KR20190078400A - Laser welding apparatus - Google Patents

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KR20190078400A
KR20190078400A KR1020170180286A KR20170180286A KR20190078400A KR 20190078400 A KR20190078400 A KR 20190078400A KR 1020170180286 A KR1020170180286 A KR 1020170180286A KR 20170180286 A KR20170180286 A KR 20170180286A KR 20190078400 A KR20190078400 A KR 20190078400A
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권영섭
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Abstract

The present invention relates to a laser welding apparatus which is provided to output a laser beam having a plurality of focuses by using a laser diffractive effect. According to an embodiment of the present invention, the laser welding apparatus can comprise: a laser oscillator configured to irradiate a laser beam; a lens configured to suppress diffusion of the laser beam from the laser oscillator and maintain straightness; and a laser beam diffraction optical system configured to form a laser beam having at least two focuses in accordance with a laser diffractive effect by using the laser beam from the lens.

Description

레이저 용접 장치{LASER WELDING APPARATUS}[0001] LASER WELDING APPARATUS [0002]

본 발명은 레이저를 이용하여 도금 강판을 용접하는 레이저 용접 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser welding apparatus for welding a plated steel sheet using a laser.

일반적으로, 강판(Steel Strip)에 도금재를 도금한 강판을 레이저 용접을 하게 되면, 용융점이 낮은 도금재가 용융.기화하면서 용융 풀(Welding Pool)을 밀어내면서 고형화되는 과정에서 발생되는 기포성 결함(Pores)이나 언더 컷(Undercut) 결함으로 인해 용접부 품질을 저하시키는 문제가 발생한다. Generally, when a steel sheet plated with a plating material is laser-welded to a steel strip, the plating material having a low melting point melts and vaporizes while pores of the welding pool are solidified while pores (Pores ) Or an undercut defect in the welded portion.

최근에는 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 방법을 사용해서 도금 강판의 용접 품질을 높이고 있다.In recent years, various methods have been used to improve the quality of the coated steel sheet to solve these problems.

최근에는 여래 개의 레이저 빔을 만들어서 도금 강판을 용접하는 기술이 많이 채용되고 있는데, 그 중 두 개의 레이저 빔(Twin Spot Laser Welding)을 만들어서 도금 강판을 용접하는 방법은 용접선 방향으로 두 개의 레이저 빔을 조사해서 용접하는 것으로써 레이저 빔 조사가 되는 점에서 용접 풀(Welding Pool)이 동시에 이뤄지기 때문에 기공이나 언더 컷 결함의 문제점이 있다.Recently, a technique of welding a plated steel sheet by making a plurality of laser beams has been widely used. Among these methods, a method of welding two coated steel sheets by making two laser beams (laser spot welding) There is a problem of pore or undercut defects because welding pool is simultaneously performed in that laser beam irradiation is performed by welding.

다른 방법으로 세 개 이상의 레이저 빔을 만들어서 도금 강판의 용접 시 발생되는 문제를 해결하고자 고안되었지만, 레이저 빔을 여러 개 만들어서 사용하기 때문에 각 레이저 빔의 강도 조절이나 시스템의 복잡성으로 인해 표면 품질이나 시스템 가격이 높은 문제점이 있다.However, since a plurality of laser beams are used to adjust the intensity of each laser beam or the complexity of the system, the surface quality or the system price This is a high problem.

또 다른 방법으로, 레이저 빔을 조사하는 용접 헤드(Welding Head)를 기울여서(Tilting)함으로써 도금 강판을 용접하는 고안으로써, 용접하려고 하는 강판의 두께가 다를 때와 같을 때 기울이는 각도를 달리 조정해야 하는 시스템이 복잡한 문제점을 가지고 있다.Another method is to design the welding of the plated steel sheet by tilting the welding head for irradiating the laser beam so as to adjust the tilting angle differently when the thickness of the steel sheet to be welded is different This has a complicated problem.

