KR20220163434A

KR20220163434A - 레이저 빔 용접 위치에서 제1 및 제2 금속 플레이트의 위치설정

Info

Publication number: KR20220163434A
Application number: KR1020227038289A
Authority: KR
Inventors: 로니 마르텐스
Original assignee: 보리트 엔.베.
Priority date: 2020-04-06
Filing date: 2021-04-01
Publication date: 2022-12-09
Also published as: US20230150064A1; NL2025282B1; EP4132741A1; CA3174848A1; JP2023525217A; WO2021204681A1; CN115515745A

Abstract

레이저 빔 용접 위치에서 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 서로에 대해 배치하는 방법으로서, 상기 제1 금속 플레이트는 용접 범프를 포함한다. 첫째로, 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에 배치되고, 이로써 제1 금속 플레이트의 용접 범프가 제2 금속 플레이트를 향하여 돌출되도록 한다. 둘째로, 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트는 적어도 하나의 용접 고정구를 사용하여 및/또는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 공기 압력을 감소시켜 상기 레이저 빔 용접 위치에 고정된다.

Description

레이저 빔 용접 위치에서 제1 및 제2 금속 플레이트의 위치설정

본 발명은 연료 전지(fuel cell) 기술 분야, 특히 연료 전지용 금속 바이폴러 플레이트(metal bipolar plates)의 제조에 관한 것이다.

본 발명은 용접 범프(welding bump)를 포함하는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트, 및 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 위치 설정 방법, 및 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 제조 방법에 관한 것이다.

레이저 용접은, 예를 들어, 높은 생산성과 자동화 용이성과 같은 특유의 장점을 갖는 자주 사용되는 용접 기술이다. 레이저 용접을 사용하여 두 개의 금속 플레이트를 함께 용접하려면, 용접부에 구멍이 나지 않도록 두 개의 플레이트가 서로 접촉 상태에 있어야 한다. 레이저 용접 도구는 상기한 두 개의 플레이트를 함께 가압하도록 구성되어 있다.

플레이트를 레이저 용접으로 접합할 때, 플레이트들 간의 기계적 접촉이 중요하다. 따라서 레이저 용접 도구가 용접 위치에 상대적으로 가깝게 배치되는 것이 중요하다. 신뢰성 있고 적절한 용접을 구현하기 위해서는 레이저 용접 도구의 적절한 위치 설정이 필요하다. 이러한 요건이 금속 바이폴러 플레이트의 모든 곳에서 충족된다고 보장하기는 어렵다. 기존의 레이저 용접 도구는 엄격한 정확도 요건에 민감하다.

금속 플레이트와 레이저 용접 도구에 대하여 허용 오차는 엄격하지만, 실제로 금속 플레이트들은 함께 용접되기 전에 완벽하게 정렬되지는 않는다. 이것은 용접이 성공한 경우에도, 용접 후 금속 플레이트들 사이의 거리가 어느 한쪽이 다른 쪽보다 더 큰 상황으로 이어질 수 있다. 이러한 설계의 편차는 함께 용접되는 두 개의 플레이트들마다 반복되기 때문에, 상기 편차는 금속 플레이트의 스택일 경우 누적된다.

또한, 레이저 용접 중 외부 요인은, 예를 들어, 레이저 용접 도구 및 플레이트에 소결물(sinters)의 접착과 같은 해로운 영향으로 이어질 수 있다. 이것은 플레이트의 품질 문제 또는 공구의 수명 단축을 야기할 수 있다.

본 발명은 상기한 문제들 중 하나 또는 다수를 완화하거나 적어도 기존의 장치들에 대한 대안을 제공하기 위한 해결책을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 레이저 빔 용접 위치에서 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 서로에 대해 위치 설정(positioning)하기 위한 제1 방법이 제공되는바, 상기 방법은:

- 제1 금속 플레이트는 제1 플레이트 용접 영역, 및 제1 채널 구조를 갖는 제1 표면 및 제1 대향 채널 구조를 갖는 제1 대향 표면을 포함하고,

- 제2 금속 플레이트는 제2 플레이트 용접 영역, 및 제2 채널 구조를 갖는 제2 표면 및 제2 대향 채널 구조를 갖는 제2 대향 표면을 포함하되, 상기 제2 금속 플레이트는 용접 범프를 포함하지 않으며,

- 상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는, 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 함께 접합될 때, 유동장 채널 패턴(flow field channel pattern)을 형성하도록 구성되며,

- 상기 제1 플레이트 용접 영역은 용접 범프(welding bump)를 포함하고,

상기 제1 방법은 다음 단계들:

- 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 레이저 빔 용접 위치에 배치하는 단계로서,

o 상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는 유동장 채널 패턴을 형성하도록 배치되고;

o 상기 제1 금속 플레이트의 용접 범프가 상기 제2 금속 플레이트의 제2 플레이트 용접 영역을 향해 돌출하고;

- 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 레이저 빔 용접 위치에 고정하는 단계로서,

o 적어도 하나의 용접 고정구(welding fixture)를 사용하되, 여기서 상기 적어도 하나의 용접 고정구는 상기 제1 플레이트 용접 영역 옆의 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 플레이트 용접 영역 옆의 제2 금속 플레이트와 맞물리는 단계, 및/또는

o 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트 사이의 공기 압력을 감소시킴으로써 흡입력을 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 제1 방법에서, 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트는 레이저 빔 용접 위치에 서로에 대해 위치된다. 상기 플레이트들이 함께 접합되면, 상기 플레이트들은 바이폴러 플레이트(bipolar plates)로서, 예를 들면, 연료 전지 스택용, 특히 차량용으로 사용될 수 있다. 본 명세서의 전반에 걸쳐 '플레이트(plate)'라는 용어는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 지칭한다는 것을 유념하여야 할 것이다.

두 개의 플레이트들 모두 두 개의 표면을 갖는다. 상기 제1 금속 플레이트의 제1 표면은 제1 채널 구조를 갖고, 상기 제1 금속 플레이트의 제1 대향 표면은 제1 대향 채널 구조를 갖는다.

마찬가지로, 상기 제2 금속 플레이트의 제2 표면은 제2 채널 구조를 갖고, 상기 제2 금속 플레이트의 제2 대향 표면은 제2 대향 채널 구조를 갖는다.

제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 함께 접합(joining)함으로써, 제1 금속 플레이트의 제1 표면은 제2 금속 플레이트의 제2 표면과 연결된다. 제1 금속 플레이트와 제2 금속이 접합될 때, 제1 표면은 제2 표면을 향한다. 결과적으로, 상기 배치된 제1 채널 구조 및 제2 채널 구조에 의해 유동장 채널 패턴이 형성된다. 바람직하게는, 상기 유동장 채널 패턴은, 플레이트가 연료 전지 스택에 사용되는 경우, 예컨대, 물, 글리콜 또는 혼합물일 수 있는, 냉각제의 유동을 위해 작용한다. 그러나 유동장 채널 패턴은 기체 스트림, 예컨대, 산소 또는 수소를 안내하고 분할하는 역할을 할 수도 있다.

예를 들어, 일반적으로 두 플레이트를 함께 용접하기 위해 레이저 용접기가 사용된다. 레이저 용접기는 일반적으로 레이저 빔을 방출하는 레이저 빔 소스, 올바른 지점에 레이저 빔을 집중시키는 렌즈 시스템, 및 렌즈 시스템을 이동시키는 2D 위치 설정 테이블을 포함한다. 용접하기 전에 두 플레이트를 제자리에 배치하고 고정된다. 이것은, 예를 들어, 레이저 용접 도구에 의해 수행되는 위치 설정 단계 및 고정 단계에서 수행된다. 레이저 용접 도구는, 예를 들어, 레이저 빔 용접 위치에서 서로에 대해 그리고 레이저 용접 기계에 대해 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 위치시키는 위치설정(포지셔닝) 시스템을 포함한다. 상기 위치설정 시스템은, 예를 들어, 용접 유지 도구를 포함한다. 레이저 용접 도구는 레이저 빔 용접 위치에서 두 플레이트를 고정하기 위한 고정(fixing) 시스템을 더 포함한다. 상기 고정 시스템은, 예를 들어, 적어도 하나의 용접 고정구(welding fixtures) 및/또는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 공기 압력을 감소시키도록 구성되는, 진공 펌프, 벤츄리(venturi) 또는 압축기와 같은 펌프를 포함하는 흡입력 시스템을 포함한다. 바람직한 실시 예에서, 흡입력 시스템 또는 적어도 하나의 용접 고정구 중 하나만이 레이저 빔 용접 위치에 두 플레이트를 고정하는 데 사용된다. 그러나 실제로는, 플레이트들은 전체 표면에 걸쳐 완전히 매끄럽지 않고 그 플레이트의 완벽한 위치 설정에 도달하기는 어렵다. 따라서, 바람직하게는, 상기 흡입력 시스템 및 적어도 하나의 용접 고정구가 공지된 시스템 및 방법으로 플레이트를 고정하는 데 사용된다. 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에 배치되고 고정된 후, 레이저 용접기의 레이저 빔 소스를 사용하여 용접 과정에서 레이저 빔으로 방사선에 의해 두 플레이트를 함께 용접할 수 있다. 추가로, 작업 중 아르곤 가스가 선택적으로 플레이트들 위에 제공되어 플레이트의 산화를 완화할 수 있다.

바람직하게는, 제1 금속 플레이트의 제1 대향 채널 구조의 기능은 기체 스트림, 예를 들어, 수소 또는 산소를 제1 대향 표면 위에 안내 및 분할하기 위한 것이다. 바람직하게는, 제2 금속 플레이트의 제2 대향 채널 구조는 기체 스트림, 예를 들어, 산소 또는 수소를 제2 대향 표면 위에 안내 및 분할하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 세 가지 다른 채널들(유동장 채널 패턴, 제1 대향 채널 구조 및 제2 대향 채널 구조)은 연료 전지 내부의 작동을 조절하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 각 채널의 위상배치(topology)는 애플리케이션의 요구 사항을 충족하도록 최적화될 수 있다.

명확성을 위해, 유동장 채널 패턴(flow field channel pattern)은, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트가 연결될 때, 플레이트들 내부의 채널로 지칭된다. 여기서 사용된 '접합된(joined)' 및 '연결된(connected)'이라는 용어는 본 명세서 전체에서 상호 교환 가능하게 사용된다. 그러나 유동장 채널 패턴은 플레이트의 외부에 위치할 수도 있다. 또한, 제1 표면 및 제1 대향 표면은 상호 교환 가능하며, 제1 표면 또는 제1 대향 표면이 플레이트의 외부 또는 내부에 위치될 수 있음을 의미한다는 것을 또한 유념하여야 할 것이다. 동일한 추론이 제2 금속 플레이트의 제2 표면 및 제2 반대 표면에도 적용된다.

또한, 제1 금속 플레이트는 제1 플레이트 용접 영역을 포함하고 제2 금속 플레이트는 제2 플레이트 용접 영역을 포함한다. 제1 플레이트 용접 영역 및 제2 용접 영역은 정의된 영역들이다. 두 플레이트가 용접될 때 레이저 빔이 방출되는 플레이트의 이 영역 내에 레이저 빔이 집중된다. 상기 레이저 빔은 레이저 빔 소스에 의해 방사된다. 레이저 빔 소스는, 예를 들어, 레이저 용접기의 일부분이다. 일 실시 예에서, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트가 함께 접합될 때 제1 플레이트 용접 영역과 제2 플레이트 용접 영역이 중첩된다.

본 발명에 따르면, 제1 플레이트 용접 영역은 용접 범프를 포함한다. 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프는 제1 플레이트 용접 영역에서 제1 금속 플레이트의 국부적 변형이다. 제2 금속 플레이트는 용접 범프를 포함하지 않는다. 용접 범프는 플레이트들이 서로에 대해 오정렬될 수 있다는 사실에도 불구하고, 레이저 빔 용접 위치에서 플레이트의 배열뿐만 아니라 레이저 빔 용접의 품질을 개선한다. 이것은 아래에서 더 설명될 것이다.

