KR102184105B1

KR102184105B1 - 워크피스들을 함께 용접하는 방법 및 그 방법의 적용

Info

Publication number: KR102184105B1
Application number: KR1020190060182A
Authority: KR
Inventors: 마이클 크론탈러; 한스피터 메이어; 얀-프레드릭 클러크; 다니엘 스테우브리
Original assignee: 안드리츠 소우텍 아게
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-11-30
Also published as: US20190358735A1; KR20190133619A; US11389891B2; CN110524112A; EP3572178A1; EP3572179A1; JP2019202351A; ES2938272T3; JP6917409B2; CN110524112B; EP3572179B1

Abstract

본 발명은 시트 금속 특히 모터 차량 산업에서 차체의 맞대기 용접 방법으로, 임의의 소망하는 윤곽으로 된 적어도 2개의 평탄한 워크피스들(29, 30, 31)이 머시닝 공정으로 공급되는 용접 방법에 관한 것이다. 제1 서브-공정에서, 워크피스들(29, 30, 31)은 홀딩 수단(6)으로 고정되는 적어도 2개의 용접 에지들(33, 34) 사이에 갭(39)을 형성하게 제1 서브-공정에서 서로에 대해 위치한다. 다른 서브-공정에서, 갭(39)의 위치와 폭(D)은 서로 용접되기 바로 직전에 다른 서브-공정에서 연속적으로 측정되고 이들 측정값들이 레이저 용접 헤드(14)의 제어에 사용된다. 본 발명에 따르면, 레이저 용접 헤드(14)에 회전 가능한 트윈-스폿 렌즈 및 보조 스폿(9)에 대한 메인 스폿(8)의 상대 정렬이 용접 공정 중에 갭(39)의 절대 위치와 갭 폭(D)에 따라 제어되고, 레이저 용접 헤드(14)의 공정 렌즈(7)는 회전 각도 α(23)만큼 레이저 빔 축 주위를 회전한다.

Description

워크피스들을 함께 용접하는 방법 및 그 방법의 적용{METHOD FOR WELDING WORKPIECES TOGETHER AND ONE APPLICATION OF THE METHOD}

본 발명은 워크피스들 특히 자동차 산업에서 차체 제작에 사용되는 테일러드 용접 블랭크들을 맞대기 용접하는 방법에 관한 것이다.

적어도 2개의 평탄한 워크피스들이 서로에 대해 위치하고, 제1 서브-공정에서 함께 용접되는 두 에지들 사이에 최소의 갭이 형성되게 워크피스들이 고정된다. 다른 서브-공정에서, 이 갭의 위치와 폭은 서로 용접하기 전에 직접 연속적으로 측정된다. 그런 다음 이렇게 측정된 값들은 적어도 공급된 막대를 용접하고 측정치에 기초하여 렌즈 처리가 제어되는, 레이저 용접 장치를 제어하는 데에 사용된다.

가용 롤링 기술을 사용하여 제조될 수 있는 것보다 넓은 시트-금속 블랭크를 제조하기 위해 테일러드 블랭크(TB: Tailored Blank) 또는 테일러 용접 블랭크(TWB: Tailor Welded Blank)가 개발되었다. 현재, 제조업자들은 주로 스크랩을 덜 사용하면서 블랭크들이 등급이나 시트 두께가 다른 소재로 구성될 수 있다는 이점을 활용한다. 이는 미래에 국부적으로 발생되는 부하에 견디도록 후속 워크피스의 다양한 부분들을 채택할 수 있도록 한다. 그렇지 않으면 추가로 보강 부분들을 필요로 한다. 이러한 이점들은 중량과 제조 비용을 절감시킨다. TWB는 자동차 산업에서 차체 제작에 널리 사용되며, 싱글 금속 시트로부터 용접된 파트들이 제작된다. 필요한 경우에는 시트 에지들을 준비한 후에 용접된 파트들이 제작된다. 두 개의 방법들 특히 레이저 용접을 위한 방법이 공지되어 있다. 제1 방법에서, 금속 시트들이 정확하게 자리를 잡고 그 위치에서 클램핑된 후 움직이는 용접 헤드에 의해 함께 용접된다. 다른 방법에서, 평행 트랙으로부터 오는 금속 시트들이 고정식 용접 툴에 공급되어 용접된다. 주로 최대 갭 폭이 0.3mm인 영역에서 처리하기 위해서, 이 두 방법들은 고정도의 기계적 정밀도를 요한다.

