銅バスバー レーザー溶接
銅バスバーのレーザー溶接では、局所的な界面を溶融させて恒久的な電気接続を形成します。実用的な接合部には、電流と負荷を流すのに十分な溶融度が必要であり、同時に絶縁体やセル付近の熱を抑制しなければなりません。まず、材料の組み合わせ、接合部の形状、許容範囲を決定し、次にそれらの要件に基づいて波長、ビーム経路、クランプ方法を開発します。
現在の経路に合わせてジョイントを設計する
バスバーは電流を分配する役割を担います。その溶接部は、別のバスバー、薄いバッテリー端子、ターミナル、またはモーターの巻線リード線などと接続されます。レーザーは電極を溶接部に接触させることなくエネルギーを供給するため、プログラム可能な接合と自動化が可能です。ただし、部品の正確な位置決めと固定は依然として必要です。
まず、電流が接続部に出入りする箇所をマークします。重ね継手では、電流は溶融した接合面を横切る必要があります。目に見えるビード幅だけでは、接合面のどの部分が接着されているかはわかりません。継ぎ目の長さが長くなると、電流が集中する場所や熱が逃げる場所も変わってきます。
サービス義務を測定可能な要件に変換する
連続電流とパルス電流、許容電圧降下、温度上昇、および近傍部品の温度制限を定義します。実際の機械的負荷の方向を追加します。ケーブルや巻線リードからの剥離は、面内せん断とは異なる方法で接合部に負荷をかける可能性があります。
図面レビューには、梁へのアクセス、クランプスペース、および検査アクセスを含めてください。保守のためにアセンブリを取り外す必要がある場合は、恒久的な溶接を行う前に、取り外し可能な接続方法を検討してください。
銅のレーザー溶接が難しいのはなぜですか？
このプロセスでは、反射面にエネルギーを伝達すると同時に、溶接部から急速に熱が逃げていくのを克服する必要がある。冷たい銅は近赤外線を比較的ほとんど吸収しない。溶融して蒸気空洞が形成されると、エネルギー伝達が変化するため、初期設定が不十分な場合でも、溶接開始後には過剰なエネルギー伝達となる可能性がある。
蒸気空洞、またはキーホールと呼ばれる構造は、エネルギーが材料のより深い部分まで到達することを可能にします。不安定な空洞は金属を噴出させたり、細孔の周囲で閉じたりすることがあります。熱伝導溶接は、持続的なキーホールに頼ることなく表面から溶融します。その実用的な深さは、ビーム、材料、および熱流に依存します。
アセンブリによってヒートシンクが変わります
大型のバスバー、金属製の裏当てブロック、密着性の高いクランプは、小型の自立型試験片とは異なる方法で熱を逃がす可能性があります。試験中は、部品の高さや接触状態の変化を含め、関連する治具と接続導体を再現してください。
反射はシステムによって処理されなければならない
銅加工に適した光源、光学系、筐体を使用してください。反射防止対策および許容されるビーム方向は、機器供給業者によって定められています。傾斜角度の選択や保護眼鏡の使用だけでは、ビームおよび反射光の安全な封じ込めは保証されません。
物理的およびプロセス的背景：Sunらによる序論および実験的考察を参照。反射メカニズムについては、ファイバーレーザー金属反射ガイドでさらに詳しく解説されている。
赤外線、緑色、青色：全プロセスを比較する
緑色光と青色光は、一般的な近赤外線波長よりも低温の銅に容易に結合します。これは溶融開始を促進しますが、波長だけでは溶融深さ、ギャップ許容値、許容生産速度は決まりません。照射スポット、ビームプロファイル、動作、実際の接合部を比較してください。
近赤外
約1µm
ファイバーレーザーおよびディスクレーザーシステムは、十分な出力密度と適切なビーム戦略を用いることで銅の溶接が可能である。コア・アンド・リング形状は、単一の集束スポットとは異なるエネルギー分布を実現する。
低温始動性、浸透安定性、スパッタおよび反射防止性能を実際の表面範囲全体で確認してください。良好な赤外線処理が成功した場合、有効な候補となります。
グリーン
引用されたTRUMPFシステムでは515 nm
初期吸収力が高いほど、電気接続部の制御された溶融が可能になります。熱伝導と深部浸透の両方の用途に対応できます。
使用可能な出力とスポットサイズにおいて、必要な深さと幅を確認してください。吸収率が高くても、設置精度管理の必要性は変わりません。
青
引用したLaserlineシステムでは445 nm
青色ダイオードレーザーは、銅接点、薄板、箔の加工に使用されます。これらのレーザーを組み合わせることで、溶融プールの制御を維持することができます。
明るさ、焦点サイズ、作動距離を、接合部に必要な溶接形状と比較してください。「青」は、普遍的な光学構成を表すものではありません。
