KR100530718B1 - 피복된 금속판재의 피막제거장치 및 이를 이용한 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피복된 금속판재의 피막 제거장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것으로서, 피용접재의 표면에 피복된 피막 물질에 조사할 레이저 집속광원을 제공 및 제어하는 레이저 발생 및 제어기; 상기 피용접재의 표면에 조사하는 집속광의 형태를 직선형 또는 원형으로 변경할 수 있고, 조사점에서의 에너지 밀도를 변경할 수 있는 결상광학계; 상기 피용접재의 표면에 조사하는 집속광 에너지의 주사 속도와 주사 범위를 용접 방법과 용접 조건에 따라 변경할 수 있는 주사광학계; 상기 주사광학계를 기계적으로 구동하는 주사광학계 제어기; 상기 결상광학계 및 주사광학계의 전방에 설치되어 이들을 표면 오염원으로부터 보호하는 보호창; 상기 결상광학계 및 주사광학계와 주사광학계 제어기 및 보호창이 설치되는 조사헤드; 상기 조사헤드를 원하는 위치로 이동시키는 조사헤드 제어기를 포함하는 피막제거장치를 이용하여, 피복처리된 금속판재에 대해 용접 직전에 표면의 피막 물질을 제거하면서 용접성과 용접 품질을 저해하지 않고 각종 용접을 실시할 수 있도록 하는 것이다.

Description

피복된 금속판재의 피막 제거장치 및 이를 이용한 용접방법{Apparatus for Eliminating of Coating Material on Coated Metal Plate and Welding Method Using That}

본 발명은 금속판재에 대한 용접과 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 도금이나 도장 등으로 표면이 피복처리된 금속판재에 대하여 용접 직전에 표면의 피막 물질을 제거하면서 각종 용접 등을 실시할 수 있도록 하기 위한 피복된 금속판재의 피막 제거장치 및 이를 이용한 용접방법에 관한 것이다.

통상적인 용접방법 가운데, 저항 용접은 박판의 소재를 겹치기 또는 맞대기 한 형태로 조합하여 소정의 기계적 성능이나 기밀/수밀 특성을 갖도록 접합하고자 할 때에 효과적인 용접법이다. 그런데, 용접되는 소재가 금속 피막을 도금한 강판, 예컨대 아연계 도금 강판일 경우, 저항 용접 과정에서 아연의 낮은 냉간 강도와 낮은 융점으로 인해 임계 전류 밀도를 하락시키거나 아연 피막의 폭발적인 용융 및 기화에 의하여 날림 현상을 일으키기 때문에 용접부의 품질 보증이 곤란하다.

또한, 근래에 주목받고 있는 레이저 빔 용접에 있어서도, 이러한 아연계 도금 강판의 용접시에는 저항 용접의 경우와 유사한 현상이 발생하기 때문에 용접이 불가능하거나 매우 어렵다.

이와 같은 품질 보증과 용접 공정에 대한 어려움을 경감하기 위해 일부에서는 부분적으로 알루미늄계 도금재를 적용하고 있다. 그러나, 알루미늄계 도금재는 내식성은 매우 우수하지만 저항 용접성은 전극 오염의 문제와 더불어 아연계 도금재와 같은 물리적 특성으로 인해 용접 공정의 경제성이 떨어지는 것으로 알려져 있다.

전술한 문제점과 관련하여 아연계 도금강판에 대한 저항 용접성을 향상시키는 방안들이 제시되고 있는데, 저항 용접법중 점 용접(spot welding)과 관련된 방안은 다음과 같은 것이 있다.

먼저, 아연계 도금재와 관련하여, 일본 특개소 55-110783은, 아연 도금 표면에 Al₂O₃ 등의 산화물 피막을 생성시킴으로써 산화물 피막의 높은 융점 및 전기저항을 이용하여 점 용접성을 향상시킴과 동시에 전극과 도금 금속과의 합금화를 방지하는 기술을 개시하고 있다. 또, 일본 특개소 59-104463은, 아연 도금 강판의 표면을 가열처리하여 ZnO/Zn비가 0.1∼0.7인 산화피막을 생성시킴으로써 점 용접성을 향상시키는 것으로 발표하고 있다.

