JP7512950B2

JP7512950B2 - レーザ溶接方法

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Publication number: JP7512950B2
Application number: JP2021084082A
Authority: JP
Inventors: 大介水島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2024-07-09
Anticipated expiration: 2041-05-18
Also published as: JP2022177664A; US20220371123A1; CN115365651A

Description

本開示は、レーザ溶接方法に関する。

ステータコイルの溶接工法として、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接を用いた場合、従来のＴＩＧ溶接を用いた場合に比べて溶接部の寸法をコンパクトにでき、製品寸法全体の小型化を実現することができる。

関連する技術として、特許文献１は、回転電機のコイル線と中性線を溶接する場合において、絶縁皮膜の損傷を防止又は抑制することが可能な回転電機の製造方法を開示する。特許文献１が開示する製造方法は、絶縁被覆されたコイル線の端部の被覆剥離部に設定された接続箇所と、中性線に設定された接続箇所とを接触させて配置する配置工程と、接触部分に対し、絶縁被覆に近い側を始点、遠い側を終点としてレーザ溶接する溶接工程とを含む。レーザ溶接の始点は、接触部分における絶縁被覆に近い端部であり、また、レーザ溶接の終点は、接触部分における絶縁被覆から遠い端部である。絶縁被覆に近い側では、遠い側に比べて、溶接による投入される熱量を相対的に小さくすることができる。

特開２０１９－１４０８３９号公報

図９を用いて、本開示の課題を説明する。図９（ａ）は、関連する別の技術にかかるステータ１０１の概略構成を示す図である。ステータ１０１は、ステータコア１０２と、複数のコイル１１０を備えている。ステータコア１０２は、環状の電磁鋼板がステータ１０１の軸方向（図９（ａ）におけるｚ軸方向）に積層されたものである。複数のコイル１１０は、ステータコア１０２の内周面に設けられたスロットに装着されており、それぞれのコイル１１０の端部（コイルエンド）は、ステータコア１０２の上端面から突出している。

図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるコイル１１０の軸方向に沿う断面Ａ１０の端部近傍を拡大した図である。図９（ｂ）に示すように、複数のコイル１１０は、ステータ１０１の径方向（図９（ｂ）におけるｘ軸方向）に隣接するコイル１１０同士で対をなしている。対をなすコイル１１０の端部同士を突き合わせ、上方からレーザ光を照射することで、コイル１１０同士を接合することができる。

図９（ｃ）は、図９（ｂ）における一部領域Ａ２０をさらに拡大した図である。図９（ｃ）では、径方向（図９（ｃ）におけるｘ軸方向）にコイル１１０ａ及び１１０ｂが隣接している。コイル１１０ａ及び１１０ｂの端部同士を突き合わせた状態で、上方からレーザ光Ｌを照射することで、コイル１１０ａ及び１１０ｂを接合することができる。

ここで、図９（ｃ）に示す例のように、コイル１１０ａ及び１１０ｂの下方には、コイル１１０ｃ及び１１０ｄを含む他の部材が配置されている場合がある。ここでは、コイル１１０ａ及び１１０ｂは、溶接を行う対象であるが、その下方に配置されるコイル１１０ｃ及び１１０ｄ等は、溶接を行う対象ではないものとする。溶接対象であるコイル１１０ａ及び１１０ｂは、溶接のためにそれぞれの端部において金属材料が露出している。一方、溶接対象でないコイル１１０ｃ及び１１０ｄは、図９（ｃ）に示すように、それぞれが絶縁被膜で被覆されている。

例えば、スポット径が0.1mmのシングルモードレーザをレーザ光Ｌとして用いるものとする。シングルモードレーザは、エネルギー密度が高く、深いキーホールを形成しながらコイル同士を溶接することができる。そのため、溶けにくい銅などを少ない熱で効率よく溶かすことに長けている。しかしながら、コイル１１０ａ及びコイル１１０ｂ間の溶接の合わせ面に0.05mm以上の隙間が存在する場合、レーザ光Ｌがこの合わせ面を貫通し、下側のコイル１１０ｃ及びコイル１１０ｄの絶縁被膜を焼損するおそれがある。このような絶縁被膜の焼損は、絶縁不良に直結する重大な品質不良となり得る。

このような問題を解決するために、溶接の合わせ面に0.05mm以上の隙間を発生させないよう、高精度にコイルをクランプする治具を用いることが考えられる。しかしながら、このような治具を設置する場合には、治具のスペースの制約から製品の生産性が向上せず、製造コストが増加する。

