KR100597908B1 - 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치 및이를 이용한 용접방법 - Google Patents

용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치 및이를 이용한 용접방법 Download PDF

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박기영
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Abstract

본 발명은 3차원 형태의 복잡한 대상물이나 용접부가 모재보다 연화되어 용접부가 응력집중에 취약한 알루미늄과 같은 재질을 용접할 때 반드시 해결해야 하는 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것으로서, 레이저빔을 집속시키는 집속헤드를 용접대상물 방향으로 이동시키는 구동부 및 구동제어부와, 상기 집속헤드로 레이저를 발진시켜 공급하는 레이저 발진부를 포함하는 레이저 용접장치 및 용접방법에 있어서, 별도의 부분함몰 보상부를 구성하여 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하고, 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값을 결정한 다음, 결정된 레이저빔의 출력 및 이동경로와 이 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값을 데이터베이스에 저장하고, 상기 구동부에 미세이동수단을 구비하여 상기 집속헤드 고정지그에 설치되어 집속헤드를 용접 끝점에서 미세하게 이동시키며, 상기한 각각 장치부는 통합제어기에서 제어되도록 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치 및 용접방법을 제공한다.
레이저용접, 용접끝점, 부분함몰, 집속헤드, 미세이동수단, 이동경로

Description

용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치 및 이를 이용한 용접방법 {LASER WELDING APPARATUS FOR REMOVING THE HOLE OF END POINT, AND LASER WELDING METHOD THEREOF}
도 1은 레이저 용접에서 키홀 발생과 용접현상을 도시한 모식도.
도 2 및 도 3은 종래의 용접방법에서 사용하는 레이저용접장치 및 용접방법을 도시한 개념도.
도 4는 종래의 용접방법에 의하여 레이저 용접된 판재의 맞대기의 용접부 품질과 키홀 용접구간에서 함몰발생 구간을 도시한 단면도.
도 5는 종래의 용접방법에 의하여 레이저 용접된 판재의 맞대기의 용접부 품질과 키홀 용접구간에서 함몰발생 구간을 용접선 길이에 대한 디포커스 범위를 도시한 그래프도.
도 6은 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치의 전체 구성을 도시한 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치의 미세이동수단을 도시한 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치에서 와이어 공급수단을 채용한 상태를 도시한 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치를 이용한 용접방법에 의하여 수행된 레이저용접공정을 용접선 길이에 대한 디포커스 범위를 도시한 그래프도.
도 10은 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치를 이용한 용접방법의 제어알고리즘에 대하여 도시한 상세 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 레이저빔 2 : 집속헤드
3 : 용접대상물 4 : 키홀
5 : 용융풀 6 : 플라즈마 가스
7 : 키홀에서의 플라즈마 분출
8 : 키홀로 인한 용융풀에서의 용융금속 이동현상
9 : 끝점 함몰부 10 : 용접비드
11 : 종래의 용접와이어 부착지그 12 : 용접와이어 공급기
13 : 용접와이어 14 : 집속헤드 고정지그
15 : 미세이동수단 16 : 통합 제어기
17 : 상하이동 구동모터 18 : 상하이동 기어박스
19 : 좌우이동 구동모터 20 : 좌우이동 기어박스
21: 회전이동 구동모터 22: 회전이동 기어박스
30 : 용접장치 구동부 31 : 구동부 제어기
32 : 용접와이어 제어기 33 : 레이저빔 발진기
34 : 본 발명의 용접와이어 부착지그
35 : 데이터베이스 36 : 부분함몰 보상부
본 발명은 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 형태의 복잡한 대상물이나 용접부가 모재보다 연화되어 용접부가 응력집중에 취약한 알루미늄과 같은 재질을 용접할 때 반드시 해결해야 하는 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저(Laser) 용접은 아크(Arc) 용접에 비교하여 깊은 용입과 좁은 비드(Bead) 폭을 얻을 수 있어 열영향을 최소화 하고 고품질의 미려한 용접부를 얻기 위한 수단으로 널리 사용한다. 레이저 용접으로 깊은 용입을 얻을 수 있는 원리는 키홀(Key Hole)의 발생에 기인한다.
