KR20210106566A - Methods and systems for welding copper and other metals using blue lasers - Google Patents

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KR20210106566A
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KR1020217024010A
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마크 제디커
매튜 피너프
로버트 디. 프리츠
장-마이클 펠라프라트
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누부루 인크.
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Abstract

재료를 함께 용접하는 가시 광선 레이저 시스템 및 작동이 설명된다. 청색 레이저 시스템은 구리계 재료에 대해 본질적으로 완벽한 용접을 형성한다. 배터리 팩과 같은 에너지 저장 장치에 사용하기 위해 전도성 요소, 특히 얇은 전도성 요소를 함께 용접하는 청색 레이저 시스템 및 작동이 설명된다.A visible light laser system and operation for welding materials together is described. Blue laser systems form essentially perfect welds on copper-based materials. A blue laser system and operation for welding conductive elements, particularly thin conductive elements, together for use in energy storage devices such as battery packs are described.

Description

청색 레이저를 사용하여 구리 및 기타 금속을 용접하는 방법 및 시스템Methods and systems for welding copper and other metals using blue lasers

본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서, 2018년 12월 30일자로 출원된 미국 가 출원 일련번호 62/786,511 호의 출원일 이득을 주장하며, 이 출원의 전체 개시는 원용에 의해 본 출원에 포함된다.This application claims the benefit of filing date of U.S. Provisional Application Serial No. 62/786,511, filed December 30, 2018, under 35 USC §119(e), the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. .

본 발명은 재료의 레이저 가공, 특히 약 350 nm 내지 약 500 nm 이상의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하는 구리 재료의 레이저 접합에 관한 것이다.The present invention relates to laser processing of materials, particularly laser bonding of copper materials using a laser beam having a wavelength of from about 350 nm to about 500 nm or greater.

구리의 레이저 용접은 높은 반사율, 높은 열 전도율 및 높은 열 용량으로 인해 매우 어려운 것으로 입증되었다. 초음파 용접에서부터 IR 레이저 용접에 이르기까지 구리를 용접하는 수많은 방법이 개발되었다. 그러나 이들 종래의 구리 용접 방법은 많은 단점과 한계가 있다. 예를 들어, 이들 한계가 보이는 하나의 시장은 성장하는 전자 자동차 시장을 위한 고성능 전자 분야이다. 성장하는 자동차 시장을 위한 고성능 배터리 및 전자기기를 생산하려면 이들 종래 기술에 의해 얻을 수 있는 것보다 더 빠른 속도로 더 양호한 용접 품질이 필요하다.Laser welding of copper has proven very difficult due to its high reflectivity, high thermal conductivity and high heat capacity. Numerous methods of welding copper have been developed, from ultrasonic welding to IR laser welding. However, these conventional copper welding methods have many disadvantages and limitations. One market where these limitations are seen, for example, is the high-performance electronics sector for the growing e-vehicle market. The production of high-performance batteries and electronics for the growing automotive market requires better weld quality at a faster rate than can be achieved by these prior art technologies.

1030 nm에서 IR 레이저 소스를 사용할 때, 이러한 파장에서 구리의 높은 반사율은 재료에 전력을 결합하여 가열하고 이를 용접하는 것을 어렵게 만든다. 높은 반사율을 극복하기 위한 한 가지 방법은 고-출력 레벨(> 1 kW) IR 레이저를 사용하여 키홀(keyhole) 용접을 개시한 다음 전원을 재료에 결합하는 것이다. 무엇보다도, 이러한 용접 방법의 문제점은 키홀 내의 증기가 미세 폭발로 이어져 용융 구리가 용접될 부품 전체에 분사되거나 미세 폭발로 인해 구멍이 용접될 부품을 완전히 관통할 수 있다는 점이다. 결과적으로, 연구원들은 용접 중 이들 결함을 방지하기 위해서 레이저 출력을 빠르게 변조하는데 의존해야 했다. 레이저가 구리를 용접하려고 시도할 때 레이저는 처음에 구리를 융점까지 가열한 다음 빠르게 구리를 증발시키므로, 결함이 공정 자체의 직접적인 결과라는 것이 발견되었다. 구리가 기화하면 키홀이 형성되고 레이저 커플링이 초기 5%에서 100%로 급격히 상승하면, 이러한 전이가 너무 빠르게 일어나서 결합된 열의 양이 부품을 용접하는데 필요한 열의 양을 빠르게 초과하여, 설명된 미세 폭발을 초래한다.When using an IR laser source at 1030 nm, the high reflectivity of copper at these wavelengths makes it difficult to heat and weld by coupling power to the material. One way to overcome the high reflectivity is to use a high-power level (> 1 kW) IR laser to initiate keyhole welding and then couple the power source to the material. First of all, the problem with this welding method is that the vapors in the keyhole can lead to micro-explosions where molten copper can be sprayed all over the part to be welded, or the micro-explosion can cause the hole to completely penetrate the part to be welded. As a result, the researchers had to rely on rapidly modulating the laser power to prevent these defects during welding. It was discovered that the defect was a direct result of the process itself, as when a laser attempted to weld copper, the laser first heats the copper to its melting point and then rapidly evaporates the copper. If the copper vaporizes to form keyholes and the laser coupling rises rapidly from the initial 5% to 100%, this transition occurs so rapidly that the amount of combined heat quickly exceeds the amount of heat required to weld the part, resulting in the described micro-explosion. causes

현재의 적외선 레이저 방법 및 시스템을 이용한 구리의 레이저 용접은 높은 반사율, 높은 열 전도율, 낮은 기화점 및 높은 열 용량으로 인해 도전적이고 문제가 있다. IR 레이저와 녹색 레이저를 조합하는 것, 용접 퍼들(weld puddle)에서 스폿을 요동시키는 것, 진공에서 작동하는 것, 고주파에서 레이저를 변조하는 것에 이르는 IR 레이저로 구리를 용접하기 위한 수많은 방법이 시도되었다. 이들 접근 방식이 현재 일부 구리 용접 용례에서 사용되지만, 이들은 좁은 처리 창, 제어되지 않는 스패터(spatter) 및 용접에서 예측할 수 없는 가변성을 갖는 경향이 있으며 일반적으로 바람직하지 않거나 최적이 아닌 것으로 입증되었다. 더 어려운 구리 용접 공정 중 하나는 구리 호일 스택을 서로 그리고 더 두꺼운 버스 바에 용접하는 방법이다. 오늘날, 이는 IR 레이저를 사용하거나 제조업체가 필요로 하는 용접 품질을 생성하는 방식으로 이를 수행할 수 없다. 따라서 제조업체는 이들 호일을 함께 접합하기 위해서 초음파 용접 방법에 의존해 왔다. 이들 초음파 방법도 최적이 아니며 문제가 있다. 예를 들어, 초음파 용접 방법을 사용하면, 소노트로드(sonotrode)가 생산 중에 마모되어 불완전한 용접으로부터 잔해가 남아 있는 용접에 이르기까지 다양한 공정 변동을 초래할 수 있다. 이들 결함은 제조 수율, 배터리의 내부 저항, 결과적인 배터리의 에너지 밀도 및 많은 경우에 배터리의 신뢰성을 제한한다.Laser welding of copper using current infrared laser methods and systems is challenging and problematic due to its high reflectivity, high thermal conductivity, low vaporization point and high heat capacity. Numerous methods have been tried for welding copper with an IR laser, ranging from combining an IR laser with a green laser, oscillating a spot in a weld puddle, operating in a vacuum, and modulating the laser at high frequencies. . Although these approaches are currently used in some copper welding applications, they tend to have narrow processing windows, uncontrolled spatter, and unpredictable variability in the weld and have generally proven undesirable or suboptimal. One of the more difficult copper welding processes is how to weld copper foil stacks to each other and to thicker bus bars. Today, this cannot be done using an IR laser or in a way that produces the weld quality required by manufacturers. Therefore, manufacturers have relied on ultrasonic welding methods to bond these foils together. These ultrasound methods are also not optimal and are problematic. For example, with ultrasonic welding methods, sonotrodes can wear out during production, resulting in process variations ranging from incomplete welds to residual welds. These defects limit the manufacturing yield, the internal resistance of the battery, the resulting energy density of the battery, and in many cases the reliability of the battery.

용어 "구리계 재료"는 달리 명시적으로 제공되지 않는 한, 가능한 가장 넓은 의미로 부여되어야 하며 구리, 구리 재료, 구리 금속, 구리로 전기 도금된 재료, 적어도 약 10 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 재료, 적어도 약 10 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 20 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 10 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 50 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 70 중량% 내지 100% 구리를 함유하는 금속 및 합금, 및 적어도 약 90 중량% 내지 100 중량% 구리를 함유하는 금속 및 합금을 포함할 수 있다.The term "copper-based material", unless expressly provided otherwise, is to be given in the broadest possible sense and contains copper, copper material, copper metal, material electroplated with copper, at least about 10% to 100% copper by weight. metal materials containing, metals and alloys containing at least about 10% to 100% copper by weight, metals and alloys containing at least about 20% to 100% copper by weight, metals and alloys containing at least about 10% to 100% copper by weight, metals and alloys containing at least about 50% to 100% copper by weight, metals and alloys containing at least about 70% to 100% copper by weight, and at least about 90% to 100% copper by weight. It may include metals and alloys containing

용어 "레이저 가공", "재료의 레이저 가공" 및 이와 유사한 용어는 달리 명시적으로 제공되지 않는 한, 가능한 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 용접, 납땜, 제련, 접합, 어닐링, 연화, 점착성 부여, 표면 재처리, 피닝(peening), 열처리, 융합, 밀봉 및 스태킹(stacking)을 포함할 수 있다.The terms "laser processing", "laser processing of materials" and similar terms, unless expressly provided otherwise, are to be given the broadest possible meaning and are to be welded, brazed, smelted, joined, annealed, softened, tackified, surface may include reprocessing, peening, heat treatment, fusing, sealing and stacking.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "UV", "자외선", "UV 스펙트럼", 및 "스펙트럼의 UV 부분" 및 유사한 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 약 10 nm 내지 약 400 nm, 및 10 nm 내지 400 nm의 파장의 빛을 포함할 수 있다.As used herein, unless explicitly stated otherwise, the terms "UV", "ultraviolet light", "UV spectrum", and "UV portion of the spectrum" and similar terms are to be given their broadest meaning and are to be about It may include light of a wavelength between 10 nm and about 400 nm, and between 10 nm and 400 nm.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "가시광", "가시 스펙트럼" 및 "가시 스펙트럼의 가시 부분" 및 유사한 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 약 380 nm 내지 약 750 nm, 및 400 nm 내지 700 nm의 파장의 빛을 포함할 수 있다.As used herein, unless expressly stated otherwise, the terms "visible light," "visible spectrum," and "visible portion of the visible spectrum," and similar terms, are to be given their broadest meaning and are from about 380 nm to about 380 nm. 750 nm, and light having a wavelength between 400 nm and 700 nm.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "청색 레이저 빔", "청색 레이저" 및 "청색"이라는 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 일반적으로 레이저 빔, 또는 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 광을 제공하는, 예를 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스, 예를 들어 레이저와 다이오드 레이저를 제공하는 시스템을 지칭한다. 전형적인 청색 레이저는 약 405 내지 495 nm 범위의 파장을 가진다. 청색 레이저는 450nm, 약 450nm, 460nm, 약 470nm의 파장을 포함한다. 청색 레이저는 약 10 pm(피코미터) 내지 약 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm의 대역폭뿐만 아니라 더 크거나 더 작은 대역폭을 가질 수 있다.As used herein, unless expressly stated otherwise, the terms "blue laser beam", "blue laser" and "blue" are to be given their broadest meaning and are generally to a laser beam, or about 400 Refers to a system that provides, for example, a propagating laser beam, laser beams, a laser source, such as a laser and a diode laser, that provides light having a wavelength of between about 500 nm and about 500 nm. A typical blue laser has a wavelength in the range of about 405 to 495 nm. Blue lasers include wavelengths of 450 nm, about 450 nm, 460 nm, and about 470 nm. The blue laser may have a bandwidth of from about 10 pm (picometer) to about 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, and about 20 nm, as well as larger or smaller bandwidths.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "녹색 레이저 빔", "녹색 레이저" 및 "녹색"은 가장 넓은 의미를 부여해야 하며, 일반적으로 레이저 빔, 또는 약 500 nm 내지 약 575 nm의 파장을 갖는 광을 제공하는, 예들 들어 전파하는 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스, 예를 들어 레이저와 다이오드 레이저를 제공하는 시스템을 지칭한다. 녹색 레이저는 515nm, 약 515nm, 532nm, 약 532nm, 550nm 및 약 550nm의 파장을 포함한다. 녹색 레이저는 약 10 pm 내지 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm의 대역 폭뿐만 아니라 더 크거나 더 작은 대역 폭을 가질 수 있다.As used herein, unless expressly stated otherwise, the terms "green laser beam", "green laser" and "green" are to be given their broadest meaning, generally a laser beam, or about 500 nm to a system that provides light having a wavelength of from to about 575 nm, eg, a propagating laser beam, laser beams, a laser source, eg a laser and a diode laser. Green lasers include wavelengths of 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, 550 nm, and about 550 nm. The green laser may have a bandwidth of about 10 pm to 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, and about 20 nm, as well as larger or smaller bandwidths.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "적어도", "보다 큼"과 같은 용어는 "보다 작지 않음"을 의미한다. 즉, 그러한 용어는 달리 명시되지 않는 한 더 낮은 값을 배제한다.As used herein, unless explicitly stated otherwise, terms such as "at least", "greater than" mean "not less than". That is, such terms exclude lower values unless otherwise specified.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 상온은 25℃이며, 표준 온도 및 압력은 25℃ 및 1 기압이다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 모든 테스트, 테스트 결과, 물리적 특성 및 온도 종속, 압력 종속 또는 온도 종속 및 압력 종속 값은 표준 온도 및 압력에서 제공된다.As used herein, unless explicitly stated otherwise, ambient temperature is 25°C, and standard temperature and pressure are 25°C and 1 atmosphere. Unless expressly stated otherwise, all tests, test results, physical properties and temperature dependent, pressure dependent or temperature dependent and pressure dependent values are given at standard temperature and pressure.

일반적으로, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 용어 "약" 및 기호 "~"는 ±10%의 편차 또는 범위, 명시된 값을 얻는 것과 관련된 실험적 또는 기기 오차, 바람직하게 이들 중 더 큰 것을 포함하는 의미이다.In general, as used herein, unless expressly stated otherwise, the term "about" and the symbol "~" mean a deviation or range of ±10%, experimental or instrumental error associated with obtaining the specified value, preferably It is meant to include the larger of these.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 값의 범위, 약 "x"로부터 약 "y"까지의 범위, 그리고 그와 유사한 용어 및 수량화의 인용은 범위 내의 개별 값을 개별적으로 지칭하는 단순한 약칭 방법으로 사용된다. 따라서 해당 범위에 속하는 각각의 항목, 기능, 값, 양 또는 수량을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 범위 내의 각각의 모든 개별적인 지점은 본 명세서에 포함되며, 이들이 본 명세서에서 개별적으로 인용된 것처럼 본 명세서의 일부이다.As used herein, unless expressly stated otherwise, recitation of ranges of values, ranges from about “x” to about “y,” and similar terms and quantifications refer to individual values within the range individually. It is used as a simple abbreviation method referred to as . Accordingly, each item, function, value, quantity or quantity falling within its scope is included. As used herein, unless otherwise specified, each and every individual point within a range is included herein and is a part of this specification as if they were individually recited herein.

본 발명의 배경 섹션은 본 발명의 실시예와 연관될 수 있는 기술의 다양한 양태를 소개하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 섹션에서 전술한 논의는 본 발명을 더 잘 이해하기 위한 기반을 제공하며, 종래 기술을 인정하는 것으로 간주되어서는 안 된다.The Background section of the present invention is intended to introduce various aspects of the technology that may be associated with embodiments of the present invention. Accordingly, the foregoing discussion in this section provides a basis for a better understanding of the present invention and should not be regarded as an admission of prior art.

금속 용접, 특히 전자 부품 및 배터리용 구리 금속 용접에서 더 나은 용접 품질, 더 빠른 용접 속도뿐만 아니라, 더 큰 재현성, 신뢰성, 더 높은 허용 오차 및 더 큰 견고성에 대한 요구가 계속 증가하고 있다. 이들 요구에 포함되어 구리 자체 및 기타 금속에 대한 개선된 용접 방법이 필요하며; 구리 호일의 스택 및 이들 스택을 더 두꺼운 구리 또는 알루미늄 부품에 용접하는 것과 연관된 문제를 해결할 필요가 있다. 본 발명은 무엇보다도, 본 명세서에 교시되고 개시되는 개선점, 제조 물품, 장치 및 공정을 제공함으로써 이들 요구를 해결한다.In metal welding, especially copper metal welding for electronic components and batteries, the demand for better weld quality, faster welding speed, as well as greater reproducibility, reliability, higher tolerances and greater robustness continues to increase. Included in these needs is a need for improved welding methods for copper itself and other metals; There is a need to solve stacks of copper foils and the problems associated with welding these stacks to thicker copper or aluminum components. The present invention addresses these needs by providing, among other things, the improvements, articles of manufacture, apparatus and processes taught and disclosed herein.

복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 시스템 및 방법이 제공되며, 상기 방법은 용접 스탠드에 복수의 구리 호일 조각을 위치시키는 단계로서, 호일이 적어도 약 50%의 구리를 함유하는, 단계; 용접 스탠드에서 호일 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 구리 호일 조각에 클램핑력을 가하는 단계; 복수의 구리 호일 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성: ⅰ. 적어도 500 와트의 출력, ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱, ⅲ. 약 400 μm 이하의 스폿 크기, ⅳ. 적어도 약 400 kW/cm2의 평균 강도, ⅴ. 적어도 약 800 kW/cm2의 피크 강도를 가지는, 단계; 용접 속도에서 복수의 구리 호일 조각을 함께 청색 레이저 빔 겹침 용접하는 단계: 및 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며; 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 겸침 용접을 제공한다.A system and method for laser welding a plurality of copper foils together is provided, the method comprising: placing a plurality of pieces of copper foil on a welding stand, the foil containing at least about 50% copper; applying a clamping force to the plurality of pieces of copper foil to clamp the pieces of foil together at a welding stand; Directing a blue laser beam along a laser beam path at a plurality of pieces of copper foil, the laser beam having the following characteristics: i. an output of at least 500 watts, ii. Beam parameter product of about 44 mm mrad or less, iii. A spot size of about 400 μm or less, iv. an average strength of at least about 400 kW/cm 2 , v. having a peak intensity of at least about 800 kW/cm 2 ; lap welding a plurality of copper foil pieces together at a welding speed; and injecting a non-oxidizing beam cleaning gas in a space along a laser beam path through which the laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of copper foil pieces. providing a cleaning gas that removes plume material from the laser beam path and prevents oxidation of the plurality of pieces of copper foil; The welding speed, clamping force, and flow rate of the non-oxidizing cleaning gas are predetermined to provide a needle-needle weld with no visible splatter and no visible porosity.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 가지는 이들 용접, 레이저 시스템 및 용접 방법이 제공되며, 상기 특징에서 빔은 CW 빔이며, 빔은 펄스형 빔이며, 빔은 약 450 nm의 파장을 가지며, 광학 요소는 렌즈, 섬유 면(face) 및 창(window)로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 세정 가스는 아르곤, 아르곤-CO2, 공기, 헬륨 및 질소로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 레이저 빔은 요동되지 않아서서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하며, 복수의 구리 호일 조각은 10 내지 50 개의 호일 조각을 가지며, 구리 호일 조각은 약 80 μm 내지 500 μm의 두께를 가지며, 복수의 구리 호일 조각 각각은 약 80 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가지며, 용접 속도는 적어도 10 m/min이다.Also provided are these welding, laser systems and welding methods having one or more of the following features, wherein the beam is a CW beam, the beam is a pulsed beam, the beam has a wavelength of about 450 nm, and the optical element comprises: wherein the cleaning gas is selected from the group consisting of argon, argon-CO 2 , air, helium and nitrogen, and the laser beam is not fluctuated so that it fluctuates and wherein the plurality of pieces of copper foil has 10 to 50 pieces of foil, wherein the pieces of copper foil have a thickness of between about 80 μm and 500 μm, and wherein each of the plurality of pieces of copper foil has between about 80 μm and 500 μm. It has a thickness of μm, and the welding speed is at least 10 m/min.

또한, 복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 시스템 및 방법이 제공되며, 상기 방법은 용접 스탠드에 복수의 금속 조각을 위치시키는 단계; 용접 스탠드에서 금속 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 금속 조각에 클램핑력을 가하는 단계; 복수의 금속 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성: ⅰ. 적어도 500 와트의 출력, ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱, ⅲ. 약 400 μm 이하의 스폿 크기, ⅳ. 적어도 약 400 kW/cm2의 평균 강도, ⅴ. 적어도 약 800 kW/cm2의 피크 강도를 가지는, 단계; 용접 속도에서 복수의 금속 조각을 함께 청색 레이저 빔 용접하는 단계: 및 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며; 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 용접을 제공한다.Also provided are systems and methods for laser welding a plurality of metal pieces together, the method comprising: placing the plurality of metal pieces on a welding stand; applying a clamping force to the plurality of metal pieces to clamp the metal pieces together at a welding stand; Directing a blue laser beam along a laser beam path at a plurality of pieces of metal, the laser beam having the following characteristics: i. an output of at least 500 watts, ii. Beam parameter product of about 44 mm mrad or less, iii. A spot size of about 400 μm or less, iv. an average strength of at least about 400 kW/cm 2 , v. having a peak intensity of at least about 800 kW/cm 2 ; blue laser beam welding a plurality of metal pieces together at a welding speed; and providing a non-oxidizing beam cleaning gas in a space along a laser beam path through which the laser beam travels from the optical element to the plurality of copper foil pieces in free space. comprising: the cleaning gas removing plume material from the laser beam path and preventing oxidation of the plurality of pieces of copper foil; The welding speed, clamping force and flow rate of the non-oxidizing cleaning gas are predetermined to provide a weld free of visible splatter and visible porosity.

또한 추가로, 다음 특징 중 하나 이상을 가지는 이들 용접, 레이저 시스템 및 용접 방법이 제공되며, 상기 특징에서 용접 스탠드는 금속 조각 아래에 에어 갭을 가지며, 금속은 알루미늄, 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄계 금속, 스테인레스 스틸계 금속, 구리계 금속, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 합금 및 구리 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 레이저 빔의 파장은 약 450nm이며, 레이저 빔은 요동되지 않아서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하며, 용접은 겹침 용접, 맞대기 용접, 비드 온 플레이트 용접(bead on plate weld) 및 전도 모드 용접으로 구성된 용접 그룹으로부터 선택된다.Still further, provided are these welding, laser systems and welding methods having one or more of the following features, wherein the welding stand has an air gap under the piece of metal, and wherein the metal is aluminum, stainless steel, copper, an aluminum-based metal. , is selected from the group consisting of stainless steel-based metals, copper-based metals, aluminum alloys, stainless steel alloys and copper alloys, the wavelength of the laser beam is about 450 nm, and the laser beam is not fluctuated to provide a fluctuation-free laser welding process, The weld is selected from the weld group consisting of lap weld, butt weld, bead on plate weld, and conduction mode weld.

