KR20040060630A - A multi-wavelength laser welding system and its methods for aluminum welding - Google Patents
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Abstract
Description
알루미늄은 풍부한 인성과 연성으로 가공성이 좋고, 내부식성이 좋으며, 합금원소의 첨가와 열처리 방법의 변화로 강도 등의 물성을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 특성은 최근의 경량화, 소형화, 고효율화 등의 산업 동향에 적합한 재료로 전기전자, 자동차, 우주항공, 선박과 같은 산업에서 철강재를 대체하여, 그 사용 영역이 점차적으로 급증하고 있다. 하지만 다른 금속에 비해 열전도도와 열팽창률이 높아 용접 접합 가공시 큰 에너지를 급속하게 공급해야 하며, 입열 에너지에 의한 합금 원소의 편석화와 열처리 조직의 변화, 높은 열팽창 수축율로 인한 균열 발생 등의 현상으로 용접부의 강도 저하는 물론 용접성을 감소시키는 문제점이 있다. 또한 레이저를 이용한 알루미늄 가공시 레이저광을 조사하였을 경우 표면의 반사도가 매우 높은 재료 특성으로 인해 에너지 손실이 매우 크다. 지금까지의 레이저를 이용한 알루미늄 정밀 용접에는 일반적으로 레이저 광의 손실과 조직학적 결함에도 불구하고 1064nm 파장의 Nd:YAG 레이저와 10.6㎛의 파장을 갖는 CO2레이저 같은 단일파장을 이용하여 가공하였으며, 특수한 목적에서 고가의 다이오드 레이저가 사용되고 있다.Aluminum has good toughness and ductility, good workability, good corrosion resistance, and can greatly improve physical properties such as strength by adding alloying elements and changing heat treatment methods. Such characteristics are suitable for the recent trends in light weight, miniaturization, and high efficiency, replacing steel materials in industries such as electric, electronics, automobiles, aerospace, and ships, and their use area is increasing rapidly. However, since it has higher thermal conductivity and thermal expansion rate than other metals, it is necessary to supply large energy rapidly during welding joint processing. There is a problem of decreasing the weld strength, as well as reducing the weldability. In addition, when the laser light is irradiated during the aluminum processing using a laser, the energy loss is very high due to the material properties with high reflectivity of the surface. Until now, aluminum precision welding using laser has been processed using single wavelength such as Nd: YAG laser with 1064nm wavelength and CO 2 laser with wavelength of 10.6㎛ despite the loss of laser light and histological defects. Expensive diode lasers are used in the market.
에너지 문제와 환경 문제가 급격하게 대두되는 현시대에서는 자동차 산업과 같은 분야에서 경량화로 에너지 효율을 증가시키고 대기 오염 물질 배출 감소를 위해 철강 재료의 대체 재료로서 알루미늄을 이용하기 위한 노력이 활발히 진행중이다. 그러나 레이저를 이용한 알루미늄 용접시 높은 반사도로 인한 에너지의 손실과 재료자체의 물성으로 인해 가공의 어려움이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 알루미늄의 레이저광 흡수도가 가장 높은 800nm 파장 대역의 다이오드 레이저광과 높은 첨두 출력을 갖는 펄스형의 Nd:YAG 레이저광을 혼합하여 레이저 용접가공을 실시함으로서 알루미늄 용접부의 품질을 향상과 결함 감수성 저하를 이루어 최종적으로 우수한 품질의 용접부 형성 및 생산성 향상시키는데 목적이 있다.In this age of energy and environmental issues, efforts are being made to use aluminum as a substitute for steel to increase energy efficiency and reduce air pollutant emissions in areas such as the automotive industry. However, there is a difficulty in processing aluminum due to the high loss of energy due to the laser and the material properties of the material itself. To solve this problem, laser welding is performed by mixing diode laser light of 800nm wavelength band with the highest laser absorption of aluminum and pulsed Nd: YAG laser light with high peak output. In order to improve and reduce the susceptibility to defects, the purpose is to finally form welds of high quality and to improve productivity.
도1은 광섬유로 전송된 각각의 파장을 갖는 레이저광을 혼합하는 레이저 집속기(레이저 헤드)의 구조도.1 is a structural diagram of a laser concentrator (laser head) for mixing laser light having respective wavelengths transmitted to an optical fiber.
