KR20110060057A

KR20110060057A - 레이저용접시스템

Info

Publication number: KR20110060057A
Application number: KR1020090116528A
Authority: KR
Inventors: 김현중; 신병헌; 박정범
Original assignee: 주식회사 유라테크
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-08

Abstract

본 발명은 용접대상물의 용접부분에 레이저 빔을 조사하여 레이저 용접하기 위한 레이저용접시스템에 관한 것이다. 특히 본발명은 용접대상물을 용접하기 위한 레이저 빔을 조사하는 레이저조사부와; 상기 용접대상물의 용접부분의 전체 둘레가 동시에 용접될 수 있도록, 상기 레이저 조사부로부터 조사되는 레이저 빔이 상기 용접대상물의 용접부분의 전체 둘레에 발산되게 하는 렌즈유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템을 제시한다.

스파크플러그, 전극, 전극팁, 레이저, 용접

Description

레이저용접시스템{Laser welding system}

본 발명은 용접대상물의 용접부분에 레이저 빔을 조사하여 레이저 용접하기 위한 레이저용접시스템에 관한 것이다.

일반적으로 레이저용접은 같은종류 또는 다른종류의 두 소재의 접합부분에 레이저 빔을 조사하여 두 소재가 직접 결합이 되도록 접합시키는 방법이다.

이와 같은 레이저용접은 여러종류의 용접방법 중에서도 특히 정밀성이 요구되는 용접에 적합하다.

예컨대, 도 1 및 도 2는 내연기관의 실린더 헤드에 장착되어 연소실 내부로 공급된 연료와 공기의 혼합가스에 전기불꽃으로 착화시키는 장치인 스파크플러그에 관한 것인데, 스파크플러그의 중심전극(16)과 전극팁(20)은 보편적으로 레이저용접에 의해 접합된다.

즉, 도 1 및 도 2에 도시된 스파크 플러그(10)는, 엔진의 실린더 헤드에 장착되는 하우징(12)과, 하우징(12)에 내부에 중심을 통과하게 배치되고 절연체(14)에 감싸지며 하우징(12)의 끝부분에서 돌출되게 형성되고 그 일단이 점화코일과 연결되어 고압전류가 유도되는 중심전극(16)과, 하우징(12)의 일측에 고정되고 중심 전극(16)과 일정 간극을 두고 배치되는 접지전극(18)으로 구성된다.

중심전극(16)과 접지전극(18)은 대체적으로 열전도성이 우수한 구리 화합물 또는 고순도의 니켈 등으로 구성된다.

특히, 고압 고온의 환경 하에서 지속적으로 높은 착화성을 유지하면서 내구성 및 내열성, 내마모성을 유지할 수 있도록, 이러한 목적을 달성할 수 있는 재질의 전극팁(20)이 중심전극(16)에 접합된다.

중심전극(16)과 전극팁(20)의 접합방법을 보면, 접합을 위한 장치(30)는, 점화플러그와의 간섭 회피 등을 위해, 중심전극(16)과 전극팁(20)의 접합면(A)에 대하여 경사지게 설치되어 중심전극(16)과 전극팁(20)의 접합면(A)을 접합하고 있다.

그러나, 레이저용접에 의한 용접방법은 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.

즉, 중심전극(16)과 전극팁(20)의 접합부분의 전체둘레를 접합하기 위해서는, 레이저 빔이 조사되는 동안 중심전극(16)과 전극팁(20)을 지지하는 베이스 또는 레이저용접기를 회전시켜야 한다.

따라서, 레이저 빔의 펄스변화나 조사시간 등에 따라서 중심전극(16)과 전극팁(20)의 접합부분의 전체 둘레가 균일하게 용접되지 못한다.

예컨대, 도 3의 'A'로 지시하는 바와 같이 용접이 중첩되어 과잉 용접이 이루어지거나 도 3의 'B'로 지시하는 바와 같이 용접이 되지 않은 미용접부가 발생될 수 있으며, 이에 따라 용접불량이 발생될 수 있다.

또한 용접의 중첩부가 과도한 경우, 중심전극(16)과 전극팁(20)의 위치정렬이 불량한 상태로 스파크플러그(10)가 엔진 내에 장착될 수 있는데, 용접의 중첩부 로 인해 산화성 분위기에 형성, 노출됨으로써 결함이 발생할 수 있다. 또한 이에 따라 전극팁(20)의 이탈 또는 부식현상이 발생되어 결과적으로 엔진의 성능 및 배기가스, 내구성에 악영향을 미칠 수 있다.

