전기차 배터리 모듈 제조업체는 시스템 성능을 향상시켜야 한다는 지속적인 압박에 직면해 있습니다. - 특히 주행 거리를 늘리고 충전 시간을 단축하는 동시에 생산 비용을 낮춰야 한다는 압박을 지속적으로 받고 있습니다. 이러한 가격 압박으로 인해 제조업체는 현재 가장 경제적인 배터리 폼 팩터인 각형 셀을 선호하는 경우가 많습니다. 안타깝게도 각형 전지는 일반적으로 원통형 전지에 비해 성능이 낮기 때문에 시스템 설계자는 여전히 절반의 문제만 해결한 채로 남게 됩니다.
부스바의 단면을 늘려 전기 저항을 줄임으로써 프리즘 설계에서 충전 및 방전 속도를 개선할 수 있습니다. 하지만 부스바가 두꺼워지면 특히 용접에 새로운 문제가 발생합니다. 특히 부스바-단자 접합에 전통적으로 사용되는 레이저는 부품 손상 가능성을 높이는 과도한 열을 가하지 않고는 필요한 깊숙한 침투를 달성하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.
이제 두 가지 기술이 이러한 문제를 극복하여 대량 생산에 필요한 속도, 신뢰성 및 수율을 유지하면서 더 두꺼운 버스바를 비용 효율적으로 용접할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술 중 첫 번째는 듀얼 빔 파이버 레이저 용접입니다. 두 번째는 광학 일관성 단층 촬영(OCT)을 사용한 실시간 공정 중 용접 측정 및 검증입니다.
여기서는 이러한 각 툴이 차세대 고급 EV 배터리 모듈 제조를 어떻게 지원하는지 알아보겠습니다.
듀얼 빔 레이저 용접
듀얼 빔 기술은 최근 몇 년간 레이저 가공 분야에서 가장 중요한 발전 중 하나입니다. 특히 구리, 알루미늄과 같이 반사율이 높은 금속과 까다로운 이종 재료 조합의 안정적인 키홀 용접을 가능하게 하는 e-모빌리티 제조 분야에서 그 영향력이 두드러집니다. 이러한 재료는 기존의 단일 빔 파이버 레이저로 용접할 때 스패터, 다공성 및 일관되지 않은 침투 깊이를 경험하는 경우가 많습니다.
가장 널리 사용되고 효과적인 형태의 듀얼 빔 기술은 중앙의 원형 '코어 빔'이 동심원형 환형 '링 빔'으로 둘러싸여 있는 것이 특징입니다. 각각의 출력을 독립적으로 조정할 수 있습니다. - 전체 0%~100% 범위에서 독립적으로 조정할 수 있습니다.
듀얼 빔 레이저 용접의 작동 원리
이 구성의 이점을 이해하려면 안정적인 레이저 키홀 용접을 위해서는 용융 금속 내에서 두 가지 상반되는 힘의 균형을 적절히 맞춰야 한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.
압력: 첫 번째 힘은 키홀을 열고 유지하는 압력입니다. 이 압력은 레이저가 표면을 가열하고 기화된 금속이 팽창할 때 생성됩니다.
표면 장력: 두 번째는 용융 금속의 표면 장력과 점력이 결합하여 열쇠 구멍을 닫는 작용을 합니다.
이 두 가지 상반되는 힘의 균형이 깨지면 키홀이 진동하거나, 붕괴하거나, 가스를 가두거나, 용융 금속을 배출할 수 있습니다.
듀얼 빔 레이저 용접에서는 코어 빔이 용접 키홀을 시작하고 유지하면서 링 빔이 용접 풀을 안정화합니다. 특히 링 빔은 코어 주변의 재료를 부드럽게 예열하고 녹입니다. 이렇게 하면 온도 구배가 완화되고 증기가 안정적으로 배출되어 스패터, 붕괴 또는 기타 불안정성을 유발하는 압력 스파이크가 줄어듭니다. 이러한 방식으로 힘의 균형이 유지됩니다.
열쇠구멍 주변을 녹인 상태로 유지하면 재료가 다시 그 안으로 흘러 들어갈 수 있습니다. 그러면 재료가 고형화되기 전에 더 고르게 퍼질 수 있습니다. 또한 링 빔에서 가열하면 냉각 및 응고 속도가 느려져 알루미늄의 뜨거운 균열을 방지할 수 있습니다.
링 빔 사전 용융은 또한 구리의 적외선 흡수를 증가시켜 공정 효율을 높이고 안정성을 더욱 향상시킵니다.
