KR20190041497A - 중실형 및 다공성 금속 구성요소를 결합시키기 위한 레이저 용접 방법 - Google Patents

중실형 및 다공성 금속 구성요소를 결합시키기 위한 레이저 용접 방법 Download PDF

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Abstract

레이저 용접 방법에서, 중실형 금속 구성요소는 계면 영역에서 다공성 금속 구성요소와 접촉하여 배치되고, 레이저 빔은 중실형 금속 구성요소 상으로 지향되어 계면 영역에서의 중실형 금속 구성요소의 하나 이상의 부분들의 가열 및 용융을 일으키며, 용융된 금속 부분들은 다공성 금속 구성요소 내의 틈새들 내로 유동하고 냉각에 의해 응고되어, 상기 틈새들에 인접한 다공성 금속 구성요소의 부분들이 중실형 금속 구성요소의 금속에 통합되고, 이에 의해 중실형 금속 구성요소와 다공성 금속 구성요소를 접합시킨다.

Description

중실형 및 다공성 금속 구성요소를 결합시키기 위한 레이저 용접 방법
본 발명은 레이저 용접(laser welding) 방법들 및 레이저 용접 방법들을 사용하여 제작된 물품들(items)에 관한 것이다.
니코틴 전달 시스템들(nicotine delivery systems)과 같은 에어로졸 공급 시스템들(aerosol provision systems)(예를 들어, 전자 시가렛들(electronic cigarettes) 또는 e-시가렛들(e-cigarettes))은 일반적으로, 증발 또는 다른 수단을 통해 에어로졸(aerosol)이 발생되는, 니코틴(nicotine)을 전형적으로 포함하는 제제(formulation)를 보유하는 소스 액체(source liquid)의 저장소(reservoir)를 보유한다. 따라서, 에어로졸 공급 시스템을 위한 에어로졸 소스(aerosol source)는 저장소로부터의 소스 액체의 일부분에 결합된 가열 요소를 포함할 수 있다. 사용자가 디바이스 상에서 흡입하는 경우, 가열 요소가 활성화되어 소량의 소스 액체를 증발시키며, 그에 따라 이 소스 액체는 사용자에 의한 흡입을 위한 에어로졸로 변환된다. 전형적으로, 가열 요소는 전기 전도성 재료로 제조되고, 배터리(battery)와 같은 전원 장치에 연결되며, 전원 장치는 전류가 가열 요소를 통해 유동하게 하여 가열 요소를 가열시켜서, 결국 소스 액체를 가열 및 증발시킨다.
그러한 배열체에서, 가열 요소는 금속과 같은 전도성 재료로 또한 제조된 한 쌍의 전기 접촉부들을 통해 전원 장치에 전기적으로 연결된다. 가열 요소와 접촉부들이 서로 접촉하도록 배열될 수 있지만, 가열 요소와 전기 접촉부들 사이의 물리적 접합부 또는 조인트(joint)가 보다 안전한 전기적 연결을 제공한다.
납땜은 전기 회로의 전도 요소들과 같은 금속 구성요소들 사이에 물리적 접합부를 제공하기 위한 기술이다. 땜납으로 알려져 있으며 결합될 전도 요소들보다 낮은 융점을 갖는 필러 금속(filler metal)은 가열에 의해 용융되어, 조인트 영역 내로 유동하고, 냉각 및 응고되면 구성요소들을 연결하는 물리적 접합부를 형성한다. 조인트 영역 내의 불순물들은 납땜 조인트의 성공을 해칠 수 있으며; 이것은 납땜 프로세스 동안 산화를 방지하고, 그리고/또는 부식에 의한 일부의 화학적 세정을 제공하기 위해 플럭스 재료(flux material)를 사용함으로써 해결될 수 있다. 그러나, 에어로졸 니코틴 전달 시스템들의 맥락에서, 플럭스 재료들은 가열 요소 환경에서 니코틴에 의해 공격을 받아서 에어로졸의 오염을 야기할 수 있다.
따라서, 가열 요소와 그 전기 접촉부들 사이에 전기적 연결들을 형성하기 위한 대안적인 기술들에 관심이 있다.
본원에 제공된 특정 실시예들의 제1 양태에 따르면, 레이저 용접 방법이 제공되며, 상기 방법은, 계면 영역(interface region)에서 다공성 금속 구성요소(porous metal component)와 접촉하여 중실형 금속 구성요소(solid metal component)를 배치하는 단계; 계면 영역에서의 중실형 금속 구성요소의 하나 이상의 부분들의 가열 및 용융을 일으키기 위해 중실형 금속 구성요소 상으로 레이저 빔(laser beam)을 지향시키는 단계; 및 용융된 금속 부분들이 다공성 금속 구성요소 내의 틈새들(interstices) 내로 유동하고 냉각에 의해 응고되게 하여, 상기 틈새들에 인접한 다공성 금속 구성요소의 부분들이 중실형 금속 구성요소의 금속에 통합되고, 이에 의해 중실형 금속 구성요소와 다공성 금속 구성요소를 접합시키는 단계를 포함한다.
다공성 금속 구성요소는 함께 소결된 금속 섬유들의 메쉬(mesh)를 포함할 수 있고, 중실형 금속 구성요소의 금속에 통합된, 상기 틈새들에 인접한 다공성 금속 구성요소의 부분들은 금속 섬유들이다. 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소 중 하나 또는 둘 모두는 스테인리스강을 포함할 수 있다.
레이저 빔은 고출력 파워 레벨(high output power level)에서 제1 시간 기간 동안 작동된 후에, 고출력 파워 레벨보다 낮은 저출력 파워 레벨(lower output power level)에서 제2 시간 기간 동안 작동될 수 있다. 예를 들어, 제1 시간 기간 및 제2 시간 기간은 1:3 내지 1:80 범위의 비율을 갖는 지속기간들(durations)을 가질 수 있다. 저출력 파워 레벨은 고출력 파워 레벨의 40% 내지 60%일 수 있다. 또한, 레이저의 출력 파워 레벨이 0으로부터 고출력 파워 레벨로 증가되는 초기 기간이 제1 시간 기간에 선행할 수 있다. 고출력 파워 레벨은 1 kW 내지 1.8 kW 미만의 범위일 수 있다. 레이저 빔은 4.5 J 초과 내지 8.0 J 미만의 범위인 전체 에너지 양을 금속 구성요소들에 전달할 수 있다.
상기 방법은 레이저 빔이 중실형 금속 구성요소 상으로 지향되는 동안에 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소를 압축하도록 계면 영역을 가로질러 힘을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
중실형 금속 구성요소는 0.05 ㎜ 내지 0.5 ㎜ 범위의 두께를 가질 수 있다.
중실형 금속 구성요소는 전기 접촉부일 수 있고, 다공성 금속 구성요소는 에어로졸 공급 시스템 내의 액체로부터 에어로졸을 형성하기 위한 가열 요소일 수 있다.
본원에 제공된 특정 실시예들의 제2 양태에 따르면, 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소를 포함하는 조립체가 제공되며, 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소는 다공성 금속 구성요소 내의 틈새들에 인접한 다공성 금속 구성요소의 부분들에 의해 용접부에서 함께 접합되고, 다공성 금속 구성요소들의 부분들은 틈새들에 진입한 중실형 금속 구성요소의 적어도 일부분에 통합된다.
본원에 제공된 특정 실시예들의 제3 양태에 따르면, 제1 양태의 방법에 따른 레이저 용접 방법에 의해 이루어지거나 얻어질 수 있는 용접부에서 함께 접합된 중공형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소를 포함하는 조립체가 제공된다.
그러한 조립체들에서, 용접부는 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소 중 하나로부터 다른 하나의 구성요소로 흐르는 전류에 대해 10 mOhm 이하의 전기 저항을 가질 수 있다.
