KR20050004012A - 강판의 레이저 용접 방법 및 복합판재 - Google Patents

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나카이토모아키
카메이토시카주
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다이요 닛산 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 강판의 레이저 용접 방법은, 시일드(shield) 가스로서 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상과, 20-50 vol%의 탄산가스를 포함하는 혼합가스, 또는 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상과, 10-40 vol%의 탄소가스와, 1-5 vol%의 산소가스를 포함하는 혼합가스를 사용하고 있다.

Description

강판의 레이저 용접 방법 및 복합판재{Method for Laser Welding of Steel Sheets and Composite Material}
본 발명은 자동차의 본체 부품등에 사용되는 강판의 레이저 용접에 의한 맞대기 용접 방법 및 이 방법에 의해 용접된 강판으로 된 복합판재에 관한 것이다.
본원은 2003년 7월 2일에 출원된 일본특허출원 2003-270529에 의한 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
자동차의 제조등에는 판의 두께, 재질등의 특성이 다른 복수의 강판을 맞대기 용접하여 일체된 복합판재(이하 테일러드 블랭크(Tailored blank)재라 한다)를 프레스 성형하는 공법(이하, 테일러드 블랭크 공법이라 한다)이 적용되고 있다. 이 공법은 요구되는 강도와 성형성등이 부위에 따라 다른 부재를 제조하는 것에 이용된다.
테일러드 블랭크재를 제조하거나 강판을 맞대기 용접을 하는데는 레이저 용접이 많이 사용되고 있다. 레이저 용접은 통상 시일드 가스로서 아르곤 가스가 사용된다.
레이저 용접 방법으로는 특개평 08-276290호 공보에 개시된 바에 의하면, CO2와 Ar의 혼합가스를 시일드 가스로 사용해서 대상(帶狀) 강판의 단부를 맞대기 용접하는 방법이 있다.
또, 특개평 06-328279호 공보에 개시된 바에 의하면, 탄산가스 15-25%를 아르곤 가스등의 불활성 가스에 혼합한 가스를 보조가스로서 사용하여 겹친 강재를레이저 용접하는 방법도 알려져 있다.
또, 특허 제3176778호 공보에 개시된 바에 의하면, 산소를 0.5-10vol%포함하고, Ar, He, 또는 Ar-He 혼합가스를 시일드 가스로서 이용하여 강판을 레이저 용접하는 방법도 알려져 있다.
또, 특허 제3383444호 공보에 개시된 바에 의하면, 1-10% O2를 포함하는 Ar가스, 1-10% O2를 포함하는 He가스, 5-50% CO2를 포함하는 Ar가스, 5-50% CO2를 포함하는 He가스, 공기 중 1가지를 분위기 가스로 하여 레이저 용접을 하는 방법도 알려져 있다.
또, 특허 제2842967호 공보에 개시된 바에 의하면, 시일드 가스로서 CO2,O2,CO2와 다른 가스의 혼합가스 또는 O2와 다른 가스의 혼합가스를 사용하는 레이저 용접 방법도 알려져 있다.
레이저 용접에서는 빔(beam)의 직경이 작기 때문에(통상 0.5mm정도) 피용접물에 대하여 국소적으로 큰 에너지를 가해 줄 수 있다. 이 때문에 용접 비드폭을 좁게 할 수 있고 용접 속도도 높일 수 있다.
그렇지만 레이저 용접에서는 용접 비드폭이 작게 되기 때문에 강판의 맞대기 용접을 하는 경우에는 용접부에 나타나는 강판의 간극(gap)이 국소적으로 크게 되고 그 부분의 용접이 불충분함에 따라 용접부의 강도와 성형성이 저하되는 경우가 있다. 특히 대형 강판을 사용하는 경우에는 상기 간극이 생기기 쉽고, 용접부의 강도와 성형성의 저하가 발생한다는 문제가 있다.
또, 레이저 용접에서는 강판에 대하여 국소적으로 큰 에너지가 가해지게 되고 동시에 용접속도가 높기 때문에 급열급냉에 의해 용접부의 경도가 높게 되어 그 결과, 용접부의 성형성이 저하되는 문제가 있다.
또, 판의 두께가 다른 복수개의 강판으로 된 테일러드 블랭크재에서는 용접금속이 두꺼운 판측에서부터 얇은 판측에 향하여 서서히 두께를 줄이는 형상이 된다.
강판에 대한 용접 금속 외면의 경사가 급한 경우에는 프레스 성형시에 변형력 집중에 의한 분할이 발생하기도 하고, 두꺼운 판측의 가장자리부에 프레스 금형이 손상을 받는 경우가 있기 때문에 용접금속의 경사를 작게 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 사정을 감안한 것이다. 본 발명의 목적은 하기한 것과 같다.
(1) 맞대기부에서의 강판의 간극이 큰 경우에도 용접불량을 방지할 수 있고 동시에 용접부의 성형성을 높일 수 있는 용접방법 및 복합판재의 제공.
(2) 판의 두께가 다른 강판을 맞대기 용접을 하는 경우 용접금속 외면의 경사각을 작게 할 수 있는 용접방법 및 복합판재의 제공.
본 발명의 제1의 실시예에 관련된 강판의 레이저 용접 방법은 시일드 가스로서 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상과, 20-50 vol% 의 탄산가스를 포함하는 혼합 가스를 이용한다.
상기 강판의 레이저 용접 방법은, 강판을 프레스 성형에 앞서 레이저 용접에 의해 맞대기 용접을 하는 방법에 있어서도 좋다.
상기 시일드 가스는 1 vol% 미만의 산소가스를 혼합하는 것도 좋다.
