JP7016114B2 - レーザ溶接方法及びそれを用いた回転電気機械の製造方法 - Google Patents

レーザ溶接方法及びそれを用いた回転電気機械の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ溶接方法及びそれを用いた回転電気機械の製造方法に関する。
レーザ光を用いた溶接による溶接方法が広く知られている。例えば、特許文献１には、被加工物の溶接予定線に沿って第１のレーザ光を照射して予熱し、その予熱部分にフィラーワイヤを供給しながら第２のレーザ光を照射して溶接することが開示されている。
特開２００９－２６９０３６号公報
電動機や発電機等の回転電気機械には、固定子鉄心に形成された複数のスロットのそれぞれに複数の導体セグメントが挿入され、各スロットに挿入された複数の導体セグメントの端部が溶接されたものがある。
これらの複数の導体セグメントの端部の溶接をアーク溶接で行う場合、入熱が大きいので、導体セグメント間を絶縁している絶縁被覆が溶融するのを防止するには、導体セグメントの端部までの外部露出した導体部を長くする必要があり、そのため、コイルエンド部の小型化を図ることが困難となる。また、アーク溶接では、アースが必要である。
レーザ光を用いれば、高密度エネルギーのため、熱影響の小さい溶接も可能であるが、導体セグメントは銅で形成されていることが一般的であり、その銅は、溶接に用いられるレーザ光の波長域では、エネルギー吸収率が低いため、レーザ光を用いて溶接を行うことが困難である。
本開示の課題は、銅を主成分として含む材料をレーザ光を用いて溶接するレーザ溶接方法を提供することである。
本開示の第１の態様は、銅を主成分として含む材料(10)を溶接するレーザ溶接方法を対象とする。そして、前記材料(10)に第１レーザ光(L1)を照射して加熱するとともに、前記材料(10)の前記第１レーザ光(L1)の照射部内に、前記材料(10)の温度上昇に伴って前記材料(10)に含まれる銅のエネルギー吸収率が高まる第２レーザ光(L2)を照射して溶接する。
第１の態様では、銅を主成分として含む材料(10)に第１レーザ光(L1)を照射して加熱する。また、材料(10)の第１レーザ光(L1)の照射部内に第２レーザ光(L2)を照射する。この第２レーザ光(L2)は、材料(10)の温度上昇に伴って材料(10)に含まれる銅のエネルギー吸収率が高まるものである。そのため、加熱されて温度上昇した第１レーザ光(L1)の照射部内に、第２レーザ光(L2)を照射すると、第２レーザ光(L2)が、高いエネルギー吸収率で材料(10)に含まれる銅に吸収されるとともに、材料(10)に高密度エネルギーが与えられ、それにより材料(10)が溶融することとなって溶接を行うことができる。したがって、第１及び第２レーザ光(L1,L2)を組み合わせて用いることにより、銅を主成分として含む材料(10)を溶接することができる。
本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記第１レーザ光(L1)の波長が５８４ｎｍ以下である。第２の態様では、材料(10)の温度を効率的に上昇させることができる。
本開示の第３の態様は、第２の態様において、前記第１レーザ光(L1)の波長が４７０ｎｍ以下である。第３の態様では、銅のエネルギー吸収率が高くなることから、材料(10)の温度を安定して上昇させることができる。
本開示の第４の態様は、第１乃至第３の態様のいずれかにおいて、前記第１レーザ光(L1)の光源が半導体レーザである。第４の態様では、第１レーザ光(L1)を容易に得ることができる。
本開示の第５の態様は、第１乃至第４の態様のいずれかにおいて、前記第２レーザ光(L2)の波長が８００ｎｍ以上である。第５の態様では、効率的に材料(10)を溶接が可能な溶融状態にすることができる。
本開示の第６の態様は、第１乃至第５の態様のいずれかにおいて、前記第２レーザ光(L2)の光源が赤外線レーザである。第６の態様では、第２レーザ光(L2)を容易に得ることができる。
本開示の第７の態様は、第１乃至第６の態様のいずれかにおいて、前記第２レーザ光(L2)のビーム数が、前記第１レーザ光(L1)のビーム数１つに対して１つ以上である。第７の態様では、第２レーザ光(L2)のビーム数が、第１レーザ光(L1)のビーム数１つに対して最低１つであるが、第１レーザ光(L1)のビーム数１つに対して２つ以上あれば、より均一に材料(10)を溶融させることができる。
