KR100845911B1 - 레이저 용접 방법 - Google Patents

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Abstract

레이저 용접 방법은: 물질의 증발 없이 또는 거의 증발 없는 상태로 하나의 부품(12)에 용융물(31)을 생성할 수 있도록 낮은 강도로 시간(T1) 동안 레이저(10)가 작동되어 제품의 오염을 감소시키는 제 1 단계와, 상기 용융물(31)을 제 2 부품(13) 쪽으로 밀어낼 수 있게 높은 강도로 더 짧은 시간(T2) 동안 레이저가 작동되어 이들 부품들 사이의 커다란 갭이 이어질 수 있게 하는 제 2 단계로서, 이러한 제 2 단계를 진행하는데 필요한 레이저 에너지가 낮음으로 인해 제품의 오염을 더 감소시키는, 제 2 단계를 포함한다. 선택적으로, 용접부가 후-가열되는(post-heated) 제 3 시간 동안에 제 3 단계가 수행된다.

Description

레이저 용접 방법{METHOD OF LASER WELDING}
본 발명은 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법에 관한 것이다.
이러한 방법은 알려져 있으며, 많은 적용에서 잘 수행되긴 하지만 다수의 결점들이 존재한다. 한 가지 문제는, 이러한 방법을 이용할 때 용접 공정시에 부품 상에 재용착(再鎔着)되는(re-deposit) 증발 물질(evaporated matter)로 인해 이러한 부품들이 오염된다는 것이다. 다른 문제는, 이러한 방법은 용접 공정시에 부품들 사이의 갭(gap)에 정밀한 공차(precise tolerance)를 요한다는 것이다.
유럽 특허 제 EP687519호로부터 알려진 방법에서는, 부품들 사이의 최대 갭이 초과되지 않도록 보장하기 위해 용접 대상 부품들이 레이저 빔 부근에서 서로 압착된다. 이러한 방법은 이들 부품들 자체뿐만 아니라 용접 공정 이전 또는 용접 공정시에 부품들의 취급에 대단히 제약을 가한다. 더욱이, 이러한 방법은 오염 문제를 해결하지 못한다.
부품들 사이의 부정확한 거리로 인한 제품의 오염 및/또는 불량 용접은 제품의 거부를 유발할 수 있으며, 그래서 공정의 효율을 저감(低減)시킨다.
본 발명의 목적은 효율이 향상된 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 방법은:
제 1 레이저 강도(laser intensity)로 적어도 하나의 부품에 적어도 하나의 용융물(melt)을 형성하는 제 1 단계와,
상기 제 1 레이저 강도보다 높은 제 2 레이저 강도로 상기 적어도 하나의 용융물을 제 2 부품 쪽으로 밀어내며, 그래서 상기 적어도 하나의 부품과 상기 제 2 부품을 서로 용접하는 제 2 단계를
포함하는 적어도 두 단계로 진행되는 것을 특징으로 한다.
더 적은 수의 제품들이 오염 및/또는 불량 용접으로 거부되기 때문에 이러한 방법은 보다 효율적이다.
오염은 주로 용접 공정시에 증발되어 제품상에 재용착되는 물질에 기인한다. 제 1 단계는 본질적으로 증발 없이 또는 아주 약간의 증발이 발생하는 상태로 물질의 용융을 진행하기 때문에 제 1 단계에서는 거의 오염이 발생하지 않는다. 본 방법의 제 2 단계에서는, 약간의 물질을 증발시키기 위해서 더 높은 레이저 강도가 이용되며, 그래서 제 1 단계 동안에 생성된 용융물을 제 2 부품 쪽으로 밀어내는 증기 반동 압력(vapor recoil pressure)을 발생시킨다. 상기 용융물의 용융 상태로 인해, 이러한 용융물을 밀어내는데 요구되는 에너지의 양이 감소되며 그래서 증발 물질의 양도 또한 줄어든다. 그 결과 제 2 단계에서 오염이 줄어든다.
용융물에 의해서 이어져야 하는 부품들 사이의 갭이 너무 클 때 불량 용접이 발생한다. 본 방법의 제 2 단계에서는, 하나의 부품의 용융물이 제 2 부품 쪽으로 밀려남으로써, 이들 부품 사이의 커다란 갭을 잇는다. 그래서 본 방법은 용접 대상 부품들 사이의 허용 갭(tolerated gap)을 증대시키며 그 결과 불량 용접의 위험성을 감소시킨다.
본 방법은 바람직하게는 부품의 스폿 용접(spot welding)에 적용된다. 본 발명의 사상 내에서, 용접 대상 부품들 사이의 갭(gp)은 레이저 빔의 축을 따라 측정되는 이들 부품의 마주보는 측면사이의 거리에 해당한다. 용접에 의해 이어질 수 있는 최대값(최대 갭)은 용융물이 최초로 생성되는 부품의 두께(ep)에 따라 달라지며, 이러한 두께는 이 부품의 반대편 측면 사이에서 레이저 빔의 축을 따라 측정되는 거리이다.
