KR20170121567A - 판재의 접합방법 - Google Patents

Abstract

판재의 접합방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법은 2장의 판재를 서로 맞대어 레이저 용접에 의해 접합하기 위한 판재의 접합방법에 있어서, 2장의 판재를 지그 상에 서로 맞대어 규제한 상태로, 각 판재의 상호 맞댄 면을 용접선으로 하고, 2개의 옵틱헤드로부터 일정각도의 입사각으로 조사되는 각 레이저빔의 각 초점영역의 일부가 서로 중첩되는 초점중첩영역을 형성하여 상기 초점중첩영역이 상기 용접선을 따라 이동하면서 상기 2장의 판재를 맞대기 용접하여 용접부를 형성하여 접합한다.

Description

판재의 접합방법{WELDING METHOD FOR SHEETS}

본 발명은 판재의 접합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 판재의 상호 맞대기 용접 시, 초점이 중첩되도록 2개의 레이저빔을 설정된 입사각으로 조사하여 소재 두께별 에너지 밀도를 달리하여 에너지 효율 및 용접 품질을 향상시키는 판재의 접합방법에 관한 것이다.

일반적으로 2장의 판재를 상호 맞대기 용접하기 위해서는 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔을 이용한 레이저 용접이 주로 적용된다.

도 1에서는 일반적인 레이저 용접 시스템에 의한 레이저 용접 공정도이다.

도 1을 참조하면, 상기한 레이저빔(LB)을 이용하여 두 판재를 맞대기 용접하기 위해서는 로봇(1)의 아암(3) 선단에 옵틱헤드(5)가 설치되고, 상기 옵틱헤드(5)는 레이저 발진기(7)와 연결되어 레이저 용접 시스템이 구비된다.

즉, 로봇 제어기(C)의 제어에 의해 거동되는 로봇(1)에 의해 상기 옵틱헤드(5)가 지그(11) 상에 맞대어진 두 판재(9)의 용접부를 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하여 용접작업을 진행하게 된다.

이러한 레이저 용접 시스템에 의한 판재의 접합방법은 서로 두께가 다른 판재을 상호 맞대기 용접하여 이루어지는 테일러 웰디드 블랭크(TWB; Tailor Welded Blank, 이하, TWB라 칭함)를 제작하거나 일반적인 빌릿 용접이나 맞대기 용접에 주로 적용되고 있다.

또한, 상기 레이저 용접을 이용한 접합방법에 적용되는 판재로는 스틸, 알루미늄 등이 적용될 수 있으며, 최근에는 핫스탬핑 성형의 소재가 되는 고강도 강판이 적용될 수도 있다.

그런데, 레이저 용접을 통한 맞대기 접합방법은 기존 열원에 비하여 소재의 국소부에 고밀도 에너지의 레이저빔을 조사하여 열변형을 최소화하는 장점은 있으나, 소재간에 직진도 및 평탄도가 일정하게 유지되지 않으면, 맞댄 면의 갭이나 편차로 인하여 용접불량이 쉽게 발생하는 문제점이 있다.

또한, 종래와 같이 옵틱헤드(5)로부터 조사되는 하나의 레이저빔으로는 두께가 다른 소재의 용접부에 대하여 출력분포를 임의로 설정하는 것이 불가하고, 알루미늄 판재와 같이 반사율이 높은 소재의 경우, 심 트랙킹(Seam tracking)이 불리하여 레이저빔의 입사각을 경사지게 설정해야 하며, 이에 따라 에너지 효율 및 용접품질을 저하시키는 단점이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 판재의 상호 맞대기 용접 시, 각 초점영역의 일부가 서로 중첩되도록 2개의 레이저빔을 설정된 입사각으로 조사하며, 소재 두께별로 에너지 밀도를 달리하여 에너지 효율 및 용접 품질을 향상시키는 판재의 접합방법을 제공하고자 한다.

또한, 레이저 발진기에서 나오는 출력을 분할하여 상대적으로 두꺼운 소재 측으로 출력을 높임과 동시에, 소재의 맞댄 면에 대해 2개의 레이저빔의 초점영역의 일부를 중첩하여 에너지 밀도를 집중시킴으로써 에너지 효율을 높이고, 종래에 비하여 넓은 영역에 레이저빔의 초점영역이 형성되도록 하여 맞대기 용접 품질을 향상시키는 판재의 접합방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 2장의 판재를 서로 맞대어 레이저 용접에 의해 접합하기 위한 판재의 접합방법에 있어서, 2장의 판재를 지그 상에 서로 맞대어 규제한 상태로, 각 판재의 상호 맞댄 면을 용접선으로 하고, 2개의 옵틱헤드로부터 일정각도의 입사각으로 조사되는 각 레이저빔의 각 초점영역의 일부가 서로 중첩되는 초점중첩영역을 형성하여 상기 초점중첩영역이 상기 용접선을 따라 이동하면서 상기 2장의 판재를 맞대기 용접하여 용접부를 형성하여 접합하는 판재의 접합방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 2장의 판재는 두께가 서로 다른 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 판재는 스틸소재의 판재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 판재는 알루미늄소재의 판재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 각 레이저빔은 판재의 두께별로 레이저 발진기에서 나오는 출력을 분할하여 상대적으로 두꺼운 소재 측으로 높은 출력으로 조사할 수 있다.

