technology report

高出力青色レーザで、製造スループットが向上

ジャン＝ミッシェル・ペラプラ、ロバート・フリッツ、マット・フィナフ、マーク・ゼディカー
溶接に定性的および定量的メリットをもたらす青色レーザ
新しい種類の高出力青色レーザは、が必要になる。キーホールが一旦形成れば、材料に供給されたレーザエネル製造部門に可視光の能力をもたらす。

されると、吸収率は急激に増加するの

ギーの大部分が材料に吸収されるのこれらのレーザを使用すれば、レーザにで、レーザ出力や溶接速度を慎重に制で、レーザ溶接を制御することができよる加工と製造の速度と精度を、さら御して、溶接パドルから過剰なスパッる。現在のところ、問題は、産業用途に幅広い材料に適用することができる。

タが発生するのを防ぐ必要がある。

向けの適切な高出力可視光波長レーザ

数百 W の出力を備えるこれらのレーザ

高い IR レーザ出力は、溶融プールにの開発が難しいことである。高出力レは、これまで利用できなかった定性的高圧の金属蒸気を生成し、それがスパーザはほとんど提供されておらず、存および定量的なメリットを提供する。

ッタやボイド（空洞）の要因となる可能

在するのは高額なプロトタイプに限ら多くの用途に対し、レーザ溶接は従性がある。溶融プールが凝固するときれている。新しい種類の青色レーザは、来の溶接手法よりもスループットと接に、金属蒸気とプロセスガスからの「気この問題を解決する。

合効率が高い。一般的に提供されてい泡」がトラップされることにより、接る高出力産業用レーザは、赤外（ IR：合部に空洞ができる。このポロシティinfrared ）波長で動作する。多くの用は溶接の強度を低下させ、抵抗を増加

高出力青色レーザには定性的にも定途でそのことに問題はないが、一部のさせるので、接合部の品質は低くなる。

量的にも、従来の IRレーザによる溶接

金属は表面に入射した赤外光の 90%溶融パドルから飛散する溶滴であるスプロセスに勝るメリットがある。青色波以上を反射するため、制約が生じる。

パッタは、高圧の金属蒸気によって、長の吸収率が高いことがその主な理由

特に、赤外レーザ溶接は、銅や金など溶融パドルが沸騰し材料が飛び散るこである。定量的なメリットは、溶接速度の黄色の金属に対して問題がある。とによって、発生する。

が高く、プロセスウィンドウが広いこと青色域へ赤外波長での吸収率が低いというこ

高出力可視光波長レーザを使用すれで、それはそのまま、生産時間の短縮とは、溶接プロセスを開始するためにば、溶接パドルを安定させてスパッタにつながる。このレーザ溶接プロセスの大量の光学粉末が必要になることを意を抑えることができる。黄色の金属にような生産工程をできる限り堅牢にし味する。溶接プロセスには、材料を単対する可視光波長の吸収率は、赤外波て、生産のダウンタイムを最小限に抑え純に溶融してリフローする伝導モード長よりも約 1 ケタ高い。吸収率が高けることに、メーカーは常に努めている。

溶接と、レーザによって金属を蒸発さ青色レーザは、メーカーが求めるプせて、蒸気圧でキャビティまたはキーロセスウィンドウの拡大を実現する。

ホールを形成するキーホール溶接の 2

それにより、溶接部品の許容誤差が緩種類がある。

和される。一方、定性的なメリットは、キーホールモード溶接は、レーザビー溶接部にスパッタや空洞が生じないこムの吸収率が高くなる。ビームが材料とで、それによって、機械的強度が高を伝播する間に、金属や金属蒸気に複まり、電気抵抗が低下する。一貫した数回作用するためである。しかし、IR溶接品質は、製造歩留まりの向上にもモードでキーホール形成を開始しようとつながる（図 1 ）。青色レーザは、IR レ

すると、溶接する材料の反射率が高い
場合は特に、かなりの入射レーザ強度6

図１ キーホールモードで溶接した 254μmの銅板の断面図。

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ーザでは実行できない伝導モード溶接も行うことができる（図 2 ）。

a)b)

