KR20150074404A - 레이저 용접방법 - Google Patents

Abstract

레이저 용접방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 용접방법은 2장의 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 있어서, 상호 겹쳐진 상부 강판과 하부 강판의 용접부에 대하여 일정한 메인패턴을 따라 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상기 상부 강판과 하부 강판 사이에 용융 풀을 형성하여 용접하는 메인패턴 용접단계; 상기 메인패턴 용접단계의 메인패턴의 끝단에서, 미세패턴을 따라 상기 초점구간의 레이저빔을 고속으로 조사하여 상기 메인패턴의 끝단부를 주변을 용융시켜 용융 풀을 넓게 형성하는 미세패턴 용접단계; 상기 미세패턴 용접단계의 미세패턴의 중앙을 중심으로 하는 원형패턴을 따라 상기 초점구간의 레이저빔을 고속으로 조사하여 상기 미세패턴으로 형성되는 용융 풀의 주변부를 용융시켜 용융 풀을 더 넓게 형성하는 원형패턴 용접단계를 포함한다.

Description

레이저 용접방법{METHOD OF LASER WELDING}

본 발명은 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강판소재의 겹치기 레이저 용접 시, 용접부의 끝단부에 발생되는 핀홀을 저감할 수 있도록 하는 레이저 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 차체 부품을 조립하기 위한 용접법으로 스폿 용접이 주로 이용되고 있으며, 이러한 스폿 용접이 불가능한 용접부에는 아크 용접이나 레이저 용접이 적용되고 있다.

특히, 레이저 용접은 용가재가 필요하지 않고, 도 1에서 도시한 바와 같이, 고속의 용접속도에 의한 짧은 용접 사이클, 작은 입열량, 작은 열 영향부(HAZ), 최소한의 변형 등과 같은 장점이 있어 상기 스폿 용접과 아크 용접을 대체하여 최근 차체 부품의 접합에 확대하여 적용되는 추세이다.

이러한 레이저 용접은 레이저빔의 초점구간에서 에너지 다중반사 및 흡수를 이용한 키홀 용접(Keyhole Welding)이 주를 이루며, 이러한 키홀 용접은 레이저빔이 렌즈에 의해 집적되어 소재에 대하여 에너지 다중반사 및 다중흡수가 일어나는 약 2mm 이내의 초점구간에서 이루어진다.

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

이와 같이, 레이저 용접은, 도 2에서 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, 상기 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(9,11)의 용접부(W)를 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하여 용접작업을 진행하게 된다.

그러나 상기한 종래의 레이저 용접은 도 3에서 도시한 바와 같이, 대부분 고출력의 키홀 용접으로 이루어져 용접부(W)의 용접패턴 끝단부에 키홀을 메울 용융 풀이 모자라 미세기공의 형상으로 핀홀(PH: Pin Hole)을 남기게 되며, 이러한 핀홀(PH)은 용접부(W)의 외관품질을 떨어트리고, 용접부(W)에서 계면 파단 등의 원인이 되어 용접 강도를 저하시키는 문제점이 있다.

한편, 상기 핀홀(PH)의 깊이에 영향을 미치는 제어인자로는 레이저빔의 출력, 용접속도, 디포커싱(Defocusing)량, 용접패턴의 폭 등을 들 수 있겠으나, 이러한 제어인자를 조정하는 것만으로는 핀홀(PH)의 발생을 근본적으로 해소하기 어렵다.

본 발명의 실시 예는 강판의 겹치기 레이저 용접 시, 용접부의 초점구간의 레이저빔으로 진행되는 메인패턴의 용접부 끝단에 미세패턴의 용접을 추가함과 동시에, 미세패턴의 용접부 중앙을 중심으로 하여 원형패턴의 용접을 진행하여 용접부의 끝단에 형성되는 키홀의 주변부를 추가로 용융시켜 핀홀의 발생을 저감하고, 용접부의 외관 품질 및 용접 강도를 확보할 수 있도록 하는 레이저 용접방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 2장의 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 있어서, 상호 겹쳐진 상부 강판과 하부 강판의 용접부에 대하여 일정한 메인패턴을 따라 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상기 상부 강판과 하부 강판 사이에 용융 풀을 형성하여 용접하는 메인패턴 용접단계; 상기 메인패턴 용접단계의 메인패턴의 끝단에서, 미세패턴을 따라 상기 초점구간의 레이저빔을 고속으로 조사하여 상기 메인패턴의 끝단부를 주변을 용융시켜 용융 풀을 넓게 형성하는 미세패턴 용접단계; 상기 미세패턴 용접단계의 미세패턴의 중앙을 중심으로 하는 원형패턴을 따라 상기 초점구간의 레이저빔을 고속으로 조사하여 상기 미세패턴으로 형성되는 용융 풀의 주변부를 용융시켜 용융 풀을 더 넓게 형성하는 원형패턴 용접단계를 포함하는 레이저 용접방법을 제공할 수 있다.

