KR100612905B1 - 레이저 용접 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 표면에 아연과 같이 기화온도가 낮은 물질이 부착된 소재의 겹치기 이음 용접에서 자기력으로 용접부 주위의 소재를 진동시켜 용접부 내부 기공 형성을 방지하는 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것으로서, 그 특징적인 구성은 레이저 빔이 발생되는 레이저 발진기(13)와, 상기 레이저 발진기(13)에서 발생된 레이저 빔을 전송하는 빔 전송계(14)와, 상기 빔 전송계(14)를 통하여 전송된 레이저 빔을 집속하여 소재(11, 12)의 표면으로 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)로 이루어진 레이저 용접장치에 있어서, 상기 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)의 하부에 설치되고 중앙에는 레이저 빔이 이동하는 중공부(104)가 관통되게 형성된 코일(101)과, 상기 코일(101)에 전류를 공급하도록 그 코일(101)에 도선(103)을 매개로 연결되며, 코일(101)에 형성되는 자기장의 방향이 순차적으로 변경되도록 전류의 방향을 연속적으로 변화시키는 전원장치(102)를 포함하여서 된 것이다.

표면처리강판, 겹치기 이음, 레이저 용접, 자기력, 기공

Description

레이저 용접 장치 및 방법{An Apparatus For Laser Welding And Method Using The Same}

도1은 종래의 레이저 용접에 의한 겹치기 이음부의 용접 장치를 나타낸 개략도.

도2는 종래의 방법에 의해 소재 계면의 열영향부로부터 증기가 분출되어 용접부 내부에 기공이 형성되는 모식도.

도3은 종래의 레이저 용접에 의한 용접부 내부에 기공이 발생된 상태를 나타낸 단면도.

도4는 종래의 방법에 의한 아연도금강판 맞대기 이음부 레이저 용접 장치를 나타낸 개략도.

도5 내지 도 7은 종래의 다른 방법에 의한 겹치기 이음부 레이저 용접의 개략도.

도8은 종래의 방법에 의한 겹치기 이음부 레이저-아크 복합용접의 개략도.

도9는 본 발명에 따른 레이저 용접장치를 나타낸 개략도.

도10은 본 발명에 따른 레이저 용접장치를 나타낸 단면도.

도11 및 12는 본 발명에 따른 레이저 용접장치의 진동발생 과정을 설명하기 위한 개략도.

도13은 본 발명에 따른 레이저 용접장치에 의해 용접부 내부에 기공이 방출되는 상태를 나타낸 모식도.

도14는 본 발명에 따른 레이저 용접장치에 의한 용접부 내부를 나타낸 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11, 12 : 소재 13 : 레이저 발진기

14 : 빔 전송계 15, 16, 17 : 빔 집속 광학계

101 : 코일 102 : 전원장치

103 : 도선 104 : 중공부

본 발명은 레이저 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 표면에 아연과 같이 기화온도가 낮은 물질이 부착된 소재의 겹치기 이음 용접에서 자기력으로 용접부 주위의 소재를 진동시켜 용접부 내부 기공 형성을 방지하는 용접 장치 및 용접 방법에 관한 것이다.

레이저 용접은 빛의 일종인 레이저 빔을 이용하여 비접촉으로 소재를 가열/용융시켜 접합하는 용접방법이다. 이 방법은 용접이 가능한 소재의 제약이 적고, 용접부 품질이 우수하며, 용접 생산성이 우수한 장점으로 인하여 최근 적용이 증가하는 추세이며, 특히 자동차 산업에서는 그 사용량이 급격히 증가하고 있다.

도1은 종래의 레이저 용접에 의한 겹치기 이음부의 용접 장치를 나타낸 개략도이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 한 쌍의 소재(11)(12)를 겹친 상태에서 고정하고, 레이저 발진기(13)에서 발생된 레이저 빔이 광섬유와 같은 빔 전송계(14)를 통하여 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)로 전송되는 것이며, 그 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)를 통과하면서 집속된 레이저 빔은 소재(11, 12)의 상부로 전달는 것이며, 상기 레이저 빔은 소재(11, 12)를 가열/용융시켜 용접하게 되는 것이다.

