KR20230015403A - 레이저 용접 방법 - Google Patents

Abstract

금속 합금으로 만들어진 2개의 조각을 함께 용접하는 레이저 키홀 용접 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 집속 중심 빔의 파워와 동심 집속 환형 빔의 파워를 독립적으로 조정한다. 용접 종단에서, 환형 빔의 파워(P_A)가 감소하고, 집속 빔의 움직임이 중지되며, 중심 빔의 파워(P_C)가 증가하고 두 빔의 파워가 초기에 빠르게 감소한 다음 천천히 감소한다. 중심 빔의 파워를 증가시키면 용접 종단에서 응고 및 냉각 전에 2조각의 온도가 같아진다. 결함 형성을 방지하거나 결함을 제거하기 위해 추가 파워 펄스가 적용될 수 있다.

Description

레이저 용접 방법

(발명자) 라이언 브레스코

(우선권)

본 출원은 2020년 5월 22일에 출원된 미국 특허 출원 번호 16/881,886에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 전체적으로 참조로 여기에 포함된다.

(발명의 기술 분야)

본 발명은 일반적으로 레이저 방사선의 집속 빔을 사용하는 용접에 관한 것이다. 본 발명은 특히 집속 중심 빔과 집속 환형 빔을 사용하여 금속 합금을 용접하는 것에 관한 것이다.

레이저 방사선 빔은 금속과 금속 합금을 포함하는 다양한 재료로 만들어진 공작물을 절단, 드릴링, 용접, 마킹 및 스크라이빙하는 데에 점점 더 많이 사용되고 있다. 종래의 기계적 처리는 가공된 공작물에 응력이 가해질 때 전파될 수 있는 미세 균열과 같은 원치 않는 결함을 생성하여, 가공된 공작물을 열화시키고 약화시킨다. 레이저 가공은 이러한 원치 않는 결함을 최소화하고 일반적으로 더 깨끗하며 열 영향 영역을 더 작게 만든다. 레이저 가공은 집속 레이저 빔을 사용하여 원치 않는 결함의 형성을 최소화하면서 고품질 모서리와 벽을 갖는 정밀 절단 및 구멍을 생성한다.

레이저 용접에서, 집속 레이저 빔은 부수적인 가열을 최소화하면서 각 용접 지점 또는 라인을 정확하게 찾아낸다. 2가지 주요 레이저 용접 체계를 구별하는 것이 유용하다. 전도 용접은 낮은 레이저 파워와 낮은 파워 밀도에서 발생한다. 흡수된 레이저 파워는 조사된 재료를 가열하여 접합할 각 부분의 재료를 녹이고, 이는 흐르고 혼합한 다음 응고된다. 키홀 용접은 조사된 재료의 일부를 증발시키기에 충분한 더 높은 레이저 파워와 더 높은 파워 밀도에서 발생한다. 주변의 용융된 재료에 대한 증발된 재료의 압력은 용융된 재료를 통과해 채널을 열어 레이저 빔의 깊은 침투를 허용하는 특징적인 좁고 깊은 프로파일을 갖는다. 완성된 키홀 용접은 일반적으로 전도 용접보다 더 좁고 더 깊으며 더 강하다. 그러나 뜨겁고 역동적인 용융 재료 풀에서 안정적인 키홀을 유지하는 것은 어려울 수 있다.

일부 금속 및 금속 합금을 레이저 용접할 때 한 가지 문제는 라인 용접의 종단에서 결함, 특히 균열이 형성된다는 것이다. 공작물이 냉각되는 동안 유도되는 응력으로 인해 일부 결함이 발생한다. 이러한 초기 결함은 용접된 공작물을 약화시키고 완성된 공작물을 사용하기 위해 놓을 때 열적 또는 기계적 응력이 가해지면 더 전파될 수 있다. 구조물의 신뢰할 수 없는 용접은 치명적인 고장으로 이어질 수 있다. 결함을 완화하는 한 가지 알려진 해결책은 파워를 디지털 방식으로 끄는 대신 용접의 종단에서 레이저 파워를 빠르게 줄이는 것이다. 또 다른 알려진 해결책은 용접의 종단에서 집속 빔을 빠르게 들어 올려 점점 더 낮은 강도의 빔으로 공작물의 점점 더 넓은 영역을 비추는 것이다.

