KR20230104596A - 강철 부품의 접합 방법 - Google Patents

Abstract

적어도 제1 강철 부품(1)을 제2 강철 부품(2)에 접합하는 방법으로서, 제1 강철 부품(1)을 제2 강철 부품(2)에 레이저 용접을 수행하여 제1 접합부(6)를 생성하고, 이어서 충전 재료(3)를 사용하여 레이저 경납땜을 수행하여 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2) 사이에 제2 접합부(7)를 생성하는 단계를 포함하며; 상기 레이저 용접은 상기 제1 강철 부품(1)과 상기 제2 강철 부품(2)을 국부적으로 용융시켜 용접부를 형성하기 위해 상기 제1 강철 부품(1)과 상기 제2 강철 부품(2)의 융점보다 높은 용접 온도에서 수행되며, 상기 레이저 경납땜은 제1 강철 부품(1), 제2 강철 부품(2) 및 제1 접합부(6)의 융점들 중 최저보다 낮은 온도에서 수행되고, 제2 접합부(7)는 제1 접합부(6)를 은폐한다.

Description

강철 부품의 접합 방법

본 발명은 적어도 2개의 강철 부품을 접합하는 방법 및 그 용도에 관한 것이다. 추가 양태에서, 본 발명은 적어도 2개의 강철 부품을 접합하기 위한 레이저 용접 및 경납땜 유닛(brazing unit)과 적어도 2개의 강철 부품 사이의 접합부에 관한 것이다.

레이저 경납땜은 강철 부품들을 접합하는 데 사용할 수 있는 접합 기술이다. 레이저 경납땜에서, 접합되는 금속 부품들을 녹이지 않고 두 부품 사이의 접합부를 생성하기 위해 두 금속 부품 사이의 충전 와이어(filler wire)를 녹이는 데 레이저 빔이 사용된다. 상기 접합되는 금속 부품은 강우, 온도, 압력 또는 바람과 같은 대기 조건에 노출되지 않는 내부 차체 부품이거나 대기 조건에 노출되는 외부 부품일 수 있다. 레이저 경납땜 부품의 시각적 외관은 자동차 산업에서와 같은 노출된 부품을 갖는 응용에 적합하게 한다. 자동차 산업에서 레이저 경납땜은 예를 들어 지붕을 차체 측면 패널에 접합하기 위해 또는 테일게이트(tailgate)의 조립 과정과 같은 응용 분야에서 사용되고 있다. 이러한 구조물의 경납땜은 기존의 다른 접합 방법으로 생성된 접합부에 비해 접합부에 더 우수한 마감을 보여준다.

레이저 경납땜 방법의 성능은 금속 부품에 사용된 코팅의 유형에 따라 달라진다. 거의 전적으로(>99%) 아연으로 구성된 코팅이 자주 사용된다. 강철 부품상의 이러한 아연도금 코팅(Gl 코팅)의 시각적 외관은 Gl 코팅된 재료에서 레이저 경납땜 접합부의 기계적 성능이 허용될 수 있더라도 가장자리가 물결치는 문제가 있다. 외부 차체 부품 및 패널에 대해 마그네슘과 아연 합금 코팅(MZ)을 사용하는 것은 부식 저항 성능이 향상되고 압출(pressing) 성능이 향상되므로 유리하다. 레이저 경납땜 MZ-코팅 부품의 시각적 외관이 또한 우수하고 레이저 경납땜 Gl의 시각적 외관보다 더 나은 것으로 판단된다. 그러나 레이저 경납땜 MZ-코팅 부품의 접합 강도는 특히 접합부의 뿌리에서 강철 표면에 대한 충전 재료(filler material)의 불완전한 접착 또는 융합으로 인해 불충분할 수 있다. 접합부 뿌리에서의 불완전한 융합은 불완전 습윤이라고도 한다. 이 불완전한 융합으로 인해 접합부는 인장 강도 측정에서 조기에 파손되기 쉬우며 이는 특히 자동차 응용 분야에서 허용되지 않는다. 레이저 파워, 경납땜 속도 및 와이어 속도와 같은 설정 변경은 접합부 뿌리에서 충전 재료의 접착력 부족 문제를 완전히 해결할 수 있는 것으로 입증되지 않았다. 레이저 경납땜 접합부의 제한된 강도와 파손 모드는 MZ-코팅 재료를 자동차용 외부 차체 패널에 적용할 때 걸림돌이 된다.

레이저 용접은 두 개의 금속 부품을 접합하는 데 널리 사용되는 또 다른 방법이다. 접합해야 하는 금속 부품의 재료를 녹이는 데 레이저 빔이 사용된다. 레이저 용접한 접합부는 레이저 경납땜 접합부보다 강도가 높지만, 용접 중 단점은 접합부의 (종종 얇은-벽) 기초 재료의 구조가 변경된다는 것이다. 이는 기초 재료 구조가 변경되지 않아야 하는 많은 응용 분야에서 원하지 않는 효과이다. 또한, 레이저 용접한 접합부는 양호한 시각적 외관을 제공하지 않는다. 이것은 특히 외부 차체 부품의 시각적 외관이 중요한 자동차 산업과 같은 응용 분야에서 문제가 된다. 이러한 응용 분야에서 종종 레이저 용접 부품은 더 나은 시각적 외관을 위해 트림(trim) 아래에 숨겨야 한다. 이것은 공정의 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 조립의 복잡성을 증가시킨다.

