KR20180138176A - 적층 금속박의 용접 방법 - Google Patents

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Abstract

열전도형 용접에 의해 블로홀이나 스패터의 발생을 억제하면서, 접합에 필요한 용융지를 성장시킬 수 있는 적층 금속박의 용접 방법을 제공한다. 상금속판(12)과 하금속판(13)으로 협지된 적층 금속박(11)에, 상금속판(12)측으로부터 레이저 빔(LB)을 조사하고, 적층 금속박(11)을 상금속판(12) 및 하금속판(13)에 레이저 용접하는 적층 금속박의 용접 방법. 레이저 용접하기 전에, 상금속판(12)의 상면(12a)에 구멍(12b)을 형성해 두는 것과 함께, 구멍(12b)의 직경이 상면을 향하여 넓어지도록 모따기부(12c)를 형성해 두고, 레이저 용접할 때, 열전도형 용접용의 레이저 빔(LB)을 상금속판(12)의 모따기부(12c)에 조사하여 용융지(14a)를 형성하고, 레이저 빔(LB)을 조사하면서 주회시켜서 용융지(14a)를 교반하고, 용융지(14a)를 적층 금속박(11)의 적층 방향으로 성장시켜서 하금속판(13)에 도달시킨다.

Description

적층 금속박의 용접 방법{METHOD OF WELDING LAMINATED METAL FOILS}
본 발명은 적층 금속박의 용접 방법에 관한 것으로서, 특히 한 쌍의 금속판에 협지(挾持)된 적층 금속박의 용접 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 이차 전지, 커패시터(콘덴서) 등에서는, 전극용의 적층 금속박을 집전용의 금속판에 접합함으로써 집전한다. 통상, 도전성이 우수한 알루미늄이나 구리로 이루어지는 적층 금속박 및 금속판을 용접(야금적 접합)이나 기계적 접합에 의해 접합한다. 여기에서, 용접을 이용하면, 기계적 접합에 비교하여 접합 후의 전기 저항을 저감할 수 있다.
일본국 공개특허 특개2015-217422호 공보에는, 한 쌍의 금속판에 협지된 적층 금속박의 용접 방법이 개시되어 있다. 구체적으로는, 제 1 레이저 빔을 이용한 열전도형 용접을 행함으로써 금속판의 표면에 용융지(molten pool)를 형성한 후, 당해 용융지에 제 2 및 제 3 레이저 빔을 조사하여 키홀형 용접을 행하고 있다. 즉, 열전도형 용접에 의해 용융지를 형성해 둠으로써, 키홀형 용접에 있어서의 블로홀 등의 용접 결함의 발생을 억제하고 있다.
발명자들은, 적층 금속박의 용접 방법에 관한 것으로서, 이하의 문제점을 발견했다.
일본국 공개특허 특개2015-217422호 공보에 개시된 적층 금속박의 용접 방법에서는, 키홀형 용접을 행하고 있기 때문에, 역시 용접 시에 블로홀이 발생하는 것과 함께, 블로홀이 튀어서 스패터(spatter)가 발생한다고 하는 문제가 있었다. 여기에서, 블로홀은, 용접부에 잔류하여 용접부의 피로 강도나 접촉 저항 등에 악영향을 끼치고, 스패터는, 이물로서 부착·혼입하여 악영향을 미칠 우려가 있다.
여기에서, 열전도형 용접을 이용하면, 키홀형 용접을 이용하였을 경우에 비하여, 블로홀이나 스패터의 발생을 억제할 수 있는 것은, 잘 알려져져 있다. 그러나, 일본국 공개특허 특개2015-217422호 공보에도 기재된 바와 같이, 단순하게 열전도형 용접을 행하는 것만으로는, 레이저 빔을 조사하고 있는 금속판을 관통하는 용융지가 형성되지 않는다. 즉, 한 쌍의 금속판과 적층 금속박의 접합에 필요한 용융지를 성장시킬 수 없다.