알루미늄계 도금재의 경우에는, 알루미늄의 전기전도도가 철이나 아연보다 크기 때문에 주울(Joule) 발열에 의한 용접 에너지가 저하되는 것이 가장 큰 문제점인데, 이것은 알루미늄의 융점 및 경도가 철보다 낮으므로 용접 초기에 알루미늄 도금층이 소성변형을 일으키고 용해됨으로써 전극의 통전 면적을 증가시키기 때문이다. 따라서, 도금층의 전기전도도를 저하시키고 경도 및 융점을 상승시키는 것이 가능하다면 알루미늄 도금 강판의 점 용접시 문제점의 하나인 용접 전류의 상승을 억제시킬 수 있다는 연구보고가 있다. 이 방법은 알루미늄 도금재의 표면에 크롬 함유량이 1∼50 중량%인 알루미늄-크롬계 합금을 증착시켜 그 부착량을 1∼80g/m²으로 형성시키면 알루미늄 도금 강판의 용접성이 향상된다는 것이다. 즉, 알루미늄-크롬계 합금 증착층이 크롬 함량의 증가에 따라 알루미늄 도금재의 전기전도도를 감소시키고 경도 및 융점을 높이므로 용접 전류를 낮추게 된다는 것이다.

한편, 저항 용접법중 원형의 전극을 사용하는 시임 용접(seam welding)은 전극을 회전시켜서 선형으로 연속 용접을 실시하는 것으로서, 용기류의 기밀성 확보가 요구되는 곳에 사용되고 있다.

그러나, 아연계 도금재에 대한 시임 용접은 미도금 강판과 비교할 때 도금층의 전기 저항 및 경도가 낮기 때문에, 용접부 형성에 필요한 최소 전류 밀도의 확보가 어렵고, 도금 물질과 전극 표면 사이의 합금 작용으로 인해 전극 표면이 오염되거나, 전기 저항에 따른 이상 발열의 상호 작용으로 전극 선단이 쉽게 훼손되며, 도금층의 비점이 낮을 경우에는 금속 기체의 발생으로 용접 결함 및 균열이 쉽게 일어남으로써 용접이 곤란해진다.

이러한 문제점들중, 전극 오염에 대응하기 위해, 구리 합금의 회전 전극 대신에 구리 와이어를 이용하는 방법이 제시되어 있는데, 이 방법은 회전 전극의 홈과 부재와의 사이에 와이어를 공급하면서 시임 용접을 실시하는 것으로서, 와이어에 도금 물질이 부착되더라도 그 다음의 용접 위치에서는 새로운 와이어가 공급되기 때문에 언제나 균일한 용접 조건에서 용접을 진행할 수가 있다. 그러나, 이러한 와이어 시임 용접법은, 와이어의 공급속도와 전극의 회전속도를 동조시키거나 와이어의 장력을 제어하기 위해 복잡한 기구를 사용하여야 하기 때문에 용접 장치의 가격이 비싸고, 고가의 동선 와이어를 1회 용접후에 제거하여 폐기하게 되므로 생산비가 높아지는 결점이 있다.

이러한 결점을 보완하기 위해, 일본 특개평 10-230363은 동선 와이어 대신에 철선 와이어를 사용하는 방법을 개시하고 있는데, 이것은 도금재를 통상의 회전전극으로 가압하여 시임 용접을 실시할 때에 소정 직경의 강선을 전극과 도금재 사이에 공급하면서 용접을 함으로써 용접과 동시에 강선도 도금재에 융착시키는 방법이다. 이 방법을 알루미늄계 도금재에 적용할 경우, 알루미늄보다 철의 융점이 높기 때문에 철이 용융되기 전에 알루미늄 도금층이 먼저 용융되므로, 강선이 용접중에 파단되지 않고 전극의 회전에 의하여 자동적으로 전극과 알루미늄 도금재 사이에 인입된다. 그러나, 이 방법은 재현성과 신뢰성면에서 문제점가 되고 있으며, 특히 용접부 표면의 품질 저하를 피할 수 없다는 단점이 있다.

한편, 근래에 각광을 받고 있는 레이저 빔 용접법은, 투입 열량이 적고 가열범위도 한정되므로 도금된 부분의 파괴가 경미하다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 고에너지 밀도의 열원을 국부적으로 급속 가열할 수 있기 때문에 고속 용접이 가능하다는 이점이 있다.

그러나, 아연계 도금 강판을 겹치기 용접할 경우에는, 도금재의 비점이 낮기 때문에 도금 금속 증기가 발생하여 용접부에 기공을 형성하기도 하며, 용접시 과다한 날림 발생으로 용접 장치에 손상을 일으키는 문제점이 있다. 이에 대한 대책으로서, 피 접합재 사이에 미소 간극을 형성하여 금속 증기를 없애는 방법이 제시되어 있다.