본 발명에 따른 상기 제1 방법은, 제1 채널 구조 및 제2 채널 구조가 유동장 채널 패턴을 형성하도록 위치가 설정되도록, 레이저 빔 용접 위치에 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 배열하는 단계를 포함한다. 제1 채널 구조 및/또는 제2 채널 구조는 교호적으로 평평한 부분들과 채널 벽들을 포함하는 돌출부들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 두 플레이트는 제1 평면의 플레이트에 대해 동일한 치수(폭 및 길이)를 가져오도록 미리 절단된다. 제1 평면은 돌출부 및/또는 용접 범프에 수직이다. 또한, 레이저 빔 용접 위치에서, 제1 금속 플레이트의 용접 범프는 제2 금속 플레이트의 제2 플레이트 용접 영역을 향해 돌출하고 있다.

용접 전에, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트는 적어도 하나의 용접 고정구를 사용하여 레이저 빔 용접 위치에 고정되고 및/또는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 공기 압력을 감소시켜 흡입력을 제공한다. 적어도 하나의 용접 고정구는 제1 플레이트 용접 영역 옆에 있는 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 플레이트 용접 영역 옆에 있는 제2 금속 플레이트와 맞물린다. 일 실시 예에서, 적어도 하나의 용접 고정구는 용접 범프의 중심으로부터 적어도 0.3mm, 바람직하게는 0.5-0.8mm의 거리에서 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 맞물린다. 기존 기계와 비교하여, 용접 범프를 사용하면 용접 고정구가 용접부에서 더 멀리 배치될 수 있으므로, 레이저 빔 용접 중에 용접 도구 및/또는 플레이트 상에 튀거나 부스러기가 감소하는 것을 보장한다. 이것은 플레이트의 재작업을 감소시키고 레이저 용접 도구의 수명을 증가시킨다. 일 실시 예에서, 레이저 빔 용접 위치에 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 고정하기 위해 단지 흡입력 시스템만이 사용된다.

상기 적어도 하나의 용접 고정구는, 예를 들어, 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 금속 플레이트 상에 가압되는 구조의 적어도 하나의 개구를 포함하는 구조물일 수 있다. 적어도 하나의 용접 고정구는 적어도 하나의 개구부가 제1 플레이트 용접 영역 및/또는 제2 플레이트 용접 영역이 레이저 빔 용접 중 레이저 빔에 노출될 수 있도록 하는 방식으로 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 금속 플레이트와 맞물린다.

제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 공기 압력을 감소시키는 것은, 예를 들어, 진공 펌프, 벤츄리 또는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 영역에 연결된 입구를 갖춘 압축기와 같은 펌프를 포함하는, 흡입력 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 이 영역에서 공기가 제거됨에 따라, 공기의 압력이 감소한다. 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 공기의 압력이 주변 공기보다 낮기 때문에 흡입력이 제공된다. 흡입력은 레이저 빔 용접 위치에 제1 및 제2 금속 플레이트를 고정한다.

본 발명의 용접 범프에 의해, 용접 고정구와 흡입력 중 단지 하나만 사용하여 제1 및 제2 금속 플레이트를 적절하게 고정하는 것이 가능하지만, 둘 다 사용하는 것도 가능하다. 어떤 경우든, 용접 범프는 용접 고정구 및/또는 흡입력에 대한 요건을 줄이는 것을 가능케 한다. 이는 운영 비용 절감 및 유지 보수 비용 절감을 포함하여 이점이 있다.

일 실시 예에서, 용접 범프는 어떤 곡률 반경을 갖는 곡선 형상을 가진다. 일 실시 예에서, 용접 범프의 곡률 반경은 0.5-2.5mm, 바람직하게는 0.7-1.5mm, 더 바람직하게는 0.8-1.2mm이다. 용접 범프의 굴곡진 형상으로 인해, 용접 범프의 외측 지점은 용접 범프의 높이만큼 제1 금속 플레이트의 평면에서 벗어난 위치에 있다. 용접 범프의 굴곡진 형상은 본 발명에 따른 방법의 위치 설정 단계 동안 용접 범프의 외측 지점이 제2 금속 플레이트와 접촉하는 것을 보장한다. 플레이트들 사이의 기계적 접촉은 그 플레이트들을 함께 용접하는 데 선호된다. 목표는 플레이트 사이의 거리 또는 간격을 줄이는 것이다. 그러나 용접 범프를 적용함으로써 용접 영역에 인접한 플레이트들 사이의 간격이 초기에 생성될 것이다. 바람직하게는, 곡률 반경은 용접 범프의 외측 지점의 곡률이 가파른 경사를 갖는 것을 방지하도록 선택된다. 바람직하게는, 상기 경사는 약 1-5%의 기울기를 갖는다. 이것은 비교적 완만한 경사로 간주될 수 있다. 본 실시 예에 따른 경사는 두 플레이트 사이의 넓은 접촉을 확보한다. 이러한 넓은 접촉은 만족스러운 용접을 실현하여 플레이트의 평탄성에 도움을 준다. 예를 들어, 곡률 반경은 용접 범프의 높이보다 크다.

본 실시 예에 따른 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트의 고정 단계 동안, 용접 범프는 부분적으로 평탄화된다. 용접 범프는 제2 금속 플레이트에 대해 압력이 인가된다. 용접 범프는 고정 단계의 결과로 변형되어, 용접 범프의 높이 감소로 이어진다. 이러한 방식으로, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트는 서로의 고정 거리에 위치된다. 상기 고정 거리는 용접 범프의 높이보다 작다.

추가 실시 예에서, 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 금속 플레이트는 적어도 하나의 위치설정 특징부(positioning feature)를 포함한다. 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에 배열될 때 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 위치 설정하기 위해 사용된다. 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트가 적절하게 정렬되도록 구성된다. 위치 설정 기능은, 예를 들어, 플레이트의 미리 결정된 위치에서, 예컨대, 플레이트들의 모서리에서 제조되는, 국부적 홈 및/또는 위치 설정 돌기(positioning protrusion)일 수 있다.

추가적인 실시 예에서, 본 발명에 따른 방법은 레이저 빔 용접에 의해 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 접합하는 단계를 더 포함한다. 이 단계에서 레이저 빔 소스로부터의 레이저 빔은 제1 금속 플레이트의 용접 범프에 초점이 맞춰진다. 이것은 용접 범프에 대응하는 위치에서의 제1 대향 면 또는 제2 대향 면에 레이저 빔 소스를 방사하는 것을 포함할 수 있다. 용접 범프는 레이저 빔 용접 동안 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 더 양호한 접촉을 보장한다. 이것은 용접의 품질의 향상으로 이어진다. 또한, 용접 범프는 품질과 관련된 추가 이점, 즉 용접부 및 플레이트로부터 더 멀리 위치될 수 있는 레이저 용접 도구 상에 소결물(sinters) 또는 파편들이 덜 접착되게 한다.

일 실시 예에서, 용접 범프는 굴곡진 형상을 가진다. 본 발명에 따른 방법의 고정 단계 동안, 용접 범프는 제2 금속 플레이트의 제2 플레이트 용접 영역에 대해 가압 된다. 결과적으로, 선 또는 면 접촉이 생성된다. 또한, 상기 적어도 하나의 용접 고정구는 고정 단계 동안 양쪽 플레이트에 클램핑력(clamping force)을 유도한다. 결과적으로 반력(reaction force)이 발생한다. 용접 범프의 스프링과 같은 거동으로 인해, 용접 범프의 형상이 변형되는데, 예를 들면, 용접 범프가 부분적으로 평평해진다.

일 실시 예에서, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 접합하는 단계 이전에, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트는 서로의 고정 거리에 위치된다. 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 접합하는 단계 동안, 용접 범프는 레이저 빔에 의해 적어도 부분적으로 용융된다. 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 접합하는 단계 후에, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트는 서로 접합된 거리에 위치되고, 상기 접합된 거리는 고정 거리보다 작다.

레이저 빔 용접 중 용접 범프는 레이저 빔에 노출된다. 이것은 열을 발생시킨다. 용접 범프는 융점 위로 가열된다. 결과적으로, 플레이트는 국부적으로, 즉 용접 범프에서 용융할 것이다. 용접 범프의 높이가 감소할 것이다. 그 효과는 플레이트들 사이의 거리가 감소한다는 것이다. 결과적으로, 두 플레이트들은 플레이트들 사이의 간격이 더 작은 용접 범프에 의해 서로 용접된다. 또한, 예컨대, 플레이트의 접촉 불량 또는 위치 오류로 인한 결함들이 플레이트들을 적층함으로써 누적되지 않는다. 예를 들어, 바이폴러 플레이트를 적층하는 동안 수백 개의 플레이트가 적층된다. 이것은 단지 몇 μm의 오류가, 예를 들면, 연료전지에 사용할 경우 스택 품질의 저하를 야기할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 원치 않는 함몰 용접(sunken weld)은 본 발명에 따른 방법에 의해 완화된다.

일 실시 예에서, 용접 범프는 기다란 형상 및 길이를 갖는다. 용접 범프의 기다란 형상은 적어도 2차원 형상을 갖는 것으로 설명될 수 있다. 추가적인 실시 예에서, 용접 범프는 제1 금속 플레이트 상에 폐 루프로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 용접 범프는 제1 금속 플레이트의 가장자리를 따라, 예컨대, 가장자리의 10mm의 거리를 두고 생성된다.

일 실시 예에서, 용접 범프의 높이는 5 내지 50㎛, 바람직하게는 1 내지 30㎛, 보다 바람직하게는 15 내지 25㎛이다. 용접 범프의 폭은 0.2-2mm, 바람직하게는 0.3-1.5mm, 보다 바람직하게는 0.4-1mm이다. 용접 범프의 폭과 높이를 고려하여, 용접 범프는 폭 방향에서 보았을 때 경사를 이룬다. 상기 경사는 약 1-5%의 기울기를 갖는다. 이것은 비교적 완만한 경사라고 할 수 있다. 본 실시 예에 따른 경사는 두 플레이트들 사이의 넓은 접촉을 확보할 수 있게 한다. 그러한 넓은 접촉은 만족스러운 용접을 실현하여 플레이트의 평탄성에 도움이 된다.

일 실시 예에서, 제1 플레이트 용접 영역의 길이 및/또는 폭은 적어도 제1 금속 플레이트의 용접 범프의 길이 및/또는 폭만큼 크다. 제1 플레이트 용접 영역의 면적은 적어도 하나의 용접 고정구가 용접 범프와 맞물리는 것을 방지하기에 충분히 크다. 바람직한 실시 예에서, 제1 플레이트 용접 영역의 길이 및/또는 폭은 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 길이 및/또는 폭과 동일하다.

일 실시 예에서, 제2 플레이트 용접 영역의 길이 및/또는 폭은 적어도 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 길이 및/또는 폭만큼 크다. 제2 플레이트 용접 영역의 면적은 적어도 하나의 용접 고정구가 용접 범프와 맞물리는 것을 방지하기에 충분히 크다. 일 실시 예에서, 제2 플레이트 용접 영역의 길이 및/또는 폭은 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 길이 및/또는 폭과 동일하다. 바람직하게는, 제2 플레이트 용접 영역의 길이 및/또는 폭은 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 길이 및/또는 폭보다 더 크다. 바람직하게는, 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에 위치될 때, 제2 플레이트 용접 영역은 제1 플레이트 용접 영역과 완전히 중첩된다. 상기한 중첩은 용접 범프의 높이에 수직인 평면, 예컨대, 수평 면에서 일어난다.

일 실시 예에서, 각 플레이트의 두께는 20-500 ㎛, 바람직하게는 25-250 ㎛, 보다 바람직하게는 50-100 ㎛이다. 용접 위치에서 누출을 방지하기 위해, 두 플레이트들 사이의 간격은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 몇 μm의 비연속적인, 파손 또는 결함이 있는 용접이라도 이미 누출을 유발하기에 충분할 수 있다. 선택적으로, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트가 고정되는 단계 후, 그리고 그 플레이트들이 접합되기 전에, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 간격은 용접 범프의 위치에서 각 플레이트의 두께의 5% 미만, 보다 바람직하게는 3% 미만이다.

일 실시 예에서, 상기 제1 방법은 적어도 하나의 용접 고정구를 만드는 단계를 포함한다. 이것은, 예를 들어, 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 금속 플레이트의 치수, 및/또는 유동장 채널 패턴, 및/또는 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 위치에 기초할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 용접 고정구는 미리 정해진 형상으로 절단된 구조물일 수 있다. 상기 적어도 하나의 용접 고정구는, 예를 들어, 플레이트들에 배열되도록 구성되는데, 예를 들어, 상기 제1 및 제2 플레이트는 서로의 상부에 배열되고 상기 적어도 하나의 용접 고정구는 다른 것의 상부에 배열된 플레이트와 맞물린다. 상기 구조물의 무게 및/또는 중력으로 인해, 그 구조물이 두 플레이트들 중 하나와 맞물릴 때 두 플레이트들 모두 고정된다. 플레이트들이 고정되면, 용접 범프는, 예컨대, 구조의 소정의 형상의 개구부에 의해, 레이저 빔에 대해 접근 가능한 상태를 유지한다.

