KR20010053323A - 맞춤 블랭크를 레이저용접하는 방법 - Google Patents

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KR20010053323A
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민 챠오
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밥 비숍
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Abstract

본 발명은 산업공정에서 사용되는 레이저용접 장치의 방법에 관한 것으로, 이는 이음선을 따라 함께 블랭크 및 이와 유사한 것을 용접하는 레이저 에너지를 방사하도록 작동가능하고, 상기 방사된 레이저 에너지는 하나의 또는 둘 이상의 응집광원으로 된 다중 비임으로 이루어지는 한편, 상기 장치는 접합될 시트블랭크의 상대두께나, 접합될 소재의 맞댐부들 사이에 있는 틈새에 관련된 최대 용접효율을 성취하도록 이음선에 대해 다중 비임에 방위를 선택적으로 다시 위치시키게 되어 있다.

Description

맞춤 블랭크를 레이저용접하는 방법 {Method of laser welding tailored blanks}
근래에, 제조공정에서 다른 두께나 형상을 가진 둘 이상의 금속 시트블랭크를 함께 용접함으로써 마무리된 소재부품을 형성하여 맞춤 블랭크를 생산하는 것은 공지되어 있는 바, 이 맞춤 블랭크는 다른 치수나 표면코팅 또는 성질 등을 갖추어 재료비와 중량은 최소화되면서 최대 강도를 갖는 마무리된 소재를 성취할 수 있는 다양한 시트재료를 접합함으로써 이루어진다. 자동차 산업은 신생분야로서, 상기 맞춤 블랭크가 더욱 더 현저함을 얻을 수 있고, 이러한 블랭크는 다양한 자동차 부품과 차량 패널로 형성된다. 예컨대, 점용접에 의해 전략적으로 위치된 다수의 작은 강화부품을 병합시킨 자동차의 도어를 생산하는 데에 알려져 있다.
맞춤 블랭크의 종래기술은, 레이저를 이용하기 위해서는 접합되어질 부품용 블랭크의 선단이 거울처럼 매끄러운 마무리로 윤을 낸 선단으로 되면서 높은 허용오차로 미리 마무리되어야 한다는 단점을 갖고 있었다.
본 발명의 범주는 이음선(seam line)을 따라 둘 이상의 시트블랭크(sheet blank)를 함께 레이저용접하는 방법에 관한 것으로, 특히 이트륨 알루미늄 가닛 (YAG) 레이저로부터의 하나 또는 다중 비임(beam)을 사용하여 맞춤(tailored) 블랭크를 함께 맞대기용접시키는 것에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 복합소재를 형성하는 생산조립라인의 개략적인 평면도이고,
도 2는 도 1에 도시된 생산조립라인에 사용된 레이저용접헤드의 개략적인 측면도,
도 3은 시트블랭크를 용접하는 레이저의 이용을 나타낸, 생산조립라인에 도시된 레이저용접장치의 도 1의 3-3'선 단면도,
도 4는 Nd:YAG 레이저를 사용하는 이중 비임 레이저용접을 이행하기 위한 시험제작설비를 개략적으로 도시한 사시도,
도 5a는 렌즈거리에 대해 반경에 따른 초점의 변화를 나타낸 그래프,
도 5b는 레이저 출력의 변화에 대해 초점반경을 나타낸 그래프,
도 6은 도 4에 도시된 시험제작설비에 사용된 공정 및 용접매개변수를 나타낸 설명도,
도 7은 본 발명에 따른 방법에 사용된 이중 복합비임시험의 에너지 세기구배를 나타낸 그래프,
도 8a 및 도 8b는 레이저용접에서의 틈새와 오프셋의 영향을 나타낸 그래프,
도 9는 용접합격판정에 사용되는 용접함몰부를 개략적으로 도시한 도면,
도 10은 레이저용접에 의해 틈새충전의 이론적인 원리를 개략적으로 도시한 도면,
도 11은 시트블랭크의 두께에 대하여 접합부에서의 최대허용틈새를 나타낸 그래프,
도 12는 용접함몰부에 있는 틈새의 영향을 설명하는 샘플용접의 단면도,
도 13은 용접함몰부에 대하여 레이저 비임의 크기와 틈새의 효과를 나타낸 그래프,
도 14는 레이저용접공정의 에너지 분포를 개략적으로 나타낸 도면,
도 15는 소재상에서의 경사각 대 레이저 에너지의 흡수를 도시한 도면,
도 16은 소재의 두께와 점 직경의 비에 따라 계산된 결합율을 나타낸 그래프,
도 17은 용접속도와 소재의 두께 사이의 관계를 나타낸 그래프,
도 18은 레이저 출력의 표면흡수를 계산하는 데에 사용된 모델을 개략적으로 도시한 도면,
도 19는 표면흡수에서 오프셋과 틈새의 효과를 나타낸 그래프,
도 20은 오프셋과 틈새에 대한 용접속도의 효과를 나타낸 그래프,
도 21은 하나의 비임과 이중 비임 용접기술 사이의 용접속도차이를 나타낸 그래프,
도 22는 레이저용접함몰부상에서의 헤드각도의 효과를 설명하는 용접부의 단면도,
도 23은 변화하는 오프셋과 용접함몰부 사이의 관계를 나타낸 그래프,
도 24는 틈새와 함몰부 사이의 관계를 나타낸 그래프,
도 25는 헤드각도에 대한 최대허용틈새를 도시한 그래프,
도 26은 2 내지 1.5mm의 아연도금판에 300W로 0.3mm의 오프셋인 관계에서, 용접속도와 헤드각도 사이의 관계를 나타낸 그래프,
도 27은 표면흡수와 헤드각도를 설명하는 모델을 도시한 도면,
도 28은 헤드각도 대 계산된 표면흡수를 나타낸 그래프,
도 29는 용접속도에서 틈새의 폭의 영향을 나타낸 그래프,
도 30a 내지 도 30c는 용접함몰부에서의 오프셋의 효과를 나타낸 용접부의 단면사진,
도 31은 용접함몰부에서의 오프셋의 효과를 나타낸 그래프,
도 32는 2 내지 1.5mm의 아연도금판을 용접하는 6°의 헤드각도와 0.3mm의 오프셋인 이중 비임기술을 사용하는 용접함몰부에서 틈새의 효과를 나타낸 그래프,
도 33a 내지 도 33d는 올센(Olsen)시험에 의해 생성된 용접시편의 불량위치를 나타낸 사진,
도 34는 용접부의 크랙(crack)작용에서 오프셋과 틈새의 영향을 나타낸 그래프,
도 35는 유효비임크기를 증가시키는 이중 레이저 비임의 이용을 개략적으로 도시한 도면,
도 36은 용접속도에서 레이저 비임의 초점이 흐려진 효과를 나타낸 그래프,
도 37은 용접속도에서 이중 비임의 응집광원이 회전한 효과를 나타낸 그래프,
도 38a 및 도 38b는 비임직경에 대한 융해효율과 용접속도의 효과를 나타낸 그래프,
도 39는 레이저 비임의 초점선의 회전각에 대하여 샘플용접 프로파일의 단면도들,
도 40은 2.0 내지 1.5mm의 시트의 용접함몰부에서 비임회전의 영향을 나타낸 그래프,
도 41은 0.3mm의 오프셋과 더불어, 비임회전각과 용접함몰부의 관계를 나타낸 그래프,
도 42는 - 6°의 헤드각도와 0.3mm의 오프셋인 이중 비임 응집광원을 이용하는, 2 .0 내지 1.5mm의 아연도금판을 용접할 때, 함몰부 대 양각(陽角) 및 음각(陰角)인 비임회전각의 비교를 나타낸 그래프,
도 43은 최대허용틈새에서 비임회전각의 효과를 나타낸 그래프,
도 44는 이중 비임기술을 이용하는 자동용접공정에서 비임회전각과 용접속도 및 틈새의 효과를 나타낸 그래프,
도 45는 이중 레이저 비임기술을 사용할 때 틈새크기를 고려하는 오프셋 윈도우(offset window)를 나타낸 그래프,
도 46은 적당한 용접이 성취될 수 있는 오프셋 윈도우에서 헤드각도의 효과를 나타낸 그래프,
도 47은 접합되는 시트블랭크의 두께비와 오프셋 윈도우 사이의 관계를 나타낸 그래프,
도 48은 오프셋 윈도우에서 틈새크기의 변동의 효과를 나타낸 그래프,
도 49는 오프셋 윈도우에서 이중 비임 응집광원의 회전각의 효과를 나타낸 그래프,
도 50은 2.0 내지 0.75mm의 시트를 접합시키는 오프셋 윈도우에서 이중 비임 응집광원의 회전각의 효과를 나타낸 그래프,
도 51은 본 발명의 방법에 따라 생산된 표준형 맞춤 블랭크의 개략도,
도 52a 및 도 52b는 도 51에 도시된 표준형에 대한 하나의 비임 용접이음과 이중 비임 용접이음의 샘플의 단면도,
도 53은 본 발명에 따른 표준형에 처리된 용접부의 올센시험의 사진,
도 54는 캐딜락의 뒷문을 형성하는 데에 이용된 표준형 맞춤 블랭크와 본 발명에 따라 형성된 용접부의 단면을 도시한 도면,
도 55는 지프 체로키용 표준형 맞춤 블랭크를 도시한 개략도,
도 56 내지 도 58은 본 발명에 따르는 지프 체로키용 표준형 맞춤 블랭크를 형성하는 데에 성취된 용접접합부의 단면도,
도 59는 표준형 지프 체로키의 생산에서 생성된 용접접합부에 올센시험의 결과를 도시한 도면,
도 60은 본 발명에 따라 형성된 다양한 비선형 용접부를 도시한 도면이다.
1998년 2월 24일에 출원된 국제출원 제 PCT/CA98/00153호에는, 금속 시트블랭크와 함께 맞대기용접시키는 데에 이용될 수 있고, 다중 비임 레이저용접 장치를 병합시킨 향상된 장치를 게재하고 있는 바, 이 점에 있어서 상기 국제출원 제 PCT/ CA98/00153호는 예컨대 자동차 부품을 형성하는 데에 사용되는 맞춤 블랭크의 생산을 포함한 산업공정에 이용되는 용접장치에 관한 것이다. 이 장치는 둘 이상의 응집광원의 다중 비임을 이용하여 시트블랭크의 인접한 선단부를 함께 용접한다. 더구나, 그 기구는 이음선에 대해 응집광원의 방위를 선택적으로 위치되게 하여 시트블랭크들 사이에 존재하는 틈새에서 용접이 성취될 수 있도록 한다.
본 발명의 목적은 이음선에 대해 다중 비임의 선택적인 위치선정 또는 방위를 최적화하는 방법을 제공하여, 블랭크들 사이에서 이격된 틈새나, 이 블랭크들의 접합부의 상대적인 두께, 또는 함께 접합되어질 재료를 고려하는 블랭크들의 완전한 용접을 확보하는 것이다.
본 발명은 YAG 레이저의 이용과, 특히 가장 바람직한 응집광원으로 맞춤 블랭크를 용접하는 데에 사용되는 Nd:YAG 레이저의 이용을 기대한다. 하지만, CO2레이저를 포함한 다른 레이저도 본 발명에 따른 방법에 잠재적으로 유용할 것으로 기대된다. Nd:YAG 레이저와 CO2레이저 사이의 관련된 특징들의 비교가 표 1에 나타나 있다.
Nd:YAG 레이저와 CO2레이저의 특징들
CO2레이저 Nd:YAG 레이저
파장(㎛) 10.6 1.06
비임성질(mm mrad) 4-15 20-60
비임방출 금속성 거울 유리섬유
비임초점 금속성 거울 유리섬유
세기구배 가우스(Gaussian) 평정(flat top)
효율 약 10% 2-5%
편광 평면 또는 원형 없음
작동 지속파 또는 펄스 지속파 또는 펄스
작동소모 기체 : He, CO2, N2 크립톤 램프
전력 5000-6000* 3000-4000
(*맞춤 블랭크의 생산시 설치된 레이저의 전력)
Nd:YAG 레이저는 자동차 산업의 요구조건에 부합되는 용접속도로 만족스러운 성질로 다양한 강철시트상에 맞대기용접부를 형성할 수 있다. CO2레이저용접에 비하여, Nd:YAG 레이저가 틈새의 변화와 이음선단의 곧음 및 전단된 시트의 오프셋 (offset)을 접합하는 데에 더욱 우수하기 때문에 바람직한 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 방법이 단일한 레이저 비임기술로 이용될 수 있지만, 레이저 재료의 처리를 위한 이중 비임 또는 다중 비임기술의 이용은 보다 빠른 용접속도와, 우수한 성질의 성취가능성, 향상된 효율 및, 시스템과의 융통성을 위해 증가된 레이저 출력을 사용하는 장점을 갖게 된다. 이중 비임 또는 다른 삼중 이상의 비임기술이 다른 맞춤 블랭크를 용접하는 데에 도입된 두가지의 주요 목적은 많은 선단과 틈새 허용오차를 가진 접합부를 용접함으로써, 처리속도를 증가시키는 것과 처리특성을 확장시키는 데에 있다.
따라서, 본 발명의 한 양상은 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법에 있되, 이 복합 레이저는 제 1레이저 비임과 제 2레이저 비임을 포함하며, 각각의 제 1 및 제 2레이저 비임은 상기 블랭크의 부분쪽으로 초점이 집중되어 광중심을 가진 각 초점영역에서 용접되고, 상기 제 1 및 제 2레이저 비임의 광중심은 서로로부터 이격되어 있으면서 상기 복합비임의 초점선의 한 끝을 한정하며, 상기 복합비임의 유효직경(deff)은 용접방향과 이음선을 가로지르는 방향으로 제 1 및 제 2레이저 비임의 최대발산 (spread)에 의해 한정되는 한편, 상기 블랭크는,
(a) 용접되는 블랭크의 접합선단부들 사이에서 이격된 틈새를 결정하는 단계와;
(b)와여기서, g는 틈새의 간격이고, doff는 레이저 비임의 중심이 이음선으로부터 오프셋된 교차거리이며, h1은 얇은 제 1블랭크의 두께이고, h2는 다른 두꺼운 제 2블랭크의 두께인 식에 따라 대체로 상기 틈새를 메우도록 복합 레이저 비임의 유효직경을 조정하는 단계;
(c)여기서, df는 제 1레이저 비임의 초점거리이고, b는 광중심과 떨어진 거리인 식에 따라 대체로 이음선에 대해 복합비임의 초점선의 회전각(φ)을 변화시키는 한편, 상기 소재의 블랭크들을 함께 용접하도록 상기 블랭크의 인접한 부분들을 따라 레이저 비임을 이동시키는 단계;에 의해 접합된다.
본 발명의 다른 양상은 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 이용하는 방법에 있되, 상기 제 1소재는 제 2소재의 블랭크의 두께(h2)보다 작은 선택된 두께(h1)를 갖는 한편, 상기 장치는 이음선을 따라 블랭크를 용접하고서 대체로 선단부들 사이의 임의의 틈새를 메우도록 응집광원을 방사하는 레이저와, 상기 응집광원을 제어하는 제어기를 구비하되, 이 제어기는 용접동안 유효출력하에 응집광원을 유지하고, 상기 유효출력은
여기서, PF는 유효 레이저 출력을 나타내고, v는 용접속도, ρ는 블랭크재료의 밀도, csol와 cliq는 고체 및 액체인 블랭크재료의 비열, Tm은 융해온도, hm은 블랭크의 융해엔탈피 및, ΔT는 융해점 이상인 융해의 중간 과열온도를 나타내는 한편, S는 용접부의 단면적인 방정식을 대체로 따르되, 이 S는
여기서, rf는 이음선을 가로지르는 방향으로 이음선에서의 응집광원의 점의 반경이고, doff는 이음선으로부터 응집광원의 점의 중심까지의 교차오프셋이며, g는 선단부들 사이에 있는 틈새의 폭인 식을 대체로 따르게 된다.
다른 양상에서, 본 발명은 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법에 있되, 상기 제 1소재의 블랭크는 두께(h1)를 가지며, 상기 제 2소재의 블랭크는 이 두께(h1)와 같거나 보다 큰 선택된 두께(h2)를 갖는 한편, 상기 장치는 이음선을 따라 함께 블랭크들을 맞대기용접하는 레이저로서 응집광원을 방사하는 레이저를 구비하고, 상기 블랭크는,
(a) 상기 제 2블랭크의 선단부의 가까이에 제 1블랭크의 선단부를 위치시키는 단계와;
(b)여기서, rf는 이음선을 가로지르는 방향으로 응집광원의 반경이고, doff는 응집광원의 중심이 이음선으로부터 가로질러 오프셋된 거리인 식을 따라 상기 가까운 선단부들 사이에 있는 틈새의 간격(g)을 유지하는 동안 이 선단부들을 용접하도록 레이저를 작동시키는 단계;에 의해 접합된다.
