KR20240010732A

KR20240010732A - 금속 접합을 위한 나선형 레이저 용접 방법

Info

Publication number: KR20240010732A
Application number: KR1020237045325A
Authority: KR
Inventors: 마티 내리; 헨리 파주코스키
Original assignee: 코렐라스 오와이
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2024-01-24
Also published as: CN117916050A; US11471975B1; CA3220223A1; US11850682B2; MX2023014438A; EP4347174A1; TW202247927A; JP2024522011A; US20230001512A1; WO2022253568A1

Abstract

레이저 용접 방법은 선택적으로 그 사이에 하나 이상의 개재 금속 시트를 가지는 금속 부품(114) 위에 배치된 제1 금속 시트(112)에 레이저 방사선(120)을 포커싱하는 단계를 포함한다. 레이저 방사선(120)은 금속 부품(114)을 함께 스팟 용접하기 위해 적어도 하나의 나선형 경로를 추적하도록 조정된다. 레이저 방사선(120)은 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)을 포함하여 안정적인 키홀을 유지한다. 한 가지 방법은 예를 들어 높은 가스 함량 및/또는 서로 다른 조성을 가진 알루미늄 부품을 용접하도록 맞춤화되었으며, 레이저 방사선(120)은 먼저 외향 나선형 경로(810)를 추적한 다음 내향 나선형 경로(830)를 추적한다. 중심 빔(122C)은 내향 나선형 경로(830)의 한 세그먼트 동안 펄스화된다. 또 다른 방법은 그 사이의 경계면에 코팅이 있는 강철 또는 구리 부품을 용접하는 데 맞춤화되며, 레이저 방사선(120)은 내향 나선형 경로(830)를 추적한다. 경계면(414F)는 제로 갭 경계면일 수 있거나, 0이 아닌 갭이 존재할 수 있다.

Description

금속 접합을 위한 나선형 레이저 용접 방법

(우선권)

본 출원은 2021년 6월 3일에 출원된 미국 출원 일련 번호 17/338,109에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원의 개시 내용은 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.

(발명의 기술 분야)

본 발명은 일반적으로 금속 시트, 특히 까다로운 재료 조성을 갖는 금속 시트의 레이저 용접에 관한 것이다.

레이저 용접은 펄스 레이저 빔을 집중 열원으로 사용하여 일반적으로 금속으로 만들어진 두 부품을 국부적으로 용융시키고 결합한다. 이 레이저 빔은 상대적으로 작은 스폿에 포커싱될 수 있으므로 파워 밀도가 높고 열 영향 구역이 작다. 따라서, 레이저 용접은 정확성과 높은 수준의 제어가 필요할 때 매력적인 기술이다. 또한 레이저 용접은 자동화에 적합하다.

레이저 용접에서, 포커싱된 레이저 빔은 부수적인 가열을 최소화하면서 각 용접 스폿 또는 라인을 정확하게 위치 조절(locate) 한다. 두 가지 주요 레이저 용접 체계를 구별하는 것이 유용하다. 전도 용접(conduction welding)은 낮은 레이저 파워 및 낮은 레이저 파워 밀도에서 이루어진다. 흡수되는 레이저 파워는 조사된 재료를 가열하여 접합될 각 부품의 재료는 용융되어 흐르고 혼합된 후 응고된다. 키홀 용접(keyhole welding)은 조사된 재료의 일부를 증발시킬 만큼 충분한 더 높은 레이저 파워 및 더 높은 레이저 파워 밀도에서 이루어진다. 주변의 용융된 재료에 대한 증발된 재료의 압력은 용융된 재료를 통과하는 채널을 개방한다. 당해 분야에서 키홀(keyhole)로 알려진 이 채널은 레이저 빔의 깊은 침투를 허용하는 특징적인 좁고 깊은 프로파일을 갖는다. 완성된 키홀 용접은 일반적으로 전도 용접보다 더 좁고 깊으며 강하다.

레이저 용접은 다양한 구성으로 배열된 다양한 재료와 관련된 광범위한 용접 문제에 성공적으로 적용되었다. 일부 경우에는, 레이저 용접이 다른 용접 기술을 대체한다. 다른 경우, 레이저 용접을 사용하면 기존의 비레이저 용접 기술로는 용접에 적합하지 않은 구조물을 용접할 수 있다.

자동차 산업은 레이저 용접을 점점 더 많이 채택하고 있는 다수의 제조 산업 중 하나이다. 자동차 산업에서, 레이저 용접은 현재 섀시, 바디 프레임, 도어, 엔진 부품, 및 배터리(전기 및 하이브리드 차량용)와 같은 다수의 상이한 자동차 부품을 용접하는 데 사용된다. 작은 열 영향을 받는 구역 및 전체적으로 잘 제어되고 미세하게 조정 가능한 프로세스라는 이점을 통해, 레이저 용접을 사용하면 기존 용접 기술을 사용할 때보다 더 얇고 작은 부품을 자동으로 신뢰할 수 있게 용접할 수 있다. 따라서 레이저 용접은 더 가볍고 효율적인 차량에 대한 요구를 충족하기 위해 자동 제조 기술을 발전시키는 데 도움이 되었다. 예를 들어, 레이저 용접은 경량 바디 부품의 정확한 용접은 물론 전기화학 배터리 내부 및 배터리와의 연결(예를 들어, 금속 호일 스택과 배터리 탭 간의 연결, 배터리 탭과 버스 바 간의 연결)을 용이하게 한다. 바디 부품의 경우 용접 재료는 일반적으로 강철, 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금이다. 배터리의 경우 용접 재료에는 구리가 포함되는 경우가 많지만 알루미늄이나 알루미늄 합금도 포함될 수 있다.

스폿 용접은 중첩되는 부분을 레이저 용접하는 데 사용할 수 있는 다양한 용접 스타일 중 하나이다. 2개의 중첩 부품을 함께 스폿 레이저 용접할 때, 레이저 빔은 부품 중 하나에 입사되어 제2 부품과의 경계면까지 그리고 제2 부품까지 적어도 어느 정도 거리를 두고 모든 경로를 이 부품을 통해 국부적으로 용융시킨다. 스폿 레이저 용접은 2개, 3개 또는 그 이상의 금속 부품 스택에 적용될 수 있다. 키홀 용접은 많은 시나리오에서 강력한 스폿 용접 접합을 형성하는 것으로 나타났다. 고정된 레이저 빔으로 달성할 수 있는 것보다 더 큰 레이저 스픗 용접을 형성하기 위해, 레이저 빔을 조종하여 나선형 패턴을 추적할 수 있다.

본 발명에 따르면, 금속 시트, 특히 까다로운 재료 조성을 갖는 금속 시트의 레이저 용접을 제공할 수 있다

여기에는 이중 빔 레이저 방사선으로 나선형 패턴을 추적하여 금속 부품 스택을 함께 스폿 용접하도록 구성된 나선형 레이저 용접 방법이 개시되어 있다. 상기 이중 빔 레이저 방사선은 한 측면으로부터 상기 금속 스택에 입사하고 상기 스택을 통해 용융하여 가장 멀리 있는 금속 부분에 도달한다. 상기 금속 부품은 2개 이상의 금속 시트의 스택일 수 있다. 대안적으로, 상기 레이저 방사선을 수신하는 상기 스택의 측면으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 상기 스택의 가장 먼 금속 부품은 더 두꺼운 비시트형 금속 구조물일 수 있다.

현재 개시된 방법은 키홀 용접을 활용하며 특히 까다로운 특정 시나리오에서 강력한 용접 접합을 달성하도록 특별히 맞춤화되었다. 키홀 용접은 재료를 녹이고 혼합하는 데 효과적이지만, 결과적인 용접 접합의 품질은 포획된 가스, 냉각 속도 불일치, 스패터로 인한 재료 손실과 같은 문제로 인해 손상될 수 있다.

스패터는 키홀에서의 대류가 상기 용접 공정 중에 금속 액적이 배출될 정도로 충분히 강력한 키홀 용접에서 바람직하지 않은 효과이다. 이러한 액적 배출은 제대로 제어되지 않은 방식으로 용접 너겟의 볼륨을 감소시킨다.

용융 풀의 가스는 잠재적으로 몇 가지 문제를 야기한다. 상기 용융 풀에 가스 기포가 있으면 스패터가 발생할 수 있다. 최종 냉각 공정에서 가스가 계속 갇혀 있는 경우, 포획된 가스로 인해 발생하는 잔류 응력으로 인해 용접 접합부에 균열이 발생할 수 있다. 냉각 전이나 냉각 중에 배출되지 않으면, 포획된 가스는 생성된 용접 너겟에 상당한 크기의 공극(void) 및/또는 더 작은 기공(pore)을 형성한다.

