Apparatus for laser welding

Abstract

A laser welder includes at least one laser. The laser is adapted to generate a laser beam that creates a weld when directed to a workpiece. The workpiece includes a first material in contact with a second material at an interface. The laser welder also includes a controller connected to the laser, where the controller controls at least one of a power of the laser beam and a pulse frequency of the laser beam. The pulse frequency of the laser beam is 20 kHz -350 kHz ± 10%.

Description

APPARATUS FOR LASER WELDING

[0001] CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION (S)

[0002] This patent application is a first-filed patent application and does not rely on any other patent application for priority.FIELD OF THE INVENTION

[0003] The present invention encompasses variables for operating a laser welder to improve one or more properties of the resulting weld. The present invention also encompasses the weld produced by a laser operated according to the present invention.DESCRIPTION OF THE RELATED ART

[0004] Laser-based welding tools, also referred to as laser welders, are known to those skilled in the prior art.

[0005] Typically, laser welders are used to weld two or more materials together, typically metals.

[0006] When metals and other materials are welded together, the quality of the weld may be described in connection with at least five variables: (1) the lateral extent of the zone that is melted on the material surface by the laser beam to create the weld and a consistency in the depth of the weld, (2) the influence the heat input from the laser has on nearby material known as the heat affected zone ( “HAZ” ) ; (3) the stability of the melt pool, which influences the uniformity of the weld from one end to the other and contributes to various process that can influence weld quality (e.g., spatter) ; (4) the energy efficiency of the weld, which refers to the efficacy of the transfer of energy from the laser to the metal and may be measured, for example, by comparing the ratio of the cross-sectional area of the weld into the second joining metal to the total cross-sectional area of the weld in both metals; and (5) the porosity of the weld, which refers to the concentration of bubbles or voids in the weld.

[0007] Each of these variables may be used to compare welds with one another. In many welding processes (for example for electric-vehicle (EV) batteries) , a smaller lateral extent of the weld on the metal surface and a smaller HAZ affected by the laser around the weld is preferable where the industry trend is towards more compact products. A higher melt pool stability is preferred because a more uniform weld generally will provide improved adherence between materials that are welded together, and it may improve the visual appearance and / or reduce the need for post-processing of the weld. A higher energy efficiency is preferred as it typically  results in a better bond between the materials that are welded to one another. Lower porosity is preferred because voids typically reduce the bond strength of the weld. Moreover, improvement in any or all five welding variables may also lead to welds that may be processed more quickly, reducing the time needed to create the weld (increased productivity) .

[0008] A general desire has developed to improve the quality of welds produced by laser welders so that the welds exhibit at least one of: (1) a smaller lateral extent of the weld on the metal surface and a more uniform depth, (2) a smaller HAZ affected by the laser, (3) a higher melt pool stability, (4) a higher energy efficiency, and (5) a lower porosity.SUMMARY OF THE INVENTION

[0009] The present invention seeks to address one or more deficiencies in the prior art.

[0010] Specifically, the present invention provides for a laser welder that is operated in a manner to create welds with at least one improved quality with respect to welds created by traditional laser welders.

[0011] The laser welder is contemplated to be operated with a rapidly pulsed or modulated laser beam.

[0012] The welds produced by the laser welder according to the present invention also are considered to fall within the scope of the present invention.

[0013] The welds produced by the laser welder are contemplated to satisfy one or more parameters.

[0014] In one embodiment, welds produced from the laser welder of the present invention are contemplated to exhibit a smaller lateral extent of the weld on the metal surface and a more uniform depth.

[0015] In another embodiment, the welds produced from the laser welder of the present invention are contemplated to exhibit a smaller HAZ affected by the laser than welds in the prior art.

[0016] In another embodiment, welds produced from the laser welder of the present invention are contemplated to have a higher melt pool stability than welds known in the prior art.

[0017] In still another embodiment, welds produced from the laser welder of the present invention may embody a higher energy efficiency than welds known in the prior art.

[0018] In an additional embodiment, welds produced from the laser welder of the present invention are contemplated to have a lower porosity than welds known in the prior art.

[0019] In one contemplated embodiment, the present invention provides a laser welder. The laser welder includes at least one laser. The at least one laser is adapted to generate a laser beam that creates a weld when directed to a workpiece. The workpiece encompasses a first material in contact with a second material at an interface. The laser welder also includes a controller  connected to the at least one laser, where the controller controls at least one of a power of the laser beam and a pulse frequency of the laser beam. The pulse frequency of the laser beam is 20 kHz -350 kHz ± 10%.

[0020] In contemplated embodiments of the laser welder of the present invention, the power of the laser beam is 500 W –20kW ± 10%, 1 kW –10kW ± 10%, or 5 kW –10kW ± 10%.

[0021] In other contemplated embodiments, the pulse frequency of the laser beam is 100 kHz –300 kHz ± 10%, 150 kHz –250 kHz ± 10%, or 50 kHz –100 kHz ± 10%.

[0022] Still further, the controller of the laser welder is contemplated to control the at least one laser to create the weld with a width stability, Sw, satisfying the equation Sw ≤ w ± x %, where w is the average width of the weld along a length thereof, and where x is a value ≤ 10. In other contemplated embodiments, x is a value within a range of 2 –8 or 4 –6.

