KR20210128004A - 프레스-경화성 강의 하나 이상의 강판을 융접하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프레스-경화 강 바람직하게는 망간-보론 강으로 제작된 하나 이상의 강판들을 융접하는 방법으로, 상기 하나 이상의 강판들(1, 2)은 알루미늄을 함유하는 금속 코팅(4)을 구비하고, 적어도 하나의 레이저 빔(6)에 의해서만 생성되는 융융조(9) 내로 용가재가 유입되는 중에 상기 융접이 수행되는, 강판들의 융접 방법에 관한 것이다. 함께 용접되는 강판들이 동일하거나 다른 재료 등급 및/또는 두께를 갖는 지와는 관계없이, 용접 이음매(14)의 경화성을 개선시키기 위해, 레이저 초점이 소형 레이저 초점 영역(16.1)과 대형 레이저 초점 영역(16.2)을 구비하도록, 상이한 에너지 분포를 갖는 단일 레이저 초점(16)이 하나 또는 복수의 광학 요소들에 의해 용융조(9) 위에 형성되고, 상기 대형 레이저 초점 영역(16.2)은 상기 소형 레이저 초점 영역(16.1)에 의해 조사되는 표면의 적어도 2배, 바람직하게는 적어도 3배의 표면을 조사하고, 상기 대형 레이저 초점 영역(16.2)에서 보다 상기 소형 레이저 초점 영역(16.1)에서 표면 단위당 더 높은 레이저 에너지 출력이 도입된다. 본 발명에 따른 방법은 높은 생산성과 상대적으로 낮은 에너지를 소모한다는 점에서 대별된다. 또한, 본 방법은 플랜트 기술 측면에서 상대적으로 적은 노력으로 구현될 수 있다.
Description
본 발명은 프레스 경화성 강, 바람직하게는 망간-보론 강으로 제작된 하나 이상의 강판을 용융 용접하는 방법에 관한 것으로, 여기서 강판 또는 강판들 중 적어도 하나는 알루미늄으로 제작된 금속 코팅 예를 들어 Al-Si 코팅을 구비하고, 적어도 하나의 레이저 빔에 의해 독점적으로 생성된 용융조 내로 용가재를 공급하면서 용융 용접이 수행된다.
가능한 한 가장 낮은 무게로 높은 충돌 안전 요구 사항을 충족하기 위해 강판으로 제작된 테일러드 플레이트(이른바 테일러드 블랭크)가 자동차 구조물에 사용된다. 이를 위해, 서로 다른 재료 등급 및/또는 시트 두께의 개별 플레이트 또는 스트립이 레이저 용접에 의한 맞대기 이음으로 함께 접합된다. 이러한 방식으로 본체 구성요소의 다양한 지점들이 다양한 하중에 맞게 조정될 수 있다. 이는, 하중이 높은 영역에는 더 두껍거나 더 높은 강도의 강판을 사용할 수 있고, 다른 영역에는 상대적으로 연질인 딥-드로잉 등급으로 만든 시트나 더 얇은 시트를 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 유형의 테일러드 시트 금속판은 본체의 추가 보강 부품을 필요로 하지 않는다. 이는 재료를 절약하고 본체의 전체 무게를 줄일 수 있다.
망간-보론 강으로 제작된 시트는 현대적인 차체 구조에 사용되며, 급속 냉각과 함께 열간 성형을 통해 고강도를 달성한다. 인도될 때 즉 열간 성형하기 전에, 망간-보론 강의 인장 강도는 약 600 MPa이고, 페라이트-펄라이트 조직으로 되어 있다. 프레스 경화, 즉 성형하기 전에 오스테나이트화 온도로 가열하고, 이어서 성형하는 중이나 성형한 후에 급속 냉각하면, 최대 2000 MPa의 인장 강도를 가질 수 있는 완전한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있다. 이 유형의 컴포넌트는 종종 테일러드-용접된 블랭크로 알려진 것으로 제작된다. 즉, 일반적으로 레이저 빔 용접을 통해 사양을 충족하는 다양한 시트 두께 및/또는 재료 등급 사이에 연결이 존재한다.
테일러드-용접된 블랭크를 추가로 가공하는 열간 성형 및 경화 공정에서, 용접 이음매는 일반적으로 테일러드-용접된 블랭크가 만들어지는 강판의 모재와 동일한 정도로 경화되어야 한다. 예를 들어, 접합부에서 두께 차이가 상대적으로 큰, 두께가 다른 강판을 용접할 때, 열간 성형 공정에서 이를 보장하는 것은 큰 문제가 될 수 있다. 적절한 경화 공정을 위한 공정 창(파라미터 창)은 상대적으로 작다. 또한, 경화 공정은 민감하고 매우 정확하게 설정해야 하므로, 사용자에게 생산 관련 제한이 수반되는 경우가 많다.
열간 성형, 프레스-경화성 강판의 융접은 알루미늄 표면 코팅으로 인해 더욱 제한된다. 이러한 코팅, 예를 들어 알루미늄-실리콘 코팅은 일반적으로 열간 성형 중에 공작물이 스케일링되는 것을 방지하기 위해 제공된다. 그러나 이 표면 코팅은 용접 이음매의 품질에 매우 부정적인 영향을 미친다. 이는, 도금 강판을 융접하면 모재와 함께 알루미늄을 함유한 표면 코팅이 용융되어, 용접 이음매에 알루미늄이 유입되기 때문이다. 만약 용접 이음매 내의 알루미늄 함량이 2 내지 10 중량%이면, 페라이트 영역(상)이 형성되고, 이는 용접 이음매의 강도를 감소시킨다. 이러한 경우, 용접 이음매의 강도가 모재의 강도보다 낮기 때문에, 접합된 판 두께 조합에 관계없이 용접 이음매에서 각 컴포넌트의 파손이 예상될 수 있다.
페라이트 형성을 방지하기 위해, 선행 기술에 따르면, 용접 공정 전에, 함께 용접될 시트 모서리들의 모서리 영역에서 기계 도구 또는 레이저 빔을 사용하여 표면 코팅의 적어도 일부를 제거한다(EP 2 007 545 B1 참조). 그러나 표면 코팅을 부분적으로 제거하려면, 추가 공정 단계가 필요하고, 이는 비용과 시간이 많이 소요되므로 여기에 설명된 유형의 컴포넌트 생산의 비용 효율성이 감소한다.
US 2008/0011720 A1은 알루미늄을 함유하는 표면층을 갖는 망간-보론 강으로 제조된 플레이트가 맞대기 접합부에서 함께 접합되는 레이저-아크 하이브리드 용접 방법을 기술하고 있다. 아크는 텅스텐 용접 전극에 의해 생성되거나, MIG 용접 토치를 사용할 때에 필러 와이어(filler wire)의 팁에서 형성된다. 필러 와이어는 강의 오스테나이트 조직으로의 변환을 유도하고, 용융조에서 오스테나이트 변환의 유지를 촉진하는 합금 원소(예를 들어, Mn, Ni 및 Cu)를 포함할 수 있다. 이 하이브리드 용접 공정은 Al-Si계 코팅으로 피복된 열간-성형성 망간-보론-강판을 용접 이음부가 생성되는 영역에서 코팅 재료를 사전에 제거하지 않고 용접할 수 있도록 하기 위한 것으로, 그럼에도 불구하고 이에 의해 판의 맞대기 접합부에 위치한 알루미늄이 용접 이음부에서 컴포넌트의 인장 강도를 감소시키지 않도록 해야 한다. 레이저 빔 뒤에 전기 아크를 제공함으로써, 용융조가 균질화되어 페라이트 미세조직을 생성하는 1.2 중량%를 상회하는 국부적인 알루미늄 농도가 제거된다.
