KR20230151293A - 용접 품질 검사 방법 - Google Patents

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KR20230151293A KR1020220050806A KR20220050806A KR20230151293A KR 20230151293 A KR20230151293 A KR 20230151293A KR 1020220050806 A KR1020220050806 A KR 1020220050806A KR 20220050806 A KR20220050806 A KR 20220050806A KR 20230151293 A KR20230151293 A KR 20230151293A
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Abstract

본 발명은 용접 품질 검사 방법에 관한 것으로서, 용접 품질 검사 방법은 용접 공정 중에 용접 대상물의 용입 깊이를 측정하여 상기 용접 대상물의 용접 품질을 검사하는 비파괴 검사 방법을 포함하고, 상기 용접 대상물은 상판 및 상기 상판의 하측에 용접되는 하판을 포함하고, 상기 비파괴 검사 방법에서 측정되는 상기 용입 깊이는, 상기 용접 공정으로 인해 상기 하판이 함몰되는 깊이일 수 있다.

Description

용접 품질 검사 방법{INSPECTION METHOD FOR WELDING QUALITY}
본 발명은 용접 품질 검사 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 모듈에는 최근 이차전지는 첨단 전자산업의 발달로 전자장비의 소형화 및 경량화가 가능하게 됨에 따라 기존의 가솔린이나 디젤 차량 등의 대기오염 등의 환경문제를 해결하기 위해 제안되고 있는 전기자동차 및 하이브리드 자동차의 전원으로의 사용도 점점 증가하는 추세에 있다.
이러한 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있으며, 일정 전압을 가지는 단위 이차전지 즉, 배터리 셀은 형태에 따라 각형, 원통형, 파우치형 등이 있으나, 각형이나 원통형 대비 두께가 얇고, 무게가 가벼우며, 다양한 형상 및 모양으로 제조가 가능할 뿐만 아니라, 부피 면적당 효율 및 방열성이 우수하고, 다층으로 적층이 용이한 파우치형 배터리 셀의 사용 비중이 점차 증가하고 있는 실정이다.
도 1은 일반적인 배터리 모듈을 도시한 도면이다. 도 2는 도 1에서 전후 커버를 제거한 모습을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 2에 도시되어 있듯이, 일반적인 배터리 모듈(1)의 경우, 복수의 배터리 셀이 좌우 방향으로 적층되어 형성된 셀 적층체(2)와, 좌우 방향으로 셀 적층체(2)의 양 측면에 각각 배치되는 엔드 플레이트(3)와, 한 쌍의 엔드 플레이트(3)를 서로 연결하는 클램프(4)를 포함한다. 이러한 클램프(4)는 배터리 셀의 팽창을 억제하여 면압 형성을 하기 위한 구조물로, 엔드 플레이트(3)에 각각 겹치기 용접될 수 있다.
또한 복수의 배터리 셀은 전후 방향 중 적어도 일 측에 리드 탭(5)이 형성된다. 복수의 배터리 셀의 리드 탭(5)은 버스바(6)에 의해 전기적으로 연결된다. 이를 위해 리드 탭(5)은 버스바(6)에 용접될 수 있다.
전술한 바와 같이 배터리 셀을 형성할 때에는 용접 과정을 여러 차례 수행하게 된다. 도 3은 도 2의 A 부분을 확대 도시한 도면이다. 도 4는 도 2의 B 부분을 확대 도시한 도면이다. 용접을 수행하는 경우, 리드 탭(5)과 버스바(6)의 중첩 부분 및 클램프(4)와 엔드 플레이트(3)의 중첩 부분에 용접 비드가 형성되게 된다. 그러나 용접 비드를 육안으로 검사하는 것만으로는 용접의 정량적인 품질을 판단할 수 없는 문제가 있다.
또한 최근에는 배터리 모듈의 용접에는 레이저 용접이 주를 이루고 있다. 종래에는 이러한 레이저 용접의 품질을 파악하기 위해 시편을 제작한 후 인장 강도 시험과 같은 파괴 검사를 통해 레이저 용접의 품질을 검사하였다. 이러한 방법은 전수 조사가 불가능한 문제가 있었다.
따라서, 전수 조사가 가능하면서도 정량적으로 품질을 진단할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
본 발명의 과제는 전수 조사가 가능하면서도 용접 품질에 관한 정량적 품질 진단을 수행할 수 있는 용접 품질 검사 방법을 제공하는 것이다.
