KR102446304B1 - 레이저 스폿 용접 방법 - Google Patents

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Abstract

레이저 스폿 용접 방법은, 레이저 빔을 이용하여 소재 이음부에 구멍을 형성하거나 또는 상기 소재 이음부를 절단하는 단계와, 상기 레이저 빔을 이용하여 용가재를 용융시켜 상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재를 충진시키는 단계를 포함한다.

Description

레이저 스폿 용접 방법{LASER SPOT WELDING METHOD}
본 발명은 레이저 스폿 용접에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 레이저 스폿 용접 방법에 관한 것이다.
철강을 비롯한 금속의 용접공정에는 저항 스폿 용접(Resistance Spot Welding), 아크용접(Arc Welding), 및 레이저 용접(Laser Welding) 등으로 나뉘어 질 수 있다. 자동차 산업에서는 상기의 용접공정 대부분이 적용되고 있으며, 그 중에서도 저항 스폿 용접 공정이 가장 많고, 최근에는 레이저 용접이 증가하는 추세이다.
자동차 산업에서는 차체의 경량화를 위해서 일반강의 적용 비율이 감소하고 있고 고강도강(High Strength Steel) 및 인성과 강도가 동시에 높은 고장력강(Advanced High Strength Steel)의 적용 비율이 높아지고 있다. 이러한 신 강종의 적용으로 강판의 두께가 얇아져 경량화 실현과 동시에 부품의 강건성 확보에 많은 노력을 기울이고 있다. 또한 부품의 이음부 설계에 있어서도 기존의 2매 용접보다는 3매용접 등이 요구되고 있다.
하지만, 기존의 용접공정으로는 신 강종 용접부의 이음부 품질 보증이 어렵다. 그 이유로는 첫째로 이강종, 이두께의 3매의 전기저항 용접에서 발열량의 차이로 건전한 용접부 형성이 어렵다. 둘째로는 고강도, 고장력 강재의 용접부 인성이 모재 강도보다 대체적으로 저하되는 경향이 있다. 셋째로는 용접부 내부에 균열 등 결함이 발생하기 쉽기 때문이다.
전기저항 용접에 있어서 강판의 두께가 다른 2매, 3매 용접 또는 강도가 다른 2매, 3매 용접에서 불량이 다수 발생한다. 그 이유로는 장치의 가압력에 의해 각각의 강판에 있어서 접촉 면적이 다르게 되어 접합 이음부의 전기저항값이 일정하게 나오지 않거나 또는 상하 전극에서 공급되는 전류 밀도의 차이가 발생하기 때문이다. 또한 도금 강판의 경우 도금층과 전극이 반응하여 전극의 선단부가 급격하게 마모가 되어 전극 수명이 단축되는 문제점이 있다.
기존의 레이저 용접에서 가장 큰 문제점은 소재의 강도가 높을수록 플랜지 용접(flange weld)에서 소재의 스프링 백(Spring Back) 현상으로 겹치는 이음부에서 갭(Gap)이 발생하고, 갭 간격이 0.2mm 이상이 되면 언더 필(Under Fill)이나 용락이 발생하여 건전한 용접 이음부 형성이 어렵다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 기술적 과제(목적)는, 기존의 전기저항 용접과 레이저 용접에서 문제가 되고 있는 결함 발생과 모재(base metal또는 parent metal) 강도 대비 접합부 강도 저하를 방지하고 더 높은 강도를 얻기 위해 레이저 빔(laser beam)과 용가재(Filler Wire) 를 적용한, 레이저 스폿 용접 방법(또는 레이저 스폿 용접 공정)을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결(달성)하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스폿 용접 방법은, 레이저 빔을 이용하여 소재 이음부에 구멍을 형성하거나 또는 상기 소재 이음부를 절단하는 단계와, 상기 레이저 빔을 이용하여 용가재를 용융시켜 상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재를 충진시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소재 이음부에 구멍을 형성하거나 또는 상기 소재 이음부를 절단하기 위한 상기 레이저 빔은 펄스 빔을 포함할 수 있다.
상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재를 충진시키기 위한 상기 레이저 빔은 연속 빔을 포함할 수 있다.
상기 소재 이음부는 금속 소재의 이음부를 포함할 수 있다.
상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재가 충진될 때, 상기 레이저 빔이 방사되는 축과 동축으로 분사되는 보조 가스의 압력을 감소시켜 충진되는 구멍 또는 절단부에 부드러운 용융지(Smooth melting pool)를 형성할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스폿 용접 방법은, 두께가 상이한 여러 겹의 강판이나, 강도가 다양한 여러 겹의 강판을 용접할 때 발생하는 여러 가지 결함들을 방지하고 이음부의 강도를 높일 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스폿 용접 방법을 설명하는 도면이다.
도 2 는 도 1에 도시된 레이저 빔의 형태를 설명하는 도면이다.