이러한 공지된 하이브리드 용접 방법은 전기 아크의 발생으로 인해 상대적으로 높은 수준의 에너지를 소모한다. 또한, 용접 속도가 비교적 낮다. 또한, 레이저 아크 하이브리드 용접에 의해 생성된 용접 이음매는 용접 형상이 추가 성형에 불리하여 재작업이 필요할 수 있다.
필러 와이어를 사용하여 맞대기 접합부에서 프레스-경화성 망간-보론 강의 시트들을 레이저 빔 용접하는 방법이 EP 2 919 942 B1에 공지되어 있다. 여기서 필러 와이어는 레이저 빔에 의해 생성된 용융조에서 오스테나이트의 형성을 촉진하는 망간, 크롬, 몰리브덴, 실리콘 및/또는 니켈을 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 합금 원소를 함유하고, 필러 와이어에 존재하는 이 적어도 하나의 합금 원소는 강판의 프레스-경화성 강보다 적어도 0.1 중량% 많은 중량으로 존재한다. 필러 와이어는, 0.05 내지 0.15 중량% C, 0.5 내지 2.0 중량% Si, 1.0 내지 2.5 중량% Mn, 0.5 내지 2.0 중량% Cr + Mo, 및 1.0 내지 4.0 중량% Ni, 및 잔부는 철과 불가피한 불순물의 조성을 갖는다. 또한, 필러 와이어는 강판의 프레스-경화성 강보다 적어도 0.1 중량% 낮은 탄소 질량 비율을 갖는다. 이 방법은 또한 사용된 강판이 코팅되지 않았거나 용접 전에 함께 용접될 맞대기 가장자리를 따라 가장자리 영역에서 코팅을 제거하여 부분적으로 벗겨진 것을 특징으로 한다.
EP 2 737 971 A1은 필러 와이어를 사용하여 코팅된 강판으로부터 테일러드-용접된 블랭크를 제조하기 위한 레이저 빔 용접 방법을 기술하고 있는데, 여기서 강판은 보론 합금강으로 구성되고 알루미늄-실리콘 또는 아연 코팅을 구비하고 있다. 필러 와이어는 탄소 또는 망간을 함유하며, 필러 와이어에서 이 원소의 질량 비율은 도금 강판의 모재에서보다 크다. 따라서 필러 와이어의 탄소 함량은 강판의 모재에 비해 0.1 내지 0.8 중량%, 망간 함량은 1.5 내지 7.0 중량% 높아야 한다. 이는, 레이저 빔에 의해 생성된 용융조로 코팅재가 침투하여 프레스 경화된 강판에 비해 용접 이음부의 강도가 감소하는 것을 방지하기 위함이다.
EP 2 736 672 B1은 필러 와이어를 사용하여 레이저 빔 용접에 의해 코팅된 강판으로부터 컴포넌트를 제조하는 방법을 개시하고 있는데, 여기서 강판은 금속간 합금 층이 남아 있을 정도로 용접 전에 함께 용접될 조인트 에지를 따라 에지 영역에서 제거되는 알루미늄 계열 코팅을 구비한다. 필러 와이어는, 0.6 내지 1.5 중량% C, 1.0 내지 4.0 중량% Mn, 0.1 내지 0.6 중량% Si, 최대 2.0 중량% Cr, 및 최대 0.2중량% Ti, 잔부는 철 및 공정에 의해 야기되는 불순물의 성분 조성을 갖는다.
DE 10 2017 120 051 A1은 강판들 중 적어도 하나가 알루미늄 코팅을 갖는 프레스-경화성 망간-보론 강으로 제조된 강판의 레이저 빔 용접 방법을 개시하고 있다. 레이저 빔 용접은 레이저 빔에 의해서만 생성된 용융조 내로 필러 와이어를 공급함으로써 수행되며, 여기서 필러 와이어는 적어도 하나의 오스테나이트-안정화 합금 원소를 함유한다. 상대적으로 낮은 에너지 소비와 높은 생산성으로 프레스 후 용접 이음매가 모재와 유사한 강도를 갖도록 하기 위해, 레이저 빔은 적어도 200 Hz의 진동 주파수로 용접 방향을 가로지르며 진동하는 방식으로 진동하도록 설정된다. 이 방법은 용접할 금속 시트의 가장자리의 알루미늄 코팅을 제거할 필요가 없으므로 비용 이점이 있다. 그러나 레이저 빔의 진동은 달성할 수 있는 용접 속도를 감소시킨다.
본 발명의 목적은 적어도 하나의 강판이 프레스-경화성 강으로 제조되고, 알루미늄을 함유하는 금속 코팅을 갖는 강판의 용접 이음매가 열간 성형(프레스 경화) 후에 모재에 필적하는 강도를 가지도록 접합될 수 있고, 높은 생산성과 비교적 낮은 에너지 소비를 특징으로 하는, 서두에 언급된 유형의 방법을 지정하는 것이다. 특히, 서두에 언급된 유형의 방법은, 함께 용접되는 강판이 동일하거나 다른 재료 등급인지 여부 및/또는 강판들의 두께가 다른지 여부에 관계없이 용접 이음매의 경화성을 개선하는 수단으로 지정된다. 또한, 이 방법을 구현하는 데 필요한 플랜트 엔지니어링 노력은 상대적으로 낮아야 한다. 따라서 서두에 언급한 유형의 방법은, 알루미늄을 기반으로 한 코팅이 있는 프레스-경화성 강으로 만들어진 시트를 경제적으로 함께 용접할 수 있고, 적절한 경화 공정을 위한 공정 윈도우가 증가하도록 용접 이음매의 경화성이 개선된 방법을 만드는 것이다. 특히 높은 용접 속도가 가능해야 한다.
이 목적의 적어도 일부 측면을 달성하기 위해, 청구항 1에 명시된 특징을 갖는 방법이 제안된다. 본 발명에 따른 방법의 유리한 실시형태는 종속항에서 지적된다.
서두에 언급된 유형의 레이저 빔 용접 방법의 경우에서, 본 발명은 용융조 상의 하나 또는 복수의 광학 요소에 의해 생성되는 상이한 에너지 분포를 갖는 단일 레이저 초점을 제공하되, 레이저 초점은 소형 레이저 초점 영역과 대형 레이저 초점 영역을 가지며, 대형 레이저 초점 영역은 소형 레이저 초점에 의해 조사되는 표면의 적어도 2배, 바람직하게는 적어도 3배인 표면을 조사하고, 대형 레이저 초점 영역보다 소형 레이저 초점 영역에서 표면 단위당 더 높은 레이저 에너지가 도입된다.
