KR20130047506A - 이차전지용 레이저 용접장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용접헤드와 피용접물은 고정된 상태에서, 용접부위를 따라 레이저빔의 조사(照射)방향을 변경시켜 복수의 이차전지 셀의 전극이 전기적으로 연결되도록 하는 이차전지용 레이저 용접장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이차전지용 레이저 용접장치는, 이차전지용 레이저 용접장치에 있어서, 레이저빔을 발생시키는 레이저 발생부(10)와, 상기 이차전지 셀(C)의 전극(E)의 용접부위로 조사되도록 상기 레이저 발생부(10)에서 조사된 레이저빔(L)을 반사시키는 스캔헤드(40)를 구비하는 용접헤드부(30)와, 상기 레이저 발생부(10)와 스캔헤드(40)를 작동을 제어하는 제어부(20)를 포함한다.

Description

이차전지용 레이저 용접장치{Laser welding apparatus for secondary battery}
본 발명은 이차전지 팩을 구성하는 복수의 이차전지 셀의 전극을 연결하는데 사용되는 이차전지용 레이저 용접장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접헤드와 피용접물은 고정된 상태에서, 용접부위를 따라 레이저빔의 조사(照射)방향을 변경시켜 복수의 이차전지 셀의 전극이 전기적으로 연결되도록 용접하는 이차전지용 레이저 용접장치에 관한 것이다.
각종 모바일 디바이스의 사용이 확대되고, 전기자동차나 하이드리드 자동차와 같은 친환경자동차의 개발이 대두됨에 따라, 그 에너지원이 배터리에 대한 기술개발도 활발해지고 있다.
특히, 모바일 디바이스 또는 친환경자동차의 에너지원으로 사용되고 있는 이차전지 팩은 요구되는 출력과 사용시간을 확보하기 위해서 고출력, 고용량화가 진행되고 있으며, 그 일환의 하나로서, 일정한 단위의 이차전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 이차전지 팩으로 구성하여 사용하고 있다.
이차전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위해서는 각 이차전지 셀의 전극을 용접, 특히 레이저 용접을 통하여 전기적으로 연결하고 있다.
그 일례로서, 도 1에 도시된 바와 같은 이차전지용 레이저 용접장치를 이용하여 이차전지 셀은 레이저 용접을 통하여 전기적으로 연결시킨다. 한편, 종래기술에 따른 이차전지용 레이저 용접장치의 구성을 간단히 살펴보면, 레이저 발생부(110)와, 상기 레이저 발생부(110)에서 발생된 레이저빔이 조사되는 레이저 용접헤드(130)로 이루어져, 상기 레이저 용접헤드(130)에서 레이저빔이 피용접물인 이차전지 셀(C)의 전극으로 조사된다.
이때, 레이저 용접헤드(130)에서 조사된 레이저빔은 한 곳으로만 조사되는 구조이므로, 정렬된 이차전지 셀(C)의 전극(E)이 위치한 용접부위를 순차적으로 이동시켜야 하는 바, 상기 레이저 용접헤드(130) 또는 이차전지 셀(C)이 이동하면서, 용접부위가 이동한다. 즉, 이차전지 셀(C)들을 스테이지 상에 고정시킨 상태에서 상기 레이저 용접헤드(130)가 이동하면서 용접하거나, 그 반대로 스테이지에 레이저 용접헤드(130)를 고정하고 이차전지 셀(C)들을 이동시키면서 용접한다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 이차전지용 레이저 용접장치에 따르면, 레이저 용접헤드(130)에서 조사된 레이저빔이 용접부위에서 스팟용접과 같은 방식으로 용접부위를 용접시키게 되므로, 연속하여 용접하는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이, 용접부위에 오버랩 구간(B)과 용접되지 않은 비용접부(A)가 나타난다. 특히, 종래기술에 따른 이차전지용 레이저 용접장치에 따르면, 레이저 용접헤드(130)에서 조사되는 레이저빔의 크기를 조절하기 어렵고, 용접부위에 많은 에너지를 가해야 하기 때문에 레이저빔의 크기가 상대적으로 클 수 밖에 없다. 상기와 같이 레이저빔의 직경에 크기 때문에 스팟 형태의 용접부위가 연속되는 형태로 용접되어 상기와 같은 오버랩구간(B)과 비용접부(A)가 나타날 수 밖에 없고, 이는 비용접부(A)에 의해 단위면적당 인장강도의 저하를 유발하거나, 오버랩구간(B)에 의해 전극(E)의 저항이 커지는 현상을 유발한다.
