KR20220116275A - 레이저를 사용한 금속 용접시 발생하는 유해 부산물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저를 사용한 금속 용접시 발생하는 유해 부산물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 유해한 양의 금속 분말을 생성하지 않고 재료를 용접할 수 있는 가시광 레이저 시스템 및 공정이 개시된다. 또한, 유해한 양의 금속 분말을 생성하지 않고 알루미늄계 재료를 용접할 수 있는 청색, 청록색 및 녹색 레이저 시스템 및 공정이 개시된다. 또한, 유해한 양의 금속 분말을 생성하지 않고 배터리 팩과 같은 에너지 저장 장치에 사용하도록 하기 위해 전도성 부재, 특히 박형 알루미늄 전도성 부재를 용접할 수 있는 청색, 청록색 및 녹색 레이저 시스템 및 공정이 개시된다.

Description

레이저를 사용한 금속 용접시 발생하는 유해 부산물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템
본 발명은 레이저를 사용한 개선된 재료 가공 방법, 특히 약 350nm 내지 약 850nm 이상의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하는 금속 재료의 레이저 접합 방법에 관한 것이다. 본 발명은 IR 용접 기술에 의해 형성되는 유해 미립자를 포함하는 유해 물질의 형성을 완화, 감소 및 제거한다.
금속(예컨대 알루미늄)에 대한 IR, 초음파 및 저항 용접은 유해 입자를 포함하는 유해 물질을 생성할 수 있다. 이러한 유해 부산물의 생성은 무엇보다도, 일반적으로 열악한 용접 환경, 잘못된 용접 방법과 더불어 이로 인해 발생하는 조악한 용접 결과에 기인한다. 이때 생성되는 유해 물질 중 하나는 예컨대 금속 알루미늄, 산화알루미늄, 수산화알루미늄과 같은 알루미늄 분말이다. 알루미늄계 금속의 용접에 대한 필요성이 증가함에 따라 알루미늄 분말과 같은 파생 유해 부산물에 대한 우려도 역시 증가하고 있다. 예컨대, 유해 물질 형성과 관련하여 이러한 문제 제기 및 요구가 제기되는 시장 중 하나는 최근 급속 성장중인 전기 자동차의 고성능 전기전자 분야이다. 예컨대, 급속 성장하고 있는 자동차용 고성능 배터리 및 전자 제품의 생산시 생산 속도와 성능을 경제적으로 유지하면서도 해당 산업의 용접 사양을 충족시키기 위해서는, 일반적으로 이러한 유해 물질의 형성을 감소시키거나, 바람직하게는 완화하거나, 더욱 바람직하게는 제거할 수 있는 용접 기술이 특히 필요하다.
1030nm의 파장을 갖는 IR 레이저 소스를 사용하는 경우, 이러한 파장에서 나타나는 금속(예컨대 알루미늄, 구리)의 높은 반사율은 재료에 출력을 부과하여 가열 및 용접 작업을 수행하는 것을 저해할 수 있다. 이러한 출력 부과의 어려움은 1000nm 이상의 파장 사용 및 실온에서의 낮은 흡수율(예컨대 알루미늄 8%, 구리 5%)로 인해 발생하며, 이러한 조건들은 금속에 대한 효율적인 출력 부과를 저해할 수 있다. 레이저 출력이 금속에 부과되어 금속이 가열되기 시작하면 IR 흡수가 급격히 증가함으로써, 폭주 과정을 야기하여 기화 및 입자 생성으로 직접 진행될 수도 있다.
이러한 높은 반사율을 극복하기 위한 한 가지 방법은 고출력 레벨(>1kW)의 IR 레이저를 사용한 키홀(keyhole) 용접을 수행함으로써, 재료에 출력을 부과하는 것이다. 이러한 용접 방법의 문제점은, 무엇보다도 키홀의 증기가 미세 폭발을 일으켜 용접 대상물 전체에 용융 알루미늄을 분사시키거나, 또는 미세 폭발로 인해 용접 대상물에 홀(hole)의 생성을 야기할 수 있다는 점이다. 이에 따라 연구원들은 용접 중 발생하는 이러한 결함을 방지하기 위해 레이저 출력을 급속 변조하는 방법에 의존해야 했다. 레이저에 의한 금속의 용접시, 처음에는 금속의 용융점까지 가열한 다음 빠르게 금속을 기화시키게 되므로, 이러한 결함들은 공정 자체의 직접적인 결과라는 것이 발견되었다. 금속이 기화되어 키홀이 형성되고 레이저 출력이 초기 5%에서 100%로 급격히 상승하면, 이러한 전이가 너무 급속하게 발생함에 따라 급속 부과된 열량이 공작물을 용접하는 데 필요한 열량을 초과하여 결과적으로 상술한 미세 폭발을 야기할 수도 있다.
IR 용접 공정에 의해 야기되는 이러한 미세 폭발 및 스패터링(spattering)은 금속 분진을 생성한다. 금속 분진은 인체에 매우 해로운 한편, 가연성의 특성으로 인해 폭발 위험이 있을 수 있으며, 이외에도 기타 여러 가지 해로운 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 알루미늄 분진은 금속성 알루미늄, 산화알루미늄, 수산화알루미늄과 같은 작은 크기(예: 마이크론 및 서브마이크론 크기)의 알루미늄계(aluminum based) 입자를 말한다. 알루미늄 분진을 흡입할 경우, 금속 흄열(metal fume fever) 및 폐섬유증(pulmonary fibrosis)과 같은 건강 문제를 일으킬 수 있다. 또한, 알루미늄 분진은 가연성 고체로서 화재 위험이 크다는 심각한 문제도 갖고 있다. 입자 크기가 약 500미크론 미만인 알루미늄 분진이 존재할 경우 폭발 위험성이 있다.
알루미늄 미세 분진은 연삭, 톱질, 절단, 샌딩, IR 레이저 용접 또는 스크래치 브러싱(scratch brushing)과 같은 제조 작업 활동에 의해 생성될 수 있으며, 이들 중 적어도 일부는 충분히 미세한 크기로 생성되므로 잠재적으로 폭발 위험성이 있다. "분진/먼지(dust)" 또는 "분말(powder)"이라는 용어는 이러한 입자를 설명하는 데 자주 사용된다. 치수에 대해 구체적으로 말하기는 어렵지만, 모든 입자가 500미크론보다 클 경우 폭발은 발생하지 않을 것이다. 그러나 이러한 물질도 여전히 가연성 고체로 존재한다. 한편, 더 굵은 재료와 더 미세한 재료의 혼합물이 생성될 가능성도 매우 크며, 이때 물질의 크기가 420미크론(40메시[mesh]) 이하이면 폭발 가능성이 있다. 더 미세한 입자는 발화점에 도달하면 쉽게 연소하며 더 굵은 입자도 점화시키는 경향이 있다. 알루미늄의 경우, 한 입자에서 다른 입자로 극히 빠른 속도로 연소가 확산하기 때문에, 먼지 구름과 같이 공기 중에 입자들이 부유할 때 점화가 발생하면 폭발을 일으킬 수 있다.
현재 시중에 나와있는 적외선 레이저 시스템을 사용한 금속(예컨대 알루미늄)의 레이저 용접 방법은 금속의 높은 반사율로 인해 문제점 및 개선 여지가 많다. IR 레이저의 사용에 의해 이러한 문제를 극복하려는 시도가 있었는데, 이 경우에는 용접시 예측 및 제어가 불가능한 스패터(spatter)의 발생으로 인해 알루미늄계 분말과 같은 금속 분말을 생성한다. 알루미늄 분말 생산의 위험을 관리하기 위해서는 크고 복잡하며 값비싼 공기 처리 및 관리 시스템이 필요하다. 기본적으로 알루미늄계 분말을 작업자로부터 이격 배치하는 한편, 가연성 유해 분말을 처리할 시스템을 갖출 필요가 있다. 따라서, 이러한 유해 부산물(예컨대 알루미늄 분말)의 형성을 감소시키고, 바람직하게는 완화하고, 보다 바람직하게는 제거하기 위한 커다란 수요가 오랫동안 있어왔다.
알루미늄 용접 공정 중 매우 난해한 공정의 하나는 알루미늄 호일(aluminum foil) 스택(stacks)을 상호 용접하거나 이들을 더 두꺼운 버스 바(bus bar)에 용접하는 것이다. 최근의 IR 레이저를 사용하거나 제조업체들이 필요로 하는 용접 품질을 생성하는 방식으로는 이를 수행할 수 없다. 따라서 제조업체들은 이러한 호일의 접합을 위해 초음파 용접 방법에 의존해 왔다. 그러나 이러한 초음파 방법도 최적의 방법이 아니며 많은 문제점을 갖고 있다. 예컨대, 초음파 용접 방법을 사용하면 작업시 소노트로드(sonotrode)가 마모되기 때문에, 불완전 용접에서부터 잔해(알루미늄 분말)가 남는 용접에 이르기까지 다양한 공정 변수가 발생할 수 있다. 이러한 결함들은 제조 수율, 배터리의 내부 저항, 생성된 배터리의 에너지 강도와 더불어 더 나아가 배터리의 신뢰성에까지 영향을 줄 수 있다. 더욱이, 이러한 공정은 알루미늄계 분말과 같은 유해 금속 분말을 생성할 수도 있다.
"알루미늄계 재료"라는 용어는 달리 명시적으로 제공되지 않는 한 가능한 한 가장 넓은 의미로 사용되어야 하며, 알루미늄, 6061 알루미늄, 1100 알루미늄, 알루미늄 시리즈 1,100~7,000, 알루미늄 재료, 알루미늄 금속, 알루미늄으로 전기도금된 재료, 적어도 약 10중량% 알루미늄 내지 100중량% 알루미늄을 함유하는 금속 재료, 적어도 약 10중량% 알루미늄 내지 100중량%의 알루미늄을 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 20중량% 알루미늄 내지 100중량%의 알루미늄을 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 10중량% 알루미늄 내지 100중량%의 알루미늄을 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 50중량% 알루미늄 내지 100중량%의 알루미늄을 함유하는 금속 및 합금, 적어도 약 70중량% 알루미늄 내지 100중량% 알루미늄을 함유하는 금속 및 합금, 및 적어도 약 90중량% 알루미늄 내지 100중량% 알루미늄을 함유하는 금속 및 합금을 포함하도록 의도된다.
"레이저 가공", 레이저 재료 가공"이라는 용어 및 이와 유사한 용어는 달리 명시적으로 제공되지 않는 한 가장 넓은 의미로 사용되어야 하며, 용접(welding), 납땜(soldering), 제련(smelting), 접합(joining), 어닐링(annealing), 연화(softening), 점착화(tackifying), 표면 재포장(resurfacing), 피닝(peening), 열처리, 융합(fusing), 밀봉(sealing) 및 스태킹(stacking)을 포함하도록 의도된다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "UV", "자외선", "UV 스펙트럼", 및 "UV 스펙트럼 영역" 및 이와 유사한 용어는 가장 넓은 의미로 사용되어야 하며, 약 10nm 내지 약 400nm, 및 10nm 내지 400nm의 파장 범위를 갖는 광을 포함하도록 의도된다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "가시광", "가시광 스펙트럼" 및 "가시광 스펙트럼 영역" 및 이와 유사한 용어는 가장 넓은 의미로 사용되어야 하며, 약 380nm 내지 약 750nm, 및 400nm 내지 700nm의 파장 범위를 갖는 광을 포함하도록 의도된다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "청색 레이저 빔(blue laser beam)", "청색 레이저" 및 "청색"이라는 용어는 가장 넓은 의미로 사용되어야 하며, 일반적으로 레이저 빔을 제공하는 시스템, 예컨대 레이저 빔이나 약 400nm 내지 약 500nm의 파장 범위를 갖는 광을 제공하는 레이저 소스(예컨대 레이저 및 다이오드 레이저)를 말한다. 일반적인 청색 레이저의 파장의 범위는 405nm 내지 495nm, 약 405 내지 약 495nm이다. 청색 레이저는 약 450nm, 약 460nm, 및 약 470nm의 파장을 포함한다. 청색 레이저는 약 10pm(피코미터) 내지 약 10nm, 약 5nm, 약 10nm 및 약 20nm의 대역폭뿐만 아니라 이보다 더 크거나 더 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "녹색 레이저 빔(green laser beam)", "녹색 레이저" 및 "녹색"이라는 용어는 가장 넓은 의미로 사용되어야 하며, 일반적으로 레이저 빔을 제공하는 시스템, 예컨대 레이저 빔이나 약 500nm 내지 약 575nm의 파장 범위를 갖는 광을 제공하는 레이저 소스(예컨대 레이저 및 다이오드 레이저)를 말한다. 녹색 레이저의 파장은 515nm, 약 515nm, 532nm, 약 532nm, 550nm 및 약 550nm의 파장을 포함한다. 녹색 레이저는 약 10 pm 내지 10nm, 약 5nm, 약 10nm 및 약 20nm의 대역폭뿐만 아니라 이보다 더 크거나 더 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "적어도(at least)", "~보다 큰(greater than)"과 같은 용어는 "~보다 작지 않은(not less than)"을 의미하며, 즉 이러한 용어는 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 더 낮은 값을 제외하도록 의도된다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "금속간 화합물(intermetallic)"이라는 용어는 가장 넓은 의미로 사용되어야 하며, 두 개 이상의 금속 원소 사이에 질서 정연한 고체 상태 화합물을 형성하는 모든 유형의 금속 합금을 포함하는 것으로 의도된다. 금속간 화합물은 일반적으로 단단하고 부서지기 쉽다. 금속간 화합물이라는 용어는 화학량론적 및 비화학량론적 금속간 화합물을 포함하여, 모든 분류의 금속간 화합물을 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 값의 범위, 약 "x"에서 약 "y"까지의 범위, 이와 유사한 용어 및 수량화의 언급은 단순하게 범위 내의 개별 값을 개별적으로 참조하는 용도로 의도된다. 따라서 해당 범위에 속하는 각 항목, 기능, 값, 양 또는 수량을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 범위 내의 각각의 모든 개별적인 지점(point)도 본원에 포함되며, 본원에서 개별적으로 인용되는 바와 같이 본원의 일부이다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 실온은 25℃이고, 표준 온도 및 압력은 25℃ 및 1기압이다. 달리 명시되지 않는 한 모든 테스트, 테스트 결과, 물리적 특성, 및 온도 종속값, 압력 종속값 또는 둘 다의 값은 표준 온도 및 압력에서 제공되는 것으로 의도된다.
