KR101449118B1

KR101449118B1 - 레이저 용접방법 및 이를 이용한 레이저 용접 부재

Info

Publication number: KR101449118B1
Application number: KR1020120096626A
Authority: KR
Inventors: 우인수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-10-10
Also published as: DE112012006855T5; JP2015526298A; CN104602860A; WO2014035013A1; KR20140030541A; US20150314393A1

Abstract

본 발명은 용접부에 기공 내지 피트와 같은 결함이 발생하는 것을 방지하고, 용접부의 가공성을 향상시킬 수 있는 레이저 용접방법 및 이를 이용한 용접부재에 관한 것으로서,
피용접부에 레이저를 조사하여 용접하는 레이저 용접방법에 있어서,
상기 레이저 조사시에 레이저 조사부 및 상기 레이저 조사부의 이면부에 실딩가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법과 이를 통해 제조된 용접부를 갖는 용접부재에 관한 것이다.

Description

레이저 용접방법 및 이를 이용한 레이저 용접 부재{METHOD FOR LASER WELDING AND WELDED METAL USING THE SAME}

본 발명은 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 TWB(Tailor Welded Blanks)용 레이저 용접방법에 관한 것이다.

최근 자동차 산업은 환경규제의 강화에 따른 차체 경량화를 목적으로 고강도 강재의 채용이 증가하고 있다. 이와 함께, 가공방법 측면에서도 테일러드 블랭크(TWB, Tailor Welded Blank), 하이드로포밍(Hydroforming) 등이 적극 검토되어 기존의 프레스 공정을 대체하고 있는 추세이다.

상기 테일러드 블랭크는 일명 맞춤식 재단 용접강판을 의미한다. 상기 테일러드 블랭크는 두께와 강도, 재질 등이 서로 다른 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단한 다음, 용접하여 원하는 형태의 제품으로 가공하는 것을 말한다. 이를 통해, 가공을 한 후에 직접 용접하는 경우에 비해, 비용을 크게 줄일 수 있다. 이때 적용될 수 있는 용접방법으로는 레이저용접, 저항심용접, 플라즈마용접 등이 검토되고 있으나, 레이저용접이 주로 적용되고 있다.

레이저용접은 고효율 에너지빔을 이용하여 고속생산이 가능하고, 용접부 품질도 우수한 것이 특징이다. 그러나, 일부 강종 또는 이음부에서는 기공(porosity) 또는 피트(pit)와 같은 용접결함이 발생하는 문제점이 지속적으로 지적되고 있다. 일반적으로 피트는 기공결함이 현저하게 발생되는 조건에서 발생되며, 기공내의 가스분압이 증가되어 용접비드의 표면까지 노출된 결함을 의미한다.

최근에는 자동차의 경량화 요구에 부응하기 위해서, 소재간의 두께차가 큰 이음부가 증가하고 있어서, 기공 또는 피트 결함이 더욱 현저하게 발생하여, 문제점으로 대두되고 있다. 도 1은 서로 다른 두께의 소재를 용접한 경우에 발생될 수 있는 기공 및 피트 결함의 일예를 나타낸 것이다.

한편, TWB용 레이저용접에 대해서는 다음과 같은 기술이 있다.

특허문헌 1(일본 특개평8-174246)은 용접비드의 경사각을 제어하여 용접부 프레스 성형성을 개선하는 기술을 제안하고 있다. 구체적으로는 소재간의 단차(d_f)를t_a _ve×tan10≤d_f≤ t_ave×tan30, t_ave=(t₁+t₂)/2 범위로 해서 프레스성형성을 보증하고 있다. 이때 t₁은 후판측 소재의 판두께, t₁은 박판측 소재의 판두께를 각각 나타낸다. 이 기술은 용접부 단차를 제거하여 프레스 금형의 손상을 저감하지만, 용접부 기공 및 피트결함을 해결하는데는 미흡한 실정이다.

