KR101409214B1

KR101409214B1 - 실시간 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치

Info

Publication number: KR101409214B1
Application number: KR1020130021343A
Authority: KR
Inventors: 신인승; 박형석; 김도형; 권경업; 김대중; 김기훈
Original assignee: 에스아이에스 주식회사
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2033-02-27

Abstract

본 발명은 실시간 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 레이저 용접시 반사되는 반사광을 적외선 및 자외선 신호로 분리 획득하여 각 신호로부터 레이저의 파워, 입열량, 키홀의 생성 및 용입정도 등에 관한 용접상태를 분석하고, 재료에 가공가스를 효과적으로 분사하여 용접가공의 품질을 향상시킬 수 있는 실시간 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치에 관한 것이다.

Description

실시간 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치{Laser welding monitoring system in real time and laser welding apparatus}

레이저 가공이란 레이저 빔과 재료의 상호작용에 의해 발생하는 열을 이용하는 가공방법으로 레이저의 높은 에너지 밀도(10¹⁰~10¹¹~W/㎡)와 고도의 지향성을 이용하는 가공기술이다.

레이저 빔은 큰 에너지 밀도를 만들어 낼 수 있기 때문에 용접, 절단, 열처리 등 정밀 가공에 이용되고 있으며 최근 CO₂, Nd:YAG 레이저와 같은 고출력 레이저의 개발과 함께 급속히 발전하고 있다.

이러한 정밀 가공 중, 레이저 용접은 기존 용접과는 달리 레이저를 용접부위에 정밀 집속할 수 있으므로 열 영향 부위가 적어 정밀하게 용접가공을 수행할 수 있고, 열의 입열량이 적어 재료의 뒤틀림 및 열응력의 변화가 적으며, 자동화가 용이하다.

고도의 용접 품질을 확보하기 위해서는 효율적인 레이저 미세용접 가공장치가 필요한데 이를 위해서는 용접의 품질을 판단할 수 있는 모니터링 시스템의 구축이 필수적이다.

따라서, 최근 고품질 레이저 용접 자동화를 위한 실시간 레이저 용접 모니터링 시스템의 연구가 활발하다.

레이저 빔의 파장, 출력, 용접속도, 재료의 열전달, 반사율, 재료의 형상, 가공가스의 종류와 유량, 초점거리 등은 용입깊이, 비드 폭(bead width)을 결정할 수 있는 변수로 작용하며, 더불어, 내부기공, 열간균일, 냉간균열 등의 결함을 발생시킬 수 있는 변수로도 작용한다.

또한, 레이저 빔은 파장이 길수록 재료 표면에서 반사율이 매우 높아지며, 파장의 특성에 따라서 용입 특성이 달라진다.

또한, 레이저 용접은 주로 키홀 용접(Keyhole Welding)방법으로 용접을 수행하는데 키홀은 레이저 에너지가 재료에 전달되는 과정에서 중요한 매개체 역할을 하고 용접과정에서 발생하는 플라즈마(plasma)와 스패터(spatter)는 용접품질을 평가하는데 활용되기도 한다.

플라즈마와 스패터에서 발생하는 파장은 190nm에서 1600nm 이상의 근적외선 영역에 이르기까지 넓게 분포하며, 이러한 플라즈마와 스패터의 거동은 자외선, 적외선 영역의 신호를 분석함으로써 용접단면의 거동을 예측할 수 있게 한다.

용접에 의해 발생하는 반사광은 광의 강도에 따라 포토다이오드는 입사되는 광의 강도가 달라지므로 포토다이오드에서 획득되는 전류의 크기로 광의 강도를 알 수 있다.

레이저 용접가공시 발생하는 결함은 용접중 불규칙한 간격이 존재하거나 용접접합부 라인을 벗어나는 경우, 레이저의 출력이 떨어지는 경우, 가공가스가 분사되지 않는 경우, 재료의 표면이 불교칙한 경우, 용접면에 이물질이 존재하는 경우, 내부 기공이 발생하는 경우 등 여러가지 원인에 기인하므로 실시간 모니터링이 필수적이다.

한편, 용접시 재료의 산화 반응열을 제거하거나 용융금속을 배출시켜 가공능품질을 향상시키기 위해서는 재료의 용접부위에 가공가스를 분사하는데 이러한 가공가스는 가공품질을 향상시키는 것 이외에 레이저를 출사하는 가공렌즈나 스캐너의 오염을 방지하고 냉각하는 역할을 한다.

