KR101266924B1 - 레이저 용접방법 및 레이저 용접장치 - Google Patents

레이저 용접방법 및 레이저 용접장치 Download PDF

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미야치 테크노스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 YAG 기본파와 YAG 고조파와의 2파장 중첩방식에 있어서 심용입 용접(Deep penetration welding)을 실현하고, 나아가서는 그 재현성 및 품질향상을 도모하는 것이다.
본 발명에서는 제 1 레이저 발진부(10)는 펄스 폭 가변의 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)을 발진 출력하고, 제 2 레이저 발진부(12)는 펄스 폭 가변의 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)을 발진 출력한다. 출사 유닛(20)은, 양 펄스 레이저광(LB, SHG)을 동일한 광축 위에 중첩하여 피용접물(W1, W2)의 용접 포인트(K)에 집광 조사한다. 제어부(18)는 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 레이저 출력이 피크값에 도달하는 시점보다 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력이 피크값에 도달하는 시점의 쪽이 약간 앞이 되도록, 제 1 및 제 2 레이저 발진부(10, 12)의 레이저 발진동작을 제어한다.

Description

레이저 용접방법 및 레이저 용접장치 {LASER WELDING METHOD AND LASER WELDING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 2파장 중첩형 레이저 용접장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 실시형태에 있어서의 YAG 기본파 펄스 레이저 발진기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시형태에 있어서의 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저 발진기의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시형태에 있어서의 파장 변환방법의 기본 원리를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시형태의 파장 변환방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시형태의 출사 유닛에서의 광학계의 주요부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시형태에 있어서의 YAG 기본파 펄스 레이저광 및 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광의 전형적인 레이저 출력 파형을 나타내는 파형도이다.
도 8은 실시형태에 있어서의 펄스 레이저광의 상승부를 확대하여 나타내는 파형도이다.
도 9는 실시형태에 있어서의 펄스 레이저광의 상승부의 일 변형예를 확대하여 나타내는 파형도이다.
도 10은 실시형태에서 얻어지는 용접 너깃(nugget)을 모식적으로 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 11은 비교예에서 얻어지는 용접 너깃을 모식적으로 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 12는 실시형태에 있어서의 레이저 용접의 기본 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 비교예에서 얻어지는 용접 너깃을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 14는 실시형태에서 얻어지는 용접 너깃을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는 실시형태에서 얻어지는 용접 너깃의 외관을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 16은 비교예에 있어서의 레이저 용접법의 작용을 설명하기 위한 단면도이다.
도 17은 비교예에서 얻어지는 용접 너깃의 외관을 모식적으로 나타내는 평면도이다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 제 1 레이저 발진부
12 : 제 2 레이저 발진부 14, 16 : 레이저 전원부
18 : 제어부 20 : 출사 유닛
22 : 광섬유 전송계 24 : 고체 레이저 매체
26 : 전기광학 여기부 28, 30 : 광 공진기 미러
32, 52 : 포토센서 34, 54 : 측정회로
36, 38 : 전반사 미러 40 : 활성 매질
42 : 파장변환 결정 46 : 고조파 분리 출력 미러
72, 75 : 다이크로익 미러
74, 76 : 제 1 및 제 2 콜리메이트 렌즈
78 : 집속 렌즈
본 발명은 레이저를 사용하여 금속을 용접하는 레이저 용접기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2파장의 레이저빔을 중첩하여 피용접물에 조사하는 2파장 중첩형의 레이저 용접방법 및 장치에 관한 것이다.
최근, 레이저는 제조업, 특히 용접, 절단 및 표면처리의 분야에서 이용되고 있다. 실제, 레이저 용접기술은 고정밀도 및 고속의 가공을 실현할 수 있는 점, 피가공물에 주는 열왜곡이 작은 점, 고도의 자동화가 가능한 점에서, 점점 그 중요성이 높아지고 있다. 현재, 레이저 용접에 가장 많이 사용되고 있는 고체 레이저는, 파장 약 1㎛의 광 빔을 발생하는 YAG 레이저이다. YAG 레이저는 모재로서의 YAG(Y3Al5O12)결정에 희토류 활성 이온(Nd3+, Yb3+ 등)을 도프(dope)한 것으로서, 대표적인 Nd : YAG 레이저의 기본 파장은 1064 nm 이다. YAG 레이저는 연속 발진이나 Q 스위치에 의한 자이언트 펄스 발진이 가능한 것 외에, 100 ㎲ 이상(전형적으로는 1∼10 ms)의 펄스 폭을 가지는 롱 펄스(long pulse)의 레이저광을 발생시킬 수 있다.
그런데, 레이저 용접법에 있어서는 피용접재와 레이저광의 광학적인 결합성이 중요하다. 광학적인 결합성이 좋지 않으면 반사율이 높고, 레이저 에너지의 흡수 효율이 낮아 양호한 용접 접합을 얻는 것이 어렵다. 이러한 점에서, 기본 파장(예를 들면 1064 nm)의 YAG 레이저광은, 구리나 금에 대해서는 광학적 결합성이 좋지 않다. 이들 금속에 대해서는, 오히려 제 2 고조파(532 nm)의 YAG 레이저광이 높은 광학적 결합성을 가지는 것이 알려져 있다. 본 출원인은, 특허문헌 1에서, 구리나 금의 용접에 유효한 레이저 용접법으로서, YAG 기본파의 펄스 레이저광과 YAG 제 2 고조파의 Q 스위치 레이저광을 중첩하여 피용접재에 조사하는 2파장 중첩 레이저 용접법을 개시하고 있다.