한편, 상기와 같이 레이저빔의 크기가 크면 용접부위로 입사되는 에너지의 양도 커지게 되므로, 용접부위에서는 스패터(spatter)가 발생하여 용접품질을 저하시킨다.
또한, 연속적으로 이차전지 셀(C)들의 전극(E)을 용접하기 위해서 스테이지를 이동해야 하므로, 이에 따라 지연이 발생하고, 용접부위의 용접비드가 넓어서 단위면적당 저항이 커서, 완성된 이차전지 팩의 출력저하의 가능성이 있다.
한편, 하기의 선행기술문헌에는 이차전지의 전해액 주입홀을 레이저를 이용하여 용접하는 기술에 관하여 개시되어 있다.
KR 10-2008-0077424 A
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 레이저빔에 조사되는 용접헤드와 피용접물이 이차전지 셀들이 고정된 상태에서 레이저빔의 조사방향을 제어할 수 있는 이차전지용 레이저 용접장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 용접부위의 특성을 개선하여, 용접부위가 고른 특성을 갖도록 할 수 있는 이차전지용 레이저 용접장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이차전지용 레이저 용접장치는, 레이저빔을 발생시키는 레이저 발생부와, 이차전지 셀의 전극의 용접부위로 조사되도록 상기 레이저 발생부에서 조사된 레이저빔을 반사시키는 스캔헤드를 구비하는 용접헤드부와, 상기 레이저 발생부와 스캔헤드를 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 이차전지용 레이저 용접장치에 있어서, 상기 이차전지 셀 안착된 스테이지가 이동하지 않고, 상기 레이저 광의 각도를 변화시켜 이차전지 셀들의 전극과 전극을 용접연결하는 것을 특징으로 한다.
상기 스캔헤드는, 서로 독립적으로 회전가능하게 구비되어, 상기 스캔헤드로 입사된 레이저빔을 순차적으로 반사시켜 용접부위로 조사되도록 복수의 미러가 설치되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 스캔헤드는, 상기 스캔헤드로 입사된 레이저빔을 반사시키기 위해서 제1 미러구동모터에 의해서 회전가능하게 구비되는 제1 미러와, 상기 제1 미러를 통하여 반사된 레이저빔을 용접부위로 조사되도록 반사시키기 위해서 제2 미러구동모터의 의해서 상기 제1 미러와 독립적으로 회전가능하게 구비되는 제2 미러와, 상기 제2 미러에서 반사된 레이저빔이 등속으로 용접부위로 이차전지 셀의 전극으로 조사되도록하는 렌즈를 포함하도록 한다.
상기 렌즈는, 용접부위에서 등속주사가 이루어질 수 있도록 하는 에프-쎄타 렌즈(Fθ lens)인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 렌즈는 레이저빔의 주사방향을 따라 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 레이저 발생부는, 상기 레이저 발생부의 내부의 내부로 냉각 유체를 순환시켜 상기 레이저 발생부를 냉각시키는 냉각부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 용접헤드에는, 용접부위를 촬영하는 카메라모듈이 상기 스캔헤드에 인접하게 구비되고, 상기 카메라모듈과 전기적으로 연결되어 상가 카메라모듈이 촬영한 영상을 디스플레이하는 모니터가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 이차전지용 레이저 용접장치에 따르면, 레이저 용접헤드와 이차전지 셀들이 고정된 상태에서 복수의 미러를 이용하여 레이저빔의 조사방향을 제어함으로써, 기계적인 이동이 없이도 용접부위를 이동시킬 수 있다.
