헤어핀 용접을 위한 Scansonic 레이저 광학 시스템

전기 모터의 고정자에는 일반적으로 모델에 따라 160 ~ 220쌍의 헤어핀이 용접된다. 하지만 이 가운데 하나만 오류가 생겨도 전체 고정자가 불량이 되기 때문에 정교한 레이저 광학 시스템이 헤어핀 용접 품질을 높이는 데 유용하게 쓰이고 있다.

프라빈 시비(Pravin Sievi): Scansonic MI 프로덕트 대표

핵심 내용

  • 전기 자동차의 구동 모터와 관련하여 새로운 방법인 헤어핀이 확산되고 있다.
  • 레이저 광학 시스템에 헤어핀 위치 점검에 맞게 조정된 머신 비전 장치를 통합하였다.
  • 스캔 필드가 작고 품질은 더욱 향상되었다.

전기 모터 생산 비용의 대부분을 차지하는 까다로운 구성 요소 가운데 하나가 바로 고정자이다. 여기에 사용되는 구리는 비싼 재료비 외에 코일 권선이 비교적 까다로운 공정이다. 전기자동차 구동 모터와 관련하여 새로운 방법인 헤어핀이 적용되고 있다. 이는 지금까지 코일을 권선하는 대신 헤어핀 형태로 구부러진 개별 구리 핀으로 구성된다. 헤어핀은 고정자 슬롯의 공간을 잘 채우고 모터 효율을 높이며, 조립 과정에서 고정자의 레이어에 삽입되어 나란히 위치하며 기계적으로 크림핑하지 않고 레이저로 용접할 수 있다. 이처럼 종래의 권선과 같이 필요한 자기장을 생성하는 코일이 형성되며, 이런 방식으로 모터 구조를 보다 콤팩트하게 만들 수 있다.

이 과정에서 용접 프로세스가 자동화 방식으로 안전하게 진행될 수 있다. 모터 디자인에 따라 고정자 당 약 160 ~ 220개의 헤어핀을 용접해야 하는데, 이 과정에서 헤어핀 하나에 오류가 발생한다면 경우에 따라 전체 고정자를 사용할 수 없게 된다. 따라서 자동차 제조에 널리 확산되고 있는 레이저 용접을 적용되고 있다. 레이저 용접은 전자빔 용접과 유사하게 정확하게 초점을 맞춘 에너지 유입이 가능하여, 이러한 용접 공정은 헤어핀의 절연층의 손상을 방지할 수 있다. 또한 레이저 용접은 전자빔 용접과 달리 진공이 필요하지 않으며, 자동화하기가 유리하고 짧은 사이클 타임을 구현할 수 있는 장점이 있다. 반면에 구리는 레이저로 용접하기에 매우 복잡한 과정을 거쳐야 하기 때문에 혁신적인 솔루션이 필요하다.

구리와 스테인리스 스틸의 온도에 따른 열전도성 변화

해결해야 할 과제는 구리이다

구리는 레이저 용접 재료로서 비교적 어려운 특성을 가지고 있다. 일반적으로 출력 범위를 변경할 수 있는 저렴한 레이저 소스는 적외선 파장 범위 1,030 또는 1,070nm에서 레이저를 방출하며, 이 파장에서 실온일 때 레이저 빛의 흡수율은 약 5%에 불과하다. 용융 온도에 도달하기 직전에 흡수율이 약 15%에 도달하며, 이른바 키홀이라 하는 증기 모세관이 형성되는 경우 100%에 도달할 수 있다.

점성 구리 용융은 특징적인 공정 역학을 초래하여 재료가 쉽게 튈 수 있다. 이때 키홀이 일시적으로 닫히고 증기 압력에 의해 용융된 재료가 키홀 밖으로 튀어 나간다. 하지만 안전적인 생산을 위해서는 공정 중에 재료가 가능한 한 튀지 않아야 하며, 만약 튀어 나간 재료가 고정자에 재료가 들어간다면 단락이나 기타 결합을 초래할 수 있다. 용접 속도가 20m/min를 넘을 경우에 스패터 형성을 방지할 수 있다고 알려져 있다. 지금까지 공정 첫 부분에서 스패터를 피할 수 없었다. 하지만 레이저 출력이나 속도, 초점 크기 등의 관련 공정 매개변수를 목적에 맞게 조정하여 스패터 수를 현저히 줄이기 위해 키홀을 안정화하는 방법을 찾았다.

해결해야 하는 또 다른 문제는 실질적인 용접 공정 이전의 프로세스 단계이다. 헤어핀의 직사각형 단면적은 수 평방 밀리미터에 불과하다. 헤어핀은 고정자 플레이트에 삽입하기 전에 꺾이고 구부러지며 단부에서 절연재가 제거된다. 고정자 플레이트에 삽입 후 단부들이 나란히 위치한다. 이러한 모든 사전 제조 단계들이 용접 공정에 영향을 미치고 품질에도 문제가 된다. 그 예로 커팅 면의 버와 절연재 잔재 그리고 부정확하게 구부러진 헤어핀 등을 들 수 있다. 그럼에도 불구하고 최적의 용접심을 달성하기 위해, 헤어핀 단부가 수직 방향으로 오프셋되거나 용접해야 할 두 단부 사이에 간극이 있는 경우, 자동화된 생산 공정에서 공정 상황을 조정해야 한다.