이러한 해결책은 많은 재료에 대해 성공적이었지만, 그것들은 상대적으로 높은 열 전도성을 가진 최신 고강도 금속 합금에는 불충분한 것으로 입증되었다. 이러한 재료는 레이저 용접 시작 시, 그리고 특히 레이저 용접 종료 시에 균열이 발생하기 쉬운 상태로 남아 있다. 이러한 재료를 용접하는 방법은 본 발명의 양수인에게 양도된 2020년 2월 10일에 출원된 미국 특허 출원 제16/786,623호에 기술되어 있으며, 그 전체 개시 내용은 여기에 참조로 포함된다. 이 방법은 중심 빔과 더 큰 환형 빔이 있는 복합 레이저 빔을 사용하여 용접되는 공작물에 포커싱된다. 집속 레이저 빔이 라인 용접의 끝에 도달하면, 환형 빔의 파워가 감소하는 반면 중심 빔의 파워는 증가한다. 그런 다음 중심 빔의 파워가 감소한다. 이 방법은 결함을 방지하는 데 효과적이지만 집속 레이저 빔은 이러한 파워 변화 중에 공작물 표면을 가로질러 이동하여 용접 폭이 점진적으로 테이퍼링되도록 한다. 이 테이퍼링은 일반적으로 길이가 수 밀리미터이며 전체 용접 길이를 따라 균일한 단면이 필요한 일부 응용 분야에서는 허용되지 않는다. 용접의 맨 끝 부분도 깊이가 테이퍼링될 수 있다.

용접 종단에서 균열이 발생하기 쉬운 금속 및 금속 합금에서 균일한 단면을 갖는 용접부를 생성하기 위한 단순하고 신뢰할 수 있는 프로세스가 필요하다. 특히 전체 길이를 따라 최소 폭을 유지하는 용접부를 생성한다. 바람직하게는 프로세스는 용접 속도, 정밀도, 용접 품질 및 용접당 비용과 같은 레이저 용접의 이점을 손상시키지 않는다.

본 발명에 따라 용접 라인을 따라 공작물을 레이저 용접하는 방법은 레이저 방사선의 집속 빔을 상기 공작물에 전달하는 단계를 포함한다. 상기 집속 빔은 집속 중심 빔과 동심 집속 환형 빔을 가지고 있다. 상기 집속 중심 빔은 상기 집속 빔에 노출된 상기 공작물의 표면 상의 상기 집속 환형 빔보다 작다. 상기 집속 빔은 상기 용접 라인을 따라 상기 공작물에 대해 측방향으로 이동한다. 상기 중심 빔은 중심 처리 파워를 갖고 상기 환형 빔은 환형 처리 파워를 갖는다. 상기 환형 빔의 상기 파워는 상기 환형 처리 파워로부터 감소된다. 상기 집속 빔이 상기 용접 라인의 종료 위치에 도달하면 상기 공작물에 대한 상기 집속 빔의 측방향 이동이 중지된다. 상기 중심 빔의 파워는 상기 중심 처리 파워로부터 증가된다. 상기 환형 빔의 상기 파워는 제1 환형 램프 속도(ramp rate)로 감소되는 반면, 상기 중심 빔의 상기 파워는 제1 중심 램프 속도로 감소된다. 상기 환형 빔의 상기 파워는 제2 환형 램프 속도로 감소되는 반면, 상기 중심 빔의 파워는 제2 중심 램프 속도로 감소된다. 상기 제2 환형 램프 속도는 상기 제1 환형 램프 속도보다 작다. 상기 제2 중심 램프 속도는 상기 제1 중심 램프 속도보다 작다.

본 명세서의 일부에 포함되고 그를 구성하는 첨부도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 것으로서, 상기 주어진 일반적인 설명 및 후술하는 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 기술하는 역할을 한다.
도 1a는 적어도 2개의 레이저 방사선 빔을 생성하는 레이저 소스, 광섬유, 초점 렌즈 및 공작물에 대해 레이저 방사선의 집속 빔을 병진이동시키기 위한 수단를 포함하는, 본 발명에 따른 공작물을 레이저 용접하는 방법을 구현하기 위한 장치의 바람직한 일 실시예를 개략적으로 도시하는 부분 단면도인 측면도이다.
도 1b는 중심 빔을 가이드하기 위한 중심 코어 및 환형 빔을 가이드하기 위한 환형 코어를 갖는 도 1a의 광섬유의 상세를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a는 환형 빔 및 중심 빔의 파워 대 시간의 그래프이다. 도 2b는 집속 빔의 병진 속도 대 시간의 그래프이다. 도 2a 및 2b는 함께 도 1a 및 1b의 장치를 사용하는 레이저 용접 방법의 실시예에 대한 타이밍도를 형성한다.
도 3a는 환형 빔 및 중심 빔의 파워 대 시간의 그래프이다. 도 3b는 집속 빔의 병진 속도 대 시간의 그래프이다. 도 3a 및 3b는 함께 도 1a 및 1b의 장치를 사용하는 레이저 용접 방법의 또 다른 실시예에 대한 타이밍도를 형성한다.
도 4a는 환형 빔 및 중심 빔의 파워 대 시간의 그래프이다. 도 4b는 집속 빔의 병진 속도 대 시간의 그래프이다. 도 4a 및 4b는 함께 도 1a 및 1b의 장치를 사용하는 레이저 용접 방법의 또 다른 실시예에 대한 타이밍도를 형성한다.
도 5a 및 도 5b는 고강도 강으로 만들어진 공작물의 겹침 용접부의 확대된 평면도로서, 본 발명에 따라 시작 위치와 종료 위치 사이의 용접 라인을 따라 용접된 공작물의 상부 및 하부 표면을 각각 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 도 5a 및 도 5b의 겹침 용접부의 추가 확대 평면도로서, 특히 종료 위치 주변의 표면을 도시한다.
도 7a는 도 5a 및 5b의 겹침 용접부의 측면 단면도이다.
도 7b는 도 5a 및 도 5b의 겹침 용접부의 단부 단면도로서, 시작 위치와 종료 위치 사이의 대략 중간이다.
도 7c는 도 5a 및 도 5b의 겹침 용접부의 종료 위치에서의 횡단면도이다.