공정을 수행하기 위한 장치 및 방법이 특허 문헌 US5328083호에 기재되어 있다. 그러나 이 특허 문헌은 이음매의 주된 파트와 관련하여 용접 툴이 어떻게 정확하게 위치하는 지에 대해서는 설명하고 있지 않다. 블랭크에서의 부정확도와 이음매 위치의 시프트로 인해 용접 불량을 야기할 수 있다.

유럽 특허 문헌 EP 0450349호는 추가 재료가 부가되지 않으면서 레이저 빔을 사용하는 스트립 또는 시트의 연속 맞대기 용접 방법에 관한 것으로, -인접하는 에지들에 의해 형성되는 갭 폭에 따라- 스트립이 이동하는 방향에서 용접 포커스 바로 뒤의 용접 영역에서 용접되는 재료가 냉각된다. 이 문헌은 또한 고정식 레이저 빔으로 시트 또는 스트립을 연속적으로 맞대기 용접하는 장치를 제안한다. 이 장치는 교정기 롤들이 이동 방향에 대해 서로 용접되는 스트립의 양 측 위에 쌍으로 수직으로 배치되어 있으며, 스트립이 인접하는 영역에 최소의 갭을 형성하고, 인접하는 에지들을 함께 용접할 때 고정식 레이저 빔이 충돌한다.

유럽 특허 명세서 EP 0817698 B1호에, 금속 플레이트를 연속적으로 맞대기-이음 용접하기 위한 방법으로, 금속 플레이트들의 상대 위치 이에 따라 이음매의 정밀도가 특정 공차 범위 내에서 유지되는 용접 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 의도적으로 서로 용접되는 금속 플레이트들을 기계적으로 정밀하게 정렬시키지 않고, 그 대신에 갭 폭과 위치를 연속적으로 결정하기 위한 센서 장치를 사용하여 레이저 툴이 2개의 인접하는 금속 플레이트들의 경로를 따라가도록 함으로써 용접을 수행한다. 이후로, 용접 공정을 위해 필요한 냉각 성능(가스, 물)과 용접 빔의 성능을 영구적으로 조절하는 데에 제어 루프가 사용될 수 있다. 이러한 종류의 시스템은 더 많은 유지보수가 필요하다.

산업용 제조 기술에서, 기술적으로 많은 이점들로 인해 레이저가 더더욱 중요해지고 있다. 이러한 이점들은 주로 제한된 시간 동안, 제한된 영역에서 워크피스에 목표로 하는 에너지를 적용하여 높은 가공 속도를 얻을 수 있는 것으로부터 유래된다. 경량 차체 제조는 레이저 용접의 제조 엔지니어링 측면에서 상당한 잠재력을 가지고 있다.

갭 상황이 워크피스로부터 워크피스까지 변할 수 있는 시나리오가 레이저 용접에서 도전적인 업무가 된다. 여기서 갭 상황은 A-형, V-형, 평행 및 제로 갭 또는 이들의 혼합된 조합일 수 있다. 갭 치수가 크면 갭을 통해 흡수된 레이저 에너지 손실이 발생한다. 모노포커스의 초점을 흐리게 함으로써 이러한 손실을 어느 정도 감소시킬 수 있다. 그러나 이러한 불가피성은 레이저 빔의 최대 강도를 감소시킨다. 루트 침투 능력 즉 용접 공정 중에 금속 증기 모세관에 의한 워크피스를 완전히 침투하는 것은 기술적인 제로-갭에서 감소된다. 이는 용접 속도를 낮추거나 레이저 출력을 높임으로써 어느 정도 보상될 수 있다. 요약하면, 갭 브리징 능력과 루트 침투 사이의 적용에서 텐션 영역이 형성되는 것이 사실이다. 생산성을 최적으로 하기 위해, 레이저 빔 소스들은 레이저 출력을 제한하는 디자인으로 작동한다. 많은 플랜트 컨셉에서는 반응 시간으로 인해 용접 작업 중에 용접 속도를 변화시킬 수 없다. 이는 일반적으로 생산성을 떨어뜨리게 된다.

