JP7478697B2 - Manufacturing method of a stator for a rotating electric machine - Google Patents
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Description
本開示は、回転電機用ステータ製造方法に関する。 This disclosure relates to a method for manufacturing a stator for a rotating electric machine.
回転電機のステータコイルを形成するための一のコイル片と他の一のコイル片の端部同士を当接させ、当接させた端部に係る溶接対象箇所に、ループ状に照射位置が移動する態様でレーザビームを照射するステータの製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 A method for manufacturing a stator is known in which the ends of one coil piece and another coil piece used to form a stator coil for a rotating electric machine are brought into contact with each other, and a laser beam is irradiated onto the welding target area associated with the abutted ends in such a way that the irradiation position moves in a loop (see, for example, Patent Document 1).
上記の特許文献1に記載されるような従来技術は、ループ状の走査軌跡の径を徐々に拡大することで溶融池をコイル片の端部同士の当接面へと到達させることができるものの、接合面積の確保に比較的大きい入熱量が必要となる。 Conventional techniques such as those described in Patent Document 1 can make the molten pool reach the contact surface between the ends of the coil pieces by gradually expanding the diameter of the loop-shaped scanning trajectory, but require a relatively large heat input to ensure a sufficient joining area.
そこで、1つの側面では、本開示は、接合面積の確保とスパッタ発生数の低減を両立することを目的とする。 Therefore, in one aspect, the present disclosure aims to achieve both ensuring the bonding area and reducing the number of spatters that occur.
1つの側面では、ステータコイルのコイル片をステータコアに組み付ける組付工程と、
前記組付工程の後に、前記コイル片の端部同士又は前記コイル片の端部とバスバーの端部とをレーザ溶接により接合する接合工程とを含み、
前記接合工程は、
接合対象の2つの端部同士を当接させるセット工程と、
前記2つの端部にレーザビームを照射する照射工程とを含み、
前記照射工程による前記レーザビームの照射区間は、前記レーザビームの照射位置が連続的に変化する連続照射区間を含み、
前記連続照射区間は、照射開始位置から照射終了位置までの前記レーザビームの照射位置の移動方向に沿った順序で、前記レーザビームの照射位置が第1速度で変化する第1区間と、前記レーザビームの照射位置が前記第1速度よりも低い第2速度で変化する第2区間と、前記レーザビームの照射位置が前記第2速度よりも高い第3速度で変化する第3区間とを含む、回転電機用ステータ製造方法が提供される。
In one aspect, the method includes: assembling coil pieces of the stator coil to a stator core;
a joining step of joining ends of the coil pieces to each other or joining the ends of the coil pieces to ends of bus bars by laser welding after the assembling step,
The joining step includes:
a setting process in which two ends of the objects to be joined are brought into contact with each other;
and an irradiation step of irradiating the two ends with a laser beam,
The irradiation section of the laser beam in the irradiation step includes a continuous irradiation section in which the irradiation position of the laser beam changes continuously,
A method for manufacturing a stator for a rotating electric machine is provided, wherein the continuous irradiation sections include, in a sequence along the movement direction of the irradiation position of the laser beam from the irradiation start position to the irradiation end position, a first section in which the irradiation position of the laser beam changes at a first speed, a second section in which the irradiation position of the laser beam changes at a second speed lower than the first speed, and a third section in which the irradiation position of the laser beam changes at a third speed higher than the second speed.
1つの側面では、本開示によれば、接合面積の確保とスパッタ発生数の低減を両立することが可能となる。 In one aspect, this disclosure makes it possible to ensure a sufficient bonding area while reducing the number of spatters that occur.
以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率はあくまでも一例であり、これに限定されるものではなく、また、図面内の形状等は、説明の都合上、部分的に誇張している場合がある。なお、本明細書において、「所定」とは、「予め規定された」という意味で用いられている。 Each embodiment will be described in detail below with reference to the attached drawings. Note that the dimensional ratios in the drawings are merely examples and are not limiting, and shapes in the drawings may be partially exaggerated for the sake of explanation. In this specification, the word "predetermined" is used to mean "predetermined in advance."
図1は、一実施例によるモータ1(回転電機の一例)の断面構造を概略的に示す断面図である。 Figure 1 is a cross-sectional view that shows a schematic cross-sectional structure of a motor 1 (an example of a rotating electric machine) according to one embodiment.
図1には、モータ1の回転軸12が図示されている。以下の説明において、軸方向とは、モータ1の回転軸(回転中心)12が延在する方向を指し、径方向とは、回転軸12を中心とした径方向を指す。従って、径方向外側とは、回転軸12から離れる側を指し、径方向内側とは、回転軸12に向かう側を指す。また、周方向とは、回転軸12まわりの回転方向に対応する。 Figure 1 shows the rotating shaft 12 of the motor 1. In the following description, the axial direction refers to the direction in which the rotating shaft (center of rotation) 12 of the motor 1 extends, and the radial direction refers to the radial direction centered on the rotating shaft 12. Therefore, the radially outer side refers to the side away from the rotating shaft 12, and the radially inner side refers to the side toward the rotating shaft 12. Additionally, the circumferential direction corresponds to the direction of rotation around the rotating shaft 12.
モータ1は、例えばハイブリッド車両や電気自動車で使用される車両駆動用のモータであってよい。ただし、モータ1は、他の任意の用途に使用されるものであってもよい。 Motor 1 may be a motor for driving a vehicle, such as that used in a hybrid vehicle or an electric vehicle. However, motor 1 may also be used for any other purpose.
モータ1は、インナーロータ型であり、ステータ21がロータ30の径方向外側を囲繞するように設けられる。ステータ21は、径方向外側がモータハウジング10に固定される。 The motor 1 is an inner rotor type, and the stator 21 is arranged to surround the radial outside of the rotor 30. The radial outside of the stator 21 is fixed to the motor housing 10.
ロータ30は、ステータ21の径方向内側に配置される。ロータ30は、ロータコア32と、ロータシャフト34とを備える。ロータコア32は、ロータシャフト34の径方向外側に固定され、ロータシャフト34と一体となって回転する。ロータシャフト34は、モータハウジング10にベアリング14a、14bを介して回転可能に支持される。なお、ロータシャフト34は、モータ1の回転軸12を画成する。 The rotor 30 is disposed radially inside the stator 21. The rotor 30 includes a rotor core 32 and a rotor shaft 34. The rotor core 32 is fixed to the radial outside of the rotor shaft 34 and rotates together with the rotor shaft 34. The rotor shaft 34 is rotatably supported by the motor housing 10 via bearings 14a and 14b. The rotor shaft 34 defines the rotating shaft 12 of the motor 1.
ロータコア32は、例えば円環状の磁性体の積層鋼板から形成される。ロータコア32の内部には、永久磁石321が挿入される。永久磁石321の数や配列等は任意である。変形例では、ロータコア32は、磁性粉末が圧縮して固められた圧粉体により形成されてもよい。 The rotor core 32 is formed, for example, from laminated steel plates of a magnetic material having a circular shape. Permanent magnets 321 are inserted inside the rotor core 32. The number and arrangement of the permanent magnets 321 are optional. In a modified example, the rotor core 32 may be formed from a green compact in which magnetic powder is compressed and solidified.
ロータコア32の軸方向の両側には、エンドプレート35A、35Bが取り付けられる。エンドプレート35A、35Bは、ロータコア32を支持する支持機能の他、ロータ30のアンバランスの調整機能(切削等されることでアンバランスを無くす機能)を有してよい。 End plates 35A and 35B are attached to both axial sides of the rotor core 32. In addition to supporting the rotor core 32, the end plates 35A and 35B may also have a function to adjust imbalance of the rotor 30 (a function to eliminate imbalance by cutting, etc.).
ロータシャフト34は、図1に示すように、中空部34Aを有する。中空部34Aは、ロータシャフト34の軸方向の全長にわたり延在する。中空部34Aは、油路として機能してもよい。例えば、中空部34Aには、図1にて矢印R1で示すように、軸方向の一端側から油が供給され、ロータシャフト34の径方向内側の表面を伝って油が流れることで、ロータコア32を径方向内側から冷却できる。また、ロータシャフト34の径方向内側の表面を伝う油は、ロータシャフト34の両端部に形成される油穴341、342を通って径方向外側へと噴出され(矢印R5、R6)、コイルエンド220A、220Bの冷却に供されてもよい。 As shown in FIG. 1, the rotor shaft 34 has a hollow portion 34A. The hollow portion 34A extends over the entire axial length of the rotor shaft 34. The hollow portion 34A may function as an oil passage. For example, as shown by the arrow R1 in FIG. 1, oil is supplied to the hollow portion 34A from one axial end side, and the oil flows along the radially inner surface of the rotor shaft 34, thereby cooling the rotor core 32 from the radially inner side. In addition, the oil flowing along the radially inner surface of the rotor shaft 34 may be ejected radially outward through oil holes 341, 342 formed at both ends of the rotor shaft 34 (arrows R5, R6) and used to cool the coil ends 220A, 220B.
なお、図1では、特定の構造のモータ1が示されるが、モータ1の構造は、溶接により接合されるステータコイル24(後述)を有する限り、任意である。従って、例えば、ロータシャフト34は、中空部34Aを有さなくてもよいし、中空部34Aよりも有意に内径の小さい中空部を有してもよい。また、図1では、特定の冷却方法が開示されているが、モータ1の冷却方法は任意である。従って、例えば、中空部34A内に挿入される油導入管が設けられてもよいし、モータハウジング10内の油路から径方向外側からコイルエンド220A、220Bに向けて油が滴下されてもよい。 Although FIG. 1 shows a motor 1 with a specific structure, the structure of the motor 1 is arbitrary as long as it has a stator coil 24 (described later) joined by welding. Thus, for example, the rotor shaft 34 may not have a hollow portion 34A, or may have a hollow portion with an inner diameter significantly smaller than that of the hollow portion 34A. Furthermore, while FIG. 1 shows a specific cooling method, the cooling method of the motor 1 is arbitrary. Thus, for example, an oil introduction pipe inserted into the hollow portion 34A may be provided, or oil may be dripped from an oil passage in the motor housing 10 from the radial outside toward the coil ends 220A, 220B.
また、図1では、ロータ30がステータ21の内側に配されたインナーロータ型のモータ1であるが、他の形態のモータに適用されてもよい。例えば、ステータ21の外側にロータ30が同心に配されたアウターロータ型のモータや、ステータ21の外側及び内側の双方にロータ30が配されたデュアルロータ型のモータ等に適用されてもよい。 In addition, while FIG. 1 shows an inner rotor type motor 1 in which the rotor 30 is disposed inside the stator 21, the present invention may be applied to other types of motors. For example, the present invention may be applied to an outer rotor type motor in which the rotor 30 is disposed concentrically outside the stator 21, or a dual rotor type motor in which the rotor 30 is disposed both outside and inside the stator 21.
次に、図2以降を参照して、ステータ21に関する構成を詳説する。 Next, the configuration of the stator 21 will be described in detail with reference to Figure 2 onwards.
図2は、ステータコア22の単品状態の平面図である。図3は、ステータコア22に組み付けられる1対のコイル片52を模式的に示す図である。図3では、ステータコア22の径方向内側を展開した状態で、1対のコイル片52とスロット220との関係が示される。また、図3では、ステータコア22が点線で示され、スロット220の一部については図示が省略されている。図4は、ステータ21のコイルエンド220A周辺の斜視図である。図5は、同相のコイル片の一部を抜き出して示す斜視図である。 Figure 2 is a plan view of the stator core 22 in a single state. Figure 3 is a schematic diagram of a pair of coil pieces 52 to be assembled to the stator core 22. Figure 3 shows the relationship between the pair of coil pieces 52 and the slots 220 with the radially inner side of the stator core 22 unfolded. Also, in Figure 3, the stator core 22 is shown by dotted lines, and part of the slots 220 is not shown. Figure 4 is a perspective view of the periphery of the coil end 220A of the stator 21. Figure 5 is a perspective view showing part of the coil pieces of the same phase.
