KR101092653B1

KR101092653B1 - 브레이징 접합용 레이저 헤드장치

Info

Publication number: KR101092653B1
Application number: KR1020090060301A
Authority: KR
Inventors: 최재호; 권태용
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2011-12-13
Also published as: KR20110002701A

Abstract

본 발명은 헤드 하우징 내부에 다수개의 전반사 거울과 하나의 부분반사 거울을 구성하여 전송된 레이저빔을 2개의 초점렌즈를 통하여 저출력 레이저빔과 고출력 레이저빔으로 모재에 순차적으로 조사되도록 함으로써 모재의 접촉면에 대한 전처리 작업과 함께 레이저 브레이징 작업을 한번에 구현하며, 상기 헤드 하우징의 내부에서 고출력 레이저빔용 초점렌즈는 초점가변유닛을 통하여 초점 거리를 가변할 수 있도록 장착함으로써 연속되는 레이저빔에 의한 열적 렌즈 효과에 대응하여 고출력 레이저빔의 일정한 초점 크기를 유지할 수 있도록 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치를 제공한다.

브레이징 접합, 레이저 헤드장치, 초점가변유닛; 부분반사 거울, 거울틸팅장치

Description

브레이징 접합용 레이저 헤드장치{A LASER HEAD FOR BRAZING}

본 발명은 브레이징 접합용 레이저 헤드장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 헤드 하우징 내부에 전반사 거울과 험께 부분반사 거울을 적용하여 저출력 레이저빔과 고출력 레이저빔을 생성하여 모재에 순차적으로 조사되도록 함으로써 모재의 접촉면에 대한 전처리 작업과 레이저 브레이징 작업을 한번에 구현할 수 있도록 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치에 관한 것이다.

일반적으로 브레이징 접합은 접합하려는 모재보다도 녹는점이 낮은 비철금속, 또는 그 합금(납재)을 용가재로 사용함으로써 모재를 거의 용융시키지 않고 용가재만을 용융시켜 고체 상태의 모재 사이를 젖음성 및 모세관 현상에 의해서 접합하는 접합 방법이다.

특히, 레이저 브레이징은 레이저를 열원으로 용가재를 용융시켜 두 패널재의 접합부를 브레이징 접합하는 것으로서, 스폿 용접에 비하여 외관이 미려하여 디자인 자유도와 상품성이 높고, 접합부에 몰딩 또는 실러를 도포할 필요가 없어 원가 절감 및 접합부의 응력 분산에 따라 차체 강도를 향상시키는 신 접합 공법으로, 브레이징 접합되는 패널과 레이저 초점, 공급되는 용가재인 필러 와이어의 끝단이 일 치되어야 양호한 브레이징 접합부를 얻을 수 있다.

이러한 레이저 브레이징 접합을 위한 장치로는 일반적으로 연속파 Nd:YAG 레이저를 사용하고 있는데, 종래 브레이징 접합 장치의 구성은, 도 1에서 도시한 바와 같이, 컨트롤러(101)에 의해 제어되는 레이저 발진기(103)로부터 연속파 Nd:YAG 레이저 빔(B)을 발진하여 작업 로봇(105)에 의해 접합선(S)을 따라 이동하는 레이저 헤드장치(107)를 통하여 두 패널재(109,111)의 접합부에 상기 연속파 Nd:YAG 레이저 빔(B)을 조사하여 용가재인 필러 와이어(113)를 용융시켜 브레이징 접합하도록 구성된다.

여기서, 상기 레이저 헤드장치(107)는 상기 로봇(105)의 아암 선단에 장착되어 상기 연속파 Nd:YAG 레이저 빔(B)을 상기 두 패널재(109,111)의 접합선(S)을 따라 조사하는 Nd:YAG 옵틱헤드(115)와, 상기 Nd:YAG 옵틱헤드(115)의 일측에 브라켓(117)을 통하여 설치되어 필러 와이어(113)를 공급하는 와이어 피더(119)로 구성된다.

이러한 브레이징 접합은 일정한 온도에 이르면 용가재가 모재 사이로 녹아 스며들어서 브레이징이 되어야만 이상적인 브레이징이라 할 수 있는데, 양측 모재와 용가재의 친화력의 정도를 나타내는 성질을 젖음성(WETTING)이라 한다면, 젖음성은 접합 품질을 결정하는 중요한 인자가 된다.

즉, 모재의 접합부에 산화물과 오염물이 남아 있는 경우, 용가재의 표면장력을 급속히 감소하여 접촉각이 증가됨으로, 모재의 접합면이 깨끗해야 젖음성이 좋아지며, 모재 표면에 거칠기를 증대시키는 미세 구조가 더해질 경우에도 모재의 젖 음성이 좋아지게 된다.

