KR100650922B1 - 레이저 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저빔의 용접 스폿 사이즈를 초점조절유닛을 통하여 자유롭게 조정 가능하도록 하여 고정된 피용접물의 다수의 레이저 용접부에 대하여 신속하고 간단하게 용접할 수 있도록;

레이저빔을 발진하는 레이저 발진기; 하우징 내에서, 상기 레이저 발진기로부터 발진된 레이저빔을 초점가변수단을 통하여 그 초점 사이즈를 가변한 후, 이를 다시 원하는 레이저 용접부에 정확한 초점 사이즈로 조사되도록 초점이동수단을 통하여 반사시켜 주도록 구성되는 초점조정유닛을 포함하여 이루어지는 레이저 용접장치를 제공한다.

레이저빔, 용접장치

Description

레이저 용접장치{A LASER WELDING DEVICE}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치의 전체 사시도,

도 2는 도 1의 A-A 선에 따른 레이저 용접장치의 초점조정유닛의 내부 단면도,

도 3은 도 2의 B-B 선에 따른 단면도,

도 4는 도 2의 C 부분의 사시도, 및

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치의 작동 원리도이다.

본 발명은 레이저 용접장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저빔의 용접 스폿 사이즈를 직접 조정하여 고정된 피용접물의 다수의 레이저 용접부에 대하여 신속하고 간단하게 용접할 수 있도록 하는 레이저 용접장치에 관한 것이다.

최근, 산업분야에서 금속 소재의 절단, 용접 및 열처리 등은 원가절감, 공장 자동화 및 품질향상의 측면에서 우수한 효과를 갖는 레이저빔이 적용되고 있는 추세이며, 이러한 레이저빔의 적용에 있어 요구되는 몇 가지 목표는 레이저빔 에너지 분포의 균일화, 일정한 열처리 온도를 유지할 수 있는 레이저 출력제어, 생산성과 품질을 충족시킬 수 있는 최적 레이저빔의 조사 속도, 에너지 흡수율의 극대화 등을 들 수 있다.

즉, 이러한 목표들이 충족되어 질 때, 제품 개발에 있어 원가절감 및 품질향상의 효과를 기대할 수 있게 되는 것이다.

특히, 양산 차체라인의 레이저 용접 시, 차체의 레이저 용접부가 사양에 준하는 레이저 용접품질을 얻기 위해서는 정밀하게 티칭된 로봇에 옵틱헤드를 장착하여 로봇의 거동에 따라 상기 레이저 용접부에 레이저빔을 적정 스폿 사이즈로 조사하게 된다.

그런데, 상기한 바와 같이 로봇에 옵틱헤드를 구성하여 레이저 발진기로부터 발진된 레이저빔을 상기 옵틱헤드에서 그 스폿 사이즈를 맞춘 후, 상기 레이저 용접부에 조사하는 종래 시스템은, 상기 로봇이 해당 레이저 용접부를 따라 옵틱헤드를 설정된 위치까지 이동시켜 주어야 함으로, 레이저 용접시간이 결국은 로봇의 거동속도에 달려 있다.

즉, 종래의 로봇형 레이저 용접장치는 상기 로봇의 거동속도에 의해 레이저 용접 작업시간이 결정되는 바, 생산성 향상을 위하여 로봇의 거동속도를 단축시킬 수는 있으나, 레이저 용접부의 품질이나 로봇 거동속도 면에서 한계가 있으며, 이를 극복하기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 로봇형 레이저 용접장치의 한계를 극복 하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저빔의 용접 스폿 사이즈를 초점조절유닛을 통하여 자유롭게 조정 가능하도록 하여 고정된 피용접물의 다수의 레이저 용접부에 대하여 신속하고 간단하게 용접할 수 있도록 하는 레이저 용접장치를 제공하는 것이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 용접장치는 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기; 하우징 내에서, 상기 레이저 발진기로부터 발진된 레이저빔을 초점가변수단을 통하여 그 초점 사이즈를 가변한 후, 이를 다시 원하는 레이저 용접부에 정확한 초점 사이즈로 조사되도록 초점이동수단을 통하여 반사시켜 주도록 구성되는 초점조정유닛을 포함하며,

