JP2020040103A - コイル線のレーザ溶接方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】2つのコイル線の先端部の溶接面積を大きくできるレーザ溶接方法を提供することである。【解決手段】2つのコイル線25の先端部25a側面を突き合わせた突き合わせ面の上端縁Gにレーザビームを照射することにより、2つのコイル線25を溶接する。このとき、上端縁Gに、一方または両方の溶接端部E1,E2から、レーザビームを連続した複数のループ状に走査して溶接部の中央に溶融池を形成し、レーザビームのループ41の移動ピッチ、ループ面積、レーザ走査速度、及びレーザ出力の中から少なくとも1つを制御して、溶接部の中央部における溶融池の溶接深さが他より大きくなるように溶接する。【選択図】図6

Description

本明細書では、2つのコイル線の先端部をレーザビームの照射で溶接する、コイル線のレーザ溶接方法を開示する。
特許文献1には、2つのコイル線の先端部を突き合わせた部分の上端にレーザビームを照射して、2つのコイル線を溶接するレーザ溶接方法が記載されている。この方法では、2つのコイル線の先端部側面を突き合わせた2つの突き合わせ面(接触面)とは異なる、一方のコイル線の先端部上で、レーザビームをループ状に走査して溶融池を形成し、そのループを徐々に大きくして、突き合わせ面の上端に到達させている。
特開2018−20340号公報
特許文献1に記載された方法では、突き合わせ面の上端にレーザビームが到達した際に、ループ径が大きくなり過ぎることで、溶融池の一部が温度低下で固まって、その部分を再溶融させるためにレーザビームのエネルギが奪われる。これにより、突き合わせ面の上下方向に溶接面積を広げることができないので、コイル線の接合強度を高くする面から改良の余地がある。
また、2つのコイル線の先端部をレーザ溶接する際に、突き合わせ面は、上下方向の溶接代(溶接可能範囲)が上端縁の中央に対応する位置で、他より大きくなる形状となる場合が多い。
そこで、本明細書では、このような形状の突き合わせ面に応じて、2つのコイル線の先端部の溶接面積を大きくできるレーザ溶接方法を開示する。
本明細書に開示のコイル線のレーザ溶接方法は、2つのコイル線の先端部側面を突き合わせた突き合わせ面の上端縁にレーザビームを照射することにより、前記2つのコイル線を溶接する、コイル線のレーザ溶接方法であって、前記2つのコイル線の突き合わせ面上端縁に、一方または両方の溶接端部から、前記レーザビームを連続した複数のループ状に走査して溶接部の中央に溶融池を形成し、前記レーザビームのループの移動ピッチ、ループ面積、レーザ走査速度、及びレーザ出力の中から少なくとも1つを制御して、前記溶接部の中央部における前記溶融池の溶接深さが他より大きくなるように溶接する、コイル線のレーザ溶接方法である。
かかる構成とすることで、突き合わせ面の上端縁に、複数のループから複数の小さい溶融池を形成できる。これにより、特許文献1のように2つのコイル線の突き合わせ面とは異なる、1つのコイル線の先端部上でレーザビームをループ状に走査して溶融池を形成し、そのループを徐々に大きくして突き合わせ面の上端に到達させる場合よりも溶融池の径を小さくできる。このため、突き合わせ面上での各ループの形成時における溶融池の固化を抑制できるので、レーザビームのエネルギが溶融池の再溶融に奪われることを抑制できる。したがって、突き合わせ面の上下方向に溶接面積を広げることができる。さらに、中央部における溶融池の溶接深さが他より大きくなるように溶接することにより、溶接面積をより大きくできる。
本明細書に開示のコイル線のレーザ溶接方法によれば、2つのコイル線の先端部の溶接面積を大きくできる。