한편, 상기한 레이저 브레이징 접합의 경우에는 레이저와 같이 세기가 강한 빛이 렌즈 등을 통과할 때, 레이저빔의 경로를 따라 렌즈가 가열되면서 열적 렌즈 효과(Thermal lens effect)를 수반하게 된다.

이러한 열적 렌즈 효과는 렌즈가 가열되면 굴절률, 즉 매질을 통과하는 빛의 속도가 변하기 때문에 레이저빔의 투과율이 변화한다. 레이저빔의 세기는 중앙에서 최대이고 가장자리로 갈수록 작아지는 가우스(Gaussian) 함수형태를 갖기 때문에 렌즈 전체가 동일하게 가열되지 않고 레이저빔의 단면을 따라 중심에서 방사방향으로 온도 기울기를 보인다. 즉, 대부분의 물질의 굴절률은 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문에, 중심부를 통과한 빛의 속도가 주위를 통과하는 속도보다 빠르게 되어 렌즈는 레이저빔에 대하여 오목렌즈와 같은 역할을 하게 되는데, 이를 열적 렌즈 효과라고 한다.

이와 같은 열적 렌즈 효과가 나타나면 빛은 렌즈를 통과한 후 분산되기 때문에 빛의 반경은 증가하고, 단위 면적당의 빛의 세기는 감소한다. 또 시간이 경과할수록 렌즈는 더 많이 가열되기 때문에 단위 면적당의 빛의 세기는 시간이 경과함에 따라 더 크게 감소한다.

이러한 열적 렌즈 효과는 순간적으로 이루어지는 레이저 용접과는 달리, 연속적으로 30초 이상 레이저빔을 조사하는 레이저 브레이징 접합에서는 민감하게 고려되어야 한다.

그런데 종래의 브레이징 접합용 레이저 헤드장치에서는 이러한 열적 렌즈 효 과를 고려하지 않아 레이저빔의 초점 크기를 일정하게 유지하지 못하여 브레이징에 의한 접합품질이 낮았으며, 상기한 바와 같이, 접합 품질을 결정하는 또 다른 인자인 젖음성 향상을 위하여 모재의 접합부에 남아있는 산화물과 오염물을 별도의 전처리공정에서 진행함에도 불구하고, 이송 중에 또 다른 오염물의 부착으로 접합불량 현상이 빈번하게 발생되는 문제점 등을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 헤드 하우징 내부에 다수개의 전반사 거울과 하나의 부분반사 거울을 구성하여 전송된 레이저빔을 2개의 초점렌즈를 통하여 저출력 레이저빔과 고출력 레이저빔으로 모재에 순차적으로 조사되도록 함으로써 모재의 접촉면에 대한 전처리 작업과 함께 레이저 브레이징 작업을 한번에 구현할 수 있도록 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 헤드 하우징의 내부에서 고출력 레이저빔용 초점렌즈는 초점가변유닛을 통하여 초점 거리를 가변할 수 있도록 장착함으로써 연속되는 레이저빔에 의한 열적 렌즈 효과에 대응하여 고출력 레이저빔의 일정한 초점 크기를 유지할 수 있도록 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명의 브레이징 접합용 레이저 헤드장치는 로봇의 아암 선단에 장착되어 소재의 접합부에 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔을 이용하여 용가재를 용융 침투시켜 브레이징 접합하기 위한 브레이징 접합용 레이저 헤드장치에 있어서,

로봇의 아암 선단에 장착되며, 상부 일측에는 레이저 발진기로부터 발진된 레이저빔을 전송하기 위한 광케이블이 연결되는 연장부를 형성하며, 하면 양측에는 각각 레이저 조사홀을 형성하는 사각의 헤드 하우징; 상기 헤드 하우징의 연장부 상단면에 설치되는 콜리메이터; 상기 콜리메이터의 수직선상의 상기 헤드 하우징의 일측면 상측에 장착되어 상기 레이저빔을 수평방향으로 전반사시키는 제1전반사 거울; 상기 제1전반사 거울의 수평선상의 상기 헤드 하우징의 타측면 상측에 장착되어 상기 제1전반사 거울로부터 반사된 레이저빔을 수직방향으로 전반사시키는 제2전반사 거울; 상기 제2전반사 거울의 수직선상의 상기 헤드 하우징의 타측면 중앙에 거울틸팅유닛을 통하여 장착되어 상기 제2전반사 거울로부터 반사된 레이저빔을 수평방향과 수직방향으로 각각 일정비율로 반사 및 투과시키는 부분반사 거울; 상기 부분반사 거울의 수평선상의 상기 헤드 하우징의 일측면 중앙에 장착되어 상기 부분반사 거울로부터 반사된 일정비율의 레이저빔을 수직방향으로 전반사시키는 제3전반사 거울; 상기 부분반사 거울의 수직선상의 상기 헤드 하우징의 일측 레이저 조사홀 상에 장착되며, 상기 부분반사 거울로부터 투과된 일정비율의 레이저빔의 초점을 형성하여 소재의 접합부에 저출력의 레이저빔을 조사하는 제1초점렌즈; 상기 제3전반사 거울의 수직선상의 상기 헤드 하우징의 타측 레이저 조사홀에 대응하도록 초점가변유닛을 통하여 장착되어 상기 부분반사 거울로부터 반사된 일정비율의 레이저빔의 초점을 형성하여 소재의 접합부에 고출력의 레이저빔을 조사하는 제2초점렌즈를 포함한다.

