KR20210106566A - 청색 레이저를 사용하여 구리 및 기타 금속을 용접하는 방법 및 시스템 - Google Patents
청색 레이저를 사용하여 구리 및 기타 금속을 용접하는 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
재료를 함께 용접하는 가시 광선 레이저 시스템 및 작동이 설명된다. 청색 레이저 시스템은 구리계 재료에 대해 본질적으로 완벽한 용접을 형성한다. 배터리 팩과 같은 에너지 저장 장치에 사용하기 위해 전도성 요소, 특히 얇은 전도성 요소를 함께 용접하는 청색 레이저 시스템 및 작동이 설명된다.
Description
본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서, 2018년 12월 30일자로 출원된 미국 가 출원 일련번호 62/786,511 호의 출원일 이득을 주장하며, 이 출원의 전체 개시는 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
본 발명은 재료의 레이저 가공, 특히 약 350 nm 내지 약 500 nm 이상의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하는 구리 재료의 레이저 접합에 관한 것이다.
구리의 레이저 용접은 높은 반사율, 높은 열 전도율 및 높은 열 용량으로 인해 매우 어려운 것으로 입증되었다. 초음파 용접에서부터 IR 레이저 용접에 이르기까지 구리를 용접하는 수많은 방법이 개발되었다. 그러나 이들 종래의 구리 용접 방법은 많은 단점과 한계가 있다. 예를 들어, 이들 한계가 보이는 하나의 시장은 성장하는 전자 자동차 시장을 위한 고성능 전자 분야이다. 성장하는 자동차 시장을 위한 고성능 배터리 및 전자기기를 생산하려면 이들 종래 기술에 의해 얻을 수 있는 것보다 더 빠른 속도로 더 양호한 용접 품질이 필요하다.
1030 nm에서 IR 레이저 소스를 사용할 때, 이러한 파장에서 구리의 높은 반사율은 재료에 전력을 결합하여 가열하고 이를 용접하는 것을 어렵게 만든다. 높은 반사율을 극복하기 위한 한 가지 방법은 고-출력 레벨(> 1 kW) IR 레이저를 사용하여 키홀(keyhole) 용접을 개시한 다음 전원을 재료에 결합하는 것이다. 무엇보다도, 이러한 용접 방법의 문제점은 키홀 내의 증기가 미세 폭발로 이어져 용융 구리가 용접될 부품 전체에 분사되거나 미세 폭발로 인해 구멍이 용접될 부품을 완전히 관통할 수 있다는 점이다. 결과적으로, 연구원들은 용접 중 이들 결함을 방지하기 위해서 레이저 출력을 빠르게 변조하는데 의존해야 했다. 레이저가 구리를 용접하려고 시도할 때 레이저는 처음에 구리를 융점까지 가열한 다음 빠르게 구리를 증발시키므로, 결함이 공정 자체의 직접적인 결과라는 것이 발견되었다. 구리가 기화하면 키홀이 형성되고 레이저 커플링이 초기 5%에서 100%로 급격히 상승하면, 이러한 전이가 너무 빠르게 일어나서 결합된 열의 양이 부품을 용접하는데 필요한 열의 양을 빠르게 초과하여, 설명된 미세 폭발을 초래한다.
현재의 적외선 레이저 방법 및 시스템을 이용한 구리의 레이저 용접은 높은 반사율, 높은 열 전도율, 낮은 기화점 및 높은 열 용량으로 인해 도전적이고 문제가 있다. IR 레이저와 녹색 레이저를 조합하는 것, 용접 퍼들(weld puddle)에서 스폿을 요동시키는 것, 진공에서 작동하는 것, 고주파에서 레이저를 변조하는 것에 이르는 IR 레이저로 구리를 용접하기 위한 수많은 방법이 시도되었다. 이들 접근 방식이 현재 일부 구리 용접 용례에서 사용되지만, 이들은 좁은 처리 창, 제어되지 않는 스패터(spatter) 및 용접에서 예측할 수 없는 가변성을 갖는 경향이 있으며 일반적으로 바람직하지 않거나 최적이 아닌 것으로 입증되었다. 더 어려운 구리 용접 공정 중 하나는 구리 호일 스택을 서로 그리고 더 두꺼운 버스 바에 용접하는 방법이다. 오늘날, 이는 IR 레이저를 사용하거나 제조업체가 필요로 하는 용접 품질을 생성하는 방식으로 이를 수행할 수 없다. 따라서 제조업체는 이들 호일을 함께 접합하기 위해서 초음파 용접 방법에 의존해 왔다. 이들 초음파 방법도 최적이 아니며 문제가 있다. 예를 들어, 초음파 용접 방법을 사용하면, 소노트로드(sonotrode)가 생산 중에 마모되어 불완전한 용접으로부터 잔해가 남아 있는 용접에 이르기까지 다양한 공정 변동을 초래할 수 있다. 이들 결함은 제조 수율, 배터리의 내부 저항, 결과적인 배터리의 에너지 밀도 및 많은 경우에 배터리의 신뢰성을 제한한다.
용어 "구리계 재료"는 달리 명시적으로 제공되지 않는 한, 가능한 가장 넓은 의미로 부여되어야 하며 구리, 구리 재료, 구리 금속, 구리로 전기 도금된 재료, 적어도 약 10 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 재료, 적어도 약 10 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 20 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 10 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 50 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 70 중량% 내지 100% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 및 적어도 약 90 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금을 포함할 수 있다.
용어 "레이저 가공", "재료의 레이저 가공" 및 이와 유사한 용어는 달리 명시적으로 제공되지 않는 한, 가능한 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 용접, 납땜, 제련, 접합, 어닐링, 연화, 점착성 부여, 표면 재처리, 피닝(peening), 열처리, 융합, 밀봉 및 스태킹(stacking)을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "UV", "자외선", "UV 스펙트럼", 및 "스펙트럼의 UV 부분" 및 유사한 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 약 10 nm 내지 약 400 nm, 및 10 nm 내지 400 nm의 파장의 빛을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "가시광", "가시 스펙트럼" 및 "가시 스펙트럼의 가시 부분" 및 유사한 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 약 380 nm 내지 약 750 nm, 및 400 nm 내지 700 nm의 파장의 빛을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "청색 레이저 빔", "청색 레이저" 및 "청색"이라는 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 일반적으로 레이저 빔, 또는 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 광을 제공하는, 예를 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스, 예를 들어 레이저와 다이오드 레이저를 제공하는 시스템을 지칭한다. 전형적인 청색 레이저는 약 405 내지 495 nm 범위의 파장을 가진다. 청색 레이저는 450nm, 약 450nm, 460nm, 약 470nm의 파장을 포함한다. 청색 레이저는 약 10 pm(피코미터) 내지 약 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm의 대역폭뿐만 아니라 더 크거나 더 작은 대역폭을 가질 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "녹색 레이저 빔", "녹색 레이저" 및 "녹색"은 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 일반적으로 레이저 빔, 또는 약 500 nm 내지 약 575 nm의 파장을 갖는 광을 제공하는, 예들 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스, 예를 들어 레이저와 다이오드 레이저를 제공하는 시스템을 지칭한다. 녹색 레이저는 515nm, 약 515nm, 532nm, 약 532nm, 550nm 및 약 550nm의 파장을 포함한다. 녹색 레이저는 약 10 pm 내지 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm의 대역 폭뿐만 아니라 더 크거나 더 작은 대역 폭을 가질 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "적어도", "보다 큼"과 같은 용어는 "보다 작지 않음"을 의미한다. 즉, 그러한 용어는 달리 명시되지 않는 한 더 낮은 값을 배제한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 상온은 25℃이며, 표준 온도 및 압력은 25℃ 및 1 기압이다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 모든 테스트, 테스트 결과, 물리적 특성 및 온도 종속, 압력 종속 또는 온도 종속 및 압력 종속 값은 표준 온도 및 압력에서 제공된다.
일반적으로, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "약" 및 기호 "~"는 ±10%의 편차 또는 범위, 명시된 값을 얻는 것과 관련된 실험적 또는 기기 오차, 바람직하게 이들 중 더 큰 것을 포함하는 의미이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 값의 범위, 약 "x"로부터 약 "y"까지의 범위, 그리고 그와 유사한 용어 및 수량화의 인용은 범위 내의 개별 값을 개별적으로 지칭하는 단순한 약칭 방법으로 사용된다. 따라서 해당 범위에 속하는 각각의 항목, 기능, 값, 양 또는 수량을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 범위 내의 각각의 모든 개별적인 지점은 본 명세서에 포함되며, 이들이 본 명세서에서 개별적으로 인용된 것처럼 본 명세서의 일부이다.
본 발명의 배경 섹션은 본 발명의 실시예와 연관될 수 있는 기술의 다양한 양태를 소개하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 섹션에서 전술한 논의는 본 발명을 더 잘 이해하기 위한 기반을 제공하며, 종래 기술을 인정하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
금속 용접, 특히 전자 부품 및 배터리용 구리 금속 용접에서 더 나은 용접 품질, 더 빠른 용접 속도뿐만 아니라, 더 큰 재현성, 신뢰성, 더 높은 허용 오차 및 더 큰 견고성에 대한 요구가 계속 증가하고 있다. 이들 요구에 포함되어 구리 자체 및 기타 금속에 대한 개선된 용접 방법이 필요하며; 구리 호일의 스택 및 이들 스택을 더 두꺼운 구리 또는 알루미늄 부품에 용접하는 것과 연관된 문제를 해결할 필요가 있다. 본 발명은 무엇보다도, 본 명세서에 교시되고 개시되는 개선점, 제조 물품, 장치 및 공정을 제공함으로써 이들 요구를 해결한다.
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 시스템 및 방법이 제공되며, 상기 방법은 용접 스탠드에 복수의 구리 호일 조각을 위치시키는 단계로서, 호일이 적어도 약 50%의 구리를 함유하는, 단계; 용접 스탠드에서 호일 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 구리 호일 조각에 클램핑력을 가하는 단계; 복수의 구리 호일 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성: ⅰ. 적어도 500 와트의 출력, ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱, ⅲ. 약 400 μm 이하의 스폿 크기, ⅳ. 적어도 약 400 kW/cm2의 평균 강도, ⅴ. 적어도 약 800 kW/cm2의 피크 강도를 가지는, 단계; 용접 속도에서 복수의 구리 호일 조각을 함께 청색 레이저 빔 겹침 용접하는 단계: 및 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며; 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 겸침 용접을 제공한다.
또한, 다음 특징 중 하나 이상을 가지는 이들 용접, 레이저 시스템 및 용접 방법이 제공되며, 상기 특징에서 빔은 CW 빔이며, 빔은 펄스형 빔이며, 빔은 약 450 nm의 파장을 가지며, 광학 요소는 렌즈, 섬유 면(face) 및 창(window)로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 세정 가스는 아르곤, 아르곤-CO2, 공기, 헬륨 및 질소로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 레이저 빔은 요동되지 않아서서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하며, 복수의 구리 호일 조각은 10 내지 50 개의 호일 조각을 가지며, 구리 호일 조각은 약 80 μm 내지 500 μm의 두께를 가지며, 복수의 구리 호일 조각 각각은 약 80 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가지며, 용접 속도는 적어도 10 m/min이다.
또한, 복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 시스템 및 방법이 제공되며, 상기 방법은 용접 스탠드에 복수의 금속 조각을 위치시키는 단계; 용접 스탠드에서 금속 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 금속 조각에 클램핑력을 가하는 단계; 복수의 금속 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성: ⅰ. 적어도 500 와트의 출력, ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱, ⅲ. 약 400 μm 이하의 스폿 크기, ⅳ. 적어도 약 400 kW/cm2의 평균 강도, ⅴ. 적어도 약 800 kW/cm2의 피크 강도를 가지는, 단계; 용접 속도에서 복수의 금속 조각을 함께 청색 레이저 빔 용접하는 단계: 및 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며; 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 용접을 제공한다.
또한 추가로, 다음 특징 중 하나 이상을 가지는 이들 용접, 레이저 시스템 및 용접 방법이 제공되며, 상기 특징에서 용접 스탠드는 금속 조각 아래에 에어 갭을 가지며, 금속은 알루미늄, 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄계 금속, 스테인레스 스틸계 금속, 구리계 금속, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 합금 및 구리 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 레이저 빔의 파장은 약 450nm이며, 레이저 빔은 요동되지 않아서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하며, 용접은 겹침 용접, 맞대기 용접, 비드 온 플레이트 용접(bead on plate weld) 및 전도 모드 용접으로 구성된 용접 그룹으로부터 선택된다.
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 시스템 및 방법이 제공되며, 상기 방법은 용접 스탠드에 복수의 구리 호일 조각을 위치시키는 단계로서, 구리 호일이 적어도 약 50%의 구리를 함유하고, 구리 호일이 약 80 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는, 단계; 용접 스탠드에서 호일 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 구리 호일 조각에 클램핑력을 가하는 단계; 복수의 구리 호일 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성: ⅰ. 적어도 600 와트의 출력, ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱, ⅲ. 약 200 μm 내지 약 400 μm의 스폿 크기, ⅳ. 적어도 약 2.1 MW/cm2의 평균 강도, ⅴ. 적어도 약 4.5 MW/cm2에 이르는 피크 강도를 가지는, 단계; 적어도 10 m/min의 용접 속도에서 복수의 금속 조각을 함께 청색 레이저 빔 용접하는 단계: 및 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며; 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 용접을 제공한다.
