KR102148290B1 - 도금 강판의 레이저 절단 가공 방법, 레이저 절단 가공 제품, 열 절단 가공 방법, 열 절단 가공 제품, 표면 처리 강판, 레이저 절단 방법 및 레이저 가공 헤드 - Google Patents

Abstract

도금 강판의 레이저 절단 가공 방법으로서, 도금 강판(W)의 상면으로 레이저 광(LB)을 조사하여 그 도금 강판의 레이저 절단 가공을 행할 때, 레이저 광(LB)의 조사에 의해 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속을, 도금 강판의 레이저 가공부로 분출되는 어시스트 가스에 의해, 상기 도금 강판(W)의 절단면으로 유동시켜, 상기 절단면에 도금층 함유 금속을 코팅한다.

Description

도금 강판의 레이저 절단 가공 방법, 레이저 절단 가공 제품, 열 절단 가공 방법, 열 절단 가공 제품, 표면 처리 강판, 레이저 절단 방법 및 레이저 가공 헤드

본 발명은 도금 강판의 레이저 절단 가공 방법, 레이저 절단 가공 제품, 열 절단 가공 방법, 열 절단 가공 제품, 표면 처리 강판, 레이저 절단 방법 및 레이저 가공 헤드에 관한 것이다. 더 상세하게는 도금 강판이 레이저 절단 가공될 때, 레이저 광이 도금 강판의 상면의 도금층 함유 금속을 용융 및/또는 증발시키도록 조사되고, 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속이 어시스트 가스에 의해, 절단면측으로 가이드 됨으로써, 절단면이 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속에 의해 코팅되는 레이저 절단 가공 방법, 레이저 절단 가공 제품, 열 절단 가공 방법, 열 절단 가공 제품, 표면 처리 강판, 레이저 절단 방법 및 레이저 가공 헤드에 관한 것이다.

종래, 도금 강판 등의 워크는, 그 워크의 도금 표면이 제거된 뒤에 레이저 절단 가공된다(예를 들어 특허 문헌 1 참조).

상기 특허 문헌 1에 기재의 구성에 의하면, 워크의 도금 표면이 제거되고 나사 워크가 절단 가공된다. 이것은, 워크의 레이저 절단 가공의 능률 향상 측면에서 문제가 있다. 또, 특허 문헌 1에 기재의 방식에 의하면, 레이저 절단 후의 워크의 절단면은 도금층 함유 금속에 의해 코팅되지 않으며, 따라서, 방청 처리 등의 적절한 표면 처리가 필요하다는 문제가 있다.

일본 공개특허 평7-236984호 공보

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 도금 강판에 대하여, 도금 강판의 상면의 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속을 도금 강판의 절단면으로 유동시켜서 그 절단면이 코팅되도록 하는 레이저 절단 가공을 수행하는 레이저 절단 가공 방법 및 레이저 절단 가공 제품을 포함한다.

상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 도금 강판의 레이저 절단 가공 방법을 제공한다. 상기 방법은, 도금 강판의 상면에 레이저 광을 조사하여 레이저 절단 가공을 행한다. 이 때, 상기 방법은, 어시스트 가스를 레이저 가공부로 분출하여, 레이저 광의 조사에 의해 용융 및/또는 증발된 상면의 도금층 함유 금속을 도금 강판의 절단면 측으로 안내함으로써, 상기 절단면이 도금층 함유 금속에 의해 코팅되게 한다.

상기 도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 레이저 광의 초점 위치는 +0.5mm~-4.5mm의 범위로 조절된다.

상기 도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 레이저 가공 헤드의 노즐과 도금 강판의 상면 사이의 노즐 갭을 0.3mm~1.0mm의 범위로 조절하고, 어시스트 가스 압력을 0.5MPa~1.2MPa의 범위로 조절한다.

상기 도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 레이저 절단 가공 속도를 1000mm/min~5000mm/min의 범위로 조절한다.

상기 도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 어시스트 가스 분출 노즐의 직경은 2.0mm~7.0mm이다.

상기 도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 어시스트 가스는 질소 가스 또는, 96% 이상의 질소 가스와 4% 이하의 산소 가스의 혼합 가스이다.

도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 판두께는 2.3mm이며, 도금량은 K14이며, 노즐 직경은 2.0mm~7.0mm이며, 어시스트 가스 압력은 0.5~0.9(MPa)이며, 절단 속도는 3000~5000(mm/min)이다.

도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 판두께는 2.3mm이며, 도금량은 K27 또는 K35이며, 노즐 직경은 2.0mm~7.0mm이며, 어시스트 가스 압력은 0.5~0.9(MPa)이며, 절단 속도는 3000~5000(mm/min)이다.

도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 판두께는 3.2mm이며, 도금량은 K27 또는 K35이며, 노즐 직경은 7.0mm이며, 어시스트 가스 압력은 0.5~0.9(MPa)이며, 절단 속도는 2000~3000(mm/min)이다.

도금 강판의 레이저 절단 가공 방법에 있어서, 판두께는 4.5mm이며, 도금량은 K27 또는 K35이며, 노즐 직경은 7.0mm이며, 어시스트 가스 압력은 0.7~0.9(MPa)이며, 절단 속도는 1500~2000(mm/min)이다.

본 발명은 또한, 도금 강판으로부터 만들어진 레이저 절단 가공 제품으로서, 레이저 절단 가공 시에 용융 및/또는 증발된 도금 강판 상면의 도금층 함유 금속에 의해 도금 강판의 절단면이 코팅되어 있는 레이저 절단 가공 제품을 제공한다.

상기 레이저 절단 가공 제품에 있어서, 상기 절단면의 상측 가장자리 부근의 도금 두께는 상기 절단면으로부터 떨어진 위치에서의 도금 두께보다 얇다.

상기 레이저 절단 가공 제품에 있어서, 도금의 용융 범위는 절단면으로부터 0.27mm~0.5mm의 범위이다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 절단 가공 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성 설명도이다.
도 2는 산소 절단, 클린 절단, 이지 절단에 의한 절단면의 EPMA분석 결과이다.
도 3은 클린 절단, 산소 절단 및 이지 절단에 의한 절단면을 나타내는 확대 사진이다.
도 4는 레이저 절단 가공 조건을 변화시킨 경우의 절단면에의 도금층 함유 금속 코팅 상태를 나타내는 확대 사진이다.
도 5는 레이저 절단 가공 조건을 변화시킨 경우의 절단면에의 도금층 함유 금속 코팅 상태를 나타내는 확대 사진이다.
도 6은 레이저 절단 가공 조건을 변화시킨 경우의 절단면에의 도금층 함유 금속 코팅 상태를 나타내는 확대 사진이다.
도 7은 레이저 절단 가공 조건을 변화시킨 경우의 절단면에의 도금층 함유 금속 코팅 상태를 나타내는 확대 사진이다.
도 8은 플라즈마의 발생 상태를 나타내는 사진이다.
도 9는 절단면의 내식성 평가 결과를 나타낸 확대 사진이다.
도 10은 플라즈마 발생과 폭로 시험 평가 결과를 나타낸 설명도 및 사진이다.
도 11은 플라즈마 발생과 폭로 시험 평가 결과를 나타낸 설명도 및 사진이다.
도 12는 플라즈마 발생과 폭로 시험 평가 결과를 나타낸 설명도 및 사진이다.
도 13은 플라즈마 발생과 폭로 시험 평가 결과를 나타낸 설명도 및 사진이다.
도 14는 플라즈마 발생과 폭로 시험 평가 결과를 나타낸 설명도 및 사진이다.
도 15는 플라즈마 발생과 폭로 시험 평가 결과를 나타낸 설명도 및 사진이다.
도 16은 플라즈마 발생과 폭로 시험 평가 결과를 나타낸 설명도 및 사진이다.
도 17은 플라즈마 발생과 폭로 시험 평가 결과를 나타낸 설명도 및 사진이다.
도 18은 클린 절단과 이지 절단에 있어서의 플라즈마 발생과 폭로 시험에서 붉은 녹의 발생 간의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 19는 가공 속도의 차이에 의한 EDS분석 결과 및 붉은 녹 발생의 차이를 나타내는 사진이다.
도 20은 레이저 절단의 상태를 나타내는 모식도이다.
도 21은 도금 용융 폭을 정의하는 모식도이다.
도 22는 절단면의 도금 금속 코팅 상태를 정의하는 모식도이다.
도 23은 레이저 절단 시의 도금 금속층의 유입 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 절단의 형태를 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 레이저 광 및 절단 가스 노즐과 피절단재와 관계를 나타내는 도면이며, (b)는 피절단재에 작용하는 절단 가스 및 보조 가스의 압력 분포를 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 실시 형태에 관한 도금 금속층의 형성을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 도금 금속층의 레이저 절단 시작 상태를 나타내는 도면이며, (b)는 그 후의 도금 금속층의 상태를 나타내는 도면이다.
도 26은 종래의 레이저 절단의 형태를 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 레이저 광 및 절단 가스의 노즐과 피절단재 간의 관계를 나타내는 도면이며, (b)는 피절단재에 작용하는 절단 가스의 압력 분포를 나타내는 도면이다.
도 27은 종래의 도금 금속층의 형성을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 도금 금속층의 레이저 절단 시작 상태를 나타내는 도면이며, (b)는 그 후의 도금 금속층의 상태를 나타내는 도면이다.
도 28은 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 절단 예를 나타내는 도면이다.
도 29는 본 발명의 실시 형태에 관한 다른 레이저 절단 예를 나타내는 도면이다.
도 30은 코팅층의 측정 방법을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 코팅층의 평균 길이와 판두께와 비율(도금 유입 길이율)을 측정하는 방법을 나타내는 도면이며, (b)는 절단면 상의 코팅층의 범위(코팅률)을 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 31은 산화층 또는 질화층의 두께를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 수지에 시편(試片)이 매립된 측정용 시료의 단면을 나타내는 도면이며, (b)는 연마된 후의 측정용 시료의 단면 및 연마면을 나타내는 도면이다.
도 32는 절단 단면의 녹 발생률을 설명하기 위한 도면이다.
도 33은 본 발명의 실시 형태에 관한 절단 단면의 외관을 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 관한 실시 형태를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 절단 가공 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성 설명도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 절단 가공 장치(1)는, 판상의 워크(W)를 지지하는 워크 테이블(3)과, 상기 워크(W)에 레이저 광(LB)을 조사하여 그 레이저 광(LB)에 의해 워크(W)를 절단 가공하는 레이저 가공 헤드(5)를 구비하고 있다. 상기 워크 테이블(3)은 상기 레이저 가공 헤드(5)에 대해서 상대적으로 X, Y축 방향으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 이 워크 테이블(3)을 상대적으로 X, Y축 방향으로 이동시키고 위치 결정하기 위한 서보 모터 등과 같은 위치 결정 모터(7)를 구비하고 있다. 또한, 상기 레이저 가공 헤드(5)를 상기 워크(W)에 대해서 상대적으로 접근/이격되는 방향(Z축 방향)으로 이동시키고 위치 결정하기 위한 Z축 모터(9)가 구비되어 있다.

