KR102126289B1 - Laser Deposition Apparatus Having Adjustable Irradiated Radius Structure - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 레이저 입사직경 가변식 레이저 적층장치는, 레이저를 발생시키는 레이저 오실레이터, 상기 레이저 오실레이터에 의해 발생한 레이저를 대상모재 방향으로 출력하는 노즐 어셈블리 및 상기 레이저 오실레이터와 상기 노즐 어셈블리 사이에 상하 이동 가능하게 구비되며, 상하 이동에 따라 상기 대상모재와의 거리가 가변되도록 형성되어 상기 레이저 오실레이터로부터 발생한 레이저의 입사직경을 가변시키는 집광렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리를 포함한다.The laser incident diameter variable laser stacking apparatus according to the present invention, a laser oscillator for generating a laser, a nozzle assembly for outputting a laser generated by the laser oscillator in a target substrate direction, and movable up and down between the laser oscillator and the nozzle assembly It includes a lens assembly including a condensing lens that is formed to vary the distance from the target base material according to the vertical movement to vary the incident diameter of the laser generated from the laser oscillator.

Description

레이저 입사직경 가변식 레이저 적층장치{Laser Deposition Apparatus Having Adjustable Irradiated Radius Structure}Laser Deposition Apparatus Having Adjustable Irradiated Radius Structure

본 발명은 대상모재에 강화층을 형성하기 위한 레이저 적층장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 입사직경을 가변 가능하게 형성되어 비드의 형상을 제어할 수 있도록 하는 레이저 적층장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser stacking apparatus for forming a reinforcement layer on a target base material, and more particularly, to a laser stacking apparatus that allows a laser incident diameter to be variably formed to control the shape of a bead.

최근에는 다양한 산업 분야에서 금속의 표면을 강화시키거나, 특수한 특성을 나타내기 위해 표면 처리하는 방법이 널리 사용되고 있다.Recently, in various industrial fields, a method of surface treatment to strengthen a metal surface or to exhibit special characteristics has been widely used.

종래의 금속표면처리방법의 경우, 모재에 특정 가스를 주입하여 처리층을 증착하거나, 또는 소정의 표면처리 소재를 콜드 스프레이 방식을 이용하여 모재의 표면에 부착시키는 등의 다양한 방법이 이용되고 있다.In the case of the conventional metal surface treatment method, various methods are used, such as depositing a treatment layer by injecting a specific gas into the base material, or attaching a predetermined surface treatment material to the surface of the base material using a cold spray method.

하지만, 이와 같은 종래의 금속표면처리방법의 경우, 처리층과 모재의 표면 간의 부착력이 크게 떨어지게 되며, 이에 따라 처리층이 분리 및 탈락되는 현상이 잦은 빈도로 발생하게 되는 문제점이 나타나고 있다.However, in the case of such a conventional metal surface treatment method, there is a problem in that the adhesion between the treatment layer and the surface of the base material is greatly reduced, and accordingly, the phenomenon of separation and dropping of the treatment layer occurs frequently.

뿐만 아니라, 종래의 금속표면처리방법은 모재의 형상이 평면 또는 극히 단순한 형태일 경우일 때 그 효과가 현저하게 나타나며, 모재의 형상이 불규칙적이거나 복잡한 경우에는 큰 효과를 볼 수 없다는 문제가 있었다. 또는 표면처리장치의 특성 상 불규칙하거나 복잡한 형상을 가지는 모재의 표면처리를 수행하는 것이 아예 불가능한 경우도 있어, 모재의 수명이 크게 떨어지는 문제도 있었다.In addition, the conventional metal surface treatment method has a problem in that when the shape of the base material is flat or extremely simple, the effect is remarkable, and when the shape of the base material is irregular or complex, a large effect cannot be seen. Alternatively, due to the characteristics of the surface treatment device, it is sometimes impossible to perform surface treatment of a base material having an irregular or complicated shape, and there is a problem in that the life of the base material is greatly reduced.

특히 상기 모재가 프레스, 단조 공정 등에 사용되는 금형과 같이 잦은 충격과 외력이 가해지는 제품인 경우, 비용 대비 수명이 매우 짧아져 유지, 보수에 소요되는 비용이 증가하게 되는 문제가 있다.In particular, when the base material is a product that is subjected to frequent impacts and external forces, such as a mold used in a press, forging process, etc., there is a problem in that the cost for maintenance and repair is increased due to a very short lifetime compared to cost.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 금속분말을 모재 표면에 공급하는 동시에 고출력 레이저를 조사함에 따라 금속분말을 용융풀에 집속시켜 강화층을 형성하는 적층기술이 제시되었다.In order to solve this problem, a lamination technique has been proposed in which a metal powder is concentrated in a molten pool to form a reinforcement layer by supplying a metal powder to a surface of a base material and irradiating a high-power laser.

현재에는 이러한 적층기술을 이용하여 복잡한 형태의 제품을 생산하고, 금속의 표면을 국부적으로 강화하고 있으나, 금속분말의 화학적 성분 구성에 따라서 열적 특성이 다르기 때문에 적층부의 형상에도 미세한 차이가 나타나는 현상이 발생하게 된다.Currently, complex products are produced by using such a lamination technique, and the surface of the metal is locally strengthened. However, since the thermal properties are different depending on the chemical composition of the metal powder, a slight difference occurs in the shape of the lamination. Is done.