구리계 재료에 완벽한 용접을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 작업물을 배치하는 단계로서, 작업물은 구리계 재료의 제 1 조각을 구리 재료의 제 2 조각과 접촉하게 배치하는 것을 포함하는, 단계; 및 작업물에 청색 레이저 빔을 지향시켜 구리계 재료의 제 1 조각과 구리계 재료의 제 2 조각 사이에 용접이 형성되는 단계를 포함하며; 용접부는 HAZ 및 재응고 영역을 포함하며; 구리계 재료의 미세구조, HAZ 및 재응고 영역은 동일하다.
다음 시스템 중 하나 이상을 갖는 이들 용접, 시스템 및 방법이 추가로 제공되며, 여기서 동일한 미세구조는 용접부의 약점을 나타내는 식별 가능한 차이를 용접부에 나타내지 않으며; 동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함하며; 용접은 전도 모드 용접에 의해 형성되며; 용접은 키홀 모드 용접에 의해 형성되며; 제 1 및 제 2 조각의 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 500 ㎛이며; 제 1 조각은 구리 호일의 복수의 층을 포함하며; 제 1 조각은 구리 금속이며; 제 1 조각은 약 10 내지 약 95 중량%의 구리를 갖는 구리 합금이며; 레이저 빔은 출력 밀도가 800 kW/cm2 미만인 집속된 스폿으로서 작업물으로 지향되며; 레이저 빔은 500 kW/cm2 미만의 전력 밀도를 갖는 집속된 스폿으로서 작업물로 지향되며; 레이저 빔은 약 100 kW/cm2 내지 약 800 kW/cm2의 전력 밀도를 갖는 집속된 스폿으로서 작업물로 지향되며; 레이저 빔은 출력 밀도가 100 kW/cm2보다 큰 집속된 스폿으로서 작업물으로 지향되며; 레이저 빔은 500 W 미만의 출력을 가지며; 레이저 빔은 275 W 미만의 전력을 가지며; 레이저 빔은 150 W 미만의 전력을 가지며; 레이저 빔은 150 W 내지 약 750 W 범위의 전력을 가지며; 레이저 빔은 약 200 W 내지 약 500 W 범위의 전력을 가지며; 레이저 빔은 약 50 μm 내지 약 250 μm의 스폿 크기를 갖는 초점이 맞춰진 스폿으로서 작업물로 지향되며; 레이저 빔은 약 405 nm 내지 약 500 nm의 파장을 가지며; 형성되는 용접은 스플래터가 없으며; 레이저는 작업물을 기화시키지 않는다.
여전히 또한, 구리계 재료에 완벽한 용접을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 작업물을 배치하는 단계로서, 작업물은 구리계 재료의 제 1 조각을 구리 재료의 제 2 조각과 접촉하게 배치하는 것을 포함하는, 단계; 및 청색 레이저 빔을 작업물에 지향시켜 구리계 재료의 제 1 조각과 구리계 재료의 제 2 조각 사이에 용접이 형성되는 단계로서, 용접부는 HAZ 및 재응고 영역을 포함하며, HAZ에 대한 경도 범위는 구리계 재료에 대한 경도 범위 내에 있는, 단계를 포함한다.
여전히 또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 용접, 시스템 및 방법이 제공되며: 상기 특징에서 재응고 영역에 대한 경도 범위는 구리계 재료에 대한 경도 범위 내에 있으며; 구리계 재료의 미세구조, HAZ 및 재응고 구역은 동일하며; 동일한 미세 구조는 용접부의 약점을 나타내는 식별 가능한 차이를 용접부에서 나타내지 않으며; 동일한 미세 구조는 용접부의 약점을 나타내는 식별 가능한 차이를 용접부에서 나타내지 않으며; 동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함한다.
또한, 구리계 재료에 완벽한 용접을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 작업물을 배치하는 단계로서, 작업물은 구리계 재료의 제 1 조각을 구리 재료의 제 2 조각과 접촉하게 배치하는 것을 포함하는, 단계; 및 청색 레이저 빔을 작업물에 지향시켜서 구리계 재료의 제 1 조각과 구리계 재료의 제 2 조각 사이에 용접부가 형성되는 단계로서, 용접부는 HAZ 및 재응고 영역을 포함하며, 재응고 영역에 대한 경도 범위는 구리계 재료에 대한 경도 범위 내에 있는, 단계를 포함한다.
또한, 405 nm 내지 500 nm의 파장 범위를 갖는 청색 레이저로 구리를 용접하고, 이러한 용접에 의해 생성되는 용접부 및 제품이 제공된다.
더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 포함하는 이들 용접, 방법 및 시스템이 제공되며: 이들 특징은 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접 공정 동안 용접 퍼들의 기화 없이 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 기본 재료와 크기가 유사한 결정 성장 영역을 갖는 기본 금속과 유사한 미세 구조를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 열 영향 구역(HAZ)에서 기본 재료와 유사한 미세구조를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접 비드의 기본 재료와 유사한 미세 구조를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 열 영향 구역에서 기본 재료와 유사한 경도를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접 비드의 기본 재료와 유사한 경도를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접의 미세 구조가 기본 재료와 상이한 구리를 용접하는 단계; 및 HAZ의 미세 구조가 기본 재료와 유사한 구리를 용접하는 단계를 포함한다.
더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 포함하는 이들 용접, 방법 및 시스템이 제공되며: 이들 특징은 키홀 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접 중에 매우 낮은 스패터가 발생하고 용접 후에 구리 표면에서 스패터가 거의 또는 전혀 관찰되지 않는 키홀 모드에서 구리를 용접하는 단계; 출력 밀도가 500 kW/cm2 이상이고 키홀이 개방 상태로 유지될 수 있는 용접 속도를 갖는 구리를 용접하는 단계; 출력 밀도가 400 kW/cm2 이상이고 키홀이 개방 상태로 유지될 수 있는 용접 속도를 갖는 구리를 용접하는 단계; 출력 밀도가 100 kW/cm2 이상이고 키홀 용접 방식으로의 전환을 방지하는데 충분히 빠른 용접 속도를 갖는 구리를 용접하는 단계; 용접 중에 침투 깊이를 개선하기 위해 예열로 구리를 용접하는 단계; Ar-CO2 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; Ar-H2 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; Ar 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; 공기로 구리를 용접하는 단계; He 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; 및 N2 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; 및 보조 가스로 구리를 용접하는 단계를 포함한다.
더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 포함하는 이들 용접, 방법 및 시스템이 제공되며: 이들 특징에서 레이저 출력이 1 Hz로부터 1 kHz로 변조되며; 레이저 출력은 1 kHz로부터 50 kHz로 변조되며; 키홀을 개방 상태로 유지하기 위해 길다란 청색 레이저 스폿을 사용하며; 원형, 진동 또는 장방형 진동 운동으로 스폿을 빠르게 이동시키며; 용접 방향에 평행한 스폿을 진동시키기 위해 검류계에 장착된 미러를 사용하며; 용접 방향에 수직인 스폿을 진동시키기 위해 검류계에 장착된 미러를 사용하며; 원형, 진동 또는 장방형 진동 운동으로 스폿을 빠르게 이동시키기 위해 한 쌍의 검류계에 장착된 한 쌍의 미러를 사용한다.
또한, 구리계 재료에 키홀 용접을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 작업물을 배치하는 단계로서, 작업물은 구리계 재료의 제 1 조각을 구리 재료의 제 2 조각과 접촉하도록 배치하는 것을 포함하는, 단계; 및 작업물에 청색 레이저 빔을 지향시켜 구리계 재료의 제 1 조각과 구리계 재료의 제 2 조각 사이에 키홀 모드 용접이 형성되는 단계로서, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하는, 단계를 포함한다.
더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 포함하는 이들 용접, 방법 및 시스템이 제공되며: 이들 특징에서 레이저 출력은 키홀 용접에 대해 1000 kW 미만이며; 레이저 출력은 키홀 용접에 대해 500 kW 미만이며; 레이저 출력은 키홀 용접에 대해 300 kW 미만이며; 키홀로부터의 스패터를 억제하기 위해 레이저 빔을 연장하는 단계; 키홀로부터의 스패터를 억제하기 위해 레이저 출력을 변조하는 단계; 용접의 키홀 모드 동안 스패터를 억제하기 위해 빔을 빠르게 스캐닝하는 단계; 용접이 자동 또는 수동으로 개시된 후에 레이저 출력을 급격히 감소시키는 단계; 용접 공정 동안 포획된 가스 및 스패터를 감소시키기 위해 낮은 대기압을 사용하는 단계; 차폐 가스를 적용하는 단계; He, Ar, N2로 구성된 그룹으로부터 선택된 차폐 가스를 적용하는 단계; Ar-H2, N2, N2-H2로 구성된 그룹으로부터 선택된 차폐 가스 혼합물을 적용하는 단계; 및 산화물 층을 제거하고 용접부의 습윤을 촉진하기 위해 차폐 가스를 적용하고 차폐 가스에 수소를 첨가하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 구리의 스패터 없는 전도 모드 용접의 실시예의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 구리 상의 키홀 용접의 실시예의 사진이다.
도 3은 127 ㎛ 두께의 구리에 대한 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트로서, 구리가 8 m/min의 속도까지 완전히 침투된다.
도 4는 254 ㎛ 두께의 구리에 대한 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트로서, 구리가 0.5 내지 0.75 m/min의 속도까지 완전히 침투된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 대해서 여러 상이한 속도에서의 침투 깊이를 나타내는 차트이다.
도 7은 본 발명에 따른 70 ㎛ 두께의 구리 호일에 대한 전도 모드 용접의 실시예를 나타내는 주석이 달린 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 키홀 모드 용접 섹션의 실시예의 주석이 달린 사진이다.
도 9는 다양한 금속에 대한 흡수 곡선이며 IR 레이저와 가시 레이저 사이의 흡수 차이를 보여준다.
도 10은 본 발명에 따른 재료로 전도 모드 용접 전파의 실시예의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 재료로 키홀 용접 전파의 실시예의 개략도이다.
도 12는 본 발명에 따른 레이저 용접용 부품 홀더의 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 12a는 도 12의 부품 홀더의 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 겹침 용접을 만들기 위해 얇은 부품을 유지하기 위한 부품 홀더의 실시예의 사시도이다.
도 13a는 도 13의 부품 홀더의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 전도 모드 용접을 위한 플레이트 상의 비드의 실시예의 사진이다.
도 15는 본 발명에 따른 전도 용접 모드로 용접된 호일 스택의 실시예의 사진이다.
도 16은 본 발명에 따른 키홀 모드 용접용 비드 온 플레이트의 실시예의 사진이다.
도 17은 본 발명에 따른 키홀 모드로 용접된 40 개의 구리 호일 스택의 실시예의 사진이다.
도 18은 본 발명에 따른 다양한 전력 레벨 및 다양한 속도의 실시예에 대한 구리의 침투 깊이의 그래프이다.
도 19는 본 발명에 따른 본 레이저 용접 방법의 실시예를 수행하는데 사용하기 위한 150 와트 청색 레이저 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 20은 본 발명에 따라 300 와트 청색 레이저 시스템을 만들기 위해 2 개의 150 와트 청색 레이저 시스템을 사용하는 실시예의 개략적인 광선 추적 다이어그램이다.
도 21은 본 발명에 따른 800 와트 청색 레이저 시스템을 만들기 위해 4 개의 150 와트 청색 레이저 시스템을 사용하는 실시예의 개략적인 광선 추적 다이어그램이다.
도 22는 본 발명에 따른 포위 전력의 95%를 포함하는 원형 구멍을 위한 600 와트에서 100 mm 초점 길이 렌즈를 사용하여 초점으로부터의 변위(㎛) 대 빔 가성 반경(미크론(㎛))의 실시예의 그래프이다.
도 23은 본 발명에 따른 침투(μm) 대 속도(m/min)를 나타내는 구리 110 비드 온 플레이트(BOP: bead on plate) 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 24는 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 구리 110 맞대기 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 25는 본 발명에 따른 관통 깊이에 대한 플레이트 두께의 영향을 보여주는 전도 모드 용접의 실시예의 그래프이다.
도 26은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 알루미늄 1100 BOP 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 27은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 알루미늄 110 맞대기 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 28은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 스테인레스 스틸 304 BOP 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 29는 완전 관통 영역의 시작을 보여주는 키홀 용접된 구리(110) 플레이트의 실시예의 종단면의 실시예의 사진이다.
도 30은 본 발명에 따라 최소의 다공도 및 스패터로 1.1 m/min으로 용접된 1.016 mm 두께 구리의 실시예의 사진이다.
도 31은 본 발명에 따른 600 와트 및 200 ㎛ 스폿 크기로 용접된 구리 110에 대한 BOP 테스트의 실시예의 침투 깊이(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 그래프이다.
도 32는 본 발명에 따른 4개의 스테인레스 스틸 304 시트의 키홀 겹침 용접의 실시예의 사진이다.
도 33은 본 발명에 따른 구리 110 호일의 스택에 대한 겹침 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 34는 본 발명에 따라 500와트, 400 ㎛ 스폿 블루 레이저로 용접된 40, 10 mm 두께의 구리 110 호일 스택의 실시예의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 구리 상의 키홀 용접의 실시예의 사진이다.
도 3은 127 ㎛ 두께의 구리에 대한 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트로서, 구리가 8 m/min의 속도까지 완전히 침투된다.
도 4는 254 ㎛ 두께의 구리에 대한 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트로서, 구리가 0.5 내지 0.75 m/min의 속도까지 완전히 침투된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 대해서 여러 상이한 속도에서의 침투 깊이를 나타내는 차트이다.
