KR20070108277A - 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법 - Google Patents

레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법 Download PDF

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KR20070108277A
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KR
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laser light
irradiated
laser
cooling
welding
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KR1020077022507A
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English (en)
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히로시 모리
스스무 후지따
레이꼬 고시다
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 레이저 용접에 사용되는 파장에서 낮은 빛 투과율을 갖는 중합체 물질을 레이저 용접하기에 특히 적당한 레이저 용접 방법 및 장치를 제공한다. 용접 동안에 조사되는 표면을 열화로부터 보호하기 위해 설계된 보호 영역이 용접되는 물품에 제공된다.
레이저 용접, 보호 영역, 열가소성 중합체, 폴리에스테르, 중합체 물질

Description

레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법{LASER WELDING APPARATUS AND LASER WELDING METHOD}
본 발명은 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 낮은 레이저 빛 투과율을 갖는 물질에 적용될 수 있는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에 관한 것이다.
더 복잡한 부품으로 기계적으로 조립될 수 있는 성형된 플라스틱 부품을 제조하는 것이 종종 요망된다. 전통적으로, 플라스틱 부품은 그들을 함께 접착제로 붙이거나, 볼트로 죄거나 또는 나사로 죄거나, 또는 스냅-핏(snap-fit) 연결을 이용하는 것과 같은 기계적 수단에 의해 조립되어 왔다. 이들 방법은 복잡한 추가 단계를 조립 공정에 추가할 수 있다는 결점을 갖는다. 스냅-핏 연결은 종종 기밀성(gas-tight) 또는 액밀성(liquid-tight)이 아니며, 복잡한 디자인을 필요로 한다. 더 새로운 기술들은 진동, 마찰 및 초음파 용접을 포함하지만, 이들은 또한 복잡한 부품 디자인 및 용접 장치를 필요로 할 수 있다. 추가로, 이 방법들로부터 생기는 마찰은 부품의 내부를 오염시킬 수 있는 분진을 발생할 수 있다. 이것은 민감한 전기 또는 전자 성분들이 포함될 때 특별히 문제가 된다.
더 최근에 개발된 기술은 레이저 용접이다. 이 방법은 용접에 사용되는 레 이저의 파장에서 상이한 수준의 빛 투과를 갖는 2 개의 중합체 물체(또한 이것은 본원에서는 부재 또는 물품이라고도 부름)를 접합하는 데 사용될 수 있다. 한 물체는 레이저 빛의 파장에 대해 적어도 부분적으로 투명하고, 한편 제 2 물체는 입사 복사선의 상당한 부분을 흡수한다. 물품들을 접촉시키고, 레이저 빔이 부분적으로 투명한 물체를 통해 적어도 부분적으로 통과해서 제 2 물체의 표면을 조사하도록 레이저 빔을 부분적으로 투명한 물체의 표면을 향해 쏘아서 제 2 물체의 표면의 중합체를 용융시킴으로써, 두 물체가 접촉하고 레이저 빔이 조사되는 지점에서 두 물체 사이에 결합을 형성한다.
예를 들어, JP 공개 특허 출원 60-214931 및 62-142092는 한 수지가 레이저 빛에 대해 상대적으로 투명한 상이한 합성 수지들을 상대적으로 투명한 합성 수지 쪽에 레이저 빛을 쏘아서 함께 접합시키는 기술을 게재한다.
JP 공개 특허 출원 2001-71384는 사용되는 파장의 레이저 빛을 흡수하지 않는 제 1 수지 부재 및 사용되는 파장의 레이저 빛을 흡수할 수 있는 제 2 수지 부재를 서로 접촉시키고, 이 어셈블리에 제 1 수지 부재 쪽으로 레이저 빛을 조사하여 그 부재들을 함께 용접시킴으로써 수지 부재를 레이저 용접시키는 방법을 게재한다. 이 방법은 제 1 수지 부재가 사용되는 파장의 레이저 빛을 흡수하지 않는 착색 물질이 안에 분산된 제 1 수지를 포함하고, 제 2 수지 부재가 사용되는 파장의 레이저 빛을 흡수하는 착색 물질이 안에 분산된 제 2 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 방법은 함께 용접된 두 부재가 동일한 색을 갖는 용접된 물품을 제조하는 데 사용될 수 있다. 유사한 접근이 일본 공개 특허 출원 2000-309694, WO 01/044357 및 JP 공개 특허 출원 2003-517075에 기재되어 있다. 그러나, 착색제 및 다른 첨가제의 첨가는 수지의 기계적 성질에 악영향을 줄 수 있다. 얻은 물질은 부적당한 강도, 불충분한 내구성 및/또는 기타 등등을 가질 수 있다.
게다가, JP 공개 특허 출원 2001-105499는 사용되는 파장의 레이저 빛을 투과시키고 열원으로서 구실을 하는 수지 부재, 및 사용되는 파장의 레이저 빛을 투과시키지 않는 수지 부재를 접촉시키고, 투과성 수지 부재 쪽을 향해 레이저 빛을 조사하여 투과성 수지 부재와 비투과성 수지 부재 사이의 접촉 지점에 형성된 결합 표면을 가열하고 용융시켜서 두 부재를 일체를 이루도록 함께 결합시키는 기술을 게재한다. 이 방법은 투과성 수지 부재의 투과율이 26% 이상인 파장의 레이저 빛이 결합시 열원으로 사용되는 것을 특징으로 한다. 이 참고 문헌은 이 특징이 투과성 수지 부재에 의해 투과된 레이저 빛의 에너지 손실이 감소하게 할 수 있고, 결합 표면에서 충분한 가열 및 용융이 일어나게 할 수 있고, 적당한 용접 강도가 보장되게 할 수 있다고 게재한다.
JP 공개 특허 출원 53-134881은 레이저 용접될 중합체 물품을 레이저 용접 전에 중합체의 용융 온도 이하의 온도로 예비 가열시키는 기술을 게재한다.
상기한 레이저 용접 방법에서, 부분적으로 투명한 물품은 레이저 용접에 사용되는 파장의 빛을 약 25% 이상 투과하여야 한다. 이 한계는 이 방법에 사용될 수 있는 물질의 범위를 제한한다.
그러나, 용접에 사용되는 파장의 빛에 대해 불량한 투과율(예: 25% 미만)을 갖는 부분적으로 투명한 물품에 대해 레이저 용접의 사용이 가능하다면, 레이저 용 접에 사용하기 위한 물품을 형성하는 데 더 넓은 범위의 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 레이저 용접이 덜 투과성인 물질에 적용될 수 있으면 더 많은 자동차 응용을 가질 것이다.
따라서, 낮은 레이저 빛 투과율을 갖는 물질을 그것에 첨가제 또는 기타 등등을 첨가하지 않고 레이저 용접할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이 요망된다.
발명의 요약
간략하게 말하자면, 본 발명의 한 양상에 따르면, 레이저 빛 조사 수단, 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 지탱 또는 고정하기 위한 고정 수단, 및 제 1 부재 상에 보호 영역을 형성하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하고, 열가소성 중합체를 포함하는 제 1 부재 및 열가소성 중합체를 포함하는 제 2 부재를 서로 접촉시키고, 레이저 빛이 제 1 부재를 통과해서 제 2 부재와 접촉하도록 제 1 부재의 표면에 레이저 빛을 조사함으로써 제 1 부재와 제 2 부재를 함께 용접시키며, 상기 제 2 부재가 레이저 빛이 제 2 부재와 접촉하는 지점에서 레이저 빛을 흡수할 수 있는 것인 레이저 용접 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 한 양상에 따르면, 열가소성 중합체를 포함하는 제 1 부재와 열가소성 중합체를 포함하는 제 2 부재를 접촉시키고, 레이저 빛이 제 1 부재를 통과해서 제 2 부재와 접촉하도록 제 1 부재의 표면에 레이저 빛을 조사함으로써 제 1 부재와 제 2 부재를 함께 용접시키는 것을 포함하고, 상기 제 2 부재가 레이저 빛이 제 2 부재와 접촉하는 지점에서 레이저 빛을 흡수할 수 있고, 상기 제 1 부재의 표면에 레이저 빛이 조사되는 동안에 제 1 부재 상에 보호 영역이 형성되는 두 부재를 레이저 용접하는 방법이 제공된다.
본 발명은 첨부 도면과 관련시킬 때 다음 상세한 설명으로부터 더 충분히 이해될 것이다.
본 발명을 그의 바람직한 실시태양과 관련시켜서 기술하겠지만, 그것이 본 발명을 그 실시태양으로 제한하는 의도는 없음을 이해할 것이다. 반대로, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 한정되는 본 발명의 정신 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 별법, 변형 및 균등물을 망라하는 것을 의도한다.
발명의 상세한 설명
본 명세서에서 사용되는 "레이저 빛 투과율"이라는 용어는 물품에 의해 투과되는 레이저 용접에 사용되는 파장을 갖는 입사광의 백분율을 의미한다. 물품 또는 부재가 특정한 레이저 빛 투과율을 갖는다고 말할 때, 이것은 레이저 용접될 물품 또는 부재의 영역에서의 물품 또는 부재의 두께에서 물품 또는 부재에 의해 투과되는 레이저 용접에 사용되는 파장을 갖는 입사광의 백분율을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 "레이저 빛을 흡수할 수 있는"이라는 용어는 물품이 레이저 용접에 사용되는 파장의 입사광을 레이저 빛이 그 표면에 충돌하는 지점에서 물품을 용융시키기에 충분하게 흡수한다는 것을 의미한다.
본 발명은 레이저 용접 장치에 관한 것이다. 이 장치는 레이저 광원, 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 지탱 또는 고정하기 위한 고정 수단, 및 제 1 부재의 표면 상에 또는 그 근처에 보호 영역을 형성하기 위한 수단을 갖는, 레이저 빛 투과율이 바람직하게는 약 25% 이하인 제 1 부재 및 레이저 빛을 흡수할 수 있는 제 2 부재를 서로 접촉시켜서 연접부를 형성하고, 이 연접부에 레이저 빛을 조사하여 제 1 부재 및 제 2 부재를 함께 용접하는 레이저 용접 장치이다.
