KR20240053919A - 레이저 용접 광학장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용접경로를 따라 용접공정을 수행하는 레이저 용접 광학장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피용접물의 용접면에 전열 또는 후열 처리와 용접경로를 추척할 수 있는 공정을 수행하여 용접품질을 향상시킬 수 있는 레이저 용접 광학장치에 관한 것이다.

Description

레이저 용접 광학장치 {Laser welding device}
본 발명은 용접경로를 따라 용접공정을 수행하는 레이저 용접 광학장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피용접물의 용접면에 전열 또는 후열 처리와 용접선 추적 가능한 공정을 수행하여 용접품질을 향상시킬 수 있는 레이저 용접 광학장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 용접이라 함은 레이저 광선을 열원으로하여 금속을 녹여 붙이는 다양한 용접방법 중 하나로 다양한 장점으로 인해 주목을 끌고 있다. 즉, 레이저 용접은 레이저 광선에너지의 높은 집중도로 열 영향부가 적어 모재에 화학적, 물리적, 기계적 변화를 주지 않는 장점과 어떤 분위기 속에서나 용접이 가능하다는 장점으로 인해 최근 사용 추세가 증가하고 있다.
특히 산화되기 쉬운 물질이나 대기 중에서 용접이 어려운 융점이 높은 물질의 용접도 수행할 수 있다. 이러한 레이저 용접은 좁은 비드 폭과 깊은 용입 깊이를 얻을 수 있으며, 금속을 용접하기에 필요한 용융점 온도까지 매우 빠르게 상승시킬 수 있다. 또한, 레이저 용접은 용접이 어려운 자성금속과 비전열성 금속, 방사선 물질 용접과 같은 특수한 용접도 수행할 수 있어 사용범위가 점차적으로 증가하고 있다.
이와 같은 장점으로 인해 최근 전기자동차의 핵심부품인 배터리, 구동모터 및 다양한 전기장치를 제조하기 위한 공정에 레이저 용접이 수행된다. 이때, 구리나 알루미늄 소재를 용접하는데, 구리 및 알루미늄의 소재 특성에 따라 용접면의 반사율이 일정하지 않아 용접면의 용융부족과 과용융 현상 및 용융풀의 기포현상과 스패터의 발생으로 인한 공정상의 문제가 되고 있다.
구동모터의 헤어핀을 용접하는 경우에는 구리 소재 선단면의 상태에 따라 반사율이 일정하지 않아, 파이버 레이저(fiber laser; 1030~1070nm)로 용접을 실시할 경우 동일한 스테이터(구동모터의 고정자)에서도 용융부족 또는 과용융이 발생되는 문제를 해결하기 위하여 용접전에 용접부를 샌드 페이퍼로 연마를 하는 등의 어려운 공정을 추가로 설치하는 경우가 있었다.
한편, 각형 배터리캔-캡 소재는 주로 알루미늄이 사용된다. 알루미늄 용접시 알루미늄은 약 660.3℃에서 용융되나 산화피막은 용융점이 2070℃로 피막을 제거하는 공정이 별도로 구성되어 있는 경우가 많다. 또한 알루미늄 레이저 용접시 순간적으로 용융과 응고가 진행되므로 이로 인해 용융풀의 기포의 형성과 스패터의 발생으로 공정상 문제가 되고 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위해 용접 대상물의 용접면의 레이저빔 흡수율을 일정하게 유지시킬 수 있어 양질의 용접공정을 수행할 수 있는 레이저 용접 광학장치의 개발이 필요한 실정이다.
