KR102520938B1 - 레이저 용접장치의 제어방법 - Google Patents

레이저 용접장치의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저와 용접봉을 이용하여, 쿼츠의 접합부위를 보다 효과적으로 용접하는 레이저 용접장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 형태에 따르면, 쿼츠 재질의 제1모재 및 상기 제1모재와 경사를 이루면서 상기 제1모재의 일측면에 접합되도록 배치되는 쿼츠 재질의 제2모재가 상호 접합되는 접합부위 및 상기 접합부위에 위치되는 용접봉에 레이저를 조사하는 레이저 조사부; 상기 레이저 조사부에서 조사되는 레이저의 조사위치 및 초점위치를 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 레이저가 수렴되거나 또는 확산되는 상태에서 상기 접합부위에 조사되도록 상기 레이저 조사부를 제어하는 레이저 용접장치가 개시된다.

Description

레이저 용접장치의 제어방법{Laser Welding Device and Method for Controlling Laser Welding Device}
본 발명은 레이저와 용접봉을 이용하여, 쿼츠의 접합부위를 보다 효과적으로 용접하는 레이저 용접장치의 제어방법에 관한 것이다.
쿼츠(Quartz)는 석영재질로 이루어져 고온환경에서 다른 소재와 반응하지 않는 불활성 소재가 필요한 공정에 주로 사용되고 있다.
이러한 쿼츠는 요구되는 형상에 따라 원통형 및 박스형 등 여러 가지 형태로 제조되어야 하는데, 필요에 따라 두 석영 판재가 서로 접합되어야 할 수 있다.
일반적으로 산업현장에서 사용되고 있는 용접기법은 융접, 압접, 납접 등으로 분류되고 있다. 용접의 종류에는 다양한 종류가 개발되어 산업현장에서 시행되고 있는 실정이다.
한편, 쿼츠의 용접에 있어서는, 일반적으로 토치를 이용하여 서로 맞접된 두 모재를 가열하는 방식이 사용되고 있다.
즉, 두 모재의 측면을 맞접하거나 또는 겹치도록 배치한 뒤에 토치를 이용하여 모재를 가열하여 용접하였다.
그러나, 만들고자 하는 제품의 형상에 따라 절곡된 형상으로 용접해야 하는 경우도 있고, 특히 모재의 두께가 두꺼운 부분품을 용접해야 하는 경우도 있는데, 이러한 경우 기존이 토치를 이용하는 방법은 효과적이지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 서로 용접되는 두 모재가 평면이 아닌 절곡된 상태로 경사지게 접합되는 경우에도 용접부위의 두께가 모재와 균일하게 유지될 수 있는 레이저 용접장치의 제어방법을 제공하는 것이 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 쿼츠 재질의 제1모재 및 상기 제1모재와 경사를 이루면서 상기 제1모재의 일측면에 접합되도록 배치되는 쿼츠 재질의 제2모재가 상호 접합되는 접합부위 및 상기 접합부위에 위치되는 용접봉에 레이저를 조사하는 레이저 조사부; 상기 레이저 조사부에서 조사되는 레이저의 조사위치 및 초점위치를 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 레이저가 수렴되거나 또는 확산되는 상태에서 상기 접합부위에 조사되도록 상기 레이저 조사부를 제어하는 레이저 용접장치가 개시된다.
상기 제어부는, 상기 레이저가 초점이 맺힌 후에 확산되는 상태에서 상기 접합부위에 조사되도록 상기 레이저 조사부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 접합부위에 조사되는 레이저의 초점이 맺히는 위치가 상기 레이저가 상기 접합부위를 만나기 전에 형성되도록 상기 레이저 조사부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 레이저의 초점이 맺히는 위치가 상기 레이저 조사부와 상기 접합부위 사이의 거리의 40~70% 위치에서 형성되도록 상기 레이저 조사부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 레이저 조사부부터 상기 레이저가 상기 접합부위에 조사되는 거리가, 상기 레이저 조사부부터 상기 레이저의 초점이 맺히는 거리보다 더 길도록 상기 레이저 조사부를 제어할 수 있다.
