KR20180138177A - 적층 금속박의 용접 방법 - Google Patents

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Abstract

블로홀이나 스패터의 발생을 억제 가능한 적층 금속박의 용접 방법을 제공한다. 한 쌍의 금속판(12,13)으로 협지된 적층 금속박(11)을 한 쌍의 금속판(12,13)에 용접하는 적층 금속박(11)의 용접 방법이다. 한 쌍의 금속판(12,13)으로 협지된 적층 금속박(11)을, 용접 예정 개소에 있어서 국소적으로 적층 방향으로 가압하여 크림핑하는 단계와, 크림핑된 한 쌍의 금속판(12,13)과 적층 금속박(11)을, 용접 예정 개소에 있어서 용접하는 단계를 구비하고 있다.

Description

적층 금속박의 용접 방법{METHOD OF WELDING LAMINATED METAL FOILS}
본 발명은 적층 금속박의 용접 방법에 관한 것으로서, 특히 한 쌍의 금속판으로 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 특개2014-136242호 공보에는, 금속판에 형성된 볼록부 상면에 적층 금속박을 눌러 붙이면서, 적층 금속박을 금속판의 볼록부에 레이저 용접하는 방법이 개시되어 있다. 구체적으로는, 금속판 상에 재치(載置)된 적층 금속박 위에서부터 원고리 형상의 누름 부재로 볼록부 주위를 누름으로써, 볼록부 상면에 적층 금속박을 눌러 붙인다. 이와 같이, 적층 금속박에 있어서 적층된 금속박끼리 혹은 적층 금속박과 금속판을 밀착시켜, 용접 시에 있어서의 블로홀 등의 용접 결함의 발생을 억제하고 있다.
발명자들은, 적층 금속박의 용접 방법에 관한 것으로서, 이하의 문제점을 발견했다.
일본국 공개특허 특개2014-136242호 공보에 개시된 적층 금속박의 용접 방법에서는, 볼록부 상면에 적층 금속박을 눌러 붙이는 힘이 약하며, 적층된 금속박간에 미시적(微視的)인 간극이 형성되어 있다. 즉, 적층 금속박은 거시적으로는 간극 없이 적층되어 있지만, 미시적으로는 적층된 금속박간에 간극이 형성되어 있다. 그 때문에, 이 금속박간의 미시적인 간극에 의해, 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.
또한, 일본국 공개특허 특개2014-136242호 공보에 개시된 적층 금속박의 용접 방법에서는, 적층 금속박에 레이저 빔을 직접 조사하여 용접하고 있기 때문에, 표면의 금속박의 온도가 급격하게 상승하여, 스패터가 발생하기 쉽다고 하는 문제도 있다. 이러한 문제에 대하여는, 적층 금속박 상에도 금속판을 재치하고, 적층 금속박을 한 쌍의 금속판으로 협지하여 용접함으로써 회피할 수 있다.
그러나, 적층 금속박을 한 쌍의 금속판으로 협지하는 것만으로는, 상술한 금속박간의 미시적인 간극에 의한 블로홀이나 스패터의 발생을 억제할 수는 없다.
또한, 이러한 블로홀이나 스패터는, 레이저 용접에 한하지 않고 저항 용접 그 외의 용접을 이용했을 경우에도 발생할 수 있다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 블로홀이나 스패터의 발생을 억제 가능한 적층 금속박의 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법은,
한 쌍의 금속판으로 협지된 적층 금속박을 상기 한 쌍의 금속판에 용접하는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서,
한 쌍의 금속판으로 협지된 적층 금속박을, 용접 예정 개소에 있어서 국소적으로 적층 방향으로 가압하여 크림핑(crimping)하는 단계와,
크림핑된 상기 한 쌍의 금속판과 상기 적층 금속박을, 상기 용접 예정 개소에 있어서 용접하는 단계를 구비한 것이다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에서는, 한 쌍의 금속판으로 협지된 적층 금속박을, 용접 예정 개소에 있어서 국소적으로 적층 방향으로 가압하여 크림핑한다.