[0023] In additional embodiments, the controller controls the at least one laser to create the weld with a depth stability Sd, satisfying the equation Sd ≤ d ± y %, where d is the average depth of the weld along a length thereof, and where y is a value ≤ 10. The value of y also may be within a range of 2 –8 or a range of 4 –6.

[0024] In other embodiments, the controller may control the at least one laser to create the weld having a zone ratio, ZR, satisfying the equation ZR = D1 / D2 ± z %, where D1 is a first width of the weld at a surface of the first material, where D2 is a second width of the weld at the interface between the first material and the second material, and where z is a value less than 45. Alternatively, z may be a value within a range of 5 –15 or within a range of 5 –10.

[0025] According to another contemplated embodiment, the controller controls the at least one laser to create the weld having an energy efficiency, EE, satisfying the equation EE = Ssum / S3, where Ssum is a sum of a first cross-sectional area S1, a second cross-sectional area S2, and a third cross-sectional area of the weld, where the first cross-sectional area, S1, is an area of the weld between a weld bead surface and a surface of the first material, where the second cross-sectional area, S2, is an area of the weld between the surface of the first material and the weld interface, where the third cross-sectional area, S3, is an area of the weld between the weld interface and a weld bottom, and where EE is within a range of 0.40 –0.50. Here, it is contemplated that EE may be a value within a range of 0.42 –0.48 or within a range of 0.44 –0.46.

[0026] Still further, it is contemplated that the controller controls the at least one laser to create the weld having a porosity where pores in the weld have a diameter less than or equal to 0.1 μm. Moreover, each cubic millimeter of the weld may include fewer than 100 pores with diameters less than or equal to 0.1 μm.

[0027] Still further advantages and features of the present invention will be made apparent by the discussion presented herein.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0028] The present invention will now be described in connection with the drawings appended hereto, in which:

[0029] Fig. 1 is a graphical representation of one contemplated embodiment of a laser welder according to the present invention;

[0030] Fig. 2 is a cross-sectional representation of a weld produced by the laser welder illustrated in Fig. 1, where the weld secures two plates of metal in a workpiece to one another;

[0031] Fig. 3 provides two photomicrographs that compare cross-sections of a weld created by a laser welder operated in accordance with the prior art with a weld created with a laser welder operated in accordance with the present invention, illustrating how the weld of the present invention exhibits a smaller lateral extent of the weld at the metal surface, a smaller HAZ, and a more uniform cross section than the prior art weld;

[0032] Fig. 4 is a photograph of the top surface of three welds, two of which were created using a laser welder according to the present invention and one of which is created using a laser welder according to the prior art, the photograph showing that the welds of the present invention have an improved width stability in comparison to the prior art weld and that the present invention allows a higher welding speed;

[0033] Fig. 5 is a photomicrograph that compares the cross-sections of a prior art weld with a weld according to the present invention, illustrating how the welds of the present invention have an improved depth stability;

[0034] Fig. 6 is a table providing data regarding the improved depth stability of welds according to the present invention when compared to welds according to the prior art; and

[0035] Fig. 7 is a table providing data that compares the energy efficiency of welds according to the prior art with welds according to the present invention.

[0036] DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENT (S) OF THE INVENTION

[0037] The present invention will now be described in connection with several examples and embodiments. The present invention should not be understood to be limited solely to the examples and embodiments discussed. To the contrary, the discussion of selected examples and embodiments is intended to underscore the breadth and scope of the present invention, without limitation. As should be apparent to those skilled in the art, variations and equivalents  of the described examples and embodiments may be employed without departing from the scope of the present invention.

[0038] In addition, aspects of the present invention will be discussed in connection with specific materials and / or components. Those materials and / or components are not intended to limit the scope of the present invention. As should be apparent to those skilled in the art, alternative materials and / or components may be employed without departing from the scope of the present invention.

[0039] In the illustrations appended hereto, for convenience and brevity, the same reference numbers are used to refer to like features in the various examples and embodiments of the present invention. The use of the same reference numbers for the same or similar structures and features is not intended to convey that each element with the same reference number is identical to all other elements with the same reference number. To the contrary, the elements may vary from one embodiment to another without departing from the scope of the present invention.

[0040] Still further, in the discussion that follows, the terms “first, ” “second, ” “third, ” etc., may be used to refer to like elements. These terms are employed to distinguish like elements from similar examples of the same elements. For example, one fastener may be designated as a “first” fastener to differentiate that fastener from another fastener, which may be designated as a “second fastener. ” The terms “first, ” “second, ” “third, ” are not intended to convey any particular hierarchy between the elements so designated.

[0041] It is noted that the use of “first, ” “second, ” and “third, ” etc., is intended to follow common grammatical convention. As such, while a component may be designated as “first” in one instance, that same component may be referred to as “second, “third, ” etc., in a separate instance. The use of “first, ” “second, ” and “third, ” etc., therefore, is not intended to limit the present invention.

[0042] Fig. 1 is a graphical representation of a laser welder 10 according to one embodiment of the present invention. The laser welder 10 includes a laser 12 connected to a controller 14 via a communication link 16. The controller 14 provides input to the laser 12 to control the laser beam 18 generated thereby. The laser beam 18 is directed to a workpiece WP. The laser beam 18 may be of any shape on the workpiece WP which may be suitable for welding. While not limiting of the present invention, the laser beam 18 contemplated to be used to weld two or more pieces of metal together. As such, the workpiece WP is contemplated to comprise two or more pieces of metal.