또한, 레이저용접시 레이저용접기가 중심전극(16)이나 전극팁(20)과 구조적으로 간섭될 수 있는 바, 레이저 빔의 조사각도가 제한될 수 밖에 없으며, 이에 따라 중심전극(16) 및 전극팁(20)의 접합력을 높이거나 중심전극(16) 및 전극팁(20)의 접합면적을 넓히기 위한 중심전극(16) 및 전극팁(20)의 설계개선 등이 제약을 받는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저용접에 의한 용접불량을 방지할 수 있는 레이저용접시스템을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 용접대상물을 용접하기 위한 레이저 빔을 조사하는 레이저조사부와; 상기 용접대상물의 용접부분의 전체 둘레가 동시에 용접될 수 있도록, 상기 레이저 조사부로부터 조사되는 레이저 빔이 상기 용접대상물의 용접부분의 전체 둘레에 발산되게 하는 렌즈유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템을 제시한다.

상기 렌즈유닛은 상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저 빔을 방사상으로 발산하는 제1렌즈부; 상기 제1렌즈부에 의해 방사상으로 발산된 레이저 빔을 상기 용접대상물의 용접부분으로 안내하는 제2렌즈부를 포함할 수 있다.

상기 제1렌즈부는 상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저 빔의 조사방향을 따라 상기 레이저조사부와 일렬 배치될 수 있다.

상기 제1렌즈부는 상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저 빔을 그 조사방향과 수직한 방향으로 발산시킬 수 있다.

상기 제1렌즈부는 정점이 상기 레이저조사부를 향하는 원뿔형 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 제2렌즈부는 중심에 상기 제1렌즈부가 배치되며 상기 제1렌즈부로부터 방사상으로 발산된 레이저 빔을 안내하는 제1링형렌즈 및, 중심에 상기 용접대상물이 배치되며 상기 제1링형렌즈로부터 안내된 레이저 빔을 상기 용접대상의 용접부분으로 안내하는 제2링형렌즈를 포함할 수 있다.

상기 용접대상물은 상기 제1렌즈부의 초점과 일직선으로 정렬되며, 상기 제1링형렌즈와 상기 제2링형렌즈는 상기 제1렌즈부와 상기 용접대상물의 정렬방향을 따라 상호 배치될 수 있다.

상기 제2링형렌즈는 상기 용접대상물에 대하여 수직한 방향으로 상기 레이저 빔을 안내할 수 있다.

상기 제2링형렌즈는 상기 용접대상물의 용접면에 평행한 방향으로 레이저 빔을 안내할 수 있다.

상기 용접대상물은 스파크플러그의 고압전류가 유도되는 중심전극 및 중심전극의 끝단에 배치되는 전극팁일 수 있다.

또한 상기한 과제를 해결하기 위해 본발명은 스파크플러그의 고압전류가 유도되는 중심전극 및 이 중심전극의 끝단에 배치되는 귀금속 소재의 전극팁을 지지하는 베이스; 레이저 빔을 조사하는 레이저조사부; 상기 중심전극 및 전극팁의 용접부분의 전체 둘레가 동시에 용접될 수 있도록, 상기 레이저 조사부로부터 조사되는 레이저 빔이 상기 중심전극 및 전극팁의 용접부분의 전체 둘레에 발산되게 하는 렌즈유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크플러그의 전극용 레이저용접시스템을 제시한다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

먼저, 용접대상물의 용접부분의 전체둘레가 동시에 용접될 수 있다.

따라서, 용접대상물의 용접부분이 전체둘레에 걸쳐 균일하게 용접될 수 있으며, 이에 따라 레이저 빔의 중첩부 또는 미용접부 발생이 방지될 수 있는 바, 용접에 의한 불량이 방지될 수 있고 용접품질이 월등히 향상될 수 있다.

또한, 용접대상물의 용접부분의 전체둘레가 동시에 용접되기 때문에 용접시간을 줄일 수 있다.

