JP2022518132A - Methods and systems for welding copper and other metals using a blue laser - Google Patents

Methods and systems for welding copper and other metals using a blue laser Download PDF

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Abstract

材料を一緒に溶接するための可視光レーザーシステムおよび操作。銅系材料に本質的に完全な溶接を形成する青色レーザーシステム。バッテリーパックなどのエネルギー貯蔵装置で使用するために、導電性要素、特に薄い導電性要素を一緒に溶接するための青色レーザーシステムおよび操作。【選択図】なしVisible light laser system and operation for welding materials together. A blue laser system that forms an essentially perfect weld on copper-based materials. Blue laser system and operation for welding conductive elements, especially thin conductive elements together, for use in energy storage devices such as battery packs. [Selection diagram] None

Description

本願は、米国特許法119条(e)(1)のもと2018年12月30日に出願された米国仮特許出願第62/786,511号の出願日の利益を主張し、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。 This application claims the benefit of the filing date of U.S. Provisional Patent Application No. 62 / 786,511 filed on December 30, 2018 under Article 119 (e) (1) of the U.S. Patent Act, the entire disclosure thereof. Is incorporated herein by reference.

本発明は、材料のレーザー加工、特に、約350nmから約500nm及びそれ以上の波長を有するレーザービームを使用した銅材料のレーザー接合に関する。 The present invention relates to laser processing of materials, in particular laser bonding of copper materials using a laser beam having wavelengths from about 350 nm to about 500 nm and above.

銅のレーザー溶接は、高い反射率、高い熱伝導率、および高い熱容量のために非常に困難であることが分かっている。超音波溶接からIRレーザー溶接に至るまで、銅を溶接するための多くの方法が開発されてきた。しかし、これらの従来の銅溶接方法には、多くの欠点と制限がある。たとえば、これらの制限が見られる1つの市場は、成長する電気自動車市場向けの高性能電子機器の分野である。成長する自動車市場向けの高性能バッテリーおよび電子機器を製造するには、これらの従来の技術で得られるよりも高速で優れた溶接品質が必要である。 Laser welding of copper has proven to be very difficult due to its high reflectance, high thermal conductivity, and high heat capacity. Many methods have been developed for welding copper, from ultrasonic welding to IR laser welding. However, these conventional copper welding methods have many drawbacks and limitations. For example, one market where these limitations are found is in the field of high performance electronics for the growing electric vehicle market. Manufacturing high-performance batteries and electronic devices for the growing automotive market requires faster and better welding quality than can be achieved with these traditional technologies.

1030nmでIRレーザー光源を使用する場合、この波長での銅の高い反射率は、材料にパワーを結合してそれを加熱および溶接することを困難にする。高反射率を克服する1つの方法は、ハイパワーレベル(>1kW)のIRレーザーを使用してキーホール溶接を開始し、それによってパワーを材料に結合することである。この溶接方法の問題点は、とりわけ、キーホール内の蒸気が微小爆発を引き起こし、溶接される部品全体に溶融銅を噴霧したり、その微小爆発によって溶接される部品を完全に貫通する穴が開いたりする可能性があることである。その結果、研究者は、溶接中のこれらの欠陥を防ぐために、レーザーパワーを急速に変調することに頼らざるを得ない。レーザーで銅を溶接しようしたときにレーザーが銅を最初に融点まで加熱して次に急速に銅の気化に移行するため、これらの欠陥はそのプロセス自体の直接的な結果であることが分かっている。銅が気化してキーホールが形成され、レーザー結合が最初の5%から100%にまで急速に上昇すると、この移行が非常に急速に生じるため、結合される熱量が部品の溶接に必要な熱量を急速に超え、結果として上述した微小爆発になる。 When using an IR laser light source at 1030 nm, the high reflectance of copper at this wavelength makes it difficult to bind power to the material and heat and weld it. One way to overcome high reflectance is to initiate keyhole welding using a high power level (> 1 kW) IR laser, thereby binding power to the material. The problem with this welding method is, among other things, that the steam in the keyhole causes a micro-explosion that sprays molten copper over the entire welded part or opens a hole that completely penetrates the part to be welded by the micro-explosion. There is a possibility that it will happen. As a result, researchers have to rely on rapid modulation of laser power to prevent these defects during welding. It turns out that these defects are a direct result of the process itself, as when trying to weld copper with a laser, the laser first heats the copper to its melting point and then rapidly transitions to copper vaporization. There is. As the copper vaporizes to form keyholes and the laser coupling rises rapidly from the initial 5% to 100%, this transition occurs so rapidly that the amount of heat combined is the amount of heat required to weld the part. Rapidly exceeds, resulting in the micro-explosion described above.

現在の赤外線レーザー法およびシステムを用いた銅のレーザー溶接は困難であり、高い反射率、高い熱伝導率、低い気化点、および高い熱容量のために問題を有している。IRレーザーと緑色レーザーの組み合わせ、溶融溜りでのスポットワブリング、真空中での操作、高周波でのレーザーの変調など、さまざまな方法で銅をIRレーザーで溶接することが試みられてきた。これらのアプローチは現在、一部の銅溶接アプリケーションで使用されているが、プロセスウィンドウが狭く、スパッタが制御されず、溶接のばらつきが予測できない傾向があり、一般に、望ましいまたは最適ではないことが分かっている。より難しい銅溶接プロセスの1つは、銅箔の積層体(重ねられた銅箔)を相互に、およびより厚いバスバーに溶接する方法である。今日、これはIRレーザーでは信頼性をもって、または製造業者が必要とする溶接品質を生み出す方法で行うことはできない。このため、製造業者はこれらの箔を一緒に結合するために超音波溶接法に依存してきた。これらの超音波法も最適とは言えず、問題がある。たとえば、超音波溶接法では、ソノトロードが製造中に摩耗する可能性があり、それにより不完全溶接から残骸が残ってしまう溶接まで、プロセスにばらつきが生じる。これらの欠陥は、製造歩留まりを制限し、バッテリーの内部抵抗を制限し、結果として生じるバッテリーのエネルギー密度を制限し、そして多くの場合、バッテリーの信頼性を制限する。 Laser welding of copper using current infrared laser methods and systems is difficult and has problems due to its high reflectance, high thermal conductivity, low vaporization point, and high heat capacity. Attempts have been made to weld copper with IR lasers in a variety of ways, including combinations of IR lasers and green lasers, spot wobbling in molten pools, vacuum operations, and high frequency laser modulation. These approaches are currently used in some copper welding applications, but have been found to be generally desirable or unoptimal due to the narrow process window, uncontrolled spatter, and unpredictable welding variability. ing. One of the more difficult copper welding processes is the method of welding copper foil laminates (stacked copper foils) to each other and to thicker busbars. Today, this cannot be done reliably with IR lasers or in a way that produces the weld quality required by the manufacturer. For this reason, manufacturers have relied on ultrasonic welding methods to bond these foils together. These ultrasonic methods are also not optimal and have problems. For example, in ultrasonic welding, sonotrod can wear during manufacturing, resulting in process variability from incomplete welds to welds that leave debris. These defects limit manufacturing yield, limit the internal resistance of the battery, limit the resulting energy density of the battery, and often limit the reliability of the battery.

「銅系材料」という用語は、特に明記しない限り、可能な限り広い意味を与えられるべきであり、銅、銅材料、銅金属、銅で電気めっきされた材料、少なくとも約10%重量から100重量%の銅を含む金属材料、少なくとも約10重量%から100重量%の銅を含む金属および合金、少なくとも約20重量%から100重量%の銅を含む金属および合金、少なくとも約10重量%から100重量%の銅を含む金属および合金、少なくとも約50重量%から100重量%の銅を含む金属および合金、少なくとも約70重量%から100重量%の銅を含む金属および合金、および少なくとも約90重量%から100重量%の銅を含む金属および合金を含む。 The term "copper-based material" should be given as broadly as possible, unless otherwise stated, copper, copper material, copper metal, copper electroplated material, at least about 10% to 100 weight. Metallic materials containing% copper, metals and alloys containing at least about 10% to 100% by weight copper, metals and alloys containing at least about 20% to 100% by weight copper, at least about 10% to 100% by weight. From metals and alloys containing% copper, metals and alloys containing at least about 50% to 100% by weight copper, metals and alloys containing at least about 70% to 100% by weight copper, and from at least about 90% by weight. Includes metals and alloys containing 100% by weight copper.

「レーザー加工」、「材料のレーザー加工」という用語、および同様のそのような用語は、特に明記しない限り、可能な限り広い意味を与えられるべきであり、溶接、はんだ付け、製錬、接合、焼きなまし、軟化、粘着付与、リサーフェシング、ピーニング、熱処理、融着、シーリング、スタッキングを含む。 The terms "laser processing", "laser processing of materials", and similar such terms should be given the broadest possible meaning, unless otherwise specified, welding, soldering, smelting, joining, etc. Includes annealing, softening, tacking, resurfacing, peening, heat treatment, fusion, sealing and stacking.

本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、「UV」、「紫外線」、「UVスペクトル」、および「スペクトルのUV部分」および同様の用語は、それらの最も広い意味を与えられるべきであり、約10nmから約400nm、および10nmから400nmの波長の光を含む。 As used herein, unless otherwise stated, "UV", "ultraviolet", "UV spectrum", and "UV portion of spectrum" and similar terms should be given their broadest meaning. Yes, it contains light with wavelengths from about 10 nm to about 400 nm, and from 10 nm to 400 nm.

本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、「可視」、「可視スペクトル」、および「スペクトルの可視部分」という用語および同様の用語は、それらの最も広い意味を与えられるべきであり、約380nmから約750nm、および400nmから700nmの波長の光を含む。 As used herein, unless otherwise stated, the terms "visible," "visible spectrum," and "visible portion of the spectrum" and similar terms should be given their broadest meaning. Includes light with wavelengths from about 380 nm to about 750 nm, and 400 nm to 700 nm.

本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、「青色レーザービーム」、「青色レーザー」および「青色」という用語は、それらの最も広い意味を与えられるべきであり、概ね、レーザービームを提供するシステム、レーザービーム、約400nmから約500nmの波長を有するレーザービームまたは光を提供、例えば伝播させる例えばレーザーおよびダイオードレーザーなどのレーザー光源を指す。典型的な青色レーザーの波長は約405-495nmの範囲である。青色レーザーは、450nm、約450nm、460nm、約470nmの波長を含む。青色レーザーは、約10pm(ピコメートル)から約10nm、約5nm、約10nm、約20nm、およびより大きな値とより小さな値の帯域幅を有する。 As used herein, unless otherwise stated, the terms "blue laser beam", "blue laser" and "blue" should be given their broadest meaning and generally provide a laser beam. Refers to a system, a laser beam, a laser beam having a wavelength of about 400 nm to about 500 nm or a laser source such as a propagating laser beam or light such as a laser and a diode laser. The wavelength of a typical blue laser is in the range of about 405-495 nm. The blue laser includes wavelengths of 450 nm, about 450 nm, 460 nm, and about 470 nm. Blue lasers have bandwidths from about 10 pm (picometers) to about 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, about 20 nm, and larger and smaller values.

本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、「緑色レーザービーム」、「緑色レーザー」および「緑色」という用語は、それらの最も広い意味を与えられるべきであり、一般に、レーザービームを提供するシステム、レーザービーム、約500nmから約575nmの波長を有するレーザービームまたは光を提供、例えば伝播させるレーザーおよびダイオードレーザーなどのレーザー光源を指す。緑色レーザーは、515nm、約515nm、532nm、約532nm、550nm、および約550nmの波長を含む。緑色レーザーは、約10pmから10nm、約5nm、約10nm、および約20nm、およびより大きな値とより小さな値の帯域幅を有する。 As used herein, unless otherwise stated, the terms "green laser beam", "green laser" and "green" should be given their broadest meaning and generally provide a laser beam. Refers to a system, a laser beam, a laser beam or light having a wavelength of about 500 nm to about 575 nm, such as a propagating laser and a laser source such as a diode laser. The green laser includes wavelengths of 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, 550 nm, and about 550 nm. Green lasers have bandwidths of about 10 pm to 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, and about 20 nm, and larger and smaller values.

本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、「少なくとも」、「より大きい」などの用語は、「以上」も意味し、すなわち、そのような用語は、特に明記しない限り、より低い値を除外する。 As used herein, terms such as "at least" and "greater than" also mean "greater than or equal to" unless otherwise stated, i.e. such terms are lower values unless otherwise stated. Exclude.

本明細書においては、特に明記しない限り、室温は25℃である。また、標準温度・標準圧力は25℃、1気圧である。特に明記されていない限り、すべての試験、試験結果、物理的特性、および温度依存の値、圧力依存の値、あるいはその両方の値は、標準温度と標準圧力で提供される。 In the present specification, the room temperature is 25 ° C. unless otherwise specified. The standard temperature and standard pressure are 25 ° C. and 1 atm. Unless otherwise stated, all tests, test results, physical properties, and temperature-dependent, pressure-dependent, or both values are provided at standard temperature and standard pressure.

概括的には、本明細書で使用される「約」という用語および記号「~」は、特に明記しない限り、±10%の分散または範囲、記載された値の取得に関連する実験または機器の誤差、および、好ましくはこれらのうち大きい方を包含する。 In general, the term "about" and the symbol "~" as used herein are of ± 10% variance or range, of any experiment or instrument associated with obtaining the stated values, unless otherwise stated. Includes errors, and preferably the larger of these.

本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、値の範囲、約「x」から約「y」までの範囲、および同様のそのような用語および定量化は、その範囲内の別個の値を個別に参照するのを省略する単なる方法である。したがって、それらには、その範囲内にある各アイテム、機能、値、量、または数量が含まれる。本明細書で使用される場合、特に明記しない限り、範囲内のすべての個々の点は、本明細書に組み込まれ、本明細書で個別に記載されているかのように本明細書の一部をなす。 As used herein, unless otherwise stated, a range of values, a range from about "x" to about "y", and similar terms and quantifications are separate values within that range. It is just a way to omit referencing individually. Therefore, they include each item, function, value, quantity, or quantity within that range. As used herein, unless otherwise stated, all individual points within the scope are incorporated herein and are part of this specification as if they were described individually herein. Make.

本発明のこの背景技術の記載は、本発明の実施形態に関連し得る当技術分野の様々な態様を紹介することを意図している。したがって、この記載での上記記載は、本発明をよりよく理解するためのフレームワークを提供し、先行技術の承認と見なされるべきではない。 The description of this background art of the invention is intended to introduce various aspects of the art that may be relevant to embodiments of the invention. Therefore, the above description in this description provides a framework for a better understanding of the invention and should not be considered as a prior art approval.

金属の溶接、特に、電子部品やバッテリー用の銅金属の溶接において、より良い溶接品質、より高速の溶接、ならびにより優れた再現性、信頼性、より高い公差およびより高い堅牢性に対する継続的かつ増大するニーズが存在する。これらのニーズに含まれるのは、銅をそれ自体や他の金属に溶接するための改善された方法の必要性である。そして、銅箔の積層体の溶接、そしてこれらの積層体をより厚い銅またはアルミニウム部品に溶接することに関連する問題に対処する必要がある。本発明は、とりわけ、本明細書で教示され、開示された改良、製造品、デバイスおよびプロセスを提供することによって、これらのニーズを解決する。 Continuously and for better welding quality, faster welding, and better reproducibility, reliability, higher tolerances and higher robustness in metal welding, especially copper metal welding for electronic components and batteries. There are increasing needs. Included in these needs is the need for improved methods for welding copper to itself and other metals. Then there is a need to address the problems associated with welding copper foil laminates and welding these laminates to thicker copper or aluminum parts. The present invention, among other things, solves these needs by providing the improvements, manufactured goods, devices and processes taught and disclosed herein.

本発明は、複数の銅箔を一緒にレーザー溶接する方法であって、少なくとも約50%の銅を含む複数の銅箔を溶接スタンドに配置するステップ;該複数の銅箔にクランプ力を加えて、溶接スタンド内で銅箔を一緒にクランプするステップ;青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って複数の銅箔に向けるステップであって、該レーザービームが、(i)少なくとも500ワットのパワー:(ii)約44m mmrad以下のビームパラメータ積、(iii)スポットサイズが約400μm以下、(iv)少なくとも約400kW/cmの平均強度、(v)少なくとも約800kW/cmのピーク強度の特性を有し、該青色レーザービームが該複数の銅箔をある溶接速度で重ね溶接するようにされているステップ;(e)該レーザービームが光学素子から複数の銅箔まで自由空間を移動するレーザービーム経路に沿った空間に、レーザービーム経路からプルーム材料を除去し、複数の銅箔の酸化を防止する非酸化性クリアリングガスを提供するステップ;を有し、該溶接速度、クランプ力、および該非酸化性ビームクリアリングガスの流量は、目に見えるスパッタおよび目に見える多孔性を有さない重ね溶接を提供するように事前に決定するようにされている、方法を提供する。 The present invention is a method of laser welding a plurality of copper foils together, in which a plurality of copper foils containing at least about 50% copper are placed on a welding stand; a clamping force is applied to the plurality of copper foils. A step of clamping copper foils together in a welding stand; a step of directing a blue laser beam to multiple copper foils along a laser beam path, wherein the laser beam is (i) at least 500 watts of power :( ii) Has the characteristics of a beam parameter product of about 44 mmrad or less, (iii) a spot size of about 400 μm or less, (iv) an average intensity of at least about 400 kW / cm 2 , and (v) a peak intensity of at least about 800 kW / cm 2 . Then, the blue laser beam is configured to superimpose and weld the plurality of copper foils at a certain welding speed; (e) The laser beam path in which the laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of copper foils. In the space along, there is a step of removing plume material from the laser beam path and providing a non-oxidizing clearing gas that prevents oxidation of multiple copper foils; the welding speed, the clamping force, and the non-oxidation. The flow rate of the sex beam clearing gas provides a method that is configured to be pre-determined to provide lap welding without visible spatter and visible porosity.

更に、これらの溶接、レーザーシステム、および溶接方法は、以下の特徴のうちの1つまたは複数を有する。すなわち、ビームがCWビームである;ビームがパルスビームである;ビームが約450nmの波長を有する;光学素子は、レンズ、ファイバー面、および窓からなる群から選択される;クリアリングガスは、アルゴン、アルゴン-CO、空気、ヘリウム、および窒素からなる群から選択される;レーザービームはワブリングされず、ワブリングのないレーザー溶接プロセスが提供される;複数の銅箔は10枚から50枚の銅箔を有する;銅箔は約80μmから500μmの厚さを有す;複数の銅箔のそれぞれは、約80μmから500μmの厚さを有する;溶接速度は少なくとも10m/分である。 Further, these welds, laser systems, and weld methods have one or more of the following features: That is, the beam is a CW beam; the beam is a pulse beam; the beam has a wavelength of about 450 nm; the optics are selected from the group consisting of lenses, fiber surfaces, and windows; the clearing gas is argon. , Argon-CO 2 , selected from the group consisting of air, helium, and nitrogen; the laser beam is not wobbled and a wobble-free laser welding process is provided; multiple copper foils are 10 to 50 pieces of copper. It has a foil; the copper foil has a thickness of about 80 μm to 500 μm; each of the plurality of copper foils has a thickness of about 80 μm to 500 μm; the welding speed is at least 10 m / min.

更に、複数の金属片を一緒にレーザー溶接するシステム及び方法が提供され、この方法は、溶接スタンド内に複数の金属片を配置するステップ;該複数の金属片にクランプ力を加えて、該溶接スタンド内で該金属片を一緒にクランプするステップ;青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って該複数の金属片に向けるステップであって、レーザービームが、(i)少なくとも500ワットのパワー、(ii)約44mm mrad以下のビームパラメータ積、(iii)スポットサイズが約400μm以下、(iv)少なくとも約400kW/cmの平均強度;(v)少なくとも約800kW/cmのピーク強度の特性を有し、該青色レーザービームは、該複数の金属片を1つの溶接速度で一緒に溶接するようになされているステップ:該青色レーザービームが光学素子から複数の銅箔まで自由空間を移動するレーザービーム経路に沿った空間に、該レーザービーム経路からプルーム材料を除去し複数の銅箔の酸化を防止する非酸化性ビームクリアリングガスを提供するステップ;を有し、該溶接速度、クランプ力、および該非酸化性クリアリングガスの流量は、目に見えるスパッタおよび目に見える多孔性を有さない溶接を提供するように事前に決定されている。 Further, a system and a method for laser welding a plurality of metal pieces together are provided, in which the method is a step of placing the plurality of metal pieces in a welding stand; a clamping force is applied to the plurality of metal pieces to apply the welding force. A step of clamping the pieces of metal together in a stand; a step of directing a blue laser beam toward the pieces of metal along a laser beam path, wherein the laser beam is (i) at least 500 watts of power, (ii). ) Beam parameter product of about 44 mm mad or less, (iii) spot size of about 400 μm or less, (iv) average intensity of at least about 400 kW / cm 2 ; (v) having peak intensity characteristics of at least about 800 kW / cm 2 . The blue laser beam is adapted to weld the plurality of metal pieces together at one welding rate: a laser beam path through which the blue laser beam travels in free space from an optical element to a plurality of copper foils. In the space along, there is a step of providing a non-oxidizing beam clearing gas that removes plume material from the laser beam path and prevents oxidation of multiple copper foils; the welding speed, the clamping force, and the non-welding. The flow rate of the oxidative clearing gas is predetermined to provide a weld with no visible spatter and no visible porosity.

