KR20180013481A - 레이저 용접방법 - Google Patents

Abstract

복수의 패널을 겹쳐 두고 레이저로 점용접하는 방법이 소개된다. 그 방법은 집속된 레이저빔을 중첩된 복수의 패널에 조사하여 용융지를 형성하는 제1 단계와, 디포커싱되어 앞서보다 에너지밀도가 낮은 레이저빔을 용융지에 조사하는 제2 단계를 포함한다.

Description

레이저 용접방법{LASER WELDING METHOD}

본 발명은 레이저 용접방법, 특히 레이저를 이용한 점(spot) 용접 방법에 관한 것이다.

차체 부품의 조립은 많은 경우 다관절 로봇을 이용한 저항 점용접에 의해 이루어지고 있다. 저항 점용접은 용접 대상물을 가압한 상태에서 전류를 흘려 저항열에 의해 용접하므로, 용접 신뢰도가 높다.

그러나 저항 점용접은 조립품의 구조에 따라서는 부품과 용접건 간의 간섭으로 인해 사이클 타임이 증대되거나 조립이 불가능한 경우가 발생되기도 하고, 가압 용접을 위해 플랜지 폭이 일정 이상 확보되어야 하는 문제가 있다.

레이저 용접은 용접속도가 빠르고 입열량이 작아 열변형이 작은 이점이 있고, 또한 용접을 위해 불필요하게 플랜지를 크게할 필요가 없고 편면 용접이 가능하여, 자유도가 높고 활용 가능성이 매우 크다.

국내에 레이저 용접기술이 본격적으로 소개된 1990년대 초반으로 주로 테일러드 블랭크 용접에 활용되고 있다. 레이저 맞대기 용접을 통해 미려하고 열영향부가 적은 용접부를 얻을 수 있으며, 선(line) 용접이므로 결합 강도가 높다.

레이저 용접은 위에서 언급된 것 외에도 정밀도가 매우 높다는 장점도 있다. 그러나 이 장점은 단점으로 작용하기도 한다. 예로서 레이저 용접을 위해 이음부의 간격이 정밀하게 제어될 필요가 있는데, 차체 조립과정에 발생하는 공차는 레이저 용접의 적용을 극히 제한하는 요인이다.

레이저를 이용한 테일러드 블랭크 용접 시, 지그를 이용하여 용접 이음부의 간격을 세밀하게 제어하기에, 용접 품질의 보장이 가능하다. 그러나 레이저 용접을 위해 항상 지그를 사용할 수는 없으며, 지그를 사용하더라도 부위나 로트마다 공차가 달라진다.

도금강판, 특히 차량 패널로 주로 사용되는 아연도금강판의 경우, 레이저 용접과정에 스패터가 발생하여 강도 저하는 물론 용접부 형상불량이 발생되며, 도 1에서 보듯이, 기화된 아연이 용접부 내에 트랩되어 용접 품질을 저하시키는 기공을 발생시키는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 인식에 기초한 것으로, 겹치기 용접 시 중첩된 패널들 간의 간격이 정밀하게 제어되지 않더라도 용접 품질의 저하가 없는 레이저 용접방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 차량 제조과정에 저항 점용접을 적어도 일부 대체하여 적용할 수 있는 레이저 점(spot) 용접방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 도금강판, 특히 아연도금강판에도 적용할 수 있는 레이저 용접방법을 제공하고자 한다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 용접방법은, 집속된 레이저빔을 중첩된 복수의 패널에 조사하여 용융지를 형성하는 제1 단계와, 디포커싱되어 앞서보다 에너지밀도가 낮은 레이저빔을 용융지에 조사하는 제2 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 바람직하게는, 제1 단계에서 용융지가 최하부 패널의 상부 표면에까지 형성되도록 한다. 또한 액상의 융융지가 표면장력에 의해 형태를 유지하고, 제2 단계에서 디포커싱된 레이저빔의 조사와 열전도에 의해 깊이 및 폭방향으로 확장되도록 한다.

본 설명에서 상부, 하부 등의 위치 표현은 구성요소들의 절대적인 위치를 규정하고자 하는 것은 아니다. 레이저빔은 하방향으로 조사될 수 있겠지만, 상방향이나 수평방향으로 조사될 수 있고, 이에 따라 구성요소들의 상대적인 위치관계는 다르게 표현될 수 있다.

위와 같은 방법에 의하면, 모재 용융물이 표면장력에 의해 형태가 유지되어 미려한 형상의 용접부를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 집속된 레이저빔의 강력한 에너지에 의한 급격한 용융 및 응고 과정에 용접부의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

아연도금강판의 경우, 제1 단계의 레이저빔 조사에 의해 스패터가 발생될 수 있으나, 제1 단계에서 용접이 완료되지 않으며 제2 단계에서 디포커싱되어 에너지밀도가 낮아진 레이저빔을 조사하므로, 용접 과정 중의 스패터 발생을 최소화할 수 있다.

