KR20140057452A - 레이저 용접 방법 - Google Patents

Abstract

레이저 용접 방법이 개시된다. 개시된 레이저 용접 방법은 적어도 두 장의 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 것으로서, 상호 겹쳐진 상부 강판 및 하부 강판에 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상부 강판 및 하부 강판에 컷팅홀을 형성하는 홀 컷팅 과정과, 컷팅홀의 열 영향부에 초점구간의 레이저빔을 조사하여 용융 풀을 형성하는 용접 과정을 포함할 수 있다.

Description

레이저 용접 방법 {METHOD OF LASER WELDING}

본 발명의 실시예는 레이저 용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저를 이용하여 강판을 겹치기 용접하는 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차체 부품을 조립하기 위한 용접법으로 스폿용접이 주로 이용되고 있으며, 이러한 스폿용접이 불가능한 용접부에는 아크용접이나 레이저용접이 적용되고 있다.

특히, 상기한 레이저용접은 용가재가 필요하지 않고, 고속의 용접 속도, 짧은 용접 사이클, 작은 입열량, 작은 열 영향부(HAZ), 최소한의 변형 등과 같은 장점이 있어 상기 스폿용접과 아크용접을 대체하여 최근 차체 부품의 접합에 적용되는 추세이다.

이러한 레이저용접은 레이저빔의 초점구간에서 에너지 다중반사 및 흡수를 이용한 키홀용접(KEYHOLE WELDING)이 주를 이루며, 이러한 키홀용접은 레이저빔이 렌즈에 의해 집적되어 소재에 대하여 에너지 다중반사 및 다중흡수가 일어나는 약 2mm 이내의 초점구간에서 이루어진다.

즉, 상기 키홀용접의 경우에는 레이저빔의 전자기파 에너지가 집적된 초점위치에서 소재의 표면에 충돌하고, 그 충돌에너지는 열에너지를 발산하면서 전자기파의 연속적인 현상인 키홀현상을 유지한다. 이러한 키홀현상을 과학적으로 서술하면, 고출력 레이저 용접에서 용융 풀에 증기압 등의 작용으로 작은 구멍을 만들면서 용접이 이루어지는 상태를 말한다.

이와 같이, 레이저용접은, 도 1에서 도시한 바와 같은 레이저 용접 시스템을 이용하여 일반강판 또는 도금강판 등의 소재에 대하여 이루어진다.

즉, 상기 레이저 용접 시스템은 로봇(1)의 아암(3) 선단에 레이저 헤드(5)를 설치하고, 이 레이저 헤드(5)는 레이저 발진기(7)에 광 화이버로 연결되어 구성된다.

이러한 레이저 용접 시스템은 로봇 제어기(C)를 통하여 거동하는 로봇(1)에 의해 상기 레이저 헤드(5)가 소재(9)의 용접부를 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하여 용접작업을 진행하게 된다.

한편, 최근 차체 부품의 소재로 일반강판과 함께 아연도금강판(Galvanized Steel Sheet, 즉, 아연을 도금한 강판 전체를 총칭하는 것으로, 그 제조방법에 따라 용융아연도금강판(Hot Dipped Galvanized Iron)과 전기도금아연강판(Electrolytic Galvanized Iron)으로 구별됨)이 주로 적용되는데, 이 아연도금강판은 철의 최대 단점인 녹을 방지하고, 철의 장점인 강성과 경제성을 최대한 살릴 수 있다는 측면에서 사용량이 늘어나는 추세이다.

그런데, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기한 레이저빔의 특성을 이용하여 2장의 아연도금강판(11,12)을 상호 겹치기 용접하는 과정에서, 겹쳐진 상부 및 하부 아연도금강판(11,12) 사이에 일정한 갭(Gap)이 없는 경우에는 그 용접부(W)에 아연 도금층(13)의 증발로 인한 아연증기의 영향으로 폭발성 기공을 동반하는 양상을 보인다.

이에 따라, 2장의 아연도금강판(11,12)을 겹치기 레이저 용접하기 위해서는 상부 및 하부 아연도금강판(11,12) 사이에 일정한 갭을 유지하여 아연증기가 배출되도록 하는 것이 중요하다.

그런데, 이러한 아연도금강판(11,12)의 겹치기 레이저 용접 시, 아연도금강판(11,12) 사이에 설정되는 갭이 크거나 작아 용접부(W) 파단 등의 용접불량 현상이 빈번하고, 용접비드의 함몰에 의한 핀 홀(pin hole, 미소기공) 등이 발생되어 인장시험 시, 용접부(W)에서 계면 파단이 일어나는 원인이 된다.