이상과 같이, 종래의 방법들은 두 개 이상의 레이저 빔이나 용접 헤드를 기울여서 도금 강판 용접 시 발생되는 기포 결함(Pores)이나 언더 컷(Undercut) 문제를 해결하고자 고안되었지만, 시스템의 복잡성과 고비용의 문제점을 가지고 있을 뿐 만아니라, 표면에 손상을 주는 문제점을 가지고 있다. As described above, the conventional methods are designed to solve the problem of bubble defects (Pores) or undercuts (bending) caused when welding two or more laser beams or welding heads, But also has a problem of damaging the surface.

미국 등록특허공보 8803029호US Patent Publication No. 8803029 미국 등록특허공보 6211483호US Patent Publication No. 6211483 미국 등록특허공보 5925268호US Patent Publication No. 5925268

본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 회절 효과(Diffractive Effect)를 이용하여 복수의 초점을 갖는 레이저 빔을 출력하는 레이저 용접 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a laser welding apparatus for outputting a laser beam having a plurality of foci using a laser diffraction effect (Diffractive Effect).

상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치는 레이저 빔을 조사하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기로부터의 레이저 빔의 확산을 억제하고 직진성을 유지시키는 렌즈, 상기 렌즈로부터의 레이저 빔을 이용하여 레이저 회절 효과에 따라 적어도 둘의 초점을 갖는 레이저 빔을 형성하는 레이저 빔 회절 광학계를 포함할 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a laser welding apparatus including a laser oscillator for irradiating a laser beam, a lens for suppressing diffusion of a laser beam from the laser oscillator and maintaining straightness, And a laser beam diffraction optical system that forms a laser beam having at least two foci according to the laser diffraction effect using the laser beam from the lens.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 용접 결함을 최소화할 수 있는 효과가 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to minimize welding defects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 채용된 레이저 빔 회절 광학계의 개략적인 구성도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의해 출력된 레이저 빔을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래 방법에 의한 용접 결과를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의한 용접 결과를 나타내는 도면이다. 1 is a schematic diagram of a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic configuration diagram of a laser beam diffraction optical system employed in a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.
3A to 3C are views showing a laser beam output by a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a welding result by a conventional method, and FIG. 5 is a view showing a welding result by a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 채용된 레이저 빔 회절 광학계의 개략적인 구성도이다.FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a laser beam diffraction optical system employed in a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.

먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치(100)는 레이저 발진기(110), 렌즈(120) 및 레이저 빔 회절 광학계(130)를 포함할 수 있다.Referring first to FIG. 1, a laser welding apparatus 100 according to an embodiment of the present invention may include a laser oscillator 110, a lens 120, and a laser beam diffraction optical system 130.

레이저 발진기(110)는 레이저 빔을 조사할 수 있다.The laser oscillator 110 can irradiate a laser beam.

렌즈(120)는 레이저 발진기(110)로부터의 레이저 빔의 확산을 억제하고 직진성을 유지시킬 수 있다. 렌즈(120)는 콜리메이트 렌즈일 수 있다.The lens 120 can suppress the diffusion of the laser beam from the laser oscillator 110 and maintain the linearity. The lens 120 may be a collimate lens.

레이저 빔 회절 광학계(130)는 렌즈(120)로부터의 레이저 빔을 이용하여 레이저 회절 효과에 따라 적어도 둘의 초점(f1,f2,fn)을 갖는 레이저 빔을 형성할 수 있다.The laser beam diffraction optical system 130 can form a laser beam having at least two focal points f1, f2, fn according to the laser diffraction effect using the laser beam from the lens 120. [

도 1과 함께, 도 2를 참조하면, 레이저 빔 회절 광학계(130)는 제1 렌즈(131) 및 제2 렌즈(132)와 제1 및 제2 렌즈(131,132) 사이에 배치된 회절 그레이팅(Diffractive Grating, 133)을 통해 다수의 초점을 가지는 레이저 빔을 형성할 수 있다.2, the laser beam diffraction optical system 130 includes diffractive gratings (diffractive gratings) arranged between the first lens 131 and the second lens 132 and the first and second lenses 131 and 132, A laser beam having a plurality of focal points can be formed through the grating 133.

레이저 빔의 초점 수는 회절 그레이팅(133)의 주름(134) 수에 일대일 대응될 수 있다.The number of focal points of the laser beam may correspond one to one to the number of corrugations 134 of the diffraction grating 133.

