KR102087664B1

KR102087664B1 - 레이저 용접 조인트 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102087664B1
Application number: KR1020177010870A
Authority: KR
Inventors: 마사토시 도쿠나가; 히로키 후지모토
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2020-03-11
Also published as: EP3213862A1; BR112017007552A2; WO2016068319A1; RU2684993C2; CA2963921C; EP3213862B1; KR20170058427A; CN107073650A; CA2963921A1; JP6376221B2; US11174883B2; CN107073650B; JPWO2016068319A1; RU2017118448A3; MX2017005315A; US20170314595A1; RU2017118448A; EP3213862A4

Abstract

용접 시간을 증가시키지 않고, 또한, 고가인 리모트 레이저 헤드를 사용하지 않고, 전단 조인트 강도를 향상시킨 레이저 용접 조인트이며, 중첩하여 배치된 금속판을 겹침 방향으로부터 레이저 용접한 용접 조인트이며, 중첩하여 용접된 금속판의 합계 판 두께를 t[㎜]로 했을 때, 접합 계면의 용접 금속의 폭이 0.6t^1/3+0.14[㎜] 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트.

Description

레이저 용접 조인트 및 그 제조 방법{LASER-WELDED JOINT AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 조인트 강도를 높이는 레이저 용접 조인트 및 그 제조 방법에 관한 것으로써, 특히, 자동차용 부재의 조인트 강도를 높이는 레이저 용접 조인트에 관한 것이다.

자동차용 부재나 가전 제품 등의 용접 방법으로서, 스폿 용접이 널리 보급되어 있다. 그러나, 스폿 용접에서는, 상하 전극에 의해 재료를 가압하여 용접할 필요가 있기 때문에, 용접하는 개소의 상하에 전극을 들어가게 하기 위한 스페이스가 필요해진다. 그로 인해, 스폿 용접은 편측 용접에는 적합하지 않고, 또한, 용접하는 제품 형상에도 제약을 받는다는 결점이 있다. 또한, 스폿 용접은 단속적인 용접이 되기 때문에, 선 용접에 비해 강성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 스폿 용접은, 기밀성을 필요로 하는 개소의 용접에도 적합하지 않다.

이에 반하여, 레이저 용접은, 강판을 전극에 의해 그 사이에 두고 용접하는 저항 스폿 용접과는 상이하고, 편측으로부터의 용접이나 플랜지의 극소화가 가능하다. 또한, 선상에 용접하기 위해, 부재의 고강성화가 가능하다고 한 특징을 갖고 있어, 스폿 용접을 대신해 레이저 용접을 사용하는 예가 있다.

레이저 용접의 열원은 집광된 레이저광이다. 레이저는, 단일 파장으로 위상차가 없는 광이기 때문에, 광학 렌즈로 매우 작은 점에 집광하여, 고밀도의 에너지를 얻을 수 있다. 레이저 용접에서는, 집광된 고에너지 밀도의 열원을 이용함으로써, 디프 필릿 용접의 고속 용접이 가능해진다.

레이저 용접은 고능률의 용접 방법이다. 그리고, 레이저를 열원으로 하기 위해, TIG 용접이나 MIG 용접 등의 아크 용접에 비해, 입열량의 제어가 확실하고 또한 용이하다. 이로 인해, 용접 속도나 레이저 빔의 조사 출력, 실드 가스 유량 등의 용접 조건을 적절하게 설정할 수 있다. 또한, 레이저 용접에서는, 용접시에, 용접 금속이 매우 국소적인 용융 상태가 되기 때문에, 모재에 가해지는 열의 영향도 작고, 스트레인이나 변형이 작은 고품질의 용접 조인트를 얻을 수 있다.

최근 들어 자동차의 연비 개선이나 안전성의 향상과 같은 요구에 대응하기 위해, 고강도의 박강판이 자동차 차체에 많이 사용되도록 되어 있다. 특히, 강판을 중첩하여 용접하는 방법에 있어서, 차체의 경량화와 충돌 안전성 향상의 양립을 목적으로 하여, 더욱 우수한 접합부 강도가 얻어지는 레이저 용접 방법이 요망되고 있다.

