DE102020116202A1

DE102020116202A1 - Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Hairpins

Info

Publication number: DE102020116202A1
Application number: DE102020116202.2A
Authority: DE
Inventors: Tim Hesse; Oliver Bocksrocker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2021-12-23
Also published as: WO2021255066A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Hairpins (30, 32), insbesondere zur Ausbildung einer Statorwicklung für einen Stator eines Elektromotors, umfassend das Anordnen von mindestens zwei Hairpins (30, 32) in einer Fügeposition zur Ausbildung einer mindestens zwei Absorptionsteilflächen (300, 320) umfassenden Absorptionsfläche (3) und Beaufschlagen der Absorptionsfläche (3) mit einem Bearbeitungsstrahl (2) zum Laserstrahlschweißen der Hairpins (30, 32), wobei die Absorptionsteilflächen (300, 320) in der Fügeposition so orientiert werden, dass deren Oberflächennormalen einen Winkel (α) einschließen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Hairpins, insbesondere zur Ausbildung einer Statorwicklung für einen Stator eines Elektromotors, sowie ein Verfahren zum Bereitstellen eines ersten Hairpins und eines zweiten Hairpins, die zur Ausbildung einer Statorwicklung eines Stators eines Elektromotors vorgesehen sind.
Stand der Technik
Zur Ausbildung von Statoren in Elektromotoren ist es bekannt, einen aus einem isolierenden Material ausgebildeten Statorkäfig bereitzustellen, in welchen stabförmige Leiter, sogenannte Hairpins, aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt Kupfer, eingeschoben, eingesteckt oder beispielsweise mittels Druckluft eingeschossen werden. Hierfür weist der Statorkäfig mehrere Nuten auf, in welche die stabförmigen Leiter einbringbar sind und welche über den Umfang des Statorkäfigs verteilt sind. Die Nuten erstrecken sich hierbei im Wesentlichen in einer Axialrichtung des Stators. Die stabförmigen Leiter liegen somit nach ihrem Einbringen in den Statorkäfig parallel zueinander ebenfalls in Axialrichtung. Die stabförmigen Leiter können beispielsweise klammerförmig oder linear ausgebildet sein und liegen nach ihrem Einbringen in den Statorkäfig parallel zueinander und im Wesentlichen in Axialrichtung des Stators beziehungsweise des Elektromotors in dem Statorkäfig vor. Um den Umfang des Statorkäfigs herum wird eine Vielzahl solcher Hairpins in den Statorkäfig eingebracht, die zunächst keine mechanische und elektrische Verbindung zueinander aufweisen.
Die jeweiligen freien Enden der Hairpins werden nach deren Einbringen in den Statorkäfig und nach einer eventuellen Umformung und/oder Kürzung und einer eventuellen Vorbehandlung, insbesondere nach einer teilweisen Entlackung, zur Ausbildung einer vollständigen Statorwicklung miteinander gefügt, beispielsweise durch Verschweißen oder Löten. Durch das Fügen wird sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Enden der jeweiligen Hairpins der hergestellt, so dass die zunächst nach dem Einbringen einzeln vorliegenden Hairpins nun untereinander verbunden sind. Damit kann dann eine mechanisch und elektrisch miteinander verbundene, durchgehende Statorwicklung ausgebildet werden.
Die Verwendung von Hairpins anstelle einer durchgängigen Drahtwicklung kann beispielsweise Vorteile bei der Herstellung des jeweiligen Stators bieten, da die Hairpins einfach linear in den Statorkäfig eingeschossen oder eingeschoben werden können. Es können auch mehrere oder alle Hairpins gleichzeitig eingebracht werden, so dass damit ein langwieriger Wicklungsvorgang entfällt.
Die verwendeten Hairpins weisen weiterhin üblicherweise einen im Wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf, sodass bei einer entsprechend eng nebeneinanderliegenden Anordnung der Hairpins im Statorkäfig der Füllfaktor mit dem leitenden Material der Hairpins, beispielsweise dem Kupfer, gegenüber einer Ausbildung durch eine herkömmliche Statorwicklung mit einem einen runden Querschnitt aufweisenden Draht erheblich verbessert werden kann. Entsprechend kann der Wirkungsgrad eines Elektromotors aufgrund des erhöhten Füllfaktors verbessert werden und/oder der Materialverbrauch für die Ausbildung einer Statorwicklung kann reduziert werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die stabförmigen Leiter, unabhängig von der Querschnittgeometrie, eine wesentlich größere Querschnittsfläche aufweisen als der für eine herkömmliche Statorwicklung verwendete Draht, wodurch die elektrische Leitfähigkeit signifikant erhöht werden kann. Dies ist insbesondere bei Elektromotoren für Kraftfahrzeuge vorteilhaft, da diese sehr hohen Leistungsanforderungen gerecht werden müssen.
Die Ausbildung einer herkömmlichen Wicklung mit einem einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisenden Kupfer-Hairpin ist wegen der geometriebedingt auftretenden Spannungen jedoch nicht möglich, so dass die Kupfer-Hairpins nur in der genannten, quasi stabförmig linearen Ausbildung in den Statorkäfig eingebracht werden können.
Vor dem Fügen der Enden der Hairpins zur Herstellung einer durchgehenden Statorwicklung wird üblicher Weise eine auf die Hairpins aufgebrachte Beschichtung in dem Bereich der Enden, an welchen das Fügen stattfinden soll, entfernt. Dieses Entfernen der Beschichtung kann beispielsweise mechanisch, chemisch oder mittels Lasers durchgeführt werden.
Vor dem Fügen der Hairpins können diese auch für das Fügen geometrisch eingerichtet und ausgerichtet werden, beispielsweise gekürzt, umgeformt und zusammengefasst werden, wobei das Zusammenfassen beispielsweise durch ein mechanisches Klammern der zu fügenden Enden der Hairpins erreicht werden kann.
Nach Abschluss der Vorbereitungen werden die jeweiligen miteinander zu fügenden Enden der Hairpins dann tatsächlich miteinander gefügt, beispielsweise durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl im nahen Infrarot (NIR), beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1030 nm. Das Laserstrahlschweißen der Hairpins findet üblicherweise als Tiefschweißprozess unter Ausbildung einer Dampfkapillare statt.
Beispielsweise ist aus DE102019202317A1 ein Verfahren zum Fügen zweier Bauteile mit Wellenlängen von etwa 450nm bekannt, wobei sich der Spalt zwischen den Bauteilen verjüngt. Beim Verschweißen von Kupfer-Hairpins mit bekannten Verfahren unter Verwendung von Bearbeitungsstrahlen bei Wellenlängen von 1030nm kann die Absorption der Energie des Bearbeitungsstrahls in dem Material des Hairpins jedoch aufgrund wechselnder Oberflächeneigenschaften von Hairpin zu Hairpin unregelmäßig sein, sodass entsprechend die eingebrachte Energie und somit das aufgeschmolzene Materialvolumen schwanken können, so dass es zu einem unregelmäßigen Fügeergebnis bei aufeinanderfolgenden Fügeprozessen mehrerer Hairpin-Paarungen kommen kann. Mit anderen Worten kann es sich um einen instabilen Prozess handeln, wobei gerade bei der Fertigung von Elektromotoren eine möglichst hohe, gleichbleibende Güte der Schweißung bei möglichst geringer Taktzeit von äußerster Wichtigkeit ist.
