KR20230156954A - 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법 - Google Patents

레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법 Download PDF

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KR20230156954A
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laser light
welding
pouch
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KR1020237035495A
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랄프 콘라드스
펠릭스 오지바
Original Assignee
트럼프 포토닉 컴포넌츠 게엠베하
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Abstract

용접 구역(238)에서 피가공물(202)을 용접하는 레이저 용접 장치가 설명된다. 레이저 용접 장치는 레이저광을 방출하도록 구성된 레이저 다이오드(20) 어레이(17)와, 레이저광을 수용하여 피가공물(202)로 전달하도록 구성된 투과체(18)를 포함하는 제1 클램핑 죠오(12)를 포함한다. 레이저 다이오드(20) 어레이(17)는 투과체(18)에 근접하게 배치된다. 투과체(18)는 피가공물(202)과 접촉하도록 구성된 클램핑면(30)을 갖는다. 피가공물의 레이저 가공 방법도 또한 개시된다.

Description

레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법
본 발명은 플라스틱 구성요소, 특히 플라스틱 포일을 포함하는 피가공물의 레어지 용접 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 용접 구역에서 피가공물을 용접하는 데 적합한 레이저 용접 장치와, 관련 피가공물 레이저 용접 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 레이저 용접 장치 및 방법은 특히 파우치 셀의 제조에 적합하다.
열가소성 수지의 용접은 열가소성 수지의 연화 표면들을 일반적으로 열에 의해 결합하는 프로세스를 포함한다. 용접 프로세스는 통상 열 및 압력, 그리고 냉각의 적용을 포함한다. 서로 용접된 플라스틱 포일은 가장 간단한 경우에 단일층 구조일 수도 있고, 용접 구성요소들 중 적어도 하나가 2개 이상의 층이 상하로 적층된 층 구조를 포함할 수도 있다.
파우치 셀의 제조에서, 플라스틱 포일 용접은 통상적으로 파우치의 하나 이상의 개방 단부 또는 림을 밀폐식으로 폐쇄하고 실링하는 데 사용된다. 파우치 셀은, 가요성 외측 파우치 또는 열가소성 재료를 포함하는 백으로 둘러싸이고 엇갈리게 배치되거나 접힌 활성층을 포함하는 배터리 타입이다. 파우치의 개방 단부 또는 단부들은, 금속 전극이 파우치의 용접 단부 또는 단부들을 통해 파우치 내부에서 파우치 외부로 돌출한 상태로 열용접된다. 또한, 파우치 셀의 파우치는 통상 플라스틱 포일로 이루어진 다수 층과, 물질이 파우치 내부에서 외부로 또는 그 반대로 확산하는 것을 방지하는 확산 배리어를 제공하도록 플라스틱층들 사이에 개재되는 적어도 하나의 금속층으로 이루어진 층 구조를 포함한다.
파우치의 개방 단부 또는 단부들을 용접하는 종래 방법에서는, 가열된 금속 클램핑 죠오가 사용된다. 다층 플라스틱 피가공물을 용접하는 경우, 서로 용접되는 최내측 플라스틱층이 압력 하에서 융해되어야 한다. 가열된 금속 클램핑 죠오를 사용하여 최내측 플라스틱층의 융해가 수행되는 경우, 필요한 열은 열전도를 통해 외측 플라스틱층을 거쳐 최내측 플라스틱층까지 유입되어야 한다. 다층 구조가 금속 중간층 또는 중간층들을 포함하는 경우, 열은 또한 중간 금속층(들)을 통해 전달되어야 한다. 외측 플라스틱층의 허용가능한 최고 온도는 클램핑 죠오의 온도 그리고 이에 따라 열 유입을 제한하고, 따라서 프로세싱 시간을 증가시킨다. 비교적 긴 프로세싱 시간과 층 구조에 있는 층들의 상이한 열용량에 의해, 용접은 원하는 용접 구역을 따라 균일할 수 없다.
본 발명은 파우치 셀의 용접으로 제한되는 것이 아니라, 열가소성 피가공물을 용접해야 하는 여러 기타 어플리케이션에서 사용될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
US 2006/023740 A1은 적어도 2개의 레이저 다이오드로 이루어진 선형 어레이를 갖는 자유 공간 빔 전달 레이저 헤드를 포함하는 레이저 용접 시스템을 개시한다. 레이저 헤드는 용접 대상 피가공물로부터 원거리에 배치된다. 복수 개의 렌즈가 레이저 다이오드로부터 미리 정해진 거리에 배치되고, 각각의 렌즈는 각각의 레이저 빔을 집속 레이저 빔 세그먼트로 집속하여, 각각의 집속 레이저 빔 세그먼트의 거의 직렬 조합으로부터 연속적인 레이저 에너지 라인을 형성하도록 되어 있다. 용접 대상 피가공물은 제1 구성요소와, 제1 구성요소에 용접되는 적어도 하나의 다른 구성요소를 갖고, 제1 구성요소는 레이저 파장에 대해 거의 투과성이고, 다른 구성요소는 레이저 파장을 거의 흡수한다. 이러한 타입의 레이저 용접은 또한 레이저 투과 용접이라고도 하며, 레이저광은 서로 용접되는 플라스틱층들 사이의 인터페이스에 집속된다.
본 발명의 목적은 다층 플라스틱 피가공물을 용접하는 데 적합한 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 레이저광에 대해 불투과성이고 서로 용접되는 플라스틱층으로부터 이격되어 배치되는 적어도 하나의 중간층을 포함하는 다층 플라스틱 피가공물을 용접하는 데 적합한 레이저 용접 장치와 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속 전극이 돌출하는 파우치 셀의 개방 단부를 용접하는 데 적합한 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.
제1 양태에 따르면, 용접 구역에서 피가공물을 용접하는 레이저 용접 장치가 제공되며, 이 레이저 용접 장치는,
레이저광을 방출하도록 구성되는 레이저 다이오드 어레이와, 레이저광을 수용하고 피가공물 내로 전달하도록 구성되는 투과체를 포함하는 제1 클램핑 죠오를 포함하며, 레이저 다이오드 어레이는 투과체에 근접하게 배치되고, 투과체는 피가공물과 접촉하도록 구성된 클램핑면을 갖는다.
가열된 금속 클램핑 죠오 - 이 죠오로부터 피가공물로 열이 도입됨 - 대신에, 본 발명에 따른 레이저 용접 장치는 적어도 하나의 투과성 클램핑 죠오를 사용하며, 이 투과성 클램핑 죠오를 통해 적합한 파장의 레이저광이 용접 구역을 따라 피가공물에 조사(照射)된다. 레이저 다이오드에 의해 방출되는 레이저광의 적절한 파장은 적외 파장 범위 내이며, 예컨대 750 nm 내지 1,500 nm 범위이다. 용접 대상 피가공물이 레이저광에 대해 불투과성인 적어도 하나의 중간층을 지닌 다층 구조를 갖는 경우, 레이저광은 흡수에 의해 중간층을 가열한다. 예컨대, 중간층은 레이저광에 대해 다소 투과성인 플라스틱층들 사이에 개재된 금속층일 수 있다. 본 발명에 따른 레이저 용접 장치의 장점은, 비투과성 중간층과 투과체 사이에 배치된 플라스틱층이 가열되지 않거나, 적어도 손상될 정도로 현저히 가열되지 않는다는 점이다. 비투과성 중간층으로부터, 중간층에서 생성되는 열은 열전도에 의해 후속 플라스틱층을 거쳐 최내측 열가소성 수지층으로 전파되며, 최내측 열가소성 수지층은 동일한 피가공물이나 다른 피가공물의 인접한 열가소성 수지층과 용접된다.