100 µm図２ 伝導モードで溶接した 500μm の銅板の断面図。

図３ (a) は 80μm のニッケルめっき銅の溶接部、(b) はスマートフォン用リチウムイオンバッテ
リー内の 80 μ m のニッケルめっき銅と 20μm の銅箔の溶接部。

米ヌブル社（ NUBURU ）の青色レーザ

電気自動車への移行は、全般的な環境と呼ばれる接触部が継続的に劣化す「 AO-150 」は、200μm の光ファイバを影響を低減するための新しいアプローチる。超音波溶接は現在、セル内の薄箔通して450nmの光を150Wで出力する。の1つの側面かもしれない。しかし、電層の接合に使われているが、プロセスその内部では、窒化ガリウム（ GaN ）半気自動車にはバッテリーが必要で、しかウィンドウが狭く、溶接サイズが大きい

導体レーザで構成されたアセンブリからも、できるだけエネルギー密度の高いバので、能力に限界がある。バッテリーののビームに革新的な光学部品を組み合ッテリーが多数必要である。リチウムイ

エネルギー密度を高くするには、溶接わせることにより（表紙を参照）、単一のオンバッテリーのエネルギー密度は、電ビードをできるだけ小さく、できるだ出力ビームが生成されている。

極の表面作用に依存し、表面積が広いけ再現可能にしなければならない。超ほど、エネルギー密度は高くなる。

音波溶接は、溶接ビード幅が数 mm と上述の理論上のメリットは、測定可能な著しい性能改善という形で実証さリチウムイオンバッテリーの負極は、広く、プロセスウィンドウが狭いので、れている。ヌブル社は現在、最大で被覆された銅箔によって作製される。

溶接にばらつきが生じる。それによっ1.4MW/cm を達成し、500μm の銅を性能を最大限に高めるために、複数のて、バッテリー性能が制約されてしま

毎秒 20mm を超える速度で完全溶け込薄箔層によって負極を構成することにう。また、定性的には、超音波溶接はみ 溶 接 す る こ と の で き る、500W、より、銅の表面積を広くすることが行

浮遊微粒子が混入しやすいため、歩留450nm のレーザをテストしている。IRわれる。銅箔を、1 層ずつ互いにきれまりが低下する。

レーザ溶接と比べて、この青色レーザいに溶接した後、各バッテリーセルのIR レーザは、バッテリー製造のそれによるキーホールは、はるかに安定しエッジに溶接することにより、機械的よりも高いレベルで使われているが、ており、高品質でスパッタのない溶接強度が高く、抵抗の低い接合部が生成吸収率の問題から、数 kW のレーザしが得られる。また、この青色レーザはされる。続いて各セルのエッジを結合か使用できない。しかも、一貫した溶キーホール溶接に限定されず、非常にすることにより、内部タブとバスバー接ビードを達成するために、「ウォブリ

なめらかで空洞やスパッタのない伝導から外部バスバーへの一連の統合が行ング」などの高価なプロセス技術を採溶接も可能で、その点においても IRわれる。つまり、かなりの接合処理が用する必要がある。溶接システムが複レーザに勝る。

必要で、プロセスウィンドウが狭く、雑になるほど、信頼性が低下して、プ効率が低いと、コストが高くなり、エロセスのばらつきは大きくなる。

2

前途に広がる青空

ネルギー密度は低くなってしまう。

青色レーザ溶接のビード幅は、約

青色レーザは、何の役に立つのかまだこの銅電極は、超音波溶接や IR レ200μmである。青色レーザ溶接は、スわからない解決策ではなく、差し迫ったーザ溶接などの従来の手法で接合するパッタが発生しないので、ポロシティ問題に対する解決策である。たとえば、ことができる。しかし、超音波溶接プは最小限に抑えられ、微粒子が混入す