추가로, 본 발명은 레이저 용접 방법에 관한 것이다. 이 방법에서는, 레이저 빛 투과율이 25% 이하인 제 1 부재 및 레이저 빛을 흡수할 수 있는 제 2 부재를 서로 접촉시켜 연접부를 형성하고, 연접부에 레이저 빛을 조사하여 제 1 부재와 제 2 부재를 함께 용접시키며, 상기 레이저 빛 조사는 제 1 부재의 표면 상에 또는 그 근처에 보호 영역이 형성되는 동안에 수행된다. 보호 영역은 레이저 빛에 노출되는 제 1 부재의 표면을 냉각시키기 위한 수단, 레이저 빛에 노출되는 제 1 부재의 표면 상에 생성되는 휘발성 물질을 제거하기 위한 수단, 또는 레이저 빛에 노출되는 제 1 부재의 표면의 부분으로부터 또는 레이저 빛에 노출되는 부분의 부근에서 연소 보조 물질을 차단하기 위한 수단을 이용해서 형성할 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 레이저 용접이 이제까지 달성하기 어려웠던 낮은 레이저 빛 투과율을 갖는 물질을 용접하는 것을 가능하게 할 뿐만 아니라 또한 그것은 레이저 용접에 통상적으로 사용되는 물질의 용접에도 적용될 수 있다.
레이저 용접 방법은 제 1 도를 참고로 하여 일반적으로 기술할 수 있다. 제 1(a) 도는 다수의 부재를 레이저 용접하는 방법에 대한 개관을 나타내고, 제 1(b) 도는 레이저 용접 동안 부재들이 가열되는 영역들을 나타내는 도면이다. 본 출원에서 언급되는 각 도면에서, 동일 부재는 동일한 참고 부호로 나타낸다. 용접 장치 및 방법에 사용되는 부재는 바람직하게는 열가소성 수지를 포함한다.
레이저 용접 방법은 제 1(a) 도에 나타낸 것과 같은 베이스 (102), 레이저 조사 장치 (112)(이것은 레이저, 광섬유 (108), 레이저 조사기 (110) 및 기타 등등을 포함할 수 있음), 제 1 수지 부재 및 제 2 수지 부재를 제자리에 고정하기 위한 고정 수단(나타내지 않음), 레이저 조사기의 작업을 조절하기 위한 조절 유닛, 및 기타 등등을 포함하는 레이저 용접 장치를 이용해서 수행할 수 있다. 레이저의 레이저 파워(power) 및 주사 속도는 레이저 조사 장치에 의해 조절될 수 있다. 이러한 장치를 이용할 때는, 제 1 부재 (104) 및 제 2 부재 (106)을 서로 접촉시켜서 베이스 (102)의 상부에 고정하고, 광섬유 (108) 및 레이저 조사기 (110)을 포함할 수 있는 레이저 조사 수단 (112)에 의해 레이저 유닛(나타내지 않음)으로부터 레이저 빛을 제 1 부재 (104)의 표면에 투과시킴으로써 제 1 부재에 레이저 빛 (114)를 조사한다. 조사되는 동안, 레이저 빛은 예를 들어 화살표 (118)로 나타낸 바와 같이 제 1 부재 (104)의 표면을 가로질러서 움직인다. 제 1 수지 물질이 충분한 레이저 빛 투과율을 갖는다면, 레이저 빛이 제 1 수지 물질을 통해 통과하여, 레이저 빛을 흡수할 수 있도록 선택된 수지 물질을 포함하는 제 2 부재의 표면에 도달해서, 제 2 수지 물질에 의해 흡수된다. 제 1(b) 도에 나타낸 바와 같이, 표면 영역 (120)이 용융되고, 베이스 상에서 서로 접촉된 상태로 있는 제 1 수지 물질 및 제 2 수지 물질이 제 1(a)에 나타낸 바와 같이 연접부 (116)에서 함께 용접된다.
중합체 수지를 포함하는 물품에 레이저 빛을 조사할 때, 빛의 일부 또는 전부가 중합체 매트릭스 또는 존재할 수 있는 첨가제를 포함하는 수지의 한 성분에 의해 산란 또는 흡수될 수 있다. 이것은 물품의 레이저 빛 투과율을 감소시킨다. 레이저 용접에 낮은 레이저 빛 투과율을 갖는 이러한 물질(예: 용접될 물품의 부분의 두께에서 25% 미만의 투과율을 갖는 것)이 이용될 때, 제 1 수지 물질의 표면에서 레이저 빛이 조사되는 표면의 지점에서 팽창/기포 형성, 용융, 발화,연소 및 이러한 종류의 다른 결함이 발생할 수 있고, 그 결과, 종종 고품질 생성물을 제조할 수 없다는 점에서 문제에 부닥칠 수 있음을 발견하였다. 본 발명은 이러한 수반되는 문제를 겪지 않고 낮은 레이저 빛 투과율을 갖는 물질을 용접하는 것이 가능한 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에 관한 것이다.
위에서 언급한 이들 문제의 가능한 원인을 제 2 도 및 제 1(b) 도를 참고로 하여 예시한다. 제 2(a) 도는 레이저 빛 투과율이 낮은 수지 물질을 포함하는 부재 (202)가 제 1 부재로 사용될 때의 레이저 용접이 수행되는 방식을 나타낸다. 제 2(b) 도는 레이저 용접 동안에 부재 (202)가 가열되는 방식을 나타내는 도면이고, 제 1(b) 도는 상기한 바와 같다. 제 2(a) 도에서는 부재 (202)가 레이저 빛 투과율이 낮은 수지 물질을 포함한다는 점을 제외하고는 제 1(a) 도에 기술된 것과 동일한 형태를 갖는 통상의 레이저 용접 장치가 사용된다. 이 경우, 충돌하는 레이저 빛 (114)는 부재 (202)와 (106)의 연접부에 도달하기 전에 제 1 수지 물질 (202)에 의해 흡수된다. 물품의 표면으로부터 부재 (106)까지 뻗는 물품 (202)의 부분인 부호 (204)에서 온도가 증가한다. 온도 증가가 너무 클 때는, 휘발성 물질 (206)이 방출될 수 있다.
제 1 부재를 이루는 수지 물질의 과열 때문에, (I) 제 1 부재로부터 휘발성 기체 (206)(제 2(a) 도)의 방출이 일어날 수 있고, (II) 제 1 부재를 이루는 수지 물질의 용융이 특히 그에 조사되는 표면 상의 지점들에서 일어날 수 있다고 믿어진다. 따라서, (i) 제 1 부재를 이루는 수지 물질의 팽창이 특히 그에 조사되는 표면 상의 지점에서 일어날 수 있고, 이 때문에 표면 상에 기포가 나타날 수 있고, (ii) 제 1 부재를 이루는 수지 물질의 용융이 특히 그에 조사되는 표면 상의 지점에서 일어날 수 있고, (iii) 낮은 발화점을 갖는 휘발성 물질이 생성될 때, 그것이 제 1 부재의 고온 때문에 발화될 수 있고, (iv) 도달된 고온 때문에 용접되는 부재들이 발화될 수 있고, 이 때문에 수지 물질이 타게 된다고 믿어진다.
일반적으로, 이러한 유형의 문제들을 피하기 위해, 제 1 부재에 약 25% 이상의 레이저 빛 투과율을 갖는 수지 물질을 사용하는 것이 종종 필요하다. 이러한 문제들이 존재하기 때문에 약 25% 미만의 레이저 빛 투과율을 갖는 수지의 경우에는 레이저 용접이 불가능하지는 않더라도 어려울 수 있다. 몇몇 경우에서는 수지의 레이저 빛 투과율을 증가시키기 위해 첨가제를 사용할 수 있긴 하지만, 이러한 첨가제의 사용은 수지 물질의 물성에 악영향을 줄 수 있고, 얻은 용접 물품이 부적당한 강도, 불충분한 내구성 또는 기타 등등을 가질 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 이러한 첨가제를 포함하는 제 1 부재의 사용을 요구하지 않는다.
본 발명의 한 실시태양에서, 본 발명에서 용접되는 제 1 부재는 한 물질, 바람직하게는 열가소성 수지를 포함하고, 레이저 용접될 부재의 지점 또는 영역에서 용접에 사용되는 레이저 빛의 파장에서 25% 이하, 또는 바람직하게는 12 내지 25%의 레이저 빛 투과율을 갖는다. 적당한 물질의 예는 결정성 열가소성 폴리에스테르, 예를 들어 결정성 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 폴리(프로필렌 테레프탈레이트), 액정 폴리에스테르, 폴리페닐렌 술피드, 폴리아미드(특히, 두꺼운 물품의 경우), 및 이러한 종류의 다른 수지 물질을 포함한다. 이들 물질은 또한 난연제, 광물 충전제, 및 유리 섬유와 같은 보강제와 같은 첨가제를 함유할 수 있다. 적당한 물질은 또한 난연제, 유리 섬유, 무기 충전제 및 기타 등등과 같은 첨가제의 첨가로 레이저 빛 투과율이 25% 이하로 감소되는 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트 및 이러한 종류의 다른 물질과 같은 것들을 함유할 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 빛 투과율이 25% 초과인 물질과 함께 이용될 수 있지만, 본 발명은 투과율이 명시된 범위 내에 해당되는 물질들인 경우에 특히 유리하다.
통상의 레이저 용접에 이용되는 레이저 빛을 흡수할 수 있는 물질이 본 발명의 제 2 부재에 사용될 수 있다. 특정한 예는 결정성 또는 비결정성 수지, 예를 들어 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 폴리(프로필렌 테레프탈레이트), 폴리아미드, 열가소성 폴리올레핀(예: 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 이러한 종류의 다른 물질), 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 및 기타 등등을 포함한다. 수지는 카본 블랙, 니그로신, 다른 적외선 흡수 물질 및 기타 등등과 같은 레이저 용접에 사용되는 파장의 빛을 흡수하는 물질을 함유할 수 있다. 또, 제 2 부재는 레이저 용접에 의해 제 1 부재와 접합될 제 2 부재의 표면이 레이저 용접에 사용되는 파장의 빛을 흡수하는 물질로 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 카본 블랙, 니그로신, 또는 다른 적외선 흡수 물질 및 기타 등등을 포함할 수 있다.
