KR20110037615A - 레이저 용접 시스템 - Google Patents

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KR20110037615A
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민성욱
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Abstract

본 발명은 레이저 용접 시스템에 관한 것으로서, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 발진기와, 레이저 발진기의 후단에 배치되며, 레이저 발진기로부터 입사되는 레이저 빔의 광 경로를 조절하는 스캐닝부와, 스캐닝부의 후단에 설치되어, 스캐닝부에서 출사되는 레이저 빔의 집속 및 초점을 조절하는 광학부와, 용접 대상물을 지지하고 고정시키는 스테이지 및 미리 저장되거나 외부에서 입력된 용접 패턴 정보에 따라 스캐닝부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 레이저 용접 시스템이 제공된다.
레이저 용접, 스캐닝부, 파이버 레이저

Description

레이저 용접 시스템 {Laser welding system}
본 발명은 레이저 용접 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자 부품 등의 미세 용접에 유리하고, 용접 대상물이 변경되어도 추가적인 장비 교체가 필요없는 스캐닝부를 구비한 레이저 용접 시스템에 관한 것이다.
레이저광은 연속파, 펄스파 등의 다양한 동작이 가능하고 대상으로 하는 가공 프로세스에 맞춰 이용되고 있다.
레이저 용접 역시 레이저 가공의 기본적인 장점과 특성을 갖고 있다. 레이저 용접은 변형과 수축이 적고, 용접 속도가 빠르며, 자동화가 용이한 장점이 있다. 대부분 용접 가재를 사용하지 않고 모재의 합금화에 의해 이루어지는 레이저 용접은 근접이 어려운 부재의 용접이 가능하며, 부도체 용접제를 포함한 다양한 재료를 용접할 수 있고, 이종재료의 용접도 가능하다. 이러한 장점에도 불구하고 레이저 용접의 상용화가 더딘 이유는 생산라인에서 소요되는 일반 공정비용이 인건비를 감안하더라도 레이저 용접의 비용보다 저렴하기 때문에다. 그러나 높은 가격에도 불구하고 레이저 용접의 사용이 점점 증가하고 있는 미세정밀 용접분야의 경우 레이 저 용접만이 가능하기 때문이다.
이중 전자 부품용 레이저 용접 장치는 몇몇 업체에서 제조하고 있으나, 다양한 모양을 용접하기 위해서는 툴 변경 작업을 진행해야 한다. 이와 같이 툴 변경이 필요한 이유는 장치의 가격경쟁력과 제품 특징상 파이버를 통하여 레이저 빔을 전달하는데, 파이버에서 나오는 레이저 빔의 발산각이 크기 때문에, 레이저 빔의 파워 손실이 많고, 초점 거리가 짧게 된다. 이러한 이유로 종래 기술에 따른 레이저 용접 장치를 이용하여 레이저 용접을 수행하기 위해서는 가공물에 매우 근접한 곳에 레이저 용접 장치의 빔 출력부를 설치하고, 이를 위해 빔 출력부를 로봇에 부착한 형태로 구성되었다. 도 1에는 종래 기술에 따른 레이저 용접 장치가 도시되어 있다.
이러한 기술적 구성은 각 가공물의 물질과 모양에 따라 빔 출력부를 고정시키는 축과 로봇을 교체해야 하는 작업을 수행해야 하며, 또한 빔 출력부가 가공물에 근접하게 위치되어야 하므로 용접 목표점이 한정적인 문제점이 있었다. 그 결과, 종래 기술에 따른 레이저 용접 장치는 생산성 저하와 작업의 용이성 저하, 장비 가격 상승의 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존의 레이저 용접 장치에서 수행하기 힘든 미세 용접이 가능하고, 작업이 용이한 레이저 용접 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기의 후단에 배치되며, 상기 레이저 발진기로부터 입사되는 레이저 빔의 광 경로를 조절하는 스캐닝부; 상기 스캐닝부의 후단에 설치되어, 상기 스캐닝부에서 출사되는 레이저 빔의 집속 및 초점을 조절하는 광학부; 용접 대상물을 지지하고 고정시키는 스테이지 및 미리 저장되거나 외부에서 입력된 용접 패턴 정보에 따라 상기 스캐닝부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 레이저 용접 시스템이 제공된다.
