KR20180125545A - 고온 균열 방지를 위한 출력 변조를 동반하는 강철의 레이저 용접 - Google Patents

고온 균열 방지를 위한 출력 변조를 동반하는 강철의 레이저 용접 Download PDF

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필립 샤이블
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 가공물(1)의 레이저 빔 용접을 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 가공물(1) 상으로 지향되는 레이저 빔(2)이 상기 가공물(1)에 대해 이동되어, 상기 가공물(1)은 용접 이음선(5)을 따라 용접되고, 용융 조(4)가 상기 가공물(1) 상에서 상기 레이저 빔(2)의 주변의 영역에 형성되고, 상기 용융 조(4)는 고유 진동 주파수(fco)를 구비하고, 상기 레이저 빔(2)의 레이저 출력(P)은 적어도 일시적으로 변조 주파수(f) 및 변조 진폭(Π)으로 변조되고, 식 (I)에서, Pmin: 변조 주기 도중의 최소 레이저 출력이고, Pmax: 변조 주기 도중의 최대 레이저 출력이며, 그리고 상기 가공물(1)은 강철, 특히 조질형 강철(QT steel) 또는 케이스 경화 강철로 제조된다. 상기 방법은, 상기 변조 주파수(f)가, 상기 용융 조(4)의 정규화된 고유 진동 주파수(Λco) 및 정규화된 변조 주파수(Λ)에 대해, Λ ≥ 2.2*Λco, 바람직하게 Λ ≥ 2.7*Λco 인 것이 적용되도록 선택되고, 식 (II)에서, v는, 상기 가공물(1)에 대한 상기 레이저 빔(2)의 진행 속도이고, df는, 상기 레이저 빔(2)의 레이저 빔 초점(6)의 직경이며, 그리고 식 (III)은, 상기 레이저 출력(P)의 변조 없이 상기 레이저 빔(2)에 의한 테스트 측정으로 결정되고, 여기서 fco test는, 상기 테스트 측정 도중의 측정된 고유 진동 주파수이고; df,co test는, 상기 테스트 측정 도중의 상기 레이저 빔 초점(6)의 직경이며; 그리고 vco test는, 상기 테스트 측정 도중의 상기 가공물(1)에 대한 상기 레이저 빔(2)의 진행 속도인 것을 특징으로 한다. 본 발명은, 강철 가공물들에서 고온 균열들의 형성이 용이하게 더욱 감소되는 것을 허용한다.

Description

고온 균열 방지를 위한 출력 변조를 동반하는 강철의 레이저 용접
본 발명은 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법에 관한 것으로서,
가공물 상으로 지향되는 레이저 빔이 가공물에 대해 이동되어, 가공물은 용접 이음선을 따라 용접되고,
용융 조(weld bath)가, 가공물 상에서 레이저 빔의 주변에 형성되고, 용융 조가는 고유 진동 주파수(fco)를 가지며,
레이저 빔의 레이저 출력은 적어도 일시적으로 변조 주파수(f) 및 변조 진폭(Π)[여기서, Π = 1 - Pmin/Pmax, Pmin: 변조 /주기 도중의 최소 레이저 출력, Pmax: 변조 주기 도중의 최대 레이저 출력]으로 변조되고,
그리고 가공물은 강철, 특히 조질형 강철 또는 케이스 경화 강철로 제조된다.
이러한 방법은 US 6,900,410 B2호로부터 공지되어 있다.
레이저 빔 용접은 특히, (높은 진행 속도에서) 빠르게 생성되어야 하거나 또는 약간의 열적 뒤틀림에만 종속되도록 가공물들을, 용접하기 위해 사용된다. 레이저 빔 용접을 사용하여, 좁고 얇은 용접 이음선 형태들이, 추가로 또한 생성될 수 있다.
레이저 빔 용접 도중에, 용융된 가공물 재료의 소위 용융 조가, 가공물 상에서 레이저 빔의 초점 주변에 생성된다. 이는 실질적으로, 가공물에 대해 전파되는 레이저 빔과 함께 이동하며; 레이저 빔으로부터 멀어지면, 가공물 재료는 다시 응고된다. 다시 응고되는 가공물 재료는, 용접 이음선을 형성한다.
가공물 재료의 응고 도중에, 소위 고온 균열들이 형성될 수 있을 것이다. 고온 균열들은, 용접 이음선의 강도를 상당히 악화시킬 수 있을 것이다. 그에 따라, 용접 이음선 내에서, 고온 균열들이 가능한 한 적게 유지되거나 또는 완전히 방지되도록 레이저 용접 프로세스를 수행하는 것이 바람직하다.
US 6,900,410 B2호는 레이저 빔 용접을 위한 방법을 설명하고, 여기서 레이저 출력은 펄스형으로 변조되며, 그리고 변조 주파수는 용융 조의 고유 진동 주파수에 대응한다. 이를 통해, 용접 결함, 특히 균열이 방지되어야 한다. 레이저 용접은 강철 플레이트에서 이루어진다.
DE 601 11 790 T2호(또한 US 6,483,072 B2호)는 레이저 출력이 주기적으로 펄스형으로 변화되는 레이저 용접 방법을 설명하고, 여기서 기본 출력은 피크 출력의 50% 이상이며, 출력 변동 주파수는 200 Hz 이하이다. 레이저 빔의 침투 깊이가 10 mm 이상으로 제안된다. 상기 방법은 용접 결함을 방지하기 위한 것이다.
DE 10 2009 056 592 A1호는, 출력 변조에 의해 금속 가공물의 레이저 용접 도중에 용융 조 내로의 에너지 입력을 제어하는 것을 제안한다. 레이저 출력 기저부 레벨에서, 더 높은 레이저 출력이 펄스형으로 중첩된다. 주파수로는 50 내지 500 Hz가 제안된다. JP H09 108872 A호는 또한, 레이저 용접에서의 펄스형 출력 변조를 제안한다. 아연 도금 강판은 약 50 Hz의 주파수에서 가공된다.
레이저-저널 4, 2013, P. 24-27의, 엠. 슈나이더의, "공구강에서 초내열 합금까지(From Tool Steel to Super Alloy)"로 명칭이 부여된 문헌에서, 레이저 빔 용접 도중에, 펄스화된 레이저를 사용하는 것 및 재료의 흡수 거동에 대한 맞춤을 수행하기 위해 열적 펄스 형성을 사용하는 것이, 제안된다. 후 펄스 위상들(post pulse phases)을 사용하여, 고온 균열들이 방지되도록 의도된다. 더불어, 레이저 출력의 변조에 의해, 용융 조 동력 및 결과적으로 응고 형태가 영향 받을 수 있다.
레이저 출력의 제안된 변조는 종종 균열 경향을 감소시킬 수 있지만, 그러나 많은 경우에 변조된 레이저 출력의 사용 시에도 가공물의 용접 이음선에는 여전히 상당한 양의 고온 균열이 발생한다. 이것은, 레이저 출력이 US 6,900,410 B2호에서 제안된 바와 같이, 용융 조의 고유 진동 주파수에 대응하는 주파수로 변조되는 경우, 특히 강철로 이루어진 가공물에 적용된다.
에이. 하이더(A. Heider) 외, 저널 오브 레이저 애플리케이션즈(Journal of Laser Applications), 27권, 2호로부터, 구리의 레이저 용접을 안정화시키기 위한 레이저 출력 변조가 제안되었다. 사인파형 변조가 적용되었다. 또한, 정규화된 변조 진폭(Π)과 정규화된 변조 주파수(Λ)를 고려하는 것이 제안되었다. 출력 변조의 적용은 또한 알루미늄 재료에 대해서도 제안되었고, 예를 들어 피. 스트릿(P. Stritt) 외, "알루미늄의 에지 근처 레이저 빔 용접에 대한 고온 균열 기준", 논문 워크샵 - 레이저 빔 용접 도중의 고온 균열 형성, 슈투트가르트 대학교 18.11.2014에 개시되어 있다. 40 Hz의 주파수를 갖는 사인파형 변조가 적용되었다.
