KR20100035164A - 레이저 빔 용접 장치 및 레이저 빔 용접 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 공작물(4, 13) 상에서 제 1 이동 방향(6)으로 미리 주어진 경로를 따라 레이저 빔(3)을 이동시키기 위한 레이저 스캐너(2)를 가진 레이저 용접 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 레이저 빔(3)과 공작물(4, 10) 사이의 상대 속도를 높이기 위해 제 2 작동 방향으로 공작물(4, 10)을 구동하기 위한 구동 수단(7)이 제공된다. 또한, 본 발명은 레이저 빔 용접 방법에 관한 것이다.

Description

레이저 빔 용접 장치 및 레이저 빔 용접 방법{Laser beam welding device and method}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 레이저 빔 용접 장치 및 청구범위 제 10 항의 전제부에 따른 레이저 빔 용접 방법에 관한 것이다.
레이저 빔 용접시 레이저 빔은 용접될 2개 이상의 공작물의 접합 영역(용접 영역)에서 포커싱된다. 레이저 빔의 흡수는 재료를 가열 및 용융시키고 부분적으로 증발시킨다. 다수의 공작물의 접합시 이루어지는 재료 용융물과 그 후의 재응고물의 혼합에 의해 용접 연결부가 형성된다. 국부적 열 팽창, 경우에 따라서 구조 변형 및 재료의 응고로 인해 원치 않는 뒤틀림이 발생하고, 이것은 공작물로 이루어진 부품의 형태- 및 치수 변화와 기능 저하를 일으킬 수 있고, 바람직하지 않은 경우에 부품을 파손시킬 수 있다. 특히 동일하지 않은 재료들의 용접시, 즉 상이한 재료들의 용접시 용접 동안 상이한 열 팽창 계수로 인해 균열이 발생할 수 있다.
원주 시임의 통상적인 용접시 레이저 빔이 두 번 지나가는 불가피한 중첩 영역으로 인해 접합 영역의 불균일한 비대칭 가열이 이루어진다. 이러한 비대칭은 부품의 엑시얼 런아웃(Axial runout)과 래디얼 런아웃(Radial runout)시 편차를 일으키고, 이는 특히 밸브 시트의 레이저 용접시 임계적일 수 있고, 밸브의 밀봉 기능을 저하시킬 수 있다.
상기 단점을 방지하기 위해 다양한 방법이 제공된다. 부품 뒤틀림을 줄이기 위한 방법은 에너지의 균일한 공급, 즉 예컨대 DE 100 20 327 A1호에 공지된 바와 같이, 접합 영역의 균일한 대칭 가열이다.
거의 연속적인 플라스틱 용접시, 스캐너를 이용하여 레이저 빔을 변위하고, 공작물 상에서 또는 2개의 공작물 사이의 접합 영역에서 제 1 이동 방향으로 미리 주어진 경로를 따라 레이저 빔을 이동시키는 것이 공지되어 있다. 레이저 빔의 충분히 높은 이동 속도에서 재료는 접합 영역에서 용융되고, 용융된 상태에서 레이저 빔은 응고물이 생기기 전에 상기 재료를 여러 번 지나갈 수 있다. 이로써, 정해진 시간 주기 동안 균일하게 용융된 후에 균일하게 응고되는 접합 영역이 형성된다.
금속 공작물의 용접을 위해 전술한 방법은 비실용적이다. 특히 큰 직경을 가진 2개의 공작물들이 서로 용접되어야 하는 경우에, 즉 레이저 빔이 지나가는 경로가 비교적 긴 경우에, 균일하게 용융된 접합 영역이 레이저 스캐너에 의해 구현될 수 없다.
본 발명의 목적은 2개의 금속 공작물들의 용접에 적합한 레이저 빔 용접 장치를 제공하는 것이다. 또한, 개선된 레이저 빔 용접 방법을 제안하는 것이다.
상기 목적은, 레이저 빔 용접 장치와 관련해서는 청구범위 제 1 항의 특징에 의해 달성되고, 레이저 빔 용접 방법과 관련해서는 청구범위 제 10 항의 특징에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 제시된다. 본 발명의 범주에서 상세한 설명, 청구범위 및/또는 도면에 공개된 특징들의 2개 이상으로 이루어진 모든 조합도 가능하다. 반복을 피하기 위해 순수 장치적 특징들은 방법적 특징으로 간주되고, 방법과 관련하여 청구될 수 있다. 또한, 방법적 특징들은 장치적 특징으로 간주되어 청구될 수 있다.