투과체는 레이저광을 피가공물로 전달할 뿐만 아니라, 유리하게는 예컨대 제2 클램핑 죠오와 협동하여, 용접 구역을 따라 프레싱에 필요한 압력을 제공하는 데 사용된다. 바람직하게는, 투과체는 일체형 투과체이다.
용접 구역이 긴 용접 구역이고 종축을 획정하는 경우, 투과체는 바람직하게는 종축을 따라 연장되고, 긴 형상을 갖는다. 예컨대, 투과체는 용접 구역의 종방향을 따라 배치되는 긴 투과 로드로서 구성될 수 있다. 투과체는 투과성 재료로 이루어진 중실체 또는, 예컨대 공기로 충전된 중공체일 수 있다. 투과체의 클램핑면은 평면형일 수 있다. 용접 구역이 길고 용접 구역의 긴 치수에 대해 수직한 폭을 갖는 경우, 클램핑면은 용접 구역의 폭에 맞춰진 폭을 가질 수 있다. 후자는 긴 스트라이프 형상을 가질 수 있다.
레이저 다이오드 어레이와 투과체는 서로 근접하게, 즉 그 사이에 간극을 갖도록 또는 그 사이에 간극을 갖지 않도록 배치되고, 이 경우에 수 밀리미터에서 최대 수 센티미터의 간극이 가능하다. 이에 따라, 레이저 다이오드 어레이와 투과체는 매우 콤팩트하고 집적된 구성의 클램핑 죠오를 제공하거나 형성한다.
본 발명에 따른 레이저 용접 장치는 파우치 셀에 있는 파우치의 개방 단부를 밀폐식으로 실링된 방식으로 용접하는 데 특히 적합하다.
바람직하고 유리한 실시예는 종속 청구항에 규정되고, 아래에서 시사된다.
실시예에서, 레이저 다이오드의 어레이는 2차원일 수 있고, 이 경우에 용접 구역을 따른 강도 분포를 조정하도록, 바람직하게는 레이저 다이오드의 서브어레이를 개별적으로 다룰 수 있다.
2차원 레이저 다이오드 어레이는 단일 열의 레이저 다이오드보다 훨씬 높은 레이저광 강도와 파워 밀도를 제공할 수 있기 때문에 유리하다. 2차원 레이저 다이오드 어레이는 평면형 어레이일 수 있다. 레이저 다이오드는 열 및 행으로 배열될 수 있다. 투과체는 레이저 다이오드 어레이를 향하는 측부에 폭을 가질 수 있고, 이 폭은 레이저 다이오드 어레이로부터 가능한 한 많은 광을 수집하도록 레이저 다이오드 어레이의 폭에 맞춰진다.
바람직하게는, 용접 구역을 따른 강도 분포를 조정하도록 레이저 다이오드의 서브어레이를 개별적으로 다룰 수 있다. 여기에서는, 피가공물에 도입되는 강도가 용접 구역을 따른 피가공물의 구조 - 이 구조는 재료 구조를 포함함 - 에 따라 조정될 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 금속 전극이 돌출하는, 파우치 셀에 있는 파우치의 개방 단부를 용접하는 경우, 유리하게는 금속 전극(들)이 파우치의 개방 단부로부터 돌출하는, 용접 구역을 따른 영역에서는 유리하게는 강도가 약간 더 높을 수 있는데, 그 이유는 금속 전극(들)이 일정량의 열을 용접 구역으로부터 멀어지게 전도할 수 있기 때문이다. 2차원 레이저 다이오드 어레이는 복수 개의 2차원 서브어레이를 포함할 수 있고, 이 경우, 하나의 서브어레이가 하나의 레이저 다이오드만을 포함하는 것도 또한 가능하다. 2차원 레이저 다이오드 어레이는 최대 수백 W/cm²의 총 파워 밀도를 지닌 레이저광을 방출할 수 있다. 하나의 레이저 다이오드 서브어레이를 다루는 것에 의해, 용접 구역을 따른, 감소된 열 생성이 요구되는 특정 구역에서 파워 밀도를 감소시킬 수 있다. 여기에서, “개별적으로 다룰 수 있는”이라는 구문은, 서브어레이에 있는 레이저 다이오드가 다른 서브어레이에 있는 레이저 다이오드와 무관하게 스위치온 또는 스위치오프될 수 있고/있거나, 레이저광의 방출 강도가 레이저 모듈의 적절한 제어에 의해 다른 서브어레이와 무관하게 하나 이상의 서브어레이에서 증가 또는 감소될 수 있다는 것을 의미한다.
이에 따라, 피가공물로의 광에너지 도입은 시간 및 용접 구역에 걸친 공간으로 프로파일링될 수 있고, 국소 분포된 열질량 및 열손실에 맞춰질 수 있다. 용접 시임(seam)의 균일도는 이에 따라 현저히 개선될 수 있다.
바람직하게는, 투과체는, 이 투과체를 빠져나가는 레이저광 번들이 투과체에 입사하는 레이저광 번들의 단면에 비해 레이저광의 전파 방향에 수직한 단면에서 감소된 면적을 갖도록, 투과체를 통과하는 레이저광을 번들링(bundling)하도록 구성된다. 이 실시예는 레이저 다이오드 어레이가 2차원인 경우에 유리한데, 2차원 레이저 다이오드 어레이는 레이저광에 의해 조사되는 용접 구역의 면적보다 큰 발광 면적을 가질 수 있기 때문이다. 이에 따라, 신속한 용접 프로세스를 위해 용접 구역의 보다 높은 파워 밀도가 달성될 수 있다. 투과체는 2차원 레이저 다이오드 어레이로부터 레이저광을 수집하여 복사선을 투과체의 반대측 표면, 구체적으로는 투과체의 클램핑면으로 번들링할 수 있다. “번들”은, 레이저광이 클램핑면으로 집속됨을 반드시 의미하지는 않는다.
바람직하게는, 레이저광은 투과체에 의해 용접 구역을 따라 연장되는 레이저 광선이나 레이저광 스트라이프로 변환될 수 있고, 용접 구역의 폭에 맞춰지고 레이저광의 전파에 수직한 폭을 가질 수 있다.
투과체는 레이저 다이오드 어레이를 향하는 볼록면을 지닌 거의 원통형 로드로서 구성될 수 있다. 투과체의 원통형 표면 외에 다른 형상도 가능하며, 예컨대 타원형 표면 형상 등이 있다. 추가의 실시예에서, 투과체는 광 진입측 및 평탄한 페이스를 지닌 광 출구측에서 종결될 수 있는 복합 포물면 집광기(compound parabolic concentrator)로서 구성될 수 있다.
