신에너지 자동차 및 에너지 저장 시스템의 폭발적 성장으로 배터리 트레이 용접 기술은 제조 공정의 핵심 분야로 부상했습니다. 알루미늄 경량화와 복잡한 구조의 이중 도전에 직면한 이 글은 공정 본질부터 엔지니어링 실무까지 배터리 트레이 용접 기술을 심층 분석하고, 전통 용융 용접, 교반 마찰 용접, 레이저 용접의 공정 원리, 성능 지표 및 적용 사례를 비교합니다. 열영향부(HAZ), 접합부 강도, 내식성 등 다각도 분석을 통해 각 용접 기술의 장단점을 제시합니다.

1-기술 원리 비교

a. 전통 용융 용접

원리: 아크, 플라즈마 아크 등의 열원으로 접합부를 국소 가열하여 용융 상태로 만든 후 냉각시켜 용접부 형성. 산화 방지를 위해 보호 가스(CO₂, 아르곤) 또는 플럭스 사용, 필러 와이어나 용접봉을 첨가하기도 함.

특징: 용융 풀 온도가 높고 냉각 속도가 빠르며 거친 주상정 형성. 열영향부(HAZ)가 넓고 야금 과정이 불완전해 기공, 균열 등 결함 발생 가능성 높음.

b. 교반 마찰 용접(FSW)

원리: 고속 회전하는 교반 헤드와 공작물 간 마찰열로 재료를 열가소성 상태로 유도한 후 기계적 교반 및 소성 유동을 통해 고상 접합. 용융 풀 형성 없으며 필러 재료 불필요.

특징: 재료 용점보다 80% 낮은 온도에서 용접, 동적 재결정화로 미세한 등축정 형성. 기공 없이 치밀한 용접부, 낮은 열 입력으로 변형 최소화.

c. 레이저 용접

원리: 고에너지 밀도의 레이저 빔을 공작물 표면에 집속시켜 열전도(전력 밀도 <10⁵ W/cm²) 또는 딥 페넘트레이션(전력 밀도 ≥10⁵ W/cm², 키홀 효과 형성) 방식으로 재료 용융 및 접합.

특징: 열영향부(HAZ) 극히 좁음, 용입 깊이 크고 용접 속도 빠르며 정밀 용접 가능. 단, 재료 표면 반사율에 민감해 공정 매개변수 엄격히 제어 필요.

a- 전통 용융 용접 b- 교반 마찰 용접 c- 레이저 용접
그림 1 배터리 트레이 주요 용접 기술 원리

2-성능 지표

a. 열영향부(HAZ) 비교

핵심 분석:

전통 용융 용접: 높은 열 입력으로 HAZ 넓고 결정립 성장 및 야금 결함(기공 등)이 재료 성능 저하 유발.

FSW: 고상 접합으로 용융 풀 없음. HAZ는 TMAZ와 HAZ로 구분되며, NZ의 미세 결정립과 TMAZ의 국부 변형 공존.

레이저 용접: 고에너지 밀도와 급속 냉각으로 HAZ 극히 좁음(0.1-0.5mm). 단, 키홀 효과가 조직 균일성에 미치는 영향 주의.

b. 접합부 강도 비교

핵심 분석:

전통 용융 용접: 급속 응고로 거친 결정립과 결합부 결함 발생. 예: 알루미늄 MIG 용접 인장 강도는 모재의 72.8% 수준.

FSW: 동적 재결정화로 NZ 미세 결정립 형성. 단, TMAZ 결정립 변형 및 HAZ 강화상 용해로 취약부 발생 가능.

레이저 용접: 급속 냉각으로 결정립 성장 억제, 용접부 강도 모재에 근접.

c. 내식성 비교

핵심 분석:

전통 용융 용접: HAZ와 용융선에서 부식 우선 발생.

FSW: NZ의 미세 결정립과 균질화로 내식성 우수. 단, HAZ 결정립 성장 및 제2상 석출(Fe 함유상)이 부식 취약부 유발 가능.

레이저 용접: 좁은 HAZ와 균일 조직으로 부식 활성점 감소. 단, 표면 산화층 영향 주의.

3-적용 사례

a. 전통 용융 용접

적용 부위:

프레임과 바닥판 연결: 배터리 트레이 본체 구조(예: BYD, 북기아 차량)의 알루미늄 프로파일 프레임과 바닥판 간 단속/연속 용접.

보강재 보충 용접: 복잡 구조 또는 공간 제약으로 일부 보강재에 FSW 등과 병행 사용.

적용 소재:

알루미늄: 6061-T6 등 두꺼운 판재 용접. 단, 접합부 강도 낮음(모재 70-80%).

강재: 강제 배터리 트레이 프레임 용접. 중량 증가하나 비용 저렴.

한계: 높은 열 입력으로 변형 심해 고정밀/박판 용접 부적합.

b. 교반 마찰 용접(FSW)

적용 부위:

바닥판 이음 용접: 알루미늄 트레이 바닥판 장용접부(예: 광동 마이타이 기술 사례).

밀폐성 요구 부위: FSW 용접부 기공 없어 밀폐성 확보(지리, 샤오펑 차량 양면 FSW 구조).

적용 소재:

알루미늄: 6061-T6, 6005A-T6 등. 접합부 강도 모재 80-90%.

마그네슘합금: 열 입력 제어 필수(예: 루이송 테크 사례).

기술 장점: 고상 접합으로 용접 결함 없음. 경량화 및 고밀폐성 시나리오 적합.

c. 레이저 용접

적용 부위:

고강도 강철 트레이 핵심 용접부: 차체 연결부 등 고응력 구간.

박판 이음: 알루미늄/강철 트레이 박판(＜3mm) 효율적 이음, 변형 최소화.

적용 소재:

고강도 강철(인장 강도 ≥1000MPa): 모재 강도 95% 유지.

알루미늄: 표면 처리(산화막 등) 필요. 비용 높음.

한계: 두꺼운 판재(＞8mm 알루미늄) 다중 패스 필요, FSW 대비 효율성 낮음.

당사는 열설계와 경량화에 관한 기술과 정보를 정기적으로 업데이트하여 참고할 수 있도록 공유해 드리겠습니다

Walmate에 관심을 가져주셔서 대단히 감사합니다