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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 펄스파형 파이버 레이저 (fiber laser)를 이용하여 현재 생산되고 있는 리튬이온 계열 배터리 부품 소재 중 하나인 두께가 38μm 인 순수 구리소재 40장을 기존에 사용되어지고 있는 볼트체결 방식에서 레이저 용접을 실시하여 최적의 공정변수를 결정하고자 한다.
- 본 연구에서는 순수 구리 소재를 150mm(L) × 50mm (W) × 0.038mm (T)로 제작하여 레이저 겹치기 용접시 최적의 공정을 결정하기 위해 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 13는 515nm 파장대 레이저와 적외선 파장대인 IR 레이저를 조합하여 구리 용접 실시 후 용접 특성을 관찰하였고, Biro. E.14는 보호가스 유무에 따라 Nd:YAG 펄스레이저를 이용하여 용접 후 비교 분석하였다. Petring.
- 순수 구리를 펄스파형 파이버 레이저로 38μm 박판 40장을 겹치기 용접을 실시하였다. 겹치기 용접 실시시 초점위치에 따라 공정변수를 변화시켜 펄스 당 에너지 밀도, 전면, 후면비드 폭 비, 입열량, 금속학적 분석과 기계적 성질인 인장강도 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 구리 박판 40장을 겹치기 용접한 시편을 한국산업 규격의 금속 재료 인장 시험편의 13B호에 맞춰서 제작하였으며 최소한의 열영향과 정확한 절단을 위해 와이어 컷팅을 하였다.
- 레이저 공정변수 변화에 따른 용접단면을 관찰하기 위해 용접 시편을 절단하고 사포로 연마 및 폴리싱 후 에칭액(FeCl3+HCl+Glycerin+H2O)을 만들어 에칭하였다. 에칭 된 용접 비드는 경계면은 광학 현미경(olympus:GX-51)으로 관찰하였다.
- 시편은 공작대에 부착된 지그(Jig)와 박판 40장을 겹칠 수 있는 지그를 사용하여 단단히 고정시켜 용접 중 열팽창에 의한 변형이 발생하지 않도록 하였다. 레이저 용접 시 열 때문에 발생하는 조직변화에 의한 경도 측정은 마이크로 비커스 경도시험기(Simadzu: HMV-2series)를 사용하여 Hv 0.01kg의 하중을 적용시켰다. 용접부의 기계적 성질을 측정하기 위해 인장실험은 인장시험기(Hounsfield: universal testing machine)를 사용하여 인장시편이 인장하중 방향에 수직한지 확인하고 인장시험을 각 용접 조건별로 인장실험 하였다.
- 레이저 용접하면서 레이저빔의 초점 위치 변화에 따른 용접특성을 연구하기 위해 레이저빔의 이송속도는 0.5m/min으로 고정시키고 레이저 피크출력(5, 6kW)과 초점위치(f = -3, 0, +3), 레이저 빔의 펄스조사시간과 펄스 반복률을 변화시켜가며 실험하였다.
- 에칭 된 용접 비드는 경계면은 광학 현미경(olympus:GX-51)으로 관찰하였다. 박판 40장을 겹치기 용접 후 용접단면을 절단하여 광학 현미경으로 용입 깊이와 폭을 측정하였다. 용접시 레이저빔 초점 위치의 변화에 따른 종횡비(aspect ratio), 시편 내부로 흡수되는 입열량(heat input capacity)의 변화에 따른 인장응력의 변화를 측정하였다.
- 순수 구리를 펄스파형 파이버 레이저로 38μm 박판 40장을 겹치기 용접을 실시하였다.
- 시편은 공작대에 부착된 지그(Jig)와 박판 40장을 겹칠 수 있는 지그를 사용하여 단단히 고정시켜 용접 중 열팽창에 의한 변형이 발생하지 않도록 하였다. 레이저 용접 시 열 때문에 발생하는 조직변화에 의한 경도 측정은 마이크로 비커스 경도시험기(Simadzu: HMV-2series)를 사용하여 Hv 0.
