KR102444752B1

KR102444752B1 - 레이저 용접을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102444752B1
Application number: KR1020207032635A
Authority: KR
Inventors: 올리버 포르스터; 페터 칼라게; 옌스 쉬틀러
Original assignee: 로핀-시나 레이저 게엠베하
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2022-09-16
Also published as: EP3774159A1; CN111989187A; CN111989187B; WO2019197119A1; TWI820110B; JP2021521012A; TW201943488A; EP3774159B1; JP7148204B2; US20210146478A1; WO2019197119A4; BR112020020690A2; KR20200133810A; DE102018108824A1

Abstract

본 발명은 가공품들(W)의 레이저 용접 방법에 관한 것으로, 이때 가공품 표면상으로 향해 있는 레이저 빔(L)은, 용접될 하나 이상의 가공품(W)의 가공품 재료가 레이저 초점(F)의 영역 내에서 용융되는 방사선 강도를 갖고, 이때 상기 레이저 초점(F)의 영역 내에서 증기 모세관(vapor capillary)(D)이 형성되고, 상기 증기 모세관은 적어도 부분적으로 액체 용융 풀(liquid molten pool)(S)에 의해 둘러싸여 있다. 상기 레이저 빔(L)은 용접 시임(weld seam)을 생성하기 위해 가공품 표면에 대해 상대적으로 공급 방향(V)으로 이동한다. 본 발명에 따르면, 상기 용융 풀(S)은 용접 과정 동안 안정화를 위해 가공품 표면상으로 향해 있는 가스 흐름(G)의 공급에 의해 기계적 응력을 받는다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 실시하기 위해 형성된 장치(1)에 관한 것이다.

Description

레이저 용접을 위한 방법 및 장치

본 발명은 레이저 용접을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 특히 가공품들의 레이저 용접 방법에 관한 것으로, 이때 가공품 표면상으로 향해 있는 레이저 빔은, 용접될 하나 이상의 가공품의 가공품 재료가 레이저 초점의 영역 내에서 용융되는 방사선 강도를 갖는다. 이 경우, 상기 레이저 초점의 영역 내에는 증기 모세관(vapor capillary)이 형성되고, 상기 증기 모세관은 적어도 부분적으로 액체 용융 풀(liquid molten pool)에 의해 둘러싸여 있다. 용접 시임(weld seam)을 생성하기 위해 상기 레이저 초점은 가공품 표면에 대해 상대적으로 공급 방향으로 이동한다.

또한, 본 발명은 용접될 하나 이상의 가공품을 위한 캐리어, 레이저원 및 레이저 초점 내에서 가공품 표면상으로 향해 있는 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 광학 유닛, 그리고 하나 이상의 가공품 표면상으로 향해 있는 가스 흐름을 발생시키기 위한 가스 공급부를 구비한 레이저 용접 장치에 관한 것이다. 적어도 상기 레이저 광학 유닛 및 상기 캐리어는, 상기 레이저 초점이 적어도 상기 하나 이상의 가공품 표면의 한 섹션에 걸쳐서 공급 방향으로 안내 가능하도록 서로 이동 가능하게 지지 되어 있다.

레이저 용접, 다시 말해 하나 또는 복수의, 특히 금속의 가공품을 레이저 방사선에 의해 용접하는 것은 통상의 선행 기술이다. 일반적으로 이를 위해 레이저 빔이 가공품 표면상으로 향하거나, 또는 포커싱되고, 가공품 재료는 레이저 초점의 영역 내에서 국부적으로 용융된다. 상기 레이저 빔은 일반적으로 높은 방사선 강도를 가짐으로써, 그 결과 상기 레이저 초점의 영역 내에서 용접 모세관 또는 증기 모세관(영문: "keyhole")이 형성되며, 상기 용접 모세관 또는 증기 모세관으로부터 금속 증기가 누출된다. 상기 증기 모세관의 적어도 가장자리 측은 액체 용융물에 의해 둘러싸여 있다. 용접 시임을 형성하기 위해 상기 레이저 빔은 가공품 표면에 대해 상대적으로 이동한다.

레이저 방사선에 의한 용접시, 주변 공기 및 특히 대기 중 산소를 대체하고 이와 같은 방식으로 용접 시임의 산화를 방지할 목적으로, 불활성 가스, 예를 들어 헬륨(He), 아르곤(Ar) 또는 질소(N₂)를 용접 모세관의 주변으로 제공하는 것이 통상적이다. 이를 위해, 통상적으로 상기 불활성 가스는 가공품 표면을 기준으로 평평한 각도로 정렬되어 있는 노즐에 의해 주입된다. 일반적으로 상기 노즐은 가공품 표면을 기준으로 0°-30°의 각도로 진행하는 보호 가스 흐름 또는 불활성 가스 흐름을 발생시킨다. 그에 따라 레이저 빔이 가공품 표면에 대해 수직으로 진행하는 적용 상황들에서, 이는 빔 방향을 기준으로, 혹은 상기 레이저 빔을 가공품 표면상으로, 또는 적어도 상기 가공품 표면에 가까운 영역 상으로 포커싱하는 레이저 광학 유닛의 광학 축을 기준으로 60° 내지 90°의 각도에 상응한다. 어느 경우에서도 가스 공급부는, 용융 풀의 위치에 동압력이 전혀 발생하지 않거나, 또는 기껏해야 낮은 동압력이 발생하도록 설계된다. 이는 일반적으로, 상기 불활성 가스 흐름을 제공하기 위해 이용되는 노즐의 상응하는 정렬 및 설계를 통해 이루어진다. 용융 풀에 가급적 적은 영향을 주는 것이 목표이다.