이러한 구성에 의해, 적층 금속박에 있어서의 금속박간의 미시적인 간극이나 적층 금속박과 금속판의 사이의 미시적인 간극을 감소시켜, 용접 시에 있어서의 블로홀이나 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
크림핑하는 단계에 있어서, 크림핑한 후의 상기 적층 금속박의 두께를, 크림핑하기 전의 상기 적층 금속박의 두께의 50% 이하로 하여도 된다.
이러한 구성에 의해, 보다 확실하게 용접 시에 있어서의 블로홀이나 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
용접하는 단계에 있어서, 상기 용접 예정 개소에 레이저 빔을 조사하여 용접하여도 된다.
이러한 구성에 의해, 크림핑하는 단계에 있어서 용접 예정 개소에 부착된 윤활제를 용이하게 제거할 수 있다.
용접하는 단계에 있어서, 상기 레이저 빔을 조사함으로써 형성된 용융지(molten pool)로부터 방출되는 열방사광의 강도에 의거하여, 상기 레이저 빔의 조사 조건을 피드백 제어하여도 된다.
이러한 구성에 의해, 용접부의 품질을 향상시킬 수 있다.
용접하는 단계에 있어서, 상기 열방사광의 강도에 의거하여, 상기 한 쌍의 금속판 및 상기 적층 금속박이 재치된 대좌에 상기 용융지가 접촉되는 것을 검출하고, 상기 대좌에 상기 용융지가 접촉되는 것을 검출했을 경우, 상기 용융지에의 상기 레이저 빔의 조사를 종료하여도 된다.
이러한 구성에 의해, 용융지의 비대화에 의한 용락(burn through)을 억제할 수 있다.
본 발명에 의해, 블로홀이나 스패터의 발생을 억제 가능한 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 방법에 있어서의 크림핑 공정을 나타내는 단면도이다.
도 4는 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서의 용접 공정을 나타내는 단면도이다.
도 5는 용접 공정에 있어서 용융지(16a)가 안쪽면 관통하고, 또한 대좌(50)의 제 2 오목부(52)에 접촉한 모습을 나타낸 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.
도 9는 제 2 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서의 용접 공정을 나타내는 단면도이다.
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, 한 쌍의 금속판(12,13)으로 협지되어 있으며, 용접부(16)에 있어서 금속판(12,13)과 용접되어 있다.
또한, 당연한 것이지만, 도 1 및 그 외의 도면에 나타낸 오른손 좌표계 xyz 직교 좌표는, 구성요소의 위치 관계를 설명하기 위한 편의적인 것이다. 통상, z축 정방향이 연직 상방향, xy평면이 수평면이며, 도면간에서 공통이다. 또한 도 1에 있어서, 금속판(12)과 금속판(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 금속판(12,13)에 의하여 협지되어 있다. 환언하면, 금속판(12,13)에 의하여, 적층된 금속박 즉 적층 금속박(11)이 거시적으로 간극 없이 묶음으로 되어 있다. 여기에서, 금속판(12,13)의 각각은, xy평면에서 볼 때에 직사각형상이며, 예를 들면, 1~1.5㎜ 정도의 두께를 가지고 있다. 금속판(12,13)은, 용접성이나 용접부(16)의 전기 저항의 관점에서, 적층 금속박(11)과 동종의 금속재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 적층 금속박(11)이 알루미늄으로 이루어지면, 금속판(12,13)도 알루미늄으로 이루어지는 것이 바람직하고, 적층 금속박(11)이 구리로 이루어지면, 금속판(12,13)도 구리로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 용접부(16)에 있어서 적층 금속박(11)을 구성하는 모든 금속박끼리가 서로 용접되어서 있는 것과 함께, 적층 금속박(11)이 금속판(12,13)과 용접되어 있다. 도 2의 예에서는, 용접부(16)는 안쪽면 관통되어 있다. 즉, 용접부(16)가, 금속판(12)에 형성된 오목부(14)의 바닥면(z축 정방향측의 표면)으로부터 금속판(13)에 형성된 볼록부(15)의 정상면(z축 부방향측의 표면)에 걸쳐서 형성되어 있다. 오목부(14) 및 볼록부(15)는, 적층 금속박(11)을 금속판(12,13)에 용접하기 전 즉 용접부(16)를 형성하기 전에 형성된다. 또한, 오목부(14) 및 볼록부(15)는, 한 쌍의 금속판(12,13)으로 협지된 적층 금속박(11)을, 용접부(16)를 형성하는 용접 예정 개소에 있어서 국소적으로 적층 방향(z축방향)으로 가압하여 크림핑함으로써 형성된다.
