최근 몇 년 동안 신에너지 산업의 급속한 발전에 힘입어 레이저 용접은 빠르고 안정적인 장점 덕분에 신에너지 산업 전반에 빠르게 확산되었습니다. 그중에서도 레이저 용접 장비는 신에너지 산업 전체에서 가장 높은 비중을 차지하고 있습니다.
레이저 용접빠른 속도, 깊은 용접 깊이, 그리고 작은 변형 덕분에 모든 분야에서 빠르게 최고의 선택으로 자리 잡았습니다. 점 용접부터 맞대기 용접, 적층 용접, 밀봉 용접에 이르기까지,레이저 용접탁월한 정밀도와 제어력을 제공합니다. 군수 산업, 의료, 항공우주, 3C 자동차 부품, 기계 판금, 신에너지 등 산업 생산 및 제조 분야에서 중요한 역할을 합니다.
다른 용접 기술과 비교했을 때, 레이저 용접은 고유한 장점과 단점을 가지고 있습니다.
이점:
1. 빠른 속도, 깊은 심도, 작은 변형.
2. 용접은 상온 또는 특수 조건에서 수행할 수 있으며 용접 장비가 간단합니다. 예를 들어, 레이저 빔은 전자기장 내에서 휘어지지 않습니다. 레이저는 진공, 공기 또는 특정 가스 환경에서 용접할 수 있으며, 유리나 레이저 빔에 투명한 재료를 관통하여 용접할 수 있습니다.
3. 티타늄이나 석영과 같은 내화 재료를 용접할 수 있으며, 서로 다른 재료도 우수한 결과로 용접할 수 있습니다.
4. 레이저가 집속되면 출력 밀도가 높아집니다. 종횡비는 5:1에 도달할 수 있으며, 고출력 장치를 용접할 때는 최대 10:1까지 도달할 수 있습니다.
5. 마이크로 용접이 가능합니다. 레이저 빔을 집속하면 작은 점을 얻을 수 있고, 이를 정밀하게 위치시킬 수 있습니다. 마이크로 및 소형 공작물의 조립 및 용접에 적용하여 자동화된 대량 생산을 실현할 수 있습니다.
6. 접근하기 어려운 부위를 용접할 수 있고, 비접촉 장거리 용접이 가능하여 유연성이 뛰어납니다. 특히 최근에는 YAG 레이저 가공 기술에 광섬유 전송 기술이 도입되면서 레이저 용접 기술이 더욱 널리 보급되고 적용되고 있습니다.
7. 레이저 빔은 시간과 공간적으로 쉽게 분할할 수 있으며, 여러 위치에서 동시에 여러 개의 빔을 처리할 수 있어 더욱 정밀한 용접 조건을 제공합니다.
결함:
1. 가공물의 조립 정밀도가 높아야 하며, 가공물 상의 레이저 빔 위치가 크게 벗어나서는 안 됩니다. 이는 집속 후 레이저 빔의 크기가 작아 용접 이음매가 좁아 용가재를 추가하기 어렵기 때문입니다. 가공물의 조립 정밀도 또는 레이저 빔의 위치 정밀도가 요구 조건을 충족하지 못하면 용접 불량이 발생하기 쉽습니다.
2. 레이저 및 관련 시스템의 비용이 높고, 초기 투자 비용이 많이 듭니다.
레이저 용접 시 흔히 발생하는 결함리튬 배터리 제조 분야에서
1. 용접 기공
일반적인 결함레이저 용접기공이 발생합니다. 용접 용융 풀은 깊고 좁습니다. 레이저 용접 과정에서 질소가 외부에서 용융 풀로 침투합니다. 금속의 냉각 및 응고 과정에서 질소의 용해도는 온도가 낮아짐에 따라 감소합니다. 용융 풀 금속이 냉각되어 결정화가 시작될 때, 용해도는 급격하게 떨어집니다. 이때 다량의 가스가 석출되어 기포를 형성합니다. 기포의 부유 속도가 금속의 결정화 속도보다 느리면 기공이 발생합니다.