또한, 레이저빔의 크기를 작게 할 수 있어서, 용접부위에서 오버랩 또는 비용접부가 발생하는 문제를 해소할 수 있고, 용접부위에 적은 에너지가 공급되므로 용접부위에서 스패터가 발생하지 않는다.
아울러, 레이저빔의 크기를 줄여 용접비드의 폭을 감소시킴으로써, 단위면적당 저항을 감소시켜, 이차전지 팩의 성능을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 용접헤드의 내부에는 카메라모듈을 통하여 용접부위를 관찰할 수 있으므로, 문제가 발생하는 경우 빠르게 모니터링할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이차전지용 레이저 용접장치의 구성은 나타낸 블록도,
도 2는 종래 기술에 따른 이차전지용 레이저 용접장치에 의해서 용접된 용접부위를 촬영한 사진,
도 3은 본 발명에 따른 이차전지용 레이저 용접장치를 도시한 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 이차전지용 레이저 용접장치에서 스캔헤드의 구성을 도시한 일부 절개 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 이차전지용 레이저 용접장치에 의해서 용접된 용접부위를 촬영한 사진.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 이차전지용 레이저 용접장치를 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 이차전지용 레이저 용접장치는, 이차전지용 레이저 용접장치에 있어서, 레이저빔을 발생시키는 레이저 발생부(10)와, 상기 이차전지 셀(C)의 전극(E)의 용접부위로 조사되도록 상기 레이저 발생부(10)에서 조사된 레이저빔(L)을 반사시키는 스캔헤드(40)를 구비하는 용접헤드부(30)와, 상기 레이저 발생부(10)와 스캔헤드(40)를 작동을 제어하는 제어부(20)를 포함하고, 상기 이차전지 셀 안착된 스테이지가 이동하지 않고, 상기 레이저 광의 각도를 변화시켜 배터리의 전극과 전극을 용접연결 한다.
레이저 발생부(10)는 피용접물인 이차전지 셀(C)의 전극(E)으로 조사될 레이저를 발생시킨다. 상기 레이저 발생부(10)에서 용접 에너지원인 레이저빔(L)을 발생시켜 조사시키면, 후술되는 스캔헤드(40)를 통하여 레이저빔(L)을 통하여 용접부위로 조사된다.
용접헤드(30)는 상기 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저빔(L)이 입사되어 용접부부위로 조사되도록 레이저빔(L)의 조사방향을 제어한다. 상기 용접헤드(30)는 내부에 레이저빔(L)을 용접부위로 반사시키는 스캔헤드(40)와 용접부위를 촬영하는 카메라모듈(51)을 포함한다.
스캔헤드(40)는 상기 레이저 발생부(10)와 연결되어, 상기 레이저 발생부(10)에서 발생된 레이저빔(L)이 입사되고, 이를 스캔헤드(40)의 내부에서 용접부위로 조사되도록 반사시킨다.
상기 스캔헤드(40)의 구성의 일례로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징의 내부에 복수의 미러(41)(42)를 서로 독립적으로 회전가능하게 설치하고, 순차적으로 미러(41)(42)에 의해서 반사된 레이저빔(L)을 렌즈(45)를 거쳐 용접부위로 조사되도록 한다. 즉, 제1 미러(41)와 제2 미러(43)는 각각 제1 미러구동모터(42)와 제2 미러구동모터(44)에 구비되어 회전가능한 구조를 갖고, 그 회전축이 각각 서로 독립적으로 회전할 수 있는 구조를 갖도록 구성된다. 상기 스캔헤드(40)로 입사된 레이저빔(L)을 제1 미러(41)에서 1차적으로 반사된 후 제2 미러(43)로 입사되고, 상기 제2 미러(43)에서 2차 반사되어 원하는 방향으로 레이저빔(L)이 조사되도록 한다.
