KR20040078070A

KR20040078070A - 아연 코팅된 강철을 레이저 용접하기 위한 조인트 설계

Info

Publication number: KR20040078070A
Application number: KR1020040014329A
Authority: KR
Inventors: 무슬만게리에이치.
Original assignee: 데이나코포레이션
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2004-09-08
Also published as: JP2004261871A; AR043722A1; US20040173586A1; BRPI0400382A; EP1454702A1; CN1532021A; CA2459412A1; MXPA04002020A; US6794603B1

Abstract

본 발명은 저 기화 온도(low vaporizing temperature)를 지닌 아연 코팅에 의해 보호되는 적어도 두 개의 금속 시트를 용접하는 방법에 관한 것이다. 이 금속 시트는, 적어도 한 금속 시트가 용접 영역에서 시작하는 곡선부를 갖게 하는 방식으로 서로의 최상부상에 배치된다. 용접은 일부는 접촉해있는 금속 시트상에서 수행되고, 일부는 금속 시트들 사이의 분리된부분(separation)에서 수행되어, 보호 재료의 기화에 의해 발생된 가스가 용접 영역을 빠져나가도록 한다.

Description

아연 코팅된 강철을 레이저 용접하기 위한 조인트 설계{JOINT DESIGN FOR LASER WELDING ZINC COATED STEEL}

본 발명은 다수의 강철 시트를 함께 레이저 용접하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 두 조각의 아연 코팅된 강철을 함께 분자(molecularly) 결합하기 위한 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법에 관한 것이다.

소정의 절삭 선을 따라서 평활하거나, 그렇치 않다면, 이음매없는 시트 금속 뿐 아니라 점 용접 또는 심 용접(seam welding) 시트를 함께 절삭하는데 사용되는 레이저 빔 기계가 종래 공지되어 있다.

통상적인 실행을 따르면, 레이저 용접을 위한 2개의 강철 시트는 그립(grips)에 의해 전체 용접 영역을 따라서 가능한 단단히 서로 접촉하여 지지됨으로써, 무엇보다도, 상기 시트들간의 열전도가 최대가 되도록 한다. 그 후, 이 시트에는 레이저 빔이 조사되는데, 상기 레이저 빔은 자신에 의해 스위프(sweep)되는 용접 영역 내의 금속을 용융시킴으로써 상기 시트를 서로 용접한다.

상술된 방법은 특히 베어 시트(bare sheet) 강철, 즉 외부 에이전트(agent)에 대해 자신을 보호하는 피복 재료(covering material)를 가지지 않은 강철을 용접하는데 효과적인 것으로 판명되었지만, 이것은 저-기화-온도(low-vaporizing-temperature) 재료의 코팅 층을 사용함으로써 외부 에이전트에 대해 보호되는 금속 강철을 함께 용접할 때는 부적절하다는 것이 입증되었다. 용어 "저-기화-온도 재료"는 철의 용융 및 기화 온도 보다 상당히 낮은 용융 및 기화 온도를 갖는 아연과 같은 재료를 의미한다.

레이저 용접 동안, 레이저 빔으로부터의 에너지는 강철의 제1 조각(piece)을통해서 제2 조각으로 관통되어, 충분히 높은 온도로 두 조각의 부분을 가열함으로써, 이들 부분이 용융하여 함께 합체되어 랩 조인트를 형성한다. 그러나, 제1 및 제2 조각의 접합면상의 아연 재료는 기상(gaseous state)으로 격렬히 기화하여, 용접 영역의 상부와 하부를 분리시키고 및/또는 용접 영역을 통해 레이저 빔 방향으로 팽창하여 최종 용접부위에 기공을 생성하는 경향이 있다.

따라서, 아연과 같은 재료 또는 이와 유사한 재료를 사용하는 2개의 보호된 금속 시트가 베어 시트를 용접하는데 사용되는 기술과 동일한 기술을 사용하여 함께 용접되는 경우, 이로 인한 용접부위는 크레이터(craters), 결함(이들을 제거하기 위해선 고비용의 추가적인 가공을 수반한다)으로 인해 불균일하고 구멍투성이로 된다는 것이 판명되었다.