파장에 따른 서로 다른 흡수 특성으로 인해, 특히 광섬유 유도 레이저 시스템들(fiber-guided laser systems)에서, 얼룩, 공극 및 그와 결부된 질량 손실과 같은 문제들이 증폭되어 나타나며, 상기 문제들은 제조된 용접 시임의 품질에 부정적인 영향을 준다. 이와 같은 문제에 대처하기 위해, 이미 예를 들어 다중 초점, 더블 스팟(double spot) 등의 사용에 의한 가공품 표면상에서의 강도 분포의 변형에 기초하는 복수의 서로 다른 조치가 제안되었다.

다른 하나의 접근 방식은 원칙적으로 "Experimental study of the dynamical coupling between the induced vapour plume and the melt pool for Nd-Yag CW laser welding", Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 39(2006), 394-400쪽에서 Fabbro 등에 의해 제안되었다. 모세관 벽(영문: "keyhole wall")의 정렬 및 치수 검사와 더불어 매우 낮은 공급 속도에서, 대략 45°의 각도하에 가공품 표면상으로 충돌하는 불활성 가스 흐름의 공급에 의해 격동하는 용융 풀의 안정화가 달성되었다.

그러나 Fabbro 등의 "Melt Pool and Keyhole Behaviour Analysis for Deep Penetration Laser Welding", Journal of Physics D: Applied Physics Vol. 43(2010), 445-501쪽으로부터, 심용접(deep welding) 공정에서 형성된 용융 풀의 유체 역학적 특성이 결정적으로, 레이저 초점이 가공품 표면에 대해 상대적으로 이동하는 공급 속도에 의존한다는 사실이 공지되어 있다. 5m/min까지의 낮은 공급 속도 범위 내에서는, 강한 표면 변동 특징을 갖는 상대적으로 큰 용융 풀을 특징으로 하는 소위 "로젠탈"-레짐(Rosenthal regime)이 존재한다. 다른 범위, 특히 더 높은 공급 속도 및/또는 용접 속도에서는 유동 특성들이 다른 물리적 효과들에 의해 상당한 영향을 받는다. 이 경우, 증기 모세관 및 용융 풀로 구성된 결합 시스템의 유체 역학적 특성은 "로젠탈"-레짐과 이미 질적으로 구분된다.

본 발명의 과제는, 넓은 범위의 용접 속도 및/또는 공급 속도에서 적용될 수 있는, 레이저 용접에 의해 생성된 용접 시임들의 품질을 개선하기 위한 조치들을 제시하는 것이다.

방법 기술적으로 앞에서 언급된 과제는 특허 청구항 제1항의 특징들을 갖는 레이저 용접 방법에 의해 해결된다.

장치 측면에서는 앞에서 언급된 과제가 특허 청구항 제7항의 특징들을 갖는 레이저 용접 장치에 의해 해결된다.

본 발명의 바람직한 설계예들은 종속 청구항들의 대상이다.

가공품들의 레이저 용접 방법에서는 레이저 빔이 가공품 표면상으로 향한다. 상기 레이저 빔은 용접될 하나 이상의 가공품의 가공품 재료가 레이저 초점의 영역 내에서 용융되는 방사선 강도를 갖는다. 이 경우, 상기 레이저 초점의 영역 내에서 용접 모세관 또는 증기 모세관(영문: "keyhole")이 형성되고, 상기 용접 모세관 또는 증기 모세관은 적어도 부분적으로, 특히 둘레가 액체 용융 풀에 의해 둘러싸여 있다. 상기 레이저 초점은 용접 시임을 생성하기 위해 가공품 표면에 대해 상대적으로 공급 방향으로 이동한다. 본 발명에 따르면, 상기 용융 풀은 용접 과정 동안 안정화를 위해 가공품 표면상으로 향해 있는 가스 흐름의 공급에 의해 기계적 응력을 받는다.

그에 따라 본 발명의 핵심은, 용융 풀의 기계적 응력, 다시 말해 용접 공정 동안 용융 풀 상으로 가해지는 힘 작용이 놀라운 방식으로 상기 용융 풀의 안정화를 야기한다는 발상이다. 이는 특히 얼룩 및 공극 형성의 감소, 그리고 -그와 결부된- 더 낮은 재료 손실을 야기한다. 그에 따라, 통상의 이론과 다르게 무시할 수 없는 힘이 용융 풀 상으로 가해지도록 가스의 공급이 이루어짐으로써, 생성된 용접 시임의 품질이 확연하게 개선될 수 있다. 통상의 용접 방법에서는, 레이저 초점의 바로 주변의 산소는 대체되지만, 동시에 불활성 가스 흐름에 의한 용융 풀의 영향은 방지되도록 불활성 가스 흐름 또는 보호 가스 흐름이 설계 및 정렬된다.

용융 풀의 기계적 응력은 특히, 가스의 공급이 실질적으로 빔 축 또는 레이저 빔에 할당된 광학 축의 방향으로 이루어지는 경우에 달성된다. 용접 본드(weld bond)의 이음 방식에 따라서, 용융 풀에 가파른 각도로, 다시 말해 예를 들어 레이저 초점의 위치에서 가공품 표면에 대해 수직으로 진행하는 표면 법선과 전혀 차이 나지 않거나, 단지 약간만 차이 나는 방향으로 작용하는 것이 바람직하다. 무시할 수 없는 힘 작용을 달성하는 것이 목표이다.

