角型アルミシェル型リチウム電池は、シンプルな構造、優れた耐衝撃性、高いエネルギー密度、大容量セルなど、多くの利点を有しています。そのため、国内のリチウム電池製造・開発において常に主要な方向性を担い、市場シェアの40%以上を占めています。
正方形アルミニウムシェル型リチウム電池の構造は図に示すとおりであり、電池コア（正極板、負極板、セパレータ）、電解質、シェル、トップカバー、その他の構成要素から成ります。
正方形のアルミシェル構造のリチウムイオン電池
角型アルミニウムシェルリチウム電池の製造および組み立て工程では、多数のレーザー溶接電池セルとカバープレートのソフト接続の溶接、カバープレートのシール溶接、シール釘の溶接などのプロセスが必要です。レーザー溶接は、角型パワーバッテリーの主な溶接方法です。高エネルギー密度、優れた電力安定性、高い溶接精度、容易なシステム統合など多くの利点があるため、レーザー溶接角型アルミニウムシェルリチウム電池の製造工程において、その役割は代替不可能である。
Maven 4軸自動検流計プラットフォームファイバーレーザー溶接機
正方形アルミシェル電池において、トップカバーシールの溶接シームは最も長い溶接シームであり、溶接に最も時間がかかる溶接シームでもあります。近年、リチウム電池製造業界は急速に発展しており、トップカバーシールのレーザー溶接プロセス技術とその装置技術も急速に発展しています。装置の溶接速度と性能の違いに基づき、トップカバーレーザー溶接装置とプロセスを大まかに3つの時代に分けます。1.0時代（2015～2017年）は溶接速度が100mm/s未満、2.0時代（2017～2018年）は100～200mm/s、3.0時代（2019年～）は200～300mm/sです。以下では、時代の流れに沿った技術の発展について紹介します。
1. トップカバーレーザー溶接技術の1.0時代
溶接速度＜100mm/秒
2015年から2017年にかけて、政策に後押しされた国内の新エネルギー車が爆発的に普及し始め、パワーバッテリー産業も拡大し始めた。しかし、国内企業の技術蓄積と人材は依然として比較的少なく、関連するバッテリー製造プロセスと設備技術もまだ初期段階にあり、設備の自動化度も比較的低い。設備メーカーはパワーバッテリー製造に注目し、研究開発への投資を増やし始めたばかりである。現段階では、角型バッテリーのレーザーシーリング装置に対する業界の生産効率要件は通常6～10PPMである。設備ソリューションは通常、1kWファイバーレーザーを使用して通常のレーザー溶接ヘッド（図に示すように）溶接ヘッドはサーボプラットフォームモーターまたはリニアモーターによって駆動されます。移動および溶接、溶接速度は50～100mm/秒です。
1kWレーザーを使用してバッテリーコアのトップカバーを溶接する
ではレーザー溶接このプロセスでは、溶接速度が比較的低く、溶接の熱サイクル時間が比較的長いため、溶融池が十分に流動して凝固する時間があり、保護ガスが溶融池をよりよく覆うことができるため、滑らかで完全な表面を容易に得ることができ、溶接の一貫性が良好になります（下図参照）。
トップカバーの低速溶接における溶接シーム形成
設備面では、生産効率は高くないものの、設備構造は比較的単純で安定性も良好であり、設備コストも低いため、現段階の産業発展のニーズを十分に満たし、今後の技術開発の基礎を築いている。
トップカバーシール溶接1.0時代は、シンプルな装置構成、低コスト、優れた安定性といった利点があるものの、その固有の限界も非常に明白である。装置面では、モーター駆動能力がさらなる速度向上の要求を満たせない。技術面では、溶接速度とレーザー出力を単純に上げてさらに高速化すると、溶接プロセスが不安定になり、歩留まりが低下する。速度を上げると溶接熱サイクル時間が短縮され、金属の溶融プロセスがより激しくなり、スパッタが増加し、不純物への適応性が悪化し、スパッタ穴ができやすくなる。同時に、溶融池の凝固時間が短縮されるため、溶接面が粗くなり、均一性が低下する。レーザースポットが小さい場合、熱入力は大きくなく、スパッタを減らすことができるが、溶接部の深さ対幅比が大きく、溶接幅が不足する。レーザースポットが大きい場合、溶接幅を増やすにはより大きなレーザー出力を入力する必要がある。速度は大きいものの、同時に溶接スパッタの増加や溶接部の表面成形品質の低下を招く。現段階の技術レベルでは、さらなる速度向上は歩留まりを犠牲にして効率を高めることを意味し、設備やプロセス技術のアップグレード要求が業界の要求となっている。