ステータ21は、ステータコア22と、ステータコイル24とを含む。 The stator 21 includes a stator core 22 and a stator coil 24.
ステータコア22は、例えば円環状の磁性体の積層鋼板からなるが、変形例では、ステータコア22は、磁性粉末が圧縮して固められた圧粉体により形成されてもよい。なお、ステータコア22は、周方向で分割される分割コアにより形成されてもよいし、周方向で分割されない形態であってもよい。ステータコア22の径方向内側には、ステータコイル24が巻回される複数のスロット220が形成される。具体的には、ステータコア22は、図2に示すように、円環状のバックヨーク22Aと、バックヨーク22Aから径方向内側に向かって延びる複数のティース22Bとを含み、周方向で複数のティース22B間にスロット220が形成される。スロット220の数は任意であるが、本実施例では、一例として、48個である。 The stator core 22 is made of, for example, a circular magnetic laminated steel plate, but in a modified example, the stator core 22 may be formed of a green compact in which magnetic powder is compressed and solidified. The stator core 22 may be formed of a split core that is split in the circumferential direction, or may not be split in the circumferential direction. A plurality of slots 220 around which the stator coil 24 is wound are formed on the radial inner side of the stator core 22. Specifically, as shown in FIG. 2, the stator core 22 includes a circular back yoke 22A and a plurality of teeth 22B extending radially inward from the back yoke 22A, and the slots 220 are formed between the plurality of teeth 22B in the circumferential direction. The number of slots 220 is arbitrary, but in this embodiment, as an example, 48 slots are used.
ステータコイル24は、U相コイル、V相コイル、及びW相コイル(以下、U、V、Wを区別しない場合は「相コイル」と称する)を含む。各相コイルの基端は、入力端子(図示せず)に接続されており、各相コイルの末端は、他の相コイルの末端に接続されてモータ1の中性点を形成する。すなわち、ステータコイル24は、スター結線される。ただし、ステータコイル24の結線態様は、必要とするモータ特性等に応じて、適宜、変更してもよく、例えば、ステータコイル24は、スター結線に代えて、デルタ結線されてもよい。 The stator coil 24 includes a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil (hereinafter, when U, V, and W are not distinguished, they will be referred to as "phase coils"). The base end of each phase coil is connected to an input terminal (not shown), and the end of each phase coil is connected to the end of the other phase coil to form the neutral point of the motor 1. In other words, the stator coil 24 is star-connected. However, the connection mode of the stator coil 24 may be changed as appropriate depending on the required motor characteristics, etc. For example, the stator coil 24 may be delta-connected instead of star-connected.
各相コイルは、複数のコイル片52を接合して構成される。図6は、一のコイル片52の概略正面図である。コイル片52は、相コイルを、組み付けやすい単位(例えば2つのスロット220に挿入される単位)で分割したセグメントコイルの形態である。コイル片52は、断面矩形状の線状導体(平角線)60を、絶縁被膜62で被覆してなる。本実施例では、線状導体60は、一例として、銅により形成される。ただし、変形例では、線状導体60は、鉄のような他の導体材料により形成されてもよい。 Each phase coil is formed by joining multiple coil pieces 52. FIG. 6 is a schematic front view of one coil piece 52. The coil pieces 52 are in the form of segment coils in which the phase coil is divided into units that are easy to assemble (for example, units that can be inserted into two slots 220). The coil pieces 52 are formed by coating a linear conductor (rectangular wire) 60 with a rectangular cross section with an insulating coating 62. In this embodiment, the linear conductor 60 is formed of copper, as an example. However, in a modified example, the linear conductor 60 may be formed of another conductive material such as iron.
コイル片52は、ステータコア22に組み付ける前の段階では、一対の直進部50と、当該一対の直進部50を連結する連結部54と、を有した略U字状に成形されてよい。コイル片52をステータコア22に組み付ける際、一対の直進部50は、それぞれ、スロット220に挿入される(図3参照)。これにより、連結部54は、図3に示すように、ステータコア22の軸方向他端側において、複数のティース22B(及びそれに伴い複数のスロット220)を跨ぐように周方向に延びる。連結部54が跨ぐスロット220の数は、任意であるが、図3では3つである。また、直進部50は、スロット220に挿入された後は、図6において、二点鎖線で示すように、その途中で周方向に屈曲される。これにより、直進部50は、スロット220内において軸方向に延びる脚部56と、ステータコア22の軸方向一端側において周方向に延びる渡り部58と、になる。 Before being assembled to the stator core 22, the coil piece 52 may be formed into a generally U-shaped shape having a pair of straight portions 50 and a connecting portion 54 connecting the pair of straight portions 50. When the coil piece 52 is assembled to the stator core 22, the pair of straight portions 50 are inserted into the slots 220 (see FIG. 3). As a result, the connecting portion 54 extends in the circumferential direction so as to straddle a plurality of teeth 22B (and therefore a plurality of slots 220) at the other axial end side of the stator core 22, as shown in FIG. 3. The number of slots 220 that the connecting portion 54 straddles is arbitrary, but is three in FIG. 3. After being inserted into the slot 220, the straight portion 50 is bent in the circumferential direction in the middle, as shown by the two-dot chain line in FIG. 6. As a result, the straight portion 50 becomes a leg portion 56 that extends axially within the slot 220 and a bridge portion 58 that extends circumferentially at one axial end of the stator core 22.
なお、図6では、一対の直進部50は、互いに離れる方向に屈曲するが、これに限られない。例えば、一対の直進部50は、互いに近づく方向に屈曲されてもよい。また、ステータコイル24は、3相の相コイルの末端同士を連結して中性点を形成するための中性点用コイル片等も有することがある。 In FIG. 6, the pair of straight portions 50 are bent in a direction away from each other, but this is not limited thereto. For example, the pair of straight portions 50 may be bent in a direction toward each other. The stator coil 24 may also have a neutral point coil piece for connecting the ends of the three phase coils to form a neutral point.
一つのスロット220には、図6に示すコイル片52の脚部56が複数、径方向に並んで挿入される。従って、ステータコア22の軸方向一端側には、周方向に延びる渡り部58が複数、径方向に並ぶ。図3及び図5に示すように、一つのスロット220から飛び出て周方向第1側(例えば時計回りの向き)に延びる一のコイル片52の渡り部58は、他のスロット220から飛び出て周方向第2側(例えば反時計回りの向き)に延びる他の一のコイル片52の渡り部58に接合される。 In one slot 220, multiple leg portions 56 of the coil pieces 52 shown in FIG. 6 are inserted side by side in the radial direction. Therefore, multiple circumferentially extending bridge portions 58 are lined up in the radial direction at one axial end side of the stator core 22. As shown in FIG. 3 and FIG. 5, the bridge portion 58 of one coil piece 52 protruding from one slot 220 and extending to a first circumferential side (e.g., clockwise direction) is joined to the bridge portion 58 of another coil piece 52 protruding from another slot 220 and extending to a second circumferential side (e.g., counterclockwise direction).
本実施例では、一例として、1つのスロット220に6つのコイル片52が組み付けられる。以下では、径方向で最も外側のコイル片52から順に、第1ターン、第2ターン、第3ターンとも称する。この場合、第1ターンのコイル片52と第2ターンのコイル片52とは、後述の接合工程により先端部40同士が接合され、第3ターンのコイル片52と第4ターンのコイル片52とは、後述の接合工程により先端部40同士が接合され、第5ターンのコイル片52と第6ターンのコイル片52とは、後述の接合工程により先端部40同士が接合される。 In this embodiment, as an example, six coil pieces 52 are assembled in one slot 220. Hereinafter, they are also referred to as the first turn, second turn, and third turn, starting from the radially outermost coil piece 52. In this case, the first turn coil piece 52 and the second turn coil piece 52 have their tip portions 40 joined together by a joining process described below, the third turn coil piece 52 and the fourth turn coil piece 52 have their tip portions 40 joined together by a joining process described below, and the fifth turn coil piece 52 and the sixth turn coil piece 52 have their tip portions 40 joined together by a joining process described below.
ここで、コイル片52は、上述したとおり、絶縁被膜62で被覆されているが、先端部40だけは、当該絶縁被膜62が除去される。これは、先端部40にて他のコイル片52との電気的接続を確保するためである。また、図5及び図6に示すように、コイル片52の先端部40のうち、最終的に軸方向外側端面42、すなわち、コイル片52の幅方向一端面(軸方向外側端面42)を、軸方向外側に凸の円弧面としている。 As described above, the coil pieces 52 are covered with an insulating coating 62, but the insulating coating 62 is removed only from the tip portion 40. This is to ensure electrical connection with the other coil pieces 52 at the tip portion 40. Also, as shown in Figures 5 and 6, the axially outer end surface 42 of the tip portion 40 of the coil piece 52, i.e., one end surface in the width direction of the coil piece 52 (axially outer end surface 42), is ultimately made into an arc surface that convex outward in the axial direction.
図7は、互いに接合されたコイル片52の先端部40及びその近傍を示す図である。なお、図7には、溶接対象箇所90の周方向の範囲D1が模式的に示される。図8は、溶接対象箇所90を通る図7のラインA-Aに沿った断面図である。 Figure 7 is a diagram showing the tip 40 of the coil pieces 52 joined together and its vicinity. Note that Figure 7 also shows a schematic circumferential range D1 of the welding target area 90. Figure 8 is a cross-sectional view taken along line A-A in Figure 7, which passes through the welding target area 90.
コイル片52の先端部40を接合する際には、一のコイル片52と他の一のコイル片52は、それぞれの先端部40が、図7に示すビュー(当接面401に対して垂直な方向視)でC字状をなす態様で、突き合わせられる。この際、互いに接合される2つの先端部40を、それぞれの円弧面(軸方向外側端面42)の中心軸が一致するように、その厚み方向に重ねて接合されてよい。このように中心軸を合わせて重ねることで、屈曲角度αが比較的大きい場合や小さい場合でも、互いに接合される2つの先端部40の軸方向外側のラインが一致し、適切に、重ね合わせることができる。 When joining the tip portions 40 of the coil pieces 52, one coil piece 52 and another coil piece 52 are butted together so that the tip portions 40 form a C-shape in the view shown in FIG. 7 (as viewed in a direction perpendicular to the abutting surface 401). At this time, the two tip portions 40 to be joined together may be overlapped in the thickness direction and joined so that the central axes of the respective arcuate surfaces (axially outer end faces 42) coincide. By overlapping with the central axes aligned in this way, even when the bending angle α is relatively large or small, the axially outer lines of the two tip portions 40 to be joined together coincide and they can be appropriately overlapped.
この場合、溶接対象箇所90は、範囲D1及び範囲D2に示すように、当接面401に沿って直線状に延在する。すなわち、溶接対象箇所90は、レーザビーム110の照射側から視て(図7及び図8の矢印W参照)、範囲D2の幅で、範囲D1にわたり直線状に延在する。 In this case, the area to be welded 90 extends linearly along the contact surface 401 as shown in ranges D1 and D2. That is, the area to be welded 90 extends linearly across range D1 with a width of range D2 when viewed from the side irradiated with the laser beam 110 (see arrow W in Figures 7 and 8).