가공품에 작용하는 가스는 예를 들어 보호 가스 또는 예컨대 희가스와 같은 불활성 가스, 특히 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar), 혹은 예컨대 질소(N₂)와 같은 다른 불활성 가스이다. 다른 적용 영역들에서, 특히 용접 시임의 산화가 어떤 영향도 주지 않거나, 또는 단지 감소한 영향만을 주는 경우에는 용융 풀에 압축 공기 또는 산소(O₂)가 공급되도록 제공되어 있다.

본 명세서의 범주 내에서 레이저 초점의 위치 또는 영역은 특히, 실질적으로 레이저 빔이 가공품 표면상으로 입사하는 영역을 포함하는 것으로 이해된다. 특히 판금의 레이저 용접시, 레이저 빔을 가공품 표면의 약간 위 또는 아래에 놓인 초점에 포커싱하는 것이 통상적이다. 그에 따라 이와 같은 경우에는 상기 가공품 표면에 수렴성(convergent) 또는 분기성(divergent) 빔 필드가 제공된다. 다른 말로 하면, 본 발명의 범주 내에서는 방사선 필드가 초점에서, 가공품 표면으로부터 약간 떨어져 있는, 특히 작은 판금 두께만큼 떨어져 있는 최소 횡단면 길이를 취하는 설계예들도 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 레이저 빔은 용접 시임을 생성하기 위해 가공품 표면에 대해 상대적으로 공급 방향으로 공급 속도에 의해 이동하고, 가공품에 작용하는 가스 흐름의 유체 역학적 동압력은 공급 속도에 따라, 상기 유체 역학적 동압력이 상기 공급 속도에 대해 비례적으로 선택된 기준 동압력의 최소 절반 및 최대 4배가 되도록 설정된다. 상기 기준 동압력(p_s)은 공급 속도(v_W)에 따라 관계식

에 의해 주어지고, 이때 비례 상수(k)는 SI-단위계에서

이다. 다른 말로 하면, 파스칼로 제시된 기준 동압력(p_s)은 m/min(분당 미터)로 제시된 공급 속도(v_W)의 120배이다. 이와 같이 설계된 가스 흐름에 의해 용융 풀은 복수의 서로 다른 적용 상황에서 안정화된다.

하나의 설계예에서 공급 방향 또는 상기 공급 방향의 반대로 향해 있는 가스 흐름에 의해 용융 풀에 가스의 공급이 이루어진다. 공급된 가스 흐름의 유동 방향은 레이저 빔에 할당된 광학 축을 기준으로 35° 미만의 각도로 진행한다. 그에 따라 이와 관련하여 특히, 용융 풀의 표면상으로 향해 있는 힘을 작용하기 위해, 특히 가스 흐름을 제공하는 노즐을 가공품 표면에 대해 상대적으로 가파르게 세우도록 제안된다.

레이저 빔에 할당된 광학 축은 특히 상기 레이저 빔을 포커싱하는 레이저 광학 유닛의 기하학적 구조에 의해 규정되어 있다.

하나의 설계예에서, 광학 축을 기준으로 10° 미만의 각도로 진행하는, 공급 방향으로 향해 있는 가스 흐름에 의해 용융 풀에 가스의 공급이 이루어진다. 가능한 하나의 적용예에서, 레이저 빔이 상응하게 용접될 가공품의 표면에 대해 수직으로 향하는 경우, 가스 흐름의 유동 방향이 10°까지의 작은 각도에서 공급 방향으로 "찌르는듯(piercing)"이 방향 설정되어 있다.

대안적으로 또는 추가적으로 공급 방향의 반대로 향해 있는 가스 흐름에 의해 용융 풀에 가스의 공급이 이루어지는데, 다시 말해 "끌려가듯(trailing)"이 이루어진다. 공급 방향의 반대로 "끌려가듯"이 이루어지는 상기 가스 공급은 레이저 빔에 할당된 광학 축을 기준으로 바람직하게 30° 미만의 각도하에 이루어진다.

하나의 개선예에서 공급 방향으로 향해 있는 하나 이상의 가스 흐름 및 상기 공급 방향의 반대로 향해 있는 하나 이상의 또 다른 가스 흐름에 의해 동시에 용융 풀에 가스의 공급이 이루어진다. 이와 같은 맥락에서 특히, 가스 공급부는 가스 흐름들을 제공하기 위한 두 개 이상의 노즐을 포함하도록 제공되어 있고, 상기 노즐들은 상응하게 공급 방향 또는 상기 공급 방향의 반대로 향해 있다.

하나의 설계예에서 실질적으로 레이저 빔 또는 광학 축의 방향으로 가공품 표면에 가스의 공급이 이루어진다. 그에 따라 특히 가공품 표면상으로 레이저 빔의 수직 정렬에서 용융 풀에 가스의 공급이 상기 가공품 표면에 대해 수직으로, 다시 말해 레이저 초점의 위치에서 표면 법선의 방향으로 이루어진다.

하나의 설계예에서 레이저 빔은 가공품 표면에 대해 적어도 거의 수직으로, 다시 말해 레이저 초점의 위치에서 표면 법선의 방향으로 정렬된다. 이와 같은 맥락에서 상기 레이저 빔은 바람직하게, 레이저 초점의 위치에서 표면 법선을 기준으로 5°미만만큼 차이나는, 상기 가공품 표면상으로의 빔 방향으로 향한다.

