KR20170104818A

KR20170104818A - 벨로우즈 용접이 가능한 레이저 용접 장치

Info

Publication number: KR20170104818A
Application number: KR1020160027703A
Authority: KR
Inventors: 김수현; 박거동; 유성욱; 엄기영
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-09-18
Also published as: US20170259372A1

Abstract

레이저 용접 장치가 개시된다. 개시된 레이저 용접 장치는, 복수의 레이저 다이오드; 상기 복수의 레이저 다이오드에 연결되며, 상기 복수의 레이저 다이오드에서 발생된 레이저 빔을 전송하는 복수의 전송용 광섬유; 및 상기 복수의 전송용 광섬유에 연결되며, 상기 복수의 전송용 광섬유에 의해 전송된 레이저 빔을 커넥터를 통해 연결된 가공 대상물에 조사하는 레이저 헤드;를 포함하며, 상기 레이저 헤드는, 상기 복수의 전송용 광섬유가 제1 방향을 따라 배열되도록 상기 복수의 전송용 광섬유를 수용하는 수용 공간을 가지는 광섬유 블록과, 상기 복수의 광섬유 블록의 전방에 배치되며, 상기 복수의 전송용 광섬유에 의해 전송된 레이저 빔을 상기 가공 대상물로 조사하는 광학계를 포함한다. 광섬유 블록의 재질을 레이저 광이 잘 반사되는 재질로 구성하고 열이 잘 전도되는 재질로 구성해서 반사광에 강하고, 커넥터의 여러 광섬유 단면을 한개의 석영 블록과 융착 접합한 구조를 구성해서 반사광에 강한 구조를 포함한다. 각 레이저의 파장과 파워는 동일하거나 다르게 구성해서 재질에 따른 가공성을 개선할 수 있는 방법을 포함한다.

Description

벨로우즈 용접이 가능한 레이저 용접 장치{Laser welding apparatus}

본 발명은 벨로우즈 용접이 가능한 레이저 용접 장치에 관한 것이다.

벨로우즈(bellows)는 주름진 파이프 형상을 가지며, 외력이 가해질 때 수축되거나 확장되는 부품이다. 이러한 벨로우즈는 제작 방법에 따라, 성형 벨로우즈, 용접 벨로우즈 등으로 구분될 수 있다.

성형 벨로우즈는 성형 방식에 의해 성형하는 것이기 때문에, 상대적으로 가격이 저렴하지만 형상이 제한되며 기밀성이 떨어진다. 반면, 용접 벨로우즈는 복수 개의 다이어프램을 용접에 의해 연결하는 것이기 때문에, 상대적으로 가격이 높지만, 그 형상이 제한되지 않으며 기밀성이 우수하다.

이러한 용접 벨로우즈의 용접 방식의 예로써, 텅스텐 불활성 가스(Tungsten Inert Gas)를 이용한 방식, 플라즈마를 이용한 방식, 전자빔을 이용한 방식이 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 용접 방식들은 에너지 집적도가 떨어져 정밀한 가공이 어려울 뿐만 아니라 가공 부위의 열손상이 나타나고 가공 속도가 느린 문제가 있었다.

이러한 용접 방식들의 문제를 해결하기 위한 시도로써, 용접 벨로우즈의 용접 방식으로 레이저 빔을 이용한 레이저 용접 방식을 이용할 수 있다. 예를 들어, 광섬유 레이저를 이용하여 레이저 용접을 수행할 수 있다.

그러나, 광섬유 레이저를 이용한 레이저 용접의 경우, 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔은 직경 0.1 mm ~ 0.2 mm인 원형이며, 출력 500W에서 단위면적당 에너지 밀도가 약 4 MW/cm²일 수 있다. 이러한 레이저 빔이 벨로우즈의 매우 얇은 외부 테두리 또는 내부 테두리에 조사되는 과정에서, 가공 부위(또는 용접 부위)의 온도가 급격하게 상승할 수 있다. 그에 따라, 용접 과정에서 가공 부위의 손상이 발생할 수 있으며, 균일한 가공 품질을 얻기 힘들 수 있다. 또한, 용접 과정에서 가공 부위가 시커멓게 그을리는 현상이 나타날 수 있으며, 용접 과정에서 의도치 않은 유해 기체나 금속 비산물이 발생될 수 있다. 더불어, 작업 환경의 청정도와 최종 제품의 상품성에도 문제가 발생할 수 있다.

또한, 레이저 빔이 가공 대상물의 가공 부위에 반사되거나 산란됨에 따라, 레이저 빔이 레이저 헤드 내부에 재입사될 수 있다. 재입사된 레이저 빔에 의해, 레이저 헤드 내부의 광섬유가 손상될 수 있다.

