KR20190114107A

KR20190114107A - 원통형 배터리 저항 용접 장치 및 이를 이용한 원통형 배터리 저항 용접 방법, 그리고 이를 통해 제작된 원통형 배터리

Info

Publication number: KR20190114107A
Application number: KR1020180036287A
Authority: KR
Inventors: 권판중; 백주환; 박건태
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-10-10
Also published as: KR102389447B1

Abstract

본 발명에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치 및 이를 이용한 원통형 배터리 저항 용접 방법은, 용접 전후 돌기부의 높이차를 측정하면서 용접을 실시할 수 있는 표준화된 용접 설비와 용접 모니터링 시스템을 통해 용접 불량을 사전에 차단하고 검출할 수 있도록 하여, 용접 품질을 향상시킴과 아울러 불량 발생 최소화로 가격 경쟁력을 높일 수 있다.

Description

원통형 배터리 저항 용접 장치 및 이를 이용한 원통형 배터리 저항 용접 방법, 그리고 이를 통해 제작된 원통형 배터리{Resistance welding device and method of cylindrical battery, and cylindrical battery manufactured by the method}

본 발명은 이동식 전자기기, 자동차 등에 사용되는 배터리에 관한 것으로서, 특히 원통형 전지들을 전기적으로 연결하기 위한 배터리 저항 용접 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이차전지는 전지 케이스의 형상에 따라 파우치형, 원통형, 각형 등으로 분류된다.

이 중 원통형 전지는 주로 금속 재질의 케이스를 원통형 구조로 만들어서 사용하므로 다른 형태의 배터리 셀에 비해 안전성이 뛰어나다. 또한, 케이스 내부에 구성되는 전극 조립체를 둥글게 말아서 제조하기 때문에 부피당 에너지 밀도가 높을 뿐만 아니라 여러 개의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 대용량의 전력 저장 장치를 구성하기 쉽다는 장점이 있다.

원통형 전지의 상면과 밑면에는 양극 단자와 음극 단자가 각각 구성되어 다른 전지의 음극 단자 및 양극 단자와 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있는 구조를 갖는다. 통상 양극 단자는 전지에서 돌출된 구조를 갖고, 음극 단자는 대략 평면구조로 이루어짐에 따라 양극 단자와 음극 단자를 안정적으로 연결하기 위해서 서로 접속되는 양극 단자 또는 음극 단자를 리드와 같이 전기가 통하는 금속 즉, 메탈 플레이트를 저항 용접하는 방법으로 연결하고 있다.

그러나, 종래에는 메탈 플레이트를 원통형 전지에 돌기부(projection)를 저항 용접할 때, 약용접, 과용접 등 모든 용접 불량에 대한 검출 기술이 없어서 용접 품질을 향상시키는데 한계가 있는 문제점이 있었다.

즉, 저항 용접 후에 육안 검사 또는 비젼(Vision) 검사를 실시할 경우에는 과용접에 대한 일부 검출은 가능하나 약용접에 대한 검출은 불가능한 문제점이 있고, 용접 부분을 당겨서 미용접을 검출하는 스틱(Stick) 검사를 할 경우에는 일부 약용접이나 미용접 검출은 가능하나 이때에는 메탈 플레이트에 직접적으로 힘을 가하게 되므로 배터리 팩이 손상되는 등의 위험이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

