KR20230148826A - 금속 기판에 대한 금속 포일 스택 레이저 용접 - Google Patents

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폴크 나겔
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로핀-시나 레이저 게엠베하
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Abstract

금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법이 개시된다. 이 방법은 금속 기판의 표면과 제거 가능한 클램프 사이에 금속 포일 스택을 고정하여, 포일의 에지에 의해 형성된 스택의 측면이 표면의 내부 부분에 위치하고 클램프가 스택의 측면으로부터 뒤로 설정되도록 하는 단계를 포함한다. 제2 레이저 용접 단계는 레이저 빔으로 포일 에지를 따라 복수의 측면 경로를 연속적으로 추적하여 초기 레이저 용접 조인트와 포일을 상호 연결한다. 제2 레이저 용접 단계는 레이저 빔을 사용하여 초기 레이저 용접 접합부와 기판 표면 사이의 계면을 따라 경로를 추적하여 상호 연결된 포일 스택을 기판에 연결한다. 이러한 2단계 레이저 용접 공정은 단일 레이저 용접 작업에서 두께가 매우 다른 재료를 함께 용접하는 어려움을 회피하게 해준다.

Description

금속 기판에 대한 금속 포일 스택 레이저 용접
(우선권)
본 출원은 2021년 2월 23일에 출원된미국 가출원 일련번호 제63/152,534호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 개시내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.
(발명의 기술 분야)
본 발명은 일반적으로 금속 기판에 대한 금속 포일 스택의 레이저 용접에 관한 것이며, 더 구체적으로는 리튬 이온 배터리와 같은 전기화학 배터리의 생산에 적용되는 상기 레이저 용접에 관한 것이다.
레이저 방사선 빔은 금속 및 금속 합금을 포함하는 다양한 재료로 만들어진 공작물을 절단, 드릴링, 용접, 마킹 및 스크라이빙하는데 점점 더 많이 사용되고 있다. 전통적인 기계 가공에서는 가공된 공작물에 응력이 가해질 때 전파되어 가공된 공작물을 저하시키고 약화시킬 수 있는 미세 균열과 같은 원치 않는 결함이 발생한다. 레이저 가공은 이러한 원하지 않는 결함을 최소화하고 일반적으로 더 깨끗하며 열 영향을 받는 영역을 더 작게 만든다. 레이저 가공은 집중된 레이저 빔을 사용하여 고품질 모서리 및 벽을 갖는 정밀한 절단부 및 구멍을 생성하고 동시에 원하지 않는 결함의 형성을 최소화한다.
레이저 용접에서는 집중된 레이저 빔이 부수적인 가열을 최소화하면서 각 용접 스폿 또는 이음새(seam)의 위치를 정확하게 찾는다. 두 가지 주요 레이저 용접 방식을 구별하는 것이 유용하다. 전도 용접(conduction welding)은 더 낮은 레이저 출력 및 더 낮은 출력 밀도에서 이루어진다. 흡수된 레이저 파워는 조사되는 재료를 가열하여, 접합될 각 부품의 재료를 녹이고, 이는 흐르고 혼합된 다음 고체화된다. 키홀 용접(keyhole welding)은 조사되는 재료의 일부를 기화시킬 만큼 충분히 더 높은 레이저 출력 및 더 높은 출력 밀도에서 이루어진다. 주변의 용융된 재료에 대한 기화된 재료의 압력은 용융된 재료를 통해 채널을 개방하여, 레이저 빔의 깊은 침투를 허용하는 좁고 깊은 프로파일을 갖게 한다. 완성된 키홀 용접은 일반적으로 전도 용접보다 더 좁고 깊으며 더 강하다.
리튬 이온 배터리는 휴대용 전자 장치, 전기 자동차 및 대부분의 다른 현대 충전 가능한 전기 장치를 구현하는 중요한 기술이다. 배터리의 각 셀은 전해질에 담그거나 전해질로 코팅된 2개의 얇은 금속 포일 스택을 포함한다. 금속은 대부분 알루미늄이나 구리이며 포일의 일반적인 두께는 약 10마이크로미터(μm)이다. 각 포일 스택에는 일반적으로 20~40개의 개별 포일이 있다. 포일 스택은 원통형으로 롤링될 수도 있고 평평하게 놓일 수 있다. 전해질에는 리튬염이 포함되어 있다. 각 포일 스택은 전기 연결을 위해 셀에서 돌출된 금속 탭에 전기적으로 연결된다. 배터리를 형성하기 위해 복수의 셀이 전기 장치의 전압 및 전류 요구 사항에 따라 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결된다. 복수의 배터리를 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 연결하여 배터리 팩을 형성할 수 있다.
