KR20240007572A - Welding device, welding method, battery manufacturing device and vehicle manufacturing device - Google Patents
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Abstract
배터리 제조 과정에서의 용접 효율을 향상시킬 수 있는 용접 장치 및 용접 방법과, 이러한 용접 장치를 포함하는 배터리 제조 장치 및 자동차 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접 장치는, 레이저를 조사하도록 구성된 레이저 조사부 및 상기 레이저 조사부가 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 용접부에 조사하게 제어하도록 구성된 레이저 출력 제어부를 포함한다.Provided are a welding device and a welding method that can improve welding efficiency in the battery manufacturing process, and a battery manufacturing device and an automobile manufacturing device including such a welding device.
A welding device according to one aspect of the present invention includes a laser irradiation unit configured to irradiate a laser, and a laser output control unit configured to control the laser irradiation unit to irradiate a laser of peak power and a laser of base power to the welding area.
Description
본 발명은 용접 장치, 용접 방법, 배터리 제조 장치 및 자동차 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접 효율을 향상시킬 수 있는 용접 장치 및 용접 방법과, 이러한 용접 장치를 포함하는 배터리 제조 장치 및 자동차 제조 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a welding device, a welding method, a battery manufacturing device, and an automobile manufacturing device. More specifically, a welding device and a welding method capable of improving welding efficiency, and a battery manufacturing device and automobile manufacturing including such a welding device. It's about devices.
일반적으로 용접 장치는, 레이저 광원과 레이저 광원으로부터 조사된 레이저의 에너지 밀도를 높여주기 위한 초점 렌즈 등의 광학 부품을 포함한다.Generally, a welding device includes a laser light source and optical components such as a focusing lens to increase the energy density of the laser irradiated from the laser light source.
이러한 용접 장치는, 예를 들어 배터리 모듈을 구성하는 부품들 사이의 결합을 위해 이용될 수 있다. 일례로서, 배터리 모듈은, 고전압 및 고전류를 제공할 수 있도록 여러 개의 배터리 셀(예: 이차 전지)들을 그 자체 또는 카트리지 등에 장착한 상태로 중첩 내지 적층해 밀집 구조로 만든 후, 이를 전기적으로 연결하여 구성될 수 있다.This welding device can be used, for example, for joining parts constituting a battery module. As an example, a battery module creates a dense structure by overlapping or stacking multiple battery cells (e.g., secondary batteries) mounted on themselves or in a cartridge to provide high voltage and high current, and then electrically connecting them. It can be configured.
이러한 배터리 모듈에 있어서, 안정적인 구조의 배터리 모듈을 구성하기 위해서는, 배터리 셀들이 수용된 모듈 케이스와 배터리 셀들을 전기적으로 연결하는 버스바를 커버하도록 구성된 엔드 플레이트 사이의 용접이 양호하게 이루어지는 것이 중요하다. 일례로서, 용접부(예: 모듈 케이스와 엔드 플레이트 사이)의 키 홀 용접을 위한 용접 장치가 구성될 수 있다.In such a battery module, in order to construct a battery module with a stable structure, it is important to ensure good welding between the module case in which the battery cells are accommodated and the end plate configured to cover the bus bar that electrically connects the battery cells. As an example, a welding device may be configured for keyhole welding of welded areas (e.g., between a module case and an end plate).
한편, 종래의 용접 장치의 경우, 모듈 케이스와 엔드 플레이트 간의 용접은, CW(Continuous Wave) 레이저 용접 방식에 의해 이루어지고 있다. 이러한 CW 레이저 용접 방식의 경우, 용접 시간에 따라서 용접부에서의 입열 에너지의 축적이 높아질 수 있다. 이 경우, 용접부에서의 입열 에너지의 과도한 축적에 의해 용접부에서 용접 불량이 발생되는 문제점이 있다.Meanwhile, in the case of a conventional welding device, welding between the module case and the end plate is performed by the CW (Continuous Wave) laser welding method. In the case of this CW laser welding method, the accumulation of heat input energy in the weld zone may increase depending on the welding time. In this case, there is a problem in that welding defects occur in the welded area due to excessive accumulation of heat energy input in the welded area.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 용접 효율을 향상시킬 수 있는 용접 장치 및 용접 방법과, 이러한 용접 장치를 포함하는 배터리 제조 장치 및 자동차 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was made to solve the above-described problems, and its purpose is to provide a welding device and a welding method that can improve welding efficiency, and a battery manufacturing device and an automobile manufacturing device including such a welding device.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the invention described below.
본 발명의 일 측면에 따른 용접 장치는, 레이저를 조사하도록 구성된 레이저 조사부 및 상기 레이저 조사부가 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 용접부에 조사하게 제어하도록 구성된 레이저 출력 제어부를 포함한다.A welding device according to one aspect of the present invention includes a laser irradiation unit configured to irradiate a laser, and a laser output control unit configured to control the laser irradiation unit to irradiate a laser of peak power and a laser of base power to the welding area.
바람직하게는, 상기 레이저 출력 제어부는, 상기 용접부가 액체 상태를 유지하게 상기 레이저 조사부를 제어하도록 구성될 수 있다.Preferably, the laser output control unit may be configured to control the laser irradiation unit so that the welding unit maintains a liquid state.
바람직하게는, 상기 레이저 출력 제어부는, 상기 레이저 조사부가 상기 피크 출력의 레이저 및 상기 기저 출력의 레이저를 번갈아 상기 용접부에 조사하게 제어하도록 구성될 수 있다.Preferably, The laser output control unit may be configured to control the laser irradiation unit to alternately irradiate the laser at the peak output and the laser at the base output to the welding area.
바람직하게는, 상기 피크 출력의 레이저는 상기 용접부에 키 홀이 형성 가능한 출력을 가지고, 상기 기저 출력의 레이저는 상기 용접부에 용입이 형성되지 않는 출력을 가질 수 있다.Preferably, the laser at the peak output may have an output capable of forming a key hole in the weld, and the laser at the base output may have an output at which penetration is not formed in the weld.
바람직하게는, 상기 기저 출력의 레이저는, 상기 용접부가 액체 상태를 유지 가능한 출력을 가질 수 있다.Preferably, the base output laser may have an output capable of maintaining the weld part in a liquid state.
바람직하게는, 상기 레이저 출력 제어부는, 상기 기저 출력의 레이저의 펄스 폭을 제어하도록 구성될 수 있다.Preferably, the laser output control unit may be configured to control the pulse width of the base output laser.
바람직하게는, 상기 레이저 출력 제어부는, 상기 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수를 제어하도록 구성될 수 있다.Preferably, the laser output control unit may be configured to control the pulse frequency of the base output laser.
바람직하게는, 상기 레이저 출력 제어부는, 상기 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성될 수 있다.Preferably, the laser output control unit may be configured to control the output of the laser at the base output.
바람직하게는, 상기 용접 장치는 상기 용접 장치에 의한 용접 완료 후에 상기 용접부에서의 용접 상태를 검사하도록 구성된 검사부를 더 포함하고, 상기 레이저 출력 제어부는 상기 검사부로부터 제공된 용접 상태 검사 정보에 따라 상기 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성될 수 있다.Preferably, the welding device further includes an inspection unit configured to inspect a welding state in the welded portion after completion of welding by the welding device, and the laser output control unit outputs the basic output according to welding state inspection information provided from the inspection unit. It can be configured to control the output of the laser.
바람직하게는, 상기 용접 장치는 상기 용접 장치에 의한 용접 중에 상기 용접부에서의 용접 상태를 검사하도록 구성된 검사부를 더 포함하고, 상기 레이저 출력 제어부는 상기 검사부로부터 제공된 용접 상태 검사 정보에 따라 상기 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성될 수 있다.Preferably, the welding device further includes an inspection unit configured to inspect a welding state in the weld portion during welding by the welding device, and the laser output control unit adjusts the base output according to the welding state inspection information provided from the inspection unit. It can be configured to control the output of the laser.