바람직하게는, 투과체는 투과체의 클램핑면을 형성하는 전방면을 갖는 돌출 릿지를 포함할 수 있다. 추가의 실시예에서, 릿지는 종축을 따라 연장되는 긴 돌출 형상을 가질 수 있다.
릿지는 용접 대상 피가공물을 향하는 그 측부에 투과체의 명확한 접촉면이나 클램핑면을 제공한다. 투과체가 레이저 다이오드에 의해 방출되는 레이저광을 번들링하도록 구성된 상기한 실시예와 조합하여, 번들링된 광이 릿지를 채우고 릿지에서 피가공물로 방출되는 것이 유리하다. 특히, 투과체를 빠져나가는 레이저광 번들의 단면은, 광 전파 방향에 수직한 방향으로 릿지의 폭과 동일한 폭을 가질 수 있다. 결국, 릿지의 폭은 용접 구역에 폭에 맞춰질 수 있다.
바람직하게는, 투과체는 클램핑면에 바로 인접한 구역에서 비투과면을 가질 수 있다. 여기에서, 투과체에서 피가공물로 방출되는 레이저광은 클램핑면으로 제한되거나 전술한 실시예와 조합하여 리지, 특히 용접 구역으로 제한되는 것이 유리하다. 피가공물 내로의 에너지 공급 영역은 이에 따라 명확하다. 투과체의 표면은 흡수에 의해, 또는 보다 바람직하게는 반사 코팅 - 이 반사 코팅은, 예컨대 증기 증착에 의해 투과체에 도포될 수 있음 - 에 의해 비투과성으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 투과체의 클램핑면은 그 길이를 따라 윤곽을 가질 수 있고, 이 윤곽은 클램핑면의 길이를 따라 상이한 높이 수준을 포함한다. 상이한 높이 수준은 클램핑면을 따른 하나 이상의 리세스, 만입부 또는 융기부에 의해 실현될 수 있다. 클램핑면의 상기한 프로파일링은, 용접 대상 피가공물이 용접 구역을 따른 이형면을 갖는 경우에 유리할 수 있다. 예컨대, 파우치 셀의 파우치를 용접하기 위해 레이저 용접 장치를 사용하는 경우, 금속 전극의 두께 및 비압축성으로 인해 돌출 금속 전극(들)은 용접 대상 파우치 단부의 불균일한 표면 토폴로지를 유발할 수 있다. 클램핑면을 프로파일링 하는 것에 의해, 투과체의 클램핑면에 의해 제공되는 클램핑력이 이에 의해 용접 구역을 따라 균일하게 분배될 수 있다.
추가의 실시예에서, 투과체의 클램핑면은 그 자체가 피가공물 표면의 표면 토폴로지에 맞춰지도록 유연하거나 탄력적일 수 있다.
바람직하게는, 제1 클램핑 죠오는 투과체를 유지하기 위한 유지 프레임을 포함하고, 유지체는 투과체로부터 열을 소산하도록 구성된다. 레이저 다이오드를 포함하는 레이저 모듈은 또한 유지 프레임 상에 장착될 수 있다. 레이저 용접 장치의 사용 중에, 투과체는 이 투과체를 통해 전달되는 고강도 레이저광에 의해 가열될 수 있다. 투과체가 용접 대상 피가공물의 표면과 접촉할 때에 투과체의 과도한 가열을 방지하는 것이 유리하며, 이 경우에 피가공물의 표면은 저융점을 지닌 얇은 플라스틱 포일인 경우에 과열에 민감할 수 있다. 본 실시예에서, 클램핑 죠오의 유지체는 유리하게는 투과체를 위한 히트싱크로서 기능하므로, 투과체가 클램핑 죠오의 유지체에 의해 충분히 냉각될 수 있다. 유지체는 열전도 능력을 지닌 재료, 예컨대 금속으로 형성될 수 있다.
투과체가 열전도 재료로 형성되고/되거나, 냉각 유체를 수용하는 내부 채널을 포함하는 점에서 추가의 열 관리 수단이 마련될 수 있다. 이러한 열 관리 수단은 유리하게는 투과체에 대한 열하중을 더욱 감소시킬 수 있다. 투과체가 중실체인 경우, 이 투과체는 양호한 열전도체인 사파이어로 형성되거나 사파이어를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 장치는 제1 클램핑 죠오 반대측에 있고, 용접 구역을 따라 제1 클램핑 죠오의 바람직하게는 긴 투과체의 클램핑면과 협동하여 피가공물을 클램핑하도록 구성된 제2 클램핑 죠오를 포함하고, 더욱 바람직하게는 제2 클램핑 죠오는 레이저광을 방출하도록 구성된 추가의 바람직하게는 2차원 레이저 다이오드 어레이와, 레이저광을 수용하고 전달하도록 구성된 추가의 바람직하게는 긴 투과체를 포함하며, 레이저 다이오드의 추가의 어레이는 추가의 투과체에 근접하게 배치되고, 투과체와 추가의 투과체는 그 사이에 피가공물을 클램핑하도록 구성된다. 이 실시예는 파우치 셀의 파우치를 용접하는 데 특히 유리한데, 그 이유는 용접 구역이 용접 대상 파우치의 개방 단부로부터 돌출하는 하나 이상의 금속 전극에 걸쳐 연장되기 때문이다. 용접 구역이 단지 하나 측면으로부터 광으로 조사되면, 피가공물에서 생성되는 열은 최내측 플라스틱층들을 서로 융착시키기에는 불충분할 수 있는데, 그 이유는 일부 양의 열이 금속 전극(들)에 의해 용접 구역으로부터 방출될 수 있기 때문이다. 제2 클램핑 죠오의 발광 영역은 제1 클램핑 죠오의 발광 영역보다 작을 수 있고, 특히 피가공물에 보다 높은 에너지 유입이 요구되는 구역으로 제한될 수 있다. 이러한 방식으로 파워 소비가 감소될 수 있다.
바람직하게는, 레이저 다이오드는 레이저 방출 수직 공동 표면(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)이다. VCSEL은 변환 효율과 출력 파워가 높은 저렴한 레이저 다이오드이다. VCSEL은 용접 프로세스에 적합한 고강도 레벨의 레이저광을 제공하는 데 유리하다.
다른 양태에 따르면, 용접 구역에서 피가공물을 용접하는 레이저 용접 방법이 제공되며, 이 레이저 용접 방법은,
제1 클램핑 죠오와 제2 클램핑 죠오 사이에 피가공물을 배치하는 단계로서, 제1 클램핑 죠오는 2차원 레이저 다이오드 어레이와 투과체를 포함하고, 투과체는 피가공물과 접촉하도록 구성된 클램핑면을 가지며, 레이저 다이오드는 투과체에 근접하게 배치되는 것인 단계,
용접 구역을 따라 투과체의 클램핑면과 제2 클램핑 죠오 사이에 피가공물을 클램핑하는 단계, 및
레이저 다이오드의 적어도 일부가 레이저광을 방출하고 레이저 광을 투과체를 거쳐 용접 구역을 따라 피가공물로 전달하게 하는 단계를 포함한다.