엠. 쉐퍼(M. Schaefer) 외, "템퍼링된 강철의 레이저 용접에서의 고온 균열 형성에 대한 분석", 회의 논문, "제조 시의 레이저, 컨퍼런스 2015", 과학 레이저 기술 등록 협회(WLT)로부터, 고 빔 품질(2 mm*mrad의 빔 파라미터 곱셈값(beam parameter product)(SPP)) 및 높은 이미징 비율(high imaging ratio)을 갖는 레이저의 사용 시, 고온 균열이 방지될 수 있다는 것이 공지되어 있다. 또한, 관통 용접(through-welding) 도중에, 고온 균열이 관찰되지 않았다. 그러나, 고 품질의 레이저의 사용은 많은 비용이 들고, 변경된 좁은 이음선의 기하학적 형상을 필요로 하며; 또한 관통 용접은 특정 유형의 가공물에 대해서만 가능하다.
DE 10 2012 021 755 A1호로부터, 레이저 빔 용접 도중의 고온 균열을 방지하기 위해, 연속적인 용접 이음선들이 용접 이음선 섹션으로 조립되는 것이 공지되어 있으며, 여기서 직접적으로 서로 인접한 용접 이음선들의 생성 사이에 일시적인 중단이 유지된다. 이러한 방법은 복잡하며, 적합하게 빠른 스캐너 광학 장치를 필요로 한다.
본 발명의 목적은, 강철로 이루어진 가공물의 레이저 빔 용접 도중의 고온 균열의 형성을 간단한 방법으로 완전히 방지할 수 있을 때까지 더욱 감소시키는 것이다.
이러한 목적은, 도입부에 언급된 유형의 방법에 있어서,
변조 주파수(f)는, 용융 조의 정규화된 고유 진동 주파수(Λco) 및 정규화된 변조 주파수(Λ)에 대해, Λ ≥ 2.2*Λco, 바람직하게는 Λ ≥ 2.7*Λco인 것이 적용되도록 선택되고,
여기서 Λ = f*df/v이고, v: 가공물에 대한 상기 레이저 빔의 이동 속도이고, df: 레이저 빔의 레이저 빔 초점의 직경이며, 그리고
Λco = fco test*df,co test/vco test는, 레이저 출력의 변조를 동반하지 않는 레이저 빔에 의한 테스트 측정으로 결정되고, 여기서 fco test: 테스트 측정 도중의 측정된 고유 진동 주파수이고; df,co test: 테스트 측정 도중의 레이저 빔 초점의 직경이며; vco test: 테스트 측정 도중의 가공물에 대한 레이저 빔의 이동 속도인 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법에 의해 달성된다.
용융 조 진동은, 임의의 용접 스패터들(weld spatter)과 무관하게, (반대의 조치가 취해지지 않는 한) 레이저 빔 용접 도중에 일반적으로 발생하는, 용융 조의 실질적으로 주기적인 확대 및 축소이다. 이는, 예를 들어, 적합한 IR 카메라를 통해 열 그래픽적으로 검출될 수 있는, 용융 조 길이의 시간 진전에 의해 검출될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 강철로 이루어진 가공물의 레이저 빔 용접 도중의 변조 주파수(f) 또는 정규화된 변조 주파수(Λ)의 선택은, 고온 균열을 방지하기 위해 상당히 중요하다는 것이 밝혀졌다. 고유 진동 주파수(fco)(또는 정규화된 고유 진동 주파수(Λco))에 대응하는 변조 주파수(f)(또는 정규화된 변조 주파수(Λ))의 적용 시, 변조되지 않은 레이저 빔 용접에 비해 고온 균열의 일정한 감소가 이미 발생한다. 그러나, 정규화된 변조 주파수(Λ)가 용융 조의 정규화된 고유 진동 주파수(Λco)보다 상당히 크게 선택되는 경우, 고온 균열의 보다 명백한 감소가 달성될 수 있으며, 따라서 상당히 우수한 용접 이음선 품질이 달성될 수 있다.
용융 조는, 가공물이 레이저 출력의 변조를 동반하지 않는 레이저 빔으로 용접되지만, 임의의 용접 스패터와 무관하게, 그 외에 동일한 조건 하에서 용접되는 경우, 고유 진동 주파수(fco)로 진동한다. 고유 진동 주파수((fco)는 특히 가공물에 의존한다.
레이저 빔 용접 도중에 변조 주파수(f)의 본 발명에 따른 결정을 위해 중요한 것은, 오직 정규화된 주파수들의 비율들이다. 정규화된 고유 진동 주파수(Λco)는, 테스트 측정에 의해, 또한 경우에 따라서는 상이한 진행 속도 및/또는 레이저의 초점의 상이한 직경, 그리고 그렇지 않은 경우 실제의 후속 레이저 빔 용접 도중과 같은 동일한 조건에 의해, 사전에 결정될 수 있다. 테스트 측정 도중의 출력 변조는 적용되지 않지만; 평균 레이저 출력은 후속 실제 레이저 빔 용접에 대응한다. 테스트 측정 및 실제 (변조된) 레이저 빔 용접이, 동일한 진행 속도 및 레이저 빔 초점의 동일한 직경을 동반하는 가운데 일어나는 경우, fco = fco test이고, 단순하게는 f ≥ 2.2*fco test, 바람직하게는 f ≥ 2.7*fco test이 적용된다. 본 발명의 맥락에서 수행되는 테스트 측정은, 예를 들어 "샌드위치" 용접의 형태로 및/또는 열 그래픽적 측정 기술(thermographic measurement technology)에 의해 수행될 수 있다.
실제로, 변조 주파수(f)는 보통 5 내지 200 Hz이다. 변조는 일반적으로, 용접 이음선의 전체 레이저 용접 프로세스에 걸쳐 적용되지만; (일반적으로 고온 균열들을 생성하지 않는) 관통 용접 도중에는, 변조가 불필요하다.
본 발명에 따른 방법은 특히, 레이저에 대한 종래의 파워 제어 장치(예를 들어, 트럼프(TRUMPF) 사의 TruControl 소프트웨어)로 용이하게 구현 가능하며, 평균적인 빔 품질(예를 들어, 16 mm*mrad 또는 12 mm*mmrad ≤ SPP ≤ 20 mm*mrad의 빔 파라미터 곱셈값(SPP))로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 레이저 빔 용접은 종래의 가공 광학 장치(예를 들어, 시준 렌즈 및 포커싱 렌즈)로 수행될 수 있고; 추가적인 빔 형성 광학 장치는 필요하지 않다. 이음선 형상은 가능한 한 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 특히, 축 방향 원형 이음선 또는 반경 방향 원형 이음선을 생성하는데 사용될 수 있다. 가공된 가공물은 특히, 기어 구성요소들(예를 들어, 래칫 휠들 또는 중간 샤프트) 또는 레이저 용접된 강철 피스톤들일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예
본 발명에 따른 바람직한 변형예에서, 용융 조의 정규화된 고유 진동 주파수(Λco) 및 정규화된 변조 주파수(Λ)에 대해 또한, Λ ≤ 8.5*Λco, 바람직하게는 Λ ≤ 7.3*Λco 인 것이 적용된다. 정규화된 진동 주파수가 너무 크면, 실제로 고온 균열의 일정한 증가가 다시 관찰되었다. 전체적으로 조사된 강철 재료는 2.2*Λco ≤ Λ ≤ 8.5*Λco 구간, 바람직하게는 2.7*Λco ≤ Λ ≤ 7.3*Λco 구간에서 가장 바람직한 결과, 즉 가장 적은 고온 균열을 나타냈다.
또한, 정규화된 변조 주파수(Λ)에 대해 0.2 ≤ Λ ≤ 1.0인 것이 적용되는 변형예가, 바람직하다. 정규화된 변조 주파수가 0.2 미만인 경우, 실제로 용접 침투(welding penetration) 깊이의 상당한 변동을 나타냈으며, 이는 Λ ≥ 0.2인 경우에 방지될 수 있거나 또는 허용 가능한 최소값으로 감소될 수 있다. 정규화된 변조 주파수가 너무 큰 경우, 고온 균열의 증가가 관찰되었으며, 이는 Λ ≤ 1.0인 경우에 방지될 수 있다. 또한 바람직하게는 0.25 ≤ Λ ≤ 0.9, 그리고 특히 바람직하게는 0.3 ≤ Λ ≤ 0.8이다.
또한, 변조 진폭(Π)에 대해 Π > 0.5, 바람직하게는 Π ≥ 0.75, 특히 바람직하게는 Π ≥ 0.8인 것이 적용되는 변형예가, 유리하다. 이러한 정규화된 변조 진폭(Π)으로 특히 우수한 균열 방지가 이루어졌다. 바람직하게는 또한 Π ≥ 0.6이다.
