WO2022050538A1 - 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치 및 이를 이용한 레이저 용접 방법 - Google Patents

안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치 및 이를 이용한 레이저 용접 방법 Download PDF

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    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the present invention relates to a laser apparatus for enabling stable laser welding using a laser beam having a plurality of wavelengths, and a laser welding technology using the same.
  • Laser welding is a welding method in which a laser beam is used to join different materials. Laser welding does not change the chemical, physical, or mechanical settings of the base material because the heat affected zone is small due to the high concentration of laser beam energy. In the case of easily oxidized materials, it can be solved by laser vacuum welding. The quality of the weld surface of laser welding is superior to that of conventional heat resistance or gas welding, and it is widely used because it has advantages such as enabling safe welding by irradiating a laser from a distance to perform welding.
  • a laser processing apparatus for processing an object using a laser has been published in various ways, such as Korean Patent Laid-Open No. 10-2004-0015996.
  • An optical system for focusing a laser beam emitted from a laser to an object is applied to such a laser processing apparatus.
  • a laser beam for welding is irradiated from a laser light source, and the irradiated laser beam is irradiated to an object to perform laser welding.
  • the most widely used solid-state laser for laser welding is a YAG laser that generates a light beam having a wavelength of about 1 ⁇ m, and a representative Nd:YAG laser has a basic wavelength of 1064 nm.
  • the optical coupling between the object to be welded and the laser beam is important. If the optical bonding property is not good, the reflectance is high and the absorption efficiency of laser energy is low, so it is difficult to obtain a good weld joint.
  • a YAG laser beam with a fundamental wavelength (eg 1064 nm) has poor optical coupling to copper or gold.
  • the YAG laser beam of the second harmonic (532 nm) is superimposed on the same optical axis as the pulse laser beam of the YAG fundamental wave to irradiate the object.
  • a welding method can be applied.
  • the keyhole or penetration depth is still insufficient because the laser beam of the second harmonic, which is given as an intermittently repeated pulse, has a short optical coupling time with the object, and lasers of different wavelengths Since the overlap rate of the beam greatly affects welding such as the penetration depth and the uniformity of appearance quality, it is necessary to select an overlap rate that can obtain uniform heat input.
  • the object is a metal material including an aluminum material
  • the energy could not be absorbed and escaped to the outside, resulting in a marked decrease in the absorption rate of the laser beam, and the high thermal expansion coefficient, which caused cracks or pores during welding due to volume change, so that there was a problem in that welding was not performed stably.
  • the output of the laser is increased, there is a problem in that the welding quality is deteriorated because fragments such as spatters are generated at the welding part of the object, such as a metal material.
  • laser beams of different wavelength bands are combined into a hybrid ring mode laser beam composed of a central beam and an outer beam, so that an object is located through an optical fiber.
  • a laser device using an optical fiber for stable laser welding that outputs in the direction of output and uses a hybrid ring mode laser beam to perform welding as a heat source of the central beam while lowering the temperature gradient by preheating and postheating effects on the welding part of the object and To provide a laser welding method using the same.
  • the technical task to be achieved by the present embodiment is not limited to the technical task as described above, and other technical tasks may exist.
  • a laser light source for irradiating a first laser beam having a first wavelength band in a direction in which an object is located; a second laser light source irradiating a second laser beam having a second wavelength band in a direction in which the object is located; It is connected to the first laser light source and the second laser light source, so that the first laser beam forms a central beam, and the second laser beam forms an outer beam in an outer region within a preset radius with respect to the central beam.
  • a combiner including a plurality of optical fibers for combining beams to be combined into a hybrid ring mode type laser beam; And it provides a laser device using an optical fiber for stable laser welding, including a delivery optical fiber (fiber delivery) for delivering the hybrid ring mode type laser beam output from the combiner in a direction in which the object is located.
  • a delivery optical fiber fiber delivery
  • it may further include a lens positioned between the delivery optical fiber and the target to focus the laser beam output from the delivery optical fiber to the target.
  • the delivery optical fiber includes a core part made of a single core and a cladding part made of at least one clad, and the combiner is a first for coupling the first laser beam to the core part. It may include an optical fiber for coupling one beam, and at least one optical fiber for coupling a second beam for coupling the second laser beam to the cladding unit.
  • the refractive index of the cladding portion is gradually lowered as it moves away from the core portion based on the core portion.
  • the delivery optical fiber is located between the core part and the cladding part, and further includes an interlayer having a lower refractive index than the core part, and the interlayer serves as a deep between the central beam and the outer beam.
  • the hybrid ring mode type laser beam is separated into a central beam and an outer beam to be output.
  • the first laser light source when the object is a metal material including aluminum, the first laser light source outputs a first laser beam in a wavelength band of 1030 to 1090 nm, and the second laser light source is 780 to The second laser beam having a wavelength band of 980 nm is output.
  • the first laser light source when the object is a metal material including copper, the first laser light source outputs a first laser beam in a wavelength band of 1030 to 1090 nm, and the second laser light source is 400 to The second laser beam having a wavelength band of 550 nm is output.
  • the first laser light source is composed of a fiber laser
  • the second laser light source is composed of a direct diode laser (DDL).
  • DDL direct diode laser
  • a laser welding method performed by a laser apparatus using an optical fiber for welding by irradiating a laser to an object, a) having a first laser beam having a first wavelength band and a second wavelength band each of the second laser beams being output; b) forming the first laser beam as a center beam, forming the second laser beam as an outer beam in an outer area within a preset radius with respect to the center beam, and combining them into a hybrid ring mode laser beam ; And c) provides a laser welding method using a laser device using an optical fiber, comprising the step of transmitting the laser beam of the hybrid ring mode in the direction of the welding portion of the object through the optical fiber to proceed with laser welding.
  • the method may further include focusing the hybrid ring mode laser beam output from the optical fiber to the welding part of the object through a lens.
  • the optical fiber includes a core portion consisting of a single core and a cladding portion consisting of at least one or more cladding, and an interlayer having a lower refractive index than that of the core portion between the core portion and the cladding portion,
  • the interlayer serves as a deep layer between the center beam and the outer beam so that the hybrid ring mode laser beam is separated into the center beam and the outer beam to be output.
  • a laser welding method performed by a laser apparatus using an optical fiber for welding by irradiating a laser to an object a) having a first laser beam having a first wavelength band and a second wavelength band each of the second laser beams being output; b) forming the first laser beam as a center beam, forming the second laser beam as an outer beam in an outer area within a preset radius with respect to the center beam, and combining them into a hybrid ring mode laser beam ; c) outputting the hybrid ring mode laser beam in the direction of the welding part of the object through an optical fiber; and d) performing welding while the laser beam in the hybrid ring mode is irradiated to the welding part in the order of the outer beam, the center beam, and the outer beam according to a preset welding progress direction.
  • a laser welding method using a laser device is provided.
  • the optical fiber in step c), includes a core portion consisting of a single core and a cladding portion consisting of at least one cladding, and a refractive index lower than that of the core portion between the core portion and the cladding portion Including an inter-layer having
  • step d) in step d), d-1) of the hybrid ring mode type laser beam, an outer beam first irradiated to the welding portion provides initial heating heat to the welding portion to cause a phase change to the object to proceed; d-2) step of irradiating the center beam to the welding portion in which the phase change has progressed to perform welding; and d-3) performing annealing treatment by performing post-heat treatment while the outer beam is irradiated to the welded portion where the welding has been performed.
  • step d-2 the outer beam formed in the outer region of the center beam acts as an outer heat source to act as the welding heat of the center beam while the heat input of the welding portion is preserved.
  • a keyhole is formed in the welding part, and welding is performed.
  • the first laser beam has a wavelength band of 1030 to 1090 nm
  • the second laser beam has a wavelength band of 780 to 980 nm.
  • the first laser beam has a wavelength band of 1030 to 1090 nm
  • the second laser beam has a wavelength band of 400 to 550 nm.
  • the present invention is a hybrid ring mode laser beam using a diode laser at the center of an outer beam using a fiber laser, so that the welding part of the object is heated with a sufficient amount of heat input. Since it is welded with the heat source of the central beam in the state, there is an effect that the temperature gradient of the welding part is low, so that solidification cracks do not occur, and problems such as spatter and pores can be minimized.
  • the present invention can be applied as a light source for initial heating by selecting a wavelength with high absorption according to the physical properties of the object. Seam welding can be performed by increasing It can provide uniform and stable welding quality.
  • 1 is a view for explaining a welding state of a general secondary battery connection part.
  • FIG. 2 is a graph illustrating laser absorption rates according to wavelengths for objects made of copper and aluminum materials.
  • 3 is a graph illustrating a laser absorption rate according to wavelength for a metal welding object.
  • FIG. 4 is a view for explaining the configuration of a laser device using a stable optical fiber for laser welding according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 is a view for explaining the configuration of a combiner according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a view for explaining a delivery optical fiber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a refractive index distribution of a delivery optical fiber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining a shape of a laser beam in a hybrid ring mode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining a beam spot for explaining a hybrid ring mode type laser beam according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining an intensity distribution of a laser beam in a hybrid ring mode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating a laser beam output process in a hybrid ring mode of a laser welding method using a laser device using an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating a welding process using a hybrid ring mode laser beam of a laser welding method using a laser device using an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view for explaining a welding process for a welding part of an object according to a welding progress direction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view for explaining a temperature profile of a laser beam in a hybrid ring mode according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a view for explaining various types of beam shapes according to beam mode control according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a view illustrating a comparison between a welding state by a laser welding method using a laser welding method using an optical fiber according to an embodiment of the present invention and a general welding state using a single wavelength.
  • FIG. 1 is a view for explaining a welding state of a general secondary battery connection part
  • FIG. 2 is a graph for explaining the laser absorption rate according to wavelength for an object made of copper and aluminum material
  • FIG. It is a graph explaining the laser absorption rate according to
  • a secondary battery includes a plurality of unit cells therein, and in general, a pair of external terminal tabs connected to the electrodes of each cell (that is, one negative electrode to which the negative electrodes of each unit cell are connected, each cell It is a single positive electrode connected to the positive poles of each cell, and a pair is provided for each battery, and the tab functioning as an electrode is exposed to the outside
  • the tab of the cell is divided into a positive electrode tab and a negative electrode tab, a positive electrode tab and a negative electrode tab
  • the positive electrode tab is made of aluminum (Al) and the negative electrode tab is copper (Cu) or nickel (ni) plated copper.