[0043] In one embodiment, the laser 12 is contemplated to be a fiber laser. However, the present invention is not limited to the use of a fiber laser. To the contrary, any other laser may be employed. In particular, the laser may be a disk laser, a direct diode laser, a CO2 (carbon dioxide) laser, or a diode pumped solid state laser, for example.

[0044] The controller 14 is contemplated to be connected to the laser 12 via a communication link 16. The communication link 16 illustrated in Fig. 1 is contemplated to be a two-way communication link 16. This indicates that information is transmitted from the controller 14 to the laser 12. This also indicates that information is transmitted back from the laser 12 to the controller 14.

[0045] As should be apparent to those skilled in the art, the controller 14 may provide information, in the form of electronic signals, to the laser 12 to control one or more aspects of the operation of the laser 12. For example, the controller 14 may provide signals to the laser 12 to turn the laser beam 18 on and off, to adjust the wattage (output power) of the laser beam 18, or to pulse the laser beam 18 at a specified frequency, among other operations, i.e., the controller determines the temporal profile or waveform of the output of the laser 12.

[0046] The controller 14 is contemplated to receive signals from the laser 12 that provide information concerning one or more operating parameters of the components of the laser 12. The information may include, but is not limited to, the operational state of the laser 12 (e.g., “on” or “off” ) , the operational temperature of the laser 12, and / or one or more parameters regarding the laser beam 18 itself (e.g., a power of the laser beam 18) .

[0047] The communication link 16 is contemplated to be a bi-directional link, permitting communicative cross-talk between the laser 12 and the controller 14.

[0048] In one embodiment, the communication link 16 is contemplated to be a wired connection between the laser 12 and the controller 14. In another embodiment, the laser 12 may communicate with the controller 14 wirelessly. Furthermore, as should be apparent to those skilled in the art, the communication link 16 may combine wired and wireless connections as appropriate.

[0049] In Fig. 1, a master controller 20 also is shown. The master controller 20 is connected to the controller 14 via a communication link 22. The communication link 22 is contemplated to be the same as the communication link 16. Specifically, the communication link 22 is contemplated to be a bi-directional link to transfer information and data between the master controller 20 and the controller 14. It is noted that the communication link 22 may differ from the communication link 16 without departing from the scope of the present invention.

[0050] The master controller 20 is contemplated to provide control over not only the laser beam 18, but also any other equipment (not illustrated) that may be connected to the laser welder 10. For example, the master controller 20 may control the positioning of the workpiece WP, the operation of an optical scanner, the positioning and / or movement of a process head, the operation of an associated robot, the operation of a material handler, etc.

[0051] In Fig. 1, the laser 12, the controller 14, and the master controller 20 are shown as separate components of the laser welder 10. However, as should be apparent to those skilled in the art, the laser 12, the controller 14, and / or the master controller 20 may be integrated to form a single component without departing from the scope of the present invention.

[0052] The controller 14 is contemplated to embody at least one processor 24 capable of executing software to operate of the laser welder 10. The processor 24 may be of any type contemplated by those skilled in the art. In particular, the processor 24 is understood to be any type of CPU (or other computing device) that is capable of receiving and executing instructions as embodied, for example, in executable software.

[0053] The controller 14 also is contemplated to include memory 26, which is understood to be connected to the processor 24. The memory 26 is understood to store the software for operation of the laser welder 10. The memory 26 also may include one or more look up tables, as required or as desired.

[0054] Separately, it is contemplated that the controller 14 may comprise hardware that operates to control the laser 12. In such a configuration, the controller 14 may not require the processor 24 and / or the memory 26. Still further, the controller 14 may comprise a combination of hardware and software for operation of the laser welder 10 as required or as desired.

[0055] Still further, the master controller 20 is contemplated to incorporate a processor 28 and memory 30 in the same manner or a similar manner to the controller 14. As such, further details about the processor 28 and the memory 30 are not provided here.

[0056] It is noted that the exact configuration of the components that comprise the controller 14 and / or the master controller 20 are within the level of skill of those in the art. As such, further discussion of the controller 14 and the master controller 20 is not provided here.

[0057] Fig. 2 is a graphical, cross-sectional view of a weld 32 created by the laser welder 10 illustrated in Fig. 1. The weld 32 is contemplated to connect a first plate 34 (also referred to herein as a first material 34) to a second plate 36 (also referred to herein as a second material 36) , which are contemplated to be made from metals and / or metal alloys. The metal plates 34, 36 may be made from aluminum, steel, stainless steel, copper, titanium, and the like. It is noted  that the first material 34 and the second material 36 may not be plates but may have any configuration without departing from the scope of the present invention.

[0058] The laser welder 10 of the present invention is contemplated to be used to weld two or more materials together (e.g., the first and second materials 34, 36) . The materials 34, 36 that may be welded by the laser welder 10 of the present invention include, but are not limited to, metals, alloys, plastics, or any other materials that lend themselves to welding. For ease in providing examples in the following description, reference will be made to metal welding. However, any reference to metal welding is not intended to limit the materials that could benefit from the invention.