마찬가지로, 변조 진폭(Π)에 대해 Π ≤ 0.95, 바람직하게는 Π ≤ 0.85, 특히 바람직하게는 Π ≤ 0.80인 것이 적용되는 변형예가 유리하다. 또한 이러한 정규화된 변조 진폭으로 특히 우수한 균열 방지가 이루어졌다. 바람직하게는 0.6 ≤ Π ≤ 0.95이고, 특히 0.75 ≤ Π ≤ 0.85이다. 바람직하게는 상기 방법은, 침투 용접 방식에서 전체적으로 수행되므로, 금속 증기 모세관은 언제든 붕괴되지 않는다.
바람직한 실시예에서, 레이저 빔 용접은, 1.0 mm < EST < 10.0 mm, 바람직하게는 3.5 mm < EST < 8.0 mm인, 용접 깊이(EST)를 갖도록 실행된다. 이러한 용접 깊이에서, 강철에서의 고온 균열들 방지는 종종 어렵지만; 본 발명에 따른 (정규화된) 변조 주파수의 선택과 더불어, 고온 균열 경향의 현저한 감소가 달성될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 레이저 용접 방법은, 전체 용접 프로세스 도중에 (열 전도 방식으로 전환되지 않고) 침투 용접 방식으로 유지하기에 적합하고, 이는 이음선 품질을 개선한다.
유리한 방식으로는, 일 변형예에서, 레이저 출력은 대략 사인파형으로 변조되고, 특히 상기 사인파형은 각 변조 주기당 적어도 12, 바람직하게는 적어도 18개의 보간점에 의해 근사화된다. 사인파형에 의해, 변조 시 고주파수 성분이 방지될 수 있는데, 이는 낮은 고온 균열 가능성을 위해 유리한 것으로 입증되었다. 보간점의 사용은 매우 간단하다. 대안적으로, 펄스형 변조가 또한 사용될 수 있다.
또한, 일 변형예에서, 바람직하게는 레이저 빔이 Nd-YAG 또는 Yb-YAG 레이저와 같은 고체 레이저에 의해 생성된다. 고체 레이저는, 강철 재료(특히 그 용융 및 증발 온도, 기계적 강도 등)에 대한 에너지 흡수 메커니즘과 관련하여 유리한 특성을 나타내며, 이는 균열 방지를 지원한다.
용접 이음선의 시작 경사부(start ramp) 및 단부 경사부를 가공하기 위한 변형예
특히 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법의 변형예에서, 용접 경로가 진행됨에 따라 용접 이음선의 시작 영역의 레이저 빔 용접 도중에, 레이저 빔의 평균 레이저 출력이 증가되고, 특히 선형적으로 증가되며, 용접 이음선의 단부 영역의 레이저 빔 용접 도중에, 레이저 빔의 평균 레이저 출력이, 용접 경로가 진행됨에 따라 감소되고, 특히 선형적으로 감소되며, 그리고 시작 영역과 단부 영역의 레이저 빔 용접 도중에, 레이저 출력은 변조되는 것을 제공한다.
(정규화된) 변조 주파수에 대한 이상에 설명된 사양에 따른, 본 발명에 따라 제공되는 레이저 출력의 변조는 또한, 중간 (평균) 레이저 출력이 연속적으로 또는 그렇지 않으면 여러 단계로 증가되거나 또는 감소되는, 용접 이음선의 시작 영역 및 단부 영역("경사부들")의 영역에서의 고온 균열들을 감소시키거나 또는 방지하는데 매우 양호하게 적합하다. 이는 특히, 시작 영역 또는 단부 영역이 2개의 용접 이음선 또는 용접 이음선 섹션의 중첩 영역에 위치하는 경우에, 적용된다. 경사부들은, 용접 프로세스를 균일하게 만들고, 이는 국부적인 용접 결함을 방지한다. 정규화된 변조 진폭(Π) 및 정규화된 변조 주파수(Λ)는 각각, 바람직하게 시작 영역 및 단부 영역을 포함하는 전체 가공물의 레이저 용접 도중에 동일하게 유지되고; 대안적으로, 용접 이음선의 상이한 섹션에 대한 변조 주파수(Λ)는, 출력 변조와 고유 진동의 주파수 비율을 서로에 대해 더욱 잘 맞추기 위해, 상이하게 선택될 수 있다.
이러한 변형예의 바람직한 추가적 개선예에서, 시작 영역과 단부 영역 사이의 용접 이음선의 중간 영역의 레이저 빔 용접 도중에도 레이저 출력은 변조되고, 중간 영역에서의 레이저 빔 용접은 침투 용접으로 이루어지는 것이 제공된다. 이를 통해, 고온 균열들이, 전체 용접 이음선 내에서 감소되거나 또는 방지될 수 있다. 침투 용접은, 레이저 빔이 가공물의 기저부에서 종료되고, 가공물을 관통하지 않는다는 것을 의미한다.
대안적인 추가적 개선예에서, 시작 영역과 단부 영역 사이의 용접 이음선의 중간 영역의 레이저 빔 용접 도중에 레이저 출력이 변조되지 않고, 중간 영역에서의 레이저 빔 용접이 관통 용접으로서 이루어지는 것이, 제공된다. 관통 용접의 영역에서, 본 발명자는 일반적으로 출력 변조를 동반하지 않는 경우에도 고온 균열을 관찰하지 못했으므로, 중간 영역에서 레이저 출력의 변조가 생략될 수 있다. 그러나, 시작 영역 및 단부 영역에서는 정규화된 변조 주파수에 대한 본 발명에 따른 조건에 의한 출력 변조가 적용되어야 한다. 용접 이음선의 시작 영역 및 단부 영역은 일반적으로, 침투 용접으로 실행된다. 관통 용접은 레이저 빔이 가공물을 관통하는 것을 의미한다.
또한, 중간 영역의 레이저 빔 용접 도중에 일정한 평균 레이저 출력이 적용되는 것인, 추가적 개선예가, 바람직하다. 이를 통해, 균일한 용접 이음선이 획득될 수 있다.
바람직한 추가적 개선예에서, 용접 이음선의 시작 영역 및 단부 영역은 각각 용접 이음선의 다른 부분과 중첩된다. 이어서, 용접 이음선은, 환형으로 폐쇄되도록 형성될 수 있다. 강철로 이루어진 가공물에서, 조인트 결합의 용접 이음선 중첩 부분 내에서의 균열들은 지금까지는 방지하기 어려웠다. 본 발명에 따른 방법에 의해, 균열들은, 용접 중첩 부분에서, 특히 설비 기술 및 시스템 기술에 관한 큰 투자 없이도, 간단한 방식으로 방지될 수 있다.
유리하게, 용접 이음선의 다른 부분들이 각각, 용접 이음선의 중간 영역에 속한다. 달리 표현하면, 경사부는 다른 경사부와 중첩되는 것이 아니라, 용접 이음선의 정상적인 부분과 중첩된다. 이는, 용접 이음선 내에서의 국부적인 약화를 방지하고; 용접 이음선은 특히, 고품질이 된다.
바람직하게, 용접 이음선은 축 방향 원형 이음선 또는 반경 방향 원형 이음선이며, 특히 시작 영역 및 단부 영역은 용접 이음선의 완전한 제조 이후에 원주 방향으로 직접적으로 서로 연속된다. 이러한 이음선 유형에 대해, 본 발명에 따른 방법은 특히 유용한 것으로 입증되었다. 시작 영역과 단부 영역이 서로 직접적으로 연속됨으로써, 이중 용접이 최소화될 수 있다.
마찬가지로 바람직한 추가적 개선예에서, 용접 이음선의 시작 영역 및/또는 단부 영역은 각각, 다른 용접 이음선의 부분들과 중첩된다. 이를 통해, 용접 이음선은 특히, 복잡한 가공물의 제조를 위해 서로 연결될 수 있다. 강철로 이루어진 가공물의 조인트 결합의 용접 이음선 중첩 부분에서의 균열은, 지금까지는 방지하기 어려웠다. 본 발명에 따른 방법에 의해, 균열들이, 용접 중첩 부분에서, 특히 장치 기술 및 시스템 기술의 큰 투자 없이도, 간단한 방식으로 방지될 수 있다.