한국 공개특허 제10-2017-0110331호 일본 공개특허 제1999-5175호 한국 공개특허 제10-2008-0016049호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 용접 전후 돌기부의 높이차를 측정하면서 용접을 실시할 수 있는 표준화된 용접 설비와 용접 모니터링 시스템을 통해 용접 불량을 사전에 차단하고 검출할 수 있도록 함으로써 용접 품질을 향상시킴과 아울러 불량 발생 최소화로 가격 경쟁력을 높일 수 있는 원통형 배터리 저항 용접 장치 및 이를 이용한 원통형 배터리 저항 용접 방법, 그리고 이를 통해 제작된 원통형 배터리를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치는, 원통형 전지에서 외부에 노출된 전극 단자에, 돌기부가 형성된 메탈 플레이트를 가압하면서 용접하는 저항 용접기와; 상기 원통형 전지와 메탈 플레이트가 용접되는 쪽에 구비되어 용접할 때 메탈 플레이트의 돌기부의 높이 변화 또는 저항 용접기의 용접봉 이동 거리를 측정하는 변위 측정수단과; 상기 저항 용접기의 작동 상태 또는 상기 가압력 측정수단 및 변위 측정수단에서 측정된 결과가 입력되는 모니터링 수단을 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 원통형 배터리 저항 용접 장치는, 상기 저항 용접기의 일측에 구비되어 상기 저항 용접기에 의해 상기 메탈 플레이트가 상기 전극 단자에 가압되는 가압력을 측정하는 가압력 측정수단을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 저항 용접기는, 상기 메탈 플레이트에 접촉되는 용접봉과, 상기 메탈 플레이트의 돌기부가 전극 단자에 밀착되도록 상기 용접봉을 가압하는 가압 추종기와, 상기 용접봉에 제공되는 에너지와 상기 가압 추종기를 제어하는 용접 콘트롤러를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 저항 용접기는, 원통형 전지와 메탈 플레이트를 용접 가능하도록 지지하는 용접 지그를 포함하고, 상기 용접 지그는 상기 원통형 전지와 메탈 플레이트가 상하 방향에서 용접되게 지지할 수 있도록 구성될 수 있다.

상기 변위 측정수단은 리니어 스케일로 구성될 수 있다.

상기 가압력 측정수단은 상기 가압 추종기에 연결된 로드 셀로 구성될 수 있다.

상기 모니터링 수단은 모니터를 포함한 PC로 구성될 수 있다.

상기 모니터링 수단은 상기 저항 용접기를 통해 용접에 사용되는 전류, 전압, 저항, 전력, 에너지 중 적어도 어느 하나 또는 상기 변위 측정수단에 의해 측정된 값이 표시되도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 모니터링 수단은 상기 저항 용접기를 통해 용접에 사용되는 전류, 전압, 저항, 전력, 에너지 및 상기 변위 측정수단에 의해 측정된 값이 저장되고, 이 저장된 데이터를 통계적으로 나타낼 수 있도록 구성될 수 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 원통형 배터리 저항 용접 방법은, 용접 지그를 이용하여 원통형 전지의 전극 단자에 메탈 플레이트의 돌기부를 접촉시켜 지지하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후에 저항 용접기를 이용하여 상기 전극 단자와 돌기부의 접촉 부분에 전기를 인가하면서 저항 용접하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계 과정에서 변위 측정수단을 통해 상기 돌기부의 높이 변화를 측정하는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계에서 측정된 상기 돌기부의 높이 변화에 따라 용접 상태를 판단하는 제 4 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 원통형 배터리 저항 용접 방법은, 용접 지그를 이용하여 원통형 전지의 전극 단자에 메탈 플레이트의 돌기부를 접촉시켜 지지하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후에 저항 용접기를 이용하여 상기 전극 단자와 돌기부의 접촉 부분에 전기를 인가하고 상기 돌기부를 전극 단자에 가압하면서 저항 용접하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계 과정에서 변위 측정수단을 통해 상기 돌기부의 높이 변화를 측정하는 동시에 가압력 측정수단을 통해 상기 돌기부가 상기 전극 단자에 가압되는 힘을 측정하는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계에서 측정된 상기 돌기부의 높이 변화 및 가압력에 따라 용접 상태를 판단하는 제 4 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 단계는 20~40J 범위의 출력 에너지 값으로 저항 용접을 실시할 수 있다.

상기 제 3 단계와 제 4 단계 사이에는 용접시에 용접에 사용되는 전류, 전압, 저항, 전력, 에너지, 상기 변위 측정수단에 의해 측정된 값을 모니터링 하는 단계가 포함되는 것이 바람직하다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 원통형 배터리는, 상기한 바와 같은 원통형 배터리 저항 용접 장치 또는 원통형 배터리 저항 용접 방법에 의해 제작된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.

본 발명에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치 및 이를 이용한 원통형 배터리 저항 용접 방법은, 변위 측정장치를 이용하여 용접시에 돌기부의 높이차를 측정하면서 용접을 실시할 수 있는 표준화된 용접 설비를 구비함과 아울러, 에너지 등 용접 파라미터(parameter)들을 복합적으로 모니터링하고, 이를 통계적으로 관리하면서 용접할 수 있도록 구성되기 때문에 용접 불량을 사전에 차단하고 즉시 검출할 수 있고, 이를 통해 용접 품질을 향상시킬 수 있고, 불량 발생을 최소화시켜 가격 경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명은, 모니터링 시스템 및 변위 측정장치를 통해 실시간 에너지 값, 용접 전후의 변위 등의 확인하면서 용접할 수 있도록 구성되어 있기 때문에 약용접, 과용접 검출 범위를 확대함은 물론 용접 불량을 즉시 검출하고 개선할 수 있다.