본 발명의 일 측면에 따른 용접 방법은, 피크 출력의 레이저를 용접부에 조사하는 단계 및 기저 출력의 레이저를 상기 용접부에 조사하는 단계를 포함한다.A welding method according to one aspect of the present invention includes the step of irradiating a laser of peak power to the welded portion and the step of irradiating a laser of base output to the welded portion.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 제조 장치는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 측면에 따른 용접 장치를 포함할 수 있다.The battery manufacturing device according to one aspect of the present invention may include the welding device according to one aspect of the present invention as described above.
본 발명의 일 측면에 따른 자동차 제조 장치는, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 측면에 따른 용접 장치를 포함할 수 있다.An automobile manufacturing device according to an aspect of the present invention may include a welding device according to an aspect of the present invention as described above.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래 대비 용접부에서의 입열 에너지의 과도한 축적을 방지하여 용접 불량을 최소화하면서도, 용접 과정에서 용접부의 액체 상태를 유지시켜 용접부의 레이저 흡수율을 높임으로써 종래 대비 동일한 용접 속도 및 용접 생산성을 유지할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, compared to the prior art, welding defects are minimized by preventing excessive accumulation of heat energy input at the welded portion, and the laser absorption rate of the welded portion is increased by maintaining the liquid state of the welded portion during the welding process, thereby maintaining the same welding speed and Welding productivity can be maintained.
이외에도 본 발명의 여러 실시예에 의하여, 여러 다른 추가적인 효과가 달성될 수 있다. 이러한 본 발명의 여러 효과들에 대해서는 각 실시예에서 상세하게 설명하거나, 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 효과에 대해서는 그 설명을 생략한다.In addition, various other additional effects can be achieved by various embodiments of the present invention. These various effects of the present invention will be described in detail in each embodiment, or descriptions of effects that can be easily understood by those skilled in the art will be omitted.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 용접 장치에 의한 레이저 출력 변화를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에서의 레이저 출력 변화에 따른 용접부에서의 키 홀 생성을 나타낸 도면이다.
도 4는 레이저 발진 모드에 따른 용접부에서의 에너지 축적량의 차이를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 펄스 레이저의 발진에 따른 레이저 출력 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 온도 변화에 따른 순 알루미늄의 레이저 흡수율을 나타낸 도면이다.
도 7은 열 전도 용접과 키 홀 용접의 경계값에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1의 용접 장치에 구비된 레이저 출력 제어부의 제어에 의한 레이저의 펄스 폭 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 1의 용접 장치에 구비된 레이저 출력 제어부의 제어에 의한 레이저의 펄스 주파수 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 도 1의 용접 장치에 구비된 레이저 출력 제어부의 제어에 의한 레이저의 출력 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 용접 장치에 의한 레이저의 다른 제어 방식을 나타낸 도면이다.The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the invention described later. Therefore, the present invention includes the matters described in such drawings. It should not be interpreted as limited to only .
1 is a diagram showing a welding device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing changes in laser output by the welding device of FIG. 1.
FIG. 3 is a diagram showing the creation of a key hole in a welded portion according to a change in laser output in FIG. 2.
Figure 4 is a diagram showing the difference in the amount of energy accumulated in the welded area depending on the laser oscillation mode.
Figure 5 is a diagram showing changes in laser output according to oscillation of a conventional pulse laser.
Figure 6 is a diagram showing the laser absorption rate of pure aluminum according to temperature change.
Figure 7 is a diagram showing simulation results for the boundary values of heat conduction welding and keyhole welding.
FIG. 8 is a diagram illustrating a change in the pulse width of a laser by control of a laser output control unit provided in the welding device of FIG. 1.
FIG. 9 is a diagram illustrating a change in the pulse frequency of a laser by control of a laser output control unit provided in the welding device of FIG. 1.
FIG. 10 is a diagram illustrating a change in laser output by control of a laser output control unit provided in the welding device of FIG. 1.
11 and 12 are diagrams showing another control method of a laser using the welding device of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor must appropriately use the concept of terms to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle of definability.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 장치(10)를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 용접 장치(10)에 의한 레이저 출력 변화를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에서의 레이저 출력 변화에 따른 용접부(W)에서의 키 홀(K) 생성을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a view showing a
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 장치(10)는, 레이저를 조사하여 용접부(W)에서의 용접이 수행되도록 하기 위한 구성일 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 3 , the
상기 용접부(W)는, 일례로서, 배터리 모듈(미도시)의 구성 부품 간의 결합부를 의미할 수 있다. 이 때, 배터리 모듈은, 내부에 적어도 하나의 이차 전지를 구비할 수 있다.As an example, the welded portion W may refer to a joint between component parts of a battery module (not shown). At this time, the battery module may have at least one secondary battery inside.
예시적으로, 배터리 모듈의 구성 부품들 간의 용접은, 공지된 키 홀(key hole) 용접 방식으로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 용접 장치(10)는, 이차 전지를 내부에 수납하기 위한 배터리 모듈의 모듈 케이스(미도시) 및 엔드 플레이트(미도시) 간의 용접을 수행할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.For example, welding between components of a battery module may be performed using a known key hole welding method. More specifically, the
예시적으로, 모듈 케이스 및 엔드 플레이트는 알루미늄 재질을 포함할 수 있다. 즉, 용접부(W)는, 알루미늄 재질을 포함할 수 있다. 다만, 용접부(W)는, 알루미늄에 한정되지 않고 알루미늄 및 그 합금을 포함할 수도 있다.Illustratively, the module case and end plate may include aluminum. That is, the welded portion W may include an aluminum material. However, the welded portion W is not limited to aluminum and may include aluminum and its alloy.
상기 용접 장치(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 조사부(100) 및 레이저 출력 제어부(200)를 포함할 수 있다. 이러한 레이저 조사부(100)의 일부는 하우징(H) 내에 수용될 수 있다. 또한, 레이저 출력 제어부(200)는 하우징(H)의 외면에 구비될 수 있다.As shown in FIG. 1, the
상기 레이저 조사부(100)는, 레이저를 조사하도록 광학계 형태로 구성될 수 있다. 상세히 도시되지는 않았으나, 상기 레이저는 용접부(W)에 빔 형태로 조사될 수 있다.The
일 실시예에서, 상기 레이저 조사부(100)는, 레이저 광원(미도시) 및 초점 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the
상기 레이저 광원은, 상기 레이저를 발생시킬 수 있다.The laser light source may generate the laser.
상기 초점 렌즈는, 레이저 광원에서 발생된 레이저의 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다. 이 때, 레이저는 초점 렌즈를 투과하여 용접부(W)에 조사될 수 있다.The focusing lens can improve the energy density of the laser generated from the laser light source. At this time, the laser may pass through the focusing lens and be irradiated to the welding area (W).
상기 레이저 출력 제어부(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 조사부(100)가 피크 출력(peak power)의 레이저 및 기저 출력(base power)의 레이저를 용접부(W)에 조사하도록 제어할 수 있다. 여기서, 기저 출력은 피크 출력보다 낮은 크기를 가지는 출력일 수 있다. 즉, 레이저 출력 제어부(200)는 서로 다른 크기의 출력을 동일 용접부(W)에 조사하도록 레이저 조사부(100)를 제어할 수 있다. 일례로서, 레이저 출력 제어부(200)는, 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. The laser
또한, 레이저 조사부(100)는, 도 3에서와 같이, 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 따라 용접부(W)에서 하나의 용접 라인에 대해 둘 이상의 키 홀(K)이 중첩되게 형성될 수 있게 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 조사할 수 있다. 여기서, 키 홀(K)은, 레이저 빔의 초점구간에서 에너지 다중반사 및 흡수를 이용한 것으로서, 대략 열쇠 구멍 형태로 형성될 수 있다. 이 때, 하나의 용접 라인에 대해 레이저 조사부(100)가 이동하면서 용접부(W)에 레이저를 조사할 수 있도록, 하우징(H)은 별도의 이동 스테이지(미도시)에 의해 이동될 수 있다.In addition, the
그리고, 하나의 용접 라인에 대해 용접이 완료된 후, 레이저 조사부(100)를 수용하는 하우징(H)은 용접부(W) 상의 다른 용접 라인으로 이동될 수 있다. 이후, 레이저 조사부(100)는, 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 따라 용접부(W) 상의 다른 용접 라인에 대해 전술한 동작을 반복 수행할 수 있다.And, after welding is completed for one welding line, the housing H accommodating the
도 4의 (a)에서와 같이, 종래의 CW(Continuous Wave) 레이저 용접 방식의 경우, 용접부에 대한 레이저의 조사 시간이 증가함에 따라 용접부에 과도한 에너지가 축적된다. 이 때, 도 4의 (a)의 그래프에서의 표시된 면적은 레이저의 조사 시간에 따라 용접부에 축적된 입열 에너지를 의미한다.As shown in Figure 4 (a), in the case of the conventional CW (Continuous Wave) laser welding method, as the laser irradiation time to the welded area increases, excessive energy is accumulated in the welded area. At this time, the displayed area in the graph of FIG. 4 (a) means the heat input energy accumulated in the welding portion according to the laser irradiation time.