- 레이저 공정변수 변화에 따른 용접단면을 관찰하기 위해 용접 시편을 절단하고 사포로 연마 및 폴리싱 후 에칭액(FeCl3+HCl+Glycerin+H2O)을 만들어 에칭하였다. 에칭 된 용접 비드는 경계면은 광학 현미경(olympus:GX-51)으로 관찰하였다. 박판 40장을 겹치기 용접 후 용접단면을 절단하여 광학 현미경으로 용입 깊이와 폭을 측정하였다.
- 01kg의 하중을 적용시켰다. 용접부의 기계적 성질을 측정하기 위해 인장실험은 인장시험기(Hounsfield: universal testing machine)를 사용하여 인장시편이 인장하중 방향에 수직한지 확인하고 인장시험을 각 용접 조건별로 인장실험 하였다.
- 박판 40장을 겹치기 용접 후 용접단면을 절단하여 광학 현미경으로 용입 깊이와 폭을 측정하였다. 용접시 레이저빔 초점 위치의 변화에 따른 종횡비(aspect ratio), 시편 내부로 흡수되는 입열량(heat input capacity)의 변화에 따른 인장응력의 변화를 측정하였다.
- 볼트체결 방식은 볼트와 너트를 이용하기 때문에 에너지 밀도를 높여야 하는 전지 개발에 핵심인 경량화를 하기 위해 문제가 된다고 판단된다. 이에 따라 전지의 경량화를 하기 위해 볼트, 너트가 필요 없이 직접 체결 할 수 있도록 고밀도 에너지 원인 레이저를 이용하여 용접하고자 한다. 레이저 용접은 고밀도 에너지 열원을 사용하기 때문에 단시간에 용융, 응고 과정이 진행되어 일반용접에 비해 종횡비가 크고, 용입깊이는 깊고, 열영향부(Heat Affected Zone ; HAZ)가 작아 열변형이 거의 없고 극소 부위 용접이 가능한 장점이 있다.
- 파이버 레이저로 두께가 38μm인 구리 박판 40장을 겹치기 용접한 후 중첩률 및 전면비드 폭을 분석하기 위하여 용접부를 현미경으로 관찰하여 Fig 3에 나타내었다.
- 이는 식 (1), (2)에서 확인 할 수 있다. 펄스 조사시간과 펄스 반복률을 4ms(25Hz), 6ms(16Hz), 8ms(12Hz), 10ms(10Hz)로 고정하고 피크출력을 변화시키면서 시편 40장이 전부 관통용접이 되었는지 확인을 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 파이버 레이저는 파장은 1.07μm이고, 최대 평균 출력 600W, 최대 피크 출력은 6kW급의 연속파(continuous wave)와 펄스파(pulsed wave)가 가능한 듀얼 모드 레이저(YLS-600/6000-QCW-AC)이다.
- 시편의 두께는 38μm이고 99.9% 이상인 초박판 순수 구리 40장을 겹치기 용접하였다.
성능/효과
- 1) 펄스파형 레이저로 박판 겹치기 용접시 관통 용접에 크게 영향을 주는 변수로는 피크 출력이고 용접부 크기에 크게 영향을 주는 변수는 펄스 조사시간과 초점위치이다.
- 2) 순수구리 박판을 다층용접할 경우 초점위치 f = 0이거나 -3일 경우에는 과입열량으로 되어 내부에 기공 등 결함이 발생하기 때문에 초점 위치가 f = +3일 때의 인장강도가 각각 약 2.1배, 약 2.5배 정도 높아 초점위치보다 약간 높은 곳에서 용접할 때 양호한 결과를 얻었다.
- 3) 경도분석 결과 초점위치별로 인장강도가 큰 경우일 때 인장강도가 작은 경우보다 경도값이 약 5-10%정도 크게 측정되었다.
