KR20190102902A - 레이저 용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 레이저 용접을 하고자 하는 모재를 준비하는 단계; 레이저 용접을 하고자 하는 모재의 틈이나, 또는 레이저 용접을 하고자 하는 모재와 모재 사이의 갭에, 용접 매체를 인가하는 단계; 상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 하는 단계를 포함하고, 상기 용접 매체는 유동성을 갖는 페이스트 또는 젤 타입으로 이루어져서 상기 용접 매체에 막(film) 형태로 도포되는 것이 가능한, 레이저 용접 방법을 제공한다.

Description

레이저 용접 방법{LASER WELDING METHOD}

본 발명은 레이저 용접 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도 1에 도시된 레이저 용접의 장점을 그대로 유지하면서도, 그 단점이였던 모재 간의 갭에 의한 용접 품질 산포가 적은 레이저 용접 방법, 즉, 레이저 용접 및 레이저 브레이징의 장점만을 갖는 신개념의 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

레이저(laser)는 Light Amplification by stimulated Emission of Radiation의 약어이다. 레이저 용접은 레이저 광선의 출력을 응용한 용접이다. 레이저 용접의 특징으로는 에너지 밀도가 높고, 고융점 금속의 용접이 가능하며, 용접 입열이 대단히 적고, 열 영향 범위가 좁으며, 열원이 빛의 빔이므로 투명재료를 통해서 어떤 분위기 속에서나 용접이 가능하다는 것 등이다. 현재 상태로는 소용량으로 전자부품과 같은 작은 물체의 용접에 적용되고 있고, 탄산가스 레이저 등이 큰 용량으로 이미 시판되어 주목을 끌고 있다.

도 1은 레이저 용접(laser welding)에 대해서 간략히 도시한 도면이다.

레이저 용접은 용접할 모재 사이를 쏘아 모재를 녹여서 용접하는 것으로, 용접 속도가 빠르며, 용접시 발생하는 열변형이 비교적 적다는 장점을 갖는다. 하지만, 레이저 용접은 용접시 모재간 갭의 영향에 따라 용접 품질이 크게 달라지고, 갭이 0.3mm 이상일 경우 용접이 불가능하다는 단점을 갖는다.

실제로 우리나라 현장에서 사용되는 자동차 프레임 제조 공정에서의 레이저 용접은, 특정 일부, 극히 일부 부위만 레이저 용접이 되어 있고, 나머지 용접 모재 간은 전혀 레이저 용접이 되지 않아서 결합 강도가 극히 낮은 실정이다.

도 2는 레이저 브레이징(laser brazing)에 대해서 간략히 도시한 도면이다.

레이저 브레이징은 레이저 용접시 브레이징 와이어(brazing wire)를 공급하여 용접을 하는 방법이다. 이와 같은 레이저 브레이징은 용접시 발생하는 열변형이 비교적 적고, 갭에 의한 용접 품질 산포가 적은 장점을 갖는다.

하지만, 브레이징 와이어를 공급하는 속도에 따라서 용접 속도 자체가 결정되는데, 기존의 레이저 용접은 빛 속도로 이루어지지만, 브레이징 와이어 공급은 아무리 빨라도 빛의 속도로 이루어지는 것은 아니므로 용접 속도가 느리다는 단점을 갖는다.

상술한 바와 같은 상황에서, 본 출원인은 도 1에 도시된 레이저 용접의 장점을 그대로 유지하면서도, 그 단점이였던 모재 간의 갭에 의한 용접 품질 산포가 적은 레이저 용접에 대해서 착안하게 되었다.

관련해서, 대한민국 공개특허 제10-2017-0102114호(발명의 명칭 : 이종 금속의 레이저 용접 장치)에 따르면, "해당 발명은, 이종 금속의 레이저 용접장치에 관한 것으로, 암(arm)에 연결되어 용접을 위해 적층된 이종(異種)의 제 1금속과 제 2금속 중 제 1금속에 레이저 빔을 조사하는 제 1레이저 용접부, 암에 연결되어 제 2금속에 레이저 빔을 조사하는 제 2레이저 용접부, 및 제 1금속과 제 2금속의 재질에 따라 제 1레이저 용접부에서 조사되는 레이저 빔과 제 2레이저 용접부에서 조사되는 레이저 빔의 출력값을 달리하는 빔 출력조절부를 포함하는 기술이 개시되어 있다. 해당 발명은 종래 기술과 달리 양측에서 레이저 빔을 조사하는 레이저 용접기를 이용하여 적층된 이종 금속의 접합을 용이하게 하고, 각 금속에 대응되는 레이저 빔의 출력을 상이하게 제어하여 각 금속의 최적 상태 접합을 유도함에 따라 접합력을 향상시킬 수 있으며, 레이저 용접기를 통해 적층된 금속을 밀착되게 가압함으로써 용접 불량을 방지할 수 있다"고 한다.