일 예에서 용접 품질 검사 방법은 용접 공정 중에 용접 대상물의 용입 깊이를 측정하여 상기 용접 대상물의 용접 품질을 검사하는 비파괴 검사 방법을 포함하고, 상기 용접 대상물은 상판 및 상기 상판의 하측에 용접되는 하판을 포함하고, 상기 비파괴 검사 방법에서 측정되는 상기 용입 깊이는, 상기 용접 공정으로 인해 상기 하판이 함몰되는 깊이일 수 있다.
다른 예에서 상기 비파괴 검사 방법은, 상기 용입 깊이를 측정하는 용입 깊이 측정 단계 및 측정된 상기 용입 깊이가 기준 용입 깊이 범위에 해당하는지 여부를 판단하는 품질 판단 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 기준 용입 깊이는, 상기 상판의 소재 및 상기 상판의 두께에 기초하여 결정될 수 있다.
또 다른 예에서 상기 용입 깊이 측정 단계는, 상기 용접 공정 중에 상기 용접 대상물의 용접 부위를 향해 측정용 레이저를 발사하여 상기 용접 부위의 변위를 측정하는 변위 측정 과정 및 상기 변위 측정 과정에서 측정된 변위에 기초하여 상기 용입 깊이를 결정하는 용입 깊이 결정 과정을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 용접 대상물의 시편을 제작한 후, 상기 시편의 일부에 변위를 발생시켜 상기 시편의 용접 품질을 검사하는 파괴 검사 방법을 더 포함하고, 상기 비파괴 검사 방법에서 판단한 상기 용접 대상물의 용접 품질과 상기 파괴 검사 방법에서 판단한 상기 시편의 용접 품질을 비교하여, 상기 비파괴 검사 방법의 타당성을 판단할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 파괴 검사 방법은, 기준 크기를 갖는 기준 시편 상판 및 기준 시편 하판을 제작하는 제작 단계 및 상기 기준 시편 상판 및 상기 기준 시편 하판을 겹치기 용접하는 겹치기 용접 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 파괴 검사 방법은, 겹치기 용접된 상기 기준 시편 상판에 상측으로 변위를 발생시키는 변위 발생 단계 및 상기 기준 시편 상판이 파괴될 때의 박리 강도를 측정하는 박리 강도 측정 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서 상기 파괴 검사 방법은, 상기 박리 강도 측정 단계에서 측정된 박리 강도가 기준 박리 강도 이상인지 여부를 판단하는 시편 품질 판단 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 용접 공정 중에 측정한 용입 대상물의 용입 깊이에 기초하여 용접 품질을 판단하므로 전수 조사가 가능하면서도, 정량적인 품질 진단 기준을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 배터리 모듈을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 전후 커버를 제거한 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 B 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 5는 용접 대상물의 용접 부위 단면을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6은 비파괴 검사 방법의 순서를 도시한 순서도이다.
도 7은 파괴 검사 방법의 순서를 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해선 비록 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있다. 또한 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되면 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접 품질 검사 방법은 배터리 모듈에 적용되는 용접의 품질을 검사하기 위한 용접 품질 검사 방법일 수 있다. 이때의 용접은 레이저 용접일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 용접이 진행되는 대상물을 용접 대상물로 정의한다. 일 예로 용접 대상물은 리드 탭과 버스바의 중첩 부분일 수 있다. 또는 용접 대상물은 클램프와 엔드 플레이트의 중첩 부분일 수 있다. 도 5는 용접 대상물의 용접 부위 단면을 개념적으로 도시한 도면이다. 용접 대상물은 상판(10) 및 하판(20)을 포함할 수 있다. 하판(20)은 상판(10)의 하측에 용접되는 판일 수 있다. 상판(10)은 레이저에 직접 노출되는 부분일 수 있다. 또한 하판(20)은 레이저에 직접 노출되지 않으나, 레이저에 의한 입열로 용융되는 부분을 의미할 수 있다.
여기서 상하 방향은 본 설명의 편의를 위해서 지칭된 것으로, 바라보는 방향에 대해 상대적으로 결정되는 것이며, 상하방향이라 하여 반드시 연직방향을 의미하지는 않을 수 있다.
