DE102021109622A1

DE102021109622A1 - Verfahren zum Verschweißen von metallhaltigen, gebogenen Stableitern, mit Intensitätsumverteilung in einer Anfangsphase und einer Endphase

Info

Publication number: DE102021109622A1
Application number: DE102021109622.7A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Tim Hesse; Oliver Bocksrocker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2041-04-17
Also published as: US20240033848A1; WO2022218796A2; DE102021109622B4; CN117279732A; WO2022218796A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von wenigstens zwei überlappenden, metallhaltigen, gebogenen Stableitern (1a, 1b), wobei sich eine Schweißperle (11) ausbildet, wobei ein Bearbeitungs-Laserstrahl (9) an einer Werkstückoberfläche (7) eine Schweißkontur (10) relativ zu den Stableitern (1a, 1b) abfährt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) in einer Anfangsphase (AP), einer Hauptphase (HP) und einer Endphase (EP) des Abfahrens der Schweißkontur (10) zumindest im Wesentlichen über die Zeit beibehalten wird, dass in der Anfangsphase (AP) zumindest in einem Teilbereich eines Strahlquerschnitts (20) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) an der Werkstückoberfläche (7) eine über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität (Iteil) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) mit der Zeit erhöht wird, dass in der Hauptphase (HP) zumindest in dem Teilbereich diese gemittelte Intensität (Iteil) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9), die am Ende der Anfangsphase (AP) erreicht wurde, mit der Zeit zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird, und dass in der Endphase (EP) zumindest in dem Teilbereich diese gemittelte Intensität (Iteil) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9), ausgehend von der Intensität am Ende der Hauptphase (HP), mit der Zeit verringert wird. Das Verfahren ermöglicht kurze Prozesszeiten, und kann gleichzeitig eine gute Qualität der Verschweißung mit hoher Zuverlässigkeit erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von metallhaltigen, gebogenen Stableitern,
insbesondere von Hairpins für einen Elektromotor oder einen elektrischen Generator,
wobei wenigstens zwei Stableiter teilweise überlappend angeordnet werden und mittels eines Bearbeitungs-Laserstrahls miteinander verschweißt werden,
wobei sich eine Schweißperle ausbildet, durch die die Stableiter miteinander verbunden werden,
wobei der Bearbeitungs-Laserstrahl an einer Werkstückoberfläche eine Schweißkontur relativ zu den Stableitern abfährt,
und wobei das Abfahren der Schweißkontur der wenigstens zwei Stableiter eine Anfangsphase, eine Hauptphase und eine Endphase umfasst.
Ein solches Verfahren ist aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2020 113 179.8 bekannt geworden.
In der Fertigung von Elektromotoren oder elektronischen Generatoren werden neben gewickelten Statoren heutzutage auch Statoren eingesetzt, die aus metallischen, gebogenen stabförmigen Leitern („Stableitern“), insbesondere so genannten Hairpins aufgebaut sind. Die Stableiter werden so angeordnet, dass sie einer vorgesehenen elektrischen Verschaltung entsprechen und dann miteinander verschweißt, um auf diese Weise einen Elektromagneten aufzubauen. Die Hairpintechnologie ermöglicht im Gegensatz zum gewickelten Stator Vorteile beim Gewicht, bei den Kosten und bei der Effizienz.
Die Stableiter werden dabei häufig mit Hilfe eines Laserstrahls verschweißt. Hierzu wird der Laserstrahl typischerweise auf die endseitigen Stirnflächen wenigstens zweier überlappender, in der Regel aneinander anliegender Stableiter gerichtet. Dadurch wird Wärme in die Stableiter eingebracht, die Stableiter schmelzen auf und nach dem Erstarren sind die Stableiter über eine erstarrte Schweißperle miteinander verbunden.
Aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2020 113 179.8 ist ein Beispiel für die Verschweißung von kupferhaltigen Stableitern bekannt geworden. Hierzu wird auf die Endbereiche zweier aneinander anliegender kupferhaltiger Stableiter ein Bearbeitungs-Laserstrahl gerichtet, der die Endflächen in einer kreisförmigen Schweißkontur mehrfach abfährt. Nahe der Endflächen wird durch die Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls das Material der Stableiter geschmolzen und es bildet sich eine Schweißperle aus. Zum Ende des Verschweißens nach der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls erstarrt das geschmolzene Material der Stableiter, und die Stableiter sind über eine erstarrte Schweißperle miteinander verbunden.
Wichtig bei der Verschweißung von Stableitern sind unter anderem kurze Prozesszeiten (auch Teilezeit genannt), sowie die Vermeidung von Prozessfehlern, wie Spritzerbildung zu Beginn und Porenbildung zum Ende des Verschweißens der Stableiter. Außerdem muss beim Verschweißen eine ausreichend große Querschnittsfläche erzeugt werden, durch die der elektrische Strom zwischen den wenigstens zwei Stableitern fließen kann. Bei nicht korrekt ausgeführter Verschweißung kann es im Betrieb zu einer ohmschen Erwärmung, einer Einbuße im Wirkungsgrad oder einer unbrauchbaren elektrodynamischen Maschine kommen.
Kurze Prozesszeiten beim Verschweißen von kupferhaltigen Stableitern lassen sich beispielsweise durch eine hohe Laserleistung eines NIR-Laserstrahls (NIR-SingleSpot-Laser) hoher Brillanz erzielen. Allerdings bilden sich bei hohen Laserleistungen besonders zu Beginn des Verschweißens viele Spritzer und besonders in der zweiten Hälfte des Verschweißens viele Poren. Dies mindert die Qualität der Verschweißung der Stableiter und macht sie im ungünstigsten Fall unbrauchbar.
Aus Bocksrocker et al., „Reduction of spatters and pores in laser welding of copper hairpins using two superimposed laser beams“, Tagungsbeitrag „Lasers in Manufacturing Conference 2019“, Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik e. V. (WLT), ist es bekannt geworden, beim Hairpinschweißen einen geformten Bearbeitungs-Laserstrahl zu nutzen, wobei der geformte Bearbeitungs-Laserstrahl mit einer 2-in-1-Faser erzeugt wird und einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweist, der den Kernanteil ringförmig umgibt (BrightLine Weld (2-in-1)-Fasertechnologie). Dabei wurde eine Verringerung von Spritzer- und Porenbildung zu Beginn und zum Ende des Verschweißens beobachtet.
Bei Nutzung der BrightLine Weld (2-in-1)-Fasertechnologie wird die Prozesszeit verglichen zum Schweißen mit einem NIR-SingleSpot-Laser hoher Brillanz und hoher Intensität bei ansonsten gleichen Bedingungen, insbesondere gleicher Laserleistung, um einen Faktor 2 bis 3 höher. Für den Vorteil der Verringerung der Prozessfehler muss dann eine erhöhte Prozesszeit in Kauf genommen werden.
In der DE 10 2016 204 578 B3 ist ein Verfahren zum Laserschweißen von Stahl bekannt geworden, bei dem eine Laserleistung eines Laserstrahls moduliert wird, um die Bildung von Heißrissen bei der Erstarrung des Materials des Stableiters zu vermeiden. In einer Variante nimmt beim Laserschweißen eines Bauteils die mittlere Laserleistung in einer Anfangsphase zu, bleibt während einer Hauptphase auf einem konstanten, hohen Niveau und nimmt dann in einer Endphase wieder ab.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Laserschweißen von metallhaltigen Stableitern zu Verfügung zu stellen, welches kurze Prozesszeiten ermöglicht, und gleichzeitig eine gute Qualität der Verschweißung mit hoher Zuverlässigkeit erzeugen kann.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass eine Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls in der Anfangsphase, der Hauptphase und der Endphase zumindest im Wesentlichen über die Zeit beibehalten wird,
dass in der Anfangsphase zumindest in einem Teilbereich, insbesondere zentralem Teilbereich, eines Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche eine über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität des Bearbeitungs-Laserstrahls mit der Zeit erhöht wird,
dass in der Hauptphase zumindest in dem Teilbereich des Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche die über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität des Bearbeitungs-Laserstrahls, die am Ende der Anfangsphase erreicht wurde, mit der Zeit zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird,
und dass in der Endphase zumindest in dem Teilbereich des Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche die über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität des Bearbeitungs-Laserstrahls, ausgehend von der Intensität am Ende der Hauptphase, mit der Zeit verringert wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, während des Verschweißens der metallhaltigen Stableiter zumindest über einen Teilbereich eine räumlich gemittelte Intensität des Bearbeitungs-Laserstrahls in dem Teilbereich des Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche bei gleichbleibender Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls zeitlich zu variieren, wobei die Intensität in einer Anfangsphase zunimmt, in einer Hauptphase konstant hoch gehalten wird, und in einer Endphase wieder abnimmt. Dadurch können Prozessfehler verringert oder verhindert werden, und gleichzeitig eine kurze Prozesszeit sowie eine hohe Prozessstabilität und Prozesssicherheit erreicht werden. Die Erfindung erreicht eine zeitlich schnelle und damit kosteneffiziente Verschweißung von guter Qualität und hoher Zuverlässigkeit.
