KR100222582B1 - 2중 용접헤드를 갖는 레이저 용접장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

2중 헤드를 갖는 레이저 용접장치 및 방법이 개시되었다. 각도를 서로 달리하는 두개의 제1 및 제2 용접헤드를 사용하여 두개의 레이저빔이 두판재의 인접된 용접부위에 일정한 시간차를 두고 인가되도록 구성되어, 레이저 용접시 강한 열량으로 인하여 용접부위가 경화되는 것을 방지하기 위해, 제1 용접헤드는 용접용으로 사용하고, 제2 용접헤드는 열처리용으로 사용함으로써, 금형을 이용한 프레스 성형을 하더라도 용접비드의 상부표면이 완만한 곡선형태를 이루고 있으므로 금형이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

Description

2중 용접헤드를 갖는 레이저 용접장치 및 방법

본 발명은 레이저 용접장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 서로 다른 두께를 갖는 이종 판재간을 레이저로 용접하는 공정에서, 용접된 부분의 상부표면이 연화된 조직 특성을 갖도록 2중으로 레이저를 용접하여 용접된 부분이 경화되지 않도록 하는 2중 용접헤드를 갖는 레이저 용접장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 용접에 사용되는 레이저 빔은 거울 또는 렌즈에 의해 가공물에 수렴되는데, 가공물 표면에 흡수된 레이저 빔은 열 에너지로 변환되어 국부 표면을 가열하여 용융시킨다. 이때, 가공물의 내부로 열이 전달됨에 따라 용융부위가 확장된다.

레이저 용접은 자동화를 통해서만 활용이 가능하며, 다른 용접 방법 보다 경제적이다. 따라서, 대량생산을 하는 자동차 제조에 레이저 용접을 활용하고자 하는 노력이 계속되고 있다.

최근에 자동차 경량화의 방안으로, 차체를 구성하는 금속판의 무게를 감소시키고 경도를 증가시키며 항복비(YIELD RATIO)를 향상시키는 레이저 용접을 이용한 판재의 일체화 성형이 증가하고 있는데, 상기 일체화 성형방법은 서로 다른 두께를 갖는 판재를 적당한 크기로 절단하는 공정과, 절단된 두 판재를 서로 인접시키는 클램핑(clamping) 공정과, 두 판넬이 접속된 부분인 용접라인을 레이저 용접하는 공정과, 금형을 사용하여 용접된 판넬을 프레스(press) 성형하는 공정으로 이루어진다.

상기 일체화 성형방법에서의 레이저 용접공정은 클램핑 공정에서 인접하게 된 두 판넬의 경계부분을 레이저빔의 강한 열을 이용하여 녹임으로써 이루어진다.

제1도는 종래의 레이저 용접기의 구조도로서, 레이저발진기(1)에서 발생하는 레이저빔(2)은 100모두 레이저빔반사경(3)과 용접헤드 미러(4)를 통해서 작업체에 전달된다. 레이저 용접기에서 발생되는 레이저는 0.2mm 정도의 매우 작은 레이저 빔으로 모아져 작업물에 전달되는데, 이때 작업물 내부로 열이 전달됨에 따라 용융부위가 확장되며, 가해지는 열량이 매우 커서 용접후에 공기중에 노출되는 용접부위는 "급냉효과"를 갖는다.

제2도는 제1도의 레이저 용접기에서의 레이저용접에 따른 용접비드의 폭과 경도값의 변화를 나타낸 그래프로서, 8m/Min, 4m/Min의 두종류의 용접속도로 용접시 경도값의 변화를 나타낸 것이다. 이때, 가로 축은 용접비드의 중심으로부터의 좌우폭을 나타내며, 세로축은 상기 좌우 폭에 따른 경도변화를 나타낸다.

