전기 자동차 생산이 확대됨에 따라 배터리 팩 용접 수율을 개선해야 할 필요성이 계속 증가하고 있습니다. 배터리 모듈과 트레이에는 수백 개의 셀이 포함될 수 있으며, 각각 여러 번의 용접이 필요하기 때문입니다. 이러한 규모에서는 작은 결함 수준이라도 허용할 수 없는 불량률과 폐기 및 재작업으로 인한 상당한 자원 손실을 초래할 수 있습니다.
많은 제조업체가 여전히 품질을 보장하기 위해 기존의 레이저 용접 모니터링(LWM) 도구에 의존하고 있습니다. 하지만 이러한 시스템은 용접을 직접 측정하거나 정확하게 측정하지 못하는 경우가 많습니다. 이로 인해 품질 보증 프로세스에 불확실성이 발생하여 불량품이 출고되는 것을 방지하지 못하는 동시에 불량률이 높아집니다.
이 문제를 해결하고 전 세계 배터리 제조 역량을 지속적으로 발전시키기 위해 IPG 포토닉스는 온더플라이(OTF) 용접과 자체 특허를 받은 실시간 인라인 레이저 용접 측정 시스템을 결합했습니다. 이러한 기술을 함께 사용하면 비용 효율적이고 처리량이 많은 배터리 생산에 필요한 속도와 정확한 용접 검증에 필요한 측정 기능을 제공할 수 있습니다. 이러한 통합 접근 방식을 통해 공정 속도를 늦추지 않고도 수율을 높이고 불량품을 줄이며 용접 무결성에 대한 확신을 높일 수 있습니다.
이 강력한 배터리 용접 솔루션의 개발 이면에 있는 고려 사항, 동인 및 과제에 대해 알아보세요.
작은 용접이 큰 결과를 초래합니다
셀 제조, 셀과 셀 및 셀과 버스바 연결, 모듈 및 팩 통합, 심지어 구조 인클로저 제작 등 배터리 생산의 거의 모든 단계에서 용접이 필요합니다. 레이저 빔 용접(LBW)은 이러한 많은 용접을 위한 다목적이며 비용 효율적인 도구로 이미 입증되었습니다.
배터리 생산의 후기 단계에서는 일반적으로 전도 용접이 아닌 키홀 용접을 통해 LBW를 수행합니다. 그 이유는 키홀 용접이 전도 용접보다 더 깊은 침투, 낮은 열 입력, 더 높은 결합 효율, 더 작은 열 영향 영역(HAZ)을 제공하기 때문입니다. 이러한 특성은 이러한 애플리케이션의 요구 사항에 더 적합합니다.
특히 개별 셀 단자를 콜렉터 플레이트 또는 버스바에 연결할 때 배터리 연결의 키홀 LBW는 특히 중요한 생산 단계입니다.
셀과 버스바 연결에는 일반적으로 두께가 1mm 미만인 얇은 재료가 사용됩니다. 따라서 용접 공정은 과소 침투와 과잉 침투 모두에 매우 민감합니다. 특히, 과소 침투는 전도성이 낮은 접촉을 초래할 수 있고, 과잉 침투는 셀을 손상시켜 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다. 따라서 불량 용접은 제품 품질에 큰 영향을 미칩니다.
또 다른 문제는 모듈에는 일반적으로 수백 개의 용접이 필요하다는 것입니다(각 배터리당 최소 2개, 팩당 수십 또는 수백 개의 배터리를 곱한 수). 즉, 10,000개 중 1개 정도의 낮은 결함률로 인해 모듈 또는 배터리 레벨에서 잦은 고장이 발생할 수 있습니다.
컬렉터 플레이트 용접은 이미 배터리에 상당한 가치가 내장된 후 제조 공정 후반부에 이루어지기 때문에 위험성이 더욱 커집니다. 따라서 이 단계에서 실패하면 완전히 조립된 고가의 부품을 폐기하거나 최소한 재작업해야 하는 경우가 많습니다. 따라서 정확하고 시기적절한 용접 검증은 품질뿐만 아니라 운영 및 경제성을 위해서도 필수적입니다.
