DE102022127730A1

DE102022127730A1 - Verfahren zum Fügen von Hairpins durch Laserschweißen

Info

Publication number: DE102022127730A1
Application number: DE102022127730.5A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steffens; Mauricio Kaiser; Andreas Heinz
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-10-20
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2024083654A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Hairpins (14, 16) durch Laserschweißen mittels einer Laserschweißeinrichtung (12), bei welchem ein erster Hairpin (14) und ein zweiter Hairpin (16) entlang jeweiligen Längsseiten (18, 20) aneinander angeordnet und durch Laserschweißen im jeweiligen Endbereich (22, 24) verschweißt werden, wobei die Hairpins (14, 16) mittels einer Kegelform eines Laserstrahls (34) oder seiner Bewegung in Kegelform miteinander verschweißt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fügeverbund (10) von zwei Hairpins (14, 16), erzeugt durch eine Schweißung mit einer Laserschweißeinrichtung (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Hairpins durch Laserschweißen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Fügeverbund derartiger Hairpins gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Aus der DE 10 2019 203 350 A1 ist ein Hairpin-Schweißverfahren bekannt, bei dem die bündig nebeneinander angeordneten Drahtenden zweier Drähte entlang ihrer jeweiligen Längsseiten aneinander angeordnet und durch Laserschweißen im jeweiligen Endbereich miteinander mittels eines Laserstrahls verschweißt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Fügen von Hairpins sowie einen Fügeverbund solcher Hairpins derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders konstante und prozesssichere Verschweißung der Hairpins stattfindet.
Diese Aufgabe wird mittels einem Verfahren zum Fügen von Hairpins mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mittels eines Fügeverbunds mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein erster Hairpin und ein zweiter Hairpin entlang ihrer jeweiliger Längsseiten aneinander angeordnet und durch Laserschweißen im jeweiligen Endbereich verschweißt. Hierbei werden für gewöhnlich die Hairpins über die jeweiligen Stirnseiten, insbesondere mittels herkömmlicher Laserstrahlprofile in gegebenenfalls oszillierenden Bewegungen, verschweißt, zudem werden aufwendige Spann- und Fertigungstechniken angewendet, um die Hairpins in einem engen Toleranzbereich aneinander anordnen zu können.
Erfindungsgemäß werden die Hairpins mittels einer Kegelform des Laserstrahls oder seiner Bewegung in Kegelform prozesssicher miteinander verschweißt, wobei die Kegelformung über optische Elemente in der Schweißoptik oder mittels eines Lichtleitkabels erzeugt werden kann. Weiterhin ist ein Schweißen im Infrarotbereich als auch bei geringeren Wellenlängen im Bereich blauen oder grünen Lichts möglich. Dabei ist eine Toleranzvergrößerung des Versatzes der Hairpins in alle Raumrichtungen sowie bei einer Verdrehung möglich. Dabei kann die Strahlgeometrie auch dem Schweißprozess vorgelagert auch zum Entlacken der Hairpinenden genutzt werden. Ein erfindungsgemäßer Schweißprozess führt insbesondere zu einer guten Verbindungsfestigkeit sowie zu einer guten Stromleitfähigkeit einer dadurch entstehenden Verbindung.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Verschweißung des ersten Hairpins und des zweiten Hairpins mittels eines Laserpulses des Laserstrahls durchgeführt wird. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Verschweißung mittels Laserpulse insbesondere pro Verbindung beziehungsweise pro Hairpinpaar eine Reduzierung von Schweißspritzern mit sich bringt, welche gegenüber dem Stand der Technik insbesondere leicht durch die Bewegung des Laserstrahls entstehen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, die Hairpins mittels eines, insbesondere speziell geformten, Laserstrahls in Kegelform miteinander zu verschweißen, wodurch herkömmliche Arten des Verschweißens von Hairpins, bei denen die Hairpins mittels herkömmlicher Laserstrahlprofile in gegebenenfalls oszillierenden Bewegungen verschweißt werden, optimiert werden. Hierbei wird mit einer speziellen Optik der Laserstrahl in Form eines spitz zulaufenden Kegelmantels in einem Winkel α geformt oder der Laserstrahl zur Bildung des spitz zulaufenden Kegelmantels unter einem Winkel α kreisend geführt.