상기 초점조정유닛은 상기 레이저 발진기에 대응하는 일측면에 빔 관통구가 형성되고, 그 반대측 하부 일측에는 빔 조사구를 형성하는 하우징; 상기 하우징의 내부 상단에 그 길이방향을 따라 리니어 전동기를 설치하고, 상기 리니어 전동기의 이동자에는 하나의 초점 렌즈와 3개의 초점 조정 반사경을 구성하는 구동 플레이트를 연결하여 상기 구동 플레이트를 길이방향을 따라 이동시킴에 따라 상기 하우징의 빔 관통구를 통하여 조사되는 레이저빔의 굴절위치를 이동시켜 상기 레이저빔의 초점 사이즈를 가변하여 주는 초점가변수단; 상기 하우징의 내부에서, 상기 빔 조사구에 대응하는 상부 일측에 모터 구동제어에 의해 회전 가능한 초점 이동 반사경을 구성하여 상기 초점가변수단으로부터 초점이 가변된 상태로 반사되어 온 레이저빔을 상기 하우징의 빔 조사구를 통하여 피용접물의 해당 레이저 용접부를 따라 그 초점의 위치를 바꾸어가며 조사되도록 초점을 이동시켜 반사시켜 주는 초점이동수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치의 전체 사시도, 및 도 2는 도 1의 A-A 선에 따른 레이저 용접장치의 초점조정유닛의 내부 단면도로써, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접장치의 구성은, 먼저, 일측에 레이저빔(L)을 발진하는 레이저 발진기(1)를 구비한다.

그리고 상기 레이저 발진기(1)의 일측방에는 초점조정유닛(3)이 구성되는데, 상기 초점조정유닛(3)은, 상기 도 2에서 도시한 바와 같이, 하우징(10)과 초점가변수단(20) 및 초점이동수단(30)으로 구성된다.

상기 하우징(10)은 상기 레이저 발진기(1)에 대응하는 일측면에 빔 관통구(11)가 형성되고, 그 반대측 하부 일측에는 빔 조사구(13)를 형성한다.

상기 하우징(10)의 내부에는 상기한 초점가변수단(20)과 초점이동수단(30)이 구비된다.

상기 초점가변수단(20)은 상기 하우징(10)의 내부 상단에 그 길이방향을 따라 리니어 전동기(21)를 설치하고, 상기 리니어 전동기(21)의 이동자(23)에는 하나의 초점 렌즈(R)와 3개의 초점 조정 반사경(M1,M2,M3)을 구성하는 구동 플레이트(25)를 연결하여 상기 구동 플레이트(25)를 길이방향을 따라 이동시킴에 따라 상기 하우징(10)의 빔 관통구(11)를 통하여 조사되는 레이저빔(L)의 굴절위치를 이동시 켜 상기 레이저빔(L)의 초점 사이즈를 가변하여 주게된다.

이러한 초점가변수단(20)의 구체적인 구성은 상기 하우징(10)의 내부 상단에 그 길이방향을 따라 고정자(27)가 설치되고, 상기 고정자(27)에는 상기 이동자(23)가 설치되어 제어기(40)의 제어신호에 따라 그 길이방향으로 왕복 작동하는 리니어 전동기(21)가 구비된다.

이러한 리니언 전동기(21)는, 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 고정자(27)를 제어기(40)의 교번하는 전력신호에 따라 발생되는 전자력에 의한 추력(推力:미는 힘)을 발생시키는 유도코일로 구성하고, 상기 이동자(23)는 영구자석으로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 리니어 전동기(21)의 이동자(23)에는 그 하부에 상기 구동 플레이트(25)가 연결되어 고정된다.

상기 구동 플레이트(25) 상의 일측에는 상기 하우징(10)의 빔 관통구(11)에 대응하는 위치에 초점 렌즈(R)가 설치되어 상기 빔 관통구(11)를 통하여 조사되는 레이저빔(L)이 용접 초점을 형성할 수 있도록 굴절시켜 주게 된다.

그리고 상기 초점 렌즈(R)에 대응하는 상기 구동 플레이트(25) 상의 타측에는 제1초점 조정 반사경(M1)이 설치되어 상기 초점 렌즈(R)를 통과한 레이저빔(L)을 상부 경사방향으로 반사시켜 주게 된다.

또한, 상기 구동 플레이트(25) 상의 상부 일측에는 제2초점 조정 반사경(M2)이 설치되어 상기 제1초점 조정 반사경(M1)으로부터 반사되어 온 레이저빔(L)을 다시 수직 하향하여 반사시켜 주게 된다.

또한, 상기 구동 플레이트(25) 상의 하부 일측에 제3초점 조정 반사경(M3)이 설치되어 상기 제2초점 조정 반사경(M2)으로부터 반사되어 온 레이저빔(L)을 상기 초점이동수단(30)을 향하여 다시 수평방향으로 반사시켜 주게 된다.

