KR20190028122A - Apparatus and method for laser welding of aluminum - Google Patents

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Abstract

Disclosed are an aluminum laser welding apparatus and a method thereof. According to an embodiment of the present invention, an aluminum laser welding apparatus welding a plurality of aluminum alloys with only a laser heat source comprises: a laser head installed in a front end of a robot arm; a laser oscillator supplying a laser light source to the laser head; and a controller controlling the laser head to move and irradiate a laser beam by controlling a position of the robot. The controller irradiates the laser beam to one surface of a lower plate for a pretreatment process forming a convex overfill bead unit to be performed, and then, performs a main welding process to irradiate the laser beam to a joint of an upper plate overlapped on the overfill bead unit.

Description

알루미늄 레이저 용접 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR LASER WELDING OF ALUMINUM}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to an aluminum laser welding apparatus,

본 발명은 알루미늄 레이저 용접 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 열원만을 이용하여 두 장의 알루미늄 합금을 신뢰성 있게 용접할 수 있는 알루미늄 레이저 용접 장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an aluminum laser welding apparatus and method, and more particularly, to an aluminum laser welding apparatus and method which can reliably weld two aluminum alloys using only a laser heat source.

일반적으로 자동차의 연비와 환경문제에 대응하여 차체를 경량화하기 위한 소재로 고강도강(High Strength Steel)과 알루미늄 합금의 사용이 증가하고 있다. 이 중에서도 알루미늄 합금은 비강도가 우수하고 내 식성이 우수한 특성을 가지고 있어 자동차에서의 사용량이 점차 증가하고 있는 추세에 있다. Generally, the use of high strength steel and aluminum alloys is increasing as a material to lighten the vehicle body in response to fuel consumption and environmental problems of automobiles. Among them, aluminum alloy has excellent non-strength and excellent corrosion resistance, and its usage in automobiles is gradually increasing.

통상 차체 제작을 위해 두 장의 스틸 강판을 상호 겹치기 접합하는 경우 스폿 용접기를 이용한 전기저항 용접이나 레이저빔을 이용한 레이저 용접 방식이 주로 적용되지만, 알루미늄 합금의 경우에는 스틸 대비 용접이 난해하여 작업이 어려움 문제가 있다.In the case of joining two sheets of steel plates together in order to fabricate the body, electric resistance welding using a spot welder or laser welding using a laser beam is mainly applied. However, in the case of an aluminum alloy, .

예를 들어, 저항 용접의 경우 알루미늄은 높은 열전도율로 인해 스틸대비 고전류 긴 통전시간 등의 과도한 용접조건이 요구되어 장치 내구성이 열화 되고, 알루미늄 산화물의 전극 고착으로 인해 연속타점 저하 및 전극 소모가 심해 적용상의 어려움이 있다. 또한, 스폿 용접기의 용접 부위에 넓은 좌면이 요구되어 제품을 디자인하는데 한계가 있는 단점이 있다.For example, in the case of resistance welding, aluminum has a high thermal conductivity, requiring excessive welding conditions such as high current and long energization time compared to steel, resulting in deterioration of the durability of the device, and deterioration of the continuous RB and electrode consumption due to adhesion of aluminum oxide There is a difficulty in consultation. In addition, there is a disadvantage in that there is a limitation in designing a product because a large seating surface is required at the welded portion of the spot welder.

이로 인해 최근에는 고밀도에너지를 이용하는 레이저 용접에 대한 관심이 높아지고 있으나 단순 레이저 열원만을 사용하여 알루미늄 합금을 용접하는 경우, 특히 마그네슘(Mg)을 포함한 5000, 6000계열에서는 균열과 내부 기공과 같은 용접결함을 제어하기 어려운 문제가 있다.In recent years, however, there has been a growing interest in laser welding using high-density energy. However, in the case of aluminum alloy welding using a simple laser heat source, particularly in the case of 5000 and 6000 series including magnesium (Mg), welding defects such as cracks and internal pores There is a problem that is difficult to control.

한편, 종래에 보편적으로 사용되며 검증된 알루미늄 합금의 레이저 용접방법으로는 필러 와이어를 공급하면서 모재와 동시에 용접하는 방식이 존재한다. 여기서 상기 와이어는 단순 레이저 열원만 사용했을 때 발생되는 균열, 기공 및 마그네슘 원소의 선택적 증발로 인한 용접강도 저하를 보완하는 역할을 한다.On the other hand, as a conventionally used and verified laser welding method of an aluminum alloy, there is a method of simultaneously welding a base material while supplying a filler wire. Here, the wire serves to compensate for a decrease in weld strength due to selective evaporation of cracks, pores, and magnesium elements generated when a simple laser heat source is used.

그러나, 종래의 와이어를 사용한 레이저 용접 방식은 지속적으로 와이어를 공급해야 하고 헬륨(He)과 같은 고가의 보호가스를 소모해야 하는 문제가 있다. 또한 상기 와이어의 공급으로 인한 광범위한 용접변수와 간섭으로 인해 적용 범위가 제한적이라 단점이 있고 레이저빔과 와이어 간의 정렬을 위해 기구가 복잡해지는 문제점이 있다. However, the conventional laser welding method using a wire has a problem that the wire must be continuously supplied and expensive protective gas such as helium (He) must be consumed. In addition, there is a disadvantage in that the range of application is limited due to a wide range of welding parameters and interference due to the supply of the wire, and there is a problem that the mechanism becomes complicated in order to align the laser beam and the wire.