도 1은 레이저 용접에서 키홀 발생과 용접현상을 도시한 모식도로서, 집속헤드(2)에 의하여 집속된 고밀도 레이저빔(1)은 용접하는 과정에서 용접 대상물(3)에 금속 용융풀(5)과 키홀(4)을 생성한다. 상기 키홀(4)은 임계 이상의 높은 에너지 밀도에서 용접 대상물에 좁고 깊게 형성되는 것으로 용접진행시 레이저 빔의 초점에서 발생하며, 그 뒤로 긴 용융풀(5)이 형성된다.
상기 키홀(4)은 고온, 고압의 플라즈마(Plasma, 6)가 분출(7)하는 관계로 보 통 용융 금속은 키홀(4)의 뒤쪽(8)으로 쌓이게 된다. 따라서 용접선의 끝점에서 이 키홀(4)의 영향으로 움푹 팬 부분함몰이 관찰되는 것은 지금까지 많이 적용되어 온 철강재료와 알루미늄재료의 레이저 용접에서 흔히 관찰되는 현상이다.
이러한 레이저용접 후 철강재료는 용접부의 강도가 모재에 비하여 강화되어 판재의 맞대기의 경우 함몰을 모재두께의 10% 정도까지 허용한다. 알루미늄 재료는 용접부의 강도가 모재에 비하여 현저히 저감하므로 강도가 요구되는 곳에서는 용접와이어의 사용이 필수적이며, 특히 하중이 가해지는 구조재에 사용될 경우 용접부의 품질이 중요하다.
그러나 용접와이어를 사용한 레이저용접에서도 키홀(4)에 의한 부분함몰 현상은 발생을 하며, 이의 해결방안은 알루미늄 재료의 경우 좀 더 중요하다.
철강재료나 알루미늄 재료의 경우에 보통 용접 시작점과 끝점은 절단하여 버리는 경우가 많으나 용접 시작과 끝점을 절단하여 버릴 수 없는 경우에는 레이저 용접을 적용할 수 없거나 용접 후 후공정에서 보완을 하여야 한다.
이러한, 레이저 용접의 제약조건에 의해 발생되는 강도 저하의 위험 요소, 후공정 등 작업시간의 증가, 생산성 저하 등을 개선시킬 수 있는 수단으로서, 레이저용접에서 용접선 끝점의 부분함몰 불량방지를 위한 레이저 용접방법 및 용접장치는 절실하게 산업 현장에서 필요한 시스템이다. 특히 미려한 외관이 필요하거나 피로 강도가 요구되는 부품을 레이저 용접할 경우에 효과적이다.
레이저용접의 대상물의 결합방법은 일반적인 용접결합법과 동일하며, 맞대기와 플랜지, 필렛, 오버랩 등이 일반적으로 사용된다. 이중 맞대기 레이저용접에 대하여 종래 레이저용접의 끝점의 함몰 현상과 문제점을 제기하나 타 결합에서도 동일하게 적용 된다.
도 2 및 도 3은 종래의 용접방법에서 사용하는 레이저용접장치 및 용접방법을 도시한 개념도로서, 도 2는 종래의 장치에 의한 용접진행과정과 레이저용접부의 현상을 보여준다. 즉 레이저 발진기(33)에서 발생한 레이저빔(1)은 광전달 장치(미도시)를 통하여 집속헤드(2)에 도달하며, 이 집속헤드(2)는 전달된 레이저빔을 집속하여 초점을 이루며, 에너지밀도를 임계점 이상으로 집중시킨다. 이 집속헤드(2)는 초점을 용접선을 따라 이동시켜 주는 구동부(30)의 끝단인 집속헤드 고정지그(14)에 지지되어 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 구동부(30)와 그 제어기(31)에 의하여 작동되어 용접선에 초점을 조절시키고, 일정한 속도로 용접선을 따라 이동시키며, 레이저 발진기(33)에서 공급되는 레이저빔으로 레이저용접을 진행한다.
이 때 구동부(30)의 장치로는 NC(Numerical Control)장치나 로봇(Robot)이 이용되며, 용접 보조 장치로는 용접부의 산화 방지를 위하여 보호가스공급장치가 보통 이용된다. 또한 이 때 용접 대상물(3)의 재질과 요구되는 용접품질에 따라 용접와이어 공급수단(12)과 용접와이어 제어부(32)가 사용된다.
이와 같은 종래의 레이저용접 장치와 방법으로 키홀 용접을 수행한 판재의 맞대기 결합의 용접부를 살펴보면, 도 4의 (a)에 도시된 형태의 용접대상물(판재, 3)의 맞댄 용접선을 따라 비드(10)가 형성된다. 이러한 용접비드(10)는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 단면형상(A-A 단면, B-B 단면)으로 나타나며, 용접선의 끝점에서 부분함몰(9)을 관찰할 수 있다.