1. 등록특허공보 제10-2279691호 '복수빔을 이용한 레이저 용접 장치 및 방법' (등록일자 2021.07.14) 2. 공개특허공보 제10-2021-0122545호 '레이저 용접 장치' (공개일자 2021.10.12)
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 용접면의 예열과 후열 공정을 선택적으로 수행할 수 있고, 용접라인을 추적하여 우수한 용접품질을 제공할 수 있는 레이저 용접 광학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 레이저 용접 광학장치는 1,030 내지 1,090nm 파장을 갖는 용접용레이저(FL); 입사되는 상기 용접용레이저(FL)의 광(10)을 빠르고 다양한 형상으로 움직이게 할 수 있는 메인 갈바노미러(500); 및 상기 메인 갈바노미러(500)의 하단부에 구비되어 상기 메인 갈바노미러(500)를 통과한 상기 용접용레이저광(10)을 피용접물의 표면에 초점을 맞추기 위한 에프세타렌즈(F-theta lens, 510);를 포함하고,
상기 용접용레이저(FL)의 일측에 구비되며, 150 내지 600nm의 파장을 갖는 제1보조레이저(GR); 및 상기 제1보조레이저(GR)의 하단에 결합되어 상기 제1보조레이저(GR)의 광(20) 경로를 조절시키기 위한 제1갈바노미러(600);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 용접용레이저(FL)의 일측에 구비되며, 750 내지 900nm의 파장을 갖는 제2보조레이저(IR); 및 상기 제2보조레이저(IR)의 하단에 결합되어 상기 제2보조레이저(IR)의 광(30) 경로를 조절시키기 위한 제2갈바노미러(700);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 용접용레이저(FL)의 하단에 결합되는 콜리메이터(C);가 결합되며, 상기 콜리메이터(C)를 통과한 용접용레이저광(10), 및 상기 제1보조레이저광(20) 또는 제1보조레이저광(20)을 결합시키기 위한 광결합기(beam combiner, 200);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 및 제2갈바노미러(600, 700의 하단에는 광분할기(beam spliter, 300, 400)가 각각 구비되며, 상기 광결합기(beam combiner, 200) 및 상기 광분할기(beam spliter, 300, 400)는 동축상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 광결합기(beam combiner, 200)의 하단에는 상기 콜리메이터(C), 용접용레이저광(10) 및 광결합기(200) 중 적어도 어느 하나를 모니터링하기 위한 파워 모니터링 센서(Power Monitoring Sensor; 800)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 광분할기(400) 후단에는 상기 피용접물의 표면에서 반사되는 반사광을 수광하여 용접 상태를 3차원적으로 모니터링하기 위한 광간섭단층촬영장치(OCT, 1000); 및 상기 피용접물의 용접상태를 촬영하기 위한 카메라(900)가 적어도 하나 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 용접 라인을 트랙킹함과 동시에 크리닝(Cleaning)을 수행하고, 뒤따라 오는 용접용레이저광으로 용접을 실시할 수 있다.
본 발명은 낮은 파장대의 레이저를 사용하여 용접면의 표면 처리를 위한 클리닝과 용접면의 예열 및 후열 공정을 사용자의 선택에 따라 수행할 수 있고, 레이저빔의 일정한 흡수율로 인한 용락현상 방지 및 스패터(Spatter)가 감소되어 용접 품질이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 용접 선단면의 반사율을 일정하게 만들기 위해 구리 표면에서 흡수율이 좋은 200~550nm 파장대의 그린 레이저를 갈바노미러에 통과시키고 이를 광결합기(beam Combiner)에서 용접용레이저와 결합할수 있다. 결합한 빔을 다시 갈바노미러를 통하여 출사하여 심트레킹과 표면처리를 동시에 실행할 수 있는 장점이 있다.
용접 심(seam)의 앞 부분에 비교적 저출력(20~300W)의 그린레이저를 지그재그 등 다양한 형태로 조사하여 피용접물(구리 재질)의 반사율을 조정시키거나, 알루미늄 용접의 경우에는 Al2O3 피막을 제거 할 수 있으며 유분이나 습기, 녹 등을 제거함과 동시에 예열의 효과를 얻을 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 본 발명의 레이저 용접 광학장치를 나타낸 도면.
도 2 는 본 발명의 제1 및 제2 갈바노미러의 작동 일실시예를 나타낸 도면.
도 3 은 본 발명의 피용접물에 레이저가 조사된 실시예를 나타낸 도면.
도 4 는 본 발명의 조사되는 레이저빔의 형태의 일실시예를 나타낸 도면.
도 5 내지 도 8 은 본 발명의 일실시예를 나타낸 도면.
도 9 는 조사되는 레이저빔의 형태의 일실시예를 나타낸 도면.
도 10 및 도 11 은 피용접물에 표면처리 전후 상태를 나타낸 사진.
도 12 및 도 13 은 피용접물에 용접공정이 수행된 일실시예를 나타낸 사진
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 레이저 용접 광학장치는 레이저빔을 이용하여 구리 또는 알루미늄 등 금속 소재를 용접하는 장치일 수 있으며, 언급한 범위로 한정하는 것이 아님을 밝혀둔다.
하술하는 내용에서 제1, 제2 등은 다양한 구성요소들을 서술하기 위해 사용되며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로 언급한 용어에 의해 제한되지 않는다.
도 1 을 참조하면 본 발명은 용접용레이저(FL), 광결합기(200), 메인갈바노미러(500), 제1갈바노미러(600) 등을 포함한다.
