KR20160003270A - 레이저 빔을 사용하여 고체 금속 쉬트에 샌드위치 금속 쉬트를 납땜하는 방법 - Google Patents

레이저 빔을 사용하여 고체 금속 쉬트에 샌드위치 금속 쉬트를 납땜하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두 개의 커버 쉬트(5)와 상기 층들 간에 배치되는 플라스틱 층(7)을 포함하는 샌드위치 금속 쉬트(1)를 고체 금속 쉬트(3)에 납땜하는 방법으로서, 에너지에 의해 빔 에너지가 납땜 지점(11)에 인가되고 또한 땜납 재료(9)를 사용하여, 샌드위치 금속 쉬트 상의 한 위치가 고체 금속 쉬트 측 상의 납땜 지점(11)의 한 위치(15)에 일체로 접합되고, 또한 에너지 입력이 고체 금속 쉬트 측 상의 납땜 지점의 위치(15)에 보다 샌드위치 금속 쉬트 측 상의 납땜 지점(11)의 위치(13)에 적은 에너지가 인가되는 방식으로 공간적으로 변화되는 방법에 관한 것이다.

Description

레이저 빔을 사용하여 고체 금속 쉬트에 샌드위치 금속 쉬트를 납땜하는 방법{Method for soldering a sandwich metal sheet to a solid metal sheet using a laser beam}
본 발명은 두 개의 공작물을 접합하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 소위 샌드위치 금속 쉬트 즉, 경량 쉬트를 고체 금속 쉬트에 일체로 접합하기 위한 방법에 관한 것이다.
자동차 산업과 같은 산업의 많은 영역에서, 큰 판들이 설치되는데, 이는 그에 상응하여 중량이 높아지는 것과 관계가 있다. 전체가 금속("완전 판"또는 "고체 금속 쉬트"로서 알려짐)으로 제조된 쉬트를 대신하여 예를 들어, 소위 샌드위치 금속 쉬트 형태의 경량 쉬트가 사용될 수 있다.
이러한 샌드위치 금속 쉬트는 기본적으로 제1 쉬트 금속 층, 제2 쉬트 금속 층, 및 제1 쉬트 금속 층과 제2 쉬트 금속 층들 간에 배열되는 중심 층 또는 중간 층을 포함하는 샌드위치 배열이다. 중간 층은 플라스틱 층 또는 플라스틱 층으로 구성되며, 여기서 플라스틱 층은 예를 들어, PU 층(PU는 폴리우레탄임)일 수 있다. 따라서, 그러한 샌드위치 금속 쉬트들(또는 샌드위치 쉬트들로 호칭됨)은 두 개의 커버 쉬트들과 그들 사이에 배치되는 중심 층 또는 플라스틱 층으로 구성된다. 샌드위치 금속 쉬트는 전체가 금속으로 구성되지 않고, 플라스틱 중간 층을 가지고 있기 때문에 동일한 치수의 상응하는 고체 금속 쉬트보다 낮은 중량으로 형성될 수도 있다.
샌드위치 금속 쉬트의 제1 및 제2 쉬트 금속 층은 통상적으로 0.25mm 내지 0.3mm의 두께를 갖는 아연 도금 쉬트로 제조될 수 있다. 일반적으로 최대 온도인 거의 230°C가 단시간 동안 샌드위치 금속 쉬트에 작용하도록 허용되므로, 이 최대 온도를 초과하는 온도는 샌드위치 금속 쉬트, 특히, 금속 층과 플라스틱 층 간의 접합을 손상시킬 수도 있다.
DE 38 20 848 A1, DE 38 44 856 C2, 및 DE 10 2005 042 10 361 A1에 도시된 바와 같이, 공작물들은 레이저 빔을 사용하여 열적으로 접합될 수도 있다.
샌드위치 금속 쉬트를 고체 금속 쉬트에 열 접합(예, 납땜 또는 용접에 의함)시, 열 접합하는 동안 고온에 노출되는 결과로 샌드위치 금속 쉬트가 손상(예, 외부 금속 쉬트 층 또는 쉬트 금속 층과 플라스틱 층 간의 접합부 또는 중간 층 자체의 손상)될 위험이 있다. 예를 들어, 납땜 접합시의 온도는 고체 금속 쉬트에 대해 완전 무해할 수도 있지만, 샌드위치 금속 쉬트에는 이미 손상을 가할 수도 있다. 따라서, 납땜하는 동안 샌드위치 금속 쉬트를 땜납을 녹이기 위한 온도까지 가열하면 샌드위치 금속 쉬트가 이미 손상(예, 샌드위치 금속 쉬트의 중간 층을 손상)될 수도 있다. 그 이유는 특히, 접합부로부터의 열 방출이 샌드위치 금속 쉬트의 외부 쉬트 금속 층의 두께로 인하여 불량하기 때문이다.