또, 알루미늄 도금 강판의 경우에는, 알루미늄의 비점이 높기 때문에 용접부에 도금재의 금속 증기에 의한 기공결함의 발생은 적으나 용접금속 조직의 조대화에 의해 용접부의 강도를 저하시킬 가능성이 높다. 종래에 알루미늄 도금재를 겹치기 이음으로 레이저 빔 용접할 경우에는 도금층의 알루미늄이 용접금속에 다량으로 혼입되어 알루미늄과 철의 금속간 화합물을 형성하거나 고용됨으로써 용접금속부의 인장강도 등 기계적 특성을 저하시키기 된다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위해, 일본 특개평 9-155575는 알루미늄 도금 강판의 레이저 빔 용접에서도 아연계 도금 강판에 대한 용접과 마찬가지로 강판들 사이에 간극을 형성하여 용접시에 용융된 알루미늄이 간극을 통해서 용접부 밖으로 배출되도록 하고 있다. 또, 일본 특개평 10-71480은 아연 및 알루미늄 도금재를 겹치기 용접할 때에 레이저 빔을 2차원 궤적으로 특정한 주사 범위 내에서 주사하고 용융금속을 교반함으로써 레이저 용접부의 용접 결함을 억제하고 있다. 또한, 일본 특개평 10-296472는 도금재의 겹치기 레이저 용접시에 산소를 다량 함유하고 있는 실드 가스를 이용함으로써 용융금속중의 용융 알루미늄 또는 실리콘 등의 불필요한 성분을 산화물로써 용융부로부터 배출시켜 용접부의 강도를 높이도록 하고 있다.

그러나, 이러한 방법들은 레이저 용접시 용접금속에 알루미늄의 농도가 커지는 것을 억제하여 용접금속의 인장강도를 향상시킬 수도 있겠지만, 용접금속이 조대한 페라이트 조직으로 되고 피로강도가 저하되는 것을 억제할 수는 없다.

이에 따라, 일본 특개평 2002-103072는 이러한 기술적 문제점을 감안하여, 알루미늄 도금 강판의 겹치기 레이저 용접시 도금층 중의 알루미늄이 융접금속에 혼입되는 데에 다른 용접부의 인장강도 저하 및 페라이트 입자 조대화에 의한 피로강도의 열화를 방지할 수 있는 방법으로서, 실드 가스에 질소를 50부피% 이상 함유하고 그 밖에 아르곤 가스, 헬륨 가스, 탄산 가스 중 1종 또는 2종 이상의 혼합가스를 이용하는 방법을 개시하고 있으나, 그 효과에는 의문점이 많다.

이상에서 언급한 바와 같이, 종래의 도금 또는 도장된 금속재료에 대한 용접은, 저항 용접 전극의 재질을 보완하는 방법, 제3의 재료를 용접재료와 전극 사이에 삽입하는 방법, 도금층의 표면에 특정 산화물을 형성하는 방법, 용접 에너지를 이동시켜 용접금속을 교반하는 방법, 특정한 실드 가스를 사용하는 방법을 사용하고 있다.

그러나, 이러한 종래의 모든 방법들은 용접이 이루어진 다음에 표면 피막이 원래의 피막과는 종류와 특성이 다른 물질로 존재하거나 연소 증발에 의하여 제거되기 때문에, 당초의 목적 달성이 곤란함에도 불구하고 소재의 표면에 존재하는 피막을 그대로 남겨둔 채로 용접 공정을 적용하는 불합리성을 나타내고 있다.

한편, 첨부도면 도 1 및 도 2는 표면이 도전성 피복 재료로 도포되어 있는 금속재료를 종래의 방식에 따라 저항 용접하는 상태를 나타내고 있다. 이 경우에, 각각의 전극(100,100',300,300')들은 용접 개시 시기부터 표면 피복 물질(201,401)들과 직접 접하고 있기 때문에, 용접 전류(500)에 의하여 발생된 열에너지는 표면 피복 물질(201,401)을 소재(200,400)보다 먼저 용융시키게 되고, 용융된 피복 물질(201,401)은 전극(100,100',300,300')의 표면에 부착되거나 전극(100,100',300,300') 표면과 합금화를 이루어 접촉부의 전기 저항을 증가 시킴으로써 용접 효율이 저하된다. 또한, 합금화된 제3의 금속의 지나친 경도 상승이나 전기전도도 또는 열팽창계수의 차이로 인한 박리를 일으킴으로써, 전극(100,100',300,300') 표면의 거칠기를 비정상적으로 상승시켜 용접이 불가능하게 된다. 이러한 현상은 전극의 형태가 원형이든 봉상이든 관련없이 발생한다. (상기 도면에서 미설명 부호 202,402는 각각 '용접부'이다.)