도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 오목부(14)는, 금속판(12)의 상면(z축 정방향측의 주면)에 형성된 원기둥 형상의 오목한 곳이다. 볼록부(15)는, 오목부(14)의 하측(z축 부방향측)에 있어서, 금속판(13)의 하면(z축 부방향측의 주면)으로부터 하방향(z축 부방향)으로 돌출된 원반 형상의 돌기이다. 오목부(14) 및 볼록부(15)는, 상세하게는 후술하는 바와 같이, 금속판(12)의 상면으로부터 하방향(z축 부방향)으로 펀치를 밀어 넣는 크림핑 가공에 의해 형성된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 크림핑 가공에 의해 형성된 오목부(14)와 볼록부(15)의 사이에 있어서, 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)은, 단면 U자 형상으로 변형되어 있다. 여기에서, 오목부(14)의 바닥면과 볼록부(15)의 정상면의 사이에 있어서, 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)이 압축 변형되어 있다. 오목부(14)의 바닥면과 볼록부(15)의 정상면의 사이에 있어서의 적층 금속박(11)의 두께는, 크림핑되어 있지 않은 영역 즉 크림핑되기 전의 적층 금속박(11)의 두께의 50% 이하인 것이 바람직하다.
이와 같이, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법을 이용하여 용접된 적층 금속박(11)에서는, 용접 전에 용접 예정 개소가 크림핑되어, 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)이 압축 변형되어 있다. 그 때문에, 적층 금속박(11)에 있어서의 금속박간의 미시적인 간극이나 적층 금속박(11)과 금속판(12,13)의 사이의 미시적인 간극이 작아, 용접 시에 있어서의 블로홀이나 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 적층 금속박(11)의 금속박끼리 및 적층 금속박(11)과 금속판(12,13)이 용접되어 있다. 그 때문에, 기계적 접합만 하였을 경우에 비하여, 접합 후의 전기 저항을 저감할 수 있는 것과 함께, 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
<적층 금속박의 용접 방법>
다음으로, 도 3, 도 4를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 대하여 설명한다. 도 3은, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서의 크림핑 공정을 나타내는 단면도이다. 도 4는, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서의 용접 공정을 나타내는 단면도이다.
우선, 도 3을 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서의 크림핑 공정에 관하여 설명한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 금속판(12,13)으로 협지된 적층 금속박(11)을, 용접 예정 개소에 있어서 국소적으로 적층 방향으로 가압하여 크림핑한다. 도 3에는, 적층 금속박(11)을 국소적으로 적층 방향으로 가압하는 크림핑 가공방법의 일례로서, 심교(Deep Drawing) 가공을 이용한 메커니컬 클린칭이라고 불리는 기계적 접합 방법을 나타냈다. 여기에서, 도 3에 나타낸 크림핑 가공 장치는, 펀치(20), 다이(30), 스트리퍼(40)를 구비하고 있다.