본원에 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 일반적으로 "약" 및 기호 "~"는 ±10%의 편차 또는 범위, 언급된 값을 획득하는 것과 관련된 실험적 또는 기기적 오차, 및 바람직하게는 이들 중 더 큰 것을 포함하는 것으로 의도된다.
상기 본 발명의 배경 섹션에서 언급된 내용은 본 발명의 실시예들과 연관될 수 있는 기술의 다양한 측면을 소개하기 위한 것이다. 따라서, 본 섹션에서 언급된 내용은 본 발명을 더 잘 이해하기 위해 제공되는 것으로, 이로 인해 선행 기술을 인정하는 것으로 의도되지 않는다.
금속 분말 및 기타 유해 물질의 생성 없이 금속의 용접, 특히 전자 부품 및 배터리용 알루미늄 금속의 용접에 대한 아직까지 해소되지 않은 요구가 오랫동안 있어왔다. 이러한 요구를 포함하여, 알루미늄계 분말 및 유해 물질의 생산 없이 알루미늄 호일 스택 및 이러한 스택을 더 두꺼운 알루미늄 또는 알루미늄 부재 또는 구리 부재에 용접하는 것을 포함하여 알루미늄 자체 및 기타 금속에 알루미늄을 용접하는 개선된 방법에 대해서도 요구가 있어왔다. 본 발명은 무엇보다도, 본원에 교시 및 개시된 제조 물품, 장치 및 공정을 제공함으로써 이러한 요구들을 해결한다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 문제점들을 해소할 수 있는, 레이저를 사용한 금속 용접시 발생하는 유해 부산물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
이에 따라, 알루미늄계 재료에 고품질 용접을 형성하는 방법 및 시스템이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 알루미늄계 분말이 최소로 생성되거나 바람직하게는 생성되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 고품질 용접을 형성하는 방법 및 시스템이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 녹색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 알루미늄계 분말이 최소로 생성되거나 바람직하게는 생성되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 고품질 용접을 형성하는 방법 및 시스템이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청록색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 알루미늄계 분말이 최소로 생성되거나 바람직하게는 생성되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄 용접 시스템 및 방법이 제공되며, 이때 용접부는 HAZ(Heat Affected Zone, 열영향 구역) 및 재응고 구역(resolidification zone)을 포함하고; 알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 다음 특징들 중 하나 이상의 특징을 갖는 용접부, 시스템 및 방법이 추가로 제공되며: 여기서 용접부는 전도 모드(conduction mode) 용접에 의해 형성되고; 용접부는 키홀 모드(keyhole mode) 용접에 의해 형성되며; 제1 및 제2 공작물의 두께는 약 10㎛ 내지 약 500㎛이고; 제1 공작물은 복수의 층을 갖는 알루미늄 호일을 포함하며; 제1 공작물은 알루미늄 금속이고; 제1 공작물은 약 10 내지 약 95 중량%의 알루미늄을 갖는 알루미늄 합금이며; 레이저 빔은 800kW/cm2 미만의 출력 강도(power density)를 갖는 집속 스폿(focused spot)으로서 공작물에 지향되고; 레이저 빔은 500kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되며; 레이저 빔은 약 100kW/cm2 내지 약 800kW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되고; 레이저 빔은 100kW/cm2 이상의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되고; 레이저 빔은 500W 미만의 출력을 가지며; 레이저 빔은 275W 미만의 출력을 갖고; 레이저 빔은 150W 미만의 출력을 가지며; 레이저 빔은 150W 내지 약 750W 범위의 출력을 갖고; 레이저 빔은 약 200W 내지 약 1500W 범위의 출력을 가지며; 레이저 빔은 약 500W 내지 약 5kW 범위의 출력을 갖고; 레이저 빔은 약 50㎛ 내지 약 500㎛의 스폿 크기를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되며; 레이저 빔은 약 405nm 내지 약 500nm의 파장을 갖고; 레이저 빔은 약 380nm 내지 약 500nm의 파장을 가지며; 형성된 용접부는 스패터(spatter)가 없고; 레이저는 공작물을 기화시키지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 405nm 내지 500nm의 파장 범위를 갖는 레이저로 알루미늄을 용접하는 방법, 및 이러한 용접 방법에 의해 생성되는 용접부 및 제품이 제공된다.
또한, 380nm 내지 575nm의 파장 범위를 갖는 레이저로 알루미늄을 용접하는 방법, 및 이러한 용접 방법에 의해 생성되는 용접부 및 제품이 제공된다.
또한, 500nm 내지 575nm의 파장 범위를 갖는 레이저로 알루미늄을 용접하는 방법, 및 이러한 용접 방법에 의해 생성되는 용접부 및 제품이 제공된다.
또한, 505nm 내지 600nm의 파장 범위를 갖는 레이저로 알루미늄을 용접하는 방법, 및 이러한 용접 방법에 의해 생성되는 용접부 및 제품이 제공된다.
또한, 380nm 내지 850nm의 파장 범위를 갖는 레이저로 알루미늄을 용접하는 방법, 및 이러한 용접 방법에 의해 생성되는 용접부 및 제품이 제공된다.
또한, 다음 특징들 중 하나 이상의 특징을 포함하는 용접부, 시스템 및 방법 및 제공되며: 상기 방법은 전도 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; 용접 공정 동안 용접 퍼들(weld puddle)의 기화 없이 전도 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; 모재(base material)와 크기가 유사한 결정 성장 영역을 갖는 한편, 모재 금속과 유사한 미세 구조를 생성하는 전도 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; HAZ에서 모재 금속과 유사한 미세구조를 생성하는 전도 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; 용접 비드의 모재 금속과 유사한 미세 구조를 생성하는 전도 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; HAZ에서 모재 금속과 유사한 경도를 생성하는 전도 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; 용접 비드에서 모재 금속과 유사한 하니스(harness)를 생성하는 전도 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; 용접부의 미세 구조가 모재 금속과 상이하도록 알루미늄을 용접하는 단계; HAZ의 미세 구조가 모재 금속과 유사하도록 알루미늄을 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다음 특징들 중 하나 이상의 특징을 포함하는 용접부, 시스템 및 방법 및 제공되며: 상기 방법은 키홀 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; 용접 중에 매우 낮은 스패터가 발생하고 용접 후 알루미늄 표면에서 스패터가 거의 또는 전혀 관찰되지 않는 키홀 모드에서 알루미늄을 용접하는 단계; 출력 강도가 500kW/cm2 이상이고 키홀이 개방된 상태로 유지될 수 있는 용접 속도에서 알루미늄을 용접하는 단계; 출력 강도가 400kW/cm2 이상이고 키홀이 개방된 상태로 유지될 수 있는 용접 속도에서 알루미늄을 용접하는 단계; 출력 강도가 100kW/cm2 이상이고 키홀 용접 방식으로의 전환을 방지하기에 충분히 빠른 용접 속도에서 알루미늄을 용접하는 단계; 용접 중 침투 깊이를 향상시키기 위해 예열과 함께 알루미늄을 용접하는 단계; Ar-CO2 보조 가스로 알루미늄을 용접하는 단계; Ar-H2 보조 가스로 알루미늄을 용접하는 단계; Ar 보조 가스로 알루미늄을 용접하는 단계; 공기로 알루미늄을 용접하는 단계; He 보조 가스로 알루미늄을 용접하는 단계; N2 보조 가스로 알루미늄을 용접하는 단계; 및 소정의 보조 가스로 알루미늄을 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다음 특징들 중 하나 이상의 특징을 포함하는 용접부, 시스템 및 방법 및 제공되며: 이때 레이저 출력은 1Hz에서 1kHz로 변조되고; 레이저 출력은 1kHz에서 50kHz로 변조되며; 상기 방법은 세장형 청색 레이저 스폿을 사용하여 키홀을 개방 상태로 유지하는 단계; 로봇을 사용하여 원형(circular) 운동, 진동(oscillatory) 운동 또는 장방형 진동(oblong oscillation) 운동으로 스폿을 빠르게 이동시키는 단계; 검류계에 장착된 거울을 사용하여 용접 방향에 평행한 스폿을 진동시키는 단계; 검류계에 장착된 거울을 사용하여 용접 방향에 수직인 스폿을 진동시키는 단계; 및 한 쌍의 검류계에 장착된 한 쌍의 거울을 사용하여 원형 운동, 진동 운동 또는 장방형 진동 운동으로 스폿을 빠르게 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 키홀 용접을 형성하는 방법이 제공되며: 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 키홀 모드 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다음 특징들 중 하나 이상의 특징을 포함하는 용접부, 시스템 및 방법 및 제공되며: 여기서 키홀 용접용 레이저 출력은 1000W 미만이고; 키홀 용접용 레이저 출력은 500W 미만이며; 키홀 용접용 레이저 출력은 300W 미만이고; 상기 방법은 키홀로부터의 스패터를 억제하기 위해 레이저 빔을 세장화하는(elongating) 단계; 키홀로부터의 스패터를 억제하기 위해 레이저 출력을 변조하는 단계; 키홀 모드 용접 동안 스패터를 억제하기 위해 빔을 빠르게 스캐닝하는 단계; 용접이 자동 또는 수동으로 개시된 후 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 이루어진 그룹으로부터 선택된 차폐 가스를 적용하는 단계; Ar-H2, N2, N2-H2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 차폐 가스 혼합물을 적용하는 단계; 및 산화물층(oxide layer)을 제거하고 용접부의 습윤을 촉진하기 위해 차폐 가스를 적용하는 한편 차폐 가스에 수소를 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 무엇보다도 스폿의 크기를 제어하고 파장 및 레이저의 부과 방법을 최적화함으로써, 레이저 출력을 500W 내지 1000W 이상, 약 1kW, 약 2kW, 약 3kW, 500W 내지 2kW, 및 1kW 내지 5kW로 유지하는 한편, 양호한 용접 속도, 예컨대 경제적으로 허용되는 속도에서 감소된 스패터를 형성하는 용접, 바람직하게는 스패터 없는 용접을 구현할 수 있도록 구성된다.
청색, 청록색 및 녹색 레이저를 사용하여 알루미늄을 용접하는 이러한 용접 방법 및 시스템에서, 용접 공정 동안 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 약 1mg 내지 약 0.1mg, 및 이보다 더 적은 양의 알루미늄계 분말이 생성되며, 이들 분말은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청색, 청록색 및 녹색 레이저를 사용하여 알루미늄을 용접하는 이러한 용접 방법 및 시스템에서, 1mm 길이의 용접부를 형성하는 동안 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 약 1mg 내지 약 0.1mg, 및 이보다 더 적은 양의 알루미늄계 분말이 생성되며, 이들 분말은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청색, 청록색 및 녹색 레이저를 사용하여 알루미늄을 용접하는 이러한 용접 방법 및 시스템에서, 10초의 용접 시간 동안 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 약 1mg 내지 약 0.1mg, 및 이보다 더 적은 양의 알루미늄계 분말이 생성되며, 이들 분말은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청색, 청록색 및 녹색 레이저를 사용하여 알루미늄을 용접하는 이러한 용접 방법 및 시스템에서, 100초의 용접 시간 동안 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 약 1mg 내지 약 0.1mg, 및 이보다 더 적은 양의 알루미늄계 분말이 생성되며, 이들 분말은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청색, 청록색 및 녹색 레이저를 사용하여 알루미늄을 용접하는 이러한 용접 방법 및 시스템에서, 1,000초의 용접 시간 동안 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 약 1mg 내지 약 0.1mg, 및 이보다 더 적은 양의 알루미늄계 분말이 생성되며, 이들 분말은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 구리계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 구리계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, 알루미늄-구리 계면의 미세구조는 최소의 금속간 화합물(minimal intermetallic)을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 강철계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 강철계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, 알루미늄-강철 계면의 미세구조는 최소의 금속간 화합물을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 구리계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 구리계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, 구리-알루미늄 계면의 미세구조는 최소의 금속간 화합물을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 강철계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 강철계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, 강철-알루미늄 계면의 미세구조는 최소의 금속간 화합물을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, 알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, 알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 다음 특징들 중 하나 이상의 특징을 포함하는 용접 방법들이 제공되며, 여기서는 동일한 미세구조에 의해 용접부의 약점이 될 수 있는 용접부의 식별 가능한 차이가 나타나지 않도록 구성되고; 동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함하며; 용접부는 전도 모드 용접에 의해 형성되고; 제1 및 제2 공작물은 약 10㎛ 내지 약 1000㎛의 두께를 가지며; 제1 공작물은 복수의 층을 갖는 알루미늄 호일을 포함하고; 제1 공작물은 알루미늄 금속이며; 제1 공작물은 약 10 내지 약 95 중량%의 알루미늄을 갖는 알루미늄 합금이고; 레이저 빔은 800kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되며; 레이저 빔은 500kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되고; 레이저 빔은 약 100kW/cm2 내지 약 800kW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되며; 레이저 빔은 약 800kW/cm2 내지 약 5MW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되고; 레이저 빔은 100kW/cm2 이상의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되며; 레이저 빔은 500W 미만의 출력을 갖고; 레이저 빔은 275W 미만의 출력을 가지며; 레이저 빔은 750W 미만의 출력을 갖고; 레이저 빔은 150W 내지 약 750W 범위의 출력을 가지며; 레이저 빔은 약 200W 내지 약 1,500W 범위의 출력을 갖고; 레이저 빔은 약 50㎛ 내지 약 250㎛의 스폿 크기를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되며; 레이저 빔은 약 405nm 내지 약 500nm의 파장을 갖고; 형성된 용접부는 스패터가 없으며; 레이저는 공작물을 기화시키지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, HAZ에 대한 경도 범위는 알루미늄계 재료에 대한 경도 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 380nm 내지 850nm 범위의 파장을 갖는 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, 알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 380nm 내지 850nm 범위의 파장을 갖는 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며, 이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고, HAZ에 대한 경도 범위는 알루미늄계 재료에 대한 경도 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 다음 특징들 중 하나 이상의 특징을 포함하는 용접 방법들이 제공되며, 여기서는 약 500마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진(aluminum dust)이 형성되지 않고; 500마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않으며; 약 420마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않고; 420마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않고; 알루미늄 분진의 형성은 NFPA-484(2019 개정판)에 의해 설정된 한계 이내 또는 그 이하이고; 폭발 수준 미만인 소정의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되며; 소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되고, 이때 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며; 알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하고; 1mm 길이의 용접부를 형성하는 동안 소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되며, 이때 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고; 알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하며; 용접을 수행하는 동안 소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되고, 이때 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며; 알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하고; 용접을 수행하기 위한 시간은 적어도 10초, 10 내지 1,000초, 1,000초 이상, 10,000초 이상, 적어도 1시간, 적어도 2시간, 적어도 10시간, 및 10초 내지 100시간으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라 상기 언급된 문제점들을 해소할 수 있는, 레이저를 사용한 금속 용접시 발생하는 유해 부산물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 알루미늄 시트의 중첩 용접부의 상부 표면에 대한 사진이다.
