KR20240089768A - 용접될 상이한 재료를 포함하는 용접 구역 사이의 전환이 신속하게 이루어지는 공작물을 레이저 용접하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
공작물(17)을 레이저 용접하기 위한 방법으로서, 레이저 빔(8)이 스캐너 광학 장치(13)에 의해 공작물(17)로 지향되고, 제 1 구성 부분(21)은 적어도 제 1 용접 구역(31)에서 베이스 부품(20)에 그리고 상기 제 2 구성 부분(22)은 제 2 용접 구역(32)에서 베이스 부품(20)에 임의의 순서로 레이저 빔(8)으로 용접되며, 상기 제 1 구성 부분(21)과 제 2 구성 부분(22)은 적어도 제 1 및 제 2 용접 구역(21)의 영역에서 상이한 재료로 구성되며, 레이저 빔(8)의 레이저 에너지는 적어도 레이저 빔의 코어 빔(9)에 대응하는 코어 부분(KA)과 코어 빔(9)을 둘러싸는 환형 빔(10)에 대응하는 환형 부분 사이에서 가변적으로 분할될 수 있고, 제 1 용접 구역(21)을 용접할 때와 제 2 용접 구역(22)을 용접할 때 코어 부분(KA)과 환형 부분으로의 레이저 에너지의 분할이 상이하게 선택되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의해 상이한 재료로 이루어진 구성 부분들이 베이스 부품에 용접되는 공작물의 제조가 가속화된다.
Description
본 발명은 공작물을 레이저 용접하기 위한 방법에 관한 것으로, 레이저 빔은 스캐너 광학 장치에 의해 공작물로 지향되고, 제 1 구성 부분은 적어도 제 1 용접 구역에서 베이스 부품에 그리고 제 2 구성 부분은 제 2 용접 구역에서 베이스 부품에 임의의 순서로 레이저 빔으로 용접되며, 적어도 제 1 및 제 2 용접 구역의 영역에서 제 1 구성 부분과 제 2 구성 부분은 상이한 재료로 구성된다.
레이저 용접은 공작물 부분들을 접합하여 공작물을 형성하는 효율적인 방법이다. 레이저 용접은 높은 용접 속도, 좁은 용접 시임 또는 가공물의 낮은 열적 뒤틀림이 요구될 때 주로 사용된다.
레이저 용접 시 하나의 베이스 부품에 여러 개의 구성 부분이 용접되어야 하는 경우가 많다. 예를 들어, 전기 배터리용 셀에서 캐소드는 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금으로 구성되고, 애노드는 구리(Cu) 또는 구리 합금으로 구성되며, 이러한 2개의 구성 부분은 셀의 공통 베이스 부품에 용접되어야 한다.
레이저 용접의 경우, 용접할 공작물 (또는 상기 공작물의 함께 용접되어야 할 공작물 부분들)은 일반적으로 스캐너 광학 장치 앞에 배치된다. 스캐너 광학 장치는 일반적으로 광 전도 케이블이 접속된 레이저 방사선을 위한 입력부, 다양한 광학 소자 (일반적으로 시준 렌즈 또는 시준 렌즈 시스템과 포커싱 렌즈 또는 포커싱 렌즈 시스템) 및 조정 가능한 편향 장치(일반적으로 압전 소자로 조정 가능한 미러)를 포함하고, 특히 원하는 용접 경로(용접 시임)를 따라 레이저 빔을 안내하거나 상이한 구성 부분들이 베이스 부품에 용접되는 상이한 용접 구역으로 레이저 빔을 연속적으로 정렬하기 위해, 스캐너 광학 장치에서 나오는 레이저 빔의 공작물에 대한 정렬이 상기 편향 장치에 의해 변경될 수 있다.
상이한 재료의 구성 부분들의 레이저 용접의 경우, 특히 스플래시(splash)와 기공을 최소화하기 위해 용접 레이저 빔의 상이한 스팟 크기가 바람직한 경우가 많이 있다. 이를 위해 빔 전파 방향으로 스캐너 광학 장치 또는 레이저 가공 헤드와 공작물 사이의 거리는 변경될 수 있다. 예를 들어 공작물에 대한 스캐너 광학 장치의 제 1 상대 위치에서 레이저 빔을 향하는 공작물 표면이 레이저 빔의 초점면에 있는 경우, 공작물 표면의 레이저 빔의 스팟 크기는 최소이다. 공작물 표면을 초점면 밖으로 제 2 상대 위치로 상대 이동시킴으로써 공작물 표면의 레이저 빔의 스팟 크기가 커질 수 있다.
그러나 공작물에 대한 스캐너 광학 장치의 이동은 복잡하고 비교적 많은 시간을 필요로 한다. 따라서 하나의 공작물에서 상이한 재료의 구성 부분들이 공통의 베이스 부품에 차례로 용접되어야 하는 경우, 전술한 조치에서 공작물의 제조가 비교적 느려지고, 이러한 공작물을 연속적으로 제조할 때 스캐너 광학 장치의 조정으로 인한 지연이 각 공작물마다 발생한다.
레이저 빔의 빔 프로파일 특성을 적어도 하나의 코어 파이버와 하나의 환형 파이버를 포함하는 멀티클래드 파이버를 사용하여 변경하는 것은 DE 10 2010 003 750 Al에 공개되어 있다. 출력 레이저 빔의 하나의 부분(코어 부분)이 코어 파이버에, 또 다른 부분(환형 부분)은 환형 파이버에 공급되며, 이 부분들은 예를 들어 멀티클래드 파이버의 파이버 단부 앞에 있는 출력 레이저 빔 내에서 광학 웨지의 위치에 의해 변경될 수 있다. 따라서 멀티클래드 파이버는 변환된 레이저 빔에 조정 가능한 부분을 갖는 코어 빔과 환형 빔을 제공할 수 있다.
본 발명의 과제는 상이한 재료로 이루어진 구성 부분들이 베이스 부품에 용접되는 공작물의 제조를 가속화할 수 있는 공작물의 레이저 용접을 위한 방법을 제안하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 과제는 레이저 빔의 레이저 에너지가 적어도 레이저 빔의 코어 빔에 대응하는 코어 부분과 코어 빔을 둘러싸는 환형 빔에 대응하는 환형 부분 사이에서 가변적으로 분할될 수 있고, 제 1 용접 구역을 용접할 때와 제 2 용접 구역을 용접할 때 코어 부분과 환형 부분으로의 레이저 에너지의 분할이 상이하게 선택되는 것을 특징으로 하는 언급한 유형의 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 맥락에서, 서로 다른 재료의 적어도 2개의 구성 부분을 공통의 베이스 부품에 레이저 용접할 때 코어 부분과 환형 부분으로의 레이저 에너지의 분할을 상이하게 선택할 수 있는 것이 제공된다. 코어 부분과 환형 부분 사이의 레이저 출력의 분할을 변경함으로써, 레이저 빔이 각각 향하는 공작물의 표면에서 용접 레이저 빔의 유효 스팟 크기를 변경하거나 설정하는 것이 가능하다. 이로 인해 다양한 용접 구역 또는 다양한 구성 부분의 조건, 특히 상이한 재료에 맞게 스팟 크기의 조정이 이루어질 수 있다. 동시에 가공 시 (전체) 레이저 빔의 강도 프로필의 변경 또는 설정이 이루어질 수도 있다. 두 가지 모두, 상이한 용접 구역 또는 상이한 구성 부분에서 레이저 용접의 품질을 최적화하고, 특히 스플래시와 기공을 최소화하는 데 이용될 수 있다.
이러한 변경 또는 조정을 위해, 비용과 시간이 많이 소요될 수 있는 스캐너 광학 장치의 위치를 변경하는 것은 불필요하다. 따라서 본 발명의 맥락에서, 제 1 용접 구역과 제 2 용접 구역을 용접할 때, 특히 용접 구역 사이의 전환 시에도 공작물에 대한 스캐너 광학 장치의 위치는 바람직하게 일정하게 유지된다. 대안으로서 용접 구역들을 전환할 때 (유효) 스팟 크기를 변경하기 위해 공작물과 스캐너 광학 장치의 (상대) 이동과 코어 부분과 환형 부분 사이에서 레이저 에너지 분할의 전환의 조합이 이용될 수 있으며, 이러한 경우에 (상대) 이동 거리가 상당히 단축될 수 있고, 이는 용접 구역의 전환 동안 정지 시간을 상응하게 단축시켜 전체적으로 용접 공정을 상당히 가속화할 수 있다. 레이저 출력의 분할의 변경은, 예를 들어 광학 웨지를 약간만 이동함으로써 적은 노력으로 신속하게 가능하며, 특히 현저한 정지 시간을 유발하지 않는다.