本開示の第８の態様は、第１乃至第７の態様のいずれかにおいて、前記材料(10)に、２組以上の前記第１及び第２レーザ光(L1,L2)を照射する。第８の態様では、溶接のバラツキを低減することができる。
本開示の第９の態様は、固定子鉄心(31)に形成された複数のスロットのそれぞれに複数の導体セグメント(32)が挿入され、各スロットに挿入された前記複数の導体セグメント(32)の端部が、銅を主成分として含む材料(10)で形成された回転電気機械(30)の製造方法を対象とする。そして、前記複数の導体セグメント(32)の端部間を、第１乃至第９の態様のいずれかのレーザ溶接方法により溶接する。
第９の態様では、第１及び第２レーザ光(L1,L2)を組み合わせることにより、銅を主成分として含む材料(10)で形成された導体セグメント(32)の端部間を溶接することができる。また、導体セグメント(32)に高密度エネルギーが与えられるので、導体セグメント(32)の端部までの外部露出した導体部を長くする必要がなく、そのため、コイルエンド部の小型化を図ることができる。さらに、導体セグメント(32)の端部間の高速溶接が可能であるので、高い生産能力を得ることができるとともに、高い生産能力を得るための設備増設が不要であることから、設備投資の低減を図ることができる。
本開示の第１０の態様は、第９の態様において、前記複数の導体セグメント(32)のそれぞれの端部に対し、１組以上の前記第１及び第２レーザ光(L1,L2)を照射する。第１０の態様では、導体セグメント(32)の端部間の溶接のバラツキを低減することができる。
図１は、実施形態に係るレーザ溶接方法を示す断面図である。 図２は、３００Ｋにおけるレーザ光の波長と銅を含む各種金属のエネルギー吸収率との関係を示すグラフである。 図３は、第１及び第２レーザ光(L1,L2)のビームの位置を示す平面図である。 図４は、第１及び第２レーザ光(L1,L2)のビームの位置の変形例を示す平面図である。 図５は、回転電気機械(30)の斜視図である。 図６は、回転電気機械(30)の複数の導体セグメント(32)の端部間のレーザ溶接方法を示す斜視図である。 図７は、回転電気機械(30)の複数の導体セグメント(32)の溶接後の端部を示す斜視図である。 図８は、回転電気機械(30)の複数の導体セグメント(32)の端部間のレーザ溶接方法の変形例を示す斜視図である。 図９は、導体セグメント(32)の溶接後の端部の正面図である。 図１０は、導体セグメント(32)の端部への第１及び第２レーザ光(L1,L2)の照射方法を示す斜視図である。 図１１は、導体セグメント(32)の端部への第１及び第２レーザ光(L1,L2)の照射方法の変形例を示す斜視図である。
以下、実施形態について詳細に説明する。
実施形態に係るレーザ溶接方法は、銅を主成分として含む材料(10)にレーザ光を照射して被着金属材(20)に溶接するものである。このとき、図１に示すように、材料(10)の表面に第１レーザ光(L1)を照射して加熱するとともに、その材料(10)の第１レーザ光(L1)の照射部内の加熱した表面に、材料(10)の温度上昇に伴って材料(10)に含まれる銅のエネルギー吸収率が高まる第２レーザ光(L2)を照射して被着金属材(20)に溶接する。
この実施形態に係るレーザ溶接方法では、銅を主成分として含む材料(10)に第１レーザ光(L1)を照射して加熱する。また、材料(10)の第１レーザ光(L1)の照射部内に第２レーザ光(L2)を照射する。この第２レーザ光(L2)は、材料(10)の温度上昇に伴って材料(10)に含まれる銅のエネルギー吸収率が高まるものである。そのため、加熱されて温度上昇した第１レーザ光(L1)の照射部内に、第２レーザ光(L2)を照射すると、第２レーザ光(L2)が、高いエネルギー吸収率で材料(10)に含まれる銅に吸収されるとともに、材料(10)に高密度エネルギーが与えられ、それにより材料(10)が溶融することとなって被着金属材(20)への溶接を行うことができる。したがって、第１及び第２レーザ光(L1,L2)を組み合わせて用いることにより、銅を主成分として含む材料(10)を被着金属材(20)に溶接することができる。