2개의 금속 시트를 용접할 때 용접 공정동안 이들 결함을 제거하기 위한 방법들이 공지되어 있는데, 상기 금속은, 예컨대 레이저의 열에 의해 용접 동안 기화되는 아연과 같이, 용접 영역에서 트랩되거나 팽창되는 경향이 있는 관련 가스를 가진 유형이다. 한 가지 방법은, 용융된 2개의 금속 시트 모두 및 팽창된 관련 가스를 레이저 빔으로부터 벗어난 방향으로 용접 영역 밖으로 강제로 배출시키에 충분할 정도로 용접 영역의 표면에 압력을 생성시키는데 효과적인 주위의 가압된 차폐 가스의 스트림을 표준 레이저 빔에 부가함으로써, 기공이 없는 용접을 행하는 것이다.

갈바나이즈형 재료(galvanized material)를 용접하기 위한 또 다른 방법은 저 증기압 연강 코어 및 고 증기압 농축 아연 코팅을 설명하는데, 상기 방법은 랩된 조인트에서 병치된 관계로 상기 갈바나이즈형 재료의 부품을 배치하는 단계 및 위브 패턴(weave pattern)으로서 랩된 조인트를 따라서 고밀도 레이저 에너지 빔을 인가하는 단계를 포함한다. 이 위브 패턴은 랩된 조인트를 브리지하는데 충분히 큰 폭 및 위브 패턴 빈도수(weave pattern frequency)를 갖는데, 이는 부품간에 소정의 용접 풀(weld pool)을 형성한다. 여기서, 랩된 조인트 및 위브 패턴은 증기압 릴리프 경로(vapor pressure relief path)를 정하도록 결합되어, 용접 풀이 고밀도 레이저 에너지 빔을 갈바나이즈형 부품에 인가하는 동안 붕괴되지 않도록 한다.

강철 시트를 수직으로 위치시키는 방법에 의해, 아연으로 이루어진 얇은 부식 보호 코팅을 지닌 강철 시트를 레이저 용접하는 것이 또한 공지되어 있다. 그 후, 시트에 수직으로 위치된 레이저 빔이 시트에 가해져, 시트의 재료를 용융시켜 용접을 행한다. 용접 동안, 시트 및 레이저 빔은 서로에 대해 수직으로 이동하여, 재료의 레이저 가열이 캐버티(cavity)를 생성하도록 한다. 따라서, 액체 또는 용융된 재료는 중력에 의해 수직하방향으로 흘러 캐버티를 신장시킴으로써 상기 캐버티로부터 아연 증기의 배출을 용이하게 한다.

유사하게, 아연으로 이루어진 얇은 부식 보호 코팅을 갖는 강철 시트를 레이저 용접할 때 펄싱된(pulsed) 레이저 빔을 사용하여, 시트의 재료를 용융시켜 용접을 행하는 것이 또한 공지되어 있다. 용접 동안, 레이저 빔은 온 및 오프로 펄싱되고, 시트 및 펄싱된 레이저 빔은 서로에 대해 수직으로 상대 이동하여, 레이저 가열한 재료가 캐버티를 생성하도록 한다. 여기서 또 다시, 액체 또는 용융된 재료는 중력에 의해 수직하방향으로 흘러, 캐버티를 신장시킴으로써 상기 캐버티로부터 아연 증기의 배출을 용이하게 한다.

용접 영역 부근의 시트와 보호층 사이를 외부 접합하기 위하여 용접의 위치 , 클램프의 위치 및 시트의 형상을 변경시키는 것이 또한 공지되어 있다.

따라서, 종래 기술은 시트의 물리적 특성에 대한 용접 위치 및 시트 형상의 관계를 적절하게 나타내는데 실패하였다.

상술된 결점을 고려하면, 2개의 아연 코팅된 재료 시트간의 특정한 기하학적 관계, 레이저 용접 위치 및 시트의 기하학적 형상이 필요하다.

