KR-102961049-B1 - COMBINED LASER SYSTEM FOR METAL WELDING

Abstract

본 발명의 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100)은 짧은 파장의 제1레이저빔을 생성하여 출사하는 제1광원(110), 긴 파장의 제2레이저빔을 생성하여 출사하는 제2광원(120), 제2레이저빔을 반사하여 입사각을 조향하는 제1조향거울(130), 제1레이저빔과 제2레이저빔의 경로를 하나로 결합하여 결합빔을 만드는 광결합기(140), 결합빔이 반사되고 작업물에 조사된 후 반사되어 되돌아 온 반사빔이 투과되는 감시거울(150), 결합빔을 Y축 위치로 조향하면서 반사하는 제2조향거울(160), 제2조향거울(160)에 의해 Y축 위치가 조향된 상기 결합빔을 다시 X축 위치로 조향하면서 반사하는 제3조향거울(170), 그리고 제3조향거울(170)에서 반사되어 온 결합빔을 작업 평면에 스캔하는 스캔렌즈(180)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Inventors

• 박거동
• 강신교
• 정주호
• 조요한

Assignees

• 케이투레이저시스템 (주)

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20260120

Priority Date

20250120

Claims (10)

1. 용접 전 예열 및 용접 후 열처리에 사용되는 짧은 파장의 제1레이저빔을 생성하여 출사하는 제1광원(110); 본 용접에 사용되는 긴 파장의 제2레이저빔을 생성하여 출사하는 제2광원(120); 상기 제2레이저빔을 반사하여 입사각을 조향하는 제1조향거울(130); 상기 제1레이저빔과 상기 제2레이저빔의 경로를 하나로 결합하여 결합빔을 만드는 광결합기(140); 상기 결합빔을 Y축 위치로 조향하면서 반사하는 제2조향거울(160); 상기 결합빔을 X축 위치로 조향하면서 반사하는 제3조향거울(170); 및 상기 제3조향거울(170)에서 반사되어 온 상기 결합빔을 작업 평면에 스캔하는 스캔렌즈(180)를 포함하며, 상기 결합빔이 상기 스캔렌즈(180)를 통과할 때, 상기 제1레이저빔과 상기 제2레이저빔의 서로 다른 파장에 따른 굴절률의 차이로 생기게 되는 조사 영역과 설계된 작업 영역 간에 위치 편차의 보정은 상기 제1레이저빔의 X축과 Y축 위치 보정, 상기 제2레이저빔의 X축과 Y축 위치 보정, 그리고 상기 결합빔의 X축과 Y축 위치 보정 순으로 진행되는 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1레이저빔은 400㎚~500㎚의 파장을 갖는 블루 레이저이며, 상기 제2레이저빔은 1,030㎚~1,080㎚의 파장을 갖는 적외선 레이저인 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1조향거울(130)은 고속 조향거울인 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
4. 청구항 1에 있어서, 상기 스캔렌즈(180)는 F-세타 스캔 렌즈 또는 텔레센트릭 F-세타 스캔 렌즈인 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1레이저빔의 X축과 Y축 위치 보정은 상기 결합빔의 최초 입사각( )을 X축과 Y축으로 각각 , 만큼씩 보상하는 식으로 이루어지며, 상기 결합빔의 1차 보정 입사각( , )은 [수학식 1] = ± = ± 을 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
6. 청구항 5에 있어서, Y축 위치 보상은 상기 제2조향거울(160)의 조향 조정을 통해 구현되고, X축 위치 보상은 상기 제3조향거울(170)의 조향 조정을 통해 구현되며, 이때, 상기 위치 보상은 X축과 Y축으로 왜곡된 비선형 곡선이 상기 제1레이저빔의 조사 영역의 중심점을 기준으로 X축과 Y축으로 직선이 되거나 직선에 충분히 근접하는 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
7. 청구항 5에 있어서, 상기 제2레이저빔의 X축과 Y축 위치 보정은 상기 결합빔이 생성되기 전에 상기 제2레이저빔의 상기 1차 보정된 입사각( )을 X축과 Y축으로 각각 , 만큼씩 보상하는 식으로 이루어지며, 상기 제2레이저빔의 2차 보정 입사각( , )은 [수학식 2] = ± = ± 를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
8. 청구항 7에 있어서, X축과 Y축 위치 보상은 상기 제1조향거울(130)의 조향 조정을 통해 구현되며, 이때, 상기 위치 보상은 X축과 Y축으로 왜곡된 비선형 곡선이 1차 보정된 상기 제1레이저빔의 조사 영역을 기준으로 X축과 Y축으로 직선이 되거나 직선에 충분히 근접하게 되며, 1차 보정된 상기 제1레이저빔의 조사 영역과 겹치게 되는 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
9. 청구항 7에 있어서, 상기 결합빔의 X축과 Y축 위치 보정은 설계된 작업 영역에 대한 1차, 2차 보정된 결합빔의 조사 영역의 위치 편차를 보정하며, 상기 보정은 상기 스캔렌즈(180)에 대한 상기 제1조향거울(130), 상기 제2조향거울(160) 및 상기 제3조향거울(170)의 전체 입사각을 X축과 Y축으로 각각 , 만큼씩 보상하는 식으로 이루어지며, 상기 결합빔의 최종 입사각( , )은 [수학식 3] = ± = ± 을 만족하는 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).
10. 청구항 9에 있어서, 상기 결합빔의 조사 영역의 X축과 Y축 위치 보상은 상기 제1조향거울(130), 상기 제2조향거울(160) 및 상기 제3조향거울(170)의 동시 조향 조정을 통해 구현되며, 이때, 상기 결합빔의 조사 영역이 설계된 작업 영역으로 접근하여 같아지면서 겹치게 되는 것을 특징으로 하는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100).