이와 다르게, 예를 들어 필릿 시임(fillet seam)이 생성될 경우에는 레이저 빔이 가공품 표면을 기준으로 더 큰 각도하에 세워질 수도 있다.

하나의 설계예에서 레이저 빔의 빔 방향에 대해 동축으로 가공품 표면에 가스의 공급이 이루어진다. 이와 같은 설계예들을 위해 특히, 가스 공급부가, 레이저 빔을 빔 방향으로 가공품 표면상으로 향하게 하는 레이저 광학 유닛의 광학 축에 대해 동축으로 진행하는 유동 방향을 규정하는 레이저 용접 장치들이 이용되도록 제공되어 있다. 이와 같은 실시예들은 바람직하게 일종의 방향 독립성을 갖는데, 그 이유는 특히 공급 방향 또는 상기 공급 방향의 반대로 비선형의 프로파일을 갖는 용접 시임들이 생성될 경우에 가스 흐름을 제공하는 노즐들의 복잡한 방향 재설정이 생략될 수 있기 때문이다.

하나의 설계예에서 가공품 표면상으로의 가스 흐름은 레이저 초점을 둘러싸는 영역 내로 향해 있고, 상기 영역의 반지름은 상기 가스 흐름을 제공하는 노즐의 노즐 유입구 지름의 최대 2배이다. 다른 말로 하면, 특히 용융 풀의 표면상으로 힘을 작용하기 위해, 상기 가스 흐름은 의도적으로, 액체 용융물을 포함하는 용융 풀이 위치한 가공품 표면의 제한된 영역 상으로 향한다. 상기 레이저 초점을 둘러싸는 영역 상으로 가스 흐름의 의도적인 정렬은, 상기 가스 흐름과의 상호작용이 단지 증기 모세관의 영역 내에서 경우에 따라 형성된 플라스마 플룸(plasma plume)의 방향 전환에만 제한되어 있지 않도록 보장한다. 상기 가스 흐름은 용융 풀의 영역 내에 정체되거나, 또는 그곳에서 뚜렷한 정체점을 형성한다.

하나의 설계예에서 가스 흐름은, 특히 가스 공급부의 유동 횡단면에 따라 적합하게 조정되는 부피 유량을 갖도록 제공되어 있다. 상기 유동 횡단면은 예를 들어 상기 가스 흐름을 제공하는 노즐의 노즐 유입구 지름에 의해 제한되어 있다. 상기 유동 횡단면을 관류하는 가스 흐름은 매우 일반적으로, 한 편으로 무시할 수 없는 힘이 용융 풀 상으로 가해지고, 다른 한편으로 상기 용융 풀로부터 재료의 소실이 적어도 전반적으로 방지되도록 설계된다.

하나의 설계예에서 가스 흐름의 설계는, 유체 역학적 동압력(p_d)이 가스의 밀도(ρ) 및 유동 속도(v_g)로부터 관계식

에 의해 주어진다는 가정하에 이루어진다. 또한, 하나의 설계예에서는 유동 속도(v_g)가

에 따라, 가스 흐름의 부피 유량(VS)과 상기 부피 유량(VS)이 관류하는 유동 횡단면(A)의 비율로부터 주어진다고 가정된다. 상기 유동 횡단면은 예를 들어 노즐의 특히 조절 가능한 노즐 유입 개구 또는 스로틀의 특히 조절 가능한 유동 개구 또는 가스 흐름이 관류하는 축소부의 크기에 의해 결정된다.

하나의 설계예에서 공급 속도는 5m/min를 초과하는데, 특히 최소 6m/min이다. 앞에서 기술된 조치들은 특히, 용융 풀이 소위 로젠탈-레짐에 대해 특징적인 유체 역학적 특성을 갖지 않는 용접 과정들을 개선하기 위해 적합하다.

앞에서 기술된 방법을 실시하기 위해 레이저 용접 장치가 형성되어 있다. 레이저 용접, 특히 심용접을 위한 상기 장치는 용접될 하나 이상의 가공품을 위한 캐리어, 레이저원, 특히 광섬유 유도 레이저, 가스 레이저, 고체 레이저 또는 광섬유 레이저 및 가공품 표면상으로 향해 있는 레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 광학 유닛, 그리고 하나 이상의 가공품 표면상으로 향해 있는 가스 흐름을 발생시키기 위한, 특히 하나 또는 복수의 노즐을 구비한 가스 공급부를 포함한다. 적어도 상기 레이저 광학 유닛 및 상기 캐리어는, 상기 레이저 빔이 적어도 상기 가공품 표면을 따라 한 섹션에 걸쳐서 공급 방향으로 안내 가능하도록 서로 이동 가능하게 지지 되어 있다. 본 발명에 따르면, 상기 가스 공급부는, 레이저 초점의 영역 내에 형성된 용융 풀에 가스의 공급에 의해 기계적 응력을 가하기 위해 설계되어 있다. 그와 결부된 용접 과정에서의 바람직한 효과들은 대응하는 레이저 용접 방법과 관련하여 전술된 설명으로부터 직접 도출됨으로써, 결과적으로 지금까지의 실시예들이 참조된다.