도 2는 도 1의 용접부의 하부 표면에 대한 사진이다.
도 3은 도 1의 용접부의 단면에 대한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 알루미늄 시트의 맞대기 용접부의 상부 표면에 대한 사진이다.
도 5는 도 4의 용접부의 하부 표면에 대한 사진이다.
도 6은 도 4의 용접부의 단면에 대한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따라 용접된 일 실시예의 알루미늄 각형 셀(aluminum prismatic cell) 및 파우치 셀 배터리 리드(pouch cell battery lead)에 대한 사진이다.
도 8은 도 7의 용접부의 단면을 확대한 사진이다.
도 8a는 도 8의 단면에 대한 확대도이다.
도 9는 다양한 금속에 대한 흡수도 곡선을 도시하며, 특히 IR 레이저와 가시광 레이저 사이의 흡수도 차이를 보여준다.
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예의 전도 모드 용접의 전개에 대한 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따른 일 실시예의 키홀 모드 용접의 전개에 대한 개략도이다.
도 12는 본 발명에 따른 일 실시예의 레이저 용접 대상물 홀더에 대한 사시도이다.
도 12a는 도 12의 용접 대상물 홀더의 단면도이다.
도 13은 박형 부품의 수용 및 중첩 용접부를 형성하기 위한 본 발명에 따른 일 실시예의 용접 대상물 홀더에 대한 사시도이다.
도 13a는 도 13의 용접 대상물 홀더의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 실시예의 레이저 용접 방법을 수행하는데 사용하기 위한 150와트 청색 레이저 시스템의 개략도이다.
도 15는 본 발명에 따른 실시예의 개략적인 광선 추적 다이어그램으로, 300와트 청색 레이저 시스템을 만들기 위해 2개의 150와트 청색 레이저 시스템을 사용하는 방법을 도시한다.
도 16은 본 발명에 따른 실시예의 개략적인 광선 추적 다이어그램으로, 800와트 청색 레이저 시스템을 만들기 위해 4개의 150와트 청색 레이저 시스템을 사용하는 방법을 도시한다.
도 17은 본 발명에 따른 일 실시예의 알루미늄 1100 BOP 시험 결과에 대한 것으로서, 침투 깊이(㎛) 대 속도(m/min)의 그래프를 나타낸다.
도 18은본 발명에 따른 일 실시예의 알루미늄 110 맞대기 용접 시험 결과에 대한 것으로서, 침투 깊이(㎛) 대 속도(m/min)의 그래프를 나타낸다.
일반적으로, 본 발명은 다른 용접 기술, 특히 IR 레이저 용접 기술에 의해 형성되는 유해 미립자를 포함하는 유해 물질의 형성을 완화, 감소 및 제거하기 위한 금속 용접용 레이저, 레이저 빔, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 레이저 빔은 청색, 청록색, 녹색 및 적색의 파장을 가지며, 다른 용접 기술에 의해 형성되는, 특히 IR 레이저 용접 기술에 의해 형성되는 유해 미립자를 포함하는 유해 물질의 형성을 완화, 감소 및 제거하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 레이저 빔은 청색, 청록색, 녹색 및 적색의 파장을 갖고 알루미늄계 재료를 용접하며, 다른 용접 기술에 의해 형성되는, 특히 IR 레이저 용접 기술에 의해 형성되는 유해 알루미늄 분말을 포함하는 유해 물질의 형성을 완화, 감소 및 제거하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 청색, 청록색, 녹색 및 적색 레이저 빔은 금속 분진을 생성하는 IR 용접 공정으로 인한 미세 폭발 및 스패터링을 제거한다 (또는 알루미늄 분말이 형성되는 경우 최대 안전량 미만인 지점까지 대폭 제거함으로써 화재 위험을 일으키지 않도록 구성된다). 따라서, 본 발명에 따른 시스템 및 방법에 의해 건강 문제, 가연성, 폭발 위험, 이들의 조합 및 변형, 및 기타 유해한 영향을 미칠 수 있는 금속 분진의 형성을 제거할 수 있다. 예컨대, 알루미늄 분진은 금속성 알루미늄, 산화알루미늄, 수산화알루미늄과 같은 작은 크기(예: 마이크론 및 서브마이크론 크기)의 알루미늄계 입자를 말한다. 알루미늄 분진을 흡입할 경우 금속 흄열 및 폐 섬유증과 같은 건강 문제를 일으킬 수 있다. 중요한 점은 알루미늄 분진은 가연성 고체로서 화재 위험이 크다는 것이다. 기밀한 공간에 알루미늄 분진이 있을 경우 폭발 위험이 발생할 수 있다.
본 발명은 알루미늄 분진이 거의 없거나 또는 전혀 없는 알루미늄계 재료에 대한 레이저 용접 방법을 제공한다. 따라서, 예컨대 본 발명은 알루미늄 분진의 형성을 감소시켜, 공기 중 농도(mg/letter of air)를 폭발 수준 미만으로 낮추도록 구성된다. 미국, 유럽 및 기타 국가 모두에서 공기 중 부유하는 고체 알루미늄 분말의 양을 규제하고 있다. 알루미늄 분말은 매우 위험할 수 있으며 가연성 고체로서 폭발할 수 있으며 폭발물의 제조에도 사용될 수 있다.
알루미늄 분진에 대한 표준 규격은 미국 소방 협회(National Fire Protection Association, USA)에서 공포한 것이다. 그중 시험 요건은 NFPA 484(2019 개정판)의 "가연성 금속의 표준 규격"에 요약되어 있다. 시험 결과에 의해 시설에 대한 NFPA 484의 적용 가능성을 결정한다. NFPA 484는 연소 또는 폭발할 수 있는 형태의 금속을 가공, 취급 또는 저장하는 모든 시설에 적용된다. 미립자를 생성하는 과정에서 변경 사항이 있는 경우, 항상 새로운 샘플을 시험함으로써 최소 폭발 농도 및 점화 에너지에 대한 값을 재결정하도록 구성된다. 속도 변화, 합금, 및 왁스, 윤활제 또는 연마제와 같은 표면 코팅제의 사용으로 인해 더 미세한 입자가 발생할 경우 잠재적인 위험성이 증가할 수 있다.
청색, 청록색, 녹색 및 적색 범위의 파장을 사용하는 본 발명에 따른 일 실시예의 레이저 용접 기술에서, 알루미늄 분진의 생성 정도는 NFPA-484(2019 개정판)에 의해 설정된 임계값 및 안전 한계 이하이며, 그 전체 개시 내용이 본원에 참조로 포함된다.
청색, 청록색, 녹색 및 적색의 파장에 대해 더 큰 스폿 크기를 사용하면 알루미늄 분진 및 스패터의 생성을 더욱 감소시키거나 또는 제거할 수 있다. 스폿 크기는 예컨대 100㎛ 이상, 200㎛ 이상, 300㎛ 이상, 400㎛ 이상, 500㎛ 이상, 약 300㎛ 내지 약 500㎛, 약 100㎛ 내지 약 400㎛, 약 10㎛ 내지 약 500㎛, 약 400㎛ 내지 약 600㎛, 약 50㎛ 내지 약 600㎛, 약 500㎛ 내지 약 1㎛로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 본원에 기술된 바와 같이 금속 분말의 형성이 거의 없거나 또는 전혀 없이, 배터리를 포함하는 전자 부품용 금속계 재료에 대해 고품질 용접과 더불어 높은 용접 속도를 모두 제공한다. 일 실시예에서, 본 발명은 본원에 기술된 바와 같이 금속 분말의 형성이 거의 없거나 또는 전혀 없이, 배터리를 포함하는 자동차의 전자 부품용 알루미늄계 재료에 대해 고품질 용접과 더불어 높은 용접 속도를 모두 제공한다.
본 명세서는 알루미늄계 재료의 용접 및 알루미늄 분말 생성의 방지에 중점을 두고 있지만, 본 발명의 레이저 시스템 및 용접 기술은 금, 구리, 황동, 은, 알루미늄, 니켈, 니켈 도금 구리, 스테인리스강, 및 이들의 합금과 같은 다른 금속들의 용접에도 적용될 수 있음에 유의해야 한다.
본 발명의 레이저 기술, 용접 공정, 이러한 용접 공정을 수행하기 위한 레이저 빔 및 시스템은 예컨대 공간적(spatial), 스펙트럼(spectral), 코히어런트(coherent), 라만(Raman) 및 편광(polarization) 방법의 조합을 사용하여 방사체(emitter)로부터의 레이저 빔을 조합할 수 있도록 구성된다. 예컨대, 미국 특허 공개 번호 2016/0322777, 2018/0375296, 2016/0067827 및 2019/0273365, 및 미국 특허 출원 번호 16/695,090 및 16/558,140에 레이저 빔을 제공하는 시스템 및 방법이 교시 및 개시되어 있는바, 이들 각각의 내용은 본원에 참조로 포함되며, 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 고출력 청색 레이저 소스(예컨대, ~450nm)를 사용하여 전도 및 키홀 용접 모드를 포함하는 많은 용접 기술에서 안정적인 용접을 제공하도록 구성된다. 이러한 시스템 및 방법에 의해 기화, 스패터, 미세 폭발, 이들의 조합 및 변형을 최소화, 감소 및 바람직하게는 제거하는 한편, 알루미늄 분진의 형성을 감소 및 방지하는 공정을 제공한다. 일 실시예에서 본원에 기술된 바와 같이, 150와트 내지 275와트 범위의 출력 레벨에서 ~200㎛의 스폿 크기를 갖도록 청색 레이저로 알루미늄 용접을 할 경우 유해한 알루미늄 분진의 형성 없이 양호한 용접을 구현할 수 있다.
일 실시예에서 본원에 기술된 바와 같이, 약 300W 내지 약 500W, 약 500W 내지 약 1kW, 750W 내지 1.5kW, 1kW 내지 2.5kW, 1kW 내지 2.5kW, 1kW 내지 5kW, 250W 내지 5kW, 및 이보다 더 큰 범위의 출력 레벨에서, 및 ~100㎛, ~200㎛, ~300㎛, ~400㎛, ~500㎛, ~700㎛, ~1000㎛, 약 100㎛ 내지 약 1,000㎛, 약 100㎛ 내지 약 500㎛, 약 200㎛ 내지 약 750㎛, 약 200㎛ 내지 약 400㎛, 약 600㎛ 내지 약 800㎛, 약 500㎛ 내지 약 1,000㎛, 약 700㎛ 내지 약 1,500㎛, 약 1mm 이상, 약 2mm, 약 3mm 이상, 약 4mm, 및 이보다 더 큰 스폿 크기를 갖도록 청색 레이저로 알루미늄 용접을 할 경우 유해한 알루미늄 분진의 형성 없이 경제적으로 실행 가능한 속도로 양호한 용접을 구현할 수 있다.
일 실시예에서, 레이저의 파장은 바람직하게는 350nm 내지 500nm 범위일 수 있고, 스폿 크기(직경 또는 단면)는 100미크론(㎛) 내지 3mm의 범위일 수 있으며, 이보다 더 큰 스폿 크기도 고려될 수 있다. 스폿의 형상은 원형, 타원형, 선형, 정사각형 또는 기타의 형상으로 제공될 수 있다. 바람직하게는, 레이저 빔은 연속적인 형태로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 빔은 예컨대 약 1 마이크로초 이상에서부터 펄스화될 수 있다. 본원에 기술된 바와 같이, 이러한 기술은 유해한 알루미늄 분진이 형성되지 않는 한편 알루미늄계 재료에 대해 양호한 용접을 구현할 수 있다.
