KR102233506B1 - 레이저 용접 방법 및 레이저 용접 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 용가재를 이용한 레이저 용접의 고속화를 도모할 수 있는 동시에 용접 중의 용가재의 온도를 관리해서 양호한 용접 품질을 얻는 것이 가능한 레이저 용접 방법 및 레이저 용접 시스템을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의하면, 레이저 용접 시스템(10A)을 이용해서 레이저 발진기(20)로부터 발진된 레이저 광(L)에 의해 용가재를 용융시켜서 가공부품을 용접하는 레이저 용접 방법에 있어서, 레이저 광(L)을 온시켜서 해당 레이저 광(L)에 의해 용가재를 가열하는 단계와, 시선축이 레이저 광(L)의 광축과 동축이 되도록 설치된 방사 온도계(42)에 의해 레이저 광(L)으로 가열된 용가재의 온도를 측정하는 단계와, 방사 온도계(42)의 측정 온도가 오프 제어 온도에 최초로 도달했을 때 레이저 광을 오프시키는 단계를 행한다.

Description

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

본 발명은, 레이저 광에 의해 용가재(溶加材; filler metal)를 용융시켜서 가공부품을 용접하는 레이저 용접 방법 및 레이저 용접 시스템에 관한 것이다.

레이저 용접은, 예를 들어, 열교환기의 냉각 핀(fin)이나 보석장식품의 미소 부품 등의 경랍땜에 이용되고 있고, 최근에는, 프린트 배선판으로의 전자부품의 납땜에 대한 적용이 검토되고 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 레이저 납땜에 있어서, 레이저 광이 조사된 전극의 온도를 적외선 센서에 의해 실시간 계측하고, 그 계측 결과에 의거해서 레이저 광의 출력을 변화시켜서 상기 전극을 최적 온도로 유지함으로써, 기판의 탄화나 전극 박리 등의 불량을 방지하는 기술적 사상이 제안되어 있다.

JP 2010-260093 A

그런데, 레이저 납땜에 있어서, 레이저 납땜의 고속화(용접 시간의 단축화)가 요망되고 있다. 이러한 고속에서의 레이저 납땜에 의해 양호한 땜납 품질을 얻기 위해서는, 용접 중의 땜납 온도를 관리하는 것이 중요하다.

그러나, 전술한 특허문헌 1과 같은 종래 기술은, 기판의 탄화 등의 불량을 방지하기 위하여 전극 온도를 계측하고 있으므로, 용접 중의 땜납 온도를 관리하는 것은 아니다. 즉, 레이저 납땜을 고속화하면, 용접 중의 땜납 온도와 전극 온도는 일치하지 않으므로, 특허문헌 1과 같이 땜납 온도가 아니라 전극 온도를 측정하는 것으로는 용접 중의 땜납 온도를 관리할 수는 없다.

여기에서, 특허문헌 1과 같은 종래 기술에 있어서 용접 중의 땜납 온도를 계측하면, 해당 땜납 온도가 최적온도가 되도록 레이저 광의 출력이 고속으로 피드백 제어된다. 그렇게 하면, 용접 중의 땜납 온도가 크게 뛰어 올라(즉, 헌팅(hunting)을 일으켜) 바람직하지 않은 온도까지 상승되어 버리는 일이 있다.

또한, 용접 중의 땜납은 용융되어 그 형상이 변화되므로, 해당 땜납으로부터 방사되는 적외선의 광량에는 편차가 있는 것으로 여겨진다. 그리고, 이러한 적외선에 의거해서 땜납 온도를 계측해서 레이저 광의 출력을 고속으로 피드백 제어한 경우, 해당 적외선의 광량의 편차가 피드백 제어에 반영되기 쉬우므로, 용접 중의 땜납 온도를 관리하는 것은 용이하지 않다.

또, 전술한 과제는, 레이저 납땜 등과 같이 용가재를 이용해서 가공부품을 용접하는 레이저 용접에 있어서도 발생할 수 있다.

본 발명은, 이러한 과제를 고려해서 이루어진 것으로, 레이저 용접의 고속화를 도모할 수 있는 동시에 용접 중의 용가재의 온도를 관리해서 양호한 용접 품질을 얻는 것이 가능한 레이저 용접 방법 및 레이저 용접 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 레이저 용접 방법은, 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광에 의해 용가재를 용융시켜서 가공부품을 용접하는 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 레이저 광을 온(on)시켜 해당 레이저 광에 의해 상기 용가재를 가열하는 제1용접 단계와, 시선축(視軸)이 상기 레이저 광의 광축과 동축이 되도록 설치된 방사 온도계에 의해 상기 레이저 광으로 가열된 상기 용가재의 온도를 측정하는 제2용접 단계와, 상기 방사 온도계의 측정 온도가 오프 제어 온도에 최초로 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프(off)시키는 제3용접 단계를 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 레이저 용접 방법에 의하면, 방사 온도계에 의한 용가재의 측정 온도가 오프 제어 온도에 최초로 도달했을 때 레이저 광을 오프시키므로, 용접 중의 용가재의 온도를 관리할 수 있다. 즉, 레이저 용접을 고속화한 경우더라도, 용가재가 바람직하지 않은 온도까지 상승하는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 레이저 용접의 고속화를 도모할 수 있는 동시에 용접 중의 용가재의 온도를 관리해서 양호한 용접 품질을 얻을 수 있다. 또한, 방사 온도계의 시선축과 레이저 광의 광축이 동축이기 때문에, 용가재에 레이저 광이 조사된 상태에서 해당 용가재의 온도를 용이하고도 확실하게 측정할 수 있다.