추가의 양태에 따른 방법은 제1 양태에 따른 레이저 용접 장치와 동일하거나 유사한 장점 및 실시예를 갖는다. 제2 양태에 따른 방법의 추가의 실시예 및 장점을 아래에 제시한다.
바람직하게는, 상기 방법은 용접 구역을 따른 레이저광의 강도 분포를 조정하기 위해 레이저 다이오드를 제어하는 단계를 더 포함한다. 레이저 다이오드를 제어하는 단계는 레이저 다이오드의 서브어레이를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드를 제어하는 단계는 레이저 다이오드의 서브어레이를 스위치온하거나 스위치오프하는 단계 및/또는 서브어레이마다 출력 파워를 상이한 레벨로 조정하기 위해 다른 서브어레이와 무관하게 레이저 다이오드의 서브어레이에 공급되는 구동 전류를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 용접 대상 피가공물은 레이저광에 대해 투과성인 플라스틱층과, 투과층들 사이에 매립되는 하나 이상의 불투과층으로 이루어진는 적층 층들의 층 구조를 포함한다. 층 구조는 레이저광에 대해 투과성인 상이한 재료로 이루어진 복수 개의 플라스틱층을 포함할 수 있고, 투과층들 사이에 매립된 하나 이상의 불투과층은 열을 생성하는 흡광층, 예컨대 금속층이나 흡착제를 포함하는 층일 수 있다. 하나 이상의 중간층의 경우, 이들은 알루미늄층일 수 있다. 특히, 피가공물은 통상적으로 파우치 셀의 파우치 제조에 사용되는 층 구조를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 방법은 투과체로부터 하나 이상의 제1 투과층을 거쳐 불투과층으로 레이저광을 전달하여 불투과층을 가열하고 불투과층으로부터의 열을 하나 이상의 하부층으로 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 레이저광이 용접 대상 층(들)을 직접 융해시키는 것이 아니라, 광 에너지가 불투과층을 가열하는 데 사용되며, 불투과층으로부터의 열이 함께 용접되는 플라스틱층이나 플라스틱층들에 전도된다.
바람직하게는, 피가공물은 파우치 셀의 파우치이며, 파우치는 이 파우치의 림의 일부로부터 돌출하는 금속 전극을 포함하고, 용접 구역은 림을 따라 그리고 금속 전극에 걸쳐 연장된다.
실시예에서, 다층 구조의 피가공물에는, 피가공물의 정해진 위치에 파워를 도입하기 위해 층 구조의 정해진 위치에 추가의 흡수층이 마련될 수 있다. 예컨대, 파우치의 중간 불투과성 알루미늄층에는 흡수율을 약 20 % 내지 50 % 넘게 증가시키는 추가의 적외광 흡수층이 마련될 수 있고, 이에 따라 고파워 레이저 모듈을 필요로 하지 않고 용접 프로세스의 에너지 효율을 증폭시킬 수 있다.
추가의 실시예에서, 제1 클램핑 죠오의 투과체 및/또는 제2 클램핑 죠오의 추가의 투과체는 얇고 유연하며 투과성인 분리층에 의해 보호될 수 있다. 분리층은, 피가공물의 플라스틱 부분이 제1 및/또는 제2 클램핑 죠오에 달라붙는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 분리층은 폴리아미드 포일을 제1 및/또는 제2 클램핑 죠오에 접착하는 실리콘계 접착제를 포함하는 폴리아미드 포일일 수 있다. 폴리아미드와 실리콘계 접착제는 적외 파장 범위에서 투과성이고, 손상 없이 수백 W/cm²의 파워 밀도에 내성이 있다. 상기한 접착제 포일은 클램핑 죠오(들) 상에서 자동화 방식으로 정기적인 간격으로 교환될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 각각의 독립 청구항과 종속 청구항의 임의의 조합일 수도 있다는 점을 이해해야 한다.
추가의 유리한 실시예를 아래에서 설명한다.
본 발명의 이들 및 다른 양태는 도면을 참고하여 이후에 기술되는 실시예를 참고함으로써 명백해질 것이고 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 용접 장치를 사용하여 용접될 수 있는 피가공물의 일례인 파우치 셀의 평면도이고,
도 2는 파우치 셀에 있는 파우치의 층 구조에 관한 확대된 스케일의 단면도이며,
도 3은 클램핑 죠오가 폐쇄 상태인 레이저 용접 장치에 관한 실시예의 사시도이고,
도 4는 클램핑 죠오가 개방 상태인, 도 3의 레이저 용접 장치의 정면도이며,
도 5는, 클램핑 죠오가 다시 폐쇄되고, 도 4의 선 V-V를 따라 취한 도 4의 레이저 용접 장치의 단면도이고,
도 6은 레이저 용접 장치의 레이저 다이오드 어레이의 개략적인 평면도이며,
도 7은 레이저 용접 장치의 투과체의 단면도이고,
도 8은 도 7의 투과체의 사시도이며,
도 9는 투과체에 의한 레이저광 번들링의 시뮬레이션에 관한 단면도이고,
도 10은 투과체를 따른 광 강도 분포를 보여주며,
도 11은 용접 구역을 따른 제1 및 제2 클램핑 죠오의 광 강도 분포를 보여준다.
본 발명의 원리에 따른 레이저 용접 장치를 설명하기에 앞서, 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 원리에 따른 레이저 용접 장치로 용접 가능한 피가공물의 일례를 먼저 설명한다. 본 발명의 원리에 따른 레이저 용접 장치로 용접 가능한 피가공물의 일례로서, 도 1은 파우치 셀(200)을 보여준다. 파우치 셀(200)은 단부(204, 206)를 갖는 튜브로서 구성될 수 있는 열가소성 재료를 포함하는 유연한 파우치(202)를 포함한다. 단부(204, 206)는 여전히 개방 상태이며, 파우치(202)를 밀폐 실링 방식으로 폐쇄하도록 용접된다. 측방향 측부(208, 210)에서, 파우치(202)는 파우치(202)의 튜브형 디자인으로 인해 미리 밀폐식으로 폐쇄된다. 파우치(202) 내부에는, 엇갈리게 배치되거나 접힌 활성층이 배치될 수 있는데(도시하지 않음), 이 활성층은 파우치(202)로 둘러싸인다. 금속 전극[(212)(예컨대, n-전극) 및 (214)(예컨대, p-전극)]은 파우치(202)의 내부에서 단부(204, 206)를 거쳐 파우치(202)의 외부로 돌출한다.
도 2를 참고하면, 파우치(202)의 파우치 재료로 이루어진 예시적인 층 구조가 도시되어 있다. 도 2는 도 1에서는 볼 수 없는 파우치(202)의 상부측(216) 및 하부측(218)의 층 구조를 보여준다. 하부측(218)의 층 구조는 튜브인 파우치(202)의 구성으로 인해 상부측(216)의 층 구조에 대해 거울상이다. 도 2에서, 파우치(202)의 하부측(218)에 있는 층들은 프라임(’)이 추가된, 상부측(216)에 있는 층들과 동일한 참조부호로 표기된다.