레이저 빔 또는 빔 부분의 (예를 들어 코어 부분과 환형 부분을 포함하는 전체 레이저의 빔, 또는 코어 빔만 또는 환형 빔만의) 유효 스팟 크기는 86% 기준에 따라 결정될 수 있다. 86% 기준에 따르면, 레이저 빔의 스팟 크기는 레이저 빔의 레이저 출력의 86%가 발견될 수 있는 (레이저 빔과 동축인) 원형 면적의 직경에 의해 규정된다.
코어 부분과 환형 부분으로의 레이저 에너지의 분할의 변동에 의해 유효 스팟 크기를 변경함으로써, 여러 응용 분야에서, 특히 상이한 구성 부분에서 상이한 재료에 맞게 중요한 시임 폭 (피드 방향을 횡단하는 용접 시임의 폭)을 간단하고 신속하게 설정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 특히 관련된 재료의 상이한 용융 특성(점도 및 습윤 특성)을 고려하기 위해, Al계 캐소드에는 비교적 넓은 시임이 선택될 수 있고, Cu계 애노드에는 비교적 좁은 시임이 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 방법 또는 스팟 크기의 조정은 특히, 서로 다른 용접 구역 또는 서로 다른 구성 부분에서 동일한 용접 깊이를 달성하는 데 이용될 수 있다. 용접 결함, 특히 스플래시 및 기공도 최소화될 수 있다.
시임 폭/스팟 크기를 확장하기 위해 코어 부분에 비해 환형 부분이 증가한다. 시임 폭/스팟 크기를 축소하기 위해 코어 부분에 비해 환형 부분이 감소한다. 이러한 방식으로 유효 스팟 크기는 실질적으로 환형 부분(만)의 스팟 크기와 코어 부분(만)의 스팟 크기 사이의 범위에서 조정될 수 있다.
코어 부분과 환형 부분으로의 레이저 에너지 분할의 변경에 의해 코어 부분의 스팟 크기와 환형 부분 스팟 크기는 각각 변경되지 않는다. 본 발명에 따른 방법의 특히 간단한 변형예에서, 제 1 용접 구역과 제 2 용접 구역 사이의 전환 시, 코어 빔의 스팟 크기와 환형 빔의 스팟 크기는 이에 따라 일정하게 유지된다.
제조될 공작물은 베이스 부품과 (적어도) 2개의 구성 부분으로 함께 용접된다. 일반적으로 공작물을 용접하는 동안 레이저 빔의 전체 레이저 출력은 (서로 다른 용접 구역에 걸쳐서 및 용접 구역 내에서 모두) 시간에 따라 일정하게 유지된다. 제 1 및 제 2 용접 구역은 적어도 빔 전파 방향에 대해 가로로 서로 이격되어 있다. 일반적으로 공작물의 두 용접 구역은 (빔 전파 방향으로) 스캐너 광학 장치에 대해 동일한 거리에 있으며, 스캐너 광학 장치의 광학 축에 대한 가능한 각도 오프셋은 각각 무시할 정도로 작거나(예를 들어 5°보다 작고) 두 용접 구역에서 각각 적어도 거의 동일하다(예를 들어 5°미만의 차이).
환형 빔은 일반적으로 원주 방향으로 일정한 강도를 갖지만 (일반적으로 코어 파이버와 환형 파이버로 출력 레이저 빔의 분할 및 환형 파이버에서 레이저 광의 다중 반사에 의해 생성됨), 원주 방향으로 연속하는 다수의 국소 최대치를 갖는 환형 빔 [예를 들어 DOE(diffractive optical element), 회절 광학 소자 또는 ROE(refractive optical element), 굴절 광학 소자로 생성됨)을 사용하는 것도 가능하다. 스캐너 광학 장치는 일반적으로 2D 스캐너 광학 장치로서 선택되며, 빔 전파 방향으로 스캐너 광학 장치 전방에 고정된 초점 위치를 갖는다. 일반적으로 레이저 빔은 코어 파이버와 환형 파이버가 있는 광 전도 케이블을 통해 제공되며, 코어 파이버 직경(KFD)은 일반적으로 10㎛ - 50㎛(단일 모드의 경우) 또는 50㎛ - 400㎛, 특히 50㎛ - 200㎛(멀티 모드의 경우) 범위에서 선택되고, (외부) 환형 파이버 직경(ARFD)은 일반적으로 20㎛ - 500㎛, 특히 40 - 200㎛(단일 모드의 경우), 또는 40㎛ - 2000㎛, 특히 80㎛ - 800㎛(멀티 모드의 경우)의 범위에서 선택된다. KFD:ARFD 비율은 일반적으로 1:2 내지 1:10, 바람직하게는 1:4이다. 광 전도 케이블의 (전방) 파이버 단부는 스캐너 광학 장치(가공 헤드)에 접속된다. 광 전도 케이블의 (후방) 파이버 단부는 레이저 소스(레이저 모듈)에 접속되며, 일부 변형예에서는 다수의 레이저 소스(레이저 모듈)에도 접속된다. 본 발명의 레이저 소스는 CW(연속파)-작동 또는 펄스 작동을 위해 설계될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 단일 모드 작동 또는 다중 모드 작동이 선택될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 바람직하게 레이저 소스로서 파이버 레이저가 사용되며, 대안으로서, 레이저 소스로서 예를 들어 디스크 레이저도 사용될 수 있다.
공작물에 대한 스캐너 광학 장치의 위치가 동일하게 유지되는 제 1 용접 구역을 용접할 때 및 제 2 용접 구역을 용접할 때 본 발명에 따른 방법의 변형예가 특히 바람직하다. 따라서 공작물과 스캐너 광학 장치는, 공작물 상의 용접 구역의 전환 시에도 서로에 대해 이동하지 않는다. 결과적으로, 공작물에 대해 스캐너 광학 장치의 상대 이동이 이루어지지 않아서 정지 시간도 발생하지 않기 때문에, 공작물, 특히 차례로 가공되는 다수의 공작물의 가공 시 매우 큰 가속이 달성될 수 있다. 코어 부분과 환형 부분 사이에서 레이저 에너지 분할의 전환에 의해 간단하고 신속하게 스팟 크기의 조정이 이루어질 수 있다. 또한, 기본적으로 공작물과 스캐너 광학 장치 사이의 상응하는 빠르고 자동화된 이동 가능성이 필요하지 않기 때문에, 원하는 경우, 용접 장치의 특히 간단한 구조가 이용될 수 있다.
제 1 용접 구역의 용접과 제 2 용접 구역의 용접 동안 시간 평균적으로 레이저 에너지의 코어 부분이 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 30%만큼 다른 본 발명에 따른 방법의 변형예가 바람직하다. 결과적으로 레이저 빔의 유효 스팟 크기 (또는 유효 전체 직경)에 특히 뚜렷한 변화가 달성될 수 있다. 용접 구역 사이에서 레이저 에너지의 분포의 전환에 의해 레이저 빔의 "유효한 전체 직경"(레이저를 향하는 공작물 표면에서 측정된 86% 기준에 따라 대략 결정됨)에 따라 시임 폭도 전환된다. 일반적으로 제 1 용접 구역으로부터 제 2 용접 구역으로 레이저 빔의 유효 전체 직경은 더 큰 직경에 비해 마찬가지로 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 30% 변경된다.
제 1 용접 구역의 용접 동안 시간 평균적으로 및/또는 메인 단계에서 코어 부분 KA1에 대해 0% ≤ KA1 ≤ 60%, 바람직하게는 20% ≤ KA1 ≤ 50%가 적용되고, 제 2 용접 구역의 용접 동안 시간 평균적으로 및/또는 메인 단계에서 시간 코어 부분 KA2에 대해 40% ≤ KA2 ≤ 100%, 바람직하게는 50% ≤ KA2 ≤ 70%가 적용되는 것을 제공하는 변형예도 바람직하다. 이 변형에서 기본적으로 또한, KA1 < KA2, 바람직하게는 KA1 ≤ KA2-2O%, 특히 바람직하게 KA1 ≤ KA2-3O%도 적용된다. 레이저 에너지의 이러한 분할은, 특히 제 1 용접 구역에 Al계 제 1 구성 부분을 용접하고 제 2 용접 구역에 Cu계 제 2 구성 부분을 용접하는 경우 실제로 입증되었다.
