KR20130100184A - 레이저 비임 및 이동가능한 가압 요소에 의해 작업편을 결합하는 장치 및 방법 - Google Patents

레이저 비임 및 이동가능한 가압 요소에 의해 작업편을 결합하는 장치 및 방법 Download PDF

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이고르 하슈케
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스캔소닉 엠아이 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 레이저 비임에 의해 작업편들을 결합하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 장치는: 레이저 비임을 안내하기 위한 스캐너 광학장치; 결합 프로세스 중, 작업편들 중 하나 이상의 작업편 상에 가압 방향을 따라 가압되는 가압 요소; 및 스캐너 광학장치 및 상기 스캐너 광학장치로부터 작업편들을 향해 뻗어있는 레이저 비임을 수용하는 하우징을 포함하며, 여기서, 가압 요소는 상기 하우징의 부품을 형성하며, 하나 이상의 이동 자유도에 의해 상기 하우징의 나머지(rest)에 대해 이동가능하다.

Description

레이저 비임 및 이동가능한 가압 요소에 의해 작업편을 결합하는 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR JOINING WORKPIECES BY MEANS OF A LASER BEAM AND MOVABLE PRESSING ELEMENT}
본 발명은 레이저 비임에 의해 작업편들을 결합하는 레이저 용접 장치 및 대응하는 방법에 관한 것이다.
레이저 비임 용접은, 특히 높은 용접 트래블 속도, 폭이 좁은 용접 시임(seam) 형상 및 열적으로 낮은 변형(distortion)으로 결합되어야 하는 작업편들의 상황에서 사용된다. 결합될 작업편들은 예컨대 이러한 용도로 제공되는 수용 또는 고정 장치들에 의해서 각각의 소망하는 위치에 고정되며, 이후 레이저 비임 용접에 의해 서로 연결된다.
레이저 용접 중 사용되는 높은 광 세기(intensity)들에 기인하여, 레이저 용접 장치들은, 일반적으로 주위 환경이 레이저 방사로부터 차폐되는 것을 보장하는 별도의 안전 캐빈에서 작동된다. 그러나, 이러한 안전 캐빈들은, 이들 안전 캐빈들이 일반적으로 전체 레이저 비임 기계가공 장치를 수용하기 때문에 이러한 장치의 공간적 요구가 증가하며, 이러한 캐빈들의 조작은 복잡하고 비용을 요한다.
EP 2 149 421 A1호는 섬유 레이저의 레이저 비임이 하우징 내에 배열된 시준기(collimator)에 의해 집속되는, 레이저 비임에 의한 작업편들의 용접을 위한 장치를 설명한다. 하우징의 압력 부분 또는 압력 피스 내에 제공되는 시준기는, 레이저 비임이 방출 슬릿(discharge slit)을 통해 하우징으로부터 나갈 수 있고 하우징의 압력 피스와 제 2 압력 피스 사이에 고정되는 작업편 상에 똑바른(straight) 용접 시임을 생성할 수 있는 방식으로 방출 슬릿에 평행한 선형 구동장치(linear drive)에 의해, 이동될 수 있다.
그러나, 설명된 선형 안내(linear guidance)는 단지 직선(straight line)으로의 비임 안내만을 가능하게 하며, 이에 따라 용접될 작업편들은 구부러진 용접 시임들을 생성하기 위해서 반복적으로 재위치설정되어야 하며, 따라서 상기 프로세스는 그에 맞게(accordingly) 많은 시간 소비를 필요로 한다. 게다가, 레이저 프로세스의 이송 속도(feed rate)는 선형 구동장치에 의해 미리 규정되며, 예컨대 시준기 시스템의 기계적 안정성에 기인하여 제한되며, 여기서 이러한 시준기들은 일반적으로 민감한 광학적(sensitive optical) 구성요소들을 포함하고, 이에 따라 예컨대 과도하게 높은 가속도들에 노출되어서는 안 된다.
게다가, EP 2 149 421 A1호는, 기계가공될 작업편들의 형상 또는 설계를 특정하지 않고 있는데; 예컨대, 설명된 장치 및 각각의 압력 피스들은, 고정될 작업편들의 형상이 변할 수 있으며/있거나 불규칙한(예컨대, 동일 평면이 아니며(non-co-planar), 그러나 예컨대 3차원 곡선형 또는 단차형) 형상을 갖는 작업편들이 기계가공되어야 한다는 사실을, 고려하지 않고 있다. 이러한 불규칙한 설계에 의한 작업편들의 기계가공시, 예컨대 하우징의 방출 슬릿은 작업편에 의해 완벽하게 커버될 수 없고, 이에 따라 레이저 방사가 하우징으로부터 작업편을 지나서 나갈 수 있으며, 예컨대 개인(individual)들과 접촉하게 될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적은, 높은 용접 트래블 속도를 갖는 상이한 기하학적 형상들 또는 형상들을 갖춘 작업편들의 레이저 기계가공을 가능하게 하며, 이와 동시에 레이저 방사의 배출을 신뢰가능하게 방지하는, 레이저 비임에 의해 작업편들(예컨대, 금속 시트들)을 결합하기 위한 레이저 용접 장치 그리고 또한 대응하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 제 1 항에 따른 장치 및 제 10 항에 따른 방법에 의해 성취되며; 본 발명의 유리한 구현예들은 종속항들에서 설명된다.