Beim Laserschweißen von Stableitern können unterschiedliche Prozessfehler auftreten. Zu Beginn des Verschweißens können beispielsweise bei Verwendung eines NIR-SingleSpot-Lasers mit hoher Intensität beim Einstechen in das Material des Stableiters viele Spritzer auftreten. Dies kann zum einen zu Löchern in der Schweißnaht bzw. der Schweißperle führen, andererseits können die Spritzer etwaige umliegenden Komponenten kontaminieren. Beispielsweise liegen bei einem Stator für einen Elektromotor die einzelnen Hairpins oft nur wenige Zentimeter voneinander entfernt, wodurch die Gefahr gegeben ist, dass ein Spritzer andere Komponenten des Stators trifft, was insbesondere Kurzschlüsse verursachen kann, und die Qualität des Stators allgemein verringert wird. Während des Verschweißens kann sich bei der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls eine tiefe, dünne Dampfkapillare (auch Keyhole genannt) ausbilden. Dieses Keyhole kann am Ende des Verschweißens unkontrolliert kollabieren. Dadurch ist ein Entgasen des verdampften Materials des Stableiters aus dem Keyhole nicht mehr möglich und beim Abkühlen des geschmolzenen Stableitermaterials verbleibt der so gebildete Hohlraum im Material als Pore. Sowohl die Spritzer als auch die Poren können die Qualität der Verschweißung und des bearbeiteten Werkstücks verringern oder diese im schlechtesten Fall unbrauchbar machen.
Zu Beginn der Anfangsphase findet das so genannte Einstechen des Bearbeitungs-Laserstrahls statt, und am Ende der Endphase endet die Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls mit den Stableitern. Diese beiden Phasen sind besonders kritisch, da es hier zu Spritzerbildung und Porenbildung kommen kann. Um diesen Prozessfehlern entgegenzutreten und eine Verschweißung von guter Qualität zu erhalten, wird im erfindungsgemäßen Verfahren wie im Folgenden beschrieben vorgegangen: In der Anfangsphase kann sich durch die Intensitätssteigerung zumindest in dem Teilbereich des Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche ein Keyhole allmählich in das Material der Stableiter in der Tiefe ausbreiten. Dadurch wird beim Einstechen eine Schmelzbad-Dynamik verringert und die Spritzerbildung reduziert. In der Hauptphase kann mit hoher Intensität ein schneller Schweißfortschritt erreicht werden. In der Endphase kann sich durch die Intensitätsverringerung zumindest in dem Teilbereich des Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche das Keyhole allmählich aus dem Material der Stableiter aus der Tiefe zurückziehen. Insbesondere kollabiert das Keyhole nicht plötzlich; eine Porenbildung wird dadurch minimiert. Gleichzeitig ist es möglich, durch die zumindest im Wesentlichen konstante Gesamtleistung des Bearbeitungs-Laserstrahls den Schweißprozess zu stabilisieren, und insbesondere beim Einstechen eine besonders große Prozesssicherheit zu erreichen. Die Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls kann für das gesamte Laserschweißen so gewählt werden, dass in allen Phasen des Laserschweißens der Stableiter eine zeitlich stabile Dampfkapillare erhalten wird, und es insbesondere nicht zu einem wiederholten Neubilden und Rückbilden der Dampfkapillare kommt. Letzteres tritt bei der Anwendung von einfachen Leistungsrampen bei einem Bearbeitungs-Laserstrahls oftmals in Zeitabschnitten der Leistungsrampen mit geringer Laserleistung auf, was im Rahmen der Erfindung vermieden werden kann.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Vorgehens kann der im Stand der Technik vorhandene Widerspruch zwischen Qualität der Verschweißung und der Prozesszeit aufgelöst werden. Durch die erfindungsgemäße Intensitätsvariation können mit niedrigerer Intensität in der Anfangsphase und der Endphase die dort häufig problematischen Schweißfehler verringert oder vermieden werden, und in der Hauptphase kann durch Anwendung einer hohen, konstanten Intensität und entsprechend höher möglicher Prozessgeschwindigkeit die Prozessdauer insgesamt verkürzt werden. Eine gute Qualität der Verschweißung braucht nicht mehr mit einer langen Prozesszeit erkauft zu werden, und umgekehrt braucht eine schnelle Prozesszeit nicht mehr mit Qualitätseinbußen erkauft zu werden.
Die Gesamtleistung Pges verändert sich während des Abfahrens der Schweißkontur (beispielsweise ein mehrfach durchfahrener Kreis oder eine mehrfach durchfahrene Ellipse) nicht oder nicht wesentlich, z. B. um maximal 10% bezogen auf die (zeitlich) maximale Laserleistung.
Typischerweise wird die räumlich gemittelte Intensität zumindest in dem Teilbereich in der Anfangsphase stetig vergrößert und in der Endphase stetig verkleinert. Durch die stetige Veränderung der räumlich gemittelten Intensität zumindest in dem Teilbereich in der Anfangsphase und der Endphase kann eine besonders geringe Schmelzbaddynamik erreicht werden, und dadurch eine besonders starke Verringerung von Prozessfehlern wie Spritzern oder Poren erreicht werden. Das Keyhole kann sich besonders gleichmäßig vergrößern bzw. verkleinern.
In der Hauptphase verändert sich zumindest in dem Teilbereich des Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche die über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität des Bearbeitungs-Laserstrahls nicht oder nicht wesentlich, z. B. um maximal 10% bezogen auf die (zeitlich) maximale, räumlich gemittelte Intensität. In der Hauptphase kann der Prozess des Verschweißens stabil ablaufen.
Der Bearbeitungs-Laserstrahl weist in seinem gesamten Strahlquerschnitt an einem Ort oder in einem Ortsbereich eine (räumlich) maximale, lokale Intensität auf. Dieser Ort oder Ortsbereich liegt im Allgemeinen innerhalb des zumindest einen Teilbereichs des Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche. Im Rahmen der Erfindung wird an diesem Ort oder Ortsbereich die (räumlich) maximale, lokale Intensität in der Anfangsphase mit der Zeit erhöht, in der Hauptphase mit der Zeit zumindest im Wesentlichen konstant gehalten (z. B. Abweichung um maximal 10% vom zeitlichen Maximalwert), und in der Endphase mit der Zeit verringert. Durch die Variation der (räumlich) maximalen, lokalen Intensität in der Anfangsphase und in der Endphase des Verschweißens wird die Bildung von Spritzern und Poren verringert oder ganz verhindert. Während der Hauptphase wird der zeitliche Maximalwert der (räumlich) maximalen, lokalen Intensität erreicht, wodurch die Prozesszeit kurz gehalten wird.
Die Begriffe (Gesamt-)Leistung und (räumlich gemittelte) Intensität beziehen sich bei einem unmodulierten Bearbeitungs-Laserstrahl auf die momentane Leistung oder die momentane Intensität, und bei einem modulierten Bearbeitungs-Laserstrahl auf die über eine Modulationsperiode gemittelte Leistung oder Intensität. Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens ein unmodulierter Bearbeitungs-Laserstrahl eingesetzt, da hierdurch die Prozesszeit kürzer gehalten werden kann und eine höhere Prozessstabilität möglich ist.
