KR20180109279A

KR20180109279A - 레이저 용접 장치

Info

Publication number: KR20180109279A
Application number: KR1020170038643A
Authority: KR
Inventors: 이세용; 배성호
Original assignee: (주)엔에스
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-10-08

Abstract

본 발명은, 레이저 용접 장치에 관한 것으로서, 모재들의 미리 정해진 용접 부위를 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 장치에 있어서, 미리 정해진 발진 주기 동안에, 미리 정해진 펄스 폭을 갖는 보조 펄스 레이저빔과 상기 보조 펄스 레이저빔에 비해 넓은 펄스 폭을 갖는 메인 펄스 레이저빔을 미리 정해진 순서에 따라 단계적으로 발진하는 레이저 발진기; 및 상기 보조 펄스 레이저빔의 빔 스팟과 상기 메인 펄스 레이저빔의 빔 스팟이 미리 정해진 비율로 중첩되도록 상기 보조 펄스 레이저빔과 상기 메인 펄스 레이저빔을 상기 용접 부위를 따라 조사하는 레이저 헤드를 포함한다.

Description

레이저 용접 장치{LASER WELDING DEVICE}

본 발명은 모재들을 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 장치에 관한 것이다.

레이저 용접 장치는, 모재들의 용접 부위에 레이저빔을 조사하여 모재들의 용접 부위를 레이저 용접하는 장치이다. 이러한 레이저 용접 장치는, 레이저빔의 높은 에너지 밀도로 인해 고용융점의 금속에도 적용 가능하며, 열원이 빔이므로 투명 재료를 사용하면 어떤 분위기 속에서도 용접이 가능하다는 장점을 갖는다.

도 1은 종래의 레이저 용접 장치에 의해 발진된 펄스 레이저빔의 파형을 나타내는 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 펄스 레이저빔의 에너지 분포 양상을 나타내는 도면이다.

종래의 레이저 용접 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 발진기로부터 미리 정해진 주기(P)마다 한 발씩 발진된 펄스 레이저빔(L)을 모재들(미도시)에 조사하여, 모재들을 레이저 용접한다. 일반적으로 펄스 레이저빔(L)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 광축(X) 부근에 에너지가 집중적으로 분포되는 가우스형의 에너지 분포 양상을 갖는다. 따라서, 펄스 레이저빔(L)의 전체 영역 중 에너지 레벨이 소정의 기준 에너지 레벨(R) 이상인 광축 인접 역역(A)만 레이저 용접에 실질적으로 기여할 수 있고, 펄스 레이저빔(L)의 전체 영역 중 에너지 레벨이 기준 에너지 레벨(R) 미만인 외곽 영역(O)은 레이저 용접에 실질적으로 기여하기 어렵다.

이러한 펄스 레이저빔(L)을 이용해 모재들을 원활하고 신속하게 용접하기 위해서는 용접 비드가 모재들의 깊은 곳까지 형성될 수 있도록 펄스 레이저빔(L)의 에너지를 모재들의 깊은 곳까지 인가하는 것이 바람직하다. 펄스 레이저빔(L)의 에너지 인가 깊이는 펄스 레이저빔(L)의 출력과 비례하므로, 펄스 레이저빔(L)을 모재들의 깊은 곳까지 인가하기 위해서는 펄스 레이저빔(L)의 출력을 증가시켜야 한다.

