KR101059368B1 - 도금강판의 레이저 용접방법 - Google Patents

Abstract

도금강판을 접착제에 의한 접착과 동시에, 겹치기 레이저 용접하는 경우, 용접할 하나의 도금강판 상에 그 용접라인을 따라 양측방에 전도용접구간의 레이저빔을 이용하여 구획돌기를 생성하여 상호 용접할 도금강판 사이에 용접가스가 배출되도록 갭을 형성함으로써 도금강판의 용접품질을 일정하게 유지할 수 있도록 하며,

상기 구획돌기를 통하여 상기 접착제와 용접부의 경계를 이루도록 함으로써 키홀용접구간의 레이저빔으로 도금강판의 겹치기 레이저 용접 작업시에 접착제가 레이저빔의 열에 의해 연소되는 것을 방지하여 접착제에 의한 응력의 분산과 레이저 용접의 접합력에 의한 강판의 접합 강도를 향상시키는 도금강판의 레이저 용접방법을 제공한다.

레이저 용접방법, 도금강판, 도금층, 구획돌기, 접착제

Description

도금강판의 레이저 용접방법{LASER WELDING METHOD FOR PLATING STEEL SHEET}

본 발명은 도금강판의 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크롬, 니켈 또는 아연 등의 도금강판을 접착제에 의한 접착과 동시에, 겹치기 레이저 용접하는 도금강판의 레이저 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 용접은 레이저빔의 초점구간에서 에너지 다중반사 및 흡수를 이용한 키홀용접(KEYHOLE WELDING)과, 레이저빔의 비초점구간에서 열전도를 이용한 전도용접(CONDUCTION WELDING)으로 구분될 수 있다.

상기한 키홀용접과 전도용접을 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저, 도 1에서 도시한 바와 같이, 레이저빔(LB)이 렌즈에 의해 집적되어 소재에 대하여 에너지 다중반사 및 다중흡수가 일어나는 약 2mm 이내의 초점구간을 키홀용접구간(T1)이라고 명명하고, 상기 레이저빔이 키홀용접구간(T1)을 벗어난 비초점구간에서 소재에 대하여 열전도에 의한 용접이 가능한 일정구간을 전도용접구간(T2)이라고 명명한다.

즉, 상기 키홀용접구간(T1)에서 용접이 이루어지는 키홀용접의 경우에는 레이저빔의 전자기파 에너지가 집적된 초점위치에서 소재의 표면에 충돌하고, 그 충 돌에너지는 열에너지를 발산하면서 전자기파의 연속적인 현상인 키홀현상을 유지한다. 이러한 키홀현상을 과학적으로 서술하면, 고출력 레이저 용접에서 용융 풀에 증기압 등의 작용으로 작은 구멍을 만들면서 용접이 이루어지는 상태를 말한다.

반면, 상기 전도용접구간(T2)에서 용접이 이루어지는 전도용접은 레이저빔의 비초점 위치에서 이루어지는 것으로, 키홀용접구간(T1)의 초점 사이즈보다 몇 배의 레이저빔 면적을 차지한다. 따라서 레이저빔의 밀도는 초점위치보다 훨씬 낮으나, 레이저빔이 알루미늄 합금 등의 소재 표면에 충돌하는 순간 소량의 금속증기가 발생하고 용융되면서 용접이 가능해지고 용접패턴 또한 반달형상으로, 키홀과는 다른 형상으로 나타난다.

이와 같이, 상기한 바와 같은 레이저빔(LB)의 특성을 이용하여 강판 또는 알루미늄 합금판재 등의 소재에 대하여 레이저 용접작업을 진행하게 된다.

도 2에서는 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도로써, 상기한 레이저빔(LB)을 이용하여 강판 또는 알루미늄 합금판재 등의 소재를 용접하기 위해서는 로봇(1)의 아암(3) 선단에 레이저 헤드(5)를 설치하고, 이 레이저 헤드(5)는 레이저 발진기(7)와 연결되는 레이저 용접 시스템을 구비하여, 로봇 제어기(C)를 통하여 거동하는 로봇(1)에 의해 상기 레이저 헤드(5)가 소재(9)의 용접라인을 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하여 용접작업을 진행하게 된다.

여기서, 상기 레이저빔의 특성을 이용하여 용접하기 위한 강판 중에서도 특히, 니켈, 크롬, 아연 등이 도금되는 도금강판(Plating Steel Sheet)은 철의 최대 단점인 녹을 방지하고, 철의 장점인 강성과 경제성을 최대한 살릴 수 있다는 측면 에서 사용이 늘어나는 추세이다.

