KR102483355B1 - 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조 및 레이저 키홀 용접 방법 - Google Patents

Abstract

[과제] 본 발명은, 스퍼터의 발생을 안정적으로 억제하여 확실한 전기적 접속을 확보하면서, 또한, 기계적으로도 강고한 접속을 얻는, 알루미늄재의 레이저 키홀(keyhole) 용접 구조, 및 키홀 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결 수단] 전자 부품에 대하여 레이저광을 조사(照射)하여 전자 부품을 구성하는 알루미늄재 요소를 용접하여 형성된 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조로서, 형성되는 용접 너깃의 상부 테이퍼부 벌어짐 각도(θ)가 45° 이하인 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조로 한다.

Description

알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조 및 레이저 키홀 용접 방법

본 발명은, 스퍼터의 발생을 저감시키는 알루미늄재의 레이저 키홀(keyhole) 용접 구조 및 레이저 키홀 용접 방법에 관한 것이다.

전해컨덴서 또는 전기이중층 커패시터는, 커패시터 소자와, 알루미늄 소재로 형성된 외부단자를 용접 접속하여 전기적으로 접속하기 위하여, 레이저 용접 공정을 거치는 것이 알려져 있다. 커패시터 소자와 알루미늄 소재의 용접 접속에 의해, 전기적으로 도통(導通)되어 소자 측의 내부 저항이 저감되는 동시에, 상기 용접 접속 부분의 접촉 저항을 저감시킬 수 있다. 그 외에도, 전해컨덴서끼리, 전기이중층 커패시터끼리를 버스바(bus bar)에 의해 접속할 때도 레이저 용접을 사용한 용접 접속에 의해, 접촉 저항을 저감시키고 있다.

이와 같은 레이저 용접에 의한 전기적인 접속에 관해서, 예를 들면, 하기 특허문헌 1에는, 전기화학 커패시터의 내부의 저저항화를 도모하기 위하여, 권취형의 소자의 단부(端部)와 평면을 가진 인출단자를 용접 접합에 의해 접속시키는 단면집전으로 불리우는 구성을 사용하여, 전극단자의 구성에 의해 집전체와 인출단자의 접촉 면적을 넓히는 것이 가능한 것에 대하여 기재되어 있다.

일본공개특허 제2010-093178호 공보

그런데, 레이저 용접 장치의 레이저광 출사구 부근에는 통상, 용접 대상물 등으로부터 발생한 금속 등 증기(가스)를 포함하는 플룸(plume)이나 스퍼터 등에 기인하는 오염 부착(오염 비래(飛來))을 방지하기 위해서, 상기 레이저 출사구와 대상 공작물을 공간적으로 구획하는 오염 방지 유리 등이 배치되어 있다.

그러나, 레이저 용접의 시간 경과와 함께, 이 오염 방지 유리에 점차 오염물이 부착되는 것에 기인하여 오염 방지 유리가 렌즈상(狀) 기능 등을 가지기에 이르러, 대상 공작물에 대한 초점이 맞지 않게 되어 결과적으로 충분한 용접 강도를 얻을 수 없게 되는 현상이 발견되었다. 이와 같은 현상에 대해서는, 용접 대상물이 탑재된 대상 공작물을 Z축 방향(레이저광 조사(照射) 방향)으로 이동시켜 초점을 맞추는 대응만으로는 해소할 수 있는 것은 아닌 것으로 여겨진다.

즉, 오염 방지 유리의 오염은, 초점의 어긋남을 초래할 뿐만 아니라, 상기 오염에 의해 어느 정도의 레이저광이 흡수, 산란되어, 대상 공작물에 도달하는 레이저광 총에너지 바로 그것의 저감을 초래하는 것이 판명되었다.

오염 방지 유리는, 일정 정도 이상의 오염이 부착되면 또는 일정 시간 이상의 레이저 용접 작업이 수행되면, 정기적으로 교환되지만, 교환 임계값에 도달할 때까지의 사이에는 다소의 오염 부착을 가진 상태라도, 계속 사용된다. 이와 같은 상태라도, 레이저 용접 장치는, 안전하게 또한 확실하게 원하는 용접 강도를 확보하는 것이 요구된다.

전술한 바와 같이, 스퍼터의 발생을 전형예로 하는 오염의 발생은, 각종 바람직하지은 영향을 레이저 용접 장치나 용접 대상물에 미치고, 단자간의 단락(短絡) 쇼트의 발생 등 예기치 않은 불량 현상을 초래하는 것에도 이어질 수 있다. 이 때문에, 레이저 용접 시에, 특히 양산 공정에 있어서, 어떤 방법으로 스퍼터의 발생을 안정적으로 억제하여 확실한 전기적 접속을 확보하면서, 또한, 기계적으로도 강고한 접속을 계속적으로 얻을 것인가는 극히 중요한 과제이다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 스퍼터의 발생을 안정적으로 억제하여 확실한 전기적 접속을 확보하면서, 또한, 기계적으로도 강고한 접속을 얻는, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조 및 레이저 키홀 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 레이저 키홀 용접 구조는, 전자 부품에 대하여 레이저광을 조사하여 전자 부품을 구성하는 알루미늄재 요소를 용접하여 형성된 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조로서, 형성되는 용접 너깃(nugget)의 상부의 테이퍼부 벌어짐 각도 (θ)가 45° 이하인 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조로 하는 것을 특징으로 한다.

