KR20110121909A

KR20110121909A - 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치 및 그 장치를 이용한 열처리 방법

Info

Publication number: KR20110121909A
Application number: KR1020100041419A
Authority: KR
Inventors: 이종현
Original assignee: 서진산업 주식회사
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2030-05-03
Also published as: KR101217485B1

Abstract

본 발명은 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치에 있어서, 레이저 헤드에 장착된 고압공기 분사 냉각수단을 더 포함하여 박판 형태의 자동차 부품을 최소화하고 레이져 빔의 열원이 철강 소재를 가열할 때 표면에 생성되는 산화층을 열처리와 동시에 제거하기 위한 장치 및 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 자동차 부품의 국부에 레이저 빔을 주사하여, 1~20mm/sec 열처리 속도로 이동하면서 국부를 가열하여 열처리하는 레이저 헤드; 레이저 헤드와 연결되어 레이저 헤드를 자동차 부품과 소정간격만큼 이격된채 이동시키는 이동 수단; 레이저 헤드와 연결되어 열처리 헤드에 다이오드 레이저를 제공하는 출력이 2000~6000W인 다이오드 레이저 발생기; 레이저 헤드의 일측에 공기 분사 노즐 형태로 구비되어, 레이저 헤드에서 발생되는 레이저 빔과 특정간격으로 이격되어, 열처리된 자동차 부품에 공기 분사 노즐 끝단에서 고압공기를 분사시켜 냉각하는 고압 공기 분사 냉각수단; 고압 공기 분사 냉각수단에 연결되어 냉각수단에서 분사되는 고압 공기의 압력을 조절하는 압력조절수단; 다이오드 레이저 발생기와 전기적으로 연결되어 다이오드 레이저의 출력을 조절하여, 열처리 온도를 제어하는 열처리 온도 제어기; 고압 공기 분사 냉각수단과 연결되어 냉각수단에서 분사되는 공기의 온도를 조절하는 냉각온도 제어기; 및 레이저 헤드 및 이동 수단과 전기적으로 연결되어 자동차 부품의 국부를 선택적으로 가열하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치에 관한 것이다.

Description

고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치 및 그 장치를 이용한 열처리 방법{Local Heat Treatment System of the Automatic Borrowing Body Parts which uses Diode Laser having High Compressed Air Injection Cooling Device and the Heat Treatment Method}

본 발명은 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치에 있어서, 레이저 헤드에 장착된 고압공기 분사 냉각수단을 더 포함하여 박판 형태의 자동차 부품에 변형을 최소화하고 레이져 빔의 열원이 철강 소재를 가열할 때 표면에 생성되는 산화층을 열처리와 동시에 제거하기 위한 장치 및 방법에 대한 것이다.

일반적으로, 자동차 부품의 강도를 강화시키기 위해서는 소재의 두께를 높이거나 또는 고온가열이 필요한 열처리 방법을 이용한다. 이들 중, 우선 간접가열법은 로(furnace)를 이용하는 방법으로써 로 내의 온도를 높여서 피가열체를 고온으로 만들어주는 방법이다. 이러한, 로를 이용하는 방법은 1회에 대량으로 열처리를 실행할 수 있는 장점이 있으나, 불필요한 부분까지 경화되는 문제점이 있었다.

이와 함께, 직접가열법은 고주파 열원을 이용하는 방법으로써, 국부적인 가열 및 순간가열이 가능하여 프레스금형 열처리에 많이 사용되고 있다. 그러나 이들 중 고주파 열원으로 이용한 직접가열법의 경우는 고체의 자기유도현상을 응용한 기술로서 부품형상에 맞는 특별한 코일의 제작이 요구된다. 이에 따라, 부품의 형상에 따라 특별한 코일을 제작해야 하는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 코일은 최종 열처리 물성에 큰 영향을 미치는 문제점이 있었다. 그리고 부품에 따라 매우 높은 고주파대역을 필요로 하기 때문에 고주파를 발진시키기 위한 대규모의 설비가 요구되는 문제점이 있었다.

이상의 방법과 더불어 종래에는 CO₂ 레이저 또는 Nd-YAG 레이저, 다이오드 레이저를 열원으로 이용한 열처리방법이 있다. 도 1은 레이저 빔을 자동차 부품의 국부에 조사하여 열처리는 하는 열처리 장치의 모식화된 단면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열처리가 필요한 부분에 레이저 빔(20)을 주사하여 가열하면서 열처리가 진행된다. 열처리에 의한 소입 깊이 즉, 열처리층(30)의 두께는 1.5mm 내외가 된다.