化石燃料にともなう環境問題に対するロセスはばらつきが大きく、接合部のることもない。こうしたメリットに加意識の高まりから、燃料に対するより柔品質が予測できない。超音波溶接は機えて、溶接速度が高く、導電率に優れ軟な解決策を求める声は高まっている。

械的にも問題があり、「ソノトロード」た接合部が得られるので、バッテリー

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technology reporta)b)

100 µm

100 µm

図５ 異質金属の断面図。
（a）は、500Wの青色レーザで毎秒140mmの速度で172μm のアルミニウムの上に172μmの銅を溶接した様子。
（ b ）と（ c ）は、それぞれビードの表面と背面。
シールドガスを使わずに溶接されており、ビード表面の酸化が少ないのはそのためである。

c)

図４ 車載リチウムイオンバッテリー用の40 × 10μm の銅箔。

メーカーが開発工程に青色レーザを組み入れようとすでに動き出しているのも、至極当然である（図 3 ）。

100 µm

現行世代の青色レーザは、厚さ 8 ～12μm の銅箔を 20 ～ 40 枚接合する処理の歩留まりと性能を向上させることとを示す 1 つの応用分野だが、青色レ可能かもしれないという結果が示されができる（図 4 ）。より高出力の青色レーザによって効率と品質が高まる可能ている（図 5 ）。

ーザの開発も進んでおり、リチウムイ性がある分野はほかにも存在する。た

一般的に、高出力 IR レーザは、高オンバッテリー製造の次のレベルに適とえば、銅溶接に有効ということは、精度で適切に制御されたエネルギー用できるようになる日は近い。セルを他の多くの金属にも有効ということにを、幅広い製造用途に提供する。そのタブと内部バスバーに接合する処理がなる。ほかの金属も、赤外波長よりも用途としては、マーキング、溶接、切行われるそのレベルでは、一般的に IR青色波長域で吸収率が高いためであ断などがある。しかし、一部の金属はレーザが用いられるが、IR レーザ溶接る。産業界が特に関心を寄せる分野のIR 波長の反射率が高いことから、そののスパッタによって生成されるポロシ1 つが、異質材料の溶接である。たと利用には制約がある。設計と製造の面

ティは、品質の低い接合部と生産性のえば、銅とアルミニウムの溶接は、バでイノベーションが進み、今では高出低下に直結する。青色レーザならば品ッテリーや E コネクティビティ全般で力の青色レーザが手ごろな価格で広く質の高い溶接が可能なので、タブの効価値がある。アルミニウムは導電性が提供されるようになっている。数百ワ率、歩留まり、品質の向上が期待できあり、銅よりも安価だからである。しットレベルの出力を備えるこれらの新る。青色レーザ溶接の基本的な物理的かし、銅とアルミニウムでは熱特性やしい青色レーザは、特に金属加工の分メリットは、セルからバッテリー、さ機械特性がまったく異なり、IR レーザ

野で、一連の新しい製造能力を切り拓らにはバッテリーの自動車への組み込で溶接すると、接合部はもろくて機械いている。青色レーザの能力がさらにみにいたるまでの、バッテリー製造の的強度の低い合金となってしまう。暫

高まるにつれて、レーザ溶接やそれ以すべてのレベルにおける効率化とい定的な調査では、青色レーザによって、外の分野でも、さらなる用途が現れるう、魅力的な可能性を切り拓く。

強度と品質に優れた異質金属の溶接がだろう。

青色レーザをさらなる用途へ
リチウムイオンバッテリーの銅溶接は、青色レーザの独特の能力によって、生産性と品質を高めることができるこ

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著者紹介
ジャン＝ミッシェル・ペラプラ（ JEAN-MICHEL PELAPRAT ）は、米ヌブル社（ NUBURU ）の最高マーケティングおよびセールス責任者、ロバート・フリッツ（ ROBERT FRITZ ）は同アプリケーション・エンジニア、マット・フィナフ（ MATT FINUF ）はアプリケーション・マネージャー、マーク・ゼディカー（ MARK ZEDIKER ）は最高経営責任者（ CEO ）。
e-mail: jmp@nuburu.net URL: www.nuburu.net
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