ここで、本実施例では、コイル片52の先端部40を接合する際の接合方法としては、溶接が利用される。そして、本実施例では、溶接方法としては、TIG溶接に代表されるアーク溶接ではなく、レーザビーム源を熱源とするレーザ溶接が採用される。TIG溶接に代えて、レーザ溶接を用いることで、コイルエンド220A、220Bの軸方向の長さを低減できる。すなわち、TIG溶接の場合は、当接させるコイル片の先端部同士を軸方向外側に屈曲させて軸方向に延在させる必要があるのに対して、レーザ溶接の場合は、かかる屈曲の必要性がなく、図7に示すように、当接させるコイル片52の先端部40同士を周方向に延在させた状態で溶接を実現できる。これにより、当接させるコイル片52の先端部40同士を軸方向外側に屈曲させて軸方向に延在させる場合に比べて、コイルエンド220A、220Bの軸方向の長さを低減できる。 Here, in this embodiment, welding is used as a joining method when joining the tip portions 40 of the coil pieces 52. In this embodiment, the welding method is not arc welding, as typified by TIG welding, but laser welding using a laser beam source as a heat source. By using laser welding instead of TIG welding, the axial length of the coil ends 220A, 220B can be reduced. That is, in the case of TIG welding, it is necessary to bend the tips of the coil pieces to be abutted each other axially outward and extend them in the axial direction, whereas in the case of laser welding, such bending is not necessary, and as shown in FIG. 7, welding can be achieved in a state in which the tip portions 40 of the coil pieces 52 to be abutted each other extend in the circumferential direction. As a result, the axial length of the coil ends 220A, 220B can be reduced compared to when the tip portions 40 of the coil pieces 52 to be abutted each other are bent axially outward and extend in the axial direction.
レーザ溶接では、図5に模式的に示すように、当接された2つの先端部40における溶接対象箇所90に溶接用のレーザビーム110を当てる。なお、レーザビーム110の照射方向(伝搬方向)は、軸方向に略平行であり、当接された2つの先端部40の軸方向外側端面42に、軸方向外側から向かう方向である。レーザ溶接の場合は、局所的に加熱できるため、先端部40及びその近傍のみを加熱することができ、絶縁被膜62の損傷(炭化)等を効果的に低減できる。その結果、適切な絶縁性能を維持したまま、複数のコイル片52を電気的に接続できる。 In laser welding, as shown in FIG. 5, a welding laser beam 110 is applied to the welding target area 90 of the two abutted tip portions 40. The irradiation direction (propagation direction) of the laser beam 110 is approximately parallel to the axial direction, and is directed from the axial outside to the axially outer end faces 42 of the two abutted tip portions 40. In the case of laser welding, localized heating is possible, so that only the tip portions 40 and their vicinity can be heated, and damage (carbonization) of the insulating coating 62 can be effectively reduced. As a result, multiple coil pieces 52 can be electrically connected while maintaining appropriate insulation performance.
溶接対象箇所90の周方向の範囲D1は、図7に示すように、2つのコイル片52の先端部40同士の当接部分における軸方向外側端面42の周方向の全範囲D0のうちの、両端を除く部分である。両端は、軸方向外側端面42の凸の円弧面に起因して、十分な溶接深さ(図7の寸法L1参照)を確保し難いためである。溶接対象箇所90の周方向の範囲D1は、コイル片52間での必要な接合面積や必要な溶接強度等が確保されるように適合されてよい。 The circumferential range D1 of the welding area 90 is the entire circumferential range D0 of the axially outer end face 42 at the abutting portion of the tip ends 40 of the two coil pieces 52, excluding both ends, as shown in FIG. 7. This is because it is difficult to ensure sufficient welding depth (see dimension L1 in FIG. 7) at both ends due to the convex arc surface of the axially outer end face 42. The circumferential range D1 of the welding area 90 may be adapted so as to ensure the necessary joint area between the coil pieces 52, the necessary welding strength, etc.
溶接対象箇所90の径方向の範囲D2は、図8に示すように、2つのコイル片52の先端部40同士の当接面401を中心とする。溶接対象箇所90の径方向の範囲D2は、レーザビーム110の径(ビーム径)に対応してよい。すなわち、レーザビーム110は、照射位置が径方向に実質的に変化することなく周方向に沿って直線的に変化する態様で、照射される。更に換言すると、レーザビーム110は、照射位置が当接面401に対して平行な直線状に変化するように移動される。これにより、例えばループ状(螺旋状)やジグザク状(蛇行)等に照射位置を変化させる場合に比べて、効率的に、直線状の溶接対象箇所90にレーザビーム110を照射できる。 The radial range D2 of the welding target area 90 is centered on the abutment surface 401 between the tips 40 of the two coil pieces 52, as shown in FIG. 8. The radial range D2 of the welding target area 90 may correspond to the diameter (beam diameter) of the laser beam 110. That is, the laser beam 110 is irradiated in such a manner that the irradiation position changes linearly along the circumferential direction without substantially changing in the radial direction. In other words, the laser beam 110 is moved so that the irradiation position changes in a straight line parallel to the abutment surface 401. This allows the laser beam 110 to be irradiated to the linear welding target area 90 more efficiently than when the irradiation position is changed in a loop (spiral) or zigzag (meandering) shape, for example.
図9は、レーザ波長と各種材料の個体に対するレーザ吸収率(以下、単に「吸収率」とも称する)との関係を示す図である。図9では、横軸に波長λを取り、縦軸に吸収率を取り、銅(Cu)、アルミ(Al)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、及び鉄(Fe)の各種材料の個体に係る特性が示される。 Figure 9 is a diagram showing the relationship between the laser wavelength and the laser absorptance (hereinafter simply referred to as "absorption rate") for individual materials. In Figure 9, the horizontal axis represents the wavelength λ and the vertical axis represents the absorptance, and the characteristics of individual materials, copper (Cu), aluminum (Al), silver (Ag), nickel (Ni), and iron (Fe), are shown.
ところで、レーザ溶接で一般的に用いられる赤外レーザ(波長が1064nmのレーザ)は、図9にてλ2=1.06μmの点線との交点の黒丸で示すように、コイル片52の線状導体60の材料である銅に対して吸収率が約10%と低い。すなわち、赤外レーザの場合、レーザビーム110の大部分は、コイル片52で反射してしまい、吸収されない。このため、接合対象のコイル片52間での必要な接合面積を得るためには比較的大きい入熱量が必要となり、熱影響が大きく、溶接が不安定となるおそれがある。 Incidentally, the infrared laser (with a wavelength of 1064 nm) commonly used in laser welding has a low absorption rate of about 10% for copper, the material of the linear conductor 60 of the coil piece 52, as shown by the black circle at the intersection with the dotted line of λ2 = 1.06 μm in Figure 9. In other words, in the case of an infrared laser, most of the laser beam 110 is reflected by the coil piece 52 and not absorbed. For this reason, a relatively large amount of heat input is required to obtain the required joint area between the coil pieces 52 to be joined, which can cause significant thermal effects and unstable welding.
この点を鑑み、本実施例では、赤外レーザに代えて、グリーンレーザを利用する。なお、グリーンレーザとは、波長が532nmのレーザ、すなわちSHG(Second Harmonic Generation:第2高調波)レーザのみならず、532nmに近い波長のレーザをも含む概念である。なお、変形例では、グリーンレーザの範疇に属さない0.6μm以下の波長のレーザが利用されてもよい。グリーンレーザに係る波長は、例えばYAGレーザやYVO4レーザで生み出された基本波長を酸化物単結晶(例えば、LBO:リチウムトリボレート)に通して変換することで得られる。 In view of this, in this embodiment, a green laser is used instead of an infrared laser. The term "green laser" refers not only to a laser with a wavelength of 532 nm, i.e., an SHG (Second Harmonic Generation) laser, but also to lasers with wavelengths close to 532 nm. In a modified example, a laser with a wavelength of 0.6 μm or less that does not belong to the category of green lasers may be used. The wavelength of a green laser can be obtained by converting the fundamental wavelength produced by, for example, a YAG laser or YVO4 laser through an oxide single crystal (for example, LBO: lithium triborate).
グリーンレーザの場合、図9にてλ1=0.532μmの点線との交点の黒丸で示すように、コイル片52の線状導体60の材料である銅に対して吸収率が約50%と高い。従って、本実施例によれば、赤外レーザを利用する場合に比べて、少ない入熱量で、コイル片52間での必要な接合面積を確保することが可能となる。 In the case of a green laser, as shown by the black circle at the intersection with the dotted line of λ1 = 0.532 μm in Figure 9, the absorption rate is high at about 50% for copper, which is the material of the linear conductor 60 of the coil piece 52. Therefore, according to this embodiment, it is possible to ensure the necessary joint area between the coil pieces 52 with a smaller amount of heat input compared to when an infrared laser is used.
なお、赤外レーザに比べてグリーンレーザの方が吸収率が高くなるという特性は、図9に示すように、銅の場合において顕著であるが、銅のみならず、他の金属材料の多くにおいて確認できる。従って、コイル片52の線状導体60の材料が銅以外の場合でもグリーンレーザによる溶接が実現されてもよい。 The characteristic that the absorption rate is higher with a green laser than with an infrared laser is particularly evident in the case of copper, as shown in FIG. 9, but this can also be seen in many other metal materials, not just copper. Therefore, welding with a green laser may be achieved even if the material of the linear conductor 60 of the coil piece 52 is something other than copper.
図10は、溶接中の吸収率の変化態様の説明図である。図10では、横軸にレーザパワー密度を取り、縦軸に銅のレーザ吸収率を取り、グリーンレーザの場合の特性100Gと、赤外レーザの場合の特性100Rとが示される。 Figure 10 is an explanatory diagram of the change in absorption rate during welding. In Figure 10, the horizontal axis represents the laser power density, the vertical axis represents the laser absorption rate of copper, and the characteristics 100G for a green laser and 100R for an infrared laser are shown.
図10では、グリーンレーザの場合と赤外レーザの場合における銅の溶融が開始するポイントP1、P2が示されるとともに、キーホールが形成されるポイントP3が示される。図10にポイントP1、P2にて示すように、赤外レーザに比べてグリーンレーザの方が、小さいレーザパワー密度で銅の溶融を開始させることができることが分かる。また、上述した吸収率の相違に起因して、赤外レーザに比べてグリーンレーザの方が、キーホールが形成されるポイントP3での吸収率と照射開始時の吸収率(すなわちレーザパワー密度が0のときの吸収率)との差が小さいことが分かる。具体的には、赤外レーザの場合、溶接中の吸収率の変化が約80%であるのに対して、グリーンレーザの場合、溶接中の吸収率の変化が約40%となり、約半分である。 Figure 10 shows points P1 and P2 where melting of copper starts for the green laser and the infrared laser, as well as point P3 where a keyhole is formed. As shown by points P1 and P2 in Figure 10, it can be seen that the green laser can start melting copper at a lower laser power density than the infrared laser. Also, due to the difference in absorptivity described above, it can be seen that the difference between the absorptivity at point P3 where the keyhole is formed and the absorptivity at the start of irradiation (i.e., the absorptivity when the laser power density is 0) is smaller for the green laser than for the infrared laser. Specifically, in the case of the infrared laser, the change in absorptivity during welding is about 80%, while in the case of the green laser, the change in absorptivity during welding is about 40%, which is about half.
このように、赤外レーザの場合、溶接中の吸収率の変化(落差)が約80%と比較的大きいため、キーホールが不安定となり溶接深さや溶接幅のバラツキや溶融池の乱れ(例えば、スパッタ等)が生じやすい。これに対して、グリーンレーザの場合、溶接中の吸収率の変化(落差)が約40%と比較的小さいため、キーホールが不安定となり難く、また、溶接深さや溶接幅のバラツキや溶融池の乱れ(例えばスパッタ等)が生じ難い。なお、スパッタとは、レーザ等を照射することにより飛散する金属粒等である。 In this way, with infrared lasers, the change (drop) in absorption rate during welding is relatively large at about 80%, making the keyhole unstable and prone to variations in welding depth and width, and disturbance of the molten pool (e.g., spatter, etc.). In contrast, with green lasers, the change (drop) in absorption rate during welding is relatively small at about 40%, making the keyhole less likely to become unstable, and less likely to cause variations in welding depth and width, and disturbance of the molten pool (e.g., spatter, etc.). Spatter refers to metal particles that fly off when irradiated with a laser, etc.