본 발명은 2조각의 아연 코팅된 강철을 함께 레이저 용접하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제1 재료 조각과 제2 재료 조각을 중첩 관계로 제공하는단계를 포함한다. 제1 조각은, 레이저 용접이 수행될 위치에서 또는 그 부근에서 제2 조각으로부터 구부려지거나 또는 갈라져있다. 레이저 용접 동작 영역은 제1 에지와 제2 에지 사이에 정해지며, 규정된 폭을 갖는다. 그 후, 상기 영역에서 레이저 용접이 수행된다.

이들 및 그 외 다른 이점은 본 발명의 원리를 전형화하는 이하의 상세한 설명 및 관련 도면에 의해 명백하게 될 것이다.

도1은 용접하기 위해 배치하기 전의 두 개의 금속 시트를 나타내는 본 발명의 측면도.

도2는 용접하도록 배치된 두 개의 금속 시트를 나타내는 본 발명의 측면도.

도3은 본 발명에 사용되는 기하학적 관계를 나타내는 측면도.

도4는 구부려진 부분 보다는 슬로프를 사용하는 본 발명의 대안적인 실시예의 측면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 20, 100, 130: 금속 시트 14 : 곡선부

18 : 러닝단 22 : 보호층

42 : 용접 영역 50 : 중심선

X₁: 제1 최대 거리 X₂: 제2 최대 거리

R : 곡선 반경 y : 최대 갭

도1에 도시된 바와 같이, 제1 금속 시트(10)는 제2 금속 시트(20)와 접합된다. 제1 금속 시트(10)는 제2 금속 시트(20)의 최상부상에 배치된다. 제1 금속 시트(10) 및 제2 금속 시트(20)는 저-기화-온도의 재료로 이루어진 보호층(12, 22)을포함한다. 이와 같은 재료의 한 가지 예는 아연이다.

도1이 금속 시트(10)와 금속 시트(20)가 분리된 시트임을 도시하고 있지만, 본 발명을 위하여, 이 2개의 금속 시트는 또한, U-형상과 유사하게 되도록 구부려지거나 랩핑된 단일 시트로 이루어질 수도 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 첨부 도면은 단일의 보호층(12, 22)이 두 개의 금속 시트(10, 20)상에 제공되어 있다는 것을 나타낸다. 이것은 본 발명을 국한하는 것이 아니며; 통상적으로 실제의 경우에, 금속 시트(10 및 20) 각각에는 2개의 대향되는 보호층(도시되지 않음)이 제공된다. 최종적으로, 첨부 도면 모두에서, 금속 시트(20)의 단일 보호층(22)은 도2에 도시된 바와 같이 시트(10 및 20) 사이에 위치되지만, 두 시트(10 및 20)의 보호층(12, 22)이 금속 시트 사이에서 서로 마주보고 위치된다면, 이하의 설명은 명백히 전혀 영향을 받지 않는다.

도1에 도시된 바와 같이, 제1 금속 시트(10)는 말단부(terminal end)(16) 방향으로 위치하는 반경(R)을 가진 곡선(14)으로 변화하는 러닝단(running end)(18)을 갖는다. 제2 금속 시트(20)는 제1 금속 시트(10)의 러닝단(18)의 형상을 따르는 말단부(26)를 갖는다. 이것은 제1 금속 시트(10)와 제2 금속 시트(20) 사이를 잘 들어맞게 한다. 두 금속 시트 사이의 갭이 작을수록, 최종 조인트 용접이 보다 양호하게 형성된다.

도2에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 제1 금속 시트(10)는, 러닝단(18)이 제2 금속 시트(20)의 말단부(26)에 평평하게 하도록 제2 금속 시트상으로 겹쳐놓인다. 용접 기계상에서 두 개의 금속 시트(10, 20)를 용접하기 위해, 금속시트(10)의 평평한 부분인 러닝단(18)이 금속 시트(20)의 말단부(20)에 접촉하게 배치되어, 당업자들에게 공지되어 있는 수단에 의해 상기 말단부(20)에 지지된다. 그 후, 용접 기계(도시되지 않음)상의 헤드가 중심선(50)(도3 참조)을 따라 용접 영역(42)에 제1 금속 시트(10)의 자유 표면과 마주하여 배치된다.

