KR20120114651A

KR20120114651A - 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기

Info

Publication number: KR20120114651A
Application number: KR1020110032307A
Authority: KR
Inventors: 신인승; 권경업; 김경수; 이용연
Original assignee: 에스아이에스 주식회사
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-10-17

Abstract

본 발명은 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기가 개시된다. 본 발명은 레이저발진기에서 출력된 용접빔이 전송되는 레이저광섬유; 상기 레이저광섬유의 일단과 일단이 결합 되는 화이버커플러; 상기 화이버커플러의 타단과 일단이 결합 되어 전송된 용접빔의 확산성분을 제거시키는 콜리메이션렌즈부; 상기 콜리메이션렌즈부를 통과한 용접빔의 방향을 전환시키는 밴딩미러; 상기 밴딩미러에 의해 방향이 전환된 용접빔의 방향을 수직방향으로 전환시키는 반사미러; 상기 밴딩미러를 통과하는 용접불빛에 의해 발생 되는 플라즈마에 따라 용접불량을 식별하는 용접부감시수단; 및 상기 반사미러에 의해 방향이 전환된 용접빔을 하나로 집중시키는 에프세타렌즈부를 포함하되, 상기 콜리메이션렌즈부는 상하로 승하강이동이 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공한다.

Description

레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기{LASER WELDING MACHINE ADJUSTABLE POSITION OF LASER FOCUS AND IDENTIFIABLE WELDING FAULTY}

본 발명은 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 조준렌즈가 장착된 콜리메이션렌즈부를 상하로 승하강시켜서 레이저발진기로부터 발진되는 용접빔의 초점위치를 조절함으로써 모재에 조사되는 용접빔의 위치를 조정할 수 있고, 제1밴딩미러와 제2밴딩미러는 용접불빛이 반사되어 상기 제1밴딩미러와 제2밴딩미러로 투영될 수 있도록 반투과미러로 형성되고, 상기 제1밴딩미러와 제2밴딩미러로 투영되는 용접불빛의 플라즈마 패턴에 따라 용접불량을 식별할 수 있는 포토다이오드를 장착한 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기에 관한 것이다.

일반적으로, 용접은 서로 다른 금속부재를 가열 또는 용융에 의해 접합시켜 일체로 성형하는 공정으로서, 조선, 자동차, 건축, 철도, 원자력 산업을 비롯하여 다양한 분야에서 널리 이용되고 있으며, 아크 용접, 저항 용접, 가스 용접, 마찰 용접, 레이저 용접 등의 다양한 방식이 있다.

그 중에서 상기 레이저 용접은 높은 에너지 밀도를 갖는 집중된 열원인 레이저를 접속하여 용접부위에 투사하는 방식으로서, 용접부위의 열영향 및 열변형률이 적으므로 정밀한 용접작업이 널리 이용되고 있다.

이러한, 레이저 용접 방식에 의하면 공정시간의 단축, 접합 강도와 기밀성의 우수성, 생산성의 향상을 위해 용접본체의 일측에 설치된 용접선추적센서에 의해 용접선을 추적한 후 용접헤드 전체를 좌우로 이동함으로써 용접선에 맞출 수 있는 상태이다.

하지만, 용접헤드를 이동함으로써 진동이 발생되어 상기 용접본체가 추적된 용접선에 정확하게 위치되지 못해 용접불량이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 용접이 진행되는 경우 용접선의 추적을 위해 용접선추적센서를 용접헤드의 하부 일측에 장착하지만, 상기 용접선추적센서는 용접시 발생하는 열에 손실, 고장 등이 나기 쉬운 문제점이 있다.

