KR20170058437A - 레이저 용접에 의해 제1 컴포넌트와 제2 컴포넌트를 접합시키기 위한 방법 및 상응하는 디바이스 - Google Patents

레이저 용접에 의해 제1 컴포넌트와 제2 컴포넌트를 접합시키기 위한 방법 및 상응하는 디바이스 Download PDF

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주르겐 립
안드레아스 슈미드마이어
프리츠 베게너
아힘 홀츠바르트
스테판 부클
티노 크린크뮬러
안드레아스 레우테르
칼 고틀
다니엘 에케르트
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베바스토 에스이
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Abstract

제1 컴포넌트(101)와 제2 컴포넌트(102)를 접합하기 위한 방법은: 열용사 전기 전도성 레이어(103)를 포함하는 제1 컴포넌트(101)를 마련하는 단계; 적어도 제1 구역(112) 내에서 0.1밀리미터보다 큰 길이 방향(106)에 직교하는 두께를 가진, 구리의 길이 방향으로 연장하는 스트립(104)을 가진 제2 컴포넌트(102)를 마련하는 단계; 스트립(104)의 제1 구역(112)과 레이어(103)가 서로 공통하는 접촉 구역(107)을 가지도록 스트립(106)과 레이어(103)를 어느 하나의 꼭대기 상에 다른 하나를 배치하는 단계; 및 접촉 구역(107) 상에 레이저 빔(108)을 방사하여 스트립(104)과 레이어(103)가 서로 연결하는 용접 연결(109)을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

레이저 용접에 의해 제1 컴포넌트와 제2 컴포넌트를 접합시키기 위한 방법 및 상응하는 디바이스{METHOD FOR WORKING A FIRST COMPONENT AND A SECOND COMPONENT BY LASER WELDING AND CORRESPONDING DEVICE}
본 발명은 제1 컴포넌트와 제2 컴포넌트를 접합하는 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 레이저 용접 기술에 관한 것이다.
납땜, 정밀저항 용접 및 레이저 빔 용접과 같이, 연결 컴포넌트들을 위한 다양한 접합 방법들이 존재한다. 이들 접합 방법들은 예를 들어, 기계적 연결들 및/또는 전기적 전도성 연결들을 수립하기 위해 사용될 수 있다. 레이저 빔 용접은 예를 들어, 물질 결착(material bond)을 이용하여 2개의 단단한 재료들을 연결시키기 위해 예를 들어, 그들을 접합시키는데 사용된다. 레이저 빔 용접은 특히, 매우 반사성이지 않는 고급강(high-grade steel)과 같은 재료들을 위해 산업적으로 이용된다.
본 발명은, 제1 컴포넌트와 제2 컴포넌트의 적어도 어느 하나가 구리를 포함할 때 확실한 연결을 가능하게 하는 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 구리 컴포넌트를 다른 컴포넌트 상에 확실하게 연결하게 하는 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 제1 컴포넌트와 제2 컴포넌트를 접합하기 위한 방법은, 열용사(thermally sprayed) 전기 전도성 레이어를 구비하는 제1 컴포넌트를 마련하는 단계를 포함한다. 길이 방향으로 연장된 구리 스트립(strip)을 구비하는 제2 컴포넌트가 마련된다. 적어도 제1 구역 내에서, 스트립은 0.1mm보다 큰 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 다른 실시예들에 따르면, 스트립은 0.2mm보다 더 큰 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 또 다른 실시예들에 따르면, 스트립은 0.3mm보다 더 큰 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 또 다른 실시예들에 따르면, 스트립은 0.4mm보다 더 큰 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 또 다른 실시예들에 따르면, 스트립은 0.5mm보다 더 큰 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 또 다른 실시예들에 따르면, 스트립은 0.6mm보다 더 큰 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 또 다른 실시예들에 따르면, 스트립은 1mm보다 더 큰 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 또 다른 실시예들에 따르면, 스트립은 2mm보다 더 큰 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 또 다른 실시예들에 따르면, 스트립은 0.4mm보다 더 크고 0.7mm보다 더 작은 길이 방향에 교차하는 두께를 가진다. 스트립과 레이어는 어느 하나가 다른 하나의 꼭대기 상에 배치됨으로써, 스트립의 제1 구역과 레이어는 서로 공통되는 접촉 구역을 구비한다. 레이저 빔은 접촉 구역 상에 방사(emit)되어 용접 연결이 형성된다. 용접 연결은 스트립과 레이어를 서로 연결한다.
구리를 포함하는 스트립은 열용사 전기 전도성 레이어에 용접된다. 이 경우, 적어도 제1 구역에서 0.1mm보다 더 큰 길이 방향에 직교하는 두께를 가진, 비교적으로 두꺼운 스트립을 사용할 수 있다. 상대적으로 두꺼운 스트립의 사용은, 자동차 내에서 예를 들어, 100V보다 더 큰 고-전압 설비들의 경우조차도 스트립의 충분한 통전 용량(current-carrying capacity)을 확보할 수 있게 한다. 작동 동안, 스트립 및/또는 레이어 및/또는 레이어에 대한 스트립의 연결이 형성됨으로써, 특히, 적어도 15암페어의 전류, 특히, 적어도 20암페어의 전류, 특히, 적어도 25암페어의 전류, 특히 적어도 30암페어의 전류가, 스트립과 레이어 사이에서 확실하게 흐르게 한다. 적어도 특정 구역 내에서, 스트립은 예를 들어, 1.5제곱 밀리미터보다 더 큰 단면적 특히, 2제곱 밀리미터보다 더 큰 단면적 특히, 2.5제곱 밀리미터 이상의 단면적을 구비한다. 접촉 구역 특히, 스트립과 레이어 사이의 용접 연결은 예를 들어, 16제곱 밀리미터의 사이즈이다. 특히, 접촉 구역 또는 용접 연결은 10제곱 밀리미터보다 더 크고 특히, 15제곱 밀리미터보다 더 크다. 예를 들어, 1암페어보다 더 작은 전류를 위한 작은 접촉 구역 상에 예를 들어, 1제곱 밀리미터보다 더 작은 단면적을 가진 얇은 와이어의 용접과 차이점으로서, 구리 스트립의 용접은 결함들에 덜 민감하고 더 큰 공정 공차들을 가진다. 실시예들에 따르면, 열용사 전기 전도성 레이어는 제1 구역 내에서 스트립의 두께에 상응하거나 스트립보다 더 얇은 길이 방향에 직교하는 두께를 가진다.