실시예에 따르면, 가공 대상물이 벨로우즈와 같이 용접 부위가 매우 얇은 경우에도, 가공성 및 생산성을 향상시키기 위하여, 레이저 빔의 조사 범위를 수평 방향으로 확장하고 단위 면적당 에너지 밀도를 분산시킬 수 있는 레이저 용접 장치를 제공한다.

또한, 실시예에 따르면, 레이저 빔이 가공 대상물에 반사되거나 산란되어 레이저 헤드의 내부로 입사하더라도, 레이저 헤드 내부에 배치된 전송용 광섬유의 손상을 방지할 수 있는 레이저 용접 장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 레이저 용접 장치는,

복수의 레이저 다이오드;

상기 복수의 레이저 다이오드에 연결되며, 상기 복수의 레이저 다이오드에서 발생된 각각의 레이저 빔을 전송하는 복수의 전송용 광섬유; 및

레이저 빔을 가공 대상물에 조사하는 레이저 헤드; 및

상기 복수의 전송용 광섬유를 상기 레이저 헤드에 연결하며, 상기 복수의 전송용 광섬유에 의해 전송된 레이저 빔을 상기 레이저 헤드에 보내는 광 커넥터;를 포함하며,

상기 광 커넥터는 상기 복수의 전송용 광섬유 각각의 일 단부가 제1 방향을 따라 배치되도록 상기 복수의 전송용 광섬유를 수용하는 수용 공간을 가지는 광섬유 블록;을 포함하며,

상기 레이저 헤드는 상기 광 커넥터에서 전송되는 레이저 빔을 가공 대상물에 조사하는 광학계를 포함할 수 있다.

상기 가공 대상물에 조사된 각각의 레이저 빔은 상기 레이저 헤드와 상기 가공 대상물 사이의 간격을 조정해서 대상 가공물에 초점을 맺히게 하거나, 촛점을 흐리게 하여 각각의 레이저 빔이 뭉쳐서 라인 빔 형상을 가질 수 있다.

상기 광섬유 블록의 수용 공간에 수용된 상기 복수의 전송용 광섬유는, 적어도 하나의 행과 복수의 열을 가지도록 배열될 수 있다.

상기 광섬유 블록의 상기 레이저 헤드에 대향하는 표면은 레이저 빔에 대한 반사도가 80 % 이상일 수 있다.

상기 광섬유 블록은 열 전도도가 200 W/mK ~ 430 W/mK 일 수 있다.

상기 광섬유 블록의 재질은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 광 커넥터는, 상기 복수의 전송용 광섬유 각각의 일 단부가 접함된 석영 블록을 더 포함할 수 있다.

상기 레이저 다이오드의 출력은 1 W ~ 10kW 일 수 있다.

실시예에 따른 레이저 용접 장치는, 가공 대상물에 조사되는 레이저 빔의 조사 범위를 확장하고 단위 면적당 에너지 밀도를 분산시킴으로써, 가공성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 실시예에 따른 레이저 용접 장치는, 레이저 헤드의 내부로 가공면에서 반사된 레이저 빔이 입사되더라도, 광섬유 블록의 재질을 열전도가 우수하고 레이저 빔을 반사할 수 있는 재질로 구성함으로써, 레이저 헤드에 연결된 커넥터의 전송용 광섬유 손상을 방지할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 레이저 용접장치는, 일반적으로 광섬유의 단부의 표면의 코팅이 약한 것을 극복하기 위해서 복수의 전송용 광섬유들의 단부와 무반사 코팅된 석영블록을 융착 접합하여서 코팅 손상에 대한 영향을 줄이며, 광섬유보다 경도가 우수한 석영 블록을 이용하여 밀폐된 구조의 커넥터 구성을 가능하게 하여 수냉으로 냉각 가능하게 함으로써, 전송용 광섬유의 손상을 방지할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의해 용접되는 가공 대상물을 개략적으로 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 2는 도 1a의 다이어프램의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 레이저 용접 장치를 나타낸 도면이며,
도 4a 및 도4b는 도 3의 광 커넥터 내의 광섬유 블록의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 수용 공간을 나타낸 도면이다.
도 6은 가공 대상물에 레이저 빔이 조사된 상태를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 레이저 용접 장치에서 조사되는 레이저 빔의 빔 프로파일을 나타낸 것으로써, 도 7a는 포커싱 렌즈(332)의 초점 거리에서의 레이저(L)의 빔 프로파일을 나타내고, 도 7b는 포커싱 렌즈(332)의 초점 거리에서 벗어난 지점의 레이저(L)의 빔 프로파일을 나타낸다.
도 8은 레이저 헤드에서 가공 대상물에 조사된 레이저 빔이 반사되어 레이저 헤드 내부로 입사되는 과정을 개념적으로 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)이 레이저 빔의 파장에 따른 반사도를 나타낸 것으로써, 도 9a는 상온(25℃)에서의 반사도를 측정한 것이며, 도 9b는 100℃에서의 반사도를 측정한 것이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 레이저 헤드를 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

“제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 항목들 중의 어느 하나의 항목을 포함한다.

