KR20070092633A

KR20070092633A - 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법

Info

Publication number: KR20070092633A
Application number: KR1020070022703A
Authority: KR
Inventors: 쯔요시 사까모또; 가즈야 오까다; 야스시 모리까와; 다까히사 하세가와; 아쯔시 사이또오; 쥰이찌 야마시따
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2007-09-13
Also published as: JP4840110B2; US8487209B2; JP2007268610A; CN101032786B; KR100962805B1; CN101032786A; EP1832380A1; US20070210040A1; EP1832380B1

Abstract

본 발명의 과제는 흄에 의한 악영향을 적게 할 수 있는 레이저 용접 장치를 제공하는 것이다.

레이저 가공 헤드(3)에 공기 분사 노즐(7)을 설치한다. 공기 분사 노즐(7)로부터의 공기의 분사 방향은 레이저 가공 헤드(3)로부터 조사된 레이저광을 가로지르고, 또한 레이저 조사점(P)에 분사 공기가 직접 닿지 않도록 한다.

레이저 용접 장치, 레이저 가공 헤드, 공기 분사 노즐, 가동 링, 방열 핀

Description

레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR LASER WELDING}

도1은 제1 실시 형태의 리모트 용접 시스템을 설명하기 위한 개략도.

도2는 제1 실시 형태의 리모트 용접 시스템의 제어계를 설명하기 위한 블럭도.

도3은 흄과 제1 실시 형태에 있어서의 공기 분사의 작용을 설명하기 위한 설명도.

도4는 공기의 공기 분사 노즐(분사구)과 그곳으로부터 분사된 공기의 분사 범위를 도시하여 설명하는 설명도.

도5는 제2 실시 형태의 리모트 용접 시스템을 설명하기 위한 개략도.

도6은 제2 실시 형태의 리모트 용접 시스템의 제어계를 도시하는 블럭도.

도7은 제2 실시 형태에 있어서의 공기 분사의 작용을 설명하기 위한 설명도.

도8은 제3 실시 형태에 있어서의 리모트 용접 시스템의 작용을 설명하기 위한 설명도.

도9는 제4 실시 형태의 리모트 용접 시스템을 설명하기 위한 개략도.

도10은 레이저 출구측에서 본 레이저 가공 헤드의 개략도.

도11은 제4 실시 형태의 리모트 용접 시스템의 제어계를 도시하는 블럭도.

도12는 본 제4 실시 형태에 있어서의 공기 분사의 제1 작용을 설명하기 위한 설명도.

도13은 본 제4 실시 형태에 있어서의 공기 분사의 제2 작용을 설명하기 위한 설명도.

도14는 제5 실시 형태에 있어서의 시스템을 설명하기 위한 개략도.

도15는 제5 실시 형태에 의한 작용을 설명하기 위한 설명도.

도16은 제6 실시 형태에 있어서의 시스템을 설명하기 위한 개략도.

도17은 실험 장치의 개략도.

도18은 레이저 용접을 행한 실험 결과를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 로봇

3 : 레이저 가공 헤드

7, 81, 82 : 공기 분사 노즐

8 : 레이저 사출구

11 : 반사경

72 : 에어 호스

75 : 에어 펌프

85 : 절환 밸브

91 : 가동 링

95 : 공기 유통 경로

96 : 방열 핀

100 : 레이저광

111 : 콜리메이트 렌즈

112 : 집광 렌즈

200 : 작업 대상물

[문헌 1] 일본 특허 제3229834호

[문헌 2] 일본 특허 공개 제2004-1043호 공보

본 발명은 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

최근, 로봇을 이용한 용접에도 레이저 용접이 이용되도록 되고 있다. 이와 같은 용접 기술로서, 로봇 아암 선단부에 레이저광을 조사하기 위한 레이저 용접 장치를 설치하고, 이 레이저 용접 장치는 용접점으로부터 이격되고, 레이저 용접 장치 내부의 반사경을 회전시킴으로써 레이저광을 미리 결정된 용접점으로 조사하는 기술이 있다(예를 들어, 문헌 1 참조). 이와 같은 용접을 리모트 용접이라 칭한다.

그런데, 레이저 용접에서는 레이저를 조사한 작업 대상물 부분으로부터 흄이 라 불리우는 금속의 용출에 수반하는 가스가 발생한다. 구체적으로는, 레이저광이 작업 대상물에 조사되었을 때에 강판 등의 작업 대상물에 도포된 Zn 등의 방청제가 플라즈마화되어 이온이 생성되고, 이 이온이 공기 중에 떠다닌 후에 냉각되어 미립자가 되고, 이것이 운형이 되어 레이저광을 차단하는 것이다. 이와 같은 흄은 레이저광으로부터 작업 대상물로 부여되는 열량을 안정시키는 데 저해 요인이 되므로 배제할 필요가 있다.

종래의 레이저 용접이나 레이저 가공에 있어서는, 이 흄 배제를 위해 작업 대상물 상에 공기의 흐름을 흐르게 하기 위한 장치를 설치하여 흄을 배출(주로 작업 대상물 상부로부터 흡출함)하고 있다(예를 들어, 문헌 2 참조).

그러나, 전술한 리모트 용접에 있어서는 로봇에 의해 레이저 용접 장치의 위치를 움직일 뿐만 아니라, 레이저 용접 장치로부터 사출되는 레이저광 자체도 자유자재로 움직여 작업 대상물 상으로 조사하기 때문에, 작업 대상물 상에 흄 배제를 위한 장치가 설치되어 있으면 레이저광을 작업 대상물 상에서 자유자재로 움직여 조사할 수 없게 된다.