특히 서로 다른 재료를 함께 용접할 때 냉각 속도 불일치가 발생할 가능성이 높다. 동일하거나 유사한 재료의 부품을 레이저 용접할 때, 상기 부품 사이의 진정한 야금학적 결합이 상기 용접 접합부에서 형성될 수 있으며 상기 용접 너겟의 재료 조성은 상대적으로 균일하다. 서로 다른 재료를 레이저 용접할 때 서로 다른 재료 사이에 야금학적 결합을 형성하는 것이 불가능할 수 있다. 대신 상기 용접부는 두 재료의 혼합물을 함유할 수 있다. 상기 혼합물이 균일하지 않은 경우 상기 두 재료 사이의 상당한 냉각 속도 불일치로 인해 상기 용융 풀 냉각 시 응력으로 인한 균열이 발생할 수 있다.

균열, 공극, 다공성 및 재료 손실로 인해 상기 용접 접합부의 강도가 저하될 수 있다. 또한 용접 구조가 전류를 전달하도록 의도된 시나리오(예를 들어, 배터리 적용)에서는 상기 용접 접합부의 전도도가 이러한 영향으로 인해 부정적인 영향을 받을 수 있다.

본 방법에서, 레이저 용접은 중심 빔과 상기 중심 빔을 둘러싸는 환형 빔이라는 2개의 빔을 포함하는 이중 빔 레이저 방사선에 의해 수행된다. 상기 중심 빔과 환형 빔의 각각의 파워는 원하는 결과를 얻기 위해 서로 독립적으로 제어된다. 이 이중 빔 레이저 방사선은 단일 레이저 빔보다 더 안정적이고 잘 제어된 키홀을 유지할 수 있다. 현재 키홀의 더 큰 안정성은 동시에 (a) 스패터를 최소화하고 (b) 상기 키홀이 열려 있는 기간을 최대화하여 포획된 가스의 방출을 촉진할 수 있다. 본 방법은 나선형 패턴을 따라 상기 이중 빔 레이저 방사선을 추적하여 가스 포획 및 균열이 발생하기 쉬운 재료와 관련된 시나리오에서도 포획된 가스를 최소화하고 균열을 최소화한(또는 없음) 강력한 용접 접합부를 안정적으로 생성한다. 또한 균열을 피하거나 적어도 최소화하기 위해, 상기 방법은 나선형 패턴의 중심을 향해 이동하면서 제어된 레이저 파워 감소로 마무리된다.

위에서 언급한 공정 특징을 활용하여 본 방법은 서로 다른 금속, 가스가 포획된 금속, 용접 공정 중에 증발하는 코팅이 있는 금속을 용접할 수 있다. 한 가지 방법은 포획된 가스가 있는 알루미늄 부품을 함께 용접하고 포획된 가스를 적절하게 방출하기 위해 내향 나선의 일부를 따라 중심 빔을 펄스화하여 외향 나선형과 내향 나선형 모두로 동일한 영역을 추적하도록 맞춤화되었다. 상기 알루미늄 부품은 서로 다른 구성을 가질 수 있다. 또 다른 방법은 내향 나선을 추적하고 아연 코팅 강철 또는 니켈 코팅 구리와 같은 코팅된 금속 부품을 용접하는 데 적합하다. 기존의 레이저 용접 방법은 이러한 코팅이 있는 경우, 특히 부품 사이에 갭이 없는 경우 우수한 용접 접합부를 안정적으로 생성하는 데 어려움을 겪는다. 본 방법은 제로 갭 구성에서도 고품질 용접 접합부를 안정적으로 달성한다. 실제로, 본 방법의 용접 접합부 품질은 본질적으로 갭이 0인 것부터 부품의 두께에 따라 예를 들어, 약 0.5밀리미터 이상의 갭까지 확장되는 범위 내에서 갭 크기에 둔감하다.

일 양태에서, 알루미늄을 접합하기 위한 레이저 용접 방법은 알루미늄 부품 상에 배치된 제1 알루미늄 시트에 레이저 방사선을 포커싱하는 단계, 및 상기 제1 알루미늄 시트 상의 복수의 경로를 추적하여 상기 제1 알루미늄 시트를 상기 알루미늄 부품에 용접하기 위해 포커싱된 레이저 방사선을 제어하는 단계를 포함한다. 상기 레이저 방사선은 중심 빔과 상기 중심 빔을 둘러싸는 환형 빔을 포함한다. 상기 제어하는 단계는 상기 중심 빔과 환형 빔의 각각의 제1 파워를 유지하면서 외향 나선형 경로를 추적하는 단계를 포함한다. 상기 외향 나선형 경로는 중심 위치에서 시작하여 상기 중심 위치를 중심으로 나선형으로 이동한다. 상기 제어하는 단계는 상기 외향 나선형 경로를 추적한 후, 상기 중심 및 환형 빔의 파워를 각각의 제1 파워에서 각각의 제2 파워로 낮추면서 외부 경로를 추적하는 단계를 더 포함한다. 상기 외부 경로는 상기 중심 위치에서 볼 때 상기 나선형 경로의 주변에 있다. 또한, 상기 제어하는 단계는, 상기 외부 경로를 추적한 후, 상기 중심 위치를 향해 내향 나선형 경로를 추적하는 동시에, 먼저 (a) 상기 중심 및 환형 빔의 상기 파워를 상기 각각의 제2 파워에서 각각의 제3 파워로 증가시키고, 이어서 (b) 상기 환형 빔의 상기 제3 파워를 유지하고 상기 중심 빔을 상기 중심 빔의 제3 파워와 더 낮은 제4 파워 사이에서 반복적으로 펄스화하고, 마지막으로 (c) 상기 중심 빔을 끄고 상기 환형 빔의 상기 파워를 0으로 낮추는 단계;를 포함한다.

다른 양태에서, 경계면에 코팅이 있는 금속 부품의 스택을 결합하기 위한 레이저 용접 방법은 레이저 방사선을 상기 금속 부품의 스택에 포커싱하는 단계, 및 상기 금속 부품의 스택을 함께 용접하여 상기 경계면에서 코팅을 적어도 부분적으로 증발시키기 위해 상기 금속 부품의 스택의 제1 금속 시트 상의 적어도 하나의 경로를 추적하도록 상기 포커싱된 레이점 방사선을 제어하는 단계를 포함한다. 상기 금속 부품은 (i) 상기 제1 금속 시트, (ii) 가장 먼 금속 부품, 및 (iii) 상기 제1 금속 시트와 상기 금속 부품 사이에 개재된 0개, 1개 또는 다수의 금속 시트를 포함한다. 상기 금속 부품 중 적어도 하나는 이웃하는 금속 부품과의 경계면에 코팅을 갖고 있다. 상기 경계면은 인접한 두 금속 부품이 직접 접촉하거나 그 사이에 갭을 두고 구성된다. 상기 레이저 방사선은 상기 제1 금속 시트에 입사되며 중심 빔과 상기 중심 빔을 둘러싸는 환형 빔을 포함한다. 상기 제어하는 단계는 내향 나선형 경로를 추적하는 단계, 및 상기 내향 나선형 경로를 추적하는 동안 먼저 (a) 상기 중심 빔과 환형 빔의 각각의 제1 파워를 유지하고, 이어서 (b) 동시에 상기 중심 빔의 파워를 제1 파워에서 0 와트로 낮추고 및 제1 파워로부터 0이 아닌 제2 파워로 상기 환형 빔의 파워를 낮추는 단계, 및 (c) 상기 환형 빔을 끄는 단계를 포함한다.

본 명세서에 통합되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 것으로, 앞서 제공된 일반적인 설명 및 아래에 제공될 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이중 빔 레이저 방사선으로 금속 부품을 용접하기 위한 레이저 용접 장치를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따라, 타겟에 포커싱된 바와 같은 도 1의 장치에 의해 생성된 레이저 방사선의 횡방향 레이저 프로파일을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따라, 도 2의 이중빔 레이저 방사선을 이용한 나선형 레이저 용접을 사용하여 알루미늄을 접합하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 방법에 의해 레이저 용접된 금속 부품의 예시적인 구성을 도시한다. 이 구성에서는, 금속 시트가 금속 부품 사이에 다른 금속 시트를 개재하지 않고 금속 상에 배치되고, 레이저 용접에 의한 금속 용융이 금속 부품 내부로 일부만 확장된다.
도 5는 도 3의 방법에 의해 레이저 용접된 금속 부품의 또 다른 예시적인 구성을 도시한다. 이 구성은 금속 용융이 금속 부품을 통해 완전히 확장된다는 점을 제외하면 도 4의 구성과 유사하다.
도 6은 도 3의 방법에 의해 레이저 용접된 금속 부품의 또 다른 예시적인 구성을 도시한다. 이 구성은 개재 금속 시트를 포함하는 것을 제외하면 도 4와 유사하다.
도 7은 일 실시예에 따라, 도 3의 방법에 사용되는 레이저 파워 방식을 도시한다.
도 8a, 8b 및 8c는 일 실시예에 따라 도 3의 방법에서 포커싱된 이중 빔 레이저 방사선에 의해 추적되는 3 경로를 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따라 그 사이에 경계면에서 그 위에 코팅을 갖는 금속 부품을 접합하는 방법의 흐름도이다. 이 방법은 도 2의 이중 빔 레이저 방사선을 이용한 나선형 레이저 용접을 사용한다.
도 10은 도 9의 방법에 의해 용접될 수 있는 금속 부품의 2층 스택의 예를 도시한다.
도 11은 도 9의 방법에 의해 용접될 수 있는 2개 이상의 층을 갖는 금속 부품의 스택의 예를 도시한다.
도 12는 일 실시예에 따라, 도 9의 방법에서 활용되는 레이저 파워 방식을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따라 도 9의 방법에서 포커싱된 이중 빔 레이저 방사선에 의해 추적된 경로를 도시한다.