본 발명의 추가적인 목적과 장점들은 첨부도면과 함께 주어진 다음 설명으로 명확해질 것이다.
도 1을 참조로 하는 바, 이는 2개의 복합 맞춤 블랭크인 소재(12a,12b)의 동시생산에 이용된 생산조립라인(10)을 도시하고 있다. 도시된 조립라인(10)에 의해, 로봇 진공승강기(18a,18b)는 각 공급더미로부터 쌍으로 된 금속 시트블랭크(14a, 16a,14b,16b)를 이동시키는 데에 이용되는데, 각 로봇(18a,18b)은 조립라인(10)을 따라 블랭크(14a,16a,14b,16b)와 마무리된 소재(12a,12b)를 이송하는 데에 이용되는 컨베이어열(20) 위로 각각 쌍으로 된 블랭크(14a,16a,14b,16b)를 이동시키도록 되어 있다. 상기 컨베이어열(20)은 화살표(28)의 길이방향으로 쌍으로 된 블랭크 (14a,16a,14b,16b)와 소재(12a,12b)를 이동시키도록 작동가능한 3세트의 연장된 다단식 자석 컨베이어(22,24,26)로 이루어진다. 각 컨베이어 세트(22,24,26)를 구성하는 다단식 자석 컨베이어는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 나머지 세트의 컨베이어와 서로에 대해 평행한 방위를 갖도록 배치되어 있는데, 다른 컨베이어의 형태도 가능하다.
제 1세트의 컨베이어(22)는 생산라인(10)에서 블랭크들(14a,16a,14b,16b)의 초기위치선정과, 제 2세트의 컨베이어(24)상에 위치된 블랭크들(14a,16a,14b,16b)의 이송에 이용된다.
컨베이어(24)는 블랭크들(14a,16a,14b,16b)의 가까운 선단부가 YAG 레이저 (36)에 의해 이음선을 따라 함께 용접되는 레이저용접부(32)의 일부로 구비된다. 따라서, 상기 컨베이어(24)는 용접되지 않은 블랭크들(14a,16a,14b,16b)을 용접위치로 이동시키는 데에 이용되고, 용접 후에 완성된 소재(12a,12b)를 제 3세트의 컨베이어(26)로 이송시킨다. 컨베이어(26)는 이로부터 출력더미로 소재(12a,12b)를 들어올리는 로봇 진공승강기(38a,38b)로 완성된 복합소재(12a,12b)를 이송하는 데에 이용된다.
도 1에 도시된 생산라인(10)은 하나의 레이저(36)에 의해 2개의 완성된 소재 (12a,12b)의 동시제조를 위해 형성되었다. 도 1 내지 도 3에 아주 잘 도시된 바와 같이, 상기 YAG 레이저(36)는 2개의 응집광원 또는 레이저 비임을 발생시키는 데에 이용되는 응집광원 발생기(40)와, 이동가능한 레이저 헤드조립체(42:도 2 참조) 및, 상기 발생기(40)와 레이저 헤드조립체(42)를 광학적으로 연결시키는 광학섬유 커플링(44:도 1 및 도 3 참조)을 구비한다. 이 광학섬유 커플링(44)은 2개의 광학섬유 케이블(도시되지 않음)의 묶음으로 이루어진다. 따라서, 상기 발생기(40)에서 발생된 2개의 응집광원의 에너지는 각 광학섬유 케이블을 매개로 레이저 헤드조립체(42)로 나아간다.
도 2는 상기 레이저 헤드조립체(42)를 도시하는 바, 이는 레이저 에너지가 방사되는 광방사 레이저 헤드(46)를 구비하고 있다. 전술된 바와 같이, 레이저 에너지는 2개의 응집광원으로 이루어진 복합비임으로 구성된다. 또한, 상기 조립체 (42)는 레이저 헤드(46)를 회전가능하게 장착한 지지부(48)와, 이 지지부(48)에서 레이저 헤드(46)를 회전시키는 데에 이용되는 구동모터(52)를 구비하고 있다. 레이저 헤드조립체(42)는 접합될 각 쌍의 시트블랭크(14a,16a,14b,16b)의 가까운 선단부들 사이의 간격을 감지하면서 마이크로프로세서로 제어되는 이음트래킹센서(49:도 2 참조)를 구비하고 있다. 이 센서(49)는 예컨대 1997년 3월 6일자로 출원된 캐나다 특허출원 제 2,199,355호에 기재된 유형의 것일 수 있다. 상기 센서(49)는 시트블랭크의 인접부쪽 아래로 응집광의 비임을 유도하는 별도의 응집광원과, 이로부터 반사된 빛을 감지하는 시각 또는 광센서를 구비한다. 상기 센서(49)는 레이저 헤드(42)를 자동적으로 위치시키도록 구동모터(52,64)와 갠트리(gantry) 로봇(54)에 제어신호를 제공하여, 복합비임(30)이 용접이음에 유도되게 한다.
도 1은 레이저(36)를 아주 잘 도시하고 있는 바, 이는 구획부(50)내에 전체적으로 수용되어 있다. 상기 구획부(50)는 우체통형 입구와 출구문(51,53)을 구비하고 있다. 조임장치(60)도 용접작업동안 적소에 시트블랭크를 유지하도록 구획부 (50)내에 구비된다. 여러 유형의 조임구조가 가능한 한편, 바람직하기로 조임장치 (60)는 1997년 7월 12일자로 공개된 캐나다 특허출원 제 2,167,111호에 기재된 유형의 자석식 조임장치로 각각 구성된다.
전체 레이저 헤드조립체(42)는 수평으로 2개의 축이동을 하도록 형성되어 있다. 이 조립체(42)는 쌍으로 된 상부 지지부와 종속 지지부(56a,56b)를 따라 갠트리 로봇(54)을 매개로 컨베이어(24)와 블랭크들(14a,16a,14b,16b) 위에서 제 1수평방향으로 이동가능하다. 상기 레이저 헤드조립체(42)는 상부 지지부(56a)상에 구비된 트랙(58:도 3 참조)을 따라 갠트리 로봇(54)을 매개로 제 1방향으로 이동한다. 또한, 각 쌍의 지지부(56a,56b)는 평행하게 이격된 끝 지지부(62a,62b)상에서 제 1방향에 직각인 제 2수평방향으로 미끄럼이동할 수 있다.
상기 끝 지지부(62a,62b)는 평행한 지지부들(56a,56b)의 끝을 차례로 이동가능하게 지지한다. 지지부(56a)의 끝에 있는 서보(servo) 구동모터(64:도 1 참조)는 지지부(62a)의 한끝을 따라 뻗어 있는 트랙과 맞물린다. 지지부들(56a,56b)을 따르는 레이저 헤드조립체(42)의 이동과, 끝 지지부들(62a,62b) 위에서의 지지부들 (56a,56b)의 이동은 레이저 헤드(46)가 임의의 수평방향으로 블랭크들(14a,16a,14b ,16b) 위로 이동할 수 있게 한다. 또, 레이저 헤드(42)는 수직하게 이동할 수 있고, 예컨대 도 2에 가상선으로 도시된 위치로 공압슬라이드(68)에 의해서 수직방위에 대해 경사지게 될 수 있다.
용접작업 동안, 2개의 응집광원은 응집광원 발생기(40)에서 발생되는 바, 이 응집광원은 커플링(44)내의 각 광학섬유 케이블을 매개로 레이저 헤드(42)로 나아가고, 레이저용접될 이음선(34)의 부분쪽으로 방사된다. 따라서, 2개의 레이저 비임은 각 비임의 광중심을 교차하는 연장된 초점선을 가진 복합 레이저 비임(30)으로서, 레이저 헤드(42)에서 방사되어 블랭크들(14a,16a,14b,16b)의 가까운 선단을 용접하게 된다.
최적의 용접을 성취하기 위해서, 이중 비임 용접방법의 특징을 탐구하고 일련의 실험데이타를 생성하기 위해 2개의 3kW Nd:YAG 레이저와 이중 광학섬유 케이블을 이용한 실험이 수행되었는데, 이는 알맞은 용접절차의 발전을 이룩하고 향상된 레이저용접시스템을 구성하기 위한 것이다.
시험설비
도 4에 도시된 연구설비는 2개의 하스(Haas) HL3006D Nd:YAG 레이저와, 1.2m ×1.2m인 실험용 갠트리 로봇 및, 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 기술된 트래킹 (tracking)시스템을 갖춘 용접부로 이루어진다. 레이저 비임은 그 끝이 함게 용접되는 2개의 단일한 유리섬유로 구성된 2단식 인덱스(index) 유리섬유를 갖춘 작업부로 안내된다. 이 비임은 2개의 200mm 렌즈를 갖춘 표준형 하스 1:1 광학헤드를 통해 초점이 모이게 된다. 압축되고서 교차하는 공기류가 상기 광학헤드가 용접으로 생기는 연기와 분무 및 튐을 방지하도록 보호용 공기흐름으로 제공된다. Nd:YAG 레이저 비임과 렌즈(초점길이) 및 사용된 유리섬유의 전달시스템의 특징을 충분히 이해하기 위해서, 초점이 맞춰진 레이저 비임이 측정되었다. 이제, 프로미텍 (PROMETEC) 레이저 스코프를 이용하여, (a) 하나의 섬유와 (b) 이중 섬유에 의해 안내된 레이저 비임으로 완전한 일련의 실험결과를 기록한다. 100, 150, 200mm렌즈의 초점길이를 가진 렌즈에 대한 초점의 크기와 세기구배 및 상대위치는 정확히 측정된다.
a) 레이저 비임의 초선(焦線)과 반경
3개의 렌즈에 대한 초점이 모아진 레이저 비임이 측정되었다. 최소 초점반경은 도 5에 도시된 바와 같이 f = 100, 150, 200mm 렌즈에 대해 각각 0.3mm, 0.43mm, 0.56mm이다. 렌즈가 작으면 작을수록, 초점의 실제점에서 벗어나기 때문에 곡선이 가파르게 상승한다. 반경은 초점 근처에서 최소값에 도달하고, 거리가 초점으로부터 멀리 이동하는 동안 지수함수식으로 증가하고 있다. 별개의 출력수준에서 비임반경을 측정한 결과도 도 5b에 도시되어 있는데, 초점이 모아진 비임이 반경은 거의 일정하게 남아 있는 한편, 출력은 300W에서 3000W까지 변하고 있다. 즉, 섬유로 유도된 Nd:YAG 레이저의 다른 장점이다. 다른 렌즈에 대한 비임 특징의 비교는 보다 긴 초점길이를 가진, 즉 200mm 렌즈가 보다 긴 재집합길이를 갖는 것을 나타내고 있다. 이는 고체상태의 레이저 비임의 원리를 알게 될 것으로 기대되지만, 용접의 매개변수의 더욱 정확한 설정을 위해 정확한 데이타를 갖게 한다. 비임 반경이 일정하게 남아 있는 거리가 많으면 많을수록 공정의 안정성을 더욱 증가시킨다. 그러므로, 200mm 초점렌즈가 연구 및 생산에서 선택된다.
각각의 특정한 렌즈에 대한 초점의 위치는, 초점이 시트의 표면에 설정되는 동안 용접부가 정상적으로 생성되기 때문에 아주 중요하다. 200mm 렌즈의 초점의 위치는 재료의 표면에서 보호용 유리덮개까지로 측정된 179mm이다. 이 크기는 렌즈와 렌즈의 키퍼(keeper)가 동일하면 일정하게 될 것이다.
맞춤 블랭크의 레이저용접을 위한 주요 공정 매개변수는 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 이들 매개변수는 2그룹으로 나뉘어질 수 있는데; 즉, (a) 용접 매개변수와, (b) 맞춤 블랭크를 위해 이용된 시트의 성질이다. 제 1그룹은 제 1레이저의 소재표면에서의 레이저 출력(P1)과, 제 2레이저의 레이저 출력(P2), 이동속도 (v), 초점위치(z), 헤드각도(θ), 접합부에 대한 레이저 비임의 회전각(φ) 및, 접합부로부터의 오프셋(doff)을 포함한다.
도 7은 3차원 디스플레이를 통해 2×3000W에서 두 점들의 관계와 이중 비임의 세기를 나타내고 있다. 그 구배는 출력분포가 초점내에 있을 때 비임의 완전한 직경에 걸쳐 거의 일정함을 보여주고 있다. 각 비임은 3000W 레이저로부터 방사하고 있다. 각 점의 직경은 약 0.6mm로, 각각의 단일 비임과 같다. 두 초점 사이의 거리는 1.2mm이고, 두 점들 사이에는 0.6mm의 간격이 있다. 90°로 이중 레이저 비임을 회전함으로써 적용범위의 최대폭은(즉, 비임의 최적중심을 연결하는 초점선이 이음부를 가로지르는) 1.8mm이다. 덧붙여, 각 점의 출력은 필요에 따라 개별적으로 변화될 수 있다. 이는 임의의 특정한 접합부를 처리하는 데에 유용한 방법을 제공한다.
제 2그룹은 재료와, 코팅부, 두 시트의 두께, 전단선단의 조건 및, 시트들 사이의 틈새를 포함한다. 후술하는 바와 같이, 상기 틈새는 용접 매개변수의 선택과, 용접함몰부 및, 올센시험의 결과에 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중의 하나이다. 용접공장의 설정은 전체적으로 다음과 같다.
1) 레이저 출력은 통상 2개의 레이저 중 최대 출력으로 선택되어 최대 용접속도를 성취하고;
2) 초점위치는 레이저용접의 중요한 공정 매개변수로서, 초점위치의 바르고 정확한 설정은 안정적이고 효율적인 용접공정을 얻기 위한 조건인데, 맞춤 블랭크를 용접하는 레이저 비임의 초점은 바람직하기로 얇은 시트의 표면에 위치되며;
3) 통상, 0.8에서 2.0mm까지의 맞춤 블랭크를 용접하는 동안 ±6°의 헤드각도가 제안되며, 이 헤드각도의 선택은 기본적으로 접합부의 두께비를 따르게 되는 바, 큰 두께비를 갖는 접합부를 용접하기 위해서는 양(陽)의 헤드각도가 제안되는 한편, 작은 두께비를 갖는 접합부에 대해서는 음(陰)의 각도가 바람직하고;
4) 오프셋도 중요한 용접공정의 매개변수로서, 용접함몰부를 최소화시키고 최적의 용접횡단을 성취하도록 실험적으로 결정될 수 있으며;
5) 비임회전의 필요성은 접합부의 최대 틈새에 의거하되, 단지 최대 틈새가 하나의 비임기술로 이 틈새를 메울 수 있는 경우에 사용되고;
6) 용접속도는 접합부가 완전히 침투되지 않을 때까지 한 단계식 증가함으로써 결정되어, 최대 용접속도가 얻어질 수 있게 되는데, 용접속도는 최적의 확실한 용접공정에 대해 최대값의 약 90%로 선택될 수 있다.
2개의 시험방법이 용접공정에서 틈새와 오프셋의 영향에 대해 연구를 집중하도록 발전되었다. 그 하나가 오프셋을 변화시키면서 용접하는 것으로(도 8a 참조), 오프셋은 전체 접합부를 따라 연속적으로 변화한다. 각 용접의 시작에서는 오프셋이 영(zero)이지만, 시편의 끝에서는 오프셋이 예컨대 0.3이나 0.6 또는 0.9mm와 같은 지정값에 이르게 된다. 때때로, 어떤 틈새는 용접시험에 부가될 수 있다. 용접 후에 시편은 최소 및 최대 오프셋을 발견하기 위해 점검되는데, 시트는 완전히 침투되지 않거나, 알맞은 용접이 성취되어 있지 않다. 그 후에, 시편은 예컨대 0, 0.1mm 등과 같은 특정한 오프셋값을 그들의 위치에서 절단되어, 용접단면을 점검함음 물론, 용접함몰부를 측정하게 된다. 상기 용접함몰부가 어떤 값(전형적으로 10%)의 이하인 오프셋 범위는 도 8을 기초로 하여 결정될 수 있다. 많은 경우에 이들 결과로부터 최적의 오프셋값이 있게 된다.