복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 시스템 및 방법이 제공되며, 상기 방법은 용접 스탠드에 복수의 구리 호일 조각을 위치시키는 단계로서, 구리 호일이 적어도 약 50%의 구리를 함유하고, 구리 호일이 약 80 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는, 단계; 용접 스탠드에서 호일 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 구리 호일 조각에 클램핑력을 가하는 단계; 복수의 구리 호일 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성: ⅰ. 적어도 600 와트의 출력, ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱, ⅲ. 약 200 μm 내지 약 400 μm의 스폿 크기, ⅳ. 적어도 약 2.1 MW/cm2의 평균 강도, ⅴ. 적어도 약 4.5 MW/cm2에 이르는 피크 강도를 가지는, 단계; 적어도 10 m/min의 용접 속도에서 복수의 금속 조각을 함께 청색 레이저 빔 용접하는 단계: 및 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며; 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 용접을 제공한다.A system and method are provided for laser welding a plurality of copper foils together, the method comprising: placing a plurality of pieces of copper foil on a welding stand, wherein the copper foil contains at least about 50% copper and wherein the copper foil contains about 50% copper; having a thickness of 80 μm to 500 μm; applying a clamping force to the plurality of pieces of copper foil to clamp the pieces of foil together at a welding stand; Directing a blue laser beam along a laser beam path at a plurality of pieces of copper foil, the laser beam having the following characteristics: i. an output of at least 600 watts, ii. Beam parameter product of about 44 mm mrad or less, iii. a spot size of about 200 μm to about 400 μm, iv. an average strength of at least about 2.1 MW/cm 2 , v. having a peak intensity of at least about 4.5 MW/cm 2 ; blue laser beam welding a plurality of metal pieces together at a welding speed of at least 10 m/min; providing a beam cleaning gas, the cleaning gas removing plume material from the laser beam path and preventing oxidation of the plurality of pieces of copper foil; The welding speed, clamping force and flow rate of the non-oxidizing cleaning gas are predetermined to provide a weld free of visible splatter and visible porosity.

구리계 재료에 완벽한 용접을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 작업물을 배치하는 단계로서, 작업물은 구리계 재료의 제 1 조각을 구리 재료의 제 2 조각과 접촉하게 배치하는 것을 포함하는, 단계; 및 작업물에 청색 레이저 빔을 지향시켜 구리계 재료의 제 1 조각과 구리계 재료의 제 2 조각 사이에 용접이 형성되는 단계를 포함하며; 용접부는 HAZ 및 재응고 영역을 포함하며; 구리계 재료의 미세구조, HAZ 및 재응고 영역은 동일하다.A method of forming a perfect weld in a copper-based material is provided, the method comprising: placing a workpiece in a laser system, the workpiece placing a first piece of copper-based material in contact with a second piece of copper material; comprising a step; and directing a blue laser beam at the workpiece to form a weld between the first piece of copper-based material and the second piece of copper-based material; The weld includes a HAZ and a re-solidification zone; The microstructure, HAZ and re-solidification region of the copper-based material are identical.

다음 시스템 중 하나 이상을 갖는 이들 용접, 시스템 및 방법이 추가로 제공되며, 여기서 동일한 미세구조는 용접부의 약점을 나타내는 식별 가능한 차이를 용접부에 나타내지 않으며; 동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함하며; 용접은 전도 모드 용접에 의해 형성되며; 용접은 키홀 모드 용접에 의해 형성되며; 제 1 및 제 2 조각의 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 500 ㎛이며; 제 1 조각은 구리 호일의 복수의 층을 포함하며; 제 1 조각은 구리 금속이며; 제 1 조각은 약 10 내지 약 95 중량%의 구리를 갖는 구리 합금이며; 레이저 빔은 출력 밀도가 800 kW/cm2 미만인 집속된 스폿으로서 작업물으로 지향되며; 레이저 빔은 500 kW/cm2 미만의 전력 밀도를 갖는 집속된 스폿으로서 작업물로 지향되며; 레이저 빔은 약 100 kW/cm2 내지 약 800 kW/cm2의 전력 밀도를 갖는 집속된 스폿으로서 작업물로 지향되며; 레이저 빔은 출력 밀도가 100 kW/cm2보다 큰 집속된 스폿으로서 작업물으로 지향되며; 레이저 빔은 500 W 미만의 출력을 가지며; 레이저 빔은 275 W 미만의 전력을 가지며; 레이저 빔은 150 W 미만의 전력을 가지며; 레이저 빔은 150 W 내지 약 750 W 범위의 전력을 가지며; 레이저 빔은 약 200 W 내지 약 500 W 범위의 전력을 가지며; 레이저 빔은 약 50 μm 내지 약 250 μm의 스폿 크기를 갖는 초점이 맞춰진 스폿으로서 작업물로 지향되며; 레이저 빔은 약 405 nm 내지 약 500 nm의 파장을 가지며; 형성되는 용접은 스플래터가 없으며; 레이저는 작업물을 기화시키지 않는다.Further provided are these welds, systems, and methods having one or more of the following systems, wherein the same microstructure does not exhibit discernible differences in the weld indicative of weakness in the weld; Identical microstructures contain similarly sized crystal growth regions; Welds are formed by conduction mode welding; Welds are formed by keyhole mode welding; the thickness of the first and second pieces is between about 10 μm and about 500 μm; the first piece comprises a plurality of layers of copper foil; The first piece is copper metal; the first piece is a copper alloy having from about 10 to about 95 weight percent copper; The laser beam is directed to the workpiece as a focused spot with a power density of less than 800 kW/cm 2 ; The laser beam is directed to the workpiece as a focused spot having a power density of less than 500 kW/cm 2 ; The laser beam is directed to the workpiece as a focused spot having a power density of about 100 kW/cm 2 to about 800 kW/cm 2 ; The laser beam is directed to the workpiece as a focused spot with a power density greater than 100 kW/cm 2 ; The laser beam has a power of less than 500 W; The laser beam has a power of less than 275 W; The laser beam has a power of less than 150 W; The laser beam has a power ranging from 150 W to about 750 W; The laser beam has a power ranging from about 200 W to about 500 W; The laser beam is directed to the workpiece as a focused spot having a spot size of about 50 μm to about 250 μm; the laser beam has a wavelength between about 405 nm and about 500 nm; The weld being formed is splatter free; The laser does not vaporize the workpiece.

여전히 또한, 구리계 재료에 완벽한 용접을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 작업물을 배치하는 단계로서, 작업물은 구리계 재료의 제 1 조각을 구리 재료의 제 2 조각과 접촉하게 배치하는 것을 포함하는, 단계; 및 청색 레이저 빔을 작업물에 지향시켜 구리계 재료의 제 1 조각과 구리계 재료의 제 2 조각 사이에 용접이 형성되는 단계로서, 용접부는 HAZ 및 재응고 영역을 포함하며, HAZ에 대한 경도 범위는 구리계 재료에 대한 경도 범위 내에 있는, 단계를 포함한다.Still further provided is a method of forming a perfect weld in a copper-based material, the method comprising placing a workpiece in a laser system, the workpiece contacting a first piece of copper-based material with a second piece of copper material Including arranging the step; and directing the blue laser beam to the workpiece to form a weld between the first piece of copper-based material and the second piece of copper-based material, wherein the weld includes a HAZ and a re-solidification region, the hardness range for the HAZ is within the hardness range for the copper-based material.

여전히 또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 용접, 시스템 및 방법이 제공되며: 상기 특징에서 재응고 영역에 대한 경도 범위는 구리계 재료에 대한 경도 범위 내에 있으며; 구리계 재료의 미세구조, HAZ 및 재응고 구역은 동일하며; 동일한 미세 구조는 용접부의 약점을 나타내는 식별 가능한 차이를 용접부에서 나타내지 않으며; 동일한 미세 구조는 용접부의 약점을 나타내는 식별 가능한 차이를 용접부에서 나타내지 않으며; 동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함한다.Still further, provided are these welding, systems and methods having one or more of the following characteristics: wherein the hardness range for the re-solidification region is within the hardness range for the copper-based material; The microstructure, HAZ and resolidification zone of the copper-based material are the same; The same microstructure shows no discernible difference in the weld indicative of weakness in the weld; The same microstructure shows no discernible difference in the weld indicative of weakness in the weld; The same microstructure contains similarly sized crystal growth regions.

또한, 구리계 재료에 완벽한 용접을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 작업물을 배치하는 단계로서, 작업물은 구리계 재료의 제 1 조각을 구리 재료의 제 2 조각과 접촉하게 배치하는 것을 포함하는, 단계; 및 청색 레이저 빔을 작업물에 지향시켜서 구리계 재료의 제 1 조각과 구리계 재료의 제 2 조각 사이에 용접부가 형성되는 단계로서, 용접부는 HAZ 및 재응고 영역을 포함하며, 재응고 영역에 대한 경도 범위는 구리계 재료에 대한 경도 범위 내에 있는, 단계를 포함한다.Also provided is a method of forming a perfect weld in a copper-based material, the method comprising placing a workpiece in a laser system, the workpiece bringing a first piece of copper-based material into contact with a second piece of copper material. comprising disposing; and directing the blue laser beam to the workpiece to form a weld between the first piece of copper-based material and the second piece of copper-based material, the weld comprising a HAZ and a re-solidified region, the weld comprising a HAZ and a re-solidified region for the re-solidified region. The hardness range includes steps, which are within the hardness range for copper-based materials.

또한, 405 nm 내지 500 nm의 파장 범위를 갖는 청색 레이저로 구리를 용접하고, 이러한 용접에 의해 생성되는 용접부 및 제품이 제공된다.In addition, copper is welded with a blue laser having a wavelength range of 405 nm to 500 nm, and welds and articles produced by such welding are provided.

더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 포함하는 이들 용접, 방법 및 시스템이 제공되며: 이들 특징은 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접 공정 동안 용접 퍼들의 기화 없이 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 기본 재료와 크기가 유사한 결정 성장 영역을 갖는 기본 금속과 유사한 미세 구조를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 열 영향 구역(HAZ)에서 기본 재료와 유사한 미세구조를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접 비드의 기본 재료와 유사한 미세 구조를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 열 영향 구역에서 기본 재료와 유사한 경도를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접 비드의 기본 재료와 유사한 경도를 생성하는 전도 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접의 미세 구조가 기본 재료와 상이한 구리를 용접하는 단계; 및 HAZ의 미세 구조가 기본 재료와 유사한 구리를 용접하는 단계를 포함한다.Moreover, provided are these welding, methods, and systems comprising one or more of the following features: welding copper in a conduction mode; welding copper in conduction mode without vaporization of the weld puddle during the welding process; welding copper in a conduction mode that produces a base metal-like microstructure with crystal growth regions that are similar in size to the base material; welding copper in a conduction mode that creates a microstructure similar to the base material in a heat affected zone (HAZ); welding the copper in a conduction mode that creates a microstructure similar to the base material of the weld bead; welding the copper in a conduction mode that produces a hardness similar to the base material in the heat affected zone; welding the copper in a conduction mode that produces a hardness similar to the base material of the weld bead; welding copper whose microstructure is different from that of the base material; and welding copper in which the microstructure of the HAZ is similar to the base material.

더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 포함하는 이들 용접, 방법 및 시스템이 제공되며: 이들 특징은 키홀 모드에서 구리를 용접하는 단계; 용접 중에 매우 낮은 스패터가 발생하고 용접 후에 구리 표면에서 스패터가 거의 또는 전혀 관찰되지 않는 키홀 모드에서 구리를 용접하는 단계; 출력 밀도가 500 kW/cm2 이상이고 키홀이 개방 상태로 유지될 수 있는 용접 속도를 갖는 구리를 용접하는 단계; 출력 밀도가 400 kW/cm2 이상이고 키홀이 개방 상태로 유지될 수 있는 용접 속도를 갖는 구리를 용접하는 단계; 출력 밀도가 100 kW/cm2 이상이고 키홀 용접 방식으로의 전환을 방지하는데 충분히 빠른 용접 속도를 갖는 구리를 용접하는 단계; 용접 중에 침투 깊이를 개선하기 위해 예열로 구리를 용접하는 단계; Ar-CO2 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; Ar-H2 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; Ar 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; 공기로 구리를 용접하는 단계; He 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; 및 N2 보조 가스로 구리를 용접하는 단계; 및 보조 가스로 구리를 용접하는 단계를 포함한다.Moreover, provided are these welding, methods, and systems comprising one or more of the following features: welding copper in a keyhole mode; welding copper in a keyhole mode in which very low spatter occurs during welding and little or no spatter is observed on the copper surface after welding; welding copper having a power density of at least 500 kW/cm 2 and a welding speed at which the keyhole can remain open; welding copper having a power density of at least 400 kW/cm 2 and a welding speed at which the keyhole can remain open; welding copper having a power density of at least 100 kW/cm 2 and having a welding speed fast enough to prevent conversion to a keyhole welding method; welding copper with preheat to improve penetration depth during welding; Welding copper with Ar-CO 2 auxiliary gas; welding copper with Ar-H 2 auxiliary gas; welding copper with Ar assist gas; welding copper with air; welding copper with He assist gas; and welding the copper with N 2 auxiliary gas; and welding the copper with an auxiliary gas.

더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 포함하는 이들 용접, 방법 및 시스템이 제공되며: 이들 특징에서 레이저 출력이 1 Hz로부터 1 kHz로 변조되며; 레이저 출력은 1 kHz로부터 50 kHz로 변조되며; 키홀을 개방 상태로 유지하기 위해 길다란 청색 레이저 스폿을 사용하며; 원형, 진동 또는 장방형 진동 운동으로 스폿을 빠르게 이동시키며; 용접 방향에 평행한 스폿을 진동시키기 위해 검류계에 장착된 미러를 사용하며; 용접 방향에 수직인 스폿을 진동시키기 위해 검류계에 장착된 미러를 사용하며; 원형, 진동 또는 장방형 진동 운동으로 스폿을 빠르게 이동시키기 위해 한 쌍의 검류계에 장착된 한 쌍의 미러를 사용한다.Furthermore, provided are these welding, methods, and systems comprising one or more of the following features: wherein the laser power is modulated from 1 Hz to 1 kHz; The laser power is modulated from 1 kHz to 50 kHz; uses a long blue laser spot to keep the keyhole open; moving the spot rapidly in a circular, oscillating or rectangular oscillating motion; It uses a mirror mounted on a galvanometer to vibrate the spot parallel to the welding direction; It uses a mirror mounted on a galvanometer to vibrate the spot perpendicular to the welding direction; It uses a pair of mirrors mounted on a pair of galvanometers to quickly move the spot in a circular, vibrating or rectangular vibrating motion.

또한, 구리계 재료에 키홀 용접을 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 작업물을 배치하는 단계로서, 작업물은 구리계 재료의 제 1 조각을 구리 재료의 제 2 조각과 접촉하도록 배치하는 것을 포함하는, 단계; 및 작업물에 청색 레이저 빔을 지향시켜 구리계 재료의 제 1 조각과 구리계 재료의 제 2 조각 사이에 키홀 모드 용접이 형성되는 단계로서, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하는, 단계를 포함한다.Also provided is a method of forming a keyhole weld in a copper-based material, the method comprising: placing a workpiece in a laser system, the workpiece to contact a first piece of copper-based material with a second piece of copper material; comprising disposing; and directing a blue laser beam at the workpiece to form a keyhole mode weld between the first piece of copper-based material and the second piece of copper-based material, the weld comprising a HAZ and a resolidification zone. do.

더욱이, 다음 특징들 중 하나 이상을 포함하는 이들 용접, 방법 및 시스템이 제공되며: 이들 특징에서 레이저 출력은 키홀 용접에 대해 1000 kW 미만이며; 레이저 출력은 키홀 용접에 대해 500 kW 미만이며; 레이저 출력은 키홀 용접에 대해 300 kW 미만이며; 키홀로부터의 스패터를 억제하기 위해 레이저 빔을 연장하는 단계; 키홀로부터의 스패터를 억제하기 위해 레이저 출력을 변조하는 단계; 용접의 키홀 모드 동안 스패터를 억제하기 위해 빔을 빠르게 스캐닝하는 단계; 용접이 자동 또는 수동으로 개시된 후에 레이저 출력을 급격히 감소시키는 단계; 용접 공정 동안 포획된 가스 및 스패터를 감소시키기 위해 낮은 대기압을 사용하는 단계; 차폐 가스를 적용하는 단계; He, Ar, N2로 구성된 그룹으로부터 선택된 차폐 가스를 적용하는 단계; Ar-H2, N2, N2-H2로 구성된 그룹으로부터 선택된 차폐 가스 혼합물을 적용하는 단계; 및 산화물 층을 제거하고 용접부의 습윤을 촉진하기 위해 차폐 가스를 적용하고 차폐 가스에 수소를 첨가하는 단계를 포함한다.Moreover, provided are these welding, methods, and systems comprising one or more of the following features: wherein the laser power is less than 1000 kW for keyhole welding; The laser power is less than 500 kW for keyhole welding; The laser power is less than 300 kW for keyhole welding; extending the laser beam to suppress spatter from the keyhole; modulating the laser output to suppress spatter from the keyhole; rapidly scanning the beam to suppress spatter during keyhole mode of welding; sharply reducing the laser power after welding is initiated automatically or manually; using low atmospheric pressure to reduce entrapped gases and spatter during the welding process; applying a shielding gas; applying a shielding gas selected from the group consisting of He, Ar, N 2 ; applying a shielding gas mixture selected from the group consisting of Ar-H 2 , N 2 , N 2 -H 2 ; and applying a shielding gas and adding hydrogen to the shielding gas to remove the oxide layer and promote wetting of the weld.

도 1은 본 발명에 따른 구리의 스패터 없는 전도 모드 용접의 실시예의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 구리 상의 키홀 용접의 실시예의 사진이다.
도 3은 127 ㎛ 두께의 구리에 대한 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트로서, 구리가 8 m/min의 속도까지 완전히 침투된다.
도 4는 254 ㎛ 두께의 구리에 대한 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트로서, 구리가 0.5 내지 0.75 m/min의 속도까지 완전히 침투된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 대해서 침투 깊이 대 속도를 나타내는 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 대해서 여러 상이한 속도에서의 침투 깊이를 나타내는 차트이다.
도 7은 본 발명에 따른 70 ㎛ 두께의 구리 호일에 대한 전도 모드 용접의 실시예를 나타내는 주석이 달린 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 키홀 모드 용접 섹션의 실시예의 주석이 달린 사진이다.
도 9는 다양한 금속에 대한 흡수 곡선이며 IR 레이저와 가시 레이저 사이의 흡수 차이를 보여준다.
도 10은 본 발명에 따른 재료로 전도 모드 용접 전파의 실시예의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 재료로 키홀 용접 전파의 실시예의 개략도이다.
도 12는 본 발명에 따른 레이저 용접용 부품 홀더의 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 12a는 도 12의 부품 홀더의 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 겹침 용접을 만들기 위해 얇은 부품을 유지하기 위한 부품 홀더의 실시예의 사시도이다.
도 13a는 도 13의 부품 홀더의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 전도 모드 용접을 위한 플레이트 상의 비드의 실시예의 사진이다.
도 15는 본 발명에 따른 전도 용접 모드로 용접된 호일 스택의 실시예의 사진이다.
도 16은 본 발명에 따른 키홀 모드 용접용 비드 온 플레이트의 실시예의 사진이다.
도 17은 본 발명에 따른 키홀 모드로 용접된 40 개의 구리 호일 스택의 실시예의 사진이다.
도 18은 본 발명에 따른 다양한 전력 레벨 및 다양한 속도의 실시예에 대한 구리의 침투 깊이의 그래프이다.
도 19는 본 발명에 따른 본 레이저 용접 방법의 실시예를 수행하는데 사용하기 위한 150 와트 청색 레이저 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 20은 본 발명에 따라 300 와트 청색 레이저 시스템을 만들기 위해 2 개의 150 와트 청색 레이저 시스템을 사용하는 실시예의 개략적인 광선 추적 다이어그램이다.
도 21은 본 발명에 따른 800 와트 청색 레이저 시스템을 만들기 위해 4 개의 150 와트 청색 레이저 시스템을 사용하는 실시예의 개략적인 광선 추적 다이어그램이다.
도 22는 본 발명에 따른 포위 전력의 95%를 포함하는 원형 구멍을 위한 600 와트에서 100 mm 초점 길이 렌즈를 사용하여 초점으로부터의 변위(㎛) 대 빔 가성 반경(미크론(㎛))의 실시예의 그래프이다.
도 23은 본 발명에 따른 침투(μm) 대 속도(m/min)를 나타내는 구리 110 비드 온 플레이트(BOP: bead on plate) 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 24는 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 구리 110 맞대기 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 25는 본 발명에 따른 관통 깊이에 대한 플레이트 두께의 영향을 보여주는 전도 모드 용접의 실시예의 그래프이다.
도 26은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 알루미늄 1100 BOP 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 27은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 알루미늄 110 맞대기 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 28은 본 발명에 따른 침투(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 스테인레스 스틸 304 BOP 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 29는 완전 관통 영역의 시작을 보여주는 키홀 용접된 구리(110) 플레이트의 실시예의 종단면의 실시예의 사진이다.
도 30은 본 발명에 따라 최소의 다공도 및 스패터로 1.1 m/min으로 용접된 1.016 mm 두께 구리의 실시예의 사진이다.
도 31은 본 발명에 따른 600 와트 및 200 ㎛ 스폿 크기로 용접된 구리 110에 대한 BOP 테스트의 실시예의 침투 깊이(㎛) 대 속도(m/min)를 나타내는 그래프이다.
도 32는 본 발명에 따른 4개의 스테인레스 스틸 304 시트의 키홀 겹침 용접의 실시예의 사진이다.
도 33은 본 발명에 따른 구리 110 호일의 스택에 대한 겹침 용접 테스트의 실시예의 그래프이다.
도 34는 본 발명에 따라 500와트, 400 ㎛ 스폿 블루 레이저로 용접된 40, 10 mm 두께의 구리 110 호일 스택의 실시예의 사진이다.
1 is a photograph of an embodiment of a spatter-free conduction mode welding of copper in accordance with the present invention.
2 is a photograph of an embodiment of a keyhole weld on copper in accordance with the present invention.
3 is a chart showing penetration depth versus velocity for an embodiment of the present invention for 127 μm thick copper, with copper fully penetrated up to a velocity of 8 m/min.
FIG. 4 is a chart showing penetration depth versus velocity for an embodiment of the present invention for 254 μm thick copper, with copper fully penetrated to a velocity of 0.5 to 0.75 m/min.
5 is a chart showing penetration depth versus velocity for an embodiment of the present invention.
6 is a chart showing the depth of penetration at various different velocities for an embodiment of the present invention.
7 is an annotated photograph showing an embodiment of conduction mode welding to a 70 μm thick copper foil according to the present invention.
8 is an annotated photograph of an embodiment of a keyhole mode weld section in accordance with the present invention.
9 is absorption curves for various metals and shows the difference in absorption between IR lasers and visible lasers.
10 is a schematic diagram of an embodiment of conduction mode weld propagation with a material according to the present invention;
11 is a schematic diagram of an embodiment of a keyhole weld propagation with a material according to the present invention;
12 is a perspective view showing an embodiment of a component holder for laser welding according to the present invention.
Fig. 12a is a cross-sectional view of the part holder of Fig. 12;
13 is a perspective view of an embodiment of a part holder for holding thin parts for making lap welds in accordance with the present invention;
Fig. 13a is a cross-sectional view of the component holder of Fig. 13;
14 is a photograph of an embodiment of a bead on a plate for conduction mode welding in accordance with the present invention.
15 is a photograph of an embodiment of a foil stack welded in conduction welding mode in accordance with the present invention.
16 is a photograph of an embodiment of a bead-on-plate for keyhole mode welding according to the present invention.
17 is a photograph of an embodiment of a stack of 40 copper foils welded in keyhole mode in accordance with the present invention.
18 is a graph of depth of penetration of copper for various power levels and various speed embodiments in accordance with the present invention.
19 is a schematic diagram of an embodiment of a 150 watt blue laser system for use in performing an embodiment of the present laser welding method in accordance with the present invention.
20 is a schematic ray tracing diagram of an embodiment using two 150 watt blue laser systems to make a 300 watt blue laser system in accordance with the present invention.
21 is a schematic ray tracing diagram of an embodiment using four 150 watt blue laser systems to make an 800 watt blue laser system in accordance with the present invention.
22 is an embodiment of displacement from focus (μm) versus beam pseudoradius (microns (μm)) using a 100 mm focal length lens at 600 watts for a circular aperture containing 95% of the enveloping power according to the present invention. It is a graph.
23 is a graph of an embodiment of a copper 110 bead on plate (BOP) test showing penetration (μm) versus velocity (m/min) in accordance with the present invention.
24 is a graph of an embodiment of a copper 110 butt weld test showing penetration (μm) versus velocity (m/min) in accordance with the present invention.
25 is a graph of an embodiment of conduction mode welding showing the effect of plate thickness on depth of penetration in accordance with the present invention.
26 is a graph of an embodiment of an aluminum 1100 BOP test showing penetration (μm) versus velocity (m/min) in accordance with the present invention.
27 is a graph of an embodiment of an aluminum 110 butt weld test showing penetration (μm) versus velocity (m/min) in accordance with the present invention.
28 is a graph of an embodiment of a stainless steel 304 BOP test showing penetration (μm) versus velocity (m/min) in accordance with the present invention.
29 is a photograph of an embodiment of a longitudinal cross-section of an embodiment of a keyhole welded copper 110 plate showing the beginning of a full penetration region.
30 is a photograph of an embodiment of 1.016 mm thick copper welded at 1.1 m/min with minimal porosity and spatter in accordance with the present invention.
31 is a graph showing penetration depth (μm) versus velocity (m/min) of an embodiment of a BOP test for copper 110 welded to 600 watts and 200 μm spot size in accordance with the present invention.
32 is a photograph of an embodiment of keyhole lap welding of four stainless steel 304 sheets in accordance with the present invention.
33 is a graph of an embodiment of a lap weld test on a stack of copper 110 foils in accordance with the present invention.
34 is a photograph of an embodiment of a 40, 10 mm thick copper 110 foil stack welded with a 500 watt, 400 μm spot blue laser in accordance with the present invention.