특허문헌 2(일본 특개평8-257773)는 두께가 다른 판재를 레이저용접하는 경우, 맞대기 이음부에 양호한 용접비드를 형성하고 용접결함을 방지하는 것을 목적으로 맞대기 이음부를 레이저 빔이 교차왕복하는 즉, 위빙하는 용접방법을 제시하고 있다. 레이저 용접에서 지속적으로 지적되고 있는 이음부 갭(Gap)을 확대할 수 있는 방법이지만 용접선이 길어짐에 따라 용접시간이 증가하며, 본질적으로 기공결함을 제거하기에는 한계성을 내포하고 있다.

특허문헌 3(일본 특개평7-266081)은 피트, 블로우홀 등의 결함 없이 내기공성이 우수한 표면처리강판용 아크용접 와이어와 용접 시공방법에 관한 것으로서, C, Mn. Si을 기본성분으로 잔류성분이 Fe와 기타 불순물으로 구성하고, 전기저항율이 ρ≥3.2×10^-7Ω·m인 솔리드와이어와 아르곤(Ar), 헬륨(He)와 같은 불활성가스와 이산화탄소(CO₂)및 산소(O₂)와 같은 활성가스를 혼합한 실드가스를 사용하는 용접방법을 제시하고 있다. 와이어의 전기저항율을 증가시킴에 따라 용접전류의 증가없이 소정의 입열량을 확보함으로써 결국 입열량 저감 효과에 의해 기공발생을 억제할 수 있다. 그러나 TWB용 레이저용접의 경우 기본적으로 용접재료를 사용하지 않는 것이 원칙이며, 용접재료를 적용하는 경우 단가 상승과 함께 용접부 표면품질을 확보하기가 곤란한 문제점이 지적되고 있다.

특허문헌 4(일본 특개2001-138085)는 레이저용접부의 용입특성 개선과 함께 기공을 방지하기 위해서 불활성가스에 탄산가스의 혼합비율을 80~95%로 하는 실드가스를 적용하는 방법을 제안하고 있다. 산소 또는 탄산가스와 같은 활성가스의 경우 통상 열전도형 용접에서 용융금속의 표면장력을 감소시켜 심용입을 가능하게 하는 특성을 갖고 있으나 레이저용접과 같은 키홀 용접에서는 그 영향이 미미한 것으로 여겨지고 있다. 또한 상기 특허발명에서는 산소와 같은 활성가스가 오히려 용접부의 기공발생을 조장하는 결과를 얻어 그 효과에 대해서는 좀 더 상세한 검토가 필요한 것으로 판단된다.

특허문헌 5(일본 특개 2001-300751)는 레이저용접 중에 발생되는 플라즈마를 억제하기 위해 공급되는 헬륨가스가 키홀내에 잔존하여 기공이 형성되는 사실로부터, 헬륨을 충분히 외부로 배출하는 것을 목적으로, 특히 관통깊이를 소재 두께의 1.1~1.2 이상으로 되는 용접조건을 제안하고 있다. 대상강종의 두께가 10mm이상의 강재의 경우 용접조건 즉 입열량을 통하여 관통깊이를 제어할 수 있지만, 본 발명의 대상 강재와 같이 박물재의 경우 용접조건의 범위가 협소하여 소정의 관통두께를 확보하는 것이 곤란한 실정이다.

특허문헌 6(일본 특개 2010-89138)은 아연표면처리강판의 레이저용접에서 발생되는 기공을 억제하기 위하여 첨가물을 첨가하여 아연증기가 발생하기 전에 아연과 첨가물이 반응, 용융금속내의 아연증기를 감소시키는 방법을 제안하고 있지만, 이것은 시공단가 상승과 함께 도포량 제어 등 실시공에 많은 문제점을 내포하고 있다.

특허문헌 7(일본 특개2003-311453)은 아연표면처리강판 겹치기 이음부에 발생되는 기공을 억제하기 위하여 겹치기 이음부의 갭(Gap)을 일정량 유지하여 레이저용접시에 발생되는 아연증기를 외부로 용이하게 배출하는 방법이다. 이와 같은 기술은 이음부 형상에 제약이 있으며 특히 맞대기 이음부를 대상으로 하는 테일러드 블랭크 부재의 레이저용접에서는 적용하기 곤란한 것으로 판단된다.

