JP2023148116A

JP2023148116A - 絶縁被膜剥離方法及びレーザ溶接方法

Info

Publication number: JP2023148116A
Application number: JP2022055980A
Authority: JP
Inventors: 弘行大野; Hiroyuki Ono
Original assignee: Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-10-13

Abstract

【課題】簡便な方法で異物を残存させることなく絶縁被膜を剥離することができる絶縁被膜剥離方法及びレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】心線２が絶縁被膜３によって覆われた導線１から絶縁被膜３を剥離する絶縁被膜剥離方法であって、該絶縁被膜剥離方法は、導線１にＣＯ２レーザ１０を照射するＣＯ２レーザ照射工程と、導線１のＣＯ２レーザ１０を照射した箇所である剥離領域４に、波長が１μｍ以上２μｍ以下の赤外線レーザ２０を照射する赤外線レーザ照射工程と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁被膜剥離方法及びレーザ溶接方法に関する。

特許文献１には、心線（特許文献１では芯線）と心線を覆う絶縁被膜（特許文献１では絶縁被覆）とからなる絶縁導線から、脆化工程と被覆剥離工程とにより絶縁被膜を剥離する絶縁導線の被覆剥離方法が開示されている。脆化工程では、絶縁導線を炉内に入れて加熱して絶縁被膜を脆化させ、絶縁被膜を破断し易くする。被覆剥離工程では、脆化した絶縁被膜に短パルスレーザを照射し、心線と絶縁被膜との界面に気泡を発生させ、気泡を膨張させて脆化した絶縁被膜を破断して細分化した状態に破裂させ、心線の表面から絶縁被膜を剥離する。

特許文献２には、絶縁被膜が施された断面矩形状の平角線の端部同士を溶接する接合方法が開示されている。特許文献２の接合方法では、絶縁被膜が施された断面矩形状の平角線は、端部の一面のみ絶縁被膜が剥離された被膜剥離面が対向するように突き合わせられた状態で、平角線の端面に上方からレーザ光がスポット的に照射されて溶接される。

特開２０１０－００５６５２号公報特開２０１３－１０９９４８号公報

特許文献１に開示された被覆剥離方法は脆化工程と被覆剥離工程とからなり、被覆を脆化させるための炉が別途必要となるため、コストアップにつながるおそれがある。また、特許文献２に開示された被膜剥離方法では、絶縁被膜の剥離の具体的方法についての開示はないが、例えば、絶縁被膜を剥離した後の被膜剥離面に異物が付着している場合には、レーザが照射されることによってその異物が気化してガスが発生するおそれがある。溶接中に発生したガスは、例えば、接合強度不足、ボイド等の発生要因となり、溶接の安定性が低下するおそれがある。

このような理由から、簡便な方法で異物を残存させることなく絶縁被膜を剥離することができる絶縁被膜剥離方法及びレーザ溶接方法が望まれている。

本発明に係る絶縁被膜剥離方法の特徴は、心線が絶縁被膜によって覆われた導線から前記絶縁被膜を剥離する絶縁被膜剥離方法であって、前記導線にＣＯ_２レーザを照射するＣＯ_２レーザ照射工程と、前記導線の前記ＣＯ_２レーザを照射した箇所である剥離領域に、波長が１μｍ以上２μｍ以下の赤外線レーザを照射する赤外線レーザ照射工程と、を含む点にある。

この特徴によると、ＣＯ_２レーザの照射後に赤外線レーザを照射することにより、赤外線レーザの照射後には絶縁被膜が機械剥離と同程度まで剥離される。これにより、異物としての絶縁被膜を残存させることなく絶縁被膜を剥離することができる絶縁被膜剥離方法が実現できた。

本発明に係るレーザ溶接方法の特徴は、心線が絶縁被膜によって覆われた２つの導線をレーザにより溶接するレーザ溶接方法であって、２つの前記導線の夫々にＣＯ_２レーザを照射するＣＯ_２レーザ照射工程と、２つの前記導線の夫々の前記ＣＯ_２レーザを照射した箇所である剥離領域に、波長が１μｍ以上２μｍ以下の赤外線レーザを照射する赤外線レーザ照射工程と、２つの前記導線の前記赤外線レーザを照射した箇所を互いに対向させて、当該対向させた箇所に可視光レーザを照射して２つの前記導線を溶接する溶接工程と、
を含む点にある。