도 1a 및 도 1b는 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의해 용접되는 가공 대상물(T)을 개략적으로 나타낸 사시도 및 단면도이다. 도 2는 도 1a의 다이어프램(D)의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 가공 대상물(T)은 신축성 있는 파이프 형태를 가지는 금속 벨로우즈(bellows)일 수 있다. 금속 벨로우즈는 밸브, 자동차 부품, 반도체 진공 장비 등 다양한 장치 또는 기계의 부품으로 사용될 수 있다.

가공 대상물(T)은 복수 개의 다이어프램(D)을 상하 방향으로 중첩하도록 배치하고 이들을 연결하여 여러 개의 파형(convolution)을 갖는 유연한 쉘(flexible shell) 구조를 가질 수 있다. 다이어프램(D)은 금속 재질의 링 형상을 가지며, 내경에 대응하는 내측 테두리(D11)와 외경에 대응하는 외측 테두리(D12)를 가진다. 다이어프램(D)의 두께(t)는 2 mm 이하, 보다 바람직하게는, 0.1 mm 이하일 수 있다.

이러한 가공 대상물(T)을 제작하기 위하여, 인접한 다이어프램들(D)의 연결 부위에 레이저 빔(L)을 조사함으로써, 인접한 다이어프램들(D)을 레이저 용접에 의해 연결할 수 있다. 예를 들어, 인접한 다이어프램들(D)의 내측 테두리들(D11)을 레이저 용접하여 파형의 단위 셀을 만든 후, 다시 이러한 단위 셀들을 중첩시켜 단위 셀들의 다이어프램(D)의 외측 테두리들(D12)을 용접하여, 가공 대상물(T)을 제작할 수 있다.

상기와 같이, 가공 대상물(T)에 대한 용접이 복수의 다이어프램들(D)의 내측 테두리들(D11) 또는 외측 테두리들(D12)에 대해 이루어지기 때문에, 용접이 필요한 용접 부위는 매우 얇을 수 있다. 예를 들어, 용접 부위의 두께는 0.1 mm 이하일 수 있다.

이러한 두께가 매우 얇은 용접 부위에 일반적인 레이저 빔을 조사하여 용접을 진행할 경우, 용접 부위에 레이저 빔의 단위 면적당 에너지 밀도가 집중되어 가공물이 손상되는 등 용접 품질이 나빠져 가공성이 저하될 수 있으며, 가공 중 발생할 수 있는 연기나 그을음 등을 세척 하는 공정이 필요해서 생산성 역시 저하되는 현상이 발생할 수 있다.

실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)는, 상기와 같이 용접 부위가 매우 얇은 경우에도, 가공성 및 생산성을 향상시키기 위하여, 용접 부위를 확장해서 단위 면적당 에너지 밀도를 분산시킬 수 있는 구조를 제공한다.

도 3은 실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)를 나타낸 도면이며, 도 4a 및 도4b는 도 3의 광 커넥터(21) 내의 광섬유 블록(211)의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)는 복수의 레이저 다이오드(10)와, 복수의 레이저 다이오드(10)에서 나오는 레이저 빔을 전송하는 복수의 전송용 광섬유(20)와, 복수의 전송용 광섬유(20) 각각의 일 단부를 정렬하는 광섬유 블록(211)을 포함하는 광 커넥터(21), 광 커넥터(21)를 통해 나오는 레이저 빔을 가공물에 조사시킬 수 있는 레이저 헤드(30)를 포함할 수 있다.

복수의 레이저 다이오드(10) 각각은 소정 파장의 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 복수의 레이저 다이오드(10)는 필요에 따라 서로 유사한 파장의 레이저 빔을 발생시키거나 다른 파장의 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 레이저 다이오드(10)는 800 nm ~ 1000 nm의 파장을 가지는 레이저 빔을 발생시킬 수 있다. 여기서, 파장이 유사하다는 의미는 동일하거나, 동일하지 않더라도 그 차이가 10 nm 이내인 것을 의미하며, 파장이 다르다는 의미는 그 차이가 10 nm를 초과한 것을 의미할 수 있다.

복수의 레이저 다이오드(10)의 출력은 1 W ~ 10 kW일 수 있고 필요에 따라서 각각의 레이저 다이오드 출력이 유사하거나 다를 수 있다. 여기서, 출력이 유사하다는 의미는 동일하거나, 동일하지 않더라도 그 차이가 10 W 이내인 것을 의미하며, 출력이 다르다는 의미는 그 차이가 10 W를 초과한 것을 의미할 수 있다.