용접 영역(42)은 제1 금속 시트(10)의 곡선 반경, 허용가능한 최대 용접 갭, 및 최소 재료 두께에 대한 함수로서 정해진다. 용접 영역(42)은 두 개의 금속 시트(10 및 20) 사이의 접촉점으로부터 정해진다. 용접 영역(42)은 곡선 반경과 두 금속 시트(10 및 20) 사이의 갭에 대한 접촉점으로부터의 제1 최대 거리 뿐 아니라, 두 금속 시트(10 및 20)에 대한 접촉점으로부터 이들이 접촉해있는 방향으로의 제2 최대 거리를 갖는다. 상기 거리는 도면에 X₁과 X₂로 도시되어 있다.

제1 최대 거리(X₁)에서 제1 금속 시트(10)의 곡선부(14)와 제2 금속 시트(20) 사이의 최대 갭(y)을 정할 필요가 있다. 최대 갭(y)은, 완성될 때 용접부위의 최상부 프로파일에 영향을 미치므로 중요하다. 갭(y)이 너무 넓다면, 용접부위가 축 늘어져, 최소의 하중(load)에서 조차도 용접부위가 파손될 수 있는 상황을 야기한다. 상기 갭이 너무 좁으면, 용접 영역(42)이 종래의 방법을 이용하여 반복해서 용접하는데 실용적이지 않은 폭으로 감소되게 된다. 갭(y)이 용접동안 아연 증기가 빠져나갈 수 없는 위치로 감소된다면, 그 결과 용접부위에 구멍 및 공극이 나타나게 되어, 최소의 하중에서도 용접부위를 잠정적으로 파손시키는 원인이 된다.

용접 영역(42)과 제1 및 제2 금속 시트에 대한 이들의 기하학적 관계를 결정하는데 사용되는 소정의 측정 위치가 도3에 가장 잘 도시되어 있다.

접촉점으로부터의 제2 최대 거리(X₂)는, 예컨대 2개의 금속 시트(10 및 20)의 최소 재료 두께의 절반과 같이 시트(10 및 20)의 재료 두께에 대해 정해진다.

접촉점으로부터의 제1 최대 거리(X₁)는 제1 최대 거리(X₁)에서의 갭(y)과 반경(R)에 대한 함수로서 정해지며, 다음과 같은 식을 실행함으로써 결정된다.

먼저, 제1 최대 거리(X₁)에서 제1 금속 시트(10)와 제2 금속 시트(20) 사이의 갭(y)이 결정된다. 갭(y)은 다음 식에 의해 결정된다:

y = 0.2(R)

여기서, R은 곡선 반경과 동일하다.

거리(R-y)는 갭(y)을 계산한 후 결정된다. 거리(R-y)는 다음과 같은 식을 통해 각도(A)를 결정하는데 필요하다:

Sine A = (R-y)/R

각도(A)가 결정되었다면, 다음과 같은 수학 공식에 의해 제1 최대 거리(X₁)가 얻어진다:

X₁= R (cos A)

상기 결과로 얻어진 제1 최대 거리(X₁)는 곡선부의 원주를 지나는 최대 갭(y)의 측정치와 일치한다.

용접 영역(42)은 레이저 헤드가 정렬되는 중심선(50)을 갖는다. X₁과 X₂사이의 중심선(50)은, 곡선의 반경과 재료 두께의 임계값이 공지되어 있다면 대략 추정될 수 있다. 용접 영역(42) 배치는 이하의 표를 사용함으로써 대략 결정될 수 있다:

용접부위 배치 범위(Weld Placement Range)

반경(mm)	두 께(mm)
반경(mm)	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6	1.8	2.0
8	.8	.9	1.0	1.1	1.1	1.2	1.3
10	.9	1.0	1.1	1.2	1.3	1.3	1.4
12	1.0	1.1	1.2	1.3	1.4	1.5	1.5
14	1.1	1.2	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7

따라서, 제1 및 제2 최대 거리(X₁및 X₂)의 거리는 용접부위가 배치될 수 있는 범위이다. 이러한 기술을 적용할 때 고려될 수 있는 다른 요소에는, 재료를 용접하는데 사용되는 레이저 전력이 포함된다. 레이저 전력의 변화는 함께 용접될 재료의 최대 두께에 영향을 미친다.

