KR20230092010A - 중첩되는 영역에서 두 개의 얇은 공작물을 레이저 용접하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 시임부(4)를 따라 두 개의 공작물(W1, W2)을 레이저 용접하는 방법에 관한 것으로서, 적어도 중첩 영역(

B)에서, 두께(D1)를 갖는 제1 공작물(W1)과 두께(D2)를 갖는 제2 공작물(W2)이 서로 중첩되게 배열되고; 두 개의 공작물(W1, W2)의 두께(D1, D2)가 각각 400 ㎛ 이하이고; 중첩 영역(

B)에서 제1 공작물(W1)의 측면에서 용접 시임부(4)를 따라 안내되는 레이저 빔(2)에 의해, 제1 공작물(W1)의 재료는 전체 두께(D1)에 걸쳐 용융되고 제2 공작물(W2)의 재료는 전체 두께(D2)의 부분 두께(TD)에 걸쳐서만 용융되며; 레이저 용접은, 레이저 빔(2)이 제1 공작물(W1) 내로 또는 제1 및 제2 공작물(W1, W2) 내로 모세관 깊이(KT)까지 연장되는 증기 모세관(1)을 생성하는 방식으로 수행되고, 여기서 0.33*EST ≤ KT ≤ 0.67*EST이고, 용입 깊이(EST) = D1+TD이다. 본 발명은 얇은 공작물을 용접할 때 높은 피드 속도로 높은 시임부 품질을 달성하는 것을 가능하게 한다.

Description

중첩되는 영역에서 두 개의 얇은 공작물을 레이저 용접하는 방법

본 발명은 용접 시임부를 따라 두 개의 공작물을 레이저 용접하는 방법에 관한 것으로서,

여기서 적어도 중첩 영역에서 두께(D1)를 갖는 제1 공작물과 두께(D2)를 갖는 제2 공작물이 서로 중첩되게 배열되고,

여기서 두 개의 공작물의 두께(D1, D2)가 각각 400 ㎛ 이하이다.

레이저 용접(레이저 빔 용접이라고도 함)은 용융될 수 있는 대부분의 금속 공작물을 영구적으로 서로 연결하기 위해 사용된다. 레이저 용접은 이 경우 비교적 빠른 속도, 높은 정밀도(특히 용접 시임부가 좁은 경우), 및 공작물의 적은 열 변형으로 수행될 수 있다.

사용되는 레이저 빔의 빔 강도에 따라, 레이저 용접은 열전도 용접 또는 심용접으로 수행될 수 있다.

심용접 중에 레이저 빔은 공작물 재료에 뚜렷한 증기 모세관(키홀(keyhole))을 생성하며, 이 증기 모세관은 빔 방향을 따라 공작물 재료 내로 연장된다. 증기 모세관의 벽에서 레이저 빔의 다중 반사에 의해 공작물 재료에서의 흡수가 증가된다. 재료는 또한 깊게 그리고 대량으로 용융될 수 있다. 심용접은 비교적 높은 피드 속도(용접 속도)로 수행될 수 있다. 그러나, 심용접 시 스패터(Spritzern) 및 기공 형성이 자주 발생하며, 용접 시임부를 따라 불규칙한 용입 깊이(Einschweisstiefe)(스파이킹(Spiking))도 자주 관찰된다. 그러면, 얇은 공작물을 용접할 때 로컬 결합 문제가 발생할 수 있다; 용접 시임부가 기계적으로 불안정할 수 있거나, 또는 원하는 기밀성 또는 원하는 전기적 접촉 품질이 달성되지 않을 수도 있다.

열전도 용접을 사용하면, 공작물 재료는 눈에 띄는 증기 모세관을 생성하지 않고 표면 근처에서 레이저 빔에 의해 용융된다. 용입 깊이는 본질적으로 공작물 재료의 열전도에 의해 결정된다. 스패터 또는 기공과 같은 불규칙성이 거의 발생하지 않고, 용접 시임부도 비교적 매끄럽다. 그러나, 단점은 상대적으로 낮은 피드 속도 및 용입 깊이이다; 또한 증가된 열 변형도 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은, 얇은 공작물을 용접할 때 높은 피드 속도로 높은 시임부 품질을 달성하는 것이다.

이러한 목적은 본 발명에 따르면 용접 시임부를 따라 두 개의 공작물을 레이저 용접하는 방법으로서,

여기서 적어도 중첩 영역에서 두께(D1)를 갖는 제1 공작물과 두께(D2)를 갖는 제2 공작물이 서로 중첩되게 배열되고,

여기서 두 개의 공작물의 두께(D1, D2)가 각각 400 ㎛ 이하이고,

여기서 중첩 영역에서 제1 공작물의 측면에서 용접 시임부를 따라 안내되는 레이저 빔에 의해, 제1 공작물의 재료는 전체 두께(D1)에 걸쳐 용융되고 제2 공작물의 재료는 전체 두께(D2)의 부분 두께(TD)에 걸쳐서만 용융되며,

여기서 레이저 용접은, 레이저 빔이 제1 공작물 내로 또는 제1 및 제2 공작물 내로 모세관 깊이(KT)까지 연장되는 증기 모세관을 생성하는 방식으로 수행되고, 여기서 0.33*EST ≤ KT ≤ 0.67*EST이고 용입 깊이(EST) = D1+TD 인 것인, 방법에 의해 달성된다.

본 발명은 열전도 용접과 심용접 사이의 전이 영역에서 랩 조인트에서 두 개의 얇은 공작물의 레이저 용접을 수행하는 것을 제안한다("전이 모드 용접"). 이렇게 하면 두 개의 방법의 장점을 최대한 활용하고, 두 방법의 단점을 대부분 회피할 수 있다. 특히, 충분한 용입 깊이가 매우 정확하게 유지될 수 있으므로, 특히 우수한 전기 전도도를 갖는 가스 기밀 연결이 또한 안정적으로 설정될 수 있다. 동시에 비교적 높은 피드 속도로 제작이 수행될 수 있다.