본원에 제공된 특정 실시예들의 제4 양태에 따르면, 레이저 용접 방법이 제공되며, 상기 방법은, 복수의 소결 금속 스트랜드들(sintered metal strands)을 포함하는 다공성 금속 구성요소와 접촉하여 중실형 금속 구성요소를 배열하는 단계; 중실형 금속 구성요소 상으로 레이저 빔을 지향시켜 중실형 금속 구성요소에 에너지를 전달하는 단계; 에너지가 다공성 금속 구성요소와 접촉하여 있는 중실형 금속 구성요소의 적어도 일부분을 가열 및 용융시켜, 용융된 금속이 다공성 금속 구성요소 내의 금속 스트랜드들 주위로 유동하게 하는 단계; 레이저 빔을 제거하는 단계; 및 금속 스트랜드들 주위로 유동한 용융된 금속을 냉각시켜, 금속 스트랜드들이 중실형 금속 구성요소 내로 매설되어 중실형 금속 구성요소를 다공성 금속 구성요소에 접합시키는 단계를 포함한다.
특정 실시예의 이들 및 다른 양태들이 첨부된 독립 청구항들 및 종속 청구항들에 기재되어 있다. 종속 청구항들의 특징들은 청구항들에 명시적으로 기재된 것 이외의 조합들로 서로 그리고 독립 청구항들의 특징들과 조합될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 본원에 설명된 접근법은 하기에 기재된 바와 같은 특정 실시예들에 제한되지 않고, 본원에 제시된 특징들의 임의의 적절한 조합들을 포함하고 고려한다. 예를 들어, 레이저 용접 방법은 후술하는 다양한 특징들 중 어느 하나 이상을 적절하게 포함하는 본원에 설명된 접근법들에 따라 제공될 수 있다.
이제, 다양한 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서 상세하게 설명될 것이다:
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예들을 사용하여 용접될 수 있는 구성요소들을 포함하는 조립체의 사시도들을 도시하고;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 단계들의 흐름도를 도시하고;
도 4의 (A), 도 4의 (B), 도 4의 (C) 및 도 4의 (D)는 도 3의 예시적인 방법의 단계들을 수행하기 위한 장치의 개략도들을 도시하고;
도 5는 본 발명의 일 실시예를 사용하여 용접된 제1 예시적인 워크피스를 통한 개략적인 단면을 도시하고;
도 6은 본 발명의 일 실시예를 사용하여 용접된 제2 예시적인 워크피스를 통한 개략적인 단면을 도시하며;
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 사용하기에 적합한 레이저 파워 출력의 일 예의 플롯을 도시한다.
특정 예들 및 실시예들의 양태들 및 특징들이 본원에서 논의/설명된다. 특정 예들 및 실시예들의 일부 양태들 및 특징들은 통상적으로 구현될 수 있으며, 이들은 간결성을 위해 상세하게 논의/설명되지 않는다. 따라서, 상세하게 설명되지 않는, 본원에서 논의된 기기 및 방법들의 양태들 및 특징들은 그러한 양태들 및 특징들을 구현하기 위한 임의의 통상 기술들에 따라 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 개시는 e-시가렛과 같은 에어로졸 공급 시스템의 제조에 사용될 수 있는 레이저 용접 방법에 관한 것이다(이 방법은 이에 한정되지 않으며, 다른 상황들에서도 적용 가능함). 하기의 설명 전체에 걸쳐서, 용어 "e-시가렛"은 때때로 사용될 수 있지만; 이러한 용어가 에어로졸(증기) 공급 시스템과 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 1은 에어로졸 공급 시스템의 카트리지 조립체(cartridge assembly)에 사용될 수 있는 가열 요소 캐리어 모듈(heating element carrier module)의 일부 구성요소들의 개략도이며, 여기서 카트리지 조립체는 소스 액체를 저장하고 이 소스 액체로부터 에어로졸을 생성하도록 의도된 시스템의 일부이다. 본 발명의 실시예들은 그러한 조립체의 제작에 사용될 수 있다.
도 1의 구성요소(10)는 가열 요소(12)를 지지하도록 구성된 캐리어 모듈의 요소의 하부 부분이다. 이러한 지지 요소는 크래들(cradle)로 지칭될 수 있으며, 부분(10)은 하부 크래들로 표시된다. 상부 크래들(도시되지 않음)은 하부 크래들(10) 위에 끼워져서, 그 사이에 가열 요소를 개재하여 지지한다. 조립체는 가열 요소(12), 가열 요소(12)의 제1 단부에 연결하기 위한 제1 전기 접촉 요소(14) 및 가열 요소(12)의 제2 단부에 연결하기 위한 제2 전기 접촉 요소(16)를 더 포함한다.
이러한 예에서의 하부 크래들(10)은 높은 유리 섬유 함량을 갖는 플라스틱 재료로 성형된다. 상부 및 하부 크래들들 각각에는 길이를 따라 연장되는 리세스(recess)(18)(도 1에서는 하부 크래들(10)만을 볼 수 있음)가 제공되어, 2 개의 크래들 구성요소들은 가열 요소(12)를 개재하도록 함께 합쳐질 때, 대체로 관형 구성을 갖는 크래들을 형성하며, 각각의 리세스들(18)에 의해 한정된 공기 유동 경로가 튜브의 내부 아래에서 연장되고 그 내부에 가열 요소(12)가 배치되어 있다.
제1 및 제2 전기 접촉 요소들(14, 16)은, 종래의 제조 기술들에 따라 장치의 다른 요소들의 형상 및 구성을 고려하여, 예를 들어 적절한 형상으로 형성된 구리 스트립들(copper strips)을 포함하는 시트 금속 재료(sheet metal material)로 형성될 수 있다. 다른 경우들에서, 제1 및 제2 전기 접촉 요소들(14, 16)은 종래의 가요성 배선을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 제1 및/또는 제2 전기 접촉 요소들에는, 보다 낮은 접촉 저항을 돕고 그리고/또는 부식의 위험을 감소시키기 위해, 도금, 예를 들어 금 또는 은 도금이 제공될 수 있다.
카트리지 조립체의 이러한 예에서, 가열 요소(12)는 소결된 금속 섬유 재료로 형성되고, 대체로 시트(sheet) 형태이다. 가열 요소의 특성과 구조는 하기에서 더 논의된다. 이러한 특정 예에서, 가열 요소(12)는 각각의 전기 접촉 요소들(14, 16)에 연결하기 위해 각 단부에 전기 접촉 연장부들(12B)을 갖는 메인 부분(12A)을 포함한다. 이러한 예에서, 가열 요소의 메인 부분(12A)은 약 20 ㎜의 (즉, 전기 접촉 연장부들(12B) 사이에서 연장되는 방향에서) 길이 및 약 8 ㎜의 폭을 갖는 대체로 직사각형이다. 이러한 예에서 가열 요소(12)를 포함하는 시트의 두께는 약 0.15 ㎜이다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 가열 요소(12)의 대체로 직사각형 메인 부분(12A)은 보다 긴 측부들 각각으로부터 내측으로 연장하는 슬롯들(slots)을 가지며; 이러한 형상화는 가열 요소(12)를 따라 하나의 전기 접촉 연장부(12B)로부터 다른 전기 접촉 연장부(12B)로의 전류 유동을 강제하여 사행 경로(meandering path)를 따르게 하고, 이것은 슬롯들의 단부들 주위에 전류 및 따라서 전력의 집중을 초래한다. 결과적인 가열 분포 및 대응하는 온도 구배들은 에어로졸 공급 시스템들의 맥락에서 바람직할 수 있다. 가열 요소의 이러한 형상, 크기 및 구성은 단지 예일 뿐이며; 본 발명의 실시예들은 가열 요소의 다른 구성들 및 실제로 유사한 조성의 다른 금속 구성요소들에도 적용 가능하다는 것에 주목한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전기 접촉 요소들(14, 16)은 하부 크래들(10)에 장착되어 있고, 가열 요소(12)는 제 위치에 놓일 준비가 된 상태로 하부 크래들(10) 위에 나타나 있다. 제2 전기 접촉 요소(16)는 하부 크래들(10)의 제2 단부(도 1의 배향에서 가장 좌측 단부)에 장착된다. 하부 크래들(10)은 플라스틱 몸체 부분들에 전기 도체들을 장착하기 위한 종래의 제조 기술들에 따라 제2 전기 접촉 요소(16)의 제1 부분의 형상을 수용하여 정합되도록 프로파일(profile)된다. 제2 전기 접촉 요소(16)의 일 단부는 가열 요소(12)의 전기 접촉 연장부들(12B) 중 하나에 연결하기 위한 제2 전기 접촉 요소 플랩 부분(flap portion)(16A)을 제공하는 한편, 제2 전기 접촉 요소(16)의 타 단부는 도면에 개략적으로 나타낸 바와 같이 하부 크래들(10)로부터 멀리 연장된다. 제1 전기 접촉 요소(14)는 리세스(18)의 벽에 인접한 하부 크래들(10)의 길이를 따라 연장되도록 장착된다. 제2 전기 접촉 요소(16)에서와 같이, 제1 전기 접촉 요소(14)의 일 단부는 도면에 개략적으로 나타낸 바와 같이 하부 크래들(10)의 제2 단부로부터 멀리 연장된다. 제1 전기 접촉 요소(14)의 타 단부는 가열 요소(12)의 전기 접촉 연장부들(12B) 중 다른 하나를 수용하기 위해 하부 크래들(10)의 제1 단부(도 1에서 가장 우측 단부)에 배열된 제1 전기 접촉 요소 플랩 부분(14A)을 제공한다.