도 3은 이와 같이 전극(600)의 선단이 표면 오염물이나 부착물(700)에 의해 손상을 입어서 불규칙하게 나타나 있는 것을 보여주고 있다.

또, 도 4는 아연계 도금 피막을 갖는 강재를 저항 용접법에 의해 연속 용접하였을 때 상기한 바와 같이 전극(600)의 선단에 각종 물질들이 형성되어 손모된 상태를 보여주고 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 일정 시간 동안 사용된 전극(600)의 표면에는 회백색의 Fe-Zn층(600b)과 백색 혹은 황색의 Cu-Zn층(600c,600d)이 형성되는데, Cu-Zn층(600c,600d)에서는 초기에 β-황동이 형성되지만 시간이 지남에 따라 β-황동과 ε-황동 및 γ-황동이 모두 형성되며, 이러한 합금층들은 경도와 전기전도도 및 열팽창계수가 서로 다르고, 산화 오염물도 동시에 포함하고 있는 층(600e)의 구조를 갖는다. 특히, γ-황동은 높은 경도와 취성을 갖기 때문에 용접이 진행됨에 따라 자연 박리를 쉽게 일으켜 전극(600)으로부터 떨어져 나오며, 그 결과 전극 선단이 초기의 형상(600a)으로부터 변화를 일으키는 역할을 하게 된다. 이와 같이 전극(600) 선단의 변현이 발생하면, 용접시 전류 밀도의 변화와 국소적인 발열에 의해 날림의 발생 또는 용접부 형성 불안정 등을 일으켜 용접부의 품질을 크게 저하시키게 된다. 이러한 악영향을 줄이기 위해 소재를 고온 금속으로 표면처리하는 방법이 제안되고 있지만 실제 적용시에는 한계가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은, 표면이 도금이나 도장으로 피복처리된 금속판재에 대하여 용접 직전에 표면의 피막 물질을 제거하면서 용접성과 용접 품질을 저해하지 않고 각종 용접을 실시할 수 있도록 하기 위한 피복된 금속판재의 피막 제거장치 및 이를 이용한 용접방법을 제공하는 데에 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 피복된 금속판재의 피막 제거장치는, 피용접재의 표면에 피복된 피막 물질에 조사할 레이저 집속광원을 제공 및 제어하는 레이저 발생 및 제어기; 상기 피용접재의 표면에 조사하는 집속광의 형태를 직선형 또는 원형으로 변경할 수 있고, 조사점에서의 에너지 밀도를 변경할 수 있는 결상광학계(結像光學界); 상기 피용접재의 표면에 조사하는 집속광 에너지의 주사 속도와 주사 범위를 용접 방법과 용접 조건에 따라 변경할 수 있는 주사광학계(走射光學界); 상기 주사광학계를 기계적으로 구동하는 주사광학계 제어기; 상기 결상광학계 및 주사광학계의 전방에 설치되어 이들을 표면 오염원으로부터 보호하는 보호창; 상기 결상광학계 및 주사광학계와 주사광학계 제어기 및 보호창이 설치되는 조사헤드; 상기 조사헤드를 원하는 위치로 이동시키는 조사헤드 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 레이저 발생 및 제어기는, 상기 피막 물질이 금속 물질일 경우에는 대략 1.0㎛의 파장을 출력하고, 상기 피막 물질이 고분자 물질일 경우에는 0.5㎛ 이하∼자외선 영역의 파장을 출력하는 것을 다른 특징으로 한다.

또, 상기 조사헤드의 일측에는, 상기 피용접재 표면의 피막 물질에 대한 레이저 조사시 생성되는 2차 생성물을 제거할 수 있도록 상기 피용접재의 표면에 대해 기체를 고압으로 취입 또는 흡입하는 고압기체 취입 및 흡입장치가 설치되는 것을 또다른 특징으로 한다.