상기 제1모재와 상기 제2모재는 서로 180도 이내의 각도를 형성하도록 서로 경사지게 배치될 수 있다.
상기 제2모재와 접합되는 측을 향하는 제1모재의 상측 모서리와, 상기 제1모재와 접합되는 측을 향하는 제2모재의 상측 모서리의 간격을 W1 이라 할 때, 상기 제어부는, 상기 제1모재와 제2모재의 접합부에 조사되는 레이저의 직경을 W1보다 크도록 제어할 수 있다.
상기 접합부위에 조사되는 상기 레이저의 직경은 6mm 이하일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 레이저의 출력을 제어하여, 조사되는 레이저에 의해 가열되는 상기 접합부위의 온도를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 레이저의 조사지점을 상기 제1모재와 상기 제2모재의 접합부위를 따라 이동시키며, 상기 레이저의 조사지점 이동속도는 1~600mm/min 범위일 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 쿼츠 재질의 제1모재, 상기 제1모재와 경사를 이루며 접합되도록 배치되는 제2모재, 상기 제1모재와 상기 제2모재를 용접하는 용접봉을 이용하여 레이저로서 상기 제1모재와 상기 제2모재를 용접하는 레이저 용접장치의 제어방법으로서, 상기 제1모재와 상기 제2모재를 지그에 위치시키는 모재 준비 단계; 상기 모재 준비 단계에서 위치된 상기 제1모재와 제2모재의 접합부위에 용접봉을 위치시키고, 레이저를 상기 용접봉과 상기 제1모재 및 상기 제2모재의 접합부위에 조사하여 상기 접합부위에 걸쳐 레이저를 조사하되, 상기 접합부위에 조사되는 레이저의 초점이 상기 접합부위로부터 상측으로 이격된 지점에 형성되도록 제어하면서 레이저를 조사하는 용접단계;를 포함하는 레이저 용접장치의 제어방법이 제공된다.
상기 모재 준비 단계에서 준비된 상기 제1모재와 상기 제2모재의 접합부위를 가접합 시키는 가접합 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 용접단계에 있어서, 상기 레이저의 초점이 맺히는 위치가 상기 레이저 조사부와 상기 접합부위 사이의 거리의 40~70% 위치에서 형성되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 레이저 용접장치의 제어방법에 따르면, 쿼츠를 레이저로 용접할 때 레이저의 초점 부분이 아닌 초점 후 확산되는 지점이 제1모재, 제2모재 및 용접봉이 용접되는 접합부위에 조사되므로, 피용접물인 제1모재 및 제2모재가 절단되지 아니하고 효과적으로 용접될 수 있어 보다 균일한 용접품질을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치를 도시한 사시도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치에 의해 용접이 이루어지는 부분을 확대하여 도시한 단면도;
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치의 레이저 조사부에서 접합부위에 조사되는 레이저를 도시한 단면도;
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접장치의 레이저의 조사지점이 이동되는 모습을 도시한 도면이다.
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.
이하, 본 발명의 레이저 용접장치의 일 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 레이저 용접장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 지그(110), 레이저 조사부(130), 용접봉 송급장치(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다.
상기 지그(110)는 서로 용접될 제1모재(10)와 제2모재(20)가 거치되며, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)가 상호 경사를 이루면서 서로 마주보는 측면이 접촉되도록 지지할 수 있다.
이 때, 상기 제1모재(10) 및 제2모재(20)는 쿼츠(Quartz)재질로 이루어지며, 평판 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제1모재(10) 및 제2모재(20)의 측면은 평판과 수직한 측면을 형성할 수 있다.
이를 위해, 상기 지그(110)는 상기 제1모재(10)가 거치되는 제1지지면(112)과 상기 제2모재(20)가 거치되는 제2지지면(114)을 형성할 수 있다.
상기 제1모재(10)와 제2모재(20)를 서로 경사지게 거치하도록 상기 제1지지면(112)과 제2지지면(114)은 상호 경사를 이룰 수 있다.