또한 제1 단계에 용융지를 형성하고 이를 제2 단계에서 디포커싱된 레이저빔에 의해 확장시키는 과정에, 기화된 아연이 용용지의 상부 표면과 중첩된 패널들 사이의 간격을 통해 빠져 나가며, 용접 불량을 야기하는 큰 크기의 기공형성이 방지된다.

본 발명에 의하면, 바람직하게는, 제1 단계에서 레이저빔의 초점은 최하부 패널의 표면 또는 그 내부에 놓이며, 제2 단계에서 디포커싱된 레이저빔은 초점이 최상부 패널의 표면 또는 그 위에 놓여, 하부 패널로 갈수록 반경은 넓고 에너지밀도는 낮다.

또한 본 발명에 의하면, 바람직하게는, 제1 단계에서 최하부 패널은 표면 또는 일부에만 용융지가 형성되며, 제2 단계에서 최하부 패널의 깊이 및 폭방향으로 용융지가 확장되도록 하며, 이 과정에 용융지가 응고되지 않고 액상을 유지할 수 있도록 한다.

또한 본 발명에 의하면, 바람직하게는, 복수의 패널들은 패널들 간의 간격이 일정범위 이내에 있도록 복수의 위치에서 미리 점접합되며, 이들 복수의 점접합 위치 사이에서 제1 및 제2 단계의 레이저 용접이 이루어진다.

본 발명에 의하면, 패널들 간의 간격이 비교적 균일하지 않은 경우에도 건전한 품질의 용접부를 얻을 수 있다. 그러나 양산 공정의 차체 조립라인의 경우, 부위나 로트에 따라서는 1mm 이상의 공차가 발생하는 등, 조립공차의 제어가 용이하지 않다.

종래 레이저 용접 용접 시, 이음부의 간격은 없거나 0.1mm 이내로 정밀하게 관리되어야 한다. 그러나 본 발명에 의한 경우 패널들 간의 간격은 1.0mm 이하, 바람직하게는 0.5mm 이내 정도로 유지될 수 있으면 족하다.

본 발명에 의하면 레이저 용접 대상의 패널들을 미리 점 접합한 후, 점 접합 점들 사이에 레이저 용접할 수 있다. 이렇게 패널들을 복수의 위치에서 미리 점 접합함에, 패널들 간의 간격을 일정 범위 이내로 제어될 수 있다. 예로서 패널 간격은 0.5mm 이내로 제어될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 용접방법에 의하면, 중첩된 패널들 간의 간격이 정밀하게 제어되지 않더라도, 품질의 저하가 없는 용접부를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 저항 점용접을 일부 대체하여, 또는 저항 점용접과 함께 레이저 용접을 적용할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 접근성이 좋은 부위를 위주로 넓은 간격으로 저항 점용접을 한 후, 그 사이 사이에 레이저 용접을 적용할 수 있으므로, 용접 속도의 향상이 가능하다.

또한 저항 점용접의 경우 용접열의 전도로 인해 점용접 간격을 줄이기 어려우나, 레이저 용접은 입열량이 작아 점용접 간격을 좁게 할 수 있다. 용접 포인트가 증가하더라도 레이저에 의한 고속 용접이 가능하므로, 생산성 및 용접 강성의 향상을 동시에 달성할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 레이저 용접방법은 아연도금강판에도 적용할 수 있으며, 우수한 품질의 용접부를 얻을 수 있다.

도 1은 레이저를 이용한 아연도금강판의 용접 예를 보인 도면,
도 2a 및 도 3b는 본 발명에 따른 2단계 레이저 용접방법을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2b 및 도 3b는 각각 도 2a 및 도 3a에 대응하여 패널들에 용융지가 형성 및 확산되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.

본 설명에서 상부, 하부 등의 위치 표현은 레이저빔의 조사방향을 기준으로 구성요소들 간의 상대적인 위치를 규정한 것일 뿐이라는 점이 이해될 필요가 있다. 레이저빔의 조사방향에 따라 상대적인 위치관계는 바뀔 수 있다.

도 2a 및 도 3a를 참조하면, 실시예에 따른 레이저 용접방법은, 집속된 레이저빔을 중첩된 상하부 패널(21,22)에 조사하여 용융지(23)를 형성하는 제1 단계와, 1단계의 레이저빔을 디포커싱하여 용융지(23')에 조사하는 제2 단계를 포함한다.

용접기로는 광학장치 헤드 또는 컴포넌트를 움직이지 않고도 렌즈 시스템(10)을 사용하여 Z 방향으로 초점을 매우 빠르게 이동시킬 수 있는 레이저 스캐너 용접기가 사용된다.

레이저 용접되는 상하부 패널(21,22)로는 아연도금강판이 사용되며, 패널(21,22)은 간격(d)을 두고 중첩된다.

도 2a 및 도 2b를 참조하여, 실시예에 따른 레이저 용접의 제1 단계에 대해 살펴본다.