일반적으로, 본 발명은 금속, 특히 알루미늄, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄계 금속, 스테인리스 스틸계 금속, 구리계 금속 및 이들의 합금을 용접하기 위한 레이저, 레이저 빔, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 본 발명은 또한, 레이저 빔, 빔 크기, 빔 파워의 적용 방법, 부품의 유지 방법 및 용접 공정을 돕기 위한 차폐 가스 도입 방법에 관한 것으로, 부품의 산화 방지 및 레이저 빔과 플룸 간섭을 방지하기 위해 플룸을 관리하는 것을 포함한다.In general, the present invention relates to lasers, laser beams, systems and methods for welding metals, particularly aluminum, stainless steel, copper, aluminum-based metals, stainless steel-based metals, copper-based metals and alloys thereof. In general, the present invention also relates to a method of applying a laser beam, a beam size, a beam power, a method of holding a component and a method of introducing a shielding gas to aid in the welding process, preventing oxidation of the component and preventing plume interference with the laser beam This includes managing the plume to

실시예에서, 본 발명은 전자 부품을 포함하고 배터리를 추가로 포함하는 많은 영역에서 구리계 재료에 대해 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다. 실시예에서, 본 발명은 배터리를 포함한 자동차 전자 부품을 포함하는 자동차 부품을 위한 구리계 재료에 대한 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다.In embodiments, the present invention provides high quality welding, high welding speed, and both to copper-based materials in many areas including electronic components and further including batteries. In embodiments, the present invention provides high quality welding, high welding speed, and both to copper-based materials for automotive parts, including automotive electronic components, including batteries.

실시예에서, 본 발명은 전자 부품을 포함하고 배터리를 추가로 포함하는 많은 영역에서 스테인리스 스틸계 재료에 대해 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다. 실시예에서, 본 발명은 배터리를 포함한 자동차 전자 부품을 포함하는 자동차 부품을 위한 스테인리스 스틸계 재료에 대한 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다.In embodiments, the present invention provides high quality welding, high welding speed, and both to stainless steel based materials in many areas including electronic components and further including batteries. In an embodiment, the present invention provides high quality welding, high welding speed, and both to stainless steel based materials for automotive parts including automotive electronic components including batteries.

실시예에서, 본 발명은 전자 부품을 포함하고 배터리를 추가로 포함하는 많은 영역에서 알루미늄계 재료에 대해 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다. 실시예에서, 본 발명은 배터리를 포함한 자동차 전자 부품을 포함하는 자동차 부품을 위한 알루미늄계 재료에 대한 고품질 용접, 고 용접 속도, 및 양자 모두를 제공한다.In embodiments, the present invention provides high quality welding, high welding speed, and both, to aluminum-based materials in many areas including electronic components and further including batteries. In embodiments, the present invention provides high quality welding, high welding speed, and both to aluminum-based materials for automotive parts, including automotive electronic parts, including batteries.

본 발명의 실시예에서, 고 출력 청색 레이저 소스(예를 들어, ~450 nm)는 종래 구리 용접 기술의 문제를 해결한다. 청색 레이저 소스는 청색 레이저 빔을 제공하며, 이러한 파장에서 구리의 흡수는 ~65%로 모든 전력 수준에서 재료에 레이저 전력을 효율적으로 결합할 수 있다. 이러한 시스템 및 방법은 전도 및 키홀 용접 모드를 포함한 많은 용접 기술에서 안정한 용접을 제공한다. 이러한 시스템 및 방법은 기화, 스패터, 미세 폭발, 및 이들의 조합 및 변형을 최소화, 감소 및 바람직하게는 제거한다.In an embodiment of the present invention, a high power blue laser source (eg, ˜450 nm) solves the problems of conventional copper welding techniques. The blue laser source provides a blue laser beam, and the absorption of copper at these wavelengths is ~65%, allowing efficient coupling of laser power to materials at all power levels. These systems and methods provide reliable welding in many welding techniques, including conduction and keyhole welding modes. Such systems and methods minimize, reduce, and preferably eliminate vaporization, spatter, microblast, and combinations and deformations thereof.

실시예에서 ~200 ㎛의 스폿 크기를 갖는 150 와트 내지 275 와트 범위의 전력 레벨에서 구리의 청색 레이저 용접은 모든 전력 범위에 걸쳐 안정적이고 낮은 스패터 용접을 달성한다. 이러한 용접 시스템 및 방법의 실시예에서 용접은 기본 재료와 유사한 결과적인 용접 미세구조를 갖는 전도 모드에 있다.Blue laser welding of copper at power levels ranging from 150 watts to 275 watts with a spot size of ˜200 μm in an embodiment achieves stable and low spatter welding over all power ranges. In this embodiment of the welding system and method, the weld is in a conduction mode with the resulting weld microstructure similar to the base material.

바람직하게, 실시예에서 레이저 파장은 350 nm 내지 500 nm의 파장에 있을 수 있고, 스폿 크기(직경 또는 단면)는 100 미크론(μm) 내지 3 mm의 범위일 수 있으며, 더 큰 스폿 크기도 고려된다. 스폿은 원형, 타원형, 선형, 정사각형 또는 기타 패턴일 수 있다. 바람직하게, 레이저 빔은 연속적이다. 실시예들에서, 레이저 빔은 예를 들어 약 1 마이크로초 이상에서 펄스될 수 있다.Preferably, in an embodiment the laser wavelength may be at a wavelength of 350 nm to 500 nm, and the spot size (diameter or cross-section) may range from 100 microns (μm) to 3 mm, larger spot sizes are also contemplated. . The spots may be circular, oval, linear, square or other pattern. Preferably, the laser beam is continuous. In embodiments, the laser beam may be pulsed at, for example, about 1 microsecond or longer.

도 6을 참조하면, 다양한 용접 속도에서 침투 깊이 대 전력이 도시된다. 용접은 예 1에 설명된 유형의 시스템을 사용하여 수행되었다. 용접은 보조 가스가 없는 레이저 빔에 대해 275 W 전력에서 500 μm 구리에서 이루어졌다.Referring to FIG. 6 , penetration depth versus power is plotted at various welding speeds. Welding was performed using a system of the type described in Example 1. Welding was done on 500 μm copper at 275 W power against a laser beam without auxiliary gas.

도 7의 사진은 HAZ와 용접을 통한 미세 구조를 보여주는 70 μm 두께의 구리 호일에 대한 전도 모드 용접을 보여준다. 용접은 예 1에 설명된 매개변수를 사용하여 이루어졌다. 각각의 샘플의 침투 깊이는 먼저 단면을 절단한 다음 샘플을 에칭하여 용접 및 HAZ 영역의 미세 구조를 나타내도록 결정되었다. 또한 샘플 중 하나는 단면적이었고 기본 금속에 걸친 비커스 경도는 133 내지 141 HV 범위였고, 용접 비드는 약 135 HV, HAZ 범위는 118 내지 132 HV였다. 결론은 기본 재료, HAZ 및 용접 비드, 예를 들어 재응고 영역의 경도가 원래 재료에 가깝다는 점이다. 또한, 전도 모드 용접 비드, HAZ 및 기본 재료에 대한 미세 구조는 미세 구조의 미세한 차이를 제외하면 매우 유사하다. 이들 특성을 가진 용접은 레이저 또는 다른 수단으로 용접할 때 구리에서 이전에 결코 관찰된 적이 없다. 이러한 용접 품질은 도 7에 도시되며, 도 7에서 샘플은 용접부에 대해 횡단면으로 절단되고 미세구조를 나타내기 위해 에칭된다.The photo in Fig. 7 shows conduction mode welding on a 70 μm thick copper foil showing the microstructure through HAZ and welding. Welds were made using the parameters described in Example 1. The penetration depth of each sample was determined by first cutting a cross section and then etching the sample to reveal the microstructure of the weld and HAZ regions. Also one of the samples had a cross-sectional area and had a Vickers hardness across the base metal ranging from 133 to 141 HV, the weld bead was about 135 HV and HAZ ranging from 118 to 132 HV. The conclusion is that the hardness of the base material, HAZ and weld bead, eg the re-solidification zone, is close to that of the original material. In addition, the microstructures for the conduction mode weld bead, HAZ and base material are very similar except for minute differences in microstructure. Welds with these properties have never been previously observed in copper when welding by laser or other means. This weld quality is shown in FIG. 7 , in which a sample is cut cross-section with respect to the weld and etched to reveal the microstructure.

따라서, 본 발명의 실시예는 다음 용접 및 결과적인 용접 자체을 얻기 위해 구리계 재료를 용접하는 방법을 포함한다. 이들 방법 및 용접은 둘 이상의 구리계 재료를 함께 용접하는 것을 포함하므로, 용접부 주변 영역에서 (승인되고 확립된 경도 테스트, 예를 들어 비커스 경도, ASTM 테스트 등으로 측정된)재료의 경도는 다음과 같다. 용접 비드 경도가 기본 재료의 경도 이내인 경우에, 용접 비드 경도는 기본 재료 경도의 1% 이내이고, 용접 비드 경도(예를 들어, 재응고 영역)는 기본 재료 경도의 5% 이내 기본 재료가고, 용접 비드 경도는 기본 경도의 10% 이내이다. 이들 방법 및 용접은 둘 이상의 구리계 재료를 함께 용접하는 것을 포함하여, 용접부 주변 영역에서 (승인되고 확립된 경도 테스트, 예를 들어 비커스 경도, ASTM 테스트 등으로 측정됨)재료의 경도는 다음과 같다. HAZ 경도가 기본 재료의 경도 이내인 경우에, HAZ 경도가 기본 재료 경도의 1% 이내이고, HAZ 경도가 기본 재료 경도의 5% 이내이고, HAZ 경도가 기본 재료 경도의 10% 이내이다.Accordingly, embodiments of the present invention include methods of welding copper-based materials to obtain subsequent welds and the resulting weld itself. Since these methods and welding involve welding two or more copper-based materials together, the hardness of the material (measured by an approved and established hardness test, e.g., Vickers hardness, ASTM test, etc.) in the area surrounding the weld is: . When the weld bead hardness is within the hardness of the base material, the weld bead hardness is within 1% of the base material hardness, and the weld bead hardness (e.g., re-solidification area) is within 5% of the base material hardness, the base material; The weld bead hardness is within 10% of the basic hardness. These methods and welds involve welding two or more copper-based materials together, wherein the hardness of the material (measured by an approved and established hardness test, e.g., Vickers hardness, ASTM test, etc.) in the area surrounding the weld is: . When the HAZ hardness is within the hardness of the base material, the HAZ hardness is within 1% of the base material hardness, the HAZ hardness is within 5% of the base material hardness, and the HAZ hardness is within 10% of the base material hardness.

이러한 방법 및 용접은 둘 이상의 구리계 재료를 함께 용접하는 것을 포함하므로, 용접부 주변 영역에서 기본 재료의 미세 구조, 비드(예를 들어, 재응고 영역) 및 HAZ가 동일하다. 즉, 용접 영역의 용접된 구조의 약점 또는 용접 영역의 약점을 암시하거나 나타내는 미세 구조에 식별 가능한 차이는 없다.Since these methods and welding involve welding two or more copper-based materials together, the microstructure, bead (eg, re-solidification region) and HAZ of the base material in the region surrounding the weld are identical. That is, there is no discernible difference in the microstructure that suggests or indicates the weakness of the welded structure of the weld zone or the weakness of the weld zone.

도 8을 참조하면, 키홀 용접 모드에서 작동할 때 500 ㎛ 두께의 구리 시트 샘플에 대해 관찰된 미세구조이다. 키홀 용접 공정 중에, 증기 풀룸이 명확하게 보였고 용융된 구리가 용접 길이를 따라 천천히 배출되었다. 용접 중 또는 용접 후 IR 레이저로 용접할 때 일반적으로 관찰되는 용접 공정에서 스패터의 징후가 없다. 이는 전기 부품에 고품질 용접을 생성하는데 적합한 안정적이고 양호하게 제어된 키홀 공정을 나타낸다. 도 8에 도시된 유형의 매우 고품질 및 균일성을 갖는 키홀 모드 용접 단면은 800 kW/cm2 이하의 낮은 전력 밀도에 대해 얻을 수 있다. 재응고 영역 [1] - [2]은 442 μm 내지 301 μm이고 HAZ[2]는 1314 μm이다.Referring to FIG. 8 , the microstructure observed for a 500 μm thick copper sheet sample when operating in keyhole welding mode. During the keyhole welding process, steam pools were clearly visible and the molten copper was slowly evacuated along the length of the weld. There are no signs of spatter in the welding process normally observed when welding with an IR laser during or after welding. This represents a stable and well-controlled keyhole process suitable for producing high-quality welds on electrical components. A keyhole mode weld cross section with very high quality and uniformity of the type shown in FIG. 8 can be obtained for low power densities of 800 kW/cm 2 or less. The re-solidification region [1] - [2] is 442 μm to 301 μm and HAZ[2] is 1314 μm.

본 발명의 실시예는 구리 재료에 대한 효율적인 열 전달 속도; 안정적인 용접 퍼들을 포함하는 이점을 달성하고; 특히 용접의 전도 모드 또는 키홀 모드에서 이들 이점을 갖는 가시 레이저 시스템을 사용하여 구리를 구리 또는 기타 재료에 용접하기 위한 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다. 구리는 도 9에 도시된 바와 같이 청색 파장 범위에서 흡수성이 높다. 현재 선호되는 청색 레이저 빔 및 레이저 빔 시스템 그리고 방법은 레이저 전력을 구리에 매우 효율적인 방식으로 결합한다. 현재의 레이저 빔 시스템 및 방법은 열이 레이저 스폿에서 전도될 수 있는 것보다 더 빠르게 기본 재료(용접될 재료, 예를 들어, 구리)를 가열한다. 이는 전도 모드 레이저 용접을 위한 매우 효율적이고 우수한 용접 특성을 제공한다. 즉, 레이저 빔의 재료는 융점까지 빠르게 가열되고 연속 레이저 빔에 의해 융점에서 유지되어 안정적인 용접 비드가 형성되게 된다. 현재의 전도 모드 용접에서 금속이 빠르게 용융되지만 용접의 관통 깊이는 재료 내부로의 열확산에 의해 좌우되며 재료 내부로 구형으로 진행된다. 이는 용접 방향을 화살표(1004)로 나타내는, 전도성 모드 용접(1000)의 실시예의 개략도를 도시하는 도 10에 도시된다. 예를 들어, 청색 파장의 레이저 빔(1001)은 용접 풀(1002)에 초점을 맞추고 이를 유지한다. 용접 풀(1002) 뒤에는 고체 용접 재료(1003)가 있다. 기본 재료, 예를 들어 구리 금속 또는 합금은 용접부 아래에 있다. 차폐 가스 스트림(1005)도 사용된다.Embodiments of the present invention provide efficient heat transfer rates for copper materials; achieve the benefits of including a stable weld puddle; It relates to methods, apparatus and systems for welding copper to copper or other materials using a visible laser system having these advantages, particularly in conduction mode or keyhole mode of welding. Copper has high absorption in the blue wavelength range as shown in FIG. 9 . Currently preferred blue laser beams and laser beam systems and methods combine laser power to copper in a highly efficient manner. Current laser beam systems and methods heat the base material (the material to be welded, eg copper) faster than heat can be conducted in the laser spot. This provides very efficient and good welding properties for conduction mode laser welding. That is, the material of the laser beam is rapidly heated to the melting point and maintained at the melting point by the continuous laser beam to form a stable weld bead. In current conduction mode welding, the metal melts rapidly, but the penetration depth of the weld is governed by thermal diffusion into the material and proceeds spherically into the material. This is shown in FIG. 10 , which shows a schematic diagram of an embodiment of a conductive mode weld 1000 , with the welding direction indicated by arrow 1004 . For example, a laser beam 1001 of blue wavelength focuses and maintains the weld pool 1002 . Behind the weld pool 1002 is the solid weld material 1003 . A base material, for example copper metal or alloy, is underneath the weld. A shielding gas stream 1005 is also used.

본 발명의 실시예는 청색 레이저 시스템을 이용한 구리의 키홀 용접에 관한 것이다. 이들 방법 및 시스템은 두꺼운 구리 재료뿐만 아니라 두꺼운 스택을 포함한 구리 호일 스택의 용접에 대한 새로운 가능성을 열어준다. 이러한 키홀 용접 모드는 레이저 에너지가 너무 빠르게 흡수되어 용접될 재료를 용융 및 기화시킬 때 발생한다. 기화된 금속은 용접될 금속에 고압을 생성하여 레이저 빔이 전파되고 흡수될 수 있는 구멍이나 모세관을 개방한다. 키홀 모드가 개시되면, 깊은 침투 용접이 달성될 수 있다. 레이저 빔의 흡수는 구리에서 청색 레이저에 대한 65%의 초기 흡수로부터 키홀에서 100% 흡수로 변경된다. 높은 흡수는 레이저 빔이 지속적인 흡수를 겪는 키홀의 벽 밖으로의 다중 반사에 기인할 수 있다. 청색 파장에서 구리의 높은 흡수율과 조합될 때, 키홀을 개시하고 유지하는데 필요한 전력은 IR 레이저를 사용할 때보다 상당히 낮다. 도 11을 참조하면, 이는 화살표(2007)로 용접 방향을 보여주는 키홀 모드 용접(2000)의 실시예의 개략도를 도시한다. 키홀(2006)에는 금속/증기 플라즈마가 있다. 청색 레이저 빔(2002)은 플라즈마 구름(2002), 용접 풀(2003), 및 고체 용접 금속(2004)을 생성한다. 차폐 가스 스트림(2005)도 사용된다.An embodiment of the present invention relates to keyhole welding of copper using a blue laser system. These methods and systems open up new possibilities for the welding of thick copper materials as well as copper foil stacks including thick stacks. This keyhole welding mode occurs when the laser energy is absorbed so quickly that it melts and vaporizes the material to be welded. The vaporized metal creates a high pressure in the metal to be welded, opening a hole or capillary through which the laser beam can propagate and be absorbed. When the keyhole mode is initiated, deep penetration welding can be achieved. The absorption of the laser beam changes from an initial absorption of 65% for a blue laser in copper to 100% absorption in the keyhole. The high absorption may be due to multiple reflections out of the wall of the keyhole where the laser beam undergoes continuous absorption. When combined with the high absorption of copper at the blue wavelength, the power required to initiate and hold the keyhole is significantly lower than when using an IR laser. Referring to FIG. 11 , which shows a schematic diagram of an embodiment of a keyhole mode weld 2000 showing the welding direction by arrow 2007 . In the keyhole 2006 there is a metal/vapor plasma. Blue laser beam 2002 produces plasma cloud 2002 , weld pool 2003 , and solid weld metal 2004 . A shielding gas stream 2005 is also used.

도 11의 키홀 용접을 도 10의 전도 모드 용접과 비교하면, 키홀 용접에서 최종 용접 재응고 구역의 벽은 전도 모드 용접보다 부품 또는 기본 재료를 통해 더 수직이다.Comparing the keyhole weld of FIG. 11 to the conduction mode weld of FIG. 10 , in the keyhole weld the wall of the final weld resolidification zone is more vertical through the part or base material than the conduction mode weld.