상기 제1지지면(112)에 거치되는 상기 제1모재(10)와, 상기 제2지지면(114)에 거치되는 제2모재(20)가 서로 180도 이내의 각도를 형성하도록, 상기 제1지지면(112)과 제2지지면(114)은 서로 경사지게 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)는 90도의 각도를 이루며 상기 제1지지면(112) 및 제2지지면(114)도 90도의 각도를 이루는 것을 예로 들어 설명하나, 본 발명은 상기 제1모재(10)와 제2모재(20), 제1지지면(112)과 제2지지면(114)이 이루는 각도에 한정되지 아니한다.
상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 사이의 각도는 70도~120도 사이의 범위일 수 있으며, 각도가 너무 좁으면 상기 제1모재(10), 제2모재(20) 및 상기 용접봉(120)이 레이저(132)에 의해 녹은 용융물의 침투가 어렵고, 각도가 너무 넓으면 용융물이 넓게 퍼져 용접두께가 부족한 현상이 발생될 수 있다.
상기 용접봉 송급장치(140)는 용접봉(120)을 공급하며 이동시키도록 구비될 수 있다.
상기 용접봉(120)은, 상기 제1모재(10) 및 제2모재(20)와 동일한 쿼츠 재질로 형성되며, 원형단면의 봉형태로 형성될 수 있다. 상기 용접봉(120)은 후술하는 레이저(132) 등에 의해 용융되어 상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 사이에서 용융된 후 고화되어 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부를 용접시킬 수 있다.
상기 레이저 조사부(130)는 상기 제1모재(10)와 상기 제2모재(20) 및 상기 용접봉(120)을 용융시키도록 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부에 레이저(132)를 조사하는 구성요소이다.
용접이 진행됨에 따라 상기 레이저(132)가 조사되는 지점 및 상기 용접봉(120)은 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위를 따라 이동된다. 따라서, 상기 레이저 조사부(130) 및 상기 용접봉 송급장치(140)는 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위를 따라 이동될 수 있다.
또는, 상기 레이저 조사부(130) 및 상기 용접봉 송급장치(140)는 고정된 상태에서 상기 지그(110)가 이송되어 상기 레이저 조사부(130)에 의해 용접이 이루어지는 접합부위의 위치가 이동될 수 있다.
또는, 상기 용접봉 송급장치(140)는 이동되며, 상기 레이저 조사부(130)는 이동되지 아니하고 레이저(132)를 조사하는 각도가 틸팅되면서 레이저 조사지점을 이동시킬 수도 있다.
상기 제어부(150)는 상기 레이저 조사부(130)와 상기 송급장치(140)를 제어할 수 있다. 즉, 상기 제어부(150)는 센서 등을 통해 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)가 용접되는 접합부위의 온도를 측정하며, 그에 따라 상기 레이저(132)의 초점 및 조사지점이나 출력 등을 제어하며, 상기 용접봉 송급장치(140)의 용접봉(120) 공급량 및 이동을 제어할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 지그(110)의 상기 제1지지면(112)과 상기 제2지지면(114)에 거치된 상기 제1모재(10)와 상기 제2모재(20)의 측단면이 평면과 직각을 이루고 있으므로, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 사이는 이격될 수 있다.
이 때, 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리의 간격을 W1 이라 칭하기로 한다.
상기 용접봉(120)의 끝단은 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리의 사이에 위치될 수 있다.
상기 용접봉(120)의 끝단이 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 사이에 위치된 상태에서, 레이저(132)가 조사되어 상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 및 상기 용접봉(120)을 동시에 용융시킨 후, 용융된 용탕이 냉각 및 고화되면서 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)가 용접될 수 있다.
이 때, 상기 제1모재(10)와 상기 제2모재(20)는 1~6mm 사이의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 용접봉(120)은 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 두께와 같거나 작은 직경을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 두께가 3.5mm 인 경우, 상기 용접봉(120)의 직경은 3.5mm 이거나 이보다 작은 3mm인 것이 적당할 수 있다.
또한, 상기 용접봉(120)의 끝단이 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 사이에 위치되어 야 하므로, 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리의 간격을 W1 이라 할 때, 상기 용접봉(120)의 직경은 상기 W1보다 작을 수 있다.
또한, 상기 용접봉(120)의 하단은 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리보다 하측에 위치될 수 있다. 이는, 상기 용접봉(120)의 하단이 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 사이에 위치되어야 하기 때문이다.
