KR101579915B1 - 가스-분말 흐름을 이용하여 코팅 금속 시트를 조인트-용접하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코팅된 금속 시트(1, 2)를 맞대기 이음으로 조인트-용접하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 가스-분말 흐름(9) 형태의 적어도 하나의 분체형 용접 첨가제(8)가 적어도 하나의 유동 도관(10)을 통하여 용접 용융부(6)에 첨가되며, 용접 첨가제(8)가 용접 용융부(6)와 함께 난류적으로 혼합되어 상기 혼합 중에 용접 용융부(6) 내에 유동 와류(12)가 형성되도록, 유동 도관(10)을 떠나는 가스-분말 흐름(9)은 용접 용융부(6)를 향하며 적어도 2 m/s의 유출 속도를 갖는다. 본 발명에 따른 장치는, 시트 금속 재료를 용융-용접하기 위한 에너지 빔을 생성 및/또는 집광하기 위한 적어도 하나의 용접 헤드(13)와, 분체형 용접 첨가제(8)를 가스-분말 흐름(9)의 형태로 공급하기 위한 적어도 하나의 유동 도관(10)을 포함하며, 유동 도관(10)은 용접 첨가제 출구 개방부(11)에서 종결되는 도관 부분을 포함하고, 도관 부분의 종방향 축은 에너지 빔(3)의 빔 축에 대하여 경사지게 뻗어 있고, 도관 부분(10)의 종방향 축과 에너지 빔(3)의 빔 축은 15도 내지 75도 범위의 각도를 이루며, 유동 도관(10)에는 가스-분말 흐름(9)을 적어도 2 m/s의 유출 속도로 설정하는 것을 가능하게 하는 조정 수단이 제공되어 있다.

Description

가스-분말 흐름을 이용하여 코팅 금속 시트를 조인트-용접하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR JOINT-WELDING COATED SHEET METALS USING A GAS-POWDER FLOW}

본 발명은 코팅된 금속 시트를 맞대기 이음(butt joint)으로 조인트-용접하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

근년에 자동차 제조에 있어서 강 부품을 열간-성형하는 방법이 확립되어 왔다. 이와 관련하여, 시트 두께 및/또는 재료 등급이 서로 다른 다수의 판재들이 서로 용접되어 이루어지고 비교적 얇은 시트 두께 및 그에 따라 낮은 중량에서 높은 부하 능력을 제공하는 많은 주문형 제품(tailored product)이 제조된다. 열간-성형 및 프레스-경화(press-hardening)를 위하여 제공되는 판재는, 고온에서 열간-성형 전에 피처리재에 스케일이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 일반적으로 유기 또는 무기 보호 층 및/또는 부식 방지 층으로 코팅된다. 이와 관련하여, 코팅 재료로서 알루미늄 합금, 바람직하게는 알루미늄-실리콘 합금이 일반적으로 사용된다. 그러나, 코팅된 이러한 유형의 금속 시트가 용접될 때에, 코팅 성분, 특히 알루미늄이 용접 용융부(weld melt) 내에 유입되고 용접 심(weld seam) 내에서 철과 함께 Fe-Al 화합물을 형성하는데, 이는 비교적 낮은 강도를 구비하며 용접 심에서 부품을 약화시키거나 심지어는 부품의 파괴를 일으킬 수 있다는 문제점이 흔히 존재한다. 아연 코팅도 가능하다. 이 경우에는, 용접 중에 아연이 결정립계에 석출하여 용접 심 내의 최대 인장 및 압축 응력을 감소시킬 가능성이 있다는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 서로 용접될 시트 금속 경계의 가장자리에서 예를 들면 금속의 피막이 제거되는 이른바 탈막 방법(stripping method)이 제안되었다(예를 들면, 독일 공개 실용신안 공보 제DE 20 2007 018 823 U1호 참조). 그러나, 이러한 방법은 복잡하고 많은 비용이 소요된다.

종래 기술에는, 용접 심 또는 제조 부품의 강도를 향상시키기 위하여, 용접 용융부 내에 용접 첨가제(welding additive)를 첨가하는 방법이 또한 공지되어 있다. 따라서, 예를 들면 일본 공개 특허 공보 제JP 07041841 A호에는, 맞대기 이음 형태로 배치된 강 시트들을 접합하기 위한 방법이 기재되어 있으며, 그 방법에 있어서 카본-부화(carbon-enriched) 용접 용융부 및 그에 따라 더욱 경질의 용접 심을 달성하기 위하여 미세 카본 분말이 용접 용융부에 첨가된다.