상기 레이저빔은 연속파 Nd:YAG 레이저빔인 것으로 할 수 있다.

상기 제1,제2,제3전반사 거울은 각각의 반사각이 45°인 것을 특징으로 한다.

상기 부분반사 거울은 그 반사율이 95% 내지 98%의 범위 내에서 설정되며, 그 투과율은 2% 내지 5%의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.

상기 거울틸팅유닛은 상기 부분반사 거울을 장착한 거울 프레임을 상기 헤드 하우징에 힌지 연결하고, 상기 거울 프레임은 틸팅 모터의 회전하는 틸팅 스크루와 체결된 틸팅 브라켓과 힌지 연결된 상태로, 상기 틸팅 모터의 구동에 따라 상기 부분반사 거울을 일정각 범위내에서 틸팅하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 거울틸팅유닛은 상기 부분반사 거울을 장착한 상태로 상단 양측이 상기 헤드 하우징의 타측면 중앙의 양측에 힌지 연결되는 거울 프레임; 상기 거울 프레임에 대응하여 상기 헤드 하우징의 타측면 중앙에 외측으로 돌출되는 장착단을 통하여 수평방향으로 장착되며, 그 회전축은 틸팅 스크루로 형성되는 틸팅 모터; 상기 장착단의 내측에서 양단이 상기 거울 프레임의 양측 중앙에 힌지 연결되며, 중앙에서 상기 틸팅 스크루와 체결되는 틸팅 브라켓으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 틸팅 모터는 그 회전수 및 회전방향 제어가 가능한 스테핑 모터로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 틸팅 브라켓은 "ㄷ"자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1초점렌즈는 상기 헤드 하우징의 일측 레이저 조사홀 상에 설치되어 상기 부분반사 거울로부터 투과된 일정비율의 레이저빔의 초점의 직경을 용가재의 직경보다 3배의 크기로 설정하여 소재의 접합부 부근을 전처리하도록 저출력 레이저빔을 조사하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2초점렌즈는 상기 부분반사 거울 및 제3전반사 거울로부터 반사된 일정비율의 레이저빔의 초점의 직경을 용가재의 직경보다 1.5배 크게 설정하여 상기 헤드 하우징의 타측 레이저 조사홀을 통해 소재의 접합부에 고출력의 레이저빔을 조사하는 것을 특징으로 한다.

상기 초점가변유닛은 상기 헤드 하우징의 내부 하면 타측에 구성되며, 상면에는 상기 타측 레이저 조사홀에 대응하는 관통홀을 형성하며, 측면에는 상하방향으로 가이드 홀을 형성하는 커버 플레이트; 상기 커버 플레이트의 가이드 홀에 대응하여 상기 헤드 하우징의 내측면에 상하방향으로 구성되는 가이더; 상기 제2초점렌즈를 장착한 상태로, 양 측단 중앙에는 각각 가이드 봉을 구성하여 상기 가이더와 상기 가이더 홀을 따라 안내되도록 설치되는 렌즈 프레임; 상기 커버 플레이트의 외측면에 수직방향으로 장착되며, 그 회전축은 구동 스크루로 이루어지는 구동 모터; 상기 커버 플레이트의 외측에서 상기 일측 가이드 봉과 연결된 상태로, 상기 구동 스크루와 체결되는 스크루 블록; 상기 렌즈 프레임의 일측에 장착되어 상기 제2초점렌즈의 온도변화를 검출하여 그 신호를 제어기로 출력하는 온도센서;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 구동 모터는 그 회전수 및 회전방향 제어가 가능한 스테핑 모터로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고 상기 헤드 하우징은 그 외부 일측에 상기 제2초점렌즈를 통하여 조사되는 레이저빔의 초점위치에 용가재를 공급하기 위한 와이어 피더를 더 구성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 브레이징 접합용 레이저 헤드장치에 의하면, 헤드 하우징 내부에 3개의 전반사 거울과 하나의 부분반사 거울을 구성하여 전송된 레이저빔을 2개의 초점렌즈를 통하여 저출력 레이저빔과 고출력 레이저빔으로 모재에 순차적으로 조사되도록 함으로써 모재의 접촉면에 대한 전처리 작업과 함께 레이저 브레이징 작업을 한번에 구현할 수 있어 공정을 일원화하는 효과와 함께, 전처리시에 오염물과 산화물을 완전제거하고, 젖은성을 향상시키는 등의 효과가 있다.