그런데, 펄스 레이저빔(L)은 가우스형의 에너지 분포 양상을 가지므로, 펄스 레이저빔(L)의 출력을 증가시킬 경우에는 광축 인접 역역(A)의 면적뿐만 아니라 외곽 영역(O)의 면적도 함께 증가될 수밖에 없다. 외곽 영역(O)은, 레이저 용접에 실질적으로 기여하지는 못하지만, 용접 비드(B)와 그 인접 부위를 열 변형시킴으로써 스패터(spatter), 터짐, 버어(burr) 등의 이상 현상을 발생시킬 수 있다. 또한, 용접 비드 및 그 인접 부위로부터 방출된 스패터는, 레이저 헤드 기타 부재를 손상시킬 수 있다. 따라서, 종래의 레이저 용접 장치는, 펄스 레이저빔의 고 에너지에 따른 열 변형으로 인해 모재들의 용접 품질과 장치의 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 펄스 레이저빔의 고 에너지로 인한 모재들의 열 변형을 방지할 수 있도록 구조를 개선한 레이저 용접 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 용접 장치는, 모재들의 미리 정해진 용접 부위를 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 장치에 있어서, 미리 정해진 발진 주기 동안에, 미리 정해진 펄스 폭을 갖는 보조 펄스 레이저빔과 상기 보조 펄스 레이저빔에 비해 넓은 펄스 폭을 갖는 메인 펄스 레이저빔을 미리 정해진 순서에 따라 단계적으로 발진하는 레이저 발진기; 및 상기 보조 펄스 레이저빔의 빔 스팟과 상기 메인 펄스 레이저빔의 빔 스팟이 미리 정해진 비율로 중첩되도록 상기 보조 펄스 레이저빔과 상기 메인 펄스 레이저빔을 상기 용접 부위를 따라 조사하는 레이저 헤드를 포함한다.

바람직하게, 상기 레이저 발진기는, 상기 발진 주기 동안에, 상기 보조 펄스 레이저빔을 발진한 후 상기 메인 펄스 레이저빔을 발진한다.

바람직하게, 어느 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔과 상기 어느 발진 주기의 다음 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 메인 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격에 비해 길다.

바람직하게, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔의 빔 스팟과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔의 빔 스팟이 서로 중첩되지 않도록 정해진다.

바람직하게, 상기 레이저 발진기는, 상기 발진 주기 동안에, 상기 메인 펄스 레이저빔을 발진한 후 상기 보조 펄스 레이저빔을 발진한다.

바람직하게, 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 상기 어느 발진 주기의 다음 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔과 보조 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격에 비해 길다.

바람직하게, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔의 빔 스팟과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔의 빔 스팟이 서로 중첩되지 않도록 정해진다.

바람직하게, 상기 레이저 발진기는, 상기 발진 주기 동안에, 여러 발의 보조 펄스 레이저빔들을 미리 정해진 시간 간격을 두고 단계적으로 발진한다.

바람직하게, 상기 레이저 발진기는, 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 메인 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격이 상기 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 메인 펄스 레이저빔의 펄스 폭의 합에 비해 미리 정해진 비율만큼 길다.

바람직하게, 모재의 미리 정해진 용접 부위를 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 장치에 있어서, 미리 정해진 발진 주기 동안에, 여러 발의 펄스 레이저빔들을 미리 정해진 순서에 따라 단계적으로 발진하는 레이저 발진기; 및 상기 펄스 레이저빔들을 빔 스팟들이 미리 정해진 비율로 중첩되도록 상기 용접 부위를 따라 조사하는 레이저 헤드를 포함하며; 어느 발진 주기에서 발진된 펄스 레이저빔들 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 마지막으로 발진된 펄스 레이저빔과 상기 어느 발진 주기의 다음 발진 주기에서 처음으로 발진된 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격에 비해 짧다.

바람직하게, 상기 어느 발진 주기에서 마지막으로 발진된 펄스 레이저빔과 상기 다음 발진 주기에서 처음으로 발진된 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 펄스 레이저빔들의 빔 스팟들과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 펄스 레이저빔들의 빔 스팟들이 서로 중첩되지 않도록 정해진다.