용입 깊이(EST)(공작물 재료 내로의 용융 풀의 연장)에 대한 모세관 깊이(KT)(공작물 재료 내로의 증기 모세관의 연장)의 본 발명에 따른 조건 하에서, 용접은 열전도 용접과 심용접 사이의 원하는 전이 영역에서 이루어지며, 상대적으로 높은 피드 속도로 높은 용접 시임부 품질이 달성된다.

본 발명에 따른 방법의 범위 내에서 증기 모세관이 생성되지만, 이것은 종래의 심용접에 비해 상대적으로 짧다(공작물 재료 내로의 방향 또는 레이저 빔 방향). 용입 깊이는 본질적으로 열전도 그리고 증기 모세관의 깊이에 의해 결정되고, 여기서 두 개의 비율은 거의 동일하다. 그 결과 열전도 용접보다 더 깊은 용입 깊이를 달성할 수 있고, 이는 금속 시트와 같은 얇은 공작물의 용접에 특히 양호하게 적합하다. 그러나, 동시에 용융 풀 역학은, 특히 용융된 재료의 총량이 상대적으로 적게 유지되기 때문에, 낮게 유지된다. 레이저 빔으로부터 공작물 재료로의 에너지 흡수는, 작은 모세관 깊이가 증기 모세관 내에서 레이저 빔의 약간의 반사만을 허용하기 때문에, 심용접보다 덜 강하다. 또한, 반면, 본질적으로 피드 속도와 동기화되는 공작물 재료의 용융은 열전도에 의해 용융 풀에서 더 빠른 동적 이동을 상당히 보상한다.

용입 깊이(EST)는 예를 들어 액체 공작물 재료와 고체 공작물 재료 사이의 인터페이스에서 반사되는 초음파를 통해 용접 공정 중에 측정될 수 있다. 증기 모세관의 모세관 깊이(KT)는 예를 들어 모세관 바닥에서 측정 레이저 빔의 반사를 통해 용접 공정 중에 측정될 수 있다. 다른 파라미터는 일반적으로 이미 알려져 있거나(예를 들어, 레이저 빔의 초점 직경) 또는 용접 공정 중에 다른 센서를 사용하여 쉽게 결정될 수 있다. 예를 들어, 일부 파라미터는 용접 공정 중에 카메라로 광학적으로 측정될 수 있고, 특히 용접 시임부/용융된 영역의 폭(B) 또는 피드 방향에 대해 횡 방향인 초점 직경(FDQ)에 대략 대응되는 피드 방향에 대해 횡방향의 공작물 표면 상의 모세관 폭(KB)이 그러하다. 따라서, 본 발명에 따른 조건에 대한 적합성은, 필요한 경우, 용접 공정 동안 확인될 수 있고, 필요하다면, 재조정될 수 있다.

증기 모세관 주위에 용융 폭(SB)의 용융된 영역이 (피드 방향에 대해 횡방향의 평면에서) 모든 방향으로 거의 균일하게 형성된다. 여기에 있는 증기 모세관의 폭(KB)과 대략 대응되는, 용접 방향에 대해 횡방향의, 레이저 빔을 향하는 제1 공작물(W1)의 (전면) 표면 상의 레이저 빔의 초점 직경(FDQ)을 알고 있는 경우, 공작물 전면 표면 상의 용접 시임부의 폭(B)을 통해 용융 폭(SB)이 충분히 계산될 수 있으며 SB = (B-FDQ)/2 로 결정될 수 있다. 절단 이미지(단면)에서 명확하게 알 수 있는 용입 깊이(EST)와, 이렇게 결정된 용융 폭(SB)의 차이로부터, 모세관 깊이(KT)는 또한 절단 이미지에서 대략적으로 KT = EST-SB 으로 결정될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 조건에 대한 적합성은 나중에 용접된 공작물에서 쉽게 확인될 수 있고, 필요하다면, 공정 파라미터는 그 후 미래의 공작물에 대해 본 발명에 따른 조건을 준수하도록 반복될 수 있다.

본 발명의 범위 내에서 용융 폭(SB)은 대체로 대략 모세관 깊이(KT)에 대응하고, 바람직하게는 0.67*SB ≤ KT ≤ 1.33*SB, 특히 바람직하게는 0.80*SB ≤ KT ≤ 1.20*SB 임을 주목해야 한다.

두께 및 깊이는 각각 레이저 빔을 향하는 제1 공작물의 표면에 수직으로 결정된다(특히 KT, EST, D1, D2). 바람직하게는 레이저 용접을 위해 본 발명의 범위 내에서, 신장되지 않은 레이저 빔(약 1의 종횡비 FDQ/FDL, 일반적으로 0.8 ≤ FDQ/FDL ≤ 1.2, 바람직하게는 0.9 ≤ FDQ/FDL ≤ 1.1)이 사용된다. 공작물 표면 상의 레이저 빔의 초점은 일반적으로 원형이다(등방성 레이저 빔).

본 발명의 바람직한 변형예들

본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형예들에서,

0.40*EST ≤ KT ≤ 0.60*EST,

바람직하게는 0.45*EST ≤ KT ≤ 0.55*EST이다. 이러한 파라미터 범위는 실제로 특히 유용한 것으로 입증되었다. 그러면 용입 깊이에서 열전도율 및 모세관 깊이의 비율이 특히 잘 균형을 이룬다.