상기 강판의 레이저 용접 방법은 판두께 또는 재질이 서로 다른 강판을 맞대기 용접하는 것에도 좋다.
본 발명의 제 1의 실시예에 관련된 복합판재는, 본발명의 제 1의 실시예에 있는 레이저 용접 방법에 의해 용접된 강판이다.
본 발명의 제 2의 실시예에 관련된 강판의 레이저 용접 방법은, 시일드 가스로서 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상과 10-40 vol%의 탄산가스와 1-5 vol%의 산소가스를 포함하는 혼합가스를 사용한다.
상기 강판의 레이저 용접 방법은, 강판을 프레스 성형에 앞서 레이저 용접에 의해 맞대기 용접을 하는 방법에 있어서도 좋다.
상기 강판의 레이저 용접 방법에서는, 판두께 또는 재질이 서로 다른 강판을 맞대기 용접하는 것도 좋다.
본 발명의 제 2의 실시예에 있는 복합판재는, 본 발명의 제 2의 실시예에 있는 레이저 용접 방법에 의해 용접된 강판이다.
본 발명은 20-50 vol%의 탄산가스를 포함하는 혼합가스, 또는 10-40vol%의 탄소 가스와 1-5vol%의 산소가스를 포함하는 혼합가스를 사용하여 다음에 개시한 효과를 나타낸다.
(1) 탄소가스를 포함하는 시일드 가스를 사용하면, 불활성 가스만으로 된 시일드 가스를 이용하는 경우에 비해서, 용접시에 녹아들어감을 증가시킬 수 있다.
이 때문에, 맞대기부분에 오는 강판의 간극(gap)이 큰 경우에도, 용접불량을 방지하고 용접부의 기계적 강도 및 성형성을 높일 수 있다.
따라서 용접시킨 강판을 프레스 성형하는 과정에서 용접부가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또 요구되는 맞대기 정도를 완화시킬 수 있다.
(2) 레이저 용접에서는, 좁은 범위에 큰 에너지가 가해지기 때문에 강판이 급열급냉하기 때문에 용접부의 경도가 상승하고 용접부의 성형성이 악화되기 쉽다.
본 발명에서는 산화성의 가스인 탄산가스를 포함하는 시일드 가스를 이용하여 용접부의 경도를 낮추고, 진성을 높여 성형성을 향상시킬 수 있다.
따라서 프레스 성형시 용접부가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
(3) 탄산가스를 포함하는 시일드 가스를 사용하여 용융금속을 알맞은 정도로 산화시키고 그 습성과 유동성을 적절한 범위로 낮출 수 있다.
이 때문에 과잉의 녹아들어감에 의한 용접부가 형태 불량이 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 용접부의 기계적 강도 및 성형성을 높일수 있다.
(4) 용융금속을 알맞은 정도로 산화시키고, 그 습성과 유동성을 적절한 범위로 낮출 수 있기 때문에, 판 두께가 다른 강판을 맞대기 용접을 할 경우에 강판에 대한 용접금속 외면의 경사를 부드럽게 할 수 있다.
따라서 프레스 성형시 용접부의 갈라짐과 두꺼운 판측의 가장자리부에 나타나는 프레스 금형의 손상을 방지할 수 있다.
(5) 탄산가스를 포함하는 시일드 가스를 이용하여 용접 시 스페터(spatter)의 발생을 방지할 수 있다.
따라서 스페터 부착에 의한 용접물의 외관이 악화되는 것을 방지할 수 있다. 또 스페터에 의한 프레스성형용의 금형이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
(6) 녹아들어감을 증가시켜 용접 불량을 방지할 수 있기 때문에 고출력 레이저와 하이브리드(hybrid) 레이저를 사용할 필요가 없고 설비원가를 낮출 수 있다.
(7) 녹아들어감을 증가시켜 용접불량을 방지할 수 있기 때문에 용접속도를 높일 수 있고 따라서 생산성 향상이 가능하게 한다.
도 1은 시일드 가스의 성분 농도와 내부 비드폭의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 시일드 가스로서 Ar을 사용한 경우의 용접부 단면을 나타낸 사진이다.
도 3은 시일드 가스로서 Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 단면을 나타낸 사진이다.
도 4는 시일드 가스로서 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 단면을 나타낸 사진이다.
도 5는 최소 용접금속의 두께 측정 방법을 나타낸 모식도이다.
도 6은 시일드 가스의 성분 농도와 최소 용접금속 두께비와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 시일드 가스의 성분 농도와 용접 금속의 경도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 시일드 가스로서 Ar을 사용한 경우의 용접부 단면을 나타낸 사진이다.
도 9는 시일드 가스로서 Ar-O2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 단면을 나타낸 사진이다.
도 10은 시일드 가스로서 Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 단면을 나타낸 사진이다.
도 11은 시일드 가스로서 Ar-CO2혼합가스 또는 Ar-O2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 외관을 나타낸 사진이다.
도 12는 시일드 가스로서 Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우의 용접부의 외관을 나타낸 사진이다.
도 13은 시일드 가스로서 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우의 성분 농도와 내부 비드폭과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는 시일드 가스로서 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우의 성분 농도와 최소 용접금속의 두께비와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15는 시일드 가스로서 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우의 성분 농도와 용접금속의 경도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명에서는 강판을 레이저 용접에 의해 맞대기 용접을 한다. 레이저 광원으로는 넓게 사용되고 있는 YAG 레이저, 탄산가스 레이저 등을 사용할 수 있다. 용접은 강판을 향하게 하고 시일드 가스가 공급된 상태에서 행해진다.
