JP7181171B2

JP7181171B2 - 導線の接合方法

Info

Publication number: JP7181171B2
Application number: JP2019164023A
Authority: JP
Inventors: 飛湯; 亮太光田; 洋明武田; 将也中村; 将成西田; 英晴牛田; 弘行大野; 圭江野畑
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Denso Corp; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2022-11-30
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: JP2021044890A

Description

本発明は、導線の接合方法に関する。

特許文献１には、モータに用いられる導線をレーザ溶接によって接合する技術の例が記載されている。具体的には、特許文献１では、隣接して配置された導線の端面にレーザをループ状の軌跡で照射させて、導線を接合することが記載されている。

特開２０１８－２０３４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたように、導線にレーザを照射して溶接する際、導線の端面や、隣り合う導線の対向する側面に異物があると、当該異物が燃焼して蒸発することによってガスが発生する。そして、当該ガスによって接合箇所に穴あきやボイドが発生し、溶接不具合が生じてしまうという可能性がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、溶接不具合の発生をより確実に抑制することができる導線の接合方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る導線の接合方法は、一の導線の端面と、前記一の導線に隣接する他の導線の端面と、にレーザを照射して前記一の導線と前記他の導線とを接合する、導線の接合方法であって、前記一の導線の端面及び前記他の導線の端面にレーザを照射する際、所定の方向に向かって複数の照射軌跡が並ぶように、且つ、隣り合う前記照射軌跡が少なくとも一部重複するようにレーザを照射し、第１の前記照射軌跡において、前記所定の方向の前側の第２の前記照射軌跡と重複しない部分では、所定の溶け込み深さを確保する第１のスポット径でレーザを照射し、前記第１の照射軌跡において、前記所定の方向の前側の前記第２の照射軌跡と重複する部分では、前記第１のスポット径より大きい第２のスポット径でレーザを照射する。

本発明に係る導線の接合方法によれば、第１の照射軌跡において、所定の方向の前側の第２の照射軌跡と重複する部分では、第１のスポット径より大きい第２のスポット径でレーザを照射する。そのため、所定の方向の前側の第２の照射軌跡と重複する部分では、溶融池にレーザが照射されることによって生じた空洞であるキーホールの径が大きくなり、異物が溶融する際に生じたガスが当該キーホールを通って溶融池の外に排出されやすくなる。これにより、当該ガスによる溶融金属の吹き飛びが抑制され、穴あきやボイドが発生することが抑制される。また、第１の照射軌跡において、所定の方向前側の第２の照射軌跡と重複する部分は、当該第２の照射軌跡において所定の方向前側の第３の照射軌跡と重複しない部分に含まれる。そのため、第１の照射軌跡における第２の照射軌跡と重複する部分は、第２の照射軌跡において、第１のスポット径でレーザが照射される。これにより、第１の照射軌跡における第２の照射軌跡と重複する部分においても、所定の接合強度を確保するための所定の溶け込み深さが確保される。そのため、所望する接合強度で導線を接合することができる。すなわち、ガスを排出させた後に所定の接合強度を確保するための所定の溶け込み深さで導線の端面を溶融させることができ、当該ガスによる接合箇所の穴あきやボイドの発生を抑制しつつ、所望する接合強度で導線を接合することができる。これにより、溶接不具合の発生をより確実に抑制することができる導線の接合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。本発明の実施の形態１に係る導線の接合方法を説明する平面図である。本発明の実施の形態１に係る導線の接合方法を説明する図である。本発明の実施の形態１に係る導線の接合方法の作用を説明する断面図である。従来の導線の接合方法の作用を説明する断面図である。図６は、複数の照射軌跡がｙ軸プラス方向に向かって並ぶ場合を示す平面図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１について説明する。まず、本実施の形態１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（導線）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、導線としてのセグメントコイル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２～５を参照して、本実施の形態１に係る平角線（導線）の接合方法について説明する。図２及び図３は、実施の形態１に係る平角線２０の接合方法を説明する図である。また、図４は、実施の形態１に係る平角線２０の接合方法の作用を説明する断面図であり、図５は、従来の平角線の接合方法の作用を説明する断面図である。本実施の形態１に係る平角線の接合方法を用いて、図１に示したセグメントコイル２０の接合部２５がレーザ溶接される。また、図６は、複数の照射軌跡がｙ軸プラス方向に向かって並ぶ場合を示す平面図である。
なお、当然のことながら、図２～図５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～図５のｚ軸方向は一致している。また、ｚ軸プラス方向を鉛直上方向とし、ｘｙ平面を水平面とする。また、本実施の形態１では、複数の照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・がｘ軸プラス方向に向かって並ぶ場合について説明する。また、本実施の形態１において、複数の照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・が並ぶ位置は、隣接して配置された平角線（導線）２０Ａと平角線（導線）２０Ｂとの境界線にほぼ一致している。しかし、複数の照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・が並ぶ方向（所定の方向）及び位置は、図２に示す当該方向及び位置に限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、ｙ軸プラス方向に沿って複数の照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・が並んでもよい。

