JP2020055024A - ステータコイルのレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルのレーザ溶接方法において、レーザ照射面における局所的加熱を抑制しスパッタの飛散を抑制することである。【解決手段】ステータコイルのレーザ溶接方法は、第１平角線及び第２平角線における第１リード部及び第２リード部の側面同士を突き合せて突き合せ面とする。レーザビームについては、第１リード部及び第２リード部の突き合せ面の上端部の表面よりも内部側でフォーカスを結ばせ、第１リード部及び第２リード部の突き合せ面の上端部にレーザビームをループ状に走査させて、導体素線を溶融させた溶融池を形成する。そして、突き合せ面に沿って溶融池を連続的に形成しながら移動させる。溶融池形成工程において、レーザビームのフォーカス深さ位置を時間的に変化させる場合、及び、レーザビームの出力を時間的に変化させる場合は、いずれの場合についても連続的に変化させる。【選択図】図４

Description

本開示は、ステータコイルのレーザ溶接方法に関する。

例えば、三相回転電機のステータには、断面が矩形形状の平角線コイルが複数用いられて所定の巻回方法に従って互いに接合されながら巻回される。接合方法としては、レーザ溶接等が用いられる。

特許文献１は、２本の平角線コイルの端部の突き合せ面にレーザ溶接する場合に、突き合せの隙間にレーザビームが侵入し、端部の根元の絶縁被覆にダメージを与えることを指摘する。そこで、一方側の平角線の突き合せ面から離れた端面内に環状またはらせん状のループ状にレーザビームを走査させて溶融池を形成し、ループ径の拡大によって溶融池の径を拡大し端部側面に到達させて上記隙間に溶融池を充填する。上記隙間に溶融池を充填することで、レーザビームの上記隙間への侵入が抑制される。ここでは、光学系を用いてレーザ照射面からのレーザ反射光とプラズマの変動を検出し、これらが急変する場合にスパッタが発生することを述べている。

特許文献１の関連技術として、特許文献２には、２本の平角線を突き合せた端部同士へのレーザ入力熱量の偏りを抑制する方法が開示されている。ここでは、一方側の平角線の端面内に溶融池を拡大しながら形成して端部側面に到達させて冷却し、その後に、他方側の平角線の端面内に溶融池を拡大しながら形成して端部側面に到達させて冷却する。

特開２０１８−２０３４０号公報 特開２０１８−３０１５５号公報

レーザ照射面からのレーザ反射光やプラズマが急変してスパッタが発生するのは、レーザ照射面において局所的加熱が生じる場合と考えられる。レーザ照射面において局所的加熱が生じ得る例の一つは、レーザのフォーカス位置が照射面上にある「ジャストフォーカス」の場合である。

ジャストフォーカスの場合は、照射面における照射エネルギ密度が高く、例えばコイルエッジ部等で局所的加熱が生じやすい。コイルエッジ等でなくても、溶融池が十分に成長するまでは、照射面において固相・液相・気相の相変化が急変することがランダムに発生し得る。これを避けるために突き合せ面から離れたところに溶融池を形成し、走査ループ径を次第に大きくして溶融池を接合面に到達させる方法があるが、走査軌跡が長くなり、接合のための加工時間が長くなる。

また、レーザ出力を初期値から最大出力値に徐々に上げてゆく場合に、ステップ状にレーザ出力を上げるとステップの不連続点で大きな出力急変に伴う局所的加熱が生じ得る。

レーザ照射面で局所的加熱が生じると、スパッタが大量に飛散し、溶接品質が低下する。そこで、レーザ照射面における局所的加熱を抑制してスパッタの飛散を抑制できるステータコイルのレーザ溶接方法が要望される。

本開示に係るステータコイルのレーザ溶接方法は、断面が矩形形状の導体素線の周囲に絶縁皮膜を被覆した絶縁皮膜付き導体線である第１平角線及び第２平角線において絶縁皮膜がそれぞれ剥離された第１リード部及び第２リード部の側面同士を突き合せて突き合せ面とする突き合せ工程と、レーザビームについて、第１リード部及び第２リード部の突き合せ面の上端部の表面よりも内部側でフォーカスを結ばせるデフォーカス工程と、第１リード部及び第２リード部の突き合せ面の上端部にレーザビームを環状またはらせん状のループ状に走査させて、導体素線を溶融させた溶融池を突き合せ面の上端部側に形成する溶融池形成工程と、突き合せ面に沿って溶融池を連続的に形成しながら移動させる溶融池移動工程と、を含み、溶融池形成工程において、レーザビームのフォーカス深さ位置を時間的に変化させる場合、及び、レーザビームの出力を時間的に変化させる場合は、いずれの場合についても連続的に変化させる。

