KR20130124729A - 고강도강의 레이저 용접방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도강의 레이저 용접방법에 관한 것이다.
본 발명은 일 실시형태로서, 2개 이상의 강재를 준비한 후, 상기 강재를 접촉시키는 단계; 접촉된 상기 강재에 대하여 용접이 시작되는 스타트(start)부와 용접이 마무리되는 엔드(end)부를 가접하는 단계; 및 가접된 상기 강재에 레이저 빔을 조사하여, 상기 강재를 용접하는 단계를 포함하는 고강도강의 레이저 용접방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 고강도강재 특히, 갭 정렬이 어려운 비자성 고강도강재를 양호한 용접부가 형성되도록 용접할 수 있는 레이저 용접 방법을 제공할 수 있다.

Description

고강도강의 레이저 용접방법{LASER WELDING METHOD FOR HIGH STRENGTH STEELS}

본 발명은 고강도강의 레이저 용접방법에 관한 것이다.

최근 자동차산업에 있어서 크게 요구되는 부분으로는 환경규제로 인한 이산화탄소 등의 배기가스 저감, 경량화에 의한 연비향상, 충돌 안정성 향상 등이 있다. 특히, 차체의 경량화를 위하여 소재의 두께를 줄임과 동시에 강도 및 연성을 향상시킨 강의 적용은 필수적이다. 하지만, 연강과는 달리 고강도강은 용접시 다량의 합금원소로 인하여 용접성이 저하되는 문제가 있다. 이로 인해 소재강도의 영향을 덜 받고, 열변형을 최소화시킬 수 있는 용접방법이 요구되고 있으며, 이를 위한 용접방법으로는 키홀(keyhole)모드에 의한 깊은 용입과 HAZ폭이 좁은 레이저 용접방법이 최근 주목받고 있다.

한편, 레이저용접의 의한 테일러 웰디드 블랭크(Tailor Welded Blank, TWB)는 차체 경량화를 위하여 현재 자동차사 및 부품제조회사에서 많이 쓰이고 있으며, 통상 용접성 및 성형성을 고려하여 부품 형상에 맞게 블랭크를 절단한 후 단순한 맞대기 직선 용접인 선형 방식과 보다 복잡한 비선형 방식 2가지의 고밀도 레이저 용접을 채용하여 제조되고 있다. 또한 TWB 부품의 특성상 모재 강도 및 두께 차이를 갖는 소재에 대하여 레이저용접을 주로 실시하여 제조된다.

이러한 관점에서 고강도강판의 테일러 웰디드 블랭크(TWB)의 레이저용접시에 건전한 용접부를 얻기 위해서는 레이저 출력, 용접속도, 집광경, 초점위치 등 기본적인 용접변수 이외에 빔 조사위치 또는 맞대기 갭(gap) 정렬 등의 인자를 관리하는 것이 중요하다. 이는 집속되는 빔의 사이즈, 즉 CO₂ 레이저의 경우 집광경이 일반적으로 0.25~0.35mm 정도로 대단히 작기 때문에 갭 정렬이 잘못되는 경우에는 용접부 품질이 확보되지 않기 때문이다.

특히 오스테나이트계 스테인리스강과 특성이 비슷한 고강도 TWIP(Twinning Induced Plasticity)강의 경우 비자성이고 열팽창계수가 크므로, 테일러 웰디드 블랭크 제품을 위한 레이저용접시 갭 정렬에 특히 유의할 필요가 있다. 이러한 갭 정렬을 위해서는 맞대기 절단면의 상태를 직각으로 유지하고 용접 지그(Jig)에 의한 구속을 잘 하는 것이 효과적이라고 알려져 있다.

한편, 페라이트계 탄소강의 경우 TBW 제품의 레이저용접은 소재의 강한 자성으로 인해 소재 하부에는 마그네틱 지그를, 상부에는 고정지그를 사용하더라도 맞대기 갭 정렬에 큰 문제가 없지만, 앞서 언급한 바와 같이 오스테나이트계 스테인리스강과 비슷한 특성을 갖는 비자성이고 열팽창계수가 큰 자동차용 고강도강의 경우에는 마그네틱 지그의 사용이 어려우므로, 소재 상하부에 일반 고정지그를 사용해야 한다. 또한, 대형 부품의 용접시에는 지그를 사용하더라도 갭 정렬의 제어가 제대로 이루어지지 않아 열변형으로 인해 소재의 직진도 확보가 어려울 수 있다. 특히 용접 종료시 엔드(End)부는 열변형으로 인해 맞대기 갭이 넓어져 비드가 형성되지 않는 문제점이 발생된다.