또한, 종래에는 소재적인 측면에서는 알루미늄 소재에 별도의 Al-Si층을 클래딩하여 용접성과 융융지의 거동을 개선한 사례가 있으나 일반적인 소재가 아닌 고가의 소재를 추가해야 하는 점과 이로 인한 수급 및 추가 비용이 발생되는 문제점이 있다.In addition, in the past, there has been a case where an Al-Si layer is clad in an aluminum material to improve the weldability and the behavior of the fusing paper. However, it is necessary to add an expensive material instead of a general material, Is generated.

따라서, 보다 알루미늄 합금에 적합하고 신뢰성 있는 용접 방법의 개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, it is urgently required to develop a reliable welding method which is more suitable for aluminum alloys.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.The matters described in the background section are intended to enhance the understanding of the background of the invention and may include matters not previously known to those skilled in the art.

본 발명의 실시 예는 종래의 와이어 공급이나 접합을 위한 클래딩 소재의 추가 없이 레이저 열원만을 이용하여 복수의 알루미늄 합금을 신뢰성 있게 용접할 수 있는 알루미늄 레이저 용접 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an aluminum laser welding apparatus and method that can reliably weld a plurality of aluminum alloys using only a laser heat source without adding a cladding material for conventional wire feeding or bonding.

본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 열원만을 이용하여 복수의 알루미늄 합금을 용접하는 알루미늄 레이저 용접 장치는, 로봇의 아암 선단에 설치되는 레이저 헤드; 상기 레이저 헤드에 레이저 광원을 공급하는 레이저 발진기; 및 상기 로봇의 자세제어를 통해 상기 레이저 헤드가 이동하면서 레이저빔을 조사하도록 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는 하판의 일면에 상기 레이저빔을 조사하여 볼록한 오버필 비드부를 형성하는 전처리 공정의 수행 후 상기 오버필 비드부 위에 겹쳐진 상판의 용접 이음부에 상기 레이저빔을 조사하는 본 용접 공정을 수행한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an aluminum laser welding apparatus for welding a plurality of aluminum alloys using only a laser heat source, comprising: a laser head provided at an arm end of a robot; A laser oscillator for supplying a laser light source to the laser head; And a controller for controlling the laser beam to irradiate the laser beam while moving the laser head through the attitude control of the robot, wherein the controller irradiates the laser beam onto one surface of the lower plate to form a convex over-fill bead And then the welding process of irradiating the laser beam onto the welded joint of the overlapped upper plate on the overfill bead is performed.

또한, 상기 오버필 비드부는 상기 하판과 상판이 겹쳐 서로 마주하는 겹침부 사이에 일정 높이의 간극을 형성할 수 있다.The overfilled bead portion may form a gap of a predetermined height between the lower plate and the overlapping portion where the upper plate overlaps with each other.

또한, 상기 오버필 비드부는 상기 용접 이음부와 동일선상의 위치에 형성될 수 있다.The overfill bead may be formed at a position on the same line as the weld joint.

또한, 상기 오버필 비드부는 상기 레이저빔 조사에 따른 용융현상을 동반한 크기와 길이의 스티치 형상 또는 딤플 형상일 수 있다.The overfill bead may be in the form of a stitch or a dimple having a size and a length accompanied by a melting phenomenon caused by the laser beam irradiation.

또한, 상기 제어기는 상기 하판과 상판의 종류, 소재, 형상 및 두께에 따른 상기 용접 이음부의 용접위치와 그 용접위치에 레이저 헤드를 위치시키기 위한 상기 로봇의 기구학적 자세제어정보를 포함할 수 있다.In addition, the controller may include welding position of the welded joint according to the type, material, shape and thickness of the lower plate and the upper plate, and kinematic attitude control information of the robot for positioning the laser head at the welding position.

또한, 상기 제어기는 상기 하판과 상판 중 적어도 하나의 소재와 두께를 고려한 열에너지 조사를 위해 상기 레이저 헤드의 이동속도를 조절하거나 상기 레이저빔이 조사되는 초점구간의 에너지 밀도를 조절할 수 있다.In addition, the controller may adjust the moving speed of the laser head or adjust the energy density of the focal region irradiated with the laser beam to irradiate thermal energy considering the material and thickness of at least one of the lower plate and the upper plate.

또한, 상기 제어기는 상기 용접 이음부에 레이저빔을 조사하는 레이저 헤드의 이동 경로를 상기 전처리 공정에서의 상기 레이저빔 조사 경로와 동일하게 제어할 수 있다.In addition, the controller may control the movement path of the laser head for irradiating the laser beam to the weld joint to be the same as the laser beam irradiation path in the pre-processing step.

