KR20220071276A

KR20220071276A - 공작물 부품들의 모서리 연결을 위한 레이저 용접 방법

Info

Publication number: KR20220071276A
Application number: KR1020227015209A
Authority: KR
Inventors: 필립 슈아이블레; 요하네스 제바흐; 올리페어 복스록커
Original assignee: 트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2022-05-31
Also published as: DE102019215968A1; EP4045223B1; JP7362915B2; CN114585471B; JP2022552696A; HUE065276T2; CN114585471A; WO2021074419A1; EP4045223A1; PL4045223T3; US20220234139A1; ES2972020T3

Abstract

본 발명은, 공작물(1, 1b)의 레이저 용접을 위한 방법에 관한 것으로서, 여기서 용접 레이저 빔(11)에 의해, 공작물(1, 1b)의 2개의 공작물 부품(3a, 3b)의 모서리 접합부(2a, 2b) 상에 I-시임(8, 8b)이 용접되고, 이에 의해 상기 공작물 부품들(3a, 3b) 사이에 알루미늄 연결이 생성되며, 여기서 용접 레이저 빔(11)을 생성하기 위해, 출력 레이저 빔이 다중 클래드 섬유의, 특히 2-인(in)-1 섬유의, 제1 단부 내로 공급되고, 여기서 다중 클래드 섬유는, 적어도 하나의 코어 섬유 및 이러한 코어 섬유를 둘러싸는 환형 섬유를 포함하며, 여기서 출력 레이저 빔의 레이저 출력의 제1 부분(LK)이, 코어 섬유 내로 공급되고, 출력 레이저 빔의 레이저 출력의 제2 부분(LR)이, 환형 섬유 내로 공급되며, 여기서 다중 클래드 섬유의 제2 단부가, 공작물 상으로 투사되며, 그리고, 공작물의 레이저 용접은, 심용입 용접(deep welding)에 의해 수행된다. 본 방법은, 스패터(spatter)를 방지하는 가운데, 공작물 부품들의 특히 안정적인 모서리 연결을 생성한다.

Description

공작물 부품들의 모서리 연결을 위한 레이저 용접 방법

본 발명은, 공작물 부품들의 모서리 연결을 위한 레이저 용접 방법에 관한 것이다.

공작물 부품들을 연결하기 위한 레이저 용접 방법은, 종래 기술로부터 공지되어 있다.

US 2017/0334021 A1호는, 배터리와 같은 전자 장치의 제조 시 사용되는 레이저 용접 시스템을 개시하고, 이러한 레이저 용접 시스템은, 빔 프로파일을 갖는 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 소스를 갖는다. 빔 프로파일을 변경하기 위해, 레이저 용접 시스템은, 빔 성형 수단, 예를 들어 레이저 빔의 회절을 위한 광학적 요소, 및 레이저 빔의 적어도 일 부분이 차폐될 수 있게 하는 차폐 수단을 포함한다. 표적 빔 성형을 통해, 용접을 위해 필요한 레이저 빔의 출력 및 바람직하지 않은 부작용이 감소될 수 있다.

DE 10 2010 003 750 A1호는, 레이저 빔의 프로파일을 변화시키기 위한 방법을 개시한다. 레이저 빔은, 다중 클래드 섬유의 하나의 섬유 단부 내로 커플링되고, 다중 클래드 섬유의 다른 단부로부터 아웃 커플링된다. 이 경우, 입사되는 레이저 빔은, 적어도 다중 클래드 섬유의 내부 섬유 코어 내로 및/또는 다중 클래드 섬유의 외부 환형 코어 내로 커플링된다. 이를 통해, 커플링 전의 레이저 빔과 비교하여, 아웃 커플링 후의 레이저 빔의 프로파일의 변화가 야기된다.

공작물의 모서리 연결부 용접 시, 이를 위해 지금까지 사용된 방법에 의해서는, 예를 들어 기공 형태의 불안정이 공작물 내에 발생할 수 있고, 용융 재료의 스패터(spatter)가 배출될 수 있다.

본 발명의 목적은, 배터리 하우징에서 특히 예상되는 금속 용융물의 스패터가 발생하지 않는 가운데, 공작물 부품들의 모서리 연결의 특히 안정적인 생성을 제공하기 위한 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은, 공작물의 레이저 용접을 위한 방법으로서, 여기서 용접 레이저 빔에 의해, 공작물의 2개의 공작물 부품의 모서리 접합부 상에 I-시임이 용접되고, 이에 의해 공작물 부품들 사이에 알루미늄 연결이 생성되며, 용접 레이저 빔을 생성하기 위해, 출력 레이저 빔이, 다중 클래드 섬유의, 특히 2-인(in)-1 섬유의, 제1 단부 내로 공급되고, 여기서 다중 클래드 섬유는, 적어도 하나의 코어 섬유 및 이러한 코어 섬유를 둘러싸는 환형 섬유를 포함하au, 여기서 출력 레이저 빔의 레이저 출력의 제1 부분(LK)이 코어 섬유 내로 공급되고, 출력 레이저 빔의 레이저 출력의 제2 부분(LR)이, 환형 섬유 내로 공급되고, 여기서 다중 클래드 섬유의 제2 단부가, 공작물 상으로 투사되며, 그리고 공작물의 레이저 용접은, 심용입 용접(deep welding)에 의해 수행되는 것인, 공작물의 레이저 용접을 위한 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 용접 방법, 특히 공작물 기하학적 구조, 공작물 재료, 레이저 빔에 대한 빔 성형 및 방법적 관리의 본 발명에 따른 조합은, 스패터를 방지하는 가운데, 특히 안정적인 용접 연결을 생성한다. I-시임 형태의 용접 시임(weld seam)은, 낮은 노치 효과 및 용접 시임을 통과하는 방해받지 않는 힘의 흐름을 특징으로 한다. 이는 I-시임의 높은 안정성으로 이어진다. 재료로서 알루미늄은 비교적 가벼운 중량과 높은 강도 및 내구성을 가지므로, 이를 통해 용접 연결의 안정성이 또한 향상된다. 심용입 용접을 통해, 특히 깊은 용입 깊이가 달성된다. 다중 클래드 섬유로부터 나오는 레이저 빔은, 코어 섬유로부터 방출되는 코어 빔, 및 환형 섬유로부터 방출되는 환형 빔을 갖는, 빔 횡단면을 포함한다. 이를 통해, I-시임의 심용입 용접 시, 알루미늄 재료 내 스패터 생성이 최소화된다. 또한, 매끄러운 상측 비드 및 높은 기밀성을 포함하는 용접 시임이 생성되고, 이는 배터리 하우징의 제조 시, 특히 양호하게 적합한 것으로 입증되었다.

