燃料電池製造を改善する新手法を開発(Getting over the hump to improve fuel cell manufacturing)

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2025-01-21 ペンシルベニア州立大学(PennState)

ペンシルベニア州立大学の研究チームは、燃料電池の生産性向上を目指し、レーザー溶接速度を従来の毎分20メートルから75メートルに引き上げることに成功しました。高速度シンクロトロンX線イメージングと数値シミュレーションを組み合わせ、溶接速度が高すぎると溶融金属プールが大きくなり、ビード表面に不規則な「ハンプ」が生じる原因を特定しました。この知見を基に、シールドガスの適用やレーザービーム形状の調整などのプロセスパラメータを最適化し、高速溶接でもハンプを回避できることを示しました。この技術革新により、年間約8万個の燃料電池の生産が可能となり、特に自動車用燃料電池の大量生産に貢献することが期待されています。

<関連情報>

高速レーザー溶接におけるハンピングのメカニズムと発生閾値の解明 Unveiling mechanisms and onset threshold of humping in high-speed laser welding

Zen-Hao Lai,Siguang Xu,Samuel J. Clark,Kamel Fezzaa & Jingjing Li
Nature Communications  Published:05 November 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-024-53888-w

燃料電池製造を改善する新手法を開発(Getting over the hump to improve fuel cell manufacturing)

Abstract

The fabrication of fuel cells relies on a rapid laser welding process. However, challenges arise with the occurrence of humping when the welding speed surpasses a critical threshold, which poses difficulties in achieving a smooth surface finish and a consistent weld strength. This study aims to elucidate the humping mechanisms by analyzing the morphology of molten pool and the characteristics of melt flow at varying welding speeds via in situ synchrotron high-speed X-ray imaging and computational fluid dynamics simulations. Our findings indicate that the short keyhole rear wall, the high backward melt velocity, and the prolonged tail of molten pool are the primary factors contributing to the onset of humping. Furthermore, a dimensionless humping index (<?XML:NAMESPACE PREFIX = “[default] http://www.w3.org/1998/Math/MathML” NS = “http://www.w3.org/1998/Math/MathML” />πh) was introduced, which successfully captured the onset threshold of humping across different literatures. This index not only provides a quantitative description of the humping formation tendency but also serves as a valuable tool for optimizing the laser welding process.

0107工場自動化及び産業機械
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