스퍼터의 발생을 안정적으로 억제하여 확실한 전기적 접속을 확보하면서, 또한, 기계적으로도 강고한 접속을 얻는, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조 및 레이저 키홀 용접 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명자에 의한 관찰 결과로부터 얻은 지견에 기초한, 스퍼터가 발생하는 경우의 종래의 키홀 용접과 본 발명에 의한 스퍼터가 발생하지 않는 경우의 키홀 용접을 비교하여 설명하는 모식도이며, (a)가 종래의 레이저 용접을 설명하고, (b)가 본 발명에 의한 레이저 용접을 설명하고 있다.
도 2는 본 발명의 레이저 용접 방법을 적용 가능한 커패시터 부품의 알루미늄 전극 부위에 대하여 설명하는 도면이다.
도 3의 (a)는 연결용 버스바의 레이저 흔(痕)을 관찰한 상태를 설명하는 평면도이며, (b)는 (a)에 나타낸 레이저 용접 흔을 파선 부분으로 절단한 A-A 단면의 너깃 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 레이저 키홀 용접 후의 알루미늄 소재의 단면의 너깃 형상을 개념적으로 설명하는 모식도이며, (a)가 용접 대상이 되는 2개의 알루미늄 소재를 맞대어 배치하는 용접 준비 상태를 설명하는 도면이며, (b)가 형성되는 키홀과 그 상방의 용융지(溶融池)의 형상의 관계를 설명하는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 스퍼터 저감 효과를 나타내는 용접 너깃의 단면의 형상에 대하여 더욱 상세하게 설명하는 모식도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 (식 1) 및 (식 2)을 도출하기에 이른 근거를 나타내는 그래프화한 데이터를 설명하는 도면이며, (a)가 스퍼터 발생 레벨과 θ의 관계성을 나타내는 그래프이며, (b)가 스퍼터 발생 레벨과 (I/H)의 관계성을 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)가 종래 기술에 의한 스퍼터 발생을 설명하고, 도 7의 (b)가 본 발명에 의한 스퍼터 억제를 설명하는 개요도이다.
도 8은 새틀라이트(satellite) 출력광 등에 의한 주변 가열의 패턴 변화를 예시하는 설명도이다.

본 실시형태에서 설명하는 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 전형적으로는 하나의 레이저광을 센터 출력광과 새틀라이트 출력광으로 적절하게 분리하여 출력하는 구성의 용접 장치를 이용할 수 있다. 센터 출력광은, 레이저 용접 시에, 용접 대상물인 알루미늄재에 키홀을 형성하여 깊은 개소(箇所)까지 녹아들게 함으로써 강고하게 용접하는 것에 기여한다.

또한, 새틀라이트 출력광은, 레이저 용접 시에, 용접 대상물인 알루미늄재에 형성된 상기 키홀의 주위를 가열하여, 상기 키홀의 주위에 상기 키홀보다 비교적 얕고, 또한 폭이 넓은(보다 대면적)의 용융지를 형성하는 것에 기여한다.

새틀라이트 출력광은, 센터 출력광과 동일한 레이저 발진기로부터 출력되는 동일 레이저광을 광섬유나 회절소자, 또는 비구면(非球面) 렌즈 등에 의해, 임의의 강도비로 분리하여, 출력하도록 할 수 있다. 예를 들면, 광섬유의 코어 형상을 동축(同軸) 2중 코어 구조로 함으로써, 센터 출력광과 새틀라이트 출력광을 분리하도록 해도 된다. 이와 같은 구성은, 일본특표 2008-511148에 개시되어 있는 바와 같이 이미 공지되어 있으므로, 여기서는 상술(詳述)하지 않는다.

또한, 새틀라이트 출력광은, 센터 출력광으로 형성되는 키홀의 주위에 열을 가하여 비교적 얕고 넓은 용융지를 형성하는 기능을 가지므로, 상기한 기능을 다른 가열소자(예를 들면, 할로겐광에 의한 가열이나 다른 열원 유닛 등)로 대체하도록해도 되고, 용접 대상물인 알루미늄재의 형상이나 구조를 연구하여, 센터 출력광에 의해 획득한 열이 신속하게 주위로 퍼져서 얕고 넓은 용융지가 키홀의 주위에 형성되도록 구성해도 된다.

또한, 레이저 용접 후의 알루미늄재 등의 단면에 있어서, 형성되는 용접 너깃의 키홀 상부의 테이퍼부 벌어짐 각도가 45° 이하가 되도록, 레이저광의 출력(에너지 밀도), 및 센터 출력광과 새틀라이트 출력광의 출력비, 및 용접 속도(또는 공작물 속도)를 조정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성함으로써, 스퍼터의 발생이 극히 저감되는 것을 본 발명자는 발견하였다. 구체적으로는, 본 발명자가, 레이저 용접 공정을 신중하게 관찰하고, 용접 실험과 고찰을 거듭하여 얻은 지견에 의하면, 스퍼터의 발생은, 레이저 용접 시에 형성되는 깊고 좁은 키홀 용융지로부터 돌비(突沸)하도록 비산(飛散)되는 플룸형의 비산물에 기인하는 것으로 판명되었다.