또한, 상기 헤드 하우징의 내부에서 고출력 레이저빔용 초점렌즈는 초점가변유닛을 통하여 고출력 레이저빔용 초점렌즈의 온도변화에 따라 초점 거리를 가변할 수 있도록 함으로써 연속되는 레이저빔에 의한 열적 렌즈 효과에 대응하여 고출력 레이저빔의 초점 크기를 일정하게 유지하여 브레이징 접합 품질을 양호하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 상기의 기술적 과제를 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 브레이징 접합용 레이저 헤드장치의 부분 절개 사시도이다.

본 실시예에 따른 브레이징 접합용 레이저 헤드장치(1)는 로봇의 아암(3) 선단에 장착되어 소재(10)의 접합부(W)에 레이저 발진기(5)로부터 발진되는 레이저 빔(B)을 이용하여 용가재인 필러 와이어(7)를 용융 침투시켜 브레이징 접합하기 위한 것이다.

여기서, 상기 레이저빔(B)은 연속파 Nd:YAG 레이저빔을 적용하는 것이 바람직하다.

이러한 브레이징 접합용 레이저 헤드장치(1)의 구성은 먼저, 상기 로봇의 아암(3) 선단에 사각의 헤드 하우징(11)이 그 상측을 통하여 장착된다.

상기 헤드 하우징(3)은 그 상부 일측에 레이저 발진기(5)로부터 발진된 레이저빔(B)을 전송하기 위한 광케이블(9)이 연결되는 연장부(13)를 형성하고, 그 하면 양측에는 각각 레이저 조사홀(8; 일측 미도시)을 형성한다.

상기 헤드 하우징(11)의 연장부(13) 상단면에는 상기 광케이블(9)이 연결되는 부분에 콜리메이터(15)가 장착되어 상기 광케이블(9)을 통하여 전송되어 온 레이저빔(B)을 평행한 빔으로 전송해 주도록 구성된다.

그리고 상기 콜리메이터(15)의 수직선상의 상기 헤드 하우징(11)의 내부 일측면 상측에는 제1전반사 거울(M1)이 브라켓(BL)을 통하여 장착되어 상기 레이저빔(B)을 수평방향으로 전반사 시키도록 구성된다.

또한, 상기 제1전반사 거울(M1)의 수평선상의 상기 헤드 하우징(11)의 내부 타측면 상측에 제2전반사 거울(M2)이 브라켓(BL)을 통하여 장착되어 상기 제1전반사 거울(M1)로부터 반사된 레이저빔(B)을 수직방향으로 전반사 시키도록 구성된다.

여기서, 상기 제1,제2전반사 거울(M1,M2)은 각각의 반사각이 45°로 설정되어 입사되는 레이저빔(B)을 90°로 꺾어서 반사시키게 된다.

상기 제2전반사 거울(M2)의 수직선상의 상기 헤드 하우징(11)의 내부 타측면 중앙에는 거울틸팅유닛(TU)을 통하여 부분반사 거울(M)이 장착되어 상기 제2전반사 거울(M2)로부터 반사된 레이저빔(B)을 수평방향과 수직방향으로 각각 일정비율로 반사 및 투과시키도록 구성된다.

즉, 상기 부분반사 거울(M)은 그 반사율이 95% 내지 98%의 범위 내에서 설정되며, 그 투과율은 2% 내지 5%의 범위 내에서 설정되는데, 본 실시예에서는 상기 반사율이 97.5%이고, 투과율이 2.5%의 부분반사 거울(M)을 적용하였다.