도4는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 것이다. 여기서, 제1 금속 시트(100)는 이전의 예에서와 같은 곡선부가 아니라, 제2 금속 시트(130)로부터 떨어져 어떠한 각도로 구부려지는 각진 부분(110)을 갖는다. 여기서, 상기 각진 부분(110)은 허용되는 최대 갭을 결정하는데 사용되는 슬로프를 갖는다. 상기 슬로프는 허용되는 최대 갭(y)과 제1 최대 거리(X₁)의 기하학적 관계를 계산하는데 사용된다.

상기 설명으로부터, 당업자는 본 발명의 특징을 손쉽게 확인할 수 있고 본원의 원리 및 영역을 벗어남이 없이, 본 발명의 각종 변경 및 변형을 행할 수 있다. 예컨대, 이 코팅은 아연 이외의 또 다른 재료로 이루어질 수 있다.

본 발명은, 2조각의 아연 코팅된 강철을 함께 레이저 용접할 수 있으며, 특히 용접될 위치에서 상기 조각 중 하나가 나머지 한 조각으로부터 구부려지도록 되어 있는 2조각의 아연 코팅된 강철에서, 레이저 용접 동작을 수행할 영역을 정하고 상기 영역에서 레이저 용접을 수행할 수 있다.

Claims

2 조각의 보호 코팅된 강철을 함께 분자 결합하기 위해 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법으로서,

적어도 제1 금속 재료 및 제2 금속 재료를, 상기 제1 금속 재료가 상기 제2 금속 재료로부터 갈라지는 부분을 갖도록 중첩 관계로 제공하는 단계,

제1 에지와 제2 에지 사이를 연장하며 규정된 폭을 가진, 레이저 용접 동작을 수행하기 위한 영역을 정하는 단계, 및

상기 영역내에 레이저 용접을 수행하는 단계를 포함하는, 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 1 항에 있어서,

갭 영역을 더 포함하는데, 상기 갭 영역은:

y = 0.2(R) (여기서, y는 최대 갭이고, R은 상기 제1 금속 시트와 상기 제2 금속 시트 중 하나의 최소 두께이다)에 의해 결정되는 최대 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 보호층은 아연 기반 재료인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 영역을 정하는 단계는 상기 제1 금속 재료의 곡선의 반경에 대한 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 영역을 정하는 단계는, 상기 제1 금속 재료의 곡선 반경, 상기 제1 금속 재료와 상기 제2 금속 재료 중 한 재료에 상응하는 최대 갭 폭, 및 최소 재료 두께로부터 선택되는 기하학적 특성에 대한 함수인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 영역은, 접촉점으로부터 서로 접촉해있는 상기 제1 및 상기 제2 금속 재료상의 위치까지 정해지는 제로 갭 영역과, 상기 접촉점으로부터 상기 곡선부 방향으로 정해지는 갭 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 제로 갭 영역은:

X₂= S/2 (여기서, X₂는 제로 갭 영역이고, S는 상기 제1 금속 시트와 제2 금속 시트 중 한 시트의 최소 두께이다)에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 갭 영역은:

X₁= R (cos A) (여기서, X₁은 갭 영역이고, R은 상기 곡선부의 곡선 반경이며, A는 상기 반경과 X₁으로부터 형성되는 각도이다) 로부터 결정되는데, 상기 A는:

sinA = (R-y)/R (여기서, y는 최대 갭이다) 로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 제1 에지는 상기 제로 갭 영역의 경계에 위치하며, 상기 제2 에지는 상기 갭 영역의 경계에 위치하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 제1 에지는 상기 제1 및 제2 금속 재료가 접촉해있는 위치 부근인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 제2 에지는 상기 곡선부상의 위치와 상기 제2 금속 재료상의 위치 부근인데, 이 경우 상기 제1 및 제2 금속 재료는 서로 접촉해있지않은 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 갭 영역은:

y = 0.2(R) (여기서, y는 최대 갭이고, R은 상기 제1 금속 시트와 제2 금속 시트 중 하나의 최소 두께이다) 에 의해 결정되는 최대 갭을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 용접 동작을 수행하는 방법.