한편, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)에 조사되는 레이저(132)는 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부 및 상기 용접봉(120)을 모두 한번에 가열할 수 있도록 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리의 간격을 W1 이라 할 때, 상기 제어부(150)는, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부에 조사되는 레이저(132) 빔의 직경을 W1보다 크도록 제어할 수 있다.
즉, 상기 W1의 간격이 4.95mm 인 경우, 상기 레이저(132)빔의 직경은 상기 W1 보다 큰 6mm 일 수 있다.
또한, 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 하측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 하측 모서리의 간격을 W2 이라 할 때, 상기 W2는 0~1mm 범위일 수 있다. 즉, 상기 제1모재(10)의 하측 모서리와 상기 제2모재(20)의 하측 모서리는 서로 연접되도록 배치되거나 또는 1mm 이하의 간격을 이루도록 배치될 수 있다.
이 때, 상기 레이저(132)의 출력은 200~800W일 수 있다. 상기 레이저(132)의 출력이 너무 낮은 경우 제1모재(10)와 제2모재(20) 및 상기 용접봉(120)이 제대로 용접되지 아니하여 용접불량이 발생되거나 또는 용접에 소요되는 시간이 지나치게 길어질 수 있다.
또한, 상기 레이저(132)의 출력이 너무 강한 경우, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 및 상기 용접봉(120)이 지나치게 빠르게 용융되어 용접되기 보다는 절단되는 현상이 발생될 수 있다.
물론, 본 발명은 상기 레이저(132)의 출력에 한정되는 것은 아니며, 보다 폭 넓은 범위의 출력을 발휘할 수 있다.
도 3는 상기 레이저 조사부(130)에서 접합부위에 조사되는 레이저(132)를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 조사부(130)는, 레이저(132)가 출력되는 헤드(134) 및 상기 헤드(134)에서 출력되는 레이저(132)의 초점이 맺히는 위치를 조절하는 렌즈부(136)를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 헤드(134)에서 출력되는 레이저(132)는 상기 렌즈부(136)를 투과하면서 그 초점이 맺히는 위치가 조절될 수 있다.
즉, 상기 레이저 조사부(130)에서 출력되는 레이저(132)는 상기 렌즈부(136)를 거치면서 초점이 맺히는 위치가 조절되며, 초점이 맺히기 전 까지는 초점을 향해 직경이 수렴되다가 초점이 맺히는 영역을 지난 후에는 확산될 수 있다.
이 때, 상기 레이저(132)는 상기 초점이 맺히는 지점에 가까워질수록 에너지 밀도가 증가하다가 초점이 맺히는 지점에서 에너지 밀도가 최대가 되며, 초점이 맺히는 지점을 지난 후에는 레이저(132)가 확산되면서 에너지 밀도가 감소될 수 있다.
한편, 상기 접합부위에 조사되는 레이저(132)의 에너지 밀도가 높을수록 온도가 높아져 용융에 유리한데, 상기 접합부위상에 레이저(132)의 초점이 맺히면, 조사되는 레이저(132)의 에너지 밀도가 높아 모재의 용융성이 지나치게 높아져 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)가 용접되지 아니하고 절단되는 경우가 발생될 수 있다.
또한, 상기 접합부위에 조사되는 레이저(132)의 에너지 밀도가 낮으면 용융성이 부족하여 제1모재(10)와 제2모재(20)의 용접이 불량해질 수도 있다.
한편, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)에 조사되는 레이저(132)는 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부 및 상기 용접봉(120)을 모두 한번에 가열할 수 있도록 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리의 간격을 W1 이라 할 때, 상기 제어부(150)는, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부에 조사되는 레이저(132) 빔의 직경(D2)을 W1보다 크도록 상기 레이저 조사부(130)를 제어할 수 있다.
상기 접합부위에 조사되는 레이저(132)는 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위 전체에 균일하게 조사되어야 하는데, 상기 접합부위상에 레이저(132)의 초점이 맺히면, 레이저의 직경(D2)이 접합부위의 너비(W1)보다 좁아 균일한 용융 및 용접을 기대하기 어려울 수 있다.