따라서 각각의 금속분말마다 최적의 공정 조건을 수립하여 공정을 진행하고 있으나, 그럼에도 불구하고 적층 과정이 반복적으로 진행됨에 따라 모재의 온도가 점차 상승되고, 동일한 공정조건임에도 적층부의 형상이 초기와 다르게 변화되는 문제가 있었다.Therefore, although the process is carried out by establishing the optimum process conditions for each metal powder, the temperature of the base material gradually increases as the lamination process is repeatedly performed, and the shape of the lamination part changes differently from the initial stage despite the same process conditions. There was a problem.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.Therefore, a method for solving these problems is required.

한국공개특허 제10-2018-0074685호Korean Patent Publication No. 10-2018-0074685

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 대상모재에 입사되는 레이저의 입사직경을 가변 가능하도록 하여 비드의 형상을 용이하게 제어할 수 있도록 하기 위한 목적을 가진다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art described above, and has an object to make it possible to easily control the shape of a bead by making the incident diameter of a laser incident on a target base material variable.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 입사직경 가변식 레이저 적층장치는, 레이저를 발생시키는 레이저 오실레이터, 상기 레이저 오실레이터에 의해 발생한 레이저를 대상모재 방향으로 출력하는 노즐 어셈블리 및 상기 레이저 오실레이터와 상기 노즐 어셈블리 사이에 상하 이동 가능하게 구비되며, 상하 이동에 따라 상기 대상모재와의 거리가 가변되도록 형성되어 상기 레이저 오실레이터로부터 발생한 레이저의 입사직경을 가변시키는 집광렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리를 포함한다.In order to achieve the above object, the laser incidence variable laser stacking apparatus of the present invention includes a laser oscillator that generates a laser, a nozzle assembly that outputs a laser generated by the laser oscillator in a target substrate direction, and the laser oscillator and the nozzle. It includes a lens assembly including a condensing lens that is provided to be movable up and down between the assemblies, and is formed to vary the distance to the target base material according to the up and down movement to vary the incident diameter of the laser generated from the laser oscillator.

그리고 기 집광렌즈가 상하 이동되도록 상기 렌즈 어셈블리를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.And it may further include a control unit for controlling the lens assembly so that the pre-condensing lens is moved up and down.

또한 상기 노즐 어셈블리는, 상기 대상모재와 상기 노즐 어셈블리의 임의 지점 사이의 거리를 감지하는 높이감지센서를 포함할 수 있다.In addition, the nozzle assembly may include a height sensing sensor that detects a distance between the target base material and an arbitrary point of the nozzle assembly.

그리고 상기 제어부는, 상기 높이감지센서에 의해 측정된 상기 대상모재와 상기 노즐 어셈블리의 임의 지점 사이의 거리가 기 설정된 기준거리를 만족할 경우, 상기 집광렌즈가 상하 이동되도록 상기 렌즈 어셈블리를 제어할 수 있다.In addition, when the distance between the target base material measured by the height sensor and an arbitrary point of the nozzle assembly satisfies a preset reference distance, the control unit may control the lens assembly such that the condensing lens moves up and down. .

또한 상기 높이감지센서는 복수 개가 상기 노즐 어셈블리에 구비되는 레이저 출력공의 둘레를 따라 구비될 수 있다.In addition, a plurality of the height sensor may be provided along the circumference of the laser output hole provided in the nozzle assembly.

그리고 상기 집광렌즈는 상기 대상모재와의 최소거리가 상기 집광렌즈의 고유 초점거리 이상이 되는 위치에 구비될 수 있다.In addition, the condenser lens may be provided at a position where the minimum distance to the target base material is greater than or equal to the intrinsic focal length of the condenser lens.

또한 상기 렌즈 어셈블리는, 상기 집광렌즈를 고정시키는 렌즈 하우징 및 상하 방향으로 길게 형성되어 상기 렌즈 하우징이 상하 이동되도록 가이드하는 하우징가이드를 더 포함할 수 있다.In addition, the lens assembly may further include a lens housing for fixing the condensing lens and a housing guide that is formed long in the vertical direction and guides the lens housing to move vertically.

그리고 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 형태에 따른 레이저 입사직경 가변식 레이저 적층장치는, 레이저를 발생시키는 레이저 오실레이터, 상기 레이저 오실레이터에 의해 발생한 레이저를 대상모재 방향으로 출력하는 노즐 어셈블리 및 상기 레이저 오실레이터와 상기 노즐 어셈블리 사이에 회전 가능하게 구비되며, 회전 각도에 따라 굴절률이 가변되도록 형성되어 상기 레이저 오실레이터로부터 발생한 레이저의 입사직경을 가변시키는 집광렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리를 포함한다.And a laser incidence variable laser lamination apparatus according to another aspect of the present invention for achieving the above object, a laser oscillator for generating a laser, a nozzle assembly for outputting the laser generated by the laser oscillator in the target substrate direction and It includes a lens assembly that is rotatably provided between the laser oscillator and the nozzle assembly, and is formed to vary in refractive index according to a rotation angle to vary the incident diameter of the laser generated from the laser oscillator.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 레이저 입사직경 가변식 레이저 적층장치는 다음과 같은 효과가 있다.The laser incidence diameter variable laser lamination apparatus of the present invention for solving the above problems has the following effects.