이제 도면을 참조하면, 동일한 구성요소는 동일한 번호로 표시되며, 도 1a 및 도 1b는 종래 기술의 레이저 가공 방법 및 본 발명의 레이저 용접 방법에 사용되는 장치(10)를 개략적으로 도시한다. 레이저 소스(12)는 광섬유(14)를 통해 적어도 2개의 레이저 방사선 빔을 초점 렌즈(16)로 전달한다. 광섬유(14)는 레이저 방사선의 중심 빔을 안내하기 위한 중심 코어(32)를 포함한다. 중심 코어(32)는 저 굴절률 클래딩(34)을 갖는다. 광섬유(14)는 레이저 방사선의 환형 빔을 안내하기 위한 환형 코어(36)를 더 포함한다. 환형 코어(36)는 저 굴절률 클래딩(34)과 또 다른 저굴절률 클래딩(38) 사이에 동심원으로 위치한다. 레이저 소스(12)는 중심 빔을 중심 코어(32)로, 환형 빔을 환형 코어(36)로 전달하도록 구성된다. 이러한 광섬유를 사용하여 이러한 레이저 소스를 통합하는 레이저 시스템은 시중에서 구입할 수 있다. 예를 들어, 캘리포니아 산타클라라에 소재한 Coherent Inc.의 Highlight™ FL-ARM 레이저이다. 이 특정 레이저 시스템의 한 가지 특징은 중심 빔과 환형 빔의 파워를 독립적으로 고정밀로 조정할 수 있다는 것이다.

초점 렌즈(16)는 수렴하는 실선으로 도시된 집속 중심 빔과 수렴하는 점선으로 도시된 동심 집속 환형 빔을 포함하는 집속 빔(18)을 형성한다. 집속 빔은 초점(20)을 향해 수렴하며, 여기서 집속 중심 빔은 동심 집속 환형 빔보다 더 작은 직경을 갖는다. 장치(10)는 광섬유(14)와 초점 렌즈(16) 사이에 위치된 선택적 빔 익스팬더(여기에는 도시되지 않음)를 또한 포함할 수 있다. 초점 렌즈(16)는 여기에서 광섬유 결합 렌즈 조립체로 도시되며, 이는 초점을 맞추기 전에 일반적으로 광섬유로부터 나오는 빔의 내부 확장을 허용하도록 배열된다.

집속 빔(18)은 설명의 편의를 위해 여기에서 "상부 조각" 및 "하부 조각"으로 지칭되는 함께 용접될 2개의 조각을 초기에 포함하는 공작물(22) 상으로 지향된다. "상부" 및 "하부"와 같은 용어는 공작물의 특정 공간 방향을 의미하지 않는다. 공작물(22)의 두 조각은 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다. 공작물(22)의 2개의 조각은 직접 접촉하거나 작은 간격으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 아연 도금 강철은 일반적으로 고압 아연 증기가 빠져나갈 수 있도록 최대 수백 미크론의 간격으로 용접된다. 도면에서 2조각은 겹침 용접 동안 단면으로 도시된다. 공작물(22)은 병진 스테이지(24)에 의해 지지되고 이동된다. 초점(20)은 공작물(22)의 상부 표면 가까이에 위치하는 것으로 도시된다. 초점은 상부 표면 위, 상에 또는 아래에 위치할 수 있다. 겹침 용접의 경우, 초점은 표면 위 약 1mm와 표면 아래 약 2mm 사이의 초점 깊이에 있는 것이 바람직하다.