例えば、図２に示すように、５００ｎｍ近辺の波長域のレーザ光は、銅のエネルギー吸収率が高いものの、溶接に用いることができるほどの高密度エネルギーを得ることが困難である。一方、１０００ｎｍ近辺の波長域のレーザ光は、溶接に好適な高密度エネルギーを得ることはできるものの、銅のエネルギー吸収率が低い。ここで、銅は、温度上昇すると、１０００ｎｍ近辺の波長域のレーザ光のエネルギー吸収率が高まるという性質を有する。これらのことから、前者を第１レーザ光(L1)及び後者を第２レーザ光(L2)として好適に用いることができる。
ここで、銅を主成分として含む材料(10)は、純銅であっても、銅を５０質量％以上含む銅合金であっても、どちらでもよい。また、被着金属材(20)は、材料(10)と同一の銅を主成分として含む金属で形成されていても、異なる金属で形成されていても、どちらでもよい。
第１レーザ光(L1)の波長は、材料(10)の温度を効率的に上昇させる観点から、好ましくは５８４ｎｍ以下であり、それに加えて、銅のエネルギー吸収率が高く、材料(10)の温度を安定して上昇させる観点から、より好ましくは４７０ｎｍ以下である。第１レーザ光(L1)の波長は、実用上の観点から、好ましくは４００ｎｍ以上である。第１レーザ光(L1)は、単一波長のレーザ光で構成されていても、複数波長のレーザ光が重畳にして構成されていても、どちらでもよい。
材料(10)に含まれる銅の３００Ｋにおける第１レーザ光(L1)のエネルギー吸収率は、材料(10)の温度を効率的に上昇させる観点から、好ましくは６０％以上、より好ましくは８０％以上である。
第１レーザ光(L1)のパワー密度は、材料(10)の温度を効率的に上昇させる観点から、好ましくは１２５０００Ｗ／ｃｍ２以上、より好ましくは５０００００Ｗ／ｃｍ２以上であり、また、好ましくは５１０００００Ｗ／ｃｍ２以下である。
第１レーザ光(L1)の光源は、半導体レーザであることが好ましく、発振波長帯域が前記記載の４００ｎｍ以上４７０ｎｍ以下のものであることがより好ましい。
第１レーザ光(L1)の照射により加熱された材料(10)の温度は、第２レーザ光(L2)のエネルギー吸収率を高める観点から、好ましくは２００℃以上、より好ましくは４００℃以上であり、また、好ましくは１０８３℃以下である。
第２レーザ光(L2)の波長は、効率的に材料(10)を溶接が可能な溶融状態にする観点から、好ましくは８００ｎｍ以上、より好ましくは１０３０ｎｍ以上であり、また、好ましくは１５００ｎｍ以下である。第２レーザ光(L2)の波長は、実用上の観点から、好ましくは１２００ｎｍ以下である。第２レーザ光(L2)は、単一波長のレーザ光で構成されていても、複数波長のレーザ光が重畳にして構成されていても、どちらでもよい。
材料(10)に含まれる銅の温度上昇後における第２レーザ光(L2)のエネルギー吸収率は、加熱した材料(10)を溶接が可能な溶融状態にする観点から、好ましくは３０％以上、より好ましくは６０％以上である。材料(10)に含まれる銅の温度上昇前の３００Ｋにおける第２レーザ光(L2)のエネルギー吸収率は、例えば０．９％以上８．０％以下である。
第２レーザ光(L2)のパワー密度は、効率的に材料(10)を溶接が可能な溶融状態にする観点から、好ましくは６２５００００Ｗ／ｃｍ２以上、より好ましくは２０００００００Ｗ／ｃｍ２以上であり、また、好ましくは２００００００００Ｗ／ｃｍ２以下である。
第２レーザ光(L2)の光源は、赤外線レーザであることが好ましい。
第１及び第２レーザ光(L1,L2)の材料(10)への照射は、図３乃至５に示すように、第１レーザ光(L1)のビーム内に、第２レーザ光(L2)のビームが含まれるように行うことが好ましい。第２レーザ光(L2)のビーム数は、第１レーザ光(L1)のビーム数１つに対して１つ以上であり、図３に示すように、第１レーザ光(L1)のビーム数１つに対して最低１つであるが、図４に示すように、第１レーザ光(L1)のビーム数１つに対して２つ以上あれば、より均一に材料(10)を溶融させることができる。
次に、実施形態に係るレーザ溶接方法を用いた電動機や発電機等の回転電気機械(30)の製造方法について説明する。
回転電気機械(30)は、図５に示すように、固定子鉄心(31)に形成された複数のスロット（不図示）のそれぞれに複数の導体セグメント(32)が挿入され、各スロットに挿入された複数の導体セグメント(32)の端部が上記銅を主成分として含む材料(10)で形成されている。そして、その製造において、実施形態に係るレーザ溶接方法を用い、図６に示すように、複数の導体セグメント(32)の端部のそれぞれに、第１及び第２レーザ光(L1,L2)をスポット照射し、それにより、図７に示すように、複数の導体セグメント(32)の端部間を溶接により溶接する。また、このとき、図８に示すように、複数の導体セグメント(32)の端部に、第１及び第２レーザ光(L1,L2)を掃引して照射してもよい。