상기 레이저 발진기의 출력단에 배치되어, 상기 레이저 발진기에서 생성되어 출력된 레이저 빔을 상기 스캐닝부로 전달하는 레이저 전송부를 더 포함한다.
상기 레이저 전송부는 광 파이버인 것을 특징으로 한다.
상기 스캐닝부는 갈바노 스캐너를 포함한다.
상기 갈바노 스캐너는 입사되는 레이저 빔을 반사시키는 갈바노 미러 및 상기 제어부의 지시에 따라 상기 갈바노 미러의 반사면을 구동시키는 갈바노 미러 구동부를 포함한다.
상기 스캐닝부는 폴리곤 스캐너를 더 포함하며, 상기 폴리곤 스캐너는 상기 갈바노 스캐너로부터 입사된 광을 상기 광학부로 반사시키는 폴리곤 미러와 상기 폴리곤 미러를 구동시키는 폴리곤 미러 구동부를 포함한다.
레이저 용접시 레이저 용접의 품질을 측정하는 모니터링부를 더 포함한다.
상기 모니터링부는 용접시 발생하는 플라즈마와 온도를 측정하여 용접 품질을 판별한다.
상기 모니터링부는 상기 플라즈마를 감지하기 위한 UV 센서와 IR 센서를 포함한다.
상기 레이저 발진기로 파이버 레이저를 이용한다.
본 발명에 따르면, 매우 빠르고 효율적인 용접 방식을 획득할 수 있게 된다. 그리고 상이한 크기 및 물질의 물품을 서로 붙일 수 있으며, 용접 시간을 단축시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 생산 라인에서 하나의 생산품으로부터 다른 생산품으로의 전환이 프로그램을 변경함에 의해 간단하게 이루어지게 되므로, 장비의 물리적 교체가 필요하지 않게 된다. 그 결과, 생산 라인에 새로운 생산품을 도입시키는 것이 훨씬 빨라진다.
그리고 본 발명에 따르면 용접 대상물의 교체시 마다 고정지그 등의 교체가 불필요하기 때문에 고정지그의 구입비용이 절감되는 효과가 있다. 또한, 미세 형상 의 가공에 있어서도 유리하며, 로봇 암의 반드시 필요한 것은 아니므로, 설치공간도 절약되는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 시스템의 개략적인 블록 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 실시예의 개략적인 시스템 구성도이며, 도 4는 광학부의 개략적인 블록 구성도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 시스템을 설명한다. 레이저 용접 시스템은 레이저 발진기(100), 레이저 전송부(200), 스캐닝부(300), 광학부(400), 스테이지(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
레이저 발진기(100)는 레이저 빔을 생성하여 출력하는 기능을 수행한다. 레이저 빔은 연속파, 펄스파 등의 다양한 동작이 가능하고 대상으로 하는 가공 프로세스에 맞춰 이용되고 있다. 자동차 부품이나 두꺼운 판 등 비교적 큰 부재의 용접에는 연속파 발진 레이저가 이용되고 있으나 소형전자 부품의 용접에는 펄스 발진 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 박판 용접은 비교적 적은 에너지로 되기 때문에 펄스파 쪽이 투입 에너지량을 제어하기 쉽기 때문이다. 본 실시예에 따른 레이저 용접 시스템은 전자 부품 등의 미세 용접에 사용하기 위한 것이므로, 레이저 발진기(100)로 YAG 레이저를 사용한다. YAG 레이저는 광 파이버로 레이저 빔 전송이 가능하므로, 가공 베드부위를 소형으로 만들 수 있어 전자부품의 가공에 적합하다.
