KR20110073793A - 레이저 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 용접장치는, ⅰ)레이저 빔을 전송하는 광섬유가 장착된 광섬유 장착부와, ⅱ)상기 광섬유로부터 출사되는 레이저 빔을 평행 빔으로 유도하기 위한 볼록 렌즈를 지닌 콜리메이션 광학계와, ⅲ)상기 콜리메이션 광학계로부터 출사되는 레이저 빔을 피용접재의 용접부로 집속하는 집속 광학계와, ⅳ)상기 집속 광학계에 실질적으로 연결되게 구성되어 그 집속 광학계를 일정 각도 범위로서 회전시키기 위한 각도 조절유닛을 포함한다.

레이저, 용접, T 이음부, 필렛 이음부, 광학계, 회전, 선회, 각도, 조정

Description

레이저 용접장치 {LASER WELDING DEVICE}

본 발명의 예시적인 실시예는 레이저 용접장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 T 이음부 또는 필렛 이음부와 같이 수직하게 이음되는 부위를 접합할 수 있는 레이저 용접장치에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저는 높은 에너지 밀도를 갖는 일종의 빛으로 재료를 비접촉으로 용접, 절단 및 가열이 가능하다.

최근에는 대출력 화이버 레이저가 개발되어 그 레이저를 이용한 조선 선체의 용접 적용이 추진되고 있다. 이러한 조선 선체는 4~70mm의 두께를 지닌 강재가 사용되는데, 현실적으로 레이저 용접이 가능한 두께는 4~12mm 가량이다.

한편, 용접 강재의 이음부 형태는 맞대기 이음, 및 T자 형태의 필렛 이음형태가 있는데, 전자의 맞대기 이음 용접은 기존의 장치를 사용하여 가능하다.

또한, 후자의 필렛 이음부는 선체의 강성을 보강하기 위한 덧판의 용접에 필요하며, 판재와 보강판 접촉면을 CO₂ 아크 용접에 의하여 접합하였다.

그러나, 기존의 CO₂ 아크 용접을 이용하여 두께 8mm 이하의 박판을 용접하는 경우, 용접부의 열변형이 심각하다는 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래 기술의 미국등록특허 제4,223,201호에서는 반사경을 이용하여 레이저 빔을 전송하고, 회전이 가능한 2개의 레이저 용접 헤드를 장착한 자동 용접 장치를 제안하였으나, 이 방안은 대형의 고정장치 또는 이송장치를 필요로 하고, 레이저 빔을 반사경으로 전송하는 과정에 진동에 의해 빔이 흔들리거나 피용접재 또는 인접 부재와의 간섭에 의하여 적용이 제한적이라는 문제점을 내포하고 있다.

또한, 종래 기술의 미국등록특허 제6,452,131호에서는 광섬유에 의한 레이저 빔 전송 및 회전이 가능한 레이저 용접 헤드를 지닌 레이저 용접 장치를 제안하였으나, 이는 레이저 용접 헤드에 의한 기구적인 간섭으로 인해 사용이 제한적이다라는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 레이저 용접 헤드의 회전 등과 같은 움직임이 없이 간단한 구성으로 레이저 빔을 회전시켜 피용접재의 T 이음부 또는 필렛 이음부를 효과적으로 용접할 수 있도록 한 레이저 용접장치를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 용접장치는, ⅰ)레이저 빔을 전송하는 광섬유가 장착된 광섬유 장착부와, ⅱ)상기 광섬유로부터 출사되는 레이저 빔을 평행 빔으로 유도하기 위한 볼록 렌즈를 지닌 콜리메이션 광학계와, ⅲ)상기 콜리메이션 광학계로부터 출사되는 레이저 빔을 피용접재의 용접부로 집속하는 집속 광학계와, ⅳ)상기 집속 광학계에 실질적으로 연결되게 구성되어 그 집속 광학계를 일정 각도 범위로서 회전시키기 위한 각도 조절유닛을 포함한다.