또한, 용접대상물의 용접부분의 전체둘레를 용접하기 위해 레이저 빔이 조사되는 동안 레이저조사부나 용접대상물을 정밀하게 회전시킬 필요가 없기 때문에, 이에 따른 구성요소 및 유지,보수를 없앨 수 있는 바 제조비 및 유지,보수 측면에서 월등히 유리하다. 아울러, 레이저조사부 또는 용접대상물의 회전시 발생되는 미세 흔들림에 따른 불량도 방지할 수 있다.

또한, 용접대상물의 용접부분에 발산되는 레이저 빔의 발산각도를 렌즈에 의해 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 충분한 용접이 이루어질 수 있도록 레이저 빔의 발산각도를 최적화할 수 있으며, 용접대상물의 용접부분의 설계개선이 용이하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본발명은 특히 스파크플러그의 고압전류가 유도되는 중심전극(16) 및 중심전극(16)의 끝단에 배치되는 전극팁(20)(특히 귀금속 소재의 전극팁(20))을 용접하기 위한 것이다. 여기서, 귀금속이라 함은 화학적으로 이온화 에너지가 수소의 이온화 에너지보다 훨씬 크고, 산 및 산화제에 의해 산화되지 않는 금속을 일컫는 것으로서, 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 레늄(Re), 류테늄(Ru), 텅스텐(W), 니오브(Nb) 등이 있으며, 특히 성능 및 원가 등을 모두 고려하여 이리듐 또는 이리듐 합금재질이 전극팁(20) 소재로서 적합하다.

이를 위한 본발명에 따른 레이저용접시스템은 용접대상물(100)(즉 중심전극(16)와 전극팁(20))을 용접하기 위한 레이저 빔(112)을 조사하는 레이저조사부(110)와; 레이저 조사부(110)로부터 조사되는 레이저 빔(112)이 용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 전체 둘레에 발산되게 하는 렌즈유닛(120)을 포함하는 것을 특징을 한다.

즉, 렌즈유닛(120)에 의해 특히 도 6에 도시된 바와 같이 레이저 빔(112)이 사방으로 발산됨으로써, 특히 도 7에 도시된 바와 같이 용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 전체 둘레가 동시에 용접될 수 있다.

따라서, 용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 전체둘레에 조사되는 레이저 빔(112)의 조사조건(즉 조사시간, 크기, 펄스 등)이 동일하므로 용접대상물(100)의 용접부분(100A)이 전체둘레에 걸쳐 균일하게 용접될 수 있다. 이에 따라 레이저 빔(112)의 중첩부 또는 미용접부 발생이 방지될 수 있기 때문에 용접에 의한 불량률이 현격히 줄어들 수 있을 뿐만 아니라 용접품질이 월등히 향상될 수 있다.

또한, 용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 전체둘레가 동시에 용접되기 때문에 용접시간을 줄일 수 있다.

또한, 용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 전체둘레를 용접하기 위해 레이저 빔(112)이 조사되는 동안 레이저조사부(110)나 용접대상물(100)을 정밀하게 회전시킬 필요가 없기 때문에, 이에 따른 구성요소 및 유지,보수를 없앨 수 있는 바 제조비 및 유지,보수 측면에서 월등히 유리하다. 아울러, 레이저조사부(110) 또는 용접대상물(100)의 회전시 발생되는 미세 흔들림에 따른 불량도 방지할 수 있다.

또한, 용접대상물(100)의 용접부분(100A)에 발산되는 레이저 빔(112)의 발산각도를 렌즈에 의해 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 충분한 용접이 이루어질 수 있도록 레이저 빔(112)의 발산각도를 최적화할 수 있으며, 용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 설계개선이 용이하다.

이와 같은 본발명에 따른 레이저용접시스템은 특히 다음과 같이 구성될 수 있다.

레이저조사부(110)는 레이저 빔(112)을 조사할 수 있다면 어떠한 것이든 무방하며, 레이저조사부(110)의 구성은 보편적으로 많이 공지되었는 바 상세한 설명은 생략한다.

렌즈유닛(120)은 여러가지 구조로 구성될 수 있으며, 특히 다음과 같이 구성될 수 있다.