上記構成によれば、レーザビームは突き合せ面の上端部の表面よりも内部側でフォーカスを結ばせるので、突き合せ面の上端部の表面におけるレーザ照射スポット径がジャストフォーカスの場合に比較して大きくなり、レーザの照射エネルギ密度を小さくできる。さらに、レーザビームのフォーカス深さ位置やレーザ出力は連続的に滑らかに変化させるので、レーザ照射面における局所的加熱を抑制できる。また、レーザ照射スポット径が大きいので、ループ径を拡大することなく、そのループ径のままで突き合せ面に沿って溶融池を連続的に形成しながら移動させて接合することができ、ループ径を次第に拡大する場合に比べ走査軌跡が短く、接合のための加工時間を短縮できる。

上記構成のステータコイルのレーザ溶接方法によれば、レーザ照射面における局所的加熱を抑制してスパッタの飛散を抑制できる。

実施の形態におけるステータコイルのレーザ溶接方法が適用される回転電機のステータのコイルエンド部を示す斜視図である。 図１で用いられるセグメントコイルの図である。図２（ａ）は全体図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ部の断面拡大図である。 図１のＣ部を抜き出して示す図である。図３（ａ）は、２つの平角線のそれぞれのリード部を突き合せる前の状態を示す図であり、（ｂ）は、２つの平角線のそれぞれのリード部の側面を突き合せた状態を示す図である。 実施の形態におけるステータコイルのレーザ溶接方法の手順を示すフローチャートである。 図４におけるデフォーカス工程を示す図である。図５（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は径方向に沿った断面図である。 図４における溶融池形成工程について詳細な手順を示すフローチャートである。 図６において、レーザ出力を連続的に変化させる例を示す図である。図７の各図において横軸は時間であり縦軸はレーザ出力である。図７（ａ），（ｂ）は、レーザ出力の連続的変化の二つの例を示す図で、（ｃ）は、比較例として、レーザ出力をステップ状に不連続に変化させる図である。 図６において、レーザビームのフォーカス位置をデフォーカスからジャストフォーカスに連続的に変化させる例を示す図である。図８（ａ）は、溶融池が形成された突き合せ面についての斜視図であり、（ｂ），（ｃ）は（ａ）のＥ面における断面図である。ここで、（ｂ）は初期のデフォーカス位置を示す図であり、（ｃ）はジャストフォーカス位置を示す図である。 図８の変形例で、レーザビームのフォーカス位置を初期のデフォーカスから、ジャストフォーカス側に連続的に変化させてジャストフォーカスに近いデフォーカス位置とする例を示す図である。図９（ａ）は、溶融池が形成された突き合せ面についての斜視図であり、（ｂ），（ｃ）は（ａ）のＥ面における断面図である。ここで、（ｂ）は初期のデフォーカス位置を示す図であり、（ｃ）はジャストフォーカスに近いデフォーカス位置に変化させた状態を示す図である。 図４の溶融池移動工程の例として、レーザビームのフォーカス位置をデフォーカスのまま、突き合せ面に沿って溶融池を連続的に形成しながら移動させる例を示す図である。図１０（ａ）は、溶融池の移動を示す斜視図であり、（ｂ）は、径方向に沿った断面図である。

以下に図面を用いて本開示に係る実施の形態について詳細に説明する。以下では、ステータコイルのレーザ溶接方法が適用される対象として、三相回転電機のステータ巻線を述べるが、これは、説明のための例示である。２つの平角線が互いにレーザ溶接されるものであれば、三相回転電機以外のステータ巻線であっても同様に適用が可能である。

以下では、三相回転電機のステータ巻線として、セグメントコイルを述べるが、これは説明のための例示であって、集中巻コイル等であってもよい。

以下で述べる形状、寸法、材質等は、説明のための例示であって、ステータコイルのレーザ溶接方法の仕様等に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、ステータコイルのレーザ溶接方法が適用される回転電機のステータ１０の構成について、コイルエンド部を示す図である。以下では、特に断らない限り、回転電機のステータ１０を、ステータ１０と呼ぶ。ステータ１０が用いられる回転電機は、電動車両に搭載する回転電機である。回転電機は、電動車両が力行するときは電動機として機能し、電動車両が制動時にあるときは発電機として機能するモータ・ジェネレータで、三相同期型の回転電機である。回転電機は、図１に示すステータ１０と、ステータ１０の内周側に所定の間隔を隔てて配置されるロータとで構成される。図１ではロータの図示を省略した。ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータ巻線２０とを含む。