さらに、これらの溶接、レーザーシステム、および溶接方法は、以下の特徴のうちの1つまたは複数を有する。すなわち、該溶接スタンドは金属片の下にエアギャップを有する;金属は、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、アルミニウム系金属、ステンレス鋼系金属、銅系金属、アルミニウム合金、ステンレス鋼合金および銅合金からなる群から選択される;レーザービームは約450nmの波長を有する;レーザービームはワブリングがなく、それにより、ワブリングのないレーザー溶接プロセスを提供する;溶接は、重ね溶接、突合せ溶接、ビードオンプレート溶接、および伝導モード溶接からなる溶接のグループから選択される。 In addition, these welds, laser systems, and weld methods have one or more of the following features: That is, the welding stand has an air gap under the piece of metal; the metal consists of aluminum, stainless steel, copper, aluminum-based metal, stainless steel-based metal, copper-based metal, aluminum alloy, stainless steel alloy and copper alloy. Selected from the group; the laser beam has a wavelength of about 450 nm; the laser beam is wobbling-free, thereby providing a wobbling-free laser welding process; welding is lap welding, butt welding, bead-on-plate welding, And selected from a group of welds consisting of conduction mode welds.

更に、複数の銅箔を一緒にレーザー溶接するシステム及び方法が提供され、この方法は、少なくとも約50%の銅を含み約80μmから500μmの厚さを有する複数の銅箔を溶接スタンドに配置するステップ;該複数の銅箔にクランプ力を加えて、該溶接スタンド内で銅箔を一緒にクランプするステップ;青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って該複数の銅箔に向けるステップであって、該レーザービームが、(i)少なくとも600ワットのパワー、(ii)約44mm mrad以下のビームパラメータ積、(iii)約200μmから約400μmのスポットサイズ、(iv)少なくとも約2.1MW/cmの平均強度、(v)少なくとも約4.5MW/cm2に近いピーク強度の特性を有し、該青色レーザービームは少なくとも10m/分の溶接速度で該複数の金属片を一緒に溶接するようになされているステップ;該レーザービームが光学素子から該複数の銅箔まで自由空間を移動するレーザービーム経路に沿った空間に、該レーザービーム経路からプルーム材料を除去し、該複数の銅箔の酸化を防止する非酸化性ビームクリアリングガスを提供するステップ;を有し、該溶接の速度、クランプ力、および該非酸化性クリアリングガスの流量は、目に見えるスパッタおよび目に見える多孔性を有さない溶接を提供するように事前に決定されるようになされている。 Further provided are systems and methods of laser welding multiple copper foils together, the method placing multiple copper foils containing at least about 50% copper and having a thickness of about 80 μm to 500 μm on a welding stand. Step; A step of applying a clamping force to the plurality of copper foils to clamp the copper foils together in the welding stand; a step of directing a blue laser beam toward the plurality of copper foils along a laser beam path. The laser beam has (i) a power of at least 600 watts, (ii) a beam parameter product of about 44 mm mad or less, (iii) a spot size of about 200 μm to about 400 μm, and (iv) at least about 2.1 MW / cm 2 . It has characteristics of average intensity, (v) peak intensity close to at least about 4.5 MW / cm2, and the blue laser beam is adapted to weld the plurality of metal pieces together at a welding rate of at least 10 m / min. Steps; In the space along the laser beam path where the laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of copper foils, the plume material is removed from the laser beam path to prevent oxidation of the plurality of copper foils. To provide a non-oxidizing beam clearing gas; the welding speed, clamping force, and flow rate of the non-oxidizing clearing gas do not have visible spatter and visible porosity. It is made to be pre-determined to provide welding.

また、銅系材料に完全な溶接を形成する方法が提供され、その方法は、第2の銅系材料と接触させるようにした第1の銅系材料を含むワークピースをレーザーシステムに配置するステップ;青色レーザービームを該ワークピースに向けて、該第1の銅系材料の部片と該第2の銅系材料の部片との間に溶接部を形成するステップ;を有し、該溶接部はHAZおよび再凝固領域を含み、該銅系材料、該HAZ、および該再凝固領域の微細構造は同一であるようにされている。 Also provided is a method of forming a complete weld on the copper-based material, which is the step of placing a workpiece containing the first copper-based material in contact with the second copper-based material in the laser system. A step of directing a blue laser beam at the workpiece to form a weld between the first piece of copper-based material and the second piece of copper-based material; The portion contains a HAZ and a resolidification region, and the copper-based material, the HAZ, and the microstructure of the resolidification region are made to be the same.

以下の特徴のうちの1つまたは複数を有するこれらの溶接、システム、および方法がさらに提供される。すなわち、同一の微細構造は、溶接部の脆弱性を示すかもしれない溶接部の識別可能な違いを示さない;同一の微細構造は、同様のサイズの結晶成長領域を含む;溶接部は伝導モード溶接によって形成される;溶接部はキーホールモード溶接によって形成される;第1および第2の部片は、約10μmから約500μmの厚さを有する;第1の部片は、銅箔の複数の層を含む;最初の部分は銅金属である;該第1の部片は、約10から約95重量パーセントの銅を有する銅合金である;レーザービームは、パワー密度が800kW/cm未満である集束スポットとしてワークピースに向けられる;レーザービームは、500kW/cm未満のパワー密度を有する集束スポットとしてワークピースに向けられる;レーザービームは、約100kW/cmから約800kW/cmのパワー密度を有する集束スポットとしてワークピースに向けられる;レーザービームは、パワー密度が100kW/cmを超える集束スポットとしてワークピースに向けられる;レーザービームは500W未満のパワーを有する;レーザービームは275W未満のパワーを有する;レーザービームは150W未満のパワーを有する;レーザービームは、150Wから約750Wの範囲のパワーを有する;レーザービームは、約200Wから約500Wの範囲のパワーを有する;レーザービームは、約50μmから約250μmのスポットサイズを有する集束スポットとしてワークピースに向けられる;レーザービームは、約405nmから約500nmの波長を有する;溶接部がスパッタ無しで形成される;レーザーはワークピースを蒸発させない。 Further provided are these welds, systems, and methods having one or more of the following features: That is, the same microstructure does not show identifiable differences in the weld that may indicate weld fragility; the same microstructure contains crystal growth regions of similar size; the weld is in conduction mode. It is formed by welding; the weld is formed by keyhole mode welding; the first and second pieces have a thickness of about 10 μm to about 500 μm; the first piece is a plurality of copper foils. The first part is a copper metal; the first piece is a copper alloy with about 10 to about 95 weight percent of copper; the laser beam has a power density of less than 800 kW / cm 2 . Is directed at the workpiece as a focused spot; the laser beam is directed at the workpiece as a focused spot with a power density of less than 500 kW / cm 2 ; the laser beam is directed at about 100 kW / cm 2 to about 800 kW / cm 2 . Directed to the workpiece as a focused spot with power density; the laser beam is directed to the workpiece as a focused spot with a power density greater than 100 kW / cm 2 ; the laser beam has a power of less than 500 W; the laser beam is less than 275 W. The laser beam has a power of less than 150 W; the laser beam has a power in the range of 150 W to about 750 W; the laser beam has a power in the range of about 200 W to about 500 W; the laser beam has a power of about 200 W to about 500 W. Directed to the workpiece as focused spots with a spot size of about 50 μm to about 250 μm; the laser beam has a wavelength of about 405 nm to about 500 nm; welds are formed without spatter; the laser does not evaporate the workpiece ..

さらに、銅系材料に完全な溶接部を形成する方法であって、第2の銅系材料の部片に接触させるようにして第1の銅系材料の部片をレーザーシステムに配置するステップ;青色レーザービームを該ワークピースに向け、それにより、第1の銅系材料の部片と第2の銅系材料の部片との間に溶接部を形成するステップ;を有し、該溶接部はHAZおよび再凝固領域を含み、該HAZの硬度の範囲は、該銅系材料の硬度の範囲内にあるようにされる、銅系材料に完全な溶接部を形成する方法が提供される。 Further, a method of forming a complete weld on a copper-based material, the step of placing the first copper-based material piece in a laser system so as to be in contact with the second copper-based material piece; It has a step of directing a blue laser beam at the workpiece, thereby forming a weld between a piece of copper-based material and a piece of copper-based material of the second; the weld. Provided is a method of forming a complete weld in a copper-based material, comprising the HAZ and a resolidification region, the hardness range of the HAZ being set to be within the hardness range of the copper-based material.

さらに、以下の特徴のうちの1つまたは複数を有するこれらの溶接、システム、および方法が提供される。すなわち、再凝固領域の硬度の範囲は、銅系材料の硬度の範囲内である;銅系材料、HAZおよび再凝固領域の微細構造は同一である;該同一の微細構造は、溶接部の脆弱性を示すかもしれない溶接部の識別可能な違いを示さない;該同一の微細構造は、溶接部の脆弱性を示すかもしれない溶接部の識別可能な違いを示さない;該同一の微細構造は、同様のサイズの結晶成長領域を含む。 Further provided are these welds, systems, and methods having one or more of the following features: That is, the hardness range of the resolidification region is within the hardness range of the copper-based material; the microstructure of the copper-based material, HAZ and the resolidification region is the same; the same microstructure is the fragility of the weld. Does not show identifiable differences in welds that may indicate sex; the same microstructure does not show identifiable differences in welds that may indicate vulnerability in welds; said identical microstructure. Includes a crystal growth region of similar size.

さらに、銅系材料に完全な溶接を形成する方法であって、第2の銅系材料の部片と接触させるようにした第1の銅系材料の部片を含むワークピースをレーザーシステムに配置するステップ;青色レーザービームを該ワークピースに向け、それにより、第1の銅系材料部片と第2の銅系材料の部片との間に溶接部を形成するステップとを有し、該溶接部はHAZおよび再凝固領域を含み、再凝固領域の硬度の範囲は、銅系材料の硬度の範囲内にあるようにする、銅系材料に完全な溶接を形成する方法が提供される。 In addition, a workpiece containing a piece of the first copper material that is in contact with the piece of the second copper material, which is a method of forming a complete weld on the copper material, is placed in the laser system. Steps to: Direct the blue laser beam at the workpiece, thereby having a step of forming a weld between the first copper-based material piece and the second copper-based material piece. A method of forming a complete weld on a copper-based material is provided such that the weld includes the HAZ and the resolidification region and the hardness range of the resolidification region is within the hardness range of the copper-based material.

さらに、405nmから500nmの波長範囲を有する青色レーザーを用いた銅の溶接、およびこの溶接によって形成される溶接部および製品が提供される。 Further provided are the welding of copper using a blue laser having a wavelength range of 405 nm to 500 nm, and the welds and products formed by this weld.

さらに、以下の特徴のうちの1つまたは複数を含むこれらの溶接、方法、およびシステムが提供される。すなわち、伝導モードで銅を溶接する;溶接プロセス中に溶融池の気化なしに伝導モードで銅を溶接する;銅を伝導モードで溶接して、母材と同様のサイズの結晶成長領域を備えた母材と同様の微細構造を形成する;伝導モードのように銅を溶接して、熱影響部(HAZ)内に母材と同様の微細構造を形成する;銅を伝導モードで溶接して、溶接ビード内に母材と同様の微細構造を形成する;伝導モードで銅を溶接して熱影響部内に母材と同様の硬度を生成する;銅を伝導モードで溶接して、溶接ビード内に母材と同様の硬度を生成する;銅を溶接して溶接部の微細構造が母材とは異なるものとする;銅を溶接してHAZ内の微細構造が母材に類似したものとする。 In addition, these welds, methods, and systems are provided that include one or more of the following features: That is, weld copper in conduction mode; weld copper in conduction mode without vaporization of the molten pool during the welding process; weld copper in conduction mode with a crystal growth region similar in size to the base metal. Form a microstructure similar to the base metal; weld copper as in conduction mode to form a microstructure similar to the base metal in the heat affected area (HAZ); weld copper in conduction mode, Form a microstructure similar to the base metal in the weld bead; weld copper in conduction mode to produce the same hardness as the base metal in the heat affected area; weld copper in conduction mode into the weld bead Produces hardness similar to the base metal; welds copper to make the microstructure of the weld different from the base metal; welds copper to make the microstructure in the HAZ similar to the base metal.

さらに、以下の特徴のうちの1つまたは複数を含むこれらの溶接、方法、およびシステムが提供される。すなわち、キーホールモードで銅を溶接する;キーホールモードで銅を溶接し、溶接中に非常に低いスパッタが発生し、溶接後に銅の表面にスパッタがほとんどまたはまったく観察されないようにする;パワー密度が500kW/cm以上で、キーホールを開いたままにすることができる溶接速度で銅を溶接する;400kW/cm以上のパワー密度で、キーホールを開いたままにすることができる溶接速度で銅を溶接する;100kW/cm以上のパワー密度で、溶接速度がキーホール溶接方式への移行を防ぐのに十分な速さで銅を溶接する;溶接中の溶け込み深さを改善するために予加熱して銅を溶接する;Ar-COアシストガスありで銅を溶接する;Ar-Hアシストガスありで銅を溶接する;Arアシストガスありで銅を溶接する;空気を伴って銅を溶接する;Heアシストガスありで銅を溶接する;Nアシストガスありで銅を溶接する;アシストガスで銅を溶接する。 In addition, these welds, methods, and systems are provided that include one or more of the following features: That is, weld copper in keyhole mode; weld copper in keyhole mode so that very low spatter occurs during welding and little or no spatter is observed on the surface of the copper after welding; power density. Welds copper at a welding speed of 500 kW / cm 2 or higher that allows the keyhole to remain open; a welding speed that allows the keyhole to remain open at a power density of 400 kW / cm 2 or higher. Weld copper with; at a power density of 100 kW / cm 2 or higher, the welding speed is fast enough to prevent the transition to the keyhole welding method; to improve the penetration depth during welding. Preheat to weld copper; weld copper with Ar-CO 2 assist gas; weld copper with Ar-H 2 assist gas; weld copper with Ar assist gas; with air Weld copper; Weld copper with He assist gas; Weld copper with N 2 assist gas; Weld copper with assist gas.

さらに、以下の特徴のうちの1つまたは複数を含むこれらの溶接、方法、およびシステムが提供される。すなわち、レーザーパワーが1Hzから1kHzに変調される;レーザーパワーが1kHzから50kHzに変調される;細長い青色レーザースポットを使用してキーホールを開いたままにする;ロボットを使用して、スポットを迅速に円形運動、振動運動、または長方形振動運動で移動させる;検流計に取り付けられたミラーを使用して、溶接方向と平行にスポットを振動させる;検流計に取り付けられたミラーを使用して、溶接方向に対して垂直にスポットを振動させる;一対の検流計に取り付けられた一対のミラーを使用して、スポットを迅速に円形運動、振動運動、または長方形の振動運動で移動させる。 In addition, these welds, methods, and systems are provided that include one or more of the following features: That is, the laser power is modulated from 1 Hz to 1 kHz; the laser power is modulated from 1 kHz to 50 kHz; the elongated blue laser spot is used to keep the keyhole open; the robot is used to quickly spot the spot. Move in a circular, vibrating, or rectangular vibrating motion; use a mirror attached to the galvanometer to vibrate the spot parallel to the welding direction; use a mirror attached to the galvanometer Vibrate the spot perpendicular to the welding direction; use a pair of mirrors attached to a pair of galvanometers to quickly move the spot in a circular, vibrating, or rectangular vibrating motion.

さらに、銅系材料にキーホール溶接を形成する方法が提供され、その方法は、ワークピースを第1の銅系材料の部片が第2の銅系材料の部片と接触するようにレーザーシステム内に配置するステップ;青色レーザービームを該ワークピースに向け、該第1の銅系材料の部片と該第2の銅系材料の部片との間にHAZと再凝固領域を含むキーホールモードの溶接部を形成するステップを含む。 In addition, a method of forming a keyhole weld in a copper-based material is provided, in which the workpiece is laser systemized so that a piece of the first copper-based material is in contact with a piece of the second copper-based material. A keyhole containing a HAZ and a resolidification region between a piece of the first copper-based material and a piece of the second copper-based material with a blue laser beam directed at the workpiece. Includes steps to form welds in the mode.

さらに、以下の特徴のうちの1つまたは複数を含むこれらの溶接、方法、およびシステムが提供される。すなわち、キーホール溶接のレーザーパワーが1000kW未満である;キーホール溶接のレーザーパワーが500kW未満である;キーホール溶接のレーザーパワーが300kW未満である;キーホールからのスパッタを抑制するためにレーザービームを伸ばす;キーホールからのスパッタを抑制するためにレーザーパワーを変調する;溶接のキーホールモード中のスパッタを抑制するためにビームを迅速にスキャンする;溶接が自動または手動で開始された後、レーザーパワーを急速に低下させる;溶接プロセス中に閉じ込められたガスとスパッタを減らすために低い大気圧を使用する;シールドガスを適用する;He、Ar、Nからなる群から選択されるシールドガスを適用する;Ar-H、N、N-Hからなる群から選択されるシールドガス混合物を適用する;シールドガスを適用し、シールドガスに水素を添加して酸化物層を除去し、溶接部の濡れを促進する。 In addition, these welds, methods, and systems are provided that include one or more of the following features: That is, the laser power of the keyhole weld is less than 1000 kW; the laser power of the keyhole weld is less than 500 kW; the laser power of the keyhole weld is less than 300 kW; the laser beam to suppress spatter from the keyhole. Stretches; Modulates the laser power to suppress spatter from the keyhole; Rapidly scans the beam to suppress spatter in the keyhole mode of the weld; After the weld is started automatically or manually Rapidly reduce laser power; use low atmospheric pressure to reduce gas and spatter trapped during the welding process; apply shield gas; shield gas selected from the group He, Ar, N 2 Apply; Apply a shield gas mixture selected from the group consisting of Ar-H 2 , N 2 , N 2 -H 2 ; Apply a shield gas and add hydrogen to the shield gas to remove the oxide layer. And promotes wetting of welds.

本発明による銅のスパッタ無し伝導モード溶接部の実施形態の写真である。It is a photograph of the embodiment of the conduction mode welded portion of copper without spatter according to the present invention.

本発明による銅のキーホール溶接部の実施形態の写真である。It is a photograph of the embodiment of the copper keyhole welded portion according to the present invention.

127μmの厚さの銅に対する本発明の実施形態での溶け込み深さと速度の関係を示すチャートであり、銅は8m/分の速度までは完全に溶け込んでいる。It is a chart showing the relationship between the penetration depth and the velocity in the embodiment of the present invention with respect to copper having a thickness of 127 μm, and copper is completely melted up to a velocity of 8 m / min.

254μmの厚さの銅に対する本発明の実施形態での溶け込み深さと速度の関係を示すチャートであり、銅は0.5から0.75m/分の速度までは完全に溶け込んでいる。It is a chart showing the relationship between the penetration depth and the velocity in the embodiment of the present invention with respect to copper having a thickness of 254 μm, and copper is completely melted at a velocity of 0.5 to 0.75 m / min.

本発明の実施形態での溶け込み深さと速度の関係を示すチャートである。It is a chart which shows the relationship between the penetration depth and the velocity in embodiment of this invention.

本発明の実施形態におけるいくつかの異なる速度での溶け込み深さを示すチャートである。It is a chart which shows the penetration depth at several different rates in embodiment of this invention.

本発明による70μmの厚さの銅箔上の伝導モード溶接部の実施形態を示す注釈付き写真である。FIG. 3 is an annotated photograph showing an embodiment of a conduction mode weld on a 70 μm thick copper foil according to the present invention.

本発明によるキーホールモード溶接部の断面の注釈付き写真である。It is a photograph with annotation of the cross section of the keyhole mode welded part by this invention.

様々な金属の吸収曲線であり、IRレーザーと可視レーザーとの間の吸収の違いを示している。Absorption curves of various metals, showing the difference in absorption between IR and visible lasers.

本発明による材料への伝導モード溶接伝播の実施形態の概略図である。It is a schematic diagram of an embodiment of conduction mode welding propagation to a material according to the present invention.

本発明による材料へのキーホール溶接伝播の実施形態の概略図である。It is a schematic diagram of the embodiment of the keyhole welding propagation to a material according to the present invention.

本発明によるレーザー溶接用の部品保持具の一実施形態の斜視図であるIt is a perspective view of one Embodiment of the component holder for laser welding by this invention.