Description

금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템{COMBINED LASER SYSTEM FOR METAL WELDING} 본 발명은 레이저 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 예를 들어, 구리 또는 그 합금과 같은 흡수율이 낮고 반사율은 높은 금속에 대한 용접 안정성과 용접 품질을 크게 높일 수 있는 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템에 관한 것이다. 레이저를 사용한 용접 기술은 고도로 집중된 레이저빔을 열원으로 사용하여 재료를 녹이고 접합하는 것으로, 빠른 속도, 높은 정밀도, 최소한의 열 영향 구역 등의 장점을 갖고 있어 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 레이저 용접 기술은 높은 에너지의 레이저 빔을 용접할 재료의 접합 부위에 조사하여, 재료 표면이 에너지를 흡수하여 급격한 온도 상승을 일으켜 녹으면서 용융 풀(molten pool)이 형성된 후, 냉각 및 응고되면서 강력한 금속 결합이 이루어지는 원리로, 초점 온도는 6,000℃에서 최대 10,000℃까지 올라간다. 레이저 용접 기술은 레이저빔의 초점을 정밀하게 제어할 수 있어 정밀도와 정확성이 높고, 열 영향 구역이 작아 주변 재료의 변형이 최소화되며, 효율적인 열전달로 공정 속도가 빠르고, 물리적 접촉이 없어 오염 가능성 매우 적은 장점을 갖고 있다. 하지만, 종래의 레이저 용접 기술은 예를 들어, 구리 또는 그 합금과 같은 흡수율이 낮고 반사율은 높은 금속을 용접하는 경우, 흡수율이 낮아 높은 전력을 사용하여야 하는 문제와, 높은 전력을 사용하여도 높은 반사율로 인하여 용접 중에 스패터(spatter)가 발생하고 심지어 재료 표면에 구멍 또는 함몰이 발생하는 등 용접의 안정성과 용접 품질에 여러 다양한 문제가 발생하였다. 도 1은 본 발명의 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템의 구성을 도시한 개략도; 도 2는 도 1의 결합빔이 초기 입사각으로 작업 평면에 조사될 때 조사 영역을 일례로 도시한 도면; 도 3은 도 2의 결합빔이 1차 보정된 입사각으로 작업 평면에 조사될 때 조사 영역을 일례로 도시한 도면; 도 4는 도 3의 결합빔이 2차 보정 입사각으로 작업 평면에 조사될 때 조사 영역을 일례로 도시한 도면; 및 도 5는 도 4의 결합빔이 최종 보정 입사각으로 작업 평면에 조사될 때 조사 영역을 일례로 도시한 도면이다. 본 발명은 구리 또는 그 합금과 같은 흡수율이 낮고 반사율은 높은 금속을 용접하기에 적합하게 개발되었으며, 구리 또는 그 합금이 온도 변화에 따라 에너지 흡수율이 달라지는 역학적 개념을 도입하여, 용접 전 예열에 400㎚~500㎚의 짧은 파장을 갖는 블루 레이저를 사용하고, 본 용접에 1,030㎚~1,080㎚의 긴 파장을 갖는 적외선 레이저를 사용하며, 용접 후 열처리에 다시 400㎚~500㎚의 짧은 파장을 갖는 블루 레이저를 다시 사용한다. 여기서, 용접 전 예열 단계에서는, 용접할 구리 또는 그 합금 소재의 흡수율이 65% 이상이 되는 온도까지 소재 표면에 블루 레이저를 특정 시간 동안 조사하여 소재의 표면 온도를 상승시킨다. 또한, 본 용접 단계에서는, 예열 단계에서 안정적으로 형성된 용융 풀(pool) 안에 적외선 레이저를 추가 시간 동안 조사하여 키홀(key hole)을 형성하고 용접 작업을 수행한다. 