Coherent 、バッテリーメーカーとの取引成立に貢献
リングモード可変ビームファイバーレーザーは、高速スキャナーとガントリー方式のプリズム缶・キャップ間溶接システムの双方において、操作の柔軟性を実現します。
2022年6月6日、Coherent
電気自動車（EV）の高性能化・低コスト化に向け、バッテリー技術の向上が大きな課題となっています。この過程において、バッテリーの設計と製造のほぼすべての側面が実質的に見直されています。例えば、新しいバッテリーの化学的性質を研究しているグループもあります。蓄電容量や充電速度、寿命の向上はもちろんのこと、調達に問題のある素材や環境に有害な素材を排除することが目標として掲げられています。
一方、バッテリーの製造技術に関しては、製造コストの削減（特に製造サイクルタイムの短縮）と信頼性の向上を同時に実現する方法や材料の開発に注力が進められています。その代表的な例が角型バッテリーの缶とキャップ間の溶接であり、Coherentが開発したレーザー溶接が大きな強みを発揮している分野です。
バッテリーの溶接で蓋をするのは困難だ
缶とキャップ間の溶接とは、特にバッテリーの電極構造をすべて収めた筐体（缶）の蓋を密閉する加工方法を指します。このシーリングは、内部部品を缶に組み込んだ後に行われます。これは生産サイクルの最終段階、つまりアセンブリ工程で価値の大部分が組み込まれた後に発生するため、この段階で部品を廃棄することは特にコストがかかります。
封止作業では、かなり長い連続溶接を行う必要があります。一般的な角型バッテリーは幅20 mm × 長さ300 mm程度で、溶接はバッテリーの全周にわたって行われます。メーカーが溶接加工によって実現したいことは、以下の通りです。
- 元の部品（特に角）が完全に一致しない場合でも、溶接部全体を隙間なく密閉する
- 十分な溶込み深さと低い溶接ビードにより、振動や機械的衝撃を受けても溶接部が割れることなく、バッテリーの寿命に耐えうる強度を確保する
- 特にバッテリー内部で電気的な短絡を引き起こす恐れがある（アルミニウムは低温で溶け、溶融池が泡立つことがあるため、特にアルミニウム溶接の際に問題となる）金属の飛散を防ぐ
- 内部部品への損傷を防ぐため、バッテリーへの熱の流入を制限する
ファイバーレーザーは、これらの要件をすべて満たすことができ、角型バッテリーの缶とキャップ間の溶接を行う優れた生産ツールとして、すでに定着しています。最も一般的な実装では、ビーム集光光学系を「ガントリー」上で移動させ、目的の溶接シームの形状に沿わせます。
このガントリー方式は、高精度な機械的アライメントと安定性の高い溶接を実現します。これは、レーザー光が常に正確な位置で、同じ角度で被加工物に照射されるためです。問題は、角型バッテリーに必要な比較的長い溶接部の上で光学系（あるいはバッテリー）を移動させると、ガントリー装置の動作が遅くなってしまうことです。また、速度が遅くなるということは、そのまま生産コストの上昇につながります。
合計出力制御
スキャナーミラーを使って無重力のレーザービームを移動させるだけで、角型バッテリーの溶接をより高速に行うことができます。しかし、これには2つの問題があります。まず、ビームは視野の限界に近づくと幾何学的に歪み、円形から楕円形に変化します。これらの部品はサイズが大きいため、特に缶の角や端の部分が問題となります。次に、このビームの歪みが角の走査方向のずれと相まって、溶接シームの品質が顧客の要求を満たさないものになってしまうことがあります。また、ビームの大きさや部品への入射角が変わると、ワーク表面のパワー密度が変化し、溶接の仕方に影響を与えます。
Coherent社がモード可変ビーム（ARM）ファイバーレーザー技術を発表するまでは、これらの要素を完全に補う方法はありませんでした。HighLight ARMファイバーレーザーファミリーでは、ビームは従来のシングルスポットだけにとどまりません。シングルスポットに加え、中心スポットを中心に、その周囲に同心円状に別のレーザー光が配置されています。センタースポットとリングスポットの出力は、極めて高速な時間スケールで個別に制御可能です。これにより、溶接時のレーザーエネルギーの空間的な分布を、正確かつ動的に制御することが可能になります。
これは、スキャナーの走査範囲の外側に近づいたときにスポットが歪むのを、ARMレーザーが補正することを意味します。具体的には、センタービームとリングビームの出力比をその場で変更し、スポットが伸びても常に同じ溶接結果が得られるようなレーザーにすることができます。また、ビームは溶接部の角に入ると減速し、角から出ると再び加速するため、スキャナー速度の変化に応じて全体の出力（および出力比）を素早く変化させることができます。さらに、この出力変調は、業界をリードするアクティブ・クローズドループ制御の下で行われ、高いプロセス安定性、一貫性、再現性を実現します。
また、ARMレーザーは、溶接ビードの幅と溶け込み深さを個別に制御することができます。そのため、部品の嵌合（ギャップ幅）の公差を厳しくする必要がなく、この公差を小さくすることで製造コストを削減することができます。さらに、熱影響部（HAZ）の最小化、高速スキャン（350 mm/秒以上）、広いスキャン領域をカバーする能力も備えています。
これにより、角型バッテリーのファイバーレーザー溶接における従来の「速度と品質のトレードオフ」を克服し、スキャナー溶接システムを大量生産に適したコストパフォーマンスの高い手法へと変えることができます。そのため、Coherent ARMファイバーレーザーは、従来のガントリー方式の溶接システムにも適しています。
Coherentは包括的な溶接ソリューションを提供しています
今日のバッテリー・ギガファクトリーにおいて、新しい設備を迅速に稼働させることは、溶接プロセスそのものと同じくらい困難な課題です。導入を容易にするため、当社はCoherent HighLight ARMレーザーだけでなく、バッテリーの缶とキャップ間の溶接にも多くの機能を提供しています。HIGHmotion2DスキャナーやRLSKスキャナー、ビジョンシステムHIGHvisionと組み合わせることで、溶接用途向けの完全に統合されたソリューションを提供します。また、主要メーカーのスキャナーシステムにも対応しています。
さらに、Coherent 、お客様の溶接システムの構成や加工レシピの開発をサポートしています。Coherentを、お客様のレーザー溶接プロセスの設計、運用、保守を迅速かつ簡単、そして手間なく行うための唯一の窓口としてご活用ください。
Coherentが提供する角形バッテリー缶とキャップ間の溶接ソリューションは、高いスループットと品質を両立させることができます。
まずはCoherent営業部まで、お気軽にお問い合わせください。