Typischerweise werden im Rahmen der Erfindung zwei Stableiter miteinander verschweißt, aber auch ein Verschweißen von drei oder noch mehr Stableitern ist möglich; die zu verschweißenden Stableiter werden dann über eine gemeinsame Schweißperle miteinander verbunden. Die metallischen Stableiter sind in der Regel kupferhaltige oder aluminiumhaltige Stableiter. Diese Stableitermaterialien werden bevorzugt für die Fertigung von Elektromotoren verwendet, da die stromleitenden Eigenschaften dieser Materialien besonders günstig sind.
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Anfangsphase ein Gesamtdurchmesser des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche mit der Zeit verringert wird, in der Hauptphase der Gesamtdurchmesser zumindest im Wesentlichen mit der Zeit konstant gehalten wird, und in der Endphase mit der Zeit vergrößert wird. Hierdurch steigert sich die räumlich gemittelte Intensität über den gesamten (sich verringernden) Strahlquerschnitt in der Anfangsphase, bleibt in der Hauptphase im (konstanten) gesamtem Strahlquerschnitt gleich, und verringert sich über den gesamten (sich vergrößernden) Strahlquerschnitt in der Endphase. Die Verkleinerung und Vergrößerung des Gesamtdurchmessers des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche lässt sich einfach einrichten, beispielsweise durch zeitliche Veränderung der Fokuslage über ein einfaches Verfahren/Verschieben einer Fokussierlinse. Ausrüstung für eine weitergehende Strahlformung, etwa eine 2-in-1-Faser und eine Einrichtungen zur Leistungsverteilung zwischen den Teilfasern, ist nicht notwendig.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der zumindest in der Anfangsphase und der Endphase als Bearbeitungs-Laserstrahl ein umgeformter Laserstrahl eingesetzt wird, der im Strahlquerschnitt einen Kernanteil und einen Ringanteil umfasst, wobei der Ringanteil den Kernanteil ringförmig umgibt, wobei sich die Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls auf den Kernanteil und den Ringanteil verteilt,
dass in der Anfangsphase ein Leistungsanteil P_kern der Gesamtleistung, der auf den Kernanteil entfällt, mit der Zeit erhöht wird, und ein Leistungsanteil P_ring der Gesamtleistung, der auf den Ringanteil entfällt, mit der Zeit verringert wird, und dass in der Endphase der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, mit der Zeit verringert wird, und der Leistungsanteil P_ring der Gesamtleistung, der auf den Ringanteil entfällt, mit der Zeit vergrößert wird. Der Kernanteil repräsentiert dann den Teilbereich, in welchem die räumlich gemittelte Intensität in der Anfangsphase ansteigt, in der Hauptphase konstant bleibt, und in der Endphase kleiner wird. Durch die Erhöhung des Leistungsanteils P_kern, der auf den
Kernanteil entfällt, und die Verringerung des Leistungsanteils P_ring, der auf den Ringanteil entfällt, kann während der Anfangsphase die Vertiefung des Keyholes besonders gut kontrolliert werden. In der Endphase kann durch die Verringerung des Leistungsanteils P_kern, der auf den Kernanteil entfällt und die Erhöhung des Leistungsanteils P_ring, der auf den Ringanteil entfällt, erreicht werden, dass sich das während des Verschweißens gebildete Keyhole ebenso gut kontrolliert zurückbilden kann. Allgemein kann durch die Aufteilung der Laserleistung auf einen Kernanteil und einen Ringanteil während des Schweißprozesses die Schmelzbaddynamik gering gehalten und eine gute Nahtqualität erreicht werden.
Vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass zu Beginn der Anfangsphase gilt: 20% ≤ P_kern ≤ 60%, bevorzugt 25% ≤ P_kern ≤ 40%, besonders bevorzugt P_kern = 30%,
dass in der Hauptphase gilt: 80% ≤ P_kern ≤ 100%, bevorzugt P_kern = 100%,
und dass am Ende der Endphase gilt: 20% ≤ P_kern ≤ 60%, bevorzugt 25% ≤ P_kern ≤ 40%, besonders bevorzugt P_kern = 30%. Diese Leistungsanteile P_kern, die auf den Kernanteil entfallen, haben sich in der Praxis für das erfindungsgemäße Verfahren besonders bewährt. Die Werte P_kern für die Anfangsphase sind besonders geeignet, dass sich bereits zu Beginn des Laserschweißens ein stabiles Keyhole ausbilden kann. Durch den höher gewählten Leistungsanteil P_kern kann in der Hauptphase eine gute Effizienz des Verschweißens erreicht werden und die Prozesszeit kurz gehalten werden. In der Endphase sind die Werte P_kern besonders geeignet, dass sich das Keyhole allmählich zurückbilden kann und erst am Ende des Laserschweißens verschwindet.
Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der in der Hauptphase der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, 100% beträgt und der Leistungsanteil P_ring der Gesamtleistung, der auf den Ringanteil entfällt, 0% beträgt. Dadurch kann eine maximale Effizienz des Verschweißens in der Hauptphase erreicht werden und die Prozesszeit besonders kurz gehalten werden.
Ebenso bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der in der Hauptphase der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, mit der Zeit zumindest im Wesentlichen konstant bleibt. Hierdurch kann der Prozess während der Hauptphase stabil ablaufen. Der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, verändert sich während der Hauptphase nicht oder nicht wesentlich, z.B. um maximal 10% bezogen auf den (zeitlich) maximalen Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt.
Weiterhin bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der der umgeformte Laserstrahl durch eine 2-in-1-Faser mit einer Kernfaser und einer Ringfaser erzeugt wird, mit einem Kernfaserdurchmesser KFD mit 11 µm ≤ KFD ≤ 200 µm, bevorzugt 30 µm ≤ KFD ≤ 100 µm, besonders bevorzugt KFD = 50 µm, und mit einem Ringfaserdurchmesser RFD mit 30 µm ≤ RFD ≤ 700 µm, bevorzugt 100 µm ≤ RFD ≤ 400 µm, besonders bevorzugt RFD = 200 µm. Mit einer 2-in-1-Faser kann ein umgeformter Laserstrahl für die Erfindung auf einfache Weise erzeugt werden. Die hier vorgeschlagenen Kernfaserdurchmesser KFD und Ringfaserdurchmesser RFD haben sich in der Praxis besonders bewährt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante wird in der Anfangsphase und in der Endphase zumindest in dem Teilbereich die räumlich gemittelte Intensität linear mit der Zeit verändert. Durch die lineare Veränderung der räumlich gemittelten Intensität im Teilbereich kann eine ruhigere Schmelzbaddynamik erreicht werden; zudem ist eine lineare Veränderung meist leicht anzusteuern. Insbesondere in der Endphase kann sich durch die lineare Veränderung der räumlich gemittelten Intensität im Teilbereich das während des Verschweißens gebildete Keyhole besonders gut kontrolliert zurückbilden, wodurch die Ausbildung von Poren verringert oder verhindert werden kann.
Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der die Anfangsphase einen Anteil an einer Gesamtschweißdauer des Abfahrens der Schweißkontur von 1% bis 30%, bevorzugt 15% bis 25%, besonders bevorzugt 20%, aufweist,
und dass die Endphase einen Anteil an der Gesamtschweißdauer von 1% bis 30%, bevorzugt 15% bis 25%, besonders bevorzugt 20%, aufweist. Hierbei handelt es sich um in der Praxis bewährte Anteile der Gesamtschweißdauer des Abfahrens der Schweißkontur in der Anfangsphase und in der Endphase, mit denen die Wahrscheinlichkeit von Prozessfehlern wie Spritzern in der Anfangsphase oder Poren in der Endphase minimiert werden kann. Die Dauer der Anfangsphase und die Dauer der Endphase können gleich gewählt werden, falls gewünscht.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl mit einem NIR-Laser mit einer Wellenlänge von 800 - 1200 nm, insbesondere 1030 nm oder 1070 nm, erzeugt wird. Die hier angegebenen Wellenlängen haben sich in der Praxis bewährt und sind besonders für das Verschweißen von Hairpins nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet. Alternativ kann auch beispielsweise ein Bearbeitungs-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 450 nm (blau) oder einer Wellenlänge von 500 nm bis 550 nm (grün), insbesondere ca. 515 nm, eingesetzt werden.
