KR20140077267A

KR20140077267A - 레이저 용접방법

Info

Publication number: KR20140077267A
Application number: KR1020120145702A
Authority: KR
Inventors: 이문용; 이정한
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-06-24
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: KR101428973B1

Abstract

레이저 용접방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 상호 겹치기 용접할 도금강판 중, 상부에 위치되는 하나의 도금강판 상의 용접라인을 따라 옵틱헤드로부터 레이저빔을 조사하는 제1 단계; 상기 도금강판에 레이저빔을 조사 시, 하부에 위치되는 다른 하나의 도금강판의 일정두께까지 용융 슬롯을 형성하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 상기 하나의 도금강판에 형성된 도금층으로부터 발생되는 스패터를 통해 상부에 위치되는 상기 하나의 도금강판의 용접라인 양측에 스패터 돌기를 생성하는 제3 단계; 상기 하나의 도금강판에 생성된 양측 상기 스패터 돌기의 외측에 상기 옵틱헤드로부터 레이저빔을 다시 조사하는 제4 단계; 및 상기 용융 슬롯과 상기 스패터 돌기에 조사되는 상기 레이저빔을 통해 상기 용융 슬롯에 용접부를 형성하여 상기 두 장의 도금강판의 레이저 용접을 완료하는 제5 단계를 포함한다.

Description

레이저 용접방법{METHOD OF LASER WELDING}

본 발명은 레이저 용접방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2장의 도금강판을 레이저 용접 시, 각 강판 사이의 갭 없이도 안정적인 레이저 용접을 수행하고, 도금강판의 용접품질을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 레이저 용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 두 강판을 상호 겹치기 접합하기 위해서는 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저빔을 이용한 레이저 용접이나, 스폿 용접기를 이용한 전기저항 용접이 주로 적용된다.

특히, 상기한 레이저용접은 용가재가 필요하지 않고, 고속의 용접 속도, 짧은 용접 사이클, 작은 입열량, 작은 열 영향부(HAZ), 최소한의 변형 등과 같은 장점이 있어 상기 스폿용접과 아크용접을 대체하여 최근 차체 부품의 접합에 적용되는 추세이다.

이러한 레이저 용접은 레이저빔의 초점구간에서 에너지 다중반사 및 흡수를 이용한 키홀용접(KEYHOLE WELDING)과, 레이저빔의 비초점구간에서 열전도를 이용한 전도용접(CONDUCTION WELDING)으로 구분될 수 있다.

상기한 키홀용접과 전도용접을 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저, 도 1에서 도시한 바와 같이, 레이저빔(LB)이 렌즈에 의해 집적되어 소재에 대하여 에너지 다중반사 및 다중흡수가 일어나는 약 2mm 이내의 초점구간을 키홀용접구간(T1)이라고 명명하고, 상기 레이저빔이 키홀용접구간(T1)을 벗어난 비초점구간에서 소재에 대하여 열전도에 의한 용접이 가능한 일정구간을 전도용접구간(T2)이라고 명명한다.

즉, 상기 키홀용접구간(T1)에서 용접이 이루어지는 키홀용접의 경우에는 레이저빔의 전자기파 에너지가 집적된 초점위치에서 소재의 표면에 충돌하고, 그 충돌에너지는 열에너지를 발산하면서 전자기파의 연속적인 현상인 키홀현상을 유지한다. 이러한 키홀현상을 과학적으로 서술하면, 고출력 레이저 용접에서 용융 풀에 증기압 등의 작용으로 작은 구멍을 만들면서 용접이 이루어지는 상태를 말한다.

반면, 상기 전도용접구간(T2)에서 용접이 이루어지는 전도용접은 레이저빔의 비초점 위치에서 이루어지는 것으로, 키홀용접구간(T1)의 초점 사이즈보다 몇 배의 레이저빔 면적을 차지한다. 따라서 레이저빔의 밀도는 초점위치보다 훨씬 낮으나, 레이저빔이 알루미늄 합금 등의 소재 표면에 충돌하는 순간 소량의 금속증기가 발생하고 용융되면서 용접이 가능해지고 용접패턴 또한 반달형상으로, 키홀과는 다른 형상으로 나타난다.