본 발명에서, 제 1 부재 및 제 2 부재의 두께는 그들이 레이저 용접될 수 있기만 한다면 특별히 제한되지는 않지만, 제 1 부재의 조사되는 부분의 두께는 바람직하게는 약 10 mm 이하, 및/또는 더 바람직하게는 약 0.5 내지 4 mm이다.
본 명세서에서, "보호 영역"이라는 용어는 제 1 부재의 조사되는 표면을 과열로부터 또는 상기한 과열의 부정적인 결과로부터 보호하도록 설계된 영역을 말한다. 본 발명에서, "보호 수단" 및 "보호 영역 형성 수단"은 보호 영역을 형성하기 위한 수단을 말한다.
본 발명에서, 보호 수단 또는 보호 영역 형성 수단은 보호 영역이 원하는 위치에 형성되도록 보호 영역에 직접적으로 또는 보호 영역으로부터 분리된 한 영역에 간접적으로 적용될 수 있다. 후자의 경우에는, 보호 수단 또는 보호 영역 형성 수단이 멀리 떨어져서 작동하여 원하는 위치에 보호 영역을 형성한다.
적당한 보호 수단 또는 보호 영역 형성 수단의 예는 다음을 포함한다:
(A) 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분 및 그 부근을 냉각시키기 위한 수단.
(B) 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재 표면의 부분 및 그 부근에 생성된 휘발성 물질을 제거하기 위한 수단.
(C) 연소 보조 물질(예: 산소)로부터 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재 표면의 부분 및 그 부근의 휘발성 물질의 접촉을 효과적으로 차단하기 위한 수단.
수단 (A)의 예는 (a) 0 내지 50 ℃, 또는 바람직하게는 10 내지 40 ℃ 온도의 공기, 질소, 헬륨 또는 이러한 종류의 다른 기체를 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재 표면의 부분 또는 조사되는 동안 온도가 올라가는 다른 영역 상에 주입하기 위한 주입 수단, (b) 레이저 빛을 투과시키고 제 1 부재를 냉각시킬 수 있는 부재로 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재 표면의 부분을 덮기 위한 커버링 및 냉각 수단(여기서, 이러한 커버링 및 냉각 수단은 외부에서 냉각시킬 수 있는 유리 또는 중합체 (예: 폴리(메틸 메타크릴레이트)) 커버를 포함할 수 있음), 및 (c) 레이저 빛이 조사되는 지점이 아닌 다른 지점에서 제 1 부재에 높은 열전도성 부재를 접합시키고 높은 전도성 부재를 이용해서 과량의 열을 소산시키기 위한 열 소산 수단(높은 열전도성 부재는 또한 필요에 따라서는 냉각될 수도 있음)을 포함한다.
수단 (B)의 한 예는 (d) 휘발성 물질을 제거하기 위해 레이저 빛이 조사되는 부분에 또는 그 부근에 공기, 질소, 헬륨, 아르곤 또는 이러한 종류의 다른 기체를 주입하기 위한 주입 수단을 포함한다.
수단 (C)의 한 예는 (e) 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재 표면의 부분 또는 그 부근을 유리, 아크릴 또는 이러한 종류의 다른 레이저 투과 부재로 또는 아르곤, 질소, 헬륨 또는 기타 등등과 같은 연소를 돕지 않는 기체로 덮는 연소 방지 수단을 포함한다. 이 수단에 의해, 산소와 같은 연소 보조 물질이 휘발성 물질과 접촉하는 것이 방지되어 휘발성 물질의 연소가 방지된다.
보호 영역은 상기 수단들 중 둘 이상으로부터 형성될 수 있다.
이제, 본 발명의 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 제 3 도 내지 제 7 도를 참고로 하여 더 상세하게 기술할 것이다.
제 3 도는 본 발명의 레이저 용접 장치를 나타내는 개략적인 블록 다이어그램이다. 본 발명의 레이저 용접 장치는 제 1 도에 나타낸 바와 같이 용접을 수행하기 위해 레이저 빛 조사 수단 (302), 제 1 부재 (316), 제 2 부재 (318), 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 지탱 또는 고정하기 위한 고정 수단을 포함하는 베이스 (314), 보호 영역 (304)를 형성하기 위한 수단 (306), 및 레이저 빛 조사 장치 (302) 또는 베이스 (314)를 조절하기 위한 조절 수단 (312)를 가지고, 여기서 라인 (308) 및/또는 (310)은 레이저 용접 장치의 요소들을 연결하는 데 사용되는 케이블이다. 조절 수단은 용접 공정 동안 제 1 부재 및 제 2 부재에 대해 레이저 광원을 움직이거나, 또는 레이저 광원에 대해 제 1 부재 및 제 2 부재를 움직이는 장치를 의미한다. 조절 수단은 레이저 빛 및 제 1 및 제 2 부재가 서로에 대해 움직이는 속도인 주사 속도를 조절하는 데 이용될 수 있다.
계속해서 제 3 도를 참고하면, 레이저 빛 조사 수단 (302)는 레이저 광원, 용접될 부재에 조사하기 위한 레이저 조사기, 및 레이저 광원과 레이저 조사기를 연결하기 위한 광섬유를 포함한다. 이들 구조 요소들은 통합될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 레이저 광원의 예는 YAG 레이저(1064 nm로 작업) 및 다이오드 레이저 (808 nm, 940 nm 또는 980 nm의 근적외선 영역의 파장을 갖는 것들을 포함함) 또는 기타 등등을 포함한다.
보호 영역 형성 수단 (306) (제 3 도)은 보호 수단 (A) 내지 (C) 중 1 개 이상을 제공하는 것을 가능하게 한다. 주입 수단 (a) 또는 (d)의 한 예는 블로우어(blower) 또는 기타 등등에 의해 특정한 기체를 주입하는 기능을 갖는 장치이다. 커버링 및 냉각 수단 (b)의 한 예는 냉각될 수 있는 레이저 빛 투과 시트, 플레이트 또는 기타 등등이다. 열 소산 수단 (c)의 한 예는 제 1 부재의 표면 상의 원하는 레이저 빛 조사 경로에 상응하는 개구부를 갖는 스틸 또는 또 다른 높은 열전도성 물질로 제조된 플레이트이다. 연소 방지 수단 (e)의 한 예는 사용되는 레이저 빛에 대해 충분히 투명한 유리, 아크릴 또는 다른 물질로 제조된 레이저 빛 투과 시트, 플레이트, 또는 다른 소자, 또는 불활성 기체를 주입하기 위한 소자이다.
베이스 (314)(제 3 도)는 제 1 부재 및 제 2 부재를 서로 접촉한 상태로 있게 하면서 제 1 및 제 2 부재의 용접되는 부분을 고정하기 위한 수단, 및 필요에 따라서는 보호 영역 형성 수단(또는 그의 일부)을 고정하기 위한 수단을 갖는다. 고정 수단은 보호 영역 형성 수단의 유형에 의존해서 제 1 부재, 제 2 부재 및 보호 영역 형성 수단(또는 그의 일부)을 단일의 고정 수단으로 고정하도록 설계될 수 있다. 별법으로, 보호 영역 형성 수단은 별도의 소자를 이용하여 제자리에 지탱할 수 있다.
베이스 (314)는 그것이 상기한 고정 수단을 갖기만 한다면 특별히 제한되지는 않는다. 베이스 (314)는 고정 베이스, XYZ 스테이지, 및 기타 등등일 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "고정 베이스"라는 용어는 장치의 나머지에 대해서 움직이지 않는 베이스를 의미한다. 베이스가 XYZ 스테이지일 때, 그것은 또한 하기하는 조절 수단으로도 기능을 할 수 있다. 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 지탱하기 위한 고정 수단은 클램프 또는 공기 압력일 수 있다.
조절 수단 (312)는 레이저 빛 조사 장치 (302) 및/또는 베이스 (314)를 용접 경로를 따라서 움직이는 데 사용될 수 있다. 또한, 조절 수단은 용접을 위한 매개 변수를 설정 및 조절하는 데도 사용될 수 있다. 조절 수단은 산업 로봇, XYZ 스테이지(이것은 또한 베이스로도 기능을 할 수 있음), 제 1 부재 및 제 2 부재를 위에 놓을 수 있는 회전가능한 표면을 갖는 베이스(회전가능한 표면은 또한 베이스로도 기능을 할 수 있음)를 포함할 수 있다. 조절 수단을 조절하는 데는 컴퓨터를 이용할 수 있다.
본 발명의 레이저 용접 방법은 이 소자들을 이용함으로써 제 1 부재 및 제 2 부재가 고정된 채로 접촉한 상태로 있고 보호 영역 (304)가 형성된 동안에 제 1 부재 (316)의 표면에 레이저 빛을 쏘아서 용접을 수행한다.
본 발명의 제 1 실시태양은 제 4 도 및 제 5 도에 관해서 기술할 것이다. 이 실시태양은 상기한 보호 수단 (a) 및/또는 (d)를 사용하고, 여기서 보호 영역은 바람직하게는 약 0 내지 약 50 ℃, 또는 더 바람직하게는 약 10 ℃ 내지 약 40 ℃의 온도의 공기, 질소, 헬륨 또는 이러한 종류의 다른 기체를 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분 또는 그 부근 근처의 장치의 부분에 주입함으로써 제공된다.
제 4(a) 도는 본 실시태양에서 사용될 수 있는 레이저 용접 장치의 개략도이고, 제 4(b) 도는 레이저 조사기의 개략도를 나타내고, 제 4(c) 도 및 제 4(d) 도는 보호 영역 형성 수단 (306)의 부분 개략도이다. 제 5(a) 도 및 제 5(b) 도는 보호 영역이 형성된 동안에 본 발명에 따라서 수행되는 레이저 용접 방법을 기술하는 도면이다.