기존 레이저 용접 모니터링의 한계
배터리 제조업체는 레이저 용접의 품질을 보장하기 위해 오랫동안 다양한 도구를 사용해 왔습니다. 이러한 LWM 기술에는 광학 방출 분광법(OES), 음향/초음파 모니터링, 적외선(IR) 및 열화상, 기타 다양한 백색광 비전 시스템 등이 있습니다.
이러한 모든 방법의 문제점은 가장 중요한 매개 변수인 침투 깊이를 직접 측정하지 못한다는 것입니다. 전통적으로 유일하게 정확한 측정 방법은 용접 단면을 보기 위해 완성된 부품을 절단해야 합니다. 이는 매우 유익할 수 있지만 생산 과정에서 널리 적용되지 않는 파괴적인 테스트입니다.
대신 제조업체는 이러한 LWM 기법 중 하나로 수집한 데이터를 통계적 수단을 사용하여 이상적인 용접 참조 표준과 비교해야 합니다. 그러나 기존 데이터 세트에 대한 이러한 의존은 본질적으로 여기에 포함된 가정에 의해 제한됩니다. 입고되는 어셈블리의 차이와 같이 공정에 미묘한 변화가 있는 경우 도출된 결과가 부정확할 수 있습니다. 무엇보다도, 많은 방법이 과도한 침투를 적극적으로 식별하지 못하고 상당수의 잘못된 실패를 보고하는 경우가 많습니다.
이러한 LWM 도구의 한계는 배터리 용접에서 불량률이 고집스럽게 높은 주요 원인입니다. 심지어 일부 제조업체는 이 문제를 보완하기 위해 교체 가능한 배터리 모듈을 설계하기도 했습니다. 하지만 전기차 제조업체들이 프레임 일체형 배터리 팩으로 전환하고 있는 상황에서 이것이 항상 최적의 전략은 아닙니다.
실제 측정(용접 측정)
인라인 코히어런트 이미징(ICI)은 기존 LWM 기술의 한계를 해결하기 위해 특별히 개발되었습니다. 이 기술은 현재 IPG 포토닉스의 일부인 Laser Depth Dynamics가 발명하고 특허를 획득했습니다(북미 지역). 우리는 ICI 기반 직접 레이저 용접 측정 기술을 LDD라고 부릅니다.
LDD는 용접 빔과 동일한 광학 장치를 통해 전달되는 저출력 근적외선 측정 빔을 사용합니다. LDD 빔은 용접 빔과 동축으로 연결되어 있기 때문에 측정 및 공정 빔이 공작물에 근접하여 닿습니다. 거울처럼 작동하는 금속 공작물은 LDD 광의 일부를 광학장치로 반사합니다. 이 반사된 빛은 간섭 측정을 통해 반사 표면까지의 거리를 정확하게 측정하는 데 사용됩니다.
키홀 LBW를 사용하는 동안 LDD 빔은 해당 캐비티로 향하고 바닥에서 반사됩니다. 이를 통해 일반적으로 수 미크론 이내의 정확도로 키홀 깊이를 직접 측정할 수 있습니다. 중요한 점은 LDD가 단일 모드 레이저로 생성되는 좁은 종횡비 키홀도 측정할 수 있다는 점입니다. 이 모든 것이 열, 용접 연기 또는 소리와 같은 프록시 신호를 사용하여 용접 영역에서 실제로 일어나는 일을 대략적으로 추정하는 다른 용접 모니터링 방법과 LDD를 차별화합니다.
LDD 광학장치 자체에는 프로세스 빔과 독립적으로 측정 빔을 빠르게 이동할 수 있는 갈보 스캐너도 포함되어 있습니다. 일반적인 인라인 용접 측정 애플리케이션의 경우, LDD 빔은 프로세스 빔을 약간 따라가며 키홀 깊이를 지속적으로 모니터링하도록 설정됩니다. 그러나 깊이 기준을 유지하기 위해 공작물의 상단 표면으로 향하게 할 수도 있습니다.
