KR102595857B1 - 곡면 용접용 툴 - Google Patents

Abstract

곡면 용접용 툴에 관한 것으로, 레이저빔 조사부에서 조사된 레이저빔을 용접모재로 조사하는 조사단을 형성하고, 상기 레이저빔 조사부의 하단에 연결되는 플랜지부와, 용접모재의 형상에 대응되는 형상으로 변형되는 변형부를 포함하는 구성을 마련하여, 용접모재의 형상에 따라 변형부를 변형시켜 평면 형상뿐만 아니라, 다양한 곡률을 갖는 곡면 형상의 용접모재를 레이저 용접할 수 있다.

Description

곡면 용접용 툴{TOOL FOR WELDING CURVED SURFACE}

본 발명은 곡면 용접용 툴에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용접하고자 하는 대상물에 밀착되어 용접을 위해 대상물에 조사되는 레이저가 외부로 새어나가지 않도록 실링해서 평면 및 곡면을 용접하는 곡면 용접용 툴에 관한 것이다.

레이저 용접은 높은 에너지 밀도의 점 열원을 이용하는 이른바 키홀 용접법이기 때문에 용접부 형성 기구가 아크 용접 등 기존의 용융 용접법과는 다르다.

아크 용접의 경우, 아크열에 의한 모재의 용융과 열전도가 용접 에너지 절단의 기본이므로, 용접부의 폭이 그 깊이에 비하여 넓다. 따라서, 아크 용접은 두꺼운 재료를 용접하기 위해, 용접 그루브를 가공하고, 용접봉 등의 용가재를 사용하여 다층 용접을 실시하는 것이 일반적이다.

반면, 레이저 용접은 용접에 필요한 에너지를 전달할 때 재료 표면을 기점으로 점진적인 전달이 아니라, 두께 방향으로 직접 열을 투입하는 용접법이다.

이러한 레이저 용접은 고효율 에너지빔을 이용하여 고속 생산이 가능하고, 용접부 품질이 우수한 특징이 있다.

그러나 레이저 용접은 일부 강종 또는 이음부에서 기공(porosity) 또는 피트(pit)와 같은 용접 결함이 발진하는 문제점이 지속적으로 지적되고 있다.

일반적으로, 피트는 기공 결함이 현저하게 발진되는 조건에서 발진되며, 기공 내의 가스분압이 증가되어 용접비드의 표면까지 노출된 결함을 의미한다.

최근에는 자동차의 경량화 요구에 부응하기 위해서, 소재간의 두께차가 큰 이음부가 증가하고 있어서, 기공 또는 피트 결함이 더욱 현저하게 발진하여 문제점으로 대두되고 있다.

예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 레이저 용접 장치 및 방법 기술이 개시되어 있다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1449118호(2014년 10월 10일 공고) 대한민국 특허 공개번호 제10-2011-0029344호(2011년 3월 23일공개)

한편, 레이저 용접을 하고자 하는 용접모재는 평면 형상뿐만 아니라, 다양한 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 자동차의 사이드 씰은 다양한 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성된다.

그러나, 종래기술에 따른 레이저 용접장치에 적용되는 용접용 툴은 대부분 선단이 평면으로 형성되거나, 특정 곡률을 갖는 곡면으로 형성됨에 따라, 다양한 곡률을 갖는 곡면 형상의 용접모재를 용접하기에 어려움이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 평면 및 곡면 형상의 용접모재를 레이저 용접할 수 있는 곡면 용접용 툴을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 곡률을 갖는 곡면 형상의 용접모재를 레이저 용접할 수 있는 곡면 용접용 툴을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 곡면 용접용 툴은 레이저빔 조사부에서 조사된 레이저빔을 용접모재로 조사하는 조사단을 형성하고, 상기 레이저빔 조사부의 하단에 연결되는 플랜지부와, 용접모재의 형상에 대응되는 형상으로 변형되는 변형부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 곡면 용접용 툴에 의하면, 곡면 용접용 툴에 변형부를 적용하고, 변형부를 용접모재에 밀착한 상태에서 용접모재와 툴을 통전시키고, 용접모재에 조사되는 레이저빔이 툴 외부로 새어나가지 않도록 실링할 수 있는 효과가 얻어지다.

그리고 본 발명에 의하면, 용접모재의 형상에 따라 변형부를 변형시켜 다양한 곡률을 갖는 용접모재를 레이저 용접할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 용접모재의 곡률이 변경되더라도, 툴을 변경하지 않고 하나의 곡면 용접용 툴을 이용해서 평면 형상뿐만 아니라, 다양한 곡면 형상의 용접모재를 용접할 수 있어, 작업성 및 용접 품질을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 곡면 용접용 툴이 적용되는 레이저 용접장치의 구성도,
도 2는 곡면 용접용 툴이 장착되는 조사부의 사시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 곡면 용접용 툴의 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도,
도 5 및 도 6은 각각 도 3에 도시된 곡면 용접용 툴의 용접시 동작 상태를 보인 동작 상태도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 곡면 용접용 툴을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 곡면 용접용 툴의 구성을 설명하기에 앞서, 도 1 및 도 2를 참조해서 레이저 용접장치의 구성을 개략적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 곡면 용접용 툴이 적용되는 레이저 용접장치의 구성도이고, 도 2는 곡면 용접용 툴이 장착되는 조사부의 사시도이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

그리고 도 1 및 도 2에는 곡면 용접용 툴이 장착되는 조사단(34)과 조사단에 대응되는 고정단(36)이 상하로 배치 상태로 도시되어 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 용접모재(11)의 배치 상태에 따라 레이저빔 조사부(30)를 전후 좌우 및 상하 방향을 따라 다양한 각도로 회전시켜 배치한 상태에서 용접할 수 있음에 유의하여야 한다.

또한, 본 발명은 고정단(36)을 제거하고, 조사단(34)에 설치되는 곡면 용접용 툴만을 이용해서 고정된 용접모재를 용접하도록 변경될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 곡면 용접용 툴이 적용된 레이저 용접 장치(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저빔을 발진하는 레이저 발진기(20), 레이저 발진기(20)에서 발진된 레이저빔을 겹치기 용접하고자 하는 용접모재(11)에 조사하는 레이저빔 조사부(이하 '조사부'라 약칭함)(30) 및 용접모재(11)에 레이저빔을 이동시키면서 조사하도록, 레이저 발진기(20)와 조사부(30)의 구동을 제어하는 제어부(40)를 포함한다.

이와 같이 구성되는 레이저 용접장치(10)에는 조사부(30)의 선단, 즉 조사단(34)을 형성하고, 평면 및 곡면 형상의 용접모재(11)를 용접하기 위한 곡면 용접용 툴(50)이 적용된다.

레이저 발진기(20)는 제어부(40)의 제어신호에 따라 연속파(Continue Wave) 형태의 레이저빔을 발진한다.

물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 발진기(20)에서 펄스파(Pulse Wave) 형태의 레이저빔을 발진하고, 발진된 펄스파 형태의 레이저빔을 이동 및 위빙시켜 조사하여 용접모재(11)를 용접하도록 변경될 수 있다.

조사부(30)는 레이저 발진기(20)와 광학 케이블(21)을 통해 연결되고, 광학 케이블(21)을 통해 조사부(30)로 전달된 레이저빔은 조사부(30)의 이동 및 회전 동작에 의해 이동하고, 직선 형상으로 조사되거나 위빙 조사될 수 있다.

예를 들어, 조사부(30)는 광학 케이블(21)을 통해 전달되는 레이저빔이 퍼지지 않도록 평행광을 형성하는 평행광 렌즈(collimator lens)(331), 평행광 형태의 레이저빔을 집광해서 레이저빔의 크기를 축소하는 집광 렌즈(condenser lens)(332) 및 내부에 평행광 렌즈(331)와 집광 렌즈(332)가 설치되는 하우징(33)을 용접 방향 및 직교 방향을 따라 이동 및 위빙시키는 이동모듈을 포함할 수 있다.

상기 이동모듈은 하우징(33)을 용접 방향, 도 1에서 보았을 때 좌우 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하는 제1 모터(31), 하우징(33)을 용접 방향과 직교하는 방향, 즉 도 1에서 전후 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하는 제2 모터(32) 그리고 제1 및 제2 모터(31,32)에서 발생한 구동력을 하우징에 전달하는 전달유닛을 포함할 수 있다.

상기 전달유닛은 복수의 기어나 풀리, 벨트나 체인, 와이어 등으로 구성될 수 있다.

하우징(33)은 내부에 평행광 렌즈(331)와 집광 렌즈(332)가 설치되는 공간이 마련되도록 대략 육면체 형상으로 형성되고, 하우징(33)의 하단에는 레이저빔이 조사되는 조사단(34)이 마련되고, 조사단(34)에는 곡면 용접용 툴(50)이 장착된다.

조사단(34) 내부에는 용접 작업시 조사단(34)을 냉각할 수 있도록, 냉각수가 순환하는 냉각유로(도면 미도시)가 형성될 수 있다.

