KR101272050B1

KR101272050B1 - 레이저 용접방법

Info

Publication number: KR101272050B1
Application number: KR1020110117713A
Authority: KR
Inventors: 이문용; 송문종
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-06-07
Also published as: KR20130052323A; CN103100795B; US20130119025A1; US9873168B2; CN103100795A

Abstract

레이저 용접방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 용접방법은 2장의 강판을 일정 갭을 두고 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 있어서, 상호 겹쳐진 상부 강판 및 하부 강판의 용접부를 따라 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상부 강판에는 용접부를 따라 용융 슬롯을 형성하고, 동시에 하부 강판에는 용접부를 따라 열전도에 의한 열 팽창부를 형성하는 스티치 용접단계; 및 상기 용접부를 따라 초점구간의 레이저빔을 일정패턴을 따라 조사하여 상기 상부 강판에 형성된 용융 슬롯의 가장자리가 상기 하부 강판의 열 팽창부와 함께 용융되도록 하여 용융 풀을 형성하는 패턴 용접단계를 포함한다.

Description

레이저 용접방법{METHOD OF LASER WELDING}

본 발명은 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접할 강판 소재의 두께 대비 10% 이상의 갭을 갖는 2장의 강판소재를 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 차체 부품을 조립하기 위한 용접법으로 스폿용접이 주로 이용되고 있으며, 이러한 스폿용접이 불가능한 용접부에는 아크용접이나 레이저용접이 적용되고 있다.

특히, 상기한 레이저용접은 용가재가 필요하지 않고, 고속의 용접 속도, 짧은 용접 사이클, 작은 입열량, 작은 열 영향부(HAZ), 최소한의 변형 등과 같은 장점이 있어 상기 스폿용접과 아크용접을 대체하여 최근 차체 부품의 접합에 적용되는 추세이다.

이러한 레이저용접은 레이저빔의 초점구간에서 에너지 다중반사 및 흡수를 이용한 키홀용접(KEYHOLE WELDING)이 주를 이루며, 이러한 키홀용접은 레이저빔이 렌즈에 의해 집적되어 소재에 대하여 에너지 다중반사 및 다중흡수가 일어나는 약 2mm 이내의 초점구간에서 이루어진다.

즉, 상기 키홀용접의 경우에는 레이저빔의 전자기파 에너지가 집적된 초점위치에서 소재의 표면에 충돌하고, 그 충돌에너지는 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.

이와 같이, 레이저용접은, 도 1에서 도시한 바와 같은 레이저 용접 시스템을 이용하여 일반강판 또는 도금강판 등의 소재에 대하여 이루어진다.

즉, 상기 레이저 용접 시스템은 로봇(1)의 아암(3) 선단에 레이저 헤드(5)를 설치하고, 이 레이저 헤드(5)는 레이저 발진기(7)에 광 화이버로 연결되어 구성된다.

이러한 레이저 용접 시스템은 로봇 제어기(C)를 통하여 거동하는 로봇(1)에 의해 상기 레이저 헤드(5)가 소재(9)의 용접부를 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하여 용접작업을 진행하게 된다.

한편, 최근 차체 부품의 소재로 일반강판과 함께 아연도금강판(Galvanized Steel Sheet, 즉, 아연을 도금한 강판 전체를 총칭하는 것으로, 그 제조방법에 따라 용융아연도금강판(Hot Dipped Galvanized Iron)과 전기도금아연강판(Electrolytic Galvanized Iron)으로 구별됨)이 주로 적용되는데, 이 아연도금강판은 철의 최대 단점인 녹을 방지하고, 철의 장점인 강성과 경제성을 최대한 살릴 수 있다는 측면에서 사용량이 늘어나는 추세이다.

그런데, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기한 레이저빔의 특성을 이용하여 2장의 아연도금강판(11,12)을 상호 겹치기 용접하는 과정에서, 겹쳐진 상부 및 하부 아연도금강판(11,12) 사이에 일정한 갭(Gap)이 없는 경우에는 그 용접부(W)에 아연 도금층(13)의 증발로 인한 아연증기의 영향으로 폭발성 기공을 동반하는 양상을 보인다.

이에 따라, 2장의 아연도금강판(11,12)을 겹치기 레이저 용접하기 위해서는 상부 및 하부 아연도금강판(11,12) 사이에 일정한 갭을 유지하여 아연증기가 배출되도록 하는 것이 중요하다.

그런데, 이러한 아연도금강판(11,12)의 겹치기 레이저 용접 시, 아연도금강판(11,12) 사이에 설정되는 갭이 크거나 작아 용접부(W) 파단 등의 용접불량 현상이 빈번하고, 용접비드의 함몰에 의한 핀 홀(pin hole, 미소기공) 등이 발생되어 인장시험 시, 용접부(W)에서 계면 파단이 일어나는 원인이 된다.