本実施の形態１では、図２に示すように、レーザ接合装置（図示省略）が、平角線（導線）２０Ａの端面と、平角線２０Ａに隣接する平角線（導線）２０Ｂの端面と、にレーザを照射して、平角線２０Ａと平角線２０Ｂとを接合する。なお、平角線２０Ａの端部の絶縁被膜は剥離されている。同様に、平角線２０Ｂの端部の絶縁被膜は剥離されている。また、本実施の形態１に係るレーザ接合装置は、例えば、特開２０１８－２０３４０号公報に記載されたレーザ接合装置と同様の構成を備える。

レーザ接合装置は、平角線２０Ａの端面及び平角線２０Ｂの端面に対して、レーザを鉛直下向き（ｚ軸マイナス方向）に照射する。また、レーザ接合装置は、レーザの所定の方向（ｘ軸プラス方向）に向かって、複数の照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・が並ぶように、且つ、隣り合う当該照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・が少なくとも一部重複するように、平角線２０Ａの端面及び平角線２０Ｂの端面にレーザを照射する。これにより、図４に示すように、平角線２０Ａの端面及び平角線２０Ｂの端面に溶融池３０が形成される。

図２及び図３では、照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・として楕円形状の照射軌跡を例に挙げたが、照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・の形状は、円形状、矩形形状、三角形状、多角形形状等であってもよい。また、所定の方向に向かって並ぶ照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・の個数は、図示される個数に限定されるものではない。また、隣り合う照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・が重複する範囲は、図示した範囲に限定されるものではない。

具体的には、本実施の形態１においては、照射軌跡Ｌ１で囲まれる所定の方向前側（ｘ軸プラス方向）の部分は、照射軌跡Ｌ２で囲まれる所定の方向後ろ側（ｘ軸マイナス方向）の部分と重複している。そして、本実施の形態１では、レーザ接合装置は、図３に示すように、第１の照射軌跡Ｌ１において、前側（ｘ軸プラス方向）の第２の照射軌跡Ｌ２と重複しない部分（図３において実線で示す部分）では、所定の溶け込み深さを確保する第１のスポット径でレーザを照射する。また、レーザ接合装置は、第１の照射軌跡Ｌ１において、当該前側の第２の軌跡Ｌ２と重複する部分（図３において破線で示す部分）では、第１のスポット径より大きい第２のスポット径でレーザを照射する。

ここで、第１のスポット径とは、いわゆるジャストフォーカスの径であり、所望する接合強度が得られる溶け込み深さを確保するスポット径である。また、第２のスポット径とは、第１のスポット径より大きい径であり、後述する異物４０から発生するガス４１がキーホール５０を通って、外に排出されやすくなる大きさのスポット径である。

次に、図４を参照しながら、本実施の形態１に係る平角線２０の接合方法の作用について説明する。図４は、図２のＶＩ－ＶＩ矢視方向の断面であり、平角線２０の端面にレーザが照射されることにより形成される溶融池３０を拡大して示している。
また、図５は、従来の平角線２０の接合方法の作用について説明する図であり、図４と同様に、平角線２０の端面にレーザが照射されることにより形成される溶融池３０を拡大して示している。

図４及び図５に示すように、平角線２０の端面にレーザが照射されると、平角線２０のレーザが照射された部分が溶融し、溶融池３０が形成される。さらに、当該溶融池３０にレーザが照射されることによって、溶融した金属が蒸発し、溶融池３０内にキーホール５０と呼ばれる空洞が形成される。キーホール５０の径は、レーザのスポット径に比例し、スポット径が大きくなると、キーホール５０の径も大きくなる。なお、図４では、ジャストフォーカスの径（第１のスポット径）より大きいスポット径（第２のスポット径）でレーザが平角線２０の端面に照射されている。一方、図５では、ジャストフォーカスの径でレーザが平角線２０の端面に照射されている。

