KR20160110407A

KR20160110407A - 녹색 파장을 갖는 레이저 펄스를 이용하여 특히 구리, 구리 합금, 금 또는 귀금속 재료로 이루어진 공작물의 스폿 용접 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20160110407A
Application number: KR1020167020586A
Authority: KR
Inventors: 엘케 돌로레스 카이세르
Original assignee: 트룸프 레이저 게엠베하
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2016-09-21
Also published as: US10610962B2; EP3099445B1; WO2015113811A1; JP2017504486A; CN105980100B; JP6198962B2; KR101893276B1; US20160332254A1; EP3099445A1; DE102014201715A1; CN105980100A

Abstract

0.5㎜보다 큰 용접 침투 깊이, 바람직하게는 0.8 내지 1.3㎜, 특히 바람직하게는 1.3㎜보다 큰 용접 침투 깊이를 생성하도록 500 내지 540㎚의 파장을 갖는 레이저 펄스(3₁)를 이용하여, 특히 구리, 구리 합금, 금 또는 귀금속 재료로 이루어진 공작물(2)을 스폿 용접하는 방법을 개시한다. 이 방법에서, 레이저 펄스(31)는 약 1㎳ 내지 약 20㎳ 동안 지속되고 약 1600 W 내지 약 6000 W의 펄스 피크 파워를 갖는 메인 펄스 섹션(6b)을 가지며, 레이저 펄스(3₁)의 파워는 각각, 공작물(2)에 용융 온도 및 이에 후속한 기화 온도를 생성하는 상승 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제1 펄스 섹션(6a)과, 공작물(2)에 키이홀을 갖는 용융 배스를 생성하기 위한 시간 순서상 제2 펄스 섹션으로서의 상기 메인 펄스 섹션(6b)과, 처음에 상기 메인 펄스 섹션(6b)의 종료시의 파워의 적어도 3/4로 수직 강하하고 나서 키이홀의 후퇴를 위해 보다 완만하게 강하하는 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제3 펄스 섹션(6c)과, 용융물(9)의 냉각을 위해 상기 메인 펄스 섹션(6b)의 종료시의 파워의 1/3 내지 1/4의 수준의 저펄스 정체기 형태의 시간 순서상 제4 펄스 섹션(6d)을 포함한 시간 펄스 커브를 갖는다.

Description

녹색 파장을 갖는 레이저 펄스를 이용하여 특히 구리, 구리 합금, 금 또는 귀금속 재료로 이루어진 공작물의 스폿 용접 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SPOT WELDING WORKPIECES PARTICULARLY MADE OF COPPER, COPPER ALLOYS, GOLD OR JEWELLERY MATERIALS USING LASER PULSES WITH GREEN WAVELENGTH}

본 발명은 청구항 1 및 청구항 11의 전제부에 따른 500 내지 540㎚의 파장을 갖는 레이저 펄스를 이용하여 특히 구리, 구리 합금, 금 또는 귀금속 재료로 이루어진 공작물의 스폿 용접 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

그러한 방법 및 장치는 S. Nakashiba 등의 논문 "Micro-welding of Copper Plate by Frequency Doubled Diode Pumped Pulsed Nd:YAG Laser"(Physics Procedia, 2012, volume 39, pages 577-584)로부터 공지되어 있다.

구리 및 금의 흡수도는 통상적인 타입의 레이저(≥ 1064㎚)의 파장보다 녹색 파장(500 내지 540㎚)의 경우에 더 높다. IR 파장(1064㎚)을 갖는 레이저 펄스를 이용한 구리의 레이저 용접의 경우, 레이저 펄스의 파워는 통상 공작물에서의 용융 온도 및 이에 후속한 기화 온도를 생성하는 선형 상승 펄스 플랭크(rising pulse flank), 공작물에 증기 채널을 갖는 용융 배스 생성을 위한 수평 펄스 정체기(level pulse plateau), 및 용접 공정을 종료하기 위한 선형 하강 펄스 플랭크를 갖는 사다리꼴 시간 펄스 커브를 갖는다. 그러나, 용접된 공작물 표면은 용융된 재료의 스패터(spatter)를 갖는다. 소위 하이브리드 레이저를 이용한 용접에서, 용접은 IR 파장(1064㎚)과 녹색 파장(532㎚)을 갖는 레이저들을 동시에 이용하여 수행함으로써 구리 재료에 대한 에너지 커플링을 개선시킨다. 구리의 소위 마이크로 용접 접합의 경우, 녹색 파장(500 내지 540㎚)을 갖는 레이저 펄스가 이용되며, 용접 침투 깊이는 최대 약 0.2㎜이다.

