KR102339409B1 - 레이저 용접 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 해결 수단은 피용접물에 제1 레이저를 조사하여 제1 용접선을 형성하는 레이저부; 상기 제1 레이저의 광 경로를 조절하는 스캐너부; 상기 레이저부 및 상기 스캐너부에 연결되고, 상기 레이저부의 광 출력을 조절하거나 상기 스캐너부의 광 경로를 조절하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 용접선을 따라 상기 제1 레이저를 한 번만 주행시키는 싱글 패스 모드 및 상기 제1 용접선을 따라 상기 제1 레이저를 여러 번 주행시키는 멀티 패스 모드 중 적어도 하나를 선택하는 레이저 용접 장치를 제공될 수 있다.

Description

레이저 용접 장치{LASER WELDING DEVICE}

본 발명은 피용접물의 용접 불량 및 이물질 등의 돌출부 발생을 억제하는 레이저 용접 장치에 관한 것이다.

레이저 용접은 높은 에너지 밀도의 점 열원을 이용하는 '키홀(key hole)' 용접법이기 때문에 용접부 형성 기구가 아크 용접 등 기존의 용융 용접법과는 다르다.

아크용접의 경우 아크열에 의한 모재의 용융과 열전도가 용접 에너지 전달의 기본이므로 용접부의 폭이 그 깊이에 비해야 넓다. 따라서 두꺼운 재료를 용접하기 위하여 용접 그루브를 가공하고 용접봉 등의 용가재를 사용하여 다층용접을 실시하는 것이 일반적이다.

이에 비하여 레이저 용접법은 용접에 필요한 에너지를 전달할 때 재료 표면을 기점으로 점진적인 전달이 아니라 두께 방향으로 직접 열을 투입하는 용접법이다.

따라서, 접합부 계면에 문제가 생길 수 있으므로, 금속 모재와 여기에 용접되는 합금 또는 도금된 금속의 깨끗한 접합을 위한 특별한 대책이 요구될 수 있다.

본 발명은 순수한 금속과 금속간의 용접은 물론, 순수 금속과 합금 또는 도금된 금속의 용접부에서 일관되고 예측 가능한 결과를 생성할 수 있는 대책을 제공할 수 있다.

본 발명은 레이저 용접 작업시 이물질이나 돌출부 발생을 방지하기 위하여, 1차 용접시 1차 용접선을 따라 멀티패스로 1차 레이저를 반복 주행시키거나, 1차 용접선을 따라 1차 용접 이후에 2차 용접선을 따라 2차 용접을 재차 수행할 수 있는 레이저 용접 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 레이저 용접 장치는, 피용접물에 제1 레이저를 조사하여 제1 용접선을 형성하는 레이저부; 상기 제1 레이저의 광 경로를 조절하는 스캐너부; 상기 레이저부 및 상기 스캐너부에 연결되고, 상기 레이저부의 광 출력을 조절하거나 상기 스캐너부의 광 경로를 조절하는 제어부; 를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 제1 용접선을 따라 상기 제1 레이저를 한 번만 주행시키는 싱글 패스 모드 및 상기 제1 용접선을 따라 상기 제1 레이저를 여러 번 주행시키는 멀티 패스 모드 중 적어도 하나를 선택할 수 있다.

본 발명의 레이저 용접 장치는, 피용접물에 제3 레이저를 조사하여 하나의 용접선을 형성하는 레이저부; 상기 제3 레이저의 광 경로를 조절하는 스캐너부; 상기 레이저부 및 상기 스캐너부에 연결되고, 상기 레이저부의 광 출력을 조절하거나 상기 스캐너부의 광 경로를 조절하는 제어부; 를 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제3 레이저를 회전 및 주행시키고, 상기 용접선을 따라 상기 제3 레이저를 나선형으로 조사하며, 상기 용접선의 용입 깊이를 완성할 수 있다.

본 발명에 따르면 멀티패스 레이저 용접장치를 활용하여 표면 반사율이 높은 소재 또는 열전도계수가 높은 소재를 이물질이나 돌출부없이 용접할 수 있음과 동시에 용접시 발생하는 이물질 및 스패터(Spatter)를 제거하며 용접표면을 매끄럽게 처리할 수 있다. 특히 반사율이 높은 소재를 대상으로 용입 깊이를 일정하게 해줄 수 있다.