일 예로 상판(10)은 클램프(4, 도 2)의 일부이고, 하판(20)은 엔드 플레이트(3, 도 2)의 일부일 수 있다. 또 다른 예로 상판(10)은 리드 탭(5)의 일부이고, 하판(20)은 버스바(6)의 일부일 수 있다.
일 예로 상판(10)은 알루미늄 재질일 수 있다. 이때, 상판(10)의 두께는 0.4T일 수 있다. 또 다른 예로 상판(10)은 구리 재질일 수 있다. 이때, 상판(10)의 두께는 0.2T일 수 있다. 하판(20)은 구리 재질일 수 있다. 하판(20)의 두께는 0.8T이상일 수 있다.
용접 품질 검사 방법은 비파괴 검사 방법을 포함할 수 있다. 비파괴 검사 방법은 용접 공정 중에 용접 대상물을 파괴하지 않고, 용접 대상물의 용입 깊이를 측정하여 용접 대상물의 용접 품질을 검사하는 방법을 의미할 수 있다. 용입 깊이는 용접 공정으로 인해 하판(20)이 함몰되는 깊이를 의미할 수 있다.
용접이 진행되는 경우, 레이저에 의한 입열이 일어나게 되고, 도 5와 같이 하판(20)이 용융되어 함몰되게 된다. 용입 깊이는 이 과정에서 하판(20)이 함몰되는 깊이를 의미할 수 있다.
용입 깊이는 용접의 품질을 결정하는 용접 출력과 상관 관계를 갖는 요소일 수 있다. 일 예로 일반적인 경우에 비해 용접 출력이 약하게 되면, 용접이 제대로 일어나지 않고, 용입 깊이는 감소하게 된다. 또한 반대로 일반적인 경우에 비해 용접 출력이 강하게 되면 용접이 과하게 일어나 용접 깊이가 증가하게 된다.
용접 출력은 전술한 바와 같이 용접의 품질을 결정하는 중요한 요소이므로, 용접 출력과 상관 관계가 있는 용입 깊이를 측정하여 용접의 품질을 결정하는 것 역시 타당성이 있는 것으로 볼 수 있다. 이는 종래에 외관 상에 기공이 형성된 개수를 바탕으로 용접의 품질을 판단하는 것과 달리 정량적인 품질 판단 기준을 제공하는 것으로 이해될 수 있다.
구체적으로, 비파괴 검사 방법은, 용입 깊이 측정 단계 및 품질 판단 단계를 포함할 수 있다. 도 6은 비파괴 검사 방법의 순서를 도시한 순서도이다. 용입 깊이 측정 단계는 용입 깊이를 측정하는 단계일 수 있다. 품질 판단 단계는 측정된 용입 깊이가 기준 용입 깊이 범위에 해당하는지 여부를 판단하는 단계일 수 있다.
상판(10) 하판(20) 기준 용입 깊이 범위
Al(0.4T) Cu(0.8T 이상) 상판(10) 두께의 80% ~ 120% (0.32mm ~ 0.48mm)
Cu(0.2T) 상판(10) 두께의 80% ~ 200% (0.16mm ~ 0.4mm)
표 1은 기준 용입 깊이 범위의 일 예를 나타낸 표이다. 표 1에 도시되어 있듯이 기준 용입 깊이는 상판(10)의 소재 및 상판(10)의 두께에 기초하여 결정될 수 있다. 일 예로 표 1에 도시되어 있듯이 상판(10)이 알루미늄 재질이고 두께가 0.4T인 경우, 기준 용입 깊이 범위는 상판(10) 두께의 80% ~ 120%인 0.32mm ~ 0.48mm로 결정될 수 있다. 또 다른 예로 상판(10)이 구리 재질이고 두께가 0.2T인 경우, 기준 용입 깊이 범위는 상판(10) 두께의 80% ~ 200%인 0.16mm ~ 0.4mm로 결정될 수 있다. 다만, 이는 일 예시에 불과한 것이고 통상의 기술자의 필요에 의해서 변경될 수 있는 값일 수 있다.
한편 용입 깊이 측정 단계는 변위 측정 과정 및 용입 깊이 결정 과정을 포함할 수 있다. 변위 측정 과정은 용접 공정 중에 용접 대상물의 용접 부위를 향해 측정용 레이저를 발사하여 용접 부위의 변위를 측정하는 과정일 수 있다. 측정용 레이저는 용접에 사용되는 레이저에 비해 저출력의 레이저일 수 있다.