DE 10 2,008 060 506 A1 및 DE 10 2011 009 066 A1은 고체 금속 쉬트를 갖는 경량 쉬트 금속의 열 접합을 기술하고 있는데, 그 문헌에 의하면, 열은 고체 금속 쉬트의 방향으로 방출되는 것이 특히 중요하다고 기술한다. 이를 달성하기 위해, 고체 금속 쉬트의 두께를 최소한 두 배로 하거나 또는 추가 쉬트를 납땜 지점에 삽입한다. 이러한 방법의 단점은 납땜 접합부에 재료를 부가해야만 하는 반면 그 부가적인 재료가 높은 열 입력에 의한 경량의 쉬트 금속의 손상을 신뢰성 있게 방지하지 못할 수도 있다는 것이다.
열 접합의 대안으로서, 샌드위치 금속 쉬트의 고체 쉬트와의 통합 접합이 접착제에 의해 수행될 수도 있다. 그러나, 이는 일반적으로 공정 공학적 어려움(긴 경화 시간, 정밀한 접착제 인가, 중량의 부가, 처리하는 동안 구성 부품들의 전이)과 관계가 있다. 다른 예로서, DE 10 2004 016 854 A1 은 얇은 쉬트들과 샌드위치 패널들을 금속 클립을 사용하여 고정함으로써 결합하는 것을 제안하고 있다.
본 발명은 아주 짧은 사이클 시간을 갖는 완전 자동화된 라인 상에서 샌드위치 금속 쉬트를 고체 금속 쉬트에 신뢰성 있게 비파괴적으로 연결하는 것을 가능하게 하는 접합 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 우선 두 개의 접합 파트너들이 제공되는데, 제1 접합 파트너(또는 제1 가공물)는 샌드위치 금속 쉬트이고 또한 제2 접합 파트너(또는 제2 가공물)는 고체 금속 쉬트이다, 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트는 납땜 빔, 즉, 납땜 지점을 고온 가열하는데 필요한 에너지의 인가가 고 에너지 빔 또는 에너지 빔(이후 “가열 빔”으로도 칭함)에 의해 수행되며, 고 에너지 방사는 전자기 방사 (예, 레이저 빔, 적외선) 또는 입자 빔(예, 전자) 또는 지향성 음향(예, 초음파)의 한 형태일 수 있다. 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트는 납땜 지점, 즉, 땜납 재료에 의한 고체 금속 쉬트의 위치에 밀접하게 결합하는 샌드위치 금속 쉬트의 위치에서 서로 납땜된다. 따라서 납땜 지점은 샌드위치 금속 쉬트 측 위치 및 고체 금속 쉬트 측 위치를 갖는다. 그러므로 납땜 지점의 용어 “샌드위치 금속 축 위치”는 납땜 지점의 영역을 나타내며, 여기서 땜납이 샌드위치 금속 쉬트와 접촉하며(땜납 재료의 인가 후); 납땜 지점의 유사 용어 “고체 금속 쉬트 측 위치”는 납땜 지점의 영역을 나타내며, 여기서 땜납은 고체 금속 쉬트에 접촉한다(땜납 재료의 인가 후). 납땜 지점을 가열하기 위한 에너지 입력은 고 에너지 빔에 의해 달성되는데, 여기서 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치뿐만 아니라 고체 금속 쉬트 측 위치는 둘다 에너지 빔에 의해 가열된다.
본 발명에 따르면, 가열 빔에 의해 제공되는 에너지 입력은 공간적으로 변화하되, 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치에서의 에너지 입력이 납땜 지점의 고체 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트 측 위치에서의 에너지 입력보다 각각 적도록 변화함으로써, 예를 들어, 샌드위치 금속 쉬트 측 위치에 대하여 목표하는 최소 필요 에너지가 입력된다. 고체 금속 쉬트 측 위치에 대하여 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치에서 더 작은 에너지 입력을 제공함으로써, 샌드위치 금속 쉬트의 손상이 방지된다.
에너지 빔에 의해 제공되는 에너지 입력(즉, 열 입력)은 온도의 상승을 초래하게 되므로 결국 조사 영역, 즉, 납땜 지점이 가열된다.
가열 빔에 의해 제공되는 에너지 입력은 공간적으로 변화하되, 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치에서의 에너지 입력이 납땜 지점의 고체 금속 쉬트 측 위치에서의 에너지 입력보다 적도록 변화된다. 본 발명에 따르면, 에너지 입력을 공간적으로 변화하도록 제공하되, 샌드위치 금속 쉬트의 측에서의 에너지 입력으로부터 결과되는 온도가 고체 금속 쉬트의 측에서의 에너지 입력으로부터 결과되는 온도보다 적도록 제공된다. 예를 들어, 에너지 입력을 공간적으로 변화하도록 제공하되, 샌드위치 금속 쉬트의 측에서 결과되는 온도가 소정의 최대 온도(예, 샌드위치 금속 쉬트의 중간 층의 재료의 용융 온도) 이하로 유지되고, 또한 예를 들어, 샌드위치 금속 쉬트의 플라스틱 층의 용융 온도보다 적도록 제공될 수도 있다.