한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 레이저 열원만을 이용하여 복수의 알루미늄 합금을 용접하는 알루미늄 레이저 용접 방법은, a) 하판이 로딩되면, 상면 일측에 레이저빔을 조사하여 볼록한 오버필 비드부를 형성하는 단계; b) 상기 하판에 접합할 상판을 로딩하여 상기 하판의 오버필 비드부에 의해 하판과 상판 사이에 일정 간극이 형성 되도록 하여 겹치는 단계; c) 상기 오버필 비드부에 대응하여 하판 상에 겹쳐진 상판의 용접 이음부에 레이저빔을 조사하여 상판 내부의 용융부가 상기 하판의 오버필 비드부와 함께 열전도에 의해 용융되면서 각 용융부 내부의 기공이 상기 간극을 통해 배출되도록 하는 단계; 및 d) 상기 상판과 하판의 각 용융부가 냉각되면서 접합되어 용접부를 형성하는 단계를 포함한다.Meanwhile, an aluminum laser welding method for welding a plurality of aluminum alloys using only a laser heat source according to an aspect of the present invention includes the steps of: a) forming a convex over-fill bead by irradiating a laser beam to one side of a top surface when the bottom plate is loaded step; b) loading the upper plate to be joined to the lower plate so that a predetermined gap is formed between the lower plate and the upper plate by the overfill bead of the lower plate; c) a laser beam is irradiated to the welded joint of the upper plate overlapped on the lower plate corresponding to the overfilled bead so that the melted portion inside the upper plate melts together with the overfill bead of the lower plate by thermal conduction, Through the gap; And d) joining the upper and lower plates together while cooling each molten part to form a weld.

또한, 상기 a) 단계는, 상기 하판의 소재와 두께를 고려한 열에너지를 전달을 위해 상기 레이저 헤드의 이동속도를 조절하거나 상기 레이저빔이 조사되는 초점구간의 에너지 밀도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.The step a) may include adjusting a moving speed of the laser head to transmit thermal energy considering the material and thickness of the lower plate or adjusting an energy density of a focal region irradiated with the laser beam .

또한, 상기 상판의 용접 이음부에 레이저빔을 조사하는 상기 레이저 헤드의 용접경로는 상기 하판에 오버필 비드부를 형성하는 레이저 헤드의 이동경로와 동일할 수 있다.In addition, the welding path of the laser head for irradiating the laser beam to the welded joint of the upper plate may be the same as the movement path of the laser head forming the overfill bead on the lower plate.

본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저를 이용한 전처리 공정으로 볼록한 오버필 비드부가 생성된 겹침부 사이에 간극(G)을 형성하고, 상기 간극을 통해 본 용접 공정 시 발생되는 기공이 배출되도록 함으로써 단순 레이저 열원만을 사용한 용접부(W)의 용접강도 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.According to the embodiment of the present invention, a gap G is formed between the overlapping portions where the convex over-fill bead portion is generated by the pre-processing using the laser, and the pores generated during the main welding process are discharged through the gap, It is possible to prevent a decrease in welding strength of the welded portion W using only the heat source.

또한, 전처리 공정을 통해 활성화된 상기 오버필 비드부에 다시 레이저빔(LB)을 조사하여 본 레이저 용접 공정에 투입되는 레이저빔(LB)의 입열을 최소화함으로써 본 레이저 용접 공정에서 추가적으로 발생될 수 있는 결함을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, by irradiating the laser beam (LB) to the overfill bead portion activated through the preprocessing process and minimizing heat input to the laser beam (LB) input to the present laser welding process, There is an effect of reducing defects.

그리고, 종래의 레이저 용접품질을 보완하기 위해 사용된 와이어나 소재 클래딩을 생략하고 레이저 열원만을 이용하여 두 장의 알루미늄 합금을 신뢰성 있게 용접할 수 있어 용접변수, 적용 범위의 제한 및 추가비용 없이 다양한 용접을 수행할 수 있으며 넓은 좌면의 요구 없이도 스폿 용접이 가능하여 제품 디자인의 한계를 해결할 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to reliably weld the two aluminum alloys by using only the laser heat source by omitting the wires and the material cladding used to supplement the conventional laser welding quality, and to perform various welding without limitation of welding variables, So that it is possible to perform spot welding without requiring a large seating surface, thereby solving the limitations of the product design.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접을 위한 전처리 공정 방법을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전처리 공정에 의해 형성된 오버필 비드부의 예시를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 방법에 따른 공정도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전처리 공정으로 생성된 오버필 비드부의 단면 사진을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접만으로 생성된 용접부(W)의 단면 사진을 나타낸다.Fig. 1 schematically shows a configuration of a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 shows a pre-processing process for laser welding according to an embodiment of the present invention.
3 shows an example of an overfill bead formed by a pretreatment process according to an embodiment of the present invention.
4 is a process diagram according to a laser welding method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional photograph of an overfill bead portion produced by a pretreatment process according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional photograph of a welded portion W generated only by laser welding according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. Also, the terms " part, "" module," and " module ", etc. in the specification mean a unit for processing at least one function or operation and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software have.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 알루미늄 레이저 용접 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.Now, an aluminum laser welding method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.Fig. 1 schematically shows a configuration of a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 다른 레이저 용접 장치(10)는 로봇(11)의 아암(12) 선단에 설치되는 레이저 헤드(13), 상기 레이저 헤드(13)에 레이저 광원을 공급하는 레이저 발진기(14) 및 로봇(11)의 자세제어를 통해 레이저 헤드(13)가 모재(Panel)의 용접 이음부(용접경로)를 따라 이동하면서 레이저빔(LB)을 조사하도록 제어하는 제어기(15)를 포함한다.1, a laser welding apparatus 10 according to an embodiment of the present invention includes a laser head 13 installed at the tip of an arm 12 of a robot 11, And controls the laser head 13 to irradiate the laser beam LB while moving along the welded joint (weld path) of the base material (panel) through the laser oscillator 14 supplying the laser beam 13 and the posture control of the robot 11 And a controller 15.