즉, 렌즈유닛(120)은 레이저조사부(110)로부터 조사되는 레이저 빔(112)을 방사상으로 발산하는 제1렌즈부(130)와, 제1렌즈부(130)에 의해 방사상으로 발산된 레이저 빔(112)을 용접대상물(100)의 용접부분(100A)으로 안내하는 제2렌즈부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 전둘레를 동시에 용접하기 위해, 제1렌즈부(130)와 제2렌즈부(140)에 의해 2단계(즉, 레이저 빔(112)을 방사상 발산하는 단계와 방사상으로 발산된 레이저 빔(112)을 용접대상물(100)로 유도하는 단계)로 분리함으로써, 레이저 빔(112) 간 간섭이나 상쇄, 손실없이 보다 확실하고 정확하게 용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 전체둘레에 동시에 레이저 빔(112)이 조사될 수 있다.

특히 제1렌즈부(130)는 상기 레이저조사부(110)에 대하여 여러각도로 설치될 수 있으나, 레이저 빔(112)을 용이하게 방사상으로 발산시키기 위해 레이저조사부(110)로부터 조사되는 레이저 빔(112)의 조사방향(화살표 C)을 따라 레이저조사부(110)와 일렬 배치될 수 있다.

또한 제1렌즈부(130)는 레이저조사부(110)로부터 조사되는 레이저 빔(112)의 조사방향(화살표 C)에 대하여 제1렌즈부(130)로부터 발산되는 레이저 빔(112)의 발산방향을 여러각도로 설계할 수 있으나, 방사상으로 균일하게 발산시킬 수 있도록 레이저조사부(110)로부터 조사되는 레이저 빔(112)의 조사방향(화살표 C)에 대하여 수직한 방향으로 발산시키는 것이 바람직하다.

이와 같은 제1렌즈부(130)는 여러가지 구조를 취할 수 있으나, 바람직하게는 정점이 레이저조사부(110)를 향하는 원뿔형 렌즈(132)를 포함하도록 구성됨으로써 1개의 렌즈에 의해 충분히 구성될 수 있다.

다음, 제2렌즈부(140)는 여러가지로 구성될 수 있으며, 특히 다음과 같이 구성될 수 있다.

제2렌즈부(140)는 중심에 제1렌즈부(130)가 배치되며 제1렌즈부(130)로부터 방사상으로 발산된 레이저 빔(112)을 안내하는 제1링형렌즈(142)와, 중심에 용접대상물(100)이 배치되며 제1링형렌즈(142)로부터 안내된 레이저 빔(112)을 용접대상의 용접부분(100A)으로 안내하는 제2링형렌즈(144)를 포함하여 구성될 수 있다.

따라서, 레이저 빔(112)의 간섭, 상쇄, 회절, 손실 등이 없이 레이저 빔(112)의 발산경로를 간단하고 짧게 설계할 수 있다. 또한 레이저 빔(112)이 발산되는 동안 손실을 최소화할 수 있다. 또한 본발명에 따른 레이저용접시스템의 구조적으로 간소하게 구성될 수 있다. 또한 용접대상물(100)을 제2링형렌즈(144)의 중심에 넣었다 뺐다 하기만 하면 되므로 용접대상물(100)의 배치가 용이하며, 용접대상물(100)을 주변과 간섭없이 안정적으로 배치시킬 수 있다.

이때, 보다 바람직하게는 용접대상물(100)은 제1렌즈부(130)의 초점(132A)과 일직선으로 정렬되며, 제1링형렌즈(142)와 제2링형렌즈(144)는 제1렌즈부(130)와 용접대상물(100)의 정렬방향을 따라 상호 배치될 수 있다.

또한 제2링형렌즈(144)는 용접대상물(100)의 용접면에 평행한 방향으로 레이 저 빔(112)을 안내하도록 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 용접대상물(100)의 용접면은 용접대상물(100)에 대하여 수직하며, 제2링형렌즈(144)는 용접대상물(100)에 대하여 수직한 방향으로 레이저 빔(112)을 안내하도록 형성될 수 있다.

이와 같은 제2렌즈부(140)에 의한 레이저 빔(112)의 발산경로는 다음과 같이 이루어질 수 있다. 제1렌즈부(130)로부터 방사상으로 발산된 레이저 빔(112)은 제1링형렌즈(142)에서 90도로 반사되어 레이저조사부(110)로부터 조사된 레이저 빔(112)의 조사방향(화살표 C)과 평행하게 용접대상물(100)을 향할 수 있다.

제1링형렌즈(142)로부터 발산된 레이저 빔(112)은 제2링형렌즈(144)에 의해 90도로 반사되어 용접대상물(100)에 대하여 수직한 방향, 즉 레이저조사부(110)로부터 조사된 레이저 빔(112)의 조사방향(화살표 C)과 수직하고 용접대상물(100)의 용접부분(100A)의 용접면과 평행한 방향으로, 용접대상물(100)의 용접부분(100A)을 향해 발산될 수 있다.