용접하는 동안, 병진 스테이지(24)는 벡터 M으로 표시된 바와 같이 측면으로 이동한다. 용접부는 공작물(22)에 해칭으로 도시되며 시작 위치(28)에서 종료 위치(30)까지 원하는 용접 라인(26)을 따라 형성된다. 측면 이동 공작물(22)이 용접 라인(26)을 따라 공작물(22)에 대해 집속 빔(18)을 이동시킨다. 장치(10)는 또한 초점 렌즈(16)를 이동시켜 초점 빔(18)을 공작물(22)에 대해 이동시키도록 구성될 수 있다. 초점 렌즈(16)는 공작물(22)에 대해 측방향으로 집속 빔(18)을 빠르게 이동시키기 위해, 검류계 작동 거울과 플랫 필드 대물렌즈를 통합한 조립체이다. 평평한 공작물이 도시되어 있지만, 다른 형상을 갖는 공작물이 본 발명의 방법을 사용하여 용접될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어 자동차 차체에 사용되는 성형 판금 부품은 종종 복잡한 3차원 형상을 가지고 있다. 다수의 자유도를 가진 로봇은 곡선 용접 라인을 따라 성형 판금 부품을 함께 용접할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 함께 장치(10)를 사용하는 본 발명에 따른 레이저 용접 방법(40)의 바람직한 일 실시예를 개략적으로 도시하는 타이밍도를 형성한다. 도 2a는 시간의 함수로서 환형 빔의 파워 및 중심 빔의 파워의 그래프이다. 도 2b는 시간의 함수로서 공작물에 대한 집속 빔의 측방향 병진 속도의 그래프이다. 타이밍도는 선형 용접 종료 및 용접 종료를 포함하는 시간 범위에 걸쳐 있다. 타이밍도의 시간 0에서, 집속 빔은 시작 위치(28)와 종료 위치(30) 사이에서 일정한 속도 V로 용접 라인(26)을 따라 이동한다. 예를 들어, 초당 15에서 135mm(mm/s)인 일정한 속도 V. 시간 T_S에서, 집속 빔은 종료 위치에 도달하고 멈춘다.

대부분의 용접 라인을 따라 "선형 용접"이 있으며, 중심 빔은 중심 처리 파워 P_C에서 유지되고 환형 빔은 환형 처리 파워 P_A에서 유지된다. 이러한 파워는 공작물의 두께를 통과해 균일한 폭을 갖는 강한 용접을 형성하도록 선택된다. 중심 처리 파워와 환형 처리 파워의 최적 비율은 공작물의 재료 구성에 따라 다르다. 그럼에도 불구하고, 특정 금속 합금에 대해 실증적으로 이 비율을 최적화하는 것은 구성이 독점적이어서 알려지지 않은 경우에도 간단하다. 일반적으로, 고강도 강철 합금을 레이저 용접하기 위해, 발명자들은 최적의 P_C:P_A 비율이 바람직하게는 1:3 미만, 가장 바람직하게는 1:8 미만이라고 판단한다.

시간 T₁ 동안, 집속 빔이 종료 위치에 접근함에 따라 환형 빔의 파워는 환형 처리 파워 P_A에서 더 낮은 파워 P₁로 점차 감소한다. 파워의 이러한 점진적인 감소는 그렇지 않으면 용접의 밑면으로 전파되고 용접된 공작물의 바닥 표면에서 볼 수 있는 횡단 균열을 제거한다. 환형 빔의 파워가 감소되는 속도를 증가시키면 이 균열이 종료 위치를 향해 이동하며, 여기서 본 발명 방법의 후속 단계 동안 소모될 것이다. 그러나 환형 파워를 줄이면 아래에서 설명하는 것처럼 용접의 단면 형상도 변경된다. 따라서 원하지 않는 횡단 균열을 안정적으로 제거하기에 충분한 최소 속도로 파워를 줄이는 것이 바람직하다. 시간 T_S에서 환형 빔의 파워는 P₁이며, 이는 T₂ 시간 동안 유지된다.

시간 T₂ 동안, 집속 빔(18)이 이제 종료 위치(30)에 고정되어 있는 상태에서, 중심 빔의 파워가 중심 처리 파워 P_C에서 더 높은 파워 P₂로 증가하여 키홀을 통해 공작물의 바닥 측에 더 많은 레이저 파워를 전달한다. T₂ 동안 공작물 상부 측의 용접부는 고정된 집속 환형 빔의 조사(irradiation)로 인해 넓어진다. 이 확장은 공작물의 바닥 측에서 용접을 확장하기 위해 중심 빔의 파워를 증가시켜 균형을 이룬다. 이에 따라 파워의 증가는 용접부를 약화시킬 수 있는 비대칭 단면 및 바람직하지 않은 비대칭 기계적 응력을 갖는 용접부의 형성을 방지한다.