본 발명에 따른 레이저 용접 장치는, 펄스 레이저빔의 에너지를 소정의 시간의 간격을 두고 분할하여 모재들에 인가 가능하므로, 펄스 레이저빔의 고 에너지로 인해 모재들이 열 변형되는 것을 방지하여 모재들의 용접 품질과 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 레이저 용접 장치에 의해 발진된 펄스 레이저빔의 파형을 나타내는 그래프.
도 2는 도 1에 도시된 펄스 레이저빔의 에너지 분포 양상을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 4는 도 3에 도시된 레이저 헤드가 펄스 레이저빔을 가공 대상물에 조사하는 양상을 나타내는 도면.
도 5는 도 3에 도시된 레이저 발진기로부터 발진된 펄스 레이저빔의 파형을 나타내는 도면.
도 6은 도 4에 도시된 레이저 발진기로부터 발진된 펄스 레이저빔의 에너지 분포 양상을 나타내는 그래프.
도 7은 도 3에 도시된 모재들의 용접 부위에 용접 비드가 형성된 상태를 나타내는 도면.
도 8은 비교예에 따른 실험 결과물을 나타내는 사진.
도 9는 실시예에 따른 실험 결과물을 나타내는 사진.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 레이저 헤드가 펄스 레이저빔을 가공 대상물에 조사하는 양상을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)는, 펄스 레이저빔(L1, L2)을 발진하는 레이저 발진기(10)와, 레이저 발진기(10)로부터 발진된 펄스 레이저빔(L1, L2)을 모재들(B1, B2)에 조사하여 모재들(B1, B2)을 용접하는 레이저 헤드(20) 등을 포함할 수 있다.

레이저 용접 장치(1)를 이용해 용접 가능한 모재들(B1, B2)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 모재들(B1, B2)은, 이차 전지를 제조하기 위한 전극 탭과 전극 리드일 수 있다. 일반적으로 전극 탭과 전극 리드는 겹치기 용접 방식을 통해 용접한다. 따라서, 모재들(B1, B2)이 전극 탭과 전극 리드인 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이, 모재들(B1, B2)은 용접 부위(W)가 서로 겹치도록 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 모재들(B1, B2)은 맞대기 용접 방식을 통해 용접될 수 있도록 용접 부위(W)가 서로 맞대어지게 배치될 수도 있다.

레이저 발진기(10)는, 모재들(B1, B2)을 절단하기 위한 펄스 레이저빔(L1, L2)을 생성하여 발진한다. 펄스 레이저빔(L1, L2)의 소스와 파장은, 모재들(B1, B2)의 재질에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 모재들(B1, B2)이 전극 탭과 전극 리드인 경우에, 펄스 레이저빔(L1, L2)의 소스와 파장은 금속 재질을 용접 가능한 소스와 파장으로 결정될 수 있다.

레이저 헤드(20)는, 레이저 발진기(10)에서 발진된 펄스 레이저빔(L1, L2)이 입사될 수 있도록 설치된다. 이를 위하여, 레이저 발진기(10)와 레이저 헤드(20) 사이에는 펄스 레이저빔(L1, L2)의 경로를 조절 가능한 적어도 하나의 리플렉터(30)가 설치될 수 있다. 이러한 레이저 헤드(20)는, 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(20)를 이송 가능한 헤드 이송 유닛(미도시)에 의해 미리 정해진 이송 경로를 따라 이송되면서, 펄스 레이저빔(L1, L2)을 빔 스팟들(BS1, BS2)이 미리 정해진 중첩률로 중첩되도록 모재들(B1, B2)의 용접 부위(W)를 따라 조사하여 모재들(B1, B2)을 용접할 수 있다.

도 5는 도 3에 도시된 레이저 발진기로부터 발진된 펄스 레이저빔의 파형을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 4에 도시된 레이저 발진기로부터 발진된 펄스 레이저빔의 에너지 분포 양상을 나타내는 그래프이다.

전술한 레이저 발진기(10)는, 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 발진 주기(P1) 동안에, 미리 정해진 펄스 폭(W1)을 갖는 보조 펄스 레이저빔(L1)과 보조 펄스 레이저빔(L1)에 비해 넓은 펄스 폭(W2)을 갖는 메인 펄스 레이저빔(L2)을 미리 정해진 순서에 따라 발진할 수 있다.