또한, 상기 각 레이저빔의 출력은 상기 판재의 두께에 비례하여 분할될 수 있다.

또한, 상기 각 레이저빔의 초점영역의 직경은 5mm ~ 7mm 범위에서 설정되고, 상기 초점중첩영역의 최대폭은 2mm ~ 4mm 범위에서 설정될 수 있다.

또한, 상기 각 레이저빔의 입사각은 상기 용접선을 수직으로 연결하는 수직선에 대하여 ±5°내지 ±7°의 범위에서 설정될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 판재의 상호 맞대기 용접 시, 각 초점영역의 일부가 서로 중첩되도록 2개의 레이저빔을 설정된 입사각으로 조사하며, 반사율이 높은 알루미늄소재의 판재 접합에 적용하여도 옵틱헤드의 손상을 방지할 수 있다.

또한, 소재 두께별로 에너지 밀도를 달리하여 에너지 효율 및 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 레이저 발진기에서 나오는 출력을 분할하여 상대적으로 두꺼운 소재 측으로 출력을 높임과 동시에, 소재의 맞댄 면에 대해 2개의 레이저빔의 초점영역의 일부를 중첩하여 에너지 밀도를 집중시킴으로써 에너지 효율을 높일 수 있으며, 넓은 영역에 레이저빔의 초점영역이 형성되도록 하여 맞대기 용접 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 레이저 용접 시스템에 의한 맞대기 레이저 용접 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따르는 공정 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따른 각 레이저빔의 입사각를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따른 각 레이저빔의 초점을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따른 각 레이저빔의 에너지 밀도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따른 소재의 용접부 단면도이다.

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.

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

하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따르는 공정 개념도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따른 각 레이저빔의 입사각를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따른 각 레이저빔의 초점을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법은 제1, 제2 판재(20,30)를 맞대어 레이저 용접에 의해 접합하기 위한 방법으로, 2개의 옵틱헤드(41,43)에 의해 조사되는 2개의 레이저빔(LB1)(LB2)을 이용하여 진행된다.

즉, 서로 접합할 제1, 제2 판재(20,30)를 지그(J) 상에 서로 맞대어 규제하고, 상기 제1, 제2 판재(20,30)의 상호 맞댄 면을 용접선(L)으로 한다.

이러한 상태로, 제1, 제2 옵틱헤드(41)(43)로부터 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)을 상기 용접선(L)을 향상하여 각각 조사한다.

이때, 상기 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)은 상기 제1, 제2 판재(20,30)의 맞댄 면에 대하여 각각 일정각도의 입사각(α1,α2)으로 조사되는데, 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)의 각 초점(LBF1)(LBF2)의 일부가 서로 중첩되는 초점중첩영역(FO)을 형성하며, 상기 초점중첩영역(FO)이 상기 용접선(L)을 따라 이동하면서 상기 제1, 제2 판재(20,30)를 맞대기 용접하여 용접부(W)를 형성한다.

상기에서, 제1, 제2 판재(20,30)는 두께가 동일한 소재가 적용될 수 있으며, 두께가 서로 다른 소재로 이루어질 수도 있으나, 용접성을 고려하여 상호간의 두께비가 1.8배 이내에서 적용되어야 한다.

또한, 상기 제1, 제2 판재(20,30)는 스틸소재의 판재가 적용될 수 있으나, 핫스탬핑 성형의 소재가 1,500MPa 정도의 고강도 강판이 적용될 수 있으며, 알루미늄소재의 판재가 적용될 수도 있다.

도 3을 참조하면, 상기 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)의 각 입사각(α1)(α2)은 상기 용접선(L)을 수직으로 연결하는 수직선에 대하여 ±5°내지 ±7°의 범위에서 설정될 수 있으며, 상기 제1 레이저빔(LB1)의 입사각(α1)과 제2 레이저빔(LB2)의 입사각(α2)이 반드시 같은 크기의 각도일 필요는 없으며, 성형성을 고려하여 각도의 크기는 조정하여 설정될 수 있다.