집속 포인트(focus point) 및 집속 포인트의 위치, 그리고 알루미늄 재료에 대한 레이저 빔의 침투 깊이를 조절함으로써, 알루미늄 분진의 형성, 스패터 감소 및 제거에 대한 능력을 추가로 제공할 수 있다. 일반적으로 레이저 빔의 침투가 깊을수록, 그리고 집속 포인트가 깊을수록 스패터 및 분진의 감소 및 제거가 커질 수 있다.
도 1 내지 3은 30mm/sec의 속도에서 500W 출력의 레이저를 사용하는 200um x 200um 알루미늄 시트의 중첩 용접부에 대한 사진을 도시한다. 아르곤 공정 가스는 50cfh에서 사용된다. 0.4초의 체류 시간(dwell time)이면, 레이저로 하여금 기존 산화물층을 절단하는 한편 재료의 선형 경로 길이 방향을 따라 적절한 용융 풀(melt pool)의 형성하기에 충분한 시간을 제공할 수 있다. 도 1은 상부 표면을 도시하고, 도 2는 하부 표면을 도시하며, 도 3은 용접부의 단면을 도시한다. 에칭액(etchant)에 의해 알루미늄의 결정 구조를 드러내지 않더라도, 용접된 영역과 용접되지 않은 영역 사이에 가시적인 차이가 거의 또는 전혀 보이지 않음을 확인할 수 있다. HAZ가 거의 또는 전혀 존재하지 않으며, 산화도 거의 또는 전혀 존재하지 않음을 확인할 수 있다.
도 4 내지 6은 130mm/sec의 속도에서 500W 출력의 레이저를 사용하는 200um x 200um 알루미늄 시트의 맞대기 용접부에 대한 사진을 도시한다. 레이저 빔의 레이저 중심 파장은 450nm±10nm 일 수 있고 레이저에 대한 대역폭은 10-20nm일 수 있다. 아르곤 공정 가스는 50cfh에서 사용된다. 레이저 출력이 용접 심(weld seam)으로 용이하게 전파되고 재료의 양면을 가열하는 한편 적합한 용융 풀을 생성하여 재료들 사이의 심을 따라 전파되므로 체류 시간이 요구되지 않는다. 도 4는 깨끗하고 균일한 용접부를 갖는 상부 표면을 도시한다. 용접부 양쪽의 용융된 영역, 및 이들을 접합하는 용융 및 응고된 금속의 매끄러운 영역이 명확하게 관찰된다. 도 5는 하부 표면을 도시하며, 여기서도 역시 세 부분의 용접부가 존재하는데, 양쪽에 균일한 간격의 셰브론(chevron) 패턴, 및 이들을 접합하는 작고 약간 거친 패치를 확인할 수 있다. 도 6은 용접부의 단면을 도시한다. 에칭액에 의해 알루미늄의 결정 구조를 드러내지 않더라도, 용접된 영역과 용접되지 않은 영역 사이에 가시적인 차이가 거의 또는 전혀 보이지 않음을 확인할 수 있다. 금속의 굽힘은 용접 과정에서 이들이 가열되고 함께 당겨지면서 발생한다. HAZ가 거의 또는 전혀 존재하지 않으며, 산화도 거의 또는 전혀 존재하지 않음을 확인할 수 있다.
도 7, 8 및 8a를 참조하면, 본 발명의 레이저 용접 기술을 사용하여 각형 셀 및 파우치 셀 배터리 리드를 레이저로 용접한 사진이 도시되어 있다. 레이저 빔의 레이저 중심 파장은 50nm±10nm일 수 있고 레이저에 대한 대역폭은 10-20nm일 수 있다. 도 7, 8 및 8a는 41개 층으로 구성된 12um 알루미늄 x 1mm 알루미늄 탭의 용접부를 도시한다. 1000W 출력의 레이저를 사용하여 800 내지 2000mm/min 범위의 속도로 3회 통과시키는 공정을 수행한다. 먼저, 초기 체류시간을 활용하여 첫 번째 통과시 탭에 호일을 융합할 수 있을 만큼 충분히 큰 용융 풀을 구축한다. 일 실시예에서, 레이저를 초점 밖으로 이동 지향시킴으로써 레이저의 가열을 더 큰 영역으로 확산시키도록 구성된다. 레이저는 호일의 에지를 따라 이동하여 외부로 오프셋되거나, 또는 중앙에서 또는 호일 에지의 내부에서 오프셋된다. 후속 통과 절차에 의해 일반적으로 레이저 빔을 포일 스택 안쪽으로/위쪽으로 더 이동시킨다. 레이저의 집속 위치는 그에 따라 조정되어 최상의 특성으로 가장 반복 가능한 용접을 생성할 수 있도록 구성된다. 일반적으로 이러한 공정에서는 산화가 거의 또는 전혀 발생하지 않는다.
본 발명의 실시예의 공정은 두꺼운 포일 스택을 중첩 용접(lap welding)하는 단계를 포함한다. 여기서는 더 긴 체류시간이 사용될 수 있다. 전체 스택 두께를 관통하기 위해 작은 원형 또는 타원형 패턴이 사용될 수 있다. 용접 침투 깊이를 유지하기 위해 전후 방향의 작은 모션(motion)이 사용될 수 있다. 용접 침투 깊이를 유지하기 위해 작은 타원형 또는 기타 패턴이 사용될 수 있다. 얇은 금속 조각을 사용하여 포일 층의 절단 양을 제한할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 실시예는 알루미늄 대 알루미늄 또는 알루미늄 대 다른 재료와의 용접을 위한 방법, 장치 및 시스템, 및 이들의 조합에 관한 것으로서, 상기 방법은 가시광 레이저 시스템을 사용하여 알루미늄 재료에 대해 효율적인 열 전달 속도와 더불어 안정적인 용접 퍼들(weld puddle)을 포함하는 이점을 달성하는 한편, 특히 전도 모드 또는 키홀 모드 용접에서 이러한 이점을 갖도록 구성되는 단계를 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 알루미늄은 청색 파장 범위에서 20%의 흡수성을 갖는다. 본 발명에 따른 레이저 빔 시스템 및 방법은, 열이 레이저 스폿으로부터 이격되어 전도될 수 있는 것보다 더 빨리 모재(예컨대 알루미늄과 같은 용접될 재료)를 가열한다. 산화물층의 용융이 완료되면, 모재의 알루미늄 용융이 시작되는 한편 안정적인 용융 풀이 형성된다. 이에 의해 전도 모드 레이저 용접을 위한 효율적이고 우수한 용접 특성을 제공하며, 즉 레이저 빔을 수용하는 재료는 융점까지 빠르게 가열되는 한편, 연속적 형태로 조사되는 레이저 빔에 의해 융점에서 유지됨으로써 이에 따라 안정적인 용접 비드를 형성하도록 구성된다.
도 10은 일 실시예의 전도 모드 용접(1000)의 개략도를 도시하며, 여기서 화살표(1004)는 용접 방향을 나타낸다. 예컨대 청색 파장 레이저 빔(1001)의 초점을 용접 풀(1002)에 맞추고 이를 유지한다. 용접 풀(1002)의 뒤쪽으로 고체 용접 재료(1003)가 배치된다. 모재, 예컨대 알루미늄 금속 또는 합금은 용접부의 아래쪽에 배치된다. 또한, 차폐 가스 스트림(1005)이 사용될 수 있다.
도 11은 일 실시예의 키홀 모드 용접(2000)의 개략도를 도시하며, 여기서 화살표(2007)는 용접 방향을 나타낸다. 키홀(2006) 내에는 금속/증기 플라즈마가 존재한다. 청색 레이저 빔(2002)에 의해 플라즈마 구름(2002), 용접 풀(2003) 및 고체 용접 금속(2004)이 생성된다. 또한, 차폐 가스 스트림(2005)이 사용될 수 있다.
도 11의 키홀 모드 용접과 도 10의 전도 모드 용접을 비교하면, 키홀 용접시 최종 용접부의 재응고 구역의 벽(wall)이 전도 모드 용접시보다 용접 대상물 또는 모재에 더 수직으로 형성되는 점이 상이하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 실시예의 시스템 및 방법에 대해 고출력 레이저 빔(예컨대, 가시광, 녹색 및 청색 레이저 빔)을 사용하여 집속시키거나, 또는 시스템의 광학 장치를 통해 약 50㎛ 이상의 스폿 크기로 집속시킬 수 있으며, 최소 10W 이상의 출력을 가질 수 있다. 청색 레이저 빔을 포함한 레이저 빔의 출력은 10W, 20W, 50W, 100W, 10~50W, 100~250W, 200~500W, 150~1,000W, 1,000W, 500W~1,500W, 1,500W 및 이보다 크거나 더 작은 출력 및 이러한 범위 내의 모든 파장이 고려될 수 있다. 이들 출력 및 레이저 빔에 대한 스폿 크기(가장 긴 단면 거리, 원형의 경우 직경)는 약 20㎛ 내지 약 4mm, 약 3mm 미만, 약 2mm 미만, 약 20㎛ 내지 약 1mm, 약 30㎛ 내지 약 50㎛, 약 50㎛ 내지 약 250㎛, 약 50㎛ 내지 약 500㎛, 약 100㎛ 내지 약 4000㎛일 수 있고, 이보다 크거나 더 작은 스폿 및 이러한 범위 내의 모든 크기가 고려될 수 있다. 레이저 빔 스폿의 출력 강도는 약 50kW/cm2 내지 5MW/cm2, 약 100kW/cm2 내지 4.5MW/cm2, 약 100kW/cm2 내지 1000kW/cm2, 약 500kW/cm2 내지 2MW/cm2, 약 50kW/cm2 이상, 약 100kW/cm2 이상, 약 500kW/cm2 이상, 약 1000kW/cm2 이상, 약 2000kW/cm2 이상일 수 있으며, 이보다 높거나 더 낮은 출력 강도 및 이러한 범위 내의 모든 출력 강도가 고려될 수 있다. 알루미늄의 경우 약 0.1mm/sec 내지 약 200mm/sec의 용접 속도, 및 다양한 조건에 따라 이보다 느리거나 더 빠른 속도, 및 이러한 범위 내의 모든 속도를 사용하여 생산품에 용접할 경우, 본원에 기술된 바와 같이 알루미늄 분진이 거의 또는 전혀 발생하지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 실시예의 시스템 및 방법은 1개, 2개, 3개 또는 그 이상의 레이저 빔을 사용하여 용접부를 형성할 수 있다. 레이저 빔을 일반적인 동일 구역에 집속하여 용접을 개시한다. 레이저 빔 스폿은 중첩될 수도 있고, 일치할 수도 있다. 복수의 레이저 빔을 동시에, 즉 동시 다발적으로 사용할 수도 있다. 또는, 단일 레이저 빔을 사용하여 용접을 개시한 다음 제2 레이저 빔을 추가로 조사할 수도 있다. 복수의 레이저 빔을 사용하여 용접을 개시할 수 있고, 이어서 더 작은 레이저 빔, 예컨대 단일 레이저 빔을 사용하여 용접을 계속할 수 있다. 이러한 복수의 레이저 빔은 상이하거나 또는 동일한 출력을 가질 수 있고, 출력 강도도 상이하거나 동일할 수 있으며, 파장도 상이하거나 동일할 수 있고, 이들의 조합 및 변형일 수 있다. 추가 레이저 빔의 사용은 동시적 또는 순차적일 수 있다. 또한, 다중 레이저 빔을 사용하는 이러한 실시예들의 조합 및 변형도 사용될 수 있다. 다중 레이저 빔을 사용하면 용접시 스패터를 억제할 수 있으며 깊은 침투식 용접 방법에서도 효과를 발휘할 수 있다.
일 실시예에서 수소 가스(H2)를 불활성 가스와 혼합함으로써, 용접 공정 동안 모재로부터 산화물층을 제거할 수 있다. 이때, 수소 가스는 용접 영역 위로 흐르도록 구성되는 한편, 또한 수소 가스는 용접의 습윤을 촉진한다. 수소 가스는 차폐 가스에 추가되거나 차폐 가스와의 혼합물을 형성할 수 있으며, 또한 차폐 가스의 일부로 용접부에 적용될 수도 있다. 이러한 혼합물은 예컨대 Ar-H2, He-H2, N2-H2를 포함할 수 있다.
[ 청색, 청록색, 녹색 및 적색 레이저 시스템을 사용한 알루미늄, 알루미늄 합금 및 기타 금속의 전도 모드 용접 방법 ]
본 발명에 따른 시스템은 IR 용접시 유해 알루미늄 분진을 포함하는 유해 물질의 생산과 관련된 문제 및 어려움을 극복할 수 있다. 본 발명에 따른 레이저 빔과 알루미늄의 상호 작용에 대한 방법에 의해, 알루미늄을 용융점에 도달하게 하는 한편 허용 가능한 처리 범위를 설정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 안정적인 전도 모드 용접을 수행하는 한편, 용접 대상물 고정 장치 또는 고정구의 사용을 통해 안정적이고 빠른 속도로 고품질 용접을 구현하도록 구성된다.