実施形態のレーザ溶接方法を使用して製造する回転電機ステータのステータコアにコイル線を挿入する直前の状態を示す図である。 コイル線の先端部が周方向に曲げられて、先端同士を溶接する前の状態を示す図である。 2つのコイル線の先端部を溶接するときの溶接開始時の状態を示す斜視図である。 2つのコイル線の先端部の突き合わせ部分を透視して示す図である。 図4のA部拡大図である。 レーザビームの照射部の移動軌跡である複数のループを示している、図4の上方から見た図である。 レーザビームの連続した複数のループ状の移動軌跡を示している図6のB部拡大図である。 実施形態の別例のレーザ溶接方法を示している、図6に対応する図である。 実施形態の別例のレーザ溶接方法を示している、図7に対応する図である。 実施形態の別例において、レーザビームの走査速度の時間に対する変化を示す図である。 実施形態の別例において、レーザビームの出力の時間に対する変化を示す図である。 実施形態の別例のレーザ溶接方法を示している、図8に対応する図である。 実施形態の別例のレーザ溶接方法を示している、図8に対応する図である。 図12bに示したレーザ溶接方法において、レーザビームの照射部が両側の溶接端部から接近して2つの溶融池が衝突したときの不都合を説明するための図12bに対応する図である。 図12bに示した場合において2つの溶融池が衝突した後、一方のコイル線の先端部における溶接部上に凹部が形成された状態を示す図である。 図13に示した不都合が生じる場合のレーザビームの照射軌跡の2例を示す図である。 実施形態の別例のレーザ溶接方法において、レーザビームの照射軌跡を示す図である。
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料、及び個数は、説明のための例示であって、コイル線のレーザ溶接方法を使用して製造する回転電機ステータの仕様に応じて適宜変更することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
また、以下の図面及び実施形態の説明で、Rは、回転電機ステータの径方向を示し、θは、回転電機ステータの周方向を示し、Zは、回転電機ステータの軸方向を示す。R、Z、及びθの接線方向は、互いに直交する。
[回転電機ステータの構成]
図1は、ステータコア12にコイル線25を挿入する直前の状態を示す図である。図2は、コイル線25の先端部が周方向に曲げられて、先端同士を溶接する前の状態を示す図である。
ステータコア12は、環状で外周側に配置されるヨーク13と、ヨーク13の内周面から径方向Rに伸びる複数のティース14とを有する。複数のティース14は、周方向θに互いに間隔をおいて配置される。隣り合う2つのティース14の間には溝であるスロット15が形成される。
[3相コイルの形成方法]
U,V,Wの3相のコイルのそれぞれは、複数のセグメントコイルから形成される。各セグメントコイルは、複数の略U字状のコイル線25(図1)を曲げながら接続して螺旋状(コイル状)に形成してなる。このとき、複数のコイル線25のそれぞれを、ステータコア12の周方向に離れた2つのスロット15に挿入した後、ステータコア12の軸方向Z一方側端(図1の上端)から突出した部分を周方向に接近するように曲げ、径方向Rに隣り合って互いに接触した異なるコイル線25の先端部を溶接して螺旋状に形成する。
コイル線25は、互いに略平行な2つの脚部26と、2つの脚部26の一端を連結し、山形に形成される連結部28とを有する。図2に示すように、コイル線25は、断面矩形の平角線である導体素線29の長さ方向中間部を絶縁皮膜30で覆い、その導体素線29の端部を絶縁皮膜30から露出させることにより形成される。導体素線29は、銅等の導電性が高い金属材料により形成される。後述の図3に示すように、コイル線25の先端部は、先細り形状となっている。
各セグメントコイルを形成する際には、図2に示すように、径方向Rに並んだ複数のコイル線25を、脚部26の先端を先にして、ステータコア12のZ軸下方(図1の下端)から、2つのスロット15に挿入する。このとき、ステータコア12のZ軸上方(図1の上端)から、コイル線25の2つの脚部26の先端側部分を突出させる。そして、図2に示すように、複数のコイル線25を、脚部26の先端側部分が周方向θに接近するように曲げ加工した後、複数のコイル線25がつながって螺旋を形成するように、径方向Rに突き合わされたコイル線25の先端部を、レーザ溶接により溶接する。このとき、コイル線25の導体素線29の絶縁皮膜30から露出した部分が溶接される。これにより、各セグメントコイルが、複数のティース14に跨るように螺旋状に巻回される。そして、U,V,W相のコイルのそれぞれは、複数のセグメントコイルを、ステータコア12の周方向θに沿った環状に連結して形成する。