Ebenso bevorzugt ist eine Variante, bei der für die Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls gilt: Pges ≥ 4 kW, bevorzugt Pges ≥ 6 kW. Bei den hier gezeigten Gesamtleistungen Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls handelt es sich um in der Praxis bewährte Gesamtleistungen Pges, mit denen sich zuverlässig ein zeitlich stabiles Keyhole erzeugen lässt. Typischerweise beträgt 4 kW ≤ Pges ≤ 8 kW. Eine höhere Gesamtleistung Pges führt allgemein zu einer kürzeren Prozesszeit.
Bevorzugt ist eine Variante, bei der der Bearbeitungs-Laserstrahl ein Strahlparameterprodukt SPP aufweist, mit SPP ≤ 4 mm*mrad. Durch das Strahlparameterprodukt SPP wird allgemein die Strahlqualität eines Laserstrahls beschrieben. Für das erfindungsgemäße Verfahren hat sich in der Praxis besonders bewährt, einen Bearbeitungs-Laserstrahl mit solch einem Strahlparameterprodukt SPP zu nutzen.
Bei einer vorteilhaften Variante weist der Bearbeitungs-Laserstrahl an der Werkstückoberfläche einen maximalen Durchmesser Dmax auf, mit 71 µm ≤ Dmax ≤ 1360 µm, bevorzugt 250 µm ≤ Dmax ≤ 450 µm, besonders bevorzugt Dmax = 340 µm. Diese maximalen Durchmesser Dmax des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche haben sich in der Praxis für das erfindungsgemäße Verfahren besonders bewährt. Der maximale Durchmesser entspricht im Falle eines umgeformten Laserstrahls, der im Strahlquerschnitt einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweist, dem (größten) Durchmesser des Ringanteils. Bevorzugt ist zudem, wenn der Bearbeitungs-Laserstrahl an der Werkstückoberfläche einen minimalen Durchmesser D_min mit 30 µm ≤ D_min ≤ 340 µm, bevorzugt 50 µm ≤ D_min ≤ 150 µm, besonders bevorzugt D_min = 84 µm aufweist. Auch dies hat sich in der Praxis bewährt. Der minimale Durchmesser des Bearbeitungs-Laserstrahls entspricht im Falle eines umgeformten Laserstrahls, der im Strahlquerschnitt einen Kernanteil und einen Ringanteil aufweist und in der Hauptphase einen Leistungsanteil P_kern=100% hat, dem (größten) Durchmesser des Kernanteils. Die Durchmesser können gemäß FWHM (full width at half maximum) bestimmt werden.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Stableiteranordnung, umfassend wenigstens zwei Stableiter, verschweißt mit einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren. Die Stableiteranordnung kann zuverlässig mit hoher Qualität und kosteneffizient mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Die beim Verschweißen ausgebildete Schweißperle ist gleichmäßig geformt und stellt zuverlässig eine ausreichende Querschnittsfläche für den elektrischen Stromfluss zwischen den verschweißten Stableitern zur Verfügung. Typischerweise wird eine Vielzahl von Stableitern aufeinanderfolgend verschweißt (etwa in einem Stator-Träger), wobei die Stableiter an beiden Beinen mit weiteren Stableitern (oder bei endständigen Stableitern mit einem Stromanschluss) verschweißt sind.
Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung von Stableiteranordnungen, wobei die Stableiteranordnungen jeweils hergestellt sind durch Verschweißen von wenigstens zwei Stableitern mit einem erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahren, wobei die Stableiteranordnungen in einem Elektromotor oder einem elektrischen Generator verbaut werden. Die Verschweißungen der Stableiter sind besonders zuverlässig und daher auch gut für die bei Elektromotoren und elektrischen Generatoren auftretenden hohen Stromstärken geeignet. Die qualitativ hochwertigen Verschweißungen sind für Dauerbelastungen, wie sie im Straßenverkehr bei Elektromotoren in Elektrofahrzeugen auftreten, gut geeignet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht zwei gebogene Stableiter in teilweise überlappender Anordnung, die im Rahmen der Erfindung miteinander verschweißt werden sollen;
2 zeigt in einer schematischen Schrägansicht die aneinander liegenden Endbereiche der beiden Stableiter von 1, mit Blick auf die stirnseitigen Endflächen;
3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht die Endbereiche von zwei gemäß der Erfindung verschweißten Stableitern, die über eine Schweißperle miteinander verbunden sind, mit Markierung der Anbindungsfläche;
4 zeigt ein Diagramm der räumlich gemittelten Intensität des Bearbeitungs-Laserstrahls zumindest in einem Teilbereich eines Querschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche und der Gesamtleistung des Bearbeitungs-Laserstrahls während des Laserschweißens zweier Stableiter gemäß einer beispielhaften Variante der Erfindung als Funktion der Zeit;
5 zeigt für eine Variante der Erfindung, in welcher die Intensitätsänderung über eine Durchmesseränderung des Bearbeitungs-Laserstrahls realisiert wird, ein Diagramm des Gesamtdurchmessers des Bearbeitungs-Laserstrahls während des Laserschweißens zweier Stableiter an der Werkstückoberfläche als Funktion der Zeit;
6a zeigt für eine Variante der Erfindung, in welcher die Intensitätsänderung über eine Änderung der Leistungsverteilung zwischen einem Kernanteil und einem Ringanteil des Bearbeitungs-Laserstrahls realisiert wird, eine schematische Darstellung eines umgeformten Bearbeitungs-Laserstrahls im Querschnitt, mit Kernanteil und Ringanteil;
6b zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften 2-in-1-Faser für die Erfindung im Querschnitt, mit der ein umgeformter Laserstrahl für das erfindungsgemäße Laserschweißen wie in 6a gezeigt bereit gestellt werden kann, mit Kernfaser und Ringfaser;
7 zeigt für die Variante von 6a ein Diagramm des Kernanteils der Laserleistung eines umgeformten Bearbeitungs-Laserstrahls für die Erfindung während des Laserschweißens zweier Stableiter als Funktion der Zeit;
8 zeigt für eine alternative Variante der Erfindung, in welcher die Intensitätsänderung über eine Änderung der Leistungsverteilung zwischen einem Kernanteil und einem Ringanteil des Bearbeitungs-Laserstrahls realisiert wird, ein Diagramm des Kernanteils der Laserleistung eines umgeformten Bearbeitungs-Laserstrahls während des Laserschweißens zweier Stableiter als Funktion der Zeit, mit kürzerer Anfangsphase;
9a zeigt für die Variante von 5 in einer schematischen Aufsicht auf die Werkstückoberfläche der beiden Stableiter den Strahlquerschnitt des Bearbeitungs-Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche zu Beginn oder zum Ende des Laserschweißens;
9b zeigt für die Variante von 5 in einer schematischen Aufsicht auf die Werkstückoberfläche der beiden Stableiter den Strahlquerschnitt des Bearbeitungs-Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche während der Hauptphase des Laserschweißens;
9c zeigt für die Variante von 6a/6b/7 in einer schematischen Aufsicht auf die Werkstückoberfläche der beiden Stableiter den Strahlquerschnitt des durch eine 2-in-1-Faser umgeformten Laserstrahls in der Anfangsphase oder in der Endphase des Laserschweißens.

Die 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht beispielhaft zwei metallhaltige, gebogene Stableiter 1a, 1b. Die Stableiter 1a, 1b sind als so genannte Hairpins ausgebildet, die zur Fertigung einer elektrodynamischen Maschine genutzt werden, etwa eines Elektromotors oder eines elektrischen Generators. Die Stableiter 1a, 1b sind jeweils näherungsweise U-förmig ausgebildet und verfügen jeweils über zwei Beine 2a, 3a und 2b, 3b sowie einen Mittelteil 4a, 4b, der die jeweiligen Beinpaare miteinander verbindet.