본 발명의 용접 방법에서는, 시일드 가스로서 아르곤, 헬륨, 그리고 질소 중에 1종 또는 2종 이상과 20-50 vol%의 탄산가스를 포함하는 혼합가스를 이용한다.
이 시일드 가스는 20-50 vol%의 탄산가스를 합하고 나머지 부분은 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상으로 된 혼합가스로 할 수 있다.
탄산가스 농도는 25 vol% 이상 또는 30 vol%이상이 좋다. 탄산가스 농도는 45 vol% 이하 또는 40 vol% 이하가 좋다.
상기 시일드 가스는 1 vol% 미만의 산소가스를 함유하고 있는 것이 좋다.
즉, 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상과 20-50 vol% 의 탄산가스와 1 vol% 미만의 산소가스를 포함하는 혼합가스를 사용할 수 있다.
탄산가스 농도가 상기 범위를 밑돌게 되면 녹아들어감이 불충분해지기 쉽고, 용접부의 강도와 성형성이 낮아 지기 쉽다. 또 탄산가스 농도가 상기 범위를 초과하면 비드가 불균일해 지기 쉽다. 또 산소농도가 너무 높은 경우에는 용접부의 형상 불량과 스페터 발생이 쉽게 나타나게 된다.
본 발명에서는 시일드 가스로서 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상과 10-40 vol% 의 탄산가스와 1-5 vol% 의 산소가스를 포함하는 혼합가스를 사용하는 것도 가능하다.
이 시일드 가스는 10-40 vol% 의 탄산 가스와 1-5 vol% 의 산소가스를 합하고 나머지 부분은 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상으로 된 혼합가스로 할 수 있다.
탄산가스 농도는 15 vol% 이상 또는 20 vol% 이상으로 하는 것이 좋다. 탄산가스 농도는 35 vol% 이하 또는 30 vol% 이하로 하는 것이 좋다.
산소농도는 1.5 vol% 이상 또는 2 vol% 이상으로 하는 것이 좋다. 산소농도는 4.5 vol% 이하 또는 4 vol% 이하로 하는 것이 좋다.
탄산가스 농도가 상기 범위를 밑돌게 되면 녹아 들어감이 불충분하게 되어 용접부의 강도와 성형성이 낮아지기 쉽다. 또 탄산가스 농도가 상기 범위를 초과하면 비드가 불균일 해지기 쉽다.
산소농도가 상기 범위를 밑돌게 되면 녹아 들어감이 불충분하게 되고 용접부의 강도와 성형성이 낮아지기 쉽다. 산소농도가 상기 범위를 초과하면 용접부의 형상 불량과 스페터 발생이 쉽게 나타난다.
더욱이 시일드 가스에는 다른 성분, 예를 들면 불가피한 불순물이 포함되어 있어도 좋다.
본 발명의 대상이 되는 강판으로는 아연도금 강판을 들 수 있다.
본 발명의 용접방법은 뒤의 과정에 있는 프레스 형성된 강판, 예를 들면 테일러드 블랭크 공법에 사용되는 테일러드 블랭크재에 적용할 수 있다.
테일드 블랭크재는 판의 두께 또는 재질이 다른 판재끼리 맞대기 용접을 하여 일체가 된 복합판재를 말한다. 테일러드 블랭크 공법은 복수의 판재로부터 테일러드 블랭크재를 제조하고, 그것을 프레스 성형을 하는 공법을 말한다.
본 발명은 특히 판의 두께가 서로 다른 강판을 맞대기 용접을 하는 두께차이맞대기 용접에 적용하는 것이 적합하다.
본 발명은 자동차 부품, 예를 들면 차체 부품의 제조에 적용할 수 있다.
본 발명에서는 탄산가스 20-50 vol% 를 포함하는 혼합가스, 또는 탄산가스 10-40 vol%, 산소 1-5 vol% 를 포함하는 혼합가스를 사용하여 다음에 개시한 효과를 나타낸다.
(1) 탄소가스를 포함하는 시일드 가스를 사용하는 경우에는 불활성가스만으로 된 시일드 가스를 사용하는 경우와 비교하여 용접시에 녹아들어감이 증가하고, 깊이 방향에 폭이 균일한 녹아들어감 형상이 얻어질 수 있다.
녹아들어감이 충분하기 때문에 맞대기부에 놓인 강판의 간극이 클 경우에도 용접 불량을 방지하고, 용접부의 기계적 강도 및 성형성을 높일수 있다.
따라서 용접된 강판을 프레스 성형을 하는 과정에서 용접부가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또 요구된 맞대기 정도를 완화시키고 제조를 용이하게 하는 것이 가능하다.
본 발명은 테일러드 블랭크재의 제조에 적용되는 것이 유용하다. 테일러드 블랭크재에서는 대형 강판이 사용되는 경우가 많기 때문에, 맞대기부에 나타나는 틈이 발생하기 쉬우나 본발명을 적용하면 용접 불량을 확실히 방지하고 용접부의 강도 및 성형성을 높일 수 있다.
상기 혼합가스의 사용에 의해 녹아 들어감이 증가하는 이유는 하기의 추측이 가능하다. 즉, 산화성 가스인 탄산 가스에 의해 용접부가 적당한 정도 산화되기 때문에 산화열이 발생함과 동시에 레이저 광의 흡수력이 높아질 수 있다. 이 때문에 용접부가 효율적으로 가열되고 녹아 들어감이 증가할 수 있다.
(2) 레이저 용접에서는, 좁은 범위에 큰 에너지가 가해지기 때문에 강판이 급열급냉하게 되어 용접부의 경도가 상승하고 용접부의 성형성이 악화되기 쉽다.