Vorteilhaft wird dabei der Laserstrahl des Kegelmantels unter einem Winkel α größer als 1,5° und kleiner als 55° zur senkrechten Ausrichtung des ersten und zweiten Hairpins abgestrahlt.
Vorteilhaft ist der Winkel α des Kegelmantels des Laserstrahls immer größer als ein Winkel β, um den die nicht-fluchtenden Hairpins verschränkt sind. Hierbei stellt der Winkel β einen Verschränkungswinkel zwischen den nicht-fluchtenden Hairpins dar.
Auch vorteilhaft trifft der Laserstrahl des Kegelmantels im Wesentlichen auf Seitenflächen des ersten und zweiten Hairpins in den jeweiligen Endbereichen auf.
Hierbei ist es insbesondere möglich, bei konstant prozesssicheren Verschweißungen jegliche Toleranzen eines Höhenversatzes besser ausgleichen zu können, da es insbesondere möglich ist, diesen Höhenversatz, welcher bei dem Aneinanderhalten des ersten und des zweiten Hairpins in einer Höhe der jeweiligen Stirnseiten entstehen kann, zu vermeiden oder durch ein Aufschmelzen der Endbereiche auszugleichen.
Somit ist insbesondere eine Herstellung einer sicheren Schweißverbindung und somit eines guten Stromflusses, auch bei einem Höhenversatz der Hairpins zueinander möglich. Weiterhin ist dadurch weniger Ausschuss möglich, zudem eine gesteigerte Prozessstabilität und durch eine geänderte Fügegeometrie geringere Toleranzen in einer Bauteilfertigung sowie in ihrer Spanntechnik erforderlich. Weiterhin ist eine Reduzierung von Spritzern durch Veränderung der Schweißnahtcharakteristik zu einer innenliegenden Schweißung möglich, wodurch auch ein wenigstens teilweise verbesserter Schutz anderer Komponenten erfolgt. Es erfolgt weiterhin die Möglichkeit einer Reduzierung einer für den Laserprozess notwendigen Energie und somit eine Steigerung des Wirkungsgrades beim Schweißen. Die Laserschweißung lässt sich hierbei sowohl gepulst als auch über einen Dauerstrichverfahren beziehungsweise ein CW-Verfahren (eng.) „Continious Wave“-Verfahren prozesssicher durchführen.
Somit ist es möglich, bei konstant prozesssicheren Schweißungen, jegliche Toleranzen besser auszugleichen beziehungsweise die Hairpins überhaupt miteinander verschweißen zu können. Ein Kegelprofil des Strahles erfasst durch eine geeignete Einstellung eines Öffnungswinkels α immer im Wesentlichen die Seitenflächen der Hairpins im Endbereich und gegebenenfalls auch eine Stirnseite der Hairpins prozesssicher. In anderen Worten ist es möglich, die Hairpins mittels beispielsweise eines Kegelprofils des Laserstrahles prozesssicher miteinander zu verschweißen, wobei die Kegelformung über optische Elemente in der Schweißoptik oder mittels eines Lichtleitkabels erzeugt werden kann. Weiterhin ist ein Schweißen im Infrarotbereich als auch bei geringeren Wellenlängen im Bereich blauen oder grünen Lichts möglich.
Ein erfindungsgemäßer Fügeverbund umfasst einen ersten Hairpin und einen zweiten Hairpin, welche entlang jeweiliger Längsseiten aneinander angeordnet und durch Laserschweißen im jeweiligen Endbereich miteinander verschweißt sind. Hierbei ist der erste Hairpin mit dem zweiten Hairpin mittels einer Kegelform eines Laserstrahls miteinander verschweißt.
Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung vor allem auch ein Verschweißen von Hairpins, auch in den Fällen, in denen die Enden der Hairpins nicht parallel angeordnet sind und/oder diese einen Höhenversatz aufweisen, sodass keine ebene Grenzfläche an den Stirnseiten gegeben ist. Ein umkreisender Laserstrahl oder auch ein Laserstrahl in Kegelform können hierbei dann jeweils zum Einsatz kommen. Somit ist es möglich, Statoren mit Hairpins einfach mit umkreisenden Bewegungen des Laserstrahls oder einem Laserstrahl in Kegelform zu verschweißen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Fügeverbunds von zwei nicht fluchtenden Hairpins mit einem Höhenversatz, welche mittels in kegelförmiger Bahn bewegten Laserstrahles gefügt werden; und
2 eine Seitenansicht eines Fügebverbunds von zwei nicht fluchtenden Hairpins mit einem Höhenversatz, welche mittels eines starr stehenden Strahles in Kegelform gefügt werden, und
3 eine Seitenansicht des Fügeverbunds aus 1 oder 2 mit einer Schmelze als Schweißverbindung.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fügeverbunds 10 zweier Hairpins 14, 16 welche nicht fluchtend entlang jeweiliger Längsseiten 18, 20 zueinander angeordnet sind und somit auch die jeweiligen Endbereiche 22, 24 nicht fluchtend zueinander angeordnet sind, so dass sich auch ein Höhenversatz 40 an den jeweiligen Stirnseiten bildet.
Während des Spannens kann es vorkommen, dass die beiden Hairpins 14,16 nicht fluchtend angeordnet sind, demnach der erste Hairpin 14 zum zweiten Hairpin 16 nicht unter einer Winkelausrichtung von Null, also nicht parallel angeordnet ist, so dass es hierbei durch den Winkelunterschied um einen Winkel β mindestens an einer Seite der Hairpins 14, 16 einen Höhenunterschied 40 gibt. Der Winkelunterschied der beiden Hairpins 14, 16 wird in der 1 als Verschränkungswinkel mit Winkel β dargestellt.
Da die beiden Hairpins 14, 16 nicht zueinander fluchtend ausgerichtet sind, bilden diese auch keine gemeinsame Stirnseite aus, welche sich anhand bekannter und üblicher Schweißmethoden und Schweißverfahren einfach und prozesssicher verbinden lässt. Um nun diese beiden Hairpins 14, 16 dennoch gut verschweißen zu können, wird ein Laserstrahl 34 der Laserschweißeinrichtung 12 nun in Form eines Kegelmantels 44 unter einem Winkel α kreisend geführt.
Der Winkel α kann dabei fest vorgegeben sein oder auch einstellbar sein, so dass auf die jeweilige Anordnung der beiden Hairpins 14, 16 reagiert und der Winkel α optimal eingestellt werden kann.
Ebenso kann die Verschweißung in Form eines Kegelmantels 44 kontinuierlich oder gepulst mit einem Laserpuls 32 erfolgen.
Auch 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fügeverbunds 10 zweier Hairpins 14, 16 welche nicht fluchtend entlang jeweiliger Längsseiten 18, 20 zueinander angeordnet sind und somit auch die jeweiligen Endbereiche 22, 24 nicht fluchtend zueinander angeordnet sind, so dass sich auch ein Höhenversatz 40 an den jeweiligen Stirnseiten bildet.
Da die beiden Hairpins 14, 16 nicht zueinander fluchtend ausgerichtet sind, bilden diese auch keine gemeinsame Stirnseite aus, welche sich anhand bekannter und üblicher Schweißmethoden und Schweißverfahren einfach und prozesssicher verbinden lässt. Um nun diese beiden Hairpins 14, 16 dennoch gut verschweißen zu können, wird ein Laserstrahl 34 der Laserschweißeinrichtung 12 durch eine Optik in Form eines Kegelmantels 44 geformt. Im Gegensatz zur Verschweißung in 1 wird hier der Laserstrahl 34 nicht unter einem Winkel α kreisend geführt, sondern bleibt im Grunde statisch und weißt direkt die Form eines Kegelmantels 44 unter einem Winkel α auf.
