EV用バッテリーモジュールのメーカーは、システム性能の向上、特に航続距離の延長と充電時間の短縮、そして製造コストの削減というプレッシャーに常に直面している。 - 特に、航続距離の延長と充電時間の短縮によって、システム性能を向上させ、同時に製造コストを下げるというプレッシャーにさらされている。このような価格圧力により、メーカーは現在最も経済的なバッテリー・フォーム・ファクターである角形セルを好むことが多い。残念ながら、角形セルは一般的に円筒形の代替品に比べて性能が低く、システム設計者は問題の半分しか解決できていません。
バスバーの断面積を大きくして電気抵抗を減らすことで、角柱設計の充放電速度を向上させることは可能である。しかし、バスバーを厚くすると、特に溶接に新たな課題が生じる。特に、バスバーと端子の接合に従来使用されてきたレーザーは、部品の損傷の可能性を高める過度の熱を加えることなく、必要な深い溶け込みを達成するのに苦労することがあります。
現在では、2 つの技術がこれらの課題を克服し、大量生産に必要な速度、信頼性、歩留まりを維持しながら、厚いバス バーのコスト効率の高い溶接を可能にしている。これらの技術の第一は、デュアル・ビーム・ファイバー・レーザー溶接である。もう1つは、光コヒーレンストモグラフィ（OCT）を使用したリアルタイムのインプロセス溶接測定と検証です。
ここでは、これらの各ツールが、次世代の先進的なEVバッテリーモジュール製造をどのようにサポートしているのかを紹介する。
デュアルビームレーザー溶接
デュアルビーム技術は、近年のレーザー加工における最も重要な進歩の一つである。銅やアルミニウムのような反射率の高い金属や、困難な異種材料の組み合わせの信頼性の高いキーホール溶接を可能にします。これらの材料は、従来のシングル・ビーム・ファイバー・レーザーで溶接すると、スパッタ、ポロシティ、一貫性のない溶け込み深さにしばしば見舞われます。
最も広く使われている効果的なデュアルビーム技術は、中央の丸い「コアビーム」を同心円状の環状「リングビーム」が取り囲むというもの。それぞれの出力は独立して調整できる。 - 理想的には0％から100％の全範囲にわたって。
デュアルビームレーザー溶接の仕組み
この構成の利点を理解するには、安定したレーザー・キーホール溶接には、溶融金属内で2つの相反する力を適切にバランスさせる必要があることを理解することが重要である。
圧力：第一の力は、鍵穴を開き、維持する圧力である。この圧力は、レーザーが表面を加熱し、気化した金属が膨張するときに生じます。
表面張力：もうひとつは、溶融金属の表面張力と粘性力の組み合わせで、鍵穴を閉じようとする力が働く。
この2つの相反する力のバランスが崩れると、鍵穴は振動したり、崩壊したり、ガスを閉じ込めたり、溶けた金属を放出したりする。
デュアル・ビーム・レーザー溶接では、リング・ビームが溶接プールを安定させる間に、コア・ビームが溶接を開始し、キーホールを維持する。具体的には、リング・ビームがコアの周囲の材料を穏やかに予熱して溶かす。これにより温度勾配が平滑化され、蒸気が安定的に排出されるため、スパッターや崩壊などの不安定性の原因となる圧力スパイクが減少する。このようにして、力の均衡が保たれる。
また、鍵穴の周囲を溶かしたままにしておくと、そこに材料が逆流する。そして、凝固する前に、より均一に広がることができます。さらに、リングビームからの加熱は冷却と凝固を遅らせ、アルミニウムの高温割れを防ぎます。
また、リングビーム予備溶解は銅の赤外線吸収を高め、プロセス効率を高め、安定性をさらに向上させます。
これらの効果が相まって、スパッターを事実上排除し、一貫した溶け込みを実現し、優れた機械的強度を持つより滑らかな接合部を作り出します。そして、デュアル ビーム レーザーは、シングル ビーム システムの最大 10 倍の溶接速度でこれを達成します。
シングルモード・レーザーで高精度を実現
デュアルビームレーザーは、総出力、リングとコアのサイズ比、全体のビームサイズの多くの可能な組み合わせで利用可能です。普遍的な「最良」の構成はありません。 - 最適なレーザーパラメータは、特定の材料とプロセス要件に依存します。
厚いバスバー（2 mm以上）を溶接する場合、電気抵抗を 最小限に抑えるため、溶接断面を大きく一定にし、深 い溶け込みを実現することが重要である。これを実現するには、いくつかの異なるアプローチがある。
第一は、マルチモード・コア・ビームを持つ高出力デュアル・ビーム・レーザーを使用することである。この構成により、比較的大きな溶接部に大量のレーザー・エネルギーを迅速に供給することが可能になる。
この方法の利点はスピードである。大断面の溶接を非常に短時間で行うことができる。
マイナス面は、これだけのエネルギーを急速に供給すると、かなりの熱影響部（HAZ）ができることだ。これにより、近くの熱に敏感な部品や構造物（端子の後ろにあるプラスチック部品など）を損傷する可能性が高くなる。
第二のアプローチは、低出力のシングルモード（TEM00）コアビームを持つデュアルビームレーザーを使用することである。総出力は低いものの、ビーム品質が高いため、センタービームをより小さなスポットに集光することができます。これにより、マルチモードビームで通常達成可能なエネルギー密度よりも高いエネルギー密度が得られる。
高いエネルギー密度のビームは、同じ総出力の低いエネルギー密度のビームと比較して、より深い溶け込みを実現します。さらに、シングルモードレーザーのビームプロファイルは、マルチモードレーザーよりも時間的に安定しているため、より優れたキーホール制御とプロセスの一貫性を向上させることができます。