모서리 접합부 상에서는 특히 2개의 공작물 부품의 단부가 하나의 각도 하에서, 바람직하게는 직각으로 또는 75° 내지 105°의 대략적인 직각으로 서로 인접한다. 모서리 접합부 상의 I-시임의 경우, 공작물 부품들은, 특히 제1 공작물 부품의 길이 방향 축이 그 연장부에서 제2 공작물 부품의 단부를 관통하는 방식으로 배치되고, 여기서 I-시임은, 제1 공작물 부품의 전체 폭을 가로질러 길이 방향 축에 대해 횡방향으로, 특히 수직으로 연장된다.

공작물 부품들의 접경 표면은, 특히 용접 레이저 빔의 빔 방향(빔 전파 방향)에 평행하거나 또는 거의 평행하게 위치된다. 특히, 공작물 부품들의 접경 표면은, 레이저 빔의 빔 방향에 대해 15° 내지 -15°, 바람직하게는 5° 내지 -5°의 최대 각도로 정렬된다. 일반적으로, 공작물 부품들 중 하나는, 접경 표면으로부터 수직으로 멀어지도록 연장되고, 공작물 부품들 중 하나는 접경 표면에 평행하게 연장된다. 공작물 상의 용접 레이저 빔의 진입 측면 상에서, 공작물 부품들은, 일반적으로 빔 방향에 대해 정렬된다. 공작물 부품들은, 실질적으로 알루미늄으로 이루어지며, 예를 들어 전기 절연을 위해 플라스틱 코팅을 포함할 수 있다.

심용입 용접 체제에서의 본 발명에 따른 용접 방법 시, 비교적 높은 출력 밀도를 갖는 레이저가 사용되며, 이에 의해 레이저는, 용접 중에 증기를 생성한다. 증기는, 용접 중에 발생되는 용융물을 밀어낸다. 이를 통해, 증기로 채워진 깊은 구멍인, 증기 모세관이 형성된다. 금속 용융물은, 증기 모세관을 둘러싸고, 후면에서 응고된다.

레이저 빔을 생성하기 위해 다중 클래드 섬유 없이 레이저 용접될 때, 공작물의 증기 모세관에는 종종 과압이 형성되고, 이는 증기 모세관의 돌출을 발생시킨다. 이러한 돌출부는 확대되어 폭발적으로 개방되고, 여기서 용융물이 스패터 형상으로 방출된다. 또한, 레이저 빔에 대면하는 증기 모세관의 측면 상의 금속 용융물의 변동은 종종, 금속 용융물의 스패터를 발생시킨다. 증기 모세관에는, 금속 용융물의 흐름을 방해하여 이에 따라 스패터의 발생을 촉진시키는, 날카로운 에지가 형성될 수 있다. 돌출부는 또한, 공작물에 기공을 생성할 수도 있다.

빔 성형을 위해 본 발명에 따라 사용되는 다중 클래드 섬유는, 적어도 하나의 코어 섬유(전체 프로파일 섬유) 및 코어 섬유를 둘러싸는 환형 섬유(중공 프로파일 섬유)를 포함한다. 환형 섬유는, 특히 리세스가 있는, 원주 방향으로 폐쇄된 섬유로서 형성된다. 코어 섬유 및 환형 섬유는, 예를 들어 정사각형 형상의 임의의 횡단면 프로파일을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 코어 섬유 및 환형 섬유는, 원형 또는 환형 횡단면을 포함한다. 바람직하게는, 다중 클래드 섬유는, 코어 섬유와 환형 섬유를 갖는, 2-인(in)-1 섬유로 형성된다. 다중 클래드 섬유로부터 나오는 레이저 빔은, 코어 섬유로부터 방출되는 코어 빔, 및 환형 섬유로부터 방출되는 환형 빔을 갖는, 빔 횡단면을 구비한다. 코어 빔 및 환형 빔의 강도는, 출력 레이저 빔의 공급되는 레이저 출력의 제1 부분(LK) 또는 제2 부분(LR)에 의해 결정된다.

용접 레이저 빔의 빔 프로파일은, 출력 레이저 빔과 비교하여, 특정 코어 강도와 특정 환형 강도의 상호 작용이 공작물 내 에너지 결합을 변경시켜, 증기 모세관의 특성 및 용융 조 역학(weld pool dynamics)이 영향을 받는다는 점에서 변화된다. 이를 통해, 빔 성형 방식의 용접, 특히 스패터가 거의 발생하지 않는 심용입 용접이, 열전도 용접에서와 같은 시임 상측 비드(seam upper bead) 품질로, 매우 높은 이송 속도로 가능해진다.