또한, 바람직한 변형예들에서

0.25*D2 ≤ TD ≤ 0.75*D2,

바람직하게는 0.33*D2 ≤ TD ≤ 0.67*D2,

특히 바람직하게는 0.40*D2 ≤ TD ≤ 0.60*D2이다. 그 결과, 제1 공작물에 대한 제2 공작물의 특히 신뢰성 있는 연결이 달성될 수 있다. 한편으로, 최소한의 기계적 연결을 보장하기 위해 충분한 제2 공작물의 부분 두께가 용융된다. 동시에 또한 너무 두껍지 않은 부분 두께가 용융되어, 완전 침투 용접의 위험을 감소시킨다; 완전 침투 용접은 재료 손실로 인해 연결을 기계적으로 약화시킬 수 있다. 또한, 부분 두께가 더 두꺼울수록, 특히 TD > 0.5*D2의 경우, 기계적 연결은 일반적으로 더 이상 개선되지 않지만, 용접 공정의 에너지 요구 사항이 증가하고, 동시에 바람직하지 않게 높은 용용 풀 역학의 위험이 있다.

특히 바람직한 변형예에서, 레이저 용접은, 레이저 빔을 향하는 제1 공작물의 표면 상의 증기 모세관의 폭(KB)에 대해, 용접 시임부의 연장 방향에 대해 횡방향으로 측정되면:

0.50 ≤ KT/KB ≤ 2.00,

바람직하게는 0.75 ≤ KT/KB ≤ 1.50 이도록 수행되고,

특히, 레이저 빔의 피드 방향에 대해 횡방향의 레이저 빔의 초점 직경(FDQ) 및 피드 방향을 따른 레이저 빔의 초점 직경(FDL)에 대해, 각각 레이저 빔을 향하는 제1 공작물의 표면의 평면에서 측정되면:

0.8 ≤ FDQ/FDL ≤ 1.2,

바람직하게는 0.9 ≤ FDQ/FDL ≤ 1.1 이다. KT/KB에 대해 지정된 종횡비를 사용하면 원하는 전이 용접 및 이와 관련된 이점, 특히 균일한 용입 깊이(EST) 및 가능한 높은 피드 속도가 가장 잘 달성된다. KT/KB에 대한 이러한 종횡비는 FDL ≥ FDQ일 때 특히 양호하게 적합하다. 또한, 신장되지 않은 초점 프로파일을 갖는 레이저, 예를 들어 대략적인 포인트 초점, 약 1의 종횡비 FDQ/FDL를 갖는 레이저를 사용하면, 특히 용융 풀 역학을 낮게 유지하는 것으로 입증되었다. 종종 0.50 ≤ EST/B ≤ 1.50, 바람직하게는 0.75 ≤ EST/B ≤ 1.25 인 경우도 있다.

또한, 바람직한 변형예에서, 레이저 빔은 평균 파장(λ)을 갖고,

λ ≤ 1200 nm,

바람직하게는,

a) 900 nm ≤ λ ≤ 1100 nm, 특히 λ = 1030 nm 또는 1064 nm 또는 1070 nm, 또는

b) 500 nm ≤ λ ≤ 600 nm, 특히 λ = 515 nm, 또는

c) 400 nm ≤ λ ≤ 500 nm, 특히 λ = 450 nm이다. 이러한 평균 레이저 파장은 강철 시트와 같은 얇은 공작물을 용접하는 데 양호하게 적합하다.

유리하게는 또한 일 변형예에서, 레이저 빔은 평균 레이저 출력(P)을 갖고,

60 W ≤ P ≤ 1200 W,

바람직하게는 100 W ≤ P ≤ 500 W이다. 이러한 레이저 출력으로, 실제로 많은 유형의 공작물에서, 본 발명에 따른 레이저 용접은 전이 영역에서 양호하게 구현될 수 있다.

바람직하게는 또한 일 변형예에서, 레이저 빔을 향하는 제1 공작물의 표면의 평면에서 레이저 빔은 초점 직경(FD)을 갖고,

10 ㎛ ≤ FD ≤ 100 ㎛,

바람직하게는 14 ㎛ ≤ FD ≤ 60 ㎛,

특히 바람직하게는 25 ㎛ ≤ FD ≤ 39 ㎛이다. 이러한 직경은 실제로 전이 영역에서 본 발명의 범위 내에서 얇은 공작물을 용접하는 데 양호하게 사용될 수 있다. 여기서 초점 직경(FD)은 최대 초점 직경으로 가정되며, 여기서, 원칙적으로 0.8 ≤ FDQ/FDL ≤ 1.2, 바람직하게는 0.9 ≤ FDQ/FDL ≤ 1.1 이다.

바람직하게는 또한 일 변형예에서, 레이저 빔을 향하는 표면 상의 제1 공작물의 용융된 재료의 폭(B)에 대해, 용접 시임부의 연장 방향에 대해 횡방향으로 측정되면:

60 ㎛ ≤ B ≤ 600 ㎛,

바람직하게는 80 ㎛ ≤ B ≤ 400 ㎛,

특히 바람직하게는 100 ㎛ ≤ B ≤ 200 ㎛이다. 이러한 범위에서 얇은 공작물로 양호한 기계적 연결이 달성될 수 있다.

특히 바람직하게는 일 변형예에서:

D1 ≤ 250 ㎛ 및 D2 ≤ 250 ㎛,

바람직하게는 50 ㎛ ≤ D1 ≤ 200 ㎛ 및 50 ㎛ ≤ D2 ≤ 200 ㎛,

특히 바람직하게는 75 ㎛ ≤ D1 ≤ 100 ㎛ 및 75 ㎛ ≤ D2 ≤ 100 ㎛이다. 이러한 공작물 두께의 경우, 높은 용접 속도에서 실제로 매우 우수한 용접 시임부 품질이 달성되었다. 많은 적용 분야에서, 적어도 용접 시임부 영역에서 D1 = D2 또는 0.8*D1 ≤ D2 ≤ 1.2*D1이다.