또한, 본 발명은, 용접 파라미터들의 데이터를 축적하고, 이를 바탕으로 용접 에너지에 대한 통계적 공정관리를 실시할 수 있도록 구성되기 때문에 불량 발생을 최소화하면서 용접 품질을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치가 도시된 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용접 과정을 보여주는 주요부 상세 도면들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용되는 메탈 플레이트가 도시된 평면도 및 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 모니터링 수단에 의해 표시되는 화면 구성을 보여주는 일 실시예의 도면이다.
도 5는 프로젝션 용접시 약용접(a), 정상 용접(b), 과용접(c) 상태를 보여주는 도면들이다.
도 6은 에너지 21J, 가압력 2.0kgf로 하여 용접할 때의 용접 부위를 절단한 확대 사진이다.
도 7은 에너지 24J, 가압력 4.0kgf로 하여 용접할 때의 용접 부위를 절단한 확대 사진이다.
도 8은 전류 인가에 따른 변위, 에너지 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 전류, 에너지, 변위 변화에 따른 용접 부위 절단 확대 사진이다.
도 10 내지 도 12는 용접 시간에 따른 용접 초기 단계, 용접 안정화 단계, 과용접 발생 단계의 용접 부위 절단 확대 사진이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치가 도시된 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치를 이용한 용접 과정을 보여주는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치는 원통형 전지(10)의 외부에 노출된 전극 단자(15)에 다른 전지의 전극 단자 또는 배터리 회로와 전기적으로 연결하기 위해 메탈 플레이트(20)를 도 2의 (a)에서 (b)와 같이 가압하면서 저항 용접하도록 구성된다.

여기서, 메탈 플레이트(20)는 돌출 구조의 돌기부(25)가 형성되어 이 돌기부(25)가 원통형 전지(10)의 전극 단자(15)에 용접되어 고정된다.

메탈 플레이트(20)의 형상 및 구조는 실시 조건에 따라 다양하게 구성하여 실시할 수 있는데, 도 3은 메탈 플레이트(20)의 일 실시예를 보여주는 평면도 및 측면도이다.

도 3을 참고하면, 메탈 플레이트(20)는 사각 구조의 플레이트부(22)의 가운데 부분에 2개의 접속 커넥팅부(24)가 나란히 구성되고, 이 접속 커넥팅부(24)를 원통형 전지(10)의 전극 단자(15)에 용접한 다음 절단하여 외곽의 플레이트부(22)를 분리하도록 구성될 수 있다.

특히, 접속 커넥팅부(24)에는 일정 높이로 돌출되어 전극 단자(15)에 용접되어 고정되는 돌기부(25)가 구성된다. 이때 돌기부(25)의 높이는 돌기부(25)의 둘레 직경(Φ)이 1.6mm 일 때, 플레이트부(22)의 상면으로부터 돌출 높이(h)가 0.4mm 또는 그 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 메탈 플레이트(20)를 구성하는 소재로는 Cu(예를 들면, C1100), 또는 Cu 합금(예를 들면, Cu 함량 90% 이상으로 C18145, C19025, C19170 등의 합금)으로 구성되는 것이 바람직하다.

이제, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치를 구성하는 구성 요소에 대하여 설명한다. 참고로, 발명을 보다 명확히 설명하기 위해 용접 부분을 과도하게 표현하였고, 저항 용접기(30) 및 용접 지그(38) 등은 개략적으로 표시하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치는, 원통형 전지(10)의 전극 단자(15)에 상기와 같은 메탈 플레이트(20)를 용접하는 저항 용접기(30), 용접시에 저항 용접기(30)의 가압력을 측정하는 가압력 측정수단(40), 용접시 돌기부(25)의 높이 변화를 측정하는 변위 측정수단(50), 용접 상태를 보여주는 모니터링 수단(60)을 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 원통형 배터리 저항 용접 장치의 주요 구성 부분에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 저항 용접기(30)는 용접봉(32)에 전기를 인가하고 메탈 플레이트(20)의 돌기부(25)를 원통형 전지(10)의 전극 단자(15)에 가압하면서 저항 용접하도록 구성된다.

