KR20130052013A - 레이저 용접 방법 - Google Patents

Abstract

함유하는 탄소량이 0.07중량％ 이상의 고장력 강판을 포함하는 복수의 부재의 중첩부에 있어서, 복수의 용접 위치에서, 리모트 레이저 용접에 의해, 폐루프 또는 폐루프 형상의 1개째의 비드(31 내지 36)와, 1개째의 비드(31 내지 36)의 내측의 폐루프 또는 폐루프 형상의 2개째의 비드(41 내지 46)를 형성하여 접합한다. 이때, 1개째의 비드(31 내지 36)를 연속적으로 복수 형성하는 수순과, 복수 형성된 1개째(31 내지 36)의 비드에 대해서 2개째의 비드(41 내지 46)를 연속적으로 복수 형성하는 수순을 갖고, 어느 경우에도, 복수의 용접 위치 중 가장 가까운 용접 위치 이외에 비드를 형성한다. 이에 의해, 용접부의 강도를 높임과 함께, 용접 변형을 억제할 수 있다.

Description

레이저 용접 방법 {LASER WELDING METHOD}

본 발명은, 고장력 강판을 포함하는 복수의 부재를 중첩하여 레이저 용접하는 데 이용하기에 적합한 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

최근, 자동차 연비의 개선이나 안전성의 향상 등의 요구에 대응하기 위해, 고강도의 박강판이 자동차 차체에 많이 사용되게 되어 있고, 레이저 용접을 사용하여 이들의 강판을 용접하는 것이 요구되고 있다. 또한, 고강도 박강판을 중첩하여 용접하는 방법에 있어서, 안정된 접합부 강도가 얻어지는 레이저 용접 방법이 요망되고 있다.

레이저 용접은 레이저광을 열원으로 하기 때문에, TIG 용접이나 MIG 용접 등의 아크 용접에 비해 입열량의 제어가 확실 또한 용이하다. 이로 인해, 용접 속도나 레이저 빔의 조사 출력, 나아가서는 실드 가스 유량 등의 용접 조건을 적절하게 설정함으로써 열변형을 작게 할 수 있다. 또한, 레이저 용접은, 편측으로부터 용접할 수 있으므로 자동차의 차체 등 복잡한 부재의 조립 용접에 적합하다.

실제, 레이저 용접은 자동차 제조업이나 전기 기기 제조업 그 밖의 분야에 있어서, 박강판을 성형 가공한 부재의 용접에 많이 채용되어 있다. 또한, 이에 관련하여, 용접 조인트 강도가 우수한 겹침 조인트의 레이저 용접 방법이 제안되어 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에는, 1개째의 비드를 2개째의 비드의 열에 의해 템퍼링하고, 품질 개선함으로써, 성형시의 용이한 비드의 파단을 방지하여, 성형능을 향상시키는 방법이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2009－000721호 공보

강판이 고강도화하는 데에 수반하여, 용접부의 강도 향상이 과제가 되고 있다. 특히, 인장 강도가 780㎫ 이상이고, 함유하는 탄소량이 0.07질량％ 이상이 되는 고장력 강판의 겹침 용접에 있어서는, 종래의 기술에서는 용접부의 강도가 불충분해지는 경우가 있다.

본 발명자들은, 용접부의 강도를 높이는 레이저 용접 방법에 대해서 예의 검토하였다. 그 결과, 복수의 비드를 형성하는 용접에 있어서, 비드를 적절하게 형성하고, 1개째의 비드의 평균 비커스 경도를 2개째 이후의 비드의 평균 비커스 경도보다도 낮게 함으로써, 조인트 강도가 우수한 레이저 용접 조인트가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

본 발명은, 용접부의 강도를 높임과 함께, 용접 변형을 억제할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 레이저 용접 방법은, 함유하는 탄소량이 0.07중량％ 이상의 고장력 강판을 포함하는 복수의 부재의 중첩부에 있어서, 복수의 용접 위치에서, 리모트 레이저 용접에 의해, 폐루프 또는 폐루프 형상의 1개째의 비드와, 상기 1개째의 비드의 내측의 폐루프 또는 폐루프 형상의 2개째의 비드를 형성하여 접합하는 레이저 용접 방법이며, 상기 복수의 용접 위치의 모두 또는 일부에 1개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순과, 상기 복수 형성된 1개째의 비드에 대해서 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순을 갖고, 상기 1개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순 및 상기 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순의 어느 경우에도, 상기 복수의 용접 위치 중 가장 가까운 용접 위치 이외에 비드를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 방법의 다른 특징으로 하는 바는, 상기 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순에서는, 최고 온도가 Ms점 - 50℃ 이하로 된 1개째의 비드에 대해서 2개째의 비드를 형성하는 점에 있다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 방법의 다른 특징으로 하는 바는, 상기 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순에서는, 1개째의 비드의 온도가 400도 이상, Ac1점 + 50℃ 이하가 되도록 2개째의 비드를 형성하는 점에 있다.

또한, 본 발명의 레이저 용접 방법의 다른 특징으로 하는 바는, 1개째의 비드는 원형, 2개째의 비드는 1개째의 비드와 동심이 되는 원형을 나타내고, 이들 비드의 중심으로부터 1개째의 비드의 시단부와 종단부를 연결한 선분과, 2개째의 비드의 시단부와 종단부를 연결한 선분이 이루는 각도를 10° 이상으로 하는 점에 있다.

본 발명에 따르면, 용접부의 강도를 높임과 함께, 용접 변형을 억제할 수 있다.