하지만, 레이저 용접의 문제점인 모재 간의 갭 문제, 접합의 문제를 해결하기 위해서 기계적, 물리적으로 서로 간의 금속을 가압하여 용접 불량을 해소하는 기술만 개시가 되어 있을 뿐이며, 본 출원인과 같은 착안이나 문제의식은 전혀 없는 것으로 보인다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-1321820호(발명의 명칭 : 레이저 브레이징 장치 및 방법)에 따르면, 해당 발명에서는 "레이저 열원을 이용하여 마그네슘 동종 혹은 이종 부품 연결부를 접합할 수 있고, 균일한 온도 제어를 통해 양호한 품질의 접합부를 형성하도록, 피접합물의 접합부에 용가재를 공급하는 용가재공급부와 플럭스를 공급하기 위한 플럭스 공급부, 상기 접합부에 레이저빔을 조사하기 위한 레이저조사부, 상기 레이저빔에 의하여 가열된 접합부의 온도를 측정하기 위한 온도측정기, 상기 온도측정기로부터 측정된 온도값에 따라 상기 레이저조사부를 제어하여 레이저빔의 출력을 조절하기 위한 제어기를 포함하는 레이저 브레이징 장치 및 방법"을 개시하고 있다.

하지만, 상술한 바와 같이, 레이저 브레이징의 새로운 기술에 대해서는 제시하고 있지만, 본 출원인이 착안한 것에 대해서는 전혀 고려하지 않는 것을 확인할 수 있다.

대한민국 공개특허 제10-2017-0102114호(발명의 명칭 : 이종 금속의 레이저 용접 장치) 대한민국 등록특허 제10-1321820호(발명의 명칭 : 레이저 브레이징 장치 및 방법)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 본 출원인은 도 1에 도시된 레이저 용접의 장점을 그대로 유지하면서도, 그 단점이였던 모재 간의 갭에 의한 용접 품질 산포가 적은 레이저 용접을 제공하는 것이다. 즉, 레이저 용접 및 레이저 브레이징의 장점만을 갖는 신개념의 레이저 용접을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 용접 방법은, 레이저 용접을 하고자 하는 모재를 준비하는 단계; 레이저 용접을 하고자 하는 모재의 틈이나, 또는 레이저 용접을 하고자 하는 모재와 모재 사이의 갭에, 용접 매체를 인가하는 단계; 상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 하는 단계를 포함하고, 상기 용접 매체는 유동성을 갖는 페이스트 또는 젤 타입으로 이루어져서 상기 용접 매체에 막(film) 형태로 도포되는 것이 가능하다.

또한, 상기 페이스트 또는 젤 타입으로 이루어진 상기 용접 매체를, 상기 용접 매체에 막 형태로 도포될 수 있도록, 스프레이 형태로 레이저 용접매체를 인가하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 레이저 용접을 하는 단계는, 2단계의 레이저 조사 단계를 포함하고, 해당 제 1 레이저 조사 단계에서는, 상기 용접 매체에서 유동성을 갖게 하는 성분들만을 증발시키고, 해당 제 2 레이저 조사 단계에서는, 상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 한다.

여기서, 상기 용접 매체는, 60중량% 내지 70중량%의 Cu,20중량% 내지 30중량%의 Ag, 1.5중량%의 Mn, 1.5중량%의 Fe, 3중량%의 Si, 1중량%의 Al, 1중량%의 Pb, 1중량%의 Zn, 1중량%의 Sn를 포함하고, 여기서 Cu및 Ag은 합이 90중량%가 되며, 상기 용접 매체는 페이스트 또는 젤 타입으로 교반 가능하게 되도록, 알코올 및 플럭스를 더 포함시킨다.