적어도 제 1 용접 구역의 영역에서 제 1 구성 부분은 Al 또는 Al 합금으로 구성되고 적어도 제 2 용접 구역의 영역에서 제 2 부분은 Cu 또는 Cu 합금으로 구성되는 변형예가 특히 바람직하다. 제 1 구성 부분(Al/Al 합금, 일반적으로 적어도 50중량% Al 함유)는 캐소드를 위해 제공될 수 있고, 제 2 구성 부분(Cu/Cu 합금, 일반적으로 적어도 50중량% Cu 함유)는 배터리 또는 배터리 셀의 애노드를 위해 제공될 수 있다. 베이스 부품은 예를 들어 알루미늄 또는 강으로 제조될 수 있다. 용접할 구성 부분의 영역의 베이스 부품에, 특히 Al, Al 합금, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어진 단자가 제공될 수 있으며, 바람직하게는 동일한 재료로 구성된 단자가 각각의 구성 부분을 위해 선택된다(더 드물게는 Al/Al 합금으로 이루어진 구성 부분이 Cu/Cu 합금으로 이루어진 단자에 용접될 수 있다). Al 합금은 lOOO 시리즈 합금으로서 선택될 수 있다. Cu 합금은 CU-EPT 또는 CU-OF로서 선택될 수 있다. 이러한 조치는 Al계 및 Cu계 구성 부분의 제조 시 실제로 입증되었다. 두 가지 유형의 구성 부분에 대해, 스캐너 광학 장치를 공작물에 대해 이동하지 않고 에너지 분포의 전환을 이용해서 스플래시- 및 기공이 거의 없는 용접 시임이 제조될 수 있다.
공작물이 전기 배터리의 일부, 특히 전기 배터리의 프리즘형 셀을 위한 커버인 것을 제공하고, 제 1 구성 부분이 전기 배터리의 캐소드를 형성하고 제 2 구성 부분이 애노드를 형성하며, 특히 제 1 구성 부분과 제 2 구성 부분이 각각 프리즘형 셀을 위한 포크형 소프트 커넥터로서 형성되는 것을 제공하는 변형예가 특히 바람직하다. 본 발명에 따른 방법에 의해 전기 배터리에 필요한 용접 시임의 높은 품질 또는 제조된 배터리 부분들의 높은 신뢰성이 효율적인 방식으로 보장될 수 있다.
또한, 제 1 용접 구역을 용접할 때 및/또는 제 2 용접 구역을 용접할 때 시작 단계 동안 레이저 에너지의 코어 부분은 증가하고 및/또는 종료 단계 동안 레이저 에너지의 코어 부분은 감소하는 변형예가 바람직하다. 이러한 출력 램프(ramp)에 의해 특히, 각각의 공정 (각각의 용접 구역의 용접)의 시작 시 스플래시가 감소하고 종료 시 기공이 감소할 수 있다. 일반적으로 레이저 에너지의 분할은 각각의 용접 구역을 용접할 때 (시작 단계와 종료 단계 사이의) 메인 단계 동안 일정하게 유지된다. 각각의 용접 구역을 용접하는 시작 단계와 종료 단계의 출력 램프는 일반적으로 5-500ms, 바람직하게는 10-50ms의 시간 범위 동안 적용된다. 시작 단계에 코어 부분은 예를 들어, (메인 단계의) 설정값에 비해 (적어도) 20%, 또는 (적어도) 심지어 40% 감소한 값에서 시작할 수 있다. 종료 단계에 코어 부분은 예를 들어, (메인 단계의) 설정값에 비해 (적어도) 20% 또는 (적어도) 심지어 40% 감소한 값에서 끝날 수 있다. 출력 램프는 일반적으로 시간에 따라 선형으로 설정된다.
레이저 빔의 생성을 위해 가변 분할 장치를 사용하여 출력 레이저 빔이 코어 빔과 환형 빔으로 분할되는 변형예가 바람직하다. 이는 특히 간단하게 설정될 수 있고, 특히 출력 레이저 빔에는 하나의 레이저 모듈(하나의 레이저 소스)만 필요하다.
이러한 변형예의 바람직한 개선은, 가변 분할 장치를 사용하여 출력 레이저 빔은 레이저 에너지의 요구되는 분할에 따라 적절한 비율로 코어 파이버와 코어 파이버를 둘러싸는 환형 파이버로 공급되고, 특히 가변 분할 장치는 이동 가능한 광학 웨지를 포함하는 것을 제공한다. 코어 파이버와 환형 파이버에 의해 간단한 방식으로 코어 빔과 환형 빔이, 특히 각각의 빔 단면에 걸쳐 방사 방향 및 방위 방향 모두에서 비교적 균일한 강도 분포로 생성될 수 있다. 이동 가능한 광학 웨지는 특히 간단하게 설정될 수 있다.
다른 개선예에서, 가변 분할 장치를 사용하여 출력 레이저 빔은 레이저 에너지의 요구되는 분할에 따라 적절한 비율로 DOE 또는 ROE를 지나 그리고 DOE 또는 ROE를 통해 안내되며, 특히 DOE 또는 ROE가 이동 가능한 것이 제공될 수 있다. DOE(회절 광학 소자) 또는 ROE(굴절 광학 소자)는 거기에 입사하는 빔을 편향시키고 (필요한 경우 다수의 국소 최대치로), 이러한 편향된 빔 부분은 환형 빔을 제공한다. DOE 또는 ROE를 지나는 편향되지 않은 빔 부분은 코어 부분을 제공한다. 이러한 구조는 구현이 간단하고 공간을 절약할 수 있으며, 멀티클래드(multiclad) 파이버가 필요하지 않다.
대안적인 바람직한 변형예는, 레이저 빔을 생성하기 위해 코어 빔은 제 1 레이저 모듈로 생성되고, 환형 빔은 제 2 레이저 모듈로 생성되고, 제 1 레이저 모듈의 출력과 제 2 레이저 모듈의 출력은 가변적으로 설정될 수 있으며, 특히 제 1 레이저 모듈은 코어 파이버에 제 1 프리(pre) 레이저 빔을 공급하고, 제 2 레이저 모듈은 코어 파이버를 둘러싸는 환형 파이버에 제 2 프리 레이저 빔을 공급하는 것을 제공한다. 이러한 변형예에서 코어 빔의 레이저 출력과 환형 빔의 레이저 출력은 특히 간단한 방식으로 서로 독립적으로 설정될 수 있다. 코어 파이버와 환형 파이버에 의해 코어 빔과 환형 빔은 방사 방향 및 방위 방향 모두에서 비교적 균일한 강도 분포로 제공될 수 있다.
바람직한 변형예에서, 레이저 빔을 향하는 공작물 표면에서 측정된 코어 빔의 직경 KSD'와 환형 빔의 직경 ARSD'에 대해 다음이 적용된다: 1/10 ≤ KSD'/ARSD' ≤ 1/2, 바람직하게는 1/3 ≤ KSD'/ARSD' ≤ 1/5, 특히 바람직하게는 KSD'/ARSD' = 1/4. 코어 빔 직경 KSD' 및 (외부) 환형 빔 직경 ARSD'의 이러한 범위는 실제로 입증되었으며, 일반적으로 상이한 (예를 들어 Al계 및 Cu계) 구성 부분들의 조건에 맞게 조정하는 데 충분하다.
레이저 빔을 향하는 공작물 표면에서 측정된 코어 빔의 직경 KSD'와 환형 빔의 직경 ARSD'가 제 1 용접 구역과 제 2 용접 구역의 용접 동안 일정하게 유지되는 변형예가 특히 바람직하다. 이는, 특히 간단하게 2D 스캐너 광학 장치 (및 빔 전파 방향으로 스캐너 광학 장치로부터 동일한 거리에 이격된 용접 구역)로 설정될 수 있다.
대안적인 변형예에서, 스캐너 광학 장치가 3D 스캐너 광학 장치로서 설계되고, 레이저 빔을 향하는 공작물 표면에서 측정된 코어 빔의 직경 KSD'과 환형 빔의 직경 ARSD'는 제 1 용접 구역과 제 2 용접 구역의 용접 동안 3D 스캐너 광학 장치를 이용해서 레이저 빔의 전파 방향으로 초점 위치를 변경함으로써 변동될 수 있다. 이로 인해, 가공 중인 전체 레이저 빔의 유효 스팟 크기가 조절될 수 있는 범위가 확장될 수 있다(특히 빔 전파 방향으로 스캐너 광학 장치와 동일한 거리에 이격되어 있는 용접 구역의 경우). 일반적으로 초점 위치는 용접 구역의 전환 시에만 변경된다.