그래서 본 발명의 목적은 레이저 조사에 방해되지 않고 흄을 배제할 수 있는 레이저 용접 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 레이저광을 조사하는 레이저 조사 수단과, 상기 레이저 조사 수단에 마련되어 상기 레이저광을 가로지르는 방향으로 유 체를 분사하는 유체 분사 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치이다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 장치에 있어서는 상기 유체의 분사 방향이 레이저 조사 수단측으로부터 상기 레이저광이 조사되는 작업 대상물이 있는 방향이 되도록 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 레이저광을 조사하는 레이저 조사 수단에 마련된 유체 분사 수단으로부터 상기 레이저광을 가로지르는 방향으로 유체를 분사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법이다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 방법에 있어서는 상기 유체의 분사 방향이 레이저 조사 수단측으로부터 작업 대상물이 있는 방향이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를 설명한다.

(제1 실시 형태)

도1은 발명에 의한 레이저 용접 장치를 설치한 리모트 용접 시스템(이하, 단순히 시스템이라 칭함)을 설명하기 위한 개략도이다.

도시하는 리모트 용접 시스템은 지금까지의 스폿 용접 등과 비교하여 용접 지그가 직접 작업 대상물과 접촉하지 않고, 레이저를 이용하여 작업 대상물로부터 이격된 장소로부터 용접하는 것이다. 이와 같은 용접을 리모트 용접이라 칭하고 있다.

이 시스템은 로봇(1)과, 이 로봇(1)의 아암(2) 선단부에 마련되어 레이저 광(100)을 조사하는 레이저 가공 헤드(3)(레이저 조사 장치)와, 레이저 광원인 레이저 발진기(5)(도2 참조)로부터 레이저 가공 헤드(3)까지 레이저광을 유도하는 광파이버 케이블(6)과, 레이저 가공 헤드(3)에 설치된 공기 분사 노즐(7)(유체 분사 장치)을 갖는다.

레이저 발진기(5)는 레이저광(100)을 광파이버 케이블(6)에 의해 유도하기 위해 YAG 레이저 발진기를 이용하고 있다.

로봇(1)은 일반적인 다축 로봇(다관절 로봇 등이라고도 칭해지고 있음) 등이고, 교시 작업에 의해 부여된 동작 경로의 데이터에 따라서 그 자세를 바꾸어 아암(2)의 선단부, 즉 레이저 가공 헤드(3)를 다양한 방향으로 이동시킬 수 있다.

레이저 가공 헤드(3)는 그 내부에 레이저광(100)의 조사 방향을 자유자재로 분배하기 위한 반사경(11)(조사 방향 변경 수단)과, 레이저광(100)을 일단 평행광으로 하기 위한 콜리메이트 렌즈(collimating lens)(111) 및 초점 위치를 변경하는 집광 렌즈(112)로 이루어지는 렌즈군(12)이 설치되어 있다.

반사경(11)은, 도시한 바와 같이 2축 방향으로 회전 가능하고, 렌즈군(12)으로부터의 레이저광(100)의 조사 방향을 바꾸는 것이 가능하게 되어 있다. 이로 인해, 레이저 가공 헤드(3) 내부에는 반사경(11)을 회전시키기 위한 구동 기구(도시하지 않음)가 구비되어 있다.

이와 같은 레이저 가공 헤드(3)에 의해 광파이버 케이블(6)의 사출 단부(61)로부터 사출된 레이저광(100)은 렌즈군(12)을 통해 반사경(11)에 의해 반사되고, 용접 위치 방향으로 조사된다. 따라서, 이 레이저 가공 헤드(3)는 레이저 가공 헤 드(3) 자체를 움직이지 않고 레이저광의 조사 방향을 변경할 수 있다.

공기 분사 노즐(7)은 별도로 설치되어 있는 에어 펌프(75)(도2 참조)로부터 에어 호스(72)에 의해 유도된 공기를 분사시킨다. 또한, 분사되는 유체는 건조한 공기가 바람직하지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 질소 가스, 또는 헬륨 가스 등의 불활성 가스 등이라도 좋다.

공기 분사 노즐(7)은 분사된 공기가 만들어내는 기류가 레이저광을 가로지르도록, 또한 레이저 가공 헤드(3)측으로부터 레이저광이 조사되는 작업 대상물(200)이 있는 방향이 되도록 설치되어 있다. 또한, 공기 분사 노즐(7)은 공기의 분사 범위가 규정되어 있다. 이 분사 범위가 규정되는 노즐을 이용함으로써 분사된 공기가 작업 대상물(200) 상의 레이저 조사점(P)(즉, 용접점)에 직접 닿지 않도록 공기 분사 노즐(7)이 설치되어 있다(상세 후술).

도2는 이 시스템의 제어계를 설명하기 위한 블럭도이다.

제어계는 레이저 발진기(5)에 있어서의 레이저 출력의 온/오프 등을 제어하는 레이저 제어기(51)와, 로봇(1)의 움직임을 제어하는 로봇 제어 장치(52)와, 레이저 가공 헤드(3)에 있어서의 반사경(11) 및 렌즈군(12)을 제어하는 가공 헤드 제어 장치(53)로 이루어진다.

레이저 제어기(51)는 레이저 출력의 온/오프와, 레이저의 출력 강도 조정 등을 행하고 있다. 이 레이저 제어기(51)는 로봇 제어 장치(52)로부터의 제어 신호에 의해 레이저 출력의 온/오프를 행하고 있다.

로봇 제어 장치(52)는, 본 실시 형태에 있어서는 로봇(1)의 움직임과 함께 반사경(11) 및 렌즈군(12)의 동작, 레이저 출력의 온/오프 등의 제어 신호의 출력도 행하고 있다. 또한, 로봇(1)의 동작의 교시 및 반사경(11)의 동작의 교시는 모두 로봇(1)의 동작 교시 시에 행해진다. 따라서, 로봇 제어 장치(52)는 교시된 데이터(교시 프로그램이라 칭함)를 기초로 로봇 동작 자체와 반사경의 동작을 행하도록 각종 제어 신호의 출력을 행한다.