특허문헌 1 및 2에는, 레이저 용접 방법에 있어서, 우수한 접합부 강도를 얻는 기술이, 개시되어 있다.

특허문헌 1에는, 용접 조인트의 접합 강도를 담보하는 용접부의 가로에, 다시 레이저 용접을 실시하여, 상기 용접부의 열 영향부를 템퍼링시키고, 당해 열 영향부의 경도를, 다시 레이저 용접한 용접부의 열 영향부 경도 90％ 이하로 함으로써, 전단 조인트 강도를 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, 용접 종단부에 형성되는 크레이터의 영역에서 조인트 강도가 저하되기 때문에, 리모트 레이저 헤드를 이용하여, 용접 예정 개소의 일부에 전처리 용접 비드를 형성하고, 당해 전처리 용접 비드의 형성 방향과 반대 방향으로부터 본 용접 비드를 형성하고, 전처리 용접 비드에 의해 형성된 용접 비드의 팽창을, 전처리 용접 비드에 의해 형성된 크레이터로 가압 유동시킴으로써, 본 용접 비드에서 과잉인 깊이의 크레이터가 형성되는 것을 방지하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1에 개시된 기술에서는, 근접하는 개소에 용접을 2회 실시할 필요가 있기 때문에, 용접 시간이 증가하는 문제가 있다. 특허문헌 2에 개시의 기술에서는, 동일한 개소에 용접을 2회 실시할 필요가 있기 때문에, 용접 시간이 증가하는 문제 외에도, 고가인 리모트 레이저 헤드를 이용할 필요가 있기 때문에, 생산 비용이 증가되는 문제가 있다.

일본 특허 공개 제2010-012504호 공보 일본 특허 공개 제2013-215755호 공보

본 발명은 상기한 종래 기술의 현재 상황을 감안하여, 용접 시간을 증가시키지 않고, 또한, 고가인 리모트 레이저 헤드를 이용하지 않고, 전단 조인트 강도를 향상시킨 레이저 용접 조인트 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하는 방법에 대해 예의 검토했다. 일반적으로, 용접부의 전단 강도는, 용접부의 폭을 확대함으로써 향상시킬 수 있다.

본 발명자들은, 특히, 판의 중첩 부분의 주변에서 용접부의 폭을 확대한 것이, 전단 조인트 강도의 향상에 유효한 것에 주목하고, 종래 스퍼터의 원인이 되어 용접에 있어서 유해하다고 생각되고 있던 아연을 오히려 적극적으로 이용하고, 용융부의 폭을 확대한 방법을 알아내었다.

본 발명은 상기한 지견에 기초하여, 더욱 검토를 진행시킨 결과 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 중첩하여 배치된 금속판을 겹침 방향으로부터 레이저 용접한 용접 조인트이며,

중첩하여 용접된 금속판의 합계 판 두께를 t[㎜]로 했을 때, 접합 계면의 용접 금속의 폭이 0.6t^1/3+0.14[㎜] 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트.

(2) 상기 접합 계면의 용접 금속의 폭이, 상기 중첩하여 용접된 금속판의 표면 및 이면의 용접 금속의 폭보다도 큰 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 레이저 용접 조인트.

(3) 중첩하여 배치된 금속판을 겹침 방향으로부터 레이저 용접하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법이며,

상기 금속판의 한쪽 면 위의 용접 예정 개소에, 비점이 상기 금속판의 융점보다도 높은 금속 또는 금속 화합물의 층을 형성하고,

다른 쪽 금속판을 상기 금속 또는 금속 화합물의 층에 중첩하고,

상기 금속 또는 금속 화합물의 층을 포함하는 영역이 용융되도록 강판의 겹침 방향으로부터 레이저를 조사하여 레이저 용접하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법.

(4) 상기 금속 또는 금속 화합물의 층은, 금속 또는 금속 화합물의 분말을 도포함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 레이저 용접 조인트의 제조 방법.

(5) 상기 금속 또는 금속 화합물은 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 상기 (3) 또는 (4)의 레이저 용접 조인트의 제조 방법.

