近年、新エネルギー産業の急速な発展に伴い、レーザー溶接はその高速かつ安定した利点から、新エネルギー産業全体に急速に浸透している。中でも、レーザー溶接装置は新エネルギー産業全体において最も高い割合を占めている。
レーザー溶接高速性、深い溶接深さ、小さな変形により、あらゆる分野で急速に第一の選択肢となっています。スポット溶接から突合せ溶接、肉盛り溶接、シール溶接まで、レーザー溶接比類のない精度と制御性を提供します。軍事産業、医療、航空宇宙、自動車部品（3C）、機械板金、新エネルギーなど、幅広い産業の生産・製造において重要な役割を果たしています。
他の溶接技術と比較して、レーザー溶接には独自の長所と短所がある。
アドバンテージ：
1. 高速、深度が深く、変形が小さい。
2. 溶接は常温または特殊な条件下で行うことができ、溶接装置も簡素です。例えば、レーザー光は電磁場内でもドリフトしません。レーザーは真空、空気、または特定のガス環境下でも溶接でき、ガラスを透過する材料やレーザー光に対して透明な材料も溶接できます。
3. チタンや石英などの耐火材料を溶接できるだけでなく、異種材料の溶接も良好な結果で行うことができます。
4. レーザーが集光されると、出力密度が高くなります。アスペクト比は5:1に達し、高出力デバイスの溶接時には最大10:1に達することもあります。
5. マイクロ溶接が可能です。レーザービームを集束させることで、小さなスポットが得られ、正確な位置決めが可能です。マイクロワークピースや小型ワークピースの組み立てや溶接に適用でき、自動大量生産を実現できます。
6. 手の届きにくい場所の溶接や、非接触長距離溶接が可能で、非常に柔軟性に優れています。特に近年では、YAGレーザー加工技術に光ファイバー伝送技術が採用され、レーザー溶接技術の普及と応用がさらに進んでいます。
7. レーザービームは時間的にも空間的にも容易に分割でき、複数のビームを複数の場所で同時に処理できるため、より精密な溶接のための条件が整います。
欠陥：
1. 加工対象物の組立精度は高くなければならず、加工対象物上のビーム位置は大きくずれてはならない。これは、集束後のレーザースポットサイズが小さく、溶接部が狭いため、溶加材の添加が困難になるためである。加工対象物の組立精度またはビームの位置決め精度が要求を満たさない場合、溶接不良が発生しやすくなる。
2. レーザーおよび関連システムのコストが高く、初期投資額が大きい。
レーザー溶接における一般的な欠陥リチウム電池製造において
1. 溶接部の気孔率
一般的な欠陥レーザー溶接気孔は、溶接溶融池が深く狭いことと、レーザー溶接プロセス中に外部から窒素が溶融池に侵入することから生じます。金属の冷却および凝固プロセス中、温度の低下に伴い窒素の溶解度は低下します。溶融池の金属が冷却されて結晶化が始まると、溶解度は急激に低下します。このとき、大量のガスが析出して気泡を形成します。気泡の浮上速度が金属の結晶化速度よりも遅い場合、気孔が発生します。
リチウム電池業界の応用例では、正極の溶接時に気孔が発生しやすい一方、負極の溶接時にはほとんど発生しないことがよく見られます。これは、正極がアルミニウム製で、負極が銅製であるためです。溶接中、内部のガスが完全に溢れ出す前に表面の液状アルミニウムが凝縮するため、ガスの溢れ出しが妨げられ、大小さまざまな気孔が形成されます。
上記で述べた気孔の原因に加え、気孔には外気、湿気、表面油なども含まれる。また、窒素吹き付けの方向や角度も気孔の形成に影響を与える。
溶接気孔の発生を減らすにはどうすればよいでしょうか？
まず、溶接入荷する原材料の表面に付着した油汚れや不純物は速やかに除去する必要があり、リチウム電池の製造においては、入荷原材料の検査は不可欠な工程である。
第二に、シールドガスの流量は、溶接速度、出力、位置などの要因に応じて調整し、大きすぎても小さすぎてもいけません。保護膜の圧力は、レーザー出力や焦点位置などの要因に応じて調整し、高すぎても低すぎてもいけません。保護膜ノズルの形状は、溶接部の形状、方向などの要因に応じて調整し、保護膜が溶接領域を均一に覆うようにします。