레이저 초점에서 본 발명에 따라 기재된 에너지 분포는, 기존의 레이저 용접 빔으로 생성된 용융조 내의 온도 분포 및 유동에 비해 온도 분포 및 이에 따라 용융조 내의 유동이 변화하는 효과가 있다. 주 초점으로 불릴 수도 있고, 대형 레이저 초점 영역에 비해 표면 단위 당 더 높은 레이저 에너지 출력이 도입되는, 소형 레이저 초점 영역은 본질적으로 딥 용접을 위해 사용되는 반면, 대형 레이저 초점 영역은 용접 프로세스를 지원한다. 소형 레이저 초점 영역에 걸쳐 도입된 레이저 에너지 출력은 대형 레이저 초점 영역에 걸쳐 도입된 레이저 에너지 출력과 동일하거나 대략 동일한 레벨을 가질 수 있다. 예를 들어, 약 4.5 kW의 레이저 에너지 출력이 소형 레이저 초점 영역과 대형 레이저 초점 영역 모두에서 안내될 수 있다. 그러나 본 발명의 맥락에서, 소형 레이저 초점 영역을 통해 도입된 레이저 에너지 출력이 대형 레이저 초점 영역을 통해 도입된 레이저 에너지 출력과 상당히 다른 레벨을 갖는다. 대형 레이저 초점 영역에 도입된 에너지는 소형 레이저 초점 영역에 도입된 에너지보다 대형 표면적에 걸쳐 분산된다. 따라서 대형 레이저 초점 영역(보조 초점)에 도입된 에너지의 효과는 주 초점 영역의 에너지 효과와 다르다. 이러한 다른 에너지 입력 또는 에너지 분포를 통해, 용융조의 더 높은 균질성 및 경화성 측면에서 개선된 용접 이음매가 달성될 수 있다. 그에 따라 적절한 경화 공정을 위한 공정 창이 증가한다.
에너지 분포는, 소형 레이저 초점 영역(주 초점)이 깊은 용접 프로세스를 생성하는 방식으로 제어되는 반면 외부 또는 대형 레이저 초점 영역의 에너지는 깊은 용접을 위한 에너지 임계 값을 초과하지 않는다. 임계 값 범위는 예를 들어 약 1,000kW/㎠의 전력 밀도이다.
특히, 본 발명에 따른 방법은 용접 공정 전에 함께 용접될 강판 에지의 에지 영역에서 알루미늄을 함유하는 표면 코팅을 부분적으로 제거할 필요가 없다는 이점을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태는, 본질적으로 함께 용접될 시트 에지들의 에지 영역으로부터 알루미늄을 함유하는 표면 코팅의 사전 제거 없이, 특히 사전 부분적 제거 없이 수행되도록 제공한다.
맞대기 접합부에서 용접될 코팅 강판의 에지의 사전 박리(stripping) 후 레이저 빔 용접과 비교하여, 본 발명에 따른 방법은 최적화된 용접 이음부 형상, 즉 대형 하중 지지 금속판 단면을 가능하게 한다. 이는 용접 이음매에 대한 후속 동적 하중에 특히 유리하다.
내부 테스트에서 입증된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법의 또 다른 이점은 용접 스패터(spatter)의 형성이 현저히 낮다는 점이다. 용접 스패터 형성이 낮은 것에 대한 한 가지 이유는, 본 발명자들에 의해 레이저 초점에서 특별히 다른 에너지 분포와 이에 따른 특별한 용융조 흐름에서 관측되었다.
레이저 빔 에너지는 레이저 초점에서 크게 다양하게 분포될 수 있다. 레이저 초점에서 상이한 에너지 분포 또는 수정된 에너지 입력은, 하나 또는 복수의 광학 요소에 의해 본 발명에 따른 방법에서 달성된다. 예를 들어, 이것은 하나 또는 복수의 회절성(diffractory) 또는 내화성(refractory) 광학 요소를 통해 및/또는 하나 또는 복수의 상응하게 배열된 광섬유의 사용에 의해 직접적으로 달성될 수 있다. 대응하여 변형된 레이저 용접 헤드는 예를 들어 축 방향 및/또는 반경 방향으로 서로에 대해 변위될 수 있는 2개의 상이한 회절성 또는 내화성 광학 요소, 특히 렌즈를 가질 수 있다. 그에 따라 수정된 레이저 용접 헤드는 콤팩트한 디자인으로 실현될 수 있다.
개별 레이저 초점에서 다른 에너지 분포를 생성하기 위한 또 다른 가능성은, 레이저 빔을 분할하고, 이에 따라 얻어진 부분 레이저 빔을 다른 회절성 또는 내화성 광학 요소, 특히 렌즈를 통해 채널링 하는 것이다. 여기서 이러한 방식으로 변조된 부분 레이저 빔은 다시 하나의 레이저 빔으로 다시 병합되고, 이렇게 구성된 레이저 빔은 함께 용접될 강판 가장자리의 피팅 접합부로 향하게 된다. 이 유형의 수정된 레이저 용접 헤드도 콤팩트한 디자인으로 실현될 수 있다.
개별 레이저 초점에서 다른 에너지 분포를 생성하기 위한 또 다른 가능성은, 예를 들어 레이저 빔 광학에서 유사하거나 다른 레이저 광원에 의해 발생된 둘 이상의 다른 레이저 빔들을 조합하여, 최종적으로 얻어진 레이저 빔이 에너지 분포가 다른 단일의 복합 레이저 초점을 생성하는 것이다.
레이저 용접 헤드 또는 용접될 각각의 공작물을 안내하기 위한 장치는 각각의 경우에 본 발명의 이전에 명시된 실시형태에서 통상적인 방식으로 설계될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 방법은 프레스-경화성 강으로 제작된 하나 또는 복수의 강판의 융접을 위한 클래스에 따른 방법을 수행하기 위한 통상적인 레이저 용접 시스템의 경우보다 보다 복잡한 기계적 장치나 더 복잡한 가이드 장치를 필요로 하지 않는다. 반면에 US 2008/0011720 A1에 공지된 것과 같은 레이저 아크 하이브리드 용접을 위한 시스템은, 특히 고선 형태의 시트 가장자리 윤곽을 따라 용접을 할 때 용접 장치의 접촉 면적이 더 길어짐으로 인해, 상대적으로 복잡한 기계 장치 및 함께 용접될 공작물 또는 용접 장치의 안내가 필요하다. 비교적 작은 용융조 및 이에 상응하는 미세한 용접 이음매가 본 발명에 따른 방법으로 생성될 수 있다. 본 발명에 따른 용접 방법은 오류에 대한 낮은 민감성과 높은 공정 안정성으로 구별된다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 특히 레이저 아크 하이브리드 용접과 비교하여 상대적으로 낮은 에너지 소비로 높은 용접 속도를 가능하게 한다.