이와 같이, 상기한 바와 같은 레이저빔(LB)의 특성을 이용하여 강판 또는 알루미늄 합금판재 등의 소재에 대하여 레이저 용접작업을 진행하게 된다.

도 2에서는 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도로써, 상기한 레이저빔(LB)을 이용하여 강판 또는 알루미늄 합금판재 등의 소재를 용접하기 위해서는 로봇(1)의 아암(3) 선단에 레이저 헤드(5)를 설치하고, 이 레이저 헤드(5)는 레이저 발진기(7)와 연결되는 레이저 용접 시스템을 구비하여, 로봇 제어기(C)를 통하여 거동하는 로봇(1)에 의해 상기 레이저 헤드(5)가 소재(9)의 용접라인을 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하여 용접작업을 진행하게 된다.

여기서, 상기 레이저빔의 특성을 이용하여 용접하기 위한 강판 중에서도 특히, 니켈, 크롬, 아연 등이 도금되는 도금강판(Plating Steel Sheet)은 철의 최대 단점인 녹을 방지하고, 철의 장점인 강성과 경제성을 최대한 살릴 수 있다는 측면에서 사용이 늘어나는 추세이다.

그런데, 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기한 레이저빔의 특성을 이용하여 상기한 도금강판(11)을 서로 겹치기 용접하는 과정에서, 2장의 겹쳐진 도금강판(11) 사이에 일정한 갭(GAP)이 없는 경우에는, 그 용접부(W)에 도금층(13)의 증발로 인한 용접가스의 영향으로 기공이 발생하거나, 폭발성 기공을 동반하는 양상을 보인다.

이에 따라, 2장의 도금강판(11)을 겹치기 레이저 용접하기 위해서는 지그장치를 통하여 도금강판(11) 사이에 0.1mm 정도의 갭을 유지하여 용접가스가 배출되도록 하는 것이 중요하다.

이를 위해서는 상기한 지그장치를 도금강판 별로 전용으로 사용하도록 전용 지그장치로 구성하여야 하며, 이에 따라 비도금강판 등에는 공유할 수 없는 단점이 있으며, 또한, 전용 지그장치를 이용하는 경우에도 도금강판 사이의 갭이 일정하지 않아 폭발성 기공 등의 종래 용접불량의 원인은 여전히 존재하는 단점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 2장의 도금강판을 레이저 용접 시, 각 강판 사이의 갭 없이도 레이저빔의 초점을 조절하여 용접라인에 용융 슬롯을 형성한 후, 다시 용융 슬롯에 완전 용입과 충분한 용융 폭 확보를 통해 안정적인 레이저 용접을 수행하고, 상호 겹치기 용접된 도금강판의 용접품질을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 레이저 용접방법을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 상호 겹치기 용접할 도금강판 중, 상부에 위치되는 하나의 도금강판 상의 용접라인을 따라 옵틱헤드로부터 레이저빔을 조사하는 제1 단계; 상기 도금강판에 레이저빔을 조사 시, 하부에 위치되는 다른 하나의 도금강판의 일정두께까지 용융 슬롯을 형성하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 상기 하나의 도금강판에 형성된 도금층으로부터 발생되는 스패터를 통해 상부에 위치되는 상기 하나의 도금강판의 용접라인 양측에 스패터 돌기를 생성하는 제3 단계; 상기 하나의 도금강판에 생성된 양측 상기 스패터 돌기의 외측에 상기 옵틱헤드로부터 레이저빔을 다시 조사하는 제4 단계; 및 상기 용융 슬롯과 상기 스패터 돌기에 조사되는 상기 레이저빔을 통해 상기 용융 슬롯에 용접부를 형성하여 상기 두 장의 도금강판의 레이저 용접을 완료하는 제5 단계를 포함한다.

상기 제2 단계에서, 상기 옵틱헤드로부터 조사되는 레이저빔은 키홀용접구간의 레이저빔으로 이루어질 수 있다.

상기 제4 단계에서, 상기 옵틱헤드로부터 조사되는 레이저빔은 전도용접구간의 레이저빔으로 이루어질 수 있다.

상기 스패터 돌기는 두 개의 상기 도금강판 중, 상부에 위치되는 하나의 상기 도금강판에 형성되는 상기 용융 슬롯에 대응하여 상기 용융 슬롯의 폭보다 넓은 폭으로 상기 도금강판의 상부 양측에 돌출되게 생성될 수 있다.