일본 특개평8-174246 일본 특개평8-257773 일본 특개평7-266081 일본 특개2001-138085 일본 특개2001-300751 일본 특개2010-89138 일본 특개2003-311453

본 발명의 일측면은 레이저 용접시 용접부에 기공 내지 피트와 같은 결함이 발생하는 것을 방지하고, 용접부의 가공성을 향상시킬 수 있는 레이저 용접방법 및 이를 이용한 용접부재를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 피용접부에 레이저를 조사하여 용접하는 레이저 용접방법에 있어서,

상기 레이저 조사시에 레이저 조사부 및 상기 레이저 조사부의 이면부에 실딩가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 피용접부에 레이저를 조사하여 용접된 용접부를 포함하는 용접부재이고, 상기 용접부의 질소 함량이 125중량ppm 이하인 레이저 용접 부재를 제공한다.

본 발명에 의하면, 소재간의 두께차이가 있는 레이저 용접시에도 기공 및 피트 결함을 방지하여, 우수한 용접특성을 확보할 수 있으며, 모재와 동등 수준의 양호한 가공특성을 보증할 수 있는 테일러드 블랭크 부재를 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 테일러드 용접 부재의 용접이음부에 발생한 기공 및 피트 결함의 일예를 나타낸 사진임.
도 2는 레이저 용접시에 용접부의 질소함량과 기공의 발생정도를 나타낸 그래프임.
도 3은 본 발명의 용접방법의 일태양을 모식화한 모식도임.
도 4는 실시예에서 용접부의 방사선 분석을 통해 기공을 관찰한 사진임.
도 5는 실시예에서 용접부의 Erichsen 시험 결과를 관찰한 사진임.
도 6은 본 발명의 용접방법에서 바람직한 레이저 조사위치를 나타낸 모식도임.

본 발명자들은 테일러드 블랭크 부재를 제조하기 위해서, 레이저 용접을 실시하는 경우 특히, 이두께의 강판을 용접하는 경우에 기공 또는 피트 결함이 발생하는 원인에 대해 깊이 연구하였다. 그 결과, 레이저 용접부의 기공결함이 용접부의 질소함량과 밀접한 관련이 있음을 인지하게 되었고, 이를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타난 바와 같이, 용접부의 질소함유량이 약 125ppm 이상 존재하는 경우에는 용접부에서 기공 및 피트 결함이 집중적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

상기 용접부에 인입되는 질소는 대부분 대기에 존재하는 질소가 혼입에 의해서 기인하는 것으로서, 레이저용접시에 발생하는 고온의 플라즈마에 의해 주변에 접촉된 질소가스가 해리되어 용접부에 혼입되며, 냉각과정 중에 고용도 감소 때문에 기공으로 배출되는 것으로 판단된다.

이에, 본 발명자들은 레이저 용접시에 레이저 조사부(레이저 용접 상부)뿐만 아니라, 레이저 조사부의 이면부(레이저 용접 하부)에 발생하는 플라즈마에 불활성가스를 분사하여 플라즈마를 냉각시켜 플라즈마의 성장을 억제하고, 플라즈마와 대기중의 질소가 직접적으로 접촉하는 것을 억제하는 것에 의해, 기공 및 피트 결함을 억제할 수 있는 방법을 개발하여 본 발명을 도출하였다.

본 발명에서는 레이저 조사시에 실딩가스의 공급을 제어하여 플라즈마와 대기중의 질소의 접촉을 억제하여, 용접부 결함을 억제할 수 있는 방안을 제공한다. 이에 더하여, 본 발명에서는 레이저 빔의 조사위치와 용접입열량을 제어하여 용접부의 결함발생을 억제할 수 있는 레이저 용접방법도 제공한다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 레이저 용접방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 레이저 용접방법은 피용접부에 레이저를 조사하여 용접하는 레이저 용접방법에 있어서,

상기 레이저가 조사시에 레이저 조사부 및 상기 레이저 조사부의 이면부에 실딩가스를 공급한다.