여기서, 상기 초점 렌즈(R)는 볼록 렌즈로 이루어지며, 상기 제1초점 조정 반사경(M1)과 제2초점 조정 반사경(M2) 및 제3초점 조정 반사경(M3)은 평면경으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 초점이동수단(30)은 상기 하우징(10)의 내부에서, 상기 빔 조사구(13)에 대응하는 상부 일측에 모터 구동제어에 의해 회전 가능한 초점 이동 반사경(M4)을 구성하여 상기 초점가변수단(20)의 최종 제3초점 조정 반사경(M3)으로부터 초점이 가변된 상태로 반사되어 온 레이저빔(L)을 상기 하우징(10)의 빔 조사구(13)를 통하여 피용접물(50)의 해당 레이저 용접부(WP)를 따라 그 초점의 위치를 바꾸어가며 조사되도록 초점을 이동시켜 반사시켜 주게 된다.

이러한 초점이동수단(30)의 구체적인 구성은, 도 4에서와 같이, 상기 하우징(10)의 내부에서, 상기 빔 조사구(13)에 대응하는 그 상부 일측에 브라켓(31)을 통하여 구동모터(33)가 장착된다.

그리고 상기 구동모터(35)의 회전축 선단에는 상기 초점 이동 반사경(M4)이 장착되어 상기 초점가변수단(20)의 제3초점 조정 반사경(M3)으로부터 반사되어 온 레이저빔(L)을 상기 빔 조사구(13)를 통하여 피용접물(50)의 해당 레이저 용접부(WP)를 따라 그 초점의 위치를 바꾸어가며 조사되도록 초점을 이동시켜 주게 된다.

여기서, 상기 구동모터(33)는 제어기의 제어신호에 따라 그 회전수 제어가 가능한 스텝모터로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초점 이동 반사경(M4)은 그 반사면이 오목하게 형성되는 오목경으로 이루어지는 것이 바람직하다.

따라서, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 레이저 용접장치는 상기 하우징(10) 내에서, 상기 레이저 발진기(1)로부터 발진된 레이저빔(L)을 초점가변수단(20)을 통하여 그 초점 사이즈를 가변한 후, 이를 다시 원하는 피용접물(50)의 레이저 용접부(WP)에 정확한 초점 사이즈로 조사되도록 초점이동수단(30)을 통하여 반사시켜 주도록 구성된다.

즉, 상기 레이저 발진기(1)로부터 상기 하우징(10)의 빔 관통구(11)를 통하여 조사되어 들어오는 레이저빔(L)은 상기 초점 렌즈(R)를 통하여 레이저빔(L)의 초점 사이즈가 줄어들도록 굴절되어 제1초점 조정 반사경(M1)을 통하여 제2초점 조정 반사경(M2)으로 반사되며, 다시 제2초점 조정 반사경(M2)으로부터 제3초점 조정 반사경(M3)으로 반사되어 최종 상기 초점이동수단(30)의 초점 이동 반사경(M4)에 의해 피용접물(50)의 레이저 용접부(WP)를 따라 레이저빔(L)의 초점을 이동시키면서 레이저 용접작업을 이룰 수 있도록 해준다.

이러한 본 발명의 레이저 용접장치의 작동을 도 5를 통하여 보다 구체적으로 살펴보면, 피용접물(50)의 제1용접위치(WP1)에 대하여 초점 이동 반사경(M4)으로부터 반사되어 조사되는 레이저빔(L)의 용접 초점의 사이즈가 정확하게 설정되어 용접작업을 이룬다고 할 때, 상기 피용접물(50)의 제2용접위치(WP2)에 대하여 레이저 용접하기 위해서는 상기 초점 이동 반사경(M4)으로부터 제1용접위치(WP1)까지의 거 리보다 늘어난 길이(t)만큼의 초점 보상이 있어야 한다.

즉, 이러한 경우에는 상기 리니어 전동기(21)를 구동시켜 상기 구동 플레이트(25)의 위치를 상기 늘어난 길이(t)만큼 전진시켜 초점 렌즈(R)에 의해 굴절되는 레이저빔(L)의 굴절 위치를 앞으로 이동시켜 주게 된다.