다른 하나는 도 8b에 도시된 바와 같이, 틈새를 변화시키면서 용접하는 것으로, 2개의 시트가 아주 조여져 있어서 용접의 시작에서는 시트들 사이에 틈새가 없지만, 접합의 끝에서는 지정된 틈새가 설정된다. 이 틈새의 폭은 두께 게이지 (gauge)로 측정되고, 그 위치가 표시된다. 용접은 일정한 오프셋(통상 최적의 오프셋 근처에서)에서 수행된다. 용접 후에 시편은 그 표시된 위치에서 정확히 전단되어 용접외관이 점검된다. 이 시험으로부터 알아낸 전형적인 결과도 도 8b에 도시되어 있다. 통상적으로, 용접함몰부는 크게 벌어짐에 따라 증가된다. 최대허용틈새는 최대허용 용접함몰부(예컨대 10% 또는 15%)에 따른 이러한 종류의 선도(diagram)로부터 결정될 수 있다.
전단된 선단의 일직선의 변형으로 초래되는 시험오류를 줄이기 위해서, 짧은 시트(600mm의 길이)가 연구의 용접시편으로 사용되었다. 용접된 접합부의 두가지 특징은 용접부와 용접접합부 및 올센시험이 합격을 판정하도록 선택되었다.
도 9에 도시된 바와 같이, 용접된 접합부의 단면은 연마되고(600 숫돌) 에칭되어(12% 나이탈(nital)) 현미경하에서 용접유해영역을 검사하고 용접부의 두께에 거쳐 최소부를 측정한다. 얇은 시트의 본래의 두께에 대한 측정된 최소영역의 비율은 얇은 시트의 두께의 백분율로 표시된 함몰부이다. 이 함몰부는 중요한 용접성질이다. 용접의 성질과 성형성을 확보하기 위해, 용접가공의 함몰부에 대하여 15%의 상한이 있다.
올센시험은 성질상의 성형성 시험으로, 용접된 쿠폰(coupon)은 금(fracture)에서 응력을 받게 된다. 용접샘플은 크랙(crack)이 시작되어 모재에서 뻗어 나가면 받아들여지고, 형성공정에서는 문제점을 갖지 않게 된다. 올센시험은 형판에서의 형성품보다 훨씬 엄격하게 되어, 용접부의 성형성에 대한 올센시험을 통과한 용접은 형판공정에서 약화되지 않아야 한다.
b) 레이저용접에 의한 틈새의 충전
간단한 모델을 이용하여, 오프셋과, 트새, 레이저 초점, 및 양쪽 시트의 두께간의 관계는 도 10에 도시된 바와 같이 추가적인 충전재가 없는 용접공정에 대해 설명되는 바, 두꺼운 시트의 선단에 있는 금속이 틈새를 메우도록 융해된다고 가정하면, 이 선단의 형상은 대략 삼각형으로 될 것이다. 융해된 금속의 범위는 레이저 비임의 크기에 의해 결정되는데, 즉 레이저 비임의 방사 바로 아래에 있는 재료가 융해된다. 틈새(Sg)를 완전히 메우기 위해, 융해된 두꺼운 시트의 면적(Sm)은 틈새(Sg)의 면적과 같아야 하고, 따라서 다음 관계가 성립된다.
그러므로, 틈새의 허용폭은 다음과 같다.
이 방정식에서, 오프셋(doff)과, 틈새의 폭(g), 초점반경(rf), 두꺼운 시트와 얇은 시트의 두께(h2,h1)는 도 10에 도시되어 있다. TR은 용접부의 두께비(h2/h1)이다. 이 모델에 따르면, 틈새는 메워질 수 있다. 다음 요인들은 공정변수들의 결과를 실험할 때 고려되어야 하는 바, (a) 오프셋(doff)을 증가시키는 것과; (b) 헤드각도의 변경을 통해 융해영역의 형상을 변화화시키는 것이 두꺼운 시트를 다소 효율적으로 융해시킬 것인가와; (c) 이중 비임 또는 비임의 초점이 흐려짐을 이용하여 레이저 비임의 초점크기(rf)를 증가시키는 것;을 고려해야 한다.
하지만, 오프셋이 레이저 초점크기와 틈새에 의해 한정되는데, 즉 최대 오프셋이 rf- g와 같다. 오프셋이 이 값보다 크게 되면, 얇은 시트의 선단은 레이저 비임에 의해 접촉되고 가열될 수 없다. 이는 불안정한 용접공정을 초래한다.
그러므로 최대틈새는 다음과 같다.
도 11은 2개의 레이저 비임의 초점크기에 의한 두께비의 함수로 접합부에서의 최대허용틈새를 나타내고 있다. rf= 0.3mm이면 하나의 비임용접에 상응한 반면, rf= 0.6mm이면 30°의 회전각을 갖는 이중 비임의 초점에 상응하게 된다. 한편으로, 최대허용틈새는 접합형태에 따라 고려되어야 하는 바, 두께비가 크면 클수록 함몰부없이 용접하기가 더욱 용이하게 된다. 다른 한편으로, 어떤 접합부를 용접함으로써, 보다 우수하게 틈새를 메우는 것은 레이저 초점과 함께 레이저 비임을 이용하는 것이다. 표 2에서는 여러 유형의 맞춤 블랭크를 레이저 용점할 때의 최대허용틈새를 나타내고 있다.
맞춤 블랭크를 레이저용접할 때의 계산된 최대틈새
두꺼운 쪽(mm) 얇은 쪽(mm) TR 최대틈새(단일 비임 df=0.6mm) 최대틈새(이중 비임 df=1.2mm)
1.8 0.8 2.25 0.23mm 0.46mm
2.0 1.0 2.0 0.20mm 0.40mm
1.3 0.8 1.6 0.14mm 0.28mm
1.3 1.0 1.3 0.08mm 0.16mm
1.0 0.8 1.25 0.07mm 0.13mm
도 12는 2.0 내지 0.75mm의 아연도금된 맞춤 블랭크의 용접에 의한 용접단면상에서의 틈새의 영향을 나타내고 있다. 이 사진으로부터, 어떻게 틈새가 용접공정에서 메워지는지를 관찰할 수 있다. 레이저 비임은 두꺼운 재료의 선단을 융해시키는데, 이는 접합부쪽 아래로 흐르게 된다. 틈새가 영이거나 작은 경우에, 두꺼운 쪽의 융해된 재료의 부피는 틈새가 필요로 하는 크기보다 크게 된다. 그러므로, 얇은 시트를 넘쳐 흘러, 근처에 삼각형상의 용접영역이 형성된다. 틈새가 커지게 되면, 재료의 이 부분은 틈새로 들어가게 되어 용접부가 편평하게 된다. 또한, 다른 유용한 결과로서, 용접부내의 융해된 횡단영역의 가장 큰 면적은 틈새가 영일때 성취된다. 이는 틈새가 작으면 작을수록 더욱 많은 양의 재료가 융해되어 보다 높은 유효융해력이 필요하게 됨을 뜻한다.
도 13에는 용접함몰부에서 레이저 비임의 크기와 두께비의 영향을 나타내고 있으며, 전술된 모델을 증명하고 있다. 일반적으로, 큰 두께비(TR)로 맞춤 블랭크를 용접함에 있어서, 틈새의 충전에 따른 문제는 거의 없다. 0.3mm의 틈새를 가진 이음도, 예컨대 하나의 비임 용접기술을 이용하여 소비자의 설계명세서를 초과하는 용접함몰부없이 용접될 수 있다. 수학식 3을 기초로 하면, 2.0 내지 1.5mm 시트에 대한 최대허용틈새는 0.085mm여서, 선상에서 하나의 비임 또는 이중 비임과 같은 통상의 용접기술은 틈새가 너무 크게 되면 함몰부없이 용접하기에 부적당하게 된다. 이러한 이유로, 비임회전과 같은 향상된 이중 비임 용접기술이 큰 틈새를 가진 낮은 두께비의 이음을 용접하는 데에 사용된다.
c) 맞춤 블랭크의 레이저용접의 에너지 균형
안정적이고 연속적인 용접공정은 도 14에 개략적으로 도시된 바와 같이, 레이저 출력과 결합율 및 손실출력간의 에너지(또는 출력) 균형과 유효출력의 결과이다. 용접을 위한 필수에너지는 레이저 비임으로부터 나온다. 재료는 레이저 에너지의 일부를 흡수하고 열로 전환시킨다. 이 과정은 중요한 숫자, 즉 결합율(A)을 이용하여 설명될 수 있는 바, 이는 레이저 에너지(또는 출력:PL)의 몇 퍼센트가 재료에 흡수되는지를 나타낸다. 나머지(PR)는 재료의 표면에서 반사된다. 더구나, 흡수된 레이저 에너지는 두 부분으로 나뉘어지는데, 그 중 하나는 재료를 융해시켜 이음을 형성하는 데에 기여하고, 유효출력(PF)으로 정의된다. 다른 부분은 열전도율에 의한 모재내에서의 출력손실로서, PV로 기술된다. 레이저용접공정에서, 흡수된 레이저 출력은 전체 유효출력과 출력손실을 포함해야 하므로, 다음 식이 성립된다.
용접공정의 원리로부터, 이 방정식은 흡수된 레이저 출력이 유효출력과 출력손실의 합과 같아야 됨을 나타내고 있다. 만약 A·PL이 PF+ PV보다 작으면, 접합부에서의 출력이 충분하지 않고, 전혀 또는 불충분하게 침투될 수 있음을 의미한다. 이에 비해서, 만약 A·PL이 PF+ PV보다 크면, 출력이 너무 크게 되고, 종종 과열이나, 결함, 부풀어 오름, 심지어는 용접부의 절단을 일으킬 수 있다.
에너지 균형을 설명하는 목적은 수학식을 성립하여 재료와 용접 매개변수간의 관계를 연구하는 데에 있다. 이는 최대속도와 틈새의 효과 및 용접공정의 오프셋은 물론, 트래킹 시스템의 필요조건을 수량화할 수 있다.
재료에서의 레이저 에너지의 흡수는 재료의 광학적인 성질(온도에 따른)과, 레이저 비임의 편광방향과 파장 및, 표면에 대한 레이저의 경사각에 의지한다. 이들 매개변수간의 관계는 프레이넬 방정식으로 주어진다. 철의 융해점에서 Nd:YAG 레이저 비임(파장 1.06미크롱)의 철(보통의 강철에도 유효한)의 전형적인 흡수율은 도 16에 도시되어 있다.
하지만, "키이홀(key hole)"기구를 갖춘 침투용접에 의해, 결합율은 표면흡수에 의존할 뿐만 아니라, 레이저 비임의 다중-반사-흡수 때문에 키이홀 형상함수도 따르게 된다. 도 16에는 결합율이 도시되어 있다.
맞춤 블랭크의 레이저용접에 있어서,시트의 두께는 0.75 - 3.0mm의 범위내에 있고, 레이저 비임의 직경은 0.6mm 유리섬유 및 1:1 초점렌즈에 대해 0.6mm여서, 용접공정의 두께/직경의 비율은 약 1.25 - 5의 범위내에 있다. Nd:YAG 레이저용접공정의 결합율은 60 - 80% 사이에 있게 된다. CO2레이저용접에 있어서, 이는 35 - 60% 사이에 있게 된다. 그러므로, Nd:YAG 레이저를 이용한 결합율이 키이홀기구를 갖춘 침투용접일지라도 CO2레이저용접을 이용한 것보다 높을 것으로 기대된다. 불균일한 두께를 가진 시트의 레이저용접에 있어서, 두께/직경의 비율은 다음 식으로 계산될 수 있다.
용접금속을 가열하고 녹이는 데에 요구되는 유효출력은 다음 방정식에 따라 계산될 수 있다.
이 방정식에서, v는 용접속도, ρ는 재료의 밀도, csol와 cliq는 고체 및 액체인 융해되는 블랭크재료의 비열, Tm은 융해온도, hm은 융해엔탈피 및, ΔT는 융해점 이상인 융해의 중간 과열온도를 나타낸다. 레이저용접에 있어서, ΔT = 0.2 - 0.4Tm인 중간 과열온도가 통상적으로 적당하다. S는 용접부의 단면적으로서, 시트두께와 오프셋 및 틈새의 함수이다. 이는인 조건하에서, 다음 식으로 계산될 수 있다.
이 방정식에서, h2와 h1은 두껍고 얇은 시트의 두께와, rf는 레이저 초점의 반경, doff는 오프셋, g는 틈새의 폭이다. 손실출력은 대략 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이 방정식에서, K는 열전도율이고, D는 재료의 온도전도율이며, w는 용접부의 폭이다.
d) 이론적인 용접속도
에너지 균형은 물론, 수학식 4 내지 8로부터 이론적인 용접속도가 얻어질 수 있다.
하나의 비임 용접에 있어서, 용접부의 폭(w)은 통상적으로 레이저 초점의 직경보다 크다. 실험결과에 따르면, w는 대략 1.3df로 계산될 수 있다. 그래서, 용접부의 유효단면적(Seff)은 약 1.1과 1.55 사이에서 결정되고, 가장 바람직하기로는 1.3S와 같다. 중간 과열온도(ΔT)는 0.2Tm으로 된다. 이중 비임 용접에 있어서, 선사에 있는 2개의 점과 높은 에너지 입력 때문에, 용접부의 폭은 하나의 비임 용접보다 조금 크게 되고, 융해하는 오목부(pool)의 높은 과열이 기대되어서, w는 1.4df이고, ΔT는 0.4Tm으로 된다. 수학식 9를 이용하여 여러 유형의 강철로 된 맞춤 블랭크를 용접하는 이론적인 속도가 계산되고, 도 17에 도시된 바와 같이 실험결과와 비교된다. 계산치와 실험치 사이의 우수한 대응이 관찰될 수 있다.
틈새와 오프셋은 2가지 점에서 용접속도에 영향을 끼치는 바, 한편으로는 이들이 용접부에서 융해된 금속의 양에 영향을 주는데, 이는 이미 수학식 9에 포함되어 있다. 다른 한편으로는, 이들이 흡수율(A)을 변화시킨다. 다른 틈새와 오프셋하에서 시트의 접합부와 레이저 비임 사이의 흡수성질을 설명하기 위해서,도 18에 도시된 바와 같은 간단한 모델을 여기에 소개한다. 레이저 에너지의 흡수는 접합부의 세 위치에서 일어나는데, 레이저 출력의 한 부분은 두 시트의 상부표면에 의해 흡수됨으로써, 레이저 비임의 경사각은 헤드각도와 동일하게 되고; 제 2부분은 얇은 시트 위에 있는 두꺼운 시트의 선단에 의해 흡수되어서, 방사의 경사각이 90°- θ로 되며; 레이저 출력의 제 3부분은 두꺼운 시트와 얇은 시트의 양선단 사이에서 일어나는 다중-반사-흡수과정에 의해 틈새에서 흡수되어서, 경사각이 90°- θ와 같게 된다. 흠수된 레이저 출력의 비율은 두 시트의 두께는 물론 헤드각도와, 초점이 모아진 레이저 비임의 직경, 틈새의 폭, 오프셋의 함수이다. 접합부에서의 흡수를 계산하는 데에는, 두 시트의 두께는 물론 경사각과 틈새의 폭 및 오프셋도 고려된다. 2.0 - 1.0mm의 접합부에 대한 계산결과는 도 19에 도시되어 있는 바, 이 결과에 의해 표면흡수가 틈새의 크기에 밀접하게 따른다. 접합부의 결합에 있어서, 이는 우선 틈새에 의해 증가된 후에, 임의의 틈새에서 최고값에 도달하며, 상기 틈새가 너무 크게 되면 이는 다시 아래로 떨어진다. 이와 달리,오프셋은 표면흡수에 거의 영향을 끼치지 않는다.
도 16은 물론, 전술된 모델과 수학식 9를 이용하면, 용접속도에서의 틈새와 오프셋의 영향이 평가될 수 있다. 임의의 시트결합에 있어서, 결합율(A)은 도 15의 결과를 이용하여 계산된다. 그 후에, 도 19에 도시된 결과에 따라 응용되어야 한다. 다른 틈새와 오프셋에 의해 계산된 용접속도는 도 20에 도시되어 있다.