바람직하게는, 각각의 다른 용접 이음선은 또한, 본 발명에 따라 경사부 형상의 시작 영역, 중간 영역 및 경사부 형상의 단부 영역으로 생성되고, 다른 용접 이음선의 각각의 부분들은, 다른 용접 이음선의 중간 영역에 속하며, 특히 다른 용접 이음선의 시작 영역 및 용접 이음선의 단부 영역은, 용접 이음선 및 다른 용접 이음선의 완전한 제조 이후에, 서로 직접적으로 연속되는 것이, 제공된다. 달리 표현하면, 하나의 경사부가 각각의 다른 용접 이음선의 다른 경사부와 중첩되는 것이 아니라, 각각의 다른 용접 이음선의 정상적인 부분과 중첩된다. 이를 통해, 결합된 용접 이음선의 국부적인 약화가 방지되고; 결합된 용접 이음선은 특히 고품질이 된다. 다른 용접 이음선의 시작 영역과 용접 이음선의 단부 영역이 서로 직접적으로 연속됨으로써, 이중 용접이 최소화될 수 있다.
또한, 가공물의 레이저 빔 용접 도중에 용융 조에 분배되는 부가적 재료가 공급되고, 특히 부가적 재료는 충전 와이어로서 공급되는 것인, 방법 변형예가, 유리하다. 부가적 재료에 의해 용접 이음선의 품질이 개선될 수 있고, 특히 개선된 강도가 달성될 수 있다. 부가적 재료는, 용접될 가공물 부분에 존재하지 않거나 또는 용접 이음선에 대해 원하는 농도로 존재하지 않는 화학 원소를 용융 조 또는 용접 이음선 내로 도입하는 것을 허용한다. 레이저 출력의 변조에 의해 용융 조 동력에 영향이 가해지며, 용접 이음선 또는 조인트 영역과 부가적 재료의 특히 양호한 혼합이 달성될 수 있다. 부가적 재료의 사용 시, 특히 π ≥ 0.7, 바람직하게는 π ≥ 0.8인 레이저 출력의 높은 변조 깊이가 특히 유용한 것으로 입증되었다. 부가적 재료 또는 충전 와이어는 특히, 니켈을 함유하거나 또는 실리콘을 함유할 수 있다.
이러한 변형예의 추가적 개선예에서, 가공물의 레이저 빔 용접 도중에 상이한 재료로 이루어진 2개의 가공물 부분이 서로 용접되는 것이, 제공된다. 공급된 부가적 재료에 의해, 부여된 특성을 갖는 용접 이음선이 형성될 수 있으므로, 2개의 가공물 부분의 재료에 대해 우수한 기계적 연결이 형성될 수 있다. 2개의 가공물 부분은 특히, 상이한 유형의 강철로 제조될 수 있다. 가공물 부분은 바람직하게, 레이저 빔의 방향에 대해 차례로 배치되며, 용융 조는, 전방 (상부) 가공물 부분을 통해 후방 (하부) 가공물 부분 내로 연장되고; 일반적으로 용융 조(또는 후속 용접 이음선)의 깊이 범위의 적어도 1/3이 후방 (하부) 가공물 부분에 존재한다. 또한 여기서 출력 변조와 관련하여, 용융 조의 양호한 혼합이 달성될 수도 있다.
유리하게, 가공물 부분 중 하나는, 강철, 특히 조질형 강철로 제조되고, 가공물 부분 중 다른 하나는, 비-강철 재료, 특히 알루미늄 합금으로 제조된다. 이러한 경우, 공급된 부가적 재료 및 본 발명에 따른 출력 변조에 의해 개선된 혼합으로 인해, 양호한 품질의 용접 이음선이 또한 생성될 수 있다.
본 발명의 추가의 이점들이 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다. 또한, 상기 언급된 특징 및 이하에 기술되는 특징은, 그 자체로 개별적으로 또는 임의의 복수의 조합으로 본 발명에 따라 사용될 수 있을 것이다. 도시되고 설명되는 실시예들은, 제한적인 열거로서 이해되도록 의도되지 않는 대신에, 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 특성의 것으로 이해되도록 의도된다.
본 발명은, 도면들에 도시되며, 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 도면들에서:
도 1은 2개의 상이한 변조 깊이에 대해, 정규화된 진동 주파수(Λco)가 0.109인 동일한 가공물 유형의 레이저 용접된 가공물의 상대적 균열 길이(상향으로 도시됨)를 정규화된 주파수(Λ)의 함수(우측으로 도시됨)로서 나타낸 그래프를 도시한다.
도 2는 상이한 정규화된 변조 주파수(Λ)로의 레이저 출력의 변조를 동반하여 용접된 가공물의 용접 이음선의 X-ray 이미지를 도시한다.
도 3은 본 발명의 설명을 위해 레이저 빔 용접 도중의 가공물의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 설명을 위해 레이저 빔 용접 도중의 가공물의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 5는 일정한 (변조되지 않은) 레이저 출력으로 용접된 가공물에서 시간의 함수(우측으로 도시됨)로서 실험적으로 결정된 용융 조 길이(상향으로 도시됨)를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 6은, 주파수(우측으로 도시됨)에 대한 각각의 주파수 성분에 대한 (푸리에) 진폭(상향으로 도시됨)을 보여주는, 도 5의 데이터의 푸리에 변환을 도시하는 그래프를 도시한다.
도 7은 정규화된 주파수(Λ)를 설명하는 그래프를 도시한다.
도 8은 정규화된 변조 깊이(Π)를 설명하는 그래프를 도시한다.
도 9는 본 발명을 위한, 축 방향 원형 이음선이 생성되어야 하는 가공물의 개략적인 도면을 도시한다.
도 10은, 침투 용접 시 2개의 용접 이음선의 중첩을 동반하는 예시적인 본 발명에 따른 레이저 용접에 대해, 각각 우측으로 도시되는, 위치의 함수로서, 각각 위로 도시되는, 평균 레이저 출력(상부) 및 변조된 레이저 출력(하부)을 도시하는 그래프를 도시한다.
도 11은 관통 용접 시 2개의 용접 이음선의 중첩을 동반하는 예시적인 본 발명에 따른 레이저 용접에 대해, 각각 우측으로 도시되는, 위치의 함수로서, 각각 위로 도시되는, 평균 레이저 출력(상부) 및 변조된 레이저 출력(하부)을 도시하는 그래프를 도시한다.
도 12는, 침투 용접 시 상이한 변조 주파수(우측)에서, 2개의 용접 이음선의 중첩 영역에서의 상대적 균열 길이(상향)를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 13은, 고온 균열 형성을 동반하는, 변조되지 않은 레이저 출력을 동반하는 침투 용접 시, 2개의 용접 이음선의 중첩을 갖는, 도 12의 그래프로부터의 가공물의 X-ray 이미지를 도시한다.
도 14는, 검출될 수 있는 고온 균열 형성이 없는, 114 Hz로 변조된 레이저 출력을 동반하는 침투 용접 시, 2개의 용접 이음선의 중첩을 갖는, 도 12의 그래프로부터의 가공물의 X-ray 이미지를 도시한다.
도 15는, 중첩 영역에서 고온 균열 형성을 동반하는, 변조되지 않은 레이저 출력을 동반하는 관통 용접 시, 2개의 용접 이음선의 중첩을 갖는, 가공물의 X-ray 이미지를 도시한다.
도 16은, 중첩 영역에서 고온 균열 형성이 없는, 변조된 레이저 출력을 동반하는 관통 용접 시, 2개의 용접 이음선의 중첩을 갖는, 가공물의 X-ray 이미지를 도시한다.
도 17은, S235JR 강철의 가공물 부분이 위로부터 X5CrNi18-10 강철의 가공물 부분 위에 부가적 재료의 추가 하에, 변조되지 않은 레이저 출력 a)에 의해 그리고 본 발명에 따른 변조된 레이저 출력 b)에 의해, 용접되는 것인, 용접된 용접 이음선을 따르는 종단면도를 도시한다.
도 1은, 용접 이음선의 레이저 빔 용접 도중에 사인파형으로 변조된 레이저 출력을 동반하는 경우의, 정규화된 주파수(Λ)의 함수로서, 고온 균열이 발생한 용접 이음선의 전체 길이에 대한 비율(상향으로 도시됨)인, 용접 이음선의 상대적 균열 길이를 그래프로 도시한다. 가공물은 42CrMoS4 유형의 조질형 강철로 각각 이루어졌고; 레이저 용접은 Yb-YAG 레이저로 이루어졌으며, 여기서 진행 속도는 각각 1 m/min 이었다.
변조를 동반하지 않는 경우, 상대적 균열 길이는 약 31%이다(정규화된 주파수 0에서 왼쪽의 삼각형 참조). 이 경우 정규화된 고유 진동 주파수(Aco)는, 0.109로 결정되었다.