따라서, 상기 접합부위에 조사되는 레이저(132)는 상기 접합부위의 너비(W1)보다 크며, 적당한 에너지 밀도를 가져야 한다.
이를 위해서, 상기 제어부(150)는, 상기 레이저(132)가 초점이 맺히는 위치가 아닌 수렴되거나 확산되는 상태에서 상기 접합부위에 조사되도록 상기 레이저 조사부(130)를 제어할 수 있다.
특히, 상기 레이저(132)가 초점이 맺힌 후에 확산되는 상태에서 상기 접합부위에 조사되도록 상기 레이저 조사부(130)를 제어할 수 있다.
상기 레이저(132)가 초점이 맺히기 전에 수렴되는 상태에서 상기 접합부위에 조사되도록 제어된다면, 상기 레이저 조사부(130)의 헤드(134)와 상기 제1모재(10), 제2모재(20) 및 용접봉(120)의 간격이 극히 좁아져 충돌이 발생할 우려가 있다.
따라서, 상기 접합부위에 조사되는 레이저(132)의 초점이 맺히는 위치가 상기 레이저(132)가 상기 접합부위를 만나기 전에 형성되도록 상기 레이저 조사부(130)를 제어하여, 상기 헤드(134)와 피용접물간의 간격을 최대한으로 확보할 수 있다.
즉, 상기 제어부(150)는, 상기 레이저 조사부(130)부터 상기 레이저(132)가 상기 접합부위에 조사되는 거리(L1)가 상기 레이저 조사부(130)부터 상기 레이저의 초점이 맺히는 거리(L2)보다 더 길도록 상기 레이저 조사부(130)를 제어하는 것이다.
한편, 상기 레이저(132)의 초점이 맺히는 위치가 상기 레이저 조사부(130)와 상기 접합부위 사이의 거리(L1)의 40~70% 위치에서 형성되도록 제어할 수 있다.
즉, 상기 헤드(134)와 제1모재(10) 및 제2모재(20)의 접합부위간의 간격이 100mm일 때, 상기 레이저(132)의 초점이 맺히는 위치는 상기 헤드(134)로부터 50mm 이격된 곳에 형성될 수 있다. 물론, 이는 상기 접합부위의 너비(W1)나 피용접물의 용접온도 및 레이저의 출력에 따라 달라질 수도 있다.
한편, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 재질인 쿼츠의 경우 섭씨 1700도~2000도 부근이 용접에 적합한 온도일 수 있다.
따라서, 상기 제어부(150)는 상기 피용접물의 접합부위의 온도가 섭씨 1700도~2000도 사이가 되도록 상기 레이저의 출력 및 상기 레이저의 초점위치를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(150)는 용접이 진행됨에 따라 상기 레이저(132)가 조사되는 지점 및 상기 용접봉(120)이 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위를 따라 이동되도록, 상기 용접봉 송급장치(140) 및 레이저 조사부(130)를 제어한다, 이 때, 상기 용접봉(120)의 운봉속도는 1~600mm/min 일 수 있다. 상기 레이저(132)가 조사되는 지점의 이동속도 또한 상기 운봉속도와 동일할 수 있다.
상기 레이저(132)가 조사되는 지점의 이동속도가 지나치게 느릴 경우 에너지가 집중되어 과용융 상태가 되고, 이동속도가 지나치게 빠를 경우 충분하게 용융되지 못하여 용접불량이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 레이저(132)가 조사되는 지점의 이동속도 및 상기 용접봉(120)의 운봉속도는 바람직하게는 50~200mm/min 일 수 있다.
또한, 레이저(132)가 조사되는 지점의 이송속도가 지나치게 느릴 경우, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 및 용접봉(120)이 과용융되어 용접불량이 발생될 수 있으며, 지나치게 빠를 경우엔 상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 및 용접봉(120)이 적게 용융되어 용접불량이 발생될 수 있다.
물론, 이는 상기 레이저(132)의 출력에 따라 달라질 수 있을 것이다.
