KR20190129603A

KR20190129603A - 레이저 용접용 안티 스패터 조성물

Info

Publication number: KR20190129603A
Application number: KR1020180054494A
Authority: KR
Inventors: 김홍일
Original assignee: 한국자재산업 주식회사
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2019-11-20
Also published as: KR102049341B1

Abstract

금속이나 플라스틱 소재를 레이저 용접할 때 발생되는 스패터의 형성을 방지하는 안티 스패터 조성물로서, 알키드 수지(Alkid Resin), 에틸렌 글리콜 알킬 에테르(Ethylene glycol alkyl ether), 아세톤(Acetone), 트리에탄올아민(Triethanol amine), 디메틸 에테르(Dimethyl ether) 및 실리카(silica)를 포함하는 레이저 용접용 안티 스패터 조성물을 제공한다.

Description

레이저 용접용 안티 스패터 조성물{Anti-spatter Composition for Laser Welding}

본 발명은 금속이나 플라스틱 소재를 레이저 용접할 때 발생되는 스패터의 형성을 방지하는 안티 스패터 조성물로서, 알키드 수지(Alkid Resin), 에틸렌 글리콜 알킬 에테르(Ethylene glycol alkyl ether), 아세톤(Acetone), 트리에탄올아민(Triethanol amine), 디메틸 에테르(Dimethyl ether) 및 실리카(silica)를 포함하는 레이저 용접용 안티 스패터 조성물에 관한 것이다.

용접이랑 금속, 유리, 플라스틱 등을 열과 압력으로 접합하는 기술로서, 접합하고자 하는 모재에 열과 압력을 가하여, 용융시킨 후 이를 굳혀 접합시킨다.

용접법은 크게, 모재를 용융시키는 에너지원의 종류에 따라, 아크용접, 원자수소 용접, 탄소 아크 용접, 플라즈마 아크 용접, MIG 용접, TIG 용접 또는 레이저 용접 등이 있다.

레이저 용접은 레이저를 이용하여 용접부를 가열하는 방법으로서, 레이저 빔을 이용함으로써, 가열되는 열량이 작고, 깊숙히 녹일 수 있는 장점을 가져, 자동차부품, 항공부품 등에 널리 응용되고 있다.

용접을 진행할 때에는 필연적으로 용융된 모재가 비산되는 문제가 발생되는데, 용접부위 외의 모재의 표면이나 주변에 용융된 모재가 비산되면 용접부위가 깔끔하지 못한 문제가 있고, 주변 환경에 따라서는 화재를 발생시킬 수 있는 문제가 있다.

용접 중에 전류, 전압의 조합이 적절치 않은 경우, 용접봉이나 와이어의 용융 금속이 용접부 모재에 정상적으로 용착되지 않고 사방으로 튀어 비산되거나 주위에 작은 덩어리의 상태로 일부 녹아 붙어 있거나 가볍게 붙어있는 것을 소위 스패터(spatter)라고 하는데 스패터의 부착을 방지하기 위해 다양한 기술들이 적용되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1713225호는 스패터 부착 방지형 용접팁의 제조방법으로서, MIG 용접법의 하나인 CO₂용접 토치용 용접팁을 제조방법을 개시하고 있다. 구체적으로, 용접팁에 스패터가 부착되는 것을 방지하고, 부착되더라도 제거가 용이하도록 CO₂토치의 용접팁의 표면에 PTFE계 불소수지 바인더와 칼슘 카보네이트, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐을 포함하는 코팅층을 형성한 것을 개시하고 있다.

대한민국 공개특허 제1986-0000137호는 스파타부착 방지용 수분산성 수지 조성물로서, 지방산, 일염기산, 다염기산, 다카알코올 및 에폭시화학물을 에스테르화 반응시켜 얻어진 수지조성물을 pH 6-9 범위 이내에서 중화한 후 물로 희석하여 얻어지는 조성물로서, 금속 용접시 스패터 부착 방지 효과를 갖는 조성물을 개시하고 있다.