본 발명의 목적은, 코팅 금속 시트들이 접합 금속 시트의 보호 층 가장자리로부터 발생하는 주요 코팅 성분의 첨가의 결과로서 용접 심에서의 강도의 손실을 일으키지 않고 서로 경제적으로 용접될 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

이 목적은, 방법과 관련하여 청구항 1의 특징을 구비하는 방법에 의하여, 그리고 장치와 관련하여 청구항 9의 특징을 구비하는 장치에 의하여 달성된다.

본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치의 바람직하고 유리한 구성은 종속 청구항들에 규정되어 있다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 용접될 금속 시트의 이음부에 생성되는 용접 용융부에는, 가스-분말 흐름(gas-powder flow)의 형태의 적어도 하나의 분체형 용접 첨가제(pulverulent welding additive)가 적어도 하나의 유동 도관(flow duct)을 통하여 첨가되며, 용접 첨가제가 용접 용융부와 함께 난류적으로 혼합되고 상기 혼합 중에 용접 용융부 내에 유동 와류(flow eddy)가 형성되도록, 유동 도관을 떠나는 가스-분말 흐름은 용접 용융부로 향하고 적어도 2 m/s의 유출 속도(output speed)를 갖는다.

적절한 입자 크기의 분체형 용접 첨가제의 도입은 용접 용융부 내에서 확산 혼합(diffuse mixing) 및 합금화(alloying)를 가능하게 한다. 특히 전형적으로 대략 6 ms 내지 125 ms의 범위로 용융 상(melt phase)이 존재할 뿐인 레이저 용접의 경우에는 용접 시간이 비교적 짧기 때문에, 필러 와이어(filler wire)의 형태의 용접 첨가제를 사용하면, 용접될 재료(시트 금속)와의 충분한 혼합을 달성하는 것이 가능하지 않다. 비교적 작은 입자, 바람직하게는 작은 금속 입자를 가진 분체형 용접 첨가제의 사용은, 특히 레이저 용접에 있어서, 매우 짧은 기간의 용융 상에서도 충분히 균질한 합금 혼합을 달성하는 것을 가능하게 한다.

코팅으로부터 우선적으로는 아연 함량, 특히 바람직하게는 알루미늄 함량 또는 알루미늄-실리콘 함량에 의해 악영향을 받지 않고 균질하거나 실질적으로 균질한 용접 심 미세구조를 달성하기 위하여, 본 발명은 용접 용융부 내에 유동 와류가 형성되도록 분체형 용접 첨가제와 용접 용융부의 난류 혼합(turbulent mixing)을 추가로 제공한다. 이러한 유동 와류(난류)는 주로 가스-분말 흐름, 바람직하게는 가스/금속 분말 흐름의 동역학(kinetics)에 의하여 발생한다. 본 발명에 따르면, 용접 용융부로 향하는 가스-분말 흐름의 유출 속도는 적어도 2 m/s이고, 예를 들면 2 m/s 내지 50 m/s의 범위, 특히 2 m/s와 40 m/s 사이, 바람직하게는 2 m/s와 30 m/s 사이이다. 용접 용융부 내에 형성된 유동 와류(난류)는 용접 첨가제와 재료 합금의 완전 혼합 또는 실질적인 완전 혼합의 가능성에 기여한다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 구성은, 분체형 용접 첨가제의 입자가 20 ㎛ 내지 160 ㎛의 범위, 바람직하게는 20 ㎛ 내지 120 ㎛의 범위의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 한다. 분체형 용접 첨가제의 입자 크기가 그와 같이 미세하면, 이는 신속하고 충분히 균질한 합금 혼합을 촉진한다.

본 발명에 따른 방법의 더욱 바람직한 구성에 의하면, 금속 시트에 의하여 정의되고 용접 용융부를 포함하는 피처리재 평면에 대하여, 가스-분말 흐름의 분사 축(blast axis)이 15도 내지 75도 범위, 바람직하게는 25도 내지 65도 범위의 각도를 이루도록, 유동 도관을 떠나는 가스-분말 흐름은 용접 용융부로 경사지게 향한다. 용접 헤드(welding head)의 전형적인 전진 속도에서, 용접 용융부를 포함하는 피처리재 평면에 대하여 이와 같이 경사진 가스-분말 흐름의 위치는, 용접 용융부 내에 유동 와류를 생성하기 위하여 바람직하고, 따라서 용접 첨가제와 용융 액상 피처리재 재료를 가능한 한 신속하고 균질하게 혼합하기 위하여 바람직하다.