첫째, 집광렌즈의 변위 제어를 통해 대상모재에 입사되는 레이저의 입사직경을 가변시킬 수 있으므로, 공정 중 레이저의 입사직경을 실시간으로 제어하여 최상의 적층부 높이를 형성할 수 있는 장점이 있다.First, since the incident diameter of the laser incident on the target base material can be varied through displacement control of the condensing lens, there is an advantage in that it is possible to form the best stack height by controlling the incident diameter of the laser in real time during the process.

둘째, 적층부의 미세조직 결정립 크기를 제어 가능하므로, 적층부의 기계적 물성을 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다.Second, since it is possible to control the microstructure grain size of the laminated portion, there is an advantage that can easily control the mechanical properties of the laminated portion.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치의 모습을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 노즐 어셈블리의 레이저 출력공 주변의 모습을 나타낸 도면;
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 집광렌즈의 높이 제어에 따른 레이저 입사직경의 변화를 나타낸 도면;
도 5 및 도 6은 레이저 입사직경의 변화에 따른 비드 및 오버랩의 형상 변화를 나타낸 도면;
도 7은 레이저 입사직경의 변화에 따른 결정립 크기 별 적층 형태를 나타낸 도면;
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 노즐 어셈블리의 레이저 출력공 주변의 모습을 나타낸 도면;
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 렌즈 어셈블리의 모습을 나타낸 도면; 및
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 레이저 적층장치에 있어서, 렌즈 어셈블리의 모습을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a state of the laser lamination apparatus according to the first embodiment of the present invention;
Figure 2 is a laser stacking apparatus according to a first embodiment of the present invention, a view showing a state around the laser output hole of the nozzle assembly;
3 and 4 in the laser stacking apparatus according to the first embodiment of the present invention, a view showing the change in the laser incident diameter according to the height control of the condensing lens;
5 and 6 are diagrams showing the shape change of the bead and overlap according to the change in the laser incident diameter;
7 is a view showing a lamination shape for each grain size according to a change in the laser incident diameter;
8 is a view showing a state around the laser output hole of the nozzle assembly in the laser stacking apparatus according to the second embodiment of the present invention;
9 is a view showing a state of a lens assembly in a laser stacking apparatus according to a third embodiment of the present invention; And
10 is a view showing a state of the lens assembly in the laser stacking apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention, in which the object of the present invention can be specifically realized, will be described with reference to the accompanying drawings. In describing this embodiment, the same name and the same code are used for the same configuration, and additional description will be omitted.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치(100)의 모습을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a state of the laser stacking apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치(100)는 메인프레임(110)과, 레이저 오실레이터(130)와, 노즐 어셈블리(120)와, 렌즈 어셈블리(150)와, 제어부(200)를 포함한다.1, the laser stacking apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention includes a main frame 110, a laser oscillator 130, a nozzle assembly 120, and a lens assembly 150. And a control unit 200.

본 실시예에서 상기 메인프레임(110)은 상기 레이저 적층장치(100)의 본체를 구성하며, 상부에는 상기 레이저 오실레이터(130)가 구비되며, 하부에는 상기 노즐 어셈블리(120)가 구비된 형태를 가진다. 그리고 상기 메인프레임(110)의 내부에는, 상기 렌즈 어셈블리(150)가 수용된다.In this embodiment, the main frame 110 constitutes the main body of the laser stacking apparatus 100, the laser oscillator 130 is provided at the top, and the nozzle assembly 120 is provided at the bottom. . And, inside the main frame 110, the lens assembly 150 is accommodated.

상기 레이저 오실레이터(130)는 레이저를 발생시키기 위한 구성요소로서, 당업자에게는 자명한 사항이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.The laser oscillator 130 is a component for generating a laser, which is obvious to those skilled in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.

그리고 상기 노즐 어셈블리(120)는 상기 레이저 오실레이터(130)에 의해 발생한 레이저를 대상모재(130) 방향으로 출력할 수 있도록 하며, 상기 노즐 어셈블리(120)의 하단에는 상기 레이저가 통과하는 레이저 출력공(122)이 형성된다.In addition, the nozzle assembly 120 allows the laser generated by the laser oscillator 130 to be output in the direction of the target base material 130, and a laser output hole through which the laser passes at the bottom of the nozzle assembly 120 ( 122) is formed.

즉 상기 레이저 오실레이터(130)로부터 진행되는 레이저는 상기 레이저 출력공(122)을 통과하여 상기 대상모재(130)에 조사되며, 상기 대상모재(130)의 표면에 적층부(B)를 형성하게 된다.That is, the laser traveling from the laser oscillator 130 passes through the laser output hole 122 and is irradiated to the target base material 130 to form a stacked portion B on the surface of the target base material 130. .

본 과정에서는 상기 대상모재(10)의 강화영역 표면 및 분말 공급유닛(미도시)에 의해 공급되는 강화용 분말이 레이저에 의해 함께 용융되며, 이후 용융된 멜트 풀(Melt Pool)이 경화됨에 따라 상기 대상모재(10)의 표면에 강화층인 적층부(B)가 형성된다. 본 발명의 경우, 강화용 분말뿐 아니라 대상모재(10)의 표면이 함께 용융되므로 적층부(B)의 부착력을 크게 향상시킬 수 있다.In this process, the surface of the reinforcing area of the target base material 10 and the reinforcing powder supplied by the powder supply unit (not shown) are melted together by a laser, and then the molten melt pool is cured. A layered portion (B), which is a reinforcement layer, is formed on the surface of the target base material (10). In the case of the present invention, since the surface of the target base material 10 is melted together as well as the powder for reinforcing, it is possible to greatly improve the adhesion of the laminated portion (B).

