KR20220054424A - 적어도 2개의 구성요소들을 웰딩하기 위한 웰딩 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

적어도 2개의 구성요소들(7)을 웰딩하기 위한 웰딩 장치(1) 및 방법이 설명된다. 웰딩 장치(1)는 초음파 웰딩 장치(3) 및 레이저 웰딩 장치(5)를 포함하고, 초음파 웰딩 장치(3)의 도움으로 제1영역(21)에서의 초음파 웰딩에 의해 2개의 구성요소들(7)을 함께 웰딩하고, 초음파 웰딩 프로세스 중에, 레이저 웰딩 장치(5)의 도움으로 제2영역(23) 에서의 레이저 웰딩에 의해 2개의 구성요소들(7)을 함께 웰딩하도록 구성되고, 제2영역(23)은 제1영역(21)보다 작고, 제1영역(21)의 외주 내에 배치되고 및/또는 외주에 접하여 배치된다. 이러한 목적을 위해, 초음파 웰딩 장치(3)는 제1영역(21) 내에 관통 개구(19)를 갖는 초음파 소노토로드(9) 및/또는 앤빌(11)을 가질 수 있고, 레이저 웰딩 장치(5)는 레이저 빔(17)을 관통 개구(19)를 통해 2개의 구성요소들(7) 상의 제2영역(23) 상으로 향하게 하여 레이저 웰딩에 의해 2개의 구성요소들(7)을 함께 추가로 웰딩하도록 구성될 수 있다.

Description

적어도 2개의 구성요소들을 웰딩하기 위한 웰딩 장치 및 방법

본 발명은 적어도 2개의 구성요소들을 웰딩하기 위한 웰딩(welding) 장치 및 웰딩 방법에 관한 것이다.

다양한 기술적 목적들을 위해, 2개의 구성 요소들을 함께 견고하게(firmly) 연결하는 것이 필요할 수도 있다. 예를 들어, 배터리 셀들의 생산과 관련하여, 일반적으로(typically) 복수의 금속 박막들은 우수한 전기 전도 및 기계적 신뢰성을 갖도록 서로 및/또는 금속 시트들에 연결되어야 한다.

2개의 구성요소들 사이에 견고하고 기계적으로 부하가 높은 커플링(coupling)을 형성하기 위해, 예를 들어, 2개의 구성요소들은 일체로(integrally) 함께 접합(bonded)될 수 있다. 예를 들어, 2개의 구성요소들을 함께 웰딩하여 일체로 접합된 연결(connection)이 생성될 수 있다.

동일한 재료들 또는 다른 재료들로 만들어진 구성요소들을 함께 웰딩하는 데 사용될 수 있는 다른 기술들이 알려져 있다. 각각의 이러한 기술들은 특정 경계 조건들을 필요로 할 수 있고/또는 특정 장점들과 단점들을 가져올 수 있다.

예를 들어, 구성요소들은 소위 마찰 웰딩에 의해 함께 연결될 수 있는 것으로 알려져 있다. 마찰 웰딩에서, 조이닝(joining) 파트너들 역할을 하는 구성요소들은 2개의 구성요소들 사이의 경계면에서 서로 마찰된다(rubbed). 마찰 중에 가해지는 압력 및/또는 마찰 중에 2개의 구성요소들이 서로에 대해 상대적으로 변위되는 정도 또는 속도와 같은 경계 조건에 따라 구성요소들 사이에 일체로 접합된 연결이 발생한다.

소위 초음파 웰딩은 마찰 웰딩의 특별한 표현으로 알려져 있다. 그 안에서, 웰딩 제품이라고도 하는 웰딩될 구성요소들은 표면이 있는 조이닝 파트너들로서 서로 맞닿게 되며 약간의 압력과 고주파 기계적 진동으로 서로에 대해 이동된다. 진동은 소노트로드(sonotrode)의 도움으로 여기에서 생성될 수 있고, 상기 소노트로드에서 초음파 진동들이 일반적으로 20kHz 내지 50kHz의 주파수로 생성되고 조이닝 파트너들 중 적어도 하나에 전달된다. 초음파 웰딩은 금속성의 조이닝 파트너들을 웰딩하고 다른 재료, 특히 플라스틱의 조이닝 파트너들을 웰딩하는데 모두 활용(utilized)될 수 있다. 금속들의 초음파 웰딩에서 진동들은 일반적으로 조이닝 파트너들에게 수평으로, 즉 함께 웰딩될 표면들에 평행하게 공급되어, 조이닝 파트너들이 서로 마찰하게 한다. 연결은 예를 들어 거칠기 피크가 꺾이고/꺾이거나 대체로 표면에 가까운 조이닝 파트너들의 인터메싱(intermeshing) 및/또는 인터로킹(interlocking)에 의한 산화물 층의 파괴 후에 발생한다. 이것은 일반적으로 재료가 반드시 녹지 않고 소성 흐름에 의해 발생한다. 이것은 특히 웰딩 필름, 얇은 판금 및/또는 와이어에 유리할 수 있다. 점형(punctiform) 웰딩 외에도 심(seam) 웰딩은 롤링 소노트로드들과도 가능하다. 초음파 웰딩은 또한 종종 매우 짧은 웰딩 시간과 높은 수준의 효율성을 특징으로 한다. 다른 재료들이 서로 결합(combined)될 수 있다. 웰딩할 구성요소들은 일반적으로 주위 재료가 대부분 손상되지 않도록 웰딩 영역에서만 약간 가열된다.

때때로 레이저 빔 웰딩이라고도 불리는 레이저 웰딩은 또 다른 웰딩 기술로 알려져 있다. 레이저 웰딩은 대개(usually) 마찰 웰딩과 유사하게 추가 재료를 공급하지 않고 수행된다. 레이저에서 방출된 레이저 방사선은 광학 시스템을 통해 집중된다. 인접 엣지(edge) 상의 공작물(workpiece) 표면, 즉 웰딩될 구성요소들의 조이닝 페이스(face)는 광학 시스템의 초점의 직접적인 부근, 즉 초점에 위치한다. 대부분의 경우 구성요소 표면에 대한 초점 위치, 즉 위 또는 아래는 중요한 웰딩 매개변수이며 웰딩 침투 깊이도 결정한다. 초점은 일반적으로 수십 밀리미터의 직경을 가지며 결과적으로, 사용된 레이저가 레이저 전력의 수 킬로와트의 일반적인 출력 수준을 가질 경우 매우 높은 에너지 집중이 발생한다. 레이저 전력의 흡수로 인해, 예를 들어 구성요소들에 사용되는 금속의 용융 온도 이상으로 온도가 매우 급격하게 상승하여 구성요소 표면에서 용융물이 형성한다. 높은 냉각 속도로 인해 만들어진(created) 웰딩 이음매는 재료에 따라 매우 단단해지고 일반적으로 인성(toughness)을 잃는다.

알려진 웰딩 방법의 다양한 조합들(combinations)이 다양한 용도들로 개발되었다.

예를 들어, 레이저 웰딩과 같은 또다른 웰딩 방법으로 만들어지는 웰딩들에 의해, 예를 들어 초음파 웰딩과 같이 첫 번째 웰딩 방법으로 생성된 웰딩들을 국소적으로, 후속적으로 또는 이전에 개선할 것이 제안되었다. 이러한 방식으로, 각각의 이들 개별 웰딩 방법으로 달성될 수 있는 이점들이 적어도 부분적으로 조합될 수 있다.