발진 주기(P1)는, 특별히 한정되지 않으며, 펄스 레이저빔(L1, L2)의 소스, 펄스 레이저빔(L1, L2)의 출력 기타 공정 조건에 따라 결정될 수 있다.

보조 펄스 레이저빔(L1)의 펄스 폭(W1)과 메인 펄스 레이저빔(L2)의 펄스 폭(W2)은 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 보조 펄스 레이저빔(L1)은 최대 에너지 레벨(광축(X1)의 에너지 레벨)이 용접 부위(W)를 용융시켜 용접하는데 필요한 기준 에너지 레벨(R)에 비해 낮도록 미리 정해진 펄스 폭(W1)을 가질 수 있다.

예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 메인 펄스 레이저빔(L2)은 최대 에너지 레벨(광축(X2)의 에너지 레벨)이 기준 에너지 레벨(R)과 같거나 기준 에너지 레벨(R)에 비해 다소 높도록 보조 펄스 레이저빔(L1)에 비해 미리 정해진 비율만큼 긴 펄스 폭(W2)을 가질 수 있다.

한편, 보조 펄스 레이저빔(L1)의 펄스 폭(W1)은 메인 펄스 레이저빔(L2)의 펄스 폭(W2)에 비해 좁은 것으로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 보조 펄스 레이저빔(L1은 메인 펄스 레이저빔(L2)과 동일한 펄스 폭을 가질 수도 있다. 이하에서는, 보조 펄스 레이저빔(L1)이 메인 펄스 레이저빔(L2)에 비해 작은 펄스 폭을 갖는 경우를 예로 들어 본 발명을 설명하기로 한다.

보조 펄스 레이저빔(L1)과 메인 펄스 레이저빔(L2)의 발진 발수는 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, 레이저 발진기(10)는, 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에, 적어도 한 발의 보조 펄스 레이저빔(L1)과 한 발의 메인 펄스 레이저빔(L2)을 발진할 수 있다. 즉, 레이저 발진기(10)는, 각각의 발진 주기(P1) 동안에, 최대 에너지 레벨이 낮은 보조 펄스 레이저빔(L1)은 적어도 한 발을 발진하고, 최대 에너지 레벨이 높은 메인 펄스 레이저빔(L2)은 한 발만 제한적으로 발진하는 것이다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 발진기(10)는, 각각의 발진 주기(P1) 동안에, 복수의 메인 펄스 레이저빔(L2)을 발진할 수도 있다. 이하에서는, 각각의 발진 주기(P1) 동안에, 한 발의 메인 펄스 레이저빔(L2)만 발진되는 경우를 기준으로 본 발명을 설명하기로 한다.

보조 펄스 레이저빔(L1)과 메인 펄스 레이저빔(L2)의 발진 순서는 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, 레이저 발진기(10)는, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에, 보조 펄스 레이저빔(L1)을 먼저 발진한 후 메인 펄스 레이저빔(L2)을 발진할 수 있다.

예를 들어, 레이저 발진기(10)는, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에, 메인 펄스 레이저빔(L2)을 먼저 발진한 후 보조 펄스 레이저빔(L1)을 발진할 수 있다.

펄스 레이저빔들(L1, L2) 사이의 시간 간격(T1, T2)은 특별히 한정되지 않는다. 레이저 발진기(10)는, 각각의 발진 주기(P1) 동안에, 보조 펄스 레이저빔들(L1)을 미리 정해진 시간 간격(T1)을 두고 발진하고, 보조 펄스 레이저빔(L1)과 메인 펄스 레이저빔(L2)을 미리 정해진 시간 간격(T2)을 주고 발진한다.