시간 T₃ 동안, 환형 빔의 파워는 제1 환형 램프 속도로 감소되고 중심 빔의 파워는 제1 중심 램프 속도로 감소된다. T₃ 동안의 이러한 감소는 키홀의 제어된 붕괴를 제공하고 본질적으로 종료 위치 주변의 전도 용접 상태로의 트랜지션이다. 용융된 재료의 냉각 및 응고는 시간 T₃ 동안 시작된다. 더 긴 시간 T₄ 동안, 환형 빔의 파워는 제2 환형 램프 속도로 감소되고 중심 빔의 파워는 제2 중심 램프 속도로 감소된다. 이러한 빔의 파워들은 시간 T₃보다 시간 T₄ 동안 더 천천히 감소하여 나머지 용융 재료의 더 느리고 더 제어된 응고를 제공한다. 제2 환형 램프 속도는 제1 환형 램프 속도보다 작고, 제2 중심 램프 속도는 제1 중심 램프 속도보다 작다.

T₄의 끝을 향하여, 집속 환형 빔과 집속 중심 빔의 파워 밀도는 바람직하게는 수렴하여 공작물 표면의 균일한 가열을 제공한다. 시간 T₄가 끝날 무렵 환형 빔과 중심 빔은 "오프 파워" P_O로 감소되었고, 이는 공작물의 노출된 영역을 녹이거나 손상시키기에는 너무 낮은 파워를 의미한다. 예를 들어, 오프 파워는 0와트(W)일 수 있다.

본 발명자들은 집속 레이저 빔이 종료 위치에 도달했을 때 단순히 스위치 오프되거나 파워가 선형적으로 감소되는 경우 응고가 상당한 균열을 야기한다는 것을 발견했다. 키홀을 통해 레이저 파워가 전달되지 않으면, 응고가 용접 풀 바닥에서 시작된다. 용접부의 측면에서 중심을 향해 안쪽으로 빠른 입자 성장이 있어 용접 라인의 중심을 따라 응력이 집중된다. 냉각은 용접 라인을 따라 용접의 무게를 측정하는 재료의 수축을 동반한다. 일부 경우에, 생성된 균열이 전체 용접부를 따라 전파될 수 있다. 고강도 강철은 용접 라인 중심을 따라 특히 이러한 균열이 발생하기 쉽고 종료 위치 주변에 추가 균열이 형성될 수 있다.

본 발명의 방법은 시간 T₂ 동안 키홀을 통해 하부 조각에 추가 에너지를 제공함으로써 이러한 결함을 방지하므로, 상부 및 하부 조각은 바닥 표면으로 전파되는 계면 균열을 최소화하기 위한 온도에 근접한다. 용접된 공작물은 종료 위치(30) 주위에 특징적인 "벌브" 형상을 갖는다(도 5a 및 5b에서 볼 수 있음). 집속 빔이 정지되어 있는 동안 벌브는 시간 T₂ 동안 형성되기 시작한다. 시간 T₃ 및 T₄를 통해 파워를 낮춤으로써 응고 및 냉각을 제어하면 종료 위치에서 균열 형성을 최소화하는 더 느린 국부 입자 성장이 산출된다. 종료 위치의 재료는 응고되고 반경 방향으로 안쪽으로 냉각되어 용접 라인 중심이 아닌 벌브의 중심의 작은 부피에 응력이 집중된다.

도 3a 및 도 3b는 함께 본 발명에 따른 또 다른 레이저 용접 방법(50)을 개략적으로 예시하는 타이밍도를 형성한다. 도 3a는 시간의 함수로서 환형 빔의 파워 및 중심 빔의 파워의 그래프이다. 도 3b는 시간의 함수로서 공작물에 대한 집속 빔의 측방향 병진 속도의 그래프이다. 용접 방법(50)은 도 2a 및 2b의 용접 방법(40)과 유사하지만, 환형 빔의 파워가 약 P₁로 유지되고 중심 빔의 파워는 약 P₂에서 유지되는 동안의 T₂와 T₃ 사이의 체류 시간(dwell time) T_2'을 더 포함한다. 체류 시간 T_2' 동안, 추가 에너지는 집속 중심 빔에 의해 키홀을 통해 전달되며, 이는 하부 조각과 상부 조각의 온도를 동일하게 하기 위해 하부 조각의 추가 가열을 제공한다. 발명자들은 이러한 추가 가열이 일부 재료를 용접할 때 유리하다는 것을 발견했다. 파워 P₁, 파워 P₂ 및 체류 시간 T_2'은 단면에서 대칭인 종료 위치에서 용접을 형성하도록 선택될 수 있다. 특히, 벌브는 하기에서 더 논의되는 바와 같이 상부 조각과 하부 조각 사이의 경계면에 대해 대칭이다. 일반적으로 수십 밀리초(ms)의 체류 시간 T_2'이면 충분하다.