레이저 광학 기기에 내장된 머신 비전이 헤어핀 용접 과정에서 높은 품질을 보장한다.

정교한 머신 비전이 필요하다

헤어핀을 배치할 경우, 부정확성을 용접 공정을 시작하기 전에 확인하고 인식해야 한다. 이를 위해 레이저 용접 시 일반적으로 머신 비전을 사용한다. 독일 베를린에 있는 Scansonic은 자사 광학 기기 RLW-S를 사용하여 구리 헤어핀 레이저 용접을 개발하였다. 고성능 스캐너 드라이브는 고주파에서 진동 기능의 높은 형태 충실도를 보장하기 위해 레이저 빔을 굴절시킨다. 이는 재현 가능하고 반복 정확도가 높은 프로세스를 보장한다.

광학 기기에는 헤어핀의 위치를 정확하게 결정하기 위해 서로를 보완하는 두 개의 기능 모듈이 내장되어 있다. 하지만 광학 기기는 전통적인 카메라 기반 머신 비전을 사용하기 때문에 각 헤어핀의 표면이 심하게 반사한다는 문제가 있다. 그레이 스케일 이미지에서 헤어핀은 밝기가 크게 다르지 않기 때문에 경우에 따라 식별이 되지 않을 수 있다. Scansonic 개발자들은 다양한 각도에서 표면을 비추어 이 문제를 해결하고 감지 시 신뢰도를 개선하였다.

그럼에도 불구하고 헤어핀 쌍의 이미지를 전면에서만 제공하기 때문에 카메라 시스템은 제한적일 수 있다. 위치와 경우에 따라 틈이 있지만, 용접해야 하는 두 단부 사이의 수직 방향 오프셋은 이를 인식하지 못할 수 있다. 이러한 경우 역시 레이저 라인 삼각 측량이 적합하다. 레이저 라인 삼각 측량은 센서가 직선 레이저 라인을 두 헤어핀의 표면에 투사하면, 레이저 빛은 반사되면서 센서의 수신 요소에 의해 평가된다. 센서는 프로젝션 유닛과 수신 요소 사이의 각도 오프셋을 통해 대상의 높이 프로파일을 측정할 수 있다. 높이 오프셋을 매우 정확하게 파악하고 용접 공정에 고려할 수 있다.

RLW-S 타입의 레이저 광학 기기는 이미 전기 모터 생산에 성공적으로 사용되고 있다

짧은 택트 타임이 필요하다

머신 비전 시스템과 레이저 출력 그리고 포커싱을 위한 적절한 제어 시스템이 내장된 고품질 레이저 광학 기기로 헤어핀을 뛰어난 품질과 안정적으로 용접할 수 있다. 이 방법을 대량 시리즈 생산에 적용하기 위해서는 프로세스 안전 외에 빠른 처리 속도가 필요하다. 자동차가 60초의 택트 타임으로 생산된다고 가정하면, 이 택트 타임으로 하나 또는 다수의 모터를 제작해야 한다. 택트 타임 외에 필요한 생산 시스템 개수도 결정적이다. 이는 필요한 투자에 직접적으로 반영된다.

이러한 경우 속도를 높이기 위해 큰 스캔 필드를 사용하는 것을 고려해볼 수 있다. 고정자를 움직일 필요 없이 고정자의 모든 헤어핀 쌍을 용접할 수 있다. 하지만 다양한 고정자 위치에서 각도 오프셋으로 인해 초래되는 품질 문제가 첫 번째 생산 라인에서 나타났다. Scansonic은 자사의 RLW-S를 개발하면서 공정 안정성과 품질에 초점을 두었다. Scansonic 엔지니어들은 Post-Objective 스캐닝과 적합하게 조정된 카메라 시야를 통해 작은 스캔 필드를 이용한다. 이를 통해 레이저 빔이 부품에 떨어지는 충돌 지점 위치가 최적화하고, 카메라를 통한 위치 측정도 동일하게 적용된다. 고정자를 완전하게 용접하기 위해서는 회전축을 중심으로 회전해야 한다. 이를 위해 바람직한 택트 타임은 엔지니어링의 문제이며, 이는 강력한 회전축을 통해 달성할 수 있다. 이렇게 표준화된 광학 장치는 기술적인 가능성을 최대한으로 활용할 수 있으며, 이러한 접근 방식을 통해 Scansonic의 RLW-S의 레이저 가공 광학 장치는 자동차 제조업체의 연속 생산에서 원활한 기능을 입증할 수 있었다.

MM The Product

레이저 광학 기기 RLW-S의 특수성

Scansonic이 헤어핀 배치를 점검하기 위해 자사 레이저 광학 기기 RLW-S로 다음의 시스템을 개발하였다.

스캐너 드라이브는 레이저 빔을 굴절시켜, 고주파에서도 진동 기능의 높은 형태 충성도를 보장한다.

전통적인 카메라 기반 머신 비전은 다양한 각도에서 표면을 비추어 헤어핀을 정확하게 식별할 수 있다.

레이저 라인 삼각 측량을 통해 용접해야 하는 두 핀의 단부 간 높이 오프셋을 매우 정확하게 파악한다. 이어지는 용접 공정에서 이 높이 편차가 고려된다.

Scansonic은 개발 과정에서 공정 품질과 안정성에 초점을 두었다. 엔지니어들은 보다 작은 스캔 필드를 채택하였고, 그로 인해 품질 문제가 거의 발생하지 않았다.