レーザービーム整形によりEVバッテリークーラーの溶接速度が向上

極端な温度に関しては、電気自動車 (EV) のバッテリーも人間とよく似ています。 EV のバッテリーは、人間と同じ温度範囲で最高のパフォーマンスを発揮します。 EV の熱管理システムはバッテリーの性能を最大限に高め、寿命を延ばします。 EV 熱管理システムの冷却プレートにより、液体冷却剤がバッテリーから熱を除去できます。

1 つの冷却プレート設計により、2 枚の薄いアルミニウム (Al) プレートの間で冷却剤が循環します。冷却剤は、トッププレートに接合されたベースプレートの打ち抜きチャネルを通って流れます。冷却剤の漏れを防ぐには、ベースプレートとトッププレートを接合して、しっかりと密閉された接合部を作成する必要があります (図 1)。また、溶接接合部には、現場で機械的故障を引き起こす可能性のある亀裂があってはなりません。

メーカーは真空ろう付け技術を使用してバッテリー冷却プレートを接合し始めました。これらの初期のプレート (図 2) は、最大 2.1 × 1.3 m の冷却プレートに依存する今日の EV バッテリーシステムに必要な冷却プレートよりもはるかに小さかった。

より大きな冷却プレートの需要が高まるにつれ、真空ろう付けの非効率性が明らかになってきました。ろう付けは時間がかかり、多くのエネルギー (>4 MW) を消費するため、運転コストが高くなります。単一の生産ラインは 800 平方メートルの生産床面積を占める場合があります。冷却プレートのサイズが大きくなると、より大型の真空炉への多額の設備投資も必要となり、単一の炉で 500 万ユーロ以上の費用がかかる場合があります。

ろう付けには、ろう付け可能な特殊なアルミニウム合金である Al 3003 の使用も必要です。メーカーは、ろう付けは可能だが後処理が必要な Al 5754 や、リサイクル可能な利点があるがろう付けがまったくできない Al 6xxx シリーズ合金など、より経済的な合金に切り替えたいと考えています。彼らは、需要の増加に対応し、新しい金属合金の採用を加速するのに役立つ、より高速で効率的な接合方法を模索しています。

マルチキロワットレーザーの信頼性、堅牢性、可用性が向上することで、レーザー材料加工技術の導入が加速します。従来の溶接プロセスと比較して、レーザー溶接は生産コストを削減し、製造の柔軟性と選択性を高めます。

また、レーザー溶接技術では必要な入熱が少なくなり、速度を最大化しながら歪みの可能性を最小限に抑えることができます。すべての溶接方法には、溶融池の形成とその後の急速凝固が含まれます。ただし、レーザー溶接の高エネルギーは材料を溶かすだけでなく蒸発させます。 1

溶接プロセス中に材料が蒸発するとキーホールが形成され、これによりレーザー溶接には溶接シーム幅に対する溶け込み深さの比率が非常に高くなるという利点が得られます (図 3)。その結果、多くのメーカーは、従来のろう付けや溶接から、さまざまな材料を接合し、消費電力を削減し、プロセスの歩留まりを向上させることができるレーザー材料加工に切り替えました。

規模が大きく、形状が複雑なバッテリー冷却プレートは、漏れのない長い耐用年数を提供できる堅牢な継ぎ目を実現するための厳しい要件を満たさなければなりません。機械的破損を避けるために、接合部には界面に亀裂、こぶ、アンダーカット、または気孔欠陥があってはなりません (図 4)。

レーザー溶接はアスペクト比が高いため、熱溶接に比べて部品の歪みの可能性が低くなりますが、高い溶接品質を達成するにはキーホールの安定性が重要であるため、課題が生じる可能性もあります。

レーザーキーホールは通常、鋼やニッケルなどの高吸収材料の溶接中も安定しています。残念ながら、銅、アルミニウム、および冷却プレートの製造に必要な高合金材料を溶接する場合、キーホールは本質的に不安定になる可能性があり、プロセスに溶接品質を損なう不規則性が生じやすくなります。これらの欠陥を克服する一般的な方法の 1 つは、ビームをウォブリングし、レーザービームのスポットの形状とサイズを変化させるビーム整形です。 2

ビーム整形には、静的、可変、動的の 3 つの大きなカテゴリがあります。静的および可変の方法は、回折光学素子 (DOE) に依存しています。DOE は、堅牢な窓上の薄いパターンを介して、通過する光の位相を回折および変調することで、コスト効率の高いビーム整形を実現します。3 静的ビーム整形の場合、さまざまなDOE は、ワークピースでのレーザービーム出力の形状を調整できます。静的ソリューションは柔軟性が限られているため、非常に明確に定義されたプロセスパラメーターを使用するアプリケーションに適しています。

