KR20180044726A

KR20180044726A - 레이저 용접 방법

Info

Publication number: KR20180044726A
Application number: KR1020160138576A
Authority: KR
Inventors: 이세용; 배성호
Original assignee: (주)엔에스
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2018-05-03

Abstract

본 발명은, 레이저 용접 방법에 관한 것으로서, (a) 모재들을 준비하는 단계; 및 (b) 상기 모재들의 용접 부위에 미리 정해진 용접 간격을 두고 설정된 복수의 용접 포인트들에 각각 2발의 레이저빔을 빔 스팟들이 미리 정해진 중첩 길이만큼 중첩되도록 조사하여 상기 모재들을 레이저 용접하는 단계를 포함한다.

Description

레이저 용접 방법{LASER WELDING METHOD}

본 발명은 모재들을 레이저 용접하기 위한 레이저 용접 발명에 관한 것이다.

레이저 용접은, 모재들에 레이저빔을 조사하여 모재들의 용접 부위를 용접하는 것으로서, 레이저빔의 높은 에너지 밀도로 인해 고용융점의 금속에도 적용 가능하며, 열원이 빛의 빔이므로 투명 재료를 사용하면 어떤 분위기 속에서도 용접이 가능하다는 장점을 갖는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 레이저빔의 빔 스팟들(T)이 서로 이격된 구간 없이 연속적으로 중첩되도록 레이저빔을 모재들(110, 120)의 용접 부위(130, 140)에 연속적으로 조사하여 레이저 용접을 실시하였다. 이러한 종래의 레이저 용접 방법에 의하면, 용접 부위(130, 140)에 과도한 열이 인가되어 열 변형이 발생하는 경우가 빈번하였다. 그런데, 이러한 열 변형은 크랙을 발생시키므로, 종래의 레이저 용접 방법은 이러한 열 변형과 크랙으로 인해 용접 부위의 인장 강도가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 용접 부위의 인장 강도를 향상시킬 수 있도록 개선한 레이저 용접 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 용접 방법에 의하면, (a) 모재들을 준비하는 단계; 및 (b) 상기 모재들의 용접 부위에 미리 정해진 용접 간격을 두고 설정된 복수의 용접 포인트들에 각각 2발의 레이저빔을 빔 스팟들이 미리 정해진 중첩 길이만큼 중첩되도록 조사하여 상기 모재들을 레이저 용접하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 용접 간격은 상기 빔 스팟의 직경의 0.35 내지 0.5 배이다.

바람직하게, 상기 중첩 길이는 상기 빔 스팟의 직경의 0.2 내지 0.4 배이다.

바람직하게, 상기 용접 포인트들은 미리 정해진 용접 방향을 따라 1열을 이루도록 설정된다.

바람직하게, 상기 용접 포인트들은 미리 정해진 용접 방향을 따라 지그재그로 위치하도록 설정된다.

바람직하게, 상기 용접 포인트들은 상기 용접 방향을 따라 복수의 열을 이루도록 설정된다.

바람직하게, 각각의 모재의 용접 부위가 서로 겹치도록 상기 모재들을 배치하여 수행한다.

본 발명에 따른 레이저 용접 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명은, 용접 부위에 열 변형 및 크랙이 발생하는 것을 방지하여, 용접 부위의 인장 강도를 향상시킬 수 있다

둘째, 본 발명은, 용접 부위에 조사되는 레이저빔의 전체 발수를 줄일 수 있으므로, 레이저 용접에 소요되는 시간을 줄여 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 레이저 용접 방법을 나타내는 평면도.
도 2는 모재들과 레이저 헤드의 배치 양상을 나타내는 사시도.
도 3은 용접 포인트들이 1열을 이루도록 모재들을 용접하는 방법을 설명하기 위한 평면도.
도 4는 레이저빔의 에너지 분포를 설명하기 위한 그래프.
도 5는 모재들이 용접된 양상을 나타내는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ' 단면도.
도 6은 용접 포인트들이 복수의 열을 이루도록 모재들을 용접하는 방법을 설명하기 위한 평면도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.

도 2는 모재들과 레이저 헤드의 배치 양상을 나타내는 사시도이며, 도 3은 용접 포인트들이 1열을 이루도록 모재들을 용접하는 방법을 설명하기 위한 평면도이며, 도 4는 레이저빔의 에너지 분포를 설명하기 위한 그래프이며, 도 5는 모재들이 용접된 양상을 나타내는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ' 단면도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 용접 방법은, 모재들(10, 20)을 준비하는 단계; 및 모재들(10, 20)을 레이저 용접하는 단계를 포함한다. 이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 용접 방법을 이용해 동시에 레이저 용접 가능한 모재들(10, 20)의 개수는 특별히 한정되지 않는다. 이하에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 모재들(10, 20)을 레이저 용접하는 경우를 예로 들어 본 발명을 설명하기로 한다.