이때, 그래프에 표시된 바와 같이, 용접비드의 중심부 부근에서는 경도값이 매우 증가하여, 용접부의 재료특성이 균일하게 되지 않으므로 용접후에 이루어지는 프레스 성형등 후 처리공정에서 문제점을 갖는다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 용접공정시에 두개의 용접헤드를 사용함으로써, 추가 장비의 필요없이 용접부위가 경화되는 것을 방지하는 레이저 용접장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

제1도는 종래의 레이저 용접기 구조도를 나타낸 도면.

제2도는 제1도의 레이저 용접기를 이용한 레이저 용접에 따른 용접비드 폭과 경도값의 변화를 나타낸 그래프.

제3도는 본 발명에 다른 2중 용접헤드를 갖는 용접장치의 구조를 나타낸 도면.

제4도는 레이저 용접에 따른 용접비드와 열영향부를 나타내기 위한 도면.

제5도는 제1도와 제3도에 도시된 용접장치를 이용하여 레이저 용접을 수행한 후, 열영향부에 발생한 경도값의 변화를 비교하여 나타낸 그래프.

제6(a)도 및 제6(b)도는 본 발명에 따른 2중 용접헤드를 갖는 레이저 용접장치를 사용하여 테일러드 블랭크를 용접한 상태를 나타내는 도면.

제7도는 본 발명의 2중 용접헤드를 갖는 레이저 용접장치를 사용하여 트랜스 액셀의 기어를 용접한 상태를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 발진기 2 : 레이저 빔

3, 3' : 레이저빔 반사경 4 : 용접헤드 미러

5 : 레이저 빔 스플리터 6 : 액추에이터

7 : 용접 비드 8 : 열영향부

9 : 액추에이터 로커암 10 : 트랜스 액슬

11 : 제1 용접헤드 12 : 제2용접헤드

13 : 기어 용접부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 2중 용접헤드를 갖는 레이저 용접장치는,레이저 빔을 발생시키는 레이저 발전기와, 상기 레이저 발진기로부터의 레이저 빔을 제1 및 제2 레이저 빔으로 분할하기 위한 레이저 빔 스플리터와, 상기 레이저빔 스플리터를 통과한 제1 및 제2 레이저 빔의 진행 방향을 소정 방향으로 변경시키기 위한 제2 및 제2 레이저 빔 반사경과, 상기 제1 및 제2 레이저 빔 반사경을 통과한 레이저 빔을 집속하여 작업체에 주사하는 제2 및 제3 용접헤드를 포함한다.

또한, 본 발명의 이중 레이저 용접방법은 레이저 발진기로부터 발생되는 레이저 빔의 중심으로 레이저 빔 스플리터를 이동시켜, 레이저 빔이 레이저 빔 스플리터를 통과하도록 하는 단계와, 상기 레이저 빔 스플리터를 통과한 상기 레이저 빔을 제2 및 제2 레이저 빔으로 분할하는 단계와, 상기 제1 및 제2 레이저 빔을 소정방향으로 반사시키는 단계와, 상기 방향이 변경된 제1 및 제2 레이저 빔을 제1 용접헤드 및 제2 용접헤드에서 집속하여 작업물에 각각 주사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 종래의 레이저 용접이 하나의 용접헤드를 사용하여 이루어지던 것과는 달리, 본 발명은 두 개의 용접헤드를 사용하여 두 개의 레이저 빔이 용접부위에 일정한 시간차를 두고 가해져서, 한 용접헤드는 용접용으로 사용되고, 나머지 용접헤드는 열처리용으로 사용되어 용접부위의 경도값을 감소시킨다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

각각의 도면에서, 동일부분은 동일 참조번호를 부여하였다. 제1도 및 제2도는 서두에서 상세히 설명하였으므로 추가의 설명은 생략하기로 한다.