이러한 저항 용접기(30)는, 메탈 플레이트(20)에 접촉되는 용접봉(32)과, 메탈 플레이트(20)의 돌기부(25)가 전극 단자(15)에 밀착되도록 용접봉(32)을 밀어주는 등 용접봉(32)을 제어하는 가압 추종기(34)와, 용접봉(32)에 제공되는 전기와 가압 추종기(34)의 가압력 등을 제어하는 용접 콘트롤러(36)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 실시예에서 하나의 메탈 플레이트(20)에 2개의 접속 커넥팅부(24)가 구성되므로 저항 용접기(30)에는 용접봉(32)과 가압 추종기(34)가 2개로 구성되는 것이 바람직하다.

용접봉(32) 및 가압 추종기(34)는 공지의 저항 용접기(30)를 이용하여 구성할 수 있으므로 이에 대한 보다 자세한 도면 예시 및 설명은 생략한다.

다만, 가압 추종기(34)는 스프링을 이용하여 용접봉(32)에 가압력을 제공할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한 저항 용접기(30)는 원통형 전지(10)와 메탈 플레이트(20)를 용접 가능하도록 지지하는 용접 지그(38)를 포함하여 구성될 수 있다. 용접 지그(38)는 X,Y,Z 축 방향으로 위치 제어가 가능하도록 이루어지고 원통형 전지(10)와 메탈 플레이트(20)가 상호 접촉된 상태에서 안정적으로 지지하면서 용접을 실시할 수 있는 구조이면 다양하게 설계하여 구성할 수 있을 것이다.

다만, 용접 지그(38)는 원통형 전지(10)와 메탈 플레이트(20)를 상하로 배치된 상태에서 용접이 이루어질 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이는 원통형 전지(10)와 메탈 플레이트(20)를 좌우로 고정한 상태에서 용접할 때보다 용접 품질을 높일 수 있기 때문이다.

다음, 가압력 측정수단(40)은 저항 용접기(30)의 일측에 구비되어 저항 용접기(30)에 의해 메탈 플레이트(20)가 전극 단자(15)에 가압되는 가압력을 측정하도록 구성된다.

이러한 가압력 측정수단(40)은 저항 용접기(30)의 각각의 가압 추종기(34)에 연결되어 가압력을 측정하는 로드 셀(45)로 구성될 수 있다.

로드 셀(45)을 이용한 측정 결과는 상기 모니터링 수단(60)에 바로 입력되는 것도 가능하고, 추가로 구성되는 인디케이터(indicator)(47)를 통해 가압 상태를 보여주도록 구성되는 것도 가능하다. 물론, 인디케이터(47)가 구성되더라도 로드 셀(45)을 이용한 측정 결과는 모니터링 수단(60)에 입력되도록 구성되는 것이 바람직하다.

다음, 변위 측정수단(50)은 원통형 전지(10)와 메탈 플레이트(20)가 용접되는 쪽 또는 용접봉(32) 쪽에 구비되어 용접할 때 메탈 플레이트(20)의 돌기부(25)의 높이 변화 또는 용접봉(32)의 이동 거리를 측정할 수 있도록 구성된다. 즉, 저항 용접 과정에서 돌기부(25)가 용융(melting)되면서 전극 단자(15)와의 용접이 이루어지게 되는 바, 변위 측정수단(50)을 이용하여 돌기부(25)의 용융 용접 깊이를 검출하여 용접의 유효성을 실시간 검증할 수 있도록 구성된다.

이러한 변위 측정수단(50)은 리니어 스케일 센서(linear scale sensor) 또는 리니어 인코더로 구성될 수 있고, 분해능은 0.001mm 정도, PLC 등을 통해 모니터링 수단(60)에 측정 결과를 실시간으로 입력할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 하나의 메탈 플레이트(20)에 2개의 접속 커넥팅부(24)가 구성되어 두 개의 용접 부분을 갖게 되므로 변위 측정수단(50)도 2개로 구성되는 것이 바람직하고, 설치 위치는 용접 지그(38) 또는 가압 추종기(34) 쪽에 설치하여 구성할 수 있다.

다음, 모니터링 수단(60)은 저항 용접기(30)의 작동 상태는 물론 가압력 측정수단(40) 및 변위 측정수단(50)에서 측정된 결과를 알려주거나 보여주도록 구성된다.