도 1은 실시 형태에 관한 레이저 용접 조인트의 개략을 설명하는 도면이다.
도 2a는 실시 형태에 관한 레이저 용접 조인트의 다른 예의 개략을 설명하는 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 I－I선 단면도이다.
도 3a는 폐루프 형상의 비드 형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 3b는 폐루프 형상의 비드 형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 3c는 폐루프 형상의 비드 형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 3d는 폐루프 형상의 비드 형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 3e는 폐루프 형상의 비드 형상의 예를 나타내는 도면이다.
도 4a는 복수의 용접 위치에, 복수개의 비드로 이루어지는 용접부를 형성한 구조 부재의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 4b는 복수의 용접 위치에, 복수개의 비드로 이루어지는 용접부를 형성한 구조 부재의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 5는 리모트 레이저 용접에 의해, 햇(hat) 부재의 플랜지부의 복수의 용접 위치에, 복수개의 비드로 이루어지는 용접부를 형성하는 수순의 예를 나타내는 도면이다.
도 6a는 레이저의 스폿 위치가 고속으로 이동 가능한, 리모트 레이저 용접의 시스템을 도시하는 개념도이고, 집광 광학계를 도시하는 도면이다.
도 6b는 레이저의 스폿 위치가 고속으로 이동 가능한, 리모트 레이저 용접의 시스템을 도시하는 개념도이고, 레이저 스폿 위치가 이동하는 모습을 도시하는 도면이다.
도 7은 제1 실시예의 결과를 나타내는 도면이다.
도 8a는 제2 실시예의 한쪽 햇 부재를 도시하는 정면도이다.
도 8b는 제2 실시예의 한쪽 햇 부재를 도시하는 평면도이다.
도 9는 제3 실시예의 한쪽 햇 부재를 도시하는 정면도이다.
도 10은 제4 실시예의 양쪽 햇 부재를 도시하는 정면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해서 설명한다. 또한, 이하, 간단히 「％」로 기재한 경우는, 「질량％」를 나타내는 것으로 한다.

(제1 실시 형태)

본 실시 형태에 관한 레이저 용접 조인트(1)는, 고장력 강판(10)을 복수매 중첩하여 접합하여 이루어진다. 고장력판을 2 내지 4매 정도 중첩하여 접합한 것이 일반적이지만, 고장력판의 매수는 특별히 한정되지 않는다. 도 1은, 고장력판을 2매 중첩한 예이다.

고장력 강판(10)에는, 탄소량이 0.07％ 이상의 강판을 사용할 수 있지만, 탄소량이 0.07％ 이상이면, 켄칭성이 높아져, 넓은 입열(入熱) 범위에서 경화되고, 또한, 켄칭된 경우의 경도가 높아진다. 그 결과, 조인트 강도, 특히 박리 방향의 하중에 대한 강도의 확보가 곤란해진다.

본 발명은, 이와 같은 고장력 강판을 용접한 경우라도 충분한 강도를 갖는 용접 조인트를 제조하는 기술이고, 탄소량이 0.07％ 이상의 고장력 강판을 대상으로 한다. 또한, 「고장력 강판을 포함하는 복수의 부재의 중첩부」에는, 고장력 강판의 중첩부의 더 외측에 연강판을 중첩하고, 연강판＋고장력 강판＋고장력 강판, 혹은, 연강판＋고장력 강판＋고장력 강판＋연강판과 같이 하여, 중첩부를 형성하는 경우를 포함하고, 그 경우도 본 발명의 대상으로 한다. 또한, 연강판＋고장력 강판과 같이 하여, 중첩부를 형성하는 경우를 포함하고, 그 경우도 본 발명의 대상으로 한다.

용접 조인트의 용접부는, 복수개의 비드로 이루어진다. 여기서, 2개째 이후의 비드는, 1개째의 비드(11)의 강판 표면의 지단(toe) 중 하중 부하시에 보다 높은 응력을 받는 측의 지단 상의 임의의 점을 원점 O으로 하고, 원점 O으로부터 보아, 1개째의 비드(11)의 강판 표면의 지단 중 하중 부하시에 보다 낮은 응력을 받는 측의 지단이며 원점에 가장 가까운 지단의 방향을 플러스 방향으로 취할 때, 1개째의 비드보다도 플러스 방향에 형성한다.

그리고, 1개째의 비드에 있어서의 판 두께 방향의 평균 비드 폭을 W로 하면, 2개째 이후의 비드의, 원점에 가까운 측의 지단의 위치 x는, 0<x≤1.2W의 범위에 위치한다. 도 1에는, 2개째의 비드(12)만을 나타내고 있다.

1개째의 비드는, 2개째의 비드를 형성할 때의 열로 템퍼링된다. 용접부에 하중이 부하되면, 특히 1개째의 비드의 융합선과 강판의 겹침부가 교차하는 부위의 근방에 응력이 집중되어 파단에 이르기 쉽다.

본 실시 형태에 관한 용접 조인트에 있어서는, 1개째의 비드가 템퍼링됨으로써, 비드 본드부의 연성이 향상되고, 하중 부하시의 겹침부의 응력 집중도 완화할 수 있으므로, 하중 부하에 대한 내성이 높아진다. 따라서, 2개째의 비드는, 1개째의 비드보다도, 하중 부하될 때에 받는 응력이 낮아지는 측에 형성한다.

x가 0 이하이면, 2개째 이후의 비드를 형성할 때에, 1개째의 비드의 응력 부하가 높아지는 측의 지단이나 상기 겹침부의 온도는, Ac3점 이상이 되고, 다시 켄칭되므로, 조인트 강도가 향상되지 않는다. x가 1.2W보다 커지면, 2개째 이후의 비드를 형성할 때의 열이 1개째의 비드까지 충분히 전도되지 않으므로, 1개째의 비드의 템퍼링을 할 수 없어, 조인트 강도가 향상되지 않는다.