특히, 에너지 입력을 공간적으로 변화하도록 제공하되, 샌드위치 금속 쉬트 측 위치에서 결과되는 온도가 땜납의 용융 온도 이하이고(또는 땜납의 최대 용융 온도와 동일함) 또한 적어도 고체 금속 쉬트 측 위치에서 결과되는 온도가 땜납의 용융 온도와 동일 또는 초과하도록 가열 빔에 의해 제공된다. 그에 따라, 예를 들어, 땜납을 용융하기 위해 필요한 열 입력이 고체 금속 쉬트 측으로부터 도입될 수도 있고, 또는 이미 용융된 땜납 재료가 그러한 미리 조정된 납땜 지점에 인가될 수도 있다.
가열 빔에 의해 제공되는 에너지 입력의 공간 변화는 가열 빔으로서 예를 들어, 그의 빔 횡단면(강도가 시간에서 일정하게 유지되는 동안)을 따라 공간적으로 변화하는 강도 분포의 에너지 빔(예, 레이저 빔), 즉, 고체 금속 쉬트를 향해 지향되는 일부분에서 보다 더 낮은 강도 또는 파워(빔 부분의 파워는 그의 횡단면 각 부분의 빔에 걸쳐 통합되는 강도에 상응하며)를 나타내는 샌드위치 금속 쉬트를 향해 지향되는 빔 부분 내의 에너지 빔을 사용함으로써 실현될 수도 있다. 그에 따라서, 에너지 입력의 공간적 변화는 노출 시간 동안 납땜 지점 상에 입사하는 광 강도의 공간적 변화에 의해 달성된다.
특히, 빔은 제1 강도를 갖는 제1 부분 또는 일부 빔 및 제2 강도/파워를 갖는 제2 부분 또는 일부 빔을 포함할 수도 있으며, 여기서 제1 강도/파워는 제2 강도/파워보다 적으며 또한 빔이 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치 상에 그의 제1 부분 또는 일부 빔과 함께 또한 납땜 지점 상에 그의 제2 부분 또는 일부 빔과 함께 충돌하도록 정형되어 안내된다. 여기서 에너지 빔은 그것 또는 그의 횡단면이 비 회전방식으로 대칭인 공간 강도 분포를 가짐으로써 샌드위치 금속 쉬트 상에 충돌하는 그의 부분이 고체 금속 쉬트 상에 충돌하는 그의 부분보다 더 낮은 강도/파워를 갖는다.
특히, 두 개의 일부 빔을 사용하되, 제1 일부 빔은 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치 상에 충돌하여, 제1 최대 강도를 나타내고, 또한 제2 일부 빔은 납땜 지점의 고체 금속 쉬트 측 위치 상에 충돌하여 제2 최대 강도(여기서, 두 개의 최대 값은 격리되어 전체 빔의 국부 최대 강도를 형성함)를 나타내며, 제1 일부 빔의 파워 및 최대 강도는 제2 일부 빔의 파워 및 최대 강도보다 각각 작은 그러한 빔을 사용하여 에너지 빔을 형성하도록 제공된다. 그러한 강도 분포를 갖는 레이저 빔은 예를 들어, 이중 초점 광학(빔 정형 및 빔 분할 고체 소자들을 갖는 이중 초점) 수단에 의해 생성될 수도 있다. 예를 들어, 빔은 두 개의 상호 격리되어 평행한 일부 빔들을 포함할 수도 있으며, 이 빔들은 각각 회전 방식으로 대칭인(예, 가우시안(Gaussian)) 강도 프로파일을 가지며, 여기서 제1 일부 빔(샌드위치 금속 쉬트를 향해 지향하는 빔)은 제2 일부 빔(고체 금속 쉬트를 향해 지향하는 빔)보다 더 작은 강도 및 파워를 나타낸다.
또 다른 예로서, 납땜 지점에서의 에너지 빔 또는 그의 빔 횡단면이 샌드위치 금속 쉬트로부터 고체 금속 쉬트를 향하는 방향으로 강도를 감소시키는 모노톤(monotone)(예, 엄격하게 모노톤)을 나타내고, 그 결과 제1 빔 구역(납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 상에 입사)에 나타나는 강도가 제2 빔 구역(납땜 지점의 고체 금속 쉬트 측 위치 상에 입사)에 나타나는 강도보다 항상 더 낮아질 수 있도록 정형되어 안내되도록 제공될 수 있다.
가열 빔으로서 레이저 빔을 사용할 때, 빔 횡단면을 가로지르는 강도의 공간적 변화는 예를 들어, 레이저 빔의 공간 강도 프로파일을 정형하도록 설계되는 수동 및 비 가동 광학 부품들(예, 회절 광학 소자들) 각각에 의해 달성될 수도 있다.
대안적으로, 가열 빔에 의해 발생하는 에너지 입력의 공간적 변화는 샌드위치 금속 쉬트 상의 빔의 (누적) 체류 시간이 고체 금속 쉬트 상의 빔의 (누적) 체류 시간보다 적어지도록 소정(예, 시간에서 일정한) 강도 및 강도 분포의 (단일) 빔의 안내된 이동에 의해 달성될 수도 있다. 예를 들어, 에너지 빔 및 납땜 지점 상의 에너지 빔의 입사 위치가 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 및 고체 금속 쉬트 측 간에서 스윙하고, 그 결과 샌드위치 금속 쉬트 상의 빔의 누적 체류 시간(그 결과 누적 에너지 입력)이 고체 금속 쉬트 상의 빔의 누적 체류 시간(그 결과 누적 에너지 입력)보다 적어지도록 제공될 수 있다.