마지막으로, 용접 후 열처리 단계에서는, 블루 레이저를 추가 시간 동안 더 조사하여 용접된 부위의 냉각 속도를 제어하여 응고를 균일하게 하고 기공을 배출하게 된다. 이때, 파장이 다른 두 개의 레이저빔을 하나의 경로로 사용하기 위하여, 400㎚~500㎚의 짧은 파장을 갖는 블루 레이저와 1,030㎚~1,080㎚의 긴 파장을 갖는 적외선 레이저를 하나의 경로로 결합하게 된다. 또한, 경로가 결합된 각 레이저빔은 평면 위치 조향, 즉 X축과 Y축으로 조향된 후 스캔렌즈를 통과하여 작업 평면에 조사되게 된다. 이 과정에서, 경로가 결합된 각 레이저빔의 서로 다른 파장으로 인해 스캔렌즈를 통과할 때 굴절률에 차이가 생기게 되고, 이 때문에, 경로가 결합된 각 레이저빔이 서로 다른 평면 위치 또는 평면 영역에 조사되어 위치 편차가 생기게 된다. 이 위치 편차의 보정은 제1레이저빔의 X축과 Y축 위치 보정, 제2레이저빔의 X축과 Y축 위치 보정, 그리고 상기 결합빔의 Z축 초점거리 보정 순으로 진행된다. 이하, 첨부한 도면을 참고로 본 발명의 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템에 대하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템의 구성을 도시한 개략도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100)은 제1광원(110), 제2광원(120), 제1조향거울(130), 광결합기(140), 감시거울(150), 제2조향거울(160), 제3조향거울(170) 및 스캔렌즈(180)를 포함하여 구성된다. 제1광원(110)은 용접 전 예열 및 용접 후 열처리에 사용되는 짧은 파장의 제1레이저빔()을 생성하여 출사하는 것으로, 400㎚~500㎚의 짧은 파장을 갖는 블루 레이저가 바람직하게 사용한다. 제2광원(120)은 본 용접에 사용되는 긴 파장의 제2레이저빔()을 생성하여 출사하는 것으로, 바람직하게 1,030㎚~1,080㎚의 긴 파장을 갖는 적외선 레이저가 바람직하게 사용한다. 제1조향거울(130)은 제2광원(120)의 제2레이저빔()을 반사하여 입사각을 조향하는 것으로, 미세한 거울 면의 각도를 빠르게 조절하여 레이저빔의 경로를 조정하고, 오차를 보상하여 레이저빔을 원하는 위치에 정확히 위치시킬 수 있는 고속 조향거울(Fast Steering Mirror, FSM)이 바람직하게 사용된다. 이 고속 조향 거울은 수 μrad 수준의 미세한 각도 변화를 고속으로 구현하여 레이저빔의 위치를 조정할 수 있다. 광결합기(140)는 제1레이저빔()과 제2레이저빔()의 경로를 하나로 결합하는 것으로, 제1광원(110)에서 출사되어 온 제1레이저빔()은 투과시키는 반면 제2광원(120)에서 출사되어 제1조향거울(130)에서 반사되어 온 제2레이저빔()은 반사시켜서 경로가 같은 축에 위치한 결합빔()을 만든다. 감시거울(150)은 결합빔()이 반사되고 작업물에 조사된 후 반사되어 되돌아 온 반사빔이 투과되는 것으로, 투과된 반사빔은 도시하지 않은 감시장치로 보내져 작업 평면의 작업 상황이 감시된다. 제2조향거울(160)은 감시거울(150)에서 반사되어 온 결합빔()을 원하는 Y축 위치로 조향하면서 반사하는 것으로, Y축-갈바노미터 거울이 바람직하게 사용된다. 제3조향거울(170)은 결합빔()을 원하는 X축 위치로 조향하면서 반사하는 것으로, X축-갈바노미터 거울이 바람직하게 사용된다. 