본 발명에서는, 탄산가스를 포함하는 시일드 가스를 사용하는 것으로 탄산가스에 의해 용접부에 산화물을 발생시키고 경도상승의 원인이 되는 오스테나이트( austenite)입자의 성장을 억제할 수 있다.
이 때문에 용접부의 경도를 낮추고 진성을 높이며 성형성을 향상시킬 수 있고 따라서 프레서 성형시 용접부가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
(3) 탄산가스를 포함하는 시일드 가스를 사용하는 것은 용융금속을 알맞은 정도로 산화시키고 그 습성과 유동성을 적절한 범위로 낮출 수 있다.
이 때문에 과잉의 녹아 들어감에 의한 용접부가 형상불량이 되는 것을 방지할 수 있고 따라서 용접부의 기계적 강도 및 성형성을 높일 수 있다.
이것에 대해 산소가스와 불활성 가스로 된 시일드 가스를 사용하는 경우에는 산소의 산화력에 의해 녹아들어감이 과잉되고 용융금속의 유동에 의한 용접부의 형상이 불안정해 지는 염려가 있다.
(4) 용융금속을 알맞은 정도로 산화시키고 그 습성과 유동성을 적절한 범위로 낮추는 것이 가능하기 때문에, 판의 두께가 다른 강판을 맞대기 용접하는 경우에 강판에 대한 용접 금속 외면의 경사를 부드럽게 할 수 있다.
따라서 프레스 성형시 용접부의 갈라짐과 판두께측의 가장자리 부에 나타나는 프레스 성형의 손상을 방지할 수 있다.
이것에 대해 산소가스와 불활성가스로 된 시일드 가스를 사용하는 경우에는 용융금속의 유동에 의해 용접 금속 외면의 경사가 급하게 되는 경우가 있다.
(5) 탄산가스를 포함하는 시일드 가스를 사용하는 경우에는 용접시 스페터의 발생을 방지할 수 있다.
따라서 스페터 부착에 의해 용접물의 외관이 악화되는 것을 방지할 수 있다. 또 스페터에 의해 프레스 성형용의 금형이 손상을 받는 것을 방지할 수 있다.
이것에 대해 산소가스와 불활성가스로 된 시일드 가스를 사용하는 경우에는 산화반응이 빨라지게 되고 스페터가 발생하기 쉽다.
본 발명은 스페터 부착이 없고 표면이 평평하고 미끄럽게 되는 용접물을 얻을 수가 있기 때문에 자동차 부품 제조에 적용하는 경우에 특히 유용하다.
(6) 녹아 들어감을 증가시키고 용접불량을 방지할 수 있기 때문에, 레이저 출력이 낮은 경우에도 용접부에 충분한 기계적 강도 및 성형성을 줄 수 있다.
따라서 고출력 레이저와 하이브리드(hybrid) 레이저를 사용할 필요가 없고, 설비 원가를 낮출 수 있다.
(7) 녹아 들어감을 증가시키고 용접불량을 방지할 수 있기 때문에 용접속도를 높일 수 있고 따라서 생산성 향상이 가능하다.
이하, 구체적인 예를 제시하여 본 발명의 효과를 명확히 한다.
(시험 1: 내부 비드폭의 측정)
(시험예 1-1)
두께가 다른 2매의 양면 아연 도금 강판(45 g/m2) (판의 두께는 각각 0.7 mm, 1.4 mm)을 레이저 용접에 의해 맞대기 용접을 했다. 용접 조건은 이하에 나타나 있다. 더욱이 이하 두께 0.7 mm의 강판을 얇은 판이라고 하고, 두께 1.4 mm 의 강판을 두꺼운 판이라고 한다.
강판의 단면 처리: 레이저 커트
사용 레이저: YAG 레이저
레이저 출력: 2 kW
용접 방법: 하향 두께차이 맞대기 용접 목표 편차량: 0mm
용접 속도: 3.0 m/min
간극(2매의 강판의 간극): 0 mm
시일드 가스: Ar-CO2혼합가스(또는 Ar)
시일드 가스 유량: 40 L/min
노즐(시일드 가스 공급용): 동축형 이중 차폐 노즐
내부 비드폭(평균치)을 측정한 결과를 도 1에 개시한다. 도면에서 첨가가스 농도는 시일드 가스의 탄산가스 농도(x vol%)를 나타낸다.
(시험예 1-2)
시일드 가스로서 Ar-O2-CO2혼합가스 (또는 Ar-O2혼합가스)를 사용하여 강판의 맞대기 용접을 실시했다. 시일드 가스의 산소농도는 5 vol% 였다. 다른 조건은 시험예 1-1 에 준한다.
내부 비드폭을 측정한 결과를 도 1에 개시한다. 도면에서 첨가가스 농도는 시일드 가스의 산소농도 (5 vol%)와 탄산가스 농도(y vol%)의 합계를 나타낸다.
(시험예 1-3)
시일드 가스로서 Ar-O2혼합가스 (또는 Ar)을 사용하여 강판의 맞대기 용접을 실시했다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
내부 비드폭을 측정한 결과를 도 1에 개시한다. 도면에서 첨가가스 농도는 시일드 가스의 산소농도 (x vol%)를 나타낸다.
도 1에 개시된 바에 의하면, Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 탄산가스 농도가 10 vol% 이상일 때에 충분한 내부 비드폭(0.7 mm 이상)이 얻어진다.
더욱이 어느 시험예에서도 내부 비드폭은 길이 방향으로 늘어나지 않는 형상이었다.