도1의 주요부분에 대한 설명Description of the main parts of Figure 1
1 ; 808nm 다이오드 레이저광 전송 광섬유 및 집속기 입구One ; 808nm diode laser light transmission optical fiber and focuser entrance
2 ; 평행광 렌즈 위치이동 마이크로미터2 ; Parallel Light Lens Shift Micrometer
3 ; 808nm 다이오드 레이저광 평행광 렌즈3; 808nm Diode Laser Light Parallel Light Lens
4 ; 레이저광 조사각도 제어 마이크로미터4 ; Laser light irradiation angle control micrometer
5 ; 1064nm 전반사 및 808nm 투과 거울5; 1064nm total reflection and 808nm transmission mirror
6 ; 1064nm Nd:YAG 레이저광 전송 광섬유 및 집속기 입구6; 1064nm Nd: YAG laser light transmission fiber optic and focuser entrance
7 ; 1064nm Nd:YAG 레이저 평행광 렌즈7; 1064nm Nd: YAG Laser Parallel Light Lens
8 ; 혼합된 광의 집속렌즈8 ; Focusing lens of mixed light
도2는 혼합된 레이저광의 출력 모식도.Figure 2 is a schematic diagram of the output of the mixed laser light.
1 ; 높은 첨두출력을 갖는 1064nm 레이저광One ; 1064nm laser light with high peak power
2 ; 연속적인 출력을 갖는 808nm 레이저광2 ; 808nm laser light with continuous output
도3은 다양한 금속 재료의 레이저광 파장대에 따른 에너지 흡수도.3 is an energy absorption degree according to the laser light wavelength band of various metal materials.
도4는 재료의 온도에 따른 레이저광 흡수도.4 is a laser light absorption degree depending on the temperature of the material.
금속의 재료 표면에 레이저광이 흡수가 이루어질 경우 높은 레이저광의 에너지밀도로 열전도에 의한 가열현상이 발생하고 금속면의 용융현상이 발생한다. 이러한 열원이 이동하면 국부적인 용융 및 응고의 반복과 용융부의 합금화로 인해 접합이 이루어지게 된다. 그러나 알루미늄의 경우 빛에 대한 반사도가 높아 공급된 레이저광의 에너지의 반사 손실이 크며, 높은 열전도 특성으로 일부의 에너지만이 알루미늄을 용융시켜 접합되는데 사용되나 알루미늄이 800nm의 파장 대역에서 에너지의 흡수가 높게 나타나는 재료 특성과 재료의 온도가 높을수록 레이저광의 흡수가 증가는 특성이 부합될 때 가공 효율을 향상시킬 수 있다.When the laser light is absorbed on the surface of the metal material, heating occurs due to heat conduction with high energy density of the laser light, and melting occurs on the metal surface. The movement of these heat sources results in the joining due to the repeated local melting and solidification and alloying of the melt. However, in the case of aluminum, the reflection loss of the laser beam is high because of its high reflectivity to light, and due to its high thermal conductivity, only a part of the energy is used for melting and bonding aluminum, but aluminum absorbs energy in the wavelength range of 800 nm. The higher the material properties and the higher the material temperature, the higher the absorption of the laser light can improve the processing efficiency when the properties are matched.
본 발명에서는 이러한 이론적인 배경을 바탕으로 808nm의 파장을 갖는 연속발진형 다이오드 레이저와 높은 첨두출력을 갖는 1064nm 파장의 펄스형 Nd:YAG 레이저를 사용하여 레이저광 집속기에서 두 파장을 갖는 레이저광을 혼합(도1)하여 조사해 알루미늄 용접에 적용하였다.In the present invention, a laser beam having two wavelengths in a laser beam concentrator is used by using a continuous oscillation diode laser having a wavelength of 808 nm and a pulsed Nd: YAG laser having a high peak power of 1064 nm. The mixture was irradiated (Fig. 1) and applied to aluminum welding.
일반적으로 알루미늄 용접부는 야금학적 요인으로 급열 급냉의 용접열사이클로 인해 생성되는 조직의 변화와 급속 냉각에 따른 높은 수축응력, 수축변형을 견디지 못하고 발생하는 고온균열 현상, 용접시 수분 또는 결정수의 분해에 의한 수소 기공 등이 용접부의 건전성 미치는 영향이 크다.In general, aluminum welding is a metallurgical factor, which is caused by the change in the structure generated by the rapid heating and quenching heat cycle, high shrinkage stress caused by rapid cooling, high temperature cracking phenomenon that cannot withstand shrinkage deformation, and decomposition of water or crystal water during welding. The effect of hydrogen pores on the integrity of the weld zone is large.
