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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung zwischen einem Endstück eines Drahts und einer Auflagefläche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine entsprechende Schweißverbindung sowie einen entsprechenden Elektromotor.
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Im Stand der Technik sind sog. bürstenlose Elektromotoren bekannt, welche eine Vielzahl von gewickelten Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern sowie eine Vielzahl von Permanentmagneten umfassen. Die unterschiedlichen Spulen werden dabei üblicherweise dreiphasig bestromt, so dass im Ergebnis ein drehendes Magnetfeld erzeugt wird, welches durch Wechselwirkung mit den Magnetfeldern der Permanentmagneten zu einer Relativdrehung von Rotor und Stator des Elektromotors führt. Bei der Herstellung eines derartigen bürstenlosen Elektromotors müssen die Drahtenden einer jeden Spule mit den Kontaktflächen eines jeweils entsprechenden Stromleiters fest verbunden werden. Hierfür ist eine Reihe von Schweißverfahren, wie etwa das Laserschweißen, das Elektronenstrahlschweißen oder das Plasmaschweißen, bekannt.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 11 2011 105 658 T5 eine Schweißverbindung zwischen einem Ende eines Spulendrahts und einer Busschiene. Der Spulendraht ist dabei als Flachdraht mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, welcher parallel an die Busschiene anliegt. Die Busschiene wiederum weist einen sich zum Ende hin verjüngenden Abschnitt auf, der in Breitenrichtung bei Annäherung an das Spitzenende schmaler wird. Die schrägen Oberflächen, welche die sich verjüngende Form bilden, sind bevorzugt symmetrisch zueinander an den beiden jeweiligen Seiten. Zum Verschweißen des Endes des Spulendrahts mit der Busschiene werden beide Bauteile am jeweiligen Ende, welches zum Schweißen nach oben weist, erhitzt. Durch den sich verjüngenden Abschnitt der Busschiene wird die Schweißhitze vergleichsweise besser zu einem tiefer liegenden Punkt übertragen, so dass ein längerer Bereich geschweißt wird. Zusätzlich fließt das aufgeschweißte Material nach unten, so dass auch eine Schweißmaterialzone gebildet wird, die sich bis zu einer vergleichsweise tieferen Position erstreckt. Hierdurch kann eine vergleichsweise stabilere Verbindung des Spulendrahts mit der Busschiene erzielt werden.
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Aus der
US 5,591,360 ist ein Verfahren zum Verschweißen zweier Platten mittels hochenergetischer Strahlung bekannt. Die Platten werden dabei aneinander anliegend, aber mit einem Kantenversatz zueinander ausgerichtet, so dass sich die Kante einer der beiden Platten oberhalb der zu erzeugenden Schweißverbindung befindet. Diese Kante wird dann der hochenergetischen Strahlung ausgesetzt und aufgeschmolzen, wobei geschmolzenes Material an die Verbindungsstelle der beiden Platten fließt. Um diesen Fließvorgang zu unterstützen, können die beiden Platten während des Schweißens auch gegen die Horizontale geneigt werden. Dadurch wird es ermöglicht, auf eine Vorbereitung der zu verschweißenden Seiten der Platten vollständig oder weitestgehend zu verzichten.
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Der Anmelderin ist weiterhin ein Verfahren zum Verschweißen eines Endstücks eines Spulendrahts mit einer Kontaktfläche zum Bestromen des Spulendrahts bekannt. Der Spulendraht wird dabei mit einem Endstück auf die Kontaktfläche aufgelegt und anschließend mittels Strahlschweißens mit der Kontaktfläche verschweißt. Während des Strahlschweißens werden der Spulendraht und die Kontaktfläche horizontal gehalten.