도 7은 본 발명에 따른 70 ㎛ 두께의 구리 호일에 대한 전도 모드 용접의 실시예를 나타내는 주석이 달린 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 키홀 모드 용접 섹션의 실시예의 주석이 달린 사진이다.
도 9는 다양한 금속에 대한 흡수 곡선이며 IR 레이저와 가시 레이저 사이의 흡수 차이를 보여준다.
도 10은 본 발명에 따른 재료로 전도 모드 용접 전파의 실시예의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 재료로 키홀 용접 전파의 실시예의 개략도이다.
도 12는 본 발명에 따른 레이저 용접용 부품 홀더의 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 12a는 도 12의 부품 홀더의 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 겹침 용접을 만들기 위해 얇은 부품을 유지하기 위한 부품 홀더의 실시예의 사시도이다.
도 13a는 도 13의 부품 홀더의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 전도 모드 용접을 위한 플레이트 상의 비드의 실시예의 사진이다.
도 15는 본 발명에 따른 전도 용접 모드로 용접된 호일 스택의 실시예의 사진이다.
도 16은 본 발명에 따른 키홀 모드 용접용 비드 온 플레이트의 실시예의 사진이다.
도 17은 본 발명에 따른 키홀 모드로 용접된 40 개의 구리 호일 스택의 실시예의 사진이다.
도 18은 본 발명에 따른 다양한 전력 레벨 및 다양한 속도의 실시예에 대한 구리의 침투 깊이의 그래프이다.
도 19는 본 발명에 따른 본 레이저 용접 방법의 실시예를 수행하는데 사용하기 위한 150 와트 청색 레이저 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 20은 본 발명에 따라 300 와트 청색 레이저 시스템을 만들기 위해 2 개의 150 와트 청색 레이저 시스템을 사용하는 실시예의 개략적인 광선 추적 다이어그램이다.
도 21은 본 발명에 따른 800 와트 청색 레이저 시스템을 만들기 위해 4 개의 150 와트 청색 레이저 시스템을 사용하는 실시예의 개략적인 광선 추적 다이어그램이다.
도 22는 본 발명에 따른 포위 전력의 95%를 포함하는 원형 구멍을 위한 600 와트에서 100 mm 초점 길이 렌즈를 사용하여 초점으로부터의 변위(㎛) 대 빔 가성 반경(미크론(㎛))의 실시예의 그래프이다.
도 23은 본 발명에 따른 침투(μm) 대 속도(m/min)를 나타내는 구리 110 비드 온 플레이트(BOP: bead on plate) 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 24는 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 구리 110 맞대기 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 25는 본 발명에 따른 관통 깊이에 대한 플레이트 두께의 영향을 보여주는 전도 모드 용접의 실시예의 그래프이다.
도 26은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 알루미늄 1100 BOP 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 27은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 알루미늄 110 맞대기 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 28은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 스테인레스 스틸 304 BOP 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 29는 완전 관통 영역의 시작을 보여주는 키홀 용접된 구리(110) 플레이트의 실시예의 종단면의 실시예의 사진이다.
도 30은 본 발명에 따라 최소의 다공도 및 스패터로 1.1 m/min으로 용접된 1.016 mm 두께 구리의 실시예의 사진이다.
도 31은 본 발명에 따른 600 와트 및 200 ㎛ 스폿 크기로 용접된 구리 110에 대한 BOP 테스트의 실시예의 침투 깊이(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 그래프이다.
도 32는 본 발명에 따른 4개의 스테인레스 스틸 304 시트의 키홀 겹침 용접의 실시예의 사진이다.
도 33은 본 발명에 따른 구리 110 호일의 스택에 대한 겹침 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 34는 본 발명에 따라 500와트, 400 ㎛ 스폿 블루 레이저로 용접된 40, 10 mm 두께의 구리 110 호일 스택의 실시예의 사진이다.
일반적으로, 본 발명은 금속, 특히 알루미늄, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄계 금속, 스테인리스 스틸계 금속, 구리계 금속 및 이들의 합금을 용접하기 위한 레이저, 레이저 빔, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 본 발명은 또한, 레이저 빔, 빔 크기, 빔 파워의 적용 방법, 부품의 유지 방법 및 용접 공정을 돕기 위한 차폐 가스 도입 방법에 관한 것으로, 부품의 산화 방지 및 레이저 빔과 플룸 간섭을 방지하기 위해 플룸을 관리하는 것을 포함한다.
실시예에서, 본 발명은 전자 부품을 포함하고 배터리를 추가로 포함하는 많은 영역에서 구리계 재료에 대해 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다. 실시예에서, 본 발명은 배터리를 포함한 자동차 전자 부품을 포함하는 자동차 부품을 위한 구리계 재료에 대한 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다.
실시예에서, 본 발명은 전자 부품을 포함하고 배터리를 추가로 포함하는 많은 영역에서 스테인리스 스틸계 재료에 대해 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다. 실시예에서, 본 발명은 배터리를 포함한 자동차 전자 부품을 포함하는 자동차 부품을 위한 스테인리스 스틸계 재료에 대한 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다.
실시예에서, 본 발명은 전자 부품을 포함하고 배터리를 추가로 포함하는 많은 영역에서 알루미늄계 재료에 대해 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다. 실시예에서, 본 발명은 배터리를 포함한 자동차 전자 부품을 포함하는 자동차 부품을 위한 알루미늄계 재료에 대한 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다.
본 발명의 실시예에서, 고 출력 청색 레이저 소스(예를 들어, ~450 nm)는 종래 구리 용접 기술의 문제를 해결한다. 청색 레이저 소스는 청색 레이저 빔을 제공하며, 이러한 파장에서 구리의 흡수는 ~65%로 모든 전력 수준에서 재료에 레이저 전력을 효율적으로 결합할 수 있다. 이러한 시스템 및 방법은 전도 및 키홀 용접 모드를 포함한 많은 용접 기술에서 안정한 용접을 제공한다. 이러한 시스템 및 방법은 기화, 스패터, 미세 폭발, 및 이들의 조합 및 변형을 최소화, 감소 및 바람직하게는 제거한다.
실시예에서 ~200 ㎛의 스폿 크기를 갖는 150 와트 내지 275 와트 범위의 전력 레벨에서 구리의 청색 레이저 용접은 모든 전력 범위에 걸쳐 안정적이고 낮은 스패터 용접을 달성한다. 이러한 용접 시스템 및 방법의 실시예에서 용접은 기본 재료와 유사한 결과적인 용접 미세구조를 갖는 전도 모드에 있다.
바람직하게, 실시예에서 레이저 파장은 350 nm 내지 500 nm의 파장에 있을 수 있고, 스폿 크기(직경 또는 단면)는 100 미크론(μm) 내지 3 mm의 범위일 수 있으며, 더 큰 스폿 크기도 고려된다. 스폿은 원형, 타원형, 선형, 정사각형 또는 기타 패턴일 수 있다. 바람직하게, 레이저 빔은 연속적이다. 실시예들에서, 레이저 빔은 예를 들어 약 1 마이크로초 이상에서 펄스될 수 있다.
도 6을 참조하면, 다양한 용접 속도에서 침투 깊이 대 전력이 도시된다. 용접은 예 1에 설명된 유형의 시스템을 사용하여 수행되었다. 용접은 보조 가스가 없는 레이저 빔에 대해 275 W 전력에서 500 μm 구리에서 이루어졌다.
도 7의 사진은 HAZ와 용접을 통한 미세 구조를 보여주는 70 μm 두께의 구리 호일에 대한 전도 모드 용접을 보여준다. 용접은 예 1에 설명된 매개변수를 사용하여 이루어졌다. 각각의 샘플의 침투 깊이는 먼저 단면을 절단한 다음 샘플을 에칭하여 용접 및 HAZ 영역의 미세 구조를 나타내도록 결정되었다. 또한 샘플 중 하나는 단면적이었고 기본 금속에 걸친 비커스 경도는 133 내지 141 HV 범위였고, 용접 비드는 약 135 HV, HAZ 범위는 118 내지 132 HV였다. 결론은 기본 재료, HAZ 및 용접 비드, 예를 들어 재응고 영역의 경도가 원래 재료에 가깝다는 점이다. 또한, 전도 모드 용접 비드, HAZ 및 기본 재료에 대한 미세 구조는 미세 구조의 미세한 차이를 제외하면 매우 유사하다. 이들 특성을 가진 용접은 레이저 또는 다른 수단으로 용접할 때 구리에서 이전에 결코 관찰된 적이 없다. 이러한 용접 품질은 도 7에 도시되며, 도 7에서 샘플은 용접부에 대해 횡단면으로 절단되고 미세구조를 나타내기 위해 에칭된다.
따라서, 본 발명의 실시예는 다음 용접 및 결과적인 용접 자체을 얻기 위해 구리계 재료를 용접하는 방법을 포함한다. 이들 방법 및 용접은 둘 이상의 구리계 재료를 함께 용접하는 것을 포함하므로, 용접부 주변 영역에서 (승인되고 확립된 경도 테스트, 예를 들어 비커스 경도, ASTM 테스트 등으로 측정된)재료의 경도는 다음과 같다. 용접 비드 경도가 기본 재료의 경도 이내인 경우에, 용접 비드 경도는 기본 재료 경도의 1% 이내이고, 용접 비드 경도(예를 들어, 재응고 영역)는 기본 재료 경도의 5% 이내 기본 재료가고, 용접 비드 경도는 기본 경도의 10% 이내이다. 이들 방법 및 용접은 둘 이상의 구리계 재료를 함께 용접하는 것을 포함하여, 용접부 주변 영역에서 (승인되고 확립된 경도 테스트, 예를 들어 비커스 경도, ASTM 테스트 등으로 측정됨)재료의 경도는 다음과 같다. HAZ 경도가 기본 재료의 경도 이내인 경우에, HAZ 경도가 기본 재료 경도의 1% 이내이고, HAZ 경도가 기본 재료 경도의 5% 이내이고, HAZ 경도가 기본 재료 경도의 10% 이내이다.
이러한 방법 및 용접은 둘 이상의 구리계 재료를 함께 용접하는 것을 포함하므로, 용접부 주변 영역에서 기본 재료의 미세 구조, 비드(예를 들어, 재응고 영역) 및 HAZ가 동일하다. 즉, 용접 영역의 용접된 구조의 약점 또는 용접 영역의 약점을 암시하거나 나타내는 미세 구조에 식별 가능한 차이는 없다.
도 8을 참조하면, 키홀 용접 모드에서 작동할 때 500 ㎛ 두께의 구리 시트 샘플에 대해 관찰된 미세구조이다. 키홀 용접 공정 중에, 증기 풀룸이 명확하게 보였고 용융된 구리가 용접 길이를 따라 천천히 배출되었다. 용접 중 또는 용접 후 IR 레이저로 용접할 때 일반적으로 관찰되는 용접 공정에서 스패터의 징후가 없다. 이는 전기 부품에 고품질 용접을 생성하는데 적합한 안정적이고 양호하게 제어된 키홀 공정을 나타낸다. 도 8에 도시된 유형의 매우 고품질 및 균일성을 갖는 키홀 모드 용접 단면은 800 kW/cm2 이하의 낮은 전력 밀도에 대해 얻을 수 있다. 재응고 영역 [1] - [2]은 442 μm 내지 301 μm이고 HAZ[2]는 1314 μm이다.
본 발명의 실시예는 구리 재료에 대한 효율적인 열 전달 속도; 안정적인 용접 퍼들을 포함하는 이점을 달성하고; 특히 용접의 전도 모드 또는 키홀 모드에서 이들 이점을 갖는 가시 레이저 시스템을 사용하여 구리를 구리 또는 기타 재료에 용접하기 위한 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다. 구리는 도 9에 도시된 바와 같이 청색 파장 범위에서 흡수성이 높다. 현재 선호되는 청색 레이저 빔 및 레이저 빔 시스템 그리고 방법은 레이저 전력을 구리에 매우 효율적인 방식으로 결합한다. 현재의 레이저 빔 시스템 및 방법은 열이 레이저 스폿에서 전도될 수 있는 것보다 더 빠르게 기본 재료(용접될 재료, 예를 들어, 구리)를 가열한다. 이는 전도 모드 레이저 용접을 위한 매우 효율적이고 우수한 용접 특성을 제공한다. 즉, 레이저 빔의 재료는 융점까지 빠르게 가열되고 연속 레이저 빔에 의해 융점에서 유지되어 안정적인 용접 비드가 형성되게 된다. 현재의 전도 모드 용접에서 금속이 빠르게 용융되지만 용접의 관통 깊이는 재료 내부로의 열확산에 의해 좌우되며 재료 내부로 구형으로 진행된다. 이는 용접 방향을 화살표(1004)로 나타내는, 전도성 모드 용접(1000)의 실시예의 개략도를 도시하는 도 10에 도시된다. 예를 들어, 청색 파장의 레이저 빔(1001)은 용접 풀(1002)에 초점을 맞추고 이를 유지한다. 용접 풀(1002) 뒤에는 고체 용접 재료(1003)가 있다. 기본 재료, 예를 들어 구리 금속 또는 합금은 용접부 아래에 있다. 차폐 가스 스트림(1005)도 사용된다.