파우치(202)의 층 구조는 복수 개의 층(220 내지 232)을 포함하는 다층 구조이다. 층(220, 222, 224, 226, 230, 232)들은 적어도 적외 스펙트럼 파장 범위의 파장에서 투과성인 플라스틱층이다. 층(228)은 불투과층, 특히 금속층, 예컨대 알루미늄층으로, 파우치(202)의 층 구조에서 확산 배리어로서 기능한다. 층(220 내지 232)들은 서로 적층된다. 층(220 내지 232)들의 층 두께는 도 2에서 매우 과장되어 도시되어 있다. 층들은 수 미크론 내지 수십 미크론 두께이다. 일례로서, 층(220)은 PET-층일 수 있고, 층(222)은 접착층일 수 있으며, 층(224)은 O-Ny층일 수 있고, 층(226)은 접착층일 수 있으며, 층(228)은 알루미늄층일 수 있고, 층(230)은 PPa층일 수 있고, 최내측층(232)은 PP층일 수 있다. 불투과층(228)은 층(226)을 향하는 그 측부 상에서 추가의 적외광 흡수층으로 국소적으로 또는 전체적으로 커버될 수 있다, 상이한 재료 면에서, 층(220 내지 232)의 열용량과 허용 가능한 최대 온도가 층마다 다르다.
도 1을 다시 참고하면, 금속 전극(212)은 파우치(202)의 단부(204) 구역에서 전극(212)의 상부측과 전극(212)의 하부측(도시하지 않음)에 적층된 추가의 플라스틱층(234)으로 커버된다. 전극(214)은 따라서 플라스틱층(236)으로 부분적으로 커버된다. 파우치(202)는 용접 구역에서 용접되어야 하며, 용접 구역은 이 실시예에서 길고, 파우치(202)의 림 또는 단부(204)에서 용접 구역을 위한, 도 1에서 점선(242, 244)로 나타낸 바와 같은, 파우치(202)의 림 또는 단부(204, 206)를 따른 종축(240)을 획정한다. 용접 구역(238)은 종축(240)에 수직한 폭(W)을 가질 수 있다. 예컨대, 폭(W)은 수 밀리미터일 수 있고, 종축(240) 방향으로의 용접 구역의 길이는 수 센티미터, 예컨대 약 20 cm일 수 있다. 파우치(202)를 용접할 때, 최내측층(232, 232’)은 층(234) 외측에 있는 용접 구역(238)의 영역에서 서로 용접되어야 하고, 그 동안 층(234)의 구역에서는 최내측층(232, 232’)이 전극(212) 상에 적층된 층(234)에 용접되어야 한다. 파우치(202)의 반대측 단부(206)에 있는 용접 구역은 용접 구역(238)과 동일하므로, 여기에서 이 용접 구역의 설명은 생략하겠다.
파우치(202)의 용접 구역(238)을 따라 개방 단부(204)를 용접하는 종래 방법에서는, 가열된 클램핑 죠오가 사용된다. 이것은, 가열된 클램핑 죠오로부터의 열이 최외측층(220, 220’)을 통해 최내측층(232’, 232)과 추가층(234)으로 도입되어야 함을 의미한다. 열은 또한 중간 금속층(228)을 통해 전달되어야 한다. 최외측층(220, 220’) 또는 외층(220 내지 226 및 220’ 내지 226’)의 허용 가능한 최대 온도는 클램핑 죠오의 온도 그리고 이에 따라 열 유입을 제한하며, 이에 의해 프로세싱 시간을 증가시킨다. 비교적 긴 프로세싱 시간과 층(220 내지 232 및 220’ 내지 232’)들의 상이한 열 용량의 관점에서, 용접은 용접 구역(238)의 총 길이를 따라 원하는 만큼 균일하지 않을 수 있다.
아래에서는, 도 3 내지 도 11을 참고하여 종래기술의 단점을 극복한 레이저 용접 장치를 설명하겠다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 원리에 따른 레이저 용접 장치(10)의 실시예를 보여준다. 레이저 용접 장치(10)는 제1 클램핑 죠오(12)와, 바람직하게는 제2 클램핑 죠오(14)를 포함한다. 제1 클램핑 죠오(12)는 도 6에 개략적으로 도시한 바와 같은 바람직하게는 2차원 층 다이오드(20) 어레이(17)를 포함하는 레이저 모듈(16)을 포함한다. 어레이(17)는 100개 내지 100,000개의 레이저 다이오드 범위의 많은 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드(20)는 레이저 방출 수직 공동 표면(VCSEL)일 수 있다. 어레이(17)의 레이저 다이오드(20)는 750 nm 내지 1,500 nm, 예컨대 약 980 nm의 적외 파장 범위의 레이저광을 출력한다. 레이저 다이오드 어레이(17)는 100 내지 수백 W/cm²의 파워 밀도, 예컨대 100 W/cm²의 파워 밀도를 지닌 레이저광을 출력할 수 있다.
어레이(17)의 레이저 다이오드(20)는 2차원 구조를 형성하도록 행 및 열로 배열될 수 있다. 2차원 어레이(17)는, 도 1의 용접 구역(238)에 의해 확장되는 영역보다 클 수 있는 영역을 확장시킨다. 특히, 종축(240)에 수직한 어레이(17)의 폭(WA) - 이는 도 6에도 도시되어 있음 - 은 용접 구역(238)의 폭(W)보다 클 수 있는데, 예컨대 수배, 예컨대 5배 넘게, 또는 심지어는 10배 더 클 수 있다. 어레이(17)는 파선(22, 24)으로 도시한 바와 같이 2차원 어레이의 한 차원 또는 양 차원 모두에서 복수 개의 서브 어레이 또는 방출 구역으로 세분될 수 있다. 어레이(17)에 있는 레이저 다이오드(20)의 서브어레이는, 아래에서 더 상세히 설명하다시피 용접 구역(238)을 따라 방출된 레이저 광의 강도 분포를 조정하도록 레이저 모듈(16)의 제어부 또는 구동부(도시하지 않음)에 의해 개별적으로 취급 가능하다. 2차원 어레이(17)를 따른 레이저광 방출 구역을 개별적으로 취급하는 것에 의해, 방출된 레이저광의 강도 프로파일이 시간에 따라 그리고 공간적으로 조정되어, 용접 구역(238)에 따라 정밀 조정될 수 있다.
제1 클램핑 죠오(12)는 투과체(18)를 더 포함하고, 투과체(18)는 바람직하게는 용접 구역(238)과 같은 용접 구역이 긴 형상인 경우에 긴 형상이다. 투과체(18)는 제1 클램핑 죠오(12)의 유지 프레임 또는 유지체(26)에 장착된다. 레이저 모듈(16)은 또한, 예컨대 도 5에 도시한 바와 같이 유지체(26)에 장착될 수 있다.