또, 상기 레이저 절단 가공 장치(1)는, 예를 들면 CO₂ 레이저 발진기 등과 같이 원적외선 파장 영역의 레이저 광(파장 3μm 이상의 레이저 광)을 발진하는 레이저 발진기(11)를 구비하고 있다. 그리고 상기 레이저 가공 헤드(5)에는 상기 레이저 발진기(11)에 의해 발진된 레이저 광(LB)을 상기 워크(W) 방향으로 반사하는 반사 거울(13), 레이저 광(LB)을 집광하는 집광 렌즈(15) 등의 광학 장치(17)를 구비하고 있다. 또, 상기 레이저 가공 헤드(5)는, 상기 워크(W)의 레이저 절단 가공 위치로 어시스트 가스를 분출하는 노즐(19)이 착탈 및 교환 가능하게 구비되어 있다.

레이저 절단 가공 위치로 어시스트 가스를 분출하는 구성으로서, 어시스트 가스를 레이저 가공부 측으로 분출하는 사이드 노즐을 구비한 레이저 가공 헤드(5)를 마련할 수도 있다.

상기 레이저 절단 가공 장치(1)는 어시스트 가스 공급 장치(21)를 더 구비하고 있다. 어시스트 가스 공급 장치(21)는, 예를 들면, 약 97%의 질소 가스와 약 3%의 산소 가스의 혼합 가스를 공급하며, 질소 가스 공급 장치(23)와, 산소 가스 공급원(공기 공급원; 25)과, 혼합 가스를 생성하기 위한 믹서(27)를 구비하고 있다. 또한, 상기 어시스트 가스 공급 장치(21)는, 상기 레이저 가공 헤드(5)로 공급될 어시스트 가스의 압력을 조절하기 위한 압력 조절 밸브(29)를 구비하고 있다. 만일, 어시스트 가스 공급 장치(21)의 산소 가스 공급원(25)을 정지시키고 질소 가스 공급 장치(23)만을 가동시키면, 가공부에 질소 가스만 어시스트 가스로서 공급할 수 있다.

약 97%의 질소 가스와 약 3%의 산소 가스의 혼합 가스를 어시스트 가스로서 레이저 가공부에 공급하는 구성은, 상술한 구성으로 한정되지 않는다. 다른 구성으로 하는 것도 가능하다. 예를 들면, 일본 특허 제3291125호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 중공사막을 이용한 분리 장치에 의해, 압축되어 공급된 공기로부터 질소와 산소를 분리할 수도 있다. 약 97%(96% 이상)의 질소 가스와 약 3%(4% 이하)의 산소 가스의 혼합 가스를 어시스트 가스로 이용한 레이저 절단 가공을, 단순히 "이지 절단(easy cutting)"이라고 칭한다.

상기 레이저 절단 가공 장치(1)는 제어 장치(31)를 구비하고 있다. 이 제어 장치(31)는, 워크(W)에 대한 레이저 가공 헤드(5)의 상대적인 이동 및 위치 결정의 제어를 행하는 기능, 상기 레이저 발진기(11)에 있어서의 레이저 출력을 제어하는 기능, 및 상기 레이저 가공 헤드(5)에 대한 어시스트 가스의 공급 압력을 제어하는 기능을 가지는 컴퓨터이다.

상기 구성에 의해, 워크 테이블(3) 상에 워크(W)가 놓이고 위치 결정되며, 그 후, 레이저 가공 헤드(5)가 워크(W)에 대해서 X, Y, Z축 방향으로 상대적으로 이동되고 위치 결정된다. 레이저 발진기(11)에서 발진된 레이저 광(LB)은, 워크(W)에 조사되기 위해, 집광 렌즈(15)를 통해 집광된다. 어시스트 가스 공급 장치(21)로부터 레이저 가공 헤드(5)에 공급된 어시스트 가스는, 노즐(19)로부터 워크(W)의 레이저 가공부로 분출되며, 그에 따라, 워크(W)가 레이저 절단 가공된다.

레이저 절단 가공될 워크(W)가 도금 강판인 경우, 상기 특허 문헌 1의 도 21에 기재되어 있는 바와 같이, 도금 강판의 도금층의 증발 물질이 가공 범위에 침입하여, 가공 품질에 결함을 발생시킬 수 있다. 그러므로, 상기 특허 문헌 1은, 그 특허 문헌 1의 도 1에 도시된 바와 같이, 도금 강판의 표면에 레이저 광을 조사하여 도금층을 미리 제거하고, 그 후, 동일 경로를 따르는 레이저 절단 가공이 수행된다.

상기 구성에 의하면, 레이저 절단 가공중에 도금의 증발이 없으며, 따라서, 가공 품질 개선이 이뤄질 수 있다. 그러나, 그것은 도금층 제거 가공과 절단 가공, 즉, 2번의 레이저 가공을 필요로 한다. 더욱이, 도금 강판의 절단면은 레이저 절단 가공이 행해진 상태로 남아 있으며, 따라서, 절단면의 방청 처리가 필요하다는 문제가 있다.

본 발명의 실시 형태는, 도금 강판의 레이저 절단 가공을 할 때, 도금 강판의 상면의 도금층을 용융 및/또는 증발시킴으로써, 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속을 절단면으로 유동시킬 수 있고, 그 유동된 도금층 함유 금속이 절단면에 코팅될 수 있음을 알아낸 것에 근거하고 있다.

본 발명의 실시 형태에서는, 도금 강판의 일례로서, 알루미늄 6%, 마그네슘 3%, 나머지 91%의 아연으로 된 도금층이 코팅되어 있는 용융 도금 강판(이하 단순히 "도금 강판"이라 칭함)을 사용하였다.

일반적으로 수행되는 레이저 절단 가공은, 어시스트 가스로서 산소 가스를 사용하는 산소 절단(oxygen cutting)이다. EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)의 분석에 의하면, 산소 절단의 경우는 도 2에 나타낸 바와 같이 절단면을 산화 피막으로 덮는다.

다음에, 어시스트 가스로 질소 가스를 사용하는 레이저 절단 가공 방법(이하 단순히 "클린 절단(clean cutting)"이라고 침함)을 행한 경우, 절단 조건에 따라서는 도 3의 (A)의 확대 사진에 나타난 바와 같이 도금 강판의 기재(B; 基材; base metal)의 절단면(CF)의 레이저 절단 가공이 양호하게 행해진다. 상기 절단면(CF)의 상단부 부근에 있어서의 상면의 도금층(M)은 제거되고 매우 얇게 되어 있다. 절단면(CF)에는 산화 피막 등은 없고, 실질적으로 도금 강판의 원판 성분(Fe)만이 나타나고 있다(도 2 참조). 절단면(CF)의 코팅층(도금층)은 매우 얇다. 그러므로, 클린 절단은, 적정의 절단 조건에 의해서는 상면의 용융된 도금층 함유 금속에 의해 절단면(CF)을 코팅할 수 있어 녹(붉은 녹)이 발생하지 않을 수 있다.

다음에, 상기 이지 절단의 경우에는 도 2, 도 3의 (C)에 나타낸 바와 같이, 절단면에 얇은 산화 피막이 나타난다. 절단면의 상부에는, 아연, 알루미늄, 마그네슘 등과 같은 도금층(M)의 성분이 나타난다. 즉, 절단면(CF)의 상단부 부근에, 용융된 도금층의 일부가 절단면(CF)으로 유동되어, 용융된 도금층의 유입이 많은 부분에 의해 흰 줄무늬 형상 부분이 생성된다. 상기 줄무늬 형상 부분들 사이의 갭은 용융된 도금층의 얇은 피막이다.

즉, 강판의 레이저 절단 가공 방법에서 일반적으로 적용되고 있는 클린 절단 또는 이지 절단을 행함으로써, 도금층(M)에 함유된 금속을 도금 강판(워크; W)의 절단면으로 유동시켜서 절단면(CF)그 절단면을 코팅할 수 있는 것을 알아내었다.

그래서, 레이저 절단 속도, 집광 렌즈의 초점 위치, 어시스트 가스의 가스 압력, 레이저 광의 펄스 주파수 등의 가공 조건을 다양하게 변경하여, 절단면 상의 도금층의 코팅 상태를 시험하였다. 시험 조건은 다음과 같다.

레이저 절단기: 주식회사 아마다 제품, FOM2-3015RI

재료: 알루미늄 6%, 마그네슘 3%, 나머지 아연 91%의 도금을 표면에 코팅한 도금 강판, 판두께 t=2.3mm, K35(한 면당 도금량 175g/m²)

절단 샘플 형상: 130mm×30mm

표준 가공 조건

·노즐 직경: D4.0(4.0mm)

·절단 속도: F1600(1600mm/min)

·어시스트 가스 종류: EZ(상기 이지 절단에 사용되는 어시스트 가스를 나타내며, 약 97%의 질소와 약 3%의 산소의 혼합 가스이다)

·어시스트 가스 압력: 0.9MPa·노즐 갭:0.3mm(노즐과 도금 강판의 상면 사이의 간격)

·초점 위치: -4.5mm(워크 상면을 0으로 하고, 위쪽을 +, 아래쪽을 -로 하고 있다)

상기 표준 가공 조건의 각 조건을 변화시켜 가공한 결과는 다음과 같다.

도 4로부터 명확한 바와 같이, 절단 속도를 1120mm/min~3840mm/min의 범위로 조절하면, 절단면(절단 단면)에 대한 도금 코팅량은, 절단 속도가 증대함에 따라 코팅량이 점차 증대된다.

도 5로부터 명확한 바와 같이, 집광 렌즈의 초점 위치를, -6.5mm ~ +0.5mm의 범위로 조절하면, 초점 위치를 점차 +측으로 함에 따라 절단면에 대한 도금 코팅량이 점차 증대된다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 어시스트 가스 압력을 0.5MPa~0.9MPa의 범위로 조절하면, 어시스트 가스 압력이 감소할수록 절단 단면에 대한 도금 코팅량은 점차 증가된다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 레이저 광의 펄스 주파수를 800Hz~CW(연속)의 범위로 조절한 경우에는, 절단 단면에 대한 도금 코팅량에는 큰 변화가 없었다.

도 4~도 7에 나타낸 결과로부터, 이지 절단의 경우, 절단 속도가 높으면(예를 들어 3840mm/min) 도금 강판의 레이저 절단면에 대한 도금층 함유 금속 코팅량이 증대된다. 초점 위치는 +측으로 갈수록(예를 들어 +0.5mm) 도금층 함유 금속의 코팅량이 증대된다. 그러나 초점 위치를 +측으로 크게 하면 도금 강판의 상면에서의 에너지 밀도가 낮아지며, 그러므로, 레이저 절단 가공시에 초점 위치를 -측으로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 어시스트 가스 압력은 낮을수록(예를 들어 0.5MPa) 도금층 함유 금속의 코팅량이 증대된다. 레이저 광을 펄스 레이저로 하거나, 연속 레이저로 한 경우에 도금 코팅량이 크게 변화하지 않았다.

이미 알 수 있는 바와 같이, 이지 절단(EZ)에 의해 도금 강판의 레이저 절단 가공을 행할 경우, 절단 속도, 집광 렌즈의 초점 위치, 어시스트 가스 압력 등의 레이저 절단 가공 조건을 다양하게 변경하면, 도금 강판의 레이저 절단면 상의 도금층 함유 금속의 코팅량이 변화한다. 또한, 레이저 절단 가공 조건의 변경은, 레이저 가공 헤드에 있어서의 노즐(19)과 워크(W)의 상면 간의 간격, 즉 노즐 갭의 변경을 포함할 수도 있다.