영에서부터 임의의 틈새폭까지 경사진 레이저 비임의 방사에 의해, 흡수율은 틈새를 따라 증가한 다음, 어떤 틈새의 폭에서 최대 기울기에 도달한다. 이는 틈새가 클수록 더욱 많은 퍼센트의 레이저 출력이 틈새내로 들어갈 수 있기 때문인데, 이는 틈새 사이에서 여러 번 반사되고 흡수되어, 높은 흡수율을 일으키게 된다. 또한, 융해된 금속의 양은 틈새의 크기에 따라 감소한다. 양쪽 요인은 보다 빠른 용접속도를 초래한다. 상기 틈새가 너무 크게 되면, 흡수된 레이저 에너지는, 틈새내에서의 레이저 비임이 흡수되고 반사되는 횟수가 틈새의 크기에 따라 감소되고 레이저 비임의 일부가 시트선단과의 접촉없이 틈새를 통과하기 때문에 작게 된다. 융해된 금속의 양이 감소되지만, 틈새를 통한 레이저 출력의 손실은 결정요인으로 된다. 그러므로, 용접속도는 감소된다. 용접공정을 위한 속도의 선택은 전단시트의 최대 틈새와 틈새가 영일 때를 기초로 하여 이루어져서, 전체 접합부를 따라 알맞은 침투용접을 보장해야 한다. 오프셋은 결합율에 거의영향을 끼치지 않고 단지 융해된 금속의 양을 변화시켜서 용접속도는 증가하는 오프셋에 따라 감소한다.
e) 선상의 이중 비임에 의한 맞춤 블랭크의 용접
이중 유리섬유로 유도된 2개의 Nd:YAG 레이저에 의한 맞춤 블랭크의 용접은 아래에 상세히 설명된다. 이중 섬유는 레이저 비임의 이중 초점과 이러한 점들의 연결하는 초점선이 접합부(선상의 비임)와 평행하게 되도록 정렬된다. 이 시험은 올센의 성형성 시험을 이용하여 용접부의 성질은 물론, 헤드배치의 효과와, 레이저 비임의 오프셋, 틈새의 충전, 용접속도 및 용접 매개변수의 양상(함몰부)을 결정하는 데에 집중한다.
1. 이중비임에 의한 용접속도의 비교
맞춤 블랭크의 레이저용접에서 이중 비임기술을 사용하는 하나의 목적은 증가된 레이저 출력이 높은 생산효율을 일으키는 것, 즉 보더 빠른 용접속도가 성취될 수 있게 하는 데에 있다. 하나의 비임 용접과 이중 비임 용접기술의 속도를 비교하기 위해서, 유사한 두꺼운 시트 및 얇은 시트의 조합과 더불어, 동일한 시험조건하에서 일련의 시험이 수행되었다. 그 결과가 도 21에 도시되어 있다. 하나의 비임의 레이저 출력은 3000W이고, 이중 비임은 2×3000W이며, 헤드각도는 약 6°이다. 틈새는 0에서 0.2mm까지 설정되어 있다. 오프셋은 얇은 시트의 두께에 따라 0.15와 0.3mm 사이에서 변화한다. 용접속도는 통상적으로 양쪽 시트의 두께에 의해 제한되는 것으로 나타났다. 하지만, 얇은 쪽은 용접속도를 결정함으로써 더욱 중요한 역할을 수행한다. 도 21은 이중 비임에 의해 다른 시트조합에 대한 용접속도가 하나의 비임으로 한 것보다 거의 2배임을 나타내고 있다. 용접속도는 두배의 용접출력으로 인해 매우 증가된다. 그러므로, 이중 비임 용접기술은 높은 생산율(용접속도)를 필요로 하는 소비자가 보다 높은 출력을 가진 새로운 Nd:YAG 레이저를 기다릴 필요없이 즉시로 결과를 얻을 수 있게 한다. 이중 비임기술로 도시된 구조는 용접시스템의 기술적인 위험을 감소시키는 쌍(twin)비임을 갖춘 추가적인 장점을 드러낸다. 하나의 레이저가 결함이 있어 보수를 필요로 하면, 다른 레이저가 감소된 용접속도로 사용될 수 있고, 생산은 계속적으로 진행될 것이다.
2. 용접공정에서 헤드각도의 영향
헤드각도는 중요한 공정 매개변수로서, 한편으로 헤드각도는 용접되는 오목부의 형상은 물론, 침투와 키이홀의 방향을 결정하고, 다른 한편으로는 소재로의 레이저 출력의 흡수가 비임의 경사각을 밀접하게 따르게 된다. 용접공정에서의 헤드각도의 영향을 연구하기 위해서, 4개의 헤드각도가 시트를 용접하는 데에 선택되었다. 융해와 용접 프로파일에서의 그 영향은 도 22에 개략적으로 도시되어 있다.
도 22에서, 다른 두께를 가진 맞춤 블랭크를 용접함으로써 선택될 수 있는 3개의 헤드각도 범위가 있음을 알 수 있다. 첫번째는 레이저 비임이 얇은 쪽에서 두꺼운 쪽으로 가게 되는데, 이는 양(揚)의 헤드각도로 표시된다. 두번째는 레이저 비임이 시트표면에 직각이 되도록 설정되어 있는데, 이는 헤드각도가 영(zero)이다. 양의 헤드각도의 장점은 레이저 비임이 단지 얇은 시트를 침투해서 두꺼운 쪽에 있는 임의의 재료를 녹여 틈새를 메워야 하기 때문에, 접합부가 더욱 쉽게 침투된다. 그러므로, 빠른 용접속도가 기대된다. 이중 비임 기술을 이용함으로써 더욱 많은 레이저 출력이 이용가능하게 되어 레이저 비임이 제 3범위내에 설정될 수 있는데, 즉 레이저 비임이 접합부의 두꺼운 쪽에서 얇은 쪽으로 가게 되어 헤드각도가 음(陰)으로 표시된다. 용접함몰부에서의 헤드각도의 영향은 도 23(오프셋이 변화하는 용접)과 도 24(틈새가 변화하는 용접)에 도시되어 있다. 일정한 오프셋에 의한 헤드각도에서 최대허용틈새의 종속이 도 25에 도시되어 있다.
전체적으로 도 23과 도 24 및 도 25에서, 용접함몰부가 증가된 오프셋에 따라 감소하고; 용접함몰부를 최소화시키는 최적의 오프셋이 있으며; 용접함몰부가 틈새의 크기에 따라 증가하는 것; 등을 알 수 있다. 이는 용접함몰부가 적당한 헤드각도를 설정함으로써 감소될 수 있음을 나타낸다. 2 내지 1.5mm 시트의 용접에 있어서, 아주 우수한 틈새의 충전은 -6도의 헤드각도와 0.18mm의 틈새를 가진 접합부로 성취되었다. 음의 헤드각도가 크면 클수록, 레이저 비임은 두꺼운 시트내로 더욱 들어가게 되고 두꺼운 쪽의 재료가 더욱 많이 녹아서 융해된 오목부내로 흘러들어갈 수 있다. 양의 헤드각도와 비교하여 음의 헤드각도의 다른 장점은 키이홀의 침투방향에 있다. 양의 헤드각도에 의해 키이홀은 두꺼운 시트의 바닥선단쪽으로 있게 되고, 키이홀과 접합부의 바닥부 사이의 거리는 오프셋의 증가나 헤드각도에 따라 증가한다. 이 거리는 바람직하기로 어떤 값을 초과하지 않아야 하며, 그렇지 않으면 얇은 시트의 바닥선단이 완전히 융해되지 않고 부적당한 용접을 일으킬 수 있다. 음의 헤드각도에 의해 키이홀은 두꺼운 쪽에서 얇은 쪽으로 접합부를 침투하고, 얇은 시트의 바닥선단쪽으로 있게 된다. 오프셋의 적당한 증가와 동시에 헤드각도는 접합부의 바닥에서 키이홀의 위치변화를 일으키지 않는다. 따라서, 한편으로 더욱 큰 오프셋과 헤드각도는 두꺼운 시트를 더욱 많이 녹이도록 설정될 수 있고, 다른 한편으로는 접합부의 바닥부는 정상적인 용접을 얻도록 여전히 융해될 수 있다. 음의 헤드각도는 작은 두께차를 갖는 접합부를 용접하는 데에 특히 유용하여 우수한 용접의 충전을 얻게 한다. 이 장점은 더욱 많은 재료를 녹이는 것은 더욱 큰 레이저 출력과, 이에 따른 느린 용접속도를 의미한다.
도면들에서, 어떤 틈새가 존재하면, 아주 나쁜 틈새의 충전이 영인 헤드각도로 얻어지는 바, 이의 원인은 키이홀과 틈새 사이에서의 상호반응에 의해 일어날 수 있다. 이 경우에, 시트바닥부에서의 키이홀은 이 키이홀의 일부가 틈새표면을 이루기 때문에 더욱 크게 될 수 있는데, 키이홀기구에 의한 깊은 침투용접에 있어서, 이는 더욱 많은 재료가 키이홀을 통해 손실될 수 있음을 의미한다. 다른 원인은 다른 흡수와, 방사각을 변화시킴으로써 야기되는 레이저 비임과 접합부 사이의 상호반응에 있을 수 있다.
용접속도와 헤드각도 사이의 관계는 도 26에 도시되어 있는 바, 실험에 따르면 빠른 용접속도는 영인 헤드각도는 물론, 양의 헤드각도의 범위내에서 얻어질 수 있다. 일반적으로, 용접속도는 음의 방향으로 헤드가 경사짐에 따라 감소한다.
용접속도는 가열공정의 에너지 균형에 의해 결정된다. 레이저용접에 있어서, 그 속도는 (1) 소재에 의해 흡수된 레이저 출력, 즉 흡수율과; (2) 모재내의 전도율을 통한 열손실이 임의의 접합부에서 동일하게 유지되는 조건하에서 융해된 재료의 양;에 의해 결정된다. 전술된 바와 같이, 헤드각도는 융해하는 재료의 양에 영향을 끼치는데, 음의 헤드각도는 두꺼운 시트를 더욱 녹여서 우수한 틈새의 충전을 얻게 할 수 있으나, 더욱 큰 에너지나 레이저 출력이 필요하다. 용접속도는 자연적으로 느리게 된다. 양의 헤드각도와 영인 헤드각도에 의해, 융해될 재료는 음의 헤드각도와 비교하여 적게 되어서, 빠른 용접속도가 기대된다.
다른 헤드각도하에서 레이저 비임과 시트의 접합부 사이의 흡수성질은 도 27에 도시되어 있다. 계산과정을 간단히 하기 위해, 제 2부분의 비율은 초점면적에 대한 Sa의 비율과 같은 것으로 가정한다. 틈새에서의 흡수를 계산하는 데에는, 두 시트의 두께는 물론, 경사각과, 틈새의 폭 및, 오프셋도 고려된다. 계산된 결과는도 28에 도시되어 있다. 이 계산으로부터, 여러 흥미로운 결과가 도출될 수 있는 바, 양의 헤드각도에 의한 흡수율은 3개의 헤드각도의 범위내에서 가장 크고, 영인 헤드각도는 가장 작은 흡수를 갖게 된다. 물론, 영인 헤드각도에 의해 레이저 출력의 흡수는 증가하는 틈새에 따라 감퇴한다. 레이저 출력의 최대 흡수는 틈새가 영일 때 일어난다. 틈새가 크면 클수록 시트선단에 대해 90°인 투사각 때문에 레이저 비임이 재료와의 상호반응을 가짐 없이 틈새를 통해 더욱 나아가게 된다. 맞춤 블랭크를 용접함에 있어서, 이는 융해된 재료의 양이 동일하게 유지된다면, 용접속도가 증가하는 틈새의 크기에 따라 감소한다는 것을 의미한다.
상기 결론은 도 29에 도시된 바와 같이 실험적으로 확인되는데, 용접속도는 틈새의 크기의 함수로 표현된다. 용접속도가 틈새에 따라 증가하고, 약 0.1mm인 틈새에서 최대로 되며, 그 후에 감소한다. 이러한 경향은 도 28에 도시된 레이저 출력의 흡수성질을 정확히 따르고 있다.
따라서, 헤드각도는 중요한 매개변수이고, 용접공정에 밀접한 영향을 끼칠 수 있다. 우수한 틈새의 충전을 위해서, 레이저용접용 헤드는 음의 각도 범위내로 설정되어야 한다. 하지만, 이러한 종류의 헤드각도설정은 단지 적은 두께차(25%이하)를 가진 두 시트의 용접에 적당하다. 큰 두께차를 가진 두 시트로 이루어진 접합부를 용점함에 있어서, 이는 레이저 비임이 두꺼운 쪽을 침투해야 하기 때문에 권장되지 않는 바, 용접속도와 용접공정의 생산성까지 손실이 크게 됨을 의미한다. 레이저 에너지의 더욱 효과적인 흡수와 빠른 용접속도는 양의 헤드각도를 선택하여 의미있게 될 수 있다. 이 경우에, 적당한 용접속도는 틈새가 영일 때와 가능한 최대인 틈새에 의해 결정된다. 영인 헤드각도는 가장 적은 가능성으로 틈새를 메울 뿐만 아니라 레이저 에너지를 가장 적게 흡수하여서, 맞춤 블랭크의 용접에 있어서 가능한 아주 피해야 한다.
f) 함몰부에서의 오프셋의 영향
전형적인 맞춤 블랭크를 용접함으로써, 융해된 용접영역은 얇은 시트의 일부와 두꺼운 시트의 대부분과 결합한다. 두 시트들 사이에 틈새가 있으면, 정상적인 용접부를 형성하도록 메워져야 한다. 전술된 바와 같이, 함몰부를 극복하기 위해서는 비임의 조준이 두꺼운 시트로 더욱 많이 방사할 때 우수한 결과가 얻어질 수 있다. 그러므로, 레이저 비임의 오프셋은 다른 중요한 공정 매개변수이다. 용접부 단면상의 오프셋의 전형적인 효과는 도 30에 도시되어 있다. 용접함몰부상에서 오프셋의 효과를 양적으로 결정하고, 시트결합을 위한 최적의 오프셋을 조사하기 위해서, 일련의 용접실험이 세 크기의 틈새를 가진 접합부와 3개의 용접속도를 이용하여 이루어졌다. 용접함몰부상에서의 오프셋의 영향에 대한 결과는 도 31에 도시되어 있다.
오프셋은 일정한 용접속도로 용접할 때 틈새의 크기에 적용되는 것처럼 맞춤 블랭크를 용접할 때 중요한 역할을 수행한다. 틈새가 없으면, 한정된 용접이 오프셋 설정의 넓은 범위에 의해 성취될 수 있다. 0 - 0.3mm의 오프셋으로부터, 용접함몰부는 10%이하로 되고 용접부는 잘 메워진다. 용접함몰부는 두꺼운 시트재료가 더욱 많이 융해되기 때문에 오프셋 위치를 증가시킴에 따라 감소한다. 틈새가 존재하면, 어떤 오프셋이 용접함몰부를 10%이하가 되도록 유지되어야 한다. 더욱 바람직하기로는, 자동 트래킹 시스템이 사용될 때에 오프셋이 유지된다. 상기 틈새가 너무 크면, 한정된 용접이 성취될 수 없다. 함몰부와 언더컷(undercut)은 종종 용접부의 양쪽에 나타난다(도 30b 참조).
용접함몰부가 최소인 최적의 오프셋이 있다. 2.0 내지 1.5mm의 시트를 결합하기 위한 시험에서, 최적의 오프셋은 약 0.25 - 0.3mm이다. 이 값의 이상이면, 오프셋의 임의의 증가가 더욱 많은 함몰부를 초래한다. 하지만, 다른 현상도 있는데, 다른 용접속도와 틈새에 대한 오프셋의 상한이 존재하게 된다. 오프셋이 이 제한을 초과하면, 고품질의 용접이 창출될 수 없다. 레이저 비임은 단지 두꺼운 시트를 가열하여 다 태워버린다. 얇은 시트는 바닥부 코너에서 녹지 않게 된다(도 30c 참조). 이 경우에, 바닥부에 작은 노치(notch)가 있게 되고, 정상적인 용접이 이 조건하에서는 이용할 수 없게 된다.
최적의 오프셋 범위내에서 용접속도는 최소의 영향을 갖게 되지만, 빠른 속도로 이행된 용접은, 이 빠른 속도가 보다 우수한 생산성 뿐만 아니라 용접함몰부가 공정의 허용오차와 안전성을 향상시키는 훨씬 큰 오프셋 범위에 걸쳐 10% 이하로 유지될 수 있기 때문에 바람직하다.
g) 최대허용틈새
접합될 두 시트 사이에 틈새의 존재는 1미터를 초과하는 접합길이에 걸쳐 확실히 불가피한 것으로 간주된다. 통상의 전단에 의해 절단된 시트는 직선의 선단을 갖지 않는 것으로 연구되었다. 어떤 용접조건하에서 임의의 특정한 용접기술을 위한 것으로, 만족스러운 용접이 성취될 수 있는 최대허용틈새가 있다.