레이저 전송부(200)는 레이저 발진기(100)의 출력단에 배치되어, 레이저 발 진기(100)에서 생성되어 출력된 레이저 빔을 스캐닝부(300)로 전달하는 기능을 수행한다. 레이저 전송부(200)는 광학계 또는 광 파이버를 사용할 수 있으며, 본 실시예의 경우 광 파이버를 사용한다.
스캐닝부(300)는 레이저 전송부(200)의 후단에 배치되며, 레이저 전송부(200)에서 입사되는 레이저 빔의 광 경로를 조절하는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 스캐닝부(300)로서 갈바노 스캐너(미도시)를 사용하며, 갈바노 스캐너는 갈바노 미러(미도시)와 갈바노 미러 구동부(미도시)로 구성되며, 갈바노 미러 구동부는 갈바노 미러의 반사면을 구동시킴으로써 스캐닝부(300)에 입사되는 레이저 빔의 광 경로를 원하는 경로 조절하게 된다.
광학부(400)는 스캐닝부(300)의 후단에 설치되어, 스캐닝부(300)를 출사되는 레이저 빔의 집속 및 초점 등을 조절한다. 도 4를 참조하면, 광학부(400)는 집속 렌즈(410), 빔 익스펜더(beam expender)(420), 이미징 렌즈(430), 반사 미러(440) 및 F-theta 렌즈(450)를 포함한다. 광학부(400)는 이러한 렌즈들의 전부 또는 일부를 사용하여 레이저빔의 광학 특성을 변화시킨다. 집속 렌즈(410)는 레이저 빔을 집속시키는 역할을 하며, 빔 익스펜더(420)는 레이저 빔의 출력을 확장시키고, 반사 미러(440)의 레이저 빔을 반사시키는 기능을 수행하며, F-theta 렌즈(450)는 레이저 빔의 초점을 조절하는 기능을 수행한다.
스테이지(500)는 피용접물을 지지 및 고정시키는 역할을 수행한다. 제어부(600)는 레이저 발진기(100)의 동작을 제어하며, 스캐닝부(300)의 동작을 제어한다. 제어부(600)는 메모리(미도시)에 미리 저장되거나 외부에서 입력된 용접 패턴 정보에 따라 스캐닝부(300)의 갈바노 스캐너 구동부의 동작을 제어한다. 또한, 제어부(600)는 스캐닝부(300)의 위치 정보를 파악하여, 가공 위치로 향하도록 제어하며, 스캐너의 고속 스캔과 동기하여 레이저 빔의 출사를 제어하는 기능을 수행한다.
그 결과, 레이저 발진기(100)에서 출력된 레이저 빔은 레이저 전송부(200)를 거쳐 스캐닝부(300)로 입사되고, 스캐닝부(300)의 동작에 따라 레이저 빔은 용접 패턴을 따라 용접 대상물에 조사되면서 레이저 용접이 이루어진다.
레이저 빔의 파워에 따라 한 번의 스캔으로 용접이 이루어질 수도 있으며, 높은 속도로 용접되는 패턴을 수 차례에 걸쳐 스캔하면서 용접을 수행할 수도 있다. 본 실시예에 따르면, 용접 시간은 용접 대상물의 크기 이외에 용접 속도 즉, 스캐닝 속도 및 스캐닝 횟수에 의해 결정된다.
본 실시예에 따른 레이저 용접 시스템에 의하면, 기존의 레이저 용접 장치에 비하여 추가적으로 스캐닝부와 렌즈가 장착되기는 하나, 용접 대상물의 교체시 마다 고정지그 등의 교체가 불필요하기 때문에 고정지그의 구입비용이 절감되는 효과가 있다. 또한, 미세 형상의 가공에 있어서도 유리하며, 로봇 암의 반드시 필요한 것은 아니므로, 설치공간도 절약되는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 용접 시스템의 개략적인 블록 구성도이다.
도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 용접 시스템을 설명 한다. 본 실시예는 이전에서 설명한 실시예와 비교하여, 레이저 발진기의 종류가 상이하고, 스캐닝부의 구성이 다르고, 모니터링부가 추가되었다는 점이 상이하며, 나머지 구성은 유사한바 이하에서는 상이한 구성을 위주로 상술한다.