즉, 레이저 용접 시의 키홀에서는 상당한 알루미늄 증기(가스)도 또한 발생하지만, 상기 키홀은 비교적 좁은 범위에서 깊은 심도까지 용융하므로, 상기 알루미늄 증기가, 용융지(전형적으로는 키홀)의 내부에 폐색(閉塞)되는 것에 의해, 갈 곳을 잃은 알루미늄 증기가 돌비하도록 비산되는 것에 의해 발생하는 것이다. 이해를 쉽게 하기 위해 예를 들면 바로 화산의 수증기 폭발과 같은 양상인 것으로 여겨진다.

키홀 내부나 심부 즉 좁고 깊은 용융지 내에서 발생한 알루미늄 증기는, 용융지 표면부터 외부로 방산되고자 해도, 그 상면에는 용융지의 액체 알루미늄이 덮이게 되고, 액체 알루미늄 등에 둘러싸여져서 폐색되게 된다. 발생한 알루미늄 증기는, 액체 알루미늄을 밀어내어 표면으로부터 방산되고자 하는 어떤 일정 정도의 힘이 작용하는 것으로 여겨진다.

그러나, 상기 키홀의 용융지는 깊고 좁으므로, 밀어내어진 액체 알루미늄이 퇴피하는 수평 방향의 스페이스가 극히 한정되어 있고, 이 때문에 액체 알루미늄이 상방으로 솟아오르는 등에 의해 수직 방향으로 퇴피하지 않을 수 없다. 그러나, 수직 방향으로 솟아오른 액체 알루미늄은 알루미늄 증기가 방산되기 전에 다음 순간에는, 상방으로 밀어내어진 반동으로 중력에 의해 상기 알루미늄 증기에 덮이게 되어, 순간적으로 폐색 상태가 형성된다. 그리고, 돌비하도록 폭발적으로 알루미늄 증기와 그 주위의 액체 알루미늄이 비산되어 스퍼터가 발생한다.

도 1은, 본 발명자에 의한 관찰 결과로부터 얻은 지견에 기초한, 스퍼터가 발생할 경우의 종래의 키홀 용접과 본 발명에 의한 스퍼터가 발생하지 않는 경우의 키홀 용접을 비교하여 설명하는 모식도이다. 도 1의 (a)가 종래의 레이저 용접을 설명하고, 도 1의 (b)가 본 발명에 의한 레이저 용접을 설명하고 있다.

도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 종래, 원형의 레이저 용접 진행에 따라, 용융지의 표면에 금속 증기가 방출되는 것에 의한 개구공(開口孔)이 형성되거나 개구되는 현상이, 거의 번갈아 불규칙적으로 반복되게 된다. 즉, 레이저 용접 시에 형성되는 키홀은, 주변의 용융 금속의 요동에 의해, 불안정하게 개폐를 반복하게 되고, 개구한 경우에 내부의 금속 증기 압력에 의해, 돌비하도록 주위의 용융 금속을 비산시켜 스퍼터를 발생시키게 된다.

한편, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 레이저 용접 방법에 의하면, 원형의 레이저 용접 진행의 사이에, 키홀은 개구가 항상 안정적으로 유지되게 되어, 알루미늄 증기가 용융지의 용융 금속을 끌어들이지 않고, 원활하게 방출되게 된다. 도 1에서는, 원형 형상으로 레이저 용접을 수행하는 경우에 대하여 설명하고 있지만, 용접 진행의 형상은 원형으로 한정되는 것은 아니다.

이 때문에, 스퍼터의 발생을 억제하기 위해서는, 키홀에 의해 발생한 상당량의 알루미늄 증기가 너깃 내부에 폐색되지 않고, 원활하게 용융지 외부로 배출되도는 가스 배기 구성을, 레이저 용접 공정하는 동안 형성할 수 있게 하고, 또한 이것을 레이저 용접 공정하는 동안 유지하는 것이 중요하게 된다.

한편, 알루미늄재에 키홀을 형성하여 키홀 용접을 수행하기 위해서는, 비교적 고에너지 밀도를 요하므로, 레이저광 빔을 좁은 범위(예를 들면, 직경 400㎛ 정도)에 집중시켜 알루미늄재에 조사하게 된다. 이 때문에 키홀 자체의 용융지는 비교적 소면적으로 좁게(예를 들면, 직경 1mm 이하), 또한 급준한 테이퍼 각도를 가지고 급격하게 깊이 방향으로 깊어지는 용융지(및 너깃)가 형성된다.