추가적인 실시 예에서, 상기 제1 방법은 플레이트를 설계하는 단계를 포함한다. 이 단계에서 용접 범프의 치수는 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 금속 플레이트의 치수 허용오차, 및/또는 레이저 빔 용접 시 용접 범프에 초점이 맞춰지는 레이저 빔의 치수에 기초하여 결정된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 제2 방법이 제공된다. 상기 제2 방법은 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 제조하는 방법이다. 상기 제2 방법은 하기의 단계들:

- 내부 표면에서 제1 소정의 형상을 갖는 제1 몰드 내부에 제1 금속 플레이트를 배열하는 단계;

- 내부 표면에서 제2 소정의 형상을 갖는 제2 몰드 내부에 제2 금속 플레이트를 배열하는 단계;

- 제1 주입 압력에서 제1 유체를 제1 몰드에 주입하는 단계;

- 제2 주입 압력에서 제2 유체를 제2 몰드에 주입하는 단계;

- 상기 주입된 유체를 사용하여 제1 몰드의 내부 표면에서 제1 금속 플레이트를 상기 제1 소정의 형상으로 가압하되, 여기서 상기 제1 소정의 형상은 제1 금속 플레이트를 변형시켜 제1 채널 구조, 제1 대향 채널 구조 및 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프를 야기하는 단계;

- 상기 주입된 유체를 사용하여 제2 몰드의 내부 표면에서 제2 금속 플레이트를 상기 제2 소정의 형상으로 가압하고, 여기서 상기 제2 소정의 형상은 제2 금속 플레이트를 변형시켜 제2 채널 구조 및 제2 대향 채널 구조를 야기하고, 여기서 상기 제1 채널 구조 및 제2 채널 구조는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트가 함께 접합될 때 유동장 채널 패턴을 형성하도록 구성되는 단계;

- 상기 제1 몰드로부터 상기 제1 금속 플레이트를 제거하는 단계;

- 상기 제2 몰드로부터 상기 제2 금속 플레이트를 제거하는 단계,

를 포함한다:

본 발명에 따른 상기 제2 방법에서, 하이드로포밍(hydroforming) 공정이 사용된다. 실제로, 하이드로포밍은 제1 플레이트 상에 용접 범프를 정확하게 형성하는 신뢰할 수 있는 방법이다. 본 발명에 따르면, 플레이트를 변형시키기 위해 몰드가 사용된다. 몰드는, 예를 들어, 하단부에서, 내부 표면에 미리 결정된 모양을 갖는 챔버일 수 있다. 제1 가능한 실시 예에서, 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 2개의 구획을 포함하는 단일 몰드 구조에서 이들을 동시에 배열함으로써 제조된다. 이에 따라, 상기 구획 중 하나는 제1 몰드로 지칭되고 다른 구획은 제2 몰드로 지칭된다. 각 플레이트는 다른 구획에 배열된다. 상기 구획들은 서로 평행하게 배열될 수 있다.

또 다른 가능한 실시 예에서, 2개의 플레이트들은 상이한 몰드에서 제조되고 및/또는 다른 시간 및/또는 위치에서 동시에 제조되지 않는다. 예를 들어, 제1 금속 플레이트는 제1 몰드 내부에 제1 금속 플레이트를 내면에 제1 소정의 형상으로 배치하여 제조된다. 또한, 제2 금속 플레이트는 제2 몰드 내부에 제2 금속 플레이트를 내면에 제2 소정의 형상으로 배치하여 제조된다.

상기 플레이트들 중 하나가 몰드에 배열될 때, 본 발명에 따른 제2 방법은 압력 하에서 유체를 몰드에 주입하는 것을 더 포함한다. 플레이트의 유형, 치수 및 재료에 따라, 제1 및/또는 제2 몰드 내부에서의 유체의 주입 압력은 500-5000bar, 바람직하게는 1000-3000bar, 더 바람직하게는 1200-2000bar일 수 있다.

본 발명에 따른 상기 제2 방법은 제1 주입 유체에 의해 제1 몰드의 내면에서 제1 금속 플레이트를 제1 소정의 형상으로 가압하는 단계를 더 포함한다. 상기 제1 유체의 제1 주입 압력으로 인해, 상기 제1 소정의 형상은 제1 금속 플레이트를 변형시킨다. 이러한 변형은 제1 금속 플레이트의 제1 표면 상의 제1 채널 구조 및 제1 금속 플레이트의 제1 대향 표면 상의 제1 대향 채널 구조를 야기한다. 또한, 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프가 형성된다. 일 실시 예에서, 용접 범프는 어떤 곡률 반경을 갖는 굴곡진 형상을 갖는다. 용접 범프의 굴곡진 형상으로 인해 범프의 외측 지점은 용접 범프의 높이만큼 제1 금속 플레이트의 평면에서 벗어난 위치에 있다. 바람직하게는, 상기 곡률 반경은 용접 범프의 외측 지점의 곡률이 가파른 경사를 갖는 것을 방지하도록 선택된다. 바람직하게는, 상기 경사는 약 1-5%의 기울기를 갖는다. 예를 들어, 상기 곡률 반경은 용접 범프의 높이보다 크다. 유사하게, 제2 금속 플레이트는 제2 주입 유체에 의해 제2 몰드의 내부 표면에서 상기 제2 소정의 형상으로 가압 된다. 바람직하게는, 제1 주입 유체와 제2 주입 유체는 동일하다. 제2 유체의 제2 주입 압력으로 인해, 상기 제2 소정의 형상은 제2 금속 플레이트를 변형시킨다. 바람직하게는, 제1 주입 압력은 제2 주입 압력과 동일하다. 이러한 변형 단계는 제2 금속 플레이트의 제2 표면 상에 제2 채널 구조를 야기하고, 제2 금속 플레이트의 제2 대향 표면 상에 제2 대향 채널 구조를 야기한다. 제2 금속 플레이트에는 어떤 용접 범프도 생성되지 않는다.

상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트가 함께 접합될 때 유동장 채널 패턴을 형성하도록 구성된다. 플레이트들이 함께 결합되면, 그 플레이트들은 바이폴러 플레이트로 사용될 수 있다. 바이폴러 플레이트들이 연료 전지에 사용되면, 수소와 산소 사이의 전기화학 반응으로 열이 발생한다. 따라서 유동장 채널 패턴은, 예를 들어, 물일 수 있는, 냉각수의 흐름에 의해 플레이트를 냉각하는 데 사용된다. 그러나 예컨대, 수소 또는 산소와 같은, 반응물의 흐름을 안내하기 위해 유동장 채널 패턴을 사용하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 상기 제2 방법의 실시 예의 추가 단계에서, 플레이트가 몰드로부터 제거된다. 일 실시 예에서, 제1 금속 플레이트는 제1 몰드로부터 제거되고 제2 금속 플레이트는 제2 몰드로부터 제거된다.

일 실시 예에서, 적어도 하나의 위치 설정 특징부가 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 금속 플레이트 상에 형성된다. 제1 금속 플레이트 상의 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는 프레스 단계 동안 형성되고, 여기서 제1 금속 플레이트는 제1 몰드의 내부 표면에서 제1 소정의 형상으로 가압 된다.

유사하게, 일 실시 예에서, 제2 금속 플레이트 상의 적어도 하나의 위치설정 특징부가 프레스 단계 동안 형성되고, 여기서 제2 금속 플레이트는 제2 몰드의 내부 표면에서 제2 소정의 형상으로 가압 된다. 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는 제1 및/또는 제2 몰드의 내부 표면에서 각각 제1 및/또는 제2 소정의 형상으로 제공된다.

플레이트들이 제1 및 제2 몰드로부터 제거된 후, 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 위치 설정하기 위해 사용될 수 있다. 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트가 용접 유지 도구 내부의 레이저 빔 용접 위치에 적절하게 배열될 수 있도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는, 예를 들어, 국부적 홈 및/또는 위치 설정 돌출부일 수 있으며, 이들은 플레이트의 미리 결정된 위치에서, 예컨대, 플레이트들의 모서리에서 제조된다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 제2 방법에 따라 제조된 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 본 발명에 따른 제1 방법에 따라 위치 결정된다. 따라서, 상기 제2 방법에 따라 플레이트를 제조할 때, 그 플레이트들은 레이저 용접 도구로 이송된다. 가능한 추가 단계는 플레이트를 원하는 치수로 미리 절단하는 것이다. 플레이트들의 사전 절단은 제2 방법 전후에 수행될 수 있다. 사전 절단 중에 플레이트는, 예를 들어, 커팅 지그(cutting jig)에 배치될 수 있다.

레이저 용접 도구에서 플레이트들은 위치 설정 시스템에 의해 서로에 대해 그리고 레이저 용접 기계에 대해 위치가 설정된다. 먼저, 위치 설정 시스템은 용접 유지 도구를 포함하며, 여기서 플레이트들은 레이저 빔 용접 위치에 배열된다. 이러한 정렬 단계는, 예컨대, 다축 로봇 암(multi-axis robot arm)에 의해 수동 또는 자동으로 수행될 수 있다. 레이저 용접 도구는 플레이트가 레이저 빔 위치에 있을 때 용접 유지 도구에서 두 플레이트들을 서로에 대해 고정하기 위한 적어도 하나의 용접 고정구 및/또는 흡입력 시스템을 더 포함한다. 레이저 용접기는 레이저 소스를 포함한다. 상기 레이저 소스는 플레이트가 용접 유지 도구에 고정될 때 레이저 빔으로써 제1 금속 플레이트 상에 용접 범프를 방사한다. 레이저 빔은 두 플레이트들 사이에 용접을 야기한다.

본 발명은 또한 후술하는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법들은 상기 제1 및 제2 금속 플레이트로써 및/또는 상기 제1 및 제2 금속 플레이트를 제조하기 위해 수행될 수 있고; 그러나, 상기한 방법이나 상기 제1 및 제2 금속 플레이트는 이에 제한되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 방법을 참조하여 설명된 특징 및 정의는 제1 및 제2 금속 플레이트를 참조하여 언급될 때 유사하게 해석될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 또한, 본 발명에 따른 방법을 참조하여 설명된 특징 및/또는 실시 예들은 유사한 이점을 달성하기 위해 본 발명에 따른 제1 및 제2 금속 플레이트에 추가될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다.

제3 측면에서, 본 발명은 제1 금속 플레이트 및 상기 제1 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트에 관한 것이다. 상기 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 레이저 빔 용접에 의해 함께 접합되도록 구성되며, 여기서:

- 상기 제1 금속 플레이트는 제1 플레이트 용접 영역, 및 제1 채널 구조를 갖는 제1 표면, 및 제1 대향 채널 구조를 갖는 제1 대향 표면을 포함하고,

- 상기 제2 금속 플레이트는 제2 플레이트 용접 영역, 및 제2 채널 구조를 갖는 제2 표면, 및 제2 대향 채널 구조를 갖는 제2 대향 표면을 포함하고, 상기 제2 금속 플레이트는 용접 범프를 포함하지 않으며,

- 상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 함께 접합될 때 유동장 채널 패턴을 형성하도록 구성되며,

- 상기 제1 플레이트 용접 영역은 용접 범프를 포함하되,

상기 용접 범프는 레이저 빔이 상기 용접 범프에 초점이 맞춰지는 용접 프로세스 동안 상기 제2 금속 플레이트의 제2 플레이트 용접 영역을 향해 돌출하도록 구성된다.

상기 제1 금속 플레이트의 제1 표면은 제1 채널 구조를 갖고, 상기 제1 금속 플레이트의 제1 대향 표면은 제1 대향 채널 구조를 갖는다. 마찬가지로, 상기 제2 금속 플레이트의 제2 표면은 제2 채널 구조를 갖고, 상기 제2 금속 플레이트의 제2 대향 표면은 제2 대향 채널 구조를 갖는다.

