KR100551797B1 - 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를이용한 레이저 용접방법 - Google Patents

자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를이용한 레이저 용접방법 Download PDF

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본 발명은 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를 이용한 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 자동차의 테일러드 블랭크용 알루미늄합금 판재를 레이저를 이용하여 용접함에 있어서, 마그네슘의 산화로 인한 그을음발생을 방지하기 위하여, 마그네슘(Mg) 0.1 중량% 이하, 규소(Si) 2 ~ 4 중량%, 나머지는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물이 함유되어 있는 알루미늄-규소계 알루미늄합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물과, 이러한 조성물을 함유한 충전제를 이용하여 모재의 용융으로 인한 접합부를 만든 다음, 그 접합부에 환원제인 CaAlF6를 코팅하여 레이저 용접을 실시함으로써, 상기 용접부의 강도를 그대로 유지하면서 그을음의 발생을 현저하게 저감시킬 수 있는 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를 이용한 레이저 용접방법에 관한 것이다.
자동차, 테일러드 블랭크, 충전제 조성물, 레이저 용접

Description

자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를 이용한 레이저 용접방법{Composition of filler for tailored blank in automobile and method for laser welding by the same}
본 발명은 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를 이용한 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 테일러드 블랭크용 알루미늄합금 판재를 레이저를 이용하여 용접함에 있어서, 마그네슘의 산화로 인한 그을음발생을 방지하기 위하여, 마그네슘(Mg)과 규소(Si)가 적절히 함유되고, 나머지는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물이 함유되어 있는 알루미늄-규소계 알루미늄합금을 사용하는 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물과, 이러한 조성물을 함유한 충전제를 이용하여 모재의 용융으로 인한 접합부를 만든 다음, 그 접합부에 환원제인 CaAlF6를 코팅하여 레이저 용접을 실시함으로써, 상기 용접부의 강도를 그대로 유지하면서 그을음의 발생을 현저하게 저감시킬 수 있는 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를 이용한 레이저 용접방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 한 부품은 여러개의 구성요소로 구성되는데, 부품을 구성하는 방법으로는 부품 분할방법과 부품 일체화방법이 있다.
상기 부품 분할방법은 각각의 부품 구성요소를 미리 성형한 후, 점용접을 통하여 원하는 형태의 부품을 제작하는 방법이며, 부품 일체화방법은 구성요소를 분리하여 조립하지 않고, 한 장의 판재를 성형하여 한 부품을 제작하는 방법이다.
상기 부품 분할방법의 장점은 재료를 선택할 수 있는 영역이 넓다는데 있다.
즉, 재료의 강도, 코팅의 유무, 재료의 두께 등의 선택을 다양하게 할 수 있다는 것이다.
또한, 차체에 있어서, 각각의 구성 요소별로 요구되는 강도가 다른 바, 부품 전체를 상향조건의 단일한 판재로 사용하는 것보다 필요한 구성요소에 적정한 코팅형태 및 두께로 이루어진 판재를 사용하여 생산비를 절감할 수 있게 된다.
한편, 상기 부품 분할방법의 단점으로는 부품 일체화방법에 비하여, 상대적으로 많은 금형이 필요하고, 각 구성요소의 조립비용이 추가적으로 사용되며, 성형 시, 구성요소 간의 정밀한 제어(fit-up)가 요구되어 성형성의 문제를 야기할 수 있으며, 점용접 시에 겹침부위에 의하여 차체 중량을 증가시킬 수 있다.
이와는 반대로 부품 일체화방법의 장점은 부품 분할방법에 비하여 금형의 제작이 상대적으로 적으며, 구성요소의 조립비용이 저렴하다.
한편, 단점으로는 동종, 동두께로 이루어진 판재를 성형하므로 필요하지 않은 부위까지 두께를 유지하여야 하므로 무게 증가의 요인이 될 수 있으며, 성형성의 문제를 일으킬 수 있다.
상기와 같은 부품 분할방법 및 부품 일체화방법의 단점을 해결하기 위하여 제시된 방법이 테일러드 블랭크(tailored blank) 용접이다.