가공 헤드 제어 장치(53)는 로봇 제어 장치(52)로부터의 제어 신호를 기초로 하여 레이저 가공 헤드(3) 내의 반사경(11) 및 렌즈군(12)의 동작을 제어한다.

한편, 에어 펌프(75)는 에어 펌프(75) 자체의 운전을 온/오프하기 위한 스위치(76)가 설치되어 있다. 에어 펌프(75)는, 본 실시 형태에서는 단순히 공기를 송출할 뿐이므로 수동 조작으로 레이저 용접 작업의 개시(시업 시 등이라도 좋음) 시에 스위치를 온으로 하여 공기를 공기 분사 노즐(7)로 송출하면, 이후에는 모든 작업이 종료될 때까지 레이저광 사출의 유무에 관계없이 항상 운전 상태로 해두면 된다. 물론 이에 한정되지 않고, 에어 펌프(75)의 온/오프도 로봇 제어 장치(52)로부터의 제어 신호에 의해 자동 조작으로 해도 좋다. 그 경우에는, 미리 로봇의 교시 프로그램 내에 에어 펌프(75)의 온 오프의 타이밍을 결정한 지령을 기록해 두게 된다.

도3은 리모트 용접에 있어서의 흄과 공기 분사의 작용을 설명하기 위한 설명도이고, (a)는 공기 분사가 없는 경우를 나타내고, (b)는 본 제1 실시 형태에 관한 공기 분사가 있는 경우를 나타낸다. 또한, 이 설명도는 공기 분사의 작용을 설명하는 데 제공하는 것이므로, 각 부재의 표현을 간략화하였다.

우선, 도3의 (a)에 도시한 바와 같이 공기 분사가 없는 경우, 리모트 용접에 있어서는 작업 대상물(200)의 레이저 조사점(P)(용접점)으로부터 레이저광에 의해 가열된 작업 대상물(200)이 용해되고 그 소재가 기화되어 흄(H)이 발생한다. 흄(H)은 그대로 레이저 가공 헤드(3)와 작업 대상물(200) 사이로 수직 상승하고, 레이저광(100)을 차단하게 된다.

한편, 도3의 (b)에 도시한 바와 같이 본 제1 실시 형태에 의해 공기 분사가 있는 경우에는 공기 분사 노즐(7)로부터 분사되는 공기가, 도시한 바와 같이 조사되어 있는 레이저광(100)을 공기의 흐름이 가로지름으로써, 작업 대상물(200)로부터 발생한 흄(H)은 수직 상승하지 않고 모두 날려보내지게 된다. 따라서, 흄(H)에 의해 레이저광이 차단되는 일이 없다.

여기서, 분사된 공기의 분사 범위에 대해 설명한다.

도4는 공기 분사 노즐과 그곳으로부터 분사된 공기의 분사 범위를 도시하여 설명하는 설명도이다.

공기 분사 노즐(7)로부터 분사된 공기의 분사 범위는 공기 분사 노즐(7) 선단부의 분사구 형상에 의해 결정된다. 공기의 분사 범위는, 예를 들어 도시한 바와 같이 노즐 선단부로부터 150 ㎜ 전방에서 직경 90 ㎜, 450 ㎜ 전방에서 245 ㎜, 그 전방에서도 동일한 비율로 넓어져 콘 형상이 되는 확산류이어서, 흄(H)을 광범위에서 제거할 수 있다. 이와 같은 공기의 분사 범위는 에어-콘 패턴, 에어 플로우 패턴 등이라 칭해지고 있다.

공기 분사 노즐(7)은 가공 헤드(3)에 설치되어 있고, 가공 헤드와 함께 동작 하고, 또한 상술한 바와 같이 광범위하게 이르는 공기의 분사 범위를 가짐으로써 로봇(1)이나 반사경(11)의 어떠한 동작에 대해서도 분사되는 공기가 레이저를 가로지르도록 구성할 수 있다.

본 제1 실시 형태에서는 공기 분사 노즐(7) 선단부의 분사구에 의해 규정되어 있는 공기의 분사 범위 내[도3의 (b) 및 도4의 A로 나타내는 선의 범위 내]에 레이저 조사점(P)이 들어가지 않도록 공기 분사 노즐(7)을 가공 헤드에 설치하게 된다.

이와 같이 공기의 분사 범위 내에 레이저 조사점(P)을 넣지 않도록 하는 것은 최근 행해지고 있는 인라인 검사에 중요한 역할을 발휘한다.

인라인 검사는 작업 대상물(200)의 레이저 조사점(P)을 포함하는 영역을 비디오 카메라에 의해 촬영함으로써 용접 시에 발생하는 플라즈마의 강도 변화를 포착하여 용접이 잘 되고 있는지 여부를 검사하고 있다. 이로 인해, 혹시 발생한 플라즈마까지 공기 분사 노즐(7)로부터 분사시킨 공기에 의해 날아가게 되면 인라인 검사에 지장을 초래할 가능성이 있다. 본 제1 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 공기의 분사 범위를 제한하고 있으므로, 직접 기류가 레이저 조사점(P)에 닿지 않으므로 발생한 플라즈마를 날려보내는 일이 없다.

또한, 분사한 공기의 기류에 의해 주변의 공기가 말려들어 그것이 간접적으로 레이저 조사점(P)에 불어 내어지는 일도 있지만 직접적인 공기 흐름과 비교하여 약하기 때문에, 플라즈마를 날려보내지 않아, 큰 영향은 없다.