본 발명의 유리한 실시형태는 레이저 빔이 융접 중에 본질적으로 진동이 없다는 것을 특징으로 한다. 본질적으로 진동이 없다는 것은 레이저 빔이 의도적으로 진동하도록 설정되지 않았음을 의미한다. 그 결과로 특히 비교적 높은 용접 속도가 달성될 수 있다. 또한, 레이저 용접 헤드 또는 레이저 용접 헤드의 광학 요소의 홀더를 저장하는 것이 비교적 쉽게 달성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 유리한 실시형태는, 상이한 에너지 분포를 갖는 레이저 초점을 생성시키고 및/또는 대형 레이저 초점 영역 내에서 소형 레이저 초점 영역의 위치가 대형 레이저 초점 영역에 대해 상대적으로 조정될 수 있도록 설계된 광학 요소(들)를 제공한다. 따라서, 레이저 초점의 상이한 에너지 입력 또는 상이한 에너지 분포가 각각의 용접 조건에 최적으로 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 대형 레이저 초점 영역 내에서 소형 레이저 초점 영역의 위치는 용접 방향에 평행 및/또는 횡단하는 방향으로 조정된다. 바람직하게는, 대형 레이저 초점 영역 내의 소형 레이저 초점 영역의 위치는, 소형 레이저 초점 영역이 본질적으로 대형 레이저 초점 영역의 중앙에 배열되거나 또는 용접 방향에서 볼 때, 대형 레이저 초점 영역의 중앙 전방에 배치되도록 설정된다.
대형 레이저 초점 영역 및/또는 소형 레이저 초점 영역의 형상은 예를 들어 원형, 타원형, 정사각형 또는 직사각형일 수 있다. 대형 레이저 초점 영역 및/또는 소형 레이저 초점 영역이 실질적으로 원형인 것은, 특히 본 발명에 따른 방법에서, 레이저 초점에서 상이한 에너지 분포 또는 수정된 에너지 입력이 하나 또는 복수의 대응하여 배열된 광섬유에 의해 달성된다.
본 발명의 유리한 실시형태에 따르면, 대형 레이저 초점 영역은 긴 형상(elongated shape), 특히 계란형, 타원형 또는 직사각형 형상을 가지며, 대형 레이저 초점 영역의 종축은 본질적으로 용접 방향으로 이어진다. 그 결과 특정 용접 속도에서 용접 이음매가 응고될 때까지 용융조를 탈기하는 데 더 많은 시간을 사용할 수 있도록, 피팅 조인트에서 상대적으로 큰 용융조 표면이 생성된다.
본 발명의 추가의 유리한 실시형태는, 대형 레이저 초점 영역이 소형 레이저 초점 영역의 평균 직경 또는 최대 직경의 적어도 2배, 바람직하게는 적어도 2.5배, 특히 바람직하게는 적어도 3배인 길이방향 연장부를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명자들의 실험은 용융조로 유입되고 용접 이음매에 남아있는 알루미늄의 매우 균질한 분포가 이러한 방식으로 달성될 수 있음을 보여주었다.
본 발명에 따르면, 용융 용접은 적어도 하나의 레이저 빔에 의해서만 생성된 용융조에서 용가재(filler material)(필러 금속으로도 알려짐)에 의해 수행된다. 용가재에는 몇 가지 과제가 있다. 한편으로, 코팅에서 용접 용융물로 흐르는 알루미늄의 페라이트 형성 효과는 용가재의 적절한 합금 원소에 의해 최소화될 수 있고 따라서 용접 이음매의 경화성이 개선될 수 있다. 다른 한편으로는, 기본적으로 알루미늄이 없는 용가재를 추가하면 용접 이음매의 알루미늄 함량을 최소로 한다. 또한, 용융조로 도입되는 용가재로 인해 용융조에서 유동 이동이 증가되거나 강력해지고, 이에 따라 용접 이음매 조성이 균질화 된다.
용가재는 바람직하게는 와이어 또는 분말 형태로 용융조에 공급된다. 와이어 형태의 용가재는 고도의 에너지 효율적인 방식으로 그리고 양의 높은 정확도로 용융조에 공급될 수 있다. 적당한 입자 크기의 분말형 용가재를 도입함으로써, 용융조에서 용가재의 매우 균일한 혼합이 가능하다. 일반적으로 레이저 용접 중 융합 단계의 지속 시간은 약 6ms에서 125ms 사이이다. 레이저 용접의 용접 시간이 비교적 짧기 때문에, 분말 용가재를 사용하면 필러 와이어를 사용하는 것보다 용접할 강과 더 잘 혼합될 수 있다. 비교적 작은 입자, 바람직하게는 작은 금속 입자를 갖는 분말 용가재 금속의 사용을 통해, 용융 단계에서 매우 짧은 시간 동안 대체로 균일한 합금 혼합물도 달성될 수 있다. 분말형 용가재의 입자는 예를 들어 20㎛ 내지 160㎛ 범위, 바람직하게는 20㎛ 내지 160㎛ 범위의 입자 크기를 갖는다.
바람직하게는, 분말 용가재는 적어도 하나의 유동 채널을 통해 가스 분말 유동의 형태로 공급되고, 유동 채널로부터 나오는 가스 분말 유동은 용융조를 향하고, 용가재와 용융조의 난류 혼합으로 인해 용융조에서 유동 소용돌이가 발생되도록, 적어도 2 m/s, 바람직하게는 적어도 10 m/s, 특히 바람직하게는 적어도 15 m/s의 출구 속도를 갖는다. 이러한 유동 소용돌이(난류)는 특히 가스 분말 흐름의 동역학에 의해 발생한다. 용융조로 향하는 가스 분말 흐름의 출구 속도의 상한은 예를 들어 50m/s, 특히 40m/s 또는 30m/s일 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 수행할 때 용융조에 공급되는 용가재는 바람직하게는 본질적으로 알루미늄-프리 상태이다. 본 발명의 맥락에서, 알루미늄-프리 또는 실질적으로 알루미늄-프리 첨가제는 불가피한 불순물 또는 불가피한 미량을 제외하고는 어떠한 알루미늄도 함유하지 않는 필러 금속을 의미하는 것으로 이해된다.