환형 빔은, 특히 레이저 빔에 의해 조사되는 공작물의 측면 상에서, 증기 모세관의 개구부가 확대되도록, 그리고 증기 모세관으로부터의 가스의 배출이 용이해지도록 작용할 수 있다. 즉, 환형 강도에 의해 증기 모세관이 상부에서 보다 개방되므로, 금속 증기가 방해받지 않거나 또는 거의 방해받지 않고 유출될 수 있다. 이를 통해, 증기 모세관 내 돌출부의 형성 및 스패터의 발생이 대부분 억제된다. 증기 모세관 내의 가스 압력 및 이에 대응하여 용융 조에 대한 작용이 감소되기 때문에, 스패터 생성은 최소화된다. 환형 빔은 또한, 상부로부터(레이저 빔의 전파 방향으로) 임펄스를 용융 조 내로 전달하는데, 이러한 임펄스는, 증기 모세관의 후면 상의 용융된 재료의 가속 방향과 반대되고, 이를 통해 또한 스패터 생성이 감소된다. 스패터의 발생을 촉진하는 변동은, 환형 빔에 의해 억제된다. 용접 시임 내로의 열 전도는, 용접 시임의 보다 넓은 확장부를 발생시킨다. (열전도 용접과 유사한) 매끄러운 시임 상측 비드 및 높은 기밀성을 포함하는 용접 시임이 생성된다.

본 발명자들은, 본 발명의 범위 내에서 (본 발명에 따른 빔 성형이 없는) 종래의 기술과 비교하여, 최대 90%까지의 스패터 생성의 감소가 달성될 수 있다는 것을 고속 기록에 의해 관찰하였다. 본 발명자들은 또한, 종래 기술(대략 4 m/분)에서보다 약 7.5배 더 높은 이송 속도(대략 30 m/분)에서도 스패터 생성의 상당한 감소를 관찰하였다. 본 발명자들은 또한, 본 발명에 따른 기술의 적용을 통해, 다른 용접 방법으로 용접된 용접 시임에 비해 명백히 더 매끄러운 용접 시임 상측 비드가 달성될 수 있는 것을 발견하였다.

본 발명에 따른 방법은, 모서리 접합부 상에의 I-시임 사용, 알루미늄의 사용을 통해 그리고 다중 클래드 섬유를 갖는 심용입 용접을 통해, 배터리 하우징에 단락 위험이 낮고 기밀성이 높은 안정적인 모서리 연결을 생성하는데 적합하다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 코어 섬유를 위한 레이저 출력의 제1 부분(LK) 및 환형 섬유를 위한 레이저 출력의 제2 부분(LR)은, 0.15 ≤ LK/(LK+LR) ≤ 0.50, 바람직하게는 0.25 ≤ LK/(LK+LR) ≤ 0.45, 특히 바람직하게는 LK/(LK+LR) = 0.35로 선택되었다.

코어 섬유 및 환형 섬유를 위한 레이저 출력의 이러한 각각의 비율은, 스패터를 방지하는 가운데, 깊은 침투 깊이를 갖는 용접 프로세스를 발생시키고, 배터리 하우징의 제조에 특히 유용한 것으로 입증되었다. 코어 섬유를 위한 레이저 출력의 비율이 낮은 경우에는 환형 섬유를 위한 레이저 출력의 비율이 우세하므로, 레이저 용접 프로세스는, 다시 균질한 섬유를 사용한 레이저 용접의 경우와 유사하게 된다. 이것은 코어 섬유를 위한 레이저 출력의 상기 지정된 것보다 더 큰 비율에도 또한 적용되고, 이 경우 코어 섬유를 위한 레이저 출력의 비율은, 환형 섬유를 위한 비율보다 더 우세하다.

레이저 용접이, v ≥ 7 m/분, 특히 v ≥ 10 m/분, 바람직하게는 v ≥ 20 m/분, 특히 바람직하게는 v ≥ 30 m/분인, 이송 속도(v)로 일어나는, 실시예가, 유리하다. 이러한 이송 속도는, 본 발명의 범위 내에서, 2 내지 6 kW의 일반적인 레이저 출력, 파장 1030 nm,에서, (빔 방향으로 더 작은 공작물 부품의) 접합부 상의 0.5 mm - 2 mm의 일반적인 공작물 두께에서, 스패터가 거의 없는 방식으로 양호하게 구현될 수 있다.

또한, 다중 클래드 섬유의 제2 단부가, VF > 1.0, 특히 VF ≥ 1.5, 바람직하게는 VF ≥ 2.0인, 배율 인자(VF)만큼 확대되는 방식으로, 공작물 상으로 투사되는 실시예가 바람직하다. 이러한 확대의 경우, 레이저 빔의 비교적 작은 발산각이 달성될 수 있고; 공작물에 대한 레이저 빔의 반사가 최소화된다. 작은 발산각에 의해, 절연 재료의 연소가 또한 보다 양호하게 방지될 수 있다. 용접 프로세스는, 공작물의 표면으로부터 용접 레이저 빔의 초점의 거리와 관련하여, 더 큰 허용 오차로 수행될 수 있다.

또한, 출력 레이저 빔이, 고체 레이저, 특히 디스크 레이저로 생성되는 실시예가 바람직하다. 고체 레이저는, 비용 효율적이고, 실제로 본 발명에 유용한 것으로 입증되었다. 디스크 레이저는, 작동 중 레이저 크리스탈의 우수한 냉각 옵션을 특징으로 하며, 이는 레이저 빔의 포커싱 능력에 긍정적인 영향을 미친다.