이러한 모니터링 수단(60)은 모니터(62)를 포함한 PC로 구성될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 작업자가 확인할 수 있도록 용접할 때 저항 용접기(30)에 사용되는 전류, 전압, 저항, 전력, 에너지와, 가압력 측정수단(40)과 변위 측정수단(50)에 의해 측정된 값 등이 표시되게 구성되는 것이 바람직하다. 이들 모두가 표시되거나 적어도 어느 하나 이상이 표시되게 구성될 수 있다.

또한, 모니터링 수단(60)은 저항 용접기(30)를 통해 용접에 사용되는 전류, 전압, 저항, 전력, 에너지 및 가압력 측정수단(40)과 변위 측정수단(50)에 의해 측정된 값이 저장되고 이 저장된 데이터를 통계적으로 이용하거나 나타낼 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 구성 외에도 용접기 제어와 모니터링 수단(60)과의 통신 등을 위한 PLC(Programmable Logic Controller)(65), 각종 측정 결과를 알려주는 오실로스코프 등을 추가로 구성할 수 있다.

또한, 용접한 후 인장력을 측정하는 인장력 측정기도 추가하여 이용할 수 있다.

이제, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 원통형 배터리 저항 용접 장치를 이용한 원통형 배터리 저항 용접 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 용접 지그(38)를 이용하여 원통형 전지(10)와 메탈 플레이트(20)를 지지시켜 고정한다. 이때 원통형 전지(10)의 전극 단자(15)와 메탈 플레이트(20)의 돌기부(25)가 상호 접촉된 상태에 있도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 메탈 플레이트(20)의 상부에 저항 용접기(30)의 용접봉(32)을 위치시킨다.

다음, 상기와 같이 용접 세팅 작업이 완료되면, 저항 용접기(30)를 이용하여 전극 단자(15)와 돌기부(25)의 접촉 부분에 전기를 인가하면서 저항 용접을 실시한다.

참고로, 도 5는 저항 용접시 용접 상태를 보여주는 도면으로서, (a)는 용접 변위가 일정 범위 이하인 약용접된 상태이고, (c)는 용접 변위가 일정 범위 이상인 과용접된 상태이다. 그리고 (b)는 용접 변위가 일정 범위 내에 있는 정상 용접된 상태이다.

도 5의 (b)에서와 같이 정상 용접이 이루어지기 위해서는 저항 용접을 실시할 때, 적절한 가압력과 에너지를 제공하면서 설정된 변위(돌기부의 높이; h)로 용접이 이루어져야 한다.

이때, 정상 용접을 위한 가압력, 에너지, 변위 등의 적정 수치는 다수의 실험 등을 통해서 통계적으로 확보된 데이터를 바탕으로 도출된 수치 값으로 설정되는 것이 바람직한 바, 가압력, 에너지, 변위 등의 변화에 따른 각각의 용접성 실험 결과를 살펴본다.

먼저, 도 6 내지 도 7을 참조하여, 가압력에 따른 용접성 변화 추이를 설명한다.

도 6은 에너지 21Joule(2.7kA, 2.3ms), 가압력 2.0kgf로 하여 용접한 후, 용접 부위를 절단한 확대 사진으로서, 가압 추종기(34)의 가압력을 2.0kgf이하로 할 경우에 용접이 되더라도 인장 강도가 취약하여 정상 용접이 이루어지지 않음을 확인할 수 있다.

도 7은 24Joule(2.9kA,2.5ms), 가압력 4.0kgf로 하여 용접한 후, 용접 부위를 절단한 확대 사진으로서, 안정적인 용접이 가능함을 확인할 수 있다.

따라서, 이와 같은 실험을 통해 가압 추종기(34)를 이용한 가압력의 적정 범위는 3.0kgf~4.0kgf로 설정할 수 있을 것이다. 물론, 4.0kgf 이상으로 설정하는 것도 가능하나, 이때에는 과용접될 가능성이 존재하고, 가압 추종기(34)의 가압 한계치를 넘을 수도 있다.

다음, 도 8 및 도 9를 참조하여, 에너지와 변위에 따른 용접성 변화 추이를 설명한다.

도 8은 전류 인가에 따른 변위1, 에너지 변화를 보여주는 그래프이고, [표 1]은 각 구간별 에너지, 변위, 인장강도 등을 나타낸 것이다.