따라서, 본 제1 실시 형태에서는 레이저 용접 시에 발생하는 플라즈마를 관 찰함으로써 인라인 검사를 행하고 있는 경우라도, 인라인 검사에 지장을 주지 않고 흄(H)을 날려보내어 레이저광의 조사 경로 중으로부터 배제할 수 있다.

이와 같이 본 제1 실시 형태에 따르면, 레이저 가공 헤드(3)에 공기 분사 노즐(7)을 설치함으로써 다양한 방향으로 레이저광을 조사시키는 경우라도, 공기 분사 노즐(7)이 레이저 조사의 방해가 되지 않아 흄(H)을 확실하게 제거할 수 있게 된다.

또한, 공기 분사 범위를 레이저 조사점(P)에 분사된 공기가 직접 닿지 않도록 하였으므로, 인라인 검사 등에도 지장을 주지 않고 흄(H)을 제거할 수 있다.

(제2 실시 형태)

도5는 제2 실시 형태에 있어서의 시스템을 설명하기 위한 개략도이고, 도6은 제2 실시 형태에 있어서의 시스템의 제어계를 도시하는 블럭도이다.

본 제2 실시 형태에 있어서의 시스템은 레이저 가공 헤드(3) 아래에 2개의 공기 분사 노즐(81 및 82)을 설치하고 있다. 2개의 공기 분사 노즐(81 및 82)의 설치 위치는 한쪽을 레이저 가공 헤드(3)의 로봇 아암(2)이 있는 측(제1 위치), 다른 쪽을 제1 측과는 반대측의 로봇 아암(2)에서 볼 때 선단부측(제2 위치)으로 하고 있다. 설치 위치는 레이저 가공 헤드(3)의 하면이고 레이저광의 방해가 되지 않도록 레이저광이 출력되는 레이저 사출구(8)에 걸리지 않는 위치이면 된다.

즉, 이 2개의 공기 분사 노즐(81 및 82)은 공기의 분사 방향이 완전히 반대가 되도록 설치되어 있다.

또한, 2개의 공기 분사 노즐(81 및 82)은 전술한 공기 분사 노즐(7)과 동일 한 것이다.

이 2개의 공기 분사 노즐(81 및 82)로는 각각 에어 호스(83 및 84)에 의해 에어 펌프(75)로부터 절환 밸브(85)를 거쳐서 공기가 유도되고 있다.

절환 밸브(85)는 공기 분사 노즐(81 및 82) 중 어느 한쪽으로만 공기를 이송하도록 공기 경로를 절환한다. 절환 밸브(85)의 절환 동작은 로봇 제어 장치(52)로부터의 신호에 의해 행해진다. 따라서, 로봇 제어 장치(52)에 있어서의 교시 프로그램에는 절환 밸브(85)의 절환 동작 지시도 기록되어 있다.

공기의 분출 방향은 공기 분사 노즐(81 및 82) 모두 제1 실시 형태와 마찬가지로 레이저광을 가로지르는 방향이고, 또한 레이저 조사점(P)이 공기의 분사 범위에 들어가지 않도록 하고 있다.

또한, 그 밖의 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이므로 설명은 생략한다.

도7은 본 제2 실시 형태에 있어서의 공기 분사의 작용을 설명하기 위한 설명도이다. 또한, 이 설명도는 공기 분사의 작용을 설명하는 데 제공하는 것이므로, 각 부재의 표현을 간략화하였다.

본 시스템은 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지로 레이저 조사점(P)을 로봇에 의한 레이저 가공 헤드(3)의 이동 외에, 반사경(11)에 의해서도 이동시킬 수 있다.

그래서, 본 제2 실시 형태에서는 이 레이저 조사점(P)의 이동, 즉 레이저광을 움직이는 방향과 반대 방향으로 공기를 분사시키도록 절환 밸브(85)를 절환하도록 한 것이다. 즉, 레이저 조사점(P)을 도시된 화살표 a방향으로 이동시키고 있는 경우에는 공기 분사 노즐(81)로부터 공기를 분사시키도록 절환 밸브(85)를 절환하고, 레이저 조사점(P)을 도시된 화살표 b방향으로 이동시키고 있는 경우에는 공기 분사 노즐(82)로부터 공기를 분사시키도록 절환 밸브(85)를 절환하는 것이다.

이에 의해, 작업 대상물(200) 상부로부터 발생한 흄(H)은 레이저 조사점(P)의 이동 방향에 대해 후방측으로 날려보내지게 되므로, 레이저 조사점(P)을 이동시키고 있는 경우에는 레이저광의 진행 방향으로 흄(H)이 확산되지 않게 되어, 한층 흄(H)에 의한 영향을 받기 어렵게 할 수 있다.

또한, 본 제2 실시 형태에서는 2개의 방향(a 및 b의 방향)에 레이저 조사점(P)을 이동시킨 경우에 대해 설명하였지만, 레이저 조사점(P)은 이들 2방향 이외라도 자유자재로 이동시킬 수 있다. 따라서, 실제 운용에 있어서는 레이저 조사점(P)의 이동 방향에 대해 조금이라도 후방으로 흄(H)을 날려보내는 측의 공기 분사 노즐(81 또는 82)로부터 공기를 분사시키도록 하면 된다.

또한, 본 제2 실시 형태에서는 2개의 공기 분사 노즐(81 및 82)을 설치하고 있지만, 이에 한정되지 않고 3개, 4개 등 더 많은 공기 분사 노즐을 더 설치해도 좋다. 그렇게 함으로써, 한층 확실하게 레이저 조사점(P)의 이동 방향에 대해 후방으로 흄(H)을 날릴 수 있게 된다.