본 발명의 목적은 증가된 인장 강도를 갖는, 강철 부품을 접합하는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 개선된 시각적 외관을 갖는, 강철 부품을 접합하는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 개선된 내부식 성능, 압착 성능, 인장 강도 및 시각적 외관을 갖는, 강철 부품을 접합하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 강철 부품 사이의 접합부의 시각적 외관뿐만 아니라 강도를 개선하기 위한 신뢰할 수 있는 해법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따르면, 청구항 1에 청구된 바와 같이 적어도 제1 강철 부품을 제2 강철 부품에 접합하기 위한 방법이 제공된다. 상기 접합은 또한 3개의 강철 부품 또는 4개의 강철 부품과 같이 2개 이상의 강철 부품 사이에 만들어질 수 있다. 접합해야 하는 강철 부품들은 부품들이 접합될 수 있게 하는 임의의 적절한 형상일 수 있다. 강철 부품들은 그 굽힘 반경에 대해 'V 홈 구성'으로 배열될 수 있다. 강철 부품들은 상기 홈의 뿌리에서 그들 사이의 간격이 최소 또는 0이 되도록(인접하는 부품들) 배열될 수 있다. V 홈 구성은 2개의 강철 부품으로 구성될 수 있으며 여기서 두 강철 부품은 모두 굽은 반경을 가진다. V 홈 구성은 또한 하나의 강철 부품은 굽은 반경을 갖고 다른 강철 부품은 직선인 2개의 강철 부품으로 구성될 수 있다. 강철 부품들은 굽힘 반경에 대한 'Y 홈 구성'으로 배열될 수 있으며 홈의 뿌리에서 그 사이의 간격(인접하는 부품들)이 최소 또는 0이 된다. 접합하는 강철 부품들 중 하나 이상 또는 전부는 바람직하게는 부식으로부터 강철을 보호하기 위해 금속 코팅이 제공된다. 이 방법은 제1 접합부를 생성하기 위해 적어도 제1 강철 부품을 제2 강철 부품에 레이저 용접하는 단계 및 이어서 제1 강철 부품과 제2 강철 부품 사이에 제2 접합부를 생성하기 위해 충전 재료를 사용하여 레이저 경납땜을 수행하는 단계를 포함한다. 용접될 때, 제1 접합부는 제1 강철 부품 및 제2 강철 부품의 기초 재료와 단일의 연속 표면을 형성한다. 제2 접합부는 제1 접합부 이후에 제2 단일 연속 표면으로서 만들어진다. 제1 접합부와 제2 접합부의 재질이 다르다. 제2 접합부는 제1 접합부를 숨긴다. 이것은 모든 트림을 불필요하게 만든다. 제2 접합부의 하부면은 반드시 제1 접합부의 상부면에 닿을 필요는 없다. 상기 제1 접합부의 상부면과 제2 접합부의 하부면 사이에 간극이 있을 수 있으며, 제1 접합부의 상부면과 제2 접합부의 하부면이 부분적으로 접촉하거나 또는 제1 접합부의 상부면과 제2 접합부의 하부면이 완전히 접촉할 수 있다. 또한, 레이저 용접은, 제1 강철 부품 및 제2 강철 부품을 국부적으로 용융시켜 제1 및 제2 강철 부품의 용융된 재료와 선택적으로 사용되는 충전 재료로 이루어진 용융 풀(melt pool)을 형성하기 위해, 제1 강철 부품 및 제2 강철 부품의 융점보다 높은 온도에서 수행된다. 냉각 시 응고 후 응고된 용융 풀이 용접을 형성한다. 이렇게 하면 용접하는 동안 두 강철 부품의 기초 재료가 용융되어, 응고 후 제1 접합부를 형성하는 융합 영역에서 용융 풀을 형성한다. 따라서 제1 접합부의 기계적 강도는 용접을 위해 용융된 기초 재료의 기계적 강도와 거의 유사하다. 충전 재료가 레이저 용접에 사용되는 경우, 용접 온도 역시 충전 재료의 융점보다 높게 선택된다. 제1 접합부를 생성한 후 제2 접합부를 제공하기 위해 레이저 경납땜 단계가 수행된다. 상기 레이저 경납땜은 상기 제1 강철 부품, 상기 제2 강철 부품 및 제1 접합부의 융점들 중 가장 낮은 온도보다 낮은 온도에서 수행된다. 이렇게 하면 제1 강철 부품 및/또는 제2 강철 부품 및/또는 제1 접합부가 레이저 경납땜 단계 동안 다시 용융되지 않도록 보장된다. 경납땜 접합부의 기계적 강도는 경납땜 재료가 만들어지는 충전 재료의 기계적 강도와 거의 유사하다. 경납땜 접합부는 또한 상기 재료의 균일하고 동질적인 충전을 접합부에 제공한다. 레이저 용접과 레이저 경납땜 방법을 결합하여 최소 두 개의 접합부를 만들면, 접합부에서 더 높은 강도를 얻을 수 있다. 이로 인해 인장 시험 중에 종종 접합부가 아닌 기초 재료 자체에서 파손이 발생한다. 이 외에도 제1 접합부를 완전히 은폐하는 레이저 경납땜된 제2 접합부는 접합부의 시각적 외관을 개선한다. 따라서 제1 접합부 또는 홈의 뿌리에서의 용접부는 접합부가 충분한 강도를 갖도록 보장하는 한편, 제2 접합부 또는 경납땜 이음매는 우수한 시각적 외관을 보장한다. 다중 접합부는 또한 접합부의 재료 증가를 보장하여 일부 응용 분야에서 요구되는 접합부의 재료 충전을 개선한다.

제8회 Photonic Technologies LANE 2014 국제회의에서 발표한 Mittelstadt의 "Cu 기반 충전 재료를 사용하는 자동차 산업용 얇은 강철 시트의 2빔 레이저 경납땜"에 대한 논문(Physics Procedia 56, 페이지 699-708)은 두 부품을 접합하기 위한 2빔 레이저 경납땜을 공개한다. 선행 레이저 빔은 경납땜 영역과 충전 재료를 예열하는 데 사용되는 반면 후행 레이저 빔은 충전 재료를 녹이는 데 사용된다. 안타깝게도 이러한 접합부들은 기계적 강도가 좋지 않다.