図12の部品保持具の断面図である。It is sectional drawing of the component holder of FIG.

本発明による重ね溶接を行うために薄い部品を保持するための部品保持具の実施形態の斜視図である。It is a perspective view of the embodiment of the component holder for holding a thin component for performing lap welding according to the present invention.

図13の部品保持具の断面図である。It is sectional drawing of the component holder of FIG.

本発明による伝導モード溶接に対するプレート上のビードの写真である。It is a photograph of a bead on a plate for conduction mode welding according to the present invention.

本発明による伝導溶接モードで溶接された箔の積層体の写真である。It is a photograph of the laminated body of the foil welded in the conduction welding mode by this invention.

本発明によるキーホールモード溶接に対するプレート上のビードの写真である。It is a photograph of a bead on a plate for keyhole mode welding according to the present invention.

本発明によるキーホールモードで溶接された40枚の銅箔の積層体の実施形態の写真である。It is a photograph of the embodiment of the laminated body of 40 copper foils welded in the keyhole mode according to the present invention.

本発明による様々なパワーレベルおよび様々な速度の実施形態に対する銅の溶け込み深さのグラフである。It is a graph of the penetration depth of copper for various power levels and various speed embodiments according to the present invention.

本発明による実施形態に係るレーザー溶接方法の実施形態を実施するのに使用するための150ワット青色レーザーシステムの実施形態の概略図である。It is a schematic diagram of an embodiment of a 150 watt blue laser system for use in carrying out an embodiment of the laser welding method according to the embodiment of the present invention.

本発明による300ワット青色レーザーシステムを作る2つの150ワット青色レーザーシステムを使用した実施形態の光線追跡の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of ray tracing of an embodiment using two 150 watt blue laser systems to make a 300 watt blue laser system according to the present invention.

本発明による800ワット青色レーザーシステムを作る4つの150ワット青色レーザーシステムを使用した実施形態の光線追跡の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of ray tracing of an embodiment using four 150 watt blue laser systems to make an 800 watt blue laser system according to the present invention.

本発明にしたがって95%の囲まれたパワーを含む円形開口のために600Wで100mmの焦点距離レンズを使用した場合の実施形態の、ビームコースティックの半径(ミクロン(μm))と焦点からの変位(μm)の関係のグラフである。Beam caustic radius (micron (μm)) and displacement from focus of the embodiment when using a 100 mm focal length lens at 600 W for a circular aperture with 95% enclosed power according to the present invention. It is a graph of the relationship of (μm).

本発明による溶け込み(μm)と速度m/分の関係を示す、プレート上の銅110ビーズ(BOP)試験の実施形態のグラフである。6 is a graph of an embodiment of a copper 110 bead (BOP) test on a plate showing the relationship between penetration (μm) and speed m / min according to the present invention.

本発明による溶け込み(μm)と速度m/分の関係を示す、銅110の突合せ溶接試験の実施形態のグラフである。It is a graph of the embodiment of the butt welding test of copper 110 which shows the relationship between the penetration (μm) and the speed m / min by this invention.

本発明による伝導モード溶接の実施形態のグラフであり、溶け込み深さに対する板厚の影響を示す。It is a graph of the embodiment of conduction mode welding by this invention, and shows the influence of the plate thickness on the penetration depth.

本発明によるアルミニウム1100のBOP試験の実施形態のグラフであり、溶け込み(μm)と速度m/分の関係を示す。It is a graph of the BOP test embodiment of aluminum 1100 by this invention, and shows the relationship between the penetration (μm) and the speed m / min.

本発明によるアルミニウム1100のBOP試験の実施形態のグラフであり、溶け込み(μm)と速度m/分の関係を示す。It is a graph of the BOP test embodiment of aluminum 1100 by this invention, and shows the relationship between the penetration (μm) and the speed m / min.

本発明によるステンレス鋼304のBOP試験の実施形態のグラフであり、溶け込み(μm)と速度m/分の関係を示す。It is a graph of the BOP test embodiment of the stainless steel 304 according to the present invention, and shows the relationship between the penetration (μm) and the speed m / min.

キーホール溶接銅110のプレートの長手方向断面の実施形態の写真であり、完全な溶け込み領域の開始を示す。It is a photograph of an embodiment of a longitudinal cross section of a plate of keyhole welded copper 110, showing the start of a complete penetration region.

本発明による、最小の多孔性およびスパッタのある、1.1m/分で溶接された1.016mmの厚さの銅の実施形態の写真である。FIG. 3 is a photograph of an embodiment of 1.016 mm thick copper welded at 1.1 m / min with minimal porosity and spatter according to the present invention.

本発明による600ワットで200μmのスポットサイズで溶接された銅110のBOP試験の実施形態の溶け込み深さ(μm)と速度(m/分)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the penetration depth (μm) and the velocity (m / min) of the BOP test embodiment of the copper 110 welded with the spot size of 200 μm at 600 watts by this invention.

本発明による4枚のステンレス鋼304のキーホール重ね溶接の実施形態の写真である。It is a photograph of the embodiment of the keyhole lap welding of four stainless steel 304s according to the present invention.

本発明による、銅110の箔の積層体に対する重ね溶接試験の実施形態のグラフである。It is a graph of embodiment of the lap welding test with respect to the laminated body of the foil of copper 110 by this invention.

本発明による、500ワット、400μmのスポットの青色レーザーで溶接された10μmの厚さの40枚の銅110箔の積層体の実施形態の写真である。FIG. 5 is a photograph of an embodiment of a laminate of 40 copper 110 foils with a thickness of 10 μm welded with a 500 watt, 400 μm spot blue laser according to the present invention.

本発明は、概ね、金属、特にアルミニウム、ステンレス鋼、銅、アルミニウム系金属、ステンレス鋼系金属、銅系金属、およびこれらの合金を溶接するためのレーザー、レーザービーム、システムおよび方法に関する。本発明はさらに、概ね、レーザービームの適用方法、ビームサイズ、ビームパワー、部品(溶接される部品)を保持する方法、およびシールドガスを導入して溶接プロセスを支援する、例えば部品の酸化を防いだり、プルームの管理によりプルームがレーザービームに干渉するのを防いだりする方法に関する。 The present invention generally relates to metals, in particular aluminum, stainless steel, copper, aluminum-based metals, stainless steel-based metals, copper-based metals, and lasers, laser beams, systems and methods for welding these alloys. The present invention further generally assists in the welding process by introducing a method of applying a laser beam, beam size, beam power, a method of holding a part (part to be welded), and a shield gas, eg, preventing oxidation of the part. It also relates to how plume management prevents the plume from interfering with the laser beam.

一実施形態では、本発明は、電子部品を含み、さらにバッテリーを含む多くの分野で、銅系材料に高品質の溶接、高い溶接速度、およびその両方を提供する。一実施形態では、本発明は、バッテリーを含む自動車用電子部品を含む自動車部品の銅系材料に対して、高品質の溶接、高い溶接速度、およびその両方を提供する。 In one embodiment, the invention provides high quality welds, high weld speeds, or both to copper-based materials in many areas including electronic components and further including batteries. In one embodiment, the invention provides high quality welds, high weld speeds, or both for copper-based materials in automotive components, including automotive electronic components, including batteries.

一実施形態では、本発明は、電子部品を含み、さらにバッテリーを含む多くの分野で、ステンレス鋼系材料に対して、高品質の溶接、高い溶接速度及びその両方を提供する。一実施形態では、本発明は、バッテリーを含む自動車用電子部品を含む自動車部品において、ステンレス鋼系材料に対して高品質の溶接、高い溶接速度、およびその両方を提供する。 In one embodiment, the invention provides high quality welds, high weld speeds, or both for stainless steel materials in many areas including electronic components and further including batteries. In one embodiment, the present invention provides high quality welds, high weld speeds, or both to stainless steel-based materials in automotive components, including automotive electronic components, including batteries.

一実施形態では、本発明は、電子部品を含み、さらにバッテリーを含む多くの分野で、アルミニウム系材料に対して、高品質の溶接、高い溶接速度、及びその両方を提供する。一実施形態では、本発明は、バッテリーを含む自動車用電子部品を含む自動車部品におけるアルミニウム系材料に対して、高品質の溶接、高い溶接速度、およびその両方を提供する。 In one embodiment, the invention provides high quality welds, high weld speeds, or both for aluminum-based materials in many areas including electronic components and further including batteries. In one embodiment, the present invention provides high quality welds, high weld speeds, or both for aluminum-based materials in automotive parts including automotive electronic components including batteries.

本発明の一実施形態では、ハイパワー青色レーザー光源(例えば、約450nm)が従来の銅溶接技術の問題を解決する。青色レーザー光源は銅の吸収率が約~65%であり、すべてのパワーレベルでレーザーパワーを材料に効率的に結合できる波長での青色レーザービームを提供する。このシステムと方法は、伝導モードやキーホール溶接モードなど、多くの溶接技術で安定した溶接を提供する。このシステムおよび方法は、気化、スパッタ、微小爆発、およびこれらの組み合わせおよび変化したものを最小化し、低減し、好ましくは排除する。 In one embodiment of the invention, a high power blue laser light source (eg, about 450 nm) solves the problems of conventional copper welding techniques. The blue laser light source has a copper absorptance of about ~ 65% and provides a blue laser beam at wavelengths at which laser power can be efficiently coupled to the material at all power levels. This system and method provides stable welding in many welding techniques, including conduction mode and keyhole welding mode. This system and method minimizes, reduces, and preferably eliminates vaporization, spatter, microexplosions, and combinations and variations thereof.

一実施形態では、スポットサイズが約200μm以下で150ワットから275ワットの範囲のパワーレベルでの銅の青色レーザー溶接は、すべてのパワー範囲にわたって安定した低スパッタ溶接を達成する。この溶接システムおよび方法の一実施形態では、溶接は伝導モードであり、結果として得られる溶接微細構造は母材に類似する。 In one embodiment, copper blue laser welding at power levels ranging from 150 watts to 275 watts with a spot size of about 200 μm or less achieves stable low spatter welding over the entire power range. In one embodiment of this welding system and method, welding is in conduction mode and the resulting weld microstructure resembles a base metal.

好ましくは、実施形態では、レーザー波長は、350nmから500nmの波長であり得、スポットサイズ(直径、または断面)は、100ミクロン(μm)から3mmの範囲とすることができ、より大きなスポットサイズもまた企図される。スポットは、円形、楕円形、線形、四角形、またはその他のパターンにすることができる。好ましくは、レーザービームは連続的である。実施形態では、レーザービームは、例えば約1マイクロ秒以上のパルスとすることができる。 Preferably, in embodiments, the laser wavelength can be from 350 nm to 500 nm, and the spot size (diameter, or cross section) can range from 100 microns (μm) to 3 mm, with larger spot sizes as well. Also planned. The spot can be circular, elliptical, linear, square, or any other pattern. Preferably, the laser beam is continuous. In embodiments, the laser beam can be, for example, a pulse of about 1 microsecond or longer.

図6には、様々な溶接速度での溶け込み深さとパワーの関係が示されている。この溶接は、(後述の)実施例1に記載されるタイプのシステムを使用して実施された。溶接は、アシストガスなしで、レーザービームに対して275Wのパワーで500μmの銅の上で行われた。 FIG. 6 shows the relationship between penetration depth and power at various welding speeds. This weld was performed using the type of system described in Example 1 (discussed below). Welding was performed on 500 μm copper with a power of 275 W for the laser beam, without assist gas.

図7の写真は、厚さ70μmの銅箔での伝導モード溶接部を示しており、HAZ(熱影響部)および溶接部の微細構造を示している。この溶接部は、実施例1で説明されるパラメータを使用して行われた。各サンプルの溶け込み深さは、最初にサンプルを切断し次にサンプルをエッチングして溶接領域とHAZ領域の微細構造を明らかにすることによって判定された。さらに、サンプルの1つが断面化されたが、母材金属全体のビッカース硬度が133-141HVの範囲であり、溶接ビードが約135HVであり、HAZが118-132HVの範囲であった。結論としては、母材であるHAZと溶接ビード(再凝固領域など)の硬度は母材に近いということである。さらに、伝導モード溶接ビード、HAZ、および母材の微細構造は、わずかな違いがあるが非常に類似している。これらの特性を備えた溶接部は、銅をレーザーまたはその他の手段で溶接した場合に、これまで観察されたことはない。この溶接品質を、サンプルの溶接部を横断方向に切断し、エッチングして微細構造を明らかにした図7に示す。 The photograph of FIG. 7 shows a conduction mode welded portion in a copper foil having a thickness of 70 μm, and shows the microstructure of the HAZ (heat-affected zone) and the welded portion. This weld was made using the parameters described in Example 1. The penetration depth of each sample was determined by first cutting the sample and then etching the sample to reveal the microstructure of the weld and HAZ regions. Further, one of the samples was cross-sectioned, but the Vickers hardness of the entire base metal was in the range of 133-141 HV, the weld bead was in the range of about 135 HV, and the HAZ was in the range of 118-132 HV. The conclusion is that the hardness of the base metal HAZ and the weld bead (resolidification region, etc.) is close to that of the base metal. Moreover, the microstructures of the conduction mode weld beads, HAZ, and base metal are very similar, with slight differences. Welds with these properties have never been observed when copper is welded by laser or other means. This welding quality is shown in FIG. 7, in which the welded portion of the sample is cut in the transverse direction and etched to clarify the microstructure.

このように、本発明の実施形態には、以下の溶接部を得るために銅系材料を溶接する方法、および結果として生じる溶接部自体が含まれる。これらの方法と溶接部には、2つ以上の銅系材料を一緒に溶接することが含まれ、溶接部の周囲の領域では、(ビッカース硬度、ASTM試験などの、承認され確立された硬度試験で測定された)材料の硬度が、溶接ビードの硬度が母材の硬度の範囲内、溶接ビードの硬度が母材の硬度の1%以内、溶接ビード(例えば、再凝固領域)の硬度が母材の硬度の5%以内、そして溶接ビードの硬度が母材の硬度の10%以内となるようにされる。これらの方法と溶接部には、2つ以上の銅系材料を一緒に溶接することが含まれ、溶接部の周囲の領域では、(ビッカース硬度、ASTM試験などの、承認され確立された硬度試験で測定された)材料の硬度が、HAZ硬度が母材の硬度内、HAZ硬度が母材の硬度の1%以内、HAZ硬度が母材の硬度の5%以内、HAZ硬度が母材の硬度の10%以内となるようにされる。これらの方法と溶接部には、2つ以上の銅系材料を一緒に溶接することが含まれ、溶接部の周囲の領域では、母材、ビード(たとえば、再凝固領域)、およびHAZの微細構造が同一で、溶接部領域の溶接構造の脆弱さまたは溶接領域の脆弱さを示唆または示す微細構造の識別可能な違いはない。 As described above, the embodiment of the present invention includes a method of welding a copper-based material in order to obtain the following welded portion, and the resulting welded portion itself. These methods and welds include welding two or more copper-based materials together, and in the area surrounding the weld, approved and established hardness tests (such as Vickers hardness, ASTM test, etc.) The hardness of the material (measured in) is that the hardness of the weld bead is within the hardness of the base metal, the hardness of the weld bead is within 1% of the hardness of the base metal, and the hardness of the weld bead (for example, the resolidification region) is the mother. The hardness of the material is made to be within 5%, and the hardness of the weld bead is made to be within 10% of the hardness of the base material. These methods and welds include welding two or more copper-based materials together, and in the area surrounding the weld, approved and established hardness tests (such as Vickers hardness, ASTM test, etc.) The hardness of the material (measured in) is that the HAZ hardness is within the hardness of the base material, the HAZ hardness is within 1% of the hardness of the base material, the HAZ hardness is within 5% of the hardness of the base material, and the HAZ hardness is the hardness of the base material. It should be within 10% of. These methods and welds include welding two or more copper-based materials together, and in the area surrounding the weld, the base metal, beads (eg, resolidification area), and HAZ micronities. The structure is identical and there is no discernible difference in microstructure that suggests or indicates the weakness of the weld structure in the weld area or the weakness of the weld area.

図8は、キーホール溶接モードでの作業における、500μmの厚さの銅シートのサンプルについて観察された微細構造である。キーホール溶接プロセス中に、蒸気プルームがはっきりと見え、溶融銅が溶接部の長さに沿ってゆっくりと押し出された。、IRレーザーで溶接するときに通常観察される溶接時のスパッタの兆候は、この溶接中にも溶接後にもなかった。これは、電気部品に高品質の溶接部を作製するのに適した、安定し十分に制御されたキーホールプロセスを示している。図8に示されるタイプの非常に高品質で均一なキーホールモード溶接の断面は、800kW/cm以下の低いパワー密度で得られる。再凝固領域[1]-[2]は442μmから301μmで、HAZ[2]は1314μmだった。 FIG. 8 is the microstructure observed for a sample of copper sheet with a thickness of 500 μm when working in keyhole welding mode. During the keyhole weld process, the steam plume was clearly visible and the molten copper was slowly extruded along the length of the weld. There were no signs of spatter during welding, usually observed when welding with an IR laser, during or after this weld. It demonstrates a stable and well-controlled keyhole process suitable for making high quality welds on electrical components. A very high quality and uniform keyhole mode weld cross section of the type shown in FIG. 8 is obtained with a low power density of 800 kW / cm 2 or less. The recoagulation region [1]-[2] was 442 μm to 301 μm, and the HAZ [2] was 1314 μm.

本発明の実施形態は、銅材料への効率的な熱伝達速度、安定した溶融池、特に、これらの利点を溶接の伝導モードまたはキーホールモードのいずれかで達成するために、可視レーザーシステムを使用して銅を銅または他の材料に溶接するための方法、デバイス、およびシステムに関する。銅は、図9に示されるように、青色の波長範囲では高吸収性である。本発明に係る好ましい青色レーザービームおよびレーザービームシステムおよび方法は、レーザーパワーを非常に効率的に銅に結合する。本レーザービームシステムおよび方法は、熱がレーザースポットから離れる方向で伝導されるよりも速く母材(溶接される材料、例えば、銅)を加熱する。これにより、伝導モードレーザー溶接に非常に効率的で優れた溶接特性が提供される。つまり、レーザービーム内の材料が融点まで急速に加熱され、連続レーザービームによって融点に維持されて、安定した溶接ビードが形成される。この伝導モード溶接では、金属は急速に溶融するが、溶接の溶け込み深さは材料への熱拡散によって決定付けられ、球形状に材料中に進む。図10は、導電モード溶接1000の実施形態の概略図を示し、矢印1004により溶接の方向を示している。例えば青色波長のレーザービーム1001が、溶融池1002に集束され、それを維持する。溶融池1002の背後には、固体溶接材料1003がある。銅金属や銅合金などの母材は、溶接部の下にある。シールドガスストリーム1005も使用される。 Embodiments of the present invention provide a visible laser system to achieve efficient heat transfer rates to copper materials, stable molten pools, in particular these advantages in either the conduction mode or the keyhole mode of welding. Regarding methods, devices, and systems for using to weld copper to copper or other materials. Copper is highly absorbent in the blue wavelength range, as shown in FIG. The preferred blue laser beam and laser beam system and method according to the present invention combine laser power with copper very efficiently. The laser beam system and method heat the matrix (material to be welded, eg copper) faster than heat is conducted away from the laser spot. This provides very efficient and excellent welding properties for conduction mode laser welding. That is, the material in the laser beam is rapidly heated to the melting point and maintained at the melting point by the continuous laser beam to form a stable weld bead. In this conduction mode weld, the metal melts rapidly, but the penetration depth of the weld is determined by thermal diffusion into the material and advances into the material in a spherical shape. FIG. 10 shows a schematic view of an embodiment of the conductive mode welding 1000, and the direction of welding is indicated by an arrow 1004. For example, a blue wavelength laser beam 1001 is focused and maintained in the molten pool 1002. Behind the molten pool 1002 is the solid welding material 1003. Base materials such as copper metal and copper alloys are below the weld. Shielded gas stream 1005 is also used.