상기 렌즈 어셈블리(150)는 상기 레이저 오실레이터(130) 및 상기 노즐 어셈블리(120) 사이에 상하 이동 가능하게 구비되며, 상하 이동에 따라 상기 대상모재(10)와의 거리가 가변되도록 형성되는 집광렌즈(160)를 포함한다.The lens assembly 150 is provided to be movable up and down between the laser oscillator 130 and the nozzle assembly 120, and the condensing lens 160 is formed to vary the distance from the target base material 10 according to the vertical movement ).

상기 집광렌즈(160)는 상하 이동에 따라 상기 레이저 오실레이터(130)로부터 발생한 레이저의 입사직경을 가변시킬 수 있도록 형성되며, 이에 대해서는 후술하도록 한다.The condenser lens 160 is formed to change the incident diameter of the laser generated from the laser oscillator 130 according to the vertical movement, which will be described later.

본 실시예에서 상기 렌즈 어셈블리(150)는 상기 집광렌즈(160)를 고정시키기 위한 렌즈 하우징(170)과, 상하 방향으로 길게 형성되어 상기 렌즈 하우징(170)이 상하 이동되도록 가이드하는 하우징가이드(180)를 더 포함할 수 있다.In this embodiment, the lens assembly 150 includes a lens housing 170 for fixing the condensing lens 160, and a housing guide 180 formed long in the vertical direction to guide the lens housing 170 to move vertically. ) May be further included.

이때 상기 렌즈 하우징(170)의 양측부에는 상기 집광렌즈(160)를 직접적으로 고정시키는 고정부(172)와, 상기 하우징가이드(180)를 따라 상하 이동 가능하게 형성되는 슬라이드부(174)가 구비될 수 있다. 이에 따라 상기 슬라이드부(174)의 상하 이동될 경우, 상기 렌즈 하우징(170) 및 상기 집광렌즈(160) 역시 상하 이동될 수 있다.At this time, both sides of the lens housing 170 are provided with a fixing part 172 for directly fixing the condensing lens 160 and a slide part 174 formed to be movable up and down along the housing guide 180. Can be. Accordingly, when the slide portion 174 is moved up and down, the lens housing 170 and the condensing lens 160 may also be moved up and down.

상기 제어부(200)는 상기 집광렌즈(160)가 상하 이동되도록 상기 렌즈 어셈블리(150)를 제어하는 구성요소이며, 사용자의 조작 명령이 입력될 경우 또는 상기 레이저 적층장치(100)가 공정 중 특정 조건을 만족할 경우 상기 렌즈 어셈블리(150)를 제어할 수 있다.The control unit 200 is a component that controls the lens assembly 150 so that the condensing lens 160 moves up and down, and when a user's manipulation command is input or when the laser stacking device 100 is in a specific condition during the process When satisfied, the lens assembly 150 may be controlled.

한편 본 실시예에서 상기 노즐 어셈블리(120)는, 상기 대상모재(10)와 상기 노즐 어셈블리(120)의 임의 지점 사이의 거리를 감지하는 높이감지센서(124)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, in the present embodiment, the nozzle assembly 120 may further include a height sensing sensor 124 that detects a distance between the target base material 10 and an arbitrary point of the nozzle assembly 120.

본 실시예에서 상기 높이감지센서(124)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개가 상기 레이저 출력공(122)의 둘레를 따라 구비될 수 있으며, 상기 높이감지센서(124)가 위치되는 부분으로부터 상기 대상모재(10)까지의 거리를 감지할 수 있다. 그리고 상기 높이감지센서(124)는 초음파 센서 또는 적외선 센서 등 다양한 방식의 센서가 적용될 수 있음은 물론이다.In this embodiment, the height sensor 124 may be provided along a circumference of the laser output hole 122, as shown in Figure 2, the height sensor 124 is located from the The distance to the target base material 10 can be detected. In addition, the height sensing sensor 124 may be applied to various types of sensors, such as an ultrasonic sensor or an infrared sensor.

도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 적층장치(100)에 있어서, 집광렌즈(160)의 높이 제어에 따른 레이저 입사직경의 변화를 나타낸 도면이다.3 and 4 are views showing a change in the laser incident diameter according to the height control of the condenser lens 160 in the laser stacking apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention.

전술한 바와 같이, 상기 집광렌즈(160)는 상하 이동에 따라 대상모재(10)와의 거리가 가변될 수 있으며, 이때 본 실시예의 경우 상기 집광렌즈(160)는 상기 대상모재(10)와의 최소거리가 상기 집광렌즈(160)의 고유 초점거리 이상이 되는 위치에 구비될 수 있다.As described above, the distance between the condenser lens 160 and the target base material 10 may be varied according to vertical movement, and in this case, the condenser lens 160 is the minimum distance from the target base material 10 A may be provided at a position that is greater than or equal to the intrinsic focal length of the condensing lens 160.

이와 같이 하는 이유는, 집광렌즈(160)의 높이 제어에 따라 대상모재(10)에 입사되는 레이저의 입사직경을 가변시키기 위한 것이다.The reason for doing this is to change the incident diameter of the laser incident on the target base material 10 according to the height control of the condenser lens 160.

