KR20220018744A - 용접용 지지부재 및 이를 이용한 용접 방법 - Google Patents

용접용 지지부재 및 이를 이용한 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접 대상물이 배치되는 지지부, 및 상기 지지부의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하는 레이저 용접용 지지부재에 대한 것으로서, 용접 과정에서 용융된 용접 대상물이 빨리 응고되는 것을 방지하기 위하여, 상기 지지부의 온도를 고온 상태로 유지할 수 있는 용접용 지지부재 및 이를 이용한 용접 방법에 대한 것이다.

Description

용접용 지지부재 및 이를 이용한 용접 방법 {Support Member for Welding and Welding Method Using the Same}
본원 발명은 용접용 지지부재 및 이를 이용한 용접 방법에 대한 것으로서, 구체적으로, 용접열에 의해 용융된 금속이 고체 상태로 상전이 되는 시간을 연장시킴으로써, 기포가 빠져나갈 수 있는 시간을 확보할 수 있는 용접용 지지부재 및 이를 이용한 용접 방법에 대한 것이다.
충방전이 가능한 리튬 이차전지는 와이어리스 모바일 기기(wireless mobile device) 또는 신체에 착용하는 웨어러블 기기(wearable device)의 에너지원으로 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 대기 오염을 유발하는 기존의 가솔린 차량 및 디젤 차량에 대한 대안으로 제시되는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등의 에너지원으로도 사용되고 있다.
상기 리튬 이차전지는 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 어떠한 구조로 이루어져 있는지에 따라 분류되기도 하는데, 대표적으로는, 긴 시트형의 양극들과 음극들을 분리막이 개재된 상태에서 권취한 구조의 젤리-롤형 전극조립체, 소정 크기의 단위로 절취한 다수의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 순차적으로 적층한 스택형 전극조립체, 소정 단위의 양극과 음극들을 분리막을 개재한 상태로 적층한 단위셀들을 분리막 시트로 권취한 구조의 스택/폴딩형 전극조립체 또는 상기 단위셀들이 분리막이 개재된 상태로 적층되어 접합된 구조의 라미네이션/스택형 전극조립체 등을 들 수 있다.
상기 스택형 전극조립체, 스택/폴딩형 전극조립체 및 라미네이션/스택형 전극조립체는 다수의 극판들 또는 단위셀들을 중첩시킨 상태에서 1개 이상의 전극 탭들을 하나의 전극 리드에 레이저 용접 또는 초음파 용접 등의 방법으로 결합시킨다.
상기 레이저 용접을 하는 경우, 레이저빔에 의해 금속이 용융되고 부분적으로 증발되며, 동시에 순간적으로 키홀(keyhole)을 형성된다. 용접 방향을 따라 상기 레이저빔을 이동시킨 바로 후에는 금속표면의 증기압이 키홀을 유지시키며, 용융금속은 키홀의 전방으로부터 키홀 벽을 따라 키홀의 뒤로 유동한다. 상기 용융금속은 표면 장력 혹은 다른 요인들에 의해 키홀을 덮은 후 곧 응고된다.
이와 같이 레이저 용접시 용접부에서 용융된 금속은 빠르게 응고되는 바, 전극 탭과 전극 리드의 용접시 발생된 기포가 상기 전극 탭과 전극 리드의 용접부에서 빠져나가지 못하고 금속의 액체와 고체 계면 사이에 갇히게 되면서 기공이 형성된다.
이와 같이 발생한 기공으로 인하여 전극 탭과 전극 리드의 접착력이 저하되는 결과, 용접 불량이 발생하게 된다.
이와 관련하여, 특허문헌 1은 리튬-기반 전극으로의 접촉 리드의 연결에 대한 것으로서, 복수의 관통홀들이 형성된 단부를 포함하는 접촉 리드와 전극의 가장자리에서 돌출된 탭을 결합하기 위하여, 상기 탭의 금속은 압착 및 용접함으로써, 상기 접촉 리드의 단부에 형성된 관통홀들을 관통하여 상기 전극을 상기 접촉 리드에 결합하는 방법을 개시한다.