이 경우, 용접부에서의 용접 금속(용접부의 한 부분으로 용접하는 동안 용융 응고된 금속 부분)이 과도하게 용입되어 용접 금속이 국부적으로 떨어지는 용락 현상이 발생될 수 있다.In this case, the weld metal in the weld zone (the part of the metal that melted and solidified during welding as a part of the weld zone) is excessively penetrated, which may cause a melting phenomenon where the weld metal falls locally.
반면, 도 4의 (b)를 참조하면, 본 발명의 용접 장치(10)에 의한 레이저 용접 방식의 경우, 레이저 조사부(100)가 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 용접부(W)에 조사한다고 할 수 있다. 그러므로, 종래의 CW 레이저 용접 방식에 비해 레이저의 조사 시간에 따른 용접부(W)에서의 입열 에너지의 축적이 상대적으로 느리게 이루어질 수 있다. 이러한 본 발명의 용접 장치(10)에 의한 레이저 용접 방식은, CW 레이저 용접 방식과 PW(Pulse Wave) 레이저 용접 방식을 조합한 형태로 레이저를 조사하는 방식으로서, 준펄스(Quasi-Pulse) 레이저 용접 방식이라고 할 수 있다.On the other hand, referring to (b) of FIG. 4, in the case of the laser welding method using the
즉, 본 발명의 용접 장치(10)에 따른 용접 방법은, 피크 출력의 레이저를 용접부(W)에 조사하는 단계 및 기저 출력의 레이저를 용접부(W)에 조사하는 단계를 포함한다.That is, the welding method according to the
이와 같이 준펄스 모드로 용접부(W)에 레이저를 조사하는 경우, 피크 출력의 레이저를 용접부(W)에 조사하는 구간 사이에, 피크 출력의 레이저보다 상대적으로 낮은 출력을 가지는 기저 출력의 레이저를 용접부(W)에 조사할 수 있다. 따라서, 본 발명의 용접 장치(10)의 경우, 용접부(W)에서의 입열 에너지가 과도하게 축적되는 것을 방지함으로써, 용접 불량을 최소화할 수 있다.In this way, when the laser is irradiated to the welded area W in quasi-pulse mode, between the sections where the laser of the peak output is irradiated to the welded area W, a base-output laser with a relatively lower output than the peak output laser is applied to the welded area W. You can investigate at (W). Therefore, in the case of the
도 5는 종래의 펄스 레이저의 발진에 따른 레이저 출력 변화를 나타낸 도면이고, 도 6은 온도 변화에 따른 순 알루미늄의 레이저 흡수율을 나타낸 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the change in laser output according to oscillation of a conventional pulse laser, and Figure 6 is a diagram showing the laser absorption rate of pure aluminum according to temperature change.
도 5를 참조하면, 종래의 PW 레이저 용접 방식의 경우, 펄스 레이저가 주기적으로 온/오프(On/Off)되는 형태로 용접부에 조사되는 방식이다. Referring to Figure 5, in the case of the conventional PW laser welding method, This is a method in which a pulse laser is irradiated to the weld area in a periodic on/off manner.
상기 PW 레이저 용접 방식에서 도 5의 (a)에서 화살표로 표시된 부분과 같이, 펄스 레이저의 발진이 온 상태인 구간에서는, 펄스 레이저의 조사에 의해 용접부가 용융되면서 고체 상태에서 액체 상태로 변화한다. 이 때, 용접부에는, 키 홀이 생성된다고 할 수 있다.In the PW laser welding method, as shown by the arrow in Figure 5 (a), in the section where the oscillation of the pulse laser is turned on, the welded portion is melted by irradiation of the pulse laser and changes from a solid state to a liquid state. At this time, it can be said that a key hole is created in the weld zone.
한편, 도 5의 (b)에서 화살표로 표시된 부분과 같이, 펄스 레이저의 발진이 오프 상태인 구간에서는, 용접부에 투입되는 에너지가 없으므로, 용접부가 액체 상태에서 다시 고체 상태로 변화된다고 할 수 있다.Meanwhile, as shown by the arrow in Figure 5(b), in the section where the oscillation of the pulse laser is off, there is no energy input to the weld, so it can be said that the weld changes from the liquid state back to the solid state.
도 6을 참조하면, 순 알루미늄에 대하여 일정 파장(예: 1.06㎛)에서의 펄스 레이저의 발진이 이루어지는 경우, 순 알루미늄의 용융점 경계온도(melting point)를 기준으로 용접부의 액체 상태 대비 고체 상태에서의 레이저의 흡수율은 최소 3.8배 낮을 수 있다.Referring to FIG. 6, when a pulse laser is oscillated at a certain wavelength (e.g., 1.06㎛) with respect to pure aluminum, the temperature in the solid state compared to the liquid state of the weld zone is based on the melting point of pure aluminum. The absorption rate of the laser can be at least 3.8 times lower.
따라서, 도 5의 (c)에서 화살표로 표시된 부분과 같이 펄스 레이저의 발진이 다시 온 상태가 되는 구간에서는, 도 5의 (b)의 구간에서 고체 상태로 변화되었던 용접부를 다시 용융시켜야할 수 있다. 그러므로, 고체 상태에서의 용접부에서의 레이저 흡수율이 액체 상태에서의 용접부에서의 레이저 흡수율보다 상대적으로 낮아 용융 효율이 떨어진다. 이로 인해 용접 속도가 느려지는 문제점이 있다.Therefore, in the section where the oscillation of the pulse laser is turned on again, as shown by the arrow in Figure 5(c), the welded portion that has changed to a solid state in the section shown in Figure 5(b) may need to be melted again. . Therefore, the laser absorption rate at the weld zone in the solid state is relatively lower than the laser absorption rate at the weld zone in the liquid state, resulting in low melting efficiency. This causes the problem of slowing down the welding speed.
반면, 본 발명의 용접 장치(10)에 구비된 레이저 출력 제어부(200)는, 용접부(W)가 액체 상태를 유지하게 레이저 조사부(100)를 제어하도록 구성될 수 있다.On the other hand, the laser
즉, 본 발명의 용접 장치(10)에서, 레이저 출력 제어부(200)는, 레이저 조사부(100)가 순차적으로 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 용접부(W)에 조사하도록 제어하여, 용접부(W)가 액체 상태에서 고체 상태로 변화하지 않고, 액체 상태를 유지하도록 유도할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 용접 장치(10)의 경우, 종래의 PW 레이저 용접 방식과 달리, 레이저의 발진이 완전히 오프 상태가 되는 구간의 발생을 방지할 수 있다.That is, in the
구체적으로, 도 2의 (a)에서 화살표로 표시된 부분을 참조하면, 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 따라, 레이저 조사부(100)는 용접부(W)에 피크 출력의 레이저를 조사할 수 있다. 이에 따라 용접부(W)가 용융되면서 고체 상태에서 액체 상태로 변화할 수 있다. 이 때, 용접부(W)에는 도 3의 (a)에서와 같이, 키 홀(K)이 생성될 수 있다.Specifically, referring to the portion indicated by the arrow in (a) of FIG. 2, the
또한, 도 2의 (b)에서 화살표로 표시된 부분을 참조하면, 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 따라, 레이저 조사부(100)는 용접부(W)에 기저 출력의 레이저를 조사할 수 있다. 이와 같이, 용접부(W)에 피크 출력보다 상대적으로 낮은 출력을 가지는 기저 출력의 레이저를 조사함으로써 용접부(W)가 액체 상태에서 고체 상태로 다시 변화되는 것을 억제할 수 있다.In addition, referring to the portion indicated by the arrow in (b) of FIG. 2, according to the control of the laser
이 때, 용접부(W)에는 도 3의 (b)에서와 같이, 추가적인 용입이 발생되지 않을 수 있다. 이에 대해서는 후술되는 관련 설명에서 보다 상세히 설명하도록 한다.At this time, additional penetration may not occur in the welded portion W, as shown in (b) of FIG. 3. This will be explained in more detail in the related description below.