상기 피용접부은 하나 이상의 강재가 맞대기 용접되는 부위를 의미하는 것이며, 2 이상의 강재는 그 두께가 서로 상이한 경우에도 적용될 수 있는 것이다. 상기 강재는 자동차용 부품을 제조하기 위한 강재로서, 고강도 특성을 갖는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 레이저 용접시 기공이 문제될 수 있는 강재에 모두 적용이 가능하리라 예상된다.

한편, 두께가 서로 상이한 즉, 이두께를 갖는 강재를 용접하는 용접이음부의 경우 적정 용접입열량을 설정하는 것이 곤란한 경우가 많다. 보다 얇은 두께의 강재(박물재라고도 함) 기준으로 용접할 경우 보다 두꺼운 두께의 강재(후물재라고 함)가 충분히 용융되지 않으며, 상기 후물재 판재를 기준으로 용접입열을 적용하면 박물재가 과다하게 용융되어 용락 및 기공등 용접결함이 발생하기 쉽다. 용접입열량이 증가하게 되면, 플라즈마의 온도 상승을 초래하여 기공형성이 쉽고, 과다하게 용융된 용융금속은 중력에 의해 하부 처지면서 언더필 또는 용락이 발생한다.

이에, 본 발명에서는 도 6에 나타난 바와 같이, 레이저 빔의 조사 위치를 후물재 판재측으로 이동하여 먼저 후물재 판재를 용융시기고 이어 박물재를 국부적으로 용융하는 방법을 제안한다. 즉, 본 발명에서 상기 레이저는 서로 다른 두께의 판재 계면에서 두꺼운 판재(후물재 판재)측으로 0.1~0.25㎜인 부분에서 조사하는 것이 바람직하다. 이에 따라 후물재의 용융금속이 박물재측으로 이동하면서 소정의 용접금속부의 목두께를 확보하게 되며, 용접부 강도향상에도 기여할 수 있다. 상기 거리가 0.1㎜ 미만인 경우에는 박물재 판재가 용융되어 용접결함이 발생되고, 0.25㎜를 초과하는 경우에는 후물재 판재만 용융되는 현상이 발생한다.

본 발명에서 용접입열량은 0.83~3.0 kW·min/m인 것이 바람직하다. 상기 용접입열량이 0.83 kW·min/m 미만인 경우에는 후물재의 용융량이 부족하여 박물재측으로 이동이 곤란하며, 3.0 kW·min/m을 초과하는 경우 후물재 판재가 과다하게 용융하여 용락현상이 일어나는 문제가 있다.

상기 레이저 용접 방법은 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 적용할 수 있는 것이면 족하다. 본 발명은 레이저 용접 방법 중에서 특히, CO₂ 레이저 용접방법의 기술적 효과가 우수하다. CO₂ 레이저 용접방법의 경우에 용접부의 기공의 발생 가능성이 높기 때문에, 본 발명의 기공발생 효과를 억제하는 측면에서 CO₂ 레이저 용접방법에서 그 효과를 극대화 할 수 있다.

도 3을 참고하여, 본 발명에 대해, 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 용접방법에 적용될 수 있는 장치의 일예를 나타낸 모식도이다.

본 발명의 레이저 용접방법은 레이저 조사시에 조사부에 실딩가스를 공급하는 것과 동시에 레이저 조사부의 이면부에서도 실딩가스를 공급한다. 상기 레이저 조사부에 실딩가스를 공급하는 방법은 레이저 조사에 동축 노즐(10)을 통해 실딩가스를 공급하는 방법과 측면방향에서 측면 노즐(20)을 통해 실딩가스를 공급하는 방법이 사용될 있다.