또한, 제 1 용접 구역 및/또는 제 2 용접 구역이 용접될 때 초점면에서 레이저 빔에 대해
- 코어 빔은 코어 빔 직경 KSD를 갖고, 상기 직경 내에 코어 빔의 레이저 출력의 86%가 존재하고,
- 환형 빔은 외부 환형 빔 직경 ARSD를 갖고, 상기 직경 내에 환형 빔의 레이저 출력의 86%가 존재하고,
- 환형 빔은 내부 환형 빔 직경 IRSD를 갖고, 상기 직경에 외부 환형 빔 직경 ARSD와 마찬가지로 원주에 걸쳐 평균화된 환형 빔의 동일한 방사선 밀도가 존재하므로, 내부 환형 빔 직경 IRSD와 코어 빔 직경 KSD 사이에 강도 갭 폭 ILB=(IRSD-KSD)/2을 갖는 강도 갭이 형성되는 것이 제공되고,
AV는 스캐너 광학 장치의 이미징 비율인, ILB ≤ 0.3*KSD 및 ILB < 10㎛*AV이고, 특히 이 경우 레이저 빔이 광 전도 케이블의 파이버 단부에 제공되고, 상기 광 전도 케이블은 적어도 코어 파이버 직경 KFD를 갖는 코어 파이버, 코어 파이버를 환형으로 둘러싸며 외부 환형 파이버 직경 ARFD를 갖는 환형 파이버 및 코어 파이버와 환형 파이버 사이에 놓이고 코어 파이버를 둘러싸며 MSD ≤ 0.3*KFD 및 MSD < 10㎛인, 피복층 두께 MSD를 갖는 피복층으로 형성된다. 이러한 조치는 특히 안정적인 증기 모세관(vapour capillary)을 야기하고 이에 따라 스플래시, 기공 또는 균열과 같은 용접 결함이 거의 발생하지 않는다. 특히 MSD ≤ 0.2*KFD 및/또는 추가로 ILB ≤ 0.2*KSD, 바람직하게는 MSD ≤ 0.15*KFD 및/또는 추가로 ILB ≤ 0.15*KSD, 특히 바람직하게는 MSD ≤ 0.l*KFD 및/또는 추가로 ILB ≤ 0.l*KSD가 적용될 수도 있다. 또한, 특히 MSD ≤ 9㎛ 및/또는 ILB ≤ 9㎛*AV, 바람직하게는 MSD ≤ 7㎛ 및/또는 ILB ≤ 7㎛*AV, 특히 바람직하게는 MSD ≤ 6㎛ 및/또는 ILB ≤ 6㎛*AV가 적용될 수 있다.
- 용접 깊이 ET에 대해 100㎛ ≤ ET ≤ 5mm가 적용되고, 및/또는
- 생성된 용접 시임의 폭 B 대 깊이 T의 종횡비 T:B에 대해, T:B ≥ 0.5:1이 적용되고, 및/ 또는
- 단일 모드의 경우 레이저 빔의 빔 파라미터 곱 SPP에 대해 0.38mm*mrad ≤ SSP ≤ 16mm*mrad가 적용되고, SSP ≤ 0.6mm*mrad가 바람직하고, 또는 다중 모드의 경우 SSP ≤ 100mm*mrad가 적용되며, SSP ≤ 32mm*mrad가 바람직하고, 및/또는
- 단일 모드에서 레이저 빔을 향하는 공작물 표면에서 레이저 빔의 전체 직경 GD'에 대해 10㎛ ≤ GD' ≤ 300㎛이 적용되고, 30㎛ ≤ GD' ≤ 70㎛가 바람직하고, 또는 다중 모드에서 50㎛ ≤ GD' ≤ 1200㎛가 적용되고, 및/또는
- 레이저 빔은 800nm ≤ MWL ≤ 1200nm, 바람직하게는 1030nm ≤ MWL ≤ 1070nm의 평균 파장 MWL을 갖는 적어도 하나의 IR 레이저로, 또는 특히 400nm ≤ MWL ≤ 450nm 또는 500nm ≤ MWL ≤ 530nm의 평균 파장 MWL을 갖는 적어도 하나의 VIS 레이저로 생성되고, 및/또는
- 스캐너 광학 장치는 1:1 ≤ AV ≤ 5:1, 바람직하게는 1.5:1 ≤ AV ≤ 2:1인 이미징 비율 AV을 갖도록,
제 1 용접 구역의 용접과 제 2 용접 구역의 용접이 수행되는 방법 변형예가 또한 바람직하다. 이러한 파라미터는 실제로 입증되었다. (유효) 전체 직경 GD'("스팟 크기")는 (전체) 레이저 빔에 대해 86% 기준에 의해 결정될 수 있다.
커버와 2개의 포크형 소프트 커넥터를 포함하는 전기 배터리용 프리즘형 셀도 본 발명의 범위에 포함되며, 제 1 및 제 2 구성 부분으로서 상기 소프트 커넥터는 전술한 청구항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 베이스 부품인 커버에 용접된다. 프리즘형 셀의 커버는 본 발명의 범위에서 간단하고 신속하게 및 고품질로 제조될 수 있다. 제 1 및 제 2 구성 부분은 일반적으로 Al계 캐소드와 Cu계 애노드에 의해 형성된다.
본 발명의 추가적인 장점은 상세한 설명 및 도면에 제시된다. 마찬가지로, 위에서 언급한 특징 및 추가로 설명된 특징들은 본 발명에 따라 각각 개별적으로 또는 다수의 임의의 조합으로 사용될 수도 있다. 도시된 및 설명된 실시예는 최종 목록으로 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 특성을 갖는다.
도 1a는 본 발명에 있어서 레이저 빔의 레이저 에너지를 분할하기 위한 예시적인 가변 분할 장치의 영역을 광 전도 케이블을 따라 개략적으로 도시한 종단면도.
도 1b는 도 1a의 광 전도 케이블의 파이버 단부를 도시한 평면도.
도 2는 본 발명의 예시적인 스캐너 광학 장치를 개략적으로 도시한 종단면도.
도 3a는 본 발명에 따른 방법의 범위에서 예시적인 공작물의 가공을 개략적으로 도시한 측면도.
도 3b는 도 3a의 공작물을 개략적으로 도시한 평면도.
도 4a는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 변형에서 공작물의 제 1 용접 구역에서 제 1 구성 부분의 레이저 용접 시 초점면에서 빔 전파 방향에 대해 가로로 위치에 따른 레이저 빔의 레이저 강도를 나타내는 다이어그램을 도시한 도면.
도 4b는 도 4a의 변형에서 공작물의 제 2 용접 구역에서 제 2 구성 부분의 레이저 용접 시 초점면에서 빔 전파 방향에 대한 가로 방향 위치에 따라 레이저 빔의 레이저 강도를 나타내는 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 예시적인 본 발명의 변형에서 제 1 용접 구역과 제 2 용접 구역의 용접 시 코어 부분의 시간 프로파일의 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 방법으로 용접된 전기 배터리의 프리즘형 셀의 커버를 개략적으로 도시한 사시도.
도 1b는 도 1a의 광 전도 케이블의 파이버 단부를 도시한 평면도.
도 2는 본 발명의 예시적인 스캐너 광학 장치를 개략적으로 도시한 종단면도.
도 3a는 본 발명에 따른 방법의 범위에서 예시적인 공작물의 가공을 개략적으로 도시한 측면도.
도 3b는 도 3a의 공작물을 개략적으로 도시한 평면도.
도 4a는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 변형에서 공작물의 제 1 용접 구역에서 제 1 구성 부분의 레이저 용접 시 초점면에서 빔 전파 방향에 대해 가로로 위치에 따른 레이저 빔의 레이저 강도를 나타내는 다이어그램을 도시한 도면.
도 4b는 도 4a의 변형에서 공작물의 제 2 용접 구역에서 제 2 구성 부분의 레이저 용접 시 초점면에서 빔 전파 방향에 대한 가로 방향 위치에 따라 레이저 빔의 레이저 강도를 나타내는 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 예시적인 본 발명의 변형에서 제 1 용접 구역과 제 2 용접 구역의 용접 시 코어 부분의 시간 프로파일의 다이어그램을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 방법으로 용접된 전기 배터리의 프리즘형 셀의 커버를 개략적으로 도시한 사시도.
도 1a 내지 도 3b는 본 발명에 따른 방법을 수행할 수 있는 공작물의 레이저 용접을 위한 예시적인 구조의 다양한 부분을 도시한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 출력 레이저 빔(1)은 포커싱 렌즈(34)를 이용해서 멀티클래드 파이버(3) (여기서는 이중 클래드 파이버로서 설계됨)의 후방 파이버 단부(2)로 공급된다. 출력 레이저 빔(1)의 빔 경로 내로, 도시된 상황에서 방사방향으로 외부로부터 출력 레이저 빔(1)의 대략 중앙까지 광학 웨지(4)가 돌출한다.
광학 웨지(4)를 지나 안내되는 출력 레이저 빔(1)의 제 1 부분(1a) [도 1a에서 출력 레이저 빔(1)의 하부 부분]은 포커싱 렌즈(34)로부터 후방 파이버 단부(2)에서 멀티클래드 파이버(3)의 코어 파이버(5) 내로 공급된다. 광학 웨지(4)에 의해 편향된 출력 레이저 빔(1)의 제 2 부분(1b) [도 1a에서 출력 레이저 빔(1)의 상부 부분]은 포커싱 렌즈(4)로부터 후방 파이버 단부(2)에서 멀티클래드 파이버(3)의 환형 파이버(6) 내로 공급된다.