그리고, 도 2의 (c)에서 화살표로 표시된 부분을 참조하면, 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 따라, 레이저 조사부(100)는 용접부(W)에 피크 출력의 레이저를 다시 조사할 수 있다. 이 때, 도 2의 (b)에서의 기저 출력의 레이저 조사에 의해 용접부(W)의 액체 상태가 유지되므로, 도 2의 (c)에서와 같은 피크 출력의 레이저의 조사 시, 용접부(W)에서의 키 홀(K) 생성이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 한편, 용접부(W)에는 도 3의 (c)에서와 같이, 도 3의 (a)에서 생성된 키 홀(K)과 적어도 일부분이 중첩되게 키 홀(K)이 형성될 수 있다.And, referring to the portion indicated by the arrow in (c) of FIG. 2, according to the control of the laser
이러한 실시 구성에 의하면, 종래 대비 용접부(W)에서의 입열 에너지의 과도한 축적을 방지하여 용접 불량을 최소화하면서도, 용접 과정에서 용접부(W)의 액체 상태를 유지시켜 용접부(W)의 레이저 흡수율을 높임으로써 종래 대비 동일한 용접 속도 및 용접 생산성을 유지할 수 있다.According to this implementation configuration, compared to the prior art, excessive accumulation of heat energy input in the welding area (W) is prevented and welding defects are minimized, and the liquid state of the welding area (W) is maintained during the welding process to increase the laser absorption rate of the welding area (W). As a result, the same welding speed and welding productivity can be maintained compared to before.
도 2를 다시 참조하면, 레이저 출력 제어부(200)는, 레이저 조사부(100)가 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 번갈아 용접부(W)에 조사하게 제어할 수 있다.Referring again to FIG. 2 , the laser
구체적으로, 레이저 조사부(100)는, 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 따라, 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 번갈아 연속적으로 용접부(W)에 조사할 수 있다.Specifically, the
이에 따라, 종래 대비 적은 에너지를 용접부(W)에 투입하면서도 레이저의 조사가 오프되는 구간이 없도록 하여, 용접 과정에서의 용접부(W)에서의 액체 상태 유지가 보다 확실하게 이루어질 수 있다.Accordingly, while injecting less energy into the welding area W than before, there is no section in which laser irradiation is turned off, so that the liquid state in the welding area W during the welding process can be maintained more reliably.
도 7은 열 전도 용접과 키 홀 용접의 경계값에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.Figure 7 is a diagram showing simulation results for the boundary values of heat conduction welding and keyhole welding.
도 7을 참조하면, 본 발명의 용접 장치(10)에서, 피크 출력의 레이저는, 용접부(W)에 키 홀(K)이 형성 가능한 출력을 가질 수 있다. 또한, 기저 출력의 레이저는, 용접부(W)에 용입이 형성되지 않는 출력을 가질 수 있다. 즉, 기저 출력의 레이저는, 도 7에서와 같이 용접부(W)에 관통 깊이(penetration depth)가 거의 형성되지 않는 정도의 출력을 가질 수 있다. 따라서, 기저 출력의 레이저는 도 7에서와 같이 용접부(W)에 관통 깊이가 거의 형성되지 않는 정도의 출력을 가질 수 있으므로, 용접부(W)에 용입이 형성되지 않는 출력을 가진다고 할 수 있다. 한편, 레이저 조사부(100)로부터 조사되는 레이저의 출력이 키 홀(K)이 형성될 정도의 출력값 미만인 경우, 용접부(W)는 열 전도 용접의 형태로 용접이 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 7, in the
일례로서, 본 발명의 용접 장치(10)에서의 피크 출력은, 2.2kW/mm2 이상으로 설정될 수 있다. 상기 피크 출력 값의 경우, 알루미늄 재질을 포함하는 용접부(W)에서의 키 홀(K)이 형성 가능한 최소한의 수치일 수 있다. 또한, 본 발명의 용접 장치(10)에서의 기저 출력은, 대략 0.92kW/mm2 ~ 1.42kW/mm2의 범위 내에서 설정될 수 있다. As an example, the peak output of the
즉, 본 발명의 용접 장치(10)에서는, 기저 출력의 레이저가 용접부(W)에 조사되는 구간에서, 용접부(W)의 용입이 형성되지 않는 낮은 출력의 기저 출력의 레이저만으로도 용접부(W)를 액체 상태로 유지할 수 있다. 이는 도 7에서 기저 출력(예: 0.92kW/mm2 ~ 1.42kW/mm2의 출력 범위)의 레이저를 용접부(W)에 조사한 경우에 용접부(W)의 관통 깊이(penetration depth)가 발생하지 않거나, 용접부(W)의 관통 깊이가 매우 작은 것으로부터 확인할 수 있다.That is, in the
따라서, 도 3의 (c)의 레이저 조사 구간에서 형성된 키 홀(K)에서의 관통 깊이는 도 3의 (a)의 레이저 조사 구간에서 형성된 키 홀(K)에서의 관통 깊이와 대략 동일할 수 있다.Therefore, the penetration depth in the key hole K formed in the laser irradiation section of FIG. 3(c) may be approximately the same as the penetration depth in the key hole K formed in the laser irradiation section of FIG. 3(a). there is.
이러한 실시 구성에 의하면, 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 번갈아 용접부(W)에 조사함으로써 종래 대비 동일한 용접 속도를 달성하면서도, 기저 출력의 레이저가 용접부(W)에 조사되는 구간에서 용접부(W)에서 용입이 형성되지 않도록 하여 용접부(W)의 특정 영역에서의 과도한 용입을 방지할 수 있다. 이에 따라, 용락에 의한 용접 불량을 최소화할 수 있다.According to this implementation configuration, the same welding speed as compared to the prior art is achieved by alternately irradiating the laser at peak power and the laser at base output to the weld area W, but in the section where the laser at base power is irradiated to the weld area W, the weld area W ), it is possible to prevent excessive penetration in a specific area of the weld (W) by preventing penetration from forming. Accordingly, welding defects due to melting can be minimized.
특히, 기저 출력의 레이저는, 용접부(W)가 액체 상태를 유지 가능한 출력을 가질 수 있다.In particular, a laser with a base output may have an output capable of maintaining the welding portion W in a liquid state.
즉, 기저 출력의 레이저는, 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 번갈아 용접부(W)에 조사되는 과정에서, 용접부(W)가 액체 상태를 유지할 수 있는 최소한의 출력을 가질 수 있다.In other words, the base output laser may have a minimum output capable of maintaining the weld area W in a liquid state during the process of alternately irradiating the peak power laser and the base output laser to the weld area W.
