パワーバッテリー用のレーザー溶接技術: 重要な製造ガイド

電気自動車 (EV) 用バッテリーの製造において、溶接方法とプロセスの選択は、生産コスト、製品の品質、安全性、バッテリーの一貫性に直接影響します。さまざまな技術の中でも、レーザー溶接はハイエンドの電池製造における主要な選択肢として浮上しています。-すべてのバッテリー溶接プロセスの構造化された概要については、- タブ、バスバー、バルブ、パック アセンブリ - を参照してください。電池製造におけるレーザー溶接の利点.

レーザー溶接は、レーザー ビームの優れた指向性と高い出力密度を利用します。光学システムを通じて微小領域に集束された高エネルギー ビームは、数分の一秒で高度に集中した熱源を生成します。-これにより基材が急速に溶解し、冷却すると固化して高強度のはんだ接合部と溶接継ぎ目が形成されます。-

出力密度とアプリケーション要件に応じて、レーザー溶接はいくつかのモードに分類できます。

熱伝導溶接と深溶け込み（キーホール）溶接

• 熱伝導溶接:レーザー光が接合部に沿ってワーク表面を溶かし、溶けた材料が流れて固まります。このモードは材料の熱伝導率によって制限され、溶接幅が常に溶け込み深さよりも大きくなります。主に極薄材料に使用されます。-
• 深溶け込み（キーホール）溶接：高出力レーザーが金属表面に当たると、熱が散逸するよりも早くエネルギーが蓄積され、蒸発した「鍵穴」が形成され、レーザーが材料の奥深くまで浸透します。-このモードは、高い処理速度、最小限の熱影響部 (HAZ)、無視できる程度の歪みを提供するため、深い溶接や多層材料スタックに最適です。-

パルスモードと連続波 (CW) モードの比較

• パルスモード溶接:溶接波形 (方形波、ピーク波、双峰波など) を正確に選択する必要があります。反射率の高いアルミニウム合金を溶接する場合、レーザー エネルギーの 60% ～ 98% が表面反射で失われる可能性があります。鋭い波形または二峰性の波形を利用すると、-ベースのパルス幅が長くなり、-気孔や高温亀裂のリスクを効果的に軽減できます。

プロセスのヒント:垂直後方反射による集束光学系の損傷を防ぐために、通常、溶接ヘッドは特定の角度で傾けられます。{0} 40 度の傾斜角度では最大の有効接合面が得られますが、60 度を超える角度では有効貫通力がゼロになります。さらに、カバー プレートの 65% とバッテリー ケースの 35% をカバーするようにレーザー スポットの配置を変更すると、筐体の公差によって引き起こされる爆発を大幅に最小限に抑えることができます。

• 連続波 (CW) 溶接:パルスレーザーの激しい熱サイクルとは異なり、CW レーザー溶接は材料をよりゆっくりと加熱および冷却するため、亀裂の発生傾向が大幅に減少します。スパッタ、表面欠陥、内部微小亀裂のない、滑らかで均一な溶接表面が得られます。- CW 溶接では溶接後の研磨の必要性が大幅に減り、生産コストが削減されますが、スポット サイズが小さいため、ワークピースの組み立て公差が厳密に要求されます。{3}}

従来の接合方法と比較して、レーザー溶接は比類のない精度、速度、信頼性の指標を提供します。{0}これらの指標は、電気自動車（EV）業界の厳しい安全性と構造基準を満たすために不可欠です。{0}}この技術は、局所的な熱入力と高度な光学的ターゲットを活用することにより、軽量バッテリーコンポーネントに関連する特有の製造ボトルネックに効果的に対処します。具体的には、レーザー溶接の採用により、パワーバッテリーの組み立てにおいて、いくつかの明確な競争上の利点がもたらされます。

• 高精度と効率:集中したエネルギーにより、高い深さ対幅比と優れた加工精度が得られます。{0}{1}レーザー ビームは光学機器を介して簡単に誘導、位置合わせ、集束できるため、困難な空間構成や従来の溶接ツールが届かない障害物の周囲での非接触溶接が可能になります。{3}}
• 制御されたエネルギーとオートメーション:柔軟な光ファイバー伝送により、自動化された生産ラインへのシームレスな統合が可能になります。{0}正確なエネルギー制御により、従来のアーク溶接でよく見られる過剰溶解（バーンスルー）のリスクがなく、安定した美観に優れた溶接が保証されます。{2}
• 軽量化に合わせて調整:最新のバッテリーセルは、薄くて軽量なアルミニウム素材を好みます。主流メーカーは通常、厚さが 1.0 mm 未満 (通常は約 0.8 mm) のケーシング、カバー、底部を使用しており、これらはレーザー加工に最適です。
• 異種金属接合：レーザー溶接は、銅-と-アルミニウムの接合やニッケル-メッキされた銅の接続など、非常に難しい材料の組み合わせに対して堅牢な接合を実現します。特に、アルミニウム-から-への特殊なレーザー溶接機の構成により、導電率を低下させることなく、ニッケル-めっきタブを銅またはアルミニウムの端子に直接溶接するのに必要な精度が得られます。

アルミニウム-対-レーザー溶接機

現在の動力電池ケースの 90% 以上をアルミニウム合金が占めています。ただし、レーザー反射率が高く、欠陥に対する感度が高いため、製造上で次のような大きな課題が生じます。