本発明の一実施形態は、青色レーザーシステムを用いた銅のキーホール溶接に関する。これらの方法とシステムは、厚い銅材料と、銅箔の厚い積層体を含む積層体を溶接するための新しい可能性を開く。このキーホールモード溶接は、レーザーエネルギーが急速に吸収され、溶接される材料が溶けて気化するときに生じる。気化した金属は、溶接される金属に高圧を生じさせ、レーザービームが伝播して吸収される穴または毛細管を開く。キーホールモードが開始されると深溶け込み溶接がなされる。レーザービームの吸収は、銅の青色レーザーの65%の初期吸収からキーホールでの100%の吸収に変化する。この高い吸収は、キーホールの壁での複数の反射に起因する可能性があり、壁ではレーザービームが連続的に吸収される。青色波長での銅の高い吸収性と組み合わせると、キーホールを開始して維持するために必要なパワーは、IRレーザーを使用する場合よりも大幅に低くなる。図11は、キーホールモード溶接部2000の実施形態の概略図を示し、矢印2007により溶接の方向を示している。キーホール2006には金属/蒸気プラズマがある。青色レーザービーム2001は、プラズマクラウド2002、溶融池2003、および固体溶接金属2004を形成する。シールドガスストリーム2005も使用される。 One embodiment of the present invention relates to copper keyhole welding using a blue laser system. These methods and systems open up new possibilities for welding thick copper materials and laminates, including thick laminates of copper foil. This keyhole mode weld occurs when the laser energy is rapidly absorbed and the material to be welded melts and vaporizes. The vaporized metal creates a high pressure in the metal to be welded, opening holes or capillaries through which the laser beam propagates and is absorbed. When the keyhole mode is started, deep penetration welding is performed. The absorption of the laser beam changes from 65% initial absorption of the copper blue laser to 100% absorption at the keyhole. This high absorption can be due to multiple reflections on the wall of the keyhole, where the laser beam is continuously absorbed. Combined with the high absorbency of copper at blue wavelengths, the power required to initiate and maintain a keyhole is significantly lower than when using an IR laser. FIG. 11 shows a schematic view of an embodiment of the keyhole mode welded portion 2000, and the direction of welding is indicated by an arrow 2007. Keyhole 2006 has a metal / vapor plasma. The blue laser beam 2001 forms the plasma cloud 2002, the molten pool 2003, and the solid weld metal 2004. Shielded gas stream 2005 is also used.

図11のキーホール溶接を図10の伝導モード溶接と比較すると、キーホール溶接部の最終的な溶接再凝固領域の壁は、伝導モード溶接部よりも部品すなわち母材を通してより垂直である。 Comparing the keyhole weld of FIG. 11 with the conduction mode weld of FIG. 10, the wall of the final weld resolidification region of the keyhole weld is more vertical through the component or base metal than the conduction mode weld.

好ましくは、本システムおよび方法の実施形態のためのハイパワーレーザービーム(例えば、可視レーザービーム、緑色レーザービーム、および青色レーザービーム)は、システム内の光学系を通して約50μm以上のスポットサイズに集束される性能を有し、10W以上のパワーを有する。青色レーザービームを含むレーザービームのパワーは、10W、20W、50W、100W、10-50W、100-250W、200-500W、および1,000Wとすることができ、より高いパワー及び低いパワーも想定されており、またこれらの範囲内のすべての波長が想定されている。これらのパワーおよびレーザービームに対するスポットサイズ(最長断面距離、円の場合は直径)は、約20μmから約4mm、約3mm未満、約2mm未満、約20μm-約1mm、約30μm-約50μm、約50μm-約250μm、約50μm-約500μm、約100μm-約4000μm、それ以上及び以下、及びこれらの範囲内のすべてのサイズであり得る。レーザービームスポットのパワー密度は、約50kW/cm-5MW/cm、約100kW/cm-4.5MW/cm、約100kW/cm-1000kW/cm、約500kW/cm-2MW/cm、約50kW/cm超、約100kW/cm超、約500kW/cm超、約1000kW/cm超、約2000kW/cm超、およびより高いパワー密度とより低いパワー密度、およびこれらの範囲内のすべてのパワー密度であり得る。銅の溶接速度は約0.1mm/秒から約10mm/秒であり、さまざまな条件に応じてより遅いかより早い速度、およびこれらの範囲内のすべての速度であり得る。速度は溶接される材料の厚さに依存するため、単位厚さ(mm)あたりの速度mm/秒/厚さmmは、たとえば、10μmから1mmの厚さの銅の場合、0.1/秒から1000/秒になり得る。 Preferably, the high power laser beam for embodiments of the system and method (eg, visible laser beam, green laser beam, and blue laser beam) is focused through an optical system within the system to a spot size of about 50 μm or greater. It has the performance of 10W or more. The power of the laser beam including the blue laser beam can be 10W, 20W, 50W, 100W, 10-50W, 100-250W, 200-500W, and 1,000W, and higher power and lower power are also assumed. And all wavelengths within these ranges are assumed. Spot sizes for these powers and laser beams (longest cross-sectional distance, diameter in the case of a circle) range from about 20 μm to about 4 mm, less than about 3 mm, less than about 2 mm, about 20 μm-about 1 mm, about 30 μm-about 50 μm, about 50 μm. -About 250 μm, about 50 μm-about 500 μm, about 100 μm-about 4000 μm, more and less, and all sizes within these ranges. The power density of the laser beam spot is about 50 kW / cm 2-5 MW / cm 2 , about 100 kW / cm 2-4.5 MW / cm 2 , about 100 kW / cm 2-1000 kW / cm 2 , about 500 kW / cm 2 -2 MW. / Cm 2 , about 50 kW / cm over 2 , about 100 kW / cm over 2 , about 500 kW / cm over 2 , about 1000 kW / cm over 2 , about 2000 kW / cm over 2 , and higher and lower power densities, And all power densities within these ranges. Welding speeds of copper range from about 0.1 mm / sec to about 10 mm / sec and can be slower or faster speeds, and all speeds within these ranges, depending on various conditions. Since the speed depends on the thickness of the material to be welded, the speed mm / sec / mm per unit thickness (mm) is, for example, 0.1 / sec for copper with a thickness of 10 μm to 1 mm. Can be from 1000 / sec.

本発明の方法およびシステムの実施形態は、1つ、2つ、3つ、またはそれ以上のレーザービームを使用して溶接部を形成することができる。レーザービームは、溶接を開始するために同じ領域に焦点を合わせることができる。レーザービームスポットは重なったり一致したりする場合があり得る。複数のレーザービームを同時に、一致させて使用することができる。単一のレーザービームを使用して溶接を開始し、続いて2番目のレーザービームを追加することができる。複数のレーザービームを使用して溶接を開始し、続いてより少ないビーム、例えば単一のビームを使用して溶接を継続することができる。この複数のレーザービームは、異なるパワーまたは同じパワーであり得、パワー密度は異なるか同じであり得、波長は異なるか同じであり得、これらの組み合わせおよび変形とすることもできる。追加のレーザービームの使用は、同時または順次にすることができる。複数のレーザービームを使用するこれらの実施形態の組み合わせおよび変形もまた使用され得る。複数のレーザービームを使用すると、溶接部からのスパッタを抑制でき、深溶け込み溶接法でもその抑制ができる。 Embodiments of the methods and systems of the invention can use one, two, three, or more laser beams to form welds. The laser beam can be focused on the same area to initiate welding. Laser beam spots can overlap or coincide. Multiple laser beams can be used in unison at the same time. Welding can be started using a single laser beam and then a second laser beam can be added. Welding can be initiated using multiple laser beams and then continued using fewer beams, such as a single beam. The plurality of laser beams can be of different powers or the same power, the power densities can be different or the same, the wavelengths can be different or the same, and can be combinations and variants thereof. The use of additional laser beams can be simultaneous or sequential. Combinations and variants of these embodiments using multiple laser beams can also be used. When a plurality of laser beams are used, spatter from the weld can be suppressed, and the deep penetration welding method can also suppress the spatter.

実施形態では、溶接プロセス中に母材から酸化物層を除去するために、水素ガスHを不活性ガスと混合することができる。その水素ガスは溶接領域に流される。水素ガスはまた、溶接部の濡れを促進する。水素ガスはシールドガスに追加するか、シールドガスと混合して、シールドガスの一部として溶接部に適用することができる。これらの混合ガスには、例えば、Ar-H、He-H、N-Hがある。 In embodiments, hydrogen gas H 2 can be mixed with an inert gas to remove the oxide layer from the base metal during the welding process. The hydrogen gas is flowed into the welded area. Hydrogen gas also promotes wetting of welds. Hydrogen gas can be added to the shield gas or mixed with the shield gas and applied to the weld as part of the shield gas. These mixed gases include, for example, Ar-H 2 , He-H 2 , and N2 -H 2 .

図18は、レーザーシステム構成および127μmから500μmの範囲の材料の厚さの様々な実施形態についての銅への溶け込み深さ、レーザービームパワー、および溶接速度の例を示す。

青色レーザーシステムを使用した、銅、銅合金、およびその他の金属の伝導モード溶接する方法
FIG. 18 shows examples of penetration depth into copper, laser beam power, and welding speed for various embodiments of laser system configurations and material thicknesses ranging from 127 μm to 500 μm.

Method of conducting mode welding of copper, copper alloys, and other metals using a blue laser system

本システムは、銅系材料に適用される場合のIR溶接に関連する問題および困難を克服する。本発明に係る青色波長でのレーザービームとビームスポットの銅の高い吸収率(65%)は、材料の熱拡散率を克服し、約150ワット以下の比較的低いパワーレベルでそれを実現できる。本青色レーザービームと銅との相互作用により、銅は容易に融点に達し、広いプロセスウィンドウが可能になる。 The system overcomes the problems and difficulties associated with IR welding when applied to copper-based materials. The high absorptivity (65%) of copper in the laser beam and beam spot at the blue wavelength according to the present invention overcomes the thermal diffusivity of the material and can be achieved at relatively low power levels of about 150 watts or less. The interaction of this blue laser beam with copper allows copper to easily reach its melting point, allowing for a wider process window.

一実施形態では、部品保持装置または固定具を使用することにより、定常伝導モード溶接が実行され、高品質の溶接が安定した迅速な速度で得られる。 In one embodiment, by using a component holding device or fixture, steady conduction mode welding is performed and high quality welding is obtained at a stable and rapid rate.

レーザービームによって部品に誘発される熱過渡の間、溶接される材料を所定の位置に保持するために溶接固定具が使用される。図12および図12Aの固定具は、それぞれ、重ね溶接、突合せ溶接、さらにはエッジ溶接に使用することができる溶接クランプの斜視図及び断面図である。溶接固定具4000は、ベースプレートまたは支持構造4002を有する。ベースプレート4002に取り付けられているのは、2つのクランプ部材すなわちホールドダウン4001である。ホールドダウン4001は、ベースプレート4002の表面上に載るタブと、溶接されるワークピースに接触して保持する自由端とを有する。ホールドダウン4001の自由端の間の領域のベースプレート4002には、例えば、幅2mm×深さ2mmのスロット4003がある。4本のボルト4004(他のタイプの調整締め付け装置も使用できる)は、クランプをワークピースに対して調整、締め付け、保持して、ワークピースを保持または固定する。 Weld fixtures are used to hold the material to be welded in place during the thermal transients induced in the part by the laser beam. The fixtures of FIGS. 12 and 12A are perspective views and cross-sectional views of weld clamps that can be used for lap welding, butt welding, and even edge welding, respectively. The weld fixative 4000 has a base plate or support structure 4002. Attached to the base plate 4002 are two clamp members or holddowns 4001. The holddown 4001 has a tab that rests on the surface of the base plate 4002 and a free end that contacts and holds the workpiece to be welded. The base plate 4002 in the region between the free ends of the holddown 4001 has, for example, a slot 4003 having a width of 2 mm and a depth of 2 mm. The four bolts 4004 (other types of adjustment tightening devices can also be used) adjust, tighten and hold the clamp to the workpiece to hold or secure the workpiece.

この固定具の材料は、ステンレス鋼などの低熱伝導率材料であり、それは溶接中に部品を所定の位置に保持するために必要なクランプ圧力を加えるのに十分に剛性であるため好ましい。実施形態では、クランプ、ベースプレート、およびそれら両方は、溶接プロセス中にワークピースに対して絶縁性または絶縁効果を与えることができる。固定具に熱伝導率の低い材料を使用すると、部品に蓄積される熱が固定具自体によって急速に伝導されることが防止、最小化、および低減される。これにより、銅などの高熱伝導率の材料を溶接するときに追加の利点が得られる。したがって、クランプのために選択される材料、クランプの幅、および部品の下のギャップはすべて、溶接の溶け込み深さ、溶接ビードの幅、および溶接ビードの全体的な品質を決定するパラメータとなる。図14を参照すると、伝導モード溶接部が、母材、例えば、ワークピース内の溶接ビードの円形形状6001によって特定される(エッチング後の)断面が示されている。溶接部は、部品の上面に熱が加えられたときの銅またはその他の材料の熱伝達プロセスが等方性であるためにこの形状になる。 The fixture material is a low thermal conductivity material such as stainless steel, which is preferred because it is rigid enough to apply the clamping pressure required to hold the part in place during welding. In embodiments, the clamp, base plate, or both can provide insulating or insulating effect to the workpiece during the welding process. The use of low thermal conductivity materials in the fixture prevents, minimizes, and reduces the rapid conduction of heat stored in the component by the fixture itself. This provides additional advantages when welding high thermal conductivity materials such as copper. Therefore, the material selected for the clamp, the width of the clamp, and the gap under the part are all parameters that determine the penetration depth of the weld, the width of the weld bead, and the overall quality of the weld bead. Referring to FIG. 14, a cross section (after etching) is shown in which the conduction mode weld is identified by the circular shape 6001 of the base metal, eg, the weld bead in the workpiece. The weld has this shape due to the isotropic process of heat transfer of copper or other material when heat is applied to the top surface of the part.

好ましい実施形態では、固定具4000のベースプレート4002はステンレス鋼で構成され、幅2mmのギャップ4003が溶接領域の真下に配置されるように切り込まれ、溶接部の裏面の酸化を最小限に抑えるために(カバーガスまたはシールドガスとしての)アルゴン、ヘリウム、または窒素などの不活性ガスが注入される。カバーガスは、水素と不活性ガスの混合物であり得る。クランプ4001は、ベースプレート4002のギャップ4003の縁から2mmのところで、溶接される部品を押圧するように設計されている。したがって、この実施形態では、溶接される部品の幅6mmの領域がレーザービームに対して開放されている(レーザービームはクランプからわずかに離される)。クランプのこの配置により、レーザービームが表面に簡単にアクセスできるだけでなく、部品をしっかりとクランプすることができる。このタイプのクランプは、厚さが50μmから数mmまでの2枚の銅箔または銅シートを突き合わせ溶接するための好ましい。この固定具は、200μmから数mmの範囲の2枚のより厚い銅板を重ね溶接するのにも適している。クランプ圧力の大きさは非常に重要であり、レーザーパワーの大きさ、溶接の速度、部品の厚さ、および実行される溶接のタイプに応じて、クランプボルトは0.05ニュートンm(Nm)、最大3Nmのトルク、又はより厚い材料の場合はそれ以上で締めることができる。このトルク値は、ボルトのサイズ、ねじ山のかみ合い、およびボルトの中心からクランプポイントまでの距離に大きく関係する。 In a preferred embodiment, the base plate 4002 of the fixture 4000 is made of stainless steel and is cut so that a 2 mm wide gap 4003 is located beneath the weld region to minimize oxidation of the back surface of the weld. Is infused with an inert gas such as argon, helium, or nitrogen (as a cover gas or shield gas). The cover gas can be a mixture of hydrogen and an inert gas. The clamp 4001 is designed to press the part to be welded at 2 mm from the edge of the gap 4003 of the base plate 4002. Therefore, in this embodiment, a 6 mm wide region of the part to be welded is open to the laser beam (the laser beam is slightly separated from the clamp). This arrangement of clamps not only allows the laser beam to easily access the surface, but also allows the part to be clamped firmly. This type of clamp is preferred for butt welding two copper foils or sheets with a thickness of 50 μm to several mm. This fixative is also suitable for laminating and welding two thicker copper plates in the range of 200 μm to a few mm. The magnitude of the clamping pressure is very important, depending on the magnitude of the laser power, the speed of the weld, the thickness of the part, and the type of weld performed, the clamp bolt is 0.05 Newton m (Nm), It can be tightened with a torque of up to 3 Nm, or more for thicker materials. This torque value is largely related to the size of the bolt, the meshing of the threads, and the distance from the center of the bolt to the clamp point.

一実施形態では、高品質で優れた溶接は、固定具自体への寄生熱損失を最小限に抑えながら、溶接中の部品の移動を防ぐのに十分なクランプ力を提供することによって得られる。図12および図12Aの固定具の実施形態は、溶接固定具の断面を表し、任意のタイプの形状を溶接するために、任意の2D経路(例えば、-S-、-C-、-W-など)に設計することができる。別の実施形態では、固定具は、予熱されるか、または溶接プロセス中に加熱されて、固定具への寄生熱損失を低減しながら、溶接の浸透の速度または深さを増加させることができる。固定具を数100℃に加熱すると、溶接速度、または溶け込みの深さと品質を2倍以上に向上させることができる。溶接部上面のシールドガスは、図10に示すように、溶接進行方向の前から溶接進行方向の後ろに縦方向に供給される。厚さ254μmの銅のシート上にこの固定具4000を使用して実行されたビードオンプレート伝導モード溶接部が図14に示されている。溶接ビードの凝固パターンは、このタイプの溶接に典型的な球状の溶融パターンを示している。 In one embodiment, high quality and excellent welds are obtained by providing sufficient clamping force to prevent the movement of parts during welding while minimizing parasitic heat loss to the fixture itself. The fixture embodiments of FIGS. 12 and 12A represent a cross section of a weld fixator and represent any 2D path (eg, -S-, -C-, -W-" for welding any type of shape. Etc.) can be designed. In another embodiment, the fixture can be preheated or heated during the welding process to increase the rate or depth of weld penetration while reducing parasitic heat loss to the fixture. .. Heating the fixative to a few hundred degrees Celsius can more than double the welding speed, or penetration depth and quality. As shown in FIG. 10, the shield gas on the upper surface of the weld is supplied in the vertical direction from the front in the welding progress direction to the back in the weld progress direction. A bead-on-plate conduction mode weld performed using this fixture 4000 on a 254 μm thick copper sheet is shown in FIG. The solidification pattern of the weld bead shows a spherical melt pattern typical of this type of weld.

伝導モード溶接プロセスを使用する2つの部品の重ね溶接は、部品が密接に接触して配置および保持されることを必要とする。2つの部分(集合的にワークピース)は、好ましくは図13および図13A(斜視図、断面図)に示されるタイプの固定具に配置することができる。固定具5000は、ベースプレート5003および2つのクランプ5002を有する。クランプは、ホールドダウンボルト5001に対応する4つのスロット5010を有する。従って、ワークピースに対するクランプの相対的な位置、およびクランプ力または圧力の大きさを調整して固定することができる。固定具には、位置決めと固定を支援する磁石を付けることができる。クランプ5002は、シールドガスを送るための内部チャネル5004を有する。チャネル5004は、シールドガス出口5005と流体連通している。シールドガス供給システムからのシールドガス出口とシールドガスチャネルはクランプ内にある。したがって、ガス供給システムはクランプの長さに沿った穴の列であり、アルゴン、ヘリウム、または窒素などの不活性ガスを供給する。アルゴンは空気よりも重く酸素に替わり部品に留まり、部品の上面の酸化を防ぐため、好ましいガスである。少量の水素を不活性ガスに加えて、部品上の酸化層の除去を促進し、溶融プロセス中の部品の濡れを促進することができる。 Overlapping welding of two parts using the conduction mode welding process requires the parts to be placed and held in close contact. The two parts (collectively workpieces) can preferably be placed in the type of fixative shown in FIGS. 13 and 13A (perspective, cross-sectional view). Fixture 5000 has a base plate 5003 and two clamps 5002. The clamp has four slots 5010 corresponding to the holddown bolt 5001. Therefore, the relative position of the clamp with respect to the workpiece and the magnitude of the clamping force or pressure can be adjusted and fixed. Fixtures can be fitted with magnets to assist in positioning and fixation. The clamp 5002 has an internal channel 5004 for feeding the shield gas. Channel 5004 communicates fluid with the shield gas outlet 5005. The shield gas outlet and shield gas channel from the shield gas supply system are in the clamp. Thus, the gas supply system is a row of holes along the length of the clamp that supplies an inert gas such as argon, helium, or nitrogen. Argon is a preferred gas because it is heavier than air and replaces oxygen and stays in the component, preventing oxidation of the top surface of the component. A small amount of hydrogen can be added to the inert gas to facilitate the removal of the oxide layer on the component and promote the wetting of the component during the melting process.

インサート5006もあり、これは、箔の積層体内の個々の箔が積層体内で互いに接触をキープし維持するように強制するために使用される。インサート5006は、箔を引き伸ばして、互いにしっかりと均一に接触させることができる。図13および図13Aの実施形態では、インサート5006は逆V字形である。それは、箔の積層体、およびそれらの個々の厚さに応じて、湾曲、ハンプ(凸部)、または他の形状にすることができる。さらに、図13および13Aの実施形態では、インサート5006は、クランプ5002に隣接しているが、クランプ5002によって覆われていない。インサートはクランプの端から取り外すことができる。または、クランプの一方または両方がインサートを部分的に覆う場合がある。 There is also an insert 5006, which is used to force individual foils within the laminate to keep and maintain contact with each other within the laminate. The insert 5006 can stretch the foil and bring it into firm and uniform contact with each other. In the embodiment of FIGS. 13 and 13A, the insert 5006 is inverted V-shaped. It can be curved, humped, or other shaped, depending on the laminate of foils, and their individual thickness. Further, in the embodiments of FIGS. 13 and 13A, the insert 5006 is adjacent to the clamp 5002 but not covered by the clamp 5002. The insert can be removed from the end of the clamp. Alternatively, one or both of the clamps may partially cover the insert.

