KR20160012295A - 박판 금속 레이저 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적정한 재질의 히트싱크를 이용하여 박판 금속의 방열특성을 증가시킴으로써 박판 금속의 열변형을 최소화하는 박판 금속 레이저 열처리공방법을 제공하기 위한 것으로, 히트싱크의 상면에 박판 금속을 고정시키는 단계; 상기 히트싱크의 재질 및 박판 금속의 재질에 기초하여 흡수레이저강도 및 레이저 조사 시간을 결정하는 단계; 상기 박판 금속에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 박판 금속 레이저 열처리 방법을 제공한다.

Description

박판 금속 레이저 열처리 방법 {A LASER HEAT TREATMENT METHOD OF STEEL SHEETS}
본 발명은, 박판 금속의 표면을 레이저를 이용하여 열처리하는 경우 발생하는 열변형을 저감하는 박판 금속 레이저 열처리 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 박판 금속을 열처리하는 경우 다양한 재질의 히트싱크를 이용하여 열처리함으로써 열처리 공정 시 발생하는 박판 금속의 열변형을 감소시키는 박판 금속 레이저 열처리 방법에 관한 것이다.
대한민국 특허공개공보 10-2011-0062325를 참조하면, 금속 표면의 열처리는 경도 및 강도를 향상시키기 위한 목적으로 이루어지고 있고, 이러한 열처리는 다양한 방식으로 이루어지고 있는데, 특히 표면의 국부 열처리나 정밀한 표면 열처리를 위해서 레이저를 이용하는 방법이 제공되고 있다.
레이저를 이용한 열처리 방법은 금속의 표면에 고출력 레이저를 조사하여 재료가 가지는 변태점 이상으로 급격한 온도 상승을 유발시키고, 자기 냉각효과를 통해 급격히 냉각시켜 이루어진다.
이와 같은 레이저를 이용한 열처리 방법은, 자기 냉각효과를 이용하여 급속히 냉각을 수행하므로, 소정 이상의 방열특성을 가지는 두꺼운 스틸 플레이트만을 열처리 할 수 있을 뿐, 방열특성이 낮은 3 mm 이하의 박판 금속은 일반적으로 열처리가 어렵다는 문제점을 가진다. 또한 종래의 열처리 방법은 열처리 공정 중에 박판 금속에 발생하는 열변형으로 인하여 불량이 발생할 수 있다는 문제점도 가진다.
본 발명은 상술한 종래의 박판 금속의 레이저 열처리 방법에서 발생하는 열변형에 의한 불량의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 적정한 재질의 히트싱크를 이용하여 박판 금속의 방열특성을 증가시킴으로써 박판 금속의 열변형을 최소화하는 박판 금속 레이저 열처리 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 히트싱크의 상면에 박판 금속을 고정시키는 단계; 상기 히트싱크의 재질 및 박판 금속의 재질에 기초하여 흡수레이저강도 및 레이저 조사 시간을 결정하는 단계; 상기 박판 금속에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 박판 금속 레이저 열처리 방법을 제공한다.
상기 히트싱크는, 스틸, 스테인레스 스틸 및 구리 중 어느 하나의 재질로 이루어지고, 상기 박판금속의 열변형각도가 기준각도 이상인 경우, 레이저 조사방향으로 박판금속이 변형하는 경우 상기 흡수레이저강도를 증가시키고, 상기 박판 금속의 열변형각도가 기준각도 이상이며, 레이저 조사방향의 반대방향으로 박판금속이 변형하는 경우 상기 흡수레이저강도를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의한 레이저 열처리 방법에 따르면, 히트싱크를 이용하여 박판 금속의 열을 외부로 신속히 배출함으로써 박판 금속을 레이저 열처리하는 동안 발생하는 열변형을 최소화할 수 있다는 장점을 가진다.
또한, 흡수레이저강도 및 인터렉션시간을 조절하여 열처리 공정 시 발생하는 열변형을 더욱 더 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 방법을 수행하는 열처리장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 방법의 대상물인 박판 금속의 사시도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 방법에 의하여 보론강 재질의 박판 금속을 열처리 한 경우, 각 히트싱크에 대한 열 변형정도를 흡수레이저강도(absorbed laser intensity)와 인터렉션시간(interaction time)을 사용하여 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 방법에 의하여 DP590 강의 박판 금속을 열처리 한 경우, 각 히트싱크에 대한 열 변형정도를 흡수레이저강도와 인터렉션시간을 사용하여 도시한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 장치(100)는, 레이저 조사기(110), 히트싱크(120), 지지프레임(130) 및 고정기구(140)로 이루어진다.