상기 특허문헌 1은 전극 탭과 전극 리드를 연결하기 위하여 용접 방법을 사용하고 있으나, 용접성을 향상시키기 위한 방법으로서, 관통 홀들이 형성된 접촉 리드를 사용하고, 상기 전극 탭이 상기 관통 홀들을 관통하도록 압착 및 용접하는 방법을 사용한다.
따라서, 레이저 용접 또는 초음파 용접을 사용하는 경우로서, 용접 대상물인 금속을 용융시켜서 액체금속으로 변화시켜서 부착시킨 후, 용융된 금속이 다시 고체 금속으로 되돌아가는 과정에서, 용접시 발생된 기포가 금속의 액체와 고체 계면 사이에 갇혀서 기공이 형성되는 문제를 해결하기 위한 기술이 필요하다.
한국 공개특허공보 제2014-0113646호 (2014.09.24)
본원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 용접 대상물의 온도를 고온 상태로 유지함으로써, 용접 대상물이 응고되기 전에 용접 과정에서 발생된 기포가 배출될 수 있도록, 상기 용접 대상물이 응고되는 시간을 지연시킬 수 있는 용접용 지지부재 및 이를 이용한 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원 발명에 따른 용접용 지지부재는, 용접 대상물이 배치되는 지지부, 및 상기 지지부의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 용접용 지지부재에서, 상기 지지부의 상부는 가열 가능한 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 용접용 지지부재에서, 상기 온도 조절부는 상기 지지부의 온도가 상기 용접 대상물의 용융온도 보다 낮게 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 용접용 지지부재에서, 상기 지지부 내에는 열선이 배치되고, 상기 온도 조절부는 상기 열선의 온도를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 용접용 지지부재에서, 상기 지지부의 하부에 위치하고 상기 지지부의 열이 이동하는 것을 차단하는 베이스부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 용접용 지지부재에서, 상기 용접 대상물은 전극 탭과 전극 리드일 수 있다.
본 발명은, 또한, 상기 용접용 지지부재를 이용한 용접 방법을 제공하는 바, 구체적으로, 상기 용접 방법은, (a) 용접 대상물을 지지부 상에 배치하는 단계, (d) 상기 지지부를 가열하는 단계, (c) 상기 용접 대상물을 용접하는 단계, 및 (d) 상기 용접 대상물을 지지부재로부터 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법에 있어서, 상기 지지부가 가열된 상태에서 용접이 진행되고, 상기 가열된 상태는 용접 후 상기 용접 대상물을 분리하기 전까지 지속될 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법에 있어서, 상기 지지부의 가열된 상태의 온도는 일정한 온도로 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법에 있어서, 상기 지지부의 가열 온도는, 상기 용접 대상물의 용융 온도보다 낮은 온도일 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법에 있어서, 상기 용접 대상물은 전극 탭 및 전극 리드일 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법에 있어서, 상기 용접은 레이저 용접 또는 초음파 용접일 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법에 있어서, 상기 용접 대상물의 응고 시간 보다 상기 용접에 의해 발생한 기포의 배출 시간이 짧을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원 발명에 따른 용접용 지지부재는 용접 대상물이 배치되는 지지부의 온도를 고온 상태로 유지할 수 있는 바, 용접 대상물이 액체 상태에서 고체 상태로 변하는 시간을 지연시킬 수 있다.
즉, 용접 대상물의 액체와 고체 계면 사이에 있는 기포가 배출되는 시간을 충분히 확보할 수 있는 바, 용접 대상물 내부에 기공이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 용접에 의한 결합력을 향상시킬 수 있으며, 용접 불량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 지지부와 온도 조절부가 분리된 용접용 지지부재를 이용하여 용접하는 상태를 나타내는 정면도이다.
도 2는 지지부와 온도 조절부가 일체화된 용접용 지지부재를 이용하여 용접하는 상태를 나타내는 사시도이다.
도 3은 열선이 형성된 지지부의 평면 투시도이다.