하나의 설계예에서 가스 흐름을 제공하기 위한 가스 공급부는 공급 방향 또는 상기 공급 방향의 반대로 가공품 표면상으로 향해 있는 하나 이상의 노즐을 포함한다. 상기 노즐은 레이저 광학 유닛의 광학 축을 기준으로 정렬될 수 있거나, 또는 정렬되어 있다. 상기 노즐은 광학 축을 기준으로 특히 조절 가능하게 상기 광학 축을 기준으로 30° 미만의 각도로 정렬될 수 있다. 다른 하나의 실시예에서 노즐은 광학 축을 기준으로 30° 미만의 각도로 정렬되어 있다. 그에 따라 용융 풀에 용접 과정 동안 기계적 응력을 가하기 위해, 레이저 용접 장치, 특히 적어도 노즐 및 레이저 광학 유닛을 포함하는 프로세싱 헤드(processing head)는, 가스의 공급이 광학 축의 상응하는 방향 설정에서 가공품 표면을 기준으로 가파른 각도로, 다시 말해 예를 들어 실질적으로 상기 가공품 표면에 대해 수직으로 진행하는 표면 법선을 따라 이루어질 수 있도록 형성되어 있고, 용접될 가공품의 캐리어를 기준으로 배치되어 있다.

하나의 설계예에서 공급 방향으로 향해 있는 노즐은 광학 축을 기준으로 10° 미만의 각도로 정렬될 수 있거나, 또는 정렬되어 있다. 대안적으로 또는 추가적으로 공급 방향의 반대로 향해 있는 노즐은 광학 축을 기준으로 30° 미만의 각도로 정렬될 수 있거나, 또는 정렬되어 있다. 일반적으로 "찌르는듯"이 이루어지는 공급, 다시 말해 가공품에 공급 방향으로 향해 있는 가스 흐름의 공급에서는 "끌려가듯"이 이루어지는 가공, 다시 말해 상기 공급 방향의 반대로 이루어지는 가공에서보다 더 작은 영각(attack angle)이 바람직한 것으로 드러났다.

하나의 설계예에서 레이저 빔을 가공품 표면상으로 향하게 하는 레이저 광학 유닛의 광학 축은 레이저 초점의 위치에서 상기 가공품 표면에 대해 수직으로 진행하는 표면 법선을 기준으로 5° 미만의 각도로 정렬될 수 있거나, 또는 정렬되어 있다. 다른 말로 하면, 레이저 용접 장치는, 제공된, 특히 포커싱된 레이저 빔이 예를 들어 표면 법선에 대해 실질적으로 평행하게 가공품 상으로 향할 수 있도록 레이저 광학 유닛이 특히 캐리어를 기준으로 방향 설정 가능한 방식으로 구현되어 있다.

바람직하게 하나 이상의 노즐은 가공품 표면에 대해 수직으로 진행하는 축을 기준으로 회전 가능하게 지지 됨으로써, 그 결과 상기 노즐은 비선형 경로를 갖는 용접 시임들이 생성되는 경우에도 항상 공급 방향 또는 상기 공급 방향의 반대로 방향 설정될 수 있다.

하나의 설계예에서 가스 공급부는, 레이저 광학 유닛의 광학 축에 대해 동축으로 정렬되어 있는 하나 이상의 노즐을 포함함으로써, 그 결과 가공품에 작용하기 위해 상기 노즐에 의해 제공된 가스 흐름은 특히 레이저 빔에 대해 동축으로 레이저 초점의 위치에서 가공품 표면에 대해 수직으로 진행하는 표면 법선의 방향으로 정렬될 수 있거나, 또는 정렬되어 있다. 이와 같이 레이저 광학 유닛을 기준으로 방향 설정된 가스 공급부를 구비한 동축의 프로세싱 헤드들은 바람직하게 방향 독립성을 갖도록 형성되어 있는데, 그 이유는 적어도 상기 레이저 광학 유닛의 광학 축이 가공시 가공품 표면에 대해 수직으로 정렬되는 경우에, 노즐에 의해 제공된 가스 흐름을 공급 방향 또는 상기 공급 방향의 반대로 적합하게 위치 설정하기 위해 이와 같은 프로세싱 헤드들이 회전할 필요가 없기 때문이다.

광학 축에 대해 동축으로 안내된 가스 공급부를 구비한 실시예들의 하나의 설계예에서, 하나 이상의 노즐은 유동 횡단면을 제한하는, 바람직하게 조절 가능한, 특히 원형 또는 원환형의 노즐 유입 표면을 갖도록 제공되어 있다. 이와 같은 노즐 유입 표면은 레이저 광학 유닛의 광학 축에 대해 동축으로 배치되어 있다. 다른 말로 하면, 상기 레이저 광학 유닛의 광학 축은 예를 들어 원형의 노즐 유입 표면을 갖는, 가스 흐름을 제공하는 노즐을 직접 통과하여 진행한다. 이에 대해 대안적으로 노즐은, 광학 축을 기준으로 동심으로 배치되어 있는 원환형의 노즐 유입 표면을 갖는 환형 노즐로서 형성되어 있다.

하나의 설계예에서 레어저 용접 장치는 공급 속도에 따른 가스 공급부의 자동 설정을 위한, 특히 앞에서 기술된 방법에 따라 공급 속도에 따른 가스 공급부에 의해 제공된 가스 흐름의 유체 역학적 동압력의 자동 설정을 위한 제어 루틴(control routine)이 실행된 제어 유닛을 포함한다. 이를 위해 특히, 상기 제어 유닛은, 예컨대 노즐과 같은, 가스 흐름의 유동 횡단면을 제한하는 액추에이터 또는 조절 가능한 유동 횡단면을 갖는 축소부와 상호작용하도록 제공되어 있다.