例：IPGバスバー接合、TRUMPFグリーン波長システム、Laserlineブルー銅溶接。これらは異なるサプライヤーの構成であり、同一条件での比較結果ではありません。
どのジョイント形状が接続部に適合しますか？
電気経路、負荷方向、およびアクセス可能な表面から形状を選択します。次に、溶接後に残る溶融領域と断面を設定します。以下の図は、寸法やプロセス設定を規定せずに、断面の概念を示しています。
重ね継ぎ目：埋没した接合部を確認する
重ね合わせ部を設けることで、継ぎ目や箇所を上面から点検できるようになります。断面図では、溶接部が下部材に到達し、接合していることを示す必要があります。クランプ部だけでなく、溶接経路全体にわたって隙間を管理してください。
上部のビードが幅広でも、接着されていない界面の上に位置している可能性があります。重なり具合、端部の距離、および下部部材の残りの厚みをまとめて確認してください。
突き合わせ接合：端を所定の位置に保持する
端と端を接合することで重ね合わせ工程は不要になりますが、端部のずれや隙間が重要になります。部品が膨張・移動しても、梁は接合部から外れないようにする必要があります。
必要な根元部の融着と残りの導体断面積を指定してください。完全貫通は、すべての接続において自動的に達成すべき目標ではなく、必要な場合に設計要件として定めるべきです。
ワイヤとバスバーの接合部には溶融体積計画が必要です
突き出た銅線は、以下の研究で示されているように、周囲の接合部を埋める材料を供給することができます。ワイヤーの直径、突き出し量、絶縁体の除去量、および固定具の位置によって、アンダーフィルを残さずに十分な金属が接合部に到達するかどうかが決まります。
端子は深さと熱経路を制限する
短い継ぎ目やスポットであればコンパクトな端子に適合するかもしれませんが、壁の厚さや近くのシール、断熱材によって貫通範囲が制限されます。開発段階では組み立て済みの部品を含めてください。単体の試験片では耐熱温度を判断できません。
銅とアルミニウムの接合には、別途検討が必要です。混合によって脆い金属間化合物が形成される可能性があります。部材の順序、浸透深さ、ビームの動きがその混合に影響を与えるため、銅同士の接合手順を銅とアルミニウムの接合に適用することはできません。Kaufmannら（2023）は、特定のグリーンレーザー重ね合わせ接合におけるこれらの影響を調査しましたが、その設定は普遍的な限界ではありません。
フィッティング、クランプ、表面状態を検査する
銅製バスバー溶接において、許容されるギャップは一律ではありません。ギャップの大きさは、溶融金属の量、重ね合わせ、部材の厚さ、および必要な溶融度によって異なります。代表的な部品を測定し、実際の最大ギャップと溶接部に沿った分布を評価してください。
クランプ力は溶接界面を制御する箇所にかけます。クランプは、溶接予定領域を開いたまま、長い棒材を曲げることができます。ビームとカメラのクリアランス、部品の高さの再現性、溶接中に界面が移動しないかを確認します。位置決め部と接触面に、位置や熱の流れを変えるような堆積物が付着しないようにしてください。
銅のグレードとコーティング名を挙げてください。
電解タフピッチ銅（ETP）、無酸素銅、および合金銅は、同一の材料として扱うべきではありません。酸素やその他の成分は、溶融溶接特性に影響を与えます。TWIの銅溶接性に関するガイダンスでは、これらの材料の違いについて説明しています。また、TWIのアーク溶接スケジュールはレーザー溶接に適用すべきではありません。OFHCとETPの比較ガイドでは、一般的なグレードの違いについて説明しています。
ニッケルまたは錫めっきの種類と厚さ、油、酸化物、保管および洗浄条件を記録してください。指定されたコーティングを接合部でテストしてください。めっきを除去すると供給部品が変わります。めっきを残しておくと溶融物に混入する物質が変わります。どちらも普遍的な準備規則ではありません。
発表されたワイヤとバスバーの接合例を見ると、形状がなぜ重要なのかがわかる。Sun、Ademiらは、U字型の分岐を持つ厚さ1.2mmのバスバーに、公称直径1.09mmの被覆を剥いた銅線を組み込んだ研究を行った。1080nmの調整可能なリングモードレーザーで突き出たワイヤを溶融し、充填材を供給した。ニッケルメッキを含む4種類のバスバー表面条件で試験を行った結果、引張剥離荷重は214～221Nで、バスバー下のワイヤで破損が生じた。
これは、その特定の接合コンセプトと試験された表面範囲を裏付けるものです。任意の汚れ、他のめっき、または平坦な重ね継手ギャップに対する許容範囲を確立するものではありません。出典：Sun et al. (2024)、試験片の準備と機械的性能の結果。
プロセスウィンドウを作成し、逸脱を診断する