상기 각 도금강판은 아연도금강판일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법에 의하면, 2장의 도금강판을 레이저 용접 시, 각 도금강판 사이의 갭 없이도 레이저빔의 초점을 조절하여 용접라인에 용융 슬롯을 형성한 후, 다시 용융 슬롯에 완전 용입과 충분한 용융 폭 확보를 통해 안정적인 레이저 용접을 수행하고, 상호 겹치기 용접된 도금강판의 용접품질을 일정하게 유지하는 효과가 있다.

또한, 도금강판의 겹치기 레이저 용접에서 각 도금강판 사이의 적정 갭을 유지하기 위한 여러 가지 레이저 용접법을 대신하여 선행 공정이 필요하지 않고, 전도용접구간의 레이저빔을 이용해 용접부를 형성함으로써, 느린 용접속도로 도금층 기화 시, 발생된 용접가스를 용융슬롯을 통해 안정적으로 배출하여 기공발생을 방지하는 효과도 있다.

또한, 각 도금강판의 용접라인에 형성된 용접부의 품질 향상을 통해 레이저 용접에 의한 도금강판의 접합품질을 확보하여 상품성을 향상시키는 효과도 있다.

그리고 종래 도금강판의 겹치기 용접을 위하여 도금강판 사이에 갭을 유지하기 위한 별도의 전용 지그장치 없이도 비도금강판용 지그장치를 공용화하여 사용할 수 있는 이점도 있다.

도 1은 일반적인 레이저빔의 초점구간 개념도이다.
도 2는 일반적인 레이저 용접 시스템에 의해 레이저 용접 공정도이다.
도 3은 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 키홀용접구간의 레이저빔을 이용한 도금강판의 레이저 용접 상태도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법에 따른 공정도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법에 따른 공정도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은 2장의 도금강판(101)을 레이저 용접 시, 각 강판 사이의 갭 없이도 레이저빔(LB)의 초점을 조절하여 용접라인에 용융 슬롯(105)을 형성한 후, 다시 용융 슬롯(105)에 완전 용입과 충분한 용융 폭 확보를 통해 안정적인 레이저 용접을 수행하고, 상호 겹치기 용접된 도금강판(101)의 용접품질을 일정하게 유지할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법은, 도 4에서 도시한 바와 같이, 상호 겹치기 용접할 도금강판(101) 중, 상부에 위치되는 하나의 도금강판(101) 상의 용접라인을 따라 옵틱헤드(109)로부터 레이저빔(LB)을 조사한다(S1).

여기서, 상기 각 도금강판(101)은 아연도금강판으로 철의 최대 단점인 녹을 방지하고, 철의 장점인 강성과 경제성을 최대한 살릴 수 있는 아연도금강판으로 상, 하부에 일정두께의 아연으로 구성된 도금층(103)을 갖는다.

본 실시예에서, 상기 옵틱헤드(109)는 상기 도금강판(101)에 레이저빔(LB)을 조사 시, 하부에 위치되는 다른 하나의 도금강판(101)의 일정두께까지 용융 슬롯(107)을 형성한다(S2).

이 때, 상기 단계(S2)에서 상기 옵틱헤드(109)로부터 조사되는 레이저빔(LB)은 초점구간에서 에너지 다중반사 및 흡수를 이용한 키홀용접구간의 레이저빔(LB)으로 이루어 질 수 있다.

즉, 상기 단계(S2)에서 상기 옵틱헤드(109)로부터 조사되는 레이저빔(LB)은 상부에 위치된 도금강판(101)의 하부까지 조사되어 용융시키며, 하부에 위치된 도금강판(101)에서 상부의 도금층(103)을 기화시키면서 하부에 위치된 도금강판(101)의 하부로 일정두께까지 용융 슬롯(105)을 형성하게 된다.

그런 후, 상기 단계(S2)에서 상부에 위치되는 상기 도금강판(101)에 형성된 도금층(103)으로부터 발생되는 스패터(S)를 통해 상부에 위치된 상기 도금강판(101)의 용접라인 양측에 스패터 돌기(107)를 생성한다(S3).

