[논문]자동차 이차전지 제조를 위한 알루미늄과 무산소동의 레이저 용접특성

강민정; 박태순; 김철희; 김정한

doi:10.5781/kwjs.2013.31.6.58

[국내논문] 자동차 이차전지 제조를 위한 알루미늄과 무산소동의 레이저 용접특성
Laser Welding Characteristics of Aluminum and Copper Sheets for Lithium-ion Batteries 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.31 no.6, 2013년, pp.58 - 64

강민정 (한국생산기술연구원 용접접합연구그룹) , 박태순 (한국생산기술연구원 용접접합연구그룹) , 김철희 (한국생산기술연구원 용접접합연구그룹) , 김정한 (한국생산기술연구원 뿌리산업진흥본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Several joining methods involving resistance welding, laser welding, ultrasonic welding and mechanical joining are currently applied in manufacturing lithium-ion batteries. Cu and Al alloys are used for tab and bus bar materials, and laser welding characteristics for these alloys were investigated with similar and dissimilar material combinations in this study. The base materials used were Al 1050 and oxygen-free Cu 1020P alloys, and a disk laser was used with a continuous wave mode. In bead-on-plate welding of both alloys, the joint strength was higher than the strength of O tempered base material. In overlap welding, the effect of welding parameters on the tensile shear strength and bead shape was evaluated. Tensile shear strength of overlap welded joint was affected by interfacial bead width and weld defect formation. The tensile-shear specimen was fractured at the heat affected zone by selecting proper laser welding parameters.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 모듈단위 접합에서 탭과 탭 사이의 접합과 탭과 버스바 사이의 접합공정을 모사하기 위해 알루미늄과 구리 소재를 대상으로 동종 및 이종소재 조합에 대해 레이저 용접을 수행하고 접합특성 평가 및 접합계면에서의 금속간화합물의 형성을 확인하였다.

제안 방법

용접부의 기초물성을 파악하기 위한 비드(bead-on plate, BOP)용접과 실제 이차전지에 적용되는 겹치기 용접을 수행하였다. 각 시험편은 길이 130 mm, 너비 70 mm로 가공하였으며, 겹치기 용접을 하는 경우에는 Fig.
소재별 용접특성을 파악하기 위하여 0.2 mm 두께의 C1020P 소재와 Al 1050 합금에 대해 완전용입이 달성되도록 BOP 용접을 수행하였다. 두 가지 소재가 동일한 두께를 가지고 있음에도 불구하고 Table 2에 나타낸 바와 같이 서로 다른 물성을 가지고 있어 레이저 용접변수를 상이하게 적용하였다.
버스바와 탭 사이의 접합공정을 모사하기 위하여 0.2 mm의 Al 1050 합금과 1.0 mm의 C1020P 소재를 겹치어 레이저 용접을 수행하였다. 용접입열에 따른 용접특성을 비교하기 위하여 레이저 출력과 용접속도를 변수로 선정하였다.
본 연구에서는 리튬-이온 배터리에 적용되는 Cu와 Al 소재를 대상으로 디스크레이저를 적용하여 동종/이종 레이저 용접을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 적용한 소재는 순수 Al 합금인 Al 1050H와 무산소동 C1020P-1/2H으로 화학적 성분과 물성은 Table 1과 2와 같다. Al 1050 합금의 경우 두께 0.
본 연구에서는 적용한 소재는 순수 Al 합금인 Al 1050H와 무산소동 C1020P-1/2H으로 화학적 성분과 물성은 Table 1과 2와 같다. Al 1050 합금의 경우 두께 0.2 mm, 무산소동 C1020P 소재의 경우 두께 0.2 mm와 1.0 mm의 판재를 각각 이용하였다.
실험을 위하여 디스크레이저를 적용하였으며, 적용소재의 높은 레이저빔 반사율을 고려하여 초점거리 220 mm 레이저 광학계의 각도를 10도 기울여 용접을 진행하였다. 용접변수로는 용접속도와 레이저 출력을 선정하였다.

성능/효과

1) 각 소재를 대상으로 BOP 용접을 수행한 결과 무산소동의 경우 열영향부에서 가장 낮은 용접부 경도를 가지며 알루미늄의 경우 용접부에서 가장 낮은 경도가 측정되었다.
2) C1020P 동종소재에 대한 겹치기 시험을 수행한 결과 0.2 mm 동종두께 시험편의 경우 본 연구에서 적용한 용접조건에서 안정적인 강도확보가 가능하였으며 모두 열영향부에서 파단하였다. 0.
3) Al 1050 합금과 C1020P 소재의 이종소재 겹치기 용접을 수행한 결과 적정용접조건에서는 Al 합금의 열영향부 파단이 발생하여 적정한 용접강도 확보가 가능하였다. 적정조건 보다 용접속도가 증가하거나 용접 출력이 증가할 경우에는 용접부에 언더컷이 발생하고 용접부에서 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al-Cu를 용융접합하는 경우 발생하는 문제는?	전지 부품의 접합에서는 접합강도 외에도 전기전도도가 중요한 역할을 하는데 특히 Al-Cu를 용융용접하는 경우 접합부에 형성되는 취성이 강한 금속간화합물(AlxCuy)이 전기전도도를 떨어뜨린다고 보고하고 있다. 이러한 금속간화합물의 형성은 온도에 영향을 받으며, 금속간화합물의 두께가 증가할수록 전기전도도는 급격히 떨어진다2,13,16,17).
	이종소재의 접합에 사용되는 방법은?	이들 소재의 접합에서는 전기저항용접, 초음파용접, 레이저용접, 기계적 체결 등이 이용되고 있다. 이중에서 이종소재의 접합에는 초음파용접이 가장 선호되고 있으나 적용 두께의 한계가 있고, 표면조건의 영향이 커서 레이저용접의 적용도 활발하다.
	Al-Cu 용융용접할 때 생성되는 금속간화합물의 특성은?	전지 부품의 접합에서는 접합강도 외에도 전기전도도가 중요한 역할을 하는데 특히 Al-Cu를 용융용접하는 경우 접합부에 형성되는 취성이 강한 금속간화합물(AlxCuy)이 전기전도도를 떨어뜨린다고 보고하고 있다. 이러한 금속간화합물의 형성은 온도에 영향을 받으며, 금속간화합물의 두께가 증가할수록 전기전도도는 급격히 떨어진다2,13,16,17).

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