Weiterhin ist das Laserstrahlschweißen von aus Kupfer bestehenden Hairpins häufig von Spritzern und Auswürfen sowie von der Ausbildung von Prozessporen in der erstarrten Schmelze begleitet.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Fügen zweier Hairpins weiter zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Fügen von Hairpins mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Hairpins, insbesondere zur Ausbildung einer Statorwicklung für einen Stator eines Elektromotors, vorgeschlagen, umfassend das Anordnen von mindestens zwei Hairpins in einer Fügeposition zur Ausbildung einer mindestens zwei Absorptionsteilflächen umfassenden Absorptionsfläche und das Beaufschlagen der Absorptionsfläche mit einem Bearbeitungsstrahl zum Laserstrahlschweißen der Hairpins.
Erfindungsgemäß werden die Absorptionsteilflächen in der Fügeposition so orientiert, dass sie einen Winkel α einschließen.
Dadurch, dass die Absorptionsteilflächen einen Winkel α einschließen, kann die Absorption des Bearbeitungsstrahls in dem Material der Hairpins gegenüber einer Ausbildung einer Absorptionsfläche, die ohne den in der vorgeschlagenen Weise eingeschlossenen Winkel α ausgebildet ist, erhöht werden.
Beispielsweise wird das Verfahren in einer Bearbeitungsmaschine durchgeführt, wobei die Bearbeitungsmaschine einen Bearbeitungskopf mit einer Bearbeitungsoptik aufweist, wobei ein Bearbeitungsstrahl eines Lasers zum Schweißen der stabförmigen Leiter mittels der Bearbeitungsoptik auf die Absorptionsteilflächen fokussierbar ist.
Der Bearbeitungsstrahl wird beispielsweise immer auf oder nahe der Absorptionsteilfläche fokussiert. Hierdurch wird der Energieeintrag in die Absorptionsteilfläche vergrößert. Nahe der Oberfläche kann bedeuten, dass die Intensität des Laserstrahls genau auf der Oberfläche nicht kleiner ist als die Hälfte der Intensität genau im Fokus.
Beispielsweise können Komponenten des Bearbeitungsstrahls, die nicht in das Material des Hairpins eingekoppelt wurden und entsprechend an einer der Absorptionsteilflächen reflektiert wurden, durch die Bereitstellung des Winkels α auf die jeweils gegenüber liegende Absorptionsteilfläche reflektiert werden, um dann dort absorbiert zu werden. Mit anderen Worten ermöglicht die Ausbildung des Winkels α zwischen den Absorptionsteilflächen die Ausbildung von Mehrfachreflexionen an den Absorptionsteilflächen, welche zu einer effizienteren Absorption des Bearbeitungsstrahls führen können.
Damit wird die Einkopplung der Energie des Bearbeitungsstrahls in das Material der Hairpins verbessert, so dass die Abhängigkeit des Verfahrens von der Oberflächenbeschaffenheit der Absorptionsfläche reduziert werden kann.
Ein Winkel α zwischen den beiden Absorptionsteilflächen kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass der Winkel zwischen sich schneidenden Oberflächennormalen auf den Absorptionsteilflächen bestimmt wird.
Bevorzugt werden die Absorptionsteilflächen so orientiert, dass deren Oberflächennormalen mit dem Bearbeitungsstrahl einen Winkel einschließen, der dem Brewster-Winkel α_B entspricht oder diesem nahe kommt.
Unter dem Brewster-Winkel α_B wird hier der Winkel verstanden, bei dem von dem Licht des Bearbeitungsstrahls, welches auf die durch die Absorptionsteilfläche gebildete Grenzfläche zwischen dem Kupfermaterial des jeweiligen Hairpins und dem diesen umgebenden Gas (beispielsweise Luft oder Prozessgas) einfällt, nur die senkrecht zur Einfallsebene s-polarisierten Anteile reflektiert werden. Das reflektierte Licht ist dann linear s-polarisiert. Entsprechend wird der p-polarisierte Teil des Lichts (parallel zur Einfallsebene polarisiert) des Bearbeitungsstrahls beim Eintreffen auf der Absorptionsteilfläche unter dem Brewster-Winkel α_B im Wesentlichen vollständig in das Material des jeweiligen Hairpins eingekoppelt und der s-polarisierte Teil wird zumindest zu einem Teil reflektiert.
Der Brewster-Winkel α_B hängt entsprechend von dem Brechungsindex des Materials des Hairpins sowie dem Brechungsindex des den Hairpin umgebenden Gases ab, wobei die Brechungsindizes wiederum von der Wellenlänge des Lichts des Bearbeitungsstrahls abhängen. Der Brewster-Winkel α_B kann entsprechend für jede Kombination von Material, Gas und Wellenlänge berechnet werden.
Durch die Orientierung der Oberflächennormalen der Absorptionsteilflächen unter dem oder nahe dem Brewster-Winkel α_B zum Bearbeitungsstrahl kann neben dem genannten Ausbilden von Mehrfachreflexionen des Bearbeitungsstrahls zwischen den jeweils unter dem Winkel gegenüberliegenden Absorptionsteilflächen ein verbessertes Einkoppeln von entsprechend polarisierten Komponenten des Bearbeitungsstrahls in das Material der Hairpins erreicht werden. Damit wird die effektive Reflexion des Bearbeitungsstrahles an der jeweiligen Absorptionsteilfläche reduziert und es wird ein größerer Teil der durch den Bearbeitungsstrahl auf die zu fügenden Hairpins aufgebrachten Strahlungsenergie tatsächlich in das Material der Hairpins eingekoppelt.
Bevorzugt ist eine der Absorptionsteilflächen in einem ersten Hairpin und eine andere der Absorptionsteilflächen in dem anderen Hairpin ausgebildet und die Absorptionsteilflächen werden vor dem Laserstrahlschweißen in die Fügeposition gebracht.
Damit kann ein gleichmäßiger Eintrag von Energie aus dem Bearbeitungsstrahl in die miteinander zu fügenden Hairpins eingetragen werden, so dass ein gleichmäßiges Aufschmelzen der Enden der Hairpins und damit ein gleichmäßiger Schweißvorgang erreicht werden kann.
Bevorzugt werden die Absorptionsteilflächen symmetrisch bezüglich des Bearbeitungsstrahls orientiert oder die Absorptionsteilflächen werden asymmetrisch bezüglich der Einfallrichtung des Bearbeitungsstrahls orientiert.
