自動車メーカーが先進のファイバーレーザをドライバーシートで採用

Coherentモード可変ビーム(ARM)ファイバーレーザにより、軽量な自動車用シート構造の高強度鋼などの溶接を実現

2021年11月10日、Coherent

Coherent Adjustable Ring Mode (ARM) fiber lasers enable welding of high-strength steel and other materials in lightweight automobile seat structures

自動車用シートについて考えるとき、多くの人が関心を持つのは、座り心地や色の選択肢、ヒーターやマッサージ機能などのオプションではないでしょうか。しかし、自動車用シートを設計および製造するエンジニアにとっては、それだけではありません。

まずは、もちろん安全性です。ドライバーと同乗者は、文字どおりシートに拘束されます。衝突時に車両の乗員を保護し、けがを防ぐためには、シート構造の機械的強度が防御の第一線です。

しかしその反面、重量が大きくなります。なぜなら、構造の強化は重量化を伴うからです。また、自動車メーカーには、車両の軽量化が強く求められています。軽量化により、ガソリン車の燃費向上と排出ガス削減、電気自動車の航続距離の延長につながるためです。自動車業界では「軽量化」という言葉があるほど、軽量化が重要視されています。

高張力鋼による軽量化

強度と軽さを兼ね備えた自動車用シートを作る方法重要なのは、鉄やチタン、マグネシウム合金など、本来強度のある材料を使うことです。これにより、機械的強度を犠牲にすることなく、個々の部品をより薄く、より軽くできます。また、シートの強度や剛性に大きな影響を与えない部分には、プラスチックや複合材料などの超軽量材料を使用することも重要です。

自動車用シートの設計における最新の動きとして、高強度低合金鋼(HSLA)や先進高張力鋼(AHSS)の採用があります。これらの材料は、他の鋼よりもさらに高い強度重量比を備えているため、軽量化の目標を達成するために非常に有効です。自動車メーカーでは以前からフレームに採用されていましたが、今ではシートにも採用されています。

高張力鋼溶接の課題

最近の自動車用シートは、非常に多くの部品を組み合わせた複雑な構造で構成されています。また、金属と他の材料を組み合わせた多層構造の複合材料もあります。

リモートレーザ溶接(レーザ加工ヘッドが部品からかなり離れた場所にあるレーザ溶接)は、いくつかの理由から、これらの製造に非常に有用なツールであることがわかっています。まず、シート部品の複雑な3次元形状を容易に加工することができます。また、特にマルチkWファイバーレーザや固体レーザを使用して導入した場合、厚肉の金属を何層にも重ねて接合するのに必要な溶け込み深さで、均一で一貫した溶接ができます。また、迅速で柔軟な方法でもあります。

ただし、従来のファイバーレーザで高張力鋼を溶接するには課題がありました。その1つはスパッタです。スパッタは、間隙率や欠陥のある溶接を発生させ、機械的強度を低下させます。溶接速度が速くなるとスパッタが悪化するため、生産スループットが制限されます。

また、別の問題として浸透深さが安定しないことが挙げられます。その結果、溶接部全体の機械的強度が低下します。

また、従来のファイバーレーザでは材料の割れが問題となり、これによっても機械的強度が低下します。割れは、材料が急速に冷えることで起こります。通常、この現象はレーザ出力を突然停止した溶接シーム端部で起こります。

また、高強度鋼を急冷すると、マルテンサイトと呼ばれる結晶形態が発生する追加の問題もあります。マルテンサイトは強い反面、鋼の中でも最も脆い形態です。つまり、使用時に大きな応力を受けると割れる可能性があります。

ARMファイバーレーザは、高張力鋼溶接の圧力下でも割れを発生させません。

これらの問題を回避するためには、レーザエネルギーをより広い範囲に分散させ、その範囲内のレーザエネルギー分布をより正確に制御することが重要です。これにより、材料内の温度勾配と冷却速度の両方をより注意深く管理することができます。これが適切に行われた場合、スパッタや割れ、マルテンサイトの形成がなくなります。

Coherentは、溶接時の材料の加熱と冷却の精密な制御を可能にするARM(Adjustable Ring Mode:モード可変ビーム)ファイバーレーザ技術を開発しました。ARMレーザはデュアルビーム出力を採用しています。これは、2つ目の同心円状のレーザ光で囲んだ中心スポットで構成されています。各ビームの出力を独立して設定し、さらに変調することができるので、思い通りの制御ができます。ARMレーザは、同様の精巧さが要求される自動車用の他の接合用途、たとえばバッテリー溶接銅溶接などにもすでに使用されています。

最近、自動車用シートの大手メーカーから、Coherent Labsに高強度鋼材料を使った一連の溶接テストを依頼されました。具体的には、Coherent HighLight FL8000-ARMファイバーレーザを用いて、さまざまな厚さのHSLAプレートの重ね溶接が含まれています。センタービームとリングビームの出力を別々に下げる、特殊な溶接終了レシピが採用されました。

この試験では、最も薄い材料の組み合わせ(合計厚さ2 mm)では最高8.8 m/min、最も厚い材料(合計厚さ5.7 mm)では最高6.3 m/minの加工速度で、スパッタや割れのない溶接を実証することができました。この速度は、従来のファイバーレーザに比べて大幅に向上しています。いずれの場合も、クローズドループの出力制御と、Coherent FL-ARMレーザの後方反射の影響を受けない固有の特性により、溶接の溶け込みが非常に均一になりました。

これらのテスト結果は、Coherent HighLight FL-ARMにより高強度鋼の高品質で低欠陥の溶接を実現できることを示しています。実現した高いスループット、およびファイバーレーザ技術固有の信頼性により、このレーザは自動車用シート生産用途向けの費用対効果の高いソリューションとなっています。これにより、自動車メーカーは最先端のデザインを導入することができ、消費者は安心して快適さと安全性を実感することができます。

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