가열 빔으로서 레이저 빔을 사용할 때, 납땜 지점에서의 에너지 입력의 공간적 변화는 (집속된) 레이저 빔을 예를 들어, 능동 및 가동 광학 부품들을 각각 사용하여 발진함으로써 달성될 수도 있다. 레이저 빔은 전용 빔 편향기(예, 갈바노메터 또는 압전 구동 주사 거울)에 의해 편향 또는 이동될 수도 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 에너지 입력의 공간적 변화는 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치 및 고체 금속 쉬트 측 위치 간에서 전후로 발진하는 방식으로 납땜 지점 상에 에너지 빔 및 에너지 빔의 입사 위치를 이동시키되, 에너지 빔 입사 위치의 발진에 동기 하는 에너지 빔의 파워 변조가 중첩되게 함으로써 달성(지원)될 수도 있다. 그렇게 할 때, 에너지 빔의 파워 및 강도 각각은 시간 경과에 따라 변화하되, 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치에서 에너지 빔 입사 위치를 지정할 때의 에너지 빔이 납땜 지점의 고체 금속 쉬트 측 위치에서 에너지 빔 입사 위치를 지정할 때보다 각각 더 낮은 파워 및 강도를 나타내도록 변화한다. 특히, 상술한 체류 시간 변조를 지원하기 위해 파워의 그러한 변조를 부가적으로 적용하되, 납땜 지점의 고체 금속 쉬트 측 위치에서보다 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치에서 더 짧은 체류 시간뿐만 아니라 더 낮은 빔 파워/빔 강도를 인가하도록 제공될 수도 있다.
본 경우에, 강도는 시간 당 및 면적 당 빔 에너지를 말한다. 그러므로 에너지 입력은 시간이 지남에 따라 일정한 소정 빔 횡단면 및 강도의 소정 빔에 대한 체류 시간에 비례하여 증가한다. 여기서, 빔 부분의 파워는 빔 부분의 횡단 면적에 걸쳐 통합된 강도에 상응한다.
이 방법에 의하면, 개별적이고 이격된 땜납 접합부들을 각각 생성하는 것이 가능하다. 그러나 또한 납땜된 이음매의 평탄 경로를 따라 땜납 위치의 연속 공급률에 의해 연속적인 땜납 접합부를 생성하도록 제공될 수도 있다.
가열 빔에 의한 납땜 지점에서의 에너지 입력은 납땜 재료의 인가 전 및/또는 동안 수행될 수도 있다. 납땜 재료는 용융된 상태로 쉬트들의 영역들에 인가될 수 있으며, 이때 영역들은 가열 빔에 의해 예열되었다. 그러나 또한 고체 상태로 납땜 재료를 쉬트들의 영역들에 인가하도록 제공될 수도 있는데, 이 때 영역들은 가열 빔에 의해 예열되었으며, 그 후 납땜 재료는 가열 빔에 의해 발생하는 에너지 입력에 의해 용융된다. 여기서 땜납 재료는 저항성 가열(기술적으로 핫 와이어(hot wire) 인가라 함)을 사용하여 예열될 수도 있다. 이는 땜납 재료의 고체로부터 용융된 상태로의 전이가 단지 소량의 에너지 입력만을 요하는 방식으로 구성될 수도 있다.
일 실시예에서, 땜납 접합부는 상술한 바와 같은 공간적 변화 에너지 입력에 의해 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트를 일차 예열한 다음, 그 예열된 납땜 지점에 (예, 용융된) 땜납 재료를 인가함으로써 생성된다. 그에 따라, 납땜 지점은 에너지 빔을 사용하는 에너지 입력에 의해 땜납 재료를 인가하기 전에 예열되고, 그 다음 땜납 재료(바람직하게는 용융된 땜납 재료)가 예열된 납땜 지점에 인가된다.
용융된 상태의 땜납 재료를 납땜 지점에 인가하되, 땜납 재료가 납땜 지점의 위치에서 샌드위치 금속 쉬트 또는 고체 금속 쉬트에 용융된 상태로 인가되도록 제공될 수 있다. 특히, 점적 형상의 땜납 재료를 인가하되, 예를 들어, 땜납 재료를 용융된 상태에서 단일 점적으로 구성되는 유체로 납땜 지점에 인가되도록 제공될 수 있다.
