생산 용접의 격차를 해소하는 SmartWeld+

생산 자동화 전문업체인 Teamtechnik은 제조, 조립 및 테스트를 위한 수동 시스템부터 완전 자동 턴키 시스템까지 모든 것을 제공합니다. Teamtechnik은 주로 e-모빌리티 산업을 위한 부품 취급, 다양한 테스트 방법, 접합 공정 등 광범위한 기술을 아우르는 전문성을 보유하고 있습니다. 2019년에는 휴대용 전동 공구용 배터리 팩 제조업체로부터 생산 용접 시스템을 개발해 달라는 요청을 받았습니다. 

특히 Teamtechnik은 11개의 서로 다른 접합부를 용접하기 위한 자동화 솔루션을 제공하는 임무를 맡았습니다. 여기에는 다양한 재료를 함께 결합하는 작업이 포함되었습니다. 레이저 용접에 대한 광범위한 사내 전문 지식이 없었고 많은 공정을 단기간에 개발해야 했기 때문에 Coherent Labs에 지원을 요청했습니다. 

보다 스마트한 용접 방식

Coherent 팀에는 재료 샘플이 제공되었습니다. 일련의 테스트를 통해 이러한 모든 공정이 1kW 단일 모드 파이버 레이저(FL1000CSM HighLight 시리즈)와 결합된 Coherent SmartWeld+ 프로세싱 헤드를 통해 성공적으로 수행될 수 있음이 입증되었습니다.

SmartWeld+는 다양한 진동 패턴을 포함한 고급 형태의 빔 성형을 통합하는 전문적인 용접 도구입니다. 또한 용접 공정 중에 전달되는 레이저 에너지를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이를 통해 용접 이음새의 폭, 깊이 및 침투 프로파일을 세심하게 관리할 수 있습니다. SmartWeld+는 특히 구리와 알루미늄 또는 강철과 같이 열에 민감한 재료와 이종 재료 조합을 결합하는 데 유용합니다. 또한 반사율이 높거나 휘발성이 강한 재료를 스패터, 다공성 및 균열이 적은 상태로 용접할 수 있습니다.

까다로운 재료

SmartWeld+는 "까다로운" 재료, 즉 전통적으로 레이저 용접과 호환되지 않는 재료도 가공할 수 있습니다. 배터리 팩 구성에 사용되는 일부 재료가 이 카테고리에 속합니다. 

예를 들어, 0.5mm 두께의 아연 코팅 구리를 1.0mm 두께의 니켈 코팅 구리에 접합하려면 한 번의 용접이 필요합니다. 아연의 낮은 녹는점은 과거 레이저 용접에 문제를 일으켰습니다. 특히 구리를 녹이는 데 필요한 온도에 도달하면 무질서하게 거품이 일어납니다. 이로 인해 완성된 용접 이음새에 공극과 기공이 발생하고 상당한 양의 스패터가 발생합니다. 

이 부품은 양쪽 끝을 용접해야 했습니다. 한쪽 끝은 평평하고 다른 쪽 끝은 90° 구부러져 있습니다. 이러한 조건이 서로 달랐기 때문에 각 용접을 최적화하기 위해 두 개의 개별 매개변수 세트를 개발해야 했습니다. 또한 용접 중에 가열해서는 안 되는 플라스틱 조각이 부품에 내장되어 있습니다.

SmartWeld+를 사용하여 용접의 정확한 모양을 조정하는 기능이 매우 유용했습니다. 이를 통해 플라스틱 부품에 너무 가깝지 않으면서도 필요한 수준의 전기적 연결과 기계적 강도를 제공할 수 있는 충분한 크기의 조인트를 만들 수 있었습니다. 부품의 각 면에 유사한 용접 경로가 사용되지만 용접 방향은 다릅니다. 또한 Teamtechnik Poland와 Coherent의 개발 팀은 용접 부위 중 하나에서 부품 사이의 간격이 좁은 경우 최적의 용접 결과를 얻을 수 있다는 사실을 발견했습니다. 

두 용접 모두에서 솔루션의 핵심은 동적 전력 변조였습니다. 이를 통해 용접 중에 용융 풀을 안정화하고 다공성을 제거할 수 있습니다. 또한 스패터도 크게 감소합니다. 