게다가, 알려진 웰딩 방법들의 다른 수정들이 다른 용도들을 위해 개발되었다.

예를 들어, CN 107570872 A에는 초음파 진동에 의해 어시스트 되는(assisted) 레이저 웰딩 방법이 서술되어 있다(described). 유사한 방법들이 CN 108381039 A 및 CN 108326429 A에 서술되어 있다.

기존의(conventional) 웰딩 기술들의 특성들(properties)이 유리한 방식으로 조합될 수 있는 2개의 구성요소들을 웰딩하기 위한 웰딩 장치 및 웰딩 방법에 대한 필요성이 존재할 수 있다. 특히, 장비 및/또는 지출과 관련하여 상대적으로 적은 노력으로 유리한 전기적 특성들을 갖는 2개의 구성요소들의 연결을 먼저 가능하게 하는 웰딩들의 달성을 가능하게 하는 웰딩 장치 및 웰딩 방법에 대한 필요성이 존재할 수 있고, 특히, 낮은 전기적 저항 값과 두 번째로 두 구성요소들의 신뢰할 수 있는 기계적 커플링을 가능하게 한다. 특히, 얇은 금속 필름들을 함께 웰딩하기에 유리하게 적합하고 및/또 금속 시트에 웰딩하기에 유리하게 적합하며, 따라서 예를 들어 배터리 셀들의 생산의 맥락에서 유리하게 사용될 수 있는, 웰딩 장치 및 웰딩 방법에 대한 필요성이 발생할 수 있다.

이러한 필요성들은 독립항들 중 하나의 주제로 충족될 수 있다. 본 발명의 유리한 실시예들은 종속항들 및 하기 서술에 정의되어 있다.

본 발명의 제1 양태(aspect)에 따르면, 초음파 웰딩 장치 및 레이저 웰딩 장치를 갖는 웰딩 장치가 개시된다. 상기 웰딩 장치는 상기 초음파 웰딩 장치의 도움으로 제1영역에서의 초음파 웰딩에 의해 적어도 2개의 구성요소들을 함께 웰딩하고, 상기 초음파 웰딩 프로세스중에, 상기 레이저 웰딩 장치의 도움으로 제2영역 에서의 레이저 웰딩에 의해 상기 2개의 구성요소들을 함께 웰딩하도록 구성되고, 상기 제2영역은 상기 제1영역보다 작고, 적어도 부분적으로 상기 제1영역의 외주(outer periphery) 내에 놓여 있고, 그리고/또는 상기 제1영역의 상기 외주에 접한다.

상기 제1 측면에 따른 본 발명의 특정 실시예로서 선택적으로도 구성될 수 있는 본 발명의 제2 양태에 따르면, 초음파 웰딩 장치 및 레이저 웰딩 장치를 갖는 웰딩 장치가 제안된다. 초음파 웰딩 장치는 초음파 소노트로드와 앤빌(anvil)을 갖는다. 상기 초음파 소노트로드와 상기 앤빌은 서로 반대 방향으로 배치되고 서로에 대해 이격되고, 상기 초음파 소노트로드와 상기 앤빌 사이의 작동 볼륨을 에워싸고(enclose), 상기 작동 볼륨에는 웰딩될 적어도 2개의 구성요소들이 초음파 웰딩 프로레스 중에 배치될 것이다. 상기 레이저 웰딩 장치는 레이버 빔을 방출하기 위한 레이저를 갖는다. 상기 초음파 소노트로드 및/또는 상기 앤빌은 제1영역에 접하고, 및/또는 제1영역내에 관통 개구(19)를 갖는다. 상기 초음파 소노트로드 및 상기 앤빌은 상기 초음파 웰딩 프로세스중, 접촉 표면들에서의 반대 측들로부터 상기 2개의 구성요소들과 상기 제1영역에서 접촉하고, 초음파 웰딩에 의해 상기 2개의 구성요소들을 함께 웰딩하도록 구성된다. 상기 레이저 웰딩 장치는 상기 레이저 빔(을 상기 관통 개구를 통해 상기 2개의 구성요소들 상의 제2영역( 상으로 향하게 하여 레이저 웰딩에 의해 상기 2개의 구성요소들을 함께 추가로 웰딩하도록 구성된다.

본 발명의 제3양태에 따르면, 적어도 2개의 구성요소들을 웰딩하기 위한 방법이 개시되고, 상기 두개의 구성요소들은 초음파 웰딩에 의해 제1영역에서 함께 웰딩되고 상기 초음파 웰딩 프로세스중에, 상기 2개의 구성요소들은 레이저 웰딩에 의해 상기 제1영역보다 작고 상기 제1영역의 외주 내에 배치되는 제2영역에서 함께 웰딩된다.

어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서, 본 발명의 실시예들에 대한 아이디어들 및 가능한 특징들은, 그 중에서도 아래에서 서술되는 개념들 및 발견들에 기초하는 것으로 간주될 수 있다. 본 발명의 실시예들의 가능한 특징들 및 이점들은 주로 배터리 셀들의 생산을 위한 적용과 관련하여 서술되어 있다. 그러나, 이에 의해 본 발명의 실시예들이 다른 목적들로도 사용될 수 있다는 것이 배제되어서는 안 된다.

배터리 셀들의 제조에서, 복수의 금속 박막들은 정기적으로 함께 연결되거나 및/또는 기판 역할을 하는 금속 시트에 연결되어야 한다. 금속 필름들은 여기에서 배터리 셀 내의 전극들로 연결되며 일반적으로 5㎛와 30㎛ 사이의 매우 얇은 두께를 갖는다. 대개 금속 필름들은 알루미늄으로 이루어지며 표면에 얇은 알루미늄 산화물 층을 갖는다. 금속 시트는 외부에서 접촉 가능하고/가능하거나 이와 연결될 수 있는 배터리 셀의 전기적 접촉의 일부일 수 있다. 일반적으로, 금속 시트는 금속 필름들보다 실질적으로 더 두껍고 수 100㎛, 예를 들어 300㎛와 2mm 사이의 두께를 갖는다. 더 낮은 직렬 저항을 달성하기 위해 금속 시트는 종종 구리 또는 구리 함유 합금으로 이루어진다.

통상적으로(conventionally), 금속 필름들은 종종 레이저 웰딩에 의해 함께 및/또는 금속 시트에 연결된다. 그 안에서, 고출력 레이저 빔이 금속 필름들 및/또는 금속 시트 상으로 향하게 되어 거기에 위치한 금속이 잠시 녹을 수 있고 후속 응고 시에 구성요소들 사이에 견고한 인터로킹 연결이 형성된다. 금속의 짧은 용융을 통해 높은 연결 강도를 얻을 수 있다. 게다가, 레이저 웰딩 부위(site) 관통 접촉이 가능하다. 그러나, 레이저 웰딩 중에, 금속 필름들이 또한 서로 매우 작은 간격으로 이격 되어 있는지 확인되어야 하며, 그렇지 않으면 레이저 빔이 원하는 대로 금속 필름들을 함께 웰딩하지 않고 오히려 금속 필름들의 일부를 통과하는 위험이 존재하기 때문이다. 또한 레이저 웰딩 중에 용융된 금속은 후속 응고 후에 주위 금속보다 더 단단하다는 것이 관찰되었다. 이에 의해 또는 이와 연관된 취성으로 인해 레이저 웰딩 부위와 접하는 영역들에서 파손들, 균열들 또는 유사한 것 등이 발생할 수 있으며, 이에 따라 2개의 구성요소들 사이에 전기적 및/또는 기계적 연결의 실패가 발생할 수 있다.

