エレクトロモビリティ向けメタル溶着

非鉄金属の超音波溶着はプロセスとして確立されており、現在、エレクトロモビリティのストレージソースとなっているリチウムイオン電池（LIB）の市場が拡大するとともに、活況を呈しています。数十年にわたり超音波溶着のスペシャリストとして活躍してきたハーマン・ウルトラソニックは、このたび、新たにメタル溶着システム、HiS VARIOを開発しました。

超音波溶着は、クリーンかつ安全で、環境にやさしいプロセスであり、LIB製造における陽極と陰極の予備溶着や本溶着だけでなく、自動車、民生品、エレクトロニクス産業の電気接続にも適しています。このプロセスは、手動の作業ステーションで使用することも、生産ラインに自動で組み込むこともできます。このプロセスの利点：

• 強度が高い
• 溶着時間が短い
• エネルギー消費が低い
• 消耗品がない
• 縦方向の振動で酸化膜を破壊

超音波溶着は、主に導電性の非鉄金属や貴金属の接合に用いられ、銅とアルミニウムの化合物が用途の90％を占めています。接合に必要なエネルギーは、機械的な振動によって生成されます。超音波発振器は、50Hzの交流電源から20kHzまたは35kHzの電気振動を発生させます。振動子を使って、電気的な振動を同じ周波数の機械的な振動に変換します。ホーンと呼ばれる溶着ツールがその振動を接合する対象に伝えます。ホーンは対面する接合部と結合し、長手方向に振動させます。もう一方の接合部は、構造化されたアンビルに固定され、動きません。ホーンのカップリング表面も構造化されている必要があります。そうでなければ、上部の結合パートナーが動かないため、相対運動が生成されません。

接合部の酸化皮膜は激しい摩擦で破壊され、2つの接合部は同時に圧力を受けて分子結合で融合します。溶着の決定的なポイントは、生成される熱ではありません。融点をはるかに下回る熱ではなく、接合相手の相対的な動きが決め手となります。プロセスの熱が低いため、物質の材料構造に悪影響を与えることはありません。接合相手の最大材料厚は、溶着面にもよりますが、銅板では2～3mmです。用途に応じて異なりますが、必要な電力は1,000～6,200Wです。

重要なプロセスの可視化

システムコントロールでは、プロセスパラメーターをチェックし、可視化します。振幅、エネルギー、溶着距離、溶着圧力などのパラメーターを装置のスクリーンにグラフィカルに表示することで、プロセスの安定性を確保します。材料と製造の公差のバランスをとるため、アプリケーションごとに加工時間を決定する必要があります。この段階では、電池生産の上流工程のすべてのステップを考慮しなければなりません。特に高価な電池の場合は、不合格品を最小限にすることが重要です。溶着パラメーターを決定する際は、アプリケーション、材料、生産環境を考慮して、全体的に考えることが重要です。だからこそ、できるだけ早い段階から、超音波技術を持つサプライヤーを製品開発に参加させることが重要になるのです。ハーマン・ウルトラソニックでは、きめ細かなパラメーター設定がホーンの生産品質と耐用年数をさらに向上させる決め手になると考えています。プロセスの安定性と粒子の減少、エネルギー投入、安定した振動子、溶着ツールの耐用年数の間には相関関係が見られます。