도 8은 도 1의 용접 장치(10)에 구비된 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 의한 레이저의 펄스 폭 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다. 이 때, 도 8 중 (a)는 기저 출력의 레이저의 펄스 폭이 조절되기 전의 상태를 나타내고, 도 8 중 (b)는 기저 출력의 레이저의 펄스 폭이 조절된 후의 상태를 나타낸 것이다.FIG. 8 is a diagram illustrating a change in the pulse width of a laser controlled by the laser
도 8을 참조하면, 본 발명의 용접 장치(10)의 레이저 출력 제어부(200)는, 기저 출력의 레이저의 펄스 폭을 제어하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 8, the laser
본 발명의 일 실시예에서, 용접부(W)가 레이저에 보다 민감하게 반응하는 재질(예: 알루미늄보다 녹는점이 낮은 금속 재질 등)을 포함하는 경우, 예시된 출력 범위(0.92kW/mm2 ~ 1.42kW/mm2의 출력 범위)의 기저 출력의 레이저가 용접부(W)에 조사되는 구간에서, 용접부(W)에 용입이 발생될 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the welding portion W includes a material that reacts more sensitively to the laser (e.g., a metal material with a lower melting point than aluminum, etc.), the illustrated output range (0.92 kW/mm 2 to 1.42 In a section where a laser with a base output of kW/mm 2 (output range) is irradiated to the welded portion (W), penetration may occur in the welded portion (W).
이 때, 레이저 출력 제어부(200)는, 용접부(W)의 특성에 따라 기저 출력의 레이저의 펄스 폭을 조절함으로써, 기저 출력의 레이저가 용접부(W)에 조사되는 구간에서 용접부(W)에 용입이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 예시적으로, 용접부(W)가 레이저에 보다 민감하게 반응하는 재질을 포함하는 경우, 레이저 출력 제어부(200)는, 도 8의 (b)에서 화살표 및 음영으로 표시된 부분과 같이 기저 출력의 레이저의 펄스 폭이 보다 작아지도록 조절할 수 있다.At this time, the laser
이러한 실시 구성에 의하면, 용접부(W)의 특성에 따라 기저 출력의 레이저의 펄스 폭을 제어함으로써 용접부(W)의 특정 영역에서의 과도한 용입을 방지할 수 있다. 이에 따라, 용락에 의한 용접 불량을 최소화할 수 있다.According to this implementation configuration, excessive penetration in a specific area of the weld zone (W) can be prevented by controlling the pulse width of the base output laser according to the characteristics of the weld zone (W). Accordingly, welding defects due to melting can be minimized.
도 9는 도 1의 용접 장치(10)에 구비된 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 의한 레이저의 펄스 주파수 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다. 이 때, 도 9 중 (a)는 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수가 조절되기 전의 상태를 나타내고, 도 9 중 (b)는 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수가 조절된 후의 상태를 나타낸 것이다.FIG. 9 is a diagram illustrating a change in the pulse frequency of a laser by control of the laser
도 9를 참조하면, 레이저 출력 제어부(200)는, 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수를 제어하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 9, the laser
전술한 바와 같이, 레이저 조사부(100)는, 도 3에서와 같이, 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 따라 용접부(W)에서 하나의 용접 라인에 대해 둘 이상의 키 홀(K)이 중첩되게 형성될 수 있게 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 조사할 수 있다.As described above, the
본 발명의 용접 장치(10)에서, 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수를 조절하는 경우, 용접부(W)에서의 적어도 두 개 이상의 키 홀(K) 사이의 중첩 면적이 변화될 수 있다. 이 때, 레이저 조사부(100)는 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 용접부(W)에 번갈아 조사하므로, 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수를 조절하는 경우, 피크 출력의 레이저의 펄스 주파수도 함께 조절될 수 있다.In the
예시적으로, 레이저 출력 제어부(200)는, 도 9의 (b)에서와 같이 기저 출력의 펄스 주파수가 증가되도록 조절할 수 있다. 이 때, 피크 출력의 레이저의 펄스 주파수도 함께 증가되도록 조절될 수 있다.Exemplarily, the laser
이러한 실시 구성에 의하면, 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수를 증가시키는 경우 용접부(W)에서의 키 홀(K)의 중첩 면적을 증가시킬 수 있으므로 용접부(W)에서의 용접이 보다 안정적으로 이루어질 수 있다. 또한, 용접부(W)에서의 용접 부위가 작은 경우, 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수를 증가시켜 용접 속도를 증가시키면서도, 용접부(W)에서의 입열 에너지의 과도한 축적을 최소화할 수 있다. According to this implementation configuration, when the pulse frequency of the base output laser is increased, the overlapping area of the key hole (K) in the weld zone (W) can be increased, so welding in the weld zone (W) can be performed more stably. . Additionally, when the welding area in the welding area W is small, the pulse frequency of the base output laser can be increased to increase the welding speed while minimizing excessive accumulation of heat input energy in the welding area W.
도 10은 도 1의 용접 장치(10)에 구비된 레이저 출력 제어부(200)의 제어에 의한 레이저의 출력 변화를 예시적으로 나타낸 도면이다. 이 때, 도 10 중 (a)는 기저 출력의 레이저의 출력이 조절되기 전의 상태를 나타내고, 도 10 중 (b)는 기저 출력의 레이저의 출력이 조절된 후의 상태를 나타낸 것이다.FIG. 10 is a diagram illustrating a change in laser output by control of the laser
도 10을 참조하면, 레이저 출력 제어부(200)는, 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성될 수 있다.Referring to FIG. 10, the laser
본 발명의 일 실시예에서, 용접부(W)가 레이저에 보다 민감하게 반응하는 재질(예: 알루미늄보다 녹는점이 낮은 금속 재질 등)을 포함하는 경우, 예시된 출력 범위(0.92kW/mm2 ~ 1.42kW/mm2의 출력 범위)의 기저 출력의 레이저가 용접부(W)에 조사되는 구간에서, 용접부(W)에 용입이 발생될 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the welding portion W includes a material that reacts more sensitively to the laser (e.g., a metal material with a lower melting point than aluminum, etc.), the illustrated output range (0.92 kW/mm 2 to 1.42 In a section where a laser with a base output of kW/mm 2 (output range) is irradiated to the welded portion (W), penetration may occur in the welded portion (W).
이 때, 레이저 출력 제어부(200)는, 용접부(W)의 특성에 따라 기저 출력의 레이저의 출력을 조절함으로써, 기저 출력의 레이저가 용접부(W)에 조사되는 구간에서 용접부(W)에 용입이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 예시적으로, 용접부(W)가 레이저에 보다 민감하게 반응하는 재질을 포함하는 경우, 레이저 출력 제어부(200)는, 도 10의 (b)에서 화살표 및 음영으로 표시된 부분과 같이 기저 출력의 레이저의 출력이 보다 작아지도록 조절할 수 있다.At this time, the laser
이러한 실시 구성에 의하면, 용접부(W)의 특성에 따라 기저 출력의 레이저의 출력을 제어함으로써 용접부(W)의 특정 영역에서의 과도한 용입을 방지할 수 있다. 이에 따라, 용락에 의한 용접 불량을 최소화할 수 있다.According to this implementation configuration, Excessive penetration in a specific area of the weld zone (W) can be prevented by controlling the output of the base laser according to the characteristics of the weld zone (W). Accordingly, welding defects due to melting can be minimized.