이러한 방법에 냉각처리는 별도의 냉각처리 없이 주변공기에 의한 자연냉각과 열흡수층(40)에서 열을 전달받아 자체 냉각되게 된다. 그러나, 두께가 0.5~ 6 mm 정도되는 박판의 경우, 열흡수층(40)의 두께가 작아, 열처리 시 열흡수층(40)의 부피가 금형 열처리시보다 적어 열 흡수 효과가 떨어지게 된다. 또한, 레이저 빔(20) 주사 시(레이저 소입 시) 열처리층(30)과 비열처리층 사이에 온도차이로 인한 변형이 발생되게 된다. 또한, 열처리층(30)에 온도 상승 시 금속 소재의 표면에 산화층(50)이 생성되게 된다. 이러한 산화층(50) 생성을 막기 위해 Al-Si 코팅등으로 문제를 해결할 수 있으나, 이는 원가 상승에 요인이 되는 문제가 있다. 또한, 미코팅시 산화층(50)을 제거하기 위한 후처리 공정이 추가된다는 문제를 갖게 된다.

도 2a는 두께가 6mm이하인 자동차 부품에 레이저 빔이 주사된 열처리 장치의 모식화된 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 2b는 열처리 후 온도 차이에 의해 열처리층(30)은 팽창되고, 열흡수층(40)은 상대적으로 수축되어 변형이 일어난 박판의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 2c는 열처리 후 열경화층(31) 상면에 산화층(50)이 형성된 박판의 단면도를 도시한 것이다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 6mm이하의 두께를 갖는 박판에 열처리를 위한 열처리 장치 및 열처리 방법이 요구되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 다이오드 레이저빔을 이용함으로써 직접 또는 간접 열처리법의 여러 문제점을 개선시킬 수 있는 대물부품인 자동차 부품의 국부가열이 가능한 열처리장치 및 그 열처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 레이저 헤드에 고압공기 분사 냉각수단을 구비함으로써, 레이저 빔 주사에 따른 열처리와 함께, 연속적으로 열처리된 국부를 냉각시키고, 산화층을 제거함으로써, 보다 개선된 열처리장치 및 방법을 제공할 수 있게 된다. 따라서, 열흡수층의 두께가 얇은 자동차 부품에도 산화층형성 및 변형없이 열처리가 가능하게 된다.

본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

본 발명의 목적은, 자동차 부품의 국부에 레이저 빔을 주사하여, 1~20mm/sec 열처리 속도로 이동하면서 국부를 가열하여 열처리하는 레이저 헤드; 레이저 헤드와 연결되어 레이저 헤드를 자동차 부품과 소정간격만큼 이격된채 이동시키는 이동 수단; 레이저 헤드와 연결되어 열처리 헤드에 다이오드 레이저를 제공하는 출력이 2000~6000W인 다이오드 레이저 발생기; 레이저 헤드의 일측에 공기 분사 노즐 형태로 구비되어, 레이저 헤드에서 발생되는 레이저 빔과 특정간격으로 이격되어, 열처리된 자동차 부품에 공기 분사 노즐 끝단에서 고압공기를 분사시켜 냉각하는 고압 공기 분사 냉각수단; 고압 공기 분사 냉각수단에 연결되어 냉각수단에서 분사되는 고압 공기의 압력을 조절하는 압력조절수단; 다이오드 레이저 발생기와 전기적으로 연결되어 다이오드 레이저의 출력을 조절하여, 열처리 온도를 제어하는 열처리 온도 제어기; 고압 공기 분사 냉각수단과 연결되어 냉각수단에서 분사되는 공기의 온도를 조절하는 냉각온도 제어기; 및 레이저 헤드 및 이동 수단과 전기적으로 연결되어 자동차 부품의 국부를 선택적으로 가열하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치로서 달성될 수 있다.

이동수단은 6축 로봇이고, 레이저 빔이 주사되는 위치와 고압공기가 주사되는 위치 사이의 거리는 10 ~ 100mm이고, 공기 분사 노즐 끝단과 자동차 부품과의 수직거리는 5 ~50mm인 것을 특징으로 할 수 있다.