상기 레이저 조사기(110)는 레이저를 발생시켜 박판 금속에 레이저를 조사한다. 상기 레이저 조사기(110)는, 3kW 다이오드 레이저를 사용하는 것으로, 상기 박판 금속은 2 mm 이하의 금속판으로 이루어진다.
상기 히트싱크(120)는 평판 형상으로 이루어지며, 열전도도가 높은 스테인레스 스틸, 스틸 또는 구리 등과 같은 금속으로 이루어져, 상기 레이저조사기(110)에서 발생된 레이저에 의하여 상기 박판 금속에서 발생하는 열을 전달받아 외부로 배출한다. 본 실시예에서는 히트싱크로서 스테인레스 스틸, 스틸 또는 구리의 금속을 이용하는 것으로 설명되고 있으나, 박판 금속의 열을 전달받아 외부로 배출할 수 있다면 알루미늄과 같은 다른 물질도 사용될 수 있음은 물론이다.
그리고 상기 지지프레임(130)은, 중앙에 상기 히트싱크(120)가 안착되는 안착홈이 형성되며, 상기 히트싱크(120)의 양측 상면에 상기 히트싱크(120)를 고정시키는 고정기구(140)를 구비한다.
상기 히트싱크(120)를 고정시키는 상기 고정기구(140)는, 수직프레임(141) 및 고정부재(145)로 이루어진다. 상기 수직프레임(141)은 하단이 상기 지지프레임(130)의 상면과 고정볼트에 의하여 고정되며, 직립하여 형성된다.
상기 수직프레임(141)의 상단에는 상기 고정부재(145)가 회전가능하게 결합된다.
상기 고정부재(145)는 회동바(146) 및 누름편(147)으로 이루어진다. 상기 회동바(146)는 일단이 상기 수직프레임(141)의 상단과 힌지로 회전가능하게 결합된다. 그리고 상기 회동바(146)의 타단에는 누름편(147)이 형성된다.
상기 누름편(147)은, 상기 회동바의 회전에 따라 상하로 이동하며 상기 히트싱크를 선택적으로 고정한다.
본 실시예에서는 상기 회동바 및 누름편을 이용하여 히트싱크 상면에 박판금속을 고정시키는 구성을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 아니하고 박판 금속을 고정시킬 수 있는 통상의 구조이면 다른 구조도 본 발명에 적용이 가능함은 물론이다. 예를 들어, 자동차 차체 부품과 같이 포밍공정으로 성형된 박판 철판을 열처리하는 경우 박판 부품의 형상에 맞도록 히트싱크를 제작한 후 위에서 눌러서 밀착 고정시킨 후 열처리공정을 수행할 수 있다.
도 2를 참조하면, 이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 방법은, 박판 금속을 고정시키는 단계(S100), 흡수레이저강도 및 인터렉션시간을 결정하는 단계(S200) 및 레이저를 조사하는 단계(S300)로 이루어진다.
상기 히트싱크(120)의 상면에 박판 금속(105)을 고정시키되, 상기 히트싱크의 상면과 상기 박판 금속의 하면은 밀접하게 배치되어 서로 열전달이 원활하게 될 수 있도록 한다.(S100)
상기 히트싱크(120)의 상면에 상기 박판 금속(105)이 고정되면, 상기 히트싱크의 재질 및 박판 금속의 재질에 기초하여 흡수레이저강도 및 인터렉션시간을 결정한다. 여기서 흡수레이저강도란 소재의 단위면적당 흡수된 레이저의 출력(power)을 의미하고 W/cm2의 단위를 가지며, 인터렉션시간이란 레이저가 진행하는 방향의 빔의 크기를 빔의 진행속도로 나눈 값을 의미하고 second의 단위를 가진다. 레이저 빔의 크기가 정해지면 상기 흡수레이저강도와 상기 인터렉션시간으로부터 공정수행을 위한 레이저의 출력과 이송속도를 얻어낼 수 있다.(S200)
도 3을 참조하면, 박판 금속에 상측에서 레이저를 조사하면, 도 3과 같이 박판 금속이 열 변형을 일으키게 된다. 도 3과 같은 형태와 같이 레이저를 조사하는 방향을 향하여 변형이 될 수도 있고, 이와 반대로 레이저를 조사하는 방향의 반대 방향으로 변형이 될 수도 있다. 도 3과 같이 레이저조사방향으로 (위쪽으로) 변형이 되는 경우의 열변형각을 (+)로 하고, 반대로 레이저를 조사한 방향의 반대방향으로 (아래쪽으로) 변형이 되는 경우의 열변형각을 (-)로 하기로 한다. 상기 열변형각은 레이저 조사위치를 기준으로 양측의 박판금속이 변형하는 경우 양측의 박판금속이 이루는 각도를 의미하는 것이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 방법에 의하여 보론강 재질의 박판 금속을 열처리 한 경우, 각 히트싱크에 대한 열 변형정도를 흡수레이저강도(absorbed laser intensity)와 인터렉션시간(interaction time)을 사용하여 도시한 그래프이고, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 열처리 방법에 의하여 DP590 강의 박판 금속을 열처리 한 경우, 각 히트싱크에 대한 열 변형정도를 흡수레이저강도와 인터렉션시간을 사용하여 도시한 그래프이다.