[0059] The first plate 34 has a top surface 38 and a bottom surface 40. The second plate 36 has a top surface 42 and a bottom surface 44. As illustrated, the bottom surface 40 of the first plate 34 is positioned adjacent to and in contact with the top surface 42 of the second plate 36.

[0060] As illustrated in Fig. 2, and as should be appreciated by those skilled in the art, the weld 32 extends through the first plate 34 and into the body of the second plate 36. The weld 32 connects the first plate 34 to the second plate 36.

[0061] In connection with the discussion that follows, the body of the weld 32 encompasses a melted portion of the first plate 34 and a melted portion of the second plate 36 so that the melted material, once solidified, connects the first plate 34 to the second plate 36.

[0062] To facilitate the discussion that follows, the top surface of the weld 32 is referred to as the weld top 46. The bottom of the weld 32, which has a U-shape, is referred to as the weld bottom 48 or “weld tip” 48. The plane defining the interface between the first plate 34 and the second plate 36 is referred to as the weld interface 50. The distance from one side of the weld 32 to the other at the weld interface 50 is referred to as the weld interface distance 52. The weld 32 also defines a weld middle 54 that generally defines a central weld width 56. As also illustrated, the weld top 46 defines a weld surface width 58. Finally, the weld 32 also defines a weld depth 60. It is noted that the central weld width 56 is taken at a location that is at the midpoint of the weld depth 60.

[0063] As will be discussed in connection with the invention hereinbelow, the weld surface width 58 also defines a first dimension D1 for the weld 32. The weld interface distance 52 defines a second dimension D2. The distance from the weld interface 50 to the weld bottom 48 defines a third dimension D3.

[0064] As also illustrated in Fig. 2, the weld 32 includes a weld bead 62 that defines a weld bead surface 64. The weld bead 62 extends above the top surface 38 of the first plate 34, which  results from the melting of the metal (e.g., the first material 34) when the laser beam 18 impinges thereon.

[0065] With continued reference to Fig. 2, as discussed in greater detail below, the weld 32 has a total cross-sectional area that is calculated and represented by Ssum. In addition, the cross-sectional area of the weld bottom or “weld tip” 48 is calculated and represented by S3.

[0066] As noted above, the laser welder 10 of the present invention generates welds 32 that differ from welds 66 generated by laser welders known in the prior art as illustrated, for example, in Fig. 3. To highlight these differences, several comparisons between the welds 32 generated by the laser welder 10 are provided in Figs. 3 –5, discussed below.

[0067] The weld 32 of the present invention results, at least in part, from controlling one or more of the pulse rate (or modulation rate) of the laser beam 18, the power of the laser beam 18, and the shape of the laser beam 18.

[0068] Various parameters are employed to describe the temporal waveform of a modulated laser beam. The pulse rate or modulation rate of the laser beam 18 is defined in terms of pulses per second, measured as hertz ( “Hz” ) . The pulse period, measured in seconds ( “s” ) , is the inverse of the pulse rate. The time the laser is “on” during each pulse is known as the pulse duration or pulse width, measured in seconds ( “s” ) . The duty cycle of the laser beam 18 is defined as the pulse width divided by the pulse period. Typically, the duty cycle refers to the fraction of the time that the laser beam 18 is “on. ” A duty cycle of 0.5 would indicate, therefore, that the laser beam is “on” 50%of the time and that it is “off” 50%of the time, and a duty cycle of 0.6 would indicate that the laser beam 18 is “on” 60%of the time and that it is “off” 40%of the time.

[0069] The power of the laser beam 18 is measured in Watts ( “W” ) .

[0070] The shape (or, more rigorously, the near-field spatial profile) of the laser beam 18 refers to the power distribution across the cross-section of the laser beam 18, which is typically circular. It is noted, however, that the shape of the laser beam 18 may not be circular, and the power may not be constant as a function of azimuthal or radial position.

[0071] For the present invention, the controller 14 is contemplated to control the laser beam 18 in at least one of three ways, any one of which is believed to facilitate the formation of a weld 32 that differs from the prior art weld 66.

[0072] First, the controller 14 may control the pulse rate of the laser beam 18. In particular, the controller 14 may control the laser beam 18 so that the laser beam 18 pulses at a frequency of between about 20 kHz and 350 kHz. It is noted that the pulse frequency will be selected based on one or more parameters taking into account the metal being welded, for example. To  highlight the breadth of this aspect of the present invention, the following pulse rates are contemplated to fall within the scope of the present invention: 20 kHz ± 10%, 50 kHz ± 10%, 100 ± 10%, 150 ± 10%, 200 ± 10%, 250 ± 10%, 300 ± 10%, or 350 ± 10%. Ranges for the frequencies also may be defined by these endpoints. For example, one contemplated range of frequencies is contemplated to be 50 –100 kHz ± 10%.