本開示は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、溶接対象の部材間をレーザ光が貫通するおそれを低減することが可能なレーザ溶接方法を提供するものである。

本開示にかかるレーザ溶接方法は、
第１及び第２の部材を突き合わせた状態でレーザ光を照射することにより、前記第１及び第２の部材を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記第１の部材に前記レーザ光を照射して溶融池を形成する第１の工程と、
前記溶融池が成長して前記第２の部材に付着することにより前記第１及び第２の部材間に形成されるブリッジの幅が、前記レーザ光の幅より太くなるまで、前記第１の部材に対する前記レーザ光の照射を続ける第２の工程と、を含む。

本開示により、溶接対象の部材間をレーザ光が貫通するおそれを低減することが可能なレーザ溶接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。コイルの端部を概略的に示す図である。実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の側面図である。実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の側面図である。実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の側面図である。実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の側面図である。実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の平面図である。実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の外観写真である。関連する技術にかかるレーザ溶接方法を示す説明図である。

以下、本開示を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本開示が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

まず、図１を用いて、本実施形態に係るレーザ溶接方法を用いて溶接されるコイル１０を備えるステータ１００の構成について説明する。図１は、ステータ１００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１００は、ステータコア１５と複数のコイル１０とを備えている。

ステータコア１５は、環状の電磁鋼板がステータ１００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１５の内周面には、内周側に突出すると共にステータ１００の軸方向に延設されたティース１３と、隣接するティース１３間に形成された溝部であるスロット１４と、が設けられている。各スロット１４には、コイル１０が装着されている。それぞれのコイル１０は、略Ｕ字形状に成形され、コイル１０の端部は、いずれもステータコア１５の上端面から突出している。

コイル１０は、例えば、断面が矩形状の電線すなわち平角線であってよい。また、通常、コイル１０は純銅製であるが、これに限られない。コイル１０は、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されてもよい。

図１に示す右手系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。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。ｘ軸はステータ１００の径方向を示している。ここでは、ステータ１００の中心から外側に向かう方向をｘ軸正方向とする。また、ｙ軸はステータ１００の周方向を示している。図１におけるコイル１０の軸方向に沿う断面Ａ１において、紙面手前から奥に向かう方向をｙ軸正方向とする。そして、ｚ軸はステータ１００の軸方向を示している。ステータ１００における鉛直方向の下から上に向かう方向をｚ軸正方向とする。

本実施形態では、径方向（ｘ軸方向）に隣接したコイル１０の端部同士がレーザ光Ｌにより溶接され、後述する接合部２０を形成する。隣接するコイル１０が対となって１つの接合部２０を形成し、ステータ１００全体では複数の接合部２０が形成される。複数の接合部２０は、ステータコア１５の周方向に円環状に配列されてよい。また、この円環状に配列された接合部２０は、径方向に複数列配置されてよい。

図２は、図１におけるコイル１０の断面Ａ１近傍を拡大し、コイル１０の端部を概略的に示す図である。複数のコイル１０は、径方向に隣接する他のコイル１０とそれぞれ対をなしている。例えば図２においては、コイル１０の組が４つ示されている。隣接するコイル１０の端部同士を突き合わせ、突き合わせた部分にレーザ光Ｌを照射することで、コイル１０間に接合部２０が形成される。これにより、隣接するコイル１０同士を溶接することができる。

ここでは、図２に示すコイル１０ａ（第１の部材）及びコイル１０ｂ（第２の部材）を突き合わせた状態で、上方からレーザ光Ｌを照射することにより、コイル１０ａ及び１０ｂを溶接する場合を例として説明を行う。

同図に示すように、コイル１０ａ及び１０ｂは、絶縁被膜１２ａ及び１２ｂでそれぞれ被覆されている。絶縁被膜１２ａ及び１２ｂは、例えば、エナメル材の焼付けや、塩化ビニール系樹脂等による被覆などにより形成された絶縁被膜であってよい。また、コイル１０ａ及び１０ｂの端部１１ａ及び１１ｂにおいては、絶縁被膜１２ａ及び１２ｂが剥離され、金属材料（例えば、銅）が露出している。この端部１１ａ及び１１ｂをレーザ光Ｌで照射し、接合部２０を形成することでコイル１０ａ及び１０ｂを溶接する。

接合部２０は、径方向に隣接したコイル１０の端部同士を溶接することで複数形成され、ステータコア１５の周方向に円環状に配列する。また、この円環状に配列された接合部２０は、径方向に複数列配置される。