상기한 용접선 끝점에서의 부분함몰(9)에 대하여, 도 5에 도시된 그래프도를 참조하면, 레이저의 특성과 대상재질에 따라 차이가 있으나 종래의 레이저용접에 의하여 발생되는 함몰은 5㎜ 이상의 길이(함몰발생구간, E)에 걸쳐서 함몰 깊이 1㎜ 까지 발생을 하며, 키홀용접이 효율적으로 발생하는 디포커싱 범위(D)는 보통 -2~+2㎜로 이에 대한 데이터는 오프라인상의 실험에 의하여 확보된다. 또한 이러한 함몰현상은 용접선의 길이(A)와는 직접적인 영향이 없다.
또한, 종래의 레이저 용접방법과 용접장치로 기타의 레이저용접을 수행할 경우에도 맞대기 레이저용접에서와 마찬가지로 용접선의 끝점에서 부분함몰을 관찰할 수 있다. 따라서 앞에서 관찰한 바와 같이 용접대상물의 형태와 용접법에 상관없이 시작과 끝점을 어디로 정하던 레이저 키홀용접에서 끝점의 부분함몰이 발생한다는 문제점을 갖는다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 레이저 집속헤드를 용접 함몰부 부위에서 미세하게 이동시키는 미세이동수단을 장착하고, 이에 따라 레이저빔 용접선의 끝점을 둘 이상으로 분리하여 함몰부를 설정하고 함몰부를 하나 이상의 구간으로 구분하여 각 구간에서 용접방향에 대하여 순방향 또는 역방향으로 용접경로를 택하여 용접함으로써 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치 및 이를 이용한 용접방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레이저빔을 집속시키는 집속헤드 를 용접대상물 방향으로 이동시키는 구동부 및 구동제어부와, 상기 집속헤드로 레이저를 발진시켜 공급하는 레이저 발진부를 포함하는 레이저 용접장치에 있어서, 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하고, 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값을 결정하는 부분함몰 보상부를 구성하고, 이로부터 결정된 레이저빔의 출력 및 이동경로와 이 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값에 대한 정보를 저장하는 데이터베이스를 구성하며, 상기 구동부의 집속헤드 고정지그에 설치되어 집속헤드를 미세하게 이동시키는 미세이동수단 및 상기 각 장치부와 연결되어 미세이동수단을 작동시키는 통합제어기를 포함하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치를 제공한다.
또한, 상기 미세이동수단은 상기 레이저빔 집속헤드를 고정시켜 상하 방향으로 이동시키도록 동력 결합하는 상하이동 기어박스 및 이와 기어 결합하는 상하이동모터와, 또는 상기 상하이동 기어박스를 고정시켜 좌우 방향으로 이동시키도록 동력 결합하는 좌우이동 기어박스 및 이와 기어 결합하는 좌우이동모터와, 또는 상기 좌우이동 기어박스를 고정시켜 회전 방향으로 이동시키도록 동력 결합하는 회전이동 기어박스 및 이와 기어 결합하는 회전이동모터를 포함하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치를 제공하게 된다.
또한, 본 발명은 상기 구동부의 집속헤드 고정지그에 설치되어 용접부로 용접와이어를 공급하는 용접와이어 공급수단과, 이를 제어하도록 연결되면서 상기 통합제어기로부터 제어되는 용접와이어 제어기를 더 포함하도록 한다.
한편, 본 발명은 레이저 용접장치를 이용하여 용접 끝점을 용접하는 방법에 있어서, 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하고, 상기 결정된 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값을 결정하게 된다.
그런 다음, 상기 결정된 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력, 이동경로 및 이에 레이저빔의 디포커스 함수값에 따라 레이저빔 집속헤드를 미세하게 이동시키면서 용접 함몰부를 용접하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접방법을 제공하게 되는 것이다.
또한, 본 발명에서 상기 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하는 단계는 다음과 같은 각각의 공정으로 이루어진다.
먼저, 용접 함몰부의 시작점을 제1점, 용접 함몰부의 완료점을 제2점으로 나누어 순차적으로 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드를 디포커싱하여 상기 제2점까지 이동시키게 된다.