스트립은 특히, 열용사 전기 전도성 레이어에 대한 전기적 및/또는 기계적 접촉 인터페이스로서 사용된다. 구리 스트립은 예를 들어, 스트립이 순수 구리로부터 형성될 수 있음을 의미한다. 또한, 구리 스트립은 예를 들어, 대부분 구리로 구성되고 또한 추가적인 혼합물들 및/또는 다른 물질들의 불순물들을 포함하는 것을 의미한다.
예를 들어, 스트립은 적어도 80% 구리, 예를 들어, 적어도 90% 구리, 예를 들어 적어도 95% 구리를 포함한다. 스트립의 도움으로, 열용사 전기 전도성 레이어에 전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 열용사 전기 전도성 레이어는 열 전도체(heating conductor)의 접촉 면적이다. 열 전도체는 예를 들어, 특히 자동차용 이동성 히터의 일부이다. 히터는 예를 들어, 열 전도체 상에 배치된, 인슐레이션 상에 배치된, 피착체(adherend) 표면 상에 배치된, 기재인 추가적인 레이어들을 구비한다. 열 전도체는 전기 전도성 금속 특히, 니켈-크롬(NiCr)을 포함한다. 실시예들에 따라, 열 전도체는 열융사법에 의해 생성된다.
열용사 전도성 레이어는 예를 들어, 구리의 열융사에 의해 부가된다. 결과적으로, 상기 방법은 구리를 포함하는, 열용사 레이어 상에 구리의 스트립의 용접의 가능성을 제공한다. 이것은 특히, 순수 구리/구리 연결이 형성되는 결과를 가진다. 그 어떤 충진 재료들도 필요하지 않다. 종래의 납땜법의 경우에, 한편으로, 충진 재료들이 필요하고, 서비스 기간 동안 취화(embrittlement)로 이어질 수 있다. 이것은 확실한 연결이 스트립과 열용사 레이어의 용접 연결에 의해 수행되는 결과를 가진다. 특히, 스트립은 기밀 및/또는 물질-결착(material-bonded) 방식으로 열용사 전도성 레이어에 연결된다.
열용사 레이어 상의 스트립의 물질-결착 연결은 전도성 레이어의 가스 불투과성 및/또는 내습성을 만들 수 있는 효과를 가진다. 또한, 특히, 구리는 매우 양호한 열 전도성을 가지기 때문에 구리 스트립의 사용은 장기간의 열적 안정성을 가능하게 한다. 레이저 빔은 특히, 상대적으로 짧은 용접 시간 특히, 수 밀리초의 범위, 특히 1 밀리초보다 더 크고 10 밀리초보다 더 작은 예를 들어, 5 밀리초보다 더 작은 동안에만 방사된다. 이것은 용접 연결이 확실하게 형성되는 결과를 가진다. 이 경우, 제1 컴포넌트의 추가적인 레이어들에 대한 바라지 않는 손상이 확실히 방지된다.
다른 실시예들에 따르면, 용접 연결의 기하학적 형태가 환형이 되도록 레이저 빔이 방사된다. 다른 실시예들에 따르면, 용접 연결의 기하학적 형태가 직선이 되도록 레이저 빔이 방사된다. 다른 실시예들에 따르면, 용접 연결의 기하학적 형태가 직사각이 되도록 레이저 빔이 방사된다. 다른 실시예들에 따르면, 용접 연결의 기하학적 형태가 원형이 되도록 레이저 빔이 방사된다. 용접 연결의 기하학적 형태가 점 모양(punctiform)이 되도록 레이저 빔이 방사된다. 스트립과 레이어 사이에서 가능한 확실한 연결을 만드는 다른 형태들 또한 가능하다. 기하학적 형태 특히, 환형의 선택은 레이저 빔이 구리 스트립에 확실하게 결합 가능하게 한다. 또한, 특히, 물질-결착 연결을 통해, 2개의 컴포넌트들의 확실한 전기적 및 기계적 결합을 가능하게 하는, 용접 연결의 용융을 위한 충분히 큰 구역을 만들 수 있다.
예를 들어, 1064nm의 파장을 가진, 적외선 범위 내의 레이저 빔이 사용된다. 다른 실시예들에 따르면, 예를 들어, 532nm의 파장을 가진, 녹색 범위 내의 레이저가 사용된다. 다른 실시예들에 따르면, 예를 들어, 1064nm 및 532nm의 파장들을 특히 가진, 적외선 범위 및 녹색 범위 내의 혼합된 형태의 레이저가 사용된다. 사용되는 레이저 빔의 파장은 특히, 구리 속으로 레이저 빔의 가능한 한 양호한 결합을 얻기 위해 결정된다. 결함들에 대한 낮은 민감도 또는 공정 윈도우들의 사이즈를 주의해야 한다. 이렇게 함으로써, 가능한 적은 결점들이 형성된다. 레이저 빔은 예를 들어 NdYAg 레이저에 의해 생성된다. 특히, 레이저 빔은 광섬유 레이저에 의해 생성된다. 레이저 에너지는 스트립만 레이저에 의해 용융되도록 예를 들어, 사용되는 파장에 의존하여 선택된다. 열용사 전기 전도성 레이어가 유사하게 용융되도록 용융 구역은 스트립으로부터 펼쳐진다. 스트립과 레이어의 물질들은 혼합 및 고화되어 물질-결착 연결을 형성한다. 특히, 적은 양의 용융과 짧은 용융 시간 때문에, 구리의 2개의 요소들을 서로 용접할 수 있다.