なお、赤外レーザの場合、上述のように吸収率が低いため、ビーム径を比較的小さくする(例えばφ0.075mm)ことで、吸収率の低さを補うことが一般的である。この点も、キーホールが不安定となる要因となる。なお、図11Bは、赤外レーザを用いた場合のキーホール等のイメージ図であり、1100は、溶接ビードを示し、1102は、溶融池を示し、1104は、キーホールを示す。また、矢印R1116は、ガス抜けの態様を模式的に示す。また、矢印R110は、ビーム径が小さいことに起因して赤外レーザの照射位置が移動される様子を模式的に示す。このように、赤外レーザの場合、上述のように吸収率が低くビーム径を比較的大きくすることが難しいことに起因して、必要な溶融幅を得るために蛇行を含んだ比較的長い照射位置の移動軌跡(連続的な照射時間)が必要となる傾向がある。 In the case of infrared lasers, the absorption rate is low as described above, so it is common to make the beam diameter relatively small (for example, φ0.075 mm) to compensate for the low absorption rate. This also causes the keyhole to become unstable. FIG. 11B is an image of a keyhole when an infrared laser is used, where 1100 indicates a weld bead, 1102 indicates a molten pool, and 1104 indicates a keyhole. The arrow R1116 also shows a typical state of gas escape. The arrow R110 also shows a typical state in which the irradiation position of the infrared laser is moved due to the small beam diameter. In this way, in the case of infrared lasers, due to the low absorption rate as described above and the difficulty of making the beam diameter relatively large, a relatively long movement trajectory of the irradiation position including meandering (continuous irradiation time) tends to be required to obtain the required fusion width.
他方、グリーンレーザの場合、上述のように吸収率が比較的高いため、ビーム径を比較的大きくする(例えばφ0.1mm以上)ことが可能であり、キーホールを大きくして安定化することができる。これにより、ガス抜けが良好となり、スパッタ等の発生を効果的に低減できる。なお、図11Aは、グリーンレーザを用いた場合のキーホール等のイメージ図であり、符号の意義は図11Bを参照して上述したとおりである。グリーンレーザの場合、図11Aから、ビーム径の拡大に起因してキーホールが安定化しガス抜けが良好となる様子がイメージとして容易に理解できる。また、グリーンレーザの場合、赤外レーザの場合とは対照的に、上述のように吸収率が比較的高くビーム径を比較的大きくすることが可能であることから、必要な溶融幅(図8に示す溶接対象箇所90の径方向の範囲D2参照)を得るために必要な照射位置の移動軌跡(照射時間)を比較的短く(小さく)できる。 On the other hand, in the case of a green laser, since the absorption rate is relatively high as described above, it is possible to make the beam diameter relatively large (for example, φ0.1 mm or more), and the keyhole can be enlarged and stabilized. This improves gas escape and effectively reduces the occurrence of spatters, etc. FIG. 11A is an image of a keyhole when a green laser is used, and the meaning of the symbols is as described above with reference to FIG. 11B. In the case of a green laser, from FIG. 11A, it is easy to understand the image of how the keyhole is stabilized and gas escape is improved due to the expansion of the beam diameter. In addition, in the case of a green laser, in contrast to the case of an infrared laser, since the absorption rate is relatively high and the beam diameter can be relatively large as described above, the movement trajectory (irradiation time) of the irradiation position required to obtain the required fusion width (see the radial range D2 of the welding target part 90 shown in FIG. 8) can be made relatively short (small).
図12は、本実施例によるグリーンレーザによる溶接方法の説明図である。図12では、横軸に時間を取り、縦軸にレーザ出力を取り、溶接の際のレーザ出力の時系列波形を模式的に示す。 Figure 12 is an explanatory diagram of the green laser welding method according to this embodiment. In Figure 12, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents laser output, and the time series waveform of the laser output during welding is shown diagrammatically.
本実施例では、図12に示すように、レーザ出力3.8kWでグリーンレーザのパルス照射により溶接を実現する。図12では、10msecだけレーザ出力3.8kWとなるようにレーザ発振器のパルス発振が実現され、インターバル100msec後に、再び、10msecだけレーザ出力3.8kWとなるようにレーザ発振器のパルス発振が実現される。以下では、このようにして一回のパルス発振により可能なパルス照射(10msecのパルス照射)の1回分を、「1パス」とも称する。なお、図12では、1パス目(N=1)から3パス目(N=3)の照射がパルス波形130Gで示され、Nは、Nパス目かを表す(以下、図18においても同様)。また、図12には、比較用として、赤外レーザの場合のパルス照射に係るパルス波形130Rが併せて示される。 In this embodiment, as shown in FIG. 12, welding is achieved by pulse irradiation of a green laser with a laser output of 3.8 kW. In FIG. 12, the laser oscillator is pulsed to achieve a laser output of 3.8 kW for 10 msec, and after an interval of 100 msec, the laser oscillator is pulsed again to achieve a laser output of 3.8 kW for 10 msec. Hereinafter, one pulse irradiation (10 msec pulse irradiation) possible by one pulse oscillation in this way is also referred to as "one pass." In FIG. 12, the first pass (N=1) to the third pass (N=3) are shown by pulse waveform 130G, and N represents the Nth pass (similarly in FIG. 18 below). In addition, FIG. 12 also shows a pulse waveform 130R related to pulse irradiation in the case of an infrared laser for comparison.
ここで、グリーンレーザの場合、レーザ発振器の出力が低く(例えば連続的な照射時は最大で400W)、深い溶け込みを確保するために必要な高出力(例えばレーザ出力3.0kW以上の高出力)を得ることが難しい。すなわち、グリーンレーザは、上述のように酸化物単結晶のような波長変換結晶を通して生成されるので、波長変換結晶を通る際に出力が低下する。このため、グリーンレーザのレーザビームを連続的に照射しようとすると、深い溶け込みを確保するために必要な高出力を得ることができない。 Here, in the case of green lasers, the output of the laser oscillator is low (for example, a maximum of 400 W during continuous irradiation), making it difficult to obtain the high output (for example, a high laser output of 3.0 kW or more) required to ensure deep penetration. That is, as described above, green lasers are generated through wavelength conversion crystals such as oxide single crystals, and the output decreases when passing through the wavelength conversion crystal. For this reason, if you try to irradiate the laser beam of a green laser continuously, you cannot obtain the high output required to ensure deep penetration.
この点、本実施例では、上述のように、深い溶け込みを確保するために必要な高出力(例えばレーザ出力3.0kW以上の高出力)を、グリーンレーザのパルス照射により確保する。これは、連続的な照射の場合は例えば最大で400Wしか出力できない場合でも、パルス照射であれば、例えば3.0kW以上の高出力が可能となるためである。このようにして、パルス照射は、ピークパワーを上げるための連続エネルギを蓄積してパルス発振することで実現される。一の溶接対象箇所90の周方向の範囲D1が比較的広い場合、当該一の溶接対象箇所に対して、複数回のパルス発振が実現されてよい。すなわち、当該一の溶接対象箇所に対して、比較的高いレーザ出力(例えばレーザ出力3.0kW以上)による2パス以上の照射が実行されてよい。これにより、上述の溶接対象箇所90の周方向の範囲D1が比較的広い場合でも、溶接対象箇所90の全体にわたり深い溶け込みを確保しやすくなり、高い品質の溶接を実現できる。 In this respect, in this embodiment, as described above, the high output (e.g., high output of laser output 3.0 kW or more) required to ensure deep penetration is ensured by pulse irradiation of the green laser. This is because, even if continuous irradiation can only output a maximum of 400 W, for example, pulse irradiation can achieve a high output of, for example, 3.0 kW or more. In this way, pulse irradiation is realized by accumulating continuous energy to increase the peak power and pulsating it. When the circumferential range D1 of one welding target location 90 is relatively wide, multiple pulse oscillations may be realized for the one welding target location. In other words, two or more passes of irradiation with a relatively high laser output (e.g., laser output 3.0 kW or more) may be performed for the one welding target location. As a result, even if the circumferential range D1 of the above-mentioned welding target location 90 is relatively wide, it becomes easier to ensure deep penetration throughout the entire welding target location 90, and high-quality welding can be achieved.
なお、図12では、インターバルが特定の値100msecであるが、インターバルは、任意であり、必要な高出力が確保される範囲内で最小化されてよい。また、図12では、レーザ出力は特定の値3.8kWであるが、レーザ出力は、3.0kW以上であれば、必要な溶接深さが確保される範囲内で適宜変更されてよい。 In FIG. 12, the interval is a specific value of 100 msec, but the interval is arbitrary and may be minimized within a range in which the required high output is ensured. Also, in FIG. 12, the laser output is a specific value of 3.8 kW, but the laser output may be changed as appropriate within a range in which the required welding depth is ensured as long as it is 3.0 kW or more.
図12では、赤外レーザの場合として、レーザ出力2.3kWで、比較的長い時間である130msec間、連続的に照射される際のパルス波形130Rが併せて示される。赤外レーザの場合は、グリーンレーザとは異なり、比較的高いレーザ出力(2.3kW)で連続的な照射が可能である。ただし、上述したように、赤外レーザの場合、必要な溶融幅を得るために蛇行を含んだ比較的長い照射位置の移動軌跡(連続的な照射時間)が必要となり、この場合、入熱量は、約312Jであり、図12に示すグリーンレーザの場合の入熱量である約80J(2パスの場合)に対して、有意に大きくなる。 In FIG. 12, the pulse waveform 130R is also shown for the case of an infrared laser, when it is continuously irradiated for a relatively long time of 130 msec with a laser output of 2.3 kW. Unlike the green laser, the infrared laser allows for continuous irradiation at a relatively high laser output (2.3 kW). However, as described above, in the case of an infrared laser, a relatively long movement trajectory of the irradiation position (continuous irradiation time) including meandering is required to obtain the required melt width, and in this case, the heat input is approximately 312 J, which is significantly larger than the heat input of approximately 80 J (in the case of two passes) in the case of the green laser shown in FIG. 12.
このようにして、本実施例によれば、グリーンレーザを利用することで、赤外レーザを利用する場合に比べて、コイル片52の線状導体60の材料(本例では銅)に対して高い吸収率を有するレーザビームによる溶接が可能となる。これにより、必要な溶融幅(図8に示す溶接対象箇所90の径方向の範囲D2参照)を得るために必要な照射位置の移動軌跡(時間)を比較的短く(小さく)できる。すなわち、比較的大きいビーム径による1回のパルス発振あたりの、増加されたキーホールに起因して、必要な溶融幅を得るために必要なパルス発振回数を比較的少なくできる。この結果、比較的少ない入熱量で、コイル片52間での必要な接合面積を確保することが可能となる。 In this way, according to this embodiment, by using a green laser, welding with a laser beam having a higher absorption rate for the material of the linear conductor 60 of the coil piece 52 (copper in this example) is possible compared to the case of using an infrared laser. This makes it possible to make the movement trajectory (time) of the irradiation position required to obtain the required fusion width (see the radial range D2 of the welding target portion 90 shown in FIG. 8) relatively short (small). In other words, due to the increased keyhole per pulse oscillation caused by the relatively large beam diameter, the number of pulse oscillations required to obtain the required fusion width can be relatively small. As a result, it is possible to secure the required joint area between the coil pieces 52 with a relatively small amount of heat input.
また、本実施例によれば、一の溶接対象箇所に対して2パス以上のグリーンレーザの照射を実行することが可能であり、この場合、溶接対象箇所90の周方向の範囲D1が比較的広い場合でも、溶接対象箇所90の全体にわたり深い溶け込みを確保しやすくなり、高い品質の溶接を実現できる。 In addition, according to this embodiment, it is possible to perform two or more passes of green laser irradiation on one welding area. In this case, even if the circumferential range D1 of the welding area 90 is relatively wide, it is easier to ensure deep penetration throughout the welding area 90, and high-quality welding can be achieved.