또한, 용접 함몰부의 시작점을 제1점, 용접 함몰부 중의 어느 지점을 제2점 및 용접 함몰부의 완료점을 제3점으로 나누어 순차적으로 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드를 서서히 디포커싱하여 상기 제2점까지 디포커싱 작용을 완료한 다음, 상기 제2점에서 제3점까지 이동시키게 된다.
또한, 용접 함몰부의 완료점을 제1점으로 하고, 상기 제1점의 전방부인 용접 함몰부의 시작점을 제2점으로 역방향 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드를 디포커싱하여 상기 제1점의 전방부인 제2점까지 역방향으로 이동시키게 되는 것이다.
또한, 용접 함몰부를 시작점을 제1점 및 용접 함몰부의 완료점을 제2점으로 설정한 다음, 상기 용접 함몰부 중의 어느 지점을 제3점으로 역방향 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 설정된 값으로 디포커싱을 실시한 다음 제2점까지 이동시키고, 상기 제2점에서 상기 제1점에서 디포커싱된 값보다 더 크게 디포커싱하여 상기 제3점으로 이동시키게 되는 것이다.
추가하여, 용접 함몰부의 완료점을 제1점 및 용접 함몰부의 이후점을 제2점으로 설정한 다음, 상기 용접 함몰부 중의 어느 지점을 제3점으로 역방향 설정하는 경우에 제 1점에서 2점까지 용접대상물에 대하여 디포커싱하는 동시에 용접와이어 의 끝단에 포커싱을 하여 용융방울을 생성한 후, 제 2점에서 제 3점까지 이동하며 함몰부를 메워주는 방법이 있다.
또한, 본 발명은 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 결정된 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로와, 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값에 대한 정보를 데이터베이스에 저장하는 단계를 더 포함하도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치의 전체구성을 도시한 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치의 미세이동수단을 도시한 사시도이며, 도 8은 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치에서 와이어 공급수단을 채용한 상태를 도시한 구성도이다.
본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치는, 도 6에 도시된 바와 같은 구성으로 이루어진다. 특히 본 발명은 구동 장치적 구성으로는 종래의 용접장치 구동부인 NC장치 또는 로봇장치에 레이저빔 집속헤드(2)를 미세하게 이동시킬 수 있는 미세이동수단(15)이 장착된다는 것이 특징적 요소 중의 하나이다.
즉, 레이저빔 집속헤드(2)를 용접대상물(3)이 위치하는 적소까지 이동시킬 수 있는 수단인 상기 NC장치 또는 로봇장치와 같은 용접장치 구동부(30) 상에 장착된 집속헤드 고정지그(14)와 이에 장착되는 레이저빔 집속헤드(2) 사이에 상기한 미세이동수단(15)이 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기 미세이동수단(15)은 레이저빔 집속헤드(2)를 미세하게 상하 또는 좌우, 회전 운동시킬 수 있는 장치이며, 이 미세이동수단(15)은 통합제어기(16)와 전기 신호적으로 연결되어 제어되도록 한다.
또한, 상기 통합제어기(16)는 상기 집속헤드(2)에 레이저빔을 공급하는 레이저 발진기(33)와도 전기 신호적으로 연결되어 레이저빔의 출력을 제어하게 되며, 또한 통합제어기(16)는 용접장치 구동부(30)를 제어하는 구동부 제어기(31)와도 전기 신호적으로 연결되어 집속헤드(2)의 이동을 제어하게 된다.
한편, 상기 통합제어기(16)는 용접끝점의 부분함몰을 보상하기 위한 용접끝점의 설정, 이 구간에서의 용접조건, 레이저빔의 출력 및 레이저빔의 이동경로, 이 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값을 결정하는 부분함몰 보상부(36)와 전기 신호적으로 연결되어 이로부터 결정된 상기한 각 공정변수에 따라 레이저빔 발진기(33), 구동부 제어기(31) 및 미세이동수단(15)을 제어하게 되는 것이다.