레이저 용접 장치(10)는 두 모재(P1, P2)의 겹쳐진 용접 이음부에 레이저빔(LB)을 조사하여 용접하는 장비로써 차체의 생산을 위한 공정라인에 배치될 수 있다.The laser welding apparatus 10 can be placed in a process line for production of a vehicle body as an equipment for welding and welding a laser beam LB to overlap weld joints of the two parent materials P1 and P2.

모재(P)는 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 구성될 수 있으며, 예컨대 차체에 적용되는 알루미늄 합금으로 Al-Mg계 합금인 5000계열과 Al-Mg-Si계 합금인 6000계열의 소재가 적용될 수 있다.The base material P may be made of aluminum or an aluminum alloy. For example, a 5000-series Al-Mg alloy and an Al-Mg-Si alloy 6000 series may be applied to an aluminum alloy used for a vehicle body.

모재(P)는 하판(P1)과 그 위에 겹쳐지는 상판(P2)을 포함하되, 레이저 헤드(13)의 용접 위치를 기준으로 거리가 먼 것을 하판(P1)이라 하고, 하판(P1)에 겹쳐져 상대적으로 거리가 가까운 것을 상판(P2)이라 정의한다. 이는 레이저 헤드(13)가 도 1과 같이 하측 방향뿐 아니라 상측 방향으로 용접할 수 있기 때문에 하판(P1)과 상판(P2)이 오인될 수 있으므로 정의한 것이다.The base material P includes a lower plate P1 and an upper plate P2 superimposed on the lower plate P1. The base plate P1 is referred to as a lower plate P1 having a longer distance from the welding position of the laser head 13, A relatively close distance is defined as a top plate P2. This is because laser head 13 can be welded not only in the downward direction but also in the upward direction as shown in Fig. 1, so that the lower plate P1 and the upper plate P2 can be mistaken.

로봇(11)은 다관절 매니퓰레이터(Manipulator)로 구성될 수 있으며, 6자유도구현을 통해 모재(P)의 다양한 용접위치 및 용접방향에 대한 레이저 헤드(13)의 자세를 변경할 수 있다.The robot 11 can be constructed of a multi-joint manipulator and can change the posture of the laser head 13 with respect to various welding positions and welding directions of the base material P through the implementation of six degrees of freedom.

레이저 헤드(13)는 레이저 용접 방식에 따른 레이저빔(LB)의 에너지의 밀도를 조절하기 위한 초점렌즈 등의 광학계를 포함한다.The laser head 13 includes an optical system such as a focus lens for adjusting the density of energy of the laser beam LB according to the laser welding method.

제어기(15)는 레이저 용접 장치(10)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 프로그램 및 데이터를 저장하고 이를 토대로 로봇(11)의 자세제어를 수행하여 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 열원만을 이용한 레이저 용접을 제어한다.The controller 15 stores programs and data for controlling the overall operation of the laser welding apparatus 10 and performs posture control of the robot 11 on the basis of the programs and data to perform laser welding using only the laser heat source according to the embodiment of the present invention .

이때, 제어기(15)는 상기 저장된 정보에서 용접을 위해 로딩된 두 모재(P1, P2)의 종류에 따라 겹치기 용접 이음부에 용접작업을 수행하기 위한 용접정보를 파악할 수 있다. 여기서, 상기 용접정보는 상기 두 모재(P1, P2)의 소재(예; 알루미늄 합금종류), 형상 및 두께에 따른 상기 용접 이음부의 용접위치와 그 용접위치에 레이저 헤드(13)를 위치시키기 위한 기구학적 자세제어정보를 포함한다.At this time, the controller 15 can grasp the welding information for performing the welding operation in the overlap welding joint according to the types of the two base materials P1 and P2 loaded for welding in the stored information. Here, the welding information includes welding positions of the weld joints in accordance with the material (for example, aluminum alloy type), shape and thickness of the two parent materials P1 and P2 and a mechanism for positioning the laser head 13 at the welding position And information on the posture control.

제어기(15)는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 알고리즘에 따른 전처리 공정을 수행한 후 본 레이저 용접 공정을 수행한다.The controller 15 performs the pre-processing process according to the laser welding algorithm according to the embodiment of the present invention and then performs the present laser welding process.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접을 위한 전처리 공정 방법을 나타낸다.2 shows a pre-processing process for laser welding according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 2를 참조하면, 제어기(15)는 본 레이저 용접 이전에 모재(P1, P2)가 마주하는 겹침부 사이의 일면에 레이저빔(LB)을 조사하여 오버필 비드부(Overfill Bead, OB)를 형성하는 전처리 공정을 수행하는 것을 특징으로 한다. 상기 전처리 공정에 따른 오버필 비드부(OB)는 내부에 증발가스에 의한 기공이 발생되며 볼록해진다. 2, the controller 15 irradiates the laser beam LB to one surface between the overlapping portions facing the parent materials P1 and P2 before the laser welding to form an Overfill Bead OB ) Is formed on the surface of the substrate. The overfilled bead portion OB according to the preprocessing process is pored by the evaporation gas inside and becomes convex.