이제 도면을 참조하면, 유사한 컴포넌트는 유사한 숫자로 지정되고, 도 1은 금속 부품을 용접하기 위한 하나의 레이저 용접 장치(100)를 개략적으로 도시한다. 장치(100)는 이중 빔 레이저 방사선(120)을 타겟에 포커싱하고 타겟 상에서 나선형 경로(130)와 같은 하나 이상의 경로를 추적하도록 구성된다.

도 1에 도시된 시나리오에서, 장치(100)는 2개의 중첩된 금속 부품, 즉 금속 시트(112)와 금속 부품(114)을 함께 용접한다. 여기서, 금속 시트라는 용어는 두께가 10mm 이하인 금속 부분을 가리키며, 킬로와트 범위의 평균 파워를 가진 포커싱된 레이저 방사선은 두께를 통과해 용융할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 금속 시트라는 용어는 두께가 100 마이크로미터 미만인 금속 포일뿐만 아니라 평평하지 않은 금속 부품도 포함한다. 본 명세서에 사용된 금속 시트라는 용어는 또한 10mm보다 두꺼운 하나 이상의 다른 부분을 갖는 금속 부품의 국소적인 시트형 부품을 가리킨다. 따라서, 금속 시트(112)의 두께(112T)는 10mm 이하이다. 용접에 의한 금속 부품(112, 114)의 접합은 레이저 방사선(120)이 금속 시트(112)의 두께(112T)를 통해 용융되어야 할 필요성이 있지만, 금속 부품(114)의 두께(114T)를 통과해 용융될 필요는 없다. 따라서, 금속 부품(114)은 금속 시트일 수도 있고 아닐 수도 있으며, 두께(114T)는 10밀리미터를 초과할 수도 있고 초과하지 않을 수도 있다.

도 2는 타겟에 초점이 맞춰진, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 금속 시트(112)에 초점이 맞춰진 레이저 방사선(120)의 가로 프로파일(200)을 도시한다. 레이저 방사선(120)은 중심 빔(122C)과 중심 빔(122C)을 둘러싸는 환형 빔(122A)을 포함한다. 환형 빔(122A)의 파워의 적어도 대부분은 중심 빔(122C)의 직경 외부에 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)은 원형이다. 다음 설명에서는 원형 빔을 가정하지만 타원형 빔으로 쉽게 확장된다. 중심 빔(122C)은 1/e² 직경(210C)을 갖는다. 환형 빔(122A)은 외부 1/e² 직경(212A)과 내부 1/e² 직경(214A)을 갖는다. 환형 빔(122A)의 내부 직경(214A)은 중심 빔(122C)의 직경(210C)을 초과한다. 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 결합된 파워는 중심 빔(122C)의 외부 직경(210C)과 환형 빔(122A)의 내부 직경(214A)인 원(220)을 따라 최소에 도달한다. 일례에서, 직경(210C)은 50 내지 500 마이크로미터 범위이고, 외부 직경(212A)은 직경(210C)의 2 내지 3배 범위이다. 다른 예에서, 직경(210C)은 15 내지 50 마이크로미터 범위이고, 외부 직경(212A)은 직경(210C)의 4 내지 10배 범위이다. 레이저 방사선(120)은 예를 들어 900 내지 1200 나노미터 범위의 파장을 갖는 근적외선일 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 장치(100)는 레이저 소스(170), 중심 파워 컨트롤러(172), 환형 파워 컨트롤러(174), 광섬유(178) 및 빔 전달 모듈(180)을 포함한다. 레이저 소스(170)는 레이저 방사선을 생성한다. 레이저 소스(170)는 생성된 레이저 방사선의 한 부분을 광섬유(178)의 중심 코어에 결합하여 중심 빔(122C)을 형성하고, 생성된 레이저 방사선의 다른 부분을 광섬유(178)의 환형 코어에 결합하여 환형 빔(122A)을 형성한다. 레이저 소스(170)로부터의 레이저 방사선을 광섬유(178)에 결합하기 위해, 장치(100)는 미국 특허 번호 US 10,807,190 및 미국 특허 출원 공개 번호 US 2019/0118299에서 논의된 것과 유사한 섬유 결합 기술을 구현할 수 있으며, 둘 다 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.

중심 파워 컨트롤러(172)는 필요에 따라 중심 빔(122C)의 파워를 조정한다. 환형 파워 컨트롤러(174)는 필요에 따라 환형 빔(122A)의 파워를 조정한다. 일 구현에서, 레이저 소스(170)는 중심 파워 컨트롤러(172)에 의해 제어되고 중심 빔(122C)을 생성하는 데 전용인 적어도 하나의 레이저, 및 환형 파워 컨트롤러(174)에 의해 제어되고 환형 빔(122A)을 생성하는 데 전용인 적어도 하나의 다른 레이저를 포함한다.

빔 전달 모듈(180)은 광섬유(178)로부터 레이저 방사선(120)을 수신한다. 빔 전달 모듈(180)은 레이저 방사선(120)을 타켓에 포커싱하고 필요에 따라 레이저 방사선(120)을 조종하여, 예를 들어 나선형 경로(130)를 추적한다. 빔 전달 모듈(180)은 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)을 전체적으로 함께 조종하고, 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)을 서로 독립적으로 공간적으로 조작할 수 있을 필요는 없다. 빔 전달 모듈(180)은 당업계에 공지된 바와 같이 포커싱 렌즈 또는 대물렌즈, 및 빔 조종 광학기기를 포함할 수 있다.

장치(100)는 중심 파워 컨트롤러(172), 환형 파워 컨트롤러(174) 및 빔 전달 모듈(180)의 동작을 관리하는 마스터 컨트롤러(190)를 더 포함할 수 있다. 마스터 컨트롤러는 예를 들어, 중심 파워 컨트롤러(172), 환형 파워 컨트롤러(174) 및 빔 전달 모듈(180)에 의해 수행되는 동작을 지정하는 기계 판독 가능 명령어를 포함하는 컴퓨터이다.

도 1에 도시된 시나리오에서, 빔 전달 모듈(180)은 금속 시트(112)의 표면(112S)에 레이저 방사선(120)을 포커싱한다. 표면(112S)은 금속 부품(114)으로부터 금속 시트(112)의 반대편에 있다. 빔 전달 모듈(180)은 레이저 방사선(120)으로 나선형 경로(130)를 포함하는 하나 이상의 경로를 추적한다. 빔 전달 모듈(180)이 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)을 함께 포커싱하고 조종하는 동안, 중심 파워 컨트롤러(172)와 환형 파워 컨트롤러(174)는 필요에 따라 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 각각의 파워를 독립적으로 조정하여 금속 시트(112)와 금속 부품(114)을 함께 용접한다. 예를 들어, 중심 빔(122C)의 파워는 환형 빔(122A)의 파워와 다른 비율로 증가 또는 감소될 수 있거나, 중심 빔(122C)은 환형 빔(122A)은 계속 켜져 있는 동안 펄스화되거나 꺼질 수 있다.

도 3은 이중 빔 레이저 방사선(120)을 사용한 나선형 레이저 용접을 사용하여 알루미늄을 접합하는 한 방법(300)에 대한 흐름도이다. 방법(300)은 장치(100)에 의해 수행될 수 있고 알루미늄 시트를 하나 이상의 다른 알루미늄 시트 및/또는 또 다른 알루미늄 부품에 용접하는 데 사용될 수 있다. 각 알루미늄 시트/부품은 실질적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진다. 본 범위를 벗어나지 않으면서 표면은 용접 전에 어느 정도 산화 및/또는 오염을 나타낼 수 있다.

알루미늄은 녹을 때 상대적으로 점성이 있다. 알루미늄에는 일반적으로 어느 정도의 포획된 가스가 포함되어 있고 높은 점도로 인해 그러한 가스의 방출이 방해되기 때문에, 기존의 알루미늄 레이저 용접에서는 특히 상당한 다공성과 상당한 크기의 공극이 있는 용접 너겟이 생성되기 쉽고 스패터도 생성되기 쉽다. 주조 알루미늄과 같은 특정 형태의 알루미늄에는 상대적으로 많은 양의 가스가 포함되는 경향이 있다. 방법(300)은 포획된 가스의 방출을 최적화하도록 맞춤화되었다. 적어도 이러한 이유로, 방법(300)은 하나 이상의 부품이 주조 알루미늄 부품인 경우와 같이 하나 이상의 부품이 높은 가스 함량을 갖는 경우에도 알루미늄 부품 사이에 고품질의 저다공성 용접 접합을 형성할 수 있다. 예를 들어, 방법(300)은 하나 이상의 압출 알루미늄 시트를 주조 알루미늄 부품에 용접하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 방법(300)은 포획된 가스의 제어된 방출을 촉진하고 응력을 최소화함으로써 스패터 및 다공성뿐만 아니라 냉각 중에 형성되는 균열의 위험도 최소화한다.