이와 같은 형상을 나타내는 키홀의 용접지는, 그 표면적 및 폭이 좁으므로, 전술한 바와 같이 레이저 용접하는 동안, 항상 용융 알루미늄으로 폐색된 상태가 유지되어, 키홀 내에서 발생한 알루미늄 증기가, 용융지 표면으로부터 키홀 외부로 방출하는 경로가 끊어지게 된다. 그리고, 폐색된 알루미늄 증기는, 열에 의한 체적팽창도 있어서, 폭발적으로 돌비하여 주위로 비산하고 결과적으로 스퍼터를 발생시키게 된다.

그래서, 본 실시형태에 의한 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법에서는, 키홀을 형성하기 위한 센터 출력광의 주위의 알루미늄재를 적절하게 가열함으로써, 레이저 용접 시의 용융지의 표면적을 넓히고, 용융지의 개구(용융지 직경 및/또는 폭)를, 보다 크게 설치하도록 유지하면서 레이저 용접을 수행하는 방법을 제안한다.

이로써, 용융지의 표면에서의 용융 알루미늄의 퇴피 장소가 수평 방향으로 넓어지게 되어, 키홀에 대응하는 용융지 표면에 알루미늄 증기를 외부로 방출하기 위한 개구공이 형성되어 쉽고 또한 유지되기 쉬운 구성이 된다. 그리고, 레이저 용접하는 동안, 상기 용융지 표면에, 항상 형성되는 개구공으로부터 알루미늄 증기가 항상 외부로 원활하게 방출되게 되어, 돌비적인 스퍼터 발생이 억제되게 된다.

도 2는, 본 발명의 레이저 용접 방법을 적용 가능한 커패시터 부품(셀)의 알루미늄 전극 부위에 대하여 설명하는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 2개의 커패시터 봉구판(封口板)(1000)의 상면에는 각각 제1 단자(1010, 1030)와, 제2 단자(1020, 1040)가 배치되어 있다. 한쪽 커패시터의 봉구판(1000)의 제2 단자(1020)와, 다른 쪽 커패시터의 봉구판(1000)의 제1 단자(1030)를 연결용 버스바(1050)로 연결하는 경우에, 레이저 키홀 용접이 적용된다.

그리고, 도 2에 있어서는, 커패시터의 봉구판(1000)을 2개 직렬 접속하는 예를 나타내고 있지만, 원하는 요구 특성에 대응하여 5∼6 개 병렬 또는 직렬로 연결해도 되고, 임의의 개수만을 접속하는 것이 가능하다.

또한, 도 3의 (a)는 연결용 버스바의 레이저흔을 관찰한 상태를 설명하는 평면도이며, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 나타낸 레이저 용접흔을 파선 부분으로 절단한 A-A 단면의 너깃 형상을 나타낸 도면이다. 도 3의 (b)에 있어서, 레이저 용접은 지면(紙面) 바로 앞쪽으로부터 지면 이면측(裏面側) 방향으로 진행되고 있는 것이다.

도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 스퍼터가 억제된 레이저 키홀 용접에 있어서는, 단면 관찰한 너깃 구조에 있어서, 키홀의 상방에는, 와인컵형으로 새로운 확산각을 가지는 테이퍼부가 형성된다. 이로써, 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 거의 수직 하방으로 형성되는 키홀과, 와인컵형으로 새로운 확산각을 가지는 테이퍼부의 경계에 굴곡부를 구비하는 구조를 나타낸다.

도 4는, 레이저 키홀 용접 후의 알루미늄 소재의 단면 너깃 형상을 개념적으로 설명하는 모식도이다. 도 4 (a)가 용접 대상이 되는 2개의 알루미늄 소재(8100, 8200)를 맞대어 배치하는 용접 준비 상태를 설명하는 도면이며, 도 4의 (b)가 형성되는 키홀(8500)과 그 상방의 용융지의 형상 관계를 설명하는 개념도이다.

도 4의 (a)에 나타낸 알루미늄 소재(8100, 8200)는, 모두 소위 A1000계의 알루미늄 소재로서, 전형적으로는 A1050인 것이 바람직하다. 순도가 높은 알루미늄 소재는, 본 발명의 작용과 효과를 비교적 용이하게 또한 충실하게 발현하는 것이 가능한 것으로 여겨진다.

도 4의 (a)에 나타낸 알루미늄 소재(8100, 8200)의 지면(紙面) 상방으로부터 레이저 빔(8300)을 조사하여, 레이저 용접을 수행하는 상태를 설명하는 도 4의 (b)에서는, 용접 진행 방향은, 지면 바로 앞으로부터 지면 이면측 방향이거나, 지면 이면측으로부터 지면 바로 앞 방향이다. 키홀(8500)의 직경은, 기본적으로는 조사 빔 직경과 거의 동일하다.

도 4의 (b)에 나타낸 용접 너깃(8600)의 형상에서는, 깊고 좁은 키홀(8500)의 상방으로 와인 컵형의 테이퍼 퍼짐부(8400)가 존재한다. 이와 같은 너깃 형상을 이루도록 레이저 용접 공정을 수행하면, 테이퍼 퍼짐부(8400)가 충분히 넓게 설치되는 일정 조건 하에서, 용융지 내의 용융 알루미늄의 이동 자유도가 커지게 되어 이동 저항도 저감되므로, 비교적 용이하게 가스 빠짐 구멍이 형성·유지되어 스퍼터가 억제되게 된다.