여기서, 상기 거울틸팅유닛(TU)은 상기 부분반사 거울(M)을 장착한 거울 프레임(17)을 상기 헤드 하우징(11)에 힌지 연결하고, 상기 거울 프레임(17)은 틸팅 모터(19)의 회전하는 틸팅 스크루(21)와 체결된 틸팅 브라켓(23)과 힌지 연결된 상태로, 상기 틸팅 모터(19)의 구동에 따라 상기 부분반사 거울(M)을 일정각 범위내에서 틸팅하도록 구성된다.

즉, 상기 거울틸팅유닛(TU)의 구체적인 구성은, 도 3에서 도시한 바와 같이, 거울 프레임(17)이 상기 부분반사 거울(M)을 장착한 상태로 그 상단 양측이 상기 헤드 하우징(11)의 타측면 중앙의 양측에 힌지(H) 연결된다.

상기 거울 프레임(17)에 대응하여 상기 헤드 하우징(11)의 타측면 중앙에는 외측으로 돌출되는 장착단(25)을 통하여 수평방향으로 틸팅 모터(19)가 장착되며, 이 틸팅 모터(19)의 회전축은 틸팅 스크루(21)로 형성된다.

여기서, 상기한 틸팅 모터(19)는 그 회전수 및 회전방향 제어가 가능한 스테핑 모터로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 장착단(25)의 내측에는 틸팅 브라켓(23)이 구성되는데, 이 틸팅 브라켓(23)은 그 양단이 상기 거울 프레임(17)의 양측 중앙에 힌지(H) 연결되는 "ㄷ"자 형상으로 형성되며, 그 중앙에는 상기 틸팅 스크루(21)가 체결된다.

그리고 상기한 부분반사 거울(M)의 수평선상의 상기 헤드 하우징(11)의 내부 일측면 중앙에는 제3전반사 거울(M3)이 브라켓(BL)을 통하여 장착되어 상기 부분반사 거울(M)로부터 반사된 일정비율의 레이저빔(B)을 수직방향으로 전반사 시키도록 구성된다.

여기서, 상기한 제3전반사 거울(M3)도 그 반사각이 45°로 설정되어 입사되는 레이저빔(B)을 90°로 꺾어서 반사시키게 된다.

한편, 상기 부분반사 거울(M)의 수직선상의 상기 헤드 하우징(11)의 일측 레이저 조사홀(미도시) 상에는 제1초점렌즈(L1)가 장착되는데, 상기 제1초점렌즈(L1)는 상기 부분반사 거울(M)로부터 투과된 일정비율의 레이저빔(B)의 초점을 형성하여 소재(10)의 접합부(W)에 저출력의 레이저빔(B1)을 조사하도록 구성된다.

즉, 상기 제1초점렌즈(L1)는 상기 헤드 하우징(11)의 일측 레이저 조사홀(미도시) 상에 설치되어 상기 부분반사 거울(M)로부터 투과된 일정비율의 레이저빔(B)의 초점의 직경을 용가재의 직경보다 3배의 크기로 설정하여 소재(10)의 접합부(W) 주위를 전처리하도록 저출력 레이저빔(B1)으로 조사하게 된다.

그리고 상기 제3전반사 거울(M3)의 수직선상의 상기 헤드 하우징(11)의 타측 레이저 조사홀(8)에 대응하여서는 초점가변유닛(PU)을 통하여 제2초점렌즈(L2)가 장착된다.

상기 제2초점렌즈(L2)는 상기 부분반사 거울(M)과 제3전반사 거울(M3)을 통하여 반사된 일정비율의 레이저빔(B)의 초점을 형성하여 소재(10)의 접합부(W)에 고출력의 레이저빔(B2)을 조사하도록 구성된다.

즉, 상기 제2초점렌즈(L2)는 상기 부분반사 거울(M) 및 제3전반사 거울(M3)로부터 반사된 일정비율의 레이저빔(B)의 초점의 직경을 용가재의 직경보다 1.5배 크게 설정하여 상기 헤드 하우징(11)의 타측 레이저 조사홀(8)을 통해 소재(10)의 접합부(W)에 고출력의 레이저빔(B2)으로 조사하게 된다.

즉, 상기 부분반사 거울(M)의 그 투과율과 반사율을 예로 하는 경우, 레이저빔의 발진출력이 4Kw인 경우, 상기 부분반사 거울(M)을 통하여 투과되어 제1초점렌즈(L1)를 통하여 소재(10)의 접합부(W)에 조사되는 레이저빔의 출력은 0.1Kw로 저출력의 레이저빔(B1) 초점을 형성하고, 상기 부분반사 거울(M)을 통하여 반사되어 제2초점렌즈(L2)를 통하여 소재(10)의 접합부(W)에 조사되는 레이저빔의 출력은 3.9Kw로 고출력의 레이저빔 초점(B2)을 형성한다.