그런데, 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기한 레이저빔의 특성을 이용하여 상기한 도금강판(11)을 서로 겹치기 용접하는 과정에서, 2장의 겹쳐진 도금강판(11) 사이에 일정한 갭(GAP)이 없는 경우에는, 그 용접부(W)에 도금층(13)의 증발로 인한 용접가스의 영향으로 기공이 발생하거나, 폭발성 기공을 동반하는 양상을 보인다.

이에 따라, 2장의 도금강판(11)을 겹치기 레이저 용접하기 위해서는 지그장치를 통하여 도금강판(11) 사이에 0.1mm 정도의 갭을 유지하여 용접가스가 배출되도록 하는 것이 중요하다.

이를 위해서는 상기한 지그장치를 도금강판 별로 전용으로 사용하도록 전용 지그장치로 구성하여야 하며, 이에 따라 비도금강판 등에는 공유할 수 없는 단점이 있으며, 또한, 전용 지그장치를 이용하는 경우에도 도금강판 사이의 갭이 일정하지 않아 폭발성 기공 등의 종래 용접불량의 원인은 여전히 존재하는 단점을 내포하고 있다.

한편, 최근에는 강판의 접합강성을 향상시키기 위하여 상기한 레이저 용접과 동시에, 접합면에 접착제를 도포함으로써 접착제의 응력 분산작용을 이용하여 강판의 접합강성을 더욱 향상시키는 추세이다.

그러나 상기와 같이, 도금강판(11)을 접착제에 의한 접착과 동시에, 겹치기 레이저 용접하는 경우에도 용접부에 도포된 접착제가 레이저빔(LB)의 열에 의해 연소되어 연소가스를 발생시키게 되며, 이로 인해 접착제에 의한 접착과 레이저 용접 을 병행하여 적용하는 것이 어려운 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 단점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 도금강판을 접착제에 의한 접착과 동시에, 겹치기 레이저 용접하는 경우, 용접할 하나의 도금강판 상에 그 용접라인을 따라 양측방에 전도용접구간의 레이저빔을 이용하여 구획돌기를 생성하여 상호 용접할 도금강판 사이에 용접가스가 배출되도록 갭을 형성함으로써 도금강판의 용접품질을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 도금강판의 레이저 용접방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 구획돌기를 통하여 상기 접착제와 용접부의 경계를 이루도록 함으로써 키홀용접구간의 레이저빔으로 도금강판의 겹치기 레이저 용접 작업시에 접착제가 레이저빔의 열에 의해 연소되는 것을 방지하여 접착제에 의한 응력의 분산과 레이저 용접의 접합력에 의한 강판의 접합 강도를 향상시키는 도금강판의 레이저 용접방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 도금강판의 레이저 용접방법은 상호 겹치기 용접할 도금강판 중, 하나의 도금강판 상의 용접라인의 그 양측방을 따라 접합면에 전도용접구간의 레이저빔을 이용하여 강판의 열변형에 의한 구획돌기를 생성하되, 상기 양측 구획돌기는 상기 하나의 도금강판의 접합면 상에 용접라인 상의 용접패턴부에 대응하여서는 그 폭을 넓게 형성하여 생성하는 제1단계;
상기 하나의 도금강판에 생성된 양측 구획돌기의 외측으로 그 접합면 상에 액상의 접착제를 도포하는 제2단계;
상기 접착제가 도포된 도금강판의 접착면에 대응하여 용접할 다른 도금강판을 겹쳐서 상기 접착제에 의해 상호 접착된 상태로 지그 상에 로딩하는 제3단계;
상기 접착제에 의해 상호 접착되어 겹쳐진 각 도금강판의 그 용접라인을 따라 키홀용접구간의 레이저빔으로 레이저 용접작업을 진행하는 제4단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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상술한 바와 같이 본 발명에 따른 도금강판의 레이저 용접방법에 의하면, 크롬, 니켈, 아연 등의 도금강판을 접착제에 의한 접착과 동시에, 겹치기 레이저 용접하는 경우, 용접할 하나의 도금강판 상에 그 용접라인을 따라 양측방에 전도용접구간의 레이저빔을 이용하여 구획돌기를 생성하여 상호 용접할 도금강판 사이에 용접가스가 배출되도록 갭을 형성함으로써 도금강판의 용접품질을 일정하게 유지하는 효과가 있다.