상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 제3용접 단계 후, 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도 이하로 저하되고 나서 상기 레이저 광을 재차 온시켜서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시키는 제어를, 소정 시간 반복하는 제4용접 단계를 행해도 된다.

이와 같이 소정의 오프 제어 온도에 있어서 레이저 광의 오프를 반복해서 행함으로써, 제4용접 단계에서 용가재에 대한 입열량(heat input)을 조정할 수 있으므로, 용가재를 적절한 온도로 관리할 수 있다.

상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 제4용접 단계에서는, 상기 레이저 광이 오프되고 나서 소정 시간 경과한 이후에 상기 레이저 광을 온시키고, 상기 레이저 광이 온되고 나서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시켜도 된다.

이러한 방법에 따르면, 제4용접 단계에 있어서 용가재가 바람직하지 않은 온도까지 상승하는 것을 억제하면서 간이한 제어로 용가재에 대한 입열량을 조정할 수 있다.

상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 제4용접 단계에서는, 상기 레이저 광이 오프되고 나서 상기 측정 온도가 온 제어 온도 이하로 저하된 후에 상기 레이저 광을 온시키고, 상기 레이저 광이 온되고 나서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시켜도 된다.

이러한 방법에 따르면, 제4용접 단계에 있어서 용가재가 바람직하지 않은 온도까지 상승하는 것을 억제하면서 용가재에 대한 입열량을 고정밀도로 조정할 수 있다.

상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 제4용접 단계에서는, 상기 레이저 광의 온 오프에 의한 상기 측정 온도의 변동폭이 소정 폭 이상으로 되도록, 상기 레이저 발진기에 온 신호가 입력되고 나서 상기 레이저 광이 발진될 때까지의 지연 시간, 상기 레이저 광의 상승 속도 및 상기 레이저 광의 하강 속도를 조정해도 된다.

이러한 방법에 따르면, 레이저 광의 온 오프에 의한 측정 온도의 변동폭이 소정 폭 이상으로 되므로, 용가재가 유동(대류)되어 적셔져서 확산되기 쉽게 하는 것이 가능하다. 또한, 용가재를 유동시킴으로써, 용융된 용가재 중의 기포(블로우홀(blowhall))를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 지연 시간, 상승 속도 및 하강 속도를 조정하므로, 간이한 제어로 상기 측정 온도의 변동폭을 소정값 이상으로 할 수 있다.

상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 제4용접 단계에서는, 상기 변동폭의 하한값이 상기 용가재의 융점 이상으로 되도록, 상기 지연 시간 및 상기 상승 속도를 조정해도 된다.

이러한 방법에 따르면, 용가재가 더욱 적셔져서 확산되기 쉽게 할 수 있는 동시에 간이한 제어로 상기 변동폭의 하한값을 용가재의 융점 이상으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 용접 시스템은, 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광에 의해 용가재를 용융시켜서 가공부품을 용접하는 레이저 용접 시스템에 있어서, 상기 레이저 광에 의해 가열된 상기 용가재의 온도를 측정하는 방사 온도계와, 상기 방사 온도계의 측정 온도가 오프 제어 온도에 최초로 도달했을 때 상기 레이저 발진기를 제어해서 상기 레이저 광을 오프시키는 레이저 제어부를 포함하되, 상기 방사 온도계는, 해당 방사 온도계의 시선축이 상기 레이저 광의 광축과 동축이 되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 레이저 용접 시스템에 있어서, 상기 레이저 제어부는, 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 최초로 도달해서 상기 레이저 광이 오프된 후, 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도 이하로 저하되고 나서 상기 레이저 광을 재차 온시켜서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시키는 제어를, 소정 시간 반복해도 된다.

상기 레이저 용접 시스템에 있어서, 상기 레이저 제어부는, 상기 레이저 광이 오프되고 나서 소정 시간 경과한 이후에 상기 레이저 광을 온시키고, 상기 레이저 광이 온되고 나서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시켜도 된다.

상기 레이저 용접 시스템에 있어서, 상기 레이저 제어부는, 상기 레이저 광이 오프되고 나서 상기 측정 온도가 온 제어 온도 이하로 저하된 후에 상기 레이저 광을 온시키고, 상기 레이저 광이 온되고 나서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시켜도 된다.

상기 레이저 용접 시스템에 있어서, 상기 레이저 제어부는, 상기 레이저 광의 온 오프에 의한 상기 측정 온도의 변동폭이 소정 폭 이상으로 되도록, 상기 레이저 발진기에 온 신호가 입력되고 나서 상기 레이저 광이 발진될 때까지의 지연 시간, 상기 레이저 광의 상승 속도 및 상기 레이저 광의 하강 속도를 조정해도 된다.

상기 레이저 용접 시스템에 있어서, 상기 레이저 제어부는, 상기 변동폭의 하한값이 상기 용가재의 융점 이상으로 되도록, 상기 지연 시간 및 상기 상승 속도를 조정해도 된다.