본 발명에서는 수㎾의 첨두출력을 갖는 1064nm 발진 파장의 펄스형 Nd:YAG 레이저광이 주된 용접 열원으로 이용되었으며, 알루미늄의 에너지 흡수성이 높은 808nm 발진 파장을 갖는 연속발진형의 다이오드 레이저광을 이용하여 용접 열원의 보조적인 역할과 예열 및 후열처리 효과를 동시에 얻을 수 있었다(도2).In the present invention, pulsed Nd: YAG laser light of 1064 nm oscillation wavelength having several peak power is used as the main welding heat source, and continuous laser diode laser light having 808 nm oscillation wavelength with high energy absorption of aluminum is used. Auxiliary role of the welding heat source and the effect of preheating and post-heat treatment could be obtained at the same time (Fig. 2).
1064nm 파장의 Nd:YAG 레이저 광은 반사도가 높은 재료 특성에도 불구하고 수㎾의 높은 첨두출력에 기인(도2의 ①)하여 알루미늄을 용입시킬 수 있다. 그러나 단일 파장을 이용하였을 경우 제한된 용입 깊이와 응고 수축에 의한 고온균열, 기공과 같은 결함으로 용접성에 큰 문제점이 있으므로 808nm의 연속발진형 다이오드 레이저광(도2의 ②)을 혼합하여 표면에 존재하는 수분 또는 산화 피막내의 결정수를 제거해 수소 기공을 감소시키고 재료의 온도를 상승시키므로 1064nm 파장의 레이저광의 흡수를 촉진(도4)시키는 예열 작용을 하며, 1064nm의 Nd:YAG 레이저광과 함께 재료에 흡수되어 용입깊이를 증가시키며, 1064nm 파장의 재료 흡수성을 증가시켜 용접성을 향상시키는 작용을 하였다. 이뿐만 아니라 급속한 응고로 인해 내부응력이 높아진 금속조직을 연화시켜 수축에 의한 균열을 감소시키는 후열처리 작용을 하였다.Nd: YAG laser light having a wavelength of 1064 nm can intrude aluminum due to the high peak power of several orders of magnitude (1 in Fig. 2) despite the highly reflective material property. However, when a single wavelength is used, there is a big problem in weldability due to defects such as limited penetration depth, high temperature cracking due to solidification shrinkage, and pores. Therefore, 808nm continuous oscillation diode laser light (2 in FIG. 2) is mixed to exist on the surface. By removing the water of crystallization in the water or oxide film to reduce the hydrogen pores and increase the temperature of the material, it is preheated to promote the absorption of the laser light of 1064nm wavelength (Fig. 4), and absorbed into the material with Nd: YAG laser light of 1064nm Increasing the penetration depth, and increased the absorbency of the material of 1064nm wavelength to improve the weldability. In addition, the post-heat treatment acts to soften the metal structure with high internal stress due to rapid solidification, thereby reducing cracks caused by shrinkage.
본 발명은 용접의 주된 에너지원인 1064nm Nd:YAG 레이저광은 조사 위치를 고정시키고, 평행광 렌즈와 집속렌즈 사이의 간격을 조절해 808nm 다이오드 레이저광의 초점위치를 변화시킨다. 이렇게 자유롭게 조절되는 초점의 위치로 재료 표면에 조사되는 레이저광 크기와 단위면적당 에너지 밀도를 제어하여 예열 및 후열처리 면적과 에너지 집속도를 조절할 수 있다. 또한 1064nm 레이저광을 중심으로 808nm 레이저광의 1064nm 파장의 조사 위치와 동일하게 또는 전후로 이동 제어함으로서 예열처리, 후열처리 등 가공의 주목적을 선택, 변화시킬 수 있다. 파장대가 다른 두 레이저광을 혼합하는 집속기는 도1과 같다. 도1의 ②는 808nm의 초점위치 변화로 재료의 조사면적을 제어하기 위해서 평행광 렌즈를 상하로 정밀하게 이동할 수 있는 마이크로미터이며, 도1의 ④는 808nm의 조사 위치를 변화하기 위해 레이저광의 이동 각도를 자유롭게 변환할 수 있는 마이크로미터이다. 그리고 도1의 ⑤은 레이저 광의 경로를 바꾸기 위한 반사거울로 가로축에서 조사되는 1064nm 파장의 레이저 광은 100% 반사시키며, 세로축에서 조사되는 808nm 파장의 레이저는 40∼50도 각도에서 100% 투과시켜야 한다. 이렇게 반사거울을 거친 레이저광은 혼합되어 집속렌즈에서 집속되어 높은 에너지 밀도로 재료에 조사된다.According to the present invention, the 1064 nm Nd: YAG laser light, which is the main energy source for welding, fixes the irradiation position and adjusts the distance between the parallel light lens and the focusing lens to change the focal position of the 808 nm diode laser light. The freely controlled focal position controls the size of the laser beam irradiated onto the material surface and the energy density per unit area to control the preheating and postheating