(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 2002-28795호
그러나, 상기와 같은 종래의 2파장 중첩 레이저 용접법은, 단속적인 반복 펄스로서 주어지는 YAG 제 2 고조파(532 nm)의 Q 스위치 레이저광이 피용접재와의 광학적 결합시간이 짧기 때문에, 키홀이나 용입 깊이가 여전히 충분하지 않고 후판용접(특히 구리 후판용접)에 대한 적용이 어렵다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, YAG 기본파와 YAG 고조파의 2파장 중첩 방식에 있어서 심용입(deep penetration) 용접을 실현하고, 나아가서는 그 재현성 및 품질향상을 도모하는 레이저 용접방법 및 레이저 용접장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 레이저 용접방법은, 가변의 펄스폭을 가지는 YAG 기본파의 펄스 레이저광과 가변의 펄스 폭을 가지는 YAG 고조파의 펄스 레이저광을 중첩하여 피용접부에 조사하고, 상기 피용접부를 양 펄스 레이저광의 에너지에 의하여 용접하는 레이저 용접방법으로서, 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 레이저 출력이 그 피크값에 도달하기 전에 상기 YAG 고조파의 펄스 레이저광의 레이저 출력이 그 피크값에 도달하는 시간차를 두게 하여 양 펄스 레이저광을 중첩한다.
또한, 본 발명의 레이저 용접장치는, 펄스 폭 가변에 의해 YAG 기본파의 펄스 레이저광을 생성하는 제 1 레이저 발진부와, 펄스 폭 가변에 의해 YAG 고조파의 펄스 레이저광을 생성하는 제 2 레이저 발진부와, 상기 YAG 기본파의 펄스 레이저광과 YAG 고조파의 펄스 레이저광을 중첩하여 원하는 피용접부에 조사하는 출사(emission) 유닛과, 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 레이저 출력이 그 피크값에 도달하기 전에 상기 YAG 고조파의 펄스 레이저광의 레이저 출력이 그 피크값에 도달하도록 상기 제 1 및 제 2 레이저 발진부 사이의 레이저 발진동작을 제어하는 제어부를 가진다.
상기한 구성에 있어서는, YAG 고조파가 펄스 폭 가변의 펄스 레이저광으로서 주어지기 때문에, Q 스위치방식의 펄스 레이저광보다 피용접물과의 상호 작용시간이 상당히 길어 YAG 기본파와의 상승효과에 의하여 깊은 용입을 실현할 수 있다. 게다가 YAG 고조파 펄스 레이저광의 레이저 출력이 먼저(바람직하게는 0.05 ms∼0.3 ms 먼저) 피크값에 도달함으로써, 용접 포인트 부근에서 키홀 형성이 원활하게 개시되기 때문에 재현성이 좋은 일정한 용입이 얻어진다.
또한, 본 발명은, YAG 기본파 펄스 레이저광과 YAG 고조파 펄스 레이저광을 중첩하여 피용접부에 조사하는 2파장 중첩 방식의 레이저 용접방법에 있어서, YAG 기본파 펄스 레이저광의 하강을 다운 슬로프 파형으로 제어하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 다운 슬로프 파형 제어에 의하면, 펄스 레이저의 조사 에너지가 점차적으로 감소하기 때문에, 키홀 내에서 용융물이 완만하게 퍼져 험핑(humping)이 없는 너깃 표면(용접 외관)이 얻어진다. 바람직한 일 양태로서, YAG 기본파 펄스 레이저광의 하강시간은 YAG 기본파 펄스 레이저광의 피크값의 지속시간에 대하여 20%∼50%의 범위 내로 선택된다.
본 발명의 레이저 용접장치에 있어서는, 바람직한 일 양태로서, 제 1 레이저 발진부로부터 출사 유닛까지 YAG 기본파 펄스 레이저광을 전송하는 제 1 광섬유와, 제 2 레이저 발진부로부터 출사 유닛까지 YAG 고조파 펄스 레이저광을 전송하는 제 2 광섬유가 사용되고, YAG 기본파용의 제 1 광섬유가 YAG 고조파용의 광섬유보다 약간(바람직하게 1.3배 내지 2배) 큰 코어 지름을 가진다. 이와 같은 구성에 의하면, YAG 고조파 펄스 레이저광의 조사 지름보다 YAG 기본파 펄스 레이저광의 조사 지름을 약간 크게 하여 레이저 조사 중에 키홀 주위의 용융부를 안정화시켜 응고 후에 너깃(특히 가장자리부)을 매끄러운 표면으로 할 수 있다.
이하, 첨부도를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
삭제
도 1에 본 발명의 일 실시형태에 의한 2파장 중첩형 레이저 용접장치의 구성을 나타낸다. 이 레이저 용접장치는, 2대의 YAG 펄스 레이저 발진기인 제 1 및 제 2 레이저 발진부(10, 12)와, 이들 제 1 및 제 2 레이저 발진부(10, 12)를 각각 전기적으로 구동하는 레이저 전원부(14, 16)와, 이들 레이저 전원부(14, 16)를 통하여 제 1 및 제 2 레이저 발진부(10, 12)의 레이저 발진동작을 제어하는 제어부(18)와, 원하는 가공장소에 배치되는 2파장 중첩 출사 유닛(20)과, 제 1 및 제 2 레이저 발진부(10, 12)로부터 각각 생성되는 YAG 펄스 레이저광을 출사 유닛(20)까지 전송하는 광섬유 전송계(22)를 가지고 있다.