용접 이음매의 경화성(hardenability)을 개선하기 위해, 본 발명의 다른 실시형태는 니켈, 크롬 및/또는 탄소를 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 합금 원소를 함유하는 용가재를 구상한다. 용접 이음매의 경화성을 증가시키기 위해, 용가재는 바람직하게는 5 내지 12 중량%의 Ni, 5 내지 25 중량%의 Cr 및 0.05 내지 0.4 중량%의 C, 선택적으로 하나 이상의 추가 합금 원소를 함유하고, 잔부는 철과 불가피한 불순물을 함유한다. 용접 이음매의 임계 냉각 속도를 감소시키고, 이에 따라 용접 이음매의 경화성을 더욱 향상시키기 위해서는 용가재에서 5 내지 25 중량% 범위의 크롬을 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태는 여기에 사용된 용가재가, 0.05 내지 0.4 중량% C, 0 내지 2.0 중량% Si, 0 내지 3.0 중량% Mn, 4 내지 25 중량% Cr, 0 내지 0.5 중량% Mo, 5 내지 12 중량% Ni, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 된 조성을 갖는다. 내부 테스트에 따르면, 이러한 유형의 용가재는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 테일러드 블랭크의 후속 열간 성형(프레스 경화) 동안 용접 이음매를 마르텐사이트 조직으로 완전히 변환할 수 있음을 매우 확실하게 보장할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 유리한 실시형태는, 바람직하게는 와이어 형태의 용가재가 소형 레이저 초점 영역에 직접 공급되는 방식으로 용가재가 용융조에 공급되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 와이어 형태의 용가재는 이에 의해 소형 레이저 초점 영역과 접촉하거나 본질적으로 소형 레이저 초점 영역으로 지향된다. 이렇게 하면 딥 용접 중에 용융된 용가재가 용융조의 증기 모세관 주위로 흐를 수 있다. 그 결과, 피팅 조인트, 즉 맞대기 조인트 또는 랩 조인트에서 용융된 강판 재료와 용가재의 더 나은 혼합이 이루어지며, 이에 따라 보다 균질한 용접 이음매가 얻어진다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 유리한 실시형태는 바람직하게는 와이어 형태의 용가재가 드래깅(dragging) 방식으로 공급되는 것을 특징으로 한다. 드래깅 용가재 공급, 특히 와이어 공급은, 용접 방향으로 고려할 때, 용가재가 전방으로부터 용융조로 또는 소형 레이저 초점 영역으로 미리 공급됨을 의미한다. 이 구성은 또한 피팅 조인트, 즉 맞대기 조인트 또는 랩 조인트에서 용융된 강판 재료와 필러 재료의 더 나은 혼합을 달성하여 보다 균질한 용접 이음매를 달성한다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 유리한 실시형태는 와이어의 형태로 공급되는 용가재의 중심축이 용접될 적어도 하나의 강판 또는 함께 용접될 강판들의 표면과 50° 미만, 바람직하게는 45° 미만, 특히 바람직하게는 30° 미만, 특히 10° 내지 30°의 예각을 둘러싸는 방식으로, 용가재가 용융조로 공급되는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 특히 증기 모세관 방향으로 딥 용접 영역으로 용가재를 최적으로 공급할 수 있다.
추가의 유리한 실시형태에 따르면, 바람직하게는 와이어 형태의 용가재는 용융조 내로 공급되기 전에 가열 장치에 의해 적어도 60℃, 바람직하게는 적어도 100℃, 바람직하게는 적어도 150℃, 특히 적어도 180℃ 온도로 가열된다. 이것은 비-가열 필러 와이어를 사용하는 것에 비해 훨씬 더 빠른 용접 속도를 가능하게 한다. 가열된 필러 와이어의 팁은 레이저 빔으로 더 신속하게 용융될 수 있다. 또한, 필러 와이어를 용접 용융물에 공급하기 전에 가열함으로써 용접 공정이 보다 안정된다. 예열된 와이어 온도의 상한선은 와이어가 치수 안정성을 잃거나 신뢰할 수 있는 와이어 공급을 위해 너무 낮아지는 온도 미만이다. 와이어 예열의 상한은 예를 들어 약 250℃ 내지 300℃이다.
망간-보론 강은 프레스-경화성 강으로서 바람직하게 사용된다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시형태에서, 용접될 강판 또는 함께 용접될 강판들 중 적어도 하나는 다음 조성의 프레스-경화성 강을 갖도록 선택된다. 0.10 내지 0.50 중량% C, 최대 0.40 중량% Si, 0.50 내지 2.0 중량% Mn, 최대 0.025 중량% P, 최대 0.010 중량% S, 최대 0.60 중량% Cr, 최대 0.50중량% Mo, 최대 0.050 중량% Ti, 0.0008 내지 0.0070 중량% B, 적어도 0.010 중량% Al, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된다. 이러한 유형의 강판으로 제조된 부품은 프레스 경화 후 높은 수준의 강도를 나타낸다. 프레스 경화를 통해 최대 강도를 갖는 테일러드 반제품 금속 시트를 제공하기 위해, 상이하거나 동일한 망간-보론 강으로 만들어진 강판이 본 발명에 따른 방법으로 함께 용접될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 접합할 강판들 중 적어도 하나의 강판이 프레스-경화된 강으로 제조되고 알루미늄 함유 코팅이 제공되며, 판 두께가 동일하거나 상이한 여러 강판을 맞대기 접합하는 데에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 알루미늄을 함유하는 코팅이 있는 프레스-경화강, 바람직하게는 망간-보론 강으로 제작된 단일 판 또는 스트립 모양의 강판의 레이저 빔 용접에도 사용할 수 있으며, 여기서 후자의 경우에 함께 용접되는 강판 에지는 성형 예컨대 벤딩 또는 압연-성형에 의해 서로를 항해 이동되어, 최종적으로 에지들이 맞대기 이음에서 최종적으로 서로 대향하게 배치된다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 또한 랩 조인트에서 프레스-경화강, 바람직하게는 망간-보론 강으로 제조된 하나 또는 복수의 강판의 레이저 빔 용접에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 유리한 실시형태는, 강판(들)이 맞대기 접합에서 접합되는 것을 특징으로 하며, 접합될 갭은 가능한 한 작게 설정되되, 바람직하게는 "기술적 제로 갭"에 준하고, 평균 갭 폭은 0.01 내지 0.15 ㎜ 범위, 바람직하게는 0.06 내지 0.15 ㎜ 범위이다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 실시형태는 강판(들)이 적어도 4 m/분, 바람직하게는 적어도 5 m/분, 특히 바람직하게는 6 내지 12 m/분의 범위의 용접 속도로 접합되는 것을 제공한다.
가능한 한 균질하고 아무런 문제없이 경화될 수 있으며, 매우 우수한 용접 이음매 형상을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 용가재는 와이어 형태로 공급되되, 여기서 와이어는 용접 속도의 40% 내지 90% 범위의 공급 속도로 공급된다.
본 발명의 다른 실시형태는 레이저 용접하는 중에 적어도 레이저 빔으로부터 멀어지는 쪽을 향하는 측면 상에서 용융조가 보호 가스에 노출되는 것을 상정한다. 차폐 가스는 용접 이음매를 약화시키는 산화로부터 용접 용융물을 보호한다. 보호 가스는 예를 들어 순수한 아르곤, CO2, 헬륨, 질소 또는 아르곤, 헬륨, 질소 및/또는 CO2의 혼합 가스일 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 실시형태는 레이저 용접 동안 적어도 레이저 빔을 향하는 측면에서 보호 가스 흐름에 노출되지 않는 용융조를 상정한다. 본 발명자들의 실험은 이것이 용접 스패터의 발생을 상당히 감소시킬 수 있음을 보여 주었다.
본 발명은 예시적인 실시형태를 예시하는 도면을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명된다. 도면은 다음을 개략적으로 보여준다.