본 발명에 따르면, 레이저 비임에 의해 작업편들(예컨대, 금속 시트들 또는 플라스틱으로 만들어진 작업편들)을 결합하기 위한 레이저 용접 장치가 제공되며, 여기서, 상기 레이저 용접 장치는, 상기 레이저 비임을 (작업편을 향하는 방향으로) 안내하기 위한 스캐너 광학장치들, 및 결합 프로세스 중, 상기 작업편들을 고정하기 위해서 결합될 상기 작업편들 중 하나 이상의 작업편 상에 대응하는 가압 방향을 따라 가압 또는 푸시(push)되는 하나 이상의 가압 요소를 포함한다. 게다가, 레이저 용접 장치는, 상기 스캐너 광학장치들 및 상기 스캐너 광학장치로부터 작업편들을 향해 뻗어있는 레이저 비임을 (적어도 부분적으로 또는 완벽하게) 수용하는 (예컨대, 다수 부분의) 하우징을 포함한다. 상기 가압 요소는 상기 하우징의 일 부품을 형성하며, 하나 이상의 이동 자유도에 의해 상기 하우징의 나머지(rest)에 대해 (능동적으로 또는 수동적으로) 이동가능하다. 예컨대, 가압 요소는 하우징의 나머지("하우징의 잔부(remainder)") 상에 이동가능하게 장착될 수 있으며, 즉, 하우징의 잔부에 이동가능하게 연결될 수 있고; 가압 요소들은, 또한 하우징의 잔부에 대해 이동가능하도록 하우징의 잔부로부터 별도로(separately) 장착될 수 있다. 게다가, 전술한 유형의 복수 개의 가압 요소들이 제공될 수 있다.
하우징은, 예컨대, 작업편 또는 작업편들을 향해서 개방되는 방식으로, 그리고 가압 요소가 하우징의 일부로서 작업편 또는 작업편들 상에 놓여질 때, 작업편 또는 작업편들과 함께 하우징이 레이저 비임을 완전히 수용하는 방식으로 형성될 수 있고, 여기서, 이후, 작업편 또는 작업편들은 말하자면(so to speak) 하우징에서 개구를 폐쇄한다.
하나 이상의 가압 요소는, 작업편들을 고정하기 위해서, 작업편들 중 하나 이상의 작업편 상에 대응하는 가압 방향(즉, 작업편들을 고정할 때 가압 요소에 의해 부과되는 압력의 방향)을 따라 가압되며, 여기서, 예컨대 작업편들은 클램핑되고, 이에 따라 가압 요소와 대응하는 접촉부(abutment)(예컨대, 추가의 가압 요소) 사이에서 고정된다. 가압 요소가 레이저 방사를 차폐하기 위해서 하우징의 일부로서, 즉 차폐 요소로서 동시에 작용하기 때문에, 공간 절약 배열이 생성될 수 있다.
가압 요소/가압 요소들이 하우징의 잔부에 대해 이동가능하게 장착되기 때문에, 이에 따라, 상이한 3차원 형상들을 갖는 작업편들이 신뢰가능하게 고정될 수 있는 한편, 하우징이 예컨대, 하나 이상의 이동 자유도를 사용함으로써 차광 방식으로 동시에 폐쇄되어 고정될 작업편의 표면 형상에 따라서 가압 프로세스 중 가압 요소를 배향시키므로, 가압 요소가 갭 없이 작업편 상에 놓여진다.
개인들을 괴롭히는(posed) 위험요소를 제거하기 위해서, 레이저 비임의 스위치 온 및 오프는, 가압 요소의 내려놓음(resting) 및 들어올림(lifting)과 동기화될 수 있으며; 즉, 레이저는 가압 요소가 금속 시트 상에 놓일 때 또는 (짧은 시간) 이후에만 스위치 온(on)되며, 가압 요소가 다시 들어올려 질 때 또는 (짧은 시간) 이전에만 스위치 오프(off)된다. 이러한 레이저의 동기화된 스위칭은, 예컨대, 적절한 스위치들 또는 센서들을 통해서 자동으로 실행될 수 있다.
산란된(scattered)(예컨대, 작업편에서 산란된) 레이저 방사의 세기는, 바람직하게는 하우징의 내측 및/또는 외측에 배열되어 안전 회로 내로 통합되는 센서들에 의해 검출된다. 산란된 레이저 방사의 세기는, 예컨대 전자식으로 검출 및 평가될 수 있으며, 여기서, 한계 값이 초과될 때, 경고(alarm)가 촉발될 수 있으며/있거나 결합 프로세스가 중단될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 스캐너 광학장치는 상기 레이저 비임을 안내하기 위해서 하나 이상의 가동식(movable) 스캐너 미러를 포함한다.
레이저 비임은, 예컨대 하우징 내측에 배열된 레이저에 의해 발생될 수 있으며, 또는 하우징 외측에 배열된 레이저에 의해 발생될 수 있고, 도광식(light-guiding) 광학 요소들(예컨대, 광 섬유들, 거울들, 렌즈들 등)에 의해 하우징 내에서 스캐너 광학장치로 안내될 수 있으며, 여기서 레이저로부터 스캐너 광학장치로의 도광식 광학 요소들 및 방사 가이던스는 바람직하게는, 차광 방식(light-proof manner)으로 내장된다(encased).
