CN113543923A - 发夹焊接方法和发夹焊接装置 - Google Patents

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Abstract

在根据本发明的发夹焊接方法中，借助于激光束(4)将两个铜线(3)的齐平地并排布置的线材端部(2)相互焊接在一起，所述发夹焊接方法包括产生具有在端侧到达所述线材端部(2)上的射束横截面(7)的激光束(4)，所述射束横截面具有圆形的芯区域(8)和尤其直接地包围所述芯区域(8)的环区域(9)，其中，所述环区域(9)的外直径(dR)与所述芯区域(8)的直径(dK)的比例在7：1和2:1之间，并且在所述芯区域(8)中的激光功率与在所述环区域(9)中的激光功率的比例在10:90和70:30之间。

Description

发夹焊接方法和发夹焊接装置
技术领域
本发明涉及一种发夹焊接方法，在该发夹焊接方法中，借助于激光束将至少两个铜线的齐平地并排布置的线材端部相互焊接在一起，并且本发明涉及一种对应的发夹焊接装置。
背景技术
例如由EP 3 292 940 A1已知这类发夹焊接方法。
为了构造电动机中的定子，已知提供一种由绝缘的材料构造的定子护罩，将由导电的材料、优选铜制成的所谓的发夹引入所述定子护罩中。发夹能够例如夹子状地或者线式地构造并且在其引入到定子护罩中之后相对彼此平行而置并且基本上在定子或者电动机的轴向方向上存在于定子护罩中。在定子护罩周围，多个这样的发夹被引入到定子护罩中，所述发夹在装配或者生产期间首先不具有到彼此的机械式的和导电的连接。发夹的相应的自由端部在引入定子护罩中之后和在可能的变形和/或缩短和可能的预处理(例如脱漆)之后、然后为了构造完整的定子绕组而优选成对地相互接合在一起，例如通过焊接接合在一起。通过接合，在相应的发夹对的自由端部之间不但建立机械式连接而且建立导电的连接，从而在引入之后首先使单个的当前的发夹现在连接。通过发夹的接合能够构造机械式地和导电地相互连接的、贯通的定子绕组。
发夹大多具有方形的或者矩形的横截面，所述横截面的横截面面积比构造用于卷绕的线材的横截面面积大得多。由此实现相对于线材提高的电流。电动机的有效功率的可由此实现的提高尤其在用于机动车的电动机的情况下是有利的，因为所述电动机必须满足非常高的功率要求。
用于在电动交通领域中的电动机生产的发夹的焊接是大多基于激光的方法，在该方法中，两个铜线的矩形横截面的端部在端侧相互焊接在一起。通常，在这里具有礼帽式射束形廓的NIR激光与射束振荡技术(如其在EP 3 292 940 A1说明)组合地使用。在此，在焊接过程期间，不但出现溅液(所述溅液导致在周围构件上的污染并且提高其短路风险)而且在焊缝(焊珠)中出现孔，所述孔降低电传导能力和机械强度。所述溅液和孔在电动机生产中导致高的废品率。
发明内容
与之相对地，本发明以下述任务为基础：在发夹焊接中，减少溅液和孔的出现以及给出一种对应的发夹焊接装置。
根据本发明，该任务通过下述方式解决：产生具有在端侧到达线材端部上的射束横截面的激光束，所述射束横截面具有圆形的芯区域和尤其直接地包围芯区域的环区域，其中
-环区域的外直径与芯区域的直径的比例在7：1和2：1之间、优选在5：1和2：1之间，特别优选大约4：1、大约3.5：1、大约3：1或者大约2.6：1，和
-在芯区域中的激光功率与在环区域中的激光功率的比例在10：90和70：30之间、优选在25：75和50：50之间，特别优选大约30：70。