레이저 빔을 위한 레이저 파라미터들은 사용된 파장, 방사 시간 및/또는 출력 전력을 포함한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 레이저 파라미터들은 용접 연결의 기하학적 형태 또는 이를 위해 필요한 레이저 빔의 빔 유도(beam guidance)를 포함한다. 또한, 레이저 파라미터들은 레이저의 형태를 포함하고, 특히, 지속파(continuous wave) 레이저 빔 또는 펄스 레이저가 사용된다.
실시예들에 따르면, 레이저 빔은 제1 레이저 파라미터들을 이용하여 먼저 방사되고 그 뒤에 제1 레이저 파라미터들과 상이한 제2 레이저 파라미터들을 이용하여 방사된다. 제1 레이저 파라미터들은 예를 들어, 스트립이 예열되도록 결정된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제1 레이저 파라미터들은 예를 들어, 스트립의 표면이 거칠게 되도록 결정된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제1 레이저 파라미터들은 예를 들어, 산화물 특히, 산화물층이 제거되도록 스트립의 표면이 세정되도록 결정된다. 제2 레이저 파라미터들은 스트립의 물질이 용융되고 레이어가 유사하게 용융되어 용접 연결이 형성되도록 결정된다.
다른 실시예들에 따르면, 레이저 빔은 경사지게 방사된다. 스트립의 표면에 대하여 0°보다 더 크고 90°보다 더 작은 각도의 레이저 빔의 경사진 방사는 레이저 빔을 스트립에 잘 결합시키게 한다. 또한, 레이저의 광에서 바라지 않는 반사들에 의해 야기되는 손상의 사례들을 방지할 수 있다.
열용사 레이어는 예를 들어, 대기(atmospheric) 플라즈마 스프레이법을 이용하여 제조된다. 특히, 레이저는 적어도 열 전도체층과 절연층을 포함하는 레이어들의 스택에 부가된다.
다른 실시예들에 따르면, 스트립의 제1 구역의 용접 구역에서 두께가 감소된다. 용접 연결은 용접 구역 내에 형성된다. 특히, 용접 구역 내의 두께는 길이 방향에 직교하는 결정된 제2 두께로 감소된다. 제2 두께는 열용사 전기 전도성 레이어의 두께에 의존하여 결정된다.
이것은 열용사 전기 전도성 레이어의 두께 이하의 용접 구역의 두께를 형성시킬 수 있다. 결과적으로, 레이저 빔의 에너지 조건을 감소시킬 수 있다. 이것은 너무 깊은 용접들에 의해 야기되는 결함들을 방지하게 한다. 열용사 전기 전도성 레이어 하부에 놓여진 레이어들은 용접하는 동안 결과적으로 손상되지 않는다. 용접 구역 외측에서, 양호한 열 제거를 수행하기 위해, 두께는 0.1밀리미터보다 더 크게 남아 있다. 용접 구역 내에서, 스트립과 열용사 전기 전도성 레이어의 의존가능한 연결을 만들기 위하여, 두께는 더 작다. 특히, 용접 구역의 두께는 확실한 용접이 가능하도록 열용사 전기 전도성 레이어의 두께와 최적 관계를 발휘하게 된다.
용접 구역의 두께는 예를 들어, 스탬핑법 및/또는 롤링법 및/또는 밀링법 및/또는 그라인딩법 및/또는 프레싱법에 의해 감소된다. 두께를 감소시키기에 적절한 일부 다른 방법 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 디바이스는 열용사 전기 전도성 레이어를 구비한다. 디바이스는 적어도 제1 방향에서 0.1mm 보다 더 큰 길이 방향에 직교하는 두께를 가진 구리 스트립을 구비한다. 다른 실시예들에 따르면, 스트립의 제1 구역은 전술한 방법에서 설명된 것과 같이, 길이 방향에 직교하는 두께를 구비한다. 디바이스는 스트립에 의해 레이어에 대한 전기적 및/또는 기계적 접촉을 형성하기 위해 레이어와 스트립의 제1 구역을 서로 연결하는 용접 연결을 구비한다.
디바이스는 예를 들어, 히터 또는 히터의 일부이다. 히터는 예를 들어, 자동차용 히터 특히, 자동차의 엔진-독립형 가열 및/또는 엔진-의존형 가열을 위한 히터이다. 히터는 전기 히터 특히, 저항 히터이다. 전압이 인가될 때 가열하는, 열 전도체층의 전기적 접촉을 위하여, 열용사 전기 전도성 레이어는 열 전도체층에 부가된다. 열용사 전기 전도성 레이어는 열 전도체층의 접촉 패드로서 역할을 한다. 열용사 전기 전도성 레이어는 특히, 열용사 구리를 구비한다. 구리의 스트립은 접촉 패드 상에 용접되고 작동 시 전압 소스에 결합된다. 디바이스는 결과적으로 전기 접촉을 위해 구리의 스트립과 유사하게 구리를 포함하는 열용사 전기 전도성 레이어 사이의 용접 연결을 가진다.