- 4) 조직사진 분석 결과 펄스 조사시간이 4ms에서 10ms로 길어질수록 조직이 조대화되었다. 이는 용접시 용접부 조직이 조대화되는데 펄스 조사시간이 큰 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었다.
- Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 피크출력과 레이저빔 이송속도를 고정하고 주파수를 감소시키면 펄스 조사시간이 길어져 용접하였을 때 단위 펄스당 용접부 전면비드 폭이 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 피크 출력이 같더라도 펄스 조사시간이 길어지 같은 조건에서 펄스 반복률만 감소시키면 펄스 조사시간이 길어져서 용접부 전면비드 폭이 증가하여 중첩률이 증가할 것 같지만 펄스 반복률이 감소하면 레이저빔 조사 횟수가 줄어들기 때문에 때문에 중첩률은 감소하고 있다.
- 5mm 정도 증가하였다. 따라서 전면 비드 폭은 피크 출력보다는 펄스 조사시간과 초점위치에 더 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 언급하였듯이 펄스 조사시간과 펄스 반복률이 고정된 상태에서 피크 출력을 증가시켰을 경우 전면비드 폭의 증가율이 미미하기 때문이다.
- 8에 나타내었다. 용접부 단면 분석을 바탕으로 펄스 레이저로 초박판 구리 소재 수십장 겹치기 용접시 용접부 단면 크기에 영향을 미치는 것은 펄스 조사시간에 영향을 받고 있음을 결과로 확인하였다. 이는 펄스 조사시간과 펄스 반복률을 고정하고 피크 출력을 조절하면 용접부 단면이 좁은 용접이 가능하고 펄스 조사시간을 증가시키면 용접부 단면이 넓은 용접이 가능하다는 것을 의미한다.
- 16은 인장시험 결과 인장강도가 가장 낮게 나타난 조건에서의 조직 사진이다. 인장강도 값이 가장 크게 나타난 조건은 초점위치가 f = +3에서 피크출력이 5kW, 펄스 조사 시간과 펄스 반복률이 4ms 25Hz이고, 인장강도 값이 가장 낮게 나타난 조건은 초점위치가 f = -3에서 피크 출력이 6kW, 펄스 조사시간과 펄스 반복률이 10ms 10Hz이다. 조직사진을 보면 용접부와 열영향부에서는 모재에 비해 조대화된 조직을 관찰 할 수 있다.
- 왼쪽에 있는 공정변수가 인장강도 값이 큰 경우이고 오른쪽의 공정변수가 인장강도 값이 작은 경우이다. 전체적으로 인장강도가 큰 경우에 작은 경우보다 경도값이 약 5-10Hv정도 크게 측정되었다.
- 초점위치에 따른 용접부의 용접단면을 살펴보면 초점위치가 시편표면보다 아래 방향 즉, 초점위치가 f = -3으로 하여 용접하였을 때 용접단면 내부에 많은 기공에 의한 결함을 발견할 수 있다. 피크출력이 5kW일 때는 초점위치가 f = 0과 f = +3위치에서 용접단면에서 결함이 발견되지 않는 경우가 많지만 피크출력이 6kW일 때는 초점위치가 f = +3인 위치 이외에는 용접단면 내부에 많은 결함이 발견되고 있어 과입열량 때문에 건전한 용접이 이루어지지 않음을 관찰 할 수 있었다. 전반적으로 입열량이 높을 경우에는 용접부 단면에 구리 용접시 발생하기 쉬운 결합인 기공이 용접부 단면에 많이 나타나고 있다.
후속연구
- 연구 결과 기존에 사용되어지고 있는 볼트체결 방식을 레이저 용접법으로 대체는 가능하지만 레이저 용접시 용접부 결함을 없애는 방법에 대한 연구는 더 진행 되어야 할 것이다.
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