바람직하게는 또한 일 변형예에서:

50 ㎛ ≤ EST ≤ 600 ㎛,

바람직하게는 60 ㎛ ≤ EST ≤ 400 ㎛,

특히 바람직하게는 75 ㎛ ≤ EST ≤ 225 ㎛이다. 본 발명의 범위 내에서, 이들 용입 깊이는 매우 양호하게 구현될 수 있고, 특히 용접 시임부의 길이에 걸쳐 매우 일정하다. 본 발명에 따른 용접의 경우에, 용입 깊이(EST)는 일반적으로 그 평균값 주변에서 20 % 미만, 일반적으로 10 % 미만, 종종 5 % 미만만큼 변동한다.

유리하게는 일 변형예에서, 레이저 빔은 공작물에 대해 피드 속도(v)로 이동되고,

v ≥ 5 m/분,

바람직하게는 v ≥ 10 m/분이고,

특히 여기서 레이저 빔은 레이저 스캐너로 편향된다. 본 발명의 범위 내에서, 지정된 높은 피드 속도(용접 속도)는 일반적으로 양호한 용접 시임부 품질에 대해 문제없이 설정될 수 있으며, 높은 생산 효율을 허용한다.

또한 바람직하게는 일 변형예에서, 두 개의 공작물은 레이저 용접 중에 볼록하게 만곡된 외부 측면이 서로 가압되는 만곡된 금속 시트로 설계되어, 금속 시트는 탄성 변형에 의해 접촉 구역에서 대략 평행 평면으로 정렬되고 서로에 대해 안착되며, 여기서 레이저 빔은 용접 시임부를 따라 이러한 접촉 구역 영역에서 두 개의 금속 시트를 용접하고,

특히 여기서 두 개의 만곡된 금속 시트는 강철로 제조된다. 이러한 절차를 통해 공작물을 특히 견고하게 연결할 수 있다. 탄성 변형은 용접 공정 동안 공작물들 사이의 갭(공극)을 방지하거나 또는 최소화하며, 이완된 상태에서 공작물의 곡률에도 불구하고, 평평한 공작물과 동일한 폭으로 용접이 달성된다.

유리하게는 또한 일 변형예에서, 두 개의 공작물은 가요성 금속 포일로 형성된다. 가요성 금속 포일을 용접할 때, 본 발명을 통해, 매우 안정적이고 견고한 기계적 연결이 생성될 수 있다. 일반적으로 포일은 용접 공정 중에 스탬프로 서로 가압된다.

또한 본 발명의 범위 내에는, 두 개의 공작물에 의해 형성된 전기 전도체 및/또는 가스 밀봉부를 용접하기 위해 위에 설명된 청구항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하는 것이 포함된다. 본 발명은 기밀성(또는 액밀성)에 대한 높은 요구를 충족하는 두 공작물 간의 매우 신뢰할 수 있는 용접 연결을 가능하게 하고, 공작물들 사이의 낮은 전기적 (또는 열적) 접촉 저항을 보장할 수 있다. 따라서 전기 전도체 및 가스 밀봉부에 사용하는 것이 특히 유리하다.

본 발명에 따른 사용의 바람직한 변형예에서, 두 개의 공작물은 연료 전지의 바이폴라 플레이트이다. 연료 전지의 바이폴라 플레이트는 일반적으로 (일반적으로 산소에 대해) 기밀성으로 연결되어야 하며, 또한 연료 전지에 의해 생성된 전류를 거의 손실 없이 전달할 수 있도록 양호한 전기적 연결도 가져야 한다. 또한, 바이폴라 플레이트는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 양호하게 연결될 수 있는 두께를 갖는다.

본 발명의 추가 이점들은 상세한 설명 및 도면으로부터 나타난다. 마찬가지로, 위에서 언급된 특징 및 아래에 추가로 설명되는 특징은 본 발명에 따라 각각 개별적으로 또는 집합적으로 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예들은 완전한 목록으로 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 설명을 위한 예시적인 특성을 갖는다.

도 1a는 본 발명에 따른 방법을 사용하여, 레이저 빔의 피드 방향에 수직으로 증기 모세관의 높이에서 용접되는 두 개의 공작물을 통한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 공작물에 대한 개략적인 사시도를 도시한다.
도 2a는 본 발명과 다르게 열전도 용접을 사용하여 용접되는 두 개의 공작물을 통한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2b는 열전도 용접과 심용접 사이의 전이 영역에서 본 발명에 따라 용접되는 두 개의 공작물을 통한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2c는 본 발명과 다르게 심용접을 사용하여 용접되는 두 개의 공작물을 통한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따라 용접될 두 개의 볼록하게 만곡된 공작물을 통한 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3b는 본 발명에 따라 서로 가압 탄성 변형된 상태로 용접되는 도 3a의 공작물을 통한 개략적인 단면도를 도시한다.

(피드 방향(VR)에 수직이고 증기 모세관(1)의 중간에서) 개략적 단면도로 도시된 도 1a 및 개략적인 사시도로 도시된 도 1b는 두 개의 얇은 공작물(W1, W2)을 레이저 용접하기 위한 본 발명에 따른 방법의 예시적인 변형예를 예시한다. 단순함을 위해 공작물(W1, W2)은 일부 영역에서만 도시된다. 공작물(W1, W2)은 예를 들어 가요성 포일로 형성될 수 있다.

제1 공작물(W1) 및 제2 공작물(W2)은 중첩 영역(

B)에서 서로 중첩되도록 위치되어 배열되고; 이를 위해 적절한 유지 도구가 사용될 수 있다(예를 들어, 로봇 아암 또는 스탬프, 자세히 도시되지 않음). 공작물(W1, W2)은 중첩 영역(

B)에서 두께(D1, D2)를 가지며, 여기서 두께는 D1 = D2 = 100 ㎛로 선택된다. 공작물(W1, W2)은 대부분 금속 재료로 제조된다. 두께(D1, D2)는 제1 공작물(W1)의 표면(3)에 수직으로 측정된다.

