JP2019181506A - 平角線のレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタの発生を抑制することが可能な平角線のレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】平角線のレーザ溶接方法は、第１及び第２の平角線２０ａ，２０ｂの接合対象面（端部側面２３ａ，２３ｂ）同士を突き合わせ、第１及び第２の平角線２０ａ，２０ｂにおける、上記接合対象面にそれぞれ連なる他の面（端面２４ａ，２４ｂ）にレーザビームを照射することにより、第１の平角線２０ａと第２の平角線２０ｂとを溶接する。この方法は、第１ステップと第２ステップとを有する。第１ステップは、レーザビームの走査軌跡が一方の平角線２０ｂの上記他の面（端面２４ｂ）内で所定の回転径のループを描くように、レーザビームを走査させる。第２ステップは、第１ステップの後、レーザビームの走査軌跡が上記接合対象面（端部側面２３ａ，２３ｂ）同士を突き合わせた境界面を横切る上記所定の回転径のループを描くように、レーザビームを走査させる。【選択図】図２

Description

本発明は、平角線のレーザ溶接方法に関する。

モータ用のステータ（固定子）は、ステータコアと、ステータコアのスロットに装着された複数のセグメントコイルとを備えている。通常、個々のセグメントコイルは絶縁被覆された平角線である。セグメントコイルの端部同士は、溶接等により接合されている。

特許文献１には、例えばセグメントコイルに用いられる平角線のレーザ溶接方法が開示されている。特許文献１に記載の方法では、第１及び第２の平角線の端部側面同士を突き合わせ、第１の平角線の端面内にループ状のレーザビームを照射し、レーザビームの走査軌跡を徐々に大きくしていき、第１及び第２の平角線の突き合わせ面に到達させて接合している。上記方法では、このように第１及び第２の平角線を接合することで、突き合わせ面の隙間が溶融池により充填できるため、突き合わせ面間の隙間にレーザビームが侵入することによる平角線の絶縁被膜の損傷を抑制することができる。

特開２０１８−０２０３４０号公報

発明者は、特許文献１に記載の平角線のレーザ溶接方法に関し、以下の問題点を見いだした。
図６は、特許文献１に記載された平角線のレーザ溶接方法を示す平面図で、図７は、ループ状に走査する際の回転径と発生するスパッタの数との関係性を示すグラフである。ここで、回転径は、ループが楕円の場合には長軸の長さに相当し、ループが円の場合には直径に相当する。

特許文献１に記載の方法では、まず、図６に示すように、接合部２５において、絶縁被膜２１ａが剥離された平角線２０ａの突き合わせ面（端部側面）２３ａと、絶縁被膜２１ｂが剥離された平角線２０ｂの突き合わせ面（端部側面）２３ｂと、を突き合わせる。そして、レーザビームを平角線２０ａの端面２４ａに対して、鉛直下向き（ｚ軸マイナス方向）に照射する。次に、図６に示すように、平角線２０ａの端面２４ａ内において、レーザビームの走査軌跡の径すなわち楕円の径を大きくしていき、溶融池６０を端部側面２３ａ，２３ｂに到達させる。その結果、突き合わせ面である端部側面２３ａ，２３ｂ間の隙間が溶融池６０により充填される。

このように、特許文献１に記載の方法では、ループ状に走査する際の回転径が最終的な大きさに比べて小さい状態で走査を開始する必要があるため、開始時の回転径を小さくせざるを得ない場合がある。

そして、上記回転径が小さい場合、レーザビームの照射範囲のエネルギー密度が高くなりキーホール溶接を行う状態となるため、金属が蒸発し易くなり、発生する金属蒸気にレーザビームが当たってスパッタが発生する恐れがある。実際、図７において回転径と発生するスパッタの数との関係性を示すように、回転径が小さくなるに連れてスパッタ数が増加する。よって、特許文献１に記載の方法では、スパッタ数が増加する恐れがある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、その目的は、スパッタの発生を抑制することが可能な平角線のレーザ溶接方法を提供することにある。

