KR102089785B1 - 레이저 용접 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

레이저 용접 장치 및 방법에 관한 것으로, 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저빔을 겹치기 용접하고자 하는 용접모재에 조사하는 레이저빔 조사부, 용접모재 사이의 간극을 제거하도록 가압하는 가압부 및 가압된 용접모재에 레이저빔을 이동시키면서 조사하도록, 상기 레이저 발진기와 레이저빔 조사부 및 가압부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련하여, 겹치기 용접하고자 하는 용접모재를 가압해서 간극을 제거한 상태에서 용접함에 따라, 용접모재의 간극으로 인한 용접품질 저하를 방지하고, 용접모재의 간극에 효과적으로 대응할 수 있다.

Description

레이저 용접 장치 및 방법{LASER WELDING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 레이저 용접 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 겹치기 용접하고자 하는 모재에 레이저빔을 조사하여 용접하는 레이저 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.

레이저 용접은 높은 에너지 밀도의 점 열원을 이용하는 이른바 키홀 용접법이기 때문에 용접부 형성 기구가 아크 용접 등 기존의 용융 용접법과는 다르다.

아크 용접의 경우, 아크열에 의한 모재의 용융과 열전도가 용접 에너지 절단의 기본이므로, 용접부의 폭이 그 깊이에 비하여 넓다. 따라서, 아크 용접은 두꺼운 재료를 용접하기 위해, 용접 그루브를 가공하고, 용접봉 등의 용가재를 사용하여 다층 용접을 실시하는 것이 일반적이다.

반면, 레이저 용접은 용접에 필요한 에너지를 전달할 때 재료 표면을 기점으로 점진적인 전달이 아니라, 두께 방향으로 직접 열을 투입하는 용접법이다.

이러한 레이저 용접은 고효율 에너지빔을 이용하여 고속 생산이 가능하고, 용접부 품질이 우수한 특징이 있다.

그러나 레이저 용접은 일부 강종 또는 이음부에서 기공(porosity) 또는 피트(pit)와 같은 용접 결함이 발진하는 문제점이 지속적으로 지적되고 있다.

일반적으로, 피트는 기공 결함이 현저하게 발진되는 조건에서 발진되며, 기공 내의 가스분압이 증가되어 용접비드의 표면까지 노출된 결함을 의미한다.

최근에는 자동차의 경량화 요구에 부응하기 위해서, 소재간의 두께차가 큰 이음부가 증가하고 있어서, 기공 또는 피트 결함이 더욱 현저하게 발진하여 문제점으로 대두되고 있다.

예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 레이저 용접 장치 및 방법 기술이 개시되어 있다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1449118호(2014년 10월 10일 공고) 대한민국 특허 공개번호 제10-2011-0029344호(2011년 3월 23일공개)

한편, 레이저 용접의 경우, 겹치기 이음 시 겹침부의 간극(gap)이 중요한 용접조건의 하나이며, 간극의 허용범위는 맞대기 이음과 유사하게 소재 두께의 약 10% 내지 15% 정도로 관리하는 것이 바람직하다.

즉, 겹치기 용접에서 간극은 없는 것이 용접성 측면에서는 바람직하나, 실제로는 겹치기 간극을 완전히 없애는 것이 사실상 불가능하며, 그러한 조건에서 용접될 소재의 배치는 경우에 따라서 용접 품질에 매우 중요하게 작용할 수 있다.

특히, 겹치기 용접되는 두 용접모재의 두께가 서로 다른 경우, 용접모재 간의 간극으로 인한 용접 품질이 현저하게 저하되는 문제점이 있었다.

따라서 겹치기 용접시 용접모재 간 간극에 효과적으로 대응할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 모재의 표면에 레이저빔을 조사해서 용접모재를 겹치기 용접할 수 있는 레이저 용접 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 겹치기 용접시 서로 겹쳐진 용접모재를 가압한 상태에서 용접하여 용접모재 간극에 대한 대응이 가능한 레이저 용접 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 용접 장치는 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저빔을 겹치기 용접하고자 하는 용접모재에 조사하는 레이저빔 조사부, 용접모재 사이의 간극을 제거하도록 가압하는 가압부 및 가압된 용접모재에 레이저빔을 이동시키면서 조사하도록, 상기 레이저 발진기와 레이저빔 조사부 및 가압부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 용접모재 사이의 간극이 제거된 상태로 겹치기 용접이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 용접 방법은 (a) 레이저 발진기에서 레이저빔을 발진하는 단계, (b) 가압부에서 레이저빔 조사부를 용접모재가 안착된 고정지그 측으로 이동시켜 용접모재를 가압하는 단계, (c) 레이저빔 조사부에서 광학 케이블을 통해 전달되는 레이저빔을 상기 가압부에 의해 가압된 용접모재에 조사하는 단계 및 (d) 제어부에서 레이저빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 조사하도록 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하는 단계를 포함하여 용접모재 사이의 간극이 제거된 상태로 겹치기 용접이 가능한 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 용접 장치 및 방법에 의하면, 겹치기 용접하고자 하는 용접모재를 가압해서 간극을 제거한 상태에서 용접함에 따라, 용접모재의 간극으로 인한 용접품질 저하를 방지하고, 용접모재의 간극에 효과적으로 대응할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 의하면, 레이저빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 용접 방향과 직교하도록 위빙시켜 조사해서 겹치기 용접하여 직선 용접 대비 용접 면적을 증가시켜 용접 강도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 장치의 구성도,
도 2는 용접모재를 가압하는 가압부의 동작 상태도,
도 3은 용접 비드 패턴의 예시도,
도 4는 겹치기 용접된 용접모재의 단면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 방법을 단계별로 설명하는 공정도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 장치의 구성도이고, 도 2는 용접모재를 가압하는 가압부의 동작 상태도이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