(6) 상기 금속 산화물은 산화아연인 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 레이저 용접 조인트의 제조 방법.

(7) 상기 금속 또는 금속 화합물의 층 두께가, 상기 중첩하여 배치된 금속판의 합계 판 두께를 t[㎜]로 했을 때, 0.06t^1/2-0.01[㎜] 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (3) 내지 (6)의 어느 하나의 레이저 용접 조인트의 제조 방법.

본 발명에 따르면, 고가인 리모트 레이저 헤드를 이용하지 않고, 통상의 레이저 용접기를 이용하여, 용접 시간을 증가시키지 않고, 레이저 용접 조인트의 전단 조인트 강도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 강판을 겹침 방향으로부터 레이저 용접된 용접부의 단면 사진의 화상을 나타내는 도면이다. (a)는 강판 사이에 산화아연층을 형성한 피용접재의 용접부의 단면 사진의 화상을 나타내고, (b)는 강판 사이에 산화아연층을 형성하지 않은 피용접재의 용접부의 단면 사진의 화상을 나타낸다.
도 2는 금속판 사이에 금속 또는 금속 화합물의 층을 갖는 피용접재를 나타내는 도면이다.
도 3은 산화아연층의 유무와 용접부의 접합 계면의 폭과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 산화아연층의 유무와 전단 조인트 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 산화아연층의 두께와 전단 조인트 강도의 관계를 나타내는 도면이다.

레이저 용접에서는, 금속판에 레이저 빔을 조사하면, 강판이 용융ㆍ기화하고, 키 홀이 형성된다. 키 홀을 확장하는 힘으로서는, 금속 증기의 압력이 있다. 키 홀을 수축시키는 힘으로서는, 용융 금속의 표면 장력이 있다. 양자의 밸런스에 의해 키 홀은 보유 지지된다.

접합 계면의 근방의 키 홀 내의 압력을 국소적으로 높이면, 용융부의 폭을 넓힐 수 있다. 즉, 키 홀의 다른 부분보다, 접합 계면의 근방의 금속 증기량이 증가하면 압력이 증대하여, 용융 금속을 금속판 사이의 간극에 압출하고, 접합 계면의 용융 금속의 폭을 넓힐 수 있다.

본 발명자들은, 강판의 용접에 대해, 그를 위한 수단에 대해 검토했다. 그 결과, 본 발명자들은, 강판 사이의 용접 예정 개소에, 용융 금속 내에서 분해하여 증기화하는 금속 또는 금속 화합물(이하 「금속체」라고 함)을 배치하고, 레이저 용접을 행함으로써, 접합 계면의 근방에 금속체의 기화 입자를 공급하는 것을 착상했다.

그리고, 금속체로서 산화아연을 사용하고, 중첩된 강판 사이에 산화아연층을 형성한 피용접재와, 중첩된 강판 사이에 산화아연층을 형성하지 않은 피용접재를 준비하고, 그것들을 레이저 용접하여, 산화아연층의 효과를 조사했다.

도 1에, 강판을 겹침 방향으로부터 레이저 용접된 용접부의 단면 사진의 화상을 나타낸다. 단면은, 레이저 용접된 용접부를 포함하도록, 강판의 겹침 방향에 대해 평행하고, 용접 진행 방향에 직행하는 면으로 강판을 절단한 단면이다. 도1(a)는 강판 사이에 산화아연층을 형성한 피용접재의 용접부의 단면 사진이며, 도 1(b)는 강판 사이에 산화아연층을 형성하지 않은 피용접재의 용접부의 단면 사진이다. 용접부의 폭이란, 도 1의 화살표가 가리키는 레이저 용접된 용접부(1)의 접합 계면의 용접 금속의 폭을 의미한다.