또한, 도 5는, 본 발명의 스퍼터 저감 효과를 나타내는 용접 너깃의 단면 형상에 대하여 더욱 상세하게 설명하는 모식도이다. 용접 너깃의 형상 그 자체는, 레이저 용접 시에 그 자리에서 관찰하는 것은 곤란하므로, 도 5에 설명하는 바와 같은 용접 너깃 형상이 되도록 레이저 키홀 용접을 수행할 수 있도록 용접 재료나 용접 조건 등을 적절하게 설정·조정함으로써, 실제로 스퍼터가 저감된 레이저 용접을 수행 가능하게 된다.

도 5에 있어서, A는 너깃 바닥부 중심부터 외측으로 연신된 직선이 최초로 측벽과 접하는 제1 굴곡점을 나타내고, B는 A로부터 너깃의 측벽에 접하면서 외측 상방으로 연신된 직선이 측벽으로부터 이탈하는 제2 굴곡점이며, C는 A로부터 너깃 중심선에 내린 수선(垂線)의 발이다.

또한, 도 5에 있어서, D는 직선 CA를 외측으로 연장한 직선 상의 임의의 점이며, E는 너깃의 최상면(最上面)의 최외주(最外周)의 점으로서 용융지의 표면의 외연(外緣)에 대응하는 점이다. 또한, F는 A로부터 너깃의 최상면에 수직으로 내린 수선의 발이며, G는 용접 너깃의 최상면과 바닥부의 간격으로서, 용융 녹아든 깊이를 나타내는 값이며, H는 G/2의 깊이에서의 너깃의 폭을 나타내는 값이다. 또한, I는 EF 사이의 직선 거리를 나타낸 것으로서, 상면의 너깃 폭의 절반으로부터 H의 절반의 폭을 뺀 폭이다. 또한, θ는 직선 AB와 직접 CD가 이루는 예각을 나타낸 것이다. 그리고, 스퍼터가 억제되는 효과를 나타내는 용접 너깃 형상의 조건으로서는, θ이 45° 이하일 것(식 1) 및/또는 I/H가 0.27 이상일 것(식2)을 충족하는 것이 필요하다.

도 6은, 도 5에 나타낸 (식 1) 및 (식 2)의 도출에 도달한 근거를 나타내는, 그래프화한 데이터를 설명하는 도면이다. 도 6의 (a)가 스퍼터 발생 레벨과 θ의 관계성을 나타낸 그래프이며, 도 6의 (b)가 스퍼터 발생 레벨과 I/H의 관계성을 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)로부터 이해할 수 있는 바와 같이, θ가 45° 이하가되도록 하면 용접 시의 스퍼터는 분명히 저감되게 된다. 또한, 도 6의 (b)로부터 이해할 수 있는 바와 같이, I/H가 0.27 이상이 되도록 하면 용접 시의 스퍼터는 분명히 저감되게 된다.

도 7은, 도 6에 나타낸 바와 같은 스퍼터 억제의 메커니즘에 대하여 추정한 스퍼터 억제 기구(機構)를 종래와의 대비에 의해 설명하는 도면이다. 도 7의 (a)가 종래 기술에 의한 스퍼터 발생을 설명하고, 도 7의 (b)가 본 발명에 의한 스퍼터 억제를 설명하는 도면이다. 도 7에 설명하는 메커니즘의 옳고 그름에 대해서는 이후 더욱 검증되기를 기다려야 하지만, 현시점에서 발명자는 도 7에 나타낸 기구에 의한 것으로 추측하고 있으므로, 우선 여기서 그 기구에 대하여 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.

도 7의 (a)에 나타낸 종래 기술에 의한 스퍼터 발생에서는, 용융 금속의 대류(對流)는 내부로부터 외부로 발생하지만 온도 구배가 일정하지 않으므로, 역류하는 경우도 생긴다. 이로써, 키홀의 개구부가 용융 금속에 의해 폐색된다. 폐색된 키홀 내부의 증기 가스가, 폐색하고 있는 용융 금속을 비산시켜 외부로 방출된다. 비산된 용융 금속이 스퍼터가 된다. 대강 전술한 바와 같은 메커니즘이 추측되지만, 도 7의 (a)의 모식도로부터도, 키홀 상부는 용융 금속으로 폐색되기 쉬운 구조로 되어 있고, 개구공을 유지하기 위하여 용융 금속을 퇴피시키는 것이 곤란한 것을 이해할 수 있다.

또한, 도 7의 (b)에 나타낸 본 발명에 의한 스퍼터의 억제 방법에서는, 키홀 주위의 표면 근방에 가열에 의해 폭이 넓어진 용융 영역이 형성되므로, 상부로부터 관찰한 경우에 용융지의 표면적이 증대되게 된다. 이 때문에, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이 개구부가 크게 되므로, 가스가 빠지는 개구공의 확보가 용이하게 된다. 이로써, 용융 영역의 외연부를 폭을 넓히는 것에 의해, 온도 구배(내측이 높고 외측이 낮음)이 안정되므로, 용융 금속은 내부로부터 외부로 상시 대류한다. 가열에 의해 고온화한 용융 금속은 점도가 저하되므로, 대류하기 쉬워진다. 따라서, 키홀의 최상면에 개구부가 용융 금속에 덮히지 않고 확보하기 쉬워지고, 키홀 내의 알루미늄 증기는 항상 개구공으로부터 방출되게 되어, 스퍼터가 억제된다.