コイル１０ａ及び１０ｂは、レーザ光Ｌがコイル１０ａ及び１０ｂを貫通した場合に、レーザ光Ｌがコイル１０ａ及び１０ｂ以外の部材に対して照射され得る位置に配置されていてよい。ここでは、コイル１０ａ及び１０ｂの下方（ｚ軸負方向）側に、溶接対象でない他のコイル１０が複数配置されているものとする。複数の溶接対象でないコイル１０は、その端部を含めて全体が絶縁被膜１２で被覆されている。そのため、上方に配置されているコイル１０ａ及び１０ｂにレーザ光Ｌを照射した際に、コイル１０ａ及び１０ｂ間の隙間からレーザ光Ｌが貫通した場合、複数の溶接対象でないコイル１０が焼損するおそれがある。

続いて、図３～図６を参照して、本実施形態にかかるレーザ溶接方法について説明する。図３～図６は、コイル１０ａ及び１０ｂの接合部２０近傍の側面図である。レーザ光Ｌは、例えばレーザ光源が1.0mm程度の太いレーザ光が選択されてよい。レーザ光Ｌは、例えばリングモードレーザ等であってよい。

図３は、第１の工程を説明する図である。同図に示すように、まず、コイル１０ａの端部１１ａにレーザ光Ｌを照射し、端部１１ａに溶融池３０を形成する（第１の工程）。

図４は、第２の工程を説明する図である。端部１１ａの定点において、レーザ光Ｌの照射を継続することで溶融池３０を成長させる。溶融池３０の成長及び振動により、溶融池３０が端部１１ｂに付着する。これにより、端部１１ａ及び１１ｂ間に溶融池３０によるブリッジ（被膜）が形成される。ブリッジの形成後、端部１１ａ及び１１ｂ間に形成されるブリッジの幅が、レーザ光Ｌの幅Ｗ（不図示）より太くなるまで、端部１１ａに対するレーザ光Ｌの照射を続ける（第２の工程）。

ここで、レーザ光Ｌの幅Ｗは、端部１１ａ及び１１ｂに照射されるレーザ光Ｌのスポット径を示している。例えばレーザ光Ｌの形状が円形である場合には、レーザ光Ｌの幅Ｗは、端部１１ａ及び１１ｂに対する照射位置におけるレーザ光Ｌの直径であってよい。また、レーザ光Ｌの形状が楕円形である場合には、レーザ光Ｌの幅Ｗは、当該照射位置におけるレーザ光Ｌの長径又は短径であってよい。端部１１ａ及び１１ｂ間の隙間をレーザ光Ｌが貫通しないよう、レーザ光Ｌの幅Ｗやレーザ光Ｌの形状を考慮して、端部１１ａに対するレーザ光Ｌの照射を続けてブリッジを形成する。このようにすることで、端部１１ａ及び１１ｂ間に、レーザ光Ｌの幅Ｗより幅の広い、溶融池３０のブリッジが形成される。

尚、第２の工程において、端部１１ａに対するレーザ光Ｌの照射を続ける時間は、予め設定されてよい。例えば、ハイスピードカメラを用いて溶接の様子を撮影し、溶接途中又は溶接後の接合部２０の断面図における溶接の深さなどを観察することで、適切な照射時間を予め設定することができる。予め照射時間を設定することで、効率的に溶接を行うことができる。また、不良の発生を抑制することができる。

続いて、図５に示すように、レーザ光Ｌがブリッジ上を通るように、レーザ光Ｌを端部１１ａから端部１１ｂに移動させる。ブリッジは、レーザ光Ｌの幅Ｗよりも太く形成されているため、レーザ光Ｌが端部１１ａ及び１１ｂ間を貫通することなく、レーザ光Ｌを移動させることができる。

次に、図６に示すように、端部１１ｂにおいてコイルの溶け込みが十分に深くなるまで、端部１１ｂに対するレーザ光Ｌの照射を続ける。このようにすることで、端部１１ａ及び１１ｂ間に溶融池３０による接合部２０が形成される。尚、端部１１ｂへのレーザ光Ｌの照射時間は、端部１１ａへの照射時間同様、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。

端部１１ａ及び１１ｂ間の埋めようとする隙間の長さ（ｙ軸方向）に応じて、上述した処理を繰り返し行うことで、コイル１０ａ及び１０ｂの溶接を完了させることができる。

続いて、図７及び図８を用いて、異なる方向から見た上述の処理について説明する。また、ここでは、上述の処理を繰り返し行う場合を用いて説明する。上述の例では、第１及び第２の工程において、端部１１ａから端部１１ｂに対して溶融池３０及びブリッジの形成を行ったが、ここでは、同様の処理を端部１１ｂから端部１１ａに対しても行う。そのため、以下の説明では、第１及び第２の工程に対応する第３及び第４の工程をさらに含んでいる。