도 1로부터, 강판 사이에 산화아연층을 형성한 피용접재를 레이저 용접한 경우, 강판 사이에 산화아연층을 형성하지 않은 피용접재를 레이저 용접한 경우보다, 용접부(1)의 접합 계면의 용접 금속의 폭이 확대된 것을 알 수 있었다. 그리고, 강판 사이에 산화아연층을 형성한 피용접재를 레이저 용접한 시험편과, 강판 사이에 산화아연층을 형성하지 않은 피용접재를 레이저 용접한 시험편에 대해, 전단 조인트 강도를 측정한 결과, 강판 사이에 산화아연층을 형성한 피용접재를 레이저 용접한 시험편의 쪽이, 전단 조인트 강도가 높았다.

본 발명은 이상과 같은 검토 과정을 거쳐, 더욱 검토를 진행시켜 이루어진 것이다. 이하, 본 발명의 용접 조인트 및 그 제조 방법에 대해, 또한 필요한 요건이나 바람직한 요건에 대해 차례로 설명한다.

본 발명의 제법은, 중첩하여 배치된 금속판을 겹침 방향으로부터 레이저 용접하여 용접 조인트를 제조하는 방법이며, 접합 계면의 용융 금속의 폭을 확대하기 위해, 이하의 공정을 행하는 것이다.

(i) 금속판의 면의 용접 예정 개소에, 비점이 해당 금속판의 융점보다도 높은 금속체층을 형성하고, 다른 금속판을 중첩하고, 금속판 사이에 금속체층을 형성하는 공정

(ⅱ) 금속체층을 포함하는 영역이 용융되도록, 금속판의 겹침 방향으로부터 레이저를 조사하여 레이저 용접하는 공정

먼저, (i)의 공정인 금속판 사이에 금속체층을 형성하는 방법에 대해 설명한다.

(금속판 사이에 금속체층을 갖는 피용접재)

이하, 설명을 간편하게 하기 위해, 금속판을 2매로 하고, 금속판 사이에 금속체층을 갖는 피용접재에 대해, 도면을 사용하여 설명한다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에 있어서의 금속판의 매수는 2매로 한정하는 것은 아니다. 도 2에, 금속판 사이에 금속체층을 갖는 피용접재를 나타낸다. 또한, 이하, 금속판의 중첩 방향에 있어서, 레이저를 조사하는 측을 상측으로, 다른 쪽을 하측으로 한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 피용접재(2)는, 상측 금속판(3)과 하측 금속판(4) 사이에 금속체층(5)을 갖는다. 피용접재(2)의 상측 금속판(3)은, 레이저(6)가 조사되는 면이며, 레이저(6)의 주사 방향은, 지면 안측으로부터, 전방측 방향이다. 상측 금속판(3)과 하측 금속판(4)이 용접되는 개소는, 용접 예정 개소 a이다.

도 2에서는, 하측 금속판(4)의 상면의 전체면에 금속체층(5)을 형성하는 경우를 나타내고 있다. 금속체층(5)은, 적어도 하측 금속판(4)의 용접 예정 개소 a에 형성되어 있으면 되고, 하측 금속판(4)의 상면의 전체면에 금속체층(5)을 형성할 필요는 없다. 단, 하측 금속판(4)의 용접 진행 방향의 용접 예정 개소에도, 금속체층(5)을 형성한다. 3매 이상을 중첩하는 경우에는, 최저한이라도 어디 하나의 중첩면에 금속체층이 형성되어 있으면 된다.

금속체층의 두께는, 용접하는 금속판을 겹치게 한 합계 판 두께를 t[㎜]로 했을 때, 0.06t^1/2-0.01[㎜] 이하로 하는 것이 바람직하다. 금속체층의 두께가 0.06t^1/2-0.01[㎜]을 초과하면, 접합 계면의 용접 금속 내에 블로우 홀이 발생되기 쉬워진다. 또한, 본 발명의 접합 계면의 용접 금속의 폭을 확대한 효과를 얻기 위해서는, 층의 두께는 1㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

금속체층(5)의 용접 진행 방향의 길이(이하 「금속체층의 길이」라고 함)는, 용접 진행 방향의 용접 예정의 개소 길이와 일치하는 것이 바람직하다. 또한, 금속체층(5)의 용접 진행 방향에 직행하고, 강판면에 평행한 길이(이하 「금속체층의 폭」이라고 함)는, 용접 예정 개소 a의 폭 이상으로 하고, 또한, 0.1㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 금속체층의 폭이, 용접 예정 개소 a의 폭 미만, 또는 0.1㎜ 미만이면, 접합 계면의 용융 금속의 폭을 확대하는 것이 곤란해진다.