図１に、軸方向と径方向と周方向とを示す。軸方向は、ステータコア１２の中心穴の中心軸ＣＬに沿った方向で、ステータ巻線２０において動力線リードが引き出される方向がリード側で、その反対側が反リード側である。レーザ溶接を行うときは、リード側を上方側に向けて行うので、以下では、場合により、リード側を上方側、反リード側を下方側と呼ぶ。径方向は、軸方向に垂直な面内で中心軸ＣＬを通る放射状の方向であり、周方向は、中心軸ＣＬを中心として円周方向に沿った方向である。

ステータコア１２は、ロータが配置される中心穴を有する磁性体部品で、円環状のバックヨーク１４とバックヨーク１４から内周側に突き出す複数のティース１６とを含む。隣接するティース１６の間の空間はスロット１８である。ティース１６の数とスロット１８の数は同数で、いずれも３の倍数である。

かかるステータコア１２は、バックヨーク１４とティース１６とを含み、スロット１８が形成されるように所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を所定枚数で軸方向に積み重ねた積層体である。磁性体薄板の両面には電気的な絶縁処理が施される。磁性体薄板の材質としては、珪素鋼板の一種である電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を一体化成形したものをステータコア１２としてもよい。

ステータ巻線２０は、三相の分布巻コイルで、１つの相巻線が複数のティース１６に跨って巻回されて形成される。各相巻線は、それぞれ２周ずつ分布巻されるので、その各周を区別して、Ｕ相巻線の場合はＵ１巻線とＵ２巻線とし、Ｖ相巻線の場合はＶ１巻線とＶ２巻線とし、Ｗ相巻線の場合はＷ１巻線とＷ２巻線と呼ぶ。ステータ巻線２０は、Ｕ１巻線、Ｕ２巻線、Ｖ１巻線、Ｖ２巻線、Ｗ１巻線、Ｗ２巻線を一組として、ステータコア１２の周方向に沿って巻回される。図１において示されているスロット１８には、そこに挿入される各相巻線を小括弧でＶ２，Ｗ１，Ｗ２，Ｕ１と示した。したがって、同じ各相巻線は、６スロット間隔を隔てたスロット１８に順次挿入されてステータコア１２の周方向に一周して巻回される。換言すれば、１つの相巻線は６つのティース１６に跨って巻回されて形成される。

ステータ巻線２０は、ステータコア１２のティース１６に複数のセグメントコイル３０を用いて巻回される。図２は、セグメントコイル３０を示す図である。図２（ａ）は、軸方向と周方向で規定される面を正面としたときの正面図である。

セグメントコイル３０は、断面が矩形形状の平角線を導体素線３８として、両端部を除く導体素線３８の周囲に絶縁皮膜３９を被覆し、所定の形状に成形した絶縁皮膜付き導体線である。絶縁皮膜付き導体線の導体素線３８としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等が用いられる。絶縁皮膜３９としては、ポリアミドイミドのエナメル皮膜が用いられる。

セグメントコイル３０は、略Ｕ字状の形状を有する。図２に示すように、平角線の矩形断面の長辺面側が略Ｕ字状の正面であり、短辺面側が側面である。略Ｕ字状の形状は、短辺面を曲げるエッジワイズ曲げによって形成される。

略Ｕ字状の形状を有するセグメントコイル３０は、軸方向両端にステータコア１２のスロット１８にそれぞれ挿入される直線部を有する２本の平行な脚部３２，３３と、脚部３２，３３の一端同士を接続する折曲げ形状のターン部３４とを有する。平行な２つの脚部３２，３３の間隔は、６スロット分の長さである。１スロット分の間隔をｄｓとすると、平行な２つの脚部３２，３３の間隔Ｄ０は、Ｄ０＝６ｄｓである。脚部３２，３３のそれぞれの先端部は、絶縁皮膜３９が剥離されて導体素線３８が露出したリード部３６，３７である。

図２（ｂ）は、セグメントコイル３０において、脚部３２，３３のそれぞれのリード部３６，３７の近傍を除く部分Ｂの矩形断面の拡大図である。部分Ｂにおいては、矩形断面の長辺を幅として、幅寸法Ｗ₀と、短辺を厚さとして厚さ寸法ｔとを有する。ここで、Ｗ₀＞ｔである。