레이저 모듈(16)의 레이저 다이오드 어레이(17)는 투과체(18)에 근접하게 배치되고, 수 밀리미터에서 최대 수 센티미터의 작은 갭이 가능하다. 레이저 다이오드 어레이(17)는 레이저 모듈(16)의 발광측에서 커버 글래스(도시하지 않음)로 보호될 수 있다. 투과체(18)는 제2 클램핑 죠오(14)를 향하는 그 측부 상에서 얇고 유연하며 투과성인 분리층(도시하지 않음)으로 보호될 수 있다. 분리층은, 피가공물의 플라스틱 부분이 투과체(18)에 달라붙는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 분리층은 폴리아미드 포일일 수 있으며, 이 폴리아미드 포일은 투과체(18)와 유지체(26) 상에 폴리아미드 포일을 접착하는 실리콘계 접착제를 포함한다.
투과체(18)는 레이저 다이오드 어레이(17)의 레이저 다이오드(20)에 의해 방출되는 레이저광에 대해 투과성이고, 피가공물이 제1 클램핑 죠오(12)와 제2 클램핑 죠오(14) 사이에 배치될 때에 레이저 모듈(16)의 레이저 다이오드 어레이(17)에 의해 방출되는 레이저광을 수용하고 용접 구역을 따라 피가공물로 전달하도록 구성된다. 피가공물이 도 1에 도시한 파우치(202)인 경우, 투과체(18)는 레이저광을 용접 구역(238)을 따라 파우치(202)의 재료 내로 도입한다.
투과체(18)는 도 7 및 도 8에 도시한 거의 원통형 로드로서 구성될 수 있다. 투과체(18)는 종축(240)을 따른 레이저 다이오드 어레이의 길이에 맞춰진, 종축(240) 방향으로의 길이를 가질 수 있다. 종축(240)에 수직한 투과체(180)의 폭 또는 직경은 도 5에 도시한 바와 같이 기본적으로 전체 레이저 다이오드 어레이(17)로부터 나온 광을 수집할 수 있도록 레이저 다이오드 어레이(170)의 폭(WA)에 맞춰질 수 있다. 투과체(18)는 레이저 다이오드(20)에 의해 방출되는 레이저광에 대해 투과성일 뿐만 아니라 양호한 열전도체인 재료로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 투과체(18)에 적합한 재료는 사파이어일 수 있다. 투과체(18)는 중실체로 구성되는 대신, 중공체로 구성될 수 있다. 추가의 실시예에서, 투과체는 복합 포물면 집광기로서 구성될 수 있다.
투과체(18)는 투과체(18)의 길이를 따른 광 진입측(28)을 갖고, 이 광 진입측을 통해 레이저 다이오드 어레이(17)의 레이저 다이오드(20)에 의해 방출된 레이저광이 투과체(18)에 진입하고, 투과체(18)의 길이를 따라 배치된 반대측의 정면에서 투과체(18)로부터 방출된다. 정면은 투과체(18), 그리고 이에 따라 클램핑 죠오(12)의 클램핑면(30)으로서 구성된다. 클램핑면(30)은 제2 죠오(14)(이후에 보다 상세히 설명함)와 협동하여, 용접 프로세스에서 필요한 압력을 피가공물에 인가한다. 본 실시예에서, 클램핑면(30)은 종축(240)(도 1의 축 240) 방향으로 투과체(18)를 따라 연장되는 돌출 릿지(32) 상에 마련된다.
투과체(18)의 클램핑면(30)은 투과체(18)의 길이를 따라 윤곽을 가질 수 있고, 이 윤곽은 클램핑면(30)의 길이를 따라 상이한 높이 수준을 포함한다. 클램핑면(30)의 윤곽은 용접 구역을 따른 피가공물의 표면 프로파일에 맞춰진다. 클램핑면(30)의 윤곽의 일례가 도 8의 확대 부분(34)에 도시되어 있고, 이 확대 부분에서 윤곽은 제1 리세스(36)와, 제1 리세스(36)보다 얕은 제2 리세스(38, 40)를 포함한다. 리세스(36, 38, 40)는 전극(212) 영역 및 전극(212) 상에 적층된 추가층(234)과, 전극(212) 및 추가층(234) 외측의 구역에서 용접 구역(238)을 따른 파우치(202)의 표면 토폴로지를 고려한다. 이에 따라, 제1 클램핑 죠오(12)와 제2 클램핑 죠오(14) 사이의 용접 구역(238)에서 파우치(202)를 클램핑할 때, 파우치(202)의 용접 구역(238)에 인가되는 압력이 용접 구역(238)을 따라 균일하게 분배된다.
다른 실시예에서, 릿지(32)는 그 자체가 용접 대상 피가공물의 표면 윤곽에 맞춰지도록 유연하거나 탄력적일 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 투과체(18)는 레이저광(42)이 광 진입측(28)에서 투과체(18)를 거쳐 클램핑면(30)으로 전파될 때에 레이저광(42)을 번들링하는 기능을 더 갖는다. 투과체(18)로부터 방출되는 레이저광 번들(44)은 투과체(18)에 입사하는 레이저광 번들(42)의 단면에 비해 레이저광의 전파 방향에 대해 수직한, 여기에서는 투과체(18)의 종축에 대해 수직한 감소된 단면을 갖는다. 레이저광 번들(44)의 단면은, 레이저광 번들(44)이 릿지(32)을 거의 채울 수 있도록 투과체(18)의 릿지(32)의 폭(WR)과 동일한 폭(WL)을 갖는다. 투과체(18)는 클램핑면(30)에 바로 인접한 구역(48, 50)(도 7)에서 비투과면을 가질 수 있다. 표면 영역(48, 50)의 불투명도는, 예컨대 이들 영역에 있는 투과체(18) 표면 상의 반사 코팅에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 레이저광은 투과체(18)로부터 클램핑면(30)만을 거쳐 피가공물로 전달된다.
도 10은 종축(240)(수직축)에 수직한 방향으로 그리고 투과체(18)의 종축 방향[투과체(18)의 길이 방향](수평축)으로 투과체(18)로부터 방출되는 레이저광의 광 강도 분포를 보여준다. 도 10은, 광 강도가 투과체(18)의 클램핑면(30)의 폭(WR)에 대응하는 폭을 갖는 좁은 스트라이프에서 매우 높고, 클램핑면(30) 외측에서 강도는 0 또는 거의 0인 것을 보여준다. 피가공물에 도입되는 광 강도는 이에 따라 도 1의 용접 구역(238)과 같은 용접 구역으로 뚜렷하게 제한될 수 있다.
유지체(26)는 레이저 용접 장치(10)의 사용 중에 투과체(18)로부터 열을 소산시키도록 구성될 수 있다. 투과체(18)는 투과체(18)를 통과하는 레이저광에 의해 가열될 수 있다. 투과체(18)의 온도가 너무 높으면, 피가공물의 표면이 투과체(18)의 클램핑면(30)에 달라붙을 수 있다. 투과체(18)를 냉각하는 것은, 피가공물이 클램핑면(30)에 달라붙거나 점착하는 것을 방지하기 때문에 유리하다. 유지체(26)는 높은 열전도 능력을 지닌 재료, 특히 금속으로 형성될 수 있다. 유지체(26)는 충분한 냉각 효과를 제공하도록, 클램핑면을 포함하는 광 진입측(28)과 광 배출측을 제외한, 최대한 넓은 영역에서 투과체(18)에 접촉한다.