好ましい実施形態では、ベースプレート5000は、クランプ5002と同様に、ステンレス鋼から作られている。固定具は、セラミックまたは断熱材料から作ることができる。ハンプ5006は、溶接部の下から圧力を加えて、(2、3、10などの)重なり合うプレートを密接に接触させる。この実施形態では、シールドガスのための手段が、クランプの長さに沿った一列の穴の形でクランプ(2)に組み込まれ、アルゴン、ヘリウム、または窒素などの不活性ガスを供給するようになっている。アルゴンは空気よりも重く、酸素に替わって部品に留まり、部品上面の酸化を防ぐための好ましいガスである。ベースプレート5003のインサートハンプ5006はまた、酸化を防ぐために、溶接部の裏側にカバーまたはシールドガスを供給するための一連のチャネル、穴またはスロットを有し得る。図に示されているように、固定具5000は、溶接部の断面を表し、任意の形状を一緒に溶接するための任意の2D経路に設計することができる。このアプリケーションでは、ワークピースの性質によっては、ボルトのトルク値が重要になる場合があり、トルク値が0.1Nmなど低すぎる場合には部品が接触したままにならず、トルク値が1Nm超の高すぎる場合には寄生熱伝達により、溶接プロセスの効率が低下して溶け込みと溶接ビードの幅が減少する。

青色レーザーシステムを使用して、銅、銅合金、その他の金属をキーホールモードで溶接する方法
In a preferred embodiment, the base plate 5000, like the clamp 5002, is made of stainless steel. Fixtures can be made of ceramic or insulating material. The hump 5006 applies pressure from beneath the weld to bring the overlapping plates (2, 3, 10, etc.) into close contact. In this embodiment, the means for the shield gas is incorporated into the clamp (2) in the form of a row of holes along the length of the clamp to supply an inert gas such as argon, helium, or nitrogen. It has become. Argon is heavier than air and is a preferred gas to replace oxygen and stay in the component to prevent oxidation of the top surface of the component. The insert hump 5006 of the base plate 5003 may also have a set of channels, holes or slots for supplying a cover or shield gas to the back of the weld to prevent oxidation. As shown in the figure, the fixative 5000 represents a cross section of the weld and can be designed in any 2D path for welding any shape together. In this application, the torque value of the bolt may be important depending on the nature of the workpiece, and if the torque value is too low, such as 0.1 Nm, the parts will not stay in contact and the torque value will be over 1 Nm. If too high, parasitic heat transfer reduces the efficiency of the weld process and reduces penetration and weld bead width.

How to weld copper, copper alloys and other metals in keyhole mode using a blue laser system

青色レーザー光は、IRレーザーよりもはるかに高いレベルの吸収性(65%)を有し、(キーホール溶接プロセスを開始するのにIRシステムに必要な2,000から3,000Wとは対照的に)275ワットの比較的低いパワーレベルでキーホール溶接を開始することができる。開始時に、IRシステムは、他の問題の中でもとりわけ、暴走の問題にさらに直面する。青色レーザーシステムでキーホールモードが開始されると、吸収が増加するが、65%から約90%に、そして100%へと増加するため、暴走とはならない。このように、現在のキーホール溶接プロセスは、IRとは大きく異なる吸収時間プロファイルを持っている。本発明に係る青色レーザーキーホール溶接プロセスは、開始から溶接を進めるまでの吸収時間プロファイルが35%以下となっている。本発明に係るレーザー溶接システムを使用した青色レーザー溶接プロセスの開始と連続溶接への移行は、IRレーザーを使用するときにスパッタを防止するのに必要とされるレーザーのパワーレベルや溶接速度の急速な変更をすることなしに行われる。青色レーザーを使用した場合のキーホール溶接の開始の高速ビデオが、キーホールからのスパッタの放出を最小限に抑えて銅箔とプレートの複数の層を溶接できる安定したプロセスを示している。2つのキーホール溶接サンプルの断面が図16及び図17に示されている。ここでの材料凝固パターンは、図14に示される伝導モード溶接サンプルの形状とは明らかに異なる。図16および17に見られるように、材料の表面に垂直な材料凝固パターンの形成は伝導モード溶接とは異なるが、これは熱伝達が部品の表面を貫通して最終的な溶接深さまで伸びるキーホールの全長に沿って発生するためである。これは、すべてのレーザーエネルギーが材料の表面に蓄積される伝導モード溶接とは対照的である。 Blue laser light has a much higher level of absorption (65%) than IR lasers (as opposed to the 2,000-3,000 watts required for IR systems to initiate the keyhole welding process). In) keyhole welding can be started at a relatively low power level of 275 watts. At the start, the IR system further faces the problem of runaway, among other problems. When the keyhole mode is initiated on the blue laser system, absorption increases, but does not result in a runaway as it increases from 65% to about 90% and then to 100%. Thus, current keyhole welding processes have an absorption time profile that is significantly different from IR. The blue laser keyhole welding process according to the present invention has an absorption time profile of 35% or less from the start to the progress of welding. The initiation of the blue laser welding process using the laser welding system according to the present invention and the transition to continuous welding are the rapid laser power levels and welding speeds required to prevent spatter when using IR lasers. It is done without any changes. A high-speed video of the initiation of keyhole welding with a blue laser shows a stable process in which multiple layers of copper foil and plate can be welded with minimal spatter emissions from the keyhole. Cross sections of the two keyhole welded samples are shown in FIGS. 16 and 17. The material solidification pattern here is clearly different from the shape of the conduction mode welded sample shown in FIG. As can be seen in FIGS. 16 and 17, the formation of a material solidification pattern perpendicular to the surface of the material is different from conduction mode welding, which is the key for heat transfer to extend through the surface of the part to the final weld depth. This is because it occurs along the entire length of the hole. This is in contrast to conduction mode welding, where all laser energy is stored on the surface of the material.

キーホール溶接プロセスでは、伝導モード溶接プロセスのように、溶接中のいかなる動きも防止するために、部品を固定具に保持することが必要とされる。キーホールモードは、通常、キーホールが部品を貫通し、2つ以上の部品の積層体を一緒に溶接する重ね溶接構成で使用される(たとえば、図17を参照)。 The keyhole welding process, like the conduction mode welding process, requires that the part be held in a fixture to prevent any movement during welding. The keyhole mode is typically used in a lap weld configuration in which a keyhole penetrates a part and welds a laminate of two or more parts together (see, eg, FIG. 17).

図20のレーザーシステムは、スポットでの800kW/cmのパワー密度を有する275Wの青色レーザービームを生成できる。図20のレーザーシステムは、第1のレーザーモジュール1201および第2のレーザーモジュール1202を有し、レーザービームはレーザーモジュールを出て、光線軌跡1200によって示されるようにレーザービーム経路をたどる。レーザービームは、ターニングミラー1203、1204、および100mmの集束レンズ及び100mmのプロテクティブウインドウを有する集束レンズ部1205を通って進む。集束レンズ部1205の集束レンズはスポット1250を形成する。 The laser system of FIG. 20 can generate a 275 W blue laser beam with a power density of 800 kW / cm 2 at the spot. The laser system of FIG. 20 has a first laser module 1201 and a second laser module 1202, and the laser beam exits the laser module and follows the laser beam path as indicated by the ray trajectory 1200. The laser beam travels through the turning mirrors 1203, 1204, and the condensing lens section 1205 with a 100 mm condensing lens and a 100 mm protective window. The focusing lens of the focusing lens unit 1205 forms a spot 1250.

図21に示されるレーザーシステムは、400μmスポットまたは200μmスポットを形成するために使用できる。図21のレーザーシステムは、4つのレーザーモジュール1301、1302、1303、1304で構成されている。レーザーモジュールはそれぞれ、米国特許公開第2016/0322777号で開示および教示されているタイプのものとすることができ、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる。例えば、モジュールは、図19に示されるタイプのものとすることができ、各レーザーダイオードサブアセンブリ210、210a、201b、210cからの複合ビームは、パターン化されたミラー、例えば225に伝播し、このミラーにより4つのレーザーダイオードサブアセンブリからのビームを単一のビームに向け直されて結合される。偏光ビーム折り畳みアセンブリ227は、ビームを遅軸で半分に折り畳み、複合レーザーダイオードビームの輝度を2倍にする。テレスコープアセンブリ228は、結合されたレーザービームを遅軸で拡大するか、または速軸を圧縮して、より小さなレンズの使用を可能にする。この例に示されているテレスコープアセンブリ228は、ビームを2.6倍に拡大し、そのサイズを11mmから28.6mmにする一方で、遅軸の発散を同じ2.6倍で減少させる。テレスコープアセンブリが速軸を圧縮する場合、速軸を高さ22mm(複合ビーム全体)から高さ11mmに減らして、11mm×11mmの複合ビームとする2倍のテレスコープになる。これは、コストが低いため、好ましい実施形態である。非球面レンズ229は複合ビームを集束させる。 The laser system shown in FIG. 21 can be used to form a 400 μm spot or a 200 μm spot. The laser system of FIG. 21 is composed of four laser modules 1301, 1302, 1303 and 1304. Each laser module can be of the type disclosed and taught in US Patent Publication No. 2016/0322777, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. For example, the module can be of the type shown in FIG. 19, and the composite beam from each laser diode subassembly 210, 210a, 201b, 210c propagates to a patterned mirror, eg 225, to this. The mirror directs and couples the beams from the four laser diode subassemblies into a single beam. The polarized beam folding assembly 227 folds the beam in half on the slow axis, doubling the brightness of the composite laser diode beam. Telescope assembly 228 expands the combined laser beam in the slow axis or compresses the fast axis, allowing the use of smaller lenses. The telescope assembly 228 shown in this example magnifies the beam 2.6 times and increases its size from 11 mm to 28.6 mm, while reducing the divergence of the slow axis by the same 2.6 times. When the telescope assembly compresses the speed axis, the speed axis is reduced from a height of 22 mm (entire composite beam) to a height of 11 mm to make a double telescope with an 11 mm x 11 mm composite beam. This is a preferred embodiment because of its low cost. The aspherical lens 229 focuses the composite beam.

500ワットで200μmのスポットでは、パワー密度は1.6MW/cm超であり、これは、この波長でのキーホール溶接閾値を実質的に上回っていることを理解されたい。このパワー密度では、青色レーザーでさえ、溶接部にスパッタと多孔を生成する可能性がある。ただし、吸収が十分に制御されているため、スパッタを抑制、制御、または除去することが可能である。スパッタを抑制するための第1の方法は、溶接速度を一定に保ちながら、スパッタが開始されたらパワーレベルを下げることである。スパッタを抑制する第2の方法は、溶融池を長くしてシールドガスと気化した金属をキーホールから排出し、スパッタや欠陥のない溶接を行うことである。スパッタを抑制するための第3の方法は、検流計モーターのセットに取り付けられたミラーのセットまたはロボットのいずれかを使用して、青色レーザービームを揺らすことである。スパッタを抑制する第4の方法は、真空の使用を含む溶接環境の圧力を低下させるものである。最後に、スパッタを抑制するための第5の方法は、1Hzから1kHzの範囲、または最大50kHzの範囲でレーザービームパワーを変調することである。好ましくは、溶接パラメータは、プロセス中のスパッタを最小限に抑えるように最適化される。 It should be appreciated that at a spot of 500 watts and 200 μm, the power density is greater than 1.6 MW / cm 2 which is substantially above the keyhole weld threshold at this wavelength. At this power density, even a blue laser can create spatter and porosity in the weld. However, because absorption is well controlled, spatter can be suppressed, controlled, or eliminated. The first method for suppressing spatter is to reduce the power level when spatter is started while keeping the welding speed constant. The second method of suppressing spatter is to lengthen the molten pool and discharge the shield gas and vaporized metal from the keyhole to perform welding without spatter or defects. A third method for suppressing spatter is to rock the blue laser beam using either a set of mirrors attached to a set of galvanometer motors or a robot. A fourth method of suppressing spatter is to reduce the pressure in the weld environment, including the use of vacuum. Finally, a fifth method for suppressing spatter is to modulate the laser beam power in the range of 1 Hz to 1 kHz, or up to 50 kHz. Preferably, the weld parameters are optimized to minimize spatter during the process.

本発明の実施形態は、概ね、材料のレーザー加工、材料による高レベルまたは増加レベルの吸収性を有するように加工される材料に事前に選択されたレーザービーム波長を合わせることによるレーザー加工、特に、材料による吸収性が高いレーザービームを用いた材料のレーザー溶接に関する。 Embodiments of the present invention generally include laser processing of a material, laser processing by matching a preselected laser beam wavelength to a material that is processed to have high or increased levels of absorption by the material, in particular. The present invention relates to laser welding of a material using a laser beam that is highly absorbent by the material.

本発明の一実施形態は、350nmから700nmの波長の可視レーザービームを有するレーザービームを使用して、これらの波長に対してより高い吸収性を有する材料を溶接するか、レーザー処理によって接合することに関する。特に、レーザービーム波長は、少なくとも約30%、少なくとも約40%、少なくとも約50%、および少なくとも約60%、またはそれ以上、および約30%から約65%、約35%から85%、約80%、約65%、約50%、および約40%の吸収性を有するように、レーザー加工される材料に基づいて事前に決定される。したがって、例えば、金、銅、真ちゅう、銀、アルミニウム、ニッケル、これらの金属の合金、ステンレス鋼、および他の金属、材料、および合金を溶接するために、約400nmから約500nmの波長を有するレーザービームが使用される。 One embodiment of the invention uses a laser beam having visible laser beams with wavelengths from 350 nm to 700 nm to weld or laser-bond materials with higher absorption to these wavelengths. Regarding. In particular, the laser beam wavelengths are at least about 30%, at least about 40%, at least about 50%, and at least about 60%, or more, and about 30% to about 65%, about 35% to 85%, about 80. %, About 65%, about 50%, and about 40% are pre-determined based on the material to be laser processed to have absorbency. Thus, for example, a laser having a wavelength of about 400 nm to about 500 nm for welding gold, copper, brass, silver, aluminum, nickel, alloys of these metals, stainless steel, and other metals, materials, and alloys. Beam is used.

金、銅、真ちゅう、銀、アルミニウム、ニッケル、ニッケルメッキ銅、ステンレス鋼、およびその他の材料、メッキされた材料、および合金を溶接するための、青色レーザー、例えば、約405nmから約495nmの波長が、室温での材料の高い吸収性、例えば約50%を超える吸収性のために好ましい。本発明のいくつかの利点の1つは、青色レーザービームなどの事前に選択された波長レーザービームの能力であり、これは、レーザー操作、例えば、溶接プロセス中にレーザーエネルギーを材料によりよく結合することができる。レーザーエネルギーを溶接される材料により良く結合することにより、溶接での暴走の可能性が大幅に減少し、好ましくは排除される。レーザーエネルギーのより良い結合により、より低パワーのレーザーを使用することも可能になり、コストを節約できる。より良い結合はまた、より優れた制御、より高い公差、したがって溶接のより優れた再現性を提供する。IRレーザーやIRレーザー溶接動作には見られないこれらの特徴は、特にエレクトロニクスおよび電力貯蔵の分野の製品にとって重要である。 Blue lasers for welding gold, copper, brass, silver, aluminum, nickel, nickel-plated copper, stainless steel, and other materials, plated materials, and alloys, such as wavelengths from about 405 nm to about 495 nm. It is preferred because of the high absorbency of the material at room temperature, eg, more than about 50% absorbency. One of the advantages of the present invention is the ability of a preselected wavelength laser beam, such as a blue laser beam, which better couples the laser energy into the material during laser manipulation, eg, welding process. be able to. By better coupling the laser energy to the material to be welded, the possibility of runaway in the weld is greatly reduced and preferably eliminated. Better coupling of laser energy also allows the use of lower power lasers, saving costs. Better coupling also provides better control, higher tolerances and therefore better reproducibility of welds. These features not found in IR lasers and IR laser welding operations are especially important for products in the fields of electronics and power storage.

一実施形態では、CWモードで動作する青色レーザーが使用される。CW動作は、レーザーパワーを迅速かつ完全に変調し、フィードバックループで溶接プロセスを制御でき、最適な機械的および電気的特性を備えた再現性の高いプロセスが可能であるために、多くの用途でパルスレーザーよりも好まれる。 In one embodiment, a blue laser operating in CW mode is used. CW operation is used in many applications because it quickly and completely modulates the laser power, can control the welding process with a feedback loop, and enables a reproducible process with optimal mechanical and electrical properties. Prefered over pulsed lasers.

本発明の一実施形態には、1つ、2つ、またはそれ以上の部品のレーザー処理が含まれる。部品は、レーザービーム、レーザービームエネルギー、を吸収する任意のタイプの材料、例えば、プラスチック、金属、複合材料、アモルファス材料、および他のタイプの材料から形成される。一実施形態では、レーザー加工は、2つの金属部品を一緒にはんだ付けすることを含む。一実施形態では、レーザー加工は2つの金属要部品を一緒に溶接することを含む。 One embodiment of the invention includes laser treatment of one, two or more components. The component is formed from any type of material that absorbs the laser beam, laser beam energy, such as plastics, metals, composites, amorphous materials, and other types of materials. In one embodiment, laser machining involves soldering two metal parts together. In one embodiment, laser machining involves welding two metal essentials together.

一実施形態では、レーザー溶接動作が、自生溶接、レーザーハイブリッド溶接、キーホール溶接、重ね溶接、フィレット溶接、突合せ溶接、および非自生溶接からなる群から選択されるツール、システム、および方法が提供される。 In one embodiment, tools, systems, and methods are provided in which the laser welding operation is selected from the group consisting of self-welding, laser hybrid welding, keyhole welding, lap welding, fillet welding, butt welding, and non-self-welding. Weld.

レーザー溶接技術は、多くの様々な状況において、特に、電気接続を形成するために溶接が必要とされる場合、特に、バッテリーなどの電力貯蔵装置において有用であり得る。本発明のレーザー溶接操作およびシステムの実施形態は、母材のみが使用され、キーホール溶接、伝導溶接、重ね溶接、フィレット溶接および突合せなどの自生溶接することができる、概ね可視波長、好ましくは青色波長のレーザーを含む。レーザー溶接は非自生的であるものとすることができ、フィラー材料が溶融溜りに追加されてギャップを「埋める」か、溶接の強度のために隆起したビードを作製するようにすることができる。レーザー溶接技術には、レーザー材料蒸着(「LMD」)も含まれる。 Laser welding techniques can be useful in many different situations, especially when welding is required to form an electrical connection, especially in a power storage device such as a battery. In embodiments of the laser welding operation and system of the present invention, only the base metal is used and can be self-welded such as keyhole welding, conduction welding, lap welding, fillet welding and butt welding, generally visible wavelength, preferably blue. Includes laser of wavelength. Laser welding can be non-native, and filler material can be added to the melt pool to "fill" the gap or create a raised bead for the strength of the weld. Laser welding techniques also include laser material deposition (“LMD”).

本レーザー溶接操作およびシステムの実施形態は、電流がレーザービームと組み合わせて使用されてフィラー材料のより迅速な供給を提供するハイブリッド溶接であり得る、可視波長、好ましくは青色波長のレーザーを含む。レーザーハイブリッド溶接は、定義上、非自生となる。 Embodiments of the present laser welding operation and system include lasers of visible wavelength, preferably blue wavelength, which can be hybrid welding in which an electric current is used in combination with a laser beam to provide a faster supply of filler material. Laser hybrid welding is, by definition, non-natural.

好ましくは、いくつかの実施形態では、アクティブな溶接モニタ、例えば、カメラを使用して、その場で溶接の品質をチェックすることができる。これらのモニタには、たとえば、X線検査および超音波検査システムを含めることができる。さらに、オンストリームビーム分析とパワー監視を利用して、システムの特性と動作の特性を完全に理解することができる。 Preferably, in some embodiments, an active weld monitor, eg, a camera, can be used to check the quality of the weld on the fly. These monitors can include, for example, X-ray and ultrasonography systems. In addition, on-stream beam analysis and power monitoring can be used to fully understand the characteristics and operational characteristics of the system.

本発明のレーザーシステムの実施形態は、新規のレーザーシステムおよび方法を従来のフライス盤および機械加工装置と組み合わせてハイブリッドシステムとすることができる。このようにして、製造、構築、再仕上げ、またはその他のプロセス中に材料を追加および削除できる。本発明者の1人または複数によって発明されたレーザーシステムの他の実施形態を使用するそのようなハイブリッドシステムの例は、米国特許出願シ第14/837,782号に開示および教示されており、その開示全体は参照により本明細書に取り込まれる。 Embodiments of the laser system of the present invention can combine novel laser systems and methods with conventional milling machines and machining equipment to form hybrid systems. In this way, materials can be added and removed during manufacturing, construction, refinishing, or other processes. Examples of such hybrid systems using other embodiments of the laser system invented by one or more of the present inventors are disclosed and taught in US Patent Application No. 14 / 837,782. The entire disclosure is incorporated herein by reference.