본 발명은 고강도강재의 레이저 용접시 갭의 미정렬을 방지하여 건전한 용접부를 가질 수 있는 레이저 용접 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 일 실시형태로서, 2개 이상의 강재를 준비한 후, 상기 강재를 접촉시키는 단계; 접촉된 상기 강재에 대하여 용접이 시작되는 스타트(start)부와 용접이 마무리되는 엔드(end)부를 가접하는 단계; 및 가접된 상기 강재에 레이저 빔을 조사하여, 상기 강재를 용접하는 단계를 포함하는 고강도강의 레이저 용접방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 고강도강재 특히, 지그의 사용이 용이하지 않아 갭 정렬이 어려운 비자성 고강도강재를 양호한 용접부가 형성되도록 용접할 수 있는 레이저 용접 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 레이저용접의 원리를 나타내는 모식도이다.
도 2는 레이저 용접 방법에 의해 용접된 강재의 용접부 키홀 형상을 나타내는 사진이다.
도 3은 기존의 레이저 용접 방법의 일례를 나타내는 모식도로서, (a)는 용접 전의 상태를, (b)는 용접 후의 상태를 나타낸다.
도 4는 레이저 빔의 위치 변화에 따른 강재의 용융 부위 및 비드 형성을 모식적으로 나타낸 것으로서, (a)는 레이저 빔이 두꺼운 강재측으로 치우친 경우를, (b)는 레이저 빔이 얇은 강재측으로 치우친 경우를 나타낸다.
도 5는 본 발명 레이저 용접 방법의 일 실시형태를 나타내는 모식도로서, (a)는 용접 전의 상태를, (b)는 용접 후의 상태를 나타낸다.
도 6은 레이저 빔이 강재간 접촉부에 조사되는 경우, 강재의 용융 부위 및 비드 형성을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명 실시예에 따른 강재의 비드 외관 및 단면 조직의 사진이며, (a)는 용접속도가 4m/min인 경우를, (b)는 용접속도가 5m/min인 경우를, (c)는 용접속도가 6m/min인 경우를, (d)는 용접속도가 7m/min인 경우를 나타낸다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 레이저 용접의 원리는 도 1에 나타난 바와 같이, 레이저광의 집광부를 10⁶W/cm² 이상의 에너지 밀도로 하여 레이저를 조사시킨 금속면에서 고압의 금속증기가 발생하여 용융금속 중에 키홀(keyhole)이 발생된다. 이 키홀 내에서 레이저광의 에너지가 흡수되며 주위에 열에너지가 전달되어 벽면이 용융됨으로써 용접이 개시되게 된다. 도 2는 레이저 용접 방법에 의해 용접된 강재의 용접부 키홀 형상을 나타내는 사진으로서, 통상 상기 레이저 용접방법을 통해 도 2와 같은 형상을 갖는 용접부를 얻을 수 있다.

한편, 용접부의 성형성은 용접결함과 밀접한 관련이 있다. 즉, 레이저 용접을 포함한 모든 용접방법을 이용하여 부품을 제작할 경우 용접부의 품질을 향상시키기 위해서는 미용접부는 물론 균열이나 기공 등의 결함을 가능한 없애야 한다.

그러나, 기존의 레이저 용접 방법은 도 3에 나타난 바와 같이, 강재를 바로 용접하게 되므로, 강재의 열 변형에 의해 용접이 되지 않는 영역이 발생한다. 특히, 용접이 마무리되는 엔드(end)부에서는 강재의 갭이 제대로 정렬되지 않는 현상이 잘 발생하게 되는데, 이는 열 변형에 의해 강재가 휘는 등 직진도 확보가 용이하지 않기 때문이다.