또한, 용접이 진행되는 경우 용접불꽃에 의해 발생되는 분진이나, 용융물이 에프세타렌즈를 오염시킬 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 레이저 용접장치가 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접헤드를 이동함이 없이 콜리메이션렌즈부를 상하로 승하강 시켜 용접발진기로부터 발진되는 용접빔의 초점위치를 조절함으로써 에프세타렌즈부에 를 통과하여 모재에 조사되는 용접빔의 위치를 조정할 수 있는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 용접이 진행되는 경우 용접선을 추적하고 용접불량을 식별하기 위해 용접불꽃이 반사되어 투과되는 반투과 제1밴딩미러와 제2밴딩미러를 장착하고, 상기 제1밴딩미러와 제2밴딩미러를 투과한 용접빔에 의해 발생 되는 플라즈마의 패턴에 따라 용접불량을 식별하는 포토다이오드를 장착한 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 용접이 진행되는 경우 용접불꽃에 의해 발생되는 분진이나, 용융물이 에프세타렌즈를 오염시키는 것을 방지할 수 있는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 및 기타 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레이저발진기에서 출력된 용접빔이 전송되는 레이저광섬유; 상기 레이저광섬유의 일단과 일단이 결합 되는 화이버커플러; 상기 화이버커플러의 타단과 일단이 결합 되어 전송된 용접빔의 확산성분을 제거시키는 콜리메이션렌즈부; 상기 콜리메이션렌즈부를 통과한 용접빔의 방향을 전환시키는 제1밴딩미러; 상기 밴딩미러에 의해 방향이 전환된 용접빔의 방향을 수직방향으로 전환시키는 반사미러; 상기 밴딩미러를 통과하는 용접불빛에 의해 발생 되는 플라즈마에 따라 용접불량을 식별하는 용접부감시수단; 및 상기 반사미러에 의해 방향이 전환된 용접빔을 하나로 집중시키는 에프세타렌즈부를 포함하되, 상기 콜리메이션렌즈부는 상하로 승하강이동이 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공한다.

또한, 상기 제1밴딩미러는 상기 용접부감시수단이 용접시 발생하는 용접불빛에 의해 발생 되는 플라즈마에 따라 용접불량을 식별할 수 있도록 용접불빛이 통과할 수 있는 반투과미러로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공한다.

또한, 상기 콜리메이션렌즈부는 상기 화이버커플러의 타단에 결합 되는 콜리메이션렌즈와, 상기 콜리메이션렌즈의 측면에 결합 되어 동력을 전달함으로써 상기 콜리메이션렌즈를 승하강시키는 리니어모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공한다.

또한, 상기 에프세타렌즈부는 상부면 일측에 장착되어 렌즈를 냉각하는 공기가 주입되는 공기주입구와, 상기 공기주입구를 통과한 공기가 통과하도록 상기 에프세타렌즈의 가장자리를 따라 형성되는 통기구와, 공기가 외부로 배출되어 용접에 따른 불순물이 렌즈를 오염시키는 것을 방지하도록 요홈이 형성된 공기배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공한다.

또한, 상기 용접부감시수단은 용접불꽃에 의한 발생 되는 플라즈마를 투과시키는 하나 이상의 제2밴딩미러와, 상기 제2밴딩미러를 통과한 플라즈마의 광량을 조절하는 하나 이상의 필터렌즈와, 상기 필터렌즈를 통과한 플라즈마의 광량을 전기적 신호로 전환함으로써 용접불량을 식별하는 하나 이상의 포토다이오드를 포함하되, 상기 포토다이오드는 용접불꽃에서 발생하는 플라즈마의 파장의 영역에 따라 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공한다.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 용접헤드를 이동함이 없이 콜리메이션렌즈부를 상하로 승하강 시켜 용접발진기로부터 발진되는 용접빔의 초점위치를 조절함으로써 에프세타렌즈부를 통과하여 모재에 조사되는 용접빔의 위치를 조정할 수 있는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공할 수 있다.

또한, 용접이 진행되는 경우 용접선을 추적하고 용접불량을 식별하기 위해 용접불꽃이 반사되어 투과되는 반투과 제1밴딩미러와 제2밴딩미러를 장착하고, 상기 제1밴딩미러와 제2밴딩미러를 투과한 용접빔에 의해 발생 되는 플라즈마의 패턴에 따라 용접불량을 식별하는 포토다이오드를 장착한 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공할 수있다.