즉, 도금 강판의 레이저 절단면 상의 도금층 함유 금속의 코팅량은, 도금 강판의 레이저 절단 가공시의 가공 조건에 따라, 다르다는 것을 알아내었다. 환언하면 이지 절단에서 도금 강판의 레이저 절단 조건을 적정한 절단 조건으로 함으로써, 레이저 절단면에 도금층 함유 금속을 적정하게 코팅할 수 있다.

이지 절단에 의하면, 도금 강판의 절단면을 도금층 함유 금속에 의해 코팅할 수 있는 것을 알아내었다.

다음에, 클린 절단에 있어서의 적정한 절단 조건을 알아내기 위해서 여러가지 절단 조건으로 도금 강판의 레이저 절단 가공을 행하고, 레이저 절단면의 붉은 녹 발생 상태를 관찰하기 위해 폭로 시험을 하였다. 폭로 시험은, 레이저 절단 가공된 제품의 절단면을 상면으로 유지하고, 실외에서 한달간 방치하였다.

도금 강판으로부터 레이저 절단 가공 제품을 클린 절단에 의해 절단 분리할 때, 도 8에 나타낸 바와 같이, 레이저 절단 가공 위치의 상면에 플라즈마가 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우가 있다. 플라즈마가 발생하는 경우에도, 약한 플라즈마의 발생, 강한 플라즈마(약하지 않은 플라즈마)의 발생을 육안으로 구별할 수 있는 상태였다. 플라즈마가 발생하지 않은 경우는 "NIL", 약한 플라즈마가 발생한 경우는 "p" 강한 플라즈마가 발생한 경우는 "P"로 구분되어 있다. 그리고, 절단 조건이 부적절하여, 레이저 절단 가공이 불가능하였던 경우에는 "NG"로 구분되어 있다.

또, 한달간의 폭로 시험에서, 도 9에 나타낸 바와 같이, 붉은 녹의 발생이 없는 경우에는 "○", 붉은 녹이 발생한 경우에는 "×"로 표시되어 있다. 상기 폭로 시험은 실외에서 1개월 경과 후의 결과이다. 그러므로, 레이저 절단 가공 제품에서는 평가가 "×"의 경우라도 사용 환경에 따라서는 사용 가능할 수도 있다.

다음, 판두께 t=2.3mm, t=3.2mm, t=4.5mm, t=6.0mm의 도금 강판에 대하여, 질소 가스를 어시스트 가스로서 사용한 클린 절단을 수행하였다. 그 결과는 도 10~도 17에 나타낸 바와 같다. 도 10~도 17에서 K14, K27, K35는 각각 도금량 표시 기호(plating quantity indicator)이다. K14는 한쪽 도금량 70g/m²이며, K27는 한쪽 도금량 145g/m²이고, K35는 한쪽 도금량 175g/m²이다.

도 10~17에서, S는 단식 노즐을 나타내고 D는 더블 노즐(이중 노즐)을 나타내고 있다. 더블 노즐은 예를 들면 일본 공개특허 평11-90672호 공보에 나타나고 있는 바와 같이 이미 공지이다. S2.0, D4.0 및 D7.0은 각각 노즐 직경(mm)을 나타내고 있다. 즉, S2.0=2.0mm, D4.0=4.0mm, D7.0=7.0mm이다. 각 노즐 직경에 대응한 노즐 갭은 S2.0에서 0.3mm, D4.0에서 0.5mm, D7.0에서 1.0mm로 설정되어 있다. 즉, 노즐 직경이 커지면 레이저 가공 위치에서 발생한 스퍼터 등이 노즐 안으로 들어가기 쉬워지므로, 노즐 직경이 커질수록 노즐 갭이 크게 설정되어 있다.

또한, 특별히 언급되지 않은 레이저 가공의 파라미터는, 상기 표준 가공 조건의 파라미터와 같은 값을 가진다.

도 10을 참조하면, 초점 위치 -0.5mm(초점 위치는 각 도면에 각각 나타나 있음), 판두께 t=2.3mm이며, 도금량은 K14이다. 노즐 직경 S2.0일 때, 어시스트 가스 압력 0.9MPa, 0.7MPa, 0.5MPa 하에서 1000mm/min의 경우에 플라즈마는 발생하지 않았다. 폭로 시험에서의 결과는 각각 "×"이며, 전체적으로 붉은 녹이 나타났다. 도 11, 12 13, 14 및 15에 나타낸 바와 같이, 절단 속도 1000mm/min의 경우, 노즐 직경 S2.0의 경우에는 어시스트 가스 압력에 관계 없이 플라즈마가 생성되지 않았다. 폭로 시험에서의 결과는 "×"이며 각 절단면의 방청 효과에 대해서는 바람직하지 않았다.

따라서, 절단 속도 1000mm/min의 조건에서 노즐 직경 S2.0로 도금 강판의 레이저 절단 가공을 행하여 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속을 절단면으로 유동시켜 코팅시키기는 어렵다.

도 10, 도 11도 12에서 노즐 직경 D4.0의 경우에 대해서 검토될 것이다. 도 10, 도 11에서는 플라즈마의 발생이 없으며 폭로 시험의 결과는 "×"이다. 그러나 도 11에서 어시스트 가스 압력 0.7MPa의 경우에는 "○"으로 개선된다. 노즐 직경 D7.0의 경우에는 약한 플라즈마의 발생이 관측된다. 폭로 시험의 결과는 도 10에서는 "×", 도 11에서는 "○", "×"이며, 도 12에서는 "×"이다.

도 10~도 17에서, 폭로 시험의 결과가 "○", "×"인 경우 중, 플라즈마의 발생(P)이 있는 경우에는 거의 "○"이다. 그러므로, 도금 강판의 레이저 절단 가공을 클린 절단에 의해 행할 때, 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속을 절단면으로 유동시켜 코팅하려면, 플라즈마를 발생시키는 것이 바람직하다.

도 11로부터 명확한 바와 같이, 도금량 K27, 노즐 직경 D4.0에는 플라즈마의 발생이 없고 폭로 시험 평가가 "○"인 경우가 있다. 도 10의 노즐 직경 D7.0, 어시스트 가스 압력 0.9MPa인 경우는, 약간의 플라즈마의 발생이 있고 폭로 시험의 결과는 "×"인 경우가 포함된다.

도 10, 11, 12에서는, 절단 속도가 3000mm/min~5000mm/min의 범위에서는 모두 플라즈마의 발생이 있으며, 절단 속도가 빨라질수록 플라즈마의 발생은 강해진다. 도 10에서, 노즐 직경 S2.0어시스트 가스 압력 0.9MPa, 0.7MPa(3000mm/min)을 제외한 전역에서의 상기 폭로 시험 결과는 모두 "○"이다. 도 10에서, 노즐 직경 2.0mm, 어시스트 가스 압력 0.7MPa의 4000mm/min~5000mm/min에서는 "○"이다.

그러므로, 노즐 직경 S2.0의 경우에는 어시스트 가스 압력 0.7MPa이고 절단 속도가 4000mm/min~5000mm/min의 범위에서, 도금 강판의 판두께 t=2.3mm, 도금량 K14에 대하여, "○"의 폭로 시험의 평가가 얻어질 수 있다. 어시스트 가스 압력 0.5MPa의 경우에는 3000mm/min~5000mm/min의 범위가 바람직하다. 노즐 직경이 D4.0, D7.0의 경우에는 어시스트 가스 압력이 0.9MPa, 0.7MPa, 0.5MPa에 관계 없이 절단 속도는 3000mm/min~5000mm/min의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 도금 강판이 동일한 도금 강판의 판두께(t=2.3mm)에 있어서, 도금량이 K27로 많아지면(두꺼워지면), 노즐 직경 D4.0, 어시스트 가스 압력 0.7MPa, 절단 속도 1000mm/min의 조건에서는 플라즈마의 발생이 없음에도 불구하고, 평가는 "○"이다. 그러므로, 도금 강판의 판두께(t=2.3mm), 도금량 K27, 노즐 직경 D4.0, 어시스트 가스 압력 0.7MPa, 절단 속도 1000mm/min의 각 조건이 적정하게 조화를 이루면, 플라즈마가 발생하지 않더라도 평가를 "○"로 받을 수 있다. 환언하면 상술한 각 조건이 갖추어지면, 플라즈마가 발생하지 않더라도, 레이저 절단 가공중에 용융 및/또는 증발한 도금층 함유 금속을 절단면으로 유동시켜 절단면을 코팅할 수 있는 것이다.

도 12를 참조하면, 도금량만 K35으로 변화되었다. 절단 속도 1000mm/min에서, 노즐 직경 D4.0, 어시스트 가스 압력 0.7MPa의 경우 및 노즐 직경 D7.0, 어시스트 가스 압력 0.9MPa, 0.7MPa의 경우에는 약간의 플라즈마의 발생이 있었지만, 평가는 "×"이 되었다.

일반적으로 금속판의 레이저 절단 가공을 할 때 플라즈마가 발생하면, 플라즈마는 레이저 광을 흡수하는 특성이 있어, 레이저 광의 조사는 연속된 플라즈마의 발생을 조장한다. 플라즈마는 절단면의 거칠기를 악화시키는 것으로 알려져 있다. 그러나, 스테인리스강의 무산화 절단 등과 같이 플라즈마의 열을 이용한 플라즈마 절단 방법이 있다. 이 경우, 발생한 플라즈마의 성장을 조장하게 가공 조건을 설정된다.

상기의 경우, (i) 어시스트 가스는 저압으로 설정한다. (ii) 노즐과 워크 사이의 노즐 갭은 플라즈마가 성장하는 공간을 형성하기 위해서, 통상의 경우보다도 약간 크게 한다. (iii) 초점 위치는, 워크 표면보다 위쪽을 (+)방향, 워크 표면보다 아래쪽을 (-)방향으로 했을 때에, 통상의 초점 위치의 경우보다도 (+)방향으로 이동시킨다. (iv) 레이저 광의 워크에의 입열량을 감소시키기 위해, 절단 속도를 증대시킨다. 상기 (i)~(iv)의 조건은 금속판의 레이저 절단 가공을 할 때, 플라즈마의 발생을 증진시키는 조건이다.

상기 조건 (i)~(iv)을 감안하여, 도 10이 검토될 것이다. 도금량 K14 및 절단 속도 1000mm/min~2000mm/min의 범위에서는, 노즐 직경이 S2.0보다 D4.0, 그리고 D4.0보다 D7.0이 플라즈마의 발생이 많다. 절단 속도가 1000mm/min~5000mm/min에서 점차 빨라질수록 플라즈마의 발생이 강해지고 있다. 그리고 플라즈마의 발생이 강해지면, 폭로 시험 결과는 "○"이 많아진다. 도 11, 도 12에서도 같은 경향을 보인다.

따라서, 도금 강판의 레이저 절단 가공시에, 도금 강판의 상면의 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속을 절단면으로 유동시켜서 그 절단면에 코팅하기 위해서는, 플라즈마가 발생하는 것이 더 좋다.

도 13, 도 14, 도 15는, 도금 강판의 판두께 t=3.2mm, 도금량이 K14, K27, K35의 조건에서 클린 절단한 경우의 폭로 시험의 결과이다. 도 13~도 15에서 "NG"는 절단할 수 없었음을 나타내는 것이다. 즉, 절단 조건이 부적절한 경우이다. 도 13~도 15의 결과에서 밝혀진 것과 같이, 어시스트 가스 압력이 낮고 절단 속도가 빠른 경우가 플라즈마를 발생하기 쉬운 경향이 있다.