예를 들어, 전술한 바와 같이 공간적 변화 에너지 입력에 의해 납땜된 이음매의 평탄 경로를 따라 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트를 일차 예열한 다음 그러한 방식으로 예열된 납땜된 이음매의 경로를 따라 땜납 와이어를 추적함으로써 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트 간에 납땜 이음매를 생성하되, 땜납 와이어로부터 땜납 재료를 녹여 내기 위해 제공되는 레이저 또는 레이저 빔 또는 기타 에너지 빔(이후 “용융 침착 빔”으로 칭함)에 의해, 땜납 재료는 땜납 와이어로부터 녹여내고 또한 녹여낸 땜납 재료를 납땜된 이음매의 예열된(가열 빔에 의해) 경로에 인가하도록 제공될 수도 있다. 땜납 재료의 용융은 예를 들어, 맥동 레이저를 사용하되, 땜납 재료가 맥동 레이저에 의해 작은 조각들로 용융되도록 수행될 수도 있다. 여기서 용융하는데 필요한 에너지 입력은 땜납 재료의 저항성 가열을 사용함으로써 최소화될 수도 있다.
공간적 변화에 의하여, 용융 침착 빔은 땜납 재료를 용융하기 위해서뿐만 아니라 생성된 땜납 이음매가 고화 앞의 위치에서 용융된 상태에 있을 때, 그 것을 후 처리(즉, 에너지 빔에 의해 제공되는 에너지 입력에 의한 가열) 하기 위해 사용될 수도 있다. 따라서, 우수한 이음매 품질을 얻을 수 있다. 또한 용접 웅덩이의 영역을 적합한 보호 가스로 덮어주는 것이 유익하다.
일 실시예에 따르면, 납땜하고자 하는 위치에 구조화 또는 미소 구조화(즉, 1000μm 미만의 범위 내의 치수로 된 구조적 요소들의 구조)로 납땜하기 전의 샌드위치 금속 쉬트 및/또는 고체 금속 쉬트를 제공하도록 제공될 수 있다. 그러한 미소 구조화는 예를 들어, 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트 각각 위에 맥동 레이저 빔 또는 에너지 빔(다음에 “구조화 빔”으로서 나타냄)을 소거하되, 각각의 맥동 빔에 의해 쉬트 표면의 국부 용융이 개시되어 용접 웅덩이가 결과로 된다. 따라서 미소 구조화가 용접 웅덩이들에 의해 형성된 구멍들로부터 성장된다. 그에 따라 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트는 땜납 재료의 인가 전에 납땜 지점의 위치에서 그들 각 표면들의 미소 구조화들을 구비하며, 여기서 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트의 표면 거침성은 납땜 지점의 영역에서 증가된다(그에 의해, 접합 또는 접촉 영역은 땜납 재료와 각 쉬트 간에서 증가된다).
미소 구조를 납땜 지점의 위치에서 샌드위치 금속 쉬트 및 고체 금속 쉬트에 제공함으로써, 쉬트들에서 용융된 땜납 재료의 표면 장력 또는 인터페이스 장력이 감소될 수 있다. 그러므로 땜납 접합부가 각 쉬트 및 땜납 재료 간에 낮은 접촉 각도로 제조될 수 있으며 또한 땜납 접합부가 대응하여 평탄을 유지할 수 있다. 결과적으로 예를 들어, 땜납 접합부들의 재 가공이 생략될 수도 있고, 또는 이에 대한 노력이 최소화될 수도 있다.
가열 빔, 용융 침착 빔, 및 구조화 빔은 각각 상이한 고 에너지 빔일 수도 있다. 예를 들어, 이들 빔은 개별 빔 생성 장치들(예, 레이저)에 의해 생성될 수도 있다. 그러나 또한 적어도 두 개 또는 이들 모든 빔들은 하나의 빔 및 동일한 빔에 의해서도 공급될 수 있는데, 여기서 이 빔은 시간에 따라 순차적으로 가열 빔, 용융 침착 빔 및/또는 구조화 빔의 기능을 하며, 그 결과 예를 들어, 제1 시간 기간 또는 방법 보조 단계에서 가열 빔으로서, 제2 시간 기간 또는 방법 보조 단계에서 용융 침착 빔으로서, 및/또는 제3 시간 기간 또는 방법 보조 단계에서 구조화 빔으로서 작용한다.
본 발명의 실시예들을 예를 들어, 일부 도식적으로 보인 도 1 내지 도 4를 참조하여 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 샌드위치 금속 쉬트와 고체 금속 쉬트 간의 납땜 접합부를 나타내는 도면;
도 2는 횡단면을 가로질러 변화하는 강도를 갖는 에너지 빔에 의해 납땜된 접합부의 생성을 나타내는 도면;
도 3은 도 2의 설명을 위한 강도 분포를 나타내는 도면;
도 4는 발진 에너지 빔을 사용하여 납땜된 접합부의 생성을 나타내는 도면.
도 1은 샌드위치 금속 쉬트(1)와 고체 금속 쉬트(3) 간의 납땜된 접합부의 기하학 형상의 횡단면을 나타낸다. 샌드위치 금속 쉬트(1)는 두 개의 커버 쉬트들(5)과 그 커버 쉬트들(5) 간에 샌드위치 배열로 배치된 중심 층을 포함한다. 이 실시예에서, 중심 층은 플라스틱 층(7)이다. 일 예로서, 각각의 커버 쉬트들(5)은 아연 도금 강 쉬트로 이루어지는 반면, 플라스틱 층(7)은 폴리머 재료로 구성된다. 고체 금속 쉬트(3)는 아연 도금 강 쉬트이다. 샌드위치 금속 쉬트(1)와 고체 금속 쉬트(3)는 테두리 접합의 형태로 배열된다.