복수의 전송용 광섬유(20)는 복수의 레이저 다이오드(10)에 연결되며, 복수의 레이저 다이오드(10)에서 발생한 레이저 빔을 광 커넥터(21)를 통해 레이저 헤드(30)로 전송할 수 있다. 복수의 전송용 광섬유(20)의 개수는 복수의 레이저 다이오드(10)의 개수와 동일하다.

복수의 전송용 광섬유(20)의 일 단부의 표면(201, 이하 '단면(201)' 이라 한다)은 무반사 코팅될 수 있다. 그에 따라, 복수의 전송용 광섬유(20)를 통해 전송된 레이저 빔이 전송용 광섬유(20)의 일 단부에서 반사되어 레이저 다이오드 방향으로 되돌아가는 것을 방지할 수 있다.

레이저 헤드(30)는 광 커넥터(21)에 의해 복수의 전송용 광섬유(20)와 연결되며, 복수의 전송용 광섬유(20)에 의해 전송된 레이저 빔을 가공 대상물(T)에 조사한다.

광 커넥터는(21)는 복수의 전송용 광섬유(20)가 소정 형태로 배열되도록 지지하는 광섬유 블록(211)을 레이저 헤드(30)와 연결할 수 있게 하는 커넥터 기구부(212)로 구성된다. 레이저 헤드(30)는 복수의 전송용 광섬유(20)에 의해 전송된 레이저 빔을 집광하여 가공 대상물(T)에 조사하는 광학계(33)를 포함한다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 광섬유 블록(211)은 복수의 전송용 광섬유(20)를 수용하는 수용 공간(S)을 가질 수 있다. 광섬유 블록(211)은 수용 공간(S)을 형성하는 내부 블록(220)과, 내부 블록(220)을 둘러싸는 외부 블록(230) 을 포함할 수 있다. 내부 블록(220)은 상부 블록(221)과 하부 블록(222)을 포함할 수 있다.

상부 블록(221) 및 하부 블록(222) 중 적어도 하나에 수용 공간(S)을 형성하기 위한 수용 홈(221g)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 블록(221)에 수용 공간(S)을 형성하기 위한 수용 홈(221g)이 형성될 수 있다.

수용 공간(S)에 배치된 전송용 광섬유(20)의 단면(201)은 내부 블록(220)보다 1mm 정도 앞으로 나오도록 배치될 수 있다. 각각의 전송용 광섬유의 단면(201)은 내부 블럭(220)과 유사한 거리로 떨어져서 배치될 수 있다. 여기서, 유사하다는 의미는 동일하거나, 동일하지 않더라도 그 차이가 1% 이내일 수 있다.

수용 공간(S)의 형상에 따라, 수용 공간(S)에 배열된 복수의 전송용 광섬유(20)의 배치는 달라질 수 있다. 예를 들어, 수용 공간(S)은 수평 방향(또는 제1 방향)으로 폭(w1)이 수직 방향(또는 제2 방향)으로의 높이(h1)보다 클 수 있다. 예를 들어, 수용 공간(S)의 수평 방향으로의 폭(w1)은 수직 방향으로의 높이(h1)보다 3배 이상, 보다 바람직하게는 5배 이상 클 수 있다.

이와 같이 수용 공간(S)이 수평 방향으로의 폭(w1)이 수직 방향으로의 높이(h1)보다 크기 때문에, 이러한 수용 공간(S)에 배치된 복수의 전송용 광섬유(20)는 수평 방향으로 배치될 수 있다. 복수의 전송용 광섬유(20)는 적어도 하나의 행과 복수의 열을 가지도록 배치될 있다. 예를 들어, 5개의 전송용 광섬유(20)는 1 행과 5열을 가지도록 배치될 수 있다. 다만, 복수의 전송용 광섬유(20)의 배열은 이에 한정되지 아니하며, 복수의 전송용 광섬유(20)의 직경, 개수 및 수용 공간(S)의 형태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 복수의 전송용 광섬유(20)는 도 5와 같이 두 줄로 배열되거나, 그 이상으로 배열될 수 있다.