본 발명에 따른 방법을 적용하면, gp≥0.4ep 일 때에도 청정 상태의 적절한 스폿 용접이 달성되는데, 이러한 결과는 종래 기술의 레이저 용접 방법으로는- 실현이 가능하다 하더라도- 달성하기가 어렵다.
특정 실시예에서는, gp≥1.0ep 일 때에도 청정 상태의 적절한 스폿 용접이 달성되는데, 이는 종래 기술의 레이저 용접 방법과 비교하여 2.5배의 허용 갭의 이득을 나타내며, 그러면서도 여전히 예를 들면 오염을 2배나 감소시킨다.
본 방법의 제 2 단계 후에는, 다시 물질의 증발 없이 또는 아주 약간의 증발이 발생하는 상태로, 용융물의 체적을 증대시킬 수 있도록 다른 레이저 강도로 용접부를 후-가열하는(post-heating) 것을 포함하는 후속 단계가 진행되는 것이 유익할 수 있다.
또한, 용접 대상 부품들에 대해 레이저 빔의 다양한 위치가 가능하다. 바람 직한 실시예에서는, 용융물이 생성되는 부품의 위로부터 레이저 빔이 나온다. 다른 실시예에서는, 용융물이 생성되는 부품의 아래 또는 옆으로부터도 레이저 빔이 나올 수 있다.
레이저 빔은 바람직하게는 용융물이 만들어질 부품에 거의 직각으로 부딪치지만, 용접 대상 부품에 도달하는 것이 어려운 실시예에서는, 레이저 빔이 (소정 각도로) 비스듬히 부딪칠 수 있다.
특정 실시예에서는, 두 개 이상의 레이저 빔이 사용될 수 있다. 바람직한 경우에, 두 개의 레이저 빔이 이용되는데, 첫 번째 빔은 제 1 부품의 위로부터 나오고 두 번째 빔은 제 2 부품의 아래로부터 나와서, 단일 레이저 빔으로 할 때보다 훨씬 더 큰- 최대로 부품들의 두께의 합(合)에까지 이르는- 부품들 사이의 갭을 이을 수 있게 한다.
본 방법은 바람직하게는 금속제 부품의 레이저 용접에 적용된다.
제 2 부품은 기판(substrate) 상의 금속제 층으로 형성되거나 이루어질 수 있다. 기판은 세라믹 기판 또는 (플라스틱 필름과 같은) 유연한 기판, 또는 예컨대 인쇄 회로 기판일 수 있다.
본 방법은 제 2 부품이 열 입력(heat input) 또는 오염에 취약한 실시예에 특히 유용하다. 이러한 예는 금속 부품이 전자 디바이스(예를 들면, 인쇄 회로 기판)에 또는 전자 디바이스에 근접하게 연결되어야 하는 경우이다. 제 1 부품에 부딪치는 하나의 레이저 빔이 이용되는 실시예에서는, 이 레이저 빔은 제 1 부품을 관통하지 않거나 또는 그런 일이 발생할 가능성이 매우 작아서, 제 2 부품으로의 직접적인 레이저 열 입력은 매우 작다. 게다가, 오염이 감소된다.
본 발명에 따른 방법은 또한 다른 방식으로는 용접될 수 없거나 또는 대단히 용접되기 어려운 재료들이 용접될 수 있게 한다. 이러한 예의 한 가지는 알루미늄(제 2 부품 또는 제 2 부품의 상단층 역할)상에서의 스테인리스 스틸(제 1 부품 역할)의 용접이다. 이러한 용접은 본 발명에 따른 방법에 의해 수월하면서도 별 오염 없이 이루어질 수 있다는 것을 알게 되었으며, 반면에 종래의 레이저 용접 방법에서는 이러한 것이 어려우며, 거의 불가능하지는 않다 하더라도, 적어도 과도한 레이저 파워의 사용 및 유발되는 광범위한 오염 없이는 가능하지 않다.
본 발명의 이러한 양태와 다른 양태는 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 매우 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 플레이트의 레이저 스폿 용접을 수행하기 위한 수단을 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 빔의 파워를 시간의 함수로 보여주는 그래프.
도 3a와 3b는 각각, 본 발명에 따른 방법의 제 1 단계와 제 2 단계를 나타내는 개략도.
도 3c는 본 발명에 따른 방법의 선택적인 후속 단계를 나타내는 개략도.