하부 크래들(10)의 상부 표면은 가열 요소(12)의 슬롯들과, 또한 상부 크래들(도면들에 도시되지 않음)의 대응하는 위치설정 구멍들(locating holes)과 정렬되는 복수의 위치설정 페그들(locating pegs)(20)을 포함한다. 이러한 위치설정 페그들은 상부 크래들(10)을 하부 크래들과 정렬시키는 것을 돕고, 조립 시에 상부 및 하부 크래들들(10)에 대해 가열 요소(12)를 정렬시키는 것을 돕기 위한 것이다.
도 2는 제1 및 제2 전기 접촉 요소(14, 16)를 보유하는 하부 크래들(10)에 장착된 가열 요소(12)를 개략적으로 도시하고 있다. 가열 요소(12)는 위치설정 페그들(20)이 가열 요소(12)의 슬롯들과 정렬된 상태로 하부 크래들(10)의 상부 표면 상에 단순히 배치됨으로써 하부 크래들(10)에 장착된다. 제1 및 제2 전기 접촉 요소 플랩 부분들(14A, 16A)은 가열 요소(12)의 각 단부에서 전기 접촉 연장부들(12B) 중 각자의 전기 접촉 연장부 위로 및/또는 그 주위로 연장되도록 아래로 구부러진다. 양호한 기계적 및 전기적 연결을 제공하기 위해, 전기 접촉 요소 플랩 부분들(14A 및 16A)은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 용접 방법에 의해 가열 요소(12)의 전기 접촉 연장부들(12B)에 물리적으로 접합된다.
도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 가열 요소 및 전기 접촉부들은 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 용접에 의해 결합될 수 있는 구성요소들의 일 예일 뿐이라는 것에 주목한다. 상이한 유형들의 에어로졸 공급 시스템들에서의 이들 구성요소들의 다른 구성들이 또한 실시예 방법들에 의해 결합될 수 있고, 이 방법의 실시예들은 다른 제품들, 시스템들 및 장치의 구성요소들을 결합하는데에도 또한 적용 가능하다. 또한, 도 1 및 도 2의 예가 가열 요소에 연결되기 전에 하부 크래들 상에 장착된 전기 접촉부들을 도시하고 있지만, 이 방법의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 레이저 용접에 의한 연결 또는 결합은 다른 구성요소들에의 용접된 부분들의 조립 전에 실행될 수 있다.
상기에서 논의된 바와 같이, 예의 가열 요소는 소결 금속 섬유 재료로 형성되고, 대체로 시트 형태이다. 이러한 종류의 재료는 메쉬(mesh) 또는 불규칙적인 격자(grid)로 고려될 수 있으며, 이격된 금속 섬유들 또는 스트랜드들(strands)의 랜덤하게 정렬된 배열 또는 어레이(array)를 함께 소결함으로써 생성된다. 섬유들의 단일 층이 사용될 수 있거나, 몇 개의 층들, 예를 들어 5 개까지의 층들이 사용될 수 있다. 일 예로서, 금속 섬유들은 8 마이크로미터의 직경을 가지고, 0.16 ㎜의 두께의 시트를 제공하도록 배열되고 200 내지 250 g/㎡의 재료 밀도 및 84%의 다공도를 생성하도록 이격될 수 있다. 그 사이에 틈새들을 갖는 랜덤하게 배열된 금속 섬유들을 포함하는 이러한 재료 구조의 목적은 유체(액체 및 기체)가 틈새들 내로 침투하고 틈새들을 따라 그리고 틈새들을 통해 유동할 수 있는 다공성 금속 재료를 제공하는 것이다. 에어로졸 공급 시스템의 가열 요소의 맥락에서, 다공성 구조는 모세관 작용에 의해 소스 유체를 위킹(wicking)할 수 있고, 전류가 가열 요소를 통과할 때 소스 유체가 가열된 금속과 직접 접촉하게 할 수 있다. 그러나, 다른 다공성 전도 재료들이 이러한 특정 응용에 사용될 수 있다. 본 발명의 용접 방법들은 소결 메쉬뿐 아니라 다른 다공성 금속 구조들에도 적용 가능하다. 예를 들어, 금속 섬유들로 직조되거나 편직된 시트가 유사하게 다공성이다. 구겨지거나 접혀진 금속 시트, 또는 성형, 기계적 드릴링(mechanical drilling) 또는 피어싱(piercing) 또는 레이저 드릴링에 의해 내부에 생성된 구멍들을 갖는 중실형 금속 블록(solid metal block)이 일부 사용들에 대해 적절하게 다공성일 수 있다. 본 출원의 맥락에서, 다공성 금속 재료 또는 구조물은, 하나 이상의 금속들로 제조되고, 유체를 유동시킬 수 있는, 밀리미터, 마이크로미터 또는 그 보다 작은 스케일(scale)의 구멍들, 채널들(channels) 또는 틈새들의 규칙적, 불규칙적 또는 랜덤한 네트워크(network) 또는 어레이를 내부에 갖는 물품, 구성요소 또는 요소를 의미하는 것에 주목한다. 예를 들어, 다공성 금속 재료 또는 구조물은 66% 이상, 또는 70% 이상, 또는 75% 이상, 또는 80% 이상, 또는 85% 이상, 또는 86% 이상의 다공도를 가질 수 있다. 예들에서, 다공도는 실질적으로 84%이다. 재료는 금속 섬유들 또는 스트랜드들로 제조될 수 있거나, 그렇지 않을 수도 있다. 또한, (어떠한 금속도) 그의 의도된 용도의 특징에 따라 사용될 수 있다. 금속 섬유들 또는 스트랜드들로 제조된 다공성 재료의 경우, 이 재료는 하나의 금속만의 섬유들, 또는 임의의 비율로 2 개 또는 그 초과의 금속들의 섬유들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 에어로졸 공급 시스템을 위한 가열 요소에서, 금속은 스테인리스강, 예를 들어 스테인리스강 301일 수 있다. 다른 금속들은 다른 스테인리스강들, 비-스테인리스강, 철, 구리, 텅스텐, 알루미늄, 황동 및 다른 합금들, 또는 임의의 다른 금속(원소, 화합물 또는 합금)을 포함한다.
반대로, 도 1 및 도 2의 예에서 가열 요소에 용접될 전기 접촉부들은 다공성 금속 재료의 틈새 구조가 결여되고 따라서 상당한 다공도가 결여된 중실형 금속으로 제조된다. 예를 들어, 중실형 금속은 10% 이하, 또는 7.5% 이하, 또는 5% 이하, 또는 2.5% 이하, 또는 1% 이하, 또는 0.5% 이하, 또는 0.25% 이하의 다공도를 가질 수 있다. 또한, 중실형 금속 구성요소는 다공성 금속 구성요소보다 조밀할 것이며, 즉 보다 높은 밀도를 갖는다. 본 발명의 실시예들은 레이저 용접이 중실형 금속 구성요소를 다공성 금속 구성요소에 융합 또는 접합시키는데 사용되어, 납땜 및 관련된 플럭스 사용없이 그러한 구성요소들 사이에 전기적 연결 및/또는 기계적 결합을 제공하는 것을 제안한다. 중실형 구성요소는 또한 그 의도된 용도에 따라 임의의 금속일 수 있다. 일 예로서, 에어로졸 공급 시스템에서, 가열 요소에 연결하기 위한 전기 접촉부들은 스테인리스강 316L과 같은 스테인리스강으로 제조될 수 있다. 다른 금속들은 다른 스테인리스강들, 비-스테인리스강, 철, 구리, 텅스텐, 알루미늄, 황동 및 다른 합금들, 또는 알루미늄으로 도금된 스테인리스강, 또는 임의의 다른 금속 또는 금속들의 조합(원소, 화합물, 합금, 또는 도금 또는 적층된 구성)을 포함한다.