본 실시태양의 레이저 용접 장치는 제 4(a) 도에 나타낸 바와 같이 레이저 빛 조사 수단 (302), 보호 영역 (304)를 형성하기 위한 보호 영역 형성 수단 (306), 레이저 빛 조사 수단을 주사하기 위한 팔 (414), 및 고정 수단 (424)(용접된 부분들을 지탱 또는 고정하기 위함)를 갖는 베이스 (314)를 갖는다.
레이저 빛 조사 수단 (302)는 예를 들어 레이저 광원 (408), 용접될 부분에 레이저 빛을 조사하기 위한 레이저 조사기 (412), 및 레이저 광원과 레이저 조사기를 연결하기 위한 광섬유 (410)을 갖는다. 제 4(a) 도는 다수의 구조 요소로 이루어진 레이저 빛 조사 수단 (302)를 나타내고, 이들 요소는 레이저 조사기 (412)와 통합될 수 있다.
제 4(b) 도에 나타낸 바와 같이, 레이저 조사기 (412)는 광섬유 (410)에 의해 안내되는 레이저 빛을 평행한 광속으로 전환하기 위한 제 1 렌즈 (418), 및 레이저 빛을 집속하기 위한 제 2 렌즈 (420)을 갖는다. 집속된 레이저 빛 (114)는 레이저 조사기 (412)로부터 방출되어 제 1 부재의 표면을 향해 쏜다. 또한, 본 실시태양은 바람직하게는 아래에서 기술될 보호 영역 형성 수단 (306)의 기체 분출기(ejector) (402) (제 4(c) 도)를 지탱하기 위한 홀더 (416)을 갖는다. 이러한 홀더를 갖는 레이저 조사기를 사용할 때는, 레이저 빛이 움직일 때 제 1 부재의 표면 위에서 보호 영역을 움직이는 것이 가능하고, 따라서 기체 분출기가 레이저 조사기 근처에 위치하기만 한다면 제 1 부재의 표면 근처의 적당한 위치에서 보호 영역을 형성하는 것이 가능하다. 하기하는 기체 분출기 (402)(제 4(c) 도)가 방출되는 레이저 빛의 위치에 따라서 원하는 위치에 놓일 수 있도록 하기 위해 홀더 (416)(제 4(c) 도)은 바람직하게는 설정 위치 및 각도를 변화시킬 수 있도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 홀더는 고정 도구를 갖는 슬라이딩 또는 망원경 부재 또는 기체 분출기의 각도를 변화시킬 수 있는 이러한 다른 메카니즘, 또는 기체 분출기가 레이저 조사기의 주변 둘레를 회전할 수 있는 메카니즘을 포함할 수 있다.
제 4(a) 도를 다시 보면, 본 실시태양에서, 보호 영역 형성 수단 (306)은 기체 분출기 (402), 원하는 기체로 충전된 실린더일 수 있는 기체 공급부 (404), 및 기체를 기체 분출기로 전달하기 위한 전달 라인 (406)을 갖는다.
제 4(c) 도 및 제 4(d) 도에 나타낸 바와 같이, 기체 분출기 (402)는 기체 분출기 홀더 (416) 및 전달 라인 (406)과 연결되고, 기체가 직사각형 분출 포트 (422)로부터 분출될 수 있도록 설계된다. 제 4(c) 도 및 제 4(d) 도의 기체 분출기 (402)는 예로서 나타낸 것이고, 분출부 및 분출 포트의 모양은 직사각형, 원, 또는 다른 모양과 같은 많은 형태를 취할 수 있다. 그 모양은 형성될 보호 영역의 유형에 따라서 선택될 수 있고, 당업계 숙련자라면 그 선택을 쉽게 할 수 있다. 또한, 기체 분출 포트 (422)는 전달 라인 (406)과 별도로 형성해서 전달 라인의 한쪽 말단에 연결하거나, 또는 전달 라인 (406)의 한쪽 말단을 직접 기체 분출기 (402) 또는 분출 포트 (422)로 형성할 수 있다.
본 실시태양의 보호 영역 형성 수단은 레이저 빛 조사에 의해 발생된 열을 확산하거나 또는 휘발성 물질을 제거하기 위한 상기 수단 (a) 및/또는 (d)이고, 사용되는 기체는 이 목적들이 달성될 수 있기만 하면 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 필요에 따라서 온도가 조절된, 바람직하게는 0 ℃ 내지 약 50 ℃ 또는 더 바람직하게는 약 10 ℃ 내지 약 40 ℃인 공기, 질소, 아르곤, 헬륨 또는 이러한 종류의 다른 불활성 기체를 사용하는 것이 가능하다. 본 실시태양에서는 기체가 분출되기 때문에, 보호 영역 (304)의 형태는 임의적이다. 예를 들어, 보호 영역은 제 4(a) 도에 나타낸 바와 같은 층상 형태를 가질 수 있거나, 또는 부정형(indeterminate form) 형태를 가질 수 있다. 기체를 포함하는 보호 영역은 제 1 부재의 표면에 대해 평행한 방향으로 넓고 좁은 오리피스를 통해서 기체를 강제로 통과시킴으로써 층상 형태로 형성될 수 있다. 또한, 보호 영역은 무정형 형태를 가질 수도 있다.
팔 (414)를 움직여서 레이저 조사기를 주사할 수 있다. 예를 들어, 산업 로봇 또는 팔과 같은 이러한 종류의 다른 움직일 수 있는 부품을 사용해서 레이저 조사기를 움직일 수 있고, 레이저 조사기는 움직일 수 있는 부품의 지탱 또는 고정 수단에 의해 지탱 또는 고정될 수 있다. 레이저 조사기를 탈착가능하게 제자리에 지탱 또는 고정할 수 있기만 한다면 홀더 또는 유사한 소자를 지탱 또는 고정 수단으로 사용할 수 있다. 레이저 조사기를 움직이는 데 사용되는 소자(특히, 예를 들어 산업 로봇의 팔 또는 기타 등등)은 조절 수단 (312)(제 3 도에 나타냄)에 의해 용접이 수행되는 경로를 따라서 주사가 적절하게 수행되도록 프로그래밍된다(주사 프로그램은 컴퓨터를 프로그래밍함으로써, 또는 학습 로봇을 가르침으로써(지시함으로써) 만들 수 있음).
본 실시태양의 레이저 용접 장치에서, 레이저 조사기 (412)는 주사될 수 있거나, 또는 레이저 조사기는 또한 제자리에 고정될 수 있고, 제 1 부재 및 제 2 부재가 XYZ 스테이지 또는 움직일 수 있는 베이스를 이용함으로써 레이저 조사에 대해 움직일 수 있다. 이 경우에는, 주사가 예를 들어 컴퓨터 프로그램 또는 적절히 지시받은 학습 로봇에 의해 적절히 수행되도록 베이스가 프로그래밍되어 조절된다.
베이스 (314)는 제 1 부재 및 제 2 부재 표면의 부분들이 서로 접촉한 상태로 있게 하면서 제 1 부재 및 제 2 부재를 고정 및 지탱하기 위한 수단을 갖는다. 베이스는 고정 수단을 갖기만 한다면 특별히 제한되지는 않지만, 가능한 예는 고정 베이스, XYZ 스테이지 또는 기타 등등을 포함한다. 고정 수단의 다른 가능한 예는 클램프 또는 공기 압력 또는 이러한 종류의 다른 통상의 고정 수단으로 제 1 부재와 제 2 부재 사이의 연접부에 압력을 적용하기 위한 소자를 포함한다. 고정 수단은 제 1 부재 및 제 2 부재가 제자리에 지탱 또는 고정될 수 있기만 한다면 어느 위치에라도 제공될 수 있다. 예를 들어, 제 4(a) 도에 나타낸 바와 같이 직사각형 부분을 제자리에 지탱 또는 고정하고자 할 때는, 서로에 대해 대각선으로 마주보는 제 1 부재 및 제 2 부재의 귀퉁이, 또는 제 1 부재 및 제 2 부재의 4 개의 귀퉁이를 제자리에 지탱 또는 고정할 수 있다. 다른 방법으로는, 제 1 부재 및 제 2 부재의 몇 개의 옆면 또는 2 개의 마주보는 옆면이 제자리에 지탱 또는 고정될 수 있다.
이제, 본 발명의 레이저 용접 방법의 한 실시태양을 기술하는 제 5(a) 도 및 제 5(b) 도를 참고한다. 제 5(a) 도는 위에서 본 용접 장치의 도면이고, 제 5(b) 도는 옆에서 본 용접 장치의 도면이다. 간단성을 위해, 제 5(a) 도 및 제 5(b) 도는 레이저 조사기 (412), 광섬유 (410), 기체 분출기 (402), 기체 분출기에 기체를 전달하기 위한 전달 라인 (406), 제 1 부재 (316), 제 2 부재 (318), 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 고정하기 위한 고정 수단 (424), 보호 영역 (304), 레이저 조사기 (412)가 움직이는 방향 (118), 레이저 빛 (114) 및 용접된 부분 (320)만 나타낸다.
이제, 용접될 제 1 부재 (316) 및 제 2 부재 (318)이 적절한 고정 수단 (424)(예를 들어, 클램프 또는 공기 압력으로 제 1 부재와 제 2 부재 사이의 연접부에 압력을 적용하고 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 고정하기 위한 소자)에 의해 베이스 (314) 상의 원하는 위치에서 제자리에 고정된 본 발명의 한 실시태양을 게재하는 제 5(b) 도를 참고한다. 기체 분출기 (402)가 홀더 (416)에 의해 지탱되는 레이저 조사기 (412)를 용접 작업의 출발점에 둔다. 조사기는 주사 경로 및 기타 등등에 관한 정보가 제공된 산업 로봇(제 3 도의 조절 수단 (312))의 팔을 이용해서 적소에 놓인다.