방법(300)은 단계(310 및 320)를 포함한다. 단계(310)는 레이저 방사선(120)을 또 다른 알루미늄 부품 상에 배치된 제1 알루미늄 시트, 선택적으로 그 사이에 배치된 하나 이상의 다른 알루미늄 시트에 포커싱한다. 단계(320)는 초점이 맞춰진 레이저 방사선(120)을 제어하여 제1 알루미늄 시트 상의 복수의 경로를 추적함으로써 제1 알루미늄 시트를 알루미늄 부품(및 존재하는 경우 개재 알루미늄 시트)에 용접한다.

단계(310 및 320)의 세부사항을 논의하기 전에, 방법(300)에 의해 용접될 수 있는 알루미늄 부품의 상이한 구성들을 다룬다. 도 4, 5, 6은 방법(300)에 의해 형성된 예시적인 용접 너겟뿐만 아니라 방법(300)이 적용될 수 있는 금속 부품의 예시적인 구성을 도시한다. 방법(300)의 문맥 내에서, 도 4, 5, 6에 도시된 금속 부품 각각은 알루미늄 부품이다.

도 4는 구성(400)을 도시하는데, 여기서 금속 시트(112)는 그 사이에 다른 금속 시트가 개재되지 않은 채 금속 부품(114) 상에 배치되고, 방법(300)의 수행에 의해 야기된 금속 용융은 금속 부품(114) 내로 부분적으로만 연장된다. 금속 시트(112)는 그 사이의 경계면(414F)을 따라 금속 부품(114)과 직접 접촉한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 예를 들어 포지셔닝 공차 또는 표면의 비평탄성으로 인해 경계면(414F)을 따라 적절한 위치에 작은 갭이 존재할 수 있다. 금속 부품(114)은 경계면(414F) 반대편에 있는 금속 부품(114) 측에 표면(414S)을 갖는다. 구성(400)에 배열된 바와 같이 금속 시트(112)와 금속 부품(114)은 표면(112S 및 414S) 사이에 결합된 두께(410T)를 갖는다. 금속 시트(112) 및/또는 금속 부품(114)이 비평면인 시나리오에서, 두께(410T)는 용접 중에 레이저 방사선(120)이 금속 시트(112)에 입사하는 영역에서 측정된 국부적 두께이다.

구성(400)에 방법(300)을 적용할 때, 방법(300)은 레이저 방사선(120)을 금속 시트(112)의 표면(112S)에 지향시켜 금속 시트(112)를 통해 경계면(414F)을 가로질러 금속 부품(114)으로 용융되지만, 금속 부품(114)을 통해 표면(414S)까지 완전히 용융되는 것은 아니다. 방법(300)은 표면(112S)에서 시작하여 금속 부품(114)의 내부 부분 내에서 끝나는 용접 너겟(450)을 형성하여, 용접 너겟(450)의 깊이(450D)가 두께(410T)보다 작도록 한다. 용접 너겟(450)은 깊이(450D)를 초과할 수 있는 폭(450W)을 갖는다. 예를 들어, 폭(450W)은 깊이(450D)의 1배에서 5배 사이의 범위에 있을 수 있다. 구성(400)의 방법(300)은 금속 부품(114)을 통해 표면(414S)까지 완전히 용융되는 것을 추구하지 않으므로, 금속 부품(114)의 두께(414T)는 금속 부품(114)에 의해 제공되는 대응하는 방열판이 레이저 방사선(120)이 경계면(414F)을 가로질러 용융되는 것을 방지하지 않는 한은 금속 시트(112)의 두께(112T)를 실질적으로 초과할 수 있다. 구성(400)의 일례에서, 두께(112T)는 1~5mm 범위이고, 두께(114T)는 2~30mm 범위이고, 폭(450W)은 3~15mm이고, 깊이(450D)는 적어도 1㎜까지 금속 부품(114) 내로 연장된다. 대안적으로, 깊이(450D)는 예를 들어 금속 부품(114)이 상대적으로 얇고 표면(414S)이 용접 프로세스의 흔적을 보이지 않는 것이 바람직한 경우 1mm 미만만큼 금속 부품(114) 내로 연장될 수 있다. 용접 너겟(450)은 일반적으로 표면(112S)에서 또는 표면(112S) 근처에서 가장 넓어서 그 부근에서 폭(450W)이 달성되고 경계면(414F)에서 용접 너겟(450)의 폭은 다소 더 작다.

도 5는 방법(300)의 수행에 의해 생성된 금속 용융 및 관련 용접 너겟(550)이 금속 부품(114)을 통해 표면(414S)까지 연장된다는 점을 제외하고는 구성(400)과 유사한 구성(500)을 도시한다. 구성(500)에서, 금속 부품(114)은 두께(112T)와 유사한 두께(114T)를 갖는 금속 시트일 수 있다. 용접 너겟(550)의 폭(550W)은 두께(410T)를 초과할 수 있다. 그러나 레이저 용접 중에 용접 너겟(550)의 둘레만이 금속 시트(112)와 금속 부품(114)의 견고한 부분에 의해 지지되므로, 폭(550W)을 두께(410T)의 약 3배 미만으로 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 폭(550W)이 이 한계를 초과하도록 허용되면, 레이저 방사선(120)은 상당량의 용융된 금속을 날려버릴 수 있다. 그러한 날려버림(blow-out)은 용접 너겟(550)의 크기와 강도를 손상시킬 수 있으며, 최악의 경우에는 금속 시트(112)와 금속 부품(114)을 통해 연장되는 어퍼처를 형성할 수도 있다. 구성(500)의 일례에서, 두께(112T, 114T) 각각은 1~3밀리미터의 범위이며 폭(550W)은 두께(410T)의 결과 값의 3배 미만이다.

도 6은 금속 시트(112)와 금속 부품(114) 사이에 개재 금속 시트(616)를 포함하는 것을 제외하고 구성(400)과 유사한 구성(600)을 도시한다. 금속 시트(616)는 두께(112T)와 유사한 두께(616T)를 갖는다. 금속 시트(112 및 616)는 경계면(616F)에서 만나고, 금속 시트(616)와 금속 부품(114)은 경계면(614F)에서 만난다. 경계면(616F 및 614F) 각각은 경계면(414F)와 유사한 속성을 갖는다. 방법(300)이 구성(600)에 적용될 때, 레이저 방사선(120)은 금속 시트(112), 경계면(616F), 금속 시트(616), 경계면(614F) 및 금속 부품(114) 내로 녹지만, 표면(414S)까지 완전히 녹지는 않는다. 결과적인 용접 너겟(650)은 금속 부품(114)의 내부 부분 내에서 종결되고, 금속 시트(112, 616)와 표면(112S, 414S) 사이의 금속 부품(114)의 결합된 두께(610T)보다 작은 깊이(650D)를 갖는다. 구성(600)의 한 예에서, 두께(112T 및 616T) 각각은 1~3mm 범위에 있고, 두께(414T)는 2~30mm 범위에 있고, 폭(650W)은 3~15mm 사이에 있다. 금속 부품(114)에 대한 깊이(650D)의 범위는 구성(400)에서 금속 부품(114)으로의 용접 너겟(450)의 범위와 유사할 수 있다.

구성(600)은 방법(300)에 의해, 구성(500)에 도달하기 위한 구성(400)의 수정과 유사한 방식으로, 금속 부품(114)을 통해 표면(414S)까지 연장되는 금속 용융에 대해 수정될 수 있다. 추가적으로, 구성(600)은 금속 시트(112)와 금속 부품(114) 사이에 하나 이상의 개재 금속 시트(616)를 포함하도록 연장된다.

도 3을 다시 참조하면, 단계(310)의 일례에서, 레이저 소스(170)는 레이저 방사선(120)을 생성하고, 빔 전달 모듈(180)은 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)을 포함하는 레이저 방사선(120)을 도 4, 5 및 6을 참조하여 상술한 구성 중 어느 하나로 배열된 바와 같이 금속 시트(112)의 표면(112S)에 포커싱한다. 단계(320)의 관련된 예에서, 빔 전달 모듈(180)은 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)을 사용하여 표면(112S) 상의 복수의 경로를 추적하도록 레이저 방사선(120)을 조종한다.

단계(320)에는 나열된 순서대로 수행되는 단계(324, 326 및 328)가 포함된다. 단계(320)의 수행은 복수의 경로를 추적하는 동안 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)의 파워를 조작하는 것을 포함한다. 도 7은 단계(320)에서 활용되는 레이저 파워 방식을 도시한다. 도 8a, 8b 및 8c는 각각 단계(324, 326 및 328)에서 포커싱된 레이저 방사선(120)에 의해 추적되는 세 가지 경로를 보여준다. 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)은 연속파 빔일 수 있다. 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워는 필요에 따라 중심 파워 컨트롤러(172)와 환형 파워 컨트롤러(174)에 의해 각각 조정될 수 있다.