레이저 웰딩 기술들의 사용에 대한 대안으로, 금속 필름들 및/또는 금속 시트는 초음파 웰딩을 통해 함께 연결할 수 있다. 초음파 웰딩을 통해, 넓은 영역의 연결 구역들(zones)과 전기적 특성들에 있어서 매우 높은 품질이 달성될 수 있어 웰딩부위를 통한 큰 전류전달이 가능하다. 그러나 초음파 웰딩으로 달성될 수 있는 기계적 연결 강도는 대개 레이저 웰딩에 비해 낮다.

첫째로, 레이저 웰딩에 의해 그리고 둘째로, 초음파 웰딩에 의해 달성할 수 있는 이점들이 조합될 수 있고/있거나 각 웰딩 기술과 연관된 단점들이 초음파 웰딩에 의해 초기에 만들어진 넓은 영역의 웰딩 부위에서 감소될 수 있다는 점은 이미 인정되었고, 레이저 웰딩에 의해 하나 이상의 더 작은 영역 지점들에서 후속적으로 강화될 수 있다.

레이저 웰딩 및 초음파 웰딩의 두 가지 웰딩 기술들이 순차적으로 수행되지 않고 오히려 실질적으로 동시에 및/또는 일시적으로(temporally) 오버래핑(overlapping)되게 수행된다면 서로 더 유리하게 조합될 수 있다는 것이 본 발명에 대해 발견되었다.

이와 같은 초음파 및 레이저 웰딩을 동시에 가능하게 하기 위해, 본 발명에 따른 웰딩 장치에 사용되는 초음파 웰딩 장치는 초음파 웰딩을 통해, 웰딩될 2개의 구성요소들을 제1영역 내, 즉 2개의 인접한 구성요소들 사이의 경계 영역상의 제1 표면 영역 내에서 연결하도록 구성될 수 있다. 이 목적을 위해, 초음파 웰딩 장치의 초음파 소노트로드 및 앤빌은 초음파 소노트로드와 앤빌 사이의 작동 볼륨에 수용되는(accommodated) 2개의 구성요소들을 초음파 웰딩 프로세스 중에, 서로를 제1영역의 지역에서 적어도 가볍게 누르고, 그들을 자극시켜 서로에 대해 상대적인 진동들을 발생시키도록 구성될 수 있다. 진동들은 바람직하게는 상호 인접하는 구성요소들 사이의 경계 영역에 평행한 평면 및/또는 소노트로드가 인접하는 구성요소의 표면에 평행한 평면에서 자극될 수 있다.

초음파 소노트로드는 초음파 소노트로드의 외부 치수들, 이것의 진동 유도 구성요소들 및 다른 기능적인 및/또는 기능 관련 특성들과 관련하여 기존의 초음파 소노트로들과 동일하거나 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 앤빌 또한 앤빌의 외부 치수 및 다른 구조적 및/또는 기능적 특성들과 관련하여 기존의 앤빌들과 동일하거나 유사한 방식으로 구성될 수 있다.

그러나, 여기에 서술된 웰딩 장치에 사용된 초음파 웰딩 장치는 바람직하게는 적어도 관통 개구가 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌에 제공된다는 점에서 기존의 초음파 웰딩 장치와 달라야 한다. 다르게 표현하면, 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌은 불연속적인 고체 구성요소일 수 있지만, 예를 들어 중간에 관통 구멍이 있을 수 있다.

관통 개구는 소노트로드가 웰딩될 구성요소들에 대해 놓이는 영역보다 상당히 작은 단면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 관통 개구는 10 mm² 미만, 바람직하게는 2 mm² 미만, 그러나 0.1 mm² 초과의 단면적을 가질 수 있다. 관통 개구의 단면은 원형 또는 직사각형일 수 있거나 임의의 다른 기하학적 구조를 가질 수 있다. 특히, 관통 개구는 원통형일 수 있다.

여기에서 관통 개구는 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌을 통해 확장한다. 관통 개구는 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌의 제1 표면과 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌의 반대방향으로 배치된 제2 표면 사이에 선형 통로를 형성한다.

관통 개구는 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌이 작동 볼륨에 수용되는 웰딩될 구성요소에 접하는 표면에 횡방향으로(transversely) 연장한다. 여기에서 관통 개구는 초음파 웰딩 장치에 의해 웰딩될 제1영역의 외주 내에서 개방한다. 따라서 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌에 의해 접촉되는 웰딩될 구성요소들 중 하나의 접촉 표면은 연속적인 영역이 아니지만, 관통 개구와 접하는 부분적인 영역을 가지며, 이 부분적인 영역에서 소노트로드 및/또는 앤빌은 관련된 구성요소의 표면에 접촉하지 않는다. 다르게 표현하면, 접촉 표면은 환형일 수 있다, 즉, 접촉 표면은 주변으로 에워싸인 표면을 덮을 수 있고 그 안에 소노트로드에 의해 접촉되지 않은 부분적인 영역을 둘러쌀 수 있다(surround). 접촉 표면의 외부 윤곽 및/또는 관통 개구의 단면은 임의의 원하는 기하학적 형상, 즉 예를 들어 원형, 각진, 특히 정사각형 또는 직사각형을 가질 수 있다.

따라서 여기에 서술된 웰딩 장치의 레이저 웰딩 장치는 이것의 레이저에 의해 방출된 레이저 빔을 서술된 관통 개구를 통해 웰딩될 2개의 구성요소들 상의 제2영역 상으로 향하게 하도록 구성될 수 있다. 특히, 레이저 웰딩은 소위 레이저 스폿(spot) 웰딩을 이용하여 행해질 수 있다(performed). 제2영역은 소노트로드 및/또는 앤빌에 의해 직접적으로 접촉되지 않은 부분적인 영역 내에, 즉 소노트로드에 의해 접촉되는 접촉 표면에서 위에서 서술된 컷아웃(cut-out) 내에 놓여 있다. 고에너지 레이저 빔의 도움으로, 2개의 구성요소들은 따라서, 제2영역에서 국부적으로 레이저 웰딩될 수 있다. 특히, 이 레이저 웰딩은, 초음파 웰딩 장치가 제2영역을 둘러싸는 더 큰 제1영역에서 동시에 초음파 웰딩을 수행하는 동안, 제2영역에서 일어날 수 있다.

특정한 사용 구성에 대한 지배적인 경계 조건들 및/또는 만들어질 2개 이상의 구성 요소들의 웰딩에 대한 요구 사항들에 따라 초음파 소노트로드에 관통 개구를 제공하고 레이저 웰딩 장치의 레이저 빔을 이 관통 개구를 통해 초음파 소노트로드로 향해지는 구성 요소들의 표면 상으로 향하게 하는 것이 유리할 수 있다. 그러나, 다른 사용 구성들에서, 앤빌에 관통 개구를 제공하여 레이저 웰딩 장치의 레이저 빔을 앤빌을 통해 초음파 소노트로드로에서 방향이 빗나가는 구성요소들의 표면 상으로 향하게 하는 것이 유리할 수 있다. 또 다른 구성들에서, 앤빌 뿐만 아니라 초음파 소노트로드에 관통 개구를 통해 제공하고 레이저 빔들의 도움으로 구성요소들의 맞은편의 표면들 둘 다에 레이저 웰딩 부위들을 생성하는 것이 유리할 수 있다.