본 발명에 따르면, 방사 온도계에 의한 용가재의 측정 온도가 오프 제어 온도에 최초로 도달했을 때 레이저 광을 오프시키므로, 레이저 용접의 고속화를 도모할 수 있는 동시에 용접 중의 용가재의 온도를 관리해서 양호한 용접 품질을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 레이저 용접 시스템을 나타낸 블록도;
도 2는 지연 시간, 상승 속도 및 하강 속도의 설명도;
도 3은 제1실시형태에 따른 레이저 용접 방법을 설명하기 위한 제1순서도;
도 4는 상기 레이저 용접 방법을 설명하기 위한 제2순서도;
도 5A는 제1실시형태에 따른 레이저 용접의 제1상태를 나타낸 평면 설명도이고, 도 5B는 해당 레이저 용접의 제2상태를 나타낸 평면 설명도이며, 도 5C는 해당 레이저 용접의 제3상태를 나타낸 평면 설명도;
도 6은 상기 레이저 용접에 있어서의 레이저 출력의 시간 변화와 땜납 측정 온도의 시간 변화의 관계를 나타낸 그래프;
도 7은 본 발명의 제2실시형태에 따른 레이저 용접 시스템을 나타낸 블록도;
도 8은 제2실시형태에 따른 레이저 용접 방법을 설명하기 위한 순서도;
도 9는 제2실시형태에 따른 레이저 용접에 있어서의 레이저 출력의 시간 변화와 땜납 측정 온도의 시간 변화의 관계를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명에 따른 레이저 용접 방법 및 레이저 용접 시스템에 대해서 바람직한 실시형태를 들어, 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

(제1실시형태)

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 따른 레이저 용접 시스템(10A)은, 레이저 광(L)에 의해 용가재로서의 땜납(S)을 용융시켜서 복수의 가공부품을 용접하는 레이저 납땜 시스템으로서 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 레이저 용접 시스템(10A)을 이용해서 관통 구멍 실장을 행하는 예에 대해서 설명하지만, 레이저 용접 시스템(10A)을 이용해서 표면 실장을 행하는 것도 당연 가능하다.

본 실시형태에 있어서, 복수의 가공부품으로서, 관통 구멍(200)의 외주 측에 원환 형상의 랜드(land)(202)가 설치된 프린트 배선판(204)과, 관통 구멍(200)에 삽입되는 리드 단자(전극)(206)를 구비하는 전자부품(208)이 이용된다. 즉, 레이저 용접 시스템(10A)은 리드 단자(206)를 랜드(202)에 대해서 납땜하는 것이다.

레이저 용접 시스템(10A)은, 프린트 배선판(204) 및 전자부품(208)을 지지하는 스테이지(12)와, 프린트 배선판(204)을 향해서 레이저 광(L)을 조사하는 레이저 장치(14)와, 땜납(S)(실땜납)을 랜드(202)에 공급하기 위한 땜납 공급 장치(16)와, 제어부(18)를 구비한다.

스테이지(12)는, 레이저 장치(14)를 구성하는 후술하는 출사 유닛(24)에 대해서 프린트 배선판(204)을 수평 방향으로 이동시키기 위한 도시하지 않은 구동 기구와, 프린트 배선판(204)을 지지하면서 경동(傾動)시키기 위한 도시하지 않은 경동 기구를 구비하고 있다. 이것에 의해, 프린트 배선판(204)을 출사 유닛(24)에 대해서 용이하게 위치 결정(위치 보정)할 수 있다.

레이저 장치(14)는, 레이저 광(L)을 발진시키는 레이저 발진기(20)와, 레이저 발진기(20)로부터 발진된 레이저 광(L)을 전송하는 광 섬유(22)와, 광 섬유(22)로부터 출사된 레이저 광(L)을 프린트 배선판(204)을 향해서 출사하는 출사 유닛(24)을 구비하고 있다.

레이저 발진기(20)는, LD(레이저 다이오드) 전원과, LD 전원의 구동 전류에 의거해서 소정 파장의 레이저 광(L)을 발진하는 LD를 구비한다. LD 전원은 제어부(18)로부터의 레이저 제어 신호에 의거해서 구동 전류를 LD에 공급한다. LD는 LD 전원으로부터 공급된 구동 전류에 대응한 출력의 레이저 광(L)을 발진시킨다. 본 실시형태에 있어서, LD는 915㎚의 파장의 레이저 광(L)을 발진시킨다. 또한, LD는 소위 FC-LD(파이버 커플링 레이저 다이오드)로서 구성할 수 있다. 단, 레이저 발진기(20)는, 상기 구성으로 한정되는 일 없이, 각종 구성을 채용할 수 있다.

출사 유닛(24)은, 광 섬유(22)로부터 출사되어서 콜리메이트 렌즈(26)에 의해 평행화된 레이저 광(L)을 프린트 배선판(204)을 향해서 반사하는 미러(28)와, 미러(28)에 의해 반사된 레이저 광(L)을 집광하는 집광 렌즈(30)와, 집광 렌즈(30)를 보호하기 위한 보호 유리(32)를 포함한다.

미러(28)는, 레이저 광(L)을 반사시키는 동시에 레이저 광(L)의 파장과는 다른 파장의 광을 투과시킨다. 미러(28)는, 예를 들어, 가시광(VL) 및 소정 영역의 적외광(IL)을 투과시키는 범용의 유전체 다층막 미러로서 구성할 수 있다. 구체적으로는, 미러(28)는 1800㎚ 내지 2300㎚의 적외 영역의 파장을 지니는 적외광(IL)을 투과 가능하게 되어 있다.