사용자는 때로는 새로운 (광택이 나는) 구리 부품을 갖고 때로는 수일 또는 수가 지난(산화된) 구리 부품을 갖고 있을 수 있다. 따라서, IR 레이저 가공에서 레이저 파라미터를 공작물의 연령 및/또는 표면 조성에 맞도록 해야 한다. 게다가, IR 레이저 복사의 커플링은 구리의 새로운 그라운드 면 내에서 스폿 용접에서의 차이가 발생할 정도로 강력하게 변한다.

반면, 본 발명의 과제는 500 내지 540㎚의 파장을 갖는 레이저 펄스를 이용하여 공작물을 스폿 용접하되, 가장 균일한 가능한 사이즈(용접 침투 깊이 및 폭), 특히 0.5 내지 1.3㎜의 용접 침투 깊이의 스폿 용접을 달성하고, 공작물 상의 스패터를 방지하고, 그리고 공작물 표면으로부터 가능한 한 독립적인 용접 침투 깊이 및 스폿 폭을 달성하는 방법 및 장치를 개시하는 데에 있다.

이러한 과제는 본 발명에 따르면 청구항 1의 특징을 갖는, 특히 구리, 구리 합금, 금 또는 귀금속 재료로 이루어진 공작물의 스폿 용접 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 레이저 펄스의 파워는 사각파 또는 사다리꼴파 시간 펄스 커브를 가질 수 있다. 본 발명에 따른 레이저 용접 방법은 특히 녹색 파장을 특히 잘 흡수하는 모든 재료에 적합하다.

따라서, 본 발명에 따르면, 레이저 펄스의 파워는 각각, 공작물에 용융 온도 및 이에 후속한 기화 온도를 생성하는 상승 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제1 펄스 섹션과, 공작물에 증기 채널을 갖는 용융 배스를 생성하기 위한 고펄스 정체기 행태의 시간 순서상 제2 펄스 섹션으로서의 메인 펄스 섹션과, 처음에 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 적어도 3/4로 수직 강하하고 나서 증기 채널의 후퇴를 위해 보다 완만하게 강하하는 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제3 펄스 섹션과, 용융물의 세틀링을 위해 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 1/3 내지 1/4의 수준의 저펄스 정체기 형태의 시간 순서상 제4 펄스 섹션을 포함한 시간 펄스 커브를 갖는다. 따라서, 이러한 펄스 커브에서, 녹색 레이저 펄스의 파워는 IR 레이저 펄스에서와 같이 사각파 또는 사다리꼴 시간 펄스 커버를 갖는 것이 아니라, 그 펄스 파워는 보다 긴 기간에 걸쳐 증기 채널을 후퇴시키도록 고펄스 정체기의 종료시에 처음에는 수직으로 강하하고 나서 보다 완만하게 강하고, 이어서 저펄스 정체기로 바뀌어 용융물의 냉각 및 고화, 용융물의 세틀링이 보다 긴 시간에 걸쳐 연장되게 한다. 지연된 증기 채널의 후퇴 및 지연된 용융물의 세틀링은 용융물의 분출을 상쇄시켜 공작물 표면에 스패터가 발생하지 않거나 보다 작은 수의 스패터가 발생하게 한다. 따라서, 재료 내외로의 열 흐름은 레이저 펄스의 특별하게 시간 순으로 조정된 파워 커브에 의해 결정된다.

메인 펄스 섹션은 바람직하게는 수평 펄스 정체기 또는 상승 펄스 정체기로서 설계되어, 모든 용접 침투 깊이에 대해 특히 어떠한 스패터도 발생하지 않도록 충분히 높게 선택된다. 제2 메인 펄스 섹션의 지속 시간이 길수록 용접 침투 깊이는 크다. 펄스 정체기의 종료시의 펄스 파워 또는 펄스 피크 파워는 초점 위치에 강력하게 의존한다.

