점과 용접 종료점의 입열 에너지 양을 조정하는 방법이 사용되고 있으나 부품의 직경 또는 용접될 길이가 일정 수준 이상으로 유지될 수 있는 크기의 부재에서는 이러한 기울기제어 방법의 유효성이 인정되지만 소형 부품의 제조 공정에서는 직접 적용이 곤란한 문제점을 피하기가 어렵다.

이상의 문제점들은 레이저 용접에서 사용되는 에너지가 하나의 작은 점으로 이루어져 있기 때문에 높은 밀도의 에너지에 의하여 용융 후 응고되는 것이 원인이 되고 있다.

따라서 본 발명은 상기의 종래 용접 방법이 갖는 문제점을 최소화하거나 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명은 레이저 빔의 직경 확대 및 빔 분할용 굴절 광학계 또는 빔 분할용 반사 광학계를 이용하여 에너지 분포가 균일한 다수의 분할 빔을 만들고 그 후에 다시 고리모양의 오목거울 집속 광학계 또는 고리모양 굴절 광학계를 이용하여 용접 부재로 집속시킬 수 있도록 함으로써, 레이저에 의한 미세부의 다점 동시 용접을 가능하게 하여 용접품질의 안정성을 극대화할 수 있는 레이저 용접 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 표면처리가 되어 있거나 그렇지 않은 작은 직경의 원통형 캔 모양 또는 파이프 모양 또는 둥근막대 모양의 소형 부재에 대하여 그 외주 또는 플랜지의 맞대기 또는 겹치기 또는 가장자리 용접을 실시함에 있어서, 광섬유로부터 입사되는 레이저 빔의 진행 경로상에서 상기 레이저 빔의 직경을 확대시킨 후 굴절 또는 반사에 의해 에너지가 균일하게 분포하는 다수의 분할 빔을 만들고, 상기 다수의 분할 빔을 용접 부재의 접합계면에 초점으로 맺히게 하는 레이저 분할 및 집속 광학계를 이용하여 용접을 실시하는 레이저 용접방법을 제공한다.

상기 본 발명의 레이저 용접방법에서 사용될 수 있는 레이저 분할 및 집속 광학계는 빔 확대기와 빔 분할기와 빔 반사기로 구성될 수 있으며, 상기 분할된 빔의 개수는 3개 이상인 것을 사용한다.

특히 상기 레이저 분할 및 집속 광학계는 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 굴절 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고, 그 분할된 출력 빔을 용접 위치 직전에 장착되는 고리모양의 오목거울 집속 광학계를 이용하여 용접 부재에 집속시키는 실시예를 구현할 수 있다.

또한 상기 레이저 분할 및 집속 광학계는 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 굴절 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고, 그 분할된 출력 빔을 고리모양 굴절 광학계를 개입시켜 용접부재에 집속시키는 실시예를 구현할 수 있다.

또한 상기 레이저 분할 및 집속 광학계는 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 다면 뿔 모양의 반사 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고, 그 후면에 고리모양 오목 거울 반사광학계와 위치 조정이 가능한 고리모양 평면 반사광학계를 개입시켜 다점 동시 용접이 가능한 형태로 분할 빔을 용접부재에 집속시키는 실시예를 구현할 수 있다.

또한 상기 레이저 분할 및 집속 광학계는 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 다면 뿔 모양의 반사 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고, 그 후면에 다면 뿔 모양의 반사 광학계의 반사면 수와 동일한 수의 오목 거울 반사광학계와 위치 조정이 가능한 고리모양 평면 반사광학계를 개입시켜 다점 동시 용접이 가능한 형태로 분할 빔을 용접부재에 집속시키는 실시예를 구현할 수 있다.

또한 상기 레이저 분할 및 집속 광학계는 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 다면 뿔 모양의 반사 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고, 그 후 면에 다면 뿔 모양의 반사 광학계의 반사면 수와 동일한 수의 오목 거울 반사광학계와 위치 조정이 가능하며 다면 뿔 모양의 반사 광학계의 반사면 수와 동일한 수의 평면 반사광학계를 개입시켜 다점 동시 용접이 가능한 형태로 분할 빔을 용접부재에 집속시키는 실시예를 구현할 수 있으며, 특히 여기서 상기 빔 확대기의 후방의 다면 뿔 모양의 반사 광학계의 반사면 수를 3면 또는 4면 또는 5면으로 하며 그 표면을 평면으로 하거나 또는 집속거리에 상응하는 곡면을 가공한 것을 이용하여 3점 또는 4점 또는 5점 레이저 용접을 동시에 실시 가능하다.