(시험 2: 녹아 들어감 형상의 평가)
(시험예 2)
시일드 가스로서 Ar, Ar-CO2혼합가스 (CO2농도 30 vol%), 또는 Ar-O2-CO2혼합가스 (O2농도 5 vol%, CO2농도 20 vol%)를 사용해서 강판의 맞대기 용접을 실시했다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
도 2는 Ar을 사용한 경우의 용접부 단면을 개시하고, 도 3은 Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 단면을 개시하고, 도 4는 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 단면을 개시한다.
도 2에 개시된 바에 의하면, Ar을 사용한 경우에는 표면 비드폭(상면측)에 비하여 내부 비드폭(하면측)이 좁게 되었다.
도 3, 4에 개시된 바에 의하면, Ar-CO2혼합가스 또는 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 표면 비드폭(상면측)과 내부 비드폭(하면측) 간에 큰 차이가 없고 깊이 방향에 폭이 거의 균일하게 녹아들어감 형상이 얻어졌다.
(시험 3: 내간극성의 평가)
(시험예 3)
시일드 가스로서 Ar, Ar-CO2혼합가스, Ar-O2혼합가스, 또는 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용하고, 간극(2매의 강판의 간극)을 0-0.3 mm로 강판의 맞대기 용접을 실시하여 내부 비드를 확인했다. 의도한 차이량은 간극이 0 mm의 경우에 0 mm이고, 간극이 0.1 mm이상일 경우에 0.1 mm였다(판 두께에 대해 맞대기 단면부터 0.1 mm 차이난 위치에 레이저광을 비추었다). 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
결과를 표 1에 나타내고 있다. 내부 비드가 관찰된 경우에는 ○로 평가하고, 관찰되지 않은 경우에는 ×로 평가하였다.
(표 1)
가스종류 간극[mm]
0 0.1 0.2 0.25 0.3
Ar ○ ○ ○ × ×
Ar+10%CO2 ○ ○ ○ × ×
Ar+20%CO2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+30%CO2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+70%CO2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+2%O2 ○ ○ ○ × ×
Ar+5%O2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+10%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+20%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+5%O2+20%CO2 ○ ○ ○ ○ ×
○ : 용접양호 (내부 비드가 관찰된다)
× : 용접불가 (내부 비드가 관찰되지 않는다)
표 1에 나타난 바와 같이, Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 탄산가스 농도가 20 vol% 이상일 때 우수한 내간극성(0.25 mm 이상의 간극에서 용접가능)이 얻어졌다.
(시험 4: 용접금속의 두께 측정)
(시험예 4)
시일드 가스로서 Ar, Ar-CO2혼합가스, Ar-O2혼합가스, 또는 Ar-O2-CO2혼합가스(O2농도 5 vol%)를 사용하고, 간극을 0.25 mm로 하여 강판의 맞대기 용접을 실시하였다. 의도한 차이량은 0.1 mm로 하였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
도 5에 개시된 바에 의하면, 용접부의 용접금속의 최소 두께 t를 측정하고 얇은 판의 두께 T(0.7 mm)에 비교한 비율(t/T)을 산출하였다.
결과를 도 6에 개시하였다. 도면에서 첨가가스 농도는 시험 1과 같은 형태로 Ar 이외의 성분 농도이다. 용접을 할수 없는 경우에 용접금속 두께 비는 0이다.
도 6에 개시된바에 의하면, Ar-CO2혼합가스를 사용하는 경우에는 탄산 가스 농도가 20 vol% 이상일 때 용접금속의 두께가 충분한 값(t/T가 0.8 이상)이 되었다.
(시험 5: 용접금속의 경도 측정)
(시험예 5)
시일드 가스로서 Ar, Ar-CO2혼합가스, Ar-O2혼합가스, 또는 Ar-O2-CO2혼합가스(O2농도 5 vol%)를 사용하여 금속의 맞대기 용접을 실시하고, 용접금속의 비커스(Vickers)경도(최고경도)를 측정하였다. 다른 조건은 시험예 1-1 에 준한다.
결과를 도 7에 개시한다. 도면에서 첨가가스 농도는 시험 1과 같은 형태, Ar이외의 성분 농도이다.
비커스(Vickers)경도는 정각 136도의 다이아몬드 사각종을 시험판의 표면에 가압하고, 가능한 오목부(凹)의 표면적에서 더해진 하중을 뺀 값을 뜻한다. 즉, 비커스(Vickers)경도 Hv = 1.8544 p/d (p: 가압 하중 (kg), d: 오목부(凹)의 대각선 길이의 평균(mm))이다.
도 7에 개시된 바와 같이, Ar, Ar-O2혼합가스(O2농도 10 vol%) 또는 Ar-CO2혼합가스(CO2농도 30 vol%)를 사용하여 금속의 맞대기 용접을 실시하였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
두꺼운 판측으로부터 얇은 판측에 향하여 서서히 두께를 줄이는 형상이 되는 용접금속의 외면(상면)의 경사에 관한 평가이다.
도 8은 Ar을 사용한 경우의 용접부 단면을 개시하고, 도 9는 Ar-O2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 단면을 개시하며, 도 10은 Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우의 용접부 단면을 개시한다.
도 8-10에 개시된 바와 같이, Ar-O2혼합가스를 사용한 경우에는 용접금속 외면의 경사각(최대경사각)이 두드러지게 큰 반면, Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 경사각이 비교적 작게 되었다.
(시험 7: 스페터 발생의 유무)
(시험예 7)
시일드 가스로서 Ar-CO2혼합가스(CO2농도 30 vol%), 또는 Ar-O2혼합가스(O2농도 10 vol%)를 사용하여 강판의 맞대기 용접을 실시하였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
용접부를 관찰하고 스페터 발생의 유무를 확인한다.
도 11은 용접부의 외관(표면 비드 및 내부 비드)을 개시하고 있다. 도면에서 수평방향에 연장된 용접부보다 상방의 부분이 두꺼운 판이고, 하방의 부분이 얇은 판이다.