이후, 제어기(15)는 본 레이저 용접 공정으로 겹쳐진 두 모재의 용접 이음부에 레이저빔(LB)을 조사하여 용융되는 용접부(W)를 형성한다(후술되는 도 4를 통해 자세히 설명함). 이때, 상기 겹침부 사이에 형성된 오버필 비드부는 상기 용접 이음부와 동일선상에 위치한다. 그리고, 상기 오버필 비드부는 하판(P1)에 형성될 수 있다.Thereafter, the controller 15 irradiates the laser beam LB to the welded joints of the two base materials overlapped by the present laser welding process to form a welded portion W to be melted (described later in detail with reference to FIG. 4). At this time, the overfill bead formed between the overlapping portions is located on the same line as the weld joint. The overfill bead may be formed on the lower plate P1.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전처리 공정에 의해 형성된 오버필 비드부의 예시를 나타낸다.3 shows an example of an overfill bead formed by a pretreatment process according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어기(15)가 레이저빔(LB)을 조사하여 볼록한 오버필 비드부를 형성한 예시로써 스티치(Stitches) 형상과 크기가 다르게 볼록한 딤플 형상의 예를 보여준다. 3, the controller 15 irradiates the laser beam LB to form a convex over-fill bead. As shown in FIG. 3, the convex over-fill bead is formed by a dimple-shaped convex shape having a shape different from a stitch shape. Show examples.

이때, 전처리 공정으로 볼록한 오버필 비드부를 생성하는 목적은 두 모재(P1, P2)의 겹침부에 일정 간극(Gap)을 확보하기 위한 것이다. 또한 상기 스티치 형상 및 딤플 형상에 한정되지 않으며 어떤 형태로든 레이저빔(LB) 조사에 따른 용융현상을 동반한 다양한 형상, 패턴, 크기 및 길이의 오버필 비드부(OB)를 구현할 수 있다.At this time, the purpose of forming the convex over-fill bead in the pre-processing step is to secure a certain gap in the overlapping portion of the two base materials P1 and P2. In addition, the present invention is not limited to the stitch shape and the dimple shape, and it is possible to realize an overfilled bead portion OB of various shapes, patterns, sizes, and lengths accompanied by melting phenomenon depending on laser beam LB irradiation in any form.

가령, 상기 딤플 형상과 같이 스크류 방식으로 레이저빔을 조사하는 경우 종래의 전기저항 용접 시 넓은 좌면이 요구되는 스폿 용접의 한계를 극복할 수 있으며 인접 부위에 연이어 딤플 형상의 용접부(W)를 형성하는 것이 가능하기 때문에 용접강도 또한 보강할 수 있는 이점이 있다.For example, in the case of irradiating a laser beam with a screw method like the dimple shape, it is possible to overcome the limit of the spot welding which requires a large seating surface in the conventional electric resistance welding, and to form the dimple- It is possible to reinforce the welding strength.

또한, 앞서 발명의 배경이 되는 기술에 설명한 것과 같이, 와이어를 생략한 단순 레이저 열원만을 사용하여 알루미늄 합금을 용접하는 경우 용접부(W) 내부에 기공이 발생하여 용접강도가 저하되는 문제점을 지적하였다. Further, as described in the Background of the Invention, when the aluminum alloy is welded by using only the simple laser heat source omitting the wire, pores are generated in the welded portion W and the welding strength is lowered.

이에 대하여, 본원발명의 레이저 용접 방법은 상기 전처리 공정으로 볼록한 오버필 비드부 생성하여 겹침부 사이에 일정 높이(예; 약 0.1mm)의 간극(G)을 형성하고, 이를 통해 본격적인 겹치기 용접 공정 시 발생되는 기공이 배출되도록 함으로써 단순 레이저 열원만을 사용한 용접부(W)의 용접강도 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.On the other hand, in the laser welding method of the present invention, a convex over-fill bead is generated in the pre-processing step to form a gap G having a predetermined height (for example, about 0.1 mm) between the overlapping portions, It is possible to prevent the lowering of the welding strength of the welded portion W using only the simple laser heat source.

한편, 전술한 레이저 용접 장치(10)의 구성을 바탕으로 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 열원만을 이용하여 복수의 알루미늄 합금을 신뢰성 있게 용접할 수 있는 알루미늄 레이저 용접 방법을 설명한다. 다만, 앞서 설명된 레이저 용접 장치(10)의 구성은 해당 기능별로 더 세분화되거나 통합될 수 있으므로, 이하 알루미늄 레이저 용접 방법을 설명함에 있어서 그 주체는 레이저 용접 장치(10)로하여 설명한다.On the other hand, an aluminum laser welding method capable of reliably welding a plurality of aluminum alloys using only the laser heat source according to the embodiment of the present invention will be described based on the configuration of the laser welding apparatus 10 described above. However, since the configuration of the laser welding apparatus 10 described above can be further subdivided or integrated according to the functions, the following description will be made with reference to the laser welding apparatus 10 in describing the aluminum laser welding method.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 방법에 따른 공정도를 나타낸다.4 is a process diagram according to a laser welding method according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접 장치(10)는 하판(P1)이 로딩되면, 용접 이음부와 동일선상인 상면에 레이저빔(LB)을 조사하여 오버필 비드부를 형성하는 전처리 공정을 수행한다(S1). 4, when the lower plate P1 is loaded, the laser welding apparatus 10 according to the embodiment of the present invention irradiates a laser beam LB on the upper side, which is in line with the weld joint, A preprocessing step is performed (S1).