구체적으로는, 도 3의 좌측 도면에 나타내는 바와 같이, 금속판(12)을 상측(z축 정방향측), 금속판(13)을 하측(z축 부방향측)으로 하고, 적층 금속박(11)을 다이(30)의 상면(z축 정방향측의 표면)에 재치한다. 그리고, 펀치(20)에 의해 가압하는 용접 예정 개소의 주위를, 스트리퍼(40)에 의해 금속판(12)의 상측으로부터 눌러 붙인다. 즉, 다이(30)에 재치된 금속판(13)과, 스트리퍼(40)에 눌린 금속판(12)에 의해, 적층 금속박(11)을 협지한다. 여기에서, 다이(30)의 상면에는 원반 형상으로 움푹 패인 오목부(31)가 형성되어 있다.
다음으로, 도 3의 우측 도면에 나타내는 바와 같이, 금속판(12)의 상면으로부터 하방향(z축 부방향)으로 펀치(20)를 밀어 넣는다. 이에 의해, 용접 예정 개소에 있어서의 금속판(12)의 상면에는, 펀치(20)의 형상에 대응한 원기둥 형상으로 움푹 패인 오목부(14)가 형성된다. 동시에, 펀치(20)에 눌린 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)이 다이(30)의 오목부(31)에 밀어 넣어져, 용접 예정 개소에 있어서의 금속판(13)의 하면에는, 오목부(31)의 형상에 대응한 원반 형상의 볼록부(15)가 형성된다.
환언하면, 도 3의 우측 도면에 나타내는 바와 같이, 크림핑 공정에서는, 펀치(20)와 다이(30)의 오목부(31)의 사이에 있어서, 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)이, 단면 U자 형상으로 변형된다. 여기에서, 펀치(20)의 선단면과 다이(30)의 오목부(31)의 바닥면의 사이에 있어서, 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)이 압축 변형된다. 도 3의 우측 도면에 나타내는 압축 변형된 적층 금속박(11)의 두께는, 도 3의 좌측 도면에 나타내는 압축 변형 전의 적층 금속박(11)의 두께의 50% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태에서는, 크림핑 가공방법으로서 메커니컬 클린칭을 채용하였지만, 적층 금속박(11)을 국소적으로 적층 방향으로 가압하는 크림핑 가공방법이면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 다이(30)의 상면이 평탄하며, 한 쌍의 금속판(12,13)으로 협지된 적층 금속박(11)을 국소적으로 펀치(20)에 의해 압축 가공할뿐인 크림핑 가공방법 등이어도 된다.
또한 본 실시형태에서는, 다이(30) 및 펀치(20)를 가열하지 않지만, 다이(30) 및 펀치(20)를 가열하여, 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)을 변형하기 쉽게 하여도 된다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서의 용접 공정에 대하여 설명한다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 용접 예정 개소에 있어서 크림핑된 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)을, 용접 예정 개소에 있어서 용접한다. 도 4에는, 용접 방법의 일례로서 레이저 용접을 나타냈다.
구체적으로는, 도 4의 좌측 도면에 나타내는 바와 같이, 금속판(12)을 상측(z축 정방향측), 금속판(13)을 하측(z축 부방향측)으로 하고 적층 금속박(11)을 대좌(50) 상에 재치한다. 여기에서, 금속판(13)의 하면을 지지하는 대좌(50)의 상면에는, 크림핑 공정에 있어서 형성된 볼록부(15)를 수용하기 위한 제 1 오목부(51)가 마련되어 있다. 또한, 제 1 오목부(51)의 바닥면의 중앙부에는, 제 2 오목부(52)가 마련되어 있다. 제 1 오목부(51) 및 제 2 오목부(52)는, 각각 예를 들어 원반 형상의 오목한 곳이다.
한편, 도 4의 좌측 도면에 나타내는 바와 같이, 크림핑 공정에 있어서 형성된 오목부(14)의 표면에는, 펀치(20)에 도포되어 있었던 휘발성의 윤활제가 부착되어 있다.