이와 같은 위치 관계로 비드를 형성함으로써, 1개째의 비드의 평균 비커스 경도가, 2개째 이후의 비드의 평균 비커스 경도보다도 낮은, 조인트 강도가 우수한 레이저 용접 조인트를 얻을 수 있다.

비드의 개수를 3, 4로 증가하고, 접합 면적을 증대하면, 더욱 전단 강도도 높게 할 수 있다. 이때, 3개째의 비드는 2개째의 비드와 동일 위치 또는 2개째의 비드보다도 플러스측으로 하고, 4개째의 비드는 3개째의 비드와 동일 위치 또는 3개째의 비드보다도 플러스측으로 한다.

3개째, 4개째의 비드를 2개째의 비드와 동일한 위치로 하면, 1개째의 비드의 템퍼링이 한층 진행되어, 박리 방향의 하중을 향상시킬 수 있다. 단, 접합 면적이 거의 변화하지 않으므로, 전단 강도는 향상되지 않는다.

한편, 3개째의 비드를 2개째의 비드보다 플러스측으로 하거나, 또는, 4개째의 비드를 3개째의 비드보다 플러스측으로 하면, 1개째의 비드의 템퍼링과 접합 면적의 증가를 달성할 수 있어, 박리 방향의 강도와 전단 방향의 강도의 양자를 향상 가능하다.

본 실시 형태에 관한 레이저 용접 조인트에 있어서, 비드는 판 두께 방향으로는 거의 직선적인 형상이다. 또한, 비드 형상이 판 두께 방향으로 거의 직선적이라는 조건에서는, 평균 비드 폭 W 대신에, 강판 표면에서 확인할 수 있는 비드 표면의 폭, 혹은, 강판의 표리면에서 확인할 수 있는 비드 표리면의 평균 폭을 대표적인 비드 폭으로 해도 지장없다.

레이저 용접 조인트의 용접선은 직선이어도 좋지만, 폐루프 또는 폐루프 형상으로 함으로써, 시단부와 종단부의 응력 집중을 완화할 수 있으므로, 그에 의해, 조인트 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 도 2a, 도 2b에, 시단부와 종단부가 겹치는 폐루프로 제작된 레이저 용접 조인트의 개략을 도시한다.

폐루프란, 원, 타원 등의 시단부와 종단부가 일치하는 형상을 말하고, 일부에 곡률의 다른 곡선을 갖는 형상이나, 삼각형, 사각형 등의 형상도 포함된다.

폐루프 형상이란, 예를 들어 도 3a 내지 도 3e에 도시하는 바와 같이, 1개 이상의, 비드(11)(혹은 12)가 형성되지 않는 개구부(15)를 갖고, 개구부(15)의 길이의 합계가, 비드(11)의 외접 상당 직경의 3/4 이하인 형상을 말한다. 도 3a 내지 도 3e는, 개구부(15)를 갖는 비드 형상의 예이며, 실선이 비드(11)(혹은 12), 파선이 개구부(15)를 나타내고 있다. 도 3a 내지 도 3e에 도시한 비드 형상은, 예시이며, 폐루프 형상의 비드 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.

개구부를 갖는 폐루프 형상의 비드 형상은, 예를 들어 아연 도금 강판을 중첩하여 용접할 때 등에 유효하다. 아연 도금 강판 등의 용접의 경우, 강판간의 도금이 비점에 도달하여 증발하고, 급격하게 체적이 팽창할 때에 비드에 둘러싸인 영역에서 증기 또는 기체가 된 도금의 통로가 없으면, 강판간의 압력이 높아져, 용접 중에 용융지가 날아가 버려, 비드에 결함이 발생한다. 비드 형상을 개구부를 갖는 폐루프 형상으로 함으로써, 이를 방지할 수 있다.

레이저 용접 조인트는, 판 두께가 0.5 내지 3.0㎜의 범위의 고장력 강판을 사용하는 것이 적합하다. 판 두께가 0.5㎜ 미만이어도, 용접부의 강도 향상의 효과는 얻어지지만, 조인트의 강도가 판 두께에 지배되므로, 조인트 전체의 강도 향상의 효과가 작아져, 부재의 적용 범위가 한정된다. 또한, 판 두께가 3.0㎜ 초과라도, 용접부의 강도 향상의 효과는 얻어지지만, 부재의 경량화의 관점으로부터, 부재의 적용 범위가 한정된다.

다음에, 본 실시 형태에 관한 레이저 용접 방법에 대해서 설명한다. 레이저 용접 조인트의 제조에 사용하는 장치는, 종래의 레이저 용접 조인트를 제조하는 장치와 마찬가지의 것을 사용할 수 있다.

레이저 용접 조인트의 제조시에는, 1개째의 비드를 레이저 용접으로 형성한 후, 1개째의 비드의 온도가 Ms점 - 50℃(Ms점:마르텐사이트 변태 개시 온도) 이하까지 대기하고, 그 후에, 2개째 이후의 비드 형성을 개시한다.

1개째의 비드의 온도를 Ms점 －50℃ 이하로 하면, 강판 중에 일정량 이상의 마르텐사이트가 생성된다. 그 후, 2개째의 비드 형성에 의해 가열함으로써, 이전의 마르텐사이트가 템퍼링되어 연화되어, 조인트 강도가 상승한다.

1개째의 비드의 온도가 Ms점 - 50℃보다 높을 때에 2개째 이후의 비드 형성을 개시하면, 충분한 마르텐사이트가 생성되지 않으므로, 2개째의 비드 형성에 의해 템퍼링되는 마르텐사이트의 체적은 한정되고, 잔존한 오스테나이트는 2개째의 비드 형성 후의 냉각 과정에 있어서 마르텐사이트로 변태되어 경화되므로, 템퍼링의 효과가 불충분해진다.