본 발명은 균일하게 용융된 접합 영역이 생기기 시작하는 임계 속도가 부품 디자인, 결합될 재료(들)의 용융 온도 및 열 전도성에 의존한다는 사실을 인식하였다. 또한, 본 발명은 그 결과 재료에 따라 에너지 또는 열이 재료 내로 어느 정도 방출되고, 접합 영역에서 냉각과 응고가 이루어진다는 사실을 인식하였다. 또한, 본 발명은 용융된 상태를 만들고 유지하기 위해, 공급된 에너지 플럭스와 방출하는 에너지 플럭스가 정확히 동일한 크기여야 한다는 사실을 인식하였다. 지금까지 레이저 스캐너를 이용한 상기 방법은 금속 재료에는 비실용적이었다. 그 이유는 금속의 높은 열전도 계수 및 이와 관련하여 부품 내로 열 방출에 의한 높은 에너지 손실로 인해, 종래의 레이저 스캐너에 의해 달성될 수 있는 속도보다 훨씬 더 빠른 레이저 빔 또는 포커스 포인트의 속도가 필요하기 때문이다. 이러한 고찰은, 공작물 상에서 또는 적어도 2개의 공작물들의 접합 영역에서 제 1 이동 방향으로 미리 주어진 경로를 따라 레이저 빔의 포커스를 이동시킬 뿐만 아니라 레이저 빔의 포커스와 결합될 공작물(들) 사이에 증가된 상대 속도가 주어지도록 공작물(들)을 제 2 이동 방향으로 추가로 구동하는 기본 사상을 가진 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 장치 및 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 방법으로 유도한다. 이를 위해 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 방법은 공작물(들)을 제 2 이동 방향으로 구동하기 위한 구동 수단을 제공한다. 바람직하게 구동 수단은, 적어도 하나의 공작물의 지지를 위한, 즉 고정을 위한 해당 고정 장치와 함께 적어도 하나의 공작물을 구동하도록 형성되고 배치된다. 레이저 빔의 포커스와 공작물 또는 접합 영역 사이의 증가된 상대 속도로 인해 전체 접합 영역을 따른 균일한 가열과 적어도 하나의 공작물의 균일한 용융이 구현될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 장치 및 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 방법은 특히 상이한 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 금속 공작물의 용접에 적합하다.
여러 번 지나감으로써 용접 시임이 형성되기 때문에, 그리고 가열된 또는 용융된 재료에서 에너지 결합이 개선되기 때문에, 정해진 용접 깊이를 달성하기 위해, 한번 만 지나감으로써 공작물이 용접되는 경우보다 더 낮은 출력을 가진 레이저 빔 소스도 사용될 수 있다. 예컨대 중간 정도의 최고 출력을 가진 CW-레이저의 사용이 가능하다.
12 mm 미만의 직경을 가진, 뒤틀림-임계적인 공작물에서 특히 양호한 결과가 얻어지고, 상대 속도가 증가함으로써, 특히 레이저 빔 포커스의 이동 속도가 증가함으로써 더 큰 직경을 가진 공작물들도 서로 용접될 수 있다.
레이저 빔의 포커스와 적어도 하나의 공작물 사이의 특히 높은 상대 속도는, 접합 영역 내에서 미리 주어진 경로를 따라 레이저 빔이 이동되는 제 1 이동 방향과 공작물(들)이 구동되는 제 2 이동 방향이 서로 반대됨으로써, 즉 레이저 빔의 포커스와 공작물이 서로 반대로 이동됨으로써 구현될 수 있다.
레이저 빔 용접 장치 또는 레이저 빔 용접 방법은 링형, 즉 원주를 따라 폐쇄된 용접 시임을 형성하는데 특히 적합하고, 형성될 용접 시임은 예컨대 평평한 면, 예컨대 공작물 단부측 또는 적어도 하나의 공작물의 원주에 형성될 수 있다. 바람직하게, 이를 위해 적어도 하나의 공작물이 구동 수단에 의해 회전축을 중심으회전 구동된다. 또한, 공작물의 디자인이 복잡한 경우에도 균일한 에너지 도입이 구현될 수 있도록, 공작물의 회전에 중심이 되는 회전축을 특히 환형 경로를 따라 조절하는 것을 고려할 수 있다. 또한, 공작물이 회전 구동되는 경우에 레이저 빔이 지나가는 경로가 폐쇄되지 않는 것을 고려할 수 있다. 이는 예컨대 레이저가 특정 원주 섹션에서 스위치 오프 되거나 또는 편향됨으로써 구현될 수 있다. 그러나 레이저 빔 용접 장치가 원주를 따라 폐쇄된, 즉 링형 용접 시임이 제공되도록 형성되는 실시예가 특히 바람직하다.
가장 간단한 경우에, 레이저 빔의 포커스가 따라 이동되는 경로는 링형이다. 링형 경로는 특히 회전 대칭 공작물의 용접에 적합하다. 이러한 경우에 용접될 공작물들은 회전축을 중심으로 회전 운동한다.