• 気孔率：通常、水素細孔または鍵穴崩壊空洞として現れます。レーザー溶接では冷却速度が非常に速いため、水素ガスが閉じ込められやすくなります。ガスシールドとビーム変調を最適化することは、固化前にガスを逃がすために重要です。
• 高温割れ：古典的な共晶合金であるアルミニウムは、熱応力下での粒界偏析により、溶接部での結晶亀裂や HAZ での液化亀裂を非常に受けやすくなります。
• スパッタと吹き出し:材料の不純物、表面の汚染物質、またはレーザーの不安定性によって引き起こされます。サプライヤーの間でよくある誤解は、「より良いビーム品質は常により良い溶接に等しい」というものです。実際には、極細ファイバー コアからの過剰な電力密度により、キーホールの不安定性や爆発が容易に引き起こされる可能性があります。{2}}鍵となるのは、ビーム品質と調整されたプロセスパラメータのバランスを取ることです。

構造コンポーネントの詳細:

パウチセルタブ:柔軟な端子ラグには、隙間をなくすための高精度の固定具が必要です。{0} S- カーブやスパイラル溶接などの高度なパスを使用して、接合面と機械的強度を最大化します。

円筒形セル:主にプラス端子の溶接に使用します。マイナスのケーシングは非常に薄く、非常に燃えやすいです。-そのため、多くのメーカーは「マイナス-溶接-フリー」構成に移行し、プラス極のみにレーザー溶接を適用しています。

角形ケース (エンクロージャーシーリング):これは角形セルの組み立てにおいて最も重要なプロセスであり、上部{0}}と下部-のカバー溶接に分けられます。メーカーによっては、底部の継ぎ目を完全になくすために深絞りケーシングを使用している場合があります。-

• 側面溶接:スパッタが内部から遠ざかる方向に向けられるため、セル内部の汚染が最小限に抑えられますが、溶接の膨らみがあると、その後のモジュールの組み立てが中断される可能性があります。
• 上部溶接:片側から操作できるため、機器の統合と量産が簡素化されます。ただし、セル内にスパッタが落下するリスクが高く、より厳しい部品公差が要求されます。

溶接品質は、せん断強度、耐剥離性、導電性、気密性、疲労寿命、耐食性によって評価されます。これらの基準を達成するには、次の 3 つの主要なベクトルを正確に制御する必要があります。

1) レーザー装置の性能

中心となる指標は、ビーム モード、出力電力、安定性です。深い浸透に必要な高出力密度を達成するには、基本モード（TEM00）または低次モードのビームが必須です。-。さらに、集束レンズの焦点距離 (通常 127 mm ～ 200 mm) の選択では、スパッタによるレンズ汚染のリスクに対して、狭いスポット サイズのバランスを取る必要があります。これらの厳格な工業規格を達成するために、高度なファイバーレーザー溶接機これは、高速生産時の出力の安定性を確保し、熱歪みを最小限に抑えるために不可欠です。{0}

素材の吸収率:波長が短いほど吸収が良くなります。標準波長では、導電性金属の反射率が非常に高くなります (銀: 96%、アルミニウム: 92%、銅: 90%、鉄: 60%)。吸収率は温度とともに直線的に増加し、リン酸塩やグラファイトなどの表面吸収剤を使用して人為的に高めることができます。

2) ワークの状態とフィッティング

レーザー スポットは狭く、通常はフィラー ワイヤを使用しないため、接合部のギャップは厳密に制御する必要があります。{0}}理想的にはシート厚の 10% 以内です。標準の突合せジョイントでは、アセンブリのギャップとスポットの偏差が 0.1 mm 未満、位置ずれが 0.2 mm 未満である必要があります。巨大なモジュールに埋め込まれた壊れやすいバッテリータブの場合、反りを防ぐために特殊な機械的クランプが不可欠です。

3) プロセスパラメータの最適化

• 電力密度:低電力密度から高電力密度への移行により、プロセスは安定した伝導溶接から、不安定な移行ゾーンを経て、安定した深溶け込み溶接に移行します。不安定ゾーンは絶対に避けてください。
• 溶接速度と溶け込み:深い溶け込み領域内では、溶接深さはレーザー出力 (およそ 0.7 乗) に比例し、溶接速度に反比例します。
• シールドガス:ヘリウムまたはアルゴンは、酸化を防止し、レンズを保護し、プラズマプルームを抑制するために使用されます。ヘリウムは、イオン化ポテンシャルと熱伝導率が高いため、アルゴンより効果的にプラズマを抑制し、より深い浸透をもたらします。
• 閉ループ監視-:速度とガス流量は簡単に調整できますが、動的レーザー出力と瞬間的な焦点位置は、熱レンズや 3D 輪郭の変化により変動します。産業グレードの信頼性を確保するには、リアルタイムの閉ループ光学モニタリング システムを組み込むことが不可欠です。--

金属間化合物 (IMC) に関する注意:レーザー溶接は急速溶融プロセスであるため、銅やアルミニウムなどの異種金属を接合すると、脆くて高抵抗の金属間化合物が形成される可能性があります。{0}マイクロエレクトロニクス接続は時間の経過とともに劣化することが知られていますが、EV リチウム電池の寿命に対する長期的な影響については、依然として最適化と研究が活発に行われています。-