비드의 경도를 저하시키기 위해서는, 냉각 속도를 저하하고, 베이나이트나 펄라이트와 같은 연질인 조직을 석출시키면 되지만, 충분히 높은 냉각 속도를 갖는 레이저 용접으로는 실현이 곤란하다.

2개째 이후의 비드 형성을 개시할 때의, 1개째의 비드의 온도의 하한은 특별히 규정하지 않지만, Ms점 - 250℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. Ms점 - 250℃에서, 일반적인 강판은 마르텐사이트 변태를 종료하기 때문이다. Ms점 - 250℃미만까지 기다리는 것에 의한 장점은 특별히 없고, 택트 타임이 증가하여, 생산 비용이 늘어나게 된다.

비드의 온도는, 하중 부하시에 고 응력측이 되는 강판 표면의 지단에서 측정한 온도를 대표값으로서 사용할 수 있다. 또한, 온도는 방사 온도계나 열전대를 사용하여 측정할 수 있다. 또한, 직접 측정이 곤란한 경우, Quick welder 등, 시판하고 있는 유한 요소 해석 소프트에 의해 온도를 추정할 수 있다. 또한, Ms점은, 강판의 성분으로부터, 하기의 식

Ms(℃)=550－361×(％C)－39×(％Mn)－35×(％V)

－20×(％Cr)－17(％Ni)－10×(％Cu)

－5×(％Mo＋％W)＋15×(％Co)＋30×(％Al)

로 추정할 수 있다. (％C) 등은, 각 원소의 강판 중의 함유량을 질량％로 나타낸 값이다.

또한, 1개째의 비드를 형성한 후, 2개째 이후의 비드는, 1개째의 비드의 재가열 온도가 400℃ 이상, Ac1점 ＋50℃ 이하가 되는 범위로 가열할 수 있는 조건으로 형성한다. 비드의 온도는 상술한 바와 같이, 열전대, 방사 온도계에 의한 직접 측정이 가능하고, 또한, 유한 요소 해석 소프트에 의한 추정도 가능하다. 그로 인해, 목표로 하는 온도 범위에서, 2개째 이후의 비드를 형성할 수 있다.

2개째 이후의 비드를 형성할 때에, 1개째의 비드의 평균 온도가 400℃ 미만이면, 1개째의 비드는 충분히 템퍼링되지 않아, 연화되지 않으므로, 충분한 조인트 강도가 얻어지지 않는다. 1개째의 비드의 온도가 Ac1점℃＋50℃를 초과하면, 1개째의 비드 중의 조직에 생성하는 오스테나이트의 비율이 증가하고, 냉각시에 다시 켄칭되어, 마르텐사이트 변태가 일어나, 연화되지 않으므로, 충분한 조인트 강도가 얻어지지 않는다. 보다 바람직한 온도 범위는, 400℃ 이상, Ac1점 미만이다.

Ac1점은, 강판의 성분으로부터,

Ac1(℃)=723－10.7×(％Mn)－16.9×(％Ni)

＋29.1×(％Si)＋16.9×(％Cr)＋290×(％As)

＋6.38×(％W)

로 추정할 수 있다. (％C) 등은, 각 원소의 강판 중의 함유량을 질량％로 나타낸 값이다.

또한, 레이저 용접 조인트를 제조할 때에는, x/W가 작을수록, 1개째의 비드를 용접 형성할 때의 용접 속도 v1과, 2개째 이후의 비드를 용접 형성할 때의 용접 속도 v2의 비, v2/v1을 증가시켜, 1개째의 비드로의 열전도량을 억제할 필요가 있다. x/W가 큰 경우는, v2/v1을 감소시켜, 1개째의 비드로의 열전도량을 증가할 필요가 있다.

v2/v1이 작아지면, 1개째의 비드의 최고 온도가 Ac1점을 초과하고, 재켄칭이 일어나, 경도가 상승하므로, 조인트 강도가 높아지지 않는다. 또한, v2/v1이 극단적으로 작은 경우는, 입열이 과대해져, 비드 용락(burn through)이 발생하는 경우가 있다.

v2/v1이 커지면, 1개째의 비드의 최고 온도가 낮아져, 템퍼링에 의한 연화를 할 수 없어지는 경향이 되므로, 조인트 강도가 높아지지 않는다.

v2/v1의 최적 범위는, x/W에 의존하고, 본 발명자의 검토의 결과,

1.2/exp(x/W)≤v2/v1≤4/exp(x/W)

의 범위이면, 양호한 조인트 강도가 얻어진다.

레이저의 파워 밀도는, 0.5㎿/㎠ 이상, 500㎿/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 파워 밀도가 0.5㎿/㎠ 이상, 500㎿/㎠ 이하이면, 비드의 템퍼링이 넓은 용접 속도 범위에서 가능해진다.

파워 밀도가 0.5㎿/㎠보다 낮으면, 레이저 빔의 이동 속도, 즉, 용접 속도를 현저하게 저하시키지 않으면 비드의 템퍼링을 실현할 수 없어, 실제 생산에서는 불리하다. 한편, 파워 밀도가 500㎿/㎠보다 높은 경우, 비드를 소정 온도 이하로 템퍼링하기 위해 빔의 이동 속도를 극단적으로 높일 필요가 있어, 설비 능력이 제한되는 것 이외에, 템퍼링의 효과를 안정적으로 얻는 것이 곤란해진다.

또한, 레이저 빔의 파워 밀도는 레이저 빔의 출력을 빔 면적으로 나눔으로써 계산할 수 있고, 또한, 빔 면적은 빔 직경[빔 중심으로부터 빔 중심의 강도의 1/e²까지 강도가 감소하는 점까지의 거리(반경)]을 사용하여 구할 수 있다.