현재 자동차 산업에서, 도어 링들은 테일러드 용접 블랭크(TWB)로 제작된다. 이러한 도어 링들은 일반적으로 8개의 개별 파트들로 구성되어 있지만, 더 많은 수량의 파트들로 구성되는 것도 상정할 수 있다. 개별 파트들의 시트 두께는 변할 수 있다. 개별 파트들에 대한 형상과 제조 공차로 인해, 통상적으로 적어도 최종 파트의 용접부들 중 하나에서 링이 폐쇄되어 있기 때문에 바람직하지 않은 갭이 형성된다. 후속하여, 도어 링에 따라 갭 상황이 다를 수 있고, 다양한 종류의 갭 상황이 발생할 수 있으며, 이는 효율적인 제조를 더욱 복잡하게 한다. V-형 용접부를 능숙하게 처리하는 것이 여기서 가장 큰 도전이 된다.

용접 품질이 불량하다는 것은 도어 링 충돌 테스트에서 용접부에 바람직하지 않은 크랙이 발생할 수 있다는 것을 의미한다. 안전성의 문제로 인해, 이러한 위험은 도어 링 제조에서 용납될 수 없다.

현재, 플럭스-코어 와이어를 부가하여 최대 0.3mm의 가변형 갭을 폐쇄시키기 위한 3가지 방법이 공지되어 있다.

지금까지 넓은 용접 갭을 처리하는 문제를 해결하기 위한 많은 접근방안들이 추구되었다. 예를 들면, 모노포커스를 구비하는 스캔 트래커의 사상은 포커스 직경이 작고(0.2mm 내지 0.3mm) 강도가 센 레이저 빔을 용접 구역을 90도로 가로지르며 진동시키는 사상을 추구한다. 진폭 및 레이저 출력은 갭 폭에 따라 달라진다. 그러나 용접 블랭크들에 대해 시장에서 가용 시스템 기술의 시도는, 달성 가능한 주파수로 인해, 진동 동작의 주기 길이는 약 10 m/분의 높은 용접 속도에서는 재용융 재료를 충분히 커버할 수 없다는 것을 보여주고 있다. 용인 가능한 용접 이음매를 생성하기 위해서는, 용접 속도가 상당히 감소되어야 하며, 이는 갭이 있던지 없는 지에 관계없이 생산성을 떨어뜨리게 된다.

적어도 3개의 모노포커스를 구비하는 삼중초점 레이저의 사상은 생산성을 떨어뜨리지 않고 빔 형성 및 이에 따라 큰 갭을 충전하여 갭 폭에 따라 2개의 파이버-커플링 된 레이저 빔 소스들을 통해 강도 분포를 수정하는 접근 방안을 추구한다. 직경이 작은 스폿이 전방에 사용되고 직경이 큰 스폿이 후방에 사용도는 2개의 스폿이 사용된다. 스폿들의 기하학적 배치는 변경될 수 없으며 적용의 한 영역에 대해서만 적당하다. 개별 레이저 소스들의 출력을 통해 변경이 이루어진다. 그러나 실제 사용 시에 작은 스폿들의 강도는 이들이 용접 재료에 어떠한 원치 않는 노치들이 발생하지 않는 것을 보증할 수 있을 정도로 충분히 감소될 수 없다. 형상의 일관성으로 인해, 이 개념은 생산 공정에서 가변의 갭 폭을 기초로 채용하는 데에 있어서 매우 작은 마진을 허용할 뿐이다.

특허 문헌 DE 101 13 471 B4호는 통상의 용접 공정이 레이저와 조합되어 있는 레이저 하이브리드 용접 방법을 개시하고 있다. 2개의 레이저 초점이 생성된다. 본 발명에 따르면, 두 초점들 사이의 간격은 용접 공정의 각 파라미터의 측정값 특히 용접 속도와 용접 품질에 기초하여 지속적으로 변한다.

테일러드 블랭크를 용접할 때, 현재 이용할 수 있는 기술을 사용하여 필러 금속으로 초대 0.3mm의 가변 갭을 용접할 수 있다. 추가의 재료(필러 막대) 및 높은 용접 품질로 동적으로 최대 약 1mm의 가변형 갭을 폐쇄하는 것은 도전이다.

테일러드 블랭크를 용접하는 공정에서 중요한 기준은 한편으로는 전반적인 플랜트의 수율 즉 용인 가능한 불량율로 시간 당 얼마나 많은 파트들을 생산할 수 있는 지와, 다른 한편으로는 전반적인 기계가공 공정의 품질 및 용접된 블랭크의 소망하는 품질 모두를 보증하는 데에 필요한 수고이다.