원칙적으로, 레이저 웰딩 장치가 초음파 소노트로드 또는 앤빌을 통한 관통 개구를 통해 레이저 빔을 향하게 하지 않고, 오히려 레이저 빔이 측면에서 웰딩될 구성요소들로 향해지게 하는 구성도 생각할 수 있다. 레이저 빔은 그 안에서 웰딩될 구성요소들의 평면으로 및/또는 이 평면에 평행하거나 약간 기울어진 방향으로 향하게 될 수 있다.

레이저 빔이 관통 개구를 통해 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌로 향하게 되는, 첫 번째로 언급한 구성에서, 제2영역은 바람직하게 제1영역의 외주 내에 완전히 배치되는 반면, 레이저 빔이 측면으로부터 웰딩될 구성요소들로 향하게 되는 두 번째로 언급한 구성에서, 제2영역은 또한 적어도 부분적으로 제1영역 외부에 배치되지만 그에 인접하게 배치될 수 있다. 다르게 표현하면, 이 두 번째 언급된 구성에서, 제2영역과 제1영역은 또한 적어도 부분적으로 오버래핑 할 수 있고 두 영역들 모두 서로 적어도 밀접하게 인접할 수 있다, 즉 두 영역들 사이의 측면 간격은 아주 작아야 하며 특히, 예를 들면 2mm 미만이어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 웰딩 장치는 또한 초음파 웰딩 장치와 레이저 웰딩 장치의 동기화된 작동을 제어하기 위한 제어 장치를 가질 수 있다.

다르게 표현하면, 웰딩 장치는 초음파 웰딩 장치의 작동과 레이저 웰딩 장치의 작동이 서로 적절하게 일시적으로 조정될 수 있는 제어 장치를 가질 수 있다.

이 목적을 위해, 제어 장치는 일반적으로 레이저 웰딩 장치 뿐만 아니라 초음파 웰딩 장치와 커뮤니케이션(communicate) 할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 제어 장치는 초음파 웰딩 장치에 대한 전원 공급과 레이저 웰딩 장치에 대한 전원 공급도 제어할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구체적인 실시예에 따르면, 초음파 웰딩이 초음파 웰딩 장치를 제어함으로써 수행되는 동안, 제어 장치는 레이저 웰딩 장치를 제어함으로써 레이저 웰딩을 수행하도록 구성될 수 있다.

다시 말해서, 제어 장치는 초음파 소노트로드를 자극시켜 제1 시간 기간 내에 진동들을 일으키고, 초음파에 의해 제1영역내의 2개의 구성요소들이 웰딩하도록 초음파 웰딩 장치를 제어할 수 있다. 게다가, 제어 장치는 레이저 빔을 방출함으로써 제2영역에서 국부적으로 2개의 구성요소들을 함께 웰딩하기 위해 제2 시간 기간 내에 레이저 웰딩 장치를 작동시킬 수 있다. 제1기간과 제2기간은 초음파 웰딩이 수행되는 동안 레이저 웰딩이 일어나도록 동시적이거나 적어도 일시적으로 오버래핑 되어야 한다. 일반적으로, 레이저 웰딩이 일어나는 제2기간은 초음파 웰딩이 일어나는 제1기간보다 짧거나 기껏해야 제1기간만큼 길다. 따라서, 초음파 웰딩은, 예를 들어, 레이저 웰딩이 일어나기 전에 이미 시작될 수 있고/있거나 초음파 웰딩은 레이저 웰딩이 끝난 후에도 잠시 계속될 수 있다. 원칙적으로, 제1기간은 제2기간 이전에 시작할 수 있고 제1기간은 제2기간 이전, 동시에 또는 이후에 종료할 수 있다. 대안적으로, 두 기간들은 동시에 시작될 수 있고 제1기간은 제2기간 이전, 동시에 또는 이후에 종료할 수 있다. 추가 대안으로서, 제2기간은 제1기간 이전에 시작할 수 있고 제1기간은 제2기간 이전, 동시에 또는 이후에 종료할 수 있다. 제1기간 및/또는 제2기간에 대한 일반적인 지속 시간은 수 10ms 내지 수 초 범위, 예를 들어 0.05초 내지 1초, 바람직하게는 0.1초 내지 0.5초이다.

그런 점에서, 여기에서 서술된 웰딩 장치의 도움으로 2개의 구성 요소들의 웰딩이 초음파 웰딩과 또한 레이저 웰딩에 의해 밀접하게 인접한 제1영역 및 제2영역들에서 동시에 수행될 수 있고, 그 후에 하나 이상의 서술된 이점들이 달성될 수 있다.

그 중에서도, 제1 영역에서, 일반적으로 초음파 웰딩에서 생성되는 것처럼, 넓은 영역의 연결 구역이 생성될 수 있다. 이 연결 구역 내에서, 초음파 웰딩에 의해 생성된 웰딩 연결들의 고품질 수준에 있을 수 있고, 따라서 레이저 웰딩에 의해 독점적으로 생성된 웰딩 연결들에서 발생하는 것보다 더 낮은 전기 저항들을 가질 수 있는 낮은 전기 내부 저항들이 달성될 수 있다.

게다가, 적어도 제2 영역에서, 레이저 웰딩 동안 일반적으로 달성될 수 있고 일반적으로 초음파 웰딩에 의해 생산 가능한 연결 강도보다 더 큰 연결 강도가 얻어질 수 있다.

전체 웰딩 프로세스는 단일 작업으로 거기에서 달성될 수 있다. 게다가, 전체 웰딩 프로세스는 단일 웰딩 장치의 도움으로 수행될 수 있다.

또한 레이저 웰딩과 초음파 웰딩이 동시에 수행되면, 레이저 웰딩에 유리한 경계 조건들이 만들어질 수 있다고 가정한다. 특히, 용융물(melt)은 초음파 웰딩 중에 동시에 발생하는 진동들로 인해 균질화될 수 있다고 가정되고, 상기 용융물은 레이저 웰딩 중에, 웰딩될 구성 요소들에 대해 레이저에 의한 에너지 입력(input)을 통해 잠시 만들어진다. 균질화에 의해, 예를 들어, 용융물 내의 국부적 온도 구배들이 감소될 수 있고/있거나 용융물 내의 국부적으로 우세한 물리적 특성들 사이의 다른 차이들이 감소될 수 있다. 이러한 균질화는 후속 응고 후에 레이저 웰딩에 의해 생성된 웰딩 부위에 유리하게 영향을 미칠 수 있다.

게다가, 레이저 웰딩은 초음파 웰딩과 동시에 수행되기 때문에, 레이저 웰딩에 사용되는 레이저 출력은 구성 요소들이 레이저 웰딩에 의해 배타적으로 연결되는 사용 사례들보다 많은 사용 사례들에서 엄청나게 적을 수 있음이 관찰되었다. 동시의 초음파 웰딩은 레이저 웰딩을 보조하는 레이저 웰딩 부위 및/또는 그에 인접한 곳에서 재료에 특정 에너지 입력을 제공하는 것으로 나타난다.