상기 제1 금속 플레이트의 제1 표면을 상기 제2 금속 플레이트의 제2 표면에 접합함으로써, 제1 채널 구조 및 제2 채널 구조는 유동장 채널 패턴을 형성한다. 바람직하게는, 상기 유동장 채널 패턴은, 예를 들어, 물, 글리콜 또는 혼합물일 수 있는, 냉각수의 유동을 위해 작용한다. 그러나 유동장 채널 패턴은, 예를 들어, 수소 또는 산소와 같은, 반응물의 흐름을 위해 작용하는 것도 가능하다.

명확성을 위해, 위에서 이미 설명된 바와 같이, 유동장 채널 패턴은, 즉 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트가 연결될 때, 플레이트 내부의 채널이라 지칭된다. 그러나 상기 유동장 채널 패턴은 플레이트의 외부에 위치할 수도 있다. 또한, 제1 표면 및 제1 대향 표면은 상호 교환 가능하며, 이는 제1 표면 또는 제1 대향 표면이 상기 플레이트들의 외부 또는 내부에 위치될 수 있음을 의미한다는 것을 유념하여야 할 것이다. 동일한 추론이 상기 제2 금속 플레이트의 제2 표면 및 제2 반대 표면에 적용된다.

상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가, 예를 들어, 흡입력 시스템 및/또는 적어도 하나의 용접 고정구에 의해 고정된 경우, 상기 용접 범프는 제2 금속 플레이트의 제2 플레이트 용접 영역을 향해 돌출된다. 일 실시 예에서, 용접 범프는 어떤 곡률 반경을 갖는 곡선 형상을 갖는다. 일 실시 예에서, 용접 범프의 곡률 반경은 0.5-2.5mm, 바람직하게는 0.75-1.5mm, 더욱 바람직하게는 0.8-1.2mm이다. 용접 범프의 굴곡진 형상으로 인해, 용접 범프의 외측 지점은 용접 범프의 높이만큼 제1 금속 플레이트의 평면에서 벗어난 위치에 있다. 용접 범프의 굴곡진 형상은 용접 범프의 외측 지점이 제2 금속 플레이트와 접촉하는 것을 보장한다. 바람직하게는, 상기 곡률 반경은 용접 범프의 외측 지점의 곡률이 가파른 경사를 갖는 것을 방지하도록 선택된다. 바람직하게는, 상기 경사는 약 1-5%의 기울기를 갖는다. 이것은 비교적 완만한 경사로 간주될 수 있다. 본 실시 예에 따른 경사는 두 플레이트 사이의 넓은 접촉을 확보한다. 상기한 넓은 접촉은 만족스러운 용접을 구현하여 플레이트의 평탄성에 도움이 된다. 예를 들어, 상기 곡률 반경은 용접 범프의 높이보다 크다.

일 실시 예에서, 용접 범프는 용접 범프의 외측 지점이 고정 거리만큼 제1 금속 플레이트의 평면 밖에 위치하도록 제2 금속 플레이트에 대해 가압됨으로써 변형 가능하며, 상기 고정 거리는 변형 전 범프의 높이보다 작다.

두 플레이트들을 함께 결합하기 위해 레이저 빔 소스로부터의 레이저 빔이 용접 범프에 집속될 수 있다. 용접 과정 중, 용접 범프는 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 개선된 접촉을 보장한다.

일 실시 예에서, 용접 범프는, 예컨대, 제1 플레이트와 제2 플레이트가 접합될 때 레이저 빔에 의해 융점 이상으로 가열됨으로써 변형 가능한데, 이때 용접 범프의 외측 포인트가 접합 거리만큼 제1 금속 플레이트의 평면에서 벗어난 위치에 있고, 상기 접합 거리는 고정 거리 및/또는 변형 전 범프의 높이보다 작다. 이러한 접합 단계 중에 용접 범프는 레이저 빔에 노출된다. 이것은 열을 발생시킨다. 용접 범프는 융점 이상으로 가열된다. 결과적으로, 플레이트들은 국부적으로, 즉 용접 범프에서 녹을 것이다. 용접 범프의 높이가 감소한다. 그 효과는 플레이트들 사이의 거리가 감소한다는 것이다. 결과적으로, 두 플레이트들은 그 플레이트들 사이의 최소 간격으로 용접 범프에 의해 서로 용접된다. 또한, 예컨대, 플레이트의 접촉 불량 또는 위치설정 오류와 같은 오류들이 플레이트를 쌓음으로써 누적되지 않는다. 예를 들어, 바이폴러 플레이트들을 적층하는 동안, 수백 개의 플레이트들의 적층이 이루어진다. 이것은 단지 몇 μm의 오류로 인해 연료 전지에 사용 시 스택 품질의 저하를 초래할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 원치 않는 함몰 용접은 본 발명에 의해 완화된다.

또한, 기존의 기계들과 비교하여, 용접 범프는 적어도 하나의 용접 고정구가 용접부로부터 더 먼 거리에 배치되는 것을 가능케 함으로써, 용접 도구 및/또는 플레이트에 튀거나 그 부스러기의 양이 감소하는 것을 보장한다. 이것은 플레이트의 재작업의 감소와 레이저 용접 도구의 수명의 증가로 이어진다.

두 개의 플레이트를 제조하는 공정은 예를 들어, 플레이트의 재료, 플레이트의 크기 등과 같은 여러 측면에 따라 다르다. 일 실시 예에서, 제1 금속 플레이트와 연관된 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 변형 공정, 예를 들어 하이드로포밍(hydroforming), 스탬핑(stamping) 또는 엠보싱(embossing)에 의해 제조된다. 실제로, 하이드로포밍은 제1 금속 플레이트에 용접 범프를 정확하게 형성하는 신뢰할 수 있는 방법이다.

일 실시 예에서, 용접 범프의 높이는 50㎛ 미만이다. 일 실시 예에서, 용접 범프의 높이는 5 내지 50㎛, 바람직하게는 10 내지 30㎛, 보다 바람직하게는 15 내지 25㎛이다.

일 실시 예에서, 용접 범프의 폭은 0.2-2mm, 바람직하게는 0.3-1.5mm, 더욱 바람직하게는 0.4-1mm이다.

일 실시 예에서, 제1 금속 플레이트의 용접 범프는 기다란 형상 및 길이를 갖는다. 바람직하게는, 상기 용접 범프는 제1 금속 플레이트 상에 폐쇄 루프로서 형성된다.

또한, 상기 제1 금속 플레이트는 제1 플레이트 용접 영역을 포함하고, 상기 제2 금속 플레이트는 제2 플레이트 용접 영역을 포함한다. 일 실시 예에서, 상기 제1 플레이트 용접 영역의 치수는 적어도 제1 금속 플레이트의 용접 범프의 치수만큼 크다. 일 실시 예에서, 상기 제1 플레이트 용접 영역의 치수는 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 치수와 동일하다.

일 실시 예에서, 상기 제2 플레이트 용접 영역의 치수는 적어도 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 치수만큼 크다. 일 실시 예에서, 상기 제2 플레이트 용접 영역의 치수는 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 치수와 동일하다. 바람직하게는, 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에 위치될 때, 제2 플레이트 용접 영역은 제1 플레이트 용접 영역과 완전히 중첩된다. 상기한 중첩은 용접 범프의 높이에 수직인 평면, 예컨대, 수평면에서 일어난다.

일 실시 예에서, 각 플레이트의 두께는 20-500 ㎛, 바람직하게는 25-250 ㎛, 보다 바람직하게는 50-100 ㎛이다. 용접 위치에서 누출을 방지하기 위해, 두 플레이트들 사이의 간격은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 몇 μm의 불연속적, 파손 또는 결함이 있는 용접이라면 이미 누출을 유발하기에 충분할 수 있다.

추가 실시 예에서, 상기 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 금속 플레이트는 적어도 하나의 위치설정 특징부를 포함한다. 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에 배치될 때 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 위치를 설정하도록 구성된다.

상기 위치 설정 특징부는, 예를 들어, 플레이트의 모서리에 플레이트 상의 미리 결정된 위치에서 제조되는, 국부적 홈(groove) 및/또는 위치설정 돌기(protrusion)일 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트는 제1 플레이트 용접 영역 및 제2 플레이트 용접 영역에서 서로 레이저 빔 용접되도록 구성된다. 상기 용접 과정에서 레이저 빔이 용접 범프에 제공된다.

일 실시 예에서, 상기 플레이트들은 본 발명의 제2 방법에 따라 제조된다.

제4 측면에서, 본 발명은 제1 금속 플레이트 및 상기 제1 금속 플레이트와 결합되는 제2 금속 플레이트에 관한 것으로서, 여기서 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트는 본 발명의 제2 측면의 방법에 따라 제조된다.

제5 측면에서, 본 발명은 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 서로 연결하는 방법에 관한 것으로,

- 제2 금속 플레이트는 제2 플레이트 용접 영역, 및 제2 채널 구조를 갖는 제2 표면, 및 제2 대향 채널 구조를 갖는 제2 대향 표면을 포함하되, 상기 제2 플레이트 용접 영역은 상기 제1 플레이트의 제1 플레이트 용접영역에 연결될 제2 금속 플레이트의 일부에 의해 형성되며,

- 상기 제1 플레이트 용접 영역은 용접 범프를 포함하고, 상기 제2 플레이트 용접 영역은 어떤 용접 범프도 포함하지 않으며,

상기 방법은 하기 단계들:

- 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 레이저 빔 용접 위치에 배치함으로써,

o 상기 제1 금속 플레이트의 용접 범프가 상기 제2 금속 플레이트의 제2 플레이트 용접 영역을 향해 돌출되고;

- 레이저 빔 용접 위치에서 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 고정하는 단계로서,

o 적어도 하나의 용접 고정구를 사용하고, 여기서 상기 적어도 하나의 용접 고정구는 제1 플레이트 용접 영역 옆에 있는 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 플레이트 용접 영역 옆에 있는 제2 금속 플레이트와 맞물리며,

및/또는

o 상기 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트 사이의 공기 압력을 감소시킴으로써 흡입력을 제공하고,

- 용접에 의해 제1 플레이트 용접 영역과 제2 플레이트 용접 영역을 서로 연결하는 단계를 포함한다.

선택적으로, 제1 플레이트 용접 영역과 제2 플레이트 용접 영역은 레이저 빔 용접에 의해 서로 연결된다.

선택적으로, 제2 플레이트 용접 영역은 평평한 맞물림 표면이거나 이를 포함하고, 상기 평평한 맞물림 표면은 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에서 고정될 때 제1 플레이트 용접 영역의 용접 범프와 맞물리도록 배열된다. 선택적으로, 용접 범프는 폭을 가지며, 상기 평평한 맞물림 표면은 용접 범프의 폭보다 큰 폭을 갖는다. 선택적으로, 용접 범프는 길이를 가지며, 상기 평평한 맞물림 표면은 용접 범프의 길이보다 큰 길이를 갖는다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 용접 범프는 곡률 반경을 갖는 굴곡진 형상을 갖고, 용접 범프의 외측 지점은 용접 범프의 높이만큼 제1 금속 플레이트의 평면에서 벗어난 위치에 있다. 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 고정하는 단계 중에 용접 범프를 부분적으로 평평하게 하여, 이로써 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 서로의 고정 거리에 위치되고, 상기 고정 거리는 높이보다 작다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 상기 적어도 하나의 용접 고정구는 제1 용접 영역 및/또는 제2 용접 영역 옆에 맞물린다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 상기 적어도 하나의 용접 고정구는 용접 범프의 중심으로부터 적어도 0.3mm, 바람직하게는 0.5-0.8mm의 거리에서 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트와 맞물린다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 상기 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 금속 플레이트를 포함하는 적어도 하나의 위치설정 특징부는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에 배열되어 있는 단계 동안 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트를 위치 설정하는데 사용된다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 상기 방법은 레이저 빔 용접에 의해 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 접합하는 단계를 더 포함하고, 레이저 빔은 용접 범프에 집속된다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 용접 범프는 기다란 형상 및 길이를 갖는다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 용접 범프의 높이는 5-50㎛, 바람직하게는 10-30㎛, 보다 바람직하게는 15-25㎛이다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 용접 범프의 폭은 0.2-2mm, 바람직하게는 0.3-1.5mm, 더 바람직하게는 0.4-1mm이다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 상기 방법은 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 금속 플레이트의 치수, 및/또는 유동장 채널 패턴, 및/또는 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 위치에 기초하여 적어도 하나의 용접 고정구를 제조하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 제5 측면의 실시 예에서, 상기 방법은 플레이트를 설계하는 단계를 더 포함하되, 여기서 용접 범프의 치수는 제1 금속 플레이트 및/또는 제2 금속 플레이트의 치수의 허용오차, 및/또는 레이저 빔 용접 동안 용접 범프에 집속될 레이저 빔의 치수에 기초하여 결정된다.