다중 클래드 섬유가, 코어 섬유의 직경(DK) 및 환형 섬유의 직경(DR)에 대해: 2.5 ≤ DR/DK ≤ 6, 바람직하게는 3 ≤ DR/DK ≤ 5가 적용되도록 선택되는 실시예가, 또한 바람직하다. 일반적으로 코어 섬유에는, 50 ㎛ ≤ DK ≤ 250 ㎛ 또는 100 ㎛ ≤ DK ≤ 200 ㎛가 적용된다. 일반적으로 환형 섬유에는, 100 ㎛ ≤ DR ≤ 1000 ㎛ 또는 150 ㎛ ≤ DR ≤ 900 ㎛ 또는 150 ㎛ ≤ DR ≤ 500 ㎛가 또한 적용된다. 이러한 직경 조건에서는, 용접 프로세스가 비교적 적은 프로세스 시간으로 수행될 수 있다.

또한, 빔 전파 방향으로 초점을 맞춘 용접 레이저 빔은, 공작물의 표면에 대해, |MHO| ≤ 1.5 mm, 바람직하게는 |MHO| ≤ 1.0 mm, 특히 바람직하게는 |MHO| ≤ 0.5 mm인, 최대 높이 오프셋(MHO)을 갖는 실시예가 유리하다. 높이 오프셋의 이러한 범위에서, 코어 빔과 환형 빔 사이의 강도 분포의 국부적인 환형 최소값이 나타난다. 이는 용접 프로세스 동안 스패터의 방지에 특히 긍정적인 영향을 미친다.

마찬가지로, 용접 레이저 빔은, 공작물 부품들의 접경 표면에 대해 공작물 상에서, |MLO| ≤ 0.2 mm, 바람직하게는 |MLO| ≤ 0.1 mm인, 최대 측면 오프셋(MLO)을 갖는 실시예가 유리하다. 측면 오프셋(MLO)의 이러한 범위에서, 용접 프로세스 동안 비교적 매끄러운, 특히 형성된 모서리에 걸쳐 둥근 용접 시임 상측 비드가 달성된다.

유리하게는, 일 실시예에서 공작물 부품들은, 레이저 용접 도중에 편평하게 클램핑되고, 여기서 공작물 부품들 사이에, MS ≤ 0.1 mm인, 최대 갭 폭(MS)이 획득된다. 이러한 갭 폭에서, 용접 도중에 용접 시임 내 재료의 균질한, 기공이 거의 없는, 분포가 달성된다.

바람직하게는, 일 변형예에서 또한, 공작물 부품들은, 모서리 접합부에서, 용접 레이저 빔의 빔 전파 방향으로 정렬되거나, 또는 서로에 대해, SH ≤ 0.3 mm, 바람직하게는 SH ≤ 0.2 mm, 특히 바람직하게는 SH ≤ 0.1 mm인 단차 높이(SH)를 갖는, 단차를 동반하도록 배치된다. 이러한 최대 단차 높이에 의해, 우수한 품질의 용접 시임이 제조될 수 있다.

본 발명은 또한, 배터리 하우징을 제조하기 위한 선행 실시예들 중 하나에 따른 방법의 용도로서, 여기서 공작물 부품들은, 배터리 하우징의 부품들이고, 특히 공작물 부품들 중 하나는, 배터리 하우징을 폐쇄하는 커버인 것인, 용도를 포함한다.

배터리 하우징의 부품들은, 본 방법을 통해, 특히 안정적으로, 신속하게 그리고 스패터 없이 연결될 수 있다. 완성 제조된 하우징은, 신뢰성있게 밀폐되고, 특히 기밀된다.

본 발명의 추가의 이점들은, 본원의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해진다. 마찬가지로, 상기 언급된 및 이하에서 계속 설명되는 특징들은, 본 발명에 따라 각각 개별적으로 그 자체로 또는 복수의 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 도시되고 설명되는 실시예들은, 최종적인 목록으로서 이해되어서는 안 되고, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 특성을 갖는다.

본 발명은 도면에 도시되어 있고, 예시적인 실시예에 기초하여 보다 상세히 설명된다.

도 1a는 본 발명에 따른 모서리 접합부의 용접을 위한 레이저 빔과 제1 모서리 접합부의 용접 상황의 개략도를 도시한다.
도 1b는 본 발명에 따른 모서리 접합부의 용접을 위한 레이저 빔과 제2 모서리 접합부의 용접 상황의 개략도를 도시한다.
도 1c는, 본 발명에 따른 용접 상황에서 모서리 형상으로 배치된, 갭이 있는 제1 및 제2 공작물 부품의 개략도를 도시한다.
도 1d는 모서리 형상으로 배치된 제1 및 제2 공작물 부품이 있는 본 발명에 따른 용접 상황의 개략도를 도시하고, 여기서 레이저 빔은 공작물 부품들의 표면을 따라 공작물 부품들의 접경 표면에 대해 오프셋된다.
도 1e는 모서리 형상으로 배치된 제1 및 제2 공작물 부품이 있는 본 발명에 따른 용접 상황의 개략도를 도시하고, 여기서 레이저 빔의 초점은 공작물 부품들의 표면으로부터 이격되어 있다.
도 1f는 모서리 형상으로 배치된 제1 및 제2 공작물 부품이 있는 본 발명에 따른 용접 상황의 개략도를 도시하고, 여기서 공작물 부품들은 단차를 형성한다.
도 2는 본 발명을 위한 다중 클래드 섬유로 레이저 빔을 생성하기 위한 장치를 도시한다.
도 3a는 본 발명을 위한 레이저 빔의 전파 방향에 대해 횡방향으로 다중 클래드 섬유로부터 도 2에 도시된 바와 같이 아웃 커플링된 레이저 빔의 개략적인 강도 프로파일을 도시한다.
도 3b는 레이저 빔의 전파 방향에 대해 횡방향으로 다중 클래드 섬유로부터 아웃 커플링된 도 3a의 레이저 빔의 평면 횡단면을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 용접 방법 동안 및 다중 클래드 섬유로부터 아웃 커플링된 레이저 빔이 있는 용융 조 및 증기 모세관의 개략도를 도시한다.
도 5a는 단일 코어 섬유로부터 아웃 커플링된 레이저 빔으로 생성된 용접 시임 영역의 모서리 접합부 상의 용접된 공작물을 통한 단면도를 도시한다.
도 5b는 다중 클래드 섬유로부터 아웃 커플링된 레이저 빔으로 본 발명에 따라 생성된 용접 시임 영역의 모서리 접합부 상의 용접된 공작물을 통한 단면도를 도시한다.