도 1 및 도 2에서 조사단(34)과 고정단(36)은 상하로 배치 상태로 도시되어 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 용접모재(11)의 배치 상태에 따라 레이저빔 조사부(30)를 전후 좌우 및 상하 방향을 따라 다양한 각도로 회전시켜 배치한 상태에서 용접할 수 있음에 유의하여야 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 장치(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기(20), 레이저 발진기(20)에서 발진된 레이저빔을 겹치기 용접하고자 하는 용접모재(11)에 조사하는 레이저빔 조사부(이하 '조사부'라 약칭함)(30), 용접모재(11) 사이의 간극을 제거하도록 가압하는 가압부(40) 및 가압된 용접모재(11)에 레이저빔을 이동시키면서 조사하도록, 레이저 발진기(20)와 조사부(30) 및 가압부(40)의 구동을 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

레이저 발진기(20)는 제어부(50)의 제어신호에 따라 연속파(Continue Wave) 형태의 레이저빔을 발진한다.

물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 발진기(20)에서 펄스파(Pulse Wave) 형태의 레이저빔을 발진하고, 발진된 펄스파 형태의 레이저빔을 이동 및 위빙시켜 조사하여 용접모재(11)를 용접하도록 변경될 수 있다.

조사부(30)는 레이저 발진기(20)와 광학 케이블(21)을 통해 연결되고, 광학 케이블(21)을 통해 조사부(30)로 전달된 레이저빔은 조사부(30)의 이동 및 회전 동작에 의해 이동하고, 직선 형상으로 조사되거나 위빙 조사될 수 있다.

예를 들어, 조사부(30)는 광학 케이블(21)을 통해 전달되는 레이저빔이 퍼지지 않도록 평행광을 형성하는 평행광 렌즈(collimator lens)(331), 평행광 형태의 레이저빔을 집광해서 레이저빔의 크기를 축소하는 집광 렌즈(condenser lens)(332) 및 내부에 평행광 렌즈(331)와 집광 렌즈(332)가 설치되는 하우징(33)을 용접 방향 및 직교 방향을 따라 이동 및 위빙시키는 이동모듈을 포함한다.

상기 이동모듈은 하우징(33)을 용접 방향, 도 1에서 보았을 때 좌우 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하는 제1 모터(31), 하우징(33)을 용접 방향과 직교하는 방향, 즉 도 1에서 전후 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하는 제2 모터(32) 그리고 제1 및 제2 모터(31,32)에서 발생한 구동력을 하우징에 전달하는 전달유닛을 포함할 수 있다.

상기 전달유닛은 복수의 기어나 풀리, 벨트나 체인, 와이어 등으로 구성될 수 있다.

하우징(33)은 내부에 평행광 렌즈(331)와 집광 렌즈(332)가 설치되는 공간이 마련되도록 대략 육면체 형상으로 형성되고, 하우징(33)의 하단에는 레이저빔이 조사되는 조사단(34)이 마련될 수 있다.

조사단(34) 내부에는 용접 작업시 조사단(34)을 냉각할 수 있도록, 냉각수가 순환하는 냉각유로(도면 미도시)가 형성될 수 있다.

조사부(30)의 하부에는 겹치기 용접하고자 하는 용접모재(11)가 안착되는 고정지그(35)가 마련될 수 있다.

고정지그(35)는 정면에서 보았을 때 단면이 대략 '」' 형상으로 형성되고, 고정지그(35)의 일측 선단에는 조사단(34)과 대칭되는 위치에 조사단(34)과 대응되는 형상으로 고정단(36)이 형성될 수 있다.

고정단(36)은 용접모재(11)와 접촉되는 면이 개구된 개구면으로 형성되고, 고정지그(35) 내부에는 고정단(36)의 개구면을 통해 유입되는 스패터가 쌓이는 공간이 마련될 수 있다.