그리고, 표면 이물질 제거를 위한 본 발명의 용접은 반사율이 높은 소재 또는 열전도계수가 높은 소재에 한정되지 않고 모든 도금된 금속 소재를 대상으로 가능할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로서, 레이저 용접 장치에 대한 개략도이다.
도 2은 본 발명의 실시예로서, 싱글 패스 모드의 용접 경로를 도시한다.
도 3는 본 발명의 간헐 멀티 패스 모드로서, 제1 레이저를 온 시킨 상태에서 정방향으로 한 번, 오프시킨 상태에서 역방향으로 복귀하는 간헐 멀티 패스 모드를 도시한다.
도 4는 본 발명의 왕복 멀티 패스 모드로서, 제1 레이저를 온 시킨 상태에서 여러번 왕복시키는 왕복 멀티 패스 모드를 도시한다.
도 5는 피용접물의 불량 발생을 도시한 사진으로서, 도 8의 참조 부호(a)를 촬영한 불량 사진이다.
도 6은 본 발명의 제3 레이저의 경로를 도시한다.
도 7은 도 6의 회전하는 제3 레이저에 의하여 용접된 상태 또는 도 4 및 도 5과 같이 제1 레이저가 좌우로 직선 왕복되는 멀티 패스로 용접된 상태를 촬영한 사진이다.
도 8의 참조 부호 (a)는 불량 상태로서, 제1 용접선에 이물질 등의 돌출부가 형성된 상태를 도시한다.
도 8의 참조 부호 (b)는 본 발명의 양호한 실시예로서, 제1 용접선의 돌출부를 제2 용접선으로 평탄화시킨 상태를 도시한다.
도 9은 본 발명의 실시예로서, 제1 용접선을 따라 진행하는 제2 레이저의 나선 경로를 도시한다.
도 10은 본 발명의 스캐너부에 이동부가 결합된 것을 보여주는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예로서, 제2 용접선으로 평탄화시킨 도 8의 참조 부호(b)를 촬영한 실측 사진이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 레이저 용접 장치는 레이저부(3), 스캐너부(2), 제어부(1)를 포함할 수 있다.

본 발명은 두 종류의 문제점을 해결할 수 있다.

첫째, 용접 시점부터 종점까지 가는 동안 중간에서 용입 깊이가 달라지는 문제점을 해결할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 용입 깊이가 일정하게 용접되는 경우는 문제없지만, 반사율이 높거나 열전도율이 높은 소재의 경우 도 2와 같이 제1 레이저가 한번 주행하는 것만으로는 용입 깊이의 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 도 3 및 도 4와 같이 제1 레이저를 직선 왕복 시켜 제1 용접선을 형성하거나 도 6과 같이 회전하는 제3 레이저를 사용하여 제1 용접선을 형성할 수 있다.

둘째, 도금 소재의 경우 용접 후에 비드 양 옆의 도금층이 녹아서 이물질(burr)이 돌출되거나 돌출부가 형성되는 문제점을 해결할 수 있다.

도 8의 참조 부호 (a)는 불량 상태로서, 금속을 녹이는 제1 용접선의 주변에 위치한 도금층이 녹아서 이물질 등의 돌출부가 형성된 상태를 도시한다. 도 8 (a)를 보면 제1 용접선인 비드 중간이 피용접물의 높이와 동일하거나 낮을 수 있다. 실제 박판 (1.0 mm이하)에서는 레이저 용접 후 제1 용접선인 비드가 피용접물의 높이 이하일 수 있다. 그러나 비드 양 옆은 도금층 제거의 영향으로 이물질이 돌출 될 수 있다.

금속을 녹여 형성된 비드인 제1 용접선을 형성하는 공정은 금속을 녹이는 용접일 수 있다. 제2 용접선을 형성하는 공정은 비드 양 옆으로 돌출된 이물질 (Burr)을 제거하는 공정이며, 금속을 녹이거나 혹은 금속을 녹일 만큼의 레이저 출력이 필요 없을 수 있다. 즉, 제2 용접선 형성시 회전하는 제2 레이저의 출력은 금속을 녹이는 제1 용접선 형성시의 제1 레이저의 출력보다 낮을 수 있다.

그렇기 때문에 도 8의 (b)의 제1 용접선인 비드 중간의 금속은 녹지 않을 수 있고, 매우 얇게 도금되어 있는 비드 양 옆의 이물질만 녹을 수 있다. 도 8의 참조 부호 (b)는 본 발명의 양호한 실시예로서, 제1 용접선의 돌출부를 제2 용접선으로 평탄화시킨 상태를 도시한다.