본 발명의 실시예는 청색 레이저 시스템을 이용한 구리의 키홀 용접에 관한 것이다. 이들 방법 및 시스템은 두꺼운 구리 재료뿐만 아니라 두꺼운 스택을 포함한 구리 호일 스택의 용접에 대한 새로운 가능성을 열어준다. 이러한 키홀 용접 모드는 레이저 에너지가 너무 빠르게 흡수되어 용접될 재료를 용융 및 기화시킬 때 발생한다. 기화된 금속은 용접될 금속에 고압을 생성하여 레이저 빔이 전파되고 흡수될 수 있는 구멍이나 모세관을 개방한다. 키홀 모드가 개시되면, 깊은 침투 용접이 달성될 수 있다. 레이저 빔의 흡수는 구리에서 청색 레이저에 대한 65%의 초기 흡수로부터 키홀에서 100% 흡수로 변경된다. 높은 흡수는 레이저 빔이 지속적인 흡수를 겪는 키홀의 벽 밖으로의 다중 반사에 기인할 수 있다. 청색 파장에서 구리의 높은 흡수율과 조합될 때, 키홀을 개시하고 유지하는데 필요한 전력은 IR 레이저를 사용할 때보다 상당히 낮다. 도 11을 참조하면, 이는 화살표(2007)로 용접 방향을 보여주는 키홀 모드 용접(2000)의 실시예의 개략도를 도시한다. 키홀(2006)에는 금속/증기 플라즈마가 있다. 청색 레이저 빔(2002)은 플라즈마 구름(2002), 용접 풀(2003), 및 고체 용접 금속(2004)을 생성한다. 차폐 가스 스트림(2005)도 사용된다.
도 11의 키홀 용접을 도 10의 전도 모드 용접과 비교하면, 키홀 용접에서 최종 용접 재응고 구역의 벽은 전도 모드 용접보다 부품 또는 기본 재료를 통해 더 수직이다.
바람직하게, 본 시스템 및 방법의 실시예에 대한 고출력 레이저 빔(예를 들어, 가시광선, 녹색 및 청색 레이저 빔)은 시스템의 광학계를 통해 약 50μm 이상의 스폿 크기로 포커싱되거나 포커싱될 능력을 가지며 적어도 10 W 이상의 전력을 가진다. 청색 레이저 빔을 포함하는 레이저 빔에 대한 출력은 10 W, 20 W, 50 W, 100 W, 10 내지 50 W, 100 내지 250 W, 200 내지 500 W 및 1,000 W일 수 있으며, 그보다 더 높고 더 낮은 출력 및 이들 범위 내의 모든 파장이 고려된다. 이들 출력 및 레이저 빔에 대한 스폿 크기(가장 긴 단면 거리, 원의 경우 직경)는 약 20 μm 내지 약 4 mm, 약 3 mm 미만, 약 2 mm 미만, 약 20μm 내지 약 1 mm, 약 30 μm 내지 약 50 μm, 약 50 μm 내지 약 250 μm, 약 50 μm 내지 약 500 μm, 약 100 μm 내지 약 4000 μm일 수 있으며, 그보다 크고 작은 스폿 및 이들 범위 내의 모든 크기가 고려된다. 레이저 빔 스폿의 출력 밀도는 약 50 kW/cm2 내지 5 MW/cm2, 약 100 kW/cm2 내지 4.5 MW/cm2, 약 100 kW/cm2 내지 1000 kW/cm2, 약 500 kW/cm2 내지 2 MW/cm2, 약 50 kW/cm2 초과, 약 100 kW/cm2 초과, 약 500 kW/cm2 초과, 약 1000 kW/cm2 초과, 약 2000 kW/cm2 초과일 수 있으며, 그보다 더 높고 더 낮은 전력 밀도 및 이들 범위 내의 모든 출력 밀도가 고려된다. 구리의 경우 약 0.1 mm/sec 내지 약 10 mm/sec의 용접 속도, 및 더 느리고 빠른 속도는 다양한 조건과 이들 범위 내의 모든 속도에 의존한다. 속도는 용접될 재료의 두께에 의존하므로, 두께 단위가 mm인 두께 당 속도(mm/sec)는 예를 들어, 10 μm 내지 1 mm 두께 구리에 대해 0.1/sec 내지 1000/sec일 수 있다.
본 방법 및 시스템의 실시예는 용접을 형성하기 위해 하나, 둘, 세 개 또는 그 이상의 레이저 빔을 사용할 수 있다. 레이저 빔은 용접을 개시하기 위해 동일한 일반 영역에 집중될 수 있다. 레이저 빔 스폿은 중첩될 수 있고 일치될 수 있다. 복수의 레이저 빔이 동시에 그리고 일치성과 동시성으로 사용될 수 있다. 단일 레이저 빔을 사용하여 용접을 개시한 다음 제 2 레이저 빔을 추가할 수 있다. 복수의 레이저 빔을 사용하여 용접을 개시한 다음 더 적은 빔, 예를 들어 단일 빔을 사용될 수 있다. 이러한 복수의 레이저 빔의 레이저 빔은 상이한 출력 또는 동일한 출력일 수 있고, 출력 밀도는 상이하거나 동일할 수 있고, 파장은 상이하거나 동일할 수 있고, 이들의 조합 및 변형일 수 있다. 추가 레이저 빔의 사용은 동시 또는 순차적일 수 있다. 다중 레이저 빔을 사용하는 이들 실시예의 조합 및 변형이 또한 사용될 수 있다. 다중 레이저 빔을 사용하면 용접에서 스패터를 억제할 수 있으며 깊은 용입 침투 용접 방법에서 그렇게 할 수 있다.
실시예에서 수소 가스, H2는 불활성 가스와 혼합되어 용접 공정 동안 기본 재료로부터 산화물 층을 제거할 수 있다. 수소 가스는 용접 영역 위로 흐른다. 수소 가스는 또한 용접의 습윤을 촉진시킨다. 수소 가스는 차폐 가스에 추가되거나 차폐 가스와 혼합물을 형성할 수 있으며 차폐 가스의 일부로서 용접부에 적용될 수 있다. 이들 혼합물은 예를 들어, Ar-H2, He-H2, N2-H2를 포함할 수 있다.
도 18은 레이저 시스템 구성 및 127 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 재료 두께의 다양한 실시예에 대한 구리의 침투 깊이, 레이저 빔 출력 및 용접 속도의 예를 제공한다.
청색 레이저 시스템을 사용한 구리, 구리 합금 및 기타 금속의 전도
모드
용접 방법
본 시스템은 구리계 재료에 적용될 때, IR 용접과 연관된 문제점 및 난점을 극복한다. 본 레이저 빔 및 빔 스폿의 청색 파장에서 구리의 높은 흡수율(65%)은 재료의 열 확산성을 극복하고 ~ 150 W의 상대적으로 낮은 전력 수준에서 이를 수행할 수 있다. 구리와 본 청색 레이저 빔의 상호 작용은 구리가 그의 용융점에 쉽게 도달하게 하고 넓은 처리 범위를 허용한다.
실시예에서, 정상 전도 모드 용접이 수행되고 부품 고정 장치 또는 고정구의 사용을 통해 안정적이고 빠른 속도로 고품질 용접이 얻어진다.
용접 고정구는 레이저 빔에 의해 부품에 유도된 열 과도 동안 용접될 재료를 제자리에 유지하는데 사용된다. 도 12 및 도 12a의 고정구는 각각 겹침, 맞대기 및 심지어 에지 용접에 사용될 수 있는 용접 클램프의 선형 섹션의 실시예의 사시도 및 단면도이다. 용접 고정구(4000)는 베이스 플레이트 또는 지지 구조물(4002)을 가진다. 베이스 플레이트(4002)에는 2 개의 클램프 부재 또는 홀드 다운(hold down)(4001)이 부착된다. 홀드 다운(4001)은 베이스 플레이트(4002)의 표면에 놓이는 탭, 및 용접될 작업물(들)과 접촉하고 유지하는 자유 단부를 가진다. 홀드 다운(4001)을 위한 자유 단부들 사이의 영역에 있는 베이스 플레이트(4002)에는 예를 들어, 폭 2 mm x 깊이 2 mm의 슬롯(4003)이 있다. 4 개의 볼트(예를 들어, 4004)(다른 유형의 조정 조임 장치도 사용될 수 있음)는 작업물에 대해 클램프를 조정하고 조이고 고정하여 작업물을 유정하거나 고정한다.
이러한 고정구에 대한 바람직한 재료는 용접 중에 부품을 제자리에 유지하는데 필요한 클램핑 압력을 적용하는데 충분히 강하기 때문에 스테인리스 스틸과 같은 낮은 열 전도율 재료이다. 실시예에서, 클램프, 베이스플레이트 및 둘 모두는 용접 공정 동안 작업물에 절연 품질 또는 효과를 가질 수 있다. 고정구에 열 전도율이 낮은 재료를 사용하면 부품 형태에 침착되는 열이 고정구 자체에 의해 빠르게 전도되는 것을 방지, 최소화 및 감소시킨다. 이는 구리와 같은 열 전도율이 높은 재료를 용접할 때 추가의 이점을 제공한다. 따라서 클램프에 대해 선택된 재료, 클램프의 폭 및 부품 아래의 갭은 용접의 침투 깊이, 용접 비드의 폭 및 용접 비드의 전체 품질을 결정하는 모든 매개변수이다. 도 14를 참조하면, 전도 모드 용접이 기본 재료, 예를 들어 작업물에서 용접 비드의 원형 형상(6001)에 의해 식별될 수 있는 단면(에칭 후)이 도시된다. 용접은 부품의 상부 표면에 열이 가해질 때 구리 또는 임의의 재료의 열 전달 공정의 등방성 특성으로 인해 이러한 형상을 취한다.
바람직한 실시예에서, 고정구(4000)의 베이스 플레이트(4002)는 스테인리스 스틸로 구성되고, 2 mm 폭의 갭(4003)이 베이스 플레이트 내로 절단되어 용접 영역 바로 아래에 위치되고 (커버 가스 또는 차폐 가스로서)아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 가스로 채워져서 용접 후면의 산화를 최소화한다. 커버 가스는 수소와 불활성 가스의 혼합물일 수 있다. 클램프(4001)는 베이스 플레이트(4002)의 갭(4003)의 에지로부터 2 mm 지점에서 용접될 부품에 압력을 가하도록 설계된다. 따라서, 본 실시예에서 용접될 부품의 6 mm 폭 영역은 레이저 빔에 대해 개방된다(레이저 빔이 클램프에서 약간 떨어져 있음을 인식함). 클램프의 위치 설정은 레이저 빔이 표면에 쉽게 접근할 수 있을 뿐만 아니라 부품을 단단히 고정할 수 있다. 이러한 유형의 클램프는 두께가 50 μm로부터 수 mm까지 다양한 두 개의 호일 또는 구리 시트를 맞대기 용접하는데 선호되는 방법이다. 이러한 고정구는 200 μm로부터 수 mm 범위의 두꺼운 구리판 두 개를 함께 겹침 용접하는데 또한 적합하다. 클램핑 압력의 양은 매우 중요하며, 레이저 출력의 양, 용접 속도, 부품 두께 및 수행될 용접 유형에 따라서 클램핑 볼트는 0.05 뉴턴-m(Nm) 토크, 최대 3 Nm 이상, 두꺼운 재료에 대해 그 초과의 토크로 조여질 수 있다. 이러한 토크 값은 볼트 크기, 나사 결합 및 볼트 중심으로부터 클램핑 지점까지의 거리에 크게 의존한다.
실시예에서, 고정구 자체에 대한 기생 열 손실을 최소화하면서 용접 동안 부품의 이동을 방지하는데 충분한 클램핑력을 제공함으로써 고품질의 우수한 용접이 얻어진다. 도 12 및 도 12a의 고정구의 실시예는 용접 고정구의 직선 부분의 단면을 나타내며 임의의 유형의 형상을 함께 용접하기 위해 임의의 2-D 경로(예를 들어, -S - , -C -. -W - 등)로 설계될 수 있음을 이해해야 한다. 다른 실시예에서, 고정구는 용접 공정 동안 예열되거나 가열되어 고정구에 대한 기생 열 손실을 감소시키면서 용접의 침투 속도 또는 깊이를 증가시킬 수 있다. 몇 100 ℃로 가열될 때 고정구는 용접 속도 또는 침투 깊이와 품질을 1배 또는 2배 이상 향상시킬 수 있다. 용접부의 상부 측을 위한 차폐 가스는 도 10에 도시된 바와 같이 용접 진행 방향의 전방으로부터 용접 진행 방향의 후방으로 길이 방향으로 전달된다. 비드 온 플레이트 전도 모드 용접이 도 14에 도시되며 254 μm 두께의 구리 시트에서 이러한 고정구(4000)에 대해 수행된다. 용접 비드의 동결 패턴은 이러한 유형의 용접에 전형적인 구형 용융 패턴을 보여준다.
전도 모드 용접 공정을 사용하여 두 부품을 겹침 용접하려면 부품이 긴밀하게 접촉하여 배치되고 유지되어야 한다. 두 부품(총칭하여 작업물)은 바람직하게, 각각 고정구(5000)의 사시도 및 단면도인 도 13 및 도 13a에 도시된 유형인 고정 장치에 배치될 수 있다. 고정구(5000)는 베이스 플레이트(5003) 및 2 개의 클램프(5002)를 가진다. 클램프는 홀드 다운 볼트(예를 들어, 5001)에 대응하는 4 개의 슬롯(예를 들어, 5010)이 있다. 이러한 방식으로, 작업물에 대한 클램프의 서로에 대한 위치는 물론이고 클램핑 힘 또는 압력의 양이 조정되고 고정된다. 클램프는 위치 설정 및 고정을 지원하는 자석을 가질 수 있다. 클램프(5002)는 차폐 가스를 운반하기 위한 내부 채널, 예를 들어 5004를 가진다. 채널(5004)은 차폐 가스 출구(예를 들어, 5005)와 유체 연통된다. 클램프 내의 차폐 가스 전달 시스템의 차폐 가스 출구 및 차폐 가스 채널. 따라서 가스 전달 시스템은 아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 가스를 전달하는 클램프의 길이를 따르는 일련의 구멍을 통해 이루어진다. 아르곤은 공기보다 무거우며 부품에 침전되어 산소를 대체하고 상부 표면의 산화를 방지하기 때문에 선호되는 가스이다. 불활성 가스에 소량의 수소를 첨가하여 부품의 산화물 층 소거를 촉진하고 용융 공정에서 부품의 습윤을 촉진할 수 있다.