본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 전자 부품에 대하여 레이저광을 조사하여 전자 부품을 구성하는 알루미늄재 요소를 용접하는 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법으로서, 레이저광은, 센터 출력광과, 센터 출력광의 주위에 형성된 새틀라이트 출력광으로 구성되는 빔 프로파일을 가지고, 형성되는 용접 너깃의 상부 테이퍼부 벌어짐 각도가 45° 이하인 것을 특징으로 한다.

이로써, 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이 스퍼터의 발생을 안정적으로 억제하여 확실한 전기적 접속을 확보하면서, 또한, 기계적으로도 강고한 접속을 얻는, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법을 제공할 수 있게 된다. 또한, 센터 출력광과, 센터 출력광의 주위에 형성된 새틀라이트 출력광은, 동일한 레이저 발진기로부터 출력된 하나의 레이저광을, 동축(同軸)의 2개의 도파로를 가지는 광 케이블을 사용함으로써 분리해도 된다. 또한, 센터 출력광의 강도와, 새틀라이트 출력광의 강도는, 집광 렌즈의 조정 등에 의해 강도비를 조정하도록 해도 된다. 또한, 각 광 출력을 각각 다른 광원으로부터 취득하여 조사하도록 해도 된다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 바람직하게는 용접 너깃의 표면의 폭의 반값(ES)과 용접 너깃 전체의 깊이(G)의 절반(G/2)에서의 용접 너깃의 폭(H)의 반값(H/2)의 차(I)와, 상기 용접 너깃의 폭(H)의 비(I/H)가, 0.27 이상인 것을 특징으로 한다.

이로써, 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 스퍼터가 분명히 저감된 레이저 키홀 용접을 수행하는 것이 가능하게 된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 레이저 키홀 용접 시에 형성되는 키홀과 용융지는, 그 후의 냉각에 의해 고화되어 용접 너깃을 형성한다. 본 건 발명자의 상세한 검토에 의해, 용접 너깃의 직경을 포함하는 형상과 스퍼터 발생의 사이에는 밀접 불가분한 관계성을 가지는 것이 판명되었다. 얻어진 지견에 의하면, 용접 너깃의 표면의 폭의 반값(ES)과 용접 너깃 전체의 깊이(G)의 절반(G/2)에서의 용접 너깃의 폭(H)의 반값(H/2)의 차(I)가 클수록, 즉 용융지 표면의 폭이 클수록, 스퍼터는 억제되게 된다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 바람직하게는 알루미늄재가, AL 성분이 주체인 A1000계(전형적으로는 99.5% 순알루미늄인 A1050)인 것을 특징으로 한다.

레이저 키홀 용접의 대상이 되는 소재는, 비교적 순도가 높은 알루미늄 소재의 전극 용접에 있어서, 특히 본 발명의 스퍼터 억제 효과가 현저한 것을 찾아냈다. 그 원인으로서, 알루미늄의 열전도성의 높이 및 용융 금속의 점성의 낮음 또는 그 재료 특성에 의존하는 것인 가능성도 존재하지만, 확실한 원인은 현시점에서는 판명되지 않고 있다. 또한, A1050을 사용한 컨덴서 전극의 레이저 용접에 있어서는, 극히 양호한 스퍼터 억제 효과가 확인되고 있다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 센터 출력광은 직경 100 내지 500 ㎛이며 500 내지 2000 W 출력이고, 새틀라이트 출력광은 직경 200 내지 800 ㎛이며 1000 내지 3000 W 출력인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 레이저 키홀 용접의 용접 속도는, 1 내지 10 m/min인 것을 특징으로 한다.

용접 속도가 지나치게 크면, 용접에 필요충분한 열 에너지를 부여할 수 없고, 키홀이나 용융지의 형성이 충분하지 않으며, 용접 불량이나 스퍼터의 증대를 초래하게 된다. 한편, 용접 속도가 지나치게 작으면, 부여하는 열 에너지가 지나치게 크게 되고, 대상물에 대하여 필요한 용접 한도를 넘어서 데미지를 줄 수도 있게 된다. 이 때문에, 레이저 출력과의 균형을 맞춘다면, 전형예로서는 1 내지 10 m/min의 속도인 것이 가장 바람직한 것으로 여겨진다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 새틀라이트 출력광이, 센터 출력광의 주위에, 센터 출력광의 중심에 대하여 축 대상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이로써, 센터 출력광의 주위에 대하여 균일하게 열을 가할 수 있고, 센터 출력광의 주위에 전체로서 균형이 잡힌 용융지를 형성하는 것이 가능하게 된다. 센터 출력광이 조사되는 개소에 키홀이 형성되므로, 키홀의 주위에 양호한 밸런스로 용융지를 형성하고, 키홀 내에서 알루미늄 증기가 발생한 경우에, 키홀 직상(直上)의 용융 알루미늄이 회피하여 증기 방출공을 용이하게 형성하고, 유지할 수 있게 된다. 여기서, 도 8은, 새틀라이트 출력광 등에 의한 주변 가열의 패턴 변화를 예시하는 설명도이다. 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 새틀라이트 출력광이 센터 출력광의 주위에 링형으로 배치되어 있어도 되고, 다양한 변화를 고려할 수 있지만, 도 8에 나타낸 가열 형상으로 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 새틀라이트 출력광은, 센터 출력광의 주위에, 복수의 도트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