第三に、作業場内の温度、湿度、粉塵を管理します。周囲の温度と湿度は、基材表面と保護ガスの水分含有量に影響を与え、ひいては溶融池内の水蒸気の発生と放出に影響を与えます。周囲の温度と湿度が高すぎると、基材表面と保護ガスの水分が過剰になり、大量の水蒸気が発生して気孔が生じます。周囲の温度と湿度が低すぎると、基材表面とシールドガスの水分が不足し、水蒸気の発生が抑制され、気孔の発生が抑制されます。品質管理担当者に溶接ステーションの温度、湿度、粉塵の目標値を測定してもらいます。
第四に、レーザー深溶け込み溶接における気孔を低減または除去するために、ビームスイング法が用いられる。溶接中にビームをスイングさせることで、溶接シームに対するビームの往復スイングにより、溶接シームの一部が繰り返し再溶融され、溶融金属が溶融池内に滞留する時間が長くなる。同時に、ビームの偏向により単位面積あたりの入熱量も増加する。溶接部の深さ対幅比が小さくなるため、気泡の発生が促進され、気孔の除去につながる。また、ビームのスイングによって小さな穴もそれに合わせてスイングするため、溶融池に攪拌力が加わり、溶融池の対流と攪拌が促進され、気孔の除去に効果を発揮する。
第5に、パルス周波数についてですが、パルス周波数とは、単位時間あたりにレーザービームから放出されるパルスの数を指し、溶融池への熱入力と熱蓄積に影響を与え、ひいては溶融池内の温度場と流れ場に影響を与えます。パルス周波数が高すぎると、溶融池への熱入力が過剰になり、溶融池の温度が高くなりすぎて、金属蒸気や高温で揮発する他の元素が発生し、気孔が生じます。パルス周波数が低すぎると、溶融池への熱蓄積が不十分になり、溶融池の温度が低くなりすぎて、溶解とガスの放出が抑制され、気孔が生じます。一般的に、パルス周波数は基板の厚さとレーザー出力に基づいて適切な範囲内で選択し、高すぎたり低すぎたりしないようにする必要があります。
穴あけ溶接（レーザー溶接）
2. 溶接スパッタ
レーザー溶接では、溶接工程中に発生するスパッタが溶接部の表面品質に深刻な影響を与え、レンズを汚染・損傷します。一般的な挙動は以下のとおりです。レーザー溶接完了後、材料またはワークピースの表面に多数の金属粒子が現れ、材料またはワークピースの表面に付着します。最も分かりやすい挙動は、検流計モードで溶接する場合、一定期間使用した後、検流計の保護レンズの表面に多数のピットが発生することです。これらのピットは溶接スパッタによって引き起こされます。長時間使用すると、光を遮りやすくなり、溶接光に問題が発生し、溶接不良や仮想溶接などの一連の問題につながります。
水しぶきの原因は何ですか？
まず、電力密度ですが、電力密度が高いほどスパッタが発生しやすく、スパッタは電力密度に直接関係しています。これは100年来の問題です。少なくとも今のところ、業界はスパッタの問題を解決できておらず、わずかに減少したとしか言えません。リチウムイオン電池業界では、スパッタは電池の短絡の最大の原因ですが、根本原因を解決できていません。スパッタが電池に与える影響は、保護の観点から軽減するしかありません。例えば、溶接部の周囲に集塵ポートと保護カバーを円形に配置し、スパッタの影響や電池への損傷を防ぐためにエアナイフを円形に配置するなどです。溶接ステーション周辺の環境、製品、部品を破壊することは、手段を尽くしたと言えるでしょう。
スパッタ問題の解決策としては、溶接エネルギーを下げればスパッタを減らすことができると言えるでしょう。溶け込みが不十分な場合は、溶接速度を落とすことも有効です。しかし、特殊な工程要件によっては、効果がほとんどない場合もあります。同じ工程でも、使用する機械や材料のロットによって溶接効果は大きく異なります。そのため、新エネルギー産業には暗黙のルールがあり、溶接パラメータは装置ごとに1セットに統一されています。