도 16, 도 17은, 판두께 t=4.5mm, t=6.0mm의 조건에서 클린 절단한 경우의 폭로 시험 결과이다. 이 경우에도, 어시스트 가스 압력은 저압일수록, 즉 노즐 직경이 클수록, 또, 절단 속도가 빠를수록, 플라즈마의 발생이 강해지는 경향이 있다. 플라즈마의 발생이 강할수록, 폭로 시험 결과는 "○"이 되는 경향이 있다. 도 16, 도 17에서 "D"는 찌꺼기의 부착량이 많은 것을 나타낸다.

상기 도 10~17에 나타낸 폭로 시험 결과는 상기 레이저 절단 가공 장치(1)의 상기 제어 장치(31)에 마련된 절단 조건 데이터 테이블(33)에 저장되어 있다. 즉, 상기 절단 조건 데이터 테이블(33)에는 도금 강판의 판두께마다, 각 판두께의 도금량별로 적용한 노즐 직경, 각 노즐 직경에 있어서의 노즐 갭, 각 판두께마다 적용한 초점 위치 및 절단 속도 등의 가공 조건 데이터가 저장되어 있다. 또한, 상기 절단 조건 데이터 테이블(33)에는 도금 강판의 레이저 절단 가공시의 플라즈마 발생의 데이터 및 폭로 시험 결과가 모두 저장되어 있다. 상기 제어 장치(31)는, 이지 절단시의 가공 조건 데이터를 저장한 절단 조건 데이터 테이블도 구비하고 있다.

상기 제어 장치(31)에 접속된 입력 수단(35)을 통해 각종 가공 조건을 입력하면, 도 10~도 17로 나타낸 평가와 동일한 평가를 얻을 수 있는 레이저 절단 가공이 행해진다. 예를 들면, 도 10에 나타내는 판두께 t=2.3mm에 있어서, 도금량 K14, 노즐 직경 D4.0, 어시스트 가스 압력 0.7MPa, 절단 속도 5000mm/min의 조건을 입력 수단(35)을 통해 제어 장치(31)에 입력하면, 플라즈마가 발생되고 레이저 절단 가공이 행해진다. 그리고, 1개월의 폭로 시험이 실시되면, "○"의 폭로 시험 결과가 얻어질 것이다.

폭로 시험 결과는, 예를 들면 해변 조건 등과 같은, 환경이나 기상 조건 등에 따라 변화하는 경우가 있다.

도금 강판의 레이저 절단을 하고, 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속을 절단면으로 유동시켜 그 절단면에 코팅하기 위하여, 바람직한 도금의 용융 범위는, 워크의 판두께, 도금량 및 레이저 절단 조건과도 관계가 있기는 하지만, 워크의 절단 단면으로부터 0.27mm~0.5mm의 범위이다.

도금층의 용융 및/또는 증발되는 범위가 0.5mm 이상일 경우, 레이저 절단 속도가 늦고 입열량이 클 것이다. 이 경우, 용융 및/또는 증발되는 도금 양이 많아져서 레이저 절단면으로 유입되는 유량이 많아질 것으로 생각된다. 그러나 레이저 절단 속도가 늦음으로써, 레이저 광의 조사 시간이 길어서, 가열 시간이 길어지고, 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속이, 고온 상태로 유지되는 시간이 길어지고 어시스트 가스가 작용하는 시간이 길어져서, 절단면에 부착되어 응고하기 전에 어시스트 가스에 의해 불려 날아가기 쉬워져서, 절단면에의 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속의 코팅량이 적을 것으로 생각된다(예를 들어 도 12의 D4.0, D7.0 참조).

도금층의 용융 및/또는 증발 범위가 0.27mm 정도로 작은 범위의 경우에는, 레이저 절단 속도가 빠르고 입열량이 작을 것이다. 이 경우, 용융 및/또는 증발되는 도금 금속량이 적어서, 레이저 절단면으로 유입되는 유량이 적을 것으로 생각된다.

그러므로, 도금층의 용융 및/또는 증발 범위는 절단면으로부터 0.27mm~0.5mm의 범위가 바람직하다. 상기 범위에서는 레이저 광의 조사 시간 및 어시스트 가스가 작용하는 시간이 적절해져서, 용융 및/또는 증발된 도금이 어시스트 가스에 의해 불려 날아가는 양이 적어진다. 따라서, 용융 및/또는 증발된 도금 금속이 절단면에 코팅되어 응고되기 쉽고, 도금층 함유 금속 코팅량이 많아질 것으로 생각된다(예를 들어 도 12의 D4.0, D7.0 참조).

이미 이해되는 바와 같이, 어시스트 가스로 질소 가스를 사용한 클린 절단, 또는 약 97%의 질소 가스와 약 3%의 산소 가스를 혼합한 혼합 가스를 어시스트 가스로서 사용한 이지 절단에 의해 도금 강판의 레이저 절단 가공을 행하면, 도금 강판의 상면의 도금층 함유 금속으로 절단면을 코팅할 수 있다. 레이저 절단 가공시에 플라즈마가 발생하면, 상술한 코팅이 효과적으로 행해지는 것을 알아내었다.

판두께 t=2.3mm의 도금 강판의 클린 절단 및 이지 절단을 행하고 플라즈마 발생의 관측과 1개월 후의 폭로 시험을 행하였다. 그 결과를 도 18에 나타낸다.

도 18에 나타난 결과는, 클린 절단 및 이지 절단 모두 플라즈마를 발생시키면서 레이저 절단을 행하면, 절단면을 도금층 함유 금속에 의해 효과적으로 코팅할 수 있고, 붉은 녹 발생을 방지할 수 있다는 것을 시사한다.

가공 속도가 증대할수록, 도금층 함유 금속에 의한 절단면의 코팅이 더욱 효과적으로 행해지고 붉은 녹의 발생을 방지할 수 있다. 가공 속도 2200mm/min, 5000mm/min, 판두께 t=2.3mm의 도금 강판, 도금량 K14의 조건으로 레이저 절단을 행하였다. 그 절단면의 관찰 결과는 도 19에 나타내는 바와 같다.

도 19로부터 명확한 바와 같이, 가공 속도가 2200mm/min의 경우 붉은 녹의 발생이 있다. 그런데 가공 속도가 5000mm/min의 경우에는, 절단면 전체에서 도금층 함유 금속 성분이 검출되고 붉은 녹의 발생은 볼 수 없다. 이 결과는 도 18에 나타난 결과와 일치하는 것이다.

도 19에 나타내는 레이저 절단면의 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometry)의 분석 결과와 폭로 시험 결과(4주 후)로부터 다음의 결과를 알 수 있다. 도 2의 클린 절단에서는, 매우 적은 도금층 함유 금속이 레이저 절단면에서 검출되었다. 도 2의 클린 절단 조건과 거의 동등한 가공 속도 2200mm/min의 레이저 절단면을 EDS 분석하면, Zn, Al, Mg성분 즉 도금층 함유 금속은 극히 미미하여 사진 촬영 검출량 이하이며, 실질적으로 레이저 절단면에 도금층 함유 금속이 코팅되지 않은 것을 알 수 있다. 절단 조건을 적절한 조건으로 변경함으로써, 도 19의 가공 속도 5000mm/min의 EDS분석 결과 사진에 나타나는 바와 같이, 레이저 절단면 전역에 도금층 함유 금속이 검출되어서, 레이저 절단면 전역이 도금층 함유 금속에 의해 코팅되어 있다는 것을 시사한다. 즉, 표준 조건(가공 속도: 2200mm/min)에서의 절단면은 철 성분이 약 90%(Fe중량%: 89.16)이며, 도금 성분은(Zn, Al, Mg의 값이 모두 1.45중량% 이하로) 거의 검출되지 않는다. 그래서 쉽게 붉은 녹이 발생한다. 반면에, 이번의 가공 조건(가공 속도: 5000mm/min)으로 절단하면, 절단면의 철 성분은 약 30%(Fe중량%: 32.48)로 크게 감소하고, Zn은 중량%:43.57로 크게 늘어나고, Al, Mg도 몇 배 이상 증가하여, 도금 성분이 절단면 전체를 덮고 있음을 나타낸다. 따라서, 레이저 절단 가공시에 도금 강판의 상면으로부터 유동되어 절단면을 덮고 있는 도금 성분에 의해, 붉은 녹의 발생이 억제된다는 것을 알 수 있다.

이상의 같은 실시 형태의 설명에서 이해되는 바와 같이, 도금 강판의 판두께, 도금량에 기초하여 적정한 가공 조건으로 레이저 절단 가공을 하면, 레이저 절단 가공중에 도금 강판의 상면의 용융 및/또는 증발된 도금층 함유 금속이 절단면으로 유동하여 그 절단면을 코팅하기 쉽다. 그러므로, 도금 강판의 절단면의 상측 가장자리 부근의 도금층 두께는, 상술한 절단면으로부터 떨어진 위치, 즉 레이저 절단 가공중에 용융되거나 증발되거나 또는 유동될 정도의 열적 영향을 받지 않는 위치의 도금층 두께보다 얇아진다.

상술한 설명에서는 알루미늄 6%, 마그네슘 3%, 나머지 아연 91%의 도금 강판의 경우에 대해서 예시하였다. 도금 강판은 전술한 도금 강판으로 한정되는 것 아니고, 다른 종류의 도금 강판도 적용할 수 있다.

다음에, 제2 실시 형태에 대해서 설명한다.

이 실시 형태는, 강판의 표면에 도금 금속이 코팅된 표면 처리 강판을 소재로 하는 것으로서, 그 소재를 가스 절단 방법, 또는, 광 에너지나 전기 에너지를 이용한 열 절단 방법에 의해 절단하여, 자동차 및 가전, 배전 설비, 통신 설비 등에 사용되고 있는 표면 처리 강판에 관한 것이다.

종래, 자동차나 가전, 배전 설비, 통신 설비 등에 쓰이는 부품(표면 처리 강판)은, 냉연 강판을 소정 치수로 절단하고 용융 도금(후 도금)을 행함으로써 제조되었다. 근래에는 부품의 내식성 및 내구성 향상과, 공정 생략을 통한 비용 절감을 위해, 표면 처리 강판을 소재로 하고 후 도금을 생략한 부품이 널리 사용된다. 표면 처리 강판으로서는, Zn, Zn합금, Al, Al합금, Cu 등의 금속이 강판 표면에 코팅된 도금 강판이 자주 이용된다. 그러한 표면 처리 강판을 절단하기 위한 가장 일반적인 방법에는, 프레스기 및 부품 형상을 따른 금형을 이용한 펀칭이 사용된다. 금형 비용을 억제하기 위해, 열 절단 방법을 이용하는 경우가 증가하고 있다. 열 절단 방법은, 가스 절단, 광 에너지로서의 레이저 광을 이용한 레이저 절단, 전기 에너지로서의 플라즈마를 이용한 플라즈마 절단이 대표적이다. 절단되어 있는 부품을 사용하는 경우에는, 표면 처리 강판의 도금 금속의 손상이 작고 절단면의 외관이 양호하다는 측면에서, 광 에너지나 전기 에너지를 이용한 절단 방법이 많이 이용된다.

관련 있는 특허 문헌은 일본 공개특허 2001-353588호 공보이다.