즉, 둘의 초점(f1,f2)을 갖는 레이저 빔을 형성하기 위해서는 회절 그레이팅(133)의 주름(134)의 수를 2개로 구성할 수 있다.That is, in order to form a laser beam having two focal points f1 and f2, the number of corrugations 134 of the diffraction grating 133 can be two.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의해 출력된 레이저 빔을 나타내는 도면이다. 3A to 3C are views showing a laser beam output by a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치는 둘의 초점을 갖는 레이저 빔이 만들어지고 있음을 보여 주고 있다. 여기서, 레이저 빔 회절 광학계(130)에 가깝게 형성된 초점이 있는 레이저 빔에서의 단면을 보면 도 3b 및 도 3c와 같이 가운데 강한 초점을 가지는 레이저 빔(3-1)이, 그리고 그 주위에는 링 모양의(Ring Shape, 3-2) 레이저 빔이 가운데 있는 레이저 빔 보다 에너지가 약한 형태로 구성되어 있다. Referring first to FIG. 3A, a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention shows a laser beam having two focal points. Here, as shown in FIGS. 3B and 3C, a laser beam 3-1 having a strong center focus is formed on the cross section of the focused laser beam formed close to the laser beam diffraction optical system 130, and a ring- (Ring Shape, 3-2) The laser beam is composed of a weaker energy than the laser beam in the center.

도 3c을 참조하면, 도금층(2)이 강판(1) 위에 코팅되어 있는 도금강판 위에 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의한 레이저 빔을 조사한 모습을 모여 주고 있는데, 링 모양의 레이저(3-2)는 용접 풀(Welding Pool)이 형성되기 전에 도금층(2)를 증발시키는 역할을 하고, 가운데 에너지 강도가 높은 레이저 빔(3-1)을 도금층(2)이 없는 상태에서 순수하게 용접 풀(Welding Pool)을 형성해서 용접할 수 있다.Referring to FIG. 3C, a laser beam is irradiated by a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention on a plated steel plate on which a plating layer 2 is coated on a steel plate 1, 3-2 serve to evaporate the plating layer 2 before the welding pool is formed and the laser beam 3-1 having the middle energy intensity is welded purely in the state in which the plating layer 2 is not present Welding pool can be formed and welded.

기판(1)의 도금층은 예를 들어, 아연 도금층 또는 알류미늄 도금층 등 다양할 수 있다.The plating layer of the substrate 1 may be, for example, a zinc plating layer or an aluminum plating layer.

예를 들어, 본 발명에서는 아연 도금층을 증발시키기 위해서는 아연이 증발시킬 수 있는 온도(906C)까지 링 모양의 레이저(3-2)를 통해 에너지가 공급될 수 있는 에너지 밀도1(Energy Density)과 아연 도금층이 없는 상태에서 강판에 용접 풀(Welding Pool)을 형성할 수 있는 온도(1530℃)까지 에너지를 공급할 수 있는 에너지 밀도2의 비는 다음의 수식 1과 같다. 이것을 벗어나게 되면 강판에 지나친 에너지 조사로 표면 흠이 발생이 되거나, 용접 품질을 저하시킬 수 있다.For example, in the present invention, in order to evaporate the zinc plating layer, an energy density 1 (Energy Density) capable of supplying energy through the ring-shaped laser 3-2 to a temperature (906C) The ratio of the energy density 2 that can supply the energy up to the temperature (1530 캜) at which the weld pool can be formed in the steel plate in the absence of the plated layer is expressed by the following Equation 1. Excess of this may cause surface scratches due to excessive energy irradiation on the steel sheet, or the welding quality may be deteriorated.

(수식1)(Equation 1)

Energy Density1: Energy Density2 = (0.54 ~ 0.64) : 1.0Energy Density 1: Energy Density 2 = (0.54 to 0.64): 1.0

또한, 초점과 초점 사이의 거리는 다음의 수식 2와 같이 표현이 되며, 초점과 초점과의 거리가 멀어지게 되면 링 모양의 레이저 빔(3-1)은 강판 표면에 크게 형성이 되기 때문에 에너지 밀도 비율을 맞출 수 있도록 초점과 초점 사이의 거리를 유지해야 한다.Further, the distance between the focal point and the focal point is expressed by the following equation (2). When the distance between the focal point and the focal point is further away, the ring-shaped laser beam 3-1 is formed on the surface of the steel sheet, The distance between the focal point and the focal point must be maintained so as to match the focal point.