2. トップカバーの2.0時代レーザー溶接テクノロジー
溶接速度 200mm/秒
2016年、中国の自動車用パワーバッテリーの設置容量は約30.8GWh、2017年は約36GWh、そして2018年にはさらに爆発的に増加し、設置容量は57GWhに達し、前年比57%増となった。新エネルギー乗用車も約100万台生産され、前年比80.7%増となった。設置容量の爆発的な増加の背景には、リチウムイオン電池の製造能力の解放がある。新エネルギー乗用車用バッテリーは設置容量の50%以上を占めており、これはバッテリーの性能と品質に対する業界の要求がますます厳しくなることを意味し、それに伴う製造設備技術とプロセス技術の改善も新たな時代に入った。単一ラインの生産能力要件を満たすためには、トップカバーレーザー溶接装置の生産能力を15～20PPMに増やす必要があり、レーザー溶接速度は 150〜200mm/s に達する必要があります。そのため、駆動モーターに関しては、さまざまな機器メーカーがリニアモータープラットフォームをアップグレードし、その動作機構が矩形軌道 200mm/s の均一速度溶接の動作性能要件を満たすようにしました。しかし、高速溶接下で溶接品質をどのように確保するかは、さらなるプロセス上のブレークスルーを必要とし、業界の企業は多くの調査と研究を行ってきました。1.0 時代と比較して、2.0 時代の高速溶接が直面する問題は、通常のファイバーレーザーを使用して通常の溶接ヘッドを通して単一の点光源を出力すると、200mm/s の要件を満たす選択が困難になることです。
従来の技術ソリューションでは、溶接成形効果は、オプションの設定、スポットサイズの調整、レーザー出力などの基本パラメータの調整によってのみ制御できます。スポットサイズが小さい設定を使用すると、溶融池のキーホールが小さくなり、溶融池の形状が不安定になり、溶接が不安定になります。また、シームの溶融幅も比較的小さくなります。スポットサイズが大きい設定を使用すると、キーホールは大きくなりますが、溶接出力が大幅に増加し、スパッタやブラストホールの発生率が大幅に増加します。
理論的には、高速溶接の成形効果を確保したい場合レーザー溶接トップカバーについては、以下の要件を満たす必要があります。
① 溶接シームの幅が十分であり、溶接シームの深さ対幅比が適切であること。そのためには、光源の熱作用範囲が十分に大きく、溶接線エネルギーが妥当な範囲内にあることが必要です。
②溶接部が滑らかであるためには、溶接工程中に溶融池が十分な流動性を持つように溶接部の熱サイクル時間を十分に長くし、保護ガスの保護下で溶接部が滑らかな金属溶接部に凝固する必要があります。
③ 溶接シームは均一性が高く、気孔や穴が少ない。そのためには、溶接工程中にレーザーがワークピースに安定して作用し、高エネルギービームプラズマが連続的に生成されて溶融池内部に作用する必要がある。溶融池はプラズマの反作用力によって「キーホール」を生成する。キーホールは十分に大きく安定しているため、生成された金属蒸気やプラズマが噴出して金属液滴を放出し、飛沫を形成することは少なく、キーホール周辺の溶融池が崩壊してガスを巻き込むことも少ない。溶接工程中に異物が燃焼してガスが爆発的に放出された場合でも、キーホールが大きいほど爆発性ガスの放出が促進され、金属の飛散や穴の形成が減少する。
上記の点に対応するため、業界の電池製造会社や設備製造会社は様々な試みや取り組みを行ってきた。リチウムイオン電池の製造は日本で数十年にわたり開発されており、関連する製造技術は先導的な役割を果たしている。
2004年当時、ファイバーレーザー技術はまだ広く商業的に応用されていなかったが、パナソニックはLD半導体レーザーとパルスランプ励起YAGレーザーを組み合わせて混合出力を実現した（その構成は下図に示す）。