따라서, 레이저 웰딩 장치는, 레이저 웰딩 장치의 일 실시예에 따라, 3kW 미만, 바람직하게는 1.5kW 미만의 전력을 갖는 레이저 광을 방출하도록 구성될 수 있다.

이러한 상대적으로 낮은 레이저 출력 레벨은 또한 특히 동시의 초음파 웰딩과 관련하여 상당한 질량을 갖는 구성요소들, 즉 예를 들어 박막들뿐만 아니라 금속 시트 형태의 구성요소들을 함께 웰딩하기에 충분할 수 있다. 통상적으로, 이 목적을 위해서는, 예를 들어, 4kW 이상의 낮은 레이저 출력을 갖는 레이저들이 보통 사용되어야 한다. 저전력 레이저들의 사용을 통해, 레이저 비용과 레이저의 에너지 소비 비용이 둘 다 감소될 수 있다.

동시에 또는 일시적으로 오버래핑하여 수행되는 초음파 웰딩은 바람직하게는 상대적으로 낮은 전력 수준, 예를 들어 12kW 미만 또는 8kW 미만, 바람직하게는 6kW 미만 또는 심지어 4kW 미만의 전력 레벨로 수행될 수도 있다. 따라서 2개의 웰딩 기술들, 즉 초음파 웰딩과 레이저 웰딩이 일시적으로 오버래핑하여 수행된다면, 일시적으로 개별적인 수행 케이스보다 훨씬 낮은 전력 수준으로 작동될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 웰딩 장치는 접촉면에 대해 비스듬히 기울어진 제2 영역 상으로 레이저 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다.

다르게 표현하면, 레이저 웰딩 장치의 레이저는 그로부터 방출된 레이저 빔이 제2 영역과 직각이 아니라 비스듬한(oblique) 각도, 예를 들어 제2 영역 및/또는 제2 영역을 포함하는 접촉 표면에 대해 1°와 89° 사이, 바람직하게는 30°와 85° 사이, 더욱 바람직하게는 50° 내지 80°로 만나도록 배치되고 배향될 수 있다.

이러한 레이저 빔의 비스듬한 입사(incidence)는 레이저 웰딩에 의해 생성된 웰딩 부위가 웰딩될 구성요소들의 외부 표면에 대해 반드시 수직으로 연장되지 않고 구성요소들에 대해 비스듬하게 연장된다는 점에서 유리할 수 있고, 예를 들면 구성 요소들을 통해 웰딩될 복수의 박막들의 경우 그러하다. 특정 방향들로 작용하는 기계적 로드들(loads) 하에서, 이러한 방식으로 비스듬하게 배향된 웰딩 부위는 수직으로 배향된 웰딩 부위의 경우보다 더 큰 강도 및/또는 웰딩된 구성요소들의 더 큰 응집력(cohesion)을 가질 수 있다. 특히, 비스듬한 레이저 빔 입사의 경우 웰딩될 구성요소들 사이의 연결 면적은 수직 입사보다 클 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌을 통해 연장하는 관통 개구는 접촉 표면들에 대해 비스듬하게 배향될 수 있다.

또한 원칙적으로 접촉면에 수직으로 연장되는 관통 개구가 있을 때, 관통 개구가 충분히 큰 측면 치수들을 갖는 경우, 예를 들어 충분히 큰 직경을 갖는 경우, 레이저 빔이 접촉면에 비스듬히 통과하도록 하는 것이 가능하다. 그러나, 예를 들어 초음파 소노트로드를 기계적으로 과도하게 약화시키지 않기 위해 가능한 가장 작은 측면 치수들로 관통 개구를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 특히, 통과될 레이저 빔의 직경에 대략적으로 부합하거나 이보다 약간 더 큰 측면 치수들을 갖는 관통 개구를 제공하는 것이 유리할 수 있다. 레이저 빔이 접촉 표면에 대해 비스듬히 충돌할 수 있도록 하기 위해, 따라서 관통 개구가 소노트로드 및/또는 앤빌을 통해 비스듬히 통과하도록 하는 것이 유리할 수 있다. 관통 개구가 웰딩될 구성요소들과의 접촉 표면에 대해 배향되는 각도는 레이저 빔이 제2 영역 상으로 향하여 져야(directed) 하는 상술한 각도에 대략적으로 부합할 수 있다.

대안적으로, 관통 개구는 원추형 또는 쌍원뿔형으로 구성될 수 있어 레이저 빔이 관통 개구를 통해 접촉 표면으로 비스듬히 통과할 수 있지만 그럼에도 불구하고 관통 개구를 갖는 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌의 기계적 안정성은 과도하게 감소되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 소노트로드 및/또는 앤빌은 제1 영역 내에 복수의 관통 개구들을 가질 수 있다. 이 경우, 레이저 웰딩 장치는 레이저 웰딩에 의해 2개의 구성요소들을 추가로 함께 웰딩하기 위해 2개의 구성요소들 상의 복수의 제2 영역들 상으로 각각의 관통 개구들을 통해 레이저 빔을 지향시키도록 구성될 수 있다.

즉, 웰딩 장치는 초음파 웰딩에 의한 구성요소들의 웰딩에 더하여, 레이저 웰딩에 의해 단일 부위의 구성요들을 연결할 뿐만 아니라, 구성요소들 상의 복수의 제2 영역들로 레이저빔들이 지향되도록 하는 복수의 레이저 웰딩 부위들을 생성하도록 구성될 수 있다.

복수의 레이저 웰딩 부위들의 생성을 통해 생성된 웰딩 연결의 기계적 강도가 증가될 수 있다. 특히, 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 레이저 웰딩 부위들이 복수의 상호 인접 및/또는 상호 이격된 제2 영역들 상에 생성될 수 있다.

이를 위해, 레이저에 의해 방출된 단일 레이저 빔은 거기에 레이저 웰딩 부위를 생성하기 위해 각각의 제2 영역들 상으로 순차적으로 지향될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔은 적절한 광학 시스템의 도움으로 연속적으로 편향될 수 있다. 대안적으로, 단일 레이저 빔은 적절한 광학 시스템의 도움으로 복수의 부분 레이저 빔들로 세분될 수 있으며(subdivided), 그런 다음 이러한 부분 레이저 빔들 각각은 그곳에 레이저 웰딩 부위를 생성하기 위해 제2 영역들 중 하나 상으로 지향될 수 있다. 다른 대안으로서, 복수의 레이저 빔들을 생성하는 복수의 레이저들이 사용될 수 있고, 이들 레이저 빔들 각각은 제2 영역들 중 하나 상으로 지향될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 레이저 웰딩 장치는 600 nm 미만, 바람직하게는 500 nm 미만의 파장을 갖는 레이저 광으로 레이저 웰딩을 위한 레이저 빔을 방출하도록 구성될 수 있다. 이는 서술된 웰딩 방법에서 전술한(aforementioned) 범위의 파장들을 갖는 레이저 광이 레이저 웰딩에 사용될 수 있음을 의미한다.