상기 제2 미러(43)에서 반사된 빛은 렌즈(45)를 거쳐 스캔헤드(40)로부터 용접부위 조사된다. 상기 렌즈(45)는 레이저 발생부(10)에서 레이저빔(L)을 제어한다. 즉, 레이저 발생부(10)에서 조사된 레이저빔(L)을 제1 미러(41)와 제2 미러(43)에서 반사되면서, 편향되거나 수차가 발생할 수 있는데, 상기 렌즈(45)를 거쳐서 등속으로 용접부위로 조사되도록 한다.
한편, 이러한 렌즈(45)의 예로는, 조사된 빛을 상면에서 등속으로 조사되도록 하기 위해서 상의 높이가 편향각에 비례하도록 만들어진 에프-쎄타 렌즈(Fθ lens)가 되도록 한다.
또한, 상기 렌즈(45)는 레이저빔(L)의 조사방향을 따라 이동가능하게 설치되어 용접부위로 조사되는 레이저빔(L)의 특성을 제어할 수도 있다.
카메라모듈(51)은 상기 용접헤드(30)의 내부에 구비되어 상기 스캔헤드(40)와 인접하게 배치된다. 상기 카메라모듈(51)은 레이저 용접시 용접부위를 촬영한다.
상기 카메라모듈(51)은 모니터(52)와 전기적으로 연결되어 있어서, 레이저 용접작업시, 상기 카메라모듈(51)이 촬영한 용접부위의 영상을 디스플레이한다.
한편, 지속적으로 레이저를 발생시켜 가열된 레이저 발생부(10)를 냉각시키기 위해서 상기 레이저 발생부(10)는 냉각부(11)와 연결되는 것이 바람직하다. 상기 냉각부(11)는 상기 레이저 발생부(10)의 내부로 냉각수 또는 냉매와 같은 냉각 유체(流體)를 순환시켜, 가열된 레이저 발생부(10)의 내부를 냉각시킨다.
제어부(20)는 상술한, 레이저 발생부(10)를 비롯하여, 스캔헤드(40), 카메라모듈(51) 등의 작동을 제어한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 레이저 용접장치의 작용에 대하여 설명하기로 한다.
복수의 이차전지 셀(C)을 병렬 또는 직렬로 연결하여 대용량의 이차전지 팩을 만들기 위하여, 이차전지 셀(C)들은 정렬된 상태로 준비된다. 이때, 상기 이차전지 셀(C)들이 안착된 스테이지는 이동하지 않고, 즉 고정된 상태에서, 레이저 발생부(10)에서 조사되는 레이저빔(L)의 각도를 변화시켜 각 이차전지 셀(C)들의 전극들을 서로 용접으로 연결한다.
상기와 같이 이차전지 셀(C)이 정렬된 상태로 준비되면, 제어부(20)는 레이저 발생부(10)를 가동하여 레이저빔(L)을 발생시킨다. 레이저 발생부(10)로부터 발생된 레이저빔(L)을 용접헤드(30) 내의 스캔헤드(40)로 광섬유를 통하여 입사된다.
스캔헤드(40)의 내부로 입사된 레이저빔(L)의 스캔헤드(40)의 내부에서 제1 미러(41)와 제2 미러(43)에 의해서 원하는 용접부위로 조사방향이 바뀌어 반사된다. 제어부(20)는 원하는 곳으로 레이저빔이 조사될 수 있도록 제1 미러구동모터(42)와 제2 미러구동모터(43)를 작동시켜, 제1 미러(41)와 제2 미러(43)의 각도를 변경함으로써, 원하는 부위로 레이저빔을 조사할 수 있다. 이때, 상기 제1 미러(41)와 제2 미러(43)는 레이저빔을 조사하는 동안에도 변경되도록 함으로써, 스팟형태가 아닌 연속적으로 용접부위를 용접할 수 있다.
한편, 스캔헤드(40)에서 용접부위로 조사되는 레이저빔은 렌즈(45)를 거치면서, 특성이 개선된다. 즉, 상기 렌즈(45)는 Fθ렌즈이므로 제1 미러(41)와 제2 미러(43)에서 반사되면서 편향된 레이저빔(L)이 등속으로 조사되도록 한다.