根据本发明，射束横截面具有内部的芯区域和外部的环区域，所述芯区域和环区域相对彼此处于确定的尺寸比例和强度比例关系中并且所述芯区域和环区域影响工艺，使得出现明显更少的孔和溅液。当钥孔构成拱出部、产生超压和熔液在此爆炸式地经由打开的钥孔喷出时，拉长的钥孔的不稳定性导致溅液。当在拉长的钥孔中的不稳定性产生在下方端部上的拱出部(所述拱出部脱离)，则产生孔，其中，在工艺结束时的内爆更多地导致孔。在环区域中的激光功率导致钥孔的稳定化并且因此导致熔池动态的镇静，由此减少溅液的出现。在环区域中的激光功率导致楔形地打开的或者在上方扩开的钥孔，所述钥孔在下方区域中能够较少地收缩，并且因此改进脱气并且对抗孔的出现。试验表明，为了减少溅液，在芯区域中的10-50％的功率比例是必需地特别有利的，并且为了减少孔，在芯中的10-30％的功率比例是必需地特别有利的。已发现在芯区域中大约30％的功率比例是最优的。
优选地，在芯区域中的激光功率为至少0.9kW，以便工艺可靠地产生钥孔。波长为例如1030nm，但是其它的波长也是可行的，例如515nm或者450nm。
如试验进一步表明地，在线材端部上的点直径也必须对于发夹焊接最优地设定。优选地，芯区域的点直径在50μm和340μm之间、优选在75μm和200μm之间，尤其大约85μm、大约136μm或者170μm，并且环区域的点外直径在250μm和1200μm之间、优选在300μm和700μm之间，优选大约340μm、大约408μm、大约442μm或者大约680μm。已发现芯区域的85μm的点直径和环区域的340μm的点外直径是最优的。
优选地，激光束尤其以总是相同的线性运动或者在总是相同的圆形轨道(“射束振荡”)中在线材端部的两个端面上运动，以便在两个端面上产生熔化了的焊珠。激光束以一速度在线材端部的两个端面上运动，所述速度(“振荡进给”)有利地在200mm/s和1600mm/s之间，其中，在800mm/s时实现最好的结果。
在一种特别优选的方法变型中，借助于双纤维产生到达线材端部上的射束横截面，所述双纤维具有芯纤维和包围所述芯纤维的环纤维。在此，激光束不但耦入芯纤维中而且耦入环纤维中，其中，被耦入到双纤维中的激光功率以在10：90和50：50之间、优选在20：80和40：60之间的比例、特别优选地以大约30：70的比例分配到芯纤维和环纤维上。
优选地，环纤维的外直径与芯纤维的直径的比例在5：1和3：1之间，优选地大约4：1。优选地，芯纤维的直径在25μm和250μm之间、优选在50μm和200μm之间，特别优选大约50μm、大约80μm、大约100μm或者大约200μm，并且环纤维的外直径在150μm和800μm之间、优选在200μm和700μm之间，特别优选大约200μm、大约240μm、大约260μm、大约400μm或者大约700μm。这能够例如通过具有100μm/400μm的直径或者具有50μm/200μm的直径的双纤维实现。能够使用另外的直径比例，例如100μm/260μm或者80μm/240μm或者类似的。在试验中表明，在构像相同的情况下，与100μm/400μm纤维相比，工艺效率能够通过使用50μm/200μm纤维提高，这又导致在激光功率相同的情况下较短的工艺时间。
激光束在线材端部上的定位能够借助于基于摄像机的传感器系统进行，以便尤其能够相应于接合情形调整振荡位置和振荡几何结构。
本发明也涉及一种用于借助于激光束焊接两个铜线的齐平地并排布置的线材端部的发夹焊接装置，所述发夹焊接装置具有用于产生激光束的激光束产生器和具有布置在激光束的射束路径中的、用于产生到线材端部上的射束横截面的射束成形光学装置，所述射束横截面具有圆形的芯区域和尤其直接地包围芯区域的环区域。
附图说明
从说明书、权利要求和附图得出本发明的主题的另外的优点和有利的构型。同样地，以上所提到的和还进一步举出的特征各自单独地或者多个地以任意组合使用。所示出的和所说明的实施方式不可理解为穷举，而更确切地说具有对于本发明的叙述示例性的特性。其示出：
图1用于焊接发夹的示意性的根据本发明的发夹焊接装置；
图2a，2b到达发夹上的激光束的两种强度曲线；和