금속체층(5)의 금속체는, 비점이 금속판의 융점보다도 높으면 특별히 한정되는 것은 아니다. 비점이 금속판의 융점보다도 높은 금속체이면, 원리적으로 동일한 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 화학양론조성에서 벗어난 부정형 산화물이어도 된다. 금속판이 강판의 경우, 비점을 고려하면 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하고, 특히 산화아연이 바람직하다.

(금속체층을 형성하는 방법)

하측 금속판(4)의 상면에 금속체층(5)을 형성하는 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 금속체의 분말을 물이나 알코올에 분산하고, 솔 등으로 도포한 뒤 건조시켜 형성할 수 있다. 또한, 금속체가 아연 도금 강판의 경우에는, 가열 처리함으로써, 산화아연층을 형성할 수도 있다. 또한, 금속체 분말을 그대로 담아서 레이저 용접해도 된다. 금속체 분말을 담은 후에, 레이저 용접 앞에 가열 처리해도 된다. 가열 처리의 방법으로는, 가열로에 넣거나, 핫 플레이트로 가열하거나, 아크, 레이저, 적외선 등의 열원을 직접 금속체에 맞추거나, 고주파 유도 가열에 의해 가열하는 등의 방법을 생각할 수 있다. 또한, 금속판의 제조 과정에서, 금속판의 표면에 금속체를 부여할 수도 있다.

금속체 분말을 하측 금속판(4)의 상면에 살포하고, 금속체층(5)을 형성하는 방법의 일례에 대해 설명한다. 금속체 분말을 하측 금속판(4)의 상면에 살포할 때에 원하는 두께의 금속체층(5)을 형성하기 위해, 하측 금속판(4)의 상면 금속체층(5)을 형성하지 않는 부분에, 또는 하측 금속판(4)의 주변에, 두께 조정 부재를 배치하여 살포하는 것이 바람직하다. 두께 조정 부재는, 예를 들어 소정의 두께 판상 부재, 금속체층의 형성 영역과 대응하는 부분에 개구를 갖는 프레임 형상 부재 등이다.

그리고, 두께 조정 부재를 사용하여, 하측 금속판(4)의 상면에 금속체 분말을 살포하고, 원하는 두께의 금속체층(5)을 형성한 후, 두께 조정 부재를 제거하고, 상측 금속판(3)을 금속체층(5)에 중첩하여, 2매의 금속판 사이에 금속체층(5)을 갖는 피용접재(2)를 형성한다.

사용하는 금속체 분말의 입자경은, 특별히 한정되는 것이 아니고, 살포의 작업성을 고려하여 선택하면 된다. 1차 입자경은 0.5㎛ 이하가 바람직하다. 또한, 금속체로서 산화아연을 사용하는 경우, 산화아연 분말의 살포로서, 산화아연층의 폭을 0.6㎜, 산화아연층의 길이 100㎜에 대해, 산화아연층의 두께 t를 1 내지 100㎛ 미만으로 하면, 평균 1차 입자경 0.025㎛의 산화아연 분말의 경우, 0.34 내지 13.44㎎ 살포하는 것이 예시된다.

또한, 금속판의 종류나 성분 조성은 특별히 한정되는 것이 아니고, 용도에 따른 기계 특성 등이 얻어지는 금속판으로 하면 된다. 금속판으로서는, 예를 들어 강판, 알루미늄 합금판, 티타늄 합금판, 마그네슘 합금판 등을 사용할 수 있다. 강판으로서는, 예를 들어 아연 도금 강판, 알루미늄 도금 강판, 핫 스탬프, 나 강판 등을 사용할 수 있다. 또한, 금속판의 판 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 금속판의 판 두께가 0.5 내지 3.2㎜의 범위에서, 가장 효과를 얻을 수 있다. 판 두께가 0.5㎜ 미만이어도, 용접부의 용접 조인트 강도의 향상의 효과는 얻어지지만, 조인트 강도가 판 두께에 영향을 미치므로, 조인트 전체의 강도 향상의 효과가 작아져, 금속판 부재의 적용 범위가 한정된다. 또한, 판 두께가 3.2㎜ 초과이어도, 용접부의 용접 조인트 강도의 향상의 효과는 얻어지지만, 금속판 부재의 경량화 관점에서, 금속판 부재의 적용 범위가 한정된다.