레이저부(3)는 피용접물(100)에 제1 레이저(11)를 조사하여 제1 용접선(31)을 형성할 수 있다. 레이저부(3)는 레이저빔의 에너지 밀도를 높여주기 위한 초점렌즈(7) 등의 광학계로 구성되는 옵틱 헤드를 구비할 수 있다. 레이저 용접 시 발생하는 가공 부산물에 의해 광학부품이 손상되는 것을 방지하기 위하여 옵틱 헤드의 하단부에서 반사되는 스패터를 차단하도록 크로스 젯을 통한 에어커튼을 형성하여 사용될 수 있다.

스캐너부(2)는 제1 레이저(11)의 광 경로를 조절할 수 있다. 스캐너부(2)는 갈바노미터(4), 카메라(5), 레이저 광원 및 렌즈(7) 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.

제어부(1)는 레이저부(3) 및 스캐너부(2)에 연결될 수 있다. 제어부(1)는 레이저부(3)의 광 출력을 조절하거나 스캐너부(2)의 광 경로를 조절할 수 있다. 제어부(1)는 레이저부(3), 스캐너부(2), 갈바노미터(4)를 제어하거나, 필요에 따라 레이저 출력 값을 조절하거나, 레이저 용접 경로를 지정할 수 있다.

다음은 제1 레이저(11)를 이용하여 제1 용접선(31)을 돌출부(33)없이 양호하게 형성하는 실시예를 설명한다.

도 2 내지 도 4는 제1 용접선(31)을 싱글 패스 모드 또는 멀티 패스 모드로 형성하는 실시예를 보여준다. 제어부(1)는 제1 용접선(31)을 따라 제1 레이저(11)를 한 번만 주행시키는 싱글 패스 모드 및 제1 용접선(31)을 따라 제1 레이저(11)를 여러 번 주행시키는 멀티 패스 모드 중 적어도 하나를 선택할 수 있다.

도 2는 열전도계수가 낮거나, 표면 반사가 잘 되지 않거나, 레이저에 의하여 온도 상승이 잘되는 소재의 싱글 패스 모드에 의한 용접을 도시한다. 도 3 및 도 4는 열전도계수와 표면 반사가 높은 소재의 멀티패스 레이저 용접의 실시예를 보여준다.

제1 레이저(11)는 용접용으로 피용접 부재의 열전도계수와 표면 반사율에 따라 적절한 출력을 사용할 수 있다. 싱글 패스 모드와 멀티 패스 모드의 레이저 출력이 다를 수 있다.

제1 부재(8)와 제2 부재(9)는 동일한 재질의 금속 또는 다른 재질의 금속으로 형성될 수 있다. 금속은 알루미늄 또는 구리, 또는 그 합금일 수 있다.

멀티 패스 모드는 용접이 잘 되지 않는 재질을 위하여 특수한 경우에 실시할 수 있다. 예를 들어 구리와 같이 열전도성이 좋은 피용접물은, 제1 레이저(11)가 한 번만 지나가는 싱글 패스 모드에서는 열이 주변으로 퍼져서 제1 용접선(31)이 잘 형성되지 않을 수 있다.

이 경우, 제1 레이저(11)의 주행 속도를 최저 제한 속도(예를 들어 1mm/s)보다 낮추면 온도 상승이 잘 이루어져 용접이 잘 될 것으로 추정할 수 있다. 그러나, 국부적인 열 집중이 발생하면 제1 용접선(31)의 용입 깊이가 균일하지 못하고 부분적으로 깊게 파이는 불량이 생길 수 있다.

따라서, 제1 레이저(11)의 주행 속도를 최저 제한 속도보다는 크게 한 상태에서 여러 번 주행시키는 멀티 패스 모드를 채택하여 소정의 용입 깊이를 조금씩 여러 번에 걸쳐 파낼 수 있다. 국부적으로 용입 깊이가 달라지는 불량을 방지할 수 있다.

용접이 어려운 경우인 피용접물의 열전도도가 높은 경우 싱글 패스 모드로 용접 진행시 열전도 구간과 열입력 구간에서 용입의 깊이가 달라지는 구간이 발생할 수 있다. 멀티패스 레이저 용접을 진행하여 위 현상같은 용입 깊이차이가 발생하는 것을 방지하고, 피용접물의 열전도율과 부재의 두께에 따라 적정 출력과 경로를 설정하여 부재의 변형이 최소화되도록 용접을 할 수 있다.

제어부(1)는 피용접물의 열전도 계수가 설정값보다 높은 경우 멀티 패스 모드를 선택할 수 있다. 예를 들어 피용접물이 구리와 같은 재질인 경우이다.