예컨대, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 집광렌즈(160)의 초점이 상기 집광렌즈(160) 및 상기 대상모재(10)와의 사이에서 형성될 경우, 상기 집광렌즈(160)와 상기 대상모재(10) 사이의 거리가 증가할수록(d3에서 d1의 방향) 초점의 위치가 상부로 이동하게 되므로 상기 대상모재(10)에 입사되는 레이저의 입사직경이 커지게 된다(W3에서 W1 방향).For example, as illustrated in FIGS. 3 and 4, when the focus of the condensing lens 160 is formed between the condensing lens 160 and the target base material 10, the condensing lens 160 and the target As the distance between the base materials 10 increases (the direction of d 3 to d 1 ), the position of the focus moves upward, so that the incident diameter of the laser incident on the target base material 10 increases (W 3 to W 1 direction).

또한 상기 집광렌즈(160)와 상기 대상모재(10) 사이의 거리가 감소할수록(d1에서 d3 방향) 초점의 위치가 하부로 이동하게 되므로 상기 대상모재(10)에 입사되는 레이저의 입사직경이 작아지게 된다(W1에서 W3 방향).In addition, as the distance between the condenser lens 160 and the target base material 10 decreases (d 1 to d 3 directions), the position of the focus moves downward, so the incident diameter of the laser incident on the target base material 10 This becomes smaller (W 1 to W 3 directions).

이와 달리 상기 집광렌즈(160)는 상기 대상모재(10)와의 최소거리가 상기 집광렌즈(160)의 고유 초점거리 미만이 되는 위치에 구비될 수도 있으나, 이와 같은 경우에는 상기 집광렌즈(160)와 상기 대상모재(10) 간의 거리가 과도하게 가까워질 수 있어 상기 집광렌즈(160)를 비롯하여 렌즈 어셈블리(150) 전체에 손상을 가할 수 있으므로, 본 실시예에서는 상기와 같이 상기 집광렌즈(160)는 상기 대상모재(10)와의 최소거리가 상기 집광렌즈(160)의 고유 초점거리 이상이 되는 위치에 구비되는 것으로 하였다.Alternatively, the condenser lens 160 may be provided at a position where the minimum distance from the target base material 10 is less than the intrinsic focal length of the condenser lens 160, but in this case, the condenser lens 160 Since the distance between the target base material 10 may be excessively close, damage to the entire lens assembly 150 including the condensing lens 160 may occur. Thus, in this embodiment, the condensing lens 160 is as described above. It is assumed that the minimum distance from the target base material 10 is provided at a position that is greater than or equal to the intrinsic focal length of the condenser lens 160.

이와 같이, 본 발명은 집광렌즈(160)의 변위 제어를 통해 대상모재(10)에 입사되는 레이저의 입사직경을 가변시킬 수 있으므로, 공정 중 레이저의 입사직경을 실시간으로 제어하여 최상의 적층부(B) 높이를 형성할 수 있는 것은 물론 적층부(B)의 미세조직 결정립 크기를 제어 가능하므로, 적층부(B)의 기계적 물성을 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention can vary the incident diameter of the laser incident on the target base material 10 through displacement control of the condensing lens 160, thereby controlling the incident diameter of the laser in real time during the process to achieve the best lamination (B ) Since it is possible to form a height and control the size of the microstructure grains of the layered portion B, it is possible to easily control the mechanical properties of the layered portion B.

도 5 및 도 6은 레이저 입사직경의 변화에 따른 비드 및 오버랩의 형상 변화를 나타낸 도면이며, 도 7은 레이저 입사직경의 변화에 따른 결정립 크기 별 적층 형태를 나타낸 도면이다.5 and 6 are diagrams showing a change in shape of a bead and an overlap according to a change in the laser incident diameter, and FIG. 7 is a view showing a lamination shape for each grain size according to a change in the laser incident diameter.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 레이저의 입사직경을 가변시켜 비드 및 오버랩의 크기 및 높이 등을 실시간으로 조절할 수 있으며, 이에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 적층부(B)의 결정립 크기 별 적층 형태를 구현할 수 있다.As shown in Figure 5, the present invention can be adjusted in real time to adjust the size and height of the bead and overlap by varying the incident diameter of the laser, and accordingly, as shown in Figure 7, the grain size of the stacked portion (B) Star stacking can be implemented.

즉 본 발명은 적층 과정이 반복적으로 진행됨에 따라 모재의 온도가 점차 상승되고, 동일한 공정조건임에도 적층부의 형상이 초기와 다르게 변화되는 문제를 원천적으로 방지할 수 있으며, 결정립의 크기를 선택적으로 저절함에 따라 적층부(B)의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.That is, according to the present invention, as the lamination process repeatedly progresses, the temperature of the base material gradually increases, and even though the process conditions are the same, the problem that the shape of the lamination part is changed differently from the initial can be prevented at the source, and the size of crystal grains is selectively reduced Accordingly, it is possible to improve the mechanical properties of the laminated portion (B).

본 실시예의 경우 상기 적층부(B)는 최하부층으로부터 최상층에 이르기까지(L1에서 L5 방향) 결정립 크기가 점차 미세화되는 것으로 예시하였으나, 이와 달리 각 레이어의 결정립 크기는 상기 집광렌즈(160)의 변위 가변을 통한 비드 및 오버랩의 크기 및 높이 등을 실시간으로 조절함에 따라 다양하게 이루어질 수 있음은 물론이다.In the case of the present embodiment, the stacked portion B is illustrated to be gradually refined in size from the lowermost layer to the uppermost layer (L 1 to L 5 directions), but unlike this, the grain size of each layer is the condensing lens 160 Of course, it can be made variously by adjusting the size and height of the bead and overlap through variable displacement in real time.