땜납 재료(9)를 사용하여, 샌드위치 금속 쉬트(1)와 고체 금속 쉬트(3)를 서로 접합하여 납땜 지점(11)에서 일체로 접합된 결합부를 형성한다. 일 예로서, X 방향을 따라 연장되는 납땜 이음매는 도면에 도시된 xyz 좌표 계의 x-방향을 따라 납땜 지점 위치(11)의 연속적인 공급에 의해 생성된다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 땜납 재료(9)가 샌드위치 금속 쉬트(1)와 접촉하는 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 단면 영역(13)과 고체 금속 쉬트(3)와 접촉하는 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 단면 영역(15)에 접합된다. 따라서, 납땜 지점(11)은 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)와 고체 금속 쉬트 단면 영역(15)을 포함하며, 여기서 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)는 땜납 재료(9)에 의해 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 단면 영역(15)에 접합된다. 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)는 좌표 y1으로부터 좌표 y2까지(땜납 이음매의 길이 방향의 횡 방향) 연장하는 반면, 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)는 좌표 y2로부터 좌표 y3(이것은 나머지 도면에도 적용됨)까지 연장한다.
도 2는 실시예에 따른 방법을 수행함으로써 형성되는 땜납 이음매를 나타낸다. 여기서 납땜 지점(11)에서 레이저 빔(17) 형태의 에너지 빔에 의해 에너지 입력이 발생한다. 레이저 빔(17)은 그의 단면을 가로질러 공간적으로 변화하는 강도를 나타내며, 여기서 레이저 빔(17)은 y-방향에 대하여 그의 연부에서의 한계 빔으로 도 2에 도해된다. 횡 방향(y-방향)에 대해 납땜 지점(11)(즉, 납땜 지점 상에 입사할 때)에서 레이저 빔(17)의 강도 분포는 도 3에 나타낸다.
도 3에 따르면, 레이저 빔(17)의 강도 분포는 회전적으로 대칭이 아니다. 레이저 빔(17)은 두 개의 부분 빔들(17’, 17”)을 포함하며, 여기서 제1 부분 빔(17’)은 최대 강도(I1)를 나타내고, 제2 부분 빔(17”)은 최대 강도(I2)를 나타낸다. 여기서 두 최대 강도는 레이저 빔(17)의 국부 최대 강도로서, 횡 방향(즉, y-방향을 따라)으로 격리되어 납땜 이음매의 길이 방향에 수직하게 연장한다. 제1 부분 빔(17’)의 최대 강도(I1) 및 광 파워는 제2 부분 빔(17”)의 최대 강도(I2) 및 광 파워보다 작다. 두 개의 국부 최대 강도를 갖는 그러한 레이저 빔(17)은 예를 들어, 이중 초점 광학계에 의해 또는 두 개의 개별 레이저 빔들의 광 합성을 통해 단일 빔으로 생성될 수 있다.
레이저 빔(17)은 제1 최대 강도(I1)를 나타내는 더 낮은 파워의 제1 부분 빔(17’)이 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13) 상에 충돌하는 반면, 더 많은 파워뿐만 아니라 제2 최대 강도(I2)를 나타내는 제2 부분 빔(17”)은 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15) 상에 충돌한다. 그러므로 결과적으로, 더 낮은 에너지 입력이 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15) 속으로 보다 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)로 도입되는 방식으로 납땜 지점(11)으로 정형되어 지향된다.
도 2 및 도 3에 따르면, 레이저 빔(17)은 두 개의 국부 최대 강도를 나타내도록 그의 횡단면을 가로질러 변화하는 강도를 나타낸다. 대안적으로, 국부 최대 강도 없이 레이저 빔(17)을 정형하도록 제공될 수도 있다. 그 대신 레이저 빔(17)은 납땜 지점(11)의 위치에서 레이저 빔(17)이 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)로부터 고체 금속 쉬트 측 위치(15)를 향하여, 즉, 좌표 y1으로부터 좌표 y3까지의 방향에 대해 증가하는 강도의 모노톤(monotone)(예, 엄격한 모노톤)을 나타낸다.
도 2 및 도 3에 따르면, 레이저 빔(17)에 의한 납땜 지점(11)에서의 에너지 입력은 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서 에너지가 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에서 보다 더 적은 에너지가 도입되는 방식으로 공간적으로 변화된다. 이는 레이저 빔(17)의 횡단면을 가로질러 공간적으로 변화하는 강도에 의해 달성된다.