특히, 용융 용접을 실시할 경우에, 상기 고압기체 취입 및 흡입장치로부터 취입되는 고압기체로는 비활성기체(inert gas)가 사용되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 피복된 금속판재의 피막 제거장치를 이용한 용접방법은, 도금 또는 도장으로 피복된 금속판재를 용접함에 있어서, 상기 금속판재의 피용접부에 대한 용접 직전에 전술한 피막제거장치를 이용하여 피용접부의 표면에 피복된 피막 물질을 제거하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 피막 물질이 금속 물질일 경우에는 대략 1.0㎛ 파장의 레이저로 제거하고, 상기 피막 물질이 고분자 물질일 경우에는 0.5㎛ 이하∼자외선 영역 파장의 레이저로 제거하는 것을 다른 특징으로 한다.

또, 상기 피용접재 표면의 피막 물질에 대한 레이저 조사시 생성되는 2차 생성물을 제거할 수 있도록 상기 피용접재의 표면에 대해 기체를 고압으로 취입 또는 흡입하는 것을 또다른 특징으로 한다.

특히, 용융 용접을 실시할 경우에, 상기 고압으로 취입되는 기체로는 비활성기체가 사용되는 것이 바람직하다.

그리고, 연속 선형 용접을 실시할 경우에, 상기 피막제거장치로부터 조사되는 피막 제거 에너지를 용접될 폭에 적절한 피막 제거 목표 범위내에서 좌우로 주사하며 피용접재 표면의 피막을 제거하는 방법으로 이루어질 수 있다.

또한, 단속적인 용접을 실시할 경우에, 상기 피용접부에 대한 피막제거 및 용접은, 상기 피막제거장치로부터 조사되는 피막 제거 에너지를 용접 시작 직전 시간동안 피용접부에 조사하는 단계; 휴지 시간을 두는 단계; 용접 전극에 용접 전류가 인가되어 용접이 이루어지는 단계; 다음 용접 위치로 이동하는 시간을 포함한 공정 시간을 두는 단계가 반복되는 시퀸스에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 피복된 금속판재의 피막 제거장치에 대하여 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 피막제거장치는, 레이저 발생 및 제어기(1), 결상광학계(2), 주사광학계(3), 주사광학계 제어기(4), 보호창(5), 조사헤드(6), 조사헤드 제어기(7)를 주요 구성 요소로 하고 있다.

아래에서는 위와 같은 각 구성 요소들에 대해 구체적으로 살펴본다,

상기 레이저 발생 및 제어기(1)는, 피용접재(미도시)의 표면에 피복된 도금층이나 도장층과 같은 피막 물질에 대하여 조사(照射)하게 될 레이저의 집속광원을 제공함과 아울러 이 레이저의 파장을 제어하며, 후술하는 주사광학계 제어기(4)로 하여금 주사광학계(3)의 구동을 제어하게 된다. 특히, 상기 레이저는 상기 피막 물질을 가열하여 용융 또는 기화시키거나 연소시킴으로써 피용접재에 대한 부착 강도를 낮추어 피막 물질이 쉽게 제거될 수 있도록 하여야 하므로, 피막 물질에 잘 흡수되어 열적 반응 효율을 높일 수 있는 것이어야 한다. 따라서, 상기 레이저 발생 및 제어기(1)는, 통상의 용접 열원으로 사용되는 장파장 레이저 보다는 가능하면 단파장의 레이저이면서 소정의 요구 출력을 경제적이며 안정적으로 공급할 수 있어야 한다. 본 발명에서는 이를 위해, 금속성 피막 물질에 대해서는 대략 1.0㎛의 파장을 갖는 레이저를 출력하며, 고분자 합성물질의 피막에 대해서는 0.5㎛ 이하∼자외선 영역의 파장을 갖는 레이저를 출력하는 레이저 발생 및 제어기(1)를 제공한다.

상기 결상광학계(2)로는, 피용접재의 표면에 조사하는 레이저 집속광의 형태를 직선형 또는 원형으로 변경할 수 있고, 조사점에서의 에너지 밀도를 적정한 수준으로 제어할 수 있는 것이 사용된다.

상기 주사광학계(3)는, 피용접재의 표면에 상기 레이저 발생 및 제어기(1)로부터 제공된 집속광 에너지를 조사하게 되는데, 이 때 집속광 에너지의 주사 속도와 주사 범위를 용접 방법과 용접 조건에 따라 변경할 수 있는 것이 사용된다.

상기 주사광학계 제어기(4)는, 레이저 발생 및 제어기(1)로부터의 신호에 의해 상기 주사 광학계(3)의 기계적 구동을 제어한다.