プロセスウィンドウとは、接合部の要件を満たす、試験済みの条件範囲のことです。可能な場合は、ワークピースにおける出力、ビームプロファイル、スポット定義、フォーカス、移動または滞留時間、開始/停止ランプ、およびシールドを記録してください。試験記録には、治具の接触状態と表面状態も記載してください。
ウォブルはエネルギーを再分配するものであり、金属の欠落を引き起こすものではありません。振動幅や周波数を変更することで、同じ公称出力でも溶け込み深さや溶融幅を変化させることができます。コーナーや継ぎ目の端部を含め、動作と出力を総合的に比較してください。ウォブルレーザー溶接ガイドでは、ビーム動作の概念を詳しく解説しています。
記録を残さずに複数の設定を変更するのではなく、小規模で構造化された試行マトリックスを使用してください。ギャップ、コーティング、部品の高さ、治具との接触といった、妥当な極値を用いて、提案されたウィンドウを検証してください。疑われる欠陥それぞれについて、どの証拠がそれを裏付けるのかを明確に定義してください。
表内をスワイプして、各症状に対するチェック項目を確認してください。
| 観察された症状 | 貢献者候補 | 次に確認すべきこと |
|---|---|---|
| 不規則な開始または飛散 | カップリングの変化、キーホールの不安定性、局所的な滞留、コーティングまたは界面の変動。 | 表面ロット、記録されたビーム経路、および開始信号を、同じ条件下で得られた断面と比較する。 |
| 滑らかなビーズの下にある毛穴 | 凝固過程におけるガス発生、汚染、または空洞閉塞。 | 代表的な断面と表面／遮蔽履歴を検査し、必要に応じて体積検査を実施する。 |
| 不完全なインターフェース融合 | ギャップ、ビーム位置、貫通力不足、または不適切なエネルギー分布。 | 電流伝達を目的とする領域を切断し、取り付け具合と実際の焦点高さを確認する。 |
| アンダーカットまたは焼き切り | 過度の局所的な溶融、薄いエッジ、動きの遷移、またはサポート不良。 | 残りの導体部分を測定し、始点、終点、および端部を検査する。 |
| クラック | 材料の化学的性質、汚染、拘束、または異種金属の混合。 | 出力を変更する前に、金属組織学的に亀裂の位置を特定し、正確な材料の組み合わせを確認してください。 |
| 予想以上に高い抵抗 | 接合面積の減少、電流経路の変化、温度変化、または電圧プローブの位置の不一致。 | まず、定義された測定を繰り返し、その結果を融合形状と荷重試験に関連付けます。 |
銅製バスバーの溶接状態を確認するにはどうすればよいでしょうか？
電気的、熱的、機械的、内部形状に関する証拠を、それぞれ異なる問題に適用してください。表面が滑らかであることは、界面の融合を証明するものではありません。引張試験は、荷重下での温度上昇を証明するものではありません。試作サンプルを評価する前に、製品要件に基づいて許容限界を設定してください。
プローブの位置を規定して低抵抗を測定します
4線式（ケルビン式）測定では、1組のリード線で試験電流を供給し、別のリード線で電圧を検出します。R = V / Iを計算します。これにより、電流リード線の抵抗の影響は大幅に軽減されますが、電圧タップ間の銅は測定経路の一部として残ります。
プローブの位置、試料温度、および試験電流を一定に保ってください。わずかな差を比較する前に、再現性を確認してください。測定時の自己発熱を最小限に抑え、熱電圧が重要な場合は、装置の適切なオフセット補正方法を使用してください。
基準導体または定義されたベースラインは、接合部の寄与を解釈するのに役立ちます。基準値を差し引くことは、形状と温度が同等の場合にのみ意味を持ちます。
測定基準: Keithley Low Level Measurements Handbook、セクション 3.3.1～3.3.2。
これは例示的な計算であり、試験結果や合格基準ではありません。定義された接続経路の抵抗が 20 µΩ (20 × 10 −6 Ω) で、直流電流 400 A が流れていると仮定します。電圧降下はV = IR = 8 mV、抵抗発熱はP = I²R = 3.2 Wです。800 A の場合、同じ仮定抵抗では 12.8 W になります。実際の温度上昇は、冷却、形状、および抵抗が温度によってどのように変化するかにも依存します。
機械的および熱的試験のためにセクションを接続する
実際の界面を、始点、終点、および複雑な端部を含む代表的な位置で断面化する。溶融状態、気孔、亀裂、および残存断面を確認する。引張荷重、剥離荷重、またはせん断荷重を、使用荷重の方向に合わせる。
代表的な電流サイクル下で温度上昇を測定します。製品の使用条件に応じて、サイクル試験、振動試験、または環境暴露試験を追加してください。室温での抵抗値測定結果だけでは、耐用年数を予測することはできません。