용접용레이저(FL)는 임의로 설정된 소정의 지름과 펄스를 갖는 용접용레이저광(10)를 발진시킨다. 용접용레이저광(10)은 파이버 레이저(Fiber Laser)에 해당할 수 있다. 용접용레이저광(10)은 1,030~1,090nm의 파장을 갖으며, 피용접물(S)에 레이저를 조사하여 용접공정을 수행한다. 피용접물은 헤어핀, 배터리 캔과 캡 등일 수 있다.
광결합기(200)는 용접용레이저광(10)의 경로를 변환시킨다. 광결합기(200)는 후술하는 다른방향에서 들어오는 광(용접용레이저광, 제1,2보조레이저광)의 파장 2~3개를 1개로 합쳐주는 역할을 수행한다.
제1보조레이저(GR)는 용접용레이저(FL)과 다른 파장을 갖는 레이저를 발진시킨다. 제1보조레이저(GR)는 알루미늄 또는 구리 재질의 피용접물의 표면에서 흡수율이 뛰어난 150~600nm 파장을 갖을 수 있다.
용접전, 제1보조레이저(GR)는 제1보조레이저광(20)이 용접지점을 선행하면서 예열해준다. 용접용레이저광(10)의 흡수율이 높아져 용접품질을 향상시킬 수 있다. 제1보조레이저광(20)은 블루레이저 또는 그린레이저 일 수 있다. 블루 레이저는 약430 ~ 450㎚ 파장대의 레이저이며, 그린레이저는 약 500 ~ 575 nm 의 파장대의 레이저이다.
광분할기(beam splitter; 300는 제1보조레이저광(20)의 진행방향을 변환시킬 수 있다. 광분할기(300)에서 반사되는 제1보조레이저광(20)은 광결합기(200)를 통과하여 용접용레이저광(10)과 함께 피용접물(S)에 조사된다.
메인갈바노미러(500)는 광결합기(200)를 통과한 용접용레이저광(10) 및 제1 보조레이저광(20)의 이동경로를 빠르고 다양한 형상으로 움직이게 할 수 있다.
메인갈바노미러(500)는 용접헤드를 이동시키지 않거나, 별도의 회전프리즘 등을 사용하지 않고도 일정범위 내에서 용접용레이저광(10) 및 제1보조레이저광(20)의 조사위치를 이동시킬 수 있다.
메인갈바노미러(500)와 피용접물(S) 사이에는 레이저의 조사위치가 변동되어도 항상 피용접물(S)의 용접면 표면에 가공 및 제1보조레이저광(20)의 초점을 맺히게 레이저의 초점을 조절하는 초점렌즈(510)가 더 구비될 수 있다. 초점렌즈(510)는 F-θ(theta) 렌즈일 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 제1보조레이저(GR)와 광분할기(300) 사이에 제1갈바노미러(600)가 구비될 수 있다. 제1갈바노미러(600)는 광분할기(300)에서 반사되는 제1보조레이저광(20)이 광결합기(200)에서 반사되는 용접용레이저광(10)과 서로 다른 경로로 이동할 수 있도록 조절할 수 있다
도 1 및 도 2 를 참조하면 본 발명은 제2보조레이저광(30)를 발진시키는 제2보조레이저(IR)와 광분할기(400)를 더 포함한다.
제2보조레이저(IR)는 용접용레이저광(10)보다 낮고, 제1보조레이저광(20)보다 높은 750~900nm 파장(적외선 영역)을 갖는 제2보조레이저광(30)를 발진시킨다. 제2보조레이저광(30)는 피용접물(S)에 조사된 후 반사될 수 있으며, 반사되는 레이저광을 측정하고, 측정된 정보를 기반으로 피용접물(S)에서 용접면의 심(seam)을 추적할 수 있다.
광분할기(400)는 제2보조레이저광(30)이 광분할기(400)로 입사되도록 제2보조레이저광(30)의 진행방향을 변환시킬 수 있다. 광분할기(400)는 광분할기(300)와 동일할 수 있다.
제2보조레이저(IR)와 광분할기(400)사이에는 제2갈바노미러(700)가 배치될 수 있으며, 제2갈바노미러(700)는 제2보조레이저광(30)의 경로를 용접용레이저광(10)과 서로 다르게 조절할 수 있다.
제2갈바노미러(700)가 광분할기(400)로 조사되는 제2보조레이저광(30)의 경로를 변경시키면 광분할기(400)에 도달하는 제2보조레이저광(30)의 위치가 달라진다. 동시에 광분할기(400)에서 반사되는 제2보조레이저광(30)은 용접용레이저광(10)와 다른 경로로 메인갈바노미러(500)에 도달한다.
따라서, 제2보조레이저광(30)는 용접용레이저광(10), 제1보조레이저광(20)과 상호 동축으로 피용접물(S)의 같은 위치에 조사되거나, 서로 다른 위치에 조사될 수 있다.