Die Stableiter 1a, 1b sollen elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden. Dafür werden die Stableiter 1a, 1b an ihren Endbereichen 5a, 5b erfindungsgemäß miteinander verschweißt. Für das Verschweißen werden das Bein 3a des ersten Stableiters 1a und das Bein 3b des zweiten Stableiters 1b überlappend und in der hier gezeigten Variante aneinander anliegend angeordnet.
Für die Stableiter 1a, 1b werden typischerweise kupferbasierte oder aluminiumbasierte Werkstoffe als Stableitermaterialien genutzt.
Die 2 zeigt in einer schematischen Schrägansicht die aneinander liegenden Endbereiche 5a, 5b der beiden Stableiter 1a, 1b von 1a. Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts, die y-Achse in die Zeichenebene und die z-Achse nach oben zeigt. Die stirnseitigen Endflächen 6a, 6b der beiden Stableiter 1a, 1b bilden eine gemeinsame Werkstückoberfläche 7 und sind auf ungefähr gleicher Höhe angeordnet worden. Die langen Seiten 8a, 8b, der Endbereiche 5a, 5b der Beine 3a, 3b liegen flächig und fluchtend aneinander an, wobei die Beine 3a, 3b in nicht näher dargestellter Weise aneinander gepresst werden. Die Beine 3a, 3b sind parallel zueinander und vertikal ausgerichtet, sodass die Werkstückoberfläche 7 nach oben ausgerichtet ist.
Zum Verschweißen der beiden Endbereiche 5a, 5b, wird ein Bearbeitungs-Laserstrahl 9 eingesetzt, der eine Schweißkontur 10 auf der Werkstückoberfläche 7 hier in einer sich wiederholenden, ellipsenförmigen Bahn abfährt. Alternativ ist es beispielsweise möglich, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl 9 auch eine Kreisbahn oder eine Linie abfährt (hier nicht gezeigt). Der Bearbeitungs-Laserstrahl 9 trifft dabei näherungsweise senkrecht auf die Werkstückoberfläche 7. Hierbei ist zu beachten, dass während der Fertigung verschiedener Paare von Stableitern 1a, 1b der Einfallswinkel des Bearbeitungs-Laserstrahls 9 typischerweise leicht variieren kann, um die Stableiter 1a, 1b, die meist in einem Statorträger (nicht näher dargestellt) angeordnet sind, nicht zu häufig versetzen zu müssen. Der Bearbeitungs-Laserstrahl 9 weicht typischerweise nicht mehr als 40° von einem senkrechten Einfall auf die Werkstückoberfläche 7 ab, bevorzugt nicht mehr als 20°.
Durch die Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls 9 schmilzt das Material der Stableiter 1a, 1b nahe der Werkstückoberfläche 7 auf, und es bildet sich eine Schweißperle. Der Bearbeitungs-Laserstrahl 9 kann mit einem NIR-Laser mit einer Wellenlänge zwischen 800 nm und 1200 nm erzeugt werden, insbesondere mit einer Wellenlänge von 1030 nm oder 1070 nm. Die Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls 9 beträgt typischerweise 4 kW ≤ Pges ≤ 8 kW und kann so gewählt werden, dass Pges ≥ 4 kW, bevorzugt Pges ≥ 6 kW. Außerdem hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, wenn der Bearbeitungs-Laserstahl 9 ein Strahlparameterprodukt SPP aufweist, mit SPP ≤ 4 mm*rad, und der NIR-Laser einen Faserdurchmesser DF hat, mit DF ≤ 100 µm.
Die 3 zeigt die Endbereiche 5a, 5b der Stableiter 1a, ab nach dem Verschweißen. Das Koordinatensystem ist so gewählt, dass die x-Achse nach rechts, die y-Achse in die Zeichenebene und die z-Achse nach oben zeigt. Die Stableiter 1a, 1b sind über die Schweißperle 11 elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Die Schweißperle 11 sitzt dabei vollflächig auf beiden Stableitern 1a, 1b auf.
Die Qualität der elektrisch leitfähigen Verbindung der beiden Stableiter 1a, 1b wird durch die Qualität der Schweißperle 11 und einer Anbindungsfläche 12 wesentlich bestimmt. Die Anbindungsfläche 12 ist die Querschnittsfläche, die durch die Schweißperle 11 für eine elektrische Stromleitung vom ersten Stableiter 1a zum zweiten Stableiter 1b zur Verfügung gestellt wird.
4 zeigt ein Diagramm des Laserschweißens gemäß einer beispielhaften Variante der Erfindung, in dem eine über zumindest einen Teilbereich, insbesondere einem zentralen Teilbereich, räumlich gemittelte Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche und eine Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls während des Verschweißens zweier Stableiter als Funktion der Zeit dargestellt ist. Die linke Ordinate zeigt dabei die Intensität I_teil in willkürlichen Einheiten (a.u.), die rechte Ordinate stellt die Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls als Anteil einer maximal während des Laserschweißens angewandten Laserleistung Pmax in % dar. Auf der Abszisse wird die Zeit t als Anteil an der Gesamtschweißdauer t_gs in % dargestellt. Die durchgezogene Linie 13 zeigt den Verlauf der zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil. Die gestrichelte Linie 14 zeigt den Verlauf der Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls. In der beispielhaften Variante der Erfindung wird wie folgt vorgegangen:

Das Verschweißen der beiden Stableiter umfasst eine Anfangsphase AP, eine Hauptphase HP und eine Endphase EP. Während dieser Phasen wird die Schweißkontur abgefahren (wobei z. B. mehrfach eine Ellipsenbahn oder Kreisbahn durchlaufen wird). Eine Vorschubgeschwindigkeit kann dabei konstant über die Gesamtschweißdauer tgs gewählt werden. In der Anfangsphase AP (hier zwischen 0% und 20% der Gesamtschweißdauer t_gs) und in der Endphase EP (hier zwischen 80% und 100% der Gesamtschweißdauer t_gs) des Laserschweißens der Stableiter wird eine zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls im Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche niedriger gewählt als in der dazwischenliegenden Hauptphase HP (hier zwischen 20% und 80% der Gesamtschweißdauer t_gs).

Beim so genannten Einstechen des Bearbeitungs-Laserstrahls zu Beginn der Anfangsphase AP (bei 0% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird durch die geringere zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls die Spritzerbildung vermindert. Die zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität I_teil beginnt hier bei einem gewünschten, initialen Wert und nimmt dann in der Anfangsphase AP zu (hier linear), bis sie einen gewünschten Wert für die Hauptphase HP erreicht hat. Der initiale Wert der Intensität I_teil beträgt meist zwischen 20% und 60% der maximal (während der Hauptphase) angewandten Intensität I_teil. Während der Anfangsphase AP vergrößert sich mit der ansteigenden Intensität I_teil die Tiefe der Dampfkapillare allmählich. Die Wahl der Dauer der Anfangsphase AP kann sich beispielsweise danach richten, dass die durch den Bearbeitungs-Laserstrahl erzeugte Dampfkapillare eine gewisse Kapillar-Tiefe erreicht hat (z. B. 30% ihrer maximalen Kapillar-Tiefe; meist ist am Ende der Anfangsphase eine Kapillartiefe zwischen 20% und 45% der maximalen Kapillartiefe erreicht). Die Anfangsphase AP umfasst oft einen Anteil von 1% bis 30%, bevorzugt 15% bis 25%, besonders bevorzugt 20% (wie hier in 4 gezeigt) der Gesamtschweißdauer t_gs, und kann z. B. zwischen 1 ms und 30 ms andauern, bei größeren Hairpins (etwa für LKW-Motoren) können auch längere Dauern der Anfangsphase (länger als 30 ms) in Betracht kommen.
In der Hauptphase HP (hier zwischen 20% und 80% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird dann die Schweißkontur mit der gewünschten, zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls weiter abgefahren. Während der Anwendung der konstanten, maximalen Intensität I_teil in der Hauptphase HP kann es zu einer weiteren Vertiefung der Dampfkapillare kommen.