스캔렌즈(180)는 제3조향거울(170)에서 반사되어 온 결합빔()을 작업 평면에 스캔하는 것으로, 작업 평면 전체에서 초점을 일정하게 유지하기 위하여 F-세타(F-Theta) 스캔 렌즈가 바람직하게 사용되며, 이에 더하여 결합빔()이 모든 작업 평면에 거의 수직하게 조사되게 하기 위하여 텔레센트릭 F-세타(F-Theta) 스캔 렌즈가 또한 바람직하게 사용될 수 있다. 다음, 상술한 본 발명의 금속 용접을 위한 결합 레이저 시스템(100)의 작용에 대하여 설명한다. 도 2는 도 1의 결합빔이 초기 입사각으로 작업 평면에 조사될 때 조사 영역을 일례로 도시한 도면, 도 3은 도 2의 결합빔이 1차 보정된 입사각으로 작업 평면에 조사될 때 조사 영역을 일례로 도시한 도면, 그리고 도 4는 도 3의 결합빔이 2차 보정 입사각으로 작업 평면에 조사될 때 조사 영역을 일례로 도시한 도면, 그리고 도 5는 도 4의 결합빔이 최종 보정 입사각으로 작업 평면에 조사될 때 조사 영역을 일례로 도시한 도면이다. 설명을 위하여, 각 도면은 X축과 Y축이 평면을 이루고 Z축은 이 평면에 직교하게 좌표축을 표시하였다. 또한, 설명을 위하여, 작업 평면(WA)은 X축과 Y축으로 이루어진 평면에 원점을 기준으로 1사분면에 위치하게 하였고, 연속적으로 이루어지는 작업 평면(WA)을 특정 위치의 점들과 각 점을 서로 잇는 점선으로 표시하였다. 또한, 제1레이저빔은 “”, 제2레이저빔은 “” 그리고 결합빔은 “”로 표기하였다. 먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1레이저빔()과 제2레이저빔()이 결합된 결합빔()은 최초 입사각()으로 진입하여 스캔렌즈(180)를 통과한 후, 굴절되면서 작업 평면에 조사된다. 이때 짧은 파장을 갖는 제1레이저빔()은 굴절률이 커서 조사 영역이 점선으로 표시된 설계된 작업 영역(WA) 안쪽에 형성되는 한편, 긴 파장을 갖는 제2레이저빔()은 굴절률이 작아서 조사 영역이 설계된 작업 영역(WA) 바깥쪽에 형성되게 되어, X축과 Y축으로 위치 편차가 생기게 된다. 다음, 이 위치 편차의 보정을 위하여, 도 3에 도시한 바와 같이, 1차로 제1레이저빔()의 X축 위치 편차와 Y축 위치 편차를 보정한다. 이 보정은 스캔렌즈(180)로 입사되는 결합빔()의 최초 입사각()을 X축과 Y축으로 각각 , 만큼씩 보상하는 식으로 이루어지며, 결합빔()의 1차 보정 입사각(,)은 다음의 [수학식 1]을 만족한다. [수학식 1] = ± = ± 여기서, Y축 위치 편차 보상은 제2조향거울(160)의 조향 조정을 통해 구현되고, X축 위치 편차 보상은 제3조향거울(170)의 조향 조정을 통해 구현되며, Y축 위치 편차 보상과 X축 위치 편차 보상은 순서에 상관없이 진행될 수 있다. 이때, 위치 편차 보상은 X축과 Y축으로 왜곡된 비선형 곡선이 제1레이저빔()의 조사 영역의 중심점(+)을 기준으로 X축과 Y축으로 직선이 되거나 직선에 충분히 근접하게 된다. 이해를 돕기 위하여, 제1레이저빔()의 보정 전 조사 영역은 점선으로 표시하였고, 보정 후 조사 영역은 실선으로 표시하였다. 이때, 이 보정은 궁극적으로 제1레이저빔()의 X축과 Y축 위치 편차를 보정하는 것이지만, 제2조향거울(160)과 제3조향거울(170)의 조향 조정에 의해 결합빔()의 입사각이 함께 조정되어 구현되기 때문에, 하나로 결합된 제2레이저빔()의 X축과 Y축 위치 변화가 의도치 않게 생길 수 있다. 다음, 위치 편차의 추가 보정을 위하여, 도 4에 도시한 바와 같이, 2차로 제2레이저빔()의 X축 위치 편차와 Y축 위치 편차를