그러나, 이는 시중에서 판매되는 알키드 수지 베이스의 안티 스패터 조성물과 마찬가지로, 레이저 용접법을 제외한 기존의 아크 용접, 플라즈마 용접 방법에만 한정적으로 적용이 가능할 뿐, 레이저 빔은 빛을 이용하여 모재를 가열하는 방식인 바, 상기 조성물로 코팅된 모재에 레이저 빔을 사용하면 레이저 빔의 분산에 따라 용접이 불가하거나, 사고 발생의 위험이 있다.

따라서, 용접의 품질을 현저히 저감시키고, 용접 공정 중의 안전 사고 발생의 위험을 방지할 수 있으면서도, 활발히 사용되는 용접 기술인 레이저 용접방법에도 적용이 가능한 스패터 부착 방지 기술 개발이 필요한 상황이다.

대한민국 등록특허 제10-1713225호 대한민국 공개특허 제1986-0000137호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명은 금속 또는 플라스틱의 용접 과정에서 발생되는 스패터가 형성되는 것을 최소화하여, 스패터의 부착을 방지함과 동시에, 용접과정에서 발생될 수 있는 안전 사고를 방지할 수 있는 안티 스패터 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 스패터가 형성되는 경우에도 모재의 표면에서 제거가 용이하도록 하는 모재 표면의 코팅층을 구성하는 안티 스패터 조성물에 관한 것이다.

본 발명은 스패터의 부착을 방지함으로써, 용접 품질을 향상시키고 용접과정 후 스패터 제거에 소모되는 공정을 생략함으로써, 용접공정의 공정효율성을 향상시키는 안티 스패터 조성물에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 플라즈마 용접, MIG 용접, MAG 용접 및 TIG 용접 방법에도 적용이 가능할 뿐만 아니라, 빛을 열원으로 사용하는 레이저 용접 방법에도 적용이 가능한 안티 스패터 조성물에 관한 것이다.

따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안티 스패터 조성물은 알키드 수지(Alkid Resin), 에틸렌 글리콜 알킬 에테르(Ethylene glycol alkyl ether), 아세톤(Acetone), 트리에탄올아민(Triethanol amine), 디메틸 에테르(Dimethyl ether) 및 실리카(silica)를 포함한다.

상기 알키드 수지는 펜타에리스리톨 및 무수프탈산의 공중합체일 수 있다.

상기 에틸렌 글리콜 알킬 에테르는 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다.

한편, 상기 본 발명에 따른 레이저 용접용 안티 스패터 조성물은 조성물 전체 중량을 기준으로, 상기 알키드 수지는 10 내지 40 중량%, 상기 에틸렌 글리콜 알킬 에테르는 1 내지 20 중량%, 상기 아세톤은 25 내지 40 중량%, 상기 트리에탄올아민은 0.01 내지 5 중량%, 상기 디메틸 에테르는 25 내지 40 중량%, 상기 실리카는 0.1 내지 10 중량%로 포함할 수 있다.

상기 실리카는 5 내자 30 마이크로미터의 평균입경을 가지는 것일 수 있고, 상기 실리카는 메타크릴레이트 기로 표면 개질된 것일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 용접용 안티 스패터 조성물은 금속 또는 플라스틱의 용접 시 스패터의 발생을 최소화하여 모재에 스패터가 부착되는 것을 방지하고, 안전 사고의 발생을 예방하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접용 안티 스패터 조성물은 기존의 스패터 부착 방지제의 사용이 가능하였던 플라즈마 용접, MIG 용접, MAG 용접 및 TIG 용접 방법에 적용이 가능할 뿐만 아니라, 빛을 사용함에 따라 기존의 스패터 부착 방지제의 적용이 불가하였던 레이저 용접 방법에도 적용이 가능하다.

스패터의 부착을 효과적으로 방지함으로써 용접 품질을 향상시키고 용접 공정에서 필수적으로 수반되었던 스패터의 제거 과정을 수행하지 않게 됨에 따라, 공정 효율성이 향상되는 장점이 있다.

이하에서, 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명은 용접 과정에서 스패터의 발생을 방지하도록 모재의 표면에 코팅층을 형성하는 안티 스패터 조성물에 관한 것이다. 기존에 상용화된 안티 스패터 조성물은 수지와 메틸렌 클로라이드(Methylene Chloride)로 구성되어 있었고, 메틸렌 클로라이드의 발암성 문제로 인해 사용이 제한되는 문제가 있었다.