그리고 고정지그(36)의 일측에는 내부에 쌓인 스패터를 제거할 수 있도록, 고정지그(36)에 일단이 축 결합되어 회전 동작에 의해 개폐하거나, 탈부착 가능하게 커버(37)가 결합될 수 있다.

따라서, 본 발명은 겹치기 용접을 수행한 후 고정지그에 결합된 커버를 개방하거나 분리해서 내부에 쌓인 스패터를 쉽게 제거할 수 있다.

가압부(40)는 하우징(33)을 상항 방향으로 이동시켜 겹치기 용접하고자 하는 용접모재(11)를 가압하여 용접모재(11) 사이의 간극을 제거하는 기능을 한다.

예를 들어, 가압부(40)는 하우징(33)을 상하 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하는 구동모터, 상기 구동모터에서 발생한 구동력을 하우징에 전달하는 구동유닛 및 하우징(33)의 이동을 가이드하는 가이드유닛을 포함할 수 있다.

상기 구동유닛은 복수의 기어나 풀리, 벨트나 체인, 와이어 등으로 구성되고, 상기 가이드유닛은 하우징의 승강 동작을 가이드하도록 상하 방향을 따라 설치되는 레일이나 리니어 모션 가이드로 마련될 수 있다.

한편, 조사단(34)에는 용접모재(11)와 조사단(34)의 접촉 여부를 감지하는 터치센서(도면 미도시)와 가압부(30)에 의한 하우징(33)의 하강 동작시 용접모재(11)에 가해지는 가압력을 감지하는 압력 센서(도면 미도시)가 마련될 수 있다.

그래서 제어부(50)는 상기 터치센서와 압력센서의 감지신호에 따라 가압부(40)에 마련된 구동모터의 구동을 제어할 수 있다.

예를 들어, 제어부(50)는 용접모재(11)의 두께나 강성 등 용접모재의 특성에 따라 미리 설정된 압력, 예컨대 0.5 내지 3.0kN의 가압력으로 가압하도록 제어할 수 있다.

제어부(50)는 레이저 발진기(20)와 조사부(30), 가압부(40) 및 상기 용접로봇 등의 구동을 제어하는 메인 컨트롤러로서, 내부의 메모리에 저장된 프로그램을 실행시켜 용접모재를 가압해서 간극을 제거한 상태에서 레이저빔을 이동 및 위빙시켜 조사해서 미리 설정된 용접 비드 패턴을 형성하도록 제어할 수 있다.

예를 들어, 도 3은 용접 비드 패턴의 예시도이고, 도 4는 겹치기 용접된 용접모재의 단면도이다.

본 실시 예에서는 용접모재(11)를 가압해서 간극을 제거한 상태에서 레이저빔을 이동 및 위빙시켜 조사하여 겹치기 용접함에 따라, 도 3에 도시된 바와 같은 형상의 용접 비드 패턴(12)이 형성된다.

여기서, 용접 비드 패턴(12)의 좌우 방향 길이는 조사단(34)의 폭 이내로 제한될 수 있다.

그리고 용접 비드 패턴(12)의 상하 방향 높이는 위빙 주파수에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

예를 들어, 상기 위빙 주파수는 약 10 내지 30㎐로 설정될 수 있다.

이와 같이, 레이저빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 용접 방향과 직교하도록 위빙시켜 조사해서 겹치기 용접하는 경우, 직선 용접 대비 용접 면적을 증가시켜 용접 강도를 향상시킬 수 있다.

그리고 본 실시 예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 고정단(36)과 조사단(34) 사이에 배치되는 용접모재(11)를 가압해서 간극을 제거한 상태에서 겹치기 용접함에 따라, 용접모재(11)의 간극으로 인한 용접품질 저하를 방지하고, 용접모재의 간극에 효과적으로 대응할 수 있다.

다음, 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 방법을 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 용접 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, (a) 레이저 발진기(20)에서 레이저빔을 발진하는 단계(S10), (b) 가압부(40)에서 레이저빔 조사부(30)를 용접모재(11)가 안착된 고정지그(35) 측으로 이동시켜 용접모재(11)를 가압하는 단계(S12), (c) 레이저빔 조사부(30)에서 광학 케이블(21)을 통해 전달되는 레이저빔을 가압부(40)에 의해 가압된 용접모재(11)에 조사하는 단계(S14) 및 (d) 제어부(40)에서 레이저빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 용접 방향과 직교하게 위빙시켜 조사하도록 레이저빔 조사부(30)의 구동을 제어하는 단계(S16)를 포함한다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 겹치기 용접하고자 하는 용접모재를 가압해서 간극을 제거한 상태에서 용접함에 따라, 용접모재의 간극으로 인한 용접품질 저하를 방지하고, 용접모재의 간극에 효과적을 대응할 수 있다.