예를 들면, 한 쌍의 금속판과 적층 금속박이, 알루미늄이나 구리, 혹은 그들을 주성분으로 하는 합금 등의 고열전도성을 가지는 금속재료로 이루어질 경우, 용융지의 열이 달아나기 쉬워, 특히 문제가 된다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 열전도형 용접에 의해 블로홀이나 스패터의 발생을 억제하면서, 접합에 필요한 용융지를 성장시킬 수 있는 적층 금속박의 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법은,
상금속판과 하금속판으로 협지된 적층 금속박에, 상기 상금속판측으로부터 레이저 빔을 조사하여, 상기 적층 금속박을 상기 상금속판 및 상기 하금속판에 레이저 용접하는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서,
레이저 용접하기 전에, 상기 상금속판의 상면에 구멍을 형성해 두는 것과 함께, 상기 구멍의 직경이 상기 상면을 향하여 넓어지도록 모따기부를 형성해 두고,
레이저 용접할 때,
열전도형 용접용의 상기 레이저 빔을 상기 상금속판의 상기 모따기부에 조사하여 용융지를 형성하고,
상기 레이저 빔을 조사하면서 주회(周回)시켜서 상기 용융지를 교반하고, 상기 용융지를 상기 적층 금속박의 적층 방향으로 성장시켜서 상기 하금속판에 도달시키는 것이다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에서는, 열전도형 용접용의 레이저 빔을 상금속판에 형성된 구멍의 모따기부에 조사하여 용융지를 형성한다. 모따기부의 두께가 얇기 때문에, 열전도형 용접에 의해 블로홀이나 스패터의 발생을 억제하면서, 용이하게 용융지를 형성할 수 있다. 그리고, 열전도형 용접용의 레이저 빔을 조사하면서 주회시켜서 용융지를 교반하고, 용융지를 적층 금속박의 적층 방향으로 성장시켜서 하금속판에 도달시킨다. 즉, 열전도형 용접에 의해 블로홀이나 스패터의 발생을 억제하면서, 접합에 필요한 용융지를 성장시킬 수 있다.
상기 구멍이 관통구멍이어도 된다.
이러한 구성에 의해, 구멍을 용이하게 형성할 수 있다.
레이저 용접할 때, 상기 용융지로부터 방출되는 열방사광의 강도에 의거하여, 상기 레이저 빔의 조사 조건을 피드백 제어하여도 된다.
이러한 구성에 의해, 용접부의 품질을 향상시킬 수 있다.
상기 적층 금속박, 상기 상금속판 및 상기 하금속판이, 알루미늄 또는 구리를 주성분으로 하는 금속재료로 이루어져도 된다. 이러한 구성에 바람직하다.
본 발명에 의해, 열전도형 용접에 의해 블로홀이나 스패터의 발생을 억제하면서, 접합에 필요한 용융지를 성장시킬 수 있는 적층 금속박의 용접 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점은, 이하의 상세 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이지만, 이는 오직 예시를 위한 것이고, 따라서 본 발명을 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다.
도 1은 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 이용하여 용접된 적층 금속박의 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.
도 3은 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 4는 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 5는 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 6은 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 이용하는 레이저 용접 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 이용하는 레이저 용접의 제어 방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 1회의 레이저 용접에 있어서의 열방사광의 수광 강도(RL)의 시간 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 적용한 구체적인 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 이하의 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 설명을 명확히 하기 위해서, 이하의 기재 및 도면은, 적절히, 간략화되어 있다.
(제 1 실시형태)
<용접된 적층 금속박의 구성>
우선, 도 1, 도 2를 참조하여, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 이용하여 용접된 적층 금속박에 대하여 설명한다.
도 1은, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 이용하여 용접된 적층 금속박의 평면도이다. 도 2는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다. 도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 적층 금속박(11)은, 상금속판(12)과 하금속판(13)으로 협지되어 있으며, 용접부(14)에 있어서 상금속판(12) 및 하금속판(13)에 용접되어 있다.