도 4는 각각 250㎛의 두께를 가지며 두 플레이트 사이의 갭이 250㎛인 두 개의 스테인리스 스틸 플레이트 사이에 본 발명에 따라 행해진 스폿 용접의 횡단면을 보여주는 그림.
도 5는 본 발명에 따른 방법을 이용하여 행해진 구조의 횡단면도.
이들 도면들은 축척에 따라 그려지지는 않았으며, 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 용접 방법이 설명된다. 상기 방법은 바람직하게는 금속 플레이트의 스폿 용접(spot welding)에 적용된다. 이러한 용접을 수행할 수 있게 하는 장치의 예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 이 장치는, 용접 대상 플레이트(12, 13)의 상단 플레이트(12)로 유도되고 집속되는 레이저 빔(11)을 방출하는 레이저 디바이스(10)와, 레이저 디바이스(10)의 파워(Plaser)를 제어하는 레이저 제어 디바이스(14)와, 용접 대상 플레이트의 X 및 Y 방향으로의 위치를 측정할 수 있도록 측정 디바이스(15)에 결합된 센싱 디바이스(sensing device)와, 레이저 디바이스의 파워를 적절히 제어하기 위한 측정 디바이스로부터 레이저 제어 디바이스(14)로의 피드백(feedback)(16)으로 구성된다. 레이저 제어 디바이스(14)와 레이저 디바이스(10)를 연결하는 라인 위의 작은 그림은 레이저 파워(Plaser)를 시간(t)의 함수로 개략적으로 보여준다. 이는 도 2와 도 3a 내지 도 3c에 상세히 예시될 것이다.
도 2는 하나의 스폿의 용접에 대한 레이저 강도(Plaser)를 시간(t)의 함수로 보여준다.
제 1 시간(first period of time)(T1)은 제 1 부품(12)에 용융물이 만들어지는 본 방법의 제 1 단계에 해당된다. 이 시간 동안에, 레이저는 이러한 용융물을 생성하기에 충분한 제 1 레이저 강도로 작용한다.
제 2 시간(T2)은 본 방법의 제 2 단계에 해당된다. 레이저는 더 높은 제 2 레이저 강도로 작용한다. 물질이 증발되며, 그래서 제 1 단계 동안에 생성된 용융물을 제 2 부품 쪽으로 밀어내는 증기 반동 압력(vapor recoil pressure)을 발생시킨다. 이러한 용융물의 용융 상태로 인해, 용융물을 밀어내는데 요구되는 에너지의 양이 감소되며 그래서 증발 물질의 양도 또한 줄어든다.
몇몇 경우에는, 제 3 시간(T3)에 해당되는 후속 단계를 진행하는 것이 유익하다. 이 시간 동안에는 용융물이 증대된다. 이러한 단계는 (용융물의) 크기를 증대시키며 그래서 용접 강도를 증대시킨다.
도 2에 대략적으로 도시된 이러한 시간들은 예시적이며 비제한적으로 주어져 있으며, 이들 시간은 용접 대상 재료의 특성과 레이저에 따라서 수 배 범위 내의 실질 값에 해당된다.
도 2는 제 2 시간(T2)에 단 하나의 고강도(high intensity)의 레이저 조사(照射)가 행해지는 본 발명의 실시예를 예시한다. 몇몇 실시예에서는, 이중(double)(또는 보다 일반적으로는, 복수의) 레이저 조사가 행해질 수 있다. 제 1의 고강도 레이저 조사는 용융물을 교반(攪拌)시켜 진동하게 하며, 그 다음에 제 2의 고강도 레이저 조사는 제 2 부품 쪽으로의 용융물의 이동과 동시에 이루어지도 록 시간이 맞춰진다. 이러한 방식으로, 용접에 더 적은 에너지가 필요하게 되고 오염이 더 적게 발생한다.
도 3a는 본 방법의 제 1 단계를 예시한다. 부품(12)에 용융물(31)이 생성된다.
도 3b는 본 방법의 제 2 단계를 예시한다. 용융물(31)이 부품(13) 쪽으로 밀려난다.
도 3c는 본 방법의 선택적인 후속 단계를 예시한다. 용융물의 크기가 증대된다{용융물(31)의 일부(31a)}. 이러한 예에서, 제 3 레이저 빔 강도는 제 1 레이저 빔 강도와 거의 같으며, 이는 제어 측면에서 선호되는 수월한 실시예이다. 하지만, 일부 실시예에서는, 제 3 레이저 빔 강도가 제 1 레이저 빔 강도와 다를 수 있다.
본 발명의 방법의 실시예에 따라 행해진 스폿 용접을 도 4에서 볼 수 있다. 이 도면은, 각각 250㎛의 두께를 가지며 250㎛의 갭으로 서로 상하로 위치된 두 개의 스테인리스 스틸 플레이트(12와 13) 사이에 행해진 스폿 용접의 횡단면을 도시한다.
