KR20020047422A - 전극 로울러시스템을 이용한 테일러드웰디드블랭크 장치의개발 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 이종 강판을 목적에 맞게 용접하여 조립한 프레스 가공용 소재의 제조과정에서 생산성 및 품질이 우수한 테일러드블랭크 제품제조를 위한 TWB방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하여 정밀 절단한 소재를 레이저(Laser)용접함에 있어서 용접허용갭을 0.4mm까지도 제조가 가능토록 그 허용폭을 증대시켰고 용접부의 가공경화를 제거함으로써 품질을 향상시키고 예열처리에 의하여 생산성이 기존에 비해 향상 가능하게 되었다. 이를 위해 기존 로울러시스템(roller system)방식을 대신하여 전기저항용접 Roll을 이용한 T.W.B 제조방식을 택하였다.

Description

전극 로울러시스템을 이용한 테일러드웰디드블랭크 장치의 개발 {Development of equipment tailored welded blank using electrode roller system}

발명의 분야

본 발명은 용접된 프레스성형용 소재로서, 이종의 재질, 이종의 두께를 용도에 맞게 재단한 후 레이저용접하여 자동차용으로 사용하는 자동차용 T.W.B(Tailored Welded Blank)의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 그 중에서도, 용접후 조립한 프레스가공용 소재의 제조공정에 있어 생산성 및 품질이 우수한 테일러드블랭크제품을 제조하기 위한 TWB제조방법에 관한 것이다. 보다 상세히는 자동차용 T.W.B(Tailored Welded Blank)을 로울러시스템(Roller System)으로 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 로울로시스템은 비용접로울러와 용접로울러로 구비하고, 용접로울러는 내부 수냉장치를 구비한 상·하전극로울러로 구비하여 피용접물 양 가장자리부를 밀착 및 압착하고 상기 전극로울러에 의한 열간가공시 피용접물을 A3변태점 이상 50℃까지 상기 전극로울러로 가열후 열간압연가공하여 피용접재인 양 판재를 용접하여서 되는 것을 특징으로 하는 T.W.B.판 제조방법에 관한 것이다.

이 TWB제조방법은 이미 세계적으로는 유럽 및 미국 그리고 일본등지에서 자동차 프레스가공용 소재 제작방법으로 널리 사용되는 방법으로서 복수의 이종강판을 목적에 맞게 재단(Tailored)한후 2개 또는 3개를 레이저(Laser)로 용접하여 일체화 성형을 실시하게 한 것이다.

종래의 기술 및 문제점

그러나, 종래의 경우, 이종 또는 두께가 서로 다른 이종두께를 가진 판재를 레이저용접시, 두 판재 사이에 갭이 있으면 용접이 어려워지거나 불가능해지며, 프레스 또는 전단기로 잘린 판재는 첨부도면 제 2 도에서와 같이 대부분 갭(gap)이 발생하게 된다.

따라서, 상기 목적달성을 위해 통상 4가지 방법이 사용되어 왔다.

첫번째로는 금형 및 크럽쉐아(Crop Shear)의 정밀가공을 통해 용접허용갭 (gap)을 최소화 하여 0.1mm 이내까지 용접이 가능하도록 하는 방법이 있다. 독일 티센그룹의 노텔퍼(Notelfer)사에서는 이러한 방법으로 도어 내부품(Door Inner) 등을 제조하고 있으며 노텔퍼(Notelfer)만의 금형 전문기술을 복합하여 개발된 것이다.

그러나 정밀 금형제어 기술 뿐 아니라 금형의 마모측면에 있어서 피 가공물의 용접단면은 쉽게 0.1mm 좀더 알기쉽게 표현해 한면이 예컨대 0.05mm가 되면 용접이 불가능해지는 단점이 있어 상기 독일 노텔퍼식 방법은 통상 10000타점이 지나면 금형의 날을 재 가공해야 하는 등의 문제와 약간의 홈(Burr)마저도 허용되지 않는 까다로운 제조방식이다. 그러나 우수한 전문 금형기술이라는 점과 도어 내부품 (Door Inner) 등과 같이 단순 직선 용접만을 제조시 생산성이 극히 우수하다는 장점이 있다. 이런 방식을 도입한 것이 현대자동차의 T.W.B 제조방법이다.