도 11에 개시된 바에 의하면, Ar-O2혼합가스를 사용한 경우에는 스페터의 발생이 관찰된데 비해 Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 스페터의 발생이 전혀 보이지 않았다.
(시험 8: 비드의 균일성 평가(1))
(시험예 8)
시일드 가스로서 Ar-CO2혼합가스(CO2농도 30 vol% 또는 70 vol%)를 사용하여 강판의 맞대기 용접을 실시하고 표면 비드의 균일성에 관해 평가하였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
도 12는 용접부의 외관(표면 비드)을 개시하고 있다. 도면에서 수평방향에 연장된 용접부보다 상방의 부분이 두꺼운 판이고 하방의 부분이 얇은 판이다.
도 12에 개시된 바에 의하면, Ar-CO2혼합가스의 탄산가스 농도가 30 vol%인경우에는 균일한 비드가 얻어졌고 탄산가스 농도가 70 vol%인 경우에는 두꺼운 판측의 가장자리부에 파편이 나타나고 비드가 불균일하게 되었다.
(시험 9: 비드의 균일성 평가(2))
(시험예 9)
시일드 가스로서 Ar, Ar-CO2혼합가스, 또는 CO2를 사용하여 강판의 맞대기 용접을 실시하고 눈에 보이는 바에 의해 표면 비드의 균일성을 평가하였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다. 결과를 표 2에 나타낸다.
(표 2)
가스종류 표면 비드의 균일성
Ar ○
Ar+10%CO2 ○
Ar+20%CO2 ○
Ar+30%CO2 ○
Ar+40%CO2 ○
Ar+50%CO2 ○
Ar+55%CO2 ×
Ar+60%CO2 ×
Ar+70%CO2 ×
Ar+80%CO2 ×
Ar+90%CO2 ×
100%CO2 ×
○: 균일
×: 비균일
표 2에 나타난 바에 의하면, 탄산가스 농도를 50 vol%이하로 한 경우에는 우수한 비드 균일성이 얻어진다.
(시험 10: 내부 비드폭의 측정)
(시험예 10)
시일드 가스로서 Ar-O2-CO2혼합가스(또는 Ar-O2혼합가스)를 사용하여 금속의 맞대기 용접을 실시하였다. 시일드 가스의 산소농도는 0.5-20 vol%로 하였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
내부 비드폭의 측정 결과를 도 13에 개시하고 있다. 도면에서 혼합비는 시일드 가스의 탄소가스 농도 (x vol%)를 나타낸다.
도 13에 개시된 바에 의하면, 산소농도가 0.5 vol% 또는 2 vol%인 경우에는 탄산가스 농도를 10 vol% 이상으로 하고 내부 비드폭을 충분한 값(0.7 mm이상)으로 하는 것이 가능하다.
또 산소농도가 5 vol%이상인 경우에는 탄산가스 농도에 의하지 않고 내부 비드폭은 충분한 값(0.7 mm이상)이 되었다.
(시험 11: 내간극성의 평가)
(시험예 11)
시일드 가스로서 Ar, Ar-O2혼합가스, 또는 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용하여 간극(2매의 강판의 간극)을 0 - 0.3 mm로 하고 강판의 맞대기 용접을 실시하여 내부 비드를 확인하였다.
의도한 차이량은 간극이 0 mm인 경우에 0 mm이고, 간극이 0.1 mm이상인 경우에 0.1 mm 였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
결과를 표 3에 나타낸다. 내부 비드가 관찰된 경우를 ○으로 평가하고, 관찰되지 않은 경우를 ×으로 평가하였다.
(표 3)
가스종류 간극[mm]
0 0.1 0.2 0.25 0.3
Ar ○ ○ ○ × ×
Ar+0.5%O2 ○ ○ ○ × ×
Ar+5%CO2+0.5%O2 ○ ○ ○ × ×
Ar+10%CO2+0.5%O2 ○ ○ ○ × ×
Ar+20%CO2+0.5%O2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+50%CO2+0.5%O2 ○ ○ ○ ○ ×
가스종류 간극[mm]
0 0.1 0.2 0.25 0.3
Ar ○ ○ ○ × ×
Ar+2%O2 ○ ○ ○ × ×
Ar+5%CO2+2%O2 ○ ○ ○ × ×
Ar+10%CO2+2%O2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+20%CO2+2%O2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+50%CO2+2%O2 ○ ○ ○ ○ ×
가스종류 간극[mm]
0 0.1 0.2 0.25 0.3
Ar ○ ○ ○ × ×
Ar+5%O2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+5%CO2+5%O2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+10%CO2+5%O2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+20%CO2+5%O2 ○ ○ ○ ○ ×
Ar+50%CO2+5%O2 ○ ○ ○ ○ ×
가스종류 간극[mm]
0 0.1 0.2 0.25 0.3
Ar ○ ○ ○ × ×
Ar+10%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+5%CO2+10%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+10%CO2+10%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+20%CO2+10%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+50%CO2+10%O2 ○ ○ ○ ○ ○
가스종류 간극[mm]
0 0.1 0.2 0.25 0.3
Ar ○ ○ ○ × ×
Ar+20%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+5%CO2+20%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+10%CO2+20%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+20%CO2+20%O2 ○ ○ ○ ○ ○
Ar+50%CO2+20%O2 ○ ○ ○ ○ ○
○: 용접양호 (내부 비드가 관찰되었다)
×: 용접불가 (내부 비드가 관찰되지 않았다)
표 3에 나타난 바에 의하면, 산소농도가 0.5 vol%인 경우에는 탄산가스 농도가 20 vol%이상일 때에 우수한 내간극성(0.25 mm이상의 간극으로 용접가능)이 얻어졌다.