다른 실시예들에 따르면, 스트립은 용접 연결 외측의 제2 구역을 구비한다. 스트립은 제2 구역 내에서 제1 구역 내의 두께보다 더 큰 길이 방향에 직교하는 두께를 가진다. 구역들 내의 스트립의 두께는 특히, 기본적으로 수행된 구역들의 기능들에 의존하여 결정된다. 제1 구역 내에서, 두께는 양호한 용접 가능성의 목적으로 기본적으로 결정된다. 제2 구역 내에서, 두께는 예를 들어, 양호한 통전 용량 및/또는 열적 안정성의 목적으로 기본적으로 결정된다.
다른 실시예들에 따르면, 스트립은 제1 구역의 용접 구역 내에서 두께보다 더 작은 제2 두께를 가진다. 용접 연결은 용접 구역 내에 형성된다. 특히, 제2 두께는 열용사 전기 전도성 레이어의 두께에 의존하여 결정된다.
결과적으로, 용접 구역의 두께는 열용사 전기 전도성 레이어의 두께 이하이다. 결과적으로, 제조하는 동안 레이저 빔의 에너지 조건을 감소시킬 수 있다. 이것은 너무 깊은 용접들에 의해 야기되는 결함들의 방지를 가능하게 한다. 열용사 전기 전도성 레이어 하부에 놓여진 레이어들은 결과적으로 용접하는 동안 손상되지 않는다. 용접 구역 외측에서, 양호한 열 제거를 수행하기 위하여, 두께는 0.1밀리미터보다 더 크게 남아 있다. 용접 구역 내에서, 스트립과 열용사 전기 전도성 레이어의 의존 가능한 연결을 가능하게 하기 위하여, 두께는 더 작다. 특히, 확실한 용접을 가능하게 하기 위하여, 용접 구역의 두께는 열용사 전기 전도성 레이어의 두께와의 최적 관계를 수립할 수 있다.
실시예들에 따르면, 전기 전도성 레이어의 형상은 전기 전도성 레이어에서 열의 비축을 방지하기 위해 결정된 레이어들의 스택의 스택킹 방향으로 돌출한다. 형상은, 열 전도체층의 중간 구역을 면하는 전기 전도성 레이어의 프런트 사이드의 결정된 폭, 및 형상의 결정된 곡률 중 적어도 하나에 의해 결정된다.
다른 실시예들에 따르면, 프런트 사이드를 따라 스택킹 방향의 돌출에 있어서, 결정된 곡률은 서로 상이한 프런트 사이드를 위한 2개의 결정된 반경들에 의해 결정된다.
다른 실시예들에 따르면, 프런트 사이드는 스택킹 방향의 돌출에서 직선으로 뻗어 있는 부분을 가진다.
다른 실시예들에 따르면, 프런트 사이드는 스택킹 방향의 돌기에서 오목부와 볼록부를 가진다.
다른 실시예들에 따르면, 스택킹 방향의 돌출에서, 전기 전도성 레이어의 폭은 프런트 사이드의 폭으로부터 적어도 전기 전도성 레이어의 부분 구역 내에서 좁아진다.
다른 장점들, 특징들 및 개선들은 도면들과 관련하여 설명된 이어지는 상세한 설명으로부터 모습을 드러낸다. 동일한 형태이고 동일한 효과를 가진 동일한 구성요소들은 동일한 명칭으로서 본 명세서에 제공될 수 있다. 제시된 구성요소들과 서로의 관계에서 상대적인 사이즈들은 동일한 축적으로 간주되어서는 아니된다.
도 1은 실시예들에 따른 디바이스의 개략적 평면도이다.
도 2는 실시예들에 따른 디바이스의 개략적 단면도이다.
도 3은 실시예들에 따른 디바이스의 개략적 단면도이다.
도 4는 실시예들에 따른 디바이스의 개략적 단면도이다.
도 5는 실시예들에 따른 디바이스의 개략적 평면도이다.
도 6은 실시예들에 따른 디바이스의 개략적 단면도이다.
도 7은 실시예들에 따른 디바이스의 개략적 단면도이다.
도 1은 디바이스(100)의 평면도이다. 디바이스(100)는 특히, 자동차용 히터의 일부이다. 히터는 작동하는 동안 전압이 인가될 때 열을 생성하는, 전기 히터이다.
디바이스(100)는 제1 컴포넌트(101)를 구비한다. 제1 컴포넌트(101)는 레이어들(116)(도 2 참조)의 스택을 구비한다. 레이어들(116)의 스택은 절연 레이어 상의 열 전도체 레이어를 가진다. 레이어들의 스택은 예를 들어, 열 전도체 레이어와 절연 레이어 사이의 중간 레이어들과 같은 추가적인 레이어들을 구비할 수 있다.
열용사 공정에 의해 특히, 대기 플라즈마 스프레이법에 의해, 전기 전도성 레이어(103)가 열 전도체 레이어의 표면(117)의 일부분 상에 인가된다. 특히, 아크(arc)가 사용되고, 불활성 가스가 아크를 통과한다. 예를 들어, 압축된 공기가 사용된다. 구리 파우더가 도입되고 높은 플라즈마 온도의 결과로서 용융된다. 플라즈마의 스트림은 파우더 입자들을 비말 동반하고 레이어들(116)의 스택 상에 그들을 가속시킨다. 전기 전도성 레이어(103)는 예를 들어, 250㎛보다 더 크고 450㎛보다 더 작은 예를 들어, 300㎛의 길이 방향(106)에 직교하는 두께(121)(도 6 참조)를 가진다.