중실형 및 다공성 금속 구성요소들의 경우, 용어 "구성요소"는, 보다 큰 물품 또는 제품의 일부에 대한 최종 형태이든 아니든간에, 그리고 보다 큰 물품 또는 제품 내에 사용되든 아니든간에, 특정 중실형 및 다공성 금속들로 제조된 임의의 물품 또는 요소를 커버하도록 의도된다. 도 1 및 도 2의 에어로졸 전달 시스템은 본 발명의 실시예가 이용될 수 있는 제품의 일 예일 뿐이며; 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 3은 본 방법의 일 실시예에 따른 방법의 단계들의 흐름도를 도시하고 있다.
제1 단계(S1)에서, 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소가 선택되며, 예를 들어 전기적 연결, 기계적 접합 또는 둘 모두를 위해, 2 개의 구성요소들이 함께 고정되는 것이 바람직하다. 구성요소들은, 예를 들어 전술한 바와 같은 재료 및 구조를 가질 수 있다.
제2 단계(S2)에서, 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소는 서로 접촉하여 각각의 원하는 포지션들(positions)에 배치된다. 접촉이 이루어진 영역은 계면 영역(interface region)으로 간주될 수 있으며, 계면은 2 개의 구성요소들의 표면들 사이에 있다. 구성요소들의 크기 및 임의의 최종 디바이스 내에서의 그 배열에 따라, 계면 영역은 하나 또는 양쪽 구성요소들의 접촉 표면들의 표면적(surface area)의 전체 크기이거나 또는 그보다 작을 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 구성에서, 계면 영역은 전기 접촉부의 영역의 대부분 또는 전부이지만, 가열 요소의 영역의 작은 부분일 뿐이다. 다른 예들에서, 2 개의 구성요소들은 계면 영역이 양쪽 표면적들보다 작도록 중첩 배열로 위치결정될(positioned) 수 있거나, 또는 이 구성요소들은 계면 영역이 양쪽 표면적들의 대부분 또는 모두를 포함하도록 유사한 크기의 접촉 표면들을 가질 수 있다.
구성요소들은 일시적인 클램핑(clamping) 또는 유지 수단에 의해 접촉 포지션에 유지될 수 있고, 그로부터 용접 후에 해제된다. 대안적으로, 도 1 및 도 2의 예에서와 같이, 2 개의 구성요소들은 보다 큰 디바이스 또는 제품 내의 자신들의 원하는 최종 포지션들에 조립된 후에 함께 용접될 수 있다. 용접 준비가 된 상태로 제 위치에 유지된, 정확하게 위치결정된 구성요소들은 워크피스(workpiece)로서 간주될 수 있다.
제3 단계(S3)에서, 레이저로부터의 광 빔은, 계면 영역에 대향하고 실질적으로 직교하는, 중실형 금속 구성요소의 외부(근접) 표면 상으로 지향된다. 다시 말해서, 레이저 빔은 2 개의 금속 구성요소들 중 보다 높은 밀도의 구성요소 상으로 지향된다. 레이저 빔은 실질적으로 중실형 금속 구성요소의 근접 표면, 즉 계면 영역의 접촉 표면에 대향하는 표면에 초점을 맞추어 포커싱될 수 있다. 중실형 금속 구성요소의 두께, 전달될 에너지의 양, 및 용접될 영역의 크기에 따라, 초점은 대신에 근접 표면의 평면 위 또는 아래에 배열될 수 있다. 레이저 빔은 광 섬유를 통해, 또는 하나 이상의 렌즈들을 통해, 또는 양쪽의 조합을 통해 전달될 수 있다. 섬유 및/또는 렌즈들은 워크피스(적절하게 배열된 구성요소들) 위의 또는 다르게는 워크피스에 인접한 요구 위치에 정확하게 위치결정하도록 구성된 전용 빔 전달 헤드(dedicated beam delivery head)에 장착될 수 있다. 레이저 용접에 사용하기에 적합한 레이저들의 예들은 루비 레이저들 및 Nd:YAG 레이저들과 같은 고체 상태 레이저들, 및 헬륨, 질소 및 이산화탄소 레이저들과 같은 기체 레이저들을 포함한다.
제4 단계(S4)에서, 레이저 빔으로부터의 에너지는 계면 영역의 용접 부위로 전달된다. 이것은 에너지 흡수 및 열 전달에 의해 달성된다. 중실형 금속 구성요소의 근접 표면 상으로 지향된 레이저 빔은 금속에 에너지를 전달한다. 에너지는 금속에 의해 흡수되며; 이것은 금속의 가열을 일으킨다. 레이저 빔의 파워 및 파장과, 금속의 유형은 빔이 금속에 얼마나 멀리 침투할 수 있는지를 결정할 것이고, 직접적인 에너지 흡수와, 에너지를 흡수한 인접한 영역들로부터의 열 전달의 조합은 계면 영역에서의 중실형 금속 구성요소의 하나 이상 부분들에 가열을 생성하고, 금속이 용융되게 할 것이다. 레이저 침투 깊이에 대한 중실형 금속 구성요소의 두께도 또한 계면 영역에서의 가열이 어떻게 달성되는지에 일조한다. 당업자는 금속의 열적 특성들 및 그 열 방출 능력을 고려하여 필요한 용융을 달성하기 위해 레이저 파워 및 파장과, 구성요소의 두께를 조정하는 것을 이해할 것이다. 일부 가열 및 용융이 또한 다공성 금속 구조물에서 일어날 수도 있다.
제5 단계(S5)에서, 중실형 구성요소로부터 용해 또는 용융된 금속은 계면 영역에서의 중실형 구성요소의 표면으로부터 외측으로 유동할 수 있다. 이것은, 레이저 빔 및 워크피스가 실질적으로 수직축을 따라 배열되고, 레이저 빔이 중실형 금속 구성요소 상으로 실질적으로 하향으로 지향되고, 구성요소들이 2 개의 수평 층들로서 배열되는 경우에 향상될 것이다. 이에 의해, 표면으로부터 외부로의 용융 금속의 유동은 중력에 의해 보조된다. 그러나, 이러한 구성은 필수적인 것은 아니다. 용융 금속은, 다공성 구조물 내의 틈새들에 진입하고 이에 의해 다공성 구조물의 이웃하는 섬유들, 스트랜드들 또는 다른 부분들을 에워싸거나 포위하거나, 다른 방식으로 둘러쌈으로써, 인접한 다공성 금속 구성요소 내로 유동할 수 있다.
제6 단계(S6)에서, 필요한 양의 에너지가 전달되면, 레이저 빔은 꺼진다(또는 워크피스로부터 차단되거나 전환됨). 이것은 하기에서 더 논의된다.
최종 단계(S7)에서, 에너지 소스(레이저 빔)가 워크피스로부터 제거되면, 용융 금속은 냉각되고 응고될 수 있다. 용융 금속이 다공성 금속 구성요소의 틈새들 내로 유입되었기 때문에, 냉각함에 따라 거기에 유지되어, 그 고체 상태로 되돌아가면 다공성 금속 구성요소의 스트랜드들이 중실형 금속 내에 매설되어 통합된다. 이것은 2 개의 구성요소들 사이에 기계적 결합부 또는 접합부를 제공하고, 용접이 완료된다.