도 4는 용접용 지지부재의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 용접 방법의 과정을 순서대로 도시한 정면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
또한, 모든 수치 범위는 명확하게 제외한다는 기재가 없는 한, 양 끝의 값과 그 사이의 모든 중간값을 포함한다.
본원 발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 지지부와 온도 조절부가 분리된 용접용 지지부재를 이용하여 용접하는 상태를 나타내는 정면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 용접용 지지부재(120)는 용접 대상물이 배치되는 지지부(121), 및 지지부(121)의 온도를 조절하는 온도 조절부(122)를 포함한다.
지지부(121)의 상부(121a) 상에 용접 대상물을 배치하고, 상기 용접 대상물을 기준으로 지지부(121)의 반대측에서 레이저(130)를 조사하여 레이저 용접을 한다.
상기 용접 대상물은 레이저 용접을 이용하여 결합 가능한 것이라면 그 종류가 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 용접 대상물은 전극 리드(101)와 1개 이상의 전극 탭(111)일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 용접용 지지부재는 복수의 전극들의 전극 탭에 전극 리드를 결합하기 위해 사용될 수 있다.
상기 전극 탭과 전극 리드를 결합하기 위해 용접을 하는 경우, 레이저빔(131)이 조사된 전극 탭(111)과 전극 리드(101) 결합부는 용융되어 액체 상태가 된다. 액체 상태가 된 전극 탭(111)과 전극 리드(101)의 용접부에서는 용접에 의해 기포가 발생하는데, 상기 기포가 빠져나오기 전에 용융 전극탭 및 용융 전극 리드가 다시 고체로 빠르게 상전이 된다. 이와 같이 빠져나오지 못한 기포가 있던 자리에는 기공이 형성되는 바, 용접부 내에 형성된 기공으로 인해 전극 탭과 전극 리드의 결합력이 저하되어 용접 불량이 발생하게 된다.
이와 같은 문제를 방지하기 위하여, 본 발명은, 전극 탭 및 전극 리드가 배치되는 지지부(121)의 상부(121a)는, 상기 용접부의 온도를 고온 상태로 유지할 수 있도록, 가열 가능한 구조로 이루어진다.
즉, 지지부 상부의 가열에 의해 용융된 전극 탭과 용융된 전극 리드가 고체로 상전이 되는 시간을 지연시킬 수 있는 바, 용접 과정에서 발생한 기포가 빠져나갈 시간을 충분히 확보함으로써, 전극 탭과 전극 리드의 용접부에 기공이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
다만, 지지부 상부의 가열은 전극 탭 및 전극 리드의 용접부가 액체상에서 고체상으로 상전이 되는 것을 지연시키기 위한 것일 뿐, 전극 탭 및 전극 리드가 액체인 상태가 지속된다면 이들의 형태 변형의 위험이 있는 바, 상기 지지부의 온도는 용접 대상물의 용융온도보다 낮게 조절되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기 지지부의 가열 온도는 상기 전극 탭 및 전극 리드 소재로 사용 가능한 알루미늄, 구리 및 니켈 등의 용융점 보다 낮게 설정될 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄 소재를 사용하는 경우에는, 상기 지지부의 가열 온도는 알루미늄의 용융점인 660℃ 보다 낮게 설정하는 것이 바람직하다.
도 1에 도시된 온도 조절부(122)는 지지부(121)와 분리된 형태로 구성되는 바, 지지부(121)와 온도 조절부(122)의 연결과 분리가 가능한 형태일 수 있다. 따라서, 필요에 따라 다른 지지부로 온도 조절부를 옮겨서 연결할 수 있으며, 또는 복수의 지지부를 한 개의 온도 조절부와 연결할 수 있다.
또한, 온도 조절부가 손상되는 경우, 손상된 온도 조절부의 교체를 손쉽게 할 수 있다.