전기 전도성 레이어(103)는 구리로부터 형성되거나 구리를 포함한다. 예를 들어, 전기 전도성 레이어는 99% 구리를 포함한다. 구리는 열용사법에 의해 레이어들(116)의 스택에 부가됨으로써, 전기 전도성 레이어(103)와 열 전도체 레이어 사이에 전기적 연결이 존재한다. 전기 전도성 레이어(103)는 레이어들(116)의 스택의 전기적 및/도는 기계적 접촉을 위한 접촉 패드들을 형성한다.
예시적 실시예들에 따르면, 전기 전도성 레이어(103)의 형상 특히, 도 1 및 도 5의 평면도의 윤곽은 작동하는 동안 전류가 열 전도체 레이어 속으로 확실하게 도입될 수 있도록 결정된다. 전기 전도성 레이어(103)의 윤곽은 전류의 균일한 이송, 및 결과적으로 균일한 열 분포가 수행되도록 결정된다. 이것은 열의 축적(핫스팟들)을 방지할 수 있게 한다. 실시예들에 따르면, 열 전도성 레이어(103)의 프런트 에지 또는 프런트 페이스의 폭은, 전류의 균일한 이송, 및 결과적으로 균일한 열 분포가 수행되도록 결정된다. 프런트 페이스 또는 프런트 에지는 표면(117)의 중간 구역을 면한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 전류의 균일한 이송, 및 결과적으로 균일한 열 분포를 수립하기 위하여, 전기 전도성 레이어(103)의 코너들은 라운드지게 결정된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 열 전도체 레이어의 이웃하는 절연 그루브로부터의 거리는 전류의 균일한 이송 및 결과적인 균일한 열 분포가 수립되도록 결정된다. 절연 그루브는 특히, 열 전도체 레이어를 전도체 트랙들로 분할하는 역할을 한다. 전기 전도성 레이어에 의해 형성된 접촉 패드의 결정된 윤곽은 작동하는 동안 접촉 패드의 온도를 낮게 유지하게 할 수 있고 전류의 높은 흐름에도 불구하고 확실한 작동이 보장되게 한다.
제2 컴포넌트(102)는 물질-결착 방식으로 전기 전도성 레이어(103)에 연결된다. 제2 컴포넌트(102)는 구리의 스트립(104)을 가진다. 스트립(104)은 예를 들어, 구리 합금으로부터 형성된다. 구리의 스트립(104)은 길이 방향(106)을 따라 가늘고 긴 방식으로 연장한다. 길이 방향(106)은 예를 들어, 스트립이 가장 최대로 따르는 공간적 방향이다.
작동하는 동안, 2개의 스트립들(104)과 2개의 레이어들(103)이 마련된다. 2개의 스트립들(104)을 이용하여, 디바이스(100)는 전류/전압 소스에 연결될 수 있다. 작동하는 동안, 2개의 전기 전도성 레이어들과 도 1에 도시된 2개의 스트립들(104)은 예를 들어, 전압을 위한 양극 및 음극 단자들을 형성한다.
스트립(104)은 전기 전도성 레이어(103)에 용접 연결(109)을 통해 각각 연결된다. 용접 연결(109)은 스트립(104)과 전기 전도성 레이어(103) 사이의 기계적 및 전기적 연결을 형성한다. 전기 전도성 레이어는 전기 전도성 레이어(103)와 접촉하는 스트립(104)의 구역보다 더 큰 베이스 면적을 가진다. 결과적으로, 작업하는 동안, 전기 전도성 레이어(103)의 온도는 전기 전도성 레이어에 접촉하는 스트립(104)의 구역에 실질적으로 상응하는 사이즈의 접촉 레이어와 비교하여 감소된다.
도 1에서, 용접 연결(109)은 원형으로서 도시된다. 다른 실시예들에 따르면, 용접 연결은 예를 들어, 선형, 직사각형 및/또는 원형/점 모양과 같은 상이한 기하학적 형태를 가진다. 또한, 상이한 기하학적 형태들의 혼합이 가능하다. 특히, 실시예들에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 용접 연결을 위해 단지 단일의 원(circle)만 제공되는 것이 아니라, 2개 또는 그 이상의 용접 연결들이 서로 이격 및/또는 중첩된다. 예를 들어, 용접된 접합(seam) 배치로서 랩 필렛 용접(lap fillet weld)이 제공된다.
도 2는 제조하는 동안의 디바이스(100)의 단면도이다. 레이어들(116)의 스택의 표면(117) 상에 열용사(spray-on) 구리의 전기 전도성 레이어(103)가 형성된다. 표면(117)으로부터 떨어져서 면하는 전기 전도성 레이어(103)의 표면(115) 상에 스트립(104)이 배치된다. 결과적으로, 스트립(104)과 전기 전도성 레이어(103)는 제1 구역(112)(도 3) 내에서 공통 접촉 구역(107)을 가진다. 공통 접촉 구역(107), 스트립(104) 및 전기 전도성 레이어(103)는 임의의 틈새 없이 가능한 한 멀리 어느 하나의 꼭대기 상에 다른 하나가 배치된다. 접촉 구역(107) 내에서, 구리 스트립(104) 및 구리 전기 전도성 레이어(103)는 서로 직접 접촉한다.
스트립(104)은 길이 방향(106)에 직교하는 두께(105)를 가진다. 두께(105)는 작업 동안 충분하게 큰 전류의 흐름이 가능한 그러한 사이즈로 선택될 수 있다. 예를 들어, 작업 동안 100V의 전압이 스트립(104)에 인가되어 디바이스(100)가 자동차를 위해 충분히 큰 열 출력을 갖게 하는 전류가 흐른다. 두께(105)는 특히, 0.1mm보다 더 크고 0.6mm보다 더 작다. 다른 실시예들에 따르면, 두께(105)는 0.2mm보다 더 크다. 다른 실시예들에 따르면, 두께(105)는 0.3mm보다 더 크다. 특히, 두께(105)는 0.2mm와 0.3mm 사이이다. 다른 실시예들에 따르면, 두께는 0.5mm보다 더 크고 특히, 1mm보다 더 크다. 두께(105)는 5mm보다 더 작고 특히, 2mm보다 더 작다. 두께(105)는 충분히 높은 통전 용량을 얻기 위해 충분이 두껍게 되도록 선택된다. 예를 들어, 두께(105)는 25A의 통전 용량이 얻어지도록 선택된다.