이론에 얽매이고 싶지는 않지만, 용융 금속은 가열된 영역 내의 개별 부분들 또는 "노드(node)" 영역들 내로 유동하는 경향이 있으며, 각 노드는 다공성 구조물 내의 금속 섬유 스트랜드들의 그룹 주위에 너깃(nugget) 또는 결절(nodule)로서 형성되는 것으로 여겨진다(스트랜드들은 또한 소정 정도의 용융 또는 연화를 겪을 수 있음). 결과적인 용접 구조물들은 핀쿠션(pincushion)(노드 또는 너깃) 내의 핀들(스트랜드들 또는 섬유들)로서 상상될 수 있다. 다시 말해서, 용융 금속은 문제의 틈새들에 인접한, 다공성 금속의 스트랜드들 또는 다른 금속 구조물들 사이의 틈새들 내로 유동하고, 다공성 금속 구성요소의 이들 부분들을 둘러싸거나 에워싼다. 전형적으로, 많은 노드들이 생성될 것이다. 용접부 당 노드들의 양 및 노드 당 스트랜드들의 비율은 레이저 파워 및 레이저 빔 전달 시간을 조정함으로써 변경될 수 있으며; 이것은 하기에서 더 논의된다. 용접부의 기계적 강도 및 그 전기 저항 둘 모두는 노드와 스트랜드 비율 및 구성에 따라 달라지고, 그래서 용접부는 그 목적(물리적 접합, 전기적 연결 또는 둘 모두)에 따라 양호한 성능에 맞추어질 수 있다.
도 4는 도 3의 방법을 실행하기 위한 장치의 개략도들을 도시하고 있다. 도시들은 축척으로 되어 있지 않다. 도 4(A)에서, 중실형 금속 구성요소(30)는, 예를 들어 함께 소결된 금속의 다수의 스트랜드들을 포함하는 다공성 금속 구성요소(32)와 접촉하여 배열된다. 중실형 금속 구성요소(30)는 (도시된 배향에서) 상부 또는 근접 표면(30a), 및 다공성 금속 구성요소의 표면(32a)과 접촉하여 배치된 대향하는 하부 표면(30b)을 갖는다. 2 개의 접촉 표면들은, 이러한 예에서 중실형 금속 구성요소(30)의 하부 표면(30b)의 전체 표면적과 다공성 금속 구성요소(32)의 상부 표면(32a)의 표면적의 일부에 대응하는 계면 영역(34)을 포함한다. 용접부가 2 개의 구성요소들을 접합시키도록 계면 영역(34)에 생성되어야 한다.
도 4(B)에서, 레이저(38)는 렌즈(또는 다수의 렌즈들)(42)에 의해 초점 스폿(focal spot)(40)으로 형상화된 레이저 빔(36)을 발생시킨다. 초점(40)은 중실형 금속 구성요소의 근접 표면(30a) 상에 배열된다.
도 4(C)에서, 레이저 빔(36)에 의해 중실형 금속 구성요소(30)에 충분한 에너지가 전달되어, 중실형 금속 구성요소(음영 영역에 의해 표시됨)를 통한 가열, 및 따라서 계면 영역에서 중실형 금속의 용융을 일으켰다. 용융 금속은 다공성 금속 구성요소(32)의 일부 스트랜드들(44) 주위로 유동하여 결절(46)을 형성하였다.
도 4(D)에서, 레이저 빔(36)은 제거되고, 중실형 금속 구성요소(30)의 용융된 부분이 냉각되어 응고되었다. 따라서, 결절(46)은 이제는 중실형 금속이고, 다공성 금속 구성요소(32)의 다수의 스트랜드들(44)의 부분들 내에 매설되었다. 따라서, 2 개의 구성요소들(30, 32)은 이러한 접합부에 의해 함께 고정되거나 융합되며, 이는 물리적, 기계적인 결합과, 또한 구성요소들이 금속 및 전기 전도성인 경우 전기적 연결을 제공한다.
결절들 및 그 안에 매설된 스트랜드들 또는 섬유들의 구성은 상이한 레이저 파워 전달 방식들 또는 프로토콜들의 사용에 의해 변경될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 용접된 제1 예시적인 워크피스의 단면도(축척으로 되어 있지 않음)를 도시하고 있다. 중실형 금속 구성요소(30)는 용접 프로세스 동안에 용융되고, 2 개의 노드들 또는 결절들(46)을 형성하도록 유동하였다. 각각의 결절은 다공성 금속 구성요소(32) 내에 포함된 복수의 금속 섬유들(44)에 의해 침투되고, 이에 의해 이들 금속 섬유들(44)은 중실형 금속 구성요소(30)의 재료에 통합된다. 예시의 목적들을 위해, 복수는 이 예에서 7 내지 8 개의 스트랜드들(44)로 나타나 있다. 섬유들(44) 중 적어도 일부는 결절(46)의 측부를 통해 연장되어, 그 길이의 일부를 결절 내측에 갖고(그리고 둘러싸인 응고 금속에 의해 고정됨) 그 길이의 일부를 결절 외측에 가지며, 다공성 금속 구성요소의 다공성 구조를 형성한다. 일부 섬유들(44)은 전체적으로 결절(46) 내에 있을 수 있다. 실제 예에서, 결절 당 보다 많거나 적은 스트랜드들을 갖는 보다 많은 결절들이 형성될 수 있다. 그러나, 다수의 결절들이 단일 레이저 빔을 사용하여 단일 용접 동작으로부터 형성될 수 있으며; 이것은 용접 동작 또는 빔 노출 당 단지 하나의 결절만이 있다는 것은 아니라는 것에 주목한다. 용접부의 기계적 강도(예를 들어, 용접된 구성요소들을 박리하는데 필요한 힘을 측정하는 박리 시험(peel test)에 의해 평가됨)는 결절들의 수 및 결절 당 스트랜드들의 수에 따라 달라질 것이다. 또한, 전기 저항은 이러한 구조적 요인들에 따라 달라질 것이다. 일부 응용들에서, 전기 저항은 특히 관심이 있을 것이며, 그리고 예를 들어, 높은 강도를 제공하는 매우 안전한 용접부가 또한 특정 응용에 대해 너무 높은 저항을 가질 것이라는 것을 발견할 수 있다(특히, 2 개의 용접부들이 도 1 및 도 2의 전기 가열 요소와 같이 전기 회로에 포함될 수 있다는 것에 명심해야 함). 용접 프로토콜의 변경은 적절한 기계적 강도와 균형을 이루도록 전기 저항을 감소시키기 위해 구조를 변화시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따라 용접된 제2 예시적인 워크피스의 단면도(축척으로 되어 있지 않음)를 도시하고 있다. 이러한 예에서, 도 5의 예와 비교하여 보다 낮은 레이저 파워가 사용되었으며; 다른 파라미터들은 동일하다. 이러한 방식은 증가된 수의 결절들(46)(이러한 예에서는 4 개가 도시됨)을 생성하지만, 결절 당 감소된 수의 스트랜드들(44)(도시된 바와 같이, 2 내지 3 개), 또는 반대로 스트랜드 당 증가된 수의 결절들을 생성한다. 이러한 수들은 단지 예시적인 것일 뿐, 실생활의 예를 반드시 대표하는 것은 아니지만; 감소된 레이저 파워가 이러한 방식으로 용접 구조를 변경하는데 사용될 수 있다. 이러한 상이한 구조는 도 5의 예에 비해 감소된 전기 저항을 갖는 경향이 있고, 또한 용접부에 관련된 스트랜드들의 전체 수가 보다 적을 수 있다하더라도, 보다 많은 결절들이 형성되기 때문에, 유사하거나 증가된 기계적 강도를 가질 수도 있다.
실험 결과들
시험 시에, 다량의 용접들이 수행되었다. 이러한 실험들에서, 중실형 금속 구성요소는 전기 접촉부(예컨대, 도 1 및 도 2에 도시됨)이고, 스테인리스강(301)으로 제조되고, 0.2 ㎜의 두께를 가졌다. 다공성 금속 구성요소는 0.16 ㎜의 두께를 갖는 가열 요소(예컨대, 도 1 및 도 2에 도시됨)이고, 200 내지 250 g/㎡의 재료 밀도 및 84%의 다공도를 제공하도록 랜덤한 정렬로 함께 소결된 8 ㎛ 직경의 금속 섬유들을 포함하는 스테인리스강 316L로 제조되었다.
사용된 레이저는 아마다 미야치(Amada Miyachi)에 의해 제조된 ML-2450A 레이저였으며; 이것은 Nd:YAG 레이저이고, 따라서 1064 ㎚의 파장에서 작동한다. 빔은 400 ㎛의 초점 스폿 크기에 포커싱되었고, 이러한 스폿은 중실형 금속 구성요소의 근접 표면 상에 위치결정된다. 예를 들어 400 ㎛ 내지 600 ㎛와 같은 용접된 영역의 의도된 크기를 참조하여, 다른 초점 스폿 크기들이 사용될 수 있다. 용접을 수행하기 위해, 레이저는 용접 시간에 걸쳐 출력 파워를 변화시키는 방식에 따라 작동되었다.