본 발명에 따른 방법의 더욱 바람직한 구성에 있어서는, 가스-분말 흐름을 생성하기 위한 가스로서 보호 가스가 사용된다. 보호 가스는 용접 용융부의 산화를 방지하거나, 용접 심을 약화시키는 산화로부터 용융부를 보호한다. 가스-분말 흐름을 생성하기 위한 가스로서 사용되는 보호 가스는, 예를 들면 CO₂, 아르곤, 질소, 헬륨, 또는 아르곤, 헬륨, 질소 및/또는 CO₂로 이루어진 가스 혼합물일 수 있다.

대안적으로 또는 추가로, 본 발명에 따른 방법의 더욱 바람직한 구성은, 금속 시트들이 보호 가스 분위기에서 조인트-용접되는 것을 제공한다.

본 발명에 따른 장치는, 시트 금속 재료를 용융-용접하기 위한 에너지 빔을 생성 및/또는 집광하기 위한 용접 헤드, 바람직하게는 레이저 빔 용접 헤드와, 서로 용접될 금속 시트의 용접 용융부에 가스-분말 흐름 형태의 분체형 용접 첨가제를 공급하기 위한 적어도 하나의 유동 도관을 포함하며, 유동 도관은 용접 첨가제 출구 개방부(outlet opening)에서 종결되는 도관 부분(duct portion)을 포함하고 그 도관 부분의 종방향 축은 용접 헤드를 떠나는 에너지 빔, 바람직하게는 레이저 빔의 빔 축(beam axis)에 대하여 경사지게 뻗어 있고, 도관 부분의 종방향 축과 에너지 빔의 빔 축은 15도 내지 75도 범위의 각도를 이루고, 유동 도관에는 가스-분말 흐름을 적어도 2 m/s의 유출 속도로 설정하는 것을 가능하게 하는 조정 수단(adjustment means)(예를 들면, 조정 가능한 가스 유동 스로틀(throttle))이 제공된다.

본 발명에 따른 장치는 본 발명에 따른 방법과 동일한 장점을 가지며, 따라서 반복을 피하기 위하여 전술한 설명을 참조하기로 한다.

가스-분말 흐름의 충분히 높은 유동 속도(유출 속도)를 달성하여 용접 용융부 내에 바람직한 유동 와류를 생성하기 위하여, 본 발명에 따른 장치의 바람직한 구성에 의하면, 유동 도관 및/또는 용접 첨가제 유출 개방부에서 종결되는 도관 부분은 원추형 도관 형상을 구비하며, 유동 도관 또는 도관 부분은 유출 개방부를 향하여 테이퍼링되어 있다. 단부 도관 부분은 원통형 도관 형상 또는 원통형과 원추형 도관 형상의 조합을 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 더욱 바람직한 구성은, 유동 도관 및/또는 용접 첨가제 출구 개방부에서 종결되는 도관 부분이 원형 단면 형상 이외의 단면 형상을 구비하는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 용접 첨가제와 피처리재 합금(용융 액상)의 혼합은 더욱 향상될 수 있다.

본 발명에 다른 장치의 더욱 바람직한 구성은, 유동 도관 및/또는 용접 첨가제 출구 개방부에서 종결되는 도관 부분이 출구 개방부를 향하여 하나 이상의 수축부(constriction)를 구비하는 것을 제공한다. 이러한 구성은 용접 첨가제와 피처리재 합금(용융 액상)의 혼합을 최적화하는 데에 기여할 수도 있다.

도 1은, 용접 분말을 높은 유동 속도로 공급하면서, 알루미늄 합금으로 코팅된 금속 시트들을 함께 접합하기 위한 레이저 빔 용접 공정을 개략적으로 나타내며, 용접 심은 종방향 단면으로 도시되어 있다.
도 2는 도 1에 따른 용접 공정을 개략적으로 나타내며, 맞대기 이음으로 서로 접합될 금속 시트들 및 용접 용융부는 단면으로 도시되어 있다.
도 3은 분체형 용접 첨가제를 높은 유동 속도로 공급하기 위한 유동 도관을 포함하는 레이저 용접 헤드를 개략적으로 나타낸다.

이하에는, 실시 형태를 나타내는 도면에 의하여 본 발명이 더욱 상세히 기재되어 있다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 방법의 기초 원리를 개략적으로 설명한다. 도면 부호 1 및 2는 맞대기 이음으로 서로 용접될 금속 시트들을 나타낸다. 적어도 하나의 금속 시트 또는 금속 시트(1, 2)들 모두는 알루미늄, 바람직하게는 Al-Si 합금으로 코팅되어 있다. 금속 시트(1, 2)는 바람직하게는 강, 특히 보론-망간 강의 판재 또는 스트립이다. 금속 시트(1, 2)는 시트 두께 및/또는 재료 품질이 다를 수 있다.