레이저 빔(108)은 스트립(104)의 하나의 사이드(111) 상의 레이저(118)에 의해 방사된다. 사이드(111)는 레이어(103)로부터 멀어지게 면하는 표면이다. 레이저 빔(108)은 특히, 각도(110)로 방사된다. 각도(110)는 0°보다 더 크고 특히, 20°보다 더 크다. 각도(110)는 90°보다 더 작고 특히, 80°보다 더 작다. 각도(110)는 레이저 빔(108)이 가능한 한 잘 스트립(104)에 결합되도록 결정된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 각도(110)는 표면(111)에서 바라지 않는 반사들에 의해 야기되는 레이저에 대한 손상의 사례들이 방지되도록 결정된다.
실시예들에 따르면, 레이저(118)는 광섬유 레이저이다. 특히, 레이저(118)는 Nd:YAG 레이저(네오디뮴-도프트 이트륨-알루미늄-석류석 레이저)이다. 다른 실시예들에 따르면, 상이한 레이저가 사용된다.
특히, 레이저(118)는 532nm의 파장을 가진 레이저 빔(108)을 생성하도록 설계된다. 다른 실시예들에 따르면, 부가적으로 또는 대안적으로, 레이저 빔(108)은 1064nm의 파장으로 제조된다. 예를 들어, 532nm의 파장을 가진 레이저 빔과 1064nm의 파장을 가진 레이저 빔 모두가 방사된다. 532nm 파장을 가진 레이저 빔은 스트립(104)에 특히 잘 결합된다. 1064nm 파장을 가진 레이저 빔은 스트립(104)에 대한 높은 에너지 입력을 가진다. 레이저 빔(108)의 레이저 출력은 스트립(104)이 특정 구역 내에서 용융하도록 결정된다. 예를 들어, 400W의 레이저 에너지가 선택된다. 레이저 에너지는 스트립(104)의 표면(111) 또는 스트립(104)의 내부에서 흡수되고, 스트립(104)의 물질이 구역(112) 내에서 적어도 부분적으로 용융되는 그러한 강도가 되도록 선택된다. 용융 존은 전기 전도성 레이어(103)가 역시 용융되는 정도로 레이어(103)의 방향으로 펼쳐진다. 레이어(103)는 표면(114)에 직접 인접하는 임의의 구역 내에서 적어도 용융된다. 스트립(104)과 레이어(103)의 물질은 용융 내에서 혼합한다. 이어서, 용융이 고화되어 물질-결착 용접 연결(109)(도 3 참조)이 형성된다.
다른 실시예들에 따르면, 표면(111)은 용접을 위한 레이저 빔(108)이 방사되기 전에 예열된다. 특히, 이러한 사전 처리(pretreatment)는 표면의 세정 및/또는 거칠기 작업의 기능을 한다. 예를 들어, 세정은 표면(111)으로부터 산화물 레이어를 제거하는 효과를 가진다. 표면의 거칠기 작업은 스트립(104)에 대한 레이저 빔(108)의 결합을 향상시키는 효과를 가진다. 거칠기 작업은 표면(111)에서 반사되는 레이저 빔(108)의 비율이 감소되는 효과를 가진다. 스트립(104)의 내부 속으로 침투하거나 스트립(104)에 의해 흡수되는 레이저 빔(108)의 비율이 증가된다. 표면 거칠기 작업을 통해 표면(111)의 반사율을 필요한 값으로 설정할 수 있다. 특히, 거칠기 작업을 하지 않은 표면과 비교하여 반사율이 감소됨으로써 용접하는 동안 더 높은 열 입력이 가능하다. 결과적으로, 레이저 빔(108)의 결합 거동이 향상된다. 거칠기 작업이 된 표면(111)은 스트립(104)에 의해 흡수되는 레이저 빔(108)의 에너지의 비율이 증가되는 효과를 가진다.
특히, 표면(111)의 사전 처리는 레이저 빔(108)의 사용에 의해 수행된다. 사전 처리를 위하여, 레이저 빔(108)을 위한 레이저 파라미터들은 레이저 빔(108)이 스트립(104)의 물질을 용융시키지 않지만 표면(111)이 거칠게 되도록 설정된다. 예를 들어, 펄스 레이저가 사용된다. 또한, 원형의 빔 유도가 사전 처리를 위해 사용된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 사전 처리는 기계적으로 예를 들어, 브러쉬 작업에 의해 수행된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 사전 처리는 화학적으로 예를 들어, 표면(111)의 표면 에칭에 의해 수행된다.
다른 실시예들에 따르면, 대안적으로 또는 부가적으로, 용접 전의 사전 처리를 위하여, 스트립(104)은 적어도 구역(112) 내에서 예열된다. 특히, 예열을 위하여, 레이저 빔(108)은 상응하게 결정된 레이저 파라미터들을 이용하여 사용된다. 예를 들어, 예열은 용접하는 동안 스트립(104) 속으로 레이저 빔(108)의 결합을 더 향상시키는 효과를 가진다.