상기 레이저 용접장치에 있어서, 상기 각도 조절유닛은 상기 집속 광학계의 회전 몸체에 회전 중심축을 통하여 고정되게 설치되는 웜 기어와, 상기 웜 기어에 치합되는 웜과, 선회 조작이 가능한 조정 노브를 일체로 형성하고 있는 웜 샤프트를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 레이저 용접장치는, 상기 각도 조절유닛을 통한 상기 집속 광학계의 각도 조절 범위가 -30도∼+30도인 것이 바람직하다.

상기 레이저 용접장치는, 상기 콜리메이션 광학계에서 발생하는 열을 냉각시 키기 위한 냉각유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 레이저 용접장치에 있어서, 상기 집속 광학계는 소정의 곡률 반경을 갖는 오목 형상의 반사경을 포함할 수 있다.

상기 레이저 용접장치에 있어서, 상기 반사경은 동 및 알루미늄 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 이루어질 수 있다.

상기 레이저 용접장치는, 상기 반사경의 표면에 레이저 빔의 반사를 위한 금이 코팅될 수 있다.

상기 레이저 용접장치는, 상기 집속 광학계의 초점 거리가 100~500mm 범위인 것이 바람직하다.

상기 레이저 용접장치는, 상기 볼록 렌즈를 통과한 평행 레이저 빔의 반경이 10~50mm 범위인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 레이저 빔을 피용접재의 용접부로 집속하는 집속 광학계의 각도를 각도 조절유닛을 통해 자유롭게 조정할 수 있으므로, 피용접재의 T 이음부 또는 필렛 이음부를 효과적으로 레이저 용접할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 레이저 빔을 광섬유로 전송하고, 레이저 용접 헤드의 회전 등과 같은 움직임이 없이 레이저 빔을 회전시켜 피용접재의 T 이음부 또는 필렛 이음부를 용이하게 용접할 수 있기 때문에, 전체 용접장치의 구성이 간단해지는 효과가 있다.

또한, 본 실시예에서는 종래 기술과 달리, 레이저 용접 헤드에 의한 기구적인 간섭 및 공간적인 간섭을 최소화할 수 있으므로, 협소한 공간에서도 용접부 품질이 우수한 용접이 가능해진다는 잇점이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 용접장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 용접장치(100)는 대출력 광섬유 레이저를 이용하여 조선 선체에 적용되는 피용접재(W)의 T 이음 부 또는 필렛 이음부를 레이저 용접하는 공정에 적용된다.

즉, 상기 레이저 용접장치(100)는 수평하게 배치된 모재에 대하여 다른 모재가 수직하게 이음되는 피용접재(W)를 레이저 빔(B)으로서 용접 접합하기 위한 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 레이저 용접장치(100)는 레이저 빔(B)을 광섬유(21)로 전송하고, 레이저 용접 헤드의 회전 등과 같은 움직임이 없이 간단한 구성으로서 레이저 빔(B)을 회전시켜 피용접재(W)의 T 이음부 또는 필렛 이음부를 용접할 수 있고, 레이저 용접 헤드에 의한 기구적인 간섭 및 공간적인 간섭을 최소화하여 협소한 공간에서도 용접부 품질이 우수한 용접을 가능케 하는 구조로서 이루어진다.

이를 위해 본 실시예에 의한 상기 레이저 용접장치(100)는 본체(10)와, 광섬유 장착부(20)와, 콜리메이션 광학계(30)와, 집속 광학계(40)와, 각도 조절유닛(50)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에서, 상기 본체(10)는 레이저 용접 헤드와, 그 용접 헤드로부터 출사되는 레이저 빔(B)의 사이즈를 가변하는 각종 광학계 등이 설치되는 것으로, 본 장치(100)를 구동하기 위한 각종 구동유닛, 펌프유닛, 전자 제어유닛 등을 포함하고 있다.

이하에서 설명되는 본 장치(100)의 각종 구성 요소들은 본체(10)에 구성되는 것으로서, 그 본체(10)는 각종 브라켓, 블록, 플레이트, 하우징, 커버, 바아, 칼라 등과 같이 각각의 구성 요소들을 설치하기 위한 부속 요소들을 포함하고 있다.

따라서, 이하에서는 예외적인 경우를 제외하고 이들 부속 요소를 본체(10)로서 통칭하는 것을 원칙으로 한다.