스캐너 광학장치는, 예컨대, 레이저 비임의 집속 위치를 설정하기 위한 집속 장치 및, 레이저 비임(또는 레이저 비임의 집속 위치)을 안내 또는 재위치설정(reposition)시키기 위해서 선회가능하게(예컨대 갈바노미터 구동장치에 의해) 배열된 하나 이상의 스캐너 미러 또는 편향 미러(deflection mirror)를 포함할 수 있다. 이러한 편향 미러들이 비교적 작게 유지될 수 있고, 이에 따라 일반적으로 낮은 관성 모멘트(low moment of inertia)를 갖기 때문에, 이들 편향 미러들은 다른 각진 위치(angular position)로의 미러들의 급속한 재위치설정 및 이에 따라 레이저 비임의 급속한 재위치설정을 가능하게 한다. 게다가, 스캐너 광학장치는, 예컨대 2 개의 스캐너 미러들을 포함할 수 있는데, 이들 스캐너 미러들은, 서로에 대해 수직하게 뻗어있는 (갈바노미터) 축들을 중심으로 선회가능하므로, 레이저 비임은 미러들 상의 반사 수단(means of reflection) 및 미러들의 각진 위치로의 대응하는 변화에 의해서 2차원적으로 안내될 수 있으며, 여기서, 예컨대, 곡선형 용접 시임들이 기계가공될 작업편들의 재위치설정없이 시간적으로 효과적인 방식으로 생성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 가압 요소는, 상기 가압 방향에 대해 (실질적으로) 수직으로 뻗어있는 축을 중심으로 하우징의 나머지 상에 선회가능하게 또는 경사가능하게 장착된다.
이 실시예에 따르면, 가압 요소는, 예컨대 작업편 상에 배치될 때(똑바른 또는 평면형 가압 부분을 갖는 가압 요소가 사용되고 클램핑되거나 고정될 작업편이 웨지 형상(및, 예컨대 동일 평면이 아닌) 설계를 가질 때), 웨지 형상의 작업편의 틈새(aperture) 각도를 중심으로 기울어질 수 있으므로, 가압 요소의 가압 부분이 웨지 표면 상에서 평면 방식으로 지탱되고, 이에 의해 레이저 광이 가압 요소와 작업편 사이를 통과하는 것이 방지된다.
가압 요소는, 또한, 예컨대 유니버셜 볼 조인트(universal ball joint)에 의해, 복수 개의 축들 또는 서로에 대해 수직한 2 개의 축들을 중심으로 선회가능하게 또는 기울어질 수 있게 장착될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 하나 이상의 가압 요소는, (하우징의 나머지에 대해서) 상기 가압 방향을 따라 이동가능하도록, 예컨대 변위가능하도록 상기 하우징의 나머지 상에 장착 또는 끼움장착된다.
예컨대, 가압 방향을 따라 변위가능한 복수 개의 가압 요소들이 제공될 수 있는데, 여기서, 예컨대, 단차 형상 작업편을 고정할 때, 각각의 가압 요소들은, 그의 가압 부분을 통해 작업편의 각각의 단차에 대응하는 높이로 변위될 수 있으므로, 이러한 단차식 작업편이 차광 방식으로 클램핑될 수 있다.
예컨대, 이러한 가압 요소는, 가압 방향을 따라 (능동적으로 및/또는 수동적으로) 하우징의 잔부 내로(즉, 하우징의 나머지 내로) 이동될 수 있으며, 또는 고정될 작업편을 향하는 방향으로 나갈 수 있다. 예컨대, 가압 요소는, 가압 요소가 작업편 상에 배치될 때 배치 이동이 완충되도록(cushioned), 스프링들(예컨대, 나선형(spiral) 스프링들 또는 공압(pneumatic) 스프링들)에 의해 수동적으로 이동가능하게 하우징의 나머지에 끼움장착될 수 있다.
게다가, 이러한 가압 요소는, 예컨대 전동 또는 유압 액츄에이터들에 의해 능동적으로(actively) 이동가능하게, 예컨대 가압 요소가 하우징의 나머지의 이동과 관계없이 작업편들을 향해 그리고 작업편들로부터 멀리 이동될 수 있도록, 하우징의 나머지 상에 배열될 수 있다. 예컨대, 이는 결합될 작업편들의 업데이팅을 위해서 또는 장치의 위치 변경을 위해서는, 단지 가압 요소로서 작용하는 하우징 부분들을 제외하고 전체 하우징이 액츄에이터들에 의해 작업편으로부터 반드시 약간 들어올려질 필요는 없다는 이점을 갖는다. 게다가, 예컨대 타겟 위치로부터 도달된 위치의 편차(deviation)를 개설함으로써 작업편 또는 장치(예컨대, 가압 요소들) 상에서의 요철(irregularity)들을 식별할 수 있다. 이에 의해, 작업편 상의 용접 비드들과 같은 결함(fault)들, 금속 시트들의 허용불가한 기복(inadmissible undulation) 또는 결함이 있는 금속 시트 두께들이 식별될 수 있다.