리튬 배터리 산업에서 양극 용접 시에는 기공이 발생할 가능성이 특히 높지만, 음극 용접 시에는 거의 발생하지 않습니다. 이는 양극은 알루미늄으로, 음극은 구리로 만들어지기 때문입니다. 용접 과정에서 표면의 액체 알루미늄이 내부 가스가 완전히 넘쳐흐르기 전에 응축되어 가스가 넘쳐흐르면서 크고 작은 구멍이나 미세 기공이 형성되는 것을 방지합니다.
위에서 언급한 기공 발생 원인 외에도 외부 공기, 습기, 표면 오일 등이 기공 형성에 영향을 미칩니다. 또한 질소 분사 방향과 각도도 기공 형성에 영향을 미칩니다.
용접 기공 발생을 줄이는 방법은 무엇일까요?
첫째, 전에용접입고되는 자재 표면의 기름때와 불순물은 적시에 제거해야 합니다. 리튬 배터리 생산에서 입고 자재 검사는 필수적인 공정입니다.
둘째, 보호 가스 유량은 용접 속도, 출력, 위치 등의 요소를 고려하여 조절해야 하며, 너무 많거나 너무 적지 않도록 해야 합니다. 보호막 압력은 레이저 출력 및 초점 위치 등의 요소를 고려하여 조절해야 하며, 너무 높거나 너무 낮지 않도록 해야 합니다. 보호막 노즐의 형상은 용접 부위의 형상, 방향 등의 요소를 고려하여 보호막이 용접 영역을 고르게 덮을 수 있도록 조정해야 합니다.
셋째, 작업장의 온도, 습도 및 공기 중 먼지를 제어해야 합니다. 주변 온도와 습도는 기판 표면과 보호 가스의 수분 함량에 영향을 미치고, 이는 다시 용융 풀 내 수증기 발생 및 배출에 영향을 줍니다. 주변 온도와 습도가 너무 높으면 기판 표면과 보호 가스에 수분이 과다하게 존재하여 많은 양의 수증기가 발생하고 기공이 생깁니다. 반대로 주변 온도와 습도가 너무 낮으면 기판 표면과 보호 가스에 수분이 부족하여 수증기 발생이 줄어들고 기공도 줄어듭니다. 품질 관리 담당자가 용접 작업대에서 온도, 습도 및 먼지의 목표값을 측정하도록 해야 합니다.
넷째, 레이저 심층 용접에서 기공을 줄이거나 제거하기 위해 빔 스윙 방식을 사용합니다. 용접 중 스윙을 추가하면 용접부에 대한 빔의 왕복 운동으로 인해 용접부 일부가 반복적으로 재용융되어 용접 풀 내 액체 금속의 체류 시간이 연장됩니다. 동시에 빔의 편향은 단위 면적당 열 입력량을 증가시킵니다. 용접부의 깊이 대 폭 비율이 감소하여 기포 발생이 용이해지고, 결과적으로 기공이 제거됩니다. 또한, 빔 스윙으로 인해 미세 기공도 함께 스윙하면서 용접 풀에 교반력을 제공하고, 용접 풀의 대류 및 교반을 증가시켜 기공 제거에 도움이 됩니다.
다섯째, 펄스 주파수입니다. 펄스 주파수는 단위 시간당 레이저 빔에서 방출되는 펄스 수를 말하며, 용융 풀의 열 입력 및 열 축적에 영향을 미치고, 결과적으로 용융 풀의 온도 분포 및 유동 분포에 영향을 줍니다. 펄스 주파수가 너무 높으면 용융 풀에 과도한 열이 입력되어 용융 풀의 온도가 너무 높아지고, 고온에서 휘발성인 금속 증기 또는 기타 원소가 생성되어 기공이 발생할 수 있습니다. 반대로 펄스 주파수가 너무 낮으면 용융 풀의 열 축적이 불충분하여 용융 풀의 온도가 너무 낮아지고, 가스의 용해 및 배출이 줄어들어 기공이 발생할 수 있습니다. 일반적으로 펄스 주파수는 기판 두께와 레이저 출력에 따라 적절한 범위 내에서 선택해야 하며, 너무 높거나 낮지 않도록 해야 합니다.
