배터리 제조업체가 계약을 성사 시키는데 일조하는 Coherent HighLight 파이버 레이저
ARM(조정 가능한 링 모드) 파이버 레이저는 고속 스캐너와 갠트리 타입 각형 배터리 캔-캡(can-to-cap) 용접 시스템 모두에 작업 유연성을 제공합니다.
2022년 6월 6일, Coherent
전기 자동차(EV)의 성능 향상 및 비용 절감을 위한 노력의 대부분은 배터리 기술 개선에 집중되어 있습니다. 사실상 이 과정에서 배터리 설계 및 생산의 모든 측면이 재고됩니다. 예를 들어 일부 그룹에서는 새로운 배터리 화학을 탐구하고 있습니다. 목표는 저장 용량, 재충전 속도 및 수명을 개선하고 소스에 문제가 있거나 환경에 유해한 재료를 배제하는 데 있습니다.
그 밖의 노력은 배터리 제조 기술에 집중됩니다. 구체적으로 말하면 제작 비용(특히 생산 주기 시간 단축)을 낮추는 동시에 신뢰성을 높이는 방법 및 재료 개발에 주력합니다. 각형 배터리 셀의 캔-캡(Can-to-Cap) 용접은 이러한 노력의 대표적인 예이며 최근 Coherent의 레이저 용접 기술 개발을 통해 상당한 이점을 제공합니다.
배터리 용접 통제의 어려움
캔-캡(can-to-cap) 용접은 특히 배터리의 모든 전극 구조가 들어 있는 케이싱(캔)의 덮개를 밀봉하는 과정을 말합니다. 이러한 밀봉은 내부 부품이 캔에 조립된 후에 수행됩니다. 이 작업은 생산 주기가 거의 끝나갈 무렵(즉, 대부분의 값비싼 요소가 어셈블리에 구축된 후)에 이루어지기 때문에 이 단계에서 부품을 폐기하기 하는 것은 엄청난 비용을 발생시킵니다.
밀봉 작업은 상당히 긴 연속적인 용접이 요구됩니다. 전형적인 각형 배터리는 너비가 약 20mm이고 길이가 300mm이며 전체 배터리 둘레를 돌아가며 용접하게 됩니다. 제조업체가 용접 공정을 통해 달성하고자 하는 주요 사항은 다음과 같습니다.
- 원래 부품들이 완벽하게 또는 일관되게 서로 맞지 않더라도(특히 모서리에서) 전체 용접부를 따라 틈이 없는 완전 밀봉
- 진동 및 기계적 충격을 받은 경우에도 균열이 발생하지 않고 배터리 수명을 유지할 수 있을 정도로 용접 깊이가 적절하고 용접 공극률이 낮음
- 특히 전기적 단락이 발생할 수 있는 있는 배터리 내부에서 스패터가 생기지 않는 금속(알루미늄은 낮은 온도에서 녹고 용융풀은 기포를 형성할 수 있기 때문에 용접 시 특히 스패터가 문제가 됨)
- 배터리에 입열을 제한하여 내부 부품 손상 방지
파이버 레이저는 이러한 모든 요구 사항을 충족할 수 있으며 이미 각형 배터리 캔-캡(can-to-cap) 용접을 위한 우수한 생산 도구로 인정받았습니다. 가장 일반적인 구현에서 빔 초점 광학은 원하는 용접 심의 모양을 따라가기 위해 "갠트리"에서 움직입니다.
이 갠트리 접근 방식은 매우 정밀한 기계적 정렬과 고도로 일관된 용접을 제공합니다. 레이저 빔이 항상 정확한 위치와 동일한 각도에서 작업물에 닿기 때문에 가능합니다. 문제는 각형 배터리에 필요한 비교적 긴 용접심 위로 광학(또는 배터리)을 움직이면 갠트리 시스템이 느려진다는 것입니다. 이렇게 느려진 속도는 더 높은 생산 비용으로 직결됩니다.