(수식2)(Equation 2)

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 Δ = 초점과 초점 사이의 거리, Δ0 = 초점과 초점 사이의 초기 거리, λ= 레이저 파장, λ0 = 초기 레이저 파장, fr = 렌즈 추가 시 사용 가능한 초점 거리, fr0 = 초기 사용 가능한 초점 거리를 나타낸다. Where: Δ = distance between focus and focus, Δ 0 = initial distance between focus and focus, λ = laser wavelength, λ 0 = initial laser wavelength, f r = available focal length when adding lens, f r0 = Represents the focal distance.

가장 효과적으로 용접 풀(Welding Pool)에 아연 증기가 용접 결함을 유발시키지 않도록 아연 도금층을 제거하기 위한 면적은 용접 풀(Welding Pool)로부터 열영향부(Heat Affected Zone)의 넓이는 아연이 녹는 온도인 419.5C 이하가 되는 넓이가 되어야 한다. 이를 위해서 초점과 초점 거리는 용접속도에 따라 다르지만, Δ = fro x (0.9 ~ 1.5)를 유지할 수 있도록 레이저 빔 회절 광학계를 구성해야 한다.The most effective area to remove the zinc plating layer from the welding pool to prevent zinc vapor from causing welding defects is the area of the heat affected zone from the welding pool, C or less. For this purpose, the focus and focal length depend on the welding speed, but the laser beam diffraction system should be constructed to maintain Δ = f ro x (0.9 ~ 1.5).

도 4는 종래 방법에 의한 용접 결과를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의한 용접 결과를 나타내는 도면이다. FIG. 4 is a view showing a welding result by a conventional method, and FIG. 5 is a view showing a welding result by a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 종래 방법으로 도금 강판을 때에는 도금재가 증발하면서 증발 개스로 인해 용접 풀(Welding Pool)에 용융물을 날리거나 기포가 남아 있음으로써 기공 결함(Pores)이나 언더 컷(Undercut)이 발생이 발생할 수 있다. 즉, 정상적인 용접 비드(8) 주변에 발생한 기공(9) 결함을 보여주고 있다.Referring to FIG. 4, when the coated steel sheet is evaporated in the conventional method, porosity or undercuts may occur due to evaporation of the molten material due to evaporation of the plating material or bubbles remaining in the welding pool Can occur. That is, it shows defects of the pores 9 occurring around the normal weld bead 8.

이에 반하여, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의한 용접 결과는 용접 비드(8)가 형성이 되었고, 그 주위에 도금층이 없음을 또한 보여 주고 있다. 여기서 도금층이 없는 부분과 남아 있는 부분과의 경계층(17)을 분명하게 볼 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 5, the welding result by the laser welding apparatus according to the embodiment of the present invention shows that the weld bead 8 is formed, and there is no plating layer around the weld bead 8. Here, the boundary layer 17 between the portion where the plating layer is not present and the remaining portion can be clearly seen.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 레이저 회절 효과(Diffractive Effect)를 이용하여 두 개의 초점을 가지는 레이저 빔을 만들고, 외곽에 있는 링 모양의(Ring) 레이저는 용융 풀(Welding Pool)이 만들어지기 전에 주위의 도금층을 녹여서 증발시키는 역할을 하고, 가운데 있는 레이저 빔은 주위에 도금층이 없는 상태에서 강판 만을 가지고 키홀 용접(Keyhole Welding)을 하는 역할을 통해 용접 결함을 최소화하는 경제적이며 효율적이다.As described above, according to the present invention, a laser beam having two focal points is produced by using a diffractive effect, and a ring laser at an outer periphery of the laser beam produces a welding pool The laser beam in the center is melted and evaporated before, and the laser beam in the middle is keyhole welding with only the steel plate in the state without the plating layer around, which is economical and efficient to minimize welding defect.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the particular forms disclosed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100: 레이저 용접 장치
110: 레이저 발진기
120: 렌즈
130: 레이저 빔 회절 광학계
131: 제1 렌즈
132: 제2 렌즈
133: 회절 그레이팅
134: 주름100: Laser welding device
110: laser oscillator
120: lens
130: laser beam diffraction optical system
131: first lens
132: Second lens
133: diffraction grating
134: Crease