수용 공간(S)은, 그 내부에 삽입된 복수의 전송용 광섬유(20)들을 지지하도록, 복수의 전송용 광섬유(20)들의 높이 또는 폭의 합에 대응하는 높이 또 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 수용 공간(S)의 내부에 5개의 전송용 광섬유들(20)이 수용되는 경우, 수용 공간(S)의 높이(h1)는 하나의 전송용 광섬유(20)의 높이와 유사하며, 수용 공간(S)의 폭(w1)은 전송용 광섬유(20) 5개의 폭의 합과 유사할 수 있다. 여기서, 유사하다는 의미는 동일하거나, 동일하지 않더라도 그 차이가 10% 이하일 수 있다. 다시 말하면, 수용 공간(S)의 높이(h1)는 전송용 광섬유(20)의 외경과 동일하거나 크더라도 그 차이가 10% 이하일 수 있으며, 수용 공간(S)의 폭(w1)은 폭 방향으로 배열된 복수의 전송용 광섬유(20)의 외경의 합과 동일하거나 크더라도 그 차이가 10% 이하일 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 광학계(33)는 이러한 수용 공간(S)에 수용된 복수의 전송용 광섬유 단면(201)들의 전방에 배치된다. 광학계(33)는 평행화 렌즈(331)와 포커싱 렌즈(332)를 포함한다.

복수의 전송용 광섬유(20)에 의해 전송된 레이저 빔은 평행화 렌즈(331)와 포커싱 렌즈(332)를 거쳐 가공 대상물(T)에 조사된다. 상술한 것처럼, 복수의 전송용 광섬유(20)는 광섬유 블록(21)의 수용 공간(S)에 의해 수평 방향으로 배열된 상태이기 때문에, 가공 대상물(T)과 포커싱 렌즈(332)의 떨어진 거리가 포커싱 렌즈(332)의 초점 거리인 경우에는 전송된 각각의 전송용 광섬유 단면(201)의 레이저 빔이 각각 집속되어 조사되고, 가공 대상물(T)과 포커싱 렌즈(332)의 떨어진 거리가 초점 거리를 벗어난 경우에는 각각의 레이저 빔은 초점을 이탈되어 서로 겹쳐지게 되어서 라인 빔 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 가공 대상물(T)에 조사된 라인 빔 형상의 레이저 빔(L)은 수직 방향으로의 높이(h2)는 소정의 높이, 예를 들어, 0.5 mm 이하의 높이를 가지며, 수평 방향으로의 폭(w2)은 수직 방향으로의 높이(h2)보다 길게 연장된 형상을 가질 수 있다.

가공 대상물(T)과 포커싱 렌즈(332)의 떨어진 거리는, 가공 대상물(T)과 레이저 헤드(30) 중 적어도 하나를 이동시킴에 따라, 조절될 수 있다. 예를 들어, 레이저 헤드(30)를 이동시켜, 가공 대상물(T)과 포커싱 렌즈(332)의 떨어진 거리를 조절할 수 있다.

도 6은 가공 대상물(T)에 레이저 빔(L)이 조사된 상태를 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 가공 대상물(T)에 조사된 레이저 빔(L)은 수직 방향으로의 높이(h2)에 비해 수평 방향으로의 폭(w2)이 크다.

이러한 라인 형상의 레이저 빔(L)은, 원형의 레이저 빔에 비해, 수평 방향으로 레이저 빔(L)의 조사 범위가 확장되기 때문에, 두께가 얇은 용접 부위를 신속하게 용접할 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)에서 조사되는 레이저 빔(L)의 빔 프로파일을 나타낸 것으로써, 도 7a는 포커싱 렌즈(332)의 초점 거리에서의 레이저(L)의 빔 프로파일을 나타내고, 도 7b는 포커싱 렌즈(332)의 초점 거리에서 벗어난 지점의 레이저(L)의 빔 프로파일을 나타낸다.

도 7a를 참조하면, 가공 대상물(T)과 포커싱 렌즈(332)의 떨어진 거리가 포커싱 렌즈(332)의 초점 거리일 경우에는, 모든 전송용 광섬유(20)에서 나오는 레이저 빔(L)이 가공 대상물(T)에 각각 초점을 맺히기 때문에 가공 대상물(T)에 조사된 레이저 빔(L)은 각 레이저 다이오드(10)별로 에너지 밀도 차이가 구분된다. 반면, 도 7b를 참조하면, 가공 대상물(T)과 포커싱 렌즈(332)의 떨어진 거리가 초점 거리보다 짧거나 긴 경우에는, 가공 대상물(T)에 조사된 레이저 빔(L)의 에너지 밀도가 균일하게 나타냄을 확인할 수 있었다. 가공 대상물(T)의 위치는 가공 대상물(T)의 재질, 형상 등에 의해서 가공되는 정도로 결정되어지며, 바람직하게는 포커싱 렌즈(332)의 초점 거리의 ±10% 이내에서 결정된다.

