KR20140080754A

KR20140080754A - 레이저 용접방법

Info

Publication number: KR20140080754A
Application number: KR1020120147773A
Authority: KR
Inventors: 조용준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-07-01

Abstract

레이저 용접방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 도금층을 갖는 상, 하부 도금강판을 서로 겹쳐 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔을 로봇에 의해 용접라인를 따라 이동하도록 로봇의 암 선단에 장착되는 옵틱헤드를 통하여 상부 도금강판에 조사하여 상호 용접하는 레이저 용접방법에 있어서, 상기 용접라인의 폭 방향을 기준으로 일측의 길이방향을 따라 용접 시작 포인트로부터 정방향으로 제1 설정구간(L1)까지 레이저빔을 조사하고, 상기 용접라인의 폭 방향 타측을 향하여 역방향으로 제2 설정구간(L2)까지 레이저빔을 조사하며, 상기 용접라인의 폭 방향 타측의 길이방향을 따라 다시 정방향으로 상기 제1 설정길이(L1)까지 레이저빔을 조사하고, 상기 용접라인의 폭방향 일측을 향하여 역방향으로 상기 제2 설정길이(L2)까지 레이저빔을 조사하는 것을 상기 용접라인의 전 구간에 걸쳐 반복한다.

Description

레이저 용접방법{LASER WELDING METHOD}

본 발명은 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2장의 도금강판을 레이저 용접 시, 용접라인의 진행경로를 설정하고, 로봇의 동특성과 레이저빔의 강도 조절을 통해 용접시간을 단축하고, 용접품질을 향상시키도록 하는 레이저 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 두 강판을 상호 겹치기 접합하기 위해서는 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔을 이용한 레이저 용접이나, 스폿 용접기를 이용한 전기저항 용접이 주로 적용된다.

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.

여기서, 상기 레이저빔의 특성을 이용하여 용접하기 위한 강판 중에서도 특히, 니켈, 크롬, 아연 등이 도금되는 도금강판(Plating Steel Sheet)은 철의 최대 단점인 녹을 방지하고, 철의 장점인 강성과 경제성을 최대한 살릴 수 있다는 측면에서 사용이 늘어나는 추세이다.

즉, 종래 기술에 따른 레이저용접은, 도 3에서 도시한 바와 같은 레이저 용접 시스템을 이용하여 일반강판 또는 도금강판 등의 소재에 대하여 이루어진다.

즉, 상기 레이저 용접 시스템은 로봇(1)의 암(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.

그런데, 도 4에서 도시한 바와 같이, 상기한 레이저빔의 특성을 이용하여 2장의 도금강판(11, 12)을 상호 겹치기 용접하는 과정에서, 겹쳐진 상부 및 하부 도금강판(11, 12) 사이에 일정한 갭(Gap)이 없는 경우에는 그 용접부(W)에 도금층(13)의 증발로 인한 증기의 영향으로 폭발성 기공을 동반하는 양상을 보인다.

이에 따라, 2장의 도금강판(11, 12)을 겹치기 레이저 용접하기 위해서는 상부 및 하부 도금강판(11, 12) 사이에 일정한 갭을 유지하여 도금층(105)에서 발생된 증기와 용접가스가 배출되도록 하는 것이 중요하다.

그런데, 이러한 도금강판(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.

이를 방지하기 위해, 종래에는 용접부(W)의 계면 파단을 방지하기 위해서는 용접라인에 조사되는 레이저빔(LB)의 강도를 조절해 입열량을 줄인 상태로 도금층(13)을 먼저 기화시키는 1차 레이저 용접 후, 도금층(13)이 기화된 용접라인에 레이저빔(LB)의 강도를 세게 하여 입열량을 증가시킨 상태로 2차로 레이저 용접을 수행하여 용접불량을 방지하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 레이저 용접방법은 레이저빔(LB)을 용접라인에 2회 반복 조사하여 2장의 도금강판(11, 12)을 용접하는 것으로, 용접 작업에 소요되는 시간이 증가하여 전체적인 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 2장의 도금강판을 레이저 용접 시, 용접라인의 진행경로를 설정하고, 설정된 경로를 로봇의 동특성과 레이저빔의 강도 조절을 통해 한번에 용접을 수행함으로써, 용접시간을 단축하고, 용접부에 도금층 기화로 인한 기공발생을 방지하여 용접품질을 향상시키도록 하는 레이저 용접방법을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 도금층을 갖는 상, 하부 도금강판을 서로 겹쳐 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔을 로봇에 의해 용접라인을 따라 이동하도록 로봇의 암 선단에 장착되는 옵틱헤드를 통하여 상부 도금강판에 조사하여 상호 용접하는 레이저 용접방법에 있어서, 상기 용접라인의 폭 방향을 기준으로 일측의 길이방향을 따라 용접 시작 포인트로부터 정방향으로 제1 설정구간(L1)까지 레이저빔을 조사하고, 상기 용접라인의 폭 방향 타측을 향하여 역방향으로 제2 설정구간(L2)까지 레이저빔을 조사하며, 상기 용접라인의 폭 방향 타측의 길이방향을 따라 다시 정방향으로 상기 제1 설정길이(L1)까지 레이저빔을 조사하고, 상기 용접라인의 폭 방향 일측을 향하여 역방향으로 상기 제2 설정길이(L2)까지 레이저빔을 조사하는 것을 상기 용접라인의 전 구간에 걸쳐 반복한다.