바람직하게, 본 시스템 및 방법의 실시예에 대한 고출력 레이저 빔(예를 들어, 가시광선, 녹색 및 청색 레이저 빔)은 시스템의 광학계를 통해 약 50μm 이상의 스폿 크기로 포커싱되거나 포커싱될 능력을 가지며 적어도 10 W 이상의 전력을 가진다. 청색 레이저 빔을 포함하는 레이저 빔에 대한 출력은 10 W, 20 W, 50 W, 100 W, 10 내지 50 W, 100 내지 250 W, 200 내지 500 W 및 1,000 W일 수 있으며, 그보다 더 높고 더 낮은 출력 및 이들 범위 내의 모든 파장이 고려된다. 이들 출력 및 레이저 빔에 대한 스폿 크기(가장 긴 단면 거리, 원의 경우 직경)는 약 20 μm 내지 약 4 mm, 약 3 mm 미만, 약 2 mm 미만, 약 20μm 내지 약 1 mm, 약 30 μm 내지 약 50 μm, 약 50 μm 내지 약 250 μm, 약 50 μm 내지 약 500 μm, 약 100 μm 내지 약 4000 μm일 수 있으며, 그보다 크고 작은 스폿 및 이들 범위 내의 모든 크기가 고려된다. 레이저 빔 스폿의 출력 밀도는 약 50 kW/cm2 내지 5 MW/cm2, 약 100 kW/cm2 내지 4.5 MW/cm2, 약 100 kW/cm2 내지 1000 kW/cm2, 약 500 kW/cm2 내지 2 MW/cm2, 약 50 kW/cm2 초과, 약 100 kW/cm2 초과, 약 500 kW/cm2 초과, 약 1000 kW/cm2 초과, 약 2000 kW/cm2 초과일 수 있으며, 그보다 더 높고 더 낮은 전력 밀도 및 이들 범위 내의 모든 출력 밀도가 고려된다. 구리의 경우 약 0.1 mm/sec 내지 약 10 mm/sec의 용접 속도, 및 더 느리고 빠른 속도는 다양한 조건과 이들 범위 내의 모든 속도에 의존한다. 속도는 용접될 재료의 두께에 의존하므로, 두께 단위가 mm인 두께 당 속도(mm/sec)는 예를 들어, 10 μm 내지 1 mm 두께 구리에 대해 0.1/sec 내지 1000/sec일 수 있다.Preferably, the high power laser beams (eg, visible, green and blue laser beams) for embodiments of the present systems and methods are focused or have the ability to be focused through the optics of the system to a spot size of about 50 μm or greater and have at least 10 It has a power greater than W. The power for a laser beam comprising a blue laser beam may be 10 W, 20 W, 50 W, 100 W, 10-50 W, 100-250 W, 200-500 W and 1,000 W, higher and lower The output and all wavelengths within these ranges are considered. The spot size (longest cross-sectional distance, diameter for a circle) for these powers and laser beams is from about 20 μm to about 4 mm, less than about 3 mm, less than about 2 mm, from about 20 μm to about 1 mm, from about 30 μm to about 50 μm, about 50 μm to about 250 μm, about 50 μm to about 500 μm, about 100 μm to about 4000 μm, large and small spots and all sizes within these ranges are contemplated. The power density of the laser beam spot is about 50 kW/cm 2 to 5 MW/cm 2 , about 100 kW/cm 2 to 4.5 MW/cm 2 , about 100 kW/cm 2 to 1000 kW/cm 2 , about 500 kW/ cm 2 to 2 MW/cm 2 , greater than about 50 kW/cm 2 , greater than about 100 kW/cm 2 , greater than about 500 kW/cm 2 , greater than about 1000 kW/cm 2 , greater than about 2000 kW/cm 2 and higher and lower power densities and all power densities within these ranges are contemplated. Welding speeds of about 0.1 mm/sec to about 10 mm/sec for copper, and slower and faster speeds, depend on various conditions and all speeds within these ranges. Since the speed is dependent on the thickness of the material to be welded, the speed per thickness (mm/sec) in mm of thickness may be, for example, 0.1/sec to 1000/sec for 10 μm to 1 mm thick copper.

본 방법 및 시스템의 실시예는 용접을 형성하기 위해 하나, 둘, 세 개 또는 그 이상의 레이저 빔을 사용할 수 있다. 레이저 빔은 용접을 개시하기 위해 동일한 일반 영역에 집중될 수 있다. 레이저 빔 스폿은 중첩될 수 있고 일치될 수 있다. 복수의 레이저 빔이 동시에 그리고 일치성과 동시성으로 사용될 수 있다. 단일 레이저 빔을 사용하여 용접을 개시한 다음 제 2 레이저 빔을 추가할 수 있다. 복수의 레이저 빔을 사용하여 용접을 개시한 다음 더 적은 빔, 예를 들어 단일 빔을 사용될 수 있다. 이러한 복수의 레이저 빔의 레이저 빔은 상이한 출력 또는 동일한 출력일 수 있고, 출력 밀도는 상이하거나 동일할 수 있고, 파장은 상이하거나 동일할 수 있고, 이들의 조합 및 변형일 수 있다. 추가 레이저 빔의 사용은 동시 또는 순차적일 수 있다. 다중 레이저 빔을 사용하는 이들 실시예의 조합 및 변형이 또한 사용될 수 있다. 다중 레이저 빔을 사용하면 용접에서 스패터를 억제할 수 있으며 깊은 용입 침투 용접 방법에서 그렇게 할 수 있다.Embodiments of the method and system may use one, two, three or more laser beams to form a weld. The laser beam can be focused on the same general area to initiate welding. The laser beam spots can overlap and coincide. A plurality of laser beams may be used simultaneously and in coincidence and simultaneity. A single laser beam can be used to initiate welding and then a second laser beam can be added. A plurality of laser beams may be used to initiate welding and then fewer beams may be used, for example a single beam. The laser beams of these plurality of laser beams may have different powers or the same power, the power densities may be different or the same, the wavelengths may be different or the same, and combinations and variations thereof. The use of additional laser beams may be simultaneous or sequential. Combinations and variations of these embodiments using multiple laser beams may also be used. The use of multiple laser beams can suppress spatter in welding and can do so in deep penetration penetration welding methods.

실시예에서 수소 가스, H2는 불활성 가스와 혼합되어 용접 공정 동안 기본 재료로부터 산화물 층을 제거할 수 있다. 수소 가스는 용접 영역 위로 흐른다. 수소 가스는 또한 용접의 습윤을 촉진시킨다. 수소 가스는 차폐 가스에 추가되거나 차폐 가스와 혼합물을 형성할 수 있으며 차폐 가스의 일부로서 용접부에 적용될 수 있다. 이들 혼합물은 예를 들어, Ar-H2, He-H2, N2-H2를 포함할 수 있다.In an embodiment, hydrogen gas, H 2 , may be mixed with an inert gas to remove the oxide layer from the base material during the welding process. Hydrogen gas flows over the welding area. Hydrogen gas also promotes wetting of the weld. Hydrogen gas may be added to or form a mixture with the shielding gas and applied to the weld as part of the shielding gas. These mixtures may include, for example, Ar-H 2 , He-H 2 , N 2 -H 2 .

도 18은 레이저 시스템 구성 및 127 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 재료 두께의 다양한 실시예에 대한 구리의 침투 깊이, 레이저 빔 출력 및 용접 속도의 예를 제공한다.18 provides examples of penetration depth of copper, laser beam power, and welding speed for various embodiments of laser system configurations and material thicknesses ranging from 127 μm to 500 μm.

청색 레이저 시스템을 사용한 구리, 구리 합금 및 기타 금속의 전도 Conduction of copper, copper alloys and other metals using blue laser systems 모드mode 용접 방법 welding method

본 시스템은 구리계 재료에 적용될 때, IR 용접과 연관된 문제점 및 난점을 극복한다. 본 레이저 빔 및 빔 스폿의 청색 파장에서 구리의 높은 흡수율(65%)은 재료의 열 확산성을 극복하고 ~ 150 W의 상대적으로 낮은 전력 수준에서 이를 수행할 수 있다. 구리와 본 청색 레이저 빔의 상호 작용은 구리가 그의 용융점에 쉽게 도달하게 하고 넓은 처리 범위를 허용한다.The present system overcomes the problems and difficulties associated with IR welding when applied to copper-based materials. The high absorption (65%) of copper at the blue wavelength of the present laser beam and beam spot overcomes the material's thermal diffusivity and allows it to do so at a relatively low power level of ~150 W. The interaction of the copper with the present blue laser beam allows the copper to easily reach its melting point and allows a wide processing range.

실시예에서, 정상 전도 모드 용접이 수행되고 부품 고정 장치 또는 고정구의 사용을 통해 안정적이고 빠른 속도로 고품질 용접이 얻어진다.In an embodiment, normal conduction mode welding is performed and a high quality weld is obtained at a stable and high speed through the use of a part fixture or fixture.

용접 고정구는 레이저 빔에 의해 부품에 유도된 열 과도 동안 용접될 재료를 제자리에 유지하는데 사용된다. 도 12 및 도 12a의 고정구는 각각 겹침, 맞대기 및 심지어 에지 용접에 사용될 수 있는 용접 클램프의 선형 섹션의 실시예의 사시도 및 단면도이다. 용접 고정구(4000)는 베이스 플레이트 또는 지지 구조물(4002)을 가진다. 베이스 플레이트(4002)에는 2 개의 클램프 부재 또는 홀드 다운(hold down)(4001)이 부착된다. 홀드 다운(4001)은 베이스 플레이트(4002)의 표면에 놓이는 탭, 및 용접될 작업물(들)과 접촉하고 유지하는 자유 단부를 가진다. 홀드 다운(4001)을 위한 자유 단부들 사이의 영역에 있는 베이스 플레이트(4002)에는 예를 들어, 폭 2 mm x 깊이 2 mm의 슬롯(4003)이 있다. 4 개의 볼트(예를 들어, 4004)(다른 유형의 조정 조임 장치도 사용될 수 있음)는 작업물에 대해 클램프를 조정하고 조이고 고정하여 작업물을 유정하거나 고정한다.A welding fixture is used to hold the material to be welded in place during a thermal transient induced in the part by a laser beam. 12 and 12A are perspective and cross-sectional views, respectively, of an embodiment of a linear section of a welding clamp that may be used for overlap, butt and even edge welding. Welding fixture 4000 has a base plate or support structure 4002 . Two clamp members or hold downs 4001 are attached to the base plate 4002 . The hold down 4001 has a tab that rests on the surface of the base plate 4002 and a free end that contacts and retains the workpiece(s) to be welded. The base plate 4002 in the area between the free ends for the hold down 4001 has a slot 4003, for example 2 mm wide by 2 mm deep. Four bolts (eg, 4004) (other types of adjusting fasteners may also be used) adjust, tighten, and secure the clamp to the work piece to hold or secure the work piece.

이러한 고정구에 대한 바람직한 재료는 용접 중에 부품을 제자리에 유지하는데 필요한 클램핑 압력을 적용하는데 충분히 강하기 때문에 스테인리스 스틸과 같은 낮은 열 전도율 재료이다. 실시예에서, 클램프, 베이스플레이트 및 둘 모두는 용접 공정 동안 작업물에 절연 품질 또는 효과를 가질 수 있다. 고정구에 열 전도율이 낮은 재료를 사용하면 부품 형태에 침착되는 열이 고정구 자체에 의해 빠르게 전도되는 것을 방지, 최소화 및 감소시킨다. 이는 구리와 같은 열 전도율이 높은 재료를 용접할 때 추가의 이점을 제공한다. 따라서 클램프에 대해 선택된 재료, 클램프의 폭 및 부품 아래의 갭은 용접의 침투 깊이, 용접 비드의 폭 및 용접 비드의 전체 품질을 결정하는 모든 매개변수이다. 도 14를 참조하면, 전도 모드 용접이 기본 재료, 예를 들어 작업물에서 용접 비드의 원형 형상(6001)에 의해 식별될 수 있는 단면(에칭 후)이 도시된다. 용접은 부품의 상부 표면에 열이 가해질 때 구리 또는 임의의 재료의 열 전달 공정의 등방성 특성으로 인해 이러한 형상을 취한다.A preferred material for such fixtures is a low thermal conductivity material such as stainless steel because it is strong enough to apply the clamping pressure necessary to hold the part in place during welding. In embodiments, the clamp, baseplate, and both may have an insulating quality or effect on the workpiece during the welding process. The use of materials with low thermal conductivity for the fixture prevents, minimizes, and reduces heat deposited on the part shape from being rapidly conducted by the fixture itself. This provides additional advantages when welding materials with high thermal conductivity, such as copper. Thus, the material chosen for the clamp, the width of the clamp and the gap under the part are all parameters that determine the penetration depth of the weld, the width of the weld bead and the overall quality of the weld bead. Referring to FIG. 14 , a cross-section (after etching) is shown in which conduction mode welding can be identified by the circular shape 6001 of a weld bead in a base material, eg, a workpiece. Welding takes on this shape due to the isotropic nature of the heat transfer process of copper or any material when heat is applied to the upper surface of the part.

바람직한 실시예에서, 고정구(4000)의 베이스 플레이트(4002)는 스테인리스 스틸로 구성되고, 2 mm 폭의 갭(4003)이 베이스 플레이트 내로 절단되어 용접 영역 바로 아래에 위치되고 (커버 가스 또는 차폐 가스로서)아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 가스로 채워져서 용접 후면의 산화를 최소화한다. 커버 가스는 수소와 불활성 가스의 혼합물일 수 있다. 클램프(4001)는 베이스 플레이트(4002)의 갭(4003)의 에지로부터 2 mm 지점에서 용접될 부품에 압력을 가하도록 설계된다. 따라서, 본 실시예에서 용접될 부품의 6 mm 폭 영역은 레이저 빔에 대해 개방된다(레이저 빔이 클램프에서 약간 떨어져 있음을 인식함). 클램프의 위치 설정은 레이저 빔이 표면에 쉽게 접근할 수 있을 뿐만 아니라 부품을 단단히 고정할 수 있다. 이러한 유형의 클램프는 두께가 50 μm로부터 수 mm까지 다양한 두 개의 호일 또는 구리 시트를 맞대기 용접하는데 선호되는 방법이다. 이러한 고정구는 200 μm로부터 수 mm 범위의 두꺼운 구리판 두 개를 함께 겹침 용접하는데 또한 적합하다. 클램핑 압력의 양은 매우 중요하며, 레이저 출력의 양, 용접 속도, 부품 두께 및 수행될 용접 유형에 따라서 클램핑 볼트는 0.05 뉴턴-m(Nm) 토크, 최대 3 Nm 이상, 두꺼운 재료에 대해 그 초과의 토크로 조여질 수 있다. 이러한 토크 값은 볼트 크기, 나사 결합 및 볼트 중심으로부터 클램핑 지점까지의 거리에 크게 의존한다.In a preferred embodiment, the base plate 4002 of the fixture 4000 is constructed of stainless steel, and a 2 mm wide gap 4003 is cut into the base plate and positioned directly below the weld area (as a cover gas or shielding gas). ) Filled with an inert gas such as argon, helium or nitrogen to minimize oxidation of the backside of the weld. The cover gas may be a mixture of hydrogen and an inert gas. The clamp 4001 is designed to apply pressure to the part to be welded at a point 2 mm from the edge of the gap 4003 of the base plate 4002 . Thus, in this embodiment a 6 mm wide area of the part to be welded is open to the laser beam (recognizing that the laser beam is slightly away from the clamp). The positioning of the clamp allows the laser beam to easily access the surface as well as to hold the part securely. This type of clamp is the preferred method for butt welding two foil or copper sheets varying in thickness from 50 μm to several mm. This fixture is also suitable for laminating together two thick copper plates ranging from 200 μm to several mm. The amount of clamping pressure is very important, and depending on the amount of laser power, welding speed, part thickness and type of welding to be performed, clamping bolts can have a torque of 0.05 Newton-m (Nm), up to 3 Nm or more, for thick materials, more. can be tightened with These torque values are highly dependent on the bolt size, thread engagement, and distance from the bolt center to the clamping point.

실시예에서, 고정구 자체에 대한 기생 열 손실을 최소화하면서 용접 동안 부품의 이동을 방지하는데 충분한 클램핑력을 제공함으로써 고품질의 우수한 용접이 얻어진다. 도 12 및 도 12a의 고정구의 실시예는 용접 고정구의 직선 부분의 단면을 나타내며 임의의 유형의 형상을 함께 용접하기 위해 임의의 2-D 경로(예를 들어, -S - , -C -. -W - 등)로 설계될 수 있음을 이해해야 한다. 다른 실시예에서, 고정구는 용접 공정 동안 예열되거나 가열되어 고정구에 대한 기생 열 손실을 감소시키면서 용접의 침투 속도 또는 깊이를 증가시킬 수 있다. 몇 100 ℃로 가열될 때 고정구는 용접 속도 또는 침투 깊이와 품질을 1배 또는 2배 이상 향상시킬 수 있다. 용접부의 상부 측을 위한 차폐 가스는 도 10에 도시된 바와 같이 용접 진행 방향의 전방으로부터 용접 진행 방향의 후방으로 길이 방향으로 전달된다. 비드 온 플레이트 전도 모드 용접이 도 14에 도시되며 254 μm 두께의 구리 시트에서 이러한 고정구(4000)에 대해 수행된다. 용접 비드의 동결 패턴은 이러한 유형의 용접에 전형적인 구형 용융 패턴을 보여준다.In an embodiment, good quality welds are obtained by providing sufficient clamping force to prevent movement of the part during welding while minimizing parasitic heat loss to the fixture itself. 12 and 12A show a cross-section of a straight portion of a welding fixture and can be used in any 2-D path (eg, -S - , -C -. - W - etc.). In other embodiments, the fixture may be preheated or heated during the welding process to increase the penetration rate or depth of the weld while reducing parasitic heat loss to the fixture. When heated to several 100 °C, fixtures can improve welding speed or penetration depth and quality by a factor of 1 or more. The shielding gas for the upper side of the weld is delivered in the longitudinal direction from the front of the welding running direction to the rear of the welding running direction as shown in FIG. 10 . Bead on plate conduction mode welding is shown in FIG. 14 and is performed for this fixture 4000 in a 254 μm thick copper sheet. The freeze pattern of the weld bead shows a spherical melt pattern typical for this type of weld.

전도 모드 용접 공정을 사용하여 두 부품을 겹침 용접하려면 부품이 긴밀하게 접촉하여 배치되고 유지되어야 한다. 두 부품(총칭하여 작업물)은 바람직하게, 각각 고정구(5000)의 사시도 및 단면도인 도 13 및 도 13a에 도시된 유형인 고정 장치에 배치될 수 있다. 고정구(5000)는 베이스 플레이트(5003) 및 2 개의 클램프(5002)를 가진다. 클램프는 홀드 다운 볼트(예를 들어, 5001)에 대응하는 4 개의 슬롯(예를 들어, 5010)이 있다. 이러한 방식으로, 작업물에 대한 클램프의 서로에 대한 위치는 물론이고 클램핑 힘 또는 압력의 양이 조정되고 고정된다. 클램프는 위치 설정 및 고정을 지원하는 자석을 가질 수 있다. 클램프(5002)는 차폐 가스를 운반하기 위한 내부 채널, 예를 들어 5004를 가진다. 채널(5004)은 차폐 가스 출구(예를 들어, 5005)와 유체 연통된다. 클램프 내의 차폐 가스 전달 시스템의 차폐 가스 출구 및 차폐 가스 채널. 따라서 가스 전달 시스템은 아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 가스를 전달하는 클램프의 길이를 따르는 일련의 구멍을 통해 이루어진다. 아르곤은 공기보다 무거우며 부품에 침전되어 산소를 대체하고 상부 표면의 산화를 방지하기 때문에 선호되는 가스이다. 불활성 가스에 소량의 수소를 첨가하여 부품의 산화물 층 소거를 촉진하고 용융 공정에서 부품의 습윤을 촉진할 수 있다.Lap welding of two parts using a conduction mode welding process requires that the parts be placed and held in close contact. The two parts (collectively the work piece) can preferably be placed in a fixture of the type shown in FIGS. 13 and 13A , respectively, in perspective and cross-sectional views of fixture 5000 . The fixture 5000 has a base plate 5003 and two clamps 5002 . The clamp has four slots (eg, 5010) corresponding to hold down bolts (eg, 5001). In this way, the position of the clamps with respect to the workpiece relative to each other as well as the amount of clamping force or pressure is adjusted and fixed. The clamp may have magnets to assist in positioning and securing. Clamp 5002 has an inner channel for carrying the shielding gas, for example 5004 . Channel 5004 is in fluid communication with a shielding gas outlet (eg, 5005 ). The shielding gas outlet and shielding gas channel of the shielding gas delivery system within the clamp. Thus, the gas delivery system is through a series of holes along the length of the clamp that deliver an inert gas such as argon, helium or nitrogen. Argon is the preferred gas because it is heavier than air and deposits on the part to displace oxygen and prevent oxidation of the top surface. A small amount of hydrogen can be added to the inert gas to facilitate removal of the oxide layer of the part and to promote wetting of the part in the melting process.

또한, 인서트(5006)는 호일 스택의 개별 호일이 스택에서 서로 접촉을 유지하고 유지하도록 강제하는데 사용된다. 인서트(5006)는 호일을 늘리고 힘을 가하여 서로 단단하고 균일하게 접촉시킬 수 있다. 도 13 및 도 13a의 실시예에서, 인서트(5006)는 역-V자 형상이다. 호일의 스택과 개별 두께에 따라서 곡선형, 혹형 또는 기타 형상이 될 수 있다. 또한, 도 13 및 도 13a의 실시예에서, 인서트(5006)는 클램프(5002)에 인접하지만 클램프(5002)에 의해 덮이지 않는다. 인서트는 클램프의 단부로부터 제거될 수 있거나, 클램프 중 하나 또는 둘 모두가 인서트를 부분적으로 덮을 수 있다.Insert 5006 is also used to force the individual foils of the foil stack to maintain and maintain contact with each other in the stack. Inserts 5006 can be stretched and forcefully applied to the foil to make firm and uniform contact with each other. 13 and 13A, insert 5006 is inverted-V shaped. Depending on the stack and individual thickness of the foils, they can be curved, humps or other shapes. Also, in the embodiment of FIGS. 13 and 13A , insert 5006 is adjacent to clamp 5002 but not covered by clamp 5002 . The insert may be removed from the end of the clamp, or one or both of the clamps may partially cover the insert.