상기 보호창(5)은, 결상광학계(2) 및 주사광학계(3)의 전방부에 설치되는데, 이것은 용접 과정에서 발생하는 날림이나 용접 퓸(fume)에 의해 상기 광학계(2,3)의 표면이 오염되어 성능이 저하되는 것을 방지하기 위한 것이다.

상기 조사헤드(6)는, 본 발명의 피막제거장치가 작동할 때에 상기 결상광학계(2) 및 주사광학계(3)와 주사광학계 제어기(4) 및 보호창(5)이 동시에 이동할 수 있도록 이들을 포괄적으로 수용하는 구성 요소이다.

이와 아울러, 상기 조사헤드(6)의 일측에는, 피용접재 표면의 피막 물질에 레이저를 조사하였을때 피막 물질의 용융이나 기화 또는 연소로 인해 생성되는 고형물이나 기체와 같은 2차 생성물을 제거할 수 있도록 피용접재의 표면에 대해 기체를 고압으로 취입 또는 흡입하는 고압기체 취입 및 흡입장치(8)가 설치된다.

특히, 고압기체 취입 및 흡입장치(8)로부터 피용접재의 표면으로 취입되는 고압 기체로는, 저항 용접시의 경우에는 건조 공기를 사용해도 통상의 조건에서는 용접 품질에 영향이 없으나, 레이저 용접 등과 같은 용융 용접을 실시할 경우에는 용접 금속을 보호하기 위해 아르곤이나 질소와 같은 비활성기체를 사용한다.

한편, 상기 조사헤드 제어기(7)는, 피용접재 표면의 피막 물질을 제거하기 위한 적절한 위치로 상기 조사헤드(6)가 이동되도록 제어하는 구성 요소이다.

다음에서는, 본 발명에 따른 피복된 금속판재의 피막 제거장치를 이용한 용접방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 용접방법의 가장 큰 특징은, 금속판재의 피용접부에 대하여 용접을 실시하기 직전에 전술한 바와 같은 피막제거장치를 이용하여 피용접부의 표면에 피복된 피막 물질을 제거한다는 점에 있다.

이 때, 피용접부 표면의 피막 물질이 도금된 금속 물질일 경우에는 1.0㎛ 내외의 파장을 갖는 레이저로 제거하고, 피막 물질이 도료와 같은 고분자 물질일 경우에는 0.5㎛ 이하∼자외선 영역 파장을 갖는 레이저로 제거한다.

그리고, 피용접재 표면의 도금층이나 도장층과 같은 피막 물질에 대해 레이저를 조사하면 피막 물질이 용융되거나 기화 또는 연소됨으로써 고형물이나 기체와 같은 2차 생성물이 생성되는데, 이러한 2차 생성물을 제거할 수 있도록 전술한 고압기체 취입 및 흡입장치를 이용하여 피용접재의 표면에 고압의 기체를 취입하거나, 피용접재의 표면으로부터 기체를 고압으로 흡입하는 것이 바람직하다.

특히, 전술한 바와 같이, 용융 용접을 실시할 경우에는 용접 금속을 보호할 수 있도록 취입되는 고압기체로 아르곤이나 질소와 같은 비활성기체를 사용할 필요가 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 피막제거장치를 이용하여 저항 용접을 실시하는 예를 나타내고 있는데, 용접 전극(10,10')의 전방에 피용접재(20) 표면의 피막을 제거하기 위한 피막제거장치의 조사헤드(6)를 설치한 것을 보여주고 있다. 이에 따라, 용접 전극(10,10')이 지나가는 자리에서는 피용접재(20)의 표면에 저융점의 피복 물질이 잔존하지 않도록 레이저 집속광(L)을 조사함으로써, 용접시 문제가 되는 전류 밀도의 저하, 용접 전극과 피막 물질의 상호작용 또는 저융점 피복 물질에 의한 용접 결함의 발생을 배제하게 된다. 이 때, 레이저 집속광(L)을 소정의 형태(예컨대, 직선형 또는 원형)와 크기로 집속시킨 상태에서 임계 조사각(α) 이내로 제어하면서 피막층을 가열하여 용융이나 기화 또는 연소시킴으로써 제거하게 된다. 특히, 피용접재(20)의 표면에 조사되는 집속광의 형태와 주사 방법은 피막 제거 면적의 크기와 형태 및 용접 방법에 따라 달라지게 되며, 조사점에서의 집속광의 주사 방법과 간격도 용접 방법의 차이에 따라 달라지게 된다.