여기서, 상기 본체(10)는 금속 또는 플라스틱 등과 같은 대부분의 재질이 사용 가능하며, 바람직하게는 알루미늄 등과 같이 가볍고 튼튼한 재질로서 이루어진다.

그리고, 상기 본체(10)는 각종 광학계를 통해 피용접재(W)로 출사되는 레이저 빔(B)의 출사구에 보호 광학계(11)가 설치되는 바, 이 보호 광학계(11)는 외부로부터 본체(10) 내부로 이물질이 침투되는 것을 방지하여 광학계의 오염을 방지한다.

이 경우, 상기 보호 광학계(11)는 유리 등과 같이 곡률이 없는 렌즈로서, 레이저 빔(B)의 경로를 변경시키지 않으며, 그 레이저 빔(B)을 용이하게 투과시킬 수 있는 재질로서 이루어지고, 레이저 빔(B)의 반사를 최소화시키기 위한 코팅층이 형성될 수도 있다.

또한, 상기 본체(10)는 로봇 등과 같은 별도의 이송장치에 장착되는 바, 고정 브라켓, 볼트, 및 쐐기 등을 통하여 이송장치에 장착될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 광섬유 장착부(20)는 레이저 발진기(도면에 도시되지 않음)로부터 발진되는 레이저 빔(B)을 전송하는 광섬유(21)를 연결하기 위한 광섬유 커넥터로서 본체(10)의 상부 측에 구성된다.

이 경우, 상기 광섬유 장착부(20)는 다양한 형태가 가능하지만 Euro Auto, LLK, QBH 등 레이저 광섬유 커넥터 표준을 준용하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서, 상기 콜리메이션 광학계(30)는 광섬유(21)로부터 출사되는 레이저 빔(B)을 평행 빔으로 유도하기 위한 것으로서, 광섬유 장착부(20)에 연결되게 구성된다.

상기 콜리메이션 광학계(30)는 광섬유(21)의 끝단에서 출사되며 특정한 각도로 퍼지는 레이저 빔(B)을 특정한 직경의 평행 빔으로 만드는 볼록 렌즈(31)를 구비하고 있다.

이러한 볼록 렌즈(31)의 초점 거리는 사용되는 레이저 빔(B)의 발산 각에 따라 다르며 그 평행 빔의 반경은 10~50mm 범위가 작당한데, 그 이유는 10mm 미만인 경우 볼록 렌즈(31) 또는 뒤에서 더욱 설명될 집속 광학계(40)의 손상을 유발하거나 빔 품질이 저하되고, 평행 빔의 반경이 50mm를 초과하는 경우에는 용접장치(100)의 외형이 커져서 용접 작업에 제약이 따르기 때문이다.

본 실시예에서, 상기 집속 광학계(40)는 콜리메이션 광학계(30)로부터 출사되는 레이저 빔(B)을 피용접재(W)의 용접부로 집속하는 기능을 하게 된다.

상기 집속 광학계(40)는 콜리메이션 광학계(30)로부터 출사된 평행한 레이저 빔(B)을 피용접재(W)의 용접부로 집속하는 반사경(41)을 포함하는 바, 이 반사경(41)은 특정한 곡률 반경을 갖는 오목 렌즈로서 이루어진다.

여기서, 상기 반사경(41)의 곡률 반경은 집속 광학계(40)와 피용접재(W) 간의 거리에 의해 결정되는데 바람직하게는 100~500mm가 적당하다. 그 이유는 100mm 미만인 경우에 집속 광학계(40)와 용접부의 거리가 짧아 용접 스패터에 의한 광학계 손상이 심각하기 때문이며, 500mm를 초과하는 경우에는 레이저 빔(B)의 품질이 저하되고, 기구적인 간섭이 심해지기 때문이다.

그리고, 상기 반사경(41)의 재질은 레이저 빔(B)의 반사율이 높은 소재 예컨대, 동 또는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있고, 반사율이 비교적 높은 물질 예컨대, 금과 같은 물질이 코팅될 수도 있다.