제1 펄스 섹션의 상승 펄스 플랭크는 바람직하게는 그 플랭크의 종료시보다 플랭크의 시작시에 더 큰 경사를 갖는다. 따라서, 커브는 공작물 내로의 자연적 에너지 커플링을 따른다. 다시 말해, 가파른 커브는 그렇지 않고는 재료에 흡수될 수 없으며 제공된 에너지는 낭비되었을 것이다. 따라서, 플랭크 종료시의 작은 경사는 레이저 펄스의 에너지를 절약한다. 증기 채널에서 복수의 반사의 발생으로 인해 액상에서 기상으로의 상변화 시에 흡수가 갑작스레 증가하기 때문에, 공작물이 기화 온도에 도달하자마자, 증기 채널을 생성하는 데에 필요한 추가적 파워 증가가 보다 느리게 또는 선형적으로 수행될 수 있다.

실험에서 확인된 바와 같이, 제3 및 제4 펄스 섹션의 지속 시간은 본질적으로 그 이전의 펄스 섹션들로부터 독립적이다. 대신에, 그 지속 시간은 증기 채널의 깊이에 의존한다. 제3 펄스 섹션의 지속 시간은 바람직하게는 약 0.3㎳ 내지 약 4㎳이며, 제4 펄스 섹션의 최소 지속 시간은 바람직하게는 약 0.5㎳ 내지 약 3㎳이다. 제4 펄스 섹션의 보다 긴 지속 시간이 가능하지만, 아무런 효과도 없다.

매우 바람직하게는, 레이저 펄스는 각각 공작물 표면 상에 종(bell) 모양의 파워 밀도 분포로 이미징(imaging)되어, 공작물 표면 상에 내부에서부터 외부를 향해 점진적으로, 즉 갑작스럽지 않게 강하는 않은 온도 프로파일을 초래한다. 외부를 향한 그러한 완만한 온도 강하는 용융물의 분출을 상쇄시켜 공작물 표면에 스패터가 발생하지 않거나 보다 작은 수의 스패터가 발생하게 한다. 증기 채널은 온도 분포에 따라 형성되어, 레이저광을 위한 균일하면서 경사진 흡수면을 제공한다.

공작물 상에서의 파워 밀도 분포를 달성하기 위해, 광섬유에서 공작물로 안내되는 레이저 펄스는 바람직하게는 그 광섬유에서 출사된 후, 공작물 표면에 입사되기 전에 광섬유 직경의 적어도 2배 내지 4배로 확장된다.

하나의 변형예에서, 광섬유로부터 톱헤트(top-hat) 분포로 출사되는 레이저 펄스의 직경 확장은, 그에 상응하게 레이저 펄스의 초점을 공작물 표면 위 또는 아래로 넓게 배치, 즉 레이저 펄스를 공작물 표면 상에 디포커싱함으로써, 또는 그러한 파워 밀도 분포를 의도적으로 생성하는 확장 광학 시스템에 의해 또는 굴절률 경사 섬유(gradient index fiber)를 이용하여 행해진다.

다른 양태에서, 본 발명은 본 발명에 따른 스폿 용접 방법을 수행하기에 적합한, 청구항 11의 특징을 갖는 레이저 용접 장치에 관한 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 펄스 파워가 제공되며, 이 펄스 파워의 시간 펄스 곡선은, 공작물에 용융 온도 및 이에 후속한 기화 온도를 생성하는 상승 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제1 펄스 섹션과, 공작물에 증기 채널을 갖는 용융 배스를 생성하기 위한 고펄스 정체기 행태의 시간 순서상 제2 펄스 섹션을 구비한 메인 펄스 섹션과, 처음에 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 적어도 3/4로 수직 강하하고 나서 증기 채널의 후퇴를 위해 보다 완만하게 강하하는 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제3 펄스 섹션과, 용융물의 세틀링을 위해 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 1/3 내지 1/4의 수준의 저펄스 정체기 형태의 시간 순서상 제4 펄스 섹션을 포함한다.