그러면, 상기 피용접물(50)의 제2용접위치(WP2)에서의 용접 초점의 사이즈는 상기 제1용접위치(WP1)에서와 동일하게 유지할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이, 상기 구동모터(33)는 초점 이동 반사경(M4)을 회전 제어하여 레이저빔(L)의 초점을 피용접물(50)의 각 용접위치(WP1,WP2)를 따라 이동시키게 되며, 상기 리니어 전동기(21)에 의해 상기 초점 렌즈(R)와 제1,2,3초점 조정 반사경(M1,M2,M3)을 구비하는 구동 플레이트(25)를 이동시킴에 따라, 상기 피용접물(50)의 용접위치(WP1,WP2)를 따라 이동한 레이저빔(L)의 초점 사이즈를 용접작업에 적합하도록 조정하여 주게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 용접장치에 의하면, 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저빔의 용접 스폿 사이즈를 초점조절유닛을 통하여 자유롭게 조정하여 이동시킬 수 있도록 함으로써, 고정된 피용접물의 다수의 레이저 용접부에 대하여 신속하고도 정확하고 간단하게 레이저 용접작업을 이룰 수 있으며, 특히, 종래 로봇 거동 속도의 한계를 극복할 수 있으며, 이에 따른 전체적인 레이저 용접 작업시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (21)

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11. 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기에 대응하는 일측면에 빔 관통구가 형성되고, 그 반대측 하부 일측에는 빔 조사구를 형성하는 하우징과, 상기 하우징의 내부 상단에 그 길이방향을 따라 리니어 전동기를 설치하고, 상기 리니어 전동기의 이동자에는 하나의 초점 렌즈와 3개의 초점 조정 반사경을 구성하는 구동 플레이트를 연결하여 상기 구동 플레이트를 길이방향을 따라 이동시킴에 따라 상기 하우징의 빔 관통구를 통하여 조사되는 레이저빔의 굴절위치를 이동시켜 상기 레이저빔의 초점 사이즈를 가변하여 주는 초점가변수단과, 상기 하우징의 내부에서, 상기 빔 조사구에 대응하는 상부 일측에 모터 구동제어에 의해 회전 가능한 초점 이동 반사경을 구성하여 상기 초점가변수단으로부터 초점이 가변된 상태로 반사되어 온 레이저빔을 상기 하우징의 빔 조사구를 통하여 피용접물의 해당 레이저 용접부를 따라 그 초점의 위치를 바꾸어가며 조사되도록 초점을 이동시켜 반사시켜 주는 초점이동수단으로 구성되는 초점조정유닛을 포함하는 레이저 용접장치에 있어서,

    상기 초점가변수단은 상기 하우징의 내부 상단에 그 길이방향을 따라 고정자가 설치되고, 상기 고정자에 설치되어 제어기의 제어신호에 따라 그 길이방향으로 왕복 작동하는 이동자로 이루어지는 리니어 전동기와, 상기 리니어 전동기의 이동자와 연결되는 구동 플레이트와, 상기 하우징의 빔 관통구에 대응하는 상기 구동 플레이트 상의 일측에 설치되어 상기 빔 관통구를 통하여 조사되는 레이저빔을 굴절시켜 주는 초점 렌즈와, 상기 구동 플레이트 상의 타측에 설치되어 상기 초점 렌즈를 통과한 레이저빔을 상부 경사방향으로 반사시켜 주는 제1초점 조정 반사경과, 상기 구동 플레이트 상의 상부 일측에 설치되어 상기 제1초점 조정 반사경으로부터 반사되어 온 레이저빔을 다시 수직 하향하여 반사시켜 주는 제2초점 조정 반사경과, 상기 구동 플레이트 상의 하부 일측에 설치되어 상기 제2초점 조정 반사경으로부터 반사되어 온 레이저빔을 상기 초점이동수단을 향하여 다시 수평방향으로 반사시켜 주는 제3초점 조정 반사경으로 구성되고,

    상기 초점이동수단은 상기 하우징의 내부에서, 상기 빔 조사구에 대응하는 상부 일측에 브라켓을 통하여 장착되는 구동모터와, 상기 구동모터의 회전축 선단에 장착되어 상기 초점가변수단으로부터 반사되어 온 레이저빔을 상기 빔 조사구를 통하여 피용접물의 해당 레이저 용접부를 따라 그 초점의 위치를 바꾸어가며 조사되도록 초점을 이동시켜 주는 초점 이동 반사경으로 이루어지는 것을 특징으로 하되,

    상기 구동모터는 제어기의 제어신호에 따라 그 회전수 제어가 가능한 스텝모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접장치.
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