이러한 효과는 스패터를 거의 없애고, 일관된 침투력을 제공하며, 우수한 기계적 강도로 더 매끄러운 접합부를 생성합니다. 또한 듀얼 빔 레이저는 단일 빔 시스템보다 최대 10배 빠른 용접 속도로 이를 달성합니다.
단일 모드 레이저로 정밀도 달성하기
듀얼 빔 레이저는 총 출력 전력, 링 대 코어 크기 비율, 전체 빔 크기 등 다양한 조합으로 제공됩니다. 보편적인 "최상의" 구성은 없습니다. - 항상 그렇듯이 최적의 레이저 파라미터는 특정 재료와 공정 요건에 따라 달라집니다.
두꺼운 부스바(2mm 이상)를 용접하는 경우 전기 저항을 최소화하기 위해 크고 일정한 용접 단면과 함께 깊은 침투를 달성하는 것이 중요합니다. 이를 달성하기 위한 몇 가지 접근 방식이 있습니다.
첫 번째는 멀티 모드 코어 빔이 있는 고출력 듀얼 빔 레이저를 사용하는 것입니다. 이 구성을 사용하면 비교적 넓은 용접 영역에 많은 양의 레이저 에너지를 빠르게 전달할 수 있습니다.
이 방법의 장점은 속도입니다. 큰 단면의 용접을 매우 빠르게 생성합니다.
단점은 이 모든 에너지를 너무 빠르게 전달하면 상당한 크기의 열 영향 구역(HAZ)이 생긴다는 것입니다. 이로 인해 주변의 열에 민감한 부품이나 구조물(예: 단말기 뒤의 플라스틱 부품)이 손상될 가능성이 높아집니다.
두 번째 접근 방식은 저출력 단일 모드(TEM00) 코어 빔이 있는 듀얼 빔 레이저를 사용하는 것입니다. 총 출력은 낮지만 빔 품질이 높기 때문에 중앙 빔을 훨씬 더 작은 지점에 집중시킬 수 있습니다. 따라서 일반적으로 멀티 모드 빔으로 얻을 수 있는 것보다 더 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있습니다.
에너지 밀도가 높은 빔은 동일한 총 출력의 낮은 에너지 밀도 빔에 비해 더 깊은 투과를 달성합니다. 또한 단일 모드 레이저의 빔 프로파일은 멀티 모드 레이저보다 본질적으로 시간이 지나도 일관성이 유지되므로 키홀 제어와 공정 일관성이 향상됩니다.
그 결과 단일 모드 코어 빔이 있는 듀얼 빔 레이저는 구리 및 알루미늄과 같이 반사율이 높은 금속에서도 신속하게 용접을 시작할 수 있습니다. 동시에 필요한 용접 관통 깊이를 빠르게 달성합니다. 더 많은 레이저 에너지가 재료를 가열하는 대신 용접에 사용되기 때문에 HAZ를 최소화합니다.
단일 모드 센터 빔의 또 다른 미묘한 장점도 있습니다. 더 나은 모드 품질(M²)은 레이레이 범위가 증가한다는 의미입니다. 이는 초점 빔이 거의 일정한 스팟 크기를 유지하는 거리입니다.
빔 크기가 초점 지점 위아래로 크게 변하지 않기 때문에 용접 공정은 재료 높이나 두께의 변화에 훨씬 덜 민감해집니다. 즉, 공정의 내성이 높아지고 공정 창이 더 넓어집니다. 이는 실제 생산 용접 환경에서 수율에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
마지막으로, 이러한 모든 이점은 레이저 모드 품질에 따라 확장된다는 점에 유의해야 합니다. M²가 감소하면(빔 품질이 향상됨을 의미) 이러한 모든 이점이 더욱 뚜렷해집니다.
물론 단일 모드 코어 빔을 사용한 용접에는 단점이 있습니다. 이렇게 하면 용접 이음새가 좁아져 전체 용접 단면을 충분히 크게 만들기 위해 용접 시간이 더 오래 걸립니다. 일반적으로 이는 나선형과 같은 패턴을 용접하거나 하나의 긴 직선 용접이 아닌 여러 개의 좁은 간격으로 짧은 용접을 수행하여 달성합니다.
따라서 공정 속도와 용접 품질에는 분명한 절충점이 있습니다. 멀티 모드 레이저 용접은 더 빠르지만 더 큰 HAZ를 발생시킵니다. 단일 모드 레이저 용접은 주어진 단면을 용접하는 데 시간이 더 오래 걸리지만 HAZ를 최소화하고 용접 접합 품질을 극대화합니다.