한편, 상기한 초점가변유닛(PU)은, 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 제2초점렌즈(L2)의 온도변화에 따라 그 초점 거리를 가변하여 소재(10)의 접합부(W) 상에 맺히는 레이저빔(B)의 초점을 일정하게 유지하여 연속되는 레이저빔(B)에 의한 열적 렌즈 효과에 대응하게 되는데, 그 구성은 상기 헤드 하우징(11)의 내부 하면 타측에 커버 플레이트(27)가 구성되며, 이 커버 플레이트(27)의 상면에는 상기 타측 레이저 조사홀(8)에 대응하는 관통홀(29)을 형성하며, 이 커버 플레이트(27)의 측면에는 상하방향으로 가이드 홀(31)을 형성한다.

상기 커버 플레이트(27)의 가이드 홀(31)에 대응하여 상기 헤드 하우징(11)의 내측면에는 상하방향으로 가이더(33)가 구성된다.

또한, 상기 커버 플레이트(27)의 내부에는 상기 제2초점렌즈(L2)를 장착한 상태로 렌즈 프레임(35)이 상하 작동하도록 설치되는데, 상기 렌즈 프레임(35)은 그 양 측단 중앙에는 각각 가이드 봉(37)을 구성하여 상기 가이더(33)와 상기 가이더 홀(31)을 따라 안내되도록 설치된다.

상기 커버 플레이트(27)의 외측면에는 수직방향으로 구동 모터(39)가 장착되는데, 상기 구동 모터(39)는 그 회전축이 구동 스크루(41)로 이루어지며, 상기 커버 플레이트(27)의 외측에서 상기 일측 가이드 봉(37)과 연결되는 스크루 블록(43)에 상기 구동 스크루(41)를 체결하여 설치된다.

여기서, 상기 구동 모터(39)는 그 회전수 및 회전방향 제어가 가능한 스테핑 모터로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 렌즈 프레임(35)의 일측에는 상기 제2초점렌즈(L2)의 온도변화를 검출하여 그 신호를 제어기(C)로 출력하는 온도센서(45)가 장착된다.

한편, 상기 헤드 하우징(11)의 외부 일측에는 상기 제2초점렌즈(L2)를 통하여 조사되는 고출력 레이저빔(B2)의 초점 위치에 용가재를 공급하기 위한 와이어 피더(50)를 구성하여 이루어진다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치(1)의 작동은, 도 5에서 도시한 바와 같이, 먼저, 초기 레이저 발진기(5)를 제어하여 저출력의 레이저빔(B1; 0.1Kw)을 바로 전송하여 제1초점렌즈(L1)를 통하여 소 재(10)의 접합부 주위를 따라 일정구간만큼 산화물 또는 오염물에 대한 전처리 작업을 실시한다.(S1)

이때, 부분반사 거울(M)은 거울틸팅유닛(TU)에 의해 틸팅되어 수직방향으로 세워진 상태이며, 이에 따라 제1,제2전반사 거울(M1,M2)을 통하여 반사된 저출력의 레이저빔(B1)이 상기 부분반사 거울(M)을 통하지 않고 바로 제1초점렌즈(L1)를 통하여 소재(10)의 접합부(W)에 초점을 형성하며 조사되며, 용가재인 필러 와이어(7)도 공급되지 않게 된다.

이어서, 상기 제2초점렌즈(L2)가 소재(10)의 접합부(W)에 위치되면, 상기 부분반사 거울(M)은 거울틸팅유닛(TU)0에 의해 45°경사지게 틸팅되며, 동시에 상기 레이저 발진기(5)에서는 레이저빔(B)의 발진출력을 4Kw로 높여 출력하고, 동시에 상기 필러 와이어(7)도 공급하게 된다.(S2)

이에 따라 제1,제2전반사 거울(M1,M2)을 통하여 반사된 레이저빔(B)은 상기 부분반사 거울(M)을 통하여 3.9Kw의 레이저빔(B2)가 제3전반사 거울(M3)로 반사하게 되고, 0.1Kw의 레이저빔(B1)만 투과되어 바로 제1초점렌즈(L1)를 통하여 소재(10)의 접합부(W)에 저출력 레이저빔(B1; 0.1Kw)의 초점을 형성하여 계속적인 전처리 작업을 진행하게 된다.