본 실시예에 따른 레이저 용접 시스템은 파이버 레이저(fiber laser)(150), 스캐닝부(300), 광학부(400), 모니터링부(450), 스테이지(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
본 실시예의 경우 레이저 발진기로서 파이버 레이저(150)를 사용하며, 스캐닝부(300)는 폴리곤 스캐너(미도시)와 갈바노 스캐너(미도시)의 조합으로 구성한다. 갈바노 스캐너는 파이버 레이저(150)으로부터 출사되는 레이저 빔의 수직 변위를 조절하며, 폴리곤 스캐너는 파이버 레이저(150)으로부터 출사되는 레이저 빔의 수평 변위를 조절한다.
갈바노 스캐너는 갈바노 미러(미도시) 및 갈바노 미러 구동부(미도시)를 포함하며, 파이버 레이저(150)으로부터 입사되는 광의 굴절각을 조절하여 폴리곤 스캐너로 유도한다. 갈바노 미러는 광을 반사하도록 회전가능하게 설치되며, 갈바노 미러 구동부는 갈바노 미러를 지지하면서, 갈바노 미러를 회동시킨다. 폴리곤 스캐너는 폴리곤 미러 및 폴리곤 미러 구동부를 포함하며, 갈바노 스캐너로부터 입사된 광을 광학부(400)로 반사한다. 본 실시예의 경우 폴리곤 미러는 다수개의 반사면을 갖도록 구성하고 있으나, 반사면의 개수는 다양하게 변형될 수 있다.
모니터링부(450)는 레이저 용접 중의 용접 품질을 측정하는 기능을 수행한다. 모니터링부(450)는 레이저 용접시 발생하는 플라즈마와 온도를 측정하여 용접 품질을 측정한다. 이를 위하여 모니터링부(450)는 플라즈마를 감지하기 위한 센서로 UV센서와 IR 센서를 포함한다. 먼저, 기준값을 설정한 후 용접중에 발생되는 플라즈마 강도가 기준값의 최대 및 최소값 영역 내부에 존재하면 양호한 용접이 된 것으로 판단한다.
도 6 및 도 7은 파이버 레이저의 작동원리를 설명한 개념도이다.
도 6 및 도 7을 참조하여 파이버 레이저를 살펴보면, 파이버 레이저(fiber laser)는 레이저 발진에 사용되는 파장의 빛만을 여기원으로 사용하고, 더블 클래딩(double cladding)과 광섬유 격자(fiber bragg grating)에 의하여 가늘고 길이가 긴 광섬유를 사용하여 레이저를 증폭함으로써 열손실 및 열렌즈 효과를 방지하여 에너지 효율 및 빔 품질을 동시에 향상시킨 레이저 기술이다. 이러한 파이버 레이저는 광섬유에 소량의 희토류를 첨가한 레이저 매체를 사용하는 고체 레이저이며, 레이저 매체를 자극시켜 광자를 방출하는 소위 펌핑작업을 위해 레이저 다이오드를 사용한다. 레이저 매체에 첨가하는 희토류 원소로는 Er(erbium), Yb(ytterbium), 그리고 Tm(thulium) 등이 있으며, Yb는 고출력 파이버 레이저에 사용된다.