본 발명, 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 "전기적 또는 기계적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 1단계 가공 공정은 레이저 빔에 의해 겹쳐진 2매 또는 3매의 강판에 관한 드릴링(Drilling Process) 공정(또는 천공 공정)일 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 2단계 공정은 용가재(filler wire 또는 filler metal)를 동일한 레이저 빔으로 용융시켜 소재 내부에 천공된 구멍(Hole) 안으로 충진 및 용접 공정(Weldinf Process)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 광학 장치는 소재의 드릴링이 가능하도록 보조 가스(Assist Gas)를 레이저 빔이 방사되는 축과 동축으로 분사하는 구조를 가지고 있고, 금속 소재의 드릴링을 종료한 직후 용가재(Filler Wire)를 공급할 수 있다. 상기 1단계 공정인 1단계 드릴링 공정에서의 레이저 빔의 입열 조건과 상기 2단계 공정인 용가재(Filler Wire)의 용융 접합 공정에서의 입열 조건은 서로 다르게 해야 하므로, 각각의 공정에서 최적화된 레이저 빔 제어가 필요할 수 있다.
상기 1단계 공정인 드릴링 공정에 의해 도금층의 제거와 함께 용가재(Filler Wire)의 용융 금속이 공급될 수 있도록 이음부 공간이 확보될 수 있다. 플랜지 용접(flange weld)에서 발생하는 스프링 백(Spring Back) 현상으로 인한 갭 간격이 넓다 하더라도 상기 2단계 공정에 의해 그 공간을 충분히 충진시킬 수 있기 때문에 건전한 용접부 형성이 가능하다. 상기 2단계 공정에서 용가재(Filler Wire)를 용융시켜 충분한 접합 이음부를 형성할 수 있다. 이렇게 함으로써 기존의 전기저항 용접과 레이저 용접에서 발생하는 문제들을 해결할 수 있다.
본 발명의 실시예는 건전한 접합부를 형성하기 위해서 1단계(1 단계 공정)로 레이저 드릴링 공정(Drilling Process)과, 레이저 와이어 용융 접합 공정을 포함할 수 있다. 레이저 드릴링 공정이 필요한 이유는 기존의 전기저항 용접에서 발생하는 표면 전기 저항 값 차이에 의한 접합부 불량을 방지하고, 도금 강판의 경우, 도금층 때문에 발생하는 기공, 균열 결함 등을 원천적으로 제거하기 위함이다. 2단계(2 단계 공정)는 동일한 레이저 빔을 이용하여 용가재인 와이어를 용융시켜 구멍(Hole)을 충진하고 가공점 주변을 확대 용접하여 용접부의 체적을 증가시킬 수 있다. 이렇게 함으로써 전체적인 접합부 강도가 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스폿 용접 방법을 설명하는 도면이다. 도 2 는 도 1에 도시된 레이저 빔의 형태를 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 2매 또는 3매의 두께와 강도가 다른 금속 판재(금속 소재)가 레이저 빔에 의해 드릴링 가공(Drilling Process)될 수 있다. 금속의 드릴링 가공의 효율을 위해서 레이저 빔은 연속 빔(Continuous Wave) 보다는 펄스 빔(Pulse beam)이 더 유리할 수 있다. 보조가스(Assist Gas)는 불활성 가스인 Ar 또는 He 을 적용하여 최적의 기압으로 분사할 수 있다. 보조가스의 분사 방향은 레이저 빔과 동축일 수 있다. 겹쳐진 금속 소재의 드릴링 공정이 끝나는 시점에 레이저 광학 장치의 레이저 헤드의 측면에서 용가재(Filler Wire)가 적정의 공급 속도(Feeding Speed)로 구멍 내부로 공급이 되면서 레이저 빔에 의해 용융되어 충진될 수 있다. 이 때, 레이저 빔은 도2에 도시된 바와 같이 연속 빔으로 전환되고 보조가스의 압력을 낮게 하여 부드러운 용융지(Smooth melting pool)를 형성하도록 할 수 있다.
상기 레이저 스폿 용접 방법에 적용되는 레이저 광학 장치의 레이저 발진기는 CO2 레이저, YAG(yttrium aluminum garnet laser) 레이저, Disc 레이저, Fiber 레이저 등 금속의 절단에 사용되는 기체 레이저 또는 고체 레이저를 포함할 수 있다. 통상적인 레이저 빔 헤드 장치는 절단용 헤드와 용접용 헤드로 구분되나, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 스폿 용접 방법에 적용되는 레이저 광학 장치의 레이저 빔 헤드 장치는 통합된 헤드 장치를 포함할 수 있다. 레이저 스폿 용접 방법에 사용되는 레이저 파워의 범위는, 예를 들어, kW 급일 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)를 참고하면, 레이저 광학 장치에 의해 발생되어 집광 렌즈(1) 및 노즐(nozzle)을 통과한 레이저 빔(2)에 의해 소재 이음부에 구멍이 형성되거나 또는 상기 소재 이음부가 절단될 수 있다. 상기 소재 이음부는 적어도 2매가 겹쳐진 금속 소재들의 이음부를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 소재 이음부에 구멍을 형성하거나 또는 상기 소재 이음부를 절단하기 위한 상기 레이저 빔은 펄스 빔을 포함할 수 있다.
도 1의 (c)를 참고하면, 상기 레이저 빔에 의해 용가재(filler wire)가 용융되어 상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재가 충진(filling)될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재를 충진시키기 위한 상기 레이저 빔은 연속 빔을 포함할 수 있다.
상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재가 충진될 때, 상기 레이저 빔이 방사되는 축과 동축으로 분사되는 보조 가스의 압력을 기준값보다 낮게 하는 것에 의해 상기 충진되는 구멍 또는 절단부에 부드러운 용융지(Smooth melting pool)가 형성될 수 있다.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 집광 렌즈
2: 레이저 빔
3: 용가재(filler wire)