또한, 다시 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)에서는, 가공 대상물(T)에 조사되는 레이저 빔(L)이 레이저 다이오드(10)에서 발생한 레이저 빔이 전송용 광섬유(20)에 의해 전달되는 구조이다. 실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)에서는, 광섬유 레이저를 이용하는 방식과 같이 별도의 광 펌핑을 위한 액티브 광섬유를 포함하지 않기 때문에 가공 대상물(T)에 조사되는 레이저 빔(L)의 파장은 레이저 다이오드(10)에서 발생한 레이저 빔의 파장과 동일하다. 예를 들어, 레이저 다이오드(10)에서 발생한 레이저 빔의 파장이 800 nm ~ 1000 nm일 경우, 가공 대상물(T)에 조사되는 레이저 빔(L)의 파장 역시 800 nm ~ 1000 nm일 수 있다.

또한, 실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)에서는, 광섬유 레이저와 같이 별도의 광 펌핑을 위한 액티브 광섬유를 포함하지 않기 때문에, 광섬유 레이저를 이용한 방식에 비해, 동일 출력에서 가공 대상물(T)에 조사되는 레이저 빔의 에너지 밀도가 상대적으로 작을 수 있다.

이와 같이, 가공 대상물(T)에 조사되는 레이저 빔(L)의 단위 면적당 에너지 밀도를 낮춤으로써, 가공 대상물(T)의 용접 부위의 온도가 급격하게 상승하는 것을 방지하고, 그에 따라 용접 부위가 시커멓게 그을리는 현상을 방지할 수 있다. 그리하여, 가공 대상물(T)의 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

각각의 레이저 다이오드의 파장은 필요에 따라 동일한 파장으로 구성하거나 달리 구성해서 가공 대상물(T)에 조사할 수 있다.

한편, 레이저 용접 장치(1)는 가공 대상물(T)이 탑재되는 작업 테이블(40)과, 가공 대상물(T)의 용접 부위를 촬영하는 비전 카메라(50)와, 용접 부위를 표시하는 디스플레이부(60)를 더 포함할 수 있다.

작업 테이블(40)은 회전 가능할 수 있다. 그에 따라, 레이저 헤드(30)에 의해 조사된 레이저 빔(L)이 가공 대상물(T)의 외부 테두리(D12) 또는 내부 테두리(D11)에 연속적으로 조사될 수 있다.

비전 카메라(50)는 레이저 헤드(30)에 배치되며, 디스플레이부(60)는 비전 카메라(50)에 연결될 수 있다. 그에 따라, 작업자는 디스플레이부(60)를 통해 표시된 정보에 기초하여, 가공 대상물(T)의 용접 부위에 대한 용접이 제대로 이루어지고 있는지 모니터링할 수 있다.

레이저 용접 장치(1)는 산화 방지 노즐(70)을 더 포함할 수 있다. 산화 방지 노즐(70)은 용접 부위에 불활성 기체를 분사할 수 있다. 불활성 기체는 질소 가스 등일 수 있다. 이러한 산화 방지 노즐(70)을 통해, 용접 부위의 산화를 방지할 수 있다.

한편, 금속 벨로우즈와 같은 용접 부위가 얇은 가공 대상물(T)에 레이저 빔(L)을 조사하는 과정에서, 가공 대상물(T)에 의해 레이저 빔(L)이 반사되거나 산란되는 현상이 발생할 수 있다.

도 8은 레이저 헤드(30)에서 가공 대상물(T)에 조사된 레이저 빔이 반사되어 레이저 헤드(30) 내부로 재입사되는 과정을 개념적으로 나타낸다. 도 8을 참조하면, 레이저 헤드(30)에서는 전송용 광섬유(20)에 의해 전송된 레이저 빔이 평행화 렌즈(331) 및 포커싱 렌즈(332)를 거쳐 가공 대상물(T)로 조사된다. 조사된 레이저 빔(L)의 일부는 가공 대상물(T)에 흡수되어 용접에 이용되지만, 다른 일부는 가공 대상물(T)에 의해 반사 또는 산란될 수 있다. 가공 대상물(T)에 의해 반사 또는 산란된 레이저 빔(RL)은 레이저 헤드(30)의 내부로 입사될 수 있다. 레이저 헤드(30)의 내부로 입사된 레이저 빔(RL)은 포커싱 렌즈(332) 및 평행화 렌즈(331)를 거쳐 광섬유 블록(31)으로 전달될 수 있다.

레이저 헤드(30)의 내부로 입사된 레이저 빔(RL)이 광섬유 블록(31)에 흡수될 경우 광섬유 블록(31)이 가열될 수 있으며, 심할 경우 수용 공간(S)에 수용된 전송용 광섬유(20)의 손상이 발생할 수 있다.