게다가, 이는, 대응하는 액츄에이터들의 결과로서 가압 요소들이 예컨대, 모터 전류(current) 평가, 정전용량(capacitive) 센서 시스템 및/또는 초음파 센서를 통해 요소들의 위치 및 압력 개설 및 감시에 의해 규정된 가압력(pressing force)을 갖는 금속 시트들에 대항하여 지탱하는 것이 보장될 수 있다. 따라서, 가압 요소들을 개방하는데 필요한 힘이 측정될 수 있고, 이에 의해 예컨대, 작업편으로의 가압 요소들의 임의의 부착물들이 검지될 수 있어, 장치로의 파손이 회피될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 가압 요소는 가요성(즉, 탄성 변형가능한) 재료로 만들어진 가압 부분을 포함한다.
이러한 실시예에 따르면, 가압 부분(즉, 작업편이 고정될 때, 함께 접촉되게 되는 가압 요소의 부분) 또는 가압 요소의 단부 면은, 예컨대 가요성(및, 예컨대 내열성) 재료로 만들어진 시일 요소를 포함할 수 있으며, 또는 가요성 재료로 구성될 수 있다. 전체 가압 요소는 또한 가요성 재료로 형성될 수 있다. 따라서, 가압 요소(또는 그의 형상)는, 작업편에 대향하여 가압될 때, 작업편의 표면 형상에 조화(adapt)될 수 있으며, 따라서 가압 요소와 작업편 사이에서 차광 폐쇄(light-proof closure)가 가능할 수 있으며, 여기서, 가압 요소의 이동 자유도는, 그의 탄성 변형에 의해 부여되고; 게다가, 이러한 가요성 재료는 작업편 상의 가압 표시(pressure mark)들의 형성을 제거할 수 있다.
가압 요소의 전술한 이동 자유도들(선회 또는 기울어짐, 직선 이동 및 탄성 변형)은 또한 임의로 조합될 수 있고, 여기서 예컨대, 차광 폐쇄는 하우징의 잔부 상에서 (직선으로) 선회가능하고 변위가능하게 배열되고 가요성 가압 부분을 포함하는 가압 요소에 의해서, 작업편과 가압 요소 사이에서 신뢰가능하게 생성될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 하우징은, 레이저 방사 차폐를 위해 각각이 하우징의 부분을 형성하며 각각의 경우에 하나 이상의 이동 자유도에 의해 상기 하우징의 나머지에 대해 (예컨대, 개별적으로) 이동가능한 복수 개의 가압 요소들을 포함하고, 여기서, 전술한 자유도들 중 하나 또는 그 초과의 자유도가, 예컨대 요소들 각각을 위해 제공될 수 있다.
단차 형상 작업편의 예시에 기초하여 상기에 설명된 바와 같이, 불규칙한 형상의 3차원 작업편들은, 가압 요소들과 각각의 작업편 표면 사이에서 동시적인 차광 폐쇄를 갖는 이러한 실시예에 의해 신뢰가능하게 고정될 수 있는데, 이는 예컨대, 가압 요소들 각각이 단지 대략적으로 평탄한 것으로 고려될 작업편 표면의 서브 영역(sub-area)과 접촉하여 불규칙한 형상의(예컨대, 예각으로 만곡된) 작업편 표면 전체를 덮을 필요가 없기 때문이다.
일 실시예에 따르면, 스캐너 광학장치는, 상기 레이저 비임이 상기 스캐너 광학장치로부터 가압 요소들 중 각각 하나의 가압 요소로 그리고 이러한 가압 요소에 의해 고정되는 작업편으로 편향될 수 있는 방식으로, 설계된다.
예컨대, 다수의 작업편들은, 각각의 가압 요소들에 의해 동시에 고정될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 예컨대 상이한 비임 가이던스 광학장치 사이에서 비임 가이던스의 계획적인(deliberate) 스위치오버에 의해 또는 제어가능한 비임 가이던스 광학장치에 의해 비임 가이던스가, 또한 고정된 작업편들 또는 각각의 가압 요소들에 대해 편향될 수 있고, 이에 의해 여기서, 예컨대 상이한 기하학적 형상들의 작업편들이 단일 장치에 의해 동시에 기계가공될 수 있고 그리고/또는 복수 개의 시임들 및/또는 작업편들이 단일 클램핑 절차 중 제조될 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 레이저 용접 장치는, 한 쌍의 집게들(또한, 이하, "용접 집게들"로서 언급됨)로서 형성되며, 여기서, 하나 이상의 가압 요소들과 함께 하우징은, 용접 집게들의 하나의 분기부를 형성하고, 하나 이상의 추가의 가압 요소와 함께 지지부는 용접 집게들의 제 2 분기부를 형성한다. 전술한 구성들과 유사하게, 지지부 상의 가압 요소(들)는 하나 이상의 이동 자유도에 의해 지지부에 대해 (능동적으로 및/또는 수동적으로) 이동가능할 수 있다.
추가의 실시예에 따르면, 레이저 용접 장치는, 한 쌍의 용접 집게들로서 형성되며, 상기 용접 집게들의 각각의 분기부는, 레이저 비임을 안내하는 스캐너 광학장치들이 배열되며 하나 이상의 가압 요소를 갖는 하우징을 포함한다. 예컨대, 서로 독립적으로 제어될 수 있는 스캐너 광학장치는 하우징들 내에 수용될 수 있고, 여기서 금속 시트들은 예컨대, 이러한 장치를 갖는 2 개의 측면들로부터 동시에 결합될 수 있다.