  • the anode tab and the cathode tab are made of different metals in order to increase electrochemical reactivity and stability.
  • copper (Cu) is a metal that conducts electricity and heat well, and has a thermal conductivity of 400 W/m-K, an atomic weight of 63.546 g/mol, a density of 8.94 g/cm3, a melting point of 1084.62 °C, and a boiling point of 2562 °C.
  • aluminum (Al) is a metal that conducts electricity and heat relatively well, and the reflectivity increases as the wavelength increases, thermal conductivity 237 W/mK, atomic weight 63.546 g/mol, density 2.7 g/cm3, melting point 660 °C, boiling point 2495 It has a characteristic of °C (3527 °C at oxidation state).
  • the cell tabs are joined by welding. Since the positive electrode tab and the negative electrode tab are made of different metals, there may be a problem in that bonding is not performed smoothly due to a difference in physical properties.
  • the laser absorption rates of copper and aluminum are different for each wavelength band of the laser. That is, in the case of aluminum, it is difficult to weld an infrared (IR) laser light source due to a difference in absorption wavelength characteristics, and in the case of copper, an infrared laser light source cannot be used because it has good short wavelength absorption characteristics. It can be seen that a general metal such as copper has a lower light absorption rate as the wavelength increases, whereas aluminum has the best light absorption rate at 870 to 890 nm.
  • IR infrared
  • thermal expansion is when most metals expand when heated and contract when the temperature decreases. Each metal has a different amount of expansion, which is measured by the coefficient of thermal expansion.
  • the thermal expansion coefficient of a metal material can be arranged in the order of lead > zinc > magnesium > electron > aluminum > tin > duralumin > silver > copper/brass > yang silver.
  • the present invention can reduce the initial reflection by applying a laser beam for outer heating shielding and a laser light source having a high absorption rate of the laser wavelength in the case of an object made of a material with high heat transfer, and minimize stress after laser welding It is possible to provide a laser device using an optical fiber capable of performing stable laser welding by enabling the process.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of a laser device using a stable optical fiber for laser welding according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of a combiner according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a view for explaining a delivery optical fiber according to an embodiment of the present invention.
  • a laser device 100 using a stable optical fiber for laser welding includes a first laser light source 111 , a second laser light source 112 , a combiner 116 , a delivery optical fiber 115 and a lens ( 117), but is not limited thereto.
  • the first laser light source 111 irradiates a first laser beam having a first wavelength band in a direction in which the object is positioned
  • the second laser light source 112 is a second laser beam having a second wavelength band in a direction in which the object is positioned.
  • at least one or more objects are supported by an object support (not shown) disposed at the lower portion of the laser device 100 , that is, at a position to which the laser beam is irradiated, and to be sequentially moved one by one to the position to which the laser beam is irradiated.
  • the laser beam output from the laser device 100 may move in a direction in which the object is located by a separate optical system.
  • the first laser light source 111 uses a light source that is excellent in quality and outputs a laser beam of a long wavelength band, and the second laser light source 112 has poor quality of the laser beam compared to the first laser light source 111, but is economical and , a light source that outputs a laser beam of a lower wavelength band than that of the first laser light source 111 is used.
  • the first laser light source 111 is composed of a fiber laser having a wavelength band of 1030 to 1090 nm
  • the second laser light source 112 is a wavelength band of 780 to 980 nm.
  • DDL direct diode laser
  • the first laser light source 111 and the second laser light source 112 are connected to one end, and the delivery optical fiber 115 is connected to the other end. 5, the first laser beam output from the first laser light source 111 forms a central beam in the combiner 116 in an outer region within a preset radius based on the central beam.
  • the second laser beam output from the second laser light source 112 is formed as an outer beam so as to be combined into a hybrid ring mode laser beam.
  • the combiner 116 includes a plurality of beam combining optical fibers 116a and 116b, and the first beam combining optical fiber 116a includes the first laser light source 111 and the core portion 115a of the delivery optical fiber 115 . ) between the first laser beam is output through the core part 115a, and a plurality of second laser output optical fibers 116b disposed to surround the periphery of the first beam coupling optical fiber 116a is a second laser light source It is positioned between 112 and the cladding part 115b of the delivery optical fiber 115 so that the second laser beam is output through the cladding part 115b.
  • the delivery optical fiber 115 transmits the hybrid ring mode laser beam output from the combiner 116 in the direction in which the object is located.
  • the delivery optical fiber 115 includes a core part 115a made of a single core, a cladding part 115b made of at least one clad, and an acrylic coating layer 115c, wherein at least one clad has a size of tens to hundreds of ⁇ m. , can be in several shapes, such as round or square.
  • the delivery optical fiber 115 has an interlayer structure between the core part 115a and the cladding part 115b, and a central beam incident to the core part 115a and the cladding part 115b. It transmits the outer beam incident to the
  • the delivery optical fiber 115 may have a core part 115a having a diameter of 50-100 ⁇ m, a cladding part 115b having a diameter of about 400 ⁇ m, and a refractive index (Reflective Index, RI) of the cladding part 115b.
  • the value increases step by step as it approaches the core portion 115a.
  • the delivery optical fiber 115 selects a Numerical Aperture (NA) value according to the diameter and refractive index so that the center beam and the outer beam are not coupled while outputting the laser beam without loss, where NA is , and the relationship of n 1 > n 2 is satisfied between the refractive index n 1 of the medium 1 and the refractive index n 2 of the medium 2.
  • NA Numerical Aperture
  • the NA between the core and the interlayer (1) is about 0.22
  • the NA between the interlayer and the primary clad (2) is about 0.22
  • the NA of (3) can be greater than 0.3
  • the NA between the 1st clad and the 3rd clad (4) can be selected to be greater than 0.4.
  • the high-power light source is stably operated, and in particular, it is effective in a welding method using a laser beam that separates the center beam and the outer beam in space and outputs them.
  • the NA between the core and the interlayer is 0.05 or more and 0.3 or less
  • the NA between the primary clad and the secondary clad is 0.05 or more and 0.3 or less
  • the primary clad and the tertiary The NA between the clads is designed to have a value of not less than 0.05 and less than 0.5, so that high-power light can be transmitted stably in the optical fiber.
  • the lens 117 is positioned between the delivery optical fiber 115 and the object, and focuses the laser beam output from the delivery optical fiber 115 on the object.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the refractive index distribution of a delivery optical fiber according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a shape of a laser beam in a hybrid ring mode according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a view for explaining a beam spot for explaining a laser beam of a hybrid ring mode type according to an embodiment of the present invention
  • FIG. It is a figure explaining intensity distribution.
  • the delivery optical fiber 115 includes a core part 115a, a cladding part 115b, an inter layer formed between the core part 115a and the cladding part 115b, and an acrylic coating layer 115c. ) is made of At this time, the core part 115a is made of a single core, the cladding part 115b is made of a primary clad, a secondary clad, and a tertiary clad, and an interlayer exists between the core and the primary clad.
  • the difference in refractive index between the core and the primary clad of the delivery optical fiber 115 is approximately 0.00145 or less, the difference in refractive index between the primary clad and the secondary clad is 0.0167 or less, and the difference in refractive index between the secondary clad and the tertiary clad is 0.0578 or less,
  • the difference in refractive index between the core and the inter layer may be about 0.0167 or more, and the difference in refractive index between the inter layer and the primary clad may be 0.0167 or less.
  • the NA between the primary clad and the secondary clad of the cladding unit 115b be about 0.22, and the NA between the primary clad and the tertiary clad is about 0.46.
  • the secondary clad has the same refractive index as that of the interlayer so that light in the primary clad can be guided well, and the tertiary clad has a lower refractive index than that of the primary clad and secondary clad to protect the external guide characteristics. It is designed to prevent light from escaping out of the optical fiber.
  • the refractive index of the core may be 1.45875 (or 1.4573)
  • the refractive index of the primary clad may be 1.4573
  • the refractive index of the secondary clad may be 1.4406
  • the refractive index of the tertiary clad may be 1.3828
  • the inter The refractive index of the layer may be 1.4406, and the refractive index of the acrylic coating layer 115c may be 1.515.
  • NA 0.229397
  • the condition that the NA between the core and the interlayer has a value of 0.05 or more and 0.3 or less is satisfied.
  • the refractive indices of the 1st clad, 2nd clad, and 3rd clad can be set respectively to have values that satisfy the design conditions for the above NA values.
  • the delivery optical fiber 115 has a core diameter of 0 to 50 ⁇ m, an interlayer diameter of 50 to 70 ⁇ m, a primary clad diameter of 70 to 400 ⁇ m, a secondary clad diameter of 440 ⁇ m, and a third clad diameter. may have a diameter of 500 ⁇ m and a diameter of the acrylic coating layer of 550 ⁇ m.
  • the first laser beam and the second laser beam combined by the combiner 116 pass through the delivery optical fiber 115 due to the difference in refractive index between the core part 115a and the cladding part 115b in FIGS.
  • the laser beam may be output as a hybrid ring mode type laser beam composed of a central beam and an outer beam.
  • the central beam delivered to the core part 115a of the delivery optical fiber 115 has excellent beam quality and a laser light source having a long wavelength (1080 nm), and the outer beam delivered to the cladding part 115b is a diode-based short wavelength (915 nm). or 415 nm) by connecting each of the laser light sources to output a hybrid ring mode beam composed of a central beam of a long wavelength and an outer beam of a short wavelength, thereby making it economical and improving efficiency of heat shielding.
  • the difference in refractive index between the core part 115a and the cladding part 115b, the refractive index difference between the primary cladding, the secondary cladding and the tertiary cladding of the cladding part 115, that is, the cladding part 115b. is such that the refractive index gradually decreases as the distance from the core part 115a increases, and since the interlayer positioned between the core and the primary clad has a lower refractive index than the primary clad and the core, the interlayer has a lower refractive index than that of the central beam and the outer beam.