도 3a 및 도 3b의 용접 방법(50)에서, 환형 빔의 파워는 환형 처리 파워 P_A에서 전체 시간 T₁ 및 T₂ 동안 더 낮은 파워 P₁로 감소된다. 도 2a 및 도 2b의 용접 방법(40)에서, 환형 빔의 파워는 단지 시간 T₁ 동안 더 낮은 파워 P₁로 감소된다. 환형 빔의 파워 감소가 점진적이기 때문에 용접 방법 간의 이러한 차이는 중요하지 않다. 예를 들어, 용접의 마지막 몇 밀리미터에 걸쳐 10%에서 20% 사이의 파워 감소. 시간 T₁은 일반적으로 시간 T₂보다 훨씬 길 것이다.

도 4a 및 도 4b는 함께 본 발명에 따른 또 다른 레이저 용접 방법(60)을 개략적으로 예시하는 타이밍도를 형성한다. 도 4a는 시간의 함수로서 환형 빔의 파워 및 중심 빔의 파워의 그래프이다. 도 4b는 시간의 함수로서 공작물에 대한 집속 빔의 측방향 병진 속도의 그래프이다. 용접 방법(60)은 도 2a 및 2b의 용접 방법(40)과 유사하지만, 용접 풀의 응고 종료 근처에 인가되는 레이저 파워의 추가 펄스를 포함한다.

시간 T₃ 및 T₄ 이후, 환형 빔과 중심 빔이 오프 전원 P_O로 유지되면 벌브의 중심에 남아 있는 용융된 재료가 응고되고 냉각된다. 일부 공작물에서, 벌브 중심의 상부 표면 근처에 잔류 보이드가 형성될 수 있다. 일부 공작물에서, 벌브 내에 잔류 균열이 형성된다. 용접 방법(60)에서 레이저 출력의 추가 펄스는 나머지 용융 풀의 응고를 더 늦추고 제어함으로써 이러한 결함이 형성되는 것을 방지한다. 또는 방금 응고된 공작물을 냉각하는 경우 추가 펄스가 상부 표면에서 뜨거운 재료를 다시 녹여 잔류 공극, 잔류 균열 또는 기타 결함을 지운다.

용접 방법(60)에서, 환형 빔과 중심 빔은 시간 T₃ 및 T₄에 이어 시간 T₅ 동안 오프 파워로 유지되는 반면, 용융 풀은 응고되고 체적이 감소한다. 그런 다음 시간 T₆ 동안 레이저 파워의 펄스가 인가된다. 시간 T₆ 동안 환형 빔 P₃의 파워는 환형 처리 파워 P_A에 비해 낮고, 시간 T₆ 동안 중심 빔 P₄의 파워도 중심 처리 파워 P_C에 비해 낮다. 시간 T₆ 동안 인가된 에너지는 기껏해야 표면 재용융에 충분하고 파워 밀도는 바람직하게는 균일하다. 따라서 더 작은 집속 중심 빔의 파워 P₄는 일반적으로 집속 환형 빔의 파워 P₃보다 작다. 직사각형 모양의 펄스가 도면에 묘사되어 있지만, 파워와 에너지가 응고를 늦추거나 표면을 다시 녹이는 데 충분하다면 다른 펄스 모양도 효과적일 것이다. 일부 공작물의 경우, 느린 응고와 표면 재용융 모두에 다중 펄스를 인가하는 것이 이로울 수 있다.

도 5a 및 5b는 도 3a 및 3b의 방법(50)에서와 같이 체류 시간 T_2'을 추가하여 도 4a 및 4b의 용접 방법(60)을 사용하여 만들어진 고강도 강철 공작물의 겹침 용접을 보여주는 확대 평면도 사진이다. 공작물은 0.3mm 간격으로 1.4mm 두께의 아연도금된 Gen3 강의 2개의 조각이었다. 레이저 시스템에는 Highlight™ FL10000-ARM 레이저와 집속 빔을 병진이동시키기 위해 로봇 팔에 장착된 스캐너가 포함되어 있다. 시간 T_S 이전에, 집속 빔은 3800W의 환형 처리 파워 P_A와 1000W의 중심 처리 파워 P_C로 용접 라인을 따라 46mm/s의 속도로 병진이동되었다. 다른 용접 파라미터는 다음과 같다: P₁ = 3500W, P₂ = 1600W, P₃ = 200W, P₄ = 50W, T₁ = 100ms, T₂ = 5ms, T_2' = 50ms, T₃ = 60ms, T₄ = 160ms, T₅ = 70ms 및 T₆ = 30ms.

도 5a는 집속 레이저 빔에 노출된 상부 표면을 나타내고, 도 5b는 바닥면을 도시한다. 집속 빔은 시작 위치(28)에서 종료 위치(30)까지 용접 라인(26)을 따라 오른쪽에서 왼쪽으로 스캔되었다. 용접부는 대부분의 용접 라인을 따라 거의 균일한 표면 폭을 가지며, 이는 대략적으로 집속 환형 빔의 직경이다. 위에서 설명한 바와 같이, 용접부에는 종료 위치 주변에 벌브가 있다. 이 용접 표면에는 균열이 없다. 용접 라인은 도면에서 점선으로 표시되어 용접 중심을 따라 균열이 생기지 않도록 한다.

