KR20040060630A - 알루미늄 용접을 위한 다파장 레이저 용접 방법과 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플래쉬 램프로 여기되어 광섬유로 전송된 발진 파장이 1064nm인 펄스형 Nd:YAG 레이저광과 발진 파장이 808nm인 연속발진형 다이오드 레이저광을 혼합하여 알루미늄을 용접하는 레이저 장치에 관한 것이다.

전기전자, 자동차, 조선, 우주항공 등의 분야에서 에너지 효율을 향상시키기 위해 경량화에 대한 많은 연구가 진행 중이며 이로 인해 알루미늄의 이용이 증가하는 추세이다. 이러한 추세에 힘입어 알루미늄을 레이저 가공하기 위한 기술과 장치의 개발이 활발히 진행되고 있다.

본 발명은 알루미늄이 800nm 부근의 파장대에서 특이하게 에너지 흡수가 높은 재료학적 특성과 예열작용으로 재료의 온도가 상승할수록 레이저광의 흡수가 증가하는 효과를 이용하여 808nm의 발진 파장을 갖는 연속발진형 다이오드 레이저광과 펄스형 Nd:YAG 레이저광을 혼합하는 장치와 그 장치에서 발생되는 혼합 광을 이용하는 알루미늄 용접 방법으로 주 용접 열원으로 수㎾의 첨두력을 갖는 펄스형의 1064nm 파장이 이용되며, 808nm 파장의 다이오드 레이저광은 용접 열원의 보조적인 역할과 연속적인 에너지 공급으로 예열처리 및 후열처리의 효과를 얻을 수 있어 알루미늄의 레이저 용접성을 향상시키며 용접 결함의 감소로 가공 효율을 극대화시켰다.

Description

알루미늄 용접을 위한 다파장 레이저 용접 방법과 장치{A multi-wavelength laser welding system and its methods for aluminum welding}

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.

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.

도1은 광섬유로 전송된 각각의 파장을 갖는 레이저광을 혼합하는 레이저 집속기(레이저 헤드)의 구조도.

도1의 주요부분에 대한 설명

1 ; 808nm 다이오드 레이저광 전송 광섬유 및 집속기 입구

2 ; 평행광 렌즈 위치이동 마이크로미터

3 ; 808nm 다이오드 레이저광 평행광 렌즈

4 ; 레이저광 조사각도 제어 마이크로미터

5 ; 1064nm 전반사 및 808nm 투과 거울

6 ; 1064nm Nd:YAG 레이저광 전송 광섬유 및 집속기 입구

7 ; 1064nm Nd:YAG 레이저 평행광 렌즈

8 ; 혼합된 광의 집속렌즈

도2는 혼합된 레이저광의 출력 모식도.

1 ; 높은 첨두출력을 갖는 1064nm 레이저광

2 ; 연속적인 출력을 갖는 808nm 레이저광

도3은 다양한 금속 재료의 레이저광 파장대에 따른 에너지 흡수도.

도4는 재료의 온도에 따른 레이저광 흡수도.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (5)

1. 높은 첨두출력을 갖는 펄스형 Nd:YAG 레이저광과 연속발진하는 다이오드레이저광이 혼합된 다파장 레이저를 이용한 알루미늄 용접에 있어서,

   다이오드 레이저를 연속 발진시켜 808nm 파장의 레이저광을 발생하는 단계와,

   Nd:YAG 레이저를 연속 발진시켜 1064nm 파장의 레이저광을 발생시키는 단계와,

   상기 발생된 레이저광을 석영재질의 광섬유를 이용해 집속기로 전송하는 단계와,

   상기 전송된 808nm 파장을 갖는 연속발진 레이저광과 1064nm 파장을 갖는 펄스형 레이저광을 집속기에서 혼합시켜 다파장 레이저광을 형성시키는 단계와,

   상기 혼합된 다파장 레이저를 집광렌즈에서 집속시켜 알루미늄 가공물에 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다이오드 레이저의 연속 발진에 의하여 발생된 808nm 파장의 레이저광을 이용하여 가공물에서의 레이저광의 조사위치 및 레이저광의 초점위치를 자유롭게 변화시켜서 예열 및 후열 등의 단계(공정)를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접 방법.
3. 높은 첨두출력을 갖는 펄스형 Nd:YAG 레이저광과 연속발진하는 다이오드 레이저광이 혼합된 다파장 레이저를 이용한 알루미늄 용접에 있어서,

   808nm 파장 레이저광을 연속해서 발진시키는 다이오드 레이저 발진부와,

   1064nm 파장 레이저광을 펄스형으로 발진시키는 Nd:YAG 레이저 발진부와,

   상기 발진된 레이저광을 광섬유를 통해 집속기로 전송시키는 레이저광 전송부와,

   상기 전송된 1064nm 파장 레이저광과 808nm 파장 레이저광을 혼합하여 다파장 레이저광을 형성시키고, 형성된 다파장 레이저광을 집속렌즈를 통해 집속시키며, 높은 에너지 밀도로 집속된 레이저광을 재료로 조사하는 집속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 다파장 레이저광을 형성시키고, 재료에 고밀도 레이저광을 조사시키는 집속부에 있어서,

   808nm 파장의 다이오드 레이저광의 초점 위치를 변화시켜 재료에 조사되는 808nm 파장의 다이오드 레이저광의 광 이동경로 중 평행광 렌즈와 집속 렌즈 사이의 거리 변화시켜 808nm 파장의 다이오드 레이저광의 초점 위치를 재료 표면 또는 상하로 조절하여 조사 면적과 에너지 밀도를 조정할 수 있는 미세 조정부를 포함한 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접 장치.
5. 제3항에 있어서,

   상기 다파장 레이저광을 형성시키고, 재료에 고밀도 레이저광을 조사시키는 집속부에 있어서,

   808nm 파장의 다이오드 레이저광의 광 이동 경로의 각도를 변화시켜 1064nm 파장 레이저광을 기준으로 조사 위치를 자유롭게 변화시킬 수 있는 808nm 파장 레이저광 조사 각도 미세조정부를 포함한 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접 장치.