본 발명의 실시 예는 강판의 겹치기 레이저 용접 시, 용접할 강판 소재의 두께 대비 10% 이상의 갭을 갖는 경우에도 핀 홀(pin hole)이나 용락(burn through) 등의 발생 없이 완전 용입과 충분한 용융 폭 확보를 통해 용접부의 인장 및 전단 강도를 확보할 수 있는 레이저 용접방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 2장의 강판을 일정 갭을 두고 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 있어서, 상호 겹쳐진 상부 강판 및 하부 강판의 용접부를 따라 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상부 강판에는 용접부를 따라 용융 슬롯을 형성하고, 동시에 하부 강판에는 용접부를 따라 열전도에 의한 열 팽창부를 형성하는 스티치 용접단계; 및 상기 용접부를 따라 초점구간의 레이저빔을 일정패턴을 따라 조사하여 상기 상부 강판에 형성된 용융 슬롯의 가장자리가 상기 하부 강판의 열 팽창부와 함께 용융되도록 하여 용융 풀을 형성하는 패턴 용접단계를 포함하는 레이저 용접방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 일정 갭은 상기 강판 두께의 10% 내지 50% 범위 사이의 갭으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 일정패턴은 반복되는 "V"자 모양의 지그재그 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 일정패턴의 폭은 용융 슬롯의 폭보다 더 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 상부 강판 및 하부 강판은 아연도금강판일 수 있다.

본 발명의 실시 예는 강판의 겹치기 레이저 용접 시, 상부 강판의 용접부에 대하여 스티치 용접과 고속으로 지그재그 패턴 용접을 연속하여 진행함으로써 용접할 강판 소재의 두께 대비 10% 이상의 갭을 갖는 경우에도 핀 홀(pin hole)이나 용락(burn through) 등의 발생 없이 완전 용입과 충분한 용융 폭 확보하면서 용접할 수 있다.

또한, 겹치기 레이저 용접에서 일반강판뿐만 아니라 도금강판의 경우에도 0.15 ~ 0.2mm 내외의 적정 갭을 유지하기 위한 여러 가지 레이저 용접법을 대신하여 선행 공정이 필요하지 않고, 용접부에 함몰되는 용접비드가 형성되어도 완전 용입과 용융 폭 확보에 의해 인장 및 전단 강도는 충분히 유지할 수 있다.

도 1은 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도이다.
도 2는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 아연도금강판의 겹치기 레이저 용접 상태도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 스티치 용접부 단면의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 패턴 용접부 단면의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 아연도금강판의 접합부 단면 모식도 및 사진이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

또한, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 공정도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 스티치 용접부 단면의 모식도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 패턴 용접부 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법은 강판 또는 도금강판의 겹치기 레이저 용접을 위한 방법으로, 특히, 겹치기 레이저 용접할 2장의 강판 사이에 갭이 강판 소재의 두께 대비 10% 이상으로 벌어진 경우에 적용된다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법은 상부 강판(11)과 하부 강판(12)이 그 두께(T)의 10% 이상 벌어져 갭(G)이 형성된 상태로 상부 강판(11)을 통하여 진행되는 스티치 용접단계(S1)와, 상기 스티치 용접단계(S1)에 연속하여 패턴 용접단계(S2)로 진행된다.

여기서, 상기 상부 강판(11)과 하부 강판(12) 사이의 갭(G)은 상기 강판 두께(T)의 10% 내지 50% 범위 사이의 갭(G)으로 설정될 수 있다.

단, 본 발명의 실시 예에서는 상부 강판(11)과 하부 강판(12)을 두께(T) 1.6mm의 아연도금강판을 적용하였으며, 상부 강판(11)과 하부 강판(12) 사이의 갭(G)은 0.8mm로 하여 상기한 강판 두께(T)의 50%로 극단적인 경우를 예로 하였다.

도 4를 참조하면, 상기 스티치 용접단계(S1)는 갭(G)을 두고 상호 겹쳐진 상부 강판(11)과 하부 강판(12)의 용접부(W)를 따라 초점구간의 레이저빔(LB)을 선형으로 조사한다.

이때, 상부 강판(11)에는 용접부(W)를 따라 관통되는 용융 슬롯(15)이 형성되고, 동시에 하부 강판(12)에는 용접부(W)를 따라 열전도에 의한 열 팽창부(17)가 형성된다.

이러한 스티치 용접단계(S1)는 레이저빔(LB)의 출력을 3,400W로 하고, 용접속도를 30mm/sec로 했을 때, 상부 강판(11)의 용접부(W)에 0.5mm 내지 0.7mm 사이의 폭(Wd1)으로 용융 슬롯(15)이 형성된다.

또한, 하부 강판(12)에는 용접부(W)를 따라 열전도에 의해 상기 용융 슬롯(15)을 향하여 표면이 부풀어오르는 열 팽창부(17)가 형성된다.

그리고 도 5를 참조하면, 상기 패턴 용접단계(S2)는 상기 상부 강판(11)을 통하여 용접부(W)를 따라 초점구간의 레이저빔(LB)을 일정패턴을 따라 조사한다.