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Die bekannten Verfahren zur Erzeugung von Schweißverbindungen bzw. die bekannten Schweißverbindungen sind jedoch insofern nachteilbehaftet, als dass die Schweißverbindungen unter ständiger Belastung, wie sie z.B. typischerweise im Betrieb eines Elektromotors durch Vibrationen auftritt, zum Brechen neigen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung zwischen einem Endstück eines Drahts und einer Auflagefläche vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung zwischen einem Endstück eines Drahts und einer Auflagefläche gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schweißverbindung zwischen einem Endstück eines Drahts und einer Auflagefläche, wobei der Draht mindestens mit dem Endstück auf die Auflagefläche aufgelegt wird und wobei das Endstück des Drahts mittels Strahlschweißens axial bis zu einer Übergangsstelle aufgeschmolzen wird, sodass aufgeschmolzenes Material des Endstücks auf die Auflagefläche fließt und an der Übergangsstelle durch Materialentzug eine Einschnürung entsteht. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Endstück und die Auflagefläche während des Erzeugens der Schweißverbindung derart gegen die Horizontale geneigt werden, so dass aufgeschmolzenes Material schwerkraftverursacht zur Übergangsstelle zurückfließt.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Einschnürung, welche durch den Materialentzug an der Übergangsstelle entsteht, und üblicherweise eine mechanische Schwachstelle in der Verbindung des Drahts mit der Auflagefläche bildet, durch das zurückfließende Material mechanisch verstärkt wird. Das Zurückfließen erfolgt dabei schwerkraftverursacht, also alleine aufgrund der auf das aufgeschmolzene Material wirkenden Schwerkraft. Insbesondere bei Belastung auf Zug sind die bekannten Schweißverbindungen durch die üblicherweise entstehende Einschnürung anfällig für Zerstörung. Somit entsteht also ohne zusätzlichen Aufwand, insbesondere ohne zusätzlichen Material- und Kostenaufwand, vorteilhaft eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich robustere Schweißverbindung alleine durch das beschriebene Neigen gegen die Horizontale.
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Die Einschnürung entsteht im Stand der Technik üblicherweise während des Schweißvorgangs durch das Abfließen des aufgeschmolzenen Materials, welches sich auch der Oberfläche der Auflagefläche ausbreitet und in der Regel mit ebenfalls aufgeschmolzenem Material der Auflagefläche eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. Dieses Abfließen bzw. Ausbreiten auf der Oberfläche der Auflagefläche entsteht dabei u.a. durch die Schwerkraft, welche das aufgeschmolzene Material möglichst flach auf die Oberfläche der Auflagefläche drängt und dabei zwangsläufig ausbreitet. Dies führt zu einem Materialentzug an der Übergangsstelle und somit zum Entstehen der Einschnürung. Ein weiterer Effekt, welcher den Materialentzug verschärft, sind Adhäsionskräfte zwischen dem aufgeschmolzenen Material des Drahts und der Oberfläche der Auflagefläche. Je stärker diese Adhäsionskräfte sind, desto mehr wird das aufgeschmolzene Material des Drahts auf der Oberfläche der Auflagefläche verteilt. Somit führt auch dies zu einem zunehmenden Materialentzug an der Übergangsstelle und einer Verschärfung der Einschnürung. Den beiden genannten Effekten stehen Kohäsionskräfte im aufgeschmolzenen Material des Drahts gegenüber, welche ein Ausbreiten auf der Oberfläche der Auflagefläche zu verhindern suchen. Je nach Verhältnis der genannten Effekte ist das aufgeschmolzene Material des Drahts auf der Oberfläche der Auflagefläche benetzend oder nicht benetzend. Bei einer benetzenden Wirkung ist der Materialentzug üblicherweise deutlich stärker ausgeprägt als bei nicht benetzender Wirkung. Da üblicherweise identische Metalle bzw. Legierungen oder zumindest weitgehend identische Legierungen miteinander verschweißt werden, tritt üblicherweise jedoch eine stark benetzende Wirkung auf und damit auch ein entsprechend stark ausgeprägter Materialentzug.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Draht und die Auflagefläche metallisch ausgebildet sind. Metalle eignen sich im Allgemeinen sehr gut zum Erzeugen von Schweißverbindungen.
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Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Draht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Auch die Auflagefläche besteht bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Dadurch wird eine sehr gute Verbindbarkeit des Materials des Drahts und des Materials der Auflagefläche gewährleistet. Zudem stellt Kupfer bzw. eine Kupferlegierung einen sehr guten elektrischen Stromleiter dar, sodass die Schweißverbindung entsprechend sehr gut zum Übertragen elektrischer Ströme geeignet ist.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Endstück des Drahts um das Endstück eines Spulendrahts einer Spule eines Elektromotors.