이를 해결하기 위해, 본 발명은 2개 이상의 강재를 준비한 후, 상기 강재를 접촉시키는 단계; 접촉된 상기 강재에 대하여 용접이 시작되는 스타트(start)부와 용접이 마무리되는 엔드(end)부를 가접하는 단계; 및 가접된 상기 강재에 레이저 빔을 조사하여, 상기 강재를 용접하는 단계를 포함하는 고강도강의 레이저 용접방법을 제공한다.

본 발명에 적용될 수 있는 레이저 빔은 그 종류에 대하여 특별히 한정하지 않고, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다.

본 발명의 레이저 용접방법은 강재의 종류에 있어서도 특별히 한정되지 않고, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 모두 사용가능하다. 다만, 비자성이고 열팽창계수가 큰 오스테나이트계강이나 용접부의 특성 확보가 용이하지 않은 고강도강이 보다 바람직하게 적용될 수 있으며, 그 예로는 TWIP 또는 오스트테나이트계 스테인리스강 등이 있을 수 있다.

또한, 본 발명의 용접방법은 두께가 같은 강재에도 적용이 가능하나, 레이저 빔이 조사되는 위치의 제어가 까다로운 다른 두께를 갖는 강재의 용접에 바람직하게 적용될 수 있다. 즉, 2개 이상의 강재 중 적어도 하나 이상은 두께가 다른 것이 바람직하다. 이에 대한 이유는 도 4를 통해 설명한다. 도 4는 레이저 빔의 위치 변화에 따른 강재의 용융 부위 및 비드 형성을 모식적으로 나타낸 것으로서, (a)는 레이저 빔이 두꺼운 강재측으로 치우친 경우를, (b)는 레이저 빔이 얇은 강재측으로 치우친 경우를 나타낸다. 도 4 (a)에 나타난 바와 같이, 레이저 빔이 두꺼운 강재측으로 치우칠 경우에는 상기 두꺼운 강재쪽에서 불필요하게 많은 부분이 용융되어 심하면 비드 에지(edge)에서 언더컷이 형성될 수 있어 비교적 좋지 않은 형상의 비드가 얻어지게 된다. 반대로, 도 4 (b)에 나타난 바와 같이, 레이저 빔이 얇은 강재측으로 치우칠 경우에는 두꺼운 강재는 용융부족으로 불완전한 비드가 형성되어 건전한 용접부가 형성되기 어렵다. 즉, 레이저 빔이 강재간 접촉부에서 벗어날 경우에는 용접부의 양호한 특성을 얻기 어렵기 때문에 이에 대한 철저한 관리가 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 용접되는 강재의 직진도 확보를 통해 레이저 빔이 어느 한 측의 강재로 치우치는 것을 방지하기 위하여, 접촉된 강재에 대하여 용접이 시작되는 스타트(start)부와 용접이 마무리되는 엔드(end)부에 가접을 하고 이후 용접을 실시한다. 예를 들면 도 5와 같을 수 있다. 도 5는 본 발명 레이저 용접 방법의 일 실시형태를 나타내는 모식도로서, (a)는 용접 전의 상태를, (b)는 용접 후의 상태를 나타낸다. 도 5에 나타난 바와 같이, 가접을 통해 스타트부와 엔드부에 비드를 형성시킴으로써 열 변형에 의해 갭이 넓어져 비드가 형성되지 않는 문제점을 해결할 수 있다.

상기 가접을 통해 본 발명이 얻고자 하는 효과를 충분히 얻기 위해서는 상기 가접이 길이방향에 대하여 3mm이상 이루어지는 것이 바람직하다. 다만, 7mm를 초과하는 경우에는 가접의 효과 향상이 크지 않아 생산성이 저하되므로, 상기 가접은 상기 강재의 길이방향에 대하여 3~7mm를 용접하여 이루어지는 것이 바람직하다. 한편, 상기 가접은 레이저 용접방법을 이용하여 행하여지는 것이 바람직하다.