본 발명의 실시예들은 강판의 겹치기 레이저 용접 시, 용접할 강판 소재 사이의 갭을 삭제할 수 있도록 한 레이저 용접 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 방법은, 적어도 두 장의 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 것으로서, 상호 겹쳐진 상부 강판 및 하부 강판에 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상부 강판 및 하부 강판에 컷팅홀을 형성하는 홀 컷팅 과정과, 상기 컷팅홀의 열 영향부에 초점구간의 레이저빔을 조사하여 용융 풀을 형성하는 용접 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 레이저 용접 방법은, 서로 겹쳐진 상부 강판과 하부 강판 사이에 갭을 형성하지 않은 상태에서 용접이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 상부 강판 및 하부 강판은 아연 도금 강판으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 레이저 용접 방법은, 상기 홀 컷팅 과정에서 상기 상부 강판 및 하부 강판의 아연 도금층이 연소되면서 증발하는 아연 증기를 상기 컷팅홀을 통해 배출할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 상부 강판 및 하부 강판은 0.8mm 이하의 두께를 지닌 박판으로 이루어질 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 방법은, 두 장의 상부 아연도금 강판과 하부 아연도금 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 것으로서, 갭이 존재하지 않도록 서로 겹쳐진 상부 아연도금 강판과 하부 아연도금 강판을 제공하고, 상기 상부 아연도금 강판으로 레이저빔을 조사하여 그 상부 아연도금 강판과 하부 아연도금 강판을 관통한 컷팅홀을 형성하며, 상기 컷팅홀의 열 영향부에 레이저빔을 조사하여 상기 상,하부 아연도금 강판을 실질적으로 용접할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 상,하부 아연도금 강판에 컷팅홀을 형성하는 과정에서 상기 상,하부 아연도금 강판의 아연 도금층이 연소되면서 증발하는 아연 증기는 상기 컷팅홀을 통해 배출될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 레이저 용접 방법에 있어서, 상기 상부 아연도금 강판 및 하부 아연도금 강판은 0.8mm 이하의 두께를 만족할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 컷팅홀을 형성하는 과정에 아연 도금층의 아연 증기를 컷팅홀을 통해 배출하므로, 상,하부 강판 사이에 갭을 두지 않더라도 아연 증기의 영향으로 인한 폭발성 기공 형성을 방지할 수 있으며, 제로 갭에서도 안정된 레이저 겹치기 용접 품질을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상부 강판 및 하부 강판 사이에 갭을 형성하지 않으므로, 갭에 따른 용접불량 현상을 방지할 수 있고, 모재의 인장 및 전단 강도를 충분히 유지할 수 있으며, 갭에 따른 용접부의 용접비드 함몰이나 핀홀 등의 결함을 방지할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 상부 강판 및 하부 강판 사이에 갭을 형성하지 않아도 되므로, 갭 유지를 위한 모재의 딤플 가공 공정 등을 삭제할 수 있고, 용접부의 외관이 미려해진다는 잇점이 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도이다.
도 2는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 아연도금강판의 겹치기 레이저 용접 상태도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 방법은 강판 또는 도금강판의 겹치기 레이저 용접을 위한 방법으로, 특히 겹치기 레이저 용접할 2장의 강판 사이에 갭을 형성하지 않은 경우에 적용될 수 있다.

이하에서는 서로 겹쳐진 2장의 강판을 상부 강판(11) 및 하부 강판(12)으로 정의할 수 있다. 상부 강판(11) 및 하부 강판(12)은 아연 도금층(13)이 형성된 강판으로 정의할 수 있다.

예를 들면, 상부 강판(11) 및 하부 강판(12)은 0.8mm 이하의 두께를 가진 박판 소재의 아연 도금 강판일 수 있다.

상기와 같은 상부 강판(11)과 하부 강판(12)을 겹치기 레이저 용접하는 경우에는 이들 강판(11, 12) 사이에 적정한 갭(예를 들면, 모재 두께의 25%에 해당하는 갭)을 유지하게 되면, 아연 도금층(13)의 증발로 인한 아연 증기의 영향을 받지 않는다.

그러나, 이 경우는 강판 사이의 갭으로 인해 용접비드 함몰이나 핀홀 등의 결함을 야기시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 상부 강판(11)과 하부 강판(12) 사이에 갭을 형성하지 않고서도 아연 증기에 의한 영향으로 수반되는 문제를 해결할 수 있으며, 안정된 레이저 겹치기 용접 품질을 확보할 수 있는 레이저 용접 방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 방법은 서로 겹쳐진 상부 강판(11) 및 하부 강판(12)의 홀 컷팅 과정(S2) 및 용접 과정(S3)을 포함하고 있다.

이들 과정을 더욱 구체적으로 설명하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 도 3에서와 같이 상호 겹쳐진 상부 강판(11)과 하부 강판(12)을 제공한다(S1). 여기서 상부 강판(11)과 하부 강판(12)은 이들 사이에 갭이 존재하지 않은 상태로 겹쳐져 있다.

단, 본 발명의 실시예에서는 상부 강판(11)과 하부 강판(12)을 0.8mm 이하 두께의 아연 도금 강판을 적용하였다.

상기에서와 같은 홀 컷팅 과정(S2)에서는 도 3에서와 같이 상부 강판(11)으로 레이저빔(LB)을 조사하고, 도 4에서와 같이 상부 강판(11) 및 하부 강판(12)에 이들을 관통한 컷팅홀(h)을 형성한다.