한편, 광분할기(400)는 광결합기(200)에서 반사되는 용접용레이저광(10)과 동일한 방향 및 동축으로 제2보조레이저광(30)를 반사시키기 위해 광결합기(200) 및 광분할기(300)과 동일한 축방향으로 배치된다. 즉, 도 1 을 참조하면 광결합기, 광분할기(200,300,400)는 동축상에 배치될 수 있다.
이들(200, 300, 400)은 동축상에 배치되지만, 제1 및 2갈바노미러(600, 700)에 의하여 용접용레이저광(10)과 다른 경로로, 제2, 3 보조레이저광(20, 30)이 조사될 수 있다. 즉, 광결합기(200) 및 광분할기(300, 400)내에서 레이저광들(10, 20, 30)은 동축이 아니라 다양한 방향으로 이동될 수 있다. (도2 참조)
도 3 을 참조하면 광결합기(200) 및 광분할기(300, 400) 등은 동축에 배치되지만, 제1,2갈바노미러(600, 700)가 제2,3보조레이저광(20, 30)의 경로를 변경시키면 각각의 보조레이저광(20,30)이 메인갈바노미러(500)의 다른 위치로 도달한다. 따라서, 피용접물(S)에 도달하는 제2,3보조레이저광(20,30)와 용접용레이저광(10)의 위치는 서로 다를 수 있다.
일실시예로 도 4 를 참조하면 용접용레이저광(10)이 직선을 그리며 이동할 때, 제1갈바노미러(600)의 조작에 따라 용접용레이저광(10)와 함께 이동하는 제1보조레이저광(20)는 특정한 패턴(지그재그 이동, 워블링(wobbling) 이동 등)을 그리며 용접면에 조사될 수 있다. 용접용레이저광(10)의 전단 또는 후단에 제1보조레이저광(20)를 조사하여 용접지점을 예열 또는 후열을 수행할 수 있다.
그리고 도 3 및 도 4 를 참조하면 제2갈바노미러(700)로 인해 제2보조레이저광(30)은 제1보조레이저광(20)의 전단에 위치하여 피용접물(S)에 조사될 수 있고, 제2갈바노미러(700)의 조작에 의해 그 위치는 변경될 수 있다.
[실시예1]
도 5 를 참조하면 일실시예로 용접용레이저(FL)와 제1 보조레이저(GR)만 구비되어 제1 보조레이저광(20)이 피용접물(S)에 용접지점을 선행하면서 예열한 후 용접용레이저광(10)을 통해 용접공정이 수행될 수 있다.
[실시예2]
도 6 을 참조하면 다른 실시예로 용접용레이저(FL)와 제2 보조레이저(IR)만 구비되어 제2 보조레이저광(30)이 피용접물(S) 용접면의 심(seam)을 추적한 후 이에 대응하여 용접공정을 수행할 수 있다.
[실시예3]
도 7 을 참조하면 본 발명의 또 다른 실시예로 용접용레이저(FL)와 제1 및제2 보조레이저(GR,IR)가 구비되어 제1 및 제2 보조레이저광(20,30)이 피용접물(S)의 예열과 심(seam)을 추적한 후 용접용레이저광(10)을 통해 용접공정을 수행할 수 있다.
[실시예4]
도 8 을 참조하여 상기 실시예1,2,3 중 어느 하나의 실시예에는 광결합기(beam combiner, 200)의 상단, 제1 및 제2 갈바노미러(600,700) 상단에는 콜리메이터(C)가 더 구비되어 각각의 레이저광(10,20,30)의 평행광선을 유지시켜줄 수 있다. 그리고, 광결합기(beam combiner, 200)의 하단에는 용접용레이저광(10) 및 광결합기(200) 중 적어도 어느 하나를 모니터링하기 위한 파워 모니터링 센서(Power Monitoring Sensor; 800)가 더 구비될 수 있다.
[실시예5]
도 1 및 도 8 을 참고하여 상기 실시예1,2,3 중 어느 하나의 실시예에는 피용접물(S)로부터 반사되는 레이저를 디지털화하는 카메라(900)를 더 포함할 수 있다. 카메라(900)는 빛을 전하로 변환시켜 이미지를 얻어내는 CCD (Charge-Coupled Device)센서 또는 광간섭성 단층촬영(Optical Coherence Tonograpy) 기술을 이용하여 검사 대상의 단층 형상을 얻을 수 있는 OCT 센서(1000)일 수 있다.