본 발명의 제5 측면은 또한 본 발명의 제5 측면에 따른 방법에 의해 서로 연결되는 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트의 조합에 관한 것이다.

본 발명은 비제한적인 방식으로 본 발명의 예시적인 실시 예들이 도시될 도면을 참조하여 아래에 더 상세히 설명될 것이다. 상이한 도면에서 동일한 참조 번호는 상이한 도면에서 동일한 특성을 나타낸다.
도 1a 내지 1b는 본 발명에 따른 제1 금속 플레이트 및 상기 제1 금속 플레이트와 결합된 제2 금속 플레이트의 예를 개략적으로 도시한다.
도 1c는 본 발명에 따른 제2 금속 플레이트의 상부에 용접 범프를 갖는 제1 금속 플레이트의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 2a 내지 2g는 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 위치에서 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 서로에 대해 위치 설정하기 위한 제1 방법에 따른 실시 예를 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 3d은 본 발명에 따른 제1 금속 플레이트 및 상기 제1 금속 플레이트와 연관된 제2 금속 플레이트를 제조하기 위한 제2 방법에 따른 실시 예를 개략적으로 예시한다.
도 4a 내지 e는 본 발명에 따른 용접 범프를 갖는 실시 예와 용접 범프가 없는 상황 간의 비교를 개략적으로 도시한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 제1 금속 플레이트(1)의 단면 및 상기 제1 금속 플레이트(1)과 접합된 제2 금속 플레이트(2)의 단면의 예를 개략적으로 도시한다.

도 1a의 제1 금속 플레이트(1)는 제1 표면(1a) 및 제1 대향 표면(1b)을 포함한다. 제1 금속 플레이트(1)의 제1 표면(1a)은 제1 채널 구조(3)를 갖고, 제1 금속 플레이트(1)의 제1 대향 표면(1b)은 제1 대향 채널 구조를 갖는다.

마찬가지로, 도 1b의 제2 금속 플레이트(2)의 제2 표면(2a)은 제2 채널 구조(4)를 갖고, 제2 금속 플레이트(2)의 제2 대향 표면(2b)은 제2 대향 채널 구조를 갖는다.

제1 금속 플레이트(1)의 제1 채널 구조물(3)을 제2 금속 플레이트(2)의 제2 채널 구조물(4)에 배치함으로써, 제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트이 배치되어 유동장 채널 패턴이 형성된다(도 1a, 1b에는 도시되지 않음). 바람직하게는, 유동장 채널 패턴은, 예를 들면, 물, 글리콜 또는 혼합물일 수 있는, 냉각수의 유동을 위해 작용한다.

바람직하게는, 제1 금속 플레이트(1)의 제1 대향 채널 구조는 기체 스트림, 예를 들어, 수소 또는 산소와 같은 기체 스트림을 제1 대향 표면(1b) 위로 안내 및 분할하도록 구성된다. 바람직하게는, 제2 금속 플레이트(2)의 제2 대향 채널 구조는 기체 스트림, 예를 들어, 산소 또는 수소와 같은 기체 스트림을 제2 대향 표면(2b) 위로 안내 및 분할하기 위한 것이다.

이 예에서, 제1 채널 구조(3) 및 제2 채널 구조(4)는 교대로 평평한 부분(3a, 4a) 및 채널 벽(3b, 4b)을 포함하는 돌출부들을 포함한다. 제1 채널 구조(3)는 선택적으로 제2 채널 구조(4)와 동일한 디자인을 갖는다.

또한, 제1 금속 플레이트(1)에는 제1 용접 영역(6)이 제공된다. 도 1a에서, 제1 금속 플레이트(1)는 2개의 용접 범프(5) 및 따라서 2개의 제1 용접 영역(6)을 가지며, 이 용접 영역(6)은 이중 화살표로 표시된다. 용접 영역들(6, 7), 용접 범프(5) 및 채널 구조(3, 4)는 축척에 맞게 그려지지 않았지만, 단지 예시를 위한 것임에 유의하여야 할 것이다. 유사하게, 제2 금속 플레이트(2)는 2개의 제2 용접 영역(7)을 포함한다. 각각의 제1 플레이트 용접 영역(6)은 용접 범프(5)를 포함한다. 제2 금속 플레이트(2)는 용접 범프를 갖지 않는다. 본 예에서, 도 1a의 단면에서 제1 금속 플레이트의 두 개의 용접 범프(5)는 실제로 제1 금속 플레이트(1)의 하나의 폐쇄된 용접 범프(5)에서 시작되며, 이것은 도 1c의 제1 금속 플레이트(1)의 평면도에서 보여진다. 도 1a는 y축을 따라 횡단선 A-A'를 도시한다.

제1 금속 플레이트(1)의 용접 범프(5)는 레이저 빔 소스로부터의 레이저 빔이 용접 범프(5)에 집속되는 용접 프로세스 동안 제2 금속 플레이트(2)의 제2 플레이트 용접 영역(7)을 향해 돌출하도록 구성된다.

도시된 실시 예에서, 용접 범프(5)의 폭(W)은 1mm이고 높이(H)는 25㎛이다. 그러나 다른 치수도 가능하다. 용접 범프(5)의 치수를 고려하면, 용접 범프(5)는 폭 방향, 즉 y-방향에서 볼 때 경사를 포함한다. 상기 경사는 약 5%의 기울기를 갖는다. 이것은 비교적 완만한 경사로 간주될 수 있다. 상기 경사는 두 플레이트들 사이의 넓은 접촉을 확보한다(도 2b 참조). 상기한 넓은 접촉은 만족스러운 용접을 실현하고, 이는 접합된 플레이트의 평탄도에 도움이 된다.

도 1c는 본 발명에 따른 제2 금속 플레이트의 상부에 있는 제1 금속 플레이트(1)의 가능한 평면도를 도시한다. 채널 패턴은 명확성을 위해 도시되지 않는다. 본 실시 예에서, 용접 범프(5)는 점선 영역으로 표시되며, 여기서 용접 범프(5)는 긴 형상 및 길이를 갖는다. 도 1c에서, 용접 범프(5)는 제1 금속 플레이트(1) 상에 닫힌 루프로서 형성된다. 예를 들어, 제1 금속 플레이트(1)의 모서리(8)의 1 cm의 거리에 형성된다. 또한, 많은 다른 구성이 가능하다. 도 1c에서, 용접 범프(5)는 밑에 있는 제2 금속 플레이트를 향해 돌출하고 있는데, 즉, 상기 용접 범프는 음의 z 방향으로 돌출되어 있다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트 용접 영역(6)의 길이 및/또는 폭(양쪽 화살표(6)로 표시됨)은 적어도 제1 금속 플레이트(1)의 용접 범프(5)의 길이 및/또는 폭(W)만큼 크다. 특히, 제1 플레이트 용접 영역(6)의 길이 및/또는 폭은 제1 금속 플레이트(1) 상의 용접 범프(5)의 길이 및/또는 폭(W)과 동일하다. 도 1c에서 제1 플레이트 용접 영역(6)은 점선 영역과 중첩한다.

도 1b에서 추가로 예시된 바와 같이, 제2 플레이트 용접 영역(7)의 길이 및/또는 폭(양쪽 화살표 7로 표시됨)은 적어도 제1 금속 플레이트(1) 상의 용접 범프(5)의 길이 및/또는 폭(W)만큼 크다. 특히, 제2 플레이트 용접 영역(7)의 길이 및/또는 폭은 제1 금속 플레이트(1) 상의 용접 범프(5)의 길이 및/또는 폭(W)과 동일하다. 바람직하게는, 제2 플레이트 용접 영역(7)은 제1 금속 플레이트(1) 및 제2 금속 플레이트(2)가 레이저 빔 용접 위치에 있을 때 제1 플레이트 용접 영역(6)과 일치한다.

추가로, 각 플레이트의 두께는 20-200㎛, 보다 바람직하게는 50-100㎛이다. 예를 들어, 도 1a 및 1b에서, 제1 금속 플레이트(1)의 두께(t1)는 100㎛이고 제2 금속 플레이트(2)의 두께(t2)는 50㎛이다. 선택적으로는, 양 두께는 동일하다. 용접 위치에서 누출을 방지하기 위해서는, 두 플레이트들 사이의 간격을 가능한 한 작게 하는 것이 중요하다. 몇 μm의 불연속, 파손 또는 결함이 있는 용접이라도 이미 누출이 있기에 충분할 수 있다.

도 1a 내지 c의 실시 예는, 예를 들어, 본 발명에 따른 제1 방법에 따라 위치 설정되고/되거나 본 발명에 따른 제2 방법에 따라 제조될 수 있다. 이러한 방법은 아래에서 설명될 것이다. 일 실시 예에서, 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트는 하이드로포밍에 의해 형성된다.

추가로, 제1 금속 플레이트(1) 및/또는 제2 금속 플레이트(2)는 도 1c에서 볼 수 있는 적어도 하나의 선택적인 위치 설정 특징부(positioning feature)(9, 10)를 포함한다. 상기 적어도 하나의 위치 설정 특징부(9, 10)는, 예를 들어, 2개의 플레이트를 기계적으로 연결하기 위한 플레이트의 돌출부 또는 구멍일 수 있으며, 예를 들어, 도 1c의 제1 금속 플레이트(1)의 구멍(10)을 참조한다. 밑에 있는 제2 금속 플레이트(2)는 제1 금속 플레이트와 동일한 구멍(10)을 가질 수 있음을 주목하여야 할 것이다. 다른 예를 들면, 제1 금속 플레이트(1)의 두 모서리에서의 생성된 패턴(9)일 수 있다. 상기 위치 설정 특징부들(9, 10)은 포지셔닝 센서(11), 예컨대, 측정 신호(12)를 방출 및 수신하는 감지 카메라에 의해 검출될 수 있다. 유사하게, 추가적인 제2 생성 패턴이 제2 금속 플레이트(2)(도시되지 않음) 상에 생성될 수 있다. 상기 패턴에 따라, 포지셔닝 센서(11)는 제1 금속 플레이트(1) 및/또는 제2 금속 플레이트(2)의 위치를 결정하여 레이저 빔 용접 위치에 플레이트를 배열할 수 있다.

도 2a는 본 발명에 따른 레이저 빔 용접 위치에서 제1 금속 플레이트(21) 및 제2 금속 플레이트(22)를 서로에 대해 위치 설정하기 위한 제1 방법에 따른 실시 예를 도시한다.

먼저, 제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22)를 레이저 빔 용접 위치에 배치한다. 이 단계는 픽-앤-플레이스 로봇(집어들어 옮기는 로봇: pick-and-place robot) 또는 다축 로봇 암(multi-axis robot arm)에 의해 수동 또는 자동으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 2a(i)의 평면도에 도시된 바와 같이, 다축 로봇 암(26)은 그리퍼(26a)로 두 개의 플레이트 중 하나, 예를 들어 제2 금속 플레이트를 파지하고, 제2 금속 플레이트(22)를 용접 유지 도구(20)에 위치시킨다. 그 후, 적어도 하나의 포지셔닝 센서(도 2a에 도시되지 않음)는 제2 금속 플레이트(22)를 스캔하여 용접 유지 도구(20) 내부에서 제2 금속 플레이트(22)의 위치를 결정한다. 용접 유지 도구(20) 내부의 제2 금속 플레이트(22)의 위치에 따라서는, 로봇 암(26)은 다른 플레이트(22), 예컨대, 제1 금속 플레이트(21)를 용접 유지 도구(20) 내부의 제2 금속 플레이트(22)의 상부의 정확한 위치에 배치할 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 플레이트(21) 및 제2 금속 플레이트(22)는 위치 설정 특징부를 포함한다. 도 2a의 제1 금속 플레이트(21)의 위치 설정 특징부(21a)는 하나의 돌출부이다. 제2 금속 플레이트(22)는 구멍(22a)을 가지며, 여기서 제1 금속 플레이트(21)의 돌출부(21a)는 제2 금속 플레이트(22)의 구멍(22a) 내부에 끼워질 수 있다. 상기 위치 설정 특징부(21a, 22a)는 플레이트들이 기계적으로 연결되는 것을 보장한다. 그러나 다른 구성도 가능하다. 상기 플레이트들은 또한 용접 유지 도구(20) 내부에 함께 또는 동시에 배치될 수 있다.