특히 적어도 하나의 공작물의 회전 구동시, 원심력에 의해 용융물이 험핑(humping) 되거나 또는 빼내지는 것과 같은 원치 않는 작용이 방지되는 것에 주목해야 한다. 6 mm의 직경을 가진 원형 강의 용접시 용융물의 배출과 관련해서 회전 속도의 한계는 약 1200 rpm이고, 이는 약 30 m/분의 트랙 속도에 해당한다. 약 60 m/분의 속도로 반대 방향으로 레이저 빔 포커스의 이동 속도를 고려하면, 약 90 m/분의 용접 속도(상대속도)가 구현될 수 있다.
접합 영역에서 레이저 빔 또는 레이저 빔 포커스가 이동할 수 있는 경로가 프로그래밍될 수 있는 실시예가 특히 바람직하다. 바람직하게 경로는 특히 공작물의 회전 속도를 고려하여 공작물의 윤곽에 적어도 거의 상응하도록 프로그래밍된다.
적어도 하나의 공작물의 원주에 용접 시임을 형성하는 것은 실제로 큰 어려움이 있다. 적어도 하나의, 바람직하게 서로 인접한 2개의 공작물들의 원주에 걸쳐 연장된 용접 시임을 형성하기 위해 본 발명의 개선예에서 원주에 경로를 이미징하는 수단이 제공된다. 바람직하게 상기 수단은, 용접 시임이 공작물의 내주에 형성되어야 하는지 또는 외주에 형성되어야 하는지에 따라 거의 축방향의 레이저 빔을 방사방향 외측 또는 내측으로 편향시킨다.
적어도 하나의 공작물의 원주에 레이저 빔의 경로를 이미징하는 수단이 코운 미러 또는 파라볼라 미러로 형성되거나 또는 코운 미러 및/또는 파라볼라 미러를 포함하는 경우에 특히 양호한 결과가 달성되었다. 용접 시임이 공작물의 외주에 형성되어야 하는지 또는 내주에 형성되는지 여부에 따라 코운 미러 또는 파라볼라 미러는 바람직하게 내부 미러 또는 외부 미러로서 형성된다. 코운 미러 또는 파라볼라형 미러를 배치하는 것이 바람직하지만, 적어도 하나의 공작물의 원주로 레이저 빔을 편향시키기 위한 다른 디자인의 거울 형태도 제공될 수 있다. 레이저 빔 포커스의 경로를 프로그래밍하는 것에 추가하여 또는 대안으로서, 레이저 스캐너를 적절히 형성함으로써 원주에 경로를 이미징하는 수단의 형태, 특히 코운 미러의 형태를 공작물(들) 또는 형성될 용접 시임의 윤곽에 매칭할 수 있다.
본 발명의 다른 특징들, 장점들 및 세부사항은 바람직한 실시예의 하기 설명에 도면을 참고로 제시된다.
본 발명에 따라, 2개의 금속 공작물들의 용접에 적합한 레이저 빔 용접 장치가 제공되고, 레이저 빔 용접 방법이 개선된다.
도 1은 단부측 용접 시임을 형성하기 위한 레이저 빔 용접 장치를 도시한 도면.
도 2는 공작물의 외주에 배치된 용접 시임을 형성하기 위한 레이저 빔 용접 장치를 도시한 도면.
도 3은 공작물의 내주에 배치된 용접 시임을 형성하기 위한 레이저 빔 용접 장치를 도시한 도면.
도면에서 동일한 부품들 및 동일한 기능을 하는 부품들은 동일한 도면부호를 갖는다.
도 1에는 레이저 빔 용접 장치(1)가 도시된다. 레이저 빔 용접 장치(1)는 레이저 스캐너(2)를 포함하고, 상기 레이저 스캐너는 레이저 빔(3)을 발생시키고 이 실시예에서 미리 주어진, 제 1 공작물(4)과 커버로 형성된 단부측 제 2 공작물(10) 사이의, 단부측 링형 경로를 따라 레이저 빔(3)을 이동시키기 위한 레이저 빔 소스를 포함한다. 도시된 레이저 빔 용접 장치(1)에 의해 공작물들(4, 10) 사이에 단부측 평면에 제공되는 링형 용접 시임이 형성될 수 있다. 레이저 빔(3) 또는 레이저 빔(3)의 포커스(5)는 이 실시예에서 대략 60 m/분의 속도로 제 1 이동 방향(6)으로, 시계 반대 방향으로 이동된다. 제 1 공작물(4)은 제 2 공작물(10)과 함께 구동 수단(7)에 의해 회전축(D)을 중심으로 제 1 이동 방향(6)과 반대인 제 2 이동 방향(8)으로, 시계 방향으로 회전 구동된다. 따라서 접합 영역(9)에서 공작물(4, 10)의 속도는 약 30 m/분이다. 이로 인해 공작물들(4, 10)과 레이저 빔(3)의 포커스(5) 사이의 상대 속도, 즉 용접 속도는 약 90 m/분이 된다. 따라서 링형 접합 영역(9)에서 공작물(4, 10)은 균일하게 용융된다. 도시된 실시예에서 제 1 공작물(4) 및 커버로 형성된 제 2 공작물(10)은 강으로 구현된다.