Bei einer symmetrischen Anordnung der Absorptionsteilflächen bezüglich der Einfallrichtung des Bearbeitungsstrahls kann entsprechend auch ein symmetrischer Eintrag von Energie direkt aus dem Bearbeitungsstrahl erreicht werden. Die auf die jeweils gegenüberliegenden Absorptionsteilflächen reflektierten Komponenten des Bearbeitungsstrahls können entsprechend auch symmetrisch auftreffen.
Mit anderen Worten kann eine erste Absorptionsteilfläche von der durch den Bearbeitungsstrahl vorgegebenen Einfallrichtung um 90°-α_B fort geneigt sein und die zweite Absorptionsteilfläche kann entsprechend in die entgegengesetzte Richtung ebenfalls um 90°-α_B fort geneigt sein. Damit wird erreicht, dass beide miteinander zu fügenden Hairpins mit im Wesentlichen dergleichen Absorptionsenergie beaufschlagt werden, wenn ein Bearbeitungsstrahl auf die Absorptionsteilflächen aufgebracht wird.
Bei einer asymmetrischen Anordnung der Absorptionsteilflächen kann in einem extremen Fall erreicht werden, dass nur eine erste der Absorptionsteilflächen direkt von dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt wird und die gegenüberliegende Absorptionsteilfläche dann nur von den an der ersten Absorptionsteilfläche reflektierten Komponenten des Bearbeitungsstrahls beaufschlagt wird. Damit kann durch eine Variation der jeweils gewählten Asymmetrie entsprechend der Anteil des direkt in die jeweilige Absorptionsteilfläche eingetragenen Anteils des Bearbeitungsstrahls und des Anteils der reflektierten Komponenten eingestellt werden.
Bevorzugt kann als Bearbeitungsstrahl ein Laserstrahl verwendet werden, wobei die Wellenlänge zwischen 400nm und 1200nm groß ist, insbesondere zwischen 400nm und 450nm groß ist, ganz insbesondere 450nm groß ist, oder insbesondere zwischen 500nm und 550nm groß ist, ganz insbesondere 515nm groß ist, bevorzugt zwischen 900nm und 1200nm groß ist (nahes Infrarot), besonders bevorzugt 1030nm oder 1070nm groß ist, die Laserleistung zwischen 2kW und 12kW groß ist, insbesondere bei Wellenlängen zwischen 400nm und 550nm größer als 2kW ist, insbesondere bei Wellenlängen größer als 900nm größer als 5kW ist, der Fokusdurchmesser zwischen 20µm und 1000µm groß ist, insbesondere bei Wellenlängen zwischen 400nm und 550nm zwischen 150µm und 500µm groß ist, ganz insbesondere340µm groß ist, insbesondere bei Wellenlängen größer als 900nm zwischen 50µm und 200µm groß ist, insbesondere 84µm groß ist.
Durch die Ausbildung der Absorptionsteilflächen unter dem genannten Winkel α kann entsprechend auch mit Bearbeitungsstrahlen, welche Wellenlängen aufweisen, die an einer Oberfläche des Materials der Hairpins nur eine geringe Absorption erfahren würden und entsprechend üblicherweise in großem Maße wieder von dem Material reflektiert werden würden, dennoch ein größerer Teil der auf die Absorptionsfläche auftretenden Strahlungsenergie des Bearbeitungsstrahls in das Material eingekoppelt werden. Damit kann auch ein Bearbeitungsstrahl im nahen Infrarot effizient eingesetzt werden.
Beispielsweise kann ein Fügen von Kupfer-Hairpins auf diese Weise mittels eines Bearbeitungsstrahles durchgeführt werden, der bei einer Wellenlänge von 1 030nm vorliegt, wobei bei einem solchen Bearbeitungsstrahl der Absorptionsgrad im Kupfermaterial bei senkrechtem Auftreffen typischerweise unterhalb von 5% liegt. Durch eine Einstrahlung eines solchen Bearbeitungsstrahls unter dem Brewster-Winkel kann die Absorption auf ca. 8%, für den p-polarisierten Anteil des Bearbeitungsstrahls sogar auf über 10%, ansteigen.
Bevorzugt wird der Bearbeitungsstrahl so geformt, dass er die Querschnittsgeometrie der Absorptionsteilflächen in Einfallsrichtung des Bearbeitungsstrahls aufnimmt und bevorzugt die Absorptionsteilflächen vollständig beaufschlagt.
Damit kann eine gezielte Beaufschlagung der zu fügenden Hairpins mit dem Bearbeitungsstrahl erreicht werden, die eine Beaufschlagung anderer Bereiche - beispielsweise eines Statorkäfigs oder einer Beschichtung der Hairpins - vermeidet.
Bevorzugt werden die zu fügenden Hairpins mittels Wärmeleitschweißen miteinander verschweißt und bevorzugt wird die Energie des Bearbeitungsstrahls so gewählt, dass ein Tiefschweißen und/oder die Ausbildung einer Dampfkapillare im Wesentlichen vermieden wird.
Durch die höhere Absorption des Bearbeitungsstrahls in dem Material der Hairpins ist es auch einfacher, die Leistung des Bearbeitungsstrahls auf einem Niveau zu halten, welches das Wärmeleitschweißen begünstigt. Mit anderen Worten kann auf hohe Bearbeitungsenergien, welche zu einem Tiefschweißen führen würden, verzichtet werden. Damit führen kleine Schwankungen in der eingetragenen Energie auch nicht zu einem Zusammenbruch des Schweißvorgangs, so dass das Schweißverfahren insgesamt stabiler abläuft.
Damit kann auch auf die Ausbildung einer Dampfkapillare während des Schweißprozesses verzichtet werden bzw. deren Einsatz kann deutlich reduziert werden, da der Absorptionsgrad der Bearbeitungsstrahlen ansteigt.
Durch das Bereitstellen des Winkels α zwischen den Oberflächennormalen der Absorptionsteilflächen kann weiterhin ein höherer Einbrand des Bearbeitungsstrahles insbesondere in der Fügezone erreicht werden, wobei entsprechend Material aus den Randbereichen der Hairpins nach innen zur Fügestelle zwischen die beiden miteinander zu fügenden Hairpins hin fließt.
Die Absorptionsfläche weist bevorzugt entsprechend zwei Absorptionsteilflächen auf, wobei die erste Absorptionsteilfläche als schräge, ebene Fläche in einem ersten Hairpin und die zweite Absorptionsteilfläche als schräge, ebene Fläche in einem weiteren Hairpin vorgesehen sind, wobei die Absorptionsteilflächen gemeinsam die Absorptionsfläche ausbilden und zwischen sich einen Kontaktwinkel von vorzugsweise 180°-α ausbilden.
Die beiden Absorptionsteilflächen schneiden sich bevorzugt in dem Bereich, in welchem die beiden Hairpins in einer gemeinsamen Ebene aneinander anliegen. Mit anderen Worten können die beiden Absorptionsteilflächen symmetrisch zu der gemeinsamen Anlageebene der miteinander zu fügenden Hairpins ausgebildet sein.