Metallurgical and materials transaction A 43, 페이지 4740-4754(2012)에 실린 Liqun Li의 "강철에 대한 Mg의 레이저 용접-경납땜 동안 계면 반응 및 기계적 특성에 대한 Zn 코팅의 영향"에 대한 논문은 Zn-코팅 강철에 Mg 합금을 접합하기 위한 레이저 용접 경납땜 방법을 공개한다. 이 방법에서 레이저는 Mg-합금을 녹이는 데 사용되고 레이저 경납땜은 Zn-층과 충전 재료를 녹여 단일 접합부를 만드는데 사용된다. 이 방법에서 Zn-코팅 강의 강철은 온도가 강철의 융점을 초과하지 않기 때문에 녹지 않는다.

레이저 용접 단계와 레이저 경납땜 단계 사이의 시간은 용접 후 냉각 속도에 의해 결정된다. 상기 용융 풀은 바람직하게는 레이저 경납땜을 수행하기 전에 응고된다. 냉각 속도는 여러 요인에 따라 달라진다(접합할 강철 부품들의 두께, 용접부 주변의 열 입력, 용융 풀의 크기, 가속 냉각의 사용 등). 전형적인 조건에서 용융 풀은 레이저 용접 단계 종료 후 약 120 ~ 200ms 사이에 응고된다. 용접 후 약 700ms에서 용접부는 여전히 약 500°에 있지만, 발명자는 레이저 경납땜 단계가 효과적으로 실행되어 우수한 경납땜 결과를 제공할 수 있음을 알았다. 용접과 경납땜 단계 사이의 시간이 훨씬 더 긴 경우, 예를 들어 용접 및 레이저 단계가 두 개의 개별 공정에서 수행될 때에도, 좋은 결과가 얻어진다. 이 경우 두 공정 사이의 지연은 몇 초 또는 몇 분이 될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 레이저 경납땜 단계는 속도 제어 단계이고, 전형적인 용접 속도는 10~30m/분인 반면, 전형적인 경납땜 속도는 2 내지 10m/분이다. 용접과 경납땜이 단일 처리 헤드에서 결합되는 경우, 처리 속도는 경납땜 속도에 의해 제한된다. 본 발명자들은 두 레이저 빔 사이의 적절한 거리가 전형적으로 5 내지 50mm라는 것을 알았다. 두 레이저 빔 사이의 작은 거리는 납땜 윤곽이 날카로운 곡선을 포함할 때 특히 유용하다.

본 발명에 따른 레이저 용접 단계는 추가 충전 재료를 사용하지 않고 수행되는 것이 바람직하다. 그러나 용융 풀의 조성을 조정해야 하는 경우(예를 들어, 용접 후 고온 균열을 방지하기 위해) 또는 강철 부품들 사이의 간격이 너무 넓은 경우 적절한 조성을 가진 필러 와이어, 대부분의 경우 강철 필러 와이어가 사용될 수 있다. 레이저 경납땜 단계는 다양한 와이어 공급 속도로 수행될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 상기 홈의 뿌리에서 기초 재료가 얇아지는 것을 방지하기 위해 더 낮은 와이어 공급 속도에서 레이저 경납땜을 수행하는 것에 관한 것이다.

본 발명에 따른 방법의 추가적인 이점은, 레이저 용접 단계 후에 용접부 주변의 강철 부품들이 여전히 주변 온도보다 높다는 점이다. 이 상승된 온도는 경납땜 단계를 도와주는데 이는 결과적으로 경납땜 재료에 대한 강철 부품들의 습윤성이 증가하기 때문이다. 가장 일반적으로 사용되는 경납땜 와이어는 CuSi₃, CuSi₂ 및 CuAl₈이다.

본 발명의 실시예에서, 제1 강철 부품 및/또는 제2 강철 부품은 아연 합금 코팅을 포함한다. 이 코팅은 적절하게 준비된 강철 표면에 연속 코팅 공정으로 전기분해식으로 적용된, 적어도 99.9%의 아연 함량을 갖는 전기아연도금(EG) 코팅일 수 있다(달리 표시되지 않는 한 모든 코팅 백분율은 중량(wt)%임). 상기 코팅은 또한 아연 함량이 99% 이상인 용융 수조에 강판을 통과시켜 연속 공정으로 적용된 용융(hot-dip) 아연도금(Gl) 코팅일 수 있다. 상기 코팅은 99% 이상의 아연 함량을 포함하는 용융 수조에 준비된 스트립을 침지하고 철을 아연층 내로 확산시키는 후속 어닐링에 의해 생성되는 아연-철 합금 코팅일 수 있다. 생성된 아연-철 코팅은 일반적으로 13 질량%의 철 함량을 가지며 갈바닐 도금(GA) 코팅이라고 한다. 상기 코팅은 실리콘 함량이 8~11%인 용융 알루미늄 수조에 준비된 스트립을 통과시켜 적용된 알루미늄-실리콘(AlSi) 코팅이 될 수도 있다. 상기 코팅은 또한 준비된 스트립을 마그네슘과 알루미늄이 합금된 용융 아연 수조에 통과시켜 적용된 아연-마그네슘(MZ) 코팅이 될 수 있다. 아연 합금 코팅(Fe₂Al₅ 차단층 포함)은 바람직하게는 0.3~4.0% Mg 및 0.3~6.0% Al을 포함하고; 선택적으로 최대 0.2%의 하나 이상의 추가 원소; 불가피한 불순물; 나머지 아연을 포함한다. 더 바람직하게는 상기 코팅의 합금 원소 함량은 1.0 ~ 2.0% 마그네슘 및 1.0 ~ 3.0% 알루미늄, 선택적으로 최대 0.2%의 하나 이상의 추가 원소, 불가피한 불순물 및 나머지는 아연일 수 있다. 훨씬 더 바람직한 실시예에서, 상기 아연 합금 코팅은 최대 1.6% Mg 및 1.6 내지 2.5% Al, 선택적으로 최대 0.2%의 하나 이상의 추가 원소, 불가피한 불순물 및 나머지는 아연을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 접합할 코팅된 강철 부품은 MZ-코팅으로 코팅된다. 본 발명에 따른 방법은 용접에 의한 강철 부품들 사이의 강한 접합부와, 경납땜 접합부 상부에 트림의 적용과 같은 추가적인 미적 개선이 필요하지 않는 매력적인 시각적 외관을 갖는 경납땜 접합부를 제공할 것이다. MZ-코팅의 사용은 접합된 강철 부품에 우수한 부식 저항성과 향상된 프레싱 성능을 제공한다.