상기 제1 설정구간(L1)에 조사되는 레이저빔은 상기 상부 도금강판의 하부까지 조사되어 용융시키며, 상기 각 도금층을 기화시키도록 상기 옵틱헤드로부터 입열량을 감소시킨 상태로 조사될 수 있다.

상기 제2 설정구간(L2)에 조사되는 레이저빔은 상기 상부 도금강판으로부터 상기 하부 도금강판까지 조사하여 용융시키도록 상기 옵틱헤드로부터 입열량이 증가된 상태로 조사될 수 있다.

상기 제2 설정구간(L2)은 상기 용접라인의 일측에 형성되는 상기 제1 설정구간(L1)으로부터 역방향으로 상기 용접라인의 타측에 형성되는 제1 설정구간(L1)을 향하여 경사지게 형성될 수 있다.

상기 제2 설정구간(L2)은 상기 용접라인의 폭방향 양측에 각각 형성되는 제1 설정구간(L2)의 사이에 위치될 수 있다.

상기 제1 설정구간(L1)은 그 길이(D1)가 상기 제2 설정구간(L2)의 길이(D2)보다 큰 길이(D1 ＞D2)로 이루어질 수 있다.

상기 옵틱헤드는 내부에 상기 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저빔의 강도를 제어하는 ND필터가 장착되며, 상기 ND필터의 작동 여부에 따라 레이저빔의 입열량이 조절될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법에 의하면, 2장의 도금강판을 레이저 용접 시, 용접라인의 진행경로를 설정하고, 설정된 경로를 로봇의 동특성과 레이저빔의 강도 조절을 통해 한번에 용접을 수행함으로써, 용접시간을 단축하고, 용접부에 도금층 기화로 인한 기공발생을 방지하여 용접품질을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 강판의 도금 여부와 관계없이 적용이 가능하며, 용접부의 품질을 향상을 통해 용접에 의한 강판의 접합 품질을 확보하여 상품성을 향상시키는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법의 사용 상태도이다.
도 3은 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도이다.
도 4는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 아연도금강판의 겹치기 레이저 용접 상태도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법의 사용 상태도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 2장의 도금강판(101, 103)을 레이저 용접 시, 용접라인(110)의 진행경로를 설정하고, 설정된 경로를 로봇의 동특성과 레이저빔(LB)의 강도 조절을 통해 한번에 용접을 수행함으로써, 용접시간을 단축하고, 용접부(W1, W2)에 도금층 기화로 인한 기공발생을 방지하여 용접품질을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 도금층(105)을 갖는 상, 하부 도금강판(101, 103)을 서로 겹쳐 레이저 발진기(131)로부터 발진되는 레이저빔(LB)을 로봇에 의해 용접라인(110)을 따라 이동하도록 로봇의 암(120) 선단에 장착되는 옵틱헤드(130)를 통하여 상부 도금강판(101)에 조사하여 상호 용접하기 위해 적용된다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 상기 용접라인(110)의 폭 방향을 기준으로 일측의 길이방향을 따라 용접 시작 포인트(P1)로부터 정방향으로 제1 설정구간(L1)까지 레이저빔(LB)을 조사하고, 상기 용접라인(110)의 폭 방향 타측을 향하여 역방향으로 제2 설정구간(L2)까지 레이저빔(LB)을 조사한다.