한편, 피용접물의 열전도 계수가 설정값보다 낮으면 싱글 패스 모드를 선택할 수 있다. 예를 들어 피용접물이 강철, SUS인 경우이다.

본 발명은 제1 용접선(31)의 균일한 깊이 형성은 싱글 패스 모드 또는 멀티 패스 모드의 열전도별 선택에 의할 수 있다.

한편, 멀티 패스 모드라 할 지라도 피용접물의 열전도 계수에 따라 다양한 실시예가 있을 수 있다. 예를 들어 간헐 멀티 패스 모드와 왕복 멀티 패스 모드를 들 수 있다.

도 3은 간헐 멀티 패스 모드를 도시한다. 간헐 멀티 패스 모드는 온 상태로 계속 왕복하는 왕복 멀티 패스 모드에 비하여 용입 깊이 불량을 완화시킬 수 있다. 간헐 멀티 패스 모드에 의하면, 제1 레이저(11)가 온(on)된 상태에서 제1 레이저(11)의 광 초점을 시점(13)부터 종점(14)까지 주행시키고, 제1 레이저(11)가 오프(off)된 상태에서 광 초점을 종점(14)부터 시점(13)까지 복귀시킬 수 있다. 제1 레이저(11)가 오프(off)된 상태에서 시점(13)으로 복귀하는 시간 동안 피용접물(100)에 가해지는 열 또는 이에 의한 용입 깊이 불량을 조절할 수 있다.

이에 비하여 도 4는 왕복 멀티 패스 모드를 나타내며, 제1 레이저(11)가 온(on)된 상태에서 시점(13)부터 종점(14)까지 주행시키고, 다시 종점(14)부터 시점(13)까지 여러 번 반복 주행시키는 것이다. 피용접물(100)의 재료 특성에 따른 용입 깊이 불량을 해소하기 위하여, 피용접물에 가해지는 열을 더 증가시키는 모드가 될 수 있다. 도 2 내지 도 4는 피용접물(100)의 재료 특성 또는 용입 깊이의 분포에 따라 최적인 모드가 선택될 수 있다.

열전도 계수 또는 열전도율에 의하여 싱글 패스 모드, 간헐 멀티 패스 모드, 왕복 ‘F티 패스 모드 중 하나를 선택하는 본 발명은, 레이저 경로의 특정 위치에서 피용접물(100)의 제1 용접선(31)에 부분적으로 용융면이 넓어지거나 용입 깊이 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

예를 들어, 구리의 열전도율은 401 W/(m·K)이고, 알루미늄의 열전도율은 237 W/(m·K)이고, 철의 열전도율은 80.4 W/(m·K)이다. 열전도율의 순서대로 철의 열전도율인 제1 열전도율 < 알루미늄의 열전도율인 제2 열전도율 < 구리의 열전도율인 제3 열전도율을 정의한다.

가장 열전도가 잘되는 제3 열전도율의 피용접물(100)은 열의 집중 또는 온도 상승이 어려울 수 있으므로 왕복 멀티 패스 모드가 적합할 수 있다.

중간인 제2 열전도율을 갖는 피용접물(100)인 알루미늄의 경우 용입 깊이 분포에 따라 싱글 패스 모드, 간헐 멀티 패스 모드, 왕복 ‘F티 패스 모드 중 최적의 모드가 선택될 수 있다.

가장 낮은 제1 열전도율을 갖는 피용접물(100)인 철의 경우 열의 집중 또는 온도 상승이 짧은 시간에 이루어질 수 있으므로 싱글 패스 모드가 적합할 수 있다.

다음은 돌출부(33)가 억제되는 실시예로서, 제3 레이저(16)에 의한 제1 용접선(31) 형성을 설명한다.

도 6을 참조하면, 제1 용접선(31)의 형성을 위하여 나선형을 그리면서 주행하는 레이저를 제3 레이저(16)로 정의할 수 있다. 제1 용접선(31)을 형성하기 위하여 제3 레이저(16)는 나선형을 그리면서 주행될 수 있다. 나선형을 그리는 제3 레이저(16)는 제1 용접선(31)에 부분적으로 용융면이 넓어지거나 용입 깊이 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 7을 참조하면, 나선형을 그리는 제3 레이저(16)만으로 제1 용접선(31)의 가장 자리에 돌출부(33)가 생기는 것을 방지할 수 있다. 제2 용접선(32)는 형성할 필요가 없을 수 있다.