레이저 용접은 강철 부품들 사이에서 부분적으로 또는 국부적으로 수행될 수도 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 레이저 용접은 제1 강철 부품과 제2 강철 부품 사이의 홈의 뿌리에서 수행된다. 이 경우 두 개의 강철 부품이 서로 가깝지만 반드시 서로 닿을 필요는 없다. 레이저 용접은 기초 재료의 용융을 최소화하기 위해 홈의 뿌리에서 선택적으로 수행될 수 있다. 용접 단계 중에 공급 재료를 사용하는 것도 가능하다. 이는 기초 재료가 각지고 구부러진 형상을 포함할 때, 특히 코너의 굽힘 반경에서 기초 재료가 녹는 경우에 특히 유리하다. 접합할 홈의 뿌리에 레이저 빔을 집중시켜 뿌리의 대상 영역만 용접할 수 있으므로 용접된 접합부와 용접된 영역의 강도가 증가한다. 접합을 위해, 적어도 제1 강철 부품과 제2 강철 부품은, 사용되는 용접 및 경납땜 시스템의 방향에 따라, 동일한 평면에 또는 서로에 대해 비스듬히 배치될 수 있다. 본 발명의 대안적인 실시예에서, 레이저 용접은 제1 강철 부품이 제2 강철 부품과 접하는 곳에서 수행된다.

본 발명에 따른 방법에서, 접합될 적어도 2개의 강철 부품은 동일한(또는 매우 유사한) 화학 조성을 가질 수 있다. 이러한 유사성은 레이저 용접 단계를 용이하게 한다. 그러나 강철 부품은 매우 다른 화학적 조성 및/또는 기계적 특성을 가질 수도 있다. 예를 들어, 비교적 단순한 화학 조성 및 미세 구조를 가진 성형성이 뛰어난 강철 부품을 복잡한 미세 구조 및 화학 조성을 가진 고강도 강철 부품에 접합해야 할 수 있다. 레이저 용접 단계는 적절한 용접 매개변수를 선택하여 이러한 차이를 처리하고 강력한 용접부를 생성하는 반면, 후속 레이저 납땜 단계는 이 용접부에 시각적으로 매력적이고 부식 저항성이 있는 외관을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 단일 레이저 빔으로 레이저 용접 및 레이저 경납땜을 수행하는 것에 관한 것이다. 이러한 구성에서 상기 방법은 (적어도) 두 개의 개별 공정을 포함한다: 먼저 레이저 용접이 수행되고 이후에 동일한 레이저 빔으로 레이저 경납땜이 수행된다. 레이저 빔은 레이저 용접 단계에서 금속을 녹이기 위해 더 높은 국부적 에너지 입력이 필요하기 때문에 레이저 빔의 파워 및/또는 스폿 크기는 두 단계 모두에서 조정될 필요가 있을 수 있다. 레이저 빔 크기는 접합부에 대한 레이저 빔의 초점 거리를 조정하거나 레이저의 파워 출력을 조정함으로써 조정될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 레이저 용접 및 레이저 경납땜 단계는, 각각 별개의 레이저 소스를 직렬로 갖는 2개의 광학 처리 헤드를 사용하거나 단일 레이저를 갖지만 이중 빔을 갖는 전용 처리 헤드를 사용하여 단일 공정에서 서로에 이어 직접 수행된다. 본 발명의 또 다른 실시예는 다수 레이저 빔으로 레이저 용접 및 레이저 경납땜을 수행하는 것에 관한 것이다. 레이저 용접과 레이저 경납땜 단계 사이에 필요한 정착 시간에 따라 두 개의 레이저 빔 사이에 지연이 설정될 수 있다.

본 발명의 추가 실시예는 동일한 소스로부터 다수의 레이저 빔을 생성하는 것에 관한 것이다. 빔 스플리터 프리즘 또는 광학 지연선(optical delay lines)과 같은 다양한 광학 장치를 이 단계에 사용할 수 있다. 일부 실시예에서, 레이저 빔은 광섬유를 사용하여 레이저 소스로부터 접합부로 지향될 수 있다. 본 발명의 추가 실시예는 제1 강철 부품의 표면 또는 제2 강철 부품에 대해 비스듬하게 레이저 빔을 제공하는 것에 관한 것이다. 레이저 빔은 바람직하게는 용접에 의해 접합될 강철 부품들 사이의 용접부의 방향에 거의 수직으로 제공된다. 경납땜 단계 동안 레이저 빔은, 임의의 역-반사된 레이저 빔이 레이저에 피드백되는 것을 방지하기 위해, 공작물에 완전히 수직이 아닐 수 있다. 사용되는 충전 재료는 녹을 때 매우 반사적이어서 반사된 레이저 빔이 레이저를 손상시킬 수 있다. 수직으로부터의 편차가 클수록 레이저 빔이 접합부에서 멀리 반사되기 때문에 더 많은 에너지가 손실된다.