또한, 상기 부분함몰 보상부(36)는 이로부터 결정된 레이저용접의 조건, 레이저빔의 출력 및 이동경로, 이러한 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값에 대한 정보를 저장하는 데이터베이스(35)와 연결되어 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 설정된 상기한 공정조건을 항시 저장하도록 하며, 상기 데이터베이스(35)에 저장된 용접 공정조건은 후공정에서 실시되는 동일 내지 유사한 용접대상물의 레이저용접에 적용될 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에서 구성되는 미세이동수단(15)은 도 7에 도시된 바와 같은 구성으로 이루어진다. 이는 용접선의 길이에 비하여 용접 함몰부의 구간이 매우 작기 때문에 레이저빔의 미세한 이동을 위하여 구성되는 것으로서, 용접 함몰부에서 레이저빔 집속헤드(2)의 미세 이동을 상기 미세이동수단(15)이 담당하면 이동성을 높일 뿐 아니라 종래의 용접선 이동을 위한 패스생성의 추가작업을 삭제하여 생산성 및 편리성을 높이고 자율적으로 함몰방지 보상공정을 수행하기 위한 것이다.
먼저, 본 발명의 상기 미세이동수단(15)은, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 집속헤드(2)를 상하방향으로 미세하게 이동시키도록 상하이동 기어박스(18)가 상기 집속헤드(2)의 측면부와 결합되어 있다.
상기 상하이동 기어박스(18)는 이에 동력 결합된 상하이동 구동모터(17)의 동력을 상하 이동방향으로 전환시키는 통상의 기어박스를 채택하여 적용한 것이며, 이러한 집속헤드(2)의 상하이동은 레이저빔의 포커싱 또는 디포커싱 작용으로 발전되는 것이다.
또한, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 상하이동 기어박스(18)는 그 후방부에 좌우이동 기어박스(20)가 결합될 수 있다. 즉 좌우이동 기어박스(20)는 이에 동력결합된 좌우이동 구동모터(19)의 동력을 좌우방향으로 전환시키는 통상의 기어박스를 채택하여 적용한 것이며, 이러한 집속헤드(2)의 좌우이동은 설정된 용접 함몰부에서 레이저빔의 초점을 미세하게 이동시키게 되는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 미세이동수단(15)은, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 회전수단도 포함할 수 있다. 즉 상기 좌우이동 기어박스(19)의 후방부에 회전이동 기어박스(22)가 결합되어 있으며, 이 회전이동 기어박스(22)에는 회전이동 구동모터(19)의 동력을 회전하는 방향으로 전환시키는 통상의 기어박스를 채택하여 적용한 것이다. 이러한 집속헤드(2)의 회전이동은 설정된 용접 함몰부에서 레이저빔의 초점을 포커싱 또는 디포커싱함과 동시에 좌우방향으로 미세하게 이동시키게 되는 것이다.
도 8은 본 발명의 용접장치에 용접와이어 공급수단이 부가 장착된 상태를 도시한 것으로, 이 때 용접와이어의 공급은 통합제어기(16)와 전기 신호적으로 연결된 용접와이어 제어기(32)로부터 제어 공급되며, 용접와이어 공급기(12)는 집속헤드 고정지그(14)의 하부 전방 면에 설치되어 레이저빔이 조사되어 용접되는 부위로 용접와이어(13)를 공급하게 되는 것이다.
즉, 용접와이어(13)의 공급은 그 끝단이 본 발명의 미세이동수단(15)이 동작 하여 레이저빔이 디포커싱될 경우에도 키홀 용접구간과 열전달 용접구간을 같은 높이로 이동하도록 용접선을 따라 일정한 높이를 유지하여 일정한 위치의 용융풀에 투입되도록 구동부(30)의 끝단인 집속헤드 고정지그(14)의 전방부에 와이어공급기 부착지그(34)에 용접와이어 공급기(12)가 설치되어 있어야 하고, 미세이동수단(15)의 동작과는 분리되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치를 이용한 용접방법에 의하여 수행된 레이저용접공정을 용접선 길이에 대한 디포커스 범위를 도시한 그래프도이고, 도 10은 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치를 이용한 용접방법의 제어알고리즘에 대하여 도시한 상세 흐름도이다.
레이저용접 시 발생할 수 있는 끝점 함몰부를 방지하기 위한 방법에는 용접선 끝점에서의 함몰의 원인인 키홀의 발생을 저감하거나 타 용접기구(Mechanism)인 열전달용접을 사용하여 함몰의 발생을 근본적으로 방지하는 '능동적 보상방법'과, 발생된 함몰부를 열전달용접을 사용하여 모재로 메워 주거나 용접와이어를 용융시켜 주입하여 메워주는 '수동적 보상방법'이 있다.