스택의 각 포일의 각 탭에 대한 기계적 부착 및 전기적 연결은 배터리의 무결성, 신뢰성 및 성능에 매우 중요하다. 그러나, 복수의 얇은 금속 포일을 훨씬 두꺼운 금속 탭에 결합하는 것은 어렵다. 완성된 접합부는 견고하고 내구성이 있어야 하며 전기 저항이 낮아야 한다. 정밀 저항 용접이 사용되지만 전기 전도성이 높은 금속의 경우 계면 저항에 의존하며, 이러한 금속의 열 전도성이 높기 때문에 많은 전류를 적용해야 한다. 초음파 용접이 사용되지만 결합될 부분의 기계적 압축이 필요하므로 임의의 조립 전에 결합되어야 한다. 알루미늄은 논-레이저 공정에서 파손되어야 하는 내구성 있는 산화물 층을 가지고 있다. 이러한 이유로, 레이저 용접은 전체 열 축적을 최소화하기 위해 정확한 전력 공급을 제공하는 매력적인 대안으로 부상했다. 키홀 레이저 용접은 포일 스택 및 탭의 전체 두께를 통해 강력한 용접을 형성할 수 있다. 일부 배터리 설계에는 키홀 레이저 용접의 이점을 누릴 수 있는 배터리 내 셀을 부착하고 연결하기 위한 추가 포일-탭 조인트가 포함되어 있다.
본 명세서에는 금속 포일의 스택을 금속 기판에 레이저 용접하는 방법이 개시된다. 이 방법은 배터리 셀, 예를 들어 리튬 이온 배터리 셀의 제조에 유용하며, 여기서 이 방법은 양극 금속 포일 스택 또는 음극 금속 포일 스택을 전기 연결을 위해 금속 탭에 용접하는 데 사용될 수 있다. 개시된 방법은 단일 레이저 용접 작업에서 두께가 매우 다른 재료를 함께 용접하는 어려움을 피하는 2단계 프로세스이다. 개시된 방법은 결과적인 용접 구조의 폼 팩터를 최소화하기 위해 금속 포일 스택을 단일 금속 기판에만 레이저 용접하도록 특별히 맞춤화되었다.
레이저 용접 중에 금속 포일 스택은 금속 포일이 연결될 금속 기판과 제거 가능한 클램프 사이에 고정된다. 금속 포일 스택은 금속 기판에만 용접되고 클램프에는 용접되지 않으므로 클램프는 용접된 구조물에서 제거될 수 있다. 금속 포일 스택이 클램프에 용접되는 것을 방지하기 위해 클램프는 금속 포일의 에지에서 뒤로 설정된다.
레이저 용접은 두 단계로 이루어진다. 첫째, 금속 포일은 금속 포일의 상대적으로 얇은 특성에 맞춰 상대적으로 부드러운 방식으로 서로 레이저 용접되며, 금속 포일의 튐 및 과도한 컬링 및/또는 균열을 방지한다. 이 제1 레이저 용접 단계는 금속 포일을 전기적으로 상호 연결하고 금속 포일 스택을 구조적으로 강화하는 역할을 한다. 다음으로, 용접된 금속 포일 스택의 향상된 강도를 활용하여 보다 강력한 레이저 용접을 사용하여 용접된 금속 포일 스택을 상대적으로 두꺼운 금속 기판에 연결하는 견고하고 고품질의 용접 접합부를 형성한다. 제1 레이저 용접 단계는 전도 용접에만 의존할 수 있는 반면, 제2 레이저 용접 단계는 키홀 용접을 활용할 수 있다.
본 명세서에 포함되어 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하며, 위에 주어진 일반적인 설명 및 아래에 주어진 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께. 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 일 실시예에 따른, 제조 중의 배터리 셀 조립체를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른, 금속 포일의 스택을 금속 기판에 레이저 용접하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 3a 내지 3d는 일 실시예에 따른 경사진 금속 포일 스택을 초기 레이저 용접 조인트와 상호 연결하는 방법을 도시한다.
도 4a 내지 4c는 실시예에 따른 초기 레이저 용접 조인트에 의해 이미 상호 연결된 금속 포일 스택을 금속 기판에 연결하는 방법을 도시한다.
도 5는 도 4a 내지 4c의 방법에 사용될 수 있는 반복적인 2차원 스캔 패턴을 도시한다.
도 6은 실시예에 따른, 도 2 방법의 레이저 용접을 수행하는데 유용한 복합 레이저 빔의 횡단 프로파일을 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른, 레이저 빔으로 복수의 가로 경로를 추적함으로써 형성된 초기 레이저 용접 조인트와 경사진 금속 포일 스택을 상호 연결하는 방법을 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 금속 포일 스택의 경사 없는 구성을 도시한다.
이제, 유사한 구성요소가 유사한 부재번호로 지정되어 있는 도면을 참조하면, 도 1은 제조 중인 하나의 배터리 셀 조립체(100)의 측단면도를 도시한다. 조립체(100)는 복수의 금속 포일(120) 및 그 위에 배치된 재료 층(110)을 포함한다. 각 재료 층(110)은 전해질, 예를 들어 리튬염을 포함한다. 금속 포일(120)은 전지 셀의 양극 세트 또는 음극 세트를 형성한다. 금속 포일(120)은 도 1에 도시되지 않은 제2 세트의 금속 포일과 인터리브될 수 있으며, 금속 포일(120)은 애노드 포일이고 제2 금속 포일 세트는 캐소드 포일이거나 그 반대이다. 금속 포일(120)은 재료 층(110)을 넘어 연장되어 금속 탭(130)에 도달한다. 금속 탭(130)은 금속 포일(120)에 대한 전기 접점을 형성하도록 구성된다. 금속 포일(120)을 금속 탭(130)에 레이저 용접하기 위한 준비로 금속 포일(120)의 일부가 금속 탭(130)의 표면(130S)에 적층된다. 각 금속 포일(120)의 두께는 5~30 마이크로미터(μm)일 수 있다. 비교를 위해, 금속탭(130)의 두께는 0.5밀리미터(mm)를 초과할 수 있다. 조립체(100)는 금속 탭 표면(130S) 상에 적층된 10개 이상의 금속 포일(120), 예를 들어 20 내지 40개의 금속 포일(120)을 포함할 수 있다. 금속 포일(120)은 예를 들어 알루미늄으로 만들어지고, 금속 탭(130)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어질 수 있다. 대안적으로, 금속 탭(130)은 다른 금속 또는 금속 합금, 예를 들어 구리, 구리 합금, 또는 강철 합금으로 제조될 수 있다.