또한, 용접이 진행되는 경우 용접불꽃에 의해 발생되는 분진이나, 용융물이 에프세타렌즈를 오염시키는 것을 방지할 수 있는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 레이저 용접기의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저용접기의 에프세타렌즈부의 단면도.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 레이저 용접기의 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저용접기의 에프세타렌즈부의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 레이저발진기에서 출력된 용접빔이 전송되는 레이저광섬유(100); 상기 레이저광섬유(100)의 일단과 일단이 결합 되는 화이버커플러(200); 상기 화이버커플러(200)의 타단과 일단이 결합 되어 전송된 용접빔의 확산성분을 제거시키는 콜리메이션렌즈부(300); 상기 콜리메이션렌즈부(300)를 통과한 용접빔의 방향을 전환시키는 제1밴딩미러(400); 상기 제1밴딩미러(400)에 의해 방향이 전환된 용접빔의 방향을 수직방향으로 전환시키는 반사미러(500); 상기 제1밴딩미러(400)를 통과하는 용접불빛에 의해 발생 되는 플라즈마에 따라 용접불량을 식별하는 용접부감시수단(600); 및 상기 반사미러(500)에 의해 방향이 전환된 용접빔을 하나로 집중시키는 에프세타렌즈부(700)를 포함하되, 상기 콜리메이션렌즈부(300)는 상하로 승하강이동이 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기(10)를 제공한다.

레이저 용접기(10)는 레이저광섬유(100), 화이버커플러(200), 콜리메이션렌즈부(300), 제1밴딩미러(400), 반사미러(500), 용접부감시수단(600), 에프세타렌즈부(700)를 구비한다.

상기 레이저광섬유(100)는 레이저발진기에서 출력된 용접빔을 전송하는 전송로이다.

상기 화이버커플러(200)는 상기 레이저광섬유(100)의 일단과 일단이 결합 되어 상기 레이저광섬유(100)에서 전송되는 용접빔이 외부로 누출되는 것을 방지하며 상기 콜리메이션렌즈부(300)에 용접빔을 전달한다.

상기 콜리메이션렌즈부(300)는 상기 화이버커플러(200)의 타단에 결합 되는 콜리메이션렌즈(320)와, 상기 콜리메이션렌즈(320)의 측면에 결합 되어 동력을 전달함으로써 상기 콜리메이션렌즈(320)를 승하강시키는 리니어모터(340)를 포함한다.

상기 콜리메이션렌즈(320)는 상기 화이버커플러(200)의 타단에 결합 되어 레이저광섬유(100)를 통해 전송된 용접빔의 확산성분을 제거시키며, 난반사되거나 굴절되는 용접빔을 차단한다.

상기 리니어모터(340)는 상기 콜리메이션렌즈(320)의 측면에 결합되어 동력을 전달함으로써 상기 콜리메이션렌즈(320)가 상하 승하강하도록 한다.

한편, 상기 콜리메이션렌즈(320)가 상부로 승강하게 되면 전송되는 용접빔의 영역이 점점 좁아지게 되고, 상기 제1밴딩미러(400)와 반사미러(500) 및 에프세타렌즈(720)를 거쳐 모재에 용접빔이 짧아진 상태로 조사되어 모재의 제트축 값이 작아지게 된다.

또한, 상기 콜리메이션렌즈(320)가 하부로 하강하게 되면 전송되는 용접빔의 영역이 점점 넓어지게 되고, 상기 제1밴딩미러(400)와 반사미러(500) 및 에프세타렌즈(720)를 거쳐 모재에 용접빔이 길어진 상태로 조사되어 모재의 제트축 값이 커지게 된다.

따라서, 상기 콜리메이션렌즈(320)를 승하강함으로써 전송되는 용접빔의 영역을 조절할 수 있고, 상기 레이저 용접기(10)의 이동 없이 모재의 제트축 값을 조정함으로써 용접위치의 조절이 가능한 것이다.

상기 제1밴딩미러(400)는 콜리메이션렌즈(320)를 통과한 용접빔의 진행방향을 수평으로 전환하여 후술하는 반사미러(500)로 전송시킨다.