  • D1 Deep
  • the focal intensity distribution of the laser beam has a shape different from that of the conventional single peak Gaussian distribution due to the difference in the refractive index distribution within the delivery optical fiber 115 . That is, as shown in FIG. 8, in the hybrid ring mode laser beam, the central beam has a Gaussian distribution shape, and the outer beam surrounds the central beam in a ring (or ring) shape in which the laser beam exists separately. and the central beam and the outer beam can be adjusted so that they can be output independently.
  • the absorption rate of laser wavelength can be increased by preheating treatment through the outer beam. This enables uniform and stable welding as a whole.
  • laser welding is performed by irradiating a hybrid ring mode type laser beam output through one optical fiber to an object, it is possible to reduce the size and weight of the laser device, thereby reducing the size of the overall laser device and using the delivery optical fiber 115 .
  • Laser welding of relatively distant objects is possible, and the selection and arrangement of components can be flexibly determined.
  • the cladding part 115b is formed in a double cladding structure of an inner cladding and an outer cladding in a double cylinder shape, between the inner cladding and the outer cladding, between the core and the primary cladding.
  • An inter layer inter2 performing the same role as the inter layer inter1 may exist, and the outer beam may be formed in a double ring shape according to a double cladding structure.
  • the outer beam may be divided into an inner outer beam and an outer outer beam based on the central beam.
  • the outer beam sufficiently raises the temperature of the welding part of the object to increase the absorption rate of the laser wavelength, and the center beam forms a keyhole to perform welding. After processing, the outer beam is allowed to perform post-heat treatment again.
  • the laser device 100 using such an optical fiber may further include a pyro-monitor (not shown) as a temperature sensor, and the pyro-monitor may monitor a temperature change according to a phase change occurring on the surface of the object.
  • the laser apparatus 100 using an optical fiber may be applied to a laser welding apparatus in a room temperature environment or a laser welding apparatus in a vacuum environment.
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining a hybrid ring mode laser beam output process of a laser welding method using a laser apparatus using an optical fiber according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is an optical fiber according to an embodiment of the present invention. It is a flowchart for explaining a welding process using a laser beam of a hybrid ring mode type of a laser welding method using a laser device
  • FIG. 13 is a welding process for a welding part of an object according to a welding progress direction according to an embodiment of the present invention.
  • It is an explanatory drawing. 14 is a view for explaining the temperature profile of a laser beam of a hybrid ring mode type according to an embodiment of the present invention, and FIG.
  • FIG. 15 is a view for explaining various types of beam shapes according to beam mode control according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 16 is a view illustrating a comparison between a welding state by a laser welding method using a laser apparatus using an optical fiber according to an embodiment of the present invention and a welding state using a general single wavelength.
  • the laser device 100 using an optical fiber outputs a first laser beam having a first wavelength band from a first laser light source 111 and a second wavelength band from a second laser light source 112 .
  • Each of the second laser beams is output (S10).
  • the combiner 116 combines the first laser beam and the second laser beam, the first laser beam is coupled to the core part 115a of the delivery optical fiber 115 to form a central beam, and the second laser beam is It is coupled to the cladding portion 115b of the delivery optical fiber 115 to form an outer beam in an outer region within a preset radius based on the central beam (S20).
  • the delivery optical fiber 115 transmits the laser beam transmitted through the core part 115a and the cladding part 115b in the direction of the welding part of the object to perform laser welding (S30).
  • the laser beam in the hybrid ring mode contacts the welding part of the object in the order of the outer beam, the center beam, and then the outer beam, according to a preset welding direction, and welding is performed.
  • the initial heating heat is provided to the welding part to cause a phase change (S31), and the center beam is irradiated to the welding part where the phase change has been performed by the initial heating heat, and welding is performed (S32) , the outer beam is irradiated again to the welded portion where the welding has been performed, and annealing may be performed through post-heat treatment (S32, S33).
  • FIGS. 11 and 12 may be divided into additional steps or combined into fewer steps according to an embodiment of the present invention.
  • some steps may be omitted if necessary, and the order between steps may be changed.
  • the outer beam b2 is initially applied to the solid state welding part.
  • the first phase change temperature T1 is provided so that a phase change occurs from the solid state to the fluid state of the welding part, and the heat input to the welding part of the object is preserved in the state of being transferred to the center beam b1. Due to this, welding proceeds, and the outer beam b2 provides a temperature T1 at which the welding part embrittlement does not occur, so that welding can be completed while satisfying the annealing condition.
  • the central beam b1 allows the welding to be performed at a temperature T2 at which the welding part in a fluid state is liquefied or vaporized, that is, the second phase change temperature T2, to perform seam welding.
  • the temperature change (gradient) due to the dip D1 may transfer the heat flow from a high temperature point to a low temperature point, thereby effectively transferring heat.
  • a non-ferrous material aluminum, copper
  • most of the heat is transferred to the outside in the case of a sample with a large surface area and volume, so that the temperature of the welding part to be processed cannot be quickly increased.
  • FIG. 14 when the laser beam in the hybrid ring mode has a temperature gradient, the applied heat is continuously transferred to the dip D1 to increase the temperature faster. This temperature rise becomes the energy to change into a phase change (solid -> liquid -> gas).
  • the welding part is preheated at T1 temperature, welded at T2 temperature, and then post-heated at T1 temperature again. It can be reduced, and since the welding heat is applied in a state where the phase change to a fluid state is continued, welding deformation such as thermal cracks can be suppressed.
  • the first laser light source 111 irradiates a central beam of a wavelength band of 1030 to 1090 nm
  • the second laser light source 112 is 780 to 980 nm, particularly in a wavelength band of 910 nm. of the second laser beam.
  • the combiner 116 combines the first laser beam to become the central beam b1 and the second laser beam to become the outer beam b2, and the delivery optical fiber 115 combines the hybrid ring mode laser beam with the welding part. output as
  • a second laser beam using a diode laser having a high absorption rate is used as an outer beam.
  • the preheating and postheating effect lowers the temperature gradient to prevent solidification cracking.
  • a hybrid ring-shaped laser beam in which a first laser beam using a fiber laser forms a central beam and a second laser beam using a diode laser forms an outer beam in an outer region of the central beam is sufficient as an outer heat source of the outer beam. Because it is welded with the heat source of the central beam in the state of being heated by heat, the temperature gradient of the welded part is low, so that solidification cracks do not occur.
  • the outer beam irradiates the solid surface that the non-ferrous metal reflects with respect to the laser beam at the beginning of welding with a wavelength different from the conventional fiber laser wavelength (1030-1090 nm) to the welding part.
  • the temperature is raised through rapid energy absorption, and after this temperature is concentrated in the center of the welding part, the central beam is irradiated to make the state of the absorbed surface.
  • the laser apparatus 100 using a stable optical fiber for laser welding may perform beam mode control using a laser beam in the form of a central beam, an outer beam, and a hybrid ring mode through a controller (not shown).
  • the control unit is a computing including a communication module (not shown), a memory (not shown), a processor (not shown), and a database (not shown) so as to control the operation of each component of the laser device 100 using an optical fiber. It can be implemented in the device.
  • Such a control unit may be implemented as a smart phone, TV, PDA, tablet PC, PC, notebook PC, and other user terminal devices.
  • the weld pool can be further stabilized, and not only copper but also aluminum It is very suitable for welding of
  • the hybrid ring mode type laser beam composed of the central beam and the outer beam provides an appropriate temperature for preheating, welding heat, and postheating to the welding part, thereby providing solid, liquid (fluid) ), a phase change occurs in the vapor state, and it can be seen that the laser absorbance ( ⁇ ) changes from 5% ⁇ 10% ⁇ 60% or more based on 1 ⁇ m unit during this phase change.
  • the object when the object is in a solid state, it is reflected so that heat by the laser beam is not introduced into the object.
  • the heat absorption rate increases with this irradiation, the amount of heat input can be preserved by the outer heat source, and the best welding can be performed at the temperature at which it is liquefied or vaporized, that is, the phase change temperature. That is, it is possible to provide excellent and deeper welding quality.
  • the outer beam is irradiated again to the welding area where welding has been performed by the central beam, and the post-heat treatment is performed to perform annealing treatment, and stress can be reduced due to the annealing of the outer beam.
  • the outer beam is irradiated to the welded portion where welding is completed with the center beam according to a preset welding direction, so that the amount of heat input is preserved by the outer heat source. It can be seen that the gas generated from the object during welding can be discharged to the outside, and the generation of fragments such as spatter is significantly reduced.
  • an outer beam is initially irradiated to an object using an economical and physically optimized diode laser using a hybrid ring mode laser beam having two different wavelengths. It can be set to have a wavelength band of 400-550 nm in the case of , and a wavelength band of 780-980 nm in the case of aluminum.
  • the outer beam using such a diode laser has higher absorption for an object than a general fiber laser (1030-1090 nm), so that it can be absorbed and heated more efficiently.
  • a phase change occurs in the object in a solid state. beam) is irradiated and the welding heat is sufficiently absorbed in the welding part. High-quality welding is possible because the object is melted quickly and easily.
  • the laser welding method using a hybrid ring mode laser beam having an outer beam and a central beam proposed in the present invention enables welding of objects such as non-ferrous materials having high thermal conductivity and low absorption by fiber laser.

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Abstract

본 발명은 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치 및 이를 이용한 레이저 용접 방법에 관한 것으로서, 다이오드 레이저를 이용한 외곽빔의 중심에 파이버 레이저를 이용한 중심빔이 위치하는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용하여 대상물의 용접부에 외곽빔, 중심빔 및 외곽빔 순으로 조사되면서 용접이 진행되므로, 대상물의 용접부가 충분한 입열량으로 가열된 상태에서 중심빔의 열원으로 용접하기 때문에 용접부의 온도 구배율이 낮아 응고균열이 발생하지 않고, 스패터 및 기공 등의 문제가 최소화될 수 있으며, 레이저 공정이 안정되어 전체적으로 균일하고 안정된 용접 품질을 제공할 수 있다.