그런 후, 상기 제2 설정구간(L2)의 끝 지점에서 상기 용접라인(110)의 폭 방향 타측의 길이방향을 따라 다시 정방향으로 상기 제1 설정길이(L1)까지 레이저빔(LB)을 조사하고, 상기 용접라인(110)의 폭방향 일측을 향하여 역방향으로 상기 제2 설정길이(L2)까지 레이저빔(LB)을 조사하는 것을 상기 용접라인(110)의 전 구간에 걸쳐 반복하여 레이저 용접을 수행한다.

여기서, 상기 제2 설정구간(L2)은 상기 용접라인(110)의 일측에 형성되는 상기 제1 설정구간(L1)으로부터 역방향으로 상기 용접라인(110)의 타측에 형성되는 제1 설정구간(L1)을 향하여 경사지게 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2 설정구간(L2)은 상기 용접라인(110)의 폭방향 양측에 각각 형성되는 제1 설정구간(L2)의 사이에 위치될 수 있다.

그리고 상기 제1 설정구간(L1)은 그 길이(D1)가 상기 제2 설정구간(L2)의 길이(D2)보다 큰 길이(D1 ＞D2)로 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 용접라인(110)은 폭 방향 양측에 각각 다수개의 제1 설정구간(L1)이 정방향으로 로봇에 의해 이동되는 옵틱헤드(120)에 의해 레이저 용접된다.

그리고 상기 용접라인(110)은 상기 용접라인(110)의 폭 방향을 기준으로 중앙에서 상기 각 제1 설정구간(L1) 사이에 다수개의 제2 설정구간(L2)이 역방향으로 로봇에 의해 이동되는 옵틱헤드(120)에 의해 레이저 용접된다.

여기서, 상기 제1 설정구간(L1)에 조사되는 레이저빔(LB)은, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 상부 도금강판(101)의 하부까지 조사되어 용융시키며, 상기 상, 하부 도금강판(101, 103)의 각 도금층(105)을 기화시키도록 상기 옵틱헤드(120)로부터 입열량을 감소시킨 상태로 조사될 수 있다.

즉, 상기 제1 설정구간(L1)에 조사되는 레이저빔(LB)은 상기 상부 도금강판(101)만 용융시키면서 상부 도금강판(101)에 제1 용접부(W1)를 형성하고, 하부 도금강판(103)의 상부에 형성된 도금층(105)을 기화시킴으로써, 상기 상부 도금강판(101)과 하부 도금강판(103)의 사이에서 상기 도금층(105) 만큼의 갭을 형성하게 된다.

그리고 상기 제2 설정구간(L2)에 조사되는 레이저빔(LB)은 상기 상부 도금강판(101)으로부터 상기 하부 도금강판(105)의 하부까지 조사하여 용융시키도록 상기 옵틱헤드(120)로부터 입열량이 증가된 상태로 조사될 수 있다.

이에 따라, 상기 제2 설정구간(L2)은 레이저빔(LB)에 의해 상기 상부 도금강판(101)과 하부 도금강판(103)이 용융되면서, 상기 제1 용접부(W1)의 사이에서 제2 용접부(W2)를 형성함에 따라, 상기 상부 도금강판(101)과 하부 도금강판(103)이 상호 용접된다.

이 때, 상기 제2 설정구간(L2)은 상기 제1 설정구간(L1)의 레이저 용접 시, 상기 하부 도금강판(103)의 도금층(105)이 기화되면서 상부 도금강판(101)과의 사이에 형성된 갭을 통하여 상부 도금강판(101)의 하부와 하부 도금강판(103)의 상부에 형성된 도금층(105)이 기화되면서 발생되는 증기가 용접가스와 함께 상기 갭을 통해 외부로 배출되어 폭발성 기동의 발생이 방지된다.

이에 따라, 상기 제2 설정구간(L2)의 레이저 용접품질이 향상되며, 상기 상, 하부 도금강판(101, 103)의 접합강도가 향상될 수 있다.

한편, 본 실시예에서, 상기 옵틱헤드(130)는 내부에 상기 레이저 발진기(131)로부터 조사되는 레이저빔(LB)의 강도를 제어하는 ND필터(135)가 장착되며, 상기 ND필터(135)의 작동 여부에 따라 레이저빔(LB)의 입열량이 조절된다.

상기 ND필터(135)는 레이저빔의 입사광량을 전파장 대역에 걸쳐서 균등하게 감소시키기 위한 것으로서, 본 실시예에서는 전압구동식 ND 필터(135)가 옵틱헤드(130)의 내부에 장착되어 전압공급 여부에 따라 레이저빔(LB)의 입열량을 조절하게 된다.

