KR100576961B1 - 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법 - Google Patents

Abstract

서로 두께가 다른 알루미늄 블랭크를 맞대기 레이저 용접 시, 단차가 형성되는 전면에 대해서는 레이저빔의 다중반사 및 흡수를 이용한 용접법과 열전도를 이용한 용접법 등의 용접특성이 다른 용접법을 순차적으로 진행하고, 이 후 단차가 형성되지 않는 후면에 대해서는 열전도를 이용한 용접법을 적용하여 용접부 인장강도를 획기적으로 향상시킬 수 있도록;

상호 맞대어진 알루미늄 블랭크 상의 단차가 형성되는 전면에 대해서 두께가 두꺼운 알루미늄 블랭크의 용접 모서리부에 레이저빔의 초점을 맞추어 레이저빔의 다중반사 및 흡수를 이용하여 완전 용입 조건으로 심용입용접을 수행하는 제1단계; 상기 제1단계에서, 심용입용접이 이루어진 알루미늄 블랭크 상의 용접부에 레이저빔의 초점을 설정폭 범위내로 맞추어 레이저빔의 열전도를 이용하여 완전 용입 조건으로 전면 전도용접을 수행하는 제2단계; 상기 제2단계에 이어, 상기 상호 맞대어진 알루미늄 블랭크 상의 단차가 형성된 전면을 아래로 하여 그 후면의 용접부에 레이저빔의 초점을 설정폭 범위내로 맞추어 레이저빔의 열전도를 이용하여 부분 용입 조건으로 후면 전도용접을 수행하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

용접 블랭크, 레이저 용접 방법, Nd:YAG 레이저, 전도용접, 심용입용접

Description

알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법{A LASER WELDING METHOD FOR A ALUMINUM TAILOR WELDED BLANK}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 방법의 적용을 위한 2장의 알루미늄 블랭크의 맞대기 용접의 개념도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 따른 단계별 공정도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 의한 알루미늄 블랭크 용접부의 수직 단면 형상도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 의한 알루미늄 블랭크 용접부의 수평 단면 형상도, 및

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 따라 용접된 알루미늄 용접시편의 인장시험 결과를 나타내는 사진이다.

본 발명은 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 두께가 다른 알루미늄 블랭크를 맞대기 레이저 용접 시, 단차가 형성되는 전면에 대해서는 레이저빔의 다중반사 및 흡수를 이용한 용접법과 열전도를 이용한 용접법 등의 용접특성이 다른 용접법을 순차적으로 진행하고, 이 후 단차가 형성되지 않는 후면에 대해서도 열전도를 이용한 용접법을 적용하여 용접부 인장강도를 획기적으로 향상시킬 수 있도록 하는 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

최근 미국을 비롯한 선진국에서는 자원절약 및 지구환경 개선요구의 증대로 차체 경량화에 의한 고 연비 자동차 개발이 필수 불가결하게 되었다.

따라서 일부 자동차 기업에서는 2010년을 대비하여 현재 생산되고 있는 차체보다 약 40% 이상 가볍고, 연료 3Liter로 100km를 주행할 수 있는 차체를 개발하고 있는 추세이며, 반면에 전세계 철강회사들은 ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body), ULSAC (Ultra Light Steel Auto Closure), ULSAS (Ultra Light Steel Auto Suspension)등의 프로젝트를 수행함으로서 차체 경량화 방안을 제시하여 철강재료의 사용을 계속 유지하고자 노력하고 있는 실정이다.

철강재료를 사용한 차체 경량화는 고 장력강의 확대적용, 샌드위치강판(Sandwich Steel)의 적용, 하이드로 포밍(Hydro-Forming)기술의 적용, 차체 레이저 용접 및 용접 블랭크(Tailor Welded Blank)적용이 주요 기술로 사용되고 있다.