도 1은 본 발명에 따른 용융 용접 방법을 수행하기 위한 장치의 부품의 사시도로, 여기서 실질적으로 동일한 두께의 2개의 프레스-경화성 강판이 필러 와이어를 사용하여 맞대기 조인트에서 레이저 빔에 의해 함께 용접된다.
도 2는 본 발명에 따른 융접 방법을 수행하기 위한 장치의 부품의 사시도로서, 실질적으로 두께가 다른 두 개의 프레스-경화성 강판들이 레이저로 필러 와이어를 사용하여 맞대기 접합부에서 함께 용접된다.
도 3은 본 발명에 따른 융접 방법을 수행하기 위한 추가 장치의 부품의 사시도로, 여기서 실질적으로 동일한 두께의 두 개의 프레스-경화성 강판들이 레이저로 필러 와이어를 사용하여 맞대기 접합부에서 함께 용접된다.
도 4a는 본 발명에 따른 방법을 수행할 때 생성된 레이저 초점의 평면도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 방법을 수행할 때 생성되는 추가의 레이저 초점의 평면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 용융 용접 방법을 수행하기 위한 장치의 부품의 사시도로, 여기서 실질적으로 동일한 두께의 2개의 프레스-경화성 강판이 필러 와이어를 사용하여 맞대기 조인트에서 레이저 빔에 의해 함께 용접된다.
도 2는 본 발명에 따른 융접 방법을 수행하기 위한 장치의 부품의 사시도로서, 실질적으로 두께가 다른 두 개의 프레스-경화성 강판들이 레이저로 필러 와이어를 사용하여 맞대기 접합부에서 함께 용접된다.
도 3은 본 발명에 따른 융접 방법을 수행하기 위한 추가 장치의 부품의 사시도로, 여기서 실질적으로 동일한 두께의 두 개의 프레스-경화성 강판들이 레이저로 필러 와이어를 사용하여 맞대기 접합부에서 함께 용접된다.
도 4a는 본 발명에 따른 방법을 수행할 때 생성된 레이저 초점의 평면도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 방법을 수행할 때 생성되는 추가의 레이저 초점의 평면도이다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 레이저 빔 용접 장치가 도 1 내지 3에 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 장치는 베이스(도시되지 않음)를 포함하며, 그 위에는 동일하거나 다른 재료 등급의 강으로 제작된 2개의 스트립 또는 플레이트(1, 2)가, 함께 용접될 이들의 모서리가 맞대기 이음부에 배열된다. 강판들(1, 2) 중 적어도 하나는 프레스-경화성 강, 바람직하게는 망간-보론 강으로 만들어진다. 강판들(1, 2)은 맞대기 이음부에서 밀리미터의 수십 분의 일과 같이 가능한 가장 작은 갭(3)으로 접합된다. 예를 들어, 갭(3)의 폭은 0.2㎜ 미만, 바람직하게는 0.15㎜ 미만이다. 강판들(1, 2)이 서로 다른 재료 등급의 강으로 제조되는 경우, 하나의 강판(1) 또는 강판(2)은 예를 들어 상대적으로 연질의 딥-드로잉 등급을 갖고, 다른 강판(2) 또는 강판(1)은 고강도 강으로 구성된다.
서로 연결될 강판들(1, 2) 중 적어도 하나를 포함하는 프레스-경화성 강은 예를 들어 다음 화학 조성을 가질 수 있다:
0.10 내지 0.50 중량% C,
최대 0.40 중량% Si,
0.50 내지 2.0 중량% Mn,
최대 0.025 중량% P,
최대 0.010 중량% S,
최대 0.60 중량% Cr,
최대 0.50 중량% Mo,
최대 0.050 중량% Ti,
0.0008 내지 0.0070 중량% B, 및
최소 0.010 중량% Al,
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성됨.
납품 조건, 즉 열처리 및 급속 냉각 전, 프레스-경화성 강판(1) 또는 강판(2)은 바람직하게는 적어도 300 MPa의 항복 강도(Re)를 갖고; 인장 강도(Rm)는 예를 들어 적어도 480 MPa 이고, 파단에서의 연신율(A80)은 바람직하게는 적어도 10%이다. 열간 성형(프레스 경화) 후, 즉 약 900℃ 내지 950℃의 오스테나이트화 온도로 가열하고, 이 온도에서 성형한 다음 급속 냉각하면, 프레스-경화 강판의 항복 강도(Re)는 약 1,100 MPa이고, 인장강도(Rm)는 약 1,500 MPa 내지 2,000 MPa이며 파단 연신율(A80)은 약 5%이다.
강판들(1, 2)에는 알루미늄으로 만들어진 금속 코팅(4)이 제공된다. 이것은 예를 들어 Al-Si 코팅이다. 코팅(4)은 바람직하게는 예를 들어 용융 코팅에 의해 기재의 양면에 적용되며, 여기서 프레스-경화성 강, 바람직하게는 망간-보론 강 스트립이 Al-Si 용융 욕을 관통하여 안내되며, 과잉 코팅 재료는 스트립에서 제거되며, 코팅된 스트립은 후속 처리 특히 가열된다. 코팅(4)의 알루미늄 함량은 70 중량% 내지 90 중량% 범위일 수 있다.
대안적으로, 용접될 강판들(1, 2) 중 하나만이 알루미늄 함유 코팅(4)을 가질 수 있다. 또한, 코팅(4)은, 필요한 경우, 예를 들어 물리적 기상 증착(PVD) 또는 전해 코팅 공정을 통해 강판(1, 2)의 한 면에만 적용될 수 있다.
강판들(1, 2)은 도 1 및 3에 도시된 바와 같이 실질적으로 동일한 두께일 수 있다. 시트 두께는 예를 들어, 0.8 내지 3.0㎜ 범위, 바람직하게는 1.8㎜ 내지 3.0㎜ 범위에 있는 반면, 각각의 시트 측면 상의 금속 표면 코팅(4)의 두께는 100㎛ 미만 특히 50㎛ 미만일 수 있다.
강판들(1, 2) 위에는 레이저 빔(6)의 성형 및 정렬을 위한 광학 장치, 특히 집속 렌즈(7)의 가 제공되는 레이저 용접 헤드(5)의 섹션이 도시되어 있다. 예를 들어, 5 kW 내지 10 kW 범위의 전력을 제공하는 Nd:YAG 레이저 시스템을 사용하여 레이저 빔(6)이 생성된다.
차폐 가스의 공급을 위한 라인(8)은 선택적으로 레이저 용접 헤드(5)에 할당될 수 있다. 보호 가스 라인(8)의 마우스(mouth)는 용융조(9) 자체가 보호 가스 공급원으로 기능하는 압축 가스 탱크인 보호 가스 유동(8.1)에 노출되지 않거나 적어도 직접 노출되지 않는 방식으로, 실질적으로 새롭게 생성되는 용접 이음매(14) 부분에 있거나 그 부분을 향한다. 순수 아르곤 또는 예를 들어 아르곤, 헬륨 및/또는 이산화탄소의 혼합물이 보호 가스로 사용되는 것이 바람직하다. 융접 방법의 대안적 또는 추가 구성(도시되지 않음)은, 레이저 빔(6)으로부터 멀어지는 쪽으로 향하는 용융조(9)의 밑면 또는 측면 및 보호 가스에 노출되는 용접 이음매(14)의 밑면을 예상한다.