[0073] Second, the controller 14 may provide instructions to control the output power of the laser beam 18 to any of the following values including, but not limited to: 500 W ± 10%, 1 kW ±10%, 2 kW ± 10%, 3 kW ± 10%, 4 kW ± 10%, 5 kW ± 10%, 6 kW ± 10%, 7 kW ± 10%, 8 kW ± 10%, 9 kW ± 10%, 10 kW ± 10%, 11 kW ± 10%, 12 kW ± 10%, 13 kW ± 10%, 14 kW ±10%, 15 kW ± 10%, 16 kW ± 10%, 17 kW ± 10%, 18 kW ± 10%, 19 kW ± 10%, or 20 kW ±10%. Ranges for the output power also may be defined by these endpoints. For example, one contemplated range of output power for the laser beam 18 is contemplated to be 500 W –20 kW ± 10%.

[0074] Third, the controller 14 may provide instructions to control the output of the laser 12 so that the shape of the laser beam 18 is altered. The shape of the laser beam 18 may be circular, elliptical, linear, rectangular, triangular, donut-shaped, flat-topped-shaped, Gaussian-shaped, and / or crescent-shaped, among others.

[0075] As discussed above, the quality of the welds 32 produced by the laser welder 10 of the present invention are identifiable and / or definable using at least five variables: (1) the size of the lateral extent of the weld 32 and the consistency of the depth of the weld 32, (2) the size of the HAZ around the weld 32, (3) the stability of the melt pool (reflected in, e.g., the uniformity of the weld 32 both in width and depth) , (4) the efficiency of the weld 32 (which involves, inter alia, the ratio of the cross-sectional area of the weld bottom or “weld tip” S3 to the total cross-sectional area of the weld Ssum) , and (5) the porosity of the weld 32. These five variables are discussed in greater detail in the paragraphs that follow.

[0076] Fig. 3 provides two photomicrographs of weld cross-sections. On the left, Fig. 3 shows a prior art weld 66. On the right, Fig. 3 shows a weld 32 according to the present invention.

[0077] For convenience, the reference number 66 is used herein to refer to welds created by laser welders known in the prior art (referred to herein as “prior art welds” ) . The reference number 32 is used to refer to welds created by the laser welder 10 according to the present invention.

[0078] As noted above, one feature of the present invention is the formation of a weld 32 with a smaller lateral extent, D1 compared to the same parameter of the prior art weld 66.

[0079] In addition to the lateral extent of the weld 32, 66, it is also beneficial to compare the cross-sectional areas of the welds 68 and 70 which are the darker regions in the microphotographs of  Fig. 3. It is noted that the cross-sectional area 70 of the prior art weld 66 presents a cross-section with a width that varies with the depth. In other words, the width is not uniform from top to bottom. In contrast, the cross-sectional area 68 of the weld 32 presents a uniform width from the weld top 46 to the weld bottom 48. As such, the cross-sectional area 70 of the prior art weld 66 is larger than the cross-sectional area 68 of the weld 32 according to the present invention.

[0080] The various dimensions of the cross-sectional areas 68, 70 of the welds 32, 66 confirms this conclusion. The dimensions are provided in Table 1, below.

[0081] Table 1

[0082] The smaller cross-sectional area 68 for the weld 32 is desirable for at least four reasons. First, from a metallurgical perspective, a smaller cross-sectional area 68 suggests that the weld 32 may not have affected the metallurgical properties of the first and second plates 34, 36 as much as the prior art weld 66. Second, in many instances, it is preferred for the weld 66 to present as small a visual appearance as possible. The prior art weld 66 is much wider than the weld 32. As such, the prior art weld 66 will be more visible on the surface of the first plate 34 than the weld 32. Third, a smaller cross-sectional area 68 is desirable, because there is a smaller chance that the weld 32 might have an undesirable impact on an adjacent component. Fourth, a smaller cross-sectional area 68 permits a larger number of welds 32 to be made in a predetermined area.

[0083] The cross-sectional area 68 also may be defined and / or characterized by the U-shape of the weld 32. As should be apparent to those skilled in the art, it might be preferable, in some welding applications (for example EV battery welding) , for the weld 32 to have a uniform width 56 through the first plate 34. As such, the weld 32 preferably should be shaped so that the first dimension D1 is similar to the second dimension D2.

[0084] With continued reference to Fig. 3, a ratio of D1 / D2 is considered. A ratio of the first dimension D1 to the second dimension D2 defines the zone ratio, ZR, according to the equation: ZR = D1 / D2. As discussed above, the first dimension D1 is a width of the weld 32 at the surface 38 of the first plate 34. The second dimension D2 is a width of the weld 32 at the weld  interface 50 between the first plate 34 (the first material 34) and the second plate 36 (the second material 36) .

[0085] For the prior art weld 66, the ZR is 1.10 mm / 0.5 mm = 2.2. The ZR for the weld 32 is 0.72 mm  / 0.60 mm = 1.2, a considerably smaller value.

[0086] For purposes of the present invention, the ZR is contemplated to be around 1.0. In particular, the ZR is contemplated to be within a range of about 0.95 –1.05. This is consistent with a uniform, U-shaped weld which may be preferable for some welding applications such as EV battery welding.

[0087] A range of values also is considered for the zone ratio ZR. Specifically, the zone ratio, ZR, is contemplated to satisfy the equation ZR = D1 / D2 ± z %, where “z” is value quantifying a percentage value for a variation from the zone ratio ZR. It is contemplated that the value for z is less than 45 %. As such, the range for z is 0 –45. Specific examples for z are 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, and 45. These values also are understood to act as endpoints that define ranges for the value of z. For example, z may fall within a range of 5 –10 %, 10 –20 %, and 5 –15 %without departing from the scope of the present invention.