가공렌즈에 스패터나 금속증기가 부착될 오염된 부분에서 열이 흡수되어 가공렌즈의 온도가 상승하고 굴절률이 나빠지는 등 빔의 특성에 악영향을 미치므로 레이저 용접가공에서 가공가스의 역할은 매우 중요하다.

가공가스로는 공기, 산소, 아르곤가스, 헬륨가스등이 재료나 가공조건에 따라 다양하게 이용된다.

종래의 가공가스 분사 방법으로는 원추형 노즐을 이용한 분사방법이 있는데, 이러한 원추형 노즐은 재료의 용접면에만 가공가스를 분사하므로 백 비드(back bead)형성시 발생하는 스패터나 금속증기를 효과적으로 제거할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 원추형 노즐은 가공가스를 용접부위에 국부적으로 분사하므로 스캐너 타입의 레이저 용접 가공에서 빔의 진행을 따라가며 분사할 수 없어 용접가공의 품질을 향상시키는데 한계가 있다.

1. 한국등록특허 제10-0745295호, 레이저 용접장치, 레이저 용접 기기 및 레이저 용접 방법 2. 한국등록특허 제10-0927249호, 초음파를 이용한 레이저 용접부의 용입폭 측정방법 3. 한국등록특허 제10-0918625호, 용접 비드 측정기용 레이저 및 카메라 모듈 4. 한국공개특허 제10-2003-0017149호, 레이저 용접비드의 크기 측정장치

