電気自動車に使用されるバッテリーの製造では、銅材料を高速かつスパッタなく溶接する必要があります。 通常は 1000 nm に近い波長の赤外線レーザーが使用されますが、銅材料の溶接には、低エネルギー吸収とプロセスの不安定性という 2 つの大きな課題があります。 銅材料による赤外線レーザー光の吸収は温度とともに増加します。 高出力の IR レーザーが銅の表面を照射すると、小さな穴が形成された後、銅の表面のエネルギー吸収率が急激に増加します。 穴が不安定でスパッタが発生しやすい。 同時に、赤外線レーザーの出力が大きくなるため、レーザーが損傷します。 銅材料による青色レーザーの吸収は約 60% であり、これは IR レーザーの吸収よりもはるかに効率的です。 銅の加工における青色ダイオードレーザーの実現可能性は、いくつかの文献で報告されています。 青色レーザーは、銅箔またはシートを高効率かつ高品質で溶接できます。 ただし、青色レーザーのコストは近赤外レーザーよりもはるかに高く、最大出力は 2000 W に制限されています。赤外線レーザーのエネルギー吸収が低い、プロセスが不安定である、青色レーザーの出力が低いという欠点を組み合わせることで、次のような提案ができます。青色-IR複合レーザー溶接プロセス。 この溶接では、まず吸収率の高い青色レーザーで母材の表面を溶かし、その後赤外線レーザーで溶融池の深さを深くします。 ヤンら。 実験と数値シミュレーションに基づいて、厚さ 3 mm の銅板の近青赤外複合レーザー溶接を調査しました。 まず、銅板を低出力の青色レーザーで加熱し、次に高出力の赤外線レーザーを板の高温表面に照射して、深くて小さな穴を形成しました。 藤尾ら。 は、青色－赤外線レーザー複合溶接システムを開発し、ハイブリッドレーザーの溶接効率が赤外線レーザーの溶接効率の1.45倍であることを発見しました。 金子ら 同軸複合青赤外レーザーを使用して、溶融池と小さな穴を拡大し、内部の熱対流を安定させました。 複合青赤外レーザー溶接では、レーザーエネルギーの吸収は溶接プロセスの安定性だけでなく、機器の耐用年数にも影響します。 青色レーザーにさらした後の銅表面の温度が低い場合、銅表面から反射される IR レーザーのエネルギーが高く、レーザー ヘッドに損傷を与える可能性があります。
藤尾 S 他 予熱光源として青色光半導体レーザー、溶接光源としてシングルモードファイバーレーザーを用いた複合レーザーシステムを研究開発しました。 この複合レーザーシステムを使用して、2.5 × 3.0 × 50 mm 銅線の溶接テストを実行しました。 図1は、高速カメラで撮影された{{10}}.1秒、0.2秒、および0.3秒における純銅の溶解および凝固速度論を示しています。 (a) 複合レーザーと (b) シングルモードファイバーレーザーの下にあります。 出力 1 kW のシングルモード ファイバー レーザーの場合、銅の溶解は約 0.3 秒から始まります。 シングルモードファイバーレーザーの溶融速度を図 2.1.2 に示します。 一方、出力1kWのシングルモードファイバーレーザーと出力200Wの青色ダイオードレーザーを組み合わせたハイブリッドレーザーの場合、銅の溶解は0.2秒から始まります。 そのため、図2に示すように、ハイブリッドレーザではシングルモードファイバレーザに比べて銅の溶解量が多くなります。
青色ダイオードレーザーによる予熱により、銅の温度は約800度まで上昇します。 銅の温度は約 1.5 °F (0.5 °F) まで上昇します。 温度の上昇により、ファイバーレーザーへの銅の光吸収が局所的に増加します。 同時に、複合レーザーはシングルモードファイバーレーザーよりも大きな銅の溶解量を獲得します。 したがって、青色ダイオードレーザーを予熱することにより、シングルモードファイバーレーザーに対する銅の光吸収が増加し、溶接効率が増加すると結論付けられます。
ウーら。 厚さ0.5 mmの銅材料に同軸複合青色光赤外線レーザー溶接プロセスを使用し、新しい青色光赤外線レーザー熱源モデルを確立し、溶融池と溶融池の動的挙動を数値的にシミュレートしました。仮想メッシュリファインメント手法と組み合わせることによるレーザーエネルギー吸収。 青色レーザー溶接と比較して、同軸複合青色赤外レーザー溶接の最大溶融温度と最大速度の変動は大きく、レーザーの総エネルギー効率は低くなりますが、それでも良好な溶接を得ることができます。 同軸複合青色-IRレーザー溶接では、赤外線レーザー溶接と比較して、青色レーザーの方が赤外線レーザーのエネルギー効率が向上し、安定しました。
{{{{10}}}} W の青色レーザー出力、1400 W の IR レーザー出力、1.2 m/min の溶接速度を使用した新しいシミュレーションが同軸複合材から再開されました。 t=0.1 秒での青色 IR レーザー溶接の場合。 新しいシミュレーションを図 3(a) に示します。 図3(a)に示すように、小さな溶融池が形成されるだけです。 最大溶解温度は 1798 K、最大溶解速度は 0.11 m/s です。 図3(b)に示すように、吸収されたIRレーザーのパワーと効率は、t= 0.232秒後、それぞれ190.4Wと13.60%です。 IR レーザー出力と溶接材料の効率も図 3(c) に示します。 IR レーザー溶接と比較して、同軸複合青色 IR レーザー溶接の IR レーザー エネルギー効率は 16.99% 増加し、合計レーザー エネルギー効率は 165.22% 増加しました。 図3(c)に示すように、同軸複合青色光-IRレーザー溶接およびIRレーザー溶接におけるIRレーザー効率の標準偏差は、それぞれ0.014%および0.215%でした。 青色レーザーは、複合青色-IRレーザー溶接における赤外線レーザーのエネルギー効率を向上させ、安定させると結論付けることができます。
青色光のコスト、最大出力の制限、赤外線レーザーのエネルギー吸収率が低くプロセスが不安定であるという欠点を考慮して、青色光と赤色光の複合レーザー溶接プロセスが提案されています。 材料を予熱することで青色光の吸収率が高く、赤色光の吸収率の上昇を実現すると同時に、ファイバーレーザーと比較して青色光のパワー密度が小さいため、これを実現できます。安定した熱伝導溶接と深溶融溶接を組み合わせ、高耐合金（アルミ、銅）の高能率溶接を実現します。