하나의 개선예에서는 가스 흐름, 특히 상기 가스 흐름에 의해 야기된 동압력을 제어 유닛에 의해 용접 과정 동안에 공급 속도에 따라서 앞에서 기술된 조치에 상응하게 능동적으로 제어하도록 제공되어 있다.

하나의 설계예에서 레이저원은 최소 3kW, 예를 들어 대략 4kW 또는 4.5kW의 레이저 출력을 갖는다.

하나의 설계예에서 레이저원은, 10㎛ 미만, 특히 5㎛ 미만, 바람직하게 2㎛ 미만, 특히 바람직하게 350㎚ 내지 1300㎚의 파장을 갖는 레이저 방사선을 제공하기 위해 형성되어 있다. 이와 같은 레이저원은 바람직하게 광섬유 유도 레이저이다.

다음에서 본 발명의 가능한 실시예들이 도면들과 관련하여 더 상세하게 설명된다.
도 1은 용융 풀의 기계적 응력을 위해 공급 방향의 반대로 방향 설정된 가스 공급부를 구비한 레이저 용접 장치의 단면도이고;
도 2는 용융 풀의 기계적 응력을 위해 공급 방향으로 방향 설정된 가스 공급부를 구비한 레이저 용접 장치의 단면도이며;
도 3은 용융 풀의 기계적 응력을 위해 광학 축에 대해 동축으로 방향 설정된 가스 공급부를 구비한 레이저 용접 장치의 단면도이다.
도면들에서 서로 상응하는 부분들에는 동일한 도면 부호가 제공되어 있다.

도 1 및 도 2는 개략적으로 레이저 용접 장치(1)의 제1 실시예를 도시하는데, 상기 장치는 용접 과정, 특히 심용접시 형성된 용융 풀(S)에 기계적 응력을 가하기 위해 설계되어 있다.

상기 장치(1)는 프로세싱 헤드(3)를 포함하고, 상기 프로세싱 헤드는 레이저 빔(L)을 포커싱하는 하나 이상의 레이저 광학 유닛(5) 및 노즐(9)을 구비한 가스 공급부(7)를 포함한다. 더 상세하게 도시되지 않은 레이저원, 예를 들어 고체 레이저 또는 광섬유 레이저는 상기 레이저 빔(L)을 발생시킨다. 상기 레이저 광학 유닛(5)의 광학 축(O)은 용접될 가공품(W)의 가공품 표면에 대해 실질적으로 수직으로 방향 설정되어 있다. 상기 레이저 광학 유닛(5)은 상기 레이저 빔(L)을 상기 가공품(W) 상으로 향하게 하고, 이때 상기 레이저 광학 유닛(5)은 가공시 윈도우(11)에 의해 보호되어 있다. 상기 레이저 빔(L)의 레이저 초점(F)은 개략적으로 도시된 예시에서 가공품 표면의 근처에 위치하고, 제공된 레이저 빔(L)의 높은 강도로 인해 그곳에서 플라스마 플룸을 갖는 증기 모세관(D)을 생성한다. 상기 증기 모세관(D)은 용융 풀(S) 내에 위치하는데, 다시 말해 상기 증기 모세관은 액체 용융물에 의해 둘러싸여 있다. 또한, 상기 가공품(W)은 더 상세하게 도시되지 않은 캐리어에 고정되어 있고, 상기 가공품(W)이 용접 시임을 생성하기 위해 제공된 레이저 빔(L)에 대해 상대적으로 공급 방향(V)으로 안내될 수 있도록, 상기 캐리어는 상기 프로세싱 헤드(3)에 대해 상대적으로 이동 가능하게 지지 되어 있다.

적어도 노즐(9)을 구비한 가스 공급부(7)는 광학 축(O)을 기준으로 회전 가능하게 지지 됨으로써, 그 결과 도 1에 도시된 것처럼, 공급 방향(V)의 반대로 향해 있는 가스 흐름(G)을 발생시키기 위해, 또는 도 2에 도시된 것처럼, 공급 방향(V)으로 향해 있는 가스 흐름(G)을 발생시키기 위해, 상기 가스 공급부(7)를 상응하게 방향 설정하는 것이 가능하다. 상기 노즐(9)은 도시된 예시에서 광학 축(O)을 기준으로 대략 25°의 각도(α)로 방향 설정되어 있다. 상기 레이저 빔(L)이 수직으로 가공품 표면상으로 향해 있기 때문에, 이는 레이저 초점의 위치에서 가공품 표면에 대해 수직으로 진행하는 표면 법선(N)을 기준으로 대략 25°의 각도(α)하에서 용융 풀(S)에 작용하는 것과 상응한다.

도 3은 레이저 용접 장치(1)의 제2 실시예의 개략적인 구조를 보여주는데, 상기 장치는 용접 과정에서 형성된 용융 풀(S)에 기계적 응력을 가하기 위해 설계되어 있다. 상기 레이저 용접 장치(1)는 구조적으로 단지 가스 공급부의 기하학적 구조와 관련하여 도 1 및 도 2에 도시된 제1 실시예로부터 구분됨으로써, 결과적으로 이와 관련한 설명이 참조된다.