상기 레이저 조사 방향과 동축방향에서 실딩가스를 공급하는 것은 레이저빔과 대기와 반응을 차단하여 빔의 산란을 방지하는 효과가 있다. 한편, 측면방향에서 실딩가스를 공급하는 것은 용접시에 발생하는 플라즈마를 제거하여 용접부에 레이저빔의 효율저하를 개선할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서는 상기 레이저 조사시에 조사부의 이면부에서도 하부 노즐(30)을 통해 실딩가스를 공급하는 것이 바람직하다. 상기 용접부 조사면(용접부 상부)에만 실딩을 하는 경우에 용접부의 기공 및 피트 결함을 방지하는 데는 한계가 있다. 특히, 박물재를 용접하는 경우에는 관통 용접이 이루어지고, 이 경우에 고온의 플라즈마는 용접부 이면에서도 상부와 동등 수준의 플라즈마가 발생되고 이것을 통하여 용접부에 질소가스가 집중적으로 혼입될 수 있기 때문이다. 따라서, 레이저 조사면의 이면부(하부)에 발생되는 플라즈마와 대기 중 질소의 반응을 차단하기 위하여, 이면부에도 실딩가스를 공급하는 것이 바람직하다.

TWB와 같이 용접선이 긴 제품을 연속적으로 생산하는 경우 용접부 이면 전체를 실딩하는 것은 설계 구조상에 어려움이 있으며, 넓은 면적을 실딩하기 위해서는 다량의 가스가 소요되는 문제점이 있다. 본 발명에서는 기공발생에 고온의 플라즈마가 기여하는 것에 착목하여 불활성가스를 플라즈마 발생부에 직접 분사하는 것에 의해 소량의 실딩가스로도 효과적으로 기공 및 피트결함을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이 기공 및 피트 결함을 억제함으로서, 용접부의 가공시 균열 등의 발생이 억제되어 우수한 가공성을 확보할 수 있는 장점이 있다..

한편, 상기 레이저 조사부 및 그 이면부에 실딩가스를 공급하는 것이외에, 레이저 조사 후 후방에서 레이저 조사부 또는 그 이면부에 추가적으로 실딩가스를 공급하는 것이 보다 바람직하다. 도 3에서, 용접헤드 후방에 위치한 상부 실딩박스(40)와 하부 실딩박스(50)가 각각 레이저 조사 후에 레이저 조사부와 그 이면부에 추가적으로 실딩가스를 공급하는 수단이다.

레이저 용접은 고효율 레이저빔을 이용하는 방법으로 고속용접이 특징이다. 이 경우에, 도 3에서 동축 노즐(10), 측면 노즐(20) 및 하부 노즐(30)을 적용하는 이외에 용접이 진행된 이후, 즉 용접 후방에서 대기에 노출될 가능성이 있으므로, 필요에 따라, 용접헤드 후방에 상부 실딩박스(40)와 하부 실딩박스(50)를 구비할 필요성이 있다. 이 경우에 질소의 혼입을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 용접부가 냉각중에 대기와 차단됨에 따라 산화현상을 억제하여 표면물질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

한편, 상기 공급되는 실딩가스는 불활성 가스로서, 헬륨(He)가스, 아르곤(Ar)가스 등이 사용될 수 있으며, 이들의 혼합가스를 사용하는 것도 가능하다. 헬륨가스는 아르곤 가스에 비해 이온화 에너지가 높아 플라즈마 발생량이 감소하기 때문에, 바람직하게는 헬륨가스가 보다 효과적이다.

한편, 상기 실딩가스의 공급유량은 15~40ℓ/min의 속도로 공급되는 것이 바람직하다. 상기 유량이 15ℓ/min 이상이 되어야만 양호한 효과를 확보할 수 있으며, 그 미만에서는 실딩효과가 저하되어 대기중의 질소 혼입이 증가한다. 한편, 40ℓ/min을 초과하는 경우에는 기공방지에는 효과적이지만, 용융부가 심하게 요동하여 비드 표면 품질이 불량해지고, 냉각효과에 때문에 입열량을 보정하기 위해서 용접속도를 저감해야 하는 문제가 있다. 실딩가스의 유량이 많아지면 경제성이 저하되기 때문에, 실딩가스의 공급유량을 15~20ℓ/min로 하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명의 용접부재에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 용접부재는 용접부의 질소함량이 125 중량ppm 이하인 것이 바람직하다.

