KR101429926B1 - 레이저 빔을 환형 레이저 빔으로 변환하기 위한 광학 장치를 구비한 레이저 빔 용접 장치 및 이에 상응하는 레이저 빔 용접 방법 - Google Patents

레이저 빔을 환형 레이저 빔으로 변환하기 위한 광학 장치를 구비한 레이저 빔 용접 장치 및 이에 상응하는 레이저 빔 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔 용접 장치(1) 및 레이저 빔 용접 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 방사방향 용접 시임(17)을 형성하기 위해 광학 장치(9, 15)를 사용함으로써 변환된, 환형 횡단면을 가진 레이저 빔(3")이 제공된다.
Figure R1020097013394
레이저 빔 용접 방치, 방사방향 용접 시임, 광학 장치, 레이저 빔

Description

레이저 빔을 환형 레이저 빔으로 변환하기 위한 광학 장치를 구비한 레이저 빔 용접 장치 및 이에 상응하는 레이저 빔 용접 방법{Laser-beam welding device comprising an optical means for converting the laser beam into an annular laser beam and a corresponding laser-beam welding method}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 레이저 빔 용접 장치 및 청구범위 제 7 항의 전제부에 따른 레이저 빔 용접 방법에 관한 것이다.
공지된 레이저 빔 용접 장치에서, 레이저 빔 소스에 의해 발생된 레이저 빔은 2개의 공작물들 사이의 결합 영역에 포커싱된다. 포거싱된 레이저 빔의 횡단면은 원형이고, 일반적인 경우에 포커스 직경은 150 내지 600 ㎛에서 변동된다. 재료 내에 레이저 빔이 흡수됨으로써 결합 영역에서 가열과 용융이 발생한다. 결합 구조 및 재료 특성에 따라, 용융물의 혼합이 이루어지고 응고 후에는 상대 결합부가 결합된다. 용접 시임의 형성을 위해 레이저 빔 또는 레이저 용접 포커스와 공구 사이에 상대 운동이 발생하는데, 즉 레이저 빔 또는 공작물은 규정된 전진 이동 속도로 이동된다. 예컨대 2개의 원통형 부품들의 외장면에 원주 용접 시임(방사방향 용접 시임)을 형성하기 위해, 부품들은 회전 장치에 의해 그들의 대칭축을 중심으로 회전되는 한편, 레이저 빔 소스와 원형 레이저 빔 용접 포커스는 고정되어 있다. 가 공 시간은 가공 속도가 증가할수록 커지는 원심력의 작용에 의해 제한되는데, 이러한 원심력의 작용은 결합 영역으로부터 용융물을 밀어내게 된다. 공지된 레이저 빔 용접 장치의 다른 문제는, 형성될 원주 용접 시임의 내밀성이 요구될 때, 즉 원주 용접 시임이 원주 방향으로 폐쇄되어야 할 때, 공작물이 360°이상 회전되어야 한다는 것이다. 따라서 용접 각도는 360°보다 크고, 이는 레이저 빔 용접 포커스가 두 번 지나감으로써 형성된 용접 시임 중첩 영역을 형성한다. 이러한 용접 시임의 비대칭으로 인해 부품 뒤틀림이 나타나고, 이는 동심도 편차를 일으키거나 또는 부품이 꺾여지게 한다. 이로 인해, 특히 부품이 플라스틱 사출 성형 밸브인 경우, 부품의 고장 또는 기능 저하가 있을 수 있다.
DE 20 2005 015 263 U1호에는 환형 레이저 빔 용접 포커스를 형성하기 위해 다수의 레이저 다이오드들이 환형으로 배치된 레이저 빔 용접 장치가 공지되어 있다. 이 경우, 다수의 레이저 다이오드가 필요하다는 것과, 레이저 빔 용접 포커스 영역에서 균일한 강도 분포를 구현하는 것이 어렵기 때문에 원주 용접 시임의 형성시 대응 결합부 또는 레이저 다이오드 장치의 회전이 생략될 수 없다는 것이 단점이다.
