KR20110029344A - 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 위빙 용접을 통해 용접부 균열 진전을 감소시켜 전단인장강도와 접합 강도를 향상시키고, 다양한 형태의 위빙 용접패턴을 구현할 수 있도록 한 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접방법 및 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 알루미늄 합금에 레이저빔을 조사하여 용접하는 방법에 있어서, 위빙 용접하고자 하는 가상의 용접선을 제어부에 입력하는 단계와; 상기 가상의 용접선을 따라 레이저 용접할 수 있도록 레이저빔의 위빙주파수와 위빙폭을 제어부에 입력함과 아울러 로봇의 이동변위를 제어부에 입력하는 단계와; 레이저빔을 스캐너장치부 내부의 거울에 조사하는 단계와; 제어부의 제어에 따라 스캐너장치부 내부의 거울 중 어느 하나를 고속으로 모션 조작하여 거울을 통해 반사되는 레이저빔을 알루미늄 합금에 위빙 용접시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 스캐너장치부에 설치된 거울을 고속으로 회전 조작시켜 모재에 레이저로 위빙 용접함으로써, 직선의 레이저 용접에 비해 균열 발생을 감소시키고, 이 균열 진전 감소를 통해 모재의 전단인장강도와 접합강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

레이저, 위빙, 용접, 알루미늄, 스캐너장치부, 거울.

Description

레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR WELDING ALUMINUM ALLOY BY LASER WEAVING}

본 발명은 알루미늄 합금 용접방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 위빙 용접을 통해 용접부 균열 진전을 감소시켜 전단인장강도와 접합 강도를 향상시키고, 다양한 형태의 위빙 용접패턴을 구현할 수 있도록 한 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 이산화탄소 배출규제 등 환경문제가 대두되면서 차량 경량화를 위한 알루미늄 적용 기술개발이 활발하게 진행되고 있다.

이와 같은 알루미늄 재료를 가공 및 조립하는 공정 중에서 레이저 용접은 빠른 용접속도, 깊은 용입, 적은 용적 입열량을 갖는 고품위 용접 방법이기 때문에 주목을 받고 있고, 특히 박판의 알루미늄 용접에 있어서 여러가지 장점으로 인해 다른 용접 방법에 비해 레이저를 이용한 방법이 주로 연구되고 있다.

즉, 아크용접을 통해 박판 용접을 하는 경우에는 변형과 내부의 크랙과 같은 치명적인 결함이 발생하는 문제가 있고, 저항용접의 경우에는 전극에 알루미늄이 들어 붙는 현상으로 전극 소모가 심하고 용접 건전성이 열악한 문제점이 발생되었 다.

이에 따라, 레이저를 이용한 알루미늄 박판 용접은 차량 경량화 및 차체 생산라인에 있어 매우 중요한 기술로 떠오르고 있으며, 향후 적용되는 산업분야가 더욱 다양화될 것으로 기대를 모으고 있다.

그러나, 알루미늄과 같은 저융점 금속에서의 레이저 용접은 생산성을 높이기 위해 고밀도 열원을 사용하고, 이로 인해 키홀 모드에서 불안정한 용접지 현상으로 용접부 표면의 건전성이 열악해짐은 물론 기공 및 크랙이 많이 발생하여 용접 강도가 떨어지는 문제점이 발생하였다.