[0088] Weld stability has two components. First, as discussed in connection with Fig. 4, the stability of the weld 32, 66 refers to the uniformity of the weld surface width 58, defined by the first dimension D1, along the length of the weld 32, 66. This variable is discussed as “weld width stability” herein. Second, with reference to Fig. 5 and the table of Fig. 6, the stability of the weld 32, 66 refers to the uniformity of the weld depth 60 along the length of the weld 32, 66. This variable is discussed as “weld depth stability” herein.

[0089] Fig. 4 provides a photograph of three weld tracks 72, 74, 76, showing the top surface 38 of the first plate 34.

[0090] The first weld track 72 is a top view of a weld 32 according to one embodiment of the present invention. The first weld track 72 has a first average width 78 that extends from one end of the weld 32 to the other. The first weld track 72 was created using the laser welder 10 illustrated in Fig. 1, where the laser beam 18 was moving at a speed of 200 mm / s.

[0091] The second weld track 74 is a top view of a weld 32 according to another embodiment of the present invention. The second weld track 74 has a second average width 80 that extends from one end of the weld 32 to the other. The second weld track 74 was created using the laser welder 10 illustrated in Fig. 1, where the laser beam 18 was moving at a speed of 300 mm / s.

[0092] The third weld track 76 is a top view of a weld 66 made using a laser welder known in the prior art. The third weld track 76 has a third average width 82 that extends from one end of  the weld 66 to the other. The third weld track 76 was created using a prior art laser welder, where the laser beam was moving at a speed of 200 mm / s.

[0093] As noted above, one of the features of the present invention is the formation of a weld track 72, 74 that has an improved width stability by comparison with the third weld track 76 known in the prior art. The first and second weld tracks 72, 74 were created using the same set of laser source parameters (i.e., power, pulse rate, and beam shape) . It is evident from the photograph in Fig. 4 that the present invention provides a better weld stability than the prior art. When the speed of welding is increased, as indicated by the second weld track 74, the stability is further improved compared to the first weld track 72. A faster welding speed leads to higher overall productivity and decreased welding time, among other benefits.

[0094] During the brief period where the weld 32, 66 is in a liquid state, a stable melt pool will result in a stable weld 32, 66. Melt-pool instability may create several undesirable effects, including variations in the weld width 78, 80, 82 and depth, as well as spatter and porosity. As can be seen in Fig. 4, the third width 82 of the weld track 76 using prior art welding is less uniform and / or less even at the margins when compared to the first and second weld tracks 72, 74 for the welds 32 created by the laser welder 10 according to the present invention.

[0095] Here, the “width stability” is defined by the consistency of the edges of the weld track 72, 74, 76 from one end to the other. In particular, using the first and second average widths 78, 80 of the first and second weld tracks 72, 74 as a guide, the first and second widths 78, 80 are contemplated to deviate an amount that is less than or equal to 10 %from the average widths thereof. As such, if the first and second weld tracks 72, 74 have a width of 0.72 mm (as illustrated in Fig. 3, for example) , it is contemplated that the widths of the first and second weld tracks 72, 74 will be within about 10 %of the value of 0.72 mm, or 0.72 ± 0.07 mm. This translates to a range of the width for the weld tracks 72, 74 from 0.65 –0.79 mm, at least for the example provided.

[0096] For purposes of the present invention, width stability of the weld 32 is referred to as “Sw” and the average width of the weld 32 is defined as “w. ” The stability Sw of the weld 32 refers to the amount of variability in the average width w of the weld 32 as measured along a length of a track of the weld 32. For purposes of the present invention, therefore, the stability Sw of the weld 32 is contemplated to fall within a suitable range that satisfies the equation Sw ≤ w ±x %. The variable “x” is a value for the percentage variation from the average width w of the weld 32. The value of x is contemplated to be ≤ 10. As such, the width stability Sw of the weld 32 is between 0 %and 10 %of the average width, w, of the weld 32. In other contemplated embodiments, Sw ≤ w ± 9 %, Sw ≤ w ± 8 %, Sw ≤ w ± 7 %, Sw ≤ w ± 6 %,  Sw ≤ w ± 5 %, Sw ≤ w ± 4 %, Sw ≤ w ± 3 %, Sw ≤ w ± 2 %, or Sw ≤ w ± 1 %. Moreover, any of the listed values for x also are contemplated to define ranges for the percentage variance of the average width w. For example, it is contemplated that x falls within a range of 1 –9, 2 –8, 3 –7, and 4 –6.

[0097] When the third weld track 76 is compared to the first and second weld tracks 72, 74, it is apparent that the third weld track 78 has much less width stability than the first and second weld tracks 72, 74. Simply, the width of the third weld track 76, which appears to have a weld variability of about 30%, exhibits a larger variation along its length than are shown for the first and second weld tracks 72, 74.

[0098] The second weld track 74 shows a greater stability than the stability of the first weld track 72 at a higher welding speed.