DOE は、ビームを中央のスパイクまたはコアビームと周囲のリングビームに分割する調整可能なリングシェイパーを使用することで、レーザーの柔軟性を高める可変ビーム整形オプションを提供できます。このオプションでは、コアビームとリングビーム間の強度比を変更するために、単一軸のシフトまたは回転が必要です。もう 1 つのアプローチは、ツーインワン (デュアルコア) ファイバーを使用した可変重畳強度分布を使用します。

このようなビーム整形ソリューションは、特定のプロセスの柔軟性を向上させることができますが、たとえば連続生産において単一の機械で特殊なタスクを実行できるようになりますが、静的ビームでは、日常の作業を構成する頻繁に変更される操作を実行するために溶融プールを適切に撹拌することができません。産業のビジネス。 4

溶接欠陥を克服することで知られる動的ビーム整形方法には、現在、ガルバノメータスキャナ、ピエゾ駆動アクチュエータ、マイクロ電気機械 (MEM) スキャナ、光フェーズドアレイ (OPA) の 4 つのオプションがあります。

検流スキャナを使用すると、溶接プロセス中にシングルモードファイバーレーザーを円や 8 の字などのパターンで発振できます。ただし、このようなソリューションには電力と周波数の制限があります。可動部品に関連する固有の機械的および運動学的トレードオフにより、スキャナの振動ミラーの質量により、達成可能な最大周波数が制限されます。小型軽量のミラーはレーザー出力を制限します。

対照的に、コヒーレントビーム結合 (CBC) の一種である OPA テクノロジーは、多くのシングルモードレーザービームを 1 つの大きなビームに結合します (図 5)。各レーザーは独自の光を放射し、遠視野で他のビームと重なって回折パターンを作成します。これにより、可動部品を使用せずにリアルタイムでビーム形状を簡単に操作できる柔軟性が得られ、ダイナミックビームレーザー (DBL) が作成されます。

冷却プレート溶接の課題を克服するには、ビーム形状をカスタマイズする必要があり、設計されました (図 6)。これらのビーム形状は、一連のビーム形状とともに高い形状周波数を使用するため、ビーム形状間の素早い切り替えが可能になり、柔軟性が高まります。たとえば、ある形状が鍵穴を安定させてスパッタを防止し、別の形状が亀裂を防止する場合、これら 2 つの形状を適切に設計した順序で 3 つの目標をすべて達成できます。

最近、Al 3003 および Al 5754 合金で作られたチャネルおよびディンプル形状を備えた設計を含む、冷却プレート構成を溶接するためのプロセスが開発されました。ウィーン工科大学 (TU Wien) の生産工学および光技術研究所の Andreas Otto 教授が作成したシミュレーションは、Wein 氏が多くのプロセスパラメーターの最適化に役立ちました (図 7)。

シミュレーションにより、ハンピングが周期的な現象であることが明らかになりました。溶融プールが長く、速度が速い場合、側面から冷却が始まり、溶融チャネルが狭くなります。溶融チャネルが狭くなると、溶融材料が上に流れてこぶが形成されます。 5

ビームの形状を変更して溶融プールの側面にエネルギー入力を集中させると、後縁のチャネル幅が維持され、チャネルが開いたままになり、キーホールの後ろの溶融物の流速が減少するため、ハンピングのリスクが軽減されます。これをプロセスに別の周期を導入することと組み合わせると、ハンピングの周期性が遮断され、欠陥が完全に回避されます。ビーム形状を数マイクロ秒ごとに順次切り替えることでハンピングを解消し、欠陥のない高速溶接が可能になります（図8）。

インドのレーザー溶接機の大手メーカーである SLTL (Sahajanand Laser Technology Limited) は、大型部品の生産のために、CBC ベースの 3D 切断および溶接機に DBL テクノロジーを組み込みました。イスラエルイノベーション庁とグローバルイノベーション＆テクノロジーアライアンスの資金提供を受けたこのプロジェクトは、欠陥のない本格的な冷却プレートの生産に成功しました。

この記事は、Civan Lasers のマーケティングマネージャー、Ami Shapira によって書かれました。詳細については、ここを参照してください。

この記事は、『Battery & Electrification Technology Magazine』2023 年 3 月号に初めて掲載されました。

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