또, 출사 유닛(24)은 미러(34), 집광 렌즈(36), 촬상 유닛(38), 집광 렌즈(40), 방사 온도계(42)를 더 구비하고 있다. 미러(34)는, 프린트 배선판(204), 전자부품(208) 및 땜납(S)(이하, "가공부품 등"이라고 지칭할 경우도 있음)으로부터 유도되어 미러(34)를 투과한 가시광(VL)을 반사시키는 한편 가공부품 등으로부터 유도되어서 미러(34)를 투과한 적외광(IL)을 투과시킨다.

집광 렌즈(36)는 미러(34)에 의해 반사된 가시광(VL)을 촬상 유닛(38)에 집광시킨다. 촬상 유닛(38)은 집광 렌즈(36)에 의해 집광된 가시광(VL)을 수광해서 가공부품 등을 촬상한다. 촬상 유닛(38)에 의해 촬상된 정보(화상)는, 제어부(18)에 출력된다. 또한, 상기 화상은 도시하지 않은 표시부에 표시시키도록 해도 된다. 촬상 유닛(38)으로서는, 예를 들어, CCD 카메라를 이용할 수 있다.

집광 렌즈(40)는 미러(34)를 투과한 적외광(IL)을 집광시킨다. 방사 온도계(42)는 집광 렌즈(40)에 의해 집광된 적외광(IL)을 수광해서 랜드(202) 또는 땜납(S)의 온도를 측정한다. 방사 온도계(42)로서는, 예를 들어, 적외선 온도 센서를 이용할 수 있다.

이와 같이 구성되는 출사 유닛(24)에 있어서, 촬상 유닛(38) 및 방사 온도계(42)는, 각 시선축이 랜드(202) 또는 땜납(S)에 조사되는 레이저 광(L)의 광축과 동축으로 되어 있다. 이것에 의해, 촬상 유닛(38)을 이용해서 용접 중의 땜납(S)의 상태를 용이하고도 확실하게 촬상할 수 있는 동시에, 방사 온도계(42)를 이용해서 용접 중의 땜납(S)의 온도를 용이하고도 확실하게 측정할 수 있다.

제어부(18)는 촬상 유닛(38) 및 방사 온도계(42)를 구동 제어한다. 또한, 제어부(18)는 기억부(44), 온도 판정부(46), 레이저 제어부(48) 및 땜납 공급 제어부(50)를 구비하고 있다.

기억부(44)에는, 예를 들어, 오프 제어 온도(Toff) 및 온 제어 온도(Ton) 등이 기억되어 있다. 오프 제어 온도(Toff) 및 온 제어 온도(Ton)의 각각은, 땜납(S)의 융점(Tm)으로부터 납땜 상한 온도(양호한 땜납(S)을 행할 수 없는 바람직하지 않은 상한 온도)(Tl)까지의 사이의 온도로 설정된다(도 6 참조). 환원하면, 오프 제어 온도(Toff)는, 레이저 광(L)을 오프할 때에 땜납 온도가 납땜 상한 온도(Tl)에 도달하지 않는 바와 같은 온도로 설정되고, 온 제어 온도(Ton)는, 레이저 광(L)을 온시킬 때에 땜납 온도가 땜납(S)의 융점(Tm) 이상으로 유지되는 바와 같은 온도로 설정된다.

본 실시형태에서는, 오프 제어 온도(Toff)는 온 제어 온도(Ton)보다도 높은 온도로 설정되어 있다. 이 경우, 레이저 광(L)의 온 오프에 의한 땜납 측정 온도(T)의 변동폭(ΔT)을 비교적 크게 할 수 있다. 또한, 오프 제어 온도(Toff)는, 온 제어 온도(Ton)와 같은 온도 또는 온 제어 온도(Ton)보다도 낮은 온도로 설정해도 된다.

온도 판정부(46)는 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했는지의 여부를 판정한다. 또한, 온도 판정부(46)는 땜납 측정 온도(T)가 온 제어 온도(Ton) 이하로 저하되었는지의 여부를 판정한다.

레이저 제어부(48)는, 온도 판정부(46)의 판정 결과에 의거해서 레이저 발진기(20)에 소정의 레이저 제어 신호(온 신호 또는 오프 신호)를 출력함으로써 레이저 광(L)을 온 오프시킨다. 또한, 레이저 제어부(48)는, 땜납 측정 온도(T)에 의거해서, 온 신호가 레이저 발진기(20)에 입력되고 나서 레이저 광(L)이 출력될 때까지의 지연 시간(딜레이 시간)(td), 레이저 광(L)의 상승 속도(Va) 및 레이저 광(L)의 하강 속도(Vb)를 조정하는 조정 신호를 레이저 발진기(20)에 출력한다(도 2 참조).

땜납 공급 제어부(50)는 땜납 공급 장치(16)를 제어해서 땜납(S)의 공급 및 정지를 행한다.

본 실시형태에 따른 레이저 용접 시스템(10A)은, 기본적으로는 이상과 같이 구성되는 것이며, 이하, 해당 레이저 용접 시스템(10A)을 이용한 레이저 용접 방법(레이저 납땜 방법)에 대해서 도 3 내지 도 6을 참조하면서 설명한다. 또, 도 6에서는, 방사 온도계(42)에 의한 땜납 측정 온도(T)를 가는 선으로 표시하고, 레이저 출력을 굵은 선으로 표시하고 있다. 후술하는 도 9에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 초기 상태에 있어서, 프린트 배선판(204)이 스테이지(12)에 배치된 상태에서 전자부품(208)의 리드 단자(206)가 관통 구멍(200)에 삽입 통과되고 있다.