この特徴によると、ＣＯ_２レーザの照射後に赤外線レーザを照射することにより、赤外線レーザの照射後には絶縁被膜が機械剥離と同程度まで剥離される。そして、絶縁被膜が機械剥離と同程度まで剥離された導線を用いてレーザ溶接を行うことができる。これにより、溶接箇所が必要十分な溶接面積、接合強度、及び、導電性を確保することができる。

本実施形態に係る絶縁被膜剥離方法を示す図である。レーザの波長と吸収率の関係を示す図である。ＣＯ_２レーザを２回照射して溶接した導線の溶接箇所の図である。ＣＯ_２レーザとＩＲレーザとを照射して溶接した導線の溶接箇所の図である。異なる方法で絶縁被膜を剥離したときの剥離後の心線表面の元素分析の結果を示す図である。本実施形態に係るレーザ溶接方法を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る絶縁被膜剥離方法及びレーザ溶接方法について、図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

〔絶縁被膜剥離方法〕
本実施形態に係る絶縁被膜剥離方法の実施対象となる導線として、心線２の周囲を絶縁被膜３で覆ったマグネットワイヤ１（導線の一例）を用いて説明する。本実施形態で、心線２は導電性の高い銅からなり、絶縁被膜３はポリイミドからなる。心線２は断面が３．６ｍｍ×２．７ｍｍの矩形状である平角線であり、絶縁被膜３の膜厚は０．１ｍｍである。マグネットワイヤ１の絶縁被膜３を剥離する際は、公知のレーザ照射装置を絶縁被膜剥離装置として用いるため、絶縁被膜剥離装置の詳細な説明は省略する。なお、心線２は、銅に限らず鉄、アルミ等の導電性の高い金属でもよい。また、絶縁被膜３の材質はポリイミドに限らずポリウレタン、ポリエステル等であってもよい。

まず、図１（ａ）に示すように、波長が１０．６μｍであるＣＯ_２レーザ１０を、マグネットワイヤ１の絶縁被膜３を剥離する剥離領域４（図１（ｂ）参照）に出力３６０Ｗで照射する（ＣＯ_２レーザ照射工程）。ＣＯ_２レーザ１０の照射パターンは、照射点を剥離領域４の領域内で、マグネットワイヤ１の長手方向Ａに沿って往復走査させながら徐々にマグネットワイヤ１の幅方向Ｂにその往復走査位置をずらすパターンである。ＣＯ_２レーザ１０の照射が剥離領域４の全体になされると、剥離領域４の絶縁被膜３は大半が蒸発して剥離されるが、図１（ｂ）に示すように、心線２の表面にはＣＯ_２レーザ１０の走査跡である凸部５と凹部６とが形成され、凹部６には、絶縁被膜３が炭化してできた残渣７が残った状態となる。なお、図１では凸部５と凹部６とは誇張して描かれており、現実の凸部５と凹部６はこれほど大きな凹凸ではなく、数μｍ程度である。

この残渣７が残った２つのマグネットワイヤ１，１の剥離領域４を図６に示すように対向させて、当該対向させた剥離領域４にグリーンレーザ３０（可視光レーザの一例）を出力４０００Ｗで照射して溶接すると、溶接時に残渣７が爆飛して溶接箇所８（図６参照）に空洞ができ、溶接箇所８の接合強度と導電性が確保されないおそれがある。そのため、レーザ溶接前に絶縁被膜３の残渣７を取り除く必要がある。

そこで、図１（ｃ）に示すように、波長１μｍ以上２μｍ以下であるＩＲ（Infrared Ray）レーザ２０（赤外線レーザの一例）を、ＣＯ_２レーザ１０を照射した箇所（剥離領域４）に出力６０Ｗで照射する（赤外線レーザ照射工程）。ＩＲレーザ２０の例としては、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザが挙げられる。ＩＲレーザ２０の照射パターンもＣＯ_２レーザ１０の場合と同じとし、照射点の移動もＣＯ_２レーザ１０の場合と同様とする。これにより、図１（ｄ）に示すように、残渣７が完全に剥離されると共に、心線２の表面の凹凸もなくなり、剥離領域４は、絶縁被膜３がなく、心線２の表面が露出した状態が得られる。