도 6a 및 6b는 벌브 주변의 도 5a 및 5b의 공작물의 고배율 사진이다. 도 6a는 상부 표면을 도시하고 도 6b는 하부 표면을 도시한다. 중심선을 따라 또는 벌브 내에 명백한 균열이 없다. 벌브 중심 근처에 눈에 띄는 구멍이나 기타 결함이 없다.

도 7a 내지 도 7c는 도 5a 및 도 5b의 공작물의 단면 확대 사진이다. 도 7a는 시작 위치(28)에서 종료 위치(30)까지의 전체 용접 라인을 따른 용접부를 도시한다. 용접부는 대부분의 용접 라인을 따라 거의 균일한 높이를 가지며 명백한 불연속성, 균열 또는 공극이 없다. 용접부는 아래에서 논의되는 바와 같이 종료 위치(30) 주위에서 약간 테이퍼링된다.

도 7b는 시작 위치와 종료 위치 사이의 대략 중간 위치에서 단면의 용접부를 도시한다. 이 위치는 시간 T₁ 이전에 집속 빔에 노출되었으며, 중심 빔은 중심 처리 파워 P_C에 있고 환형 빔은 환형 처리 파워 P_A에 있었다. 용접부는 공작물을 통과해 거의 균일한 폭을 갖거나 (동등하게) 용접부는 원하는 대로 상대적으로 편평한 벽을 가진다. 이것은 용접이 2 조각 사이의 인터페이스에 대해 대칭임을 의미한다. 용접은 상부 및 하부 표면에 메니스커스가 있으며, 이는 필러 재료를 사용하지 않을 때 간격을 가로지르는 겹침 용접의 일반적인 현상이다.

도 7c는 종료 위치에서 단면의 용접부를 보여준다. 용접은 공작물의 전체 두께를 통과해 확장된다. 전반적으로, 용접부는 상부 조각과 하부 조각 사이에 대칭을 이루며 각 조각에서 녹는 재료의 양은 거의 같다. 이 대칭은 종료 위치에서 단면 "나비" 또는 "모래시계" 모양을 생성한다. 2조각 사이의 경계면에 위치한 웨이스트는 나머지 용접부(~1.6mm, 도 7b에서 단면으로 표시됨)와 거의 동일한 폭(~1.8mm)을 가지므로, 용접의 종단은 용접된 공작물의 취약 지점이 아니다. 종료 위치에 명백한 균열이나 공극이 없다. 벌브 직경은 이 단면의 상부 표면에서 측정할 때 약 3.1mm이다.

본 발명의 용접 방법은 다양한 금속 합금에 적용될 수 있다. 예를 들어, 당업계에 공지된 3세대 강인 고강도 강철 합금 "Gen3" 및 "XGen3". 이 방법은 "DP600" 및 "DP980"과 같은 이중상 강에도 적용할 수 있다. 이 방법은 또한 룩셈부르크의 ArcelorMittal S.A.에서 상업적으로 입수 가능한 Usibor® 및 Ductibor® 브랜드 강에 적용될 수 있다.

겹침 용접이 상기 예로서 사용되었지만, 당업자는 본 발명의 방법이 필렛 용접 또는 맞대기 용접과 같은 다른 구성에 적용될 수 있음을 인식할 것이다. 공작물의 전체 두께를 통과해 용접할 필요가 없는 응용 분야의 경우, 이 방법은 여전히 가열을 조절한 다음 용접 바닥에서 응고 및 냉각을 제어하며, 이는 공작물로의 키홀의 가장 깊은 침투에 대응한다. 이 방법은 여전히 균열 형성을 완화하고 용접 종단에서 특징적인 벌브를 형성한다. 중심 처리 파워 대 환형 처리 파워의 최적 비율 P_C:P_A를 사용하면, 대부분의 용접 라인을 따라 노출된 표면과 용접 바닥 사이에 대략 균일한 폭을 갖는 용접이 형성된다.

본 명세서에서는 선형 파워 램핑이 도시되고 논의되었지만, 예시 및 설명의 단순화를 위해, 본 발명의 용접 방법은 중심 빔 및/또는 환형 빔의 파워 램핑의 다른 유형을 사용함으로써 더욱 최적화될 수 있다. 예를 들어, 지수 파워 램핑.