본 발명은, 배터리 하우징(소위 "캔 캡(Can-Caps)")에서 일반적으로 이용하는 바와 같은 접합 상황인 알루미늄 연결 시, 모서리 접합부 상에의 I-시임의 생성에 관한 것이다. 배터리 셀 하우징의 레이저 용접 시, 용접 프로세스 동안 요구되는 높은 이송 속도로 인해 종종 용접 스패터 및 용접 시임의 균일하지 않은 상측 비드가 발생할 수 있다. 다중 클래드 섬유에 의해 생성된 빔 프로파일을 제공하는 본 발명에 의해, 용접 시임이 평활화되고 스패터의 생성이 최소화되어, 단락의 위험이 낮아지고 기밀성은 높아진다. 이를 통해, 종래 기술에 비해 생산 안정적인 이송 속도의 향상이 명백히 가능해진다.

도 1a는, 제1 공작물 부품(3a) 및 제2 공작물 부품(3b)을 포함하는, 제1 모서리 접합부(2a)를 갖는 공작물(1)을 도시한다. 제1 공작물 부품(3a)은, 여기서 제2 공작물 부품(3b)의 폭(B₂)보다 더 큰 폭(B₁)을 포함한다. 공작물 부품들(3a, 3b)은, 직각의 내부 모서리(4)를 동반하는 가운데 서로에 대해 위치된다. 제1 공작물 부품(3a)의 절두형 단부(5a)가, 제2 공작물 부품(3b)의 일 단부(6a) 상에 배치된다. 제1 공작물 부품(3a)의 길이 방향 축(7a)은, 그의 연장부에서 제2 공작물 부품(3b)의 단부(6a)를 관통한다. I-시임(8) 형태의 용접 시임을 생성하기 위해, 공작물(1)의 표면(9)은, 공작물 부품들(3a, 3b)이 서로 인접하는 접경 표면(10) 상에서 용접 레이저 빔(11)으로 조사된다. 용접 레이저 빔(11)은, 다중 클래드 섬유(도 2 참조)로부터 아웃 커플링된다. 공작물 부품들(3a, 3b)의 접경 표면(10)은, 용접 레이저 빔(11)의 빔 전파 방향(12)에 평행하게 위치된다. 제1 (더 넓은) 공작물 부품(3a)은, 접경 표면(10)으로부터 수직으로 멀어지도록 연장되고, 제2 (더 작은 폭의) 공작물 부품(3b)은, 접경 표면(10)에 평행하게 연장된다. 공작물(1) 상의 용접 레이저 빔(11)의 진입 측면 상에서, 공작물 부품들(3a, 3b)은, 빔 전파 방향(12)에 대해 정렬된다. 용접 레이저 빔(11)은, 공작물(1)의 직각의 내부 모서리(4)에 대해 반대쪽에 있는, 2개의 공작물 부품(3a, 3b)을 포함하는 공작물(1)의 측면으로부터, 조사된다. 공작물 부품들(3a, 3b)은 각각, 알루미늄 함유 재료, 특히 알루미늄 3003으로 제조되고, 일반적으로 0.5 mm 내지 2.0 mm의 폭(B₁, B₂)을 구비한다. 공작물 부품들(3a, 3b)의 배치는, 특히 배터리 하우징의 모서리 연결의 개략도를 나타낸다.

도 1b에 도시된 용접 상황은 도 1a에 도시된 용접 상황과 유사하다. 도 1a의 배치와는 상이하게, 제2 (더 작은 폭의) 공작물 부품(3b)은, 접경 표면(10)으로부터 수직으로 멀어지도록 연장되고, 제1 (더 넓은) 공작물 부품(3a)은, 접경 표면(10)에 평행하게 연장된다. 더 얇은 제2 공작물 부품(3b)은 특히, 더 두꺼운 제1 공작물 부품(3a)에 대해 수직으로 연장된다. 더 얇은 제2 공작물 부품(3b)은 특히, 더 두꺼운 제1 공작물 부품(3a)의 측면 상에 용접된다. 제2 공작물 부품(3b)의 길이 방향 축(7b)은, 그 연장부에서 제1 공작물 부품(3a)의 단부(5b)를 관통한다.

도 1c는 본 발명에 따른 용접 상황에서 모서리 형상으로 배치된 제1 및 제2 공작물 부품(3a^(I), 3b^(I))의 개략도를 예시적으로 도시하고, 공작물 부품들(3a^(I), 3b^(I)) 사이에, 0.1 mm의 최대 갭 폭(MS) 및 용접 레이저 빔(11)이 배치되어 있다. 갭 폭(MS) 및 용접 레이저 빔(11)의 빔 발산은, 크게 과장된 방식으로 도시되어 있다는 점에 유의해야 한다(다른 도면들에 대해서도 또한 대응하게 적용됨).