전형적으로는, 도 8의 (b)에 나타낸 패턴의 조사광 등의 형상이지만, 이것으로 한정되지 않고, 각각의 도트의 형상, 크기, 전체의 도트 배치 패턴, 개수, 위치 등은, 피용접 알루미늄의 특성이나 레이저 용접 특성 및 요구 품질 특성 등에 맞추어서 임의·최적인 것으로 할 수 있다. 이와 같은 도트의 출력 패턴은, 회절소자를 사용하여 적절하게 조정 가능하다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 새틀라이트 출력광이, 센터 출력광의 주위에, 복수의 직사각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

전형적으로는, 도 8의 (c)에 나타내는 패턴의 조사광 등의 형상이지만, 이것으로 한정되지 않고, 각각의 직사각형의 형상, 크기, 길이, 전체의 배치 패턴, 개수 및 그 위치는, 피용접 알루미늄의 특성 등에 맞추어 임의·최적인 것으로 할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 새틀라이트 출력광은, 센터 출력광의 주위에, 방사형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

전형적으로는, 도 8의 (d)에 나타낸 패턴의 조사광 등의 형상이지만, 이것으로 한정되지 않고, 각각의 방사형상이나 크기, 길이, 전체의 배치 패턴, 개수 및 그 위치는, 피용접 알루미늄의 특성 등에 맞추어 임의·최적인 것으로 할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 센터 출력광과 새틀라이트 출력광은, 비구면 렌즈 또는 회절소자(DOE)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

직선 편광을 포함하는 레이저광을 집광 또는 발산시키는 렌즈와, 렌즈를 경유한 레이저광의 편광 방향을 연속하여 임의로 변경하는 1/2 파장판과, 1/2 파장판을 경유한 레이저광을 2개 이상으로 분할하는 복굴절 소자를 구비하는 광학계에 의해 실현해도 된다. 이와 같은 광학계에서는, 전형적으로는 복굴절 소자를 회전시키거나 그 두께를 변경함으로써, 조사 패턴을 임의로 변경할 수 있다. 또한, 편광 수단은, 원하는 편광 효과가 발현되도록, 임의로 구성해도 된다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 새틀라이트 출력광 대신, 레이저광를 제외한 다른 열원에 의해 센터 출력광의 주위 알루미늄재를 가열하거나, 또는, 센터 출력광에 의해 획득한 열이 신속하게 주위로 확산되는 알루미늄재의 형상으로 하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이, 레이저 용접 시에 키홀 주위에 형성되는 용융지의 표면적이 보다 증대되도록, 그 주위를 가열하는 것이 바람직하다. 이와 같은 가열의 방법·수단으로서, 레이저광(즉 새틀라이트 출력광)에 의해 가열하는 것도 가능하고, 다른 광원으로서 할로겐 램프나 적외선 램프를 사용하거나, 그 외의 임의의 가열 소자을 사용하는 것도 가능하다. 새틀라이트 출력광을 사용하는 경우라도, 센터 출력광과 동일 레이저 발진기로부터의 동일 출력광으로 한정되지 않고, 별도의 레이저 발진기로부터 얻어지는 광을 사용할 수도 있다. 또한, 센터 출력광에 의한 열이 신속하게 그 주위에 확산되는 알루미늄 형상·두께라도 되고, 이들을 적절하게 조합하여 병용해도 된다.

또한, 본 실시형태의 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법은, 더욱 바람직하게는, 레이저 용접하는 동안, 용융지의 표면은, 발생한 알루미늄 증기가 용접 너깃 내에 폐쇄되지 않도록, 적어도 그 일부가 항상 개방 상태인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 용접 방법으로 함으로써, 발생한 알루미늄 가스가 신속하게 또한 원활하게, 용융지 표면의 개구공으로부터 방출되게 되므로, 폭발적인 돌비에 의한 스퍼터의 발생은 크게 억제되게 된다. 그 억제 메커니즘에 대해서는, 본 발명자에 의한 신중한 실험과 관찰에 의해 발견된 것이며, 도 1, 도 7 등에서 설명하고 있다.

또한, 본 실시형태의 용접물의 작성 방법은, 레이저 키홀 용접에 의한 용접물의 작성 방법으로서, 용접에 의해 형성되는 용접 너깃에 있어서, 키홀에 대응하는 너깃 직상의 벌어짐 테이퍼 각도(θ)가 45° 이하인 것을 특징으로 한다.