LDD 측정 빔을 스캔하면 키홀 깊이 외에 다른 중요한 용접 파라미터를 측정할 수 있습니다. 여기에는 재료 높이, 심 위치, 마감(세로) 용접 심 높이 및 가로 용접 프로파일이 포함됩니다.
결과적으로 LDD를 통해 제조업체는 통계적 모니터링에서 직접 측정으로 전환할 수 있습니다. 모든 용접을 실시간으로 개별적으로 검증할 수 있는 기능을 제공합니다.
이는 비용과 품질에 막대한 영향을 미칠 수 있으며, 이미 많은 배터리 제조업체에서 LDD 기술을 사용하고 있는 것으로 입증되었습니다. 과소 침투 용접은 발생 즉시 식별되며 즉각적인 또는 후속 재작업을 위해 플래그를 지정할 수 있습니다. 과도하게 침투한 용접도 확인할 수 있습니다. 따라서 허위 스크랩 문제가 사실상 제거됩니다. 이를 통해 제조업체는 부품에 더 많은 가치를 부여하기 전에 부품을 통과시킬지 폐기할지 즉시 결정할 수 있습니다.
OTF + LDD의 결합: 속도와 품질의 만남
온더플라이(OTF) LBW 는 이미 제조업체에 상당한 이점을 제공한 또 다른 중요한 기술적 이정표입니다. OTF LBW에서는 레이저 스캐닝 시스템에서 생성된 빔의 움직임이 실제 부품의 움직임과 긴밀하게 동기화됩니다.
OTF는 스캐닝 시스템을 멈춰야 하는 빈도를 크게 줄여 공정 속도를 크게 향상시킵니다. 또한 스캐닝 시스템이 대부분 시야의 중앙에서 작동할 수 있습니다. 이는 초점 빔의 광학적 왜곡을 최소화하여 보다 안정적인 용접을 생성하기 때문에 유리합니다.
OTF 용접의 최종적인 이점은 효율성 향상, 처리량 증가, 정밀도 향상, 신뢰성 향상, 운영 유연성 향상 등입니다. OTF는 다음과 같은 다른 유익한 LBW 기술과도 호환됩니다. 듀얼 빔 레이저.
그러나 OTF만으로는 배터리 모듈의 높은 처리량 LBW를 위한 솔루션의 절반에 불과합니다. 특히 OTF는 속도를 향상시키지만 용접 품질을 반드시 보장하지는 않습니다. 이것이 바로 LDD가 필요한 이유입니다.
제조업체는 OTF+LDD를 함께 사용하면 더 이상 속도와 품질을 맞바꿀 필요가 없습니다. LDD는 최대 공정 속도로 용접 깊이를 실시간으로 확인하여 OTF를 보완합니다. 또한 재작업 전략도 가능합니다. 과소 침투된 용접은 플래그를 지정하고 수정할 수 있으며, 과잉 침투 이벤트는 필요에 따라 추적할 수 있습니다. 그 결과 더 빠르고, 더 안정적이며, 더 제어 가능한 공정이 탄생합니다. 이는 곧 수율 향상, 불량품 감소, 예측 가능한 생산 결과로 직결됩니다.
솔루션 엔지니어링
LDD와 OTF를 결합하면 분명한 이점이 있지만, 이 두 기술을 통합하는 실용적이고 안정적인 시스템을 구축하는 것은 어려운 작업이었습니다. 한 가지 주요 문제는 측정 빔과 용접 빔 사이의 정렬을 약 5µm 이내로 유지해야 한다는 것입니다.
여기서 문제는 용접 빔이 지속적으로 방향을 바꾼다는 것입니다. 예를 들어 최종 용접이 단순한 원형 경로인 경우 기존(고정식) 용접 스캐너는 해당 원만 추적하면 됩니다. 그러나 OTF에서는 부품 또는 광학 장치가 연속적으로 움직이기 때문에 보정을 위해 빔이 더 복잡한 경로를 따라야 합니다. 그리고 이 복잡한 경로는 실시간으로 계산되어야 합니다.