또한, 당연한 것이지만, 도 1 및 그 외의 도면에 나타낸 오른손 좌표계 xyz직교 좌표는, 구성요소의 위치 관계를 설명하기 위한 편의적인 것이다. 통상, z축 정방향이 연직 상방향, xy평면이 수평면이며, 도면간에서 공통이다. 또한, 도 1에 있어서, 상금속판(12)과 하금속판(13)은, 실제로는 겹쳐져 있지만, 이해를 용이하게 하기 위하여 편의적으로 비켜 놓아서 그려져 있다.
적층 금속박(11)은, 예를 들면, 이차 전지, 커패시터(콘덴서) 등에 있어서의 전극(정극 혹은 부극)으로부터 연장하여 마련된 금속박이 적층된 것이다. 적층 금속박(11)은, 예를 들면, 10~30㎛ 정도의 두께를 가지는 금속박이 30~100매 정도 적층된 것이다. 적층 금속박(11)은, 알루미늄이나 구리, 혹은 그들을 주성분으로 하는 합금 등의 고도전율을 가지는 금속재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 적층 금속박(11)의 주연부(周緣部)의 일부는, 집전용의 한 쌍의 상금속판(12)과 하금속판(13)에 의하여 협지되어 있다. 바꿔 말하면, 상금속판(12)과 하금속판(13)에 의하여, 적층된 금속박 즉 적층 금속박(11)이 묶음으로 되어 있다. 여기에서, 상금속판(12), 하금속판(13)의 각각은, xy평면에서 볼 때에 직사각형상이며, 예를 들면, 1~1.5㎜ 정도의 두께를 가지고 있다. 상금속판(12), 하금속판(13)은, 용접성이나 용접부(14)의 전기 저항의 관점에서, 적층 금속박(11)과 동종의 금속재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 적층 금속박(11)이 알루미늄으로 이루어지면, 상금속판(12), 하금속판(13)도 알루미늄으로 이루어지는 것이 바람직하고, 적층 금속박(11)이 구리로 이루어지면, 상금속판(12), 하금속판(13)도 구리로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 용접부(14)에 있어서 적층 금속박(11)을 구성하는 모든 금속박끼리가 서로 용접되어서 있는 것과 함께, 적층 금속박(11)이 상금속판(12), 하금속판(13)과 용접되어 있다. 도 2의 예에서는, 용접부(14)가, 상금속판(12)의 상면(z축 정방향측의 표면)으로부터 적층 금속박(11)을 개재하여 하금속판(13)의 내부에 걸쳐서 형성되어 있다. 즉, 도 2의 예에서는, 용접부(14)는 안쪽면 관통되어 있지 않지만, 안쪽면 관통되어 있어도 된다.
상세하게는 후술하는 바와 같이, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 이용하여 용접된 적층 금속박(11)에서는, 열전도형 용접용의 레이저 빔을 주회시킴으로써, 용접부(14)가 형성된다. 열전도형 용접이기 때문에, 키홀형 용접을 이용하였을 경우에 비하여, 용접 시에 있어서의 블로홀이나 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 레이저 빔을 주회시킴으로써, 용융지가 교반되고, 요동하면서 적층 금속박(11)의 적층 방향으로 성장하기 때문에, 상금속판(12), 하금속판(13)과 적층 금속박(11)을 접합할 수 있다. 이 때, 블로홀의 배출도 촉진되기 때문에, 블로홀의 발생을 더 억제할 수 있다.
이처럼, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 이용하여 용접된 적층 금속박(11)에서는, 용접부(14)에 있어서의 블로홀의 발생이 억제되고 있다.
<적층 금속박의 용접 방법>
다음으로, 도 3~도 5를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 대하여 설명한다. 도 3~도 5는, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 나타내는 평면도 및 단면도이다. 도 3~도 5의 각각에 있어서, 상단이 평면도, 하단이 단면도이다.
