軽量化のためのレーザー

May 15, 2023

世界中の自動車 OEM は最近、車両重量の軽量化に躍起になっています。 BMWも例外ではありません。

たとえば、この自動車メーカーの 2017 年モデル 5 シリーズは、以前のモデルより 137 ポンド軽量です。 2017 セダンが 2016 モデルよりも長く、幅が広く、背が高く、剛性が高く、強度が高いことを考えると、この軽量化はさらに印象的です。

車両の重量を軽減するには、賢明なエンジニアリングと、高張力鋼、アルミニウム、マグネシウムの多用が必要でした。 2016 5 シリーズには、ドア、ボンネット、フロント フェンダーなど、すでにかなりの量のアルミニウムが含まれていました。 2017年モデルではさらに多くの量が使用されています。 エンジニアはリアサイドメンバーを再設計し、18 個の部品を単一の鋳造アルミニウム部品に統合しました。 それは24ポンドを節約しました。 アルミ製のトランクリッドにより、さらに 9 個を節約できました。 トランク、エンジンクロスメンバー、ルーフもアルミニウム製です。

ルーフ、サイドメンバー、リアに高張力鋼板および超高張力鋼板を戦略的に使用することで、軽量化を図りながらボディに高い構造強度を与えます。 また、BMW はインストルメント パネルの鋳造にマグネシウムを使用し、スチール製の前モデルよりも 4 ポンド軽量化しました。

これらの材料を組み立てるために、自動車メーカーは、セルフピアスリベット、フロードリルネジ、構造用接着剤、さらにはレーザー溶接など、さまざまな新しい接合技術を採用する必要がありました。

TRUMPF Inc.の自動車産業マネージャー、ネイサン・ハリス氏は、「レーザーも材料接合のツールボックスに含まれるツールです。溶接、ファスナー、接着剤、それらにはすべて長所と短所があります。すべてを解決する『特効薬』はありません」と述べています。今日の自動車メーカーが直面している材料結合の課題。」

レーザー溶接を活用している自動車メーカーはBMWだけではありません。 この技術は、フォード F-150、キャデラック CT6、ホンダ アコード、MINI クーパーなど、数多くの車両で使用されています。

特にレーザーが適用されるのは、クラス A 仕上げ表面が必要なアルミニウム製のドア、窓枠、ボンネット、トランクリッド、その他の部品の組み立てです。 たとえば、5 シリーズの場合、BMW は車両の全アルミニウム製ドアの圧着と接着から、アルミニウムの外側とスチールの内側をレーザー溶接する方法に切り替え、車の重量を少なくとも 13 ポンド削減しました。

レーザーは、エンジニアがアセンブリに向けられるエネルギーを注意深く制御し、集中させることができるため、これらの用途では有利です。 アーク溶接または抵抗スポット溶接で製造された接合部は、仕上げ研磨が必要な場合があります。 レーザー溶接で作られる接合部には、ほとんど必要ないか、まったく必要ありません。

レーザー溶接のもう 1 つの利点は、連続的なシーム溶接、平行溶接、および C 字型または S 字型の溶接を生成できることです。 これにより、より強力な溶接が可能になり、エンジニアは設計でより薄い材料を使用できるようになります。 これは、従来スポット溶接が使用されてきた高応力領域に特に役立ちます。

たとえば、上部ルーフフレームと下部ロッカーパネルの接合に使用される抵抗スポット溶接の継ぎ目をレーザーステッチで置き換えることができます。 A または B ピラーの場合、ステッチの代わりに連続した縫い目を使用することができ、追加の補強の必要がなくなります。

「重ね溶接の場合、接合部を横切る直線だけでなく、ジグザグ パターンまたは渦巻きパターンで溶接を行うことを想像してください」と Harris 氏は説明します。 「あるいは、ステッチ溶接のラインを 5 ミリメートルの長さで、好きな間隔で作成することを想像してください。これは非常に高速に行われます。」

レーザーは非常に厳密に焦点を合わせることができるため、エンジニアはより狭いフランジを設計したり、フランジを完全に排除したりすることもできます。 抵抗スポット溶接の場合、一般的なフランジの幅は 20 ミリメートル以上になることがあります。 レーザー溶接の場合、レーザービームは非常に狭く、プロセスは接合部の片側のみにアクセスする必要があるため、フランジは 10 ミリメートル未満になる可能性があります。

レーザーにより、自動車メーカーは車両の他の部分にも軽量素材を使用できるようになりました。 レーザーは、燃料フィルター、ステアリングロッド、センサー、制御モジュール、パワートレインコンポーネントの溶接に使用されています。 電気自動車の場合、レーザーは個々のバッテリーのケースとバッテリーが格納されているコンパートメントを溶接しています。