겹치는 금속판의 매수는, 특별히 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 제법은, 2매의 금속판을 중첩하여 레이저 용접할 때의 적용에 한정되지 않고, 3매 이상의 금속판을 중첩하여 레이저 용접할 때에 적용해도 된다. 각 금속판의 종류나 성분 조성 및 판 두께는, 모두 동일하게 해도, 서로 상이해도 된다. 또한, 3매 이상의 금속판을 중첩하고, 레이저 용접하는 경우, 각 금속판 사이에 금속체층을 형성해도 되고, 일부의 금속판 사이에 형성해도 된다.

(용접 조인트를 구성하는 중첩부의 형태)

용접 조인트의 제조에 사용되는 금속판의 형상은, 적어도 용접 조인트를 형성하는 부분이 판상이면 되고, 전체가 판이 아니어도 되고, 예를 들어 단면 해트형의 특정한 형상으로 프레스 성형된 부재의 플랜지부 등을 포함하는 것이다. 또한, 별도의 금속판으로 구성되는 것에 한정되지 않고, 1매의 금속판을 관상 등의 소정의 형상으로 성형하여, 단부를 중첩했지만 겹침 용접 조인트여도 된다.

다음에, (ⅱ)의 공정인 피용접재에 대해, 금속판의 겹침 방향으로부터 레이저 용접하는 방법에 대해 설명한다.

(레이저 용접 장치)

본 발명에서는, 사용하는 레이저 용접 장치는 특별히 한정되는 것이 아니고, 종래의 레이저 용접 장치를 채용할 수 있다. 레이저 용접 장치에, 리모트 레이저 헤드를 사용할 수도 있다. 단, 리모트 레이저 헤드는 고가이므로, 종래의 레이저 용접 장치와 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

종래의 레이저 용접 장치는, 레이저 발진기, 광로, 집광 광학계, 구동계, 실드 가스계 등으로 구성되어 있다. 레이저 발진기로서는, 예를 들어 CO₂ 레이저, YAG 레이저, 파이버 레이저, DISK 레이저, 반도체 레이저 등의 레이저를 사용할 수 있다. 레이저 발진기로 발진된 레이저는, 광로를 통해 집광 광학계로 유도된다. 집광 광학계는, 포물선면 거울이나 집광 렌즈 등으로 구성되어 있고, 전송되어 온 레이저를 집광한다.

레이저의 초점 위치는 가변이지만, 예를 들어 상측 금속판(3)의 상면에 설정한다. 그리고, 집광된 레이저를 강판에 조사하여 용접을 행한다. 그리고, 구동계를 이동시켜 용접을 진행시킨다. 또한, 광로를 사용하지 않고 발진기로부터 나온 광이 직접 집광 광학계로 유도되는 반도체 레이저를 사용할 수도 있다. 실드 가스는, 필요에 따라 사용해도 된다.

(레이저 용접 방법)

레이저 용접 방법은, 금속판 사이에 금속체층(5)을 갖는 피용접재(2)에 용접하는 것 이외는, 종래의 레이저 용접의 조건을 채용할 수 있다. 예를 들어, 종래의 레이저 용접 장치를 사용하여, 강판 사이에 금속체층(5)으로서 산화아연층을 갖는 피용접재(2)에, 레이저출력 2 내지 30kW, 집광 스폿 직경 0.1 내지 1.0㎜, 용접 속도 0.1 내지 60m/min의 용접 조건으로 행할 수 있다.