이때, 상기 오버필 비드부(OB)는 하판(P1)과 상판(P2)의 종류와 그에 따른 겹치기 이음 용접 방식에 따라 반복된 스티치 형상 또는 스폿 용접을 위한 복수의 딤플 형상이 형성될 수 있다.At this time, the overfilled bead portion OB may be formed in the form of a repeated stitch or a plurality of dimples for spot welding according to the type of the lower plate P1 and the upper plate P2 and the lap joint welding method.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전처리 공정으로 생성된 오버필 비드부의 단면 사진을 나타낸다.FIG. 5 is a cross-sectional photograph of an overfill bead portion produced by a pretreatment process according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 알루미늄 합금의 하판(P1)의 상면에 레이저빔을 조사하여 내측에 기공이 형성되고 볼록하게 부풀어 오른 오버필 비드부(OB)의 단면상태를 보여준다. 이러한 단면상태를 구현하기 위해서는 전처리 공정에서 하판(P1)에 조사되는 레이저빔(LB)의 열에너지가 적절히 조절되어야 한다.5, a laser beam is irradiated onto the upper surface of the lower plate P1 of the aluminum alloy according to the embodiment of the present invention to form a cross-sectional state of the overfilled bead portion OB having pores formed inside and convexly swollen Lt; / RTI > In order to realize such a cross-sectional state, the thermal energy of the laser beam LB irradiated on the lower plate P1 in the pretreatment process should be appropriately adjusted.

이를 위한 방법으로, 레이저 용접 장치(10)는 로딩된 하판(P1)의 종류에 따른 소재, 형상, 두께 그리고 용접을 위해 레이저빔(LB)이 조사되는 용접 이음부를 파악한다. 그리고 상기 용접 이음부와 동일선상에 있는 하판(P1) 상의 용접경로를 따라 레이저 헤드(13)를 이동시키면서 레이저빔(LB)을 조사할 수 있다. As a method for this, the laser welding apparatus 10 recognizes the material, shape, thickness, and the welded joint to which the laser beam LB is irradiated for welding according to the type of the loaded lower plate P1. The laser beam LB can be irradiated while moving the laser head 13 along the welding path on the lower plate P1 which is in line with the weld joint.

이때, 레이저 용접 장치(10)는 하판(P1)의 소재와 두께를 고려한 열에너지를 조사하기 위하여 레이저 헤드(13)의 이동속도를 조절하거나 레이저빔(LB)이 조사되는 초점구간의 에너지 밀도를 조절할 수 있다. 상기 조절은 다양한 소재와 두께에 대한 레이저빔(LB)의 조사량을 학습한 프로그램이나 확률모델을 참조할 수 있다.At this time, the laser welding apparatus 10 adjusts the moving speed of the laser head 13 or adjusts the energy density of the focal region irradiated with the laser beam LB in order to irradiate thermal energy in consideration of the material and thickness of the lower plate P1 . The adjustment may refer to a program or probabilistic model that has learned the dose of the laser beam (LB) for various materials and thicknesses.

다시, 도 4를 참조하면, 상기 전처리 공정을 마친 하판(P1)에 접합할 상판(P2)을 로딩하여 상기 하판(P1)의 오버필 비드부(OB)에 의해 하판(P1)과 상판(P2) 사이에 일정 간극(G)이 형성 되도록 하여 겹친다. 즉, 상기 전처리 공정으로 오버필 비드부(OB)가 형성된 하판(P1)에 상판(P2)이 겹쳐지면, 상기 오버필 비드부가 형성된 상판(P2)의 용접 이음부에 레이저빔(LB)을 조사하여 본 레이저 용접 공정을 시작한다(S2).4, the upper plate P2 to be joined to the lower plate P1 after the pre-processing is loaded, and the lower plate P1 and the upper plate P2 So that a predetermined gap G is formed. That is, when the upper plate P2 is overlapped with the lower plate P1 formed with the overfilled bead portion OB in the pre-processing step, the laser beam LB is irradiated onto the welded joint portion of the upper plate P2 on which the over- The laser welding process is started (S2).

이때, 하판(P1)과 상판(P2)의 겹침부는 오버필 비드부(OB)에 의한 간극(G)이 형성되고, 레이저빔(LB) 조사되는 상판(P2)에도 증발가스에 의한 기공이 발생된다.At this time, the gap G between the lower plate P1 and the upper plate P2 is formed by the over-fill bead OB and the upper plate P2 irradiated with the laser beam LB also has pores due to the evaporation gas do.

또한, 상기 용접 이음부에 레이저빔(LB)을 조사하는 레이저 헤드(13)의 이동 경로는 상기 전처리 공정에서의 레이저빔(LB)조사 경로와 동일할 수 있으며, 상기 오버필 비드부와 마찬가지로 다양한 방식으로 다양한 형상의 용접 비드를 구현할 수 있다.The movement path of the laser head 13 for irradiating the laser beam LB to the welded joint may be the same as the path of the laser beam LB in the preprocessing step, Welding beads of various shapes can be realized.

한편, 레이저 용접 장치(10)는 상기 오버필 비드부(OB)에 대응하여 대응하여 하판(P1) 상에 겹쳐진 상판(P2)의 용접 이음부에 레이저빔(LB)을 조사하여 상판(P2) 내부의 용융부가 하판(P1)의 오버필 비드부(OB)와 함께 열전도에 의해 용융되면서 각 용융부 내부의 기공이 상기 간극(G)을 통해 배출되도록 한다(S3).On the other hand, the laser welding apparatus 10 irradiates the laser beam LB to the welded joint portion of the overlapped upper plate P2 on the lower plate P1 corresponding to the overfilled bead portion OB, The inner molten portion is melted by thermal conduction together with the overfilled bead portion OB of the lower plate P1 so that pores in each molten portion are discharged through the gap G at S3.