본 발명자들은 실시간으로 레이저 용접 가공의 품질을 모니터링 하고, 가공가스를 효과적으로 분사하여 용접 가공의 품질을 향상시키고자 연구 노력한 결과, 용접시 발생하는 반사광을 자외선 신호와 적외선 신호로 분리하여 레이저의 파워, 입열량, 키홀의 생성 및 용입정도 등을 효과적으로 분석하고, 스캔타입의 레이저 용접에서 가공가스를 스캔방향의 길이방향 상하에 분사하여 용접 품질을 매우 향상시킬 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 레이저 용접의 품질을 실시간으로 분석할 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 스캔타입의 레이저 용접에 가공가스를 효율적으로 분사하여 용접 품질을 향상시킬 수 있는 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 레이저 용접시에 재료에서 발생하는 반사 광을 적외선 신호와 자외선 신호로 분리하여 획득하는 광학헤드; 및 상기 광학헤드에서 획득된 적외선 신호와 자외선 신호를 입력받아 상기 적외선 신호로부터 레이저의 파워 및 입열량을 분석하고 상기 자외선 신호로부터 키홀의 생성 및 용입정도를 분석하는 모니터링 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 모니터링 시스템을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 모니터링 장치:는 상기 적외선 신호와 상기 자외선 신호의 전원 잡음을 제거하는 노이즈 필터; 전원 잡음이 제거된 적외선 신호와 자외선 신호를 증폭하는 증폭 회로; 증폭된 적외선 신호 및 자외선 신호의 고주파를 제거하는 LC필터; 고주파가 제거된 적외선 신호 및 자외선 신호를 디지털 신호로 변환하는 DAQ보드(Data Acquisition Board); 및 상기 DAQ보드에서 출력되는 적외선 신호로부터 레이저의 파워 및 입열량을 분석하고, 자외선 신호로부터 키홀의 생성 및 용입정도를 분석하는 신호분석보드;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 신호분석보드:는 상기 적외선 신호의 DC성분을 분리하는 버터워스형 저역 통과필터(Butterworth type Low pass filter)부; 상기 DC성분으로부터 레이저의 파워 및 입열량을 산출하는 DC성분 분석부; 상기 자외선 신호의 AC성분을 분리하는 역 체비세프형 밴드패스 필터(Inverse chebyshev type Band pass filter)부; 및 상기 AC성분으로부터 키홀의 생성 및 용입정도를 산출하는 AC성분 분석부;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 광학헤드는 상기 반사광을 집속하는 바이콘벡스 렌즈(Bi-convex lens); 상기 바이콘벡스 렌즈에서 출력되는 반사 광의 광량을 조절하는 ND필터(Neutral Density filter); 상기 ND필터에서 출력되는 반사 광을 투과 및 반사시켜 적어도 두 방향으로 진행시키는 빔 스플리터(Beam splitter); 상기 빔 스플리터의 어느 하나의 광 출력방향에 구비되고 자외선 영역을 선택적으로 투과하는 자외선 필터; 상기 자외선 필터에서 출력되는 광을 자외선 신호로 획득하는 UV포토다이오드(UV photodiode); 상기 빔 스플리터의 다른 하나의 광 출력방향에 구비되고 적외선 영역을 선택적으로 투과하는 적외선 필터; 및 상기 적외선 필터에서 출력되는 광을 적외선 신호로 획득하는 IR포토다이오드(IR photodiode);를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기 용접 모니터링 시스템; 입사되는 파이버 레이저(Fiber laser)의 광선속을 변화시켜 출력하는 빔 익스팬더(Beam expander); 상기 빔 익스팬더에서 출력되는 레이저를 재료에 조사하여 레이저 용접을 수행하고, 재료에서 발생하는 광을 반사시키는 갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner); 및 상기 빔 익스팬더와 상기 갈바노미터 스캐너 사이에 구비되고, 상기 빔 익스펜더에서 출력된 광은 투과시켜 상기 갈바노미터 스캐너로 전달하고, 상기 갈바노미터 스캐너에서 반사되는 반사 광은 상기 광학헤드로 전달하는 다이크로익 미러(Dichroic mirror)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 미세용접 가공장치를 더 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저 미세용접 가공장치는 상기 재료를 고정하는 재료 고정용 지그를 더 포함하며, 상기 재료 고정용 지그:는 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임에 세워지는 실린더; 상기 실린더와 연결되고 상기 실린더의 작동에 의해 상기 베이스 프레임에서 높이가 가변하는 하부 그리퍼; 및 상기 하부 그리퍼 상부에서 상기 베이스 프레임에 고정되는 상부 그리퍼;를 포함하고, 상기 재료는 상기 하부 그리퍼와 상기 상부 그리퍼 사이에서 상기 실린더에 작동에 의해 고정된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 베이스 프레임은 상기 재료의 용접방향과 평행하게 서로 이격된 제1 베이스 프레임 및 제2 베이스 프레임을 포함하여 이루어지고, 상기 실린더는 상기 제1 베이스 프레임에 세워지는 제1 실린더 및 상기 제2 베이스 프레임에 세워지는 제2 실린더를 포함하여 이루어지며, 상기 하부 그리퍼는 상기 제1 실린더와 연결되는 제1 하부 그리퍼 및 상기 제1 하부 그리퍼와 서로 이격되어 상기 제2 실린더에 연결되는 제2 하부 그리퍼를 포함하여 이루어지고, 상기 상부 그리퍼는 상기 제1 하부 그리퍼의 상부에서 상기 제1 베이스 프레임에 고정되는 제1 상부 그리퍼 및 상기 제1 상부 그리퍼와 서로 이격되어 상기 제2 하부 그리퍼 상부에서 상기 제2 베이스 프레임에 고정되는 제2 상부 그리퍼를 포함하여 이루어지고, 상기 재료의 일 측 모서리는 상기 제1 하부 그리퍼 및 상기 제1 상부 그리퍼에 의해 고정되고 타 측 모서리는 상기 제2 하부 그리퍼 및 상기 제2 상부 그리퍼에 의해 고정된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 레이저 미세용접 가공장치는 상기 재료의 상부 및 하부로 가공가스를 분사하는 가공가스 분사모듈을 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 가공가스 분사모듈:은 상기 재료의 상부에 가공가스를 분사하는 상부 분사모듈; 상기 재료의 하부에 가공가스를 분사하는 하부 분사모듈; 및 상기 상부 분사모듈 과 상기 하부 분사모듈이 상기 재료의 용접 방향과 나란한 회전축 상에서 각각 회동할 수 있도록 고정하는 분사모듈 고정 프레임;을 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부 분사모듈 및 상기 하부 분사 모듈에는 각각 상기 재료의 용접 방향과 나란한 선상에 배열되는 복수 개의 분사노즐이 구비된다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

먼저, 본 발명의 실시간 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치에 의하면 용접시 발생하는 반사광을 자외선 신호와 적외선 신호로 분리하여 적외선 신호로부터 DC성분을 분리하여 레이저의 파워 및 입열량을 산출하고, 자외선 신호로부터는 AC성분을 분리하여 키홀의 생성 및 용입정도를 효과적으로 분석할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시간 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치에 의하면 스캔타입의 레이저 용접에서 가공가스를 스캔방향의 길이방향 재료에 분사하여 국소적 분사시 스캔속도를 추종할 수 없는 문제점을 해결함으로써 용접품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시간 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치에 의하면 재료의 상부 및 하부에 가공가스를 분사하고, 가공가스의 분사각도를 용이하게 조절할 수 있으므로 재료의 후면에서 발생하는 스패너나 산화 반응열 등도 효과적으로 제거할 수 있으므로 용접 품질을 매우 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치의 모니터링 장치 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치의 재료 고정용 지그 및 가공가스 분사모듈을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템은 광학헤드(100)와 모니터링 장치(200)를 포함하여 이루어진다.