이 실시예는 특정 구성요소들 및/또는 특정 재료들로 만들어진 구성요소들이 더 짧은 파장의 레이저 광으로 특히 유리하게 레이저 웰딩될 수 있다는 인식에 기초한다. 종래에는(conventionally), 특히 금속 구성요소들의 레이저 웰딩을 위해 대개(usually) 적색 또는 적외선 파장 영역의 레이저 광, 즉 대부분 700nm보다 큰 파장을 갖는 레이저 광을 사용하는 강력한 레이저들이 사용되었다. 그러나, 예를 들어, 비철 금속, 예를 들어 구리 또는 구리 합금으로 제조된 구성요소들은 유리하게는 더 짧은 파장의 레이저 광으로 웰딩될 수 있다는 것이 인식되어 왔다. 특히, 녹색 레이저 광, 즉 약 500-600 nm의 파장들을 갖는 레이저 광 또는 더 짧은 파장의 청색 광, 즉 약 400-500 nm의 파장들을 갖는 레이저 광은 그에 의해 생성된 레이저 웰딩 부위들에 긍정적인 특성들을 생산할 수 있다. 특히, 짧은 파장의 레이저광이 웰딩될 재료에 매우 효율적으로 흡수되어 재료의 빠른 용융을 가능하게 한다는 긍정적인 효과가 나타날 수 있다. 급속 용융은 특히 비철 금속이 기화 없이 용융될 수 있는 효과를 가질 수 있으며, 이에 의해 거기에 형성된 웰딩 풀의 안정성을 높일 수 있다.

일반적으로, 레이저 웰딩을 위해 방출된 레이저 광 및/또는 빔 형상과 관련하여 다른 속성들을 갖는 레이저들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 지배적인 경계 조건들 및 생성될 레이저 웰딩 부위들에 따라 레이저 빔, 즉 소위 cw(연속파) 레이저들을 연속적으로 방출하는 레이저들이 사용될 수 있다. 이러한 cw 레이저는 일반적으로 수십 내지 수백 밀리초, 예를 들어 0.1초와 0.5초 사이에 레이저 웰딩 부위들을 생성할 수 있다. 대안적으로, 펄스 레이저 빔을 방출하는 레이저가 사용될 수 있다. 펄스 지속 시간은 마이크로세컨드(microsecond) 범위, 나노세컨드(nanosecond) 범위, 피코세컨드(picosecond) 범위 또는 심지어 펨토세컨드(femtosecond) 범위 내에서 특수 용도에 따라(application-specific) 선택될 수 있다.

본 발명의 제3 양태에 따른 웰딩 장치에 추가하여 서술된 웰딩 방법은 특히 본 발명의 제1 양태또는 제2 양태의 실시예에 따른 웰딩 장치의 도움을 받아 수행될 수 있다. 따라서, 웰딩 장치에 대해 서술된 특징은 웰딩 방법에도 유사하게 사용될 수 있다.

예를 들어, 일 실시예에 따른 웰딩 방법에서, 웰딩될 구성요소들은 복수의 금속 필름들일 수 있다.

특히, 배터리 셀들의 생산에 필요한 알루미늄 필름들과 같은 얇은 금속 필름들을 웰딩할 때, 서술된 초음파 웰딩과 동시의 레이저 웰딩의 조합은 매우 긍정적인 결과들을 가능하게 한다고 전제된다.

이를 위해 이전에 사용된 순수 레이저 웰딩에서는 복수의 금속 박막들을 국소적으로 적절한 방식으로 동시에 용융시키는 것이 어려운 것으로 입증되었다. 특히 금속 필름들이 국부적으로 녹여서 웰딩되지 않고 레이저빔에 의해 관통될 위험이 존재하였다. 특히, 순수 레이저 웰딩은 웰딩될 금속 필름들 사이에 존재하는 에어 갭들(air gaps)에 민감했다. 게다가, 레이저 웰딩에 의해 생성된 웰딩 부위들은 종종 상대적으로 열악한 전기적 특성들, 특히 상대적으로 높은 전기 저항들을 갖는다.

반면에 비록 금속 필름들을 연결하기 위한 초음파 웰딩의 단독 사용은 양호한 전기적 연결들을 이끌어냈지만(led), 거기에 생성되는 기계적 연결들이 종종 불충분하였다.

여기서 제안되는 초음파 웰딩 및 동시에 수행되는 레이저 웰딩의 조합으로, 금속 필름들은 초음파 웰딩 장치에 의해 서로 접촉되도록 가압되고(pressed), 제1 영역에서 함께 웰딩될 수 있고 동시에, 제2 영역에서 서로 인접하는 금속 필름들은 레이저 웰딩에 의해 저위험(low-risk) 방식으로 서로 연결될 수 있다. 이러한 수단들에 의해, 전기적으로 높은 전도성을 갖지만 기계적으로는 높은 부하가 가능한 일체로 접합된 연결이 금속 필름들 사이에 생성될 수 있다.

대안적인 실시예에 따르면, 웰딩 방법에서, 웰딩될 구성요소들은 적어도 하나의 금속 필름 및 적어도 하나의 금속 시트일 수 있다.

적어도 하나의 금속 시트에 하나 이상의 금속 박막들을 웰딩하는 이러한 작업은 특히 배터리 셀들의 생산 중에 발생할 수도 있다. 금속 박막들은 예를 들어 배터리 셀 내부의 권선의 전극들에 연결될 수 있으며 외부로부터 접촉할 수 있는 단자 역할도 할 수 있는 금속 시트에 웰딩되어야 한다. 그 안의 금속 시트는 금속 필름들보다 몇 배 더 두꺼운 두께를 가지고 있다. 이는 기존의 레이저 웰딩에서 금속판의 재질이 금속 필름들의 재질보다 녹는 것이 더 어렵거나 더 느리다는 문제를 야기할 수 있다. 레이저 웰딩에 사용되는 레이저의 특성들에 따라 결과적으로 금속 필름들에 대한 손상이 일어나거나 및/또는 부적합한 웰딩 부위들이 형성될 수 있다. 특히, 전술한 적용 사례에서, 초음파 웰딩 및 동시의 레이저 웰딩의 조합을 통해 유리하고 신뢰할 수 있는 방식으로 우수한 전기적 특성들과 우수한 기계적 특성들을 갖는 웰딩 부위들이 생성될 수 있다고 가정된다.

일 실시예에 따르면, 웰딩 방법에서, 적어도 하나의 금속 필름 및/또는 적어도 하나의 금속 시트는 주로 구리로 구성될 수 있다.

특히, 금속 필름 및/또는 금속 시트는 전체적으로 구리 또는 구리 합금으로 이루어질 수 있다. 이러한 구리 함유 구성요소들은 직렬 저항이 매우 낮을 수 있지만 기껏해야 기존 웰딩 방법들로 처리하기 어려웠다. 여기에 서술된 웰딩 방법으로, 예를 들어 동시의 초음파 웰딩과 함께 단파(short-wave) 레이저를 사용함으로써, 구리 함유 구성요소들은 또한 유리하게 서로 및/또는 다른 금속 구성요소들에 웰딩될 수 있다.

본 발명의 실시예들의 가능한 특징들 및 이점들은 본 발명에 따라 구성된 웰딩 장치와 관련하여 부분적으로 서술되고 본 발명에 따른 웰딩 방법과 관련하여 부분적으로 서술된다는 점에 유의해야 한다. 당업자는 개별 실시예들에 대해 서술된 특징들이 다른 실시예들과 유사한 방식으로 적절하게 전달될 수 있고, 본 발명의 추가 실시예들에 도달하고 가능하게는 시너지 효과들에 도달하기 위해 적응 및/또는 교환될 수 있음을 인식할 것이다.