산소농도가 2 vol%인 경우에는 탄산가스 농도가 10vol%이상일 때에 우수한 내간극성이 얻어졌다.
산소농도가 5 vol%이상인 경우에는 탄산가스 농도에 의하지 않고 우수한 내간극성이 얻어졌다.
(시험 12: 용접금속의 두께 측정)
(시험예 12)
시일드 가스로서 Ar-O2-CO2혼합가스(또는 Ar-O2혼합가스)를 사용하고 간극을 0.25 mm로 하여 강판의 맞대기 용접을 실시하였다. 의도된 차이량은 0.1 mm로 하였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다. 용접부의 용접금속의 최소두께 t를 측정하고 얇은 판의 두께 T(0.7 mm)에 대한 비율(t/T)을 산출하였다.
결과를 도 14에 개시한다. 도면에서 혼합비는 시일드 가스의 탄산가스 농도(x vol%)를 나타낸다.
도 14에 개시된 바에 의하면, 산소 농도가 0.5 vol%인 경우에는 탄산가스 농도를 20 vol%이상으로 하면 용접금속 두께가 충분한 값(t/T가 0.8이상)이 나왔다.
또 산소농도가 2 - 10 vol%인 경우에는 탄산가스 농도를 10 vol% 이상으로 하면 용접금속 두께가 충분한 값(t/T가 0.8이상)이 나왔다.
(시험 13: 용접금속의 경도 측정)
(시험예 13)
시일드 가스로서 Ar-O2-CO2혼합가스(또는 Ar-O2혼합가스)를 사용하여 강판의 맞대기 용접을 실시하여 용접금속의 비커스(Vickers)경도(최고경도)를 측정하였다. 다른 조건은 시험예 1-1에 준한다.
결과를 도 15에 개시한다. 도면에서 혼합비는 시일드 가스의 탄산가스 농도(x vol%)를 나타낸다.
도 15에 개시된 바에 의하면, 산소농도가 0.5 vol%인 경우에는 탄산가스 농도를 10 vol%이상으로 하면 용접금속의 경도를 낮은 값(170이하)로 할 수 있다.
산소농도가 2 vol% 이상인 경우에는 탄산가스 농도에 의하지 않고 용접금속의 경도를 낮은 값(170이하)로 할 수 있다.
이상의 시험결과를 종합해서 표 4-9에 나타낸다.
표 4는 주로 Ar-CO2혼합가스에 관한 시험결과를 종합한 것이고, 표 5-9는Ar-O2-CO2혼합가스에 관한 시험 결과를 종합한 것이다.
표 5-9에는 시험 10-13에서 사용한 것과 같은 형태의 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용하고, 시험 6-9와 같은 형태에 있는 용접부 경사, 스페터 발생의 유무, 비드의 균일성에 관해 평가한 결과를 아울러서 나타내고 있다.
내부 비드폭(시험 1, 10)에 관해서는 0.7 mm 이상인 것을 ○로 평가했다.
내간극성(시험 3, 11)에 관해서는 내부 비드가 관찰되는 경우를 ○로 평가했다.
최소 용접금속 두께비(시험 4, 12) 에 관해서는 0.8이상을 ○로 평가했다.
용접부 경사(시험 6)에 관해서는 강판의 대한 용접금속의 외면(상면)의 최대 경사각이 Ar을 사용한 경우(도 8)와 거의 동등한 경우를 ○로 평가하고, Ar을 사용한 경우의 경사각보다 현저하게 큰 경우를 ×로 평가했다.
스페터(시험 7)에 관해서는 용접부 표면의 스페터의 유무를 확인하여 스페터 발생이 보이지 않은 경우를 ○로 평가하고, 스페터 발생이 보이는 경우에는 ×로 평가했다.
비드 균일성(시험 8, 9)에 관해서는 표면 비드폭이 거의 균일한 경우를 ○로 평가했다.
경도(시험 5, 13)에 관해서는 170이하를 ○로 평가했다.
녹아 들어감 형상(시험 2)에 관해서는 깊이 방향에 폭이 거의 균일한 녹아들어감 형상이 얻어진 경우를 ○로 평가했다.
(표 4)
가스종류 Ar Ar+CO2 Ar+O2 Ar+CO2+O2
CO2,농도(vol%) - CO2<10% 10%≤CO2<20% 20%≤CO2≤50% 50%<CO2 - - - 10%≤CO2≤40%
O2농도(vol%) - - - - - O2<5% 5%≤O2≤10% 10%<O2 1%≤O2≤5%
내부 비드폭 × × ○ ○ ○ × ○ ○ ○
내간극성 × × × ○ ○ × ○ ○ ○
최소용접금속 두께비 × × × ○ ○ × × ○ ○
용접부 경사 ○ ○ ○ ○ ○ ○ × × ○
스페터 ○ ○ ○ ○ ○ ○ × × ○
비드 균일성 ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ ○
경도 × × ○ ○ ○ × ○ ○ ○
녹아들어감형상균일성 × × × ○ ○ × ○ ○ ○
내부 비드폭은 0.7 mm이상을 ○로 표시했다.
내간극성은 0.25 mm이상을 ○로 표시했다.
최소 용접금속 두께비는 0.8이상을 ○로 표시했다.
경도는 170이하를 ○으로 표시했다.