계속해서 제 5(b) 도를 참고하면, 특정한 양의 공기, 불활성 기체 또는 이러한 종류의 다른 기체가 보호 영역 형성 수단 (306)(제 4 도에 나타냄)의 전달 라인 (406)을 경유해서 기체 분출기 (402)로부터 분출된다. 분출되는 기체의 양은 바람직하게는 약 0.02 m/초 내지 약 10.0 m/초, 또는 더 바람직하게는 약 0.02 m/초 내지 약 6.0 m/초이다. 기체가 분출되는 동안, 레이저 조사기 (412)가 산업 로봇의 팔(나타내지 않음) 또는 당업계 숙련자에게 알려진 다른 방법에 의해 제 1 부재의 표면을 따라서(예를 들어 화살표 (118)의 방향을 따라서) 주사된다. 주사 속도는 용접될 물질에 의존해서 달라지지만, 예를 들어, 폴리(부틸렌 테레프탈레이트)(PBT)와 같은 폴리에스테르 수지의 경우에는 약 60 내지 약 600 cm/분의 주사 속도가 이용될 수 있다. 또한, 유용한 레이저 출력도 용접되는 물질에 의존해서 달라지지만, 예를 들어 폴리(부틸렌 테레프탈레이트)(PBT)와 같은 폴리에스테르 수지의 경우에는 약 15 내지 약 150 W의 출력이 이용될 수 있다.
보호 영역 (304)는 기체 분출기 (402)로부터 기체 (502)의 분출에 의해 형성되고, 레이저 빛에 의해 가열되는 제 1 부재 (316)의 부분이 냉각되고/되거나 휘발성 물질 (206)이 제거된다(예: 제 5(b) 도의 화살표 (504)의 방향으로 흩어짐). 본 실시태양의 보호 영역의 기능을 보장하기 위해서는 보호 영역이 레이저 빛이 조사되는 동안에 형성되는 것이 바람직하다.
제 5(a) 도 및 제 5(b) 도에서는 선형 용접을 기술하였지만, 용접 방법은 이 옵션에만 제한되는 것이 아니고, 다른 변화에 따라서 수행할 수 있다. 또, 용접된 부재들(제 1 부재 및 제 2 부재)은 제 5 도에 나타낸 것처럼 반드시 직사각형일 필요는 없고, 그들의 응용에 따라서 원 모양, 실린더 모양, 반원 모양 또는 다른 규칙 또는 불규칙 모양과 같은 다양한 모양을 가질 수 있다. 또, 이들 부재는 동일 또는 상이한 두께를 가질 수 있거나, 계단을 갖도록 형성될 수 있다. 두 부재의 계단 부분들은 그들이 겹쳐서 접촉 부분에 레이저 빛이 조사될 수 있도록 접촉될 수 있다(예: 이러한 실시태양은 실시예에 나타냄).
상기 설명에서, 주사는 레이저 조사기 (412)를 움직임으로써 수행하였지만, 베이스 (314)(제 3 도에 나타냄)가 예를 들어 주사 패턴에 따라 XYZ 스테이지로서 작업할 수 있다.
이제, 본 발명의 제 2 실시태양을 나타내는 제 6 도를 참고한다. 이 실시태양에서는 보호 영역이 레이저 빛을 투과시키고 레이저 조사기를 덮는 부재이고 이 부재가 냉각되는 커버링 및 냉각 수단(b)가 사용된다.
제 6(a) 도 및 제 6(b) 도는 본 실시태양에서 사용될 수 있는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 예시하는 개략도이다. 제 6(a) 도 및 제 6(b) 도에 나타낸 본 실시태양의 레이저 용접 장치는 커버링 부재 (608), 커버링 부재를 냉각하기 위한 냉각 수단 (602), 및 보호 영역 형성 수단 (306)(제 4 도)으로서 구실을 하는 다른 성분들을 포함한다. 다른 구조 요소들은 제 4 도 및 제 5 도에 관해 이미 기술한 실시태양에서와 동일하므로, 그들에 대한 설명(형태, 작업 조건 및 기타 등등)은 본 실시태양의 설명에 혼입된다. 제 6 도는 레이저 조사기 (412), 광섬유 (410), 커버링 부재 (608), 냉각 수단 (602), 제 1 부재 (316), 제 2 부재 (318), 고정 수단 (424)(제 1 부재 및 제 2 부재를 고정하기 위함), 그가 움직이는 방향 (118), 레이저 빛 (114)(제 2 도) 및 용접된 부분 (320)을 나타낸다.
계속해서 제 6 도를 참고하면, 커버링 부재는 냉각시키고자 하는 제 1 부재의 부분을 덮고, 바람직하게는 레이저 빛을 투과시키는 물질(예: 유리, 아크릴 수지 또는 기타 등등)이다. 이 물질은 바람직하게는 높은 열 전도도를 갖는다. 바람직한 물질은 용접에 사용되는 레이저의 파장에서 높은 투과율 및 높은 열 전도도를 갖는 결정성 물질이다. 커버링 부재는 클램프 또는 공기 압력, 또는 이러한 종류의 다른 적절한 지탱 방법(나타내지 않음)에 의해 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분과 접촉한 상태로 있으면서 제자리에 지탱 또는 고정된다. 커버링 부재의 모양은 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분의 과량의 열이 효율적으로 제거될 수 있기만 한다면 특별히 제한되지는 않는다. 가능한 예는 직사각형, 원, 또는 이러한 종류의 다른 플레이트 모양 부재를 포함한다. 또한, 커버링 부재 (608)에는 냉각 수단 (602)로부터 나오는 냉각 매질 또는 기타 등등이 통과하는 것을 허용하는 메카니즘이 제공될 수 있다. 구체적으로 말하면, 예를 들어 커버링 부재는 제 6(c) 도에 나타낸 바와 같이 냉각 매질이 커버링 부재를 통해 통과하는 것을 허용하는 유입구 (610) 및 유출구 (612)를 갖는 통로 (614)가 제공된 플레이트 모양 부재일 수 있거나, 또는 커버링 부재는 제 6(d) 도에 나타낸 바와 같이 유입구 (610) 및 유출구 (612)를 갖는 공동(hollow) 구역 (616)을 갖는 플레이트 모양 부재일 수 있다.
냉각 수단 (602)는 커버링 부재를 냉각시킬 수 있는 어떠한 장치라도 될 수 있다. 한 예는 냉각 매질을 사용하는 냉각 소자 (604), 및 냉각 매질을 커버링 부재 (608)에 공급하기 위한 공급 라인 (606)을 갖는 냉각 장치이다. 이 경우에는, 커버링 부재 (608)이 효율적으로 냉각될 수 있도록 냉각 매질이 공급 라인에 전달된다. 예를 들어, 액체 냉각 매질의 경우에는 매질이 커버링 부재 둘레를 순환하도록 공급 라인에 제공될 수 있거나, 또는 기체 냉각 매질의 경우에는 차가운 공기 또는 다른 기체가 전체 커버링 부재 안으로 흘러들어가거나 또는 그 둘레를 순환할 수 있도록 공급 라인에 제공될 수 있다. 예를 들어, 액체 또는 기체 냉각 매질이 순환될 때, 채택될 수 있는 방법은 냉각 매질을 통과시키는 관을 커버링 부재의 주변과 접촉해서 놓는 것들을 포함한다. 차가운 공기가 사용될 때, 채택될 수 있는 방법은 커버링 부재의 종방향으로 다수의 차가운 공기 통풍구를 갖는 관을 사용하는 것을 포함한다. 다른 가능한 옵션은 유입구 및 유출구가 제공된 통로를 갖는 레이저 빛을 투과시키는 커버링 부재를 사용하는 것, 또는 유입구 및 유출구가 제공된 공동 커버링 부재를 사용하는 것, 및 제 6(c) 도 및 제 6(d) 도에 나타낸 바와 같이 냉각 매질(기체 또는 액체)이 유입구에서 유출구 방향으로 통로 또는 공동 부분을 통해 흘러서 순환하는 냉각 수단을 사용하는 것이다. 다른 가능한 방법은 레이저 빛을 투과시키는 커버링 부재가 이처럼 미리 냉각되고, 이 부재가 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분과 접촉한 상태로 있으면서 제자리에 고정된 형태를 사용하는 것이다. 냉각 매질은 제 1 부재의 표면으로부터 멀리 열을 운반할 수 있는 기체, 액체 또는 다른 유체이다.
이제, 본 발명의 레이저 용접 방법의 한 실시태양을 기술하는 제 6(a) 도 및 제 6(b)도를 참고한다.
본 실시태양에서는, 용접될 제 1 부재 (316) 및 제 2 부재 (318)을 적절한 고정 수단 (424)에 의해 베이스 (314)(나타내지 않음)에 제자리에 고정한다. 제 6 도는 제 1 부재 및 제 2 부재의 4 개의 귀퉁이가 제자리에 고정된 한 예를 보여준다. 이어서, 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분 상에 보호 영역 (304)을 형성한다. 본 실시태양에서, 커버링 및 냉각 수단 (306)의 커버링 부재를 보호 영역에 탑재한다. 커버링 부재는 적절한 홀더(예를 들어, 클램프 또는 공기 압력으로 제 1 부재와 제 2 부재 사이의 연접부에 압력을 적용함으로써 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 고정하는 수단)(나타내지 않음)에 의해 제 1 부재와 접촉한 상태로 있게 하면서 제자리에 고정함으로써 탑재한다. 커버링 부재(608)로 사용하기에 적당한 예는 상기한 바와 같다. 냉각 수단 (602)를 커버링 부재 (608)에 연결한다. 커버링 부재는 상기한 다양한 수단에 의해 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각 매질이 냉각 소자 (604)로부터 공급 라인 (606)을 경유해서 커버링 부재 (608)에 공급될 수 있다. 이어서, 냉각 수단을 작동시켜서 커버링 부재를 냉각시킨다. 용접이 일어나는 동안, 제 1 부재의 표면 온도가 올라가는 정도는 레이저 용접 조건(예: 레이저 파워, 주사 속도 및 기타 등등)의 함수를 조정함에 따라 달라지므로, 냉각 매질이 순환하는 속도를 보호 영역의 온도가 올라가지 못하도록 조정하여야 한다. 예를 들어, 적절한 순환 속도는 제 1 부재의 표면 온도가 약 100 ℃ 이하, 바람직하게는 약 60 ℃ 이하가 되도록 설정되어야 한다.