또한, 앞서 언급한 바와 같이, 기존의 안티 스패터 조성물은 아크 용접 등에는 적용이 가능하였던 반면, 레이저 빔을 이용하는 레이저 용접 방법의 경우, 안티 스패터 조성물로 모재의 표면에 코팅층을 형성하면, 레이저 빔이 분산되거나 반사되어 용접이 어렵거나, 안전 사고 발생의 우려가 있어 적용이 어려웠다.

그러나, 본 발명에 따른 레이저 용접용 안티 스패터 조성물은 알키드 수지(Alkid Resin), 에틸렌 글리콜 알킬 에테르(Ethylene glycol alkyl ether), 아세톤(Acetone), 트리에탄올아민(Triethanol amine), 디메틸 에테르(Dimethyl ether) 및 실리카(silica)를 포함함으로써, 기존의 용접 방법뿐만 아니라, 레이저 용접 방법에도 적용이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 용접용 안티 스패터 조성물은, 융접, 브레이징, 솔더링에도 적용이 가능하고, 레이저 용접 방법이 적용될 수 있는 연강, 스테인리스 스틸, 비철금속 등의 금속 소재뿐만 아니라, 플라스틱 소재 등과 같은 비금속 소재에도 적용이 가능하다.

구체적으로, 상기 알키드 수지는 알코올계 단량체와 카르복실산계 단량체를 중합하여 얻어지는 수지 조성물을 의미하는데, 다가 알코올과 다염기산으로 얻어지는 공중합체 수지를 의미한다. 일반적으로 도료에 사용되는 수지의 하나로서, 지방산, 다가알코올, 다염기산의 에스테르화 반응으로 형성된다. 주로 지방산 성분으로, 식물계 유지를 이용한 수지가 많다.

본 발명에 따른 알키드 수지는, 펜타에리스리톨 및 무수프탈산의 공중합체인 것일 수 있고, 더욱 상세하게는 아마씨 오일(Linseed Oil)의 존재 하에 펜타에리스리톨 및 무수프탈산을 공중합하여 얻어진 알키드 수지일 수 있다.

다가 알코올은 한 분자 내에 다수의 히드록시기를 가진 화합물을 의미하는 것으로, 글리세롤, 다이올 또는 펜타에리스리톨 등을 예시할 수 있으며, 본 발명에 따른 알키드 수지는 펜타에리스리톨을 단량체로 중합한 알키드 수지인 것이 바람직하다.

다염기산은 한 분자 내에 다수의 카르복실기를 가진 화합물을 의미하는 것으로서, 다수의 카르복실산을 가지는 화합물이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 산 무수물일 수 있다. 구체적으로 본 발명의 알키드 수지의 경우에는 무수프탈산을 단량체로 중합한 알키드 수지일 수 있다.

상기와 같은 단량체로 중합된 알키드 수지를 포함함으로써, 레이저 용접에 적용하더라도 레이저 빔의 반사와 분산없이 스패터의 발생을 방지하고, 스패터의 부착을 억제하는 효과를 가진다.

구체적으로, 상기 알키드 수지는 펜타에티스리톨과 무수프탈산이 1: 0.5 내지 3의 중량비율로 혼합하여 공중합시킨 것일 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 알키드 수지는 중량 평균 분자량인 5,000 내지 15,000 범위일 수 있고, 본 발명에 따른 레이저 용접용 안티 스패터 조성물의 전체 중량을 기준으로 10 내지 40 중량%로 포함될 수 있다.

바람직하게는 15 내지 35 중량%로 포함될 수 있고, 가장 바람직하게는, 20 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.

상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 도료의 건조성이 떨어짐에 따라 용접 공정을 장시간 수행해야 하는 단점이 있고, 도료의 도포시 작업성이 떨어지는 문제가 있다. 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는 레이저 용접시 레이저 빔을 분산시켜 모재의 용융에 소요되는 시간이 길어짐에 따라 용접 작업성이 떨어지는 문제가 있다.

한편, 상기 에틸렌 글리콜 알킬 에테르는 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것일 수 있다. 에틸렌 글리콜의 두 히드록시 기가 에테르화된 것이든, 하나만이 에테르화된 것이든 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 하나의 히드록시기만이 에테르화된 에틸렌 글리콜 모노 알킬 에테르일 수 있고, 더욱 상세하게는 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르일 수 있다.