상기 광학헤드(100)는 레이저 용접시에 재료에서 발생하는 반사광(12)를 수광하고, 수광된 반사광(12)을 적외선 영역과 자외선 영역으로 분리한 후, 전기신호인 적외선 신호와 자외선 신호를 각각 획득한다.

더욱 자세하게는 상기 광학헤드(100)은 바이콘벡스 렌즈(111,Bi-convex Lens), ND필터(112,Neutral Density filter), 빔 스플리터(113,Beam splitter), 자외선 필터(114), UV포토다이오드(115,UV photodiode), 적외선 필터(116) 및 IR포토다이오드(117,IR photodiode)을 포함하여 이루어진다.

상기 바이콘벡스 렌즈(111)는 상기 반사광(12)을 집속하기 위한 것으로 본 발명에서는 초점거리가 50mm인 바이콘벡스 렌즈를 사용하였다.

상기 ND필터(112)는 상기 바이콘벡스 렌즈(111)에서 출사되는 반사 광을 광량을 조절한다.

또한, 상기 ND필터(112)는 광의 스펙트럼은 유지한 채, 휘도만을 변화시키는 필터로써 반사광을 감소시키는 역할을 한다.

상기 빔 스플리터(113)는 상기 ND필터(112)에서 광량이 감소된 반사광 중, 일부는 투과시키고 일부는 반사시켜 광의 진행방향을 분기한다.

또한, 상기 빔 스플리터(113)는 적어도 두 방향으로 광을 분기하며, 상기 광의 광 경로는 서로 90도의 각도를 이루도록 분기할 수 있다.

이는 분기된 어느 하나의 광으로부터는 적외선 영역을 검출하고, 다른 하나의 광으로부터는 자외선 영역을 검출하기 위함이다.

상기 자외선 필터(114)은 상기 빔 스플리터(113)의 어느 하나의 광 출력방향에 구비되고 자외선 파장을 선택적으로 투과시킨다.

본 발명에서는 상기 자외선 필터(114)를 다층 유전체(Dielectric) 코팅으로 가시광선 영역에서 90%이상의 투과율을 가지며 적외선 파장은 95% 이상 반사하여 자외선 영역을 선택적으로 투과시키는 핫 미러(hot mirror)로 구성하였다.

상기 UV포토다이오드(115)는 상기 자외선 필터(114)에서 필터링된 광을 자외선 신호로 획득한다.

또한, 상기 UV포토다이오드(115)를 150nm~550nm 파장대의 광을 수광하여 전기신호를 출력할 수 있는 UV포토다이오드일 수 있다.

상기 적외선 필터(116)는 상기 빔 스플리터(113)의 다른 하나의 광 출력방향에 구비되고 자외선 적외선 파장을 선택적으로 투과시킨다.

본 발명에서는 상기 적외선 필터(116)를 다층 유전체가 코팅되어 95%이상의 가시광선은 반사하고 적외선 파장을 90%이상 투과하는 하여 적외선 영역을 선택적으로 투과하는 콜드 미러(cold mirror)로 구성하였다.

상기 IR포토다이오드(117)는 상기 적외선 필터(116)에서 필터링된 광을 적외선 신호로 획득한다.

또한, 상기 IR포토다이오드(117)는 700nm~1800nm 파장대의 광을 수광하여 전기신호를 출력할 수 있는 IR포토다이오드일 수 있다.

또한, 도시하지는 않았지만, 상기 광학헤드(100)는 일 면에 상기 바이콘벡스 렌즈(111)를 노출하여 고정하고, 상기 ND필터(112), 상기 빔 스플리터(113), 상기 자외선 필터(114), 상기 UV포토다이오드(115), 상기 적외선 필터(116) 및 상기 IR포토다이오드(117)를 내부에 고정할 수 있는 광학헤드 케이스를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 바이콘벡스 렌즈(111)의 전면에는 용접 중에 발생하는 스패터에 의한 광학계 손상을 방지하는 윈도우(window)가 더 구비될 수 있다.

이 경우, 상기 바이콘벡스 렌즈(111)는 상기 광학헤드 케이스의 내부에 고정될 수 있다.

상기 모니터링 장치(200)는 상기 광학헤드(100)에서 획득된 적외선 신호와 자외선 신호를 입력받아, 상기 적외선 신호로부터 레이저의 파워 및 열입량을 분석하고, 상기 자외선 신호로부터 키홀의 생성 및 용입정도를 실시간으로 분석한다.