area and the energy focusing speed. In addition, the main purpose of processing, such as preheating and post-heating, can be selected and changed by moving and controlling the same position as the irradiation position of the 1064nm wavelength of the 808nm laser light or around the 1064nm laser light. A concentrator for mixing two laser beams having different wavelength bands is shown in FIG. ② in FIG. 1 is a micrometer capable of precisely moving the parallel light lens up and down to control the irradiation area of the material by changing the focal position of 808 nm, and ④ of FIG. 1 is the movement of the laser light to change the irradiation position of 808 nm. Micrometer that can convert angle freely. ⑤ of FIG. 1 is a reflecting mirror for changing the path of the laser light, and reflects 100% of the laser light of 1064 nm wavelength emitted from the horizontal axis, and transmits 100% of the laser of 808 nm wavelength emitted from the vertical axis at 100 to 40 degrees. . The laser beam passed through the reflective mirror is mixed and focused by the focusing lens and irradiated onto the material with high energy density.
도2는 재료에 가해지는 출력에너지를 모식화한 그림이다. 도2의 ①은 높은 첨두출력을 갖는 1064nm의 Nd:YAG 레이저광의 에너지를 나타내며 용접시 알루미늄을 용융시키는 주된 에너지원으로 작용한다. 도2의 ②는 직선적으로 연속발진하는 808nm의 다이오드 레이저광의 에너지를 나타내며 예열 및 후열처리 효과로 작용하여 1064nm 파장 레이저의 알루미늄의 흡수를 촉진하여 용입깊이와 용입형상의 안정화에 기여하며, 수소기공, 고온균열과 경화조직의 연화 등과 같이 용접 결함 및 금속학적으로 조직을 안정화시키는 작용을 한다.2 is a diagram schematically illustrating the output energy applied to the material. 2 in FIG. 2 shows energy of a 1064 nm Nd: YAG laser light having a high peak output and serves as a main energy source for melting aluminum during welding. ② in Fig. 2 shows the energy of the 808nm diode laser light which is linearly oscillated and acts as a preheating and post-heating effect to promote the absorption of aluminum of the 1064nm wavelength laser, contributing to stabilization of penetration depth and penetration shape, hydrogen pores, It acts to stabilize the weld defects and metallographically, such as high temperature cracking and softening of hardened tissue.
도3은 알루미늄의 레이저광에 대한 흡수 계수를 나타낸 그림으로 대부분의 금속의 경우 단파장으로 갈수록 흡수 레이저 광의 흡수가 증가하나, 알루미늄 경우 800nm 파장 대역에서 레이저광 흡수성이 특이하게 증가하였다 다시 감소하는 것을 나타낸다. 이러한 특성으로 알루미늄 용접가공시 808nm 파장을 갖는 다이오드 레이저광의 알루미늄 용접 가공에 대한 이용 근거로 활용하였다.3 is a graph showing the absorption coefficient of the laser light of aluminum, the absorption of the absorption laser light increases with the short wavelength for most metals, but in the case of aluminum, the laser light absorption is unusually increased and then decreased again in the 800 nm wavelength band. . These characteristics were used as the basis for the aluminum welding of diode laser light with 808nm wavelength.
도4는 재료의 온도에 따른 레이저광 에너지 흡수성을 나타낸 그림으로 재료의 온도가 높아져 금속의 용융이 이루어질 경우 레이저광의 흡수가 급격하게 증가하는 것을 나타낸 것으로 연속발진 808nm 파장 다이오드 레이저광이 재료의 온도를 상승시켜 1064nm 파장의 Nd:YAG 레이저광의 흡수를 촉진시키는 예열작용을 한다는 것에 대한 근거로 활용하였다.4 is a diagram showing the absorption of laser light energy according to the temperature of the material, which shows that the absorption of the laser light rapidly increases when the temperature of the material is increased and the melting of the metal is performed. It was used as a basis for preheating to increase the absorption of 10dnm Nd: YAG laser light.