공작물(W1, W2)을 랩 조인트에서 서로 용접하기 위해 레이저 빔(2)이 제1 공작물(W1)의 표면(3) 상으로 지향된다. 이 경우, 레이저 빔(2)은 피드 방향(VR)을 따라 공작물(W1, W2)에 대해 이동되며, 예를 들어 피에조 드라이브에 의해 이동 가능한 미러로 설계되는 일반적으로 레이저 스캐너(도시되지 않음)에 의해 이동될 수 있다. 레이저 빔(2)은 예를 들어 1030 nm의 파장을 갖는 IR 레이저에 의해 생성된다. 그 결과, 레이저 빔(2)은 피드 방향(VR)에 대응하는 코스 방향(VLR)을 갖는 용접 시임부(4)를 생성한다.

레이저 빔(2)은 여기서 제1 공작물(W1)의 재료에 증기 모세관(1)을 생성한다(제2 공작물이 제1 공작물보다 상당히 더 두꺼운 경우, 증기 모세관은 다른 변형예에서 또한 제2 공작물에까지도 도달할 수 있음에 유의하도록 함(도시되지 않음)). 증기 모세관(1)은 횡 방향(QR)으로 측정된 레이저 빔(3)의 (최대) 초점 직경(FDQ)에 매우 정확하게 대응하는 (최대) 모세관 폭(KB)을 제1 공작물(W1)의 표면(3) 상에 갖는다. 횡 방향(QR)은 피드 방향(VR)에 수직으로 그리고 레이저 빔(2)을 향하는 제1 공작물(W1)의 표면(3)의 평면에서 연장된다.

레이저 빔(2)은 여기에서 원형 포인트 초점으로 설계되어, 피드 방향(VR)을 따른 (최대) 초점 직경(FDL)(종방향 초점 직경이라고도 함)이 횡 방향(QR)으로의 초점 직경(FDQ)(횡방향 초점 직경이라고도 함)와 동일하다. 여기서 레이저 빔(2)은 방향 독립적인 균일한 초점 직경(FD)을 갖고, 이는 바람직한 변형예를 나타낸다.

증기 모세관(1)은 여기에서 제1 공작물(W1)의 재료 내로 모세관 깊이(KT)까지 도달한다. 도시된 변형예에서 KT는 두께(D1)의 약 3/4, 즉, 약 75 ㎛이다.

공작물(W1, W2)의 재료는 증기 모세관(1) 주위에서 용융된다; 따라서 용융 풀(5)이 형성된다. 이 경우, 증기 모세관(1)으로부터 시작하여, (피드 방향(VR)에 수직인 도 1a에 도시된 단면 평면에서의) 재료는 거의 균일한 용융 폭(SB)에 걸쳐 모든 방향으로 균일하게 용융된다. 용융 폭(SB)은 여기서 약 65 ㎛이다. 이에 상응하여, 제2 공작물(W2)의 재료는 여기서 약 40 ㎛의 부분 두께(TD)에 걸쳐 용융된다. 공작물(W1, W2)의 재료가 표면(3)으로부터 시작하여 전체적으로 용융되는 용입 깊이(EST) = D1+TD는 대략 여기서 140 ㎛이다. 이는 여기서 대략 KT = 0.54*EST이다.

도시된 변형예에서, 증기 모세관(KB)은 또한 약 50 ㎛의 모세관 폭(KB)을 가지며, 이는 공작물 표면(3)의 평면에서 횡 방향(QR)으로 측정된다. 모세관 폭(KB)은 횡 방향(QR)으로의 초점 직경(FDQ)에 매우 정확하게 대응한다는 점에 유의해야 한다. 이에 상응하게, 모세관 깊이(KT)는 모세관 폭(KB)의 약 1.5 배 크기인데, 즉, 약 KB/KT = 1.50 이다. 용접 시임부(4)는 합 KB + 2*SB에 해당하는 여기서 약 180 ㎛의 폭(횡 방향(QR)으로 측정됨)을 갖는다. 제2 공작물(W2) 내로 용입되는 부분 두께(TD)는 여기서 전체 두께(D2)의 대략 40 %, 즉, TD = 0.40*D2 이다.

특히, 레이저 빔(2)의 레이저 출력, 공작물 표면(3) 상의 레이저 빔(2)의 초점 직경(FD) 및 레이저 용접의 피드 속도(용접 속도)는, 여기에 도시된 증기 모세관(1), 용융 풀(5) 및 공작물 기하학적 구조의 관계가 열전도 용접과 심용접 간의 전이 체제에서 레이저 용접을 수행하도록 설정되는 방식으로 선택된다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는 (도 1a와 유사하게) 피드 방향에 수직인 단면에서 상이한 용접 체제로 레이저 용접하는 동안 모세관 깊이(KT)와 용입 깊이(EST), 그리고 모세관 폭(KB)과 모세관 깊이(KT) 사이의 관계에 대한 개요를 제공한다; 도시된 예에서, 이 경우 레이저 빔(2)의 신장되지 않은 초점 기하학적 구조가 상정된다(FDQ = FDL, 예를 들어 원형 포인트 초점/등방성 레이저 빔을 사용함). 도 2a는 전형적인 열전도 용접(heat conduction welding)을 도시하고, 도 2b는 전형적인 전이 영역에서의 본 발명에 따른 레이저 용접(전이 모드 용접)을 도시하고, 도 2c는 전형적인 심용접 영역에서의 레이저 용접(심용접(deep penetration welding))을 도시한다.