우선, 도 3에 나타내는 바와 같이, 상금속판(12)을 상측(z축 정방향측), 하금속판(13)을 하측(z축 부방향측)으로 하고, 적층 금속박(11)을 대좌(50)의 상면(z축 정방향측의 표면)에 재치(載置)한다. 여기에서, 상금속판(12)의 상면(12a)의 용접 개소에는, 예를 들면, xy평면에서 보았을 때 원 형상의 구멍(12b)이 형성되어 있다. 또한, 구멍(12b)이 상면(12a)를 향하여 넓어지도록 xy평면에서 보았을 때 고리형의 모따기부(12c)가 형성되어 있다. 즉, 레이저 용접하기 전에, 상금속판(12)의 상면(12a)의 용접 개소에 구멍(12b) 및 모따기부(12c)를 형성해 둔다. 도 3에 나타낸 구멍(12b)은 관통구멍이지만, 블라인드 홀이어도 된다. 단, 관통구멍쪽이, 가공이 용이해서, 바람직하다. 모따기부(12c)는 기계 가공 등에 의해 형성할 수 있다.
한편, 레이저 빔(LB)을 조사하는 상금속판(12)의 모따기부(12c)의 주위를, 누름 지그(60)에 의해 상측으로부터 누른다. 그 때문에, 누름 지그(60)에는 상금속판(12)의 모따기부(12c)보다도 한층 큰 관통구멍(61)이 형성되어 있다. 이처럼, 대좌(50)에 재치된 하금속판(13)과, 누름 지그(60)에 눌린 상금속판(12)에 의해, 적층 금속박(11)을 협지한다.
그리고, 도 3에 나타내는 바와 같이, 열전도형 용접용의 레이저 빔(LB)을 상금속판(12)의 모따기부(12c)를 따라 조사하면서 원 형상으로 주회시킨다. 여기에서, 열전도형 용접용의 레이저 빔이란, 키홀이 형성되지 않는 정도의 에너지 밀도를 가지는 레이저 빔이다. 레이저 빔(LB)의 에너지 밀도는, 레이저 출력이나 스폿 직경을 변경함으로써 조정할 수 있다.
다음으로, 도 4에 나타내는 바와 같이, 레이저 빔(LB)을 조사하면서 동일 궤도로 계속 주회시킴으로써, 상금속판(12)의 모따기부(12c)가 용융하여, 용융지(14a)가 형성된다. 모따기부(12c)에서는, 구멍(12b)을 향하여 상금속판(12)의 두께가 얇아져 있다. 그 때문에, 열전도형 용접용의 레이저 빔(LB)이어도, 용융지(14a)가 용이하게 상금속판(12)을 관통할 수 있다.
또한, 레이저 빔(LB)을 모따기부(12c)에 조사하는 한, 반드시 동일 궤도로 주회시킬 필요는 없다.
또한, 모따기부(12c)에 있어서 형성된 용융지(14a)가 구멍(12b)을 개재하여 직접 적층 금속박(11)에 접촉하여, 열전도에 의해 적층 금속박(11)이 용융된다. 여기에서, 구멍(12b)을 개재하여 적층 금속박(11)에 레이저 빔(LB)을 직접 조사하였을 경우, 표면의 금속박의 온도가 급격하게 상승되어, 스패터가 발생하기 쉽다. 본 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에서는, 적층 금속박(11)에 레이저 빔(LB)을 직접 조사하지 않고, 상금속판(12)의 모따기부(12c)를 용융시킨 용융지(14a)로부터의 열전도에 의해 적층 금속박(11)을 용융시킨다. 그 때문에, 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
마지막으로, 도 5에 나타내는 바와 같이, 레이저 빔(LB)을 조사하면서 동일 궤도로 계속 주회시킴으로써, 용융지(14a)를 교반한다. 교반에 의해, 용융지(14a)가 요동하면서 적층 금속박(11)의 적층 방향으로 성장하여, 하금속판(13)에 도달한다. 이 결과, 상금속판(12), 하금속판(13)과 적층 금속박(11)을 접합할 수 있다. 또한, 용융지(14a)가 요동하면서 성장할 때, 블로홀의 배출도 촉진되기 때문에, 블로홀의 발생을 억제할 수 있다. 여기에서, 하금속판(13)의 하면과 접촉하는 대좌(50)의 상면에는, 용융지(14a)가 안쪽면 관통되었을 때, 직접 접촉하지 않도록, 원반 형상으로 쑥 들어간 오목부(51)가 형성되어 있다.