図７は、本実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部２０の平面図である。図７の照射位置（１）～（８）の順でレーザ光Ｌを照射し、コイル１０ａ及び１０ｂの溶接を行う。図８は、図７に示すレーザ光Ｌの照射位置（１）～（８）に対応する接合部２０の外観写真である。

図７を用いて、レーザ光Ｌの照射経路を説明する。まず、照射位置（１）において、コイル１０ａの端部１１ａにレーザ光Ｌを照射し、端部１１ａに溶融池３０を形成する（第１の工程）。

次に、端部１１ａの定点において、レーザ光Ｌの照射を継続することで溶融池３０を成長させる。溶融池３０の成長及び振動により、溶融池３０が端部１１ｂに付着する。これにより、端部１１ａ及び１１ｂ間に溶融池３０によるブリッジが形成される。ブリッジの形成後、端部１１ａ及び１１ｂ間に形成されるブリッジの幅が、レーザ光Ｌの幅Ｗより太くなるまで、端部１１ａに対するレーザ光Ｌの照射を続ける（第２の工程）。

これにより、端部１１ａ及び１１ｂ間に、レーザ光Ｌの幅Ｗ（図８（１）を参照）より太い、溶融池３０のブリッジが形成される。端部１１ａに対するレーザ光Ｌの照射を続ける時間は、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。

上記第２の工程の後、図７の照射位置（２）に示すように、レーザ光Ｌを端部１１ｂに移動させる。第１及び第２の工程で形成されたブリッジ上をレーザ光Ｌが移動することで、レーザ光Ｌは、端部１１ａ及び１１ｂ間を貫通することなく、端部１１ａから１１ｂに移動することができる。

端部１１ｂへの移動後、端部１１ｂにおいてコイルの溶け込みが十分に深くなるまで、端部１１ｂに対するレーザ光Ｌの照射を続ける。このようにすることで、端部１１ａ及び１１ｂ間に接合部２０が形成される。尚、端部１１ｂへのレーザ光Ｌの照射時間は、端部１１ａへの照射時間同様、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。

続いて、照射位置（３）に示すように、レーザ光Ｌを絶縁被膜１２ｂ側（ｙ軸負方向）に移動させる。照射位置（４）において、連続的に端部１１ｂにレーザ光Ｌを照射して溶融池３０を形成する（第３の工程）。

続いて、照射位置（４）において、レーザ光Ｌの照射を継続することで溶融池３０を成長させる。溶融池３０の成長及び振動により、溶融池３０が端部１１ａに付着する。これにより、端部１１ａ及び１１ｂ間に溶融池３０による２つ目のブリッジが形成される。２つ目のブリッジの形成後、端部１１ａ及び１１ｂ間に形成されるブリッジの幅が、レーザ光Ｌの幅Ｗより太くなるまで、端部１１ｂに対するレーザ光Ｌの照射を続ける（第４の工程）。

これにより、端部１１ａ及び１１ｂ間に、レーザ光Ｌの幅Ｗより幅の広い、溶融池３０の２つ目のブリッジが形成される。端部１１ｂに対するレーザ光Ｌの照射を続ける時間は、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。また、既に端部１１ｂがレーザ光Ｌにより加熱されているため、１つ目のブリッジを形成する際の端部１１ａに対する照射時間より短い照射時間が設定されてもよい。

第４の工程の後、照射位置（５）に示すように、レーザ光Ｌを端部１１ａに移動させる。第３及び第４の工程で形成された２つ目のブリッジ上をレーザ光Ｌが移動することで、レーザ光Ｌは、端部１１ａ及び１１ｂ間を貫通することなく、端部１１ｂから１１ａに移動することができる。

端部１１ａへの移動後、端部１１ａにおいてコイルの溶け込みが十分に深くなるまで、端部１１ａに対するレーザ光Ｌの照射を続ける。このようにすることで、端部１１ａ及び１１ｂ間に、２つ目の接合部２０が形成される。尚、端部１１ａへのレーザ光Ｌの照射時間は、端部１１ｂへの照射時間同様、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。また、既に端部１１ａがレーザ光Ｌにより加熱されているため、１つ目の接合部２０を形成する際の端部１１ｂに対する照射時間より短い照射時間が設定されてもよい。