상기 용접부의 질소는 레이저 용접과정 중 대기중의 질소가스가 유입된 것으로서, 상기 질소 함량이 125 중량ppm을 초과하는 경우에는 용접부에 기공이나 피트 결함 발생 가능성이 증가하고, 가공시 균열이나 파단의 원인이 될 수 있다. 즉, 초정 페라이트로 응고하는 레이저 용접부에서는 질소의 한계 고용도가 125 중량ppm이다. 따라서, 초정 페라이트로 응고하는 철강소재를 레이저 용접하는 경우에 기공 또는 피트 결함을 억제하기 위해서는 용접부의 질소 함량을 125 중량ppm이라로 제어하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

(실시예 1)

하기 표 1의 조성(중량%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물)과 두께를 갖는 냉연강판(CR)과 아연도금강판(GI)을 각각 준비하였다.

구분	조성					기계적 성질			두께	도금량
구분	C	Mn	P	S	Si	YP(MPa)	TS(MPa)	EL(%)	두께	전면	후면
CR-A	0.0017	0.094	0.0087	0.0037	0.004	163	290	51	0.7㎜	-	-
GI-A	0.0017	0.094	0.0087	0.0037	0.004	163	290	51	0.7㎜	66.67	66.33
CR-B	0.0012	0.085	0.0103	0.0052	0.004	159	294	52	1.6㎜	-	-
GI-B	0.0012	0.085	0.0103	0.0052	0.004	159	294	52	1.6㎜	65.33	64.33

상기 A 및 B의 냉연강판 및 아연도금강판을 이용하여, 레이저 용접을 실시하였다. 이때 레이저 용접은 6kW CO₂ 레이저용접기를 이용하였으며, 예비실험을 통하여 비교적 기공발생이 현저한 레이저출력 6kW, 용접속도 2m/min의 조건으로 맞대기 용접을 실시하였다.

레이저용접부의 기공결함은 KS B0845에 의해 측정되었다. 강재 두께 10㎜이하의 경우 시험시야 10×10㎜에서 결함점수가 1점이하의 경우 1등급, 3점이하의 경우 2등급, 6점이하의 경우 3등급, 6점초과의 경우 4등급으로 분류하였다. 여기서 결함점수는 기공의 지름이 1㎜이하의 경우 1점, 1~2㎜인 경우 2점, 2~3㎜인 경우 3점, 3~4㎜인 경우 6점을 각각 부여하였다.

레이저용접부의 성형성은 Erichsen시험기를 이용하여 평가하였다. 이두께인 점을 고려하여 균열이 발생되는 위치를 분류하여 용접부에서 발생하는 경우는 불합격, 모재에서 발생되는 경우를 합격으로 각각 평가하였다.

상기 레이저 용접시 실딩 조건을 달리하여 레이저 용접을 실시하였고, 이에 따른 기공발생 여부 및 성형성을 평가하여 표 2에 나타내었다. 표 2에서 실딩방법은 도 3의 레이저 용접장치를 이용하였다. 도 3을 참고하여, 레이저 조사 방향과 동축방향으로 실딩하는 방법(10), 레이저 조사 방향과 측면방향에서 실딩하는 방법(20), 레이저 조사부의 이면부에서 실딩하는 방법(30)을 각각 표 3에서 ①, ② 및 ③으로 나타내었다.

구분	강종, 두께(㎜)	실딩 방법	실딩가스 종류	실딩가수 유량(ℓ/min)	기공발생 등급	파단위치
비교예1	CR, 0.7/1.6	①	He	20	4	용접부
비교예2	CR, 0.7/1.6	①	Ar	20	4	용접부
비교예3	CR, 0.7/1.6	②	He	20	4	용접부
비교예4	GI, 0.7/1.6	①	He	20	3	용접부
비교예5	GI, 0.7/1.6	②	He	20	3	용접부
비교예6	CR, 0.7/1.6	①+②	He/He	20/20	3	용접부
발명예1	CR, 0.7/1.6	①+③	He/He	20/20	1	모재
비교예7	CR, 0.7/1.6	①+③	He/He	10/10	2	모재
발명예2	CR, 0.7/1.6	①+③	He/He	40/40	1	모재
비교예8	CR, 0.7/1.6	①+③	He/Ar	20/20	2	모재
비교예9	CR, 0.7/1.6	①+③	He/N2	20/20	3	용접부
발명예3	CR, 0.7/1.6	②+③	He/He	20/20	1	모재
발명예4	GI, 0.7/1.6	①+③	He/He	20/20	1	모재
발명예5	GI, 0.7/1.6	②+③	He/He	20/20	1	모재
발명예6	CR, 0.7/1.6	①+③+④	He/He/He	20/20/20	1	모재
발명예7	CR, 0.7/1.6	①+③+⑤	He/He/He	20/20/20	1	모재
발명예8	CR, 0.7/1.6	②+③+④	He/He/He	20/20/20	1	모재
발명예9	CR, 0.7/1.6	②+③+⑤	He/He/He	20/20/20	1	모재