본 발명의 목적은, 바람직하게 하나의 레이저 빔 소스만 이용하여 적어도 거의 균일한 강도 분포를 가진, 환형 횡단면의 레이저 빔을 발생시킬 수 있는 레이저 빔 용접 장치 및 레이저 빔 용접 방법을 제공하는 것이다. 상기 장치와 방법은 특히, 비대칭 용접 시임 형성에 따른 부품 뒤틀림을 방지하기 위해 중첩 영역이 없는 원주 폐쇄된 방사방향 시임을 형성하는데 적합해야 한다.
레이저 빔 용접 장치와 관련한 상기 목적은 청구범위 제 1 항의 특징들에 의해 달성된다. 레이저 빔 용접 방법과 관련한 상기 목적은 청구범위 제 7 항의 특징들에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항에 제시된다. 본 발명의 범주에서 상세한 설명, 청구범위 및/또는 도면에 제시된 적어도 2개의 특징들의 모든 조합이 가능하다.
본 발명의 기본 개념은, 일반적으로 원형의 강도 분포를 가진, 레이저 빔 소스에 의해 발생된 레이저 빔을 광학 장치에 의해 환형의 강도 분포를 가진, 즉 환형 횡단면을 갖는 레이저 빔으로 변환하는 것이다. 이를 위해 바람직하게 하나의 레이저 빔 소스만 사용되고, 광학 장치에 의해 변환된, 환형 횡단면을 갖는 레이저 빔은 유효한 횡단면에 걸쳐 균일한 강도 분포를 갖는다. 환형 횡단면은 바람직하게 원형 윤곽을 갖지만, 광학 소자의 형태에 따라 필수적인 것은 아니다. 예컨대 타원형도 고려될 수 있다.
본 발명의 개선예에서, 광학 장치에 의해 발생된 환형 레이저 빔이 실질적으로 방사방향으로 2개의 공작물들의 결합 영역을 향함으로써 원주 용접 시임 또는 방사방향 용접 시임이 형성된다. 편향은 반드시 정확히 방사방향으로, 즉 레이저 빔 소스에 의해 발생된 레이저 빔의 광축에 대해 또는 용접될 부품들의 종축 또는 대칭축에 대해 90°각도로 이루어져야 하는 것은 아니고, 기하학적 조건에 따라 0°< α< 180°의 각도 범위에서 이루어질 수 있다. 레이저 빔이 측면으로 적어도 하나의 공작물(즉 외장면)로 편향되는 것이 중요하다. 원주 방향으로 폐쇄된 레이저 빔이 적어도 거의 수직으로 결합 영역에 입사하는 것이 바람직하다. 그렇게 형성된 레이저 빔 용접 장치는, 중첩 영역 없이 원주 폐쇄된 원주 용접 시임을 형성할 수 있으므로, 부품 뒤틀림이 방지된다. 결합 영역 내로 에너지 도입은 균일하게 그리고 용접 시입의 전체 길이를 따라 동시에 이루어진다. 또한, 레이저 빔 소스 또는 레이저 빔 포커스와 적어도 하나의 공작물 사이의 상대 운동이 생략될 수 있으므로, 공정 속도가 높아질 수 있는데, 그 이유는 부정적인 원심력 작용이 없기 때문이다. 레이저 빔 용접 장치는 특히 뒤틀림에 민감한, 60 mm 미만의 직경을 가진 원통형 부품들을 용접하는데 적합하지만, 적절하게 출력이 강한 레이저 사용시 더 큰 직경을 가진 부품들도 문제없이 서로 용접할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 레이저 빔을 편향시키기 위한, 특히 적어도 하나의 원통형 부품의 외장면으로 편향시키기 위한 편향 수단은 콘형 미러로 형성된다. 콘 내측면에 미러면을 배치하는 것이 바람직한데, 그 이유는 콘형 미러는 적어도 하나의 공작물을 적어도 부분적으로 외부에서 둘러싸도록 배치될 수 있고, 따라서 간단하게 조정될 수 있기 때문이다. 바람직하게 콘형 미러는 콘 베이스의 방향으로부터 빔을 방사시킨다. 그러나, 추가로 또는 대안으로 외부 미러면을 가진 콘형 미러를 사용하는 것이 고려될 수 있고, 상기 콘형 미러는 바람직하게 적어도 하나의 부품의 내부로 이동될 수 있으므로, 원주 폐쇄된 원주 용접 시임이 공작물 내측면에 형성될 수 있다. 이 경우에, 콘형 미러는 바람직하게 큰 정점으로부터 빔을 방사시킨다. 콘 각도를 선택함으로써, 적어도 하나의 공작물에 대한 환형 레이저 빔의 입사 각도가 조절될 수 있다. 콘형 미러는 바람직하게 레이저 빔 용접 장치의 광축에 대해 동축으로 배치된다. 바람직하게 콘형 미러는 회전 대칭 콘 형태이다. 콘 형태가 아닌 경우, 원형이 아닌 결합 영역이 제공될 수 있다.