따라서, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 사이에 상기 용접봉(120)이 위치된 상태에서 레이저(132)가 조사되어 상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 및 상기 용접봉(120)이 상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 사이에서 용융 및 고화되어 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)가 용접될 수 있다. 또한, 상기 용접봉(120)이 녹아 상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 사이의 공간을 메꾸므로, 용접부위의 두께가 균일하게 유지될 수 있다.
도 4은 상기 레이저(132)가 조사되는 지점이 이동되는 모습을 도시한 도면이다.
상기 제어부(150)는 상기 레이저 조사부(130)를 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 수평방향으로 이동시켜, 상기 레이저(132)가 조사되는 지점을 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위를 따라 이동시킬 수 있다.
이 때, 상기 레이저 조사부(130)는 수평방향으로 이동되는 이송기구(미도시)를 포함할 수 있다.
또는, 상기 제어부(150)는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 조사부(130)의 각도를 틸팅하여 상기 레이저(132)가 조사되는 지점을 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위를 따라 이동시킬 수 있다.
이 때, 상기 레이저 조사부(130)가 틸팅되면서 상기 레이저 조사부(130)의 헤드(134)와 접합부위간의 거리가 달라지므로, 상기 접합부위에 조사되는 레이저(132)의 직경이 일정하게 유지되도록 상기 레이저 조사부(130)의 렌즈부(136)를 제어할 수 있다. 또한, 상기 레이저 조사부(130)는 상기 헤드(134)의 각도를 틸팅하는 틸팅기구(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 도 4에서는 상기 용접봉(120) 및 레이저 조사지점이 일측방향으로 움직이는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 아니하며, 용접 시작위치 등에 따라 반대방향으로 이동되면서 용접이 이루어질 수도 있을 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 쿼츠 용접 방법을 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 레이저를 이용한 쿼츠 용접 방법은, 모재 준비 단계(S110), 가접합단계(S120) 및 용접단계(S130)를 포함할 수 있다.
상기 모재 준비 단계(S110)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 지그(110)의 제1지지면(112)과 제2지지면(114)에 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)를 안착시키는 단계이다.
이 때, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)는 서로 평행하지 않으며 경사를 이루도록 배치될 수 있다.
이 때, 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 하측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 하측 모서리의 간격을 W2 이라 할 때, 상기 W2는 0~1mm 범위일 수 있다. 즉, 상기 제1모재(10)의 하측 모서리와 상기 제2모재(20)의 하측 모서리는 서로 연접되도록 배치되거나 또는 1mm 이하의 간격을 이루도록 배치될 수 있다.
상기 모재 준비 단계(S110)의 후에는 가접합단계(S120)가 수행될 수 있다. 상기 가접합단계(S120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부를 스팟용접(160)을 통해 가접합 시키는 단계이다.
상기 스팟용접(160)은 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위를 상기 레이저(132)를 이용하여 소정간격 스팟용접(160)함으로써 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)를 가접합 시켜 그 위치를 고정하는 단계이다.
이후, 스팟용접(160)된 부분을 지그(110)로 조정 한 후에 용접단계(S130)가 수행될 수 있다.
상기 용접단계(S130)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가접합된 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위에 용접봉(120)을 위치 시키고, 레이저(132)를 상기 용접봉(120)과 상기 제1모재(10) 및 제2모재(20)의 접합부위에 조사하여 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)를 용접하는 단계이다.
이 때, 상기 용접봉(120)의 하단은 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리보다 하측에 위치되며, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)에 조사되는 레이저(132)는 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부 및 상기 용접봉(120)을 모두 한번에 가열 용융할 수 있도록 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리의 간격을 W1 이라 할 때, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부에 조사되는 레이저(132) 빔의 직경을 W1보다 크도록 제어될 수 있다.
상기 용접봉(120)은 상기 제1모재(10)와 상기 제1모재(10)의 접합부위에 대해서 0~45도 기울기로 경사지게 위치될 수 있다.
이 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 레이저(132)가 초점이 맺히는 위치가 아닌 초점이 맺힌 후 확산되는 상태에서 상기 접합부위에 조사되도록 제어할 수 있다.
