EV용 레이저 가공의 재창조
기존 원격 용접 시스템의 성능을 능가하는 Coherent ARM 파이버 레이저와 SmartWeld+는 아무리 까다로운 EV 배터리 제조 과제도 해결할 수 있습니다.
2024년 7월 24일, Coherent
EV에 대한 수요로 인해 자동차 제조업체는 더 높은 수준의 제조 정밀도에 도달하기 위한 경쟁에 뛰어 들게 되었습니다.
물론 고정밀 제조에 대한 추세는 자동차가 점점 더 복잡해지고 정교해짐에 따라 수십 년 동안 이어져 왔습니다. 레이저는 이러한 변화 과정에서 언제나 핵심적인 역할을 했습니다. 오늘날 레이저는 연료 분사기 노즐용 소형 정밀 구멍 뚫기, 고급 강철 합금 용접 및 자동 변속기 기어 용접과 같은 까다로운 공정에 일상적으로 사용합니다.
대개 이러한 공정을 수행하려면 새로운 방법이 필요했습니다. 하지만 어떤 경우에는 기존 레이저 기반 시스템으로 요건을 충족할 수 없었고, 완전히 새로운 기술이 필요했습니다.
현재 한창 진행되고 있는 까다로운 EV 제조 작업, 특히 배터리 자체를 만드는 작업에 있어서도 똑같은 상황입니다. 여러 단계에서 매우 얇고 열에 민감한 소재를 처리해야 하기 때문입니다. 그리고 이 공정의 경제적 타당성을 보장하려면 속도와 수율이 높아야 합니다. 지금까지의 레이저 기반 도구는 이 모든 요건을 충족할 수 없었습니다.
Coherent는 까다로운 EV 배터리 조립 작업 요건을 충족하기 위해 특별히 설계된 차세대 제품을 개발한 최초의 레이저 서브시스템 제조업체입니다. 특히, ARM 파이버 레이저와 SmartWeld+ 가공 헤드는 생산 단계를 줄이고, 파우치 및 프리즘 셀 배터리 조립에 관련된 가장 중요한 일부 작업의 결과를 개선할 수 있습니다.
포일 절단 및 용접
대표적인 응용 사례는 얇은 알루미늄 및 구리 포일 스택(전극 스택)을 트리밍한 다음 이를 배터리 "탭"에 연결하는 것입니다. 탭은 전극 소재에서 배터리 외부로 확장되는 전도성 단자입니다.
제조업체마다 이 공정을 다르게 구현합니다. 가장 일반적인 방법은 초음파 용접(보통 스택 또는 사전 용접이라 부름)을 이용해 조립된 포일 스택을 함께 고정하는 방식으로 시작됩니다. 이렇게 하면 포일이 충분히 잘 고정되어 후속 처리를 할 수 있는 기계적으로 안정적인 상태가 유지됩니다. 하지만 이것이 조립의 최종 용접 단계는 아닙니다.
그 다음에는 포일 스택의 가장자리를 기계식 블레이드로 트리밍해야 합니다. 스택을 트리밍하는 작업은 여러 가지 중요한 기능을 합니다. 가장자리에 불규칙한 부분이 없게 하고 정확한 치수로 균일하게 만듭니다. 이렇게 하면 더 쉽고 일정한 배터리 조립이 가능합니다. 트리밍은 산화와 같이 가장자리의 오염 물질도 제거하여 후속 단계 결과를 개선합니다.
절단 및 스택 용접 후, 포일 스택은 필요 시 옮겨도 될 정도로 견고해집니다. 일반적으로 다음 단계에서는 다른 도구로 옮겨지며 여기서 탭에 용접됩니다. 여러 제조업체가 이 단계에서 초음파 또는 레이저 용접을 사용합니다.
안타깝게도 이 접근 방식에는 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 초음파 스택 용접은 항상 강한 결합을 만들지 못하며, 무엇보다도 스택을 완전히 침투하는 결합을 만들지 못한다는 점이 중요합니다. 이로 인해 스택을 옮길 때 분리되거나 손상되기 쉽습니다.