0.8의 정규화된 변조 진폭(Π)(변조 깊이라고도 함)을 동반하는 경우(마름모 참조), 상대적 균열 길이의 양호한 감소가, 0.2 내지 1.0의 정규화된 주파수에서, 야기된다. 0.3, 0.4 및 0.8의 정규화된 주파수에서, 용접 이음선은, 실질적으로 균열을 갖지 않는다. 더 작은 정규화된 주파수 및 더 큰 정규화된 주파수에서, 균열 경향은 현저하게 증가한다.
특히, Aco에 매우 정확하게 대응하는 Λ=0.1에 대해, 약 16%의 상대적 균열 길이가 존재하는데, 이는, 변조되지 않은 경우와 비교하여 상당한 감소를 나타내지만, 0.2 < Λ < 1.0의 영역에서 달성 가능한 값들보다 상당히 더 높다.
0.3의 정규화된 변조 주파수(Λ)는 Aco의 약 2.7배에 대응하고, 0.8의 변조 주파수(Λ)는 Aco의 약 7.3배에 대응한다는 것을 알아야 한다.
0.5의 정규화된 변조 진폭(Π)(변조 깊이라고도 함)을 동반하는 경우(정사각형 참조), 변조되지 않은 경우와 비교하여 상대적 균열 길이의 부분적인 감소가 획득되었지만, 결과적인 상대적 균열 길이는, Π=0.8에 의해 달성 가능한 균열 길이보다 상당히 더 크다.
도 2에, 레이저 빔 용접된 가공물의 용접 이음선에 대한 X-ray 이미지들이 횡방향으로 도시되며, 여기서 각각은 상이한 정규화된 변조 주파수(Λ)를 동반하는 사인파형의 출력 변조가 적용되었다. 가공물은 또한, 42CrMoS4 조질형 강철로 구성되었고; 조사 깊이(EST)는 4 mm이었으며, 진행 속도는 4 m/min이고, 빔 파라미터 곱셈값은 16 mm*mrad이었다.
시간적으로 일정한 레이저 출력을 갖는 변조되지 않은 경우(연속파, cw)에서, 용접 이음선 내에서 수많은 연장된 고온 균열들이 인식될 수 있다. 고유 진동 주파수(fco test)는 약 31.9 Hz로 결정되었고, 정규화된 고유 진동 주파수(Aco)는 0.25 (df,co test=0.52 mm 및 vco test=4000 mm/60s, 구조용 강철/스테인리스 강철의 샌드위치 테스트 용접)이었다.
Λ=0.67 및 Λ=0.9인 경우에는, 용접 이음선 내에서 고온 균열들이 시인되지 않는다.
1.36 및 1.82의 보다 높은 정규화된 변조 주파수(Λ)에서, 고온 균열들이 다시 인식될 수 있고, Λ=1.82인 경우에는 거의 연속적이다. 따라서, 정규화된 변조 주파수(Λ)는 (다른 요구 사항, 특히 Aco에 대한 비율을 고려하여) 1.0 이하로 선택되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 레이저 빔(2)에 의한 가공물(1)의 용접 가공의 개요를 도시한다.
레이저 빔(2)은 용접 광학 장치(2a)로부터 가공물(1) 상으로 지향된다. 레이저 빔(2)은 표면으로부터 가공물(1) 내로 침투하고, 그 바로 주변에서 가공물 재료를 증발시킨다. 레이저 빔은 금속 증기 모세관(줄여서 모세관이라고도 함)(3)을 형성하며, 모세관은, 도시된 침투 용접의 경우, 기저부(3a)까지 연장된다(관통 용접의 경우, 레이저 빔은 가공물의 바닥에서 다시 유출되며, 이는 도시되지 않음). 모세관(3)의 주변에서 가공물 재료가 용융되고, 이에 의해 액체 가공물 재료의 소위 용융 조(4)가 형성된다. 레이저 빔(2)이 용접 도중에 가공물(1)에 대해 여기서는 좌측으로 이동되기 때문에, 용융 조(4)는 단면이 우측으로 감소된다. 용융 조(4)의 좌측 에지(4a) 및 하부 에지(4b)에서, 가공물 재료가 용융되는 가운데, 용융 조(4)의 우측 에지(4c)에서, 가공물 재료가 다시 응고된다. 이 경우, 고온 균열(11)이 용접 이음선 내에 발생할 수 있다.
레이저 빔 용접 도중에, 용융 조(4)의 크기는 일반적으로 일정하지 않고, (용융 조 표면 상의 임의의 용접 스패터들과 무관하게) 대략 주기적인 방식으로 변동하고; 이러한 현상은, 용융 조 진동으로서 알려진다. 용융 조 진동은, 특히, 변화 가능한 용융 조 길이(SL)로부터 식별될 수 있다. 많은 경우에, 용융 조 진동은, 예를 들어 모세관 깊이(KT)와 같은 모세관(3)의 크기와 상관되지만; 강하게 변조된 레이저 출력과 더불어, 용융 조 진동은, 특히 모세관(3) 근처에서, 출력 변조의 효과에 의해, 중첩되거나 또는 지배될 수 있다는 것을, 알 수 있을 것이다. 용융 조 진동은, 여기서는 용접 광학 장치(2a)와 기계적으로 결합되는 것인, 측정 시스템(8)에 의해 관찰될 수 있다.
소위 고유 용융 조 진동은, 본 발명의 맥락에서, 변조되지 않은 레이저 빔으로 용접되는 테스트 가공물에 대해 측정된다. 테스트 가공물에 대한 용접은, 실제 가공물의 후속 용접과 동일한 조건 하에 이루어지고(그러나 진행 속도 및 초점 직경과 관련해서는 상이할 수도 있는데, 왜냐하면 이들 파라미터는 정규화에 의해 보상될 수 있기 때문이다); 특히 빔 파라미터 곱셈값 및, 경우에 따라 경사부를 포함하는, 평균 레이저 출력은, 동일하게 선택되어야 한다.
테스트 가공물의 용접 시 관찰되는 고유 진동 주파수(fco test)는, 실제 가공물의 후속 용접에 적합한 변조 주파수(f)를 결정하기 위한 기초로서의 역할을 한다. 고유 진동 주파수(fco test)는 일반적으로, 용접 이음선의 용접에 대해 전체적으로 결정되며, 이에 대응하여 변조 주파수(f) 또한 실제 가공물의 전체적인 후속 용접에 대해 결정된다. 그러나, 고유 진동 주파수(fco test)는 또한, 시작 영역, 중간 영역, 단부 영역 또는 중첩 영역(아래에서 도 10, 도 11 참조)과 같은 용접 이음선의 개별 섹션에 대해 개별적으로 결정될 수 있고, 이에 대응하여 실제 가공물의 후속 용접을 위해 개별 섹션에 대해 각각, 개별적으로 변조 주파수(f)가 결정될 수 있다. 후자는 특히 용접 이음선의 상이한 섹션들의 고유 진동 주파수(fco test)가, 예를 들어 (작은 진동 주파수에 대해) 20% 이상 명백하게 서로 다른 경우에 이루어져야 한다. 특히, 시작 영역과 단부 영역이 침투 용접으로, 그러나 중간 영역이 관통 용접으로 이루어지는 경우, 시작 영역과 단부 영역에 대해서는 개별적으로 (또는 축 방향 원형 이음선 및 반경 방향 원형 이음선과 같은, 중간 영역이 없는 시작 영역과 단부 영역에 대해 공통적으로) 고유 진동 주파수(fco test)가 확인되어야 한다.
실제 가공물의 후속 용접 시, 테스트 가공물의 용접과 비교하여 용융 조 진동은, 본 발명에 따른 출력 변조에 의해 전형적으로 크게 감소되거나 또는 심지어 완전하게 보상된다. 요구되는 경우, 실제 가공물의 후속 용접 시, 품질 제어를 위해 용융 조 진동이 제어될 수 있다.
도 4는, 여기서 2개의 가공물 부분(1a, 1b)으로 이루어지며 그리고 용접 이음선(5)을 따라 용접되는, 도 3의 가공물(또는 테스트 가공물)(1)을 평면도로 도시한다. 레이저 빔 초점(6)은, 가공물(1)에 대해 좌측으로 이동하게 되어, 주로 레이저 빔 초점(6)의 우측에, 용융 조(4)가 형성된다. 용융 조의 크기는 여기에서, 실질적으로 가장 작은 범위(7)(실선으로 표시)와 가장 큰 범위(8)(점선으로 표시) 사이에서, 주기적으로 변동한다.