그러나 종래의 레이저 빔 용접장치를 이용하여 아연과 같이 기화온도가 낮은 물질이 금속 표면에 부착된 소재를 겹치기 용접할 때에는 표면의 부착물이 용접열에 의하여 기화되어 기공이 형성되며, 특히 열영향부에서 발생한 증기는 배출이 곤란하여 용접부 내부 기공으로 존재할 확률이 매우 높으며, 이러한 용접부의 내부에 존재하는 기공은 용접부 강도 및 내식성을 저하시키는 원인이 되었다.

도2는 종래의 방법에 의해 소재 계면의 열영향부로부터 증기가 분출되어 용접부 내부에 기공이 형성되는 모식도이고, 도3은 종래의 레이저 용접에 의한 용접부 내부에 기공이 발생된 상태를 나타낸 단면도이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 용접부 내부에 형성된 기공은 용접부 표면이 냉각되는 단계에서 발생하므로 용접부 내부에 갇혀 도3에 나타낸 바와 같이 기공으로 존재하는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 미국 특허 4650954에서는 도4와 같이 용접 부 하부의 공간을 충분히 형성하는 장치가 제안되었다. 그러나 이 장치는 겹치기 이음부의 용접에는 효과가 없다.

또 다른 예로서 유럽특허 1003624에서는 도5에 나타낸 바와 같이 소재의 계면에 철산화물을 포함하는 플럭스를 도포하여 소재 계면에 공간을 형성시켜 기공형성을 방지하는 방법을 제안하였다. 그러나 이 방법은 용접 위치에 미리 플럭스를 도포해야 하며 용접후 플럭스를 제거해야 하는 번거로움이 있다.

또 다른 예로서 미국특허 4682002에서는 도6에 나타낸 바와 같이 용접부 주위의 소재에 굽힘력을 가하여 상부/하부 소재의 중간에 작은 공간을 형성시켜 기공 방출을 용이하게 하는 방법을 제안하였다. 그러나 이 방법은 차체와 같이 복잡한 형상을 갖는 부위에는 적용이 곤란한 문제점이 있다.

또 다른 예로서 한국특허 2004-0078070에서는 도7에 나타낸 바와 같이 용접영역이 시작되는 지점에서 곡선부를 형성하여 기공 방출을 용이하게 하는 방법을 제안하였다. 그러나 이 방법은 차체와 같이 복잡한 형상을 갖는 부위에는 적용이 곤하며 설계의 자유도를 줄이는 문제점이 있다.

또 다른 예로서 미국특허 6906281에서는 도8에 나타낸 바와 같이 레이저-아크 복합 용접에 의하여 기공 형성을 방지하는 방법을 제안하였다. 그러나 이 방법은 별도의 삽입재가 사용되어 용접부 외관이 불량하고, 스패터가 발생되며, 입열량이 과다해지고, 설비가 복잡해지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 접촉 혹은 비접촉으로 용접부 주위에 연속적으로 자화 방향이 변화되는 자기장을 형성시키고, 소재를 진동시켜 용접부 기공 형성을 방지하는 표면처리강판 겹치기 이음부의 레이저 용접 장치 및 용접 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 용접 장치는 레이저 빔이 발생되는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기에서 발생된 레이저 빔을 전송하는 빔 전송계와, 상기 빔 전송계를 통하여 전송된 레이저 빔을 집속하여 소재의 표면으로 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 집속 광학계로 이루어진 레이저 용접장치에 있어서, 상기 레이저 빔 집속 광학계의 하부에 설치되고 중앙에는 레이저 빔이 이동하는 중공부가 관통되게 형성된 코일과, 상기 코일에 전류를 공급하도록 그 코일에 도선을 매개로 연결되며, 코일에 형성되는 자기장의 방향이 순차적으로 변경되도록 전류의 방향을 연속적으로 변화시키는 전원장치를 포함하여서 된 것이다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도9는 본 발명에 따른 레이저 용접장치를 나타낸 개략도이고, 도10은 본 발명에 따른 레이저 용접장치를 나타낸 단면도이며, 도11 및 12는 본 발명에 따른 레이저 용접장치의 진동발생 과정을 설명하기 위한 개략도이고, 도13은 본 발명에 따른 레이저 용접장치에 의해 용접부 내부에 기공이 방출되는 상태를 나타낸 모식도이며, 도14는 본 발명에 따른 레이저 용접장치에 의한 용접부 내부를 나타낸 단면도이다.