도 4는 다른 실시예에 따른 방법을 수행함으로써 납땜 접합을 형성하는 것을 도해한다. 여기서 레이저 빔(19)의 형태로 발진하면서 집속되는 에너지 빔이 사용된다. 레이저 빔(19)은 전과 후로 이동하므로 결국 구동되는 회전 거울(21) 형태의 편향 장치(21)를 사용하여 y-방향을 따라 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치와 고체 금속 쉬트 측 위치 간에서 발진한다. 발진이 그렇게 수행됨으로써, 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서 레이저 빔(19)의 입사 위치의 누적된 체류 시간이 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에서 보다 적다. 레이저 빔(19)의 초점은 샌드위치 금속 쉬트(1)(레이저 빔 경로(19)에 대한 실선)와 고체 금속 쉬트(3)(레이저 빔 경로(19)에 대한 점선) 간에서 거울(21)을 선회하는 수단에 의해 발진한다. 여기서 레이저 빔(19)은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명되는 실시예에서 보다 실질적으로 더 강하게(즉, 더 적은 초점 직경을 나타냄) 집속된다.
레이저 빔(19)의 광 파워는 발진하는 시간 동안 일정하게 유지될 수 있다. 대안적으로, 발진 운동에 동기 하여 레이저 빔(19)의 파워를 변화함으로써, 레이저 빔(19)의 입사 위치(각각의 초점)가 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)상에 위치될 때 레이저 빔(19)은 감소된 파워를 나타내고, 또한 대조적으로 레이저 빔(19)의 입사 위치(각각의 초점)가 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에 위치될 때 레이저 빔(19)은 더 높은 파워를 나타내도록 제공될 수도 있다.
레이저 빔(19)이 고체 금속 쉬트 측 위치(15)상에 입사할 때보다 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)(및 선택적으로 더 낮은 파워) 상에 입사할 때 더 작은 체류 시간을 갖기 때문에, 레이저 빔(19)에 의해 차지하는 에너지 입력은 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에서 보다 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서 더 적은 에너지 입력이 발생하는 방식으로 공간적으로 변화한다.
그러므로, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명되는 실시예들에 따르면, 레이저 빔(17 및 19)에 의한 에너지 입력은 제각기 고체 금속 쉬트 측 위치(15) 및 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에서 보다 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)및 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서 더 적은 에너지 입력이 발생하는 방식으로 변화된다.
여기서 또한 에너지 입력은 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서의 에너지 입력으로부터 결과되는 온도가 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에서의 에너지 입력으로부터 결과되는 온도보다 더 낮도록 조정된다. 그 외에도, 일 예로서, 에너지 입력은 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서 결과로 나오는 온도가 땜납 재료(9)의 용융 온도보다 더 낮고 또한 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에서 결과로 나오는 온도가 땜납 재료(9)의 용융 온도보다 더 높도록 조정된다. 여기서 또한 특별하게 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서 결과로 나오는 온도가 중심 층(7)의 재료의 용융 온도보다 낮도록 에너지 입력을 조정하도록 제공될 수도 있다.
납땜을 위한 이러한 방법들을 수행할 때, 제1 단계에서, 샌드위치 금속 쉬트(1) 및/또는 고체 금속 쉬트(3)는 레이저 빔(17 및 19)을 각각 사용하여 표면 구조화를 구비하는데, 여러 위치에서 납땜 지점(11)의 영역에 레이저 빔(17 및 19)를 사용하여 샌드위치 금속 쉬트(1) 및/또는 고체 금속 쉬트(3)를 국부적으로 용융하여 결국 용접 웅덩이들을 형성함으로써 구비된다. 결과적으로, 표면의 구조화는 이러한 용접 웅덩이들로부터 결과되는 복수의 구멍들에 의해 형성된다.
제2 단계에서, 상술한 표면의 구조를 나타내는 납땜 지점(11)은 상술한 바와 같이 에너지 입력에 의해 가열된다. 여기서 상술한 에너지 입력의 방법에 의해 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에서 보다 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서 더 낮은 에너지 입력이 발생한다.
제3 단계에서, 땜납 재료(9)가 예열된 납땜 지점(11) 상에서 용융 상태로 침착되어 땜납 접속부를 형성한다. 이는 땜납 재료로 된 고체 라인으로부터 땜납 재료(9)의 소정 량을 용융시킴으로써 행해지며, 그 것은 레이저 빔(17 또는 19)을 사용하는 저항성 가열에 의해 예열되고, 상술한 용융된 땜납 재료(9)를 예열된 납땜 지점(11)에 인가함으로써 형성된다. 도 1, 도 2, 및 도 4에서, 납땜 지점(11)은 인가된 땜납 재료(9)를 나타낸다.
제4 단계에서, 상술한 바와 같이 형성된 땜납 접속부는 각각의 레이저 빔(17 및 19)에 의해 후 처리된다. 상술한 후 처리는 땜납 재료가 여전히 용융 상태에 있는 고화 직전의 영역에서 땜납 접속부 위로 레이저 빔을 안내함으로써 수행된다.