용접 고정구는, 레이저 빔에 의해 용접 대상물에 열을 유도 및 전도하는 동안 용접될 재료를 제자리에 유지하는 데 사용된다. 도 12 및 12a는 각각 중첩 용접, 맞대기 용접 및 심지어 에지 용접에 사용될 수 있는 일 실시예의 용접 클램프(welding clamp)의 선형 단면에 대한 사시도 및 단면도를 도시한다. 용접 고정구(4000)는 베이스 플레이트 또는 지지 구조(4002)를 갖는다. 베이스 플레이트(4002)에는 2개의 고정 부재 또는 클램프(4001)가 부착되어 있다. 클램프(4001)는 베이스 플레이트(4002)의 표면에 위치하는 탭(tab), 및 용접할 공작물과 접촉 및 이를 고정하는 자유 단부(free end)를 갖는다. 클램프(4001)의 자유 단부들 사이 영역의 베이스 플레이트(4002)에는 예컨대 너비 2mm x 깊이 2mm 크기의 슬롯이 제공된다. 4개의 볼트(예컨대 4004)(다른 유형의 조정/조임 장치도 사용할 수 있음)을 사용하여 공작물에 대해 클램프를 조정하거나, 조이거나 및 고정함으로써 공작물을 고정 유지하도록 구성된다.
이러한 고정구에 대한 바람직한 재료는 스테인리스 강과 같은 낮은 열전도율을 갖는 재료인데, 그 이유는 용접 중에 용접 대상물을 제자리에 고정 유지하는 데 필요한 고정 압력을 인가하기에 충분히 강도를 갖기 때문이다. 일 실시예에서, 클램프 및 베이스 플레이트 둘 다는 용접 공정 동안 공작물에 절연 효과(insulating effects)를 가질 수 있다. 고정구에 열전도율이 낮은 재료를 사용함으로써, 용접 대상물로 증착되는 열이 고정구 자체에 의해 빠르게 전도되는 것을 방지하거나, 최소화 및 감소시킬 수 있도록 구성된다. 클램프에 대해 선택되는 재료, 클램프의 너비 및 용접 대상물 아래쪽 간격은 용접의 침투 깊이, 용접 비드의 너비 및 용접 비드의 전체 품질을 결정하는 주요 매개변수가 된다.
바람직한 실시예에서, 고정구(4000)의 베이스 플레이트(4002)는 스테인리스 강으로 구성되며, 용접 영역 바로 아래쪽에 위치한 베이스 플레이트를 절단하여 2mm 너비의 갭(4003)을 형성한 다음, 아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 가스(커버 가스 또는 차폐 가스로서)로 채움으로써 용접부 뒷면의 산화를 최소화하도록 구성된다. 커버 가스는 수소와 불활성 가스의 혼합물일 수 있다. 클램프(4001)는 베이스 플레이트(4002)의 갭(4003)의 에지로부터 2mm 이격된 지점에서 용접 대상물에 압력을 가하도록 설계된다. 따라서, 본 실시예에서는 용접 대상물의 6mm 너비 영역이 레이저 빔에 대해 개방된다(레이저 빔이 클램프로부터 약간 이격되어 있음을 인식함). 이러한 고정구의 위치 지정으로, 레이저 빔이 표면에 용이하게 접근하게 함과 동시에 용접 대상물을 단단히 고정하도록 구성된다. 이러한 유형의 고정구를 활용한 고정 방법은 두께가 50㎛에서 수 mm까지 다양한 2개의 알루미늄 호일 또는 시트를 맞대기 용접하는 데 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 이러한 고정구는 200㎛에서 수 mm 범위의 두꺼운 알루미늄판 2개를 함께 중첩 용접하는 데에도 적합하다. 고정 압력의 크기는 매우 중요하며, 레이저 출력 양, 용접 속도, 용접 대상물 두께 및 수행되는 용접 유형에 따라 달라지고, 고정 볼트의 토크 값은 0.05Nm(Newton-m), 최대 3Nm 또는 더 두꺼운 재료의 경우 그 이상으로 할 수도 있다. 이러한 토크 값은 볼트 크기, 나사 결합 유형 및 볼트 중심에서 고정 지점까지의 거리에 따라 크게 달라진다.
일 실시예에서, 고정구 자체에 대한 기생 열 손실(the parasitic heat loss)을 최소화하는 한편, 용접시 대상물의 움직임을 방지하기에 충분한 고정 압력을 제공함으로써 고품질의 우수한 용접을 구현할 수 있다. 도 12 및 도 12a에 도시된 실시예의 고정구는 용접 고정구의 직선 부분에 대한 단면을 나타내며, 모든 유형의 형상을 용접하기 위해 임의의 2D 경로(예컨대 -S -, -C -. -W - 등)로 설계될 수 있음에 유의해야 한다. 다른 실시예에서, 고정구는 예열되거나, 또는 용접 공정 동안 가열됨으로써 고정구에 대한 기생 열 손실을 감소시키는 한편 용접 속도 또는 용접부의 침투 깊이를 증가시키도록 구성된다. 고정구를 수백 ℃로 가열하면 용접 속도 또는 침투 깊이 및 용접 품질을 한두 가지 이상 향상시킬 수 있다. 용접부의 상부측을 위한 차폐 가스는 도 10에 도시된 바와 같이 길이 방향으로 즉, 용접 진행 방향의 전방으로부터 용접 진행 방향의 후방으로 전달된다.
전도 모드 용접 공정을 사용하여 두 대상물을 중첩 용접하기 위해서는 이들을 긴밀하게 접촉 배치 및 고정할 필요가 있다. 두 대상물(집합적으로 공작물)은 바람직하게는 도 13 및 도 13a에 도시된 유형의 고정구(5000)(각각 사시도 및 단면도)에 배치될 수 있다. 고정구(5000)는 베이스 플레이트(5003) 및 2개의 클램프(5002)를 갖는다. 클램프는 고정 볼트(예: 5001)에 대응하는 4개의 슬롯(예: 5010)을 갖는다. 이러한 방식으로, 공작물에 대한 클램프의 상호 위치는 물론 고정 압력 또는 압력의 양을 조정할 수 있다. 클램프에는 위치 지정 및 고정을 지원하는 자석이 제공될 수 있다. 클램프(5002)는 차폐 가스를 운반하기 위한 내부 채널(예: 5004)을 갖는다. 내부 채널(5004)은 차폐 가스 배출구(예: 5005)와 유체 연통하도록 구성된다. 차폐 가스 배출구 및 내부 채널에 의해 클램프 내에 차폐 가스 전달 시스템을 형성한다. 따라서 차폐 가스 전달 시스템은 아르곤, 헬륨 또는 질소와 같은 불활성 가스를 전달하는 클램프의 길이 방향을 따라 배치된 일련의 구멍들로 구성된다. 아르곤은 공기보다 무겁고 대상물에 침전되며 산소를 대체하는 한편 상부 표면의 산화를 방지하기 때문에 선호되는 가스이다. 소량의 수소를 불활성 가스에 첨가함으로써 용접 대상물의 산화물층 소거를 촉진하는 한편 용융 공정 동안 대상물의 습윤을 촉진할 수 있다.
또한, 인서트(5006)가 제공되며, 이에 의해 포일 스택의 개별 포일들이 스택 내에서 서로 접촉을 유지하도록 구성된다. 인서트(5006)에 의해 포일을 늘리고 힘을 가하여 단단하게 하는 한편 서로 균일하게 접촉하게 할 수 있다. 도 13 및 도 13a의 실시예에서, 인서트(5006)는 역 V자 형상으로 제공되며, 포일 스택의 형태 및 이들의 개별 두께에 따라 곡선형, 돌출형 또는 기타 형상으로 제공될 수도 있다. 또한, 도 13 및 도 13a의 실시예에서. 인서트(5006)는 클램프(5002)에 인접하지만 클램프(5002)에 의해 덮이지는 않도록 구성된다. 인서트는 클램프의 단부와 격리되어 있거나, 또는 인서트는 클램프 중 하나 또는 2개 모두에 의해 부분적으로 덮일 수 있도록 구성된다.
바람직한 실시예에서, 베이스 플레이트(5003)는 클램프(5002)와 마찬가지로 스테인리스 강으로 만들어진다. 고정 장치는 세라믹 또는 단열 재료로 만들어질 수 있다. 돌출부(5006)에 의해 용접부의 하부로부터 압력을 제공함으로써 중첩 플레이트(2개, 3개, 10개 등)를 밀접하게 접촉 유지시키도록 구성된다. 본 실시예에서, 차폐 가스의 제공은 아르곤, 헬륨, 또는 질소와 같은 불활성 가스를 전달하는 클램프(2)의 길이 방향을 따라 내장 배치된 일련의 구멍들을 통해 이루어진다. 아르곤은 공기보다 무겁고 공작물에 침전되며 산소를 대체하는 한편 상부 표면의 산화를 방지하기 때문에 선호되는 가스이다. 또한, 베이스 플레이트(5003)의 인서트 돌출부(5006)는 일련의 채널, 구멍 또는 슬롯을 구비하며, 이에 의해 용접부의 후면으로 커버 가스 또는 차폐 가스를 전달함으로써 산화를 방지하도록 구성된다. 고정구(5000)는 도면에 도시된 바와 같이, 용접부의 직선 부분의 단면을 나타내며, 임의의 형상을 함께 용접하도록 임의의 2차원(2-D) 경로로 설계될 수 있다. 본 실시예에서 볼트의 토크 값은 중요하며 공작물의 특성에 따라 달라지는데, 토크 값이 너무 낮으면(예: 0.1Nm) 공작물은 접촉 상태를 유지하지 못할 수 있고, 반면 토크 값이 너무 높으면(예: > 1Nm) 기생 열 전달로 인해 용접 공정의 효율성을 감소시켜 침투 깊이 및 용접 비드 폭을 감소시킬 수 있다.
개별적으로 및 집합적으로 스패터 및 분진 형성을 추가로 감소 및 제거할 수 있는 다른 공정 매개변수로는 공작물에 적절한 보조 가스를 제공하거나, 공작물 내 집속 위치를 설정하거나, 전도 모드 용접 방법을 사용하거나, 용접 펄스 매개변수를 사용하거나 또는 원형, 래스터(raster) 패턴의 워블링(wobbling)과 유사한 용접부를 형성하는 방법을 포함할 수 있다.
[ 유해 금속 분말 생성의 감소를 위한 알루미늄, 알루미늄 합금 및 기타 금 속에 대한 추가의 용접 기술 ]
500와트 출력 및 200㎛ 스폿에서 출력 강도는 1.6MW/cm2 이상이 되어야 한다. 이러한 출력 강도 이상에서는 청색 레이저조차도 용접부에 스패터 및 다공성 특성을 생성할 가능성이 있다. 그러나 흡수율을 잘 제어함으로써, 스패터를 억제, 제어하거나 또는 제거할 수 있도록 구성된다. 스패터를 억제하는 첫 번째 방법은 스패터 발생의 시작과 더불어 출력 레벨을 감소시키는 한편, 용접 속도를 일정하게 유지하는 것이다. 스패터를 억제하는 두 번째 방법은 용접 퍼들의 형태를 세장화하여 차폐 가스와 기화된 금속을 키홀로부터 배출함으로써 스패터가 없는 무결점 용접부를 생성하는 것이다. 스패터를 억제하는 세 번째 방법은 일련의 검류계 모터(galvanometer motors) 또는 로봇에 장착된 일련의 미러(mirror)를 사용하여 청색 레이저 빔을 워블링(wobbling)시키는 것이다. 스패터를 억제하는 네 번째 방법은 진공을 이용하여 용접 환경의 압력을 감소시키는 것이다. 마지막으로 스패터를 억제하는 다섯 번째 방법은 1Hz 내지 1kHz 또는 최대 50kHz의 범위에서 레이저 빔의 출력을 변조하는 것이다. 바람직하게는, 용접 매개변수들은 최적화됨으로써 용접 공정시 스패터의 발생을 최소화하도록 구성된다.
일반적으로, 본 발명의 실시예들은 레이저 재료 가공, 사전 선택된 레이저 빔 파장을 가공될 재료에 매칭시킴으로써 재료로 하여금 대폭 증가한 레벨의 흡수율을 갖도록 구성된 레이저 가공, 및 특히 레이저 빔에 의해 재료로 하여금 높은 흡수율을 갖도록 구성된 레이저 재료 용접에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 350nm 내지 850nm의 파장을 갖는 가시광 레이저 빔을 사용하여 이들 파장에 대해 더 높은 흡수율을 갖는 재료를 레이저 가공을 통해 용접하거나 또는 접합하는 방법에 관한 것이다. 특히, 레이저 빔의 파장은 레이저 가공될 재료에 기초하여 사전 결정되며, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 18% 및 적어도 약 20%, 또는 그 이상, 및 약 10% 내지 약 20%의 흡수율을 갖도록 구성된다. 따라서, 예컨대 약 400nm 내지 약 500nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하여 금, 구리, 황동, 은, 알루미늄, 니켈, 이들 금속의 합금, 스테인리스강 및 기타 금속, 재료 및 합금을 용접할 수 있도록 구성된다.
예컨대 약 405nm 내지 약 495nm 파장을 갖는 청색 레이저를 사용하여 금, 구리, 황동, 니켈, 니켈 도금 구리, 스테인리스강 및 기타 재료, 도금 재료 및 합금과 같은 재료를 용접할 수 있는데, 이는 실온에서 상기 재료들의 높은 흡수성(예: 약 15% 이상의 흡수성)으로 인해 가능하다. 본 발명의 여러 장점 중 하나는 레이저 가공 작업(예: 용접 공정)시 재료에 레이저 에너지를 양호하게 부과할 수 있는 청색 레이저 빔과 같은 사전 선택된 파장의 레이저 빔을 사용할 수 있다는 점이다. 용접되는 재료에 레이저 에너지가 양호하게 부과됨으로써 스패터의 발생 가능성이 대폭 줄어들고 바람직하게는 제거된다. 또한, 레이저 에너지의 양호한 부과에 의해 저출력 레이저의 사용이 가능하므로 비용 절감도 가능하다. 또한, 레이저 에너지의 양호한 부과에 의해 더 큰 제어 능력, 더 높은 허용 오차와 더불어 최종적으로 더 큰 용접 생산성을 제공한다. IR 레이저 및 IR 레이저 용접 작업에서는 찾아볼 수 없는 이러한 특징들은 다른 어떤 분야보다도, 전자 및 축전 분야의 제품일 경우 매우 중요하다.