Die Ausbildung der aufeinander zugeneigten Absorptionsteilfläche kann durch das Einschließen von zwei im Wesentlichen planen Absorptionsteilflächen unter einem Kontaktwinkel von 180°-α bereitgestellt werden.
Die aufeinander zugeneigten Absorptionsteilflächen können aber auch in Form einer dreidimensionalen Ausgestaltung der Absorptionsfläche, beispielsweise in Form eines Hohlraums, beispielsweise eines hohlen Konus, einem Halbkegel etc. ausgebildet sein, wobei die einzelne Absorptionsteilfläche mit dem dann jeweils gegenüberliegenden Absorptionsteilfläche ebenfalls unter einem Kontaktwinkel von 180°-α aufeinander zugeneigt ist. Dies ist gleichbedeutend damit, dass sich die Oberflächennormalen der Absorptionsteilflächen in einem Winkel α schneiden Beispielsweise kann ein hohler Kegelstumpf mit einem unter dem 180°-α ausgebildeten Kontaktwinkel vorgesehen sein.
Beispielsweise kann die Geometrie der Absorptionsteilflächen von drei Hairpins die Form eines umgedrehten Tetraeders aufweisen. Die Oberflächennormalen sind vorzugsweise relativ zur Längserstreckung der Hairpins um einen Winkel 90°-α_B abgeschrägt Wird eine erste Absorptionsteilfläche von einem linear-polarisierten Bearbeitungsstrahl beaufschlagt, dann koppelt die für diese erste Absorptionsteilfläche p-polarisierte Komponente in die erste Absorptionsteilfläche ein. Die für diese erste Absorptionsteilfläche s-polarisierte Komponente des Bearbeitungsstrahls wird hingegen reflektiert. Aufgrund der tetraedrischen Geometrie weist der reflektierte Teil des Bearbeitungsstrahls für eine benachbarte zweite Absorptionsteilfläche des Tetraeders aber teilweise auch eine p-polarisation auf, die bevorzugt in die zweite Absorptionsteilfläche koppeln kann. Dadurch kann über Mehrfachreflexionen die Effizienz der Strahleinkopplung erhöht werden.
Beispielsweise kann es aber auch sein, dass die Geometrie der Absorptionsteilflächen von vier Hairpins die Form einer umgedrehten Pyramide aufweist. Die Oberflächennormalen der gegenüberliegenden Absorptionsteilflächen weisen dann vorzugsweise einen Winkel von α = 2α_B zueinander auf. Insbesondere kann bei einer symmetrischen Strahlführung des Bearbeitungsstrahls jede Absorptionsteilfläche zu einem Viertel mit der Laserenergie beaufschlagt werden. Insbesondere kann es bei einer solchen Geometrie der Absorptionsteilflächen vorteilhaft sein, wenn der Bearbeitungslaser eine radiale Polarisation aufweist, so dass der Bearbeitungsstrahl für jede Absorptionsteilfläche p-polarisiert ist.
Entsprechend kann durch die Ausbildung der Absorptionsfläche in der vorgeschlagenen Weise die Prozesseffizienz verbessert werden, da die Reflexionsverluste beim Einkoppeln des Bearbeitungsstrahls in die miteinander zu fügenden Hairpins reduziert werden können und das Einkoppeln des Bearbeitungsstrahls unterstützt wird.
Der Bearbeitungsstrahl und die Hairpins können mit einem Vorschub zwischen 100 und 3200m/s relativ zueinander bewegt werden. Insbesondere kann der Vorschub bei Wellenlängen zwischen 400nm und 550nm größer als 600mm/s sein, insbesondere 1600mm/s groß sein. Insbesondere kann der Vorschub bei Wellenlängen größer als 900nm kleiner als 800mm/s, insbesondere 600mm/s sein. Durch einen relativen Vorschub ist es möglich mehrere Hairpin-Paarungen nacheinander zu fügen. Es ist aber auch möglich durch einen relativen Vorschub den Einbrand und die Fügeverbindung zwei Hairpins zu optimieren. Insbesondere ist der Fokusdurchmesser wesentlich kleiner als der Querschnitt der Hairpins, so dass durch einen relativen Vorschub effektiv eine größere Absorptionsteilfläche aufgeschmolzen werden kann, so dass die Fügeverbindung fester wird und die elektrische Verbindung homogenisiert wird und so zwischen allen Hairpins des Stators gleich gut leitend ist.
Die Schweißbahngeometrie kann beispielsweise ein Kreis, eine Ellipse oder eine Linie, in Abhängigkeit von der Geometrie des Hairpins sein. Es ist möglich mittels Mehrfachüberfahrten des Bearbeitungsstrahls über eine Hairpin-Paarung den Einbrand in der Hairpin-Paarung zu vertiefen, oder die Fügeverbindung zu stärken. Die Anzahl an nötigen Überfahrten kann hierbei insbesondere abhängig von der Bauteilgröße sein.
Beispielsweise kann bei zwei zu fügenden Hairpins mit je 4×4mm² Querschnitt im nahen Infraroten, also bei Wellenlängen größer als 900nm, eine Kreisbahn mit 6 Überfahrten und eine Laserleistung von 8 kW optimal sein.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Vorbereitung eines Hairpins mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Vorbereitung eines Hairpins zum Fügen mittels Laserstrahlschweißen mit einem weiteren Hairpin vorgeschlagen, wobei an einem zu fügenden Ende des Hairpins eine Absorptionsteilfläche zur Beaufschlagung mit einem Bearbeitungsstrahl zum Laserstrahlschweißen ausgebildet wird. Erfindungsgemäß wird die Absorptionsteilfläche so orientiert, dass sie mit einer Längserstreckung des Hairpins einen Winkel von β einschließt.
Damit kann entsprechend ein Hairpin bereitgestellt werden, der mit dem oben beschriebenen Verfahren mit einem weiteren Hairpin gefügt werden kann.
Bevorzugt ist der Winkel kleiner oder gleich β=90°-α_B für die Wellenlänge eines vorgesehenen Bearbeitungsstrahls.
Zur Bereitstellung der Absorptionsteilfläche, welche den Winkel mit der Längsstreckung des Hairpins einschließt, kann beim Abtrennen der Hairpins, beispielsweise von einem laufenden Material, durch entsprechend schräges Abtrennen mittels Schneiden, Laserschneiden, Abscheren, Fräsen usw. der jeweiligen miteinander zu fügenden Enden der Hairpins die Absorptionsteilfläche unter dem entsprechenden Winkel in das Material des Hairpins eingebracht.
Insbesondere kann der Hairpin über eine Fläche des Hairpins getrennt werden, so dass die entstehende Absorptionsteilfläche einen rechteckigen Querschnitt hat. Es kann aber auch sein, dass der Hairpin über eine Kante getrennt wird, so dass die entstehende Absorptionsteilfläche einen dreieckigen Querschnitt hat.