상기 에틸렌 글리콜 알킬 에테르는 조성물의 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 3 내지 15 중량%, 가장 바람직하게는 5 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.

상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 용접의 열원을 코팅층에 조사하면 발화가 일어날 수 있는 문제점이 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는 스패터 발생이 억제되지 않아 다량의 스패터가 발생되는 문제가 있다.

본 발명에 따른 레이저 용접용 안티 스패터 조성물은 아세톤과 디메틸 에테르를 포함한다. 아세톤은 휘발성의 케톤계 용제이고, 디메틸 에테르는 상온에서는 기체 상을 가지는 물질이다. 여기에 트리에탄올아민을 함께 혼합한 조성물이다.

상기 아세톤은 본 발명에 따른 조성물의 전체 중량을 기준으로 25 내지 40 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 27 내지 38 중량%, 가장 바람직하게는 30 내지 35 중량%로 포함될 수 있다.

상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는 휘발성이 강하여, 작업과정에서 화재의 위험이 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는 디메틸 에테르를 충분히 용해시키기 못함에 따라, 용접 열원에 의해 디메틸 에테르 가스에 의한 화재 위험이 있다.

상기 디메틸 에테르는 25 내지 40 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 27 내지 38 중량%, 가장 바람직하게는 30 내지 35 중량%로 포함될 수 있다.

상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는 인화성을 가지는 물질로서, 아세톤에 충분히 용해되지 않음에 따라, 용접 열원에 의한 화재 위험이 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는 스패터 발생 방지 효과가 떨어지는 문제점이 있다.

상기 트리에탄올아민은 본 발명에 따른 조성물의 혼합을 돕기 위한 성분으로서, 조성물 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는, 0.05 내지 3 중량%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 1 중량%로 포함될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 레이저 용접용 안티 스패터 조성물은 실리카를 포함한다. 구체적으로, 상기 실리카는 5 내지 30 마이크로미터의 평균입경을 가지는 것일 수 있다. 바람직하게는 7 내지 25 마이크로미터, 가장 바람직하게는 10 내지 20 마이크로미터의 평균입경을 가지는 것일 수 있다.

상기 평균입경보다 큰 경우에는, 레이저 용접 방법을 적용하는 경우, 레이터 빔의 분산성이 커져 용접이 어려운 문제가 있고, 상기 평균입경보다 작은 경우에는 조성물을 도포하지 않은 경우와 비교하여 스패터 형성 방지효과가 나타나지 않는 문제가 있다.

상기 실리카는 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.5 내지 8 중량%, 가장 바람직하게는 1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.

상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는 다른 성분들이 상대적으로 소량 첨가됨에 따라, 스패터 방지 효과가 떨어지는 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가하는 경우에는 레이저 용접 시 코팅층이 탈리되어 작업성을 떨어트리고 스패터 방지 효과가 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 실리카는 메타크릴레이트 기로 표면 개질된 것을 이용할 수 있고, 표면 개질 방법은 특별히 제한되지 않으나, 실란 커플링제를 이용하거나, 플라즈마를 조사하여 음이온성을 띠게 한 후 작용기를 형성하는 방법 등을 사용할 수 있다.

이와 같이 표면이 메타크릴레이트 기로 표면 개질된 실리카를 사용하는 경우에는, 스패터의 형성이 더욱 억제되어, 스패터의 발생량이 현저히 저감되고, 일부 스패터가 부착되는 경우에는 이를 제거하는 것이 보다 용이한 장점이 있다. 특히 이러한 효과는 레이저 용접을 사용하는 경우에 그 효과가 뚜렷히 나타나는 점에서, 레이저 용접 방법에 적용하는 경우에 스패터의 발생을 방지하는 효과가 더욱 뛰어나다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 자세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것으로 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

펜타에리스리톨과 무수프탈산을 공중합하여 얻어진 알키드 수지로서, 중량 평균 분자량이 12,000인 알키드 수지를 총 중량의 25 중량%로 포함하고, 에틸렌 글리콜 모노 부틸 에테르 6 중량%, 아세톤 33 중량%, 디메틸에테르 31 중량%, 트리에탄올아민 0.7 중량% 및 실리카 입자를 4.3 중량%로 포함한 조성물을 제조하였다.