레이저 헤드 일측에 구비되어 열처리 헤드의 과열을 방지하는 헤드 냉각기; 및 다이오드 레이저 발생기 일측에 구비되어 다이오드 레이저 발생기를 냉각하는 다이오드 레이저 냉각기 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

자동차 부품의 두께는 0.5 ~ 6mm 인 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은, 열처리 장치를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 방법에 있어서, 제어부에서 자동차 부품의 데이터를 확인하고, 자동차 부품의 열처리 위치를 설정하는 단계; 제어부가 설정된 열처리 위치에 기초하여 레이져 헤드가 이동하도록 6축 로봇의 이동경로를 설정하는 단계; 제어부가 다이오드 레이저발생기 및 열처리 온도제어기를 제어하여 레이저 헤드에 제공되는 다이오드 레이저의 열처리 온도가 900 ~1400℃이고, 열처리 속도가 1 ~20mm/sec가 되도록 하고, 냉각온도 제어기가 고압공기 분사 냉각수단의 냉각온도를 설정하는 단계; 다이오드 레이저발생기가 6축 로봇에 의해 이동중인 레이저 헤드로 다이오드 레이저를 공급하는 단계; 레이저 헤드가 열처리 위치에 레이저 빔을 주사하고, 6축 로봇이 이동경로를 따라 이동하면서, 자동차 부품의 국부를 열처리하는 단계; 및 압력조절수단이 고압공기 분사 냉각수단의 공기압을 조절하고, 고압공기 분사 냉각수단이 고압 공기를 분사하여 열처리된 자동차 부품을 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 방법에 대한 것이다.

열처리 단계에서, 제어부가 열처리 온도를 감지하여 다이오드 레이저 냉각기를 이동하여 열처리 온도를 900 ~ 1400℃ 유지하게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

냉각 단계에서, 고압 공기 분사 냉각수단에서 분사된 고압공기에 의해 레이저 빔 주사 후 생성된 산화층(50)을 제거하는 것을 특징으로 할 수 있다.

따라서, 상기 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따르면, 첫째, 본 발명은 다이오드 레이저를 이용한 열처리법을 함으로써, 목표로 하는 특정 자동차 부품의 국부만을 가열할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 본 발명은 특정 자동차 부품의 국부만을 가열함으로써, 열효율면에서 매우 우수한 효과가 있다.

셋째, 본 발명은 다이오드 레이저를 이용한 열처리법을 함으로써, 사용환경이 청정하여 환경친화적인 효과가 있다.

넷째, 본 발명은 종래의 고주파 가열방법의 경우와 달리 별도의 가열코일이 필요치 않음으로써, 설비가 간단하고 경제적이면서도 순간가열 등이 가능하다는 점에서 고주파 가열방법과 동일한 효과가 있다.

다섯. 본 발명은 레이저 헤드 일측에 고압공기 분사 냉각수단을 구비하게 됨으로써, 열처리 후 연속적으로 열처리된 국부를 냉각하고, 형성된 산화층을 제거하게 됨으로써 열흡수층의 두께가 6mm이하인 국부에도 열처리 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

여섯, 본 발명의 제어부는 냉각수단과 연결된 압력조절수단, 냉각온도 제어기를 제어하게 됨으로써, 적절한 냉각온도과 고압공기의 압력을 조절할 수 있다는 효과를 갖는다.

일곱, 본 발명의 제어부는 헤드 냉각기, 열처리 온도 제어기, 다이오드 레이저 냉각기를 제어함으로써, 레이저 헤드 및 다이오드 레이저 발생기의 과열을 방지하고, 적절한 열처리 온도를 설정할 수 있다는 장점을 갖는다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 자동차 부품의 국부에 레이저 빔을 주사하는 종래의 다이오드 레이저를 이용한 열처리 장치의 부분 단면도,
도 2a는 열처리층이 6mm이하인 자동차 부품의 국부에 레이저빔을 주사하는 종래의 다이오드 레이저를 이용한 열처리 장치의 부분 단면도,
도 2b는 종래의 다이오드 레이저를 이용한 열처리 장치에 의해 열처리되어 변형이 일어난 자동차 부품의 단면도,
도 2c는 종래의 다이오드 레이저를 이용한 열처리 장치에 의해 열처리되어 산화층이 형성된 자동차 부품의 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차 부품의 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른, 고압공기 분사 냉각수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리장치의 구성도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 헤드에서 국부로 레이저 빔이 주사되어 열처리되고, 고압공기 분사 냉각수단에서 고압공기를 분사하여 냉각하는 열처리장치의 부분 단면도,
도 5b는 고압공기 분사 냉각수단에서 분사된 고압공기에 의해 산화층이 제거되는 열처리장치의 부분 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품(1)의 국부 열처리방법을 도시한 흐름도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름에 대한 블록도를 도시한 것이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고,‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