レーザーはアルミニウムに高速できれいな溶接を生成します。 熱の影響を受ける部分は最小限であり、溶接溶け込みは 0.25 インチほどの深さになる可能性があります。 レーザー溶接は、4032 アルミニウムや 4047 アルミニウムなどの適切な溶加材と組み合わせることで、6000 シリーズのアルミニウム合金などの亀裂に敏感な材料でも使用できます。

アルミニウムの溶接には、CO2、Nd:YAG、ファイバー、ディスクなどのいくつかの種類のレーザーが適しています。 どちらを使用するかは、コスト、継手の構成、溶接される材料によって異なります。

TRUMPF の TruDisk は、金属の溶接、切断、表面処理用の高出力ソリッドステート レーザーです。 1 ～ 16 キロワットの出力範囲を持つ TruDisk レーザーは、2 ミリメートル・ミリラジアンという低いビーム品質を生成します。 このコンパクトなモジュール式レーザーはエネルギー効率が高く、溶接に安定した電力を供給します。

特許取得済みの共振器設計のおかげで、TruDisk は強い後方反射にも対処できます。 これにより、レーザーで銅やその他の非鉄金属などの反射率の高い材料を加工できるようになります。 ディスク レーザーは、寒さ、熱、ほこり、高湿度、振動などの過酷な環境条件の影響を受けません。

レーザーには、プラントの給水温度に応じて、標準の統合型熱交換器またはオプションの統合型コンプレッサー クーラーの 2 つの冷却オプションが用意されています。

自動車部品のロボットレーザー溶接を実現する重要な技術は、TRUMPF のプログラマブル フォーカス オプティクス (PFO) です。これは、2 つのミラーを使用して加工フィールド内にレーザー ビームを配置します。 ミラーは正確かつ非常にダイナミックな方法で方向を変えます。 この技術により、レーザービームを加工フィールド内のどこにでも配置できるようになります。 また、レーザービームを任意の輪郭に沿って誘導することもできます。 プロセスセンサーは材料表面を監視し、PFO にビーム経路を調整するように指示します。

PFO ではワークピースも光学系も移動する必要がないため、高い生産性が実現します。 また、平面フィールドレンズのおかげで、焦点条件、したがって処理品質は、処理フィールド内のどの点でも同一になります。

PFO 技術は、車両のドアなどの大きなワークピースの溶接に特に適しています。

「PFO を使用すると、さまざまな溶接形状やさまざまなタイプの溶接を作成できます」と Harris 氏は言います。 「それは、すみ肉溶接、スポット溶接、またはステープルタイプの設計である可能性があります。これにより、特にエンクロージャの溶接継手の設計において多くの創造性が可能になります。」

画像技術と計算能力の進歩のおかげで、レーザーはより正確に制御できるようになりました。 システムはリアルタイムでプロセスを調整し、溶接が事前に設定された基準を満たしていることを確認できます。 「これは閉ループのプロセスです。溶接が正しく行われているというフィードバックが得られます」とハリス氏は言います。

CENIT North America Inc. の Fastsuite Edition 2 ソフトウェアを使用すると、エンジニアはロボット アーク溶接およびレーザー溶接作業をプログラムおよびシミュレートできます。 このソフトウェアは、ロボットのブランドやモデルに関係なく、単一ロボットのセットアップから複雑な溶接セルに至るまで、多数のコンポーネントを備えた複数のロボット環境を含め、正確でエラーのない均質な溶接プログラムを作成します。

エンジニアは、STEP、IGES、JT に統合された CATIA、NX、SolidWorks への直接インターフェイスなど、あらゆる CAD システムからデータをインポートできます。 自動アプローチおよびリトラクト動作を含むウェルド ライン定義を 3D CAD データから直接作成できます。 ウェルドラインのオフセットや部品までのガンの距離などのプロセスパラメータは、使いやすいインターフェースを通じて簡単に調整できます。 エンジニアは、承認された溶接パラメータのカスタマイズ可能なデータベースから「溶接手順仕様」を選択できます。

このソフトウェアは、外部軸とワークピースポジショナーの自動位置決めと補間も提供します。

最近のアップグレードにより、エンジニアは TRUMPF Inc. の TruLaser Robot 5020 または TruLaser Weld 5000、Amada America Inc. の FLW 4000 M3 レーザー溶接機、およびその他のシステムをプログラムできるようになりました。

詳細については、CENIT（248-309-3251）に電話するか、www.fastsuite.com にアクセスしてください。