본 발명의 유리한 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 더 상세히 서술되지만, 도면이나 서술은 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웰딩 장치의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웰딩 장치의 초음파 웰딩 장치의 소노트로드 및 앤빌의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 웰딩 장치의 초음파 웰딩 장치의 소노트로드 및 앤빌의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웰딩 방법에 의해 함께 웰딩된 필름형 구성요소들의 평면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 웰딩 장치의 초음파 웰딩 장치의 소노트로드 및 앤빌을 관통하는 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 웰딩 방법으로 함께 웰딩된 필름형 구성요소들의 평면도를 도시한다.
도면들은 일반적으로 도식적이며(schematic) 축척으로 그리기 위한 것(scale)이 아니다.
다른 도면들에서의 동일한 참조 부호들은 동일하거나 유사하게 작용하는 특징들에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 웰딩 장치(1)를 도시한다. 웰딩 장치(1)는 초음파 웰딩 장치(3) 및 레이저 웰딩 장치(5)를 포함한다. 초음파 웰딩 장치(3)의 동작 및 레이저 웰딩 장치(5)의 동작은 그 안에서 각각 제어 장치(25)에 의해 제어될 수 있다.

웰딩 장치(1)는 작동 볼륨(13)에서 웰딩될 적어도 2개의 구성요소들(7)을 수용하고 초음파 웰딩에 의한 제1 영역(21) 및 레이저 웰딩에 의한 제2 영역(23) 모두에서 이들을 동시에 웰딩하도록 구성된다.

도 2가 추가로 더 자세히 도시한 바와 같이, 초음파 웰딩 장치(3)는 작동 볼륨(13)의 서로 반대되는 측들에 배치되어 있는 초음파 소노트로드(9) 및 앤빌(11)을 갖는다. 또한, 초음파 웰딩 장치(3)는 초음파 진동들이 20kHz와 50kHz 사이의 일반적인 주파수들에서 생성될 수 있는 초음파 생성기(33)를 갖는다. 초음파 진동들은 변환기(31) 및 부스터(27)에 의해 기계적 진동로서 초음파 소노트로드(9)에 전달될 수 있다. 작동기(29)의 도움으로, 부스터(27) 및 이에 기계적으로 커플링된 초음파 소노트로드(9)는 작동 볼륨(13)으로 이동될 수 있다. 이러한 방식으로, 초음파 소노트로드(9) 상의 텍스쳐링된(textured) 접촉 표면(35)은 웰딩될 구성요소들(7) 중 하나의 상기 소노트로드를 향하는 표면에 대해 가압될 수 있다(명확성을 위해 구성요소는 도 2에 도시되지 않음). 이러한 방식으로, 웰딩될 구성요소들(7)은 초음파 소노트로드(9)의 접촉 표면(35)과 앤빌(11) 사이에 클램핑될 수 있다(clamped).

여기에 서술된 초음파 웰딩 장치(3)는, 특히 초음파 소노트로드(9) 및/또는 이것의 앤빌(11)에 레이저 웰딩 장치(5)의 레이저(15)에 의해 방출되는 레이저 빔(17)이 작동 볼륨(13) 내로 지향될 수 있고 따라서 거기에 수용된 구성요소들(7) 상으로 지향될 수 있게 하는 관통 개구(19)가 제공된다는 점에서 기존의 초음파 웰딩 장치들과 다르다.

도시된 예에서, 관통 개구(19)는 초음파 소노트로드(9)에 형성된다. 그 안의 관통 개구(19)는 전체 소노트로드 헤드(10)를 통해 접촉 표면(35)을 가로질러 연장한다. 따라서, 서술된 예에서, 초음파 소노트로드(9) 위에 배열된 레이저(15)는 웰딩될 상부 구성요소들(7)의 상향 대면 표면 상의 제2 영역(23) 상으로 관통 개구(19)를 통해 이것의 레이저 빔(17)으로 향할 수 있다.

도 3은 초음파 웰딩 장치(3)의 초음파 소노트로드(9) 및 앤빌(11)을 통한 단면도를 도시한다. 작동 볼륨(13)에는 복수의 금속 박막들(37)의 형태로 웰딩될 구성요소들(7)이 수용될 수 있다. 명확성을 위해, 단지 4개의 금속 필름들(37)만이 도시되어 있지만, 실제로는 함께 웰딩될 그러한 금속 필름들(37)이 훨씬 더 있을 수 있다.

도 4는 웰딩될 구성요소들(7)의 평면도를 도시한다.

웰딩 프로세스 동안, 금속 필름들(37)은 앤빌(11)의 반대 접촉 표면에 대해 초음파 소노트로드(9)의 텍스쳐링된 접촉 표면(35)에 의해 가압되어 서로 인접하게 된다. 그 안에서, 초음파 소노트로드(9)는 금속 필름들(37)의 스택 내로 텍스쳐링된 접촉 표면(35)을 통해 기계적 초음파 진동들을 전도하여 초음파 웰딩에 의해 함께 연결된다.

초음파 웰딩 동안, 레이저 빔(17)은 초음파 소노트로드(9)에서의 관통 개구(19)를 통해 추가로 지향된다. 이와 같이, 초음파 웰딩과 동시에 레이저 웰딩에 의해 구성요소들(7)을 연결하는 웰딩 부위(39)가 생성된다.

초음파 소노트로드(9)에서 제공된 관통 개구(19)의 결과로, 초음파 소노트로드(9)의 접촉 표면(35)은 전체 영역에 걸쳐 있지 않고, 관통 개구(19)에 의해 제공된 이것의 중앙에 컷아웃(cut-out)을 갖는다. 웰딩 프로세스 동안, 초음파 소노트로드(9)는 따라서 링 형상(ring-shaped) 접촉 표면(35)으로 구성요소들(7) 상의 큰 제1 영역(21)과 접촉할 수 있고 초음파 웰딩에 의해 구성요소들(7)을 거기에 연결할 수 있다. 컷아웃 영역에서, 레이저 빔(17)은 제2 영역(23)에 도달하고 레이저 웰딩에 의해 그곳에서 대략적으로 점 모양의(punctiform) 웰딩 부위(39)를 생성할 수 있다. 제2 영역(23)은 여기에서 제1 영역(21)보다 상당히 작으며 제1 영역(21) 내에 위치되며, 즉 환형(annular) 방식으로 제1 영역(21)에 의해 둘러싸여 있다.

도 5 및 도 6은 초음파 웰딩 장치(3)의 대안적으로 구성된 초음파 소노트로드(9)의 단면도 및 이에 웰딩된 구성요소들(7)의 평면도를 도시한다.

이 경우, 웰딩될 구성요소들(7)은 복수의 금속 필름들(37) 및 금속 필름들(37)보다 상당히 두꺼운 금속 시트(43)다. 금속 필름들(37)과 금속 시트(43)는 서로 다른 재료들로 이루어질 수 있다. 특히, 금속 필름들(37)은 예를 들어 알루미늄으로 이루어질 수 있는 반면, 금속 시트(43)는 구리 또는 구리 합금으로 이루어질 수 있다.