Die Geometrie, welche zur Ausbildung der unter einem Winkel ausgebildeten Absorptionsteilfläche vorgesehen ist, kann auch durch Urformen, Gießen, dreidimensionales Drucken, Sintern etc. erzeugt werden. Auch durch Umformen wie beispielsweise Pressen oder Schmieden kann die Absorptionsteilfläche mit dem Winkel bereitgestellt werden.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Hairpin mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Hairpin zur Ausbildung einer Statorwicklung für einen Stator eines Elektromotors vorgeschlagen, wobei der Hairpin an einem zu fügenden Ende eine Absorptionsteilfläche aufweist. Erfindungsgemäß schließt die Absorptionsteilfläche mit einer Längserstreckung des Hairpins einen Winkel ein.
Bevorzugt weist der Hairpin eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit einer Breite und einer Tiefe auf, wobei bevorzugt eine Breite von 1mm bis 6 mm und eine Tiefe von 1mm bis 6mm vorgesehen ist.
Bevorzugt weist der Hairpin als Basismaterial Kupfer, bevorzugt sauerstofffreies Kupfer (ETP - Electrolytic-Tough-Pitch) für elektrische Anwendungen, auf.
Bevorzugt weist der Hairpin eine Beschichtung zum mechanischen und/oder chemischen Schutz und/oder zur elektrischen Isolierung auf, bevorzugt in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester-Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton).
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische perspektivische Darstellung von zwei Hairpins, welche in einer Fügeposition zum Fügen vorbereitet sind, gemäß einer bekannten Anordnung;
2A eine Anordnung von zwei miteinander zu fügenden Hairpins in einer Fügeposition, welche Absorptionsteilflächen aufweisen, welche einen Winkel einschließen;
2B eine Darstellung der Winkelverhältnisse bei zwei miteinander zu fügenden Hairpins;
3A eine schematische Darstellung zweier miteinander gefügter Hairpins, wobei eine erstarrte Schmelzperle die beiden Hairpins miteinander verbindet;
3B eine Draufsicht einer schematischen Darstellung von vier miteinander zu fügenden Hairpins in einer Fügeposition, welche Absorptionsflächen aufweisen, welche einen Winkeleinschließen;
3C eine perspektivische Darstellung der vier miteinander zu fügenden Hairpins aus 3B
4 eine schematische Darstellung des Absorptionsverhaltens eines Bearbeitungsstrahls in dem Material der miteinander zu fügenden Hairpins gegenüber dem Einfallswinkel;
5 eine schematische Seitenansicht zweier Hairpins in einer Fügeposition in einer weiteren Ausgestaltung; und
6 ein Hairpin zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
1 zeigt schematisch eine Anordnung von Enden zweier Hairpins 10,12, welche zum Fügen mittels Laserstrahlschweißen vorbereitet sind und welche in einer Fügeposition angeordnet sind gemäß einer herkömmlichen Ausbildung nach dem Stand der Technik. Die Enden der beiden Hairpins 10, 12 sind zur Vorbereitung des Laserstrahlschweißens beispielsweise umgeformt, in der Länge angepasst, aneinander angelegt und beispielsweise mittels einer nicht gezeigten mechanischen Klammer gehalten.
Die Enden der beiden Hairpins 10, 12 weisen dabei jeweils eine Stirnfläche 100, 120 auf, wobei die beiden Stirnflächen 100,120 der beiden Hairpins 10,12 in Einfallrichtung 20 eines nur schematisch angedeuteten Bearbeitungsstrahles 2 orientiert sind. Mit anderen Worten steht die Einfallrichtung 20 des Bearbeitungsstrahls 2 im Wesentlichen senkrecht auf den Stirnflächen 100, 120.
Die Stirnflächen 100, 120 bilden eine Absorptionsfläche für den Bearbeitungsstrahl aus, um mittels des auf diese Weise erfolgenden Energieeintrags ein Tiefschweißen mittels Laserstrahlschweißens und damit ein Fügen der beiden Hairpins 10, 12 in diesem Bereich zu erreichen.
Entsprechend beaufschlagt der Bearbeitungsstrahl die zwei Stirnfläche 100,120 der beiden Hairpins 10,12 derart, dass bei einer ausreichenden Absorption von Energie aus dem Bearbeitungsstrahl 2 ein Aufschmelzen des die Hairpins 10,12 ausbildenden Materials stattfinden kann.
Die Absorption des Bearbeitungsstrahls in dem Material der Hairpins 10, 12 hängt unter anderem von der Kombination des Materials und der verwendeten Wellenlänge des Bearbeitungsstrahls ab. Mit anderen Worten tritt bei bestimmten Materialien eine hohe Reflexion des Bearbeitungsstrahls an der Oberfläche auf, wenn der Bearbeitungsstrahl eine bestimmte Wellenlänge hat.
Damit ist bei der mit der herkömmlichen, in 1 gezeigten Geometrie der Stirnflächen 100, 120 beim Laserstrahlschweißen der beiden Hairpins 10,12 der Schweißvorgang unter anderem auch sehr sensibel für Schwankungen der Oberflächenbeschaffenheit der beiden Stirnflächen 100,120. Mit anderen Worten führt eine geringe Änderung der Oberflächenbeschaffenheit, die eine Änderung des Reflexionsverhaltens bedingt, aufgrund der vorliegenden hohen Energie des Bearbeitungsstrahls 2, bereits zu einer signifikanten Änderung des Energieeintrags in das Material der Hairpins 10, 12.
Beispielsweise liegt beim Verschweißen von Kupfer-Hairpins 10, 12 mit einem im nahen Infrarot (NIR) liegenden Bearbeitungsstrahl, der beispielsweise von einem Laser mit einer Wellenlänge von 1030nm erzeugt wird, der Absorptionsgrad unter 5%. Entsprechend trifft der Bearbeitungsstrahl 2 auf den Stirnflächen 100,120 auf und wird je nach Oberflächenbeschaffenheit der Stirnflächen 100, 120 mal besser und mal schlechter absorbiert, wobei die Absorption abhängig davon sein kann, ob die Stirnflächen 100,120 durch einen polierten Schnitt oder mit einer leicht angerauten Oberfläche versehen sind. Da nur ein geringer Teil der Laserenergie eingekoppelt wird, hat die Oberflächenbeschaffenheit der Stirnfläche 100,120 entsprechend einen großen Einfluss auf das Einkoppeln der Laserenergie des Bearbeitungsstrahls 2 in das Material der Hairpins 10,12, sodass es beim Laserstrahlschweißen mit Hairpins gemäß dem Stand der Technik zu starken Schwankungen des Schweißergebnisses kommen kann. Damit kann es über den Verlauf mehrerer Verschweißungen hinweg, wie sie beispielsweise beim Verschweißen von Hairpins zur Ausbildung einer durchgehenden Statorwicklung zur Ausbildung eines Stators für einen Elektromotor durchgeführt werden, kein homogenes Schweißbild erreicht werden, sodass auch im Extremfall unterschiedliche elektrische Widerstände zwischen den einzelnen miteinander gefügten Hairpins auftreten können.