Description

안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치 및 이를 이용한 레이저 용접 방법
본 발명은 복수 파장을 갖는 레이저 빔을 이용하여 안정적인 레이저 용접이 가능하도록 하는 레이저 장치 및 이를 이용한 레이저 용접 기술에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
레이저 용접은 서로 다른 물질을 결합하는데 레이저 빔을 이용되는 용접방법이다. 레이저 용접은 레이저 빔 에너지의 높은 집중도로 열 영향부가 적어 모재에 화학적, 물리적, 기계적 설정 변화를 주지 않는다. 산화되기 쉬운 물질의 경우에 레이저 진공용접을 통해 해결할 수 있다. 레이저 용접의 용접면 품질은 기존 열저항 또는 가스 용접에 비해 우수하며, 원거리에서 레이저를 조사하여 용접을 수행할 수 있도록 하여 안전한 용접을 가능하게 하는 등의 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있다.
레이저를 이용하여 대상물을 가공하는 레이저 가공장치는 국내 공개특허 제10-2004-0015996호 등 다양하게 게시되어 있다. 이러한 레이저 가공장치는 레이저에서 출사된 레이저 빔을 대상물로 집속하기 위한 광학계가 적용된다.
종래의 레이저 용접은 레이저 광원으로부터 용접을 위한 레이저 빔이 조사되고, 조사된 레이저 빔은 대상물로 조사되어 레이저 용접이 진행된다.
현재, 레이저 용접에 가장 많이 사용되고 있는 고체 레이저는 파장 약 1㎛의 광 빔을 발생하는 YAG 레이저로서, 대표적인 Nd : YAG 레이저의 기본 파장은 1064 nm이다. 레이저 용접법에 있어서는 피용접 대상물과 레이저 빔의 광학적인 결합성이 중요하다. 광학적인 결합성이 좋지 않으면 반사율이 높고, 레이저 에너지의 흡수 효율이 낮아 양호한 용접 접합을 얻는 것이 어렵다. 기본 파장(예를 들면 1064 nm)의 YAG 레이저 빔은 구리나 금에 대해서는 광학적 결합성이 좋지 않다.
구리나 금 등의 금속에 대해 532nm의 YAG 레이저 빔이 높은 광학적 결합성을 가지므로 제2 고조파(532nm)의 YAG 레이저 빔을 YAG 기본파의 펄스 레이저빔과 동일 광축으로 중첩하여 대상물에 조사하는 레이저 용접 방법을 적용할 수 있다.
그러나, 상기한 서로 다른 파장의 중첩 레이저 용접 방법은 단속적인 반복 펄스로서 주어지는 제2 고조파의 레이저빔이 대상물과의 광학적 결합 시간이 짧기 때문에 키홀이나 용입 깊이가 여전히 충분하지 않고, 서로 다른 파장의 레이저 빔의 중첩률에 따라 용입 깊이 및 외관 품질의 균일성 등 용접에 많은 영향을 주고 있으므로, 균일한 입열을 얻을 수 있는 중첩률을 선정해야 한다.
한편, 대상물이 알루미늄 재질을 포함하는 금속 재질인 경우에, 일반적인 조건의 레이저 용접에서 금속 재질은 열전도율이 높기 때문에 열이 외부로 빠져나는 현상, 즉 입열양 반사가 심해 용접 대상물의 중심부로 레이저 빔의 에너지가 흡수되지 못하고 외부로 빠져나가 레이저빔의 흡수율이 현저히 떨어지게 되고, 열팽창률이 너무 높아 부피 변화로 인해 용접시 크랙이나 기공이 발생되어 용접이 안정적으로 수행되지 않는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해소하기 위해 레이저의 출력을 높이는 경우에는 금속 재질 등이 대상물의 용접 부위에서 스패터 등의 파편이 발생되어 용접 품질이 저하되는 문제점이 있었다.
이와 같이, 단파장 특성을 갖는 레이저의 특성상 재료 고유의 레이저 빔 흡수율에 대한 한계와 만족스럽지 않은 용접 품질로 인해 알루미늄이나 구리 등 고반사 재료에 대한 적용이 어렵기 때문에, 고반사 재료에 대해 우수한 품질의 접합부를 얻을 수 있도록 서로 다른 특성을 갖는 레이저빔을 활용한 레이저 용접 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 다른 파장 대역의 레이저빔을 중심빔과 외곽빔으로 이루어진 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 결합하여 광섬유를 통해 대상물이 위치한 방향으로 출력되도록 하고, 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용하여 대상물의 용접부에 예열 및 후열 효과로 온도 구배를 낮추면서 중심빔의 열원으로 용접을 수행하도록 하는 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치 및 이를 이용한 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 발명의 일측면에 의하면, 대상물이 위치한 방향으로 제1 파장 대역을 갖는 제1 레이저빔을 조사하는 레이저 광원; 상기 대상물이 위치한 방향으로 제2 파장 대역을 갖는 제2 레이저빔을 조사하는 제2 레이저 광원; 상기 제1 레이저 광원 및 제2 레이저 광원과 연결되어, 상기 제1 레이저빔이 중심빔을 형성되고, 상기 중심빔을 기준으로 기 설정된 반경 이내의 외곽 지역에서 상기 제2 레이저빔이 외곽빔을 형성하여 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 결합되도록 복수의 빔 결합용 광섬유를 포함하는 컴바이너; 및 상기 컴바이너에서 출력되는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔을 상기 대상물이 위치한 방향으로 전달하는 딜리버리 광섬유(fiber delivery)를 포함하는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 딜리버리 광섬유와 대상물 사이에 위치하여, 상기 딜리버리 광섬유에서 출력되는 레이저빔을 상기 대상물에 집속시키는 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 딜리버리 광섬유는, 단일 코어로 이루어진 코어부와, 적어도 하나 이상의 클래드로 이루어진 클래딩부를 포함하고, 상기 컴바이너는, 상기 제1 레이저빔을 상기 코어부로 결합시키기 위한 제1 빔 결합용 광섬유와, 상기 제2 레이저빔을 상기 클래딩부로 결합시키기 위한 적어도 하나 이상의 제2 빔 결합용 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 클래딩부는, 상기 코어부를 기준으로 상기 코어부에서 멀어질수록 단계적으로 굴절률이 낮아지는 것이다.
이때, 상기 딜리버리 광섬유는, 상기 코어부와 클래딩부 사이에 위치하고, 상기 코어부보다 낮은 굴절률을 갖는 인터층을 더 포함하고, 상기 인터층은 상기 중심빔과 외곽빔 사이에서 딥(Deep) 역할을 수행하여, 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 중심빔과 외곽빔으로 분리되어 출력되도록 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 대상물이 알루미늄을 포함하는 금속 재질인 경우에, 상기 제1 레이저 광원은 1030~1090nm의 파장 대역의 제1 레이저빔을 출력하고, 상기 제2 레이저 광원은 780~980nm의 파장 대역의 제2 레이저빔을 출력하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 대상물이 구리를 포함하는 금속 재질인 경우에, 상기 제1 레이저 광원은 1030~1090nm의 파장 대역의 제1 레이저빔을 출력하고, 상기 제2 레이저 광원은 400~550nm의 파장 대역의 제2 레이저빔을 출력하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 레이저 광원은 파이버 레이저(Fiber Laser)로 구성하고, 상기 제2 레이저 광원은 다이렉트 다이오드 레이저(Direct Diode Laser, DDL)로 구성하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 대상물로 레이저를 조사하여 용접하는 광섬유를 이용한 레이저 장치에 의해 수행되는 레이저 용접 방법에 있어서, a) 제1 파장 대역을 갖는 제1 레이저빔과 제2 파장 대역을 갖는 제2 레이저빔이 각각 출력되는 단계; b) 상기 제1 레이저빔을 중심빔으로 형성하고, 상기 중심빔을 기준으로 기 설정된 반경 이내의 외곽 지역에서 상기 제2 레이저빔을 외곽빔으로 형성하여 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 결합하는 단계; 및 c) 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 광섬유를 통해 대상물의 용접부 방향으로 전달하여 레이저 용접을 진행하는 단계를 포함하는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광섬유에서 출력되는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 렌즈를 통해 상기 대상물의 용접부에 집속시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 c) 단계는, 상기 광섬유가 단일 코어로 이루어진 코어부와, 적어도 하나 이상의 클래드로 이루어진 클래딩부로 구성되고, 상기 코어부와 클래딩부 사이에 상기 코어부보다 낮은 굴절률을 갖는 인터층을 포함하여, 상기 인터층이 상기 중심빔과 외곽빔 사이에서 딥(Deep) 역할을 수행하여 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 중심빔과 외곽빔으로 분리되어 출력되도록 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 대상물로 레이저를 조사하여 용접하는 광섬유를 이용한 레이저 장치에 의해 수행되는 레이저 용접 방법에 있어서, a) 제1 파장 대역을 갖는 제1 레이저빔과 제2 파장 대역을 갖는 제2 레이저빔이 각각 출력되는 단계; b) 상기 제1 레이저빔을 중심빔으로 형성하고, 상기 중심빔을 기준으로 기 설정된 반경 이내의 외곽 지역에서 상기 제2 레이저빔을 외곽빔으로 형성하여 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 결합하는 단계; c) 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 광섬유를 통해 대상물의 용접부 방향으로 출력하는 단계; 및 d) 기 설정된 용접 진행 방향에 따라 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔이 상기 용접부에 상기 외곽빔, 상기 중심빔 및 외곽빔 순으로 조사되면서 용접이 진행되는 단계를 포함하는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 c) 단계는, 상기 광섬유가 단일 코어로 이루어진 코어부와, 적어도 하나 이상의 클래드로 이루어진 클래딩부로 구성되고, 상기 코어부와 클래딩부 사이에 상기 코어부보다 낮은 굴절률을 갖는 인터층을 포함하여, 상기 인터층이 상기 중심빔과 외곽빔 사이에서 딥(Deep) 역할을 수행하여 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 중심빔과 외곽빔으로 분리되어 출력되도록 하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 d) 단계는, d-1) 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔 중 상기 용접부에 최초 조사되는 외곽빔이 상기 용접부에 초기 히팅열을 제공하여 상기 대상물에 상변화를 진행시키는 단계; d-2) 상기 상변화가 진행된 용접부에 상기 중심빔이 조사되어 용접이 진행되는 단계; 및 d-3) 상기 용접이 진행된 용접부에 상기 외곽빔이 조사되면서 후열처리를 진행하여 어닐링 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 d-2) 단계는, 상기 중심빔의 외곽지역에 형성된 외곽빔이 외곽 열원으로 작용하여 상기 용접부의 입열량이 보존된 상태에서 상기 중심빔의 용접열로 작용하여 상기 용접부에 키홀을 형성하여 용접이 진행되는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 대상물이 알루미늄을 포함하는 금속 재질인 경우에, 상기 제1 레이저 빔은 1030~1090nm의 파장 대역을 갖고고, 상기 제2 레이저빔은 780~980nm의 파장 대역을 갖는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 대상물이 구리를 포함하는 금속 재질인 경우에, 상기 제1 레이저빔은 1030~1090nm의 파장 대역을 갖고, 상기 제2 레이저빔은 400~550nm의 파장 대역을 갖는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 다이오드 레이저를 이용한 외곽빔의 중심에 파이버 레이저를 이용한 중심빔이 위치함으로써 대상물의 용접부가 충분한 입열량으로 가열된 상태에서 중심빔의 열원으로 용접하기 때문에 용접부의 온도 구배율이 낮아 응고균열이 발생하지 않고, 스패터 및 기공 등의 문제가 최소화될 수 있는 효과가 있다.