일 예로 용접 대상물을 용접하는 용접 장치는 측정용 레이저 발진 장치와 센서 장치를 포함할 수 있다. 측정용 레이저 발진 장치가 용접 부위를 향해 측정용 레이저를 발진하면, 센서 장치는 용접 부위에서 반사된 레이저를 측정하여 용접 부위의 변위를 파악할 수 있다. 본 과정은 용접 과정 중에 진행될 수 있는 과정이므로 용접이 진행되는 모든 용접 대상물에게 이러한 과정을 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 파괴 검사를 수행하므로 전수 조사가 어려웠던 종래의 검사 방법과는 달리 전수 조사를 수행할 수 있는 효과가 있다.
용입 깊이 결정 과정은 변위 측정 과정에서 측정된 변위에 기초하여 용입 깊이를 결정하는 용입 깊이 결정 과정을 포함할 수 있다. 용입 깊이는 용접 부위의 변위에서 상판(10) 두께를 제외한 값으로 이해될 수 있다. 따라서, 용접 부위의 변위를 측정하면 용입 깊이를 결정할 수 있다.
한편, 결정된 기준 용입 깊이 범위를 사용하기 위해서는 기준 용입 깊이 범위의 타당성이 담보될 수 있어야 한다. 이러한 기준 용입 깊이 범위의 타당성을 담보하기 위해서는 파괴 검사 과정을 통해 얻은 데이터와의 대조 과정이 필요할 수 있다. 이하에서는 이와 관련된 내용에 관하여 상술한다.
용접 품질 검사 방법은 용접 대상물의 시편을 제작한 후, 시편의 일부에 변위를 발생시켜 시편의 용접 품질을 검사하는 파괴 검사 방법을 더 포함할 수 있다. 도 7은 파괴 검사 방법의 순서를 도시한 순서도이다.
용접 품질 검사 방법이 파괴 검사 방법을 더 포함함에 따라, 비파괴 검사 방법에서 판단한 용접 대상물의 용접 품질과 파괴 검사 방법에서 판단한 시편의 용접 품질을 비교하여, 비파괴 검사 방법의 타당성을 판단할 수 있다. 이러한 과정은 파괴 검사 방법에서 판단한 시편의 용접 품질을 바탕으로 기준 용입 깊이 범위를 결정하는 것으로 볼 수 있다.
파괴 검사 방법은, 제작 단계 및 겹치기 용접 단계를 포함할 수 있다. 제작 단계는 기준 크기를 갖는 기준 시편 상판(10) 및 기준 시편 하판(20)을 제작하는 단계일 수 있다. 기준 크기는 45mm x 45mm일 수 있다. 겹치기 용접 단계는 기준 시편 상판(10) 및 기준 시편 하판(20)을 겹치기 용접하는 단계일 수 있다. 이때 겹치기 용접된 용접 부위의 비드 길이는 30mm일 수 있다.
파괴 검사 방법은 변위 발생 단계 및 박리 강도 측정 단계를 더 포함할 수 있다. 변위 발생 단계는 겹치기 용접된 기준 시편 상판(10)에 상측으로 변위를 발생시키는 단계일 수 있다. 이러한 변위 발생은 박리 강도를 측정하기 위한 과정으로 이해될 수 있다. 박리 강도 측정 단계는 시편 상판(10)이 파괴될 때의 박리 강도를 측정하는 단계일 수 있다.
종래에는 인장 강도를 측정하여 파괴 검사 방법을 수행하였다. 이러한 인장 강도 측정 방식은 시편이 인장력과 전단력이 합해진 복합력에 노출되므로, 검사 결과가 부정확해질 수 있는 우려가 있었다.
본 발명에 따르면 인장 강도 대신 박리 강도를 측정하여 파괴 검사를 수행하므로 시편을 단일력에 노출시킬 수 있어 보다 신뢰도 있는 검사 결과를 얻을 수 있는 효과가 있다.
파괴 검사 방법은, 시편 품질 판단 단계를 더 포함할 수 있다. 시편 품질 판단 단계는 박리 강도 측정 단계에서 측정된 박리 강도가 기준 박리 강도 이상인지 여부를 판단하는 단계일 수 있다.