전술한 해법들 및 공정들의 단점은 용접 이음매를 냉각시키고, 공정을 위해 안전한 방식으로 플레이트들을 파지하고, 플랜트에서 용접 연기 및 스패터를 방출시키며 전반적인 플랜트의 성능 이에 따라 생산성을 위해 상당한 기술적 노력이 필요하다는 것이다. 일반적으로, 이러한 플랜트에서는 용접 렌즈들이 이동할 수 있고 용접 대상 블랭크들은 정지되게 설계되거나, 용접 공정 중에 용접 재료가 연속적으로 공급되고 용접 렌즈는 고정되어 있다. 추가되는 단점은 컨베이어 벨트를 적재하고 하적하는 데에 실질적인 노력이 필요하다는 것이다.

이에 따라 본 발명의 목적은 전술한 단점들이 없는 방법을 개시하는 과제에 기초한다.

이러한 과제는 청구항 제1항에 기재되어 있는 특징들에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 레이저 용접 장치는 하나의 메인 스폿과 하나의 보조 스폿을 포함하는 회전 가능한 트윈-스폿 렌즈를 구비하는 레이저로 설계된다. 용접 공정 중에, 메인 스폿과 보조 스폿의 서로에 대한 상대적인 정렬은, 갭의 절대 위치와 갭 폭에 따라 레이저 용접 장치의 공정 렌즈를 회전 각도 α로 레이저 빔 주위로 회전시켜 제어된다.

이러한 구조를 사용하면, 단순히 공정 렌즈들을 회전시킴으로써 레이저 스폿들의 위치가 용접 갭과 관련하여 변경될 수 있으며, 다양한 갭 폭에 적합하게 변경될 수 있다. 놀랍게도, 이 시스템은 갭 폭이 0.2mm보다 큰 갭에 특히 유효하며, 공정 렌즈들을 0.2mm보다 작은 갭 폭에서 회전시킬 필요가 절대로 없다는 점에 주목해야 한다. 이에 따라, 메인 스폿과 보조 스폿의 상대 정렬이 갭 폭이 0.2mm보다 큰 경우에 제어된다면 유리하다. 갭 폭이 0.2mm 미만인 경우, 메인 스폿은 용접 방향에서 보았을 때 전방에 있을 수 있고, 보조 스폿은 후방에 있을 수 있으며, 두 스폿들 중심 사이의 연결 라인은 용접 방향과 평행하게 연장한다. 이는 회전 각도 α가 0도인 것과 동일하다.

갭 폭 및 갭 위치뿐 아니라 갭 에지들의 형상이 결정되거나 측정되고, 메인 스폿과 보조 스폿의 서로에 대한 상대 정렬이 용접 공정 중에 에지들의 형상에 따라서도 제어되면 또한 유리하다. 다양한 에지 또는 갭 형상들이 예시적으로 도 4에 도시되어 있다. 결정된 갭 에지들의 형상이 레이저 출력을 제어하는 데에 사용되어도 유리하다.

워크피스들의 운송 방향과 직교하는 방향으로 레이저 스폿들의 추가의 오프셋(Y-오프셋)이 에지들의 형상(둥근모양, 예리한 모양, 버(burr)가 있는 모양)에 따라 용접 결과에 긍정적인 효과를 줄 수 있다. 이는, 메인 스폿과 보조 스폿 사이의 중앙점이 항상 갭 중앙에 있지 않아도 최적의 용접 결과를 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 중앙점이 갭 중앙에 대해 어느 정도의 오프셋 양을 구비하는 경우도 상정할 수 있다. 따라서 두 스폿들 사이의 중앙점이 갭 중앙과 관련하여 오프셋 되도록 공정 렌즈가 워크피스 운송 방향과 직교하는 방향으로 이동한다면 유리하다. 두 스폿들 사이의 간격이 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 용접 방향에서 보았을 때 후방에서 보조 스폿이 메인 스폿 주위를 회전할 수 있다.

그러나 두 레이저 스폿이 단일 유닛으로 주위를 회전하는 회전축이 메인 스폿과 보조 스폿 사이 그리고 후방 스폿 위에 각각 놓이는 것도 상정할 수 있다.