또한, 알루미늄과 마그네슘의 함량에 따라 균열민감도가 결정되므로, 일부공정에서는 용가재를 용접부에 공급하여 균열 민감도를 저하시키도 하고 있으나, 용가재 송급방법의 경우 생산성이 떨어지고, 최근 원격 레이저 용접 공정 등에는 용가재 송급이 어려운 문제가 있었다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위해 아크 용접의 경우 위빙모드 연구가 진행되고 있고, 이를 통해 크랙과 용접강도를 개선한 연구 및 결과가 발표되고 있으나, 레이저 용접의 경우 위빙 모드를 적용하기가 쉽지 않은 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 레이저 위빙 용접을 통해 용접부 균열 진전을 감소시켜 전단인장강도와 접합 강도를 향상시킬 수 있도록 한 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스캐너장치부를 통해 다양한 형태의 위빙 용접패턴을 구현하여 위빙용접할 수 있도록 한 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 알루미늄 합금 용접방법은, 알루미늄 합금에 레이저빔을 조사하여 용접하는 방법에 있어서, 위빙 용접하고자 하는 가상의 용접선을 제어부에 입력하는 단계와; 상기 가상의 용접선을 따라 레이저 용접할 수 있도록 레이저빔의 위빙주파수와 위빙폭을 제어부에 입력함과 아울러 로봇의 이동변위를 제어부에 입력하는 단계와; 레이저빔을 스캐너장치부 내부의 거울에 조사하는 단계와; 제어부의 제어에 따라 스캐너장치부 내부의 거울 중 어느 하나를 고속으로 회전 조작하여 거울을 통해 반사되는 레이저빔을 알루미늄 합금에 위빙 용접시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 거울에는 모터 또는 갈바노미터 중 어느 하나를 장치하여 고속으로 구동시킨다.

한편, 본 발명의 알루미늄 합금 용접장치는, 알루미늄 합금에 레이저빔을 조사하여 용접하는 장치에 있어서, 여러 방향으로의 움직임과 회전이 가능한 로봇과; 상기 로봇에 결합되고, 내부에 복수의 거울을 장치하되 거울 중 어느 하나는 그에 조사되는 레이저빔의 반사각을 고속으로 변경시킬 수 있도록 회전 조작되는 스캐너장치부와; 상기 스캐너장치부에 장치된 거울과 로봇의 움직임을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 거울에는 모터 또는 갈바노미터 중 어느 하나를 장치한다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 스캐너장치부에 설치된 거울을 고속으로 작동시켜 알루미늄 합금의 모재에 레이저로 위빙 용접함으로써, 직선의 레이저 용접에 비해 균열 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있고, 이 균열 진전 감소를 통해 모재의 전단인장강도와 접합강도를 가일층 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

더욱이, 거울의 회전 모션 조작에 따라 레이저 위빙 용접이 가능하므로, 스캐너장치부를 통해 다양한 용접패턴을 구현하여 레이저 용접할 수 있는 효과도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2는 본 발명의 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접장치에 대해 도시한 것으로, 크게 로봇(10)과, 스캐너장치부(20)와, 제어부(30)를 포함하 여 구성된다.

구체적으로 살펴보면, 로봇(10) 선단에 아암(11)을 장착하되, 상기 아암(11)이 전, 후, 좌, 우, 상, 하로 움직이고 회전 조작될 수 있는 로봇(10)을 설치한다.

그리고, 상기 로봇(10)의 아암(11) 선단에 스캐너장치부(20)를 설치하고, 상기 스캐너장치부(20)에 레이저기구(40)를 연결하여 레이저빔을 스캐너장치부(20) 내부에 조사할 수 있게 구성한다. 또한, 상기 스캐너장치부(20)에는 그 내부에 복수의 거울(21)을 구비하게 되는데, 상기 거울(21)로써 회전거울(21b)과 고정거울(21a)을 각각 구비하여 레이저기구(40)를 통해 조사되는 레이저빔이 회전거울(21b)과 고정거울(21a)에 순차적으로 반사되면서 모재(50)인 알루미늄 합금에 조사할 수 있게 구성한다.

특히, 상기 회전거울(21b)에는 모터 또는 갈바노미터 중 어느 하나를 장치함으로써, 회전거울(21b)을 고속으로 회전 조작하여 회전거울(21b)을 통해 반사되는 레이저빔의 각도를 빠른 속도로 변화시키고, 이를 통해 모재(50)에 조사되는 레이저빔을 위빙시킬 수 있게 된다.