초음파 스택 용접에서 사용 가능한 포일의 총 수도 제한됩니다. 이는 배터리 에너지 저장 용량이 포일 수에 따라 증가하기 때문에 중요합니다. 따라서 배터리 제조업체가 자유롭게 포일 수를 늘릴 수 있어야 합니다.
초음파 용접에는 또한 실질적인 한계가 존재합니다. 필요한 도구가 빠르게 마모되어 자주 교체해야 합니다. 이는 생산 작업 중단을 의미합니다.
초음파 용접과 레이저 용접은 모두 포일-탭 접합 문제도 있습니다. 다시 말해서 초음파 용접의 경우 침투 깊이에 제한이 있고 따라서 포일의 수도 제한됩니다.
포일-탭 용접 시에는 균열과 "마이크로 네킹"으로 인해 문제가 생길 수 있습니다. 포일이 더 얇아진 국소 영역이 생길 수 있습니다. 이는 일반적으로 용접 공정 중에 생성된 인장 응력이 재료를 늘어나게 만들기 때문에 발생합니다. 하지만 포일은 이 응력에 반응하여 전체 너비에 걸쳐 균일하게 변형될 만큼 늘릴 수는 없습니다.
네킹은 재료에 기계적으로 약한 영역을 생성하여 이후에 파손되거나 추가 변형을 일으킬 수 있는 심각한 문제입니다. 포일의 단면적 감소는 또한 전기 저항을 증가시켜, 배터리 충전 및 방전 특성을 변화시킬 수 있습니다.
혁신적인 접근 방법
이 응용 분야에서 초음파 및 기존 파이버 레이저 용접의 한계를 극복하려면 레이저 전력이 공정에 전달되는 방식, 즉 전력이 공간적으로 분배되는 방식과 시간에 따라 달라지는 방식을 더 수준 높게 제어해야 합니다. 필요한 제어 수준은 주로 자동차 차체 또는 파워트레인 구성 요소와 같이 더 크고 두꺼운 부품을 용접하기 위해 설계된 기존 원격 레이저 시스템으로 완수할 수 있는 수준을 넘어섭니다.
Coherent SmartWeld+는 이러한 수준의 제어와 정밀성을 제공하기 위해 특별히 설계되었습니다. 그리고 가변 링 모드 파이버 레이저와 페어링하면 최대한 활용할 수 있습니다. 이는 SmartWeld+가 다양한 "빔 워블"(빠른 진동) 패턴을 구현하여, 초점이 맞춰진 레이저 스폿보다 훨씬 더 넓은 영역에 레이저 에너지를 분배하고 필요에 따라 전력을 공간적으로 변경하기 때문입니다. 그리고 ARM 빔 자체 내의 전력 분배가 동적으로 변경되어, 레이저 에너지가 작업 표면에 증착되는 전반적인 방식을 더욱 미세 조정할 수 있습니다.
이 조합의 다른 주요 특성은 빠르다는 것입니다. SmartWeld+는 작고 낮은 관성의 거울을 활용합니다. 이 거울은 시야가 좁지만 기존 레이저 용접 헤드보다 훨씬 빠르게(최대 10배) 움직입니다. 여기에 더해 ARM 레이저는 빠르게 변조될 수 있습니다. 센터 빔과 링 빔을 모두 독립적으로 변조할 수 있습니다. 그리고 이 변조는 스캔 거울 동작과 매우 정확하게 동기화될 수 있습니다. 이런 장점이 조합되면 이전에는 가능하지 않았던 레이저 전력 공급에 대한 일정 수준의 공간적 및 시간적 제어가 가능합니다.
개선된 배터리 용접
SmartWeld+의 속도상의 이점은 스택 용접에 유리하게 작용할 수 있으며, 절단 및 용접 작업을 하나의 공정으로 결합할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 일반적으로 Coherent HighLight FL과 같은 단일 모드 파이버 레이저와 페어링됩니다. 이러한 적용은 HighLight FL-ARM으로 달성할 수 있는 제어를 요구하지 않지만, 스캐너 이동과 레이저 전력 변조 간의 뛰어난 동기화를 요구합니다.