图3激光束在发夹的端面上的振荡。
具体实施方式
在图1中所示出的发夹焊接装置1用于借助于激光束4焊接两个铜线3的齐平地并排布置的线材端部2。发夹焊接装置1包括用于产生激光束4(波长1030nm，功率5kW)的激光束产生器5和布置在激光束4的射束路径中用于产生到线材端部2上的射束横截面7的射束成形光学装置6，所述射束横截面具有圆形的芯区域8和直接地包围芯区域8的圆形的环区域9。
射束成形光学装置6由具有芯纤维11和具有包围芯纤维10的环纤维12的双纤维10以及由例如呈布置在射束路径中的楔式板形式的耦入光学装置13构成，所述耦入光学装置将激光束4同时耦入芯纤维8中和环纤维9中。环纤维12与芯纤维11的直径比例dR/dK优选为4：1，这例如能够通过具有200μm/50μm的直径或者具有400μm/100μm的直径的双纤维10实现。耦入光学装置13将激光束4同时耦入芯纤维11中和环纤维12中，更确切地说以大约30：70的比例耦入到芯纤维8上和环纤维9上。在1.7：1的增大的情况下，在具有50μm/200μm的直径的双纤维10中，芯区域8在线材端部2上的点直径sK为大约85μm并且环区域9在线材端部2上的点外直径sR为大约340μm。
激光束4在线材端部2上的定位借助于基于摄像机的传感器系统14进行。
图2a，2b示出到达线材端部2的两个端面15上的激光束4的两种可行的强度曲线。在图2a中，环区域9具有其自身的强度最大值，而在图2b中在环区域9中的强度在径向上向外连续地减小。如伦琴射线测量表明地，在环区域9中的激光功率导致楔形地打开的钥孔，所述钥孔在下方区域中不能收缩并且因而改进脱气并且对抗孔的出现。在环区域9中的激光功率导致钥孔的稳定化并且因此导致熔池动态的镇静，由此减少溅液和孔的出现。
激光束4以总是相同的线性运动或者如在图3中所示出地在总是相同的圆形轨道(“射束振荡”)16中巡历线材端部2的两个端面15，以便在两个端面15上产生熔化了的焊珠。即，激光束4在相同的位置上的圆中运动，其中，圆直径大致相当于两个端面15的宽度。激光束4以一速度在两个端面15上运动，该速度(“振荡进给”)最优为800mm/s。

Claims (17)

1.一种发夹焊接方法，在所述发夹焊接方法中，借助于激光束(4)将至少两个铜线(3)的齐平地并排布置的线材端部(2)相互焊接在一起，其特征在于：产生具有在端侧到达所述线材端部(2)上的射束横截面(7)的激光束(4)，所述射束横截面具有圆形的芯区域(8)和尤其直接地包围所述芯区域(8)的环区域(9)，其中
-所述环区域(9)的外直径(dR)与所述芯区域(8)的直径(dK)的比例在7：1和2:1之间、优选在5:1和2:1之间、特别优选大约4:1、大约3.5:1、大约3:1或者大约2.6:1，和
-在所述芯区域(8)中的激光功率与在所述环区域(9)中的激光功率的比例在10：90和70：30之间、优选在25：75和50：50之间，特别优选大约30：70。
2.根据权利要求1所述的发夹焊接方法，其特征在于，在所述芯区域(8)中的激光功率为至少0.9kW。
3.根据权利要求1或2所述的发夹焊接方法，其特征在于，所述芯区域(8)在所述线材端部(2)上的点直径(sK)在50μm和340μm之间、优选在75μm和200μm之间，尤其大约85μm、大约136μm或者170μm。
4.根据以上权利要求中任一项所述的发夹焊接方法，其特征在于，所述环区域(9)在所述线材端部(2)上的点外直径(sR)在250μm和1200μm之间、优选在300μm和700μm之间，优选大约340μm、大约408μm、大约442μm或者大约680μm。
5.根据以上权利要求中任一项所述的发夹焊接方法，其特征在于，所述激光束(4)尤其在总是相同的圆形轨道中在所述线材端部(2)的两个端面(15)上运动，以便在所述两个端面(15)上产生熔化的焊珠。