セグメントコイル３０を用いてステータ巻線２０を形成するとき、セグメントコイル３０は、ステータコア１２の周方向に沿ってＤ０＝６ｄｓ離れた２つのスロット１８に２本の平行な脚部３２，３３のそれぞれが挿入される。挿入は、ステータコア１２の反リード側の端面から行われ、リード部３６，３７を含む端部がステータコア１２のリード側の端面から突き出す。突き出たリード部３６，３７は、ステータコア１２のリード側の端面の外側で適当に折り曲げ成形される。図２に、脚部３３について折り曲げた状態を二点鎖線で示す。脚部３２についても曲げ方向が逆であるが同様に曲げられる。曲げられたリード部３６，３７は、それぞれ別のセグメントコイル３０のリード部３７，３６に接合される。リード部３６，３７が折り曲げられて、所定の巻回方法に従って他のセグメントコイルのリード部３７，３６と溶接等で接合された部分は、ステータ巻線２０におけるリード側のコイルエンド部となる。ステータコア１２に挿入されたセグメントコイル３０のターン部３４は、ステータコア１２の反リード側にあり、反リード側のコイルエンド部となる。

ステータコイルのレーザ溶接方法は、図２のセグメントコイル３０において曲げられた脚部３３の先端のリード部３７と、図２に図示しない別のセグメントコイル３０において曲げられた脚部３２の先端のリード部３６とをレーザビームを用いて接合する方法である。図１において、ステータコイルのレーザ溶接方法が適用される部分の１つを、Ｃ部として一点鎖線で示す。Ｃ部は、図２のセグメントコイル３０をＶ１相巻線における一方側のセグメントコイル３０として、一方側のセグメントコイル３０のリード部３７と、図２では図示しない他方側のセグメントコイル３０のリード部３６との接合部の部分である。以下では、図１のＣ部についてのレーザ溶接方法について述べる。

図３は、図１のＣ部を抜き出して示す図である。以下では、セグメントコイルは平角線であるので、接合される２つのセグメントコイルを区別し、第１平角線３０ａと第２平角線３０ｂと呼ぶ。第１平角線３０ａは、図２で図示しない他方側のセグメントコイル３０に対応し、第２平角線３０ｂは、図２の一方側のセグメントコイル３０に対応する。

図３（ａ）は、第１平角線３０ａ及び第２平角線３０ｂのそれぞれのリード部３６及びリード部３７を突き合せる前の状態を示す図である。リード部３６において、径方向の外周側の側面４０は、リード部３７と向かい合う側面であり、リード部３７において、径方向の内周側の側面４２は、リード部３６と向かい合う側面である。リード部３６，３７において、上方側の端面は、それぞれ上端面４４，４６である。

図３（ｂ）は、第１平角線３０ａ及び第２平角線３０ｂのそれぞれのリード部３６及びリード部３７を突き合せた状態を示す図で、図１のＣ部を抜き出した図に相当する。突き合せは、第１平角線３０ａのリード部３６の側面４０と、第２平角線３０ｂのリード部３７の側面４２とを突き合せて行われる。突き合せ面４１は、側面４０，４２が互いに当接している面である。突き合せ面４１の上端部は、リード部３６，３７の上端面４４，４６の軸方向の高さ位置とほぼ同じ高さ位置にある。

図４は、ステータコイルのレーザ溶接方法の手順を示すフローチャートである。最初の工程は、突き合せ工程である（Ｓ１０）。突き合せ工程は、図３で述べた処理を行う工程である。ここでは、第１平角線３０ａ及び第２平角線３０ｂにおいて絶縁皮膜３９がそれぞれ剥離された第１リード部３６及び第２リード部３７の側面４０，４２同士を突き合せて突き合せ面４１とする。この工程は、回転電機のステータ１０の組立工程の一部として処理される。

突き合せ工程の次からは、レーザ溶接装置を用いて行われる。レーザ溶接装置は、レーザ光源、光学系、レーザ光をレーザヘッドに導くレーザファイバ、及び、レーザヘッドからレーザビームを放射させ所定の位置に走査させる制御を行う制御部を備える。制御には、レーザ出力の制御、レーザビームのフォーカス位置の設定制御、レーザビームの移動走査制御等を含む。

レーザ溶接装置が立ち上がると、初期化が実行される。レーザ出力、光学系の倍率、移動走査速度、後述するデフォーカス位置等の動作条件は、予め定めた標準条件に設定される。また、後述する溶融池形成工程で実行される判断条件として、第１平角線３０ａと第２平角線３０ｂの仕様について、特にこれらの熱容量等について入力される。熱容量については、実際の数値が入力されてもよいが、予め定めた基準に従って、「大」、「中」、「小」の分類を入力してもよい。以下では、熱容量について「大」、「中」、「小」の３分類を用いて説明する。これは説明のための例示であって、これ以外の仕様に関する条件を入力してもよい。