그 후, 레이저 빔(LB)의 조사를 종료하면, 용융지(14a)가 응고되어, 도 1, 도 2에 나타낸 용접부(14)가 형성된다.
또한, 레이저 빔(LB)을 용융지(14a)에 조사하는 한, 반드시 동일 궤도로 주회시킬 필요는 없다.
제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에서는, 열전도형 용접용의 레이저 빔(LB)을 상금속판(12)의 구멍(12b)의 모따기부(12c)에 조사하여 용융지(14a)를 형성한다. 모따기부(12c)의 두께가 얇기 때문에, 열전도형 용접에 의해 블로홀이나 스패터의 발생을 억제하면서, 용이하게 용융지(14a)를 형성할 수 있다. 더해서, 용융지(14a)가 구멍(12b)을 개재하여 직접 적층 금속박(11)에 접촉하여, 열전도에 의해 적층 금속박(11)을 용융시킬 수 있다. 즉, 적층 금속박(11)에 레이저 빔(LB)을 직접 조사하지 않고, 용융지(14a)로부터의 열전도에 의해 적층 금속박(11)을 용융시키기 때문에, 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 열전도형 용접용의 레이저 빔(LB)을 주회시킴으로써, 용융지(14a)를 교반하고, 요동시키면서 적층 금속박(11)의 적층 방향으로 성장시켜서 하금속판(13)에 도달시킬 수 있다. 이 결과, 블로홀이나 스패터의 발생을 억제하면서, 상금속판(12), 하금속판(13)과 적층 금속박(11)을 접합할 수 있다. 또한, 용융지(14a)의 요동에 의해, 블로홀의 배출도 촉진되기 때문에, 블로홀의 발생을 더 억제할 수 있다.
이처럼, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에서는, 열전도형 용접에 의해 블로홀이나 스패터의 발생을 억제하면서, 접합에 필요한 용융지(14a)를 성장시킬 수 있다.
<레이저 용접 장치의 구성>
다음으로, 도 6을 참조하여, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 이용하는 레이저 용접 장치에 대하여 설명한다. 도 6은, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 이용하는 레이저 용접 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 레이저 용접방법에 이용하는 레이저 용접 장치는, 레이저 발진기(101), 레이저 헤드(LH), 렌즈(L1), 수광 센서(102), 레이저 제어부(103)를 구비하고 있다.
레이저 발진기(101)는, 레이저 제어부(103)로부터 출력된 제어신호에 근거하는 레이저 출력으로, 레이저 빔(LB)을 발진한다. 일례로서, 적층 금속박(11)의 총 두께가 0.6~1.0㎜ 정도, 상금속판(12), 하금속판(13)의 두께가 1.0~1.5㎜ 정도의 경우, 레이저 출력은 1000~3000W 정도이다. 레이저 발진기(101)로부터 출력된 레이저 빔(LB)은, 레이저 헤드(LH)에 입력된다.
레이저 헤드(LH)는, 예를 들면, 주사(走査) 가능한 갈바노 스캐닝형 레이저 헤드이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 레이저 헤드(LH)는, 다이크로익 미러(DM), 미러(M1), 렌즈(L2)를 구비하고 있다. 여기에서, 다이크로익 미러(DM)는, 레이저 빔(LB)을 반사하고 열방사광이 투과된다. 레이저 빔(LB)은, 다이크로익 미러(DM) 및 미러(M1)에 반사된 후, 렌즈(L2)에 의해 집광되어, 레이저 헤드(LH)로부터 출사된다. 레이저 헤드(LH)로부터 출사된 레이저 빔(LB)이, 적층 금속박(11) 및 상금속판(12), 하금속판(13)의 용접 예정 개소에 조사되어, 용융지(14a)가 형성된다. 일례로서, 적층 금속박(11)의 총 두께가 0.6~1.0㎜ 정도, 상금속판(12), 하금속판(13)의 두께가 1.0~1.5㎜ 정도의 경우, 용융지(14a)에 조사되는 레이저 빔(LB)의 스폿 직경은, 예를 들면, 0.4~1.2㎜ 정도로 한다. 그리고, 이 레이저 빔(LB)을 20~50㎜/s 정도의 주사 속도로 조사하면서, 직경 2~4㎜의 원주 상을 4~20회 정도 주회시킨다.