このように所望の場所における絶縁被膜３を完全に剥離できるのは、上述したように、ＣＯ_２レーザ１０の照射によって大半の絶縁被膜３を剥離した後、残った残渣７をＩＲレーザ２０によって剥離するという、２種類の異なる波長を有するレーザを用いて２段階で絶縁被膜３を剥離したことによる。この理由について、以下に説明する。

図２に示すように、ＣＯ_２レーザ１０の波長である１０．６μｍでは、レーザの熱エネルギーの吸収率が、絶縁被膜３が９０％を超えているのに対し、心線２の材料である銅は吸収率が１％程度である。その結果、ＣＯ_２レーザ１０の照射を行うと、ほとんどの熱エネルギーは絶縁被膜３に吸収されて、ほとんどの絶縁被膜３は瞬時に蒸発してしまう。その一方、心線２には熱エネルギーがほとんど到達せず、心線２が蒸発することはない。蒸発したとしても表層の極僅かの厚さである。この心線２の表層の僅かな蒸発が、上述したＣＯ_２レーザ１０の走査跡（凹部６）として残る。このように、ＣＯ_２レーザ１０を照射すると、効率よくほとんどの絶縁被膜３を剥離することができる。

ＣＯ_２レーザ１０の照射により、ほとんどの絶縁被膜３は瞬時に蒸発してしまうが、図１（ｂ）に示すように、一部の絶縁被膜３が蒸発せずに炭化して残渣７として心線２の凹部６に残存したままとなることがある。残渣７が表面に残存したままの２つのマグネットワイヤ１，１をレーザ溶接すると、残渣７が溶接箇所８における異物となり、上述したように、溶接の際に残渣７が爆飛して溶接箇所８に空洞ができてしまう。空洞ができてしまうと、溶接箇所８の接合強度と導電性が確保されないおそれがある。そこで、残渣７を完全に剥離するために、図１（ｃ）に示すように、ＩＲレーザ２０を剥離領域４に照射する。

上述したように、本実施形態のＩＲレーザ２０の波長は１μｍ以上２μｍ以下である。この波長は、図２に示すように、絶縁被膜３の熱エネルギーの吸収率が１０％以下まで低下する一方、銅の吸収率は３％程度まで上昇する。その結果、ＩＲレーザ２０を剥離領域４に照射すると、レーザの熱エネルギーの一部は残渣７を透過して心線２にまで到達する。ＩＲレーザ２０の照射により心線２に吸収される熱エネルギーの量は、ＣＯ_２レーザ１０の照射により心線２に吸収される熱エネルギーの量よりも多いので、この熱エネルギーが心線２の表層（数μｍ程度）の銅を蒸発させ、残渣７ごと剥離する。これにより、図１（ｄ）に示すように、残渣７を完全に剥離することができる。

図３に、ＣＯ_２レーザ１０を２回照射し、照射後の２つのマグネットワイヤ１，１をレーザ溶接した後の溶接領域９を示す。溶接領域９は、図６に示す溶接箇所８を模したものである。図３（ｃ）の溶接領域９において、白っぽく写っているのが銅（心線２）であり、黒っぽく写っているのが残渣７の爆飛によりできた空洞である。本来であれば、空洞の箇所も銅であれば、溶接領域９は十分な接合強度と導電性が確保することができる。しかし、空洞ができていることにより、溶接領域９に占める銅の割合は少なくなり、十分な接合強度と導電性とを確保しているとは言い難い。

図４に、ＣＯ_２レーザ１０を１回照射した後ＩＲレーザ２０を１回照射し、照射後の２つのマグネットワイヤ１，１をレーザ溶接した後の溶接領域９を示す。図４（ｃ）においては、図３（ｃ）と比較して、ほとんどが白っぽく写っていることから、溶接領域９のほとんどが銅（心線２）であり、空洞がない、すなわち、溶接時に残渣７による爆飛がなかったことが示されている。このように、ＣＯ_２レーザ１０を照射した後ＩＲレーザ２０を照射することにより、剥離領域４から絶縁被膜３と残渣７とをほとんど剥離し、心線２の銅だけを露出させることができる。そして、残渣７を含まず銅だけを露出させた心線２を有する２つのマグネットワイヤ１，１をレーザ溶接すると、十分な溶接面積を確保して溶接領域９の接合強度と導電性とを確保することができる。