그리고, 레이저 용접 장치(10)의 레이저빔(LB) 조사로 형성된 상판(P2)과 하판(P1)의 각 용융부가 냉각되면서 접합되어 용접부를 형성한다(S5).The melted portions of the upper plate P2 and the lower plate P1 formed by irradiating the laser beam LB of the laser welding apparatus 10 are cooled while being cooled to form welds (S5).

이때도 레이저 용접 장치(10)는 본 레이저 용접 공정 시에도 상판(P2)과 하판(P1)의 소재 및 두께정보를 참조하여 레이저빔(LB)의 열에너지를 조사량을 조절할 수 있다.At this time, the laser welding apparatus 10 can also adjust the irradiation amount of thermal energy of the laser beam LB by referring to the material and thickness information of the upper and lower plates P2 and P1 during the laser welding process.

한편, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 용접만으로 생성된 용접부(W)의 단면 사진을 나타낸다.6 is a cross-sectional photograph of a welded portion W generated only by laser welding according to an embodiment of the present invention.

첨부된 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 하판(P1)과 상판(P2)이 접합된 용접부(W) 내부의 기공이 배출되어 견고하게 접합된 상태를 보여준다.Referring to FIG. 6, pores in the welded portion W, to which the lower plate P1 and the upper plate P2 are joined, according to the embodiment of the present invention are discharged and firmly bonded.

이는 상기 전처리 공정을 통해 활성화된 상기 오버필 비드부에 다시 레이저빔(LB)을 조사함으로써 본 레이저 용접 공정에 투입되는 레이저빔(LB)의 입열을 최소화할 수 있기 때문이며, 그로 인해 본 레이저 용접 공정에서 추가적으로 발생될 수 있는 결함(예; 추가 증발가스로인한 기공발생 최소화)이 최소화된 효과를 증명하는 것이다.This is because irradiation of the laser beam LB to the over-fill bead portion activated through the pre-processing process can minimize the heat input to the laser beam LB input to the present laser welding process, (Eg minimization of the generation of porosity due to additional evaporation gases) can be minimized.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 레이저를 이용한 전처리 공정으로 볼록한 오버필 비드부가 생성된 겹침부 사이에 간극(G)을 형성하고, 상기 간극을 통해 본 용접 공정 시 발생되는 기공이 배출되도록 함으로써 단순 레이저 열원만을 사용한 용접부(W)의 용접강도 저하를 방지할 수 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, the gap G is formed between the overlapping portions where convex over-fill bead portions are generated in the pre-processing step using the laser, and the pores generated in the present welding process are discharged through the gap It is possible to prevent the welding strength of the welded portion W using only the simple laser heat source from deteriorating.

또한, 전처리 공정을 통해 활성화된 상기 오버필 비드부에 다시 레이저빔(LB)을 조사하여 본 레이저 용접 공정에 투입되는 레이저빔(LB)의 입열을 최소화함으로써 본 레이저 용접 공정에서 추가적으로 발생될 수 있는 결함을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, by irradiating the laser beam (LB) to the overfill bead portion activated through the preprocessing process and minimizing heat input to the laser beam (LB) input to the present laser welding process, There is an effect of reducing defects.

그리고, 종래의 레이저 용접품질을 보완하기 위해 사용된 와이어나 소재 클래딩을 생략하고 레이저 열원만을 이용하여 두 장의 알루미늄 합금을 신뢰성 있게 용접할 수 있어 용접변수, 적용 범위의 제한 및 추가비용 없이 다양한 용접을 수행할 수 있으며 넓은 좌면의 요구 없이도 스폿 용접이 가능하여 제품 디자인의 한계를 해결할 수 있는 효과가 있다.In addition, it is possible to reliably weld the two aluminum alloys by using only the laser heat source by omitting the wires and the material cladding used to supplement the conventional laser welding quality, and to perform various welding without limitation of welding variables, So that it is possible to perform spot welding without requiring a large seating surface, thereby solving the limitations of the product design.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It belongs to the scope of right.

10: 레이저 용접 장치
11: 로봇
12: 아암
13: 헤드
14: 레이저 발진기
15: 제어기
P: 모재(P1: 하판, P2 상판)
OB: 오버필 비드부10: Laser welding device
11: Robot
12: arm
13: Head
14: laser oscillator
15:
P: base material (P1: lower plate, P2 upper plate)
OB: overfill bead

Claims (10)