상기 제2 실시예의 프로세싱 헤드(3)는 동축 헤드로서 형성되어 있는데, 다시 말해 노즐(9)을 구비한 가스 공급부(7)는 광학 축(O)에 대해 동축으로 진행하는 가스 흐름(G)을 발생시킨다. 그에 따라, 가공품 표면상으로 레이저 빔(L)의 수직 정렬에서 상기 가스 흐름(G)은 상기 용융 풀(G)에 실질적으로 표면 법선(N)의 방향으로 작용하는데, 다시 말해 대략 0°의 각도(α)하에서 작용한다.

레이저 용접 방법에서, 가공품 재료를 레이저 초점(F)의 영역 내에서 국부적으로 용융하기 위해, 레이저 빔(L)은 가공품 표면을 따라서 공급 방향(V)으로 안내된다. 상기 공급 방향(V)을 따라서 공급 속도(v_W)는 특히 1m/min 내지 50m/min, 예를 들어 4m/min 내지 24m/min이다. 가스 흐름(G)이 용융 풀(S) 상으로 충돌하는 각도(α)는 바람직하게 0° 내지 35°이다. 상기 가스 흐름(G)의 유동 횡단면(A)을 제한하는 노즐(9)의 노즐 유입 표면은 예를 들어 몇 밀리미터, 특히 4㎜ 미만, 예를 들어 대략 3㎜의 지름을 갖는다. 상기 노즐 유입 표면은 일반적으로 용접 모세관 또는 증기 모세관(D)으로부터 몇 밀리미터, 예를 들어 대략 5㎜ 내지 15㎜ 떨어져 있다.

용융 풀을 안정화하기 위해 적합한 힘이 용융 풀에 가해져야 하지만, 적어도 인지할 만한 정도의 재료 소실 또한 방지되어야 한다. 가스 흐름(G)을 설계하기 위해, 유체 역학적 압력(p_d)이 적합한 파라미터로서 입증되었는데, 상기 파라미터는 간단하게 방출되는 가스의 밀도(ρ) 및 유동 속도(v_g)로부터

에 따라 계산된다. 상기 유동 속도(v_g)는 간단하게 관계식

로부터 도출될 수 있고, 이때 VS는 유동 횡단면(A)을 통과하는 가스 흐름(G)의 부피 유량을 나타낸다. 상기 부피 유량(VS)은 전형적으로 설계된 노즐들의 경우, 몇 분당 리터(l/min)이다.

용융 풀(S)의 기계적 응력을 위한 가스 흐름은 바람직하게, 발생한 유체 역학적 동압력(p_d)이 기준 동압력(p_s) 중심의 범위 내에 놓이도록 설정된다. 상기 가스 흐름은 가스 종류, 노즐 유입 개구 표면 및 공급 속도(v_W)에 따라서, 상기 동압력(p_d)이 기준 동압력(p_s)의 최소 절반 및 상기 기준 동압력의 최대 4배가 되도록 설정되는데, 다시 말해 (0.5*p_s＜p_d＜4*p_s)이다.

상기 기준 동압력(p_s)은

에 의해 주어지고, 이때 비례 상수(k)는 SI-단위계에서

이다.

구체적인 하나의 실시예에서 1.5㎜ 두께의 스테인리스 판금이 용접된다. 광섬유 유도 레이저가 4.5kW의 레이저 빔(L)을 제공한다. 이용된 레이저 광학 유닛(5)은 예를 들어 120:300의 재생비를 갖고 가공품 표면상으로 200㎛의 광섬유 지름을 투사함으로써, 결과적으로 그곳에서 대략 0.5㎜의 스팟 지름을 갖는 레이저 초점이 생성된다. 12m/min의 공급 속도(v_W)에서 용융 풀에 아르곤이 공급된다. 제공된 가스 흐름은 20l/min의 부피 유량을 갖고, 상기 부피 유량은 지름이 3㎜인 노즐(9)에 의해 제한된다. 이는 대략 2kPa의 유체 역학적 동압력(p_d)에 상응하는데, 다시 말해 기준 동압력(p_s)의 대략 1.38배에 상응한다.

본 발명은 앞에서 바람직한 실시예들과 관련하여 기술되었다. 그러나 본 발명이 도시된 실시예들의 구체적인 설계예에 제한되어 있지 않은 것으로 간주하며, 오히려 해당 기술의 당업자는 본 발명의 주요 기본 발상들에서 벗어나지 않으면서 설명을 참조하여 변형예들을 도출할 수 있다.

1 장치
3 프로세싱 헤드
5 레이저 광학 유닛
7 가스 공급부
9 노즐
11 윈도우
O 광학 축
L 레이저 빔
W 가공품
S 용융 풀
D 증기 모세관
V 공급 방향
G 가스 흐름
α 각도
A 유동 횡단면