本発明の一態様に係る平角線のレーザ溶接方法は、
第１及び第２の平角線の接合対象面同士を突き合わせ、前記第１及び第２の平角線における、前記接合対象面にそれぞれ連なる他の面にレーザビームを照射することにより、前記第１の平角線と前記第２の平角線とを溶接する平角線のレーザ溶接方法であって、
前記レーザビームの走査軌跡が前記第１の平角線の前記他の面内で所定の回転径のループを描くように、前記レーザビームを走査させる第１ステップと、
前記第１ステップの後、前記レーザビームの走査軌跡が前記接合対象面同士を突き合わせた境界面を横切る前記所定の回転径のループを描くように、前記レーザビームを走査させる第２ステップと、
を有するものである。

本発明の一態様に係る平角線のレーザ溶接方法では、まず第１の平角線の上記他の面内において所定の回転径のループを描くようにレーザビームを走査させ、その後、接合対象面同士を突き合わせた境界面を横切る上記所定の回転径のループを描くようにレーザビームを走査させる。本発明の一態様に係る平角線のレーザ溶接方法では、このような構成により、レーザビームの照射範囲のエネルギー密度を低く抑えることができるため、スパッタの発生を抑制することができる。

本発明によれば、スパッタの発生を抑制することが可能な平角線のレーザ溶接方法を提供することができる。

ステータの概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る平角線のレーザ溶接方法を示す平面図である。 ループの回転径と溶融量との関係性の一例を示すグラフである。 図２のレーザ溶接方法で溶接した部分の溶融形状の一例を示す図である。 図２のレーザ溶接方法で溶接する場合の、レーザビームの出力値と円周数との関係性の一例を示すグラフである。 特許文献１に記載された平角線のレーザ溶接方法を示す平面図である。 回転径と発生するスパッタの数との関係性を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

まず、本実施形態に係る平角線のレーザ溶接方法を用いて溶接されたセグメントコイルを備えるステータの構成の一例について、図１を参照しながら説明する。図１は、ステータの概略構成を示す斜視図である。

図１に示すように、モータの固定子であるステータ１は、ステータコア１０と複数のセグメントコイル２０とを有する。
ステータコア１０は、環状の電磁鋼板がステータ１の軸方向（図１におけるｚ軸方向）に積層されたものであり、全体として略円筒形状を有している。ステータコア１０の内周面には、内周側に突出すると共にステータ１の軸方向に延設されたティース１１と、隣接するティース１１間に形成された溝部であるスロット１２と、が設けられている。各スロット１２には、セグメントコイル２０が装着されている。

セグメントコイル２０は、断面矩形状の電線すなわち平角線である。通常、セグメントコイル２０は、純銅製であるが、アルミニウム、銅やアルミニウムを主成分とする合金等の高導電率を有する金属材料から構成してもよい。

それぞれのセグメントコイル２０は略Ｕ字形状に成形されている。図１に示すように、セグメントコイル２０の端部（コイルエンド）は、いずれもステータコア１０の上端面から突出している。接合部２５は、径方向に隣接したセグメントコイル２０の端部同士が溶接された部位である。複数の接合部２５がステータコア１０の周方向に円環状に配列されている。図１の例では、４８個の接合部２５が円環状に配列されている。また、この円環状に配列された接合部２５が径方向に４列配置されている。

次に、図２〜図５を併せて参照しながら、本実施形態に係る平角線のレーザ溶接方法について説明する。図２は、本実施形態に係る平角線のレーザ溶接方法を示す平面図である。なお、当然のことながら、図２に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。図１のｚ軸方向と図２のｚ軸方向は一致している。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