また、図４及び図５に示すように、平角線２０の端面や端部に異物４０が存在すると、当該異物４０にレーザが照射されることにより、当該異物４０が蒸発し、ガス４１が発生する。
そして、図５では、当該ガス４１が溶融池３０内を通過することによって、溶融池３０からスパッタ３１が飛散してしまい、接合部分に穴あきやボイドが発生してしまう可能性がある。
一方、図４では、レーザ接合装置が、ジャストフォーカスの径より大きいスポット径でレーザを照射しているため、キーホール５０の径がより大きくなっている。そのため、異物４０から発生したガス４１は、キーホール５０を通って、溶融池３０の外へ排出されやすくなる。そのため、スパッタ３１が飛散することを抑制することができ、接合部分に穴あきやボイドが発生することを抑制することができる。また、異物がより確実に除去されることになるため、より好適な接合強度を実現することができる。

なお、レーザ接合装置は、図６に示すように、ｙ軸プラス方向に向かって、複数の照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・が並ぶように、且つ、隣り合う当該照射軌跡Ｌ１，Ｌ２，・・・が少なくとも一部重複するように、平角線２０Ａの端面及び平角線２０Ｂの端面にレーザを照射する。これにより、上記図４に示す作用と同様の作用を得ることができる。

以上に説明した本実施の形態１では、図３に示すように、第１の照射軌跡Ｌ１において、前側（ｘ軸プラス方向）の第２の照射軌跡Ｌ２と重複する部分では、第１のスポット径より大きい第２のスポット径でレーザを照射する。そのため、当該前側（ｘ軸プラス方向）の第２の照射軌跡Ｌ２と重複する部分（図３において破線で示す部分）では、溶融池３０にレーザが照射されることによって生じた空洞であるキーホール５０の径が大きくなり、異物４０が溶融する際に生じたガス４１が当該キーホール５０を通って溶融池３０の外に排出されやすくなる。これにより、当該ガス４１による溶融金属３１の吹き飛びが抑制され、穴あきやボイドが発生することが抑制される。
また、図３に示すように、第１の照射軌跡Ｌ１において、当該前側の第２の照射軌跡Ｌ２と重複する部分は、当該第２の照射軌跡Ｌ２において前側（ｘ軸プラス方向）の第３の照射軌跡Ｌ３と重複しない部分に含まれる。そのため、第１の照射軌跡Ｌ１における第２の照射軌跡Ｌ２と重複する部分は、第２の照射軌跡Ｌ２において、第１のスポット径でレーザが照射される。これにより、第１の照射軌跡Ｌ１における第２の照射軌跡Ｌ２と重複する部分においても、所定の接合強度を確保するための所定の溶け込み深さが確保される。そのため、所望する接合強度で平角線２０を接合することができる。
すなわち、ガス４１を排出させた後に所定の接合強度を確保するための所定の溶け込み深さで平角線２０の端面を溶融させることができ、当該ガス４１による接合箇所の穴あきやボイドの発生を抑制しつつ、所望する接合強度で平角線２０を接合することができる。これにより、溶接不具合の発生をより確実に抑制することができる平角線２０の接合方法を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の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。例えば、上記の実施の形態１では、導線として平角線（セグメントコイル）２０を例に挙げて説明したが、導線は平角線２０に限定されるものではない。本実施の形態１に係る導線の接合方法は、隣接して配置された導線の接合であれば、様々な用途に用いられる導線の接合に適用され得る。

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（導線）
２０Ａ、２０Ｂ平角線（導線）
２５接合部
３０溶融池
３１スパッタ
４０異物
４１ガス
５０キーホール
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，・・・照射軌跡

Claims

一の導線の端面と、前記一の導線に隣接する他の導線の端面と、にレーザを照射して前記一の導線と前記他の導線とを接合する、導線の接合方法であって、
前記一の導線の端面及び前記他の導線の端面にレーザを照射する際、所定の方向に向かって複数の照射軌跡が並ぶように、且つ、隣り合う前記照射軌跡が少なくとも一部重複するようにレーザを照射し、
第１の前記照射軌跡において、前記所定の方向の前側の第２の前記照射軌跡と重複しない部分では、所定の溶け込み深さを確保する第１のスポット径でレーザを照射し、
前記第１の照射軌跡において、前記所定の方向の前側の前記第２の照射軌跡と重複する部分では、前記第１のスポット径より大きい第２のスポット径でレーザを照射する、
導線の接合方法。