[표 1]

도 8 및 [표 1]에 나타난 바와 같이, 에너지가 20~24J 범위인 ①구간에서는 정상 용접이 이루어졌다. 그리고, 에너지가 30~35J 범위인 ②구간에서는 정상용접 범위에 있는 상태이나, 다수의 용접 시료 중 변위가 0.233 수준으로 1개의 시료만 과용접이 발생한 것을 제외하면 대략 0.12 수준의 변위가 발생하면서 정상 용접이 이루어졌다. 하지만, 에너지가 10~12J 범위인 ③구간에서는 약용접된 결과가 나타났다.

따라서, 상기 실험 결과를 통해 에너지 값이 20~35J에서 정상 범위의 변위 값을 갖는 정상 용접이 이루어짐을 확인할 수 있었다.

이는 도 9의 실험 결과를 통해서도 확인할 수 있다. 즉, 18J 이하에서는 약용접 상태이나 28J, 40J 에서는 정상 용접되었고, 53J 이상에서는 과용접되고, 66J 이상에서는 용접 터짐도 발생한 것을 확인할 수 있다.

한편, 용접 시간에 따른 정상 용접 조건을 살펴본다.

용접 시간에 따라 용접 초기 단계, 용접 안정화 단계, 과용접 발생 단계로 나눌 수 있고, 용접 안정화 단계에서 정상 용접이 이루어짐을 확인할 수 있다.

용접 초기 단계에서는 전류가 인가되면서 용접부에 국소적인 고열이 발생하고, 이로 인하여 용접부가 녹기 시작하면서 저항이 안정화된다. 총 용접 시간을 3.4ms로 설정할 경우에, 3.4ms 중 약 0 ~ 1.0ms 지점에서, 전류(kA)는 2.5kA까지 상승하면서 용접이 시작되고, 저항(mΩ)은 최대 수준에서 전류가 공급되면서 하강한다. 이때 에너지는 0 ~ 12 Joule 정도다. 따라서 10 ~ 12 Joule 수준의 에너지를 공급할 경우에 도 10에서와 같이 인장 강도 5kgf이하 수준의 약용접이 발생하게 된다.

용접 안정화 단계에서는 용접이 정상적으로 진행되는 단계로서, 저항은 일정하거나 미세하게 작아지면서 용접이 안정화된다. 총 용접 시간 3.4ms 중 약 1.0 ~ 3.2ms 지점에서, 전류(kA)는 2.5kA로 유지하면서 용접 안정화를 이루고, 저항(mΩ) 은 약 1.48mΩ 수준에서 조금씩 하강한다. 이때 에너지는 12 ~ 32 Joule 정도다. 따라서 25 ~ 30 Joule 수준의 에너지를 공급할 경우에 도 11에서와 같이 인장강도 15kgf 이상의 정상 용접이 이루어진다.

과용접 발생단계에서는 에너지가 적정 수준을 초과하면서 저항 및 전압이 급격하게 상승하면서 메탈 플레이트(20)의 돌기부(25)가 과도하게 용융된다. 총 용접 시간 3.4ms 중 약 3.2 ~ 3.4ms 지점에서, 전류(kA)는 2.5kA로 전류 유지할 때 저항(mΩ)이 약 1.60mΩ 수준에서 급격히 상승한다. 이때 에너지는 40 ~ 48 Joule로 올라간다. 따라서, 40 Joule 이상의 에너지를 공급할 경우 도 12에서와 같이 과용접이 발생할 수 있다.

상기와 같은 실험 결과를 통해, 에너지 변화량은 용접 품질을 좌우하고, 변위 변화량은 용접 불량을 검출할 수 있는 중요한 요인이 됨을 확인할 수 있다.

즉, 에너지를 통한 용접품질 모니터링은 에너지 상승에 따라 돌기부(25)의 녹는 양이 증가하므로, 적정한 가압력 제공 상태에서, 일정한 전력(kW)과 일정한 에너지(Wsec)가 유지된다면 용접성은 일정하게 이루어질 수 있다. 따라서 용접 에너지에 대한 통계적 공정관리를 통해 일정 출력 에너지를 설정하여 인가하게 되면 용접 품질을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 용접 변위 측정을 통한 용접 불량 검출은 약용접이 발생하는 용접 변위 수준이 정상 용접과 대비하여 용접 변위가 현저한 차이를 가지고, 과용접은 전압, 에너지, 변위 연계를 통해 예방 및 검출이 가능할 것이다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 원통형 전지 15 : 전극 단자
20 : 메탈 플레이트 25 : 돌기부
30 : 저항 용접기 32 : 용접봉
34 : 가압 추종기 38 : 용접 지그
40 : 가압력 측정수단(로드 셀) 47 : 인디케이터
50 : 변위 측정수단(리니어 스케일 센서)
60 : 모니터링 수단 65 : PLC