도 2는 금속 포일의 스택을 금속 기판에 레이저 용접하는 일 방법(200)의 흐름도이다. 방법(200)은 금속 포일(120)의 스택을 금속 탭(130)에 레이저 용접하여 각 금속 포일(120)을 금속 탭(130)에 전기적으로 연결하도록 배터리 조립체(100)에 적용될 수 있다. 그러나, 방법(200)은 금속 포일 스택을 금속 기판에 용접해야 하는 다른 시나리오에도 적용할 수 있다. 조립체(100)는 방법(200)에 의해 레이저 용접될 수 있는 금속 포일 스택 및 금속 기판의 단지 일례를 나타낸다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 금속 포일 스택(120)은 다른 유형의 배터리 셀 금속 포일이거나 심지어 배터리와 관련되지 않은 금속 포일 스택일 수도 있다. 유사하게, 금속 탭(130)은 다른 유형의 배터리 조립체의 금속 기판 또는 배터리와 관련되지 않은 금속 기판일 수 있다.
방법(200)은 단계(210, 220 및 230)를 포함한다. 단계(210)는 금속 기판의 표면과 제거 가능한 클램프 사이에 금속 포일 스택을 고정한다. 단계(210)는 (a) 금속 포일 스택의 측면이 그 주변부로부터 떨어진 금속 기판 표면의 내부 영역에 배치되고, (b) 제거 가능한 클램프가 스택 측면에서 뒤로 설정되도록 금속 포일 스택과 제거 가능한 클램프를 배열한다. 단계(210)의 일례에서, 원위 금속 포일(120)의 스택은 금속 탭 표면(130S)과 제거 가능한 클램프(140) 사이에 고정된다. 금속 포일(120)의 에지(120E)는 금속 탭 표면(130S)의 내부 부분, 즉 금속 탭 표면(130S)의 둘레(130E)로부터 0이 아닌 거리에 위치하는 스택의 측면을 형성한다. 제거 가능한 클램프(140)는 에지(120E)에 의해 형성된 스택의 측면으로부터 뒤로 설정된다.
단계(220)는 초기 레이저 용접 조인트로 금속 포일을 상호 연결하는 제1 레이저 용접 단계이다. 단계(220)의 일례에서, 레이저 빔(180)은 금속 포일(120)의 에지(120E)를 서로 용접하는 동시에 금속 포일(120)의 스택은 금속 탭(130)과 제거 가능한 클램프(140) 사이에 고정된다. 단계(220)는 레이저 빔으로 금속 포일 에지를 따라 복수의 측면 경로를 연속적으로 추적하는 단계(222)를 포함한다. 각각의 측면 경로는 금속 포일 에지와 실질적으로 평행하다. 단계(222)의 일례에서, 레이저 빔(180)에 의해 추적되는 각각의 경로는 에지(120E)에 평행하게, 즉 도 1의 평면에 직교하게 진행된다.
단계(222)의 위에서 아래로의 구현에서, 레이저 빔은 먼저 금속 기판 표면에서 가장 먼 경로를 추적하고, 레이저 빔에 의해 추적된 각각의 후속 측면 경로는 레이저 빔에 의해 이미 추적된 이전 측면 경로보다 금속 기판 표면에 더 가깝다. 이러한 위에서 아래로의 구현의 일례에서, 레이저 빔(180)은 먼저 금속 포일(120) 스택의 상단 근처에 있는 경로, 즉 금속 탭 표면(130S)에서 가장 멀고 제거 가능한 클램프(140)에 가장 가까운 경로를 추적한다. 이 트레이스는 에지(120E)에 평행하게, 즉 도 1의 평면에 직교한다. 레이저 빔(180)이 이러한 제1 측면 경로를 추적하는 동안, 레이저 빔(180)은 2개 이상의 최상부 금속 포일(120)의 에지(120E)를 녹여 이들을 함께 용접한다. 다음으로, 레이저 빔(180)은 이미 용접된 금속 포일(120)에 더 많은 금속 포일(120)을 용접하기 위해 금속 탭 표면(130S)에 더 가까운 측면 경로를 추적한다. 이 공정은 모든 금속 포일(120)의 에지(120E)가 초기 용접 접합에서 함께 용접될 때까지 계속된다. 단계(222)의 위에서 아래로 구현하는 일 실시예는 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 아래에서 더 자세히 설명된다.