도 1d는 모서리 형상으로 배치된 제1 및 제2 공작물 부품(3a^(I), 3b^(I))이 있는 용접 상황의 개략도를 예시적으로 도시하고, 여기서 용접 레이저 빔(11)은, 공작물 부품들(3a^(I), 3b^(I))의 표면을 따라 공작물 부품들(3a^(I), 3b^(I))의 접경 표면(10)에 대해 오프셋된다. 용접 레이저 빔(11)은 특히, 공작물 부품들(3a^(I), 3b^(I))의 접경 표면(10)에 대해 0.2 mm의 최대 측면 오프셋(MLO)을 갖는다.

도 1e는 모서리 형상으로 배치된 제1 및 제2 공작물 부품(3a^(I), 3b^(I))이 있는 용접 상황의 개략도를 예시적으로 도시하고, 여기서 용접 레이저 빔(11)의 초점(F)은, 공작물 부품들(3a^(I), 3b^(I))의 표면으로부터 상부를 향해 이격되어 있다. 공작물 부품들(3a^(I), 3b^(I))을 용접하기 위한 용접 레이저 빔(11)의 초점(F)은, 특히 공작물의 표면에 대해, 1.5 mm의 최대 높이 오프셋(MHO)을 갖는한다. 높이 오프셋(MHO)은 또한, 초점(F)이 공작물의 표면 아래에 위치되도록 설정될 수도 있다는 점에 유의해야 한다(상세히 도시되지는 않음).

도 1f는 배터리 하우징의 용접 시 접합 공차로 인해 종종 발생하는 바와 같은, 본 발명에 대한 용접 상황의 개략도를 예시적으로 도시한다. 제1 공작물 부품(3a)은 여기서 수직으로 정렬되고, 바닥(39) 상에 안착되며; 배터리 하우징의 캔 몸체(can) 또는 캔 몸체의 일부에 의해 형성된다. 이러한 캔 몸체는, 커버(cap)로 폐쇄되어야 한다. 제2 공작물 부품(3b)은, 이러한 커버 또는 그 일부를 형성한다. 공작물 부품들(3a, 3b)은, 그 접경 표면(10) 상에서 기밀 방식으로 서로 용접되어야 한다.

용접 레이저 빔(11)이 전파되는, (여기서) 수직인 빔 전파 방향(12)의 방향으로 공작물 부품들(3a, 3b)이 여기서 약간 오프셋된 방식으로 배치되어 있고; 이에 대응하여 접경 표면(10)에 인접하게, 단차(40)가 형성된다. 단차(40)의 방향(R)으로의 단차 높이(SH)는, 일반적으로 최대 0.3 mm, 바람직하게는 최대 0.1 mm이다.

용접 레이저 빔(11)의 초점(F)은, 일반적으로 바닥(39) 상에 위치된 제1 공작물 부품(3a)의 입사된 용접 레이저 빔(11)을 대면하는 상부 측면(41)의 에지 상에, 여기서는 높이 오프셋 없이, 정렬된다. 초점(F)은 여기서, 용접 레이저 빔(11)의 측면 경계 라인의 병목 지점을 통해, 인식될 수 있다.

도 2는 본 발명을 위한 다중 클래드 섬유(18)로 용접 레이저 빔(11)을 생성하기 위한 레이저 시스템(17)을 도시한다. 출력 레이저 빔(19)은, 반경 방향으로 상이한 굴절률(n₁, n₂, n₃, n₄)의 층들(21a, 21b, 21c, 21d)을 포함하는 다중 클래드 섬유(18)의 제1 섬유 단부(20a) 내로 커플링된다. 또한, 용접 레이저 빔(11)은, 다중 클래드 섬유(18)의 제2 단부(20b)로부터 아웃 커플링된다. 출력 레이저 빔(19)이, 여기서 광학적 웨지(24a)의 형태인 편향 광학기(24)를 통해 상이한 전력 비율(LK, LR)로, 적어도 다중 클래드 섬유(18)의 직경(DK)을 갖는 내부 코어 섬유(25) 내로 커플링되고, 다중 클래드 섬유(18)의 직경(DR)을 갖는 환형 섬유(26) 내로 커플링됨으로써, 유출되는 용접 레이저 빔(11)의 빔 프로파일이 변경된다. 이 경우, 본 발명을 위해 제공되는 광학적 웨지(24a)의 중간 위치에서, 출력 레이저 빔(19)의 빔 성분(StrA₁)이, 광학적 웨지(24a)에 의해 편향되고 층(21c) 내로 공급되는 반면, 출력 레이저 빔(19)의 제2 빔 성분(StrA₂)은, 출력 레이저 빔(19)의 빔 방향에 대해 방해받지 않고 광학적 웨지(24a)의 상류에서 직선으로 계속 전파되고 층(21a) 내로 공급된다. 도시된 실시예에서, 다중 클래드 섬유(18)는, 내부 코어 섬유(25) 및 외부 환형 섬유(26)를 갖는, 2-인(in)-1 섬유로서 형성된다. 내부 코어 섬유(25)는 특히 층(21a)에 의해 형성되고, 환형 섬유(26)는 특히 층(21c)에 의해 형성된다. 다른 층들(21b, 21d)은, 빔 성분들(StrA₁, StrA₂)이 내부 코어 섬유(25)와 외부 환형 섬유(26) 사이를 통과하는 것을 저지할 수 있도록 라이닝 역할을 한다. 특히, 층(21a)의 굴절률(n₁) 및 층(21c)의 굴절률(n₃)은, 층(21b)의 굴절률(n₂) 및 층(21d)의 굴절률(n₄)보다 더 크다. 다중 클래드 섬유(18)의 제2 단부(20b)는, 공작물(도 1a 참조) 상에서 특히 2.0보다 큰 배율 인자(VF)로 확대되는 방식으로 투사된다(상세히 도시되지 않음).