한편 상기와 같은 본 발명의 레이저 적층장치(100)를 이용한 적층부(B)의 형성 과정은 다음과 같다.Meanwhile, the process of forming the stacked portion B using the laser stacking apparatus 100 of the present invention as described above is as follows.

먼저, 상기 레이저 오실레이터(130)를 통해 레이저를 발진하는 동시에 대상모재(10)의 강화영역 표면에 강화용 분말을 공급한다.First, the laser is oscillated through the laser oscillator 130 and the powder for reinforcing is supplied to the surface of the reinforcing region of the target base material 10.

그리고 상기 제어부(200)는 상기 높이감지센서(124)에 의해 측정된 상기 대상모재(10)와 상기 노즐 어셈블리(120)의 임의 지점 사이의 거리가 기 설정된 기준거리를 만족할 경우, 상기 집광렌즈(160)가 상하 이동되도록 상기 렌즈 어셈블리(150)를 제어하게 된다.In addition, when the distance between the target base material 10 measured by the height sensing sensor 124 and an arbitrary point of the nozzle assembly 120 satisfies a preset reference distance, the control lens 200 may perform the condensing lens ( 160) to control the lens assembly 150 to move up and down.

본 실시예에서 상기 기준거리는 상기 대상모재(10)와 상기 노즐 어셈블리(120)의 임의 지점 사이의 거리가 최소가 되는 시점인 것으로 설정하였으나, 상기 기준거리는 이에 제한되는 것이 아님은 물론이다.In this embodiment, the reference distance is set to be a point in time at which the distance between the target base material 10 and an arbitrary point of the nozzle assembly 120 becomes the minimum, but the reference distance is not limited to this.

이후 상기와 같이 상기 제어부(200)가 상기 렌즈 어셈블리(150)를 상하 이동시켜 레이저의 입사직경을 제어하며 상기 대상모재(10) 상에 원하는 기계적 물성을 가지는 적층부(B)를 형성하게 된다.Thereafter, the control unit 200 moves the lens assembly 150 up and down as described above to control the incident diameter of the laser, and forms a stacked portion B having desired mechanical properties on the target base material 10.

이하에서는, 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, other embodiments of the present invention will be described.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 적층장치(100)에 있어서, 노즐 어셈블리(120)의 레이저 출력공(122) 주변의 모습을 나타낸 도면이다.8 is a view showing a state around the laser output hole 122 of the nozzle assembly 120 in the laser stacking apparatus 100 according to the second embodiment of the present invention.

도 8에 도시된 본 발명의 제2실시예의 경우, 상기 노즐 어셈블리(120)의 레이저 출력공(122) 내측 둘레를 따라 레이저 감지부(126)가 더 구비된 형태를 가진다.In the case of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 8, the laser sensing unit 126 is further provided along the inner circumference of the laser output hole 122 of the nozzle assembly 120.

상기 레이저 감지부(126)는 상기 집광렌즈(160)의 상하 이동에 따라 상기 레이저 출력공(122) 부분을 통과하는 레이저의 횡단면 면적이 증가하여 상기 노즐 어셈블리(120)의 레이저 출력공(122) 주변부를 손상시키는 것을 방지하기 위한 것이다.The laser detection unit 126 increases the cross-sectional area of the laser passing through the portion of the laser output hole 122 according to the vertical movement of the condensing lens 160 to increase the laser output hole 122 of the nozzle assembly 120. This is to prevent damage to the periphery.

즉 상기 레이저 감지부(126)는 상기 레이저 출력공(122) 부분을 통과하는 레이저의 횡단면 면적이 증가함에 따라 레이저가 상기 레이저 감지부(126)에 일정 거리 이하로 인접하게 될 경우 경고신호를 발생시킬 수 있으며, 상기 제어부(200)는 상기 경고신호를 수신하여 상기 집광렌즈(160)의 상하 이동을 중지시키거나, 또는 상기 집광렌즈(160)를 레이저의 횡단면 면적이 감소하는 방향으로 이동시킬 수 있다.That is, the laser detector 126 generates a warning signal when the laser is adjacent to the laser detector 126 within a certain distance as the cross-sectional area of the laser passing through the laser output hole 122 increases. The control unit 200 may stop the vertical movement of the condenser lens 160 by receiving the warning signal, or move the condenser lens 160 in a direction in which the cross-sectional area of the laser decreases. have.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 레이저 적층장치(100)에 있어서, 렌즈 어셈블리(150a, 150b)의 모습을 나타낸 도면이다.9 is a view showing a state of the lens assembly 150a, 150b in the laser stacking apparatus 100 according to the third embodiment of the present invention.

도 9에 도시된 본 발명의 제3실시예의 경우, 렌즈 어셈블리(150a, 150b) 복수 개가 상하 방향으로 서로 이격되어 구비된 형태를 가진다. 이때 각 렌즈 어셈블리(150a, 150b)의 세부 구성은 전술한 실시예들에 나타난 렌즈 어셈블리(150)의 구조와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.In the case of the third embodiment of the present invention illustrated in FIG. 9, a plurality of lens assemblies 150a and 150b are spaced apart from each other in the vertical direction. At this time, since the detailed configuration of each lens assembly 150a, 150b is the same as the structure of the lens assembly 150 shown in the above-described embodiments, redundant description will be omitted.