용접 품질 보증 우선 순위 지정
전기차 배터리 모듈에는 수백 개의 개별 용접부가 있을 수 있습니다. 하나의 연결 결함으로 인해 내부 저항이 증가하거나 팩 성능이 저하되거나 심지어 안전 위험이 발생할 수 있습니다. 즉, 결함률이 10,000개 중 1개에 불과해도 모듈 수준의 고장이 빈번하게 발생할 수 있습니다. 따라서 신뢰성이 높은 레이저 용접 시스템을 사용하는 경우에도 인라인 검증이 필수적입니다.
전통적으로 대부분의 용접 모니터링 시스템은 용융 풀에서 방출되는 빛을 감지하는 포토다이오드 센서와 용접부 위의 플라즈마 기둥을 사용했습니다. 그런 다음 이러한 신호는 알려진 양호한 용접의 저장된 참조 데이터와 통계적으로 비교됩니다. 이 방법은 일반적인 공정 변화를 파악할 수 있지만, 실제로 용접 자체를 측정하지는 않습니다. - 방출된 빛이 과거 평균과 어떻게 다른지만 측정할 수 있습니다.
또한 신호는 실제 용접 형상이 아닌 수집된 빛에 의존하기 때문에 관련 없는 요인에 쉽게 영향을 받습니다. 표면 반사율, 빔 정렬 또는 초점 위치의 변화는 모두 반환되는 빛의 양을 변화시키고 잘못된 판독을 유발할 수 있습니다. 설상가상으로, 투과율 부족과 과잉 투과가 거의 동일한 방출 프로파일을 생성하는 경우가 많습니다. 이러한 모호성으로 인해 불필요한 폐기물과 재작업이 발생하고 실제 용접 품질에 대한 불확실성이 지속될 수 있습니다.
광학 일관성 단층 촬영(OCT) 은 실제 용접 깊이를 직접 측정할 수 있도록 개발되었습니다. OCT는 용접 레이저와 동일한 광학 장치를 통해 투사되는 저전력 근적외선 측정 빔을 사용합니다. 따라서 항상 공정 빔과 완벽하게 정렬되고 동축 상태를 유지합니다.
OCT 광원의 빛이 키홀로 들어와 다시 반사됩니다. 간섭계는 반사 표면까지의 거리를 구하는 데 사용됩니다. - 이 경우 키홀의 바닥까지 거리를 구하는 데 사용됩니다.
이 반사를 지속적으로 모니터링하여 미크론 수준의 정밀도로 키홀 깊이를 실시간으로 측정합니다. 용접 플룸 밝기나 온도에 의존하지 않고 일관된 간섭을 통해 감지하기 때문에 OCT는 표면 상태, 재료 반사율 또는 빔 파워의 변화에 영향을 받지 않습니다.
OCT는 단일 모드 코어 빔 용접에 특히 유용합니다. 대부분의 광학 시스템으로는 접근하기 어려운 깊고 좁은 고종횡비 키홀을 생성합니다. 그러나 OCT는 폭이 수십 미크론에 불과한 키홀도 쉽게 프로빙할 수 있습니다. 따라서 깊이 제어가 중요한 두꺼운 버스바의 침투를 측정하는 데 매우 적합합니다.
OCT 계측의 빠른 속도를 통해 제조업체는 수행된 모든 용접을 실시간으로 검증할 수 있습니다. 침투 부족 또는 초과와 같은 조건을 즉시 식별하고 플래그를 지정할 수 있습니다..
대량 전기차 배터리 생산의 경우, 이는 처리량 증가, 수율 향상, 모든 버스바 연결이 사양에 맞게 이루어졌다는 확신을 훨씬 더 높일 수 있음을 의미합니다. 또한 저장된 측정 데이터는 더 높은 수준의 추적을 가능하게 합니다.
레이저 솔루션 시작하기
듀얼 빔 파이버 레이저와 실시간 인라인 OCT 용접 깊이 측정을 함께 사용하면 두꺼운 부스바를 안정적이고 비용 효율적으로 용접할 수 있습니다. IPG 포토닉스는 이러한 기술을 결합하여 특정 용접 애플리케이션에 최적의 솔루션을 제공할 수 있는 독보적인 역량을 갖추고 있습니다.
이는 당사가 가장 다양한 듀얼 빔 파이버 레이저를 제공하고 자체 OCT 기반 레이저 용접 측정 도구를 구축 및 통합하고 있기 때문입니다. 이를 통해 일관되게 높은 데이터 품질, 안정성 및 운영 신뢰성을 보장합니다.
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