이어서, 레이저 조사기 (412)로 용접되는 부분의 출발점을 설정한다. 이 지점은 주사 경로 및 기타 등등에 관한 정보가 제공되는 산업 로봇의 팔(제 3 도에 나타낸 조절 수단 (312))을 이용해서 설정할 수 있다. 이어서, 커버링 부재를 냉각하고, 레이저 조사기 (412)를 예를 들어 산업 로봇의 팔(나타내지 않음)을 이용해서 제 1 부재의 표면을 따라서(예를 들어, 화살표 (118)의 방향을 따라서) 주사하여, 레이저 용접을 수행한다. 레이저의 출력, 주사 속도 및 다른 매개 변수는 제 1 실시태양에 기술된 것과 동일하다.
본 실시태양에서, 커버링 부재 (608)을 갖는 영역은 보호 영역 (304)로서 구실을 하고, 레이저 빛에 의해 가열된 제 1 부재 (316)의 부분을 냉각한다. 본 실시태양에서 보호 영역의 기능(수단 (a)의 기능)을 보장하기 위해서는 레이저 빛 조사가 수행되는 동안에 보호 영역이 형성되는 것이 바람직하다.
제 6 도에서는 선형 용접을 기술하였지만, 용접 방법은 이 옵션에만 제한되는 것이 아니고, 다양한 패턴에 따라서 수행할 수 있다. 또, 용접된 부재들(제 1 부재 및 제 2 부재)은 제 6 도에 나타낸 것처럼 반드시 직사각형일 필요는 없고, 그들의 응용에 따라서 원 모양, 실린더 모양, 반원 모양 또는 다른 규칙 또는 불규칙 모양과 같은 다양한 모양을 가질 수 있다. 또, 이들 부재는 동일 또는 상이한 두께를 가질 수 있거나, 또는 계단을 갖도록 형성될 수 있다. 두 부재의 계단 부분들은 그들이 겹쳐서 접촉 부분에 레이저 빛이 조사될 수 있도록 서로 접촉될 수 있다(예: 이러한 실시태양은 실시예에 나타냄).
상기 설명에서, 주사는 레이저 조사기 (412)를 움직여서 수행하였지만, 베이스 (314)(제 4(a) 도에 나타냄)가 또한 예를 들어 원하는 용접 패턴에 따라서 XYZ 스테이지로서 작업할 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 부재 및 커버링 부재가 별개로 제자리에 지탱 또는 고정되었지만, 그들은 또한 단일 고정 수단을 이용해서 제자리에 지탱 또는 고정될 수 있다.
또한, 본 발명의 이 실시태양은 또한 아래에서 기술되는 본 발명의 제 4 실시태양의 기능을 갖는다는 점도 주목한다.
본 발명의 제 3 실시태양은 제 7 도를 참고로 하여 예시한다. 본 실시태양은 상기한 수단 (c)에 상응하는 한 예이고, 여기서는 보호 영역이 제 1 부재 상에 높은 열전도성 부재를 결합시킴으로써 과량의 열을 소산시키기 위한 열 소산 수단에 의해 제공된다. 이러한 경우에서, 열 소산 수단은 레이저 빛이 열 소산 수단에 의해 차단되지 않고 제 1 부재의 표면 상에 직접 충돌하는 것을 허용하는 경로가 존재하도록 설계된다.
제 7(a) 도 및 제 7(b) 도는 본 실시태양에서 사용될 수 있는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 예시하는 개략도이다. 제 7(a) 도 및 제 7(b) 도에 나타낸 본 실시태양의 레이저 용접 장치는 보호 수단 (306)(제 4(a) 도)으로서 커버링 부재 (702)를 사용한다. 다른 구조 요소는 제 4 도 및 제 5 도에 관해서 이미 기술한 본 발명의 제 1 실시태양에서와 동일하므로, 그에 관한 설명(형태, 작업 조건 및 기타 등등)은 본 실시태양에 관한 설명에 혼입된다. 간단성 및 명확성을 위해, 제 7 도는 레이저 조사기 (412), 광섬유 (410), 보호 수단 (커버링 부재 (702)), 베이스 (314), 제 1 부재 (316), 제 2 부재 (318), 고정 수단 (424)(제 1 및 제 2 부재 및 커버링 부재 (702)를 고정하기 위함), 레이저 조사기 (412)이 움직이는 방향 (118), 레이저 빛 (114) 및 용접 부분 (320)만 나타낸다.
계속해서 제 7 도를 보면, 본 발명의 이 실시태양의 레이저 용접 장치는 레이저 빛 조사로 인한 제 1 부재 (316)의 과열을 방지하기 위한 보호 수단 (306)(제 3 도)을 제공한다. 이 보호 수단은 제 1 부재 (316)의 과량의 열을 분산시키기 위한 커버링 부재 (702)를 포함한다.
계속해서 제 7 도를 보면, 커버링 부재 (702)는 제 1 부재 위에 놓이고, 제 1 부재를 냉각시키도록 설계되고, 바람직하게는 높은 열전도성 물질(예: 철, 스틸 또는 알루미늄과 같은 금속)로 제조된다. 커버링 부재는 클램프 또는 공기 압력 또는 이러한 종류의 다른 적당한 고정 수단으로 커버링 부재와 제 1 부재 사이의 연접부에 압력을 적용하고 커버링 부재를 제자리에 지탱하기 위한 고정 수단에 의해 제 1 부재와 접촉한 상태로 있으면서 제자리에 고정된다. 제 7 도에 나타낸 실시태양에는, 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 지탱 또는 고정하기 위한 고정 수단 (424)가 커버링 부재의 고정 수단으로도 사용되는 한 예가 나타나 있다. 제 1 부재 (316), 제 2 부재 (318), 및 커버링 부재 (702)는 제 1 부재 및 제 2 부재가 함께 고정되고 커버링 부재가 별도로 고정되도록 고정될 수 있다. 고정 수단의 가능한 한 예는 클램프 또는 공기 압력으로 두께 방향으로 압력을 적용하고 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 고정하기 위한 소자이다.
제 7(a) 도 및 제 7(b) 도를 참고로 하여, 본 발명의 레이저 용접 방법의 한 실시태양을 기술하고자 한다.
본 실시태양에서는, 제 7(a) 도에 나타낸 바와 같이, 용접될 제 1 부재 (316) 및 제 2 부재 (318)을 베이스 (314) 상에 놓고, 레이저 빛의 조사 경로를 따라서 개구부 (704)를 갖는 커버링 부재 (702)를 제 1 부재 상에 놓는다. 커버링 부재 (702)는 예를 들어 양호한 열 전도도를 갖는 스틸 플레이트 또는 이러한 종류의 다른 물질로부터 제조될 수 있다. 본 실시태양에서, 이 부재는 적당한 고정 수단에 의해(예를 들어, 클램프 또는 공기 압력으로 커버링 부재와 제 1 부재 사이의 연접부에 압력을 적용하고 커버링 부재를 제자리에 지탱함으로써) 제자리에 고정할 수 있다. 고정된 동안, 열 전도를 효율적으로 이용할 수 있도록 커버링 부재가 제 1 부재에 단단하게 접합되도록 부재들을 지탱시키는 것이 바람직하다.
이어서, 레이저 조사기 (412)를 용접을 위한 출발점에 놓는다. 조사기는 주사 경로 및 기타 등등에 관한 정보가 제공된 산업 로봇의 팔 또는 당업계 숙련자에게 알려진 다른 방법(조절 수단 (312)(나타내지 않음)을 이용해서 적소에 놓는다. 이어서, 레이저 조사기 (412)를 예를 들어 산업 로봇의 팔(나타내지 않음)에 의해 용접 부분 (320)을 따라서(예를 들어, 화살표 (118)을 따라서) 주사하여 레이저 용접을 수행한다. 레이저의 출력, 주사 속도 및 다른 매개 변수는 제 1 실시태양에 기술된 것과 동일하다.
본 실시태양에서, 커버링 부재 (702)를 갖는 영역은 보호 영역 (304)로서 구실을 하고, 레이저 빛에 의해 가열된 제 1 부재 (316)의 부분은 커버링 부재 (702)의 열 전도에 의해 냉각된다. 레이저 빛 조사가 수행되는 동안 보호 영역이 형성된다.
제 7 도에서 선형 용접이 기술되지만, 용접 방법은 이 옵션으로만 제한되지는 않고, 다양한 패턴에 따라서 수행할 수 있다. 따라서, 용접된 부재들(제 1 부재 및 제 2 부재)은 제 7 도에 나타낸 것과 같이 반드시 직사각형일 필요는 없고, 그들의 응용에 따라서 원 모양, 실린더 모양, 반원 모양 또는 다른 규칙 또는 불규칙 모양과 같은 다양한 모양을 가질 수 있다. 또, 이들 부재는 동일 또는 상이한 두께를 가질 수 있거나, 또는 계단을 갖도록 형성될 수 있다. 두 부재의 계단 부분들은 그들이 겹쳐서 접촉 부분에 레이저 빛이 조사될 수 있도록 서로 접촉될 수 있다. 이 실시태양의 한 예가 제 9 도 및 제 10 도에 나타나 있다.
상기 설명에서, 주사는 레이저 조사기 (412)를 움직여서 수행하지만, 베이스 (314)가 또한 예를 들어 원하는 용접 패턴에 따라서 XYZ 스테이지로서 작업할 수 있다.
본 실시태양의 커버링 부재는 필요에 따라서 냉각시킬 수 있다(이 경우는 또한 제 3 실시태양에도 포함됨). 제 3 실시태양에 기술된 냉각 장치가 냉각 수단으로 사용될 수 있다.