이 과정에서는 고출력 레이저 열원과 스캐너라는 광학계를 이용하여 상부 강판(11) 및 하부 강판(12)에 대해 리모팅 홀 컷팅이 이루어진다.

예를 들면, 이 과정에서는 상부 강판(11)에 초점 구간의 레이저빔(LB)을 써클 형태로 조사하는데, 6300w 및 65mm/s의 조건으로 레이저빔(LB)을 360도 방향으로 조사한다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 상부 강판(11)에 레이저빔(LB)을 조사하게 되면, 상,하부 강판(11, 12) 겸침면의 용융지가 점성을 이겨내고 용락되면서 원격 레이저 홀 컷팅이 수반될 수 있다.

이 경우, 상기와 같이 레이저빔(LB)에 의해 상부 강판(11) 및 하부 강판(12)에 컷팅홀(h)이 형성되는 과정에, 홀 컷팅에 수반되는 열전도로 상,하부 강판(11, 12)의 아연 도금층(13)이 연소되면서 증발하는 아연 증기는 컷팅홀(h)을 통해 배출된다.

그리고, 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 용접 과정(S3)에서는 컷팅홀(h)의 인근부 즉, 열 영향부에 초점 구간의 레이저빔(LB)을 그 컷팅홀(h)의 가장자리 부분을 따라 조사한다.

이 때, 레이저빔(LB)은 3600w 및 30mm/s의 조건으로 컷팅홀(h)의 360도 방향 또는 360도 미만 방향의 "C" 형태로 조사될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 컷팅홀(h)의 열 영향부에 레이저빔(LB)을 조사하여 열 영향부를 용융시키며, 용융 풀(21)을 형성함으로써 상부 강판(11)과 하부 강판(12)의 용접이 진행된다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 방법에 의하면, 상호 겹쳐진 상,하부 강판(11, 12)에 리모트 홀 컷팅으로 컷팅홀(h)을 형성하고, 그 컷팅홀(h)의 인근부에 본 용접을 실시한다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 컷팅홀(h)을 형성하는 과정에 아연 도금층(13)의 아연 증기를 컷팅홀(h)을 통해 배출하므로, 상,하부 강판(11, 12) 사이에 갭을 두지 않더라도 아연 증기의 영향으로 인한 폭발성 기공 형성을 방지할 수 있으며, 제로 갭(zero gap)에서도 안정된 레이저 겹치기 용접 품질을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상부 강판(11) 및 하부 강판(12) 사이에 갭을 형성하지 않으므로, 갭에 따른 용접불량 현상을 방지할 수 있고, 모재의 인장 및 전단 강도를 충분히 유지할 수 있으며, 갭에 따른 용접부의 용접비드 함몰이나 핀홀 등의 결함을 방지할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 상부 강판(11) 및 하부 강판(12) 사이에 갭을 형성하지 않아도 되므로, 갭 유지를 위한 모재의 딤플 가공 공정 등을 삭제할 수 있고, 용접부의 외관이 미려해진다는 잇점이 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

11... 상부 강판
12... 하부 강판
13... 아연 도금층
21... 용융 풀
LB... 레이저빔
h... 컷팅홀

Claims (8)

1. 적어도 두 장의 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 방법으로서,
   상호 겹쳐진 상부 강판 및 하부 강판에 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상부 강판 및 하부 강판에 컷팅홀을 형성하는 홀 컷팅 과정; 및
   상기 컷팅홀의 열 영향부에 초점구간의 레이저빔을 조사하여 용융 풀을 형성하는 용접 과정
   을 포함하는 레이저 용접 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   서로 겹쳐진 상부 강판과 하부 강판 사이에 갭을 형성하지 않은 상태에서 용접이 이루어지는 레이저 용접 방법.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 상부 강판 및 하부 강판은 아연 도금 강판인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 홀 컷팅 과정에서,
   상기 상부 강판 및 하부 강판의 아연 도금층이 연소되면서 증발하는 아연 증기를 상기 컷팅홀을 통해 배출하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 상부 강판 및 하부 강판은 0.8mm 이하의 두께를 지닌 박판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
6. 두 장의 상부 아연도금 강판과 하부 아연도금 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 방법으로서,
   갭이 존재하지 않도록 서로 겹쳐진 상부 아연도금 강판과 하부 아연도금 강판을 제공하고;
   상기 상부 아연도금 강판으로 레이저빔을 조사하여 그 상부 아연도금 강판과 하부 아연도금 강판을 관통한 컷팅홀을 형성하며;
   상기 컷팅홀의 열 영향부에 레이저빔을 조사하여 상기 상,하부 아연도금 강판을 실질적으로 용접하는 레이저 용접 방법.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 상,하부 아연도금 강판에 컷팅홀을 형성하는 과정에서,
   상기 상,하부 아연도금 강판의 아연 도금층이 연소되면서 증발하는 아연 증기는 상기 컷팅홀을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 상부 아연도금 강판 및 하부 아연도금 강판은 0.8mm 이하의 두께를 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.

Images