In 2A ist schematisch ein hier vorgeschlagenes Verfahren zum Fügen von zwei Hairpins 30, 32 gezeigt, wobei es sich bei den Hairpins 30, 32 beispielsweise um Kupfer-Hairpins handelt, welche zur Ausbildung einer Statorwicklung eines Stators in einem Elektromotor vorgesehen sind.
Wie gut zu erkennen ist, weisen die Hairpins 30, 32 jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit jeweils einer Breite X und einer Tiefe Y auf. Entlang der Tiefenerstreckung Y (also senkrecht zur Breite X) ergibt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine gemeinsame Ebene 4, an welcher die beiden Enden der Hairpins 30, 32 in der Fügeposition aneinander angelegt und bevorzugt geklammert gehalten werden.
Typische Dimensionen eines Hairpins 30, 32 sind beispielsweise eine Breite X von 1 mm bis 6 mm und eine Tiefe von 1mm bis 6mm. Das Basismaterial eines Kupfer-Hairpins 30, 32 ist beispielsweise Kupfer, beispielsweise sauerstofffreies Kupfer (ETP - Electrolytic-Tough-Pitch) für elektrische Anwendungen.
Die Hairpins 30, 32 weisen auch eine Beschichtung 304, 324 auf, wobei die Beschichtung 304, 324 zum mechanischen und chemischen Schutz des Materials der Hairpins 30, 32 vorgesehen ist und auch eine elektrische Isolierung bereitstellen kann.
Die Beschichtung 304, 324 kann beispielsweise in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester-Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton) vorliegen.
Die Beschichtung 304, 324 wird typischer Weise von den zu fügenden Enden der Hairpins 30, 32 entfernt, um zu vermeiden, dass während des Schweißprozesses Verunreinigungen in die Schmelze eingetragen werden, welche beispielsweise zu einer undefinierbaren Festigkeit des wieder erstarrten Materials und/oder zu Fehlern im Gefüge des wieder erstarrten Materials und/oder zu Schwankungen in der Leitfähigkeit des wieder erstarrten Materials an der Fügestelle führen können.
Damit liegt in der gemeinsam ausgebildeten Ebene 4 durch das Bereitstellen der entsprechend vorbereiteten Bereiche 306, 326 der Enden der Hairpins 30, 32 auch das blanke Kupfermaterial der beiden Hairpins 30, 32 vor und aneinander an. In diesem Bereich soll auch das Fügen durch Laserstrahlschweißen stattfinden, so dass das für die Verschweißung aufgeschmolzene Material dann verunreinigungsfrei vorliegt.
In dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel ist weiterhin eine Absorptionsfläche 3 vorgesehen, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch zwei zueinander geneigte plane Absorptionsteilflächen 300, 320 ausgebildet ist. Die beiden Absorptionsteilflächen 300, 320 bilden zwischen sich einen Kontaktwinkel aus, wobei der nahe 180°-α liegt bzw. gleicht, wobei α der Winkel ist, unter dem sich die Oberflächennormalen N300 und N320 der Absorptionsteilflächen schneiden.
Unter dem Brewster-Winkel wird hier der Winkel verstanden, bei dem von dem Licht des Bearbeitungsstrahls 2, welches auf die durch die jeweilige Absorptionsteilfläche 300, 320 gebildete Grenzfläche zwischen dem Kupfermaterial des jeweiligen Hairpins 30, 32 und dem diesen umgebenden Gas einfällt, nur die senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteile reflektiert werden. Das reflektierte Licht ist dann linear s-polarisiert. Entsprechend wird der p-polarisierte Teil des Lichts des Bearbeitungsstrahls 2 beim Eintreffen auf der jeweiligen Absorptionsteilfläche 300, 320 unter dem Brewster-Winkel α_B zur Oberflächennormale im Wesentlichen vollständig in das Material des jeweiligen Hairpins 30, 32 eingekoppelt und der s-polarisierte Teil wird zu einem wesentlichen Teil reflektiert.
Der Brewster-Winkel α_B hängt entsprechend von dem Brechungsindex des Materials des Hairpins sowie dem Brechungsindex des den Hairpin umgebenden Gases ab, wobei die Brechungsindizes wiederum von der Wellenlänge des auftreffenden Lichts des Bearbeitungsstrahls abhängen. Der Brewster-Winkel α_B kann entsprechend für jede Kombination von Material, Gas und Wellenlänge berechnet werden.
Weiterhin sind auch Stirnflächen 302, 322 der Hairpins 30, 32 vorgesehen, wobei die Stirnflächen 302, 322 im Wesentlichen senkrecht zu der Längserstreckung Z der Hairpins 30, 32 vorgesehen sind. Diese Stirnflächen 302, 322 können auch einen Teil der Absorptionsfläche 3 ausmachen, wenn sie mit dem Bearbeitungsstrahl 2 beaufschlagt werden, bilden aber keinen Winkel zwischen sich aus, so dass bei einer Beaufschlagung dieser Stirnflächen 302, 322 mit dem Bearbeitungsstrahl 2 keine Veränderung des Absorptionsvermögens gegenüber den bekannten Ausbildungen vorliegt.
Jedoch kann durch die Bereitstellung der Absorptionsfläche 3, welche die Absorptionsteilflächen 300, 320 umfasst, deren Oberflächennormalen den Winkel α einschließen, das Absorptionsvermögen für einen einfallenden Bearbeitungsstrahl 2 insgesamt erhöht werden.
Insbesondere bei einer Ausbildung des Winkels α im Bereich des doppelten Brewster-Winkels 2α_B findet beim Einfall eines Bearbeitungsstrahles 2 eine erhöhte Einkopplung zumindest der p-polarisierten Komponenten des Bearbeitungsstrahls 2 statt. Weiterhin werden die an den Absorptionsteilflächen 300, 320 reflektierten Komponenten des Bearbeitungsstrahls 2, beispielsweise die s-polarisierten Komponenten, an den Absorptionsteilflächen 300, 320 mehrfach reflektiert, so auch diese Komponenten des Bearbeitungsstrahls 2 (teilweise) in das Material der Hairpins 30, 32 eingekoppelt werden können.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass der Bearbeitungsstrahl 2 auf diese Weise effizienter in das Material der Hairpins 30, 32 eingekoppelt werden kann. Damit wird das Verfahren unempfindlicher für Schwankungen in der Oberflächenbeschaffenheit der Absorptionsfläche 3, so dass das Verfahren insgesamt robuster und zuverlässiger durchgeführt werden kann.
Durch die Absorption des Bearbeitungsstrahls 2 in dem Material der Hairpins 30, 32 findet ein Aufschmelzen des Materials entlang der Absorptionsfläche 3 statt, wobei eine erhöhte Absorption an den Absorptionsteilflächen 300, 320 erreicht wird, sodass entsprechend das Aufschmelzen ausgehend von den Absorptionsteilflächen 300, 320 stattfindet. Durch die Orientierung der beiden zueinander geneigten Absorptionsteilflächen 300, 320 kann das aufgeschmolzene Material aus den Randbereichen der Absorptionsteilflächen 300, 320 zur Mitte hin fließen.
