A Study on Defect Monitoring in Stainless Steel Laser Welding Processes Using a Multi-Sensor System

現代の電気自動車の世界において、バッテリーは心臓部ですが、冷却システムはその過熱を防ぐための循環器系です。これらのシステムは、漏れを防ぎ安全性を確保するために、完璧に接合される必要がある薄い金属パネルに依存しています。長年、エンジニアは軽量であることからこれらの部品にアルミニウムを使用してきましたが、アルミニウムは、バッテリーが危険なほど過熱する熱暴走事象のような極端な温度に対しては、脆さを見せることがあります。これを解決するために、メーカーはSUS304Lとして知られる特定の種類のステンレス鋼へと転換しています。これは、より高い熱に耐えることができ、より優れた構造強度を備えています。しかし、この鋼材を接合するには、レーザー溶接と呼ばれる精密で高エネルギーなプロセスが必要です。レーザーは非常に高速で大量のエネルギーを運ぶため、条件が完璧でないと、継ぎ目に微細な空気のポケットや隙間といった隠れた欠陥を容易に作り出してしまうことがあります。これらの欠陥は、溶接が終わった後では肉眼では見えないことが多いものの、漏れや構造的破壊につながる恐れがあるため、非常に危険です。

これらの欠陥が問題を引き起こす前に捉えるため、韓国産業技術研究院の研究チームと業界パートナーは、溶接プロセスをリアルタイムで監視するためのよりスマートな方法を構築することに着手しました。彼らは、エネルギービームの形状を変えることで、より安定した溶融池（モルテンプール）を作り出すことができる、アジャスタブル・リングモード・レーザーという新しいタイプのレーザーに焦点を当てました。単一のツールに頼って溶接を監視する代わりに、彼らは、それぞれが異なる物理的な手がかりを見る「観察者のチーム」のように機能するマルチセンサーシステムを作成しました。あるセンサーは、超高温のプラズマや溶融金属がどのように振る舞っているかを明らかにする、紫外線および赤外線スペクトルにおける光の閃光を監視しました。別のセンサーである高速熱カメラは、溶接箇所の周囲の熱分布をマッピングしました。これらの異なる視点を組み合わせることで、チームはレーザーが移動している間も、完璧な溶接と欠陥が発生している溶接を区別することを目指しました。

研究者たちは、さまざまな条件下でステンレス鋼の板を溶接することで、彼らのシステムをテストし、意図的に3つの一般的なタイプの欠陥を作り出しました。それは、金属内部に閉じ込められた微細な穴である「ポロシティ（気孔）」、溶接の端が溶けすぎてしまう「アンダーカット」、そして溶接が下の層まで十分に深く到達しない「不完全溶込み」です。彼らは、センサーのデータとX線画像および金属の物理的な断面を比較し、センサーが実際に何を見ていたのかを確認しました。通常かつ完璧な溶接条件下では、センサーは穏やかで安定したリズムを示しました。赤外線信号は予測可能な範囲内に留まり、紫外線信号は平坦で安定していました。この定常状態は、溶融池が期待通りに振る舞っていることを示す「オールクリア」の信号、つまりベースラインとしての役割を果たしました。

欠陥が発生すると、問題の種類に応じて、センサーは異なる方法で悲鳴を上げ始めました。ポロシティが発生した場合、紫外線のセンサーが最初に反応しました。通常は安定している信号が、不安定に低下したり急上昇したりしたのです。これは、空気のポケットの形成が、溶融金属の上部に形成されるイオン化ガスであるプラズマを不安定にし、紫外線の光を明滅させるために起こりました。対照的に、アンダーカットの欠陥が現れると、赤外線センサーが主導権を握りました。熱信号は不規則で鋭いピークを示し、これは溶接の端の部分で溶融金属が不均一に流れていることを示していました。研究者たちは、紫外線が空気のポケットを見つけるのに優れている一方で、赤外線の熱信号がエッジの欠陥を示すための最良の指標であることを発見しました。

チームはまた、どのように見るかということも、何を見るかと同じくらい重要であることを発見しました。彼らは熱カメラの使用方法として2つの方法をテストしました。一つは「全領域解析（トータルエリア解析）」と呼ばれる方法で、溶接ビードの全長を監視して全体の熱履歴を確認するものです。これは広範な視点を得るには有用ですが、スパッタと呼ばれる熱い金属の飛散によって混乱しやすく、データに偽のピークを生じさせてしまいます。二つ目の方法は「局所領域解析（ローカルエリア解析）」で、カメラをレーザー照射点と直後の溶融池に厳密に集中させるものです。このアプローチは、溶接が行われているまさにその場所での、より安定した信頼性の高い熱の読み取りを提供しました。レーザー出力が低すぎて金属に完全に浸透していない条件をテストした際、局所領域解析は熱応答の変化を明確に示しましたが、全領域解析によるビューでは判別が不明瞭でした。これにより、相互作用領域を近くでしっかりと注視することが、不完全溶込みのような深い欠陥を捉えるための最も効果的な方法であることが確認されました。

これらの洞察を組み合わせることで、研究者たちは溶接品質を監視するための新しい一連のルールを確立しました。彼らは、単一のセンサーでは全体像を語れないことを発見しました。代わりに、完璧な溶接には、安定した赤外線信号、安定した紫外線信号、そして一貫した局所的な熱パターンが必要となります。もし紫外線の信号が乱れれば、それは空気のポケットが形成されている可能性が高いことを意味します。もし赤外線の信号が不規則にスパイクすれば、エッジが溶けすぎていることを意味します。もし赤外線の信号が大きく変動し、同時に局所的な熱パターンが変化していれば、溶接が十分に深く入っていない可能性があります。このマルチセンサー・アプローチは、光と熱という、異なる角度から見た溶接プロセスの異なる「声」に耳を傾けることで、欠陥が発生した瞬間にそれを検知できることを証明しました。この研究は、この手法が、より安全で信頼性の高い電気自動車用バッテリーを実現するための重要なステップとなり、それらを繋ぎ止めるステンレス鋼の部品に隠れた欠陥がないことを保証するものになることを示唆しています。