6.根据权利要求5所述的发夹焊接方法，其特征在于，所述激光束(4)以一速度在所述线材端部(2)的两个端面(15)上运动，所述速度在200mm/s和1600mm/s之间，优选大约800mm/s。
7.根据以上权利要求中任一项所述的发夹焊接方法，其特征在于，借助于双纤维(10)产生到达所述线材端部(2)上的射束横截面(7)，所述双纤维具有芯纤维(11)和包围所述芯纤维(11)的环纤维(12)，其中，所述激光束(4)不但耦入所述芯纤维(11)中而且耦入所述环纤维(12)中，其中，被耦入到所述双纤维(10)中的激光功率以在10：90和50：50之间、优选在20：80和40：60之间的比例、特别优选地以大约30：70的比例分配到所述芯纤维(8)和所述环纤维(9)上。
8.根据权利要求7所述的发夹焊接方法，其特征在于，所述环纤维(9)的外直径(dR)与所述芯纤维(8)的直径(dK)的比例在5：1和3：1之间，优选地大约4：1。
9.根据权利要求7或8所述的发夹焊接方法，其特征在于，所述芯纤维(8)的直径(dK)在25μm和250μm之间、优选在50μm和200μm之间，特别优选大约50μm、大约80μm、大约100μm或者大约200μm。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的发夹焊接方法，其特征在于，所述环纤维(9)的外直径(dR)在150μm和800μm之间、优选在200μm和700μm之间，特别优选大约200μm、大约240μm、大约260μm、大约400μm或者大约700μm。
11.根据以上权利要求中任一项所述的发夹焊接方法，其特征在于，所述激光束(4)在所述线材端部(2)上的定位借助于基于摄像机的传感器系统(14)进行。
12.一种用于借助于激光束(4)焊接两个铜线(3)的齐平地并排布置的线材端部(2)的发夹焊接装置(1)，
所述发夹焊接装置具有用于产生所述激光束(4)的激光束产生器(5)并且具有布置在所述激光束(4)的射束路径中的、用于产生到所述线材端部(2)上的射束横截面(7)的射束成形光学装置(6)，所述射束横截面具有圆形的芯区域(8)和尤其直接地包围所述芯区域(8)的环区域(9)。
13.根据权利要求12所述的发夹焊接装置(1)，其特征在于，所述射束成形光学装置(6)具有带有芯纤维(11)和带有包围所述芯纤维(10)的环纤维(12)的双纤维(10)以及耦入光学装置(13)，所述耦入光学装置将所述激光束(4)同时耦入所述芯纤维(11)中和所述环纤维(12)中。
14.根据权利要求13所述的发夹焊接装置，其特征在于，所述环纤维(12)的外直径(dR)与所述芯纤维(11)的直径(dK)的比例在5：1和3：1之间，优选大约4：1。
15.根据权利要求13或14所述的发夹焊接装置，其特征在于，所述芯纤维(11)的直径(dK)在25μm和250μm之间、优选在50μm和200μm之间，特别优选大约50μm、大约80μm、大约100μm或者大约200μm。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的发夹焊接装置，其特征在于，所述环纤维(12)的外直径(dR)在150μm和800μm之间、优选在200μm和700μm之间，特别优选大约200μm、大约240μm、大约260μm、大约400μm或者大约700μm。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的发夹焊接装置，其特征在于，具有基于摄像机的传感器系统(14)，所述传感器系统使所述激光束(4)定位在所述线材端部(2)上。
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