센서(예컨대, 초전형(pyroelectric) 센서)가, 바람직하게는, 이러한 용접 집게들의 각각의 하우징들 내에 또는 지지부 상에 배열되어 프로세스 위치를 감시할 수 있다. 각각의 기계가공 레이저의 제어 유닛으로 센서를 통합함으로써, 루트 용입(root penetration), 과도한 열 입력의 결과로서 시임 붕괴(seam collapse)들 또는 결합 지점들로의 불충분한 열 입력에 의해 야기되는 과도하게 약한 시임들이 이에 따라 신뢰가능하게 방지될 수 있다. 작업편에서의 직접적으로 간접적인 힘(indirect power) 측정의 가능성은, 이러한 제어 유닛의 사용에 의해 유리하다. 센서에 의해 보조되는 이러한 파워 제어를 이용할 때, 품질 감지 프로세스가 확실해질 수 있다. 게다가, 프로세스 윈도우는 요구되는 레이저 파워의 인식에 의해 확대될 수 있다. 추가로, 적시에(in good time) 광학 시스템에 대한 변화들(예컨대, 보호 유리 패널들의 방해)을 식별하고 양을 잴 수 있다.
게다가, 이러한 센서의 사용은, 레이저-시큐어 뒷면 용접(laser-secure backing run)없이 일면식(one-sided) 기계가공을 허용하는데, 이는 루트 용입이 센서의 적절한 신호 처리 및 레이저 안전 회로 내로의 통합에 의해 신뢰가능하게 방지될 수 있기 때문이다. 많은 수의 추가로 가능한 적용들까지 개방되는 일면식 접근가능성이 특히 유리하다.
예컨대, 짧거나 중단된 용접 시임들을 제조하기 위해서, 가압 요소들은 용접 집게들의 2 개의 분기부들에서 동기화 방식으로 개폐될 수 있고, 여기서 전체 장치(또는 결합될 작업편들)는, 예컨대, 가압 요소들이 다시 폐쇄되기 이전에, 이전에 제조된 시임의 양만큼, 이송 방향으로 전환된다(shifted). 기계가공 레이저는, 대응하는 동기화 방식으로 스위치 온(on) 및 오프(off)될 수 있으므로, 용접 집게들이 개방될 때의 레이저 비임의 배출이 회피된다.
예컨대, 길이가 긴 중단되지 않은 용접 시임들을 제조하기 위해서, 또한, 초음파 펄스들이 결합 프로세스 중 가압 요소를 통해 작업편 내로 도입될 수 있으므로, 작업편 상에 가압 요소들이 놓여짐에도 불구하고, 장치(또는 결합될 작업편들)가 약간 전환될 수 있으며; 따라서 가압 요소들의 (능동적인) 개폐 또는 결합 프로세스의 중단은 불필요하다.
작업편들은 하나가 다른 하나의 내부에 배열된 가압 요소들에 의해 고정될 수 있으며, 여기서, 예컨대, 각각의 하우징 또는 대응하는 용접 집게들의 쌍의 각각의 분기부는 외부 가압 요소들 및 둘러싸는 내부 가압 요소를 포함하고, 이에 의해, 여기서 이들 2 개의 가압 요소들은 말하자면, 하나가 다른 하나의 내부측에 안착된다(nested). 이러한 구성에 따라, 예컨대, 가압 요소들 중 하나의 가압 요소가 결합 프로세스 중 작업편 상에 배열되고, 이와 함께 동기적으로 레이저 프로세스의 이송 방향에 대항하여 이와 같이 고정된 작업편과 함께 변위되는 반면, 다른 가압 요소는 작업편으로부터 들어올려지며, 레이저 프로세스의 이송 방향으로 이동되고, 여기서 이러한 가압 요소의 이송 속도(feed rate)는 레이저 프로세스의 이송 속도보다 더 크다. 작업편에 대항하여 지탱하는 가압 요소가 이의 미리규정된 단부 위치에 도달할 때 또는(짧은 시간) 이전에, 이전에 들어올려진 가압 요소가 작업편 상에 배치되고, 이후 이와 함께 동기적으로 레이저 프로세스의 이송 방향에 대항하여 이와 함께 이동되는 한편, 이전에 작업편 상에 놓여진 가압 요소는, 들어올려져 이송 방향으로 이동된다. 이는, 장치 또는 작업편들의 연속 이송 및 길이가 긴 시임들의 중단되지 않은 결합을 가능하게 한다.
추가 재료들의 공급이 필요한 결합 프로세스들(예컨대, 필러선(filler wire)을 사용한 연납땜(soldering) 및 알루미늄 용접)에서 결합 장치가 사용된다면, 이들 재료들은 가압 요소들을 통해 공급될 수 있다. 불활성 가스 용접을 위해, 불활성 가스를 도입하기 위한 노즐들이 가압 요소들 내로 통합될 수 있으므로, 예컨대, 가압 요소들 내에 있는 전체 공간에는 불활성 가스가 충전될 수 있고, 이로써, 시임의 광학적 커버링이 보장될 수 있다. 게다가, 결합 프로세스 중 발생된 연기(smoke)는 흡입 장치를 통해 빨아들여질 수 있다.
레이저 방사의 배출에 대한 추가의 보호로서, 가압 요소들은, 가압 요소가 배치될 때 또한 작업편 상에 놓여지며(또는 그를지나 돌출함) 그리고 예컨대 가압 요소들과 작업편들 사이에 남아있는 갭들 없이(any remaining gaps) 차광 방식으로 커버하는 섬유들, 플라스틱들 또는 모(bristle)들로 둘러싸일 수 있다.