또한, 본 제2 실시 형태에서는 로봇 아암(2)에 의해 레이저 가공 헤드(3) 및/또는 반사경에 의해 레이저광의 조사 위치를 이동시킴으로써 레이저 조사점이 이동하는 경우를 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 레이저광은 일정한 위치에 조사하는 한편, 작업 대상물(200)을 이동시킴으로써 레이저 조사점을 이동시키는 경우 에도 본 제2 실시 형태를 적용할 수 있다.

(제3 실시 형태)

제3 실시 형태는, 시스템의 장치 구성으로서는, 도5에 도시한 것과 마찬가지로 레이저 가공 헤드(3)에 대해 2개의 공기 분사 노즐(81 및 82)이 설치되어 있다. 단, 제2 실시 형태와 달리 절환 밸브(85)를 갖지 않는다. 따라서, 본 제3 실시 형태는 절환 밸브(85)를 갖지 않는 것 이외에, 장치의 외관 구성으로서는 도5와 대략 마찬가지이므로 도면은 생략한다.

도8은 본 제3 실시 형태에 있어서의 시스템의 작용을 설명하기 위한 설명도이고, 도8의 (a)는 측면도, (b)는 레이저 출구측에서 본 도면이다. 또한, 이 설명도에 있어서도 각 부재의 표현을 간략화하였다.

본 제3 실시 형태에서는 공기 분사 노즐(81 및 82)의 설치 위치를 도8의 (b)에 도시한 바와 같이 서로의 공기 분사 위치가 오프셋 폭(T)으로 이격되도록 하고 있다. 그리고, 용접 중에는 그 양쪽으로부터 공기를 분사하도록 하고 있다. 따라서, 절환 밸브(85)는 필요없다.

공기 분사 노즐(81 및 82)로부터 분사시킨 공기에 의해 도8의 (b)에 도시한 바와 같이 와류가 만들어진다. 이와 같은 와류는 그 주위의 공기를 원심력에 의해 날려보내는 작용을 한다. 이로 인해, 발생한 흄을 와류에 의해 날려보낼 수 있다.

(제4 실시 형태)

도9는 제4 실시 형태에 있어서의 시스템을 설명하기 위한 개략도이고, 도10 은 레이저 사출구측에서 본 레이저 가공 헤드의 개략도이고, 도11은 제4 실시 형태에 있어서의 시스템의 제어계를 도시하는 블럭도이다.

본 제4 실시 형태에 있어서의 시스템은 레이저 가공 헤드(3) 아래에 가동 링(91)(유체 분사 위치 이동 수단)을 설치하고, 이 가동 링(91)에 공기 분사 노즐(7)을 설치한 것이다. 또한, 그 밖의 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이므로 설명은 생략한다.

가동 링(91)은, 예를 들어 링형의 리니어 모터, 초음파 모터 등이 적합하다. 이 가동 링(91)에 의해 레이저 사출구(8)를 중심으로 하여 공기 분사 노즐(7)이 이동한다. 따라서, 공기 분사 노즐(7)로부터 분사되는 공기는 항상 레이저광측을 향하고 있게 된다. 또한, 가동 링(91)은 리니어 모터나 초음파 모터로 한정되지 않고, 통상의 모터와 기어 기구 등을 이용해도 좋다.

가동 링(91)은 로봇 제어 장치로부터의 지시에 의해 동작하여 공기 분사 노즐(7)의 위치를 변경한다. 따라서, 본 제4 실시 형태에 있어서의 시스템의 제어계는 로봇 제어 장치(52)로부터의 가동 링(91)을 움직이기 위한 제어 신호가 일단 가공 헤드 제어 장치(53)로 전해지고, 또한 레이저 가공 헤드(3)를 거쳐서 가동 링(91)을 동작시키고 있다.

도12는 본 제4 실시 형태에 있어서의 공기 분사의 제1 작용을 설명하기 위한 설명도이고, (a) 및 (b)는 측면도, (c)는 레이저 가공 헤드 선단부측에서 본 정면도이다. 또한, 이 설명도에 있어서도 각 부재의 표현을 간략화하였다.

우선, 도12의 (a)에 도시한 바와 같이 공기 분사 노즐(7)을 로봇 아암측(제1 위치)으로 갖고 온 경우에는, 도시한 화살표 a방향으로 레이저 조사점(P)을 이동시킬 때에 레이저 조사점(P)의 이동 방향과 반대의 방향으로부터 공기를 분사할 수 있다.

한편, 도12의 (b)에 도시한 바와 같이 공기 분사 노즐(7)을 로봇 아암측에서 볼 때 선단부측(제2 위치)으로 갖고 온 경우에는, 도시한 화살표 b방향으로 레이저 조사점(P)을 이동시킬 때에 레이저 조사점(P)의 이동 방향과 반대의 방향으로부터 공기를 분사할 수 있다.

또한, 도12의 (c)에 도시한 바와 같이 제1 위치로부터 제2 위치 사이 중 어느 한쪽에 위치시키는 것이 가능해지므로, 도시한 화살표 c로 나타내는 횡방향으로 레이저 조사점(P)을 이동시킬 때에도 레이저 조사점(P)의 이동 방향과 반대의 방향으로부터 공기를 분사할 수 있다.

즉, 본 제4 실시 형태의 제1 작용은 가동 링(91)에 의해 레이저 사출구(8)를 대상점으로 하여 제1 위치로부터 제2 위치 사이 중 어느 한쪽의 위치에 공기 분사 노즐(7)을 이동시킴으로써, 레이저 조사점(P)을 어떠한 방향으로 이동시킨 경우라도 반드시 그 이동 방향과 반대 방향으로부터 공기를 분사시킬 수 있게 된다.

또한, 이와 같이 하는 경우, 로봇 제어 장치(52)의 교시 프로그램에는 미리 레이저 조사점(P)의 이동 방향에 대응시켜 가동 링(91)을 동작시키기 위한 지시를 기록해 둘 필요가 있다.

이와 같은 본 제4 실시 형태에 있어서의 제1 작용은, 레이저광은 일정한 위치에 조사하는 한편, 작업 대상물(200)을 이동시킴으로써 레이저 조사점을 이동시 키는 경우에도 동일하게 적용시킬 수 있다.

도13은 본 제4 실시 형태에 있어서의 공기 분사의 제2 작용을 설명하기 위한 설명도이고, (a) 및 (b)는 측면도이다. 또한, 이 설명도에 있어서도 각 부재의 표현을 간략화하였다.

용접하는 작업 대상물(200)의 형상은 다양하고, 예를 들어 도13에 도시한 바와 같이 작업 대상물(200)에 돌출부(201이나 202)가 있는 경우가 있다.

이와 같이 작업 대상물(200)에 돌출부(201이나 202)가 있는 경우, 본 제4 실시 형태에서는 가동 링(91)을 회전시키고, 이들 돌출부(201이나 202)와 간섭하지 않는 위치로 공기 분사 노즐(7)을 이동할 수 있다.

따라서, 본 제4 실시 형태의 제2 작용에 따르면, 작업 대상물(200)에 돌출부(201, 202)가 있는 경우, 혹은 작업 대상물(200) 이외의 주변 구조물 등이 있어도 레이저 가공 헤드(3)에 설치한 공기 분사 노즐(7)을 방해가 되지 않는 위치로 이동시켜서, 레이저 가공 헤드(3)의 위치 및 자세를 자유자재로 취하게 할 수 있다.

(제5 실시 형태)

도14는 제5 실시 형태에 있어서의 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.

도시한 바와 같이, 본 제5 실시 형태에서는 레이저 가공 헤드(3)의 선단부측에 공기 유통 경로(95)를 마련하고, 그 내부에 공기 분사 노즐(7)을 설치하고 있다. 공기 유통 경로(95)의 내벽과 공기 분사 노즐(7) 사이에는 간극이 벌어져 있다.

또한, 공기 유통 경로(95) 내의 레이저 가공 헤드(3)의 하우징에는 방열 핀(96)이 설치되어 있다.

도15는 본 제5 실시 형태에 의한 작용을 설명하기 위한 설명도이다. 이 도면에 있어서도 각 부의 상세는 생략하였다.

공기 유통 경로(95) 내에 공기 분사 노즐(7)을 설치한 것으로 공기 분사 노즐(7)로부터 공기를 분사하면, 그 기류에 의해 주위의 공기(a)가 말려든다. 이에 의해, 공기 유통 경로(95) 내에도 기류가 생겨 방열 핀(96)에 닿고, 레이저 가공 헤드(3)의 하우징을 효율적으로 냉각할 수 있다.

레이저 가공 헤드(3) 내부는 광학계가 있으므로 먼지의 진입을 피하기 위해 통상은 밀폐 상태로 되어 있다. 이로 인해, 레이저광이 레이저 가공 헤드(3) 내부를 통과할 때에 어떻게 해도 발열이 있다. 이 발열을 레이저 가공 헤드(3)의 하우징을 냉각함으로써 효과적으로 제거할 수 있는 것이다.

게다가, 본 제5 실시 형태에서는 공기 유통 경로(95)를 마련하여 그 속에 공기 분사 노즐(7)을 설치한 매우 간단한 구조이고, 흄(H)을 블로우하는 동시에 레이저 가공 헤드(3)의 냉각도 이룰 수 있는 것이다.

또한, 본 제5 실시 형태에 있어서 공기 분사의 제어는 제1 실시 형태와 마찬가지로 용접 작업의 개시 시에 에어 펌프(75)를 작동시키면 되고, 특별한 제어는 필요로 하지 않는다.

도16은 본 제6 실시 형태에 의한 시스템을 설명하는 개략도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시 형태는 레이저 가공 헤드(3)(레이저 조사 장치) 의 레이저 사출구(8)에 설치된 렌즈 보호 유리(306)를 따라서 수평 방향으로 공기 분사하도록 공기 분사 노즐(303, 304)(유체 분사 장치)을 설치하고, 이 공기 분사 노즐(303, 304)로부터 분사된 공기에 대해, 레이저광(100)을 가로지르는 방향으로 편향시키는 편향판(305)을 더 설치한 예이다.

이에 의해, 레이저 가공 시에 발생하는 스패터(S)가 레이저 가공 헤드(3)의 렌즈 보호 유리(306)에 부착되는 것을 방지하는 동시에, 그 분사 공기를 편향시킴으로써 흄(H)의 제거에 이용할 수 있다.

그로 인해, 렌즈 보호 유리(306)의 오염이 적어져 청소 빈도도 적고, 수명을 대폭으로 개선할 수 있는 데 부가하여, 이 분사 공기를 흄 제거에도 이용함으로써 에너지 비용의 삭감이 가능하다는 효과가 있다.

또한, 렌즈 보호 유리(306)에 가까운 상측의 공기 분사 노즐(303)의 압력을 렌즈 보호 유리(306)로부터 먼 하측의 공기 분사 노즐(304)보다도 높게 설정하면, 압력 공기가 상측으로부터 하측을 향하도록 기류의 방향을 제어할 수 있으므로, 스패터(S)를 렌즈 보호 유리(306)로부터 이격되는 하측 방향으로 되밀도록 작용시켜 렌즈 보호 유리에 스패터가 부착되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

다음에, 실제로 흄을 날리면서 레이저 용접을 행한 실시예를 설명한다.

도17은 실험 장치의 개략도이다.

본 실시예를 위한 실험을 행하기 위해, 레이저 가공 헤드(3)에 높이 및 방향을 변경할 수 있는 공기 분사 노즐(7)을 설치한 실험 장치를 제작하였다. 따라서, 이 실험 장치는 작업 대상물(200)로부터 레이저 가공 헤드(3)까지의 높이는 일정하 게 하면서 작업 대상물(200)로부터 공기 분사 노즐(7)까지의 높이(D)는 바꿀 수 있다.

이 실험 장치를 사용하여, 제1 실시예는, 도17의 (a)에 도시한 바와 같이 공기 분사 노즐(7)로부터 분사된 공기가 레이저광(100)을 가로지르는 방향이고, 또한 분사된 공기의 분사 범위 내에 레이저 조사점(P)이 들어가지 않도록 세트하고, 높이(D)를 변경하여 레이저 용접을 행하였다.

또한, 제2 실시예로서, 도17의 (b)에 도시한 바와 같이 공기 분사 노즐(7)로부터 분사된 공기가 레이저광을 바로 옆으로 가로지르는 방향에 세트하고, 높이(D)를 변경하여 레이저 용접을 행하였다.

레이저 용접의 조건은 제1, 제2 실시예 모두 동일하고, 레이저 가공 헤드(3)의 레이저 사출구(8)로부터 작업 대상물(200)의 레이저 조사점(P)까지의 거리는 560 ㎜, 레이저 출력 4 ㎾, 집광경(레이저 조사점) 직경 0.7 ㎜, 공기 분사 노즐(7)로부터의 분사 공기 압력은 0.5 ㎩, 공기의 분사 유량 180 리터/분, 작업 대상물 소재는 상부판(210)이 도금되지 않은 강판이고 판 두께 1.4 ㎜, 하부판(211)이 아연 도금 강판이고 판 두께 0.65 ㎜이다.

도18은 상기한 조건에 의해 실제로 레이저 용접을 행한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

이 그래프는 파워 시간 밀도와 공기 분사 노즐의 높이(D)와의 관계를 나타내고 있다. 또한, 「파워 시간 밀도 ＝ 레이저 출력 ÷ 집광 면적 ÷ 용접 속도」이다.

이 실험 결과로부터, 제1 실시예의 경우에는, 작업 대상물(200)로부터 공기 분사 노즐(7)까지의 높이(D)가 어떠한 높이라도, 흄(H)을 위로 수직 상승시키지 않고 비산시키므로 파워 시간 밀도가 대략 일정한 것을 알 수 있다.

제2 실시예의 경우에는, 작업 대상물(200)로부터 공기 분사 노즐(7)까지의 높이(D)가 낮은 위치에 있을 때에는 흄(H)이 수직 상승하지 않으므로 파워 시간 밀도가 낮지만, 높이(D)가 높아지면 점차 흄(H)이 크게 수직 상승하므로 파워 시간 밀도가 커지고 있다. 즉, 제2 실시예의 경우에는, 공기의 분사 위치가 작업 대상물 근방인 경우에는 효과가 있지만, 공기의 분사 위치가 작업 대상물(100)로부터 이격되어 흄(H)이 뜨는 쪽이 커지면 파워 시간 밀도가 점차 커지는 것을 나타내고 있다. 따라서, 흄(H)이 뜨는 쪽이 커지면 레이저 조사가 불안정해지는 것을 알 수 있다.

이들의 결과로부터 본 발명을 적용하여 흄(H)을 날려보냄으로써 흄의 영향을 받지 않고 일정한 용접 상태를 만들어낼 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명을 적용하여 흄(H)을 날려보냄으로써 짧은 시간에 용접이 완료되고, 효율적인 용접 동작을 행하게 하는 것이 가능해지는 것이다.

특히, 레이저 가공 헤드(3)가 있는 상방으로부터 작업 대상물(200)이 있는 하방향으로 공기를 분사시킴으로써, 분사 노즐로부터 작업 대상물까지의 거리에 관계없이 확실하게 흄(H)을 날릴 수 있다. 따라서, 이와 같이 공기의 분사 방향을, 하방향을 향하게 함으로써 다양한 위치나 자세로 레이저 조사 거리도 가변할 수 있는 리모트 용접에 적합한 것이 된다.

또한, 본 실시예에서는 레이저 조사 거리를 560 ㎜로 하고 있지만, 이는 당연히 긴 거리라도 좋고, 레이저 조사 거리가 길어지는 경우에는 공기 분사 압력 및/또는 분사 공기의 유량을 적절하게 변경함으로써 대응할 수 있다.

이상 본 발명을 적용한 실시 형태 및 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시 형태 및 실시예로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 각 실시 형태에서는 다축 로봇을 이용한 형태를 나타냈지만, 이에 한정되지 않고 다양한 형태의 로봇을 이용하는 것이 가능하고, 또한 로봇 등을 이용하지 않고, 고정된 레이저 가공 헤드를 이용하는 경우에도 적용 가능하다. 또한, 레이저 용접으로 한정되지 않고 레이저를 이용한 가공에도 이용 가능하다.

또한, 상술한 실시예에서는 공기를 분사하는 것으로 하고 있다. 이는 리모트 용접에 있어서는 레이저의 초점 거리가 길기 때문에 레이저 조사 수단인 레이저 가공 헤드로부터 용접점까지의 거리를 길게 취할 수 있고, 게다가 그 사이를 다양한 방향으로 레이저광을 조사할 수 있으므로, 그와 같은 광범위에 걸쳐서 흄을 날려보낼 수 있도록 고압, 고유량으로 유체를 분출시킬 필요가 있다. 그러면 대량의 유체가 필요하므로, 공기를 이용하는 것이 가장 경제성이 좋은 것이 된다. 그러나, 분사시키는 유체는 공기로 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 질소 가스, 또한 헬륨 가스 등의 불활성 가스 등을 이용해도 좋고, 또한 그 밖의 다양한 유체를 유체 분사 수단으로부터 분사함으로써도 공기를 이용하는 경우와 마찬가지로 효과적으로 흄을 비산하는 것은 가능하다.

본 발명은 레이저 용접, 레이저 가공에 이용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 레이저 조사 수단에 유체 분사 수단을 마련함으로써 다양한 방향으로 레이저광을 조사시키는 경우라도, 유체 분사 수단이 레이저 조사의 방해가 되지 않아, 흄을 확실하게 제거할 수 있게 된다.

Claims

레이저 용접 장치에 있어서,

레이저광을 조사하는 레이저 조사 장치와,

상기 레이저 조사 장치측에 설치되어 상기 레이저광을 가로지르는 방향으로 유체를 분사하는 유체 분사 장치를 갖는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 상기 유체의 분사 방향이 상기 레이저 조사 장치가 있는 측으로부터 상기 레이저광이 조사되는 작업 대상물이 있는 방향이 되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 상기 유체의 분사 범위 내에 상기 작업 대상물 상의 레이저 조사점이 들어가지 않도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저 조사 장치는 상기 레이저광의 조사 방향을 반사경에 의해 변경하는 조사 방향 변경 장치를 갖는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저 조사 장치는 로봇 아암에 설치되어 있는 레이저 용접 장치.
제5항에 있어서, 상기 유체 분사 장치를 이동시키는 유체 분사 위치 이동 장치를 더 갖는 레이저 용접 장치.
제6항에 있어서, 상기 유체 분사 위치 이동 장치는 레이저 사출구를 대상점으로 하여 상기 로봇 아암측을 제1 위치, 상기 제1 위치의 반대측을 제2 위치로 하고, 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치까지 상기 유체 분사 장치를 이동시키는 레이저 용접 장치.
제5항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 유체 분사 방향이 다르도록 적어도 2개 설치되어 있고,

어느 하나의 상기 유체 분사 장치로부터 상기 유체가 분사되도록 유체 경로를 절환하는 상기 절환 장치를 더 갖는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 상기 유체를 레이저 조사점의 이동 방향과는 반대의 방향으로 분사시키는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 적어도 2개 설치되어 있고, 2개의 상기 유체 분사 장치로부터 동시에 상기 유체를 분사함으로써 와류를 만들어내는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저 조사 장치의 주위에 유체 유통 경로를 갖고,

상기 유체 분사 장치는 상기 유체 유통 경로 내부에 설치되어 있는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 상기 레이저 조사 장치의 레이저 사출구에 설치된 렌즈 보호 유리를 따라서 유체를 분사하는 유체 분사 노즐과, 이 유체에 대해 상기 레이저광을 가로지르는 방향으로 편향시키는 편향판을 갖는 레이저 용접 장치.
제12항에 있어서, 상기 유체 분사 노즐은 상기 렌즈 보호 유리에 가까운 측과 먼 측에 복수 설치되고, 상기 렌즈 보호 유리에 가까운 측의 유체 분사 노즐의 압력을 상기 렌즈 보호 유리로부터 먼 측의 공기 분사 노즐보다도 높게 설정한 레이저 용접 장치.
레이저광을 조사하는 레이저 조사 장치측에 유체 분사 장치를 설치하는 것과, 상기 레이저광을 가로지르는 방향으로 유체 분사 장치로부터 유체를 분사시키는 것으로 이루어지는 레이저 용접 방법.
제14항에 있어서, 상기 유체의 분사 방향이 상기 레이저 조사 장치측으로부 터 상기 레이저광이 조사되는 작업 대상물이 있는 방향이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 유체의 분사 범위 내에 레이저 조사점이 들어가지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 조사 장치는 상기 레이저광의 조사 방향을 반사경에 의해 변경하는 조사 방향 변경 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 조사 장치는 로봇 아암에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제18항에 있어서, 상기 레이저 조사 장치는 상기 유체 분사 장치를 이동시키는 유체 분사 위치 이동 장치가 설치되어 있고,

상기 유체가 레이저 조사점의 이동 방향과 역방향으로 분사되도록 상기 유체 분사 위치 이동 장치에 의해 상기 유체 분사 장치를 움직이는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제18항에 있어서, 상기 레이저 조사 장치는 상기 유체 분사 장치를 이동시키 는 유체 분사 위치 이동 장치가 설치되어 있고, 작업 대상물 그리고/또는 주변 구조물과 상기 유체 분사 장치가 간섭하지 않는 위치로 유체 분사 위치 이동 장치에 의해 상기 유체 분사 장치를 움직이는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 분사 방향이 다르도록 적어도 2개 설치되어 있고, 어느 하나의 상기 유체 분사 장치로부터 상기 유체가 분사되도록 유체 경로를 절환하는 상기 절환 장치를 더 갖고,

레이저 조사점의 이동 방향과 반대 방향으로 상기 유체를 분사할 수 있는 상기 유체 분사 장치로부터 상기 유체를 분사시키도록 상기 절환 장치를 절환하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 적어도 2개 설치되어 있고, 2개의 상기 유체 분사 장치로부터 동시에 상기 유체를 취출시켜 와류를 만들어내는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제14항에 있어서, 상기 유체 분사 장치는 상기 레이저 조사 장치의 레이저 사출구에 설치된 렌즈 보호 유리를 따라서 유체를 분사하고, 이 유체에 대해 또한 상기 레이저광을 가로지르는 방향으로 편향시키는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제23항에 있어서, 상기 유체 분사 노즐은 상기 렌즈 보호 유리에 가까운 측과 먼 측에 복수 설치되고, 상기 렌즈 보호 유리에 가까운 측의 유체 분사 노즐의 압력을 상기 보호 유리로부터 먼 측의 공기 분사 노즐보다도 높게 한 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.