특히, 알루미늄(Al)을 비롯한 신소재의 적용이 양산성에 어려움이 있어 용접 블랭크의 확대적용이 차체 경량화 및 제조원가 절감에 가장 큰 효과를 보여 주고 있는데, 이러한 용접 블랭크(Tailor Welded Blank)는 이종 혹은 동종의 두께, 이종 혹은 동종의 재질을 갖는 강판을 프레스 성형 및 기타 가공을 목적으로 용접된 강판를 의미한다.

이러한 용접 블랭크의 적용은 차체중량의 감소, 원가절감, 품질향상, 차체강성 향상에 그 목적이 있는 것으로, 1961년 BUDD사가 특허를 출원한 이후 제조공법상의 적당한 용접방법이 개발되지 않아서 실적용이 어려웠다.

1967년 혼다 자동차회사에서 N360 모델에 사이드 인너(Side Inner) 패널을 TIG용접으로 실험한 예가 있으며, 1979년 볼보 자동차회사에서 프론트 사이드멤버(Front Side Member)를 심(Seam)용접으로 실험한 예가 있으나 생산에 적용되지 못했다.

이와 같이, 용접 블랭크의 실용화는 1985년 아우디(AUDI) 자동차회사의 100 모델의 플로어 패널(Floor Panel)을 레이저 용접하여 적용한 것이 처음이라 할 수 있다. 그 이후 토요타, GM등의 선진자동차 회사들이 많은 부품에 용접 블랭크를 적용하고 있으며 차체기술의 일반화된 기술로 자리잡게 되었다.

이러한 용접 블랭크(Tailor Welded Blank)의 적용이 현실화되면서 용접방법의 변화도 다양하였다. 용접 블랭크를 생산하기 위한 용접방법으로 레이저 용접, 메쉬심(Mash Seam)용접, Induction 용접, Plasma 용접이 대표적으로 쓰여지고 있다.

1980년대 중반 유럽에서는 메쉬심(Mash Seam)용접이 많이 사용되었으나 현재 레이저 용접으로 바뀌어가고 있다.

즉, 레이저의 안정성 향상, 정밀 절단기술 향상, 및 용접부의 밀착성 개선 방법으로 Co2 레이저를 이용한 용접 블랭크의 사용량이 급증하고 있다.

그러나 Co2 레이저 용접은 빔 전송이 복잡하여 시스템 제작이 힘들며, 준비선형(Semi-Non Linear) 용접 및 비선형(Non Linear) 용접에 적용이 곤란하다는 단점을 내포하고 있다.

또한, 일반적인 강판은 차체중량의 감소, 품질향상, 차체강성 향상의 측면에서 알루미늄에 비하여 떨어짐에도 불구하고, 일반적인 알루미늄 블랭크의 맞대기 용접부의 인장강도는 모재 강도의 약 80% 정도의 수준으로 알려져 있어 종래 용접 블랭크의 제작에는 강판에만 한정하여 적용되어 왔다.

따라서 본 발명은 종래 빔 전송이 복잡한 시스템의 적용 및 준비선형(Semi-Non Linear) 용접 및 비선형(Non Linear) 용접의 적용이 어려운 Co2 레이저 용접을 배제하고, 강판에 비하여 차체중량의 감소, 품질향상, 차체강성 향상의 측면에서 우수한 알루미늄 블랭크를 적용함에도 그 용접부의 인장강도를 개선할 수 있도록 하기 위하여 발명된 것으로써, 본 발명의 목적은 서로 두께가 다른 알루미늄 블랭크를 맞대기 레이저 용접 시, 단차가 형성되는 전면에 대해서는 레이저빔의 다중반사 및 흡수를 이용한 용접법과 열전도를 이용한 용접법 등의 용접특성이 다른 용접법을 순차적으로 진행하고, 이 후 단차가 형성되지 않는 후면에 대해서는 열전도를 이용한 용접법을 적용하여 용접부 인장강도를 획기적으로 향상시킬 뿐만 아니라 미려한 용접부 외관을 얻을 수 있도록 하는 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법은 서로 두께가 다른 2장의 알루미늄 블랭크를 맞대기 레이저 용접함에 있어,