その結果、シングルモードのコアビームを持つデュアルビームレーザーは、銅やアルミニウムのような反射率の高い金属でも、素早く溶接を開始することができる。同時に、必要な溶接溶け込み深さを迅速に達成します。レーザーエネルギーの多くは、材料を加熱するのではなく、溶接に使用されるため、HAZ を最小限に抑えることができます。
さらに、シングルモード・センタービームの微妙な利点がもう一つある。モード品質（M²）は、レイリーレンジが広がることを意味します。これは、集光ビームがほぼ一定のスポットサイズを維持する距離です。
ビーム・サイズが焦点位置の上下でそれほど変化しないため、溶接工程は材料の高さや厚さの変化に対して非常に敏感でなくなります。これは、より寛容なプロセスと、より広いプロセス・ウィンドウを意味する。これは、実際の生産溶接環境において、歩留まりに大きな影響を与える可能性があります。
最後に、これらの利点はすべてレーザーのモード品質によって変化することに留意すべきである。M²が小さくなるにつれて（ビーム品質が高くなることを示す）、これらの利点はすべて顕著になります。
もちろん、シングル・モード・コア・ビームによる溶接には不利な点もある。そうすることで、溶接継ぎ目の幅が狭くなり、十 分に大きな全溶接断面を形成するために、より長い 溶接時間を要することになる。一般的に、このような溶接は、1本の長い直線 溶接ではなく、（らせん状のような）パターンを溶接す るか、間隔の詰まった短い溶接を複数回行う ことによって達成される。
したがって、加工速度と溶接品質には明確なトレードオフがある。マルチモード・レーザー溶接は高速だが、HAZが大きくなる。シングルモード・レーザー溶接は、一定断面の溶接に時間がかかるが、HAZ を最小限に抑え、溶接継手の品質を最大化する。
溶接品質保証の優先順位付け
EVバッテリーモジュールには、何百もの溶接部があります。たった一つの接続不良が内部抵抗を増加させ、パックの性能を低下させ、あるいは安全上の危険を引き起こす可能性があります。つまり、欠陥率が1万分の1と低くても、モジュール・レベルの不具合が頻発する可能性があります。このため、信頼性の高いレーザー溶接システムを使用する場合でも、インライン検証は不可欠です。
従来、ほとんどの溶接モニタリング・システムは、溶接部上方の溶融池とプラズマ・プルームから放射される光を検出するフォトダイオード・センサを使用してきた。これらの信号は、既知の良好な溶接から得られた保存された基準データと統計的に比較される。この方法では、一般的なプロセス変化を明らかにすることはできるが、実際に溶接そのものを測定することはできない。 - 放出された光が過去の平均値とどのように異なるかだけを測定します。
さらに、信号は真の溶接部形状ではなく、集光された光に依存するため、無関係な要因の影響を受けやすい。表面反射率、ビーム・アライメント、焦点位置の変化はすべて、戻り光の量を変化させ、誤った読み取りを引き起こす可能性があります。さらに悪いことに、過少透過と過大透過は、ほぼ同じ発光プロファイルを生成することがよくあります。この曖昧さは、不必要なスクラップ、再加工、実際の溶接品質に関する継続的な不確実性につながる可能性があります。
光コヒーレンストモグラフィ（OCT）は、真の溶接深さを直接測定するために開発された。OCTは、溶接レーザーと同じ光学系を通して投影される、低出力の近赤外線測定ビームを使用します。つまり、OCTは常に加工ビームと完全に同軸上に配置されます。
OCT光源からの光はキーホールに入射し、反射して戻ってくる。反射面までの距離を求めるために干渉計が使用される。 - この場合は鍵穴の底面。
この反射は連続的にモニターされ、ミクロンレベルの精度でキーホールの深さをリアルタイムで測定します。OCTは、溶接プルームの輝度や温度に依存するのではなく、コヒーレント干渉によって検知するため、表面状態、材料の反射率、ビーム出力の変化の影響を受けません。
OCTは、シングルモードのコアビーム溶接に特に有効です。これは、ほとんどの光学システムにとってアクセスが困難な、深く、狭く、高アスペクト比のキーホールを生成します。しかしOCTは、わずか数十ミクロンのキーホールを容易にプローブできます。その結果、深さ制御が重要な厚いバスバーの溶け込み測定に非常に適しています。
OCT装置のスピードにより、メーカーはリアルタイムですべての溶接を検証することができます。溶け込み不足または溶け込み過ぎのような状態を即座に特定し、フラグを立てることができます。.
EVバッテリーの大量生産にとって、これはスループットの向上、歩留まりの向上、そしてすべてのバスバー接続が仕様通りに行われているという信頼性の向上を意味します。さらに、保存された測定データにより、より高度なトレーサビリティが可能になります。
レーザソリューションの開始
デュアル・ビーム・ファイバー・レーザーとリアルタイムのインライン OCT 溶接深さ測定を組み合わせることで、厚いバスバーの信頼性が高く、コスト効果の高い溶接が可能になります。IPGフォトニクスは、これらの技術を組み合わせて、お客様の特定の溶接アプリケーションに最適なソリューションを提供することができます。
これは、当社がデュアル・ビーム・ファイバー・レーザーの最大品揃えを提供し、さらにOCTベースのレーザー溶接測定ツールを独自に構築して統合しているためです。これにより、一貫して高いデータ品質、安定性、操作信頼性が保証されます。
バッテリー溶接のニーズに適したシステムの選択については、レーザー溶接の専門家にご相談ください。