이로써, 키홀의 상방에 있어서 용융지가 크게 벌어지게 되므로, 용융 알루미늄의 회피 장소가 커져서 회피하기 쉬워지고, 가스 빠짐 개구공이 용이하게 형성·유지되어, 스퍼터가 억제된다. 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 45° 이하에서는, 명확한 스퍼터 억제 효과가 관찰되었다. 그리고, 레이저 용접 시에 형성되는 키홀 및 용접지의 형상이나 크기는, 그 후의 단면 관찰에 의해 너깃 형상으로서 확인 가능하므로, 용접 시에 스퍼터가 충분히 억제되고 있는지의 여부는, 후일 너깃 형상으로부터 판단 가능하다.

또한, 본 실시형태의 용접물의 작성 방법은, 바람직하게는 용접 너깃의 표면의 폭의 반값(ES)과 용접 너깃 전체의 깊이(G)의 절반(G/2)에서의 용접 너깃의 폭(H)의 반값(H/2)의 차(I)와, 상기 용접 너깃의 폭(H)의 비(I/H)가, 0.27 이상인 것을 특징으로 한다.

이로써, 키홀의 상방에 있어서 용융지가 크게 벌어지게 되므로, 용융 알루미늄의 회피 장소가 커져서 회피하기 쉬워지고, 가스 빠짐 개구공이 용이하게 형성·유지되어, 스퍼터가 억제된다. 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이, (I/H)가, 0.27 이상에서는, 명확한 스퍼터 억제 효과가 관찰되었다.

본 발명의 전자 부품용 레이저 용접 방법은, 전술한 실시형태에서 설명한 구성이나 레이저 용접 방법으로 한정되지 않고, 당업자에게 자명한 범위에서 또한 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 그 구성을 적절하게 변경하고 용접 방법을 변경할 수 있다.

본 발명은, 전자 부품용 레이저 용접 장치로서, 전형적으로는 알루미늄제 전극 단자의 레이저 키홀 용접에 바람직하다.

1000··커패시터의 봉구판
1010··제1 단자
1020··제2 단자
1050··연결용 버스바

Claims (11)

1. 전자 부품에 대하여 레이저광을 조사(照射)하여 상기 전자 부품을 구성하는 알루미늄재 요소를 용접하는 알루미늄재의 레이저 키홀(keyhole) 용접 구조로서,
   형성되는 용접 너깃(nugget)의 상부의 테이퍼부 벌어짐 각도(θ)가 45° 이하이고,
   단면(斷面) 형상에서의 상기 용접 너깃의 상면의 폭의 반값(ES)과 상기 용접 너깃 전체의 깊이(G)의 절반(G/2)에서의 상기 용접 너깃의 폭(H)의 반값(H/2)의 차(I)와, 상기 용접 너깃의 폭(H)의 비(I/H)가 0.27 이상이며,
   레이저 광은, 센터 출력광과, 상기 센터 출력광의 주위에 형성된 새틀라이트 출력광으로 구성되는 빔 프로파일을 가지며,
   상기 새틀라이트 출력광은 상기 센터 출력광의 주위에, 상기 센터 출력광의 중심에 대하여 축 대상으로 형성되는,
   알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄재는, AL 성분이 주체인 A1000계인, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 구조.
3. 전자 부품에 대하여 레이저광을 조사하여 상기 전자 부품을 구성하는 알루미늄재 요소를 용접하는 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법으로서,
   상기 레이저광은, 센터 출력광과, 상기 센터 출력광의 주위에 형성된 새틀라이트(satellite) 출력광으로 구성되는 빔 프로파일을 가지고,
   형성되는 용접 너깃의 상부의 테이퍼부 벌어짐 각도(θ)가 45° 이하이며,
   상기 새틀라이트 출력광은, 상기 센터 출력광의 주위에, 상기 센터 출력광의 중심에 대하여 축 대상으로 형성되고,
   단면 형상에서의 상기 용접 너깃의 상면의 폭의 반값(ES)과 상기 용접 너깃 전체의 깊이(G)의 절반(G/2)에서의 상기 용접 너깃의 폭(H)의 반값(H/2)의 차(I)와, 상기 용접 너깃의 폭(H)의 비(I/H)가 0.27 이상인,
   알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 새틀라이트 출력광은, 상기 센터 출력광의 주위에, 복수의 도트 형상으로 형성되는, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 새틀라이트 출력광은, 상기 센터 출력광의 주위에, 복수의 직사각형 형상으로 형성되는, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 새틀라이트 출력광은, 상기 센터 출력광의 주위에, 방사형으로 형성되는, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법.
7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센터 출력광과 상기 새틀라이트 출력광은, 비구면(非球面) 렌즈 또는 회절소자(DOE)에 의해 형성되는, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법.
8. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   레이저 용접하는 동안, 용융지(溶融池)의 표면은, 발생한 알루미늄 증기가 상기 용접 너깃 내에 폐색(閉塞)되지 않도록, 적어도 그 일부가 항상 개방 상태인, 알루미늄재의 레이저 키홀 용접 방법.
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