도 2에는 대안 레이저 빔 용접 장치(1)가 도시된다. 상기 용접 장치는 레이저 빔(3)을 발생시키고 이동시키기 위한 레이저 스캐너(2)를 포함한다. 레이저 빔(3)은 시계 반대 방향으로, 제 1 이동 방향(6)으로 회전 구동된다. 거의 축방향으로 방사되는 레이저 빔(3)은 내부 코운을 가진 코운 미러(11)에 부딪히고, 상기 코운 미러로부터 방사방향 내측으로, 제 1 및 제 2 공작물(10)의 외주(12)로 편향되므로, 포커스(5)는 제 1 이동 방향(6)으로, 서로 인접하는 공작물들(4, 10)의 외주(12)의 원주 방향으로 이동된다. 용접 속도를 높이기 위해 그리고 접합 영역(9)에서 균일한 용융을 구현하기 위해 공작물들(4, 10)은 구동 수단(7)에 의해 회전축(D)을 중심으로 제 2 이동 방향(8)으로, 시계 방향으로 회전된다.
도 3에 따른 실시예는 도 2에 따른 실시예에 상응하고, 레이저 빔(3) 또는 레이저 빔의 포커스(5)가 공작물들(4, 10)의 내주에서 제 1 이동 방향(6)을 따라 시계 반대 방향으로 이동되는 차이점을 갖는다. 이를 가능하게 하기 위해, 중공 실린더형 공작물들(4, 10)의 내부에 외부 코운을 가진 코운 미러(11)가 배치되므로, 축방향으로부터 코운 미러(11)에 부딪히는 레이저 빔(3)은 방사방향 외측으로, 공작물(4, 10)의 접촉 영역 내의 접합 영역(9)에 있는 내주(14)에 부딪힌다. 공작물들(4, 13)은 구동 수단(7)에 의해 제 1 이동 방향(6)과 반대인 제 2 이동 방향(8)으로, 시계 방향으로 회전 구동된다.
1 레이저 빔 용접 장치
2 레이저 스캐너
3 레이저 빔
4 제 1 공작물
5 포커스
6 제 1 이동 방향
7 구동 수단
8 제 2 이동 방향
9 접합 영역
10 제 2 공작물

Claims (13)

  1. 레이저 빔(3)을 적어도 하나의 공작물(4, 10) 상에서 제 1 이동 방향(6)으로 미리 주어진 경로를 따라 이동시키기 위한 레이저 스캐너(2)를 구비한 레이저 빔 용접 장치에 있어서,
    상기 레이저 빔(3)과 공작물(4, 10) 사이의 상대 속도를 높이기 위해 상기 공작물(4, 10)을 제 2 이동 방향(8)으로 구동하는 구동 수단(7)이 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 이동 방향(6, 8)은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 구동 수단(7)은 상기 공작물(4, 10)의 회전 구동을 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(3)이 따라 이동될 수 있는 경로는 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(3)이 따라 이동될 수 있는 경로는 링형인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(3)이 따라 이동될 수 있는 경로는, 바람직하게 상기 공작물(4, 10)의 윤곽에 상응하도록 프로그래밍될 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물(4, 10)의 외주 및/또는 내주(12, 13)에 경로를 이미징하기 위한 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 공작물(4, 10)의 원주(12)에 경로를 이미징하는 수단은 거의 축방향 레이저 빔(3)을 방사방향 내측으로 또는 외측으로 편향하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 공작물(4, 10)의 상기 원주(12)에 경로를 이미징하는 수단은 코운 미러 및/또는 파라볼라 미러(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 빔 용접 장치(1)를 이용한 레이저 빔 용접 방법으로서, 레이저 빔(3)은 적어도 하나의 공작물(4, 10) 상에서 제 1 이동 방향(6)으로 미리 주어진 경로를 따라 이동되는 레이저 빔 용접 방법에 있어서,
    상기 공작물(4, 10)은 상기 레이저 빔(3)과 상기 공작물(4, 13) 사이의 상대 속도를 높이기 위해 제 2 이동 방향(8)으로 구동되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 공작물(4, 10)은 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 이동 방향(6, 8)은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 방법.
  13. 제 10 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물(4, 10)은 40 m/분 미만, 바람직하게 35 m/분 미만, 특히 바람직하게 30 m/분 미만의 속도로 구동되고 및/또는 상기 레이저 빔(3)은 경로를 따라 40 m/분 이상, 바람직하게 50 m/분 이상, 특히 바람직하게 60 m/분 이상의 속도로 구동되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 방법.
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