우선, 납땜을 행하는 프린트 배선판(204)과 출사 유닛(24)의 위치 결정을 행한다(도 3의 단계 S1). 즉, 스테이지(12)를 이동 또는 경동시킴으로써, 레이저 광(L)의 조사 위치를 프린트 배선판(204)의 랜드(202)에 위치 결정한다.

계속해서, 레이저 제어부(48)는, 레이저 발진기(20)를 제어해서 레이저 광(L)을 온시키는 동시에 땜납(S)의 공급을 개시한다(단계 S2: 제1용접 단계). 즉, 레이저부(48)는, 온 신호를 레이저 발진기(20)에 출력한다. 레이저 발진기(20)에 온 신호가 입력되면, LD 전원으로부터 LD에 구동 전류가 공급되어서 해당 LD로부터 소정 출력의 레이저 광(L)이 발진된다. 또한 동시에, 땜납 공급 제어부(50)는 땜납 공급 장치(16)를 구동 제어해서 랜드(202)로의 땜납(S)의 공급을 개시한다.

또, 땜납(S)의 공급 개시 전에 랜드(202)에 레이저 광(L)을 조사하여, 랜드(202)를 예비적으로 가열해도 된다. 이와 같이 하면, 랜드(202)에 대한 땜납(S)의 젖음성을 양호하게 할 수 있다. 또한 이때, 랜드(202)의 온도를 방사 온도계(42)에 의해서 측정하여, 소망의 온도에 도달한 시점에서 땜납(S)의 공급을 개시할 수도 있다.

레이저 발진기(20)로부터 발진된 레이저 광(L)은, 광 섬유(22)로부터 출사되어서 콜리메이트 렌즈(26)에 의해 평행화된 후, 미러(28)에 의해 반사되어서 집광 렌즈(30)에 의해 공급이 개시된 땜납(S)을 향해서 집광 조사된다(도 5A 참조). 그리고, 방사 온도계(42)는 레이저 광(L)에 의해서 가열된 땜납 온도를 측정한다(단계 S3: 제2용접 단계).

레이저 광(L)이 조사된 땜납(S)은, 용융되어 랜드(202)의 전체에 적셔져서 확산되기 시작한다(도 5B 참조). 또한, 온도 판정부(46)는, 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했는지의 여부를 판정한다(단계 S4). 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달하고 있지 않다고 온도 판정부(46)가 판정한 경우, 단계 S4의 처리를 반복해서 행한다.

한편, 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했다고 온도 판정부(46)가 판정한 경우(단계 S4: 예), 레이저 제어부(48)는, 레이저 발진기(20)를 제어해서 레이저 광(L)을 오프시킨다(단계 S5: 제3용접 단계). 즉, 레이저 제어부(48)는, 오프 신호를 레이저 발진기(20)에 출력한다. 레이저 발진기(20)에 오프 신호가 입력되면, LD 전원으로부터 LD에 공급되어 있던 구동 전류가 정지되어 해당 LD로부터의 레이저 광(L)의 발진이 정지된다.

도 6으로부터 이해되는 바와 같이, 레이저 광(L)을 오프시키면, 땜납 측정 온도(T)는, 오프 제어 온도(Toff)보다도 다소 상승한 후에 하강한다. 그러나, 본 실시형태에서는, 오프 제어 온도(Toff)를 납땜 상한 온도(Tl)보다도 적당히 낮은 온도로 설정하고 있으므로, 땜납 온도가 납땜 상한 온도(Tl)까지 상승하지 않는다. 또한, 프린트 배선판(204)의 온도가 아니라 땜납(S)의 온도를 방사 온도계(42)로 측정하고 있으므로, 레이저 납땜을 고속화한 경우더라도 땜납 온도가 납땜 상한 온도(Tl)까지 상승하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 레이저 제어부(48)는, 피드백 제어를 행하지 않으므로, 레이저 납땜을 고속화해도 땜납 온도의 과도한 헌팅을 억제할 수 있다.

그 후, 제어부(18)는, 납땜 완료 조건을 만족시키고 있는지의 여부를 판정한다(단계 S6). 본 실시형태에 있어서, 납땜 완료 조건이란, 레이저 광(L)에 의해서 가열 용융시킨 땜납(S)이 랜드(202)의 대략 전체에 적절하게 적셔져서 확산된 상태를 말한다(도 5C 참조). 또한, 제어부(18)는, 해당 조건을 만족시키고 있는지의 여부를 촬상 유닛(38)으로 촬상된 화상정보에 의거해서 행한다.

납땜 완료 조건을 만족시키고 있다고 제어부(18)가 판정한 경우, 땜납 공급 장치(16)는 땜납(S)의 공급을 정지한다(단계 S7). 이 단계에서, 금회의 납땜이 종료된다.

납땜 완료 조건을 만족시키고 있지 않다고 제어부(18)가 판정한 경우, 레이저 제어부(48)는, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어를 행한다(단계 S8: 제4용접 단계). 구체적으로는, 온도 판정부(46)는, 땜납 측정 온도(T)가 온 제어 온도(Ton) 이하로 저하되었는지의 여부를 판정한다(도 4의 단계 S9). 땜납 측정 온도(T)가 온 제어 온도(Ton)보다도 높다고 온도 판정부(46)가 판정한 경우, 단계 S9의 처리를 반복해서 행한다.