피용접물에 제3 레이저(16)를 조사하여 하나의 용접선을 형성하는 레이저부(3)가 구비될 수 있다. 제3 레이저(16)의 광 경로를 조절하는 스캐너부(2)는 레이저부(3) 및 상기 스캐너부(2)에 연결되고, 레이저부(3)의 광 출력을 조절하거나 스캐너부(2)의 광 경로를 조절하는 제어부(1)를 포함하고, 제어부(1)는 제3 레이저(16)를 회전 및 주행시키고 용접선을 따라 제3 레이저(16)를 나선형으로 조사하며, 용접선의 용입 깊이를 완성할 수 있다.

다음은 제1 용접선(31)에 겹쳐지는 제2 용접선(32)에 의한 돌출부(33) 제거를 설명한다.

도 8의 참조 부호 (a)는 본 발명과 비교를 위한 비교 실시예로서, 일반적 레이저 키홀 용접의 결과물이며, 제1 부재(8)와 제2 부재(9)의 용융 및 응고로 인하여 외부로 노출되는 용접선의 가장자리가 볼록하게 돌출거나 이물질이 형성된 불량 상태를 도시한다. 도 8의 참조 부호 (a)에 따르면 제1 용접선 주변에 스패터 또는 표면 도금 부재 등의 용융된 돌출부(33)이 응고되어 매끄럽지 못한 면을 가질 수 있다.

도 5는 제1 레이저(11) 용접 후 표면에 남은 이물질 등에 의한 돌출부(33)와 매끄럽지 못한 가장 자리를 갖는 제1 용접선(31)의 사진이다.

도 8의 참조 부호 (b)는 본 발명의 실시예로서, 멀티 패스 용접 장치를 활용하여 제2 레이저(12)를 제1 용접선(31)을 따라 나선을 그리며 조사함으로써, 이물질 또는 돌출부(33)를 제거할 수 있다. 그 결과, 용접부위의 두께가 피용접 부재의 두께와 동일해지도록 할 수 있다.

도 11은 제2 레이저(12)가 제1 용접선(31)의 가장자리를 나선형으로 주행하여 돌출부(33)를 평탄화시키거나 피용접물(100)의 표면을 다듬은 상태를 촬영한 사진이다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 용접선(31)의 가장자리의 돌출부(33) 제거는 제2 레이저(12)의 나선형 주행에 의한 제2 용접선(32)의 평활화 작용에 의할 수 있다.

표면 처리를 위한 제2 레이저(12)는 키홀 형성을 위한 제1 레이저(11)보다 출력이 낮은 것이 바람직하다. 제2 레이저(12)는 제1 레이저(11)의 50% 이하 출력인 것이 바람직하다. 제2 레이저(12)는 제1 용접선(31)을 따라 비드 주변 돌출부(33)를 제거할 수 있고, 표면을 부분 용융시켜 피용접 부재의 두께와 용접선의 두께를 대략 동일하게 할 수 있다.

도 1 및 도 8을 함께 참조하면, 피용접물은 제1 부재(8) 및 제2 부재(9)를 포함할 수 있다. 제1 부재(8)는 제2 부재(9)의 상측에 위치할 수 있으며 레이저부(3) 및 스캐너부(2)에 대면될 수 있다. 제1 용접선(31)은 제1 부재(8)에 관통 비드를 형성하며 제2 부재(9)에 비관통 비드를 형성할 수 있다. 관통 비드는 제1 부재(8)를 관통하는 개구 형상일 수 있다. 비관통 비드는 제2 부재(9)의 두께보다 작은 깊이로 제2 부재(9)의 일부를 절개한 형상일 수 있다. 관통 비드 및 비관통 비드에 피용접물이 용융 상태로 채워질 수 있다.

예를 들어 제2 레이저(12)에 의한 제2 용접선(32)가 형성되기 전에 제1 용접선(31) 가장 자리의 돌출부(33)의 높이가 1 ~ 5mm 였다고 가정한다. 제2 레이저(12)에 의한 제2 용접선(32)가 제1 용접선(31)을 평탄화하면, 돌출부(33)의 두께는 적어도 0 ~ 0.1mm 이내로 줄어들 수 있다.

제2 용접선의 회전 속도, 주행 속도, 광 강도가 너무 크면, 제1 용접선(31)에 오히려 함몰부가 생길 수 있다. 제2 용접선의 회전 속도, 주행 속도, 광 강도 중 적어도 하나는 돌출부(33)의 두께를 적어도 0.1 ~ 1mm 이내로 제한하는 한도 내에서 결정될 수 있다.