2B zeigt eine schematische Darstellung der Winkelverteilung zwischen dem Bearbeitungsstrahl 2 und den beteiligten Absorptionsteilflächen. Hierbei soll der Bearbeitungsstrahl 2 jeweils unter dem Brewster-Winkel α_B zur Oberflächennormale N300, N320 der jeweiligen Absorptionsteilfläche 300, 320 einfallen. Der Bearbeitungsstrahl fällt im Ausführungsbeispiel parallel zur z-Achse auf die Absorptionsteilflächen 300, 320. Die Oberflächennormale N300 steht hierbei senkrecht auf der ersten Absorptionsteilfläche 300 und die Oberflächennormale N320 steht senkrecht auf der erste Absorptionsteilfläche 320. Der Bearbeitungslaser 2 schließt einen Winkel mit den Oberflächennormalen den Absorptionsteilflächen 300, 320 ein, welche dem Brewster-Winkel α_B entspricht. Somit ergibt sich direkt aus der Wechselwinkelbeziehung, dass sich die Oberflächennormalen unter einem Winkel von α = 2α_B schneiden. Hierdurch ist klar, dass der Kontaktwinken γ unter dem die Absorptionsteilflächen zueinander stehen 180°-2α_B beträgt. Relativ zur Längsrichtung der Hairpins ergibt sich so ein Winkel von 90°-α_B.
3A zeigt schematisch die beiden miteinander gefügten Hairpins 30, 32 nach dem Abschluss des Laserstrahlschweißverfahrens. Entsprechend wurde durch das Aufbringen der Energie des Bearbeitungsstrahles 2 das Material der Hairpins 30, 32 so aufgeschmolzen, dass es eine Schmelzperle 340 ausbildet, welche nach Beendigung des Schmelzvorganges erstarrt und auf diese Weise die beiden Hairpins 30, 32 miteinander verbindet.
Durch das Bereitstellen der den Kontaktwinkel γ einschließenden Absorptionsteilflächen 300, 320 findet auch ein tieferer Einbrand bzw. ein tieferes Aufschmelzen des Materials der Hairpins 30, 32 im inneren Bereich zwischen den beiden Hairpins 30, 32 statt, sodass ein größerer Überlapp des aufgeschmolzenen Materials auch unterhalb der erstarrten Schmelzperle 340 stattfinden kann. Damit kann die Festigkeit der gefügten Hairpins 30, 32 weiter verbessert werden, da die Kontaktfläche des aufgeschmolzen Materials der Hairpins 30, 32 größer ist, als bei einer herkömmlichen Ausbildung.
3B zeigt schematisch in einer Draufsicht vier miteinander zu fügende Hairpins. 3C zeigt dieselben Hairpins in einer perspektivischen Darstellung. Die vier Hairpins sind jeweils über eine Kannte angeschrägt, so dass jede Absorptionsteilfläche 300, 300', 320, 320' einen dreieckigen Querschnitt aufweist. Jede der Oberflächennormalen schließt zur Längsstreckung des jeweiligen Hairpins einen Winkel β ein, der vorzugsweise dem Brewster-Winkel α_B entspricht.
Vor dem Fügen werden die Hairpins dann so aneinandergelegt, dass die Absorptionsteilflächen zusammen das Volumen einer umgekehrten Pyramide einschließen. Ein Bearbeitungsstrahl kann nun beispielsweise zentrisch und symmetrisch auf die zusammengesetzten Hairpins eingebracht werden, so dass in jede der Absorptionsteilflächen ein Viertel der Laserenergie eingebracht wird, um die Hairpins zu fügen.
Insbesondere ist der Brewster-Winkel α_B in einer Einfallsebene relativ zur Oberflächennormalen definiert, welche für jede Absorptionsteilfläche unterschiedlich ist. Dementsprechend ändert sich mit jeder Absorptionsteilfläche auch die Einfallsebene für den Teil des Laserstrahls, welcher in die jeweilige Absorptionsteilfläche eingebracht werden soll. Insbesondere ist für jede Absorptionsteilfläche ein anderer Polarisationswinkel relativ zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungsstrahls eine p-Polarisation 201. Im obengenannten Beispiel stellt eine radiale Polarisation eine p-Polarisation für jede Absorptionsteilfläche zur Verfügung.
In 4 ist schematisch die Absorption A über den Einfallwinkel relativ zur Oberflächennormalen aufgetragen. Es ergibt sich ein Maximum in der Nähe des Brewster-Winkels, sodass der Energieeintrag im Bereich des Brewster-Winkels am höchsten ist.
Als Bearbeitungsstrahl 2 kann hier beispielsweise ein von einem diodengepumpten Yb:YAG Scheibenlaser bei einer Wellenlänge von 1030nm und bei einer Leistung von 6kW-cw ausgegebener Laserstrahl verwendet werden, der mit einer Scanneroptik mit einer Kollimationsbrennweite von 150 mm, einer Objektivbrennweite von 255 mm und einem Faserdurchmesser von 100 µm auf die jeweilige Absorptionsfläche 3 der Hairpins 30, 32 in der Fügeposition aufgebracht wird.
In 5 ist eine Seitenansicht zweier Hairpins 30, 32 in einer Fügeposition gezeigt, bei welcher die Absorptionsteilfläche 300 nur in einem der Hairpins 30 geneigt ist und einen Kontaktwinkel γ mit dem nicht abgeschrägten zweiten Hairpin 32 einschließt. Der Kontaktwinkel beträgt bevorzugt 90°-α_B entspricht beziehungsweise diesem nahe kommt. Die Absorptionsteilfläche 320 wird in dieser Ausbildung nur von dem an der Absorptionsteilfläche 300 reflektierten Teil des Bearbeitungsstrahls 2 beaufschlagt.
In 6A ist ein Ende eines Hairpins 30 gezeigt, der eine Absorptionsteilfläche 300 aufweist, die gegenüber der Erstreckungsrichtung Z des Hairpins 30 um den Winkel β geneigt ist. Eine entsprechende Anordnung zweier solcher Hairpins 30 in einer Fügeposition derart, dass zwischen den beiden dann vorliegenden Absorptionsteilflächen 300 der gewünschte Winkel vorliegt, führt dazu, dass die oben beschriebenen Vorteile erreicht werden.
Der Winkel β kann kleiner oder gleich 90°-α_B für die Wellenlänge eines vorgesehenen Bearbeitungsstrahls 2 sein.
Die Absorptionsteilfläche 300 kann beim Abtrennen des jeweiligen Hairpins 30, 32 von einem Ausgangsmaterial, bevorzugt durch schräges Abtrennen mittels Schneiden oder Laserschneiden oder Abscheren oder Fräsen ausgebildet werden oder die Absorptionsteilfläche 300 wird durch Umformen oder Gießen oder dreidimensionales Drucken oder Sintern ausgebildet.