두번째로는 스위스 소드로닉(Soudronic)사에서 개발된 용접단면부의 프레스 로울링(Press Rolling)방법이다. 이는 얇은 두께의 판(Sheet)을 클램핑(Clamping) 한 후 두꺼운 판재를 얇은 판재쪽으로 맞붙인후 두꺼운 판재의 가장자리(Edge)부를 압연(Rolling) 함으로서 판재 사이의 갭(gap)을 메우는 방식이다. 이런 방식을 통하면 정밀 금형기술을 보유하지 않더라도 용접부 허용갭(gap)을 0.3mm까지도 가능케 하므로 품질의 안정성이 매우 높은 방식이다. 그러나 한쪽면을 지나치게 압연 하게 되므로 용접부 경도 증가 및 클램핑(Clamping)과정을 순환시킴에 따른 생산성감퇴(Loss)를 감안하지 않았다. 또한 압연에 의한 압축(Rolling Press)이므로Rolling 내구성 또한 나빠지는 문제를 가지게 되었다.

세번째로는 미국의 빌(Vil)사의 정밀 전단(Shearing)기술이다. 이 기술은 용접하고져 하는 판재의 가장자리(Edge)면을 또한번 정밀 전단기로 절단하여 용접을 하게 되는데 이 과정에서 용접단면간의 갭은 0.07mm 이내로 맞추어지게 되며 설비가 매우 간단한 특징을 보이고 있으나 수율 측면에서 전단기로 절단되는 만큼의 손실이 생기고 생산성 측면에서 연속작업 공정이 추가됨에 따른 생산성의 손실을 감안해야 하였다.

네번째로 미국 A.W.S사의 탄뎀 레이저(Tandem Laser)발생원(Source)을 이용한 용접방법이다. 이때의 허용갭은 0.3mm까지도 가능하며 이것은 2개의 레이저발생원(Laser Souce)에서 2개의 용접헤드(Head)를 만들어 용접점에 레이저초점맞춤 (Laser Focusing)을 2점으로 하여 갭을 보상하는 장치이다.

그러나 레이저를 2대 사용해야하므로 설비가 고가이고 2대중 1대가 고장나면 생산 할 수가 없게되며 설비고장은 또한 장비가동율을 떨어 뜨린다.

또한 레이저는 갭에 따라 생산속도를 달리 하므로 생산성도 점차 떨어지게 하는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위해 복수의 이종강판을 목적에 맞게 용접하여 조립한 프레스가공용 소재공정에 있어 생산성 및 품질이 우수한 테일러드 블랭크(Tailored welded blank)를 제조하기 위한 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

레이저용접은 빔의 품질(Beam Quality)가 문제 되지 않는다면 두 개의 피용접물 사이의 갭에 영향을 받게 된다. 전술한 T.W.B.(Tailored Welded Blank)의 기술적과제는 여하간 두 피용접물 사이의 갭을 최소화하자는 것이다. 피용접물의 갭을 최소화하는 방안 또는 이를 극복하는 방안등은 이미 상술한 바와 같으며 본 발명은 갭의 최소화를 달성하기 위한 방법과 용접부의 품질이 성형시 문제 되지 않게 우수한 성형성을 확보하는 것, 그리고 최고의 생산성을 유지하기 위한 것 등으로 용접가능 갭을 0.4mm까지 확보가능토록 하고 용접부의 성형성은 모재이상을 유지하는 것, 그리고 생산성은 기존 레이저용접 속도대비 15% 향상되도록 하는데 본 발명의 목적이 있다.

제 1 도는 본 발명상의 용접로울러시스템을 적용하기 위한 관련 장치 사진이다.

제 2 도는 레이저버트용접부에서의 가장자리부품질 영향을 나타낸 것이다.

제 3 도는 위 가장자리부 처리과정 설명도이다.

도면에 대한 주요부호 :

1. 판재(블랭크)소재 2, 2-1, 2-2. 상부로울 3. 하부로울

4. 위치고정용 승강대 5. 판재지지대 6. 레이저빔

7. 용접부 검사기

본 발명은 압연롤을 이용한 용접방식을 기초로 하여 고안된 것이다. 즉, 본 발명은 전술한 자동차용 T.W.B. 소재를 제조함에 있어 그 제조공정에서 압연을 위한 로울러시스템을 이용하여 제조하되 로울러를 전극로울러로 사용하는 것을 특징으로 하는 T.W.B.제조방법에 관한 것이다.

도 1 및 도 3은 용접부의 가장자리부(edge) 단면을 압연하기 위한 로울러시스템을 보여 주고 있다. 여기에서 상(上)로울은 통상 2개이며, 얇은 판재쪽에 있는 로울은 판재를 잡아주는 지지역할을 한다. 한편, 두꺼운 판재쪽의 상로울과 하부로울은 전극로울로 구성된다. 본 발명에서 로울러시스템을 전기저항 전극로울로 사용하는 것이 특징 중 하나이다. 이미 전극로울을 이용한 매쉬씨임(Mash Seam) 용접방법이 있으므로 전기 저항 용접에 대한 설명은 생략하기로 한다.

전술한 바와 같이 본 발명은 로울러시스템에서 로울을 전극로울로 바꾸어서 장치를 개발한 것으로 이를 설명하면 다음과 같다. 도 2에서 보면 레이저버트용접부(Laser Butt Welds)에서 가장자리부 품질(edge Qulity)의 영향을 보면 가장자리부(edge)는 직선도(gap) 및 전단파단율(Shear to Break Ratio) 그리고 전단각도 (Shear Angle) 및 전단방향(Break Direction)에 영향을 받고 홈(Burr) 등의 여러가지 요인에 의해 두 피용접물 간에는 갭이 발생하게 된다. 따라서 이것을 일반 로울러시스템(Roller System)에 의해 두꺼운 소재의 가장자리부(edge)를 압연하여 그 갭을 메꾸어 보상하여야 한다. 그러나 전술한 바와 같이 셔틀형(Shuttle Type)으로 하면 생산성이 저하(피드백(feed Back)에 의한 손실(Loss))될 뿐 아니라 용접 단면부가 강해져서 가공성을 해치며 로울러시스템의 내구성도 나빠지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 개발과정에서 이러한 문제점이 있으므로 로울러시스템 (Roller System)을 전극로울로 대체하여 레이저용접을 하기 전에 피 용접물을 A3 변태점 이상으로 전극로울로 저항 가열하여 압연을 실시하게 된다. 이렇게 할 경우 가압력이 적게되어 가공이 잘 될뿐 아니라 허용갭도 0.3mm에서 0.4mm가 되어도 전극로울러 압연에 의해 쉽게 성형이 이루어지게 되며 곧이어 레이저용접에 있어서도 예열효과로 생산성이 15% 증가 하게 된다. 품질측면에서는 기존에 가장자리 압연상태에 있어서 경도증가가 있었으나 전극 로울러를 사용하여 가압하면서 A3 변태점 이상 50°를 전후해 대기중 서냉하면 잔류응력등이 제거되고 압연후 열처리 효과(전극 로울러에 의해 A3에서 50°전후까지 가열)까지도 보장된다.

위 본 발명상의 전극로울에 의한 로울링작동에 대해 그림 3으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 용접대상이 되는 두꺼운 판재를 수압하중이 걸린 클램핑턱 (hydraulically loaded clamping jaws)에 의해 하적(loading)하고 이 판재는 그림 3(a)에서 보는 바와 같이 위치고정용 승강대(4)와 판재지지대(5)로 위치고정 (positioning stop)시킨다. 다음 또다른 이 위치고정용 승강대(4)를 위로 올려서 용접되어질 얇은 판재(2-1)를 두꺼운 판재(2-2)쪽으로 밀어넣어 도 3(c)에서와 같이 하부로울(3) 위에서 양판재 가장자리부를 밀착시킨다.

이 밀착과정에서 전술한 제반원인 발생으로 두 판재(1-1)(1-2)간에는 그림 3(b)도에서 보는 바와 같이 엄밀히 말해 피용접블랭크 두께가 서로 다르고 또한, 도 2에서와 같이 이들 판 블랭크들이 맞닿는 그 가장자리부들 사이에 갭이 존재하게 된다.