도 2를 참조하면, 상기 모니터링 장치(200)는 노이즈 필터(210). 증폭 회로(220), LC필터(230), DAQ보드(240) 및 신호분석 보드(250)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 모니터링 장치(200)는 상기 다이오드들(115,117)에서 획득된 신호가 용접 환경에 따라 매우 민감하게 변화하므로 잡음(noise)제거를 위해 상기 광학헤드(100)와 접지하였다.

상기 노이즈 필터(210)는 상기 광학헤드(100)에서 획득된 적외선 신호와 자외선 신호의 증폭시 나타나는 60Hz 주파수의 전원 잡음을 제거한다.

상기 증폭회로(220)는 전원 잡음이 제거된 적외선 신호와 자외선 신호를 증폭한다.

상기 LC필터(230)는 1차 LC필터회로로 구성하였고 증폭된 적외선 신호 및 자외선 신호의 고주파를 제거한다.

상기 DAQ보드(240,Data Acquisition Board)는 상기 LC필터(230)에서 출력되는 고주파가 제거된 적외선 신호 및 자외선 신호를 디지털 신호로 변환한다.

또한, 본 발명에서는 상기 DAQ보드(240)를 분해능이 16bit이고 초당 10,000개의 데이터를 샘플링할 수 있도록 설정하였다.

상기 신호분석 보드(250)는 상기 DAQ보드(240)에서 출력되는 적외선 신호로부터 레이저의 파워 및 입열량을 분석하고, 자외선 신호로부터 키홀의 생성 및 용입정도를 분석한다.

이는 적외선 신호가 재료의 용융 및 응고 과정에서 스패터의 발생에 의한 신호로써 비드에 관련된 정보인 레이저의 파워 및 입열량에 관한 정보를 가지고 있고, 자외선 신호는 플라즈마 변화에 따른 키홀의 거동에 관한 정보를 갖고 있으므로 키홀의 생성 및 용입정도를 분석할 수 있기 때문이다.

또한, 상기 신호분석 보드(250)는 상기 DAQ보드(240)에서 출력되는 적외선 신호로부터 DC성분을 분리하는 버터워스형 저역통과필터부(251,Butterworth type Low pass filter), 분리된 DC성분으로부터 레이저의 파워 및 입열량을 산출하는 DC성분 분석부(252), 상기 DAQ보드(240)에서 출력되는 자외선 신호로부터 AC성분을 분리하는 역 체비세프형 밴드패스 필터부(253,Inverse chebyshev type Band pass filter) 및 상기 AC성분으로부터 키홀의 생성(시간 또는 생성여부) 및 용입정도를 산출하는 AC성분 분석부(254)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 버터워스형 저역 통과필터부(251)와 상기 역 체비세프형 밴드패스 필터부(253)은 디지털 필터로 설계된다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 미세용접 가공장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 레이저 미세용접 가공장치는 상기 용접 모니터링 시스템과 빔 익스팬더(300,Beam expander), 갈바노미터 스캐너(400,Galvanometer scanner), 다이크로익 미러(500,Dichroic mirror)를 포함하여 이루어진다.

상기 빔 익스팬더(300)는 입사되는 파이버 레이저(10,Fiber laser)의 광선속의 크기를 변화시켜 레이저(11)를 출력한다.

또한, 상기 빔 익스팬더(300)는 상기 파이버 레이저를 일정한 너비의 평행한 레이저로 출력하는 역할을 한다.

상기 갈바노미터 스캐너(400)는 상기 빔 익스팬더(300)에서 출력되는 레이저(11)의 진행방향을 변화시켜, 재료(20)에 조사하여 상기 재료(20)의 용접가공을 수행한다.

또한, 상기 갈바노미터 스캐너(400)는 서로 다른 회전축상에서 회전하는 미러들을 포함하고 미러의 회전각도를 가변하여 상기 레이저(11)가 상기 재료(20)에 입사되는 위치를 가변한다.

또한, 본 발명은 상기 갈바노미터 스캐너(400)의 레이저 출력단에 레이저의 출사방향을 가변할 때, 상기 재료(20)의 면에 동일한 초점의 레이저(11)가 공급되게 하는 F-theta렌즈(410)를 더 포함할 수 있다.

상기 다이크로익 미러(500)는 상기 빔 익스팬더(300)와 상기 갈바노미터 스캐너(400)의 광 전달 축 상에 구비되고, 상기 빔 익스팬더(300)에서 출력되는 레이저(11)는 투과시켜 상기 갈바노미터 스캐너(400)로 전달한다.