第二に、加工対象物やワークピースの表面が洗浄されていない場合、油汚れや汚染物質によって深刻な飛沫が発生することがあります。このような場合、最も簡単な対策は、加工対象物の表面を洗浄することです。
3. レーザー溶接の高い反射率
一般的に、高反射とは、加工材料の抵抗率が小さく、表面が比較的滑らかで、近赤外線レーザーの吸収率が低いことを指し、これにより大量のレーザー光が放出されます。また、ほとんどのレーザーは垂直で使用されるため、材料またはわずかな傾斜により、戻ってきたレーザー光が出力ヘッドに再入射し、戻ってきた光の一部がエネルギー伝送ファイバーに結合され、ファイバーに沿ってレーザー内部に伝送されるため、レーザー内部のコアコンポーネントが高温状態のままになります。
レーザー溶接時に反射率が高すぎる場合は、以下の対策を講じることができます。
3.1 反射防止コーティングを使用するか、材料の表面を処理する：溶接材料の表面に反射防止コーティングを施すことで、レーザーの反射率を効果的に低減できます。このコーティングは通常、反射率の低い特殊な光学材料でできており、レーザーエネルギーを反射するのではなく吸収します。集電体溶接やソフトコネクションなどの一部のプロセスでは、表面にエンボス加工を施すこともできます。
3.2 溶接角度の調整：溶接角度を調整することで、レーザービームを溶接対象物により適切な角度で照射し、反射の発生を低減できます。通常、レーザービームを溶接対象物の表面に垂直に照射することが、反射を低減する良い方法です。
3.3 補助吸収剤の添加：溶接工程中に、粉末や液体などの補助吸収剤を一定量溶接部に添加します。これらの吸収剤はレーザーエネルギーを吸収し、反射率を低減します。適切な吸収剤は、溶接材料や用途に応じて選択する必要があります。リチウム電池業界では、このようなことはまず起こりません。
3.4 光ファイバーを使用してレーザーを伝送する：可能であれば、光ファイバーを使用してレーザーを溶接位置に伝送することで、反射率を低減できます。光ファイバーはレーザービームを溶接領域に導くことで、溶接材料の表面への直接照射を避け、反射の発生を低減します。
3.5 レーザーパラメータの調整：レーザー出力、焦点距離、焦点径などのパラメータを調整することで、レーザーエネルギーの分布を制御し、反射を低減することができます。反射性の高い材料の場合、レーザー出力を下げることで反射を低減できる場合があります。
3.6 ビームスプリッターを使用する：ビームスプリッターは、レーザーエネルギーの一部を吸収デバイスに導くことで、反射の発生を低減します。ビームスプリッターは通常、光学部品と吸収体で構成されており、適切な部品を選択し、デバイスのレイアウトを調整することで、より低い反射率を実現できます。
4. 溶接アンダーカット
リチウムイオン電池の製造工程において、アンダーカットが発生しやすい工程はどれでしょうか？アンダーカットはなぜ発生するのでしょうか？分析してみましょう。
アンダーカットとは、一般的に溶接材料同士がうまく結合せず、隙間が大きすぎたり、溝が生じたりして、深さと幅が基本的に0.5mm以上で、全長が溶接長さの10%以上、または製品工程規格で要求された長さを超える状態を指します。
リチウムイオン電池の製造工程全体において、アンダーカットは発生しやすい現象であり、一般的には円筒形カバープレートのシーリング予備溶接および溶接、ならびに角形アルミシェルカバープレートのシーリング予備溶接および溶接工程に集中しています。主な理由は、シーリングカバープレートはシェルと連携して溶接する必要があり、シーリングカバープレートとシェルの接合工程では、溶接ギャップ、溝、崩壊などが過剰に発生しやすく、そのためアンダーカットが特に発生しやすいからです。
では、アンダーカットの原因は何でしょうか？