하나의 바람직한 실시예에서, 광섬유가 레이저 펄스를 레이저 비임 발생기에서 공작물로 안내하도록 마련된다. 광섬유는 예를 들면 레이저 펄스가 톱헤트 프로파일을 갖고 출사되도록 계단식 굴절률(stepped index)을 갖는 섬유일 수 있다.

하나의 개선예에서, 예를 들면 렌즈 형태의 집속 광학 시스템이 광섬유의 하류측에 배치되며, 그 광학 시스템은 톱헤트 프로파일의 경우에 초점에서의 직경을 기껏해야 섬유 직경과 동일하거나 그보다 작게 이미징한다. 조사 직경은 섬유 직경의 적어도 2배 내지 4배로 디포커싱에 의해 확정된다. 대안적인 개선예에서, 종 모양의 분포가 예를 들면 렌즈 형태의 하류측의 집속 광학 시스템에 의해 이미징되어, 그 특성이 광학 섬유에 대해 변경된 파워 밀도 분포를 초점에 생성하도록 된다. 그러면, 조사 직경은 0.2 내지 0.8㎜이며, 공작물은 초점 부근에 위치한다.

본 발명의 다른 이점은 청구 범위, 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다. 전술한 특징은 물론 아래에 기재한 특징들 또한 각각 그 자체로 복수의 임의의 조합으로 이용될 수도 있다. 도시하고 설명하는 실시예들은 총망라한 리스트로서 이해할 것이 아니라, 본 발명의 설명을 위한 예시적 성격을 갖는다.

도 1a 및 도 1b는 500 내지 540㎚의 파장을 갖는 레이저 펄스를 이용한 스폿 용접을 위한 본 발명에 따른 레이저 용접 장치 및 공작물 표면에서의 위치에 따른 파워 밀도 분포(도 1b)를 도시하며,
도 2a 내지 도 2c는 0.8㎜(도 2a), 1㎜(도 2b), 및 1.3mm(도 2c)의 용접 침투 깊이로 공작물을 스폿 용접하기 위한 본 발명에 따른 다양한 레이저 펄스들의 파워의 시간 펄스 커브를 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 스폿 용접 방법 동안의 다양한 단계를 도시한다.

도면에 대한 이하의 상세한 설명에서, 동일한 도면 부호는 동일 또는 기능적으로 동일한 구성 요소를 가리키는 데에 이용된다.

도 1a에 도시한 레이저 용접 장치(1)는 500 내지 540㎚의 녹색 파장을 갖는 레이저 펄스(3)를 이용하여, 특히 구리, 구리 합금, 금 또는 귀금속 재료로 이루어진 2개의 공작물(2)을 스폿 용접 하는 데에 이용된다. 레이저 용접 장치(1)는 레이저 펄스(3)를 생성하는 레이저 비임 생성기(4), 및 레이저 펄스(3)를 레이저 비임 생성기(4)로부터 공작물(3)로 안내하는 광섬유(5)를 포함한다. 레이저 비임 생성기(4)는 2배 주파수 고상 레이저, 예를 들면 주파수 2배(frequency doubling) 후에 532㎚의 녹색 파장을 방사하는 1064㎚의 파장을 갖는 Nd:YAG일 수 있다. 광섬유(5)는 예를 들면 레이저 펄스(3)가 톱헤트 프로파일을 갖고 출사되도록 계단식 굴절률을 갖는 섬유일 수 있다. 레이저 펄스(3)는 1㎳ 내지 20㎳의 펄스 지속 시간, 0.5㎾ 내지 6㎾의 펄스 파워, 및 0 내지 600W의 싱글 펄스간 평균 파워를 갖는다.

도 2a 내지 도 2c는 상이한 용접 침투 깊이로 레이저 용접하기 위해 레이저 용접 장치(1)에 의해 생성되는 상이한 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)들의 파워의 시간 펄스 커브를 도시한다. 도 2a는 0.8㎜의 용접 침투 깊이를 위한 레이저 펄스(3₁)의 시간 펄스 커브를 도시하며, 도 2b는 1㎜의 용접 침투 깊이를 위한 레이저 펄스(3₂)의 시간 펄스 커브를 도시하며, 그리고 도 2c는 1.3㎜의 용접 침투 깊이를 위한 레이저 펄스(3₃)의 시간 펄스 커브를 도시한다.