상기 테일러드 블랭크 용접은 어휘가 의미하는 바와 같이, 판재를 재단(裁斷)한다는 의미로서, 동일 소재를 사용하는 것이 아니고, 2개 이상의 이종 재질로 이루어진 강판을 용접한 후, 성형하여 하나의 부품을 제조하는 것으로서, 여기서 말하는 테일러드 블랭크는 용접하여 제작된 부품을 말한다.
상기 용접은 두께 및 강도가 다른 재료를 사용하므로 전체 구조를 단순화할 수 있고, 강화재를 사용하지 않아 차체 중량을 감소시킬 수 있으며, 부품 제작시 생성되는 스크랩(scrap) 양이 적은 장점이 있다.
현재, 상기 테일러드 블랭크 용접을 하는 방법은 메쉬심(mash seam)을 이용하는 방법과, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저를 사용하는 방법으로 구분된다.
상기 레이저를 이용한 테일러드 블랭크 용접방법은 클램핑 부재(300)에 고정된 판재(100,110)의 곡선 용접이 용이하고, 용접 속도가 빠르며, 판재(100,110)의 두께 증가가 없고 미려한 외관을 보여 주지만, 장치의 구성에 많은 경비가 소요되며, 미소한 정도의 부적절한 절단면도 제품불량으로 이어지는 단점이 있다.
이에 비하여, 매쉬심을 이용한 테일러드 블랭크는 판재(100,110)를 겹쳐 용접하기 때문에 용접부 두께 증가로 외판재 사용에 제한을 받고, 곡선 용접이 어렵다는 단점이 있으나, 낮은 비용으로 시스템의 구성이 가능하고, 같은 저항용접인 점용접에 익숙한 국내 자동차 회사 관계자들에게 작업 친숙도가 높기 때문에 작업 유지관리가 편리한 장점이 있으며, 테일러드 블랭크 적용 초기인 국내에서는 낮은 투자비용으로도 적절한 테일러드 블랭크 적용효과를 얻을 수 있다.
현재, 자동차 외판용 테일러드 블랭크 용접에는 용접부가 좁고, 두께 증가가 없어 외판에 사용이 가능한 레이저 용접이 각광을 받고 있는 바, 이러한 용접에 사용되는 알루미늄합금으로 이루어진 판재의 두께는 0.8 ~ 2.0mm 내외이다.
그리고, 이러한 두께의 알루미늄합금 판재에는 여러종류가 있지만, 그 중에서도 5000계인 알루미늄-마그네슘합금 판재와, 6000계인 알루미늄-마그네슘-규소합금 판재가 가장 각광을 받고 있는 실정이다.
통상, 상기 5000계 알루미늄합금 판재는 성형성이 우수한 대신에, 강도가 낮고, 용접시 그을음이 발생하는 문제점이 있다.
이에 반해, 상기 6000계 알루미늄합금 판재는 소부경화성으로 인해 강도는 높고, 레이저 용접시 그을음이 덜 발생하지만 성형성이 5000계 알루미늄합금 판재에 비해 부족한 문제점이 있다.
따라서, 형상이 복잡한 판재와 같이 성형성이 요구되는 경우에는 5000계합금 판재를 사용하고, 성형성 보다는 강도가 요구되는 부분은 6000계 알루미늄합금 판재를 사용하는 알루미늄 테일러드 블랭크 기술에 대한 연구와 적용이 현재 활발히 진행되고 있다.
테일러드 블랭크용 알루미늄합금 판재를 용접함에 있어서, 이종 재질 간의 접합은 레이저 용접을 통해 이루어지고 있는데, 이때 용접부에 모재의 용융으로 인한 홈을 채우면서 접합부를 만들어줄 목적으로 충전제(filler)를 첨가하게 된다.
상기와 같이, 이종재질을 테일러드 블랭크 레이저 용접을 할 경우에는 두 재질간의 성분 차이를 극복하여 용접이 일어날 수 있도록 해주고, 접합부의 강도를 충분히 유지시킬 수 있는 적절한 충전제가 반드시 필요하다.
현재, 상기 5000계 및 6000계 알루미늄합금 판재의 용접에 사용되는 충전제는 모재와 같은 5000계 알루미늄합금이 주로 사용되고 있다.
하지만, 충전제로 상기 5000계 알루미늄합금을 사용할 경우, 6000계 알루미늄합금 판재와 용융되면서 충분한 용접 강도를 확보할 수 없을 뿐더러, 5000계 알루미늄합금에 많이 함유된 마그네슘(Mg)이 산화되어 그을음이 발생하므로 결국, 도장공정에 앞서 전처리공정이 필요한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 테일러드 블랭크용 알루미늄합금 판재를 용접할 시, 5000계 알루미늄합금 판재의 모재에서의 마그네슘(Mg)과, 충전제 합금의 규소(Si)가 규산화마그네슘(Mg2Si)의 생성을 충분히 유도할 수 있도록 상기 충전제에 마그네슘과 규소의 함량을 일정하게 유지할 뿐만 아니라, 접합부에 환원제인 CaAlF6를 코팅함으로써, 용접부의 강도가 그대로 유지되면서 그을음의 발생을 방지하여 외관상의 우수성을 확보할 수 있는 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를 이용한 레이저 용접방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 자동차용 테일러드 블랭크용 충전제 조성물에 있어서,
마그네슘(Mg) 0.1 중량% 이하, 규소(Si) 2 ~ 4 중량%, 나머지는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물이 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제를 이용하여 레이저 용접을 함에 있어서,