즉 본 실시예는 상부 렌즈 어셈블리(150a) 및 하부 렌즈 어셈블리(150b)가 서로 독립적으로 상하 이동 가능하게 형성될 수 있으며, 이에 따라 레이저의 입사직경을 보다 유연하게 가변시킬 수 있다.That is, in the present embodiment, the upper lens assembly 150a and the lower lens assembly 150b may be formed to move up and down independently of each other, so that the incident diameter of the laser can be more flexibly varied.

그리고 본 실시예의 경우 상부 렌즈 어셈블리(150a) 및 하부 렌즈 어셈블리(150b)에 구비되는 각 집광렌즈(160)는, 서로 굴절률이 다르게 형성될 수도 있다.In addition, in the case of the present embodiment, each condensing lens 160 provided in the upper lens assembly 150a and the lower lens assembly 150b may have different refractive indices from each other.

예컨대, 상기 상부 렌즈 어셈블리(150a)에 구비되는 집광렌즈(160)의 두께(f2) 및 상기 하부 렌즈 어셈블리(150b)에 구비되는 집광렌즈(160)의 두께(f1)는 서로 다르게 형성됨에 따라 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다.For example, the thickness f 2 of the light collecting lens 160 provided in the upper lens assembly 150a and the thickness f 1 of the light collecting lens 160 provided in the lower lens assembly 150b are different from each other. Accordingly, they may have different refractive indices.

또한 이와 같은 방법 외에도 각 집광렌즈(160)의 투과도, 밀도 등을 서로 다르게 형성하여 서로 다른 굴절률을 가지도록 할 수도 있을 것이다.In addition, in addition to the above method, the transmittance and density of each condenser lens 160 may be formed differently to have different refractive indices.

도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 레이저 적층장치(100)에 있어서, 렌즈 어셈블리(250)의 모습을 평면에서 나타낸 도면이다.10 is a view showing a state of the lens assembly 250 in a plane in the laser stacking apparatus 100 according to the fourth embodiment of the present invention.

도 10에 도시된 본 발명의 제4실시예의 경우, 집광렌즈(260)가 전술한 실시예들과 같이 상하 이동하는 형태가 아니라, 회전하는 형태로 형성된다는 점이 다르다.In the case of the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 10, the difference is that the condenser lens 260 is formed in a rotating form, rather than a vertically moving form, as in the above-described embodiments.

구체적으로 본 실시예에서 상기 집광렌즈(260)는 상기 레이저 오실레이터(130, 도 1 참조) 및 상기 노즐 어셈블리(120, 도 1 참조) 사이에 회전 가능하게 구비되며, 회전 각도에 따라 굴절률이 가변되도록 형성되어 상기 레이저 오실레이터(130)로부터 발생한 레이저의 입사직경을 가변시키도록 할 수 있다.Specifically, in this embodiment, the condenser lens 260 is rotatably provided between the laser oscillator 130 (refer to FIG. 1) and the nozzle assembly 120 (refer to FIG. 1) so that the refractive index is variable according to the rotation angle. It can be formed to vary the incident diameter of the laser generated from the laser oscillator 130.

예컨대, 상기 집광렌즈(260)는 중심점으로부터 방사하는 복수의 방향마다 굴신률, 투과도 및 밀도 등이 다르게 형성될 수 있으며, 이와 같은 경우 상기 집광렌즈(260)의 회전 각도에 따라 레이저가 통과하는 부분의 굴절률이 달라지게 된다.For example, the condensing lens 260 may be formed differently in refractive index, transmittance, and density in a plurality of directions radiating from a center point. In this case, a portion through which the laser passes according to the rotation angle of the condensing lens 260 The refractive index of will be different.

따라서 본 실시예는 상기 집광렌즈(260)를 회전시키는 것으로 레이저의 입사직경을 가변시킬 수 있으며, 레이저 적층장치(100)의 전체 부피를 감소시킬 수 있다.Therefore, in this embodiment, the incident diameter of the laser can be varied by rotating the condensing lens 260, and the overall volume of the laser stacking apparatus 100 can be reduced.

특히 본 실시예의 경우 상기 렌즈 어셈블리(250)는 상기 집광렌즈(260)의 둘레를 감싸는 고정부(270)와, 상기 고정부(270)와 연결되고, 원형의 회전 경로를 제공하는 회전가이드(280)를 따라 회전하는 회전부(272)에 의해 상기 집광렌즈(260)가 회전될 수 있다.In particular, in the case of the present embodiment, the lens assembly 250 includes a fixing part 270 surrounding the circumference of the condensing lens 260, and a rotation guide 280 connected to the fixing part 270 and providing a circular rotation path. The condensing lens 260 may be rotated by a rotating unit 272 rotating along.

그리고 상기 집광렌즈(260)는 전체적으로 타원형으로 형성되어, 심점으로부터 방사하는 복수의 방향마다 굴신률이 다르게 형성되며, 이에 따라 기 집광렌즈(260)의 회전 각도에 따라 레이저가 통과하는 부분의 굴절률이 달라지게 된다.In addition, the condensing lens 260 is formed in an oval shape as a whole, so that the refractive index is differently formed in a plurality of directions radiating from the core, and accordingly, the refractive index of a portion through which the laser passes according to the rotation angle of the condensing lens 260 Will be different.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.As described above, the preferred embodiments according to the present invention have been examined, and the fact that the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit or scope of the embodiments described above has ordinary knowledge in the art. It is obvious to them. Therefore, the above-described embodiments are to be regarded as illustrative rather than restrictive, and accordingly, the present invention is not limited to the above description and may be modified within the scope of the appended claims and their equivalents.