보통, 표면 처리 강판을 광 에너지나 전기 에너지를 이용하여 임의의 형상으로 열 절단하는 가공에서는, 판두께 방향을 따른 절단면은 상부 도금층과 하부 도금층이 제거되고 철 소지(base)가 노출된다. 그 결과, 절단면은 방청성이 낮으며, 주어진 환경에 따라서는 조기에 붉은 녹이 발생하게 된다. 붉은 녹이 발생한 부품은 외관이 양호하지 않으며, 부식에 의해 부피가 감소하여 필요한 강도를 만족시키지 못한다는 문제가 생긴다. 또, 이런 문제는, 녹이 눈에 띄기 쉽고 강도에 영향을 미치기 때문에, 판두께가 두꺼운 것일수록 심각하다. 이 대책으로서 종래 기술은, 열 절단 후에 도금 금속과 유사한 성분을 가진 보수 도료를 절단면에 도장하는 것을 적용하고 있다. 이러한 종래 기술은, 도료나 도장 공정의 비용이 많이 들어서 부품 비용이 증대하는 새로운 문제를 안고 있다.

종래의 열 절단에 의한 도금 강판의 절단 방법으로서, 상기 특허 문헌에 개시된 방법이 제안되어 있다. 이 방법은, 절단 효율의 향상을 위해, 어시스트 가스로서 2~20%의 산소와 질소의 혼합 가스를 이용한다. 그 실시예에 따르면, 판두께 3mm의 아연 도금 강판이, 12bar(1.2MPa)의 어시스트 가스 압력 및 1.8m/min의 절단 속도의 조건으로, 절단된다. 그러나, 후술하는 실시예에서와 같이, 종래의 방법으로 절단한 표면 처리 강판의 절단면에는 도금 성분은 충분히 존재하지 않아 방청성이 낮다.

이 제2 실시 형태는 이러한 문제점을 해소하기 위해서 안출된 것으로서, 도금 금속이 코팅된 표면 처리 강판 소재를 광 에너지나 전기 에너지를 이용한 열 절단 방법에 의해 절단함에 있어서, 도금층 함유 금속이 절단면에 코팅되어 절단면의 내식성을 확보하도록, 절단하는 것을 목적으로 한다.

제2 실시 형태는, 열 절단 부품을 형성하기 위한 소재로서 표면 처리 강판을 이용하며, 절단 후의 절단면에 보수 도장을 하지 않고, 열 절단에 의해 용융된 도금층 함유 금속을 절단면으로 유동시켜서 방청성을 확보한다.

표면 처리 강판으로서는, Zn이나 Zn합금 등이 코팅된 도금 강판이 적용된다.

즉, 도금층을 가지는 표면 처리 강판은 그 표면이 도금 금속에 의해 코팅된 강판이다. 강판 표면의 도금층 함유 금속이 용융되어 절단면으로 유동하고 그 절단면을 덮어서 응고됨으로써, 절단면의 내식성이 뛰어난 열 절단 제품을 얻는다.

상기에 있어서, 도금 조성이 0.1~22.0중량%의 Al을 함유하는 용융(hot-dip) Zn계 도금 강판을 소재로 한 것이라도 상관없다. 또한, 0.1~10.0중량%의 Mg, 0.10중량% 이하의 Ti, 0.05중량% 이하의 B, 2중량% 이하의 Si로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 이상을 함유하는 용융 Zn계 도금 강판일 수도 있다. 또, 합금화 Zn도금을 소재로 한 것이라도 좋다.

제2 실시 형태에 의하면, 적어도 1개월 이상의 방청성을 절단 제품에 가지게 할 수 있고, 절단 후의 절단면에 대한 보수 도장을 필요로 하지 않기 때문에, 도료 비용이나 도장 공정의 추가를 수반하지 않는다.

제2 실시 형태의 절단 제품은, 표면 처리 강판의 도금층 함유 성분이 열 절단면에 존재하고 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 강판 표면의 도금층 함유 금속의 일부가 절단면을 덮는 것을 특징으로 한다. 표면 처리 강판의 종류는 특별히 한정되지는 않는다. 내식성이나 열 절단 시의 코팅 성분의 손상을 고려하면, Zn이나 Zn합금이 코팅된 도금 강판으로 하는 것이 바람직하다. 표면 처리 강판의 원판은 특별히 한정되지 않는다. 표면 처리 강판의 원판은 열연 강판이나 냉연 강판이어도 된다. 강판 종류는 극저탄소 강판이나 저탄소 강판일 수도 있다. 판두께와 도금량도 특별히 한정될 필요는 없다. 판두께와 도금량, 열 절단 부품의 내식성이나 강도를 고려하여 결정할 수 있다. 예를 들면, 내식성을 중시하는 경우에는, 열 절단 시에 절단면으로 유동하는 도금층 함유 금속의 양이 증대하도록, 도금량이 증대될 것이다.

열 절단 부품을 제조하기 위한 열 절단 방법으로는, 절단면의 외관을 고려하여 광 에너지나 전기 에너지가 이용된다. 광 에너지 절단법은, CO₂ 레이저 절단, YAG 레이저 절단, 화이버 레이저 절단을 포함한다. 전기 에너지 절단법은 플라즈마 절단, 아크 절단을 포함한다. 제2 실시 형태는, 상기 절단법을 이용하여 절단 시에 절단부 근방의 강판 표면의 도금층 함유 금속을 용융시키고, 용융된 도금층 함유 금속을 어시스트 가스에 의해 절단면으로 유동시킴으로써, 열 절단 부품을 제조한다. 용융된 도금층 함유 금속의 절단면으로의 유동의 용이함은 절단 시의 입열량과 어시스트 가스의 압력 등의 절단 조건에 의해 다양하게 변화된다. 입열량이 너무 많으면, 용융된 도금층 함유 금속이 절단면으로 유동되기 전에 증발될 것이다. 입열량이 너무 적으면, 도금층 함유 금속이 충분히 용융되지 않거나 강판의 절단이 완전하게 행해지지 않을 것이다. 어시스트 가스의 압력이 너무 높으면, 절단면으로 유동된 도금층 함유 금속이 과도하게 불려 날아가 버릴 것이다.

소재가 되는 표면 처리 강판의 조건도 절단면의 방청성에 영향을 미친다. 도금량이 증가할수록, 열 절단 시의 일정한 입열에 대하여 용융되는 도금층 함유 금속의 비율이 증대된다. 판두께가 얇을수록 도금층 함유 금속이 코팅되어야 할 절단면의 면적이 적게 된다. 이러한 이유에서, 절단면으로의 도금층 함유 금속의 유동 및 방청성(녹 방지 성능)의 향상에 미치는 소재의 조건은, 많은 도금량과 얇은 판두께이다.

본 발명자들은, 이러한 절단 조건 및 소재의 조건의 조합이, 열 절단시에 도금층 함유 금속이 절단면으로 유동되기 쉬운 조건이 있음을 알아내었다. 그와 같은 조건에 기초하여, 본 발명자들은 절단면의 방청성이 향상된 절단 부품을 완성시켰다.

이하 본 발명의 실시예를 설명한다.

사용된 소재는, 표 1에 나타내는 바와 같이, Zn-6%Al-3%Mg 도금 강판, Zn 도금 강판 및 Al 도금 강판이다. 표 2에 나타내는 여러가지 조건의 조합으로 강판을 절단하기 위하여, 가장 범용적인 CO₂ 레이저를 사용하고 였다.

[표 1]

[표 2]

도 20에는 절단될 소재가 나타나 있다. 점선 영역에서 레이저가 입광하는 상면 측은, 소재의 도금층의 일부가 용융되고 용융된 부분의 도금층의 두께는, 절단 후의 증발이나 절단면으로의 유동에 의해, 원래의 도금층의 두께보다 얇아진다.

이와 관련하여, 도금층의 상면에서, 도 21에 나타내는 도금 용융 폭(L) 즉, 도금층의 두께가 얇게 되어 있는 영역의 폭을 조사하였다. 도 22에 나타낸 바와 같이, 절단면의 면적에 대한 도금층 함유 금속 피복 면적의 비율 및 판두께에 대한 도금층 함유 금속의 최대 유입 거리(표면 처리 강판 표면으로부터의 절단면을 따른 도금층 함유 금속의 최대 유입 치수)의 비율을 조사하기 위해, 절단면에서의 도금층 함유 금속 코팅 상태를 관찰하였다. 각 절단 샘플에 대해 실외 폭로 시험을 행하고 육안으로 확인 가능한 녹이 발생할 때까지의 일수를 측정하여 그 일수가 1개월을 초과하는지 확인하였다.

그 결과를 표 3에 나타낸다. 도금 용융 폭(L)이 0.27mm~0.5mm이고, 용융된 도금층 함유 금속의 코팅 면적율이 10% 이상 또는 용융된 도금층 함유 금속의 최대 유입 거리가 판두께에 대해 30% 이상이 되는 절단 제품은 각각 1개월이 넘는 방청성을 가진다.

비교로서, 특허 문헌(일본 공개특허 2001-353588호 공보)에 기재된 조건(표 3의 No.19), 즉 1.8m/min의 절단 속도 및 12bar(1.2MPa)의 어시스트 가스 압력으로 절단한 절단면을 조사하였다. 그 절단면에서의 도금 용융 폭은 제2 실시 형태의 범위를 넘어서고 있으며, 1개월의 방청성은 관찰되지 않았다.

[표 3]

표면에 도금 금속이 코팅된 표면 처리 강판이 절단 가공될 때, 절단면이 강판 표면의 도금층 함유 금속으로 코팅되어 있는 표면 처리 강판이 제공된다. 이 경우, 절단면 상에서 강판 표면의 상기 도금층 함유 금속에 의해 코팅된 면적은 절단면의 면적의 10% 이상인 것, 그리고, 강판 표면의 상기 도금층 함유 금속에 의한 코팅은 표면 처리 강판 표면 또는 이면으로부터 판두께의 30% 이상으로 연장되는 것이 바람직하다. 또, 절단면에 대해 수직으로 도금층의 얇은 부분의 폭이 0.27mm~0.5mm인 것이 바람직하다.

도 20~도 22에 있어서의 부호 101은 소재, 102는 레이저 광, 103은 절단면, 104는 도금 금속, 105는 절단면, 106은 도금층 함유 금속 최대 유입 거리, 107은 레이저 광의 진행 방향을 가리킨다.

다음으로 제3 실시 형태에 대해서 설명한다.

제3 실시 형태는 내식성이 뛰어난 부재에 관한 것이다. 도금 금속이 코팅된 표면 처리 강판을 소재로 사용되고, 그 표면 처리 강판이 레이저에 의해 절단되어 상기 부재가 된다. 제3 실시 형태는 또한, 상술한 부재의 레이저 절단 방법에 관한 것이다.

종래, 자동차나 가전, 배전 설비, 통신 설비 등에 사용되는 부재는, 냉연 강판을 소정 치수로 절단한 후 강판 전체에 도금 처리(후 도금 처리)를 행함으로써 제조된다. 근래에는, 부재의 내식성 및 내구성의 향상이나 제조 공정의 생략을 통한 비용 절감을 위해, 그러한 부재의 제조시에 후 도금 처리를 생략하기 위해 표면 처리 강판이 소재로서 널리 사용되고 있다. 상기 표면 처리 강판은 주로, Zn, Zn합금, Al, A1합금, Cu 등의 금속이 강판 표면에 코팅된 도금 강판이다. 표면 처리 강판으로부터 부재를 잘라내는 방법은, 일반적으로, 프레스기 및 부재 형상에 대응하는 금형을 이용한 펀칭을 채용한다. 금형의 비용을 억제할 목적으로 열 절단 방법을 이용하는 경우가 늘고 있다. 열도 절단 방법은, 가스 연소에 의한 가스 절단, 레이저 광에 의한 레이저 절단, 열 플라즈마를 이용하는 플라즈마 절단 등이 있다. 레이저 절단은, 표면 처리 강판의 도금 금속의 손상이 작고 절단면의 외관이 양호하여 자주 사용되고 있다.

