서론
배터리 전기차(BEV)의 핵심 부품인 배터리 팩의 성능 향상을 위해 다양한 레이저 고용량 배터리 팩이 개발되고 있습니다. 이러한 배터리 팩은 주행 거리를 늘리고 전반적인 주행 성능을 향상시키는 데 기여합니다. 특히, 레이저 용접 버스바는 배터리 셀 간의 기계적 및 전기적 연결을 담당하며 외부 충격과 열 부하로부터 보호하는 중요한 역할을 합니다. AA1050 알루미늄 합금은 저비용과 가벼운 무게로 인해 버스바 제작에 널리 사용되고 있습니다.
레이저 연구 목적
이 논문은 원격 레이저 용접(RLW) 과정에서 초점 위치 오프셋이 AA1050 배터리 버스바 조립의 접합 무결성에 미치는 영향을 연구하고자 합니다. 용접 실험은 레이저 빔 진동을 통합하여 다양한 초점 위치 오프셋에서 수행되었습니다. 초점 위치 오프셋의 영향은 용접 형상, 열 프로파일, 용접 기공 및 기계적 강도 등의 여러 접합 지표를 통해 평가되었습니다.
레이저 용접이란?
레이저 용접은 고출력 레이저 빔을 사용하여 금속이나 기타 재료를 결합하는 공정입니다. 비접촉 방식으로 고속, 정밀 용접이 가능하며, 열 변형이 적어 얇은 금속판이나 복잡한 형상의 용접에 적합합니다. 특히 자동차, 항공우주, 전자기기 등 다양한 산업에서 활용됩니다. 또한, 원격 제어가 가능하여 자동화 시스템과 결합해 생산 효율을 높일 수 있습니다. 레이저 용접은 높은 용접 품질과 강도를 제공하여 산업 전반에서 중요한 기술로 자리잡고 있습니다.
배터리 버스바란?
배터리 버스바는 배터리 셀 간의 전기적 연결을 담당하는 중요한 구성 요소입니다. 주로 알루미늄이나 구리로 제작되며, 배터리 팩 내에서 전류를 효율적으로 분배하고 전달합니다. 버스바는 높은 전기 전도성과 기계적 강도를 제공하여 배터리 시스템의 성능과 안전성을 향상시킵니다. 또한, 경량화와 비용 절감을 위해 알루미늄 버스바가 선호됩니다. 전기차, 에너지 저장 시스템 등 다양한 응용 분야에서 배터리 버스바의 중요성이 커지고 있습니다.
실험 방법
용접 절차
6kW 다이오드 레이저를 사용하여 AA1050-H111(1.5mm 두께)과 AA1050-H14(2mm 두께) 시트로 구성된 오버랩 L-조인트 구성에서 용접이 수행되었습니다. 실험은 두 단계로 진행되었습니다:
- 빔 진동 주파수의 사전 선택: 진동 주파수를 50Hz에서 300Hz까지 변화시키며 최적의 주파수를 선정하였습니다.
- 초점 위치 오프셋의 영향 연구: 첫 번째 단계에서 선정된 주파수로 초점 위치 오프셋을 다양하게 변화시키며 실험을 수행하였습니다.
열 측정
열 측정은 FLIR® A655sc IR 카메라를 사용하여 진행되었습니다. 카메라는 용접 부위 근처의 온도 분포를 기록하여 배터리 셀과 셀 캐리어에 가해지는 열 영향을 평가했습니다.
용접부의 거시적 및 미세적 특성 평가
용접 깊이(DE)와 인터페이스 폭(WE)은 광학 현미경을 사용하여 평가되었습니다. 또한, 3D X-레이 CT를 통해 용접 기공의 분포를 분석했습니다.
기계적 특성 평가
ISO 6892-1:2016 표준에 따라 인장 박리 시험을 수행하여 접합 강도를 평가하였습니다.
결과 및 논의
빔 진동 주파수의 사전 선택
주파수가 증가함에 따라 용접 기공의 전체 부피는 50Hz에서 200Hz까지 증가하다가 300Hz에서 다시 감소하는 경향을 보였습니다. 이는 열적 및 기계적 효과의 상호작용으로 인한 결과로, 진동 주파수가 증가하면 용접 풀의 흐름이 촉진되어 기공 형성이 줄어드는 것으로 나타났습니다.
초점 위치 오프셋의 영향
초점 위치 오프셋이 증가함에 따라 레이저 빔의 크기가 커지며 입력 전력 밀도가 감소하여 용접 형상이 얕아지고 좁아지는 경향을 보였습니다. 특히, -2mm에서 1mm 사이의 초점 위치 오프셋이 접합 무결성을 만족시키는 것으로 나타났습니다.
용접 형상 및 기공 분포
초점 위치 오프셋이 음수일 때 용접 형상이 더 깊고 넓어지는 경향을 보였습니다. 이는 레이저 빔이 몰튼 풀과 상호작용하는 방식에 따른 것으로, 음수 오프셋에서는 몰튼 풀의 표면이 더 안정화되어 열이 유지되기 때문입니다.
용접부의 기계적 특성
인장 박리 시험 결과, 접합 강도는 용접 인터페이스 폭(WE)에 따라 달라졌으며, 용접 기공이 접합 강도에 미치는 영향은 제한적인 것으로 나타났습니다.
결론
이번 연구는 AA1050 배터리 버스바 조립 시 원격 레이저 용접에서 초점 위치 오프셋이 접합 무결성에 미치는 영향을 체계적으로 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었습니다:
- 레이저 빔의 디포커싱은 피크 온도와 용접 기공을 줄이는 데 유리하지만, 3mm 이상의 디포커싱은 접합 무결성이 60% 감소하고 접합 강도가 40% 손실될 수 있습니다.
- 초점 위치의 허용 오차 범위는 -2mm에서 +1mm로, 이는 레일리 길이의 약 70%와 30%에 해당합니다. 부품 허용 오차, 부품 간 간격 및 부품 위치 오류가 이 범위를 초과하면 정밀한 초점 위치 제어를 위해 모터 구동 콜리메이터를 사용하는 것이 권장됩니다.
- 용접 영역 근처의 피크 온도는 용접 깊이, 인터페이스 폭, 기공 및 인장 강도와 좋은 상관관계를 보여, 열 측정이 접합 무결성의 인라인 모니터링에 유망한 접근 방식임을 시사합니다.
이번 연구는 원격 레이저 용접 공정에서 초점 위치 오프셋을 최적화하여 접합 무결성과 기계적 성능을 향상시키는 데 중요한 참고 자료가 될 것입니다.