여기에서 참조되는 바와 같이 본 발명의 레이저 용접 장치는, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기(13)가 마련되어 있고, 그 레이저 발진기(13)에는 레이저 빔을 전송하도록 광섬유와 같은 빔 전송계(14)가 마련되어 있으며, 상기 빔 전송계(14)의 단부에는 레이저 빔을 집속하기 위한 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)가 마련되어 있다.

한편, 상기 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)의 하부에는 공급되는 전원에 의해서 자력이 발생되는 코일(101)이 마련되어 있되, 그 코일(101)의 중앙부에는 레이저 빔이 통과할 수 있도록 중공부(104)가 형성되어 있고, 상기 코일(101)에는 전원장치(102)가 도선(103)으로 연결되어 있다.

상기 코일(101)은 전원장치(102)에서 발생된 전류가 도선(103)을 통하여 공급되면 자기장을 형성하며, 상기 자기장에 의하여 피용접 소재와 코일 사이에 인력과 척력이 교대로 작용하여 소재 사이에 진동이 발생하게 되는 것이고, 그 진동에 의하여 소재 사이에는 공간이 확보되므로 기공이 외부로 방출될 수 있는 통로가 형성되는 것이다.

상기 진동이 발생하는 상태를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

전류가 인가된 코일(101)에는 플레밍의 오른손 법칙에 따라 자기장이 형성되고, 겹치기 이음 소재(11, 12) 중 상부 소재(11)에 인력이 작용하여 소재(11, 12)의 사이에 공간이 형성된다.

이때 전류의 방향을 순간적으로 바꾸어 주면 코일(101)에 형성되는 자력선의 방향은 반대로 바뀌지만 상부 소재(11)는 잔류자기에 의하여 이전의 자화된 상태로 존재하게 되므로 코일(101)과 상부 소재(11)의 사이에는 척력이 작용한다.

이때 하부 소재(12)는 상부 소재(11)에 의하여 하부로 힘이 작용하며 상기의 과정을 반복하게 되면 상부 소재(11)와 하부 소재(12)의 사이에 진동이 발생하게 되므로 소재(11, 12)의 사이에는 공간이 형성된다.

이와 같이 형성되는 공간의 크기는 코일(101)의 형상, 권선수, 인가 전류의 세기 등으로 조절 가능하며, 진동 주기는 인가 전류의 주파수 변화에 의하여 조절이 가능하다.

또한 코일(101)의 효율을 증대시키기 위해서는 자성을 갖는 소재로 된 코어를 사용하는 것이 효과적이다.

또한 용접부 산화를 방지하기 위하여 코일에는 보호가스 공급 통로 및 노즐이 장착될 수 있으며, 용접에 의한 열에 의한 코일(101)의 손상을 방지하기 위하여 냉각수가 이동하는 냉각수 순환공을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 전원장치(102)는 코일(101)에 공급하기 위한 전류의 세기 및 주파수를 변경시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접 방법은, 2장의 소재(11, 12)를 겹치기 이음하여 설치하는 단계, 상기 이음부에 집속된 레이저 빔을 조사하는 단계, 상기 용접부 주위에 배치된 코일(101)에 전류를 공급하여 자기장을 형성하는 단계, 상기 전류의 방향을 연속적으로 변화시켜 상기 용접부를 포함하는 소재(11, 12)에 진동을 가하는 단계, 상기 레이저 빔의 조사를 종료하는 단계 및 상기 코일에 공급되는 전류 차단하는 단계를 포함한다.

상기 2장의 소재(11, 12)를 겹치기 이음하여 설치하는 단계는, 피용접 소재 (11, 12)를 겹쳐 용접할 위치에 설치하는 단계이며 종래의 겹치기 이음방법과 동일하다.