한편, 도 7은 전술한 저항 용접 이외의 용접 방법중에서 레이저 빔 용접과 같이 높은 에너지 밀도로 용접을 실시하는 용융 용접의 경우에 있어서 본 발명의 피막제거장치를 이용한 용접 방법을 보여주고 있다. 여기서는 용접 전극 대신에 용접 토치(30)를 통해 용접 에너지가 공급되어 피용접재(20')가 부분 용입 또는 완전 용입 용접부를 형성하게 되는데, 전술한 저항 용접의 경우에서와 마찬가지로 용접 토치(30)의 전방에 피막제거장치의 조사헤드(6)가 설치되어 레이저 집속광(L)을 조사함으로써 피용접재(20) 표면의 피막을 제거하게 된다.

도 8은 연속 선형 용접에서 본 발명의 피막 제거 주사법을 설명하는 도면인데, 직선형으로 집속된 선형 결상 에너지(40), 즉 피막 제거용 에너지를 용접될 폭에 적절한 피막 제거 목표 범위(R)내에서 좌우로 주사하기만 하더라도, 피용접재와 용접 열원의 상대적 운동에 의하여 결과적으로는 선형으로 표면의 피막이 제거되는 효과를 나타낸다. 이 때, 좌우 주사 속도와 선형 결상 에너지(40)의 길이는 피복 소재의 종류와 물리적 특성, 그리고 피막 제거 범위와 용접 속도에 의하여 다르게 제어되어야 한다. 도면에서 미설명부호 Ds는 주사방향이고, Dw는 용접진행방향이다.

도 9는 저항 점 용접 또는 용융 점 용접 등과 같은 단속적인 점 용접에서 본 발명의 피막 제거 주사법을 설명하는 도면인데, 여기서는 원형으로 집속된 원형 결상 에너지(50)를 피막 제거 목표 범위(R') 내에서 주사하되, 보다 상세한 주사 방법은 도 10에 도시된 피막제거 및 용접 방법의 시퀸스에 따라 행하게 된다.(미설명 도면부호 Ds'는 주사방향이다)

즉, 도 10에 나타난 바와 같이, 먼저, 용접 시작 직전에 피막제거장치로부터 피막 제거 에너지(A)를 일정 시간 동안(T₁) 피막이 제거될 수 있는 적정 에너지 레벨(P_A1)만큼 피용접부에 조사한다. 그 후, 일정한 휴지 시간(T₂)을 두는데, 이 때 용접 전극을 이동시킴으로써, 용접 전극과 용접시 공정의 불필요한 간섭을 피하게 된다. 이어서, 용접 전극에 용접 전류를 인가함으로써 적정 레벨(P_W1)의 용접 에너지(W)를 부과하여 정해진 시간 동안(T₃) 용접 작업을 수행하게 된다. 그리고, 다음 용접 위치로 이동하는 시간을 포함한 공정 시간(T₄)을 둔다. 이렇게 T1∼T4를 하나의 용접 주기(T)로 하는데, 이와 같은 용접 주기(T)의 시퀸스를 반복함으로써, 피용접부에 대한 피막 제거 작업과 용접 작업을 완수하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 피복된 금속판재의 피막 제거장치 및 이를 이용한 용접방법에 의하면, 표면이 도금이나 도장으로 피복처리된 금속판재에 대해 용접을 실시함에 있어서 피용접부의 피막 물질을 제거하면서 용접이 이루어지도록 하게 되어, 저항 용접의 경우에는 용접 전극의 손상을 방지하고, 그 밖의 용접 방법을 적용하는 경우에는 용접 결함이나 과다한 날림 현상을 방지함으로써, 용접성과 용접부 품질의 향상에 기여하는 효과가 있다.

도 1은 표면이 도전성 피복 재료로 도포되어 있는 금속재료를 종래의 방식에 따라 원형 전극을 사용하여 저항 용접하는 것을 나타낸 도면,

도 2는 도 1에서와 같은 용접시 용접 전류의 흐름을 나타낸 도면,

도 3은 손상된 용접 전극의 선단을 나타낸 도면,

도 4는 용접 전극 선단의 오염에 의한 손모 상태를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 피막제거장치를 개략적으로 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 피막제거장치를 저항 용접에 적용한 예를 나타낸 도면,