이들 펄스 레이저(3₁, 3₂, 3₃)의 시간 펄스 곡선은, 공작물(2)에 용융 온도 및 이에 후속한 기화 온도를 생성하는 상승 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제1 펄스 섹션(6a)과, 공작물(2)에 증기 채널("키이홀(keyhole)")을 갖는 용융 배스를 생성하기 위한 고펄스 정체기 행태의 시간 순서상 제2 펄스 섹션(메인 펄스 섹션)(6b)과, 처음에 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 적어도 3/4로 수직 강하하고 나서 증기 채널의 후퇴를 위해 보다 완만하게 강하하는 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제3 펄스 섹션(6c)과, 용융물의 세틀링을 위해 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 1/3 내지 1/4의 수준의 저펄스 정체기 형태의 시간 순서상 제4 펄스 섹션(6d)을 포함한다.

레이저 펄스(3₁, 3₂)에서, 제1 펄스 섹션(6a)의 상승 펄스 플랭크는 상이한 경사를 갖는 2개의 플랭크 부분(6a₁, 6a₂), 즉 용융 온도를 생성하기 위한 가파르게 상승하는 제1 플랭크 섹션(6a₁)과, 공작물(2)에서의 기화 온도를 생성하기 위한 덜 가파르게 상승하는 제2 플랭크 섹션(6a₂)을 구비하다. 반면, 레이저 펄스(3₃)에서는 제1 펄스 섹션(6a)의 상승 펄스 플랭크가 그 전체에 걸쳐 동일한 경사를 갖는다.

이어서, 제1 펄스 섹션(6a)의 상승 펄스 플랭크는 메인 펄스 섹션(6b)의 고펄스 정체기로, 구체적으로는 레이저 펄스(3₁, 3₂)에서는 수평 정체기로 혹은 레이저 펄스(3₃)에서는 상승 정체기로 바뀐다. 메인 펄스 섹션(6b)의 지속 시간이 길수록 용접 침투 깊이는 크다. 메인 펄스 섹션의 지속 시간은 바람직하게는 약 1㎳ 내지 약 20㎳이다. 고펄스 정체기의 종료시의 펄스 파워는 초점 위치에 강력하게 의존하며, 바람직하게는 1600W 내지 6000W이다.

모든 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)에서, 제3 펄스 섹션(6c)은 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 적어도 3/4로 수직으로 강하하는 플랭크 섹션(6c₁)을 구비하고, 이 플랭크 섹션은 보다 완만하게 강하하는 플랭크 섹션(6c₂)으로 바뀐다. 제3 펄스 섹션(6c)의 지속 시간은 바람직하게는 약 0.3㎳ 내지 약 4㎳이며, 제4 펄스 섹션(6d)의 최소 지속 시간은 바람직하게는 약 0.5㎳ 내지 약 3㎳이다. 제4 펄스 섹션(6d)의 보다 긴 지속 시간이 가능하지만, 아무런 효과도 없다.

도 1b에 도시한 바와 같이, 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)는 각각 공작물 표면(7) 상에 종 모양의 파워 밀도 분포로 이미징되어, 공작물 표면(7) 상에 내부에서 외부를 향해 강하하는 점진적, 즉 갑작스럽지 않은 온도 프로파일을 초래한다. 외부를 향한 그러한 완만한 온도 강하는 용융물의 분출을 상쇄시켜 공작물 표면(7)에 스패터가 발생하지 않거나 보다 작은 수의 스패터가 발생하게 한다. 공작물 표면(7) 상에 종 모양의 파워 밀도 분포를 달성하기 위해, 레이저 펄스(3)는 공작물 표면(7)에서 섬유 직경의 적어도 2배 내지 4배로 확장된 직경을 갖게 디포커싱되어 이미징된다. 따라서, 대략 100 내지 200㎛의 섬유 직경에서, 레이저 펄스(3)는 공작물 표면(7) 상에 약 200 내지 800㎛의 직경으로 이미징된다. 확장 광학 시스템(8)(예를 들면, 시준기와 집속 렌즈를 갖는 렌즈 광학 시스템)이 광섬유(5)와 공작물(2) 사이에 배치된다. 광섬유(5)로부터 톱헤트 분포로 출사되는 레이저 펄스(3)의 직경 확장은 이에 상응하게 레이저 펄스(3)의 초점을 공작물 표면(7)으로부터 상당히 위에 배치함으로써, 즉 공작물 표면(7)에 대해 레이저 펄스(3)를 디포커싱함으로써 행해진다.