바람직한 실시예에서, 베이스 플레이트(5000)는 클램프(5002)와 같이 스테인리스 스틸로 만들어진다. 고정 장치는 세라믹 또는 단열 재료로 만들어질 수 있다. 험프(hump)(5006)는 중첩 플레이트(2 개, 3 개, 10 개 등)가 밀접하게 접촉하도록 유지하기 위해 용접 바닥으로부터 압력을 제공한다. 이러한 실시예에서, 아르곤, 헬륨, 또는 질소와 같은 불활성 가스를 전달하는 클램프의 길이를 따라서 일련의 구멍 형태로 가스를 차폐하기 위한 장치가 클램프(2)에 내장된다. 아르곤은 공기보다 무거우며 부품에 침전되어 산소를 대체하고 상부 표면의 산화를 방지하기 때문에 선호되는 가스이다. 베이스 플레이트(5003)의 인서트 험프(5006)는 또한, 산화를 방지하기 위해 용접부의 후면으로 커버 또는 차폐 가스를 전달하기 위해 일련의 채널, 구멍 또는 슬롯을 가질 수 있다. 고정구(5000)는 도면에 도시된 바와 같이, 용접부의 직선 부분의 단면을 나타내며, 임의의 형상을 함께 용접하기 위해서 임의의 2차원 경로로 설계될 수 있다. 이러한 용례에서, 볼트의 토크 값은 작업물의 특성에 따라 너무 높은 토크 값, 예를 들어 0.1 Nm일 수 있으며, 토크 값이 너무 높으면, 예를 들어 > 1 Nm이면 부품이 접촉 상태를 유지하지 못할 수 있으며 기생 열 전달은 용접 공정의 효율성을 감소시켜 침투 및 용접 비드 폭을 감소시킨다.In a preferred embodiment, the base plate 5000, like the clamp 5002, is made of stainless steel. The fixing device may be made of ceramic or insulating material. A hump 5006 provides pressure from the weld bottom to keep the overlapping plates (two, three, ten, etc.) in close contact. In this embodiment, a device for shielding the gas in the form of a series of holes along the length of the clamp carrying an inert gas such as argon, helium, or nitrogen is built into the clamp 2 . Argon is the preferred gas because it is heavier than air and deposits on the part to displace oxygen and prevent oxidation of the top surface. The insert hump 5006 of the base plate 5003 may also have a series of channels, holes, or slots to deliver a cover or shielding gas to the backside of the weld to prevent oxidation. The fixture 5000 represents a cross-section of a straight portion of a weld, as shown in the drawing, and may be designed in any two-dimensional path to weld any shape together. In this application, the torque value of the bolt may be too high a torque value, for example 0.1 Nm, depending on the nature of the work piece, and if the torque value is too high, for example > 1 Nm, the part may not be able to keep in contact. and parasitic heat transfer reduces the efficiency of the welding process, reducing penetration and weld bead width.

청색 레이저 시스템을 사용한 구리, 구리 합금 및 기타 금속을 용접하는 Welding copper, copper alloys and other metals using a blue laser system 키홀keyhole 모드mode 방법 Way

청색 레이저 광은 IR 레이저보다 훨씬 더 높은 흡수 수준(65%)을 가지며 275 W의 비교적 낮은 전력 수준에서 키홀 용접을 개시할 수 있다(키홀 용접 공정을 개시하기 위해 IR 시스템에 필요한 2,000 내지 3,000 W와 대비됨. 개시 시 IR 시스템은 다른 문제들 중에서 폭주(runaway) 문제에 더 직면할 것임). 청색 레이저 시스템으로 키홀 모드가 시작되면서 흡수가 증가하는데, 65%로부터 약 90%로, 그리고 100%로 증가하기 때문에 이제는 폭주 공정이 아니다. 따라서 본 키홀 용접 공정은 IR과 매우 다른 흡수 시간 프로파일을 가진다. 본 청색 키홀 용접 공정은 35% 이하의 용접 진행에 관한 흡수 시간 프로파일 형태 개시를 가진다. 본 레이저 용접 시스템을 사용하여 청색 레이저 용접 공정의 시작 및 연속 용접으로의 전환은 스패터를 방지하기 위해 IR 레이저를 사용할 때 필요한 것처럼, 레이저의 출력 레벨이나 용접 속도를 빠르게 변경하지 않고도 수행된다. 청색 레이저를 사용할 때 키홀 용접 시작에 대한 고속 비디오는 키홀에서 배출되는 스패터를 최소화하거나 전혀 없이 여러 층의 구리 호일과 플레이트를 용접할 수 있는 안정적인 공정을 보여준다. 2 개의 키홀 용접 샘플의 단면이 도 16 및 도 17에 도시되며, 여기서 재료 동결 패턴은 도 14에 도시된 전도 모드 용접 샘플의 형상과 명백하게 상이하다. 도 16 및 도 17에서 볼 수 있는 바와 같이, 재료의 표면에 수직인 재료 동결 패턴의 형성은 열전달이 부품의 표면을 관통하여 최종 용접 깊이까지 연장하는 키홀의 전체 길이를 따라 발생하기 때문에 전도 모드 용접과 상이하다. 이는 모든 레이저 에너지가 재료 표면에 증착되는 전도 모드 용접과 대조된다.Blue laser light has a much higher absorption level (65%) than IR lasers and can initiate keyhole welding at a relatively low power level of 275 W (in addition to the 2,000 to 3,000 W required for an IR system to initiate the keyhole welding process). Prepared, IR systems will face more runaway issues, among other issues, upon launch). The absorption increases as the keyhole mode begins with the blue laser system, increasing from 65% to about 90% and then to 100%, so it is no longer a runaway process. Therefore, the present keyhole welding process has a very different absorption time profile from IR. The present blue keyhole welding process has an absorption time profile shape onset for welding progress of 35% or less. Initiation of the blue laser welding process and transition to continuous welding using the present laser welding system is accomplished without rapidly changing the laser's power level or welding speed, as is necessary when using an IR laser to prevent spatter. A high-speed video of initiating keyhole welding when using a blue laser shows a reliable process capable of welding multiple layers of copper foil and plate with minimal or no spatter emitted from the keyhole. Cross-sections of two keyhole weld samples are shown in FIGS. 16 and 17 , where the material freezing pattern is clearly different from the shape of the conduction mode weld sample shown in FIG. 14 . As can be seen in Figures 16 and 17, the formation of a material freezing pattern perpendicular to the surface of the material is conducted in conduction mode welding because heat transfer occurs along the entire length of the keyhole extending through the surface of the part to the final weld depth. different from This is in contrast to conduction mode welding, where all the laser energy is deposited on the material surface.

전도 모드 용접 공정와 같은 키홀 용접 공정은 용접 중 임의의 이동을 방지하기 위해 부품을 고정구에 고정해야 한다. 키홀 모드는 전형적으로, 키홀이 부품을 관통하여 둘 이상의 부품 스택을 함께 용접하는 겹침 용접 구성에서 사용된다(예를 들어, 도 17 참조).Keyhole welding processes, such as conduction mode welding processes, require the part to be held in a fixture to prevent any movement during welding. The keyhole mode is typically used in lap welding configurations where a keyhole penetrates the part to weld two or more stacks of parts together (see, eg, FIG. 17 ).

도 20의 레이저 시스템은 800 kW/cm2의 지점에서 출력 밀도를 가진 275 W 청색 레이저 빔을 생성할 수 있다. 도 20의 레이저 시스템은 제1 레이저 모듈(1201) 및 제2 레이저 모듈(1202)을 가지며, 레이저 빔은 광선 추적(1200)에 의해 도시된 바와 같이 레이저 모듈을 떠나 레이저 빔 경로를 따른다. 레이저 빔은 100 mm 포커싱 렌즈와 100 mm 보호 창을 갖는 방향 전환 미러(1203, 1205) 및 포커싱 렌즈 구성(1205)을 통과한다. 구성(1205)의 포커싱 렌즈는 스폿(spot)(1250)을 생성한다.The laser system of FIG. 20 can generate a 275 W blue laser beam with a power density at a point of 800 kW/cm 2 . The laser system of FIG. 20 has a first laser module 1201 and a second laser module 1202 , the laser beam leaving the laser module and following the laser beam path as shown by ray tracing 1200 . The laser beam passes through a focusing lens configuration 1205 and redirecting mirrors 1203 and 1205 having a 100 mm focusing lens and a 100 mm protective window. The focusing lens of configuration 1205 creates a spot 1250 .

도 21에 도시된 레이저 시스템은 400 μm 스폿 또는 200 μm 스폿을 생성하는데 사용될 수 있다. 도 21의 레이저 시스템은 4 개의 레이저 모듈(1301, 1302, 1303, 1304)로 구성된다. 레이저 모듈은 각각, 미국 특허 공개 번호 2016/0322777 호에 개시 및 교시된 유형일 수 있으며, 이의 전체 개시 내용은 원용에 의해 본 발명에 포함된다. 예를 들어, 모듈은 도 19에 도시된 유형일 수 있으며, 도 19에서 각각의 레이저 다이오드 서브-조립체(210, 210a, 201b, 210c)로부터의 합성 빔은 4 개의 레이저 다이오드 서브-조립체로부터의 빔을 단일 빔으로 재지향시키고 조합하는데 사용되는 패턴 미러(예를 들어, 225)로 전파된다. 편광 빔 폴딩(folding) 조립체(227)는 복합 레이저 다이오드 빔의 밝기를 두 배로 하기 위해서 저속 축에서 빔을 반으로 폴딩한다. 망원경 조립체(228)는 조합된 레이저 빔을 저속 축으로 확장하거나 고속 축을 압축하여 더 작은 렌즈를 사용할 수 있게 한다. 이러한 예에 도시된 망원경(228)은 2.6배만큼 빔을 확장하여 그 크기를 11 mm로부터 28.6 mm로 늘리면서 저속 축의 발산을 동일한 2.6 배만큼 줄인다. 망원경 조립체가 고속 축을 압축하는 경우 2배 망원경이 되어서 고속 축을 22 mm 높이(총 합성 빔)로부터 11 mm 높이로 줄여 11 mm×11 mm의 합성 빔을 만든다. 이는 더 낮은 비용 때문에 바람직한 실시예이다. 비구면 렌즈(229)는 합성 빔의 초점을 맞춘다.The laser system shown in FIG. 21 can be used to create either a 400 μm spot or a 200 μm spot. The laser system of FIG. 21 is composed of four laser modules 1301 , 1302 , 1303 , and 1304 . The laser modules may each be of the type disclosed and taught in US Patent Publication No. 2016/0322777, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. For example, the module may be of the type shown in FIG. 19 , in which the composite beam from each laser diode sub-assembly 210 , 210a , 201b , 210c produces a beam from four laser diode sub-assemblies. It redirects into a single beam and propagates to a pattern mirror (eg, 225 ) that is used to combine. A polarizing beam folding assembly 227 folds the beam in half in the slow axis to double the brightness of the composite laser diode beam. The telescope assembly 228 expands the combined laser beam on the slow axis or compresses the fast axis to allow the use of smaller lenses. The telescope 228 shown in this example expands the beam by a factor of 2.6, increasing its size from 11 mm to 28.6 mm while reducing the divergence of the slow axis by the same factor of 2.6. When the telescope assembly compresses the high-speed axis, it becomes a double telescope, reducing the high-speed axis from a 22 mm high (total composite beam) to an 11 mm high, resulting in an 11 mm x 11 mm composite beam. This is a preferred embodiment because of its lower cost. Aspheric lens 229 focuses the composite beam.

500 와트 및 200 ㎛ 스폿에서, 출력 밀도는 > 1.6 MW/cm2이고, 이는 이러한 파장에서 키홀 용접 임계값보다 실질적으로 높다는 것을 이해해야 한다. 이러한 출력 밀도에서, 청색 레이저도 용접부에 스패터와 다공성을 생성할 가능성이 있다. 그러나 흡수가 잘 조절되기 때문에 스패터를 억제, 조절 또는 제거하는 능력이 있다. 스패터를 억제하는 제 1 방법은 용접 속도를 일정하게 유지하면서 스패터 공정이 시작되면 출력 레벨을 줄이는 것이다. 스패터를 억제하는 제 2 방법은 용접 퍼들을 연장하여 차폐 가스와 기화된 금속이 키홀에서 배출되게 하여 스패터가 없고 결함이 없는 용접을 생성하는 것이다. 스패터를 억제하는 제 3 방법은 검류계 모터 세트 또는 로봇에 장착된 미러 세트를 사용하여 청색 레이저 빔을 흔드는 것이다. 스패터를 억제하는 제 4 방법은 진공을 이용한 용접 환경의 압력을 줄이는 것이다. 마지막으로 스패터를 억제하는 제 5 방법은 1 Hz 내지 1k Hz 또는 최대 50 kHz 범위에서 레이저 빔 출력을 변조하는 것이다. 바람직하게, 용접 매개변수는 공정 동안 스패터를 최소화하도록 최적화된다.It should be understood that at 500 watts and a 200 μm spot, the power density is >1.6 MW/cm 2 , which is substantially higher than the keyhole welding threshold at this wavelength. At these power densities, even blue lasers have the potential to create spatter and porosity in the weld. However, since the absorption is well controlled, it has the ability to suppress, control or eliminate spatter. The first way to suppress spatter is to reduce the output level when the spatter process starts while keeping the welding speed constant. A second method of suppressing spatter is to extend the weld puddle to allow shielding gas and vaporized metal to escape from the keyhole, resulting in a spatter-free and defect-free weld. A third method of suppressing spatter is to shake the blue laser beam using a set of galvanometer motors or a set of mirrors mounted on a robot. A fourth method of suppressing spatter is to reduce the pressure of the welding environment using a vacuum. Finally, a fifth method of suppressing spatter is to modulate the laser beam output in the range of 1 Hz to 1 kHz or up to 50 kHz. Preferably, the welding parameters are optimized to minimize spatter during the process.

일반적으로, 본 발명의 실시예는 재료의 레이저 가공, 사전 선택된 레이저 빔 파장을 재료에 의한 높거나 증가된 수준의 흡수율을 갖도록 가공될 재료에 매칭함으로써 레이저 가공, 특히 재료에 의한 높은 흡수율을 갖는 레이저 빔을 사용한 재료의 레이저 용접에 관한 것이다.In general, embodiments of the present invention include laser processing of materials, laser processing, particularly lasers with high absorption by the material, by matching a preselected laser beam wavelength to the material to be processed to have a high or increased level of absorption by the material. It relates to laser welding of materials using a beam.

본 발명의 실시예는 350 nm 내지 700 nm 파장의 가시 레이저 빔을 갖는 레이저 빔을 사용하여 이들 파장에 대해 더 높은 흡수율을 갖는 재료를 레이저 가공을 통해 용접하거나 접합하는 것에 관한 것이다. 특히, 레이저 빔 파장은 적어도 약 30%, 적어도 약 40%, 적어도 약 50% 및 적어도 약 60% 이상 그리고 약 30% 내지 약 65%, 약 35% 내지 85%, 약 80%, 약 65%, 약 50, 및 약 40%의 흡수를 갖도록 레이저 처리될 재료에 기초하여 미리 결정된다. 따라서, 예를 들어, 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 레이저 빔은 금, 구리, 황동, 은, 알루미늄, 니켈, 이들 금속의 합금, 스테인리스 스틸 및 기타 금속, 재료 및 합금을 용접하는데 사용된다.An embodiment of the present invention relates to welding or bonding a material having a higher absorption for these wavelengths through laser processing using a laser beam having a visible laser beam having a wavelength of 350 nm to 700 nm. In particular, the laser beam wavelength is at least about 30%, at least about 40%, at least about 50%, and at least about 60% or more and between about 30% and about 65%, between about 35% and 85%, between about 80%, about 65%, It is predetermined based on the material to be laser processed to have an absorption of about 50, and about 40%. Thus, for example, a laser beam having a wavelength of from about 400 nm to about 500 nm is used to weld gold, copper, brass, silver, aluminum, nickel, alloys of these metals, stainless steel and other metals, materials and alloys. do.

금, 구리, 황동, 은, 알루미늄, 니켈, 니켈 도금된 구리, 스테인리스 스틸 및 기타 재료, 도금된 재료 및 합금과 같은 재료를 용접하기 위한 청색 레이저, 예를 들어 약 405 내지 약 495 nm 파장의 레이저 사용은 실온에서 재료의 높은 흡수율, 예를 들어 약 50% 초과의 흡수율 때문에 바람직하다. 본 발명의 여러 장점 중 하나는 레이저 작업, 예를 들어 용접 공정 동안 재료에 레이저 에너지를 더 양호하게 결합할 수 있는 청색 레이저 빔과 같은 미리 선택된 파장 레이저 빔의 능력이다. 용접될 재료에 레이저 에너지를 더 양호하게 결합함으로써, 폭주 공정의 가능성이 크게 줄어들고 바람직하게는 제거된다. 레이저 에너지의 더 양호한 결합은 또한, 저 출력 레이저를 사용할 수 있게 하여 비용 절감을 제공한다. 더 양호한 결합은 또한 더 양환 제어, 더 높은 허용 오차 및 따라서 더 큰 용접 재현성을 제공한다. IR 레이저 및 IR 레이저 용접 작업에서는 볼 수 없는 이들 기능은 다른 제품 중에서도 전자 및 전력 저장 분야의 제품에 중요하다.Blue lasers for welding materials such as gold, copper, brass, silver, aluminum, nickel, nickel plated copper, stainless steel and other materials, plated materials and alloys, for example lasers with wavelengths from about 405 to about 495 nm Use is preferred because of the high absorption of the material at room temperature, for example greater than about 50%. One of the many advantages of the present invention is the ability of a preselected wavelength laser beam, such as a blue laser beam, to better couple laser energy to a material during laser operation, for example a welding process. By better coupling the laser energy to the material to be welded, the possibility of a runaway process is greatly reduced and preferably eliminated. The better coupling of laser energy also allows the use of low power lasers, providing cost savings. A better bond also provides more positive control, higher tolerances and thus greater weld reproducibility. These capabilities, not found in IR lasers and IR laser welding operations, are important for products in the electronics and power storage sectors, among other products.

실시예에서, CW 모드에서 작동하는 청색 레이저가 사용된다. CW 작동은 레이저 출력을 신속하고 완전히 변조하고 피드백 루프에서 용접 공정을 제어하여, 최적의 기계적 및 전기적 특성을 갖는 고도로 반복 가능한 공정을 초래하는 능력 때문에 많은 용례에서 펄스 레이저보다 선호될 수 있다.In an embodiment, a blue laser operating in CW mode is used. CW operation may be preferred over pulsed lasers in many applications because of its ability to rapidly and fully modulate the laser power and control the welding process in a feedback loop, resulting in a highly repeatable process with optimal mechanical and electrical properties.

본 발명의 실시예에서, 하나, 둘 이상의 구성요소의 레이저 가공을 포함한다. 구성요소는 레이저 빔을 흡수하는 임의의 유형의 재료, 예를 들어 레이저 빔 에너지, 플라스틱, 금속, 복합 재료, 비정질 재료 및 기타 유형의 재료로 만들어질 수 있다. 실시예에서, 레이저 가공은 2 개의 금속 구성요소를 함께 납땜하는 것을 포함한다. 실시예에서, 레이저 가공은 2 개의 금속 구성요소를 함께 용접하는 것을 포함한다.In an embodiment of the present invention, laser processing of one, two or more components is included. The component may be made of any type of material that absorbs the laser beam, such as laser beam energy, plastics, metals, composites, amorphous materials, and other types of materials. In an embodiment, laser machining includes soldering two metal components together. In an embodiment, laser machining includes welding two metal components together.

실시예에서, 레이저 용접 작업이 자동 용접, 레이저-하이브리드 용접, 키홀 용접, 겹침 용접, 필렛 용접(filet welding), 맞대기 용접 및 비-자생 용접(non-autogenous welding)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 도구, 시스템 및 방법이 제공된다.In an embodiment, the laser welding operation is a tool selected from the group consisting of automatic welding, laser-hybrid welding, keyhole welding, lap welding, filet welding, butt welding, and non-autogenous welding; Systems and methods are provided.

레이저 용접 기술은 많은 다양한 상황에서, 특히 전기 연결, 특히 배터리와 같은 전력 저장 장치를 형성하기 위해 용접이 필요한 경우에 유용할 수 있다. 일반적으로, 본 레이저 용접 작업 및 시스템의 실시예는 가시 파장, 바람직하게 청색 파장 레이저를 포함하며, 이는 기본 재료만이 사용됨을 의미하고 키홀 용접, 전도 용접, 겹침 용접, 필렛 용접 및 맞대기 용접에서 공통인 자생 레이저일 수 있다. 레이저 용접은 갭을 "채우기 위해" 또는 용접 강도를 위해 융기된 비드를 생성하기 위해 용융 퍼들에 충전 재료가 추가되는 비-자생적일 수 있다. 레이저 용접 기술은 레이저 재료 증착("LMD")을 또한 포함할 수 있다.Laser welding techniques can be useful in many different situations, particularly where welding is required to form electrical connections, particularly power storage devices such as batteries. In general, embodiments of the present laser welding operations and systems include visible wavelength, preferably blue wavelength lasers, which means that only the base material is used and is common in keyhole welding, conduction welding, lap welding, fillet welding and butt welding. It may be an autogenous laser. Laser welding can be non-autogenous, in which filler material is added to the molten puddle to “fill” gaps or to create raised beads for weld strength. Laser welding techniques may also include laser material deposition (“LMD”).

본 레이저 용접 작업 및 시스템의 실시예는 충전 재료의 더욱 신속한 공급을 제공하기 위해 전류가 레이저 빔과 함께 사용되는 하이브리드 용접일 수 있는 가시 파장, 바람직하게 청색 파장 레이저를 포함한다. 레이저 하이브리드 용접은 정의상 비-자생적이다.Embodiments of the present laser welding operation and system include a visible wavelength, preferably blue wavelength laser, which may be a hybrid welding in which an electric current is used in conjunction with a laser beam to provide a faster supply of fill material. Laser hybrid welding is by definition non-spontaneous.

바람직하게, 일부 실시예에서 능동 용접 모니터, 예를 들어 카메라가 사용되어 즉석에서 용접 품질을 확인할 수 있다. 이들 모니터는 예를 들어, 엑스-레이 검사 및 초음파 검사 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 스트림 빔 분석 및 출력 모니터링이 활용되어 시스템 특성 및 작동 특성을 완전히 이해할 수 있다.Preferably, in some embodiments an active weld monitor, such as a camera, is used to check weld quality on the fly. These monitors may include, for example, X-ray examination and ultrasound examination systems. In addition, stream beam analysis and output monitoring can be utilized to fully understand system characteristics and operating characteristics.

본 레이저 시스템의 실시예는 신규 레이저 시스템 및 방법을 기존의 밀링 및 기계 가공 장비와 조합하는 하이브리드 시스템일 수 있다. 이러한 방식으로 재료는 제조, 건축, 재-마감 또는 기타 공정 중에 추가 및 제거될 수 있다. 본 발명자 중 한 명 이상이 발명한 레이저 시스템의 다른 실시예를 사용하는 그러한 하이브리드 시스템의 예는 미국 특허 출원 일련번호 14/837,782 호에 개시 및 교시되며, 그 전체 개시 내용은 원용에 의해 본 발명에 포함된다.Embodiments of the present laser system may be hybrid systems that combine novel laser systems and methods with existing milling and machining equipment. In this way materials may be added and removed during manufacturing, construction, re-finishing or other processes. Examples of such hybrid systems using other embodiments of laser systems invented by one or more of the inventors are disclosed and taught in US Patent Application Serial No. 14/837,782, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. Included.