다음, 그림 3(c)도에서와 같이 하부의 전극로울러(3)가 지지로울러(support roller)의 역할을 하면서, 판재(blank) 아래쪽에 위치하게 되고, 상부의 전극로울러(support roller)는 각각 얇은 쪽 판재의 상부 로울러(2-1)와 두꺼운 판재의 상부 로울러(2-2)가 판재 위쪽에 위치하여, 전자의 경우에는 지지대(5)와 위치고정용 승강대(4)에 의해 지지되는 판재(1-1)가 지지로울러인 하부 로울러(3) 상에서 상부 로울러(2-1)에 의해 밀착되어 홀딩(holding)되어 있고, 후자의 경우에는 역시 지지대(5)와 위치고정용 승강대(4)에 의해 지지되는 판재(1-2)가 상기 하부 지지로울러 (3) 상에서 상부 전극로울러(2-2)에 의해 가열·압착되어 양 판재(1-1)(1-2) 사이의 갭을 메워주도록 한다. 이때 상·하부로울러(2-2)(3)가 전극로울러로 구성되어,이미 가열되어 있는 이들 전극로울러에 의해 두꺼운 판재를 가압하여 두꺼운 판재의 가장자리부를 전술한 바의 방법으로 가열함과 동시에 두꺼운 판재를 가압하여 양 판재 사이의 갭을 메꾸어 주게 되는 것이다.

용접이 끝나면, 이들 판재를 잡고 있는 클램핑(clamping)을 푼 후, 다음 판재를 용접부까지 이송시키기 위해 판재이송설비들은 되돌아가 원위치하게 된다.

본 발명은 상술한 메카니즘에 의해 종래의 방법에 비해 열간상태의 판재를 쉽게 가압압착시키고, 다음 곧바로 행해지는 레이저용접으로 또한 예열효과를 부여하므로써 용접속도를 증가시키게 하여 주는 것이다. 여기에서 전극로울은 판재용접후 공냉된 다음, 냉각장치로 수냉처리되고, 다음 녹 방지를 위해 오일링(oiling)처리된다. 물론 전술한 압착에 의한 갭메움과 용접으로 판재의 접합은 완벽하게 이루어진다.

본 발명에 의하여, 상기 용접열에 의한 예열효과에 따라 용접속도가 측정결과 통상 15% 이상(예컨대 종래의 평균치 7.5MPM→8.6MPM) 향상되는 것을 알 수 있었다.

전술한 바와 같이, 종전 로울러시스템이 단순 냉간가공에 의한 갭조정으로 볼 때 본 발명상의 전극로울러 사용으로 피용접물을 A3변태점 이상 50℃까지 가열하여 압연하므로써 가장자리부 열간가공효과를 높일 수 있었고, 이에 따라 재료물성의 개선 및 로울러의 압축강도에 따른 수명저하를 억제할 수 있었으며, 특히 판재 사이의 갭이 0.4mm까지 되어도 용접이 가능하게 되는 특징을 가지게 되었다. 또한 전술한 바와 같이 용접전 예열효과를 가지므로써 생산성도 대폭 향상되는 효과를 가져오게 되었다.

본 발명은 기존 로울러시스템이 단순 냉간 가공에 의한 갭 조정으로 볼 때 전극 로울러를 사용해 피용접물을 A3 변태점 이상 50℃ 까지 가열하여 압연에 의해 열간 가공되므로써 가장자리 압연효과를 크게 할 수 있었고 이에 따라 재료물성의 개선 및 로울러의 압축강도에 따른 수명저하를 억제할 수 있었으며 특히 허용 갭이 0.4mm까지 되어도 용접이 가능할수 있는 특징을 가지게 되었다. 또한 레이저용접 전 예열효과를 가짐으로서 생산성도 기존대비 대폭(15%) 으로 증가되는 효과를 가져왔다.

Claims (1)

1. 자동차용 T.W.B(Tailored Welded Blank)을 로울러시스템(Roller System)으로제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 로울러시스템은 비용접로울러와 용접로울러로 구비하고, 용접로울러는 내부 수냉장치를 구비한 상·하전극로울러로 구비하여 피용접물 양 가장자리부를 밀착 및 압착하고 상기 전극로울러에 의한 열간가공시 피용접물을 A3변태점 이상 50℃까지 상기 전극로울러로 가열후 열간압연가공하여 피용접재인 양 판재를 용접하여서 되는 것을 특징으로 하는 T.W.B.판 제조방법.