일 실시예에서, 제1 강철 부품 및 제2 강철 부품은 차체 부품 또는 섀시 부품 또는 차체 및 섀시 부품의 조합과 같은 자동차 부품이다. 추가 측면에서 본 발명은 적어도 2개의 강철 부품을 접합하기 위한 레이저 용접 및 경납땜 유닛에 관한 것이며, 여기서 레이저 용접 및 경납땜 유닛은 레이저 유닛과 이 레이저 유닛에 연결된 용접 및 경납땜 유닛을 포함한다. 용접 및 경납땜 유닛은 본 발명에 의해 기술된 바와 같은 방법 단계를 실행하도록 배열된다.

본 발명의 또 다른 실시예는 레이저 용접 및 경납땜 유닛이 다수의 레이저 유닛을 포함하는 레이저 용접 및 경납땜 유닛에 관한 것이다. 이것은 두 공정 사이에 미리 결정된 시간 지연을 제공함으로써 단일 단계에서 용접 및 경납땜 공정을 수행하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에 상기 미리 결정된 시간 지연은 용접된 제1 접합부를 정착시키는 데 필요한 정착 시간일 수 있다.

추가 측면에서 본 발명은 제1 강철 부품 및 제2 강철 부품이 자동차 차체 또는 섀시 부품인 상기 실시예에 의해 설명된 방법의 사용에 관한 것이다.

추가 측면에서 본 발명은 본 발명에 의해 기술된 방법에 의해 얻어질 수 있는 적어도 2개의 강철 부품 사이의 접합부에 관한 것이다. 이 방법은 적어도 제1 접합부 및 제2 접합부를 포함한다. 적어도 제1 강철 부품과 제2 강철 부품을 접합하는 제1 접합부는 레이저 용접 단계에 의해 생성된 용접부이고, 적어도 제1 강철 부품과 제2 강철 부품을 접합하는 제2 접합부는 레이저 경납땜 단계에 의해 생성된 접합부이다. 제2 접합부는 바람직하게는 제1 접합부를 은폐한다. 제1접합부와 제2접합부를 포함하는 결합된 접합부는 자동차 차체 또는 섀시 부품을 접합하는데 사용될 수 있다. 상기 결합된 접합부는 자동차 차체 또는 섀시 부품에서 종종 요구되는 접합부에 향상된 기계적 강도와 향상된 시각적 외관을 제공한다.

추가 측면에서 본 발명은 적어도 제1 접합부 및 제2 접합부를 포함하는 본 발명에 의해 기술된 방법에 의해 얻어질 수 있는 적어도 2개의 강철 부품 사이의 접합부에 관한 것이며, 여기서 제1 접합부는 적어도 제1 강철 부품 및 제2 강철 부품을 접합하는 레이저 용접된 접합부이며 여기서 제2 접합부는 적어도 제1 강철 부품과 제2 강철 부품을 접합하는 후속 레이저 경납땜된 접합부이고, 제2 접합부는 제1 접합부를 은폐한다.

도 1의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 강철 부품의 개략적인 2차원 단면도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 접합부를 생성하기 위한 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 및 경납땜 처리 헤드(8)의 개략도를 도시한다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 "경납땜 단독"(a), "용접 단독"(b) 및 "용접 및 경납땜"(c)의 이미지를 보여준다.
도 5는 경납땜의 하부 표면이 용접의 상부 표면에 닿고 두 접합부 사이에 간격이 없는 용접 및 경납땜 접합부를 보여준다.
도 6(a)는 직선 강철 부품(1)과 굽은 강철 부품(2) 사이의 본 발명에 따른 접합부의 개략도를 도시하고, 도 6(b)는 3개의 강철 부품(1, 2, 11) 사이의 본 발명에 따른 접합부의 개략도를 도시한다.

이제 본 발명이 다음의 비제한적 실시예들에 의해 추가로 설명될 것이며, 이 실시예들에서 두 강철 부품 사이에 접합부를 만들기 위해 샘플들이 생산된다. 상기 샘플들의 치수는 굽힘 반경이 2.5mm인 90mm X 500mm로 간주된다. 샘플들은 코치 접합(coach joint) 구성 또는 V-홈(groove) 구성으로 클램핑된다. 다음 재료들이 표 1에 제공된 예시적인 실시예에 사용된다.

V-홈의 뿌리에서 레이저 용접에 의한 제1 접합부는 600㎛의 스폿 크기로 초점이 맞춰진 다이오드 펌핑 Nd:YAG 레이저(Trumpf HL4005D)와 같은 레이저의 레이저 빔을 사용하여 만들어진다. 레이저 용접 공정에는 충전 재료가 사용되지 않는다. 이어서 다이오드 펌핑 Nd:YAG 레이저와 같은 레이저 소스를 사용하여 레이저 경납땜이 수행된다. 레이저 용접 및 레이저 경납땜을 위해 Trumpf TLC 1005 갠트리 시스템이 사용된다. 경납땜 단계는 1.6 mm 직경을 갖는 CuSi₃의 충전 재료 또는 충전 와이어를 사용하여 수행된다. 이 예에서 레이저 용접 및 레이저 경납땜은 4.5kW의 파워에서 수행된다. 레이저 경납땜 중에 레이저 빔은 직경 3mm의 스폿 크기가 얻어질 때까지 용접 헤드를 수직으로 위로 움직여서 초점이 흐려진다. 레이저 빔의 초점을 흐리게 함으로써 레이저 용접 단계에 비해 레이저 경납땜 단계에서 광 빔의 강도가 감소된다. 용접 헤드는 섬유에서 광의 역반사를 피하기 위해 경납땜 방향의 평면에서 예를 들어 8도의 작은 각도로 기울어진다. 접합부들의 품질은 인장 시험을 사용하여 측정되었으며 샘플들은 미세구조 분석을 사용하여 추가로 검사했다.