비드 형상을 폐루프로 하고, 시단부와 종단부를 일치시키는 경우는, 종단부에 시단부의 열이 중첩하여 과가열이 되고, 용강이 흘러 내리거나 불어 날려지거나 하는 경우가 있다. 또한, 1개째와 2개째 이후의 비드의 시단부와 종단부 위치까지 근접시키면, 2개째 이후의 비드는 용강의 흘러 내림·불어 날려짐이, 한층 촉진되는 경우가 있다.

용강의 흘러 내림 등이 발생하면, 조인트 강도의 저하에 연결된다. 그로 인해, 이를 억제하기 위해, 1개째와 2개째 이후의 비드의 시단부와 종단부 위치를 어긋나게 하는 것이 바람직하다.

예를 들어 1개째의 비드가 원형이고, 2개째의 비드가 1개째의 비드와 동심이 되는 원형을 나타내는 경우, 비드의 중심으로부터 1개째의 비드의 시단부와 종단부를 연결한 선분과, 비드의 중심으로부터 2개째 이후의 비드의 시단부와 종단부를 연결한 선분이 이루는 각도가 10° 이상이 되도록, 비드를 형성하는 것이 바람직하다.

(제2 실시 형태)

상기 제1 실시 형태에서는, 복수개의 비드로 이루어지는 용접부의 구성에 대해서 설명하였다. 제2 실시 형태에서는, 그 적용예로서, 함유하는 탄소량이 0.07중량％ 이상의 고장력 강판을 포함하는 복수의 부재의 중첩부에 있어서, 복수의 용접 위치에서, 리모트 레이저 용접에 의해, 폐루프 또는 폐루프 형상의 1개째의 비드와, 당해 1개째의 비드의 내측의 폐루프 또는 폐루프 형상의 2개째의 비드를 형성하여 접합하는 예를 설명한다. 폐루프 또는 폐루프 형상으로 형성되는 비드와 비교해서 큰 구조 부재에서는, 부재끼리의 접합 강도(박리 강도, 혹은, 전단 강도)를 향상시키기 위해, 도 4a, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 구조 부재(50)의 복수의 용접 위치에, 복수개의 비드로 이루어지는 용접부(51)를 형성하는 경우가 있다.

이와 같은 부재를 용접할 때에, 1개째의 비드를 형성하고, 1개째의 비드의 온도가 Ms점 －50℃ 이하가 될 때까지 대기한 후, 2개째 이후의 비드를 형성하고, 그 후, 다음의 1개째의 비드를 형성하려고 하는 것처럼, 용접 개소를 순번대로 하나씩 고정해 가는 방법에서는, 총 용접 시간이 길어져, 택트 타임이 증가한다.

이를 피하기 위해, 복수의 비드를 형성하는 경우에는, 도 6a, 도 6b에 도시하는 바와 같은 집광 광학계(60)에 미러(61)를 사용하고, 레이저의 스폿 위치의 이동이 매우 단시간에 끝나는 리모트 레이저 용접을 이용하고, 1개째의 비드를 복수의 용접 위치에 연속적으로 형성함으로써, 2개째의 비드를 형성할 때까지의 대기 시간을 유효하게 이용할 수 있다. 또한, 도면 중, 부호 62는 레이저 빔을, 부호 63은 레이저 조사 가능 에어리어를, 부호 64는 비드를, 부호 65는 고장력 강판을 나타낸다.

그 후, 1개째의 비드의 최고점이 Ms점 - 50℃ 이하가 된 비드에 대해서, 2개째의 비드를 리모트 레이저 용접에 의해 형성하면, 레이저를 조사하지 않고 대기하는 시간이 짧아져, 그 결과, 총 용접 시간이 감소한다.

2개째의 용접 순서는, 용접 변형이 작아지는 순서로 용접하면 되고, 특별히 순서는 한정되지 않는다. 용접 변형을 작게 하는 용접 순서는, 유한 요소법을 사용하여 용이하게 해석 가능하다.

또한, 상기의 방법으로 복수의 비드를 형성하면, 1개째의 비드를 단시간에 복수의 개소에 형성하므로, 잔류 응력이 발생하여 용접 변형이 개시, 혹은, 종료될 때까지의 동안에 부재끼리를 고정시킬 수 있다. 그 결과, 용접 후의 구조 부재의 변형을 최소로 하여, 형상 정밀도를 향상시킬 수 있다.

3개째의 비드를 형성할 때에는, 1개째의 비드에 대해서 2개째의 비드를 형성하는 것과 동일하게, 2개째의 비드에 대해서 3개째의 비드를 형성하면 된다. 4개째 이후의 비드에 대해서도 마찬가지로 하면, 총 용접 시간을 짧게 하여, 용접 변형을 억제할 수 있다.

도 5는, 리모트 레이저 용접에 의해, 햇 부재의 플랜지부(50a)의 복수의 용접 위치에, 복수개의 비드로 이루어지는 용접부를 형성하는 수순의 예를 나타내는 도면이다. 우선, 폐루프 또는 폐루프 형상의 1개째의 비드(31 내지 36)를 번호순으로 연속적으로 형성한다. 그리고, 1개째의 비드의 최고점이 Ms점 - 50℃ 이하가 된 후, 각 1개째의 비드(31 내지 36)의 내측에, 폐루프 또는 폐루프 형상의 2개째의 비드(41 내지 46)를 번호순으로 연속적으로 형성한다. 여기서, 연속적이란, 「비드 형성→다른 용접 위치로 이동→비드 형성…」이라고 하는 동작을 일련의 동작으로서 행하는 것을 의미하고, 레이저를 도중에 끊어지는 일 없이 연속적으로 조사한다고 하는 의미는 아니다. 오히려, 다른 용접 위치로 이동할 때에는, 부재가 여분의 개소에 입열을 부여하지 않도록, 레이저의 조사를 멈추게 할 필요가 있다.