상기 용접 유지 도구(20)는 레이저 용접 도구의 위치 설정 시스템(27)의 일부이다. 레이저 빔 용접 위치에서 제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22)를 서로에 대해 고정하기 위해, 상기 위치결정 시스템(27)은 적어도 하나의 용접 고정구(31) 및/또는 흡입력 시스템을 더 포함한다. 이에 대해서는 아래에서 설명될 것이다.

제1 플레이트 용접 영역(23) 및 제2 플레이트 용접 영역(24)은 도 2a에서 점선 영역으로 표시된다. 제1 플레이트 용접 영역(23)은 제2 금속 플레이트(22)의 제2 플레이트 용접 영역(24)을 향해 돌출된 용접 범프(25)를 포함한다. 제1 플레이트 용접 영역(23)의 길이 및/또는 폭(W1)은 적어도 제1 금속 플레이트(21)의 용접 범프(25)의 길이 및/또는 폭(W)만큼 크다. 도시된 실시 예에서, 제1 플레이트 용접 영역(23)의 길이 및/또는 폭(W1)은 제1 금속 플레이트(21) 상의 용접 범프의 길이 및/또는 폭(W)보다 더 크다. 바람직하게는, 제1 용접 영역(23)의 길이 및/또는 폭은 용접 범프(25)의 길이 및/또는 폭과 동일하다. 상기 길이들은 x-축을 따라서 배향된다는 것을 유념하여야 할 것이다(표시된 xyz 좌표계를 참조).

또한, 제2 플레이트 용접 영역(24)의 길이 및/또는 폭(W2)은 적어도 제1 금속 플레이트(21) 상의 용접 범프(25)의 길이 및/또는 폭(W)만큼 크다. 도시된 실시 예에서, 제1 용접 영역(23) 및 제2 용접 영역(24)은 길이 및/또는 폭이 동일하다. 제1 용접 영역(25) 및 제2 용접 영역(23)은 레이저 빔 용접 위치에서 용접 범프의 높이에 수직인 평면(즉, xy 평면)에서 중첩된다.

용접 범프(25)는 곡률 반경을 갖는 굴곡진 형상을 가진다. 용접 범프(25)의 굴곡진 형상으로 인해, 용접 범프의 외측 지점(25a)은 용접 범프(25)의 높이(H)만큼 제1 금속 플레이트(21)의 평면에서 벗어나 위치한다. 상기 곡률 반경은 용접 범프(25)의 높이(H)보다 크다.

상기한 배열 단계 동안, 제1 채널 구조 및 제2 채널 구조는 유동장 채널 패턴을 형성하도록 위치된다. 상기 유동장 채널 패턴(28)은 도 2b에 나타나 있다. 또한, 제1 금속 플레이트(21)의 용접 범프(25)는 제2 금속 플레이트(22)의 제2 플레이트 용접 영역(24)을 향해 돌출되어 있다.

부가적으로, 상기 플레이트들은 그의 기능과 재료 특성을 고려하여 설계된다. 제1 금속 플레이트(21) 상의 용접 범프(25)의 치수는 제1 금속 플레이트(21) 및/또는 제2 금속 플레이트(22)의 치수의 허용오차, 및/또는 레이저 빔 용접 중 용접 범프(25)에 집속되는 레이저 빔의 치수에 기초하여 결정된다.

도 2b의 다음 단계에서, 2개의 용접 고정구(31a, 31b)는 제1 플레이트 용접 영역(23) 옆의 제1 금속 플레이트(22)와 맞물리는 반면, 2개의 용접 고정구(31c, 31d)는 제2 플레이트 용접 영역(24) 옆의 제2 금속 플레이트(22)와 접촉한다. 위치 설정 특징부(21a, 22a)는 명확성을 위해 생략되었음을 주목하여야 할 것이다. 부가적으로, 플레이트의 고정은 흡입력을 제공함으로써 도움이 될 수 있다. 상기 흡입력은, 예를 들어, 압축기를 포함하는 흡인력 시스템(30)에 의해 제공된다. 상기 흡입력 시스템(30)은 제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22) 사이의 입구(30a)에서 공기의 압력을 감소시키도록 구성된다. 적어도 하나의 용접 고정구에 의한 고정과 흡입력에 의한 고정은 서로 상보적임을 유념하여야 할 것이다. 예를 들어, 플레이트들이 평평한 표면을 갖고 플레이트들이 매우 잘 배치된 경우, 흡입력 또는 적어도 하나의 용접 고정구 중의 하나가 상기 플레이트들을 고정하기에 충분할 수 있다. 그러나 다음 도면에서는 진공과 적어도 하나의 용접 고정 장치가 모두 적용되는 것으로 가정한다.

본 실시 예에 따른 제1 금속 플레이트(21) 및 제2 금속 플레이트(22)의 고정 단계에서, 용접 범프(25)는 부분적으로 평탄화된다. 용접 범프(25)는 제2 금속 플레이트(22)의 제2 플레이트 용접 영역(24)에 대해 가압 된다. 용접 범프(25)는 고정 단계의 결과로 변형되어, 용접 범프(25)의 높이의 감소로 귀착된다. 이러한 방식으로, 제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22)는 서로의 고정 거리(F)에 위치된다. 상기 고정 거리(F)는 용접 범프(25)의 높이보다 더 작다.

도 2b의 4개의 용접 고정구들(31a, 31b, 31c, 31d)은 제1 금속 플레이트(21) 및/또는 제2 금속 플레이트(22)의 치수, 및/또는 유동장 채널 패턴(28), 및/또는 제1 금속 플레이트(21) 상의 용접 범프(25)의 위치에 기초하여 만들어진다. 도 2b에서, 2개의 용접 고정구들(31a, 31b)은 제1 용접 영역(23) 옆의 제1 금속 플레이트(21)와 맞물리고, 2개의 용접 고정구들(31c, 31d)은 제2 용접 영역(24) 옆의 제2 금속 플레이트(22)와 맞물린다.

예를 들어, 상기 적어도 하나의 용접 고정구는, 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 고정 클램프일 수 있다. 도 2b에서 4개의 고정 클램프가 두 개의 플레이트들 함께 고정한다. 제1 고정 클램프(31a) 및 제2 고정 클램프(31b)가 제1 금속 플레이트(21)의 제1 대향 면(21a)에, 따라서, 용접 범프(25)의 반대쪽에 배열된다. 제3 고정 클램프(31c) 및 제4 고정 클램프(31d)는 제2 금속 플레이트(22)의 제2 대향 면(22a)에 배치된다. 바람직하게는, 제1 고정 클램프(31a)는 제2 및 제3 고정 클램프들(31b, 31c)에 대해 평행하게 위치된다. 유사하게, 제4 고정 클램프(31d)는 제2 및 제3 고정 클램프들(31b, 31c)에 대해 평행하게 위치된다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 두 플레이트들은 용접 유지 도구(20)에 배열되고 제1 용접 고정구(31a) 및 제2 용접 고정구(31b)는 제1 금속 플레이트(21)와 맞물린다. 레이저 용접기의 레이저 빔 소스(도 2g에 도시됨)로부터의 레이저 빔은 용접하는 동안 두 개의 고정구 클램프(31a, 31b) 중 하나에서 두 개의 고정구 클램프(31a, 31b) 중 다른 것으로 향하는 방향으로 이동하다(도 2c의 평면도 참조). 다른 가능한 실시 예에서, 레이저 빔은 용접 공정 동안 2개의 고정구 클램프들(31a, 31b) 사이에서 이동하고 있다(도 2d의 평면도 참조).

두 플레이트들(21, 22)을 고정하기 위한 다른 예는, 적어도 하나의 용접 고정구(31e, 31f)가, 예를 들어, 미리 정해진 형태로 절단된 구조물일 수 있는 것이다. 구조물(31e, 31f)의 무게 및/또는 중력으로 인해 두 플레이트들(21, 22)이 고정되고, 이때 구조물(31e, 31f)이 두 플레이트들(21, 22) 중 하나와 맞물린다. 상기 플레이트들(21, 22)이 고정될 때, 용접 범프(25)는, 예컨대, 구조물(31e)의 소정의 형상의 개구(29)에 의해, 레이저 빔에 대해 액세스 가능한 상태를 유지한다. 따라서, 레이저 빔 소스로부터의 레이저 빔은 정확한 위치, 즉 제1 금속 플레이트(21) 상의 용접 범프(25)를 방사할 수 있다. 또한, 적어도 제1 금속 플레이트(21)의 용접 범프(25)는 제2 용접 영역(24)과 접촉한다. 상기 용접 고정구들의 소정의 형상의 예는 도 2e 내지 2f의 평면도에 도시되어 있다. 제1 금속 플레이트(21)의 상부에는 용접 고정구가 배치되고, 제1 금속 플레이트(21)는 용접 범프(25)를 포함한다.

도 2e에서, 용접 고정구(31e)(파선 영역)의 소정의 형상은 플레이트(31e)이고, 이 플레이트(31e)는 그 중간에 직사각형 개구(29)를 포함한다. 따라서 용접 범프(25)는 레이저 빔에 대해 접근 가능한 상태로 유지된다. 도 2f는 제1 금속 플레이트(21)의 모서리에 배치된 2개의 용접 고정구들(31f)을 도시한다.

또한, 상기 용접 고정구의 다른 조합들이 적용될 수 있다.

상기 용접 고정구들(31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f)은 제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22)를 함께 가압함으로써 이들 사이의 접촉을 보장한다. 게다가, 흡입력은 플레이트들 사이의 접촉을 돕는다. 본 발명에 따르면, 용접 범프(25)는 제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22) 사이의 접촉을 보장하는 데 기여한다. 본 발명에 따른 플레이트들(21, 22)을 맞물리는 용접 고정구들(31a, 31b, 31c, 31d, 31e, 31f)의 정확한 위치들은 종래의 기계/시스템에 비해 덜 중요한데, 이것은 작동 중에 향상된 유연성을 제공하고 덜 정확한 용접 도구를 제작할 수 있게 함으로써, 전체적인 비용을 감소시킨다. 또한, 제1 금속 플레이트(21) 상의 용접 범프(25)는 용접 과정에서 레이저 빔이 투사되는 위치로부터 용접 고정기두들(31a, 31b, 31e, 31f)이 더 멀리 위치되도록 한다. 따라서, 용접 범프(25)에 대한 용접 고정구들(31a, 31b, 31e, 31f)의 거리는 레이저 용접 중 레이저 용접 도구 및/또는 플레이트들(21, 22) 상의 튀김 또는 파편의 양의 감소를 보장한다. 이것은 플레이트(21, 22)에 대한 재작업의 감소 및 레이저 용접 도구의 수명 증가로 이어진다.

부가적으로, 고정된 플레이트들 사이의 간격은 용접 범프(25)의 위치에서 각 플레이트의 두께의 5% 미만, 바람직하게는 5%, 보다 바람직하게는 3%, 예를 들어, 0%이다. 예를 들어, 각각의 플레이트의 두께는 20-500 ㎛, 바람직하게는 25-250 ㎛, 더욱 바람직하게는 50-100 ㎛이다. 두 플레이트들을 용접하기 위해서는 그 간격이 최소화되어야 한다. 너무 큰 오프셋은 레이저 용접 대신 플레이트의 레이저 절단으로 이어질 것이다. 각 플레이트의 두께가 100 ㎛이라고 가정하면, 두 플레이트들 사이의 간격은 용접 위치에서 5μm 이하인 것이 바람직하다. 상기 용접 범프(25)는 2개의 플레이트 사이의 접촉의 향상을 보장한다. 따라서 이것은 용접의 정확도의 향상으로 이어진다.

도 2g에서, 제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22)를 진공(vacuum) 및 제1, 제2, 제3, 제4 용접 고정구들(31a, 31b, 31c, 31d)로 고정한 후, 두 개의 플레이트들(21, 22)이 레이저 빔 용접으로 접합되는데, 여기서 레이저 빔(33)이 용접 범프(25)에 집속된다. 레이저 빔(33)은 용접(32)을 생성하기 위해 레이저 빔 소스(34)에 의해 조사된다. 레이저 빔 소스(34)는, 예컨대, 레이저 용접 도구의 일부이다. 용접부(32)는 점선 영역으로 가시화된다. 상기 용접부(32)는 용접 범프의 전체 길이에 걸쳐 연장된다(도 2g에서는 보이지 않음). 도 2g는 레이저 용접 도구의 개략적인 단순화를 도시한다는 것을 유념하여야 할 것이다. 실제로, 레이저 빔(33)을 레이저 빔 소스(34)로부터 2개의 플레이트들(21, 22)에 지향시키기 위해 렌즈 시스템이 제공될 수 있다. 상기 렌즈 시스템을 이동시키기 위해 2D 포지셔닝 테이블(2D positioning table)이 제공될 수 있다.