예를 들어, 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 보조 펄스 레이저빔들(L1) 사이의 시간 간격(T1)과 상기 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 보조 펄스 레이저빔(L1)과 메인 펄스 레이저빔(L2) 사이의 시간 간격(T2)의 총 합(T1+T2)은, 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 보조 펄스 레이저빔들(L1)의 펄스 폭(W1)과 메인 펄스 레이저빔(L2)의 펄스 폭(W2)을 합산한 총 합(2W1+W2)에 비해 미리 정해진 비율만큼 긴 것이 바람직하다.

여기서, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에 보조 펄스 레이저빔들(L1)을 먼저 발진한 후 메인 펄스 레이저빔(L2)을 발진하는 경우에, 시간 간격(T2)은 어느 발진 주기(P1)에서 마지막으로 발진된 보조 펄스 레이저빔(L1)과 상기 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 메인 펄스 레이저빔(L2) 사이의 시간 간격을 말한다.

또한, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에 메인 펄스 레이저빔(L2)을 먼저 발진한 후 보조 펄스 레이저빔들(L1)을 발진하는 경우에, 시간 간격(T2)은 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 메인 펄스 레이저빔(L2)과 상기 어느 발진 주기(P1)에서 처음으로 발진된 보조 펄스 레이저빔(L1) 사이의 시간 간격을 말한다.

레이저 발진기(10)는, 이처럼 펄스 레이저빔들(L1, L2) 사이의 시간 간격(T1, T2)을 조절함으로써, 각각의 발진 주기(P1) 동안에 발진되는 펄스 레이저빔들(L1, L2)의 빔 스팟들(BS1, BS2)의 중첩률을 조절할 수 있고, 용접 부위(W)에 짧은 시간 동안에 과도한 에너지가 인가되어 용접 비드(B) 및 그 인접 부위가 열 변형되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에 발진되는 펄스 레이저빔들(L1, L2)의 빔 스팟들(BS1, BS2)의 중첩률은, 용접 부위(W)가 용접되어 형성된 각각의 용접 비드(B)가 용접 방향을 따라 길게 연장된 타원 형상을 갖도록 설정되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이처럼 용접 비드(B)가 용접 방향을 따라 길게 연장된 타원 현상을 갖도록 펄스 레이저빔(L1, L2)을 모재들(B1, B2)에 조사하면, 용접 비드(B)의 용접 방향 쪽으로의 길이는 늘리고 용접 비드(B)의 용접 방향과 수직을 이루는 방향 쪽으로의 길이는 줄일 수 있으므로, 이를 통해 용접 속도를 증가시키고 용접 부위(W)의 인장 강도를 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에 보조 펄스 레이저빔들(L1)을 먼저 발진한 후 메인 펄스 레이저빔(L2)을 발진하는 경우에, 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 메인 펄스 레이저빔(L2)과 상기 어느 발진 주기(P1)의 다음 발진 주기(P1)에서 처음으로 발진된 보조 펄스 레이저빔(L1) 사이의 시간 간격(T3)은, 상기 어느 발진 주기(P1)에서 마지막으로 발진된 보조 펄스 레이저빔(L1)과 메인 펄스 레이저빔(L2) 사이의 시간 간격(T2)에 비해 길 수 있다. 특히, 시간 간격(T3)은, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상기 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 펄스 레이저빔들(L1, L2)의 빔 스팟들(BS1, BS2)과 상기 다음 발진 주기(P1)에서 발진된 펄스 레이저빔들(L1, L2)의 빔 스팟들(BS1, BS2)이 서로 중첩되지 않도록 시간 간격(T2)에 비해 길 수 있다. 이를 통해, 도 7(a)에 도시된 바와 같이, 용접 비드들(B)이 미리 정해진 간격을 두고 형성되어 모재들(B1, B2)이 단속적으로 용접되는 스팟 용접을 구현할 수 있다.