또한, 본 발명은 레이저빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 용접 방향과 직교하도록 위빙시켜 조사해서 겹치기 용접하여 직선 용접 대비 용접 면적을 증가시켜 용접 강도를 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

즉, 본 발명은 가압부를 이용해서 용접 모재를 가압한 상태에서 용접 방향을 따라 레이저빔을 직선 이동시키면서 용접하거나, 용접 방향의 직교하게 위빙시켜 위빙 용접할 수 있다.

본 발명은 겹치기 용접하고자 하는 용접모재를 가압한 상태에서 레이저빔을 이동 및 위빙시켜 조사해서 용접모재의 간극을 제거하여 용접품질 및 용접강도를 높이는 레이저 용접 장치 및 방법 기술에 적용된다.

10: 레이저 용접 장치
11: 용접모재 12: 비드
20: 레이저 발진기 21: 광학 케이블
30: 레이저빔 조사부 31,32: 제1, 제2 모터
33: 하우징 331: 평행광 렌즈
332: 집광 렌즈 34: 조사단
35: 고정지그 36: 고정단
37: 커버
40: 가압부 50: 제어부

Claims (6)

1. 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기,
   상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저빔을 겹치기 용접하고자 하는 용접모재에 조사하는 레이저빔 조사부,
   용접모재 사이의 간극을 제거하도록 가압하는 가압부 및
   가압된 용접모재에 레이저빔을 이동시키면서 조사하도록, 상기 레이저 발진기와 레이저빔 조사부 및 가압부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 용접모재 사이의 간극이 제거된 상태로 겹치기 용접이 가능하며,
   상기 레이저빔 조사부는 내부에서 광학 케이블을 통해 전달되는 레이저빔이 퍼지지 않도록 평행광을 형성하는 평행광 렌즈와 평행광 형태의 레이저빔을 집광해서 레이저빔의 크기를 축소하는 집광 렌즈가 설치되는 하우징 및
   용접 면적을 증가시켜 용접 강도를 향상시키도록, 상기 하우징을 용접 방향 및 직교 방향을 따라 이동 및 위빙시키는 이동모듈을 포함하고,
   상기 하우징에는 레이저빔이 조사되는 조사단과
   용접모재가 안착되는 고정단을 포함하는 고정지그가 마련되며,
   상기 가압부는 상기 조사부의 하우징을 이동시키도록 구동력을 발생하는 구동모터,
   상기 구동모터에서 발생한 구동력을 상기 하우징에 전달하는 구동유닛 및
   상기 하우징의 이동을 가이드하는 가이드유닛을 포함하고,
   상기 하우징의 조사단에는 용접모재와 상기 조사단의 접촉 여부를 감지하는 터치센서와
   상기 가압부에 의한 상기 하우징의 이동시 용접모재에 가해지는 가압력을 감지하는 압력 센서가 마련되며,
   상기 제어부는 상기 터치센서와 압력센서의 감지신호에 따라 상기 가압부에 마련된 상기 구동모터의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 조사단 내부에는 용접 작업시 냉각수가 순환하는 냉각유로가 형성되고,
   상기 고정지그의 일측에는 용접모재가 안착되는 상기 고정단의 개구면을 통해 유입된 스패터를 제거하도록, 개폐 또는 탈착 가능한 커버가 결합되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
4. 삭제
5. 제1항 또는 제3항에 기재된 레이저 용접 장치의 레이저 용접 방법에 있어서,
   (a) 레이저 발진기에서 레이저빔을 발진하는 단계,
   (b) 가압부에서 레이저빔 조사부를 용접모재가 안착된 고정지그 측으로 이동시켜 용접모재를 가압하는 단계,
   (c) 상기 레이저빔 조사부에서 광학 케이블을 통해 전달되는 레이저빔을 상기 가압부에 의해 가압된 용접모재에 조사하는 단계 및
   (d) 제어부에서 레이저빔을 용접 방향을 따라 이동시키면서 조사하도록 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하는 단계를 포함하여 용접모재 사이의 간극이 제거된 상태로 겹치기 용접이 가능하며,
   상기 (d)단계에서 상기 제어부는 상기 레이저빔 조사부에서 레이저 빔이 조사되는 조사단에 설치되고, 상기 레이저빔 조사부의 하우징과 용접 모재의 접촉 여부를 검사하는 터치센서와, 상기 가압부에 의한 상기 하우징의 이동시 용접모재에 가해지는 가압력을 감지하는 압력 센서의 감지신호에 기초해서 상기 가압부에 마련된 상기 가압부에 마련된 구동모터의 구동을 제어하고,
   용접 면적을 증가시켜 용접 강도를 향상시키기 위해, 레이저빔을 용접 방향과 직교하게 위빙시켜 조사하도록 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
6. 삭제

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