이와 같이, 본 발명은 대상물의 물성에 따라 흡수도 높은 파장을 선택하여 초기 히팅을 위한 광원으로 적용할 수 있고, 초기 히팅열에 의해 대상물이 상변화가 진행된 후 중심빔이 조사되어 중심빔의 흡수도가 증가하여 심 웰딩을 수행할 수 있으며, 중심빔에 의해 용접이 진행된 용접부에 다시 외곽빔이 조사되어 후열처리로 인한 어닐링으로 용접후 열적 스트레스가 최소화될 수 있고, 그로 인해 레이저 공정이 안정되어 전체적으로 균일하고 안정된 용접 품질을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 이차전지 연결 부품의 용접 상태를 설명하는 도면이다.
도 2는 구리와 알루미늄 소재의 대상물에 대해 파장에 따른 레이저 흡수율을 설명하는 그래프이다.
도 3은 금속 재질의 용접 대상물에 대해 파장에 따른 레이저 흡수율을 설명하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴바이너의 구성을 설명하는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 딜리버리 광섬유를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 딜리버리 광섬유의 굴절률 분포를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔의 형태를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 설명하는 빔 스팟(Beam spot)을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔의 강도 분포(Intensity distribution)를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법의 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔 출력 과정을 설명하는 순서도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법의 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용한 용접 과정을 설명하는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 진행 방향에 따른 대상물의 용접부에 대한 용접 과정을 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔의 온도 프로파일을 설명하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 모드 제어에 따른 여러 형태의 빔 형상을 설명하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법에 의한 용접 상태와 일반적인 단일 파장을 이용한 용접 상태를 비교하여 설명하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 이차전지 연결 부품의 용접 상태를 설명하는 도면이고, 도 2는 구리와 알루미늄 소재의 대상물에 대해 파장에 따른 레이저 흡수율을 설명하는 그래프이고, 도 3은 금속 재질의 용접 대상물에 대해 파장에 따른 레이저 흡수율을 설명하는 그래프이다.
일반적으로 2차 전지는 그 내부에 다수 개의 단위 셀을 포함하고 있으며, 또한 일반적으로 각 셀의 전극들과 연결된 한 쌍의 외부 단자 탭(즉, 각 단위 셀의 음극들이 연결된 하나의 음극, 각 셀의 양극들이 연결된 하나의 양극으로서, 전지 하나당 한 쌍이 구비되어 전극으로서 기능하는 탭이 외부로 노출되어 있는 형태로 구성된다. 이때, 셀의 탭은 양극 탭과 음극 탭으로 나뉘는데, 양극 탭과 음극 탭은 서로 다른 금속으로 이루어지는 경우가 많다. 예를 들어 리튬 이차전지에서는 전기화학적인 안정성을 고려하여, 양극 탭은 알루미늄(Al), 음극 탭은 구리(Cu) 또는 니켈(ni)이 도금된 구리를 사용하여 만들어진다. 이와 같이 양극 탭과 음극 탭은 전기화학적 반응성 및 안정성을 높이기 위하여 대부분의 경우 서로 다른 금속으로 만들어지는 것이 당연하다.
이때, 구리(Cu)는 전기와 열이 잘 통하는 금속으로서, 열전도율 400 W/m-K, 원자량 63.546g/mol, 밀도(density) 8.94g/cm3, 녹는점 1084.62 ℃, 끓는점 2562 ℃의 특성을 갖는다. 그리고, 알루미늄(Al)은 전기와 열이 비교적 잘 통하는 금속으로서, 장파장으로 갈수록 반사도가 증가하고, 열전도율 237 W/m-K, 원자량 63.546g/mol, 밀도 2.7g/cm3, 녹는점 660 ℃, 끓는점 2495 ℃(3527 ℃ at 산화상태)의 특성을 갖는다.
이러한 이차 전지의 생성시 셀의 탭이 용접에 의하여 접합되는데, 양극 탭과 음극 탭이 서로 다른 금속으로 이루어져 있기 때문에 물성의 차이로 인하여 접합이 원활하게 이루어지지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
즉, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저의 파장 대역별로 구리와 알루미늄의 레이저 흡수율이 서로 상이하다. 즉, 알루미늄의 경우에는 흡수 파장 특성 차이로 적외선(IR) 레이저 광원의 용접이 어렵고, 구리의 경우에는 단파장 흡수 특성이 좋기 때문에 적외선 레이저 광원을 사용하지 못한다. 구리와 같은 일반적인 금속은 장파장으로 갈수록 빛 흡수율이 떨어지는 반면에, 알루미늄은 870~890nm에서 빛의 흡수율이 가장 우수함을 알 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 열전달이 빠른 재질이 대상물은 충분한 입열량 확보가 어렵고, 열팽창이 큰 재질의 대상물은 레이저 용접시 크랙이나 기공이 발생할 수 있다. 열팽창은 대부분 금속이 열을 가하면 팽창하며 온도가 낮아져 수축한다. 금속마다 팽창의 크기가 다르며 이를 열팽창 계수로 측정한다. 금속 재질의 열팽창 계수는 납 > 아연 > 마그네슘 > 일렉트론 > 알루미늄 > 주석 > 듀랄루민 >은 >구리/황동>양은 순으로 배열할 수 있다.
따라서, 본 발명은 열전달이 빠른 재질의 대상물의 경우, 외곽 히팅 차폐를 위한 레이저빔을 적용하고, 레이저 파장의 흡수율이 높은 레이저 광원을 적용하여 초기 반사를 저감시킬 수 있으며, 레이저 용접 이후에 스트레스 최소화 공정이 가능하도록 하여 안정적인 레이저 용접을 수행할 수 있는 광섬유를 이용한 레이저 장치를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치의 구성을 설명하는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴바이너의 구성을 설명하는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 딜리버리 광섬유를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치(100)는 제1 레이저 광원(111), 제2 레이저 광원(112), 컴바이너(116), 딜리버리 광섬유(115) 및 렌즈(117)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
제1 레이저 광원(111)은 대상물이 위치한 방향으로 제1 파장 대역을 갖는 제1 레이저빔을 조사하고, 제2 레이저 광원(112)은 대상물이 위치한 방향으로 제2 파장 대역을 갖는 제2 레이저빔을 조사한다. 이때, 적어도 하나 이상의 대상물은 레이저 장치(100)의 하부, 즉 레이저빔이 조사되는 위치에 배치되어 있는 대상물 지지부(미도시)에 의해 지지되어 있고, 레이저빔이 조사되는 위치로 순차적으로 하나씩 이동될 수 있다. 또는 레이저 장치(100)에서 출력된 레이저 빔이 별도의 광학계에 의해서 대상물이 위치한 방향으로 움직일 수 있다.
제1 레이저 광원(111)은 품질이 우수하고 장파장 대역의 레이저빔을 출력하는 광원을 사용하고, 제2 레이저 광원(112)은 제1 레이저 광원(111)에 비해 레이저빔의 품질이 나쁘지만 경제적이고, 제1 레이저 광원(111)보다 낮은 파장 대역의 레이저빔을 출력하는 광원을 사용한다. 예를 들어, 대상물이 알루미늄인 경우에 제1 레이저 광원(111)은 1030~1090nm의 파장 대역을 갖는 파이버 레이저(Fiber Laser)로 구성하고, 제2 레이저 광원(112)은 780~980nm의 파장 대역을 갖는 다이렉트 다이오드 레이저(Direct Diode Laser, DDL)로 구성될 수 있고, 대상물이 구리인 경우에 제1 레이저 광원(111)은 1030~1090nm의 파장 대역을 갖는 파이버 레이저로 구성되고, 제2 레이저 광원(112)은 400~550nm의 파장 대역을 갖는 DDL로 구성될 수 있다.
컴바이너(116)는 일단에 제1 레이저 광원(111)과 제2 레이저 광원(112)이 연결되고, 타단에 딜리버리 광섬유(115)가 연결된다. 이러한 컴바이너(116)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 레이저 광원(111)에서 출력되는 제1 레이저빔이 중심빔을 형성되고, 중심빔을 기준으로 기 설정된 반경 이내의 외곽 지역에서 제2 레이저 광원(112)에서 출력되는 제2 레이저빔을 외곽빔으로 형성하여 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 결합되도록 한다.
컴바이너(116)는 복수의 빔 결합용 광섬유(116a, 116b)를 포함하고, 제1 빔 결합용 광섬유(116a)는 제1 레이저 광원(111)과 딜리버리 광섬유(115)의 코어부(115a) 사이에서 제1 레이저빔이 코어부(115a)를 통해 출력되도록 하고, 제1 빔 결합용 광섬유(116a)의 주변을 둘러싸도록 배치된 복수 개의 제2 레이저 출력 광섬유(116b)는 제2 레이저 광원(112)과 딜리버리 광섬유(115)의 클래딩부(115b) 사이에 위치하여 제2 레이저빔이 클래딩부(115b)를 통해 출력되도록 한다.