가압 요소 또는 가압 요소들은, 단차 형상 또는 각진 형상으로 형성될 수 있으며, 여기서 다른 부분에 대해 튀어나오거나 돌출하는 부분은 이러한 가압 요소의 단부 면 상에 형성된다. 이러한 구성은, 예를 들면, 상세하게는, 작업편, 예컨대 금속 시트의 가장자리 상에 밀착식으로의 시임들의 제조에 적합하며, 여기서, 가압 요소들이 작업편을 향해서 전진하는 경우, 돌출 구역(region)은 반대로 배열된 가압 요소의 단부 면에 대항하여 놓이며, 돌출하지 않는 구역(세트 백 구역)은 작업편 상에 놓인다. 금속 시트들은 서로에 대항하여 가압되며, 이에 의해 돌출 구역에 대해 세트 백되는 가압 요소의 구역을 통해서 고정된다.
게다가, 가압 요소들은 분말 재료들 또는 대응하는 매거진으로부터 작은 부분들을 공급하고 결합 포인트에 같은 것을 위치시키기 위해서 설계될 수 있다. 가압 요소들이 상당히 가열될 수 있기 때문에, 또한, 가압 요소들에는 예컨대 냉각수를 안내하는 냉각 덕트들이 장비될 수 있다.
이하, 본 발명은 도 1 내지 도 9를 참조하여 예시적 실시예들을 기초로 예시될 것이며, 여기서 동일하거나 유사한 특징들에는 동일한 참조 기호들이 제공된다.
도 1은 가압 방향으로 변위가능한 가압 요소들을 갖는 용접 집게들의 폐쇄된 쌍의 개략도를 도시한다.
도 2는 개방된 상태의 도 1에 따른 용접 집게들의 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 경사가능하게 배열된 가압 요소의 작동 원리의 개략도를 도시한다.
도 4는 고무 립을 갖는 가압 요소의 일 부분의 개략도를 도시한다.
도 5는 모(bristle)들을 갖는 가압 요소의 일 부분의 개략도를 도시한다.
도 6은 텍스타일 밀봉 립을 갖는 가압 요소의 일 부분의 개략도를 도시한다.
도 7은 텍스타일 밀봉 립을 갖는 단차식 가압 요소의 일 부분의 개략도를 도시한다.
도 8은 변위가능한 게이트를 갖는 단차식 가압 요소의 일 부분의 개략도를 도시한다.
도 9는 단차식 가압 요소에 의해 클램핑된 금속 시트들의 개략도를 도시한다.
도 1은 레이저 비임(7)에 의해 2 개의 작업편(3, 5)을 결합할 때, 본 발명의 일 실시예에 따라 한 쌍의 용접 집게(welding tong)(1)의 방식으로 형성된 레이저 용접 장치(1)를 도시하며, 여기서 레이저 비임(7)은 스캐너 광학장치(9)에 의해 안내 또는 위치설정된다. 용접 집게(1)들은 집게(1)들의 상부 분기부(branch)(11) 상에 배열된 2 개의 상부 가압 요소(13, 15)들 및 집게(1)들의 하부 분기부(19)의 지지부(17)에 배열된 2 개의 하부 가압 요소(21, 23)들을 포함한다. 분기부(11, 19)들은 안내 유닛(25)에 선회가능하게 연결되며, 가압 안내 요소(13, 15, 21, 23)들을 통해 서로에 대해 결합되는 작업편(3, 5)들(여기서는 금속 시트(3, 5)들의 형태임)을 가압한다. 상부 분기부(11)는, 스캐너 광학장치(9) 및 스캐너 광학장치(9)로부터 작업편(3, 5)들을 향해 뻗어있는 레이저 비임(7)을 수용하는 하우징(27)을 형성한다. 상부 가압 요소(13, 15)들은 하우징(27)의 일 부분을 형성하며, 하우징의 나머지(rest) 또는 하우징(29)의 잔부(remainder)에 대해 이동가능하며, 여기서, 도 1 에 따른 구성에서, 가압 요소(13, 15)들은 가압 방향(이 경우, 예컨대 전동 액츄에이터(electromotive actuator)(35, 37)들에 의해)을 따라 실질적으로 변위가능하도록 하우징(29)의 잔부에 끼움장착된다. 하부 가압 요소(21, 23)들은 액츄에이터(39 ,41)들에 의해 변위가능하도록 지지부(17) 상에 유사하게 끼움장착되므로, 가압 요소(13, 15, 21, 23)들이 금속 시트(3, 5)들에 대해 가압되고 분기부(11, 19)들의 가압 이동과 관계없이 금속 시트로부터 탈착(detached)될 수 있다.
도 1에 따르면, 상부 작업편(3)은 단차 형상(step-shaped) 금속 시트이며, 즉, 상이한 두께의 금속 시트의 부분들을 갖는다. 상부 가압 요소(13, 15)들이 (서로에 대해 별개로) 변위가능하기 때문에, 이들 요소들은 각각의 금속 시트 부분의 높이만큼 멀리 하강될 수 있으며, 이에 따라 (작업편(3)과 함께) 차광(light-proof) 방식으로 하우징(27)을 폐쇄할 수 있다.