溶接速度が速すぎると、溶接中心に向かう小さな穴の後ろにある溶融金属が再分配する時間がなく、溶接部の両側で凝固やアンダーカットが発生します。このような状況を踏まえ、溶接パラメータを最適化する必要があります。簡単に言えば、さまざまなパラメータを検証するために実験を繰り返し、適切なパラメータが見つかるまで実験計画法（DOE）を継続することです。
2. 溶接材料の過剰な溶接ギャップ、溝、崩壊などは、ギャップを埋める溶融金属の量を減らし、アンダーカットが発生しやすくなります。これは設備と原材料の問題です。溶接原材料が当社の工程の材料要件を満たしているか、設備の精度が要件を満たしているかなどです。通常のやり方は、サプライヤーと設備の担当者を絶えず苦しめ、叩くことです。
3. レーザー溶接の終盤でエネルギーが急激に低下すると、小さな穴が潰れ、局所的なアンダーカットが発生する可能性があります。出力と速度を適切に調整することで、アンダーカットの発生を効果的に防ぐことができます。昔から言われているように、実験を繰り返し、さまざまなパラメータを検証し、適切なパラメータが見つかるまで実験計画法（DOE）を継続してください。
5. 溶接部中央の崩壊
溶接速度が遅いと、溶融池が大きく広がり、溶融金属の量が増加します。これにより、表面張力を維持することが難しくなります。溶融金属が重くなりすぎると、溶接部の中心部が沈み込み、凹みや穴が生じる可能性があります。このような場合は、溶融池の崩壊を防ぐために、エネルギー密度を適切に低減する必要があります。
別のケースでは、溶接ギャップが穴を開けることなく崩壊するだけである。これは間違いなく、機器の圧入における問題である。
レーザー溶接中に発生する可能性のある欠陥とその原因を正しく理解することで、異常な溶接問題を解決するためのより的を絞ったアプローチが可能になります。
6. 溶接部の亀裂
連続レーザー溶接中に発生する亀裂は、主に結晶割れや液化割れなどの熱割れである。これらの亀裂の主な原因は、溶接部が完全に凝固する前に発生する大きな収縮力である。
レーザー溶接に亀裂が生じる原因としては、以下のようなものもあります。
1. 不適切な溶接設計：溶接部の形状やサイズが不適切な設計だと、溶接応力集中が発生し、ひいては亀裂の原因となる可能性があります。解決策は、溶接応力集中を回避するように溶接設計を最適化することです。適切なオフセット溶接を使用したり、溶接形状を変更したりすることが有効です。
2．溶接パラメータの不一致：溶接速度が速すぎる、出力が高すぎるなど、溶接パラメータの選択が不適切だと、溶接部の温度変化が不均一になり、大きな溶接応力や亀裂が発生する可能性があります。解決策は、溶接パラメータを材料や溶接条件に合わせて調整することです。
3．溶接面の準備不良：溶接前に溶接面を適切に洗浄・前処理（酸化物やグリースなどの除去）しないと、溶接部の品質や強度に影響を及ぼし、亀裂が発生しやすくなります。解決策は、溶接面を適切に洗浄・前処理し、溶接部の不純物や汚染物質を効果的に除去することです。
4．溶接時の入熱制御の不備：溶接時の入熱制御が不十分な場合、例えば溶接中の温度が高すぎたり、溶接層の冷却速度が不適切だったりすると、溶接部の構造変化が生じ、亀裂が発生する原因となります。解決策としては、溶接中の温度と冷却速度を適切に制御し、過熱や急激な冷却を避けることです。
5. 応力除去不足：溶接後の応力除去処理が不十分だと、溶接部の応力が十分に除去されず、亀裂が発生しやすくなります。解決策は、溶接後に適切な応力除去処理（熱処理や振動処理など）を行うことです（主な原因）。
リチウム電池の製造工程において、どの工程が亀裂を引き起こしやすいのでしょうか？
一般的に、亀裂は、円筒形鋼製シェルやアルミニウム製シェルのシール溶接、角形アルミニウム製シェルのシール溶接など、シール溶接中に発生しやすい。さらに、モジュールのパッケージング工程においても、集電体の溶接部に亀裂が発生しやすい。
もちろん、フィラーワイヤーや予熱などの方法を用いて、これらの亀裂を軽減または除去することも可能です。
投稿日時：2023年9月1日