도 3은 본 발명에 따른 스폿 용접 방법 동안의 다양한 단계를 도시한다.

입사된 제1 펄스 섹션(6a)에 의해 상측 공작물(2)이 먼저 그 공작물 표면(7)에서부터 용융되어, 용융물(9)이 발생하며(단계(a)), 이어서 그 용융물은 또한 기화하기 시작한다.

추가로, 제2 펄스 섹션(6b)은 용융물(9)에 증기 채널("키이홀")(10)을 형성하고(단계(b)), 용융 배스를 생성하는 실제 메인 펄스에 상당한다. 증기 채널(10)은 하측 공작물(2) 내로 아래쪽으로 연장한다.

메인 펄스는 제3 펄스 섹션(6c)의 수직한 펄스 플랭크(6c₁)에 의해 종료되며, 제3 펄스 섹션(6c)의 보다 완만하게 강하하는 펄스 플랭크(6c₂)는 보다 긴 시간에 걸쳐 증기 채널(10)이 후퇴되게 하여, 용융물의 분출 및 이에 따른 스패터가 덜 발생하게 한다.

제4 펄스 섹션(6d)의 저펄스 정체기 동안, 용융물(9)은 보다 긴 시간에 걸쳐 냉각되며(단계(d)), 이에 의해 스패터 없이 용융물(9)의 느린 세틀링 및 고화가 달성된다(단계(e)).

레이저의 파장으로 인한 공작물(2)에서 에너지의 신뢰성 있는 흡수와, 위치 및 시간에 따른 온도 제어의 조합은 스패터가 없고 재현 가능한 사이즈를 갖는 스폿 용접부(11)를 생성하는 레이저 용접 방법을 가능하게 한다. 또한, 실험을 통해 확인된 바에 따르면, "적외선 스폿 용접"과는 달리, "녹색 파장" 스폿 용접부(11)는 공작물 표면의 조건에 대해 독립적이며, 그 직경에 있어서의 높은 수준의 일관성을 갖는다. 레이저 용접 중에, 융융 온도에서 상이한 표면이 형성되는데, 다시 말해 IR 레이저 복사를 이용한 용접의 경우에는 매우 양호하고 완전히 매끈한 경면이 형성되는 한편, 녹색 레이저 복사를 이용한 용접의 경우에는 원래의 표면 상태와는 관계없이 덜 양호하고 만곡된 경면이 형성된다.