次に、図13Aから図13Dを参照して、溶接速度と各種パラメータとの関係について説明する。なお、図13Aから図13Dは、グリーンレーザの場合の関係を示すが、赤外レーザの場合も基本的に同様の傾向となる。従って、以下で説明する本実施例による溶接速度プロフィールは、赤外レーザ等にも適用可能である。 Next, the relationship between the welding speed and various parameters will be described with reference to Figures 13A to 13D. Note that Figures 13A to 13D show the relationship in the case of a green laser, but the same tendency basically occurs in the case of an infrared laser. Therefore, the welding speed profile according to this embodiment described below can also be applied to infrared lasers, etc.
図13Aは、横軸に溶接速度(単位[mm/s])を取り、縦軸に溶接深さ(単位[mm])を取り、溶接速度と溶接深さとの関係を示す図である。図13Aには、試験データのプロット点と、それに対する近似直線が点線で示されている(後出の図13Cも同様)。ここでは、一定のレーザ出力が用いられている。 Figure 13A shows the relationship between welding speed and welding depth, with the horizontal axis representing the welding speed (unit: mm/s) and the vertical axis representing the welding depth (unit: mm). In Figure 13A, plots of test data and dotted lines representing approximation lines to these plots are shown (similar to Figure 13C below). Here, a constant laser power is used.
図13Aからは、レーザ出力が同じであるとき、溶接深さ(溶け込み深さ)は、溶接速度が低いほど大きくなることが分かる。なお、溶接速度とは、単位時間あたりのレーザビーム110の照射位置の移動距離であり、例えば、ある時間にわたるレーザビーム110の照射位置の移動距離を同時間で割り算することで得られる値である。 From FIG. 13A, it can be seen that when the laser output is the same, the lower the welding speed, the greater the weld depth (penetration depth). Note that the welding speed is the movement distance of the irradiation position of the laser beam 110 per unit time, and is a value obtained by, for example, dividing the movement distance of the irradiation position of the laser beam 110 over a certain time by the same time.
図13Bは、横軸に溶接速度(単位[mm/s])を取り、縦軸にスパッタ発生数(単位[個])を取り、溶接速度とスパッタ発生数との関係を示す図である。図13Bには、試験データのプロット点と、それに対する近似曲線が点線で示されている(後出の図13Dも同様)。 Figure 13B shows the relationship between welding speed and the number of spatters generated, with the horizontal axis representing the welding speed (unit: mm/s) and the vertical axis representing the number of spatters generated (unit: pieces). Figure 13B shows plots of the test data and a corresponding approximate curve with a dotted line (the same applies to Figure 13D described below).
図13Bからは、レーザ出力が同じであるとき、スパッタ発生数は、溶接速度が低いほど多くなることが分かる。換言すると、溶接速度を高めることで、スパッタの発生を低減できることが分かる。 Figure 13B shows that when the laser output is the same, the lower the welding speed, the more spatter occurs. In other words, it is possible to reduce the occurrence of spatter by increasing the welding speed.
図13Cは、レーザ出力(単位[W])と溶接深さとの関係を示す図であり、図13Dは、レーザ出力とスパッタ発生数との関係を示す図である。図13Cからは、溶接速度が同じであるとき、溶接深さ(溶け込み深さ)は、レーザ出力が低いほど大きくなることが分かる。また、図13Dからは、溶接速度が同じであるとき、スパッタ発生数は、レーザ出力が高いほど多くなることが分かる。 Figure 13C shows the relationship between laser output (unit: [W]) and welding depth, and Figure 13D shows the relationship between laser output and the number of spatters generated. From Figure 13C, it can be seen that when the welding speed is the same, the welding depth (penetration depth) increases as the laser output is lower. Also, from Figure 13D, it can be seen that when the welding speed is the same, the number of spatters generated increases as the laser output is higher.
次に、図14Aから図15Bを参照して、比較的低い溶接速度を維持して一パスを実現した場合と、比較的高い溶接速度を維持して一パスを実現した場合のそれぞれの課題について説明する。 Next, with reference to Figures 14A to 15B, we will explain the issues involved when a single pass is achieved while maintaining a relatively low welding speed, and when a single pass is achieved while maintaining a relatively high welding speed.
図14Aは、グリーンレーザによる溶接を、比較的低い溶接速度を維持した一パスにより実現する場合の説明図であり、照射位置と溶接速度との関係(以下、「溶接速度プロフィール」とも称する)を示す図である。図14Bは、グリーンレーザによる溶接を、比較的高い溶接速度を維持した一パスにより実現する場合の説明図であり、溶接速度プロフィールを示す図である。図14A及び図14Bでは、横軸に位置を取り、縦軸に溶接速度を取り、一パスに係る溶接速度プロフィールが示されている。なお、溶接速度プロフィールを示す線上の矢印は、時間の進む方向(一パスにおける照射開始位置から照射終了位置に向かう方向)を表し、以下の同様の図(図15等)でも同様である。 Figure 14A is an explanatory diagram of a case where welding with a green laser is performed in one pass while maintaining a relatively low welding speed, and shows the relationship between the irradiation position and the welding speed (hereinafter also referred to as the "welding speed profile"). Figure 14B is an explanatory diagram of a case where welding with a green laser is performed in one pass while maintaining a relatively high welding speed, and shows the welding speed profile. In Figures 14A and 14B, the horizontal axis is the position and the vertical axis is the welding speed, and the welding speed profile for one pass is shown. Note that the arrow on the line showing the welding speed profile indicates the direction in which time progresses (the direction from the irradiation start position to the irradiation end position in one pass), and this is also the case in similar figures below (Figure 15, etc.).
なお、図14A及び図14Bに示す例では、比較的高い溶接速度を維持した一パスの場合は、比較的低い溶接速度を維持した一パスの場合よりも、溶接速度が高い分だけ、一パスあたり(例えば10msecあたり)の照射位置の移動量が大きいが、照射位置の移動量は、連続的な照射時間とともに適宜調整されてよい。 In the examples shown in Figures 14A and 14B, in the case of one pass in which a relatively high welding speed is maintained, the movement amount of the irradiation position per pass (e.g., per 10 msec) is larger than in the case of one pass in which a relatively low welding speed is maintained, since the welding speed is higher, but the movement amount of the irradiation position may be adjusted appropriately along with the continuous irradiation time.
図15Aは、図14Aに示す溶接速度プロフィールで溶接を行う場合の溶接初期の状態150Aと、溶接中期の状態150Bと、溶接後期の状態150Cを模式的に示す図である。図15Bは、図14Bに示す溶接速度プロフィールで溶接を行う場合の溶接初期の状態150Dと、溶接中期の状態150Eと、溶接後期の状態150Fを模式的に示す図である。図15A及び図15Bには、レーザビーム110の照射位置の移動方向(すなわち溶接方向)が矢印Vで模式的に示されている。 Figure 15A is a diagram showing a schematic diagram of an early welding state 150A, a middle welding state 150B, and a late welding state 150C when welding is performed with the welding speed profile shown in Figure 14A. Figure 15B is a diagram showing a schematic diagram of an early welding state 150D, a middle welding state 150E, and a late welding state 150F when welding is performed with the welding speed profile shown in Figure 14B. In Figures 15A and 15B, the movement direction of the irradiation position of the laser beam 110 (i.e., the welding direction) is shown typically by the arrow V.
図15Aに示すように、比較的低い溶接速度による溶接速度プロフィールで溶接を行う場合、溶接初期では、状態150Aにて模式的に示すように、溶接深さは不十分であり、スパッタ発生数も少ない。溶接中期になると、状態150Bにて模式的に示すように、必要な溶接深さが確保され、キーホールが溶融池に囲まれる。この際、スパッタ発生数は少ない。そして、溶接後期になると、状態150Cにて模式的に示すように、溶接深さが更に増加し、キーホールを囲む溶融池(表面上で盛り上がる部分)が大きくなる。このようなキーホールまわりの溶融池であって、表面上で盛り上がる部分は、大きく乱れやすく、それ故に、スパッタ発生数が多くなる。 As shown in FIG. 15A, when welding is performed with a welding speed profile with a relatively low welding speed, in the early stages of welding, as shown diagrammatically in state 150A, the weld depth is insufficient and the amount of spatter generated is small. In the middle stages of welding, as shown diagrammatically in state 150B, the necessary weld depth is secured and the keyhole is surrounded by the molten pool. At this time, the amount of spatter generated is small. Then, in the later stages of welding, as shown diagrammatically in state 150C, the weld depth increases further and the molten pool surrounding the keyhole (the part that rises on the surface) becomes larger. In such a molten pool around the keyhole, the part that rises on the surface is easily disturbed, and therefore the amount of spatter generated is large.
このように、比較的低い溶接速度で溶接を行う場合は、図13Aからも分かるように溶接深さの点で有利である反面、スパッタ発生数が多くなる点で不利となる。 In this way, welding at a relatively low welding speed is advantageous in terms of weld depth as can be seen from Figure 13A, but is disadvantageous in that it generates a large amount of spatter.
他方、図15Bに示すように、比較的高い溶接速度による溶接速度プロフィールで溶接を行う場合、溶接初期では、状態150Dにて模式的に示すように、溶接深さは不十分である。溶接中期になると、状態150Eにて模式的に示すように、溶接深さが増加するものの、依然として溶接深さが不十分である。この際、キーホールは、照射位置の有意な前方への移動に伴い前方へと移動する。そして、溶接後期になると、状態150Fにて模式的に示すように、照射位置の更なる有意な前方への移動に伴い、キーホールに対して溶融池(表面上で盛り上がる部分)が後方に流れる。 On the other hand, as shown in FIG. 15B, when welding is performed with a welding speed profile with a relatively high welding speed, in the early stage of welding, as shown diagrammatically in state 150D, the weld depth is insufficient. In the middle stage of welding, as shown diagrammatically in state 150E, the weld depth increases but is still insufficient. At this time, the keyhole moves forward as the irradiation position moves significantly forward. Then, in the later stage of welding, as shown diagrammatically in state 150F, the molten pool (the raised part on the surface) flows backward relative to the keyhole as the irradiation position moves further significantly forward.
このように、比較的高い溶接速度で溶接を行う場合は、スパッタ発生数が少ない点で有利である反面、図13Aからも分かるように溶接深さが不十分となる点(及びそれに伴い接合面積が不十分となる点)で不利である。 In this way, welding at a relatively high welding speed is advantageous in that less spatter is generated, but is disadvantageous in that the weld depth is insufficient (and therefore the joint area is insufficient), as can be seen from Figure 13A.
そこで、本実施例では、以下で詳説するように、一パス中において比較的低い溶接速度と比較的高い溶接速度とを適切に使い分けることで、接合面積の確保とスパッタ発生数の低減の両立を図る。 Therefore, in this embodiment, as described in detail below, a relatively low welding speed and a relatively high welding speed are appropriately used in one pass to ensure both the bonding area and the reduction in the number of spatters generated.
図16は、本実施例による溶接速度プロフィールの説明図である。図16では、前出の図14A及び図14Bと同様、横軸に位置を取り、縦軸に溶接速度を取り、一パスに係る溶接速度プロフィールが示されている。 Figure 16 is an explanatory diagram of the welding speed profile according to this embodiment. In Figure 16, similar to Figures 14A and 14B described above, the horizontal axis represents position and the vertical axis represents welding speed, and the welding speed profile for one pass is shown.