(상기 표 2에서 ④ 및 ⑤는 각각, 도 3에서 용접 후방 상부 실딩 및 용접 후방 하부 실딩을 나타낸다.)

상기 표 2의 결과에서 알 수 있듯이, 발명예들은 레이저 용접시, 레이저 조사부 뿐만 아니라, 조사부의 이면부(용접 하부)에서도 실딩가스를 분사하였고, 실딩가스의 종류와 유량이 본 발명의 범위를 만족하는 것이다. 그 결과, 상기 발명예들은 모두 우수한 기공발생 등급(즉, 기공이 발생이 억제됨)을 확보하고, 가공시 파단이 용접부가 아닌 모재에 발생하는 것을 확인함으로서, 용접부의 가공성이 개선된 것을 확인할 수 있었다.

한편, 비교예 1 내지 6은 레이저 조사부의 이면부(용접 하부)에 실딩가스가 공급되지 않는 경우로서, 냉연강판 및 도금강판의 용접부 모두에서 기공이 다량 발생하는 것을 확인할 수 있었고, 가공시에 용접부에서 파단이 발생하여, 가공성이 열위에 있음을 확인할 수 있었다.

비교예 7은 발명예들에 비해, 실딩가스 유량이 다소 미흡한 경우로서, 실딩가스의 유량이 본 발명의 범위에 미치지 않아, 본 발명과 같이 우수한 기공발생 억제 효과를 기대하기 어려운 것을 확인할 수 있었다. 비교예 8 및 9는 용접 하부의 실딩가스를 아르곤과 질소를 채용한 것으로서, 헬륨가스에 비해 기공저감 효과가 다소 열위에 있음을 확인한 것이다.

한편, 도 4의 (a) 및 (b)는 상기 비교예 1과 발명예 1의 용접부를 방산선 분석한 사진을 나타낸 것이다. 상기 도 4에 나타난 바와 같이, 비교예 1에서는 용접부에 기공이 발생하는 것을 확인할 수 있었으나, 발명예 1에서는 용접부에 기공이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

또한, 도 5의 (a) 및 (b)는 상기 비교예 1 및 발명예 1의 용접부 Erichsen 시험 결과를 나타낸 사진이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 발명예서는 용접부에 균열이 발생하지 않았으나, 비교예에서는 용접부에서 균열이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 2)

상기 표 1의 CR-A(박물재) 판재와 CR-B(후물재) 판재를 이용하여, 하기 표 3의 조건으로 레이저 조사시 경계로부터 후물재 판재로의 거리를 변화시키고, 용접입열량을 변화시키면서 용접한 경우에, 용접부의 용접결함과 용접부의 균열발생율을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

상기 용접은 레이저 조사부와 그 이면부에 헬륨가스를 각각 20ℓ/min로 공급하면서 용접한 것이고, 용접입열량은 레이저 출력과 용접속도를 변경하면서 제어하였다.

한편, 하기 표 3에서 용접결함은 비드외관을 중심으로 관찰하였으며, 언더필은 용접금속부가 모재에 비해서 0.1㎜ 이상 처진 경우를 기준으로 하였으며, 용락은 언더필 현상이 현저하여 용융금속이 떨어지고 전체에 홀이 발생된 경우를 의미한다. 또한 용접부 균열발생율은 Erichsen시험기를 이용하여 평가하였다. 즉 용접이음부에 볼을 밀어 올리면서 용접부에서 파단유무를 확인하였다.