도 7은 용접 프로세스에 걸친 레이저의 출력 파워를 나타내는 플롯을 도시하고 있다. 시간 t0에서 시작하여 기간 Δt1에 걸쳐 시간 t1까지 연장되는 초기 시동 기간(스위치 온 시간(switch on time)) 동안, 출력 파워는 영(nothing)으로부터 100%까지 증가되었다(ramped up). 최대 100% 출력 파워(레이저 파워 설정)의 값은 실험들간에서 변화되었다. 선형 증가가 가정된다. 다음에, t1로부터 t2까지 연장되는 시간 기간 Δt2에 걸쳐, 레이저는 100% 파워로 작동되었다. 마지막으로, 시간 t2에서 시작하여, 출력 파워는 50%로 감소되었고, 레이저는 추가의 시간 기간 Δt3 동안 작동되어, 시간 t3에서 종료되었다. Δt1, Δt2 및 Δt3의 지속기간들과, 또한 전체 용접 시간 Δt1 + Δt2 + Δt3은 실험들간에서 변화되었다.
표 1은 각 워크피스에 전달되는 전체 에너지 양을 포함하여, 30 회의 실험들 동안에 수행된 파워 방식들을 나타낸다. 에너지 양의 계산은 연속파 레이저 작동을 가정한다.
실험 파워 설정
(kW)		 Δt1
(ms)		 Δt2
(ms)		 Δt3
(ms)		 에너지
(J)
1 1.4 1 1 1 2.8
2 1.6 1 1 1 3.2
3 1.8 1 1 1 3.6
4 1.6 1 1 2 4.0
5 1.6 1 1 2 4.0
6 1.4 1 1 3 4.2
7 1.3 1 1 4 4.55
8 1.8 1 1 2 4.5
9 1.2 1 1 5 4.8
10 1.4 1 1 4 4.9
11 1.4 1 1 4 4.9
12 1.2 1 1 6 5.4
13 1.2 1 1 6 5.4
14 1.5 1 1 4 5.25
15 1.4 1 1 5 5.6
16 1.5 1 1 5 6.0
17 1.4 1 1 6 6.3
18 1.4 1 1 6 6.3
19 1.4 1 1 6 6.3
20 1.2 1 1 8 6.6
21 1.2 1 1 8 6.6
22 1.6 1 1 6 7.2
23 1.6 1 1 6 7.2
24 1.4 1 1 8 7.7
25 1.6 1 2 5 8.0
26 1.6 2 2 4 8.0
27 1.8 1 2 5 9.0
28 1.8 2 2 4 9.0
29 2 1 2 5 10.0
10 2 2 2 4 10.0
결과적인 용접된 워크피스들은 용접부의 기계적 강도, 또는 박리 강도, 및 용접부의 전기 저항에 따라 시험되고 특징지어졌다. 박리 강도는 불량(접합되지 않음을 표시함), 양호 또는 매우 양호(또는 시험되지 않은 경우, 해당 없음, N/A)로 특징지어졌다. 전기 저항은 높음(20 mOhm 초과), 중간(10 내지 20 mOhm) 또는 낮음(10 mOhm 미만)으로 특징지어졌다. 결과들은 표 1에도 나타낸 에너지를 포함하여, 표 2에 나타내고 있다.
실험 박리 강도 저항
(mOhm)		 에너지
(J)
1 N/A 높음 2.8
2 N/A 중간 3.2
3 N/A 중간 3.6
4 불량 높음 4.0
5 불량 높음 4.0
6 불량 높음 4.2
7 불량 높음 4.55
8 양호 높음 4.5
9 양호 중간 4.8
10 양호 중간 4.9
11 매우 양호 낮음 4.9
12 불량 높음 5.4
13 불량 높음 5.4
14 양호 중간 5.25
15 매우 양호 낮음 5.6
16 불량 중간 6.0
17 양호 중간 6.3
18 양호 낮음 6.3
19 양호 낮음 6.3
20 매우 양호 낮음 6.6
21 매우 양호 낮음 6.6
22 양호 중간 7.2
23 양호 중간 7.2
24 매우 양호 중간 7.7
25 N/A 높음 8.0
26 N/A 높음 8.0
27 N/A 높음 9.0
28 N/A 높음 9.0
29 N/A 높음 10.0
10 N/A 높음 10.0
이러한 결과들로부터, 보다 적은 양의 에너지가 전달되는 방식이 있으며(보다 낮은 번호의 실험들), 용접부의 기계적 강도가 불량하고, 용접부가 높은 저항을 갖는다는 점에서 결과가 대체로 불량이라는 것을 알 수 있다. 대조적으로, 보다 많은 양의 에너지가 전달되는 보다 높은 번호의 실험들에 대한 방식도 또한 일부 응용들에 대해 불량한 결과를 갖는다. 기계적인 접합부의 강도는 향상될 수 있지만, 저항은 여전히 높다. 보다 적당한 양의 에너지를 전달하는 중간 방식은, 기계적 강도가 양호하거나 매우 양호하고, 전기 저항이 낮거나 중간이라는 점에서, 특히 유용한 결과를 제공한다.
이러한 특정의 예시적인 워크피스와 관련한 특징들을 고려하면, 4.5 J를 초과하지만 8.0 J를 초과하지 않는 전체 에너지 양이 도 7에 도시된 것과 같은 방식을 사용하여 전달될 때 유용한 결과들을 제공한다는 점에 주목할 수 있다. 보다 구체적으로, 약 6.0 J 내지 7.0 J의 에너지 전달은 양호한 박리 강도 및 낮은 저항의 관점에서 특히 양호한 결과들을 제공한다.
결과들을 보다 상세하게 살펴보면, 적당한 에너지 전달로부터 생성된 가장 유용한 결과들은 Δt3의 지속기간이 Δt2의 지속기간을 상당히 초과하는 레이저 작동 프로토콜에 대응한다는 점에 주목한다. 다시 말해서, 감소된 파워 레벨이 사용되는 시간은 최대 파워 레벨 또는 보다 높은 파워 레벨이 사용되는 시간의 몇 배이다(보다 높은 파워는 레이저가 가능한 최대 작동 파워일 수 있거나, 아닐 수도 있음). Δt3이 Δt2와 동일하거나 Δt2보다 단지 2 또는 2.5 배 긴, 표 1 및 표 2의 상부 및 하부에서의 실험 결과들은 낮은 박리 강도 및/또는 높은 저항의 관점에서 보다 불량한 결과를 제공했다. 대조적으로, 표 1과 표 2의 중간 부분의 결과들은 보다 양호한 결과들에 대응한다. 가열 및 용융을 개시하기 위해 최대 파워에서의 초기 에너지 양이 Δt2 동안에 전달되고, 다음에, 어느 구성요소를 손상시키거나 너무 많은 용융을 일으킬 수 있는 과잉 양의 에너지를 제공하지 않고서, 열 전파 및 용융 상태를 유지하고 결절들이 형성되는 시간을 제공하기 위해, 감소된 양의 에너지가 보다 긴 시간 스케일 Δt3에 걸쳐 전달된다. 결과들로부터, Δt2 대 Δt3의 비율이 1:3 이상, 또는 1:4 이상인 방식이 유용한 것으로 고려될 수 있다. 또한, 낮은 파워에서도 너무 많은 에너지를 전달하는 것은 손상시킬 수 있고, 그래서 상한, 예를 들어 1:4 내지 1:8 또는 1:3 내지 1:8의 비율(이러한 범위들에서의 후자의 비율은 실험 데이터에서 가장 높은 것임)이 또한 고려될 수 있다. 이러한 범위 내에서, 보다 높은 비율들은 표 2의 보다 양호한 결과들에 대응하고, 그래서 일부 실시예들에서, 비율은 1:6 내지 1:8의 범위인 것으로 설정될 수 있다.