예컨대 약 380nm 내지 약 575nm 파장을 갖는 청색 레이저를 사용하여 금, 구리, 황동, 니켈, 니켈 도금 구리, 스테인리스강 및 기타 재료, 도금 재료 및 합금과 같은 재료를 용접할 수 있는데, 이는 실온에서 상기 재료들의 높은 흡수성(예: 약 15% 이상의 흡수성)으로 인해 가능하다. 본 발명의 여러 장점 중 하나는 레이저 가공 작업(예: 용접 공정)시 재료에 레이저 에너지를 양호하게 부과할 수 있는 청색 레이저 빔과 같은 사전 선택된 파장의 레이저 빔을 사용할 수 있다는 점이다. 용접되는 재료에 레이저 에너지가 양호하게 부과됨으로써 스패터의 발생 가능성이 대폭 줄어들고 바람직하게는 제거된다. 또한, 레이저 에너지의 양호한 부과에 의해 저출력 레이저의 사용이 가능하므로 비용 절감도 가능하다. 또한, 레이저 에너지의 양호한 부과에 의해 더 큰 제어 능력, 더 높은 허용 오차와 더불어 최종적으로 더 큰 용접 생산성을 제공한다. IR 레이저 및 IR 레이저 용접 작업에서는 찾아볼 수 없는 이러한 특징들은 다른 어떤 분야보다도, 전자 및 축전 분야의 제품일 경우 매우 중요하다.
일 실시예에서, CW 모드에서 작동하는 청색 레이저가 사용된다. CW 모드 작동 레이저는, 레이저 출력을 신속하고 완전하게 변조하는 한편 피드백 루프에서 용접 공정을 제어하여 최적의 기계적 및 전기적 특성과 더불어 고도로 반복 가능한 공정을 생성할 수 있기 때문에, 많은 응용 분야에서 펄스 레이저보다 선호될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나, 둘 또는 그 이상의 부재에 대한 레이저 가공 방법이 제공된다. 부재들은 레이저 빔(예: 레이저 빔 에너지)을 흡수하는 모든 유형의 재료, 예컨대 플라스틱, 금속, 복합 재료, 비정질 재료 및 기타 유형의 재료로 만들어질 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 가공 방법은 2개의 금속 부재를 함께 납땜(soldering)하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 레이저 가공 방법은 2개의 금속 부재를 함께 용접하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 레이저 용접 도구, 시스템 및 방법이 제공되며, 이때 레이저 용접 작업은 자발적 용접, 레이저-하이브리드 용접, 키홀 용접, 중첩 용접, 필렛 용접, 맞대기 용접 및 비자발적 용접(non-autogenous welding)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.
레이저 용접 기술은 다양한 상황에서, 특히 배터리와 같은 전력 저장 장치에서 전기적 연결의 형성을 위해 용접이 필요한 경우 유용할 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 실시예들의 레이저 용접 작업 및 시스템은 가시적 파장의 레이저, 바람직하게는 자발적(autogenous)일 수 있는 청색 파장의 레이저를 포함하는데 이는 모재만을 사용한다는 의미로서 키홀 용접, 전도 용접, 중첩 용접, 필렛 용접 및 맞대기 용접에 일반적으로 사용된다. 레이저 용접은 간격을 "채우거나" 용접부 강도를 위해 융기된 비드를 생성하도록 용융 퍼들에 충전재를 추가하는 경우 비자발적(non-autogenous)일 수 있다. 레이저 용접 기술에는 레이저 재료 증착(laser material deposition, "LMD")도 포함된다.
본 발명에 따른 실시예의 레이저 용접 작업 및 시스템은 가시적 파장의 레이저, 바람직하게는 청색 파장의 레이저를 포함하며, 전류와 레이저 빔을 함께 사용함으로써 충전재를 더욱 신속하게 공급하도록 구성된 하이브리드 용접일 수 있다. 하이브리드 레이저 용접은 비자발적인 것으로 정의된다.
일부 실시예에서, 바람직하게는 능동형 용접 모니터, 예컨대 카메라를 사용하여 즉석에서 용접 품질을 확인할 수 있다. 이러한 모니터에는 예컨대 엑스레이 검사 및 초음파 검사 시스템이 포함될 수 있다. 또한, 스트림 빔 분석 및 출력 모니터링 방법을 활용하여 시스템 특성 및 작동 특성을 완전하게 이해할 수도 있다.
본 발명에 따른 실시예의 레이저 시스템은 최신의 레이저 시스템 및 방법과 종래의 밀링 및 기계 장비를 결합하는 하이브리드 시스템일 수 있다. 이러한 방식으로 제조, 생산, 마감처리 또는 기타 공정 중에 재료를 추가 또는 제거할 수 있도록 구성된다. 본 발명의 발명자 중 한 명 이상이 발명한 타 실시예의 레이저 시스템을 사용하는 이러한 하이브리드 시스템의 예가 미국 특허출원번호 14/837,782에 개시 및 교시되어 있으며, 그 전체 개시 내용이 본원에 참조로 포함된다.
일부 실시예에서, 레이저 용접은 일반적으로 광학계를 깨끗하게 유지하기 위해 매우 낮은 가스 유량을 제공하거나, 에어 나이프(air knife)를 사용하거나 또는 불활성 환경을 활용할 수도 있다. 레이저 용접은 공기, 불활성 환경 또는 기타 제어된 환경(예: N2)에서 수행될 수 있다.
2개의 바람직한 자발적 용접 모드, 및 이들이 생성하는 자발적 용접부가 제공되며, 이들은 본 발명에 따른 실시예의 레이저 시스템 및 공정을 사용하여 전도 용접 및 키홀 용접을 수행하도록 구성된다. 전도 용접은 낮은 강도(< 100kW/cm2)의 레이저 빔을 사용하여 두 개의 금속 편을 함께 용접하는 경우이다. 여기에서 두 개의 금속 편은 서로 맞대어 배치될 수 있으며, 한쪽이 중첩되거나 또는 완전히 중첩되도록 구성된다. 전도 용접은 키홀 용접만큼 깊숙이 침투하지 않는 경향이 있으며 일반적으로 맞대기 용접을 위한 특징적인 "구형" 모양의 매우 강력한 용접 조인트를 생성한다. 반면, 키홀 용접은 상대적으로 높은 레이저 빔 강도(> 500kW/cm2)로 수행되고, 이러한 용접은 재료 깊숙이 침투할 수 있으며 종종 다중 층으로 중첩 구성된 재료를 관통할 수 있다. 청색 레이저 소스 관련 전도 모드에서 키홀 모드로의 전환에 대한 정확한 임계값은 아직 결정되지 않았으나, 키홀 용접의 경우 재료의 상단에 특징적인 "v" 모양이 형성되는 한편, 재냉동 재료(refrozen material)가 재료 깊숙이 침투하는 거의 평행한 채널이 형성되는 특징이 있다. 키홀 공정은 레이저 빔의 반사에 의존하여, 레이저 에너지를 금속의 용융 풀 측면으로부터 재료 깊숙이 전달한다. 이러한 유형의 용접은 임의의 모든 레이저로 수행할 수 있지만 청색 레이저의 경우에는 이러한 유형의 용접을 개시하는 데 있어 적외선 레이저보다 상당히 낮은 임계값을 가질 것으로 예상된다.
다음의 실시예들은 본 발명에 따른 실시예의 레이저 시스템 및 공정, 특히 전자 저장 장치의 구성부품을 포함하는 부재들의 용접을 위한 청색 레이저 시스템을 설명하기 위해 제공된다. 이들 실시예들은 단지 예시를 위한 것이며, 이에 의해 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
[ 실시예 1 ]
청색, 청록색, 녹색 또는 적색 레이저 빔을 사용하는 레이저 금속 용접이 빔의 와불링(wobbling) 없이 수행된다. 이러한 용접부는 깊은 침투부를 갖는다. 따라서, 이들 레이저 빔을 사용하여 알루미늄 호일 및 알루미늄 판을 포함하는 알루미늄계 재료를 와블링 없이 용접하는 방법이 제공된다. 알루미늄, 알루미늄계 재료 및 이들의 합금에 대해 와블링 없이 용접하는 방법이 제공된다.
이러한 와블링 없는 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 2mm 미만, 약 1mm 미만 및 1mm 미만의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 450nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 와블링 없는 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 미만의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 460nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 와블링 없는 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 미만의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 470nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 와블링 없는 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 미만의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 515nm의 파장을 갖는 녹색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 와블링 없는 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 미만의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 532nm의 파장을 갖는 녹색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 와블링 없는 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 미만의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 550nm의 파장을 갖는 녹색 레이저 빔으로 수행된다.
[ 실시예 1A ]
청색, 청록색, 녹색 또는 적색 레이저 빔을 사용하는 레이저 금속 용접이 빔의 와불링 없이 수행된다. 이러한 용접부는 깊은 침투부를 갖는다. 따라서, 이들 빔의 와불링을 이용하여 알루미늄 호일 및 알루미늄 판을 포함하는 알루미늄계 재료를 용접하는 방법이 제공된다. 알루미늄, 알루미늄계 재료 및 이들의 합금에 대해 와블링 없이 용접하는 방법이 제공된다.
이러한 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 2mm 미만, 약 1mm 미만, 및 약 1mm의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 450nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 이하의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 460nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 이하의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 470nm의 파장을 갖는 청색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 이하의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 515nm의 파장을 갖는 녹색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 이하의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 532nm의 파장을 갖는 녹색 레이저 빔으로 수행된다.
이러한 와블링 없는 일 실시예의 레이저 용접에서, 레이저 용접은 1mm 이하의 두께를 갖는 알루미늄에 대해 550nm의 파장을 갖는 녹색 레이저 빔으로 수행된다.
[ 실시예 2 ]
450nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 제공하는 4개의 200와트 청색 레이저 모듈을 구비한 600와트 레이저 시스템의 실시예가 개시된다. 이러한 레이저 시스템은 미국 특허출원번호 16/730,852(대리인 문서 번호 Nu 18a)에 교시 및 개시되어 있으며, 그 전체 개시 내용이 본원에 참조로 포함된다. 레이저 다이오드는 개별적으로 시준되는 한편, 빔 발산의 원형화에 의해 각 모듈당 22mm mrad의 빔 매개변수 곱이 생성된다. 4개의 청색 레이저 모듈에서 나오는 레이저 빔은 수직 방향과 수평 방향 모두에서 광학적으로 전단됨으로써 100mm 직경의 집속 광학 장치의 조리개를 충진하도록 구성된다. 이러한 합성 빔(450nm)은 44mm mrad의 빔 매개변수 곱을 갖는다. 이러한 청색 레이저 빔이 자유 공간을 거쳐 공작물로 전달된다. 또한, 빔은 섬유(fiber)를 통해 전달될 수도 있음에 유의한다.
실시간 빔 진단을 설정에 통합할 수 있는 4' x 6' 광학 벤치(optical bench)를 구비한 광학 브레드보드(optical breadboard)가 사용된다. 합성 출력 빔은 1% 빔 샘플러(beam sampler)로 샘플링되고, 빔의 일부는 원거리장 프로파일 카메라(far-field profile camera) 및 파워 미터로 전송된다. 원거리장은 용접 렌즈와 동일한 초점 거리 렌즈(100mm F/1 렌즈 또는 200mm F/2 렌즈)에 의해 생성된다. 두 렌즈 모두 ThorLabs 社의 BK7 구면 모델이다. 렌즈는 약 80mm로 언더필되고(underfilled), 공작물의 스폿은 100mm FL 렌즈인 경우 약 200㎛이고, 200mm FL 렌즈인 경우 약 400㎛이다.
빔 화면(beam caustic)의 측정은, 빔 샘플링 암(beam sampling arm)의 설정시 100mm FL 렌즈의 초점을 통해 오필 빔 프로파일러(Ophir beam profiler)를 이동시키는 한편, 95% 둘러싸인 파워 포인트(power point)에서 빔의 직경을 측정함으로써 수행된다. 이러한 측정은 100mm FL 렌즈에 대해 상대적으로 짧은 집속 심도를 보여준다.
파낙 社(Fanuc)의 6축 로봇(FANUC M-16iB)을 사용하여 샘플을 커버 가스와 함께 자유 공간 빔 초점을 통해 이동시키며, 이때 커버 가스는 로봇 어댑터에 장착되는 한편, 용접 방향을 따라 지향되는 3/8" 직경의 스파저 튜브(sparger tube)에 의해 제공된다.
도 12 및 12a에 도시된 유형의 실시예에 따른 용접 고정구가 사용된다. 용접 고정구는 열전도율이 높은 재료의 용접 등과 같은 일부 용접 공정의 수행시 사용되며, 이러한 고정구의 사용은 침투 깊이, 용접 속도 및 둘 모두에 영향을 미칠 수 있다. 도 12 및 도 12a는 본 발명에 따른 실시예의 용접 고정구에 대한 도면이다. 일 실시예에서 알루미늄(6061 시리즈)이 사용되며, 다른 실시예에서는 스테인리스 강(316)이 사용된다. 알루미늄 용접 고정구는 공작물에서 열을 빠르게 제거하는 경향이 있는 반면 스테인리스 강 고정구의 경우에는 대부분의 열을 공작물 내에 머물러 있게 하는 차이점이 있다. 두 개의 재료는 샘플들(예: 공작물, 용접 대상물)을 고정하기 위한 다양한 방법과 함께 평가된다. Argon-CO2 와 같은 불활성 가스는 고정구에 배치된 공작물의 상단으로 흐름으로써 용접 공정 중 공작물의 산화를 억제하도록 구성된다. 작은 갭(4003)을 샘플의 중심 아래쪽에 배치함으로써, 플레이트의 비드 지점에서 히트 싱크(heat sink)를 최소화하는 한편, 용접부의 후면에 보조 가스를 추가 제공하도록 구성된다.
