連続生産においてレーザでアルミニウムを耐圧溶接

課題

電気自動車の心臓部は、バッテリーとバッテリーマネジメントコントローラー（BMC）です。後者は、充電状態、温度やセル電圧などのパラメーターを制御して、バッテリーの出力、安全性と寿命を監視、制御、最適化します。取り付けられているパワーエレクトロニクスが、バッテリーの直流を駆動システムで必要な交流に変換します。その際に発生する熱が、エレクトロニクスに悪影響を及ぼす可能性があります。そこで、最新の冷却ユニットが対策として活躍することになります。同ユニットは、気密性の「フタ」としてBMCハウジングに組み込み、車両の冷却回路に接続することができます。ただし、効果的な冷却を確保するには、冷却ユニットがパワーエレクトロニクスと直接接触している必要があります。そのため、冷却ユニットは完全に平坦でなければなりません。また、軽量であり、重量の余計な増加がないことが求められる一方で、自動車メーカーの圧力検査に対する要件を満たすことも必要になります。

「お客様からの問い合わせ内容は、引き抜き加工したアルミニウム製の冷却プレートで、寸法が900 x 200 ミリメートルのものでしたが、これは当社の極めて経験豊富なエキスパートにとっても大きな難題でした」と、Feinwerktechnik hagoのヨーゼフ・ガンプ生産管理部長は語っています。ですが、困難な課題は同社のチームの挑戦心をくすぐることになりました。「TRUMPFと共同で何度も実験とテストを行った結果、プロセス安定性の高い解決策が見つかり、冷却ユニットを連続生産できるようになったのです」とガンプ部長は誇らしく述べています。

ソリューション

TRUMPFが提供しているBrightLine Weldは、既に何年も前から確かな実績を残しているレーザ溶接法であり、ステンレスを穴なしで素早く気密溶接することができます。2021年にマルチフォーカス光学系が開発されたことで、用途の幅がより一層広くなっており、BrightLine Weldをそれと組み合わせれば、アルミニウムの耐圧溶接も可能になります。そこでは、この光学系によってTruDiskレーザのレーザ光がリングとコアビームに配分された後に、4つのスポットに分割されて適切に配置されることで、共通の溶融池が生み出されます。これにより、常に開いているキーホールが発生することで、蒸気の逃げ道がなくなることが防止され、高速溶接プロセスであっても、気泡と穴のない溶接ビードが実現可能になります。

実行

最初にガンプ部長のチームは、アルミニウム製冷却ユニットを既存のマシンで溶接することを試みました。しかしながら、溶接ビードがまずは気密になるものの、用途で必要な圧力に耐えることができず、割れてしまうことが問題になりました。「これはお客様にとって致命的でした。なぜならば、この自動車メーカーは認可前に圧力脈動テストと呼ばれるテストを要求しているからです」とガンプ部長は述べて、こう続けています。「コンポーネント全体が特定の圧力に100,000回以上耐えることが必須条件となっていました。ですが、テストパーツでこれを試したところ、溶接ビードがすぐに割れてしまったのです。」

そこで、hagoのエキスパートたちはTRUMPFと共同で、安定性が高く、そして何よりも連続生産に適しているプロセスの実現に取り組みました。TRUMPFのレーザアプリケーションセンターで試した結果、BrightLine Weldとマルチフォーカス光学系を使用すれば、すべての課題がクリアできることがすぐに判明しました。溶接ビードの安定性は非常に高く、高い圧力にも耐えられるほどでした。しかも、パラメーターが柔軟に設定可能であり、長いビードであってもプロセス安定性が高く、歪みのない高速レーザ溶接が実現しました。これは重要なポイントでしたが、その理由は、冷却ユニットには完全に平坦で、BMCのパワーエレクトロニクスと直接接触して、冷却性能を効果的に発揮することが求められるからです。「現在では、このコンポーネントを平坦度に関して1ミリメートル未満の再現性で製造できるようになっています」とガンプ部長は述べています。

hagoではTruLaser Cell 7040レーザ溶接設備、BrightLine Weld、そしてマルチフォーカステクノロジーを搭載した溶接用光学系に投資して、冷却プレートの連続生産に向けた前提条件を整えました。コンポーネント約3,000個のパイロット生産は既に完了しています。hagoでは今後6年間に、冷却ユニットが610,000個以上生産されることになっています。「大勢の人が不可能であると思っていたことを成し遂げました」とガンプ部長は述べて、誇らしくこう付け加えています。「これが当社の強みなのです。」

展望

バッテリーマネジメントコントローラーに冷却機能を統合するコンセプトは比較的新しいものですが、大きな可能性を秘めています。そのためガンプ部長は、TRUMPFとの協力で得た知識をその他のプロジェクトでも活用できることを期待しています。「このテクノロジーは、当社の戦略方針に完璧にマッチしています」と述べている同部長は、開発作業に膨大な時間を割いたことが報われることを確信しています。

2025年5月14日現在