고유 진동 주파수(fco) 또는 정규화된 고유 진동 주파수(Aco)를 결정하기 위해, 용융 조 크기에 대한 시간적 진전을 나타내는 적합한 파라미터가 측정 시스템으로 검출된다. 가장 간단하게는, 이를 위해 용융 조 크기는, 직접적으로, 특히 열 화상 카메라로 검출된다. 예를 들어, 그의 온도가 가공물 재료의 용점 온도 위(또는 용점 온도와 증발 온도 사이)에 놓이는, 가공물 표면의 부분이, 규칙적으로 또는 연속적으로 검출될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 예를 들어, 단지 용점 온도(또는 응고 온도)가 지배적인 대향하는 재료 지점들 사이의 간격으로서, 예를 들어 용융 조 길이(SL) 또는 용융 조 폭(SB)을 검출하는 것으로 충분하다. 마찬가지로, 용융 조(4) 내의 레이저 빔 초점(6)의 위치에 대한 고정된 지점(9) 또는 용융 조(4)의 열 경로 내의 고정된 지점(10)에서, 규칙적으로 또는 연속적으로 온도를 검출하는 것이, 또한 가능하다. 이 경우, 전형적으로 고정된 지점들(9, 10)은, 레이저 빔 초점(6)의 직경(df)의 복수배(예를 들어, 적어도 2배 또는 적어도 4배)만큼, 레이저 빔 초점(6)의 에지로부터 이격되거나, 또는 (범위(7)의 경우에서의) 가장 작은 용융 조 길이(SL)의 적어도 1/4만큼, 용접 방향을 따라 레이저 빔 초점(6)의 에지로부터 이격된다. 고정된 지점들(9, 10)은, 반드시 그래야 하는 것은 아니지만, 용접 이음선(5)의 중심에 위치하게 될 수 있을 것이다.
도 5는, 출력 변조를 동반하지 않는 연속파 레이저(cw)에 의한 레이저 빔 용접 작업(다시, 재료는 42CrMoS4 유형의 강철, Yb-YAG 레이저, 4 mm의 EST 및 16 mm*mrad의 SPP임) 도중의 용융 조 진동에 대한 파라미터로서, 시간의 함수(우측으로 도시됨)로서, 열 감쇠 길이(thermal decay length)에 의해 열 그래픽적으로 결정되는, 용융 조 길이(SBL)(상향으로 도시됨)를 도시한다. 용융 조가 3 Hz보다 약간 많은 주파수로 진동하며, 용융 조 길이는 대략 변조 주기당 2 mm씩 진동한다는 것이, 이미 육안으로 확인될 수 있다.
용융 조 길이(SBL)는 여기서 증기 모세관의 전방 측부와 용융 조 단부 사이의 거리로 규정되었다. 용융 조 단부는, 여기서 가장 작은 반-폭 값(half-width value)을 갖는 (진행 방향에 수직인) 그러한 열 복사 강도 윤곽의 (레이저의 진행 방향에 대한) 위치에 놓이는 것으로 가정된다. 반-폭 값의 최소값은, 한편으로 예각으로 좁아지는 용융 조 형상으로부터 야기되며 그리고, 다른 한편으로 용융 조 후방의 넓은 열 경로의 생성으로부터 야기된다. 증기 모세관의 전방 측부의 결정은, 진행 방향에서의 강도 경로(course of intensity)를 통해 수행되며 그리고, 카메라 센서의 최대 측정 가능 강도가 처음으로 달성되는 위치에 의해 규정된다.
도 6에, 도 5의 용융 조 길이(SBL)의 푸리에 트랜스폼이 도시되며; 우측의 주파수 및 상향의 개별적인 주파수 성분의 (푸리에) 진폭이 지시된다.
약 3.6 Hz에서, 가장 강한 주파수 성분(피크), 말하자면 가장 큰 (푸리에) 진폭을 갖는 푸리에 스펙트럼의 지점이, 발생하고; 용융 조의 (고유) 진동 주파수는, 근접한 근사치로서, 이러한 주파수이다.
여기에서, 모든 주파수 성분들의 평균 진폭은 약 0.3이다. 한편, 용융 조 진동의 주파수(3.6 Hz에서 피크)에서의 진폭은, 약 2.4이다. 따라서, 용융 조 진동 주파수에서 관찰된 진폭 및 모든 주파수 성분의 평균 진폭의 몫으로서 계산되는, 약 8의, 정규화된 진폭이 생성된다. 이러한 정규화된 (푸리에) 진폭은, 요구되는 경우, 예를 들어, 품질 제어를 위한 용융 조 진동의 진폭의 측정값으로서 사용될 수 있다. 용융 조 진동의 작은 진폭은 일반적으로, 용접 이음선 내에서의 고온 균열들에 대한 낮은 확률과 연관된다.
레이저 출력 변조에 적합한 주파수(f)를 결정하기 위해서, 정규화된 주파수에 대한 고려가 이루어져야 한다. 레이저의 변조 주파수(f)는, 식 Λ = f*df/v 에 따라, 정규화된 주파수(Λ)로 변환될 수 있고, 여기서 df는 레이저 빔 초점의 직경을 나타내고, v는 레이저 빔 용접 도중의 가공물에 대한 레이저 빔의 (일정한) 진행 속도를 나타낸다(이를 위해 또한 도 7 참조). Λ의 역수는, 이 경우 레이저 빔 초점의 직경(df)이 변조 길이(IM) 내로 얼마나 자주 통과되는지 나타낸다. 변조 길이(IM)는, 레이저 출력(P)의 변조 주기 도중에 레이저 빔이 이동된 거리(도 7에서 x 방향 참조)를 나타낸다.
따라서, 정규화된 고유 진동 주파수(Λco)는, 테스트 측정의 구체적인 진동 주파수(fco)로부터 결정될 수 있다.
레이저 빔의 출력 변조를 특징짓기 위해, 정규화된 변조 진폭(Π)이 사용될 수 있다. 정규화된 변조 진폭은, Π = 1 - Pmin/Pmax 로 정의되고(도 8 참조), 여기서 Pmin는 변조 주기 도중의 최소 레이저 출력이고, Pmax는 변조 주기(예를 들어, 레이저 출력(P)의 하나의 최대값으로부터 다음 최대값까지의 시간) 도중의 최대 레이저 출력이다. 변조 주파수(f)(때로는 fM 라고도 함) 및 정규화된 변조 진폭(Π) 외에도, 레이저 출력에는, 본질적으로 레이저 출력(P)이 변조를 통해 변동함에 따른 출력인, 중간 (평균) 레이저 출력(Pav)이 할당될 수 있다. 도 8은, 사인파형 출력 변조를 도시하지만; 다른 변조 유형, 특히 펄스형 변조 또한 가능하다는 것을 알아야 한다.
도 9는, 본 발명의 맥락에서, 축 방향 원형 이음선이 용접되어야 하는 가공물(1)을, 개략도로 도시한다. 이를 통해, 관 형상의 가공물 부분(1a) 및 그 안에 삽입되는 완전한 원통형 가공물 부분(1b)은, 용접 이음선(5)을 따라 서로 견고하게 연결되어야 한다. 여기서는, 용접 이음선(5)이 특성들을 보다 잘 인식하기 위해 현실과는 상이하게 대략 펼쳐진 상태로 도시되었다는 것을, 유의해야 한다.
용접 이음선(5)은 시작 영역(91)에서 용접되고, 이어서 중간 영역(92)에서 용접되며, 마지막으로 단부 영역(93)에서 용접된다. 용접 이음선(5)은 그 자체로 중첩되어, 시작 영역(91)은 용접 이음선(5)의 (중간 영역(92)의) 부분(94)과 중첩되고, 단부 영역(93)은 용접 이음선(5)의 (중간 영역(95)의) 부분(95)과 중첩된다. 시작 영역(91)과 단부 영역(93)은 용접 이음선(5)의 원주 방향으로 서로 직접적으로 연속된다.
영역들(91/94)과 영역들(95/93)에서, 용접 이음선(5)은 "이중으로" 용접된다(중첩 영역(104) 참조). 그러나, 시작 영역(91)의 용접 도중에 레이저 출력은 올라가고, 단부 영역(93)의 용접 도중에 레이저 출력은 내려간다("경사부"). 본 발명에 따르면, 레이저 출력의 변조는 시작 영역과 단부 영역의 용접 도중에도 또한 발생한다.