아울러, 상기 스캐너장치부(20)에는 제어부(30)를 연결 설치하여 상기 회전거울(21b)과 로봇(10)의 움직임을 제어할 수 있게 구성한다.

이에, 상기와 같은 용접장치를 사용하여 용접하는 공정을 살펴보면, 먼저 위빙 용접하고자 하는 가상의 용접선 또는 용접패턴을 제어부(30)에 입력한다.

그리고, 상기 용접선 또는 용접패턴을 따라 레이저 용접할 수 있도록 레이저빔의 위빙주파수와 위빙폭을 제어부(30)에 입력하고, 이와 함께 로봇(10)의 이동변 위를 제어부(30)에 입력한다.

이 후, 레이저기구(40)를 작동시켜 레이저빔을 스캐너장치부(20) 내부에 조사함으로써, 레이저빔이 회전거울(21b)에 반사되고, 회전거울(21b)에 반사된 레이저빔은 다시 고정거울(21a)에 반사되어 모재(50)인 알루미늄 합금에 조사될 수 있게 된다.

이때, 제어부(30)에서는 기입력된 위빙폭에 맞추어질 수 있도록 회전거울(21b)을 고속으로 회전 제어함으로써, 회전거울(21b)과 고정거울(21a)을 통해 반사되는 레이저빔이 알루미늄 합금에 상기한 위빙폭만큼 위빙되면서 용접이 된다. 이와 함께 기입력된 용접선 또는 용접패턴에 따라 제어부(30)에서 로봇(10)의 움짐임을 함께 제어함으로써, 정해진 용접선에 맞추어 알루미늄 합금에 용접을 할 수 있게 된다.

즉, 스캐너장치부(20)에 구비된 회전거울(21b)을 통하여 미세한 레이저 위빙작용을 수행하고, 로봇(10)은 스캐너장치부(20)를 이동시켜 정해진 용접선을 따라 레이저빔을 조사할 수 있게 된다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

실험예 1

스캐너장치부(20)로부터 모재까지의 초점거리는 450㎜이고, 스캐너장치부(20) 내부의 회전거울(21b)을 고속으로 제어하여 모재에 레이저 위빙 용접을 구 현하였다. 적용된 모재의 재료는 1㎜ 두께의 Al 5J32-T4 합금이다.

이와 같이 용접된 모재의 응고균열(solidification crack)을 평가하기 위해 자기구속 균열 평가시험(Self-restraint tapered specimen crack test)을 이용하였는데, 자기구속 균열 평가시험은 균열발생 민감도를 평가하는 방법으로 도 3에 도시한 사다리꼴 모양의 모재 위에 짧은 변에서 긴 변쪽으로 용접을 수행한다.

용접시 금속이 응고하였다가 다시 수축하게 됨으로써 변의 길이가 짧은 쪽에서부터 균열이 발생하여 변의 길이가 긴 쪽으로 균열이 전파하게 된다. 즉, 변의 길이가 긴 쪽이 구조적 강도가 높기 때문에 잡아주는 역할을 하고 짧은 쪽은 응고되면서 좌우로 당겨지기 때문에 균열이 발생하여 전파되는 것이다.

이때, 레이저 용접속도는 50㎜/s로 고정하였고, 레이저출력과, 위빙폭, 위빙주파수를 변화시켜 용접을 수행하였다. 이같은 용접공정 변수는 도 4에 도시하였고, 모재에 발생한 크랙의 길이는 X-ray 검사를 통해 측정하였다.

상기한 위빙폭과 위빙주파수에 따른 실험결과, 직선 레이저 용접에서 균열이 95.4㎜ 발생한 반면, 본 발명의 레이저 위빙용접을 실시한 경우 균열의 길이가 감소함을 확인할 수 있었다.

또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 위빙폭이 4㎜인 경우에는 위빙폭 2㎜인 경우와 비교하여 용융풀의 중첩이 감소하므로 모든 위빙주파수에서 짧은 균열이 관찰되었다.