監視機能を使用して、検証済みの変更を検出する。
インライン画像、光信号、または溶接深さ測定は、生産管理を支援することができます。各システムの出力結果を、既知の故障を含む物理的および機能的テストと比較することにより、各システムが検出できる欠陥を特定します。
部品、レシピ、検査結果をまとめて記録してください。学習済みの範囲内の信号はプロセスの一貫性をサポートするものであり、すべての電気的および機械的要件を自動的に認証するものではありません。
ISO 13919-2の適用範囲を、その限界値を適用する前に確認してください。ISO 13919-2:2021は、純銅を含む特定の材料における、厚さ0.5 mm以上の電子ビーム溶接およびレーザービーム溶接の欠陥レベルを規定しています。その生産品質レベルは、製品の意図された用途への適合性を保証するものではありません。この範囲を下回る薄い箔、銅合金、および異種材料の組み合わせについては、別途、正当な受入基準が必要です。
この規格は、水素脆化などの冶金学的事項を除外しており、その他の非破壊検査方法に関する完全な手順も規定していません。電気的、熱的、機械的、および寿命に関する要件については、それぞれ独自の基準が必要です。
他の入社手続きと比較検討すべきタイミングはいつですか？
レーザー溶接は、コンパクトで恒久的な接続を実現し、光学的なアクセスも可能な有力な選択肢です。スタックに異なる加熱方法や工具が必要な場合、あるいは保守性が重要な場合は、他の方法と比較検討してください。
スワイプして各ルートとその開発上の課題を比較してください。
| 合流ルート | 検討する理由 | 裁判で解決しなければならないこと |
|---|---|---|
| レーザー溶接 | プログラム可能な非接触式エネルギー供給システムによる、恒久的な局所核融合。 | 光学アクセス、フィッティング、融合形状、熱制限、および反射制御。 |
| 超音波金属溶接 | 圧力と機械的振動による接合。導体やバッテリー用途で実績がある。 | ホーンとサポートへのアクセス性、スタック応答性、工具痕、および工具寿命全体にわたる一貫性。 |
| 抵抗溶接 | 電極から印加される電流と力によって、アクセス可能な積層構造内に局所的な接合部を形成することができる。 | 電極配置、電流経路、界面加熱、および電極状態。 |
| ボルト締めまたはクランプ締め | 接続部は、修理のために組み立てたり取り外したりすることができます。 | 接触圧力、界面状態、空間、および使用環境下での抵抗の安定性。 |
プロセス参照: Schunk Sonosystems のパワーエレクトロニクスアプリケーションおよびTWI 抵抗接合。
積載、クランプ、溶接、検査、メンテナンス、および不良部品を含めた、合格品1個あたりのコストを比較してください。ビーム照射時間だけでは生産サイクルは表せません。
サンプル評価には何を含めるべきですか？
代表的な生産部品を送付し、成功の定義を明確にしてください。評価に役立つパッケージには以下が含まれます。
- 材料スタック： 正確な等級、焼戻し、部材の厚さ、コーティングの種類と範囲、および受入時の表面状態。
- 共同図面： 電流および負荷経路、重なりまたは分岐の寸法、ギャップ分布、公差、および治具へのアクセス。
- 製品の制限事項： 定義された測定経路、電流サイクル、温度制限、および機械的負荷における抵抗または電圧降下。
- 生産バリエーション： 現実的な表面ロット、部品の高さ、隙間、クランプ条件、およびサイクルタイム要件。
- 証拠資料一式： セクションの位置、電気的および機械的方法、熱的または寿命試験、サンプリングおよびトレーサビリティ。
銅バスバーの用途についてご相談ください
材料構成、接合図面、および必要な結果をOceanplayer Laserに共有してください。そうすることで、お客様の実際の接続および検証ニーズに関する議論を開始できます。
技術参考資料
- Sun、Ademi、Mishraら（2024）は、銅線を銅バスバーに接続する。 著者受理原稿：試験片の設計、ビーム構成、および測定された引張剥離結果。
- カウフマンら（2023）、緑色レーザー光を用いた銅-アルミニウム重ね溶接。 材料混合、金属間化合物相、および接合部固有の評価。
- トランプのグリーンレーザー, レーザーラインブルー銅溶接 (NAIST) と IPGバスバー溶接サプライヤーの技術事例であり、独立した比較テストの結果ではありません。
- キースリー低レベル測定ハンドブック、第7版、セクション3.3。 4線式測定と熱電オフセット制御。
- ISO 13919-2:2021、公開適用範囲。 溶接欠陥フレームワークの材料、厚さ、および制限。
- TWI、銅および銅合金の溶接性。 材料の違いと溶融溶接の限界。