Insbesondere ist in der xz-Ebene die Anschrägung des Hairpins zu erkennen. In der yz-Ebene jedoch erscheint der Querschnitt der Absorptionsteilfläche rechteckig.
In 6B ist hingegen ein Hairpin gezeigt, der über eine Kante abgetrennt wurde. Beispielsweise sind solche Hairpins auch in 3B,C zu sehen. Da der Hairpin über eine Kannte abgetrennt wurde, ergibt sich ein dreieckiger Querschnitt der Absorptionsteilfläche 300.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Hairpin
12: Hairpin
100: Stirnfläche
120: Stirnfläche
2: Bearbeitungsstrahl
20: Einfallrichtung des Bearbeitungsstrahls
201: Polarisationsrichtung
3: Absorptionsfläche
30: Hairpin
32: Hairpin
300: Absorptionsteilfläche
302: Stirnfläche
304: Beschichtung
306: vorbereiteter Bereich
320: Absorptionsteilfläche
22: Stirnfläche
324: Beschichtung
326: vorbereiteter Bereich
340: Schmelzperle
4: gemeinsamen Ebene
X: Breite
Y: Tiefe
Z: Längserstreckung
A: Einbrenntiefe
α: Winkel zwischen den Oberflächennormalen der Absorptionsteilflächen
β: Winkel zwischen der Absorptionsteilfläche und der Längsstreckung einen Hairpins
γ: Kontaktwinkel zwischen den Absorptionsteilflächen
αB: Laserwellenlängen- und materialabhängiger Brewster-Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019202317 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Fügen wenigstens zweier Hairpins (30, 32), insbesondere zur Ausbildung einer Statorwicklung für einen Stator eines Elektromotors, umfassend das Anordnen von mindestens zwei Hairpins (30, 32) in einer Fügeposition zur Ausbildung einer mindestens zwei Absorptionsteilflächen (300, 320) umfassenden Absorptionsfläche (3) und Beaufschlagen der Absorptionsfläche (3) mit einem Bearbeitungsstrahl (2) zum Laserstrahlschweißen der Hairpins (30, 32), dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsteilflächen (300, 320) in der Fügeposition so orientiert werden, dass deren Oberflächennormalen einen Winkel (α) einschließen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Absorptionsteilflächen (300, 320) so orientiert werden, dass deren Oberflächennormalen einen Winkel (α), wobei α = 2α_B der doppelte Brewster-Winkel ist, miteinander einschließen oder diesem nahe kommt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Absorptionsteilflächen (300) in einem ersten Hairpin (30) und eine andere der Absorptionsteilflächen (320) in einem anderen Hairpin (32) ausgebildet ist und die Absorptionsteilflächen (300, 320) vor dem Laserstrahlschweißen in die Fügeposition gebracht werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsteilflächen (300, 320) symmetrisch bezüglich des Bearbeitungsstrahls (2) orientiert werden oder dass die Absorptionsteilflächen (300, 320) asymmetrisch bezüglich des Bearbeitungsstrahls (2) orientiert werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsstrahl (2) ein Laserstrahl verwendet wird, wobei - die Wellenlänge zwischen 400nm und 1200nm groß ist, insbesondere zwischen 400nm und 450nm groß ist, ganz insbesondere 450nm groß ist, oder insbesondere zwischen 500nm und 550nm groß ist, ganz insbesondere 515nm groß ist, bevorzugt zwischen 900nm und 1200nm groß ist (nahes Infrarot), besonders bevorzugt 1030nm oder 1070nm groß ist, - die Laserleistung zwischen 2kW und 12kW groß ist, insbesondere bei Wellenlängen zwischen 400nm und 550nm größer als 2kW ist, insbesondere bei Wellenlängen größer als 900nm größer als 5kW ist, - der Fokusdurchmesser zwischen 20µm und 1000µm groß ist, insbesondere bei Wellenlängen zwischen 400nm und 550nm zwischen 150µm und 500µm groß ist, ganz insbesondere340µm groß ist, insbesondere bei Wellenlängen größer als 900nm zwischen 50µm und 200µm groß ist, insbesondere 84µm groß ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) so geformt wird, dass er die Querschnittsgeometrie der Absorptionsteilflächen (300, 320) in Richtung des Bearbeitungsstrahls (2) aufnimmt und bevorzugt die Absorptionsteilflächen (300, 320) vollständig beaufschlagt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Hairpins (30, 32) mittels Wärmeleitschweißen miteinander verschweißt werden und bevorzugt die Energie des Bearbeitungsstrahls (2) so gewählt wird, dass ein Tiefschweißen und/oder die Ausbildung einer Dampfkapillare im Wesentlichen vermieden wird.
Verfahren zur Vorbereitung eines Hairpins (30, 32) zum Fügen mittels Laserstrahlschweißen mit mindestens einem weiteren Hairpin (32, 30), wobei an einem zu fügenden Ende des Hairpins (30, 32) eine Absorptionsteilfläche (300, 320) zur Beaufschlagung mit einem Bearbeitungsstrahl (2) zum Laserstrahlschweißen ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsteilfläche (300, 320) so orientiert wird, dass sie mit einer Längserstreckung (z) des Hairpins (30, 32) einen Winkel (β) einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β), wobei β=90°-α_B ist, oder diesem nahekommt, wobei α_B der Brewster-Winkel für die Wellenlänge eines vorgesehenen Bearbeitungsstrahls (2) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsteilfläche (300), beim Abtrennen des jeweiligen Hairpins von einem Ausgangsmaterial, bevorzugt durch schräges Abtrennen mittels Schneiden oder Laserschneiden oder Abscheren oder Fräsen ausgebildet wird oder die Absorptionsteilfläche (300) durch Umformen oder Gießen oder dreidimensionales Drucken oder Sintern ausgebildet wird.
Hairpin (30, 32) zur Ausbildung einer Statorwicklung für einen Stator eines Elektromotors, wobei der Hairpin (30, 32) an einem zu fügenden Ende eine Absorptionsteilfläche (300, 320) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsteilfläche (300, 320) mit einer Längserstreckung (z) des Hairpins (30, 32) einen Winkel (β) einschließt.
Hairpin (30, 32) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) kleiner oder gleich β=90°-α_B, wobei α_B der Brewster-Winkel für die Wellenlänge eines vorgesehenen Bearbeitungsstrahls (2) ist.
Hairpin (30, 32) gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hairpin (30, 32) eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit einer Breite (X) und einer Tiefe (Y) aufweist, wobei bevorzugt eine Breite (X) von 1mm bis 6 mm und eine Tiefe (Y) von 1mm bis 6mm vorgesehen ist.
Hairpin (30, 32) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial des Hairpins (30, 32) Kupfer, bevorzugt sauerstofffreies Kupfer (ETP - Electrolytic-Tough-Pitch) für elektrische Anwendungen, ist.
Hairpin (30, 32) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (304, 324) zum mechanischen und/oder chemischen Schutz und/oder zur elektrischen Isolierung vorgesehen ist, bevorzugt in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester-Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton).