EV製造ソリューションを目指すレーザー溶接研究

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編集者注: この機能は元々、Canadian Fabricating & Welding の 2022 年 6 月号に掲載されました。

レーザー溶接はここ数年で製造の主流になりました。 溶接セルからハンドヘルドモデルに至るまで、レーザー溶接は OEM や作業現場の効率を高めています。 高品質の溶接、速い生産速度、溶接後の処理の削減を実現するこの技術は、製造業者の関心をさらに集めています。

一方、レーザー技術はますます洗練され続けています。 この開発の最先端にいると言われている企業は、イスラエルに拠点を置く Civan Lasers です。 同社は、SPIE（光学およびフォトニクスの国際学会）およびPhotonics Mediaから産業用レーザー部門で2022年プリズム賞を受賞しました。 この賞は、Civan の OPA 6 Weld が評価したもので、7 ～ 14 kW、シングルモード、連続波、ダイナミック ビーム レーザー (DBL) テクノロジーであり、可動部品を使用せずに最大数百メガヘルツの速度でビーム形状を必要に応じて変調します。

このレーザーは、光フェーズド アレイ コヒーレント ビーム結合を使用して、多くのシングルモード レーザー ビームをより大きなビームに結合します。 各レーザーの光は遠視野で他のビームと重なり、リアルタイムでのビーム形状の操作を可能にする回折パターンを作成します。 位相変調器は個々のビームを制御し、結果として生じる干渉パターンを調整してビームスポット位置を最大化し、ビームの動きによって刻まれるさまざまな形状パターンを生成できます。

「他のビーム整形方法は、主にビームのぐらつきに関係しています」と、Civan のアプリケーション ラボ研究員である Asaf Nissenbaum 博士は述べています。 「つまり、ビームをわずかに変動させて局所的なステアリングを引き起こすことができ、これは機械的手段によってサポートされています。このテクノロジーの欠点は、動作可能な最大周波数と最大ビームが制限されているガルバノスキャナを使用していることです。さらに、OPA 6 レーザーははるかに高い周波数と形状プロファイルで動作できるのに対し、ウォブル モーション プロファイルも制限されています。」

形状周波数、形状シーケンス、焦点深度も制御して、あらゆるレーザー材料加工用途におけるキャピラリ内の蒸発、溶融池の流れ、溶融物の凝固を最適化できます。 このような制御により、細孔、スパッタ、亀裂の形成が排除され、同時に溶接や積層造形用途における送り速度と速度が向上すると同社は報告しています。

レーザーの実行速度と、その場でビームを変更できる能力により、電気自動車 (EV) の燃料電池製造に関連する研究への関心が高まっています。 ドイツのアーヘンにあるフラウンホーファー研究所に拠点を置くエウレカプロジェクトの最近の調査結果によると、同社のレーザーは、バイポーラプレート溶接の送り速度の増加を通じて、クリーンエネルギーエンジンを経済的に大量生産するための技術的ソリューションを自動車産業に提供する可能性がある。

燃料電池を効率的に生産するための課題は、数百ミクロンの薄いプレートであるバイポーラ プレートを溶接することにあります。 各セルには 3 ～ 6 m の溶接シームを持つ 300 ～ 400 枚のプレートが含まれています。 需要に応えるために溶接速度を上げる努力は多く行われていますが、送り速度を 0.5 m/sec を超えると溶接欠陥が発生し、部品の不良や材料の滞留が発生します。

Eureka プロジェクトを推進する 3 つの組織、Civan Lasers、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所 (ILT)、ドイツの Smart Move GmbH は、Civan のレーザー技術を使用してこの溶接問題を解決することを目指しています。

「レーザー溶接において一定の速度を超えると、一般的に見られる欠陥は、溶接部に周期的に隆起する『ハンピング』として知られるものです」とニッセンバウム氏は述べています。 「これは、多孔性、一貫性、および融合の欠如の問題を引き起こします。これは、燃料電池業界ではゴーかノーゴーの問題です。このレーザーを使用すると、たとえば、それぞれが問題に対処するように向けられたいくつかの形状のシーケンスを作成できます。」溶接のさまざまな問題をマイクロ秒スケールで検出できるため、プロセス全体を対象にすることができます。」

