CN110893517B - 线圈线的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光焊接方法。通过向将两个线圈线(25)的前端部(25a)侧面对接在一起后的对接面的上端缘(G)照射激光束，而对两个线圈线(25)进行焊接。此时，从一个或两个焊接端部(E1、E2)，呈连续的多个环状地向上端缘(G)扫描激光束而在焊接部的中央形成熔池，控制激光束的环(41)的移动间距、环面积、激光扫描速度及激光输出中的至少一个，以使焊接部的中央部处的熔池的焊接深度大于其他部分的焊接深度的方式进行焊接。

Description

线圈线的激光焊接方法
本申请主张于2018年9月12日提出申请的日本特愿2018-170711号的优先权，并将其援引于此。
技术领域
本说明书中，公开了通过激光束的照射来焊接两个线圈线的前端部的线圈线的激光焊接方法。
背景技术
在日本特开2018-20340号公报中，记载了一种通过向将两个线圈线的前端部对接在一起后的部分的上端照射激光束，而对两个线圈线进行焊接的激光焊接方法。在该方法中，在与将两个线圈线的前端部侧面对接在一起后的两个对接面(接触面)不同的一个线圈线的前端部上，呈环状地扫描激光束而形成熔池，并使该环逐渐变大而到达对接面的上端。
在日本特开2018-20340号公报所记载的方法中，在激光束到达对接面的上端时，由于环径变得过大，从而熔池的一部分因温度下降而凝固，为了使该部分再熔融，激光束的能量被夺走。由此，无法在对接面的上下方向上扩大焊接面积，所以从提高线圈线的接合强度的方面来看存在改良的余地。
另外，在对两个线圈线的前端部进行激光焊接时，很多情况下，对接面成为上下方向上的焊接量(可焊接范围)在与上端缘的中央对应的位置处比其他位置大的形状。
因此，在本说明书中，公开了一种能够与这种形状的对接面对应地，增大两个线圈线的前端部的焊接面积的激光焊接方法。
发明内容
本说明书中公开的线圈线的激光焊接方法通过向将两个线圈线的前端部侧面对接在一起的对接面的上端缘照射激光束，而对上述两个线圈线进行焊接，其中，从一个或两个焊接端部，呈连续的多个环状地向上述两个线圈的对接面上端缘扫描上述激光束而在焊接部的中央形成熔池，控制上述激光束的环的移动间距、环面积、激光扫描速度及激光输出中的至少一个，以使上述焊接部的中央部处的上述熔池的焊接深度大于其他部分的焊接深度的方式进行焊接。
通过设为上述结构，能够在对接面的上端缘，由多个环形成多个小的熔池。由此，与如日本特开2018-20340号公报那样向与两个线圈线的对接面不同的一个线圈线的前端部，呈环状地扫描激光束而形成熔池，并使该环逐渐变大而到达对接面的上端的情况相比，能够减小熔池的直径。因此，能够抑制在对接面上的各环形成时的熔池的固化，所以能够抑制激光束的能量被熔池的再熔融夺走。因此，能够在对接面的上下方向上扩大焊接面积。此外，通过以使中央部处的熔池的焊接深度大于其他部分的焊接深度的方式进行焊接，能够使焊接面积更大。
发明效果
根据本说明书中公开的线圈线的激光焊接方法，能够增大两个线圈线的前端部的焊接面积。
附图说明
图1为表示即将向使用实施方式的激光焊接方法制造的旋转电机定子的定子铁芯插入线圈线之前的状态的图。
图2为表示线圈线的前端部被沿周向弯曲，对前端彼此之间进行焊接之前的状态的图。
图3为表示焊接两个线圈线的前端部时的焊接开始时的状态的立体图。
图4为透视表示两个线圈线的前端部的对接部分的图。
图5为图4中的A部放大图。
图6为表示作为激光束的照射部的移动轨迹的多个环的从图4的上方观察到的图。
图7为表示激光束的连续的多个环状的移动轨迹的图6中的B部放大图。
图8为表示实施方式的另一例的激光焊接方法的与图6对应的图。
图9为表示实施方式的另一例的激光焊接方法的与图7对应的图。
图10为表示在实施方式的另一例中激光束的扫描速度相对于时间的变化的图。
图11为表示在实施方式的另一例中激光束的输出相对于时间的变化的图。
图12A为表示实施方式的另一例的激光焊接方法的与图8对应的图。
图12B为表示实施方式的另一例的激光焊接方法的与图8对应的图。
图13为用于对在图12B所示的激光焊接方法中，激光束的照射部从两侧的焊接端部接近而两个熔池碰撞时的不良情况进行说明的与图12B对应的图。
图14为表示在图12B所示的情况下在两个熔池碰撞后，在一个线圈线的前端部处的焊接部上形成有凹部的状态的图。
图15A为表示产生图13所示的不良情况时的激光束的照射轨迹的一例的图。
图15B为表示产生图13所示的不良情况时的激光束的照射轨迹的另一例的图。
图16A为表示在实施方式的另一例的激光焊接方法中的激光束的照射轨迹的图。
图16B为表示在实施方式的另一例的激光焊接方法中的激光束的照射轨迹的图。
具体实施方式
以下，使用附图对本公开的实施方式进行说明。以下说明的形状、材料及个数是用于说明的例示，能够根据使用线圈线的激光焊接方法制造的旋转电机定子的规格而适当变更。以下，在所有的附图中，对同等的要素标注相同的附图标记来进行说明。另外，在本文中的说明中，根据需要使用之前所述的附图标记。
另外，在以下的附图及实施方式的说明中，R表示旋转电机定子的径向，θ表示旋转电机定子的周向，Z表示旋转电机定子的轴向。R、Z和θ的切线方向彼此正交。
[旋转电机定子的结构]
图1为表示即将向定子铁芯12插入线圈线25之前的状态的图。图2为表示线圈线25的前端部被沿周向弯曲，对前端彼此之间进行焊接之前的状态的图。
定子铁芯12具有：磁轭13，以环状配置在外周侧；及多个齿14，从磁轭13的内周面沿着径向R延伸。多个齿14在周向θ上相互隔开间隔地配置。在相邻的两个齿14之间形成有作为槽的狭槽15。
[三相线圈的形成方法]
U、V、W这三相的线圈分别由多个分段线圈形成。各分段线圈是将多个大致U字状的线圈线25(图1)弯曲并连接而形成为螺旋状(线圈状)而成的。此时，在将多个线圈线25分别插入到在定子铁芯12的周向上分离的两个槽15之后，将从定子铁芯12的轴向Z一侧端(图1中的上端)突出的部分以在周向上接近的方式弯曲，并将在径向R上相邻且相互接触的不同的线圈线25的前端部焊接而形成为螺旋状。
线圈线25具有：彼此大致平行的两个腿部26；及连接两个腿部26的一端并形成为山形的连接部28。如图2所示，线圈线25通过用绝缘皮膜30覆盖截面为矩形的扁线即导体线材29的长度方向中间部，并使该导体线材29的端部从绝缘皮膜30露出而形成。导体线材29由铜等导电性较高的金属材料形成。如后述的图3所示，线圈线25的前端部成为尖细形状。
在形成各分段线圈时，如图2所示，将在径向R上排列的多个线圈线25以腿部26的前端为起始，从定子铁芯12的Z轴下方(图1中的下端)向两个槽15插入。此时，使线圈线25的两个腿部26的前端侧部分从定子铁芯12的Z轴上方(图1中的上端)突出。并且，如图2所示，在对多个线圈线25以使腿部26的前端侧部分在周向θ上接近的方式进行了弯曲加工之后，通过激光焊接对在径向R上对接在一起的线圈线25的前端部进行焊接，以使多个线圈线25相连而形成螺旋。此时，线圈线25的导体线材29的从绝缘皮膜30露出的部分被焊接。由此，各分段线圈以跨越多个齿14的方式呈螺旋状地卷绕。并且，U、V、W相的线圈分别将多个分段线圈连接成沿着定子铁芯12的周向θ的环状而形成。
[线圈线的焊接方法]