여기서 한쪽의 제 1 레이저 발진부(10)는 펄스 폭 가변(롱 펄스)의 YAG 기본파(1064 nm)의 펄스 레이저광(LB)을 발진 출력하고, 다른쪽의 제 2 레이저 발진부(12)는 펄스 폭 가변(롱 펄스)의 YAG 제 2 고조파(532 nm)의 펄스 레이저광 (SHG)을 발진 출력한다. 출사 유닛(20)은 뒤에서 설명하는 바와 같이 YAG 기본파의 펄스 레이저광(LB)과 YAG 제 2 고조파의 펄스 레이저광(SHG)을 동일 또는 공통의 광축 상에 중첩한 후에 공통의 집속 렌즈에 의해 집속시켜 피용접물(W1, W2)의 용접 포인트(K)에 조사한다. 피용접물(W1, W2)은 임의의 금속으로 이루어지는 것으로 좋으나, 특히 Cu계의 금속 또는 Au계의 금속인 경우에 본 발명의 작용효과가 가장 현저하게 발휘된다.
도 2에 YAG 기본파 펄스 레이저 발진기인 제 1 레이저 발진부(10)의 구성예를 나타낸다. 이 제 1 레이저 발진부(10)는 예를 들면 Nd : YAG 로드로 이루어지는 고체 레이저 매체(24)와, 이 고체 레이저 매체(24)에 여기광을 조사하는 전기광학 여기부(26)와, 고체 레이저 매체(24)로부터 발생되는 레이저광을 공진 증폭하여 YAG 기본파(1064 nm)의 펄스 레이저광(LB)을 인출하는 한 쌍의 광 공진기 미러(28, 30)로 구성된다. 여기서 전기광학 여기부(26)는 예를 들면 여기 램프 또는 레이저 다이오드로 이루어지고, 레이저 전원부(14)로부터의 펄스 파형의 여기전류의 공급을 받아 점등하고, 고체 레이저 매체(24)를 펄스 파형의 여기광으로 펌핑한다. 그리고 고체 레이저 매체(24)의 양쪽 끝면으로부터 축방향으로 나온 빛이 광 공진기 미러(28, 30)의 사이에서 반사를 반복하여 증폭된 후 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)으로서 출력 미러(28)로부터 광 공진기의 밖으로 인출된다. 이 제 1 레이저 발진부(10)로부터 발진 출력된 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)은 뒤에서 설명하는 광섬유 전송계(22)의 제 1 입사 유닛(60)(도 1)으로 향하게 된다.
이 실시형태에서는 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)에 대하여 파워 피드백제어를 행하기 위하여 전반사 미러(30)의 배후로 누출된 펄스 레이저광(LB)의 누출광(MLB)을 수광하는 광전변환소자 또는 포토센서(32)가 배치되어 있다. 측정회로(34)는 포토센서(32)의 출력신호를 기초로 기본파 펄스 레이저광(LB)의 레이저 출력 측정값을 나타내는 전기신호(레이저 출력 측정값 신호)를 출력한다. 레이저 전원부(14)는 측정회로(34)로부터의 레이저 출력 측정값 신호를 제어부(18)로부터의 제 1 기준펄스 파형 신호와 비교하여, 그 비교 오차에 따라 예를 들면 펄스폭 변조(PWM)방식에 의해 내장의 스위칭 소자를 스위칭 동작시켜 전기광학 여기부(26)에 공급되는 펄스 여기전류를 제어하고, 나아가서는 제 1 레이저 발진부(10)로부터 발진 출력되는 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 레이저 출력 파형을 제 1 기준 펄스 파형을 따르게 하도록 하고 있다.
도 3에 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저 발진기인 제 2 레이저 발진부(12)의 구성예를 나타낸다. 이 제 2 레이저 발진부(12)는 한 쌍의 종단 미러(36, 38), 고체 레이저 활성 매질(40), 파장변환 결정(42), 편광소자(44) 및 고조파 분리 출력 미러(46)를 직선 배열형으로 일렬로 배치하고 있다. 양 종단 미러(36, 38)는 서로 마주 보고 광 공진기를 구성하고 있다. 한쪽의 종단 미러(36)의 반사면(36a)에는 기본 파장(1064 nm)에 대하여 고반사성 막이 코팅되어 있다. 다른쪽 종단 미러(38)의 반사면(38a)에는 기본 파장(1064 nm)에 대하여 고반사성 막이 코팅됨과 함께, 제 2 고조파(532 nm)에 대하여 고반사성 막도 코팅되어 있다.
활성 매질(40)은, 예를 들면 Nd : YAG 로드로 이루어지고, 한쪽의 종단 미러(36) 근처에 배치되어 전기광학 여기부(48)에 의해 광학적으로 펌핑된다. 전기광학 여기부(48)는 활성 매질(40)을 향하여 여기광을 발생하기 위한 여기광원(예를 들면 여기램프 또는 레이저 다이오드)을 가지고, 이 여기광원을 레이저 전원부(16)로부터의 펄스 파형의 여기전류로 점등시키고, 활성 매질(40)을 펄스 파형의 여기광으로 펌핑한다. 활성 매질(40)로 생성되는 기본 파장의 펄스 빔은 종단 미러(36, 38)의 사이에 가두어져 증폭된다. 이와 같이 양 종단 미러(광 공진기)(36, 38), 활성 매질(40) 및 전기광학 여기부(48)에 의해 기본 파장(1064 nm)의 펄스 레이저광을 생성하는 기본파 펄스 레이저 발진부가 구성되어 있다.
편광소자(44)는 예를 들면 편광판(polarizer) 또는 브루스터판 등으로 이루어지고, 활성 매질(40)로부터의 기본 파장의 광 빔이 비법선 방향에서 입사하도록 광 공진기의 광로 또는 광축에 대하여 소정의 비스듬한 각도로 배치되어 있다. 활성 매질(40)로부터의 기본 파장의 광 빔 중, P 편광은 편광소자(44)를 바로 투과하여 파장변환 결정(42)에 입사하고, S 편광은 편광소자(44)로 소정의 방향을 향하여 반사되게 되어 있다. 여기서 P 편광 및 S 편광은 기본 파장의 광 빔의 진행방향으로 수직한 면내에서 진동방향이 서로 직교하는 직선 편광성분(전계성분)이다. 예를 들면 P 편광은 연직방향에서 진동하는 직선 편광성분이고, S 편광은 수평방향에서 진동하는 직선편광성분이다. 바람직하게는 기본 파장(1064nm)에 있어서 P 편광 투과율은 대략 100%이고, S 편광 반사율은 대략 100%인 편광 필터특성이 선택된다.
파장변환 결정(42)은, 예를 들면 KTP(KTiOPO4)결정이나 LBO(LiB3O5) 결정 등의 비선형 광학결정으로 이루어지고, 다른쪽의 종단 미러(38) 근처에 배치되며, 이 광 공진기로 여기된 기본 모드에 광학적으로 결합되어 기본 파장과의 비선형 광학작용에 의해 제 2 고조파(532 nm)의 광 빔(SHG)을 광 공진기의 광로 위에 생성한다.
파장변환 결정(42)으로부터 종단 미러(38)측으로 나온 제 2 고조파의 광 빔(SHG)은 종단 미러(38)로 되돌아가고 파장변환 결정(42)을 빠져 나간다. 파장변환 결정(42)으로부터 종단 미러(38)의 반대측으로 나간 제 2 고조파의 광 빔(SHG)은 광 공진기의 광로 또는 광축에 대하여 소정의 각도(예를 들면 45°)로 비스듬하게 배치되어 있는 고조파 분리 출력 미러(46)에 입사하여, 이 고조파 분리 출력 미러(46)로 소정의 방향, 즉 벤트 미러(50)를 향하여 반사 또는 분리 출력되도록 되어 있다. 그리고 고조파 분리 출력 미러(46)로부터 분리 출력된 제 2 고조파의 광 빔(SHG)은, 벤트 미러(50)로 광축을 구부려 광섬유 전송계(22)의 제 2 입사 유닛(66)(도 1)에 보내진다.
이 실시형태에서는 YAG 제 2 고조파의 펄스 레이저광(SHG)에 대해서도 파워 피드백제어를 행하기 위하여 벤트 미러(50)의 배후로 누출된 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 누출광(MSHG)을 수광하는 광전변환소자 또는 포토센서(52)가 배치되어 있다. 측정회로(54)는 포토센서(52)의 출력신호를 기초로 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력 측정값을 나타내는 전기신호(레이저 출력 측정값 신호)를 생성한다. 레이저 전원부(16)는 측정회로(54)로부터의 레이저 출력 측정값 신호를 제어부(18)로부터의 제 2 기준펄스 파형신호와 비교하여 그 비교 오차에 따라 예를 들면 펄스폭 변조(PWM)방식에 의해 스위칭소자를 스위칭 동작시켜 전기광학 여기부(48)에 공급되는 펄스 여기전류를 제어하고, 나아가서는 제 2 레이저 발진부(12)로부터 발진 출력되는 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력 파형을 제 2 기준 펄스 파형을 따르게 하도록 하고 있다.
도 4에 이 실시형태에서 사용하는 파장변환 방법의 기본 원리를 나타낸다. 이 파장변환 방법은, 파장변환 결정(42)에 타입 II 위상 정합각으로 커트된 비선형 광학결정을 사용하고, 타입 II의 위상 정합으로 기본파로부터 제 2 고조파로의 파장변환을 행한다. 보다 상세하게는 고체 펄스 레이저 예를 들면 YAG 펄스 레이저(도시생략)로 생성된 기본파(예를 들면 1064 nm)의 펄스 레이저광을 타원편광(바람직하게는 원편광) 또는 임의 편광의 형태로 비선형 광학결정이 사용된 파장변환 결정(42)에 입사시킨다. 그렇게 하면 입사광 중 기본 파장의 수직편광 성분과 수평편광 성분만이 직선편광으로서 파장변환 결정(42)을 통과한다. 파장변환 결정(42)은 기본파 YAG 펄스 레이저와 광학적으로 결합하고, 비선형 광학효과에 의해 기본파 광의 수직편광 성분과 동일한 방향으로 직선 편광한 롱 펄스의 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)(532 nm)을 생성한다.
그러나 상기와 같은 파장변환 방법(도 4)에 있어서는, 기본파 펄스 레이저광의 편광분포에 치우침(bias), 또는 이방성(anisotropy)이 있으면, 파장변환 효율이 저하하여, 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력이 저하되거나 변동되는 경우가 있다. 특히, 활성 매질(40)에 대한 전기광학 여기부(48)의 펌핑(여기광의 조사)이 불균일하면 기본파 펄스 레이저광의 편광분포에 치우침 또는 이방성이 생긴다.