다른 실험들에서, 훨씬 더 큰 비율들이 양호한 결과들을 생성하는 것으로 밝혀졌다. 일부 실험들에서, 높은 파워 레벨은 1.2 kW 내지 1.4 kW의 범위였다. 이와 같은 높은 파워 레벨은 0.1 ms 내지 0.2 ms 동안에 전달될 수 있으며, 그리고 보다 낮은 파워 레벨, 예를 들어 높은 파워 레벨의 50%는 다른 4 ms 내지 8 ms 동안에 전달될 수 있다. 보다 낮은 파워는 보다 높은 파워보다 20 또는 40 또는 80 배 더 긴 동안에 전달된다. 따라서, Δt2 대 Δt3의 비율은, 일부 경우들에서, 1:20 이상, 또는 1:40 이상, 또는 1:80 이상일 수 있거나, 1:20 내지 1:80, 또는 1:20 내지 1:40, 또는 1:40 내지 1:80의 범위일 수 있다. 이러한 값들과 상기에서 논의된 보다 작은 비율들 사이의 비율들, 예를 들어 1:10 내지 1:15의 범위의 비율들도 또한 사용될 수 있다.
따라서, 전반적으로, 용접 방법은 1:3 내지 1:80의 범위의 Δt2 대 Δt3의 비율로 구현될 수 있지만, 이것에 한정되지는 않는다.
실험들은 Δt3 동안에 Δt2에서의 최대 파워의 50%의 감소된 파워를 사용했다. 그러나, 다른 감소된 파워 레벨들, 예를 들어 30% 또는 35% 또는 40% 또는 45%의 하한, 및 55% 또는 60% 또는 65% 또는 70%의 상한을 갖는 범위에 대해서도 유용한 결과들이 얻어질 수 있다. 또한, 감소된 파워 단계는 생략될 수 있으며, 그에 따라 Δt3 동안에 최대 파워가 인가되거나, 적어도 Δt2 동안과 동일한 파워가 인가된다. 용접은 여전히 달성될 것이다. "최대 파워(full power)" 및 100% 파워는 레이저가 생성할 수 있는 전체 파워를 반드시 의미하는 것은 아니며, 오히려 Δt2 기간 동안 사용되고 작동 파워가 Δt1 기간 동안 증가되는 파워 레벨을 의미한다. 이용되는 레이저의 유형에 따라, 임의의 증가 기간이 더 또는 덜 중요할 수 있거나, 셔터링 시스템(shuttering system)이 스위치-온 단계 동안에 워크피스를 차폐하고 따라서 에너지 전달 프로토콜로부터의 증가 기간을 제거하는 데 이용될 수 있다. 바람직한 결과들에 대응하는 실험 예들에서, 증가 기간 Δt1의 지속기간은 증가 기간 Δt2와 동일하지만; 이것은 필수적인 것은 아니다.
또한 실험 결과들로부터, 1.8 kW를 초과하지 않는 최대 파워 레벨 기간 동안의 파워 레벨들이 양호한 결과들을 제공하는 것을 관찰할 수 있다. 1.8 kW 이상의 파워 레벨들은 특히 높은 전기 저항의 관점에서 보다 불량한 용접부를 제공하는 경향이 있다는 것을 발견했다. 또한, 매우 낮은 파워 레벨들은 보다 긴 용접 시간을 필요로 하며, 임계값 미만에서는 요구되는 정도의 용융을 일으키기에 충분한 가열을 생성하지 못할 것이다. 1 kW 내지 1.8 kW 미만의 범위인 100% 파워 레벨들이 특히 유용한 것으로 고려된다. 1.2 kW 내지 1.6 kW의 범위, 또는 1.2 kW 내지 1.4 kW의 범위인 최대 파워 레벨이 또한 사용될 수 있다. 감소된 파워가 결절 당 보다 적은 섬유들을 갖는 보다 많은 결절들을 생성하는, 도 6의 예에 도시된 구조를 상기하면, 이것은 1.5 kW 이하, 예를 들어 1.0 kW 내지 1.5 kW의 최대 파워 레벨들로 달성될 수 있다. 파워 레벨은, 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 금속의 유형, 레이저 파장 및 중실형 금속 구성요소의 두께에 따라 변경되어야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 상기에서 예로 든 파워 레벨들에 한정되지 않으며; 이들은 단지 예들일 뿐이다.
이러한 실험들에서 중실형 금속 구성요소는 0.2 ㎜의 두께를 갖고, 다공성 금속 구성요소는 0.16 ㎜의 두께를 가졌다는 것을 상기한다. 명확하게는, 0.2 ㎜보다 몇 배 큰 두께를 갖는 중실형 금속 구성요소는 상기에서 논의된 파워 및 에너지 방식들에서 성공적인 용접을 저해할 것이며, 이는 레이저 빔이 계면 영역으로부터 멀리 흡수되고 열 전파가 계면 영역에서 금속을 용융시키기에 적절하지 않을 수 있기 때문이다. 그러나, 0.05 ㎜ 내지 0.5 ㎜, 예를 들어 0.05 ㎜ 내지 0.5 ㎜, 0.05 ㎜ 내지 0.45 ㎜, 0.05 ㎜ 내지 0.4 ㎜, 0.05 ㎜ 내지 0.35 ㎜, 0.05 ㎜ 내지 0.3 ㎜, 0.05 ㎜ 내지 0.25 ㎜, 0.1 ㎜ 내지 0.5 ㎜, 0.1 ㎜ 내지 0.45 ㎜, 0.1 ㎜ 내지 0.4 ㎜, 0.1 ㎜ 내지 0.35 ㎜, 0.1 ㎜ 내지 0.3 ㎜, 0.1 ㎜ 내지 0.25 ㎜, 0.15 ㎜ 내지 0.5 ㎜, 0.15 ㎜ 내지 0.45 ㎜, 0.15 ㎜ 내지 0.4 ㎜, 0.15 ㎜ 내지 0.35 ㎜, 0.15 ㎜ 내지 0.3 ㎜ 또는 0.15 ㎜ 내지 0.25 ㎜의 범위의 두께를 갖는 중실형 금속 구성요소가 논의된 프로토콜들을 사용하여 성공적으로 용접될 것으로 예상된다. 다공성 금속 구성요소의 두께는 레이저 및 열 에너지가 용접부를 형성하기 위해 이러한 층을 통과할 필요가 없으므로 덜 중요한 것으로 고려된다. 대신에, 매우 얇으면, 용접부가 또한 다공성 금속 구성요소 아래의, 즉 입사 레이저 빔과는 반대측의 임의의 추가적인 구성요소에 워크피스를 적어도 부분적으로 접합시킬 수도 있기 때문에, 다공성 금속 구성요소의 두께가 보다 관심이 있는 상황들이 있을 수 있다. 이것은 예를 들어, 다공성 구성요소의 전체 두께를 통과하는 결절의 용융 금속으로 인해, 또는 다공성 금속 구성요소 내의 금속 스트랜드들의 용융 또는 연화로 인해, 또는 추가적인 구성요소의 재료의 용융 또는 연화로 인해 일어날 수 있다. 임의의 그러한 접합은 중요할 수 있거나 그렇지 않을 수도 있으며, 일부 경우에서는 유익할 수도 있다. 이것은 용접 전에 다공성 금속 구성요소를 그 아래에 놓인 다른 구성요소들과 조립하기보다는 용접 동안에 워크피스를 별도로 유지함으로써 해결될 수 있다. 그러나, 관심있는 본 예들에서, 다공성 금속 구성요소는, 예를 들어, 0.15 ㎜ 내지 0.17 ㎜, 0.14 ㎜ 내지 0.18 ㎜, 0.13 ㎜ 내지 0.19 ㎜ 또는 0.12 ㎜ 내지 0.2 ㎜, 0.1 ㎜ 내지 0.22 ㎜ 또는 0.08 ㎜ 내지 0.24 ㎜의 범위인 두께를 가질 수 있다.
전기적 연결을 제공하기 위해 용접부가 요구되는 응용들의 경우, 낮은 전기 저항률이 관심이 있다. 본 발명의 실시예들은 10 mOhm 이하의 저항을 달성할 수 있다. 10 mOhm 내지 20 mOhm 사이의 저항 값은 일부 디바이스들에서 관심이 있을 수 있다.