　공정 렌즈가 서로 용접되는 워크피스들과 관련하여 바람직하게는 (워크피스들 평면 위에서) 워크피스들의 운송 방향과 직교하는 방향으로 회전할 수 있는 것이 바람직하다. 서로 접합되는 워크피스들과 공정 렌즈 사이의 상대 속도는 여기서의 용접 속도(V_MatFlow)와 동일하다.

용접 속도(V_MatFlow)는 용접 공정 중에 일정할 수 있지만, 갭 폭, 플레이트 두께 또는 플레이트 에지 품질에 따라 제어될 수도 있다.

이와 동일한 사항이 용접 공정 중에 레이저 출력에 대해서도 적용된다.

레이저 출력은 트윈-스폿 렌즈의 위치에 따라 제어될 수도 있다.

본 발명에 따른 이 방법으로 테일러드 용접 블랭크(TWB) 파트 특히 자동차의 도어 링을 산업적으로 효율적이면서도 신뢰성 있게 제작할 수 있게 된다. 여기서, 블랭크들이 컨베이어 벨트 아래에서 작용하는 자기력으로 벨트 위에 고정되어서 머신이 위로부터 블랭크에 접근할 수 있다. 본 발명은 생산성을 낮추지 않으면서 TWB 배열의 워크피스들을 신뢰성 있게 접합할 수 있게 하며, 이에 따라 종래 기술에 비해 갭 폭과 재료의 에지 품질 측면에서 공정 윈도우를 확장시킬 수 있다. 특히 제안된 해법은 V-형 갭 상황을 신뢰성 있게 폐쇄시키는 큰 도전을 숙달할 수 있게 한다. 공정 윈도우(process window)의 확장으로 인해, 전반적인 불량률이 감소되고, 이에 따라 생산성이 전반적으로 상당히 증대된다. 또한, 용접 품질이 개선될 수 있다.

블랭크들이 긴 운송 거리에 걸쳐 처리를 위해 신뢰성 있게 고정될 수 있기 때문에, 유럽 특허 문헌 EP 3038789 A1호에 기재되어 있는 바와 같이 가동형 또는 "플라잉"(flying) 렌즈가 사용될 수 있다. 이는 통상적인 개념을 사용하는 다른 기계들에 비해 본 기계의 용량이 최대 20%까지 증가될 수 있음을 의미한다. 이하에서, 자성 유지 원리는 서로 용접되는 블랭크들 사이에 생길 수 있는 최소의 갭을 유지하는 데에 긍정적인 효과를 미치며, 이는 용접 이음매의 품질이 더 나아질 수 있다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 플랜트의 개략적인 단면도이다.
도 2는 레이저 용접 헤드의 개략도이다.
도 3은 하나의 적용분야에서 나타나는 갭 문제가 있는 워크피스들의 개략도이다.
도 4는 2개의 워크피스들 사이에 존재할 수 있는 갭 형상들의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 플랜트에서 2개의 워크피스들이 장전되어 있는 컨베이어 벨트의 제1 평면도에 대한 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 플랜트에서 2개의 워크피스들이 장전되어 있는 컨베이어 벨트의 제2 평면도에 대한 개략도이다.
도 7은 트윈 스폿의 뷰가 xy 평면에서 yz 평면으로 선회한, 도 5에 따른 2개의 워크피스들의 A-A에서의 제1 단면도이다.
도 8은 트윈 스폿의 뷰가 xy 평면에서 yz 평면으로 선회한, 도 6에 따른 2개의 워크피스들의 A'-A'에서의 제2 단면도이다.
도 9는 트윈 스폿의 뷰가 xy 평면에서 yz 평면으로 선회한, 도 6에 따른 2개의 워크피스들의 A'-A'에서의 제3 단면도이다.

이하에서 예시적인 실시형태들과 도면들을 기초로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1의 단면도는 무한 컨베이어 벨트(19)를 구비하는 자성 체인 컨베이어(5)를 도시하고 있다. 컨베이어 벨트는 구동 피니언(1)에 의해 재료 유동 방향(MF)으로 이동할 수 있으며, 컨베이어 벨트에는 공급 장치(2)에 의해 자화 가능한 워크피스들(30, 31)이 적재되어 있다. 이들 워크피스는 자성 홀딩 수단(6)에 의해 컨베이어 벨트(19) 위에 매우 견고하게 유지되어 있다. 에지 검출 시스템(13)은 워크피스들(30, 31) 사이의 공간(갭)과 워크피스들(30, 31)의 에지 형상을 정확하게 결정할 수 있도록 한다. 단면에 수직인 x 및 y 방향을 이동할 수 있고 컨베이어 벨트(19) 상에서 재료 유동 방향(MF)으로 이동하는 도 5에 따른 용접 헤드(14)에 의해 워크피스들(30, 31)이 함께 용접된다. 용접된 워크피스들(32)은 품질 관리 시스템(15)에 의해 검사되며, 추가 공정 수단(20)이 적용된다. 워크피스를 준비하기 위해 용접 전에 코팅 제거 공정이 선행될 수 있다. 이 코팅 제거 공정은 선행 공정 단계에서 수행될 수 있고, 별도의 코팅 제거 플랜트(21)(삭마 설비)에서 사전에 수행될 수도 있다.