Claims

가공품들(W)의 레이저 용접 방법으로서, 가공품 표면상으로 향해 있는 레이저 빔(L)은, 용접될 하나 이상의 가공품(W)의 가공품 재료가 레이저 초점(F)의 영역 내에서 용융되도록 하는 방사선 강도를 갖고, 상기 레이저 초점(F)의 영역 내에는 증기 모세관(vapor capillary)(D)이 형성되며, 상기 증기 모세관은 적어도 부분적으로 액체 용융 풀(liquid molten pool)(S)에 의해 둘러싸여 있고, 상기 레이저 빔(L)은 용접 시임(weld seam)을 생성하기 위해 가공품 표면에 대해 공급 방향(V)으로 상대 이동하며, 상기 용융 풀(S)은 용접 과정 동안 안정화를 위해 가공품 표면상으로 향해 있는 가스 흐름(G)의 인가에 의해 기계적 응력을 받고,
상기 레이저 빔(L)은 용접 시임을 생성하기 위해 공급 방향(V)으로 공급 속도(v_W)로 가공품 표면에 대해 상대 이동하고, 상기 가공품(W)에 인가된 가스 흐름(G)의 유체 역학적 동압력(p_d)은 공급 속도(v_W)에 따라, 상기 유체 역학적 동압력(p_d)이 상기 공급 속도(v_W)에 대해 비례적으로 선택된 기준 동압력(p_s)의 최소 절반 및 최대 4배가 되도록 설정되며, 상기 기준 동압력은 관계식

에 의해 주어지고, 비례 상수(k)는 SI-단위계에서
이고,
상기 가스 흐름은 레이저 초점(F)을 둘러싸는 영역 상으로 향해 있고, 상기 영역의 반지름은 상기 가스 흐름(G)을 제공하는 노즐(9)의 노즐 유입구 지름의 최대 2배인 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
공급 방향(V)으로 또는 상기 공급 방향(V)의 반대로 향해 있는 가스 흐름(G)에 의해 용융 풀(S)에 가스의 인가가 이루어지고, 상기 가스 흐름(G)의 유동 방향은 레이저 빔(L)에 할당된 광학 축(O)을 기준으로 35° 미만의 각도(α)로 진행하는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.
제2항에 있어서,
광학 축(O)을 기준으로 10° 미만의 각도(α)로 진행하는, 공급 방향(V)으로 향해 있는 가스 흐름(G)에 의해 용융 풀(S)에 가스의 인가가 이루어지고, 그리고/또는 광학 축(O)을 기준으로 30° 미만의 각도(α)로 진행하는, 공급 방향(V)의 반대로 향해 있는 가스 흐름(G)에 의해 용융 풀(S)에 가스의 인가가 이루어지는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체 역학적 동압력(p_d)은 가스의 밀도(ρ) 및 유동 속도(v_g)로부터 관계식
에 의해 주어지고, 상기 유동 속도(v_g)는
에 따라, 가스 흐름(G)의 부피 유량(VS)과 상기 부피 유량(VS)이 관류하는 유동 횡단면(A)의 비율로부터 주어지는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 속도(v_w)는 5m/min를 초과하는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.
레이저 용접 장치(1)로서, 상기 장치는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 형성되어 있고,
- 용접될 하나 이상의 가공품(W)을 위한 캐리어,
- 레이저원 및 가공품 표면상으로 향해 있는 레이저 빔(L)을 발생시키기 위한 레이저 광학 유닛(5),
- 하나 이상의 가공품 표면상으로 향해 있는 가스 흐름(G)을 발생시키기 위한 가스 공급부(7)를 포함하며, 적어도 상기 레이저 광학 유닛(5) 및 상기 캐리어는, 상기 레이저 빔(L)이 적어도 상기 가공품 표면을 따라 한 섹션에 걸쳐서 공급 방향(V)으로 안내될 수 있도록 서로에 대해 이동 가능하게 장착되고,
상기 가스 공급부는, 레이저 초점(F)의 영역 내에 형성된 용융 풀(S)에 가스 인가에 의해 기계적 응력을 가하도록 설계되어 있고,
상기 가스 흐름은 레이저 초점(F)을 둘러싸는 영역 상으로 향해 있고, 상기 영역의 반지름은 상기 가스 흐름(G)을 제공하는 노즐(9)의 노즐 유입구 지름의 최대 2배인 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 장치.
제7항에 있어서,
가스 흐름(G)을 제공하기 위한 상기 가스 공급부(7)는 공급 방향(V) 또는 상기 공급 방향(V)의 반대로 가공품 표면상으로 향해 있는 하나 이상의 노즐(9)을 포함하고, 상기 노즐(9)은 레이저 광학 유닛(5)의 광학 축(O)을 기준으로 30° 미만의 각도(α)로 정렬될 수 있거나 또는 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 장치.
제8항에 있어서,
공급 방향(V)으로 향해 있는 노즐(9)은 광학 축(O)을 기준으로 10° 미만의 각도(α)로 정렬되어 있고, 그리고/또는 공급 방향(V)의 반대로 향해 있는 노즐(9)은 광학 축(O)을 기준으로 30° 미만의 각도(α)로 정렬될 수 있거나 또는 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 장치.
제7항에 있어서,
상기 가스 공급부(7)는, 레이저 광학 유닛(5)의 광학 축(O)에 대해 동축으로 정렬될 수 있거나 또는 정렬되어 있는 노즐(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 장치.
제10항에 있어서,
상기 노즐(9)은 유동 횡단면(A)을 제한하는 노즐 유입 표면을 갖고, 상기 노즐 유입 표면은 레이저 광학 유닛(5)의 광학 축(O)에 대해 동축으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 장치.
제7항에 있어서,
공급 속도(v_W)에 따른 가스 공급부(7)의 자동 설정을 위한, 제어 루틴(control routine)이 구현된 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 장치.
제7항에 있어서,
상기 레이저원은 최소 3kW의 레이저 출력을 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 장치.
제7항에 있어서,
상기 레이저원은, 10㎛ 미만의 파장을 갖는 레이저 방사선(L)을 제공하기 위해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 장치.