코치 접합부의 뿌리에서의 용접은 레이저 빔의 작은 스폿을 사용하여 만들어지며 충전 와이어는 추가되지 않는다. 경납땜을 수행하기 위해 레이저의 초점을 흐리게 하여 직경 3mm의 레이저 스폿을 얻고 1.6mm CuSi₃ 충전 와이어가 추가된다. 레이저 파워 출력은 경납땜 단계와 용접 단계에서 동일하지만, 레이저의 초점을 흐리게 함으로써 경납땜 단계에 대한 레이저의 강도가 감소된다.

레이저 경납땜 접합부만 포함하는 샘플은 홈의 뿌리에 있는 강철 표면과의 계면에서 경납땜 재료의 불완전한 습윤을 보여준다. 이 불완전한 습윤은 접합부의 유효 단면적을 감소시켜 레이저 경납땜 접합부의 인장 강도를 감소시킨다. 불완전한 습윤 및 그로 인한 접합부 강도 감소는 MZ 코팅에서 레이저 경납땜 접합부의 주요 품질 문제이다. 효과적인 "습윤 길이"는 샘플마다 또는 단일 샘플 내의 다양한 위치에서도 다를 수 있다. 또 경납땜 금속과 강판 사이에 존재하는 날카로운 균열 끝은 접합부의 피로 거동을 감소시킬 수 있다. MZ 코팅된 재료를 경납땜-단독 공정으로 접합할 때 접합부의 시각적 품질은 우수하지만 강판에 대한 CuSi₃ 경납땜 재료의 습윤은 홈의 뿌리에서 불완전하다. 이는 시험 ID 74, 76 및 78을 갖는 샘플에서 제공된 것과 같이 접합부 강도를 감소시킨다.

전술한 바와 같이 다른 공지된 금속 코팅으로 코팅된 강철 부품을 접합할 때 유사한 결과를 얻을 수 있다.

용접 접합부인 제1 접합부만 있는 샘플은 시험 ID 79, 81 및 83에 의해 제시된 바와 같이 V-홈의 뿌리에 거의 융합된 접합부를 보여준다. 그러나 용접부의 상단 표면은 매끄럽고 오목하다. 접합부 바로 위의 판재가 얇아졌는데, 이는 굽힘 반경 코너에서 재료에 닿는 너무 큰 레이저 스폿으로 인해 발생한다. 이 샘플들은 레이저 경납땜으로만 접합된 샘플에 비해 증가된 인장 강도를 제공한다. 그러나 용접 접합부의 시각적 외관은 표준에 미치지 못한다.

반면에, 제1 접합부와 제2 접합부를 포함하는 본 발명에 따른 접합부는 증가된 인장 강도를 제공할 뿐만 아니라 상부에 매끄러운 경납땜 이음매를 보여준다. 기공이나 스패터(spatter)는 관찰되지 않았으며 접합부의 상단 표면은 약간 볼록하다. 이러한 접합부의 인장 강도는 레이저 경납땜만으로 만들어진 제2 접합부만 있는 샘플보다 훨씬 높다. 더 작은 스폿 크기를 선택하거나 제1 공정(용접)에서 레이저 빔의 초점 높이를 조정하면, 굽힘 반경에서 재료에 닿을 위험이 줄어들고 기초 재료가 얇아지는 것을 방지할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 의해 기술된 방법은 레이저 용접에 의해 생성된 제1 접합부에 의한 구조적 무결성뿐만 아니라 제2 접합부의 시각적 외관으로부터 조합적인 효과를 제공한다.

본 발명에 의해 설명된 실시예는 제1 접합부 및 제2 접합부에 제한되지 않고 하나 이상의 레이저 용접 접합부 및/또는 하나 이상의 레이저 경납땜 접합부를 포함하는 복수의 접합부에 의해 만들어질 수도 있다.

본 발명은 이제 다음의 비제한적인 도면에 의해 설명될 것이다. 도 1(a) 내지 도 1(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 강철 부품의 개략적인 2차원 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)은 굽힘 반경에 대해 'V 홈 구성'으로 배열된 유사한 기하학적 구조를 갖는다. 이 예시적인 실시예는 임의의 특정 기하학적 구조에 제한되지 않으며 다른 기하학적 구조를 갖는 임의의 강철 부품에 적용될 수 있다. 도 1에서 볼 수 있듯이, V 홈 구성은 두 개의 강철 부품이 굽은 반경을 갖는 두 개의 강철 부품으로 구성될 수 있다. V 홈 구성은 또한 하나의 강철 부품은 굽은 반경이 있고 다른 강철 부품은 직선인 두 개의 강철 부품으로 구성될 수 있다.