단일 파장으로 알루미늄 레이저 용접가공을 하였을 때 발생되는 용접 결함과 이에 따른 불량과 생산성의 저하는 매우 심각하다. 그러나 다파장 레이저를 이용하였을 경우 가공 결함과 용접 불량을 감소시켜 가공 효율을 증대시킬 수 있다.Weld defects that occur when aluminum laser welding is performed at a single wavelength, and the defects and degradation of productivity are very serious. However, when the multi-wavelength laser is used, machining efficiency and welding defects can be reduced to increase machining efficiency.
본 발명은 808nm 파장 레이저의 평행광 렌즈를 상하로 정밀 조정하여 초점영역에 고정하였을 경우 가장 작은 광 크기에 가장 높은 에너지 밀도를 갖게 하여 용입의 깊이를 증가시키는 효과를 얻을 수 있으며, 표면에서 아래 또는 위에서 초점을 형성시키면 레이저광의 크기가 증가하여 에너지 조사 영역은 넓고 낮은 에너지 밀도로 넓은 면적에 열처리 효과를 증대시키는 역할로 그 사용 효과를 변화시킬 수 있다. 또한 레이저광의 조사각도를 정밀 조절하므로 808nm 파장 레이저광의 재료에 조사되는 위치를 제어할 수 있다. 1064nm파장의 레이저광을 기준으로 808nm 파장의 레이저광이 가공방향에서 선행 할 경우 재료의 온도를 높여 1064nm 파장 레이저광의 재료 흡수를 증대시키며 수분을 완전 제거하여 수소기공과 같은 용접 결함을 감소시키는 예열효과를 증대시킬 수 있고, 1064nm과 동일 위치에 조사할 경우 예열 및 후열처리의 효과보다 용입깊이를 증가시켜 용입 형상을 개선하는 역할에 이용될 것이다. 그리고 1064nm 파장의 레이저광 보다 후행할 경우 대부분의 808nm 레이저광의 에너지는 수축응력을 감소시켜 고온균열을 감소시키고 급냉으로 인한 불안정한 조직을 안정한 조직상태로 변화시키는 후열처리 효과에 사용될 것이다.According to the present invention, when the parallel light lens of the 808nm wavelength laser is precisely adjusted up and down and fixed to the focal region, it has the effect of increasing the depth of penetration by having the highest energy density at the smallest light size. When the focus is formed from the above, the size of the laser beam is increased, so that the energy irradiation area can change the use effect by increasing the heat treatment effect in a large area with a wide and low energy density. In addition, since the irradiation angle of the laser light is precisely adjusted, the position irradiated to the material of the 808 nm wavelength laser light can be controlled. When 808nm wavelength laser light is preceded in the processing direction based on 1064nm laser light, the preheating effect increases the temperature of the material to increase the material absorption of the 1064nm wavelength laser light and completely removes moisture to reduce welding defects such as hydrogen pores. If it is to be increased, and irradiated at the same position as 1064nm will be used to improve the penetration shape by increasing the penetration depth rather than the effect of preheating and post-heat treatment. In addition, the energy of most 808nm laser light will be used for the post-heat treatment effect to reduce the shrinkage stress, reduce the high temperature cracking, and to change the unstable tissue due to quenching into a stable tissue state.
이러한 장점을 현장에 적용시켜 용접성 향상 및 흡수도가 높은 에너지의 공급으로 용접속도를 향상시켜 생산성을 증대시키며, 다파장 레이저광 중 특정 파장 레이저광의 조사위치와 초점 위치를 제어하여 궁극적인 목적에 정확히 부합될 수 있도록 선택 변화시켜 계속해서 개발되고 있는 알루미늄 신합금에 레이저의 적용을 용이하게 한다.This advantage is applied to the field to improve weldability and increase welding speed by supplying energy with high absorption, thereby increasing productivity, and precisely controlling the irradiation position and focus position of a specific wavelength laser light among multi-wavelength laser light. Selection changes to match, facilitating the application of lasers to new aluminum alloys being developed.
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KR20040089168A (en) * | 2003-04-10 | 2004-10-21 | (주)한빛레이저 | A battery manufacturing process by pulsed laser welding technologies for the low heat input |
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Legal Events
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---|---|---|---|
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
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J301 | Trial decision |
Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20050530 Effective date: 20060714 |