Claims

0.5㎜보다 큰 용접 침투 깊이, 바람직하게는 0.8 내지 1.3㎜, 특히 바람직하게는 1.3㎜보다 큰 용접 침투 깊이를 생성하도록 500 내지 540㎚의 파장을 갖는 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)를 이용하여, 특히 구리, 구리 합금, 금 또는 귀금속 재료로 이루어진 공작물(2)을 스폿 용접하는 방법으로서, 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)는 약 1㎳ 내지 약 20㎳ 지속되고 약 1600W 내지 약 6000W의 펄스 피크 파워를 갖는 메인 펄스 섹션(6b)을 갖는 것인, 스폿 용접 방법에 있어서,
상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)의 파워는 각각, 상기 공작물(2)에 용융 온도 및 이에 후속한 기화 온도를 생성하는 상승 펄스 플랭크(rising pulse flank) 형태의 시간 순서상 제1 펄스 섹션(6a)과, 상기 공작물(2)에 증기 채널(10)을 갖는 용융 배스를 생성하기 위한 시간 순서상 제2 펄스 섹션으로서의 상기 메인 펄스 섹션(6b)과, 처음에 상기 메인 펄스 섹션(6b)의 종료시의 파워의 적어도 3/4로 수직 강하하고 나서 상기 증기 채널(10)의 후퇴를 위해 보다 완만하게 강하하는 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제3 펄스 섹션(6c)과, 용융물(9)의 세틀링을 위해 상기 메인 펄스 섹션(6b)의 종료시의 파워의 1/3 내지 1/4의 수준의 저펄스 정체기 형태의 시간 순서상 제4 펄스 섹션(6d)을 포함한 시간 펄스 커브를 갖는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 메인 펄스 섹션(6b)은 수형 펄스 정체기 또는 상승 펄스 정체기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 펄스 섹션(6a)의 상승 펄스 플랭크는 그 플랭크의 종료시보다 플랭크의 시작시에 더 큰 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 펄스 섹션(6c)은 약 0.3㎳ 내지 약 4㎳ 지속되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제4 펄스 섹션(6d)은 약 0.5㎳ 내지 약 3㎳의 최소 지속 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)는 각각 상기 공작물 표면(7) 상에 종 모양의 위치에 따른 파워 밀도 분포로 이미징(imaging)되는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
제6항에 있어서, 상기 공작물 표면(7) 상에서의 상기 종 모양의 위치에 따른 파워 밀도 분포는 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)의 톱헤트(top-hat) 분포로 초점을 디포커싱함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
제6항에 있어서, 상기 종 모양의 위치에 따른 파워 밀도 분포는 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)의 톱헤트 분포로부터 초점에서 공작물 표면(7) 상에 종 모양 분포를 생성하는 렌즈 광학 시스템(8)을 통해 생성되는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광섬유(5)에서 안내되는 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)는 상기 공작물 표면(7)에 입사되기 전에 섬유 직경의 적어도 2배 내지 4배로 확장되는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
제9항에 있어서, 상기 광섬유(5)로부터 출사되는 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)의 직경 확장은 그에 상응하게 상기 레이저 펄스(31, 32, 33)의 초점을 상기 공작물 표면(7)으로부터 상당히 위에 배치되게 함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
500 내지 540㎚의 파장을 갖는 레이저 비임(3₁, 3₂, 3₃)을 생성하는 레이저 비임 생성기(4)를 구비하는, 특히 구리, 구리 합금, 금 또는 귀금속 재료로 이루어진 공작물(2)을 레이저 용접하는 레이저 용접 장치(1)로서, 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)는 약 1㎳ 내지 약 20㎳ 지속되고 약 1600W 내지 약 6000W의 펄스 피크 파워를 갖는 메인 펄스 섹션(6b)을 갖는 것인, 레이저 용접 장치(1)에 있어서,
상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)의 파워는 각각, 상기 공작물(2)에 용융 온도 및 이에 후속한 기화 온도를 생성하는 상승 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제1 펄스 섹션(6a)과, 상기 공작물(2)에 증기 채널(10)을 갖는 용융 배스를 생성하기 위한 고펄스 정체기 형태의 시간 순서상 제2 펄스 섹션으로서의 상기 메인 펄스 섹션(6b)과, 처음에 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 적어도 3/4로 수직 강하하고 나서 증기 채널의 후퇴를 위해 보다 완만하게 강하하는 펄스 플랭크 형태의 시간 순서상 제3 펄스 섹션(6c)과, 용융물(9)의 세틀링을 위해 고펄스 정체기의 종료시의 파워의 1/3 내지 1/4의 수준의 저펄스 정체기 형태의 시간 순서상 제4 펄스 섹션(6d)을 포함한 시간 펄스 커브를 갖는 것을 특징으로 하는 스폿 용접 방법.
제11항에 있어서, 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)를 상기 레이저 비임 생성기(4)로부터 상기 공작물(2)로 안내하도록 광섬유(5)가 마련되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제12항에 있어서, 상기 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)는 상기 공작물 표면(7)에 입사되며, 섬유 직경의 적어도 2배 내지 4배로 확장된 직경을 갖게 디포커싱되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
제13항에 있어서, 상기 광섬유(5)의 하류측에, 상기 공작물 표면(7)에 입사되는 레이저 펄스(3₁, 3₂, 3₃)의 직경을 섬유 직경의 적어도 2배 내지 4배로 확장시키는 확장 광학 시스템(8)이 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.