도 5에 이 실시형태에 있어서의 파장변환 방법을 나타낸다. 이 파장변환은 기본파의 P 편광을 투과시킴과 동시에 S 편광을 반사하는 편광소자(44)를, 그 직선 편광화 방향(P 편광의 진동 방향)이 파장변환 결정(42)의 광학축에 대하여 상대적으로 45°기울도록 배치한다. 실시형태의 제 2 레이저 발진부(12)(도 3)에서는 도 5에 나타내는 바와 같이 편광소자(44)의 직선 편광화 방향을 연직방향으로 설정하고, 파장변환 결정(42)의 쪽을 그 광학축이 연직방향에 대하여 45°기울도록 배치하고 있다.
이와 같이 편광소자(44)의 직선 편광화 방향과 파장변환 결정(42)의 광학축을 상대적으로 45°기울여 배치하는 구성에 의하면, 편광소자(44)로부터의 P 편광이 파장변환 결정(42)의 좌표계에 있어서 외견상 직교하는 등(等)강도의 2개의 기본파 광성분으로서 비선형 광학효과에 작용한다. 가령 편광소자(44)를 생략하면 P 편광과 직교하는 S 편광도 파장변환 결정(42)에 입사하게 되고, 그것에 의하여 파장변환 결정(42)의 좌표계에 있어서 수직편광 성분과 수평편광 성분의 밸런스가 무너져 타입 II의 파장변환 효율은 저하된다. 이와 같이 하여 편광소자(44)의 직선 편광화에 의하여 고효율의 타입 II 파장변환이 가능하여, 안정적이고 또한 고출력으로 롱 펄스의 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)을 생성할 수 있다.
광섬유 전송계(22)에 있어서 제 1 입사 유닛(60)은, 집속 렌즈(62)를 내장하고 있고, 제 1 레이저 발진부(10)로부터 발진 출력된 YAG 기본파의 펄스 레이저광(LB)을 집속 렌즈(62)에 의해 집속하여 제 1 광섬유(64)의 한쪽 끝면(입사단면)에 입사시킨다. 제 2 입사 유닛(66)도 집속 렌즈(68)를 내장하고 있어, 제 2 레이저 발진부(12)로부터 발진 출력된 YAG 제 2 고조파의 펄스 레이저광(SHG)을 집속 렌즈(68)에 의하여 집속하여 제 2 광섬유(70)의 한쪽 끝면(입사단면)에 입사시킨다.
제 1 및 제 2 광섬유(64, 70)는 출사 유닛(20)에서 종단하고 있다. 제 1 광섬유(64)는 예를 들면 SI(스텝 인덱스)형 섬유로 이루어져, YAG 기본파의 펄스 레이저광(LB)을 제 1 입사 유닛(60)으로부터 출사 유닛(20)까지 전송한다. 제 2 광섬유(70)는 예를 들면 SI형 섬유로 이루어지고, YAG 제 2 고조파의 펄스 레이저광(SHG)을 제 2 입사 유닛(66)으로부터 출사 유닛(20)까지 전송한다. 이 실시형태에서는 기본파 전파용의 광섬유(64)의 코어 지름(Φ1)이 제 2 고조파 전파용의 광섬유(70)의 코어 지름(Φ2)보다 약간(바람직하게는 1.3배 내지 2배) 큰 값으로 선택되어 있고, 이것에 의하여 뒤에서 설명하는 바와 같이 용접품질의 향상(특히 가장자리부의 험핑방지)을 실현하고 있다.
도 6에 이 실시형태에 있어서의 출사 유닛(20) 내의 광학계의 주요부의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 출사 유닛(20) 내의 중심부에는 다이크로익 미러(dichroic mirror; 72, 75)가 수직축(유닛 길이방향의 축)에 대하여 45°의 기울기로 배치되어 있다. 제 1 광섬유(64)는 출사 유닛(20)의 하단부 측에서 종단하고, 그 종단면, 즉 출사단면이 수직 하향으로 다이크로익 미러(72)의 하면과 대향한다. 또 제 2 광섬유(70)는 출사 유닛(20)의 상단부 측에서 종단하고, 그 종단면, 즉 출사단면이 수평 내향에서 다이크로익 미러(75)의 하면과 대향한다. 제 1 광섬유(64)의 출사단면과 다이크로익 미러(72)와의 사이에는 제 1 콜리메이트 렌즈(74)가 배치되고, 제 2 광섬유(70)의 출사단면과 다이크로익 미러(75)와의 사이에는 제 2 콜리메이트 렌즈(76)가 배치되어 있다. 다이크로익 미러(72)의 바로 밑에는 집속 렌즈(78)가 배치되어 있다. 다이크로익 미러(72)는 투명기판을 모재로 하고, 이 기판 위에 기본 파장(1064 nm)에 대하여 반사성 막과 제 2 고조파(532 nm) 및 가시광에 대하여 투과성 막이 코팅되어 있다. 또 다이크로익 미러(75)는 투명기판을 모재로 하고, 이 기판 위에 제 2 고조파(532 nm)에 대하여 반사성 막과 가시광에 대하여 투과성 막이 코팅되어 있다.