또한, 상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 하는 단계과 함께, Co2 및 아르곤으로 이루어진 쉴드 가스를 레이저 용접할 때 사용하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 레이저 용접 방법에 의하면,

도 1에 도시된 종래의 레이저 용접의 장점을 그대로 유지하면서도, 그 단점이였던 모재 간의 갭에 의한 용접 품질 산포가 적은 레이저 용접 방법, 즉, 레이저 용접 및 레이저 브레이징의 장점만을 갖는 신개념의 레이저 용접 방법을 제공할 수 있다.

다시 말해, 레이징 브레이징처럼 용접 속도가 느리지 않으면서도, 즉 레이저 용접 속도의 레이저(빛)의 속도로 용접이 이루어지고, 용접시 모재간 갭의 영향에 따라 용접 품질이 크게 달라지는 단점을 해소하는 것이 가능하게 되었다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 레이저 용접(laser welding)에 대해서 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 레이저 브레이징(laser brazing)에 대해서 간략히 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신개념의 레이저 용접을 설명한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 용접과 종래 기술을 서로 비교한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신개념의 레이저 용접을 설명한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 레이저 용접과 종래 기술을 서로 비교한 도면이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 용접 방법은, 레이저 용접을 하고자 하는 모재를 준비하는 단계(모재 준비 단계)를 포함한다. 이어서, 레이저 용접을 하고자 하는 모재의 틈이나, 또는 레이저 용접을 하고자 하는 모재와 모재 사이의 갭에, 용접 매체를 인가하는 단계(용접 매체 인가 단계)를 포함한다. 그 다음, 상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 하는 단계(레이저 용접 단계)를 포함한다.

여기서, 상기 용접 매체는 유동성을 갖는 페이스트 또는 젤 타입으로 이루어져서 상기 용접 매체에 막(film) 형태로 도포되는 것이 가능하다.

본 발명에서 종래의 레이저 용접의 문제점과 종래의 레이저 브레이징의 문제점을 해소하는 방법으로, 용접 매체가 유동성을 가지는 페이스트 또는 젤 타입으로 형성하여, 용접 매체에 막(film) 형태로 사전에 도포가 되도록 하여, 레이저 브레이징처럼 와이어 공급을 따른 물리적 시간을 필요로 하지 않게 하며, 나아가 전체적인 도포를 통해서 종래 레이저 용접이 어떤 부위에서는 접합이 되지만 대부분의 모재 간이 영역에서는 레이저 용접이 이루어지지 않는 문제점을 해소하게 한 것이다.

또한, 상기 페이스트 또는 젤 타입으로 이루어진 상기 용접 매체를, 상기 용접 매체에 막 형태로 전체적으로, 필요에 따라서는 특정 영역의 전체적으로 도포될 수 있도록, 스프레이 형태로 레이저 용접매체를 인가하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

스프레이 형태로 레이저 용접 매체를 인가한다는 것은, 서로 레이저 용접이 되는 2개의 용접 매체 중 어느 일측 또는 양쪽 모두에 균일하게 분무하면 얇은 피막이 형성되도록 하는 형태로 레이저 용접 매체를 인가한다는 것이다. 이를 통해서 자동화된 제조 공정 라인에서 공정을 효율화 하는 것이 가능하다. 레이저 용접 매체 인가시 작업자의 안전 등을 위해서 밀폐된 공간에서 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 용접 매체 인가 단계는, 레이저 용접 단계 이전에 또는 레이저 용접 단계와 동시에, 이루어지는 것이 가능하다. 통상은 제대로 된 용접 매체 인가를 위해서 레이저 용접 단계 이전에, 즉 사전에 용접 매체를 인가하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 레이저 용접을 하는 단계는, 2단계의 레이저 조사 단계를 포함하고, 해당 제 1 레이저 조사 단계에서는, 상기 용접 매체에서 유동성을 갖게 하는 성분들만을 증발시키고, 해당 제 2 레이저 조사 단계에서는, 상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 한다.