전방 파이버 단부(7)에서 멀티클래드 파이버(3)는 이제 변형된 레이저 빔(8)을 제공한다. 레이저 빔(8)은 코어 파이버(5)에서 나오는 코어 빔(9)과 환형 파이버(6)에서 나오는 환형 빔(10)을 포함한다. 코어 빔(9)과 환형 빔(10)은 기본적으로 파이버 단부(7)에서 발산된다. 레이저 빔(8)의 [실질적으로 출력 레이저 빔(1)의 레이저 에너지에 해당하는] 총 레이저 에너지는 광학 웨지(4)에 의해 야기된 분할에 따라 코어 빔(9) [코어 부분, 제 1 부분(1a)에 기인하는 부분]과 환형 빔(10) [환형 부분, 제 2 부분(1b)에 기인하는 부분]으로 나뉜다.
코어 부분과 환형 부분으로의 레이저 에너지의 분할을 변경하기 위해, 광학 웨지(4)는 이동 방향(VR)을 따라 출력 레이저 빔(1)의 빔 전파 방향(SA)에 대해 횡방향으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 도 1a의 상황에 기초하여 광학 웨지(4)가 위쪽으로 [출력 레이저 빔(1)에서 더 바깥쪽으로] 이동하면, 코어 부분이 증가하고 환형 부분이 감소하는 한편, 광학 웨지(4)가 아래쪽으로 [출력 레이저 빔(1) 안으로] 이동하면, 코어 부분이 감소하고 환형 부분이 증가한다. 멀티클래드 파이버(3)의 후방 파이버 단부(2) 전방의 출력 레이저 빔(1) 내의 광학 웨지(4)는 이에 따라 가변 분할 장치(26)를 형성한다.
다른 구조적 형상에서는, 코어 빔과 환형 빔의 생성이 다른 방식으로 및 코어 빔과 환형 빔으로 레이저 에너지의 분할이 다른 방식으로, 예를 들어 다수의 독립적인 레이저 모듈에 의해 또는 상이한 거리에서 출력 레이저 빔 내로 이동할 수 있는 DOE 또는 ROE에 의해 이루어질 수도 있다(상세히 도시되지 않음).
도 1b는 도 1a의 멀티클래드 파이버(3)의 전방 파이버 단부(7)를 평면도에 도시한다. 코어 파이버(5)는 단면이 원형이며, 도시된 예에서 75㎛인 코어 파이버 직경(KFD)을 갖는다. 코어 파이버(5)를 환형으로 둘러싸는 환형 파이버(6)도 단면이 원형이며 외부 환형 파이버 직경(ARFD)과 내부 환형 파이버 직경(IRFD)을 가지며, 도시된 예에서 ARFD = 300㎛이고 IRFD = 90mm로 설계된다. 코어 파이버(5)와 환형 파이버(6) 사이에 배치된 피복층(클래딩; 11)은 여기에서 7.5㎛의 클래딩층 두께(MSD)를 갖는다. 추가 피복층(클래딩; 12)은 환형 파이버(6)의 외부 둘레에 배치된다. 따라서 MSD와 KFD의 비율은 약 MSD=0.15*KFD이다. 다른 예에서 75㎛의 KFD와 400㎛의 ARFD도 선택될 수 있다.
코어 파이버(5)와 환형 파이버(6)의 단면의 형상은 전방 파이버 단부(7)에서 또는 (스캐너 광학 장치에 의한 이미징 후에) 레이저 빔(8)의 초점면에서, 후자의 경우 이미징의 이미징 비율(AV)에 따라 늘어나거나 압축되어, 코어 빔(9)과 환형 빔(10)을 갖는 레이저 빔(8)의 단면의 형상에 실질적으로 상응한다. 특히 코어 빔(9)과 환형 빔(10)도 파이버 형상에 따라 단면이 원형이다(도 1a 참조).
도 2에 도시된 바와 같이, 멀티클래드 파이버(3)는 스캐너 광학 장치(13)에 연결된다. 도시된 구조적 형상에서, 전방 파이버 단부(7)에서 나오는 (이미 코어 빔과 환형 빔을 포함하는) 레이저 빔(8)은 시준 렌즈(14)에 의해 시준된다. 시준된(평행화된) 레이저 빔(8a)은, 2개의 축을 중심으로 틸팅 가능한, 도 2의 좌표계에서 (도면 평면에 대해 수직으로 연장되는, 즉 x, y, z가 데카르트 좌표계를 형성하는) x축과 y축을 중심으로 틸팅 가능한 스캐너 미러(15)에 부딪힌다. 그런 다음 반사되고 시준된 레이저 빔(8b)은 포커싱 렌즈(16)에 의해 용접될 공작물(17) 방향으로 초점면(FE)으로 포커싱된다. 도시된 예에서, 레이저 빔(8)을 향하는 공작물(17)의 표면(18)은 초점면(FE)에 놓여 있다.
스캐너 미러(15)를 선회시킴으로써, 레이저 빔(8) 또는 상기 빔의 레이저 스팟(19)은, 특히 공작물(17) 상의 원하는 용접 시임을 통과하거나(즉, 제조), 각 용접 시임이 제조될 공작물 상의 다양한 용접 구역 사이에서 전환하기 위해, 공작물(17)의 표면(18)에서 이동될 수 있다.
도시된 예에서, 공작물(17)의 표면 [적어도 공작물(17)에서 레이저 가공이 이루어져야 할 곳]은 레이저 빔(8)의 중앙 빔 전파 방향(SA)에 대해 대략 수직이고, 중앙 빔 전파 방향(SA)은 여기서 실질적으로 포커싱 렌즈(16)의 광학 축에 해당하며, 여기서 z 방향으로 놓인다.
용접 구역 사이를 전환하는 동안을 포함하여, 레이저 빔(8)으로 공작물(17)을 가공하는 동안, 스캐너 광학 장치(13)와 공작물(17)의 상대 위치는 여기에 제시된 변형예에서, 특히 도 2의 [빔 전파 방향(SA)을 따라 연장되는] z 방향으로 이들의 거리와 관련하여 고정된 상태로 유지된다. 스캐너 광학 장치(13)는 이동되지 않는다[그러나 스캐너 미러(15)는 스캐너 광학 장치(13) 내에서 선회된다]. 대안적인 변형예에서, 공작물(17)의 가공 시 공작물(17)과 스캐너 광학 장치(13) 사이의 상대 이동도 제공될 수 있으며, 이 경우, 본 발명에 따라 레이저 에너지의 분할이 전환됨으로써, 용접 구역의 전환 시 유효 스팟 크기를 설정하기 위한 상대 이동 경로가 단축될 수 있다(상세히 도시되지 않음).
도시된 구조적 형상에서, 초점면(FE)과 스캐너 광학 장치(13)의 (z 방향) 거리도 고정되어 있으며, 따라서 스캐너 광학 장치(13)는 2D 스캐너 광학 장치로서 설계된다. 대안적인 구조적 형상에서, 초점면(FE)의 위치는, 예를 들어 스캐너 광학 장치(13) 내에서 z 방향으로 포커싱 렌즈(16)의 이동에 의해, 스캐너 광학 장치(13)에 대해 가변적일 수도 있다(상세히 도시되지 않음).
도 3a에서, 본 발명에 따른 공작물(17)의 가공이 상세히 설명된다. 여기서 공작물(17)은 제 1 구성 부분(21)과 제 2 구성 부분(22)이 용접될 베이스 부품(20)을 포함한다. 도시된 예에서, 베이스 부품(20)은 전기 배터리의 프리즘형 셀을 위한 커버(20a)이며, 상기 커버(20a)는 여기에서 Al 합금으로 제조된다. 제 1 구성 부분(21)은 여기에서 셀용 캐소드(21a)이고, 상기 제 1 구성 부분(21)은 포크형 소프트 커넥터(21b)로서 설계되며(도 6 참조); 제 1 구성 부분(21a)은 여기에서 마찬가지로 Al 합금으로 제조된다. 제 2 구성 부분(22)은 여기에서 셀용 애노드(22a)이며, 상기 제 2 구성 부분(22)은 다시 포크형 소프트 커넥터(22b)로서 설계되고(도 6 참조); 제 2 구성 부분(22)은 여기에서 Cu 합금으로 제조된다.
공작물(17)을 가공하는 동안, 스캐너 광학 장치(13)로부터 방사되는 가공 레이저 빔(8)은 차례로 (임의의 순서로) 제 1 용접 구역(31)과 제 2 용접 구역(32)으로 향하여, 제 1 용접 구역(31)의 제 1 구성 부분(21)과 제 2 용접 구역(32)의 제 2 구성 부분(22)을 베이스 부품(20)에 용접할 수 있다. 도시된 변형예에서, 2개의 구성 부분(21, 22)은 [중앙 빔 전파 방향(SA)과 관련해서] 베이스 부품(20) 앞에 위치하며, 이는 일반적으로도 바람직하다.