공정 가동성 처리

또 다른 용접은 0.3mm 두께의 SIGMA_CLAD® 두 조각을 함께 접합하는 것이었습니다. SIGMA_CLAD는 리튬 이온 레이저 배터리 팩의 전기 연결을 위해 특별히 설계된 합성물입니다. 니켈|스텐레스 강철|구리|스텐레스 강철|니켈로 구성된 5층 샌드위치입니다. 이 조합은 어떠한 개별 금속보다 더 이상적인 특성을 제공합니다. 특히 구리는 뛰어난 전기 및 열 전도성(방열용)을 제공하며, 스텐레스 강철 층은 재료를 더 쉽게 용접할 수 있도록 하여 용접 접합 강도를 높입니다. 외부 니켈 층은 납땜을 용이하게 하고 내식성이 우수합니다. 

SIGMA_CLAD는 레이저 용접과의 호환성을 위해 특별히 설계되었기 때문에 Teamtechnik이나 Coherent 개발팀 모두 이 결합이 큰 도전이 될 것이라고 예상하지 못했습니다. 그러나 실제로는 재료 두께 변화, 개별 레이어 두께 변화, 낮은 전체 부품 치수 공차로 인해 공정 편차가 발생하고 일관성 있게 맞출 수 없다는 사실을 발견했습니다. 테스트 결과 100%의 용접 성공률을 달성하기 위해서는 두 부품 사이의 간격을 0.05mm 미만으로 유지하기 위해 고정 장치가 필요하다는 결론을 내렸습니다. 

이 경우 전체 용접 부위는 1mm x 2.5mm입니다. 초점이 맞춰진 레이저 빔은 이보다 훨씬 작기 때문에 SmartWeld+는 빔을 앞뒤로 여러 번 추적하면서 각 스캔 사이에 수직 방향으로 약간씩 이동하여 전체 영역을 커버합니다. 또한 테스트 결과, 이동하는 동안 레이저를 변조해야 하며 그렇지 않으면 스캔이 끝날 때 과도한 스패터가 발생하는 것으로 나타났습니다. 

최종 사용자의 공장에 장비를 설치하고 시운전을 마친 후에도 일부 공정이 변경되었습니다. Coherent 애플리케이션 그룹은 이에 대응하기 위해 지속적인 지원을 제공했습니다.

예를 들어, 한 번의 용접에서 0.3mm 두께의 SIGMA_CLAD를 1.0mm 두께의 니켈 코팅 구리에 접합합니다. 이 문제는 최종 사용자가 장비를 설치하여 2년 동안 성공적으로 운영한 후에야 발생했습니다. 그런 다음 재료 공급업체가 배합을 변경했고 구리의 청결도에도 문제가 발생했습니다. 그 결과 기존에 사용하던 공정 레시피를 그대로 사용해도 상당한 양의 스패터가 발생했습니다.

SmartWeld+의 유연성은 이 사례에서 특히 유용했습니다. 특히, 고정 장치의 하드웨어를 변경하지 않고도 소프트웨어 제어를 통해 용접 매개변수를 쉽게 변경할 수 있습니다. Coherent는 새로운 테스트 주기를 통해 이 공정에서 레이저 출력 변조를 구현하면 문제를 해결할 수 있다는 사실을 확인했습니다.  

성공을 위한 파트너

Teamtechnik은 Coherent 개발팀과의 협력을 통해 전문 분야인 자동화에 집중할 수 있었습니다. Teamtechnik POLAND의 용접 기술 전문가인 마키에 자보로프스키는 "우리는 고객의 시간과 비용 제약 내에서 이러한 모든 레이저 용접 공정을 개발할 수 있는 파트너가 필요했습니다."라고 말했습니다. "특히 우리는 재료를 테스트하고 모두 레이저 용접이 가능한지 판단한 다음 생산에 적용할 수 있는 구체적인 공정 레시피를 개발할 수 있는 전문성과 시설을 갖춘 업체를 찾고자 했습니다."

"Coherent는 이 모든 사항을 충족했습니다. 또한 이러한 초기 공정 개발 이후에도 계속 Coherent와 협력했습니다. Coherent는 재료의 변화로 인해 잘 작동하던 공정에서 생산량 차이가 발생했을 때에도 지원을 멈추지 않았습니다. 이 정도로 공정을 책임질 수 있는 레이저 공급업체는 없었습니다."

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