또한, 상기 집속 광학계(40)에는 냉각판(도면에 도시되지 않음)이 설치되어 그 냉각판을 통해 레이저 빔(B)의 흡수에 의해 가열되는 열을 냉각시킴으로써 열팽창에 의해서 반사경(41)의 초점이 변화되는 것을 방지할 수도 있다.

본 실시예에서, 상기 각도 조절유닛(50)은 집속 광학계(40)의 각도를 조절하여 피용접재(W)의 용접부에 대한 레이저 빔(B)의 집속 지점을 변화시키기 위한 것이다.

상기 각도 조절유닛(50)은 집속 광학계(40)를 일정한 각도 범위 내에서 정밀하게 회전시키며, 그 회전 각도를 조정/확인할 수 있고, 특정한 각도에서 집속 광학계(40)를 고정시킬 수 있는 구조로서 이루어진다.

구체적으로 상기 각도 조절유닛(50)은 도 2에서와 같이, 본체(10)에 회전 가능하게 장착되는 웜 샤프트(51)와, 집속 광학계(40)의 회전 몸체(45)에 고정되게 설치되는 웜 기어(55)를 포함하여 구성된다.

상기 웜 샤프트(51)는 본체(10)에 회전 가능하게 장착되는 것으로, 샤프트 상에 웜(52)을 일체로 형성하고 있으며, 그 샤프트의 단부에는 작업자의 선회 조작이 가능한 손잡이 형태의 조정 노브(54)를 일체로 형성하고 있다.

그리고, 상기 웜 기어(55)는 집속 광학계(40)의 회전 몸체(45)에 회전 중심 축(57)을 통하여 고정되게 설치되며, 언급한 바와 같은 웜 샤프트(51)의 웜(52)에 치합된다.

이 경우, 상기 집속 광학계(40)의 회전 몸체(45)는 회전 중심축(57)이 본체(10)에 회전 가능하게 연결되면서 웜 샤프트(51)의 회전에 따른 웜 기어(55)의 회전으로서 양측 방향으로 회전할 수 있다.

여기서, 상기 각도 조절유닛(50)을 통한 집속 광학계(40)의 각도 조절 범위는 -30도∼+30도가 적당한데, 그 이유는 각도 조절 범위가 -30도 보다 작거나 +30도 보다 크게 되면 레이저 빔(B)의 출사구가 지나치게 커지고 빔 품질이 저하되기 때문이다.

한편, 본 실시예에 의한 상기 레이저 용접장치(100)는 콜리메이션 광학계(30)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각유닛(70)을 더욱 포함하고 있다.

즉, 상기 냉각유닛(70)은 콜리메이션 광학계(30)의 볼록 렌즈(31)가 레이저 빔(B)의 일부를 흡수하여 온도가 상승하고, 그에 따라 열팽창에 의해 곡률이 변화되어 결과적으로 레이저 빔(B)의 초점 위치가 변화되므로 이를 방지하기 위해 볼록 렌즈(31)에서 발생하는 열을 냉각시키는 기능을 하게 된다.

이 경우, 상기 냉각유닛(70)은 위에서 언급한 바 있는 펌프유닛(도면에 도시되지 않음)에 의해 제공되는 냉각수 또는 냉각 공기 등의 냉각 매체를 별도의 관로(도면에 도시되지 않음)를 통해 콜리메이션 광학계(30)로 공급할 수 있는 구성으로 이루어진다.

이러한 냉각유닛(70)은 당 업계에서 널리 사용되는 수냉식 또는 공랭식의 냉 각 시스템으로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 용접장치(100)에 의하면, 우선 본 실시예에서 레이저 발진기(도면에 도시되지 않음)로부터 발진되는 레이저는 광섬유(21)를 통해 전송되며, 콜리메이션 광학계(30)의 볼록 렌즈(31)로 출사된다.

그러면, 상기 볼록 렌즈(31)는 광섬유(21)의 끝단에서 출사되며 특정한 각도로 퍼지는 레이저 빔(B)을 특정한 직경의 평행 빔으로 유도하게 된다.

이렇게 볼록 렌즈(31)에서 평행 빔으로 유도된 레이저 빔(B)은 집속 광학계(40)의 반사경(41)을 통해 반사되고 피용접재(W)의 용접부로 집속되면서 그 용접부를 용융 접합하게 된다.