이와 같이 1개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순과, 복수 형성된 1개째의 비드에 대해서 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순을 실행할 때에, 어느 쪽 수순에서든 가장 가까운 용접 위치 이외에 비드를 형성하도록 한다. 이에 의해, 용접 변형을 억제하는 것이 가능해진다.

여기서, 「가장 가까운 용접 위치」란, 구조 부재(50)를 구성하는 강판의 형상을 따르는 거리가 가장 가까운 위치를 의미한다. 가장 가까운 용접 위치를 피하는 것은, 용접 변형에 열전도가 깊게 관계되기 때문이며, 강판의 형상을 따르는 거리, 즉 열이 전해지는 거리가 가장 가까운 위치를 피하도록 한 것이다. 예를 들어 도 4a, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 용접 위치 A에 비드를 형성한 후에, 용접 위치 B, C 중 어느 곳에 비드를 형성할지를 생각한다. 이 경우, A－B, A－C를 연결하는 공간적인 거리(평면에서 본 거리)는 동일하지만, 강판의 형상을 따르는 거리는 A－C간의 쪽이 짧으므로, 가장 가까운 용접 위치인 C를 피한다고 하는 것이 된다.

또한, 도 5의 예에서는, 1개째의 비드를 모든 용접 위치(6개소)에 형성하고, 다음에 2개째의 비드를 모든 용접 위치(6개소)에 형성하는 예를 설명하였지만, 그에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 우선 1개째의 비드를 3개소에 형성하고, 다음에 2개째의 비드를 당해 3개소에 형성한 후, 1개째의 비드를 남은 3개소에 형성하고, 다음에 2개째의 비드를 당해 3개소에 형성하는 형태이어도 좋다.

또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 복수개의 비드로 이루어지는 용접부를 직선적으로 배열하여 배치하는 경우, 비드(의 무게 중심)의 위치의 간격에 대해서, 다수의 용접을 실시한 구조 부재로 고려한 경우, 용접 구조물로서는, 용접 개소(비드의 개수)에 비례한 전단 인장 강도, 박리 강도가 얻어진다. 따라서, 「구조물에 필요한 강도가 얻어지는 개수」를 「플랜지부의 길이」로 나눈(평균의) 간격으로 하는 것이 좋다. 단, 부재에 있어서 부분적, 혹은 국소적으로 강도가 필요한 부분에는, 용접 개소끼리의 간격을 줄이는 것이 바람직하다.

이상과 같이 용접부를 형성함으로써, 양호한 조인트 강도를 갖는 용접 조인트를 제조할 수 있다.

실시예

(제1 실시예)

판 두께 1.0㎜의, 강판의 주성분이, C:0.12중량％, Si:0.5중량％, Mn:2.0중량％, P:0.01중량％, S:0.003중량％인 고장력 강판을 2매 중첩하여, 레이저 용접에 의해 접합하고, 조인트를 제작하였다. 용접부의 비드의 형상은 원(円)의 폐루프로 하고, 2개의 용접 비드를 형성하였다.

이때, 용접부의 직경은 가장 외측에 위치하는 1개째의 비드의 크기로 정의하고, 즉, 레이저를 조사한 측의 판 표면에서 비드의 직경을 측정하고, 6㎜ 일정하게 하였다.

비드의 중심으로부터 1개째의 비드의 시단부와 종단부를 연결한 선분과, 2개째의 비드의 시단부와 종단부를 연결한 선분이 이루는 각 θ는, 0°또는 15°로 하였다.

강판의 성분으로부터, Ms점, Ac1점은, 각각, 429℃, 716℃로 추정된다.

레이저 용접 조인트는, 용접 비드의 폭, 비드 위치 및 용접시의 온도를, 표 1에 나타낸 바와 같이 바꾼 복수의 종류를 제작하였다. 그 밖의 용접 조건은, 레이저 출력을 3.5㎾, 초점 위치를 상측 강판의 표면으로 하고, 또한 초점 위치에 있어서의 빔 스폿 직경은 0.5㎜로 하여 용접을 행하였다.

제작한 레이저 용접 조인트의 십자 인장 강도 및 1개째의 비드의 경도(용접부 단면에 있어서, 겹침면과 융합선이 교차하는 점으로부터 0.1㎜ 용접 금속측으로 들어간 점을 기준으로 판 두께 방향으로 5점 용접 금속 경도를 측정하여 평균화)를 측정하였다.

십자 인장 강도의 측정 방법이나 조인트 형상은 스폿 용접 조인트에 관해 규정한, JIS Z 3137에 따랐다. 십자 조인트를 레이저 용접에 의해 제작하고, 소정의 인장 지그를 사용하여, 인장 속도 10㎜/min 일정으로 인장 시험을 실시하고, 그때의 최고 하중을 십자 인장 강도로 정의하였다.

1개째의 비드의 온도는, 강판 표면에서 저 응력측이 되는 지단의 근방에 열전대를 부착하여, 계측하였다. 이 계측 온도를 1개째의 비드의 대표 온도로 하였다.

이들의 결과를 표 1에 나타낸다. 비드를 1개만 형성한 경우(No.5)의 십자 인장 강도를 기준으로, 이것의 1.2배 이상이 된 경우를 양호, 십자 인장 강도의 비가 1.2배 미만이 되는 경우를 불량으로 판정하였다. 또한, 표 중의 밑줄은, 제1 실시 형태에서 설명한 조건을 만족하지 않는 것을 의미한다.