本実施例による溶接速度プロフィールは、図16に示すように、照射開始位置から照射終了位置に向かう方向(矢印参照)の順序で、比較的高い第1速度V1の第1区間15Dと、比較的低い第2速度V2の第2区間15Bと、比較的高い第3速度V3の第3区間15Fとを含む。 As shown in FIG. 16, the welding speed profile in this embodiment includes, in the direction from the irradiation start position to the irradiation end position (see arrow), a first section 15D of a relatively high first speed V1, a second section 15B of a relatively low second speed V2, and a third section 15F of a relatively high third speed V3.
第1区間15Dは、照射開始位置からの区間であり、例えば一パスに係る連続的な照射時間(例えば10msec)の初期期間に実現される。第1区間15Dは、比較的高い第1速度V1により溶融池を発生させかつ安定化させる機能を有する。なお、第1区間15Dでは、第1速度V1が比較的高いが故に、スパッタ発生数は少ない(図15Bの状態150D参照)。 The first section 15D is a section from the irradiation start position, and is realized, for example, during the initial period of continuous irradiation time (e.g., 10 msec) for one pass. The first section 15D has the function of generating and stabilizing a molten pool by a relatively high first speed V1. In the first section 15D, the number of spatters generated is small because the first speed V1 is relatively high (see state 150D in FIG. 15B).
第2区間15Bは、第1区間15Dから連続する区間であり、例えば一パスに係る連続的な照射時間(例えば10msec)の中間期間に実現される。第2区間15Bは、比較的低い第2速度V2により溶接深さを確保する機能を有する。第2区間15Bでは、図15Aに示した状態150Bに類似する状態が実現され、第2速度V2が比較的低いが故に、必要な溶接深さを確保することができる。また、第2区間15Bを過剰に長く維持しないことで、図15Aに示した状態150Cに至る可能性を防止し、スパッタ発生数を抑えることができる。換言すると、第2区間15Bは、図15Aに示した状態150Cに至る前に終了される。 The second section 15B is a section that continues from the first section 15D, and is realized, for example, in an intermediate period of the continuous irradiation time (for example, 10 msec) for one pass. The second section 15B has the function of ensuring the welding depth by the relatively low second speed V2. In the second section 15B, a state similar to the state 150B shown in FIG. 15A is realized, and since the second speed V2 is relatively low, the necessary welding depth can be ensured. In addition, by not maintaining the second section 15B excessively long, the possibility of reaching the state 150C shown in FIG. 15A can be prevented, and the number of spatters generated can be suppressed. In other words, the second section 15B is terminated before reaching the state 150C shown in FIG. 15A.
第3区間15Fは、第2区間15Bから連続する区間であり、例えば一パスに係る連続的な照射時間(例えば10msec)の最終期間に実現される。第3区間15Fは、比較的高い第3速度V3によりスパッタ発生数を低減する機能を有する。第3区間15Fでは、図15Bに示した状態150Fに類似する状態が実現される。ただし、第3区間15Fでは、第2区間15Bを経由しているが故に、第2区間15Bで確保された必要な溶接深さが依然として維持されやすい。すなわち、第2区間15Bで形成されたキーホールが維持されやすい。他方、第3区間15Fでは、上述したようにキーホールに対して溶融池が後方に流れやすく(図15Bに示した状態150F参照)、スパッタ発生数も少ない。 The third section 15F is a section that continues from the second section 15B, and is realized, for example, in the final period of the continuous irradiation time (for example, 10 msec) for one pass. The third section 15F has a function of reducing the number of spatters generated by the relatively high third speed V3. In the third section 15F, a state similar to the state 150F shown in FIG. 15B is realized. However, in the third section 15F, since the second section 15B is passed through, the necessary welding depth secured in the second section 15B is still likely to be maintained. In other words, the keyhole formed in the second section 15B is likely to be maintained. On the other hand, in the third section 15F, as described above, the molten pool is likely to flow backward with respect to the keyhole (see state 150F shown in FIG. 15B), and the number of spatters generated is also small.
このようにして、本実施例によれば、照射開始位置からの第1区間15Dによって、溶融池を発生させかつ安定化させ、第2区間15Bによって、必要な溶接深さを確保し、第3区間15Fによって、必要な溶接深さを維持しつつ、第2区間15Bを継続した場合に生じうるスパッタを低減できる。このようにして、本実施例によれば、必要な溶接深さを確保することで接合面積の確保を図るとともに、第3区間15Fによってスパッタ発生数の低減を図ることができる。 In this way, according to this embodiment, the first section 15D from the irradiation start position generates and stabilizes a molten pool, the second section 15B ensures the required welding depth, and the third section 15F maintains the required welding depth while reducing spatter that may occur if the second section 15B is continued. In this way, according to this embodiment, the joining area can be ensured by ensuring the required welding depth, and the number of spatters generated can be reduced by the third section 15F.
本実施例において、第1速度V1及び第3速度V3は、好ましくは、200mm/sよりも有意に大きく、より好ましくは、230mm/sよりも有意に大きい。また、第1速度V1及び第3速度V3は、同じであってもよいし、図16に示すように、第1速度V1が第3速度V3よりも有意に大きくてもよいし、あるいは、第1速度V1が第3速度V3よりも有意に小さくてもよい。なお、図16では、第1速度V1=350mm/sであり、第3速度V3=250mm/sである。 In this embodiment, the first speed V1 and the third speed V3 are preferably significantly greater than 200 mm/s, and more preferably significantly greater than 230 mm/s. The first speed V1 and the third speed V3 may be the same, or as shown in FIG. 16, the first speed V1 may be significantly greater than the third speed V3, or the first speed V1 may be significantly smaller than the third speed V3. In FIG. 16, the first speed V1=350 mm/s, and the third speed V3=250 mm/s.
また、第2速度V2は、好ましくは、100mm/sから200mm/sの範囲内であり、より好ましくは、120mm/sから180mm/sの範囲内であり、最も好ましくは、140mm/sから160mm/sの範囲内である。なお、図16では、第2速度V2=150mm/sである。 The second speed V2 is preferably in the range of 100 mm/s to 200 mm/s, more preferably in the range of 120 mm/s to 180 mm/s, and most preferably in the range of 140 mm/s to 160 mm/s. In FIG. 16, the second speed V2 is 150 mm/s.
また、図16に示す例では、第1速度V1は、第1区間15Dの全体にわたり一定であるが、変化してもよい。これは、第2速度V2及び/又は第3速度V3についても同様である。例えば、第1区間15Dから第2区間15Bに遷移する際に、第1速度V1が第2速度V2に向けて徐々に低減されてもよい。 In the example shown in FIG. 16, the first speed V1 is constant throughout the first section 15D, but may vary. The same is true for the second speed V2 and/or the third speed V3. For example, when transitioning from the first section 15D to the second section 15B, the first speed V1 may be gradually reduced toward the second speed V2.
ここで、本実施例による溶接速度プロフィールによる一パス中において、レーザ出力は、好ましくは、図17Aに示すように、一定である。図17Aは、一のパスに係るレーザ出力(及び溶接入熱)が、照射位置に応じて変化する態様の一例を示す概略図であり、照射位置に応じたレーザ出力の変化特性150Pと、照射位置に応じた溶接入熱の変化特性150Lとが概略的に示される。なお、図17Aでは、一例として、一パスの全体による入熱量が面積Q14で表されている。 Here, during one pass according to the welding speed profile of this embodiment, the laser output is preferably constant, as shown in FIG. 17A. FIG. 17A is a schematic diagram showing an example of how the laser output (and welding heat input) for one pass changes depending on the irradiation position, and shows a schematic of the change characteristic 150P of the laser output depending on the irradiation position, and the change characteristic 150L of the welding heat input depending on the irradiation position. In FIG. 17A, as an example, the heat input for the entire one pass is represented by the area Q14.
図17Aに示す例では、一のパスは、照射開始位置である位置P10から開始される。すなわち、位置P10から一のパルス発振が開始される。この場合、位置P10でレーザ出力が所定値(本例では、一例として3.8kW)まで立ち上がる(矢印R140参照)。そして、照射位置が位置P10から位置P12へと直線状に変化される。この間、レーザ出力は所定値(本例では、一例として3.8kW)で維持される(矢印R141参照)。照射位置が、照射終了位置である位置P12に達すると、レーザ出力は所定値(本例では、一例として3.8kW)から0へと立ち下げられる(矢印R142参照)。すなわち、一のパルス発振が終了される。なお、照射位置が位置P12に達しても、照射位置は、位置P12から更に僅かな距離だけ離れた位置P13に移動するまで変化されてもよい。この間、残留するレーザ出力に起因して僅かな溶接入熱が発生する(図17AのQ14参照)。ただし、変形例では、照射位置が位置P12又はその直前の位置(図示せず)に達した際に、照射位置の変化が終了されてもよい。 In the example shown in FIG. 17A, one pass starts from position P10, which is the irradiation start position. That is, one pulse oscillation starts from position P10. In this case, the laser output rises to a predetermined value (3.8 kW in this example, as an example) at position P10 (see arrow R140). Then, the irradiation position is changed linearly from position P10 to position P12. During this time, the laser output is maintained at a predetermined value (3.8 kW in this example, as an example) (see arrow R141). When the irradiation position reaches position P12, which is the irradiation end position, the laser output is lowered from the predetermined value (3.8 kW in this example, as an example) to 0 (see arrow R142). That is, one pulse oscillation is ended. Note that even if the irradiation position reaches position P12, the irradiation position may be changed until it moves to position P13, which is a short distance away from position P12. During this time, a small amount of welding heat input occurs due to the remaining laser output (see Q14 in FIG. 17A). However, in a modified example, the change in the irradiation position may be terminated when the irradiation position reaches position P12 or a position immediately before it (not shown).
このような照射態様によれば、位置P10にてレーザ出力が所定値(本例では、一例として3.8kW)まで立ち上がるが、実際のレーザ出力が所定値に達するまでの間は、溶接入熱は最大値までは一気に増加しない。このため、図17Aに変化特性150Lにて示すように、位置P10から位置P11までは溶接入熱は徐々に増加していく。そして、位置P12にてレーザ出力が0まで瞬時的に立ち下げられるが、この直前まで溶接入熱は最大値で維持されている。 According to this irradiation mode, the laser output rises to a predetermined value (3.8 kW in this example) at position P10, but the welding heat input does not increase all at once to its maximum value until the actual laser output reaches the predetermined value. For this reason, as shown by the change characteristic 150L in FIG. 17A, the welding heat input gradually increases from position P10 to position P11. Then, at position P12, the laser output instantaneously falls to 0, but the welding heat input is maintained at its maximum value until immediately before this.
なお、この場合、本実施例による溶接速度プロフィールは、位置P10から位置P13までの区間や、位置P11から位置P12までの区間等に適用されてもよい。例えば、本実施例による溶接速度プロフィールに係る第1区間15D(図16参照)は、位置P10から位置P11までの区間内、又は、位置P11から位置P12までの区間内に包含されてもよい。また、第2区間15B(図16参照)は、位置P11から位置P12までの区間内に包含されてもよい。また、第3区間15F(図16参照)は、位置P11から位置P12までの区間内、又は、位置P11から位置P13までの区間内に包含されてもよい。 In this case, the welding speed profile according to this embodiment may be applied to the section from position P10 to position P13, or the section from position P11 to position P12, etc. For example, the first section 15D (see FIG. 16) related to the welding speed profile according to this embodiment may be included in the section from position P10 to position P11, or the section from position P11 to position P12. The second section 15B (see FIG. 16) may be included in the section from position P11 to position P12. The third section 15F (see FIG. 16) may be included in the section from position P11 to position P12, or the section from position P11 to position P13.