또한, 상기 메인패턴은 일정길이의 연속되는 정현파 모양으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 미세패턴은 상기 메인패턴의 끝단으로부터 상기 메인패턴의 진행방향으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 미세패턴은 반복되는 "V"자 형상의 지그재그 모양으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 원형패턴은 상기 미세패턴의 중앙을 중심으로 하여 반경방향으로 진행하여 상기 메인패턴을 교차하면서 상기 미세패턴을 모두 포함하는 원형을 이루며 진행될 수 있다.

또한, 상기 원형패턴은 상기 메인패턴의 1/4 피치 이내로 형성될 수 있다.

또한, 상기 원형패턴은 정원형으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 상부 강판과 하부 강판은 일정 갭을 두고 겹쳐져 용접될 수 있다.

또한, 상기 일정 갭은 상기 강판 두께의 30% 이내의 갭으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 상부 강판 및 하부 강판은 아연도금강판으로 이루어 질 수 있다.

본 발명의 실시 예는 강판의 겹치기 레이저 용접 시, 용접부의 초점구간의 레이저빔으로 진행되는 메인패턴의 용접부 끝단에 미세패턴의 용접을 추가함과 동시에, 미세패턴의 용접부 중앙을 중심으로 하여 고속으로 비초점구간의 레이저빔으로 전환하여 순간적인 컨덕션 용접을 진행함으로써, 용접부의 끝단에 형성되는 키홀의 주변부를 신속하게 용융하여 핀홀의 발생을 저감할 수 있다.

이에 따라, 용접부의 외관 품질을 향상시키며, 용접 강도를 확보할 수 있다.

또한, 겹치기 레이저 용접에서 일반강판뿐만 아니라 도금강판의 경우에도 용접부 끝단에서의 용융 풀을 확보할 수 있어 용접 강도를 충분히 유지할 수 있다.

도 1은 일반적인 레이저 키홀 용접의 모식도이다.
도 2는 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 레이저 용접방법에 의해 용접부 끝단에 핀홀이 형성된 모재의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 공정도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 적용되는 미세패턴과 원형패턴의 확대 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 용접부의 끝단부 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 적용되는 레이저빔의 디포커싱 영역과 핀홀 깊이의 관계 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

단, 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.

또한, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 공정도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 적용되는 미세패턴과 원형패턴의 확대 개념도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의한 용접부의 끝단부 단면도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법은 일반강판 또는 도금강판의 겹치기 레이저 용접을 위한 방법으로, 특히, 겹치기 레이저 용접한 용접부(W) 끝단부(E)에 핀홀(PH)의 발생을 저감한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법은 메인패턴 용접단계(S1)와, 상기 메인패턴 용접단계(S1)에 이어 메인패턴(P1)의 끝단부(E)에서 이루어지는 미세패턴 용접단계(S2) 및 원형패턴 용접단계(S3)로 이루어진다.

상기 메인패턴 용접단계(S1)에서는 상호 겹쳐진 상부 강판(11)과 하부 강판(9)의 용접부(W)에 대하여 일정한 메인패턴(P1)을 따라 초점구간의 레이저빔(LB)을 조사하여 상기 상부 강판(11)과 하부 강판(9) 사이에 용융 풀을 형성하여 1차로 용접한다.

즉, 도 5를 참조하면, 상기 메인 용접패턴(P1)은 일정길이의 연속되는 정현파 모양으로 형성된다.

또한, 도 4를 참조하면, 상기 메인패턴 용접단계(S1)에 이어서 진행되는 상기 미세패턴 용접단계(S2)에서는 상기 메인패턴 용접단계(S1)의 메인패턴(P1)의 끝단부(E)에서, 미세패턴(P2)을 따라 상기 초점구간의 레이저빔(LB)을 고속으로 조사하여 상기 메인패턴(P1)의 끝단부(E)를 주변을 용융하여 용융 풀을 넓게 형성해준다.

이때, 도 5을 참조하면, 상기 미세패턴 용접단계(S2)는 상기 메인패턴(P1)의 끝단으로부터 상기 메인패턴(P1)의 진행방향으로 미세패턴(P2)을 형성하면서 진행되는데, 상기 미세패턴(P2)은 반복되는 "V"자 형상의 지그재그 모양으로 형성된다.

그리고 도 4를 참조하면, 상기 미세패턴 용접단계(S2)가 완료된 상태에서, 바로 원평패턴 용접단계(S3)가 진행되는데, 상기 원형패턴 용접단계(S3)에서는 상기 미세패턴 용접단계(S2)의 미세패턴(P2)의 중앙을 중심(C)으로 하여 초점구간의 레이저빔(LB)으로 상기 미세패턴(P2)으로 형성되는 용융 풀의 주면부를 용융시켜 용접을 마무리하게 된다.

즉, 도 5를 참조하면, 상기 원형패턴 용접단계(S3)는 초점구간의 레이저빔(LB)으로 상기 미세패턴(P2)의 중앙을 중심(C)으로 일정반경의 원을 그리는 원형패턴(P3)으로 조사하여 상기 미세패턴(P2)에 의한 용융 풀의 주변부를 함께 용융시키면서 미세패턴(P2)에 의한 용융 풀보다 더 넓은 용융 풀을 형성한다.

여기서, 상기 원형패턴(P3)은 상기 미세패턴(P3)의 중앙을 중심으로 하여 반경방향으로 진행하여 상기 메인패턴(P1)을 교차하면서 상기 미세패턴(P2)을 모두 포함하는 원형을 이루며 진행되는데, 이러한 원형패턴(P3)은 정원형의 모양으로 형성된다.

또한, 상기 원형패턴(P3)은 상기 미세패턴(P3)의 중앙을 중심으로 하여 상기 메인패턴(P1)의 1/4 피치(Pitch) 이내로 형성될 수 있으며, 필요에 따라서는 1/4 피치(Pitch) 이상으로 형성될 수 있다.

한편, 상기 상부 강판(11)과 하부 강판(9)은 도금강판, 특히 아연도금강판일 수 있으며, 이러한 도금강판인 경우, 일정 갭을 두고 겹쳐져 용접될 수 있다.

이와 같이, 상부 강판(11)과 하부 강판(9) 사이에 일정 갭을 두는 경우, 상기 일정 갭은 강판 한 장 두께의 30% 이내의 갭으로 설정되어야 용접 안정성을 확보할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접방법에 의하면, 도 4에서와 같이, 메인패턴 용접단계(S1)에서, 상호 겹쳐진 상부 강판(11)과 하부 강판(9)의 용접부(W)에 대하여 정현파 형상의 메인패턴(P1)을 따라 초점구간의 레이저빔(LB)을 조사하여 상기 상부 강판(11)과 하부 강판(9) 사이에 키홀 용접을 진행하면, 용접부(W)의 끝단부(E)에는 도 3에서와 같은 키홀을 메울 용융 풀이 모자라 미세기공의 형상으로 핀홀(PH: Pin Hole)이 형성된다.

이때, 상기 메인패턴(P1)의 끝단부(E)에 추가로, 미세패턴 용접단계(S2)와 원형패턴 용접단계(S3)를 진행함으로써, 용접부(W)의 끝단부(E)에 형성되는 키홀의 주변부를 용융시켜 키홀을 메울 수 있도록 하여 도 6에서 도시한 바와 같이, 핀홀(PH)의 발생을 저감할 수 있게 된다.

이에 따라, 용접부(W)의 끝단부(E)에 핀홀(PH)의 발생을 최소화하여 용접부(W) 외관 품질 및 용접 강도를 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 레이저 용접방법은 일반강판의 겹치기 레이저 용접뿐만 아니라 강판 사이에 일정 갭이 필요한 도금강판의 경우에도 적용하여 용접부(W)의 끝단부(E)의 용접 강도는 충분히 확보할 수 있다.

한편, 상기한 레이저빔(LB)의 초점은 디포커싱 +f 20mm ~ 30mm 영역에서 용접할 수 있다.