<열처리 장치의 구성 및 작동>

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 고압공기 분사 냉각수단(200)을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품(1)의 국부 열처리장치(10)의 구성에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 3은 본 발명에 따른 자동차 부품(1)을 도시한 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 자동차 체부품(1)의 열처리 위치인 자동차 프레임, 자동차 범퍼설치부, 자동차 엔진룸 및 자동차 도어 등을 다양한 색상으로 구분하여 도시하였다. 이상의 자동차 부품(1)은 자동차로 조립되기 전에 각각의 부품별로 열처리한 후 자동차형태로 조립하는 것이 바람직할 것이다. 그리고 열처리의 위치에 따라 자동차 부품(1)이 자동차형태로 조립된 후에도 열처리 가능할 것이다. 본 발명의 열처리에 대상이 되는 자동차 부품(1)은 열흡수층(40)이 충분한 두께를 갖는 금형뿐 아니라 두께가 6mm이하인 박판 형태의 재료에도 적용가능하다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른, 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품(1)의 국부 열처리장치(10)의 구성도를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 열처리장치(10)는, 레이저 빔(20)을 주사하는 레이저 헤드(100), 레이저 헤드(100)를 이동시키는 6축 로봇(300)으로 구비된 이동수단, 다이오드 레이저를 발생시키는 다이오드 레이저발생기(400), 열처리 온도를 조절하는 열처리 온도 제어기(500), 헤드냉각기(110), 다이오드 레이저 냉각기(410), 레이저 헤드(100) 일측에 결합된 고압공기 분사 냉각수단(200), 냉각수단(200)에서 분사되는 고압공기(201)의 압력을 조절하는 압력조절수단(210), 고압공기(201)의 온도를 조절하는 냉각온도 제어기(220)가 포함된다.

레이저 헤드(100)는 자동차 부품(1)의 국부에 다이오드 레이저 빔(20)을 주사하여 열처리하는 것이다, 열처리 속도는 5~20㎜/sec로 자동차 부품(1)을 열처리한다. 이때, 열처리 속도는 10㎜/sec로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 레이저 헤드(100)에 사용되는 열처리 수단은 후술할 다이오드 레이저 발생기를 이용한다. 이러한, 열처리 속도가 5㎜/sec이하의 경우 열처리 입열량이 커서 열처리 표면에 용융되는 현상이 발생하고, 열처리 생산성에도 큰 영양을 미친다. 또한, 열처리 속도 20㎜/sec이상의 경우 열처리 입열량이 적어 열처리가 되지 않은 현상이 발생하는 문제점이 있다. 여기서, 레이저 헤드(100)는 후술할 6축 로봇(300)으로 구비된 이동수단을 통해 이동하기 때문에 광케이블을 이용하여 다이오드 레이저발생기(400)에서 발생되는 다이오드 레이저 를 전달받아 자동차 부품(1)의 국부에 다이오드 레이저 빔(20)을 주사하여 열처리한다.

전술한 레이저 헤드(100)의 일측에는 헤드냉각기(110)를 더 구비한다. 이때, 헤드냉각기(110)는 레이저 헤드(100)의 과열을 방지한다. 이러한, 헤드냉각기(110)는 통상의 냉각장치를 구비한 냉각기를 이용할 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(100) 일측에는 고압공기 분사 냉각수단(200)이 결합되어 있다. 고압공기 분사 냉각수단(200)은 공기 분사 노즐형태로 구비된다. 따라서, 공기 분사노즐 끝단에서 고압공기(201)가 열처리된 국부에 분사되어 열처리된 국부를 냉각하고, 형성된 산화층(50)을 제거하게 된다. 레이저 헤드(100)에서 발생된 레이저 빔(20)이 주사되는 위치와 고압공기(201)가 주사되는 위치는 약 10 ~ 100mm 거리를 둔다. 또한, 공기 분사노즐의 끝단과 자동차 부품(1)과의 수직거리는 약 5 ~50mm정도로 함이 바람직하다.

또한, 고압공기 분사 냉각수단(200) 일측에는 압력조절수단(210)이 구비된다. 압력조절수단(210)은 고압공기 분사냉각수단(200)에서 자동차 부품(1)으로 분사되는 고압공기(201)의 압력을 조절하게 된다. 그리고, 고압공기 분사 냉각수단(200)에는 냉각온도 제어기(220)가 연결되어 있다. 냉각온도 제어기(220)는 열처리된 자동차 부품(1)의 국부에 분사되는 고압공기(201)의 온도를 조절하게 된다. 차체의 재질과 열처리 속도, 열처리층(30)의 두께 등을 기초하여 적절한 냉각온도를 설정하게 된다.

