JP7280377B2 - ヘアピン溶接法およびヘアピン溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの銅線の、面一に相並んで配置された線端をレーザビームによって互いに溶接するヘアピン溶接法および関連するヘアピン溶接装置に関する。

このようなヘアピン溶接法は、例えば欧州特許出願公開第３２９２９４０号明細書によって公知になっている。

電気モータにおけるステータを形成するために、絶縁性の材料から形成されたステータケージを準備し、このステータ内に、導電性の材料、好適には銅から成る、いわゆる「ヘアピン」を挿入することが知られている。複数のヘアピンは、例えばクリップ状にまたは線形に形成されていてよく、ステータケージ内への挿入後には、互いに平行にかつ実質的にステータもしくは電気モータの軸線方向でステータケージ内に存在している。ステータケージの全周に巡って、このステータケージ内に多数のこのようなヘアピンが挿入される。最初、組付け中もしくは製造中には、これらのヘアピンは互いに機械的かつ電気的な接続部を有していない。その後、ステータケージ内に挿入し、場合により変形加工および／または短縮を行い、場合により前処理、例えば被膜剥離を行った後、完全なステータ巻線を形成するために、ヘアピンの各自由端が、好適には対を成して、例えば溶接によって互いに接合される。この接合によって、各ヘアピン対の自由端同士の間に機械的な接続部と導電的な接続部とが製作され、これによって、挿入後には最初個別に存在していたヘアピンが、いまや結合されている。ヘアピン同士の接合によって、機械的かつ電気的に互いに接続された連続したステータ巻線を形成することができる。

ヘアピンは、たいてい正方形または長方形の横断面を有している。この横断面の断面積は、巻付けのために形成されたワイヤの断面積よりも著しく大きい。これによって、ワイヤに比べて増加させられた通電が可能となる。これにより達成可能な電気モータの出力の向上は、特に自動車用の電気モータの場合に有利となる。なぜならば、この電気モータは、極めて高い出力要求に応じなければならないからである。

Ｅモビリティの分野での電気モータ製造用のヘアピンの溶接は、たいていレーザベースの方法である。この方法では、長方形の横断面の２つの銅線の端同士が端面側で互いに溶接される。この場合には、通常、欧州特許出願公開第３２９２９４０号明細書に記載されているように、ビーム発振技術と組み合わせたトップハットビームプロファイルを有するＮＩＲレーザが使用される。その際、周辺の構成部材における汚染を招くと共に構成部材同士の短絡のリスクを高めるスパッタだけでなく、導電性および機械的な強度を低下させる溶接シーム（溶接ビード）内のポロシティも溶接プロセス中に発生してしまう。これらのスパッタとポロシティは、電気モータの製造において高い不合格率につながる。

これに対して、本発明の根底にある課題は、ヘアピン溶接の際にスパッタおよびポロシティの発生を減じることならびに関連するヘアピン溶接装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、線端に端面側で衝突する、円形のコア範囲と、このコア範囲を、特にじかに取り囲むリング範囲とを有するビーム横断面を有するレーザビームを発生させ、
－ コア範囲の直径に対するリング範囲の外径の比は、７：１～２：１、好適には５：１～２：１、特に好適には約４：１、約３．５：１、約３：１または約２．６：１であり、
－ リング範囲内のレーザ出力に対するコア範囲内のレーザ出力の比は、１０：９０～７０：３０、好適には２５：７５～５０：５０、特に好適には約３０：７０である
ことによって解決される。

本発明によれば、ビーム横断面が、内側のコア範囲と外側のリング範囲とを有している。両範囲は、互いに規定されたサイズ比および強度比にあり、ポロシティおよびスパッタの発生が著しく少なくなるようにプロセスに影響を与える。細長いキーホールの不安定現象は、キーホールが膨らみを形成し、過圧が発生し、その後、溶融物が、開放されたキーホールを通じて爆発のように飛び散る場合にスパッタを生じさせる。細長いキーホールにおける不安定現象によって、切り離された膨らみが下端に形成されると、ポロシティが発生する。この場合、プロセス終了時の内部崩壊がポロシティに繋がることが多い。リング範囲内のレーザ出力によって、キーホールが安定させられ、ひいては、溶融池のダイナミクスが静められる。これによって、スパッタの発生が減じられる。リング範囲内のレーザ出力によって、キーホールが円錐形に開放されるかもしくは上向きに拡幅される。このキーホールは、下側の領域でのくびれ形成をより少なくすることができ、したがって、脱泡を改善し、ポロシティの発生を阻止する。試験から判ったように、特に有利には、スパッタを減じるためには、コア範囲に１０～５０％の割合の出力が必要となり、ポロシティを減じるためには、コアに１０～３０％の割合の出力が必要となる。コア範囲に約３０％の割合の出力が最適であると見出された。