또한, 도 7에, x/W와 v2/v1이 십자 인장 강도비에 미치는 영향을 나타낸다. 도 7 중, ○는 본 예의 결과를, ×는 비교예의 결과를 나타낸다.

v2/v1이 제1 실시 형태에서 설명한 범위에 있으면 양호한 십자 인장 강도가 얻어졌다. v2/v1이 지나치게 낮으면, 1개째의 비드의 온도가 지나치게 상승하여 비드가 연화되지 않거나, 혹은 비드가 용락되었다. 한편, v2/v1이 지나치게 높으면, 1개째의 비드의 템퍼링이 불충분해져, 십자 인장 강도가 향상되지 않았다.

표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 조인트 강도가 우수한 레이저 용접 조인트를 얻을 수 있다.

(제2 실시예)

도 8a, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 햇 부재(81)의 양측의 플랜지부(81a)를 걸치도록 평판(82)을 레이저 용접하여 이루어지는 한쪽 햇 부재(80)를 제작하였다. 한쪽 햇 부재(80)의 높이는 61.2㎜, 플랜지부(81a)의 외측 단부간의 거리는 102㎜, 한쪽 햇 부재(80)의 길이[즉, 플랜지부(81a)의 길이]는 600㎜이다. 또한, 햇 부재(81) 및 평판(82)의 판 두께는 1.2㎜, 강판의 주성분이, C:0.12중량％, Si:0.5중량％, Mn:2.0중량％, P:0.01중량％, S:0.003중량％인 고장력 강판을 중첩하여, 레이저 용접에 의해 접합하였다.

용접 조건은, 레이저 출력을 4.5㎾, 초점 위치를 상측 강판의 표면으로 하고, 또한 초점 위치에 있어서의 빔 스폿 직경은 0.5㎜로 하여 용접을 행하였다. 도 8b에 도시하는 바와 같이, 비드 폭 0.5㎜, 직경 6㎜의 원형의 비드를 1→2→3→4의 순으로, 즉 양측의 플랜지부(81a) 중 한쪽에서 단부로부터 단부까지 순번대로, 다음에 다른 쪽에서 단부로부터 단부까지 순번대로 형성하였다. 2개째의 비드는, 1개째의 비드와 동심원의 원형 비드이고, 직경을 5.5㎜로 하여, 1개째의 비드 형성 후, 1개째와 마찬가지로 1→2→3→4의 순으로 비드를 형성하였다. 비드(의 무게 중심)의 위치의 간격은 20㎜로 하였다. 이 경우, 비틀림 각도는 약 20°로, 이 한쪽 햇 부재(80)를 다른 부재에 조립하여 용접 혹은 고정할 때에 문제가 되는 정도이었다. 여기서, 비틀림 각도란, 도 8a에 도시하는 방향으로부터 보았을 때에, 한쪽의 단부(80R)에서의 최고 높이와 다른 쪽의 단부(80L)에서의 최저 높이를 연결한 선과, 한쪽의 단부(80R)에서의 최저 높이와 다른 쪽의 단부(80L)에서의 최고 높이를 연결한 선이 이루는 각도를 말한다.

그에 대해서, 마찬가지의 한쪽 햇 부재(80)에 대해서, 1개째의 비드를 연속적으로 복수 형성할 때 및 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성할 때에, 모두 가장 가까운 용접 위치 이외에 비드를 형성하도록 하였다. 이 경우, 용접 변형을 억제하여, 비틀림 각도가 1° 미만으로 억제되어, 이 한쪽 햇 부재(80)를 다른 부재에 조립하여 용접 혹은 고정할 때에 문제가 없는 정밀도로까지 개선되었다.

(제3 실시예)

도 9에 도시하는 바와 같이, 연강판의 햇 부재(91)와 고장력 강판의 햇 부재(92)의 양측의 플랜지부(91a, 92a)를 걸치도록 고장력 강판의 평판(93)을 레이저 용접하여 이루어지는, 플랜지부의 강판이 3매 겹친 한쪽 햇 부재(90)를 제작하였다. 한쪽 햇 부재(90)의 높이는 66.2㎜, 플랜지부(91a, 92a)의 외측 단부간의 거리는 102㎜, 한쪽 햇 부재(90)의 길이[즉, 플랜지부(91a, 92a)의 길이]는 600㎜이다. 연강판은, 판 두께 1.2㎜, 강판의 주성분이, C:0.041중량％, Si:0.007중량％, Mn:0.16중량％, P:0.009중량％, S:0.01중량％이고, 고장력 강판은, 판 두께 1.2㎜, 강판의 주성분이, C:0.12중량％, Si:0.5중량％, Mn:2.0중량％, P:0.01중량％, S:0.003중량％이다.

또한, 연강판이란, JIS에서는 SPHC, SPHD, SPHE, SPCC, SPCD, SPCE, SPCCT, SPCEN 등의 규격으로 칭해지는 강판이다. 본원에서 말하는 연강판이란, 이 JIS 규정의 연강판에 한정되지 않고, 탄소량이 0.07％ 이상의 고장력 강판보다도 강도가 낮은 강판이라고 생각해도 좋다.

용접 조건은, 레이저 출력을 4.5㎾, 초점 위치를 상측 강판의 표면으로 하고, 또한 초점 위치에 있어서의 빔 스폿 직경은 0.5㎜로 하여 용접을 행하였다. 제2 실시예와 마찬가지로, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 비드 폭 0.5㎜, 직경 6㎜의 원형의 비드를 1→2→3→4의 순으로, 즉 양측의 플랜지부 중 한쪽에서 단부로부터 단부까지 순번대로, 다음에 다른 쪽에서 단부로부터 단부까지 순번대로 형성하였다. 2개째의 비드는, 1개째의 비드와 동심원의 원형 비드이고, 직경을 5.5㎜로 하여, 1개째의 비드 형성 후, 1개째와 마찬가지로 1→2→3→4의 순으로 비드를 형성하였다. 비드(의 무게 중심)의 위치의 간격은 20㎜로 하였다. 이 경우, 비틀림 각도는 약 18°로, 이 한쪽 햇 부재(90)를 다른 부재에 조립하여 용접 혹은 고정할 때에 문제가 되는 정도이었다. 또한, 비틀림 각도의 정의에 대해서는 제2 실시예에서 설명한 바와 같다.