키홀 모드 용접에서 용접 시 강한 연기 기둥(plume)을 생성할 수 있다. 연기 기둥의 원자와 이온은 450㎛의 빛을 쉽게 흡수하므로 이러한 연기 기둥을 관리 및 억제할 필요가 있다. 3/8" 직경의 튜브 스파저를 사용하여 50scfh의 아르곤 또는 아르곤-CO2 를 공작물의 상단을 가로질러 전달함으로써 연기 기둥을 억제하도록 구성된다. 연기 기둥의 관리 및 공작물의 산화를 방지하기 위해 아르곤, 아르곤-CO2, 공기, 헬륨 및 질소를 포함하는 다양한 가스로 용접을 수행할 수 있다. 용접 공정 최적화의 목표는 다른 무엇보다도 가능한 한 가장 빠른 속도로 최대의 침투 깊이를 구현하는 것이다. 실시예 8A 내지 8K에 제시된 데이터는 아르곤을 커버 가스로 사용한다. 맞대기 용접과 같은 다른 레이저 용접 및 가공 분야에서는 바람직하게는 연기 기둥의 관리가 요구된다.
실시예 8A 내지 8F의 500와트 용접 시험의 경우, 200mm 초점 거리 렌즈를 사용하여 빔을 400㎛ 스폿 크기로 집속할 경우 평균 강도가 ~400kW/cm2 이고 피크 강도가 800kW/cm2 에 도달한다.
실시예 8G 내지 8K의 600와트 용접 시험의 경우, 100mm 초점 거리 렌즈를 사용하여 빔을 200㎛ 스폿 크기로 집속할 경우 평균 강도가 약 2.1MW/cm2 이고 피크 강도가 4.5MW/cm2 에 도달한다.
이러한 레이저(500와트, 400㎛의 스폿 크기 및 400kW/cm2의 평균 출력 강도)를 사용하여 알루미늄(1100 시리즈)에 판상 용접을 수행한 다음 비드를 평가한다. 샘플들은 모두 절단기에 의해 10mm x 45mm 크기로 절단된 후, 가공 전에 아세톤으로 세척된다. 표면 마감은 맥마스터카 社(McMaster Carr) 제품을 사용하여 수행되며, 더 얇은 샘플의 경우 압연 마감 처리되는 반면 두꺼운 샘플의 경우 밀링 마감 처리되도록 구성된다.
용접용 샘플은 평가 전에 아세톤으로 세척하고 1뉴턴-미터(Newton-meter)의 토크를 가하여 볼트들을 고정구에 고정한다. 고정구와 샘플은 레이저로의 역반사를 방지하기 위해 빔의 법선에 대해 20도 각도를 갖도록 구성되며, 이에 따라 200mm FL 렌즈의 경우 스폿이 400㎛ x 540㎛로 늘어난다. 빔 각도는 빔의 법선으로부터 용접할 대상물의 후미 측면까지이다. 이러한 샘플의 기울기는 용접 대상물의 더 낮은 강도로 인해 달성 가능한 최대 용접 속도를 감소시킬 가능성이 크다. 용접의 순서는 우선 로봇이 용접 대상물을 해석하도록 명령받음으로써 개시되며, 이때 공작물과 레이저 빔 사이의 충분한 거리를 두어 로봇이 프로그래밍된 속도에 도달했는지 여부를 확인하고, 용접 고정구와 레이저 빔의 위치가 교차할 때 레이저 용접이 개시된다. 용접 대상물은 일정한 속도로 빔을 통해 전환되며, 용접 고정구의 단부에 도달하자마자 레이저 빔의 작동을 중지시키는 한편 로봇으로 하여금 원래 위치로 복귀하라는 명령을 내린다. 샘플을 단면화, 연마 및 에칭함으로써 미세 구조를 확인한다. 모든 용접부는 전도 모드 용접의 특성을 나타내는 구형 용융 동결 패턴(spherical melt-freeze pattern)을 나타낸다.
[ 실시예 2A ]
실시예 2의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여 알루미늄 1100 시리즈 샘플을 용접하고 평가한다. 알루미늄 1100 시리즈 샘플을 준비한 다음 실시예 2의 알루미늄 부재와 동일한 용접 고정구에 장착한다. 용접 공정은 실시예 2의 구리 용접 공정과 유사하며, 단지 용접 속도만 달라진다. 도 17에 도시된 용접 속도는 공작물의 후면에 풀 침투 비드(full penetration bead)의 두께가 관찰되는 경우이다. 용접 공정시 용융 퍼들에서 스패터는 관찰되지 않는다.
[ 실시예 2B ]
실시예 2의 레이저, 공정 및 설정을 사용하여 용접 고정구에 나란히 배치된 2개의 알루미늄 1100 샘플에 대해 맞대기 용접 및 용접 테스트를 수행한다. 샘플은 전단기에 의해 준비되며 용접의 수행 전 두 개의 에지는 특별한 준비 사항이 없다. 샘플은 용접 전에 아세톤으로 세척한다. 플롯된 최종 용접 속도는 전체 길이에 걸쳐 풀 침투 비드가 얻어지는 속도이다, 이러한 데이터의 요약이 도 18에 도시되어 있다.
[ 실시예 3 ]
실시예 1, 1A, 2, 2A 및 2B의 용접 공정 동안 최소한의 알루미늄계 분말을 생성하며, 바람직하게는 알루미늄계 분말을 생성하지 않는다. 일 실시예에서, 알루미늄계 분말은 공기 중 알루미늄 분말 또는 공기 중 알루미늄 입자로 생성되지 않는다.
[ 실시예 4 ]
실시예 1, 1A, 2, 2A 및 2B의 용접 공정 동안, 50g 미만, 20g 미만, 10g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 약 1mg 미만, 1mg 미만, 약 0.5 mg 미만, 0.5mg 미만, 약 0.1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.05mg 미만, 0.01mg 미만, 약 20g 내지 약 1mg, 약 2g 내지 약 1mg, 약 2mg 내지 약 0.05mg, 약 1mg 내지 약 0.001mg, 및 더 적은 양의 알루미늄계 분말(알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄을 포함)이 생성된다. 일 실시예에서, 전술한 양의 알루미늄계 분말은 공기 중 알루미늄 분말 또는 공기 중 알루미늄 입자로 생성된다.
[ 실시예 5 ]
실시예 1, 1A, 2, 2A 및 2B의 용접 공정에서 1mm 길이의 용접부를 형성하는 동안, 50g 미만, 20g 미만, 10g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 약 1mg 미만, 1mg 미만, 약 0.5 mg 미만, 0.5mg 미만, 약 0.1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.05mg 미만, 0.01mg 미만, 약 20g 내지 약 1mg, 약 2g 내지 약 1mg, 약 2mg 내지 약 0.05mg, 약 1mg 내지 약 0.001mg, 및 더 적은 양의 알루미늄계 분말(알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄을 포함)이 생성된다. 일 실시예에서, 전술한 양의 알루미늄계 분말은 공기 중 알루미늄 분말 또는 공기 중 알루미늄 입자로 생성된다.
[ 실시예 6 ]
실시예 1, 1A, 2, 2A 및 2B의 용접 공정에서 적어도 10초, 10 내지 1,000초, 1,000초 초과, 10,000초 초과 및 전체 용접 작업 동안, 50g 미만, 20g 미만, 10g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg 미만, 5mg 미만, 약 1mg 미만, 1mg 미만, 약 0.5 mg 미만, 0.5mg 미만, 약 0.1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.05mg 미만, 0.01mg 미만, 약 20g 내지 약 1mg, 약 2g 내지 약 1mg, 약 2mg 내지 약 0.05mg, 약 1mg 내지 약 0.001mg, 및 더 적은 양의 알루미늄계 분말(알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄을 포함)이 생성된다. 일 실시예에서, 전술한 양의 알루미늄계 분말은 공기 중 알루미늄 분말 또는 공기 중 알루미늄 입자로 생성된다.
[ 실시예 7 ]
실시예 1, 1A, 2, 2A 및 2B의 용접 공정 동안, 500마이크론보다 작은 입자 크기를 갖는 알루미늄계 분말을 최소로 생성하고, 바람직하게는 전혀 생성하지 않는다. 일 실시예에서, 알루미늄계 분말은 공기 중 알루미늄 분말 또는 공기 중 알루미늄 입자로 생성되지 않는다.
[ 실시예 8 ]
실시예 1, 1A, 2, 2A 및 2B의 용접 공정 동안, 약 420미크론 미만, 바람직하게는 420미크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄계 분말을 최소로 생성하고, 바람직하게는 전혀 생성하지 않는다. 일 실시예에서, 알루미늄계 분말은 공기 중 알루미늄 분말 또는 공기 중 알루미늄 입자로 생성되지 않는다.
[ 실시예 9 ]
자동차 프레임, 선박 부품, 프레임, 스트럿, 빔, 구조적 지지대, 기계 부품 등과 같은 더 크고 더 무거운 알루미늄 부재를 용접하기 위한 중부하의 용접 시스템이 제공된다. 레이저 시스템은 380m 내지 850nm, 바람직하게는 405nm 내지 600nm의 파장, 및 500W 내지 5kW, 4kW 이상, 5kW 이상, 2kW 내지 10kW, 및 1kW 내지 5kW의 출력을 갖는 레이저를 구비한다.
[ 실시예 10 ]
알루미늄계 부품을 포함하는 알루미늄계 부재의 제조 및 조립시, 연삭, 밀링, 기계가공 및 조립과 같은 작업은 생산에 위험을 초래할 수 있으며, 심지어 폭발성 알루미늄 분진 조건을 야기할 수도 있다. 공기 처리 시스템 및 분진이 생성, 전달 또는 존재하는 부근 영역은 380nm 내지 850nm, 바람직하게는 405nm 내지 600nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 받을 수 있으며, 이때 알루미늄 분진이 연화되거나, 용융되거나 또는 둘 다 되는 패턴 및 에너지로 레이저 빔이 제공됨으로써 더 작은 먼지 입자가 더 큰 크기의 덩어리 또는 입자로 응집될 수 있도록 구성되고, 이들은 예컨대 420마이크론, 500마이크론 이상, 600마이크론 이상, 1,000마이크론 이상의 입자 크기를 갖는 덩어리 또는 입자로 구성되어 더이상 가연성 또는 폭발성을 갖지 않는다. 일 실시예에서, 레이저 에너지는 작은 입자가 바람직하게는 무산소 환경에서 기화될 만큼 충분히 높으며, 증기는 예컨대 수집 플레이트(collection plate)와 같은 알루미늄 금속 표면에 침착되도록 구성된다.
[ 맺음말 ]
본 명세서에서 제목의 사용은 명확성을 위한 것으로 이로 인해 어떤 식으로든 발명의 범위를 제한하지 않도록 의도된다. 따라서, 제목 이하에 설명된 공정(프로세스) 및 개시 내용은 다양한 예를 포함하여 본 명세서 전체의 맥락에서 이해되어야 한다. 본 명세서에서 제목의 사용으로 인해 본 발명이 제공하는 보호 범위를 제한해서는 안된다.
본 발명의 실시예들의 주제이거나 그와 관련된 신규의 획기적인 공정, 재료, 성능 또는 기타 유익한 특징 및 특성의 기초가 되는 이론을 제공하거나 다룰 필요가 없다는 점에 유의할 필요가 있다. 그럼에도 불구하고 이 분야의 기술을 더욱 발전시키기 위해 다양한 이론이 본 명세서에서 제공된다. 본 명세서에 제시된 이론은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 청구된 발명에 부여되는 보호 범위를 제한하거나 축소하지 않도록 의도된다. 이들 이론은 본 발명을 활용하기 위해 요구되거나 실행되지 않을 수도 있다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 실시예의 방법, 물품, 재료, 장치 및 시스템의 기능 및 특징들을 설명하기 위해 새롭고 지금까지 알려지지 않은 이론으로 이어질 수 있으며, 이후에 개발된 이론도 본 발명에 부여된 보호 범위를 제한하지 않도록 의도된다.
본 명세서에 설명된 시스템, 장비, 기술, 방법, 활동 및 작업의 다양한 실시예는 여기에 설명된 것 외에도 다양한 다른 활동 및 분야에도 사용될 수 있다. 또한, 이러한 실시예는 예컨대 미래에 개발될 수 있는 다른 장비 또는 활동과 함께, 그리고 본원의 교시에 기초하여 부분적으로 수정될 수 있는 기존 장비 또는 활동과 함께 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들은 서로 상이하고 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 따라서, 예컨대 본 명세서의 다양한 실시예에서 제공되는 구성은 서로 교차 사용될 수 있다. 예컨대, A, A' 및 B를 갖는 실시예의 구성요소와 A'', C 및 D를 갖는 실시예의 구성요소는 본원의 교시에 따라 A, C, D 및 A, A'', C 및 D 등과 같이 다양한 조합으로 서로 교차 사용될 수 있다. 본 발명에 제공된 보호 범위는 특정 실시예, 또는 특정 도면의 실시예에 설명된 특정 실시예, 구성 또는 배열로 제한되어서는 안된다.
본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적 특성을 벗어나지 않으면서 여기에 구체적으로 개시된 것과 다른 형태로 구현될 수 있다. 상술된 실시예들은 모든 면에서 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며 이로 인해 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.