이는, 예로서 도 10을 참조하여 확인될 수 있다. 이 도면은, 2개의 부분 그래프에서, 침투 용접 시 다른 (제2) 용접 이음선(100)과 중첩되는 (제1) 용접 이음선(5)의 용접 도중의, 시간의 함수로서(우측으로 도시됨) 레이저 출력(상향으로 도시됨)을 도시한다.
용접 이음선(5)은, 시작 영역(91), 중간 영역(92) 및 단부 영역(93)을 포함한다. 다른 용접 이음선(100)(점선으로 도시됨)은 차례로 시작 영역(101), 중간 영역(102) 및 단부 영역(103)을 포함한다. 중첩 영역(104)은, 시작 영역(101)과 중간 영역(92)의 부분(105)의 중첩부 및 단부 영역(93)과 중간 영역(102)의 부분(106)의 중첩부를 포함하고, 시작 영역(101)과 단부 영역(93)은 서로 직접적으로 연속된다.
도 10의 상부 그래프에서, 위치의 함수(우측)로서 중간 (평균) 레이저 출력(상향)이 도시된다. 시작 영역 및 단부 영역(91, 93, 101, 103)에서, P1에서 P2로 또는 그 반대로의 레이저 출력의 선형 변화가 제공되고("경사부"); 중간 영역에서의 평균 레이저 출력(P3)은, 각각의 경사부의 상부 단부에서의 출력(P2)에 대응한다. 도 10의 하부 그래프에서, 변조된 레이저 출력(상향)은, 위치의 함수(우측)로서 도시되고; 변조는 평균 레이저 출력에 대해 이루어지며, 여기서는 대략 0.8의 일반적으로 동일한 정규화된 변조 진폭(Π)으로 이루어진다(예를 들어, 600 W 내지 3000 W 사이의 중간 영역).
(적합한 변조 주파수(Λ)를 갖는) 변조에 의해, 가공물에서의 고온 균열 형성이, 시작 영역 및 단부 영역(91, 93, 101, 103)뿐만 아니라, 중간 영역(92, 102)에서도, 그리고 특히 중첩 영역(104)에서도 또한, 감소될 수 있거나 또는 줄어들 수 있다. 연속적인 변조는, 특히 중간 영역들(92, 102)에서도 가공물 내에 잔류하는 레이저 빔을 동반하며 그리고 특히 관통되지 않는, 침투 용접에 적합하다.
테스트 가공물의 측정을 위해, 도 10의 상부 그래프에 표시된 출력은, 변조를 동반하지 않는 가운데 적용될 수 있다.
도 11은, 도 10과 유사하지만 중간 영역에서의 관통 용접 시의, 다른 용접 이음선(100)과 중첩되는 용접 이음선(5)의 용접을, 2개의 부분적 그래프로 도시한다. 특히 도 10과의 차이점들이 설명될 것이다.
위치의 함수(우측)로서 평균 레이저 출력(상향)을 도시하는 도 11의 상부 그래프에서, 시작 영역(91, 101)의 단부에서의 평균 레이저 출력은, P2로부터 각각의 중간 영역(92, 102)의 증가된 일정한 레이저 출력(P3)으로, 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 증가된 일정한 레이저 출력(P3)은, 중간 영역들(92, 102)에서 가공물의 관통 용접을 유발하기 위해 충분하며, 즉 레이저 빔은, 가공물 너머로 다시 유출된다. P3에서 P2로의 레이저 출력의 비교 가능한 점프가, 단부 영역들(93, 103)의 시작 시에 발생한다.
관통 용접이 일어나는 중간 영역들(92, 102)에서, 관통 용접 시 일반적으로 문제의 고온 균열 형성이 발생하지 않기 때문에, 레이저 출력은 변조될 필요가 없다. 그러나, 침투 용접으로 수행되는 시작 영역 및 단부 영역들(91, 93, 101, 103) 그리고 특히 중첩 영역(104)에서는, 도 11의 하부 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 출력 변조가 발생한다. 이를 통해, 그곳에서 고온 균열 형성이, 감소될 수 있다.
시작 영역 및 단부 영역들(91, 93, 101, 103)에 대해, 고유 진동 주파수(fco test)는 일반적으로, 개별적으로 (중간 영역(92, 102)과는 무관하게) 변조 주파수(f)가 실제 가공물의 제조 도중에 적합하게 선택될 수 있도록, 테스트 가공물에 의해 사전에 결정된다. 경사부의 짧음이 각각의 고유 진동 주파수(fco test)의 결정을 어렵게 만드는 경우, 경사부의 고유 진동 주파수(fco test)는, 각각의 경사부의 최고 레이저 출력(P2)에서의 일정한 레이저 출력의 용접 프로세스에 의해 근사화될 수 있고; 이러한 최고 레이저 출력(P2)에서, 일반적으로 고온 균열의 형성에 대한 가장 큰 위험이 존재한다.
도 12는, 용접 이음선이 침투 용접으로 생성되는 것인, 상이한 변조 주파수(f)로의 출력 변조를 동반하는 레이저 빔 용접된 가공물에서, 2개의 용접 이음선의 중첩 영역에 대한 상대적 균열 길이(상향)를 그래프로 도시한다(도 10 참조). 가공물 재료는, 또한 42CrMoS4 유형의 조질형 강철이었고, Yb-YAG 레이저로, 4 mm*mrad의 SPP로, 이송 속도 4 m/min로 용접되었다.
57 Hz 및 114 Hz의 변조 주파수에서, 중첩 영역에서의 고온 균열들은 크게 방지될 수 있다. 대조적으로, 171 Hz의 높은 변조 주파수에서는, 중첩 영역에서의 상대적 고온 균열 길이의 상당한 증가가 발생했다. 출력 변조를 동반하지 않는 경우(좌측 0 Hz에서 도시됨), 약 63%의 현저한 고온 균열 길이가 발생했다. 고유 진동은, 변조를 동반하지 않는 경우, 약 19 Hz의 (평균) 고유 진동 주파수(fco test)에, 또한 약 0.033의 (평균) 정규화된 고유 진동 주파수(Λco)에 대응하는, 12-25 Hz의 영역에서 발생하였다(변조된 용접의 경우에서와 같이, df,co test=0.116 mm 및 fco test=4 m/min임).
도 13에, 도 12의 실험의 변조되지 않은 경우의 대한 전체 용접 이음선에 관한 X-ray 이미지가 횡방향으로 도시되고; 중첩 영역은 경사진 점선으로 표시되었다. 중첩 영역뿐만 아니라 단순히 용접된 영역(중간 영역)에서도, 고온 균열들이 명백하게 확인될 수 있다.
도 14는, 도 12의 실험의 114 Hz로 변조된 경우에 대한 전체 용접 이음선에 관한 X-ray 이미지를 도시하고; 중첩 영역은 다시 경사진 점선으로 표시된다. 실질적으로 고온 균열들이 존재하지 않는다.
도 15는, 관통 용접으로 생성된 2개의 중첩되는 용접 이음선을 갖는 측면으로부터의, 일반적인 가공물의 X-ray 이미지를 도시한다. 레이저 출력은, 심지어 경사부들에서도 변조되지 않았다. 가공물 재료는, 또한 42CrMoS4 유형의 조질형 강철이었고, Yb-YAG 레이저로, 4 mm*mrad의 SPP에서, 용접되었다. 경사진 점선으로 표시되는 중첩 영역(경사부 영역)에서, 고온 균열 형성이 명백히 시인 가능하다. 그러나, 용접 이음선의 단순히 용접된 영역(중간 영역)은, 관통 용접으로 인해, 고온 균열들 갖지 않는다.
도 16은, 또한 관통 용접으로 생성된 2개의 중첩되는 용접 이음선을 갖는 측면으로부터의, 일반적인 가공물의 X-ray 이미지를 도시한다. 레이저 출력은 이때, 경사부에서 Λ = 0.3으로 변조되었다. 가공물 재료는 또한, 42CrMoS4 유형의 조질형 강철이었고, Yb-YAG 레이저로, 6 mm*mrad의 SPP에서, 용접되었다. 경사진 점선으로 표시된 중첩 영역(경사부 영역)에서 그리고 또한 가공물의 나머지 부분에서도, 고온 균열들은 시인할 수 없다.