本実施形態に係る平角線のレーザ溶接方法（以下、本レーザ溶接方法と称す）を用いて、図１に示したセグメントコイル２０の接合部２５をレーザ溶接することができる。本レーザ溶接方法は、ステータに用いる平角線のコイル同士を接合するため、ステータコイル接合方法と称することもできる。なお、説明を省略するが、本レーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置は、例えば特許文献１に記載のレーザ溶接装置などを使用することができる。例えば、レーザ溶接装置において、以下のような手順でレーザビームを照射するようにプログラムしておくことで、本レーザ溶接方法が実行できる。

本レーザ溶接方法では、まず、図２に示すように、接合部２５において、絶縁被膜２１ａが剥離された平角線（セグメントコイル）２０ａの端部側面２３ａと、絶縁被膜２１ｂが剥離された平角線（セグメントコイル）２０ｂの端部側面２３ｂと、を突き合わせる。

そして、本レーザ溶接方法では、最終的に平角線２０ａ，２０ｂのそれぞれの端面２４ａ，２４ｂにレーザビームを照射することにより、平角線２０ａと平角線２０ｂとを溶接する。このように、本レーザ溶接方法では、突き合わせ面となる端部側面２３ａ，２３ｂを接合対象面とし、端面２４ａ，２４ｂにレーザビームが照射される。

本レーザ溶接方法は、このレーザビームの走査方法に主たる特徴を有する。この主たる特徴について、以下に説明する。本レーザ溶接方法は、端部側面２３ａ，２３ｂ同士を突き合わせた状態で実行される、次の第１ステップ及び第２ステップを有する。

第１ステップは、レーザビームの走査軌跡が一方の平角線（図２の例では平角線２０ｂであり以下同様とする）の端面２４ｂ内で所定の回転径のループを描くように、レーザビームを走査させる。つまり、第１ステップでは、レーザビームを平角線２０ｂの端面２４ｂに対して、鉛直下向き（ｚ軸マイナス方向）に照射し、上記所定の回転径でループ状にそのレーザビームを走査させる。

ループとは、環状ループ（閉ループ）もしくは螺旋状ループ（開ループ）であることを意味する。図２では、レーザビームの走査軌跡が楕円状のループである例を挙げている。なお、図２において、走査開始位置（矢印で示したＳＴＡＲＴ）を含むループである最初のループを太い線で描いているが、視覚的に分かり易く描いたに過ぎず、他のループと同じビーム径での走査がなされるものとする。

また、平角線２０ａ，２０ｂの導体部２２ａ，２２ｂは、高導電率を有する金属材料から構成されているため、熱伝導性にも優れている。そのため、レーザビームを照射することにより溶融した箇所が、速やかに凝固してしまう。しかし、レーザビームの走査軌跡をループ状にすることで、形成した溶融池を成長させることができる。つまり、第１ステップでは、平角線２０ｂの端面２４ｂ内（端部側面２３ａ，２３ｂ間の境界線に当たらない領域）で溶融池を形成し成長させることができる。なお、上記所定の回転径については後述する。

第２ステップは、第１ステップの後に実行されるステップであり、レーザビームの走査軌跡が端部側面２３ａ，２３ｂ同士を突き合わせた境界面を横切るループを描くように、レーザビームを走査させる。上記境界面は、端部側面２３ａと端部側面２３ｂとを突き合わせた状態で、端部側面２３ａと端部側面２３ｂとの中間に位置する平面とすることができる。この平面（上記境界面）は、図２における端部側面２３ａ，２３ｂ間の境界線を含むことになる。そして、第２ステップにおけるループも、第１ステップにおけるループと同じ回転径（つまり上記所定の回転径）のループとする。

つまり、第２ステップでは、第１ステップの後、レーザビームの走査軌跡が上記境界面を横切るループになるように、上記所定の回転径を保ちながらループを移動させる。移動後のループは、上記境界面を横切るため、平角線２０ａの端面２４ａ内と平角線２０ｂの端面２４ｂ内とに跨がるループとなる。第２ステップでは、このようなループを描くように、レーザビームが平角線２０ｂの端面２４ｂ及び平角線２０ａの端面２４ａに対して鉛直下向き（ｚ軸マイナス方向）に照射される。