본 발명에서는 상기 능동적 보상방법과 수동적 보상방법을 모두 채용하여 적용한다. 상기한 수동적 보상방법은 아크용접 등에서 작업자에 의하여 수작업으로 실시할 수 있는 함몰부 보상방법이나 레이저용접에서는 함몰 발생기구가 다르며 아크용접에 비하여 매우 정밀한 공정이 요구되므로 작업자의 수작업으로 수행하는 것 은 거의 불가능하다. 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치를 이용한 용접방법에서는 '능동적 보상방법'과 레이저와 용접와이어를 활용한 '수동적 보상방법' 모두를 적용한 용접끝점 함몰부 보상방법에 관하여 최적 조건을 도출하고자 하였다.
본 발명에서는 용접실시 전에 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접(키홀용접 또는 열전달용접)의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 본 발명의 장치부를 구성하는 부분함몰보상부(36)에서 결정하게 되며, 상기 결정된 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값을 상기 부분함몰보상부(36)에서 결정하게 된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 용접 함몰부는 하나 또는 두 부분으로 구획된 실시예에 대해 설명되고 있으나, 상기 용접 함몰부의 구획된 수는 한정되지 않으며, 하나의 용접 함몰부에 대해 적용하거나, 다수개로 구획된 용접 함몰부에 대해 적용되는 것이 모두 가능하다. 더불어, 후술되는 1점과 2점은 상기 용접 함몰부를 한 부분으로 구획하는 가상점을 나타내며, 상기 용접 함몰부의 구획된 수에 따라 복수의 가상점을 설정할 수 있다.
보다 상세한 설명을 위해 본 발명에 따른 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치를 이용한 용접방법의 실시예를 도시한 도 9의 (a) 내지 (e)를 참조하면 다음과 같다.
전술된 보상방법은 용접선의 끝점을 두 지점 이상으로 나누고 키홀 용접과 열전달 용접(Conduction Welding)의 레이저용접 공정을 각각 결합하여 구성된다.
즉, 분리 지정된 용접 함몰부의 제1점까지 용접선은 키홀 용접으로 이루어지며, 상기 제1점을 지난 제2점까지는 용접선 끝점의 함몰방지를 위하여 열전달용접을 수행한다. 상기 키홀 용접에서 열전달 용접 조건으로 변경하는 방법은 대상물의 재질, 두께, 요구되는 용접품질, 용접부의 형태에 따라 결정되어진다.
도 9의 (a)는 함몰이 예상되는 용접 함몰부를 제1점까지의 용접선 길이(A)에 대하여는 키홀용접을 실시하며, 상기 제1점(용접 함몰부의 시작점)에서 제2점(용접 함몰부의 완료점)까지의 구간(B)에서는 레이저빔을 디포커싱하여 열전달용접을 실시한다.
즉, 용접 함몰부의 시작점을 제1점, 용접 함몰부의 완료점을 제2점으로 나누어 순차적으로 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드를 디포커싱하여 상기 제2점까지 이동시키도록 한다는 것이다.
도 9의 (b)는 즉각적으로 레이저빔을 디포커싱하여 전환하는 대신 중간구간(C)에 대하여 변환함수를 도입하여 주어진 형태에 따라 레이저빔의 디포커싱 양을 변환하는 방법이다. 이 구간에서는 용접속도의 변화, 디포커싱의 변화, 레이저 출력의 변화를 포함한다. 각각의 변화는 시간 또는 거리의 함수로서 급격한 변화에서부터 직선변화 및 임의의 곡선변화까지 다양한 변화를 줄 수 있다.
즉, 이 방법은 용접 함몰부의 시작점을 제1점, 용접 함몰부의 어느 중간지점을 제2점, 용접 함몰부의 완료점을 제3점으로 순차적으로 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드(2)를 서서히 디포커싱하여 상기 제2점까지 디포커싱 작용을 완료한 다음, 상기 제2점에서 제3점까지 이동시키는 열전달용접을 실시하여 용접 함몰부를 보상하겠다는 것이다.
도 9의 (c)는 용접방향과 역방향으로 함몰을 보상하는 방법을 도시한 것으로서, 용접 함몰부의 완료점을 제1점으로 하고, 상기 제1점의 전방부인 용접 함몰부의 시작점을 제2점으로 역방향 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드를 디포커싱하여 상기 제1점의 전방부인 제2점까지 역방향으로 이동시켜 열전달용접을 실시함으로써 용접 함몰부의 보상하는 방법이다.