도 3a는 공작물의 표면(9)에 대해 1.5 mm의 바람직한 최대 높이 오프셋(MHO) 내에 초점이 있는(도 1c 참조), 공작물의 표면(9) 근처의 용접 레이저 빔(11)의 전파 방향(도 1a 참조)에 대해 횡방향인 방향(x)으로, 다중 클래드 섬유(18)로부터 아웃 커플링된 용접 레이저 빔(11)(예를 들어 도 2 참조)의 강도(27)의 프로파일을 도시한다. 환형 빔(28), 즉 환형 섬유(26)(도 2 참조)로부터의 레이저 빔의 강도(27a)는, 여기서 코어 빔(29), 코어 섬유(25)(도 2 참조)로부터의 레이저 빔의 방향으로 그리고 코어 빔(29)으로부터 멀어지는 반경 방향으로 외부를 향해 감소한다. 그 사이에서, 환형 빔(28)의 강도(27a)는 거의 일정하다. 코어 빔(29)의 강도(27b)는, 환형 빔(28)의 강도보다 더 높다. 따라서, 환형 빔(28)과 코어 빔(29) 사이에, 강도(27)의 국부적인 최소값(27c)이 위치된다.

도 3b는 환형 빔(28), 코어 빔(29) 및 환형 빔(28)과 코어 빔(29) 사이의 강도의 국부적인 최소값(27c)을 갖는, 공작물의 표면에 대해 1.5 mm의 바람직한 최대 높이 오프셋(MHO) 내의 공작물의 표면 근처의 용접 레이저 빔(11)의 전파 방향에 대해 횡방향인, 다중 클래드 섬유(18)로부터 아웃 커플링된 도 3a의 용접 레이저 빔(11)의 평면 횡단면을 개략적으로 도시한다. 환형 빔(28) 및 코어 빔(29)의 프로파일은 또한, 각각 다른 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 사각형일 수 있다. 코어 빔(29)을 통한 강도의 통합은 코어 빔(29)의 빔 출력을 제공하며, 이러한 빔 출력은 특히 용접 레이저 빔(11)의 총 출력의 25% 내지 50%이다.

도 4는 다중 클래드 섬유로부터 아웃 커플링된 레이저 빔(도 3 참조)에 의한 본 발명에 따른 용접 방법 동안 용융 조 및 내부에 위치된 증기 모세관(30)의 개략도를 도시한다. 코어 빔(29)은 실질적으로 증기 모세관(30)의 깊이(31)를 결정한다. 용융물은 용접 레이저 빔(11)의 이송 방향(33b)과 관련하여 증기 모세관(30)의 전면에서 증기 모세관(30)의 바닥의 방향으로 하부를 향해 흐른다. 증기 모세관(30)의 후면에서 용융물은 상부를 향해 흐른 다음, 용접 레이저 빔(11)으로부터 멀어지도록 하류를 향해 흐른다. 증기 모세관(30)의 개구부(32)는, 환형 빔(28)에 의해 확대되고 증기 모세관(30)으로부터 가스의 배출이 용이해진다. 용접 방법 동안 생성된 가스의 동적 압력 및 이에 따라 가스 입자가 용융물 상으로 전달하는 각각의 임펄스가, 보다 낮아진다. 이를 통해, 용융물 내의 유속이 감소된다. 용접 방법 동안 보다 적은 수의 용융물 스패터가 배출된다. 또한, 환형 빔(28)은, 증기 모세관(30)의 표면을 향한 용융물의 흐름 방향과 반대로 지향되는 임펄스로 용융물 상에 작용하고, 마찬가지로 스패터의 방출을 상쇄시킨다. 용융된 재료의 흐름 방향(33a)은, 속이 빈 화살표에 의해 개략적으로 도시되어 있다. 증기 모세관(30)의 가스 흐름은, 화살표(33c)로 표시되어 있다.

도 5a는, 단일 코어 섬유로부터 아웃 커플링된 레이저 빔으로 생성된 I-시임(8a)이 있는, 용접된 공작물(1a)을 통한 단면도를 도시한다. 용접 시임(8a)의 폭(34a) 및 깊이(31a)는, 막대를 통해 도시되어 있다. 용접 시임(8a)은, 1.22 mm의 용접 시임(8a)의 깊이(31a)에서 1.41 mm의 비교적 작은 폭(34a)(도 5b 참조)을 구비한다. 용접 시임이 생성된 증기 모세관은 이에 대응하여 상대적으로 작은 폭을 구비하므로, 레이저 용접 시 생성된 가스는 증기 모세관으로부터 비교적 느리게 빠져나갈 수 있다. 빔 프로파일에 의해 성형된 에지(35)는, 레이저 빔으로부터 멀리 외부를 향해 용융 재료의 흐름을 계속 어렵게 한다. 용접 도중에 생성된 과압에 의해, 용접 시임(8a)에 할당된 증기 모세관의 돌출부가 형성되고 스패터가 배출된다. 용접 시임(8a)은 또한, 비교적 높은 굴곡을 구비한다.