도 32에서, 접합부의 틈새에서의 용접함몰부의 의존관계가 도시되어 있는 바, 용접함몰부가 증가하는 틈새의 크기에 따라 증가하는 것은 놀라운 것이 아니다. 도 32로부터, 최대허용틈새는 다른 최대의 용접함몰부를 설정함으로써 알아낼 수 있다. 예컨대, 최대허용틈새는 0.1 내지 0.15mm여서, 0.3mm의 오프셋과 6°의 헤드각도 및 2 내지 1.5mm의 아연도금판에 의한 이중 비임 용접기술을 이용하여 10%의 함몰부 크기가 얻어진다. 또한, 용접속도는 최대틈새에 영향을 끼칠 수 있다. 느린 용접속도는 일정한 오프셋에 대해 넓은 틈새를 메우는 만족스러운 방법으로 입증되지 않았다. 즉, 용접속도가 느리면 느릴수록, 더욱 많은 금속의 손실이 키이홀을 통한 융해된 재료의 분무와 증발로 초래되기 때문이다. 우수한 접합부의 충전을 얻기 위해서, 속도는 비임의 상응하는 초점의 흐림과 동시에 오프셋의 증가에 따라 느려져야 한다.
올센시험의 결과는 기계적인 성질을 질적으로 연구하도록 이행되었는데, 즉 용접부의 강도와 성형성이 도 33에 도시되어 있다. 도 33에 도시된 사진들은 올센시험에 의해 생성된 용접시편의 불량위치를 나타낸다. 크랙이 모재(통상적으로 얇은 시트에서)에서 시작되어, 용접부를 가로질러 또는 접합부에 평행하게 모재내에서 뻗어 나간다(도 33a 및 도 33b 참조). 이들 경우에서, 용접된 접합부의 기계적인 성질은 만족스럽다. 도 33c는 용접부에 평행하게 얇은 시트내의 용접부에 인접한 모재에서 시작되는 크랙을 도시하고 있다. 이 상황에서, 접합부는 만족스러운 성질을 갖고 있으며, 그 조건은 크랙이 시작되어 용접부에서 뻗어 나가는(도 33d 참조) 임계에 있는 것으로 생각되지 않았는데, 접합부는 이에 한정되지 않는다.
도 34는 어떻게 오프셋과 틈새가 올센시험하에서 용접된 접합부의 크래킹 성질에 영향을 끼치는지를 도시하고 있다. 오프셋이 너무 클 때, 문제의 얇은 시트는 완전히 융해되지 않고, 접합부는 최소의 성형성을 갖게 된다. 이 조건은 주의 깊게 방지되어야 한다. 넓은 틈새 또는 적당한 오프셋으로 용접된 접합부도 초과하는 함몰부 때문에 용접부에서 갈라질 수 있으며, 언더컷도 용접부에 있는 횡단영역을 현저하게 감소시킨다. 알맞은 공정 매개변수는 접합부가 올센시험에서 아무런 문제점을 갖지 않게 한다. 모재내에서 시작하고 뻗어 나가는 크랙은 용접부가 적당한 기계적 성질을 갖게 한다.
h) 이중 비임 기술의 사용
맞춤 블랭크를 용접하는 데에 이중 비임 기술을 사용하는 두가지 목적은 우수한 선단/틈새의 허용오차를 갖는 접합부를 용접함으로써, 용접속도를 증가시키는 것과 공정특성을 확장시키는 것에 있다. 도 11에 따르면, 우수한 틈새의 충전을 얻기 위한 가능성의 하나는 초점크기를 증가시키는 것으로, 예컨대 2 내지 1.5mm 시트의 용접에서 틈새가 0.2mm이고 오프셋이 0,3mm이면, 대략 1,8mm의 직경을 갖는 초점이 알맞은 틈새의 충전을 위해 필요하게 될 것이다. 레이저 비임에 이 기술적인 특성을 충족시키기 위해서, 하나의 비임 용접을 위한 방식은 초점의 흐름을 증가시키거나, 보다 긴 초점길이를 가진 렌즈를 이용하게 된다. 하지만, 레이저 비임의 근본적인 성질, 즉 출력의 세기는 어떤 경우에서도 크게 줄어든다. 또한, "키이홀(깊은 침투)"용접으로부터 보통의 레이저 융해(열전도)로 용접기구를 변화시킬 수 있어서, 고출력의 세기와 관계된 레이저용접의 모든 장점을 잃어버리게 된다.
이중 비임 기술로 맞춤 블랭크를 레이저용접하는 것은 이 문제를 해결하기 위한 혁신적인 방법을 제공한다. 키이 공정기술은 회전하는 이중 비임으로서, 유효비임의 크기를 증가시켜 용접열원의 특정한 요구를 충족시킨다. 도 35로부터, 유효비임의 직경은 레이저 비임의 출력의 세기를 감소시키지 않고서 그들 공통의 중심 주위로 2개의 점을 회전시킴으로써 연속적으로 확실히 밝혀질 수 있다. 비임의 회전은 최대 적응성을 제공하여 하나의 비임 용접으로는 아주 어려운 접합부를 조정하게 된다. 초점을 흐리게 하거나 레이저 비임을 회전시킴으로써 증가하는 유효비임의 크기는 소재의 더욱 많은 재료를 융해시키고, 넓은 용접부를 초래한다. 그러므로, 느린 용접속도가 기대된다. 양쪽의 기술적인 개념을 이용하여 용접속도에서의 비임크기의 영향을 결정하기 위해, 2.0 - 1.5mm의 아연도금판을 용접하는 비교연구가 이행되었다. 그 결과는 도 36과 도 37에 도시되어 있는 바, 도 36에서는 비임의 직경이 프로미텍 레이저 스코프로 결정되었고, 도 37에서는 유효비임의 직경이 다음 식으로 계산되었다.
deff= df+ b·sinφ
이 방정식에서, df는 단일한 점의 초점직경이고, b는 두 초점중심 사이의 거리이며, φ는 비임의 회전각이다. 레이저 초점크기에 따른 용접속도의 변화가 명확히 도시되어 있다. 도 36 및 도 37로부터, 초점을 흐리게 하거나 레이저 비임을 회전시켜 용접할 때 용접속도와 초점직경 사이의 중요한 관계는 도 38a 및 도 38b에 도시된 바와 같이 된다.
하나의 비임으로 레이저용접함에 있어서, 용접속도와 비임직경의 곱에 비례하는 융해효율은 어떤 용접속도까지 일정한 레이저 출력으로 어떤 접합부를 용접하는 데에 통상적으로 일정하게 유지된다. 이는 열전달 방정식에 의해 이론적으로, 그리고 실험적으로 옳다는 것이 증명되었다. 이 결과는 선상에 2개의 점을 가진 레이저용접인 경우(도 38a 참조)에도 적용될 수 있는데, 용접속도와 비임직경의 곱은 비임직경의 증가에 따라 다소 감소하거나 거의 일정하게 남아 있게 된다. 이는 용접속도가 비임직경에 반비례임을 나타낸다. 전술한 예에서, 0.2mm의 틈새를 가진 접합부가 최적으로 용접된 것이라면, 1.8mm 직경의 레이저 초점이 필요하게 되고, 용접속도는 약 2.7m/min으로 느려지게 된다. 하지만, 회전하는 비임에 의한 이중 레이저 비임의 용접에 대해 동일한 결론이 유효하지 않다. 융해효율은 증가하는 유효비임의 직경에 따라 증가한다. 이는 전도율을 통한 적은 잠열손실과, 종횡비 (aspect ratio) 깊이나 초점의 직경에 관련된 높은 결합효율로 설명될 수 있다. 용접속도가 증가하는 유효초점의 직경(회전각: 도 38b 참조)에 따라 여전히 느리지만, 회전하는 비임에 의해 용접속도는 초점이 흐려진 비임 보다 훨씬 더 빠르다. 90°의 비임 회전각으로 2 내지 1.5mm인 아연도금판의 맞춤 블랭크를 용접함에 있어서, 용접속도는 5.4m/min이고, 동일한 유효초점의 직경에서 간단히 레이저의 초점을 흐리게 하여 용접하는 것의 2배만큼 빠르게 된다.
도 39에는 다른 비임 회전각일 때 용접부의 단면사진을 도시하고 있는 바, 이들 사진으로부터 비임 회전각의 영향이 명확하게 관찰될 수 있다. 용접부의 상부표면의 폭은 유효비임의 직경, 즉 비임 회전각에 의해 결정되는 한편, 용접부의 바닥부의 폭은 비임 회전각에 거의 독립적이다. 비임의 크기가 크면 클수록 상부 용접부는 더욱 넓어진다.
덧붙여, 2개의 비임은 용접공정에서 다른 역할을 수행하는데, 그들 중 하나는 정상적인 용접부를 형성하도록 접합부를 침투하는 데에 주로 이용되는 한편, 다른 하나는 우수한 틈새의 충전을 얻도록 두꺼운 재료를 융해시키는 데에 주로 이용된다. 양의 비임 회전각에 있어서, 앞쪽 또는 인도하는 비임은 두꺼운 시트에 투사되어 이 두꺼운 시트를 가열하고 융해시키는 한편, 뒤쪽 또는 뒤따르는 비임은 침투하게 되는데, 두꺼운 쪽의 큰 두께 때문에 완전히 침투될 수 없다. 앞쪽의 레이저 비임은 두꺼운 쪽으로 절반 침투한 상태에서 판금용접부에 단지 비드(bead)를 남기게 된다. 용접부가 2개의 융해된 돌출부(spur)로 이루어짐을 명확히 볼 수 있다. 앞쪽의 비임은 용접공정에 중요한 기여를 하게 되는데, 우수한 틈새의 충전을 위해 시트의 두꺼운 쪽을 융해시키고; 또한 접합부의 재료를 미리 가열하여 뒤쪽의 비임이 더욱 쉽게 접합부를 침투할 수 있게 한다. 그러므로, 이러한 비임배치의 용접속도는 빠르게 된다.
음의 회전각인 2개의 비임은 반대로 되는 바, 앞쪽의 비임은 접합부를 침투하는 한편, 뒤쪽의 비임은 두꺼운 쪽으로 방사하여 틈새의 충전을 위해 더욱 융해시킨다. 이 경우에, 앞쪽의 비임은 찬 재료를 침투해야 하기 때문에, 용접속도가 양의 비임 회전각에서 보다 다소 느리게 된다. 앞쪽의 레이저 비임으로 미리 가열한 효과 때문에, 두꺼운 쪽에서 융해된 재료의 양은 확실히 많게 된다. 특히, 예컨대 30°정도의 작은 비임 회전각인 경우에 두꺼운 쪽의 깊이 융해된 오목부는 뒤쪽의 비임에 의해 형성된다. 2개의 융해된 오목부는 함께 형성한다. 이러한 종류의 비임 회전으로, 뒤쪽 비임의 레이저 출력은 최적의 용접 프로파일을 위해 적당히 감소되어야 한다. 이러한 성질은 이중 비임 용접기술의 다른 시각, 즉 두 비임의 레이저 출력결합에 따른 용접을 제공한다. 물론, 어떤 비임 회전각까지는 용접 프로파일이 유사하게 된다. 이는 도 39에서 -60°비임 회전각은 물론, 60°에서의 용접 프로파일을 비교함으로써 알 수 있게 된다.
오프셋과 틈새를 변화시키면서 용접할 때, 용접함몰부에서의 비임 회전각의 영향은 도 40과 도 41에 도시되어 있다. 도 42에서는 양과 음의 비임 회전각하에서 틈새를 변화시켜 용접할 때 용접함몰부의 비교를 도시하고 있다. 다른 비임 회전각의 설정에 의한 최대허용틈새는 도 43에 도시되어 있다.
따라서, 비임 회전각의 효과와 용접공정 및 틈새의 충전으로부터, 레이저 비임의 회전을 통해 유효비임의 크기가 증가되어 우수한 틈새의 충전이 성취될 수 잇는 것으로 결론을 내릴 수 있다. 물론, 양의 비임 회전각에 의해 용접속도는 다소 빨라지지만, 우수한 틈새의 충전은 음의 비임 회전각에 의해 성취될 수 있다. 전체적으로, 증가된 비임 회전각으로 시트는 보다 큰 최적의 틈새에 의해 최적으로 용접될 수 있다. 양의 비임 회전각에 의해서, 허용된 최대 틈새의 증가는 비임의 회전으로 아주 명백하게 되지 않는다. 음의 비임 회전범위내에서, 레이저 비임의 회전은 훨씬 우수한 틈새의 충전을 초래한다. 이 변화율은 0에서 30도까지 분명하다. 30도 위로 추가적인 레이저 비임의 회전은 허용된 최대 틈새에 분명한 영향을 끼치지 않는다.
표 3은 2 내지 1.5mm시트블랭크의 레이저용접을 위한 이중 비임 기술의 근본적인 특성을 보여주고 있다. 3개의 중요한 특징은 용접속도와 최대허용틈새 및 오프셋 허용공차이다.
이중 비임 용접공정(2 내지 1.5mm)의 근본적인 기술특성
틈새(mm) 출력(W) 헤드각도(도) 비임 회전(도) 속도(m/min) 오프셋(mm)
0 - 0.10* 3000* 6 4.5 - 5 0.15 - 0.25*
0 - 0.15 2×3000 6 0 9.0 0.15 - 0.30
0 - 0.17 2×3000 -6 0 8.0 0.05 - 0.10
0 - 0.17 2×3000 -6 0 7.0 0.05 - 0.35
0 - 0.18 2×3000 -6 30 7.0 0.25 - 0.35
0 - 0.22 2×3000 -6 -30 6.6 0.05 - 0.50
0 - 0.23 2×3000 -6 -60 6.0 0.05 - 0.75
0 - 0.24 2×3000 -6 90 5.4 0.05 - 0.90
*하나의 비임 용접의 참조값
경제적이고 효율적인 용접공정도 시트블랭크의 선단상태에 밀접하게 따르게 된다. 전단된 선단의 전체 길이에 따른 똑바름은, 아주 나쁜 상황에서 최대 틈새가 시트의 일직선의 변화량에 2배로 되기 때문에 중요한 특징이다. 일직선의 변화량이 0.05mm이면, 최대 틈새는 0.1mm로 될 수 있다. 아래에 2 내지 1.5mm 블랭크를 용접하기 위한 이러한 절차의 예가 설명된다.
1. 0.1mm 이하인 시트의 최대 틈새
하나의 또는 이중 비임 용접기술은 단지 생산성의 요구에 따라 선택될 수 있다. 틈새가 0.1mm일 때, 레이저 비임을 회전시키는 것은 필요하지 않다. 헤드각도는 양으로 되어야 하고, 비임 회전각은 0도로 설정되어 가능한 아주 빠른 용접속도를 얻어야 한다. 최대 용접속도는 틈새없이 비임의 위치에 의존하여서, 틈새에 대응하는 용접속도를 적응시킬 필요가 없다. 이중 비임 용접기술은 특히 경제적인 양상이 매력적인데, 즉 약 10 - 15%로 비용이 증가되지만 용접속도는 약 1005 빠르게 된다. 이 경우에 트래킹 시스템의 정확성에 대한 요구는 최적의 오프셋을 유지하는 ±0.05mm로 된다.
2. 약 0.15mm인 시트의 최대 틈새
이중 비임 용접기술은 틈새가 약 0.15mm이면 선택되어야 하고, 최대 틈새가 0.15mm 이하면 선상에서 2개의 비임에 의한 용접공정(비임 회전각은 0도)은 여전히 최적으로 되어서, 용접속도가 하나의 비임 용접의 2배만큼 빠르다. 트래킹 시스템의 정확성은 ±0.075mm이다. 최대 틈새가 0.17 - 0.18mm의 범위내에 있으면, 최적의 선택은 0도의 비임 회전각이나 작은 비임 회전각(30도)으로 용접공정을 계속하는 것이다. 또한, 레이저 헤드는 음의 각도범위내로 설정되어야 한다. 빠른 용접속도는 더욱 정확한 트래킹 시스템(8m/min, ±0.025mm)과, 느린 용접속도 및, 더욱 허용된 용접공정(7m/min, ±0.15mm)을 필요로 한다. 2개의 레이저에 의한 용접속도는 하나의 비임 용접보다 빠른 40 - 60%이다. 이 음의 헤드각도설정에서, 용접속도는 틈새에 의해 거의 변화되지 않아 최소 또는 최대 틈새로 결정된 일정한 속도로 간단히 용접된다.