도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 헤드(100)에서 국부로 레이저 빔(20)이 주사되어 열처리되고, 고압공기 분사 냉각수단(200)에서 고압공기(201)를 분사하여 냉각하는 열처리장치(10)의 부분 단면도를 도시한 것이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(100)는 후술할 6축 로봇(300)에 연결되어 이동하고, 레이저 헤드(100) 일측에 결합된 고압공기 분사 냉각수단(200) 역시 일체로 이동하게 된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(20)의 직경은 약 10 ~ 80mm 이고, 레이저 빔(20)이 주사되는 위치와 고압공기(201)가 분사되는 위치 사이는 약 10 ~ 100mm이다. 또한, 공기 분사 노즐 끝단과 열처리층(30) 사이 거리는 5 ~50mm 정도가 바람직하다.

그리고, 레이저 헤드(100)에는 광학렌즈 등을 포함하여, 주사되는 레이저 빔(20)의 폭(W)을 조절할 수 있다. 레이저 빔(20)의 폭(W)은 재질과 두께, 열처리 속도에 따라 적절하게 조절할 수 있다. 다이오드 레이저 빔(20)의 폭(W)은 약 10 ~ 80mm 정도로 설정함이 바람직하다. 또한, 다이오드 레이저 빔(20)은 원형 빔, 라인 빔, 사각형 빔, 링형 빔 및 타원형 빔까지 다양한 빔형태의 제공이 가능하다. 따라서, 다양한 형태의 자동차 부품(1)에 원하는 빔 형태를 이용할 수 있다. 여기서, 다이오드 레이저 빔(20)의 형태는 레이저 헤드(100)에 구비된 렌즈 조절을 통해 가능해 진다.

도 5b는 고압공기 분사 냉각수단(200)에서 분사된 고압공기(201)에 의해 산화층(50)이 제거되는 열처리장치(10)의 부분 단면도를 도시한 것이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 레이저 헤드(100)에서 주사되는 레이저 빔(20)에 의해 열처리 층이 열처리 된다. 그리고, 동시에 열처리층(열경화층(31)) 상면에 산화층(50)이 발생되고, 고압공기 분사 냉각수단(200)에서 분사된 고압공기(201)에 의해 산화층(50)이 제거됨을 알 수 있다.

이동수단은 레이저 헤드(100)와 연결되어 있다. 본 발명의 일실시예에서 이동수단은 6축 로봇(300)으로 구비된다. 6축 로봇(300)은 레이저 헤드(100)와 결합되어 레이저 헤드(100)를 자동차 부품(1)으로 열처리하기 위한 국부로 이동하는 역할을 한다. 여기서, 6축 로봇(300)은 통상의 자동차용 자동화시스템에 이용되는 것을 사용할 수 있다. 또한, 6축 로봇(300)의 작동으로 레이저 헤드(100)와 결합된 고압공기 분사 냉각수단(200)도 일체로 이동하게 된다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 열처리장치(10)는 다이오드 레이저발생기(400)를 구비하고 있다. 다이오드 레이저발생기(400)는 다이오드 레이저를 발생시켜 레이저 헤드(100)와 전기적으로 연결되어 레이저 헤드(100)에 다이오드 레이저를 제공한다. 여기서 다이오드 레이저발생기(400) 출력은 2,000W ~ 6,000W인 것을 사용할 수 있으나, 본 실시예의 바람직한 다이오드 레이저발생기(400) 출력은 4,000W이다.

다이오드 레이저발생기(400) 일측에는 다이오드 레이저 냉각기(410)를 더 구비할 수 있다. 이는, 다이오드 레이저발생기(400)의 온도를 냉각하는 역할을 한다. 이러한, 다이오드 레이저 냉각기(410)는 다이오드 레이저 발생기를 장시간 사용할 경우 발생되는 과열을 방지한다. 즉, 다이오드 레이저발생기(400)의 온도를 측정하여 온도가 설정된 임계치를 넘어서는 경우, 선택적으로 작동하여 다이오드 레이저발생기(400)를 냉각하게 된다 이때, 다이오드 레이저 냉각기(410)는 통상의 공냉식 또는 수냉식 냉각수단이 구비된 냉각기를 이용할 수 있다.