ここで、レーザ溶接とＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接の溶接時の現象を比較する。残渣７が残存したマグネットワイヤ１，１をレーザ溶接するときに溶接箇所８が爆飛するのは、レーザ溶接が高密度エネルギーで物質を溶融及び蒸発させる方法なので(キーホール溶接)、沸点が異なる心線２の銅と絶縁被膜３(残渣７)とでは銅が液体で絶縁被膜３（残渣７）が気体となる温度が存在し、この温度では、気化した絶縁被膜３（残渣７）が膨張して、溶融状態の銅を巻き上げて爆飛してしまう。これにより本来銅同士で溶接されるべき箇所が爆飛による空洞となり、銅同士が接合される面積が、残渣７が残存していない場合と比較して少なくなってしまう。

一方、ＴＩＧ溶接では、熱伝導で溶接するので、心線２（銅）、絶縁被膜３（残渣７）ともに溶融状態のままで溶接される。この場合、異物である絶縁被膜３（残渣７）が含まれた状態で溶接したとしても、溶融された銅の中に異物が含まれるだけで、爆飛などの急激な溶接の不具合が発生しにくい。しかし、ＴＩＧ溶接では、レーザ溶接に比べて時間がかかり、母材の熱歪みや溶接焼けが発生するおそれがある。そのため、溶接時間が短く、母材への熱の影響が少ない点で、レーザ溶接を採用するメリットがある。しかし、上述したように、レーザ溶接において溶接箇所８の接合強度と導電性とを確保するためには、溶接時に対向する面（剥離領域４）において、絶縁被膜３（残渣７）を完全に剥離することが必要となる。

次に、ＣＯ_２レーザ１０の照射では、一部の絶縁被膜３が蒸発せずに炭化して残渣７として残存したままとなり、その後のＩＲレーザ２０の照射により残渣７が完全に剥離されたことを示す。図５に、種々の剥離方法で絶縁被膜３を剥離した剥離領域４の表面をＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて表面の元素を分析したときの元素比率の結果を示す。図５（ａ）は、剥離方法を比較する基準として、機械によって絶縁被膜３を剥離したときの剥離領域４の表面の分析結果を示す。表面の元素は、銅が約８２％、酸素、炭素、及び窒素の合計が約３％となっている。酸素、炭素、及び窒素はポリイミドからなる絶縁被膜３（残渣７）に含まれる元素であり、これらの合計が剥離領域４に残存する絶縁被膜３（残渣７）の比率である。機械によって絶縁被膜３を剥離したマグネットワイヤ１，１をレーザ溶接すると、溶接箇所８が必要十分な溶接面積、接合強度、及び、導電性を有することが分かっている。

図５（ｂ）には、ＣＯ_２レーザ１０を１回照射して絶縁被膜３を剥離した剥離領域４の表面の分析結果が示されている。これによると、剥離領域４の表面において、銅が約２５％である一方、残渣７である酸素、炭素、及び窒素の合計が約３８％となっている。これより、ＣＯ_２レーザ１０の１回照射では、図５（ａ）の機械剥離と比べて、剥離領域４の絶縁被膜３（残渣７）を十分に剥離できておらず、残渣７が残存していることが理解される。

ＣＯ_２レーザ１０の１回照射では絶縁被膜３を十分に剥離できなかったので、更にＣＯ_２レーザ１０を照射して、絶縁被膜３（残渣７）の完全剥離を試みる。すなわち、ＣＯ_２レーザ１０を２回照射する。図５（ｄ）には、ＣＯ_２レーザ１０を２回照射して絶縁被膜３を剥離した剥離領域４の表面の分析結果が示されている。これによると、剥離領域４の表面において、銅が約５９％、酸素、炭素、及び窒素の合計が約２１％となっている。これより、ＣＯ_２レーザ１０の１回照射よりは改善されたものの、依然として、機械剥離と同程度まで剥離領域４の絶縁被膜３（残渣７）が剥離されず、残渣７が残存していることが理解される。