도 1을 참조하면, 본 발명의 용접 장치(10)는, 검사부(300)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the
상기 검사부(300)는, 용접 장치(10)에 의한 용접 완료 후의 용접부(W)에서의 용접 상태를 검사하도록 구성될 수 있다. 일례로서, 검사부(300)는, 프로세서, 카메라(예: 적외선 카메라), X선 투과 장치 등을 포함할 수 있다. 그리고, 검사부(300)는, 전술한 하우징(H)의 외면에 구비될 수 있다.The
예를 들어, 용접 장치(10)에 의한 용접 완료 후에 검사부(300)가 용접부(W)의 특정 영역에서 과도한 용입이 발생한 것을 감지한 경우, 검사부(300)는 이러한 용접 상태 검사 정보를 레이저 출력 제어부(200)에 전송할 수 있다.For example, when the
이 때, 레이저 출력 제어부(200)는, 검사부(300)로부터 제공된 용접 상태 검사 정보에 따라 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성될 수 있다. 즉, 레이저 출력 제어부(200)는, 용접 장치(10)에 의한 다음 차수의 용접 수행시에 용접 불량 등이 발생되지 않도록 기저 출력의 레이저의 출력을 제어할 수 있다.At this time, the laser
한편, 레이저 출력 제어부(200)는, 검사부(300)로부터 제공된 용접 상태 검사 정보에 따라 기저 출력의 레이저의 펄스 폭 또는 펄스 주파수를 제어하도록 구성될 수도 있다.Meanwhile, the laser
한편, 상기 검사부(300)는, 용접 장치(10)에 의한 용접 중에 용접부(W)에서의 용접 상태를 검사하도록 구성될 수도 있다.Meanwhile, the
예를 들어, 용접 장치(10)에 의한 용접 중에 검사부(300)가 용접부(W)의 특정 영역에서 과도한 용입이 발생한 것을 감지한 경우, 검사부(300)는 이러한 용접 상태 검사 정보를 레이저 출력 제어부(200)에 전송할 수 있다.For example, when the
이 때, 레이저 출력 제어부(200)는, 검사부(300)로부터 제공된 용접 상태 검사 정보에 따라 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성될 수 있다. 즉, 레이저 출력 제어부(200)는, 용접 장치(10)에 의한 용접 중에 더 이상 용접 불량 등이 발생되지 않도록 기저 출력의 레이저의 출력을 제어할 수 있다.At this time, the laser
한편, 레이저 출력 제어부(200)는, 검사부(300)로부터 제공된 용접 상태 검사 정보에 따라 기저 출력의 레이저의 펄스 폭 또는 펄스 주파수를 제어하도록 구성될 수도 있다.Meanwhile, the laser
도 11 및 도 12는 본 발명의 용접 장치(10)에 의한 레이저의 다른 제어 방식을 나타낸 도면이다.11 and 12 are diagrams showing another control method of a laser using the
본 발명의 경우, 피크 출력의 레이저를 용접부(W)에 조사하는 구간 사이에, 기저 출력의 레이저를 용접부(W)에 조사하므로, 용접 전체 과정에서 용접부(W)의 액체 상태가 유지될 수 있다.In the case of the present invention, a laser of base power is irradiated to the welded portion W between sections in which the laser of peak power is irradiated to the welded portion W, so the liquid state of the welded portion W can be maintained throughout the entire welding process. .
이 때, 본 발명의 용접 장치(10)의 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 레이저 출력 제어부(200)는, 시간이 경과할수록 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저의 출력이 감소되도록 레이저 조사부(100)에 의한 레이저의 조사를 제어할 수도 있다. 또는, 본 발명의 용접 장치(10)의 경우, 도 12에 도시된 바와 같이, 레이저 출력 제어부(200)는, 시간이 경과할수록 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저의 펄스 폭이 감소되도록 레이저 조사부(100)에 의한 레이저의 조사를 제어할 수도 있다. 더불어, 본 발명의 용접 장치(10)의 경우, 레이저 출력 제어부(200)는, 시간이 경과할수록 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저의 출력과 펄스 폭 모두가 감소되도록 레이저 조사부(100)에 의한 레이저의 조사를 제어할 수도 있다.At this time, in the case of the
이와 같이 본 발명의 용접 장치(10)의 경우 도 11 또는 도 12에 도시된 바와 같이 레이저의 조사를 제어하더라도, 기저 출력의 레이저의 용접부(W)로의 조사에 의해 용접부(W)의 액체 상태가 유지될 수 있다. 따라서, 종래 대비 보다 더 적은 에너지를 용접부(W)에 투입하면서도 용접 불량을 최소화할 수 있다.In this way, in the case of the
이하, 본 발명의 용접 장치(10)에 따른 효과를 보다 구체적으로 나타내기 위해 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.Hereinafter, in order to show the effects of the
(실시예 1 내지 10)(Examples 1 to 10)
도 1에 도시된 바와 같이, 용접부(W)에 대해, 용접 장치(모델명: 레이저(Trumpf TruDiode 4006), 광학계(Trumpf BEO D70 0°K200 F200 T950))를 이용하여 용접을 수행하였다.As shown in FIG. 1, welding was performed on the welded portion W using a welding device (model name: laser (Trumpf TruDiode 4006), optical system (
이 때, 모든 실시예에서, 용접부(W)는, 순 알루미늄 재질로 구성하고, 압출품인 Mono-frame AL6063의 Top/Bottom은 2.0mm의 두께를 갖도록 하였고, Side는 3.2mm의 두께를 갖도록 하였다. 또한, 다이-캐스트(die-cast)로 제조된 Endplate ADC12는 Monoframe의 각면 두께에 대응되게 가공되도록 하였다. 그리고, 용접부(W)의 전체 길이는 편측이 562mm가 되도록 하였고, 양측이 1124mm가 되도록 하였다. 그리고, 용접부(W)의 전체 폭은 비드폭이 2.0 ~ 4.0mm가 되도록 하였다. 또한, 하나의 용접 라인의 길이는, Top측이 80mm, Side측이 96mm, Bottom측이 210mm가 되도록 하였다. 그리고, 용접부(W)는, 배터리 모듈(미도시)의 구성 부품 간의 결합부로 하였다. 구체적으로, 용접부(W)는, 모듈 케이스(미도시) 및 엔드 플레이트(미도시) 간의 결합부로 하였다.At this time, in all examples, the welding part (W) was made of pure aluminum, and the Top/Bottom of the extruded mono-frame AL6063 had a thickness of 2.0mm, and the side had a thickness of 3.2mm. . In addition, Endplate ADC12, manufactured by die-cast, was processed to correspond to the thickness of each side of the monoframe. And, the total length of the welded portion (W) was set to 562 mm on one side and 1124 mm on both sides. And, the overall width of the welded portion (W) was set to a bead width of 2.0 to 4.0 mm. Additionally, the length of one welding line was 80mm on the top side, 96mm on the side side, and 210mm on the bottom side. And, the welded portion W was used as a joint between the components of the battery module (not shown). Specifically, the welded portion W was a joint between a module case (not shown) and an end plate (not shown).
또한, 용접 장치가, 도 2에 도시된 바와 같이, 용접부(W)에 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 번갈아 연속적으로 조사하도록 하였다. 이 때, 피크 출력의 레이저의 출력은, Top/Bottom측 두께 2.0mm 구간에서 3300W±200W가 되도록 하였고, Side측 두께 3.2mm 구간에서 3600W±200W가 되도록 하였다. 기저 출력의 레이저의 출력은, Top/Bottom측 두께 2.0mm 구간에서 1200W±200W가 되도록 하였고, Side측 두께 3.2mm 구간에서 2000W±200W가 되도록 하였다. 또한, 하나의 용접 라인에서의 용접 횟수는 1회이고, 하나의 용접 라인에 대한 용접 속도는 60mm/sec, 전체 용접 길이는 1124mm, 전체 용접 시간은 18.7초로 하였다. 그리고, 적어도 하나의 용접 라인을 포함하는 하나의 용접부(W)에 대한 용접 횟수는 1회이고, 하나의 용접부(W)에 대한 전체 용접 시간은 Top측 80mm구간에서 1.33초, Side측 96mm 구간에서 1.6초, Bottom측 210mm 구간에서 3.5초로 하였다. 또한, 피크 출력의 레이저의 조사 시간 및 기저 출력의 레이저의 조사 시간은 동일한 비율로 하였다.In addition, as shown in FIG. 2, the welding device alternately and continuously radiates a laser at peak power and a laser at base power to the weld area W. At this time, the peak output of the laser was set to 3300W±200W in the 2.0mm thick section on the Top/Bottom side, and 3600W±200W in the 3.2mm thick section on the side side. The base output laser output was set to 1200W±200W in the 2.0mm thick section on the Top/Bottom side, and 2000W±200W in the 3.2mm thick section on the side. In addition, the number of welding in one welding line was 1, the welding speed for one welding line was 60 mm/sec, the total welding length was 1124 mm, and the total welding time was 18.7 seconds. In addition, the number of welding times for one welding area (W) including at least one welding line is 1 time, and the total welding time for one welding area (W) is 1.33 seconds in the 80mm section on the top side and 1.33 seconds in the 96mm section on the side side. It was set at 1.6 seconds, and 3.5 seconds at the 210mm section on the bottom side. Additionally, the irradiation time of the laser at peak power and the irradiation time of the laser at base power were set at the same ratio.