즉, 상기 레이저 조사부(130)부터 상기 레이저(132)가 상기 접합부위에 조사되는 거리(L1)가 상기 레이저 조사부(130)부터 상기 레이저의 초점이 맺히는 거리(L2)보다 더 길도록 상기 레이저 조사부(130)를 제어하는 것이다.
한편, 상기 레이저(132)의 초점이 맺히는 위치가 상기 레이저 조사부(130)와 상기 접합부위 사이의 거리(L1)의 40~70% 위치에서 형성되도록 제어할 수 있다.
상기 용접단계(S130)에서 용접이 진행됨에 따라 상기 레이저(132)가 조사되는 지점 및 상기 용접봉(120)을 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위를 따라 이동시키는데, 이 때, 상기 용접봉(120)은 상기 용접봉(120)의 진행방향과 평행하도록 배치되며, 또한, 상기 용접봉(120)의 운봉속도는 1~600mm/min 일 수 있다. 상기 레이저(132)가 조사되는 지점의 이동속도 또한 상기 운봉속도와 동일할 수 있다
이와 같이 용접된 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 용접부위의 두께가 상기 제1모재(10) 및 제2모재(20)의 두께와 유사하게 유지될 수 있다. 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 용접부분의 두께는 상기 제1모재(10) 및 제2모재(20)의 두께의 80%~120%에 해당할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 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.
10: 제1모재 20: 제2모재
110: 지그 112: 제1지지면
114: 제2지지면 120: 용접봉
130: 레이저 조사부 132: 레이저
140: 송급장치 150: 제어부

Claims (13)

1~6mm 이내의 두께를 가지는 쿼츠 재질의 제1모재(10), 상기 제1모재(10)와 180도 이내의 경사를 이루며 접합되도록 배치되는 1~6mm 이내의 두께를 가지는 제2모재(20), 상기 제1모재(10)와 상기 제2모재(20)를 용접하는 용접봉(120)을 이용하여 레이저로서 상기 제1모재(10)와 상기 제2모재(20)를 용접하는 레이저를 이용한 쿼츠 용접 방법으로서,
상기 제1모재(10)와 상기 제2모재(20)를 지그(110)에 위치시키는 모재 준비 단계(S110);
상기 지그(110)에 위치된 상기 제1모재(10)와 상기 제2모재(20)의 접합부를 가접합 시키는 가접합 단계(S120);
상기 가접합 된 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위에 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 두께와 같거나 작은 직경을 가지는 용접봉(120)을 위치시키고, 레이저를 상기 용접봉(120)과 상기 제1모재(10) 및 상기 제2모재(20)의 접합부위에 조사하여 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)를 용접하는 용접 단계;를 포함하되,
상기 모재 준비 단계(S110)에서, 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 하측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 하측 모서리의 간격을 W2라 할 때, 상기 W2는 0~0.5mm 범위이고,
상기 가접합 단계(S120)는,
상기 제1모재(10)와 제2모재(20) 접합부위를 상기 레이저를 이용하여 소정 간격으로 복수의 이격된 위치에 스팟용접하는 단계이며,
상기 용접 단계에서는, 상기 레이저가 확산되는 상태에서 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부위에 조사되도록 상기 레이저 조사부(130)가 제어되고, 상기 레이저의 초점이 맺히는 위치가 상기 레이저 조사부(130)와 상기 접합부 사이의 거리의 40~70% 위치에서 형성되도록 제어되는, 레이저용접장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 용접 단계에서는, 상기 용접봉(120)을 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부를 따라 이동시키며, 상기 용접봉(120)의 운봉속도는 1~600mm/min 범위인, 레이저 용접장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 용접 단계에서, 상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리의 간격을 W1이라 할 때, 상기 제1모재(10)와 제2모재(20)의 접합부에 조사되는 레이저 빔의 직경은 W1보다 크도록 제어되는, 레이저 용접장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 용접 단계에서, 상기 용접봉(120)의 하단은,
상기 제2모재(20)와 접합되는 측을 향하는 제1모재(10)의 상측 모서리와, 상기 제1모재(10)와 접합되는 측을 향하는 제2모재(20)의 상측 모서리보다 하측에 위치되는, 레이저 용접장치의 제어방법.
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