투과체(18)로부터 열을 방출하는 추가의 냉각 기구로서, 투과체(18)는 냉각 유체를 통과시키는 냉각 채널(도시하지 않음)을 가질 수 있고, 이 냉각 채널은 투과체를 통한 광 전달을 방해하지 않도록 구성된다.
레이저 용접 장치(10)가 단지 일측부로부터(상측부로부터 또는 하측부로부터) 에너지 공급을 필요로 하는 피가공물 용접을 위해 사용되는 경우, 기본적으로 클램핑 죠오들 중 어느 하나, 예컨대 제1 클램핑 죠오(12)는 레이저 모듈(16)과 투과체(18)를 갖고, 제2 클램핑 죠오(14)는 종래 방식으로, 즉 레이저 모듈과 투과체 없이 구성될 수 있다. 그러나, 몇몇 경우에 양 측부로부터 피가공물에 에너지를 공급하는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 레이저 용접 장치(10)가 도 1에 도시한 바와 같은 파우치 셀(200)의 파우치(202)를 용접하는 데 사용될 때, 제2 클램핑 죠오도 또한 도 5에 도시한 바와 같이 레이저 모듈(54)과 투과체(56)를 갖는 것이 유리하다. 그 이유는 전극(212)의 열질량과 용접 구역(238)으로부터 열을 소산시킬 수 있는 전극(212)에 의해 유발되는 열손실 면에서, 전극(212) 구역에서 파우치(202)를 용접하는 데 필요한 광 강도가 전극(21) 외측 구역보다 높기 때문이다. 레이저 모듈(54)은 바람직하게는 VCSEL을 포함하는 레이저 다이오드 어레이를 가질 수 있으며, 이 레이저 다이오드 어레이는 레이저 다이오드 어레이(17)와 동일하거나 유사한 면적을 가질 수도 있고, 상이한 면적을 가질 수도 있다. 레이저 모듈(54)의 레이저 다이오드 어레이는 레이저 다이오드 어레이(17)에 대해 설명한 것과 같은 서브어레이를 포함할 수 있다.
제2 투과체(56)가 투과체(18)와 동일한 방식으로 구성될 수 있다. 투과체(56)는 이 투과체(56)를 냉각하도록 된 유지체 또는 프레임(58)에 유지될 수 있다.
용접 대상 피가공물은 투과체(18)의 클램핑면(30)과, 투과체(56)의 대응하는 클램핑면(59)(도 4) 사이에 배치되어 클램핑될 수 있다.
레이저 용접 장치(10)는 피가공물을 용접 장치(10)로 로딩하기 위해 클램핑 죠오(14)에 대해 제1 클램핑 죠오(12)를 이동시키고(또는 그 반대 또는 양자 모두를 행함), 피가공물을 클램핑 죠오(12, 14)들의 클램핑면들 사이에 클램핑하는 구동부(60)를 더 포함할 수 있다. 구동부는 피가공물에 용접 프로세스에 필요한 클램핑력 또는 압력을 가하도록 구성된다.
피가공물, 특히 도 1의 용접 구역(238)과 같은 용접 구역을 따른 파우치(202)와 같은 파우치의 레이저 용접 방법에 관한 일실시예에서, 피가공물은, 용접 구역(238)이 투과체(18, 56)들의 클램핑면(30, 59)들 사이에 배치되도록 제1 클램핑 죠오(12)와 제2 클램핑 죠오(14) 사이에 배치된다. 그 후, 클램핑 죠오가 폐쇄된다. 적어도 레이저 모듈(16)에 있는 레이저 다이오드(20)의 일부 그리고 필요하다면 적어도 레이저 모듈(54)에 있는 레이저 다이오드의 일부는 레이저광을 방출하도록 스위치온되고, 이 경우에 레이저 모듈(16)에 의해 방출되는 레이저광은 투과체(18)의 클램핑면(30)을 통해 전달된다. 레이저 모듈(54)의 레이저 다이오드도 또한 스위치온되면, 레이저 모듈(54)에 의해 방출되는 레이저광이 투과체(56)의 클램핑면(59)을 통해 그 반대측으로부터 피가공물로 전달된다. 레이저 방출 기간은 매우 짧을 수 있으며, 예컨대 1초 미만, 100 μs 미만, 또는 50 μs 미만일 수 있다. 파우치 셀(200)의 파우치(202)를 용접하는 경우, 파우치(202)의 상부측(216) 및/또는 하부측(218)의 층 구조에 진입하는 레이저광은 흡수층(228 및/또는 228’)을 가열하고, 그 동안 외층(220 내지 226 및 220’ 내지 226’)을 통한 열전달은 일어나지 않거나 거의 일어나지 않는다. 이에 따라, 외층(220 내지 226 및 220’ 내지 226’)은 과열이 방지된다. 본 발명의 원리에 따른 방법은, 열용량을 변경하는 것에 의한 열 소산의 영향이 감소되도록 보다 높은 에너지 밀도에 의한 보다 짧은 프로세싱 시간을 허용한다.
더욱이, 에너지 유입은 시간에 따라 그리고 공간적으로 용접 구역(238)에 대해 프로파일링될 수 있고, 국소적으로 존재하는 열질량 및 열손실에 맞춰질 수 있다. 도 11은 용접 구역(238)의 길이(x)를 따른[종축(240)을 따른] 강도(I)의 예시적인 강도 분포를 보여준다. 최상부 다이어그램은 용접 구역(238)의 길이 치수를 보여준다. 제2 다이어그램은 용접 구역(238)의 길이를 따른 제1 클램핑 죠오(12)에 의해 제공되는 강도 분포를 보여주고, 최하부 다이어그램은 제2 클램핑 죠오(14)에 의해 제공되는 강도 분포를 보여준다. 또한, 전극(212)과 함께 파우치(202)의 일부가 도시되어 있다. 도 11에서 볼 수 있다시피, 제1 클램핑 죠오(12)의 레이저 다이오드 어레이는, 레이저광이 용접 구역(238)의 전체 길이에 걸쳐 용접 구역(238)의 길이를 따라 변하는 광 강도로 방출되도록 구동된다. 용접 구역(238)의 외측 에지에서 시작하는 구역에서, 광 강도는 전극(212)의 양측부에 적층된 추가층(234)의 에지까지 균일할 수 있고, 이 경우 광 강도는, 중간 흡수층(228)에 의해 생성된 열이 최내측층(232)을 추가층(234)에 용접하기에 여전히 충분하지만, 민감한 추가층(234)을 손상시킬만큼 높지는 않도록 약간 감소된다. 전극(212) 영역에서, 강 광도는 균일하지만, 전술한 바와 같은 전극(212)의 높은 열질량과 전극(212)에 의한 열 소산 면에서 전극(212) 외측 구역에서의 광 강도에 대해 증가된다. 광 강도 프로파일은 레이저 모듈의 다른 서브어레이와 무관하게 레이저 모듈(16)의 서브어레이를 개별적으로 다루거나 제어하는 것에 의해 생성될 수 있다.
