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、ガルボ スキャナを使用していることです。ガルバノ スキャナには、動作可能な最大周波数と、通過できる最大ビーム パワーが制限されています。 さらに、ウォブルモーションプロファイルも制限されていますが、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。 「これにより、多孔性、一貫性、融合の欠如という問題が生じます。 燃料電池業界ではこれはゴーかノーゴーの問題だ。 このレーザーを使用すると、たとえば、いくつかの形状のシーケンスを作成し、それぞれの形状がマイクロ秒スケールで溶接の異なる問題に対処できるようにすることができるため、プロセス全体をターゲットにすることができます。」