또한, 가이드 라인(10)이 레이저 용접 헤드(5)에 할당되어, 용가재(필러 금속)(11)가 예를 들어 와이어의 형태로 용융조(9)에 공급되고, 여기서 와이어(11)의 팁이 용융조(9)에서 용융된다. 필러 금속(11)은 실질적으로 어떠한 알루미늄도 함유하지 않는다. 예를 들어 다음과 같은 화학적 조성을 가지고 있다.
0.05 내지 0.4 중량% C,
0 내지 2.0 중량% Si,
0 내지 3.0 중량% Mn,
4 내지 25 중량% Cr,
0 내지 0.5 중량% Mo, 및
5 내지 12 중량% Ni,
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성됨.
와이어 형태의 용가재(필러 와이어)(11) 대신에, 가스 분말 유동 형태의 분말형 용가재가 용융조(9)에 공급될 수도 있다. 분말형 용가재는 위에 기재된 필러 와이어와 동일한 화학 조성을 가질 수 있다. 전술한 보호 가스 중 하나는 분말 용가재를 용융조(9) 내로 공급하기 위한 캐리어 가스로서 바람직하게 사용된다.
본 발명에 따르면, 레이저 용접 헤드(5)는 하나 또는 복수의 광학 요소를 구비하며, 이 광학 요소에 의해 레이저 초점(16)이 소형 레이저 초점 영역(16.1) 및 대형 레이저 초점 영역(16.2)(도 4a 및 도 4b 참조)을 갖도록 용융조(9) 상에 다른 에너지 분포를 갖는 단일 레이저 초점(16)이 생성된다. 대형 레이저 초점 영역(16.2)은 소형 레이저 초점 영역(16.1)에 의해 조사되는 표면의 적어도 2배, 바람직하게는 적어도 3배인 표면을 조사하며, 여기서 대형 레이저 초점 영역(16.2)보다 소형 레이저 초점 영역(16.1)에서 표면 단위당 더 높은 레이저 에너지 출력이 도입된다. 소형 레이저 초점 영역(16.1)과 대형 레이저 초점 영역(16.2)은 서로 독립적인 상이한 에너지 레벨을 가질 수 있다. 예를 들어, 소형 레이저 초점 영역(16.1)과 대형 레이저 초점 영역(16.2)은 모두 4 kW 내지 5 kW 범위의 레이저 에너지 출력을 가질 수 있으며, 이에 의해 이 에너지 또는 출력은 대형 레이저 초점 영역(16.2)에서 훨씬 큰 면적으로 분포된다. 소형 레이저 초점 영역(16.1)은 실질적으로 딥 용접에 사용되는 반면 대형 레이저 초점 영역(16.2)은 용접 프로세스를 지원한다.
대형 레이저 초점 영역(16.2)은 긴 형상, 예를 들어 계란형, 타원형 또는 직사각형 형상을 갖는다. 그 종축은 실질적으로 각각의 용접 방향(WD)으로, 즉 그에 실질적으로 평행하게 이어진다. 소형 레이저 초점 영역(16.1)은 실질적으로 원형 또는 또한 긴 형상을 가질 수 있다(도 4a 및 도 4b 참조).
상이한 에너지 분포를 갖는 레이저 초점을 생성시키는 레이저 용접 헤드(5)의 광학 요소(들)는 예를 들어 집속 렌즈(7)에 할당된 회절성 또는 내화성 광학 요소 및/또는 소형 추가 집속 렌즈(7.1)일 수 있다(도 1 및 도 2 참조).
상이한 에너지 분포를 갖는 단일 레이저 초점(16)을 생성하기 위한 또 다른 가능성이 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 레이저 용접 헤드(5)는 그에 관련된 광 가이드 또는 광섬유 다발(7.2)을 갖는 집속 렌즈(7)를 개략적으로 갖는다.
바람직하게는, 레이저 용접 헤드(5)의 광학 요소(7, 7.1 또는 7, 7.2)는 대형 레이저 초점 영역(16.2) 내에서 소형 레이저 초점 영역(16.1)의 위치가 대형 레이저 초점 영역(16.2)에 대해 상대적으로 조정될 수 있는 방식으로 설계된다. 예를 들어, 대형 레이저 초점 영역(16.2) 내의 소형 레이저 초점 영역(16.1)의 위치는 용접 방향(WD)(X 방향 및/또는 Y 방향)에 평행 및/또는 횡단하는 방향으로 조정될 수 있다. 이 조정 옵션은 도 4a 및 도 4b에 이중파선 화살표(18, 19)로 개략적으로 표시되어 있다. 예를 들어, 소형 초점 렌즈(7.1), 적어도 하나의 회절성 또는 내화성 광학 요소 또는 광 가이드(7.2)가 초점 렌즈(7)에 방사상으로 조정 가능하게 레이저 용접 헤드(5)에 장착되어 있다.
레이저 초점에서 상이한 에너지 분포가 초점 렌즈(7)와 초점 렌즈에 할당된 광 가이드 또는 광섬유 다발(7.2)에 의해 달성된다면, 레이저 초점 영역(16.1 및 16.2)의 서로에 대한 위치는 예를 들어 레이저 빔(6)의 초점을 흐리게 하여 변경할 수 있다.
또한, 도 4a 및 도 4b에서 대형 레이저 초점 영역(16.2)이 소형 레이저 초점 영역(16.1)의 평균 직경 또는 최대 직경보다 적어도 2배, 바람직하게는 적어도 2.5배, 특히 바람직하게는 적어도 3배의 길이방향 연장부를 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 2에 도시된 예시적인 실시형태는 강판들(1, 2')이 맞대기 접합부에 두께 단차(d)가 존재하도록 상이한 두께를 갖는다는 점에서 도 1 및 도 3에 도시된 실시형태와 상이하다. 예를 들어, 하나의 시트(2')는 0.8㎜ 내지 1.2㎜ 범위의 시트 두께를 갖는 반면, 다른 시트(1)는 1.6㎜ 내지 3.0㎜ 범위의 시트 두께를 갖는다. 또한, 맞대기 접합부에서 함께 접합되는 강판들(1, 2')은 재료 품질도 다를 수 있다. 예를 들어, 두꺼운 판(1)은 고강도 강으로 만들어지는 반면, 얇은 강판(2')은 상대적으로 연질의 딥-드로잉 품질을 갖는다. 강판들(1, 2')은 또한 밀리미터의 수십 분의 일의 가능한 가장 작은 갭(3)으로 함께 접합된다.
도 2에서, 실시형태에 도시된 바와 같이, 레이저 용접 동안, 용융조(9)는 레이저 빔(6)을 향하는 측면에서 보호 가스 흐름에 노출되지 않는다. 그러나 레이저 빔(6)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 용융조(9)의 측면 및 레이저 빔(6)으로부터 멀어지는 방향을 향하는 용접 이음매(14)의 측면에는 보호 가스가 공급되는 것이 바람직하다.