이때, 상기한 일정패턴은 반복되는 "V"자 모양의 지그재그 형상의 패턴으로 이루어진다.

즉, 상기 패턴 용접단계(S2)는 레이저빔(LB)을 상부 강판(11)의 용융 슬롯(15)을 따라 지그재그 형상의 패턴으로 조사하여 상부 강판(11)에 형성된 용융 슬롯(15)의 가장자리(19)가 상기 하부 강판(12)의 열 팽창부(17)와 브릿지부(21)를 형성하면서 연결되어 함께 용융된다.

이러한 레이저빔(LB)의 패턴 용접과정을 반복하면서, 상기 상부 강판(11)과 하부 강판(12)의 용접부(W)에는, 도 6에서 도시한 바와 같은 완전 용입에 의한 용융 풀(23)이 형성하도록 진행된다.

여기서, 상기 일정패턴의 폭(Wd2)은 용융 슬롯(15)의 폭(Wd1)보다 더 크게 형성되어야 한다.

이러한 패턴 용접단계(S2)는 레이저빔(LB)의 출력을 3,400W로 하고, 용접속도는 300mm/sec로 하고, 상부 강판(11)의 0.5mm 내지 0.7mm 사이의 폭(Wd1)으로 형성된 용융 슬롯(15)에 대하여 2mm의 폭(Wd2)으로 더 크게 지그재그 형상의 패턴을 형성하면서 용접을 진행한다.

이때, 상기 지그재그 형상의 패턴은 단위피치가 0.5mm로 설정되어 열 영향부가 중첩되도록 함으로서 상기 상부 강판(11)의 용융 슬롯(15)의 가장자리(19)와 하부 강판(12)의 열 팽창부(17)에 레이저빔(LB)의 전자기파 에너지가 충분히 흡수되도록 하여 용융 풀(23)이 형성하도록 한다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의하면, 도 6에서 도시한 바와 같이, 상부 강판(11)과 하부 강판(12)의 각 두께(T) 대비 10% 이상의 갭(G)을 갖는 경우에도 용접부(W)에 핀 홀(pin hole)이나 용락(burn through) 등의 발생 없이 완전 용입과 충분한 용융 폭을 확보하여 양호한 용접품질을 보장한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법은 특히, 아연도금강판의 겹치기 레이저 용접 시에 진행함으로써, 상호 용접할 각각의 아연도금강판 상의 아연 도금층의 연소로 인한 아연증기의 배출을 위한 갭(G)을 충분히 유지하면서도 종전의 키홀용접에 의해 발생되던 갭(G)에 따른 용접불량 현상을 방지하고, 용접부(W)에 함몰되는 형태의 용접비드(WB)가 형성되어도 인장 및 전단 강도는 충분히 유지한다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

11: 상부 강판
12: 하부 강판
13: 아연 도금층
15: 용융 슬롯
17: 열 팽창부
19: 용융 슬롯의 가장자리
21: 브릿지부
23: 용융 풀
LB: 레이저빔
T: 두께
G: 갭
W: 용접부

Claims

2장의 강판을 일정 갭을 두고 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 있어서,
상호 겹쳐진 상부 강판 및 하부 강판의 용접부를 따라 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상부 강판에는 용접부를 따라 용융 슬롯을 형성하고, 동시에 하부 강판에는 용접부를 따라 열전도에 의한 열 팽창부를 형성하는 스티치 용접단계;
상기 용접부를 따라 초점구간의 레이저빔을 일정패턴을 따라 조사하여 상기 상부 강판에 형성된 용융 슬롯의 가장자리가 상기 하부 강판의 열 팽창부와 함께 용융되도록 하여 용융 풀을 형성하는 패턴 용접단계;
를 포함하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 일정 갭은
상기 강판 두께의 10% 내지 50% 범위 사이의 갭으로 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 일정패턴은
반복되는 "V"자 모양의 지그재그 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 일정패턴의 폭은 용융 슬롯의 폭보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 상부 강판 및 하부 강판은
아연도금강판인 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
상호간에 갭이 형성된 상태로 2장의 도금강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 있어서,
상호 겹쳐진 2장의 강판 중, 상부 도금강판의 용접부를 따라 선형으로 레이저빔을 조사하여 상부 도금강판에 용융 슬롯을 형성하고, 동시에 하부 도금강판에는 상기 용융 슬롯에 대응하여 열전도에 의한 열 팽창부를 형성하는 제1용접단계;
상기 제1용접단계에 이어, 상기 상부 도금강판의 용융 슬롯에 대하여 상기 용 슬롯의 폭보다 큰 폭으로 초점구간의 레이저빔을 반복되는 "V"자 모양의 지그재그 패턴을 따라 조사하여 상기 용융 슬롯의 가장자리가 상기 하부 도금강판의 열 팽창부와 함께 용융되어 용융 풀이 형성되도록 하여 용접하는 제2용접단계;
를 포함하는 레이저 용접방법.
제6항에 있어서,
상기 갭은
상기 도금강판 두께의 10% 내지 50% 범위 사이의 갭으로 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.