한편, 용접대상물(100), 즉 중심전극(16) 및 중심전극(16)의 끝단에 배치되는 전극팁(20)을 지지하는 위한 베이스를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 구성된 본발명에 따른 레이저용접시스템은 바람직한 실시예의 일부로서 상술한 바와 같이 스파크플러그의 중심전극(16)과 전극팁(20)의 접합용으로서 설명한 것에 불과하며, 레이저 용접이 가능한 모든 용접대상물(100)의 용접용으로 실시될 수 있음은 물론이다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되 어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 스파크플러그의 일부 파단 단면도.

도 2는 도 1의 중심전극 및 전극팁의 일부 확대 단면도.

도 3은 도 1의 중심전극 및 전극팁의 용접상태를 모식한 평면도.

도 4는 본발명에 따른 레이저용접시스템의 모식도.

도 5는 도 4의 단면 모식도.

도 6은 도 5의 A-A선에 따른 단면 모식도.

도 7은 도 5의 B-B선에 따른 단면 모식도.

도 8은 도 4의 용접대상물의 용접 전 측면도.

도 9는 도 4의 용접대상물의 용접 후 측면도.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

100; 용접대상물 100A; 용접부분

110; 레이저조사부 112; 레이저 빔

120; 렌즈유닛 130; 제1렌즈부

132; 원뿔형 렌즈 140; 제2렌즈부

142; 제1링형렌즈 144; 제2링형렌즈

Claims

용접대상물을 용접하기 위한 레이저 빔을 조사하는 레이저조사부와;

상기 용접대상물의 용접부분의 전체 둘레가 동시에 용접될 수 있도록, 상기 레이저 조사부로부터 조사되는 레이저 빔이 상기 용접대상물의 용접부분의 전체 둘레에 발산되게 하는 렌즈유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 렌즈유닛은

상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저 빔을 방사상으로 발산하는 제1렌즈부;

상기 제1렌즈부에 의해 방사상으로 발산된 레이저 빔을 상기 용접대상물의 용접부분으로 안내하는 제2렌즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 제1렌즈부는 상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저 빔의 조사방향을 따라 상기 레이저조사부와 일렬 배치된 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 제1렌즈부는 상기 레이저조사부로부터 조사되는 레이저 빔을 그 조사방향과 수직한 방향으로 발산시키는 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1렌즈부는 정점이 상기 레이저조사부를 향하는 원뿔형 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 레이저용접시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 제2렌즈부는 중심에 상기 제1렌즈부가 배치되며 상기 제1렌즈부로부터 방사상으로 발산된 레이저 빔을 안내하는 제1링형렌즈 및, 중심에 상기 용접대상물이 배치되며 상기 제1링형렌즈로부터 안내된 레이저 빔을 상기 용접대상의 용접부분으로 안내하는 제2링형렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템.
청구항 6에 있어서,

상기 용접대상물은 상기 제1렌즈부의 초점과 일직선으로 정렬되며,

상기 제1링형렌즈와 상기 제2링형렌즈는 상기 제1렌즈부와 상기 용접대상물의 정렬방향을 따라 상호 배치된 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템.
청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,

상기 제2링형렌즈는 상기 용접대상물의 용접면에 평행한 방향으로 레이저 빔 을 안내하는 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템.
청구항 1,2,3,4,6,7 중 어느 한 항에 있어서,

상기 용접대상물은 스파크플러그의 고압전류가 유도되는 중심전극 및 중심전극의 끝단에 배치되는 전극팁인 것을 특징으로 하는 레이저용접시스템.
스파크플러그의 고압전류가 유도되는 중심전극 및 이 중심전극의 끝단에 배치되는 귀금속 소재의 전극팁을 지지하는 베이스;

레이저 빔을 조사하는 레이저조사부;

상기 중심전극 및 전극팁의 용접부분의 전체 둘레가 동시에 용접될 수 있도록, 상기 레이저 조사부로부터 조사되는 레이저 빔이 상기 중심전극 및 전극팁의 용접부분의 전체 둘레에 발산되게 하는 렌즈유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크플러그의 전극용 레이저용접시스템.