레이저 절단에 의한 도금 강판의 절단 방법은, 예를 들면 특허 문헌(일본 공개특허 2001-353588호 공보)에 개시하는 방법이 제안되어 있다. 이 방법은, 절단 효율의 향상을 위해, 어시스트 가스로서 2~20%의 산소를 포함한 산소-질소 혼합 가스를 이용한다.

표면 처리 강판을 임의 형상으로 레이저 절단하면 보통, 판두께 방향을 따른 절단면은 강철 소지가 노출된다. 그러한 절단면은, 내식성이 낮으므로, 사용 환경에 따라서는 조기에 붉은 녹이 발생하여 외관 불량이 된다. 붉은 녹이 생긴 제품은 부식에 의해 체적이 감소하며, 필요한 기계적 강도가 부족하다.

판두께가 두꺼운 제품 상의 붉은 녹은 눈에 띄기 쉽고, 두꺼운 제품은 실용상의 기계적 강도가 요구되므로, 두꺼운 제품에서 상술한 문제가 더욱 심각하다. 종래에는 이 대책으로서, 제품의 레이저 절단 후, 제품의 내식성 확보를 위해, 금속과 유사한 기능을 가지는 보수 도료를 제품의 절단면에 도장한다. 이 대책은, 도료를 사용하여 도장 작업을 하기 때문에 제품 원가의 증대를 초래한다.

제3 실시 형태는 이런 문제점을 해소하기 위해서 안출된 것으로서, 도금 금속이 코팅된 표면 처리 강판을 소재로 하는 부재로서, 레이저 절단면의 내식성이 확보된 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 다른 목적은, 상술한 부재를 제조하는 레이저 절단 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 상술한 목적의 달성을 위하여 면밀히 검토한 결과, 도금 강판을 레이저 절단할 때, 강판 표면의 도금 금속층이 레이저 조사열에 의해 용융되어 절단면 측으로 유동되는 현상을 알아내었다. 그리고 그에 기초하여 본 실시 형태를 완성하기에 이르렀다. 본 실시예에 의해 제공되는 것은 이하에 보다 상세히 설명될 것이다.

(1) 제3 실시 형태는, 강판의 표면에 도금 금속층을 가지는 표면 처리 강판의 레이저 절단 방법으로서, 그 방법은, 산소 가스 혹은 질소 가스 또는 이들의 혼합 가스 등의 절단 가스를 이용하여 레이저 절단을 행하여 절단면을 형성하고, 용융된 도금 금속층에 대하여 보조 가스를 분사하여 상기 용융된 도금 금속층을 절단면으로 유동시킨다.

(2) 제3 실시 형태는, (1)에 기재된 레이저 절단 방법에 있어서, 상기 보조 가스를 분사하는 복수의 노즐을 상기 절단 가스용 노즐의 주위에 배치하고, 레이저 절단을 행한다.

(3) 제3 실시 형태는, (1)에 기재된 레이저 절단 방법에 있어서, 상기 보조 가스를 분사하는 링 형상의 노즐을 상기 절단 가스용 노즐의 주위에 배치하고, 레이저 절단을 행한다.

제3 실시 형태에 의하면, 절단면의 일부가 도금 금속층에 의해 덮이므로, 희생 양극 효과에 의해 절단면 전체의 내식성을 확보할 수 있다. 레이저 절단 후의 절단면은, 종래의 기술과는 달리, 보수 도장을 필요로 하지 않으며, 따라서 제품 원가를 절감할 수 있다.

레이저 절단 공정은 도 23에 도시된 바와 같이 행해진다. 표면 처리 강판(200)의 표면에 레이저 가공 헤드(5)가, 표면 처리 강판(200)을 용융시켜서 소정의 형상으로 절단하기 위해 이동되는 레이저 광(LB)를 조사한다. 표면 처리 강판(200)의 표면은, 조사된 레이저 광(LB)의 가열에 의해 절단면(220)(절단부) 주위에서 증발된 도금 금속층(210)에 의해 코팅된다. 레이저 절단시에, 절단부 주위 영역의 도금 금속층도 레이저 광의 열의 전도에 의해 가열된다. 도금 금속(예를 들어 Zn계, Al계)은 용융점과 비점이 낮으며, 따라서, 그 영역의 도금 금속층(230)은 용융 상태가 되고 일부가 증발한다. 용융된 도금 금속층(230)은 유동성을 가지며, 따라서, 용융된 도금 금속은 절단면 쪽으로 유동되어 절단면 위로 확산되고, 냉각되어 응고됨으로써, 도금 금속을 포함한 코팅층(250)을 형성한다. 도금 금속을 포함한 코팅층(250)의 형성에 의해, 절단면에서도 표면 처리 강판처럼 내식성이 유지되어, 단면 내식성이 뛰어난 부재가 제조된다. 레이저 절단한 후, 절단면에 보수 도장을 하지 않더라도 절절한 내식성이 확보될 수 있다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 코팅층(250)은 도금 금속층(210)으로부터 연속적으로 확산되는 부분을 포함한다.

레이저 절단은 통상적으로, 레이저 광을 조사하는 노즐의 선단으로부터 피절단재로 향해서 조사함과 동시에, 레이저 광의 주위로부터 절단 가스(어시스트 가스)를 피절단재로 분사한다. 절단 가스는 증발 또는 용융된 재료를 절단 부분으로부터 밀어내기 위해 이용된다. 본 발명자들은, 레이저 절단시에 절단부 주변 영역에 대해 보조 가스를 분출하여 레이저 절단함으로써, 그 보조 가스의 흐름에 의해, 용융된 도금 금속의 절단면으로의 유동을 촉진한다는 것을 알아내었다. 본 실시 형태는, 레이저 절단이 행해질 때 절단부 주변 영역에 보조 가스를 분사하기 위해, 보조 가스 노즐이 절단 가스 노즐 주위에 배치된다.

(표면 처리 강판)

사용되는 표면 처리 강판은 특별히 한정되는 것은 아니다. Zn계, Zn-Al계, Zn-Al-Mg계, Zn-Al-Mg―Si계의 금속 도금 또는 합금 도금 등이 행해진 도금 강판이 이용될 수 있다. Zn-Al-Mg계 합금 도금이 행해진 강판이 바람직하다. 표면 처리 강판의 기재는, 열연 강판, 냉연 강판, 극저 탄소 강판, 저탄소 강판일 수 있다.

표면 처리 강판의 판두께, 도금층의 Zn 함유율, 한 면당 도금량은 특별히 한정되지 않는다. 그것들은 내식성이나 기계적 강도를 고려하여 적절한 범위에서 선택할 수 있다. 도금층의 Zn 함유율은, 내식성을 향상시키기 위해, 40% 이상인 것이 바람직하며, 80% 이상이 더욱 바람직하다. 예를 들어 Zn-Al-Mg계 합금 도금의 경우, 내식성의 관점에서는 Zn을 80질량% 이상 함유하는 것이 바람직하다. Zn-Al-Mg계 합금 도금에 있어서 Mg의 함유량이 많으면, 도금 금속층이 용융되었을 때 점성과 표면 장력이 저하하여 유동성이 높아진다. 그러므로, 절단면에의 유동이 촉진되므로 바람직하다.

한 면당 도금량이 많은 표면 처리 강판이 선택되면, 레이저 광에 의한 절단시에 도금 금속이 절단 단면으로 유동되는 양이 많아져서 양호한 내식성을 얻을 수 있다. 따라서, 레이저 광이 조사되는 쪽의 면에서의 한 면당 도금량은 20g/m² 이상이 바람직하며, 30g/m² 이상 또는 90g/m² 이상이 더 바람직하다.

판두께에 대한 한 면당 도금량의 비율(도금량/판두께의 비)이 증가할수록, 절단 단면에 대하여 도금 금속의 유입에 의한 코팅층이 차지하는 비율이 높아진다. 따라서, 판두께(mm)에 대한 한 면당 도금량(g/m²) 즉, 도금량/판두께의 비율은 1.3×10 이상인 것이 바람직하며, 2.5×10 이상이 더 바람직하다.

(코팅층)

표면 처리 강판의 절단면 상의 코팅층으로 형성될 도금 금속층은, 절단면의 전부 또는 일부를 덮으면 된다. 절단면에 도금 금속층이 일부 존재하면, 희생 양극 효과에 의해, 절단면 상의 도금 금속이 기재인 강보다 먼저 용융되어, 절단면에서내식성이 확보된다. 충분한 내식성을 확보하기 위하여, 절단면의 코팅층의 평균 길이는 강판의 판두께의 25% 이상인 것이 바람직하다. 본 명세서에서는 절단면 상의 코팅층의 길이를 "도금 유입 길이"라 하고, 강판의 판두께에 대한 코팅층의 평균 길이 비율을 "도금 유입 길이율"이라 한다.

본 명세서에서는, 절단면 상에서 코팅층이 차지하는 비율을 "코팅률"이라 한다. 코팅률은 10% 이상인 것이 바람직하다. 코팅률이 10% 미만이면, 유입된 도금 금속에 의한 내식성을 충분하게 확보하지 못한다.

(산화층 혹은 질화층 또는 이들의 혼합층)

레이저 절단에 있어서는, 절단 가스가 레이저 광의 주위로부터 표면 처리 강판으로 분사된다. 절단 가스는 주로, 재료 절단부의 연소 및 증발 또는 용융된 재료를 절단 부분으로부터 밀어내기 위해 사용된다. 절단 가스는 O₂ 가스, 공기, N₂ 가스 등, 또는 이들의 혼합 가스일 수 있다. 산화층 혹은 질화층 또는 이들의 혼합층은, 레이저 광에 의해 표면 처리 강판이 절단될 때 노출된 절단면의 표면에 형성된다. 이 때, 표면 처리 강판의 도금 금속층이 상기 절단면으로 유동되어 상기 코팅층을 형성한다. 그러므로, 코팅층은 상기 산화층 혹은 질화층 또는 이들의 혼합층(이하,"산화층 등"으로 기재하는 경우도 있음) 위에 형성된다. 보조 가스도 절단 가스와 같은 종류의 가스를 사용하면, 상기 산화층 등의 생성에 기여한다.

절단면 측으로 유동된 용융된 도금 금속은 절단면의 표면 위에서 확산되며 이동하는 경향이 있다. 그러므로, 상기 산화층 등은 용융 상태의 도금 금속과 절단면 간의 습윤성을 높이는 작용을 한다고 이해된다. 그래서 상기 산화층 등이 형성된 절단면에서는 코팅층의 형성이 촉진되며 도금 금속층의 코팅률을 증대시킨다.

(레이저 절단 방법)

제3 실시 형태는 강판 표면에 도금 금속층으로 코팅된 표면 처리 강판의 레이저 절단 방법이다. 이 방법은, 산소 가스 혹은 질소 가스 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 절단 가스를 이용하여 레이저 절단을 행하여 절단면을 형성하고, 용융된 도금층 측으로 상기 도금 금속층을 절단면으로 유동시키는 레이저 절단 방법이다.

