에너지 저장 배터리 조립 라인에서의 레이저 용접 적용
에너지 저장 배터리 셀 제조부터 배터리 팩 조립에 이르기까지 용접은 매우 중요한 제조 공정입니다. 리튬 배터리의 전도성, 강도, 기밀성, 금속 피로 및 내식성은 배터리 용접 품질을 평가하는 대표적인 기준입니다. 용접 방법 및 공정의 선택은 배터리의 비용, 품질, 안전성 및 일관성에 직접적인 영향을 미칩니다.
다양한 용접 방법 중에서 레이저 용접은 다음과 같은 장점으로 두드러집니다. 첫째, 레이저 용접은 에너지 밀도가 높고 용접 변형이 적으며 열영향부가 작아 부품의 정밀도를 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 따라서 추가적인 연삭 작업 없이도 매끄럽고 불순물이 없으며 균일하고 밀도가 높은 용접부를 얻을 수 있습니다.
둘째, 레이저 용접은 작은 초점과 높은 정밀도의 위치 제어가 가능하여 정확한 용접이 가능합니다. 로봇 팔과 결합하면 자동화가 용이해져 용접 효율을 향상시키고 작업 시간을 단축하며 비용을 절감할 수 있습니다. 또한, 얇은 판재나 가는 선재를 레이저 용접할 경우 아크 용접처럼 재용융 문제가 쉽게 발생하지 않습니다.
에너지 저장 배터리의 주요 용접 방법에는 웨이브 솔더링, 초음파 용접, 레이저 용접 및 이종 금속 레이저 용접이 있으며, 현재 레이저 용접이 가장 널리 사용되는 방법입니다.
에너지 저장 배터리 용접 방법:
① 웨이브 솔더링
기본적으로 초음파 용접과 레이저 용접을 결합한 방식입니다.
② 초음파 용접
이 방법은 사용하기는 간단하지만 더 많은 공간을 필요로 하여 모듈 조립 효율이 떨어집니다.
③ 레이저 용접
현재 가장 널리 사용되는 방법이지만, 구조적으로 약간의 차이가 있습니다.
④ 이종 금속 레이저 용접
이 용접 방식은 조립 효율이 높고 생산 속도가 빠르다는 장점도 있습니다.
레이저 용접이란 무엇인가요?
레이저 용접은 광학 시스템을 사용하여 고에너지 밀도의 레이저 빔을 열원으로 매우 작은 영역에 집중시켜 용접 부위에 매우 짧은 시간 내에 고농도의 열원을 생성합니다. 이로 인해 용접되는 재료가 녹아 견고한 용접점 또는 용접 이음매가 형성됩니다.
레이저 용접은 현재 급속도로 발전하고 있는 새로운 용접 방식입니다. 레이저 용접은 열영향부 축소, 용접점 소형화, 높은 치수 정밀도, 외부 힘이 필요 없는 비접촉 용접 등의 여러 장점을 제공하여 제품 변형을 최소화하고 용접 품질을 높이며 효율성을 극대화하고 자동화를 용이하게 합니다.
배터리는 일반적으로 강철, 알루미늄, 구리, 니켈과 같은 다양한 재료로 구성됩니다. 이러한 금속은 전극, 전선 또는 케이스를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 따라서 단일 또는 여러 재료를 용접하는 과정은 매우 높은 수준의 기술력을 요구합니다.
레이저 용접의 장점은 다양한 재료를 용접할 수 있다는 점, 즉 서로 다른 재료 간의 용접을 가능하게 한다는 점에 있습니다.
레이저 용접의 종류
레이저 용접에는 레이저 열전도 용접과 레이저 심층 침투 용접이 있습니다. 열전도 용접과 심층 침투 용접의 주요 차이점은 단위 시간당 금속 표면에 가해지는 전력 밀도에 있으며, 금속 종류에 따라 임계값이 다릅니다.
에너지 저장 배터리 레이저 용접에 일반적으로 사용되는 세 가지 레이저
에너지 저장 배터리는 배터리 에너지 저장 장치(개별 구성 요소 → 배터리 팩 모듈 → 배터리 캐비닛 → 배터리 에너지 저장 장치 → 배터리 에너지 저장 장비), PCS(전력 제어 시스템) 및 필터링 구성 요소로 이루어진 통합 시스템입니다.
에너지 저장 배터리용 레이저 용접 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 레이저는 펄스 레이저, 연속 레이저 및 준연속 레이저입니다.
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펄스 레이저
: YAG 레이저, MOPA 레이저;
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연속 레이저
: 연속형 반도체 레이저, 연속형 광섬유 레이저;
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준연속 레이저
QCW 레이저 시리즈.
이러한 레이저는 다음과 같이 이해할 수 있습니다. 압정을 한 번에 한 번씩 망치로 두드리는 것은 펄스 방식이고, 손으로 직접 압정을 누르는 것은 연속 방식이며, 10초 동안 연속으로 드릴로 뚫고 1초간 쉬고, 다시 10초 동안 연속으로 드릴로 뚫고 1초간 쉬는 것은 준연속 방식입니다.
펄스 레이저
단일 레이저 펄스 폭이 0.25초 미만이고 일정한 간격으로 한 번만 작동하는 레이저를 말합니다. 출력 파워가 높아 레이저 마킹, 절단 및 거리 측정에 적합합니다.
일반적인 펄스 레이저에는 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 레이저, 루비 레이저, 네오디뮴 유리 레이저와 같은 고체 레이저뿐만 아니라 질소 분자 레이저 및 엑시머 레이저가 포함됩니다. 펄스 레이저는 YAG 레이저 원리를 기반으로 하며, 높은 단일 펄스 에너지와 높은 전력 소비량을 특징으로 하므로 제논 램프와 같은 소모품을 정기적으로 교체해야 하고 냉각기가 필요합니다.