레이저 열원만을 이용하여 복수의 알루미늄 합금을 용접하는 알루미늄 레이저 용접 장치에 있어서,
로봇의 아암 선단에 설치되는 레이저 헤드;
상기 레이저 헤드에 레이저 광원을 공급하는 레이저 발진기; 및
상기 로봇의 자세제어를 통해 상기 레이저 헤드가 이동하면서 레이저빔을 조사하도록 제어하는 제어기를 포함하되,
상기 제어기는 하판의 일면에 상기 레이저빔을 조사하여 볼록한 오버필 비드부를 형성하는 전처리 공정의 수행 후 상기 오버필 비드부 위에 겹쳐진 상판의 용접 이음부에 상기 레이저빔을 조사하는 본 용접 공정을 수행하는 알루미늄 레이저 용접 장치.An aluminum laser welding apparatus for welding a plurality of aluminum alloys using only a laser heat source,
A laser head mounted on an arm end of the robot;
A laser oscillator for supplying a laser light source to the laser head; And
And a controller for controlling the irradiation of the laser beam while moving the laser head through attitude control of the robot,
The controller performs a main welding process of irradiating the laser beam to the welded joint of the overlapped upper plate on the overfilled bead after performing a pre-process of forming a convex over-fill bead by irradiating the laser beam on one surface of the lower plate Aluminum laser welding equipment. 제1항에 있어서,
상기 오버필 비드부는
상기 하판과 상판이 겹쳐 서로 마주하는 겹침부 사이에 일정 높이의 간극을 형성하는 알루미늄 레이저 용접 장치.The method according to claim 1,
The overfill bead
Wherein a gap of a predetermined height is formed between the lower plate and the overlapping portion where the upper plate overlaps with each other. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 오버필 비드부는
상기 용접 이음부와 동일선상의 위치에 형성되는 알루미늄 레이저 용접 장치.3. The method according to claim 1 or 2,
The overfill bead
And is formed in the same line position as the weld joint. 제1항에 있어서,
상기 오버필 비드부는
상기 레이저빔 조사에 따른 용융현상을 동반한 크기와 길이의 스티치 형상 또는 딤플 형상인 알루미늄 레이저 용접 장치.The method according to claim 1,
The overfill bead
Wherein the aluminum laser welding apparatus has a stitch shape or a dimple shape with a size and a length accompanied by a melting phenomenon caused by the laser beam irradiation. 제1항에 있어서,
상기 제어기는
상기 하판과 상판의 종류, 소재, 형상 및 두께에 따른 상기 용접 이음부의 용접위치와 그 용접위치에 레이저 헤드를 위치시키기 위한 상기 로봇의 기구학적 자세제어정보를 포함하는 알루미늄 레이저 용접 장치.The method according to claim 1,
The controller
And welding position of the weld joint according to the type, material, shape and thickness of the lower plate and the upper plate, and kinematic attitude control information of the robot for positioning the laser head at the welding position. 제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 제어기는
상기 하판과 상판 중 적어도 하나의 소재와 두께를 고려한 열에너지 조사를 위해 상기 레이저 헤드의 이동속도를 조절하거나 상기 레이저빔이 조사되는 초점구간의 에너지 밀도를 조절하는 알루미늄 레이저 용접 장치.6. The method according to claim 1 or 5,
The controller
Wherein an energy density of a focus region irradiated with the laser beam is controlled by adjusting a moving speed of the laser head for thermal energy irradiation considering the material and thickness of at least one of the lower plate and the upper plate. 제1항에 있어서,
상기 제어기는
상기 용접 이음부에 레이저빔을 조사하는 레이저 헤드의 이동 경로를 상기 전처리 공정에서의 상기 레이저빔 조사 경로와 동일하게 제어하는 알루미늄 레이저 용접 장치.The method according to claim 1,
The controller
And the movement path of the laser head for irradiating the laser beam to the welded joint is controlled in the same manner as the laser beam irradiation path in the pre-processing step. 레이저 열원만을 이용하여 복수의 알루미늄 합금을 용접하는 알루미늄 레이저 용접 방법에 있어서,
a) 하판이 로딩되면, 상면 일측에 레이저빔을 조사하여 볼록한 오버필 비드부를 형성하는 단계;
b) 상기 하판에 접합할 상판을 로딩하여 상기 하판의 오버필 비드부에 의해 하판과 상판 사이에 일정 간극이 형성 되도록 하여 겹치는 단계;
c) 상기 오버필 비드부에 대응하여 하판 상에 겹쳐진 상판의 용접 이음부에 레이저빔을 조사하여 상판 내부의 용융부가 상기 하판의 오버필 비드부와 함께 열전도에 의해 용융되면서 각 용융부 내부의 기공이 상기 간극을 통해 배출되도록 하는 단계; 및
d) 상기 상판과 하판의 각 용융부가 냉각되면서 접합되어 용접부를 형성하는 단계;
를 포함하는 알루미늄 레이저 용접 방법.1. An aluminum laser welding method for welding a plurality of aluminum alloys using only a laser heat source,
a) forming a convex over-fill bead by irradiating a laser beam on one side of the upper surface when the lower plate is loaded;
b) loading the upper plate to be joined to the lower plate so that a predetermined gap is formed between the lower plate and the upper plate by the overfill bead of the lower plate;
c) a laser beam is irradiated to the welded joint of the upper plate overlapped on the lower plate corresponding to the overfilled bead so that the melted portion inside the upper plate melts together with the overfill bead of the lower plate by thermal conduction, Through the gap; And
d) joining the upper and lower plates together while cooling each molten part to form a weld;
≪ / RTI > 제8항에 있어서,
상기 a) 단계는,
상기 하판의 소재와 두께를 고려한 열에너지를 전달을 위해 상기 레이저 헤드의 이동속도를 조절하거나 상기 레이저빔이 조사되는 초점구간의 에너지 밀도를 조절하는 단계를 포함하는 알루미늄 레이저 용접 방법.9. The method of claim 8,
The step a)
Adjusting the moving speed of the laser head to transmit thermal energy in consideration of the material and thickness of the lower plate, or adjusting the energy density of the focal region irradiated with the laser beam. 제8항에 있어서,
상기 상판의 용접 이음부에 레이저빔을 조사하는 상기 레이저 헤드의 용접경로는 상기 하판에 오버필 비드부를 형성하는 레이저 헤드의 이동경로와 동일한 것을 특징으로 하는 알루미늄 레이저 용접 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein a weld path of the laser head for irradiating a laser beam to a welded joint of the upper plate is the same as a travel path of the laser head for forming an overfilled bead on the lower plate.
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