다음으로, 도 4의 우측 도면에 나타내는 바와 같이, 크림핑 공정에 있어서 형성된 오목부(14)의 바닥면에 상측(z축 정방향측)으로부터 레이저 빔(LB)을 조사한다. 여기에서, 상술의 제 2 오목부(52)는, 레이저 빔(LB)의 조사에 의해 형성되는 용융지(16a)의 바로 아래에 위치하도록 형성되어 있다. 상세하게는 후술하는 바와 같이, 용융지(16a)의 제 2 오목부(52)에의 접촉을 검출함으로써, 용융지(16a)의 비대화에 의한 용락을 억제할 수 있다. 도 5는, 용접 공정에 있어서 용융지(16a)가 안쪽면 관통되고, 또한 대좌(50)의 제 2 오목부(52)에 접촉한 모습을 나타낸 단면도이다.
한편, 도 4의 우측 도면에 나타내는 바와 같이, 오목부(14)의 바닥면에의 레이저 빔(LB)의 조사에 의해, 오목부(14)의 표면에 부착되어 있었던 윤활제를 휘발시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 용접 방법으로서 레이저 용접을 채용했지만, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 저항 용접 등이어도 된다. 단, 저항 용접에서는, 전극에 용접 대상 부재를 접촉시키기 위해서, 용접의 반복에 의해 소모되는 전극을 교환할 필요가 있다. 이에 비하여, 레이저 용접은, 비접촉 용접이기 때문에 전극의 교환이 불필요하며, 메인터넌스성이 우수하다.
이와 같이, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법은, 용접 공정 전에, 용접 예정 개소를 크림핑하는 크림핑 공정을 구비하고 있다. 크림핑 공정에 있어서, 용접 예정 개소의 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)을 압축 변형시킨다. 그 때문에, 적층 금속박(11)에 있어서의 금속박간의 미시적인 간극이나 적층 금속박(11)과 금속판(12,13)의 사이의 미시적인 간극을 감소시켜, 용접 시에 있어서의 블로홀이나 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 크림핑 공정을 거치지 않고 용접하였을 경우, 용융지(16a)가 응고되어 용접부(16)로 변화될 때에, 적층 금속박(11)을 구성하는 금속박이 용접부(16)의 계면에 있어서 끊어지기 쉽다고 하는 문제가 있었다. 적층 금속박(11)을 구성하는 금속박이, 응고 수축 시에 용접부(16)의 계면에 있어서 잡아 당겨지는 것이 원인이라고 생각된다. 이에 비하여, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에서는, 크림핑 공정에 의해 적층 금속박(11)을 구성하는 금속박끼리가 압착되어 일체화된다. 그 때문에, 용접부(16)의 계면에 있어서 적층 금속박(11)을 구성하는 금속박이 끊어지는 것을 억제할 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, 금속판(12,13)의 두께가 1.0~1.5㎜ 정도의 경우, 레이저 출력은 2000~3000W 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 금속판(12,13)의 용접 예정 개소에 조사되어, 용융지(16a)가 형성된다. 일례로서, 적층 금속박(11)의 총 두께가 0.6~1.0㎜ 정도, 금속판(12,13)의 두께가 1.0~1.5㎜ 정도의 경우, 용융지(16a)에 조사되는 레이저 빔(LB)의 스폿 직경은, 예를 들면, 0.6~1.0㎜ 정도로 한다.
보다 구체적으로는, 레이저 빔(LB)을 주사시키지 않고 점 용접으로 하였을 경우, 레이저 빔(LB)의 스폿 직경을 1.0㎜ 정도로 하고, 레이저 빔(LB)을 10~100ms 정도 조사한다. 레이저 빔(LB)을 원형 주사시킬 경우, 레이저 빔(LB)의 스폿 직경을 0.6㎜ 정도로 점 용접의 경우보다도 작게 하고, 20~50㎜/s 정도의 주사 속도로 1~5회 정도 레이저 빔(LB)을 주회(周回)시킨다.