이때, 상기 제3전반사 거울(M3)로 반사된 고출력 레이저빔(B2; 3.9Kw)은 제2초점렌즈(L2)를 통하여 소재(10)의 접합부(W)에 조사되어 공급되는 필러 와이어(7)를 접합부(W)에 용융 침투시켜 브레이징 접합을 이루게 된다.(S3)

이러한 브레이징 접합작업을 이루는 과정 중에, 고출력 레이저빔(B2)의 초점 을 형성하여 소재(10)의 접합부(W)에 조사하는 제2초점렌즈(L2)의 온도가 상승하면, 열적 렌즈 효과를 나타내게 되는데, 이에 따른 초점의 변화를 방지하도록 초점가변유닛(PU)는 온도센서(45)에서 검출된 제2초점렌즈(L2)의 온도신호를 제어기(C)가 분석하여 설정된 맵에 따라 출력되는 제어신호에 의해 구동 모터(39)의 회전방향 및 회전수를 제어하여 상기 제2초점렌즈(L2)가 온도변화에 따른 초점 거리를 유지하도록 그 위치를 지속적으로 가변하게 된다.

이로써, 상기 제2초점렌즈(L2)는 열적 렌즈 효과에도 불구하고, 소재(10)의 접합부(W) 상에 맺히는 고출력 레이저빔(B2)의 초점 크기를 일정하게 유지하여 브레이징 접합 품질을 양호하게 유지한다.

한편, 이러한 전처리 작업 및 브레이징 접합작업을 이루는 과정 중에, 소재(10)의 접합부(W)에 대한 전처리 작업이 완료되면, 제2초점렌즈(L2)를 통하여 조사되는 저출력의 레이저빔(B1)은 무시하고, 브레이징 접합작업을 완료하게 된다.(S4)

따라서 본 실시예에 따른 브레이징 접합용 레이저 헤드장치(1)에 의하면, 헤드 하우징(11) 내부의 부분반사 거울(M)을 통하여 투과 및 반사되어 제1초점렌즈(L1)와 제2초점렌즈(L2)로 전송되는 저출력의 레이저빔(B1)과 고출력의 레이저빔(B2)을 소재(10)의 접합부(W)에 대하여 순차적으로 조사되도록 함으로써 소재910)의 접합부(W)을 깨끗이 하고 표면을 거칠게 하여 그 젖음성을 증대시키는 전처리 작업과 용가재인 필러 와이어(7)를 용융 침투시키는 브레이징 작업을 한번에 구현할 수 있도록 한다.

또한, 상기 헤드 하우징(11)의 내부에서 고출력 레이저빔(B2)용 제2초점렌즈(L2)를 온도변화에 따라 설정된 거리만큼 초점가변유닛(PU)을 통하여 초점 거리를 가변함으로써 연속되는 레이저빔에 의한 열적 렌즈 효과에 대응하여 고출력 레이저빔(B2)의 일정한 초점 크기를 유지할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 레이저 헤드장치가 적용된 브레이징 접합 시스템의 전체 구성 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 브레이징 접합용 레이저 헤드장치에 적용되는 거울틸팅유닛의 구성 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 브레이징 접합용 레이저 헤드장치에 적용되는 초점가변유닛의 구성 사시도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 브레이징 접합용 레이저 헤드장치의 단계별 작동 상태도이다.

Claims

로봇의 아암 선단에 장착되어 소재의 접합부에 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔을 이용하여 용가재를 용융 침투시켜 브레이징 접합하기 위한 브레이징 접합용 레이저 헤드장치에 있어서,

로봇의 아암 선단에 장착되며, 상부 일측에는 레이저 발진기로부터 발진된 레이저빔을 전송하기 위한 광케이블이 연결되는 연장부를 형성하며, 하면 양측에는 각각 레이저 조사홀을 형성하는 사각의 헤드 하우징;

상기 헤드 하우징의 연장부 상단면에 설치되는 콜리메이터;

상기 콜리메이터의 수직선상의 상기 헤드 하우징의 일측면 상측에 장착되어 상기 레이저빔을 수평방향으로 전반사시키는 제1전반사 거울;

상기 제1전반사 거울의 수평선상의 상기 헤드 하우징의 타측면 상측에 장착되어 상기 제1전반사 거울로부터 반사된 레이저빔을 수직방향으로 전반사시키는 제2전반사 거울;

상기 제2전반사 거울의 수직선상의 상기 헤드 하우징의 타측면 중앙에 거울틸팅유닛을 통하여 장착되어 상기 제2전반사 거울로부터 반사된 레이저빔을 수평방향과 수직방향으로 각각 일정비율로 반사 및 투과시키는 부분반사 거울;

상기 부분반사 거울의 수평선상의 상기 헤드 하우징의 일측면 중앙에 장착되어 상기 부분반사 거울로부터 반사된 일정비율의 레이저빔을 수직방향으로 전반사시키는 제3전반사 거울;