도 3b에서 볼 수 있듯이, 도시된 변형예에서, 공작물(17)의 표면(18) 상의 레이저 빔(8)의 레이저 스팟(19)의 각 경로(23)를 따라 환형으로 폐쇄된 용접 시임이 제조되고, 상기 표면(18)은 여기에서 구성 부분(21, 22) 상에 위치한다. 대안으로서, 예를 들어, 각각의 해칭(hatching)도 용접될 수도 있다(상세히 도시되지 않음).
2개의 구성 부분(21, 22)은 상이한 재료로 구성되기 때문에, 2개의 구성 부분(21, 22)에서 레이저 빔의 용접 효과는 기본적으로 상이하다. 이로 인해, 예를 들어 용접 결함(스플래시, 기공, 균열 등)이 다르게 형성될 수 있다. 상이한 재료는 특히 각각의 용접 깊이(ET)에 영향을 미칠 수 있으며, 용접 깊이(ET)는 예시적으로 도시된 도 3a의 용융 선단(24, 25)을 참조하여, 공작물(17)의 재료가 레이저 빔(8)에 의해 용융되는 깊이이다. 기본적으로, 각 구성 부분(21, 22) 또는 관련된 각 재료마다 용접 효과를 최적화하고, 예를 들어 용접 결함을 최소화하거나 여러 적용 분야에서도 모든 구성 부분(21, 22)에 대해 거의 동일한 용접 깊이(ET)를 달성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 맥락에서, 공작물(17) 상의 용접 구역(31, 32)의 전환 시 이를 위해 레이저 빔(8)의 에너지 분포가 코어 부분(코어 빔)과 환형 부분(환형 빔) 사이에서 전환되며, 이와 달리 도시된 변형예에서 스캐너 광학 장치(13)에 대한 공작물(17)의 위치는 동일하게 유지된다.
본 발명에 따라 수행될 수 있는 2개의 용접 구역(31, 32) 또는 구성 부분(21, 22)으로 레이저 에너지의 가능한 상이한 분할은 도 4a 및 4b를 참조하여 예시적으로 설명된다. 2개의 도면은 각각 빔 전파 방향에 대해 수직이고 레이저 빔의 중심축을 통과하는 축(X)을 따른 위치에 따라서 국소 레이저 강도의 다이어그램을 도시한다("강도 프로파일"). 레이저 빔은 이러한 중심축에 대해 실질적으로 회전 대칭이다.
강도 프로파일은 각각 초점면에 표시된다. 초점면은 바람직하게 레이저 빔을 향하는 공작물 표면과 일치하며, 이러한 경우에 초점면의 도시된 강도 프로파일은 동시에 공작물 표면의 강도 프로파일과 일치한다(그리고 초점면의 도시된 대시 표시되지 않은 값은 공작물 표면의 대시 표시된 값과 일치한다, 예를 들어 KSD = KSD' 등).
강도는 각각의 임의의 단위 a.u.로 표시된다. 강도 프로파일은 도 1a 내지 도 3b에서 설명한 것과 유사한 구조로 생성될 수 있다.
도 4a는 제 1 구성 부분을 용접할 때 제 1 용접 구역에 적용된 강도 프로파일을 도시한다. 이에 대해 에너지 분할로서 20%의 제 1 코어 부분(KA1)과 80%의 제 1 환형 부분(RA1)이 선택되었다. 따라서 코어 빔(9)과 환형 빔(10)의 강도 프로파일은 중첩된다.
코어 빔(9)은 약 1.5 a.u.의 최대 강도로 중앙의 국소 최대 강도를 유발한다. [코어 빔(9)의 레이저 출력의 86%가 직경(KSD) 내에 있도록] 86% 기준에 따라 결정된 코어 빔의 코어 빔 직경(KSD)은 여기에서 대략 75㎛이다. 환형 빔(10)은 최대 코어 빔의 양쪽에 약 1.0 a.u.의 최대 강도를 갖는 각각의 평탄 영역을 갖는다. [환형 빔(10)의 레이저 출력의 86%가 직경(ARSD) 내에 있도록] 86% 기준에 따라 결정된 환형 빔(10)의 외부 환형 빔 직경(ARSD)은 여기서 대략 400㎛이다. 환형 빔 외측의 ARSD 위치에서 환형 빔(10)의 강도는 이미 평탄 영역의 최대 강도에 비해 약간 떨어졌다. 환형 빔(10)의 내측의 대응하는 (동일한) 강도를 찾아보면, 그에 따라 내부 환형 빔 직경(IRSD)이 생성되고, 상기 직경은 여기에서 대략 160㎛이다. 도시된 예에서, 환형 빔(10)과 코어 빔(9) 사이의 강도 갭 폭(ILB)은, 여기에서 (IRSD-KSD)/2에 따라 (160㎛-75㎛)/2로 계산된 대략 43㎛이다. 다른 실시예에서는, 특히 ILB ≤ 0.3*KSD가 되도록, 훨씬 더 작은 강도 갭 폭(ILB)이 선택될 수도 있다.
전체 레이저 빔의 전체 빔 직경(GD), 즉 (전체 레이저 빔의 레이저 출력의 86%가 GD 내에 있도록) 86% 기준에 따라 결정된 코어 빔(9)과 환형 빔(10)의 중첩은 여기에서 대략 340㎛이다. 이러한 비교적 큰 스팟 직경은 여기에서, 제 1 구성 부분으로서 캐소드의 Al 합금을 용접하는 데 사용된다.
그런 다음 동일한 총 레이저 출력을 사용하여 제 2 구성 부분으로서 애노드의 Cu 합금이 동일한 공작물에 용접되어야 한다. 이를 위해, 예를 들어 도 1a에 도시된 바와 같은 광학 웨지가 이동함으로써 레이저 에너지의 분포가 전환된다. 도 4b는 제 2 구성 부분 용접할 때 제 2 용접 구역에 적용된 강도 프로파일을 도시한다. 이를 위해 60%의 제 2 코어 부분(KA2)과 40%의 제 2 환형 부분(RA2)이 새로운 에너지 분할로서 선택된다. 따라서 코어 빔(9)과 환형 빔(10)이 강도 프로파일에서 다시 중첩된다. 전환 시 여기에서 레이저 출력의 40%가 환형 부분에서 코어 부분으로 이동되었다.
코어 빔(9)은 최대 강도가 약 4.5 a.u.인 훨씬 더 높은 중앙 국소 강도 최대값을 야기한다. 86% 기준에 따라 결정된 코어 빔(9)의 코어 빔 직경(KSD)은 변경되지 않고 대략 75㎛이다. 환형 빔(10)은 다시 최대 코어 빔의 양쪽에 여기에서 약 0.5 a.u.의 훨씬 더 낮은 최대 강도를 갖는 평탄 영역을 갖는다. 86% 기준에 따라 결정된 환형 빔(10)의 외부 환형 빔 직경(ARSD)은 변경되지 않고 대략 400㎛이다. ARSD의 위치에서 환형 빔(10)의 강도는 이미 평탄 영역의 최대 강도에 비해 약간 떨어졌다. 환형 빔(10)의 내측에서 해당 강도를 찾아보면, 그에 따라 내부 환형 빔 직경(IRSD)도 변경되지 않고 대략 160㎛이다.
그러나 86% 기준에 따라 결정된 전체 레이저 빔의 전체 빔 직경 GD, 즉 코어 빔(9)과 환형 빔(10)의 중첩은 여기에서 대략 220㎛에 불과하다. 이는 작은 반경에서, 특히 코어 빔(9)의 영역에서 강도가 더 많이 생기고, 더 큰 반경에서는 레이저 강도가 덜 생기기 때문이다. 상대적으로 작은 스팟 크기는 제 2 구성 부분의 Cu 합금을 용접하는 데 적합하다.
전환 시 레이저 빔의 총 출력은 변하지 않았다.
도 5는 도 4a 및 도 4b의 예에도 적용될 수 있는, 제 1 용접 구역(31)과 제 2 용접 구역(32)의 용접에 대한 코어 부분(KA) 및 환형 부분(RA)으로 레이저 빔의 에너지 분포의 일반적인 시간에 따른 경과를 도시한다. 오른쪽에는 시간 t가, 위쪽에는 코어 부분 KA가 % 단위로 표시되어 있으며, 즉, KA+RA=100%이다.