용접 구멍(레이저 용접)
2. 용접 스패터
레이저 용접 과정에서 발생하는 스패터는 용접면의 품질에 심각한 영향을 미치고, 렌즈를 오염 및 손상시킵니다. 일반적인 현상은 다음과 같습니다. 레이저 용접이 완료되면 재료 또는 공작물 표면에 많은 금속 입자가 나타나고 달라붙습니다. 가장 직관적인 현상은 검류계 모드에서 용접할 때, 검류계 보호 렌즈를 일정 기간 사용하면 표면에 촘촘한 구멍이 생기는 것인데, 이 구멍은 용접 스패터로 인해 발생합니다. 장기간 사용 시 스패터가 빛을 차단하여 용접광에 문제가 발생하고, 용접 불량이나 가상 용접과 같은 일련의 문제로 이어질 수 있습니다.
물 튀김의 원인은 무엇인가요?
첫째, 출력 밀도가 높을수록 비산 발생이 쉬워지며, 비산은 출력 밀도와 직접적인 관련이 있습니다. 이는 100년이 넘는 세월 동안 업계의 골칫거리였습니다. 적어도 지금까지 업계는 비산 문제를 완전히 해결하지 못했고, 단지 약간 줄인 수준에 그쳤습니다. 리튬 배터리 업계에서 비산은 배터리 단락의 가장 큰 원인이지만, 근본적인 원인을 해결하지 못했습니다. 비산이 배터리에 미치는 영향은 보호 차원에서만 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 용접 부위 주변에 먼지 제거구와 보호 덮개를 설치하고, 에어 나이프를 원형으로 배치하여 비산의 충격이나 배터리 손상을 방지합니다. 용접 작업대 주변의 환경, 제품 및 부품을 파괴하는 것은 이미 한계에 다다른 것으로 볼 수 있습니다.
스패터 문제 해결에 관해서는 용접 에너지를 줄이는 것이 스패터 감소에 도움이 된다는 점만 말씀드릴 수 있겠습니다. 용입 깊이가 충분하지 않을 경우 용접 속도를 줄이는 것도 도움이 될 수 있지만, 일부 특수 공정 요구 사항에서는 효과가 미미합니다. 동일한 공정이라도 장비와 재료 배치에 따라 용접 결과가 완전히 달라질 수 있습니다. 따라서 신에너지 산업에서는 장비마다 용접 매개변수를 다르게 설정해야 한다는 불문율이 존재합니다.
둘째, 가공 대상 재료나 공작물의 표면이 깨끗하지 않으면 기름때나 오염물질이 튀어 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 이때 가장 쉬운 해결책은 가공 대상 재료의 표면을 깨끗하게 닦는 것입니다.
3. 레이저 용접의 높은 반사율
일반적으로 높은 반사율은 가공 재료의 저항이 작고 표면이 비교적 매끄러우며 근적외선 레이저에 대한 흡수율이 낮아 레이저 방출량이 많아지는 현상을 말합니다. 대부분의 레이저는 수직 또는 약간의 경사로 사용되기 때문에 반사된 레이저 광이 출력 헤드로 다시 들어가고, 심지어 반사된 빛의 일부는 에너지 전송 광섬유에 결합되어 광섬유를 따라 레이저 내부로 다시 전달되어 레이저 내부의 핵심 부품이 지속적으로 고온 상태를 유지하게 됩니다.
레이저 용접 중 반사율이 너무 높을 경우 다음과 같은 해결책을 취할 수 있습니다.
3.1 반사 방지 코팅을 사용하거나 재료 표면을 처리하십시오: 용접 재료 표면에 반사 방지 코팅을 하면 레이저 반사율을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이 코팅은 일반적으로 레이저 에너지를 반사하는 대신 흡수하는 저반사율 특수 광학 재료입니다. 전류 수집기 용접, 연질 연결 등의 일부 공정에서는 표면을 엠보싱 처리할 수도 있습니다.
3.2 용접 각도 조정: 용접 각도를 조정하면 레이저 빔이 용접 재료에 더욱 적절한 각도로 입사되어 반사를 줄일 수 있습니다. 일반적으로 레이저 빔이 용접할 재료 표면에 수직으로 입사하도록 하는 것이 반사를 줄이는 좋은 방법입니다.