또한, 인서트(5006)는 호일 스택의 개별 호일이 스택에서 서로 접촉을 유지하고 유지하도록 강제하는데 사용된다. 인서트(5006)는 호일을 늘리고 힘을 가하여 서로 단단하고 균일하게 접촉시킬 수 있다. 도 13 및 도 13a의 실시예에서, 인서트(5006)는 역-V자 형상이다. 호일의 스택과 개별 두께에 따라서 곡선형, 혹형 또는 기타 형상이 될 수 있다. 또한, 도 13 및 도 13a의 실시예에서, 인서트(5006)는 클램프(5002)에 인접하지만 클램프(5002)에 의해 덮이지 않는다. 인서트는 클램프의 단부로부터 제거될 수 있거나, 클램프 중 하나 또는 둘 모두가 인서트를 부분적으로 덮을 수 있다.
바람직한 실시예에서, 베이스 플레이트(5000)는 클램프(5002)와 같이 스테인리스 스틸로 만들어진다. 고정 장치는 세라믹 또는 단열 재료로 만들어질 수 있다. 험프(hump)(5006)는 중첩 플레이트(2 개, 3 개, 10 개 등)가 밀접하게 접촉하도록 유지하기 위해 용접 바닥으로부터 압력을 제공한다. 이러한 실시예에서, 아르곤, 헬륨, 또는 질소와 같은 불활성 가스를 전달하는 클램프의 길이를 따라서 일련의 구멍 형태로 가스를 차폐하기 위한 장치가 클램프(2)에 내장된다. 아르곤은 공기보다 무거우며 부품에 침전되어 산소를 대체하고 상부 표면의 산화를 방지하기 때문에 선호되는 가스이다. 베이스 플레이트(5003)의 인서트 험프(5006)는 또한, 산화를 방지하기 위해 용접부의 후면으로 커버 또는 차폐 가스를 전달하기 위해 일련의 채널, 구멍 또는 슬롯을 가질 수 있다. 고정구(5000)는 도면에 도시된 바와 같이, 용접부의 직선 부분의 단면을 나타내며, 임의의 형상을 함께 용접하기 위해서 임의의 2차원 경로로 설계될 수 있다. 이러한 용례에서, 볼트의 토크 값은 작업물의 특성에 따라 너무 높은 토크 값, 예를 들어 0.1 Nm일 수 있으며, 토크 값이 너무 높으면, 예를 들어 > 1 Nm이면 부품이 접촉 상태를 유지하지 못할 수 있으며 기생 열 전달은 용접 공정의 효율성을 감소시켜 침투 및 용접 비드 폭을 감소시킨다.
청색 레이저 시스템을 사용한 구리, 구리 합금 및 기타 금속을 용접하는
키홀
모드
방법
청색 레이저 광은 IR 레이저보다 훨씬 더 높은 흡수 수준(65%)을 가지며 275 W의 비교적 낮은 전력 수준에서 키홀 용접을 개시할 수 있다(키홀 용접 공정을 개시하기 위해 IR 시스템에 필요한 2,000 내지 3,000 W와 대비됨. 개시 시 IR 시스템은 다른 문제들 중에서 폭주(runaway) 문제에 더 직면할 것임). 청색 레이저 시스템으로 키홀 모드가 시작되면서 흡수가 증가하는데, 65%로부터 약 90%로, 그리고 100%로 증가하기 때문에 이제는 폭주 공정이 아니다. 따라서 본 키홀 용접 공정은 IR과 매우 다른 흡수 시간 프로파일을 가진다. 본 청색 키홀 용접 공정은 35% 이하의 용접 진행에 관한 흡수 시간 프로파일 형태 개시를 가진다. 본 레이저 용접 시스템을 사용하여 청색 레이저 용접 공정의 시작 및 연속 용접으로의 전환은 스패터를 방지하기 위해 IR 레이저를 사용할 때 필요한 것처럼, 레이저의 출력 레벨이나 용접 속도를 빠르게 변경하지 않고도 수행된다. 청색 레이저를 사용할 때 키홀 용접 시작에 대한 고속 비디오는 키홀에서 배출되는 스패터를 최소화하거나 전혀 없이 여러 층의 구리 호일과 플레이트를 용접할 수 있는 안정적인 공정을 보여준다. 2 개의 키홀 용접 샘플의 단면이 도 16 및 도 17에 도시되며, 여기서 재료 동결 패턴은 도 14에 도시된 전도 모드 용접 샘플의 형상과 명백하게 상이하다. 도 16 및 도 17에서 볼 수 있는 바와 같이, 재료의 표면에 수직인 재료 동결 패턴의 형성은 열전달이 부품의 표면을 관통하여 최종 용접 깊이까지 연장하는 키홀의 전체 길이를 따라 발생하기 때문에 전도 모드 용접과 상이하다. 이는 모든 레이저 에너지가 재료 표면에 증착되는 전도 모드 용접과 대조된다.
전도 모드 용접 공정와 같은 키홀 용접 공정은 용접 중 임의의 이동을 방지하기 위해 부품을 고정구에 고정해야 한다. 키홀 모드는 전형적으로, 키홀이 부품을 관통하여 둘 이상의 부품 스택을 함께 용접하는 겹침 용접 구성에서 사용된다(예를 들어, 도 17 참조).
도 20의 레이저 시스템은 800 kW/cm2의 지점에서 출력 밀도를 가진 275 W 청색 레이저 빔을 생성할 수 있다. 도 20의 레이저 시스템은 제1 레이저 모듈(1201) 및 제2 레이저 모듈(1202)을 가지며, 레이저 빔은 광선 추적(1200)에 의해 도시된 바와 같이 레이저 모듈을 떠나 레이저 빔 경로를 따른다. 레이저 빔은 100 mm 포커싱 렌즈와 100 mm 보호 창을 갖는 방향 전환 미러(1203, 1205) 및 포커싱 렌즈 구성(1205)을 통과한다. 구성(1205)의 포커싱 렌즈는 스폿(spot)(1250)을 생성한다.
도 21에 도시된 레이저 시스템은 400 μm 스폿 또는 200 μm 스폿을 생성하는데 사용될 수 있다. 도 21의 레이저 시스템은 4 개의 레이저 모듈(1301, 1302, 1303, 1304)로 구성된다. 레이저 모듈은 각각, 미국 특허 공개 번호 2016/0322777 호에 개시 및 교시된 유형일 수 있으며, 이의 전체 개시 내용은 원용에 의해 본 발명에 포함된다. 예를 들어, 모듈은 도 19에 도시된 유형일 수 있으며, 도 19에서 각각의 레이저 다이오드 서브-조립체(210, 210a, 201b, 210c)로부터의 합성 빔은 4 개의 레이저 다이오드 서브-조립체로부터의 빔을 단일 빔으로 재지향시키고 조합하는데 사용되는 패턴 미러(예를 들어, 225)로 전파된다. 편광 빔 폴딩(folding) 조립체(227)는 복합 레이저 다이오드 빔의 밝기를 두 배로 하기 위해서 저속 축에서 빔을 반으로 폴딩한다. 망원경 조립체(228)는 조합된 레이저 빔을 저속 축으로 확장하거나 고속 축을 압축하여 더 작은 렌즈를 사용할 수 있게 한다. 이러한 예에 도시된 망원경(228)은 2.6배만큼 빔을 확장하여 그 크기를 11 mm로부터 28.6 mm로 늘리면서 저속 축의 발산을 동일한 2.6 배만큼 줄인다. 망원경 조립체가 고속 축을 압축하는 경우 2배 망원경이 되어서 고속 축을 22 mm 높이(총 합성 빔)로부터 11 mm 높이로 줄여 11 mm×11 mm의 합성 빔을 만든다. 이는 더 낮은 비용 때문에 바람직한 실시예이다. 비구면 렌즈(229)는 합성 빔의 초점을 맞춘다.
500 와트 및 200 ㎛ 스폿에서, 출력 밀도는 > 1.6 MW/cm2이고, 이는 이러한 파장에서 키홀 용접 임계값보다 실질적으로 높다는 것을 이해해야 한다. 이러한 출력 밀도에서, 청색 레이저도 용접부에 스패터와 다공성을 생성할 가능성이 있다. 그러나 흡수가 잘 조절되기 때문에 스패터를 억제, 조절 또는 제거하는 능력이 있다. 스패터를 억제하는 제 1 방법은 용접 속도를 일정하게 유지하면서 스패터 공정이 시작되면 출력 레벨을 줄이는 것이다. 스패터를 억제하는 제 2 방법은 용접 퍼들을 연장하여 차폐 가스와 기화된 금속이 키홀에서 배출되게 하여 스패터가 없고 결함이 없는 용접을 생성하는 것이다. 스패터를 억제하는 제 3 방법은 검류계 모터 세트 또는 로봇에 장착된 미러 세트를 사용하여 청색 레이저 빔을 흔드는 것이다. 스패터를 억제하는 제 4 방법은 진공을 이용한 용접 환경의 압력을 줄이는 것이다. 마지막으로 스패터를 억제하는 제 5 방법은 1 Hz 내지 1k Hz 또는 최대 50 kHz 범위에서 레이저 빔 출력을 변조하는 것이다. 바람직하게, 용접 매개변수는 공정 동안 스패터를 최소화하도록 최적화된다.
일반적으로, 본 발명의 실시예는 재료의 레이저 가공, 사전 선택된 레이저 빔 파장을 재료에 의한 높거나 증가된 수준의 흡수율을 갖도록 가공될 재료에 매칭함으로써 레이저 가공, 특히 재료에 의한 높은 흡수율을 갖는 레이저 빔을 사용한 재료의 레이저 용접에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 350 nm 내지 700 nm 파장의 가시 레이저 빔을 갖는 레이저 빔을 사용하여 이들 파장에 대해 더 높은 흡수율을 갖는 재료를 레이저 가공을 통해 용접하거나 접합하는 것에 관한 것이다. 특히, 레이저 빔 파장은 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50% 및 적어도 약 60% 이상 그리고 약 30% 내지 약 65%, 약 35% 내지 85%, 약 80%, 약 65%, 약 50, 및 약 40%의 흡수를 갖도록 레이저 처리될 재료에 기초하여 미리 결정된다. 따라서, 예를 들어, 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 레이저 빔은 금, 구리, 황동, 은, 알루미늄, 니켈, 이들 금속의 합금, 스테인리스 스틸 및 기타 금속, 재료 및 합금을 용접하는데 사용된다.
금, 구리, 황동, 은, 알루미늄, 니켈, 니켈 도금된 구리, 스테인리스 스틸 및 기타 재료, 도금된 재료 및 합금과 같은 재료를 용접하기 위한 청색 레이저, 예를 들어 약 405 내지 약 495 nm 파장의 레이저 사용은 실온에서 재료의 높은 흡수율, 예를 들어 약 50% 초과의 흡수율 때문에 바람직하다. 본 발명의 여러 장점 중 하나는 레이저 작업, 예를 들어 용접 공정 동안 재료에 레이저 에너지를 더 양호하게 결합할 수 있는 청색 레이저 빔과 같은 미리 선택된 파장 레이저 빔의 능력이다. 용접될 재료에 레이저 에너지를 더 양호하게 결합함으로써, 폭주 공정의 가능성이 크게 줄어들고 바람직하게는 제거된다. 레이저 에너지의 더 양호한 결합은 또한, 저 출력 레이저를 사용할 수 있게 하여 비용 절감을 제공한다. 더 양호한 결합은 또한 더 양환 제어, 더 높은 허용 오차 및 따라서 더 큰 용접 재현성을 제공한다. IR 레이저 및 IR 레이저 용접 작업에서는 볼 수 없는 이들 기능은 다른 제품 중에서도 전자 및 전력 저장 분야의 제품에 중요하다.
실시예에서, CW 모드에서 작동하는 청색 레이저가 사용된다. CW 작동은 레이저 출력을 신속하고 완전히 변조하고 피드백 루프에서 용접 공정을 제어하여, 최적의 기계적 및 전기적 특성을 갖는 고도로 반복 가능한 공정을 초래하는 능력 때문에 많은 용례에서 펄스 레이저보다 선호될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 하나, 둘 이상의 구성요소의 레이저 가공을 포함한다. 구성요소는 레이저 빔을 흡수하는 임의의 유형의 재료, 예를 들어 레이저 빔 에너지, 플라스틱, 금속, 복합 재료, 비정질 재료 및 기타 유형의 재료로 만들어질 수 있다. 실시예에서, 레이저 가공은 2 개의 금속 구성요소를 함께 납땜하는 것을 포함한다. 실시예에서, 레이저 가공은 2 개의 금속 구성요소를 함께 용접하는 것을 포함한다.
실시예에서, 레이저 용접 작업이 자동 용접, 레이저-하이브리드 용접, 키홀 용접, 겹침 용접, 필렛 용접(filet welding), 맞대기 용접 및 비-자생 용접(non-autogenous welding)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 도구, 시스템 및 방법이 제공된다.