또한, 상기 구획돌기를 통하여 상기 접착제와 용접부의 경계를 이루도록 함으로써 키홀용접구간의 레이저빔으로 도금강판의 겹치기 레이저 용접 작업시에 접착제가 레이저빔의 열에 의해 연소되는 것을 방지하는 효과가 있으며, 무엇보다 접 착제에 의한 응력의 분산작용과 레이저 용접에 의한 접합력으로 강판의 접합 강도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 종래 도금강판의 겹치기 용접을 위하여 도금강판 사이에 갭을 유지하기 위한 별도의 전용 지그장치 없이도 비도금강판용 지그장치를 공용화하여 사용할 수 있는 이점도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

단, 본 발명의 구성을 설명함에 있어, 종래 구성과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 적용하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도금강판의 레이저 용접방법에 따른 공정도이다.

본 실시예에 따른 도금강판의 레이저 용접방법은, 도 4에서 도시한 바와 같이, 먼저, 상호 겹치기 용접할 도금강판(11) 중, 하나의 도금강판(11) 상에는 그 용접라인(L)을 따라 그 양측방의 접합면(F)에 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)을 이용하여 강판의 열변형에 의해 돌출되는 구획돌기(15)를 생성한다.(S1)

즉, 도 5에서 도시한 바와 같이, 해당 도금강판(11)의 단면에 구획돌기(15)를 형성하기 위해서는 도금강판(11)의 접착면 상의 용접할 용접라인(L)을 따라 그 양측방에 로봇(1)이 거동하여 레이저 헤드(5)를 이동시키면서 상기 전도용접구간(T2)의 레이저빔(LB)을 펄스파 형태로 조사하여 구획돌기(15)를 생성하게 된다.

이때, 상기 구획돌기(15)의 생성은 전도용접구간(T2)의 펄스파 레이저빔(LB)이 도금강판(11)의 표면에 조사되면, 상기 도금강판(11)의 표면은 높은 밀도의 열 에너지에 의해 용융되었다가 급속하게 응고되는 과정에서, 열전도에 열 에너지가 표면으로 분출되려는 금속의 성질에 의해 돔(DOME) 형상으로 부풀어오르는 현상으로 생성된다.

이러한 양측 구획돌기(15)는 다른 도금강판(11)과의 접합하기 위한 접합면(F)에 형성하게 되며, 상기 레이저빔(LB)의 출력, 조사속도, 초점위치, 조사시간 등의 조건은 시험에 의해 구획돌기(15)의 높이가 0.2mm 이내로 생성되는 범위내에서 설정되는 것이 바람직할 것이다.

또한, 상기 양측 구획돌기(15)는 상기 하나의 도금강판(11)의 접합면(F) 용접라인(L) 상의 용접패턴부(WP)에 대응하여 그 폭(D)을 넓게 형성하여 생성하는 것이 바람직하다.

그리고 상기에서 사용되는 레이저빔(LB)은 Nd:YAG 레이저발진기로부터 발진되는 Nd:YAG 레이저빔으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같이, 상기 하나의 도금강판(11)의 접합면에 그 용접라인(L)을 따라 양측방에 구획돌기(15)가 생성되면, 도 6에서 도시한 바와 같이, 상기 하나의 도금강판(11)에 생성된 양측 구획돌기(15)의 외측으로 그 접합면(F) 상에 접착제(B)를 도포하게 된다.(S2)

이때, 상기 접착제(B)는 액상의 접착제를 별도의 장비를 통하여 분사하여 도포하는 것이 바람직하다.

이어서, 도 7에서 도시한 바와 같이, 상기 접착제(B)가 도포된 도금강판(11)의 접착면(F)에 대응하여 용접할 다른 도금강판(11)을 겹쳐서 상기 접착제(B)에 의해 상호 접착된 상태로 지그(17) 상에 로딩하게 된다.(S3)

이때, 상기 2장의 도금강판(11) 사이에서는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 접착제(B)가 퍼지면서 도금강판(11)을 상호 접착시키게 되는데, 상기 접착제(B)는 상기 도금강판(11) 사이에서 그 구획돌기(15)에 의해 레이저 용접을 위한 용접라인 상의 용접부(W)와는 경계를 이루게 된다.

이때도, 상기 각 도금강판(11)은 각 상호간의 용접라인(L)이 일치하도록 겹쳐서 로딩하는 것이 중요하다.