도 1(a)에 도시된 바와 같이, 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)은 홈의 뿌리에서 그들 사이에 최소 또는 제로 간격(접하는 부품들)이 있도록 배열된다. 첫 번째 단계에서 V 홈의 뿌리는 함께 용접되어 도 1(b)에 도시된 것처럼 제1 접합부(6)를 만든다. 이 제1 접합부(6)를 얻기 위해, 4.5kW와 같은 충분한 파워(9)의 레이저 빔이 홈의 뿌리에 집중된다. 레이저 용접은 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)의 융점보다 높은 용접 온도에서 수행되어, 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2) 둘 다 용융되어 제1 접합부(6)를 형성하도록 한다. 두 번째 단계에서는 제1 접합부(6) 상부에 레이저 경납땜을 수행하여 제1 접합부(6)를 덮는 제2 접합부(7)를 형성한다. 제2 접합부(2)의 재료는 사용된 충전 재료(3)의 재료이며 제1 접합부(6)의 재료와 다른 재료이다. 일반적으로 제2 접합부(7)의 강도가 사용된 충전 재료(3)의 강도에 의해 제한되기 때문에, 제1 접합부(6)는 제2 접합부(7)보다 더 강하다. 한편, 제1 접합부(6)는 기초 재료 자체로 만들어지며 일반적으로 그 재료에 기인한 강도를 갖는다. 따라서, 제1 접합부(6)는 접합부가 충분한 강도를 갖는 것을 보장하는 반면, 제2 접합부(7)는 제1 접합부(6) 상부의 경납땜 이음매가 양호한 시각적 외관 및 접합부에서 재료의 적절한 충전을 제공하도록 보장한다. 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 제2 접합부(7)는 제1 접합부(6)의 상부에 있고 제1 접합부(6)를 완전히 덮는다. 제1 접합부(6) 및 제2 접합부(7)의 조합은 그들 사이에 채워지지 않은 어떤 틈도 남기지 않고 홈의 뿌리를 적절히 충전한다. 접합부의 전체 강도는 제1 접합부(6)와 제2 접합부(7)에 의해 제공되는 강도의 조합이 될 것이다. 이것은 또한 접합부에 향상된 시각적 외관뿐만 아니라 증가된 강도를 부여한다. 도 1(d)는 2개의 강철 부품이 굽은 반경을 갖는 2개의 강철 부품을 포함하는 가능한 V 홈 구성의 측면도를 도시한다.

도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 접합부를 생성하기 위한 구성을 개략 도시한다. 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)의 레이저 용접에 의해 제1 접합부(6)를 제공하기 위해 제1 레이저 빔(4)이 사용된다. 제1 레이저 빔(4)은 집중된 빔으로서, 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)의 융점보다 높은 용접 온도에서 용접이 수행될 수 있어, 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)이 함께 용융되어 제1 접합부(6)를 형성하게 한다. 충전 재료(3)를 사용하는 레이저 경납땜에 의해 제2 접합부(7)를 제공하기 위해 제2 레이저 빔(5)이 사용된다. 제1 접합부(6)를 완전히 덮도록 경납땜 이음매가 제1 접합부(6)의 상부에 제공되어 제2 접합부(7)를 생성한다. 제1 강철 부품(1), 제2 강철 부품(2) 및 제1 접합부(6)의 융점들 중 가장 낮은 융점보다 낮은 온도에서 경납땜이 수행되도록 레이저 빔(5)의 초점이 흐려진다. 이는 충전 재료(3)만이 제2 레이저 빔(5)에 의해 용융되는 반면 제1 강철 부품(1), 제2 강철 부품(2) 및 제1 접합부(6)는 녹지 않고 온전하게 유지되도록 보장한다. 제1 레이저 빔(4) 및 제2 레이저 빔(5)은 2개의 상이한 단계 사이에서 미리 결정된 시간 지연으로 연속해서 사용되는 동일한 레이저 소스로부터의 레이저 빔일 수 있다. 제1 레이저 빔(4) 및 제2 레이저 빔(5)은 단일 단계에서 연속해서 사용되는 다수 레이저 빔일 수 있다. 제1 레이저 빔(4) 및 제2 레이저 빔(5)은 동일한 레이저 소스로부터 생성되거나 상이한 레이저 소스로부터 생성될 수 있다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 제1 레이저 빔(4) 및 제2 레이저 빔(5) 모두 홈에 수직으로 조사될 수 있다. 또한, 홈에 대해 서로 다른 각도에서 제1 레이저 빔(4)과 제2 레이저 빔(5)을 조사하는 것도 가능하다. 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 2개의 렌즈 시스템과 와이어 공급 노즐이 하나의 유닛으로 통합된 2개의 헤드를 함께 장착하는 것도 가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 및 경납땜 처리 헤드(8)의 개략도를 도시한다. 적어도 2개의 강철 부품을 접합하기 위해 사용되는 레이저 용접 및 경납땜 처리 헤드(8)는 레이저 유닛(9) 및 이 레이저 유닛(9)에 연결된 용접 및 경납땜 유닛(10)을 포함한다. 레이저 용접 및 경납땜 처리 헤드(8)는 단일 레이저 유닛(9) 또는 다수의 레이저 유닛을 포함한다. 레이저 유닛(9)은 하나 이상의 레이저 소스를 포함한다. 용접 단계와 경납땜 단계는 동일한 용접 헤드를 사용하여 수행될 수 있다. 용접 단계와 경납땜 단계는 두 개의 개별 공정을 사용하여 수행할 수 있다. 이러한 경우 차이점은 첫 번째 공정은 초점이 맞춰져 있고 와이어가 없는 용접 단계를 위한 것이고 두 번째 공정은 초점이 흐려지고 경납땜 와이어가 있다는 것이다. 용접 단계와 경납땜 단계는 도 2와 같이 레이저 빔을 제공하는 단일 헤드에서 결합될 수 있다. 두 개의 헤드를 함께 장착하는 것도 가능하다.

도 4(a)-(c)는 "경납땜 단독"(a), "용접 단독"(b) 및 "용접 및 경납땜"(c)의 이미지를 보여준다. 이미지 (b)는 충전 재료를 추가하지 않고 용접으로 인해 강철 부품이 약간 얇아짐을 보여준다. 이는 또한, 경납땜(제2 접합부)이 용접(제1 접합부)을 덮지만 제1 접합부(6)에 닿지 않음을 명확하게 보여주는 도 4에서도 볼 수 있다.