레이저 용접 기술은 많은 다양한 상황에서, 특히 전기 연결, 특히 배터리와 같은 전력 저장 장치를 형성하기 위해 용접이 필요한 경우에 유용할 수 있다. 일반적으로, 본 레이저 용접 작업 및 시스템의 실시예는 가시 파장, 바람직하게 청색 파장 레이저를 포함하며, 이는 기본 재료만이 사용됨을 의미하고 키홀 용접, 전도 용접, 겹침 용접, 필렛 용접 및 맞대기 용접에서 공통인 자생 레이저일 수 있다. 레이저 용접은 갭을 "채우기 위해" 또는 용접 강도를 위해 융기된 비드를 생성하기 위해 용융 퍼들에 충전 재료가 추가되는 비-자생적일 수 있다. 레이저 용접 기술은 레이저 재료 증착("LMD")을 또한 포함할 수 있다.
본 레이저 용접 작업 및 시스템의 실시예는 충전 재료의 더욱 신속한 공급을 제공하기 위해 전류가 레이저 빔과 함께 사용되는 하이브리드 용접일 수 있는 가시 파장, 바람직하게 청색 파장 레이저를 포함한다. 레이저 하이브리드 용접은 정의상 비-자생적이다.
바람직하게, 일부 실시예에서 능동 용접 모니터, 예를 들어 카메라가 사용되어 즉석에서 용접 품질을 확인할 수 있다. 이들 모니터는 예를 들어, 엑스-레이 검사 및 초음파 검사 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 스트림 빔 분석 및 출력 모니터링이 활용되어 시스템 특성 및 작동 특성을 완전히 이해할 수 있다.
본 레이저 시스템의 실시예는 신규 레이저 시스템 및 방법을 기존의 밀링 및 기계 가공 장비와 조합하는 하이브리드 시스템일 수 있다. 이러한 방식으로 재료는 제조, 건축, 재-마감 또는 기타 공정 중에 추가 및 제거될 수 있다. 본 발명자 중 한 명 이상이 발명한 레이저 시스템의 다른 실시예를 사용하는 그러한 하이브리드 시스템의 예는 미국 특허 출원 일련번호 14/837,782 호에 개시 및 교시되며, 그 전체 개시 내용은 원용에 의해 본 발명에 포함된다.
전형적으로, 실시예에서, 레이저 용접은 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해서 매우 낮은 가스 흐름을 사용하고, 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 에어 나이프를 사용하거나 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 환경을 사용한다. 레이저 용접은 공기, 불활성 환경 또는 기타 제어된 환경, 예를 들어, N2에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예는 구리, 순수 구리, 구리 합금 및 청색 레이저 파장, 바람직하게 약 400 nm 내지 약 500 nm에서 약 40% 내지 75% 흡수율을 갖도록 충분한 양의 구리를 갖는 모든 재료를 포함하는, 구리 재료를 용접하는데 큰 장점을 찾을 수 있다.
본 발명의 레이저 시스템 및 공정, 전도 용접 및 키홀 용접의 실시예로 수행되는 2 개의 바람직한 자생 용접 모드, 및 이들이 생성하는 자생 용접이 있다. 전도 용접은 낮은 강도(< 100 kW/cm2)의 레이저 빔을 사용하여 두 개의 금속 조각을 함께 용접하는 경우이다. 여기서 두 개의 금속 조각은 서로 맞대어져서, 한쪽이 겹져지고 완전히 겹쳐질 수 있다. 전도 용접은 키홀 용접만큼 깊숙이 침투하지 않는 경향이 있으며 일반적으로 맞대기 용접을 위한 특징적인 "구형" 형상의 용접 조인트를 생성하며, 이는 매우 강하다. 그러나 키홀 용접은 상대적으로 높은 레이저 빔 강도(> 500 kW/cm2)로 발생하며 이러한 용접은 재료 내로 깊숙이 침투할 수 있으며 종종 재료가 겹칠 때 다층 재료를 관통할 수 있다. 전도 모드로부터 키홀 모드로의 전환에 대한 정확한 임계값은 청색 레이저 소스에 대해 아직 결정되지 않았지만, 키홀 용접은 재료 내로 깊숙이 침투하는 재냉동 재료의 거의 평행 채널을 갖는 재료의 상부에 특징적인 "v" 형상을 가진다. 키홀 공정은 금속 용융 풀의 측면으로부터 레이저 빔을 반사하여 재료 내로 깊숙이 레이저 에너지를 전달하는 것에 의존한다. 이들 유형의 용접이 모든 레이저로 수행될 수 있지만, 청색 레이저는 적외선 레이저보다 이들 유형의 용접을 개시하기 위한 상당히 낮은 임계값을 가질 것으로 예상된다.
구리로 전기도금된 재료, 백금으로 전기도금된 재료, 및 다른 전도성 재료로 전기도금된 재료와 같은 전기도금된 재료의 청색 레이저 용접을 포함한, 이들 재료를 용접하기 위해 청색 레이저 작업을 사용하여 전기도금된 재료의 용접이 고려된다.
구리를 위한 용접 공정은 전력이 부품에 효율적으로 결합되어야 하고, 용접 공정이 안정적이고 낮은 다공성, 낮은 스패터 용접을 생성할 수 있어야 함을 요구한다. 본 발명은 이들 및 다른 목적을 달성한다. 청색 레이저는 IR 레이저(< 5%)에 비해 구리(65%)에 의해 많이 흡수되는 파장에서 이들 요구 사항의 제 1 부분을 달성한다. 제 2 요구 사항은 레이저 흡수뿐만 아니라 처리 램프 또는 시간 프로파일, 고정 장치, 빔 프로파일 및 품질, 그리고 부품에 사용되는 클램핑 압력의 함수이다. 본 실시예는 청색 레이저를 열원으로 하여 키홀 모드 및 전도 모드 용접이 모두 가능함을 제공한다. 전도 모드 용접은 공정 중 임의의 스패터 또는 부품의 다공성을 생성하지 않는다. 용접의 키홀 모드는 더 큰 침투를 허용한다. 본 고출력 청색 CW 레이저 소스의 실시예는 부품의 다공성이 매우 낮고 공정 중 스패터가 매우 낮은 구리 부품을 용접하는데 이상적이다.
완전 침투는 표면에 정상 스패터가 남아 있는 600-와트 청색 레이저를 사용하여 1 mm 두께 구리 플레이트의 비드 온 플레이트 테스트를 기초로 한다. 600-와트, CW 레이저는 약 200 μm의 스폿 크기에 집속되어, 부품의 표면에서 2.1 MW/cm2 평균 강도가 발생한다. 이러한 강도는 부품의 키홀을 개시하고 유지하는데 필요한 출력 밀도보다 훨씬 높다. 용접 공정 중에, 키홀이 빠르게 형성되고 완전 침투가 달성되면, 용융 퍼들은 용접이 진행됨에 따라 용접 퍼들에서 낮은 난류를 나타내는 매우 안정적인 표면을 나타낸다. 다양한 용접 속도에서 안정적인 용접 공정이 관찰되며 다른 것들 중에서도 Ar-CO2 커버 가스는 용접 공정 중 표면 산화를 억제한다. 안정적인 키홀 용접을 생성하는 이러한 능력은 무엇보다도 청색에서 구리의 높은 흡수율에 기인할 수 있다. 청색 레이저 광은 용접 공정에서 키홀의 벽에 균일하게 흡수되지만, 용융 퍼들의 난류로 인해 키홀에 불안정이 발생하면 입력 열이 유지되고 키홀이 안정적으로 유지된다.
다음 예는 본 레이저 시스템 및 작업의 다양한 실시예, 특히 전자 저장 장치의 구성요소를 포함한 구성요소를 용접하기 위한 청색 레이저 시스템을 예시하기 위해 제공된다. 이들 예는 예시를 위한 것이며, 예언적일 수 있으며, 본 발명의 범주로 간주되어서는 안 되며, 달리 이를 제한하지 않는다.
예 1
레이저 소스는 0 내지 275 와트가 가능한 고출력 청색 직접 다이오드 레이저이다. 빔은 1.25X 빔 확장기를 통해 전달되고 100 mm 비구면 렌즈에 의해 초점이 맞춰진다. 작업물의 스폿 직경은 200 μm x 150 μm로 이는 최대 출력 1.2 MW/cm2에서 출력 밀도를 생성한다. 샘플을 제자리에 유지하기 위해 스테인리스 스틸 고정구가 사용되었으며 He, Ar, Ar-CO2 및 질소로 테스트가 수행되었으며 모두 유익했고 Ar-CO2에서 최상의 결과를 얻었다.
예 1A
예 1의 시스템을 사용하여, 초기 테스트 결과가 구리 표면에서 150 와트의 출력 수준에서 고품질 전도 모드 용접을 생성했다. 일련의 BOP(Bead on Plate) 테스트를 수행하여 고출력 청색 레이저 소스에 의해 생성된 용접을 특성화했다. 도 1은 전도 모드 용접용 갈매기 모양 패턴을 보여주며, 이러한 용접의 고유한 특성은 용접 공정에서 스패터가 발생하지 않으며 기본 재료와 유사한 미세 구조 및 용접 경도가 기본 재료와 유사했다. 도 1은 70 μm 두께의 구리 호일에 150 W의 청색 레이저로 용접할 때 형성된 BOP를 보여준다.
예 1B
예 1의 시스템을 사용하고 레이저의 전력 출력을 275 와트로 스케일링하면 출력 밀도가 구리의 초기 키홀 용접에 충분한 출력 밀도인 1.2 MW/cm2로 증가했다. 도 2는 500 μm 두께의 구리 샘플에 대한 키홀 용접의 예를 보여준다. 키홀 공정 동안, 키홀에서 발생된 증기압은 용융된 구리를 용접 비드 밖으로 밀어낸다. 이는 배출된 구리가 용접 비드의 에지에 라이닝되는 도 4에서 볼 수 있다. 이러한 배출 공정은 안정적이며 재료에 미세 폭발을 일으키지 않으므로 결과적으로 IR 레이저 소스로 구리를 용접할 때 관찰되는 스패터 패턴이 생성되지 않는다.
예 1C
예 1의 시스템을 사용하여 127 내지 500 ㎛ 범위의 구리 두께에 대해 용접 실험이 수행되었다. 도 3 내지 도 5는 이들 BOP 테스트의 결과를 요약한다. 도 3은 275 W에서 최대 9 m/min까지의 완전 침투에 이어서 예상한 속도로 침투 깊이의 감소를 보여준다. 도 4는 무-보조 가스의 경우 최대 0.6 m/min, Ar-CO2 커버 가스를 사용할 경우 0.4 m/min의 완전 침투에 대한 BOP 결과를 보여준다. 도 5는 275 W에서 500 μm 구리에 대한 침투 깊이 대 속도를 보여준다.
예 2
도 13 및 도 13a의 고정구(5000)는 전도 모드 용접으로 두께가 178 μm인 2 개의 구리 호일 스택을 성공적으로 겹침 용접하는데 사용된다. 수 100 ℃로 가열될 때 고정구는 용접 중 부품 가열로 손실되는 에너지가 이제 예열에 의해 제공되기 때문에 용접 속도와 품질이 한 두 배 이상 향상된다. 용접부의 상부 측을 위한 차폐 가스는 도 10에 도시된 바와 같이 용접 진행 방향의 전방으로부터 용접 진행 방향의 후방으로 전달된다.
예 3
2 개의 125 ㎛ 두께 구리 플레이트가 전도 모드 용접으로 고정구(5000)를 사용하여 함께 겹침 용접되었다. 이러한 용접은 도 15의 단면 사진에 도시된다.
예 4
도 13 및 도 13a에 도시된 고정구(5000)를 사용하여, 10 ㎛ 두께의 40 개의 구리 호일 스택이 다공성 및 결함 없이 용접된다. 이러한 용접의 단면이 도 17에 도시된다. 이러한 스택의 용접은 호일 준비 방법, 호일 고정 방법 및 클램프에 적용되는 토크에 의존한다. 호일은 전단되고 평평하게 된 다음 임의의 제조 또는 취급 오일을 제거하기 위해서 알코올로 세척되고 마지막으로 고정구에 싸여진다. 클램핑 볼트(5001)는 용접 공정 동안 부품이 제자리에 단단히 고정되게 보장하는 1 Nm의 토크로 조여진다. 이들 부품을 용접하는데 사용된 레이저는 도 21에 도시된 바와 같이 광학적으로 조합된 도 19에 도시된 4 개의 150-와트 레이저로 구성되어 500 와트 레이저 시스템을 생성한다. 이러한 레이저는 평균 출력 밀도가 400 kW/cm2인 400 ㎛ 스폿, 및 키홀 용접 공정을 개시하는데 충분한 피크 출력 밀도를 생성한다.
예 5
본 레이저 빔 용접 기술의 예는 표면에 공칭 스패터가 남아 있는 600 와트 청색 레이저를 갖는 1 mm 두께 구리 플레이트의 제 1 완전 침투, 비드 온 플레이트(bead on plate, BOP) 용접을 사용하여 평가된다. 600-와트, CW 레이저는 약 200 μm의 스폿 크기에 집속되어 부품의 표면에서 2.1 MW/cm2의 평균 강도를 초래한다. 이러한 강도는 부품의 키홀을 개시하고 유지하는데 필요한 전력 밀도보다 훨씬 높다. 용접 공정에서 키홀이 빠르게 형성되는 것이 관찰되며 일단 완전 침투가 달성되면 용융 퍼들은 용접이 진행됨에 따라 용접 퍼들의 낮은 난류를 나타내는 매우 안정적인 표면을 나타낸다. AJ-CO2 커버 가스를 사용하여 용접시 표면 산화를 억제하여 넓은 범위의 용접속도에서 안정된 용접공정을 볼 수 있다. 안정적인 키홀 용접을 생성하는 이러한 능력은 청색 구리에서의 높은 흡수성과 레이저 빔의 균일성 및 고품질에 기인할 수 있다. 청색 레이저 광은 용접 공정에서 키홀의 벽에 균일하게 흡수되지만, 용융 퍼들의 난류로 인해 키홀에 불안정이 발생하면 입력 열이 유지되고 키홀이 안정적으로 유지된다.