한편, 도 9 를 참조하면 본 발명의 용접용레이저광(10)은 중심빔을 형성하고, 제1보조레이저광(20)과 제2보조레이저광(30)은 용접용레이저광(10)의 중심을 기준으로 기설정된 반경 이내의 영역에 조사되는 외곽빔으로 피용접물(S)에 조사될 수 있다. 즉, 제1보조레이저광(20)와 제2보조레이저광(30)은 엑시콘(Axicon) 렌즈를 통과하여 환형 레이저빔으로 피용접물(S)에 조사될 수 있다. 따라서, 용접용레이저광(10)와 제1보조레이저광(20) 및 제2보조레이저광(30)가 동축을 이루는 경우에도 피용접물(S)에 각각의 레이저가 구분되어 조사될 수 있다.
도 10 및 도 11 에서 구리와 알루미늄에 용접용레이저광(10)의 흡수율을 일정하게 유지시켜줄 수 있도록 제1 보조레이저광(20)과 동일한 파장을 갖는 레이저를 이용하여 표면처리한 실시예를 확인할 수 있다.
그리고 도 12 및 도 13 은 용접용레이저(FL)와 제2 보조레이저(IR)만 사용하여 용접공정을 수행한 피용접물(S)을 나타낸 도면이고, 도 13 은 용접용레이저(FL)와 제1 및 제2 보조레이저(GL,IR)을 사용하여 용접공정을 수행한 피용접물(S)을 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 13에서 확인할 수 있듯이 본 발명은 예열, 심(seam) 추적 및 용접이 동시에 수행되어 용접이 개시되는 시점의 차이로 인한 용접면의 산화 및 용접면의 오염이 발생되어 용접품질을 저하시키는 문제점을 개선하고, 용접부 표면에서 용접용레이저광(10)의 흡수율을 일정하게 유지시켜 양호한 용접품질을 얻을 수 있다.
FL : 용접용레이저 GR : 제1보조레이저
IR : 제2보조레이저 500 : 메인갈바노미러
600 : 제1갈바노미러 700 : 제2갈바노미러

Claims (6)

1,030 내지 1,090nm 파장을 갖는 용접용레이저(FL); 입사되는 상기 용접용레이저(FL)의 광(10)을 빠르고 다양한 형상으로 움직이게 할 수 있는 메인 갈바노미러(500); 및 상기 메인 갈바노미러(500)의 하단부에 구비되어 상기 메인 갈바노미러(500)를 통과한 상기 용접용레이저광(10)을 피용접물의 표면에 초점을 맞추기 위한 에프세타렌즈(F-theta lens, 510);를 포함하는 레이저 용접 광학장치에 있어서,
상기 용접용레이저(FL)의 일측에 구비되며, 150 내지 600nm의 파장을 갖는 제1보조레이저(GR); 및
상기 제1보조레이저(GR)의 하단에 결합되어 상기 제1보조레이저(GR)의 광(20) 경로를 조절시키기 위한 제1갈바노미러(600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 광학장치.
제 1 항에 있어서,
상기 용접용레이저(FL)의 일측에 구비되며, 750 내지 900nm의 파장을 갖는 제2보조레이저(IR); 및
상기 제2보조레이저(IR)의 하단에 결합되어 상기 제2보조레이저(IR)의 광(30) 경로를 조절시키기 위한 제2갈바노미러(700);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 광학장치.
제1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 용접용레이저(FL)의 하단에 결합되는 콜리메이터(C);가 결합되며, 상기 콜리메이터(C)를 통과한 용접용레이저광(10), 및 상기 제1보조레이저광(20) 또는 제1보조레이저광(20)을 결합시키기 위한 광결합기(beam combiner, 200);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 광학장치.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 및 제2갈바노미러(600, 700의 하단에는 광분할기(beam spliter, 300, 400)가 각각 구비되며,
상기 광결합기(beam combiner, 200) 및 상기 광분할기(beam spliter, 300, 400)는 동축상에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 광학장치.
제 3 항에 있어서,
상기 광결합기(beam combiner, 200)의 하단에는 상기 콜리메이터(C), 용접용레이저광(10) 및 광결합기(200) 중 적어도 어느 하나를 모니터링하기 위한 파워 모니터링 센서(Power Monitoring Sensor; 800)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 광학장치.
제 4 항에 있어서,
상기 광분할기(400) 후단에는 상기 피용접물의 표면에서 반사되는 반사광을 수광하여 용접 상태를 3차원적으로 모니터링하기 위한 광간섭단층촬영장치(OCT, 1000); 및 상기 피용접물의 용접상태를 촬영하기 위한 카메라(900)가 적어도 하나 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 광학 장치.
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