따라서, 상기 제1 설정구간(L1)에 레이저빔(LB)을 조사할 경우에는 상기 ND필터(135)를 작동시켜 레이저빔(LB)의 입열량을 감소시키고, 상기 제2 설정구간(L2)에 레이저빔(LB)을 조사할 경우에는 상기 ND필터(135)의 작동을 중지시켜 레이저빔(LB)의 입열량을 증가시키게 되는 것이다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 상기 용접라인(110)의 폭 방향 양측에 정방향으로 각각 제1 설정구간(L1)을 용접할 때, 각 제1 설정구간(L1)의 사이 교대로 상기 용접라인(110)의 폭방향 중앙에서 양측 제1 설정구간(L1)의 사이에 역방향으로 상기 제2 설정구간(L2)을 용접하는 것을 반복하여 상기 용접라인(110)을 따라 레이저 용접을 수행한다.

이에 따라, 상기 제1 설정구간(L1)의 용접 시, 상, 하부 도금강판(101, 103)의 사이에 갭을 형성하고, 제2 설정구간(L2)의 용접 시, 이 갭을 통해 도금층(105)의 증기를 배출하여 폭발성 기공에 의해 상, 하부 도금강판(101, 103)의 제2 용접부(W2)가 파단 되거나 용접불량이 발생되는 것을 방지하게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법에 의하면, 2장의 도금강판(101, 103)을 레이저 용접 시, 용접라인(110)의 진행경로를 설정하고, 설정된 경로를 로봇의 동특성과 레이저빔(LB)의 강도 조절을 통해 한번에 용접을 수행함으로써, 용접시간을 단축하고, 용접부(W1, W2)에 도금층 기화로 인한 기공발생을 방지하여 용접품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 강판의 도금 여부와 관계없이 적용이 가능하며, 용접부의 품질을 향상을 통해 용접에 의한 강판의 접합 품질을 확보하여 상품성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

101 : 상부 도금강판
103 : 하부 도금강판
105 : 도금층
110 : 용접라인
120 : 로봇의 암
130 : 옵틱헤드
131 : 레이저 발진기
135 : ND필터
L1 : 제1 설정구간
L2 : 제2 설정구간
W1, W1 : 제1, 제2 용접부
P1 : 용접 시작 포인트

Claims

도금층을 갖는 상, 하부 도금강판을 서로 겹쳐 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저빔을 로봇에 의해 용접라인를 따라 이동하도록 로봇의 암 선단에 장착되는 옵틱헤드를 통하여 상부 도금강판에 조사하여 상호 용접하는 레이저 용접방법에 있어서,
상기 용접라인의 폭 방향을 기준으로 일측의 길이방향을 따라 용접 시작 포인트로부터 정방향으로 제1 설정구간(L1)까지 레이저빔을 조사하고,
상기 용접라인의 폭 방향 타측을 향하여 역방향으로 제2 설정구간(L2)까지 레이저빔을 조사하며,
상기 용접라인의 폭 방향 타측의 길이방향을 따라 다시 정방향으로 상기 제1 설정길이(L1)까지 레이저빔을 조사하고,
상기 용접라인의 폭방향 일측을 향하여 역방향으로 상기 제2 설정길이(L2)까지 레이저빔을 조사하는 것을 상기 용접라인의 전 구간에 걸쳐 반복하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 설정구간(L1)에 조사되는 레이저빔은
상기 상부 도금강판의 하부까지 조사되어 용융시키며, 상기 각 도금층을 기화시키도록 상기 옵틱헤드로부터 입열량을 감소시킨 상태로 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 설정구간(L2)에 조사되는 레이저빔은
상기 상부 도금강판으로부터 상기 하부 도금강판까지 조사하여 용융시키도록 상기 옵틱헤드로부터 입열량이 증가된 상태로 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 설정구간(L2)은
상기 용접라인의 일측에 형성되는 상기 제1 설정구간(L1)으로부터 역방향으로 상기 용접라인의 타측에 형성되는 제1 설정구간(L1)을 향하여 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 설정구간(L2)은
상기 용접라인의 폭방향 양측에 각각 형성되는 제1 설정구간(L2)의 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 설정구간(L1)은
그 길이(D1)가 상기 제2 설정구간(L2)의 길이(D2)보다 큰 길이(D1 ＞D2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 옵틱헤드는
내부에 상기 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저빔의 강도를 제어하는 ND필터가 장착되며, 상기 ND필터의 작동 여부에 따라 레이저빔의 입열량이 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.