이러한 레이저는 기술이 매우 성숙되어 있고 단가가 비교적 낮아 현재 금속 용접에 가장 널리 사용되는 레이저입니다. 그러나 YAG 레이저 원리에 기반한 기술적 한계로 인해 업계 전체적으로 현재 매우 높은 레이저 출력을 구현하기는 어렵습니다. 또한 전기-광 변환 효율도 높지 않습니다(약 13%).
연속파 레이저
연속파 레이저는 빛을 지속적으로 방출하는 레이저로, 안정적인 작동 상태, 즉 정상 상태를 유지합니다. 연속파 레이저에서는 각 에너지 준위의 입자 수와 공진기 내부의 복사장이 안정적인 분포를 보입니다.
연속파 레이저의 작동 특성은 작동 매질의 여기와 그에 따른 레이저 출력이 비교적 긴 시간 동안 연속적으로 지속될 수 있다는 것입니다. 연속 광원을 사용하는 고체 레이저, 연속 전기 여기를 사용하는 가스 레이저 및 반도체 레이저는 모두 이 범주에 속합니다.
연속 작동 중에는 과열이 불가피한 경우가 많으므로 대부분 적절한 냉각 조치가 필요합니다.
연속파 레이저는 YLP 파이버 레이저의 원리를 기반으로 합니다. 레이저 방출 지점이 충분히 빠르고 많아 일렬로 연결되면 일정한 출력으로 빛을 지속적으로 방출할 수 있기 때문에 출력 레이저 에너지가 일정하고 레이저 안정성이 매우 우수하며 빔 패턴이 탁월하고 전기광학 변환 효율이 매우 높습니다(약 30%).
ACEY 갠트리형
연속 검류계 레이저 용접기
이 장비는 국제적으로 인정받는 최첨단 파이버 레이저를 레이저 소스로 사용합니다. 당사에서 자체 개발, 설계 및 제조한 갠트리 공작기계와 결합하여 탁월한 강성과 안정성을 자랑합니다. 정밀 가이드 레일 구동 방식과 고응답성 서보 모터를 탑재하여 높은 정확도와 빠른 속도를 제공합니다. 구리, 알루미늄, 철, 니켈 또는 이들의 합금 금속 용접에 적합하며, 특히 알루미늄 버스바 또는 니켈-사각 배터리 연결부 용접에 매우 적합합니다.
준연속파 레이저(QCW)
준연속파(QCW) 레이저는 장펄스 레이저라고도 하며, 10%의 듀티 사이클로 밀리초 단위의 펄스를 생성합니다. 이로 인해 펄스 광은 연속파 광보다 10배 이상 높은 피크 출력을 가질 수 있어 드릴링과 같은 응용 분야에 매우 유리합니다. 펄스 폭에 따라 반복 주파수를 최대 500Hz까지 변조할 수 있습니다. QCW 레이저는 연속 모드와 고피크 출력 펄스 모드에서 동시에 작동할 수 있습니다. 기존의 연속파(CW) 레이저와 달리, 준연속파(QCW) 레이저는 CW 모드와 CW/변조 모드 모두에서 항상 동일한 피크 출력과 평균 출력을 유지합니다. 반면, 펄스 모드에서 QCW 레이저의 피크 출력은 평균 출력보다 10배 더 높습니다.
따라서 이를 통해 수십 헤르츠에서 킬로헤르츠에 이르는 반복 주파수에서 고에너지 마이크로초 및 밀리초 펄스를 생성할 수 있으며, 평균 및 최대 출력은 킬로와트급에 달합니다.
에너지 저장 배터리 분야에서 레이저 용접 장비의 장점:
1. 용접 공정은 비접촉식이므로 용접 리브에 가해지는 내부 응력을 최소화합니다.
2. 용접 과정에서 물질의 유출이나 방출이 발생하지 않아 2차 오염을 방지합니다.
3. 용접부는 높은 강도와 기밀성을 갖추어 기능적 요구 사항을 충족합니다.
4. 레이저 용접은 멤브레인 소재 및 이종 소재를 포함한 다양한 재료를 용접할 수 있습니다.
5. 레이저 용접은 자동화 시스템에 쉽게 통합될 수 있으며 생산 능력 요구에 따라 동기식으로 구현할 수 있어 높은 효율성과 낮은 내부 스트레스를 제공합니다.
6. 레이저 용접은 구조가 간단하고 편리하여 금형 구조의 복잡성을 줄여줍니다.
7. 용접 공정을 디지털 방식으로 지능적으로 모니터링할 수 있어 데이터 시각화에 대한 요구를 충족합니다.
8. 이러한 용접 공정은 자동화 생산 라인과 효과적으로 통합될 수 있어 대량 생산 요구를 충족하고 저소비로 고효율 생산을 달성할 수 있습니다.
에이시 뉴 에너지
당사는 완벽한 생산 설비와 원스톱 솔루션을 제공하는 데 특화되어 있습니다.
리튬 이온 배터리 팩 조립 라인
셀부터 팩까지, 리튬 배터리 에너지 저장 분야의 신규 진입자를 위해 맞춤 설계된 솔루션을 제공합니다. 생산 라인 기획, 장비 통합, 모듈 적층, 레이저 용접, BMS 통합, 최종 팩 테스트 등 핵심 단계에 이르기까지 신뢰할 수 있는 기술 지원과 효율적이고 안정적인 생산 시스템을 제공합니다. 전 세계 고객 여러분을 진심으로 환영하며, 더 나은 미래를 함께 만들어갈 전문적이고 믿음직한 파트너가 되기를 희망합니다.