도 5는 경납땜의 하부 표면이 용접의 상부 표면에 닿고 두 접합부 사이에 간격이 없는 용접 및 경납땜 접합부를 보여준다.

V 홈 구성은 또한 두 개의 강철 부품으로 구성될 수 있으며 여기서 하나의 강철 부품은 굽은 반경이 있고 다른 강철 부품은 직선이다. 도 6(a)는 직선 강철 부품(1)과 굽은 강철 부품(2) 사이의 본 발명에 따른 접합부의 개략도를 도시하고, 도 6(b)는 3개의 강철 부품(1, 2, 11) 사이의 본 발명에 따른 접합부의 개략도를 도시한다. 본 발명은 이들 특정 실시예 및 강철 부품 형상에 제한되지 않는다는 것을 강조한다.

본 발명의 일반적인 맥락에서, 제2 접합부는 제1 접합부와 제2 접합부가 부분적으로 또는 완전히 서로 접촉하는지 또는 전혀 접촉하지 않는지에 관계없이 제1 접합부의 상부에 있는 것으로 정의된다. 제2 접합부는 제1 접합부 위에 있고, 결과적으로 제1 접합부와 제2 접합부 사이에 접촉은 없지만 제2 접합부가 제1 접합부 위에 있기 때문에 제1 접합부가 보이지 않는다는 의미에서, 제1 접합부를 덮는다. 도 1(c)에서 제2 접합부는 제1 접합부 위에 있고 완전히 접촉하고 있다.

본 발명은 도면에 도시된 바와 같은 몇몇 예시적인 실시예를 참조하여 위에서 설명되었다. 일부 부품 또는 요소의 수정 및 대체 구현이 가능하고, 첨부된 청구 범위에 정의된 바와 같은 보호 범위에 포함된다.

Claims (14)

1. 적어도 제1 강철 부품(1)을 제2 강철 부품(2)에 접합하는 방법으로서,
   제1 강철 부품(1)을 제2 강철 부품(2)에 레이저 용접을 수행하여 제1 접합부(6)를 생성하고, 이어서 충전 재료(3)를 사용하여 레이저 경납땜을 수행하여 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2) 사이에 제2 접합부(7)를 생성하는 단계를 포함하며,
   상기 레이저 용접은 상기 제1 강철 부품(1)과 상기 제2 강철 부품(2)을 국부적으로 용융시켜 용접부를 형성하기 위해 상기 제1 강철 부품(1)과 상기 제2 강철 부품(2)의 융점보다 높은 용접 온도에서 수행되며,
   상기 레이저 경납땜은 제1 강철 부품(1), 제2 강철 부품(2) 및 제1 접합부(6)의 융점들 중 최저보다 낮은 온도에서 수행되고, 제2 접합부(7)는 제1 접합부(6)를 은폐하는, 강철 부품의 접합 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 강철 부품(1) 및 상기 제2 강철 부품(2) 중 적어도 하나는 아연 또는 아연 합금 코팅을 포함하는, 강철 부품의 접합 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 아연 합금 코팅이 0.3 - 4.0% Mg 및 0.3 - 6.0% Al; 선택적으로 최대 0.2%의 하나 이상의 추가 원소; 불가피한 불순물; 나머지 아연을 포함하는, 강철 부품의 접합 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   제1 강철 부품(1) 및 제2 강철 부품(2) 중 적어도 하나는 8 - 11%의 실리콘을 함유하는 알루미늄-실리콘 코팅을 포함하는, 강철 부품의 접합 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 용접은 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2) 사이의 홈의 뿌리에서, 또는 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)이 접하는 곳에서 수행되는, 강철 부품의 접합 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 용접 및 상기 레이저 경납땜은 단일 레이저 빔(4, 5)으로 수행되는, 강철 부품의 접합 방법.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 용접 및 상기 레이저 경납땜은 다수 레이저 빔(4, 5)으로 수행되는, 강철 부품의 접합 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 다수 레이저 빔(4, 5)은 동일한 소스로부터 생성되는, 강철 부품의 접합 방법.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 용접 단계와 상기 레이저 경납땜 단계 사이에서 레이저 빔의 초점 거리를 변경하는 것을 포함하는, 강철 부품의 접합 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 강철 부품(1) 및 제2 강철 부품(2)은 자동차 차체 또는 섀시 부품인, 강철 부품의 접합 방법.
11. 적어도 제1 강철 부품(1)을 제2 강철 부품(2)에 접합하기 위한 레이저 용접 및 경납땜 처리 헤드(8)으로서,
    상기 레이저 용접 및 경납땜 처리 헤드(8)는:
    레이저 유닛(9), 및
    상기 레이저 유닛(9)에 연결된 용접 및 경납땜 유닛(10)을 포함하고,
    상기 용접 및 경납땜 유닛(10)은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 배열된, 레이저 용접 및 경납땜 처리 헤드(8).
12. 제11항에 있어서,
    상기 레이저 용접 및 경납땜 유닛(10)은 다수의 레이저 유닛을 포함하는, 레이저 용접 및 경납땜 처리 헤드(8).
13. 상기 적어도 제1 강철 부품(1) 및 제2 강철 부품(2)은 자동차 차체 또는 섀시 부품인, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 의한 방법의 용도.
14. 적어도 제1 접합부(6) 및 제2 접합부(7)를 포함하는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 얻을 수 있는 둘 이상의 강철 부품 사이의 접합부로서,
    제1 접합부(6)는 적어도 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)을 접합하는 레이저 용접된 접합부이고, 제2 접합부(7)는 적어도 제1 강철 부품(1)과 제2 강철 부품(2)을 접합하는 후속 레이저 경납땜 접합부이며, 제2 접합부(7)는 제1 접합부(6)를 은폐하는, 강철 부품 사이의 접합부.

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