또한, 상기 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)은 제1, 제2 판재(20,30)의 각 두께별로 레이저 발진기(미도시)에서 나오는 출력을 분할하여 상대적으로 두꺼운 제1 판재(20) 측으로 높은 출력으로 조사할 수 있으며,

이러한 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)의 출력은 제1, 제2 판재(20,30)의 두께에 비례하여 분할될 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)의 각 초점영역(LBF1)(LBF2)의 직경은 0.5mm ~ 0.7mm 범위에서 설정될 수 있으나, 통상의 유효작업범위의 레이저빔의 초점영역 직경이 0.6mm 인 것을 고려하여 상기 초점중첩영역(FO)의 최대폭은 0.2mm ~ 0.4mm 범위에서 설정될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따른 각 레이저빔의 에너지 밀도를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)의 각 초점영역(LBF1)(LBF2)에서의 에너지 밀도를 도시한 것으로, 제1 판재(20)의 두께가 제2 판재(30)의 두께에 비하여 두껍다는 가정하에, 제1 판재(20)에 집중 조사되는 제1 레이저빔(LB1)의 출력이 제2 판재(30)에 집중 조사되는 제2 레이저빔(LB2)의 출력에 비하여 더 크게 적용되어 에너지 밀도가 더 크게 형성되고, 상기 제1, 제2 판재(20,30)의 용접선(L, 맞댄 면)에 대응하는 초점중첩영역(FO)에서는 에너지 밀도가 다른 초점영역(LBF1, LBF2)에 비하여 더 높게 나타남을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 따른 소재의 용접부 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 의해 형성되는 용접부의 단면도로써, 용접부(W)에는 제1 레이저빔(LB1)의 초점영역(LBF1)에 의한 용융부(H1)와 제2 레이저빔(LB2)의 초점영역(LBF2)에 의한 용융부(H2) 사이에 초점중첩영역(FO)에 의한 용융부(H3)가 형성되며, 두께가 두꺼운 제1 판재(20)의 상단 모서리부가 용접 비드로 제2 판재(30)와 썩이면서 표면이 미려한 용접부를 형성한다.

여기서, 상기한 레이저 용접은 Nd:YAG 레이저발진기로부터 발진되는 Nd:YAG 레이저빔이 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 판재의 접합방법에 의해 제1, 제2 판재(20,30)의 상호 맞대기 용접 시, 각 레이저빔(LB1)(LB2)의 초점영역(LBF1)(LBF2)의 일부가 서로 중첩되도록 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)을 설정된 입사각으로 조사하되, 레이저 발진기에서 나오는 출력 분할을 통해 소재의 두께별로 에너지 밀도를 달리하여 에너지 효율을 향상시키며, 용접 품질을 향상시킨다.

또한, 상대적으로 두꺼운 소재 측으로 출력을 높임과 동시에, 소재의 맞댄 면에 대해 제1, 제2 레이저빔(LB1)(LB2)의 각 초점영역(LBF1)(LBF2)의 일부를 중첩한 초점중첩영역(FO)을 적용하여 에너지 밀도를 집중시킴으로써 에너지 효율을 높이고, 종래에 비하여 넓은 영역에 레이저빔의 초점영역이 형성되도록 하여 맞대기 용접 품질을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 반사율이 높은 알루미늄 소재에 대해서도 각 레이저빔(LB1)(LB2)의 입사각(α1)(α2)이 미리 설정되어 제1, 제2 옵틱헤드(41)(43)의 손상을 방지할 수 있다.

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.

20,30: 제1, 제2 판재
L: 용접선
J: 지그
W: 용접부
LB1,LB2: 제1, 제2 레이저빔
LBF1, LBF2: 제1, 제2 레이저빔의 초점영역
FO: 초점중첩영역
41,43: 제1, 제2 옵틱헤드
H1: 제1 레이저빔의 초점영역에 의한 용융부
H2: 제2 레이저빔의 초점영역에 의한 용융부
H3: 초점중첩영역에 의한 용융부

Claims (8)

1. 2장의 판재를 서로 맞대어 레이저 용접에 의해 접합하기 위한 판재의 접합방법에 있어서,
   2장의 판재를 지그 상에 서로 맞대어 규제한 상태로, 각 판재의 상호 맞댄 면을 용접선으로 하고, 2개의 옵틱헤드로부터 일정각도의 입사각으로 조사되는 각 레이저빔의 각 초점영역의 일부가 서로 중첩되는 초점중첩영역을 형성하여 상기 초점중첩영역이 상기 용접선을 따라 이동하면서 상기 2장의 판재를 맞대기 용접하여 용접부를 형성하여 접합하는 판재의 접합방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 2장의 판재는 두께가 서로 다른 소재로 이루어지는 판재의 접합방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 판재는 스틸소재의 판재로 이루어지는 판재의 접합방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 판재는 알루미늄소재의 판재로 이루어지는 판재의 접합방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 각 레이저빔은 판재의 두께별로 레이저 발진기에서 나오는 출력을 분할하여 상대적으로 두꺼운 소재 측으로 높은 출력으로 조사하는 것을 특징으로 하는 판재의 접합방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 각 레이저빔의 출력은 상기 판재의 두께에 비례하여 분할되는 것을 특징으로 하는 판재의 접합방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 각 레이저빔의 초점영역의 직경은 5mm ~ 7mm 범위에서 설정되고, 상기 초점중첩영역의 최대폭은 2mm ~ 4mm 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 판재의 접합방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 각 레이저빔의 입사각은
   상기 용접선을 수직으로 연결하는 수직선에 대하여 ±5°내지 ±7°의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 판재의 접합방법.

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