더불어 용접 장치가, 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 용접 라인에 대해 둘 이상의 키 홀(K)이 중첩되게 형성될 수 있게 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 번갈아 조사하도록 하였다.In addition, as shown in FIG. 3, the welding device alternately irradiates a laser at peak output and a laser at base output so that two or more key holes K can be formed overlapping with respect to one welding line.
본 발명의 실시예에 따라, 상기와 같은 방식으로 용접을 수행하여 용접부(W)를 형성하고, 형성된 용접부(W)에 대하여 용접 품질을 측정하였다. 보다 구체적으로는, 10주에 걸쳐 각 주마다 상기와 같은 방식으로 다수의 샘플을 제작하고, 제작된 샘플의 용접부(W)에 대하여 용접 결함이 발생된 샘플의 수를 카운팅하여, 카운팅된 결과를 표 1에 기재하였다. 즉, 표 1에는, 총 10주에 걸쳐 실험된 데이터로서, 각 주마다 실시예 1 내지 실시예 10으로 표시하고, 각 실시예 별로, 1주일 동안 생산된 배터리 모듈의 개수와, 생산된 배터리 모듈, 즉 각 샘플들에 포함된 용접부(W)에서의 용접 결함(예: 용락)의 발생 수를 나타낸 것이다.According to an embodiment of the present invention, welding was performed in the same manner as above to form a welded portion (W), and the welding quality of the formed welded portion (W) was measured. More specifically, a number of samples were manufactured in the same manner as above for each week over a period of 10 weeks, the number of samples in which welding defects occurred with respect to the welded portion (W) of the manufactured samples was counted, and the counted results were calculated. It is listed in Table 1. That is, Table 1 shows experimental data over a total of 10 weeks, and each week is indicated as Examples 1 to 10, For each example, it shows the number of battery modules produced in one week and the number of welding defects (e.g., melting) in the welded portion W included in the produced battery modules, that is, each sample.
(비교예)(Comparative example)
한편, 비교예의 경우, 도 5에 도시된 종래의 PW(Pulse Wave) 레이저 용접 방식에 의해 피크 출력의 레이저만을 용접부에 조사하여 용접을 수행한 경우를 나타낸 것이다. 이 때, 용접부는, 순 알루미늄 재질로 구성하고, 압출품인 Mono-frame AL6063의 Top/Bottom은 2.0mm의 두께를 갖도록 하였고, Side는 3.2mm의 두께를 갖도록 하였다. 또한, 다이-캐스트(die-cast)로 제조된 Endplate ADC12는 Monoframe의 각면 두께에 대응되게 가공되도록 하였다. 그리고, 용접부의 전체 길이는 편측이 562mm가 되도록 하였고, 양측이 1124mm가 되도록 하였다. 그리고, 용접부의 전체 폭은 비드폭이 2.0 ~ 4.0mm가 되도록 하였다. 또한, 하나의 용접 라인의 길이는, Top측이 80mm, Side측이 96mm, Bottom측이 210mm가 되도록 하였다. 그리고, 용접부는, 배터리 모듈(미도시)의 구성 부품 간의 결합부로 하였다. 구체적으로, 용접부는, 모듈 케이스(미도시) 및 엔드 플레이트(미도시) 간의 결합부로 하였다.Meanwhile, in the case of the comparative example, welding was performed by irradiating only the laser at peak output to the welding area using the conventional PW (Pulse Wave) laser welding method shown in FIG. 5. At this time, the welded part was made of pure aluminum, and the Top/Bottom of the extruded mono-frame AL6063 had a thickness of 2.0mm, and the side had a thickness of 3.2mm. In addition, Endplate ADC12, manufactured by die-cast, was processed to correspond to the thickness of each side of the monoframe. And, the total length of the welded part was set to 562mm on one side and 1124mm on both sides. And, the overall width of the welded area was set to a bead width of 2.0 to 4.0 mm. Additionally, the length of one welding line was 80mm on the top side, 96mm on the side side, and 210mm on the bottom side. And, the welding part was a joining part between the components of the battery module (not shown). Specifically, the welded portion was a joint portion between the module case (not shown) and the end plate (not shown).
또한, 피크 출력의 레이저의 출력은, Top/Bottom측 두께 2.0mm 구간에서 3300W±200W가 되도록 하였고, Side측 두께 3.2mm 구간에서 3600W±200W가 되도록 하였다. 또한, 하나의 용접 라인에서의 용접 횟수는 1회이고, 하나의 용접 라인에 대한 용접 속도는 10mm/sec, 전체 용접 길이는 1124mm, 전체 용접 시간은 112.4초로 하였다. 그리고, 적어도 하나의 용접 라인을 포함하는 하나의 용접부에 대한 용접 횟수는 1회이고, 하나의 용접부에 대한 전체 용접 시간은 Top측 80mm구간에서 8초, Side측 96mm 구간에서 9.6초, Bottom측 210mm 구간에서 21초로 하였다. 또한, 피크 출력의 레이저의 조사 시간 및 레이저가 조사되지 않는 구간에서의 시간은 동일한 비율로 하였다.In addition, the peak output of the laser was set to 3300W±200W in the 2.0mm thick section on the Top/Bottom side, and 3600W±200W in the 3.2mm thick section on the side side. In addition, the number of welding in one welding line was 1, the welding speed for one welding line was 10 mm/sec, the total welding length was 1124 mm, and the total welding time was 112.4 seconds. In addition, the number of welding times for one welding section including at least one welding line is 1 time, and the total welding time for one welding section is 8 seconds in the 80mm section on the top side, 9.6 seconds in the 96mm section on the side, and 210mm on the bottom side. The section was set at 21 seconds. In addition, the irradiation time of the peak output laser and the time in the section where the laser is not irradiated were set at the same ratio.
발생 수(회)Number of occurrences (times)
상기 표 1의 결과를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 10의 경우, 용접 결함 발생 비율이 매우 적게 나타난 반면, 비교예의 경우 실시예 1 내지 실시예 10 대비 용접 결함 발생 비율이 현저히 높게 나타났음을 알 수 있다.Referring to the results in Table 1, it can be seen that in Examples 1 to 10, the welding defect occurrence rate was very low, whereas in the comparative example, the welding defect occurrence rate was significantly higher compared to Examples 1 to 10. You can.
보다 구체적으로 살펴보면, 실시예 1의 경우, 1주일 동안 2,560개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 1회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.04%에 불과하다.Looking more specifically, in Example 1, 2,560 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the welding area (W) was 1. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.04%.
실시예 2의 경우, 1주일 동안 15,285개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 6회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.04%에 불과하다.In Example 2, 15,285 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the welding area (W) was 6. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.04%.
실시예 3의 경우, 1주일 동안 16,987개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 7회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.04%에 불과하다.In Example 3, 16,987 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the welding area (W) was 7. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.04%.
실시예 4의 경우, 1주일 동안 20,200개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 0회로 나타났다.In Example 4, 20,200 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the weld area (W) was 0.
실시예 5의 경우, 1주일 동안 20,416개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 7회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.03%에 불과하다.In Example 5, 20,416 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the welding area (W) was 7. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.03%.
실시예 6의 경우, 1주일 동안 20,421개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 8회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.04%에 불과하다.In Example 6, 20,421 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the welding area (W) was 8. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.04%.
실시예 7의 경우, 1주일 동안 30,562개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 9회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.03%에 불과하다.In Example 7, 30,562 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the welding area (W) was 9. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.03%.
실시예 8의 경우, 1주일 동안 28,093개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 6회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.02%에 불과하다.In Example 8, 28,093 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the weld area (W) was 6. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.02%.
실시예 9의 경우, 1주일 동안 34,220개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 9회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.03%에 불과하다.In Example 9, 34,220 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the welding area (W) was 9. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.03%.
실시예 10의 경우, 1주일 동안 23,889개의 배터리 모듈을 생산하였는데, 이 경우 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 3회로 나타났다. 이 경우 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.01%에 불과하다.In Example 10, 23,889 battery modules were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the welding area (W) was 3. In this case, the welding defect occurrence rate is only approximately 0.01%.
