레이저 용접 품질에 영향을 주는 요소들!

레이저 용접은 현재 고급 배터리 용접에 권장되는 주요 방법이다.레이저 용접은 고에너지 레이저 빔이 공작물을 조사하여 작업 온도가 급격히 상승하고, 공작물을 녹이고 다시 연결하여 영구적인 연결부를 형성하는 공정이다.레이저 용접의 전단강도와 찢어짐 강도는 비교적 양호하다.배터리 용접의 전도성, 강도, 기밀성, 금속 피로, 부식 방지 등이 대표적인 용접 품질 평가 기준이다.

레이저 용접의 품질에 영향을 미치는 요인은 매우 많다.그중의 어떤것은 변동하기 극히 쉬우며 상당한 불안정성을 가지고있다.이러한 파라미터를 올바르게 설정하고 제어하여 고속 연속 레이저 용접시 적합한 범위 내에서 제어되어 용접 품질을 보장하는 방법.용접부 형성의 신뢰성과 안정성은 레이저 용접기술의 실용화 및 산업화와 관련된 중요한 이슈이다.레이저 용접의 품질에 영향을 미치는 주요 요인은 용접 장비, 공작물 조건, 공정 변수이다.

1) 레이저용 용접 장비의 품질 요건은 주로 빔 모드, 출력 전력, 안정성이다.빔 모드는 빔 품질의 주요 지표입니다.빔 모드 순서가 낮을수록 빔 집중 성능이 우수하며 스팟이 작을수록 동일 레이저 파워에서 파워 밀도가 높고 용접부의 깊이와 폭이 커집니다.일반적으로 기본모드 (TEM00)나 저차모드가 필요하며, 그 외에는 고품질 레이저 용접의 요구사항을 충족하기 어렵다.현재 국내 레이저 용접용 레이저를 빔 품질 및 전력 출력 안정성 측면에서 사용하기에는 아직 어려움이 있다.해외의 상황을 보면, 레이저의 빔 품질과 출력 전력 안정성은 이미 상당히 높으며 레이저 용접에 있어 문제가 되지 않을 것이다.광학 시스템에서 용접 품질에 영향을 미치는 가장 큰 요인은 포커스 미러입니다.사용되는 초점 거리는 일반적으로 127mm (5in)에서 200mm (7.9in) 사이입니다.초점을 맞춘 빔의 허리 지름을 줄이는 데는 작은 초점 거리가 좋지만 용접 중에 오염되고 튀기 쉽습니다.

파장이 짧을수록 흡수율이 높다;일반적으로 전도성이 좋은 물질은 반사율이 높다.YAG 레이저의 경우 은의 반사율은 96%, 알루미늄은 92%, 구리는 90%, 철은 60%이다.온도가 높을수록 흡수율이 높아지며, 이는 선형적 관계이다;일반적으로 인산염, 카본 블랙, 흑연 등으로 표면 코팅하면 흡수 속도를 향상시킬 수 있습니다.

2) 작업물 상태

레이저 용접은 가공해야 하는 공작물의 가장자리가 필요하고, 조립은 정밀도가 높으며, 스팟과 용접부가 엄격하게 정렬되어 있고, 용접 과정 중 용접 열 변형으로 인해 공작물의 원래 조립 정확도와 스팟 정렬이 바뀔 수 없다.레이저 스팟이 작고, 용접부가 좁고, 일반적으로 필러 금속이 첨가되지 않기 때문입니다.어셈블리가 엄격하지 않고 갭이 너무 크면 빔은 갭을 통과하지만 모재를 녹일 수 없거나 분명한 언더컷 및 움추림을 일으킬 수 없습니다.이음매에 대한 점의 편차가 약간 크면 불완전 융합 또는 불완전 침투를 유발할 수 있습니다.따라서 일반판의 조립과 이음매에 대한 지점의 편차의 간격은 0.1mm를 넘지 않아야하고, 오배선은 0.2mm를 넘지 않아야 한다.실제 생산에서는 이러한 요구 사항을 충족할 수 없기 때문에 레이저 용접 기술을 사용할 수 없는 경우도 있다.좋은 용접효과를 얻기 위해서는 맞대기 접합부의 허용 간격 및 겹침 간격을 박판 두께의 10% 이내로 조절해야 한다.

성공적인 레이저 용접을 위해서는 용접할 기초 재료 사이에 긴밀한 접촉이 필요하다.따라서 부품을 세심하게 조여야 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.특히 대형 배터리 모듈이나 부품에 탭이 내장되어 있는 경우 휘거나 정렬이 어긋나기 쉬우므로 얇은 탭 기판에서는 이러한 효과를 얻기 어렵습니다.

3) 용접변수 (Welding parameters)

(1) 레이저 용접 모드 및 용접 형성 안정성에 대한 영향 가장 중요한 용접 변수는 다음과 같이 용접 모드 및 용접 형성 안정성에 영향을 미치는 레이저 스팟의 파워 밀도입니다:레이저 스팟 파워 밀도가 작은 것부터 큰 것으로 증가함에 따라 안정적인 열전도도 용접, 모드 불안정 용접 및 안정적인 심부 융합 용접입니다.레이저 스팟의 파워 밀도는 주로 빔 모드와 초점 미러의 초점 거리가 일정할 때 레이저 파워와 빔 초점 위치에 의해 결정됩니다.레이저 파워의 밀도는 레이저 파워에 비례합니다.초점 위치의 영향은 최적의 값을 갖는다;빔 초점이 공작물 표면 아래의 특정 위치 (판 두께 및 파라미터에 따라 1~2 mm 범위 내)에 있을 때 가장 이상적인 용접을 얻을 수 있습니다.이 최적의 초점 위치에서 벗어나면 공작물 표면의 스팟이 커져서 전력 밀도가 감소합니다.일정 범위까지는 용접 공정의 형태에 변화를 일으킬 것입니다.

