[논문]2차전지용 알루미늄합금의 펄스 Nd:YAG레이저 용접성( II ) -전해액 주입구의 볼 용접조건 최적화-

김종도; 유승조; 김장수

[국내논문] 2차전지용 알루미늄합금의 펄스 Nd:YAG레이저 용접성( II ) -전해액 주입구의 볼 용접조건 최적화-
The Weldability of Aluminium Alloy for Secondary Battery by Pulsed Nd:YAG Laser( II ) -The Optimization of Ball Welding Conditions in Electrolyte Injection Hole- 원문보기

김종도 (한국해양대학교 기관시스템공학부) , 유승조 (한국해양대학교 대학원(현, 엠에스 오토텍)) , 김장수 (한국해양대학교 대학원)

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문제 정의

본 연구에서는 현재 알루미늄을 사용하여 만들어지고 있는 전해액 주입구(ball-cap)를 밀봉하는 용접에 있어서 펄스 NdYAG레이저를 이용한 용접시 발생하는 균열을 방지하기 위하여 개선된 크레이터 (crater)의 처리방식을 이용하여 용접부의 결함 억제 및 방지법에 대한 근본적인 대안을 제시하고자 하였다.
전해액 주입구의 밀봉용접 공정에서는 험핑비드(humping bead), 스패터, 기공 및 핀홀 등의 많은 용접결함이 발생되어 왔다 여기에서는 금속학적 측면에서 관점을 달리하여 용접성 개선을 위한 또 하나의 대안으로서 볼의 사용재료를 현재의 A1000계열에서 A4000계열로 바꿀 경우에 고려될 수 있는 이점에 대하여 이론적·실무적 차원에서 정리하고자 하였다.

제안 방법

균열이 발생하는 1차 비드와 2차 비드의 교차점을 제거하기 위해 Fig. 1과 같은 레이저 출력파형의 램프다운(ramp down) 기능을 이용한 크레이터 처리방식을 도입하였으며, 그림 중 lcycle(2π)의 의미는 볼의 원주방향으로 1회전하면서 용접하는 경로를 말한다.
그리고 열팽창률이 억제되며 내마모성을 개선하는 효과가 있다. 본 실험에서는 A4047 볼을 조속한 시간에 구할 수 없어서 대신 A4047 와이어를 이용하여 전해액 주입구를 용접하였다.

이론/모형

2에는 볼이 압입되는 캡의 전해액 주입구 형상과 치수를 도시하며 캡의 두께가 08mm^t인 경우와 1mm^t인 경우의 두 조건에서 A1090 어닐링처리 볼을 사용하였다 여기서 레이저 출력파형의 램프다운 기능에 대해 설명을 덧붙이면 다음과 같다 일반적으로 펄스레이저의 전형적인 파형은 구형(矩形)으로서 짧은 일정시간동안 출력을 급속히 상승시켰다가 하강시키는 형태를 취하게 되는데, 이때 알루미늄과 같은 열전도율이 큰 합금의 경우 용융금속은 급속웅고하게 되며 그 와중에 균열이 발생하게 된다. 이러한 용융금속의 급속웅고속도를 지연시키기 위해 Fig 1의 오른쪽 파형과 같이 출력의 후반부를 서서히 하강시키는 준 펄스파형제어 기법(램프다운)을 사용하였다.

성능/효과

이렇게 용접을 하여 얻은 모든 전지를 150MPa의 압력으로 15초간 수중압력 누설시험을 행한 결과 모두 누설이 발생하지 않는 매우 양호한 용접결과를 얻을 수 있었다.
8에 나타낸다 단면관찰결과, 볼을 압입하지 않고 와이어를 임의로 녹여 용접하였으므로 부정형의 용접금속 단면에는 많은 기공을 보이고 있다. 그러나 용접금속부의 접합상태는 매우 양호하였으며 150MPa로 15초간의 수중압력 누설시험에서 17개의 모든 시험편에서 누설은 발생하지 않았다.
1) 수중압력 누설시험을 통하여 1차 비드 위에 2차 비드가 외주로 빠져나가는 교차점에서 균열이 주로 발생한다는 것을 확인하였는데, 이는 재용융에 의한 2차 비드의 경도 상승과 웅고수축웅력에 의한 것으로 판단된다.
2) 볼 용접시 램프다운 기능을 이용하여 5/4cycle 구형펄스 + 3/4cycle 램프다운하여 균열이 주로 발생하는 1차 비드와 2차 비드의 교차점이 없는 용접을 행한 결과, 캡의 두께가 08mm^t인 경우에는 균열의 가능성을 보였으며 1mm^t인 경우에는 비드 중앙에 원주방향으로 균열이 발생하였다 이것은 두께 차이에 따른 웅고속도 증가에 의한 수축웅력의 증가에 기인하는 것으로 판단된다.
3) 입열량을 감소시키기 위해 용접시간을 줄여 용접한 결과, 캡 두께 08mm^t'의 경우에는 양호하였지만 1mm^t의 경우에는 여전히 균열이 발생하였다 이에 대하여 용접궤적의 반지름을 05mm로 변경하여 볼 중앙으로의 수축웅력을 감소시켜 용접을 행한 결과, 캡 두께 1mm^t의 경우에는 양호하였지만, 08mm^t의 경우에는 핀홀이 발생하였다 이것은 용접궤적의 반경을 줄임으로써 례이저빔의 조사위치가 캡과 볼의 맞대기 면에 가까워졌고 캡의 두께가 보다 얇은 경우 용이하게 관통이 이루어져 핀홀이 발생한 것으로 판단된다.
4) 핀홀이 발생하는 결함을 해결하기 위해 캡 두께 08mm^t의 경우 비초점거리를 +07mm로 변경하여 집광빔의 파워밀도를 줄여 용접을 행한 결과, 핀홀 . 균열 등의 결함이 없는 매우 양호한 용접결과를 얻을 수 있었다 또한 수중압력 누설시험 결과, 모두 누설이 발생하지 않았다.
줄여 용접을 행한 결과, 핀홀 . 균열 등의 결함이 없는 매우 양호한 용접결과를 얻을 수 있었다 또한 수중압력 누설시험 결과, 모두 누설이 발생하지 않았다.

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