제 1 용접 구역(31)에서 코어 부분(KA)은 시작 단계(AP)에서 시간(t)이 지남에 따라 0%에서 20%로 선형적으로 증가한다. 코어 부분(KA)은 메인 단계(HP)에서 20%로 일정하게 유지된다. 코어 부분(KA)은 종료 단계(EP)에서 시간이 지남에 따라 20%에서 0%로 선형적으로 감소한다. 시작 단계(AP)와 종료 단계(EP)의 출력 램프에 의해 용접 결함, 특히 제 1 구성 부분에서 삽입 시 스플래시 형성 및 제거 시 기공 형성과 같은 용접 결함을 줄일 수 있다. 시작 단계(AP)와 종료 단계(EP)는 일반적으로 메인 단계(HP)보다 훨씬 짧다(일반적으로 AP ≤ O.1*HP 및 EP ≤ O.1*EP). 따라서 제 1 용접 구역(31)의 용접은 특히 메인 단계(HP)에 의해 특징되며, 메인 단계(HA)의 코어 부분(KA)은, 여기서 KA1 = 2O%인, 제 1 코어 부분(KA1)으로 지칭된다. 시작 단계(AP)와 종료 단계(EP)가 더 큰 비율을 가져야 하는 경우, KA1은 대안으로서 AP, HP 및 EP 전체에 대한 코어 부분(KA)의 시간 평균으로 결정될 수도 있다(더 자세히 도시되지 않음).
제 2 용접 구역(32)에서, 코어 부분(KA)은 시작 단계(AP)에서 시간(t)에 따라 20%에서 60%로 선형적으로 증가한다. 메인 단계(HP)에서 코어 부분(KA)은 60%로 일정하게 유지된다. 종료 단계(EP)에서는 코어 부분(EP)이 시간이 지남에 따라 60%에서 20%로 선형적으로 감소한다. 시작 단계(AP)와 종료 단계(EP)의 출력 램프에 의해 용접 결함, 특히 제 2 구성 부분에서 삽입 시 스플래시 형성 및 제거 시 기공 형성이 감소할 수 있다. 시작 단계(AP)와 종료 단계(EP)는 일반적으로 메인 단계(HP)보다 훨씬 짧다(일반적으로 AP ≤ O.1*HP 및 EP ≤ O.1*EP). 따라서 제 2 용접 구역(32)의 용접은 주로 메인 단계(HP)에 의해 특징되며, 메인 단계(HA)의 코어 부분(KA)은, 여기서 KA2 = 60%인, 제 2 코어 부분(KA2)으로 지칭된다. 시작 단계(AP)와 종료 단계(EP)가 더 큰 비율을 가져야 하는 경우, KA2는 대안으로서 AP, HP 및 EP 전체에 대한 코어 부분(KA)의 시간 평균으로 결정될 수도 있다(자세히 도시되지 않음).
도시된 예에서 KA1과 KA2는 40% 차이를 갖는다. 본 발명의 맥락에서는 적어도 20%의 차이가 바람직하며, 또한 적어도 30%의 차이가 특히 바람직하다. 메인 단계(HP)의 강도 분포는 앞서 각각 도 4a 및 도 4b의 다이어그램에 표시되었다.
도 6은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 용접된 공작물(17)을 도시한다. 공작물(17)은 베이스 부품(20)으로서 전기 배터리 프리즘형 셀의 커버(20a)를 포함하고, 상기 셀에 Al 합금으로 이루어진 포크형 소프트 커넥터(21b)로서 형성된 캐소드(21a)가 제 1 구성 부분(21)으로서 그리고 Cu 합금으로 이루어진 포크형 소프트 커넥터(22b)로서 형성된 애노드(22a)는 제 2 구성 부분(22)으로서 본 발명에 따른 방법을 사용하여 용접되었다. 덮개(33)도 커버(20a) 위에 부착된다.
1 출력 레이저 빔
1a 제 1 부분(출력 레이저 빔)
1b 제 2 부분(출력 레이저 빔)
2 후방 파이버 단부
3 멀티클래드 파이버
4 광학 웨지
5 코어 파이버
6 환형 파이버
7 전방 파이버 단부
8 레이저 빔
8a 시준된 레이저 빔
8b 반사된 레이저 빔
9 코어 빔
10 환형 빔
11 피복층
12 추가 피복층
13 스캐너 광학 장치
14 시준 렌즈
15 스케너 미러
16 포커싱 렌즈
17 공작물
18 (레이저 빔을 향하는 공작물의) 표면
19 레이저 스팟
20 베이스 부품
20a 커버
21 제 1 구성 부분
21a 캐소드
21b 소프트 커넥터
22 제 2 구성 부분
22a 애노드
22b 소프트 커넥터
23 레이저 빔의 경로
24 용융 선단
25 용융 선단
26 가변 분할 장치
31 제 1 용접 구역
32 제 2 용접 구역
33 덮개
34 포커싱 렌즈
AP 시작 단계
ARFD 외부 환형 파이버 직경
ARSD 외부 환형 빔 직경(초점면)
EP 종료 단계
ET 용접 깊이
FE 초점면
GD 전체 직경(초점면)
HP 메인 단계
I 강도
ILB 강도 갭 폭
IRFD 내부 환형 파이버 직경
IRSD 내부 환형 빔 직경(초점면)
KA 코어 부분
KA1 제 1 코어 부분(제 1 용접 구역의 코어 부분)
KA2 제 2 코어 부분(제 2 용접 구역의 코어 부분)
KFD 코어 파이버 직경
KSD 코어 빔 직경(초점면)
MSD 피복층 두께
SA 빔 전파 방향
t 시간
VR 이동 방향
x 방향
y 방향
z 방향
1a 제 1 부분(출력 레이저 빔)
1b 제 2 부분(출력 레이저 빔)
2 후방 파이버 단부
3 멀티클래드 파이버
4 광학 웨지
5 코어 파이버
6 환형 파이버
7 전방 파이버 단부
8 레이저 빔
8a 시준된 레이저 빔
8b 반사된 레이저 빔
9 코어 빔
10 환형 빔
11 피복층
12 추가 피복층
13 스캐너 광학 장치
14 시준 렌즈
15 스케너 미러
16 포커싱 렌즈
17 공작물
18 (레이저 빔을 향하는 공작물의) 표면
19 레이저 스팟
20 베이스 부품
20a 커버
21 제 1 구성 부분
21a 캐소드
21b 소프트 커넥터
22 제 2 구성 부분
22a 애노드
22b 소프트 커넥터
23 레이저 빔의 경로
24 용융 선단
25 용융 선단
26 가변 분할 장치
31 제 1 용접 구역
32 제 2 용접 구역
33 덮개
34 포커싱 렌즈
AP 시작 단계
ARFD 외부 환형 파이버 직경
ARSD 외부 환형 빔 직경(초점면)
EP 종료 단계
ET 용접 깊이
FE 초점면
GD 전체 직경(초점면)
HP 메인 단계
I 강도
ILB 강도 갭 폭
IRFD 내부 환형 파이버 직경
IRSD 내부 환형 빔 직경(초점면)
KA 코어 부분
KA1 제 1 코어 부분(제 1 용접 구역의 코어 부분)
KA2 제 2 코어 부분(제 2 용접 구역의 코어 부분)
KFD 코어 파이버 직경
KSD 코어 빔 직경(초점면)
MSD 피복층 두께
SA 빔 전파 방향
t 시간
VR 이동 방향
x 방향
y 방향
z 방향
Claims (17)
- 공작물(17)을 레이저 용접하기 위한 방법으로서,
레이저 빔(8)이 스캐너 광학 장치(13)에 의해 상기 공작물(17)로 지향되고,
제 1 구성 부분(21)은 적어도 제 1 용접 구역(31)에서 베이스 부품(20)에 그리고 제 2 구성 부분(22)은 제 2 용접 구역(32)에서 상기 베이스 부품(20)에 임의의 순서로 상기 레이저 빔(8)으로 용접되며,
상기 제 1 구성 부분(21)과 상기 제 2 구성 부분(22)은 적어도 제 1 용접 구역(21) 및 제 2 용접 구역(22)의 영역에서 상이한 재료로 구성되는 것인 방법에 있어서,
상기 레이저 빔(8)의 레이저 에너지는 적어도 레이저 빔의 코어 빔(9)에 대응하는 코어 부분(KA)과 상기 코어 빔(9)을 둘러싸는 환형 빔(10)에 대응하는 환형 부분 사이에서 가변적으로 분할될 수 있고,
상기 제 1 용접 구역(21)을 용접할 때와 상기 제 2 용접 구역(22)을 용접할 때 상기 코어 부분(KA)과 환형 부분으로의 레이저 에너지의 분할이 상이하게 선택되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 공작물(17)에 대한 상기 스캐너 광학 장치(13)의 위치는 상기 제 1 용접 구역(21)을 용접할 때와 상기 제 2 용접 구역(22)을 용접할 때 동일하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 용접 구역(21)의 용접과 상기 제 2 용접 구역(22)의 용접 동안 시간 평균적으로 레이저 에너지의 코어 부분(KA)은 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 30%만큼 다른 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 용접 구역(21)의 용접 동안 시간 평균적으로 및/또는 메인 단계에서 코어 부분 KA1에 대해 0% ≤ KAl ≤ 60%, 바람직하게는 20% ≤ KA1 ≤ 50%가 적용되고,