そこで、ＣＯ_２レーザ１０の１回照射の後でＩＲレーザ２０を１回照射して、絶縁被膜３（残渣７）の完全剥離を試みる。図５（ｃ）には、ＣＯ_２レーザ１０を１回照射（図５（ｂ）の剥離領域４）した後、ＩＲレーザ２０を１回照射して絶縁被膜３を剥離した剥離領域４の表面の分析結果が示されている。これによると、剥離領域４の表面において、銅が約８０％、酸素、炭素、及び窒素の合計が約３％となっている。これより、ＣＯ_２レーザ１０を１回照射した後、ＩＲレーザ２０を１回照射すると、機械剥離と同程度まで剥離領域４の絶縁被膜３（残渣７）が剥離されることが理解される。

更に比較として、図５（ｅ）には、ＣＯ_２レーザ１０を２回照射（図５（ｄ）の剥離領域４）した後、ＩＲレーザ２０を１回照射して絶縁被膜３を剥離した剥離領域４の表面の分析結果が示されている。これによると、剥離領域４の表面において、銅が約８１％、酸素、炭素、及び窒素の合計が約３％となっている。これより、ＣＯ_２レーザ１０を２回照射した後、ＩＲレーザ２０を１回照射すると、機械剥離と同程度まで剥離領域４の絶縁被膜３（残渣７）が剥離されることが理解される。また、ＩＲレーザ２０を照射する前のＣＯ_２レーザ１０の照射回数は、１回（図５（ｂ））でも２回（図５（ｄ））でも差がないことが理解される。これより、生産性やコストを考慮すると、図５（ｃ）に示すＣＯ_２レーザ１０を１回照射した後、ＩＲレーザ２０を１回照射して絶縁被膜３を剥離する工程が最善であることが理解される。

〔レーザ溶接方法〕
図６に示すように、ＣＯ_２レーザ１０の１回照射の後でＩＲレーザ２０を１回照射した２つのマグネットワイヤ１，１の夫々の剥離領域４を対向させ、先端を当接させた状態で、当該当接箇所にグリーンレーザ３０を照射する（溶接工程）。図２に示すように、グリーンレーザ３０の波長である５３２ｎｍでは、銅のエネルギー吸収率は約４０％であり、ＣＯ_２レーザ１０、ＩＲレーザ２０の銅のエネルギー吸収率と比べて高い。そこで、グリーンレーザ３０を用いることにより、効率よく溶接を行うことができる。これらのマグネットワイヤ１，１においては、剥離領域４の絶縁被膜３（残渣７）が機械剥離と同程度まで剥離されているので、溶接時の爆飛による空洞ができることもない。その結果、溶接箇所８が必要十分な溶接面積、接合強度、及び、導電性を有している。

なお、本実施形態においては、マグネットワイヤ１は平角線であったが、丸線を用いてもよく、マグネットワイヤ１の断面形状は限定されない。

本発明は、絶縁被膜剥離方法及びレーザ溶接方法に利用することができる。

１：マグネットワイヤ（導線）
２：心線
３：絶縁被膜
４：剥離領域
１０：ＣＯ_２レーザ
２０：ＩＲレーザ（赤外線レーザ）
３０：グリーンレーザ（可視光レーザ）

Claims

心線が絶縁被膜によって覆われた導線から前記絶縁被膜を剥離する絶縁被膜剥離方法であって、
前記導線にＣＯ_２レーザを照射するＣＯ_２レーザ照射工程と、
前記導線の前記ＣＯ_２レーザを照射した箇所である剥離領域に、波長が１μｍ以上２μｍ以下の赤外線レーザを照射する赤外線レーザ照射工程と、
を含む絶縁被膜剥離方法。
心線が絶縁被膜によって覆われた２つの導線をレーザにより溶接するレーザ溶接方法であって、
２つの前記導線の夫々にＣＯ_２レーザを照射するＣＯ_２レーザ照射工程と、
２つの前記導線の夫々の前記ＣＯ_２レーザを照射した箇所である剥離領域に、波長が１μｍ以上２μｍ以下の赤外線レーザを照射する赤外線レーザ照射工程と、
２つの前記導線の前記赤外線レーザを照射した箇所を互いに対向させて、当該対向させた箇所に可視光レーザを照射して２つの前記導線を溶接する溶接工程と、
を含むレーザ溶接方法。