상호 맞대어진 알루미늄 블랭크 상의 단차가 형성되는 전면에 대해서 두께가 두꺼운 알루미늄 블랭크의 용접 모서리부에 레이저빔의 초점을 맞추어 레이저빔의 다중반사 및 흡수를 이용하여 완전 용입 조건으로 심용입용접을 수행하는 제1단계; 상기 제1단계에서, 심용입용접이 이루어진 알루미늄 블랭크 상의 용접부에 레이저빔의 초점을 설정폭 범위내로 맞추어 레이저빔의 열전도를 이용하여 완전 용입 조건으로 전면 전도용접을 수행하는 제2단계; 상기 제2단계에 이어, 상기 상호 맞대어진 알루미늄 블랭크 상의 단차가 형성된 전면을 아래로 하여 그 후면 용접부에 레이저빔의 초점을 설정폭 범위내로 맞추어 레이저빔의 열전도를 이용하여 부분 용입 조건으로 후면 전도용접을 수행하는 제3단계를 포함한다.

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 방법의 적용을 위한 2장의 알루미늄 블랭크의 맞대기 용접의 개념도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 따른 단계별 공정도로써, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법은 먼저, 상기 도 1에서 도시한 바와 같이, 작업 테이블(1) 상에 1mm 대 1.8mm로 서로 두께가 다른 2장의 알루미늄 블랭크(3,5)를 서로 맞대어둔 상태로 출력이 3.5kW(단, 최대출력은 4㎾ 이하로 한 다)인 연속파 Nd:YAG 레이저빔을 용접열원으로 조사할 수 있도록 Nd:YAG 레이저 발진기(7)와 광 파이버(9)로 연결된 용접 헤드(11)가 용접 로봇(13)에 장착된 상태로 배치된다.

이러한 Nd:YAG 레이저 용접 시스템을 통하여 서로 두께가 다른 2장의 알루미늄 블랭크(3,5)를 맞대기 레이저 용접함에 있어 본 발명은, 도 2에서 도시한 바와 같이, 먼저, 서로 두께가 다른 알루미늄 블랭크(3,5)가 맞대어진 상태로 두께 차이에 따라 단차(t)가 형성되는 전면에 대해서 두께가 두꺼운 알루미늄 블랭크(5)의 용접 모서리부에 레이저빔(B)의 초점을 맞추어 레이저빔의 다중반사 및 흡수를 이용하여 완전 용입 조건으로 설정속도에 따라 심용입용접(Keyhole Welding)을 제일 먼저 수행하여 깊은 용접층을 형성하게 된다.(S1)

그리고 상기 알루미늄 블랭크(3,5)의 전면에 대하여 심용입용접(Keyhole Welding)을 수행한 후에는 상기 알루미늄 블랭크(3,5) 상의 용접부(W)에 레이저빔(B)의 초점을 설정폭(단, 설정폭은 2mm 내지 8mm 이내로 한다. 도면의 표현상 용접부를 상세하게 표현하느라 모재가 과장되게 표현됨.)으로 맞추어 레이저빔(B)의 열전도를 이용하여 완전 혹은 부분 용입되도록 용접조건을 설정하여 설정속도로 전면 전도용접(Conduction Welding)을 2차로 수행한다.(S2)

이와 같이, 두께가 서로 다른 2장의 알루미늄 블랭크(3,5)의 전면에 대하여 심용입용접과 전도용접을 통하여 상기 알루미늄 블랭크(3,5)의 용접부(W)에 대하여 완전 용입을 이루게 됨으로, 상기 알루미늄 블랭크(3,5)의 용접부(W)는 그 후면에도 다소 돌출되는 양상을 보이게 된다.