또한 LDD 빔은 키홀 내부의 용접 빔 바로 뒤에 위치해야 합니다. 하지만 빔의 이동 방향이 계속 바뀌기 때문에 '뒤쪽'을 구성하는 방향도 계속 바뀝니다. LDD 시스템은 빔이 초당 최대 1m의 속도로 부품 표면 위로 이동하는 동안 이 모든 것을 실시간으로 계산해야 합니다.
LDD를 생산 속도에 맞춰 OTF와 함께 작동하게 만드는 것은 기성 부품과 소프트웨어의 몇 가지 조정만으로 달성할 수 있는 일이 아니었습니다. 광학, 모션 제어, 빔 전달 구성 요소는 물론 열역학 및 툴링에 대한 깊은 이해가 필요했습니다.
IPG는 이 시스템의 전체 기술 스택을 자체적으로 설계하고 제조하기 때문에 이 솔루션을 엔지니어링할 수 있는 독보적인 위치에 있습니다. 당사는 파이버 레이저는 물론 스캐닝 헤드, 모션 시스템, 제어 소프트웨어, LDD 시스템 자체도 생산합니다. 또한 이러한 구성 요소와 기술을 많은 턴키 및 맞춤형 하위 시스템, 전체 시스템 및 생산 라인에 구축하고 통합합니다.
이러한 수직적 통합은 고유한 레이저 솔루션을 개발할 때 두 가지 주요 이점을 제공합니다. 첫째, 솔루션을 찾기 전에 문제를 완전히 이해하고 특성을 파악하는 데 필요한 경험을 보유하고 있습니다. 둘째, 솔루션을 효과적으로 구현하는 데 필요한 모든 시스템 구성 요소에 대한 개발 리소스와 엔지니어링 제어를 보유하고 있습니다.
이러한 기능을 통해 IPG 설계자들은 생산 속도에 맞춰 고품질 LDD 데이터를 수집하고 OTF + LDD가 라인에서 안정적으로 작동하는 데 필요한 수준의 정밀도로 빔 조향을 동기화하는 솔루션을 개발할 수 있었습니다. 또한 열, 진동, 오염, 마모에도 불구하고 시간이 지나도 정밀도를 유지하는 데 필요한 보정 루틴, 보정 알고리즘, 지원 도구도 개발했습니다.
하지만 그것만으로는 충분하지 않습니다. 프로덕션 환경에서는 레이저 시스템 내부뿐만 아니라 주변 환경에 따라 성능이 크게 좌우됩니다. 그렇기 때문에 고정 장치, 클램핑 및 툴링도 공급합니다.
예를 들어, 컬렉터 플레이트가 항상 셀 단자와 완벽하게 같은 높이에 있는 것은 아닙니다. 버스바가 항상 딱딱한 것은 아닙니다. 두 부품 사이의 간격은 용접 부위마다 조금씩 다를 수 있습니다. 이것이 현실이며, 저희 시스템은 이를 수용하도록 설계되었습니다. 일관된 접촉을 보장하는 스프링 장착 툴링, 미크론 수준의 반복성을 갖춘 갠트리 시스템, 열 드리프트를 보정하는 자동 빔 정렬 절차 등 당사는 부품뿐 아니라 완벽한 솔루션을 구축합니다.
레이저 솔루션 시작하기
즉석 용접 및 실시간 레이저 용접 측정과 같은 IPG 기술은 생산성이 높은 레이저 용접 솔루션에 사용되는 핵심 구성 요소입니다. IPG 레이저 솔루션이 귀사의 작업에 어떤 이점을 제공할 수 있는지 자세히 알고 싶으신가요?
시작 방법은 간단합니다. 샘플 부품을 보내거나 글로벌 애플리케이션 연구소를 방문하거나 애플리케이션에 대해 알려주시기만 하면 됩니다.