[コイル線の溶接方法]
上記の回転電機ステータを製造する際に、2つのコイル線25の先端部を、次のようにして溶接する。図3は、2つのコイル線25の先端部を溶接するときの溶接開始時の状態を示す斜視図である。図4は、2つのコイル線25の先端部の突き合わせ部分を透視して示す図である。図5は、図4のA部拡大図である。
図3に示すように、溶接時に、2つのコイル線25の先端部25a側面を、径方向Rに突き合わせる。例えば、2つの先端部25aの径方向R両側には2つの押さえ治具(図示せず)を配置し、2つの押さえ治具により2つの先端部25aを挟んで、互いに押し付ける。この状態で、レーザ溶接機(図示せず)からレーザビーム40を照射する。2つのコイル線25の先端部25a側面を突き合わせた2つの突き合わせ面F(図4、図5)の上端縁Gに、レーザビーム40を照射することにより、2つの先端部25aを溶接する。図4、図5では、太い実線で外縁を示した部分により突き合わせ面Fを示しており、斜線部で溶接部35を示している。この溶接部35が突き合わせ面F内で大きくなるほど溶接強度を高くできる。
溶接時には、突き合わせ面Fの上端縁Gに、一方の溶接端部E1から、レーザビーム40を連続した複数のループ状に走査して、溶接部の中央(溶接中央部C)に向かって、さらに他方の溶接端部E2に向かって、上端縁Gに沿って溶融池を形成する。溶融池は、レーザビーム40の照射部がループ状に走査されたときにその内側のコイル線25の金属製の母材が溶融して形成される。図3、図5の矢印αは、溶融池の形成方向を示している。図5では、破線で2つの辺を示した3つの略三角形部分で溶融池の3例の外形を示している。レーザビーム40の照射部が移動することにより、その照射部から離れた溶融池は温度低下で固化して溶接部35を形成する。さらに、溶接時には、レーザビーム40のループの移動ピッチを制御して、図5に示すように溶接中央部Cにおける溶融池の溶接深さHが他より大きくなるように溶接する。
図6は、レーザビームの照射部の移動軌跡である複数のループ41を示している。図7は、図6のB部拡大図である。
図6に示すように、2つの突き合わせ面の上端縁Gにおいて、一方の溶接端部E1から溶接中央部Cに向かって、さらに他方の溶接端部E2に向かって、連続した複数のループ状にレーザビームが照射される。図6では、(開始)によりレーザビームの照射開始位置を示し、(終了)によりレーザビームの照射終了位置を示している。このとき、図7に示すように、レーザビームの照射部は、一方の溶接端部E1から矢印A1、A2・・・A11、A12に示すように、複数のループ41を移動軌跡の一部として形成しながら他方の溶接端部E2側(図7の左側)に移動する。隣り合うループ41は、一方(図7の上側)のコイル線25の先端部25a上で、突き合わせ面の上端縁Gと略平行な移動軌跡である直線部Lで接続する。複数のループ41の中心は、例えば突き合わせ面Fの上端縁G上にある。レーザビームの照射位置が移動することで、照射位置から離れた溶融池が固化するので、溶融池がレーザビームの移動方向に移動するように見える。
溶接時には、図6に示すように、複数のループ41の移動ピッチPi(i=1,2,3・・・)を、レーザビームの照射開始位置の溶接端部E1付近と、照射終了位置の溶接端部E2付近で大きくするが、溶接中央部C付近では小さくするように溶接する。