マルチレーザーハイブリッド溶接技術の概略図と溶接ヘッド構造
パルスによって生成される高出力密度の光スポットYAGレーザー小さなスポットを用いてワークピースに作用させ、溶接穴を生成して十分な溶接浸透を得る。同時に、LD半導体レーザーを用いてCW連続レーザーを照射し、ワークピースを予熱して溶接する。溶接プロセス中の溶融池はより多くのエネルギーを供給し、より大きな溶接穴を生成し、溶接シームの幅を広げ、溶接穴の閉鎖時間を延長する。これにより、溶融池内のガスが排出され、溶接シームの気孔率が低減される（下図参照）。
ハイブリッドの概略図レーザー溶接
この技術を適用して、YAGレーザーまた、数百ワット程度の出力しかないLDレーザーでも、薄いリチウム電池ケースを80mm/sという高速で溶接することが可能です。溶接効果は図に示すとおりです。
異なるプロセスパラメータにおける溶接形態
ファイバーレーザーの開発と普及に伴い、ファイバーレーザーは、優れたビーム品質、高い光電変換効率、長寿命、容易なメンテナンス、高出力など、多くの利点を持つことから、レーザー金属加工においてパルスYAGレーザーに徐々に取って代わるようになった。
したがって、上記のレーザーハイブリッド溶接ソリューションにおけるレーザーの組み合わせは、ファイバーレーザー＋LD半導体レーザーへと進化しており、レーザーは特殊な加工ヘッド（溶接ヘッドは図7に示す）を通して同軸的に出力されます。溶接プロセス中のレーザー動作メカニズムは同じです。
複合材レーザー溶接継手
この計画では、YAGレーザービーム品質が向上し、出力が高く、連続出力が可能なファイバーレーザーに置き換えられ、溶接速度が大幅に向上し、溶接品質が向上します（溶接効果は図8に示されています）。この計画は、一部の顧客からも好まれています。現在、このソリューションはパワーバッテリーのトップカバーのシーリング溶接の製造に使用されており、200mm/sの溶接速度を達成できます。
ハイブリッドレーザー溶接によるトップカバー溶接部の外観
二波長レーザー溶接ソリューションは、高速溶接の溶接安定性の問題を解決し、バッテリーセル上部カバーの高速溶接における溶接品質要件を満たしているものの、装置やプロセスの観点から見ると、このソリューションにはまだいくつかの問題点がある。
まず第一に、このソリューションのハードウェアコンポーネントは比較的複雑で、2種類のレーザーと特殊な二波長レーザー溶接接合部を使用する必要があり、これにより設備投資コストが増加し、設備のメンテナンスが難しくなり、設備の故障箇所が増える。
第二に、二波長レーザー溶接使用される接合部は複数のレンズセットで構成されています（図4参照）。電力損失は通常の溶接接合部よりも大きく、二波長レーザーの同軸出力を確保するにはレンズの位置を適切な位置に調整する必要があります。また、固定焦点面に焦点を合わせ、長時間の高速動作を行うと、レンズの位置が緩んで光路が変化し、溶接品質に影響を与える可能性があるため、手動での再調整が必要です。
第三に、溶接中はレーザー光の反射が激しく、機器や部品を損傷しやすい。特に不良品の修理においては、滑らかな溶接面が大量のレーザー光を反射するため、レーザー警報が発生しやすく、修理には加工パラメータの調整が必要となる。
上記の問題を解決するためには、別の探求方法を見つける必要がある。2017年から2018年にかけて、我々は高周波スイングについて研究した。レーザー溶接バッテリー上部カバーの技術を開発し、生産用途に普及させた。レーザービーム高周波スイング溶接（以下、スイング溶接と呼ぶ）は、200mm/sの高速溶接プロセスである。
ハイブリッドレーザー溶接ソリューションと比較すると、このソリューションのハードウェア部分は、通常のファイバーレーザーと振動レーザー溶接ヘッドを組み合わせるだけで済む。
溶接ヘッドがぐらつく
溶接ヘッド内部にはモーター駆動の反射レンズがあり、設計された軌道タイプ（通常は円形、S字型、8の字型など）、振幅、周波数に応じてレーザーのスイングを制御するようにプログラムできます。スイングパラメータを変えることで、溶接断面の形状やサイズを様々に変化させることができます。