레이저 비임(7)은, 기계가공 레이저(31)에 의해 생성되며, 갈바노미터 구동장치(예시 생략)의 축(49) 상에 선회가능하게 끼움장착된 스캐너 광학장치(9)의 가동식 스캐너 미러(33)에 의해 상부 작업편(3)의 표면 상에 (하우징(27)을 통해 뻗어있는) 스캐너 광학장치들의 렌즈들 및 미러들을 통하여 안내된다.
작업편(3, 5)들에 의해 스캐너 광학장치(9)로 반사된 레이저 광은 산란광(scattered light) 센서(43)들을 통해 검출되고, 작업편(3, 5)들과 상부 가압 요소(13, 15)들 사이에서 가능한 갭을 통해 나가는 산란광은, 산란광 센서(45)를 통하여 검출된다. 산란광 센서(45)를 통해 산란광 방사(radiation)가 판정되어야 한다면, 기계가공 레이저(31)는 개인들(individuals)에 대한 잠재적인 위험(potential risk)을 제거하기 위해서 즉시 스위치 오프된다. 도 1에서, 산란광 센서(43, 45)들 및 고온계(pyrometer)(47)에 의해 검출된 세기(intensity)들을 평가할 수 있는 안전 유닛(S) 및 안전 유닛(S)과 가공 레이저(31)에 연결되는 레이저 제어 유닛(L)이 개략적으로 예시된다. 예컨대, 스위치 오프 신호가 판정시 과도하게 높은 세기들인 경우 안전 유닛(S)에 의해 레이저 제어 유닛(L)에 출력될 수 있다. 하부 금속 시트(5)의 온도는 하부 분기부(19)에 위치된 고온계(47)에 의해 프로세스로부터 멀리 마주하고 있는 측면으로부터 측정된다.
도 2는 개방 분기부(11, 19)들 및 후퇴된 가압 요소(13, 15, 21, 23)들을 갖는 도 1에 따른 용접 집게들을 도시하며; 여기서 분기부(11, 19)들이 개방될 때(도 2에서 레이저 비임의 코스가 점선 표시로 예시될 때) 기계가공 레이저(31)는 자동으로 스위치 오프된다. 도 2에 따르면, 용접 집게(1)들이 개방될 때, 집게들의 양쪽 분기부(11, 19)들은, 분기부들 각각의 폐쇄된 위치(즉, 집게(1)들이 폐쇄될 때 분기부들의 위치)에 대해 편향된다. 스캐너 광학장치(9)를 갖는 하우징(27)을 포함하는 집게(1)들의 분기부는, 또한 이동되지 않은 채 둘 수 있으며, 단지 각각의 다른(이 경우에는; 하부) 분기부(19)가 집게(1)들을 개방 또는 폐쇄하기 위해서 이동될 수 있으며, 여기서 예컨대 스캐너 광학장치(9)의 세게 흔들림(jolting)이 회피될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 가압 방향(50)에 대해서 수직으로 뻗어있는 선회축을 중심으로 선회가능하거나 경사가능한 가압 요소(51)의 작동 원리를 개략적으로 예시하는데, 상기 가압 요소는 탄성 변형 재료로 제조된 가압 부분(53)을 갖는다. 울퉁불퉁한(uneven) 표면(57)을 갖는 웨지 형상 작업편(55) 상에 가압 요소(51)를 배치시키면, 가압 요소(55)가 기울어지며, 가요성(flexible) 가압 부분(53)의 형상은 작업편 표면(57)의 형상으로 조화되므로, 차광 연결이 가압 요소(51)와 작업편 표면(57) 사이에서 생성된다.
도 4는 상부 가압 요소(13)의 예시를 기초로 가압 요소의 단부 면(59) 또는 가압 부분을 도시하며, 여기서 고무 립(rubber lip)(61)이 단부 면(59) 내로 삽입되고, 이에 의해 가압 요소(13)가 금속 시트(3)의 표면 상에서 압력 마크들을 남기고 가는(leaving behind) 것이 방지될 수 있다. 울퉁불퉁한 작업편 표면들에 의해, 고무 립(61)이 가압 요소(13) 또는 하우징(27)의 내측면과 외부 환경 사이에 신뢰가능한 광학적 밀봉을 추가로 보장한다.
가압 요소(13)의 내부에 대해 주변 환경의 광학적으로 밀착된 차폐의 다른 가능성들이 도 5 및 도 6에 예시되어 있다. 도 5에 도시된 구조에 있어서, 광학적 밀봉은 가압 요소(13)의 외부 가장자리 상에 체결된, 밀착 배열식 가요성 모(flexible bristle)(63)들에 의해 보장된다. 도 6에 예시된 구조에 따라서, 가요성 텍스타일 패브릭(65)이 가압 요소(13)의 외부면에 체결되며, 작업편(3)과 가압 요소(13) 사이에 존재 가능한 갭을 신뢰가능하게 커버한다.
도 7 및 도 8은 하부 가압 요소(23)의 예시에 기초하여 세트 백 부분(set-back portion)(67) 및 (대조적으로) 돌출하거나(projecting) 튀어나온(protruding) 부분(69)을 갖는 단차식 가압 요소를 예시하며, 여기서 이러한 가압 요소들은 작업편(3, 5)들의 가장자리 구역들의 구역에서, 특히 용접을 위해 적절하다. 도 7에 따른 구조에 있어서, 가요성 텍스타일 패브릭(65)이 세트 백 구역(67) 상에 추가로 끼움장착되고, 도 8에 따른 구성에 있어서, (능동적으로 또는 수동적으로) 변위가능한 게이트(71)들이 세트 백 구역(67) 상에서 광학적 시일들로서 끼움장착된다.