도 2는 공정 렌즈(7)를 구비하는 레이저 용접 헤드(14)의 개략도이다. 레이저 용접 헤드는 이중 초점을 구비하는 레이저로 설계되며, z축과 평행한 축 또는 z축과 예각을 이루는 축 주위를 회전시키기 위한 로터리 렌즈 구동장치(17)가 제공되어 있다. 초점은 초점 액슬 구동장치(10)에 의해 z 방향으로 용접 평면과 수직으로 이동된다. 레이저 축은 레이저 축 교정 구동장치(18)에 의해 교정된다. 용접 공정에서 추가로 필요한 양의 필러 막대는 추가의 필러 막대 공급장치(11)를 통해 추가의 필러 막대 구동장치(12)로 추가의 필러 막대 속도로 공급된다. 또한, 용접 품질을 개선하기 위해 적당한 공정 가스로 공정 존을 채울 수 있다. 마지막으로, 흡인 시스템(16)이 용접 공정 중에 수집된 오염물과 용접 입자들을 제거한다.

도 3은 도어 링(36)의 개별 워크피스(29)들을 배치할 때에 나타나는 갭 문제를 개략적으로 보여주고 있다. 개별 워크피스(29)들에는 생산 공정에 의한 최소의 각도 에러가 있다. 이와 같이 작은 각도 에러로 인해, 도어 링(36) 내 모든 곳에 예를 들면, 선형 오정렬(38), 2개의 개별 워크피스(29)들 사이의 폐쇄된 갭 또는 갭(39)에서의 각도 에러(37)와 같은 다른 결함들이 야기된다.

도 4는 판 두께가 T1 및 T2인 2개의 워크피스들(30, 31) 사이에 나타날 수 있는 갭 형상(39) 특히 제로 갭(40), 개방 갭(41), 폐쇄 갭(42), 평행한 갭(43), 벨리 갭(44) 및 웨이스트 갭(45)을 개략적으로 도시한다. 다른 형상의 갭 및 여러 형상들이 혼합된 형상들도 나타날 수 있다. 이 에지 형상은 측정될 수 있으며, 메인 스폿과 보조 스폿의 서로에 대한 상대적인 정렬 또는 용접 방향과의 관계에 대한 측정 신호가 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 플랜트에서 용접 평면 xy 위에 2개의 워크피스들(30, 31)들이 적재되어 있는 컨베이어 벨트의 개략적인 평면도이다. 용접 에지들(33, 34) 사이의 갭 폭이 D인 갭(39)이 용접 공정에 의해 폐쇄되어 있다. 이 공정은 용접 방향 SR에서 전방에 메인 스폿(8)이 용접 방향 SR에서 후방에 보조 스폿(9)이 있는 트윈-스폿 렌즈 레이저로 용접 속도 v_MatFlow로 가공된다. 여기서, 2개 스폿들(8, 9)의 정렬은 갭 형상에 따른 현재 용접 상황에 따라 조절된다. 여기서 (스폿들 중앙에서 보았을 때) 메인 스폿(8)과 보조 스폿(9) 사이의 중앙점은 갭 센터라인이 아니고 방향 y로 오프셋 되어 있다. 이 측 방향 오프셋(y 오프셋)은 예를 들면 두 용접 에지들의 형상이 다른 경우에는 유용하다.

다른 한편으로, 도 6은 본 발명에 따른 플랜트에서 용접 평면 xy 위에 2개의 워크피스들(30, 31)들이 적재되어 있는 컨베이어 벨트의 개략적인 평면도로, 여기서 2개의 트윈 스폿들-메인 스폿(8) 및 보조 스폿(9)-이 갭 폭 D에 따라 용접 평면 xy와 직교하는 z축 주위를 회전 각도 α(23)만큼 회전되어 있다.