Nach der Hauptphase HP (hier ab 80% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird die über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls wieder reduziert (hier linear), bis sie einen gewünschten, finalen Wert erreicht (der hier dem initialen Wert zu Beginn der Anfangsphase AP entspricht).
Der finale Wert der Intensität I_teil beträgt meist zwischen 20% und 60% der maximal (während der Hauptphase) angewandten Intensität I_teil. Durch die Reduzierung der Intensität I_teil in der Endphase EP wird erreicht, dass die Dampfkapillare, die durch den Bearbeitungs-Laserstrahl erzeugt wird, sich gleichmäßig zurückbildet, wodurch im abgekühlten Stableitermaterial nur wenige oder gar keine Poren erhalten werden. Die Endphase EP des Verschweißens beträgt hier 20% der Gesamtschweißdauer tgs der Stableiter. Die Endphase EP umfasst oft einen Anteil von 1% bis 30%, bevorzugt 15% bis 25%, besonders bevorzugt 20% (wie hier in 4 gezeigt) der Gesamtschweißdauer t_gs, und kann z. B. zwischen 1 ms und 30 ms andauern.
Die Änderung der zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls ist hier linear gewählt, da dies meist leichter angesteuert werden kann. Außerdem kann eine lineare Änderung für eine ruhigere Schmelzbaddynamik beim Verschweißen sorgen. Ebenso kann hierdurch die Prozessstabilität verbessert werden, und insbesondere in der Endphase kann sich das während des Verschweißens gebildete Keyhole gut kontrolliert zurückbilden, wodurch die Ausbildung von Poren verringert oder verhindert werden kann.
Während sich die zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls mit der Zeit verändert, bleibt die Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls die ganze Zeit über im Wesentlichen konstant und in diesem Beispiel bei 100% der maximalen Gesamtleistung Pmax. Durch diese im Wesentlichen konstant gehaltene Gesamtleistung Pges kann insbesondere in der Anfangsphase AP beim und kurz nach dem Einstechen des Bearbeitungs-Laserstrahls eine große Prozesssicherheit erreicht werden und während des Verschweißens insgesamt eine hohe Prozessstabilität erhalten werden.
5 zeigt ein Diagramm für eine Variante der Erfindung, bei der die in 4 illustrierte Intensitätsänderung über eine Durchmesseränderung des Bearbeitungs-Laserstrahls realisiert wird. Der Gesamtdurchmesser Dges des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche während des Verschweißens zweier Stableiter ist als Funktion der Zeit dargestellt. Die Ordinate zeigt dabei den Gesamtdurchmesser Dges des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche in µm an. Auf der Abszisse wird die Zeit t als Anteil an der Gesamtschweißdauer t_gs in % dargestellt.
Um die Zunahme der zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls in der Anfangsphase AP (zwischen 0% und 20% der Gesamtschweißdauer t_gs), wie sie in 4 gezeigt wurde, zu erreichen, wird der Gesamtdurchmesser Dges des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche in der hier gezeigten Form mit der Zeit von 120 µm auf 60 µm verringert. Wenn die Form des Bearbeitungs-Laserstrahls kreisförmig ist, kann die Veränderung des Gesamtdurchmessers Dges beispielsweise proportional zu t^-1/2 (hier schematisch dargestellt) erfolgen, um eine lineare Zunahme der zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls (siehe 4) zu erhalten. Man beachte, dass in dieser Variante die Intensität I_teil über den gesamten, jeweils momentanen Strahldurchmesser räumlich gemittelt wird.
Während der Hauptphase HP (hier zwischen 20% und 80% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird der Gesamtdurchmesser Dges im Wesentlichen konstant gehalten bei einem Wert von 60 µm. Dadurch kann in der hier gezeigten Form die maximale Intensität der zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls (die hier der räumlich gemittelten Intensität des gesamten Strahlquerschnitts entspricht) in der Hauptphase HP erhalten werden.
Um die Abnahme der zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls in der Endphase EP (zwischen 80% und 100% der Gesamtschweißdauer t_gs), wie sie in 4 gezeigt wurde, zu erreichen, wird der Gesamtdurchmesser Dges des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche in der hier gezeigten Form mit der Zeit von 60 µm auf 120 µm vergrößert. Auch hier erfolgt die Veränderung des Gesamtdurchmesser Dges beispielsweise proportional zu t^-1/2 (hier schematisch dargestellt), um eine lineare Verringerung der zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelten Intensität I_teil des Bearbeitungs-Laserstrahls (siehe 4) zu erhalten.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, den Bearbeitungs-Laserstrahl 9 als einen umgeformten Laserstrahl 9a zu wählen, der zumindest zeitweise einen Kernanteil 15 und einen Ringanteil 16 aufweist. 6a zeigt beispielhaft einen Strahlquerschnitt eines solchen umgeformten Laserstrahls 9a. Der Ringanteil 16 umgibt dabei den Kernanteil 15. Hiermit lassen sich Schweißfehler insbesondere zu Beginn des Laserschweißens und zum Ende des Laserschweißens verringern.
Der umgeformte Laserstrahl 9a wird beispielsweise durch eine 2-in-1-Faser 17 erzeugt; 6b zeigt beispielhaft einen Querschnitt der 2-in-1-Faser 17, mit der ein umgeformter Laserstrahl für das erfindungsgemäße Verfahren bereit gestellt werden kann, wie er in 6a gezeigt ist. Die 2-in-1-Faser 17 weist eine Kernfaser 18 und eine sie umgebende Ringfaser 19 auf. Für den Kernfaserdurchmesser KFD einer solchen 2-in-1-Faser 17 kann beispielsweise 11 µm ≤ KFD ≤ 200 µm, bevorzugt 30 µm ≤ KFD ≤ 100 µm, besonders bevorzugt KFD = 50 µm, gewählt werden und für den Ringfaserdurchmesser RFD einer solchen 2-in-1-Faser 17 kann beispielsweise 30 µm ≤ RFD ≤ 700 µm, bevorzugt 100 µm ≤ RFD ≤ 400 µm, besonders bevorzugt RFD = 200 µm gewählt werden. Meist gilt 2,5≤RFD/KFD≤7,5, und insbesondere oft RFD/KFD=4.
Ein Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, und ein Leistungsanteil P_ring, der auf den Ringanteil entfällt, kann dadurch eingestellt werden, dass ein Ursprungslaserstrahl teilweise in die Kernfaser 18 und teilweise in die Ringfaser 19 eingespeist wird, beispielsweise über einen teilweise in den Ursprungslaserstrahl eingeschobenen optischen Keil (nicht näher dargestellt). Im Rahmen der Erfindung kann in einem Teilbereich, nämlich in dem zentral gelegenen Kernanteil, des Strahlquerschnitts des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche die über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität I_teil mit der Zeit variiert werden. Zu Beginn der Anfangsphase kann der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, 20% ≤ P_kern ≤ 60%, bevorzugt 25% ≤ P_kern ≤ 40%, besonders bevorzugt P_kern = 30% der Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls gewählt werden. In der Hauptphase kann der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, 80% ≤ P_kern ≤ 100%, bevorzugt P_kern = 100% der Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls gewählt werden. Am Ende der Endphase kann der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, 20% ≤ P_kern ≤ 60%, bevorzugt 25% ≤ P_kern ≤ 40%, besonders bevorzugt P_kern = 30% der Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls gewählt werden. Die Gesamtlaserleistung P_ges=P_kern+P_ring wird über die Gesamtschweißdauer zumindest im Wesentlichen konstant gewählt.
