Welding

배터리 단자-케이싱 연결을 위한 구리-강 레이저 용접 시 레이저 빔 형상의 금속 혼합 및 용융 풀 동역학에 미치는 영향에 대한 다중 물리 CFD 연구

연구 배경

  • 문제 정의: 전기차(EV) 배터리 팩의 신뢰성 있는 전력 공급을 위해 전극 간 전기적 연결의 품질이 매우 중요함.
  • 목표: 레이저 빔 형상이 용융 풀 및 금속 혼합 과정에 미치는 영향을 평가하여 최적의 용접 조건을 도출.
  • 접근법: 실험과 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 활용하여 300µm 구리와 300µm 니켈 도금 강의 레이저 용접 특성을 분석.

연구 방법

  1. 실험 설계
    • 용접 재료: SE-Cu58 구리 및 Hilumin TATA STEEL 니켈 도금 강.
    • 레이저 빔 형상 실험: 4가지 빔 형상(LBS#1~LBS#4) 테스트.
    • 장비: Lumentum CORELIGHT 레이저 사용.
    • 분석 방법: 실험 후 용접 단면을 절단 및 연마하여 형상 및 화학 성분 분석.
  2. CFD 모델링
    • FLOW-3D WELD를 사용하여 용융 풀 및 금속 혼합 시뮬레이션.
    • 주요 물리 모델링 요소:
      • 유동 해석 (Navier-Stokes 방정식)
      • 에너지 전달 및 응고
      • 표면 장력 및 Marangoni 효과
      • 기포 형성 및 용접 키홀(Keyhole) 형성 동역학.
  3. 레이저 빔 형상 분석
    • 4가지 레이저 빔 형상을 실험 및 CFD 모델에서 비교 분석:
      • LBS#1: 단일 가우시안 빔.
      • LBS#2: 코어-링 빔(코어 90µm, 링 350µm).
      • LBS#3: 넓은 링 빔(코어 90µm, 링 500µm).
      • LBS#4: 듀얼 빔(90µm 코어, 150µm 보조 빔).

주요 결과

  1. 키홀(Keyhole) 동역학 분석
    • 키홀 붕괴가 기공(porosity) 및 금속 혼합에 영향을 미침.
    • LBS#3(넓은 링 빔)은 키홀을 안정화하여 붕괴 빈도를 줄임.
    • 듀얼 빔(LBS#4)은 키홀 안정성에 큰 영향을 주지 않음.
  2. 금속 혼합 특성
    • 유체 역학(Fluids Dynamics) 요소:
      • Marangoni 효과, 부력(Buoyancy), 반동 압력(Recoil Pressure)이 주요한 금속 혼합 기작.
    • 강-구리 혼합률:
      • 더 넓은 링 빔(LBS#3)은 강이 구리로 유입되는 비율 증가.
      • 좁은 빔(LBS#1, LBS#2)은 상대적으로 혼합이 적음.
  3. 열 전달 및 응고 거동
    • LBS#3는 높은 열 구배(Thermal Gradient)를 형성하여 더 높은 혼합을 유도.
    • 반면, LBS#2는 비교적 낮은 열 구배를 형성하여 혼합을 최소화.

결론 및 향후 연구

  • LBS#3(넓은 링 빔, 350µm 코어, 30% 링 파워)가 키홀 안정성과 금속 혼합을 최적으로 조절.
  • 레이저 빔 형상이 용접 품질과 금속 혼합에 중요한 역할을 하며, 적절한 코어-링 직경 비율 설정이 필요.
  • 향후 연구에서는 더 다양한 빔 형상과 용접 속도 조건을 고려하여 최적 설계 도출.

연구의 의의

이 연구는 CFD 기반 다중 물리 모델링을 활용하여 레이저 빔 형상의 금속 혼합 및 용접 품질에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였으며, EV 배터리 제조에서 신뢰성 높은 용접 기술 개발을 위한 기초 데이터를 제공한다.

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