도 4a 내지 도 5d를 참조하면, 적색 컬러는 (+) 변형각을 나타내고, 청색은 (-)변형각을 나타낸다.
히트싱크를 구비하지 아니하는 도 4a 및 도 5a를 참조하면, 박판 금속에 레이저를 조사하는 경우 전체적으로 (+)의 변형이 일어나고 있음을 알 수 있다. 이에 반하여, 도 4b 내지 도 4d와 같이 스테인레스, 스틸 및 구리를 재질로 한 히트싱크를 이용하여 박판 금속을 열처리하는 경우에는 히트싱크를 이용하지 않는 경우의 열변형각에 비하여 열변형각이 확연히 감소하고, 또한 상기 열변형각은 흡수레이저 강도가 증가함에 따라 점차적으로 감소하다가 (+)열변형각에서 (-)열변형각으로 변화한다. 이 그래프에서 (+) 열변형각에서 (-)변형각으로 변화하는 지점, 즉 열변형각이 없는 흡수레이저강도 및 레이저 조사 시간을 결정할 수 있다.
예컨대, 보론강의 경우, 스테인레스 스틸 재질의 히트싱크를 이용하여 레이저 열처리를 하는 방법에서 열변형을 최소화하기 위하여 흡수레이저강도는 대략 1200 W/cm2 정도로 하고, 인터렉션시간을 0.6초로 할 수 있다.
또한 인터렉션시간을 증가시키고 조사되는 흡수레이저강도를 감소시킬 수 있다. 인터렉션시간을 2.0초로 증가시키면, 흡수레이저강도를 약 700W/cm2로 감소하여도 박판 금속의 열변형을 감소시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 5d를 참조하면, 인터렉션시간을 증가시키면 열변형각도를 감소됨을 알 수 있다. 따라서, 박판 금속의 열변형각도가 기준각도 이상인 경우에는 인터렉션시간을 증가시킨다. 상기 기준각도는 양부를 판정하는 기준으로 사용자가 미리 설정할 수 있다.
또한, 동일한 인터렉션시간에 있어서는 흡수레이저강도에 따라서 열변형각도가 변화됨을 알 수 있다. 흡수레이저강도를 증가시키면 열변형각은 (+)에서 (-)로 변화하게 된다. 이러한 성질을 이용하여, 박판 금속의 열변형 각도가 기준각도 이상이며, (+) 열변형각을 가지는 레이저 조사방향으로 박판 금속이 변형하는 경우에는 흡수레이저강도를 증가시켜 열처리를 할 수 있고, 상기 박판 금속의 열변형각도가 기준각도 이상이며, 레이저 조사방향의 반대방향으로 박판 금속이 변형하는 경우에는 상기 흡수레이저강도를 감소시켜 열처리를 할 수 있다.
본 실시예에서는 열변형각이 기준각도를 초과하는지에 따라 흡수레이저 강도 및 인터렉션시간을 조정하는 것으로 기재하였으나, 이에 한정되지 아니하고 상기 흡수레이저강도 및 인터렉션시간은 도 4a 내지 도 5d와 같은 기존의 실험데이터 베이스에서 추출하여 결정될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110 : 레이저 조사기 120 : 히트 싱크
130 : 지지프레임 140 : 고정기구
141 : 수직프레임 145 : 고정부재

Claims (4)

  1. 히트싱크의 상면에 박판 금속을 고정시키는 단계;
    상기 히트싱크의 재질 및 박판 금속의 재질에 기초하여 흡수레이저강도 및 인터렉션 시간을 결정하는 단계;
    상기 박판 금속에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 박판 금속 레이저 열처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트싱크는, 스틸, 스테인레스 스틸 및 구리 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 박판 금속 레이저 열처리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저를 조사하는 단계에서 상기 박판 금속의 열변형각도가 기준각도 이상인 경우, 상기 인터렉션시간을 증가시키는 박판 금속 레이저 열처리 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저를 조사하는 단계에서 상기 박판 금속의 열변형각도가 기준각도 이상이며, 레이저 조사방향으로 박판 금속이 변형하는 경우 상기 흡수레이저강도를 증가시키고,
    상기 박판 금속의 열변형각도가 기준각도 이상이며, 레이저 조사방향의 반대방향으로 박판 금속이 변형하는 경우 상기 흡수레이저강도를 감소시키는 박판 금속 레이저 열처리 방법.
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