Claims

원통형 전지에서 외부에 노출된 전극 단자에, 돌기부가 형성된 메탈 플레이트를 가압하면서 용접하는 저항 용접기와;
상기 원통형 전지와 메탈 플레이트가 용접되는 쪽에 구비되어 용접할 때 메탈 플레이트의 돌기부의 높이 변화 또는 저항 용접기의 용접봉 이동 거리를 측정하는 변위 측정수단과;
상기 저항 용접기의 작동 상태 또는 상기 가압력 측정수단 및 변위 측정수단에서 측정된 결과가 입력되는 모니터링 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 원통형 배터리 저항 용접 장치는, 상기 저항 용접기의 일측에 구비되어 상기 저항 용접기에 의해 상기 메탈 플레이트가 상기 전극 단자에 가압되는 가압력을 측정하는 가압력 측정수단을 더 포함한 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 저항 용접기는, 상기 메탈 플레이트에 접촉되는 용접봉과, 상기 메탈 플레이트의 돌기부가 전극 단자에 밀착되도록 상기 용접봉을 가압하는 가압 추종기와, 상기 용접봉에 제공되는 에너지와 상기 가압 추종기를 제어하는 용접 콘트롤러를 포함한 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 저항 용접기는, 원통형 전지와 메탈 플레이트를 용접 가능하도록 지지하는 용접 지그를 포함하고,
상기 용접 지그는 상기 원통형 전지와 메탈 플레이트가 상하 방향에서 용접되게 지지할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 변위 측정수단은 리니어 스케일로 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 가압력 측정수단은 상기 가압 추종기에 연결된 로드 셀로 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 모니터링 수단은 상기 저항 용접기를 통해 용접에 사용되는 전류, 전압, 저항, 전력, 에너지 중 적어도 어느 하나 또는 상기 변위 측정수단에 의해 측정된 값이 표시되도록 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 모니터링 수단은 상기 저항 용접기를 통해 용접에 사용되는 전류, 전압, 저항, 전력, 에너지 및 상기 변위 측정수단에 의해 측정된 값이 저장되고, 이 저장된 데이터를 통계적으로 나타낼 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 장치.
용접 지그를 이용하여 원통형 전지의 전극 단자에 메탈 플레이트의 돌기부를 접촉시켜 지지하는 제 1 단계와;
상기 제 1 단계 후에 저항 용접기를 이용하여 상기 전극 단자와 돌기부의 접촉 부분에 전기를 인가하면서 저항 용접하는 제 2 단계와;
상기 제 2 단계 과정에서 변위 측정수단을 통해 상기 돌기부의 높이 변화를 측정하는 제 3 단계와;
상기 제 3 단계에서 측정된 상기 돌기부의 높이 변화에 따라 용접 상태를 판단하는 제 4 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 방법.
용접 지그를 이용하여 원통형 전지의 전극 단자에 메탈 플레이트의 돌기부를 접촉시켜 지지하는 제 1 단계와;
상기 제 1 단계 후에 저항 용접기를 이용하여 상기 전극 단자와 돌기부의 접촉 부분에 전기를 인가하고 상기 돌기부를 전극 단자에 가압하면서 저항 용접하는 제 2 단계와;
상기 제 2 단계 과정에서 변위 측정수단을 통해 상기 돌기부의 높이 변화를 측정하는 동시에 가압력 측정수단을 통해 상기 돌기부가 상기 전극 단자에 가압되는 힘을 측정하는 제 3 단계와;
상기 제 3 단계에서 측정된 상기 돌기부의 높이 변화 및 가압력에 따라 용접 상태를 판단하는 제 4 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 방법.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
상기 제 3 단계와 제 4 단계 사이에는 용접시에 용접에 사용되는 전류, 전압, 저항, 전력, 에너지, 상기 변위 측정수단에 의해 측정된 값을 모니터링 하는 단계가 포함된 것을 특징으로 하는 원통형 배터리 저항 용접 방법.
청구항 9 또는 청구항 10에 기재된 원통형 배터리 저항 용접 방법에 의해 제작된 원통형 배터리.