初期化が終了すると、レーザビームについて、第１リード部３６及び第２リード部３７の突き合せ面４１の上端部の表面より内部側でフォーカスを結ばせるデフォーカス工程が行われる（Ｓ１２）。デフォーカスは、対象物の表面上にフォーカスを結ばせるジャストフォーカスからフォーカス位置を対象物の表面上から上方側または下方側にずらすことであるが、ここでは、対象物の表面より下方側の内部側にフォーカス位置を設定するロアフォーカスを用いる。以下において、特に断らない限り、デフォーカスとはロアフォーカスを指す。

図５に、デフォーカス工程の内容を示す。図５（ａ）は、図３（ｂ）に対応する斜視図であり、（ｂ）は、径方向に沿った断面図である。デフォーカス工程は、レーザビームのフォーカス位置の設定工程であるので、レーザビームは突き合せ面４１に照射されないが、説明のため、デフォーカス位置に設定されたレーザビーム５０を二点鎖線で示す。

レーザビーム５０は、突き合せ面４１の上端部に照射位置が設定される。そして、レーザビーム５０は、突き合せ面４１の上端部から下方側にｆｄ１の位置にフォーカスを結び、突き合せ面４１の上端部における照射領域５２は、レーザ照射スポット径Ｄ１を有する。ジャストフォーカスは、突き合せ面４１の上端部の位置にフォーカスを結ぶので、ジャストフォーカスの場合のレーザ照射スポット径Ｄ２（図８参照）はごく小さく、照射エネルギ密度が高い。レーザビーム５０は、フォーカス位置がデフォーカス位置に設定されているので、レーザ照射スポット径Ｄ１は、ジャストフォーカス位置のレーザ照射スポット径Ｄ２よりも大きい。これによって、レーザビーム５０の突き合せ面４１の上端部における照射エネルギ密度をジャストフォーカスの場合に比較して下げることができる。レーザ溶接装置におけるレーザのファイバケーブル径、光学系の倍率を適切に選択することで、レーザ照射スポット径Ｄ１を所望の大きさに設定することができる。

デフォーカス工程の次は、第１リード部３６及び第２リード部３７の突き合せ面４１の上端部にレーザビームを環状またはらせん状のループ状に走査させて、導体素線３８を溶融させた溶融池を突き合せ面４１の上端部側に形成する溶融池形成工程である（Ｓ１４）。溶融池形成工程は、第１リード部３６と第２リード部３７とを突き合せ面４１において接合するために十分な径と深さを有する溶融池を形成する工程である。溶融池形成工程の詳細な内容は、図６を用いて後述する。

溶融池形成工程の次は、突き合せ面４１に沿って溶融池を連続的に形成しながら移動させる溶融池移動工程である（Ｓ１６）。これによって、第１リード部３６と第２リード部３７とは、突き合せ面４１において接合される（Ｓ１８）。そして、全ての突き合せ面４１について接合が行われたか否かが判断される（Ｓ２０）。判断が否定されると、未接合の突き合せ面４１にレーザヘッドを移動（Ｓ２２）させた後、Ｓ１２に戻り、上記の処理手順を繰り返す。Ｓ２０の判断が肯定されると、ステータコイルのレーザ溶接方法の全ての手順が終了する。

図６は、溶融池形成工程について詳細な手順を示すフローチャートである。溶融池形成工程では、ステータ１０の仕様に応じて、特に、第１リード部３６と第２リード部３７の接合品質仕様に応じて、適切な径と深さの溶融池を形成するためのレーザ出力に関する設定と、レーザビームのフォーカス位置に関する設定を行う。接合品質としては、接合強度と共に溶接接合におけるスパッタの飛散抑制がある。これらは、第１平角線３０ａと第２平角線３０ｂの熱容量に依存する。以下に、溶接池形成工程の詳細な内容を説明する。

最初に、レーザ出力を変化させるか否かの判断が行われる（Ｓ３０）。溶融池形成のためには、適切なレーザ出力が必要である。第１平角線３０ａと第２平角線３０ｂの熱容量が「小」の場合には、溶融池形成のために必要なレーザ出力もあまり大きくない。その場合には、レーザビームの照射の最初から必要なレーザ出力に設定でき、Ｓ３０の判断が否定される。Ｓ３０の判断が否定される場合は、レーザ出力を変化させる必要がないので、Ｓ３４に進む。