본 레이저 용접 장치에서는, 용융지(16a)로부터 방출되는 열방사광(복귀광)(TR)의 수광 강도에 의거하여 레이저 출력을 피드백 제어한다.
그 때문에, 도 6에 나타내는 바와 같이, 용융지(16a)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(16a)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 제어프로그램이나 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.
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 금속판(12,13)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.
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)와 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(16a)의 온도가 급격하게 상승함으로써, 스패터나 박 끊김이 발생되기 쉬워진다. 여기에서, 박 끊김이란, 용융지(16a)의 응고 수축 시에 용접부(16)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(16a)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 넘을때 까지는, 레이저 제어부(103)는, 단계 ST2~단계 ST7을 반복하여, 하한값(ΔRLL)<변화율(ΔRL)<상한값(ΔRLU)이 되도록 레이저 출력을 제어한다.
수광 강도(RL)가 목표값(RLE)을 넘었을 경우(단계 ST7 YES), 용융지(16a)가 이미 충분히 형성되어 있기 때문에, 레이저 제어부(103)는, 레이저 출력을 변경하지 않고, 변화율(ΔRL)이 부의 값인 안쪽면 관통 기준값(ΔRL0)보다도 작은지 아닌지 판정한다(단계 ST8). 안쪽면 관통 기준값(ΔRL0)은, 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 용융지(16a)가 안쪽면 관통되어 대좌(50)의 제 2 오목부(52)에 접촉한 것을 나타내는 기준값이다. 안쪽면 관통 기준값(ΔRL0)은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장된다.
용융지(16a)가 대좌(50)의 제 2 오목부(52)에 접촉하면, 도 8의 그래프에 파선으로 나타낸 곡선(C)과 같이, 수광 강도(RL)가 급격하게 저하된다. 따라서, 안쪽면 관통 기준값(ΔRL0)은, 부의 값이다. 수광 강도(RL)가 목표값(RLE)을 넘으면, 용융지(16a)가 비대화되어, 용락이 발생할 우려가 있기 때문에, 단계 ST8의 판정을 행하는 것이 바람직하다.
변화율(ΔRL)이 안쪽면 관통 기준값(ΔRL0)보다도 작을 경우(단계 ST8 YES), 레이저 제어부(103)는, 레이저 빔(LB)의 조사를 종료하고, 레이저 용접 장치 및 용접부의 품질을 체크할 필요가 있다고 판단한다(단계 ST9). 용융지(16a)가 비대화되어, 대좌(50)의 제 2 오목부(52)에 접촉했기 때문이다.
변화율(ΔRL)이 안쪽면 관통 기준값(ΔRL0) 이상인 경우(단계 ST8 NO), 레이저 제어부(103)는, 도 8의 그래프에 나타내는 바와 같이 수광 강도(RL)가 목표값(RLE)을 넘고 나서 소정의 보지(保持) 시간이 경과하였는지 아닌지 판정한다(단계 ST10). 보지 시간은, 레이저 빔(LB)의 조사를 개시하기 전에, 예를 들면, 레이저 제어부(103)의 기억부에 저장된다.
보지 시간이 경과되어 있지 않을 경우(단계 ST10 NO), 단계 ST8으로 되돌아가, 갱신된 변화율(ΔRL)이 안쪽면 관통 기준값(ΔRL0)보다도 작은지 아닌지 다시 판정한다. 즉, 도 8의 그래프에 있어서 보지 시간이 경과할 때까지는, 레이저 제어부(103)는, 단계 ST8을 반복한다.
보지 시간이 경과하였경우(단계 ST10 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 ST11). 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 ST11 NO), 레이저 제어부(103)는, 레이저 빔(LB)의 조사를 종료하고, 레이저 용접 장치 및 용접부의 품질을 체크할 필요가 있다고 판단한다(단계 ST9). 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 ST11 YES), 레이저 제어부(103)는, 정상적으로 용접이 종료했다고 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(16)의 품질을 향상시킬 수 있다. 특히, 용융지(16a)의 제 2 오목부(52)에의 접촉에 수반하는 수광 강도(RL)의 급격한 저하를 검출함으로써, 용융지(16a)의 비대화에 의한 용락을 억제할 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.