このように実施形態に係るレーザ溶接方法を用い、第１及び第２レーザ光(L1,L2)を組み合わせることにより、上記銅を主成分として含む材料(10)で形成された導体セグメント(32)の端部間を溶接することができる。このとき、エネルギー密度の低い第１レーザ光(L1)とエネルギー密度の高い第２レーザ光(L2)とが重畳するので、導体セグメント(32)の端部間には、図９に示すように、導体セグメント(32)の端面部分を掛け渡すように溶接された熱伝導型溶接部分(33)と、導体セグメント(32)の端部間に材料(10)が浸潤して溶接されたキーホール型溶接部分(34)とが形成され、これにより高い溶接強度を得ることができる。
また、導体セグメント(32)に高密度エネルギーが与えられるので、導体セグメント(32)の端部までの外部露出した導体部を長くする必要がなく、そのため、コイルエンド部の小型化を図ることができる。さらに、導体セグメント(32)の端部間の高速溶接が可能であるので、高い生産能力を得ることができるとともに、高い生産能力を得るための設備増設が不要であることから、設備投資の低減を図ることができる。
回転電気機械(30)の製造では、複数の導体セグメント(32)のそれぞれの端部に対し、１組以上の第１及び第２レーザ光(L1,L2)を照射する。複数の導体セグメント(32)のそれぞれの端部には、図１０に示すように、最低１組の第１及び第２レーザ光(L1,L2)を照射するが、図１１に示すように、２組以上の第１及び第２レーザ光(L1,L2)を照射すれば、導体セグメント(32)の端部間の溶接のバラツキを低減することができる。
本発明は、レーザ溶接方法及びそれを用いた技術分野について有用である。
Ｌ１ 第１レーザ光
Ｌ２ 第２レーザ光
１０ 材料
３０ 回転電気機械
３１ 固定子鉄心
３２ 導体セグメント

Claims (8)

  1. 銅を主成分として含む材料(10)を溶接するレーザ溶接方法であって、
    前記材料(10)に第１レーザ光(L1)を照射して加熱するとともに、前記材料(10)の前記第１レーザ光(L1)の照射部内に、前記材料(10)の温度上昇に伴って前記材料(10)に含まれる銅のエネルギー吸収率が高まる第２レーザ光(L2)を照射して溶接し、
    前記第１レーザ光(L1)の波長が４００ｎｍ以上で且つ４７０ｎｍ以下であるレーザ溶接方法。
  2. 請求項１において、
    前記第１レーザ光(L1)の光源が半導体レーザであるレーザ溶接方法。
  3. 請求項１又は２において、
    前記第２レーザ光(L2)の波長が１０３０ｎｍ以上で且つ１２００ｎｍ以下であるレーザ溶接方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
    前記第２レーザ光(L2)の光源が赤外線レーザであるレーザ溶接方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
    前記第２レーザ光(L2)の照射部が、前記第１レーザ光(L1)の照射部１つに２つ以上含まれるレーザ溶接方法。
  6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
    前記材料(10)に、２組以上の前記第１及び第２レーザ光(L1,L2)を照射するレーザ溶接方法。
  7. 固定子鉄心(31)に形成された複数のスロットのそれぞれに複数の導体セグメント(32)が挿入され、各スロットに挿入された前記複数の導体セグメント(32)の端部が、銅を主成分として含む材料(10)で形成された回転電気機械(30)の製造方法であって、
    前記複数の導体セグメント(32)の端部間を、請求項１乃至６のいずれかのレーザ溶接方法により溶接する回転電気機械(30)の製造方法。
  8. 請求項７において、
    前記複数の導体セグメント(32)それぞれの端部に対し、１組以上の前記第１及び第２レーザ光(L1,L2)を照射する回転電気機械(30)の製造方法。
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