여기서, 상기 용접 매체는, 60중량% 내지 70중량%의 Cu, 20중량% 내지 30중량%의 Ag, 1.5중량%의 Mn, 1.5중량%의 Fe, 3중량%의 Si, 1중량%의 Al, 1중량%의 Pb, 1중량%의 Zn, 1중량%의 Sn를 포함하고, 여기서 Cu 및 Ag은 합이 90중량%가 된다. 이를 통해서 용접 매체의 총합은 100중량%가 된다.

상기 용접 매체는 페이스트 또는 젤 타입으로 교반 가능하게 되도록, 알코올 및 플럭스를 더 포함시켜서 유동성을 갖게 만든다. 알코올 및 플럭스의 인가 비율을 과도하게 할 경우, 용접 모재간, 즉 레이저 용접할 영역에 잔존하지 않고 흘러 내릴 가능성이 존재하며, 알코올 및 플럭스의 인가 비율을 너무 적게 할 경우, 용접 모재간에 막 형태로 도포되지 않고 특정 영역에만 머무르게 되는 문제점을 갖는다.

상술한 바와 같이 용접 매체를 스프레이 형태로 인가하는 경우에도 스프레이 가능한 점도로 알코올 및 플럭스를 포함하여야 하지만, 알코올 및 플럭스의 인가 비율을 과도하게 할 경우, 용접 모재간, 즉 레이저 용접할 영역에 잔존하지 않고 흘러 내릴 가능성이 존재하며, 알코올 및 플럭스의 인가 비율을 너무 적게 할 경우, 용접 모재간에 막 형태로 도포되지 않고 특정 영역에만 머무르게 되는 문제점을 갖는다.

따라서, 상기 용접 매체는 레이저 용접이 이루어질 용접 매체에 막 형태로 도포가 가능한 점도의 유동성을 갖는 페이스트 또는 젤 타입으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 하는 단계과 함께, Co2 및 아르곤으로 이루어진 쉴드 가스를 레이저 용접할 때 사용하는 단계를 더 포함한다.

상술한 신기술을 이용한 레이저 용접 방법은, 유동성을 갖는 용접 매체를 인가함으로써, 용접 모재 간의 갭 영향 없이 용접하는 것이 가능하며, 모재의 용융에 촉매 역할을 하는 것이 가능하다. 이를 통해서 용접의 작업성 및 품질 개선이 가능하게 된다.

이상과 같이, 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 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (5)

1. 레이저 용접을 하고자 하는 모재를 준비하는 단계;
   레이저 용접을 하고자 하는 모재의 틈이나, 또는 레이저 용접을 하고자 하는 모재와 모재 사이의 갭에, 용접 매체를 인가하는 단계;
   상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 하는 단계를 포함하고,
   상기 용접 매체는 유동성을 갖는 페이스트 또는 젤 타입으로 이루어져서 상기 용접 매체에 막(film) 형태로 도포되는 것이 가능한,
   레이저 용접 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 페이스트 또는 젤 타입으로 이루어진 상기 용접 매체를, 상기 용접 매체에 막 형태로 도포될 수 있도록, 스프레이 형태로 레이저 용접매체를 인가하는 단계를 포함하는,
   레이저 용접 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 레이저 용접을 하는 단계는, 2단계의 레이저 조사 단계를 포함하고,
   해당 제 1 레이저 조사 단계에서는, 상기 용접 매체에서 유동성을 갖게 하는 성분들만을 증발시키고, 해당 제 2 레이저 조사 단계에서는, 상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 하는 것을 특징으로 하는,
   레이저 용접 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 용접 매체는, 60중량% 내지 70중량%의 Cu, 20중량% 내지 30중량%의 Ag, 1.5중량%의 Mn, 1.5중량%의 Fe, 3중량%의 Si, 1중량%의 Al, 1중량%의 Pb, 1중량%의 Zn, 1중량%의 Sn를 포함하고, 여기서 Cu 및 Ag은 합이 90중량%가 되며,
   상기 용접 매체는 페이스트 또는 젤 타입으로 교반 가능하게 되도록, 알코올 및 플럭스를 더 포함시킨 것을 특징으로 하는,
   레이저 용접 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 용접 매체를 이용하여 상기 모재들간의 레이저 용접을 하는 단계과 함께, Co2 및 아르곤으로 이루어진 쉴드 가스를 레이저 용접할 때 사용하는 단계를 더 포함하는,
   레이저 용접 방법.

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