在制造上述旋转电机定子时，如下地对两个线圈线25的前端部进行焊接。图3为表示焊接两个线圈线25的前端部时的焊接开始时的状态的立体图。图4为透视表示两个线圈线25的前端部的对接部分的图。图5为图4中的A部放大图。
如图3所示，在焊接时，使两个线圈线25的前端部25a侧面在径向R上对接。例如，在两个前端部25a的径向R两侧配置两个按压工具(未图示)，通过两个按压工具夹持两个前端部25a而将两个前端部25a相互压紧。在该状态下，从激光焊接机(未图示)照射激光束40。通过向将两个线圈线25的前端部25a侧面对接在一起后的两个对接面F(图4、图5)的上端缘G照射激光束40，而对两个前端部25a进行焊接。在图4、图5中，通过用粗实线表示了外缘的部分来表示对接面F，用斜线部表示焊接部35。该焊接部35在对接面F内越大，越能够提高焊接强度。
在焊接时，从一个焊接端部E1起，呈连续的多个环状地向对接面F的上端缘G扫描激光束40，朝着焊接部的中央(焊接中央部C)，进一步朝着另一个焊接端部E2，沿着上端缘G形成熔池。在激光束40的照射部呈环状地进行了扫描后，其内侧的线圈线25的金属制的母材熔融而形成熔池。图3、图5的箭头α表示熔池的形成方向。在图5中，通过用虚线表示了两个边的三个大致三角形部分来表示熔池的三个例子的外形。通过激光束40的照射部移动，与该照射部分离的熔池由于温度下降而固化，形成焊接部35。此外，在焊接时，控制激光束40的环的移动间距，如图5所示，以使焊接中央部C处的熔池的焊接深度H大于其他部分的焊接深度的方式进行焊接。
图6示出了作为激光束的照射部的移动轨迹的多个环41。图7为图6中的B部放大图。
如图6所示，在两个对接面的上端缘G处，从一个焊接端部E1朝着焊接中央部C，进一步朝着另一个焊接端部E2，呈连续的多个环状地照射激光束。在图6中，通过(开始)表示激光束的照射开始位置，通过(结束)表示激光束的照射结束位置。此时，如图7所示，激光束的照射部从一个焊接端部E1起，如箭头A1、A2…A11、A12所示地在作为移动轨迹的一部分而形成多个环41，并向另一个焊接端部E2侧(图7中的右侧)移动。相邻的环41在一个(图7中的上侧)线圈线25的前端部25a上，通过与对接面的上端缘G大致平行的移动轨迹即直线部L连接。多个环41的中心处于例如对接面F的上端缘G上。通过激光束的照射位置移动，从照射位置分离的熔池固化，因此能够看作熔池沿着激光束的移动方向移动。
在焊接时，如图6所示，以在激光束的照射开始位置的焊接端部E1附近和照射结束位置的焊接端部E2附近增大多个环41的中心间距离即移动间距Pi(i＝1、2、3…)，但在焊接中央部C附近减小多个环41的移动间距Pi(i＝1、2、3…)的方式进行焊接。
通过上述结构，能够在对接面F的上端缘G，从一个焊接端部E1朝着焊接中央部C形成多个小的熔池。由此，与如日本特开2018-20340号公报那样在与两个线圈线的对接面不同的一个线圈线的前端部上，呈环状地扫描激光束而形成熔池，并使该环逐渐变大而到达对接面的上端的情况相比，能够减小熔池的环的直径(椭圆的情况下的长径d(图7))。因此，在形成对接面F上的各环41时，能够在短时间内连接环的始端和终端，因此能够将始端附近的表面温度维持在较高的状态，由此能够抑制熔池的始端附近的由温度下降引起的固化。因此，能够抑制激光束40的能量被熔池的始端附近的再熔融夺走，所以该能量被用于对接面F的上下方向(定子轴向Z)的进一步的熔融，能够在上下方向上增大焊接面积。此外，以使焊接中央部C处的熔池的焊接深度比其他部分大的方式进行焊接，从而能够使焊接面积更大。具体而言，如上所述，通过改变焊接时的环41的移动间距地进行焊接，而在焊接中央部C处，很多环41集中，从而向线圈线25的前端部25a输入的热量增加，焊接深度变大。此外，在激光束40的照射初期，两个线圈线25的整体升温容易夺取照射的热量，熔池容易较浅，但随着靠近焊接中央部C而其影响变小，所以能够加深熔池。由此，也能够在焊接中央部C增大焊接深度。如上述图4、图5所示，对接面F的上下方向上的焊接量在与上端缘G的中央对应的位置处变大，因此能够由焊接部35占据对接面F的较多的面积。因此，能够增大两个线圈线25的前端部25a的焊接面积。其结果是，能够提高两个线圈线25的焊接强度。
另外，只要在对接面F的上端缘G上有多个环即可，多个环的中心也可以不在上端缘G上。另外，激光束40的照射开始位置和照射结束位置也可以位于距焊接部35的两端的焊接端不同的位置。
[另一例的线圈线的焊接方法]
图8示出了实施方式的另一例的激光焊接方法。在本例的情况下，在向两个对接面的上端缘G呈连续的多个环状地照射激光束时，控制激光束的环面积，以使焊接中央部C处的熔池的焊接深度大于其他部分的焊接深度的方式进行焊接。具体而言，以在激光束的照射开始位置的焊接端部E1附近和照射结束位置的焊接端部E2附近增大多个环41的形状，但在与焊接中央部C对应的两个焊接端部E1、E2的中间位置附近减小多个环41的形状的方式进行焊接。例如，在两个焊接端部E1、E2附近，将环41设为椭圆，但在焊接中央部C附近，将环41设为直径与焊接端部E1、E2的短径大致相同的正圆。由此，焊接端部E1、E2附近的环面积大于焊接中央部C附近的环面积。在焊接端部E1、E2与焊接中央部C之间，随着靠近焊接中央部C而逐渐接近正圆，由此逐渐减小环面积。虽然将多个环41的移动间距设为大致相同，但也可以与图6的结构相同地，越接近焊接中央部C而越减小移动间距。
通过如上述焊接中央部C附近那样减小环41，使得激光束的能量容易集中在狭窄的面积部分。环41的面积越小，环41内侧的每单位面积的输入热量越增加，熔池越深。由此，能够使焊接中央部C处的焊接深度大于其他部分的焊接深度。本例中的其他结构及作用与图1～图7的结构相同。
图9示出了实施方式的另一例的激光焊接方法。图10为表示在实施方式的另一例中激光束的扫描速度相对于时间t的变化的图。
在本例的情况下，在向两个对接面的上端缘G呈连续的多个环状地照射激光束时，控制激光束的扫描速度，以使焊接中央部C处的熔池的焊接深度大于其他部分的焊接深度的方式进行焊接。具体而言，如图9所示，在多个环41中，使形状、间距分别大致相同，但如图10所示，将激光束的扫描速度(激光扫描速度)V控制成在激光束的照射刚开始后的t1及照射即将结束前t3最大，在照射时间的中间时间点t2减小。由此，在焊接端部E1、E2附近，激光束的扫描速度V变高，但在焊接中央部C附近扫描速度变低。激光束的扫描速度V越小，环41内侧的每单位面积的输入热量越增加，熔池越深。因此，能够使焊接中央部C处的焊接深度大于其他部分的焊接深度。本例中的其他结构及作用与图1～图7的结构相同。
图11为表示在实施方式的另一例中激光束的输出相对于时间t的变化的图。在本例的情况下，在向两个对接面的上端缘G呈连续的多个环状地照射激光束时，控制激光束的输出，以使焊接中央部C处的熔池的焊接深度大于其他部分的焊接深度的方式进行焊接。具体而言，在多个环中，使形状、间距、扫描速度分别大致相同，但如图11所示，将激光输出P控制成从激光束的照射开始时起逐渐增大，在中间的照射时间点t4成为最大，随着靠近照射结束时逐渐变小。由此，在焊接端部E1、E2附近激光输出变低，但在焊接中央部C附近激光输出变高。激光束的输出P越大，环41内侧的输入热量越增加，熔池越深。因此，能够使焊接中央部C处的焊接深度大于其他部分的焊接深度。本例中的其他结构及作用与图1～图7的结构相同。
另外，上述图1～图7的结构、图8的结构、图9、图10的结构、图11的结构也可以分别与其他的一个以上的结构的激光束的控制组合。
图12A示出了实施方式的另一例的激光焊接方法。在本例的情况下，与图8的结构不同，在形成连接两个焊接端部E1、E2的焊接端的焊接部的焊接工序之前，进行向一个(图12A中的上侧)线圈线25的前端部25a上预备性地照射激光束的预备照射工序。在预备照射工序中，沿着一个线圈线25的前端部25a的厚度方向(图12A中的上下方向)呈环状地扫描激光束而形成熔池。此时形成的环41a设为与在焊接端部E1处形成的环41大致相同的大小。在之后的焊接工序中，以从焊接端部E1的焊接端向焊接端部E2的焊接端形成多个熔池的方式，呈连续的多个环状地扫描激光束。预备照射工序是为了使线圈线25整体的温度上升一定程度，以使得在之后的焊接工序中使激光输出不易被线圈线整体的温度上升夺取而进行的。另外，通过在预备照射工序中，使激光输出保持得较小，在焊接工序中增大激光输出，从而能够在不无谓地增大激光输出的情况下增大焊接面积。本例中的其他结构及作用与图8的结构相同。也可以使本例的结构与其他的任一结构组合。
图12B示出了实施方式的另一例的激光焊接方法。在本例的情况下，在两个对接面的上端缘G，从处于该上端缘G的两个焊接端部E1、E2这两方呈连续的多个环状地扫描激光束，而朝着焊接中央部C形成熔池。并且，在焊接中央部C处结束各个激光束的扫描。此时，可以从两个焊接端部E1、E2双方同时开始激光束的扫描，但也可以在从一个焊接端部E1朝着焊接中央部C扫描激光束之后，从另一个焊接端部E2朝着焊接中心部C扫描激光束。本例中的其他结构及作用与图8的结构相同。也可以使本例的结构与其他的任一结构组合。
图13为用于对在图12B所示的激光焊接方法中，激光束40a、40b的照射部从两侧的焊接端部E1、E2接近并且两个熔池碰撞时的不良情况进行说明的与图12B对应的图。图14为表示在图12B所示的情况下在两个熔池碰撞后，在一个线圈线25的前端部25a处的焊接部35上形成有凹部38的状态的图。
如图12B所示，激光束40a、40b在从两个焊接端部E1、E2朝着焊接中央部C扫描激光束的情况下，根据激光束的环的形成方向，两个线圈线25的前端部25a处的焊接面积有可能下降。具体而言，如图13所示，通过两个激光束40a、40b的照射所形成的两个熔池在从两个焊接端部E1、E2朝着焊接中央部如图13的箭头β那样接近并相互挤压时，由于熔池的热能的急剧上升而导致一部分飞散，从而有可能在一个(图13的上侧)线圈线25上产生飞散部37。熔池是铜等金属材料制的线圈线25的母材熔融而得到的，所以在其飞散的情况下，在熔池的固化状态下母材的局部减少，从而如图14所示，在线圈线25的焊接部35上产生凹部38。在该情况下，两个线圈线25的前端部25a的焊接面积减少，从而焊接强度有可能下降。例如，在通过接下来说明的图15A、图15B所示的方法来形成激光束40a、40b的环41的情况下，会产生上述熔池的飞散。
图15A为表示产生图13所示的不良情况时的激光束40a、40b的照射轨迹的一例的图。图15B为表示产生图13所示的不良情况时的激光束的照射轨迹的另一例的图。图15A示出了由两个激光束40a、40b形成的两个环41的形成方向相反的情况，图15B示出了相同的情况。在图15A、图15B中，通过点T1、T2示出了两个激光束40a、40b的在相同时间点的两个照射部。在图15A、图15B的任一个情况下，均同时接近单点划线γ上的成为焊接中央部的部分。由此，由两个激光束40a、40b形成的两个熔池相互挤压，容易产生上述不良情况。