[0099] For purposes of the present invention, to generate a weld track 72, 74 with a width stability Sw of Sw ≤ w ± 10 %, as discussed above, it is contemplated that the speed of the laser beam 18 may be maintained within a range of 50 mm / s–450 mm / s. Other ranges for the speed of the laser beam 18 include, but are not limited to 50 mm / s–400 mm / s, 100 –300 mm / s, 200 –400 mm / s, 250 –350 mm / s, 200 mm / s, and 300 mm / s.

[0100] As noted above, “stability” also refers to the stability of the depth of the weld 32, 66. This is referred to herein as “depth stability, ” Sd.

[0101] Fig. 5 presents two microphotographs. The first image is of a weld 32 according to the present invention that consists of a fourth weld track 86. The second image is of a prior art weld 66, also consisting of fifth weld track 84.

[0102] Of particular interest here is the weld depth 60 of the welds 32, 66. For the prior art weld 66 (the fifth weld track 84) , the four distances D3 are 0.86 mm, 0.87 mm, 0.95 mm, and 1.08 mm. Here, the average distance D3 is 0.94 mm with a standard deviation, σ (sigma) , of 0.075 mm (or 8%) . For the weld 32 (the fourth weld track 86) , the four distances D3 are 0.69 mm, 0.65 mm., 0.68 mm, and 0.66 mm. Here, the average distance D3 is 0.67 mm with a standard deviation, σ (sigma) , of 0.015 mm (or 2%) . As is apparent, there is considerably greater uniformity of the distances D3 for the weld 32 than for the prior art weld 66.

[0103] Fig. 6 is a table that compares measured depths for seven measurement points taken along a single track of a prior art weld 66 and taken along a weld 32 according to the present invention. As indicated, the average depth of the prior art weld 66 is 1.48 mm with a standard deviation, σ (sigma) , of 0.19 mm (or 13 %) . The average depth of the weld 32 is 1.54 mm with a standard deviation, σ (sigma) , of 0.09 mm (or 6 %) . These data points further confirm that the depth  stability Sd of the weld 32 is considerably improved with respect to the depth stability Sd of the prior art weld 66.

[0104] For purposes of the present invention, it is contemplated that the weld depth stability Sd, which is defined in relation of the weld depth 60 of the weld 32, will be such that the average deviation from the average weld depth fall within a range of ≤ 10 %of the average weld depth d. Other ranges include, but are not limited to 1 –7 %1 –6 %, 1 –5 %, 1 –4 %, 1 –3 %, and 1 –2 %. Common deviations are contemplated to be about 1%, 2%, or 3%, for example.

[0105] For purposes of the present invention, depth stability of the weld 32 is referred to as “Sd” and the average depth of the weld 32 is defined as “d. ” The depth stability Sd of the weld 32 refers to the amount of variability in the average depth d of the weld 32 as measured along a length of the track of the weld 32. For purposes of the present invention, the depth stability Sd of the weld 32 is contemplated to fall within a suitable range that satisfies the equation Sd ≤ d ± y %. The variable “y” is a value for the percentage variation from the average depth d of the weld 32. The value of y is contemplated to be ≤ 10. As such, the depth stability Sd of the weld 32 is between 0 %and 10 %of the average depth, d, of the weld 32. In other contemplated embodiments, Sd ≤ d ± 9 %, Sd ≤ d ± 8 %, Sd ≤ d ± 7 %, Sd ≤ d ± 6 %, Sd ≤ d ± 5 %, Sd ≤d ± 4 %, Sd ≤ d ± 3 %, Sd ≤ d ± 2 %, or Sd ≤ d ± 1 %. Moreover, any of the listed values for y also are contemplated to define ranges for the percentage variance of the average depth d. For example, it is contemplated that y falls within a range of 1 –9, 2 –8, 3 –7, and 4 –6.

[0106] As discussed above, the fourth variable that defines the parameters of the weld 32 created using the laser welder 10 of the present invention is referred to as the “energy efficiency” of the weld 32. The “energy efficiency” is measured by the ratio of the cross-sectional area of the weld bottom or “weld tip” S3 to the total cross-sectional area of the welds Ssum, 32, 66.

[0107] With renewed reference to Fig. 2, the total area (Ssum) of the cross-sectional areas may be calculated. The total area, Ssum, is calculated as the total of the three cross-sectional areas S1, S2, and S3. The first cross-sectional area S1 is the area between the weld bead surface 64 and the top surface 38. The second cross-sectional area S2 is the area between the top surface 38 and the bottom surface 40 of the first plate 34. As noted above, the bottom surface 40 of the first plate and the top surface 42 of the second plate 36 define the weld interface 50. The weld interface 50 is where the first material of the first plate 34 is disposed proximate to the second material of the second plate 36. The third cross-sectional area S3 is the area between the top surface 42 of the second plate 36 (or the weld interface 50) and the weld bottom 48. A ratio of the total area Ssum of the weld 32, 66 to the cross-sectional area S3 of the weld bottom or “weld tip” provides an indication of the energy efficiency of the weld 32, 66. Here, the total  area of the weld Ssum is compared with the area representing the penetration of the weld 32, 66 into the second plate 108. The ratio of these variables (S3 / Ssum) provides an indication as to the energy efficiency of the laser welder 10. In summary, the energy efficiency, “EE, ” is defined as EE = S3 / Ssum.