전형적으로, 실시예에서, 레이저 용접은 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해서 매우 낮은 가스 흐름을 사용하고, 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 에어 나이프를 사용하거나 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 환경을 사용한다. 레이저 용접은 공기, 불활성 환경 또는 기타 제어된 환경, 예를 들어, N2에서 수행될 수 있다.Typically, in embodiments, laser welding uses a very low gas flow to keep the optics clean, an air knife to keep the optics clean, or an inert environment to keep the optics clean. Laser welding may be performed in air, an inert environment or other controlled environment, for example N 2 .

본 발명의 실시예는 구리, 순수 구리, 구리 합금 및 청색 레이저 파장, 바람직하게 약 400 nm 내지 약 500 nm에서 약 40% 내지 75% 흡수율을 갖도록 충분한 양의 구리를 갖는 모든 재료를 포함하는, 구리 재료를 용접하는데 큰 장점을 찾을 수 있다.Embodiments of the present invention include copper, pure copper, copper alloys and all materials having a sufficient amount of copper to have about 40% to 75% absorption at a blue laser wavelength, preferably from about 400 nm to about 500 nm. Great advantages can be found in welding materials.

본 발명의 레이저 시스템 및 공정, 전도 용접 및 키홀 용접의 실시예로 수행되는 2 개의 바람직한 자생 용접 모드, 및 이들이 생성하는 자생 용접이 있다. 전도 용접은 낮은 강도(< 100 kW/cm2)의 레이저 빔을 사용하여 두 개의 금속 조각을 함께 용접하는 경우이다. 여기서 두 개의 금속 조각은 서로 맞대어져서, 한쪽이 겹져지고 완전히 겹쳐질 수 있다. 전도 용접은 키홀 용접만큼 깊숙이 침투하지 않는 경향이 있으며 일반적으로 맞대기 용접을 위한 특징적인 "구형" 형상의 용접 조인트를 생성하며, 이는 매우 강하다. 그러나 키홀 용접은 상대적으로 높은 레이저 빔 강도(> 500 kW/cm2)로 발생하며 이러한 용접은 재료 내로 깊숙이 침투할 수 있으며 종종 재료가 겹칠 때 다층 재료를 관통할 수 있다. 전도 모드로부터 키홀 모드로의 전환에 대한 정확한 임계값은 청색 레이저 소스에 대해 아직 결정되지 않았지만, 키홀 용접은 재료 내로 깊숙이 침투하는 재냉동 재료의 거의 평행 채널을 갖는 재료의 상부에 특징적인 "v" 형상을 가진다. 키홀 공정은 금속 용융 풀의 측면으로부터 레이저 빔을 반사하여 재료 내로 깊숙이 레이저 에너지를 전달하는 것에 의존한다. 이들 유형의 용접이 모든 레이저로 수행될 수 있지만, 청색 레이저는 적외선 레이저보다 이들 유형의 용접을 개시하기 위한 상당히 낮은 임계값을 가질 것으로 예상된다.There are two preferred autogenous welding modes performed with embodiments of the present laser system and process, conduction welding and keyhole welding, and the autogenous welding they produce. Conduction welding is when two pieces of metal are welded together using a laser beam of low intensity (< 100 kW/cm 2 ). Here, two pieces of metal are placed against each other, so that one can be overlapped and completely overlapped. Conduction welding does not tend to penetrate as deeply as keyhole welding and generally produces a characteristic "spherical" shape weld joint for butt welding, which is very strong. However, keyhole welding occurs with relatively high laser beam intensities (> 500 kW/cm 2 ) and these welds can penetrate deep into the material and often penetrate multi-layered materials when the materials overlap. Although the exact threshold for transition from conduction mode to keyhole mode has not yet been determined for blue laser sources, keyhole welding has a characteristic "v" on top of the material with nearly parallel channels of re-frozen material penetrating deep into the material. have a shape The keyhole process relies on reflecting a laser beam from the side of a metal molten pool to deliver laser energy deep into the material. Although these types of welding can be performed with any laser, blue lasers are expected to have significantly lower thresholds for initiating these types of welding than infrared lasers.

구리로 전기도금된 재료, 백금으로 전기도금된 재료, 및 다른 전도성 재료로 전기도금된 재료와 같은 전기도금된 재료의 청색 레이저 용접을 포함한, 이들 재료를 용접하기 위해 청색 레이저 작업을 사용하여 전기도금된 재료의 용접이 고려된다.Electroplating using a blue laser operation to weld these materials, including blue laser welding of electroplated materials, such as materials electroplated with copper, materials electroplated with platinum, and materials electroplated with other conductive materials. Welding of used materials is considered.

구리를 위한 용접 공정은 전력이 부품에 효율적으로 결합되어야 하고, 용접 공정이 안정적이고 낮은 다공성, 낮은 스패터 용접을 생성할 수 있어야 함을 요구한다. 본 발명은 이들 및 다른 목적을 달성한다. 청색 레이저는 IR 레이저(< 5%)에 비해 구리(65%)에 의해 많이 흡수되는 파장에서 이들 요구 사항의 제 1 부분을 달성한다. 제 2 요구 사항은 레이저 흡수뿐만 아니라 처리 램프 또는 시간 프로파일, 고정 장치, 빔 프로파일 및 품질, 그리고 부품에 사용되는 클램핑 압력의 함수이다. 본 실시예는 청색 레이저를 열원으로 하여 키홀 모드 및 전도 모드 용접이 모두 가능함을 제공한다. 전도 모드 용접은 공정 중 임의의 스패터 또는 부품의 다공성을 생성하지 않는다. 용접의 키홀 모드는 더 큰 침투를 허용한다. 본 고출력 청색 CW 레이저 소스의 실시예는 부품의 다공성이 매우 낮고 공정 중 스패터가 매우 낮은 구리 부품을 용접하는데 이상적이다.Welding processes for copper require that power be efficiently coupled to the part, and that the welding process be capable of producing stable, low porosity, low spatter welds. The present invention achieves these and other objects. Blue lasers achieve the first part of these requirements at wavelengths that are more absorbed by copper (65%) compared to IR lasers (<5%). The second requirement is a function of laser absorption as well as processing ramp or time profile, fixture, beam profile and quality, and the clamping pressure used on the part. This embodiment provides that both keyhole mode and conduction mode welding is possible by using a blue laser as a heat source. Conduction mode welding does not create any spatter or porosity of the part during the process. The keyhole mode of welding allows for greater penetration. This high-power blue CW laser source embodiment is ideal for welding copper parts with very low porosity and very low in-process spatter.

완전 침투는 표면에 정상 스패터가 남아 있는 600-와트 청색 레이저를 사용하여 1 mm 두께 구리 플레이트의 비드 온 플레이트 테스트를 기초로 한다. 600-와트, CW 레이저는 약 200 μm의 스폿 크기에 집속되어, 부품의 표면에서 2.1 MW/cm2 평균 강도가 발생한다. 이러한 강도는 부품의 키홀을 개시하고 유지하는데 필요한 출력 밀도보다 훨씬 높다. 용접 공정 중에, 키홀이 빠르게 형성되고 완전 침투가 달성되면, 용융 퍼들은 용접이 진행됨에 따라 용접 퍼들에서 낮은 난류를 나타내는 매우 안정적인 표면을 나타낸다. 다양한 용접 속도에서 안정적인 용접 공정이 관찰되며 다른 것들 중에서도 Ar-CO2 커버 가스는 용접 공정 중 표면 산화를 억제한다. 안정적인 키홀 용접을 생성하는 이러한 능력은 무엇보다도 청색에서 구리의 높은 흡수율에 기인할 수 있다. 청색 레이저 광은 용접 공정에서 키홀의 벽에 균일하게 흡수되지만, 용융 퍼들의 난류로 인해 키홀에 불안정이 발생하면 입력 열이 유지되고 키홀이 안정적으로 유지된다.Full penetration is based on bead-on-plate testing of 1 mm thick copper plates using a 600-watt blue laser with normal spatter remaining on the surface. A 600-watt, CW laser is focused at a spot size of about 200 μm, resulting in an average intensity of 2.1 MW/cm 2 at the surface of the part. This strength is much higher than the power density required to initiate and hold the keyhole of the part. During the welding process, if keyholes are formed quickly and full penetration is achieved, the melt puddle presents a very stable surface that exhibits low turbulence in the weld puddle as the weld progresses. A stable welding process is observed at various welding speeds and, among other things, the Ar-CO 2 cover gas suppresses surface oxidation during the welding process. This ability to produce stable keyhole welds can be attributed, among other things, to the high absorption of copper in blue. The blue laser light is uniformly absorbed by the wall of the keyhole during the welding process, but when instability occurs in the keyhole due to the turbulence of the melt puddle, the input heat is maintained and the keyhole remains stable.

다음 예는 본 레이저 시스템 및 작업의 다양한 실시예, 특히 전자 저장 장치의 구성요소를 포함한 구성요소를 용접하기 위한 청색 레이저 시스템을 예시하기 위해 제공된다. 이들 예는 예시를 위한 것이며, 예언적일 수 있으며, 본 발명의 범주로 간주되어서는 안 되며, 달리 이를 제한하지 않는다.The following examples are provided to illustrate various embodiments of the present laser system and operation, in particular a blue laser system for welding components, including components of electronic storage devices. These examples are for the purpose of illustration, and may be prophetic, and should not be considered as the scope of the present invention, and are not otherwise limiting.

예 1Example 1

레이저 소스는 0 내지 275 와트가 가능한 고출력 청색 직접 다이오드 레이저이다. 빔은 1.25X 빔 확장기를 통해 전달되고 100 mm 비구면 렌즈에 의해 초점이 맞춰진다. 작업물의 스폿 직경은 200 μm x 150 μm로 이는 최대 출력 1.2 MW/cm2에서 출력 밀도를 생성한다. 샘플을 제자리에 유지하기 위해 스테인리스 스틸 고정구가 사용되었으며 He, Ar, Ar-CO2 및 질소로 테스트가 수행되었으며 모두 유익했고 Ar-CO2에서 최상의 결과를 얻었다.The laser source is a high power blue direct diode laser capable of 0 to 275 watts. The beam is delivered through a 1.25X beam expander and focused by a 100 mm aspherical lens. The spot diameter of the workpiece is 200 μm x 150 μm, which produces a power density at a maximum power of 1.2 MW/cm 2 . A stainless steel fixture was used to hold the sample in place and tests were performed with He, Ar, Ar-CO 2 and nitrogen, all of which were beneficial and gave the best results with Ar-CO 2 .

예 1AExample 1A

예 1의 시스템을 사용하여, 초기 테스트 결과가 구리 표면에서 150 와트의 출력 수준에서 고품질 전도 모드 용접을 생성했다. 일련의 BOP(Bead on Plate) 테스트를 수행하여 고출력 청색 레이저 소스에 의해 생성된 용접을 특성화했다. 도 1은 전도 모드 용접용 갈매기 모양 패턴을 보여주며, 이러한 용접의 고유한 특성은 용접 공정에서 스패터가 발생하지 않으며 기본 재료와 유사한 미세 구조 및 용접 경도가 기본 재료와 유사했다. 도 1은 70 μm 두께의 구리 호일에 150 W의 청색 레이저로 용접할 때 형성된 BOP를 보여준다.Using the system of Example 1, initial test results produced high quality conduction mode welds at a power level of 150 watts on a copper surface. A series of Bead on Plate (BOP) tests were performed to characterize the welds produced by the high-power blue laser source. Figure 1 shows a chevron pattern for conduction mode welding, the unique properties of this welding are that no spatter occurs in the welding process, and the microstructure and weld hardness similar to that of the base material are similar to those of the base material. 1 shows the BOP formed when welding with a blue laser of 150 W to 70 μm thick copper foil.

예 1BExample 1B

예 1의 시스템을 사용하고 레이저의 전력 출력을 275 와트로 스케일링하면 출력 밀도가 구리의 초기 키홀 용접에 충분한 출력 밀도인 1.2 MW/cm2로 증가했다. 도 2는 500 μm 두께의 구리 샘플에 대한 키홀 용접의 예를 보여준다. 키홀 공정 동안, 키홀에서 발생된 증기압은 용융된 구리를 용접 비드 밖으로 밀어낸다. 이는 배출된 구리가 용접 비드의 에지에 라이닝되는 도 4에서 볼 수 있다. 이러한 배출 공정은 안정적이며 재료에 미세 폭발을 일으키지 않으므로 결과적으로 IR 레이저 소스로 구리를 용접할 때 관찰되는 스패터 패턴이 생성되지 않는다.Using the system of Example 1 and scaling the laser's power output to 275 watts, the power density increased to 1.2 MW/cm 2 , which is sufficient for initial keyhole welding of copper. 2 shows an example of keyhole welding on a 500 μm thick copper sample. During the keyhole process, the vapor pressure generated in the keyhole pushes the molten copper out of the weld bead. This can be seen in Figure 4 where the ejected copper is lined with the edge of the weld bead. This evacuation process is stable and does not cause micro-explosives in the material, resulting in no spatter patterns observed when welding copper with an IR laser source.

예 1CExample 1C

예 1의 시스템을 사용하여 127 내지 500 ㎛ 범위의 구리 두께에 대해 용접 실험이 수행되었다. 도 3 내지 도 5는 이들 BOP 테스트의 결과를 요약한다. 도 3은 275 W에서 최대 9 m/min까지의 완전 침투에 이어서 예상한 속도로 침투 깊이의 감소를 보여준다. 도 4는 무-보조 가스의 경우 최대 0.6 m/min, Ar-CO2 커버 가스를 사용할 경우 0.4 m/min의 완전 침투에 대한 BOP 결과를 보여준다. 도 5는 275 W에서 500 μm 구리에 대한 침투 깊이 대 속도를 보여준다.Welding experiments were performed on copper thicknesses ranging from 127 to 500 μm using the system of Example 1. 3-5 summarize the results of these BOP tests. Figure 3 shows the decrease in penetration depth at the expected rate following full penetration at 275 W up to 9 m/min. FIG. 4 shows BOP results for complete penetration of up to 0.6 m/min for no-assist gas and 0.4 m/min for Ar-CO 2 cover gas. Figure 5 shows penetration depth versus velocity for 500 μm copper at 275 W.

예 2Example 2

도 13 및 도 13a의 고정구(5000)는 전도 모드 용접으로 두께가 178 μm인 2 개의 구리 호일 스택을 성공적으로 겹침 용접하는데 사용된다. 수 100 ℃로 가열될 때 고정구는 용접 중 부품 가열로 손실되는 에너지가 이제 예열에 의해 제공되기 때문에 용접 속도와 품질이 한 두 배 이상 향상된다. 용접부의 상부 측을 위한 차폐 가스는 도 10에 도시된 바와 같이 용접 진행 방향의 전방으로부터 용접 진행 방향의 후방으로 전달된다.The fixture 5000 of FIGS. 13 and 13A is used to successfully lap weld two stacks of copper foils with a thickness of 178 μm with conduction mode welding. When heated to a few 100°C, the fixture improves welding speed and quality by a factor of two or more because the energy lost to heating the part during welding is now provided by preheating. The shielding gas for the upper side of the weld is delivered from the front in the welding running direction to the rear in the welding running direction as shown in FIG. 10 .

예 3Example 3

2 개의 125 ㎛ 두께 구리 플레이트가 전도 모드 용접으로 고정구(5000)를 사용하여 함께 겹침 용접되었다. 이러한 용접은 도 15의 단면 사진에 도시된다.Two 125 μm thick copper plates were lap welded together using fixture 5000 with conduction mode welding. This weld is shown in the cross-sectional photograph of FIG. 15 .

예 4Example 4

도 13 및 도 13a에 도시된 고정구(5000)를 사용하여, 10 ㎛ 두께의 40 개의 구리 호일 스택이 다공성 및 결함 없이 용접된다. 이러한 용접의 단면이 도 17에 도시된다. 이러한 스택의 용접은 호일 준비 방법, 호일 고정 방법 및 클램프에 적용되는 토크에 의존한다. 호일은 전단되고 평평하게 된 다음 임의의 제조 또는 취급 오일을 제거하기 위해서 알코올로 세척되고 마지막으로 고정구에 싸여진다. 클램핑 볼트(5001)는 용접 공정 동안 부품이 제자리에 단단히 고정되게 보장하는 1 Nm의 토크로 조여진다. 이들 부품을 용접하는데 사용된 레이저는 도 21에 도시된 바와 같이 광학적으로 조합된 도 19에 도시된 4 개의 150-와트 레이저로 구성되어 500 와트 레이저 시스템을 생성한다. 이러한 레이저는 평균 출력 밀도가 400 kW/cm2인 400 ㎛ 스폿, 및 키홀 용접 공정을 개시하는데 충분한 피크 출력 밀도를 생성한다.Using the fixture 5000 shown in FIGS. 13 and 13A , a stack of 40 copper foils 10 μm thick were welded without porosity and defects. A cross-section of this weld is shown in FIG. 17 . The welding of these stacks depends on the method of preparing the foil, the method of securing the foil, and the torque applied to the clamp. The foil is sheared and flattened, then washed with alcohol to remove any manufacturing or handling oil and finally wrapped in a fixture. The clamping bolt 5001 is tightened with a torque of 1 Nm to ensure that the part is held securely in place during the welding process. The lasers used to weld these parts consisted of four 150-watt lasers shown in FIG. 19 optically combined as shown in FIG. 21 to create a 500 watt laser system. This laser produces a 400 μm spot with an average power density of 400 kW/cm 2 , and a peak power density sufficient to initiate a keyhole welding process.

예 5Example 5

본 레이저 빔 용접 기술의 예는 표면에 공칭 스패터가 남아 있는 600 와트 청색 레이저를 갖는 1 mm 두께 구리 플레이트의 제 1 완전 침투, 비드 온 플레이트(bead on plate, BOP) 용접을 사용하여 평가된다. 600-와트, CW 레이저는 약 200 μm의 스폿 크기에 집속되어 부품의 표면에서 2.1 MW/cm2의 평균 강도를 초래한다. 이러한 강도는 부품의 키홀을 개시하고 유지하는데 필요한 전력 밀도보다 훨씬 높다. 용접 공정에서 키홀이 빠르게 형성되는 것이 관찰되며 일단 완전 침투가 달성되면 용융 퍼들은 용접이 진행됨에 따라 용접 퍼들의 낮은 난류를 나타내는 매우 안정적인 표면을 나타낸다. AJ-CO2 커버 가스를 사용하여 용접시 표면 산화를 억제하여 넓은 범위의 용접속도에서 안정된 용접공정을 볼 수 있다. 안정적인 키홀 용접을 생성하는 이러한 능력은 청색 구리에서의 높은 흡수성과 레이저 빔의 균일성 및 고품질에 기인할 수 있다. 청색 레이저 광은 용접 공정에서 키홀의 벽에 균일하게 흡수되지만, 용융 퍼들의 난류로 인해 키홀에 불안정이 발생하면 입력 열이 유지되고 키홀이 안정적으로 유지된다.An example of the present laser beam welding technique is evaluated using a first full penetration, bead on plate (BOP) welding of a 1 mm thick copper plate with a 600 watt blue laser leaving nominal spatter on the surface. A 600-watt, CW laser is focused on a spot size of about 200 μm resulting in an average intensity of 2.1 MW/cm 2 at the surface of the part. This strength is much higher than the power density required to initiate and hold the keyhole of the component. Rapid formation of keyholes in the welding process is observed and once full penetration is achieved, the melt puddle exhibits a very stable surface that exhibits low turbulence in the weld puddle as the weld progresses. Stable welding process can be seen in a wide range of welding speeds by suppressing surface oxidation during welding by using AJ-CO 2 cover gas. This ability to produce stable keyhole welds can be attributed to the high absorption in blue copper and the uniformity and high quality of the laser beam. The blue laser light is uniformly absorbed by the wall of the keyhole during the welding process, but when instability occurs in the keyhole due to the turbulence of the melt puddle, the input heat is maintained and the keyhole remains stable.

예 6Example 6

본 발명의 실시예는 용접과 같은 산업적 용례를 위해서 본 고출력 가시 레이저, 특히 청색 레이저, 청색 녹색 레이저 및 녹색 레이저를 사용한다. 이들 공정의 실시예에서, 500 내지 600 W의 출력 레벨과 200 내지 400 ㎛의 스폿 크기가 사용된다. 이들 실시예에 대한 파장은 청색 범위에 있다. 구리의 안정적인 전도 모드 용접은 무산소 구리(OFC)에서 400 및 200 um 스폿 크기 모두에 대해 광범위한 속도에서 관찰된다. 이러한 용접 모드는 스패터가 없고 용접된 부품 전체에 다공성의 흔적이 없이 완전히 조밀하다. 안정적인 키홀 모드 용접은 200 ㎛ 스폿 크기의 구리에서만 관찰되지만, 인코넬(Inconel) 및 스테인리스 스틸과 같은 전도성이 낮은 재료에서는 400 ㎛ 스폿 크기도 키홀 용접을 달성할 수 있다. 용접 공정의 모델링은 스테인리스 스틸과 비교하여 구리를 용접할 때 용접 퍼들의 형상과 크기에서 상당한 차이를 보여준다. 열 전도율이 낮은 스테인리스 스틸은 전형적인 눈물방울 형상의 용접 퍼들을 나타내지만, 열 전도율이 높은 구리는 스테인리스 샘플의 용접에 사용된 것과 동일한 출력 수준에서 크기가 훨씬 작은 원형 용접 퍼들을 나타낸다.Embodiments of the present invention use the present high power visible lasers, particularly blue lasers, blue green lasers and green lasers for industrial applications such as welding. In embodiments of these processes, power levels of 500 to 600 W and spot sizes of 200 to 400 μm are used. The wavelengths for these examples are in the blue range. Stable conduction mode welding of copper is observed over a wide range of speeds for both 400 and 200 um spot sizes in oxygen-free copper (OFC). This welding mode is completely dense with no spatter and no signs of porosity throughout the welded part. Stable keyhole mode welding is only observed for 200 μm spot size copper, but 400 μm spot size can also achieve keyhole welding in less conductive materials such as Inconel and stainless steel. The modeling of the welding process shows significant differences in the shape and size of the weld puddle when welding copper compared to stainless steel. Stainless steel with low thermal conductivity exhibits a typical teardrop-shaped weld puddle, while copper with high thermal conductivity exhibits a much smaller circular weld puddle at the same power level used to weld stainless samples.

예 7Example 7

청색, 청색 녹색 또는 녹색 레이저 빔을 사용하는 금속의 레이저 용접은 빔을 흔들지 않고 수행된다. 이들 용접은 깊은 침투를 가진다. 따라서, 이들 레이저 빔을 사용하여 구리 호일 구리 플레이트를 포함한 금속의 무-워블 용접(wobble free welding)이 제공된다. 알루미늄, 스테인리스 스틸, 구리, 알루미늄계 금속, 스테인리스 스틸계 금속, 구리계 금속 및 이들의 합금에 대해 무-워블 용접이 제공된다.Laser welding of metals using a blue, blue-green or green laser beam is performed without shaking the beam. These welds have deep penetration. Thus, wobble free welding of metals including copper foil copper plates using these laser beams is provided. Wobble-free welding is provided for aluminum, stainless steel, copper, aluminum-based metals, stainless steel-based metals, copper-based metals and alloys thereof.