본 레이저 용접 장치에서는, 용융지(14a)로부터 방출되는 열방사광(복귀광)(TR)의 수광 강도에 의거하여 레이저 출력을 피드백 제어한다.
그 때문에, 도 6에 나타내는 바와 같이, 용융지(14a)로부터 방출된 열방사광(TR)을, 레이저 헤드(LH)를 개재하여 렌즈(L1)에 의해 집광한 후, 수광 센서(102)에 의해 검출한다. 보다 상세하게는, 레이저 헤드(LH)에 있어서, 렌즈(L2)를 개재하여 미러(M1)에 반사된 후, 다이크로익 미러(DM)를 투과한 열방사광(TR)이, 렌즈(L1)에 의해 집광된다.
여기에서, 레이저 빔(LB)이 조사되고 있는 용융지(14a)의 온도가 높을수록, 수광 센서(102)에 의해 검출되는 열방사광(TR)의 수광 강도도 높아진다.
레이저 제어부(103)는, 수광 센서(102)에 의해 검출된 열방사광(TR)의 수광 강도에 의거하여 레이저 발진기(101)를 피드백 제어한다. 구체적으로는, 레이저 제어부(103)는, 레이저 발진기(101)에 있어서의 레이저 출력 및 레이저 발진의 개시 및 정지를 제어하기 위한 제어신호를 레이저 발진기(101)에 출력한다.
도면에 나타내지는 않았지만, 레이저 제어부(103)는, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit) 등의 연산부와, 각종 제어 프로그램이나 데이터 등이 저장된 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory) 등의 기억부를 구비하고 있다.
이하에, 레이저 제어부(103)에 의한 레이저 용접의 제어 방법의 상세에 대하여 설명한다.
<레이저 용접의 제어 방법>
이하에, 도 7, 도 8을 참조하여, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 이용하는 레이저 용접의 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 7은, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 이용하는 레이저 용접의 제어 방법을 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 도 8은, 1회의 레이저 용접에 있어서의 열방사광의 수광 강도(RL)의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 도 8에 있어서 실선으로 나타낸 곡선이, 열방사광의 수광 강도(RL)의 표준적인 시간 변화 패턴이다.
여기에서, 도 8에 나타낸 로마 숫자 Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ는, 각각 도 3, 도 4, 도 5를 의미하고 있다. 즉, 도 3, 도 4, 도 5에 나타낸 용융지(14a)의 상태는, 도 8의 그래프에 나타낸 Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ의 범위에 대체로 해당하고 있다.
또한, 도 7에 나타낸 플로우 차트를 설명하는 것에 있어서, 도 6에 나타낸 레이저 용접 장치의 구성도 적절히 참조한다.
우선, 도 7에 나타내는 바와 같이, 레이저 제어부(103)는, 미리 정해진 초기 레이저 출력으로 레이저 발진기(101)를 발진시켜, 적층 금속박(11) 및 상금속판(12), 하금속판(13)에의 레이저 빔(LB)의 조사를 개시한다(단계 ST1). 이에 수반하여, 도 8의 그래프에 나타내는 바와 같이, 수광 센서(102)에 의해 검출되는 열방사광(TR)의 수광 강도(RL)가 상승되기 시작한다. 이 단계는 도 3에 해당한다.
또한, 당연한 것이지만, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 레이저 출력 이외의 조사 조건도 설정된다. 예를 들면, 레이저 빔(LB)의 스폿 직경, 조사 시간, 레이저 빔(LB)을 주사시킬 경우에는, 주사 속도, 주회수 등이 설정되며, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장된다.