즉, 상기한 핀홀(PH)은 레이저빔(LB)의 디포커싱(f: Defocusing)량에 따라 깊이 변화가 발생하는데, 도 7에서 도시한 바와 같이, 레이저빔(LB)의 디포커싱 +f 20mm ~ 30mm 영역에서 용접 시, 핀홀(PH)의 깊이가 가장 낮고, 초점(focus) 길이에 따른 핀홀(PH) 깊이의 민감도 역시 가장 낮은 특성을 나타낸다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

11: 상부 강판
9: 하부 강판
P1: 메인패턴
P2: 미세패턴
P3: 원형패턴
W: 용접부
LB: 레이저빔
PH: 핀홀

Claims (15)

1. 2장의 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 있어서,
   상호 겹쳐진 상부 강판과 하부 강판의 용접부에 대하여 일정한 메인패턴을 따라 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상기 상부 강판과 하부 강판 사이에 용융 풀을 형성하여 용접하는 메인패턴 용접단계;
   상기 메인패턴 용접단계의 메인패턴의 끝단에서, 미세패턴을 따라 상기 초점구간의 레이저빔을 고속으로 조사하여 상기 메인패턴의 끝단부를 주변을 용융시켜 용융 풀을 넓게 형성하는 미세패턴 용접단계;
   상기 미세패턴 용접단계의 미세패턴의 중앙을 중심으로 하는 원형패턴을 따라 상기 초점구간의 레이저빔을 고속으로 조사하여 상기 미세패턴으로 형성되는 용융 풀의 주변부를 용융시켜 용융 풀을 더 넓게 형성하는 원형패턴 용접단계;
   를 포함하는 레이저 용접방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 메인패턴은
   일정길이의 연속되는 정현파 모양으로 형성되는 레이저 용접방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 미세패턴은
   상기 메인패턴의 끝단으로부터 상기 메인패턴의 진행방향으로 형성되는 레이저 용접방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 미세패턴은
   반복되는 "V"자 형상의 지그재그 모양으로 형성되는 레이저 용접방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 원형패턴은
   상기 미세패턴의 중앙을 중심으로 하여 반경방향으로 진행하여 상기 메인패턴을 교차하면서 상기 미세패턴을 모두 포함하는 원형을 이루며 진행되는 레이저 용접방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 원형패턴은
   상기 메인패턴의 1/4 피치 이내로 형성되는 레이저 용접방법.
7. 제1항 내지 제6항 중, 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 원형패턴은
   정원형으로 형성되는 레이저 용접방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 상부 강판과 하부 강판은
   일정 갭을 두고 겹쳐져 용접되는 레이저 용접방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 일정 갭은
   상기 강판 두께의 30% 이내의 갭으로 설정되는 레이저 용접방법.
10. 제1항 또는 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 상부 강판 및 하부 강판은
    아연도금강판으로 이루어지는 레이저 용접방법.
11. 2장의 강판을 겹치기 레이저 용접하기 위한 레이저 용접방법에 있어서,
    상호 겹쳐진 상부 강판과 하부 강판의 용접부에 대하여 일정길이의 연속된 정현파 모양의 메인패턴을 따라 초점구간의 레이저빔을 조사하여 상기 상부 강판과 하부 강판 사이에 용융 풀을 형성하여 용접하는 메인패턴 용접단계;
    상기 메인패턴 용접단계의 메인패턴의 끝단에서 연속하여 상기 메인패턴의 진행방향을 따라 반복되는 "V"자 형상의 지그재그 모양의 미세패턴을 따라 상기 초점구간의 레이저빔을 고속으로 조사하여 상기 메인패턴의 끝단부를 주변을 용융하여 용융 풀을 넓게 형성하는 미세패턴 용접단계;
    상기 미세패턴 용접단계의 미세패턴의 중앙을 중심으로 하여 반경방향으로 진행하여 상기 메인패턴을 교차하면서 상기 미세패턴을 모두 포함하는 정원형을 이루는 원형패턴을 따라 상기 초점구간의 레이저빔을 고속으로 조사하여 상기 미세패턴으로 형성되는 용융 풀의 주변부를 용융시켜 용융 풀을 더 넓게 형성하는 원형패턴 용접단계;
    를 포함하는 레이저 용접방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 원형패턴은
    상기 메인패턴의 1/4 피치 이내로 형성되는 레이저 용접방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 상부 강판과 하부 강판은
    일정 갭을 두고 겹쳐져 용접되는 레이저 용접방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 일정 갭은
    상기 강판 두께의 30% 이내의 갭으로 설정되는 레이저 용접방법.
15. 제11항 또는 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 상부 강판 및 하부 강판은
    아연도금강판으로 이루어지는 레이저 용접방법.

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