3.3 보조 흡수제 첨가: 용접 과정에서 분말 또는 액체 형태의 보조 흡수제를 일정량 용접부에 첨가합니다. 이러한 흡수제는 레이저 에너지를 흡수하여 반사율을 감소시킵니다. 적절한 흡수제는 용접 재료 및 적용 시나리오에 따라 선택해야 합니다. 리튬 배터리 산업에서는 이러한 경우가 드물 것으로 예상됩니다.
3.4 광섬유를 이용한 레이저 전송: 가능하면 광섬유를 사용하여 레이저를 용접 위치로 전송함으로써 반사율을 줄일 수 있습니다. 광섬유는 레이저 빔을 용접 부위로 유도하여 용접 재료 표면에 직접 노출되는 것을 방지하고 반사 발생을 줄일 수 있습니다.
3.5 레이저 매개변수 조정: 레이저 출력, 초점 거리, 초점 직경 등의 매개변수를 조정하여 레이저 에너지 분포를 제어하고 반사를 줄일 수 있습니다. 일부 반사성 재료의 경우 레이저 출력을 낮추는 것이 반사를 줄이는 효과적인 방법이 될 수 있습니다.
3.6 빔 분할기 사용: 빔 분할기는 레이저 에너지의 일부를 흡수 장치로 유도하여 반사를 줄일 수 있습니다. 빔 분할 장치는 일반적으로 광학 부품과 흡수체로 구성되며, 적절한 부품을 선택하고 장치 배치를 조정함으로써 반사율을 낮출 수 있습니다.
4. 언더컷 용접
리튬 배터리 제조 공정에서 언더커팅이 발생할 가능성이 가장 높은 공정은 무엇일까요? 언더커팅은 왜 발생하는 것일까요? 이를 분석해 보겠습니다.
언더컷은 일반적으로 용접 원자재가 서로 잘 접합되지 않아 틈이 너무 크거나 홈이 생기는 것을 말하며, 깊이와 너비가 기본적으로 0.5mm 이상이고 전체 길이가 용접 길이의 10% 이상이거나 제품 공정 표준에서 요구하는 길이보다 큰 경우를 의미합니다.
리튬 배터리 제조 공정 전반에서 언더컷 현상은 발생하기 쉬운데, 특히 원통형 커버 플레이트의 밀봉 예비 용접 및 용접 부위와 사각형 알루미늄 쉘 커버 플레이트의 밀봉 예비 용접 및 용접 부위에서 주로 발생합니다. 주요 원인은 밀봉 커버 플레이트가 쉘과 용접되어야 하는데, 이 접합 과정에서 용접 틈, 홈, 함몰 등이 과도하게 발생하기 쉬워 언더컷이 발생하기 쉽다는 점입니다.
그렇다면 가격 인하를 유발하는 원인은 무엇일까요?
용접 속도가 너무 빠르면 용접부 중앙을 향하는 작은 구멍 뒤쪽의 용융 금속이 재분포될 시간이 부족하여 응고되고 용접부 양쪽에 언더컷이 발생합니다. 이러한 상황을 고려하여 용접 매개변수를 최적화해야 합니다. 간단히 말하면, 다양한 매개변수를 검증하기 위해 반복 실험을 수행하고 적절한 매개변수를 찾을 때까지 실험계획법(DOE)을 계속 진행하는 것입니다.
2. 용접 부위에 과도한 용접 틈, 홈, 함몰 등이 발생하면 용융 금속이 틈을 채우는 양이 줄어들어 언더컷 발생 가능성이 높아집니다. 이는 장비 및 원자재와 관련된 문제입니다. 용접 원자재가 공정의 투입 요건을 충족하는지, 장비의 정밀도가 요구 사항을 충족하는지 등을 확인해야 합니다. 일반적으로는 공급업체와 장비 담당자를 지속적으로 점검하고 평가하는 것이 중요합니다.