단계(220)는 비교적 얇은 금속 포일에서 작동한다. 단계(220)는 이러한 얇은 금속 포일을 더 두꺼운 금속 기판에 용접하려고 시도하지 않는다. 따라서, 단계(220)는 금속 포일의 과도한 컬링(curling) 및/또는 균열뿐만 아니라 스패터로 인한 상당한 재료 손실과 같은 바람직하지 않은 결과를 피하기 위해 금속 포일을 비교적 부드럽게 함께 용접할 수 있다. 단계(220)는 이러한 바람직하지 않은 결과를 피하기 위해 전도 용접에만 의존할 수 있다. 단계(220)가 완료되면 초기 레이저 용접 조인트는 금속 포일을 전기적으로 상호 연결할 뿐만 아니라 구조적 강도도 제공한다.
더욱이, 제거 가능한 클램프가 금속 포일 에지에 의해 형성된 스택 측면에서 뒤로 설정되어 있기 때문에 금속 포일이 용접 전에 제자리에 완전히 고정되지는 않는다. 단계(220)에서 일련의 측면 경로를 따른 전도 용접은 이러한 구성에서 금속 포일의 과도한 컬링 및 균열을 방지하는 데 특히 매우 적합하다.
대안적인 실시예에서, 단계(220)는 상이하게 배열된 경로 세트, 예를 들어 금속 포일 에지(120E)를 가로지르는 복수의 경로 또는 모든 금속 에지(120E)를 가로지르도록 협동하는 다른 경로 세트를 추적한다. 이 대안적인 실시예는 전도 용접을 활용할 수 있다.
단계(230)는 금속 포일 스택을 금속 기판에 연결하는 제2 레이저 용접 단계이다. 단계(230)는 단계(220)의 초기 레이저 용접 조인트와 이미 상호 연결된 금속 포일 스택의 이점을 누릴 수 있다. 초기 레이저 용접 조인트가 제공하는 구조적 강도에는 최소한 두 가지 이점이 있다. 첫째, 단계(220)에서 형성된 초기 레이저 용접 조인트에 의해 이미 전기적 및 구조적으로 상호 연결되어 있으므로 전체 금속 포일 스택을 통해 용접할 필요가 없다. 둘째, 초기 레이저 용접 접합에 의해 제공되는 강도는 단계(230)에서의 보다 강력한 용접을 허용하여 금속 포일과 금속 기판 사이에 견고하고 고품질의 전기 연결을 형성한다.
단계(230)는 단계(220)에서 형성된 초기 레이저 용접 조인트와 금속 기판 표면 사이의 계면을 따라 레이저 빔을 따라 경로를 추적하는 단계(232)를 포함한다. 레이저 빔은 결과적인 전기 연결의 품질을 최적화하기 위해 이 경로를 추적하는 동안 키홀 용접을 수행할 수 있다. 단계(230)의 한 예에서, 단계(232)를 구현하는 경우, 레이저 빔(190)은 금속 탭 표면(130S)과 금속 포일(120)의 에지(120E)를 상호 연결하는 초기 레이저 용접 조인트 사이의 계면을 따라 경로를 추적한다. 단계(230)의 이 예에서 추적되는 경로는 일반적으로 도 1의 평면에 직교하는 방향을 따를 수 있다. 단계(230)의 일 실시예는 도 4a 내지 4c를 참조하여 아래에서 더 자세히 설명된다.
단계(232)는 반복적인 2차원(2D) 스캔 패턴을 활용하여 키홀 형성 및 용접 품질을 최적화할 수 있다. 반복되는 2D 스캔 패턴은 원형 또는 타원형 방식으로 인터페이스를 가로질러 진동할 수 있다. 반복적인 2D 스캔 패턴을 사용한 용접은 도 5를 참조하여 아래에서 더 자세히 설명된다.
각각의 단계(220 및 230)는 용접 영역에서 아르곤 또는 다른 불활성 가스와 같은 실드 가스를 활용할 수 있다.
방법(200)은 2개의 레이저 용접 단계(220 및 230)가 완료된 후에 금속 포일 스택에서 제거 가능한 클램프를 제거하는 단계(240)를 더 포함할 수 있다. 단계(220)나 단계(230) 모두 제거 가능한 클램프를 금속 포일 스택에 용접하지 않기 때문에, 단계(240)는 금속 포일 스택에서 클램프를 변위(displacing)시키는 것만으로 클램프를 제거할 수 있다. 방법(200)의 특정 실시예에서, 단계(210)는 제거 가능한 클램프와 백킹 플레이트, 예를 들어 도 1에 도시된 백킹 플레이트(150) 사이에 금속 기판과 금속 포일의 스택을 클램핑한다. 그러한 실시예에서, 단계(240)는 (단계 220 및 230에 의해 함께 용접된 바와 같이) 금속 기판 및 금속 포일 스택의 추출을 용이하게 하기 위해 백킹 플레이트로부터 제거 가능한 클램프를 변위시킬 수 있다.
금속 포일 에지에 의해 형성된 금속 스택의 측면이 제거 가능한 클램프를 향하는 방향으로 기울어지도록 단계(210)에서 금속 포일을 배열하는 것이 유리하다는 것을 알게 되었다. 즉, 레이저 용접될 금속 스택의 측면이 금속 기판 표면에서 다소 멀어지도록 금속 포일 에지를 서로 오프셋시키는 것이 유리하다. 이러한 구성은 단계(220 및 230) 모두에서 레이저 빔이 금속 기판 표면에 대해 비스듬한 각도인 방향, 예를 들어 금속 스택의 측면에 대략 수직인 방향을 따라 입사되도록 허용한다. 경사진 구성은 또한 단계(220)에서 레이저 용접에 접근할 수 있는 영역을 증가시켜 더 강한 레이저 용접 접합을 형성할 수 있게 해준다. 또한, 이 구성에서 금속 포일 에지의 레이저 용접은 금속 포일의 수축을 특히 잘 처리한다.