プロセス安全にキーホールを発生させるために、好ましくは、コア範囲内のレーザ出力は、少なくとも０．９ｋＷである。波長は、例えば１０３０ｎｍであるものの、別の波長、例えば５１５ｎｍまたは４５０ｎｍも可能である。

試験からさらに判ったように、線端におけるスポット直径もヘアピン溶接のためには最適に調整されなければならない。好適には、コア範囲のスポット直径は、５０μｍ～３４０μｍ、好適には７５μｍ～２００μｍ、特に約８５μｍ、約１３６μｍまたは１７０μｍであり、リング範囲のスポット外径は、２５０μｍ～１２００μｍ、好適には３００μｍ～７００μｍ、好適には約３４０μｍ、約４０８μｍ、約４４２μｍまたは約６８０μｍである。８５μｍのコア範囲のスポット直径と３４０μｍのリング範囲のスポット外径とが最適であると見出された。

好ましくは、線端の両方の端面に、溶融された溶接ビードを発生させるために、レーザビームは、両方の端面において、特に同じ線形運動でまたは同じ円軌道（「ビーム発振」）で移動させられる。レーザビームを線端の両方の端面で移動させる速度（「発振送り」）は、有利には、２００ｍｍ／ｓ～１６００ｍｍ／ｓである。このとき、８００ｍｍ／ｓで最良の結果が得られた。

特に好適な方法変化形態では、線端に衝突するビーム横断面は、コアファイバと、このコアファイバを取り囲むリングファイバとを有するデュアルファイバによって発生させられる。レーザビームは、コアファイバにもリングファイバにも入射させられ、デュアルファイバに入射させられたレーザ出力は、コアファイバとリングファイバとに１０：９０～５０：５０、好適には２０：８０～４０：６０、特に好適には約３０：７０の比で分配される。

好適には、コアファイバの直径に対するリングファイバの外径の比は、５：１～３：１、好適には約４：１である。好ましくは、コアファイバの直径は、２５μｍ～２５０μｍ、好適には５０μｍ～２００μｍ、特に好適には約５０μｍ、約８０μｍ、約１００μｍまたは約２００μｍであり、リングファイバの外径は、１５０μｍ～８００μｍ、好適には２００μｍ～７００μｍ、特に好適には約２００μｍ、約２４０μｍ、約２６０μｍ、約４００μｍまたは約７００μｍである。このことは、例えば、１００μｍ／４００μｍの直径または５０μｍ／２００μｍの直径を有するデュアルファイバによって実現することができる。別の直径比、例えば１００μｍ／２６０μｍまたは８０μｍ／２４０μｍまたはこれに類する直径比が使用されてよい。プロセス効率は、結像を変えずに、１００μｍ／４００μｍのファイバと比べて、５０μｍ／２００μｍのファイバの使用によって向上させることができることが試験から判った。そして、これによって、レーザ出力を変えずに、プロセス時間はより短くなる。

特に発振位置および発振ジオメトリを接合状況に相応して適合させることができるようにするために、線端へのレーザビームの位置決めは、カメラベースのセンサシステムによって行われてよい。

本発明は、また、２つの銅線の、面一に相並んで配置された線端をレーザビームによって溶接するためのヘアピン溶接装置であって、レーザビームを発生させるためのレーザビーム発生器と、レーザビームのビーム路に配置されたビーム整形光学系であって、線端に、円形のコア範囲と、このコア範囲を、特にじかに取り囲むリング範囲とを有するビーム横断面を発生させるためのビーム整形光学系とを備える、ヘアピン溶接装置にも関する。

本発明の対象の更なる利点および有利な構成は、明細書、特許請求の範囲および図面から明らかである。また、前述した特徴および以下にさらに記載する特徴は、それぞれ単独で使用することもできれば、複数の特徴を任意に組み合わせて使用することもできる。図説する実施形態は、最終的な列挙と解すべきものではなく、むしろ、本発明を説明するための一例としての特徴を含むものである。

ヘアピンを溶接するための本発明に係るヘアピン溶接装置を概略的に示す図である。 ヘアピンに衝突するレーザビームの一強度分布を示す図である。 ヘアピンに衝突するレーザビームの一強度分布を示す図である。 ヘアピンの端面でのレーザビームの発振を示す図である。