도 5에 따른 제1 단면 A-A에서, 도 7은 xy 용접 평면에서 이동 가능한 트윈 스폿들-메인 스폿(8) 및 보조 스폿(9)과 함께 2개의 워크피스들(30, 31)을 도시하고 있으며, 여기서 트윈 스폿들(8, 9)의 뷰는 xy 평면에서 yz 평면으로 움직이고 있다. 2개의 워크피스들(30, 31) 사이의 폐쇄 갭(42)이 일 예시로 도시되어 있으며, 여기서 용접 에지들(33, 34)은 워크피스들(30, 31)의 상단부에서 접촉하고 있다. 회전 각도 α(23)는 제로이고, y 오프셋은 0.0mm이다.

도 6에 따른 제2 단면 A'-A'에서, 도 8은 xy 용접 평면에서 이동 가능한 트윈 스폿들-메인 스폿(8) 및 보조 스폿(9)과 함께 2개의 워크피스들(30, 31)을 도시하고 있으며, 여기서 트윈 스폿들(8, 9)의 뷰는 xy 평면에서 yz 평면으로 움직이고 있다. 2개의 워크피스들(30, 31) 사이의 폐쇄 갭(42)이 일 예시로 도시되어 있으며, 여기서 용접 에지들(33, 34) 사이의 공간은 워크피스들(30, 31)의 상단부에서 D이다. 회전 각도 α(23)는 약 20도이고, y 오프셋(22)은 0.0mm이다. 이렇게 갭 에지들 형상이 결정되어 트윈 스폿 렌즈들을 제어하는 데에 사용된다.

도 6에 따른 제3 단면 A'-A'에서, 도 9는 xy 용접 평면에서 이동 가능한 트윈 스폿들-메인 스폿(8) 및 보조 스폿(9)과 함께 2개의 워크피스들(30, 31)을 도시하고 있으며, 여기서 트윈 스폿들(8, 9)의 뷰는 xy 평면에서 yz 평면으로 움직이고 있다. 2개의 워크피스들(30, 31) 사이의 폐쇄 갭(42)이 일 예시로 도시되어 있다. 용접 에지들(33, 34) 사이의 공간은 워크피스들(30, 31)의 상단부에서 D이다. 회전 각도 α(23)는 약 40도이고, y 오프셋(22)은 대략 0.1mm이다.

1　　　　　　구동 피니언(Drive pinion)
2　　　　　　공급 장치(Feed device)
5　　　　　　자성 체인 컨베이어(Magnetic chain conveyor)
6　　　　　　홀딩 수단(Holding means)
7　　　　　　공정 렌즈(Processing lens)
8　　　　　　메인 스폿(Main spot)
9　　　　　　보조 스폿(Auxiliary spot)
10　　　　　초점 액슬 구동장치(Focus axle drive)
11　　　　　추가 필러 막대 공급(Additional filler rod feed)
12　　　　　추가 필러 막대 구동장치(Additional filler rod drive)
13　　　　　에지 검출 시스템(edge detection system)
14　　　　　레이저 용접 헤드(Laser welding head)
15　　　　　품질 보증 시스템(Quality assurance system)
16　　　　　흡인 시스템(Suction system)
17　　　　　로터리 렌즈 구동장치(Rotary lens drive)
18　　　　　레이저 축 교정 구동장치(Laser axis correction drive)
19　　　　　컨베이어 벨트(Conveyor belt)
20　　　　　추가 공정 수단(Means of further processing)
21　　　　　코팅 제거 플랜트(Coating removal plant)
22　　　　　Y 오프셋(Y offset)
23　　　　　회전 각도 α(Angle of rotation α)
29　　　　　개별 워크피스(Individual workpiece)
30　　　　　워크피스 A(Workpiece A)
31　　　　　워크피스 B(Workpiece B)
32　　　　　용접된 워크피스(Welded workpiece)
33, 34　용접 에지(Welding edges)
36　　　　　도어 링(Door ring)
37　　　　　각도 에러(Angle error)
38　　　　　에지 오프셋(Edge offset)
39　　　　　갭(Gap)
40　　　　　제로 갭(Zero gap)
41　　　　　개방 갭(Opening gap)
42　　　　　폐쇄 갭(Closing gap)
43　　　　　평행 갭(Parallel gap)
44　　　　　벨리 갭(Belly gap)
45　　　　　웨이스트 갭(Waist gap)
D　　　　　　갭 폭(gap width)
T1, T2　판 두께(Plate thickness)
MF　　　　　재료 유동 방향(Material flow direction)
xy　　　　　용접 평면(Welding plane)
x　　　　　　용접 방향 SR(Welding direction SR)
y　　　　　　용접 방향과 직교하는 방향
z　　　　　　용접 평면과 직교하는 방향
V_MatFlow　재료 유동 방향으로의 용접 속도(Welding speed in material 　　　　　　　　　　　　　flow direction)