これに対し、第１平角線３０ａと第２平角線３０ｂの熱容量が「中」または「大」の場合は、かなり大きなレーザ出力が必要となる。その場合には、最初から大きなレーザ出力とせずに、徐々にレーザ出力を上げることが好ましい。したがって、レーザ出力を変化させることが必要となるので、Ｓ３０の判断が肯定される。Ｓ３０の判断が肯定されると、Ｓ３２に進む。徐々にレーザ出力を上げる場合でも、ステップ状に徐々に上げると、ステップの不連続点で大幅な出力急変に伴う局所的加熱が生じ得る。そこで、連続的にレーザ出力を変化させる設定が行われる（Ｓ３２）。連続的にレーザ出力を変化させるとは、時間的にステップ状にレーザ出力を変化させずに、時間的に滑らかにレーザ出力を変化させることである。

図７に、レーザ出力を時間的に変化させる設定の例を示す。図７の各図において、横軸は時間であり縦軸はレーザ出力である。時間ｔ０は、レーザビームの照射開始時間である。時間ｔ０から時間ｔ１の間は、溶融池形成期間である。時間ｔ１から時間ｔ２は、溶融池移動期間である。時間ｔ２以降は、レーザビームの照射を止めて溶融池を固化させる期間である。

図７（ａ），（ｂ）は、溶融池形成期間において、レーザ出力を連続的に変化させる設定の２つの例を示す図である。（ａ）は、時間ｔ０から時間ｔ１に向けて、線形的にレーザ出力を増大させる設定の例である。（ｂ）は、多次関数的にレーザ出力を増大させる設定の例である。熱容量が「中」または「大」の場合は、（ａ）または（ｂ）の設定が行われる。

図７（ｃ）は、比較例として、レーザ出力をステップ状に不連続に変化させる設定の場合を示す図である。レーザ出力をステップ状に徐々に増加させる場合には、ステップの不連続点で大きなレーザ出力急変があるので、レーザ出力の急変に伴って、溶融池形成の過程で局所的加熱が生じ得る。局所的加熱が生じると、スパッタの飛散が増加する。これに対し、（ａ），（ｂ）においては、レーザ出力が時間的に連続的に変化するので、局所的加熱の発生が抑制され、スパッタの飛散を抑制することができる。

図６に戻り、Ｓ３４において、フォーカス位置を変化させるか否かが判断される。Ｓ１２で述べたデフォーカス位置のレーザビーム５０を実際に照射すると、突き合せ面４１の上端部における照射領域５２の照射エネルギ密度がジャストフォーカスの場合の照射エネルギ密度よりも低い。例えば、平角線３０ａ，３０ｂの熱容量が「小」の場合には、デフォーカス位置のレーザビーム５０の照射で形成された溶融池５６によって突き合せ面４１の接合が十分に可能であっても、熱容量が「大」または「中」の場合に、接合が十分でない場合が生じる。そこで、Ｓ３４の判断が行われる。Ｓ３４の判断が否定されると、フォーカス位置はデフォーカス位置のままで変化させず、Ｓ１６に進む。Ｓ３４の判断が肯定されると、Ｓ３６に進み、フォーカス位置をデフォーカス位置からジャストフォーカス側に連続的に変化させる設定が行われる。

図８に、デフォーカス位置のレーザビーム５０と、ジャストフォーカスの位置にフォーカス深さを変化させたレーザビーム６０を示す。図８（ａ）は、図３（ｂ）に対応する斜視図であり、（ｂ），（ｃ）は、（ａ）のＥ面における断面図である。

図８（ｂ）は、図５（ｃ）に対応する図で、フォーカス深さがデフォーカス位置にあるレーザビーム５０が示される。レーザビーム５０は、突き合せ面４１の上端部から下方側にｆｄ１の位置にフォーカスを結び、突き合せ面４１の上端部における照射領域５２は、レーザ照射スポット径Ｄ１を有する。第１リード部３６と第２リード部３７の突き合せ面４１の上端部にレーザビーム５０を実際に照射すると、照射領域５２の真下には、レーザビーム５０の照射によってキーホールと呼ばれる凹部５４が形成され、凹部５４の周辺に溶融池５６が形成される。

図８（ｃ）にフォーカス深さがジャストフォーカスの位置にあるレーザビーム６０を示す。レーザビーム６０は、突き合せ面４１の上端部の位置にフォーカスを結ぶので、その照射領域６２におけるレーザ照射スポット径Ｄ２はごく小さく、照射エネルギ密度が高い。これに対し、（ｂ）のデフォーカスされたレーザビーム５０のレーザ照射スポット径Ｄ１はＤ２より大きいので、照射エネルギ密度が低い。したがって、平角線３０ａ，３０ｂの熱容量が「大」の場合には、（ｂ）で述べた溶融池５６は、接合に対し十分な大きさまで成長できない。そこで、図８（ａ）に示すように、レーザビーム６０を上方側に連続的に引き上げる。これにより、突き合せ面４１の上端部における照射領域が次第に小さくなり、照射エネルギ密度が連続的に高くなる。