열처리 온도제어기(500)는 다이오드 레이저발생기(400)와 레이저 헤드(100) 사이에 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 다이오드 레이저발생기(400)에서 발생되는 다이오드 레이저의 출력을 조절하여, 열처리 온도를 제어하게 된다. 이때, 온도제어기(5)는 열처리 온도를 900~1400℃로 제어한다. 열처리 온도가 900℃ 이하가 되면 열처리 가능한 입열량이 적어 열처리가 되지 않는 문제점이 발생한다. 또한, 열처리 온도가 1400℃ 이상의 경우 입열량이 커서 열처리 표면이 용융되는 현상의 문제점이 발생한다. 따라서, 온도제어기는 다이오드 레이저발생기(400)에서 제공되는 다이오드 레이저의 열처리가 온도가 일정하게 유지되도록 하는 역할을 한다. 이상의 열처리 온도는 열처리하는 자동차 부품(1)의 재질에 따라 달라질 수 있으나 열처리 온도를 1100℃로 하는 것이 가장 바람직하다.

제어부(600)는 레이저 헤드(100), 6축 로봇(300), 다이오드 레이저발생기(400), 온도제어기, 헤드냉각기(110), 다이오드 레이저 냉각기(410), 압력조절수단(210), 냉각온도 제어기(220)와 전기적으로 연결된다. 이때, 제어부(600)는 자동차 부품(1)의 국부를 선택적으로 가열하는 것을 제어한다. 즉, 제어부(600)는 레이저 헤드(100)의 작동 유무, 6축 로봇(300)의 이동 유무, 다이오드 레이저발생기(400)의 작동 유무 및 열처리 온도제어기(500)의 열처리 온도를 제어한다. 또한, 고압공기 분사 냉각수단(200)의 작동 유무, 다이오드 레이저 냉각기(410)의 작동유무, 헤드냉각기(110)의 작동유무, 압력조절수단(210)에 의한 압력설정, 냉각온도 제어기(220)에 의한 냉각온도 설정을 제어하게 된다. 이를 위해, 제어부(600)는 각각의 장치와 유기적으로 결합됨은 자명할 것이다. 또한, 제어부(600)는 각각의 장치를 제어할 수 있도록 통상의 입력부 및 표시부를 포함한다.

<열처리 방법의 실시예 >

도 6은 본 발명에 따른 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품(1)의 국부 열처리방법을 도시한 흐름도이다. 본 발명의 일실시예에 따른 열처리 방법은 앞서 설명한 열처리장치(10)를 이용한 것이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 열처리 위치 설정단계(S100)는, 제어부(600)에서 자동차 부품(1)의 데이터를 확인하고, 자동차 부품(1)의 열처리 위치를 설정한다. 이때, 자동차의 열처리 위치는 자동차 프레임, 자동차 범퍼설치부, 자동차 엔진룸 및 자동차 도어 등 도 3에 도시되어 있다..

이동경로 설정단계(S110)는 제어부(600)에서 설정된 열처리 위치를 기초 삼아 레이저 헤드(100)가 이동하도록 6축 로봇(300)의 이동경로를 설정한다. 이는, 자동차 부품(1)의 열처리 위치로 이동하는 레이저 헤드(100)가 자동차 부품(1)에서 소정거리 이격되어 이동하면서도 레이저 헤드(100)가 자동차 부품(1)에 충돌하는 것을 방지하기 위함이다.

그리고, 제어부(600)는 냉각온도 제어기(220)를 제어하여 자동차 부품(1)에 분사하게 될 고압공기(201)의 온도를 설정하게 된다. 또한, 고압공기 분사 냉각수단(200)에서 분사될 고압공기(201)의 압력을 설정한다(S130).

그리고, 제어부(600)는 다이오드 레이저발생기(400) 및 온도제어기(5)를 제어한다. 이때, 레이저 헤드(100)로 제공되는 다이오드 레이저의 열처리 온도를 900~1400℃로 입력하고, 열처리 속도를 1~20㎜/sec로 입력한다. 앞서 설명한 바와 같이, 열처리 온도 900~1400℃ 및 열처리 속도 1~20㎜/sec를 벗어나면 자동차 부품(1)의 열처리 효과가 원하는 목표만큼 발생하지 않는다. 따라서, 소재의 재질 및 두께에 따라 차이는 있으나, 열처리 온도 1100℃ 및 열처리 속도 10㎜/sec로 입력하는 것이 바람직하다. 여기서, 다이오드 레이저발생기(400)의 출력은 2,000W~6,000W까지 가능하나 4,000W로 하는 것이 바람직하다.

다이오드 레이저 공급단계(S140)는 6축 로봇(300)에 의해 이동되는 레이저 헤드(100)는 다이오드 레이저발생기(400)에서 제공된 다이오드 레이저를 공급받게 된다.