상기와 같이 이차전지 셀(C)의 전극(E)으로 조사된 레이저빔(L)의 용접부위를 이동하면서, 용접한다.
예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, W의 폭으로 전극(E)에 용접부위를 형성해야 한다면, 레이저빔(L)의 직경이 작으므로, 상기 제1 미러(41)와 제2 미러(43)를 이용하여 레이저빔이 용접부위를 지그재그로 이동하면서 진행되도록 한다. 용접헤드(30)와 피용접물인 이차전지 셀(C)들이 고정된 상태에서 레이저빔(L)가 국소부위에서는 지그재그로 전체적으로는 용접부위를 따라 진행하여 용접되도록 함으로써, 종래에 비하여 우수한 용접특성을 얻을 수 있다.
아울러, 상기의 작업과정은 카메라모듈(51)과 모니터(52)를 이용하여 실시간으로 모니터링할 수 있다.
한편, 상기 레이저 발생부(10)가 지속적인 가동으로 인하여 레이저 발생부(10)가 설정된 온도이상으로 가열되면, 냉각부(11)를 작동시켜 레이저 발생부(10)를 냉각시킨다.
10 : 레이저 발생부 11 : 냉각부
12 : 광섬유 20 : 제어부
30 : 용접헤드 40 : 스캔헤드
41 : 제1 미러 42 : 제1 미러구동모터
43 : 제2 미러 44 : 제2 미러구동모터
45 : 렌즈 51 : 카메라모듈
52 : 모니터 C : 이차전지 셀
E : 전극 L : 레이저빔

Claims (7)

  1. 레이저빔을 발생시키는 레이저 발생부와,
    이차전지 셀의 전극의 용접부위로 조사되도록 상기 레이저 발생부에서 조사된 레이저빔을 반사시키는 스캔헤드를 구비하는 용접헤드부와,
    상기 레이저 발생부와 스캔헤드를 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 이차전지용 레이저 용접장치에 있어서,
    상기 이차전지 셀 안착된 스테이지가 이동하지 않고, 상기 레이저빔의 각도를 변화시켜 이차전지 셀들의 전극과 전극을 용접연결하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 레이저 용접장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스캔헤드는,
    서로 독립적으로 회전가능하게 구비되어, 상기 스캔헤드로 입사된 레이저빔을 순차적으로 반사시켜 용접부위로 조사되도록 복수의 미러가 설치되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 레이저 용접장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스캔헤드로 입사된 레이저빔을 반사시키기 위해서 제1 미러구동모터에 의해서 회전가능하게 구비되는 제1 미러와,
    상기 제1 미러를 통하여 반사된 레이저빔을 용접부위로 조사되도록 반사시키기 위해서 제2 미러구동모터의 의해서 상기 제1 미러와 독립적으로 회전가능하게 구비되는 제2 미러와,
    상기 제2 미러에서 반사된 레이저빔이 등속으로 용접부위로 이차전지 셀의 전극으로 조사되도록하는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차전지용 레이저 용접장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈는 용접부위에서 등속주사가 이루어질 수 있도록 하는 에프-쎄타 렌즈(Fθ lens)인 것을 특징으로 하는 이차전지용 레이저 용접장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈는 레이저빔의 주사방향을 따라 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 레이저 용접장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 발생부는, 상기 레이저 발생부의 내부의 내부로 냉각 유체를 순환시켜 상기 레이저 발생부를 냉각시키는 냉각부와 연결되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 레이저 용접장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용접헤드에는
    용접부위를 촬영하는 카메라모듈이 상기 스캔헤드에 인접하게 구비되고,
    상기 카메라모듈과 전기적으로 연결되어 상가 카메라모듈이 촬영한 영상을 디스플레이하는 모니터가 구비되는 것을 특징으로 하는 이차전지용 레이저 용접장치.
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