Claims

시트 금속의 맞대기 용접 방법으로, 임의의 윤곽으로 된 적어도 2개의 평탄한 워크피스들(29, 30, 31)이 머시닝 공정으로 공급되고, 워크피스들(29, 30, 31)은 서로 용접되어 홀딩 수단(6)으로 고정되는 적어도 2개의 용접 에지들(33, 34) 사이에 갭(39)을 형성하게 제1 서브-공정에서 서로에 대해 위치하고, 갭(39)의 위치와 폭(D)은 서로 용접되기 바로 직전에 다른 서브-공정에서 연속적으로 측정되고 이들 측정값들이 레이저 용접 헤드(14)의 제어에 사용되며, 적어도 용접 막대 공급장치(11) 및 공정 렌즈(7)가 갭(39)의 측정된 위치와 폭(D)에 의해 제어되는, 시트 금속 맞대기 용접 방법에 있어서,
레이저 용접 헤드(14)에 회전 가능한 트윈-스폿 렌즈 및 보조 스폿(9)에 대한 메인 스폿(8)의 상대 정렬이 용접 공정 중에 갭(39)의 절대 위치와 갭 폭(D)에 따라 제어되고, 레이저 용접 헤드(14)의 공정 렌즈(7)는 회전 각도 α(23)만큼 레이저 빔 축 주위를 회전하고, 메인 스폿(8) 및 보조 스폿(9)의 상대 정렬은 측정된 갭 폭이 0.2mm를 상회할 때부터 제어되며,
갭 에지들의 형상이 결정되고, 메인 스폿과 보조 스폿의 서로에 대한 상대 정렬은 용접 공정 중에 에지들의 형상에 따라서도 제어되는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
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제1항에 있어서,
용접 방향(SR)에서 보았을 때 후방에서 보조 스폿(9)이 메인 스폿(8) 주위를 회전하는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
2개의 레이저 스폿들(8, 9)이회전하는 회전축이 하나의 유닛으로 메인 스폿(8)과 보조 스폿(9) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
2개의 레이저 스폿들(8, 9)이 회전하는 회전축이 하나의 유닛으로 보조 스폿(9) 후방에 위치하는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
공정 렌즈(7)가 워크피스들(29, 30, 31)과 관련하여 이동할 수 있고, 함께 결합되는 워크피스들(29, 30, 31)과 공정 렌즈(7) 사이의 상대 속도는 용접 속도(V_MatFlow)와 동일한 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
용접 속도(V_MatFlow)가 용접 공정 중에 일정한 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
용접 속도(V_MatFlow)가 용접 공정 중에 변하고, 갭 폭(D)에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제9항에 있어서,
용접 속도(V_MatFlow)가 시트 두께(T1, T2)에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
용접 속도(V_MatFlow)가 시트 에지의 품질에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
레이저 출력이 용접 공정 중에 일정한 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
레이저 출력이 용접 공정 중에 변하고, 갭 폭(D), 시트 두께(T1, T2) 또는 시트 에지 품질 또는 트윈 스폿 렌즈의 위치에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
공정 렌즈(7)가 워크피스 평면 위에서 보았을 때 워크피스들(29, 30, 31)에 대해 컨베이어 벨트와 직교하는 일 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제14항에 있어서,
2개의 스폿들(8, 9) 사이의 중앙점이 갭의 중앙선에 놓이지 않도록, 공정 렌즈가 용접 에지들의 형상에 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
공정 렌즈(7)가 워크피스들(29, 30, 31)이 운송되는 방향과 평행한 일 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.
제1항에 있어서,
테일러드 블랭크들(29, 30, 31)로부터 도어 링(36)을 생산하기 위해 자동차 산업의 차체를 제조하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 시트 금속 맞대기 용접 방법.