상기한 과정에서, 집속 광학계(40)의 반사경(41)은 본 실시예에 의한 각도 조절유닛(50)을 통해 각도가 조절되면서 피용접재(W)의 용접부에 대한 레이저 빔(B)의 집속 지점을 변화시킬 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 웜 샤프트(51)의 조정 노브(54)를 회전시키게 되면, 웜 샤프트(51)의 웜(52)에 치합된 웜 기어(55)가 회전하게 되므로, 그 웜 기어(55)의 회전을 통하여 집속 광학계(40)의 각도를 일정 범위로서 자유롭게 조정할 수 있게 된다.

그리고, 본 실시예에서는 상기한 과정에서 콜리메이션 광학계(30)의 볼록 렌즈(31)가 레이저 빔(B)의 일부를 흡수하여 온도가 상승하게 되는데, 냉각유닛(70) 을 통해 콜리메이션 광학계(30)로 냉각 매체를 공급하여 볼록 렌즈(31)를 냉각시킬 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 용접장치(100)에 의하면, 레이저 빔(B)을 피용접재(W)의 용접부로 집속하는 집속 광학계(40)의 각도를 각도 조절유닛(50)을 통해 자유롭게 조정할 수 있으므로, 피용접재(W)의 T 이음부 또는 필렛 이음부를 효과적으로 레이저 용접할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 레이저 빔(B)을 광섬유(21)로 전송하고, 레이저 용접 헤드의 회전 등과 같은 움직임이 없이 간단한 구성으로서 레이저 빔(B)을 회전시켜 피용접재(W)의 T 이음부 또는 필렛 이음부를 용이하게 용접할 수 있고, 레이저 용접 헤드에 의한 기구적인 간섭 및 공간적인 간섭을 최소화하여 협소한 공간에서도 용접부 품질이 우수한 용접이 가능해진다는 잇점이 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 용접장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 레이저 용접장치에 적용되는 집속광학계의 각도조절유닛을 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>

10... 본체 11... 보호 광학계

20... 광섬유 장착부 21... 광섬유

30... 콜리메이션 광학계 31... 볼록 렌즈

40... 집속 광학계 41... 반사경

45... 회전 몸체 50... 각도 조절유닛

51... 웜 샤프트 52... 웜

54... 조정 노브 55... 웜 기어

57... 회전 중심축 70... 냉각유닛

Claims (7)

1. 레이저 빔을 전송하는 광섬유가 장착된 광섬유 장착부;

   상기 광섬유로부터 출사되는 레이저 빔을 평행 빔으로 유도하기 위한 볼록 렌즈를 지닌 콜리메이션 광학계;

   상기 콜리메이션 광학계로부터 출사되는 레이저 빔을 피용접재의 용접부로 집속하는 집속 광학계; 및

   상기 집속 광학계에 실질적으로 연결되게 구성되어 그 집속 광학계를 일정 각도 범위로서 회전시키기 위한 각도 조절유닛

   을 포함하는 레이저 용접장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 각도 조절유닛은,

   상기 집속 광학계의 회전 몸체에 회전 중심축을 통하여 고정되게 설치되는 웜 기어와,

   상기 웜 기어에 치합되는 웜과, 선회 조작이 가능한 조정 노브를 일체로 형성하고 있는 웜 샤프트

   를 포함하여 이루어지는 레이저 용접장치.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 각도 조절유닛을 통한 상기 집속 광학계의 각도 조절 범위가 -30도∼+30도인 레이저 용접장치.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 콜리메이션 광학계에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각유닛을 더 포함하는 레이저 용접장치.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 집속 광학계는,

   소정의 곡률 반경을 갖는 오목 형상의 반사경을 포함하며,

   상기 반사경이 동 및 알루미늄 중에서 선택되는 어느 하나의 소재로서 이루어지고,

   상기 반사경의 표면에 레이저 빔의 반사를 위한 금이 코팅되는 레이저 용접장치.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 집속 광학계의 초점 거리가 100~500mm 범위인 레이저 용접장치.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 볼록 렌즈를 통과한 평행 레이저 빔의 반경이 10~50mm 범위인 레이저 용접장치.

Images