7 zeigt für die Variante von 6a ein Diagramm, in dem der Leistungsanteil P_kern an der konstanten Gesamtleistung Pges während des Verschweißens zweier Stableiter als Funktion der Zeit dargestellt ist. Die Ordinate zeigt dabei den Leistungsanteil P_kern der Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls in % an. Auf der Abszisse wird die Zeit t als Anteil an der Gesamtschweißdauer t_gs in % dargestellt. Es wird wie folgt vorgegangen:
Das Laserschweißen der beiden Stableiter gestaltet sich grundsätzlich wie in 4 dargestellt und umfasst die Anfangsphase AP, die Hauptphase HP und die Endphase EP, während derer die Schweißkontur abgefahren wird. Die Vorschubgeschwindigkeit kann dabei konstant über die Gesamtschweißdauer t_gs gewählt werden. In der Anfangsphase AP (hier zwischen 0% und 20% der Gesamtschweißdauer t_gs) und in der Endphase EP (hier zwischen 80% und 100% der Gesamtschweißdauer t_gs) des Laserschweißens der Stableiter wird der Leistungsanteil P_kern niedriger gewählt als in der dazwischenliegenden Hauptphase HP (hier zwischen 20% und 80% der Gesamtschweißdauer t_gs).
Beim Einstechen des umgeformten Laserstrahls am Beginn der Anfangsphase AP (bei 0% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird durch den geringeren Leistungsanteil P_kern die Spritzerbildung vermindert. Der Leistungsanteil P_kern beginnt hier bei 30% und nimmt dann in Anfangsphase AP zu (hier linear), bis er einen gewünschten Wert für die Hauptphase HP erreicht hat. Die Wahl der Dauer der Anfangsphase kann sich beispielsweise danach richten, dass die durch den umgeformten Laserstrahl erzeugte Dampfkapillare eine gewisse Kapillar-Tiefe erreicht hat (z. B. 30% ihrer maximalen Kapillar-Tiefe).
In der Hauptphase HP (hier zwischen 20% und 80% der Gesamtschweißdauer tgs) wird dann die Schweißkontur mit dem gewünschten Leistungsanteil P_kern weiter abgefahren. In der gezeigten Variante beträgt der Leistungsanteil P_kern in der Hauptphase 100%, das heißt der Ringanteil wird nicht ausgeleuchtet.
Nach der Hauptphase HP (hier ab 80% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird der Leistungsanteil P_kern wieder reduziert (hier linear) bis er einen gewünschten Wert erreicht (hier wiederum 30%). Hierdurch wird erreicht, dass die Dampfkapillare, die durch den umgeformten Laserstrahl erzeugt wird, sich gleichmäßig zurückbildet, wodurch im abgekühlten Stableitermaterial nur wenige oder gar keine Poren erhalten werden. Die Endphase EP des Verschweißens beträgt hier 20% der Gesamtschweißdauer t_gs des Abfahrens der Schweißkontur der Stableiter.
8 zeigt ein Diagramm einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnlich wie in 7 beschrieben, wobei sich die Dauer der Anfangsphase AP und der Hauptphase HP sowie der zeitliche Verlauf des Leistungsanteils P_kern unterscheiden. Es werden nur die wesentlichen Änderungen diskutiert. Die Ordinate zeigt den Leistungsanteil P_kern an der Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls in % an. Auf der Abszisse wird die Zeit t als Anteil an der Gesamtschweißdauer tgs in % dargestellt.
Beim Einstechen des umgeformten Laserstrahls am Beginn der Anfangsphase AP (bei 0% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird hier für den Leistungsanteil P_kern 40 % gewählt. Weiterhin ist die Dauer der Anfangsphase AP des Verschweißens in dieser Variante lediglich zu 10% der Gesamtschweißdauer t_gs des Abfahrens der Schweißkontur der Stableiter gewählt. Der Leistungsanteil P_kern steigt während der Anfangsphase AP auf hier 80% an. Durch die Verkürzung der Anfangsphase AP kann ein schnellerer Übergang in die Hauptphase HP erreicht werden, wobei durch den höheren initialen Leistungsanteil P_kern von 40 % und den niedrigeren maximalen Leistungsanteil P_kern bei 80% die Steigung des Leistungsanteils P_kern des Kernanteils in der Anfangsphase AP moderat gehalten werden kann. Letzteres hilft, die Schmelzbaddynamik zu begrenzen.
In der Hauptphase HP (hier zwischen 10% und 80% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird dann die Schweißkontur mit dem gewünschten Leistungsanteil P_kern weiter abgefahren. In der gezeigten Variante beträgt der Leistungsanteil P_kern in der Hauptphase 80%, das heißt der Leistungsanteil P_ring wird weiterhin zu 20% ausgeleuchtet. Hierdurch kann immer noch ein guter Kompromiss zwischen guter Verschweißungsqualität einerseits und kurzer Prozesszeit andererseits erzielt werden.
Nach der Hauptphase HP (hier ab 80% der Gesamtschweißdauer t_gs) wird der Leistungsanteil P_kern wieder reduziert (hier linear) bis er einen Wert von hier nur noch 10% erreicht. Hierdurch wird erreicht, dass die Dampfkapillare am Ende der Endphase EP, also am Schluss der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls, bereits besonders klein ist, bevor sie infolge der Abschaltung des Energieeintrags durch den Laser ganz verschwindet. Dadurch kann die Bildung von Poren weiter verringert werden. Die Endphase EP des Verschweißens beträgt hier 20% der Gesamtschweißdauer t_gs des Abfahrens der Schweißkontur der Stableiter.
In 9a ist für die Variante von 5 eine schematische Aufsicht auf die Werkstückoberfläche 7 der beiden Stableiter dargestellt, wobei der Strahlquerschnitt 20 des Bearbeitungs-Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche 7 gezeigt ist. Der Gesamtdurchmesser Dges des Strahlquerschnitts 20 ist in der Variante von 5 variabel und in 9a zu Beginn der Anfangsphase oder zum Ende der Endphase des Laserschweißens dargestellt, wobei der maximale Durchmesser Dmax vorliegt.
Der Strahlquerschnitt 20 auf der Werkstückoberfläche 7 ist auf die hier kreisförmige Schweißkontur 10 gerichtet und wird mit der Vorschubgeschwindigkeit v (z. B. mit v = 600 mm/s) entlang der Schweißkontur 10 bewegt. Für den maximalen Durchmesser Dmax des Bearbeitungs-Laserstrahls an der Werkstückoberfläche 7 kann beispielsweise 30 µm ≤ D_max ≤ 340 µm, bevorzugt 50 µm ≤ Dmax ≤ 150 µm, besonders bevorzugt D_max = 84 µm, gewählt werden.
9b zeigt die schematische Aufsicht aus 9a, wobei nunmehr der Gesamtdurchmesser Dges des Strahlquerschnitts 20 an der Werkstückoberfläche 7 auf den während des Schweißverfahrens minimalen Durchmesser Dmin verringert wurde, was der Situation während der Hauptphase entspricht. Durch die Verringerung des Strahlquerschnitts 20 kann die über den Strahlquerschnitt 20 räumlich gemittelte Intensität des Bearbeitungs-Laserstrahls (bei gleichbleibender Gesamtlaserleistung) erhöht werden.
In 9c ist in einer schematischen Aufsicht auf die Werkstückoberfläche 7 für die Variante der 6a/6b/7 schematisch der Strahlquerschnitt 20 des durch eine 2-in-1-Faser erzeugten umgeformten Laserstrahls in der Anfangsphase oder in der Endphase des Laserschweißen gezeigt. Der Kernanteil 15 hat einen (äußeren) Durchmesser D_ka und der Ringanteil 16 hat einen (äußeren) Durchmesser D_ra. Der Durchmesser D_ka stellt gleichzeitig den maximalen Durchmesser Dmax des Strahlquerschnitts 20 dar. Der umgeformte Laserstrahl wird mit der Vorschubgeschwindigkeit v (z. B. mit v = 600 mm/s) entlang der kreisförmigen Schweißkontur 10 bewegt.
Während der Anfangsphase wird der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil entfällt, erhöht und der Leistungsanteil P_ring, der auf den Ringanteil entfällt, verringert. Für den Fall, dass der Leistungsanteil P_kern während der Hauptphase 100% beträgt, ergibt sich dann eine Situation ähnlich wie sie in 9b dargestellt ist. Am Ende der Hauptphase wird der Leistungsanteil P_kern verringert und der Leistungsanteil P_ring erhöht, wodurch sich wieder die Ausgangslage wie in 9c ergibt.