상기 부분반사 거울의 수직선상의 상기 헤드 하우징의 일측 레이저 조사홀 상에 장착되며, 상기 부분반사 거울로부터 투과된 일정비율의 레이저빔의 초점을 형성하여 소재의 접합부에 저출력의 레이저빔을 조사하는 제1초점렌즈;

상기 제3전반사 거울의 수직선상의 상기 헤드 하우징의 타측 레이저 조사홀에 대응하도록 초점가변유닛을 통하여 장착되어 상기 부분반사 거울로부터 반사된 일정비율의 레이저빔의 초점을 형성하여 소재의 접합부에 고출력의 레이저빔을 조사하는 제2초점렌즈;를 포함하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 레이저빔은

연속파 Nd:YAG 레이저빔인 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 제1,제2,제3전반사 거울은

각각의 반사각이 45°인 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 부분반사 거울은

그 반사율이 95% 내지 98%의 범위 내에서 설정되며, 그 투과율은 2% 내지 5%의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 거울틸팅유닛은

상기 부분반사 거울을 장착한 거울 프레임을 상기 헤드 하우징에 힌지 연결하고, 상기 거울 프레임은 틸팅 모터의 회전하는 틸팅 스크루와 체결된 틸팅 브라켓과 힌지 연결된 상태로, 상기 틸팅 모터의 구동에 따라 상기 부분반사 거울을 일정각 범위내에서 틸팅하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 거울틸팅유닛은

상기 부분반사 거울을 장착한 상태로 상단 양측이 상기 헤드 하우징의 타측면 중앙의 양측에 힌지 연결되는 거울 프레임;

상기 거울 프레임에 대응하여 상기 헤드 하우징의 타측면 중앙에 외측으로 돌출되는 장착단을 통하여 수평방향으로 장착되며, 그 회전축은 틸팅 스크루로 형성되는 틸팅 모터;

상기 장착단의 내측에서 양단이 상기 거울 프레임의 양측 중앙에 힌지 연결되며, 중앙에서 상기 틸팅 스크루와 체결되는 틸팅 브라켓;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제5항 또는 제6항에서,

상기 틸팅 모터는

그 회전수 및 회전방향 제어가 가능한 스테핑 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제5항 또는 제6항에서,

상기 틸팅 브라켓은

"ㄷ"자 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 제1초점렌즈는

상기 헤드 하우징의 일측 레이저 조사홀 상에 설치되어 상기 부분반사 거울로부터 투과된 일정비율의 레이저빔의 초점의 직경을 용가재의 직경보다 3배의 크기로 설정하여 소재의 접합부 부근을 전처리하도록 저출력 레이저빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 제2초점렌즈는

상기 부분반사 거울 및 제3전반사 거울로부터 반사된 일정비율의 레이저빔의 초점의 직경을 용가재의 직경보다 1.5배 크게 설정하여 상기 헤드 하우징의 타측 레이저 조사홀을 통해 소재의 접합부에 고출력의 레이저빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 초점가변유닛은

상기 헤드 하우징의 내부 하면 타측에 구성되며, 상면에는 상기 타측 레이저 조사홀에 대응하는 관통홀을 형성하며, 측면에는 상하방향으로 가이드 홀을 형성하는 커버 플레이트;

상기 커버 플레이트의 가이드 홀에 대응하여 상기 헤드 하우징의 내측면에 상하방향으로 구성되는 가이더;

상기 제2초점렌즈를 장착한 상태로, 양 측단 중앙에는 각각 가이드 봉을 구성하여 상기 가이더와 상기 가이더 홀을 따라 안내되도록 설치되는 렌즈 프레임;

상기 커버 플레이트의 외측면에 수직방향으로 장착되며, 그 회전축은 구동 스크루로 이루어지는 구동 모터;

상기 커버 플레이트의 외측에서 상기 일측 가이드 봉과 연결된 상태로, 상기 구동 스크루와 체결되는 스크루 블록;

상기 렌즈 프레임의 일측에 장착되어 상기 제2초점렌즈의 온도변화를 검출하 여 그 신호를 제어기로 출력하는 온도센서;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제11항에서,

상기 구동 모터는

그 회전수 및 회전방향 제어가 가능한 스테핑 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.
제1항에서,

상기 헤드 하우징은

그 외부 일측에 상기 제2초점렌즈를 통하여 조사되는 레이저빔의 초점위치에 용가재를 공급하기 위한 와이어 피더를 더 구성하는 것을 특징으로 하는 브레이징 접합용 레이저 헤드장치.