땜납 측정 온도(T)가 온 제어 온도(Ton) 이하로 저하되었다고 온도 판정부(46)가 판정한 경우(단계 S9: 예), 레이저 제어부(48)는, 레이저 발진기(20)를 제어해서 레이저 광(L)을 온시킨다(단계 S10). 이때, 레이저 제어부(48)는, 레이저 광(L)의 온 오프에 의한 땜납 측정 온도(T)의 변동폭(ΔT)이 소정 폭(예를 들어, 10℃) 이상으로 되는 동시에 해당 변동폭(ΔT)의 하한값이 땜납(S)의 융점(Tm) 이상으로 되도록, 조정 신호를 레이저 발진기(20)에 출력해서 지연 시간(td) 및 상승 속도(Va)를 조정한다.

도 6으로부터 이해되는 바와 같이, 레이저 광(L)을 온시키면, 땜납 측정 온도(T)는 온 제어 온도(Ton)보다도 다소 하강한 후에 상승한다. 그러나, 본 실시형태에서는, 온 제어 온도(Ton)를 땜납(S)의 융점(Tm)보다도 적당히 높은 온도로 설정하고 있으므로, 땜납 온도가 땜납(S)의 융점(Tm)까지 하강하는 일은 없다.

계속해서, 온도 판정부(46)는, 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했는지의 여부를 판정한다(단계 S11). 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달하고 있지 않다고 온도 판정부(46)가 판정한 경우, 단계 S11의 처리를 반복한다.

한편, 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했다고 온도 판정부(46)가 판정한 경우(단계 S11: 예), 레이저 제어부(48)는, 레이저 발진기(20)를 제어해서 레이저 광(L)을 오프시킨다(단계 S12). 이 단계 S12는, 기본적으로 전술한 단계 S5와 마찬가지이므로 그 상세한 설명을 생략한다. 이 단계 S12에 있어서, 레이저 제어부(48)는, 레이저 광(L)의 온 오프에 의한 땜납 측정 온도(T)의 변동폭(ΔT)이 상기 소정 폭 이상으로 되도록, 조정 신호를 레이저 발진기(20)에 출력해서 하강 속도(Vb)를 조정한다.

그 후, 제어부(18)는, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어를 시작하고 나서 소정 제어 시간이 경과했는지의 여부를 판정한다(단계 S13). 소정 제어 시간을 경과하고 있지 않다고 제어부(18)가 판정한 경우(단계 S13: 아니오)에는, 단계 S9 이후의 처리를 재차 행한다. 소정 제어 시간을 경과했다고 제어부(18)가 판정한 경우(단계 S13: 예)에는, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어가 종료되고, 도 3의 단계 S6 이후의 처리를 행한다.

본 실시형태에 따르면, 방사 온도계(42)에 의한 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 최초로 도달했을 때 레이저 광(L)을 오프시키므로, 용접 중의 땜납 온도를 관리할 수 있다. 즉, 레이저 납땜을 고속화한 경우더라도, 땜납 온도가 납땜 상한 온도(Tl)까지 상승하는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 레이저 납땜의 고속화를 도모할 수 있는 동시에 용접 중의 땜납 온도를 관리해서 양호한 땜납 품질을 얻을 수 있다. 또한, 방사 온도계(42)의 시선축과 레이저 광(L)의 광축이 동축이기 때문에, 땜납(S)에 레이저 광(L)이 조사된 상태에서 땜납 온도를 용이하고도 확실하게 측정할 수 있다.

또, 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 최초로 도달했을 때 레이저 광(L)을 오프시킨 후(제3용접 단계 후), 납땜 완료 조건이 만족되고 있지 않을 경우(단계 S6: 아니오)에 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어(제4용접 단계)를 행하고 있다. 그리고, 이 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어에 있어서, 레이저 제어부(48)는, 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff) 이하로 저하되고 나서 레이저 광(L)을 재차 온시키고 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했을 때 상기 레이저 광(L)을 오프시키는 제어를, 소정 시간 반복하고 있다. 이와 같이 오프 제어 온도(Toff)에 있어서 레이저 광(L)의 오프를 반복해서 행함으로써, 땜납(S)에 대한 입열량을 조정할 수 있으므로, 땜납(S)을 적절한 온도로 관리할 수 있다.

본 실시형태에서는, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어에 있어서, 레이저 제어부(48)는, 레이저 광(L)이 오프되고 나서 땜납 측정 온도(T)가 온 제어 온도(Ton) 이하로 저하된 후에 레이저 광(L)을 온시키고, 레이저 광(L)이 온되고 나서 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했을 때 레이저 광(L)을 오프시키고 있다. 이것에 의해, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어에 있어서, 땜납 온도가 납땜 상한 온도(Tl)까지 상승하는 것을 억제하면서 땜납(S)에 대한 입열량을 고정밀도로 조정할 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어에서는, 레이저 광(L)의 온 오프에 의한 땜납 측정 온도(T)의 변동폭(ΔT)이 소정 폭 이상으로 되는 동시에 해당 변동폭(ΔT)의 하한값이 땜납(S)의 융점(Tm) 이상으로 되므로, 땜납(S)이 유동(대류)되어서 적셔져서 확산되기 쉽게 하는 것이 가능하다. 또한, 땜납(S)을 유동시킴으로써, 용융한 땜납(S) 중의 기포(블로우홀)를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 단계 S10에 있어서 지연 시간(td) 및 상승 속도(Va)를 조정하고, 단계 S12에 있어서 하강 속도(Vb)를 조정하고 있으므로, 간이한 제어로 땜납 측정 온도(T)의 변동폭(ΔT)을 소정값 이상으로 하는 동시에 해당 변동폭(ΔT)의 하한값을 땜납(S)의 융점(Tm) 이상으로 할 수 있다.