图16A、图16B分别为表示在为了消除这种不良情况而发明的实施方式的另一例的激光焊接方法中的激光束40a、40b的照射轨迹的图。在图16A所示的另一例中，与图15A的情况相同，通过两个激光束40a、40b形成的两个环41的形成方向相反。如图12B那样在两个线圈线的对接面上端缘，从两个焊接端部呈连续的多个环状地扫描激光束而在焊接部的中央型成熔池。在图16A中，在该情况下在一个(图16A中的左侧)环41上的激光束40a的点T3位置的照射部位于焊接中央部侧端部(图16A的右端部)时，另一个(图16A中的右侧)环41上的激光束40b的点T4位置的照射部位于与成为焊接中央部的一侧相反的一侧的端部(图16A中的右端部)。在图16A中，能够使两个激光束40a、40b的间隔d1大于图15A的情况下的间隔d2，所以不易产生熔池的飞散。
在图16B所示的另一例中，与图15B的情况相同，由两个激光束形成的两个环41的形成方向相同。如图12B那样在两个线圈线的对接面上端缘，从两个焊接端部呈连续的多个环状地扫描激光束而在焊接部的中央型成熔池。在图16B中，在该情况下，在一个(图16B中的左侧)环41上的激光束的照射部位于焊接中央部侧的端部(点T3位置)时，另一个(图16B中的右侧)环41上的激光束的照射部位于与成为焊接中央部的一侧相反的一侧的端部(点T4位置)。在图16B所示的情况下，也与图16A相同地，能够使两个激光束的间隔大于图15B的情况下的间隔，所以不易产生熔池的飞散。

Claims (7)

1.一种线圈线的激光焊接方法，通过向将两个线圈线的前端部侧面对接在一起的对接面的上端缘照射激光束，而对所述两个线圈线进行焊接，其中，
从一个或两个焊接端部，呈连续的多个环状地向所述两个线圈线的对接面上端缘扫描所述激光束而在焊接部的中央形成熔池，控制所述激光束的环的移动间距、环面积、激光扫描速度及激光输出中的至少一个，以使所述焊接部的中央部处的所述熔池的焊接深度大于其他部分的焊接深度的方式进行焊接。
2.根据权利要求1所述的线圈线的激光焊接方法，其中，
以使多个所述环的移动间距在所述两个焊接端部附近增大、在所述焊接部的中央部附近减小的方式对所述两个线圈线进行焊接。
3.根据权利要求1所述的线圈线的激光焊接方法，其中，
以使多个所述环的环面积在所述两个焊接端部附近增大、在所述焊接部的中央部附近减小的方式对所述两个线圈线进行焊接。
4.根据权利要求1所述的线圈线的激光焊接方法，其中，
以使所述激光扫描速度在所述两个焊接端部附近升高、在所述焊接部的中央部附近降低的方式对所述两个线圈线进行焊接。
5.根据权利要求1所述的线圈线的激光焊接方法，其中，
以使所述激光输出在所述两个焊接端部附近降低、在所述焊接部的中央部附近升高的方式对所述两个线圈线进行焊接。
6.根据权利要求1所述的线圈线的激光焊接方法，其中，
在形成连接位于所述两个线圈线的对接面的上端缘上的所述两个焊接端部的焊接端的焊接部的焊接工序之前，进行沿着一个所述线圈线的厚度方向呈环状地扫描激光束而形成熔池的预备照射工序。
7.根据权利要求1所述的线圈线的激光焊接方法，其中，
当在所述两个线圈线的对接面上端缘从所述两个焊接端部呈连续的多个环状地扫描所述激光束而在所述焊接部的中央形成所述熔池的情况下，以如下的方式对所述两个线圈线进行焊接：在由两个所述激光束形成且相互接近的两个所述环中，一个所述环上的所述激光束的照射部位于所述焊接部的中央部侧的端部时，另一个所述环上的所述激光束的照射部位于与成为所述焊接部的中央部的一侧相反一侧的端部。
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