제2 레이저(12)는 제1 용접선(32)의 가장자리 또는 피용접물(100)의 표면을 나선형으로 진행하면서 돌출부(33)나 스패터를 제거할 수 있다. 제2 레이저(12)는원을 그리며 나선형으로 진행할 수 있다.

제1 용접선(31)의 가장자리 평탄화를 위하여, 제2 용접선(32)의 폭은 제1 용접선(31)의 폭보다 더 클 수 있다.

도 9는 제1 레이저 및 제2 레이저(12)의 조사 경로를 도식화한다. 제1 용접선(31)의 중앙부를 중심선(15)으로 정의하고, 중심선(15)에 수직한 수직선을 정의할 수 있다.

수직선을 따라 제1 용접선(31)의 상측 및 하측에 제1 위치 및 제3 위치를 정의하고, 중심선(15)을 따라 제1 용접선(31)의 상류 및 하류에 제2 위치 및 제4 위치를 정의할 수 있다.

제1 용접선(31)의 주행 방향을 따라 제1 위치의 하류에 제5 위치를 정의하고, 제3 위치의 하류에 제7위치를 정의하고, 제2 위치의 하류에 제6 위치를 정의하고, 제4 위치의 하류에 제8 위치를 정의할 수 있다.

제어부(1)는 제2 레이저(12)를 회전시키면서 제1 용접선(31)의 주행 방향 또는 역주행 방향을 따라 제2 레이저(12)를 주행시킬 수 있다.

제2 레이저(12)는 제1 위치, 제2 위치, 제3 위치 및 제4 위치를 순차적으로 지나는 제1 회전을 하며, 제2 레이저(12)는 제1 회전 이후에 제5 위치, 제6 위치, 제7 위치 및 제8 위치를 순차적으로 지나는 제2 회전을 할 수 있다.

제3 위치 및 제7 위치를 연결한 가상의 선 또는 제1 위치 및 제5 위치를 연결한 가상의 선은 참조 부호 W2의 폭을 가지며 제1 용접선(31)의 폭(W1)보다 클 수 있다. 제1 용접선(31)의 외곽에 위치하는 방향으로 제2 레이저(32)가 나선형으로 진행될 수 있다.

다음은 제2 레이저(12)를 회전 및 주행시키는 갈바노미터에 대하여 설명한다.

제어부(1)는 제2 레이저(12)를 회전 및 주행시켜 제1 용접선(31) 주위에 나선 형상의 제2 용접선(32)을 형성시킬 수 있다.

스캐너부(2)는 레이저부(3)에서 출력될 에너지값을 조절하거나, 설정된 광출력의 레이저를 조사할 수 있다. 스캐너부(2)에는 복수의 거울이 구비될 수 있으며 레이저부(3)를 통해 조사된 레이저는 내부 거울에 순차적으로 반사되어 스캐너부(2)에 구비된 카메라(5)와 갈바노미터(4)를 거처 피용접 부재에 조사될 수 있다.

갈바노미터(4)는 미러가 결합된 x,y축 방향 회전 구동부가 구비될 수 있다. 제어부(1)의 설정값대로 구동부를 회전시켜 입사된 레이저를 피용접면에 조사할 수 있다. 갈바노미터(4)를 활용한 레이저 조사면적은 갈바노미터(4) 구성부분인 미러의 크기에 따라 조사가능한 면적이 다양해질 수 있다. 갈바노미터(4)는 10mm/s~ 3000mm/s의 이동 속도를 가질 수 있으며 이를 이용하여 직선 또는 회전 경로의 멀티패스 레이저 용접을 진행할 수 있다.

스캐너부(2)는 레이저부(3)에 대면되는 제1 미러, 제1 미러를 회전시키는 제1 회전부, 제1 미러에 대면되는 제2 미러, 제2 미러를 회전시키는 제2 회전부 중 적어도 하나를 구비할 수 있다.

제1 회전부 또는 제2 회전부는 적어도 300Hz의 주기로 회전하며 제2 레이저(12)를 적어도 300Hz의 주기로 회전시킬 수 있다.

제1 회전부 또는 제2 회전부는 제1 레이저를 적어도 10 mm/s 이상의 속도로 주행시킬 수 있다. 제2 레이저(12)가 조사될 때 레이저부(3)의 광출력은 제1 레이저(11)부(3)가 조사될 때 레이저부(3)의 광출력의 50% 이하일 수 있다.