이러한 점을 고려하여, 실시예에 따른 레이저 용접 장치(1)에서는, 레이저 헤드(30)의 내부로 레이저 빔(RL)이 입사되더라도, 레이저 헤드(30) 내부에 배치된 전송용 광섬유(20)의 손상을 방지할 수 있는 구조를 제공할 수 있다.

다시 도 4a를 참조하면 광섬유 블록(220)의 재질을 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)으로 구성하면, 반사된 레이저 빔(RL)에 대한 반사도를 높일 수 있다. 이러한 재질로 구성된 광섬유 블록(220)은 가공 대상물(T)에서 반사되어 레이저 헤드(30)의 광학계(33)를 통해 광섬유 블록(220)으로 되돌아오는 레이저 빔(RL)에 대한 반사도가 80% 이상일 수 있다. 그에 따라, 광섬유 블록(31a)이 레이저 헤드(30a)의 내부로 입사된 레이저 빔(RL)에 의해 가열되는 것을 방지할 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)이 레이저 빔의 파장에 따른 반사도를 나타낸 것으로써, 도 9a는 상온(25℃)에서의 반사도를 측정한 것이며, 도 9b는 100℃에서의 반사도를 측정한 것이다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 금(Au)은, 소정의 온도 범위, 예를 들어, 25℃ ~ 100 ℃에서 파장 800 nm ~ 1000 nm의 레이저 빔에 대한 반사도가 80% 이상으로 나타남을 알 수 있다.

이러한 점을 고려하여, 광섬유 블록(220)의 재질은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그에 따라, 레이저 헤드(30)의 내부로 입사된 레이저 빔(RL)의 파장이 800 nm ~ 1000 nm인 경우, 광섬유 블록(30)에 입사된 레이저 빔(RL)을 80% 이상 반사시킬 수 있다. 그에 따라, 광섬유 블록(220)이 레이저 헤드(30)의 내부로 입사된 레이저 빔(RL)에 의해 가열되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 광섬유 블록(220)은 열전도도가 200 W/mK ~ 430 W/mK 일 수 있다. 예를 들어, 광섬유 블록(220)의 재질은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이와 같이, 광섬유 블록(220)은 열전도도가 우수하고 레이저 빔에 대한 반사가 우수한 재질을 선택함으로써, 전송용 광섬유(20)에서 발생된 열이 외부로 용이하게 방출되면서도, 레이저 헤드(30)로 입사된 레이저 빔(RL)에 의해 가열되는 것을 방지할 수 있다.

도 10은 다른 실시예에 따른 광섬유 블록(30b)를 나타낸 사시도이다. 도 10을 참조하면, 광섬유 블록(30b)은 전송용 광섬유(20)의 단면(201)과 석영 블록(250)을 융착 접합해서 붙인 구조를 더 포함할 수 있다. 석영 블록(250)의 지름은 광섬유 수용 공간(S)의 폭(w1)과 동일하거나 그보다 클 수 있고, 두께는 석영 블록(25)과 융착 접합 된 전송용 광섬유(20)의 단면(201)에서의 레이저 발산각을 고려해서 석영 블록(25)의 단면(251)에 레이저 빔(L)이 지나갈 수 있도록 고려해서 결정된다. 이 경우, 광섬유 단면(201)에는 무반사 코팅을 하지 않고, 석영 블록(25)의 단면(251)에 무반사 코팅을 한다. 석영 블록(25)의 단면(251)을 투과하는 레이저 빔은 전송용 광섬유(20)의 단면(201)을 투과하는 레이저 빔보다 크기 때문에 먼지 및 외부 충격에 대한 영향이 작아지며, 레이저 빔의 단위면적 당 에너지 밀도가 낮아지기 때문에 레이저 빔에 의한 코팅 손상을 최소화 시킬 수 있다. 또한, 전송용 광섬유(20)를 둘러싸는 수냉식 구조(미도시)의 단부를 석영 블록(250)에 의해 밀폐할 수 있기 때문에, 레이저 헤드(30)의 내부로 입사된 빔(RL)에 의해서 발생한 열을 수냉으로 식힐 수 있어서 전송용 광섬유 (20)의 손상을 방지할 수 있다.

한편, 상술한 실시예에서는, 도면을 기준으로 수평 방향, 수직 방향을 구분하였으나, 레이저 용접 장치(1) 및 가공 대상물(T)의 배치에 따라 수평 방향 및 수직 방향이 서로 바뀔 수 있음은 물론이다.