[0108] Fig. 7 is a Table providing data comparing the energy efficiency of an example of a weld 32 with that of a prior art weld 66. The energy efficiency of each weld, taken along a single track, is measured at seven positions, P1 –P7, along its length.

[0109] As is apparent from Fig. 7, the prior art weld 66 exhibited a ratio EE from 0.34 –0.39. The weld 32 produced according to the present invention exhibited a larger EE between 0.43 –0.49.

[0110] For purposes of the present invention, it is contemplated that the laser welder 10 will be operated to generate a weld with an EE in a range of 0.40 –0.50. The present invention also is contemplated to encompass a laser welder 10 that produces a weld with an EE of 0.40, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 0.49, or 0.50. These endpoint values also define ranges for the value of the energy efficiency, EE. It is contemplated that the EE may be between 0.41 –0.49, 0.42 –0.48, 0.43 –0.47, and 0.44 –0.46, for example.

[0111] As discussed above, the fifth variable that defines the parameters of the weld 32 created using the laser welder 10 of the present invention is referred to as the “porosity” of the weld 32. This variable refers to the number and size of any voids present in the weld 32.

[0112] The porosity of the weld 32 is considerably lower than that of the prior art weld 66. For the present invention, the porosity of the weld is such that there are any pores in the weld have a diameter less than or equal to 0.1 μm. Moreover, it is contemplated that the weld 32 includes less than 100 pores with diameters less or equal to than 0.1 μm in each per cubic millimeter of the material comprising the weld 32.

[0113] As discussed hereinabove, the embodiments of the present invention are exemplary only and are not intended to limit the present invention. Features from one embodiment are interchangeable with other embodiments, as should be apparent to those skilled in the art. As such, variations and equivalents of the embodiments described herein are intended to fall within the scope of the claims appended hereto.

Claims

1.A laser welder, comprising:at least one laser, wherein the at least one laser is adapted to generate a laser beam that creates a weld when directed to a workpiece, and wherein the workpiece comprises a first material in contact with a second material at an interface;a controller connected to the at least one laser, wherein the controller controls at least one of a power of the laser beam and a pulse frequency of the laser beam,wherein the pulse frequency of the laser beam is 20 kHz -350 kHz ± 10%.2.The laser welder according to claim 1, wherein the power of the laser beam is 500 W –20kW ± 10%.3.The laser welder according to claim 1, wherein the power of the laser beam is 1 kW –10kW ± 10%.4.The laser welder according to claim 1, wherein the power of the laser beam is 5 kW –10kW ± 10%.5.The laser welder according to claim 1, wherein the pulse frequency of the laser beam is 100 kHz –300 kHz ± 10%.6.The laser welder according to claim 1, wherein the pulse frequency of the laser beam is 150 kHz –250 kHz ± 10%.7.The laser welder according to claim 1, wherein the pulse frequency of the laser beam is 50 kHz –100 kHz ± 10%.8.The laser welder according to claim 1, wherein the controller controls the at least one laser to create the weld with a width stability, Sw, satisfying the equation Sw ≤ w ± x %,wherein w is the average width of the weld along a length thereof, andwherein x is a value ≤ 10.9.The laser welder according to claim 8, wherein x is a value within a range of 2 –8.10.The laser welder according to claim 8, wherein x is a value within a range of 4 –6.11.The laser welder according to claim 1, wherein the controller controls the at least one laser to create the weld with a depth stability Sd, satisfying the equation Sd ≤ d ± y %,wherein d is the average depth of the weld along a length thereof, andwherein y is a value ≤ 10.12.The laser welder according to claim 11, wherein y is a value within a range of 2 –8.13.The laser welder according to claim 11, wherein y is a value within a range of 4 –6.14.The laser welder of claim 1, wherein the controller controls the at least one laser to create the weld having a zone ratio, ZR, satisfying the equation ZR = D1 / D2 ± z %,wherein D1 is a first width of the weld at a surface of the first material,wherein D2 is a second width of the weld at the interface between the first material and the second material, andwherein z is a value less than 45.15.The laser welder according to claim 14, wherein z is a value within a range of 5 –15.16.The laser welder according to claim 14, wherein z is a value within a range of 5 –10.17.The laser welder according to claim 1, wherein the controller controls the at least one laser to create the weld having an energy efficiency, EE, satisfying the equation EE =Ssum / S3,wherein Ssum is a sum of a first cross-sectional area S1, a second cross-sectional area S2, and a third cross-sectional area S3 of the weld,wherein the first cross-sectional area, S1, is an area of the weld between a weld bead surface and a surface of the first material,wherein the second cross-sectional area, S2, is an area of the weld between the surface of the first material and the weld interface,wherein the third cross-sectional area, S3, is an area of the weld between the weld interface and a weld bottom, andwherein EE is within a range of 0.40 –0.50.18.The laser welder according to claim 17, wherein EE is a value within a range of 0.42 –0.48.19.The laser welder according to claim 17, wherein EE is a value within a range of 0.44 –0.46.20.The laser welder according to claim 1, wherein the controller controls the at least one laser to create the weld having a porosity where pores in the weld have a diameter less than or equal to 0.1 μm.21.The laser welder according to claim 20, wherein each cubic millimeter of the weld includes fewer than 100 pores with diameters less than or equal to 0.1 μm.

Images