본 발명은 바람직한 실시예 및 다른 실시예의 관점에서 상술되었다. 그러나, 본 발명은 여기에서 기술되고 도시된 실시예로 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 여기에 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (20)

1. 용접 라인을 따라 공작물을 레이저 용접하는 방법으로서,
   집속 중심 빔 및 동심 집속 환형 빔을 가지며, 상기 집속 중심 빔은 레이저 방사선의 집속 빔에 노출된 상기 공작물의 표면 상의 상기 집속 환형 빔보다 더 작은 상기 레이저 방사선의 상기 집속 빔을 상기 공작물에 전달하는 단계;
   상기 중심 빔은 중심 처리 파워를 갖고 상기 환형 빔은 환형 처리 파워를 가지는, 상기 용접 라인을 따라 상기 공작물에 대해 측방향으로 상기 집속 빔을 이동시키는 단계;
   상기 환형 처리 파워로부터 상기 환형 빔의 파워를 감소시키는 단계;
   상기 집속 빔이 상기 용접 라인의 종료 위치에 도달할 때 상기 공작물에 대한 상기 집속 빔의 측면 이동을 중지하는 단계;
   상기 중심 처리 파워에서 상기 중심 빔의 파워를 증가시키는 단계;
   상기 중심 빔의 파워를 제1 중심 램프 속도로 감소시키면서 제1 환형 램프 속도로 상기 환형 빔의 파워를 감소시키는 단계; 및
   상기 중심 빔의 파워를 제2 중심 램프 속도로 감소시키면서 제2 환형 램프 속도로 상기 환형 빔의 파워를 감소시키는 단계로서, 상기 제2 환형 램프 속도는 상기 제1 환형 램프 속도보다 작고, 상기 제2 중심 램프 속도는 상기 제1 중심 램프 속도보다 더 작은 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 방사선은 광섬유에 의해 레이저 소스로부터 초점 렌즈로 전달되고, 상기 초점 렌즈는 상기 집속 빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 광섬유는 상기 중심 빔을 안내하는 중심 코어와 상기 환형 빔을 안내하는 환형 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 공작물은 함께 겹침 용접되는 2개의 조각을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 2개의 조각은 간격을 두고 분리되는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
6. 제4항에 있어서, 환형 처리 파워에 대한 중심 처리 파워의 비율은 상기 2개의 조각을 통과해 균일한 폭을 갖는 용접을 형성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 환형 처리 파워에 대한 중심 처리 파워의 비율이 1:3 미만인 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 초점은 노출면 위 1밀리미터와 노출면 아래 2밀리미터 사이의 범위에 있는 상기 공작물의 상기 노출면에 대한 초점 깊이에 위치하는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 제2 환형 속도로 상기 환형 빔의 파워를 감소시키고 제2 중심 속도로 상기 중심 빔의 파워를 감소시키는 단계는 상기 환형 빔 및 상기 중심 빔의 파워들을 오프 파워로 감소시키는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 오프 파워는 0와트인 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 오프 파워는 상기 공작물의 표면을 녹이는 파워보다 작은 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 환형 빔의 파워를 감소시키는 단계는 상기 환형 처리 파워에서 더 낮은 파워로 감소하고, 상기 중심 빔의 파워를 증가시키는 단계는 상기 중심 처리 파워에서 더 높은 파워로 증가하고, 상기 더 낮은 파워 및 더 높은 파워는 상기 환형 빔의 파워를 감소시키는 단계 및 상기 중심 빔의 파워를 감소시키는 단계 전에 체류 시간(dwell time) 동안 유지되는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 공작물은 함께 용접될 2개의 조각을 포함하고, 종료 위치에서 상기 2개의 조각의 온도를 균등화하도록 상기 더 낮은 파워, 더 높은 파워 및 체류 시간이 선택되는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 더 낮은 파워, 더 높은 파워 및 체류 시간은 상기 노출 표면 상의 온도와 상기 공작물로의 키홀의 가장 깊은 침투에서의 온도를 균등화하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
15. 제12항에 있어서, 상기 더 낮은 파워, 더 높은 파워 및 체류 시간은 상기 종료 위치에서 단면이 대칭인 용접을 형성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
16. 제12항에 있어서, 상기 환형 처리 파워로부터 상기 더 낮은 파워로의 상기 환형 빔의 파워 감소는 약 10% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
17. 제1항에 있어서, 상기 환형 빔의 파워를 감소시키는 단계와 상기 중심 빔의 파워를 감소시키는 단계 후에 레이저 파워의 펄스를 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 펄스에 의해 제공되는 상기 레이저 파워는 상기 종료 위치에서 용융된 재료의 응고를 늦추기에 충분한 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
19. 제17항에 있어서, 상기 펄스에 의해 제공되는 상기 레이저 파워는 상기 노출 표면을 재용융시키기에 충분한 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.
20. 제1항에 있어서, 상기 공작물은 Gen3 강, XGen3 강, DP600 강 및 DP980 강으로 이루어진 그룹에서 선택되는 금속합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공작물을 레이저 용접하는 방법.

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