도 3a 내지 도 3d는 이러한 경사진 금속 포일 스택을 초기 레이저 용접 조인트와 상호 연결하기 위한 한 가지 방법(300)을 도시한다. 방법(300)은 단계(220)의 실시예이며, 스택이 경사진 측면을 갖는 조립체(100)의 일 실시예에서 금속 포일(120)의 스택에 적용될 수 있다. 도 3a 내지 도 3d에 도시된 예는 120(1) 내지 120(20)으로 열거된 20개의 금속 포일(120)을 가지며, 금속 포일(120(1))은 금속 탭 표면(130S)에 가장 가깝고 금속 포일(120(20))은 탈착식 클램프(140)에 가장 가깝다. 일반성을 잃지 않고, 방법(300)은 여기에서 금속 포일(120) 및 금속 탭(130)과 관련하여 논의될 것이다. 도 3a는 방법(300)에서 레이저 빔에 의해 추적되는 경로의 한 구성을 도시한다. 도 3b 및 도 3c는 각각 방법(300) 동안의 한 단계에서의 조립 상태를 측단면도 및 사시도로 도시한다. 도 3d는 방법(300)에 의해 형성된 완성된 초기 레이저 용접 조인트를 묘사한다. 도 3a 내지 도 3d는 다음 설명에서 함께 가장 잘 볼 수 있다.
방법(300)은 에지(120E)가 서로 오프셋되어 일반적으로 스택 내의 금속 포일(120)이 높을수록 해당 에지(120E)가 금속 포일(120(1))의 에지(120E)에 대해 더 뒤로 설정되는 배열에 적용된다. 결과적으로, 금속 포일 스택(120)의 에지(120E)는 경사면(320S)을 형성한다(도 3b 참조). 금속 포일(120)의 배치가 부정확할 경우 이러한 오프셋 패턴으로부터의 편차가 존재할 수 있다. 그러나, 평균적으로 각 에지(120E)는 바로 인접한 하부 금속 포일(120)의 에지(120E)로부터 오프셋만큼 뒤로 설정된다. 이 오프셋은 스택의 모든 금속 포일에 대한 평균으로 20~200μm 범위에 있을 수 있다. 금속 포일 스택(120)은 1mm와 3mm 사이 범위의 높이(320H)를 가질 수 있고, 스택의 측면(320S)의 경사각(320A)(도 3b 참조)은 10도와 80도 사이의 범위에 있을 수 있다.
레이저 빔(180)은 거의 수직 입사로 측면(320S)에 입사될 수 있다. 예를 들어, 측면(380A)의 법선 표면에 대한 레이저 빔의 입사각(380A)은 -20도와 +20도 사이일 수 있다. 스택의 측면(320S) 상으로의 레이저 빔(180)의 거의 수직 입사는 레이저 빔(180)으로부터 금속 포일(120)로의 에너지 결합을 최적화할 수 있다.
방법(300)에서, 레이저 빔(180)은 복수의 측면 경로(310)(도 3a 참조), 예를 들어 3 내지 20개의 측면 경로(310)를 추적한다. 레이저 빔(180)은 먼저 금속 탭 표면(130S)에서 가장 멀리 있는 측면 경로(310(1))를 추적한다. 각각의 후속 측면 경로(310)는 임의의 이전 측면 경로(310)보다 금속 탭 표면(130S)에 더 가깝다. 최종 측면 경로(310)(도 3a에 도시된 예에서 제5 측면 경로(310(5)))는 금속 탭 표면(130S)에 가장 가깝다. 각각의 측면 경로(310)는 에지(120E)의 전체 길이(320L), 또는 그 상당 부분에 걸쳐 있을 수 있다. 레이저 빔(180)은 예를 들어 도 3a의 화살표로 표시된 바와 같이 동일한 방향으로 각각의 측면 경로(310)를 추적할 수 있거나, 레이저 빔(180)은 상호 반대 방향으로 일부 측면 경로(310)를 추적할 수 있다. 일례에서, 연속적인 측면 경로(310)는 반대 방향으로 추적되어 구불구불한 형상을 갖는 전체 연속 트레이스를 형성한다. 도 3b 및 도 3c에 표시된 바와 같이, 레이저 빔(180)에 의한 측면 경로(310)의 각각의 추적은 웰드 라인(weld line)(320)을 형성한다. 각각의 웰드 라인(320)은 15 내지 1000μm 범위의 폭 320W를 가질 수 있다. 제1 웰드 라인(320(1))의 형성 후, 각각의 후속 웰드 라인(320)은 적어도 바로 앞의 웰드 라인(320)과 접촉하거나 겹친다. 따라서, 방법(300)의 완료 시, 모든 에지(120E)는 함께 레이저 용접되어 도 3d에 도시된 바와 같이 공통의 초기 레이저 용접 조인트(330)를 형성한다.