먼저, 모재들(10, 20)을 준비하는 단계는, 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 모재(10, 20)의 용접 부위(40, 50)가 서로 겹치도록 모재들(10, 20)을 배치하여 수행할 수 있다. 모재들(10, 20)의 재질은 한정되지 않는다. 예를 들어, 모재들(10, 20) 중 어느 하나는 알루미늄(Al) 재질을 가질 수 있고, 모재들(10, 20) 중 다른 하나는 구리(Cu) 재질을 가질 수 있다. 이러한 모재들(10, 20)은 micro 단위의 두께를 갖는 박판인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 모재들(10, 20)을 레이저 용접하는 단계는, 용접 부위(40, 50)에 미리 정해진 용접 간격(S)을 두고 설정된 복수의 용접 포인트들(P)에 각각 2발의 레이저빔(LV)을 빔 스팟들(T)이 미리 정해진 중첩 길이(L)만큼 중첩되도록 조사하여 모재들(10, 20)을 레이저 용접하여 수행한다.

이러한 모재들(10, 20)을 레이저 용접하는 단계는, 레이저 발진기(미도시)로부터 발진된 레이저빔(LV)을 레이저 헤드(30)를 이용해 용접 부위(40, 50)에 설정된 용접 포인트들(P)에 조사하여 수행할 수 있다. 레이저 헤드(30)는, 미리 정해진 스캔 영역에 레이저빔(LV)을 조사 가능한 스캔 헤드인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

용접 포인트들(P)은 용접 부위(40, 50)를 레이저 용접하기 위해 설정한 가상의 포인트들을 말한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 용접 포인트들(P)은 미리 정해진 용접 간격(S)을 두고 설정되며, 레이저 헤드(30)는 이러한 각각의 용접 포인트(P)에 2발의 레이저빔(LV)을 빔 스팟들(T)들이 미리 정해진 중첩 길이(L)만큼 중첩되도록 조사한다.

레이저빔(LV)이 용접 부위(40, 50)에 인가하는 단위 면적당 에너지는, 도 4에 도시된 바와 같이, 빔 스팟(T)의 광축(C)으로 갈수록 커지고 빔 스팟(T)의 외곽으로 갈수록 작아진다. 레이저 용접은, 용접 부위(40, 50)에 인가하는 단위 면적당 에너지가 Emax/e²인 이상인 빔 스팟(T)의 중심부 영역에 의해 주로 진행된다. 여기서, Emax란 에너지 레벨이 가장 높은 빔 스팟(T)의 광축(C) 영역이 용접 부위(40, 50)에 인가하는 단위 면적당 에너지를 말한다.

용접 포인트(P), 용접 간격(S) 및 중첩 길이(L)는 각각, 이러한 레이저빔(LV)의 에너지 특성을 고려하여, 용접 부위(40, 50)를 원활하게 레이저 용접 가능함과 동시에 레이저 용접 시 발생하는 열 변형을 최소화 가능하도록 설정한다.

예를 들어, 용접 포인트들(P)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 용접 방향을 따라 1열을 이루도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 용접 간격(S)은, 빔 스팟(T)의 직경(D)의 0.35 내지 0.5 배일 수 있다. 예를 들어, 중첩 길이(L)는, 빔 스팟(T)의 직경(D)의 0.2 내지 0.4배일 수 있다.

이처럼 설정된 용접 포인트(P), 용접 간격(S), 및 중첩 길이(L)를 기준으로 레이저 용접을 실시하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 2발의 레이저빔(LV)에 의해 용접 부위(40, 50)가 용융되어 형성된 용접 비드들(B)이 용접 포인트들(P)에 각각 형성된다. 그러면, 용접 비드들(B)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 용접 포인트들(P)과 같이 용접 방향을 따라 용접 간격(S)을 두고 1열을 이루게 된다.

용접 비드들(B)은 각각, 2발의 레이저빔(LV)에 의해 각각 형성된 2개의 단위 용접 비드들(B1)이 중첩 길이(L)만큼 중첩된 것과 유사한 형상을 갖는다. 이러한 용접 비드들(B)은 모재들(10, 20)을 접합시킬 수 있다.