ただし、本実施例による溶接速度プロフィールによる一パス中において、レーザ出力は、図17Bに示すように、一定でなくてもよい。図17Bは、一のパスに係る溶接入熱が照射位置に応じて変化する態様の他の一例を示す概略図であり、図17Aと同様、照射位置に応じたレーザ出力の変化特性150Pと、照射位置に応じた溶接入熱の変化特性150Lとが概略的に示される。 However, during one pass using the welding speed profile according to this embodiment, the laser output does not have to be constant, as shown in FIG. 17B. FIG. 17B is a schematic diagram showing another example of the manner in which the welding heat input for one pass changes depending on the irradiation position, and similarly to FIG. 17A, it shows a schematic diagram of the change characteristic 150P of the laser output depending on the irradiation position and the change characteristic 150L of the welding heat input depending on the irradiation position.
図17Bに示す例では、一のパスは、照射開始位置である位置P10から開始される。すなわち、位置P10から一のパルス発振が開始される。この場合、位置P10でレーザ出力が所定値(本例では、一例として3.8kW)まで立ち上がる(矢印R140参照)。そして、照射位置が位置P10から位置P12へと直線状に変化される。照射位置が位置P10から位置P14までの間、レーザ出力は所定値(本例では、一例として3.8kW)で維持される(矢印R141参照)。照射位置が位置P14に達すると、レーザ出力は所定値(本例では、一例として3.8kW)から0へと段階的に立ち下げられる(矢印R143参照)。具体的には、照射位置が位置P14に達すると、レーザ出力は一段階だけ下げられ、照射位置が位置P12に達すると、レーザ出力は更に一段階だけ下げられ、照射位置が、照射終了位置である位置P15に達すると、レーザ出力は0へと立ち下げられる。なお、照射位置が位置P15に達しても、照射位置は、位置P15から更に僅かな距離だけ離れた位置P16に移動するまで変化されてもよい。この間、残留するレーザ出力に起因して僅かな溶接入熱が発生する(図17AのQ14参照)。ただし、変形例では、照射位置が位置P15に達した際に、照射位置の変化は終了されてもよい。 In the example shown in FIG. 17B, one pass starts from position P10, which is the irradiation start position. That is, one pulse oscillation starts from position P10. In this case, the laser output rises to a predetermined value (3.8 kW in this example, as an example) at position P10 (see arrow R140). Then, the irradiation position is changed linearly from position P10 to position P12. While the irradiation position is from position P10 to position P14, the laser output is maintained at a predetermined value (3.8 kW in this example, as an example) (see arrow R141). When the irradiation position reaches position P14, the laser output is stepped down from a predetermined value (3.8 kW in this example, as an example) to 0 (see arrow R143). Specifically, when the irradiation position reaches position P14, the laser output is stepped down by one step, when the irradiation position reaches position P12, the laser output is further stepped down by one step, and when the irradiation position reaches position P15, which is the irradiation end position, the laser output is stepped down to 0. Even if the irradiation position reaches position P15, the irradiation position may be changed until it moves to position P16, which is a small distance away from position P15. During this time, a small amount of welding heat input occurs due to the remaining laser output (see Q14 in FIG. 17A). However, in a modified example, the change in the irradiation position may be terminated when the irradiation position reaches position P15.
なお、この場合、本実施例による溶接速度プロフィールは、位置P10から位置P15までの区間や、位置P11から位置P12までの区間等に適用されてもよい。例えば、本実施例による溶接速度プロフィールに係る第1区間15D(図16参照)は、位置P10から位置P11までの区間内、又は、位置P10から位置P14までの区間内に包含されてもよい。また、第2区間15B(図16参照)は、位置P11から位置P14までの区間内、又は、位置P11から位置P12までの区間内に包含されてもよい。また、第3区間15F(図16参照)は、位置P11から位置P14までの区間内、位置P11から位置P12までの区間内、位置P14から位置P12までの区間内、又は、位置P14から位置P16までの区間内、に包含されてもよい。 In this case, the welding speed profile according to this embodiment may be applied to the section from position P10 to position P15, the section from position P11 to position P12, etc. For example, the first section 15D (see FIG. 16) related to the welding speed profile according to this embodiment may be included in the section from position P10 to position P11, or the section from position P10 to position P14. The second section 15B (see FIG. 16) may be included in the section from position P11 to position P14, or the section from position P11 to position P12. The third section 15F (see FIG. 16) may be included in the section from position P11 to position P14, the section from position P11 to position P12, the section from position P14 to position P12, or the section from position P14 to position P16.
なお、上述では、一の溶接対象箇所90に対して1パスのグリーンレーザの照射が実行される場合を説明したが、一の溶接対象箇所90の範囲(長さ)に応じて、一の溶接対象箇所90に対して2パス以上のグリーンレーザの照射が実行されてもよい。 In the above, a case where one pass of the green laser is applied to one welding location 90 has been described, but two or more passes of the green laser may be applied to one welding location 90 depending on the range (length) of the welding location 90.
図18は、一の溶接対象箇所90に対して2パスのグリーンレーザの照射が実行される場合の、好ましい溶接速度プロフィールを示す図である。図18では、前出の図16と同様、横軸に位置を取り、縦軸に溶接速度を取り、2つのパスに係る溶接速度プロフィールがそれぞれ示されている。なお、図18では、2パス目の溶接速度プロフィールは、点線で示されている。 Figure 18 is a diagram showing a preferred welding speed profile when two passes of a green laser are performed on one welding target area 90. In Figure 18, similar to Figure 16 above, the horizontal axis represents position and the vertical axis represents welding speed, and the welding speed profiles for two passes are shown. Note that in Figure 18, the welding speed profile for the second pass is shown by a dotted line.
図18に示す例では、1パス目は、本実施例による溶接速度プロフィールにしたがって、第1照射区間D11に対して一のパルス発振により実現され、2パス目は、本実施例による溶接速度プロフィールにしたがって、第2照射区間D12に対して次の一のパルス発振により実現される。1パス目による溶接と2パス目による溶接は、協動して、溶接対象箇所90の周方向の範囲D1(図7参照)の全体をカバーする。 In the example shown in FIG. 18, the first pass is achieved by one pulse oscillation for the first irradiation section D11 according to the welding speed profile of this embodiment, and the second pass is achieved by the next pulse oscillation for the second irradiation section D12 according to the welding speed profile of this embodiment. The welding by the first pass and the welding by the second pass cooperate to cover the entire circumferential range D1 (see FIG. 7) of the welding target area 90.
本実施例では、好ましくは、1パス目の第1照射区間D11と2パス目の第2照射区間D12とは、一方の第1区間15Dが他方の第2区間15B又は第3区間15Fと重なる態様で、互いに重なる。すなわち、1パス目の第1区間15Dは、2パス目の第2区間15B又は第3区間15Fと重なり、2パス目の第1区間15Dは、1パス目の第2区間15B又は第3区間15Fと重なる。これにより、1パス目と2パス目のいずれの第1区間15Dにおいても、他方のパスの第2区間15B又は第3区間15Fによって必要な溶接深さ(及びそれに伴う接合面積)を確保することが可能となる。 In this embodiment, the first irradiation section D11 of the first pass and the second irradiation section D12 of the second pass preferably overlap each other in such a manner that the first section 15D of one overlaps the second section 15B or the third section 15F of the other. That is, the first section 15D of the first pass overlaps the second section 15B or the third section 15F of the second pass, and the first section 15D of the second pass overlaps the second section 15B or the third section 15F of the first pass. This makes it possible to ensure the necessary welding depth (and the associated joint area) by the second section 15B or the third section 15F of the other pass in the first section 15D of both the first and second passes.
図18に示す例では、1パス目の第1区間15Dは、2パス目の第3区間15Fと重なり、2パス目の第1区間15Dは、1パス目の第3区間15Fと重なる。また、1パス目の第2区間15Bは、2パス目の第2区間15Bと完全に重なる。ただし、変形例では、1パス目の第2区間15Bは、2パス目の第2区間15Bとは部分的に重なってもよいし、オフセットされてもよい。 In the example shown in FIG. 18, the first section 15D of the first pass overlaps with the third section 15F of the second pass, and the first section 15D of the second pass overlaps with the third section 15F of the first pass. Also, the second section 15B of the first pass completely overlaps with the second section 15B of the second pass. However, in a modified example, the second section 15B of the first pass may partially overlap or be offset from the second section 15B of the second pass.
このようにして、溶接対象箇所90の周方向の範囲D1が比較的広い場合でも、本実施例による溶接速度プロフィールによる2パス以上のグリーンレーザの照射を適用することで、必要な溶接深さ(及びそれに伴い必要な接合面積)の確保を図るとともに、スパッタ発生数の低減を図ることができる。 In this way, even if the circumferential range D1 of the area to be welded 90 is relatively wide, applying two or more passes of green laser irradiation with the welding speed profile according to this embodiment can ensure the required welding depth (and therefore the required joint area) and reduce the amount of spatter generated.
なお、図18に示す例は、1パス目と2パス目とで溶接方向(照射位置の変化方向)が対向する場合に関するが、溶接方向(照射位置の変化方向)が同一である2つのパスにより溶接が実現される場合にも、本実施例による溶接速度プロフィールは適用可能である。この場合、2パス目の第1区間15Dは、1パス目の第3区間15F(又は第2照射区間D12)に重なるように設定されてよい。これにより、2パス目の第2照射区間D12の第1区間15Dにおいても、1パス目の第3区間15F(又は第2照射区間D12)によって必要な溶接深さ(及びそれに伴う接合面積)を確保することが可能となる。すなわち、溶接対象箇所90の周方向の範囲D1において、2パス目の第1区間15Dに起因して溶接深さ(及びそれに伴う接合面積)が不足する箇所が生じてしまう不都合を、防止できる。また、1パス目の第1区間15Dは、溶接対象箇所90の周方向の範囲D1よりも外側に設定されてよい。このようにして、溶接方向(照射位置の変化方向)が同一である2つのパスにより溶接が実現される場合にも、本実施例による溶接速度プロフィールによって、溶接対象箇所90の周方向の範囲D1において必要な溶接深さ(及びそれに伴い必要な接合面積)を確保するとともに、スパッタ発生数を低減できる。 The example shown in FIG. 18 relates to a case where the welding direction (direction of change in irradiation position) is opposite in the first pass and the second pass, but the welding speed profile according to this embodiment is also applicable when welding is realized by two passes with the same welding direction (direction of change in irradiation position). In this case, the first section 15D of the second pass may be set to overlap the third section 15F (or the second irradiation section D12) of the first pass. This makes it possible to ensure the necessary welding depth (and the associated joint area) by the third section 15F (or the second irradiation section D12) of the first pass in the first section 15D of the second irradiation section D12 of the second pass. That is, it is possible to prevent the inconvenience of a portion in which the welding depth (and the associated joint area) is insufficient due to the first section 15D of the second pass in the circumferential range D1 of the welding target portion 90. In addition, the first section 15D of the first pass may be set outside the circumferential range D1 of the welding target portion 90. In this way, even when welding is achieved using two passes with the same welding direction (direction of change in irradiation position), the welding speed profile according to this embodiment ensures the necessary welding depth (and therefore the necessary joint area) in the circumferential range D1 of the welding target area 90, while reducing the amount of spatter generated.
図19は、モータ1のステータ21の製造方法の流れを概略的に示すフローチャートである。 Figure 19 is a flow chart that shows the outline of the manufacturing method for the stator 21 of the motor 1.
まず、本製造方法は、コイル片52をステータコア22に組み付ける組付工程(ステップS150)を含む。また、本製造方法は、組付工程後に、コイル片52の先端部40同士をレーザ溶接により接合する接合工程(ステップS152)を含む。コイル片52の先端部40同士をレーザ溶接により接合する方法は、上述したとおりである。 First, this manufacturing method includes an assembly process (step S150) in which the coil pieces 52 are assembled to the stator core 22. In addition, this manufacturing method includes a joining process (step S152) in which the tip ends 40 of the coil pieces 52 are joined together by laser welding after the assembly process. The method for joining the tip ends 40 of the coil pieces 52 together by laser welding is as described above.