즉, 하기 표 1을 살펴보면, 각 실시예 별로 배터리 모듈의 생산량과 관계없이 용접부(W)에서의 용접 결함 발생 수가 거의 발생되지 않는 것(10회 미만)으로 나타났다.That is, looking at Table 1 below, it was found that the number of welding defects in the welding area (W) rarely occurred (less than 10 times) regardless of the production volume of the battery module for each example.
특히, 실시예 1의 22주차의 2,560개의 제품 생산시, 1회의 용접 결함이 발생되었는데, 실시예 7의 28주차의 30,562개의 제품을 생산한 경우 실시예 1 대비 10배 이상으로 제품 생산량을 증가시켰음에도 단 9회의 용접 결함이 발생된 것으로 나타났다.In particular, when producing 2,560 products at week 22 of Example 1, one welding defect occurred, but when producing 30,562 products at week 28 of Example 7, product production was increased by more than 10 times compared to Example 1. It was found that only 9 welding defects occurred.
반면, 상기 표 1을 참조하면, 비교예의 경우, 배터리 모듈의 양산 과정에서, 1주일 동안 생산된 배터리 모듈에 대해 용접부에서의 용접 결함의 발생 수를 나타낸 것이다.On the other hand, referring to Table 1 above, in the case of the comparative example, the number of welding defects occurring in the weld zone for battery modules produced for one week during the mass production process of the battery module is shown.
구체적으로, 비교예의 경우, 1주일 동안 10,040개의 제품을 생산하였는데, 이 경우 용접부에서의 용접 결함 발생 수가 27회로 나타났다. 이 경우, 용접 결함 발생 비율은, 대략 0.27%에 해당한다. 그리고, 이와 같은 용접 결함 발생 비율은, 실시예 1 내지 실시예 10에서의 용접 결함 발생 비율의 평균 0.028%에 비해 현저하게 높은 결과라 할 수 있다.Specifically, in the case of the comparative example, 10,040 products were produced in one week, and in this case, the number of welding defects in the weld zone was 27 times. In this case, the weld defect occurrence rate is approximately 0.27%. In addition, this welding defect occurrence rate can be said to be significantly higher than the average 0.028% of the welding defect occurrence rate in Examples 1 to 10.
특히, 비교예의 경우, 비교예에서 생산된 제품 수의 대략 20% 정도에 해당되는 실시예 1에서의 용접 결함 발생 수보다 더 많은 용접 결함이 발생된 것으로 나타났다.In particular, in the case of the comparative example, it was found that more welding defects occurred than in Example 1, which was approximately 20% of the number of products produced in the comparative example.
또한, 비교예의 경우, 비교예에서 생산된 제품 수보다 대략 5,000개 정도 많이 제품을 생산한 실시예 2에서의 용접 결함 발생 수보다 더 많은 용접 결함이 발생된 것으로 나타났다.In addition, in the case of the comparative example, it was found that more welding defects occurred than in Example 2, which produced approximately 5,000 more products than the number of products produced in the comparative example.
이러한 결과를 보면 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 용접 장치(10)의 경우, 종래 레이저 용접 방식 대비 용접부(W)에서의 용접 불량을 최소화할 수 있다.As can be seen from these results, in the case of the
본 발명에 따른 배터리 제조 장치는, 전술한 용접 장치(10)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 제조 장치는, 전술한 용접 장치(10) 외에 배터리 모듈의 제조를 위한 공지된 각종 장치(예: 배터리 모듈 검사 장치)를 더 포함할 수 있다.The battery manufacturing device according to the present invention may include the
본 발명에 따른 자동차 제조 장치는, 전술한 용접 장치(10)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 자동차 제조 장치는, 전술한 용접 장치(10) 외에 자동차의 제조를 위한 공지된 각종 장치(예: 자동차 검사 장치)를 더 포함할 수 있다.The automobile manufacturing device according to the present invention may include the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following will be understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalence of the patent claims to be described.
한편, 본 발명에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.Meanwhile, in the present invention, terms indicating directions such as up, down, left, right, front, and back are used, but these terms are only for convenience of explanation and may vary depending on the location of the target object or the location of the observer. It is obvious to those skilled in the art that this can be done.
10 : 용접 장치
100 : 레이저 조사부
200 : 레이저 출력 제어부
300 : 검사부
W : 용접부
K : 키 홀10: welding device
100: Laser irradiation unit
200: Laser output control unit
300: Inspection department
W: welding area
K: key hole
Claims (13)
상기 레이저 조사부가 피크 출력의 레이저 및 기저 출력의 레이저를 용접부에 조사하게 제어하도록 구성된 레이저 출력 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 장치.a laser irradiation unit configured to irradiate a laser; and
The laser irradiation unit includes a laser output control unit configured to control the peak output laser and the base output laser to be irradiated to the welding area. A welding device that does.
상기 레이저 출력 제어부는,
상기 용접부가 액체 상태를 유지하게 상기 레이저 조사부를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 1,
The laser output control unit,
A welding device, characterized in that it is configured to control the laser irradiation unit so that the welding unit maintains a liquid state.
상기 레이저 출력 제어부는,
상기 레이저 조사부가 상기 피크 출력의 레이저 및 상기 기저 출력의 레이저를 번갈아 상기 용접부에 조사하게 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 1,
The laser output control unit,
A welding device, wherein the laser irradiation unit is configured to control the laser irradiation unit to alternately irradiate the laser at the peak output and the laser at the base output to the welding area.
상기 피크 출력의 레이저는,
상기 용접부에 키 홀이 형성 가능한 출력을 가지고,
상기 기저 출력의 레이저는,
상기 용접부에 용입이 형성되지 않는 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 1,
The laser of the peak output is,
Has an output capable of forming a key hole in the weld part,
The base output laser is,
A welding device characterized in that it has an output that prevents penetration from being formed in the welded portion.
상기 기저 출력의 레이저는,
상기 용접부가 액체 상태를 유지 가능한 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 4,
The base output laser is,
A welding device, characterized in that the welding unit has an output capable of maintaining a liquid state.
상기 레이저 출력 제어부는,
상기 기저 출력의 레이저의 펄스 폭을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 1,
The laser output control unit,
Welding device, characterized in that it is configured to control the pulse width of the laser of the base output.
상기 레이저 출력 제어부는,
상기 기저 출력의 레이저의 펄스 주파수를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 1,
The laser output control unit,
Welding device, characterized in that it is configured to control the pulse frequency of the laser of the base output.
상기 레이저 출력 제어부는,
상기 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 1,
The laser output control unit,
Welding device, characterized in that it is configured to control the output of the laser at the base output.
상기 용접 장치는,
상기 용접 장치에 의한 용접 완료 후에 상기 용접부에서의 용접 상태를 검사하도록 구성된 검사부를 더 포함하고,
상기 레이저 출력 제어부는,
상기 검사부로부터 제공된 용접 상태 검사 정보에 따라 상기 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 1,
The welding device is,
Further comprising an inspection unit configured to inspect a welding state in the welded portion after completion of welding by the welding device,
The laser output control unit,
Welding device, characterized in that it is configured to control the output of the base output laser according to the welding state inspection information provided from the inspection unit.
상기 용접 장치는,
상기 용접 장치에 의한 용접 중에 상기 용접부에서의 용접 상태를 검사하도록 구성된 검사부를 더 포함하고,
상기 레이저 출력 제어부는,
상기 검사부로부터 제공된 용접 상태 검사 정보에 따라 상기 기저 출력의 레이저의 출력을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 용접 장치.According to clause 1,
The welding device is,
Further comprising an inspection unit configured to inspect a welding state in the weld portion during welding by the welding device,
The laser output control unit,
Welding device, characterized in that it is configured to control the output of the base output laser according to the welding state inspection information provided from the inspection unit.
기저 출력의 레이저를 상기 용접부에 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 방법.Irradiating a laser at peak output to the weld area; and
A welding method comprising the step of irradiating a laser of base output to the welding portion.
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