콘형 미러가 축방향으로 이동됨으로써, 레이저 빔 포커스 링의 직경이 변경되고, 이로써 상기 레이저 빔 포커스 링은 적어도 하나의 가공될, 특히 회전 대칭 공작물의 직경으로 조절될 수 있다.
본 발명의 개선예에서, 환형 횡단면을 갖는 레이저 빔을 형성하기 위해 적어도 하나의 엑시콘(axicon)이 제공된다. 엑시콘은 적어도 부분적으로 원추형인 광학 소자이다. 바람직하게 엑시콘은 적어도 축방향으로 조절 가능하게 배치되므로, 적어도 하나의 공작물 상에서 레이저 빔 포커스 링의 입사 각도가 변경될 수 있다.
바람직하게, 엑시콘 전방의 빔 경로에 시준기가 배치되고, 상기 시준기에 의해 평행한 빔 경로가 형성되고, 상기 평행한 빔 경로는 엑시콘에 의해 불가피하게 환형이 된다. 바람직하게 시준기는 광축에 대해 수직으로 및 수평으로 조절될 수 있으므로, 레이저 빔 횡단면에 걸쳐 균일한 강도 분포가 보장될 수 있다.
결합 영역 내에 포커싱된 레이저 빔 링을 형성하기 위해, 적어도 하나의 포커싱 장치에 적어도 하나의 포커싱 렌즈가 배치되고, 상기 포커싱 렌즈는 바람직하게 엑시콘과 콘형 미러 사이에 배치된다. 결합 영역은 바람직하게 포커싱 장치의 초점 내에 직접 배치된다.
본 발명의 개선예에서, 레이저 빔 소스로서 펄스식 레이저 빔 소스가 사용된다. 이 경우, 펄스 지속 시간이 짧을 때 높은 출력이 제공될 수 있다. 펄스 지속 시간이 대략 50 ms일 때 대략 150 J 범위의 펄스 에너지로 양호한 결과가 얻어졌다. 특히, 펄스식 빔 소스의 사용시, 재료가 용융되고 대략 1:1의 종횡비(깊이 대 폭)를 갖는 방사방향 시임이 형성되는, 열 전도 용접 공정이 이루어진다. 종횡비가 1보다 큰 증기 모세관(vapour capillary)을 형성하기 위해 심부 용접 공정(deep welding processes)을 실시하는 것도 고려될 수 있다.
바람직하게, 특히 펄스식 레이저 빔 소스에 의해 발생된 레이저 빔은 광파 가이드에 의해 광학 장치에 공급된다. 바람직하게 광파 가이드는 광축에 대해 수직 및 수평으로 조절 가능하므로, 전체 시스템이 센터링될 수 있고, 레이저 빔 용접 장치의 광축에 대한 포커스 링의 가능한 경사 위치가 제거될 수 있다.
공정 모니터링을 위해, 빔 스플리터에 의해 공정 빔 경로로부터 관찰 빔 경로를 분기하고, 상기 관찰 빔 경로를 특히 디지털 카메라로 안내하는 것이 바람직하다. 전체 가공 영역을 감지할 수 있도록, 관찰 빔 경로 내에 바람직하게 엑시콘이 배치된다. 카메라를 축방향으로 정렬함으로써 카메라 이미지의 조절이 가능해지는데, 이 경우 이미지화를 개선하기 위해 충분한 조명이 보장되어야 한다. 또한, 본 발명의 대상은 특히 원형 레이저 빔이 환형 레이저 빔으로 변환되는 용접 방법이다. 바람직하게 레이저 용접 방법은 전술한 레이저 빔 용접 장치에 의해 구현된다.