계속 틈새가 0.1mm일 때, 레이저 비임을 회전시키는 것은 필요하지 않다. 헤드각도는 양으로 되어야 하고, 비임 회전각은 0도로 설정되어 가능한 아주 빠른 용접속도를 얻어야 한다. 최대 용접속도는 틈새없이 비임의 위치에 의존하여서, 틈새에 대응하는 용접속도를 적응시킬 필요가 없다. 이중 비임 용접기술은 특히 경제적인 양상이 매력적인데, 즉 약 10 - 15%로 비용이 증가되지만 용접속도는 약 100% 빠르게 된다. 이 경우에 트래킹 시스템의 정확성에 대한 요구는 최적의 오프셋을 유지하는 ±0.05mm로 된다.
3. 0.2mm를 초과하는 최대 틈새
틈새가 전체 용접부의 접하부를 따라 0 내지 0.25mm 사이에서 변화하면, 회전하는 비임에 의한 이중 비임 용접기술을 이용하지 않고서 적당한 용접부를 얻는 것이 불가능하다. 이 상황에서는 전체 레이저용접 시스템의 구조로 고려될 수 있는 두가지 다른 기술적인 방법이 있다. 이를 행하는 간단한 방식은 고정된 비임 회전각에서 용접하여 비임 회전각과 용접속도 모두가 최대 틈새와 영인 틈새에 의해 결정되게 하는 것이다. 이 용접공정의 단점은 용접속도를 다소 손실된다는 것으로, 예컨대 0.25mm 의 틈새를 가진 시트를 용접하기 위해서 용접속도는 5.4m/min 로 되는데, 이는 하나의 비임 용접기술과 비교하여 용접속도가 약 12% 향상된다.
바람직한 방법은 자동적으로 적용된 비임 회전각과 용접속도로 용접하는 것으로, 이 방법은 원칙적으로 틈새와 비임 회전각 및 용접속도 사이의 기초적인 관계에 의거한다. 트래킹 시스템에 일체로 형성된 센서는 틈새를 감지한다. 그 후에, 틈새의 폭은 용접시스템의 제어장치로 보내어지는데, 관련된 용접속도는 물론, 최적의 비임 회전각은 틈새와 회전각 및 속도간의 함수를 이용하여 계산된다. 그 정보는 분리되고, 관련된 서보모터의 제어 및 구동장치로 전달되어 비임 회전각과 동시에 용접속도를 연속적으로 변화시킨다. 자동적으로 적용된 비임 회전각과 용접속도에 의한 용접의 장점은 이중 비임 기술의 이용을 최적화한다는 것이다. 예컨대, 틈새가 0에서 0.25로 부드럽게 변화하면, 6.7m/min인 평균 용접속도는 0에서 90도까지의 비임 회전각에 의해 얻어질 수 있다. 이는 고정된 비임 회전각으로 용접하는 것과 비교되는 용접속도 보다 24% 빠르고, 이중 비임 용접기술이 초래하는 공정신뢰도와 허용오차를 고려하지 않고서 하나의 비임 용접기술 보다 약 40% 빠른 속도이다. 상기 원리를 이용하여 설계된 단순화된 바람직한 기술은 2개의 고정된 속도와 비임 회전각으로 용접한다. 도 44로부터, 틈새가 0.1mm 보다 작으면 용접속도와 비임 회전각이 아주 조금 변화되는 것을 분명히 알 수 있다. 그러므로, 비임 회전각은 영으로 설정될 수 있고, 용접은 보다 빠른 용접속도로 이행될 수 있다. 틈새가 0.1과 0.2 mm 사이에 있으면, 큰 비임 회전각과 느린 용접속도가 도 44에 점선으로 도시된 바와 같이 예컨대 30도와 7m/min으로 설정될 수 있다. 단지 2개의 고정된 용접속도와 비임 회전각이 필요하게 된다. 이 설계의 장점은 틈새의 폭을 감지하는 센서에 대한 하급의 기술적인 요구는 물론, 간단한 구조와 비임 회전기구의 제어에 있다.
전술된 바와 같이, 접합부와 관련된 레이저 비임의 오프셋도 매우 중요한 공정 매개변수이다. 오프셋값의 변동을 일으킬 수 있는 한 요인은 블랭크의 선단이 완벽하게 직선이 아닌가에 있다. 그들의 형상은 다른 전단 또는 절단공정에 의해 변하될 수 있다. 또한, 초점거리는 블랭크의 물결형상표면 때문에 변화할 수 있는데, 이는 감소된 헤드각도에 의해 오프셋의 변화를 일으킬 수 있다. 다른 요인으로는, 시트가 자석베드(bed)상에서 어떻게든지 적당하게 제한되지 않는지, 또는 이음의 위치가 기계적인 운동의 중심선에 머무르는지에 있다. 물론, 핀위치의 약간의 변동은 오랜 작동시간 후 핀에 있는 용접 스패터(spatter)나 약화 때문에 피할 수 없게 된다. 결국, 축과 갠트리의 운동은 제한된 기계적인 정밀도를 갖는다.
오프셋 윈도우는 안정된 용접공정과 제한된 용접이 성취될 수 있는 범위로 정의된다. 일반적으로, 윈도우를 결정하는 2개의 임계값이 있게 되는데, 오프셋의 하한은 용접 프로파일에 의해 결정되되, 이는 어떤 양의 금속이 접합부를 메우도록 융해되어 용접합몰부를 감소시켜야 함을 의미하는 한편, 오프셋의 상한치는 용접부의 침투에 의해 제한되되, 이는 불충분하게 침투되거나 전혀 침투되지 않은 용접부가 방지되어야 함을 의미한다. 오프셋 윈도우가 크면 클수록 용접공정이 재료의 변동과 용접시스템에 대해 더욱 좋게 된다.
오프셋 윈도우에서의 용접속도의 영향은 도 45에 도시되어 있는 바, 오프셋 윈도우는 틈새가 영일 때 감소하는 용접속도에 따라 증가한다. 용접의 실제에 있어서, 이는 오프셋 윈도우의 상한이 감소하는 용접속도를 통해 확장될 수 있어 더욱 많은 침투를 얻게 됨을 의미한다. 하지만, 두 시트 사이에 틈새가 존재하면, 느려지는 용접속도에 의해 감소된다. 또한, 오프셋 윈도우는 틈새에 따라 보다 넓은 범위로 이동함을 알 수 있다.
도 46에 도시된 바와 같이, 헤드각도는 오프셋 윈도우의 변화를 일으킬 수 있다. 통상적으로, 큰 오프셋 윈도우는 양의 헤드각도를 설정함으로써 얻어질 수 있다. 반대로, 음의 헤드각도는 작은 오프셋 윈도우를 초래한다. 그래서, 일반적으로 양의 헤드각도가 더욱 안정적이고 좋은 용접공정을 위해 권장된다. 음의 헤드각도는 단지 틈새의 충전이 결정된 요인으로 되는 경우에 사용된다.
도 47은 오프셋 윈도우에서 접합부의 두께비의 영향을 도시하는 바, 큰 두께비를 갖는 용접부에 있어서, 전술된 바와 같이 우수한 틈새의 충전을 얻기가 용이하게 된다. 하지만, 오프셋 윈도우는 작은 두께의 비를 갖는 것보다 훨씬 작다. 접합부의 두께의 비가 크면 클수록, 오프셋 윈도우는 더욱 좁게 되고, 큰 두께비를 갖는 접합부의 용접을 위해 레이저 초점의 더욱 정확한 위치선정이 필요하게 된다.
용접에서 전형적으로 틈새는 전체 접합부를 따라 변화된다. 가능한 최소의 틈새가 영이고, 최대의 틈새는 접합될 두 맞대어진 선단의 맞춤에 의해 결정된다. 오프셋 윈도우는 도 48에 도시된 바와 같이 틈새크기의 변동 때문에 더욱 감소될 수 있다. 예컨대, 선상의 이중 비임에 의해 2.0 내지 0.15mm의 맞춤 블랭크를 용접할 때, 오프셋 윈도우는 틈새가 영이면 0.1에서 0.23mm까지 되고, 0.2mm인 최대 틈새에서는 0.13에서 0.26mm까지 된다. 이 경우에, 가장 낮은 오프셋 윈도우는 0.13mm인 최대 틈새의 제한으로 결정되는 한편, 가장 높은 오프셋 윈도우는 0.23mm인 영인 틈새로 결정된다. 이는 오프셋 윈도우가 0.13 - 0.23mm로 되는 것을 의미하되, 일정한 틈새에서 보다는 확실히 작다. 용접공정을 위한 오프셋을 결정하는 절차는 오프셋 윈도우를 2개로 분할함으로써 계속된다. 최적의 오프셋은 오프셋 윈도우의 중심에 바로 위치되어야 하는데, 전술한 예에서 오프셋은 0.18mm에 설정되어야 한다. 이는 ±0.05mm의 최대 오프셋변동을 허용하고, 0 - 0.2mm의 틈새변화를 포함한다.
이중 비임 기술에 의한 맞춤 블랭크의 Nd:YAG 레이저용접은 큰 틈새를 가진 접합부를 용접할 수 있음을 보여주고 있다. 또한, 도 49에 도시된 바와 같이, 오프셋 윈도우를 확장시킬 수 있게 된다. 2.0 - 1.5mm의 블랭크는 다른 비임 회전각에서 용접되었다. 비임 회전각(접합될 선단과 선상의 비임 또는 초점선)이 영일 때, 오프셋 윈도우는 0.21mm로 된다. 이중 비임이 30°로 회전되면 이는 0.5mm로 되는데, 선상의 이중 비임 보다 2배 이상으로 크게 된다.
오프셋 윈도우는 비임 회전각에 따라 증가한다. 큰 두께비를 가진 맞춤 블랭크를 용접함에 있어서, 통상적으로 매우 작은 오프셋 윈도우를 가지며, 아주 정확한 비임의 위치선정을 필요로 하게 된다. 비임의 회전을 통해서도 오프셋 윈도우는 확장될 수 있다. 도 50은 2.0 내지 0.75mm의 맞춤 블랭크를 용접하는 예를 도시하고 있는 바, 선상의 이중 비임으로 용접함으로써, 오프셋 윈도우는 0.13 - 0.26mm로 된다. 30°의 비임 회전을 이용함으로써 0 - 0.39mm로 증가된다. 용접의 실제에서, 이는 선상의 하나의 비임 또는 이중 비임의 ±0.065mm에 비교되는 ±0.2mm의 레이저 초점위치의 허용오차를 의미한다.
i) 표준 용접
도 51에 도시된 표준 GMT 800의 본체측면링은 5.5m의 전체 용접길이를 가진 3개의 접합부를 따라 용접된 4개의 조각(2조각은 2mm이고 2조각은 1mm인 아연도금판)으로 이루어진다. 이는 전형적인 선형용접이다. 용접절차는; 우선 A와 B를 용접하고; 다음으로 AB와 C를 용접하며; 마지막에 ABC와 D를 용접한다. GMT 800의 본체측면은 하나의 비임과 이중 비임 기술로 생산될 수 있다. 용접 매개변수는 표 4에 나타나 있다.
GMT 800 부품용 용접 매/개변수
용접기술 초점렌즈 헤드각도 비임 회전 레이저 출력 용접속도 최대 틈새
하나의 비임 200mm 6° 3000W 5.0m/min 0.20mm
이중 비임 200mm 6° 0° 2×3000W 9.0m/min 0.20mm
이중 비임 200mm 6° 15° 2×3000W 8.0m/min 0.35mm
이중 비임 150mm 6° 30° 2×2800W 9.0m/min 0.30mm
하나의 비임과 이중 비임 용접공정을 비교하면 용접속도가 증가되어, 부품의 용접시간이 하나의 비임에 의한 66초에서 선상의 이중 비임에 의한 37초로 감소되며, 30°의 비임 회전각으로는 42초로 감소된다. 틈새에서의 허용오차는 비임 회전에 의해 0.2mm에서 0.35mm로 증가되고, 그 결과 용접공정이 더욱 안정되고 안전하게 된다. 표 4는 150mm의 초점길이를 가진 렌즈의 시험도 나타내고 있다. 짧은 초점길이의 장점은 동일한 용접조건하에서 빠른 속도에 있다.
다양한 용접이음의 단면이 도 52에 도시되어 있는데, 이는 매우 부드러운 용접부가 얻어질 수 있음을 보여준다. 하나의 비임과 이중 비임 용접공정의 비교에서, 이중 비임 용접공정의 용접 프로파일은 하나의 비임 용접공정 보다 우수한 외관을 갖는다. 전형적인 올센의 확장 성형성 시험쿠폰이 도 53에 도시되어 있는데, 크랙이 모재의 얇은 영역에서 시작되고 있다. 부품은 만족스러운 외관을 나타내고, 형판에서의 성형성을 충족시킨다. 시작상태에서의 어려움들을 제외하고, 형성공정에서 전달된 부품들의 크랙은 보고되지 않았다.
표준 캐딜락의 뒷문용 내부패널이 도 54에 도시되어 있고, 이후에 후술되는 표준 지프 체로키의 측면패널도 형성되었다. 캐딜락 용접부는 서로 직각인 두개의 선형용접부로 이루어진다. 각 부품은 동일한 절단형판으로 전단되는데, 매우 정확한 접합부의 맞춤을 알 수 있다. 모든 접합부를 통해 측정된 틈새는 다른 전단에 따라 0.1에서 0.35mm로 되었다.
용접부 외관의 전형적인 단면이 도 54에 도시되어 있는 바, 사진에는 용접함몰부가 나타나 있지 않다. 두 용접부의 횡단에서 나타난 작은 구멍을 극복하기 위해, 레이저 출력은 용접부 1의 마지막 10mm 위로 경사져 내려오게 되어 크레이터 (crater)를 메울 수 있게 된다. 다음에, 레이저 출력은 용접부 2의 시작부에 경사져 내려오게 된다 블랭크는 코너에서 회전하는 헤드에 의해 하나의 경로로 용접된다. 비임은 긴 다리부의 끝에서 닫히게 되고, 헤드가 회전된 후에 코너에서 재시작된다.
용접부는, (a) 접합부에 대해 레이저 비임의 정확한 위치를 유지하는 시각 트래킹시스템과; (b) 어떤 경우에는 사용되지 않는 갠트리의 정확성과 안정성을 확인하는 임의의 트래킹 및; (c) 1m ×1m인 갠트리와 합성각이 포함된 특정한 절차;를 이용하여 생성된다. 트래킹 시스템 없이, 시트제한은 훨씬 더 임계에 있게 된다. 트래킹이 사용되지 않을 때 형판으로 절단된 부품의 준비된 선단이 특성내에 있으면, 만족스러운 용접부가 얻어진다. 트래킹 시스템의 작동으로 용접된 부품들은 용접외관과 프로파일에 현저한 차이가 없음을 나타내고 있다. 부품들을 용접하는 데에 사용된 용접 매개변수는 표 5에 나타나 있다. 다시, 이중 비임 기술에 의한 용접은 훨씬 큰 틈새를 유효하게 한다.
캐딜락 뒷문의 내부패널용 용접 매개변수
용접기술 초점렌즈 헤드각도 비임 회전 레이저 출력 용접속도 최대 틈새
하나의 비임 200mm 6°+6°* 3000W 5.0m/min 0.10mm
이중 비임 200mm 6° 0° 2500+3000W 9.0m/min 0.15mm
이중 비임 200mm 6° 30° 2500+3000W 7.2m/min 0.35mm
*합성각도
지프의 본체측면의 표준 부품과 용접의 연속이 도 55에 도시되어 있는 바, 도 55의 맞춤 블랭크는 세 치수의 시트로 이루어지고, 제 1용접부는 2.4미터 이상으로 길며, 전체 부품은 3.6미터이다. 시트는 매우 얇으며, 접합부의 최소 두께비는 틈새를 메우기에 극히 어려운 1.25이다. 더구나, 두 두께의 조합은 단일한 속도를 이용하여 용접될 수 없는 단일한 용접부에 존재한다. 시트 A(0.8mm의 두께)와 B(1mm의 두께)는 도 55에 도시된 폭으로 절단되어 갠트리 기계에 적재된다. 이들은 중간부(AB)로 용접된다. 그 후에, 용접된 블랭크는 용접 갠트리에 부품(AB)을 다시 재설정하기 전에 적당한 길이와 각도로 전단된다. 부품 C는 적당한 크기와 형상으로 이미 전단되어 있다. 끝으로, 부품(AB)와 부품(C)는 함께 접합된다.
표준 맞춤 블랭크의 구조에서는 표 6에서 볼 수 있는 것처럼 하나의 비임과 이중 비임 용접공정 모두가 사용되었다. 1.0 내지 0.8mm 시트의 용접을 위해, 음의 헤드각도가 매우 작은 두께비 때문에 선택되었다. 비임 회전에 의한 이중 비임 용접기술은 빠른 용접속도와 접합부에 있는 큰 틈새를 메울 수 있는 가능성을 제공한다. 이는 특히 통상의 전단에 의해 준비된 얇고 긴 시트에 대해 중요하다. 또한, 150mm의 초점렌즈가 시험되었다. 이의 장점은 동일한 속도로 용접되나, 낮은 레이저 출력이 요구된다는 것으로, 램프의 지속적인 작동에 이득이 되고, 작동비용을 절감한다. 제 2용접부의 용접을 위해, 용접속도는 시트의 결합까지 변경된다.
지프 체로키 본체측면용 용접 매개변수
용접기술 초점렌즈 헤드각도 비임 회전 레이저 출력 용접속도 최대 틈새
하나 1.0-0.8mm 200mm -6° 3000W 7.5m/min 0.15mm
하나 1.3-0.8mm 200mm +6° 3000W 7.0m/min 0.20mm
하나 1.3-1.0mm 200mm +6° 3000W 6.5m/min 0.15mm
이중 1.0-0.8mm 200mm -6° 30° 2800+3000W 12m/min 0.20mm
이중 1.3-0.8mm 200mm +6° 30° 2600+2800W 10m/min 0.25mm
이중 1.3-1.0mm 200mm +6° 30° 2600+2800W 9.5m/min 0.22mm
이중 1.0-0.8mm 200mm -6° 30° 2500+2500W 12m/min 0.20mm
이중 1.3-0.8mm 200mm +6° 30° 2500+2500W 10m/min 0.20mm
이중 1.3-1.0mm 200mm +6° 30° 2500+2500W 9.5m/min 0.20mm
전형적인 용접부의 단면이 도 56 내지 도 58에 도시되어 있는 바, 도 56은 1.0 - 0.8mm의 접합부를 도시하고, 도 57과 도 58은 1.3 - 1.0mm의 접합부를 도시한다. 생성된 용접부는 1.0 - 0.8mm 시트의 용접에 의해 0 % 내지 8 %의 최대 함몰부를 갖추는데, 이는 맞춤 용접된 블랭크에 대한 오토 스틸 파트너쉽(Auto Steel Partnership) 표준(1997년에 제안된)에 설정된 강철시트의 용접의 프로파일 특성을 여전히 충족시킨다. 200mm 초점렌즈와 함께 150mm 초점렌즈를 사용함으로써 용접된 단면들의 비교로부터, 용접부에 현저한 차이가 없음을 알 수 있다.
올센의 확장 성형성 반구형시험(도 59 참조)은 용접된 접합부 외부의 얇은 재료에서 금이 발생함을 나타내고 있다. 용접된 접합부는 본 명세서에 따른 적용성에 대한 모든 특성을 충족시키는 한편, 용접부에서의 불량이 보고되지 않았다.
비선형 용접도 맞춤 블랭크에 장차 사용될 것으로 확신된다. 자동차 디자이너들은 구조를 최적화하고 더욱 효율적으로 부품들의 성형성을 향상시키기 위해 비선형으로 용접된 블랭크에 더욱 주목하고 있다. 도 60에서는, 두 종류의 비선형 용접부가 도시되어 있는 바, 제 1부분은 100과 475mm의 별개의 반경을 갖는 2개의 직선형과 3개의 호형상 용접부로 이루어지는 한편, 제 2부분은 200mm의 직경을 갖는 완전한 원형의 용접부인데, 이는 전형적으로 완충장치 타워를 구성하는 데에 이용된다. 이들 두 비선형 용접부는 이중 비임 기술과 조합된 도 1 내지 도 3에 도시된 본 출원인의 AWS 3축 용접기계를 사용하여 훌륭하게 생성되었다. 30도의 비임 회전각에 의한 이중 비임 용접기술은 부품의 위치선정과 접합부를 따르는 틈새의 허용오차에 대한 필요조건을 감소시킨다.
표준화 동안, 용접이 결함과 파쇠부에 따른 경험도 정리되었다. 이의 목적은 표준화에서 생성된 파쇠를 재검토하고, 더구나 파쇠율을 최소화시키기 위해 파쇠의 원인을 찾기 위한 것이다. 예로써, 아주 초기의 표준화에서 생성된 GMT 800의 부품이 선택되었는데, 600개 이상의 본체측면링을 용접함으로써, 표시되는 23개의 좌측 파쇠와 12개의 우측 파쇠가 있었다. 상세한 정보는 표 7 및 표 8에 있다.
좌측부 파쇠
부품번호 용접번호 결함 위치 비고
AWS014 BC 중첩 끝 불량한정 시트
AWS025 AB 무용접 시작 트래킹 오류
AWS026 BC 불침투 시작 트래킹 오류
AWS036 AB 무용접 끝 트래킹 오류
AWS038 AB 용접정지 끝 불량한정 시트
AWS039 CD 용접정지 끝 불량한정 시트
AWS048 BC 중첩 끝 불량한정 시트
AWS049 CD 용접정지 끝 불량한정 시트
AWS052 BC 중첩 끝 불량한정 시트
AWS058 AB 불침투 시작 트래킹 오류
AWS069 AB 불침투 시작 트래킹 오류
AWS082 BC 불침투 중간 트래킹 오류
AWS101 BC 용접정지 레이저 오류
AWS142 AB 무용접 끝 초과 틈새
AWS143 CD 불량시트
AWS144 BC 절단 불량한정 시트
AWS147 BC 용접정지 불량한정 시트
AWS183 CD 부풀어 오름 끝 초과 틈새
AWS184 AB 용접정지 끝 불량한정 시트
AWS196 AB 절단 끝 초과 틈새
AWS259 CD 불침투 끝 트래킹 오류
AWS269 AB 용접정지 끝 불량한정 시트
AWS278 AB 불침투 끝 트래킹 오류
우측부 파쇠
부품번호 용접번호 결함 위치 비고
AWS414 BC 무용접 1 레이저 비작동
AWS428 CD 절단 끝 초과틈새
AWS430 BC 절단 끝 초과틈새
AWS450 BC 절단 초과틈새
AWS451 BC 절단 초과틈새
AWS454 BC 용접정지 끝 불량한정 시트
AWS536 CD 용접정지 끝 불량한정 시트
AWS558 BC 중첩 시작 불량한정 시트
AWS650 BC 불량용접연속
AWS653 CD 용접정지 끝 불량한정 시트
AWS688 BC 용접정지 불량한정 시트
AWS707 BC 절단 끝 초과틈새
표 7과 표 8로부터, 35파쇠의 절반(17조각)이 자석베드상에 있는 시트의 부적당한 특성에 의해 일어났다. 한 이유는 시트가 핀에 대해 충분히 밀려지지 않아서, 접합부의 일부가 트래킹 윈도우의 밖에 있었다. 용접공정은 트래킹 시스템에 의해 정지되었다. 다른 이유는 얇은 시트 위로 두꺼운 시트가 중첩된 것으로, 이들 모두가 얇은 시트(용접부호 BC)에 대해 두꺼운 시트를 제한함으로써 일어나다. 파쇠의 25%(9조각)는 초과하는 틈새와, 절단의 결과, 부풀어 오름 및, 일련의 핀홀에 의해 일어났다. 7개의 파쇠(20%)는 트래킹 오류의 결과로 일어났다. 이 경우에 용접의 결합은 임의의 국부적인 용접부(통상 용접 시작부에서)에서 침투되지 않는다. 대부분의 경우에, 두꺼운 쪽으로의 레이저비임의 분명한 점핑이 관찰될 수 있다. 물론, 2개의 파쇠조각은 레이저 결함으로 일어났다.
파쇠율은 갠트리상의 한정된 시트에 의한 많은 확장에 영향을 끼친다. 파쇠율을 감소시키기 위해, 트래킹 시스템이 사용되더라도 적당한 한정이 중요하다. 더욱 견고하고 안정된 핀은 한정의 질을 향상시키는 데에 도움이 될 수 있다. 얇은 시트 위에 두꺼운 시트의 중첩을 방지하기 위해, 두꺼운 시트는 바람직하기로 먼저 한정되어야 한다. 제 1핀이 가능한 용접의 시작점에 가까이 놓이고, 이로써 "도입부"의 트래킹 오류가 감소된다. 전단된 선단의 상태도 중요한 역할을 수행한다. 파쇠율을 감소시키기 위해, 시트선단의 아주 일직선인 허용오차가 도움이 된다. 트래킹 매개변수는 최적화되어 트래킹 오류의 빈도수를 감소시켜야 한다. 이들 향상이 이루어진 후, 매우 낮은 파쇠율(1% 이하)이 제 2상태의 표준화 동안 성취되었다.
도 1은 각 선형의 이음선(34)을 가진 두 소재(12a,12b)의 동시생산을 도시하고 있다. 하지만, 필요하면 본 발명은 직선이나 곡선 도는 각진 이음선을 따라 하나 또는 둘 이상의 소재를 용접하는 데에 동등하게 이용될 수 있다.
도 1 내지 도 3이 쌍으로 된 블랭크들(14a,16a,14b,16b)을 함께 용접하는 데에 이용된 하나의 레이저(36)와 병합된 생산조립라인(10)을 도시하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 필요하면, 둘 이상의 레이저가 사용될 수 있는데, 이들은 이음선을 따라 각각 쌍으로 된 블랭크(14,16)를 동시에 용접하는 이동가능한 레이저 헤드를 각각 갖추고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 시트블랭크(14)들 사이의 간격을 연속으로 감지하는 센서(49)를 구비하는 장치를 기술하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 비용효율이 큰 실시예에서는, 센서(46)가 생략될 수 있다. 이러한 형태로, 레이저헤드(42)의 위치선정은 프로그램화되거나, 용접작업이 이행될 때 동시에 작업자에 의해 연속으로 수동으로 조절될 수 있다. 바람직하기로, 레이저헤드(42)는 예컨대 다른 두께의 블랭크가 접합될 때와 같이, 용접동안 일정하게 유지되는 고정된 초기 위치로 이동될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 별개의 두 레이저 비임을 발생시키는 응집광원 발생기(40)를 기술하는 한편, 필요하면 에너지원은 레이저 헤드(42)로의 경로에서 둘 이상의 레이저비임으로 분리되는 단일한 응집광원을 발생시키는 데에 이용될 수 있다. 마찬가지로, 두개의 응집광원이 용접을 위해 사용되는 것으로 기술되는 한편, 하나의 비임이나, 셋 또는 넷 이상으로 된 응입광원의 다중 비임도 이용될 수 있다.
상세한 설명이 본 발명의 바람직한 실시예를 기술하고 도시하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 많은 응용과 변형이 당해분야의 숙련자에게 일어날 수 있다. 본 발명의 한정을 위해 첨부된 청구범위를 참조로 한다.
＜부호의 설명＞
A ----- 흡수율 또는 결합률,
b ----- 용접폭,
csol----- 고체의 비열,
C ----- 유체의 비열,
D ----- 물질의 온도전도율,
df----- 레이저 비임의 직경,
deff----- 유효 비임의 직경,
doff----- 결합부에서 레이저 비임의 오프셋 치수,
f ----- 렌즈의 촛점길이,
g ----- 갈라진 틈의 폭,
Hm----- 물질의 융해엔탈피,
h ----- 시트의 두께,
h1----- 결합부의 얇은 시트의 두께,
h2----- 결합부의 두꺼운 시트의 두께,
K ----- 물질의 열전도율,
PL----- 레이저동력(출력＠가공품),
PF----- 유효동력(흡수동력),
PV----- 열전도율에 대한 손실동력,
rf----- 레이저 비임의 반경,
T ----- 온도,
Tm----- 물질의 융해온도,
TR ----- 결합부의 두께율,
v ----- 용접속도,
α ----- 빔의 경사각,
φ ----- 빔의 회전각,
θ ----- 렌즈 헤드각도,
ρ ----- 물질의 밀도,
ΔT ----- 매질의 과열온도,

Claims (20)

  1. 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법에 있어서, 이 복합 레이저는 제 1레이저 비임과 제 2레이저 비임을 포함하며, 각각의 제 1 및 제 2레이저 비임은 상기 블랭크의 부분쪽으로 촛점이 집중되어 광중심을 가진 각 촛점영역에서 용접되고, 상기 제 1 및 제 2레이저 비임의 광중심은 서로로부터 이격되어 있으면서 상기 복합비임의 촛점선의 한 끝을 한정하며, 상기 복합비임의 유효직경(deff)은 용접방향과 이음선을 가로지르는 방향으로 제 1 및 제 2레이저 비임의 최대발산(spread)에 의해 한정되는 한편, 상기 블랭크는,
    (a) 용접될 블랭크들의 접합선단부들 사이에서 이격된 틈새를 결정하는 단계와;
    (b)와여기서, g는 틈새의 간격이고, doff는 레이저 비임의 중심이 이음선으로부터 오프셋된 교차거리이며, h1은 얇은 제 1블랭크의 두께이고, h2는 다른 두꺼운 제 2블랭크의 두께인 식에 따라 대체로 상기 틈새를 메우도록 복합 레이저 비임의 유효직경을 조정하는 단계;
    (c)여기서, df는 제 1레이저 비임의 촛점직경이고, b는 광중심과 떨어진 거리인 식에 따라 대체로 이음선에 대해 복합비임의 촛점선의 회전각(φ)을 변화시키는 단계; 및,
    (d) 상기 소재의 블랭크들을 함께 용접하도록 상기 블랭크들의 인접한 부분들을 따라 레이저 비임을 이동시키는 단계;에 의해 접합되는 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    여기서 A는 흡수된 레이저 에너지동력의 결합률이고, PL은 레이저동력, Seff는 용접의 유효단면영역, ρ는 용접될 물질의 밀도, csol와 cliq는 융해되는 블랭크 물질의 고체 및 액체의 비열, Tm는 블랭크 물질의 융해온도, Hm은 블랭크 물질의 융해엔탈피, ΔT는 매질의 과열온도, K는 블랭크 물질의 열전도율, w는 용접폭, D는 블랭크 물질의 온도전도율인 식에 따라 대체로 소정의 속도에서 상기 레이저 비임이 인접한 부분들을 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 인접한 부분들의 이격된 틈새는 레이저 비임을 이동시키는 상기 단계에 앞서 틈새센서에 의해 바로 결정되고, 촛점선의 회전각을 변화시키는 단계는 상기 레이저 비임이 이동될 때 연속하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1레이저 비임의 촛점영역은 대체로 제 2레이저 비임의 촛점영역과 동등한 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 소재의 각 블랭크들은 강철, 강철합금, 알루미늄, 알루미늄합금 및 티타늄으로 이루어지는 그룹에서 선택된 보통 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 오프셋(doff)은 2개의 테스트 시트의 블랭크들의 대체로 연속하는 선단과 함께 테스트용접에 의해 미리 결정되고, h1및 h2와 동등한 각각의 두께를 갖는 각각은,
    상기 테스트 블랭크들의 연속하는 선단들을 서로 가깝게 그리고 대체로 평행하게 배치하는 단계와,
    상기 가까운 선단들을 레이저용접하는 한편, 상기 테스트 용접 이음부를 형성하도록 상대적으로 레이저 통로의 오프셋을 변화시키는 단계,
    바람직한 용접특성을 성취하는 가까운 선단에서 최적의 오프셋 거리를 결정하도록 테스트 용접 이음부의 형상을 해석하는 단계 및,
    상기 레이저 오프셋(doff)은 대체로 결정된 최적의 오프셋 거리와 동등하게 되는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 레이저 비임의 오프셋은 가까운 선단들이 용접될 때 소정의 비율로 변화되는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 최대로 허용할 수 있는 틈새는 2개의 테스트 시트의 블랭크들의 대체로 연속하는 선단과 함께 테스트용접에 의해 미리 결정되고, h1및 h2와 동등한 각각의 두께를 갖는 각각은,
    상기 테스트 블랭크들의 연속하는 선단들을 서로 근접하게, 그리고 최대 이격거리에서 최소 이격거리로 일정하게 변화하는 가까운 선단들 사이에서 틈새의 이격을 갖게 배치하는 단계와,
    상기 테스트 블랭크들의 가까운 선단들을 레이저용접하는 한편, 레이저 비임 오프셋이 테스트 용접 이음부를 형성하도록 하나의 테스트 블랭크의 가까운 선단으로부터 소정의 거리로 유지하는 단계,
    바람직한 용접특성의 형성을 허용하는 최대 틈새의 이격을 결정하도록 테스트용접 이음형상을 해석하는 단계 및,
    상기 레이저 비임을 이동시키는 단계 동안에 최대 틈새의 이격보다 크지 않은 선단부들 사이에 틈새 이격을 유지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 두 소재의 블랭크들의 인접한 선단부를 함께 용접하는 복합 레이저 비임을 이용하는 방법.