異なるスイング軌道で得られた溶接
高周波スイング溶接ヘッドは、リニアモーターによって駆動され、ワークピース間のギャップに沿って溶接します。セルシェルの壁厚に応じて、適切なスイング軌道タイプと振幅が選択されます。溶接中、静止レーザービームはV字型の溶接断面のみを形成します。しかし、スイング溶接ヘッドによって駆動されると、ビームスポットは焦点面上で高速にスイングし、動的で回転する溶接キーホールを形成し、適切な溶接深さ対幅比を得ることができます。
回転する溶接キーホールは溶接部を攪拌します。これにより、ガスの排出が促進され、溶接孔が減少するとともに、溶接爆発点のピンホールの修復にも一定の効果があります（図12参照）。また、溶接金属は均一に加熱・冷却されます。この循環により、溶接表面には規則正しく整然とした魚の鱗模様が現れます。
スイング溶接による継ぎ目形成
さまざまなスイングパラメータにおける溶接部の塗料汚染に対する適応性
上記の点は、トップカバーの高速溶接における3つの基本品質要件を満たしています。このソリューションには、他にも以下のような利点があります。
① レーザー出力の大部分がダイナミックキーホールに注入されるため、外部散乱レーザーが低減され、より小さなレーザー出力で済み、溶接熱入力も比較的低く（複合溶接より30%低い）、機器損失とエネルギー損失が低減されます。
② スイング溶接法は、ワークピースの組立品質に対する適応性が高く、組立工程などの問題によって生じる欠陥を低減します。
③スイング溶接法は溶接穴の補修に強い効果があり、この方法を用いてバッテリーコアの溶接穴を補修した場合の歩留まりは非常に高い。
④システムはシンプルで、機器のデバッグやメンテナンスも簡単です。
3. トップカバーレーザー溶接技術の3.0時代
溶接速度 300mm/秒
新エネルギー補助金の削減が続く中、電池製造業界のほぼ全産業チェーンが激戦区に突入した。業界は再編期に入り、規模と技術力で優位に立つ大手企業の割合がさらに増加した。しかし同時に、「品質向上、コスト削減、効率向上」が多くの企業にとって主要な課題となるだろう。
補助金が少ない、あるいは全くない時期には、技術の反復的な改良、生産効率の向上、バッテリー1個あたりの製造コストの削減、そして製品品質の向上を実現することによってのみ、競争に勝つための追加的なチャンスを得ることができる。
Han's Laserは、バッテリーセル上部カバー向け高速溶接技術の研究開発に継続的に投資しています。上記で紹介した複数の加工方法に加え、環状スポットレーザー溶接技術やガルバノメーターレーザー溶接技術といった、バッテリーセル上部カバー向けの先進技術の研究も行っています。
生産効率をさらに向上させるため、300mm/s以上の高速でのトップカバー溶接技術を探求しました。Han's Laserは2017年から2018年にかけて走査型ガルバノメーターレーザー溶接シールを研究し、ガルバノメーター溶接時のワークピースのガス保護の難しさや溶接面形成効果の悪さといった技術的課題を克服し、400～500mm/sの高速溶接を実現しました。レーザー溶接セル上部カバーの溶接です。26148型バッテリーの場合、溶接はわずか1秒で完了します。
しかしながら、その高い効率性ゆえに、それに匹敵する支援機器の開発は極めて困難であり、機器コストも高額となる。そのため、このソリューションの商用化に向けた開発はそれ以上行われなかった。
さらなる発展に伴いファイバーレーザー技術革新により、リング状の光スポットを直接出力できる新しい高出力ファイバーレーザーが発売されました。このタイプのレーザーは、特殊な多層光ファイバーを通して点状のリング状レーザースポットを出力でき、スポットの形状と出力分布を調整できます（図参照）。
異なるスイング軌道で得られた溶接
調整によって、レーザー出力密度分布をスポット・ドーナツ・トップハット型にすることができる。このタイプのレーザーはコロナレーザーと呼ばれ、図に示されている。
調整可能なレーザービーム（それぞれ：中央ライト、中央ライト＋リングライト、リングライト、2つのリングライト）