또한, 상기 다이크로익 미러(500)는 상기 재료(20)에서 반사되거나 가공시 발생하여 상기 빔 익스팬더(300)를 통해 되돌아오는 반사광(12)을 절환하여 상기 광학헤드(100)의 바이콘벡스 렌즈(111)로 전달한다.

즉, 상기 다이크로익 미러(500)는 일면은 광을 투과하고 타면은 광을 반사하는 미러로써, 상기 빔 익스팬더(300)와 상기 갈바노미터 스캐너(400)의 광 전달 축 상에 45도 방향으로 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 미세용접 가공장치는 상기 재료(20)의 용이하게 탈착할 수 있는 재료 고정용 지그(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 재료 고정용 지그(600)는 상기 레이저 미세용접 가공장치의 일정부분에 고정되는 베이스 프레임(610), 상기 베이스 프레임(610)에 세워지는 실린더(620) 및 상기 재료(20)를 고정하는 그리퍼(630,640)을 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 실린더(620)는 유압, 공압 등 공지된 다양한 실린더 일 수 있으며, 실린더 이외에 직선운동을 할 수 있는 기어장치와 모터 또는 체인과 모터 등 다양한 액추에이터로 대체될 수 있다.

또한, 상기 그리퍼(630,640)은 하부 그리퍼(630) 및 상부 그리퍼(640)를 포함하고, 상기 재료(20)는 상기 하부 그리퍼(630) 및 상기 상부 그리퍼(640)에 고정되어 가공된다.

또한, 상기 하부 그리퍼(630)는 상기 실린더(620)에 연결되어 상하로 이동하며, 상기 상부 그리퍼(640)는 상기 베이스 프레임(610)에 고정된다.

즉, 상기 하부 그리퍼(630)가 상하로 운동하면서 상기 재료(20)를 고정하거나 이탈할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 재료 고정용 지그(600)가 상기 재료(20)의 양 모서리를 각각 고정할 수 있도록, 상기 베이스 프레임(610)은 상기 재료(20)의 용접방향(a)과 평행하게 서로 이격된 제1 베이스 프레임(611) 및 제2 베이스 프레임(612)을 포함하고, 상기 실린더(620)는 상기 제1 베이스 프레임(611)에 세워지는 제1 실린더(621) 및 상기 제2 베이스 프레임(612)에 세워지는 제2 실린더(622)를 포함하고, 상기 하부 그리퍼(630)는 상기 제1 실린더(621)와 연결되는 제1 하부 그리퍼(631) 및 상기 제1 하부 그리퍼(631)와 서로 이격되어 상기 제2 실린더(622)에 연결되는 제2 하부 그리퍼(632)를 포함하고, 상기 상부 그리퍼(640)는 상기 제1 하부 그리퍼(631)의 상부에서 상기 제1 베이스 프레임(611)에 고정되는 제1 상부 그리퍼(641) 및 상기 제1 상부 그리퍼(641)와 서로 이격되어 상기 제2 하부 그리퍼(632) 상부에서 상기 제2 베이스 프레임(612)에 고정되는 제2 상부 그리퍼(642)를 포함한다.

즉, 상기 재료(20)의 일 측 모서리는 상기 제1 하부 그리퍼(631) 및 상기 제1 상부 그리퍼(641)에 의해 고정되고, 타 측 모서리는 상기 제2 하부 그리퍼(632) 및 상기 제2 상부 그리퍼(642)에 의해 고정되어 용접가공시 단단하게 고정될 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 미세용접 가공장치는 상기 재료(20)의 용접가공시 가공가스를 분사하는 가공가스 분사모듈(700)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 가공가스 분사모듈(700)은 상기 재료(20)의 상부에 가공가스를 분사하는 상부 분사모듈(710), 상기 재료(20)의 하부에 가공가스를 분사하는 하부 분사모듈(720) 및 상기 미세용접 가공장치의 일정부분에 고정되고, 상기 상부 분사모듈(710)과 상기 하부 분사모듈(720)을 지지하는 분사모듈 고정 프레임(730)을 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 하부 분사모듈(720)은 상기 제1 베이스 프레임(611)과 상기 제2 베이스 프레임(612)의 이격된 공간 사이로 가공가스를 분사한다.

또한, 상기 분사모듈 고정 프레임(710)은 상기 상부 분사모듈(710)과 상기 하부 분사모듈(720)을 상기 재료(20)의 용접방향(a)과 나란한 회전 축(r1,r2) 상에서 각각 회동할 수 있도록 고정하며, 상기 분사모듈들(710,720)의 가공가스 분사각도를 용이하게 조절할 수 있게 하였다.