상술한 바와 같이, 레이저 광은 강판 표면의 도금 금속층을 용융시킨다. 그 때, 절단부 주변 영역에 대하여 보조 가스가 분사되어, 보조 가스의 흐름이 상기 용융된 도금 금속의 절단면 측으로 유동을 촉진한다. 보조 가스를 분사하는 노즐이 절단 가스용 노즐 주위에 배치될 수 있다. 도 24의 (a)는 그러한 배치의 예로서의, 레이저 절단 노즐을 나타낸 단면도이다. 이 도면에, 피절단재(표면 처리 강판(200))와, 조사되는 레이저 광, 분사되는 절단 가스 및 보조 가스와의 관계가 나타나 있다. 레이저 광의 조사 노즐(19)의 주위에 절단 가스를 분사하는 노즐(절단 가스 공급 수단(30))이 배치되고, 그 노즐 주위에 보조 가스를 분사하는 노즐(보조 가스 공급 수단(40))이 배치되어 있다. 절단 가스 공급 노즐(30)로부터 분사된 절단 가스는 절단면(220)을 포함한 영역에 작용한다. 반면에, 보조 가스 공급 노즐(40)로부터 분사된 보조 가스(70)는 절단부(절단면(220))의 주변 영역에 작용한다. 도 24의 (b)는 피절단재(200)에 작용하는 절단 가스(60) 및 보조 가스(70)의 압력 분포를 나타낸 모식도이다. 도 24의 (b)에 나타낸 바와 같이, 절단면(220)의 주변 영역에 소정의 압력이 작용하고 있다.

도 25의 (a), (b)는 도금 금속을 포함한 코팅층의 형성을 보인 모식도이다. 도 25의 (a)에 나타낸 바와 같이, 레이저 절단시에, 강판(200)의 표면의 용융된 도금 금속층(230)에 대한 보조 가스(70)가 분출된다. 그러면, 도 25의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 용융된 도금 금속층(230)은 절단면 측을 향해 이동하고 절단면(220)으로 유동되어 코팅층(250)을 형성한다. 보조 가스(70)를 병용함으로써 도금 금속의 유입을 효율적으로 행할 수 있다.

도 26의 (a), (b) 및 도 27의 (a), (b)는 절단 가스만 이용한 종래 예에 의한 노즐의 절단 상황을 모식적으로 나타낸 도면이다. 절단 가스(60)는, 절단부(절단면(220))를 향해 분사되고, 그 절단 가스의 일부는 절단부의 주변 영역으로 확산하는 흐름을 형성한다(도 26의 (a)). 그러나, 용융된 도금 금속층에 작용하는 절단 가스(60)의 압력은 낮다(도 26의 (b)). 그래서 도 27의 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 용융된 도금 금속층(230)으로부터 증발된 도금 금속(260)만 밀어내어진다. 용융된 도금 금속층(230)은 절단면으로 유동될 수 없다는 것이 이해된다.

조사하는 레이저 광의 종류는 특별히 한정되지는 않는다. 예컨대, 파장 3μm 이상의 레이저 광을 발진하는 CO₂ 레이저가 사용될 수 있다. 절단 시의 레이저 광의 스폿 직경, 출력, 이동 속도 등의 조건은, 절단될 표면 처리 강판의 판두께나 가공 형상 등에 따라 적절히 설정될 수 있다.

표면 처리 강판의 도금 금속층은, 절단 레이저에 의해 가열되어 승온하며 용융된다. 도금 금속층의 승온에 영향을 주는 파라미터로서, 표면 처리 강판의 판두께(t:단위 mm), 레이저 출력(P:단위 kW), 절단 속도(v:단위 m/min), 레이저 절단 폭(w:단위 mm)를 꼽을 수 있다. 레이저 출력이 같더라도, 판두께 및 절단 속도에 의해 승온 정도가 다르다. 따라서, 도금 금속층에 대한 각종 가열 조건을 대비하기 위하여, "P/v×t×w" 지표가 이용되었다. 이 지표는 레이저 출력 P(kW)를, 절단 속도 v(m/min) 및 판두께 t(mm) 및 레이저 절단 폭 w(mm)으로 나누어 얻어지는 수치이다. 본 명세서에서는 이 지표를 "레이저 입열 지수"라고 한다. 도금 금속을 절단 단면으로 유동시켜서 적절한 코팅층을 형성하기 위하여, 레이저 입열 지수는 0.79~2.57의 범위 내인 것이 바람직하다. 이 지표가 0.79 미만이면, 절단시의 입열량이 너무 적으므로 절단부에도 찌꺼기(dross)가 부착하여 절단할 수 없다. 한편, 지표가 2.57을 초과하면, 입열량이 과다하므로, 도금 금속의 증발에 의해, 절단 단면으로 유동되는 도금 금속량이 줄어들어서 절단 단면 내식성이 저하한다.

레이저 절단용의 절단 가스는 바람직하게는, 산화층 혹은 질화층 또는 이들의 혼합층을 가진 절단면을 형성하기 위하여, 산소 가스, 질소 가스, 또는 이들의 혼합 가스이다. 절단 가스는 O₂ 가스, 공기, N₂ 가스 등 또는 이들의 혼합 가스일 수 있다. 절단 가스는 불활성 가스(예컨대 Ar)와 혼합될 수도 있다. 절단 가스의 유량 및 압력은, 표면 처리 강판의 판두께나, 절단 조건에 의해 적절히 설정될 수 있다.

보조 공급 수단은, 레이저 절단한 후 보조 가스(70)를 분사하는 수단이면 어떠한 수단이라도 된다. 예컨대, 절단 가스를 분출하는 가공 헤드(5) 주위에 보조 가스(70)를 분사하는 노즐(80)을 배치한 형태를 들 수 있다. 도 28에 나타낸 바와 같이, 가공 헤드(5)의 옆에 복수개의 보조 가스 사이드 노즐(80)이 배치될 수도 있다. 또, 도 29에 나타낸 바와 같이, 가공 헤드(5)가, 절단 홈 내의 용융 금속을 불어 날리는 작용을 행하는 내부 노즐(도시 생략)과, 내부 노즐을 에워싸는 외부 노즐로서의 보조 가스 노즐(90)을 구비할 수도 있다. 이 보조 가스 노즐(90)은 용융된 도금 금속층(230) 측으로 보조 가스(70)을 분사하여, 용융된 도금 금속층을 절단면(220)으로 안내한다.

즉, 상기 레이저 절단 가공 방법에 사용하는 레이저 가공 헤드는, 바람직하게는, 도금 강판의 상면에서 용융된 도금층 함유 금속을 절단면측으로 안내하기 위한 보조 가스를 분출하는 보조 가스 노즐과, 용융 금속을 불어 날리고 절단면을 형성하도록 도금 강판의 레이저 가공부에 어시스트 가스를 분출하는 노즐을 구비한다. 즉, 이러한 구성에 의하면, 절단면으로부터 0.27mm~0.5mm의 범위에 있는 용융 금속이 보조 가스에 의해 절단면으로 안내된다.

레이저 가공 헤드에서, 상기 보조 가스 노즐은 레이저 절단 가공에 의해 형성되는 절단 홈의 폭보다 큰 범위, 즉, 용융된 도금 금속층(230)을 포함하는 범위로 절단 홈에 보조 가스를 분출하는 구성인 것이 바람직하다.

보조 가스의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 용융된 도금 금속의 유동을 촉진하는 것이면 된다. 보조 가스는, 절단 가스와 마찬가지의 가스 성분이어도 되고, 산소 가스, 질소 가스, 또는 이들의 혼합 가스가 이동될 수도 있다. 또한, 절단 가스와 다른 종류의 가스 성분이라도 되고, 불활성 가스(예컨대 Ar)만을 이용해도 된다.

보조 가스 유량은, 표면 처리 강판의 판두께나 레이저 광의 이동 속도 등에 따라 설정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 보조 가스는 용융된 도금 금속층이 절단면 측으로 유동되는 것을 촉진하는 작용을 한다. 보조 가스 유량은 20L/min 이상이 바람직하다. 보조 가스 유량이 작으면, 절단면의 도금 금속의 유동이 충분하지 않다. 상기 유량이 크면, 도금 금속의 유입이 증가할 것이다. 상기 유량이 지나치게 커지면, 용융 상태의 도금 금속이 과잉으로 불려 날아가서, 코팅층의 형성을 저해하기 때문에 바람직하지 않다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

표면 처리 강판으로서, 표 4 및 표 5에 나타내는 도금 조성의 도금층을 가진 강판을 이용하여, 시편 No.1~No.47을 만들었다. 시편 No.47은 공기를 이용한 플라즈마 절단을 적용한 참고 예이다. 상기 도금층은 Zn-Al-Mg, Zn-Al, Zn 또는 Al-Si의 도금 조성을 가지고 있다. 표 4, 표 5의 "도금 조성"란에, 예를 들어 "Zn-6Al-3Mg"이라고 기재된 시편은 6중량% Al, 3중량% Mg을 포함한 Zn계 도금층을 가진 강판을 의미한다. 표 4 및 표 5에 나타낸 바와 같이, 시편들은, 한 면당 도금량(g/m²), 강판의 판두께(mm), 판두께에 대한 상기 도금량의 비율(도금량/판두께의 비)이 다르다. 표 4, 표 5에 있어서, 한 면당 도금량은 레이저 광을 조사하는 측의 면에서의 값이다.

레이저 절단시에는 이하의 조건을 조합해서 실시하였다.

(a) 레이저 발진 방식: CO₂ 레이저

(b) 레이저 절단 폭(mm): 0.24~0.40

(c) 레이저 출력(kW): 2, 4, 6

(d) 절단 속도(m/min): 0.6~7.0

(e) 절단 가스의 종류: 질소(N₂), 산소(O₂), 질소+3% 산소(N₂+3%O₂), 아르곤(Ar)

(f) 절단 가스 압력(MPa): 0.05~1.4

(g) 보조 가스 노즐형: 사이드 노즐(A형: 도 28 참조), 링 노즐(B형: 도 29 참조)

(h) 보조 가스의 종류: 질소(N₂), 산소(O₂), 질소+3% 산소(N₂+3%O₂), 아르곤(Ar)

(i) 보조 가스 유량(L/min): 15~1900

절단 후의 시편들은, 그 절단면을 사진 촬영하여 화상 데이터로서 취득하고, 코팅층의 평균 길이(도금 유입 길이율), 코팅률을 구하였다. 시편들에 대해서, 후술하는 폭로 시험을 행하고 단면 녹 발생률을 구하였다. 또한, 후술하는 방법으로 산화층 등의 두께를 측정하였다. 또, 상기의 절단면에서 전자 탐침 미량 분석(EPMA)에 의한 성분 분석을 하였다.

(코팅층 평균 길이)

도 30의 (a)는 코팅층 평균 길이를 측정하는 방법을 모식적으로 나타낸 것이다. 코팅층은 도금 유입 부분(310)에서 나타난 바와 같이, 도금 금속이 강판 표면(320)으로부터 절단면으로 유동되고, 강판의 이면(330)을 향해 연장되는 형태를 나타내고 있다. 도 30의 (a)에 예시한 바와 같이, 관찰한 영역 내로부터 주요 유입부로서, 원형의 표시로 둘러싼 5개의 도금 유입 부분(310)을 선정하고, 그들의 선단부까지 길이(도금 유입 길이(340))을 계측하고, 강판의 판두께(350)에 대한 도금 유입 길이(340) 비율(본 명세서에서는,"도금 유입 길이율"라 함)를 산출하고, 5점의 평균치를 구하였다. 그 평균치에 의해, 본 실시 형태에 관한 코팅층의 평균 길이가 정해졌다.