제3도는 2중 용접헤드구조 가진 용접장치를 나타낸 도면으로서, 레이저 발진기(1)에서 발생한 레이저빔(2)은 레이저빔 스플리터(5)를 통해서 두개의 레이저빔으로 분할된다. 분할된 각각의 레이저 빔은 각각의 레이저빔 반사경(3, 3')과 각각의 제1 및 제2 용접헤드(11, 12)로 전달되어 작업체에 주사된다.

상기 레이저빔 스플리터(5)는 액추에이터(6)에 의해서 레이저빔(2)의 중심으로 이동되며, 레이저빔 스플리터(5)의 특성에 의해서 원하는 비율로 레이저 빔(2)의 출력을 조절할 수 있다. 이때, 상기 레이저빔 스플리터(5)와 상기 액추에이터(6)를 연결하기 위해 액추에이터 로커암(9)을 제공한다. 각각의 레이저빔(2)은 레이저빔 반사경(3, 3')을 통해서 제1 및 제2 용접헤드(11, 12)에 전달되며, 이때, 용접헤드(11, 12)는 미러형 또는 렌즈형이 될 수 있고, 상기 용접헤드(11, 12)를 통해서 집광된 레이저가 작업물에 주사된다. 이때, 제2 용접헤드(12)에 의해 주사되는 레이저빔은, 시간차를 두고 제1 용접헤드(11)에 의해 주사되는 레이저빔(2)의 경로를 그대로 따라가면서 주사되므로, 용접중심부 주위에서 형성된 용접비드가 너무 빨리 공기중에서 급냉되는 효과를 억제할 수 있다. 이때, 상기 시간차는 용접 금속의 상태도에 정해진다. 반면에, 제2 용접헤드(12)를 사용하지 않고 제1 용접헤드(11)에 100의 출력을 가하고자 할 때에는 액추에이터(6)에 의해서 레이저빔 스플리터(5)를 뒤로 이동시키므로써 , 레이저빔(2)이 레이저빔 스플리터(5)를 통과하지 않도록 한다.

한편, 제1 용접헤드(11)를 통과한 레이저 빔의 출력은 용접 중심부 부위의 용접비드의 경도값을 매우 증가시키므로 레이저빔 스플리터(5)를 이용해 레이저빔(2)의 출력을 70:30으로 분할한다. 전체출력의 70를 갖는 제1 용접헤드(11)를 통과하는 에너지는 용접에 사용되며, 나머지 30의 출력을 갖는 제2 용접헤드(12)를 통과하는 에너지는 열처리용으로 사용된다. 이때, 출력비의 조절과 용접헤드 사이의 거리는 각 용접기의 출력특성 및 작업물의 조직변화 특성에 따라 결정해야 한다.

제4도는 용접비드와 열영향부를 나타낸 도면으로서, 같은 두께의 두판재의 절단부분이 서로 인접한 경계부분에 레이저빔을 주사하여 두판재를 연결시키는 용접비드(7)와 열에 의해서 변형된 조직의 폭인 열영향부(HEAT AFFECT ZONE : 8)를 도시한 것이다.

제5도는 본 발명에 따른 용접장치를 이용하여 2중 용접한 후, 작업물의 열 영향부와 경도 값의 변화를 나타낸 그래프로서, 제4도의 제2 용접헤드(12)에 의해 재가열된 용접비드는 공기중에서 급냉되는 효과가 없어져서 재용입된 열량에 의해서 좀더 연화된 조직특성을 갖는다. 열에 의해서 변형된 조직의 폭은 '열영향부'(HAZ)라 불리는데, 이때 가로축에는 용접비드의 중심으로부터의 좌우 열영향부(HAZ)의 폭(mm)이 나타나 있으며, 세로축에는 이에 따른 경도값의 변화가 도시되어 있다. 여기서, 용접속도를 8m/M으로할 때, 종래의 1개의 용접헤드를 가진 용접방식에 비해 본 발명에 따른 2개의 용접헤드를 가진 용접방식은 용접비드 중심부에서도 곡선의 기울기가 더욱 완만하여, 경도값의 변화가 급격하게 되지 않는 조직특성를 갖는다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 한 실시예로서, 제6(a)도 및 6(b)도는 테일러드 블랭크(TAILORED BLANK) 용접공정에 본 발명을 적용한 것을 나타낸 것이다. 테일러드 블랭크 공정은 동종 또는 이종 두께의 패널을 용접한 후 프레스에서 성형하는 자동차 차체분야의 기술로서, 제6(a)도는 같은 두께의 두판재의 절단부분이 서로 인접한 경계부분에 레이저빔을 주사하여 두판재를 연결시키는 용접비드(7)를 나타낸 것이고, 제6도의 (b)는 이종 두께의 두판재의 절단부분이 서로 인접한 경계부분에 레이저빔을 주사하여 두판재를 연결시키는 용접비드(7)를 나타낸 것이다. 본 발명은 상기 용접비드의 표면에 형성된 날카로운 모서리 부분을 제거하여 완만한 곡선 형태를 이루도록 한다.