이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

1 : 레이저 용접 장치 10 : 레이저 다이오드
20 : 전송용 광섬유 21 : 커넥터
211 : 광섬유 블록 212 : 커넥터 기구부
220 : 내부 블록 221 : 상부 블록
221g: 수용 홈 222 : 하부 블록
230 : 외부 블록 250 : 석영 블록
251 : 석영 블록 단면 30 : 레이저 헤드
33 : 광학계 331 : 평행화 렌즈
332 : 포커싱 렌즈 40 : 작업 테이블
50 : 비전 카메라 60 : 디스플레이부
70 : 산화 방지 노즐 T : 가공 대상물
D : 다이어프램 D11 : 내측 테두리
D12 : 외측 테두리 S : 수용 공간

Claims

복수의 레이저 다이오드;
상기 복수의 레이저 다이오드에 연결되며, 상기 복수의 레이저 다이오드에서 발생된 레이저 빔을 전송하는 복수의 전송용 광섬유;
레이저 빔을 가공 대상물에 조사하는 레이저 헤드; 및
상기 복수의 전송용 광섬유을 상기 레이저 헤드에 연결하며, 상기 복수의 전송용 광섬유에 의해 전송된 레이저 빔을 상기 레이저 헤드에 보내는 광 커넥터;를 포함하며,
상기 광 커넥터는 상기 복수의 전송용 광섬유 각각의 일 단부가 제 1방향을 따라 배치되도록, 상기 복수의 전송용 광섬유를 수용하는 수용 공간을 가지는 광섬유 블록;을 포함하며
상기 레이저 헤드는 상기 광 커넥터에서 전송되는 레이저 빔을 가공 대상물에 조사하는 광학계를 포함하는, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 수용 공간의 형상은, 상기 제1 방향으로의 폭이 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로의 높이보다 큰, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전송용 광섬유의 상기 일 단부의 표면은 무반사 코팅된, 레이저 용접 장치.
제3항에 있어서,
상기 복수의 전송용 광섬유의 상기 일 단부의 표면의 반사율은 1% 이하인, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 가공 대상물에 조사된 레이저 빔은 포커싱 렌즈의 초점 거리에서 각각의 레이저 빔의 초점이 맺히는, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 가공 대상물에 조사된 레이저 빔은 포커싱 렌즈의 초점 거리를 벗어난 지점에서 라인 빔 형상을 가지는, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 가공 대상물에 조사된 레이저 빔의 파장은, 상기 레이저 다이오드에서 발생된 레이저 빔의 파장과 동일한, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 레이저 다이오드에서 발생된 각각의 레이저 빔의 파장이 동일하거나 다른, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 다이오드의 출력은 1 W ~ 10kW 인, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 레이저 다이오드에서 발생된 각각의 레이저 빔의 파워가 동일하거나 다른, 레이저 용접 장치.
제8항에 있어서,
상기 가공 대상물에 조사된 레이저 빔의 파장은 800 nm ~ 1000 nm인, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 수용 공간에 수용된 상기 복수의 전송용 광섬유는, 적어도 하나의 행과 복수의 열을 가지도록 배열된, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 광섬유 블록의 상기 레이저 헤드에 대향하는 표면은 레이저 빔에 대한 반사도가 80 % 이상인 물질로 구성한, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 광섬유 블록은 열 전도도가 200 W/mK ~ 430 W/mK 인, 레이저 용접 장치.
제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 광섬유 블록의 재질은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하는, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 광 커넥터는,
상기 복수의 전송용 광섬유의 상기 일 단부에 융착 접합된 석영 블록을 더 포함하는, 레이저 용접 장치.
제16항에 있어서,
상기 석영 블록의 상기 레이저 헤드에 대향하는 표면은 무반사 코팅된, 레이저 용접 장치.
복수의 레이저 다이오드;
상기 복수의 레이저 다이오드에 연결되며, 상기 복수의 레이저 다이오드에서 발생된 레이저 빔을 전송하는 복수의 전송용 광섬유;
레이저 빔을 가공 대상물에 조사하는 레이저 헤드; 및
상기 복수의 전송용 광섬유에 연결되며, 상기 복수의 전송용 광섬유에 의해 전송된 레이저 빔을 레이저 헤드로 보내는 광 커넥터;를 포함하며,
상기 광 커넥터는, 상기 복수의 전송용 광섬유를 수용하는 수용 공간을 가지는 광섬유 블록을 포함하며,
상기 레이저 헤드는 상기 복수의 광섬유 블록의 전방에 배치되며, 상기 복수의 전송용 광섬유에 의해 전송된 레이저 빔을 상기 가공 대상물로 조사하는 광학계를 포함하며,
상기 광섬유 블록의 상기 레이저 헤드에 대향하는 표면은, 레이저 빔에 대한 반사도가 80% 이상인, 레이저 용접 장치.
제18항에 있어서,
상기 광섬유 블록은 열 전도도가 200 W/mK ~ 430 W/mK 인, 레이저 용접 장치.
제18항 또는 제19항에 있어서,
상기 광섬유 블록의 재질은, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하는, 레이저 용접 장치.