이러한 무-워블 레이저 용접의 실시예에서, 1 mm 미만의 두께를 갖는 구리 및 450 nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔으로 청색 레이저 용접이 수행된다.In this embodiment of wobble-free laser welding, blue laser welding is performed with copper having a thickness of less than 1 mm and a blue laser beam having a wavelength of 450 nm.

이러한 무-워블 레이저 용접의 실시예에서, 청색 레이저 용접은 1 mm 미만의 두께를 갖고 450 nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔을 사용하여 알루미늄에 수행된다.In this embodiment of wobble-free laser welding, blue laser welding is performed on aluminum using a blue laser beam having a thickness of less than 1 mm and a wavelength of 450 nm.

이러한 무-워블 레이저 용접의 실시예에서, 1 mm 미만의 두께를 갖고 450 nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔을 사용하여 스테인리스 스틸에 청색 레이저 용접이 수행된다.In this embodiment of wobble-free laser welding, blue laser welding is performed on stainless steel using a blue laser beam having a thickness of less than 1 mm and a wavelength of 450 nm.

예 8Example 8

실시예에서 00-와트 레이저는 450 nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 제공하는 4 개의 200-와트 청색 레이저 모듈을 가진다. 레이저 다이오드는 개별적으로 시준되며, 빔 발산은 도 19에 도시된 바와 같이 원형화되어, 각각의 모듈에 대해 22 mm mrad의 빔 매개변수 곱을 초래한다. 4 개의 청색 레이저 모듈로부터의 레이저 빔은 수평뿐만 아니라 수직 방향 모두에서 광학적으로 전단되어, 도 21에 도시된 바와 같이 100 mm 직경의 포커싱 광학계의 조리개를 채운다. 이러한 합성 빔(450 nm)은 44 mm mrad의 빔 매개변수 곱을 가지며 400 μm 광섬유로 발사하는데 적합하다. 예 8A 내지 예 8K 및 예 9의 경우, 광섬유가 사용되지 않고 이러한 청색 레이저 빔은 자유 공간을 통해 작업물로 전달된다.In an embodiment the 00-watt laser has four 200-watt blue laser modules that provide a laser beam with a wavelength of 450 nm. The laser diodes are individually collimated and the beam divergence is circularized as shown in FIG. 19 , resulting in a beam parameter product of 22 mm mrad for each module. The laser beams from the four blue laser modules are optically sheared in both horizontal as well as vertical directions, filling the aperture of the 100 mm diameter focusing optics as shown in FIG. This composite beam (450 nm) has a beam parameter product of 44 mm mrad and is suitable for firing into a 400 μm optical fiber. For Examples 8A-8K and 9, no optical fiber is used and this blue laser beam is delivered through free space to the workpiece.

이들 예의 경우, 실시간 빔 진단을 설정에 통합할 수 있는 4' x 6' 광학 벤치(optical bench)를 갖는 광학 브레드보드(breadboard)가 사용된다. 합성 출력 빔은 1% 빔 샘플러로 샘플링되고 빔의 일부는 원거리-장 프로파일 카메라와 파워 미터로 전송된다. 원거리-장은 용접 렌즈와 동일한 초점 거리 렌즈(100 mm F/1 렌즈 또는 200 mm F/2 렌즈)로 생성된다. 두 렌즈 모두 ThorLabs으로부터의 BK7 구면 렌즈이다. 렌즈는 약 80 mm로 언더필되고, 작업물의 스폿은 100 mm FL 렌즈의 경우 약 200 μm, 200 mm FL 렌즈의 경우 약 400μm이다.For these examples, an optical breadboard with a 4' x 6' optical bench that can incorporate real-time beam diagnostics into the setup is used. The composite output beam is sampled with a 1% beam sampler and a portion of the beam is sent to a far-field profile camera and power meter. The far-field is created with the same focal length lens (100 mm F/1 lens or 200 mm F/2 lens) as the welding lens. Both lenses are BK7 spherical lenses from ThorLabs. The lens is underfilled to about 80 mm, and the spot of the workpiece is about 200 μm for a 100 mm FL lens and about 400 μm for a 200 mm FL lens.

빔 가성(beam caustic)은 셋업의 빔 샘플링 아암에서 100 mm FL 렌즈의 초점을 통해 Ophir 빔 프로파일러를 변환하고 95% 포위된 파워 포인트에서 빔의 직경을 측정함으로써 측정된다. 빔 가성의 그래프는 도 22에 도시된다. 이러한 측정은 100 mm FL 렌즈에 대해 상대적으로 짧은 초점 심도를 보여준다.Beam caustic is measured by transforming the Ophir beam profiler through the focus of a 100 mm FL lens in the beam sampling arm of the setup and measuring the diameter of the beam at the 95% enveloped power point. A graph of beam pseudonym is shown in FIG. 22 . These measurements show a relatively short depth of focus for a 100 mm FL lens.

Fanuc 6-축 로봇(FANUC M-16iB)을 사용하여 로봇 어댑터에 장착되고 용접 방향을 따라 지향된 3/8" 직경의 스파거 튜브(sparger tube)에 의해 제공되는 커버 가스와 함께 자유 공간 빔 초점을 통해 샘플을 이동하는데 사용된다.A Fanuc 6-axis robot (FANUC M-16iB) is used to focus the free space beam with cover gas provided by a 3/8" diameter sparger tube mounted on a robot adapter and oriented along the welding direction. It is used to move the sample through

예 8A 내지 예 8K 및 예 9에 대해서, 도 12 및 도 12a에 도시된 유형의 용접 고정구의 실시예가 사용된다. 용접 고정구는 용접 공정의 일부이며 열 전도율이 높은 재료를 용접할 때 달성될 수 있는 침투 깊이, 용접 속도 및 이들 둘 모두에 영향을 미칠 수 있다. 도 12 및 도 12a는 용접 고정구의 실시예의 도면이다. 일 실시예에서 알루미늄(6061 시리즈)이 사용된다. 다른 실시예에서 스테인리스 스틸(316)이 사용된다. 알루미늄 용접 고정구는 부품에서 열을 빠르게 제거하는 경향이 있는 반면에, 스테인리스 스틸 고정구는 대부분의 열이 부품 내에 머문다. 두 재료는 샘플(예를 들어, 작업물, 부품)을 클램핑하는 상이한 방법과 함께 평가된다. Ar-CO2와 같은 불활성 가스는 용접 공정 중 부품의 임의의 산화를 억제하기 위해 고정구에 배치된 부품의 상부 위로 흐른다. 작은 갭(4003)은 샘플의 중심 아래에 위치하여 플레이트 예의 비드 지점에서 히트 싱크를 최소화하고 보조 가스가 용접 뒷면에 추가되게 한다.For Examples 8A-8K and 9, an embodiment of a welding fixture of the type shown in FIGS. 12 and 12A is used. Welding fixtures are part of the welding process and can affect the depth of penetration, welding speed, and both, that can be achieved when welding highly thermally conductive materials. 12 and 12A are views of an embodiment of a welding fixture. Aluminum (6061 series) is used in one embodiment. In another embodiment, stainless steel 316 is used. Aluminum welding fixtures tend to dissipate heat from the part quickly, whereas stainless steel fixtures retain most of the heat within the part. Both materials are evaluated with different methods of clamping the sample (eg, workpiece, part). An inert gas such as Ar-CO 2 flows over the top of the part placed in the fixture to inhibit any oxidation of the part during the welding process. A small gap 4003 is located below the center of the sample to minimize the heat sink at the bead point of the plate example and allow auxiliary gas to be added to the backside of the weld.

용접의 키홀 모드에서, 용접 시 강한 플룸(plume)을 생성할 수 있다. 플룸의 원자와 이온이 450 μm의 광을 쉽게 흡수하므로 이러한 플룸은 관리되고 바람직하게는 억제되어야 한다. 3/8" 직경의 튜브 스파저가 부품 상부를 가로질러 50 scfh의 아르곤 또는 아르곤-CO2를 전달하여 플룸을 억제하는데 사용된다. 플룸을 관리하고 부품의 산화를 방지하기 위해서 아르곤, 아르곤-CO2, 공기, 헬륨 및 질소를 포함한 다양한 가스로 용접이 수행되거나 만들어질 수 있다. 무엇보다도, 용접 공정 최적화의 목표는 가능한 가장 빠른 속도로 최대의 침투를 달성하는 것이다. 예 8A 내지 예 8K에 제시된 데이터는 아르곤을 커버 가스로 사용한다. 맞대기 용접과 같은 다른 레이저 용접 및 가공 용례에서 플룸 관리가 바람직하고 선호된다.In the keyhole mode of welding, it is possible to create a strong plume when welding. Since the atoms and ions of the plume readily absorb light at 450 μm, these plumes must be controlled and preferably suppressed. A 3/8" diameter tube sparger is used to suppress plume by delivering 50 scfh of argon or argon-CO 2 across the top of the part. To control plume and prevent oxidation of the part, argon, argon-CO 2 Welding can be performed or made with a variety of gases including , air, helium and nitrogen.First of all, the goal of optimizing the welding process is to achieve maximum penetration at the fastest possible rate.Data presented in examples 8A to 8K uses argon as the cover gas, and plume management is desirable and preferred in other laser welding and machining applications such as butt welding.

예 8A 내지 예 8F의 500 와트 용접 테스트의 경우, 200 mm 초점 길이 렌즈를 사용하여 빔을 400 ㎛ 스폿 크기로 초점을 맞추면 평균 강도가 ~400 kW/cm2이고 피크 강도가 800 kW/cm2에 근접하게 된다.For the 500 watt weld tests of Examples 8A-8F, focusing the beam to a 400 μm spot size using a 200 mm focal length lens resulted in an average intensity of ~400 kW/cm 2 and a peak intensity of 800 kW/cm 2 . come close

예 8G 내지 예 8K의 600 와트 용접 테스트의 경우, 100 mm 초점 길이 렌즈를 사용하여 빔을 200 ㎛ 스폿 크기로 초점을 맞추면 평균 강도가 약 2.1 MW/cm2이고 피크 강도가 4.5 MW/cm2에 근접하게 된다.For the 600 watt weld tests of Examples 8G through 8K, focusing the beam to a 200 μm spot size using a 100 mm focal length lens resulted in an average intensity of about 2.1 MW/cm 2 and a peak intensity of 4.5 MW/cm 2 . come close

예 8AExample 8A

예 8의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여 500 와트, 400 μm 스폿 크기 및 400 kW/cm2 평균 출력 밀도를 사용하여 구리(OFC), 스테인리스 스틸(304) 및 알루미늄(1100 시리즈)에 대해 비드 온 플레이트 용접이 수행되고 평가된다. 샘플은 모두 전단기로 10 mm x 45 mm 크기로 절단되고 가공 전에 아세톤으로 세척된다. 표면 마감은 McMaster Carr로부터 공급된 대로이며 더 얇은 샘플의 경우 압연 마감 처리되고 더 두꺼운 샘플의 경우 밀링 마감 처리된다. 이들 평가는 주어진 시트 두께에 대한 예 8의 용접 공정의 완전한 침투 능력을 특징으로 한다.500 watts, 400 μm spot size and 400 kW/cm 2 using the laser, process, and setup of Example 8. Bead-on-plate welding was performed and evaluated on copper (OFC), stainless steel 304 and aluminum (1100 series) using average power density. The samples were all cut into sizes of 10 mm x 45 mm with a shearing machine and washed with acetone before processing. The surface finish is as supplied from McMaster Carr and has a rolled finish for thinner samples and a mill finish for thicker samples. These evaluations characterize the full penetration capability of the welding process of Example 8 for a given sheet thickness.

예 8의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여 두께 범위가 80 ㎛ 내지 500 ㎛인 무-산소 구리(99.99% - 110) 샘플로 비드 온 플레이트 평가가 수행되었다. 도 23은 용접된 샘플의 후면에서 완전 침투 비드가 관찰되는 용접 속도를 나타낸다.Bead on plate evaluations were performed with oxygen-free copper (99.99% - 110) samples ranging in thickness from 80 μm to 500 μm using the laser, process and setup of Example 8. 23 shows the welding speed at which a fully penetrated bead was observed on the back side of a welded sample.

평가 전에 샘플을 아세톤으로 닦아내고 1 뉴턴-미터로 토크를 가한 볼트로 고정구에 크램핑되었다. 고정구 및 샘플은 레이저로의 역반사를 방지하기 위해서 빔 법선에 대해 20도 각도로 유지되어, 200 mm FL 렌즈의 경우 400 μm x 540 μm의 스폿 연신을 초래했다. 빔 각도는 빔 법선으로부터 용접될 부품의 후미 측면까지이다. 샘플의 이러한 기울기는 부품의 더 낮은 강도로 인해 달성될 수 있는 최대 용접 속도를 감소시킬 가능성이 높다. 용접 순서는 로봇이 프로그래밍된 속도에 도달했는지 확인하기 위해서 부품과 레이저 빔 사이에 충분한 거리를 두고 부품을 병진 운동시키도록 로봇이 명령을 받고, 용접 고정구가 레이저 빔의 위치와 교차할 때 레이저가 개시되는 것이다. 부품은 일정한 속도로 빔을 통해 병진운동되며, 용접 고정구의 단부에 도달하면 레이저 빔이 꺼지고 로봇이 홈 위치로 복귀하라는 명령을 받는다. 샘플을 단면으로 만들고 연마하고 에칭하여 미세 구조를 드러내게 한다. 모든 용접은 전도 모드 용접을 나타내는 구형 용융-동결 패턴을 나타낸다.Prior to evaluation, the sample was wiped with acetone and clamped to the fixture with bolts torqued to 1 Newton-meter. The fixture and sample were held at an angle of 20 degrees to the beam normal to prevent retroreflection to the laser, resulting in a spot stretch of 400 μm x 540 μm for the 200 mm FL lens. The beam angle is from the beam normal to the trailing side of the part to be welded. This inclination of the sample is likely to reduce the maximum welding speed that can be achieved due to the lower strength of the part. The welding sequence is when the robot is commanded to translate the part with a sufficient distance between the part and the laser beam to ensure that the robot has reached the programmed speed, and the laser is initiated when the welding fixture intersects the position of the laser beam. will become The part is translated through the beam at a constant speed, and when it reaches the end of the welding fixture, the laser beam is turned off and the robot is commanded to return to its home position. The sample is cross-sectioned, polished and etched to reveal the microstructure. All welds exhibit a spherical melt-freeze pattern indicative of conduction mode welding.

예 8BExample 8B

예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여 샘플의 맞대기 용접도 평가되었다. 부품은 예 8A와 동일하게 준비되고 동일한 클램핑력으로 크램핑되었다. 전단에 의해 생성된 샘플의 에지는 맞대기 용접된 부품의 기초이다. 이들 테스트의 결과 중 일부는 도 24에 도시된다. 용접 속도는 용접 부품의 뒷면에 표시되는 완전 침투 용접으로 두 부품이 결합될 수 있는 속도이다. 용접 중 또는 용접된 부품에서 스패터가 관찰되지 않았으므로, 전도 모드 용접 공정을 나타낸다.Butt welding of samples was also evaluated using the laser, process and setup of Examples 8 and 8A. The part was prepared as in Example 8A and clamped with the same clamping force. The edge of the sample produced by shear is the basis of the butt welded part. Some of the results of these tests are shown in FIG. 24 . Weld speed is the speed at which two parts can be joined by a full penetration weld indicated on the reverse side of the welded part. No spatter was observed during welding or on the welded parts, indicating a conduction mode welding process.

예 8CExample 8C

예 8A의 구리 110 시리즈 샘플의 평가 동안, 샘플 두께의 함수로서 용접부의 침투 깊이에 대한 종속성이 관찰되었다. 도 25는 구리 샘플 두께가 증가함에 따라서 침투 깊이가 어떻게 감소할 수 있는 지를 보여준다. 이러한 종속성은 부품의 더 큰 열 질량 및 용접 비드에서 빠르게 열을 분산시키는 구리의 높은 열 전도성 때문이다. 이는 부분적으로, 높은 열 전도율 및 용접 공정에서 레이저 에너지를 효과적으로 방열하는 구리의 능력 때문이다. 도 25에서 알 수 있는 바와 같이, 주어진 속도에서 재료 두께가 2배 증가함에 따라서 침투 깊이는 4배 이상 감소될 수 있다. 상부 케이스의 침투 깊이는 속도가 훨씬 느리고 레이저 에너지를 방열하는 구리의 능력을 포화시키기 때문에 다른 두 경우만큼 극적으로 감소하지 않는다. 따라서 전도 모드 공정을 사용하여 구리의 용접 공정을 설계할 때, 용접될 부품의 유한 두께가 고려되어야 한다.During evaluation of the copper 110 series samples of Example 8A, a dependence on the penetration depth of the weld as a function of sample thickness was observed. 25 shows how penetration depth can decrease with increasing copper sample thickness. This dependence is due to the greater thermal mass of the part and the high thermal conductivity of copper to dissipate heat quickly from the weld bead. This is due, in part, to copper's high thermal conductivity and ability to effectively dissipate laser energy in the welding process. As can be seen in FIG. 25 , the depth of penetration can be reduced by a factor of 4 or more as the material thickness increases by a factor of 2 at a given rate. The penetration depth of the upper case does not decrease as dramatically as in the other two cases, as it is much slower and saturates the copper's ability to dissipate laser energy. Therefore, when designing the welding process of copper using the conduction mode process, the finite thickness of the part to be welded must be considered.

예 8DYes 8D

예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 알루미늄 1100 시리즈 샘플이 용접되고 평가된다. 알루미늄 1100 시리즈 샘플이 준비되고 예 8A의 구리 부품과 동일한 용접 고정구에 장착되었다. 용접 공정은 로봇 속도만 변경되는 것을 제외하면, 예 8A의 구리 용접 공정와 유사하다. 도 26에 도시된 용접 속도는 그 두께 부분의 이면에서 완전 관통 비드가 관찰되는 경우이다. 용접 공정 중에서 관찰된 용융 퍼들에서 스패터가 관찰되지 않았다.Using the laser, process and setup of Examples 8 and 8A, aluminum 1100 series samples were welded and evaluated. An aluminum 1100 series sample was prepared and mounted on the same welding fixture as the copper part of Example 8A. The welding process is similar to the copper welding process of Example 8A, except that only the robot speed is changed. The welding speed shown in Fig. 26 is a case where a completely penetrating bead is observed on the back side of the thickness portion. No spatter was observed in the melt puddle observed during the welding process.

예 8EExample 8E

예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 용접 고정구에 나란히 배치된 두 개의 알루미늄 1100 샘플에 대해 맞대기 용접 및 용접 테스트가 수행되었다. 샘플은 전단기로 준비되며 두 에지는 용접이 수행되기 전에 특별한 준비가 없었다. 샘플은 용접 전에 아세톤으로 닦아낸다. 용접 공정은 용접 속도를 제외하면 예 8A에서 구리 부품에 대해 설명한 것과 동일하다. 나타낸 최종 용접 속도는 용접될 샘플의 전체 길이에 걸쳐 완전 침투 비드가 얻어지는 속도이다. 이 데이터의 요약은 도 27에 도시된다.Butt welds and weld tests were performed on two aluminum 1100 samples placed side-by-side in a welding fixture using the laser, process, and setup of Examples 8 and 8A. The sample was prepared with a shearing machine and the two edges had no special preparation before welding was performed. Samples are wiped with acetone before welding. The welding process is the same as described for the copper part in Example 8A except for the welding speed. The final weld rates shown are the rates at which fully penetrating beads are obtained over the entire length of the sample to be welded. A summary of this data is shown in FIG. 27 .

예 8FExample 8F

예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 304 개의 스테인리스 스틸 샘플에 대해 BOP 용접 및 용접 테스트가 수행되었다. 샘플을 고정구에 맞는 10 mm x 45 mm 크기로 자르고 아세톤으로 닦고 테스트 샘플에서 완전 침투 용접이 얻어질 때까지 로봇 속도가 조정되었다. 또한, 용접된 샘플에서는 스패터나 다공성이 관찰되지 않았다. 이러한 테스트의 결과가 도 28에 도시된다.BOP welding and welding tests were performed on 304 stainless steel samples using the laser, process and setup of Examples 8 and 8A. The sample was cut to a size of 10 mm x 45 mm to fit the fixture, wiped with acetone, and the robot speed was adjusted until a full penetration weld was obtained on the test sample. In addition, no spatter or porosity was observed in the welded samples. The results of these tests are shown in FIG. 28 .

예 8GYes 8G

실시예 8의 600 와트 시스템 및 공정의 용접 및 평가가 수행되었다. 100 mm 초점 거리 렌즈를 사용하여 빔을 200 μm 스폿 크기로 초점을 맞추면 평균 강도가 약 2.1 MW/cm2이고 피크 강도가 4.5MW/cm2에 도달한다. 일련의 용접이 이루어지고 다양한 속도에서 이러한 레이저의 침투 능력을 추가로 평가하고 설명하기 위해서 이러한 더 높은 출력 수준과 더 짧은 초점 거리 렌즈(100 mm)로 테스트가 수행되었다. 이들 테스트에서 평균 강도는 2.1MW/cm2이며 출력 밀도는 구리를 기화시키고 키홀을 만드는데 필요한 요구 사항 내에 있다. 부품이 20도 기울어져 유효 출력 밀도가 1.4MW/cm2로 감소한다. 이는 구리, 알루미늄 및 스테인리스 스틸에서 키홀 용접 모드를 개시하는데 충분한 강도이다.Welding and evaluation of the 600 watt system and process of Example 8 was performed. 100 mm focal length lens the beam using focusing a 200 μm spot size, with an average intensity of about 2.1 MW / cm 2, and is the peak intensity reached 4.5MW / cm 2. A series of welds were made and tests were performed with these higher power levels and shorter focal length lenses (100 mm) to further evaluate and demonstrate the penetrating ability of these lasers at various speeds. The average strength in these tests is 2.1 MW/cm 2 and the power density is within the requirements for vaporizing copper and making keyholes. The component is tilted 20 degrees, reducing the effective power density to 1.4 MW/cm 2 . This is sufficient strength to initiate keyhole welding modes in copper, aluminum and stainless steel.