(코팅률)

이하, 코팅층이 절단면에서 차지하는 코팅률에 대해 측정하는 방법이 설명된다. 우선 도 30의 (b)에 나타낸 바와 같이, 판정하는 포인트 P1~P5를 설정한다. 이를 위하여, 본 실시 형태에서는, 강판 표면에 대하여 수직으로 선분을 긋고 그 선분 위에, 판 단면의 상단 및 하단 각각으로부터 50μm의 위치에 P1과 P5를 설정한다. P1과 P5의 중간점에 P3을 설정한다. 그리고, P1과 P3의 중간점에 P2를 설정한다. P3과 P5의 중간점에 P4를 설정한다. 상기 P1~P5에 있어서, 도금 유입 부분(310)과 일치하는 점을 카운트하였다. 도 30의 (b)에 예시된 바와 같이, 마찬가지의 과정을 임의의 부분에서 4회 되풀이하여 총 20개의 포인트에서 도금 유입 부분과 일치하는 점의 합계를 구하고, 그 비율을 산출하였다. 예컨대, 8개의 포인트에서 일치하면 8/20=0.4(40%)이다. 이 산출된 수치를 본 실시 형태에서의 코팅률로 이용하였다.

(산화층 등의 두께)

산화층 등의 두께에 대해서 측정하는 방법을 이하 설명한다. 도 31의 (a)에 예시된 바와 같이, 절단면을 아래로 향하게 한 시편(390)을 수지(400)에 매립하여 측정용 시료를 준비한다.

그 때, 시편(390)에 경사 각도(θ)를 부여하도록, 시편(390)의 일단 측에 와이어(420)가 배치된다. 수지에 매립된 시편(390)을 연마함으로써, 시편(390)의 절단면의 도금층과 산화층 등이 비스듬하게 연마되어 노출되어, 도 31의 (b)에 나타낸 바와 같이, 연마면(380)에서 강판 소지(370), 산화층(360) 및 다른 층, 도금 금속(310)이 나열하여 노출되게 한다. 그 후 산화층(360)과 다른 층의 폭을 계측한다. 계측된 폭과, 매립시의 경사 각도(θ)에 의해 산화층 등의 두께를 산출한다. 절단면 상의 관찰 영역(410) 내의 임의의 3곳에서도 같은 순서에 의해 산화층 등의 두께를 계측하고 평균값을 산출한다. 그 평균값은 본 실시 형태에 관한 산화층 등의 두께로 사용하였다.

(단면 녹 발생률)

본 발명에 따라 가공된 부재들의 내식성에 관하여, 시편들을 이용하여 실외 대기중에서 60일 동안 폭로 시험을 행하고, 절단면에서 붉은 녹이 발생한 비율에 의해 시편들을 평가하였다. 본 명세서에서는, 이 붉은 녹의 발생 비율을 "단면 녹 발생률"이라고 한다. 이하, 단면 녹 발생률을 측정하는 방법에 대해서 설명한다. 절단된 시편의 중앙부 부근에 길이 150mm의 측정 범위를 설정한다. 도 32에 예시한 바와 같이, 측정 범위 내에, 5mm 간격으로 판정 위치(520)를 설정하고, 붉은 녹부(510)와 교차하는 판정 위치의 수를 측정하고, 교차한 비율을 산출하였다. 예를 들어 도 32에 나타낸 예에서는 20개소의 판정 위치 중 붉은 녹부와 교차하는 판정 위치가 7개소이어서 단면 녹 발생률은 7/20=0.35(35%)으로 산출된다.

상기 도금 유입 길이율, 코팅률, 산화층 등의 두께, 단면 녹 발생률을 측정한 결과를 표 4, 표 5에 나타낸다.

[표 4]

[표 5]

EPMA 분석 결과에 의하면, 보조 가스를 사용한 시편 No.1~No.29는 절단면에 Zn 성분이 검출되었다. 상기 Zn 성분은 레이저 광이 입사하는 판의 상면으로부터 판의 아래를 향하여 흐르게 분포하고 있다(도 33). 이 분포 형태에 의하면, 절단면 상의 Zn 성분은, 강판의 표면으로부터 절단면으로 유동된 도금 금속층으로부터 나온 것으로 추측된다.

산소 성분과 질소 성분 분석 결과에 의하면, N₂ 가스 절단 가스를 이용한 시편 No.1, No.2 등의 경우, 절단면에서 Zn 성분이 존재하지 않는 영역에 질화층이 형성되어 있었다. 절단 가스로서 N₂ 가스에 3% O₂를 포함한 혼합 가스를 이용한 시편 No.4, No.5 등, O₂ 가스를 이용한 시편 No.7, No.11 등의 경우, 절단면에서 Zn 성분이 존재하지 않는 영역에 산화층, 질화층 또는 이들의 혼합층이 형성되어 있었다.

이상의 분석 결과에 의하면, 레이저 절단 후의 절단면에서 산화층 등이 형성되고, 그 후, 강판 표면의 용융된 도금 금속층이 절단면 쪽으로 유동되어, 상기 산화층 등의 위에 코팅층이 형성된 것으로 추측된다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 예에 대응하는 시편 No.1~No.29 각각은, 도금 유입 길이율이 25% 이상이며, 코팅률이 10% 이상이며, 코팅층 아래에 산화층 등이 있었다. 시편 No.1~No.29 각각의 단면 녹 발생률은 모두 10% 이하이며 양호한 단면 내식성을 보였다. 또, 시편 No.1~No.29는 각각, 도금 금속층의 Zn함유율이 40% 이상이고, 한 면당 도금량이 20g/m² 이상이며, 산화층 등의 평균 두께가 0.1μm 이상이며, 강판의 판두께(mm)에 대한 상기 도금량(g/m²)의 비율이 1.3×10 이상이었다.

또한, 시편 No.1~No.29의 레이저 절단 방법은, 산소 가스, 질소 가스, 또는 이들의 혼합 가스를 포함하는 절단 가스와 함께, 보조 가스를 사용하였다. 보조 가스는, 시편 No.15는 아르곤 가스이고, 다른 시편에서는 산소 가스, 질소 가스, 또는 양자의 혼합 가스를 사용하였다. 보조 가스 노즐은 사이드 노즐(A) 또는 링 노즐(B)을 사용하였다. 레이저 절단은, 0.79~2.57 범위의 레이저 입열 지수(P/v×t×w)로 행해졌다.

한편, 표 5에 나타낸 비교예의 시편 No.30~No.45는, 표 4의 본 발명 예와 마찬가지로, Zn을 포함한 도금 금속층을 가진 표면 처리 강판을 사용한 것이다. 그들의 도금 유입 길이율은 25% 미만이고, 단면 녹 발생률이 10%를 넘어, 본 발명 예에 비해서는 내식성이 뒤떨어진다.

상기 비교예 중 시편 No.30~No.38은 보조 가스를 병용하지 않은 예이다. 시편 No.39~No.42는 보조 가스를 사용하고 0.79~2.57의 범위 밖의 레이저 입열 지수(P/v×t×w)로 행한 예이다. 시편 No.41은 레이저 입열 지수가 0.79 미만이어서 가열량 부족으로 절단이 불가능하였다. 시편 No.43은 보조 가스 유량이 20L/min 미만으로 적용된 것이다. 시편 No.44는 도금량/판두께의 비가 1.3×10 미만으로 적용된 것이다. 시편 No.45는, 산화층 또는 질화층이 생성되지 않도록 아르곤 가스를 절단 가스로서 적용한 것이다.

표 5에 나타낸 시편 No.46은 Zn을 함유하지 않는 도금 금속(Al-Si)을 이용한 비교예이며, 시편 No.47은 플라즈마 절단을 이용한 비교예이다. 이들은 모두, 단면 녹 발생률이 10%를 크게 초과하여 단면 내식성에 뒤떨어진다.

이상의 시험 결과에 의하면, 본 발명에 관한 특유의 사항을 갖춘 부재는 양호한 단면 내식성을 얻을 수 있는 것이 확인되었다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명에 의하면, 도금 강판의 도금을 제거하지 않고 레이저 절단 가공을 행할 수 있다. 본 발명에 의하면, 도금 강판을 레이저 절단할 때, 용융 및/또는 증발된 도금 강판의 상면의 도금층 함유 금속을 절단면으로 유동시켜 절단면을 코팅할 수 있다. 그러므로, 도금 강판의 레이저 절단 가공을 능률적으로 할 수 있고, 레이저 절단 가공 후에 절단면에 대하여 다시 방청 처리를 행할 필요가 없다.

Claims (35)

1. 강판 표면에 도금 금속이 피복된 표면 처리 강판을 소재로 하며, 광 에너지나 전기 에너지를 이용한 열 절단 방법에 의해 형성한 절단면을 가지며, 도금층 함유 금속이 용융하여 절단면으로 돌아 들어가고, 용융된 상기 금속이 응고됨으로써 절단면이 도금층 함유 금속에 의해 덮여 있는 것을 특징으로 하는 열 절단 가공 제품.
2. 청구항 1에 있어서,
   강판 표면에 도금 금속이 피복된 표면 처리 강판을 소재로 하고, 절단면으로 돌아 들어간 도금층 함유 금속이 절단면을 피복하는 면적이 절단면 면적의 10% 이상인 것, 또는 절단면으로 돌아 들어간 도금층 함유 금속의 최대 유입 거리가 판두께의 30% 이상인 것을 특징으로 하는 열 절단 가공 제품.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   강판 표면에 도금 금속이 피복된 도금층을 가진 표면 처리 강판을 소재로 하고, 절단면으로부터 수직 방향을 따라 도금층이 용융된 폭이 0.27mm~0.5mm인 열 절단 가공 제품.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   Al:1.0~22.0질량%를 포함하는 용융 Zn계 도금 강판을 소재로 하는 열 절단 가공 제품.
5. 청구항 4에 있어서,
   도금의 조성이, 질량%로, Mg:0.1~10.0%, Ti:0.10% 이하, B:0.05% 이하, Si:2% 이하의 군에서 선택된 1종 이상을 더 함유하는 것인 아연계 도금 강판을 소재로 한 열 절단 가공 제품.
6. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   용융 Al계 도금 강판을 소재로 한 열 절단 가공 제품.
7. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   응고된 도금층 함유 금속이 절단면에 유동선 형상으로 존재하는 것을 특징으로 하는 열 절단 가공 제품.
8. 강판 표면에 도금 금속이 피복된 표면 처리 강판으로서,
   광 에너지나 전기 에너지를 이용한 열 절단 방법에 의해 형성한 절단면을 가지며,
   절단면이 강판 표면의 상기 도금층 함유 금속으로 덮여 있으며,
   절단면으로부터 수직 방향을 따라 도금층의 얇은 부분의 폭이 0.27mm~0.5mm인 것을 특징으로 하는 표면 처리 강판.
9. 청구항 8에 있어서,
   강판 표면에 도금 금속이 피복된 표면 처리 강판으로서, 강판 표면의 상기 도금층 함유 금속이 절단면을 피복하는 면적은 절단면 면적의 10% 이상인 것, 또는 강판 표면의 상기 도금층 함유 금속은 표면 처리 강판의 표면 또는 이면으로부터 판두께의 30% 이상으로 절단면에 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 표면 처리 강판.
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