Claims (5)

  1. 레이저 스폿 용접 방법에 있어서,
    레이저 빔과, 상기 레이저 빔이 방사되는 축과 동축으로 분사하는 보조 가스를 이용하여 소재 이음부에 구멍을 형성하거나 또는 상기 소재 이음부를 절단하는 단계; 및
    상기 레이저 빔을 이용하여 용가재를 용융시켜 상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재를 충진시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 소재 이음부에 구멍을 형성하거나 또는 상기 소재 이음부를 절단하기 위한 상기 레이저 빔은 펄스 빔을 포함하는 레이저 스폿 용접 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재를 충진시키기 위한 상기 레이저 빔은 연속 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스폿 용접 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소재 이음부는 금속 소재의 이음부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스폿 용접 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소재 이음부에 형성된 구멍 또는 상기 소재 이음부의 절단부에 상기 용융된 용가재가 충진될 때, 상기 레이저 빔이 방사되는 축과 동축으로 분사되는 상기 보조 가스의 압력을 감소시켜 충진되는 구멍 또는 절단부에 부드러운 용융지(Smooth melting pool)를 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저 스폿 용접 방법.
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JP2006000924A (ja) * 2004-05-18 2006-01-05 Toyota Motor Corp 被覆鋼板の重ね溶融溶接方法
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