상판(10)의 소재별로 정상 범위에 해당하는 박리 강도인 기준 박리 강도는 실험에 의해 미리 결정되어 있다. 일 예로 상판(10)이 알루미늄이고, 두께는 0.4T인 경우, 정상이라고 판단되는 박리 강도는 1.3kgf/mm 이상인 경우일 수 있다. 또 다른 예로 상판(10)이 구리이고 두께는 0.2T인 경우, 정상이라고 판단되는 박리 강도는 3.0kgf/mm인 경우일 수 있다.
기준 용입 깊이 범위는 정상이라고 판단되는 박리 강도를 갖는 시편들에 의해 결정될 수 있다. 일 예로 상판(10)이 알루미늄이고, 두께는 0.4T인 경우, 박리 강도가 1.3kgf/mm 이상인 경우의 용입 깊이가 0.32mm ~ 0.48mm일 수 있다. 따라서 기준 용입 깊이 범위를 0.32mm ~ 0.48mm로 결정할 수 있는 것이다.
본 발명에 따르면 파괴 검사 방법을 따라 획득한 기준 용입 깊이 범위를 바탕으로 비파괴 검사를 수행하여 용접의 품질을 결정할 수 있으므로 전수 조사가 가능하면서도 정량적인 용접 품질 진단이 가능한 효과가 있을 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배터리 모듈
2: 셀 적층체
3: 엔드 플레이트
4: 클램프
5: 리드 탭
6: 버스바
10: 상판
20: 하판

Claims (8)

  1. 용접 공정 중에 용접 대상물의 용입 깊이를 측정하여 상기 용접 대상물의 용접 품질을 검사하는 비파괴 검사 방법을 포함하고,
    상기 용접 대상물은 상판 및 상기 상판의 하측에 용접되는 하판을 포함하고,
    상기 비파괴 검사 방법에서 측정되는 상기 용입 깊이는,
    상기 용접 공정으로 인해 상기 하판이 함몰되는 깊이인, 용접 품질 검사 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비파괴 검사 방법은,
    상기 용입 깊이를 측정하는 용입 깊이 측정 단계; 및
    측정된 상기 용입 깊이가 기준 용입 깊이 범위에 해당하는지 여부를 판단하는 품질 판단 단계를 포함하는, 용접 품질 검사 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기준 용입 깊이는,
    상기 상판의 소재 및 상기 상판의 두께에 기초하여 결정되는, 용접 품질 검사 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 용입 깊이 측정 단계는,
    상기 용접 공정 중에 상기 용접 대상물의 용접 부위를 향해 측정용 레이저를 발사하여 상기 용접 부위의 변위를 측정하는 변위 측정 과정; 및
    상기 변위 측정 과정에서 측정된 변위에 기초하여 상기 용입 깊이를 결정하는 용입 깊이 결정 과정을 포함하는, 용접 품질 검사 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    용접 대상물의 시편을 제작한 후, 상기 시편의 일부에 변위를 발생시켜 상기 시편의 용접 품질을 검사하는 파괴 검사 방법을 더 포함하고,
    상기 비파괴 검사 방법에서 판단한 상기 용접 대상물의 용접 품질과 상기 파괴 검사 방법에서 판단한 상기 시편의 용접 품질을 비교하여, 상기 비파괴 검사 방법의 타당성을 판단하는, 용접 품질 검사 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 파괴 검사 방법은,
    기준 크기를 갖는 기준 시편 상판 및 기준 시편 하판을 제작하는 제작 단계; 및
    상기 기준 시편 상판 및 상기 기준 시편 하판을 겹치기 용접하는 겹치기 용접 단계를 포함하는, 용접 품질 검사 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 파괴 검사 방법은
    겹치기 용접된 상기 기준 시편 상판에 상측으로 변위를 발생시키는 변위 발생 단계; 및
    상기 기준 시편 상판이 파괴될 때의 박리 강도를 측정하는 박리 강도 측정 단계를 더 포함하는, 용접 품질 검사 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 파괴 검사 방법은,
    상기 박리 강도 측정 단계에서 측정된 박리 강도가 기준 박리 강도 이상인지 여부를 판단하는 시편 품질 판단 단계를 더 포함하는, 용접 품질 검사 방법.
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