제2 레이저(12)의 출력은 피용접 부재의 열전도계수와 표면 반사율에 따라 상이하게 적용될 수 있다. 레이저 출력은 용접 동안 시간에 따라 변할 수 있다. 용접 시작시 재빨리 켜지거나, 용접 대부분의 시간동안 일정하게 유지되거나, 용접 종료시에 선형적으로 차츰 줄어들 수 있다. 출력을 감소시키며 끄는 것은 용접 단부에 어떠한 구멍도 남겨지지 않는 것을 보장해 줄 수 있다.

레이저부(3)는 제1 레이저(11) 및 제2 레이저(12)를 조사할 수 있다. 스캐너부(2)는 제2 레이저(12)를 회전시킬 수 있다.

다음은 갈바노미터 이외에 제2 레이저(12)를 회전 및 주행시키는 이동부(10)에 대하여 설명한다.

도 10은 스캐너부(2)와 이동부(10)의 결합을 개략적 도시한다. 스캐너부(2)를 제1 용접선(31)의 주행 방향을 따라 이동시키는 이동부(10)가 마련될 수 있다. 스캐너부(2)에 의한 제2 레이저(12)의 회전 및 이동부(10)에 의한 스캐너부(2)의 이동에 따라, 제1 용접선(31)에 겹쳐지는 제2 용접선(32)이 형성될 수 있다.

스캐너부(2) 상단에 이동부(10)를 장착하여 전 방향 이동 및 회전 조작될 수 있는 로봇을 포함할 수 있다. 이에 작업면적에서 이점이 있을 수 있다.

도시하지는 않았지만, 이동부(10)를 활용한 다양한 실시예를 설명한다.

레이저부(3)는 제1 레이저(11), 제2 레이저(12) 또는 제3 레이저(16)를 조사하고, 스캐너부(2)는 내부에 구비된 갈바노미터(4)를 활용하여 다양한 조사 궤적을 가질 수 있다.

갈바노미터(4)에 의한 조사면적에는 회전 구동부에 구비된 미러의 면적에 따라 정해지므로 조사 가능한 면적에 일정 한계가 존재할 수 있다. 이동부(10)를 구비하여 로봇암을 활용하여 3차원적 이동을 할 수 있다. 또는 전 방향 이동이 가능한 레일을 활용할 수도 있다.

1...제어부 2...스캐너부
3...레이저부 4...갈바노미터
5...카메라 6...반사면
7...렌즈 8...제1 부재
9...제2 부재 10...이동부
11...제1 레이저 12...제2 레이저
13...시점 14...종점
15...중심선 17...수직선
16...제3 레이저 31...제1 용접선
32...제2 용접선 33...돌출부
51...관통 비드 52...비관통 비드
T1 ~ T8...제1 위치 ~ 제8 위치
61...제1 미러 62...제2 미러
71...제1 회전부 72...제2 회전부
100...피용접물

Claims (12)