既存の技術には高速化の能力がありますが、バイポーラ プレートでは 0.1 mm のシートに深く狭い継ぎ目が必要です。 供給速度が 0.5 m/s 以上に増加すると、結果として生じる溶融流によく知られたハンピング効果が発生します。 フラウンホーファー ILT

研究の目標は、ハンピングの問題のない一貫した溶接を作成しながら、溶接のスループットを少なくとも 1 m/s、最大で 2 m/s まで向上させることです。

「他の材料でこの技術をテストしたところ、非常に有望な結果が得られました」とニッセンバウム氏は語った。 「私たちは、どのようにして溶融池に影響を与えることができるのか、できないのか、どのようにして質の高い結果を達成するのかを理解しています。あとは研究をさらに進めるだけです。」

ニッセンバウム氏は、その速度と精度により、この技術が他の接合形式と競合できるようになるため、同社はEV市場でのさらなる応用を追求することに関心があると述べた。

「潜在的な大きな市場は、ろう付けプロセスをレーザーベースのプロセスに置き換えつつある」と彼は説明した。 「ろう付けは高価で、多くの電力を必要とします。レーザー溶接では期待した結果が得られなかったため、多くの電気自動車がろう付けを使用しています。

「同様に、異種材料の溶接も当社の技術が非常に効果的に発揮される分野です」と彼は続けた。 「異なる金属を溶接する場合、たとえば熱伝導率に一桁違いがある場合、全体の溶接シームが同じになるように各面を調整する必要があるという意味で、各材料に独自の処理を提供できます。より多くの電力を必要とする側にはより多くの電力が得られ、より少ない電力が必要な側にはより少ない電力が得られるように、非対称のビーム プロファイルを作成します。この 2 つの間で、非常に均一な溶接ダイナミックスを作成することになります。」

結局のところ、重要なのは鍵穴と溶接池の管理です。 この原理を積層造形に適用することは当然の結果であり、そのため Civan は Smart Move と協力して新しい溶接およびレーザー粉末床融合 (LPBF) 積層造形技術を構築しています。 Civan のレーザーは、Smart Move のレーザー スキャン ヘッドによって制御されるため、溶接および LPBF ユーザーはビーム形状の向きをオンザフライで変更でき、複雑な形状で非対称のビーム形状を使用できるようになります。

Civan CEO のエヤル・シェケル博士は、「当社のダイナミック ビーム レーザーと最先端のスキャナー技術の統合により、溶接および LPBF の顧客は溶接の送り速度と積層造形速度を向上させるだけでなく、これまで不可能だったアプリケーションも可能になります」と述べています。とプレスリリースで述べた。

「積層造形製品に必要な層ごとの一貫性を得るために使用できる入熱量と供給速度の範囲は非常に狭いです」とニッセンバウム氏は述べています。 「私たちは、伝導とキーホールの間の正しい溶接プロファイルを取得するという複雑な課題に取り組んでいます。ビーム整形は、スケールアップして速度に取り組む前に、理想的な溶け込み深さとスパッタの懸念を維持するのに役立ちます。」

Civan は、自社テクノロジーの潜在的な応用例をより多くの聴衆に証明するために、多くの大学と提携してきました。 シュトゥットガルト大学のシュトゥットガルト大学研究所 (IFSW) の研究者は、レーザー材料加工診断用の高速 X 線ビデオ施設を使用して、同社の技術を研究する予定です。 このシステムにより、研究者はレーザー溶接プロセス中に溶融池の内部を観察できるようになり、工業用溶接用途におけるキーホールの安定性を向上させるために DBL テクノロジーを使用する可能性をさらに調査できるようになります。

オーストリアのウィーン工科大学は、さまざまなビーム形状が溶接にどのような影響を与えるか、また特定の形状が他の形状よりもうまく機能する理由をシミュレーションしました。

明らかなことは、レーザーのより微細な制御が業界に影響を与え続け、溶接と付加用途の両方の価値提案を拡大するということです。