3. 레이저 용접 말기에 에너지가 너무 빨리 감소하면 작은 구멍이 무너져 국부적인 언더컷이 발생할 수 있습니다. 출력과 속도를 적절히 조절하면 언더컷 발생을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 옛말처럼, 실험을 반복하고 다양한 매개변수를 검증하며 최적의 매개변수를 찾을 때까지 실험계획법(DOE)을 계속해야 합니다.
5. 용접부 붕괴
용접 속도가 느리면 용융 풀이 더 크고 넓어져 용융 금속의 양이 증가합니다. 이로 인해 표면 장력을 유지하기 어려워질 수 있습니다. 용융 금속이 너무 무거워지면 용접부 중앙이 가라앉아 움푹 패인 곳이나 구멍이 생길 수 있습니다. 이러한 경우 용융 풀 붕괴를 방지하기 위해 에너지 밀도를 적절히 낮춰야 합니다.
또 다른 경우에는 용접 틈이 천공 없이 단순히 함몰되는 현상이 발생합니다. 이는 장비의 압입 조립 문제임이 분명합니다.
레이저 용접 중 발생할 수 있는 결함과 다양한 결함의 원인을 제대로 이해하면 비정상적인 용접 문제를 해결하기 위한 보다 효과적인 접근 방식을 취할 수 있습니다.
6. 용접 균열
연속 레이저 용접 중에 발생하는 균열은 주로 결정 균열 및 액상화 균열과 같은 열 균열입니다. 이러한 균열의 주요 원인은 용접 부위가 완전히 응고되기 전에 발생하는 큰 수축력입니다.
레이저 용접 시 균열이 발생하는 데에는 다음과 같은 이유도 있습니다.
1. 부적절한 용접 설계: 용접부의 형상 및 크기 설계가 부적절하면 용접 응력이 집중되어 균열이 발생할 수 있습니다. 해결책은 용접 응력 집중을 방지하기 위해 용접 설계를 최적화하는 것입니다. 적절한 오프셋 용접을 사용하거나 용접 형상을 변경하는 등의 방법을 사용할 수 있습니다.
2. 용접 매개변수의 불일치: 용접 속도가 너무 빠르거나 출력이 너무 높은 등 용접 매개변수를 부적절하게 선택하면 용접 부위의 온도 변화가 불균일해져 용접 응력이 커지고 균열이 발생할 수 있습니다. 해결책은 용접 재료와 용접 조건에 맞게 용접 매개변수를 조정하는 것입니다.
3. 용접면 준비 불량: 용접 전 산화물, 기름때 등을 제거하는 등 용접면을 제대로 세척 및 전처리하지 않으면 용접 품질과 강도가 저하되고 균열이 발생하기 쉽습니다. 해결책은 용접면을 충분히 세척 및 전처리하여 용접 부위의 불순물과 오염 물질을 효과적으로 제거하는 것입니다.
4. 용접 열 입력 제어 불량: 용접 중 열 입력 제어가 제대로 되지 않으면(예: 용접 중 과도한 온도, 용접층의 부적절한 냉각 속도 등) 용접 부위의 구조 변화가 발생하여 균열이 생길 수 있습니다. 해결책은 용접 중 온도와 냉각 속도를 제어하여 과열 및 급속 냉각을 방지하는 것입니다.
5. 불충분한 응력 제거: 용접 후 응력 제거 처리가 불충분하면 용접 부위에 응력이 제대로 제거되지 않아 균열이 발생하기 쉽습니다. 해결책은 용접 후 열처리 또는 진동 처리와 같은 적절한 응력 제거 처리를 수행하는 것입니다(주요 원인).
리튬 배터리 제조 공정 중 어떤 공정에서 균열이 발생할 가능성이 더 높습니까?
일반적으로 균열은 원통형 강철 쉘이나 알루미늄 쉘의 밀봉 용접, 사각형 알루미늄 쉘의 밀봉 용접 등과 같은 밀봉 용접 과정에서 발생하기 쉽습니다. 또한 모듈 패키징 공정 중 전류 집전체의 용접 부위에서도 균열이 발생하기 쉽습니다.
물론, 이러한 균열을 줄이거나 없애기 위해 용접봉을 사용하거나 예열하는 등의 다른 방법도 사용할 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 9월 1일