上記の構成により、突き合わせ面Fの上端縁Gに、一方の溶接端部E1から溶接中央部Cに向かって複数の小さい溶融池を形成できる。これにより、特許文献1のように2つのコイル線の突き合わせ面とは異なる、1つのコイル線の先端部上でレーザビームをループ状に走査して溶融池を形成し、そのループを徐々に大きくして突き合わせ面の上端に到達させる場合よりも溶融池のループにおける径(楕円の場合の長径d(図7))を小さくできる。このため、突き合わせ面F上での各ループ41の形成時に、ループの始端と終端を短時間でつなぐことができるため、始端付近の表面温度を高いまま維持できることにより、溶融池の始端付近の温度低下による固化を抑制できる。したがって、レーザビーム40のエネルギが溶融池の始端付近の再溶融に奪われることを抑制できるので、そのエネルギが突き合わせ面Fの上下方向(ステータ軸方向Z)のさらなる溶融に使われて、上下方向に溶接面積を広げることができる。さらに、溶接中央部Cにおける溶融池の溶接深さが他より大きくなるように溶接することにより、溶接面積をより大きくできる。具体的には、上記のように溶接時のループ41の移動ピッチを変えて溶接することで、溶接中央部Cでは多くのループ41が集中することでコイル線25の先端部25aへの入熱量が増えて溶接深さが大きくなる。さらに、レーザビーム40の照射初期は、2つのコイル線25の全体の昇温に、照射の熱を奪われやすくなり、溶融池が浅くなりやすいが、溶接中央部Cに向かってその影響が小さくなるので、溶融池を深くできる。これによっても、溶接中央部Cで溶接深さを大きくできる。上記の図4、図5に示したように、突き合わせ面Fは、上下方向の溶接代が上端縁Gの中央に対応する位置で大きくなるので、突き合わせ面Fの多くの面積を溶接部35で占めることができる。したがって、2つのコイル線25の先端部25aの溶接面積を大きくできる。この結果、2つのコイル線25の溶接強度を高くできる。
なお、突き合わせ面Fの上端縁G上に複数のループがあれば、複数のループの中心は上端縁G上になくてもよい。また、レーザビーム40の照射開始位置及び照射終了位置は、溶接部35の両端の溶接端から異なる位置にあってもよい。
[別例のコイル線の溶接方法]
図8は、実施形態の別例のレーザ溶接方法を示している。本例の場合には、2つの突き合わせ面の上端縁Gに、レーザビームを連続した複数のループ状に照射するときに、レーザビームのループ面積を制御して、溶接中央部Cにおける溶融池の溶接深さが他より大きくなるように溶接する。具体的には、複数のループ41の形状を、レーザビームの照射開始位置の溶接端部E1付近と、照射終了位置の溶接端部E2との付近で大きくするが、溶接中央部Cに対応する2つの溶接端部E1,E2の中間位置付近では小さくするように溶接する。例えば、2つの溶接端部E1,E2付近ではループ41を楕円とするが、溶接中央部C付近ではループ41を溶接端部E1,E2の短径と略同じ直径の真円とする。これにより、溶接端部E1,E2付近のループ面積は、溶接中央部C付近のループ面積より大きくなる。溶接端部E1,E2と溶接中央部Cとの間では、溶接中央部Cに向かって徐々に真円に近づけることで、徐々にループ面積を小さくする。複数のループ41の移動ピッチは、略同じとするが、図6の構成と同様に溶接中央部Cに近くなるほど移動ピッチを小さくしてもよい。
上記の溶接中央部C付近のようにループ41を小さくすることでレーザビームのエネルギが狭い面積部分に集中しやすくなる。ループ41の面積が小さいほど、ループ41の内側での単位面積当たりの入熱量が増えて、溶融池が深くなる。これにより、溶接中央部Cにおける溶接深さを他より大きくできる。本例においてその他の構成及び作用は、図1〜図7の構成と同様である。
図9は、実施形態の別例のレーザ溶接方法を示している。図10は、実施形態の別例において、レーザビームの走査速度の時間tに対する変化を示す図である。
本例の場合には、2つの突き合わせ面の上端縁Gに、連続した複数のループ状にレーザビームを照射するときに、レーザビームの走査速度を制御して、溶接中央部Cにおける溶融池の溶接深さが他より大きくなるように溶接する。具体的には、図9に示すように複数のループ41で、形状、ピッチをそれぞれ略同じとするが、図10に示すようにレーザビームの走査速度(レーザ走査速度)Vを、レーザビームの照射開始直後t1、及び照射終了直前t3で最も大きくし、照射時間の中間時点t2で小さくするように制御する。これにより、溶接端部E1,E2付近では、レーザビームの走査速度Vが高くなるが、溶接中央部C付近では走査速度が低くなる。レーザビームの走査速度Vが小さいほど、ループ41の内側での単位面積当たりの入熱量が増えて、溶融池が深くなる。このため、溶接中央部Cにおける溶接深さを他より大きくできる。本例においてその他の構成及び作用は、図1〜図7の構成と同様である。