상기 이음부에 집속된 레이저 빔을 조사하는 단계는, 발진기에서 발생된 레이저 빔을 빔 전송계(14) 및 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)를 이용하여 상기 이음부의 표면에 조사하는 단계로 종래의 레이저 빔 조사 방법과 동일하다.

상기 용접부 주위에 배치된 코일(101)에 전류를 공급하여 자기장을 형성하는 단계는, 상기 전원장치(102)에서 발생된 전류를 도선(103)을 통하여 코일(101)에 인가하여 코일(101)의 주위에 자기장을 형성하는 단계이다.

상기 전류의 방향을 연속적으로 변화시켜 상기 용접부를 포함하는 상부 소재(11)에 진동을 가하는 단계는, 상기 전원장치(102)에서 도선(103)을 통하여 코일(101)에 인가되는 전류 방향을 연속적으로 변화시켜 코일(101)과 상부 소재(11) 사이에 인력과 척력을 교대로 연속적으로 형성시키는 단계이다.

상기 레이저 빔의 조사를 종료하는 단계는 레이저 빔을 차단하여 용접을 종료하는 단계로 종래의 방법과 동일하다.

상기 코일(101)에 공급되는 전류를 차단하는 단계는, 레이저 용접이 종료 된 후 코일에 인가되는 전류를 차단하여 용접을 종료하는 단계이다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에 따른 레이저 용접 장치는, 피용접재(11, 12), 레이저 발진기 (13) 빔전송계(14), 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17), 코일(101), 전원(102) 및 도선(103)을 포함한다.

본 실시예에서 코일(101)은 레이저 빔이 투과되도록 중심에 중공부(104)가 형성되고, 코일(101)의 형상은 원기둥, 각기둥 등 대부분의 형상이 가능하며, 상부와 하부의 치수가 다른 사다리꼴 형상도 가능하다.

그리고 물과 같은 냉각매체를 이용하여 용접열에 의한 코일(101)의 손상을 방지하도록 코일(101)에 냉각수 순환공을 형성하는 것이 효과적이다.

또한 코일(101)에 아르곤 헬륨과 같은 레이저 용접 보호가스의 통로를 형성하거나 노즐을 설치하여 용접부를 보호하는 것도 가능하다.

상기 코일(101)은 상부 소재(11)와 비접촉으로 하는 것도 좋지만 바퀴, 롤러 및 볼과 같은 매체를 이용하여 상부 소재(11)에 접촉시킬 수 있으며, 이때에는 레이저 빔의 초점위치 관리에 유용하며 레이저 헤드가 장착되는 로봇의 부하를 줄일 수 있다.

전원장치(102)는 코일 구동에 필요한 전류를 생성하고 전류의 세기 및 주파수를 제어하기 위한 것으로, 코일(101)과 상부 소재(11)의 사이에 인력과 척력이 작용하는 원리는 도11과 도12에 나타낸 바와 같다.

용접부 내부에서 기공이 방출하는 과정은 도13에서 보는 바와 같이 열영향부에서 발생한 기공은 대부분 소재 사이에 형성된 공간을 통하여 배출되며 용접부 내부에 형성된 기공은 합치 및 부상하여 제거된다.

이하, 이와 같은 구성을 갖는 레이저 용접 장치의 작용 및 용접 방법을 설명 하면 다음과 같다.

먼저, 피용접재(11, 12)를 배치하고, 레이저 발진기(13)로부터 발생된 레이저 빔은 빔 전송계(14)를 통하여 레이저 빔 집속광학계(15, 16, 17)에서 집속된 후 피용접재(11,12)의 표면으로 조사한다.

이와 동시에 전원장치(102)에서 발생된 전류는 도선(103)을 통하여 코일(101)로 인가한다. 상기 전류 인가에 의하여 코일(101) 주위에 자기장이 형성되고. 이 자기장에 의하여 자성체인 상부 피용접재(11)가 상부로 끌어 올려진다. 이때 코일(101)에 인가되는 전류의 방향을 순간적으로 바꾸면 자기장의 방향이 반대로 되지만, 자성체의 상부 피용접재(11)는 자기력이 잔존하여 서로 척력이 발생하여 상부 피용접재(11)를 코일(101)의 반대 방향으로 미는 힘이 작용하고, 이 힘에 의하여 하부 피용접재(12)도 코일(101)의 반대방향으로 밀린다.