Bezugszeichenliste

1a, 1b: Stableiter
2a, 2b: (äußeres) Bein
3a, 3b: (inneres) Bein
4a, 4b: Mittelteil
5a, 5b: Endbereich
6a, 6b: stirnseitige Endfläche
7: Werkstückoberfläche
8a, 8b: lange Seiten
9: Bearbeitungs-Laserstrahl
9a: umgeformter Laserstrahl
10: Schweißkontur
11: Schweißperle
12: Anbindungsfläche
13: durchgezogene Linie I_teil
14: gestrichelte Linie P_ges
15: Kernanteil
16: Ringanteil
17: 2-in-1-Faser
18: Kernfaser
19: Ringfaser
20: Strahlquerschnitt (auf der Werkstückoberfläche)
AP: Anfangsphase
Dges: Gesamtdurchmesser
Dka: Durchmesser Kernanteil
Dmax: maximaler Gesamtdurchmesser
Dmin: minimaler Gesamtdurchmesser
Dra: Durchmesser Ringanteil
EP: Endphase
HP: Hauptphase
Iteil: zumindest über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität
KFD: Kernfaserdurchmesser
Pges: Gesamtleistung des Bearbeitungs-Laserstrahls
Pkern: Leistungsanteil, der auf den Kernanteil entfällt
Pring: Leistungsanteil, der auf den Ringanteil entfällt
RFD: Ringfaserdurchmesser
t: Zeit
tgs: Gesamtschweißdauer
v: Vorschubgeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020113179 [0005]
DE 102016204578 B3 [0010]

Claims

Verfahren zum Verschweißen von metallhaltigen, gebogenen Stableitern (1a, 1b), insbesondere von Hairpins für einen Elektromotor oder einen elektrischen Generator, wobei wenigstens zwei Stableiter (1a, 1b) teilweise überlappend angeordnet werden und mittels eines Bearbeitungs-Laserstrahls (9) miteinander verschweißt werden, wobei sich eine Schweißperle (11) ausbildet, durch die die Stableiter (1a, 1b) miteinander verbunden werden, wobei der Bearbeitungs-Laserstrahl (9) an einer Werkstückoberfläche (7) eine Schweißkontur (10) relativ zu den Stableitern (1a, 1b) abfährt, und wobei das Abfahren der Schweißkontur (10) der wenigstens zwei Stableiter (1a, 1b) eine Anfangsphase (AP), eine Hauptphase (HP) und eine Endphase (EP) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) in der Anfangsphase (AP), der Hauptphase (HP) und der Endphase (EP) zumindest im Wesentlichen über die Zeit beibehalten wird, dass in der Anfangsphase (AP) zumindest in einem Teilbereich, insbesondere zentralem Teilbereich, eines Strahlquerschnitts (20) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) an der Werkstückoberfläche (7) eine über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität (I_teil) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) mit der Zeit erhöht wird, dass in der Hauptphase (HP) zumindest in dem Teilbereich des Strahlquerschnitts (20) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) an der Werkstückoberfläche (7) die über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität (I_teil) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9), die am Ende der Anfangsphase (AP) erreicht wurde, mit der Zeit zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird, und dass in der Endphase (EP) zumindest in dem Teilbereich des Strahlquerschnitts (20) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) an der Werkstückoberfläche (7) die über den Teilbereich räumlich gemittelte Intensität (I_teil) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9), ausgehend von der Intensität am Ende der Hauptphase (HP), mit der Zeit verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anfangsphase (AP) ein Gesamtdurchmesser (D_ges) des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) an der Werkstückoberfläche (7) mit der Zeit verringert wird, in der Hauptphase (HP) der Gesamtdurchmesser (D_ges) zumindest im Wesentlichen mit der Zeit konstant gehalten wird, und in der Endphase (EP) mit der Zeit vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in der Anfangsphase (AP) und der Endphase (EP) als Bearbeitungs-Laserstrahl (9) ein umgeformter Laserstrahl (9a) eingesetzt wird, der im Strahlquerschnitt (20) einen Kernanteil (15) und einen Ringanteil (16) umfasst, wobei der Ringanteil (16) den Kernanteil (15) ringförmig umgibt, wobei sich die Gesamtleistung Pges des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) auf den Kernanteil (15) und den Ringanteil (16) verteilt, dass in der Anfangsphase (AP) ein Leistungsanteil P_kern der Gesamtleistung, der auf den Kernanteil (15) entfällt, mit der Zeit erhöht wird, und ein Leistungsanteil P_ring der Gesamtleistung, der auf den Ringanteil (16) entfällt, mit der Zeit verringert wird, und dass in der Endphase (EP) der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil (15) entfällt, mit der Zeit verringert wird, und der Leistungsanteil P_ring der Gesamtleistung, der auf den Ringanteil (16) entfällt, mit der Zeit vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Anfangsphase (AP) gilt: 20% ≤ P_kern ≤ 60%, bevorzugt 25% ≤ P_kern ≤ 40%, besonders bevorzugt P_kern = 30%, dass in der Hauptphase (HP) gilt: 80% ≤ P_kern ≤ 100%, bevorzugt P_kern = 100%, und dass am Ende der Endphase (EP) gilt: 20% ≤ P_kern ≤ 60%, bevorzugt 25% ≤ P_kern ≤ 40%, besonders bevorzugt P_kern = 30%.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptphase (HP) der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil (15) entfällt, 100% beträgt und der Leistungsanteil P_ring der Gesamtleistung, der auf den Ringanteil (16) entfällt, 0% beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptphase (HP) der Leistungsanteil P_kern, der auf den Kernanteil (15) entfällt, mit der Zeit zumindest im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der umgeformte Laserstrahl (9a) durch eine 2-in-1-Faser (17) mit einer Kernfaser (18) und einer Ringfaser (19) erzeugt wird, mit einem Kernfaserdurchmesser KFD mit 11 µm ≤ KFD ≤ 200 µm, bevorzugt 30 µm ≤ KFD ≤ 100 µm, besonders bevorzugt KFD = 50 µm, und mit einem Ringfaserdurchmesser RFD mit 30 µm ≤ RFD ≤ 700 µm, bevorzugt 100 µm ≤ RFD ≤ 400 µm, besonders bevorzugt RFD = 200 µm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anfangsphase (AP) und in der Endphase (EP) zumindest in dem Teilbereich die räumlich gemittelte Intensität (I_teil) linear mit der Zeit verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangsphase (AP) einen Anteil an einer Gesamtschweißdauer (tgs) des Abfahrens der Schweißkontur (10) von 1% bis 30%, bevorzugt 15% bis 25%, besonders bevorzugt 20%, aufweist, und dass die Endphase (EP) einen Anteil an der Gesamtschweißdauer (t_gs) von 1% bis 30%, bevorzugt 15% bis 25%, besonders bevorzugt 20%, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl (9) mit einem NIR-Laser mit einer Wellenlänge von 800 - 1200 nm, insbesondere 1030 nm oder 1070 nm, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Gesamtleistung P_ges des Bearbeitungs-Laserstrahls (9) gilt: P_ges ≥ 4 kW, bevorzugt P_ges ≥ 6 kW.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl (9) ein Strahlparameterprodukt SPP aufweist, mit SPP ≤ 4 mm*mrad.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl (9) an der Werkstückoberfläche (7) einen maximalen Durchmesser Dmax aufweist, mit 71 µm ≤ D_max ≤ 1360 µm, bevorzugt 250 µm ≤ D_max ≤ 450 µm, besonders bevorzugt Dmax = 340 µm.
Stableiteranordnung, umfassend wenigstens zwei Stableiter (1a, 1b), verschweißt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verwendung von Stableiteranordnungen, wobei die Stableiteranordnungen jeweils hergestellt sind durch Verschweißen von wenigstens zwei Stableitern (1a, 1b) mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, und wobei die Stableiteranordnungen in einem Elektromotor oder einem elektrischen Generator verbaut werden.