Claims (7)

레이저 빔을 조사하는 레이저 발진기;
상기 레이저 발진기로부터의 레이저 빔의 확산을 억제하고 직진성을 유지시키는 렌즈;
상기 렌즈로부터의 레이저 빔을 이용하여 레이저 회절 효과에 따라 적어도 둘의 초점을 갖는 레이저 빔을 형성하는 레이저 빔 회절 광학계
를 포함하는 레이저 용접 장치.
A laser oscillator for irradiating a laser beam;
A lens that suppresses diffusion of the laser beam from the laser oscillator and maintains linearity;
A laser beam diffraction optical system for forming a laser beam having at least two focal points according to a laser diffraction effect using a laser beam from the lens;
The laser welding apparatus comprising:
제1항에 있어서,
상기 레이저 빔 회절 광학계는 회절 그레이팅과 상기 회절 그레이팅을 사이에둔 제1 초점 렌즈 및 제2 초점 렌즈를 구비하고,
상기 회절 그레이팅의 주름 수에 따라 상기 초점의 수가 결정되는 레이저 용접 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the laser beam diffraction optical system has a first focus lens and a second focus lens sandwiching the diffraction grating and the diffraction grating,
Wherein the number of focuses is determined according to the number of corrugations of the diffraction grating.
제1항에 있어서,
상기 레이저 빔 회절 광학계는 상기 적어도 둘의 초점을 갖는 레이저 빔 중 상기 레이저 빔 회절 광학계에 가깝게 형성된 제1 초점을 갖는 레이저 빔으로 강판을 용접하고, 상기 제1 초점보다 상기 레이저 빔 회절 광학계에 멀리 형성된 제2 초점을 갖는 레이저 빔으로 강판의 도금층을 증발시키는 레이저 용접 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the laser beam diffraction optical system welds a steel sheet to a laser beam having a first focal point, which is formed close to the laser beam diffraction optical system, of the laser beam having at least two focal points, A laser welding apparatus for evaporating a plating layer of a steel sheet with a laser beam having a second focal point.
제3항에 있어서,
상기 제1 초점을 갖는 레이저 빔과 상기 제2 초점을 갖는 레이저 빔간의 에너지 밀도는 1: 0.54 내지 1: 0.64인 레이저 용접 장치.
The method of claim 3,
Wherein the energy density between the laser beam having the first focal point and the laser beam having the second focal point is 1: 0.54 to 1: 0.64.
제1항에 있어서,
상기 레이저 빔 회절 광학계는 복수의 초점을 갖는 레이저 빔을 형성하고, 상기 복수의 초점의 초점과 초점 간의 거리는 하기의 수식에 따라 형성되는 레이저 용접 장치.
(수식)
Figure pat00002

여기서, Δ= 초점과 초점 사이의 거리, Δ0= 초점과 초점 사이의 초기 거리, λ= 레이저 파장, λ0= 초기 레이저 파장, fr = 렌즈 추가 시 사용 가능한 초점 거리, fr0 = 초기 사용 가능한 초점 거리일 수 있다.
The method according to claim 1,
Wherein the laser beam diffraction optical system forms a laser beam having a plurality of focal points and a distance between a focal point of the plurality of focal points and a focal point is formed according to the following equation.
(Equation)
Figure pat00002

Here, Δ = the distance between the focus and the focus, Δ 0 = focus and focus the initial distance, λ = laser wavelength, λ 0 = initial laser wavelength, f r = Available focal length when adding a lens, f r0 = initial use between It may be possible focal length.
제5항에 있어서,
상기 초점과 초점 간의 거리Δ는 0.9fro 내지 1.5fro인 레이저 용접 장치.
6. The method of claim 5,
And the distance DELTA between the focal point and the focal point is 0.9f ro to 1.5f ro .
제3항에 있어서,
상기 도금층은 아연 도금층, 알류미늄 도금층 중 하나인 레이저 용접 장치.
The method of claim 3,
Wherein the plating layer is one of a zinc plated layer and an aluminum plated layer.
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