도 6은 레이저 빔이 강재간 접촉부에 조사되는 경우, 강재의 용융 부위 및 비드 형성을 모식적으로 나타낸 것이다. 본 발명에서는 상기와 같은 스타트부 및 엔드부의 가접을 통해 강재의 갭 정렬을 용이하게 제어할 수 있고, 이를 통해 용접을 위한 레이저 빔이 도 6과 같이 강재간 접촉부에 조사되도록 할 수 있다. 본 발명의 용접방법에 따르면, 도 6에 나타난 바와 같이, 두꺼운 강재측의 맞대기면에 빔이 조사될 수 있으며, 이로 인해 두꺼운 강재측에서 먼저 용융이 시작되어 용융 금속이 얇은 강재 쪽을 채우는 형태의 양호한 비드가 형성할 수 있다. 다만, 상기 효과를 위해서는 레이저 빔이 강재간 접촉부에 조사되어야만 하며, 공정상의 불가피성을 고려하더라도 상기 레이저 빔은 강재간 접촉부로부터 좌우 0.1mm이내의 범위에서 조사되어야 한다. 만일, 상기 범위를 벗어나 두꺼운 강재나 얇은 강재 어느 한 쪽으로 레이저 빔이 치우치는 경우에는 앞서 언급한 바와 같이 양호한 비드 형상을 얻기 곤란하거나 언더컷 등의 용접결함을 유발할 수 있다. 물론, 상기 레이저 빔의 위치는 가접 공정에서도 적용되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 용접시 속도는 4~7m/min의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 용접속도가 4m/min미만이더라도 양호한 비드 형상을 얻는 데에는 큰 문제가 없으나, 과도하게 느린 속도로 냉각을 할 경우에는 생산성이 크게 저하될 수 있으므로, 상기 용접속도는 4m/min이상의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 용접속도가 7m/min를 초과하는 경우에는 엔드부에서 일부 언더컷이 발생되어 불완전한 비드 형상이 얻어질 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.

(실시예)

두께가 1.6mm인 강판과 1.2mm인 강판을 준비한 뒤, 최대 출력이 6kW인 CO₂ 레이저 용접기를 이용하여 상기 강판을 400mm 길이로 맞대기 용접하였다. 이 때, 레이저 출력은 6kW, 빔의 초점은 -1.5mm, 실딩가스의 유량은 20L/min이었으며, 실딩가스로는 He을 사용하였다. 또한, 용접속도를 4~7m/min의 범위 내에서 변화를 주어 용접을 행하였으며, 각 경우에 대하여 비드 외관 및 단면 조직의 사진을 관찰한 뒤, 그 결과를 도 7에 나타내었다. (a)는 용접속도가 4m/min인 경우를, (b)는 용접속도가 5m/min인 경우를, (c)는 용접속도가 6m/min인 경우를, (d)는 용접속도가 7m/min인 경우를 나타낸다. 한편, 상기와 같이 용접을 행하기 전에 상기 용접조건과 동일한 조건으로 강재의 스타트부와 엔드부 각각을 5mm씩 가접하였다.

도 7 (a) 내지 (d)에 나타난 바와 같이, 용접속도가 증가함에 따라 비드폭이 좁아지는 경향을 보이나, 모무 용접 결함이 없는 관통 용입이 가능한 양호한 비드를 얻을 수 있었다. 즉, 가접을 행한 뒤, 용접을 행할 경우에는 갭 정렬이 용이하여, 열 변형에 의한 문제점을 발생시키지 않고 양호한 용접부를 확보할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (6)

1. 2개 이상의 강재를 준비한 후, 상기 강재를 접촉시키는 단계;
   접촉된 상기 강재에 대하여 용접이 시작되는 스타트(start)부와 용접이 마무리되는 엔드(end)부를 가접하는 단계; 및
   가접된 상기 강재에 레이저 빔을 조사하여, 상기 강재를 용접하는 단계를 포함하는 고강도강의 레이저 용접방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 2개 이상의 강재 중 적어도 하나 이상은 두께가 다른 것을 특징으로 하는 고강도강의 레이저 용접방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 강재는 TWIP(Twin Induced Plasticity)강 또는 오스테나이트계 스테인레스강인 고강도강의 레이저 용접방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가접하는 단계는 상기 강재의 길이방향에 대하여 3~7mm를 용접하여 이루어지는 고강도강의 레이저 용접방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 가접하는 단계 또는 용접하는 단계는 레이저 빔이 상기 강재의 접촉부로부터 좌우 0.1mm이내의 범위에 조사되도록 하는 고강도강의 레이저 용접방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 용접하는 단계는 4~7m/min의 용접속도로 이루어지는 고강도강의 레이저 용접방법.

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