제1 금속 플레이트(21)와 제2 금속 플레이트(22)를 접합하는 단계 동안, 용접 범프(25)는 레이저 빔(33)에 의해 적어도 부분적으로 용융된다. 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 접합하는 단계 후, 제1 금속 플레이트(21) 및 제2 금속 플레이트(22)는 서로의 접합 거리(J)에 위치하며, 상기 접합 거리(J)는 고정 거리(F)보다 작다. 결과적으로, 두 플레이트들(21, 22)은 플레이트들(21, 22) 사이의 더 작은 간격, 즉 결합 거리(J)로써 용접 범프(25)에 의해 서로 용접된다.

도 3a 내지 3d는 본 발명에 따른 제2 방법에 따라 제1 금속 플레이트(41) 및 제2 금속 플레이트(42)를 제조하기 위한 실시 예를 개략적으로 도시한다. 도면들과 특징들은 축척에 맞게 그려진 것이 아니라, 단지 설명을 위한 것임을 다시 한 번 유의하여야 할 것이다. 본 발명에 따른 제2 방법에서, 제1 몰드(43) 및 제2 몰드(44)는 플레이트(41, 42)를 변형시키는 데 사용된다. 변형 공정은, 예를 들어, 하이드로포밍, 스탬핑 또는 엠보싱일 수 있다. 실제로, 하이드로포밍은 이 공정이 제1 금속 플레이트(41) 상에 용접 범프(45)의 정확한 형성을 보장하기 때문에 적용된다. 제1 몰드(43) 및 제2 몰드(44)는 내부 표면에, 예를 들어, 바닥에 소정의 형상(43a, 44a)을 갖는 챔버일 수 있다. 상기한 소정의 형상(43a, 44a)은 여러 가지 요인들, 예를 들어, 제1 금속 플레이트(41) 상의 용접 범프(45)의 위치 및/또는 두 플레이트들의 치수에 따라 달라진다.

도 3a 내지 3d에서, 제1 금속 플레이트(41)(도 3a-3b) 및 제2 금속 플레이트(42)(도 3c-3d)는 제1 몰드(43) 및 제2 몰드(44) 각각의 상이한 몰드(43, 44) 내부에 배열된다. 2개의 플레이트(41, 42)는 동시에 배열되거나 그렇지 않을 수도 있다. 또한, 예를 들어, 제1 금속 플레이트(41) 및 제2 금속 플레이트(42)가 단일 몰드 구조에서 동시에 배열되고, 이 단일 몰드 구조는 2개의 분리된 구획을 포함하는다른 배열들이 가능하다. 그 다음에, 각각의 플레이트(41, 42)는 다른 구획에 배열된다. 상기 구획들은 서로 평행할 수 있다.

도 3a 내지 3d에 따른 실시 예에서, 2개의 플레이트들은 서로 다른 몰드(43, 44)에서 제조되며, 예를 들어, 다른 시간 및/또는 위치에서 동시에 제조되지는 않는다. 제1 금속 플레이트(41)는 제1 몰드(43)의 내부에 배치된다. 제1 몰드는 내부 표면에, 예컨대, 바닥 부분에 제1 소정의 형상을 갖는다. 상기한 제1 소정의 형상(43a)은 용접 범프(45)의 구조, 제1 채널 구조(46a) 및 제1 대향 채널 구조(46b)를 포함한다. 추가로, 상기한 제1 소정의 형상(43a)은 적어도 하나의 위치 설정 특징부(46c)의 구조, 예를 들어, 돌출을 더 포함한다.

제1 금속 플레이트(41)가 제1 몰드(43)에 배치될 때, 본 발명에 따른 제2 방법은 제1 주입 압력에서 제1 유체(47)를 제1 몰드(43)로 주입하는 단계를 더 포함한다(도 3b 참조). 제1 유체(47)가 제1 몰드(43)의 입구(48)를 통해 주입된다. 제1 금속 플레이트(41)의 유형, 치수 및 재료에 따라, 제1 몰드(43) 내부의 제1 주입 압력은 500 - 5000 bar 사이, 바람직하게는 1000 - 3000 bar 사이, 더 바람직하게는 1200 - 2000 bar 사이일 수 있다.

도 3b에서, 제1 주입 압력으로 인해, 제1 유체(47)는 제1 몰드(43)의 내면에서 제1 금속 플레이트(41)를 제1 소정의 형상(43a)으로 가압한다(화살표(52)로 표시됨). 상기 가압력으로 인해, 제1 소정의 형상(43a)은 제1 금속 플레이트(41)를 변형시킨다. 이것은 제1 채널 구조(46a) 및 제1 대향 채널 구조(46b) 및 제1 금속 플레이트 상에 용접 범프(45)를 야기한다. 예를 들어, 그 결과는 도 1a에 따른 변형된 제1 금속 플레이트(1)일 수 있다. 추가로, 적어도 하나의 위치 설정 특징부(46c)는 가압 단계 동안 제1 금속 플레이트(41) 상에 형성될 수 있다.

가압 단계 후, 제1 몰드(43) 내부의 압력은 주위 압력으로 감소한다. 그 후, 제1몰드(43)로부터 제1금속 플레이트(41)가 제거되고, 수조에 침지하여 상기 플레이트를 냉각 및 헹구어낸다.

유사하게, 제2 금속 플레이트(42)는 내부 표면에서 제2 소정의 형상을 갖는 제2 몰드(44) 내부에 배열된다(도 3c 참조). 상기 제2 소정의 형상(44a)은 제2 채널 구조(49a) 및 제2 대향 채널 구조(49b)의 구조를 포함한다. 추가로, 상기 제2 소정의 형상(44a)은 적어도 하나의 위치 설정 특징부(49c)의 구조, 예를 들어, 개구를 더 포함한다. 일 실시 예에서, 제1 채널 구조(46a) 및 제2 채널 구조(49a)는 동일하다.

유사하게, 제2 금속 플레이트(42)는 제2 주입 압력에서 제2 유체(50), 예컨대, 물을 몰드에 주입함으로써 제2 몰드(44)의 내면에서 제2 소정의 형상(44a)으로 가압 된다(도 3d 참조). 제2 유체(50)는 제2 몰드(44)의 입구(51)를 통해 주입된다. 제2 금속 플레이트(42)의 유형, 치수 및 재료에 따라, 제2 몰드(44) 내부의 제2 주입 압력은 500 - 5000 bar 사이, 바람직하게는 1000 - 3000 bar 사이, 더 바람직하게는 1200 - 2000 bar 사이이다.

상기 가압력(도 3d에서 화살표(53)으로 표시됨)으로 인하여, 제2 소정의 형상(44a)은 제2 금속 플레이트(42)를 변형시킨다. 이 단계는 제2 금속 플레이트(42) 상에 제2 채널 구조(49a) 및 제2 대향 채널 구조(49b)를 야기한다. 제2 금속 플레이트(42) 상에는 어떠한 용접 범프도 만들어지지 않는다. 예를 들어, 그 결과는 도 1b에 따른 상기 변형된 제2 금속 플레이트(2)일 수 있다. 추가로, 제2 금속 플레이트(42) 상의 적어도 하나의 위치 설정 특징부(49c)는 가압 단계 동안 형성되며, 여기서 제2 금속 플레이트(42)는 제2 몰드(44)의 내부 표면에서 제2 소정의 형상(44a)으로 가압 된다.

상기 가압 단계 후, 제2 몰드(44) 내부의 압력은 주위 압력으로 감소한다. 유사하게, 제2 금속 플레이트(42)는 제2 몰드(44)로부터 제거되고 수조에 침지되어 플레이트를 냉각시키고 헹군다.

상기 제조된 제1 채널 구조물 및 제2 채널 구조물은 제1 금속 플레이트(41)와 제2 금속 플레이트(42)가 함께 접합될 때 유동장 채널 패턴을 형성하도록 구성된다. 상기 접합된 플레이트는, 예를 들어, 연료 전지 응용 분야, 특히 차량용 바이폴러 플레이트로서의 역할을 할 수 있다. 바이폴러 플레이트를 연료 전지에 사용하면, 수소와 산소의 화학 반응으로 열이 발생한다. 따라서, 바람직하게는, 유동장 채널 패턴은, 예를 들어, 물, 글리콜 또는 혼합물일 수 있는, 냉각제의 흐름에 의해 플레이트를 냉각하는 데 사용된다.

상기 제조된 위치 설정 특징부(46c, 49c)는 제1 금속 플레이트(41) 및 제2 금속 플레이트(42)가 레이저 빔 용접 위치에 배열될 때 제1 금속 플레이트(41) 및 제2 금속 플레이트(42)를 위치 설정하는데 사용된다. 상기 위치 설정 특징부(46c, 49c)는 제1 금속 플레이트(41)와 제2 금속 플레이트(42)가 적절하게 정렬되도록 설계된다. 상기 위치 설정 특징부(46c, 49c)는, 예를 들어, 플레이트 상에서, 예컨대, 플레이트의 모서리에서, 미리 결정된 위치에서 제조되는, 국부적 홈 및/또는 위치 설정 돌출부일 수 있다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 제2 방법에 따라 제조된 제1 금속 플레이트(41) 및 제2 금속 플레이트(42)는 본 발명에 따른 제1 방법에 따라 배치된다.

도 4a 내지 e는 용접 범프의 효과를 예시한다. 도 4a 내지 b에서, 제1 금속 플레이트(61)가 용접 범프를 포함하지 않는 종래 기술에 따른 상황이 도시되어 있다. 실제로, 제1 금속 플레이트(61)와 제2 금속 플레이트(62)는, 예를 들어, 제조 공차 내에서 플레이트들(61, 62)의 두께 변화로 인하여, 이들이 서로 용접되기 전에는 완벽하게 정렬되지 않는다. 이것은 플레이트의 일부분은 접촉하고 다른 부분은 접촉하지 않도록 할 수 있다. 도 4a는 접촉이 없는 플레이트들(61, 62)의 일부를 도시한다. 플레이트의 강성은 용접 고정구(63)에 의해 가해지는 힘(F)이 플레이트들 사이의 접촉을 야기하기에 충분히 플레이트를 변형시키는 것을 방지할 수 있다. 따라서 반력(reaction force) R은 거의 0이다. 고정 단계 동안, 용접 위치에서 플레이트들 사이에는 어떤 국부적인 접촉도 없다. 그 결과는 플레이트들(61, 62) 사이의 고정 거리 X이다.

결과적으로 플레이트의 용접은 용접 품질이나 누출 문제를 더 악화시키는 것으로 귀착된다. 예를 들어, 상기 고정 거리 X가 너무 크면, 플레이트 사이에 용접이 이루어지지 않는다. 용접이 가능하더라도, 이것은 조악한 용접, 예컨대, 도 4b에 도시된 것과 같은 함몰 용접부(64)일 수 있다. 더욱이, 고정 거리 X는 동일한 몰드로 제작된 두 플레이트들마다 동일하다. 따라서 이러한 오류는 많은 수의 이들 플레이트들이 연료 스택에 배열될 때 누적될 것이다.

종래 기술의 이러한 문제를 적어도 완화하기 위해, 도 4c 내지 d에는 본 발명에 따른 용접 범프(65)를 갖는 실시 예가 도시되어 있다. 도 4c에서, 용접 범프(65)는 곡률 반경(66)을 갖는 굴곡진 형상을 가진다. 용접 범프(65)의 곡선 형상으로 인해, 용접 범프(65)의 외측 지점(67)은 용접 범프(65)의 높이(h)만큼 제1 금속 플레이트의 평면 밖에 위치한다. 용접 범프(65)의 굴곡진 형상은 본 발명에 따른 방법의 위치 설정 단계 동안 용접 범프(65)의 외측 지점(67)이 제2 금속 플레이트(69)과 접촉하는 것을 보장한다. 용접 범프(65)를 제공함으로써, 용접 영역(70, 71)에 인접한 플레이트들(68, 69) 사이의 간격(G)이 초기에 생성될 것이다. 플레이트들(68, 69)의 용접 영역(70, 71)은 수직 점선 사이에서 범위가 정의된다. 바람직하게는, 곡률 반경(66)은 용접 범프(65)의 외측 지점(67)의 곡률이 가파른 경사를 갖는 것을 피하도록 선택된다. 바람직하게는, 상기 경사는 약 1-5%의 경사를 갖는다. 이것은 비교적 완만한 경사로 간주될 수 있다. 본 실시 예에 따른 경사는 두 플레이트들 사이의 넓은 접촉을 확보한다. 상기한 넓은 접촉은 만족스러운 용접을 실현하여 플레이트의 평탄성에 도움이 된다. 예를 들어, 곡률 반경(66)은 용접 범프(65)의 높이(h)보다 크다.