열전도 용접에서는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(2)은 작은 모세관 깊이(KT)를 갖는 매우 작고 평평한 증기 모세관(1)만을 생성한다(또는 전혀 눈에 띄는 증기 모세관이 없으며, 후자는 도시되지 않음). 생성된 용입 깊이(EST)는 본질적으로 용융 풀(5)의 폭 또는 용융 폭(SB)에 기초하며, 여기서 EST = KT+SB, 즉 KT는 SB보다 상당히 더 작다. 유의해야 할 점은, 실제로 증기 모세관(1)의 가장 낮은 지점에서의 용융 폭(SB*)은 공작물 표면(3)에서의 용융 폭(SB**)에 매우 정확하게 일치하므로, 이하에서 용융 폭은 균일하게 SB로 지칭된다는 것이다. 도시된 예에서 대략 KT = 0.23*EST이다. 본 발명의 범위 내에서, KT < 0.33*EST 범위가 바람직하지 않은 열전도 체제에 할당된다. 용입 깊이(EST)는 제2 공작물(W2) 내로 최소한으로만 연장되고, 여기서 대략 TD = 0.08*D2 이다.

또한, 열전도 체제에서 (등방성 레이저 빔(2)이 사용되는 경우) 모세관 깊이(KT)는 모세관 폭(KB)보다 상당히 더 작다. 도 2a에서 대략 KT/KB = 0.30 이다. 본 발명의 범위 내에서, KT/KB < 0.50 범위가 바람직하지 않은 열전도 체제에 할당된다.

도 2b는 전이 영역에서 본 발명에 따른 레이저 용접을 도시한다. 레이저 빔(2)은 중간 크기의 증기 모세관(1)을 생성한다. 용입 깊이(EST)는 증기 모세관(1)의 모세관 깊이(KT) 및 용융 풀(5)의 용융 폭(SB)에 대략 동일한 비율로 기초한다. 도시된 예에서 대략 KT = 0.5*EST이다. 본 발명의 범위 내에서, 0.33 ≤ KT/EST ≤ 0.67의 범위가 바람직한 전이 체제에 할당된다. 용입 깊이(EST)는 제2 공작물(W2) 내로 명확하게 연장되고, 여기서 대략 TD = 0.6*D2 이다.

전이 체제에서 또한 모세관 깊이(KT)는 모세관 폭(KB)과 유사한 크기이거나 또는 이보다 약간만 크다. 도 2b에서 대략 KT/KB = 1.0 이다. 본 발명의 범위 내에서 (등방성 레이저 빔(2)이 사용되거나, 또는 적어도 FDQ ≤ FDL인 경우), 0.50 ≤ KT/KB ≤ 2.00의 범위가 전이 체제에서의 바람직한 레이저 용접에 할당된다.

마지막으로, 도 2c는 심용접 체제에서의 레이저 용접을 예시한다. 레이저 빔(2)은 매우 크고 깊은 증기 모세관(1)을 생성한다. 용입 깊이(EST)는 본질적으로 증기 모세관(1)의 모세관 깊이(KT)를 기초로 한다. 도시된 예에서 대략 KT = 0.88*EST이다. 본 발명의 범위 내에서, KT > 0.67*EST 범위가 바람직하지 않은 심용접 체제에 할당된다. 여기에서 용입 깊이(EST)는 거의 전체의, 제2 공작물(W2)을 통해 연장되고, 여기서 대략 TD = 0.96*D2 이다(많은 경우에, 심용접 체제에서 완전 침투 용접, 즉, TD = D2 가 발생하고, 후자는 도시되지 않음).

심용접 체제(등방성 레이저 빔(2)을 사용함)에서 또한 모세관 깊이(KT)도 모세관 폭(KB)보다 상당히 더 크다. 도 2c에서 대략 KT/KB = 2.1 이다. 본 발명의 범위 내에서, KT/KB > 2.0 범위가 심용접 체제에서의 바람직하지 않은 레이저 용접에 할당된다.

모세관 깊이(KT)는 횡 방향(QR)으로의 초점 직경(FDQ)이 알려진 경우(또는 모세관 폭(KB)이 알려진 경우) 용접 시임부의 폭(B) 및 용입 깊이(EST)로부터 쉽게 결정될 수 있다. B 및 EST는 절단 이미지(도 2a 내지 도 2c와 같은 단면)에서 쉽게 인식될 수 있거나, 또는 카메라 및 초음파로 현장에서 양호하게 관찰될 수도 있다. B 및 FDQ(후자는 KB에 대응됨)로부터 SB는 다음과 같이 결정될 수 있다

SB = (B-FDQ)/2, 및 추가로 KT = EST-SB.

도 2a 내지 도 2c의 예에서 D2는 D1보다 약간 크지만, 종종 D1 = D2 이다.

도 3a는 만곡된 금속 시트, 특히 강철 시트로 형성된 두 개의 공작물(W1, W2)을 원하는 용접 시임부에 수직인 개략적인 단면도로 개략적으로 도시한다. 여기서는 두 개의 공작물(W1, W2)이 연료 전지용 바이폴라 플레이트로 설계된다. 유의해야 할 점은, 도 3a(및 도 3b)는 본 발명에 따른 용접이 수행되는 공작물(W1, W2)의 일부 영역만을 도시한다는 것이다. 또한, 두 개의 공작물(W1, W2)은, 필요한 경우, 복수의 용접 시임부(도시되지 않음)를 가질 수 있다는 점에 유의해야 한다.

두 개의 공작물(W1, W2)은 서로 대면하는 볼록하게 만곡된 외부 측면(31, 32)을 갖는다. 두 개의 공작물(금속 시트)(W1, W2)의 이러한 만곡된 외부 측면이 서로에 대해 배치되는 경우, 좁은 접촉 라인(30)을 따른 접촉만이 존재한다; 이러한 접촉 라인(30)에 수직인 도 3a에 도시된 단면에서, 이 접촉 라인(30)은 점으로 나타난다.