図11は、実施形態の別例において、レーザビームの出力の時間tに対する変化を示す図である。本例の場合には、2つの突き合わせ面の上端縁に、連続した複数のループ状にレーザビームを照射するときに、レーザビームの出力を制御して、溶接中央部Cにおける溶融池の溶接深さが他より大きくなるように溶接する。具体的には、複数のループで、形状、ピッチ、走査速度をそれぞれ略同じとするが、図11に示すようにレーザ出力Pを、レーザビームの照射開始時から徐々に大きくし、中間の照射時点t4で最大となり、照射終了時に向かって徐々に小さくするように制御する。これにより、溶接端部E1,E2付近ではレーザ出力が低くなるが、溶接中央部C付近ではレーザ出力が高くなる。レーザビームの出力Pが大きいほど、ループ41の内側での入熱量が増えて、溶融池が深くなる。このため、溶接中央部Cにおける溶接深さを他より大きくできる。本例においてその他の構成及び作用は、図1〜図7の構成と同様である。
なお、上記の図1〜図7の構成、図8の構成、図9、図10の構成、図11の構成は、それぞれ他の1つ以上の構成のレーザビームの制御と組み合わせることもできる。
図12aは、実施形態の別例のレーザ溶接方法を示している。本例の場合には、図8の構成と異なり、溶接端E1,E2を結ぶ溶接部を形成する溶接工程の前に、一方(図12aの上側)のコイル線25の先端部25a上にレーザビームを予備的に照射する予備照射工程を行っている。予備照射工程では、一方のコイル線25の先端部25aの厚み方向(図12aの上下方向)にレーザビームをループ状に走査して溶融池を形成する。このときに形成するループ41aは、溶接端部E1で形成するループ41と略同じ大きさとする。その後の溶接工程では、溶接端E1から溶接端E2に向かって複数の溶融池を形成するように、連続した複数のループ状にレーザビームを走査する。予備照射工程は、コイル線25全体の温度をある程度上昇させ、その後の溶接工程でコイル線全体の温度上昇にレーザ出力を奪われにくくするために行う。また、予備照射工程では、レーザ出力を小さいままとし、溶接工程でレーザ出力を大きくすることで、レーザ出力を無駄に大きくすることなく、溶接面積を大きくできる。本例においてその他の構成及び作用は、図8の構成と同様である。本例の構成を、他の構成のいずれかと組み合わせることもできる。
図12bは、実施形態の別例のレーザ溶接方法を示している。本例の場合には、2つの突き合わせ面の上端縁Gに、2つの溶接端部E1,E2の両方から、レーザビームを連続した複数のループ状に走査して溶接中央部Cに向かって溶接池を形成する。そして、それぞれのレーザビームの走査を溶接中央部Cで終了させる。このとき、2つの溶接端部E1,E2の両方から同時にレーザビームの走査を開始してもよいが、一方の溶接端部E1から溶接中央部Cに向かってレーザビームを走査した後、他方の溶接端部E2から溶接中央部Cに向かってレーザビームを走査してもよい。本例においてその他の構成及び作用は、図8の構成と同様である。本例の構成を、他の構成のいずれかと組み合わせることもできる。
図13は、図12bに示したレーザ溶接方法において、レーザビーム40a、40bの照射部が両側の溶接端部E1,E2から接近して、2つの溶融池が衝突したときの不都合を説明するための図12bに対応する図である。図14は、図12bに示した場合において2つの溶融池が衝突した後、一方のコイル線25の先端部25aにおける溶接部35上に凹部38が形成された状態を示す図である。