제 1 광섬유(64)의 출사단면으로부터 수평방향으로 방사상으로 나간 YAG 기본파의 펄스 레이저광(LB)은, 제 1 콜리메이트 렌즈(74)에 의해 콜리메이트되고 나서 다이크로익 미러(72)로 수직 아래쪽으로 직각으로 반사하여 집속 렌즈(78)에 입사한다. 또 제 2 광섬유(70)의 출사단면으로부터 수평방향으로 방사상으로 나간 YAG 제 2 고조파의 펄스 레이저광(SHG)은, 제 2 콜리메이트 렌즈(76)에 의해 콜리메이트되고 나서 다이크로익 미러(75)로 수직 아래쪽으로 직각으로 반사하여 다이크로익 미러(72)를 투과하고 집속 렌즈(78)에 입사한다. 다이크로익 미러(72)를 수직 아래쪽으로 반사한 기본파의 광 빔(LB)과 다이크로익 미러(75)로 수직 아래쪽으로 반사하여 다이크로익 미러(72)를 투과한 제 2 고조파의 광 빔(SHG)은 실질적으로 동일한 광축 위에서 중첩하고, 중첩한 채로 집속 렌즈(78)에 의해 각각 집속된다. 또한 초점 조정을 위해 광섬유(64, 70)의 출사단면과 제 1 및 제 2 콜리메이트 렌즈(74, 76)와의 거리간격을 가변조정할 수 있게 구성할 수도 있다.
출사 유닛(20)의 상단부에는 모니터용의 CCD 카메라(77)가 설치되어 있다. 피용접물의 가공점(K)측으로부터 출사 유닛(20)으로 들어간 가시광은 다이크로익 미러(72, 75)를 투과하여 CCD 카메라(77)의 촬상 소자에 수광된다.
이 실시형태에 있어서는, 상기와 같이 YAG 기본파계의 광섬유(64)의 코어 지름(Φ1)이 제 2 고조파 전파용의 광섬유(70)의 코어 지름(Φ2)보다 약간(바람직하게는 1.3배 내지 2배) 큰 값으로 선택되어 있고, 출사 유닛(20) 내에서는 YAG 기본파와 YAG 제 2 고조파와의 결상비(image formation ratio)가 1 : 1로 선택되어 있다. 이에 의하여 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)이 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)보다 약간(1.3배 내지 2배) 큰 빔 스폿(beam spot) 또는 조사 지름으로 피용접물(W1, W2)의 용접 포인트(K)에 조사하도록 되어 있다.
또한 출사 유닛(20) 내에서의 YAG 제 2 고조파의 펄스 레이저광(SHG)과 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)과의 중첩방식에 관하여, 통상은 LB의 파워가 SHG의 파워보다 상당히 크기 때문에, 도 6과 같이 LB를 위쪽으로 SHG를 아래쪽으로 하여 양자를 중첩하는 것이 바람직하다. 그러나, 그것과는 반대로 SHG를 위쪽으로 LB를 아래쪽으로 하여 양자를 중첩하는 것도 가능하고, 출사 유닛(20) 내에서 제 1 및 제 2 광섬유(64, 70)의 출사단부의 위치 및 CCD 카메라(77)의 위치를 임의로 선정할 수 있다.
제어부(18)는 레이저 전원부(14, 16)를 통하여 제 1 레이저 발진부(10) 및 제 2 레이저 발진부(12)의 각각의 레이저 발진동작을 제어하고, 특히 레이저 전원부(14, 16)에 대하여 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB) 및 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력 파형을 각각 개별로 규정하는 제 1 및 제 2 기준 펄스 파형 신호를 소정의 타이밍으로 준다.
도 7에 이 실시형태에 있어서의 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB) 및 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 전형적인 레이저 출력 파형을 나타낸다. 양 펄스 레이저광(LB, SHG)의 레이저 출력 파형은, 제어부(18)로부터 주어지는 상기 제 1 및 제 2 기준 펄스 파형에 각각 대응하고 있다. 도시한 바와 같이, 상승에서 양 펄스 레이저광(LB, SHG)의 사이에 약간의 시간차가 있는 것, 즉 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)보다 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 상승이 약간 빠른 것이 특징의 하나이다.
보다 상세하게는, 도 8에 나타내는 바와 같이 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 레이저 출력이 설정 피크값(PLB)에 도달하는 시점(tLM)보다 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력이 설정 피크값(PSHG)에 도달하는 시점(tSHG)의 쪽이 약간(바람직하게는 0.05 ms∼0.3 ms) 앞이 되는 것이 중요하다. 그 의미에서는 상승 개시의 전후관계는 임의이어도 되고, 예를 들면 도 9와 같이 LB의 쪽이 SHG보다 먼저여도 상관없다.
이와 같이, YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력이 한발 앞서 피크값(PSHG)에 도달함으로써 용접 포인트(K) 부근에서 키홀 형성이 순조롭게 개시되고(triggered), 직후에 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 레이저 출력이 피크값(PLB)에 도달함으로써 양 펄스 레이저광의 중첩 또는 상승효과로 키홀이 깊은 곳으로 확대 성장하여, 도 10에 모식적으로 나타내는 바와 같이 다른 용접 포인트(K1, K2, K3 …)로 재현성이 좋은 일정한 깊은 용입 또는 용접 너깃(Nl, N2, N3 …)이 얻어진다. 실제로 본 실시형태에 있어서는 판두께 0.3 mm 이상의 구리판으로 재현성이 높은 안정된 용접 결과가 확인되어 있다. 또한 구리나 금은 일단 녹으면 YAG 기본파를 잘 흡수하기 때문에, YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 조사 시간(펄스 폭)은 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 조사 시간(펄스 폭)보다 짧아도 무방하다(용접 품질에 영향이 없다).