この場合、接合工程は、上述したように、各対となるコイル片52のそれぞれの先端部40同士が径方向に当接するようにセットするセット工程(ステップS1521)を含む。なお、セット工程では、治具等を用いて、各対となるコイル片52のそれぞれの先端部40同士が径方向に当接した状態が、維持されてよい。 In this case, the joining process includes a setting process (step S1521) in which the tip portions 40 of each pair of coil pieces 52 are set so as to abut against each other in the radial direction, as described above. In the setting process, a jig or the like may be used to maintain the state in which the tip portions 40 of each pair of coil pieces 52 are abutted against each other in the radial direction.
そして、接合工程は、セット工程後に、上述したように溶接対象箇所90にレーザビーム110を照射する照射工程(ステップS1522)を含む。なお、セット工程と照射工程は、1つ以上の所定数の溶接対象箇所90ごとにセットで実行されてもよいし、一のステータ21に係るすべての溶接対象箇所90に対して、一括的に実行されてもよい。なお、本製造方法は、接合工程後に、適宜、必要な各種の工程を行うことで、ステータ21を完成させて終了してよい。 The joining process includes an irradiation process (step S1522) in which the laser beam 110 is irradiated onto the welding target points 90 as described above after the setting process. The setting process and the irradiation process may be performed as a set for one or more predetermined number of welding target points 90, or may be performed collectively for all welding target points 90 related to one stator 21. The present manufacturing method may end by completing the stator 21 by appropriately performing various necessary processes after the joining process.
以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。また、各実施形態の効果のうちの、従属項に係る効果は、上位概念(独立項)とは区別した付加的効果である。 Although each embodiment has been described in detail above, it is not limited to a specific embodiment, and various modifications and changes are possible within the scope of the claims. It is also possible to combine all or a combination of multiple components of the embodiments described above. Furthermore, among the effects of each embodiment, the effects related to the dependent claims are additional effects that are distinguished from the superordinate concept (independent claim).
例えば、上述した実施例では、溶接対象箇所90は、図7及び図8に範囲D1及び範囲D2に示すように、当接面401に沿って直線状に延在するが、これに限られない。溶接対象箇所90は、レーザビーム110の照射側から視て、湾曲する態様で設定されてもよい。この場合、レーザビーム110による照射区間は、照射位置が直線状に変化する区間と、照射位置が曲線状に変化する区間とを含んでもよい。そして、上述した本実施例による溶接速度プロフィールは、照射位置が曲線状に変化する区間に対して適用されてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the welding target area 90 extends linearly along the contact surface 401 as shown in ranges D1 and D2 in FIG. 7 and FIG. 8, but is not limited to this. The welding target area 90 may be set in a curved manner when viewed from the side irradiated with the laser beam 110. In this case, the irradiation section by the laser beam 110 may include a section where the irradiation position changes linearly and a section where the irradiation position changes curvedly. The welding speed profile according to the above-described embodiment may be applied to the section where the irradiation position changes curvedly.
また、上述した実施例では、上述したようにグリーンレーザの場合、必要なレーザ出力を確保できる連続的な照射時間が比較的短いが故に、本実施例による溶接速度プロフィールは、第1区間15D、第2区間15B、及び第3区間15Fからなるが、これに限られない。今後の技術の進展に伴い、必要なレーザ出力を確保できる連続的な照射時間が長くできるようになれば、本実施例による溶接速度プロフィールは、第1区間15D、第2区間15B、第3区間15F、第2区間15B、第3区間15Fといった具合に、第1区間15Dの後に、第2区間15Bと第3区間15Fとを交互に繰り返して含んでもよい。この場合、第2区間15B及び第3区間15Fのセット数は、2以上の任意である。また、この場合、溶接速度プロフィールは、第3区間15Fで終了してもよいし、第2区間15Bで終了してもよい。なお、このような、第2区間15Bと第3区間15Fとを交互に繰り返して含む溶接速度プロフィールは、比較的長い連続的な照射が可能な赤外レーザの場合にも好適である。 In the above embodiment, since the continuous irradiation time that can secure the necessary laser output is relatively short in the case of a green laser as described above, the welding speed profile according to this embodiment consists of the first section 15D, the second section 15B, and the third section 15F, but is not limited to this. If the continuous irradiation time that can secure the necessary laser output can be lengthened with future technological developments, the welding speed profile according to this embodiment may include the first section 15D, the second section 15B, the third section 15F, the second section 15B, and the third section 15F, and so on, in which the second section 15B and the third section 15F are alternately repeated after the first section 15D. In this case, the number of sets of the second section 15B and the third section 15F is any number equal to or greater than 2. In this case, the welding speed profile may end at the third section 15F or may end at the second section 15B. This welding speed profile, which alternates between the second section 15B and the third section 15F, is also suitable for infrared lasers, which are capable of relatively long, continuous irradiation.
また、上述した実施例は、コイル片52の先端部40同士の接合に関するが、コイル片52の先端部40と、バスバーの端部(図示せず)との間の接合にも適用可能である。この場合、バスバーの端部に接合されるコイル片52の先端部40は、動力線や中性点を形成する渡り部の先端部であってよい。 The above-described embodiment relates to joining the tip ends 40 of the coil pieces 52 together, but it can also be applied to joining the tip end 40 of the coil piece 52 to the end of a bus bar (not shown). In this case, the tip end 40 of the coil piece 52 joined to the end of the bus bar may be the tip end of a transition part that forms a power line or a neutral point.
例えば、図20には、端子台70に保持されるバスバーの端部80、81とコイル片52Aの先端部40Aとが互いに接合される。なお、この場合、端子台70に保持されるバスバーは、端子台70内において3相の外部端子71に電気的に接続される。このようなバスバーの端部80、81とコイル片52Aの先端部40Aとの間の接合部に対しても、本実施例による溶接速度プロフィールによるレーザ溶接が適用されてもよい。この場合、溶接対象箇所は、バスバーの端部80、81とコイル片52Aの先端部40Aのそれぞれの先端面に現れる当接面に設定されてもよい。なお、図20において、L方向は軸方向に対応し、R方向は、径方向に対応し、R1側は径方向内側に対応し、R2側は径方向外側に対応する。なお、図20では、バスバーの端部80、81とコイル片52Aの先端部40Aは、径方向又は軸方向に視て完全に重なる態様で当接されているが、特定の方向(例えば周方向)に視てX字状に交差する態様又はC字状又はL字状をなす態様で、特定の方向に当接されてもよい。この場合、溶接対象箇所90は、当接面の軸方向外側の縁部に沿って直線状に設定されてよい。 For example, in FIG. 20, the ends 80 and 81 of the busbar held by the terminal block 70 and the tip 40A of the coil piece 52A are joined together. In this case, the busbar held by the terminal block 70 is electrically connected to a three-phase external terminal 71 within the terminal block 70. Laser welding using the welding speed profile according to this embodiment may also be applied to the joint between the ends 80 and 81 of the busbar and the tip 40A of the coil piece 52A. In this case, the welding target points may be set to the abutment surfaces appearing on the tip surfaces of the ends 80 and 81 of the busbar and the tip 40A of the coil piece 52A. In FIG. 20, the L direction corresponds to the axial direction, the R direction corresponds to the radial direction, the R1 side corresponds to the radial inner side, and the R2 side corresponds to the radial outer side. In FIG. 20, the ends 80 and 81 of the busbar and the tip 40A of the coil piece 52A are in contact with each other in a manner that completely overlaps when viewed in the radial or axial direction, but they may also be in contact in a specific direction, such as an X-shaped crossing or a C- or L-shaped crossing when viewed in a specific direction (for example, the circumferential direction). In this case, the welding target area 90 may be set in a straight line along the axially outer edge of the contact surface.
また、上述した実施例では、図6に示すように軸方向外側端面42が凸の円弧面に加工された先端部40を有するコイル片52同士を、図7に示すように径方向に当接させることで、溶接対象箇所90を形成しているが、これに限られない。例えば、このような加工がなされていない先端部(すなわち径方向に視て軸方向外側端面42が直線状に延びて先端面につながる構成)を有するコイル片同士を径方向に当接させることで、溶接対象箇所90を形成してもよい。この場合、コイル片同士は、先端部40(加工がなされていない先端部40)同士が径方向に視てX字状に交差する態様又は径方向に視てC字状又はL字状をなす態様で、径方向に当接されてもよい。 In the above-mentioned embodiment, the coil pieces 52 having the tip portions 40 whose axially outer end faces 42 are machined into convex arc surfaces as shown in FIG. 6 are brought into radial contact with each other as shown in FIG. 7 to form the welding target portion 90, but this is not limited thereto. For example, the coil pieces having such unmachined tip portions (i.e., a configuration in which the axially outer end faces 42 extend linearly and connect to the tip faces as viewed in the radial direction) may be brought into radial contact with each other to form the welding target portion 90. In this case, the coil pieces may be brought into radial contact with each other such that the tip portions 40 (unmachined tip portions 40) cross each other in an X-shape as viewed in the radial direction, or in a C-shape or L-shape as viewed in the radial direction.
1・・・モータ(回転電機)、24・・・ステータコイル、52・・・コイル片、40・・・先端部(端部)、22・・・ステータコア、80、81・・・バスバーの端部、110・・・レーザビーム 1: motor (rotating electric machine), 24: stator coil, 52: coil piece, 40: tip (end), 22: stator core, 80, 81: end of bus bar, 110: laser beam
Claims (5)
前記組付工程の後に、前記コイル片の端部同士又は前記コイル片の端部とバスバーの端部とをレーザ溶接により接合する接合工程とを含み、
前記接合工程は、
接合対象の2つの端部同士を当接させるセット工程と、
前記2つの端部にレーザビームを照射する照射工程とを含み、
前記照射工程による前記レーザビームの照射区間は、前記レーザビームの照射位置が連続的に変化する連続照射区間を含み、
前記連続照射区間は、照射開始位置から照射終了位置までの前記レーザビームの照射位置の移動方向に沿った順序で、前記レーザビームの照射位置が第1速度で変化する第1区間と、前記レーザビームの照射位置が前記第1速度よりも低い第2速度で変化する第2区間と、前記レーザビームの照射位置が前記第2速度よりも高い第3速度で変化する第3区間とを含み、
前記連続照射区間では、前記レーザビームの前記照射位置は、前記照射開始位置と前記照射終了位置を結ぶ直線上を移動する、回転電機用ステータ製造方法。 an assembly process of assembling coil pieces of the stator coil onto a stator core;
a joining step of joining ends of the coil pieces to each other or joining the ends of the coil pieces to ends of bus bars by laser welding after the assembling step,
The joining step includes:
a setting process in which two ends of the objects to be joined are brought into contact with each other;
and an irradiation step of irradiating the two ends with a laser beam,
The irradiation section of the laser beam in the irradiation step includes a continuous irradiation section in which the irradiation position of the laser beam changes continuously,
the continuous irradiation section includes, in a sequence along a moving direction of the irradiation position of the laser beam from an irradiation start position to an irradiation end position, a first section in which the irradiation position of the laser beam changes at a first speed, a second section in which the irradiation position of the laser beam changes at a second speed lower than the first speed, and a third section in which the irradiation position of the laser beam changes at a third speed higher than the second speed ;
In the continuous irradiation section, the irradiation position of the laser beam moves on a straight line connecting the irradiation start position and the irradiation end position .
一の前記連続照射区間は、一のパルス発振により実現される、請求項1又は2に記載の回転電機用ステータ製造方法。 The irradiation step includes generating a laser beam having a wavelength of 0.6 μm or less for each pulse oscillation of a laser oscillator,
3. The method for manufacturing a stator for a rotating electric machine according to claim 1, wherein one of the continuous irradiation sections is realized by one pulse oscillation.
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