이 예에서, 초음파 소노트로드(9)는 복수의 관통 개구들(19', 19'')을 갖는다. 도시된 예에서, 레이저 빔(17)은 빔 스플리터(41)의 도움으로 복수의 개별 레이저 빔들(17', 17'')로 세분화된다(subdivided). 레이저 빔들(17', 17'') 각각은 관통 개구들(19', 19'') 중 하나를 통해, 레이저 웰딩에 의해 복수의 웰딩 부위들(39)을 생성하기 위한 복수의 제2 영역들(23) 중 하나 상으로 지향된다.

마지막으로 "갖는", "포함하는" 등의 표현들은 다른 요소들이나 단계들을 배제하지 않으며, "한"(a) 또는 "하나"(an)와 같은 표현은 복수를 배제하지 않는다는 점을 유의해야 한다. 게다가, 상기 예시적인 실시예들 중 하나를 참조하여 서술된 특징들 또는 단계들이 또한 위에서 서술된 다른 예시적인 실시예들의 다른 특징들 또는 단계들과 조합하여 사용될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 청구항들에서의 참조 문자들(reference characters)은 제한 사항으로 해석되어서는 안 된다.

1: 웰딩 장치
3: 초음파 웰딩 장치
5: 레이저 웰딩 장치
7: 용접될 구성요소들
9: 초음파 소노토로드
10: 소노트로드 헤드
11: 앤빌
13: 작동 볼륨
15: 레이저
17: 레이저 빔
19: 관통 개구
21: 제1영역
23: 제2영역
25: 제어 장치
27: 부스터
29: 작동기
31: 변환기
33: 초음파 생성기
35: 텍스쳐링된 접촉 표면
37: 금속 필름들
39: 용접 부위
41: 빔 스플리터
43: 금속 시트

Claims (15)

1. 웰딩 장치(1)에 있어서,
   초음파 웰딩 장치(3), 및
   레이저 웰딩 장치(5)를 갖고,
   상기 웰딩 장치(1)는 상기 초음파 웰딩 장치(3)의 도움으로 제1 영역(21)에서의 초음파 웰딩에 의해 적어도 2개의 구성요소들(7)을 함께 웰딩하고, 상기 초음파 웰딩 프로세스중에, 상기 레이저 웰딩 장치(5)의 도움으로 제2영역(23) 에서의 레이저 웰딩에 의해 상기 2개의 구성요소들(7)을 함께 웰딩하도록 구성되고, 상기 제2영역(23)은 상기 제1영역(21)보다 작고, 적어도 부분적으로 상기 제1영역(21)의 외주 내에 놓여 있고, 그리고/또는 상기 제1영역(21)의 상기 외주에 접하여 배치되는,
   웰딩 장치(1).
   
2. 제1항에 있어서,
   웰딩 장치(1)는,
   초음파 웰딩 장치(3), 및
   레이저 웰딩 장치(5)를 갖고,
   상기 초음파 웰딩 장치(3)는 초음파 소노트로드(9) 및 앤빌(11)을 갖고, 상기 초음파 소노트로드(9)와 상기 앤빌(11)은 서로 반대 방향으로 배치되고 서로에 대해 이격되고, 상기 초음파 소노트로드(9)와 상기 앤빌(11) 사이의 작동 볼륨(13)을 둘러싸고, 상기 작동 볼륨(13)에는 웰딩될 적어도 2개의 구성요소들(7)이 초음파 웰딩 프로레스 중에 배치될 것이고,
   상기 레이저 웰딩 장치(5)는 레이버 빔(17)을 방출하기 위한 레이저(15)를 갖고, 상기 초음파 소노트로드(9) 및/또는 상기 앤빌(11)은 제1영역(21) 내에 관통 개구(19)를 갖고,
   상기 초음파 소노트로드(9) 및 상기 앤빌(11)은 상기 초음파 웰딩 프로세스중, 접촉 표면들에서의 반대 측들로부터 상기 2개의 구성요소들(7)과 상기 제1영역(21)에서 접촉하고, 초음파 웰딩에 의해 상기 2개의 구성요소들을 함께 웰딩하도록 구성되고,
   상기 레이저 웰딩 장치(5)는 상기 레이저 빔(17)을 상기 관통 개구(19)를 통해 상기 2개의 구성요소들(7) 상의 제2영역(23) 상으로 향하게 하여 레이저 웰딩에 의해 상기 2개의 구성요소들(7)을 함께 추가로 웰딩하도록 구성되는,
   웰딩 장치(1).
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 웰딩 장치(1)는 또한 상기 초음파 웰딩 장치(3)와 상기 레이저 웰딩 장치(5)의 동기화된 작동을 제어하기 위한 제어 장치(25)를 갖는
   웰딩 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어 장치(25)는, 상기 초음파 웰딩 장치(3)를 제어함으로써 상기 초음파 웰딩이 수행되는 동안, 상기 레이저 웰딩 장치(5)를 제어함으로써 상기 레이저 웰딩을 수행하도록 구성되는,
   웰딩 장치.
   
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 웰딩 장치(5)는 상기 레이저 빔(17)을 상기 접촉 표면에 대해 비스듬히 경사진 제2영역(23) 상으로 향하게 하도록 구성되는,
   웰딩 장치.
   
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 관통 개구(19)는 상기 접촉 표면에 대해 비스듬히 경사지게 배향되는,
   웰딩 장치.
   
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초음파 소노트로드(9) 및/또는 상기 앤빌(11)은 상기 제1영역(21)내에 복수의 관통 개구들(19', 19'')을 갖고,
   상기 레이저 웰딩 장치(5)는 레이저 빔들(17', 17'')을 각각의 상기 관통 개구들(19', 19'')을 통해 상기 2개의 구성요소들(7) 상의 복수의 제2영역들(23) 상으로 향하게 하여 레이저 웰딩에 의해 상기 2개의 구성요소들(7)을 함께 추가로 웰딩하도록 구성되는,
   웰딩 장치.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 웰딩 장치(5)는 600 nm 미만, 바람직하게는 500 nm 미만의 파장을 갖는 레이저 광으로 레이저 웰딩을 하기 위한 상기 레이저 빔(17)을 방출하도록 구성되는,
   웰딩 장치.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 웰딩 장치(5)는 레이저 웰딩을 하기 위해 3kW 미만의 전력으로 레이저 광을 방출하도록 구성되는,
   웰딩 장치.
   
10. 적어도 2개의 구성요소들(7)을 웰딩하기 위한 방법에 있어서,
    상기 두개의 구성요소들(7)은 초음파 웰딩에 의해 제1영역(21)에서 함께 웰딩되고 상기 초음파 웰딩 프로세스중에, 상기 2개의 구성요소들(7)은 레이저 웰딩에 의해 상기 제1영역(21)보다 작고 상기 제1영역(21)의 외주 내에 배치되는 제2영역(23)에서 함께 웰딩되는,
    적어도 2개의 구성요소들(7)을 웰딩하기 위한 방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    웰딩될 상기 구성요소들(7)은 복수의 금속 필름들(37)인,
    방법.
    
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    웰딩될 상기 구성요소들(7)은 적어도 하나의 금속 필름(37)과 적어도 하나의 금속 시트(43)인,
    방법.
    
13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 금속 필름(37) 및/또는 적어도 하나의 금속 시트(43)는 대부분 구리로 이루어져 있는,
    방법.
    
14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    레이저 웰딩을 위해, 600nm 미만, 바람직하게는 500nm 미만의 파장을 갖는 레이저 광이 사용되는,
    방법.
    
15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 웰딩 장치(1)를 사용하여 수행되는,
    방법.
    
    

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