아래의 표 1은 종래의 레이저 용접 방법(비교예)을 이용해 레이저 용접을 실시한 시료의 인장 강도와 본 발명의 제1 실시예에 레이저 용접 방법을 이용해 레이저 용접을 실시한 시료의 인장 강도를 나타낸다. 또한, 시료는 리드 재질을 가지며 중첩 부위가 서로 겹치도록 배치된 30장의 모재들이며, 중첩률은 빔 스팟의 직경에 대한 중첩 길이의 비를 말하며, 인장 강도는 용접 부위에 작용하는 인장력에 용접 비드들이 저항 가능한 강도를 말한다.

구분	속도	주파수	펄스폭	파워	용접 간격	중첩률	인장 강도
비교예	46.8 ㎜/s	40 ㎐	3.0 ms	3000 W	0 ㎜	22 %	164.1 N
제1실시예	46.8 ㎜/s	40 ㎐	3.0 ms	3000 W	0.957 ㎜	22 %	190~200 N

이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 용접 방법은, 용접 부위(40, 50)를 원활하게 용접할 수 있도록 각각의 용접 포인트(P)에 2발의 레이저빔(LV)을 빔 스팟들(T)이 중첩 길이(L)만큼 중첩되도록 조사함과 함께, 레이저빔(LV)으로 인한 열 변형이 최소화되도록 용접 포인트들(P) 사이에 용접 간격(S)만큼의 간격을 둔다. 이를 통해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 용접 방법은, 표 1과 같이, 용접 부위(40, 50)에 열 변형 및 이러한 열 변형으로 인한 크랙이 발생하는 것을 방지함으로써, 용접 부위(40, 50)의 인장 강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 용접 방법은, 빔 스팟들 사이에 간격을 두지 않고 레이저빔을 용접부위에 연속적으로 조사하는 종래의 레이저 용접 방법에 비해 용접 부위(40, 50)에 조사되는 레이저빔(LV)의 전체 발수를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 용접 방법은, 레이저 용접에 소요되는 시간을 줄여 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 6은 용접 포인트들이 복수의 열을 이루도록 모재들을 용접하는 방법을 설명하기 위한 평면도이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 용접 방법은, 용접 포인트들(P)의 설정 방법에 있어서 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 용접 방법과 차이점을 갖는다.

도 6에 도시된 바와 같이, 용접 포인트들(P)은 미리 정해진 용접 방향을 따라 지그재그로 위치하도록 미리 정해진 용접 간격(S)을 두고 설정될 수 있다. 이처럼 용접 포인트들(P)을 지그재그로 위치하도록 설정할 경우에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 용접 포인트들(P)이 2열 이상의 복수의 열을 이루도록 설정되는 것이 바람직하다. 용접 간격(S)은, 빔 스팟(T)의 직경(D)의 0.35 내지 0.5 배 인 것이 바람직하다.

레이저 헤드(30)는, 이처럼 설정된 각각의 용접 포인트(P)에 2발의 레이저빔(LV)을 빔 스팟들(T)이 미리 정해진 중첩 길이(L)만큼 중첩되도록 조사하여 모재들(10, 20)을 접합할 수 있다. 중첩 길이(L)는, 빔 스팟(T)의 직경(D)의 0.2 내지 0.4 배일 수 있다.

이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 용접 방법에 의하면, 레이저 용접에 의해 형성된 용접 비드들(B)이 2열 이상의 열을 이루도록 용접 방향을 따라 지그재그로 위치하게 된다. 따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 용접 방법은, 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 용접 방법에 비해 용접 부위(40, 50)의 인장 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10, 20 : 모재
30 : 레이저 헤드
40, 50 : 용접 부위
T : 빔 스팟
P : 용접 포인트
D : 직경
L : 중첩 길이
S : 용접 간격
C : 광축
B : 용접 비드
B1 : 단위 용접 비드

Claims

(a) 모재들을 준비하는 단계; 및
(b) 상기 모재들의 용접 부위에 미리 정해진 용접 간격을 두고 설정된 복수의 용접 포인트들에 각각 2발의 레이저빔을 빔 스팟들이 미리 정해진 중첩 길이만큼 중첩되도록 조사하여 상기 모재들을 레이저 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 용접 간격은 상기 빔 스팟의 직경의 0.35 내지 0.5 배인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 중첩 길이는 상기 빔 스팟의 직경의 0.2 내지 0.4 배인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 용접 포인트들은 미리 정해진 용접 방향을 따라 1열을 이루도록 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 용접 포인트들은 미리 정해진 용접 방향을 따라 지그재그로 위치하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제5항에 있어서,
상기 용접 포인트들은 상기 용접 방향을 따라 복수의 열을 이루도록 설정되는 것을 특징으로 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
각각의 모재의 용접 부위가 서로 겹치도록 상기 모재들을 배치하여 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.