조사부(30)의 하부에는 겹치기 용접하고자 하는 용접모재(11)가 안착되는 고정지그(35)가 마련될 수 있다.

고정지그(35)는 정면에서 보았을 때 단면이 대략 '」' 형상으로 형성되고, 고정지그(35)의 일측 선단에는 조사단(34)과 대칭되는 위치에 조사단(34)과 대응되는 형상으로 고정단(36)이 형성될 수 있다.

고정단(36)은 용접모재(11)와 접촉되는 면이 개구된 개구면으로 형성되고, 고정지그(35) 내부에는 고정단(36)의 개구면을 통해 유입되는 스패터가 쌓이는 공간이 마련될 수 있다.

그리고 고정지그(35)의 일측에는 내부에 쌓인 스패터를 제거할 수 있도록, 고정지그(36)에 일단이 축 결합되어 회전 동작에 의해 개폐하거나, 탈부착 가능하게 커버(37)가 결합될 수 있다.

따라서, 본 발명은 겹치기 용접을 수행한 후 고정지그에 결합된 커버를 개방하거나 분리해서 내부에 쌓인 스패터를 쉽게 제거할 수 있다.

물론, 본 발명은 자동차에 설치되는 사이드씰과 같이, 고정된 용접모재(11)를 용접하는 경우에는 고정지그(35)와 고정단(36)을 제거하고, 조사단(34)에 장착되는 곡면 용접용 툴(50)을 이용해서 용접모재(11)를 용접하도록 변경될 수 있다.

한편, 조사단(34)의 선단부에는 평면 형상뿐만 아니라 다양한 곡률을 갖는 곡면 형상의 용접모재(11)를 용접하는 곡면 용접용 툴(50)이 장착된다.

그리고 조사단(34)에는 용접모재(11)와 조사단(34)의 접촉 여부를 감지하는 터치센서(도면 미도시) 및 조사부(30)와 곡면 용접용 툴(50)을 상하, 전후, 좌우 방향으로 이동시키는 용접로봇(도면 미도시)에 의한 하우징(33)의 하강 동작시 용접모재(11)에 가해지는 가압력을 감지하는 압력 센서(도면 미도시)가 마련될 수 있다.

그래서 제어부(40)는 상기 터치센서와 압력센서의 감지신호에 따라 조사부(30)에 연결된 용접로봇을 구동해서 용접모재(11)를 가압하도록, 상기 용접로봇에 마련된 각 구동모터의 구동을 제어할 수 있다.

제어부(40)는 레이저 발진기(20)와 조사부(30), 가압부(40) 및 상기 용접로봇 등의 구동을 제어하는 메인 컨트롤러로 마련되고, 내부의 메모리에 저장된 프로그램을 실행시켜 용접모재(11)에 레이저빔을 이동 및 위빙시켜 조사해서 미리 설정된 용접 비드 패턴을 형성하도록 제어할 수 있다.

다음, 도 3 내지 도 6을 참조해서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 곡면 용접용 툴(50)의 구성을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 곡면 용접용 툴의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도이다.

그리고 도 5 및 도 6은 각각 도 3에 도시된 곡면 용접용 툴의 용접시 동작 상태를 보인 동작 상태도이다. 도 5와 도 6에는 각각 서로 다른 곡률을 갖는 곡면 형상의 용접모재에 대응되도록 변형된 변형부의 동작 상태를 예시한 도면이다.

곡면 용접용 툴(50)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 내부에 레이저 빔이 이동하는 공간이 형성되도록, 상단과 하단이 개구된 대략 육면체 형상으로 형성될 수 있다.

이러한 곡면 용접용 툴(이하 '툴'이라 약칭함)(50)은 조사부(30)의 하단에 마련되는 조사단(34)을 형성할 수 있다.

이를 위해, 툴(50)은 툴(50)의 상단부에 마련되고 조사부(30)의 하단에 결합되는 플랜지부(51) 및 툴(50)의 하단부에 마련되고 용접모재(11)의 형상에 대응되도록 변형되는 변형부(52)를 포함한다.

플랜지부(51)에는 조사부(30)의 하단에 체결되는 하나 이상의 체결볼트가 관통 결합될 수 있다.

변형부(52)는 복수의 주름을 갖는 대략 벨로즈 형상으로 형성되어 다양한 곡면 형상으로 형성된 용접모재(11)의 곡률에 대응되도록 변형될 수 있다.

이러한 변형부(52)에는 용접모재(11)의 곡률에 대응되도록 탄성 변형되고, 다시 본래의 형상으로 복원되도록 복원력을 제공하는 탄성부재(53)가 설치될 수 있다.