このように、本レーザ溶接方法では、常に一定の回転径において片側の平角線２０ｂを溶融させた後、突き合わせ面側へループを移動させ、両側の平角線２０ａ，２０ｂに跨がるループを描くようにレーザビームを照射する。

本レーザ溶接方法では、このような手順により、レーザビームの照射範囲のエネルギー密度を低く抑えることができるため、スパッタの発生を抑制することができる。そして、このレーザ溶接方法では、このようにしてスパッタの発生を抑制することで、溶接欠陥による品質低下を抑制することができる。また、回転径が小さい領域においてスパッタが多発してしまう対策として、レーザビームの出力を下げることも考えられるが、それにより加工時間の増加、及び加工時間増加に伴いエナメル等の絶縁被膜のダメージにつながってしまう。しかし、本レーザ溶接方法によれば、加工時間を増やすことなくスパッタ量を低減することができる。

また、第２ステップの前に実行される第１ステップでは、図２に走査軌跡の例を示したように、最初のループから第２ステップに係る上記境界面を横切るようなループになるまで、段階的にループを移動させるように走査を行うことができる。

また、第２ステップは、図２に走査軌跡の例を示したように、端部側面２３ａ，２３ｂ同士の境界面に沿って（ｘ軸プラス方向に）、ループを平行移動させるようにレーザビームを走査させる第３ステップを含むことができる。これにより、図２で図示したように上記所定の回転径に対して上記境界面が長い場合（突き合わせ面が長い場合）にも、対応することができる。

なお、走査開始位置及び走査終了位置（図２において矢印で示したＥＮＤ）は、図２で示した位置に限ったものではない。一方の平角線２０ｂの端面２４ｂ上におけるループの一点から走査が開始され、双方の平角線２０ａ，２０ｂの端面２４ａ，２４ｂ上におけるループの一点で走査が終了されるようにすればよい。

次に、第１，第２ステップにおける共通のループ径である上記所定の回転径について説明する。本レーザ溶接方法では、ループの回転径は一定（上記所定の回転径）であるため、上記所定の回転径として、スパッタ発生を抑制でき且つ溶融池を形成できるような大きさを選択するとよい。特に、上記所定の回転径は、溶融が最も大きくなる最適な大きさを選択することが好ましい。

この最適な大きさの選択について、図３を併せて参照しながら説明する。図３は、ループの回転径（ここでは楕円形状のループにおける長軸の長さ）と溶融量（溶融断面積）との関係性の一例を示すグラフである。なお、例えば、ループが円形の場合には回転径は直径を指す。

図３に示すように、回転径が小さいとスパッタが多く発生する上に溶融量も少なく、一方で、レーザビームを照射することにより溶融した箇所が速やかに凝固してしまうため、回転径が大き過ぎると溶融量が減少し、溶融池を形成することができない。実際、図３において破線円で示す箇所のように、ある一定の回転径にて溶融量が最大となる。なお、図３に示すように、溶融断面積は、近似的に回転径を変数とする上に凸な２次関数で表現することができると言える。

よって、図３の例の場合、上記破線円で示す付近の回転径（より好ましくは上記２次関数の頂点で示される溶融量が最大となる回転径）を上記所定の回転径として選択することで、スパッタの発生を最大限抑制しつつ広い溶融池を形成することができる。実際には、使用するレーザ溶接装置の性能、そのレーザ溶接装置から実際に出力するレーザビームの条件（出力値、ビーム径等）、及び平角線２０ａ，２０ｂをセットするワークの形状などに合わせ、最も溶融量が大きくなる回転径を選定することができる。

また、図２の例のように突き合わせ面に隙間がある場合には、レーザビームが下方に突き抜ける可能性があり、突き抜けてしまうと、下方に存在する平角線２０ａ，２０ｂの絶縁被膜２１ａ，２１ｂにダメージを与えてしまう。以下に、この対策について説明する。