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Weiterhin bevorzugt handelt es sich bei der Auflagefläche um eine Stromschiene oder eine Kontaktstelle einer Stromschiene zur elektrischen Bestromung einer Spule eines Elektromotors.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Auflagefläche vor dem Schweißvorgang zumindest in einem zum Endstück benachbarten Bereich erhitzt wird. Daraus ergibt sich der Vorteil einer verbesserten und robusteren Verbindung des Endstücks des Drahts mit der Auflagefläche.
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Bevorzugt wird die Oberfläche der Auflagefläche zumindest in einem zum Endstück benachbarten Bereich aufgeschmolzen. Dies führt zu einer nochmals deutlich verbesserten Verbindung des Endstücks des Drahts mit der Auflagefläche, da durch die das Durchmischen von Material des Drahts mit Material der Auflagefläche eine stoffschlüssige Verbindung entsteht.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Erhitzen der Auflagefläche bzw. das Aufschmelzen der Auflagefläche ebenfalls mittels Strahlschweißens, insbesondere in einem gemeinsamen Schweißvorgang mit dem Erzeugen der Schweißverbindung zwischen dem Endstück des Drahts und der Auflagefläche.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Energiestrahl zum Erzeugen der Schweißverbindung mit konstanter axialer Vorschubgeschwindigkeit über das Endstück und/oder die Auflagefläche geführt wird. Beispielsweise kann der Energiestrahl zunächst über einen definierten Abschnitt der Auflagefläche geführt werden, um diese zu erhitzen oder aufzuschmelzen, und dann ausgehend vom axialen Ende des Endstücks des Drahts über das Endstück bzw. den Draht geführt werden, bis er die Übergangsstelle erreicht.
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Es ist dabei gleichermaßen bevorzugt, dass entweder der Energiestrahl über das Endstück bzw. die Auflagefläche geführt wird oder dass das Endstück bzw. die Auflagefläche unter dem Energiestrahl geführt werden. In ersterem Fall sind das Endstück bzw. die Auflagefläche ortsfest, in letzterem Falle der Energiestrahl.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der axialen Vorschubgeschwindigkeit ein laterales und/oder ein longitudinales Bewegungsmuster des Energiestrahls überlagert wird. Dies ermöglicht das Erhitzen bzw. Bestrahlen eines größeren Anteils des Auflagefläche, indem der Energiestrahl z.B. lateral von seiner Axialbewegung bzw. Longitudinalbewegung weg geführt wird. Durch eine Überlagerung mit einem longitudinalen Bewegungsmuster kann der Energiestrahl über bestimmte Bereiche langsamer bzw. schneller geführt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Energiestrahl ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein Plasmastrahl ist. Verfahren zum Erzeugen von Schweißverbindungen mittels der genannten Energiestrahlen sind hinsichtlich ihrer Prozessparameter wie etwa Energieeintrag, Materialtemperatur und Aufschmelztiefe gut zu kontrollieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Energiestrahl senkrecht über die geneigte Auflagefläche und das geneigte Endstück geführt wird. Dies hat sich als besonders geeignet erwiesen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Neigung der Auflagefläche und des Endstücks nach Maßgabe einer Benetzungsfähigkeit des aufgeschmolzenen Materials des Drahts auf der Auflagefläche eingestellt wird. Indem die Neigung abhängig von der Benetzungsfähigkeit eingestellt wird, kann die Materialmenge, die zur Übergangsstelle zurückfließt, jeweils bestmöglich eingestellt werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schweißverbindung zwischen einem Endstück eines Drahts und einer Auflagefläche. Die erfindungsgemäße Schweißverbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schweißverbindung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wurde. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Schweißverbindung.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Endstück des Drahts um das Endstück eines Spulendrahts einer Spule eines Elektromotors.
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Der Draht kann wahlweise einen kreisförmigen, ovalen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen.