図１に示したヘアピン溶接装置１は、２つの銅線３の、面一に相並んで配置された線端２をレーザビーム４によって溶接するために用いられる。ヘアピン溶接装置１は、レーザビーム４（波長１０３０ｎｍ、出力５ｋＷ）を発生させるためのレーザビーム発生器５と、線端２にビーム横断面７を発生させるための、レーザビーム４のビーム路に配置されたビーム整形光学系６とを備えている。ビーム横断面７は、円形のコア範囲８と、このコア範囲８をじかに取り囲む円形のリング範囲９とを有している。

ビーム整形光学系６は、コアファイバ１１と、このコアファイバ１０を取り囲むリングファイバ１２とを備えたデュアルファイバ１０と、例えば、ビーム路に配置されたウェッジプレートの形態の入射光学系１３とによって形成されている。この入射光学系１３は、レーザビーム４をコアファイバ８とリングファイバ９とに同時に入射させる。コアファイバ１１に対するリングファイバ１２の直径比ｄ_Ｒ／ｄ_Ｋは、好適には４：１である。このことは、例えば、２００μｍ／５０μｍの直径または４００μｍ／１００μｍの直径を有するデュアルファイバ１０によって実現することができる。入射光学系１３は、レーザビーム４をコアファイバ１１にもリングファイバ１２にも同時に入射させ、しかも、コアファイバ８およびリングファイバ９に対して約３０：７０の比で入射させる。５０μｍ／２００μｍの直径を有するデュアルファイバ１０の場合、１．７：１の増加時には、線端２でのコア範囲８のスポット直径ｓ_Ｋが約８５μｍであり、線端２でのリング範囲９のスポット外径ｓ_Ｒが約３４０μｍである。

線端２へのレーザビーム４の位置決めは、カメラベースのセンサシステム１４によって行われる。

図２ａおよび図２ｂには、線端２の両方の端面１５に衝突するレーザビーム４の２つの可能な強度分布が示してある。図２ａでは、リング範囲９がその固有の強度最大値を有しているのに対して、図２ｂでは、リング範囲９における強度が半径方向外向きに連続的に減少している。Ｘ線測定から判明しているように、リング範囲９におけるレーザ出力によって、キーホールが円錐形に開放される。このキーホールは、下側の領域でのくびれ形成をなくすことができ、ひいては、脱泡を改善し、ポロシティの発生を阻止する。リング範囲９内のレーザ出力によって、キーホールが安定させられ、ひいては、溶融池のダイナミクスが静められる。これによって、スパッタおよびポロシティの発生が減じられる。

レーザビーム４は、溶融された溶接ビードを線端２の両方の端面１５に発生させるために、これら両方の端面１５を同じ線形移動で通過するかまたは図３に示したように同じ円軌道（「ビーム発振」）で通過する。つまり、レーザビーム４は、同一の箇所において円を描くように移動させられる。このとき、円の直径は、両方の端面１５の幅にほぼ相当している。レーザビーム４を両方の端面１５で移動させる速度（「発振送り」）は、最適には８００ｍｍ／ｓである。

Claims (17)

1. 少なくとも２つの銅線（３）の、面一に相並んで配置された線端（２）をレーザビーム（４）によって互いに溶接するヘアピン溶接法において、
   前記線端（２）に端面側で衝突する、円形のコア範囲（８）と、該コア範囲（８）を、特にじかに取り囲むリング範囲（９）とを有するビーム横断面（７）を有するレーザビーム（４）を発生させ、
   － 前記コア範囲（８）の直径（ｄ_Ｋ）に対する前記リング範囲（９）の外径（ｄ_Ｒ）の比は、７：１～２：１、好適には５：１～２：１、特に好適には約４：１、約３．５：１、約３：１または約２．６：１であり、
   － 前記リング範囲（９）内のレーザ出力に対する前記コア範囲（８）内のレーザ出力の比は、１０：９０～７０：３０、好適には２５：７５～５０：５０、特に好適には約３０：７０である
   ことを特徴とする、ヘアピン溶接法。
2. 前記コア範囲（８）内の前記レーザ出力は、少なくとも０．９ｋＷであることを特徴とする、請求項１に記載のヘアピン溶接法。
3. 前記線端（２）での前記コア範囲（８）のスポット直径（ｓ_Ｋ）は、５０μｍ～３４０μｍ、好適には７５μｍ～２００μｍ、特に約８５μｍ、約１３６μｍまたは１７０μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載のヘアピン溶接法。
4. 前記線端（２）での前記リング範囲（９）のスポット外径（ｓ_Ｒ）は、２５０μｍ～１２００μｍ、好適には３００μｍ～７００μｍ、好適には約３４０μｍ、約４０８μｍ、約４４２μｍまたは約６８０μｍであることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載のヘアピン溶接法。
5. 前記線端（２）の両方の端面（１５）に、溶融された溶接ビードを発生させるために、前記レーザビーム（４）を両方の前記端面（１５）において、特に同じ円軌道で移動させることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載のヘアピン溶接法。
6. 前記レーザビーム（４）を前記線端（２）の両方の前記端面（１５）で移動させる速度は、２００ｍｍ／ｓ～１６００ｍｍ／ｓ、好適には約８００ｍｍ／ｓであることを特徴とする、請求項５に記載のヘアピン溶接法。
7. 前記線端（２）に衝突する前記ビーム横断面（７）を、コアファイバ（１１）と、該コアファイバ（１１）を取り囲むリングファイバ（１２）とを有するデュアルファイバ（１０）によって発生させ、前記レーザビーム（４）を前記コアファイバ（１１）にも前記リングファイバ（１２）にも入射させ、前記デュアルファイバ（１０）に入射させられたレーザ出力を前記コアファイバ（８）と前記リングファイバ（９）とに１０：９０～５０：５０、好適には２０：８０～４０：６０、特に好適には約３０：７０の比で分配することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載のヘアピン溶接法。
8. 前記コアファイバ（８）の前記直径（ｄ_Ｋ）に対する前記リングファイバ（９）の前記外径（ｄ_Ｒ）の比は、５：１～３：１、好適には約４：１であることを特徴とする、請求項７に記載のヘアピン溶接法。
9. 前記コアファイバ（８）の前記直径（ｄ_Ｋ）は、２５μｍ～２５０μｍ、好適には５０μｍ～２００μｍ、特に好適には約５０μｍ、約８０μｍ、約１００μｍまたは約２００μｍであることを特徴とする、請求項７または８に記載のヘアピン溶接法。
10. 前記リングファイバ（９）の前記外径（ｄ_Ｒ）は、１５０μｍ～８００μｍ、好適には２００μｍ～７００μｍ、特に好適には約２００μｍ、約２４０μｍ、約２６０μｍ、約４００μｍまたは約７００μｍであることを特徴とする、請求項７から９までのいずれか一項に記載のヘアピン溶接法。
11. 前記線端（２）への前記レーザビーム（４）の位置決めをカメラベースのセンサシステム（１４）によって行うことを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のヘアピン溶接法。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項に記載のヘアピン溶接法を行うためのヘアピン溶接装置（１）であって、
    前記レーザビーム（４）を発生させるためのレーザビーム発生器（５）と、
    前記レーザビーム（４）のビーム路に配置されたビーム整形光学系（６）であって、前記線端（２）に、円形のコア範囲（８）と、該コア範囲（８）を、特にじかに取り囲むリング範囲（９）とを有するビーム横断面（７）を発生させるためのビーム整形光学系（６）と
    を備える、ヘアピン溶接装置（１）。
13. 前記ビーム整形光学系（６）は、コアファイバ（１１）と、該コアファイバ（１１）を取り囲むリングファイバ（１２）とを備えるデュアルファイバ（１０）と、前記レーザビーム（４）を前記コアファイバ（１１）と前記リングファイバ（１２）とに同時に入射させる入射光学系（１３）とを有することを特徴とする、請求項１２に記載のヘアピン溶接装置。
14. 前記コアファイバ（１１）の直径（ｄ_Ｋ）に対する前記リングファイバ（１２）の外径（ｄ_Ｒ）の比は、５：１～３：１、好適には約４：１であることを特徴とする、請求項１３に記載のヘアピン溶接装置。
15. 前記コアファイバ（１１）の前記直径（ｄ_Ｋ）は、２５μｍ～２５０μｍ、好適には５０μｍ～２００μｍ、特に好適には約５０μｍ、約８０μｍ、約１００μｍまたは約２００μｍであることを特徴とする、請求項１３または１４に記載のヘアピン溶接装置。
16. 前記リングファイバ（１２）の前記外径（ｄ_Ｒ）は、１５０μｍ～８００μｍ、好適には２００μｍ～７００μｍ、特に好適には約２００μｍ、約２４０μｍ、約２６０μｍ、約４００μｍまたは約７００μｍであることを特徴とする、請求項１３から１５までのいずれか一項に記載のヘアピン溶接装置。
17. 前記レーザビーム（４）を前記線端（２）に位置決めするカメラベースのセンサシステム（１４）を備えることを特徴とする、請求項１３から１６までのいずれか一項に記載のヘアピン溶接装置。

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