도 9의 (d)는 순방향과 역방향의 함몰보상을 복합하여 보상하는 방법을 도시한 것으로서, 용접 함몰부의 시작점을 제1점 및 용접 함몰부의 완료점을 제2점으로 설정한 다음, 상기 용접 함몰부의 어느 중간지점을 제3점으로 역방향 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 설정된 값으로 디포커싱을 실시한 다음 제2점까지 이동시키고, 상기 제2점에서 상기 제1점에서 디포커싱된 값보다 더 크게 디포커싱하여 모재의 표면을 용융하여 모재로 함몰부위를 메워주고, 용접와이어를 사용한 용접의 경우에는 모재와 용융와이어로 함몰부위를 메워주며 상기 제3점으로 이동시키는 방법이다.
상기한 도 9의 (a)에서 (e)까지 도시된 용접 함몰부 보상방법에서의 레이저빔의 디포커싱 및 레이저빔의 미세이동은 본 발명의 장치를 구성하는 미세이동수단(15)의 일련의 동작으로 나타나며, 이러한 보상방법은 레이저용접에서의 제살용접 뿐 아니라 용접와이어를 사용한 레이저용접 모두에 적용될 수 있다. 즉, 열전달용접에서 제살용접일 경우 용융된 모재로, 용접와이어를 사용한 용접의 경우 용융된 모재와 용융된 용접와이어로 함몰부위를 메워준다. 특히 역방향의 보상의 경우 함 몰된 부위와 돌출된 비드를 용융하여 평탄하게 하는 공정에 특징이 있다.
도 9의 (e)는 용접대상물을 용접한 후 발생된 함몰부를 용접와이어를 용융시켜 주입하여 메워주는 방법이다. 이때, 상기 용접 함몰부의 완료점을 제1점으로 설정하고, 상기 용접 함몰부의 완료점 이후의 어느 위치의 점을 제2점으로 설정하며, 상기 용접 함몰부를 포함한 용접비드 중 어느 중간 지점을 제3점으로 역방향 설정한다. 다음으로 상기 용접대상물에 레이저빔을 조사하여 용접을 진행하다가 상기 제1점에서 용접대상물에 대하여 디포커싱하여 상기 제2점으로 이동시키는 동안 용접와이어의 끝단에 포커싱을 실시한 다음, 레이저빔을 상기 제2점에서 상기 제3점까지 이동시키며 용융된 용접와이어 또는 모재로 함몰부를 메워주는 방법이다.
또한, 이러한 본 발명의 용접 함몰부의 보상방법으로부터 도출된 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 부분함몰 보상부로부터 결정된 열전달용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로, 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값에 대한 정보는 본 발명의 장치를 구성하는 데이터베이스(35)에 저장하여 후공정에서 이용하도록 한다.
도 10은 상기 설명한 다양한 용접 부분함몰 보상부에서의 본 발명의 장치 및 방법에 대한 작동원리의 흐름의 일예를 도시한 것이다. 함몰방지를 위한 보상방법 및 레이저용접의 공정조건이 저장된 데이터베이스(35)에서 정보를 입력 받아 함수로 주어진 디포커싱 정도와 이동경로를 결정하고, 용접장치 구동부(30) 및 레이저빔 발진기(33)에서 끝점의 신호를 받아 높이를 조정하여 함몰 방지 보상공정을 운 영하도록 한다.