딜리버리 광섬유(fiber delivery)(115)는 컴바이너(116)에서 출력되는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔을 대상물이 위치한 방향으로 전달한다. 딜리버리 광섬유(115)는 단일 코어로 이루어진 코어부(115a), 적어도 하나 이상의 클래드로 이루어진 클래딩부(115b) 및 아크릴 코팅층(115c)을 포함하는데, 적어도 하나 이상의 클래드는 수십에서 수백 ㎛의 크기를 가지며, 원형 또는 사각형 등 여러 모양이 가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 딜리버리 광섬유(115)는 코어부(115a)와 클래딩부(115b) 사이에 인터층이 있는 구조로서, 코어부(115a)로 입사되는 중심빔과 클래딩부(115b)로 입사되는 외곽빔을 전달하게 된다. 이러한 딜리버리 광섬유(115)는 코어부(115a)의 직경이 50~100㎛, 클래딩부(115b)의 직경이 대략 400㎛ 정도로 이루어질 수 있고, 클래딩부(115b)의 굴절률(Reflective Index, RI)이 코어부(115a) 쪽으로 가까워질수록 단계적으로 높아지는 값을 갖는다.
딜리버리 광섬유(115)는 손실없이 레이저빔을 출력하면서 중심빔과 외곽빔이 커플링되지 않도록 하기 위해, 직경과 굴절률에 따른 NA(Numerical Aperture)값을 선정하는데, 여기서, NA는
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이고, 매질1의 굴절률 n1과 매질2의 굴절률 n2 간에는 n1 > n2의 관계를 만족한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 코어와 인터층 사이(①)의 NA는 대략 0.22, 인터층과 1차 클래드 사이(②)의 NA는 대략 0.22, 1차 클래드와 2차 클래드 사이(③)의 NA는 0.3보다 크고, 1차 클래드와 3차 클래드 사이(④)의 NA는 0.4보다 크도록 선정할 수 있다.
이렇게 선정된 NA 값으로 딜리버리 광섬유(115)를 구성하게 되면, 고출력 광원이 안정적으로 운영되며, 특히 중심빔과 외곽빔을 공간상에서 분리하여 출력하는 레이저빔을 이용한 용접 방식에 효과적이다. 딜리버리 광섬유(115)는 코어와 인터층 간의 NA는 0.05 이상이면서 0.3 이하의 값을 갖고, 1차 클래드와 2차 클래드 간의 NA는 0.05 이상이면서 0.3 이하의 값을 갖으며, 1차 클래드와 3차 클래드 간의 NA는 0.05 이상이면서 0.5 이하의 값을 갖도록 NA값을 설계함으로써 안정적으로 광섬유 내 고출력 광이 전달이 될 수 있도록 한다.
렌즈(117)는 딜리버리 광섬유(115)와 대상물 사이에 위치하여, 딜리버리 광섬유(115)에서 출력되는 레이저빔을 대상물에 집속시킨다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 딜리버리 광섬유의 굴절률 분포를 설명하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔의 형태를 설명하는 도면이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 설명하는 빔 스팟(Beam spot)을 설명하는 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔의 강도 분포(Intensity distribution)를 설명하는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 딜리버리 광섬유(115)는 코어부(115a), 클래딩부(115b), 코어부(115a)와 클래딩부(115b) 사이에 형성된 인터층(inter), 아크릴 코팅층(115c)으로 이루어진다. 이때, 코어부(115a)는 단일 코어로 이루어지고, 클래딩부(115b)는 1차 클래드, 2차 클래드 및 3차 클래드로 이루어지고, 인터층은 코어와 1차 클래드 사이에 존재한다.
딜리버리 광섬유(115)의 코어와 1차 클래드의 굴절률 차이는 대략 0.00145 이하이고, 1차 클래드와 2차 클래드의 굴절률 차이는 0.0167 이하이며, 2차 클래드와 3차 클래드의 굴절률 차이는 0.0578 이하이고, 코어와 인터층의 굴절률 차이는 대략 0.0167 이상이고, 인터층과 1차 클래드간의 굴절률 차이는 0.0167 이하가 될 수 있다. 이때, 클래딩부(115b)의 1차 클래드와 2차 클래드간의 NA는 0.22, 1차 클래드와 3차 클래드간의 NA는 0.46 정도가 되는 것이 바람직하다. 2차 클래드는 1차 클래드 내 빛의 가이드가 잘 되도록 인터층의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖고, 3차 클래드는 외부 가이드 특성을 보호하기 위해 1차 클래드 및 2차 클래드의 굴절률에 비해 낮은 굴절률을 갖도록 설계되어 빛이 광섬유 외부로 빠져나가는 현상을 방지할 수 있다.
일 실시예로서, 딜리버리 광섬유(115)는 코어의 굴절률이 1.45875(또는 1.4573), 1차 클래드의 굴절률은 1.4573, 2차 클래드의 굴절률은 1.4406, 3차 클래드의 굴절률은 1.3828이 될 수 있고, 인터층의 굴절률은 1.4406, 아크릴 코팅층(115c)의 굴절률은 1.515가 될 수 있다. 코어의 굴절률을 n1(n1=1.45875)으로 하고, 인터층의 굴절률을 n2(n2=1.4406)라고 할 경우에, NA는
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=0.229397이 되고, 상기한 코어와 인터층 간의 NA가 0.05 이상이면서 0.3 이하의 값을 갖는 조건을 만족하게 된다. 상기한 NA 값에 대한 설계 조건을 만족하는 값을 갖도록 1차 클래드, 2차 클래드, 3차 클래드의 굴절률을 각각 설정할 수 있습니다.
또한, 딜리버리 광섬유(115)는 코어의 직경이 0~50㎛, 인터층의 직경이 50~70㎛, 1차 클래드의 직경이 70~400㎛, 2차 클래드의 직경이 440㎛, 3차 클래드의 직경이 500㎛, 아크릴 코팅층의 직경이 550㎛로 형성될 수 있다.
컴바이너(116)에 의해 결합된 제1 레이저빔과 제2 레이저빔은 코어부(115a)와 클래딩부(115b) 간의 굴절률 차이로 인해 딜리버리 광섬유(115)를 통과하면서 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 중심빔과 외곽빔으로 이루어진 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 출력될 수 있다. 이때, 딜리버리 광섬유(115)의 코어부(115a)에 전달되는 중심빔은 빔 품질이 우수하고 장파장(1080nm)을 갖는 레이저 광원, 클래딩부(115b)에 전달되는 외곽빔은 다이오드 기반의 단파장(915nm 또는 415nm)을 갖는 레이저 광원을 각각 연결하여 장파장의 중심빔과 단파장의 외곽빔으로 이루어진 하이브리드 링 모드 빔이 출력함으로써 경제적이면서 열 차폐 개선 효율이 높아질 수 있도록 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 코어부(115a)와 클래딩부(115b)와의 굴절률 차이, 클래딩부(115)의 1차 클래드, 2차 클래드 및 3차 클래드 간의 굴절률 차이, 즉 클래딩부(115b)는 코어부(115a)에서 멀어질수록 단계적으로 굴절률이 낮아지도록 하고, 코어와 1차 클래드 사이에 위치하고 있는 인터층이 1차 클래드 및 코어보다 낮은 굴절률을 갖고 있기 때문에 인터층이 중심빔과 외곽빔 사이에서 딥(Deep)(D1)역할을 수행하여 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 중심빔과 외곽빔이 하나의 광섬유를 통해 출력될 때, 서로 커플링되지 않으면서 공간상에서 분리되어 출력될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 딜리버리 광섬유(115) 내 굴절률 분포 차이로 인해 레이저빔의 초점 강도 분포를 기존의 단일 피크 가우시안 분포와는 다른 형태를 갖도록 한다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔은 중심빔이 가우시안 분포 형태이고, 외곽빔이 중심빔을 둘러싸고 있는 환(또는 링) 형태로 레이저빔이 별도로 존재하는 빔 형태를 갖고 있으며, 중심빔과 외곽빔은 독립적으로 출력될 수 있도록 조절될 수 있다. 이러한 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용하여 외곽빔을 통한 예열 처리로 레이저 파장의 흡수율을 높일 수 있고, 중심빔에 의한 키홀 형성으로 심웰딩이 가능할 뿐만 아니라 외곽빔을 통한 후열 처리로 어닐링을 수행하여 전체적으로 균일하고 안정적인 용접이 가능해진다.
본 발명은 하나의 광섬유를 통해 출력되는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔을 대상물에 조사하여 레이저 용접을 수행하기 때문에, 소형 경량화가 가능하여 전체적인 레이저 장치의 크기를 줄일 수 있고, 딜리버리 광섬유(115)를 이용하고 있어 비교적 멀리 떨어진 대상물의 레이저 용접도 가능할 뿐만 아니라 구성 요소의 선정과 배치 등을 유연하게 결정할 수 있다.
한편, 클래딩부(115b)가 이중 원기둥 모양으로 내부 클래딩(Inner clading)과 외부 클래딩(Outer clading)의 이중 클래딩 구조로 형성된 경우에, 내부 클래딩과 외부 클래딩 사이에 코어와 1차 클래드 사이에 존재하는 인터층(inter1)과 동일한 역할을 수행하는 인터층(inter2)이 존재할 수 있고, 외곽빔은 이중 클래딩 구조에 따라 이중 링 형태로 형성될 수 있다. 외곽빔이 이중 링 형태인 경우에, 중심빔을 기준으로 내부 외곽빔과 외부 외곽빔으로 구분할 수 있다. 이중 링 형태의 외곽빔의 내부 외곽빔은 n(예를 들어, n=6) 개의 레이저 광원으로 형성하고, 외부 외곽빔은 m(m>n, 예를 들어 n=12)개의 레이저 광원으로 형성할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 외곽빔과 중심빔의 레이저빔의 강도 차이로 인해 외곽빔은 대상물의 용접부의 온도를 충분히 올려주어 레이저 파장의 흡수율을 높여주고, 중심빔이 키홀을 형성하여 용접을 진행한 후에 다시 외곽빔이 후열처리를 진행할 수 있도록 한다.