Durch eine Optik wird hier ein oder mehrere Laserstrahlen 34 in die Form eines spitz zulaufenden Kegel geformt, so dass durch die Anordnung und Formgebung des Laserstrahls 34 in Form eines Kegelmantels 44 sich am spitzen Ende eine im Wesentlichen die Hairpins 14, 16 umschließende Form ergibt.
Auch hier kann dabei natürlich wieder der Winkel α fest vorgegeben sein oder auch einstellbar sein, so dass auf die jeweilige Anordnung der beiden Hairpins 14, 16 reagiert und der Winkel α optimal eingestellt werden kann.
Ebenso kann die Verschweißung in Form eines Kegelmantels 44 kontinuierlich oder gepulst mit einem Laserpuls 32 erfolgen.
3 zeigt eine schematische Seitenansicht des Fügeverbunds 10 gemäß 1 oder 2 von zwei Hairpins 14, 16, welche nicht fluchtend angeordnet sind, nach einem erfindungsgemäßen Laserschweißprozess. Hierbei wurden durch das Laserschweißen mittels eines Laserpulses 32 mit einem Kegelmantel 44 des Laserstrahls 34 der Laserschweißeinrichtung 12 oder durch den unter einem Winkel α kreisenden Laserstrahl 34 die jeweiligen Endbereiche 22, 24 aufgeschmolzen und unter Verbindung der Schmelze 42 miteinander verbunden.
Das Verfahren zum Fügen von Hairpins 14, 16 durch Laserschweißen mittels der Laserschweißeinrichtung 12 ist hier insbesondere zur Erstellung eines solchen Fügeverbunds 10 anwendbar. Hierbei wird die Verschweißung des ersten Hairpins 14 und des zweiten Hairpins 16 insbesondere mittels eines Laserpulses 32 in Form eines Kegelmantels 44 eines Laserstrahls 34 der Laserschweißeinrichtung 12 durchgeführt.
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 102019203350 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Fügen von Hairpins (14, 16) durch Laserschweißen mittels einer Laserschweißeinrichtung (12), bei welchem ein erster Hairpin (14) und ein zweiter Hairpin (16) entlang ihrer jeweiligen Längsseiten (18, 20) aneinander angeordnet und durch Laserschweißen im jeweiligen Endbereich (22, 24) verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Hairpins (14, 16) mittels einer Kegelform eines Laserstrahls (34) oder seiner Bewegung in Kegelform miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschweißung des ersten Hairpins (14) und des zweiten Hairpins (16) mittels eines Laserpulses (32) des Laserstrahls (34) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verschweißen mittels eines als Kegel geformten Laserstrahls (34) dieser mittels einer speziellen Optik in Form eines spitz zulaufenden Kegelmantels (44) in einem Winkel (α) geformt wird oder der Laserstrahl (34) zur Bildung des spitz zulaufenden Kegelmantels (44) unter einem Winkel (α) kreisend geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (34) des Kegelmantels (44) unter einem Winkel (α) größer als 1,5° und kleiner als 55° zur senkrechten Ausrichtung des ersten und zweiten Hairpins (14, 16) abgestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) des Kegelmantels (44) des Laserstrahls (34) immer größer als ein Winkel (β) eingestellt wird, wobei der Winkel (β) ein Verschränkungswinkel zwischen den Hairpins (14, 16) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (34) des Kegelmantels (44) im Wesentlichen auf Seitenflächen des ersten und zweiten Hairpins (14, 16) in den jeweiligen Endbereichen (22, 24) auftrifft.
Fügeverbund (10) von zwei Hairpins (14, 16), erzeugt durch Schweißen mit einer Laserschweißeinrichtung (12), aus einem ersten Hairpin (14) und einem zweiten Hairpin (16), welche entlang ihrer jeweiligen Längsseiten (18, 20) aneinander angeordnet und durch Laserschweißen im jeweiligen Endbereich (22, 24) miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hairpins (14, 16) mittels einer Kegelform eines Laserstrahls (34) oder seiner Bewegung in Kegelform miteinander verschweißt sind.