이어서, 상기와 같이, 상기 접착제(B)에 의해 상호 접착되어 겹쳐진 각 도금강판(11)은 그 용접라인(L)을 따라 키홀용접구간(T1)의 레이저빔(LB)으로 레이저 용접작업이 진행된다.(S4)

즉, 상호 겹쳐진 2장의 도금강판(11)을 레이저 용접하기 위해서는 도금강판(11)의 상면에 용접할 용접라인(L)을 따라 로봇(1)을 거동하여 레이저 헤드(5)를 이동시키면서 상기 키홀용접구간(T1)의 레이저빔(LB)을 조사하여 용접이 이루어지게 된다.

이때도, 상기 레이저빔(LB)은 Nd:YAG 레이저발진기로부터 발진되는 Nd:YAG 레이저빔으로 이루어지는 것이 바람직하다.

따라서 상기한 바와 같은 레이저 용접방법에 의해 도금강판(11)의 겹치기 레이저 용접을 진행하게 되면, 용접할 하나의 도금강판(11) 상에 그 용접라인(L)을 따라 양측방에 생성되는 구획돌기(15)에 의해 서로 용접할 각 도금강판(11) 사이에는 용접과정에서, 도금층(13)이 증발하여 발생되는 용접가스가 외부로 빠져나가도록 캡(G; Gap)을 형성해주게 된다.

이러한 상태로 키홀용접구간(T1)의 레이저빔(LB)으로 도금강판(11)의 겹치기 레이저 용접작업을 이루게 되면, 용접가스가 쉽게 배출되어 용접가스에 의한 기공의 발생을 방지하여 양호한 용접품질을 얻게 된다.

또한, 종래 도금강판(11) 사이의 갭(G)을 형성해주기 위한 별도의 전용 지그장치를 제작이나 수정하지 않고도 비도금강판과 동일한 지그장치를 공용으로 사용할 수 있다.

한편, 상기 구획돌기(15)를 통하여 접착제(B)와 용접부(W)의 경계를 이루도록 함으로써 키홀용접구간(T1)의 레이저빔(LB)으로 도금강판(11)의 겹치기 레이저 용접 작업시에에 상기 접착제(B)가 레이저빔(LB)의 열에 의해 연소되는 것을 방지해 주게 되며, 이로 인해 접착제(B)의 연소로 인한 연소가스의 발생을 방지하게 된다.

이로써, 본 실시예에 따른 도금강판의 레이저 용접방법에 의해 접착제(B)의 응력 분산작용과 레이저 용접에 의한 접합력으로 강판의 접합 강도를 향상시키게 된다.

도 1은 일반적인 레이저빔의 초점구간 개념도이다.

도 2는 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도이다.

도 3은 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 키홀용접구간의 레이저빔을 이용한 도금강판의 레이저 용접 상태도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도금강판의 레이저 용접방법에 따른 공정도이다.

도 5는 도 4의 제1단계(S1) 공정을 통하여 구획돌기를 성형한 도금강판의 사시도이다.

도 6은 도 4의 제2단계(S3) 공정을 통하여 접착제가 도포된 도금강판의 사시도이다.

도 7은 도 4의 제3단계(S3) 공정을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (5)

1. 도금강판의 레이저 용접방법에 있어서,

   상호 겹치기 용접할 도금강판 중, 하나의 도금강판 상의 용접라인의 그 양측방을 따라 접합면에 전도용접구간의 레이저빔을 이용하여 강판의 열변형에 의한 구획돌기를 생성하되, 상기 양측 구획돌기는 상기 하나의 도금강판의 접합면 상에 용접라인 상의 용접패턴부에 대응하여서는 그 폭을 넓게 형성하여 생성하는 제1단계;

   상기 하나의 도금강판에 생성된 양측 구획돌기의 외측으로 그 접합면 상에 액상의 접착제를 도포하는 제2단계;

   상기 접착제가 도포된 도금강판의 접착면에 대응하여 용접할 다른 도금강판을 겹쳐서 상기 접착제에 의해 상호 접착된 상태로 지그 상에 로딩하는 제3단계;

   상기 접착제에 의해 상호 접착되어 겹쳐진 각 도금강판의 그 용접라인을 따라 키홀용접구간의 레이저빔으로 레이저 용접작업을 진행하는 제4단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도금강판의 레이저 용접방법.
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