SmartWeld+는 프로세스를 수행하기 위해 포일 전체에 레이저 빔을 여러 번 빠르게 스캔합니다. 동시에 절단하고 용접합니다. 이렇게 하면 별도의 프로세스 단계를 없애 시간을 절약할 수 있습니다. 그리고 레이저 용접은 초음파 용접보다 튼튼합니다. 이렇게 하면 포일 스택을 더 쉽게 처리하여 전체적인 제조 수율을 개선할 수 있습니다.
Coherent SmartWeld+와 ARM 파이버 레이저는 단일 작업으로 스택 절단 및 용접을 수행할 수 있습니다. 전체 포일 스택과 균일하게 절단된 가장자리를 확실하게 용접하여 연결합니다(좌측: 포일 스택, 우측: 레이저 절단 가장자리).
포일-탭 용접은 까다로운 공정이며, 결과를 최적화하려면 SmartWeld+를 멀티 kW 단일 모드 ARM 레이저(HighLight FL4000CSM-ARM)와 조합해야 합니다. 이 경우, Coherent 연구소 응용 팀은 레이저 빔을 바로 머리 위가 아닌 경사진 각도로 스택 가장자리에 초점을 맞추는 혁신적이고 특허 받은 솔루션을 개발했습니다. 그런 다음 SmartWeld+가 빔을 스택과 탭의 전체 두께를 덮도록 빠르게 진동시킵니다. ARM 빔의 전체 레이저 출력과 출력 분배는 이 빔 동작과 동기화되어 변화됩니다. 이 방법의 성공은 스택 가장자리가 얼마나 정확하게 절단되는지에 따라 달라지므로, 이전 스택 용접 작업의 정밀도가 중요합니다.
비스듬히 용접하는 것이 마이크로 네킹을 피하는 데 중요한 것으로 밝혀졌습니다. 이는 SmartWeld+와 ARM 파이버 레이저가 열로 유도된 응력을 최소화하는 방식으로 스택에 열을 가할 수 있기 때문입니다. 결과적으로, 냉각 중에 포일이 스스로 잡아당기지 않아 마이크로 네킹이 발생하지 않습니다.
ARM 빔의 독립적인 변조는 또한 보다 좋은 용접 접합을 생성합니다. 구체적으로, 용접 "키홀"을 안정화하는 데 필요한 제어를 제공하여 스패터와 기공이 감소하고 결함이 줄어듭니다. 용접 접합부 자체의 기계적 강도가 탁월하여, 전기 전도성이 우수합니다. 게다가, 레이저 용접은 초음파 용접의 문제점인 금속 먼지를 생성하지 않습니다.
용접 품질 개선 외에 가장자리 용접 방식의 또 다른 이점은 사실상 모든 두께의 스택에 사용할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 배터리 제조업체는 원하는 경우 포일 수를 늘려 셀 용량을 높일 수 있습니다.
Coherent SmartWeld+와 ARM 파이버 레이저는 마이크로 네킹과 스패터를 제거하고, 큰 고전도성 용접 이음매를 생성합니다.
성공을 위한 파트너
EV 제조 문제를 해결하려면 새롭고 혁신적인 솔루션이 필요할 때가 많습니다. 과거에 다른 용도로 잘 사용했던 기존 도구에는 때때로 이런 까다로운 공정에 필요한 기능이 없습니다.
성공의 열쇠는 먼저 각 응용 분야가 직면한 고유한 과제를 이해하는 데 있습니다. Coherent는 제조업체와 협력하여 성패를 좌우하는 중요한 매개변수를 식별하고 특성을 찾기 위한 기술적 전문성과 헌신적 노력을 약속합니다. 예를 들어, 배터리 포일-탭 용접에서 "마이크로 네킹" 현상은 이 응용 작업을 시작하기 전까지 업계에서 널리 알려지지 않았습니다. 하지만 Coherent 팀은 이를 정확히 파악하고 솔루션을 개발했습니다.
Coherent 혁신을 활용하는 방법을 알아보십시오.