본 실시형태에 비하여, 양 펄스 레이저광(LB, SHG)의 피크값 도달시점(tLM, tSHG)의 전후 관계가 반대일 때는, 즉 tSHG보다 tLM이 먼저일 때는, 도 11에 모식적으로 나타내는 바와 같이 용접 너깃(N1, N2, N3 …)에 불균일이 생긴다. 이것은 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 레이저 출력이 피크값((PLB)에 도달한 직후에 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력이 피크값(PSHG)에 도달한 경우에는, YAG 제 2 고조파에 의한 키홀 형성의 개시가 YAG 기본파와의 중첩에 의하여 흩어져 키홀 내지 용입의 확대 성장이 불안정하기 때문이다.
이 실시형태에 있어서의 다른 특징은, 도 7에 나타내는 바와 같이, YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 레이저 출력의 하강이 다운 슬로프 파형으로 제어되는 점이다. 이 다운 슬로프 제어에 의하여 용접 너깃(Nl, N2, N3 …)의 외관의 거칠음, 특히 중심부의 험핑(돌기)을 효과적으로 방지할 수가 있다.
즉, 레이저 빔(LB)의 조사 동안에는, 도 12에 나타내는 바와 같이 용접 포인트 부근에 형성되는 키홀(구멍) 내에 금속증기(J)가 발생함과 함께 키홀 주위에서 금속이 용융되어, 키홀 벽면에서 레이저 빔의 흡수와 반사가 반복된다. 그리고 레이저 빔(LB)의 조사가 멈추면, 용융물이 구멍 내로 흘러들어가 응고된다. 그때 레이저 빔(LB)의 조사를 급격하게 멈추면, 용융물이 중심부로 급속히 모여들어 그대로 응고되기 때문에, 도 13에 모식적으로 나타내는 바와 같이 너깃(N) 표면의 중심부에 돌기형상의 험핑(HP)이 형성되기 쉽다.
이 실시형태와 같은 다운 슬로프 제어에 의하면, 레이저빔(LB)의 조사 에너지를 점차적으로 감소시키기 때문에, 키홀 내에서 용융물이 완만하게 퍼져 도 14에 모식적으로 나타내는 바와 같이 험핑이 없는 너깃 표면(용접 외관)이 얻어진다. 본 발명에 의한 다운 슬로프의 슬로프 각도(θDS) 또는 슬로프 시간(TDS)은 용접 사양에 따라 적절하게 설정되어도 되나, 통상의 구리 후판용접에 있어서는 슬로프 시간(TDS)을 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 피크값의 지속 시간(TP) 에 대하여 20%∼50%의 범위 내로 선택하는 것이 바람직하다.
이 실시형태에서는 상기 서술한 바와 같이 YAG 기본파 전파용의 광섬유(64)의 코어 지름(Φ1)을 제 2 고조파 전파용의 광섬유(70)의 코어 지름(Φ2)보다 약간(바람직하게는 1.3배 내지 2배) 큰 값으로 선택하는 것도 특징의 하나로 되어 있다. 즉, YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 조사 지름보다 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB)의 조사 지름을 약간 크게 함으로써 너깃 구경에 대한 키홀 구경의 비율을 작게 하고 키홀 주위의 용융부를 안정화시켜 도 15에 모식적으로 나타내는 바와 같이 응고 후의 너깃(특히 가장자리부)을 매끄러운 표면으로 할 수 있다.
본 실시형태에 비하여, 양 광섬유(64, 70)의 코어 지름(Φ1, Φ2)을 동일한 크기의 것으로 하고, 도 16에 나타내는 바와 같이 양 펄스 레이저광(LB, SHG)의 조사 지름을 동일하게 한 경우에는, 너깃 구경에 대한 키홀 구경의 비율이 크기 때문에, 금속 증발부의 영향을 강하게 받아 주위의 용융부가 불안정하게 되어 도 17에 모식적으로 나타내는 바와 같이 응고 후의 너깃 표면(특히 가장자리부)이 거칠어지기 쉬워지고, 특히 가장자리부에 험핑(HP)이 발생하기 쉬워진다.
이상, 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 본 발명은 결코 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 그 기술적 사상의 범위 내에서 여러 가지의 변형이 가능하다. 예를 들면 상기한 실시형태에서는 YAG 기본파 펄스 레이저광(LB) 및 YAG 제 2 고조파 펄스 레이저광(SHG)의 레이저 출력 파형을 각각 규정하는 제 1 및 제 2 기준펄스 파형 신호를 제어부(18)에서 생성하여 레이저 전원부(14, 16)에 주도록 하였다. 그러나 제어부(18)는 타이밍신호 또는 기동신호만을 발생하고, 각 레이저 전원부(14, 16) 내에서 각 기준 펄스 파형신호를 생성하는 구성으로 할 수도 있다.
또, 상기 실시형태에서는 YAG 고조파로서 제 2 고조파(532 nm)를 사용하였으나, 제 3 고조파(355 nm) 또는 제 4 고조파(266 nm) 등도 사용 가능하다. 또 YAG 고조파를 생성하기 위한 고체 레이저 매체 또는 활성 매질(24, 40)로서, Nd : YAG 결정 이외에 Nd : YLF 결정, Nd : YVO4 결정, Yb : YAG 결정 등을 사용할 수도 있다. 본 발명의 레이저 용접법은 겹치기 이음새, 맞대기 이음새, 필렛 이음새 등 여러가지의 이음새 형태에 적용 가능하다.