다음으로, 도 7에 나타내는 바와 같이, 레이저 제어부(103)는, 수광 센서(102)에 의해 검출된 열방사광(TR)의 수광 강도(RL)로부터 그 변화율(ΔRL)을 산출한다(단계 ST2). 여기에서, 변화율(ΔRL)은, 소정 시간당의 수광 강도(RL)의 변화량을 나타내고 있다.
이어서, 레이저 제어부(103)는, 변화율(ΔRL)이 미리 정해진 변화율(ΔRL)의 상한값(ΔRLU)보다도 작은지 아닌지 판정한다(단계 ST3). 상한값(ΔRLU)은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장된다.
도 8의 그래프에 파선으로 나타낸 곡선(A)과 같이, 변화율(ΔRL)이 상한값(ΔRLU) 이상인 경우(단계 ST3 NO), 레이저 제어부(103)는, 변화율(ΔRL)이 상한값(ΔRLU)보다도 작아지도록, 레이저 출력을 저하시킨다(단계 ST4). 변화율(ΔRL)이 상한값(ΔRLU) 이상인 경우, 용융지(14a)의 온도가 급격하게 상승함으로써, 스패터나 박 끊김이 발생되기 쉬워진다. 여기에서, 박 끊김이란, 용융지(14a)의 응고 수축 시에 용접부(14)의 계면에서 금속박이 끊어지는 현상을 말한다. 레이저 출력의 하락폭은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장되어 있다.
변화율(ΔRL)이 상한값(ΔRLU)보다도 작을 경우(단계 ST3 YES), 레이저 제어부(103)는, 레이저 출력을 변경하지 않고, 변화율(ΔRL)이 미리 정해진 변화율(ΔRL)의 하한값(ΔRLL)보다도 큰지 아닌지 판정한다(단계 ST5). 하한값(ΔRLL)은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장된다.
도 8의 그래프에 파선으로 나타낸 곡선(B)과 같이, 변화율(ΔRL)이 하한값(ΔRLL) 이하일 경우(단계 ST5 NO), 레이저 제어부(103)는, 변화율(ΔRL)이 하한값(ΔRLL)보다도 커지도록, 레이저 출력을 상승시킨다(단계 ST6). 변화율(ΔRL)이 하한값(ΔRLL) 이하일 경우, 입열(入熱) 부족에 의해 융합 불량이 발생되기 쉬워진다. 레이저 출력의 상승폭은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장되어 있다.
변화율(ΔRL)이 하한값(ΔRLL)보다도 클 경우(단계 ST5 YES), 레이저 제어부(103)는, 레이저 출력을 변경하지 않고, 수광 강도(RL)가 목표값(RLE)을 넘었는지 아닌지 판정한다(단계 ST7). 목표값(RLE)은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장된다.
수광 강도(RL)가 목표값(RLE) 이하일 경우(단계 ST7 NO), 용융지(14a)가 아직 충분히 형성되어 있지 않기 때문에, 레이저 제어부(103)는, 레이저 출력을 변경하지 않고, 단계 ST2로 되돌아가, 수광 센서(102)에 의해 검출된 열방사광(TR)의 수광 강도(RL)로부터 그 변화율(ΔRL)을 다시 산출한다. 즉, 도 8의 그래프에 있어서 수광 강도(RL)가 목표값(RLE)을 넘을 때까지는, 레이저 제어부(103)는, 단계 ST2~단계 ST7을 반복하여, 하한값(ΔRLL)<변화율(ΔRL)<상한값(ΔRLU)이 되도록 레이저 출력을 제어한다. 이 단계는 도 3, 도 4에 해당한다.
수광 강도(RL)가 목표값(RLE)을 넘었을 경우(단계 ST7 YES), 용융지(14a)가 이미 충분히 형성되어 있기 때문에, 레이저 제어부(103)는, 레이저 출력을 변경하지 않고, 도 8의 그래프에 나타내는 바와 같이 수광 강도(RL)가 목표값(RLE)을 넘고 나서 소정의 보지(保持) 시간이 경과하였는지 아닌지 판정한다(단계 ST8). 보지 시간은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장된다.