예 6
본 발명의 실시예는 용접과 같은 산업적 용례를 위해서 본 고출력 가시 레이저, 특히 청색 레이저, 청색 녹색 레이저 및 녹색 레이저를 사용한다. 이들 공정의 실시예에서, 500 내지 600 W의 출력 레벨과 200 내지 400 ㎛의 스폿 크기가 사용된다. 이들 실시예에 대한 파장은 청색 범위에 있다. 구리의 안정적인 전도 모드 용접은 무산소 구리(OFC)에서 400 및 200 um 스폿 크기 모두에 대해 광범위한 속도에서 관찰된다. 이러한 용접 모드는 스패터가 없고 용접된 부품 전체에 다공성의 흔적이 없이 완전히 조밀하다. 안정적인 키홀 모드 용접은 200 ㎛ 스폿 크기의 구리에서만 관찰되지만, 인코넬(Inconel) 및 스테인리스 스틸과 같은 전도성이 낮은 재료에서는 400 ㎛ 스폿 크기도 키홀 용접을 달성할 수 있다. 용접 공정의 모델링은 스테인리스 스틸과 비교하여 구리를 용접할 때 용접 퍼들의 형상과 크기에서 상당한 차이를 보여준다. 열 전도율이 낮은 스테인리스 스틸은 전형적인 눈물방울 형상의 용접 퍼들을 나타내지만, 열 전도율이 높은 구리는 스테인리스 샘플의 용접에 사용된 것과 동일한 출력 수준에서 크기가 훨씬 작은 원형 용접 퍼들을 나타낸다.
예 7
청색, 청색 녹색 또는 녹색 레이저 빔을 사용하는 금속의 레이저 용접은 빔을 흔들지 않고 수행된다. 이들 용접은 깊은 침투를 가진다. 따라서, 이들 레이저 빔을 사용하여 구리 호일 구리 플레이트를 포함한 금속의 무-워블 용접(wobble free welding)이 제공된다. 알루미늄, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄계 금속, 스테인리스 스틸계 금속, 구리계 금속 및 이들의 합금에 대해 무-워블 용접이 제공된다.
이러한 무-워블 레이저 용접의 실시예에서, 1 mm 미만의 두께를 갖는 구리 및 450 nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔으로 청색 레이저 용접이 수행된다.
이러한 무-워블 레이저 용접의 실시예에서, 청색 레이저 용접은 1 mm 미만의 두께를 갖고 450 nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔을 사용하여 알루미늄에 수행된다.
이러한 무-워블 레이저 용접의 실시예에서, 1 mm 미만의 두께를 갖고 450 nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔을 사용하여 스테인리스 스틸에 청색 레이저 용접이 수행된다.
예 8
실시예에서 00-와트 레이저는 450 nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 제공하는 4 개의 200-와트 청색 레이저 모듈을 가진다. 레이저 다이오드는 개별적으로 시준되며, 빔 발산은 도 19에 도시된 바와 같이 원형화되어, 각각의 모듈에 대해 22 mm mrad의 빔 매개변수 곱을 초래한다. 4 개의 청색 레이저 모듈로부터의 레이저 빔은 수평뿐만 아니라 수직 방향 모두에서 광학적으로 전단되어, 도 21에 도시된 바와 같이 100 mm 직경의 포커싱 광학계의 조리개를 채운다. 이러한 합성 빔(450 nm)은 44 mm mrad의 빔 매개변수 곱을 가지며 400 μm 광섬유로 발사하는데 적합하다. 예 8A 내지 예 8K 및 예 9의 경우, 광섬유가 사용되지 않고 이러한 청색 레이저 빔은 자유 공간을 통해 작업물로 전달된다.
이들 예의 경우, 실시간 빔 진단을 설정에 통합할 수 있는 4' x 6' 광학 벤치(optical bench)를 갖는 광학 브레드보드(breadboard)가 사용된다. 합성 출력 빔은 1% 빔 샘플러로 샘플링되고 빔의 일부는 원거리-장 프로파일 카메라와 파워 미터로 전송된다. 원거리-장은 용접 렌즈와 동일한 초점 거리 렌즈(100 mm F/1 렌즈 또는 200 mm F/2 렌즈)로 생성된다. 두 렌즈 모두 ThorLabs으로부터의 BK7 구면 렌즈이다. 렌즈는 약 80 mm로 언더필되고, 작업물의 스폿은 100 mm FL 렌즈의 경우 약 200 μm, 200 mm FL 렌즈의 경우 약 400μm이다.
빔 가성(beam caustic)은 셋업의 빔 샘플링 아암에서 100 mm FL 렌즈의 초점을 통해 Ophir 빔 프로파일러를 변환하고 95% 포위된 파워 포인트에서 빔의 직경을 측정함으로써 측정된다. 빔 가성의 그래프는 도 22에 도시된다. 이러한 측정은 100 mm FL 렌즈에 대해 상대적으로 짧은 초점 심도를 보여준다.
Fanuc 6-축 로봇(FANUC M-16iB)을 사용하여 로봇 어댑터에 장착되고 용접 방향을 따라 지향된 3/8" 직경의 스파거 튜브(sparger tube)에 의해 제공되는 커버 가스와 함께 자유 공간 빔 초점을 통해 샘플을 이동하는데 사용된다.
예 8A 내지 예 8K 및 예 9에 대해서, 도 12 및 도 12a에 도시된 유형의 용접 고정구의 실시예가 사용된다. 용접 고정구는 용접 공정의 일부이며 열 전도율이 높은 재료를 용접할 때 달성될 수 있는 침투 깊이, 용접 속도 및 이들 둘 모두에 영향을 미칠 수 있다. 도 12 및 도 12a는 용접 고정구의 실시예의 도면이다. 일 실시예에서 알루미늄(6061 시리즈)이 사용된다. 다른 실시예에서 스테인리스 스틸(316)이 사용된다. 알루미늄 용접 고정구는 부품에서 열을 빠르게 제거하는 경향이 있는 반면에, 스테인리스 스틸 고정구는 대부분의 열이 부품 내에 머문다. 두 재료는 샘플(예를 들어, 작업물, 부품)을 클램핑하는 상이한 방법과 함께 평가된다. Ar-CO2와 같은 불활성 가스는 용접 공정 중 부품의 임의의 산화를 억제하기 위해 고정구에 배치된 부품의 상부 위로 흐른다. 작은 갭(4003)은 샘플의 중심 아래에 위치하여 플레이트 예의 비드 지점에서 히트 싱크를 최소화하고 보조 가스가 용접 뒷면에 추가되게 한다.
용접의 키홀 모드에서, 용접 시 강한 플룸(plume)을 생성할 수 있다. 플룸의 원자와 이온이 450 μm의 광을 쉽게 흡수하므로 이러한 플룸은 관리되고 바람직하게는 억제되어야 한다. 3/8" 직경의 튜브 스파저가 부품 상부를 가로질러 50 scfh의 아르곤 또는 아르곤-CO2를 전달하여 플룸을 억제하는데 사용된다. 플룸을 관리하고 부품의 산화를 방지하기 위해서 아르곤, 아르곤-CO2, 공기, 헬륨 및 질소를 포함한 다양한 가스로 용접이 수행되거나 만들어질 수 있다. 무엇보다도, 용접 공정 최적화의 목표는 가능한 가장 빠른 속도로 최대의 침투를 달성하는 것이다. 예 8A 내지 예 8K에 제시된 데이터는 아르곤을 커버 가스로 사용한다. 맞대기 용접과 같은 다른 레이저 용접 및 가공 용례에서 플룸 관리가 바람직하고 선호된다.
예 8A 내지 예 8F의 500 와트 용접 테스트의 경우, 200 mm 초점 길이 렌즈를 사용하여 빔을 400 ㎛ 스폿 크기로 초점을 맞추면 평균 강도가 ~400 kW/cm2이고 피크 강도가 800 kW/cm2에 근접하게 된다.
예 8G 내지 예 8K의 600 와트 용접 테스트의 경우, 100 mm 초점 길이 렌즈를 사용하여 빔을 200 ㎛ 스폿 크기로 초점을 맞추면 평균 강도가 약 2.1 MW/cm2이고 피크 강도가 4.5 MW/cm2에 근접하게 된다.
예 8A
예 8의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여 500 와트, 400 μm 스폿 크기 및 400 kW/cm2 평균 출력 밀도를 사용하여 구리(OFC), 스테인리스 스틸(304) 및 알루미늄(1100 시리즈)에 대해 비드 온 플레이트 용접이 수행되고 평가된다. 샘플은 모두 전단기로 10 mm x 45 mm 크기로 절단되고 가공 전에 아세톤으로 세척된다. 표면 마감은 McMaster Carr로부터 공급된 대로이며 더 얇은 샘플의 경우 압연 마감 처리되고 더 두꺼운 샘플의 경우 밀링 마감 처리된다. 이들 평가는 주어진 시트 두께에 대한 예 8의 용접 공정의 완전한 침투 능력을 특징으로 한다.
예 8의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여 두께 범위가 80 ㎛ 내지 500 ㎛인 무-산소 구리(99.99% - 110) 샘플로 비드 온 플레이트 평가가 수행되었다. 도 23은 용접된 샘플의 후면에서 완전 침투 비드가 관찰되는 용접 속도를 나타낸다.
평가 전에 샘플을 아세톤으로 닦아내고 1 뉴턴-미터로 토크를 가한 볼트로 고정구에 크램핑되었다. 고정구 및 샘플은 레이저로의 역반사를 방지하기 위해서 빔 법선에 대해 20도 각도로 유지되어, 200 mm FL 렌즈의 경우 400 μm x 540 μm의 스폿 연신을 초래했다. 빔 각도는 빔 법선으로부터 용접될 부품의 후미 측면까지이다. 샘플의 이러한 기울기는 부품의 더 낮은 강도로 인해 달성될 수 있는 최대 용접 속도를 감소시킬 가능성이 높다. 용접 순서는 로봇이 프로그래밍된 속도에 도달했는지 확인하기 위해서 부품과 레이저 빔 사이에 충분한 거리를 두고 부품을 병진 운동시키도록 로봇이 명령을 받고, 용접 고정구가 레이저 빔의 위치와 교차할 때 레이저가 개시되는 것이다. 부품은 일정한 속도로 빔을 통해 병진운동되며, 용접 고정구의 단부에 도달하면 레이저 빔이 꺼지고 로봇이 홈 위치로 복귀하라는 명령을 받는다. 샘플을 단면으로 만들고 연마하고 에칭하여 미세 구조를 드러내게 한다. 모든 용접은 전도 모드 용접을 나타내는 구형 용융-동결 패턴을 나타낸다.
예 8B
예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여 샘플의 맞대기 용접도 평가되었다. 부품은 예 8A와 동일하게 준비되고 동일한 클램핑력으로 크램핑되었다. 전단에 의해 생성된 샘플의 에지는 맞대기 용접된 부품의 기초이다. 이들 테스트의 결과 중 일부는 도 24에 도시된다. 용접 속도는 용접 부품의 뒷면에 표시되는 완전 침투 용접으로 두 부품이 결합될 수 있는 속도이다. 용접 중 또는 용접된 부품에서 스패터가 관찰되지 않았으므로, 전도 모드 용접 공정을 나타낸다.
예 8C
예 8A의 구리 110 시리즈 샘플의 평가 동안, 샘플 두께의 함수로서 용접부의 침투 깊이에 대한 종속성이 관찰되었다. 도 25는 구리 샘플 두께가 증가함에 따라서 침투 깊이가 어떻게 감소할 수 있는 지를 보여준다. 이러한 종속성은 부품의 더 큰 열 질량 및 용접 비드에서 빠르게 열을 분산시키는 구리의 높은 열 전도성 때문이다. 이는 부분적으로, 높은 열 전도율 및 용접 공정에서 레이저 에너지를 효과적으로 방열하는 구리의 능력 때문이다. 도 25에서 알 수 있는 바와 같이, 주어진 속도에서 재료 두께가 2배 증가함에 따라서 침투 깊이는 4배 이상 감소될 수 있다. 상부 케이스의 침투 깊이는 속도가 훨씬 느리고 레이저 에너지를 방열하는 구리의 능력을 포화시키기 때문에 다른 두 경우만큼 극적으로 감소하지 않는다. 따라서 전도 모드 공정을 사용하여 구리의 용접 공정을 설계할 때, 용접될 부품의 유한 두께가 고려되어야 한다.
예 8D
예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 알루미늄 1100 시리즈 샘플이 용접되고 평가된다. 알루미늄 1100 시리즈 샘플이 준비되고 예 8A의 구리 부품과 동일한 용접 고정구에 장착되었다. 용접 공정은 로봇 속도만 변경되는 것을 제외하면, 예 8A의 구리 용접 공정와 유사하다. 도 26에 도시된 용접 속도는 그 두께 부분의 이면에서 완전 관통 비드가 관찰되는 경우이다. 용접 공정 중에서 관찰된 용융 퍼들에서 스패터가 관찰되지 않았다.