레이저 빔(108)을 위한 상이한 레이저 파라미터들은 예열보다는 용접을 위해 결정된다. 예를 들어, 지속파 레이저 빔(108)이 용접을 위해 사용된다. 예를 들어, 중절모(top-hat)(원통형) 및/또는 직사각형 섬유는 빔의 그레이드로서 사용된다. 특히, 빔의 그레이드 또는 빔 프로파일은 예를 들어, 임의의 물질이 연소에 의해 제거되지 않고 스트립(104)의 물질이 용융되도록 결정된다. 특히, 비교적 소형의 용융 존이 형성되고 비교적 짧은 용융 시간이 결정된다. 결과적으로, 구리를 각각 포함하는 스트립(104)과 레이어(103)의 용접이 가능하다. 이 경우, 충진 재료를 없앨 수 있다. 예를 들어, 용접 연결(109)의 개수와 형태는 그들이 2.4mm2의 유사한 와이어 단면에 상응하도록 선택된다. 이것은 열용사 구리 레이어(103) 상에 구리 스트립(104)의 부착을 가능하게 한다. 이 경우 25A의 통전 용량이 확보된다.
도 4는 다른 실시예들에 따른 디바이스(100)를 도시한다. 디바이스(100)는 도 1 내지 도 3과 함께 설명된 바와 같은 예시적 실시예들에 실질적으로 상응한다. 차이점으로서, 스트립(104)은 제2 구역(113) 내에서 제2 두께(114)를 구비한다. 제2 두께(114)는 두께(105)보다 더 크다. 제2 구역(113)은 제1 구역(112)과 상이하고 접촉 구역(107) 외측에 배치된다. 스트립(104)이 레이저(103)에 용접되는 구역(112) 내의 두께는, 작동 동안 전류/전압 소스에 면하는, 구역(113) 내의 두께(114)보다 더 작다. 이것은 구역(112) 내에서 가능한 한 양호한 용접 연결(109)의 수립을 가능하게 한다. 동시에, 가능한 한 양호한 통전 용량이 구역(113) 내에서 수립된다.
도 4 내지 도 7은 다른 실시예들에 따른 디바이스(100)를 도시한다. 디바이스(100)는 도 1 내지 도 3과 함께 설명된 바와 같은 예시적 실시예들에 실질적으로 상응한다. 차이점으로서, 스트립(104)은 제1 구역(112) 내에서 용접 구역(119)을 가진다. 용접 구역(119)은 길이 방향(106)에 직교하는 두께(120)를 가진다. 두께(120)는 두께(105)보다 더 작다. 용접 구역(119) 외측에서, 스트립(104)은 제1 구역(112) 내에서 0.1밀리미터보다 더 큰, 두께(105)를 가진다.
예를 들어, 두께(105)는 스탬핑법 및/또는 롤링법 및/또는 밀링법 및/또는 그라인딩법 및/또는 프레싱법에 의해 두께(120)로 감소된다. 또한, 두께를 감소시키기에 적합한 일부 다른 방법이 사용될 수 있다.
두께(105)는 양호한 통전 용량과 양호한 열 전도성이 얻어지도록 선택된다. 디바이스(100)의 레이어(103)의 구역은 작동 동안 가열되지 않는다. 특히, 디바이스(100)의 레이어(103)의 구역은 이 구역 하부를 유동하는 매체에 의해 냉각된다. 이러한 냉각의 결과로서, 이러한 구역 내에서 더 작은 두께(120)는 부하 전류의 생성에 충분하다. 특히, 다른 구역들 내에서, 용접 구역(119) 외측에서, 부하 전류 발생을 위한 열의 충분한 제거를 확보하기 위하여, 두께(105)는 용접 구역(119) 내에서보다 더 크다.
결과적으로, 용접 연결(109)은 더 작은 두께(120)를 가진 용접 구역(119)이 형성된다. 결과적으로, 레이저 빔(108)을 너 낮은 에너지 조건으로 운영할 수 있다. 결과적으로, 너무 깊고 레이어(103)를 손상시키는 용접들이 방지될 수 있다. 결과적으로, 제조 동안 불량(reject) 부품의 개수를 감소시킬 수 있다.
특히, 두께(120)는 길이 방향(106)에 직교하는 레이어(103)의 두께(121)에 의존하여 결정된다. 예를 들어, 두께(121)가 더 클수록 두께(120)를 위한 최대값이 더 크게 결정된다. 예를 들어, 두께(121)가 더 작을수록 두께(120)를 위한 최대값이 더 작게 결정된다. 특히, 두께(120)는 레이어(103)의 두께(121) 이하이다. 예를 들어, 두께(121)는 50마이크로미터보다 더 크고 450마이크로미터 특히, 200마이크로미터 또는 300마이크로미터보다 더 작다.
결과적으로, 스트립(104)은 적어도 2개의 상이한 두께들(105, 120)을 가진다. 결과적으로, 스트립(104)은 열을 충분히 제거하고 확실하게 용접될 수 있다.
또한, 제2 구역(113)이 제1 구역(112)보다 더 큰 두께(114)를 가지고 제1 구역(112)이 감소된 두께(120)를 가진 용접 구역을 가진, 도 4의 예시적 실시예와의 조합이 가능하다.
도 1 내지 도 7의 예시적 실시예들에 따른 구리의 스트립(104)은 자동차 내의 히터를 위한 접점으로서 사용될 충분히 높은 통전 용량을 가진다. 레이어(103)에 대한 스트립(104)의 용접 연결은 가스-불투과성 및 내습성 물질-결착 연결을 제공한다. 이 경우, 레이어(103)의 다공성 물질은 스트립(104)의 고체 물질 및/또는 물질-결착 연결(109)에 의해 덮인다. 용접 연결(109)의 형성을 위해 밀리초 범위 내의 짧은 용접 시간이 가능하다. 결과적으로, 레이어(103)에 대한 스트립(104)의 연결이 확실히 가능하고 레이어들(101)의 스택의 바라지 않은 영향 예를 들어, 손상이 방지된다. 디바이스의 수명 동안 스트립(104)과 레이어(103) 사이의 확실한 연결은 용접 연결(109)에 의해 가능하다.