구리에서 키홀 공정의 제 1 표시는 용접 공정 중 스패터의 상당한 증가이다. 이러한 스패터는 용접 퍼들을 모니터링하면서 축상 카메라(on-axis camera)로 관찰된다. 용접 샘플은 단면화, 연마 및 에칭되어 키홀 용접의 전형적인 미세 구조 동결 패턴을 나타낸다. 단면은 또한, 빔이 부품을 완전히 관통하지 못한 상당한 양 또는 다공도를 나타낸다. 그러나 빔이 완전 침투된 단면은 공칭 다공도를 보였다.The first indication of the keyhole process in copper is a significant increase in spatter during the welding process. These spatters are observed with an on-axis camera while monitoring the weld puddle. Weld samples were sectioned, polished, and etched to reveal a microstructural freezing pattern typical of keyhole welding. The cross-section also exhibits a significant amount or porosity that the beam does not completely penetrate the part. However, the cross-section with full penetration of the beam showed nominal porosity.

예 8HYes 8H

예 8 및 예 8G의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 500 μm 두께의 구리 110 플레이트에서 키홀 모드 용접의 종단면면화가 수행되어 도 29의 사진에 나타낸바와 같이 용접의 전체 길이를 따라 다공도를 결정한다. 도의 우측에 있는 용접부의 맨앞 1 cm는 상당한 양의 다공성도와 샘플을 통한 침투 부족을 나타낸다. 용접하는 동안 부품에 열이 축적됨에 따라 키홀 공정이 구리 플레이트를 완전히 관통한다. 이러한 결과는 키홀 공정이 안정화되면 공칭 스패터 및 다공도를 갖는 용접을 생성할 수 있음을 나타낸다.Using the laser, process and setup of Example 8 and Example 8G, longitudinal cross-sectioning of keyhole mode welds on a 500 μm thick copper 110 plate was performed to determine the porosity along the entire length of the weld, as shown in the photograph of FIG. . The leading 1 cm of the weld on the right side of the figure indicates a significant amount of porosity and lack of penetration through the sample. As heat builds up in the part during welding, the keyhole process completely penetrates the copper plate. These results indicate that when the keyhole process is stabilized, welds with nominal spatter and porosity can be produced.

예 8IExample 8I

예 8 및 예 8G의 레이저, 공정 및 설정을 사용하고 예 8H의 결과에 기초하여, 부품을 이동하기 전에 먼저 키홀이 안정화되게 하는 용접 및 테스트가 수행된다. 용접 공정은 레이저 빔이 부품에 짧은 시간 동안 머물도록 함으로써 수정된 다음, 로봇이 가속되어 부품을 통해 키홀을 드래깅(dragging)한다. 체류 시간을 0.6초로부터 1.5초로 변경한 일련의 테스트 후에 0.6초 체류 시간으로 원하는 결과를 얻었다. 도 30은 샘플에 0.6초 체류한 후 샘플을 1.1 m/min의 속도로 병진 운동시키면서 수행된 구리(110)의 비드 온 플레이트 용접에 대한 단면 사진이다. 이러한 속도로 일련의 용접이 수행되어 공정이 안정적이고 양호하게 제어되는 지를 확인한다. 모든 샘플은 유사한 결과, 매우 낮은 다공도 및 매우 안정적인 키홀 용접을 나타낸다.Using the laser, process and setup of Examples 8 and 8G and based on the results of Example 8H, welding and testing were performed to first allow the keyhole to stabilize before moving the part. The welding process is modified by allowing a laser beam to stay on the part for a short time, then the robot is accelerated to drag a keyhole through the part. After a series of tests in which the dwell time was changed from 0.6 seconds to 1.5 seconds, the desired results were obtained with a dwell time of 0.6 seconds. 30 is a cross-sectional photograph of the bead-on-plate welding of copper 110 performed while the sample is translated at a speed of 1.1 m/min after dwelling in the sample for 0.6 seconds. A series of welds are performed at this rate to ensure that the process is stable and well controlled. All samples show similar results, very low porosity and very stable keyhole welds.

예 8JYes 8J

예 8 및 예 8G의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 다양한 구리(110) 재료 두께 범위에서 용접이 이루어지고 평가된다. 각각의 샘플의 완전 침투에 대해 달성된 최대 용접 속도의 그래프가 도 31에 도시된다. 키홀 모드 용접, 병진운동 모드 용접 및 전도 모드 용접은 모두 이들 용접 속도에서 관찰된다. 그 결과 500 와트, 400 μm 시스템에 비해 용접 속도와 침투 깊이가 크게 증가했다.Using the laser, process and setup of Examples 8 and 8G, welds were made and evaluated at various copper 110 material thickness ranges. A graph of the maximum welding speed achieved for full penetration of each sample is shown in FIG. 31 . Keyhole mode welding, translational mode welding, and conduction mode welding are all observed at these welding rates. The result is a significant increase in welding speed and penetration depth compared to the 500 watt, 400 μm system.

예 8KYes 8K

예 8 및 예 8G의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 스테인리스 스틸 샘플이 용접되고 평가된다. 결과는 1.2 m/min의 속도로 4 개의 304 스테인리스 스틸 시트를 중첩 용접한 것이다. 도 32에 도시된 단면도는 키홀 용접된 샘플의 고전적인 프로파일을 보여준다. 키홀 바닥의 다공도는 스택의 제 3 시트와 제 4 시트 사이의 간격으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 다공도는 이러한 용접 공정의 최적화에 의해 제거될 수 있다.Using the laser, process and setup of Examples 8 and 8G, stainless steel samples were welded and evaluated. The result is an overlap welding of four 304 stainless steel sheets at a speed of 1.2 m/min. The cross-sectional view shown in FIG. 32 shows the classical profile of a keyhole welded sample. The porosity of the bottom of the keyhole may occur due to the spacing between the 3rd and 4th sheets of the stack. This porosity can be eliminated by optimization of this welding process.

예 9Example 9

예 8 및 예 8A의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여, 무산소 구리 호일 스택에 대해 일련의 테스트가 수행되어 단일 패스에서 얼마나 많은 호일 시트를 겹침 용접할 수 있는 지를 결정한다. 실험 설정은 예 8과 동일하지만, 이제 고정구가 변경되고 부품 중앙 아래 틈에 작은 스틸 인서트가 사용된다. 호일이 제자리에 클램프 고정되고 빔 법선에 대해 20도 각도로 기울어진 샘플이 Ar-CO2 커버 가스와 함께 빔을 통과한다. 이들 테스트의 결과는 스택에서 최대 40개의 호일에 대해 도 33에 요약된다. 두 가지 상이한 렌즈 구성이 사용되어 광범위한 호일 두께와 스택에서 매우 양호한 결과를 얻을 수 있다.Using the laser, process, and setup of Examples 8 and 8A, a series of tests were performed on an oxygen-free copper foil stack to determine how many sheets of foil can be lap-welded in a single pass. The experimental setup is the same as Example 8, but now the fixture is changed and a small steel insert is used in the gap below the center of the part. The foil is clamped in place and the sample tilted at an angle of 20 degrees to the beam normal is passed through the beam with Ar-CO 2 cover gas. The results of these tests are summarized in FIG. 33 for up to 40 foils in a stack. Two different lens configurations can be used to achieve very good results over a wide range of foil thicknesses and stacks.

도 34는 상부 표면에 다공성 및 스패터가 없는 40 구리 호일들의 성공적인 용접의 예의 사진이다. 이러한 호일 스택은 400 μm 스폿 크기에 대응하는 200 mm FL 렌즈로 500 와트에서 용접되었다. 용접 속도는 0.5 m/min이었다. 시트의 클램핑 방식은 용접 품질에 영향을 미칠 수 있으며, 시트의 우수하고 일관된 클램핑은 일관되게 고 품질 용접을 제공한다.34 is a photograph of an example of successful welding of 40 copper foils free of porosity and spatter on the top surface. This foil stack was welded at 500 watts with a 200 mm FL lens corresponding to a 400 μm spot size. The welding speed was 0.5 m/min. The way the seat is clamped can affect the weld quality, and good and consistent clamping of the seat provides consistently high quality welds.

제목 및 실시예Title and Examples

본 명세서에서 제목의 사용은 명확성을 위한 것이며 어떤 식으로든 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 따라서, 제목 아래에 설명된 공정 및 개시 내용은 다양한 예를 포함한, 본 명세서 전체의 맥락에서 읽어야 한다. 본 명세서에서 제목의 사용은 본 발명이 제공하는 보호 범주를 제한해서는 안 된다.It is to be understood that the use of headings herein is for the sake of clarity and is not intended to be limiting in any way. Accordingly, the processes and disclosures described below the headings are to be read in the context of the entire specification, including various examples. The use of headings herein should not limit the scope of protection provided by the present invention.

본 발명의 실시예의 요지이거나 그와 관련된 신규하고 획기적인 공정, 재료, 성능 또는 기타 유익한 특징 및 특성의 근간이 되는 이론을 제공하거나 다룰 필요가 없음을 주목한다. 그럼에도 불구하고, 본 분야의 기술을 더욱 발전시키기 위해서 다양한 이론이 본 명세서에 제공된다. 이러한 명세서에 제시된 이론은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 청구된 발명에 부여되는 보호 범주를 한정하거나 제한하거나 좁히지 않는다. 이들 이론의 많은 것이 본 발명을 활용하기 위해서 요구되거나 실행되지 않는다. 또한, 본 발명은 본 발명의 방법, 물품, 재료, 장치 및 시스템의 구현예의 기능-특징을 설명하기 위해서 새롭고 지금까지 알려지지 않은 이론으로 이어질 수 있음을 이해해야 하며; 그 이후에 발전된 이론은 본 발명에 제공된 보호 범주를 한정하지 않는다.It is noted that there is no need to provide or cover the theory underlying the subject matter of, or any novel and innovative processes, materials, performance, or other beneficial features and properties related thereto of the embodiments of the present invention. Nevertheless, various theories are provided herein to further advance the art in this field. The theory presented in this specification does not limit, limit or narrow the scope of protection accorded to the claimed invention, unless expressly stated otherwise. Many of these theories are not required or practiced in order to utilize the present invention. It is also to be understood that the present invention may lead to new and hitherto unknown theories for describing the function-features of embodiments of the methods, articles, materials, devices and systems of the present invention; Theories developed thereafter do not limit the scope of protection provided for the present invention.

본 명세서에 기재된 시스템, 장비, 기술, 방법, 활동 및 작동의 다양한 실시예는 본 명세서에 기재된 것 이외에 다양한 다른 활동 및 다른 분야에서 사용될 수 있다. 무엇보다도, 본 발명의 실시예는 특허 출원 공개 번호 WO 2014/179345, US 2016/0067780, US 2016/0067827, US 2016/0322777, US 2017/0343729, 2017/0341180, 및 US 2017/0341144 호의 방법, 장치 및 시스템과 함께 사용될 수 있으며, 이들 각각의 전체 개시내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 또한, 이들 실시예는 예를 들어, 미래에 개발될 수 있는 다른 장비 또는 활동과 함께, 그리고 본 명세서의 교시에 기초하여 부분적으로 수정될 수 있는 기존 장비 또는 활동과 함께 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 상이하고 다양한 조합으로 서로 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서의 다양한 실시예에서 제공되는 구성은 서로 사용될 수 있다. 예를 들어, A, A' 및 B를 갖는 실시예의 구성요소와 A'', C 및 D를 갖는 실시예의 구성요소는 본 명세서의 교시에 따라서, 다양한 조합, 예를 들어, A, C, D 및 A 그리고 A'' C 및 D 등으로 서로 사용될 수 있다. 본 발명에 제공된 보호 범주는 특정 실시예, 예, 또는 특정 도면의 실시예에 기재된 특정 실시예, 구성 또는 배열로 제한되어서는 안 된다.The various embodiments of the systems, equipment, techniques, methods, activities, and operations described herein may be used in a variety of other activities and other fields than those described herein. Among other things, embodiments of the present invention describe the methods of Patent Application Publication Nos. WO 2014/179345, US 2016/0067780, US 2016/0067827, US 2016/0322777, US 2017/0343729, 2017/0341180, and US 2017/0341144, may be used with the apparatus and system, the entire disclosure of each of which is incorporated herein by reference. In addition, these embodiments may be used, for example, with other equipment or activities that may be developed in the future, and with existing equipment or activities that may be modified in part based on the teachings herein. In addition, the various embodiments described herein can be used with each other in different and various combinations. Thus, for example, the configurations provided in the various embodiments of the present specification may be used with each other. For example, an element of an embodiment having A, A' and B and an element of an embodiment having A'', C and D may be combined in various combinations, e.g., A, C, D, in accordance with the teachings herein. and A and A'' C and D, and the like. The scope of protection provided in the present invention should not be limited to the specific embodiments, configurations or arrangements described in specific embodiments, examples, or embodiments of specific drawings.

본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성으로부터 벗어남이 없이 본 명세서에 구체적으로 개시된 것과 다른 형태로 구현될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 면에서 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며 제한적인 것이 아니다.The present invention may be embodied in other forms than those specifically disclosed herein without departing from the spirit or essential characteristics thereof. The described embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive.

Claims (20)

복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법으로서,
a. 용접 스탠드에 복수의 구리 호일 조각을 위치시키는 단계로서, 호일이 적어도 약 50%의 구리를 함유하는, 단계;
b. 용접 스탠드에서 호일 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 구리 호일 조각에 클램핑력을 가하는 단계;
c. 복수의 구리 호일 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성:
ⅰ. 적어도 500 와트의 출력,
ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱,
ⅲ. 약 400 μm 이하의 스폿 크기,
ⅳ. 적어도 약 400 kW/cm2의 평균 강도,
ⅴ. 적어도 약 800 kW/cm2의 피크 강도를 가지는, 단계;
d. 용접 속도에서 복수의 구리 호일 조각을 함께 청색 레이저 빔 겹침 용접하는 단계: 및
e. 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며;
f. 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 겸침 용접을 제공하는;
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
A method of laser welding a plurality of copper foils together, comprising:
a. placing a plurality of pieces of copper foil on a welding stand, wherein the foil contains at least about 50% copper;
b. applying a clamping force to the plurality of pieces of copper foil to clamp the pieces of foil together at a welding stand;
c. Directing a blue laser beam along a laser beam path at a plurality of pieces of copper foil, the laser beam having the following characteristics:
i. power of at least 500 watts,
ii. Beam parameter product of about 44 mm mrad or less,
iii. spot size of about 400 μm or less,
iv. an average strength of at least about 400 kW/cm 2 ,
ⅴ. having a peak intensity of at least about 800 kW/cm 2 ;
d. lap welding a plurality of pieces of copper foil together at a welding speed; and
e. providing a non-oxidizing beam cleaning gas in a space that follows a laser beam path in which the laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of pieces of copper foil, wherein the cleaning gas removes plume material from the laser beam path and removes the plume material from the plurality of pieces of copper foil. preventing oxidation of the copper foil piece;
f. The welding speed, clamping force, and flow rate of the non-oxidizing cleaning gas are predetermined to provide a needle-needle weld without visible splatter and visible porosity;
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
빔은 CW 빔인,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
the beam is a CW beam,
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
빔은 펄스형 빔인,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
the beam is a pulsed beam,
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
빔은 약 450 nm의 파장을 가지는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
the beam has a wavelength of about 450 nm,
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
광학 요소는 렌즈, 섬유 면(face) 및 창(window)로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
the optical element is selected from the group consisting of a lens, a fiber face and a window;
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
세정 가스는 아르곤, 아르곤-CO2, 공기, 헬륨 및 질소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
the cleaning gas is selected from the group consisting of argon, argon-CO 2 , air, helium and nitrogen;
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
레이저 빔은 요동되지 않아서서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
The laser beam is not oscillated, thus providing a oscillation-free laser welding process.
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
복수의 구리 호일 조각은 10 내지 50 개의 호일 조각을 가지는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
the plurality of copper foil pieces having 10 to 50 foil pieces;
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
구리 호일 조각은 약 80 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
The copper foil piece has a thickness of about 80 μm to 500 μm,
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 8 항에 있어서,
복수의 구리 호일 조각 각각은 약 80 ㎛ 내지 500 ㎛의 두께를 가지는,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
9. The method of claim 8,
each of the plurality of pieces of copper foil having a thickness of about 80 μm to 500 μm;
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
제 1 항에 있어서,
용접 속도는 적어도 10 m/min인,
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
The method of claim 1,
the welding speed is at least 10 m/min,
A method of laser welding a plurality of copper foils together.
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법으로서,
a. 용접 스탠드에 복수의 금속 조각을 위치시키는 단계;
b. 용접 스탠드에서 금속 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 금속 조각에 클램핑력을 가하는 단계;
c. 복수의 금속 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성:
ⅰ. 적어도 500 와트의 출력,
ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱,
ⅲ. 약 400 μm 이하의 스폿 크기,
ⅳ. 적어도 약 400 kW/cm2의 평균 강도,
ⅴ. 적어도 약 800 kW/cm2의 피크 강도를 가지는, 단계;
d. 용접 속도에서 복수의 금속 조각을 함께 청색 레이저 빔 용접하는 단계: 및
e. 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며;
f. 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 용접을 제공하는;
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법.
A method of laser welding a plurality of metal pieces together, comprising:
a. positioning a plurality of metal pieces on a welding stand;
b. applying a clamping force to the plurality of metal pieces to clamp the metal pieces together at a welding stand;
c. Directing a blue laser beam along a laser beam path at a plurality of pieces of metal, the laser beam having the following characteristics:
i. power of at least 500 watts,
ii. Beam parameter product of about 44 mm mrad or less,
iii. spot size of about 400 μm or less,
iv. an average strength of at least about 400 kW/cm 2 ,
ⅴ. having a peak intensity of at least about 800 kW/cm 2 ;
d. blue laser beam welding a plurality of metal pieces together at a welding speed; and
e. providing a non-oxidizing beam cleaning gas in a space that follows a laser beam path in which the laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of pieces of copper foil, wherein the cleaning gas removes plume material from the laser beam path and removes the plume material from the plurality of pieces of copper foil. preventing oxidation of the copper foil piece;
f. The welding speed, clamping force and flow rate of the non-oxidizing cleaning gas are predetermined to provide a weld free of visible splatter and visible porosity;
A method of laser welding multiple pieces of metal together.
제 12 항에 있어서,
용접 스탠드는 금속 조각 아래에 에어 갭을 가지는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법.
13. The method of claim 12,
The welding stand has an air gap under the piece of metal;
A method of laser welding multiple pieces of metal together.
제 12 항에 있어서,
금속은 알루미늄, 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄계 금속, 스테인레스 스틸계 금속, 구리계 금속, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 합금 및 구리 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법.
13. The method of claim 12,
the metal is selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, copper, aluminum-based metals, stainless steel-based metals, copper-based metals, aluminum alloys, stainless steel alloys and copper alloys;
A method of laser welding multiple pieces of metal together.
제 14 항에 있어서,
레이저 빔의 파장은 약 450nm인,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법.
15. The method of claim 14,
The wavelength of the laser beam is about 450 nm,
A method of laser welding multiple pieces of metal together.
제 15 항에 있어서,
레이저 빔은 요동되지 않아서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법.
16. The method of claim 15,
The laser beam is not fluctuated, providing a fluctuating laser welding process.
A method of laser welding multiple pieces of metal together.
제 16 항에 있어서,
용접은 겹침 용접, 맞대기 용접, 비드 온 플레이트 용접(bead on plate weld) 및 전도 모드 용접으로 구성된 용접 그룹으로부터 선택되는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법.
17. The method of claim 16,
the welding is selected from the welding group consisting of lap welding, butt welding, bead on plate weld and conduction mode welding;
A method of laser welding multiple pieces of metal together.
제 12 항에 있어서,
레이저 빔은 요동되지 않아서 요동 없는 레이저 용접 공정을 제공하는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법.
13. The method of claim 12,
The laser beam is not fluctuated, providing a fluctuating laser welding process.
A method of laser welding multiple pieces of metal together.
제 12 항에 있어서,
용접은 겹침 용접, 맞대기 용접, 비드 온 플레이트 용접(bead on plate weld) 및 전도 모드 용접으로 구성된 용접 그룹으로부터 선택되는,
복수의 금속 조각을 함께 레이저 용접하는 방법.
13. The method of claim 12,
the welding is selected from the welding group consisting of lap welding, butt welding, bead on plate weld and conduction mode welding;
A method of laser welding multiple pieces of metal together.
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법으로서,
a. 용접 스탠드에 복수의 구리 호일 조각을 위치시키는 단계로서, 구리 호일이 적어도 약 50%의 구리를 함유하고, 구리 호일이 약 80 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는, 단계;
b. 용접 스탠드에서 호일 조각을 함께 클램핑하기 위해서 복수의 구리 호일 조각에 클램핑력을 가하는 단계;
c. 복수의 구리 호일 조각에서 레이저 빔 경로를 따라 청색 레이저 빔을 지향시키는 단계로서, 레이저 빔은 다음의 특성:
ⅰ. 적어도 600 와트의 출력,
ⅱ. 약 44 mm mrad 이하의 빔 매개변수 곱,
ⅲ. 약 200 μm 내지 약 400 μm의 스폿 크기,
ⅳ. 적어도 약 2.1 MW/cm2의 평균 강도,
ⅴ. 적어도 약 4.5 MW/cm2에 이르는 피크 강도를 가지는, 단계;
d. 적어도 10 m/min의 용접 속도에서 복수의 금속 조각을 함께 청색 레이저 빔 용접하는 단계: 및
e. 레이저 빔이 자유 공간에서 광학 요소로부터 복수의 구리 호일 조각으로 이동하는 레이저 빔 경로를 따르는 공간에서 비-산화성 빔 세정 가스를 제공하는 단계로서, 세정 가스가 레이저 빔 경로로부터 플룸 재료를 제거하고 복수의 구리 호일 조각의 산화를 방지하는 단계를 포함하며;
f. 용접 속도, 클램핑력 및 비-산화성 세정 가스의 유속은 미리 결정되어 가시적인 스플래터 및 가시적인 다공성이 없는 용접을 제공하는;
복수의 구리 호일을 함께 레이저 용접하는 방법.
A method of laser welding a plurality of copper foils together, comprising:
a. placing a plurality of pieces of copper foil on a welding stand, wherein the copper foil contains at least about 50% copper and the copper foil has a thickness of between about 80 μm and 500 μm;
b. applying a clamping force to the plurality of pieces of copper foil to clamp the pieces of foil together at a welding stand;
c. Directing a blue laser beam along a laser beam path at a plurality of pieces of copper foil, the laser beam having the following characteristics:
i. power of at least 600 watts,
ii. Beam parameter product of about 44 mm mrad or less,
iii. a spot size of about 200 μm to about 400 μm,
iv. an average strength of at least about 2.1 MW/cm 2 ,
ⅴ. having a peak intensity of at least about 4.5 MW/cm 2 ;
d. blue laser beam welding the plurality of metal pieces together at a welding speed of at least 10 m/min; and
e. providing a non-oxidizing beam cleaning gas in a space that follows a laser beam path in which the laser beam travels in free space from the optical element to the plurality of pieces of copper foil, wherein the cleaning gas removes plume material from the laser beam path and removes the plume material from the plurality of pieces of copper foil. preventing oxidation of the copper foil piece;
f. The welding speed, clamping force and flow rate of the non-oxidizing cleaning gas are predetermined to provide a weld free of visible splatter and visible porosity;
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