1: 샌드위치 금속 쉬트
3: 고체 금속 쉬트
5: 커버 쉬트
7: 중간 층/플라스틱 층
9: 땜납 재료
11: 납땜 지점
13: 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치
15: 납땜 지점의 고체 금속 쉬트 측 위치
17: 에너지 빔/두 개의 국부 최대 강도를 나타내는 레이저 빔
17’: 제1 부분 빔
17”: 제2 부분 빔
19: 발진 에너지 빔/레이저 빔
21: 편향 장치/회전 거울
I: 레이저 빔의 강도
I1: 레이저 빔의 제1부분 빔의 최대 강도
I2: 레이저 빔의 제2부분 빔의 최대 강도

Claims (9)

  1. 두 개의 커버 쉬트(5)와 상기 쉬트들 간에 배치되는 플라스틱 층(7)을 포함하는 샌드위치 금속 쉬트(1)를 고체 금속 쉬트(3)에 납땜하되, 에너지 빔(17, 19)에 의해 납땜 지점(11)에 에너지 입력을 인가하고, 또한 땜납 재료(9)을 사용하여, 상기 땜납 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)가 상기 땜납 지점의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에 일체로 접합되도록 납땜하기 위한 방법에 있어서,
    상기 에너지 입력은 공간적으로 변화하되, 상기 납땜 지점의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에 보다 상기 납땜 지점의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에 적은 에너지가 인가되도록 변화하며, 상기 에너지 입력은 공간적으로 변화하되, 상기 납땜 지점(11)의 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)에서의 상기 에너지 입력으로부터 결과되는 온도가 상기 땜납 재료(9)의 용융 온도보다 적고 또한 상기 납땜 지점(11)의 고체 금속 쉬트 측 위치(15)에서의 상기 에너지 입력으로부터 결과되는 최소의 온도가 땜납 재료(9)의 용융 온도와 동일하도록 변화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 레이저 빔(19)에 의해 인가된 상기 에너지 입력은 상기 납땜 지점(11)의 상기 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)과 상기 납땜 지점(11)의 상기 고체 금속 쉬트 측 위치(15) 간에서 전후로 에너지 빔(19)을 발진 이동함으로써 공간적으로 변화하고, 그에 의해 상기 납땜 지점의 상기 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)상의 상기 에너지 빔의 누적 체류 시간이 상기 납땜 지점의 상기 고체 금속 쉬트 측 위치(15) 상의 것 보다 적은 방법.
  3. 제1 또는 제2 항에 있어서, 상기 에너지 빔(19)에 의해 인가된 에너지 입력은 상기 납땜 지점(11)의 상기 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)와 상기 납땜 지점(11)의 상기 고체 금속 쉬트 측 위치(15) 간에서 전후로 에너지 빔(19)을 발진 이동하고 또한 상기 발진 이동에 동기 하여 상기 에너지 빔(19)의 파워를 변조함으로써 공간적으로 변화하고, 여기서, 상기 파워는 상기 납땜 지점의 상기 고체 금속 쉬트 측 위치(15) 상에 위치될 때보다 상기 납땜 지점의 상기 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)상에 위치될 때 더 작은 파워를 갖도록 시간에서 변화하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 에너지 빔(17)에 의해 인가된 에너지 입력은 상기 에너지 빔(17)의 횡단면을 가로질러 공간적으로 변화하며, 여기서 상기 에너지 빔(17)은 상기 납땜 지점(11)의 상기 샌드위치 금속 쉬트 측 위치(13)를 향해 지향되는 제1 부분 빔(17’), 및 상기 납땜 지점(11)의 상기 고체 금속 쉬트 측 위치(15)를 향해 지향되는 제2 부분 빔(17”)을 포함하며, 상기 제1 부분 빔(17’)의 파워는 상기 제2 부분 빔(17”)의 파워보다 더 낮은 방법.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 에너지 빔(17)은 비회전적 대칭 공간 강도 분포를 나타내는 방법.
  6. 제4 또는 제5 항에 있어서, 상기 에너지 빔(17)의 상기 제1 부분 빔(17’)은 제1 최대 강도(I1)를 나타내며, 상기 제2 부분 빔(17”)은 제2 최대 강도(I2)를 나타내며, 여기서 상기 제1 및 제2 최대 강도는 격리되며 또한 상기 에너지 빔(17)의 국부 최대 강도를 형성하며, 또한 상기 제1 최대 강도는 상기 제2 최대 강도보다 더 작은 방법.
  7. 제1 내지 제6 항에 있어서, 상기 납땜 지점(11)은 상기 에너지 빔(17, 19)에 의해 제공되는 상기 에너지 입력에 의해 상기 땜납 재료(9)의 인가 전에 예열되고, 그 후 상기 땜납 재료(9)는 상기 예열된 납땜 지점(11)에 인가되는 방법.
  8. 제1 내지 제7 항에 있어서, 상기 납땜 재료(9)의 인가 전에 상기 샌드위치 금속 쉬트(1) 및/또는 상기 고체 금속 쉬트(3)가 상기 납땜 지점(11)에서 그들의 각 표면들을 국부적으로 용융시킴으로써 구성되는 표면을 수용하는 방법.
  9. 제1 내지 제8 항에 있어서, 상기 땜납 재료(9)는 상기 납땜 지점(11)에서 상기 샌드위치 금속 쉬트(1) 및/또는 상기 고체 금속 쉬트(3)에 용융된 상태, 특히, 점적의 형상으로 인가되는 방법.
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