100...디바이스 101...제1 컴포넌트
102...제2 컴포넌트 103...전기 전도성 레이어
104...스트립 105...두께
106...길이 방향 107...접촉 구역
108...레이저 빔 109...용접 연결
110...각도 111...표면
112...제1 구역 116...레이어의 스택
117...레이어의 표면 118...레이저
120...두께

Claims (15)

  1. 제1 컴포넌트(101)와 제2 컴포넌트(102)를 접합하기 위한 방법에 있어서:
    열용사 전기 전도성 레이어(103)를 포함하는 제1 컴포넌트(101)를 마련하는 단계;
    적어도 제1 구역(112)에서 0.1밀리미터보다 큰 길이 방향(106)에 직교하는 두께를 가진, 구리의 길이 방향으로 연장하는 스트립을 가진, 제2 컴포넌트(102)를 마련하는 단계;
    상기 스트립(104)의 제1 구역(112)과 상기 레이어(103)가 서로 공통하는 접촉 구역(107)을 가지도록, 상기 스트립(104)과 상기 레이어(103)를 어느 하나의 꼭대기에 다른 하나를 배치시키는 단계; 및
    상기 접촉 구역(107) 상에 레이저 빔(108)을 방사시킴으로써, 상기 스트립(104)과 상기 레이어(103)를 서로 연결하는 용접 연결(109)을 형성시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에서,
    상기 용접 연결(109)의 기하학적 형태가 환형, 선형, 직사각형 또는 원형으로서 형성되도록 상기 레이저 빔(108)이 방사되는, 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에서,
    상기 용접 연결(109)이 형성되도록, 상기 레이저 빔은 제1 레이저 파라미터들을 이용하여 방사되고, 이어서 상기 제1 레이저 파라미터들과 상이한 제2 레이저 파라미터들을 이용하여 방사되는, 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에서,
    상기 레이저 빔(108)이 경사지게 방사되는, 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에서,
    상기 레이저 빔(108)은 상기 레이어(103)로부터 멀어져서 면하는 사이드(111) 상의 스트립(104) 상에 방사되는, 방법.
  6. 청구항 5에서,
    상기 제2 컴포넌트(102)를 마련하는 단계는:
    레이저 빔(108) 및/또는 화학적으로 및/또는 기계적인 방식에 의해, 상기 레이어(103)로부터 멀어져서 면하는 상기 스트립(104)의 사이드(111)의 표면을 거칠게 하는 것을 포함하는, 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 컴포넌트(101)를 마련하는 단계는:
    구리를 열용사하여 전기 전도성 레이어(103)를 형성하는, 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에서,
    상기 제2 컴포넌트(102)를 마련하는 단계는:
    상기 스트립(104)의 제1 구역(112)의 용접 구역(119) 내의 두께(105)를 감소시키는 단계; 및
    상기 용접 구역(119) 내에서 용접 연결(109)을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 8에서,
    상기 용접 구역(119) 내의 상기 두께(105)를 길이 방향(106)에 직교하는 미리 결정된 제2 두께(120)로 감소시키는 단계를 포함하고,
    상기 제2 두께(120)는 열용사 전기 전도성 레이어(103)의 두께(121)에 의존하여 결정되는, 방법.
  10. 열용사 전기 전도성 레이어(103);
    적어도 제1 구역(112) 내에서 0.1밀리미터보다 큰 길이 방향(106)에 직교하는 두께(105)를 가진, 구리의 스트립(104); 및
    상기 레이어(103)에 대하여 스트립(104)의 전기적 및/또는 기계적으로 접촉을 형성하기 위해 상기 레이어(103)와 상기 스트립(104)의 제1 구역(112)을 서로 연결하는 용접 연결(109)을 구비하는, 디바이스.
  11. 청구항 10에서,
    상기 스트립(104)은 상기 용접 연결(109) 외측에서 제2 구역(113)을 가지고,
    상기 스트립(104)은 상기 제2 구역(113) 내에서 상기 제1 구역(112) 내의 두께(105)보다 더 큰 길이 방향(106)에 직교하는 두께(114)를 가진, 디바이스.
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에서,
    상기 열용사 전기 전도성 레이어(103)는 구리를 포함하는, 디바이스.
  13. 청구항 10 내지 청구항 12 중 어느 한 항에서,
    상기 스트립(104)은 상기 제1 구역(112)의 용접 구역(119) 내에서 상기 두께(105)보다 더 작은 제2 두께(120)를 가지고,
    상기 용접 연결(109)은 상기 용접 구역(119) 내에서 형성된, 디바이스.
  14. 청구항 13에서,
    상기 제2 두께(120)는 상기 열용사 전기 전도성 레이어(103)의 두께(121)에 의존하여 결정되는, 디바이스.
  15. 청구항 10 내지 청구항 14 중 어느 한 항에서,
    상기 전기 전도성 레이어(103)에 배치된 열 전도체층(102)을 구비하고,
    상기 전기 전도성 레이어(103)의 윤곽은, 상기 열 전도체층의 중간 구역(114)에 면하는 상기 전기 전도성 레이어(103)의 프런트 사이드의 미리 결정된 폭, 상기 열 전도체층의 절연 그루브로부터의 미리 결정된 거리, 및 윤곽의 미리 결정된 곡률 중 적어도 하나에 의해, 상기 전기 전도성 레이어(103)에서 열의 축적을 회피하도록 결정되는, 디바이스.
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