구분	레이저 빔 위치(㎜)	용접입열량(kW·min/m)	용접결함	균열발생율(%)
발명예10	0	0.83	없음	0
비교예10	0	2	언더필	10
비교예11	0	3	언더필	20
비교예12	0	4	용락	40
비교예13	0	6	용락	90
발명예11	0.1	0.83	없음	0
발명예12	0.1	2	없음	0
발명예13	0.1	3	없음	0
비교예14	0.1	4	용락	10
비교예15	0.1	6	용락	30
발명예14	0.2	0.83	없음	0
발명예15	0.2	2	없음	0
발명예16	0.2	3	없음	0
비교예16	0.2	4	언더필	10
비교예17	0.2	6	용락	20
발명예17	0.25	0.83	없음	0
발명예18	0.25	2	없음	0
발명예19	0.25	3	없음	0
비교예18	0.25	4	언더필	10
비교예19	0.25	6	언더필	10
비교예20	0.3	0.83	미용접	100
비교예21	0.3	2	미용접	100
비교예22	0.3	3	미용접	100
비교예23	0.3	4	미용접	100
비교예24	0.3	6	미용접	100

(상기 레이저 빔 위치는 후물재와 박물재 판재의 계면에서 후물재 판재로의 거리를 나타낸 것임)

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 레이저빔의 조사위치가 증가함에 따라 용접결함과 용접부 파단이 발생되지 않는 용접입열량의 범위가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉 발명예 10과 같이 빔 위치가 Omm인 경우는 용접입열량이 0.83 kW·min/m만 양호한 특성을 나타내었다. 그러나, 빔 위치가 0.1~0.25mm인 발명예 11~19에서는 0.83~3 kW·min/m까지 확대되는 것을 알 수 있다. 그러나 빔 위치가 0.3mm의 비교예 20~24에서는 용접입열량의 변화에 관계없이 미용접으로 인해 용접부에서 파단되는 결과가 얻어졌다.

한편, 용접입열량이 본 발명의 범위인 3kW·min/m를 초과하는 경우에는 상기 빔 위치에 상관없이 용접부의 결함이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

10.....동축 노즐 20.....측면 노즐
30.....하부 노즐 40.....후방 상부 노즐
50.....후방 하부 노즐 60.....스패터 및 흄제거용 노즐

Claims

서로 다른 두께의 강재가 맞대어 용접되는 부위인 피용접부에 레이저를 조사하여 용접하는 레이저 용접방법에 있어서,
상기 레이저의 조사 위치는 서로 다른 두께의 판재 계면에서 두꺼운 판재측으로 0.1~0.25㎜이고,
상기 레이저의 용접입열량은 0.83~3.0kW·min/m이며,
상기 레이저 조사시에 레이저 조사부 및 상기 레이저 조사부의 이면부에 실딩가스를 공급하며,
상기 실딩가스는 헬륨 가스, 아르곤 가스 또는 이들의 혼합가스 중 어느 하나인 것을 사용하여 질소 함량이 125중량ppm 이하인 용접부를 피용접부에 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 조사부에 공급되는 실딩가스는 레이저 조사방향과 동축방향 및 측면방향 중 어느 하나 이상의 방향에서 공급하는 레이저 용접방법.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 용접 이후에 상기 레이저 조사부 또는 이면부에 실딩가스를 추가적으로 공급하는 레이저 용접방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 실딩가스는 15~40ℓ/min의 유량으로 공급하는 레이저 용접방법.
청구항 6에 있어서,
상기 실딩가스는 15~20ℓ/min의 유량으로 공급하는 레이저 용접방법.
삭제
삭제
서로 다른 두께의 강재가 맞대어 용접되는 부위인 피용접부에 레이저를 조사하여 용접된 용접부를 포함하는 용접부재이고, 상기 용접부는 초정 페라이트로 응고하며, 상기 용접부의 질소 함량이 125중량ppm 이하인 레이저 용접 부재.
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