도 7은 본 발명의 피막제거장치를 용융 용접에 적용한 예를 나타낸 도면,

도 8은 연속 선형 용접에서 본 발명의 피막 제거 주사법을 설명하는 도면,

도 9는 점 용접에서 본 발명의 피막 제거 주사법을 설명하는 도면,

도 10은 단속적인 용접시에, 본 발명에 따른 피막제거 및 용접 방법의 시퀀스를 설명하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 레이저 발생 및 제어기 2 : 결상광학계

3 : 주사광학계 4 : 주사광학계 제어기

5 : 보호창 6 : 조사헤드

7 : 조사헤드 제어기 8 : 고압기체 취입 및 흡입장치

Claims (10)

1. 피용접재의 표면에 피복된 피막 물질에 조사할 레이저 집속광원을 제공 및 제어하는 레이저 발생 및 제어기;

   상기 피용접재의 표면에 조사하는 집속광의 형태를 직선형 또는 원형으로 변경할 수 있고, 조사점에서의 에너지 밀도를 변경할 수 있는 결상광학계;

   상기 피용접재의 표면에 조사하는 집속광 에너지의 주사 속도와 주사 범위를 용접 방법과 용접 조건에 따라 변경할 수 있는 주사광학계;

   상기 주사광학계를 기계적으로 구동하는 주사광학계 제어기;

   상기 결상광학계 및 주사광학계의 전방에 설치되어 이들을 표면 오염원으로부터 보호하는 보호창;

   상기 결상광학계 및 주사광학계와 주사광학계 제어기 및 보호창이 설치되는 조사헤드;

   상기 조사헤드를 원하는 위치로 이동시키는 조사헤드 제어기를 포함하는 피복된 금속판재의 피막 제거장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 발생 및 제어기는,

   상기 피막 물질이 금속 물질일 경우에는 1.0㎛의 파장을 출력하고, 상기 피막 물질이 고분자 물질일 경우에는 0.5㎛ 이하∼자외선 영역의 파장을 출력하는 것을 특징으로 하는 피복된 금속판재의 피막 제거장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 도금 또는 도장으로 피복된 금속판재를 용접함에 있어서,

   상기 금속판재의 피용접부에 대한 용접 직전에,

   피용접재의 표면에 피복된 피막 물질에 조사할 레이저 집속광원을 제공 및 제어하는 레이저 발생 및 제어기; 상기 피용접재의 표면에 조사하는 집속광의 형태를 직선형 또는 원형으로 변경할 수 있고, 조사점에서의 에너지 밀도를 변경할 수 있는 결상광학계; 상기 피용접재의 표면에 조사하는 집속광 에너지의 주사 속도와 주사 범위를 용접 방법과 용접 조건에 따라 변경할 수 있는 주사광학계; 상기 주사광학계를 기계적으로 구동하는 주사광학계 제어기; 상기 결상광학계 및 주사광학계의 전방에 설치되어 이들을 표면 오염원으로부터 보호하는 보호창; 상기 결상광학계 및 주사광학계와 주사광학계 제어기 및 보호창이 설치되는 조사헤드; 상기 조사헤드를 원하는 위치로 이동시키는 조사헤드 제어기를 포함하는 피막 제거장치를 이용하여 피용접부의 표면에 피복된 피막 물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 피복된 금속판재의 피막 제거장치를 이용한 용접방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 피막 물질이 금속 물질일 경우에는 1.0㎛ 파장의 레이저로 제거하고, 상기 피막 물질이 고분자 물질일 경우에는 0.5㎛ 이하∼자외선 영역 파장의 레이저로 제거하는 것을 특징으로 하는 피복된 금속판재의 피막 제거장치를 이용한 용접방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제5항에 있어서,

   연속 선형 용접을 실시할 경우에, 상기 피막제거장치로부터 조사되는 피막 제거 에너지를 용접될 폭에 피막 제거 목표 범위내에서 좌우로 주사하며 피용접재 표면의 피막을 제거하는 것을 특징으로 하는 피복된 금속판재의 피막 제거장치를 이용한 용접방법.
10. 제5항에 있어서,

    단속적인 용접을 실시할 경우에, 상기 피용접부에 대한 피막제거 및 용접은,

    상기 피막제거장치로부터 조사되는 피막 제거 에너지를 용접 시작 직전 시간동안 피용접부에 조사하는 단계;

    휴지 시간을 두는 단계;

    용접 전극에 용접 전류가 인가되어 용접이 이루어지는 단계;

    다음 용접 위치로 이동하는 시간을 포함한 공정 시간을 두는 단계가 반복되는 시퀸스에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 피복된 금속판재의 피막 제거장치를 이용한 용접방법.