예를 들어, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에 메인 펄스 레이저빔(L2)을 먼저 발진한 후 보조 펄스 레이저빔들(L1)을 발진하는 경우에, 어느 발진 주기(P1)에서 마지막으로 발진된 보조 펄스 레이저빔(L1)과 상기 어느 발진 주기(P1)의 다음 발진 주기(P1)에서 발진된 메인 펄스 레이저빔(L2) 사이의 시간 간격(T3)은, 상기 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 보조 펄스 레이저빔들(L1) 사이의 시간 간격(T1)에 비해 길 수 있다. 특히, 시간 간격(T3)은, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 상기 어느 발진 주기(P1)에서 발진된 펄스 레이저빔들(L1, L2)의 빔 스팟들(BS1, BS2)과 상기 다음 발진 주기(P1)에서 발진된 펄스 레이저빔들(L1, L2)의 빔 스팟들(BS1, BS2)이 서로 중첩되지 않도록 시간 간격(T1)에 비해 길 수 있다. 이를 통해, 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 용접 비드들(B)이 미리 정해진 간격을 두고 형성되어 용접 부위(W)가 단속적으로 용접되는 스팟 용접을 구현할 수 있다.

레이저 헤드(20)는, 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 용접 부위(W)를 스팟 용접할 수 있도록 펄스 레이저빔들(L1, L2)을 용접 부위(W)를 따라 조사할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 헤드(20)는 용접 부위(W)를 심 용접할 수 있도록 펄스 레이저빔들(L1, L2)을 용접 부위(W)를 따라 조사할 수도 있다. 여기서, 심 용접이란, 용접 비드들(B)을 서로 연결되도록 형성하여 용접 부위(W)를 연속적으로 용접하는 용접 방식을 말한다.

종래의 레이저 용접 장치는, 펄스 레이저빔의 에너지를 가공 대상물의 깊은 곳까지 인가하여 원활하고 신속하게 용접 부위를 용접하기 위해서는 펄스 레이저빔의 최대 에너지 레벨이 기준 에너지 레벨에 비해 월등히 높을 수밖에 없었다. 이로 인해, 종래의 레이저 용접 장치는, 용접 비드의 인접 부위의 열 변형의 원인이 되는 펄스 레이저빔의 외곽 영역의 면적이 클 수밖에 없다. 따라서, 종래의 레이저 용접 장치는, 펄스 레이저빔의 고 에너지에 따른 용접 비드 및 그 인접 부위의 열 변형으로 인해 스패터(spatter), 터짐, 버어(burr) 등의 이상 현상의 발생이 증가되어 모재들의 용접 품질과 장치의 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.

레이저빔의 특성 상, 예열된 용접 부위를 레이저 용접할 경우에는 예열되지 않는 용접 부위를 레이저 용접하는 경우에 비해 에너지 레벨이 낮은 펄스 레이저빔을 사용하여도 용접 부위의 깊은 곳까지 에너지를 용이하게 인가할 수 있다.

그런데, 레이저 용접 장치(1)는, 용접 부위(W)의 소정 구간에 미리 정해진 순서에 따라 보조 펄스 레이저빔(L1)과 메인 펄스 레이저빔(L2)을 빔 스팟들(BS1, BS2)이 서로 중첩되도록 조사할 수 있다.

예를 들어, 도 4(a) 및 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에 기준 에너지 레벨(R)에 비해 낮은 에너지 레벨을 갖는 보조 펄스 레이저빔(L1)을 먼저 발진한 후 기준 에너지 레벨(R)에 상당하는 에너지 레벨을 갖는 메인 펄스 레이저빔(L2)을 발진하는 경우에, 상기 소정 구간에 보조 펄스 레이저빔(L1)이 조사되어 상기 소정 구간이 예열된 상태에서 상기 소정 구간에 메인 펄스 레이저빔(L2)이 조사될 수 있다. 이로 인해, 메인 펄스 레이저빔(L2)의 에너지가 상기 소정 구간의 깊은 곳까지 원활하게 인가됨으로써, 상기 소정 구간이 원활하게 용접될 수 있다.