이러한 광섬유를 이용한 레이저 장치(100)는 온도센서인 파이로-모니터(미도시)를 더 포함할 수 있고, 파이로-모니터에 의해 대상물의 표면에서 발생되는 상변화에 따른 온도 변화를 모니터링 할 수 있다. 또한, 광섬유를 이용한 레이저 장치(100)는 상온 환경에서의 레이저 용접 장치나 진공 환경에서의 레이저 용접 장치에 적용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법의 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔 출력 과정을 설명하는 순서도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법의 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용한 용접 과정을 설명하는 순서도이며, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 진행 방향에 따른 대상물의 용접부에 대한 용접 과정을 설명하는 도면이다. 또한, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔의 온도 프로파일을 설명하는 도면이고, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 모드 제어에 따른 여러 형태의 빔 형상을 설명하는 도면이며, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법에 의한 용접 상태와 일반적인 단일 파장을 이용한 용접 상태를 비교하여 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 광섬유를 이용한 레이저 장치(100)는 제1 레이저 광원(111)에서 제1 파장 대역을 갖는 제1 레이저빔을 출력하고, 제2 레이저 광원(112)에서 제2 파장 대역을 갖는 제2 레이저빔을 각각 출력한다(S10).
컴바이너(116)는 제1 레이저빔과 제2 레이저빔을 결합하는데, 제1 레이저빔이 중심빔을 형성하도록 딜리버리 광섬유(115)의 코어부(115a)에 결합시키고, 제2 레이저빔이 중심빔을 기준으로 기 설정된 반경 이내의 외곽 지역에서 외곽빔을 형성하도록 딜리버리 광섬유(115)의 클래딩부(115b)에 결합시킨다(S20).
딜리버리 광섬유(115)는 코어부(115a)와 클래딩부(115b)를 통해 전달되는 레이저빔을 대상물의 용접부 방향으로 전달하여 레이저 용접을 진행한다(S30).
도 12 및 도 13을 참조하면, 기 설정된 용접 진행 방향에 따라 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔이 대상물의 용접부에 외곽빔, 중심빔, 다시 외곽빔 순으로 접촉되어 용접이 진행된다.
먼저, 대상물의 용접부에 외곽빔이 조사되면, 용접부에 초기 히팅열을 제공하여 상변화를 일으키고(S31), 초기 히팅열에 의해 상변화가 진행된 용접부에 중심빔이 조사되어 용접이 진행되며(S32), 용접이 진행된 용접부에 다시 외곽빔이 조사되어 후열 처리를 통해 어닐링을 진행할 수 있다(S32, S33).
한편, 도 11 및 도 12의 단계들은 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 가우시안 분포를 갖는 중심빔과 중심빔의 외곽지역에 환 형태의 외곽빔이 별도로 존재하는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔은 외곽빔(b2)이 고체 상태의 용접부에 초기 히팅열을 제공하여 용접부가 고체 상태에서 유동체(Fluid) 상태로 상변화가 발생되도록 제1 상변화 온도(T1)를 제공하고, 대상물의 용접부에 입열량이 보존된 상태에서 중심빔(b1)으로 인해 용접이 진행되며, 다시 외곽빔(b2)이 용접부 취화 현상이 발생하지 않도록 하는 온도(T1)를 제공하여 어닐링(annealing) 조건을 만족하면서 용접이 완료될 수 있다. 이때, 중심빔(b1)은 유동체 상태의 용접부가 액화 또는 기화되는 온도(T2), 즉 제2 상변화 온도(T2)에서 용접이 진행되도록 하여 심웰딩을 수행할 수 있도록 한다.
이와 같이, 딥(D1)에 의한 온도 변화(구배)는 열 흐름을 온도가 높은 지점에서 낮은 지점으로 전달하여 효과적으로 열을 전달할 수 있다. 일반적으로 넓은 면적의 비철금속 물질(알루미늄, 구리)를 용접할 때, 표면적 체적이 넓은 시료의 경우에 대부분의 열이 밖으로 전달되어, 가공하고자 하는 용접부에 온도가 빨리 올라가지 못하게 된다. 그러나 도 14에 도시된 바와 같이 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 온도구배가 되어 있는 경우에, 인가되는 열이 계속 딥(D1) 쪽으로 전달되어 더 빠른 온도를 상승시킬 수 있다. 이러한 온도 상승이 상변화(고체->액체-> 기체)로 변화시키는 에너지가 된다.
본 발명의 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔은 용접부를 T1 온도에서 예열한 후 T2 온도에서 용접하고, 다시 T1 온도에서 후열처리하는데, T1에서 T2, T2에서 T1에서의 온도 구배가 감소되어 열응력이 감소될 수 있고, 유동체 상태로 상변화가 지속된 상태에서 용접열이 가해지기 때문에 열적 크랙 등의 용접 변형이 억제될 수 있다.
그러나, 기존에는 예열이나 후열 처리 없이 레이저 용접을 위해 조사되는 단일 레이저 빔으로 인해 T2의 온도까지 급격히 상승하여 용접부 근처의 높은 온도 구배로 인한 열적 스트레스(Thermal stress)가 발생하고, 대상물의 물성이 매우 급격하게 변화되어 열적 크랙 등의 용접 변형이 발생하게 되는 단점이 있다.
대상물이 알루미늄을 포함하는 금속 재질인 경우에, 제1 레이저 광원(111)은 1030~1090nm의 파장 대역의 중심빔을 조사하고, 제2 레이저 광원(112)은 780~980nm, 특히 910nm의 파장 대역의 제2 레이저빔을 조사한다. 컴바이너(116)는 제1 레이저빔은 중심빔(b1)이 되고, 제2 레이저빔은 외곽빔(b2)이 되도록 결합하고, 딜리버리 광섬유(115)는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 용접부로 출력한다.
이때, 알루미늄을 포함하는 금속 재질의 용접시 발생되는 고온 균열 및 소재의 낮은 흡수율을 극복하기 위해, 도 14에 도시된 바와 같이, 흡수율이 높은 다이오드 레이저를 이용한 제2 레이저빔을 외곽빔으로 활용하여 예열 및 후열 효과로 온도 구배를 낮추어 응고 균열을 방지한다.
파이버 레이저를 이용한 제1 레이저빔이 중심빔을 형성하고, 다이오드 레이저를 이용한 제2 레이저빔이 중심빔의 외곽 지역에서 외곽빔을 형성하는 하이브리드 링 형태의 레이저빔은 외곽빔의 외곽열원으로 충분한 입열량으로 가열된 상태에서 중심빔의 열원으로 용접하기 때문에 용접부의 온도구배율이 낮아 응고 균열이 발생하지 않는다.
만일, 중심빔과 외곽빔이 중첩되어 출력되는 경우에, 레이저 용접시 중심빔과 외곽빔의 온도 차이가 발생하기 쉽지 않다. 본 발명의 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔에서 외곽빔은 용접 초기에 비철금속이 레이저빔에 대해 반사하는 고체 상태의 면을 기존의 광섬유 레이저 파장(1030~1090nm)과는 다른 파장을 용접부에 조사하여 더 빠른 에너지 흡수를 통해 온도를 올리고, 이러한 온도가 용접부의 중심부에 집중된 후 중심빔이 조사되어 흡수되는 표면의 상태를 만들어 주게 된다. 즉, 용접부의 중심부 표면이 고체가 아니라 외곽빔에 의해 액체상태로 상변화되어 중심빔에 사용되는 레이저의 파장 흡수가 더욱 커지게 된다. 따라서, 기존의 고체 상태에서 용접을 위한 레이저빔을 조사할 때보다 2배 이상 레이저의 파장 흡수율이 커지게 되므로, 용접부 표면에서의 반사가 줄게 된다. 그러나 외곽빔을 조사하지 않고, 바로 1030 ~1090nm 파장 대역의 중심빔을 조사하여 용접하게 되면, 고체 상태의 면에 많은 양의 반사가 일어나게 되고, 이는 조사하는 광섬유 레이저 자체를 손상시키는 경우가 많아서 기존에 비철금속의 용접에는 광섬유 레이저를 활용하기 어렵다는 단점이 있다.
안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치(100)는 제어부(미도시)를 통해 중심빔, 외곽빔, 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 빔 모드 제어를 수행할 수 있다. 제어부는 광섬유를 이용한 레이저 장치(100)의 각 구성요소에 대한 동작을 제어할 수 있도록 통신 모듈(미도시), 메모리(미도시), 프로세서(미도시) 및 데이터베이스(미도시)를 포함하는 컴퓨팅 장치에 구현될 수 있다. 이러한 제어부는 스마트폰이나 TV, PDA, 태블릿 PC, PC, 노트북 PC 및 기타 사용자 단말 장치 등으로 구현될 수 있다.
도 15의 (a)에 도시된 바와 같이, 딜리버리 광섬유(115)의 코어를 통해 중심빔만 대상물에 조사되는 경우에는 포커싱된 딥 용접(Deep Weld)이 가능하고, 용접 부위가 매우 작고 매우 깊게 해야 하는 심(seam) 용접에 적합하다. 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이 외곽빔이 대상물에 조사되는 경우에 용접 풀(Weld Pool)이 안정화되고, 증기 채널(Vapor channel)이 개방되며, 사전 히팅이나 사후 히팅에 적합하다. 도 15의 (c)에 도시된 바와 같이, 장파장의 중심빔과 단파장의 외곽빔을 갖는 2개의 파장의 하이브리드 링 모드 빔이 대상물에 조사되는 경우에는 용접 풀이 더욱 안정화될 수 있고, 구리 뿐만 아니라 알루미늄의 용접에 매우 적합하다.
표 1에 도시된 바와 같이, 대상물이 구리인 경우에, 중심빔과 외곽빔으로 구성된 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔 빔은 용접부에 예열, 용접열 및 후열에 적정한 온도를 제공함으로써 고체, 액체(유동체), 증기 상태로 상변화가 일어나게 되고, 이러한 상변화시 레이저 흡수도(α)가 1㎛ 단위를 기준으로 5%→10%→60% 이상으로 변화됨을 알 수 있다.