デフォーカス位置のレーザビーム５０を上方側に連続的に引き上げてジャストフォーカス位置のレーザビーム６０にする場合に、上方側に直線的に連続的に引き上げずに、上方側にらせんループ軌跡を描いて上方側に引き上げる。図８（ａ）に、上方側に移動方向を有するらせんループ軌跡６４を示す。らせんループ軌跡６４を用いるのは、導体素線３８が銅線等の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て、レーザ照射がなされて溶融しても直ちに凝固し、溶融状態を維持することが困難なためである。これにより、突き合せ面４１の上端部の位置において、レーザ照射によって溶融した状態が維持されて、溶融池６６が形成される。

上記では、らせんループ軌跡６４を述べたが、らせんの基本形としては、滑らかな軌跡であればよく、円形でも楕円形でもよい。

溶融池６６の形成は、デフォーカス位置のレーザビーム５０による照射エネルギ密度が低い状態から、ジャストフォーカス位置のレーザビーム６０による照射エネルギ密度が高い状態に連続的に徐々に変化する条件の下で行われる。これによって、突き合せ面４１の上端部の位置における照射エネルギ密度の急変がなく、導体素線３８である銅線等の固相、液相、気相の間の相変化がランダムに生じることが抑制される。その結果、局所的に加熱されやすいコイルエッジ等においてもスパッタの発生を低減できる。このように、スパッタの発生を低減しながら、突き合せ面４１の上端部における照射エネルギ密度を高めることができ、溶融池６６は、突き合せ面４１を接合するのに十分な径と深さに成長させることができる。

また、最初はデフォーカス位置のレーザビーム５０から始まるので、図８（ａ）で述べたキーホールである凹部５４が形成された後は、キーホールである凹部５４内でレーザビームが集光する。したがって、最初からアッパーフォーカス等の場合に比べ、溶融池６６の深さが深くできる。さらに、デフォーカス位置では突き合せ面４１の上端部におけるレーザ照射スポット径がジャストフォーカス位置の場合よりも大きく取れるので、溶融池６６の径を維持したまま、ループ軌道径を小さくでき、接合のための加工時間を短縮できる。

上記では、フォーカス深さを、ジャストフォーカスへ連続的に変化させるものとした。平角線３０ａ，３０ｂの熱容量が「中」の場合には、ジャストフォーカスの位置まで上方側に引き上げなくても、途中の「ジャストフォーカス側」で上方側の引き上げを止めてもよい。

図９は、図８の変形例で、レーザビームのフォーカス位置を初期のデフォーカス位置から、ジャストフォーカス側に連続的に変化させてジャストフォーカスに近いデフォーカス位置とする例を示す図である。図９（ａ）は、図８（ａ）に対応する斜視図であり、（ｂ），（ｃ）は、（ａ）のＥ面における断面図である。（ｂ）は、図８（ｂ）に対応する図で、フォーカス深さがデフォーカス位置にあるレーザビーム５０を示す。（ｃ）は、フォーカス深さがジャストフォーカスに近いデフォーカス位置にあるレーザビーム７０を示す。

図９（ｃ）に示すように、レーザビーム７０は、突き合せ面４１の上端部から下方側にｆｄ２の位置にフォーカスを結び、突き合せ面４１の上端部における照射領域７２は、レーザ照射スポット径Ｄ３を有する。図８と比較して、ｆｄ２＜ｆｄ１であり、Ｄ１＞Ｄ３＞Ｄ２である。

図９（ａ）に示すように、デフォーカス位置のレーザビーム５０を上方側に連続的に引き上げて、ジャストフォーカス側のデフォーカス位置のレーザビーム７０にする場合には、上方側にらせんループ軌跡７４を描いて上方側に引き上げる。図７（ａ）に、成長した溶融池７６を示す。

レーザビーム７０のレーザ照射スポット径Ｄ３は、Ｄ２より大きいので、ジャストフォーカスのレーザビーム６０よりも照射エネルギ密度が低いが、平角線３０ａ，３０ｂの熱容量が「中」の場合には、溶融池７６によって突き合せ面４１を接合できる。