典型的には、実施形態においては、レーザー溶接は、光学系を清潔に保つための非常に低いガス流、光学系を清潔に保つためのエアナイフ、または光学系を清潔に保つための不活性環境を使用する。レーザー溶接は、空気、不活性環境、またはその他の制御された環境、たとえばN中で実行できる。 Typically, in embodiments, laser welding involves a very low gas flow to keep the optics clean, an air knife to keep the optics clean, or an inert environment to keep the optics clean. To use. Laser welding can be performed in air, an inert environment, or other controlled environment, such as N2 .

本発明の実施形態は、銅、純銅、銅の合金、および青色レーザー波長、好ましくは約400nmから約500nmの波長で約40%から75%の吸収性を有するのに十分な量の銅を有するすべての材料を含む、銅材料を溶接するのに大きな利点を見出すことができる。 Embodiments of the invention have copper, pure copper, an alloy of copper, and a sufficient amount of copper to have about 40% to 75% absorbency at a blue laser wavelength, preferably from about 400 nm to about 500 nm. Great advantages can be found in welding copper materials, including all materials.

本レーザーシステムおよびプロセスの実施形態、伝導溶接、およびキーホール溶接で実行される2つの好ましい自生溶接モード、およびそれらが生成する自生の溶接部が存在する。伝導溶接は、低強度(<100kW/cm)のレーザービームを使用して2つの金属片を溶接する場合である。ここでは、2つの金属片を互いに突き合わせ、片側に重ね、完全に重ねることができる。伝導溶接は、キーホール溶接ほど深く溶け込まない傾向があり、一般的に、非常に強力な突合せ溶接のための特徴的な「球形」の溶接接合部を生成する。ただし、キーホール溶接は比較的高いレーザービーム強度(>500kW/cm)で生じ、この溶接は材料の奥深くまでの溶け込むことが可能であり、多くの場合、材料が重なる場合には複数の層を貫通し得る。伝導モードからキーホールモードへの移行の正確な閾値は、青色レーザー光源ではまだ決定されていないが、キーホール溶接は、材料の頂部に特徴的な「v」字型を持ち、材料の奥深くまで溶け込んだ再凝結された材料のほぼ平行なチャネルがある。キーホールプロセスは、金属の溶融池の側面からのレーザービームの反射によってレーザーエネルギーを材料の奥深くに伝達する。これらのタイプの溶接はどのレーザーでも実行できるが、青色レーザーは、赤外線レーザーよりも、これらのタイプの溶接の両方を開始するための閾値が大幅に低いと見込まれる。 There are two preferred modes of self-welding performed in the present laser system and process embodiments, conduction welding, and keyhole welding, and the self-welding portions they produce. Conduction welding is the case of welding two metal pieces using a low-strength (<100 kW / cm 2 ) laser beam. Here, two pieces of metal can be butted against each other, stacked on one side, and completely stacked. Conduction welds tend not to penetrate as deeply as keyhole welds and generally produce characteristic "spherical" weld joints for very strong butt welds. However, keyhole welds occur at relatively high laser beam intensities (> 500 kW / cm 2 ), and this weld can penetrate deep into the material, often with multiple layers when the materials overlap. Can penetrate. The exact threshold for the transition from conduction mode to keyhole mode has not yet been determined with a blue laser source, but keyhole welding has a characteristic "v" shape at the top of the material, deep into the material. There are nearly parallel channels of fused recondensed material. The keyhole process transfers laser energy deep into the material by reflecting the laser beam from the sides of the metal reservoir. Although these types of welds can be performed with any laser, blue lasers are expected to have significantly lower thresholds for initiating both of these types of welds than infrared lasers.

これらの材料を溶接するために青色レーザー操作を使用する電気めっき材料の溶接は、銅で電気めっきされた材料、白金で電気めっきされた材料、および他の導電性材料で電気めっきされた材料などの電気めっき材料の青色レーザー溶接を含むことが考えられる。 Welding of electroplated materials that use blue laser operation to weld these materials includes materials electroplated with copper, materials electroplated with platinum, and materials electroplated with other conductive materials. It is possible to include blue laser welding of the electroplating material of.

銅の溶接プロセスは、パワーが部品に効率的に結合され、溶接プロセスが安定しており、低気孔率、低スパッタ溶接を生成できることが必要とされる。本発明は、これらおよび他の目的を達成する。青色レーザーは、IRレーザー(<5%)と比較して銅によって高度に吸収される(65%)波長であることにより、これらの要件の第1の要件を達成する。第2の要件は、レーザー吸収だけでなく、処理ランプまたは時間プロファイル、固定具、ビームプロファイルと品質、および部品に使用されるクランプ圧力の関数である。本実施形態は、熱源として青色レーザーを用いて、キーホールモードおよび伝導モードの両方の溶接を可能にする。伝導モード溶接では、プロセス中にスパッタが発生したり、部品が多孔性になったりすることはない。溶接のキーホールモードは、より大きな溶け込みを可能にする。本発明のハイパワー青色CWレーザー光源の実施形態は、非常に低い部品の多孔質化及びプロセス中の非常に少ないスパッタで銅部品を溶接するのに理想的である。 The copper welding process requires that power be efficiently coupled to the part, the welding process is stable, low porosity and low spatter welding can be produced. The present invention achieves these and other objects. The blue laser achieves the first requirement of these requirements by having a wavelength that is highly absorbed by copper (65%) compared to the IR laser (<5%). The second requirement is not only laser absorption, but also a function of the processing ramp or time profile, fixture, beam profile and quality, and the clamping pressure used for the part. This embodiment uses a blue laser as a heat source to enable welding in both keyhole mode and conduction mode. Conduction mode welding does not cause spatter or make parts porous during the process. Welding keyhole mode allows for greater penetration. Embodiments of the high power blue CW laser light source of the present invention are ideal for porosification of very low parts and welding of copper parts with very little spatter during the process.

表面にわずかなスパッタが残っている、600ワットの青色レーザーを用いた厚さ1mmの銅板の完全溶け込み、ビードオンプレート試験。600ワットのCWレーザーが、約200μmのスポットサイズに集束され、部品の表面での2.1MW/cmの平均強度が得られる。この強度は、部品のキーホールを開始して維持するために必要なパワー密度をはるかに上回っている。溶接プロセス中に、キーホールが急速に形成され、完全な溶け込みが達成されると、溶融溜りは非常に安定した表面を示し、溶接が進むにときに溶融池の乱流が少ない。安定した溶接プロセスは、とりわけ、Ar-COカバーガスを使用して、広範囲の溶接速度で観察され、溶接プロセス中の表面酸化を抑制する。安定したキーホール溶接部を形成するこの能力は、とりわけ、青色の銅の高い吸収性に起因する可能性がある。青色レーザー光は、溶接プロセス中にキーホールの壁によって均一に吸収されるが、溶融溜り内の乱流によってキーホール内が不安定になるときは、入熱が維持され、キーホールは安定した状態となる。 A bead-on-plate test in which a 1 mm thick copper plate was completely melted using a 600 watt blue laser with a slight amount of spatter left on the surface. A 600 watt CW laser is focused to a spot size of about 200 μm, resulting in an average intensity of 2.1 MW / cm 2 on the surface of the component. This strength far exceeds the power density required to initiate and maintain the keyholes in the component. During the welding process, keyholes are rapidly formed and complete penetration is achieved, the melt pool shows a very stable surface and there is less turbulence in the molten pool as the weld progresses. A stable welding process is observed at a wide range of welding rates, among other things, using Ar-CO 2 cover gas, to suppress surface oxidation during the welding process. This ability to form stable keyhole welds can be attributed, among other things, to the high absorbency of blue copper. The blue laser light is uniformly absorbed by the wall of the keyhole during the welding process, but when the turbulence in the melt pool makes the inside of the keyhole unstable, heat input is maintained and the keyhole is stable. It becomes a state.

以下の実施例は、本レーザーシステムおよび動作の様々な実施形態、特に電子記憶装置内の構成要素を含む構成要素を溶接するための青色レーザーシステムを説明するために提供される。これらの例は、説明を目的としたものであり、予測的である得、本発明の範囲を制限するものと見なされるべきではない。 The following examples are provided to illustrate the present laser system and various embodiments of operation, in particular a blue laser system for welding components including components within an electronic storage device. These examples are for illustration purposes only, may be predictive, and should not be considered to limit the scope of the invention.

実施例1 Example 1

レーザー光源は、0~275ワットが可能なハイパワーの青色ダイレクトダイオードレーザーである。ビームは1.25倍ビームエキスパンダを介して供給され、100mm非球面レンズによって集束される。ワークピースのスポット径は200μm×150μmで、最大パワー1.2MW/cmのパワー密度を生成する。ステンレス鋼の固定具を使用してサンプルを所定の位置に保持し、He、Ar、Ar-CO、および窒素を使用して試験を行った。これらはすべて有益であり、Ar-COで最良の結果が得られた。 The laser light source is a high power blue direct diode laser capable of 0-275 watts. The beam is supplied via a 1.25x beam expander and focused by a 100 mm aspheric lens. The spot diameter of the workpiece is 200 μm × 150 μm and produces a power density of maximum power of 1.2 MW / cm 2 . The sample was held in place using a stainless steel fixture and tested using He, Ar, Ar-CO 2 , and nitrogen. All of these were beneficial and the best results were obtained with Ar-CO 2 .

実施例1A Example 1A

実施例1のシステムを使用しての、初期試験結果は、銅表面上に150ワットのパワーレベルで、高品質の伝導モード溶接を形成した。一連のビードオンプレート(BOP)試験を実施して、ハイパワー青色レーザー光源によって生成された溶接部の特性を評価した。図1は、伝導モード溶接部のシェブロンパターンを示している。この溶接部の固有の特性は、溶接工程でのスパッタがなく、母材に似た微細構造を有し、溶接部の硬さが母材に類似することである。図1は、70μmの厚さの銅箔上に150ワットで青色レーザーを用いて溶接したときに形成されたBOPを示している。 Initial test results using the system of Example 1 formed high quality conduction mode welds on a copper surface at a power level of 150 watts. A series of bead-on-plate (BOP) tests were performed to evaluate the characteristics of the welds produced by the high power blue laser light source. FIG. 1 shows a chevron pattern of a conduction mode weld. The unique characteristics of this weld are that there is no spatter in the welding process, it has a microstructure similar to the base metal, and the hardness of the weld is similar to the base metal. FIG. 1 shows a BOP formed when welding on a 70 μm thick copper foil at 150 watts using a blue laser.

実施例1B Example 1B

実施例1のシステムを使用し、レーザーのパワーを275ワットにスケーリングすると、パワー密度が銅の最初のキーホール溶接に十分なパワー密度である1.2MWcmに増加した。図2は、厚さ500μmの銅サンプルのキーホール溶接部の例を示している。キーホールプロセス中に、キーホールで発生した蒸気圧により、溶融した銅が溶接ビードから押し出される。これは図2に見ることができ、押し出された銅が、溶接ビードのエッジを線状に生じさせる。この押し出しプロセスは安定しており、材料に微小爆発を引き起こさないため、IRレーザー光源で銅を溶接するときに観察されるスパッタパターンを生成しない。 Using the system of Example 1 and scaling the laser power to 275 watts, the power density increased to 1.2 MW cm 2 , which is sufficient power density for the first keyhole weld of copper. FIG. 2 shows an example of a keyhole welded portion of a copper sample having a thickness of 500 μm. During the keyhole process, the vapor pressure generated in the keyhole pushes the molten copper out of the weld bead. This can be seen in FIG. 2, where the extruded copper linearly produces the edges of the weld bead. This extrusion process is stable and does not cause micro-explosions in the material and therefore does not produce the spatter pattern observed when welding copper with an IR laser source.

実施例1C
実施例1のシステムを使用して、127-500μmの範囲の銅の厚さに対して溶接実験がなされた。図3-図5は、これらのBOP試験の結果をまとめたものである。図3は、275Wで最大9m/分までの完全な溶け込みと、それに続く予想どおりの速度での溶け込み深さの低下を示している。図4は、アシストガス無しで最大0.6m/分、Ar-CO2カバーガスを使用した場合の最大0.4m/分の完全溶け込みでのBOP結果を示している。図5は、275Wでの500μm銅の溶け込み深さと速度の関係を示している。
Example 1C
Welding experiments were performed using the system of Example 1 for copper thicknesses in the range 127-500 μm. FIG. 3-FIG. 5 summarizes the results of these BOP tests. FIG. 3 shows a complete penetration up to 9 m / min at 275 W, followed by a decrease in penetration depth at the expected rate. FIG. 4 shows the BOP results at a maximum of 0.6 m / min without an assist gas and at a maximum of 0.4 m / min when an Ar-CO2 cover gas is used. FIG. 5 shows the relationship between the penetration depth and the velocity of 500 μm copper at 275 W.

実施例2 Example 2

図13および13Aの固定具5000は、厚さ178μmの2つの銅箔の積層体を伝導モード溶接で適正な重ね溶接するために使用される。固定具を数100℃に加熱すると、溶接中に部品を加熱するために失われるエネルギーがこの加熱によって提供されるため、溶接速度と品質が2倍以上に向上する。溶接部上面のシールドガスは、図10に示すように、溶接進行方向の前から溶接進行方向の後ろに送られる。 Fixture 5000 of FIGS. 13 and 13A is used for proper lap welding of two copper foil laminates with a thickness of 178 μm in conduction mode welding. When the fixative is heated to a few hundred degrees Celsius, the energy lost due to heating the part during welding is provided by this heating, thus more than doubling the welding speed and quality. As shown in FIG. 10, the shield gas on the upper surface of the weld is sent from the front in the welding progress direction to the back in the weld progress direction.

実施例3 Example 3

2つの125μm厚の銅板が固定具5000を使用して一緒に重ねられ、伝導モード溶接で溶接された。この溶接は、図15の断面写真に示されている。 Two 125 μm thick copper plates were stacked together using Fixture 5000 and welded by conduction mode welding. This weld is shown in the cross-sectional photograph of FIG.

実施例4 Example 4

図13および13Aでは、固定具5000を使用して厚さ10μmの40枚の銅箔の積層体が、多孔性および欠陥なしに溶接されている。この溶接部の断面が図17に示されている。この積層体の溶接は、箔の準備方法、箔のクランプ方法、およびクランプに加えられるトルクによって異なる。箔は剪断されて平らにされ、次にアルコールで洗浄されて製造油または取り扱い油が除去され、最後に固定具内で積み重ねられる。クランプボルト5001は、1Nmにトルクをかけられて、溶接プロセス中に部品が所定の位置にしっかりと保持されることを保証する。これらの部品を溶接するために使用されるレーザーは、図19に示される150ワットのレーザー4つが図21に示すように光学的に組み合わされて500ワットのレーザーシステムを構成する。このレーザーは、400kW/cmの平均パワー密度とキーホール溶接プロセスを開始するのに十分なピークパワー密度で400μmのスポットを生成する。 In FIGS. 13 and 13A, a stack of 40 copper foils with a thickness of 10 μm is welded using a fixative 5000 with no porosity and no defects. A cross section of this weld is shown in FIG. Welding of this laminate depends on the method of preparing the foil, the method of clamping the foil, and the torque applied to the clamp. The foil is sheared and flattened, then washed with alcohol to remove production or handling oil, and finally stacked in the fixture. The clamp bolt 5001 is torqued to 1 Nm to ensure that the part is firmly held in place during the welding process. The lasers used to weld these parts are four 150 watt lasers shown in FIG. 19 optically combined as shown in FIG. 21 to form a 500 watt laser system. The laser produces 400 μm spots with an average power density of 400 kW / cm 2 and a peak power density sufficient to initiate the keyhole welding process.

実施例5 Example 5

本レーザービーム溶接技術の実施形態は、表面にわずかなスパッタが残っている600ワットの青色レーザーを用いた厚さ1mmの銅板の第1の完全溶け込みビードオンプレート(BOP)溶接を使用して評価される。600ワットのCWレーザーは、約200μmのスポットサイズに集束され、部品の表面で2.1MW/cmの平均強度が得られる。この強度は、部品のキーホールを開始して維持するために必要なパワー密度を十分に上回っている。溶接プロセス中に、キーホールが急速に形成されることが観察され、完全な溶け込みが達成されると、溶融溜りは非常に安定した表面を示し、溶接が進むときに溶融池の乱流が少ないことを示す。溶接プロセス中の表面酸化を抑制するためのAJ-CO2カバーガスを用いて、安定した溶接プロセスが幅広い溶接速度で観察された。安定したキーホール溶接を作製するこの能力は、青色での銅の高い吸収率と、レーザービームの均一性と高品質に起因する可能性がある。青色レーザー光は、溶接プロセス中にキーホールの壁によって均一に吸収されるが、溶融溜りの乱流によってキーホールが不安定になるときには、入熱が維持され、キーホールは安定したままになる。 Embodiments of this laser beam welding technique are evaluated using first fully melted bead-on-plate (BOP) welding of a 1 mm thick copper plate using a 600 watt blue laser with slight spatter remaining on the surface. Will be done. The 600 watt CW laser is focused to a spot size of about 200 μm, resulting in an average intensity of 2.1 MW / cm 2 on the surface of the component. This strength is well above the power density required to initiate and maintain the keyholes in the component. During the welding process, keyholes are observed to form rapidly, and when complete penetration is achieved, the melt pool shows a very stable surface and less turbulence in the molten pool as the weld progresses. Show that. A stable welding process was observed at a wide range of welding speeds using AJ-CO2 cover gas to suppress surface oxidation during the welding process. This ability to produce stable keyhole welds may be due to the high absorptance of copper in blue and the uniformity and high quality of the laser beam. The blue laser light is uniformly absorbed by the wall of the keyhole during the welding process, but when the keyhole becomes unstable due to the turbulence of the melt pool, heat input is maintained and the keyhole remains stable. ..

実施例6 Example 6

本発明の実施形態は、溶接などの産業用途において、本発明のハイパワー可視レーザー、特に青色レーザー、青緑色レーザーおよび緑色レーザーを使用する。これらのプロセスの実施形態では、500-600ワットのパワーレベルおよび200-400μmのスポットサイズが使用される。これらの実施形態の波長は、青色の範囲にある。無酸素銅(OFC)に対し400μmおよび200μmのスポットサイズの両方で、銅の安定した伝導モード溶接が広範囲の速度にわたって観察される。この溶接モードはスパッタがなく、十分に緻密であり、溶接部品全体に多孔性を示すものは無い。安定したキーホールモード溶接は、スポットサイズが200μmしかない銅に観察されるが、インコネルやステンレス鋼などの導電率の低い材料では、スポットサイズが400μmでもキーホール溶接を得られる。溶接プロセスのモデリングにより、ステンレス鋼と比較して銅を溶接する場合の溶融池の形状とサイズに大きな違いがあることがわかる。熱伝導率の低いステンレス鋼は、よく知られたティアドロップ形状の溶融池を示すが、熱伝導率の高い銅は、ステンレスサンプルの溶接で使用されるのと同じパワーレベルで、サイズがはるかに小さい円形の溶融池を示す。 Embodiments of the invention use the high power visible lasers of the invention, particularly blue lasers, turquoise lasers and green lasers, in industrial applications such as welding. In embodiments of these processes, power levels of 500-600 watts and spot sizes of 200-400 μm are used. The wavelengths of these embodiments are in the blue range. Stable conduction mode welding of copper is observed over a wide range of speeds at both 400 μm and 200 μm spot sizes for oxygen-free copper (OFC). This welding mode is spatter-free, dense enough, and none of the welded parts show porosity. Stable keyhole mode welding is observed in copper with a spot size of only 200 μm, but with low conductivity materials such as Inconel and stainless steel, keyhole welding can be obtained even with a spot size of 400 μm. Modeling of the welding process reveals that there is a significant difference in the shape and size of the molten pool when welding copper compared to stainless steel. Stainless steel with low thermal conductivity shows the well-known teardrop-shaped molten pool, while copper with high thermal conductivity has the same power level as used for welding stainless samples and is much larger in size. Shows a small circular molten pool.

実施例7 Example 7

青、青緑、または緑のレーザービームを使用する金属のレーザー溶接は、ビームをワブリングすることなく行われる。これらの溶接部は深く溶け込んでいる。したがって、これらのレーザービームを使用して、銅箔を含む金属および銅板のワブリング無し溶接が提供される。アルミニウム、ステンレス鋼、銅、アルミニウム系金属、ステンレス鋼系金属、銅系金属、およびこれらの合金に対してワブリング無し溶接が提供される。 Laser welding of metals using a blue, turquoise, or green laser beam is done without wobbling the beam. These welds are deeply fused. Therefore, these laser beams are used to provide unwabbing-free welding of metals, including copper foil, and copper plates. No wobbling welding is provided for aluminum, stainless steel, copper, aluminum-based metals, stainless steel-based metals, copper-based metals, and alloys thereof.

