【レーザ】バッテリー溶接（ビーム成形）

概要

EV市場はバッテリー最大の量産市場であり、バッテリー技術および製造効率の進歩を推進しています。バッテリー技術の発展によりもたらされるエネルギー密度、充電サイクル、信頼性の向上などは、民生用自動車のみならず、配送トラックや公共交通機関などの商用車市場にも大きな影響を与えます。バッテリー溶接技術の進歩により、EVとICE車（内燃機関車）の価格は、数年のうちに同等になるとも予想されています。

レーザ溶接の課題

レーザ溶接には、他の製造プロセスとも同様に、バッテリー溶接にもメーカーを悩ませる複数の課題が存在します。
その一つに部品間の大きなばらつきがあります。これは、製品設計の進化とサプライチェーンにおける変化が、溶接部品の品質と再現可能性に影響を与えるためです。

銅とアルミニウムはバッテリー溶接においてよく用いられる金属です。これらの金属は、鋼鉄やステンレス鋼、ニッケルよりも溶接の難易度は上がりますが、どちらも熱伝導率が高く、液粘度が低く、溶融溶接池においてガスと結合する親和性を有します。

銅とアルミニウムの溶接の際は、隣接部品の過熱を防ぐために、非常に高速で熱入力の低い溶接プロセスが要求されます。この溶接プロセスについて、構造接続の場合は、溶接部の強度を可能な限り高くする必要があります。しかし、重量が増加するとエネルギー密度が低下してしまうため、溶接プロセスの対象となる接合領域を大きくすることは避ける必要があります。

電気接続については、電流が流れるように溶接領域を十分に広くしつつ、大きな溶融堆積によって生じるひずみを抑える必要があります。このような課題に加え、サイクル速度や品質に対する要件が加わります。
このように、レーザ溶接エンジニアに求められる技術は非常に高いものとなります。

シングルモードのビーム成形

シングルモードのファイバレーザは、厳しい溶接条件に対する有効な解決策であるとされています。

シングルモードビームは、その小さなスポット径に高い出力密度によって、深い溶け込み溶接を極めて高速に実行することが可能で、さらに熱入力がほとんどなく、ひずみも小さいことが特徴です。また、シングルモードのファイバレーザは、銅とアルミニウムのキーホール溶接時の反射率にも耐えうる強度を有するため、非常に小さな構造の溶接から厚みのある電極溶接まで、多用途で有効なバッテリー加工手段として評価されています。

ビーム成形とシングルモードのビーム品質を単一のレーザ源に組み合わせる方式も考案されています。シングルモードのファイバからのレーザ出力分布を、最大40μmのリングファイバまで動的に変更する技術も開発されています。
銅の溶接時は、最高強度のシングルモードビーム形状により、キーホール溶接モードにて、最も深い溶け込みと高速な溶接速度を得ることができます。
アルミニウム接合部の溶接に関しては、より大きなリングビーム形状が加工時の安定した溶接池とキーホールの維持に有効となります。シングルモードビームの3倍の直径を有する、この40μmのリングビームは、その大きな直径にも関わらず、強度が1kWと高く、アルミニウムの中にガス空洞を形成することができます。

参考文献

ティム・モリス、ブライアン・ヴィクター, バッテリー溶接のためのレー ザビーム成形, Laser Focus World Japan, pp18-21