또한, 레이저 용접에 있어서 형성되는 키 홀은, 하측 금속판(4)을 관통하도록 형성해도 된다. 하측 금속판(4)을 관통시키지 않는 경우에는, 하측 금속판(4)까지 키 홀이 도달되어 있는 것이 바람직하다. 또한 용접부의 형상은, 직선뿐만 아니라, 곡선, 원 형상, 도넛 형상 등을 사용해도 된다.

이와 같이 용접함으로써, 금속체가 용융 금속에 말려 들어가지만, 금속체의 비점은 금속판의 융점보다도 높기 때문에, 용융 금속 중에서 즉시 기체는 되지 않는다. 그러나, 키 홀 중이거나 그 주위는 더욱 고온이 되기 때문에, 금속체가 기화 입자가 되어, 그것에 의해, 키 홀 내의 압력이 높아진다. 그 결과, 용융 금속이 금속판간의 간극에 압출되어, 접합 계면의 용융 금속의 폭을, 중첩한 금속판의 합계 판 두께를 t[㎜]로 하고 0.6t^1/3+0.14[㎜] 이상으로 하고, 바람직하게는 중첩하여 용접된 금속판의 표면 및 이면의 용접 금속의 폭보다도 크게 확장할 수 있다. 이와 같이 접합 계면의 용융 금속의 폭을 확장함으로써, 전단 조인트 강도를 향상시킨 레이저 용접 조인트를 얻을 수 있다.

이상 설명한 대로, 본 발명에 따르면, 고가인 리모트 레이저 헤드를 사용하지 않고, 통상의 레이저 용접기를 사용하여, 레이저 용접 조인트의 전단 조인트 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 금속체층을 형성함으로써 열 처리가 불필요하게 되므로, 용접 시간을 증가시킬 필요도 없는, 열 처리 공정에 의한 열 변형을 억제할 수 있기 때문에, 부재의 정밀도가 더욱 향상된다.

실시예

다음에, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이러한 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.

(실시예 1)

판 두께 1.6㎜, 30㎜×100㎜의 강판을 2매 준비하였다. 한쪽 강판의 상면에 두께 20㎛가 되도록, 산화아연 분말(ZnO)을 살포하고, 산화아연층을 형성하고, 이 산화아연층에, 다른 쪽 강판을 중첩하고, 피용접재(1)를 제작했다. 또한, 동일한 치수의 강판을 2매 준비하고, 한쪽 강판의 상면에, 산화아연층을 형성하지 않고, 용접 개소가 아닌 부분에, 두께 20㎛의 두께 조정 부재를 배치하고, 다른 쪽 강판을 중첩하고, 강판 사이에 20㎛의 간극을 갖는 피용접재(2)를 제작했다. 또한, 피용접재(1 및 2)는, 레이저 용접 후에, 용접부의 단면 관찰 및 전단 인장 시험을 행하기 위해, 각각 2편씩 제작했다.

피용접재(1 및 2)의 용접 개소에, YAG 레이저를 사용하여, 스폿 직경 φ 0.6㎜, 레이저출력 4.5kW, 용접 속도 4.0㎜/min의 용접 조건에서, 30㎜의 용접을 행했다. 이하, 용접된 피용접재(1 및 2)를, 각각 시험편(1 및 2)으로 한다.

다음에, 시험편(1 및 2)에 대해, 용접부의 단면 관찰을 행하기 위해, 용접부를 포함하는 강판의 겹침 방향에 대해 평행하게 절단했다. 이 단면에 있어서, 레이저 용접된 용접부의 접합 계면의 용접 금속의 폭을 측정했다. 도 3에, 산화아연층의 유무와 용접부의 접합 계면의 폭의 관계를 나타낸다. 도 3으로부터, 시험편(1)은, 시험편(2)의 약 1.5배의 용접부의 접합 계면의 폭을 갖고 있다.

시험편(1)은, 강판 사이에 산화아연층을 배치하고, 또한, 시험편(2)은, 두께 조정 부재를 용접 개소가 아닌 부분에 배치하여, 시험편(1 및 2)에 있어서의 강판의 간격을 동일하게 하고 있기 때문에, 시험편(1 및 2)에 있어서의 용접부의 접합 계면의 폭 차이는, 산화아연층의 작용에서 유래하는 것이다.