금속 시트(1, 2)는 바람직하게는 적어도 하나의 레이저 빔에 의하여 서로 용접된다. 그러나, 대안적으로, 본 발명에 따르면, 금속 시트(1, 2)는 다른 적절한 용접 장치에 의하여, 예를 들면 플라스마 빔 용접 장치 또는 아크 용접 장치에 의하여 용접될 수도 있다.

금속 시트(1, 2)의 조인트-용접은 바람직하게는 보호 가스 분위기에서 실시된다. 보호 가스 분위기는 도 1과 도 2에 서로 평행하게 배치된 4개의 화살표(4)로 도시되어 있다.

서로 용접될 금속 시트(1, 2)는 이음부를 따라서 용융됨으로써, 용융된 재료는 서로 혼합될 수 있고 응고 후에 용접 심을 형성한다. 금속 시트(1, 2)의 용접 용융부(용융된 액상)는 도 1과 도 2에서 보다 미세한 빗금부(finer hashing) 및 도면 부호 6에 의해 표시되어 있다. 응고된 용접 용융부, 즉 용접 심(5)은 도 1에 추가 횡단 선에 의하여 표시되어 있다.

본 발명에 따른 장치의 용접 헤드의 전진 방향은 도 1에 화살표(7)로 도시되어 있다.

본 발명에 따르면, 적어도 하나의 분체형 용접 첨가제(8)가 용접 용융부(6) 내로 도입된다. 분체형 용접 첨가제(8)는 적어도 하나의 유동 도관(노즐 도관)(10)을 통하여 가스-분말 흐름(9)의 형태로 용접 용융부(6)에 첨가된다. 분체형 용접 첨가제(8)는 용접 분말 또는 금속 분말로 형성된다. 금속 분말은 용접될 적어도 하나의 금속 시트(1, 2)의 피처리재 합금의 조성과 실질적으로 상응하는 것이 바람직하다. 대안적으로 또는 추가로, 분체형 용접 첨가제(8)는 강도-증가 성분을 함유할 수 있거나 그러한 성분만으로 이루어질 수도 있다. 분체형 용접 첨가제(8)의 입자는 20 ㎛ 내지 160 ㎛의 범위, 바람직하게는 20 ㎛ 내지 120 ㎛ 범위의 크기를 갖는다.

용접 헤드가 전진하는 중에 유동 도관(10)을 떠나는 가스-분말 흐름(9)은 용접 용융부(6)로 향한다. 이와 관련하여, 유동 도관(10)의 출구 개방부(11)에서 종결되는 도관 부분은, 용접 헤드의 전진 방향으로, 용접 에너지 빔 또는 레이저 빔(3)의 전방에 배치된다.

용접 용융부(6)가 분체형 용접 첨가제(8)와 함께 난류적으로 혼합되고 상기 혼합 중에 용접 용융부(6) 내에 유동 와류(12)가 형성되도록(도 1 참조), 가스-분말 흐름(9)의 유출 속도는 적어도 2 m/s이다. 가스-분말 흐름(9)의 유출 속도는 2 m/s 내지 30 m/s의 범위인 것이 바람직하다.

가스-분말 흐름(9)의 가스는 바람직하게는 보호 가스, 예를 들면 아르곤, CO₂, 질소, 헬륨, 또는 아르곤, 헬륨, 질소 및/또는 CO₂로 이루어진 가스 혼합물이다.

피처리재인 금속 시트(1, 2)로 입사되는 용접 에너지 빔 또는 레이저 빔(3)은 피처리재(1, 2)에 대하여 수직 또는 실질적으로 수직 위치로 배향된다. 대조적으로, 금속 시트(1, 2)에 의해 정의되고 용접 용융부(6)를 포함하는 피처리재 평면에 대하여 가스-분말 흐름(9)의 분사 축이 15도 내지 75도 범위의 각도(α)로 향하도록, 유동 도관(10)을 떠나는 가스-분말 흐름(9)은 용접 용융부(6)를 향하여 비스듬히 배향된다.