2018年には、このタイプの複数のレーザーをアルミニウム製シェル型バッテリーセル上部カバーの溶接に適用する試験が行われ、コロナレーザーをベースに、バッテリーセル上部カバーのレーザー溶接のための3.0プロセス技術ソリューションの研究が開始されました。コロナレーザーがポイントリングモード出力を行う場合、その出力ビームのパワー密度分布特性は、半導体レーザーとファイバーレーザーの複合出力に類似しています。
溶接プロセス中、高出力密度の中心点光は深溶け込み溶接用のキーホールを形成し、十分な溶接浸透度を得ます（ハイブリッド溶接ソリューションにおけるファイバーレーザーの出力と同様）。また、リング光はより大きな熱入力を提供し、キーホールを拡大し、キーホールの端にある溶融金属への金属蒸気とプラズマの影響を軽減し、結果として生じる金属飛散を減らし、溶接の熱サイクル時間を長くすることで、溶融池内のガスがより長い時間逃げるのを助け、高速溶接プロセスの安定性を向上させます（ハイブリッド溶接ソリューションにおける半導体レーザーの出力と同様）。
試験では、薄肉シェル電池を溶接し、図18に示すように、溶接寸法の均一性とプロセス能力CPKが良好であることがわかりました。
壁厚0.8mmのバッテリー上部カバーの溶接外観（溶接速度300mm/秒）
ハードウェア面では、ハイブリッド溶接ソリューションとは異なり、このソリューションはシンプルで、2つのレーザーや特殊なハイブリッド溶接ヘッドを必要としません。一般的な高出力レーザー溶接ヘッドのみを使用するため（1本の光ファイバーから単一波長のレーザーが出力されるため、レンズ構造がシンプルで調整が不要、電力損失も低い）、デバッグやメンテナンスが容易で、装置の安定性が大幅に向上します。
このソリューションは、ハードウェアソリューションのシンプルなシステムと、バッテリーセル上部カバーの高速溶接プロセスの要件を満たすことに加えて、プロセスアプリケーションにおいて他の利点も有しています。
テストでは、バッテリー上部カバーを300mm/sの高速で溶接しましたが、良好な溶接シーム形成効果が得られました。さらに、0.4mm、0.6mm、0.8mmの異なる肉厚のシェルに対して、レーザー出力モードを調整するだけで良好な溶接が可能です。ただし、2波長レーザーハイブリッド溶接ソリューションでは、溶接ヘッドまたはレーザーの光学構成を変更する必要があり、これにより、より大きな設備コストとデバッグ時間コストが発生します。
したがって、ポイントリングスポットレーザー溶接このソリューションは、300mm/sの超高速トップカバー溶接を実現し、パワーバッテリーの生産効率を向上させるだけでなく、頻繁なモデル変更を必要とするバッテリー製造会社にとって、機器と製品の品質互換性を大幅に向上させ、モデル変更とデバッグ時間を短縮することもできます。
壁厚0.4mmのバッテリー上部カバーの溶接外観（溶接速度300mm/s）
壁厚0.6mmのバッテリー上部カバーの溶接外観（溶接速度300mm/s）
薄肉セル溶接におけるコロナレーザー溶接の浸透度 – プロセス能力
上述のコロナレーザーに加え、AMBレーザーやARMレーザーも同様の光出力特性を有しており、レーザー溶接時のスパッタ低減、溶接面品質の向上、高速溶接時の安定性向上といった課題解決に利用できる。
4. まとめ
上記で述べた様々なソリューションは、国内外のリチウム電池製造企業によって実際の生産現場で活用されています。生産時間や技術的背景の違いから、業界では様々なプロセスソリューションが広く用いられていますが、企業は効率性と品質に対してより高い要求を課しています。技術は常に進化しており、最先端技術を駆使する企業によって、今後さらに多くの新技術が導入されるでしょう。
中国の新エネルギー電池産業は比較的遅れてスタートしましたが、国家政策に牽引され急速に発展してきました。関連技術は業界全体の共同努力により着実に進歩を続け、国際的な優良企業との差を大きく縮めています。国内のリチウムイオン電池製造装置メーカーであるMavenも、自社の強みを常に追求し、電池パック装置の継続的な改良を支援するとともに、新エネルギー蓄電池モジュールパックの自動生産に向けたより良いソリューションを提供しています。
投稿日時：2023年9月19日