제2 클램핑 죠오(14)의 레이저 모듈(54)은 상기한 이유로 전극(212) 구역에서만 광을 방출하고, 레이저 모듈(54)은 전극(212) 외측 구역에서는 광을 방출하지 않는다. 레이저 모듈(54)의 면적은 이에 따라 보다 작게 구성될 수 있고, 즉 레이저 모듈(16)에 비해 보다 적은 개수의 레이저 다이오드를 가질 수 있다.
본 발명이 도면 및 전술한 설명에서 상세히 예시되고 설명되었지만, 상기한 예시 및 설명은 실례가 되거나 예시적인 것으로 고려되는 것이지 제한하는 것은 아니며, 본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않는다. 도면, 개시 및 첨부한 청구범위를 연구함으로써 청구되는 발명을 실시하는 당업자에 의해 개시된 실시예에 대한 다른 변경이 이해될 수 있고 실시될 수 있을 것이다.
청구범위에서, “포함하는”이라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하는 것이 아니고, 단수 형태의 표현은 복수 형태도 포함한다. 단일 요소 또는 다른 유닛이 청구범위에 인용된 다수의 아이템의 기능을 수행할 수 있다. 특정 수단이 서로 다른 종속 청구항에서 다시 인용된다는 단순한 사실은 이러한 조치의 조합을 사용하여 이점을 얻을 수 있다는 것을 의미하는 것은 아니다.
청구범위의 임의의 참조부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 용접 구역(238)에서 피가공물(202)을 용접하는 레이저 용접 장치로서,
    레이저광을 방출하도록 구성된 레이저 다이오드(20) 어레이(17)와, 레이저광을 수용하여 피가공물(202)로 전달하도록 구성된 투과체(18)를 포함하는 제1 클램핑 죠오(12)를 포함하고,
    레이저 다이오드(20) 어레이(17)는 투과체(18)에 근접하게 배치되며,
    투과체(18)는 피가공물(202)과 접촉하도록 구성된 클램핑면(30)을 갖는 것인 레이저 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 어레이는 2차원이고, 용접 구역(238)을 따른 강도 분포를 조정하도록, 레이저 다이오드(20)의 서브어레이를 개별적으로 다룰 수 있는 것인 레이저 용접 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 투과체(18)는, 이 투과체(18)를 빠져나가는 레이저광 번들(44)이 투과체(18)에 입사하는 레이저광 번들(42)의 단면에 비해 레이저광의 전파 방향에 수직한 단면에서 감소된 면적을 갖도록, 투과체(18)를 통과하는 레이저광을 번들링(bundling)하도록 구성되는 것인 레이저 용접 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 투과체(18)는 투과체(18)의 클램핑면(30)을 형성하는 정면을 갖는 돌출 릿지(32)를 포함하는 것인 레이저 용접 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 투과체(18)는 클램핑면(30)에 바로 인접한 구역(48, 50)에 비투과면을 갖는 것인 레이저 용접 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 투과체((18)의 클램핑면(30)은 투과체(18)의 길이를 따라 윤곽을 갖고, 상기 윤곽은 클램핑면(30)의 길이를 따라 상이한 높이 수준을 포함하는 것인 레이저 용접 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 클램핑 죠오(12)는 투과체(18)를 유지하기 위한 유지 프레임(26)을 포함하고, 유지체(26)는 투과체로부터 열을 소산시키도록 구성되는 것인 레이저 용접 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 투과체(18)는 열전도 재료로 형성되고/형성되거나, 냉각 유체를 수용하는 내부 채널을 포함하는 것인 레이저 용접 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 용접 구역(238)은 길고, 종축(240)을 획정하며, 이에 의해 투과체가 종축을 따라 연장되고 긴 형상을 갖는 것인 레이저 용접 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 클램핑 죠오(12) 반대측에 있고, 용접 구역(238)을 따라 제1 클램핑 죠오(12)의 바람직하게는 긴 투과체(18)의 클램핑면(30)과 협동하여 피가공물(202)을 클램핑하도록 구성된 제2 클램핑 죠오(14)를 포함하고,
    제2 클램핑 죠오(14)는 레이저광을 방출하도록 구성된 추가의 바람직하게는 2차원 레이저 다이오드 어레이와, 레이저광을 수용 및 전달하도록 구성된 추가의 바람직하게는 긴 투과체(56)를 포함하며, 추가의 레이저 다이오드 어레이는 추가의 투과체(56)에 근접하게 배치되고, 투과체(18)와 추가의 투과체(56)는 그 사이에 피가공물(202)을 클램핑하도록 구성되는 것인 레이저 용접 장치.
  11. 용접 구역(238)에서 피가공물(202)을 용접하는 레이저 용접 방법으로서,
    제1 클램핑 죠오(12)와 제2 클램핑 죠오(14) 사이에 피가공물(202)을 배치하는 단계로서, 제1 클램핑 죠오(12)는 2차원 레이저 다이오드(20) 어레이(17)와 투과체(18)를 포함하고, 투과체(18)는 피가공물(202)과 접촉하도록 구성된 클램핑면(30)을 가지며, 레이저 다이오드(20) 어레이(17)는 투과체(18)에 근접하게 배치되는 것인 단계,
    용접 구역(238)을 따라 투과체(18)의 클램핑면(30)과 제2 클램핑 죠오(14) 사이에 피가공물(202)을 클램핑하는 단계, 및
    레이저 다이오드(20)의 적어도 일부가 레이저광을 방출하고 레이저 광을 투과체(18)를 거쳐 용접 구역(238)을 따라 피가공물(238)로 전달하게 하는 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  12. 제11항에 있어서, 용접 구역(238)을 따른 레이저광의 강도 분포를 조정하기 위해 레이저 다이오드(20)를 제어하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 피가공물(202)은 레이저광에 대해 투과성인 플라스틱층들과, 플라스틱층들 사이에 매립되는 하나 이상의 불투과층(228, 228’)으로 이루어진 적층 층(220-232, 220’-232’)들의 층 구조를 포함하는 것인 레이저 가공 방법.
  14. 제13항에 있어서, 투과체(18)로부터 하나 이상의 제1 투과층을 거쳐 불투과층(228, 228’)으로 레이저광을 전달하여, 불투과층(228, 228’)을 가열하고 불투과층(228, 228’) 으로부터의 열을 하나 이상의 하부층으로 전달하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 피가공물은 파우치 셀(200)의 파우치(202)이며, 파우치는 파우치(202)의 림(204)의 일부로부터 돌출하는 금속 전극(212)을 포함하고, 용접 구역(238)은 림(204)을 따라 그리고 금속 전극(212)에 걸쳐 연장되는 것인 레이저 가공 방법.
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