비단차식 하부 가압 요소(23)와 협동하여 단차식 상부 가압 요소(13)를 사용하는 것이 도 9에 예시되어 있다. 단차식 상부 가압 요소(13)의 돌출 부분(69)은, 비단차식 하부 가압 요소(23)에 대해 지탱된다. 단차식 상부 가압 요소(13)의 세트 백 부분(67)은, 금속 시트(3)에 대해 지탱되며, 여기서 단차식 상부 가압 요소(13) 및 비단차식 하부 가압 요소(23)의 세트 백 부분(67)은 가요성 텍스타일(65)에 의해 광학적으로 밀봉된다.
1 : 용접 집게(welding tong)들 3 : 상부 작업편(upper workpiece)
5 : 하부 작업편(lower workpiece) 7 : 레이저 비임
9 : 스캐너 광학장치 11 : 상부 분기부(upper branch)
13, 15 : 상부 가압 요소들 17 : 지지부
19 : 하부 분기부 21, 23 : 하부 가압 요소들
25 : 안내 유닛 27 : 하우징
29 : 하우징의 잔부(remainder) 31 : 기계가공 레이저
33 : 스캐너 미러(scanner mirror) 35, 37 : 상부 액츄에이터들
39, 41 : 하부 액츄에이터들 43, 45 : 산란광 센서들
47 : 고온계(pyrometer) 49 : 갈바노미터 구동장치의 축(axis)
50 : 가압 방향 51 : 경사가능한 가압 요소
53 : 가요성 재료로 만들어진 가압 부분
55 : 웨지 형상 작업편
57 : 울퉁불퉁한 표면(uneven surface)
59 : 단부 면 61 : 고무 립(rubber lip)
63 : 모(bristle)들 65 : 가요성 텍스타일 패브릭
67 : 세트 백 부분(set-back portion)
69 : 튀어나온 부분(protruding portion)
71 : 게이트

Claims (10)

  1. 레이저 비임(7)에 의해 작업편(3, 5)들을 결합하기 위한 레이저 용접 장치(1)로서,
    상기 레이저 비임(7)을 안내하기 위한 스캐너 광학장치(9),
    결합 프로세스 중, 상기 작업편(3, 5)들을 고정하기 위해서 상기 작업편들 중 하나 이상의 작업편(3) 상에 가압 방향을 따라 가압되는 가압 요소(13, 15), 및
    상기 스캐너 광학장치(9) 및 상기 스캐너 광학장치로부터 작업편(3, 5)들을 향해 뻗어있는 레이저 비임(7)을 수용하는 하우징(27)을 포함하며,
    상기 가압 요소(13, 15)는 상기 하우징(27)의 부품을 형성하며, 하나 이상의 이동 자유도에 의해 상기 하우징의 나머지(rest)에 대해 이동가능한,
    레이저 용접 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캐너 광학장치(9)는 상기 레이저 비임(7)을 안내하기 위한 하나 이상의 가동식 스캐너 미러(33)를 포함하는,
    레이저 용접 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    가압 요소(51)는 가압 방향(50)에 대해 실질적으로 수직으로 뻗어있는 축을 중심으로 선회가능하게 하우징의 나머지 상에 장착되는,
    레이저 용접 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압 요소(13, 15)는 상기 가압 방향을 따라 이동가능하도록 상기 하우징의 나머지 상에 장착되는,
    레이저 용접 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압 요소(51)는 가요성 재료로 만들어진 가압 부분(53)을 포함하는,
    레이저 용접 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징(27)은, 각각이 하우징의 일 부분을 형성하며 하나 이상의 이동 자유도에 의해 상기 하우징의 나머지에 대해 이동가능한 복수 개의 가압 요소(13, 15)들을 포함하는,
    레이저 용접 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스캐너 광학장치(9)는, 상기 레이저 비임(7)이 상기 스캐너 광학장치로부터 가압 요소들 중 각각 하나의 가압 요소로 그리고 상기 가압 요소에 의해 고정되는 작업편으로 편향될 수 있는 방식으로, 형성되는,
    레이저 용접 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 증 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 용접 장치는 한 쌍의 용접 집게(1)들로서 형성되며,
    하나 이상의 가압 요소(13, 15)들을 갖는 하우징(27)은, 상기 용접 집게들의 하나의 분기부(11)를 형성하고,
    하나 이상의 추가의 가압 요소(21, 23)를 갖는 지지부(17)는 상기 용접 집게들의 제 2 분기부(19)를 형성하는,
    레이저 용접 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 용접 장치는, 한 쌍의 용접 집게들로서 형성되며,
    상기 용접 집게들의 각각의 분기부는, 레이저 비임을 안내하는 스캐너 광학장치들이 배열되며 하나 이상의 가압 요소를 갖는 하우징을 포함하는,
    레이저 용접 장치.
  10. 레이저 비임에 의해 작업편들을 결합하는 방법에 있어서,
    상기 작업편들은 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 용접 장치에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는,
    레이저 비임에 의해 작업편들을 결합하는 방법.
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