상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 7은 본 발명의 굴절-반사 광학계를 이용한 원형체 레이저 용접장치의 개략 구성도이며 이하 본 발명의 상세 내용을 기술한다. 레이저 에너지를 최초로 공급하는 광 섬유를 통하여 레이저 빔(401)이 빔 제어장치(409)에 입사되면 빔 제어장치 내부에 장착되어 있는 빔 확대기(402)는 최초에 입사된 레이저 에너지를 소정의 직경으로 확대하며 이 과정에서는 확대된 빔의 단면 어느 위치에서도 에너지 분포가 균일하기 때문에 최초로 입사된 레이저 빔(401)과 에너지 분포는 일치한다.

직경이 확대된 레이저 에너지는 그 다음 경로에 놓여 있는 빔 분할기(403)에 입사되어 광로를 바꾸게 되며 그 결과 빔 분할기를 통과한 레이저 에너지의 분포는 전면적 균일분포에서 고리모양 분포로 전환된다. 즉 레이저 빔의 진행 방향으로 볼 때 그 중심부에서는 레이저 에너지의 강도가 관측되지 않으며 가장자리에서는 일정한 직경을 갖는 영역에서 고리 모양으로 일정한 수준의 레이저 광 강도가 나타나도록 되어 있다. 빔 분할기(403)를 통과한 레이저 분할 빔(407)은 그 다음 경로에 장치되어 있는 환형(고리모양) 오목거울 집속장치(405)에서 집속되면서 진행을 하게 되며 용접될 용접부재(101)의 접합계면에서 초점으로 맺히게 된다. 이 초점은 하나의 작은 직경을 나타내는 종래의 용접방법의 초점이 아니라 환형 오목거울 집속장치(405)를 경유하여 출력된 것이므로 그 초점 또한 작은 고리 모양 집속점으로 나타난다. 이렇게 만들어진 고리모양 레이저 집속광은 용접에 이용될 정도의 충분한 에너지를 가지고 있기 때문에 용접될 부재의 외주를 동시에 가열하여 용융시키며 레이저 출력을 차단하면 용융되었던 부분은 응고하여 용접이 완료되어 레이저 연속 용접부(107)을 형성한다. 따라서 본 발명의 용접방법에서는 용접될 용접부재(100)와 용접부재(101)를 두 클램프(300,303)로 고정한 다음 회전시킬 필요가 없으며, 여기서 용접 장치의 두 클램프는 고정 클램프가 설치되어 있는 것으로 충분하다.

도 7과 같은 용접장치를 이용하면 직경이 다른 환형 부재의 정밀용접을 일시에 완료할 수 있는 특징을 나타낼 뿐만 아니라 내부 캔형 용접부재(103)와 외부 캔형 용접부재(104) 또는 소형 파이프 형태의 용접 부재의 맞대기 용접을 일시에 완료할 수 있으며 또한 어떠한 용접 부재에 적용하더라도 용접 개시점과 용접 완료점이 동일 영역이라는 특징도 가지고 있다. 따라서 용접 개시점과 용접 완료점에서 발생하는 크레이터 균열 억제를 위한 레이저 에너지의 기울기 제어를 실시하여야 할 경우 용접될 부재의 운동구간이 작기 때문에 발생하는 여러 가지 문제점을 모두 해결할 수가 있는 특징이 있으며 단순한 에너지 강도 제어 만으로도 충분히 기울기제어의 효과를 달성할 수가 있다.

도 8은 본 발명의 굴절광학계를 이용한 원형체 레이저 용접장치의 개략구성도로서, 도 7에서 제시한 굴절-반사 광학계를 이용한 원형체 레이저 용접장치를 직경이 다소 큰 용접 부재의 용접에 적용할 경우, 용접장치의 크기가 커지는 것을 보완하기 위한 방법을 나타낸 것이며, 도 9는 본 발명의 고리모양 굴절광학계의 단면 형상도이다. 빔 확대기(402)를 통과하여 넓어진 레이저 빔은 빔 분할기(403)를 통해 고리모양의 볼록렌즈인 굴절광학계(406)에 입사되며 그 곳을 통과한 레이저 광은 굴절 및 집속되어 고리 모양의 집속 고리를 만들어 용접을 수행하게 된다. 도 8은 비교적 직경이 큰 소형 용접 부재인 외부 캔형 용접부재(104)와 내부 캔형 용접부재(103)의 내면 연속용접 형태의 예를 나타낸 것이며 고리 모양 집속선은 접합부를 가열하여 연속 용접부(107)를 만든다. 이 경우에도 용접될 외부 캔형 용접부재(104)와 내부 캔형 용접부재(103)는 고정된 클램프에 의하여 고정되어 있으므로 용접 품질 확보를 위한 레이저의 기울기 제어에 아무런 저해요인을 제공하지 않는 특징이 있다.