最初から突き合わせ面にレーザビームを照射するとスパッタの発生が多くなる。しかし、上述したように、本レーザ溶接方法では、端部側面２３ａ，２３ｂ同士の突き合わせ面を最初に照射しないように、第１ステップにて片側の平角線２０ｂの端面２４ｂを溶融させ、端面２４ｂ上で溶融池を形成させる。

そして、上述したように、第２ステップの前に実行される第１ステップでは、最初のループから上記境界面を横切るようなループになるまで、段階的にループを移動させるように走査を行い、上記境界面の一部に到達するような溶融池を形成させる。

具体的には、レーザビームを走査開始位置（図２において矢印で示したＳＴＡＲＴ）から１又は複数回同じループで照射した後、ｙ軸プラス方向にスライドさせ、スライドさせた位置を基点とした同じループで１又は複数回照射し、これを繰り返していく。これにより、平角線２０ｂの端面２４ｂ内でレーザビームを走査している段階で、溶融池が突き合わせ面である端部側面２３ａ，２３ｂに到達する。なお、この時、上述したように回転径が小さすぎるとスパッタが多発、また大き過ぎると溶融量が減少するため、溶融量が最大となる最適な大きさにする。

このような走査により、第２ステップの実行前に、平角線２０ｂの端面２４ｂに形成された溶融池が隙間に入り込み、隙間がその溶融池により充填されることになる。これにより、端部側面２３ａ，２３ｂ間の隙間にレーザビームが侵入することを抑制でき、レーザビームが下方に突き抜けて絶縁被膜２１ａ，２１ｂにダメージを与えることを防ぐことができる。特に、図２の例では、楕円状の走査軌跡の長軸を、端部側面２３ａ，２３ｂと平行にしているため、端部側面２３ａ，２３ｂ間の隙間の広い範囲に短時間で溶融池を到達させることができる。

その後、上述したように、本レーザ溶接方法では、突き合わせ面側へループを移動させ、第２ステップにて両側の平角線２０ａ，２０ｂに跨がるループを描くように（つまり突き合わせ面を溶接するように）、レーザビームを照射する。以上のような処理により、本実施形態によれば、スパッタの発生を抑制しつつ、突き合わせ面間の隙間にレーザビームが侵入することによる悪影響を抑制することができる。

次に、上述した第３ステップの好ましい例について説明する。
本レーザ溶接方法では、ｘ軸方向に端から溶接しても溶融が均等になるよう出力を調整することが好ましい。そのため、本レーザ溶接方法では、レーザビームの出力を溶接したい部分の中央付近で最大になるように調整していく（変化させる）ことが好ましい。

このような調整の一例について、図４及び図５を併せて参照しながら説明する。図４は、本レーザ溶接方法で溶接した部分の溶融形状の一例を示す図で、図５は、本レーザ溶接方法で溶接する場合の、レーザビームの出力値と円周数（同じループを１回とし、何番目のループであるかを示す数）との関係性の一例を示すグラフである。なお、図４の例では、図２に示した例と異なり、平角線２０ａ，２０ｂの使用量を削減すると共にステータ１を小型化するために、突き合わせ面を略三角形状にした平角線４０ａ，４０ｂを用いている。

図４において必要な溶融形状を示すように、溶接ビードの中央部において最も溶け込みが必要となる。なお、中央部以外の部分、つまり図４において隙間として示した部分は、隙間が存在してもよい。

このような溶融形状を得るために、図５に例示するレーザ出力値（Ｗ）のように、中央部において最も出力値を高くしておき、照射の終盤は銅の熱伝導により平角線２０ａ，２０ｂ又は平角線４０ａ，４０ｂが溶融し易いため溶け過ぎないよう出力を低く調整する。