아울러, 위빙폭 2㎜인 용접의 경우, 위빙주파수가 2.5Hz일때 가장 긴 균열길이가 측정되었고, 위빙주파수가 5Hz에서는 균열이 발생하지 않았으며, 위빙주파수 를 더 증가시킨 경우에 균열의 길이가 증가하였다.

또한, 위빙폭 4㎜인 용접의 경우, 위빙주파수가 1Hz일때 가장 긴 균열길이가 측정되었고, 위빙주파수가 2.5Hz, 5Hz, 7.5Hz에서는 균열이 발생하지 않았으며, 위빙주파수를 더 증가시킨 경우에 균열의 길이가 증가하였다.

또, 위빙폭 2㎜ 위빙주파수 2.5Hz와, 위빙폭 4㎜ 위빙주파수 1Hz인 경우, 용접부의 형상이 직선 용접부와 유사하여 균열의 길이도 직선용접과 비슷한 값을 갖는다.

즉, 낮은 위빙주파수에서는 직선 용접과 유사한 용접비드를 형성하여 균열 민감성은 유사하였으나, 위빙주파수를 특정 수치만큼 증가시키는 경우 위빙의 영향으로 결정 성장 방향이 제어되고 균열민감도가 감소하여 균열이 발생하지 않게 되는 것이다.

다만, 도 6에 도시한 바와 같이 위빙주파수를 더 높인 고주파 영역에서는 용융풀이 중첩되어 비드폭이 증가하는 효과가 발생하면서 직선용접부와 유사한 형태의 용접부를 형성하게 되고, 이로 인해 다시 균열민감도가 커져 균열이 증가하게 됨을 확인할 수 있다.

실험예 2

도 2와 같이 가로, 세로, 두께가 각각 100㎜, 50㎜, 1㎜인 시트재를 겹치기 용접하였고, 용접된 시험편을 통해 전단인장강도평가(Tensile shear test)를 수행하였다. 이때, 레이저 용접속도는 50㎜/s로 고정하였고, 레이저출력, 위빙폭, 위빙 주파수를 변화시켜 용접을 수행하였다. 이같은 용접공정 변수는 도 7에 도시하였다.

도 8은 상기한 위빙폭과 위빙주파수 변화에 따른 전단인장강도평가 결과를 나타낸 것으로, 위빙폭이 2㎜, 위빙주파수가 5Hz인 경우 최소 전단인장강도를 갖고, 위빙폭 4㎜, 위빙주파수 20Hz인 경우 최대 전단인장강도를 갖는 것을 볼 때에, 위빙폭이 4㎜인 경우에는 위빙주파수가 증가함에 따라 전단인장강도가 증가하게 됨을 확인할 수 있었다.

다만, 위빙폭 2㎜, 위빙주파수 5Hz의 경우 특이점이 존재하여, X-ray 비파괴검사를 통해 균열이 발생한 영역에서 기공을 관찰하였고, 관찰 결과 이 기공으로 인해 전단인장강도가 감소한 것으로 판단하였다.

그리고, 앞선 실험예 1에서 확인한 바와 같이 균열 민감도가 낮기 때문에 위빙폭이 2㎜인 경우에 비해 위빙폭이 4㎜인 경우 더 높은 전단인장강도를 나타내게 됨을 확인할 수 있었다.

한편, 전단인장 시편의 파단 및 균열은 모두 용융부에서 발생하게 되므로, 용융부 넓이에 따른 전단인장강도의 영향을 평가하기 위해 도 9와 같은 방법으로 상부의 시험편 표면에서 비드 길이를 측정하였다.

이 결과, 도 10과 같이 위빙주파수가 커질수록 비드 길이는 증가하는 경향이 있으나, 위빙폭 2㎜, 위빙주파수 20Hz에서는 경향성을 벗어나는 결과를 나타내고 있다.