본 발명의 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법의 제 4 실시태양을 제 8 도와 관련해서 예시한다. 본 발명의 이 실시태양에서는, 보호 영역이 연소 방지 수단 (e)을 사용해서 제공된다. 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면의 부분 또는 그 부근의 영역을 레이저 빛을 투과시키는 부재로 덮어서, 산소와 같은 연소 보조 물질이 제 1 부재로부터 방출되는 휘발성 물질과 접촉하지 못하게 하여 휘발성 물질의 연소를 방지한다.
제 8(a) 도 및 제 8(b) 도는 본 발명의 한 실시태양에서 사용될 수 있는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 기술하는 개략도이다. 제 8(a) 도 및 제 8(b) 도에 나타낸 본 발명의 본 실시태양의 레이저 용접 장치는 차단 부재 (802)를 보호 영역 형성 수단 (306)(제 4(a) 도)으로 포함한다. 다른 구조 요소들은 제 4 도 및 제 5 도에 관해서 이미 기술한 제 1 실시태양에서와 동일하므로, 그의 설명(형태, 작업 조건 및 기타 등등)은 본 실시태양의 설명에 혼입된다. 간단성 및 명확성을 위해, 제 8 도는 레이저 조사기 (412), 광섬유 (410), 보호 수단 (연소 방지 수단)인 차단 부재 (802), 고정 수단 (424)(제 1 및 제 2 부재 및 차단 부재 (802)를 고정하기 위함), 베이스 (314), 제 1 부재 (316), 레이저 조사기가 움직이는 방향 (118), 레이저 빛 (114) 및 용접 부분 (320)만 나타낸다.
본 실시태양의 레이저 용접 장치는 상기 수단 (e)에 대해 기술한 기능을 갖는 연소 방지 수단인 차단 부재 (802)를 갖는다. 차단 부재 (802)는 산소와 같은 연소 보조 물질이 레이저 빛 조사에 의해 발생한 열에 의해 제 1 부재 (316)으로부터 방출되는 휘발성 물질에 도달하지 못하게 막는다. 이 차단 부재는 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분을 덮고, 바람직하게는 레이저 빛을 투과하는 물질(예: 유리, 아크릴 수지 또는 기타 등등)로 제조된다. 차단 부재는 클램프 또는 공기 압력, 또는 이러한 종류의 다른 적당한 고정 수단으로 차단 부재와 제 1 부재 사이의 연접부에 압력을 적용하고 커버링 부재를 제자리에 지탱하기 위한 고정 수단에 의해 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분과 접촉한 상태로 있으면서 제자리에 고정된다. 제 8 도에 나타낸 실시태양에서, 차단 부재는 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 고정하는 데 이용되는 동일한 고정 수단 (424)에 의해 제자리에 고정된다.
차단 부재의 모양은 그것이 제 1 부재 상에서 연소 보조 물질을 차단할 수 있기만 한다면 특별히 제한되지는 않는다. 제 8 도에 나타낸 직사각형 모양의 편평한 플레이트 모양 부재일 수 있거나, 또는 그것은 원 모양의 플레이트 모양 부재일 수 있거나 또는 다른 규칙 또는 불규칙 모양을 가질 수 있다. 차단 부재는 제 1 부재와 단단하게 결합되도록 제 1 부재 상에서 제자리에 고정된다. 이 배열의 목적은 제 1 부재와 차단 부재 사이에 레이저 빛을 조사함으로써 생성된 휘발성 물질과 외부 연소 보조 물질 사이의 접촉을 효율적으로 방지하는 것이다. 다른 한 방법에 따르면, 보호 영역은 질소, 아르곤, 헬륨 또는 연소를 돕지 않는 다른 기체로 형성될 수 있다. 이 경우, 차단 부재 (802)는 기체이고, 상기한 본 발명의 제 1 실시태양의 방법을 변화시키지 않은 채로 이용해서 이 기체로 보호 영역을 형성할 수 있다.
이제, 본 발명의 레이저 용접 방법의 한 실시태양을 기술하는 제 8(a) 도 및 제 8(b) 도를 참고한다.
이제, 제 8(b) 도를 보면, 본 실시태양에서, 용접될 제 1 부재 (316) 및 제 2 부재 (318)을 베이스 (314) 상에 놓고, 차단 부재 (802)를 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 부분 상에 탑재한다. 이들 부재는 적당한 고정 수단(예를 들어, 클램프 또는 공기 압력으로 두께 방향으로 압력을 적용하고 제 1 및 제 2 부재 및 차단 부재를 제자리에 고정하기 위한 수단)에 의해 제자리에 고정한다. 차단 부재는 적당한 고정 수단에 의해 제 1 부재의 상부에 접촉한 상태로 있는 동안에 제자리에 고정될 수 있다.
이어서, 레이저 조사기 (412)를 용접 경로의 출발점에 놓는다. 조사기는 주사 경로 및 기타 등등에 관한 정보가 제공된 산업 로봇의 팔 또는 당업계 숙련자에게 알려진 다른 방법(예: 조절기 (312)(제 3 도))을 이용해서 적소에 놓인다. 이어서, 레이저 조사기 (412)를 산업 로봇의 팔(나타내지 않음)에 의해 용접되는 부분 (320)을 따라서 (예를 들어, 화살표 (118)을 따라서) 주사하여, 레이저 용접을 수행한다. 레이저의 출력, 주사 속도 및 다른 매개 변수는 제 1 실시태양에 기술된 것과 동일하다.
본 실시태양에서는, 차단 부재 (802)를 갖는 영역이 보호 영역 (304)(제 3 도)로서 구실을 하고, 부재 (316)이 조사될 때 그로부터 방출되는 휘발성 물질과의 접촉으로부터 연소 보조 물질을 차단한다. 보호 영역은 기체이고, 그것은 본 실시태양의 보호 영역의 기능(예를 들어, 상기 수단 (e)의 기능)을 보장하기 위해 레이저 빛 조사가 수행되는 동안 연속적으로 형성되는 것이 바람직하다.
제 8 도에서는 선형 용접을 기술하였지만, 용접 방법은 이 옵션에만 제한되는 것이 아니고, 다양한 패턴에 따라서 수행할 수 있다. 또, 용접된 부재들(제 1 부재 및 제 2 부재)은 제 8 도에 나타낸 것처럼 반드시 직사각형일 필요는 없고, 그들의 응용에 따라서 원 모양, 실린더 모양, 반원 모양 또는 다른 규칙 또는 불규칙 모양과 같은 다양한 모양을 가질 수 있다. 또, 이들 부재는 동일 또는 상이한 두께를 가질 수 있거나, 또는 계단을 갖도록 형성될 수 있다. 두 부재의 계단 부분들은 그들이 겹쳐서 접촉 부분에 레이저 빛이 조사될 수 있도록 서로 접촉될 수 있다(예: 이러한 실시태양은 실시예에 나타냄).
상기 설명에서, 주사는 레이저 조사기 (412)를 움직여서 수행하였지만, 베이스 (314)가 또한 예를 들어 주사 패턴에 따라서 XYZ 스테이지로서 작업할 수 있다. 제 1 및 제 2 부재 및 커버링 부재는 동일한 고정 수단 (424)로 제자리에 고정되지만, 또한 별도의 고정 소자도 이용될 수 있다.
상기 실시태양은 수단 (A) 내지 (C) 및 (a) 내지 (e)의 특정한 예이지만, 또한 상기 (i) 내지 (iv)에 기술된 문제를 더 효율적으로 방지하기 위해 다수의 이들 수단이 보호 영역(보호 수단)으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 제 2 실시태양은 제 1 부재를 냉각시키는 효과 및 연소 보조 물질을 제거하는 효과를 갖는다. 또한, 제 1 및 제 3 실시태양을 조합함으로써 냉각을 수행하는 것 및 휘발성 물질을 제거하는 것이 모두 가능하다. 다른 한 가능성은 제 2 실시태양의 냉각 수단을 제 3 실시태양과 합침으로써 냉각 효율을 더 증가시키는 것이다. 다른 한 가능성은 제 2 실시태양의 냉각 수단을 제 4 실시태양과 합침으로써 냉각시켜 과량의 열을 소산시키는 효과 및 연소 보조 물질을 차단하는 효과를 갖는 보호 영역을 형성하는 것이다.
제 1 도는 통상의 레이저 용접 방법을 나타내는 개략도이고, (a)는 레이저 용접 조건을 예시하는 도면이고, (b)는 레이저 빛 조사로 가열된 수지의 부분을 나타내는 도면임.
제 2 도는 통상의 레이저 용접 방법이 갖는 문제들을 입증하는 개략도이고, (a)는 레이저 용접 조건을 예시하는 도면이고, (b)는 레이저 빛 조사로 가열되는 수지의 일부를 나타내는 도면임.
제 3 도는 본 발명의 레이저 용접 장치를 나타내는 블록 다이어그램.
제 4 도는 본 발명의 제 1 실시태양의 레이저 용접 장치를 나타내는 개략도이고, (a)는 장치 형태를 나타내는 도면이고, (b)는 레이저 조사기를 나타내는 도면이고, (c) 및 (d)는 보호 영역 형성 수단을 나타내는 도면임.
제 5 도는 본 발명의 제 1 실시태양의 레이저 용접 방법을 예시하는 부분 개략도이고, (a)는 위에서 본 도면이고, (b)는 횡단면도임.
제 6 도는 본 발명의 제 2 실시태양의 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 예시하는 부분 개략도이고, (a)는 위에서 본 도면이고, (b)는 횡단면도이고, (c) 및 (d)는 보호 수단의 특정한 한 예를 나타내는 도면임.
제 7 도는 본 발명의 제 3 실시태양의 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 기술하는 부분 개략도이고, (a)는 위에서 본 도면이고, (b)는 횡단면도임.
제 8 도는 본 발명의 제 4 실시태양의 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 기술하는 부분 개략도이고, (a)는 위에서 본 도면이고, (b)는 횡단면도임.
제 9 도는 본 발명의 실시예에서 용접에 사용되는 수지 부재를 나타내는 도면임.
제 10 도는 본 발명의 실시예에서 사용되는 레이저 용접 절차를 나타내는 도면임.