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Weiterhin bevorzugt handelt es sich bei der Auflagefläche um eine Stromschiene oder eine Kontaktstelle einer Stromschiene zur elektrischen Bestromung einer Spule eines Elektromotors.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Draht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und/oder die Auflagefläche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Dadurch wird einerseits eine sehr gute Verbindbarkeit des Materials des Drahts und des Materials der Auflagefläche gewährleistet. Andererseits stellt Kupfer bzw. eine Kupferlegierung einen sehr guten elektrischen Stromleiter dar, sodass die Schweißverbindung auch hervorragend zum Übertragen elektrischer Ströme geeignet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Auflagefläche auf einer dem Endstück zugewandten Seite konvex oder u-förmig ausgebildet ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine Übergangsstelle, bis zu welcher das Endstück des Drahts mittels Strahlschweißens axial aufgeschmolzen wird, mittig auf der konvexen oder u-förmigen Ausbildung der Auflagefläche angeordnet werden kann, wodurch aufgeschmolzenes Material nicht nur schwerkraftverursacht aufgrund der Neigung aus der aufwärts geneigten Richtung zur Übergangsstelle zurückfließt, sondern auch aus den beiden Seitenrichtungen, welche lateral des Endstücks ansteigen und somit ebenfalls zu einem schwerkraftverursachten Zurückfließen des aufgeschmolzenen Materials aus den beiden Seitenrichtungen führen.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Elektromotor, umfassend eine Vielzahl von aus Draht gewickelten Spulen und eine Vielzahl von Auflageflächen, wobei jeweils ein Endstück eines jeden Drahts mittels einer Schweißverbindung mit jeweils einer Auflagefläche verschweißt ist. Der erfindungsgemäße Elektromotor zeichnet sich dadurch aus, dass die Schweißverbindung eine erfindungsgemäße Schweißverbindung ist. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schweißverbindung beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Elektromotor.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 beispielhaft und schematisch einen Draht mit einem Endstück, welche auf einer Auflagefläche aufliegen,
- 2 beispielhaft und schematisch einen Draht mit einem Endstück, welche auf einer Auflagefläche aufliegen, wobei der Draht mit dem Endstück und die Auflagefläche gegen die Horizontale geneigt sind und
- 3 beispielhaft und schematisch eine Auflagefläche, die auf der dem Endstück bzw. dem Draht zugewandten Seite v-förmig ausgebildet ist.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Draht 1 mit einem Endstück 2, welche auf einer Auflagefläche 3 aufliegen. An einer Übergangsstelle 5 geht der Draht 1 in das Endstück 2 über. Die 1a zeigt dabei eine Seitenansicht während die 1b eine Draufsicht zeigt. Sowohl der Draht 1 mit dem Endstück 2 als auch die Auflagefläche 3 bestehen beispielsgemäß aus einer Kupferlegierung, welche sich sehr gut als elektrischer Stromleiter eignet. Bei dem Draht 1 handelt es sich um den Spulendraht eine gewickelten Spule eines Elektromotors und bei der Auflagefläche 3 handelt es sich um einen Abschnitt einer Stromschiene zur elektrischen Bestromung der Spule. Sowohl die Auflagefläche 3 als auch der Draht 1 sind horizontal ausgerichtet, wie es im Stand der Technik üblich ist. Weiterhin zu sehen ist der Energiestrahl 4 in 1a, bei welchem es sich um einen Elektronenstrahl 4 einer (nicht dargestellten) Elektronenstrahlschweißanlage handelt. Der Elektronenstrahl 4 ist in der Darstellung der 1a axial beabstandet zum Endstück 2 des Drahts 1 dargestellt. Der Energiestrahl 4 beginnt nun, die Auflagefläche 3 im Bereich axial vor dem Endstück 2 zu erhitzen und aufzuschmelzen. Gleichzeitig wird der Elektronenstrahl 4 mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit axial über die Auflagefläche 3 und das Endstück 2 bis zur Übergangsstelle 5 geführt. Dabei schmilzt das Material der Auflagefläche 3 überall dort auf, wo es vom Elektronenstrahl 4 bestrahlt wird. Ebenso schmilzt das Material des Endstücks 