이 접촉 라인(30)을 따라 공작물(W1, W2)을 용접하는 것은, 평면-평행 접촉의 경우에 일반적으로 용융될 영역이 공작물 외부 측면(31, 32) 사이의 하나 이상의 V자형 공극(33)에 부분적으로 놓이기 때문에, 매우 어려울 것이다; 이로 인해 용접 시임부에 갭 또는 적어도 약한 영역이 쉽게 생성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 공작물(W1, W2)은 용접을 위해 볼록한 외부 측면(31, 32)이 서로에 대해 가압되며(가압 방향(34) 참조), 이를 통해 외부 측면(31, 32)의 탄성 변형이 발생한다(도 3b 참조). 볼록한 외부 측면(31, 32)은 이 경우 약간 평평하게 가압되고, 가압 방향에 대해 횡방향으로 연장되는 접촉 구역(35)이 상기 접촉 라인 주위에 형성되며, 여기서 공작물(W1, W2) 또는 금속 시트는 서로 대략 평면 평행하게 정렬되고 서로 맞닿는다.

공작물(W1, W2)의 이러한 탄성 변형 상태에서, 본 발명에 따른 레이저 용접은 제1 공작물(W1)의 공작물 표면(3)으로 지향되는 레이저 빔(2)으로 수행된다. 여기서 레이저 빔(2)의 피드 방향은 도 3b의 도면 평면에 수직이다. 레이저 빔(2)은 제1 공작물(W1)의 재료를 그 전체 두께(D1)에 걸쳐 용융시키고, 제2 공작물(W2)의 재료를 그 두께(D2)의 거의 절반까지 용융시킨다(예를 들어, 본 발명에 따른 전이 체제의 조건에 대해서는 도 2b 참조). 공작물 재료의 용융은 접촉 구역(35) 내에서 발생하고, 이 접촉 구역은 동시에 공작물(W1, W2)이 서로 중첩되어 놓이는 공작물(W1, W2)의 중첩 영역(

B)을 나타낸다.

공작물(W1, W2)의 탄성 변형 또는 가압력은 접촉 구역(35)의 접촉 폭(KOB)이 용접 시임부(4)의 폭(B)보다 더 클 정도로 강하게 선택된다는 점에 유의해야 한다. 그 결과, (도 1a에 도시된 바와 같이) 서로 맞닿는 두 개의 평평한 공작물을 용접하는 품질에 필적하는 특히 고품질의 용접 시임부(4)가 얻어질 수 있다. 도 3b에서 얻을 수 있는 용접 시임부는 특히 기밀성이 있고, 공작물(W1, W2) 사이의 낮은 전기 저항으로 제작될 수 있다.

공작물(W1, W2)의 레이저 용접 및 충분한 냉각 후, 가압력이 다시 해제되고, 공작물(W1, W2)은 대략 도 3a에 도시된 탄성 이완된 상태로 되돌려진다. 그러나, 폭(B)에 걸쳐 양호한 시임부 품질을 가지고 서로 용접된 상태를 유지한다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 변형예에서, 용접은 특히 다음 파라미터로 수행될 수 있다:

- 공작물 두께 D1 = D2 = 75 ㎛;

- 용입 깊이(EST) = 112.5 ㎛;

- FD = KB = 31.5 ㎛;

- KT = 47.5 ㎛;

- SB = 65.25 ㎛;

- B = 162 ㎛.

따라서, 여기서 KT/KB = 1.5 및 KT = 0.42*EST 및 TD = 0.5*D2 이다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 변형예에서, 용접은 특히 다음 파라미터로 수행될 수 있다:

- 공작물 두께 D1 = D2 = 75 ㎛;

- 용입 깊이(EST) = 112.5 ㎛;

- FD = KB = 31.5 ㎛;

- KT = 63 ㎛;

- SB = 49.5 ㎛;

- B = 130.5 ㎛.

따라서, 여기서 KT/KB = 2.0 및 KT = 0.56*EST 및 TD = 0.5*D2 이다.

1: 증기 모세관
2: 레이저 빔
3: 공작물 표면
4: 용접 시임부
5: 용융 풀
30: 접촉 라인
31: (제1 공작물의) 외부 측면
32: (제2 공작물의) 외부 측면
33: 공극
34: 가압 방향
35: 접촉 구역
B: 용접 시임부의 폭
D1: 제1 공작물의 두께
D2: 제2 공작물의 두께
EST: 용입 깊이
FD: (최대) 초점 직경
FDL: 피드 방향에서의 (가장 큰) 초점 직경
FDQ: 횡 방향에서의 (가장 큰) 초점 직경
KB: 모세관 폭
KOB: 접촉 폭
KT: 모세관 깊이
QR: 횡 방향
SB: 용융 폭
SB*: 용융 폭(증기 모세관 아래 중앙에서 측정됨)
SB**: 용융 폭(공작물 표면에서 측정됨)
TD: 부분 두께

B: 중첩 영역
VLR: 용접 시임부의 연장 방향
VR: 피드 방향
W1: 제1 공작물
W2: 제2 공작물

Claims (15)

1. 용접 시임부(4)를 따라 두 개의 공작물(W1, W2)을 레이저 용접하는 방법으로서,
   적어도 중첩 영역(

   

   B)에서 두께(D1)를 갖는 제1 공작물(W1)과 두께(D2)를 갖는 제2 공작물(W2)이 서로 중첩되게 배열되고,
   상기 두 개의 공작물(W1, W2)의 상기 두께(D1, D2)가 각각 400 ㎛ 이하이고,
   상기 중첩 영역(