더욱 자세하게는 상기 분사모듈 고정 프레임(710)은 상기 상부 분사모듈(710)이 용접방향(a)과 나란한 제1 회전 축(r1) 상에서 회동하도록 고정하고, 상기 하부 분사모듈(720)은 용접방향(a) 및 상기 제1 회전 축(r1)과 각각 나란한 제2 회전 축(r2) 상에서 회동하도록 고정한다.

또한, 도시하지는 않았으나 상기 회전 축들(r1,r2) 상에 회전축을 두고 상기 상부 분사모듈(710) 및 상기 하부 분사모듈(720)을 자동으로 회동시킬 수 있는 모터를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 상부 분사모듈(710) 및 상기 하부 분사모듈(720)에는 각각 가공가스를 분사하는 복수 개의 분사노즐(711,721)이 구비된다.

또한, 상기 분사노즐들(711,721)은 상기 재료(20)의 용접방향(a)과 나란한 선상에서 상기 상부 분사모듈(710) 및 상기 하부 분사모듈(720)에 배치된다.

다시 말해서, 상기 분사노즐들(711,721)은 용접방향(a)과 나란하게 상기 상부 분사모듈(710) 및 상기 하부 분사모듈(720)에 일렬로 배치된다.

이는 스캐닝 타입의 레이저 용접 가공장치에서 용접부위에 직선방향으로 고공가스를 분사함으로써, 가공가스의 분사가 용접방향을 따라가지 못해 용접의 품질이 낮아지는 것을 방지하기 위함이다.

또한, 본 발명은 상기 분사모듈들(710,720)이 재료(20)의 상부 및 하부에 모두 가공가스를 분사하므로 재료(20)의 하부에서 발생할 수 있는 스패너나 산화 반응열 등도 효과적으로 제거하여 용접 품질을 매우 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100:광학헤드 111:바이콘벡스 렌즈
112:ND필터 113:빔 스플리터
114:자외선 필터 115:UV포토다이오드
116:적외선 필터 117:IR포토다이오드
200:모니터링 장치 210:노이즈 필터
220:증폭회로 230:LC필터
240:DAQ보드 250:신호분석보드
251:버터워스형 저역 통과필터부 252:DC성분 분석부
253:역 체시세프형 밴드 패스 필터부 254:AC성분 분석부
300:빔 익스팬더 400:갈바노미터 스캐너
410:F-theta렌즈 500:다이크로익 미러
600:재료 고정용 지그 610:베이스 프레임
620:실린더 630:하부 그리퍼
640:상부 그리퍼 700:가공가스 분사모듈
710:상부 분사모듈 720:하부 분사모듈
730:분사모듈 고정프레임 711,712:분사노즐