레이저 용접을 포함한 모든 용접 프로세스 동안에, 용접 조인트 내에의 에어 포켓들(air pockets)의 형성을 회피하는 것이 바람직하다. 이것은 용접 동안에 압축을 인가함으로써 레이저 용접에서 해결될 수 있다. 본 경우에, 압축은 다공성 금속 구성요소의 존재로 인해 조심해서 사용되어야 한다. 너무 많은 압축은 영구적으로 스쿼싱(squashing)시키고, 따라서 다공성 재료의 구조를 손상시켜, 다공도를 감소시키고, 밀도를 증가시키며, 가능하게는 의도된 목적에 부합하지 않게 할 수도 있다. 따라서, 에어 포켓 형성이 제거될 필요가 있는 본 발명의 실시예들을 이용하는 때라고 여겨지면, 0.1 N 내지 5.0 N의 힘으로의 압축이 인가될 수 있다. 압축이 필요하지 않는 것, 즉 0 N의 힘이 필요하다고 여겨질 수 있다. 그러면, 전반적으로 용접부를 형성하기 위해 레이저 빔을 인가하는 동안에 계면 영역을 가로질러 0 N 내지 5 N(5 N을 포함함)의 압축력이 인가될 수 있다. 이러한 크기의 힘들은 본원에 설명된 실험들에서 사용된 다공성 금속 구성요소의 유형에 적합하다. 다공성 금속 구성요소가 이들을 견딜 수 있는 경우, 또는 가능한 구조적 손상이 덜 중요한 경우에, 보다 높은 힘들이 사용될 수 있다.
용접 프로세스 동안에 금속에 의한 레이저 에너지의 흡수를 증가시키기 위해, 임의의 높은 반사 표면들이 제거될 수 있다. 예를 들어, 임의의 반사 코팅들 또는 층들이 계면 영역에서의 구성요소들의 표면으로부터 제거될 수 있고, 어떠한 표면 폴리싱(polishing)도 계면 영역 면적들(interface region areas)에 이용되지 않을 수 있다. 특별히 반사율을 감소시키기 위한 표면 처리가 또한 사용될 수도 있다.
본원에 설명된 다양한 실시예들은 단지 청구된 특징들을 이해 및 교시하는 것을 돕기 위해 제시된다. 이들 실시예들은 단지 실시예들의 대표적인 샘플로서만 제공되고, 국한되거나 그리고/또는 배타적인 것은 아니다. 본원에 설명된 이점들, 실시예들, 예들, 기능들, 특징들, 구조들, 및/또는 다른 양태들은 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위에 대한 제한들, 또는 청구항들의 균등물들에 대한 제한들로서 고려되지 않아야 하고, 청구된 발명의 범위로부터 이탈하지 않으면서 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 변형들이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예들은 본원에 구체적으로 설명된 것들 이외의, 개시된 요소들, 구성요소들, 특징들, 부분들, 단계들, 수단들 등의 적절한 조합들을 적절하게 포함할 수 있거나, 이들로 구성될 수 있거나, 이들로 본질적으로 구성될 수 있다. 또한, 본 개시는 현재 청구되지 않지만 추후에 청구될 수 있는 다른 발명들을 포함할 수 있다.

Claims (16)

  1. 레이저 용접(laser welding) 방법으로서,
    계면 영역(interface region)에서 다공성 금속 구성요소(porous metal component)와 접촉하여 중실형 금속 구성요소(solid metal component)를 배치하는 단계;
    상기 계면 영역에서의 상기 중실형 금속 구성요소의 하나 이상의 부분들의 가열 및 용융을 일으키기 위해 상기 중실형 금속 구성요소 상으로 레이저 빔(laser beam)을 지향시키는 단계; 및
    용융된 금속 부분들이 상기 다공성 금속 구성요소 내의 틈새들(interstices) 내로 유동하고 냉각에 의해 응고되게 하여, 상기 틈새들에 인접한 상기 다공성 금속 구성요소의 부분들이 상기 중실형 금속 구성요소의 금속에 통합되고, 이에 의해 상기 중실형 금속 구성요소와 상기 다공성 금속 구성요소를 접합시키는 단계를 포함하는,
    레이저 용접 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다공성 금속 구성요소는 함께 소결된 금속 섬유들의 메쉬(mesh)를 포함하고, 상기 중실형 금속 구성요소의 금속에 통합된, 상기 틈새들에 인접한 상기 다공성 금속 구성요소의 상기 부분들은 금속 섬유들인,
    레이저 용접 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 중실형 금속 구성요소 및 상기 다공성 금속 구성요소 중 하나 또는 둘 모두는 스테인리스강을 포함하는,
    레이저 용접 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 고출력 파워 레벨(high output power level)에서 제1 시간 기간 동안 작동된 후에, 상기 고출력 파워 레벨보다 낮은 저출력 파워 레벨(lower output power level)에서 제2 시간 기간 동안 작동되는,
    레이저 용접 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 시간 기간 및 상기 제2 시간 기간은 1:3 내지 1:80 범위의 비율을 갖는 지속기간들(durations)을 가지는,
    레이저 용접 방법.
  6. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 저출력 파워 레벨은 상기 고출력 파워 레벨의 40% 내지 60%인,
    레이저 용접 방법.
  7. 제4 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저의 출력 파워 레벨이 0으로부터 고출력 파워 레벨로 증가되는 초기 기간이 상기 제1 시간 기간에 선행하는,
    레이저 용접 방법.
  8. 제4 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고출력 파워 레벨은 1 kW 내지 1.8 kW 미만의 범위인,
    레이저 용접 방법.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 4.5 J 초과 내지 8.0 J 미만의 범위인 전체 에너지 양을 상기 금속 구성요소들에 전달하는,
    레이저 용접 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 레이저 빔이 상기 중실형 금속 구성요소 상으로 지향되는 동안에 상기 중실형 금속 구성요소 및 상기 다공성 금속 구성요소를 압축하도록 상기 계면 영역을 가로질러 힘을 인가하는 단계를 더 포함하는,
    레이저 용접 방법.
  11. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중실형 금속 구성요소는 0.05 ㎜ 내지 0.5 ㎜ 범위의 두께를 갖는,
    레이저 용접 방법.
  12. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중실형 금속 구성요소는 전기 접촉부이고, 상기 다공성 금속 구성요소는 에어로졸 공급 시스템(aerosol provision system) 내의 액체로부터 에어로졸(aerosol)을 형성하기 위한 가열 요소인,
    레이저 용접 방법.
  13. 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소를 포함하는 조립체로서,
    상기 중실형 금속 구성요소 및 상기 다공성 금속 구성요소는, 상기 다공성 금속 구성요소 내의 틈새들에 인접한 상기 다공성 금속 구성요소의 부분들에 의해 용접부에서 함께 접합되고, 상기 다공성 금속 구성요소들의 상기 부분들은 상기 틈새들에 진입한 상기 중실형 금속 구성요소의 적어도 일부분에 통합되는,
    중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소를 포함하는 조립체.
  14. 중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소를 포함하는 조립체로서,
    상기 중실형 금속 구성요소 및 상기 다공성 금속 구성요소는 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 레이저 용접 방법에 의해 용접부에서 함께 접합된,
    중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소를 포함하는 조립체.
  15. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 용접부는 상기 중실형 금속 구성요소 및 상기 다공성 금속 구성요소 중 하나로부터 다른 하나의 구성요소로 흐르는 전류에 대해 10 mOhm 이하의 전기 저항을 갖는,
    중실형 금속 구성요소 및 다공성 금속 구성요소를 포함하는 조립체.
  16. 레이저 용접 방법으로서,
    복수의 소결 금속 스트랜드들(sintered metal strands)을 포함하는 다공성 금속 구성요소와 접촉하여 중실형 금속 구성요소를 배열하는 단계;
    상기 중실형 금속 구성요소 상으로 레이저 빔을 지향시켜 상기 중실형 금속 구성요소에 에너지를 전달하는 단계;
    용융된 금속이 상기 다공성 금속 구성요소 내의 금속 스트랜드들 주위로 유동하게 하도록 상기 에너지가 상기 다공성 금속 구성요소와 접촉하는 상기 중실형 금속 구성요소의 적어도 일부분을 가열 및 용융시키는 것을 허용하는 단계;
    상기 레이저 빔을 제거하는 단계; 및
    상기 금속 스트랜드들이 상기 중실형 금속 구성요소 내로 매설되어 상기 중실형 금속 구성요소를 상기 다공성 금속 구성요소에 접합시키도록 상기 금속 스트랜드들 주위로 유동한 상기 용융된 금속을 냉각시키는 단계를 포함하는,
    레이저 용접 방법.
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