2 auf. Aufgrund der Schwerkraft und infolge von Adhäsionskräften zwischen dem Material des Endstücks 2 bzw. des Drahts 1 und der Auflagefläche 3 fließt das aufgeschmolzene Material des Endstücks 2 ab und breitet sich auf einer Oberfläche der Auflagefläche 3 aus. Die dieser Ausbreitung entgegenwirkenden Kohäsionskräfte sind vergleichsweise zu schwach, um das Abfließen und Ausbreiten in einem nur geringfügigen Rahmen zu halten. Zwischen dem aufgeschmolzenen Material des Endstücks 2 und der Oberfläche der Auflagefläche 3 tritt eine benetzende Wirkung auf. Dies führt zu einem Materialentzug und damit zu einer Einschnürung 6 an der Übergangsstelle 5, welche einen mechanischen Schwachpunkt der Verbindung zwischen dem Draht 1 und der Auflagefläche 3 darstellt. Dies ist schematisch in 1c zu sehen, welche die gemäß dem Stand der Technik erzeugte Schweißverbindung zwischen dem Endstück 2 des Drahts 1 und der Auflagefläche 3 zeigt. Das Endstück 2 ist komplett aufgeschmolzen und mit dem Material der Auflagefläche 3 eine stoffschlüssige Verbindung eingegangen. Bei einer mechanischen Belastung, insbesondere auf Zug, löst sich in der Regel nicht die solcherart hergestellte Schweißverbindung 7, sondern der Draht 1 bricht an der Einschnürung 6, wodurch in Folge die Spule nicht mehr bestromt werden kann.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßens Erzeugens einer Schweißverbindung 7 zwischen dem Endstück 2 des Drahts 1 und der Auflagefläche 3. Auch hier wird zunächst der Draht 1 mit dem Endstück2 auf die Auflagefläche 3 aufgelegt (2a). Im Gegensatz zum aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren (siehe 1) jedoch werden das Endstück 2 und die Auflagefläche 3 während des Erzeugens der Schweißverbindung 7 um einen Winkel θ gegen die Horizontale geneigt. Der Winkel θ wird dabei nach Maßgabe einer Benetzungsfähigkeit des aufgeschmolzenen Materials des Drahts 1 auf der Auflagefläche 3 eingestellt. Je größer die Benetzungsfähigkeit ist, desto größer wird auch der Winkel θ gewählt, da mit zunehmendem Winkel θ auch die Rückführwirkung der Schwerkraft auf das aufgeschmolzene und abgeflossene Material verstärkt wird. Der Elektronenstrahl 4 wird auch im Ausführungsbeispiel der 2 axial über die Auflagefläche 3 und das Endstück 2 geführt, um Material sowohl der Auflagefläche 3 als auch des Endstücks 2 aufzuschmelzen. Auch im Ausführungsbeispiel der 2 wirkt das aufgeschmolzene Material des Endstücks 2 benetzend auf der Oberfläche der Auflagefläche 3, sodass die wirkenden Adhäsionskräfte einem Materialentzug und der Entstehung einer Einschnürung 6 an der Übergangsstelle 5 Vorschub leisten. Durch die Neigung um den Winkel θ jedoch fließt Material, das vom Elektronenstrahl 4 aufgeschmolzen wurde, aufgrund der wirkenden Schwerkraft, also schwerkraftverursacht, zurück zur Übergangsstelle 5 und kompensiert den Materialentzug. Dies erhöht die mechanische Robustheit der Schweißverbindung 7 und verbessert insbesondere die Abrissfestigkeit des Drahts 1 auf der Auflagefläche 3.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch eine Auflagefläche 3, die auf der dem Endstück 2 bzw. dem Draht 1 zugewandten Seite v-förmig ausgebildet ist. Durch die v-förmige Ausbildung wird aufgeschmolzenes Material (nicht dargestellt in 3) des Endstücks 5, welches lateral abfließt, schwerkraftverursacht zurück zur Übergangsstelle 5 gedrängt. Sofern das Endstück 3 weiterhin für das Strahlschweißen gegen die Horizontale geneigt wird, wird auch aufgeschmolzenes Material, welches axial bzw. longitudinal abgeflossen ist, schwerkraftverursacht zurück zur Übergangsstelle 5 gedrängt. Durch die v-förmige Ausbildung kann somit der größte Teil des abgeflossenen Materials zurück zur Übergangsstelle 5 gedrängt werden, um den dort drohenden Materialentzug zu vermeiden bzw. auszugleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Draht
- 2
- Endstück
- 3
- Auflagefläche
- 4
- Energiestrahl, Elektronenstrahl
- 5
- Übergangsstelle
- 6
- Einschnürung
- 7
- Schweißverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112011105658 T5 [0003]
- US 5591360 [0004]