  9. 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 이용하는 방법에 있어서, 상기 제 1소재는 제 2소재의 블랭크의 두께(h2)보다 작은 선택된 두께(h1)를 갖는 한편, 상기 장치는 이음선을 따라 블랭크들을 용접하고서 대체로 선단부들 사이의 임의의 틈새를 메우도록 응집광원을 방사하는 레이저와, 상기 응집광원을 제어하는 제어기를 구비하되, 이 제어기는 용접동안 유효출력하에 응집광원을 유지하고, 상기 유효출력은
    여기서, PF는 유효 레이저 출력을 나타내고, v는 용접속도, ρ는 블랭크재료의 밀도, csol와 cliq는 고체 및 액체인 블랭크재료의 비열, Tm은 융해온도, hm은 블랭크의 융해엔탈피 및, ΔT는 융해점 이상인 융해의 중간 과열온도를 나타내는 한편, S는 용접부의 단면적과 동등하되, 이 S는
    여기서, rf는 이음선을 가로지르는 방향으로 이음선에서의 응집광원의 점의 반경이고, doff는 이음선으로부터 응집광원의 점의 중심까지의 교차오프셋이며, g는 선단부들 사이에 있는 틈새의 폭인 식에 따라 대체로 결정되는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 이용하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 중간 과열온도(ΔT)는 0.2 내지 0.4 Tm사이에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 이용하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 레이저 오프셋(doff)은 2개의 테스트 시트의 블랭크들의 대체로 연속하는 선단과 함께 테스트용접에 의해 미리 결정되고, h1및 h2와 동등한 각각의 두께를 갖는 각각은,
    상기 테스트 블랭크들의 연속하는 선단들을 서로 근접하게 그리고 대체로 평행하게 배치하는 단계와,
    상기 가까운 선단들을 레이저용접하는 한편, 상기 테스트 용접 이음부를 형성하도록 상대적으로 레이저 비임통로의 오프셋을 변화시키는 단계,
    바람직한 용접특성을 성취하는 테스트 용접 이음부로부터 오프셋 거리를 결정하도록 테스트 용접 이음부의 형상을 해석하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 이용하는 방법.
  12. 제 9항에 있어서, 최대로 허용할 수 있는 틈새는 2개의 테스트 시트의 블랭크들의 대체로 연속하는 선단들과 함께 테스트용접에 의해 미리 결정되고, h1및 h2와 동등한 각각의 두께를 갖는 각각은,
    상기 테스트 블랭크들의 연속하는 선단들을 서로 근접하게, 그리고 최대 이격거리에서 최소 이격거리로 일정하게 변화하는 가까운 선단들 사이에서 틈새의 이격을 갖게 배치하는 단계와,
    상기 테스트 블랭크들의 가까운 선단들을 레이저용접하는 한편, 레이저 비임 오프셋이 테스트 용접 이음부를 형성하도록 하나의 테스트 블랭크의 가까운 선단으로부터 소정의 거리로 유지하는 단계,
    바람직한 용접특성의 형성을 허용하는 최대 틈새의 이격을 결정하도록 테스트용접 이음형상을 해석하는 단계 및,
    제 1 및 제 2소재의 블랭크들을 용접하는 동안 최대 틈새의 이격보다 크지 않은 선단부들 사이에 틈새 이격을 유지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 이용하는 방법.
  13. 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법에 있어서, 상기 제 1소재의 블랭크는 두께(h1)를 가지며, 상기 제 2소재의 블랭크는 이 두께(h1)와 같거나 보다 큰 선택된 두께(h2)를 갖는 한편, 상기 장치는 이음선을 따라 함께 상기 블랭크들을 맞대기용접하는 레이저로서 응집광원을 방사하는 레이저를 구비하고, 상기 블랭크는,
    (a) 상기 제 2블랭크의 선단부의 가까이에 제 1블랭크의 선단부를 위치시키는 단계와;
    (b)여기서, rf는 이음선을 가로지르는 방향으로 응집광원의 반경이고, doff는 응집광원의 중심이 이음선으로부터 가로질러 오프셋된 거리인 식을 따라 상기 가까운 선단부들 사이에 있는 틈새의 간격(g)을 유지하는 동안 이 선단부들을 용접하도록 레이저를 작동시키는 단계;로 이루어진 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    여기서 A는 흡수된 레이저 에너지동력의 결합률이고, PL은 레이저동력, Seff는 용접의 유효단면적, ρ는 용접될 물질의 밀도, csol와 cliq는 융해되는 블랭크 물질의 고체 및 액체의 비열, Tm는 블랭크 물질의 융해온도, Hm은 블랭크 물질의 융해엔탈피, ΔT는 중간 과열온도, K는 블랭크 물질의 열전도율, w는 용접폭, D는 블랭크 물질의 온도전도율인 식에 따라 대체로 속도(v)에서 이음선을 따라 상기 응집광원을 이동시키는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 용접폭(w)은 1.4df의 식으로 계산되고 이 때 df=2rf인 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 응집광원은 적어도 제 1레이저 비임과 제 2레이저 비임을 포함하는 복합 비임으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법.
  17. 제 13항에 있어서, 상기 레이저 오프셋(doff)은 2개의 테스트 시트의 블랭크들의 대체로 연속하는 선단들과 함께 테스트용접에 의해 미리 결정되고, h1및 h2와 동등한 각각의 두께를 갖는 각각은,
    상기 테스트 블랭크들의 연속하는 선단들을 서로 근접하게 그리고 대체로 평행하게 배치하는 단계와,
    상기 가까운 선단들을 레이저용접하는 한편, 상기 테스트 용접 이음부를 형성하는 데에 대해 응집광원의 통로 오프셋을 변화시키는 단계,
    바람직한 용접특성을 성취하는 테스트 용접 이음부로부터 최적의 오프셋 거리를 결정하도록 테스트 용접 이음부의 형상을 해석하는 단계 및,
    상기 레이저 오프셋(doff)은 대체로 결정된 최적의 오프셋 거리와 동등하게 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법.
  18. 제 13항에 있어서, 최대로 허용할 수 있는 틈새는 2개의 테스트 시트의 블랭크들의 대체로 연속하는 선단들과 함께 테스트용접에 의해 미리 결정되고, h1및 h2와 동등한 각각의 두께를 갖는 각각은,
    상기 테스트 블랭크들의 연속하는 선단들을 서로 근접하게, 그리고 최대 이격거리에서 최소 이격거리로 일정하게 변화하는 가까운 선단들 사이에서 틈새의 이격을 갖게 배치하는 단계와,
    상기 테스트 블랭크들의 가까운 선단들을 레이저용접하는 한편, 레이저 비임 오프셋이 테스트 용접 이음부를 형성하도록 하나의 테스트 블랭크의 가까운 선단으로부터 소정의 거리로 유지하는 단계,
    바람직한 용접특성의 형성을 허용하는 최대 틈새의 이격을 결정하도록 테스트용접 이음형상을 해석하는 단계 및,
    최대 틈새의 이격보다 크지 않은 선단부들 사이에 틈새 이격을 유지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법.
  19. 제 13항에 있어서, 상기 레이저는 제어기를 더 구비하되, 이 제어기는 용접동안 유효출력하에 응집광원을 유지하고, 상기 유효출력은
    여기서, PF는 유효 레이저 출력을 나타내고, v는 용접속도, ρ는 블랭크재료의 밀도, csol와 cliq는 고체 및 액체인 블랭크재료의 비열, Tm은 융해온도, hm은 블랭크의 융해엔탈피 및, ΔT는 융해점 이상인 융해의 중간 과열온도를 나타내는 한편, S는 용접부의 단면적과 동등하되, 이 S는
    인 식에 따라 대체로 결정되는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법.
  20. 제 16항에 있어서, 제 1 및 제 2레이저 비임 각각은 상기 블랭크의 부분쪽으로 촛점이 집중되어 광중심을 가진 각 촛점영역에서 용접되고, 상기 제 1 및 제 2레이저 비임의 광중심은 서로로부터 이격되어 있으면서 상기 복합비임의 촛점선의 한 끝을 한정하며, 상기 복합비임의 유효직경(deff)은 용접방향과 이음선을 가로지르는 방향으로 제 1 및 제 2레이저 비임의 최대발산(spread)에 의해 한정되는 한편, 상기 블랭크는,
    (a) 용접될 블랭크들의 접합선단부들 사이에서 이격된 틈새를 결정하는 단계와;
    (b)와인 식에 따라 대체로 상기 틈새를 메우도록 복합 레이저 비임의 유효직경을 조정하는 단계;
    (c)여기서, df는 제 1레이저 비임의 촛점직경이고, b는 광중심과 떨어진 거리인 식에 따라 대체로 이음선에 대해 복합비임의 촛점선의 회전각(φ)을 변화시키는 단계; 및,
    (d) 복합 비임이 상기 블랭크들의 인접한 부분들을 따라 이동할 때 촛점선의 회전각을 연속적으로 변화시키는 단계;에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 이음선을 따라 제 2소재의 블랭크의 선단부에 제 1소재의 블랭크의 선단부를 맞대어 접합시키는 장치를 사용하는 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008038655B4 (de) * 2008-08-12 2017-04-27 Wisco Tailored Blanks Gmbh Vorrichtung zum Verschweißen von mindestens zwei Bändern aus Metall und Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes
KR20190133619A (ko) * 2018-05-23 2019-12-03 안드리츠 소우텍 아게 워크피스들을 함께 용접하는 방법 및 그 방법의 적용

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6513860B1 (en) * 2000-04-26 2003-02-04 Ford Global Technologies, Inc. Method and apparatus for forming a three piece tailor welded door blank
JP2002321074A (ja) * 2001-04-27 2002-11-05 Honda Motor Co Ltd レーザ溶接方法
ES2178972B1 (es) * 2001-05-31 2004-06-16 Visteon Sistemas Interiores España, S.L. Metodo para el corte de paneles hibridos para revestimiento de interiores de automoviles.
DE10350670B3 (de) * 2003-10-30 2005-02-03 Thyssenkrupp Stahl Ag Blechplatine für die Herstellung von Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen, sowie Verfahren zum Herstellen der Blechplatine
KR100604633B1 (ko) * 2004-04-26 2006-07-26 주식회사 성우하이텍 알루미늄 용접 블랭크의 레이저 용접 방법
FR2908677B1 (fr) * 2006-11-17 2009-02-20 Air Liquide Procede de soudage par faisceau laser a penetration amelioree
JP2012236441A (ja) * 2011-05-10 2012-12-06 Nissan Motor Co Ltd パネル材の溶接接合方法及び接合パネル材
CN102896447B (zh) * 2012-10-20 2014-10-22 昆明钢铁集团有限责任公司 移动式不锈钢复合板坯压力焊接机
US10328513B2 (en) 2013-05-31 2019-06-25 General Electric Company Welding process, welding system, and welded article
WO2015162445A1 (fr) 2014-04-25 2015-10-29 Arcelormittal Investigación Y Desarrollo Sl Procede et dispositif de preparation de toles d'acier aluminiees destinees a etre soudees puis durcies sous presse; flan soude correspondant
CN104308362B (zh) * 2014-08-27 2016-08-24 大族激光科技产业集团股份有限公司 一种激光焊接曲面冲压件的方法
DE102014117157B4 (de) * 2014-11-24 2017-02-16 Scansonic Mi Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken an einem Überlappungsstoß
CN104384718B (zh) * 2014-11-25 2019-03-22 北京航星机器制造有限公司 一种Ti2AlNb基金属间化合物双光束脉冲激光焊接方法
WO2017191336A1 (es) * 2016-07-29 2017-11-09 Tecoi Corte, S.L. Sistema de corte laser con doble fibra
KR102498030B1 (ko) * 2016-09-29 2023-02-08 엔라이트 인크. 조정 가능한 빔 특성
US10730785B2 (en) 2016-09-29 2020-08-04 Nlight, Inc. Optical fiber bending mechanisms
JPWO2019189927A1 (ja) * 2018-03-30 2021-04-08 古河電気工業株式会社 溶接方法および溶接装置
WO2019222256A1 (en) * 2018-05-15 2019-11-21 Gestamp North America, Inc. Laser cutting systems and methods
KR102398807B1 (ko) * 2018-05-21 2022-05-16 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 겹침 레이저 용접 조인트, 겹침 레이저 용접 조인트의 제조 방법 및 자동차용 골격 부품
US11203085B2 (en) * 2018-09-25 2021-12-21 GM Global Technology Operations LLC Method and apparatus for laser welding
RU2697756C1 (ru) * 2018-10-31 2019-08-19 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Способ бездефектной гибридной лазерно-дуговой сварки тонкостенных стыковых соединений
RU2697754C1 (ru) * 2018-10-31 2019-08-19 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Способ бездефектной гибридной лазерно-дуговой сварки толстостенных стыковых соединений
DE102018219280A1 (de) * 2018-11-12 2020-05-14 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum spritzerfreien Schweißen, insbesondere mit einem Festkörperlaser
CN110102963B (zh) * 2019-01-22 2021-11-09 靖江市亚泰物流装备有限公司 一种筒体的拼板数量和规格计算方法、制作方法及其应用
DE102019201033A1 (de) * 2019-01-28 2020-07-30 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren zum automatisierten Ermitteln des Einflusses eines Schneidparameters beim Laserschneiden sowie Laserbearbeitungsmaschine und Computerprogrammprodukt
CN114829057B (zh) * 2019-12-25 2024-03-05 古河电气工业株式会社 金属箔的焊接方法
CN111988938B (zh) * 2020-08-20 2021-07-09 广州创利宝科技有限公司 一种通讯设备存放保护设备
KR20220107366A (ko) * 2021-01-25 2022-08-02 에스케이온 주식회사 배터리 모듈
CN114473277B (zh) * 2022-01-26 2024-04-05 浙江大学台州研究院 一种用于取线和焊接的高精度定位装置以及方法
CN116652388B (zh) * 2023-06-13 2024-01-23 中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司 一种tc4钛合金低热输入高效激光熔丝增材制造方法
CN116810153B (zh) * 2023-08-23 2023-11-07 华安钢宝利高新汽车板加工(沈阳)有限公司 汽车门环焊渣自清洁式激光拼焊系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60199585A (ja) * 1984-03-23 1985-10-09 Toshiba Corp レ−ザ溶接機
JP2828879B2 (ja) * 1993-08-30 1998-11-25 住友重機械工業株式会社 レーザ加工機
US5591360A (en) * 1995-04-12 1997-01-07 The Twentyfirst Century Corporation Method of butt welding
CA2199355A1 (en) * 1997-03-06 1998-09-06 Bob Bishop Multiple beam laser welding apparatus
US6087619A (en) * 1997-05-13 2000-07-11 Fraunhofer Usa Resource Center Dual intensity multi-beam welding system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008038655B4 (de) * 2008-08-12 2017-04-27 Wisco Tailored Blanks Gmbh Vorrichtung zum Verschweißen von mindestens zwei Bändern aus Metall und Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes
KR20190133619A (ko) * 2018-05-23 2019-12-03 안드리츠 소우텍 아게 워크피스들을 함께 용접하는 방법 및 그 방법의 적용

Also Published As

Publication number Publication date
GB0101613D0 (en) 2001-03-07
EP1109647A1 (en) 2001-06-27
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CA2242139A1 (en) 1999-12-29
AU4595099A (en) 2000-01-17
WO2000000320A1 (en) 2000-01-06
CN1307510A (zh) 2001-08-08
GB2354196A (en) 2001-03-21

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