도 10은 도 7의 굴절-반사 광학계를 이용한 원형체 레이저 용접장치와 도 8의 굴절광학계를 이용한 원형체 레이저 용접장치에 의하여 얻을 수 있는 용접부의 형태를 나타낸 것으로서, (a)와 같이 직경이 동일한 파이프 또는 캔 형상의 용접 부재를 맞대기 용접할 경우, 또는 (b)와 같이 직경 차이가 있는 파이프 또는 캔 형상의 용접 부재를 내면 또는 외주에서 용접을 실시할 경우 또는 직경 차이가 있는 봉 형태의 용접 부재를 외주에서 연속 곡선 용접할 경우, 또는 (c)와 같이 직경 차이가 더 큰 봉 형태의 용접 부재를 외주에서 전면 용접할 경우 등 모든 조건에 적용할 수가 있는 특징이 있다.

도 11은 본 발명의 반사 광학계를 이용한 원형 부재의 레이저 용접장치의 개략 구성도를 나타낸 것이다. 입사된 레이저 빔은 빔 확대기(402)에서 소정의 직경으로 확대되어 출력되며 그 다음 과정에서 빔 분할용 다면 뿔 모양의 거울(408)에 의하여 반사되고 다시 빔의 진행 경로에 설치되어 있는 중계 광학계인 고리모양 오목거울(411) 또는 빔 분할용 다면 뿔 모양의 거울 개수와 동일한 수의 오목거울에 의하여 집속 및 전송된다. 집속 및 전송된 레이저 광은 다른 하나의 고리 모양 평면 반사 거울(412) 또는 빔 분할용 다면 뿔 모양의 거울 개수와 동일한 수의 평면 반사 거울에 입사된 다음 반사되어 용접될 부재의 표면에 각각의 집속점으로 초점을 이루며 레이저 점 용접을 수행한다. 이 과정에서 용접하여야 할 위치를 정확하게 맞추는 것은 매우 중요하며 그 위치의 미세 조정은 고리모양 평면 거울(412) 또는 빔 분할용 다면 뿔 모양의 거울 숫자와 동일한 수의 평면 거울의 위치 조정으로 가능하며 그러한 조정은 집속거울 구동장치(410)에 의하여 가능하다. 본 발명의 반사 광학계를 이용한 원형 용접 부재 레이저 용접방법을 이용하면 원형체의 표면에서 빔 분할용 다면 뿔 모양의 거울(408) 면 수와 같은 수의 레이저 점용접부를 동시에 만들 수 있으며 용접 능률을 크게 높이는 특징이 있다.

도 12의 (a) 내지 (c)는 3점 레이저용접용 반사 광학계의 형상 설명도로서 도 11의 빔 분할용 다면 뿔 거울이 4면체 일 경우를 나타내며 이러한 반사체를 이용하면 원형 부재에 3점 레이저 겹치기 또는 맞대기 또는 가장자리 점용접을 동시에 행 할 수 있는 것이다. 도 12의 (a)에서와 같이 4면체의 반사면이 평면인 경우(413)에는 도 11의 집속 광학계를 그대로 사용할 수 있는 구조의 용접장치가 사용되지만, 도 12 (b)의 중간높이 단면도와 (c)의 정면도에 각각 도시된 바와 같이 각 반사면의 가장자리가 평면거울 표면(414a)으로 이루어지고 중앙부분의 일부가 일정한 곡률의 오목거울 표면(414b)을 가진 경우(414)에는 도 11에서 1차 집속 광학계의 오목거울(411)이 불필요하여 일반 평면거울을 사용하여야 하며 2차 집속광학계(412)도 평면거울을 사용할 수 있는 장점이 있다. 이와 동일하게 도 13은 4점 및 5점 레이저용접용 반사 광학계(415)와 (416)의 형상을 나타내는 설명도이며 이러한 반사체를 빔 분할용 다면 거울로 사용할 경우는 동시에 4점 또는 5점의 레이저 겹치기 또는 맞대기 또는 가장자리 점용접을 원형 부재에 일시에 수행할 수 있는 특징이 있다.