개별 레이저 초점(16)에서 설명된 특별하거나 수정된 에너지 분포는 온도 분포 및 이에 따라 용융조(9) 내의 유동이 변화하는 효과를 갖는다. 이는 용접 이음매(14)의 더 나은 균질화를 가져온다. 따라서 5m/분 이상의 용접 속도는 용접 이음매(14)의 균질성에 유리하다. 필러 와이어(11)는 용접 속도의 40% 내지 90%의 속도로 공급되는 것이 바람직하다.
필러 와이어(11)는 와이어(11)가 소형 레이저 초점 영역(16.2)과 접촉하거나 실질적으로 소형 레이저 초점 영역(16.2)으로 직접 지향되는 방식으로 용융조(9) 내로 공급되는 것이 바람직하다. 또한, 와이어 공급은 바람직하게는 드래그 방식이다(도 1 및 도 3 참조).
또한, 도 1 내지 도 3에서 와이어(11)의 중심축이 용접되는 적어도 하나의 강판(1, 2)의 표면 또는 함께 용접되는 강판들(1, 2)의 표면과 예를 들어 10° 내지 45°의 범위, 바람직하게는 10° 내지 30°의 범위에 있는 예각을 둘러싸도록 용융조(9) 내로 공급되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 구현은 도면에 개략적으로 나타낸 예시적인 실시형태에 제한되지 않는다. 그 대신, 도시된 예에서 벗어나는 디자인의 경우 첨부된 청구범위에 명시된 발명을 또한 사용하는 수많은 변형을 생각할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 맥락에서, 특히 와이어 형태의 용가재(11)가 내부로 흐르기 전에 가열 장치에 의해 적어도 60℃의 온도로 가열되는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 필러 와이어(11)는 용융조(9)에 유입되기 전에 100℃ 내지 300℃ 범위, 바람직하게는 150℃ 내지 250℃ 범위의 온도로 가열된다.
Claims (19)
- 프레스-경화 강 바람직하게는 망간-보론 강으로 제작된 하나 이상의 강판들을 융접하는 방법으로, 상기 하나 이상의 강판들(1, 2)은 알루미늄을 함유하는 금속 코팅(4)을 구비하고, 적어도 하나의 레이저 빔(6)에 의해서만 생성되는 융융조(9) 내로 용가재가 유입되는 중에 상기 융접이 수행되는, 강판들의 융접 방법에 있어서,
레이저 초점이 소형 레이저 초점 영역(16.1)과 대형 레이저 초점 영역(16.2)을 구비하도록, 상이한 에너지 분포를 갖는 단일 레이저 초점(16)이 하나 또는 복수의 광학 요소들에 의해 용융조(9) 위에 형성되고, 상기 대형 레이저 초점 영역(16.2)은 상기 소형 레이저 초점 영역(16.1)에 의해 조사되는 표면의 적어도 2배, 바람직하게는 적어도 3배의 표면을 조사하고, 상기 대형 레이저 초점 영역(16.2)에서 보다 상기 소형 레이저 초점 영역(16.1)에서 표면 단위당 더 높은 레이저 에너지 출력이 도입되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항에 있어서,
융접하는 중에 레이저 빔(6)이 실질적으로 진동하지 않는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상이한 에너지 분포를 갖는 레이저 초점(16)을 생성시키는 광학 요소(들)(7.1, 7.2)는, 대형 레이저 초점 영역(16.2) 내에서 소형 레이저 초점 영역(16.1)의 위치가 대형 레이저 초점 영역(16.2)에 대해 상대적으로 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제3항에 있어서,
대형 레이저 초점 영역(16.2) 내에서 소형 레이저 초점 영역(16.1)의 위치는 용접 방향(WD)에 평행 및/또는 횡단하게 방향(X, Y)으로 조정되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
대형 레이저 초점 영역(16.2)은 긴 형상 특히 계란형, 타원형 또는 직사각형이고, 대형 레이저 초점 영역(16.2)의 종축은 실질적으로 용접 방향(WD)으로 연장하는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
대형 레이저 초점 영역(16.2)은 소형 레이저 초점 영역(16.1)의 평균 직경 또는 최대 직경보다 적어도 2배 바람직하게는 적어도 2.5배 특히 바람직하게는 적어도 3배인 종 방향 연장부를 갖는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
용가재(11)가 와이어나 분말 형태로 공급되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
용가재(11)가 실질적으로 알루미늄-프리인 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
용가재(11)가 니켈, 크롬 및/또는 탄소를 포함하는 그룹에서 적어도 하나의 합금 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
용가재(11)가 다음의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법.
0.05 내지 0.4 중량% C,
0 내지 2.0 중량% Si,
0 내지 3.0 중량% Mn,
4 내지 25 중량% Cr,
0 내지 0.5 중량% Mo, 및
5 내지 12 중량% Ni,
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성됨. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
프레스-경화성 강이 다음의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법.
0.10 내지 0.50 중량% C,
최대 0.40 중량% Si,
0.50 내지 2.0 중량% Mn,
최대 0.025 중량% P,
최대 0.010 중량% S,
최대 0.60 중량% Cr,
최대 0.50 중량% Mo,
최대 0.050 중량% Ti,
0.0008 내지 0.0070 중량% B, 및
최소 0.010 중량% Al,
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성됨. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
강판들(1, 2)이 맞대기 이음부에서 접합되고, 접합되는 맞대기 이음부 상에 평균 갭 폭이 0.01 내지 0.15㎜, 바람직하게는 0.06 내지 0.15㎜ 범위인 갭(3)이 설정되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
강판들(1, 2)이 적어도 4 m/분, 바람직하게는 적어도 5 m/분, 특히 바람직하게는 6 m/분 내지 12 m/분 범위의 용접 속도로 접합되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
용가재(11)가 와이어 형태로 공급되고, 와이어는 용접 속도의 40% 내지 90%의 공급 속도로 공급되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 용접하는 중에, 용융조(9)가 레이저 빔(6)을 향하는 측면 상에서 보호 가스 유동에 노출되지 않는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
바람직하게는 와이어 형태인 용가재(11)는, 용가재(11)가 소형 레이저 초점 영역(16.2) 내로 직접 공급되도록, 용융조(9) 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
바람직하게는 와이어 형태인 용가재(11)가 드래깅 방식으로 공급되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
와이어 형태로 공급되는 용가재(11)는, 와이어의 중심축이 용접되는 적어도 하나의 강판(1, 2)의 표면 또는 함께 용접되는 강판들(1, 2)의 표면과 50° 미만, 바람직하게는 45° 미만, 특히 바람직하게는 30° 미만, 특히 10° 내지 30°의 범위의 예각을 둘러싸도록 용융조(9) 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
바람직하게는 와이어 형태인 용가재(11)는 용융조(9) 내로 공급되기 전에 가열 장치에 의해 적어도 60℃, 바람직하게 적어도 100℃, 바람직하게는 적어도 150℃, 특히 바람직하게는 적어도 180℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 강판들의 융접 방법.
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