예 8E
예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 용접 고정구에 나란히 배치된 두 개의 알루미늄 1100 샘플에 대해 맞대기 용접 및 용접 테스트가 수행되었다. 샘플은 전단기로 준비되며 두 에지는 용접이 수행되기 전에 특별한 준비가 없었다. 샘플은 용접 전에 아세톤으로 닦아낸다. 용접 공정은 용접 속도를 제외하면 예 8A에서 구리 부품에 대해 설명한 것과 동일하다. 나타낸 최종 용접 속도는 용접될 샘플의 전체 길이에 걸쳐 완전 침투 비드가 얻어지는 속도이다. 이 데이터의 요약은 도 27에 도시된다.
예 8F
예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 304 개의 스테인리스 스틸 샘플에 대해 BOP 용접 및 용접 테스트가 수행되었다. 샘플을 고정구에 맞는 10 mm x 45 mm 크기로 자르고 아세톤으로 닦고 테스트 샘플에서 완전 침투 용접이 얻어질 때까지 로봇 속도가 조정되었다. 또한, 용접된 샘플에서는 스패터나 다공성이 관찰되지 않았다. 이러한 테스트의 결과가 도 28에 도시된다.
예 8G
실시예 8의 600 와트 시스템 및 공정의 용접 및 평가가 수행되었다. 100 mm 초점 거리 렌즈를 사용하여 빔을 200 μm 스폿 크기로 초점을 맞추면 평균 강도가 약 2.1 MW/cm2이고 피크 강도가 4.5MW/cm2에 도달한다. 일련의 용접이 이루어지고 다양한 속도에서 이러한 레이저의 침투 능력을 추가로 평가하고 설명하기 위해서 이러한 더 높은 출력 수준과 더 짧은 초점 거리 렌즈(100 mm)로 테스트가 수행되었다. 이들 테스트에서 평균 강도는 2.1MW/cm2이며 출력 밀도는 구리를 기화시키고 키홀을 만드는데 필요한 요구 사항 내에 있다. 부품이 20도 기울어져 유효 출력 밀도가 1.4MW/cm2로 감소한다. 이는 구리, 알루미늄 및 스테인리스 스틸에서 키홀 용접 모드를 개시하는데 충분한 강도이다.
구리에서 키홀 공정의 제 1 표시는 용접 공정 중 스패터의 상당한 증가이다. 이러한 스패터는 용접 퍼들을 모니터링하면서 축상 카메라(on-axis camera)로 관찰된다. 용접 샘플은 단면화, 연마 및 에칭되어 키홀 용접의 전형적인 미세 구조 동결 패턴을 나타낸다. 단면은 또한, 빔이 부품을 완전히 관통하지 못한 상당한 양 또는 다공도를 나타낸다. 그러나 빔이 완전 침투된 단면은 공칭 다공도를 보였다.
예 8H
예 8 및 예 8G의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 500 μm 두께의 구리 110 플레이트에서 키홀 모드 용접의 종단면면화가 수행되어 도 29의 사진에 나타낸바와 같이 용접의 전체 길이를 따라 다공도를 결정한다. 도의 우측에 있는 용접부의 맨앞 1 cm는 상당한 양의 다공성도와 샘플을 통한 침투 부족을 나타낸다. 용접하는 동안 부품에 열이 축적됨에 따라 키홀 공정이 구리 플레이트를 완전히 관통한다. 이러한 결과는 키홀 공정이 안정화되면 공칭 스패터 및 다공도를 갖는 용접을 생성할 수 있음을 나타낸다.
예 8I
예 8 및 예 8G의 레이저, 공정 및 설정을 사용하고 예 8H의 결과에 기초하여, 부품을 이동하기 전에 먼저 키홀이 안정화되게 하는 용접 및 테스트가 수행된다. 용접 공정은 레이저 빔이 부품에 짧은 시간 동안 머물도록 함으로써 수정된 다음, 로봇이 가속되어 부품을 통해 키홀을 드래깅(dragging)한다. 체류 시간을 0.6초로부터 1.5초로 변경한 일련의 테스트 후에 0.6초 체류 시간으로 원하는 결과를 얻었다. 도 30은 샘플에 0.6초 체류한 후 샘플을 1.1 m/min의 속도로 병진 운동시키면서 수행된 구리(110)의 비드 온 플레이트 용접에 대한 단면 사진이다. 이러한 속도로 일련의 용접이 수행되어 공정이 안정적이고 양호하게 제어되는 지를 확인한다. 모든 샘플은 유사한 결과, 매우 낮은 다공도 및 매우 안정적인 키홀 용접을 나타낸다.
예 8J
예 8 및 예 8G의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 다양한 구리(110) 재료 두께 범위에서 용접이 이루어지고 평가된다. 각각의 샘플의 완전 침투에 대해 달성된 최대 용접 속도의 그래프가 도 31에 도시된다. 키홀 모드 용접, 병진운동 모드 용접 및 전도 모드 용접은 모두 이들 용접 속도에서 관찰된다. 그 결과 500 와트, 400 μm 시스템에 비해 용접 속도와 침투 깊이가 크게 증가했다.
예 8K
예 8 및 예 8G의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 스테인리스 스틸 샘플이 용접되고 평가된다. 결과는 1.2 m/min의 속도로 4 개의 304 스테인리스 스틸 시트를 중첩 용접한 것이다. 도 32에 도시된 단면도는 키홀 용접된 샘플의 고전적인 프로파일을 보여준다. 키홀 바닥의 다공도는 스택의 제 3 시트와 제 4 시트 사이의 간격으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 다공도는 이러한 용접 공정의 최적화에 의해 제거될 수 있다.
예 9
예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 무산소 구리 호일 스택에 대해 일련의 테스트가 수행되어 단일 패스에서 얼마나 많은 호일 시트를 겹침 용접할 수 있는 지를 결정한다. 실험 설정은 예 8과 동일하지만, 이제 고정구가 변경되고 부품 중앙 아래 틈에 작은 스틸 인서트가 사용된다. 호일이 제자리에 클램프 고정되고 빔 법선에 대해 20도 각도로 기울어진 샘플이 Ar-CO2 커버 가스와 함께 빔을 통과한다. 이들 테스트의 결과는 스택에서 최대 40개의 호일에 대해 도 33에 요약된다. 두 가지 상이한 렌즈 구성이 사용되어 광범위한 호일 두께와 스택에서 매우 양호한 결과를 얻을 수 있다.
도 34는 상부 표면에 다공성 및 스패터가 없는 40 구리 호일들의 성공적인 용접의 예의 사진이다. 이러한 호일 스택은 400 μm 스폿 크기에 대응하는 200 mm FL 렌즈로 500 와트에서 용접되었다. 용접 속도는 0.5 m/min이었다. 시트의 클램핑 방식은 용접 품질에 영향을 미칠 수 있으며, 시트의 우수하고 일관된 클램핑은 일관되게 고 품질 용접을 제공한다.
제목 및 실시예
본 명세서에서 제목의 사용은 명확성을 위한 것이며 어떤 식으로든 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 따라서, 제목 아래에 설명된 공정 및 개시 내용은 다양한 예를 포함한, 본 명세서 전체의 맥락에서 읽어야 한다. 본 명세서에서 제목의 사용은 본 발명이 제공하는 보호 범주를 제한해서는 안 된다.
본 발명의 실시예의 요지이거나 그와 관련된 신규하고 획기적인 공정, 재료, 성능 또는 기타 유익한 특징 및 특성의 근간이 되는 이론을 제공하거나 다룰 필요가 없음을 주목한다. 그럼에도 불구하고, 본 분야의 기술을 더욱 발전시키기 위해서 다양한 이론이 본 명세서에 제공된다. 이러한 명세서에 제시된 이론은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 청구된 발명에 부여되는 보호 범주를 한정하거나 제한하거나 좁히지 않는다. 이들 이론의 많은 것이 본 발명을 활용하기 위해서 요구되거나 실행되지 않는다. 또한, 본 발명은 본 발명의 방법, 물품, 재료, 장치 및 시스템의 구현예의 기능-특징을 설명하기 위해서 새롭고 지금까지 알려지지 않은 이론으로 이어질 수 있음을 이해해야 하며; 그 이후에 발전된 이론은 본 발명에 제공된 보호 범주를 한정하지 않는다.
본 명세서에 기재된 시스템, 장비, 기술, 방법, 활동 및 작동의 다양한 실시예는 본 명세서에 기재된 것 이외에 다양한 다른 활동 및 다른 분야에서 사용될 수 있다. 무엇보다도, 본 발명의 실시예는 특허 출원 공개 번호 WO 2014/179345, US 2016/0067780, US 2016/0067827, US 2016/0322777, US 2017/0343729, 2017/0341180, 및 US 2017/0341144 호의 방법, 장치 및 시스템과 함께 사용될 수 있으며, 이들 각각의 전체 개시내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 또한, 이들 실시예는 예를 들어, 미래에 개발될 수 있는 다른 장비 또는 활동과 함께, 그리고 본 명세서의 교시에 기초하여 부분적으로 수정될 수 있는 기존 장비 또는 활동과 함께 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 상이하고 다양한 조합으로 서로 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서의 다양한 실시예에서 제공되는 구성은 서로 사용될 수 있다. 예를 들어, A, A' 및 B를 갖는 실시예의 구성요소와 A'', C 및 D를 갖는 실시예의 구성요소는 본 명세서의 교시에 따라서, 다양한 조합, 예를 들어, A, C, D 및 A 그리고 A'' C 및 D 등으로 서로 사용될 수 있다. 본 발명에 제공된 보호 범주는 특정 실시예, 예, 또는 특정 도면의 실시예에 기재된 특정 실시예, 구성 또는 배열로 제한되어서는 안 된다.
본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성으로부터 벗어남이 없이 본 명세서에 구체적으로 개시된 것과 다른 형태로 구현될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 면에서 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며 제한적인 것이 아니다.
Claims (20)
- 복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법으로서,
a. 용접 스탠드에 복수의 구리 호일 조각을 위치시키는 단계로서, 호일이 적어도 약 50%의 구리를 함유하는, 단계;
b. 용접 스탠드에서 호일 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 구리 호일 조각에 클램핑력을 가하는 단계;
c. 복수의 구리 호일 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성:
ⅰ. 적어도 500 와트의 출력,
ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱,
ⅲ. 약 400 μm 이하의 스폿 크기,
ⅳ. 적어도 약 400 kW/cm2의 평균 강도,
ⅴ. 적어도 약 800 kW/cm2의 피크 강도를 가지는, 단계;
d. 용접 속도에서 복수의 구리 호일 조각을 함께 청색 레이저 빔 겹침 용접하는 단계: 및
e. 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며;
f. 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 겸침 용접을 제공하는;
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
빔은 CW 빔인,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
빔은 펄스형 빔인,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
빔은 약 450 nm의 파장을 가지는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
광학 요소는 렌즈, 섬유 면(face) 및 창(window)로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
세정 가스는 아르곤, 아르곤-CO2, 공기, 헬륨 및 질소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
레이저 빔은 요동되지 않아서서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
복수의 구리 호일 조각은 10 내지 50 개의 호일 조각을 가지는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
구리 호일 조각은 약 80 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
복수의 구리 호일 조각 각각은 약 80 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가지는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
용접 속도는 적어도 10 m/min인,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법. - 복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법으로서,
a. 용접 스탠드에 복수의 금속 조각을 위치시키는 단계;
b. 용접 스탠드에서 금속 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 금속 조각에 클램핑력을 가하는 단계;
c. 복수의 금속 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성:
ⅰ. 적어도 500 와트의 출력,
ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱,
ⅲ. 약 400 μm 이하의 스폿 크기,
ⅳ. 적어도 약 400 kW/cm2의 평균 강도,
ⅴ. 적어도 약 800 kW/cm2의 피크 강도를 가지는, 단계;
d. 용접 속도에서 복수의 금속 조각을 함께 청색 레이저 빔 용접하는 단계: 및
e. 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며;
f. 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 용접을 제공하는;
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
용접 스탠드는 금속 조각 아래에 에어 갭을 가지는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
금속은 알루미늄, 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄계 금속, 스테인레스 스틸계 금속, 구리계 금속, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 합금 및 구리 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
레이저 빔의 파장은 약 450nm인,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
레이저 빔은 요동되지 않아서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 16 항에 있어서,
용접은 겹침 용접, 맞대기 용접, 비드 온 플레이트 용접(bead on plate weld) 및 전도 모드 용접으로 구성된 용접 그룹으로부터 선택되는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
레이저 빔은 요동되지 않아서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
용접은 겹침 용접, 맞대기 용접, 비드 온 플레이트 용접(bead on plate weld) 및 전도 모드 용접으로 구성된 용접 그룹으로부터 선택되는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법. - 복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법으로서,
a. 용접 스탠드에 복수의 구리 호일 조각을 위치시키는 단계로서, 구리 호일이 적어도 약 50%의 구리를 함유하고, 구리 호일이 약 80 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는, 단계;
b. 용접 스탠드에서 호일 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 구리 호일 조각에 클램핑력을 가하는 단계;
c. 복수의 구리 호일 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성:
ⅰ. 적어도 600 와트의 출력,
ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱,
ⅲ. 약 200 μm 내지 약 400 μm의 스폿 크기,
ⅳ. 적어도 약 2.1 MW/cm2의 평균 강도,
ⅴ. 적어도 약 4.5 MW/cm2에 이르는 피크 강도를 가지는, 단계;
d. 적어도 10 m/min의 용접 속도에서 복수의 금속 조각을 함께 청색 레이저 빔 용접하는 단계: 및
e. 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며;
f. 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 용접을 제공하는;
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
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