상기 제 2 용접 구역(22)의 용접 동안 시간 평균적으로 및/또는 메인 단계에서 코어 부분 KA2에 대해 40% ≤ KA2 ≤ 100%, 바람직하게는 50% ≤ KA2 ≤ 70%가 적용되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 제 1 용접 구역(31)의 영역에서 상기 제 1 구성 부분(21)은 Al 또는 Al 합금으로 구성되고, 적어도 제 2 용접 구역의 영역에서 상기 제 2 구성 부분(32)은 Cu 또는 Cu 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물(17)은 전기 배터리의 일부, 특히 전기 배터리의 프리즘형 셀을 위한 커버(20a)이고, 상기 제 1 구성 부분(21)은 전기 배터리용 캐소드(21a)이고 상기 제 2 구성 부분(22)은 전기 배터리용 애노드(22a)를 형성하고, 특히 상기 제 1 구성 부분(21)과 상기 제 2 구성 부분(22)은 각각 프리즘형 셀을 위한 포크형 소프트 커넥터(21b, 22b)로서 설계되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 용접 구역(31) 및/또는 상기 제 2 용접 구역(32)을 용접할 때, 시작 단계(AP) 동안 레이저 에너지의 상기 코어 부분(KA)이 증가하고 및/또는 종료 단계(EP) 동안 레이저 에너지의 상기 코어 부분(KA)이 감소하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(8)의 생성을 위해, 출력 레이저 빔(1)이 가변 분할 장치(26)를 사용하여 상기 코어 빔(9)과 상기 환형 빔(10)으로 분할되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 가변 분할 장치(26)를 사용하여 상기 출력 레이저 빔(1)이 레이저 에너지의 요구되는 분할에 따라 적절한 비율로 코어 파이버(5)와 상기 코어 파이버(5)를 둘러싸는 환형 파이버(6)로 공급되며, 특히 상기 가변 분할 장치(26)는 이동 가능한 광학 웨지(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 가변 분할 장치(26)를 사용하여 상기 출력 레이저 빔(1)은 레이저 에너지의 요구되는 분할에 따라 적절한 비율로 DOE 또는 ROE를 지나 그리고 DOE 또는 ROE를 통해 안내되고, 특히 상기 DOE나 ROE는 이동 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(8)의 생성을 위해, 상기 코어 빔(9)은 제 1 레이저 모듈로 생성되고, 상기 환형 빔(10)은 제2 레이저 모듈로 생성되고, 제 1 레이저 모듈의 출력과 제 2 레이저 모듈의 출력은 가변적으로 설정될 수 있으며, 특히 제 1 레이저 모듈은 상기 코어 파이버(5)에 제 1 프리 레이저 빔을 공급하고, 제 2 레이저 모듈은 상기 코어 파이버(5)를 둘러싸는 환형 파이버(6)에 제 2 프리 레이저 빔을 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(8)을 향하는 공작물 표면(18)에서 측정된 상기 코어 빔(9)의 직경 KSD' 및 상기 환형 빔(10)의 ARSD'에 대해, 1/10 ≤ KSD'/ARSD' ≤ 1/2, 바람직하게는 1/3 ≤ KSD'/ARSD' ≤ 1/5, 특히 바람직하게는 KSD'/ARSD'=1/4가 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔을 향하는 공작물 표면(18)에서 측정된 상기 코어 빔(9)의 직경 KSD' 및 상기 환형 빔(10)의 ARSD'는 상기 제 1 용접 구역(31)과 상기 제 2 용접 구역(32)의 용접 동안 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스캐너 광학 장치(13)는 3D 스캐너 광학 장치로서 설계되며, 상기 레이저 빔(8)을 향하는 공작물 표면(18)에서 측정된 상기 코어 빔(9)의 직경 KSD'와 상기 환형 빔(10)의 ARSD'는 상기 제 1 용접 구역(31)과 상기 제 2 용접 구역(32)의 용접 동안 3D 스캐너 광학 장치를 이용해서 상기 레이저 빔(8)의 전파 방향(SA)으로 초점 위치를 변경함으로써 변동되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 용접 구역(31) 및/또는 상기 제 2 용접 구역(32)이 용접될 때 초점면(FE)에서 레이저 빔(8)에 대해
- 상기 코어 빔(9)은 코어 빔 직경(KSD)을 갖고, 상기 코어 빔 직경 내에 상기 코어 빔(9)의 레이저 출력의 86%가 존재하고,
- 상기 환형 빔(10)은 외부 환형 빔 직경(ARSD)을 갖고, 상기 외부 환형 빔 직경 내에 상기 환형 빔(10)의 레이저 출력의 86%가 존재하고,
- 상기 환형 빔(10)은 내부 환형 빔 직경(IRSD)을 갖고, 상기 내부 환형 빔 직경에는 외부 환형 빔 직경(ARSD)과 마찬가지로 원주에 걸쳐 평균화된 상기 환형 빔(10)의 동일한 방사선 밀도가 존재하므로, 상기 내부 환형 빔 직경(IRSD)과 상기 코어 빔 직경(KSD) 사이에 강도 갭 폭 ILB=(IRSD-KSD)/2을 갖는 강도 갭이 형성되고,
AV는 상기 스캐너 광학 장치(13)의 이미징 비율이며, ILB ≤ 0.3*KSD 및 ILB ≤ 10㎛*AV이고,
특히 상기 레이저 빔(8)은 광 전도 케이블(3)의 파이버 단부(7)에 제공되고, 상기 광 전도 케이블(3)은 적어도 코어 파이버 직경(KFD)을 갖는 코어 파이버(5), 상기 코어 파이버(5)를 환형으로 둘러싸며 외부 환형 파이버 직경(AFRD)을 갖는 환형 파이버(6) 및 상기 코어 파이버(5)와 상기 환평 파이버(6) 사이에 놓이고 상기 코어 파이버(5)를 둘러싸며 MSD ≤ 0.3*KFD 및 MSD ≤ 10㎛ 및 MSD < 10㎛인, 피복층 두께(MSD)를 갖는 피복층(11)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 용접 깊이(ET)에 대해 100㎛ ≤ ET ≤ 5mm가 적용되고, 및/또는
- 생성된 용접 시임의 폭(B) 대 깊이(T)의 종횡비 T:B에 대해, T: B ≥ 0.5: 1이 적용되고, 및/또는
- 단일 모드의 경우 레이저 빔(8)의 빔 파라미터 곱(SPP)에 대해 0.38mm*mrad ≤ SSP ≤ 16mm*mrad가 적용되고, SSP ≤ 0.6mm*mrad가 바람직하고, 또는 다중 모드의 경우 SSP ≤ 100mm*mrad가 적용되며, SSP ≤ 32mm*mrad가 바람직하고, 및/또는
- 단일 모드에서 상기 레이저 빔(8)을 향하는 공작물 표면(18)에서 상기 레이저 빔(8)의 전체 직경(GD')에 대해 10㎛ ≤ GD' ≤ 300㎛이 적용되고, 30㎛ ≤ GD' ≤ 70㎛가 바람직하고, 또는 다중 모드에서 50㎛ ≤ GD' ≤ 1200㎛가 적용되고, 및/또는
- 상기 레이저 빔(8)은 800nm ≤ MWL ≤ 1200nm, 바람직하게는 1030nm ≤ MWL ≤ 1070nm의 평균 파장 MWL을 갖는 적어도 하나의 IR 레이저로, 또는 특히 400nm ≤ MWL ≤ 450nm 또는 500nm ≤ MWL ≤ 530nm의 평균 파장(MWL)을 갖는 적어도 하나의 VIS 레이저로 생성되고, 및/또는
- 상기 스캐너 광학 장치(13)는 1:1 ≤ AV ≤ 5:1, 바람직하게는 1.5:1 ≤ AV ≤ 2:1인 이미징 비율(AV)을 갖도록,
상기 제 1 용접 구역(31)의 용접과 상기 제 2 용접 구역(32)의 용접이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 전기 배터리용 프리즘형 셀로서, 커버(20a)와 2개의 포크형 소프트 커넥터(21b, 22b)를 포함하고, 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제 1 구성 부분(21) 및 제 2 구성 부분(22)으로서 상기 소프트 커넥터(21b, 22b)가 베이스 부품(20)인 상기 커버(20a)에 용접되는 것인 프리즘형 셀.
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