続いて、照射位置（６）に示すように、レーザ光Ｌを絶縁被膜１２ａ側（ｙ軸正方向）に移動させる。そして、照射位置（７）及び（８）に示すように、レーザ光Ｌをｘ軸正方向及びｙ軸負方向に移動させ、端部１１ａ及び１１ｂ間の隙間を埋める。このようにすることで、端部１１ａ及び１１ｂ間の接合部２０が一体化し、コイル１０ａ及び１０ｂの溶接が完了する。

尚、図７においては、照射位置（１）～（８）の各矢印が重ならないように示しているが、これに限られない。例えば、照射位置（６）の矢印の終点が照射位置（１）と重なっていてもよい。また、例えば照射位置（８）の矢印の終点は、照射位置（５）の矢印の線上にあってもよい。また、レーザ光Ｌが端部１１ａ及び１１ｂ間を貫通しないようにブリッジが形成されている場合、図７に示すように、各矢印が重ならないような照射位置が設定されてもよい。

また、レーザ光Ｌの照射位置は、図７に示すものに限られない。例えば、ｙ軸方向に沿ってジグザグ状にレーザ光Ｌが照射されてもよい。

以上説明したように、本実施形態にかかるレーザ溶接方法によれば、端部１１ａ及び１１ｂ間の隙間を覆うように、溶融池３０によるブリッジを形成することができる。また、ブリッジの幅がレーザ光Ｌの幅Ｗより太くなるまで端部１１ａ又は１１ｂに対するレーザ光Ｌの照射が続けられるので、レーザ光Ｌが端部１１ａ及び１１ｂ間の隙間を貫通することを抑制することができる。

したがって、端部１１ａ及び１１ｂ間に隙間が存在する場合でも、下方に位置する他の部材にレーザ光Ｌが照射されることを抑制することができる。そのため、溶接対象であるコイル１０ａ及び１０ｂの下方に、溶接対象でない他のコイル１０や部材が配置されている場合でも、それらの部材を焼損するおそれを低減しつつ、適切に溶接を行うことができる。また、これにより、クランプ治具の簡素化及びコストの低減を実現することができる。

さらに、本実施形態にかかるレーザ溶接方法によれば、レーザ光Ｌが端部１１ａ及び１１ｂ間に複数のブリッジを形成し、両者間を往復してレーザ光Ｌを連続的に照射することができる。したがって、複数のコイル１０の溶接を効率的に行うことができる。

なお、本開示は上記実施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、上述の説明では１本のレーザ光Ｌを用いたが、これに限らず、複数のレーザ光Ｌが用いられてもよい。例えば、２本のレーザ光Ｌを用いる場合、図７に示す照射位置（１）及び（４）を各レーザ光Ｌの照射開始位置として、同時に照射を開始してもよい。

１０、１０ａ、１０ｂ、１１０、１１０ａ～１１０ｄコイル
１１ａ、１１ｂ端部
１２、１２ａ、１２ｂ絶縁被膜
１３ティース
１４スロット
２０接合部
３０溶融池
１００、１０１ステータ
１５、１０２ステータコア
Ｌレーザ光
Ｗレーザ光Ｌの幅

Claims

第１及び第２の部材を突き合わせた状態でレーザ光を照射することにより、前記第１及び第２の部材を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記第１の部材に前記レーザ光を照射して溶融池を形成する第１の工程と、
前記溶融池が成長して前記第２の部材に付着することにより前記第１及び第２の部材間に形成されるブリッジの幅が、前記レーザ光の幅より太くなるまで、前記第１の部材に対する前記レーザ光の照射を続ける第２の工程と、
前記第２の工程の後、前記レーザ光を前記第２の部材に移動させ、連続的に前記第２の部材に前記レーザ光を照射して溶融池を形成する第３の工程と、
前記第２の部材に形成された溶融池が成長して前記第１の部材に付着することにより前記第１及び第２の部材間に形成されるブリッジの幅が、前記レーザ光の幅より太くなるまで、前記第２の部材に対する前記レーザ光の照射を続ける第４の工程と、を含む
レーザ溶接方法。
前記第１及び第２の部材は、絶縁被膜を備えるコイルである
請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記第１及び第２の部材は、前記レーザ光が前記第１及び第２の部材間を貫通した場合に、前記レーザ光が前記第１及び第２の部材以外の部材に対して照射され得る位置に配置されている
請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
前記第２の工程における前記第１の部材に対する前記レーザ光の照射を続ける時間は、予め設定されている
請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。