보지 시간이 경과되어 있지 않을 경우(단계 ST8 NO), 단계 ST8을 반복한다. 즉, 도 8의 그래프에 있어서 보지 시간이 경과될 때까지는, 레이저 제어부(103)는, 레이저 출력을 변경하지 않고, 레이저 빔(LB)을 계속하여 조사한다. 이 단계는 도 5에 해당한다.
보지 시간이 경과하였을 경우(단계 ST8 YES), 레이저 빔(LB)의 조사 시간(T)에 대해서, 도 8의 그래프에 나타낸 하한값(Tmin)<조사 시간(T)<상한값(Tmax)을 만족시키고 있는지 아닌지 판정한다(단계 ST9). 하한값(Tmin) 및 상한값(Tmax)은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장된다.
하한값(Tmin)<조사 시간(T)<상한값(Tmax)을 만족시키고 있지 않을 경우(단계 ST9 NO), 레이저 제어부(103)는, 레이저 빔(LB)의 조사를 종료하고, 레이저 용접 장치 및 용접부의 품질을 체크할 필요가 있다고 판단한다(단계 ST10). 조사 시간(T)이 하한값(Tmin) 이하의 경우에는 조사 시간이 너무 짧고, 조사 시간(T)이 상한값(Tmax) 이상의 경우에는 조사 시간이 너무 길기 때문에, 어떠한 이상이 발생되어 있을 우려가 있기 때문이다.
하한값(Tmin)<조사 시간(T)<상한값(Tmax)을 만족시키고 있을 경우(단계 ST9 YES), 레이저 제어부(103)는, 정상적으로 용접이 종료되었다고 판단하여, 그대로 레이저 빔(LB)의 조사를 종료한다.
이상과 같이, 수광 센서(102)에 의해 검출되는 열방사광(TR)의 수광 강도(RL)를 이용하여 레이저 출력을 피드백 제어함으로써, 용접부(14)의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 7에 나타낸 예에서는, 레이저 빔(LB)의 조사 조건으로서 레이저 출력을 피드백 제어하고 있지만, 조사 시간 등의 그 외의 조사 조건을 피드백 제어하여도 된다.
위와 같은 발명의 설명에 의해, 발명의 실시예가 다양한 방법으로 달라질 수 있음이 명백하다. 이러한 변형은 발명의 사상 및 범위에서 벗어나는 것으로 간주되어서는 안되고, 모든 그러한 변형은 다음의 청구범위 내에 포함되는 것이 당업자들에게 명백하다.

Claims (4)

  1. 상금속판과 하금속판으로 협지된 적층 금속박에, 상기 상금속판측으로부터 레이저 빔을 조사하여, 상기 적층 금속박을 상기 상금속판 및 상기 하금속판에 레이저 용접하는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서,
    레이저 용접하기 전에, 상기 상금속판의 상면에 구멍을 형성해 두는 것과 함께, 상기 구멍의 직경이 상기 상면을 향하여 넓어지도록 모따기부를 형성해 두고,
    레이저 용접할 때,
    열전도형 용접용의 상기 레이저 빔을 상기 상금속판의 상기 모따기부에 조사하여 용융지를 형성하고,
    상기 레이저 빔을 조사하면서 주회시켜서 상기 용융지를 교반하고, 상기 용융지를 상기 적층 금속박의 적층 방향으로 성장시켜서 상기 하금속판에 도달시키는, 적층 금속박의 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구멍이 관통구멍인, 적층 금속박의 용접 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    레이저 용접할 때,
    상기 용융지로부터 방출되는 열방사광의 강도에 의거하여 상기 레이저 빔의 조사 조건을 피드백 제어하는, 적층 금속박의 용접 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 금속박, 상기 상금속판 및 상기 하금속판이, 알루미늄 또는 구리를 주성분으로 하는 금속재료로 이루어지는, 적층 금속박의 용접 방법.
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