열처리단계(S150)는 레이저 헤드(100)에서 공급된 다이오드 레이저에 의해 레이저 빔(20)을 자동차 부품(1)의 국부에 주사하여 열처리한다. 이때, 열처리단계(S150)는 레이저 헤드(100)와 열처리될 자동차 부품(1)의 표면과의 거리는 약 235㎜로 한다. 또한, 자동차 부품(1)은 고장력강판을 이용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 열처리 시스템은 자동차 부품에 해당한다면, 차체부품이나, 샤시부품 그 종류를 불문하고 적용가능하다. 또한, 자동차 부품(1)은 앞서 설명한 바와 같이, 열흡수층(40)이 충분히 두꺼운 금형뿐아니라 두께가 6mm이하인 박판 역시 열처리 가능하다. 또한, 열처리단계(S150)에서 자동차 부품(1)의 국부에 주사되는 레이저 빔(20)의 폭(W)은 렌즈에 의해 10㎜ ~80mm로 조절될 수 있다.

그리고, 고압공기 분사 냉각수단(200)이 고압공기(201)를 열처리된 자동차 부품(1)의 국부에 분사하게 된다(S160). 앞서 설명한 바와 같이, 고압공기 분사 냉각수단(200)은 레이저 헤드(100) 일측에 결합되어 있고, 공기 분사 노즐 형태로 구성된다. 레이저 헤드(100)의 진행방행 후방에 설치되어 열처리가 진행된 국부에 고압공기(201)를 분사하여 냉각하고, 산화층(50)을 제거하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 레이저 빔(20)이 주사되는 국부의 위치와 고압공기(201)가 분사되는 위치 사이는 10 ~ 100mm 정도가 됨이 바람직하다.

열처리 단계(S150) 및 냉각 단계(S160)는 열처리와 냉각이 진행되는 동안 설정된 열처리 속도로 진행되고, 6축 로봇(300)은 설정된 이동경로를 따라 자동차 부품(1)과 일정 간격을 유지한 채 레이저 헤드(100)를 이동시키게 된다.

전술한, 열처리단계(S150)는 제어부(600)가 온도제어기를 이용하여 다이오드 레이저의 열처리 온도를 감지하여 다이오드 레이저의 열처리 온도가 900~1400℃로 유지되도록 한다. 도한, 냉각 단계(S160)에서 제어부(600)는 압력조절수단(210)와 냉각온도 제어기(220)를 제어하여 설정된 압력과 온도를 유지시키게 한다.

또한, 6축 로봇(300)의 이동으로 열처리와 냉각이 진행되는 동안, 제어부(600)는 레이저 헤드(100)의 온도를 측정하여 레이저 헤드(100)가 설정된 임계온도를 넘어가는 경우, 헤드냉각기(110)를 작동시켜 레이저 헤드(100)를 냉각하게 한다. 또한, 제어부(600)는 다이오드 레이저발생기(400)의 온도를 측정하여 설정된 임계온도 이상으로 과열된 경우, 다이오드 레이저 냉각기(410)를 작동시켜 다이오드 레이저발생기(400)를 냉각하게 한다. 이러한 단계는 설정된 열처리 위치에 대해 모두 열처리가 종료할 때까지 계속된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(600)의 신호흐름에 대한 블록도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제어부(600)는 6축 로봇(300)을 제어하게 된다. 따라서, 6축 로봇(300)의 이동경로를 설정하여, 레이저 헤드(100)와 국부 사이의 간격과 열처리가 필요한 부분에 열처리가 가능하도록 6축로봇의 이동을 제어하게 된다. 그리고, 제어부(600)는 고압공기 분사 냉각수단(200)에 연결된 압력조절수단(210)과 냉각온도 제어기(220)를 제어한다. 따라서, 고압분사 냉각수단(200)에서 분사되는 고압공기(201)의 공기압을 조절하고, 분사되는 고압공기(201)의 온도를 조절하게 된다.

또한, 제어부(600)는 레이저 헤드(100)와 다이오드 레이저 발생기 사이에 구비된 열처리 온도 제어기(500)를 제어하여 열처리 온도를 조절하게 된다. 그리고, 제어부(600)는 헤드냉각기(110)를 제어함으로써, 레이저 헤드(100)의 과열을 방지하고, 다이오드 레이저 냉각기(410)를 제어함으로써 다이오드 레이저발생기(400)의 과열을 방지하게 된다.