상태(Cu) NIR에서 흡수도(1㎛)
고체(Solid) ~5%
유동체(Fluid) ~10%
키홀(증기) >60%
이와 같이, 대상물이 고체 상태에서는 반사가 일어나 레이저빔에 의한 열이 대상물 내부로 인입되지 않지만, 본 발명에서는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용하여 먼저 외곽빔에 의해 상변화가 진행된 부위에 중심빔이 조사되어 열 흡수율이 높아지면서 외곽 열원에 의해 입열량이 보존될 수 있고, 액화 또는 기화되는 온도, 즉 상변화 온도에서 가장 우수한 용접이 진행될 수 있으며, 중심빔의 흡수도 증가에 따라 심웰딩, 즉 우수하고 깊이가 더욱 깊어진 용접 품질을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 중심빔에 의해 용접이 진행된 용접 부위에 다시 외곽빔이 조사되어 후열처리가 진행됨으로써 어닐링 처리를 수행할 수 있고, 외곽빔의 어닐링으로 인해 스트레스가 저감될 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 기존의 일반적인 단일 파장의 레이저빔을 이용하여 대상물을 용접하면, 용접 진행 방향에 따라 용접이 완료된 용접 부위에는 레이저 빔이 조사되지 않으므로 용접 부위의 열이 빠르게 식게 되고, 그로 인해 용접시 대상물로부터 발생된 가스가 외부로 미처 배출되지 못하고 용접 부위에 기공이 발생할 수 있으며, 스패터(spatter) 등의 파편이 발생되어 용접 품질이 저하된다.
그러나, 본 발명은 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용하여 대상물을 용접하게 되면, 기 설정된 용접 진행 방향에 따라 중심빔으로 용접이 완료된 용접부에 외곽빔이 조사되어 외곽 열원에 의해 입열량이 보존되므로 용접시 대상물로부터 발생된 가스가 외부로 배출될 수 있고, 스패터 등의 파편 발생이 현저히 줄어들게 됨을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 두 개의 서로 다른 파장을 갖는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용하여 경제적이고 물리적으로 최적화된 다이오드 레이저를 이용하여 초기에 외곽빔을 대상물에 조사하는데, 외곽빔은 대상물이 구리인 경우에 400-550nm의 파장 대역을 갖고, 알루미늄인 경우에 780-980nm의 파장 대역을 갖도록 설정할 수 있다.
이러한 다이오드 레이저를 이용한 외곽빔은 대상물에 대한 흡수도가 일반적인 파이버 레이저(1030-1090nm)보다 높아 더 효율적으로 흡수 및 가열 히팅이 가능하다.　이때, 외곽빔에 의해 대상물이 가열 히팅되면 고체상태의 대상물이 상변화를 일으키게 되므로, 외곽빔이 지나간 용접부에 집속도가 높은 중심빔(예를 들어, 광섬유 레이저에 의한 1030-1090nm 파장 대역의 레이저 빔)이 조사되어 용접부에 용접열이 충분히 흡수되면서. 대상물을 빠르고 쉽게 용융시키게 되어 고품질 용접이 가능하게 된다. 　
그런데, 레이저 용접 초기에 레이저빔의 흡수율이 낮은 경우에는 가열되어 상변화가 일어나기까지 예열시간이 길고 스패터(Spatter)와 같은 용접품질에 영향을 미치는 오염물이 생성되어 용접 품질이 저하될 뿐만 아니라 되는 용접시 불편함이 발생할 수 있다.　따라서, 본 발명에서 제시하는 외곽빔과 중심빔을 갖는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 이용한 레이저 용접 방법은 열전도율 높으며 광섬유 레이저에 흡수도가 낮은 비철물질 등의 대상물에 대한 용접도 가능하게 된다.　
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
“본 특허는 2020년도 대한민국 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행된 연구 결과입니다(과제 고유번호: 1415169624, 세부 과제번호: 20012887, 과제명: 동축 듀얼빔 및 가시광 레이저를 적용한 이차전지 비철 전력계통 부품 접합기술 개발).”

Claims (17)

  1. 대상물이 위치한 방향으로 제1 파장 대역을 갖는 제1 레이저빔을 조사하는 레이저 광원;
    상기 대상물이 위치한 방향으로 제2 파장 대역을 갖는 제2 레이저빔을 조사하는 제2 레이저 광원;
    상기 제1 레이저 광원 및 제2 레이저 광원과 연결되어, 상기 제1 레이저빔이 중심빔을 형성되고, 상기 중심빔을 기준으로 기 설정된 반경 이내의 외곽 지역에서 상기 제2 레이저빔이 외곽빔을 형성하여 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 결합되도록 복수의 빔 결합용 광섬유를 포함하는 컴바이너; 및
    상기 컴바이너에서 출력되는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔을 상기 대상물이 위치한 방향으로 전달하는 딜리버리 광섬유(fiber delivery)를 포함하는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 딜리버리 광섬유와 대상물 사이에 위치하여, 상기 딜리버리 광섬유에서 출력되는 레이저빔을 상기 대상물에 집속시키는 렌즈를 더 포함하는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 딜리버리 광섬유는, 단일 코어로 이루어진 코어부와, 적어도 하나 이상의 클래드로 이루어진 클래딩부를 포함하고,
    상기 컴바이너는, 상기 제1 레이저빔을 상기 코어부로 결합시키기 위한 제1 빔 결합용 광섬유와, 상기 제2 레이저빔을 상기 클래딩부로 결합시키기 위한 적어도 하나 이상의 제2 빔 결합용 광섬유를 포함하는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 클래딩부는,
    상기 코어부를 기준으로 상기 코어부에서 멀어질수록 단계적으로 굴절률이 낮아지는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 딜리버리 광섬유는,
    상기 코어부와 클래딩부 사이에 위치하고, 상기 코어부보다 낮은 굴절률을 갖는 인터층을 더 포함하고,
    상기 인터층은 상기 중심빔과 외곽빔 사이에서 딥(Deep) 역할을 수행하여, 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 중심빔과 외곽빔으로 분리되어 출력되도록 하는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 대상물이 알루미늄을 포함하는 금속 재질인 경우에, 상기 제1 레이저 광원은 1030~1090nm의 파장 대역의 제1 레이저빔을 출력하고, 상기 제2 레이저 광원은 780~980nm의 파장 대역의 제2 레이저빔을 출력하는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 대상물이 구리를 포함하는 금속 재질인 경우에, 상기 제1 레이저 광원은 1030~1090nm의 파장 대역의 제1 레이저빔을 출력하고, 상기 제2 레이저 광원은 400~550nm의 파장 대역의 제2 레이저빔을 출력하는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광원은 파이버 레이저(Fiber Laser)로 구성하고, 상기 제2 레이저 광원은 다이렉트 다이오드 레이저(Direct Diode Laser, DDL)로 구성하는 것인, 안정적인 레이저 용접용 광섬유를 이용한 레이저 장치.
  9. 대상물로 레이저를 조사하여 용접하는 광섬유를 이용한 레이저 장치에 의해 수행되는 레이저 용접 방법에 있어서,
    a) 제1 파장 대역을 갖는 제1 레이저빔과 제2 파장 대역을 갖는 제2 레이저빔이 각각 출력되는 단계;
    b) 상기 제1 레이저빔을 중심빔으로 형성하고, 상기 중심빔을 기준으로 기 설정된 반경 이내의 외곽 지역에서 상기 제2 레이저빔을 외곽빔으로 형성하여 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 결합하는 단계; 및
    c) 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 광섬유를 통해 대상물의 용접부 방향으로 전달하여 레이저 용접을 진행하는 단계를 포함하는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광섬유에서 출력되는 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 렌즈를 통해 상기 대상물의 용접부에 집속시키는 단계를 더 포함하는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 광섬유가 단일 코어로 이루어진 코어부와, 적어도 하나 이상의 클래드로 이루어진 클래딩부로 구성되고, 상기 코어부와 클래딩부 사이에 상기 코어부보다 낮은 굴절률을 갖는 인터층을 포함하여, 상기 인터층이 상기 중심빔과 외곽빔 사이에서 딥(Deep) 역할을 수행하여 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 중심빔과 외곽빔으로 분리되어 출력되도록 하는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
  12. 대상물로 레이저를 조사하여 용접하는 광섬유를 이용한 레이저 장치에 의해 수행되는 레이저 용접 방법에 있어서,
    a) 제1 파장 대역을 갖는 제1 레이저빔과 제2 파장 대역을 갖는 제2 레이저빔이 각각 출력되는 단계;
    b) 상기 제1 레이저빔을 중심빔으로 형성하고, 상기 중심빔을 기준으로 기 설정된 반경 이내의 외곽 지역에서 상기 제2 레이저빔을 외곽빔으로 형성하여 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔으로 결합하는 단계;
    c) 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔을 광섬유를 통해 대상물의 용접부 방향으로 출력하는 단계; 및
    d) 기 설정된 용접 진행 방향에 따라 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔이 상기 용접부에 상기 외곽빔, 상기 중심빔 및 외곽빔 순으로 조사되면서 용접이 진행되는 단계를 포함하는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 광섬유가 단일 코어로 이루어진 코어부와, 적어도 하나 이상의 클래드로 이루어진 클래딩부로 구성되고, 상기 코어부와 클래딩부 사이에 상기 코어부보다 낮은 굴절률을 갖는 인터층을 포함하여, 상기 인터층이 상기 중심빔과 외곽빔 사이에서 딥(Deep) 역할을 수행하여 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저빔이 중심빔과 외곽빔으로 분리되어 출력되도록 하는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    d-1) 상기 하이브리드 링 모드 형태의 레이저 빔 중 상기 용접부에 최초 조사되는 외곽빔이 상기 용접부에 초기 히팅열을 제공하여 상기 대상물에 상변화를 진행시키는 단계;
    d-2) 상기 상변화가 진행된 용접부에 상기 중심빔이 조사되어 용접이 진행되는 단계; 및
    d-3) 상기 용접이 진행된 용접부에 상기 외곽빔이 조사되면서 후열처리를 진행하여 어닐링 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 d-2) 단계는,
    상기 중심빔의 외곽지역에 형성된 외곽빔이 외곽 열원으로 작용하여 상기 용접부의 입열량이 보존된 상태에서 상기 중심빔의 용접열로 작용하여 상기 용접부에 키홀을 형성하여 용접이 진행되는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 대상물이 알루미늄을 포함하는 금속 재질인 경우에, 상기 제1 레이저 빔은 1030~1090nm의 파장 대역을 갖고고, 상기 제2 레이저빔은 780~980nm의 파장 대역을 갖는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 대상물이 구리를 포함하는 금속 재질인 경우에, 상기 제1 레이저빔은 1030~1090nm의 파장 대역을 갖고, 상기 제2 레이저빔은 400~550nm의 파장 대역을 갖는 것인, 광섬유를 이용한 레이저 장치를 이용한 레이저 용접 방법.
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