다음 실시예에서는 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면의 부분 부근에 공기를 주입함으로써 수단 (a) 및 (e)에 의해 보호 영역을 형성하지만, 이 실시예가 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지는 않아야 한다.
실시예 1 - 3 및 비교예 1 및 2
실시예 1 - 3 및 비교예 1 및 2에서, 다음 폴리에스테르 수지 조성물을 사용하였고, 이 조성물로부터 생성된 시료를 이용해서 용접을 수행하였다.
1) 폴리(부틸렌 테레프탈레이트) A (PBT-A)
이 수지 조성물은 30 중량%(조성물 총 중량 기준)의 유리 섬유와 폴리(부틸렌 테레프탈레이트)를 용융 블렌딩함으로써 제조한 유리 섬유 강화 폴리(부틸렌 테레프탈레이트) 수지 조성물이다.
2) 폴리부틸렌 테레프탈레이트 B (PBT-B)
이 수지 조성물은 30 중량%의 유리 섬유 및 0.6 중량%의 탄소를 폴리(부틸렌 테레프탈레이트)와 용융 블렌딩함으로써 제조한 유리 섬유 강화 폴리(부틸렌 테레프탈레이트) 수지 조성물이다(중량 %는 조성물의 총 중량을 기준으로 함).
이 조성물들을 사용해서, 제 9 도에 나타낸 막대 (902)의 모양 및 치수를 갖는 반턱(half lap)을 갖는 시험 막대를 270 ℃의 수지 온도 및 80 ℃의 금형 온도에서 사출성형기를 이용해서 성형하였다. 시험 막대는 길이 80 mm, 폭 18 mm 및 전체 두께 4 mm, 및 반턱에서의 두께 2 mm를 가졌다. 두 시료의 반턱의 표면 (904)를 함께 모아서 서로 포개서 제 10(a) 도에 나타낸 바와 같이 제 1 부재 (316) 및 제 2 부재 (318)을 형성하였다. 두 부재를 공기 압력을 적용해서 제자리에 고정시켰다. 로핀-시너(Rofin-Sinar)(독일)에서 제조한 다이오드 레이저(파장: 940 nm, 초점 직경: 3 mm, 최대 출력 500W)를 이용해서 용접을 수행하였다. 용접은 제 10(b) 도 및 제 4 도 및 제 5 도에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제 1 실시태양에 기술된 보호 영역 형성 수단을 갖는 장치를 이용해서 수행하였다. 레이저 용접 동안에 사용된 조건(즉, 사용된 2 개의 PBT 수지 각각으로부터 제조된 막대의 조합; 레이저 파워; 용접 속도; 및 보호 영역 존재 유무(즉, 냉각 및 휘발성 기체 제거를 수행하기 위한 기체 주입 장치가 사용되는지의 여부))은 표 1에 나타내었다. 실시예 1 - 3의 경우에는 기체 주입 장치를 사용하였다. 비교예 1 및 2의 경우에는, 보호 수단을 사용하지 않았다.
레이저 용접 후, 레이저 빛이 조사된 표면 상의 표면 결함의 상태(연소 및/ 또는 소성)를 결정하기 위해 얻은 성형된 물품을 육안으로 관찰하였다. 또한, 쉬마주 코포레이션(Shimadzu Corporation)에서 제조한 인장 시험기를 사용해서 2 mm/분의 인장 속도로 용접된 성형품의 전단 인장 강도를 측정하였다(표에서는 "용접 강도"로 표기함). 그 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에서 "NA"는 표면 외관 또는 레이저 용접성이 허용될 수 없음을 가리킨다. "OK"는 표면 외관 또는 레이저 용접성이 허용될 수 있음을 가리킨다. 이 실험은 표 1에 나타낸 바와 같이 3 회 반복하였다.
실시예 4 - 6
이 실시예는 제 1 부재가 25% 초과의 레이저 빛 투과율을 갖는 경우조차도 본 발명의 방법 및 장치를 이용할 수 있음을 예시한다. 사용되는 수지 조성물 및 그로부터 제조된 시료는 다음과 같다.
1) 폴리아미드 A
30 중량% 유리 섬유(조성물의 총 중량 기준)와 폴리아미드 6로 제조된 유리 섬유 강화 수지 조성물.
2) 폴리아미드 B
30 중량% 유리 섬유 및 0.6 중량% 카본 블랙(조성물의 총 중량 기준)과 폴리아미드 6으로 제조된 유리 섬유 강화 수지 조성물.
이들 조성물을 사용해서, 제 9 도에 나타낸 막대 (902)의 모양 및 치수를 갖는 반턱을 갖는 시험 막대를 270 ℃의 수지 온도 및 80 ℃의 금형 온도에서 사출성형기를 이용해서 성형하였다. 시험 막대는 길이 80 mm, 폭 18 mm 및 전체 두께 4 mm, 및 반턱에서의 두께 2 mm를 가졌다. 실시예 1 - 3 및 비교예 1 및 2에 이용된 동일한 시험 절차를 이용해서 시험 막대를 레이저 용접하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 표 2로부터 명백한 바와 같이, 용접은 성공적이었고, 용접 강도는 충분하였다.
따라서, 본 발명의 레이저 용접 장치 및 용접 방법은 레이저가 조사되는 쪽의 수지가 25% 초과의 투과율을 갖는 경우에도 성공적으로 이용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 상기한 목표 및 이점을 충분히 만족시키는 레이저 용접 장치 및 방법이 제공된다는 것이 명백하다. 본 발명은 그의 특정한 실시태양과 관련지어서 기술하였지만, 많은 별법, 변형, 및 변화가 당업계 숙련자에게 자명할 것이라는 점이 명백하다. 따라서, 첨부된 특허 청구 범위의 정신 및 넓은 범위 내에 드는 이러한 모든 별법, 변형 및 변화를 포함하는 것을 의도한다.
Figure 112007070967280-PCT00001
Figure 112007070967280-PCT00002

Claims (20)

  1. 레이저 빛 조사 수단, 제 1 부재 및 제 2 부재를 제자리에 지탱 또는 고정하기 위한 고정 수단, 및 제 1 부재 상에 보호 영역을 형성하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하고, 열가소성 중합체를 포함하는 제 1 부재 및 열가소성 중합체를 포함하는 제 2 부재를 서로 접촉시키고, 레이저 빛이 제 1 부재를 통과해서 제 2 부재와 접촉하도록 제 1 부재의 표면에 레이저 빛을 조사함으로써 제 1 부재와 제 2 부재를 함께 용접시키며, 상기 제 2 부재가 레이저 빛이 제 2 부재와 접촉하는 지점에서 레이저 빛을 흡수할 수 있는 것인 레이저 용접 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 부재가 레이저 빛의 파장에서 약 25 % 이하의 레이저 빛 투과율을 갖는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 보호 영역을 형성하기 위한 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면을 냉각시키기 위한 수단인 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 보호 영역을 형성하기 위한 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면으로부터 방출되는 휘발성 물질을 제거하기 위한 수단인 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 보호 영역을 형성하기 위한 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면으로부터 연소 보조 물질을 차단하기 위한 수단인 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면을 냉각시키기 위한 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면 상에 약 0 내지 약 50 ℃의 온도의 기체를 주입하기 위한 주입 수단을 포함하는 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면을 냉각시키기 위한 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면을 레이저 빛을 투과시키는 냉각된 부재로 덮기 위한 커버링 및 냉각 수단을 포함하는 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면을 냉각시키기 위한 수단이 레이저 빛이 조사되는 표면의 부분이 아닌 다른 한 지점에서 제 1 부재에 접합되고 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면으로부터 열을 소산시키는 열 소산 수단을 포함하는 장치.
  9. 제 4 항에 있어서, 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면 상에 생성되는 휘발성 물질을 제거하기 위한 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면 상에 또는 그 표면 부근에 기체를 주입하기 위한 주입 수단을 포함하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 열가소성 중합체가 폴리에스테르, 액정 폴리에스테르 또 는 폴리(페닐렌 술피드)인 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 폴리에스테르가 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트) 및 폴리(프로필렌 테레프탈레이트) 중 1 개 이상인 장치.
  12. 열가소성 중합체를 포함하는 제 1 부재와 열가소성 중합체를 포함하는 제 2 부재를 접촉시키고, 레이저 빛이 제 1 부재를 통과해서 제 2 부재와 접촉하도록 제 1 부재의 표면에 레이저 빛을 조사함으로써 제 1 부재와 제 2 부재를 함께 용접시키는 것을 포함하고, 상기 제 2 부재가 레이저 빛이 제 2 부재와 접촉하는 지점에서 레이저 빛을 흡수할 수 있고, 상기 제 1 부재의 표면에 레이저 빛이 조사되는 동안에 제 1 부재 상에 보호 영역이 형성되는 레이저 용접 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 1 부재가 레이저 빛의 파장에서 약 25 % 이하의 레이저 빛 투과율을 갖는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 보호 영역이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면을 냉각 수단을 사용해서 냉각시킴으로써 형성되는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 보호 영역이 제 1 부재의 표면으로부터 방출되는 휘발성 물질을 제거하기 위한 수단을 사용함으로써 형성되는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 보호 영역이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면으로부터 연소 보조 물질을 차단하는 차단 수단을 사용함으로써 형성되는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 냉각 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면 상에 약 0 내지 약 50 ℃ 온도의 기체를 주입하기 위한 주입 수단을 포함하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 냉각 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면을 레이저 빛을 투과시키는 냉각된 수단으로 덮기 위한 커버링 및 냉각 수단을 포함하는 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 냉각 수단이 레이저 빛이 조사되는 표면의 부분이 아닌 다른 한 지점에서 제 1 부재에 접합되고 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면으로부터 열을 소산시키는 열 소산 수단을 포함하는 방법.
  20. 제 15 항에 있어서, 휘발성 물질을 제거하기 위한 수단이 레이저 빛이 조사되는 제 1 부재의 표면 상에 또는 그 표면 부근에 기체를 주입하기 위한 주입 수단을 포함하는 방법.
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