Claims (161)

  1. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ(Heat Affected Zone, 열영향 구역) 및 재응고 구역을 포함하고,
    알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    동일한 미세구조에 의해 용접부의 약점이 될 수 있는 용접부의 식별 가능한 차이가 나타나지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역(crystal growth region)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    용접부는 전도 모드 용접에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 공작물은 약 10㎛ 내지 약 1000㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 공작물은 복수의 층을 갖는 알루미늄 호일을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 공작물은 알루미늄 금속인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 공작물은 약 10 내지 약 95 중량%의 알루미늄을 갖는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 800kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿(focused spot)으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 500kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 100kW/cm2 내지 약 800kW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 800kW/cm2 내지 약 5MW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 100kW/cm2 이상의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 500W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 275W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 750W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 150W 내지 약 750W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 200W 내지 약 1,500W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 50㎛ 내지 약 250㎛의 스폿 크기를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 405nm 내지 약 500nm 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    형성된 용접부는 스패터(spatter)가 없는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    레이저는 공작물을 기화시키지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  23. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    HAZ에 대한 경도 범위는 알루미늄계 재료에 대한 경도 범위 내에서 제공되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 고품질 용접을 형성하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    재응고 구역에 대한 경도 범위는 알루미늄계 재료에 대한 경도 범위 내에서 제공되는 것을 특징으로 하는
    것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  25. 제23항에 있어서,
    알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    동일한 미세구조에 의해 용접부의 약점이 될 수 있는 용접부의 식별 가능한 차이가 나타나지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    동일한 미세구조에 의해 용접부의 약점이 될 수 있는 용접부의 식별 가능한 차이가 나타나지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  29. 제23항에 있어서,
    용접부는 전도 모드 용접에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  30. 제23항에 있어서,
    제1 및 제2 공작물은 약 10㎛ 내지 약 500㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  31. 제23항에 있어서,
    제1 공작물은 복수의 층을 갖는 알루미늄 호일을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  32. 제23항에 있어서,
    제1 공작물은 알루미늄 금속인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  33. 제23항에 있어서,
    제1 공작물은 약 10 내지 약 95 중량%의 알루미늄을 갖는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  34. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 2000kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  35. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 500kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  36. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 약 100kW/cm2 내지 약 4500kW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  37. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 약 100kW/cm2 이상의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  38. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 500W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  39. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 275W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  40. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 750W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  41. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 150W 내지 약 750W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  42. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 약 200W 내지 약 1,500W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  43. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 약 50㎛ 내지 약 250㎛의 스폿 크기를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  44. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 약 100㎛ 내지 약 500㎛의 스폿 크기를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  45. 제23항에 있어서,
    레이저 빔은 약 405nm 내지 약 500nm 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  46. 제23항에 있어서,
    형성된 용접부는 스패터가 없는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  47. 제23항에 있어서,
    레이저는 공작물을 기화시키지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  48. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    재응고 구역에 대한 경도 범위는 구리계 재료에 대한 경도 범위 내에서 제공되며,
    알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    동일한 미세구조에 의해 용접부의 약점이 될 수 있는 용접부의 식별 가능한 차이가 나타나지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  50. 제48항에 있어서,
    동일한 미세구조에 의해 용접부의 약점이 될 수 있는 용접부의 식별 가능한 차이가 나타나지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  51. 제48항에 있어서,
    동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  52. 제48항에 있어서,
    용접부는 전도 모드 용접에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  53. 제48항에 있어서,
    제1 및 제2 공작물은 약 10㎛ 내지 약 1000㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  54. 제48항에 있어서,
    제1 공작물은 복수의 층을 갖는 알루미늄 호일을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  55. 제48항에 있어서,
    제1 공작물은 알루미늄 금속인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  56. 제48항에 있어서,
    제1 공작물은 약 10 내지 약 95 중량%의 알루미늄을 갖는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  57. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 800kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  58. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 500kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  59. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 약 100kW/cm2 내지 약 3000kW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  60. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 100kW/cm2 이상의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  61. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 500W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  62. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 275W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  63. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 750W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  64. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 150W 내지 약 750W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  65. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 약 200W 내지 약 1,500W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  66. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 약 50㎛ 내지 약 250㎛의 스폿 크기를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  67. 제48항에 있어서,
    레이저 빔은 약 405nm 내지 약 500nm 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  68. 제48항에 있어서,
    형성된 용접부는 스패터가 없는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  69. 제48항에 있어서,
    레이저는 공작물을 기화시키지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  70. 알루미늄계 재료에 키홀 용접부(keyhole weld)를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 키홀 모드 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  71. 제70항에 있어서,
    레이저 출력은 1000W 미만인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  72. 제70항에 있어서,
    레이저 출력은 500W 미만인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  73. 제70항에 있어서,
    레이저 출력은 300W 미만인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  74. 제70항에 있어서,
    키홀로부터의 스패터를 억제하기 위해 레이저 빔을 세장화하는(elongating) 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  75. 제70항에 있어서,
    키홀로부터의 스패터를 억제하기 위해 레이저 출력을 변조하는 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  76. 제70항에 있어서,
    키홀 모드 용접 동안 스패터를 억제하기 위해 빔을 빠르게 스캐닝하는 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  77. 제70항에 있어서,
    용접이 개시된 후 레이저 출력을 급격히 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 감소시키는 단계는 자동 또는 수동으로 수행되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  78. 제1항, 제23항 또는 제70항에 있어서,
    용접 공정 동안 포획 가스 및 스패터를 감소시키기 위해 낮은 대기압을 사용하는 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  79. 제1항, 제23항 또는 제70항에 있어서,
    차폐 가스(shielding gas)를 적용하는 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  80. 제1항, 제23항 또는 제70항에 있어서,
    He, Ar, N2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 차폐 가스를 적용하는 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  81. 제1항, 제23항 또는 제70항에 있어서,
    Ar-H2, N2, N2-H2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 차폐 가스 혼합물을 적용하는 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  82. 제1항, 제23항 또는 제70항에 있어서,
    산화물층(oxide layer)을 제거하고 용접부의 습윤을 촉진하기 위해 차폐 가스를 적용하는 한편 차폐 가스에 수소를 첨가하는 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  83. 제1항, 제23항 또는 제70항에 있어서,
    레이저 빔이 지향되는 동일한 영역으로 제2 레이저 빔을 지향하여 용접부를 형성하는 단계를 포함하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  84. 제1항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔은 흐트러진 집속 스폿(de-focused spot)으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  85. 제1항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔은 복수의 중첩 경로(overlapping path)를 가로질러 제공되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  86. 제1항 내지 제83항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔은 복수의 오프셋 경로(offset path)를 가로질러 제공되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  87. 제1항 내지 제86항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔은 약 500nm 내지 약 575nm 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  88. 제1항 내지 제86항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 빔은 약 450nm, 약 460nm, 약 470nm, 약 515nm, 약 532nm, 및 약 550nm로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  89. 제1항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 500마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  90. 제1항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서,
    500마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  91. 제1항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 420마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않는
    것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  92. 제1항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서,
    420마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않는
    것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  93. 제1항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 분진의 형성 범위는 NFPA-484(2019년 개정판)에 의해 설정된 한계 이내 또는 이하인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  94. 제1항 내지 제88항 중 어느 한 항에 있어서,
    폭발 수준 미만의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  95. 제1항 내지 제92항 중 어느 한 항에 있어서,
    소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되고, 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg 범위로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  96. 제87항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  97. 제1항 내지 제96항 중 어느 한 항에 있어서,
    1mm 길이의 용접부가 형성되는 동안 소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되고, 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg 범위로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  98. 제1항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  99. 제1항 내지 제95항 중 어느 한 항에 있어서,
    용접을 수행하는 동안 소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되고, 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg 범위로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  100. 제99항에 있어서,
    용접을 수행하기 위한 시간은 적어도 10초, 10초 내지 1,000초, 1,000초 이상, 10,000초 이상, 적어도 1시간, 적어도 2시간, 적어도 10시간, 및 10초 내지 100시간 범위로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부 또는 키홀 용접부를 형성하는 방법.
  101. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 구리계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 구리계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    알루미늄-구리 계면(interface)의 미세구조는 최소의 금속간 화합물(intermetallic)을 나타내는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  102. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 강철계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 강철계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    알루미늄-강철 계면의 미세구조는 최소의 금속간 화합물을 나타내는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  103. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 구리계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 구리계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    구리-알루미늄 계면의 미세구조는 최소의 금속간 화합물을 나타내는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  104. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 강철계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 강철계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    강철-알루미늄 계면의 미세구조는 최소의 금속간 화합물을 나타내는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  105. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  106. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  107. 제1항에 있어서,
    동일한 미세구조에 의해 용접부의 약점이 될 수 있는 용접부의 식별 가능한 차이가 나타나지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  108. 제1항에 있어서,
    동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  109. 제1항에 있어서,
    용접부는 전도 모드 용접에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  110. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 공작물은 약 10㎛ 내지 약 1000㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  111. 제1항에 있어서,
    제1 공작물은 복수의 층을 갖는 알루미늄 호일을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  112. 제1항에 있어서,
    제1 공작물은 알루미늄 금속인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  113. 제1항에 있어서,
    제1 공작물은 약 10 내지 약 95 중량%의 알루미늄을 갖는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  114. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 800kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  115. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 500kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  116. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 100kW/cm2 내지 약 800kW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  117. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 800kW/cm2 내지 약 5MW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  118. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 100kW/cm2 이상의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  119. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 500W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  120. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 275W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  121. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 750W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  122. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 150W 내지 약 750W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  123. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 200W 내지 약 1,500W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  124. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 50㎛ 내지 약 250㎛의 스폿 크기를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  125. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 약 405nm 내지 약 500nm 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  126. 제1항에 있어서,
    형성된 용접부는 스패터가 없는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  127. 제1항에 있어서,
    레이저는 공작물을 기화시키지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  128. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    HAZ에 대한 경도 범위는 알루미늄계 재료에 대한 경도 범위 내에서 제공되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  129. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 청색 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    알루미늄계 재료, HAZ 및 재응고 구역의 미세구조는 동일한 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  130. 제129항에 있어서,
    동일한 미세구조에 의해 용접부의 약점이 될 수 있는 용접부의 식별 가능한 차이가 나타나지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  131. 제129항에 있어서,
    동일한 미세구조는 유사한 크기의 결정 성장 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  132. 제129항에 있어서,
    용접부는 전도 모드 용접에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  133. 제129항에 있어서,
    제1 및 제2 공작물은 약 10㎛ 내지 약 1000㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  134. 제129항에 있어서,
    제1 공작물은 복수의 층을 갖는 알루미늄 호일을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  135. 제129항에 있어서,
    제1 공작물은 알루미늄 금속인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  136. 제129항에 있어서,
    제1 공작물은 약 10 내지 약 95 중량%의 알루미늄을 갖는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  137. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 800kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  138. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 500kW/cm2 미만의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  139. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 약 100kW/cm2 내지 약 800kW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  140. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 약 800kW/cm2 내지 약 5MW/cm2의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  141. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 100kW/cm2 이상의 출력 강도를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  142. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 600W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  143. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 275W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  144. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 750W 미만의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  145. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 150W 내지 약 750W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  146. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 약 200W 내지 약 1,500W 범위의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  147. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 약 50㎛ 내지 약 250㎛의 스폿 크기를 갖는 집속 스폿으로서 공작물에 지향되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  148. 제129항에 있어서,
    레이저 빔은 약 405nm 내지 약 500nm 범위의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  149. 제129항에 있어서,
    형성된 용접부는 스패터가 없는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  150. 제129항에 있어서,
    레이저는 공작물을 기화시키지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  151. 알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    레이저 시스템에 공작물을 배치하는 단계; 및 공작물에 380nm 내지 850nm 범위의 파장을 갖는 레이저 빔을 조사하는 단계;를 포함하며,
    이때 공작물은 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물을 접촉 배치하도록 구성되고, 제1 알루미늄계 공작물과 제2 알루미늄계 공작물 사이에 용접부가 형성되며, 용접부는 HAZ 및 재응고 구역을 포함하고,
    HAZ에 대한 경도 범위는 알루미늄계 재료에 대한 경도 범위 내에서 제공되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 고품질 용접을 형성하는 방법.
  152. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 500마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  153. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    500마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  154. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    약 420마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  155. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    420마이크론 미만의 입자 크기를 갖는 알루미늄 분진이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  156. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 분진의 형성 범위는 NFPA-484(2019년 개정판)에 의해 설정된 한계 이내 또는 이하인 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  157. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    폭발 수준 미만의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  158. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되고, 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg 범위로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  159. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    1mm 길이의 용접부가 형성되는 동안 소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되고, 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg 범위로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  160. 제101항 내지 제150항 중 어느 한 항에 있어서,
    용접을 수행하는 동안 소량의 공기 중 알루미늄 분진이 생성되고, 그 양은 100g 미만, 50g 미만, 20g 미만, 1g 미만, 100mg 미만, 50mg, 5mg 미만, 1mg 미만, 0.1mg 미만, 0.001mg 미만, 약 50g 내지 약 1g, 약 1g 내지 약 50mg, 약 70mg 내지 20mg, 및 약 1mg 내지 약 0.1mg 범위로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 알루미늄 분진은 알루미늄, 산화알루미늄 및 수산화알루미늄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
  161. 제160항에 있어서,
    용접을 수행하기 위한 시간은 적어도 10초, 10초 내지 1,000초, 1,000초 이상, 10,000초 이상, 적어도 1시간, 적어도 2시간, 적어도 10시간, 및 10초 내지 100시간 범위로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    알루미늄계 재료에 용접부를 형성하는 방법.
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