마그네슘(Mg) 0.1 중량% 이하, 규소(Si) 2 ~ 4 중량%, 나머지는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물이 함유되어 있는 알루미늄(Al)-규소(Si)계 알루미늄합금으로 이루어진 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제와, 5000계 알루미늄합금 판재를 용융시켜 접합부를 만든 다음, 그 접합부에 환원제인 CaAlF6를 코팅하여 레이저 용접을 실시하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 자동차의 테일러드 블랭크용 알루미늄합금 판재를 레이저를 이용하여 용접함에 있어서, 마그네슘의 산화로 인한 그을음발생을 방지하기 위하여, 알루미늄(Al)-규소(Si)계 알루미늄합금으로 이루어진 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제와, 5000계 알루미늄합금 판재를 용융시켜 접합부를 만든 다음, 그 접합부에 환원제인 CaAlF6를 코팅하여 레이저 용접을 실시하여 용접부의 강도는 그대로 유지하면서, 그을음의 발생을 현저히 줄일 수 있는 발명인 것이다.
여기서, 상기 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제(filler)는 마그네슘(Mg)의 함량을 줄이기 위해 충전제 재료로 알루미늄(Al)-규소(Si)계 알루미늄합금을 사용하게 된다.
이때, 상기 알루미늄(Al)-규소(Si)계 알루미늄합금으로 이루어진 충전제의 조성물은 마그네슘(Mg) 0.1 중량% 이하, 규소(Si) 2 ~ 4 중량%, 나머지는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물이 함유되어 있다.
이때, 상기 규소(Si)의 함량은 5000계 알루미늄합금의 마그네슘 함량에 따라 조절되는 바, 상기 5000계 알루미늄합금 판재의 모재에서의 마그네슘(Mg) 원소와 충전제 합금의 규소(Si) 원소가 결합하여 규산화마그네슘(Mg2Si)의 생성을 충분히 유도 가능하게 된다.
상기 규산화마그네슘(Mg2Si)은 석출되면서 강도를 높이는 역할을 하고 있으며, 일반적으로 자동차용 차체에 사용되는 5000계 알루미늄합금 판재의 경우, 마그네슘의 함량은 4 ~ 6중량%가 함유되어 있으므로 충전제에 사용되는 알루미늄합금의 규소(Si) 함량은 최소 2 ~ 3중량%로 유지되어야 한다.
이때, 상기 규소의 함량이 상기 3중량%를 초과하게 될 경우, 미량의 철(Fe)과 반응하여 용접부의 피로수명에 영향을 주는 AlFeSi입자를 형성하게 되므로 규소의 적정함량은 3중량% 이하를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 접합부에 마그네슘보다 더 강한 환원제인 칼슘(Ca)이 함유되어 있는 CaAlF6를 코팅하여 대기중의 산소가 마그네슘과 혼합하는 것을 방지하고, 레이저 에너지의 흡수를 높여 용접이 잘 이루어질 수 있도록 한다.
이때, 상기 충전제의 함량이 과다하면, 용접 강도가 저하되고, 너무 적으면 입자가 응집되어 크랙이 발생할 수도 있다.
따라서, 상기와 같은 조성물이 함유된 자동차용 테일러드 블랭크용 충전제를 이용하여 레이저 용접을 실시할 경우에 마그네슘이 산화하여 발생하던 그을음의 발생이 줄어들게 되어 도장공정에 앞서 실시하던 그을음 제거 전처리 공정을 삭제할 수 있음에 따라 외관상의 우수성을 확보할 수 있는 것은 물론, 전체적인 공정수가 줄어들게 되며, 그에 따른 비용을 절감할 수 있는 새로운 기술인 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물 및 이를 이용한 레이저 용접방법에 의하면, 테일러드 블랭크용 알루미늄 판재를 용접 시, 5000계 알루미늄합금 판재의 모재에서의 마그네슘(Mg)과, 충전제 합금의 규소(Si)가 규산화마그네슘(Mg2Si)의 생성을 충분히 유도할 수 있도록 상기 충전제에 마그네슘과 규소의 함량을 일정하게 유지할 뿐만 아니라, 접합부에 환원제인 CaAlF6를 코팅함으로써, 용접부의 강도가 그대로 유지되면서 그을음의 발생을 방지하여 외관상의 우수성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

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  1. 삭제
  2. 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제를 이용하여 레이저 용접을 함에 있어서,
    마그네슘(Mg) 0.1 중량% 이하, 규소(Si) 2 ~ 4 중량%, 나머지는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물이 함유되어 있는 알루미늄(Al)-규소(Si)계 알루미늄합금으로 이루어진 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제와, 5000계 알루미늄합금 판재를 용융시켜 접합부를 만든 다음, 그 접합부에 환원제인 CaAlF6를 코팅하여 레이저 용접을 실시하는 것을 특징으로 하는 자동차의 테일러드 블랭크용 충전제 조성물을 이용한 레이저 용접방법.
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