용접 속도가 용접 공정 형태와 안정적인 부분에 미치는 영향은 레이저 파워와 초점 위치의 영향만큼 크지 않습니다.용접 속도가 너무 높을 때만, 너무 적은 열 입력으로 인해 안정적인 심층 융합 용접 공정을 유지할 수 없습니다.실제 용접에서는 융합 깊이에 대한 용접물의 요구조건에 따라 안정적인 심부 융합 용접이나 안정적인 열전도 용접을 선택해야 하며, 모드 불안정 용접은 절대적으로 피해야 한다.

(2) 심부 융합 용접 범위 내에서 용접 변수가 융합 깊이에 미치는 영향:안정적인 심부 융합 용접 범위 내에서 레이저 파워가 높을수록 0.7 ⁴ 정도의 관계인 융합 깊이가 커진다;그리고 용접 속도가 높을수록, 융합 깊이는 얕다.특정 레이저 파워와 용접 속도 조건에서 초점이 최적의 위치에 있을 때 융합 깊이가 가장 큽니다.이 위치에서 벗어나면 융합 깊이가 감소하고, 모드 불안정 용접 또는 안정한 열전도 용접이 되기도 한다.

(3) 차폐가스의 영향.차폐 가스의 주요 기능은 용접 중 산화로부터 공작물을 보호하는 것입니다;초점 렌즈를 금속 증기 오염 및 액체 물방울 스퍼터링으로부터 보호하기 위해;고출력 레이저 용접으로 발생한 플라즈마를 분산시키기 위해;공작물을 냉각시키고 열 영향부를 줄이기 위해.

차폐용 가스는 보통 아르곤이나 헬륨을 사용한다.겉보기 품질 요구 사항이 높지 않은 경우에도 질소를 사용할 수 있습니다.헬륨은 높은 이온화 전하와 빠른 열전도도를 가지고 있다.동일한 조건에서 아르곤보다 플라즈마를 생성하는 경향이 낮으므로 더 큰 침투 깊이를 얻을 수 있습니다.일정 범위 내에서는 차폐용 가스 유량이 증가함에 따라 플라즈마를 억제하는 경향이 증가하고 이에 따라 침투 깊이도 증가하지만 일정 범위에 도달한 후에는 안정화되는 경향이 있다.

(4) 각 파라미터의 모니터링 가능성 분석:4가지 용접 파라미터 중 용접 속도와 차폐용 가스 유량은 모니터링과 안정적인 유지가 용이한 파라미터이며, 레이저 파워와 초점 위치는 용접 중 변동할 수 있고 모니터링하기 어려운 파라미터이다.레이저에서 출력되는 레이저 파워는 매우 안정적이고 모니터링하기 쉽지만, 라이트 가이드와 초점 시스템의 손실로 인해 공작물에 도달하는 레이저 파워는 변화합니다.이 손실은 광학 공작물의 품질, 사용 시간 및 표면 오염과 관련이 있습니다.따라서 모니터링이 쉽지 않고 용접품질에 불확실한 요소가 된다.빔 초점 위치는 용접 품질에 큰 영향을 미치는 요소로 용접 변수 중 모니터링 및 제어가 가장 어렵다.현재 생산에서는 이상적인 침투 깊이를 얻기 위해 적절한 초점 위치를 결정하기 위해 수동 조정과 반복적인 공정 시험에 의존해야 합니다.그러나 용접 과정 중에 작업물 변형, 열 렌즈 효과 또는 공간 곡선의 다차원 용접으로 인해 초점 위치가 변경되며 허용 범위를 초과할 수 있습니다.

위의 두 가지 상황을 위해, 한편으로는 고품질 및 높은 안정성의 광학 부품을 사용해야 하며, 오염을 방지하고 청결을 유지하기 위해 정기적으로 유지되어야 합니다;반면 레이저 용접 공정에 대한 실시간 모니터링 및 제어 방법을 개발하여 파라미터를 최적화하고, 공작물에 도달하는 레이저 파워와 초점 위치의 변화를 모니터링하며, 클로즈드 루프 제어를 실현하고, 레이저 용접 품질의 신뢰성과 안정성을 향상시키는 것이 요구된다.

마지막으로 레이저 용접은 용융 공정이라는 점에 유의해야 한다.이는 레이저 용접 과정에서 두 개의 기판이 녹는다는 것을 의미합니다.이 과정은 매우 빠르기 때문에 전체적인 열 입력량이 적습니다.하지만 용융 공정이기 때문에 서로 다른 재료를 용접할 때 깨지기 쉽고 저항이 높은 금속 간 화합물이 형성될 수 있습니다.알루미늄-구리 조합은 특히 금속간 화합물이 생성되기 쉽다.이들 화합물은 마이크로 전자 소자 랩 접합부의 단기적인 전기적 특성과 장기적인 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.이러한 금속간 화합물이 리튬 전지의 장기 성능에 미치는 영향은 아직 불확실하다.

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