갭이 이어지며 견고한 용접부(31)가 만들어진다.
이러한 예에서는, 레이저 빔이 부품(12)에 입사되었다. 하나의 레이저 빔이 부품(12)에 입사되고 다른 하나의 레이저 빔은 부품(13)에 입사되게 두 개의 레이저 빔이 사용된다면, 훨씬 더 큰 갭도 이을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 방법에 의해서 만들어질 수 있는 구조를 개략적으로 도시한다. 두 플레이트(12와 13) 사이- 이 사이에는 용접부(31)가 만들어짐- 에는, 용접부(31)가 관통될 수 있는 개구(52)를 갖는 중간 플레이트(51)가 위치된다. 개구(52)가 용접부(31)보다 커서, 플레이트(51)는 부품들(12와 13) 사이에 형성된 갭 내에서 (제한되긴 하지만) 이동의 자유(freedom of movement)를 갖는다. 이러한 방식으로, 유연한 구조가 만들어질 수 있다. 이러한 구조는 움직이는 부품에 사용될 수 있다.
본 방법은 다양한 방도로 사용될 수 있다.
앞의 예에는, 하나의 레이저 빔이 사용된다. 장치의 단순성의 측면에서 이러한 예가 선호되는 실시예이기는 하지만, 본 발명의 실시예에서는 하나의 레이저 빔은 용융물을 생성하는데 사용되고 다른 하나의 레이저 빔은 용융물을 제 2 부품 쪽으로 밀어내는데 사용되게 두 개의 레이저 빔이 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 이러한 두 개의 레이저 빔을 사용하는 실시예의 적용에 제한을 두지 않게, 다수의 가능한 유익한 사용이 여기에 설명되어 있다.
라인을 따르는 레이저 용접이 행해질 수 있으며, 그래서 (지속적으로 작용하는) 제 1 레이저는 펄스식으로 작용하는 제 2 레이저보다 조금 '앞서(ahead of)' 집속될 수 있다.
제 1 레이저에 의해 방출되는 광(光)의 파장은 재료를 가열할 수 있도록 튜닝(tuning)될 수 있는 반면, 제 2 레이저에 의해 방출되는 레이저 광의 파장은 재료를 증발시킬 수 있도록 튜닝될 수 있다.
상술한 실시예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하는 것이며, 그래서 당업자는 첨부된 청구항의 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 실시예를 안출해 낼 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 청구항에서, 괄호 안에 넣어진 어떠한 참조 문자도 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 동사 "포함한다(comprise)"와 이 동사의 어형 변화의 사용은 청구항에 언급된 요소와 단계 외에 다른 요소와 단계의 존재를 배제하지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 레이저 빔으로 여러 부품을 서로 용접하는 방법에 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 레이저 빔(11)으로 부품들을 서로 용접하는 방법으로서,
    제 1 레이저 강도(laser intensity)로 하나 이상의 부품(12)에 하나 이상의 용융물(melt)(31)을 형성하는 제 1 단계와,
    상기 제 1 레이저 강도보다 높은 제 2 레이저 강도로 상기 하나 이상의 용융물(31)을 제 2 부품(13) 쪽으로 밀어내며, 그래서 상기 하나 이상의 부품과 상기 제 2 부품을 서로 용접하는 제 2 단계를
    포함하는 두 개 이상의 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 부품은 두께(ep)를 가지며,
    상기 부품들 사이에는 갭(gap)(gp)이 존재하며,
    상기 두께는 상기 하나 이상의 부품의 일 측면과 상응하는 반대편 측면 사이의 거리이며, 상기 갭은 상기 하나 이상의 부품과 상기 제 2 부품의 마주보는 측면 사이의 거리인 것을
    특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방법은 스폿 용접 방법인 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 갭은 상기 두께의 40% 이상 200% 이하인(2.0ep ≥gp ≥0.4ep) 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 갭은 상기 두께의 100% 이상 200% 이하인(2.0ep ≥gp ≥1.0ep) 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 레이저 강도보다 낮은 제 3 레이저 강도로 하나 이상의 레이저 빔이 작용하는 후속 단계(subsequent step)(T3)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 레이저 빔은 상기 하나 이상의 부품의 위로부터 나오는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 레이저 빔은 상기 하나 이상의 부품의 아래로부터 나오는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 단계 동안에 상기 제 2 부품에 제 2 용융물을 생성하기 위해 제 2 레이저 빔이 사용되며, 그래서 상기 제 2 단계에서는 상기 하나 이상의 용융물과 상기 제 2 용융물이 서로를 향해서 밀려지는 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 부품들은 금속제 부품인 것을 특징으로 하는, 하나 이상의 레이저 빔으로 부품들을 서로 용접하는 방법.
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