(제2실시형태)

다음에, 본 발명의 제2실시형태에 따른 레이저 용접 시스템(10B) 및 레이저 용접 방법에 대해서 설명한다. 또, 제2실시형태에 따른 레이저 용접 시스템(10B)에 있어서, 제1실시형태에 따른 레이저 용접 시스템(10A)과 동일 또는 마찬가지 기능 및 효과를 발휘하는 요소에는 동일한 참조 부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략한다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 레이저 용접 시스템(10B)은, 제어부(58)의 구성이 전술한 제어부(18)의 구성과 다르다. 제어부(58)는, 카운터(60) 및 시간 판정부(62)를 더 구비하고 있다. 카운터(60)는, 레이저 광(L)이 오프되고 나서의 시간을 카운트한다. 시간 판정부(62)는, 카운트 시간(t)이 소정 시간(ta)을 경과했는지의 여부를 판정한다. 여기에서, 소정 시간(ta)이란, 레이저 광(L)이 오프되었을 때부터 땜납 온도가 소정 온도(제1실시형태의 온 제어 온도(Ton)에 상당하는 온도)에 도달할 때까지의 시간으로 설정된다.

본 실시형태에 따른 레이저 용접 시스템(10B)은, 기본적으로는 이상과 같이 구성되는 것이며, 이하, 해당 레이저 용접 시스템(10B)을 이용한 레이저 용접 방법(레이저 납땜 방법)에 대해서 도 8 및 도 9를 참조하면서 설명한다. 본 실시형태에 따른 레이저 용접 방법에 있어서, 전술한 제1실시형태에 따른 레이저 용접 방법과 마찬가지 단계에 대해서는, 그 설명을 생략한다. 또한, 도 8에 있어서의 단계 S21 내지 단계 S24는, 도 4에 있어서의 단계 S10 내지 단계 S13의 처리에 대응하고 있어 마찬가지의 처리가 행해지므로, 단계 S21 내지 단계 S24의 상세한 설명을 생략한다.

본 실시형태의 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어에 있어서, 시간 판정부(62)는, 카운트 시간(t)이 소정 시간(ta)을 경과했는지의 여부를 판정한다(도 8의 단계 S20). 또한, 카운트 시간(t)은, 레이저 광(L)이 오프되고 나서의 경과 시간이다. 그 때문에, 본 실시형태에서는, 도 3의 단계 S5에 있어서, 카운터(60)는, 레이저 광(L)이 오프되고 나서의 시간을 카운트하고 있다. 카운트 시간(t)이 소정 시간(ta)을 경과하고 있지 않다고 시간 판정부(62)가 판정한 경우, 단계 S20의 처리를 반복해서 행한다.

카운트 시간(t)이 소정 시간(ta)을 경과했다고 시간 판정부(62)가 판정한 경우(단계 S20: 예), 레이저 제어부(48)는 레이저 발진기(20)를 제어해서 레이저 광(L)을 온시킨다(단계 S21).

그 후, 온도 판정부(46)는, 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했는지의 여부를 판정하여(단계 S22), 도달하고 있지 않을 경우에는 단계 S22의 처리를 반복해서 행한다. 한편, 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했다고 판정되었을 경우, 레이저 제어부(48)는 레이저 발진기(20)를 제어해서 레이저 광(L)을 오프시킨다(단계 S23).

그 후, 제어부(18)는, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어를 시작하고 나서 소정 제어 시간이 경과했는지의 여부를 판정하여(단계 S24), 소정 제어 시간이 경과하고 있지 않을 경우에는 단계 S20 이후의 처리를 재차 행하고, 소정 제어 시간을 경과한 경우에는 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어를 종료하고, 도 3의 단계 S6 이후의 처리를 행한다.

본 실시형태에 따르면, 제1실시형태에서 설명한 효과와 마찬가지 효과를 발휘한다. 또, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어에 있어서, 레이저 제어부(48)는, 레이저 광(L)이 오프되고 나서 소정 시간(ta) 경과한 이후에 레이저 광(L)을 온시키고, 레이저 광(L)이 온되고 나서 땜납 측정 온도(T)가 오프 제어 온도(Toff)에 도달했을 때 레이저 광(L)을 오프시키고 있다. 이것에 의해, 레이저 광(L)의 반복 온도 스탑 제어에 있어서, 땜납 온도가 납땜 상한 온도(Tl)까지 상승하는 것을 억제하면서 간이한 제어로 땜납(S)에 대한 입열량을 조정할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 용접 시스템 및 레이저 용접 방법은, 전술한 실시형태로 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하는 일 없이, 각종 구성을 선택할 수 있는 것은 물론이다. 본 발명에 따른 레이저 용접 시스템 및 레이저 용접 방법은, 크림 땜납을 미리 랜드에 마련해둔 상태에서 레이저 납땜을 행해도 된다. 또한, 전술한 실시형태에서는, 레이저 납땜에 대해서 설명했지만, 레이저 광에 의해 용가재로서의 경랍을 용융시켜서 복수의 가공부품을 용접하는 레이저 경랍땜에 대해서 본 발명에 따른 레이저 용접 시스템 및 레이저 용접 방법을 적용해도 된다.