열전달용접을 수행하기 위해서는 키홀이 발생되는 범위 이상으로 초점을 디포커싱(Defocusing) 하는 방법이 있으며, 이 때 레이저용접공정은 레이저 단독의 제살용접이거나 용접와이어를 사용한 레이저용접이거나 모두 위의 보상방법을 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 복잡한 대상물에 대하여 레이저용접 용접을 실시하는 경우 키홀용접과 열전달용접을 복합하여 자동으로 용접경로에 따라 레이저용접을 수행함으로써, 용접선 끝점의 부분함몰을 발생을 최대한 방지할 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명을 구성하는 집속헤드의 미세이동수단에 의해 용접와이어 끝단의 높이를 일정하게 유지하면서 집속헤드의 높이를 디포커싱 함수값의 요구에 능동적으로 대응할 수 있어 레이저빔의 이동경로 상에서도 항상 높은 용접품질과 정밀도를 유지시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (10)

  1. 레이저빔을 집속시키는 집속헤드를 용접대상물 방향으로 이동시키는 구동부 및 구동제어부와, 상기 집속헤드로 레이저를 발진시켜 공급하는 레이저 발진부를 포함하는 레이저 용접장치에 있어서,
    용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하고, 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값을 결정하는 부분함몰 보상부와,
    상기 부분함몰 보상부로부터 결정된 레이저용접의 공정조건과 레이저빔의 디포커스 함수값에 대한 정보를 저장하는 데이터베이스와,
    상기 구동부의 집속헤드 고정지그에 설치되어 집속헤드를 미세하게 이동시키는 미세이동수단과,
    상기 각 장치부와 연결되어 미세이동수단을 작동시키는 통합제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 미세이동수단은
    상기 집속헤드를 상하 방향으로 이동시키도록 동력 결합하는 상하이동 기어박스 및 이와 기어결합하는 상하이동모터와,
    상기 집속헤드를 좌우 방향으로 이동시키도록 동력 결합하는 좌우이동 기어 박스 및 이와 기어결합하는 좌우이동모터와,
    상기 집속헤드를 회전 방향으로 이동시키도록 동력 결합하는 회전이동 기어박스 및 이와 기어결합하는 회전이동모터 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 구동부의 집속헤드 고정지그에 설치되어 용접부로 용접와이어를 공급하는 용접와이어 공급수단과, 이를 제어하도록 연결되면서 상기 통합제어기로부터 제어되는 용접와이어 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접장치.
  4. 레이저 용접장치를 이용하여 용접 끝점을 용접하는 방법에 있어서,
    용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하는 단계와,
    상기 결정된 이동경로에 따른 레이저빔의 디포커스 함수값을 결정하는 단계와,
    상기 결정된 레이저용접의 공정조건과 레이저빔의 디포커스 함수값에 따라 레이저빔 집속헤드를 미세하게 이동시키면서 용접 함몰부를 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하는 단계는 용접 함몰부의 시작점을 제1점, 용접 함몰부의 완료점을 제2점으로 나누어 순차적으로 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드를 디포커싱하여 상기 제2점까지 이동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하는 단계는 용접 함몰부의 시작점을 제1점, 용접 함몰부 중의 어느 지점을 제2점 및 용접 함몰부의 완료점을 제3점으로 나누어 순차적으로 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드를 서서히 디포커싱하여 상기 제2점까지 디포커싱 작용을 완료한 다음, 상기 제2점에서 제3점까지 이동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하는 단계는 용접 함몰부의 완료점을 제1점으로 하고, 상기 제1점의 전방부인 용접 함몰부의 시작점을 제2점으로 역방향 설정하 여 레이저빔을 상기 제1점에서 집속헤드를 디포커싱하여 상기 제1점의 전방부인 제2점까지 역방향으로 이동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접방법.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하는 단계는 용접 함몰부를 시작점을 제1점 및 용접 함몰부의 완료점을 제2점으로 설정한 다음, 상기 용접 함몰부를 포함한 용접비드 중의 어느 지점을 제3점으로 역방향 설정하여 레이저빔을 상기 제1점에서 설정된 값으로 디포커싱을 실시한 다음 제2점까지 이동시키고, 상기 제2점에서 상기 제1점에서 디포커싱된 값보다 더 크게 디포커싱하여 상기 제3점으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접방법.
  9. 청구항 4에 있어서, 상기 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 용접 함몰부를 적어도 하나 이상으로 구획하고, 이 구간에서 레이저용접의 공정조건인 레이저빔의 출력 및 이동경로를 결정하는 단계는 용접 함몰부의 완료점을 제1점 및 용접 함몰부의 완료점 이후점을 제2점, 상기 용접 함몰부를 포함한 용접비드 중의 어느 지점을 제3점으로 역방향 설정하여, 레이저빔을 상기 제1점에서 용접대상물에 대하여 디포커싱을 하여 제2점까지 이동시키는 동안 용접와이어의 끝단에 포커싱하여 실시한 다음, 상기 제2점에서 상기 제3점까지 이동시키며 용융된 용접와이어 또 는 모재로 함몰부를 보상하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접방법.
  10. 청구항 4 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 용접대상물의 재질 및 용접부의 형상에 따라 결정된 레이저용접의 공정조건과 레이저빔의 디포커스 함수값에 대한 정보를 데이터베이스에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접끝점의 부분함몰 방지를 위한 레이저 용접방법.
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