가스-분말 흐름(9)의 높은 유동 속도는 유동 도관(10)의 특별한 형상에 의하여 달성된다. 가스-분말 흐름(9)의 높은 유동 속도는 용융 용접부(6) 내에서 유동 와류(12)로 변환되는 상당한 양의 운동 에너지를 수반한다. 이러한 와류(12)는 분체형 용접 첨가제(8)와 피처리재 합금의 균질한 혼합 또는 실질적으로 균질한 혼합을 가능하게 하며, 비교적 낮은 강도를 갖는 침상 형태의 Fe-Al 공정(eutectic)의 형성을 방지한다.

도 3은 레이저 용접 헤드(13)의 하측 부분을 개략적으로 나타낸다. 레이저 용접 헤드(13)는 렌즈 시스템(도시 생략)을 포함하며, 이에 의하여 레이저 빔(3)이 집광될 수 있고, 서로 용접될 금속 시트의 이음부를 향하여 레이저 빔 초점이 배향될 수 있다.

도 3에 도시된 실시 형태에서, 실질적으로 원통형 중공체(hollow body)(14)가 용접 헤드(13)에 장착되고 관형 유동 도관(노즐 도관)(10)이 제공되며, 이를 통하여 전술한 분체형 용접 첨가제(8)는 레이저 빔(3)의 작업 위치와 그에 따라 용접 용융부(6)에 높은 유동 속도로 공급될 수 있다. 유동 도관(노즐 도관)(10)은 중공체(14)의 중앙 종방향 축에 대하여 또는 레이저 빔 축에 대하여 비스듬히 뻗어 있다. 노즐 도관(10)의 내측 직경은 예를 들면 0.6 mm와 1.2 mm 사이이다. 유동 도관(10)의 출구 개방부(11)의 반대쪽의 단부에는 이송 호스(conveying hose)(15)가 연결되며, 이를 통하여 분체형 용접 첨가제가 노즐 도관(10)에 공급된다.

유동 도관(노즐 도관)(10)은 바람직하게는 형태에 있어서 원추형이고, 용접 용융부로 할당된 출구 개방부(11)를 향하여 테이퍼링되어 있다. 대안적으로 또는 추가로, 유동 도관(10)은 출구 개방부(11)를 향하여 하나 이상의 수축부를 포함할 수도 있다. 이와 관련하여, 유동 도관(10)의 개방 단면 형상은 각 경우에 형태에 있어서 원형일 수 있거나, 원형 단면 형상 이외의 단면 형상을 가질 수도 있다.

본 발명의 구성은 본 발명에 따른 레이저 용접 장치의 레이저 용접 헤드의 도 3에 도시된 실시 형태로 제한되는 것은 아니다. 오히려, 도시된 실시 형태 이외의 구성에 있어서 청구범위에 규정된 본 발명을 또한 활용할 수 있는 다수의 변형 형태가 고려될 수 있다.

Claims (14)

1. 코팅된 금속 시트(1, 2)를 맞대기 이음으로 조인트-용접하는 방법으로서,
   가스-분말 흐름(9) 형태의 적어도 하나의 분체형 용접 첨가제(8)가 적어도 하나의 유동 도관(10)을 통하여 용접 용융부(6)에 첨가되며, 분체형 용접 첨가제(8)가 용접 용융부(6)와 함께 난류적으로 혼합되어 상기 혼합 중에 용접 용융부(6) 내에 유동 와류(12)가 형성되도록, 유동 도관(10)을 떠나는 가스-분말 흐름(9)은 용접 용융부(6)로 향하고 2 m/s 내지 50 m/s 범위의 유출 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   금속 시트(1, 2)는 적어도 하나의 레이저 빔(3)에 의하여 서로 용접되는 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   분체형 용접 첨가제(8)는 금속 분말로 형성된 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   분체형 용접 첨가제(8)의 입자는 20 ㎛ 내지 160 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   금속 시트(1, 2)에 의하여 정의되고 용접 용융부(6)를 포함하는 피처리재 평면에 대하여 가스-분말 흐름(9)의 분사 축이 15도 내지 75도 범위의 각도(α)를 이루도록, 유동 도관(10)을 떠나는 가스-분말 흐름(9)은 용접 용융부(6) 상으로 경사지게 향하는 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   가스-분말 흐름(9)을 형성하기 위한 가스로서 보호 가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   금속 시트(1, 2)의 조인트-용접은 보호 가스 분위기에서 실시되는 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   서로 용접될 적어도 하나의 금속 시트(1, 2)는, 알루미늄 또는 Al-Si 합금으로 코팅된 강의 시트인 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   강의 시트는 보론-망간 강의 시트인 것을 특징으로 하는 조인트-용접 방법.
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