Claims

삭제
삭제
레이저 용접시에 재료에서 발생하는 반사 광을 적외선 신호와 자외선 신호로 분리하여 획득하는 광학헤드; 및
상기 광학헤드에서 획득된 적외선 신호와 자외선 신호를 입력받아 상기 적외선 신호로부터 레이저의 파워 및 입열량을 분석하고 상기 자외선 신호로부터 키홀의 생성 및 용입정도를 분석하는 모니터링 장치;를 포함하고,
상기 모니터링 장치:는
상기 적외선 신호와 상기 자외선 신호의 전원 잡음을 제거하는 노이즈 필터;
전원 잡음이 제거된 적외선 신호와 자외선 신호를 증폭하는 증폭 회로;
증폭된 적외선 신호 및 자외선 신호의 고주파를 제거하는 LC필터;
고주파가 제거된 적외선 신호 및 자외선 신호를 디지털 신호로 변환하는 DAQ보드(Data Acquisition Board); 및
상기 DAQ보드에서 출력되는 적외선 신호로부터 레이저의 파워 및 입열량을 분석하고, 자외선 신호로부터 키홀의 생성 및 용입정도를 분석하는 신호분석보드;를 포함하며,
상기 신호분석보드:는
상기 적외선 신호의 DC성분을 분리하는 버터워스형 저역 통과필터(Butterworth type Low pass filter)부;
상기 DC성분으로부터 레이저의 파워 및 입열량을 산출하는 DC성분 분석부;
상기 자외선 신호의 AC성분을 분리하는 역 체비세프형 밴드패스 필터(Inverse chebyshev type Band pass filter)부; 및
상기 AC성분으로부터 키홀의 생성 및 용입정도를 산출하는 AC성분 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 모니터링 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 광학헤드는 상기 반사광을 집속하는 바이콘벡스 렌즈(Bi-convex lens);
상기 바이콘벡스 렌즈에서 출력되는 반사 광의 광량을 조절하는 ND필터(Neutral Density filter);
상기 ND필터에서 출력되는 반사 광을 투과 및 반사시켜 적어도 두 방향으로 진행시키는 빔 스플리터(Beam splitter);
상기 빔 스플리터의 어느 하나의 광 출력방향에 구비되고 자외선 영역을 선택적으로 투과하는 자외선 필터;
상기 자외선 필터에서 출력되는 광을 자외선 신호로 획득하는 UV포토다이오드(UV photodiode);
상기 빔 스플리터의 다른 하나의 광 출력방향에 구비되고 적외선 영역을 선택적으로 투과하는 적외선 필터; 및
상기 적외선 필터에서 출력되는 광을 적외선 신호로 획득하는 IR포토다이오드(IR photodiode);를 포함하는 것을 특징으로 레이저 용접 모니터링 시스템.
제 4 항의 용접 모니터링 시스템;
입사되는 파이버 레이저(Fiber laser)의 광선속을 변화시켜 출력하는 빔 익스팬더(Beam expander);
상기 빔 익스팬더에서 출력되는 레이저를 재료에 조사하여 레이저 용접을 수행하고, 재료에서 발생하는 광을 반사시키는 갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner); 및
상기 빔 익스팬더와 상기 갈바노미터 스캐너 사이에 구비되고, 상기 빔 익스펜더에서 출력된 광은 투과시켜 상기 갈바노미터 스캐너로 전달하고, 상기 갈바노미터 스캐너에서 반사되는 반사 광은 상기 광학헤드로 전달하는 다이크로익 미러(Dichroic mirror)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 미세용접 가공장치.
제 5 항에 있어서,
상기 재료를 고정하는 재료 고정용 지그를 더 포함하며,
상기 재료 고정용 지그:는
베이스 프레임;
상기 베이스 프레임에 세워지는 실린더;
상기 실린더와 연결되고 상기 실린더의 작동에 의해 상기 베이스 프레임에서 높이가 가변하는 하부 그리퍼; 및
상기 하부 그리퍼 상부에서 상기 베이스 프레임에 고정되는 상부 그리퍼;를 포함하고, 상기 재료는 상기 하부 그리퍼와 상기 상부 그리퍼 사이에서 상기 실린더에 작동에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 레이저 미세용접 가공장치.
제 6 항에 있어서,
상기 베이스 프레임은 상기 재료의 용접방향과 평행하게 서로 이격된 제1 베이스 프레임 및 제2 베이스 프레임을 포함하여 이루어지고,
상기 실린더는 상기 제1 베이스 프레임에 세워지는 제1 실린더 및 상기 제2 베이스 프레임에 세워지는 제2 실린더를 포함하여 이루어지며,
상기 하부 그리퍼는 상기 제1 실린더와 연결되는 제1 하부 그리퍼 및 상기 제1 하부 그리퍼와 서로 이격되어 상기 제2 실린더에 연결되는 제2 하부 그리퍼를 포함하여 이루어지고,
상기 상부 그리퍼는 상기 제1 하부 그리퍼의 상부에서 상기 제1 베이스 프레임에 고정되는 제1 상부 그리퍼 및 상기 제1 상부 그리퍼와 서로 이격되어 상기 제2 하부 그리퍼 상부에서 상기 제2 베이스 프레임에 고정되는 제2 상부 그리퍼를 포함하여 이루어지고,
상기 재료의 일 측 모서리는 상기 제1 하부 그리퍼 및 상기 제1 상부 그리퍼에 의해 고정되고 타 측 모서리는 상기 제2 하부 그리퍼 및 상기 제2 상부 그리퍼에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 레이저 미세용접 가공장치.
제 7 항에 있어서,
상기 재료의 상부 및 하부로 가공가스를 분사하는 가공가스 분사모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 미세용접 가공장치.
제 8 항에 있어서,
상기 가공가스 분사모듈:은
상기 재료의 상부에 가공가스를 분사하는 상부 분사모듈;
상기 재료의 하부에 가공가스를 분사하는 하부 분사모듈; 및
상기 상부 분사모듈 과 상기 하부 분사모듈이 상기 재료의 용접 방향과 나란한 회전축 상에서 각각 회동할 수 있도록 고정하는 분사모듈 고정 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 미세용접 가공장치.
제 9 항에 있어서,
상기 상부 분사모듈 및 상기 하부 분사 모듈에는 각각 상기 재료의 용접 방향과 나란한 선상에 배열되는 복수 개의 분사노즐이 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 미세용접 가공장치.