상기 과정의 반복에 의하여 상부 피용접재(11) 및 하부 피용접재(12)의 사이에 기공 방출이 가능한 통로가 형성된다. 이때 형성되는 자기장의 세기는 50~50,000 가우스가 적정하다. 그 이유는 자기장의 세기가 50가우스 미만이면 자기장의 세기가 미약하여 소재의 진동효과가 거의 없으며, 반대로 자기장의 세기가 50,000가우스 이상이면 자기장의 세기가 과도하여 하부 소재가 상부소재와 흡착되어 진동 효과가 적기 때문이다.

코일(101)의 단면적에 따라 자기장의 세기는 적절히 선택해야 한다. 전류 방향 전환 주파수는 1~1,000Hz가 적정하다. 그 이유는 주파수가 1Hz 미만이면 소재가 압착되는 단계에서 기공이 형성되며, 반대로 주파수가 1,000Hz를 초과하면 피용접 재의 진동 응답이 느리기 때문에 피용접재 사이에 공간이 형성되지 않기 때문이다

용접이 종료되면 레이저 빔의 조사가 중지되고 코일에 인가되는 전류가 차단되어 모든 작업이 완료된다.

본 발명에서 코일(101)에 강자성체의 코어를 사용하면 코일(101)의 효율을 향상시킬 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 아연과 같이 기화가 용이한 물질이 부착된 소재의 겹치기 이음 용접에서 증발 가스의 배출을 위한 통로가 확보되어 기공 형성을 방지할 수 있게되는 특유의 효과가 있다.

Claims (9)

1. 레이저 빔이 발생되는 레이저 발진기(13)와, 상기 레이저 발진기(13)에서 발생된 레이저 빔을 전송하는 빔 전송계(14)와, 상기 빔 전송계(14)를 통하여 전송된 레이저 빔을 집속하여 소재(11, 12)의 표면으로 레이저 빔을 조사하는 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)로 이루어진 레이저 용접장치에 있어서,

   상기 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)의 하부에 설치되고 중앙에는 레이저 빔이 이동하는 중공부(104)가 관통되게 형성된 코일(101)과, 상기 코일(101)에 전류를 공급하도록 그 코일(101)에 도선(103)을 매개로 연결되며, 코일(101)에 형성되는 자기장의 방향이 순차적으로 변경되도록 전류의 방향을 연속적으로 변화시키는 전원장치(102)를 포함함을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일(101)에 냉각수가 이동되는 냉각수 순환공이 더 형성됨을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 코일(101)에 레이저 용접 보호가스 통로 및 용접부에 보호가스를 분사하기 위한 노즐이 더 설치됨을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 코일(101)은 자기장 발생 효율이 향상되도록 자성체 코어로 이루어짐을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 코일(101)에서 발생되는 자기장에 의해서 상부 소재(11)가 진동함에 의해서 레이저 초점거리가 변하는 것을 방지하도록 상부 소재(11)의 표면에 코일(101)의 저면이 접촉되게 설치됨을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 코일(101)의 저면에는 마찰력을 감소시키도록 롤러, 볼, 바퀴, 디스크 중 어느 하나로 이루어진 접촉구가 설치됨을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
7. 레이저 발진기(13)에서 발생된 레이저 빔을 빔 전송계(14)를 통하여 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)로 전송하는 단계; 상기 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)에서 집속된 레이저 빔을 소재(11, 12)의 표면에 집속하는 단계; 상기 레이저 빔 집속 광학계(15, 16, 17)의 하부에 설치된 코일(101)에 자기장이 발생되도록 전류를 공급하는 단계; 상기 코일(101)에 공급되는 전류의 방향을 변화시켜 자기장의 방향이 변경됨에 의해서 소재(11, 12)의 사이에 진동이 발생되어 용접시에 발생되는 가스를 배출시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 코일(101)에 발생되는 자기장의 세기가 50~50,000가우스 임을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 코일에 인가되는 자기장의 변화 주파수가 1~1,000Hz 임을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.

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