도 2는 지지부와 온도 조절부가 일체화된 용접용 지지부재를 이용하여 용접하는 상태를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 전극조립체(210)는 복수의 전극들(212)이 적층되어 있고, 일측으로 돌출된 전극 탭들(211)이 서로 결합된 상태에서 전극 리드(201)의 일측 끝단과 결합하고 있다. 도 1에는 생략되었으나, 상기 전극 리드의 외면에는 파우치형 전지셀의 실링부와 결합력을 향상시키기 위한 리드 필름이 부착된 상태일 수 있다.
전극 탭들(211)과 전극 리드(201)를 연결하기 위하여 레이저 빔(231)을 조사하는 레이저(230)를 이용할 수 있으며, 전극 탭들(211)과 전극 리드(201)를 기준으로 상부에서는 레이저 빔(231)이 조사되고 하부에는 전극 탭들(211)과 전극 리드(201)를 지지하는 용접용 지지부재(220)가 위치한다.
지지부(221)의 상부(221a)는 용접부의 온도를 일정 온도 및 일정 시간 동안 유지할 수 있도록 가열 가능한 구조로 이루어지며, 지지부(221) 외면에는 온도 조절부(222)가 결합되어 있다.
도 2의 온도 조절부(222)는 하나의 구체적인 실시예로서, 지지부(221)의 일측 측면에 아날로그 방식으로 부착된 형태로 도시하고 있으나, 온도 조절부의 형태 및 위치는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 버튼형, 터치형, 등으로 구성될 수 있고, 온도 및 시간을 나타내는 액정표시부가 부가될 수 있다.
이와 같이, 온도 조절부가 지지부에 결합된 형태의 용접용 지지부재를 사용하는 경우, 상기 용접용 지지부재의 크기를 줄일 수 있고, 상기 용접용 지지부재의 이동 및 설치가 용이하다.
상기 도 1의 설명에서 용접용 지지부재에 대한 설명은 도 2의 용접용 지지부재에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 용접용 지지부재에 있어서, 상기 지지부 상부의 온도를 증가하기 위하여, 열선이 배치된 지지부를 사용할 수 있다. 이와 관련하여, 도 3은 열선이 형성된 지지부의 평면 투시도를 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 지지부 상부(221a)의 내부에는 열선(240)이 구비되어 있는 바, 온도 조절부는 열선(240)의 온도를 제어함으로써 지지부 상부(221a)가 가열되도록 할 수 있다.
따라서, 지지부 상부(221a)는 열전도성이 우수하고, 높은 온도에서도 전극 탭과 전극 리드의 지지가 가능하도록 용융점이 높은 소재로 이루어지는 것이 바람직한 바, 예를 들어, 상기 지지부 상부는 BeCu, 텅스텐, Tool Steel, 및 Cast Iron으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 물질로 이루어질 수 있다.
열선의 두께 및 열선의 배치 형태는 도 3에 도시된 형태로 제한되지 않으며, 격자형, 평행한 직선형, 지그재그형 및 물결형 등 다양한 형태로 구성될 수 있다.
다른 실시예로서, 상기 열선 대신 지지부 상부에 판상형의 열판이 배치될 수도 있고, 온도 조절부는 상기 열판의 온도를 제어함으로써 지지부 상부를 가열할 수 있다.
도 4는 용접용 지지부재의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 용접용 지지부재(320)는 가열 가능한 상부(321a)와 온도 조절부(322)를 포함하며, 지지부의 하부에 베이스부(325)를 더 포함한다.
지지부 상부(321a)가 가열되면, 열에너지가 지지부를 통과하여 지지부가 배치된 지면으로 전달될 수 있는 바, 높은 온도로 인해 안전성이 문제될 수 있다. 이에, 지지부의 하부에 용융점이 높고 열전도성이 낮은 소재로 이루어진 베이스부(325)를 구비함으로써, 열이 이동하여 전달되는 것을 차단할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 용접 방법의 과정을 순서대로 도시한 정면도로서, 도 1에 도시한 전극 탭과 전극 리드의 용접 과정을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 용접 과정을 도시한 (a) 내지 (d) 과정은, (a) 용접 대상물로서 전극 리드(101)와 전극 탭(111)을 지지부(121) 상에 배치하는 단계, (b) 지지부(121)를 가열하는 단계, (c) 상기 용접 대상물인 전극 리드(101)와 전극 탭(111)을 레이저로 용접하는 단계, 및 (d) 상기 용접 대상물인 전극 리드(101)와 전극 탭(111)을 지지부재로부터 분리하는 단계이다.