강력한 출력 제어
스캐너 미러를 사용하여 무중력 레이저 빔만 움직여서 각형 배터리를 훨씬 빠르게 용접할 수 있습니다. 하지만 이것은 몇 가지 문제를 야기합니다. 첫째, 빔은 시야의 한계에 접근함에 따라 기하학적으로 왜곡되어 원형에서 타원형으로 바뀝니다. 이 부품들의 크기가 크기 때문에 특히 캔의 모서리와 끝 부분에서 문제가 발생합니다. 둘째, 이러한 빔 왜곡은 모서리에서의 스캔 방향 변경과 결합되어 고객의 품질 요구 사항을 충족하지 못하는 용접심이 형성되는 결과를 초래할 수 있습니다. 또한 부품에 대한 빔 크기와 입사각이 바뀌면 작업 표면의 출력 밀도가 변경되므로 용접 방식에 영향을 미칩니다.
실제로 Coherent가 ARM(조정 가능한 링 모드) 파이버 레이저 기술을 도입하기 전까지는 이러한 모든 요소를 완전히 보정할 수 있는 방법이 없었습니다. Coherent의 HighLight ARM 파이버 레이저 제품군에서, 빔은 단지 전통적인 단일 스폿이 아니라 주위에 레이저 광의 또 다른 동심원 링이 있는 중앙 스폿입니다. 따라서 매우 빠른 시간 간격으로 중앙 스폿과 링 스폿의 출력을 독립적으로 제어할 수 있습니다. 이를 통해 용접 중에 레이저 에너지가 공간적으로 분포되는 방법을 정확하게 동적으로 제어할 수 있습니다.
다시 말해 ARM 레이저를 사용하면 스캐너의 스캔 필드의 외측 한계에 접근할 때 스폿이 왜곡되는 방식을 보정할 수 있습니다. 특히, 중앙 빔과 링 빔의 출력비를 즉시 변경하여 스폿이 길어지게 된 경우에도 이 ARM 레이저는 동일한 용접 결과를 일관되게 제공할 수 있습니다. 또한 스캐너 속도 변경에 맞춰 수정할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 전체 출력(및 출력비)을 바꿀 수 있습니다. 이렇게 할 수 있는 이유는 빔이 용접심의 모서리에 들어올 때는 속도가 느려지고 모서리에서 나올 때는 속도가 다시 빨라지기 때문입니다. 게다가 이러한 출력 변조는 업계 최고의 능동형 폐쇄 루프 제어 하에서 수행되므로 높은 공정 안정성, 일관성 및 재현성을 보장합니다.
ARM 레이저를 사용하면 또한 용접심 너비와 용입 깊이를 독립적으로 제어할 수 있습니다. 이렇게 하면 부품 가접(틈 너비)에 대한 엄격한 허용 오차를 유지할 필요가 없습니다. 그리고 이러한 허용 오차를 낮추면 생산 비용이 절감됩니다. 또한 HAZ(열 영향부)를 최소화하고 고속 스캔(350mm/s 이상)을 가능하게 하며 넓은 스캔 필드를 포함할 수 있습니다.
이러한 모든 기능을 통해 각형 배터리의 파이버 레이저 용접을 위한 속도와 품질 간의 일반적인 상충 관계를 극복하고 대량 생산에 적합하도록 스캐너 용접 시스템을 비용 효율적인 고성능 방식으로 운영할 수 있습니다. 이와 같은 동일한 기능 덕분에 Coherent HighLight ARM 파이버 레이저는 전통적인 갠트리 타입 용접 시스템을 위한 옵션으로도 적합합니다.
Coherent가 제공하는 완전한 용접 솔루션
오늘날의 최신 배터리 기가팩토리에서는 새로운 장비를 신속하게 온라인으로 전환하는 것이 용접 공정 자체만큼이나 어렵습니다. 쉽게 구현할 수 있도록 배터리 캔-캡(can-to-cap) 용접에 Coherent HighLight ARM 레이저만 사용하는 것보다 더 많은 것을 지원받을 수 있습니다. HIGHmotion 2D 또는 RLSK 스캐너 및 비전 시스템 HIGHvision과 결합하여 용접 애플리케이션을 위한 완벽한 통합 솔루션을 제공합니다. 또한 주요 공급업체의 스캐너 시스템도 호환됩니다.
Coherent Labs 팀은 용접 시스템을 구성하고 공정 레시피 개발도 지원할 수 있습니다. Coherent를 단일 연락 창구로 만들어 레이저 용접 공정을 쉽고 빠르며 간편하게 설계, 사용 및 유지 관리하십시오.
Coherent가 높은 처리량과 품질 모두를 제공하는 각형 배터리 캔-캡(can-to-cap) 용접을 위한 용접 솔루션을 지원하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.
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