또한, 상기 전면 전도용접에서, 용접부(W)에 대한 레이저빔(B)의 초점의 폭은 이상적으로는 4mm 내지 5mm이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 대략 2mm 내지 8mm 범위내에서 작업 상황에 따라 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 심용입용접에서는 레이저 용접의 설정속도를 6m/min으로 하고, 전면 전도용접에서는 레이저 용접의 설정속도를 5.4 m/min로 하여 수행하는 것이 가장 바람직하며, 이러한 레이저 용접속도는 다수회의 실험에 의해 설정된 실험치로 보다 이상적인 용접속도에 대한 실험치의 적용을 제한하지는 아니한다.

상기와 같이, 상호 맞대어진 알루미늄 블랭크(3,5) 상의 단차(t)가 형성된 전면 용접부(W)에 대하여 전면 전도용접을 수행한 후에는 그 전면을 아래로 즉, 그 후면을 상부로 위치시킨 후, 후면의 돌출된 용접부(W)에 대하여 레이저빔(B)의 초점을 설정폭(단, 설정폭은 2mm 내지 8mm 이내로 한다. 도면의 표현상 용접부를 상세하게 표현하느라 모재가 과장되게 표현됨.)으로 맞추어 레이저빔(B)의 열전도를 이용하여 부분 용입되도록 용접조건을 설정하여 설정속도로 후면 전도용접(Conduction Welding)을 수행하게 된다.(S3)

물론, 상기 후면 전도용접에서도 후면의 용접부(W)에 대한 레이저빔(B)의 초점의 폭은 이상적으로는 4mm 내지 5mm이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 대략 2mm 내지 8mm 범위내에서 작업 상황에 따라 설정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 후면 전도용접에서도 상기 전면 전도용접과 마찬가지로 레이저 용접의 설정속도를 5.4 m/min로 하여 수행하는 것이 가장 바람직하며, 이러한 레이저 용접속도는 다수회의 실험에 의해 설정된 실험치로 보다 이상적인 용접속도에 대한 실험치의 적용을 제한하지는 아니한다.

여기서, 상기 알루미늄 블랭크(3,5)의 전면에 대하여 심용입용접(Keyhole Welding)을 수행한 후에는 상기 알루미늄 블랭크(3,5) 상의 전면 용접부(W)에 대한 전면 전도용접(Conduction Welding)과, 상기 알루미늄 블랭크(3,5)상의 후면 용접부(W)에 대한 후면 전도용접(Conduction Welding)은 상호 순서를 바꾸어 진행하여도 같은 용접조건에서는 같은 결과를 얻을 수 있다.

단, 전면과 후면의 전도용접 시, 각각의 용접층이 서로 겹칠 수 있도록 하는 범위내에서 완전 혹은 부분 용입으로 용접조건을 설정하는 것이 중요할 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 의한 알루미늄 블랭크 용접부의 수직 단면 형상도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 의한 알루미늄 블랭크 용접부의 수평 단면 형상도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 따라 용접된 알루미늄 용접시편의 인장시험 결과를 나타내는 사진이다.

즉, 본 발명의 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 따라 두께가 서로 다른 알루미늄 블랭크 용접부(W)를 그 전면에 대하여 완전 용입에 의한 심용입용접과 전면 전도용접의 2회 용접으로, 그리고 그 후면에 대하여 부분 용입에 의한 후면 전도용접을 수행함으로써, 도 3에서 도시한 알루미늄 용접 블랭크의 용접부(W) 수직 단면 형상에서 알 수 있듯이, 기공 등의 용접불량 요인을 찾을 수 없으며, 미려한 용접 단면을 나타낸다.

또한, 도 4에서 도시한 알루미늄 용접 블랭크의 수평 단면 형상에서 알 수 있듯이, 용접부(W)와 모재의 구분이 뚜렷하게 나타나나 역시, 기공 등의 용접불량 요인을 찾을 수 없으며, 미려한 용접 단면을 나타낸다.