   

   B)에서 상기 제1 공작물(W1)의 측면에서 상기 용접 시임부(4)를 따라 안내되는 레이저 빔(2)에 의해, 상기 제1 공작물(W1)의 재료는 전체 두께(D1)에 걸쳐 용융되고, 상기 제2 공작물(W2)의 재료는 전체 두께(D2)의 부분 두께(TD)에 걸쳐서만 용융되며,
   상기 레이저 용접은, 상기 레이저 빔(2)이 상기 제1 공작물(W1) 내로 또는 상기 제1 및 제2 공작물(W1, W2) 내로 모세관 깊이(KT)까지 연장되는 증기 모세관(1)을 생성하는 방식으로 수행되고, 여기서 0.33*EST ≤ KT ≤ 0.67*EST 이고, 용입 깊이(Einschweisstiefe)(EST) = D1+TD 인 것인, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   0.40*EST ≤ KT ≤ 0.60*EST,
   바람직하게는 0.45*EST ≤ KT ≤ 0.55*EST 인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   0.25*D2 ≤ TD ≤ 0.75*D2,
   바람직하게는 0.33*D2 ≤ TD ≤ 0.67*D2,
   특히 바람직하게는 0.40*D2 ≤ TD ≤ 0.60*D2 인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 용접은, 상기 레이저 빔(2)을 향하는 상기 제1 공작물(W1)의 표면(3) 상의 상기 증기 모세관(1)의 폭(KB)에 대해, 상기 용접 시임부(4)의 연장 방향(VLR)에 대해 횡방향으로 측정되면:
   0.50 ≤ KT/KB ≤ 2.00,
   바람직하게는 0.75 ≤ KT/KB ≤ 1.50 이도록 수행되고,
   특히, 상기 레이저 빔(2)의 피드 방향(VR)에 대해 횡방향의 상기 레이저 빔(2)의 초점 직경(FDQ) 및 상기 피드 방향(VR)을 따른 상기 레이저 빔(2)의 초점 직경(FDL)에 대해, 각각 상기 레이저 빔(2)을 향하는 상기 제1 공작물(W1)의 표면(3)의 평면에서 측정되면:
   0.8 ≤ FDQ/FDL ≤ 1.2,
   바람직하게는 0.9 ≤ FDQ/FDL ≤ 1.1 인 것인, 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 빔(2)은 평균 파장(λ)을 갖고,
   λ ≤ 1200 nm,
   바람직하게는,
   a) 900 nm ≤ λ ≤ 1100 nm, 특히 λ = 1030 nm 또는 1064 nm 또는 1070 nm, 또는
   b) 500 nm ≤ λ ≤ 600 nm, 특히 λ = 515 nm, 또는
   c) 400 nm ≤ λ ≤ 500 nm, 특히 λ = 450 nm인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 빔(2)은 평균 레이저 출력(P)을 갖고,
   60 W ≤ P ≤ 1200 W,
   바람직하게는 100 W ≤ P ≤ 500 W인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 빔(2)을 향하는 상기 제1 공작물(W1)의 표면(3)의 평면에서 상기 레이저 빔(2)은 초점 직경(FD)을 갖고,
   10 ㎛ ≤ FD ≤ 100 ㎛,
   바람직하게는 14 ㎛ ≤ FD ≤ 60 ㎛,
   특히 바람직하게는 25 ㎛ ≤ FD ≤ 39 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 빔(2)을 향하는 표면(3) 상의 상기 제1 공작물(W1)의 용융된 재료의 폭(B)에 대해, 상기 용접 시임부(4)의 연장 방향(VLR)에 대해 횡방향으로 측정되면:
   60 ㎛ ≤ B ≤ 600 ㎛,
   바람직하게는 80 ㎛ ≤ B ≤ 400 ㎛,
   특히 바람직하게는 100 ㎛ ≤ B ≤ 200 ㎛인 것인, 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   D1 ≤ 250 ㎛ 및 D2 ≤ 250 ㎛,
   바람직하게는 50 ㎛ ≤ D1 ≤ 200 ㎛ 및 50 ㎛ ≤ D2 ≤ 200 ㎛,
   특히 바람직하게는 75 ㎛ ≤ D1 ≤ 100 ㎛ 및 75 ㎛ ≤ D2 ≤ 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    50 ㎛ ≤ EST ≤ 600 ㎛,
    바람직하게는 60 ㎛ ≤ EST ≤ 400 ㎛,
    특히 바람직하게는 75 ㎛ ≤ EST ≤ 225 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(2)은 상기 공작물(W1, W2)에 대해 피드 속도(v)로 이동되고,
    v ≥ 5 m/분,
    바람직하게는 v ≥ 10 m/분이고,
    특히, 상기 레이저 빔(2)은 레이저 스캐너로 편향되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 공작물(W1, W2)은 상기 레이저 용접 중에 볼록하게 만곡된 외부 측면(31, 32)이 서로 가압되는 만곡된 금속 시트로 설계되어, 상기 금속 시트는 탄성 변형에 의해 접촉 구역(35)에서 대략 평행 평면으로 정렬되고 서로에 대해 안착되며, 상기 레이저 빔(2)은 상기 용접 시임부(4)를 따라 상기 접촉 구역(35) 영역에서 상기 두 개의 금속 시트를 용접하고,
    특히, 상기 두 개의 만곡된 금속 시트는 강철로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 공작물(W1, W2)은 가요성 금속 포일로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 두 개의 공작물(W1, W2)에 의해 형성된 전기 전도체 및/또는 가스 밀봉부를 용접하기 위해 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법의 사용.
15. 제14항에 있어서,
    상기 두 개의 공작물(W1, W2)은 연료 전지의 바이폴라 플레이트인 것을 특징으로 하는 사용.

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