도 17은, 각각 용접된 용접 이음선을 따르는 종단면도 a) 및 b)를 도시하고, 여기서 S235JR 강철로 이루어지는 가공물 부분이 X5CrNi18-10 강철로 이루어지는 가공물 부분 상에 상부로부터, Ni 함유 충전 와이어(2.04806)의 공급을 동반하는 가운데, 변조되지 않은 레이저 출력 a)(레이저 출력 1.8 kW, SPP 16 mm*mrad) 및 본 발명에 따라 변조된 레이저 출력 b)(레이저 출력 1.8 kW, SPP 16 mm*mrad, 변조 진폭 Π=0.8, 정규화된 변조 주파수 Λ=0.4)에 의해 용접되었고, 두 경우 모두에서, 용접 속도는 1 m/min, 와이어 진행 속도는 4 m/min, 초점 위치는 -0.2 mm이었다. 가공물 부분들은 각각 2.5 mm의 두께를 가졌다 용융 조는, 상부 가공물 부분을 각각 관통했으며 그리고 하부 가공물 부분 내로 돌출되었다.
변조되지 않은 레이저 출력 a)의 경우, 페라이트계 및 오스테나이트계로 응고된 미세구조들 사이의 수많은 강한 선형 및 평면형 상 경계들(phase boundaries)이, 용접 이음선 내에서 확인될 수 있으며, 이는 용융 조의 적은 혼합을 입증한다. 그러나, 본 발명에 따라 변조된 레이저 출력 b)의 경우, 용접 이음선은, 거의 균일하게 나타나며, 이는 용융 조의 양호한 혼합을 나타낸다.

Claims (20)

  1. 가공물(1)을 레이저 빔 용접하는 방법으로서,
    상기 가공물(1) 상으로 지향되는 레이저 빔(2)이 상기 가공물(1)에 대해 이동되어, 상기 가공물(1)은 용접 이음선(5)을 따라 용접되고,
    용융 조(4)가, 상기 가공물(1) 상의 상기 레이저 빔(2)의 주변에 형성되고, 상기 용융 조(4)는 고유 진동 주파수(fco)를 가지며,
    상기 레이저 빔(2)의 레이저 출력(P)은 적어도 일시적으로 변조 주파수(f) 및 변조 진폭(Π)[여기서, Π = 1 - Pmin/Pmax, Pmin: 변조 /주기 도중의 최소 레이저 출력, Pmax: 변조 주기 도중의 최대 레이저 출력]으로 변조되고,
    그리고 상기 가공물(1)은 강철, 특히 조질형 강철 또는 케이스 경화 강철로 제조되는 것인, 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법에 있어서,
    상기 변조 주파수(f)는, 상기 용융 조(4)의 정규화된 고유 진동 주파수(Λco) 및 정규화된 변조 주파수(Λ)에 대해, Λ ≥ 2,2*Λco, 바람직하게는 Λ ≥ 2,7*Λco인 것이 적용되도록 선택되고,
    여기서, Λ = f*df/v이고, v: 상기 가공물(1)에 대한 상기 레이저 빔(2)의 진행 속도, df: 상기 레이저 빔(2)의 레이저 빔 초점(6)의 직경이며, 그리고
    Λco = fco test*df,co test/vco test는, 상기 레이저 출력(P)의 변조를 동반하지 않는 상기 레이저 빔(2)에 의한 테스트 측정으로 결정되고, 여기서 fco test: 상기 테스트 측정 도중의 측정된 고유 진동 주파수이고; df,co test: 상기 테스트 측정 도중의 상기 레이저 빔 초점(6)의 직경이며; vco test: 상기 테스트 측정 도중의 상기 가공물(1)에 대한 상기 레이저 빔(2)의 진행 속도인 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 용융 조(4)의 상기 정규화된 고유 진동 주파수(Λco) 및 상기 정규화된 변조 주파수(Λ)에 대해, Λ ≤ 8.5*Λco, 바람직하게는 Λ ≤ 7.3*Λco인 것이 또한 적용되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 정규화된 변조 주파수(Λ)에 대해, 0.2 ≤ Λ ≤ 1.0인 것이 또한 적용되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조 진폭(Π)에 대해, Π > 0.5, 바람직하게는 Π > 0.75, 특히 바람직하게는 Π > 0.8인 것이 적용되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변조 진폭(Π)에 대해, Π < 0.95, 바람직하게는 Π < 0.85, 특히 바람직하게는 Π < 0.80인 것이 적용되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔 용접은 용접 깊이(EST)를 동반하도록 수행되고, 여기서 1.0 mm < EST < 10.0 mm, 바람직하게는 3.5 mm ≤ EST ≤ 8.0 mm인 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 출력(P)은, 대략 사인파형으로 변조되고, 특히 상기 사인파형은, 각 변조 주기당 적어도 12개, 바람직하게는 적어도 18개의, 보간점에 의해 근사화되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(2)은, Nd-YAG 또는 Yb-YAG 레이저와 같은 고체 레이저에 의해, 생성되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 이음선(5)의 시작 영역(91)의 레이저 빔 용접 도중의 상기 레이저 빔(2)의 평균 레이저 출력(Pav)은, 용접 경로가 진행됨에 따라 증가되고, 특히 선형적으로 증가되며, 상기 용접 이음선(5)의 단부 영역(93)의 레이저 빔 용접 도중의 상기 레이저 빔(2)의 평균 레이저 출력(Pav)은, 용접 경로가 진행됨에 따라 감소되고, 특히 선형적으로 감소되며,
    상기 레이저 출력(P)은, 상기 시작 영역(91)과 상기 단부 영역(93)의 레이저 빔 용접 도중에 변조되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 시작 영역(91)과 상기 단부 영역(93) 사이의 상기 용접 이음선(5)의 중간 영역(92)의 레이저 빔 용접 도중에 또한, 상기 레이저 출력(P)은 변조되며, 그리고 상기 중간 영역(92)에서의 상기 레이저 빔 용접은, 용접 침투(welding penetration)로서 일어나는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 시작 영역(91)과 상기 단부 영역(93) 사이의 상기 용접 이음선(5)의 중간 영역(92)의 레이저 빔 용접 도중에, 상기 레이저 출력(P)은 변조되지 않으며, 그리고 상기 중간 영역(92)에서의 상기 레이저 빔 용접은, 관통 용접(through-welding)으로서 일어나는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  12. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 영역(92)의 레이저 빔 용접 도중에, 일정한 평균 레이저 출력(Pav)이 인가되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  13. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 이음선(5)의 상기 시작 영역(91) 및 상기 단부 영역(93)은 각각, 상기 용접 이음선(5)의 다른 부분(94, 95)과 중첩되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 용접 이음선(5)의 상기 다른 부분들(94, 95)은 각각, 상기 용접 이음선(5)의 상기 중간 영역(92)에 속하는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  15. 제 13항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 용접 이음선(5)은 축 방향 원형 이음선 또는 반경 방향 원형 이음선이며,
    특히 상기 시작 영역(91) 및 상기 단부 영역(93)은, 상기 용접 이음선(5)의 완전한 생성 이후에, 직접적으로 원주 방향으로 서로 연속되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  16. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 이음선(5)의 상기 시작 영역(91) 및/또는 상기 단부 영역(93)은 각각, 다른 용접 이음선(100)의 부분(106)과 중첩되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 각각의 다른 용접 이음선(100)은 또한, 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 생성되고, 상기 다른 용접 이음선(100)의 각각의 부분(106)은, 상기 다른 용접 이음선(100)의 중간 영역(102)에 속하며, 특히 상기 다른 용접 이음선(100)의 시작 영역(101) 및 상기 용접 이음선(5)의 상기 단부 영역(93)은, 상기 용접 이음선(5) 및 상기 다른 용접 이음선(100)의 완전한 생성 이후에 직접적으로 서로 연속되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공물(1)의 레이저 빔 용접 도중에, 상기 용융 조(4) 내에 분배되는 부가적 재료가 공급되고, 특히 상기 부가적 재료는, 충전 와이어로서 공급되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 가공물(1)의 레이저 빔 용접 도중에, 상이한 재료로 이루어지는 2개의 가공물 부분(1a, 1b)이, 함께 용접되는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 가공물 부분들(1a, 1b) 중의 하나는, 강철, 특히 조질형 강철로 이루어지고, 상기 가공물 부분들(1a, 1b) 중의 다른 하나는, 비-강철 재료, 특히 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가공물을 레이저 빔 용접하는 방법.
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