（代替例）
次に、本実施形態における代替例について説明する。
本レーザ溶接方法について説明したが、平角線の形状、ループの形状等は例示したものに限らない。例えば、ループの形状は楕円状、円形状に限らず、矩形状のループであってもよい。但し、ループの形状が楕円状や円状である方が、角部を有する矩形状である場合に比べて、常にレーザビームを滑らかに走査させることができるため、スパッタの発生を抑制することができる。また、ループの移動軌跡も第１ステップ及び第２ステップの条件を満たしていれば例示したものに限ったものではない。無論、ステータの構成も図示したものに限ったものではない。

また、本レーザ溶接方法では、第１及び第２の平角線が絶縁被覆されたものであり、第１及び第２の平角線において絶縁被膜がそれぞれ剥離された端部側面同士を突き合わせ、第１及び第２の平角線の端面にレーザビームを照射することを前提として説明した。しかしながら、接合対象面（つまり突き合わせ面）は、上記端部側面に限ったものではない。その場合、上記端面は、この接合対象面に連なる他の面（例えば、実質的にこの接合対象面に垂直な面）に該当することになる。

さらに、本レーザ溶接方法は、ステータに用いる平角線同士（平角線のコイル同士）を接合する際に実行することを前提としたが、接合する対象の平角線はステータ以外に使用されるものであってもよい。

以上に、本実施形態について説明したが、上記実施形態は、以下の特徴を有する。
即ち、上記実施形態に係る平角線のレーザ溶接方法は、第１及び第２の平角線２０ａ，２０ｂの接合対象面（端部側面２３ａ，２３ｂ）同士を突き合わせ、第１及び第２の平角線２０ａ，２０ｂにおける、上記接合対象面にそれぞれ連なる他の面（端面２４ａ，２４ｂ）にレーザビームを照射することにより、第１の平角線２０ａと第２の平角線２０ｂとを溶接する。この方法は、第１ステップと第２ステップとを有する。第１ステップは、レーザビームの走査軌跡が一方の平角線２０ｂの上記他の面（端面２４ｂ）内で所定の回転径のループを描くように、レーザビームを走査させる。第２ステップは、第１ステップの後、レーザビームの走査軌跡が上記接合対象面（端部側面２３ａ，２３ｂ）同士を突き合わせた境界面を横切る上記所定の回転径のループを描くように、レーザビームを走査させる。

上記のレーザ溶接方法では、まず一方の平角線の上記他の面内において所定の回転径のループを描くようにレーザビームを走査させ、その後、接合対象面同士を突き合わせた境界面を横切る上記所定の回転径のループを描くようにレーザビームを走査させる。そのため、上記のレーザ溶接方法では、レーザビームの照射範囲のエネルギー密度を低く抑えることができるため、スパッタの発生を抑制することができ、溶接欠陥による品質低下を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ ステータ
１０ ステータコア
１１ ティース
１２ スロット
２０ セグメントコイル
２０ａ、２０ｂ、４０ａ、４０ｂ 平角線
２１ａ、２１ｂ 絶縁被膜
２２ａ、２２ｂ 導体部
２３ａ、２３ｂ 端部側面
２４ａ、２４ｂ 端面
２５ 接合部
６０ 溶融池

Claims (1)

1. 第１及び第２の平角線の接合対象面同士を突き合わせ、前記第１及び第２の平角線における、前記接合対象面にそれぞれ連なる他の面にレーザビームを照射することにより、前記第１の平角線と前記第２の平角線とを溶接する平角線のレーザ溶接方法であって、
   前記レーザビームの走査軌跡が前記第１の平角線の前記他の面内で所定の回転径のループを描くように、前記レーザビームを走査させる第１ステップと、
   前記第１ステップの後、前記レーザビームの走査軌跡が前記接合対象面同士を突き合わせた境界面を横切る前記所定の回転径のループを描くように、前記レーザビームを走査させる第２ステップと、
   を有する、
   平角線のレーザ溶接方法。