파이버 레이저의 여기 광원은 싱글 에미터 다이오드를 사용하며, 이는 적층 다이오드에 비하여 열발생이 적어 수명이 길고, 출력이 균일하다. 여기용 다이오드는 광섬유에 의해 전송되며, 이러한 광섬유는 액티브 파이버(active fiber)에 융착되어 손실이 적고, 기계적 진동 등의 외부 환경적 외란에 강인하다. 파이버 레이저 의 펌핑 방식은 사이드 펌핑(side pumping)과 엔드 펌핑(end pumping)이 있으며, 대출력이 요구되는 경우에는 사이드 펌핑 방식을 사용한다. 본 실시예의 경우도 사이드 펌핑 방식을 사용한다. 이러한 사이드 펌핑 방식은 액티브 파이버의 측면에 펌핑 레이저 파이버를 융착하는 구조로서 외형 치수가 작으며 다수의 펌핑 레이저 배치가 용이하여 출력 증대에 유리한 구조이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 액티브 파이버(155)는 코어(151), 내부 클래딩(152), 외부 클래딩(153) 및 광섬유 격자(FBG; Fiber Bragg Grating)(154)로 구성된다. 펌핑 광원이 내부 클래딩(152)을 통하여 진행하면서 코어(151)에 도핑된 희토류 원소 예를 들면, Yb를 여기시켜 레이저광을 만들고, 광섬유 격자(154)에 의해 반복적으로 반사되어 증폭된다. 이때 광섬유 격자(154)는 공진기 미러 역할을 수행하게 된다.
이와 같은 파이버 레이저는 레이저 발진시스템의 크기가 매우 작아지고, 교체 부품 및 별도의 얼라인먼트 광학계가 필요없어 유지관리가 용이하다는 장점이 있다. 그러므로 이러한 파이버 레이저를 레이저 용접 시스템의 레이저 광원으로 사용하게 되면, 레이저 용접 시스템의 설치 공간이 작아지며 부품수가 절감되어 전체 설비 제조에 대한 단가가 절감되는 효과가 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 시스템을 이용하여 용접한 실제 제품 사진이다. 도 8a는 모양이 복잡하고 다양한 핸드폰 케이스를 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 시스템을 이용하여 용접한 사진이며, 도 8b는 자동차용 미션 부품을 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 시스템을 이용하여 용접한 사진이다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 레이저 용접 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 시스템의 개략적인 블록 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 실시예의 개략적인 시스템 구성도이다.
도 4는 광학부의 개략적인 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 용접 시스템의 개략적인 블록 구성도이다.
도 6 및 도 7은 파이버 레이저의 작동원리를 설명한 개념도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 시스템을 이용하여 용접한 실제 제품 사진이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 레이저 발진기
200 : 레이저 전송부
300 : 스캐닝부
400 : 광학부
500 : 스테이지
600 : 제어부

Claims (10)

  1. 레이저 용접 시스템에 있어서,
    레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 발진기;
    상기 레이저 발진기의 후단에 배치되며, 상기 레이저 발진기로부터 입사되는 레이저 빔의 광 경로를 조절하는 스캐닝부;
    상기 스캐닝부의 후단에 설치되어, 상기 스캐닝부에서 출사되는 레이저 빔의 집속 및 초점을 조절하는 광학부;
    용접 대상물을 지지하고 고정시키는 스테이지 및
    미리 저장되거나 외부에서 입력된 용접 패턴 정보에 따라 상기 스캐닝부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 발진기의 출력단에 배치되어, 상기 레이저 발진기에서 생성되어 출력된 레이저 빔을 상기 스캐닝부로 전달하는 레이저 전송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 전송부는 광 파이버인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝부는 갈바노 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 갈바노 스캐너는,
    입사되는 레이저 빔을 반사시키는 갈바노 미러 및
    상기 제어부의 지시에 따라 상기 갈바노 미러의 반사면을 구동시키는 갈바노 미러 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스캐닝부는 폴리곤 스캐너를 더 포함하며,
    상기 폴리곤 스캐너는 상기 갈바노 스캐너로부터 입사된 광을 상기 광학부로 반사시키는 폴리곤 미러와 상기 폴리곤 미러를 구동시키는 폴리곤 미러 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    레이저 용접시 레이저 용접의 품질을 측정하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모니터링부는 용접시 발생하는 플라즈마와 온도를 측정하여 용접 품질을 판별하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 플라즈마를 감지하기 위한 UV 센서와 IR 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 발진기로 파이버 레이저를 이용하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101409214B1 (ko) * 2013-02-27 2014-07-03 에스아이에스 주식회사 실시간 레이저 용접 모니터링 시스템 및 레이저 미세용접 가공장치
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