단계(324)는 도 8a에 도시된 외향 나선형 경로(810)를 추적한다. 외향 나선형 경로(810)는 시간(t₁)에 중심 위치(L_C)에서 시작하고, 중심 위치(L_C)를 중심으로 나선형으로 이동하여 시간(t₂)에 외부 위치(L_O)에 도달한다. 도 8a에 도시된 예에서, 나선형 경로(810)는 아르키메데스 나선형과 유사하여 중심 위치(L_C)에 대한 연속적인 회전이 대략 등거리이고 분리 거리(812)를 특징으로 한다. 분리 거리(812)는 환형 빔(122A)의 직경(212A)에 의해 판정될 수 있고, 예를 들어 적어도 직경(212A)만큼 크지만 직경(212A)의 두 배보다 크지는 않다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 나선형 경로(810)는 아르키메데스 나선형과 다른 형상을 취할 수 있다.

외향 나선형 경로(810)를 추적하는 동안, 단계(324)는 중심 빔(122C)의 파워(P_C1)와 환형 빔(122A)의 파워(P_A1)를 유지한다(도 7 참조). P_A1은 P_C1보다 높을 수 있다. 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 이러한 파워들은 레이저 방사선(120)이 입사되는 알루미늄 시트의 표면(예를 들어, 금속 시트(112)의 표면(112S))으로부터 연장되는, (존재하는 경우) 임의의 개재 알루미늄 시트(예를 들어, 금속 시트(616))를 통해, 그리고 레이저 방사선(120)이 입사되는 알루미늄 시트로부터 가장 먼 알루미늄 부품(예를 들어, 금속 부품(114)) 안으로 또는 이를 통과하는 키홀을 갖는 국부적 용융 풀을 유지하기에 충분하도록 설정된다. 키홀과 주변 용융 풀은 단계(324) 동안 외향 나선형 경로(810)를 따라 레이저 방사선(120)과 함께 이동한다. 키홀은 레이저 방사선(120)이 입사하는 영역에 국한된다. 용융 풀은 일반적으로 레이저 방사선(120) 뒤에 꼬리를 갖는다.

일반적으로 키홀 용접은 단일 레이저 빔으로 수행되며 일반적으로 대략 가우시안 또는 플랫탑 횡단 강도 분포를 갖는다. 이 단일 레이저 빔의 파워 밀도는 키홀을 형성하기에 충분히 높게 설정된다. 그러나 키홀의 대류 메커니즘은 종종 너무 격렬하여 상당한 양의 스패터가 불가피하며 키홀이 예측할 수 없이 열리고 닫힌다. 반면 방법(300)은 (a) 금속에 부과된 온도 그래디언트를 제어하고 (b) 중심 빔에 대한 파워 밀도 요구 사항을 줄이는 환형 빔의 존재로 인해 이점을 얻는다. 레이저 방사선(120)으로 외향 나선형 경로(810)를 추적할 때, 환형 빔(122A)의 부분(824L)은 중심 빔(122C)을 이끌고, 환형 빔(122A)의 다른 부분(824T)은 중심 빔(122C)을 따라간다. 선도 부분(leading portion)(824L)은 재료를 예열하여 키홀이 상대적으로 쉽게 형성되고 유지되도록 한다. 후미 부분(trailing portion)(824T)에 의해 제공되는 가열은 키홀 뒤의 온도 그래디언트를 줄이고 냉각된 재료의 응력을 최소화하기 위해 키홀 뒤의 재료의 온도를 보다 완만하게 낮추는 역할을 한다. 따라서 방법(300)은 스패터로 인한 재료 손실이 거의 없거나 전혀 없고 응력도 최소화하면서 안정적인 키홀을 달성한다. 포획된 가스는 키홀이 열려 있을 때만 키홀을 통해 빠져나갈 수 있기 때문에, 방법(300)에 의해 달성된 향상된 키홀의 안정성은 알루미늄에 포획된 가스를 방출하는 데 도움이 된다.

우리는 부품 중 하나 이상이 상당한 양의 포획된 가스를 포함할 때 단계(324)만으로는 알루미늄 부품 사이의 만족스러운 용접 접합을 달성하기에 불충분하다는 것을 발견했다. 단계(324)에 추가적인 용접이 수반되지 않으면, 가스는 용융된 재료에 포획된 상태로 남아 있으며, 일반적으로 최종 용접 너겟은 실질적으로 크기가 큰 공극 및 관련 응력 유발 균열을 갖게 된다. 마찬가지로, 우리는 단계(324)만으로는 서로 다른 조성의 알루미늄 부품을 함께 용접하는 데 불충분하다는 것을 발견했다. 여기서, 외향 나선형 경로(810)를 따른 단일 통과는 충분한 혼합을 제공하지 않으며, 따라서 용접 너겟은 냉각 시 균열이 발생하는 경향이 있다. 따라서 방법(300)은 단계(328)를 더 포함한다. 단계(328)는 도 8c에 도시된 다시 중심 위치(L_C)를 향하는 내향 나선형 경로(830)를 추적한다. 그러나, 단계(324)에서 외향 나선형 경로(810)의 추적은 재료를 상승된 온도로 남겨두기 때문에, 단계(324)가 종료되자마자 단계(328)가 동일한 파워 레벨로 즉시 개시된다면 재료는 너무 뜨거워질 것이다. 스패터는 피할 수 없을 것이다. 이러한 과열을 방지하기 위해, 단계(328)는 (a) 감소된 파워 레벨에서 시작하고 (b) 단계(324 및 328)의 나선형 경로 주변 영역을 조광하는 단계(326)에 의해 단계(324)와 분리된다.

단계(326)는 도 8b에 도시된 외부 경로(820)를 시간(t₂와 t₃) 사이에서 추적한다. 외부 경로(820)는 시간(t₂)에 외부 위치(L_O)에서 시작한다. 외부 경로(820)는 중심 위치(L_C)에서 방사상으로 볼 때 외향 나선형 경로(810)의 주변이다. (도 8b는 방사 방향(890)의 예를 도시한다.) 외부 경로(820)를 추적하는 동안, 단계(326)는 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)의 파워를 각각 파워 P_C1 및 P_A1로부터 각각 파워 P_C2 및 P_A2로 낮추고(도 7 참조). P_C2와 P_A2는 모두 P_C1보다 낮다. P_C2와 P_A2는 0일 수 있다.

일 구현에서, 외부 경로(820)는 닫힌 경로, 예를 들어 도 8b에 도시된 바와 같은 원을 포함한다. 이러한 구현에서, 단계(326)는 방법(300)에 의해 형성된 용접 너겟이 원하는 형상의 잘 정의된 둘레를 갖도록 보장하는 역할도 할 수 있다. 단계(326)는 이 폐쇄 루프를 한 번 추적할 수 있으며, 이 경우 외부 경로(820)는 외부 위치(L_O)에서 시작하고 끝난다. 대안적으로, 단계(326)는 폐쇄 루프를 따라 중심 위치(L_C) 주위에 하나 이상의 회로를 수행하며, 이 경우 외부 경로(820)는 외부 위치(L_O) 또는 폐쇄 루프 상의 다른 종료점(L_T)에서 끝난다. 충분한 경우 폐쇄 루프를 따라서 있는 단일 회로가 이 구현에서 전체 처리 시간을 최소화한다.

다른 구현에서, 외부 경로(820)는 중심 위치(L_C)에 대한 전체 회로를 완성하기 전에 종료점(L_T)에서 끝나는 개방 경로이다. 이 구현에서, 종료점(L_T)의 위치는 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워를 각각 P_C2 및 P_A2로 램핑하는 데 걸리는 시간에 의해 정의될 수 있다. 전체 회로를 완성하기 전에 외부 경로(820)를 종료하는 것은 더 작은 용접 너겟을 가져오며, 이는 일부 시나리오에서 바람직할 수 있다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 외부 경로(820)는 외향 나선형 경로(810)의 확장된 버전의 외부 단부에서 레이저 파워를 낮추는 단계(326)에 대응하는 외향 나선형 경로(810)의 연속일 수 있다.

단계(328)은 시간(t₃)에서 시작되고 도 8c에 도시된 바와 같이 내향 나선형 경로(830)를 중심 위치(L_C)로 다시 추적한다. 내향 나선형 경로(830)의 기하학적 특성은 외향 나선형 경로(810)의 기하학적 특성과 유사할 수 있다. 내향 나선형 경로(830)는 외부 경로(820)가 끝나는 곳에서 시작한다. 따라서, 내향 나선형 경로(830)는 외부 위치(L_O)(도 8c에 도시됨) 또는 종료점(L_T)에서 시작한다. 내향 나선형 경로(830)를 추적하는 프로세스는 다음의 3개의 세그먼트에서 발생한다: (1) 시간(t₃)의 외부 위치(L_O)(또는 종료점(L_T))에서 시간(t₄)의 위치(L_P)까지의 제1 세그먼트, (2) 시간(t₄)의 위치(L_P)에서 시간(t₅)의 위치(L_R)까지의 제2 세그먼트, (3) 시간(t₅)의 위치(L_R)에서 시간(t₆)의 중심 위치(L_C)까지의 제3 세그먼트. 제1 세그먼트를 추적하는 동안, 단계(328)는 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)의 파워를 각각 파워 P_C2 및 P_A2로부터 각각 파워 P_C3 및 P_A3로 증가시킨다(도 7 참조). 도 7에 도시된 예에서, P_C3는 P_C2를 초과하고 P_A3은 P_A2와 P_C3를 모두 초과한다. 그러나 일부 시나리오에서는 다른 관계가 이로울 수도 있다. 다음으로, 제2 세그먼트를 추적하는 동안, 단계(328)는 (a) 환형 빔(122A)의 파워 P_A3를 유지하고 (b) P_C3과 낮은 파워 P_C4 사이에서 중심 빔(122C)을 반복적으로 펄스화한다(도 7 참조). P_C4는 파워가 꺼진 상태, 즉 0와트일 수 있다. 중심 빔(122C)의 펄스 속도는 0.5 내지 5kHz 범위일 수 있다. 마지막으로, 제3 세그먼트를 추적하는 동안, 단계(328)는 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워를 감소시킨다. 이러한 파워 감소의 일 실시예에서, 단계(328)는 중심 빔(122C)을 끄고 환형 빔(122A)을 0와트까지 낮춘다(도 7 참조). P_C4가 0이 아닌 경우, 단계(328)는 (a) 예를 들어 제3 세그먼트를 시작할 때 파워를 0와트로 스위칭하거나 (b) 제3 세그먼트를 추적하는 동안, 파워를 0 와트로 낮춤으로써, 중심 빔(122C)을 끌 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 단계(328)는 환형 빔(122A)에서 0이 아닌 파워, 예를 들어 P_A3보다 20% 이하인 파워로 결론을 내릴 수 있다.

내향 나선형 경로(830)의 제2 세그먼트 동안 중심 빔(122C)의 펄스는 단계(324)에서 외향 나선형 경로(810)의 추적 후에 용융된 재료에 포획된 가스를 방출하는 데 효과적인 것으로 입증되었다. 갑작스러운 꺼짐과는 반대로, 환형 빔(122A)의 램프 다운은 재료의 냉각 속도를 늦춰 응력을 완화하고 용접 너겟의 균열을 방지하는 역할을 한다. 우리는 레이저 방사선(120)이 정지되어 있는 동안 파워를 낮추면 용접 너겟에 구멍이나 디봇이 생성되는 경향이 있음을 발견했다. 따라서, 단계(328)는 내향 나선형 경로(830)를 따라 이동하는 동안 레이저 방사선(120)의 최종 램프 다운을 수행한다.

단계(320)는 단계(324) 이전에 단계(322)를 더 포함할 수 있다. 시간(t₀)에서, 단계(322)는 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A) 각각의 초기 파워(P_C0 및 P_A0)에서 중심 위치(L_C)의 레이저 방사선(120)을 켠다. P_A0은 P_C0을 초과할 수 있다. 시간(t₀)에서 시간(t₁)까지, 레이저 방사선(120)이 중심 위치(L_C)를 향하도록 유지하면서, 단계(322)는 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워를 각각 P_C1 및 P_A1로 감소시킨다. 단계(322)에서 레이저 방사선(120)에 의해 증착된 에너지는 용융 풀을 형성하고 키홀을 형성하는 데 도움이 된다. 단계(322)를 생략한 실시예는 초기에 단계(324)에서 각각 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워 P_C1 및 P_A1를 사용하여 레이저 방사선(120)을 켠다.

일 실시예에서, 단계(324)의 기간은 150~300밀리초이고, 단계(326)의 기간은 25~100밀리초이며, 단계(328)의 기간은 150~300밀리초이고, 단계(322)의 기간(포함된 경우)은 25~100밀리초 사이이다. 방법(300)은 1초 이내에 완료될 수 있다. 특정 구현에서는 P_C0, P_A0, P_C1, P_A1, P_C3 및 P_A3 각각이 평균 파워 1킬로와트를 초과한다. 예를 들어, P_C0, P_A0, P_C1, P_A1, 및 P_A3은 2~4킬로와트 사이의 범위에 있을 수 있고, P_C3은 0.5~2.5킬로와트 사이의 범위에 있을 수 있으며, P_C2, P_C4, P_A2는 0~0.2킬로와트 사이의 범위에 있을 수 있다. 파워 레벨은 관련된 알루미늄 부품의 두께에 따라 그리고 생성된 용접 너겟이 가장 멀리 떨어진 알루미늄 부품을 관통해야 하는지 또는 오히려 그 내부 위치에서 종료되어야 하는지에 따라 조정될 수 있다.

방법(300)은 용접 너겟의 최상층(예를 들어, 가장 가까운 표면(112S))의 기공을 방지하는 데 도움을 주고, 플라즈마 형성을 방지하고, 주변 산소에 대한 노출을 최소화하기 위해 용접 구역에 실드 가스(shield gas)를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 실드 가스는 예를 들어 아르곤 또는 질소이다.

경로(810, 820 및 830)은 연결되어 단일 연속 경로를 형성한다. 단계(320)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 경로(810, 820, 830) 각각을 추적할 수 있다. 각 경로의 방향이 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 내향 나선형 경로(830)는 외향 나선형 경로(810)와 동일할 수 있지만 반대 방향으로 그리고 외향 방향보다는 내향 방향으로 추적될 수 있다. 경로(810, 820, 830)의 조합에 의해 추적되는 영역은 예를 들어 도 8c에 도시된 바와 같이 3 내지 15㎜ 사이의 범위에서의 직경(870D)과 같은 일반적인 범위를 가질 수 있다.

도 9는 금속 부품들 사이의 경계면에 코팅을 포함하는 금속 부품들을 결합하는 한 가지 방법(900)에 대한 흐름도이다. 방법(900)은 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 방법(900)은 아연 코팅된 강철 또는 니켈 코팅된 구리를 용접하는 데 사용될 수 있다.

용접할 금속 부품 사이의 경계면에 코팅이 있으면 금속 부품 자체를 녹이는 데 필요한 온도보다 낮은 온도에서 코팅이 증발할 때 문제가 발생한다. 예를 들어, 강철의 용융 온도는 일반적으로 섭씨 1370도 정도인 반면, 아연의 증발 온도는 섭씨 907도에 불과하다. 효율적인 가스 배출 경로가 없으면, 코팅 증발로 인해 생성된 가스로 인해 키홀 용접 중에 심각한 스패터가 발생한다. 이러한 코팅된 금속 부품의 기존 키홀 레이저 용접에서, 금속 부품은 가스에 대한 대체 탈출 경로를 제공할 만큼 충분히 큰 갭으로 서로 분리된다. 방법(900)은 그러한 갭을 요구하지 않는다. 대신, 방법(900)은 코팅 증발에 의해 생성된 가스가 최소한의(또는 전혀 없는) 스패터를 가진 키홀을 통해 효율적으로 빠져나가도록 맞춤화되었다. 따라서 방법(900)은 스패터를 최소화하여 금속 부품이 서로 직접 접촉할 때 고품질 용접 접합을 달성할 수 있다. 우리는 방법(900)이 부품이 어느 정도의 갭으로 서로 분리될 때 스패터를 최소화하고 고품질 용접 접합을 달성한다는 것을 발견했다. 아연 코팅 강철의 경우, 갭이 상대적으로 작은 한은 용접 접합 품질이 갭의 존재에 민감하지 않다는 사실을 발견했다. 갭 크기에 따라 프로세스 파라미터를 수정하지 않고도 작은 갭과 갭이 없는 경우에도 동일한 용접 접합 품질이 달성된다. 키홀은 상단 시트(인입 레이저 방사선에 더 가까운)로부터의 용융 금속을 아래의 시트나 부품으로 밀어내는 경향이 있으므로, 상단 시트의 두께는 용접 접합 품질이 민감하지 않은 최대 갭 크기를 정의하는 주요 요소이다. 특정 시나리오에서는, 갭이 0(간격 없음)과 상단 시트 두께의 약 60% 사이 범위에 있는 한 용접 접합 품질은 갭 크기에 영향을 받지 않는다.

방법(900)은 단계(910 및 920)를 포함한다. 단계(910)에서는 레이저 방사선(120)을 금속 부품의 스택에 포커싱한다. 금속 부품의 스택은 금속 부품 위에 배치된 제1 금속 시트로 구성되며, 선택적으로 하나 이상의 개재(intervening) 금속 시트가 그 사이에 배치된다. 금속 부품은 금속 시트일 수도 있고 아닐 수도 있다. 단계(920)는 레이저 방사선(120)을 포커싱하여 제1 금속 시트 상의 적어도 하나의 경로를 추적하여 제1 금속 시트를 금속 부품(및 개재 금속 시트(들), 존재하는 경우)에 용접하도록 제어한다. 이러한 용접은 금속 부품 사이의 경계면의 코팅을 포함하여 레이저 방사선(120)의 경로에 배치된 코팅의 증발을 유발한다.

도 10 및 도 11은 방법(900)에 의해 용접될 수 있는 금속 시트/부품의 예시적인 구성을 도시한다. 방법(900)의 맥락 내에서, 각각의 금속 시트/부품은 선택적으로 아연 또는 아연 합금으로 코팅된 강철로 제조되거나, 각각의 금속 시트/부품은 선택적으로 니켈 또는 니켈 합금으로 코팅된 구리 또는 구리 합금으로 만들어진다. 본 범위를 벗어나지 않으면서 표면은 용접 전에 어느 정도 산화 및/또는 오염을 나타낼 수 있다.

도 10은 2층 스택을 갖는 구성(1000)을 예시한다. 구성(1000)은 (a) 금속 시트(112)와 금속 부품(114) 중 적어도 하나가 경계면(414F)에 코팅을 갖고 (b) 경계면(414F)에 갭(1010G)이 존재할 수 있다는 점을 제외하고는 구성(400 및 500)과 유사하다. 금속 시트(112)는 경계면(414F)을 향하는 금속 시트(112)의 표면에 코팅(1012C)을 갖고 및/또는 금속 부품(114)은 경계면(414F)을 향하는 금속 부품(114)의 표면에 코팅(1014C)을 갖는다. 금속 시트(112)와 금속 부품(114)의 다른 표면도 코팅될 수 있다. 전형적인 시나리오에서, 금속 시트(112)와 금속 부품(114) 중 적어도 하나의 모든 표면이 코팅된다. 갭(1010G)은 0(갭 없음)과 1밀리미터 사이의 범위, 또는 0과 금속 시트(112) 두께의 60% 사이일 수 있다.

방법(900)에 의해 형성된 용접 너겟은 방법(300)에 의해 형성된 것과 유사한 치수를 가질 수 있다. 용접 너겟(도 10에 도시되지 않음)은 도 5의 용접 너겟(550)과 유사한 방식으로 금속 부품(114)을 관통할 수 있거나, 또는 도 4의 용접 너겟(450)과 유사한 방식으로 금속 부품(114)의 내부 부분에서 종료된다.

도 11은 금속 시트(112)와 금속 부품(114) 사이에 개재 금속 시트(616)를 포함하는 구성(1100)을 예시한다. 구성(1100)은 (a) 금속 시트(112), 금속 시트(들)(616) 및 금속 부품(114) 중 적어도 하나가 대응하는 경계면에서 코팅을 갖고 (b) 경계면(616F 및 614F) 중 하나 이상에 갭이 존재할 수 있다는 것을 제외하고는 구성(600)과 유사하다. 코팅과 관련하여, 금속 시트(112)는 경계면(616F)에서 코팅(1012C)을 가질 수 있고, 금속 시트(616)는 경계면(616F)에서 코팅(1116C(1)) 및 경계면(614F)에서 코팅(1116C(2)) 중 하나 또는 둘 모두를 가질 수 있고, 금속 부품(114)은 경계면(614F)에서 코팅(1014C)을 가질 수 있다. 경계면(616F, 614F) 각각은 도 10의 갭(1010G)과 유사한 갭으로 구성될 수 있다. 구성(1100)은 하나 이상의 개재 금속 시트(616)를 포함하도록 쉽게 확장된다.

구성(1100)(도 11에 도시되지 않음)에서 방법(900)에 의해 형성된 용접 너겟은 도 5의 용접 너겟(550)과 유사한 방식으로 금속 부품(114)을 관통할 수 있거나, 또는 도 6에 도시된 용접 너겟(650)과 유사한 방식으로 금속 부품(114)의 내부 부분에서 종료된다.

도 9를 다시 참조하면, 단계(910)의 일례에서, 레이저 소스(170)는 레이저 방사선(120)을 생성하고, 빔 전달 모듈(180)은 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)을 포함하는 레이저 방사선(120)을 도 10 및 11을 참조하여 상술한 구성 중 어느 하나로 배열된 바와 같이 금속 시트(112)의 표면(112S)에 포커싱한다. 단계(920)의 예에서, 빔 전달 모듈(180)은 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)을 사용하여 표면(112S) 상의 적어도 하나의 경로를 추적하도록 레이저 방사선(120)을 조종한다. 단계(920)의 수행은 적어도 하나의 경로를 추적하는 동안 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)의 파워를 조작하는 것을 포함한다. 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워는 필요에 따라 각각 중심 파워 컨트롤러(172)와 환형 파워 컨트롤러(174)에 의해 조정될 수 있다. 중심 빔(122C) 및 환형 빔(122A)은 연속파 빔일 수 있다.

단계(920)는 내향 나선형 경로를 추적하는 단계(924)를 포함한다. 단계(920)는 단계(922)에 앞서 레이저 방사선(120)으로 폐쇄 루프를 추적하는 단계(922)를 더 포함할 수 있다. 폐쇄 루프는 내향 나선형 경로를 둘러싸고 내향 나선형 경로의 시작점에서 끝난다. 따라서, 단계(920)가 단계(922)를 포함하는 경우, 폐쇄 루프 및 내향 나선형 경로는 하나의 연속 경로를 형성한다.

도 12는 단계(922)를 포함하는 단계(920)의 실시예에서 활용되는 레이저 파워 방식을 도시한다. 도 13은 단계(922 및 924)에서 포커싱된 레이저 방사선(120)에 의해 추적된 경로를 도시한다.

단계(924)는 내향 나선형 경로(1320)를 추적한다. 내향 나선형 경로(1320)는 도 8c의 내향 나선형 경로(830)와 유사하다. 내향 나선형 경로(1320)는 시간(t₁)에 외부 위치(L_O)에서 시작하고, 중심 위치(L_C)를 중심으로 그를 향해 나선형으로 이동하여 시간(t₃)에 중심 위치(L_C)에 도달한다. 내향 나선형 경로(1320)를 추적하는 프로세스는 2개의 세그먼트, 즉 (1) 시간(t₁)의 외부 위치(L_O)에서 시간(t₂)의 위치(L_R)까지의 제1 세그먼트, 및 (2) 시간(t₂)의 위치(L_R)에서 시간(t₃)의 중심 위치(L_R)까지의 제2 세그먼트,에서 발생한다. 제1 세그먼트를 추적하는 동안 단계(924)는 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워를 각각 파워 P_C0 및 P_A0에서 유지한다. P_A0는 도 12에 도시된 바와 같이 P_C0보다 클 수 있다. 다음으로, 제2 세그먼트를 추적하는 동안, 단계(924)는 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워를 각각 0 및 0이 아닌 파워 P_A1로 감소시킨다. 마지막으로, 시간(t₃)에서 중심 위치(L_C)에 도달할 때, 단계(924)는 환형 빔(122A)을 끈다.

각각 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)의 파워 P_C0 및 P_A0은 제1 금속 시트의 표면(예를 들어, 금속 시트(112)의 표면(112S))으로부터 존재하는 경우 임의의 개재 금속 시트(예를 들어, 금속 시트(616))를 통해, 그리고 가장 먼 금속 부품(예를 들어, 금속 부품(114)) 내부로 또는 그를 통해 연장되는 키홀을 갖는 국부적인 용융 풀을 유지하도록 설정된다. 방법(300)의 단계(324)를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 키홀 및 주변 용융물 풀은 단계(924) 동안 내향 나선형 경로(1320)를 따라 레이저 방사선(120)과 함께 이동한다. 중심 빔(122C)과 환형 빔(122A)을 모두 포함함으로써, 방법(900)은 방법(300)을 참조하여 상술한 바와 같이 스패터를 통해 재료 손실이 거의 또는 전혀 없는 안정적인 키홀을 달성한다. 방법(900)에 의해 달성된 향상된 키홀의 안정성은 금속에 포획된 가스를 방출하는 데 도움이 되며 금속 스택의 경계면에서 코팅의 증발로 인해 생성된 가스에 대한 효율적인 탈출 경로를 제공한다. 방법(900)이 구리 또는 구리 합금에 적용될 때, 환형 빔(122A)의 존재는 추가적인 이점을 가질 수 있는데, 즉 환형 빔(122A)의 선두 부분(824L)에 의해 제공되는 예열은 높은 레벨의 레이저 방사선(120)의 흡수에 의해 특징지어진 상태로 구리/구리 합금의 상 전이를 유도한다는 것이다. 환형 빔(122A)은 이에 따라 중심 빔(122C)에 대한 파워 요건을 더욱 감소시킨다. 내향 나선형 경로(1320)의 제2 세그먼트를 추적하는 동안 레이저 파워가 완만하게 감소하는 것은 재료의 냉각을 느리게 하여 응력을 해제하고 용접 너겟의 균열을 방지하는 역할을 한다. 방법(300)의 단계(328)를 참조하여 상술한 바와 같이 용접 너겟에 구멍이나 디봇이 형성되는 것을 방지하기 위해 레이저 방사선(120)이 정지 상태와 반대로 내향 나선형 경로(1320)를 따라 이동하는 동안 이러한 파워 감소가 수행된다.

