레이저 빔 성형으로 EV 배터리 쿨러의 용접 속도 향상

극한 온도의 경우 전기 자동차(EV) 배터리는 사람과 매우 유사합니다. EV 배터리는 인간과 동일한 온도 범위에서 가장 잘 작동합니다. EV 열 관리 시스템은 배터리 성능을 극대화하고 수명을 연장합니다. EV 열 관리 시스템의 냉각판을 사용하면 액체 냉각수가 배터리에서 열을 제거할 수 있습니다.

하나의 냉각 플레이트 설계로 두 개의 얇은 알루미늄(Al) 플레이트 사이에 냉각수를 순환시킵니다. 냉각수는 상단 플레이트에 결합된 베이스 플레이트의 스탬프 채널을 통해 흐릅니다. 냉각수 누출을 ​​방지하려면 베이스와 상단 플레이트를 결합하여 단단하고 밀봉된 조인트를 만들어야 합니다(그림 1). 또한 용접 조인트에는 현장에서 기계적 고장을 일으킬 수 있는 균열이 없어야 합니다.

제조업체는 진공 브레이징 기술을 사용하여 배터리 냉각판을 접합하기 시작했습니다. 이러한 초기 플레이트(그림 2)는 최대 2.1 x 1.3m 크기의 냉각 플레이트를 사용하는 오늘날의 EV 배터리 시스템에 필요한 냉각 플레이트보다 훨씬 작습니다.

더 큰 냉각판에 대한 수요가 증가함에 따라 진공 브레이징의 비효율성이 명백해졌습니다. 브레이징은 느리고 많은 에너지(>4MW)를 소비하므로 운영 비용이 높아집니다. 단일 생산 라인은 800평방미터의 생산 면적을 차지할 수 있습니다. 냉각판의 크기가 증가함에 따라 더 큰 진공 용광로에 상당한 자본 투자가 필요하며, 이는 단일 용광로에 500만 유로 이상이 소요될 수 있습니다.

또한 브레이징에는 브레이징이 가능한 특수 알루미늄 합금인 Al 3003을 사용해야 합니다. 제조업체는 납땜이 가능하지만 후처리 처리가 필요한 Al 5754, 재활용이 가능하다는 장점이 있지만 납땜이 전혀 불가능한 Al 6xxx 계열 합금과 같은 보다 경제적인 합금으로 전환하기를 원합니다. 그들은 증가하는 수요에 부응하고 새로운 금속 합금의 채택을 가속화하는 데 도움이 되는 더 빠르고 효율적인 접합 방법을 찾고 있습니다.

멀티킬로와트 레이저의 신뢰성, 견고성 및 가용성이 향상되면서 레이저 재료 가공 기술의 채택이 가속화됩니다. 기존 용접 공정에 비해 레이저 용접은 생산 비용을 절감하고 제조 유연성과 선택성을 높입니다.

또한 레이저 용접 기술은 열 입력을 줄여 속도를 최대화하면서 왜곡 가능성을 최소화합니다. 모든 용접 방법에는 용융 풀 형성과 그에 따른 급속 응고가 포함됩니다. 그러나 레이저 용접의 높은 에너지는 재료를 녹일 뿐만 아니라 증발시킵니다. 1

용접 공정 중 재료가 증발하면 열쇠 구멍이 생기고, 이를 통해 레이저 용접에서는 용접 이음매 폭에 대한 침투 깊이의 비율이 매우 높다는 장점이 있습니다(그림 3). 결과적으로 많은 제조업체가 전통적인 브레이징 및 용접에서 다양한 재료를 결합하고 전력 소비를 줄이며 공정 수율을 향상시킬 수 있는 레이저 재료 가공으로 전환했습니다.

규모가 크고 기하학적으로 복잡한 배터리 냉각 플레이트는 누출 없는 긴 서비스 수명을 제공할 수 있는 견고한 이음매를 달성하기 위해 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다. 기계적 고장을 방지하기 위해 조인트에는 인터페이스에 균열, 험핑, 언더컷 또는 다공성 결함이 있어서는 안 됩니다(그림 4).

레이저 용접의 높은 종횡비는 열 용접에 비해 부품 왜곡 가능성이 낮지만 높은 용접 품질을 달성하려면 키홀 안정성이 중요하기 때문에 문제가 될 수도 있습니다.

레이저 키홀은 일반적으로 강철 및 니켈과 같은 고흡수성 재료를 용접하는 동안 안정적인 상태를 유지합니다. 불행하게도 냉각판 생산에 필요한 구리, 알루미늄 및 고합금 재료를 용접할 때 키홀은 본질적으로 불안정하여 용접 품질을 저하시키는 불규칙성에 취약할 수 있습니다. 이러한 결함을 극복하는 일반적인 방법 중 하나는 빔을 흔들고 레이저 빔 스폿 모양과 크기를 변경하는 빔 성형입니다. 2

빔 형성의 세 가지 광범위한 범주에는 정적, 가변 및 동적이 포함됩니다. 정적 및 가변 방법은 회절 광학 요소(DOE)를 사용하여 통과하는 빛의 위상을 회절 및 변조하는 견고한 창의 얇은 패턴을 통해 비용 효율적인 빔 형성을 제공합니다.3 정적 빔 형성의 경우 다양한 DOE는 공작물에서 출력되는 레이저 빔의 모양을 맞춤화할 수 있습니다. 정적 솔루션의 제한된 유연성으로 인해 프로세스 매개변수가 매우 잘 정의된 애플리케이션에 적합합니다.