図６に戻り、Ｓ３４の判断が否定されると、レーザビームのフォーカス位置は変化せず、デフォーカス位置のままで、Ｓ１６に進む。平角線３０ａ，３０ｂの熱容量が「小」の場合には、Ｓ３４の判断が否定されるので、図８（ｂ）で述べた溶融池５６が形成された状態でＳ１６に進む。

溶融池形成工程では、Ｓ３０とＳ３４の２つの判断処理があるので、「いずれも否定、」、「Ｓ３０が肯定、Ｓ３４が否定」、「Ｓ３０が否定、Ｓ３４が肯定」、「いずれも肯定」の４つの場合がある。「いずれも肯定」の場合には、Ｓ３２の処理とＳ３６の処理は、平行して実行される。すなわち、レーザ出力を変化させると共にフォーカス位置も変化させる。

なお、レーザ出力を変化させる調整のみで、スパッタの飛散を抑制するための照射エネルギ密度の調整を図ることが考えられるが、その場合には、時間をかけて徐々にレーザ出力を変化させることが必要となり、接合のための加工時間が長くなる。また、時間をかけての長時間のレーザ照射は、光学系における温度上昇等で意図しないフォーカスドリフトが生じ、照射エネルギ密度の意図しない変化を誘発する恐れがある。

図４に戻り、溶融池形成工程（Ｓ１４）が済むと、次に突き合せ面４１に沿って溶融池を移動する溶融池移動工程に進む。平角線３０ａ，３０ｂの熱容量が「大」の場合は、図８（ａ）で述べた溶融池６６、「中」の場合は、図９（ａ）で述べた溶融池７６、「小」の場合は、図８（ｂ）で述べた溶融池５６が、突き合せ面４１に沿って、連続的に移動する。

溶融池移動工程の例として、図１０に、溶融池５６の突き合せ面４１に沿った移動を図１０に示す。図１０（ａ）は、溶融池５６の移動を示す斜視図であり、（ｂ）は、径方向に沿った断面図で、図８（ｂ）と同じ内容である。溶融池５６の突き合せ面４１に沿った移動は、移動走査開始位置のレーザビーム５０を突き合せ面４１に沿って移動走査終了位置のレーザビーム５１まで直線的に移動させずに、突き合せ面４１に沿ってらせんループ軌跡を描いて連続的に移動させる。図１０（ａ）に、突き合せ面４１に沿った移動方向を有するらせんループ軌跡５８を示す。これによって、突き合せ面４１に沿って、溶融池５６が溶融状態を維持しながら連続的に形成され、接合面５５となる。

同様に、熱容量が「大」の場合の溶融池６６、「中」の場合の７６も、突き合せ面４１にそって、溶融池が溶融状態を維持しながら連続的に形成され、それぞれの接合面となり、これによって、突き合せ面４１が接合される（Ｓ１８）。

１０ （回転電機の）ステータ、１２ ステータコア、１４ バックヨーク、１６ ティース、１８ スロット、２０ ステータ巻線、３０ セグメントコイル、３０ａ （第１）平角線、３０ｂ （第２）平角線、３２，３３ 脚部、３４ ターン部、３６ （第１）リード部、３７ （第２）リード部、３８ 導体素線、３９ 絶縁皮膜、４０，４２ 側面、４１ 突き合せ面、４４，４６ 上端面（上端部）、５０，５１，６０，７０ レーザビーム、５２，６２，７２ 照射領域、５４ 凹部（キーホール）、５５ 接合面、５６，６６，７６ 溶融池、５８，６２，６４，７４ ループ軌跡。

Claims (1)

1. 断面が矩形形状の導体素線の周囲に絶縁皮膜を被覆した絶縁皮膜付き導体線である第１平角線及び第２平角線において絶縁皮膜がそれぞれ剥離された第１リード部及び第２リード部の側面同士を突き合せて突き合せ面とする突き合せ工程と、
   レーザビームについて、前記第１リード部及び前記第２リード部の前記突き合せ面の上端部の表面よりも内部側でフォーカスを結ばせるデフォーカス工程と、
   前記第１リード部及び前記第２リード部の前記突き合せ面の上端部に前記レーザビームを環状またはらせん状のループ状に走査させて、前記導体素線を溶融させた溶融池を前記突き合せ面の上端部側に形成する溶融池形成工程と、
   前記突き合せ面に沿って前記溶融池を連続的に形成しながら移動させる溶融池移動工程と、
   を含み、
   前記溶融池形成工程において、前記レーザビームのフォーカス深さ位置を時間的に変化させる場合、及び、前記レーザビームの出力を時間的に変化させる場合は、いずれの場合についても連続的に変化させる、ステータコイルのレーザ溶接方法。

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