상기 실리카 입자는 평균입경이 12 마이크로미터이고, 입자의 표면을 메타크릴레이트기로 표면개질한 것을 사용하였다.

<비교예 1>

실리카 입자가 표면개질되지 않은 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 조성물을 제조하였다.

<비교예 2>

실리카 입자 표면에 5분간 플라즈마 처리한 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 조성물을 제조하였다.

<비교예 3>

하기 표 1의 조성을 갖는 조성물을 제조하였다.

물질명	함량(중량%)
폴리다이메틸실록산	4
메틸사이클로헥산	10
3-메틸헥산	4
2-메틸헥산	2
1,2-디메틸사이클로펜탄	1.4
1,3-디메틸사이클로펜탄	1.4
헵탄	0.2
부탄	77

실험예 1. MIG 용접 스패터 방지 효과 확인 실험

스테인리스 스틸로 구성된 모재의 표면에 실시예 및 비교예에 따른 조성물을 스프레이로 분사하여 코팅한 후 약 1일간 건조하였다.

건조된 모재의 표면에 MIG 용접방법으로 용접을 진행하고, 모재의 표면에 스패터 발생 여부를 육안으로 확인하여 표 2에 나타내었다.

	실시예	비교예1	비교예2	비교예3
스패터발생량	2	2	2	1

(1: 거의 발생되지 않음 ~ 9: 용접부위로부터 반경 20 cm 내에 비산된 스패터 점의 개수가 200개 이상)

실험예 2. 레이저 용접 스패터 방지 효과 확인 실험

실험예 1에서 수행한 실험과 동일한 실험을 수행하되, CO₂ 레이저 용접방법으로 진행한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 실험을 진행하여, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

	실시예	비교예1	비교예2	비교예3
스패터발생량	1	7	6	8

상기 실험결과를 참조하면, 실시예와 비교예들 모두 MIG 용접 방법에 의해 용접을 수행하는 경우, 스패터의 발생이 억제되는 효과가 있었다.

그러나, 실험예 2에서 레이저 용접에 의해 실험을 진행한 경우에는 실시예의 조성물을 사용한 경우에만 스패터의 발생이 억제되었고, 비교예들의 경우, 다량의 스패터가 발생되었다.

실시예의 조성물은 특히 레이저 용접방법에 적합한 것으로 확인되었다.

한편, 비교예 3의 조성물을 도포한 모재에 레이저 용접을 수행한 경우에는 코팅층이 녹아버려, 스패터 발생을 억제하는 효과가 전혀 없는 것으로 확인되었다.

Claims

금속이나 플라스틱 소재를 레이저 용접할 때 발생되는 스패터의 형성을 방지하는 안티 스패터 조성물로서,
알키드 수지(Alkid Resin), 에틸렌 글리콜 알킬 에테르(Ethylene glycol alkyl ether), 아세톤(Acetone), 트리에탄올아민(Triethanol amine), 디메틸 에테르(Dimethyl ether) 및 실리카(silica)를 포함하는 레이저 용접용 안티 스패터 조성물.
제1항에 있어서,
상기 알키드 수지는 펜타에리스리톨 및 무수프탈산의 공중합체인 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 안티 스패터 조성물.
제1항에 있어서,
상기 에틸렌 글리콜 알킬 에테르는 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 에틸렌 글리콜 모노뷰틸 에테르로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 안티 스패터 조성물.
제1항에 있어서,
조성물 전체 중량을 기준으로,
상기 알키드 수지는 10 내지 40 중량%,
상기 에틸렌 글리콜 알킬 에테르는 1 내지 20 중량%,
상기 아세톤은 25 내지 40 중량%,
상기 트리에탄올아민은 0.01 내지 5 중량%,
상기 디메틸 에테르는 25 내지 40 중량%,
상기 실리카는 0.1 내지 10 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 안티 스패터 조성물.
제1항에 있어서,
상기 실리카는 5 내자 30 마이크로미터의 평균입경을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 안티 스패터 조성물.
제1항에 있어서,
상기 실리카는 메타크릴레이트 기로 표면 개질된 것을 특징으로 하는 레이저 용접용 안티 스패터 조성물.