제7도는 본 발명의 또다른 실시예로서, 자동차의 트랜스 액슬(10)의 기어용접에 본 발명을 적용한 것을 나타낸 것이다. 자동차용 트랜스 액슬의 기어를 용접하는 공정으로서, 기어 용접부(13)에 레이저를 사용하여 용접하는 방식이 사용되고 있다. 그러나, 경도값의 증가는 액슬에 걸리는 충격특성을 약하게 하므로 조그만 기공 등에 의해서 용접부가 파괴될 수 있다.

그러나, 본 발명을 이용하면, 용접시 경도값을 감소시킬 수 있으므로, 상술한 문제점을 해결할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 용접헤드를 2중으로 구성하여 레이저 용접시 급작스런 열량변화로 인하여 용접부위가 경화되는 것을 방지하고, 금형을 이용한 프레스 성형을 하더라도 용접비드의 상부표면이 완만한 곡선형태를 이루고 있으므로 금형이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (2)

1. 레이저빔을 발생시키는 레이저 발진기 ; 상기 레이저 빔을 60이상의 에너지 량을 갖는 제1 레이저 빔 및 40이하의 에너지 량을 갖는 제2 레이저 빔으로 분할하기 위한 레이저 빔 스플리터 ; 상기 레이저 빔 스플리터를 통과한 제1 및 제2 레이저 빔의 진행 방향을 각각 반사시키는 제1 및 제2 반사경 ; 상기 제1 반사경에 의해 반사된 제1 레이저 빔을 집속하여 작업물의 용접부위에 주사하므로써 용접부위를 용융시키는 제1 용접헤드; 상기 제2 반사경에 의해 반사된 제2 레이저 빔을 집속하여 상기 제1 용접헤드를 따라 작업물의 용접부위에 주사하므로써 용접부위의 순간 냉각을 방지하고 용접비드의 경도값을 감소시키는 제2 용접헤드; 및 상기 레이저 빔의 100가 상기 제1 용접헤드로 집속될 수 있도록 상기 레이저 빔 스플리터를 이동시키는 액추에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
2. 레이저 발진기로부터 발생하는 레이저 빔의 중심으로 레이저빔 스플리터를 이동시키는 단계 ; 상기 레이저 빔을 60이상의 에너지 량을 갖는 제1 레이저빔과 40이하의 에너지 량을 갖는 제2 레이저빔으로 분할하는 단계; 상기 제1 및 제2 레이저빔을 제1 및 제2 용접헤드를 향해 반사시키는 단계; 상기 제1 용접헤드로 집속된 제1 레이저 빔을 작업물에 조사하여 용접부위를 용융시키는 단계; 및 상기 제2 용접헤드로 집속된 제2 레이저 빔을 상기 제1 용접헤드의 주사경로를 따라 작업물의 용접부위에 조사하므로써 상기 용접부위의 순간 냉각을 방지하고 용접비드의 경도값을 감소시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.