물론, 본 발명의 레이저 용접 방법에 의한 용접 이음부에 대하여 실제 재료를 용접하였을 경우에 모재를 포함한 용접부(Ww)의 강도가 어느 정도인가를 알기 위한 인장강도는, 도 5에서 도시한 바와 같이, 파단이 일어난 부분이 용접부가 아니라 용접부의 일측, 즉, 모재 측에서 일어났으며, 이는 종래 일반적인 알루미늄 블랭크의 맞대기 용접부(W)의 인장강도가 모재 강도의 약 80% 정도의 수준으로 알려진 것과는 다르게 그 용접부(W)의 인장강도가 향상되었다는 것을 알 수 있도록 해준다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법에 의하면, 서로 두께가 다른 알루미늄 블랭크를 맞대기 레이저 용접 시, 연속파 Nd:YAG 레이저빔을 사용하여 단차가 형성되는 전면에 대해서는 레이저빔의 다중반사 및 흡수를 이용한 용접법과 열전도를 이용한 용접법 등의 용접특성이 다른 용접법을 순차적으로 진행하고, 이 후 단차가 형성되지 않는 후면에 대해서는 열전도를 이용한 용접법을 적용하여 순차적으로 진행함으로써, 종래 빔 전송이 복잡한 시스템의 적용 및 준비선형(Semi-Non Linear) 용접 및 비선형(Non Linear) 용접의 적용이 어려운 Co2 레이저 용접을 배제하고, 강판에 비하여 차체중량의 감소, 품질향상, 차체강성 향상의 측면에서 우수한 알루미늄 블랭크를 적용함에 있어서도 그 용 접부의 인장강도를 모재 이상의 강도를 갖도록 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 연속파 Nd:YAG 레이저빔을 용접열원으로 하여, 서로 두께가 다른 2장의 알루미늄 블랭크를 맞대기 레이저 용접함에 있어서,

   상호 맞대어진 알루미늄 블랭크 상의 단차가 형성되는 전면에 대해서 두께가 두꺼운 알루미늄 블랭크의 용접 모서리부에 레이저빔의 초점을 맞추어 키홀 내에서 레이저빔의 다중반사 및 다중흡수를 이용하여 완전 용입이 되도록 설정용접속도로 심용입용접을 수행하는 제1단계;

   상기 제1단계에서, 심용입용접이 이루어진 알루미늄 블랭크 상의 전면 용접부에 레이저빔의 초점의 폭을 2mm 내지 8mm 범위내에서 맞추어 레이저빔의 열전도를 이용하여 설정용접속도로 전면 전도용접을 수행하는 제2단계;

   상기 제2단계에 이어, 상기 상호 맞대어진 알루미늄 블랭크 상의 단차가 형성된 전면을 아래로 하고, 그 후면 용접부를 위로하여 레이저빔의 초점의 폭을 2mm 내지 8mm 범위내에서 맞추어 레이저빔의 열전도를 이용하여 설정용접속도로 후면 전도용접을 수행하는 제3단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법.
8. 연속파 Nd:YAG 레이저빔을 용접열원으로 하여, 서로 두께가 다른 2장의 알루미늄 블랭크를 맞대기 레이저 용접함에 있어서,

   상호 맞대어진 알루미늄 블랭크 상의 단차가 형성되는 전면에 대해서 두께가 두꺼운 알루미늄 블랭크의 용접 모서리부에 레이저빔의 초점을 맞추어 레이저빔의 다중반사 및 다중흡수를 이용하여 완전 용입이 되도록 설정용접속도로 심용입용접을 수행하는 제1단계;

   상기 제1단계에 이어, 상기 상호 맞대어진 알루미늄 블랭크 상의 단차가 형성된 전면을 아래로 하고, 그 후면 용접부를 위로하여 레이저빔의 초점의 폭을 2mm 내지 8mm 범위내에서 맞추어 레이저빔의 열전도를 이용하여 설정용접속도로 후면 전도용접을 수행하는 제2단계;

   상기 제2단계에서, 심용입용접이 이루어진 알루미늄 블랭크 상의 전면 용접부를 다시 위로하여 레이저빔의 초점의 폭을 2mm 내지 8mm 범위내에서 맞추어 레이저빔의 열전도를 이용하여 설정용접속도로 전면 전도용접을 수행하는 제3단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법.

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