다음에, 시험편(1 및 2)에 대해, 전단 인장 시험 방법(JISZ3136)에 기초하여, 전단 인장 시험을 실시했다. 도 4에, 산화아연층의 유무와 전단 조인트 강도의 관계를 나타낸다. 도 4로부터, 시험편(1)은, 시험편(2)에 대해, 10％ 정도 전단 조인트 강도가 향상되고 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 용접부의 접합 계면의 폭 및 전단 조인트 강도에 대한 산화아연층의 유무의 관계가 동일, 즉, 산화아연층을 갖는 경우, 용접부의 접합 계면의 폭 및 전단 조인트 강도가 커지는 점에서, 시험편(1)에 있어서, 전단 조인트 강도가 향상된 것은, 용접부의 접합 계면의 폭이 확대되었기 때문이다. 그리고, 용접부의 접합 계면의 폭이 확대한 것은, 키 홀 내의 접합 계면의 근방에서 산화아연이 증기화해 내압이 올라감으로써, 겹침부에 용융 금속이 압출되었기 때문이다.

(실시예 2)

전단 조인트 강도에 대한 산화아연층의 두께의 영향을 조사했다. 시험편은, 산화아연층의 두께를 1㎛, 20㎛, 40㎛, 50㎛, 100㎛으로 한 것을 제외하고, 시험편(1)과 동일하게 제작하고, 동일한 레이저 용접 조건으로 용접했다. 그리고, 이들 시험편에 대해, JISZ3136에 기초하여, 전단 인장 시험을 실시했다.

도 5에, 산화아연층의 두께와 전단 조인트 강도의 관계를 나타낸다. 도 5에는, 시험편(1 및 2)의 산화아연층의 두께와 전단 조인트 강도의 관계도 맞춰서 나타낸다. 도 5로부터, 산화아연층의 두께를 1㎛로 한 시험편은, 시험편(2)보다 전단 조인트 강도가 향상되었다. 그러나, 산화아연층의 두께를 100㎛로 한 시험편은, 접합 계면의 용접 금속 내에 블로우 홀을 발생시키고, 시험편(2)보다 전단 조인트 강도가 저하되었다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명에 따르면, 고가인 리모트 레이저 헤드를 사용하지 않고, 통상의 레이저 용접기를 사용하여, 용접 시간을 증가시키지 않고, 레이저 용접 조인트의 전단 조인트 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 산업상 이용 가능성이 높은 것이다.

1: 용접부
2: 피용접재
3: 상측 금속판
4: 하측 금속판
5: 금속체층
6: 레이저
a: 용접 예정 개소
t: 금속체층의 두께

Claims

중첩하여 배치된 금속판을 겹침 방향으로부터 레이저 용접하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법이며,
상기 금속판의 한쪽 면 위의 용접 예정 개소에, 비점이 상기 금속판의 융점보다도 높은 금속 또는 금속 화합물의 층을 1㎛ 이상 50㎛ 이하의 두께로 형성하고,
다른 쪽 금속판을 상기 금속 또는 금속 화합물의 층에 중첩하고,
상기 금속 또는 금속 화합물의 층을 포함하는 영역이 용융되도록 강판의 겹침 방향으로부터 레이저를 조사하여 레이저 용접함으로써,
상기 금속 또는 금속 화합물을 분해하여, 접합 계면의 근방에 금속체의 기화 입자를 공급함으로써 접합 계면의 근방의 키 홀 내의 압력을 국소적으로 높이고, 용융부의 폭을 넓게하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 또는 금속 화합물은 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 금속 산화물은 산화아연인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 또는 금속 화합물의 층은, 금속 또는 금속 화합물의 분말을 도포함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 용접 조인트의 접합 계면의 폭이, 상기 중첩하여 용접된 금속판의 표면 및 이면의 용접 금속의 폭보다도 큰 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 레이저 용접 조인트의 접합 계면의 폭이, 상기 중첩하여 용접된 금속판의 표면 및 이면의 용접 금속의 폭보다도 큰 것을 특징으로 하는 레이저 용접 조인트의 제조 방법.
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