본 발명에 따른 방법에 따른 용접 고정구(70)에 의한 제1 금속 플레이트(68) 및 제2 금속 플레이트(69)의 도 4d에서의 고정 단계 동안, 용접 범프(65)는 제2 금속 플레이트(69)에 대해 가압 된다. 결과적으로, 선 또는 표면 접촉이 생성된다. 용접 고정구(70)는 고정 단계 동안 두 플레이트들(68, 69)에 클램핑력(F)을 가한다. 결과적으로 반력 R이 생성된다. 용접 범프(65)의 스프링과 같은 거동으로 인해, 용접 범프(65)의 형상이 변형된다. 용접 범프(65)는 부분적으로 평평해진다. 이와 같이, 제1 금속 플레이트(68)와 제2 금속 플레이트(69)는 서로의 고정 거리(X')에 위치된다. 고정 거리 X'는 높이 h보다 작다.

도 4e에서, 레이저 용접 시, 용접 범프(65)의 중심이 레이저 빔(65)에 노출된다. 이것은 열을 발생시킨다. 용접 범프(65)는 융점 이상으로 가열된다. 결과적으로, 플레이트들(68, 69)은 국부적으로, 즉 용접 범프(65)에서 용융될 것이다. 용접 범프(65)는 변형된다. 그 효과는 플레이트들(68, 69) 사이의 거리가 접합 거리(J)로 감소한다는 것이다. 결과적으로 두 플레이트들(68, 69)은 그 플레이트들(68, 69) 사이의 작은 접합 거리(J)로써 용접 범프(65)의 접촉에 의해 서로 용접된다. 또한, 예를 들어, 플레이트의 접촉 불량 또는 위치 오류로 인한 결함들이 플레이트들을 적층함으로써 누적되지 않는다. 예를 들어, 바이폴러 플레이트들을 적층하는 동안, 수백 개의 플레이트들의 적층이 이루어진다. 이는 단지 몇 μm의 오류가, 예컨대, 연료 전지에 사용함에 있어, 스택 품질의 저하를 초래할 수 있음을 의미한다.

필요에 따라, 본 문서는 본 발명의 상세한 실시 예를 기술하고 있다. 그러나 여기에 개시된 실시 예들는 단지 예시로서 역할을 하며, 본 발명은 또한 다른 형태로 구현될 수도 있음을 이해하여야 할 것이다. 따라서 여기에 개시된 특정한 구조적 측면들은 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 단지 청구범위에 대한 기초로서 그리고 본 발명을 평균적인 숙련자에 의해 구현 가능하게 하기 위한 기초로서 간주되어야 할 것이다.

더욱이, 본 명세서에서 사용되는 다양한 용어는 제한적인 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 발명을 포괄적으로 설명하기 위한 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용된 단수로 표현된 단어는, 달리 명시되지 않는 한, 하나 또는 둘 이상을 의미한다. "복수"라는 어구는 둘 또는 둘 이상을 의미한다. "포함한다" 및 "갖는다(가진다)"라는 단어들은 열린 언어(open language)를 구성하며 더 많은 요소의 존재를 배제하지 않는다.

청구범위의 참조 기호들은 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 특정 실시 예들은 기술된 모든 목적을 달성할 필요는 없을 것이다.

특정한 기술적 방안들이 다른 종속항에 명시되어 있다는 사실만으로도 이러한 기술적 방안들의 조합이 유리하게 적용될 수 있다는 가능성을 여전히 가능케 할 것이다.

Claims

레이저 빔 용접 위치에서 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 서로에 대해 위치 설정(포지셔닝)하기 위한 방법에 있어서,
- 상기 제1 금속 플레이트는 제1 플레이트 용접 영역, 및 제1 채널 구조를 갖는 제1 표면, 및 제1 대향 채널 구조를 갖는 제1 대향 표면을 포함하고,
- 상기 제2 금속 플레이트는 제2 플레이트 용접 영역, 및 제2 채널 구조를 갖는 제2 표면, 및 제2 대향 채널 구조를 갖는 제2 대향 표면을 포함하되, 상기 제2 금속 플레이트는 용접 범프를 포함하지 않으며,
- 상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는, 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 함께 접합될 때, 유동장 채널 패턴(flow field channel pattern)을 형성하도록 구성되며,
- 상기 제1 플레이트 용접 영역은 용접 범프를 포함하고,
상기 방법은:
- 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 레이저 빔 용접 위치에 배치하는 단계로서,
o 상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는 유동장 채널 패턴을 형성하도록 배치되고;
o 상기 제1 금속 플레이트의 용접 범프가 상기 제2 금속 플레이트의 제2 플레이트 용접 영역을 향해 돌출하고;
- 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 레이저 빔 용접 위치에 고정하는 단계로서,
o 적어도 하나의 용접 고정구를 사용하되, 상기 적어도 하나의 용접 고정구는 상기 제1 플레이트 용접 영역 옆의 상기 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 플레이트 용접 영역 옆의 상기 제2 금속 플레이트와 맞물리며, 및/또는
o 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트 사이의 공기 압력을 감소시킴으로써 흡입력을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 용접 범프는 곡률 반경을 갖는 굴곡진 형상을 가지며, 상기 용접 범프의 외측 지점은 상기 용접 범프의 높이만큼 상기 제1 금속 플레이트의 평면을 벗어난 위치에 있고,
상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 고정하는 단계 동안 상기 용접 범프가 부분적으로 평탄화됨으로써, 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 서로의 고정 거리에 위치되고, 상기 고정 거리는 그 높이보다 작은 것인 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 용접 고정구는 상기 제1 용접 영역 및/또는 상기 제2 용접 영역 옆에 맞물리는 것인 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 용접 고정구는 상기 용접 범프의 중심으로부터 적어도 0.3mm, 바람직하게는 0.5-0.8mm의 거리에서 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 맞물리는 것인 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 금속 플레이트를 포함하는 적어도 하나의 위치설정 특징부는, 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트가 레이저 빔 용접 위치에 배열되는 단계 동안 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트를 위치 설정하기 위해 사용되는 것인 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
레이저 빔 용접에 의해 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트를 접합하는 단계로서, 여기서 레이저 빔이 용접 범프에 집속되는 것인 단계를 더 포함하는 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 범프는 길쭉한 형상과 길이를 갖는 것인 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 범프의 높이는 5-50㎛, 바람직하게는 10-30㎛, 더욱 바람직하게는 15-25㎛ 인 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 범프의 폭은 0.2-2mm, 바람직하게는 0.3-1.5mm, 더욱 바람직하게는 0.4-1mm 인 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 금속 플레이트의 치수, 및/또는 상기 유동장 채널 패턴, 및/또는 상기 제1 금속 플레이트 상의 용접 범프의 위치에 기초하여, 적어도 하나의 용접 고정구를 제조하는 단계를 더 포함하는 방법.
선행하는 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 범프의 치수는 상기 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 금속 플레이트의 치수의 허용오차 및/또는 레이저 빔 용접 중 상기 용접 범프에 집속될 레이저 빔의 치수에 기초하여 결정되는, 상기 플레이트를 설계하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1 금속 플레이트 및 레이저 빔 용접에 의해 함께 접합되도록 구성되는 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트에 있어서,
- 상기 제1 금속 플레이트는 제1 플레이트 용접 영역, 및 제1 채널 구조를 갖는 제1 표면, 및 제1 대향 채널 구조를 갖는 제1 대향 표면을 포함하고,
- 상기 제2 금속 플레이트는 제2 플레이트 용접 영역, 및 제2 채널 구조를 갖는 제2 표면, 및 제2 대향 채널 구조를 갖는 제2 대향 표면을 포함하고, 상기 제2 금속 플레이트는 용접 범프를 포함하지 않으며,
- 상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 함께 접합될 때 유동장 채널 패턴을 형성하도록 구성되며,
- 상기 제1 플레이트 용접 영역은 용접 범프를 포함하되,
상기 용접 범프는 레이저 빔이 상기 용접 범프에 초점이 맞춰지는 용접 프로세스 동안 상기 제2 금속 플레이트의 상기 제2 플레이트 용접 영역을 향해 돌출하도록 구성되는, 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트.
제12항에 있어서,
상기 용접 범프는 곡률 반경을 갖는 굴곡진 형상을 가지며, 상기 용접 범프의 외측 지점은 높이만큼 상기 제1 금속 플레이트의 평면에서 벗어난 위치에 있고,
상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 고정하는 단계 중, 상기 용접 범프가 부분적으로 평탄화됨으로써, 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 서로의 고정 거리에 위치되고, 상기 고정 거리는 상기 높이보다 작은 것인, 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트.
제12항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트는 하이드로포밍(hydroforming)에 의해 형성되는 것인, 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 범프는 기다란 형상 및 길이를 갖는 것인, 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트.
제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 범프의 높이는 5- 50㎛, 바람직하게는 10-30㎛, 더욱 바람직하게는 15-25㎛인, 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트.
제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접 범프의 폭은 0.2-2mm, 바람직하게는 0.3-1.5mm, 더욱 바람직하게는 0.4-1mm인, 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트.
제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 금속 플레이트는 적어도 하나의 위치설정 특징부를 포함하고, 상기 적어도 하나의 위치설정 특징부는 상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트를 레이저 빔 용접 위치에 배치하도록 구성되는, 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트.
제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트는 상기 제1 플레이트 용접 영역 및 상기 제2 플레이트 용접 영역에서 서로 레이저 빔 용접되고, 레이저 빔 용접은 상기 용접 범프에서 제공되는, 제1 금속 플레이트 및 상기 제2 금속 플레이트와 연관되는 제2 금속 플레이트.
제1 금속 플레이트와 제2 금속 플레이트를 서로 연결하는 방법에 있어서,
- 상기 제1 금속 플레이트는 제1 플레이트 용접 영역, 및 제1 채널 구조를 갖는 제1 표면, 및 제1 대향 채널 구조를 갖는 제1 대향 표면을 포함하고,
- 상기 제2 금속 플레이트는 제2 플레이트 용접 영역, 및 제2 채널 구조를 갖는 제2 표면, 및 제2 대향 채널 구조를 갖는 제2 대향 표면을 포함하되, 상기 제2 플레이트 용접 영역은 상기 제1 플레이트의 상기 제1 플레이트 용접영역에 연결될 상기 제2 금속 플레이트의 일부에 의해 형성되며,
- 상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트가 함께 접합될 때 유동장 채널 패턴을 형성하도록 구성되며,
- 상기 제1 플레이트 용접 영역은 용접 범프를 포함하고, 상기 제2 플레이트 용접 영역은 용접 범프를 포함하지 않으며,
상기 방법은 하기의 단계들:
- 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 레이저 빔 용접 위치에 배치하는 단계로서,
o 상기 제1 채널 구조 및 상기 제2 채널 구조는 상기 유동장 채널 패턴을 형성하도록 배치되고;
o 상기 제1 금속 플레이트의 상기 용접 범프가 상기 제2 금속 플레이트의 상기 제2 플레이트 용접 영역을 향해 돌출되는 단계;
- 레이저 빔 용접 위치에서 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트를 고정하는 단계로서,
o 적어도 하나의 용접 고정구를 사용하되, 여기서 상기 적어도 하나의 용접 고정구는 상기 제1 플레이트 용접 영역 옆에 있는 상기 제1 금속 플레이트 및/또는 상기 제2 플레이트 용접 영역 옆에 있는 상기 제2 금속 플레이트와 맞물리며, 및/또는
o 상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트 사이의 공기 압력을 감소시킴으로써 흡입력을 제공하는 단계,
- 용접에 의해 상기 제1 플레이트 용접 영역과 상기 제2 플레이트 용접 영역을 서로 연결하는 단계를 포함하는 방법.