즉, 작은 위빙폭과 높은 위빙주파수 조건에서는 용융부의 중첩으로 비드 길 이가 감소하는 결과를 나타내므로, 전단인장강도의 감소를 유도하게 되는 것이다.

그러나, 직선 레이저 용접의 전단인장강도는 4.85kN의 값을 가짐과 비교할 때에 상기한 실험결과와 같이 본 발명의 레이저 위빙 용접을 하는 경우 직선 용접보다 높은 전단인장강도값을 갖게 되며, 이로 인해 레이저 위빙 용접 프로세스가 용접 강도 향상에 도움이 되는 것을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 알루미늄 합금 용접장치를 개략적으로 도시한 구성도,

도 2는 본 발명에 의한 스캐너장치부의 레이저 위빙 작동 원리를 나타낸 개략도,

도 3은 본 발명에 의한 자기구속균열평가에 사용된 사다리꼴 형태의 시험편 사진,

도 4는 도 3에서 실시한 자기구속균열평가에서의 용접공정변수를 나타낸 표,

도 5는 도 3에서 실시한 자기구속균열평가에서의 위빙폭과 위빙주파수 변화에 따른 균열 정도를 나타낸 그래프,

도 6은 도 3에서 실시한 평가에서 동일 위빙폭하에서의 위빙주파수 변화에 따른 비드폭의 변화를 나타낸 사진,

도 7은 본 발명에 의한 전단인장강도평가에서의 용접공정변수를 나타낸 표,

도 8은 도 7에서 실시한 평가에서의 위빙폭과 위빙주파수 변화에 따른 실험 결과를 나타낸 그래프,

도 9는 동일 위빙폭하에서의 위빙주파수 변화에 따른 비드길이의 변화를 나타낸 사진,

도 10은 도 7에서 실시한 전단인장강도평가에서의 위빙폭과 위빙주파수 변화에 따른 전단인장강도 정도를 나타낸 그래프,

*도면 중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 로봇 11 : 아암

20 : 스캐너장치부 21 : 거울

21a : 고정거울 21b : 회전거울

30 : 제어부 40 : 레이저기구

50 : 모재

Claims (4)

1. 알루미늄 합금에 레이저빔을 조사하여 용접하는 방법에 있어서,

   위빙 용접하고자 하는 가상의 용접선을 제어부(30)에 입력하는 단계와;

   상기 가상의 용접선을 따라 레이저 용접할 수 있도록 레이저빔의 위빙주파수와 위빙폭을 제어부(30)에 입력함과 아울러 로봇(10)의 이동변위를 제어부(30)에 입력하는 단계와;

   레이저빔을 스캐너장치부(20) 내부의 거울(21)에 조사하는 단계와;

   제어부(30)의 제어에 따라 스캐너장치부(20) 내부의 거울(21) 중 어느 하나를 고속으로 회전 조작하여 거울(21)을 통해 반사되는 레이저빔을 알루미늄 합금에 위빙 용접시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 거울(21)에는 모터 또는 갈바노미터 중 어느 하나를 장치하여 고속으로 구동되는 것을 특징으로 하는 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접방법.
3. 알루미늄 합금에 레이저빔을 조사하여 용접하는 장치에 있어서,

   여러 방향으로의 움직임과 회전이 가능한 로봇(10)과;

   상기 로봇(10)에 결합되고, 내부에 복수의 거울(21)을 장치하되 거울(21) 중 어느 하나는 그에 조사되는 레이저빔의 반사각을 고속으로 변경시킬 수 있도록 회전 조작되는 스캐너장치부(20)와;

   상기 스캐너장치부(20)에 장치된 거울(21)과 로봇(10)의 움직임을 제어하는 제어부(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 거울(21)에는 모터 또는 갈바노미터 중 어느 하나를 장치한 것을 특징으로 하는 레이저 위빙을 이용한 알루미늄 합금 용접장치.

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