(표 5)
가스종류 Ar Ar+CO2+O2
CO2농도(vol%) - CO2<10% 10%≤CO2<20% 20%≤CO2≤50% 50%<CO2
O2농도(vol%) - O2<1% O2<1% O2<1% O2<1%
내부 비드폭 × × ○ ○ ○
내간극성 × × × ○ ○
최소용접금속두께비 × × × ○ ○
용접부 경사 ○ ○ ○ ○ ○
스페터 ○ ○ ○ ○ ○
비드 균일성 ○ ○ ○ ○ ×
경도 × × ○ ○ ○
(표 6)
가스종류 Ar Ar+CO2+O2
CO2농도(vol%) - CO2<10% 10%≤CO2≤40% 40%≤CO2
O2농도(vol%) - 1%≤O2<4% 1%≤O2<4% 1%≤O2<4%
내부 비드폭 × × ○ ○
내간극성 × × ○ ○
최소용접금속두께비 × × ○ ○
용접부 경사 ○ ○ ○ ○
스페터 ○ ○ ○ ○
비드 균일성 ○ ○ ○ ×
경도 × ○ ○ ○
(표 7)
가스종류 Ar Ar+CO2+O2
CO2농도(vol%) - CO2<10% 10%≤CO2≤40% 40%<CO2
O2농도(vol%) - 4%≤O2≤5% 4%≤O2≤5% 4%≤O2≤5%
내부비드폭 × ○ ○ ○
내간극성 × × ○ ○
최소용접금속두께비 × × ○ ○
용접부 경사 ○ ○ ○ ○
스페터 ○ ○ ○ ○
비드 균일성 ○ ○ ○ ×
경도 × ○ ○ ○
(표 8)
가스종류 Ar Ar+CO2+O2
CO2농도(vol%) - CO2<10% 10%≤CO2<20% 20%≤CO2≤50%
O2농도(vol%) - 5%<O2≤10% 5%<O2≤10% 5%<O2≤10%
내부 비드폭 × ○ ○ ○
내간극성 × ○ ○ ○
최소용접부금속두께비 × × ○ ○
용접부 경사 ○ × × ×
스페터 ○ × × ×
비드 균일성 ○ ○ ○ ○
경도 × ○ ○ ○
(표 9)
가스종류 Ar Ar+CO2+O2
CO2농도(vol%) - CO2<10% 10%≤CO2<20% 20%≤CO2≤50%
O2농도(vol%) - 10%<O2 10%<O2 10%<O2
내부 비드폭 × ○ ○ ○
내간극성 × ○ ○ ○
최소용접부금속두께비 × ○ ○ ○
용접부 경사 ○ × × ×
스페터 ○ × × ×
비드 균일성 ○ ○ ○ ○
경도 × ○ ○ ○
표 4에 나타난 바에 의하면, Ar-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 탄산가스 농도가 20-50 vol%인 경우에 모든 평가항목에 있어서 우수한 결과가 얻어졌다.
표 5에 나타난 바에 의하면, 산소농도가 1 vol%미만에 있는 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 탄산가스 농도가 20-50vol%에 있는 때는 Ar-CO2혼합가스(탄산가스 농도 20-50 vol%)와 거의 동등하게 우수한 결과가 얻어졌다.
표 6, 7에 나타난 바에 의하면, 탄산가스 농도 10-40 vol%, 산소농도 1-5 vol%에 있는Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 모든 평가항목에 있어서 우수한 결과가 얻어졌다.
표 8, 9에 나타난 바에 의하면, 산소농도가 5 vol%를 넘는 Ar-O2-CO2혼합가스를 사용한 경우에는 어떠한 평가항목에서도 낮은 결과가 얻어졌다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명했고, 본 발명의 이들 실시예에 한정된 것은 아니다. 본 발명의 취지를 벗어나지 않은 범위에서 구성의 부가, 삭제, 치환 및 다른 변경이 가능하다. 본 발명은 상술한 설명에 의해 한정된 것은 아니고, 첨부한 청구항의 범위에 의해 한정된다.
본 발명은 강판의 레이저 용접 방법 및 복합판재에 있어서, 맞대기부에 나타나는 강판의 간극이 큰 경우에도 용접불량을 방지할 수 있고 동시에 용접부의 성형성을 높일 수 있는 용접방법 및 복합판재의 제공하고 판의 두께가 다른 강판을 맞대기 용접을 하는 경우 용접금속 외면의 경사각를 작게 할 수 있는 용접방법 및 복합판재의 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 시일드 가스로서 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상; 및
    20-50 vol%의 탄산가스;를 포함하는 혼합가스를 사용하는 강판의 레이저 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    프레스 성형에 앞서 레이저 용접에 의해 강판을 맞대기 용접하는 것을 특징으로 하는 강판의 레이저 용접 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시일드 가스는 1 vol% 미만의 산소가스를 포함하는 강판의 레이저 용접 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    판의 두께 또는 재질이 서로 다른 강판을 맞대기 용접하는 것을 특징으로 하는 강판의 레이저 용접 방법.
  5. 제 1 항에 기재된 레이저 용접 방법에 의해 용접된 강판으로 된 것을 특징으로 하는 복합판재.
  6. 시일드 가스로서 아르곤, 헬륨 및 질소 중 1종 또는 2종 이상; 및
    10-40 vol%의 탄산가스 및 1-5 vol%의 산소가스;를 포함하는 혼합가스를 사용하는 강판의 레이저 용접 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    프레스 성형에 앞서 레이저 용접에 의해 강판을 맞대기 용접하는 것을 특징으로 하는 강판의 레이저 용접 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    판의 두께 또는 재질이 서로 다른 강판을 맞대기 용접하는 것을 특징으로 하는 강판의 레이저 용접 방법.
  9. 제 6 항에 기재된 레이저 용접 방법에 의해 용접된 강판으로 된 복합판재.
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