여기서, 상기 스패터 돌기(107)는 두 개의 상기 도금강판(101) 중, 상부에 위치되는 하나의 상기 도금강판(101)에 형성되는 상기 용융 슬롯(105)에 대응하여 상기 용융 슬롯(105)의 폭보다 넓은 폭으로 상기 도금강판(101)의 상부 양측에 돌출되게 생성될 수 있다.

그리고 상기 단계(S3)에서 용접 슬롯(105)과 함께 상부에 위치된 상기 도금강판(101)의 상부에서 용접라인의 양측에 상기 스패터 돌기(107)의 생성이 완료되면, 양측 상기 스패터 돌기(107)의 외측에 상기 옵틱헤드(109)로부터 레이저빔(LB)을 다시 조사한다(S4).

여기서, 상기 단계(S4)에서 상기 옵틱헤드(109)로부터 조사되는 레이저빔(LB)은 비초점구간에서 열전도를 이용한 전도용접구간의 레이저빔(LB)으로 이루어 질 수 있다.

즉, 상기 단계(S4)에서 상기 옵틱헤드(109)로부터 조사되는 전도용접구간의 레이저빔(LB)은 상기 각 스패터 돌기(107)와 함께, 용융 슬롯(105)을 용융시키게 된다.

상기 단계(S4)에서 레이저빔(LB)의 조사가 완료되면, 상기 각 도금강판(101)은 상기 용융 슬롯(105)과 상기 스패터 돌기(107)에 조사되는 상기 레이저빔(LB)을 통해 용융되어 용접부(W)를 형성함으로써, 상기 두 장의 도금강판(101)의 레이저 용접을 완료한다(S5).

한편, 본 실시예에서, 상기 옵틱헤드(109)로부터 초점구간의 키홀용접구간과, 비초점구간의 전도용접구간의 레이저빔(LB)을 조사하는 제2 단계(S2)와 제4 단계(S4)에서는 로봇을 거동하여 옵틱헤드(109)를 이동시키면서 용접라인에 레이저빔(LB)을 조사하여 용접이 이루어지게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 두 장의 도금강판(101)을 레이저빔(LB)을 통해 상호 겹치기 용접하는 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 상기 도금강판(101) 중, 하부에 위치되는 도금강판(101)을 대신하여 도금층(103)이 없는 일반강판이나 재질이 다른 이재강판으로도 구성될 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 레이저 용접방법에 의해 도금강판(101)의 겹치기 레이저 용접을 진행하게 되면, 용접할 하나의 도금강판(101) 상에 용접라인을 따라 최초의 키홀용접구간 레이저빔(LB)을 통해 상부에 위치된 도금강판(101)을 지나 하부에 위치된 도금강판(101)의 일정두께까지 용융시키면서 용융 슬롯(105)을 형성한다.

이와 동시에, 상부에 위치된 도금강판(101)의 도금층(103)으로부터 발생되는 스패터(S)는 도금강판(101)의 상부에 스패터 돌기(107)를 형성하면서, 도금층(103)이 증발되면서 발생한 용접가스는 외부로 빠져나가게 된다.

그런 후, 상기 용융 슬롯(105)은 전도용접구간의 레이저빔(105)의 조사 시, 용융되면서 도금강판(101)의 도금층(103)이 추가로 증발하면서 발생된 용접가스를 느린 속도로 배출한다.

동시에, 상기 각 스패터 돌기(107)는 상부에 위치된 도금강판(101)의 용접부(W) 상부에 형성되는 상부비드로 용융되어 도금강판(101)의 도금층(103)과 거의 수평을 유지하게 된다.

이에 따라, 두 장의 도금강판(101)은 상기 용접부(W)를 통하여 상호 겹쳐진 상태로 레이저 용접된다.