10: 대상모재
B: 적층부
100: 레이저 적층장치
110: 메인프레임
120: 노즐 어셈블리
122: 레이저 출력공
124: 높이감지센서
126: 레이저 감지부
130: 레이저 오실레이터
150: 렌즈 어셈블리
160: 집광렌즈
170: 렌즈 하우징
180: 하우징가이드
200: 제어부10: Target base material
B: lamination
100: laser lamination device
110: mainframe
120: nozzle assembly
122: laser output hole
124: height sensor
126: laser detection unit
130: laser oscillator
150: lens assembly
160: condenser lens
170: lens housing
180: housing guide
200: control unit

Claims (8)

레이저를 발생시키는 레이저 오실레이터;
상기 레이저 오실레이터에 의해 발생한 레이저를 대상모재 방향으로 출력하는 노즐 어셈블리;
상기 레이저 오실레이터와 상기 노즐 어셈블리 사이에 상하 이동 가능하게 구비되며, 상하 이동에 따라 상기 대상모재와의 거리가 가변되도록 형성되어 상기 레이저 오실레이터로부터 발생한 레이저의 입사직경을 가변시키는 집광렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리; 및
상기 집광렌즈가 상하 이동되도록 상기 렌즈 어셈블리를 제어하는 제어부;
를 포함하며,
상기 노즐 어셈블리는,
상기 대상모재와 상기 노즐 어셈블리의 임의 지점 사이의 거리를 감지하는 높이감지센서를 포함하는 레이저 적층장치.A laser oscillator generating a laser;
A nozzle assembly that outputs the laser generated by the laser oscillator in the direction of the target substrate;
A lens assembly including a condensing lens provided to be movable up and down between the laser oscillator and the nozzle assembly, and configured to vary a distance from the target base material according to the vertical movement to vary the incident diameter of the laser generated from the laser oscillator. ; And
A control unit controlling the lens assembly such that the condensing lens moves up and down;
It includes,
The nozzle assembly,
A laser stacking device comprising a height sensor for sensing a distance between the target base material and an arbitrary point of the nozzle assembly. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 높이감지센서에 의해 측정된 상기 대상모재와 상기 노즐 어셈블리의 임의 지점 사이의 거리가 기 설정된 기준거리를 만족할 경우, 상기 집광렌즈가 상하 이동되도록 상기 렌즈 어셈블리를 제어하는 레이저 적층장치.According to claim 1,
The control unit,
When the distance between the target base material measured by the height sensor and an arbitrary point of the nozzle assembly satisfies a preset reference distance, the laser stacking device controls the lens assembly so that the condensing lens moves up and down. 제1항에 있어서,
상기 높이감지센서는 복수 개가 상기 노즐 어셈블리에 구비되는 레이저 출력공의 둘레를 따라 구비되는 레이저 적층장치.According to claim 1,
The height sensing sensor is a laser stacking device that is provided along a circumference of a laser output hole provided in a plurality of nozzle assemblies. 제1항에 있어서,
상기 집광렌즈는 상기 대상모재와의 최소거리가 상기 집광렌즈의 고유 초점거리 이상이 되는 위치에 구비되는 레이저 적층장치.According to claim 1,
The condenser lens is a laser stacking device provided at a position where the minimum distance to the target base material is greater than or equal to the intrinsic focal length of the condenser lens. 제1항에 있어서,
상기 렌즈 어셈블리는,
상기 집광렌즈를 고정시키는 렌즈 하우징; 및
상하 방향으로 길게 형성되어 상기 렌즈 하우징이 상하 이동되도록 가이드하는 하우징가이드;
를 더 포함하는 레이저 적층장치.According to claim 1,
The lens assembly,
A lens housing fixing the condensing lens; And
A housing guide formed long in the vertical direction to guide the lens housing to move vertically;
Laser lamination apparatus further comprising a. 레이저를 발생시키는 레이저 오실레이터;
상기 레이저 오실레이터에 의해 발생한 레이저를 대상모재 방향으로 출력하는 노즐 어셈블리; 및
상기 레이저 오실레이터와 상기 노즐 어셈블리 사이에 회전 가능하게 구비되며, 회전 각도에 따라 굴절률이 가변되도록 형성되어 상기 레이저 오실레이터로부터 발생한 레이저의 입사직경을 가변시키는 집광렌즈를 포함하는 렌즈 어셈블리;
를 포함하며,
상기 노즐 어셈블리는,
상기 대상모재와 상기 노즐 어셈블리의 임의 지점 사이의 거리를 감지하는 높이감지센서를 포함하는 레이저 적층장치.A laser oscillator generating a laser;
A nozzle assembly that outputs the laser generated by the laser oscillator in the direction of the target substrate; And
A lens assembly rotatably provided between the laser oscillator and the nozzle assembly, the lens assembly including a condenser lens configured to vary a refractive index according to a rotation angle to vary an incident diameter of a laser generated from the laser oscillator;
It includes,
The nozzle assembly,
A laser stacking device comprising a height sensor for sensing a distance between the target base material and an arbitrary point of the nozzle assembly.
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