방법(300)에서, 레이저 빔(180)은 전도 용접만을 유발하고 키홀 형성을 방지하는 전력 레벨로 작동할 수 있다. 그러나, 레이저 빔(180)에 의해 가열될 때, 금속 포일(120)은 어느 정도 수축될 수 있다. 금속 포일(120)이 제 위치에 완전히 고정된 경우, 이러한 수축은 금속 포일(120)의 기계적 응력 및 균열을 초래할 수 있습니다. 그러나 방법(300)에서, 금속 포일(120)의 스택의 측면은 기울어지고 제거 가능한 클램프(140)는 에지(120E)로부터 거리(342)만큼 뒤로 설정되어(도 3a 참조), 금속 포일(120)이 제자리에 완전히 고정되지는 않는다. 따라서 금속 포일(120)은 균열을 초래하는 수축 없이 어느 정도의 수축을 자유롭게 겪을 수 있다. 예를 들어 거리(342)의 범위는 0.1~5mm이다.
대안적인 실시예에서, 레이저 빔(180)은 다양한 순서로, 예를 들어 측면 경로(310(5))를 통해 가장 가까운 금속 탭 표면(130S)에서 시작하여 측면 경로(310(1))로 끝나는 역 추적 순서로, 또는 적어도 부분적으로 다른 순서로 경로(310)를 추적한다. 레이저 빔(180)은 서로 다른 측면 경로(310)의 추적을 인터리브할 수도 있다.
도 4a 내지 도 4c는 초기 레이저 용접 조인트에 의해 이미 상호 연결된 금속 포일 스택을 금속 기판에 연결하기 위한 한 가지 방법(400)을 도시한다. 방법(400)은 방법(200)의 단계(230)의 실시예이고 금속 포일의 스택이 기울어진 조립체에 적용될 수 있다. 예를 들어, 방법(400)은 방법(300)에 따라 이미 레이저 용접된 조립체에 적용될 수 있다. 일반성을 잃지 않고, 방법(400)은 여기에서 금속 포일(120)과 금속 탭(130)의 맥락에서 논의될 것이며, 금속 포일(120)은 초기 레이저 용접 조인트(330)에 의해 상호 연결된다. 도 4a는 방법(400)에서 레이저 빔에 의해 추적되는 경로를 도시한다. 도 4b 및 4c는 각각 방법(400) 완료 시 조립체의 상태를 측단면도 및 사시도로 도시한다. 도 4b는 방법(400)을 수행할 때 레이저 빔(190)의 전파 방향을 추가로 나타낸다. 도 4a 내지 4c는 다음 설명에서 함께 가장 잘 볼 수 있다.
방법(400)에서, 레이저 빔(190)은 초기 레이저 용접 조인트(330)와 금속 탭 표면(130S) 사이의 계면을 따라 경로(440)를 추적한다(도 4a 참조). 경로(440)는 에지(120E)의 전체 길이(320L) 또는 그 상당 부분에 걸쳐 있을 수 있다. 레이저 빔(190)의 입사 방향은 금속 포일 스택(120)의 측면(320S)에 대해 거의 수직일 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(190)의 입사각(490A)(금속 포일 스택(120)의 측면(320S)의 법선 표면에 대해)은 -20도와 +20도 사이일 수 있다(도 4b 참조). 입사각(490A)은 도 3b에 표시된 입사각(380A)과 유사할 수 있다. 레이저 빔(190)이 경로(440)를 추적함에 따라, 레이저 빔(190)은 레이저 용접 조인트(450)로 응고되는 용융 풀을 형성한다(도 4b 및 도 4c 참조). 레이저 용접 조인트(450)는 상호 연결된 금속 포일(120)의 스택을 금속 탭(130)에 전기적 및 구조적으로 연결한다.
금속 포일 스택(120)은 레이저 빔(190)이 방법(400)을 수행하기 전에 이미 상호 연결되어 있으므로, 레이저 빔(190)은 금속 포일 스택(120) 전체를 통해 용접할 필요가 없다. 금속 탭 표면(130S)에 가장 가까운 초기 레이저 용접 조인트(330)의 일부(및 방법(300)에서 용융되지 않은 금속 포일(120)의 바로 인접한 영역도 가능)을 녹이는 것으로 충분하다. 초기 레이저 용접 조인트(330)와 금속 포일 스택(120)의 나머지 영역은 방법(400)에 의해 용융되지 않은 채로 남겨질 수 있다. 일례에서, 레이저 빔(190)에 의해 형성된 용융 풀 및 결과적인 레이저 용접 조인트(450)는 0.1mm와 2mm 사이 범위의 폭 450W를 갖는다.
초기 레이저 용접 조인트(330)가 제공하는 강도의 이점을 활용하여, 레이저 빔(190)은 경로(440)를 추적할 때 키홀 용접을 수행하여 레이저 용접 조인트(450)를 통해 금속 포일(120)과 금속 탭(130) 사이의 전도성을 최대화할 뿐만 아니라 레이저 용접 조인트(450)의 견고성을 최대화할 수 있다. 최적의 키홀 형성 및 레이저 용접 조인트(450)의 최적 품질을 위해, 레이저 빔(190)은 반복되는 2D 스캔 패턴으로 경로(440)를 추적할 수 있다.