도 2a에서 보듯이, 상부 및 하부 패널(21,22) 사이에 간격(d)은 실험실에는 정밀하게 제어 가능하나, 양산과정에서 패널 간 간격(d)은 없애고 싶어도 없앨 수 없으며 편차의 정밀한 제어가 쉽지 않다. 실시예에 의하면 조립공차는 0.5mm 이내로 관리 가능하다.

제1 단계에서 레이저빔은 그 초점이 하부 패널(22)의 상부 표면이나 그 내부에 놓일 수 있도록 집속된다. 조립공차로 인해 하부패널(22)에 대한 레이저빔의 초점의 위치는 동일하게 제어될 수 없다. 적어도 레이저빔이 하부 패널(22)의 표면까지 도달할 수 있도록 한다.

도 2b에서 보듯이, 레이저빔이 조사된 영역에 용융지(23)가 형성된다. 제1 단계에서 용융지(23)는 상부 패널(21)을 관통하여 형성되며, 하부 패널(21)에는 표면 또는 일부에 형성되도록 한다. 용융지(23)는 제2 단계에서 디포커싱된 레이저빔의 조사에 의해 확장되도록 한다.

제1 단계에서 용융지(23)가 하부 패널(21)을 관통하여 형성되는 경우, 2단계에서 디포커싱된 레이저빔을 조사 중에 용융지(23) 심부에서 먼저 응고가 발생되거나 기공이 발생될 수 있다. 응고속도의 조절과 건전한 용접부를 얻기 위해 용융지(23)는 하부 패널(21)의 하면에 이르기까지 형성되지는 않는 것이 좋다.

제1 단계에서의 레이저빔 조사에 의해, 상하부 패널(21,22) 표면의 도금아연 중 기화된 것은 용융지 상부 표면을 통해서나 상하부 패널(21,22) 사이의 간격(d)을 통해 배출된다. 용용된 모재금속에 혼입된 아연이 제2 단계에서 기화되어 추가 배출될 수 있다.

도 3a 및 도 3b를 참조하여, 실시예에 따른 레이저 용접의 제2 단계에 대해 살펴본다.

도 3a에서 보듯이, 2단계에서는 렌즈 시스템(10)을 이용하여 초점을 후방으로 이동시켜 디포커싱된 레이저빔을 용융지(23)에 조사한다. 레이저 장치의 출력은 제1 단계에서와 동일하다.

디포커싱된 레이저빔의 초점은 상부 패널(21)의 표면 또는 그 위에 놓이도록 하며, 이에 따라 하부 패널(33)로 갈수록 반경은 넓어지고 에너지밀도는 낮아지는 형태의 레이저빔이 얻어진다.

제1 단계에서 레이저빔의 에너지를 집중시켜 모재 금속을 급속히 용융시켰다면, 2단계에서는 디포커싱된 레이저빔에 의해 제1 단계에서보다 마일드한 조건에서 조사된 레이저빔과 열전도에 의해, 특히 하부 패널에서 용융지(23)가 확장되도록 한다.

위와 같은 2단계의 레이지 용접에 의해 기계적 물성의 저하를 야기하는 기공이 없는 우수한 품질의 용접부를 얻을 수 있다.

도 3b에서 보듯이, 제2 단계에서 용접부의 면적이 확장되며, 용접 강도를 위해서는 바람직하게는 상부 패널(21) 표면에서의 용융지 직경(W)이 0.4mm 이상이 되도록 하는 것이 좋다.

제1 및 제2 단계에서 용융지(23)가 응고되지 않고 액상이 유지되도록 함에 의해, 상하부 패널(21,22) 간에 간격(d)이 있더라도 표면장력에 의해 형상이 유지될 수 있으며, 함몰이 적고 균일한 형태의 용접부 형상을 얻을 수 있다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

10: 레이저 용접기의 렌즈 시스템 21,22: 패널
23: 용융지

Claims (3)

1. a) 레이저빔을 중첩된 복수의 패널에 조사하여 용융지를 형성하는 제1 단계, 여기서 레이저빔의 초점은 최하부 패널의 상부 표면 또는 그 내부에 놓임; 및
   b) 디포커싱되어 제1 단계에서보다 에너지밀도가 낮은 레이저빔을 용융지에 조사하는 제2 단계;를 포함하며,
   디포커싱된 레이저빔은, 초점이 최상부 패널의 표면 또는 그 위에 놓여, 하부 패널로 갈수록 반경은 넓고 에너지밀도는 낮은 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 단계에서 최하부 패널은 표면 또는 일부에만 용융지가 형성되며, 제2 단계에서 최하부 패널의 깊이 및 폭방향으로 용융지가 확장되며,
   제1 및 제2 단계에서 용융지가 응고되지 않고 액상이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 패널들은, 패널들 간의 간격이 일정범위 이내에 있도록, 복수의 위치에서 서로 미리 점접합된 것이며,
   복수의 점접합 위치 사이에서 제1 및 제2 단계의 레이저 용접이 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.

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