탄성부재(53)는 코일 스프링이나 판 스프링으로 마련될 수 있다.

예를 들어, 코일 스프링으로 마련되는 경우, 탄성부재(53)는 변형부(52)에 형성된 복수의 주름에서 각 산에 대응되는 부위를 따라 연속적으로 설치될 수 있다.

반면, 판 스프링으로 마련되는 경우, 탄성부재(53)는 복수의 주름에서 각 산에 대응되는 부위에 각각 설치되도록 복수개로 마련될 수 있다.

이와 같이, 탄성부재(53)가 적용된 변형부(52)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 용접모재(11)의 곡률에 대응되도록 변형된다.

즉, 변형부(52)는 용접모재(11)가 평면 형상인 경우에는 평면 형상의 용접모재(11)에 대응되도록, 평면 형상을 유지한다.

반면, 변형부(52)는 도 5에 도시된 바와 같이 용접모재(11)가 상대적으로 큰 곡률, 예컨대 3000R의 곡률을 갖는 곡면 형상인 경우, 용접모재(11)의 곡률에 대응되도록 변형된다.

그리고 변형부(52)는 도 6에 도시된 바와 같이 용접모재(11)가 상대적으로 작은 곡률, 예컨대 1000R의 곡률을 갖는 곡면 형상인 경우, 용접모재(11)의 곡률에 대응되도록 변형된다.

여기서, 도 6에 도시된 변형부(52)의 변형량(ΔX)은 도 5에 도시된 변형부(52)의 변형량(Δx)보다 크다(ΔX>Δx).

즉, 변형부(52)의 변형량은 용접모재(11)의 곡률이 작아질수록 커짐을 확인할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 곡면 용접용 툴에 변형부를 적용하고, 변형부를 용접모재에 밀착한 상태에서 용접모재와 툴을 통전시키고, 용접모재에 조사되는 레이저빔이 툴 외부로 새어나가지 않도록 실링할 수 있다.

그리고 본 발명은 용접모재의 형상에 따라 변형부를 변형시켜 다양한 곡률을 갖는 용접모재를 레이저 용접할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 용접모재의 곡률이 변경되더라도, 툴을 변경하지 않고 하나의 곡면 용접용 툴을 이용해서 평면 형상뿐만 아니라, 다양한 곡면 형상의 용접모재를 용접할 수 있어, 작업성 및 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

즉, 상기의 실시 예에서는 상방으로 볼록한 곡면 형상의 용접모재를 용접하는 구성만을 설명하였으나, 본 발명은 곡면 용접용 툴의 변형부를 이용해서 하방으로 볼록한 곡면 형상의 용접모재를 용접할 수도 있다.

본 발명은 용접모재의 형상에 따라 변형부를 변형시켜 평면뿐만 아니라, 다양한 곡률을 갖는 곡면 형상의 용접모재를 레이저 용접하는 곡면 용접용 툴 기술에 적용된다.

10: 레이저 용접 장치
11: 용접모재 12: 비드
20: 레이저 발진기 21: 광학 케이블
30: 레이저빔 조사부 31,32: 제1, 제2 모터
33: 하우징 331: 평행광 렌즈
332: 집광 렌즈 34: 조사단
35: 고정지그 36: 고정단
37: 커버
40: 제어부
50: 곡면 용접용 툴
51: 플랜지부 52: 변형부
53: 탄성부재

Claims (5)

1. 레이저빔 조사부에서 조사된 레이저빔을 용접모재로 조사하는 조사단을 형성하고,
   상기 레이저빔 조사부의 하단에 연결되는 플랜지부와,
   용접모재의 형상에 대응되는 형상으로 변형되는 변형부를 포함하며,
   상기 변형부는 곡면 형상으로 형성된 용접모재의 곡률에 대응되도록 변형 가능하게 복수의 주름을 갖는 벨로즈 형상으로 형성되고,
   상기 복수의 주름에는 상기 변형부를 본래의 형상으로 복원시키도록 본원력을 제공하는 탄성부재가 설치되며,
   상기 변형부의 변형량은 용접모재의 곡룰이 작아질수록 커지는 것을 특징으로 하는 곡면 용접용 툴.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 탄성부재는 상기 복수의 주름에서 각 산에 대응되는 부위를 따라 연속적으로 설치되는 코일 스프링으로 마련되는 것을 특징으로 하는 곡면 용접용 툴.
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄성부재는 상기 복수의 주름에서 각 산에 대응되는 부위에 각각 설치되는 복수의 판 스프링으로 마련되는 것을 특징으로 하는 곡면 용접용 툴.
5. 삭제

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