このワブリング無しレーザー溶接の一実施形態では、青色レーザー溶接は、厚さが1mm未満の銅に対して、波長が450nmの青色レーザービームを用いて行われる。 In this embodiment of laser welding without wobbling, blue laser welding is performed using a blue laser beam having a wavelength of 450 nm with respect to copper having a thickness of less than 1 mm.

このワブリング無しレーザー溶接の一実施形態では、青色レーザー溶接は、厚さが1mm未満のアルミニウムに対して、波長が450nmの青色レーザービームを用いて行われる。 In this embodiment of laser welding without wobbling, blue laser welding is performed using a blue laser beam having a wavelength of 450 nm with respect to aluminum having a thickness of less than 1 mm.

このワブリング無しレーザー溶接の一実施形態では、青色レーザー溶接は、厚さが1mm未満のステンレス鋼に対して、波長が450nmの青色レーザービームを用いて行われる。 In this embodiment of laser welding without wobbling, blue laser welding is performed using a blue laser beam having a wavelength of 450 nm on stainless steel having a thickness of less than 1 mm.

実施例8 Example 8

一実施形態では、450nmの波長を有するレーザービームを提供する4つの200ワット青色レーザーモジュールを有する600ワットレーザーが用いられる。レーザーダイオードが個別にコリメートされ、ビーム発散は図19に示すように円形化され、各モジュールのビームパラメータ積が22mm mradとされる。4つの青色レーザーモジュールからのレーザービームは、水平方向と垂直方向の両方で光学的に剪断されて、図21に示されるように、直径100mmの集束光学系の開口を埋める。この複合ビーム(450nm)は、44mm mradのビームパラメータ積を持ち、400μmのファイバーへの発射に適している。実施例8Aから8Kおよび9の場合、光ファイバーは使用されず、この青色レーザービームは自由空間を介してワークピースに送られる。 In one embodiment, a 600 watt laser with four 200 watt blue laser modules providing a laser beam with a wavelength of 450 nm is used. The laser diodes are individually collimated, the beam divergence is circularized as shown in FIG. 19, and the beam parameter product of each module is 22 mm mad. The laser beams from the four blue laser modules are optically sheared both horizontally and vertically to fill the aperture of the focused optics with a diameter of 100 mm, as shown in FIG. This composite beam (450 nm) has a beam parameter product of 44 mm mad and is suitable for firing into 400 μm fibers. For Examples 8A to 8K and 9, no optical fiber is used and the blue laser beam is sent to the workpiece through free space.

これらの実施例では、リアルタイムビーム診断をセットアップに統合することを可能にする4’×6’の光学ベンチを有する光学ブレッドボードが使用される。複合パワービームは1%ビームサンプラーでサンプリングされ、ビームの一部は遠視野プロファイルカメラとパワーメーターに送られる。遠視野は、溶接レンズと同じ焦点距離のレンズである、100mmF/1レンズまたは200mmF/2レンズのいずれかで生成される。どちらのレンズもThorLabs社のBK7非球面レンズである。レンズは約80mmまでアンダーフィルされ、ワークピースでのスポットは100mmFLレンズの場合は約200μm、200mmFLレンズの場合は約400μmである。 In these examples, an optical breadboard with a 4'x 6'optical bench that allows real-time beam diagnostics to be integrated into the setup is used. The combined power beam is sampled with a 1% beam sampler and part of the beam is sent to a far-field profile camera and power meter. The far field of view is generated by either a 100 mmF / 1 lens or a 200 mmF / 2 lens, which is a lens with the same focal length as the welded lens. Both lenses are Thorlabs BK7 aspherical lenses. The lens is underfilled to about 80 mm, and the spot on the workpiece is about 200 μm for a 100 mm FL lens and about 400 μm for a 200 mm FL lens.

ビームコースティックは、セットアップのビームサンプリングアーム内の100mmのFLレンズの焦点を通してオフィールビームプロファイラを平行移動させ、95%囲まれたパワーポイントでビームの直径を測定することによって測定される。ビームコースティックのグラフを図22に示す。この測定は、100mmFLレンズの焦点深度が比較的短いことを示している。 Beam caustics are measured by translating the Ophir beam profiler through the focal point of a 100 mm FL lens within the beam sampling arm of the setup and measuring the beam diameter at a 95% enclosed PowerPoint. A graph of beam caustics is shown in FIG. This measurement shows that the depth of focus of the 100 mm FL lens is relatively short.

ファナック6軸ロボット(FANUC M-16iB)を使用して、ロボットアダプタに取り付けられて溶接部の方向に沿って向けられた直径3/8インチのスパージャーチューブによってカバーガスが提供されている状態で、サンプルが自由空間ビーム焦点を通して移動される。実施例8A-8Kおよび9では、図12および12Aに示されるタイプの溶接固定具が使用されている。溶接固定具は溶接プロセスの一部であり、高熱伝導率の材料を溶接する場合、得られる溶け込み深さ、溶接速度、およびその両方に影響を与え得る。図12および12Aは、溶接固定具の実施形態の図面である。一実施形態では、アルミニウム(6061シリーズ)が使用される。別の実施形態では、ステンレス鋼(316)が使用される。アルミニウムの溶接固定具は部品から熱を急速に奪う傾向があるが、ステンレス鋼の固定具は熱の大部分を部品内にとどまらせることができる。両方の材料は、サンプル(ワークピース、部品など)をクランプするためのさまざまな方法とともに評価される。固定具に配置された部品の上部にアルゴン-COなどの不活性ガスを流し、溶接プロセス中の部品の酸化を抑制する。小さなギャップ4003がサンプルの中心の下に配置され、ビードオンプレートのポイントでの放熱を最小限に抑え、溶接部の裏側にアシストガスを追加できるようにする。 Using a FANUC 6-axis robot (FANUC M-16iB), the cover gas is provided by a 3/8 inch diameter sparger tube attached to the robot adapter and oriented along the direction of the weld. , The sample is moved through the free space beam focal point. In Examples 8A-8K and 9, the type of weld fixative shown in FIGS. 12 and 12A is used. Weld fixtures are part of the welding process and can affect the resulting penetration depth, welding speed, or both when welding high thermal conductivity materials. 12 and 12A are drawings of embodiments of the weld fixative. In one embodiment, aluminum (6061 series) is used. In another embodiment, stainless steel (316) is used. Welded fixtures of aluminum tend to draw heat from the part rapidly, while stainless steel fixtures can retain most of the heat inside the part. Both materials are evaluated along with various methods for clamping samples (workpieces, parts, etc.). An inert gas such as argon-CO 2 is flowed over the part placed on the fixative to suppress oxidation of the part during the welding process. A small gap 4003 is placed below the center of the sample to minimize heat dissipation at the point of the bead-on plate and allow additional assist gas to be added to the back of the weld.

溶接のキーホールモードでは、溶接時に強いプルームを生成する可能性がある。プルーム内の原子とイオンは450μmの光を容易に吸収するため、このプルームを管理し、できれば抑制する必要がある。直径3/8インチのチューブスパージャーを使用して、部品の上部に50scfhのアルゴンまたはアルゴン-CO2を供給することによってプルームを抑制する。溶接は、プルームを管理し、部品の酸化を回避するためのアルゴン、アルゴン-CO2、空気、ヘリウム、窒素などのさまざまなガスを用いて実施されまたは形成することができる。溶接プロセスを最適化する目的は、とりわけ、可能な限り最高の速度で最大の溶け込みを達成することである。実施例8Aから8Kに提示されたデータは、カバーガスとしてアルゴンを使用している。突合せ溶接などの他のレーザー溶接およびレーザー加工のアプリケーションでは、プルームを管理することが望ましく、好ましい。 Welding keyhole mode can produce a strong plume during welding. Atoms and ions in the plume easily absorb 450 μm of light, so this plume needs to be controlled and preferably suppressed. A tube sparger with a diameter of 3/8 inch is used to suppress the plume by supplying 50 scfh of argon or argon-CO2 to the top of the part. Welding can be performed or formed with various gases such as argon, argon-CO2, air, helium, nitrogen to control the plume and avoid oxidation of the part. The purpose of optimizing the welding process is, among other things, to achieve maximum penetration at the highest possible speeds. The data presented in Examples 8A-8K use argon as the cover gas. For other laser welding and laser machining applications such as butt welding, plume management is desirable and preferred.

実施例8Aから8Fの500ワットの溶接試験では、200mmの焦点距離のレンズを使用して、ビームを400μmのスポットサイズに集束させ、平均強度を400kW/cm超にし、ピーク強度を800kW/cmに近づける。 In the 500 watt welding test of Examples 8A to 8F, a lens with a focal length of 200 mm was used to focus the beam to a spot size of 400 μm, with an average intensity of over 400 kW / cm 2 and a peak intensity of 800 kW / cm. Get closer to 2 .

実施例8Gから8Kの600ワットの溶接試験では、100mmの焦点距離レンズを使用して、ビームを200μmのスポットサイズに集束させ、平均強度を約2.1MW/cmにし、ピーク強度を4.5MW/cmに近づける。 In the 600 watt welding test of Examples 8G to 8K, a 100 mm focal length lens was used to focus the beam to a spot size of 200 μm, an average intensity of about 2.1 MW / cm 2 , and a peak intensity of 4. Bring it closer to 5 MW / cm 2 .

実施例8A Example 8A

実施例8のレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、銅(OFC)、ステンレス鋼(304)、およびアルミニウム(1100シリーズ)に対して、500ワット、400μmのスポットサイズ、および400kW/cmの平均パワー密度を使用してビードオンプレート溶接を実施し評価する。サンプルはすべて、せん断で10mm×45mmのサイズにカットされ、処理前にアセトンで洗浄される。表面仕上げはMcMaster Carr社から提供されたもので、薄いサンプルではロール仕上げ、厚いサンプルではミル仕上げのように見える。これらの評価は、所与のシート厚さに対する実施例8の溶接プロセスの完全な溶け込み能力を特徴付ける。 Using the laser, process, and setup of Example 8, 500 watts, 400 μm spot size, and 400 kW / cm 2 for copper (OFC), stainless steel (304), and aluminum (1100 series). Perform and evaluate bead-on-plate welds using average power density. All samples are sheared to a size of 10 mm x 45 mm and washed with acetone prior to treatment. The surface finish is provided by McMaster-Carr and looks like a roll finish for thin samples and a mill finish for thick samples. These assessments characterize the full penetration capacity of the welding process of Example 8 for a given sheet thickness.

実施例8のレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、厚さが80μmから500μmの範囲の無酸素銅(99.99%-110)サンプルに対してビードオンプレートの評価が行われる。図23は、溶接されたサンプルの裏側で完全な溶け込みビードが観察される溶接速度を示している。 Using the laser, process, and setup of Example 8, bead-on-plate evaluation is performed on oxygen-free copper (99.99% -110) samples ranging in thickness from 80 μm to 500 μm. FIG. 23 shows the weld rate at which a complete penetration bead is observed behind the welded sample.

サンプルは、評価の前にアセトンで拭き、ボルトに1ニュートンメートルのトルクをかけて固定具に固定した。固定具とサンプルは、レーザーへの後方反射を防ぐためにビーム法線に対して20度の角度で保持され、200mmFLレンズの場合にはスポットが400μm×540μmに伸びる。ビーム角度は、ビーム法線から溶接部品の後続側である。サンプルのこの傾斜は、部品上での強度が低いために、得られる最大溶接速度を低下させる可能性がある。溶接のシーケンスは、パーツとレーザービームの間に十分な距離をもって、ロボットがパーツを移動するように命令され、ロボットがプログラムされた速度に到達したことを確認し、溶接固定具がレーザービームの位置を横切るときにレーザーが開始される。部品は一定の速度でビームを通過し、溶接固定具の端に達すると、レーザービームがオフになり、ロボットはホームポジションに戻るように命令される。サンプルは、微細構造を明らかにするために、断面化され、研磨され、エッチングされる。すべての溶接部が、伝導モード溶接を示す球形の溶融凝固パターンを示した。 The sample was wiped with acetone prior to evaluation and the bolt was torqued at 1 Newton meter to secure it to the fixture. The fixture and sample are held at an angle of 20 degrees to the beam normal to prevent back reflections on the laser, and in the case of a 200 mm FL lens the spot extends to 400 μm × 540 μm. The beam angle is from the beam normal to the trailing side of the weld. This tilt of the sample can reduce the maximum weld speed obtained due to the low strength on the part. The welding sequence confirms that the robot has been instructed to move the part with sufficient distance between the part and the laser beam, the robot has reached the programmed speed, and the weld fixture positions the laser beam. The laser is started when crossing. The part passes through the beam at a constant speed, and when it reaches the end of the weld fixture, the laser beam is turned off and the robot is instructed to return to its home position. The sample is cross-sectioned, polished and etched to reveal its microstructure. All welds showed a spherical melt solidification pattern indicating conduction mode welds.

実施例8B
実施例8および8Aのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、サンプルの突合せ溶接の評価も行われた。部品は実施例8Aと同じように準備され、同じクランプ力でクランプされた。せん断によって作られたサンプルのエッジは、突合せ溶接部品の基礎になる。これらの試験の結果のいくつかを図24に示す。溶接速度は、完全溶け込み溶接が溶接部品の裏側に現れる状態で2つの部品が接合される速度である。溶接中または溶接された部品にスパッタは見られず、これは伝導モードの溶接プロセスを示している。
Example 8B
The butt welds of the samples were also evaluated using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8A. The parts were prepared in the same manner as in Example 8A and clamped with the same clamping force. The edges of the sample created by shearing form the basis of the butt weld. Some of the results of these tests are shown in FIG. Welding speed is the speed at which two parts are joined with full penetration welding appearing on the back side of the welded part. No spatter was seen during or on the welded parts, indicating the welding process in conduction mode.

実施例8C Example 8C

実施例8Aの銅110シリーズのサンプルの評価中に、サンプルの厚さの関数としての溶接部の溶け込み深さへの依存性が観察された。図25は、銅サンプルの厚さが増加するにつれて溶け込み深さがどのように減少するかを示している。この依存性は、部品の熱質量が大きくなること、および銅は熱伝導率が高くて溶接ビードから熱を急速に放散させること、によるものである。これは、一部には、高い熱伝導率と、溶接プロセス中にレーザーエネルギーを効果的に放熱する銅の性能によるものである。図25に示されるように、所与の速度では、材料の厚さが2倍に増加するにつれて、溶け込み深さは4分の1以下に減少する可能性がある。一番上の実例では、速度がはるかに遅くて、レーザーエネルギーを放熱する銅の能力が飽和しているため、その溶け込み速度は、他の2つの実例ほど劇的には減少しない。したがって、伝導モードプロセスを使用して銅の溶接プロセスを設計するときは、溶接する部品の有限の厚さを考慮する必要がある。 During the evaluation of the copper 110 series samples of Example 8A, a dependence on the penetration depth of the weld as a function of sample thickness was observed. FIG. 25 shows how the penetration depth decreases as the thickness of the copper sample increases. This dependence is due to the high thermal mass of the component and the high thermal conductivity of copper, which rapidly dissipates heat from the weld bead. This is partly due to the high thermal conductivity and the ability of copper to effectively dissipate laser energy during the welding process. As shown in FIG. 25, at a given rate, the penetration depth can decrease to less than a quarter as the thickness of the material doubles. In the top example, the rate is much slower and the copper's ability to dissipate laser energy is saturated, so its penetration rate does not decrease as dramatically as in the other two examples. Therefore, when designing a copper welding process using the conduction mode process, it is necessary to consider the finite thickness of the parts to be welded.

実施例8D
実施例8および8Aのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、アルミニウム1100シリーズのサンプルを溶接および評価する。アルミニウム1100シリーズのサンプルを準備し、実施例8Aの銅部品と同じように溶接固定具に取り付けた。溶接プロセスは、実施例8Aの銅溶接プロセスと似ているが、ロボットの速度のみが変更されている。図26に示す溶接速度は、その厚さの部分の裏側に完全な溶け込みビードが観察される場合のものである。溶接プロセス中に観察される溶融溜りからのスパッタはない。
Example 8D
Samples of the Aluminum 1100 series are welded and evaluated using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8A. A sample of the aluminum 1100 series was prepared and attached to the weld fixative in the same manner as the copper component of Example 8A. The welding process is similar to the copper welding process of Example 8A, but only the speed of the robot is changed. The welding speed shown in FIG. 26 is for the case where a complete penetration bead is observed on the back side of the portion of the thickness. There is no spatter from the melt pool observed during the welding process.

実施例8E Example 8E

実施例8および8Aのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、突合せ溶接および溶接試験が、溶接固定具に並べて配置された2つのアルミニウム1100のサンプルに対して実行される。サンプルはせん断で準備され、溶接が実行される前に2つのエッジに特別な準備はされていない。溶接前にサンプルはアセトンで拭かれる。溶接プロセスは、溶接速度を除いて、図8Aの銅部品について説明したものと同じである。プロットされた最終的な溶接速度は、溶接されるサンプルの全長にわたって完全な溶け込みビードが得られる速度である。このデータの要約が図27に示されている。 Using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8A, butt welds and weld tests are performed on two aluminum 1100 samples placed side by side on a weld fixture. The sample is prepared by shearing and no special preparation is made on the two edges before the weld is performed. The sample is wiped with acetone before welding. The welding process is the same as described for the copper part of FIG. 8A, except for the welding speed. The final weld rate plotted is the rate at which a complete penetration bead is obtained over the entire length of the sample to be welded. A summary of this data is shown in FIG.

実施例8F Example 8F

実施例8および8Aのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、BOP溶接および溶接試験が、304ステンレス鋼のサンプルに対して実施される。サンプルは、固定具に収まる10mm×45mmのサイズにカットされ、アセトンで拭かれ、完全溶け込み溶接が得られるまでロボットの速度が調整された。この場合も、溶接されたサンプルにはスパッタや多孔性は見られなかった。この試験の結果を図28に示す。 BOP welds and weld tests are performed on 304 stainless steel samples using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8A. The sample was cut to a size of 10 mm x 45 mm that fits in the fixative, wiped with acetone, and the speed of the robot was adjusted until a full penetration weld was obtained. Again, no spatter or porosity was observed in the welded sample. The results of this test are shown in FIG.

実施例8G Example 8G

実施例8の600ワットシステムおよびプロセスの溶接および評価が行われる。100mmの焦点距離のレンズを使用してビームを200μmのスポットサイズに集束させ、平均強度を約2.1MW/cmにし、ピーク強度を4.5MW/cmに近づける。一連の溶接が行われ、このよりハイパワーのレベルで、より短い焦点距離のレンズ(100mm)を使用して試験が行われ、さまざまな速度でのこのレーザーの溶け込み能力がさらに評価される。これらの試験では、平均強度は2.1MW/cmであり、銅を気化させてキーホールを作製するための要件の十分に範囲内にあるパワー密度である。部品は20度傾斜しており、有効パワー密度が銅、アルミニウム、およびステンレス鋼のキーホール溶接モードを開始するのに十分な強度である1.4MW/cmにまで減少される。 Welding and evaluation of the 600 watt system and process of Example 8 is performed. A lens with a focal length of 100 mm is used to focus the beam to a spot size of 200 μm, with an average intensity of approximately 2.1 MW / cm 2 and a peak intensity approaching 4.5 MW / cm 2 . A series of welds are performed and tested at this higher power level using a lens with a shorter focal length (100 mm) to further evaluate the melting ability of this laser at various velocities. In these tests, the average strength was 2.1 MW / cm 2 , a power density well within the requirements for vaporizing copper to create keyholes. The part is tilted 20 degrees and the effective power density is reduced to 1.4 MW / cm 2 , which is strong enough to initiate the keyhole welding mode of copper, aluminum and stainless steel.

銅のキーホールプロセスの初めの兆候は、溶接プロセス中のスパッタの有意な増加であった。このスパッタは、溶融池を監視しながら軸上カメラで観察される。溶接サンプルは、キーホール溶接に典型的な微細構造の凍結パターンを明らかにするために、断面化して、研磨、およびエッチングされる。断面はまた、ビームが部品を完全に貫通しなかった場合は常に、かなりの量の多孔を示す。ただし、ビームが完全に透過した部分では、わずかな多孔が示された。 The first sign of the copper keyhole process was a significant increase in spatter during the welding process. This spatter is observed with an on-axis camera while monitoring the molten pool. Weld samples are cross-sectioned, polished, and etched to reveal microstructure freezing patterns typical of keyhole welding. The cross section also shows a significant amount of porosity whenever the beam does not completely penetrate the part. However, a slight porosity was shown in the part where the beam was completely transmitted.