본 발명의 레이저 용접방법 및 레이저 용접장치에 따르면, 상기와 같은 구성과 작용에 의해, YAG 기본파와 YAG 고조파의 2파장 중첩 방식에 있어서 심용입 용접을 실현하고, 나아가서는 그 재현성 및 품질향상을 도모할 수도 있다.

Claims (14)

100 ㎲ 이상의 가변의 펄스폭을 가지는 YAG 기본파의 펄스 레이저광과 100 ㎲ 이상의 가변의 펄스폭을 가지는 YAG 고조파의 펄스 레이저광을 중첩하여 피용접부의 용접 포인트에 조사하고, 상기 피용접부를 양 펄스 레이저광의 에너지에 의해 용접하는 레이저 용접방법에 있어서,
상기 YAG 고조파의 펄스 레이저광의 레이저 출력이 상승하여 피크값에 도달하는 제 1 시점을, 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 레이저 출력이 상승하여 피크값에 도달하는 제 2 시점보다, 상기 용접 포인트 부근에서 키 홀 형성이 상기 제 1 시점과 상기 제 2 시점 사이에 개시되기에 적합한 소정의 시간차 만큼 빠르게 하여,
피크값에 도달한 상기 YAG 기본파의 펄스 레이저광의 레이저 출력과 그보다 앞서 피크값에 도달해 있는 상기 YAG 고조파의 펄스 레이저광의 레이저 출력을 중첩하는 레이저 용접방법.
제 1항에 있어서,
상기 시간차는 0.05 ms 내지 0.3 ms의 범위 내로 선택되는 레이저 용접방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 하강을 다운 슬로프 파형으로 제어하는 레이저 용접방법.
제 1항에 있어서,
상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 하강을 다운 슬로프 파형으로 제어하는 레이저 용접방법.
제 4항에 있어서,
상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 하강 시간은, 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 피크값의 지속시간에 대하여 20% 내지 50%의 범위 내로 선택되는 레이저 용접방법.
제 1항, 제 2항, 제 4항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 YAG 기본파 펄스 레이저광과 상기 YAG 고조파 펄스 레이저광을 각각 제 1 및 제 2 광섬유에 통과시켜 레이저 출사 유닛까지 전송하고, 상기 레이저 출사 유닛 내에서 상기 제 1 및 제 2 광섬유의 종단면으로부터 각각 출사된 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광과 상기 YAG 고조파 펄스 레이저광을 동축 상에서 중첩하는 레이저 용접방법.
제 6항에 있어서,
상기 피용접부의 용접 포인트에 있어서, 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 조사 지름이 상기 YAG 고조파 펄스 레이저광의 조사 지름보다 큰 레이저 용접방법.
제 1항에 있어서,
상기 고조파 펄스 레이저광의 펄스 폭은 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 펄스 폭보다 짧은 레이저 용접방법.
제 1항, 제 2항, 제 4항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
피용접물이 Cu계 또는 Au계 금속인 레이저 용접방법.
100 ㎲ 이상의 가변의 펄스 폭을 가지는 YAG 기본파의 펄스 레이저광을 생성하는 제 1 레이저 발진부와,
100 ㎲ 이상의 가변의 펄스 폭을 가지는 YAG 고조파의 펄스 레이저광을 생성하는 제 2 레이저 발진부와,
상기 YAG 기본파의 펄스 레이저광과 YAG 고조파의 펄스 레이저광을 중첩하여 원하는 피용접부의 용접 포인트에 조사하는 출사 유닛과,
상기 YAG 고조파의 펄스 레이저광의 레이저 출력이 상승하여 피크값에 도달하는 제 1 시점을, 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 레이저 출력이 상승하여 피크값에 도달하는 제 2 시점보다, 상기 용접 포인트 부근에서 키 홀 형성이 상기 제 1 시점과 상기 제 2 시점 사이에 개시되기에 적합한 소정의 시간차 만큼 빠르게 하여, 피크값에 도달한 상기 YAG 고조파의 펄스 레이저광의 레이저 출력과 그보다 앞서 피크값에 도달해 있는 상기 YAG 고조파의 펄스 레이저광의 레이저 출력을 중첩하도록, 상기 제 1 및 제 2 레이저 발진부 사이의 레이저 발진동작을 제어하는 제어부를 가지는 레이저 용접장치.
제 10항에 있어서,
상기 YAG 기본파 펄스 레이저광의 하강을 다운 슬로프 파형으로 제어하는 파형 제어부를 가지는 레이저 용접장치.
제 10항 또는 제 11항에 있어서,
상기 제 1 레이저 발진부로부터 상기 레이저 출사 유닛까지 상기 YAG 기본파 펄스 레이저광을 전송하는 제 1 광섬유와,
상기 제 2 레이저 발진부로부터 상기 레이저 출사 유닛까지 상기 YAG 고조파펄스 레이저광을 전송하는 제 2 광섬유를 가지는 레이저 용접장치.
제 12항에 있어서,
상기 제 1 광섬유의 코어 지름이 상기 제 2 광섬유의 코어 지름보다 큰 레이저 용접장치.
제 13항에 있어서,
상기 제 1 광섬유의 코어 지름이 상기 제 2 광섬유의 코어 지름의 1.3배 내지 2배로 선택되는 레이저 용접장치.
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