예를 들어, 도 4(b) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 각각의 발진 주기(P1) 동안에 기준 에너지 레벨(R)에 상당하는 에너지 레벨을 갖는 메인 펄스 레이저빔(L2)을 먼저 발진한 후 기준 에너지 레벨(R)에 비해 낮은 에너지 레벨을 갖는 보조 펄스 레이저빔(L1)을 발진하는 경우에, 상기 소정 구간에 메인 펄스 레이저빔(L2)이 조사되어 상기 소정 구간이 일부 용접된 상태에서 상기 소정 구간에 보조 펄스 레이저빔(L1)이 조사될 수 있다. 이 경우에도, 상기 소정 구간은 메인 펄스 레이저빔(L2)에 의해 일부 용접되어 예열된 상태이므로, 메인 펄스 레이저빔(L2)에 비해 에너지 레벨이 낮은 보조 펄스 레이저빔(L1)의 에너지라도 상기 소정 구간의 깊은 곳까지 원활하게 인가됨으로써 상기 소정 구간의 용접이 원활히 완료될 수 있다.

한편, 에너지 인가 시간의 측면에서 살펴 보았을 때, 종래의 레이저 용접 장치는 각각의 발진 주기 동안 한 발의 고 에너지 펄스 레이저빔을 통해 가공 대상물에 고 에너지를 용접 부위에 일시에 인가한다. 이에 반해, 레이저 용접 장치(1)는 각각의 발진 주기(P1) 동안에 보조 펄스 레이저빔(L1)과 메인 펄스 레이저빔(L2)을 통해 에너지를 소정의 시간 간격(T1, T2)을 두고 용접 부위(W)에 분할하여 인가한다. 이러한 레이저 용접 장치(1)는, 기준 에너지 레벨(R)에 상당하거나 기준 에너지 레벨(R)에 비해 낮은 에너지 레벨을 갖는 펄스 레이저빔들(L1, L2)을 이용해 용접 부위(W)를 원활하고 신속하게 용접할 수 있다. 이를 통해, 레이저 용접 장치(1)는, 펄스 레이저빔들(L1, L2)의 전체 영역 중 레이저 용접에는 실질적으로 기여하지 못 한 채 용접 비드(B)와 그 인접 부위의 열 변형의 원인이 되는 영역의 비율을 줄일 수 있다. 따라서, 레이저 용접 장치(1)는, 용접 비드(B)와 그 인접 부위의 열 변형으로 인해 스패터, 터짐, 버어 등의 이상 현상이 발생하는 것을 방지하여, 모재들(B1, B2)의 용접 품질과 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 8은 비교예에 따른 실험 결과물을 나타내는 사진이고, 도 9는 실시예에 따른 실험 결과물을 나타내는 사진이다.

<비교예>

각각의 발진 주기 동안에 한 발의 펄스 레이저빔을 발진하여, 두께가 10 ㎛인 구리 소재의 전극 탭 30 장과 두께가 0.3 ㎜인 구리 소재의 전극 리드 1장을 겹치기 스팟 용접하였다. 발진 주기는 50 ㎳이고, 펄스 레이저빔의 펄스 폭은 10 ㎳이다.

이러한 비교예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이, 용접 비드(B) 및 그 인접 부위가 열 변형되어 다수의 스패터(spatter), 터짐, 버어(burr) 등의 이상 현상이 발생하였음을 확인할 수 있다.

<실시예>

각각의 발진 주기 동안에 한 발의 보조 펄스 레이저빔(L1)을 먼저 발진한 후 한 발의 메인 펄스 레이저빔(L2)을 발진하여, 두께 10 ㎛인 구리 소재의 전극 탭 30 장과 두께가 0.3㎜인 소재의 전극 리드 1장을 겹치기 스팟 용접하였다. 발진 주기는 50 ㎳이고, 보조 펄스 레이저빔(L1)의 펄스 폭(W1)은 4 ㎳, 메인 펄스 레이저빔(L2)의 펄스 폭(W2)은 6 ㎳, 보조 펄스 레이저빔(W1)과 메인 펄스 레이저빔(W2)의 시간 간격(T2)은 18 ㎳이다.