도 5는 레이저 빔(190)이 방법(400)에서 사용할 수 있는 하나의 반복적인 2D 스캔 패턴(540)을 도시한다. 반복적인 2D 스캔 패턴(540)은 원형 또는 타원형 방식으로 초기 레이저 용접 조인트(330)와 금속 탭 표면(130S) 사이의 계면을 가로질러 진동한다. 반복되는 2D 스캔 패턴(540)을 추적하기 위해, 레이저 빔(190)은 중심 위치 주위를 루프하도록 지향되고 중심 위치는 선형 방향(542)을 따라 이동된다.
도 5에 도시된 타원형 또는 원형 스캔 패턴에 대한 대안으로서, 레이저 빔(190)은 초기 레이저 용접 조인트(330)와 금속 탭 표면(130S) 사이의 계면을 반복적으로 가로지르는 사인곡선 또는 톱니 패턴을 추적할 수 있다.
도 6은 방법(200)의 레이저 용접을 수행하는데 유용한 하나의 복합 레이저 빔(600)의 횡단 프로파일을 도시한다. 복합 레이저 빔(600)은 중앙 빔(610)과 환형 빔(620)을 포함한다. 중앙 빔(610)은 15 내지 100μm 범위의 1/e2 직경(610D)을 가질 수 있다. 환형 빔(620)은 100 내지 500μm 범위의 외부 1/e2 직경(620D)을 가질 수 있다. 레이저 출력의 국지적 최소값은 중앙 빔(610)과 환형 빔(620) 사이에 존재할 수 있다. 복합 레이저 빔(600)은 본 명세서에 그 전체 내용이 참고로 포함된 미국 특허 제10,807,190호(2020년 10월 20일 발행)에 논의된 바와 같은, 캘리포니아주 산타클라라의 코히어런트 인코포레이티드(Coherent, Inc.)의 HighLight™ FL-ARM 레이저와 같은 섬유 레이저에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로, 표준 섬유 레이저에 의해 생성된 단일 레이저 빔은 예를 들어 굴절 및/또는 회절 광학을 사용하여 조작되어 복합 레이저 빔(600)을 형성할 수 있다.
한 시나리오에서, 복합 레이저 빔(600)은 예를 들어 방법(300 및 400)에 따라 방법(200)의 단계 220 및 230을 모두 수행한다. 단계(220) 또는 방법(300)에서, 레이저 소스는 중앙 빔(610)에서 전력이 없거나 아주 미미한 전력으로 작동될 수 있고 환형 빔(620)만으로 전도 용접을 수행할 수 있다. 여기서, 환형 빔(620)의 전력은 50 내지 300와트(연속파) 범위일 수 있다. 100~500mm/초의 측면 경로(310)를 따른 이 전력 수준과 스캐닝 속도가 방법 300에 따라 15μm 두께의 알루미늄 포일을 레이저 용접하는 데 적합하다는 것을 알게 되었다. 단계(230) 또는 방법(400)에서, 중앙 빔(610)과 환형 빔(620)은 더 동일한 전력을 가질 수 있으며, 예를 들어 중앙 빔(610)과 환형 빔(620) 각각의 전력은 200 내지 1000와트(연속파) 범위에 있다. 방향(542)을 따른 선형 스캔 속도 50~500mm/s 및 루프 속도 200~800Hz(즉, 초당 200~800 루프 수행)와 함께, 이러한 전력 수준이 방법(400)에 따라 알루미늄 기판에 상호 연결된 15μm 두께의 알루미늄 포일을 레이저 용접하는 데 적합하다는 것을 알게 되었다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 단계(220 및 230) 중 하나 또는 둘 모두는 가우시안 또는 탑햇 레이저 빔과 같은 다른 레이저 빔 프로파일을 활용할 수 있다.
도 7은 레이저 빔으로 복수의 가로 경로를 추적함으로써 형성된 초기 레이저 용접 조인트와 경사진 금속 포일 스택을 상호 연결하는 방법(700)을 도시한다. 방법(700)은 단계(220)의 실시예이며, 스택이 경사진 측면을 갖는 조립체(100)의 일 실시예에서 금속 포일(120)의 스택에 적용될 수 있다. 방법(700)은 레이저 빔(180)이 측면 경로(310) 대신에 복수의 가로 경로(710)를 추적하는 방법(300)의 변형이다. 각각의 가로 경로(710)는 금속 포일(120)의 에지(120E)에 실질적으로 수직으로 배향된다. 레이저 빔(180)은 동일한 방향으로 모든 가로 경로(710)를 추적할 수 있으며, 예를 들어 금속 탭 표면(130S)에서 가장 먼 금속 포일(120)에서 시작하여 금속 탭 표면(130S)을 향하는 방향으로 추적할 수 있다. 대안적으로, 레이저 빔(180)은 상호 반대 방향으로 가로 경로(710) 중 일부를 추적할 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔(180)은 연속적인 구불구불한 패턴으로 가로 경로(710)를 추적할 수 있다.