이러한 빔 분할용 다면 뿔 거울을 사용하여 용접을 행하였을 경우의 용접부 형상을 나타낸 것을 도식화하면 도 14의 (a) 내지 (f)와 같으며, (a)는 3점 레이저 용접방법을 이용한 동일직경 외주 맞대기 용접 설명도이며 (b)는 3점 레이저 용접방법을 이용한 이직경 외주 겹치기 또는 내면 용접 설명도이며 (c)는 4점 레이저 용접방법을 이용한 동일직경 외주 맞대기 용접 설명도이며 (d)는 4점 레이저 용접방법을 이용한 이직경 외주 겹치기 또는 내면 용접 설명도이며 (e)는 5점 레이저 용접방법을 이용한 동일직경의 외주 맞대기 용접 설명도이며 (f)는 5점 레이저 용접방법을 이용한 이직경 외주 겹치기 또는 내면 용접 설명도를 나타낸다.

이상의 본 발명에 의하면, 레이저 빔의 진행 경로상에서 빔의 직경을 확대 및 굴절 또는 반사에 의해 에너지가 균일하게 분포하는 다수의 분할 빔을 만들어 용접 부재의 접합계면에서 용접을 실시함으로써, 레이저 용접시 용접 개시전과 종료점에서 발생하는 용융 및 응고에 의한 열 팽창 및 수축으로 인한 용접 결함을 줄일 수 있고, 또한 작은 직경의 봉 모양을 하거나 원통형 캔 모양 또는 파이프 모양 또는 그 외주 또는 플랜지의 맞대기 이음 또는 겹치기 이음시의 다점 동시 용접을 가능하게 하는 이점을 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 표면처리가 되어 있거나 그렇지 않은 작은 직경의 원통형 캔 모양 또는 파이프 모양 또는 둥근막대 모양의 소형 부재에 대하여 그 외주 또는 플랜지의 맞대기 또는 겹치기 또는 가장자리 용접을 실시하는 방법에 있어서,

   광섬유로부터 입사되는 레이저 빔의 진행 경로상에서 상기 레이저 빔의 직경을 확대시킨 후 굴절 또는 반사에 의해 에너지가 균일하게 분포하는 다수의 분할 빔을 만들고

   상기 다수의 분할 빔은 용접 부재의 접합계면에 고리모양 초점으로 맺히게 하는 레이저 분할 및 집속 광학계를 이용하여 용접을 실시하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 레이저 분할 및 집속 광학계는 빔 확대기와 빔 분할기와 빔 반사기로 구성되며, 분할된 빔의 개수는 3개 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 굴절 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고 분할된 출력 빔은 용접 위치 직전에 장착된 고리모양의 오목거울 집속 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 굴절 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고 분할된 출력 빔을 고리모양 굴절 광학계를 개입시켜 출력 레이저 빔을 집속시켜 용접을 실시하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 다면 뿔 모양의 반사 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고 그 후면에 고리모양 오목 거울 반사광학계와 위치 조정이 가능한 고리모양 평면 반사광학계를 개입시켜 다점 동시 용접을 실시하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 다면 뿔 모양의 반사 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고 그 후면에 다면 뿔 모양의 반사 광학계의 반사면 수와 동일한 수의 오목 거울 반사광학계와 위치 조정이 가능한 고리모양 평면 반사광학계를 개입시켜 다점 동시 용접을 실시하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
7. 제 2항에 있어서,

   상기 빔 확대기의 후방에 빔 분할용 다면 뿔 모양의 반사 광학계를 개입시켜 용접용 레이저 빔의 경로를 분할하고 그 후면에 다면 뿔 모양의 반사 광학계의 반사면 수와 동일한 수의 오목 거울 반사광학계와 위치 조정이 가능하며 다면 뿔 모양의 반사 광학계의 반사면 수와 동일한 수의 평면 반사광학계를 개입시켜 다점 동시 용접을 실시하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 빔 확대기의 후방의 다면 뿔 모양의 반사 광학계의 반사면 수를 3면 또는 4면 또는 5면으로 하며 그 표면을 평면으로 하거나 또는 집속거리에 상응하는 곡면을 가공한 것을 이용하여 3점 또는 4점 또는 5점 레이저 용접을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.

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