이러한 실시예에 의하면, 도 9에 도시된 바와 같이, 비교예에 비해 용접 비드(B) 및 인접 부위의 열 변형이 줄어들어 스패터(spatter), 터짐, 버어(burr) 등의 이상 현상의 발생이 감소되었음을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 레이저 가공 장치
10 : 레이저 발진기
20 : 레이저 헤드
30 : 리플렉터
B1, B2 : 모재
W : 용접 부위
L1 : 보조 펄스 레이저빔
L2 : 메인 펄스 레이저빔
W1, W2 : 펄스 폭
T1, T2, T3 : 시간 간격
BS1, BS2 : 빔 스팟
B : 용접 비드
R : 기준 에너지 레벨

Claims

모재들의 미리 정해진 용접 부위를 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 장치에 있어서,
미리 정해진 발진 주기 동안에, 미리 정해진 펄스 폭을 갖는 보조 펄스 레이저빔과 상기 보조 펄스 레이저빔에 비해 넓은 펄스 폭을 갖는 메인 펄스 레이저빔을 미리 정해진 순서에 따라 단계적으로 발진하는 레이저 발진기; 및
상기 보조 펄스 레이저빔의 빔 스팟과 상기 메인 펄스 레이저빔의 빔 스팟이 미리 정해진 비율로 중첩되도록 상기 보조 펄스 레이저빔과 상기 메인 펄스 레이저빔을 상기 용접 부위를 따라 조사하는 레이저 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 발진기는, 상기 발진 주기 동안에, 상기 보조 펄스 레이저빔을 발진한 후 상기 메인 펄스 레이저빔을 발진하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제2항에 있어서,
어느 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔과 상기 어느 발진 주기의 다음 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 메인 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격에 비해 긴 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제3항에 있어서,
상기 어느 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔의 빔 스팟과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔의 빔 스팟이 서로 중첩되지 않도록 정해지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 발진기는, 상기 발진 주기 동안에, 상기 메인 펄스 레이저빔을 발진한 후 상기 보조 펄스 레이저빔을 발진하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제5항에 있어서,
어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 상기 어느 발진 주기의 다음 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔과 보조 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격에 비해 긴 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제6항에 있어서,
상기 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔의 빔 스팟과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 메인 펄스 레이저빔의 빔 스팟이 서로 중첩되지 않도록 정해지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 발진기는, 상기 발진 주기 동안에, 여러 발의 보조 펄스 레이저빔들을 미리 정해진 시간 간격을 두고 단계적으로 발진하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 발진기는, 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 메인 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격이 상기 어느 발진 주기에서 발진된 보조 펄스 레이저빔과 메인 펄스 레이저빔의 펄스 폭의 합에 비해 미리 정해진 비율만큼 긴 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
모재의 미리 정해진 용접 부위를 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 장치에 있어서,
미리 정해진 발진 주기 동안에, 여러 발의 펄스 레이저빔들을 미리 정해진 순서에 따라 단계적으로 발진하는 레이저 발진기; 및
상기 펄스 레이저빔들을 빔 스팟들이 미리 정해진 비율로 중첩되도록 상기 용접 부위를 따라 조사하는 레이저 헤드를 포함하며;
어느 발진 주기에서 발진된 펄스 레이저빔들 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 마지막으로 발진된 펄스 레이저빔과 상기 어느 발진 주기의 다음 발진 주기에서 처음으로 발진된 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격에 비해 짧은 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제10항에 있어서,
상기 어느 발진 주기에서 마지막으로 발진된 펄스 레이저빔과 상기 다음 발진 주기에서 처음으로 발진된 펄스 레이저빔 사이의 시간 간격은, 상기 어느 발진 주기에서 발진된 펄스 레이저빔들의 빔 스팟들과 상기 다음 발진 주기에서 발진된 펄스 레이저빔들의 빔 스팟들이 서로 중첩되지 않도록 정해지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.