본 발명의 개선예에서, 용접 방법은 방법 단계로서 방사방향 용접 시임을 형성하기 위해 환형 횡단면을 갖는 레이저 빔을 공작물로 편향시키는 단계를 포함한다. 공작물의 외장면 상에 입사하는 각도는 용도 및 기하학적 조건에 따라 0°< α< 180°에서 선택될 수 있다. 입사 각도의 조절은 바람직하게 편향 수단으로 사용된 콘형 미러의 콘 각도의 선택에 의해 및/또는 엑시콘의 위치설정에 의해 이루어진다.
용접 공정 동안, 공작물과 레이저 빔 소스 또는 환형 레이저 빔 용접 포커스 사이의 상대 운동이 실시되지 않는 것이 바람직하다. 즉, 공작물과 레이저 빔 소스는 서로에 대해 고정되어 배치된다. 레이저 빔 소스 및 용접될 공작물들은 용접 공정시 회전되지 않게 배치된다.
본 발명의 다른 장점들, 특징들 및 세부 사항은 도면을 참고로 바람직한 실시예의 하기 설명에 제시된다.
도 1은 방사방향 용접 시임을 형성하기 위한 레이저 빔 용접 장치의 개략적인 구조를 도시한 도면.
도 1에는 공작물을 경화하기 위해 사용할 수 있는 레이저 빔 용접 장치(1)가 도시된다. 레이저 빔 용접 장치는 레이저 빔 소스(2)를 포함하고, 상기 레이저 빔 소스는 원형 횡단면을 가진 펄스식 레이저 빔(3)을 발생시킨다. 레이저 빔(3)은 광파 가이드(4)를 통해 광학 장치(5) 내로 광축(6;Z축)을 따라 공급된다. 광파 가이드(4)의 출구 영역(7)은 광축에 대해 수직 및 수평으로(y축 및 x축을 따라) 조절 가능하다(화살표 방향 A). 이로써 레이저 빔(3)의 센터링이 이루어질 수 있다. 퍼진 레이저 빔(3)은 광파 가이드(4)의 출구 영역(7)에 대해 이격 배치된, 광학 장치(5)의 시준기(8)에 부딪히고, 상기 시준기는 레이저 빔(3)을 평행하게 정렬한다. 시준기(8)는 y축 및 x축을 따라 광축(Z축)에 대해 수직 및 수평으로 조절되므로, 레이저 빔(3') 강도의 균일한 분포가 달성된다(화살표 방향 B로 이동). 평행하게 정렬된 레이저 빔(3')은 시준기(8)의 축방향으로 이격 배치된 엑시콘(axicon; 9)에 부딪히고, 상기 엑시콘은 빔 경로에 대해 횡으로 배치된 편평한 방사면(11)과 원추형 입사면(10)을 갖는다.
엑시콘(9)은 축방향으로 광축(6;화살표 방향 C / Z축)을 따라 조절되므로, 후술될, 축방향으로 나란히 배치되고 축방향으로 서로 접촉한 2개의 공작물들(12, 25;커버 25 및 베이스 바디 12) 상으로의 후술될 입사 각도(α)가 변동될 수 있다. 상기 공작물들은 도시되지 않은 조절 장치에 의해 모든 방향으로(화살표 방향 G)으로 조절될 수 있다.
원형 횡단면을 갖는 평행하게 정렬된 레이저 빔(3')은 엑시콘(9)에 의해 환형 횡단면을 갖는 레이저 빔(3")으로 변환되고, 상기 레이저 빔(3")은 포커싱 렌즈(13)를 포함하는 포커싱 장치(14)를 통해 방사되어, 내부 미러면(16)을 가진, 축방향으로 이격 배치된 콘형 미러(15)에 축방향으로 부딪힌다. 콘형 미러(15)는 환형 레이저 빔(3")을 방사방향 내측으로, 광축(6)에 대한 각도(α)로 공작물들(12, 25)의 측면 결합 영역(17)으로 편향시킨다. 원통형 공작물들(12, 25)과 포커싱 장치(14)는, 환형 레이저 빔(3")이 공작물들(12, 25)의 측면 결합 영역(17)에서 포커싱되도록, 서로 이격 배치된다. 광축(6;화살표 방향 D)을 따라 콘형 미러(15)가 이동함으로써, 발생된 레이저 빔 용접 포커스 링(26)의 직경이 변경될 수 있다. 콘 각도를 선택함으로써, 광축(6) 또는 공작물들(12, 25)의 대칭축에 대한 공작물(12) 상으로 레이저 빔의 입사 각도(α)가 조절될 수 있다. 동시에 전체 결합 영역(17)에 작용하는 레이저 빔 또는 레이저 빔 포커스 링에 의해, 균일한 대칭 원주 용접 시임이 형성된다. 각각 원통형 섹션을 가진 공작물들(12)이 서로 용접된다.