또한, 상기 제1밴딩미러(400)는 상기 용접부감시수단(600)이 용접시 발생하는 용접불빛에 의해 발생 되는 플라즈마의 파장 영역에 따라 용접불량을 식별할 수 있도록 용접불빛이 통과할 수 있는 반투과미러로 형성된다.

상기 반사미러(500)는 상기 제1밴딩미러(400)로부터 전송된 수평의 용접빔을 수직방향으로 전환시킨다.

상기 용접부감시수단(600)은 용접불꽃에 의한 발생 되는 플라즈마를 투과시키는 하나 이상의 제2밴딩미러(620)와, 상기 제2밴딩미러(620)를 통과한 플라즈마의 광량을 조절하는 하나 이상의 필터렌즈(640)와, 상기 필터렌즈(640)를 통과한 플라즈마의 광량을 전기적 신호로 전환함으로써 용접불량을 식별하는 하나 이상의 포토다이오드(660)를 포함하되, 상기 포토다이오드(660)는 용접불꽃에서 발생하는 플라즈마의 파장의 영역에 따라 하나 이상 설치된다.

상기 제2밴딩미러(620)는 상기 제1밴딩미러(400)를 통과한 용접불꽃의 플라즈마 파장의 방향을 전환하여 또 다른 제2밴딩미러(620)에 전송하고, 상기 제2밴딩미러(620)는 플라즈마 파장의 영역에 따라 방향을 전환시키거나 통과시킨다.

상기 필터렌즈(640)는 상기 제2밴딩미러(620)를 통과한 플라즈마의 광량을 조절하여 후술하는 포토다이오드(660)에 전달한다.

상기 포토다이오드(660)는 상기 필터렌즈(640)를 통과한 플라즈마의 광량을 전기적신호로 전환함으로써 용접불량을 식별한다.

한편, 용접빔에 의해 모재에 발생하는 용접불꽃의 플라즈마 파장영역은 하나가 아니기 때문에 각각의 플라즈마 파장의 영역에 따라 플라즈마의 광량을 전기적 신호로 전환하는 포토다이오드(660)는 하나 이상이 필요한 것이다.

상기 에프세타렌즈부(700)는 상기 반사미러(500)에 의해 방향이 전환된 용접빔을 하나로 집중시켜 모재의 용접이 효율적으로 이루어지게 한다.

또한, 상기 에프세타렌즈부(700)는 상부면 일측에 장착되어 렌즈를 냉각하는 공기가 주입되는 공기주입구(740)와, 상기 공기주입구(740)를 통과한 공기가 통과하도록 상기 에프세타렌즈(720)의 가장자리를 따라 형성되는 통기구(760)와, 공기가 외부로 배출되어 용접에 따른 불순물이 렌즈를 오염시키는 것을 방지하도록 요홈이 형성된 공기배출구(780)가 형성된다.

한편, 상기 에프세타렌즈부(700)가 용융물이나 분진으로 오염되는 것을 방지하기 위해 상기 에프세타렌즈(720)의 일측에 고압의 공기를 분사하는 크로스젯프로텍트(800)를 설치할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기(10)의 작동원리에 대해 보다 자세히 살펴보면 다음과 같다.

레이저광섬유(100)로 전송되는 용접빔은 콜리메이션렌즈(320)를 통과하여 제1밴딩미러(400), 반사미러(500), 에프세타렌즈(720)를 지나 수평과 수직방향으로 전환되며, 용접하고자 하는 위치에 조사된다.

모재의 용접선이 달라지는 경우에 상기 콜리메이션렌즈(320)를 승하강함으로써 전송되는 용접빔의 영역을 좁게 또는 넓게 조정함으로써 상기 레이저 용접기(10)의 이동 없이 모재의 용접선을 따라 제트축의 값을 작거나 크게 조정하여 용접선 위치를 정확히 맞추어 용접을 할 수 있다.

또한, 용접빔으로 모재의 용접선에 맞추어 용접을 하는 경우에 용접불꽃에 의해 플라즈마가 발생하고, 상기 플라즈마는 반사미러(500)에 반사되어 수평으로 전환되어 전송되며, 제1밴딩미러(400)에 투과되어 제2밴딩미러(620)에 의해 수직으로 전송된다.