포함되면, 단계(922)는 시간(t₀)과 시간(t₁) 사이의 폐쇄 루프(1310)를 추적한다. 폐쇄 루프(1310)는 내향 나선형 경로(1320)의 주변이다. 폐쇄 루프(1310)는 외부 위치(L_O)에서 끝나고 원형일 수 있다. 단계(922)는 폐쇄 루프(1310)의 적어도 하나의 전체 회로를 완성한다. 폐쇄 루프(1310)는 내향 나선형 경로(1320)(도 13에 도시됨)와 동일한 방향으로 또는 반대 방향으로 중심 위치(L_C) 주위를 회전할 수 있다. 단계(922)는 주로 방법(900)에 의해 형성된 용접 너겟의 잘 정의된 둘레를 보장하는 역할을 한다. 그러한 둘레가 필요하지 않은 경우, 예를 들어 공간 제약이 있을 때 더 작은 용접 너겟을 달성하기 위해 또는 전체 처리 시간을 최소화하기 위해 단계(922)를 생략하는 것이 이로울 수 있다.

방법(900)에 의해 적용되는 파워 P_C0 및 P_A0은 1.5~5킬로와트 범위에 있을 수 있는 반면, P_A1은 0.05~1.0킬로와트 범위에 있을 수 있다. 내향 나선형 경로(1320) 및 폐쇄 루프(1310)(포함된 경우)에 의해 추적되는 영역은 예를 들어 도 13에 도시된 바와 같은 직경(1370D)과 같은, 3~15mm 범위의 전체적인 범위를 가질 수 있다. 방법(900)은 500밀리초 미만에 완료될 수 있으며, 단계(924)의 파워 감소 부분의 지속 시간은 30밀리초와 100밀리초 사이의 범위에 있다. 일정한 레이저 파워(시간(t₁과 t₂) 사이)로 수행되는 부분 단계(924)는 파워 감소 이전의 처리 시간의 60~100%를 차지할 수 있다.

방법(900)은 용접 너겟의 최상분에 있는 기공을 방지하는 데 더 도움이 되도록 용접 구역에 실드 가스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 실드 가스는 질소일 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예 및 다른 실시예의 관점에서 상술되었다. 그러나, 본 발명은 여기에서 기술되고 도시된 실시예로 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 여기에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims

알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법에 있어서,
중심 빔 및 상기 중심 빔을 둘러싸는 환형 빔을 포함하는 레이저 방사선을 알루미늄 부품 위에 배치된 제1 알루미늄 시트에 포커싱하는 단계; 및
상기 제1 알루미늄 시트를 상기 알루미늄 부품에 용접하기 위해 상기 제1 알루미늄 시트 상의 복수의 경로를 추적하도록 포커싱된 상기 레이저 방사선을 제어하는 단계;
를 포함하고,
상기 제어하는 단계는:
상기 중심 빔 및 상기 환형 빔의 각각의 제1 파워를 유지하면서 외향 나선형 경로를 추적하는 단계로서, 상기 외향 나선형 경로는 중심 위치에서 시작하여 상기 중심 위치 주위에서 나선형으로 이동하는 상기 추적하는 단계;
상기 외향 나선형 경로를 추적한 후, 상기 중심 빔 및 상기 환형 빔의 파워를 각각의 상기 제1 파워에서 각각의 제2 파워로 낮추면서 외부 경로를 추적하는 단계로서, 상기 외부 경로는 상기 중심 위치에서 볼 때 나선형 경로의 주변에 있는 상기 추적하는 단계;
상기 외부 경로를 추적한 후, 먼저 (a) 상기 중심 빔 및 상기 환형 빔의 상기 파워를 각각의 상기 제2 파워에서 각각의 제3 파워로 증가시키고, 이어서 (b) 상기 환형 빔의 상기 제3 파워를 유지하고 상기 중심 빔의 제3 파워와 더 낮은 제4 파워 사이에서 상기 중심 빔을 반복적으로 펄스화하고, 마지막으로 (c) 상기 중심 빔과 상기 환형 빔의 상기 파워를 감소시키면서, 상기 중심 위치를 향해 내향 나선형 경로를 추적하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항에 있어서, 상기 감소시키는 단계는 상기 중심 빔을 끄고 상기 제3 파워로부터 상기 환형 빔의 상기 파워를 감소시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제2항에 있어서, 상기 감소시키는 단계는 상기 환형 빔의 상기 파워를 0으로 낮추는 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 부품은 제2 알루미늄 시트인 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 경로는 상기 중심 위치 주위의 적어도 하나의 전체 회로를 완성하는 폐쇄 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 경로는 상기 중심 위치에 대해 완전한 회전을 완성하지 않는 개방 경로인 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어하는 단계에 의해 야기된 알루미늄 용융은 상기 알루미늄 부품의 내부 부분 내의 깊이에서 종료되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 알루미늄 시트와 상기 알루미늄 부품 중 적어도 하나는 주조 알루미늄 또는 주조 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제8항에 있어서, 상기 제1 알루미늄 시트는 압출 알루미늄 또는 압출 알루미늄 합금이고, 상기 알루미늄 부품은 주조 알루미늄 또는 주조 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 개재(intervening) 알루미늄 시트가 상기 제1 알루미늄 시트와 상기 알루미늄 부품 사이에 배치되고,
상기 제어하는 단계는 상기 제1 알루미늄 시트, 상기 개재 알루미늄 시트 및 상기 알루미늄 부품을 함께 용접하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 상기 중심 위치에서 그리고 상기 외향 나선형 경로를 추적하기 전에 상기 중심 빔 및 상기 환형 빔의 상기 파워를 각각의 초기 파워에서 각각의 상기 제1 파워로 낮추는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 빔의 제1, 제2 및 제3 파워 각각은 상기 중심 빔의 제1, 제2 및 제3 파워 중 대응하는 것을 초과하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 접합을 위한 레이저 용접 방법.
경계면에 코팅을 포함하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법에 있어서,
상기 금속 부품의 스택에 레이저 방사선을 포커싱하는 단계로서, 상기 금속 부품은 (i) 제1 금속 시트, (ii) 가장 먼 금속 부품, 및 (iii) 상기 제1 금속 시트와 상기 금속 부품 사이에 0개, 1개 또는 여러 개의 개재 금속 시트를 포함하고, 상기 금속 부품 중 적어도 하나는 이웃하는 금속 부품과의 경계면에 코팅을 갖고, 상기 경계면은 2개의 상기 이웃하는 금속 부품 사이에 직접 접촉하거나 그 사이에 갭을 두고 구성되며, 상기 레이저 방사선은 상기 제1 금속 시트에 입사되고 중심 빔과 상기 중심 빔을 둘러싸는 환형 빔을 포함하는 상기 포커싱하는 단계; 및
상기 금속 부품의 스택을 함께 용접하여 또한 상기 경계면에서 상기 코팅을 적어도 부분적으로 증발시키기 위해 상기 제1 금속 시트 상의 적어도 하나의 경로를 추적하도록 포커싱된 상기 레이저 방사선을 제어하는 단계;
를 포함하고,
상기 제어하는 단계는:
내향 나선형 경로를 추적하는 단계,
상기 내향 나선형 경로를 추적하는 동안, 먼저 (a) 상기 중심 빔과 상기 환형 빔의 각각의 제1 파워를 유지하고, 이어서 (b) 동시에 상기 중심 빔의 파워를 상기 중심 빔의 제1 파워에서 0와트로 낮추고 상기 환형 빔의 파워를 상기 환형 빔의 제1 파워에서 0이 아닌 제2 파워로 낮추고, 마지막으로 (c) 상기 환형 빔을 끄는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법.
제13항에 있어서, 상기 가장 먼 금속 부품은 금속 시트인 것을 특징으로 하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 금속 부품의 각각은 강철로 만들어지고, 상기 코팅은 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 금속 부품의 각각은 구리 또는 구리합금으로 만들어지고, 상기 코팅은 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어하는 단계에 의해 야기되는 금속 용융은 상기 가장 먼 금속 부품의 내부 부분 내에 있는 상기 스택의 깊이에서 종료되는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법.
제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 빔의 상기 제1 파워는 상기 중심 빔의 상기 제1 파워를 초과하는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 상기 내향 나선형 경로를 추적하기 전에, 각각의 상기 제1 파워에서 상기 중심 빔 및 상기 환형 빔을 갖는 폐쇄 루프를 추적하는 단계를 더 포함하고, 상기 폐쇄 루프는 상기 내향 나선형 경로의 주변에 있고 상기 내향 나선형 경로의 시작점에서 끝나는 것을 특징으로 하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법.
제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭은 상기 레이저 방사선을 수신하는 상기 스택의 측면에 가장 가까운 2개의 이웃하는 금속 부품 중 하나의 두께의 60% 이하인 것을 특징으로 하는 금속 부품의 스택을 접합하기 위한 레이저 용접 방법.