レーザービーム整形によりEVバッテリークーラーの溶接速度が向上

極端な温度に関しては、電気自動車 (EV) のバッテリーも人間とよく似ています。 EV のバッテリーは、人間と同じ温度範囲で最高のパフォーマンスを発揮します。 EV の熱管理システムはバッテリーの性能を最大限に高め、寿命を延ばします。 EV 熱管理システムの冷却プレートにより、液体冷却剤がバッテリーから熱を除去できます。

1 つの冷却プレート設計により、2 枚の薄いアルミニウム (Al) プレートの間で冷却剤が循環します。 冷却剤は、トップ プレートに接合されたベース プレートの打ち抜きチャネルを通って流れます。 冷却剤の漏れを防ぐには、ベース プレートとトップ プレートを接合して、しっかりと密閉された接合部を作成する必要があります (図 1)。 また、溶接接合部には、現場で機械的故障を引き起こす可能性のある亀裂があってはなりません。

メーカーは真空ろう付け技術を使用してバッテリー冷却プレートを接合し始めました。 これらの初期のプレート (図 2) は、最大 2.1 × 1.3 m の冷却プレートに依存する今日の EV バッテリー システムに必要な冷却プレートよりもはるかに小さかった。

より大きな冷却プレートの需要が高まるにつれ、真空ろう付けの非効率性が明らかになってきました。 ろう付けは時間がかかり、多くのエネルギー (>4 MW) を消費するため、運転コストが高くなります。 単一の生産ラインは 800 平方メートルの生産床面積を占める場合があります。 冷却プレートのサイズが大きくなると、より大型の真空炉への多額の設備投資も必要となり、単一の炉で 500 万ユーロ以上の費用がかかる場合があります。

ろう付けには、ろう付け可能な特殊なアルミニウム合金である Al 3003 の使用も必要です。 メーカーは、ろう付けは可能だが後処理が必要な Al 5754 や、リサイクル可能な利点があるがろう付けがまったくできない Al 6xxx シリーズ合金など、より経済的な合金に切り替えたいと考えています。 彼らは、需要の増加に対応し、新しい金属合金の採用を加速するのに役立つ、より高速で効率的な接合方法を模索しています。

マルチキロワットレーザーの信頼性、堅牢性、可用性が向上することで、レーザー材料加工技術の導入が加速します。 従来の溶接プロセスと比較して、レーザー溶接は生産コストを削減し、製造の柔軟性と選択性を高めます。

また、レーザー溶接技術では必要な入熱が少なくなり、速度を最大化しながら歪みの可能性を最小限に抑えることができます。 すべての溶接方法には、溶融池の形成とその後の急速凝固が含まれます。 ただし、レーザー溶接の高エネルギーは材料を溶かすだけでなく蒸発させます。 1

溶接プロセス中に材料が蒸発するとキーホールが形成され、これによりレーザー溶接には溶接シーム幅に対する溶け込み深さの比率が非常に高くなるという利点が得られます (図 3)。 その結果、多くのメーカーは、従来のろう付けや溶接から、さまざまな材料を接合し、消費電力を削減し、プロセスの歩留まりを向上させることができるレーザー材料加工に切り替えました。

規模が大きく、形状が複雑なバッテリー冷却プレートは、漏れのない長い耐用年数を提供できる堅牢な継ぎ目を実現するための厳しい要件を満たさなければなりません。 機械的破損を避けるために、接合部には界面に亀裂、こぶ、アンダーカット、または気孔欠陥があってはなりません (図 4)。

レーザー溶接はアスペクト比が高いため、熱溶接に比べて部品の歪みの可能性が低くなりますが、高い溶接品質を達成するにはキーホールの安定性が重要であるため、課題が生じる可能性もあります。

レーザーキーホールは通常、鋼やニッケルなどの高吸収材料の溶接中も安定しています。 残念ながら、銅、アルミニウム、および冷却プレートの製造に必要な高合金材料を溶接する場合、キーホールは本質的に不安定になる可能性があり、プロセスに溶接品質を損なう不規則性が生じやすくなります。 これらの欠陥を克服する一般的な方法の 1 つは、ビームをウォブリングし、レーザー ビームのスポットの形状とサイズを変化させるビーム整形です。 2

ビーム整形には、静的、可変、動的の 3 つの大きなカテゴリがあります。 静的および可変の方法は、回折光学素子 (DOE) に依存しています。DOE は、堅牢な窓上の薄いパターンを介して、通過する光の位相を回折および変調することで、コスト効率の高いビーム整形を実現します。3 静的ビーム整形の場合、さまざまなDOE は、ワークピースでのレーザー ビーム出力の形状を調整できます。 静的ソリューションは柔軟性が限られているため、非常に明確に定義されたプロセス パラメーターを使用するアプリケーションに適しています。