그에 대해서, 마찬가지의 한쪽 햇 부재(90)에 대해서, 1개째의 비드를 연속적으로 복수 형성할 때 및 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성할 때에, 모두 가장 가까운 용접 위치 이외에 비드를 형성하도록 하였다. 이 경우, 용접 변형을 억제하여, 비틀림 각도가 1° 미만으로 억제되어, 이 한쪽 햇 부재(90)를 다른 부재에 조립하여 용접 혹은 고정할 때에 문제가 없는 정밀도로까지 개선되었다.

(제4 실시예)

도 10에 도시하는 바와 같이, 연강판의 햇 부재(101, 104)와 고장력 강판의 햇 부재(102)의 양측의 플랜지부(101a, 102a, 104a)를 걸치도록 고장력 강판의 평판(103)을 레이저 용접하여 이루어지는, 플랜지부의 강판이 4매 겹친 양쪽 햇 부재(100)를 제작하였다. 양쪽 햇 부재(100)의 높이는 86.2㎜, 플랜지부(101a, 102a, 104a)의 외측 단부간의 거리는 102㎜, 양쪽 햇 부재(100)의 길이[즉, 플랜지부(101a), 102a, 104a의 길이]는 600㎜이다. 연강판은, 판 두께 1.2㎜, 강판의 주성분이, C:0.041중량％, Si:0.007중량％, Mn:0.16중량％, P:0.009중량％, S:0.01중량％이고, 고장력 강판은, 판 두께 1.2㎜, 강판의 주성분이, C:0.12중량％, Si:0.5중량％, Mn:2.0중량％, P:0.01중량％, S:0.003중량％이다.

용접 조건은, 레이저 출력을 5.0㎾, 초점 위치를 상측 강판의 표면으로 하고, 또한 초점 위치에 있어서의 빔 스폿 직경은 0.5㎜로 하여 용접을 행하였다. 제2 실시예와 마찬가지로, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 비드 폭 0.5㎜, 직경 6㎜의 원형의 비드를 1→2→3→4의 순으로, 즉 양측의 플랜지부 중 한쪽에서 단부로부터 단부까지 순번대로, 다음에 다른 쪽에서 단부로부터 단부까지 순번대로 형성하였다. 2개째의 비드는, 1개째의 비드와 동심원의 원형 비드이고, 직경을 5.5㎜로 하여, 1개째의 비드 형성 후, 1개째와 마찬가지로 1→2→3→4의 순으로 비드를 형성하였다. 비드(의 무게 중심)의 위치의 간격은 20㎜로 하였다. 이 경우, 비틀림 각도는 약 18°로, 이 양쪽 햇 부재(100)를 다른 부재에 조립하여 용접 혹은 고정할 때에 문제가 되는 정도이었다. 또한, 비틀림 각도의 정의에 대해서는 제2 실시예에서 설명한 바와 같다.

그에 대해서, 마찬가지인 양쪽 햇 부재(100)에 대해서, 1개째의 비드를 연속적으로 복수 형성할 때 및 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성할 때에, 모두 가장 가까운 용접 위치 이외에 비드를 형성하도록 하였다. 이 경우, 용접 변형을 억제하여, 비틀림 각도가 1° 미만으로 억제되어, 이 양쪽 햇 부재(100)를 다른 부재에 조립하여 용접 혹은 고정할 때에 문제가 없는 정밀도로까지 개선되었다.

이상, 본 발명을 다양한 실시 형태와 함께 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시 형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 범위 내에서 변경 등이 가능하다.

본 발명에 따르면, 종래보다도 조인트 강도가 우수한 레이저 용접 조인트가 얻어져, 자동차용 부재 등에 적용할 수 있으므로, 산업상의 이용 가능성은 크다.

Claims (4)

1. 함유하는 탄소량이 0.07중량％ 이상의 고장력 강판을 포함하는 복수의 부재의 중첩부에 있어서, 복수의 용접 위치에서, 리모트 레이저 용접에 의해, 폐루프 또는 폐루프 형상의 1개째의 비드와, 상기 1개째의 비드의 내측의 폐루프 또는 폐루프 형상의 2개째의 비드를 형성하여 접합하는 레이저 용접 방법이며,
   상기 복수의 용접 위치의 모두 또는 일부에 1개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순과,
   상기 복수 형성된 1개째의 비드에 대해서 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순을 갖고,
   상기 1개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순 및 상기 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순의 어느 경우에도, 상기 복수의 용접 위치 중 가장 가까운 용접 위치 이외에 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순에서는, 최고 온도가 Ms점 - 50℃ 이하로 된 1개째의 비드에 대해서 2개째의 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 2개째의 비드를 연속적으로 복수 형성하는 수순에서는, 1개째의 비드의 온도가 400도 이상, Ac1점 + 50℃ 이하가 되도록 2개째의 비드를 형성하는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.
4. 제1항에 있어서,
   1개째의 비드는 원형, 2개째의 비드는 1개째의 비드와 동심이 되는 원형을 나타내고,
   이들 비드의 중심으로부터 1개째의 비드의 시단부와 종단부를 연결한 선분과, 2개째의 비드의 시단부와 종단부를 연결한 선분이 이루는 각도를 10° 이상으로 하는 것을 특징으로 하는, 레이저 용접 방법.

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