도 7에 도시된 예에서, 레이저 빔(180)은 12개의 가로 경로(710)를 추적한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 레이저 빔(180)은 다양한 수의 가로 경로(710)를 추적할 수 있다. 각각의 가로 경로(710)를 따라 형성된 웰드 라인은 인접한 가로 경로(710)를 따라 형성된 웰드 라인과 중첩될 수 있어, 도 3d에 도시된 바와 같이 초기 레이저 용접 조인트(330)를 결합하고 형성할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 가로 경로(710)는 에지(120E)에 대해 비스듬한 각도를 이루고 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 방법(300, 400, 700) 각각은 금속 포일(120)의 스택이 기울어지지 않거나 거의 기울어지지 않은 구성에 적용되도록 수정될 수 있다. 도 8은 금속 포일 스택(120)의 경사 없는 구성을 도시한다. 여기서, 금속 포일(120)의 에지(120E) 사이에는 오프셋이 거의 또는 전혀 없다. 예를 들어, 오프셋은 0과 20μm 사이의 범위에 있을 수 있다. 결과적으로, 금속 포일 스택(120)의 측면은 본질적으로 금속 탭 표면(130S)에 수직이고, 경사각(320A)이 90도 또는 80과 90도 사이인 것에 대응한다.
본 발명은 바람직한 실시예 및 다른 실시예의 관점에서 위에서 설명되었다. 그러나 본 발명은 본 명세서에 기술되고 도시된 실시예에 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 여기에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (19)

  1. 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법으로서,
    금속 포일의 에지에 의해 형성된 스택의 측면이 금속 기판 표면의 내부 부분에 위치하도록 하고, 제거 가능한 클램프가 상기 스택의 상기 측면으로부터 후퇴되도록, 상기 금속 기판의 표면과 상기 제거 가능한 클램프 사이에 상기 금속 포일 스택을 고정하는 단계;
    초기 레이저 용접 접합을 통해 상기 금속 포일들을 상호 연결하는 단계로서, 상기 상호 연결하는 단계는 레이저 빔으로 상기 금속 포일의 에지를 따라 복수의 측면 경로를 연속적으로 추적하는 단계를 포함하는 것인, 상기 상호 연결하는 단계; 및
    레이저 빔으로 상기 초기 레이저 용접 접합부와 상기 금속 기판 표면 사이의 계면을 따른 경로를 추적하여 상호 연결된 금속 포일 스택을 상기 금속 기판에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 경로 각각은, 추적될 때, 임의의 이전 측면 경로 중 하나보다 상기 금속 기판 표면에 더 가까운 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연결하는 단계 후 상기 금속 포일 스택으로부터 상기 제거 가능한 클램프를 변위시키는(displacing) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정하는 단계는 상기 제거 가능한 클램프와 백킹 플레이트 사이에 상기 금속 기판과 상기 금속 포일 스택을 클램핑하는 단계를 포함하고; 그리고
    상기 방법은, 상기 연결하는 단계 후에, 상기 상호 연결하는 단계 및 상기 연결하는 단계에 의해 함께 용접된 상기 금속 기판 및 상기 금속 포일 스택의 추출을 용이하게 하기 위해 상기 백킹 플레이트로부터 상기 제거 가능한 클램프를 변위시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 상호 연결하는 단계에서 측면 경로의 각 추적은 웰드 라인(weld line)을 생성하고, 인접한 측면 경로의 쌍에 의해 생성된 웰드 라인들은 공간적으로 중첩된 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연결하는 단계는 상기 금속 기판 표면에서 가장 먼 상기 초기 레이저 용접 접합부 부분을 녹이지 않고 상기 금속 기판 표면에 가장 가까운 상기 초기 레이저 용접 접합부 부분을 녹이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 연결하는 단계에서 상기 레이저 빔은 상기 계면을 따라 반복되는 2차원 스캔 패턴을 스캔하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 연결하는 단계에서 상기 레이저 빔에 의해 추적되는 상기 경로는 원형 또는 타원형 방식으로 상기 계면을 가로질러 진동하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 상호 연결하는 단계에서의 상기 레이저 빔은 전도 용접에 의해 상기 초기 레이저 용접 접합부을 형성하고, 그리고
    상기 연결하는 단계는 상호 연결된 금속 포일 스택을 상기 금속 기판에 키홀 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 상호 연결하는 단계에서의 상기 레이저 빔은 환형 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 상호 연결하는 단계에서의 상기 레이저 빔은 중앙 레이저 빔 및 환형 레이저 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정하는 단계는 상기 스택의 상기 측면이 상기 제거 가능한 클램프를 향하는 방향으로 경사지도록 상기 금속 포일 에지를 서로 오프셋시키는 단계를 포함하고; 그리고
    상기 상호 연결하는 및 상기 연결하는 단계 각각에서의 상기 레이저 빔은 상기 금속 기판 표면에 대해 비스듬한 각도를 이루는 방향을 따라 입사되는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 금속 포일 각각의 두께는 5 내지 30 마이크로미터이고, 상기 고정하는 단계는 상기 스택에 걸쳐 평균적으로 20 내지 200 마이크로미터 범위의, 인접한 금속 포일의 각 쌍의 에지 사이에, 평균 오프셋을 생성하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 상호 연결하는 단계에서, 상기 측면 경로 각각은 적어도 5 밀리미터의 길이를 갖고 상기 레이저 빔은 100 내지 500 마이크로미터 범위의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 연결하는 단계는 계면을 따라 용융 풀을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 계면을 가로지르는 치수의 상기 용융 풀의 폭은 0.1 내지 2 밀리미터 범위인 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 포일 각각의 두께는 5 내지 30 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 스택은 적어도 10개의 금속 포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 금속 포일은 알루미늄으로 만들어진 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 금속 기판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 금속 기판에 금속 포일 스택을 레이저 용접하는 방법.
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