도 5b는, 다중 클래드 섬유(도 2 참조)로부터 아웃 커플링된 레이저 빔으로 생성된 I-시임(8b)이 있는, 용접된 공작물(1b)을 통한 단면도를 도시한다. 용접 시임(8b)은, 1.34 mm의 용접 시임(8b)의 깊이(31b)에서 도 5a에 도시된 용접 시임(8a)의 경우보다 더 큰 1.56 mm의 폭(34b)을 구비한다. 용접 시임이 생성된 증기 모세관은 이에 대응하여 더 큰 폭을 구비하므로, 레이저 용접 시 생성된 가스는, 증기 모세관으로부터 비교적 쉽게 빠져나갈 수 있다. 이를 통해, 용접 시임(8b)에 할당된 증기 모세관 내의 과압이 방지되고 스패터가 억제된다. 용접 시임(8b)은 또한, 비교적 낮은 굴곡을 구비한다.

Claims

공작물(1, 1b)의 레이저 용접을 위한 방법으로서,
용접 레이저 빔(11)에 의해, 상기 공작물(1, 1b)의 2개의 공작물 부품(3a, 3b, 3a^(I), 3b^(I))의 모서리 접합부(2a, 2b) 상에 I-시임(8, 8b)이 용접되고, 이에 의해 상기 공작물 부품들(3a, 3b, 3a^(I), 3b^(I)) 사이에 알루미늄 연결이 생성되며,
상기 용접 레이저 빔(11)을 생성하기 위해, 출력 레이저 빔(19)이, 다중 클래드 섬유(18)의, 특히 2-인(in)-1 섬유의, 제1 단부(20a) 내로 공급되고,
상기 다중 클래드 섬유(18)는, 적어도 하나의 코어 섬유(25) 및 상기 코어 섬유(25)를 둘러싸는 환형 섬유(26)를 포함하며,
상기 출력 레이저 빔(19)의 레이저 출력의 제1 부분(LK)이, 상기 코어 섬유(25) 내로 공급되고, 상기 출력 레이저 빔(19)의 레이저 출력의 제2 부분(LR)이, 상기 환형 섬유(26) 내로 공급되며,
상기 다중 클래드 섬유(18)의 제2 단부(20b)가, 상기 공작물(1, 1b) 상으로 투사되며, 그리고
상기 공작물(1, 1b)의 상기 레이저 용접은, 심용입 용접(deep welding)에 의해 수행되는 것인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 코어 섬유(25)를 위한 상기 레이저 출력의 상기 제1 부분(LK) 및 상기 환형 섬유(26)를 위한 상기 레이저 출력의 상기 제2 부분(LR)은, 0.15 ≤ LK/(LK+LR) ≤ 0.50, 바람직하게는 0.25 ≤ LK/(LK+LR) ≤ 0.45, 특히 바람직하게는 LK/(LK+LR) = 0.35로 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 레이저 용접은, v ≥ 7 m/분, 특히 v ≥ 10 m/분, 바람직하게는 v ≥ 20 m/분, 특히 바람직하게는 v ≥ 30 m/분인, 이송 속도(v)로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다중 클래드 섬유(18)의 상기 제2 단부(20b)는, VF > 1.0, 특히 VF ≥ 1.5, 바람직하게는 VF ≥ 2.0인, 배율 인자(VF)만큼 확대되는 방식으로, 상기 공작물(1, 1b) 상으로 투사되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출력 레이저 빔(19)은, 고체 레이저로, 특히 디스크 레이저로, 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다중 클래드 섬유(18)는, 상기 코어 섬유(25)의 직경(DK) 및 상기 환형 섬유(26)의 직경(DR)에 대해: 2.5 ≤ DR/DK ≤ 6, 바람직하게는 3 ≤ DR/DK ≤ 5가 적용되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
빔 전파 방향(12)으로 초점을 맞춘 상기 용접 레이저 빔(11)은, 상기 공작물(1, 1b)의 표면에 대해, |MHO| ≤ 1.5 mm, 바람직하게는 |MHO| ≤ 1.0 mm, 특히 바람직하게는 |MHO| ≤ 0.5 mm인, 최대 높이 오프셋(MHO)을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 레이저 빔(11)은, 상기 공작물 부품들(3a, 3b, 3a^(I), 3b^(I))의 접경 표면(10)에 대해 상기 공작물(1, 1b) 상에서, |MLO| ≤ 0.2 mm, 바람직하게는 |MLO| ≤ 0.1 mm인, 최대 측면 오프셋(MLO)을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공작물 부품들(3a, 3b, 3a^(I), 3b^(I))은, 상기 레이저 용접 도중에 편평하게 클램핑되고, 상기 공작물 부품들(3a, 3b, 3a^(I), 3b^(I)) 사이에, MS ≤ 0.1 mm인, 최대 갭 폭(MS)이 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공작물 부품들(3a, 3b, 3a^(I), 3b^(I))은, 상기 모서리 접합부(2a, 2b)에서, 상기 용접 레이저 빔(11)의 빔 전파 방향(12)으로 정렬되거나, 또는 서로에 대해, SH ≤ 0.3 mm, 바람직하게는 SH ≤ 0.2 mm, 특히 바람직하게는 SH ≤ 0.1 mm의 단차 높이(SH)를 갖는, 단차(40)를 동반하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
배터리 하우징의 제조를 위한 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도로서,
상기 공작물 부품들(3a, 3b, 3a^(I), 3b^(I))은, 상기 배터리 하우징의 부품들이고, 특히 상기 공작물 부품들(3a, 3b, 3a^(I), 3b^(I)) 중 하나는, 상기 배터리 하우징을 폐쇄하는 커버인 것인, 용도.