実施例8H Example 8H

実施例8および8Gのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、500μmの厚さの銅110プレート上のキーホールモード溶接の長手方向断面を示すようにして、図29の写真に示される溶接の全長に沿った多孔度を判定する。写真の右側の溶接部の最初の1cmは、かなりの量の多孔とサンプルへの溶け込みの欠如を示した。溶接中に部品に熱が蓄積すると、キーホールプロセスが銅板に完全に溶け込む。この結果は、キーホールプロセスを安定させることができれば、わずかなスパッタと多孔性を備えた溶接を生成できることを示している。 Using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8G, the weld shown in the photograph of FIG. 29, showing a longitudinal cross section of a keyhole mode weld on a copper 110 plate with a thickness of 500 μm. Determine the porosity along the entire length. The first 1 cm of the weld on the right side of the photo showed a significant amount of porosity and lack of penetration into the sample. When heat builds up on the part during welding, the keyhole process completely melts into the copper plate. This result shows that if the keyhole process can be stabilized, a weld with slight spatter and porosity can be produced.

実施例8I Example 8I

実施例8および8Gのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、実施例8Hからの結果に基づいて、部品を移動する前に最初にキーホールを安定させることができる溶接および試験が行われる。溶接プロセスは、レーザービームが部品に短時間留まる(滞留する)ようにし、その後、ロボットが加速され、部品にキーホールが引きずられるようにする。滞留時間を0.6秒から1.5秒まで変化させる一連の試験を行ったが、滞留時間0.6秒で好ましい結果が得られた。図30は、サンプル上に0.6秒の滞留を行い、その後、1.1m/分の速度でサンプルを平行移動させた銅110のビードオンプレート溶接部の断面の写真である。この速度で一連の溶接が実行され、プロセスが安定していて適切に制御されていることが確認された。すべてのサンプルは、同様の結果、すなわち非常に低い気孔率、および非常に安定したキーホール溶接を示した。 Using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8G, based on the results from Example 8H, welding and testing is performed that can first stabilize the keyhole before moving the part. The welding process allows the laser beam to stay in the part for a short period of time, after which the robot is accelerated and the keyhole is dragged into the part. A series of tests were conducted in which the residence time was changed from 0.6 seconds to 1.5 seconds, and favorable results were obtained with a residence time of 0.6 seconds. FIG. 30 is a photograph of a cross section of a bead-on-plate welded portion of copper 110 in which a sample was allowed to stay on the sample for 0.6 seconds and then the sample was translated at a speed of 1.1 m / min. A series of welds was performed at this speed, confirming that the process was stable and well controlled. All samples showed similar results, i.e. very low porosity, and very stable keyhole welds.

実施例8J Example 8J

実施例8および8Gのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、銅110材料の異なる厚さの範囲で溶接が行われて評価される。各サンプルの完全な溶け込みに対して達成された最大溶接速度のプロットが図31に示されている。キーホールモード溶接、平行移動モード溶接、および伝導モード溶接はすべて、これらの溶接速度で観察される。結果としては、500ワットで400μmのシステムと比較して、溶接速度と溶け込み深さが大幅に向上する。 Welding is performed and evaluated in different thickness ranges of copper 110 material using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8G. A plot of the maximum weld rate achieved for complete penetration of each sample is shown in FIG. Keyhole mode welds, translation mode welds, and conduction mode welds are all observed at these weld speeds. As a result, the welding speed and penetration depth are significantly improved compared to a system at 500 watts and 400 μm.

実施例8K Example 8K

実施例8および8Gのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、ステンレス鋼のサンプルが溶接されて評価される。結果としては、304ステンレス鋼4枚を1.2m/分の速度で重ね溶接する。図32に示す断面は、キーホール溶接サンプルの標準的なプロファイルを示している。キーホールの底の多孔は、積層体の3番目と4番目のシートの間のギャップが原因である可能性がある。この多孔性は、この溶接プロセスを最適化することで排除できる。 Using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8G, stainless steel samples are welded and evaluated. As a result, four pieces of 304 stainless steel are laminated and welded at a speed of 1.2 m / min. The cross section shown in FIG. 32 shows a standard profile of a keyhole weld sample. The porosity at the bottom of the keyhole may be due to the gap between the third and fourth sheets of the laminate. This porosity can be eliminated by optimizing this welding process.

実施例9 Example 9

実施例8および8Aのレーザー、プロセス、およびセットアップを使用して、一連の試験が、無酸素銅の箔の積層体を用いて行われ、単一のパスで何枚の箔を重ね溶接できるかを判定する。実験のセットアップは実施例8と同じだが、固定具が変更され、箔の中央の下のギャップに小さなスチールインサートが使用されている。箔は、所定の位置に固定され、ビーム法線に対して20度の角度で傾斜されて、Ar-COカバーガスが供給されながらビームを通過される。積層体内の最大40枚の箔に対するこれらの試験の結果は、図33に要約されている。2つの異なるレンズ構成が使用され、幅広い箔の厚さと積層体にわたって非常に良好な結果が得られる。 Using the lasers, processes, and setups of Examples 8 and 8A, a series of tests was performed with a laminate of oxygen-free copper foils and how many foils could be laminated and welded in a single pass. Is determined. The experimental setup is the same as in Example 8, but with a modified fixture and a small steel insert in the gap below the center of the foil. The foil is fixed in place, tilted at an angle of 20 degrees with respect to the beam normal, and passed through the beam while being supplied with Ar-CO 2 cover gas. The results of these tests on up to 40 foils in the laminate are summarized in FIG. Two different lens configurations are used and very good results are obtained over a wide range of foil thicknesses and laminates.

図34は、頂面に多孔性およびスパッタがない、40枚の銅箔の成功した溶接の例の写真である。この箔の積層体は、500ワットと400μmのスポットサイズに対応する200mmFLレンズとを使って溶接された。溶接速度は0.5m/分であった。シートのクランプ方法は溶接品質に影響を与える可能性があり、シートの良好で均一なクランプは一貫して高品質の溶接を提供する。

見出しと実施形態
FIG. 34 is a photograph of an example of a successful weld of 40 copper foils with no porosity and no spatter on the top surface. The laminate of foil was welded using a 200 mm FL lens corresponding to a spot size of 500 watts and 400 μm. The welding speed was 0.5 m / min. The method of clamping the sheet can affect the weld quality, and a good and uniform clamp of the sheet provides consistently high quality welds.

Headings and Embodiments

本明細書における見出しの使用は、明確にすることを目的としており、決して限定するものではないことを理解されたい。したがって、見出しの下に記載されているプロセスおよび開示は、さまざまな例を含め、本明細書全体に関連して読む必要がある。本明細書における見出しの使用は、本発明の保護の範囲を制限するべきではない。 It should be understood that the use of headings herein is for the sake of clarity and is by no means limiting. Therefore, the processes and disclosures described under the headings should be read in the context of the entire specification, including various examples. The use of headings herein should not limit the scope of protection of the invention.

本発明の実施形態の主題である、またはそれに関連する、新規で画期的なプロセス、材料、性能、または他の有益な特徴および特性の根底にある、理論を提供または論じる必要がないことに留意されたい。それにもかかわらず、この分野の技術をさらに進歩させるために、この明細書では様々な理論が提供されている。この明細書に記載されている理論は、特に明記されていない限り、特許請求の範囲に記載された発明に与えられる保護の範囲を制限、制約、または狭めるものではない。これらの理論は、本発明を利用するために必要とされたり実践されたりすることないであろう。さらに、本発明は、本発明の方法、物品、材料、デバイス、およびシステムの実施形態の機能的特徴を説明するための、これまで知られていなかった新しい理論につながる可能性があることを理解されたい。そして、そのような後に開発された理論は、本発明に与えられる保護の範囲を制限してはならない。 It is not necessary to provide or discuss the theory underlying the novel and groundbreaking processes, materials, performances, or other beneficial features and properties that are the subject of or related to embodiments of the present invention. Please note. Nevertheless, various theories are provided in this specification to further advance the technology in this field. The theory set forth herein does not limit, limit, or narrow the scope of protection given to the inventions described in the claims, unless otherwise stated. These theories will not be needed or practiced in order to utilize the present invention. Further, it is understood that the present invention may lead to new, previously unknown theories for explaining the functional features of embodiments of the methods, articles, materials, devices, and systems of the present invention. I want to be. And the theory developed after that should not limit the scope of protection given to the present invention.

本明細書に記載されているシステム、機器、技術、方法、活動および操作の様々な実施形態は、本明細書に記載されているものに加えて、他の様々な活動および他の分野で使用することができる。とりわけ、本発明の実施形態は、特許出願公開番号WO2014/179345、US2016/0067780、US2016/0067827、US2016/0322777、US2017/0343729、US2017/0341180、およびUS2017/0341144の方法、装置およびシステムと共に使用することができ、それぞれの開示の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。さらに、これらの実施形態は、例えば、将来開発される可能性のある他の機器または活動、この仕様の教示に基づいて、部分的に変更される可能性のある既存の機器またはアクティビティとともに使用することができる。さらに、本明細書に記載されている様々な実施形態は、異なる様々な組み合わせで互いに使用することができる。したがって、例えば、本明細書の様々な実施形態で提供される構成は、互いに使用することができる。例えば、A、A’およびBを有する実施形態の構成要素、ならびにA’’、CおよびDを有する実施形態の構成要素は、本明細書の教示にしたがって様々な組み合わせ、例えば、A、C、D、およびA、A’’、C、Dなど互いに使用することができる。本発明に与えられる保護の範囲は、特定の実施形態、実施例、または特定の図の実施形態に示される特定の実施形態、構成または配置に限定されるべきではない。 Various embodiments of the systems, devices, techniques, methods, activities and operations described herein are used in various other activities and other areas in addition to those described herein. can do. In particular, embodiments of the invention are used with the methods, devices and systems of Patent Application Publication Nos. WO2014 / 179345, US2016 / 0067780, US2016 / 0067827, US2016 / 0322777, US2017 / 0343729, US2017 / 0341180, and US2017 / 0341144. Each disclosure can be incorporated herein by reference in its entirety. Further, these embodiments are used with, for example, other equipment or activities that may be developed in the future, existing equipment or activities that may be partially modified based on the teachings of this specification. be able to. Moreover, the various embodiments described herein can be used with each other in various different combinations. Thus, for example, the configurations provided in various embodiments herein can be used with each other. For example, the components of the embodiment having A, A'and B, and the components of the embodiment having A'', C and D may be in various combinations, eg, A, C, as taught herein. D and A, A'', C, D, etc. can be used with each other. The scope of protection provided to the present invention should not be limited to the particular embodiments, configurations or arrangements shown in the particular embodiments, examples, or embodiments of the drawings.

本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、本明細書に具体的に開示されたもの以外の形態で具体化することができる。説明された実施形態は、すべての点で例示としてのみ考慮されるべきであり、限定的ではないと見なされるべきである。 The present invention can be embodied in forms other than those specifically disclosed herein, without departing from its spirit or essential characteristics. The embodiments described should be considered in all respects only as illustrations and should be considered non-limiting.

Claims (20)

複数の銅箔を一緒にレーザー溶接する方法であって、
a.少なくとも約50%の銅を含む複数の銅箔を溶接スタンドに配置するステップと;
b.該複数の銅箔にクランプ力を加えて、該溶接スタンド内で該銅箔を一緒にクランプするステップと;
c.青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って該複数の銅箔に向けるステップであって、該レーザービームが;
i.少なくとも500ワットのパワー;
ii.約44m mmrad以下のビームパラメータ積;
iii.約400μm以下のスポットサイズ;
iv.少なくとも約400kW/cmの平均強度;および
v.少なくとも約800kW/cmのピーク強度;
を有し、
d.該青色レーザービームは該複数の銅箔をある溶接速度で重ね溶接するようにされた、ステップと;
e.該レーザービームが光学素子から該複数の銅箔まで自由空間を移動するレーザービーム経路に沿った空間に、該レーザービーム経路からプルーム材料を除去して該複数の銅箔の酸化を防止する非酸化性ビームクリアリングガスを提供するステップと;
を有し、
f.該溶接速度、クランプ力、および該非酸化性クリアリングガスの流量は、目に見えるスパッタおよび目に見える多孔性を有さない重ね溶接を提供するように事前に決定されるようにされている、方法。
It is a method of laser welding multiple copper foils together.
a. With the step of placing multiple copper foils containing at least about 50% copper on the welding stand;
b. With the step of applying a clamping force to the plurality of copper foils and clamping the copper foils together in the welding stand;
c. A step of directing a blue laser beam toward the copper foils along a laser beam path, wherein the laser beam;
i. At least 500 watts of power;
ii. Beam parameter product of about 44 mmrad or less;
iii. Spot size of about 400 μm or less;
iv. Average intensity of at least about 400 kW / cm 2 ; and v. Peak intensity of at least about 800 kW / cm 2 ;
Have,
d. The blue laser beam was adapted to lap weld the plurality of copper foils at a certain welding rate, with a step;
e. Non-oxidation that prevents oxidation of the plurality of copper foils by removing the plume material from the laser beam path in the space along the laser beam path in which the laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of copper foils. With steps to provide sex beam clearing gas;
Have,
f. The weld rate, clamping force, and flow rate of the non-oxidizing clearing gas are configured to be pre-determined to provide lap welds without visible spatter and visible porosity. Method.
該ビームがCWビームである、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the beam is a CW beam. 該ビームがパルスビームである、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the beam is a pulse beam. 該ビームが約450nmの波長を有する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the beam has a wavelength of about 450 nm. 該光学素子は、レンズ、ファイバー面、および窓からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the optical element is selected from the group consisting of a lens, a fiber surface, and a window. 該クリアリングガスが、アルゴン、アルゴン-CO、空気、ヘリウム、および窒素からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the clearing gas is selected from the group consisting of argon, argon-CO 2 , air, helium, and nitrogen. 該レーザービームがワブリングされず、それにより、ワブリングのないレーザー溶接プロセスを提供する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the laser beam is not wobbled, thereby providing a laser welding process without wobbling. 該複数の銅箔が10から50枚の箔を有する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the plurality of copper foils have 10 to 50 sheets of foil. 銅箔が約80μmから500μmの厚さを有する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the copper foil has a thickness of about 80 μm to 500 μm. 該複数の銅箔のそれぞれが、約80μmから500μmの厚さを有する、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein each of the plurality of copper foils has a thickness of about 80 μm to 500 μm. 該溶接速度が少なくとも10m/分である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the welding speed is at least 10 m / min. 複数の金属片を一緒にレーザー溶接する方法であって、
a.溶接スタンド内に複数の金属片を配置するステップと;
b.該複数の金属片にクランプ力を加えて、該溶接スタンド内で該金属片を一緒にクランプするステップと;
c.青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って該複数の金属片に向けるステップであって、該レーザービームが;
i.少なくとも500ワットのパワー;
ii.約44mm mrad以下のビームパラメータ積;
iii.約400μm以下のスポットサイズ;
iv.少なくとも約400kW/cmの平均強度;および
v.少なくとも約800kW/cmのピーク強度;
を有し、
d.該青色レーザービームは、該複数の金属片をある溶接速度で一緒に溶接するようになされている、ステップと;
e.該青色レーザービームが光学素子から該複数の銅箔まで自由空間を移動するレーザービーム経路に沿った空間に、該レーザービーム経路からプルーム材料を除去して該複数の銅箔の酸化を防止する非酸化性ビームクリアリングガスを提供するステップと;
を有し、
f.該溶接速度、クランプ力、および該非酸化性クリアリングガスの流量は、目に見えるスパッタおよび目に見える多孔性を有さない溶接を提供するように事前に決定されている、方法。
It is a method of laser welding multiple metal pieces together.
a. With the step of placing multiple pieces of metal in the welding stand;
b. With the step of applying a clamping force to the plurality of metal pieces to clamp the metal pieces together in the welding stand;
c. A step of directing a blue laser beam toward the plurality of metal pieces along a laser beam path, wherein the laser beam is;
i. At least 500 watts of power;
ii. Beam parameter product of about 44 mm mad or less;
iii. Spot size of about 400 μm or less;
iv. Average intensity of at least about 400 kW / cm 2 ; and v. Peak intensity of at least about 800 kW / cm 2 ;
Have,
d. The blue laser beam is adapted to weld the plurality of metal pieces together at a certain welding rate, with a step;
e. In the space along the laser beam path where the blue laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of copper foils, the plume material is removed from the laser beam path to prevent oxidation of the plurality of copper foils. With the step of providing an oxidizing beam clearing gas;
Have,
f. The welding speed, clamping force, and flow rate of the non-oxidizing clearing gas are pre-determined to provide welding without visible spatter and visible porosity.
該溶接スタンドが、該金属片の下にエアギャップを有する、請求項12に記載の方法。 12. The method of claim 12, wherein the welding stand has an air gap beneath the piece of metal. 該金属が、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、アルミニウム系金属、ステンレス鋼系金属、銅系金属、アルミニウム合金、ステンレス鋼合金、および銅合金からなる群から選択される、請求項12に記載の方法。 12. The method of claim 12, wherein the metal is selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, copper, aluminum-based metal, stainless steel-based metal, copper-based metal, aluminum alloys, stainless steel alloys, and copper alloys. 該レーザービームは約450nmの波長を有する、請求項14に記載の方法。 14. The method of claim 14, wherein the laser beam has a wavelength of about 450 nm. 該レーザービームがワブリングされず、それによって、ワブリングのないレーザー溶接プロセスを提供する、請求項15に記載の方法。 15. The method of claim 15, wherein the laser beam is not wobbled, thereby providing a laser welding process without wobbling. 該溶接は、重ね溶接、突合せ溶接、ビードオンプレート溶接、および伝導モード溶接からなる溶接のグループから選択される、請求項16に記載の方法。 16. The method of claim 16, wherein the weld is selected from a group of welds consisting of lap welds, butt welds, bead-on plate welds, and conduction mode welds. 該レーザービームがワブリングされず、それによって、ワブリングのないレーザー溶接プロセスを提供する、請求項12に記載の方法。 12. The method of claim 12, wherein the laser beam is not wobbled, thereby providing a laser welding process without wobbling. 該溶接は、重ね溶接、突合せ溶接、ビードオンプレート溶接、および伝導モード溶接からなる溶接のグループから選択される、請求項12に記載の方法。 12. The method of claim 12, wherein the weld is selected from a group of welds consisting of lap welds, butt welds, bead-on plate welds, and conduction mode welds. 複数の銅箔を一緒にレーザー溶接する方法であって、
a.少なくとも約50%の銅を含み約80μmから500μmの厚さを有する複数の銅箔を溶接スタンドに配置するステップと;
b.該複数の銅箔にクランプ力を加えて、該溶接スタンド内で該銅箔を一緒にクランプするステップと;
c.青色レーザービームをレーザービーム経路に沿って該複数の銅箔に向けるステップであって、該レーザービームが;
i.少なくとも600ワットのパワー;
ii.約44mm mrad以下のビームパラメータ積;
iii.約200μmから約400μmのスポットサイズ;
iv.少なくとも約2.1MW/cmの平均強度;および
v.少なくとも約4.5MW/cmに近いピーク強度;
を有し、
d.該青色レーザービームは少なくとも10m/分の溶接速度で該複数の金属片を一緒に溶接するようになされている、ステップと;
e.該レーザービームが光学素子から該複数の銅箔まで自由空間を移動するレーザービーム経路に沿った空間に、該レーザービーム経路からプルーム材料を除去し、該複数の銅箔の酸化を防止する非酸化性ビームクリアリングガスを提供するステップと;
を有し、
f.該溶接速度、クランプ力、および該非酸化性クリアリングガスの流量は、目に見えるスパッタおよび目に見える多孔性を有さない溶接を提供するように事前に決定されるようにされている、方法。
It is a method of laser welding multiple copper foils together.
a. With the step of placing a plurality of copper foils containing at least about 50% copper and having a thickness of about 80 μm to 500 μm on the welding stand;
b. With the step of applying a clamping force to the plurality of copper foils and clamping the copper foils together in the welding stand;
c. A step of directing a blue laser beam toward the copper foils along a laser beam path, wherein the laser beam;
i. At least 600 watts of power;
ii. Beam parameter product of about 44 mm mad or less;
iii. Spot size from about 200 μm to about 400 μm;
iv. Average intensity of at least about 2.1 MW / cm 2 ; and v. Peak intensity at least close to about 4.5 MW / cm 2 ;
Have,
d. The blue laser beam is adapted to weld the plurality of metal pieces together at a welding rate of at least 10 m / min;
e. Non-oxidation that removes plume material from the laser beam path into the space along the laser beam path where the laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of copper foils and prevents oxidation of the plurality of copper foils. With steps to provide sex beam clearing gas;
Have,
f. The welding speed, clamping force, and flow rate of the non-oxidizing clearing gas are configured to be pre-determined to provide welding without visible spatter and visible porosity. ..
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