내부 미러(16)를 가진 콘형 미러(15) 대신에 외부 콘형 면을 가진 도시되지 않은 콘형 미러가 사용될 수 있다. 상기 콘형 미러는 바람직하게 공작물들(12, 25) 내로 가공되므로, 레이저 빔은 도시된 바와 같이 방사방향 내측이 아니라 방사방향 외측으로 편향된다.
모니터링 및 특히 컴퓨터를 이용한 분석을 위해 그리고 경우에 따라서 개별 광학 소자의 조절을 위해, 시준기(8)와 엑시콘(9) 사이의 빔 경로에 빔 스플리터(19)가 삽입되고, 상기 빔 스플리터는 평행한 관찰 레이저 빔 경로(20')를 형성한다. 상기 관찰 레이저 빔 경로(20')는 제 2 엑시콘(21) 상에 부딪히고, 미러(22)와 포커싱 렌즈(23)를 통해 디지털 카메라(24)에 안내된다. 거기에서 관찰 레이저 빔 경로는 제 2 엑시콘(21)으로 인해 마찬가지로 환형으로 이미지화된다. 최적의 포커싱을 위해 디지털 카메라(24)는 축방향으로(화살표 방향 F) 조절 가능하게 배치된다.

Claims (14)

  1. 레이저 빔 소스(2)와 레이저 빔 경로(20')에 배치된 광학 장치(5)를 포함하고, 공작물들(12)을 서로 용접하기 위한 레이저 빔 용접 장치(1)로서,
    상기 광학 장치(5)는 상기 레이저 빔 소스(2)에 의해 발생된 레이저 빔(3)을 환형 횡단면을 갖는 레이저 빔(3")으로 변환하도록 형성되고,
    상기 광학 장치(5)는 원주 용접 시임을 형성하기 위해 환형 횡단면을 갖는 상기 레이저 빔(3")을 편향하기 위한 편향 수단을 갖고,
    상기 편향 수단은 콘형 미러(conical mirror)(15)로 형성되고,
    상기 콘형 미러(15)는 축방향으로 위치 변동 가능하게 배치된, 레이저 빔 용접 장치에 있어서,
    상기 광학 장치(5)를 향한 광파 가이드(4)의 출구 영역(7)은 상기 레이저 빔 소스(2)에 의해 발생된 상기 레이저 빔(3)을 상기 광학 장치(5)에 공급하기 위해, y축 및 x축을 따라 광축(z축)에 대해 위치 변동 가능하게 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 장치(5)는 위치 변동 가능하게 배치된 엑시콘(axicon; 9)을 포함하고, 상기 엑시콘(9)은 상기 레이저 빔 소스(2)에 의해 발생된 상기 레이저 빔(3)을 환형 횡단면을 갖는 상기 레이저 빔(3")으로 변환하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 광학 장치(5)는 빔 경로 내의 상기 엑시콘(9) 전방에 위치 변동 가능하게 배치된 시준기(collimator; 8)를 포함하고, 상기 시준기는 평행한 빔 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 장치(5)는 위치 변동 가능하게 배치된 적어도 하나의 포커싱 장치(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔 소스(2)는 펄스식 레이저 빔(3)을 발생하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 카메라(24)를 갖는 공정 모니터링 장치가 배치되고, 상기 카메라는 레이저 빔 경로로부터 빔 스플리터를 통해 분기된 관찰 레이저 빔 경로(20')를 기록하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 빔 용접 장치(1)를 사용하는 레이저 빔 용접 방법에 있어서,
    레이저 빔(3)은 환형 횡단면을 갖는 레이저 빔(3")으로 변환되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 환형 횡단면을 갖는 상기 레이저 빔(3")은 방사방향 용접 시임을 형성하기 위해 편향되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 각각 원통형 섹션을 가진 공작물들(12)이 서로 용접되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 레이저 빔 소스(2) 및 상기 용접될 공작물들(12)은 용접 공정시 회전되지 않게 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 방법.
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