1:자동차 부품
10:자동차 부품의 국부 열처리장치
20:레이저 빔
30:열처리층
31:열경화층
40:열흡수층
50:산화층
100:레이저 헤드
110:헤드냉각기
200:고압공기 분사 냉각수단
201:고압공기
210:압력조절수단
220:냉각온도 제어기
300:6축로봇
400:다이오드 레이저발생기
410:다이오드 레이저 냉각기
500:열처리 온도제어기
600:제어부

Claims

자동차 부품의 국부에 레이저 빔을 주사하여, 1~20mm/sec 열처리 속도로 이동하면서 상기 국부를 가열하여 열처리하는 레이저 헤드;
상기 레이저 헤드와 연결되어 상기 레이저 헤드를 상기 자동차 부품과 소정간격만큼 이격된채 이동시키는 이동 수단;
상기 레이저 헤드와 연결되어 상기 열처리 헤드에 다이오드 레이저를 제공하는 출력이 2000~6000W인 다이오드 레이저 발생기;
상기 레이저 헤드의 일측에 공기 분사 노즐 형태로 구비되어, 상기 레이저 헤드에서 발생되는 상기 레이저 빔과 특정간격으로 이격되어, 열처리된 상기 자동차 부품에 상기 공기 분사 노즐 끝단에서 고압공기를 분사시켜 냉각하는 고압 공기 분사 냉각수단;
상기 고압 공기 분사 냉각수단에 연결되어 상기 냉각수단에서 분사되는 상기 고압 공기의 압력을 조절하는 압력조절수단;
상기 다이오드 레이저 발생기와 전기적으로 연결되어 상기 다이오드 레이저의 출력을 조절하여, 열처리 온도를 제어하는 열처리 온도 제어기;
상기 고압 공기 분사 냉각수단과 연결되어 상기 냉각수단에서 분사되는 상기 공기의 온도를 조절하는 냉각온도 제어기; 및
상기 레이저 헤드 및 상기 이동 수단과 전기적으로 연결되어 상기 자동차 부품의 국부를 선택적으로 가열하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 이동수단은 6축 로봇이고,
상기 레이저 빔이 주사되는 위치와 상기 고압공기가 주사되는 위치 사이의 거리는 10 ~ 100mm이고,
상기 공기 분사 노즐 끝단과 상기 자동차 부품과의 수직거리는 5 ~50mm인 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 레이저 헤드 일측에 구비되어 상기 열처리 헤드의 과열을 방지하는 헤드 냉각기; 및
상기 다이오드 레이저 발생기 일측에 구비되어 상기 다이오드 레이저 발생기를 냉각하는 다이오드 레이저 냉각기 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 자동차 부품의 두께는 0.5 ~ 6mm 인 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 장치.
제 1 항의 열처리 장치를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 방법에 있어서,
제어부에서 자동차 부품의 데이터를 확인하고, 상기 자동차 부품의 열처리 위치를 설정하는 단계;
상기 제어부가 설정된 상기 열처리 위치에 기초하여 레이져 헤드가 이동하도록 6축 로봇의 이동경로를 설정하는 단계;
상기 제어부가 다이오드 레이저발생기 및 열처리 온도제어기를 제어하여 상기 레이저 헤드에 제공되는 다이오드 레이저의 열처리 온도가 900 ~1400℃이고, 열처리 속도가 1 ~20mm/sec가 되도록 하고, 상기 냉각온도 제어기가 고압공기 분사 냉각수단의 냉각온도를 설정하는 단계;
상기 다이오드 레이저발생기가 상기 6축 로봇에 의해 이동중인 상기 레이저 헤드로 다이오드 레이저를 공급하는 단계;
상기 레이저 헤드가 상기 열처리 위치에 레이저 빔을 주사하고, 상기 6축 로봇이 상기 이동경로를 따라 이동하면서, 상기 자동차 부품의 국부를 열처리하는 단계; 및
압력조절수단이 상기 고압공기 분사 냉각수단의 공기압을 조절하고, 상기 고압공기 분사 냉각수단이 고압 공기를 분사하여 열처리된 상기 자동차 부품을 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 열처리 단계에서,
상기 제어부가 상기 열처리 온도를 감지하여 다이오드 레이저 냉각기를 이동하여 상기 열처리 온도를 900 ~ 1400℃ 유지하게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 냉각 단계에서,
상기 고압 공기 분사 냉각수단에서 분사된 상기 고압공기에 의해 레이저 빔 주사 후 생성된 산화층(50)을 제거하는 것을 특징으로 하는 고압 공기 분사 냉각 수단을 구비한 다이오드 레이저를 이용한 자동차 부품의 국부 열처리 방법.