즉, 도금강판(101)의 레이저 용접 시, 도금층(103)으로부터 발생되는 용접가스가 원활하게 배출되며, 용점가스에 의한 기공의 발생을 방지하여 양호한 용접품질을 얻게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접방법을 적용하면, 2장의 도금강판(101)을 레이저 용접 시, 각 도금강판(101) 사이의 갭 없이도 레이저빔(LB)의 초점을 조절하여 용접라인에 용융 슬롯(105)을 형성한 후, 다시 용융 슬롯(105)에 완전 용입과 충분한 용융 폭 확보를 통해 안정적인 레이저 용접을 수행하고, 상호 겹치기 용접된 도금강판(101)의 용접품질을 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 도금강판(101)의 겹치기 레이저 용접에서 각 도금강판(101) 사이의 적정 갭을 유지하기 위한 여러 가지 레이저 용접법을 대신하여 선행 공정이 필요하지 않고, 전도용접구간의 레이저빔(LB)을 이용해 용접부(W)를 형성함으로써, 느린 용접속도로 도금층(103) 기화 시, 발생된 용접가스를 용융 슬롯(105)을 통해 안정적으로 배출하여 기공발생을 방지할 수 있다.

또한, 각 도금강판(101)의 용접라인에 형성된 용접부의 품질 향상을 통해 레이저 용접에 의한 도금강판(101)의 접합품질을 확보하여 상품성을 향상시킬 수 있다.

그리고 도금강판(101)의 겹치기 용접을 위하여 도금강판(101) 사이에 갭을 유지하기 위한 별도의 전용 지그장치 없이도 비도금강판용 지그장치를 공용화하여 사용할 수 있는 이점도 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

101 : 도금강판
103 : 도금층
105 : 용융 슬롯
107 : 스패터 돌기
109 : 옵틱헤드
S : 스패터
LB : 레이저빔

Claims

상호 겹치기 용접할 도금강판 중, 상부에 위치되는 하나의 도금강판 상의 용접라인을 따라 옵틱헤드로부터 레이저빔을 조사하는 제1 단계;
상기 도금강판에 레이저빔을 조사 시, 하부에 위치되는 다른 하나의 도금강판의 일정두께까지 용융 슬롯을 형성하는 제2 단계;
상기 제2 단계에서 상기 하나의 도금강판에 형성된 도금층으로부터 발생되는 스패터를 통해 상부에 위치되는 상기 하나의 도금강판의 용접라인 양측에 스패터 돌기를 생성하는 제3 단계;
상기 하나의 도금강판에 생성된 양측 상기 스패터 돌기의 외측에 상기 옵틱헤드로부터 레이저빔을 다시 조사하는 제4 단계; 및
상기 용융 슬롯과 상기 스패터 돌기에 조사되는 상기 레이저빔을 통해 상기 용융 슬롯에 용접부를 형성하여 상기 두 장의 도금강판의 레이저 용접을 완료하는 제5 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 단계에서,
상기 옵틱헤드로부터 조사되는 레이저빔은 키홀용접구간의 레이저빔으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 제4 단계에서,
상기 옵틱헤드로부터 조사되는 레이저빔은 전도용접구간의 레이저빔으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 스패터 돌기는
두 개의 상기 도금강판 중, 상부에 위치되는 하나의 상기 도금강판에 형성되는 상기 용융 슬롯에 대응하여 상기 용융 슬롯의 폭보다 넓은 폭으로 상기 도금강판의 상부 양측에 돌출되게 생성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 각 도금강판은
아연도금강판인 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
도금강판의 레이저 용접방법에 있어서,
상호 겹치기 용접할 도금강판 중, 상부에 위치되는 하나의 도금강판 상의 용접라인을 따라 옵틱헤드로부터 키홀용접구간의 레이저빔을 조사하여 하부에 위치되는 다른 하나의 상기 도금강판의 일정두께까지 용융 슬롯을 형성하면서, 상부에 위치되는 상기 도금강판에 형성된 도금층으로부터 발생되는 스패터를 통해 도금강판의 용접라인 양측에 스패터 돌기를 생성하고, 상기 각 스패터 돌기의 외측으로 상기 옵틱헤드로부터 전도용접구간의 레이저빔을 다시 조사하여 상기 용융 슬롯과 상기 스패터 돌기를 용융시켜 형성되는 용접부를 통해 상기 두 장의 도금강판의 레이저 용접을 완료하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 스패터 돌기는
두 개의 상기 도금강판 중, 상부에 위치되는 하나의 상기 도금강판에 형성되는 상기 용융 슬롯에 대응하여 상기 용융 슬롯의 폭보다 넓은 폭으로 상기 도금강판의 상부 양측에 돌출되게 생성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.
제1항에 있어서,
상기 각 도금강판은
아연도금강판인 것을 특징으로 하는 레이저 용접방법.