상기 용접하는 단계는, 용접 과정에서 발생한 기포가 빠져나갈 수 있도록 용융된 전극 탭과 전극 리드의 용접부(150)가 고체로 상전이 되는 시간을 지연할 수 있도록, 지지부(121)가 가열된 상태에서 용접이 진행되고, 상기 가열된 상태는 용접 후 용접 대상물인 전극 리드(101)와 전극 탭(111)을 지지부에서 분리하기 전까지 지속될 수 있다.
상세하게는, 용접 과정에서 발생한 기포가 빠져나가기 전에 상기 용접 대상물이 응고되어 기공이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 상기 용접 대상물의 응고 시간 보다 상기 기포의 배출 시간이 짧을 수 있다.
또한, 전극 탭 및 전극 리드 용접부(150)의 빠른 상전이를 방지하기 위하여, 지지부(121)의 온도는 일정한 범위에서 유지될 수 있으며, 상세하게는, 일정한 온도로 유지될 수 있다.
다만, 상기 지지부의 가열 온도는 용접 대상물의 용융 온도보다는 낮게 설정함으로써, 전극 탭 및 전극 리드가 용융되어 형태가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 용접 방법을 사용하는 경우, 용접 과정에서 발생한 열에너지로 인해 용융된 금속이 고체로 응고되는 시간을 지연시킴으로써 용접 대상물 내부에 기공이 형성되는 것을 방지할 수 있는 점을 고려할 때, 상기 용접은 레이저 용접 뿐 아니라, 초음파 용접도 포함될 수 있다.
본원 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
101, 201: 전극 리드
111, 211: 전극 탭
120, 220, 320: 용접용 지지부재
121, 221: 지지부
121a, 221a, 321a: 상부
122, 222, 322: 온도 조절부
130, 230: 레이저
131, 231: 레이저빔
150: 용접부
210: 전극조립체
212: 전극
240: 열선
325: 베이스부

Claims (13)

  1. 용접용 지지부재에 있어서,
    용접 대상물이 배치되는 지지부; 및
    상기 지지부의 온도를 조절하는 온도 조절부;
    를 포함하는 용접용 지지부재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 지지부의 상부는 가열 가능한 구조로 이루어진 용접용 지지부재.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 조절부는, 상기 지지부의 온도가 상기 용접 대상물의 용융온도 보다 낮게 조절하는 용접용 지지부재.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 지지부 내에는 열선이 배치되고, 상기 온도 조절부는 상기 열선의 온도를 제어하는 용접용 지지부재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 지지부의 하부에 위치하고 상기 지지부의 열이 이동하는 것을 차단하는 베이스부를 더 포함하는 용접용 지지부재.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 용접 대상물은 전극 탭과 전극 리드인 용접용 지지부재.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 용접용 지지부재를 이용한 용접 방법에 있어서,
    (a) 용접 대상물을 지지부 상에 배치하는 단계;
    (b) 상기 지지부를 가열하는 단계;
    (c) 상기 용접 대상물을 용접하는 단계; 및
    (d) 상기 용접 대상물을 지지부재로부터 분리하는 단계;
    를 포함하는 용접 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 지지부가 가열된 상태에서 용접이 진행되고, 상기 가열된 상태는 용접 후 상기 용접 대상물을 분리하기 전까지 지속되는 용접 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 지지부의 가열된 상태의 온도는 일정한 온도로 유지되는 용접 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 지지부의 가열 온도는, 상기 용접 대상물의 용융 온도보다 낮은 온도인 용접 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 용접 대상물은 전극 탭 및 전극 리드인 용접 방법.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 용접은 레이저 용접 또는 초음파 용접인 용접 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 용접 대상물의 응고 시간 보다 상기 용접에 의해 발생한 기포의 배출 시간이 짧은 용접 방법.
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