10A, 10B: 레이저 용접 시스템 14: 레이저 장치
18, 58: 제어부 20: 레이저 발진기
42: 방사 온도계 46: 온도 판정부
48: 레이저 제어부 60: 카운터
62: 시간 판정부 202: 랜드
204: 프린트 배선판 208: 전자부품
L: 레이저 광 S: 땜납

Claims (12)

1. 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광에 의해 용가재(溶加材; filler metal)를 용융시켜서 가공부품을 용접하는 레이저 용접 방법에 있어서,
   상기 레이저 광을 온(on)시켜서 해당 레이저 광에 의해 상기 용가재를 가열하는 제1용접 단계;
   시선축(視軸)이 상기 레이저 광의 광축과 동축이 되도록 설치된 방사 온도계에 의해 상기 레이저 광으로 가열된 상기 용가재의 온도를 측정하는 제2용접 단계;
   상기 방사 온도계의 측정 온도가 오프 제어 온도에 최초로 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프(off)시키는 제3용접 단계;
   상기 제3용접 단계 후, 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도 이하로 저하되고 나서 상기 레이저 광을 재차 온시켜서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시키는 제어를, 소정 시간 반복하는 제4용접 단계를 행하되,
   상기 제4용접단계에서는, 상기 레이저 광을 온시킬 때에는 상기 레이저 발진기를 제어하는 레이저 제어부가 상기 레이저 발진기에 온 신호가 입력되고 나서 상기 레이저 광이 발진될 때까지의 지연 시간 및 상기 레이저 광의 상승 속도를 조정하기 위한 제1 조정 신호를 상기 레이저 발진기에 공급하고, 상기 레이저광을 오프시킬 때에는 상기 레이저 제어부가 상기 레이저 광의 하강 속도를 조정하기 위한 제2 조정 신호를 상기 레이저 발진기에 공급함으로써 상기 레이저 광의 온 오프에 따른 상기 측정 온도의 변동폭이 소정 폭 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제4용접 단계에서는, 상기 레이저 광이 오프되고 나서 소정 시간 경과한 이후에 상기 레이저 광을 온시키고, 상기 레이저 광이 온되고 나서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제4용접 단계에서는, 상기 레이저 광이 오프되고 나서 상기 측정 온도가 온 제어 온도 이하로 저하된 후에 상기 레이저 광을 온시키고, 상기 레이저 광이 온되고 나서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제4용접 단계에서는, 상기 변동폭의 하한값이 상기 용가재의 융점 이상으로 되도록, 상기 지연 시간 및 상기 상승 속도를 조정하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
5. 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광에 의해 용가재를 용융시켜서 가공부품을 용접하는 레이저 용접 시스템에 있어서,
   상기 레이저 광에 의해 가열된 상기 용가재의 온도를 측정하는 방사 온도계; 및
   상기 방사 온도계의 측정 온도가 오프 제어 온도에 최초로 도달했을 때 상기 레이저 발진기를 제어해서 상기 레이저 광을 오프시키는 레이저 제어부를 포함하되,
   상기 방사 온도계는, 해당 방사 온도계의 시선축이 상기 레이저 광의 광축과 동축이 되도록 설치되고,
   상기 레이저 제어부는, 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 최초로 도달해서 상기 레이저 광이 오프된 후, 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도 이하로 저하되고 나서 상기 레이저 광을 재차 온시켜서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시키는 제어를, 소정 시간 반복하고,
   상기 레이저 광을 온 오프하는 제어를 소정 시간 반복할 때, 상기 레이저광을 온시킬 때에는 상기 레이저 발진기에 온 신호가 입력된 후 상기 레이저 광이 발진될 때까지의 지연 시간 및 상기 레이저 광의 상승 속도를 조정하기 위한 제1 조정 신호를 상기 레이저 발진기에 공급하고,
   상기 레이저 광을 온 오프하는 제어를 소정 시간 반복할 때, 상기 레이저 광을 오프시킬 때에는 상기 레이저 광의 하강 속도를 조정하기 위한 제2 조정신호를 상기 레이저 발진기에 공급함으로써,
   상기 레이저 광의 온 오프에 의한 상기 측정 온도의 변동폭이 소정 폭 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 레이저 제어부는, 상기 레이저 광이 오프되고 나서 소정 시간 경과한 이후에 상기 레이저 광을 온시키고, 상기 레이저 광이 온되고 나서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
7. 제5항에 있어서,
   상기 레이저 제어부는, 상기 레이저 광이 오프되고 나서 상기 측정 온도가 온 제어 온도 이하로 저하된 후에 상기 레이저 광을 온시키고, 상기 레이저 광이 온되고 나서 상기 측정 온도가 상기 오프 제어 온도에 도달했을 때 상기 레이저 광을 오프시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 제어부는, 상기 변동폭의 하한값이 상기 용가재의 융점 이상으로 되도록, 상기 지연 시간 및 상기 상승 속도를 조정하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
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