1. 피용접물에 제1 레이저를 조사하여 제1 용접선을 형성하는 레이저부;
   상기 제1 레이저의 광 경로를 조절하는 스캐너부;
   상기 레이저부 및 상기 스캐너부에 연결되고, 상기 레이저부의 광 출력을 조절하거나 상기 스캐너부의 광 경로를 조절하는 제어부; 를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 제1 용접선을 따라 상기 제1 레이저를 한 번만 주행시키는 싱글 패스 모드 및 상기 제1 용접선을 따라 상기 제1 레이저를 여러 번 주행시키는 멀티 패스 모드 중 적어도 하나를 선택하며,
   상기 제어부는, 상기 제1 용접선이 형성된 이후, 제2 레이저를 회전시키면서 상기 제1 용접선의 주행 방향 또는 역주행 방향을 따라 주행시키고,
   상기 제2 레이저의 주행 및 회전에 따라 상기 제1 용접선 주위에 나선 형상의 제2 용접선이 형성되며,
   상기 제2 용접선의 폭은 상기 제1 용접선의 폭보다 더 크고,
   상기 제2 레이저의 출력은 상기 제1 레이저의 출력보다 작은 레이저 용접 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 피용접물의 열전도 계수가 설정값보다 높은 경우 상기 멀티 패스 모드를 선택하고, 상기 피용접물의 열전도 계수가 상기 설정값보다 낮으면 상기 싱글 패스 모드를 선택하는 레이저 용접 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 용접선은 시점 및 종점을 연결하는 직선 또는 곡선이고,
   상기 스캐너부는, 상기 피용접물의 열전도 계수가 설정값보다 높은 경우, 상기 제1 레이저의 광 초점을 상기 시점부터 종점까지 왕복 주행시키고,
   상기 제1 레이저는 상기 제1 용접선에 규정된 용입 깊이를 여러 번에 나누어 달성하는 레이저 용접 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 피용접물은 제1 부재 및 제2 부재를 포함하고,
   상기 제1 부재는 상기 제2 부재의 상측에 위치하며 상기 레이저부 및 스캐너부에 대면되고,
   상기 제1 용접선은 상기 제1 부재에 관통 비드를 형성하고 상기 제2 부재에 비관통 비드를 형성하며,
   상기 관통 비드는 상기 제1 부재를 관통하는 개구 형상이고,
   상기 비관통 비드는 상기 제2 부재의 두께보다 작은 깊이로 상기 제2 부재의 일부를 절개한 형상이며,
   상기 관통 비드 및 상기 비관통 비드에 상기 피용접물이 용융 상태로 채워지는 레이저 용접 장치.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 용접선 및 상기 제2 용접선이 상기 피용접물의 표면보다 돌출되는 돌출부의 두께는 적어도 1mm 이내인 레이저 용접 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 용접선의 중앙부를 중심선으로 정의하고, 상기 중심선에 수직한 수직선을 정의하며, 상기 수직선을 따라 상기 제1 용접선의 상측 및 하측에 제1 위치 및 제3 위치를 정의하고, 상기 중심선을 따라 상기 제1 용접선의 상류 및 하류에 제2 위치 및 제4 위치를 정의하고, 상기 제1 용접선의 주행 방향을 따라 상기 제1 위치의 하류에 제5 위치를 정의하고, 상기 제3 위치의 하류에 제7위치를 정의하고, 상기 제2 위치의 하류에 제6 위치를 정의하고, 상기 제4 위치의 하류에 제8 위치를 정의할 때,
   상기 제2 레이저는 상기 제1 위치, 제2 위치, 제3 위치 및 제4 위치를 순차적으로 지나는 제1 회전을 하며,
   상기 제2 레이저는 상기 제1 회전 이후에 상기 제5 위치, 제6 위치, 제7 위치 및 제8 위치를 순차적으로 지나는 제2 회전을 하고,
   상기 제3 위치 및 상기 제7 위치를 연결한 가상의 선 또는 상기 제1 위치 및 상기 제5 위치를 연결한 가상의 선은 상기 제1 용접선을 벗어나 상기 제1 용접선의 외곽에 위치하는 레이저 용접 장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 제2 레이저를 회전 및 주행시켜 상기 제1 용접선 주위에 나선 형상의 제2 용접선을 형성하고,
   상기 스캐너부는, 상기 레이저부에 대면되는 제1 미러, 상기 제1 미러를 회전시키는 제1 회전부, 상기 제1 미러에 대면되는 제2 미러, 상기 제2 미러를 회전시키는 제2 회전부 중 적어도 하나를 구비하고,
   상기 제1 회전부 또는 상기 제2 회전부는 적어도 300Hz의 주기로 회전하며 상기 제2 레이저를 적어도 300Hz의 주기로 회전시키고,
   상기 제1 회전부 또는 상기 제2 회전부는 상기 제1 레이저를 적어도 10 mm/s의 속도로 주행시키며,
   상기 제2 레이저가 조사될 때 상기 레이저부의 광출력은 상기 제1 레이저가 조사될 때 상기 레이저부의 광출력의 50% 이하인 레이저 용접 장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 스캐너부는, 상기 레이저부에 대면되는 제1 미러, 상기 제1 미러를 회전시키는 제1 회전부, 상기 제1 미러에 대면되는 제2 미러, 상기 제2 미러를 회전시키는 제2 회전부를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 제1 회전부 및 상기 제2 회전부 중 적어도 하나를 구동하며, 상기 광 경로를 직선 또는 곡선으로 조절하는 레이저 용접 장치.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저부는 상기 제1 레이저 및 제2 레이저를 조사하고,
    상기 스캐너부는 상기 제2 레이저를 회전시키며,
    상기 스캐너부를 상기 제1 용접선의 주행 방향을 따라 이동시키는 이동부가 마련되고,
    상기 스캐너부에 의한 상기 제2 레이저의 회전 및 상기 이동부에 의한 상기 스캐너부의 이동에 따라, 상기 제1 용접선에 겹쳐지는 제2 용접선이 형성되는 레이저 용접 장치.
    
12. 삭제

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