(제 2 실시형태)
다음으로, 도 9를 참조하여, 제 2 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 대하여 설명한다. 도 9는, 제 2 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서의 용접 공정을 나타내는 단면도이다. 도 4에 나타내는 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에서는, 금속판(12)을 상측(z축 정방향측), 금속판(13)을 하측(z축 부방향측)으로 하고 적층 금속박(11)을 대좌(50) 상에 재치한다. 이에 비하여, 제 2 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법에서는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 금속판(13)을 상측, 금속판(12)을 하측으로 하고 적층 금속박(11)을 대좌(50) 상에 재치한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 금속판(12)의 하면을 지지하는 대좌(50)의 상면에는, 크림핑 공정에 있어서 형성된 오목부(14)에 삽입하기 위한 원기둥 형상의 볼록부(53)가 제 1 오목부(51)의 중앙부에 마련되어 있다. 그리고, 크림핑 공정에 있어서 형성된 금속판(13)의 볼록부(15)의 정상면에 상측으로부터 레이저 빔(LB)을 조사한다. 여기에서, 상술의 대좌(50)의 볼록부(53)는, 레이저 빔(LB)의 조사에 의해 형성되는 용융지(16a)의 바로 아래에 위치하도록 형성되어 있다. 용융지(16a)의 볼록부(53)에의 접촉을 검출함으로써, 용융지(16a)의 비대화에 의한 용락을 억제할 수 있다.
제 2 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법도, 제 1 실시형태와 관련되는 적층 금속박의 용접 방법과 마찬가지로, 용접 공정 전에, 용접 예정 개소를 크림핑하는 크림핑 공정을 구비하고 있다. 크림핑 공정에 있어서, 용접 예정 개소의 적층 금속박(11) 및 금속판(12,13)을 압축 변형시킨다. 그 때문에, 적층 금속박(11)에 있어서의 금속박간의 미시적인 간극이나 적층 금속박(11)과 금속판(12,13)의 사이의 미시적인 간극을 감소시켜, 용접 시에 있어서의 블로홀이나 스패터의 발생을 억제할 수 있다.
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 (5)

  1. 한 쌍의 금속판으로 협지된 적층 금속박을 상기 한 쌍의 금속판에 용접하는 적층 금속박의 용접 방법에 있어서,
    한 쌍의 금속판으로 협지된 적층 금속박을, 용접 예정 개소에 있어서 국소적으로 적층 방향으로 가압하여 크림핑하는 단계와,
    크림핑된 상기 한 쌍의 금속판과 상기 적층 금속박을, 상기 용접 예정 개소에 있어서 용접하는 단계를 구비한, 적층 금속박의 용접 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    크림핑하는 단계에 있어서,
    크림핑한 후의 상기 적층 금속박의 두께를, 크림핑하기 전의 상기 적층 금속박의 두께의 50% 이하로 하는, 적층 금속박의 용접 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    용접하는 단계에 있어서,
    상기 용접 예정 개소에 레이저 빔을 조사하여 용접하는, 적층 금속박의 용접 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    용접하는 단계에 있어서,
    상기 레이저 빔을 조사함으로써 형성된 용융지로부터 방출되는 열방사광의 강도에 의거하여 상기 레이저 빔의 조사 조건을 피드백 제어하는, 적층 금속박의 용접 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    용접하는 단계에 있어서,
    상기 열방사광의 강도에 의거하여 상기 한 쌍의 금속판 및 상기 적층 금속박이 재치된 대좌에 상기 용융지가 접촉되는 것을 검출하고,
    상기 대좌에 상기 용융지가 접촉되는 것을 검출했을 경우, 상기 용융지에의 상기 레이저 빔의 조사를 종료하는, 적층 금속박의 용접 방법.
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