図12bに示したように、レーザビーム40a、40bは、2つの溶接端部E1,E2から溶接中央部Cに向かってレーザビームを走査する場合に、レーザビームのループの形成方向によっては、2つのコイル線25の先端部25aにおける溶接面積が低下するおそれがある。具体的には、図13に示すように2つのレーザビーム40a、40bの照射によって形成された2つの溶融池が、2つの溶接端部E1,E2から溶接中央部に向かって図13の矢印βのように近づいて押し合ったときに、溶融池の熱エネルギの急上昇により一部が飛散して、一方(図13の上側)のコイル線25上に飛散部37が生じる可能性がある。溶融池は、銅等の金属材料製のコイル線25の母材が溶融したものであるので、それが飛散した場合には溶融池の固化状態で母材の局所的な減少によって、図14に示すようにコイル線25の溶接部35上に凹部38が生じる。この場合には、2つのコイル線25の先端部25aの溶接面積が減少することで溶接強度が低下するおそれがある。例えば次に説明する図15に示す方法でレーザビーム40a、40bのループ41を形成する場合に、上記の溶融池の飛散が生じる。
図15は、図13に示した不都合が生じる場合のレーザビーム40a、40bの照射軌跡の2例を示す図である。図15(a)は、2つのレーザビーム40a、40bにより形成した2つのループ41の形成方向が逆である場合を示し、図15(b)は同じ場合を示している。図15では、点T1,T2により、2つのレーザビーム40a、40bの同じ時点での2つの照射部を示している。図15(a)(b)何れの場合でも、同時に一点鎖線γ上の溶接中央部となる部分に近づいている。これにより、2つのレーザビーム40a、40bにより形成された2つの溶融池が押し合って、上記の不都合が生じやすい。
図16は、このような不都合を解消するために発明した実施形態の別例のレーザ溶接方法の2例において、レーザビーム40a、40bの照射軌跡を示す図である。図16(a)に示す別例では、図15(a)の場合と同様に、2つのレーザビーム40a、40bにより形成した2つのループ41の形成方向が逆である。このとき、一方(図16(a)の左側)のループ41上のレーザビーム40aの点T3位置の照射部が溶接中央部側端部(図16(a)の右端部)にあるときに、他方(図16(a)の右側)のループ41上のレーザビーム40bの点T4位置の照射部は、溶接中央部となる側とは反対側の端部(図16(a)の右端部)にある。図16(a)では、2つのレーザビーム40a、40bの間隔d1を、図15(a)の場合の間隔d2より大きくできるので、溶融池の飛散が生じにくくなる。
図16(b)に示す別例では、図15(b)の場合と同様に、2つのレーザビームにより形成した2つのループ41の形成方向が同じである。このとき、一方(図16(a)の左側)のループ41上のレーザビームの照射部が溶接中央部側の端部(点T3位置)にあるときに、他方(図16(a)の右側)のループ41上のレーザビームの照射部は、溶接中央部となる側とは反対側の端部(点T4位置)にある。図16(b)に示す場合も、図16(a)と同様に、2つのレーザビームの間隔を、図15(b)の場合の間隔より大きくできるので、溶融池の飛散が生じにくくなる。
12 ステータコア、13 ヨーク、14 ティース、15 スロット、25 コイル線、25a 先端部、26 脚部、28 連結部、29 導体素線、30 絶縁皮膜、35 溶接部、37 飛散部、38 凹部、40,40a,40b レーザビーム、41,41a ループ。

Claims (1)

  1. 2つのコイル線の先端部側面を突き合わせた突き合わせ面の上端縁にレーザビームを照射することにより、前記2つのコイル線を溶接する、コイル線のレーザ溶接方法であって、
    前記2つのコイル線の突き合わせ面上端縁に、一方または両方の溶接端部から、前記レーザビームを連続した複数のループ状に走査して溶接部の中央に溶融池を形成し、前記レーザビームのループの移動ピッチ、ループ面積、レーザ走査速度、及びレーザ出力の中から少なくとも1つを制御して、前記溶接部の中央部における前記溶融池の溶接深さが他より大きくなるように溶接する、コイル線のレーザ溶接方法。



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