상기 제2밴딩미러(620)에 의해 수직으로 전송된 플라즈마는 파장의 영역에 따라 두 개의 파장으로 나뉘어지고 필터렌즈(640)를 통과하여 포토다이오드(660)에 도달하게 된다.

한편, 포토다이오드(660)에 용접불꽃의 플라즈마가 도달하면 플라즈마 광량이 전기적신호로 바뀌게 되고, 이의 변화에 의해 상기 레이저 용접기(10)는 모재의 용접불량을 식별할 수 있으며, 용접불량이 발생하면 다시 콜리메이션렌즈(320)를 승하강함으로써 용접선에 맞추어 모재를 용접하게 된다.

본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 즉, 그러한 변형 예 또는 수정 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10:레이저용접기 100:레이저광섬유
200:화이버커플러 300:콜리메이션렌즈부
320:콜리메이션렌즈 340:리니어모터
400:제1밴딩미러 500:반사미러
600:용접부감시수단 620:제2밴딩미러
640:필터렌즈 660:포토다이오드
700:에프세타렌즈부 720:에프세타렌즈
740:공기주입구 760:통기구
780:공기배출구 800:크로스젯프로텍트

Claims

레이저발진기에서 출력된 용접빔이 전송되는 레이저광섬유;
상기 레이저광섬유의 일단과 일단이 결합 되는 화이버커플러;
상기 화이버커플러의 타단과 일단이 결합 되어 전송된 용접빔의 확산성분을 제거시키는 콜리메이션렌즈부;
상기 콜리메이션렌즈부를 통과한 용접빔의 방향을 전환시키는 제1밴딩미러;
상기 제1밴딩미러에 의해 방향이 전환된 용접빔의 방향을 수직방향으로 전환시키는 반사미러;
상기 제1밴딩미러를 통과하는 용접불빛에 의해 발생 되는 플라즈마에 따라 용접불량을 식별하는 용접부감시수단; 및
상기 반사미러에 의해 방향이 전환된 용접빔을 하나로 집중시키는 에프세타렌즈부를 포함하되,
상기 콜리메이션렌즈부는 상하로 승하강이동이 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기.
청구항 1에 있어서, 상기 제1밴딩미러는,
상기 용접부감시수단이 용접시 발생하는 용접불빛에 의해 발생 되는 플라즈마에 따라 용접불량을 식별할 수 있도록 용접불빛이 통과할 수 있는 반투과미러로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기.
청구항 1에 있어서, 상기 콜리메이션렌즈부는,
상기 화이버커플러의 타단에 결합 되는 콜리메이션렌즈와, 상기 콜리메이션렌즈의 측면에 결합 되어 동력을 전달함으로써 상기 콜리메이션렌즈를 승하강시키는 리니어모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기.
청구항 1에 있어서, 상기 에프세타렌즈부는,
상부면 일측에 장착되어 렌즈를 냉각하는 공기가 주입되는 공기주입구와, 상기 공기주입구를 통과한 공기가 통과하도록 상기 에프세타렌즈의 가장자리를 따라 형성되는 통기구와, 공기가 외부로 배출되어 용접에 따른 불순물이 렌즈를 오염시키는 것을 방지하도록 요홈이 형성된 공기배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기.
청구항 1에 있어서, 상기 용접부감시수단은,
용접불꽃에 의한 발생 되는 플라즈마를 투과시키는 하나 이상의 제2밴딩미러와, 상기 제2밴딩미러를 통과한 플라즈마의 광양을 조절하는 하나 이상의 필터렌즈와, 상기 필터렌즈를 통과한 플라즈마의 광량을 전기적 신호로 전환함으로써 용접불량을 식별하는 하나 이상의 포토다이오드를 포함하되,
상기 포토다이오드는 용접불꽃에서 발생하는 플라즈마의 파장의 영역에 따라 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저 초점의 위치조정 및 용접불량 식별이 가능한 레이저 용접기.