KR102608080B1 - 헤어핀 용접 방법 및 헤어핀 용접 장치 - Google Patents

Abstract

2개의 구리 와이어(3)의 동일 평면으로 나란히 배치된 와이어 단부들(2)이 레이저 빔(4)에 의해 서로 용접되는 본 발명에 따른 헤어핀 용접 방법은 와이어 단부들(2)에 정면으로 부딪치는 빔 횡단면을 갖는 레이저 빔(4)을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 빔 횡단면은 원형 코어 영역(8)과 원형 코어 영역(8)을 특히 직접 둘러싸는 링 영역(9)을 갖고, 이 경우 링 영역(9)의 외경(d_R) 대 코어 영역(8)의 직경(d_K)의 비는 7:1 내지 2:1이고, 코어 영역(8) 내 레이저 출력 대 링 영역(9) 내 레이저 출력의 비는 10:90 내지 70:30이다.

Description

헤어핀 용접 방법 및 헤어핀 용접 장치

본 발명은 적어도 2개의 구리 와이어의 서로 동일 평면으로 나란히 배치된 와이어 단부들이 레이저 빔에 의해 서로 용접되는 헤어핀 용접 방법 및 관련 헤어핀 용접 장치에 관한 것이다.

이러한 헤어핀 용접 방법은 예를 들어 EP 3 292 940 A1호에 의해 공개되어 있다.

전기 모터에 고정자를 형성하기 위해, 전기 전도성 재료, 바람직하게는 구리로 이루어진 소위 헤어핀이 도입되는, 절연 재료로 형성된 고정자 케이지를 제공하는 것이 공개되어 있다. 헤어핀은 예를 들어 클램프 형태로 또는 선형으로 형성될 수 있고, 이들이 고정자 케이지 내로 도입된 후 고정자 케이지 내에서 서로 평행하게 그리고 실질적으로 고정자 또는 전기 모터의 축방향으로 존재한다. 고정자 케이지의 원주 둘레를 따라 이러한 다수의 헤어핀이 고정자 케이지 내로 도입되며, 상기 헤어핀은 조립 또는 제조 중에 처음에는 서로 기계적 및 전기적 연결부를 갖지 않는다. 완전한 고정자 권선을 형성하기 위해, 헤어핀의 각각의 자유 단부들은 고정자 케이지 내로 도입 후에 및 가능한 변형 및/또는 단축 및 가능한 사전 처리, 예를 들어 래커 제거 후에, 예를 들어 용접에 의해 바람직하게 서로 쌍으로 결합된다. 결합으로 인해 각각의 헤어핀 쌍의 자유 단부들 사이에 기계적 연결 및 전기 전도성 연결이 형성되므로, 도입 후 처음에는 개별적으로 존재하는 헤어핀들이 이제 연결된다. 헤어핀들을 결합함으로써 기계적으로 및 전기적으로 서로 연결된 연속적인 고정자 권선이 형성될 수 있다.

헤어핀은 일반적으로 정사각형 또는 직사각형 횡단면을 가지며, 상기 횡단면의 단면적이 권선을 위해 형성된 와이어의 단면적보다 훨씬 크다. 이로 인해 와이어에 비해 증가한 전류 흐름이 가능해진다. 이로써 달성될 수 있는 전기 모터의 성능 개선은 특히 자동차용 전기 모터의 경우에 바람직한데, 왜냐하면 이러한 전기 모터는 매우 높은 전력 수요를 수행할 수 있어야 하기 때문이다.

전기 이동 장치(E-mobility) 분야에서 전기 모터 생산을 위한 헤어핀의 용접은 대부분 레이저 기반의 방법이고, 이러한 방법에서 횡단면이 직사각형인 2개의 구리 와이어의 단부들이 정면에서 서로 용접된다. 일반적으로 이 경우 EP 3 292 940 A1호에 설명된 바와 같이 빔 발진 기술과 결합된 탑 햇(Top-Hat) 빔 프로파일을 갖는 NIR-레이저가 사용된다. 이때 용접 공정 동안 주변 부품들을 오염시키고 부품들의 단락 위험을 높이는 스플래쉬(splash)가 발생할 뿐만 아니라, 전기 전도성 및 기계적 강도를 감소시키는 기공 또한 용접 시임(용접 비드) 내에 발생한다. 이러한 스플래쉬와 기공은 전기 모터 생산에 있어서 높은 불량률을 야기한다.

이와 달리 본 발명의 과제는 헤어핀 용접 시 스플래쉬 및 기공의 발생을 줄이고, 관련 헤어핀 용접 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라, 와이어 단부들에 정면으로 부딪치는 빔 횡단면을 갖는 레이저 빔이 생성되고, 상기 빔 횡단면은 원형 코어 영역과 원형 코어 영역을 특히 직접 둘러싸는 링 영역을 가지며,

- 링 영역의 외경 대 코어 영역의 직경의 비는 7:1 내지 2:1, 바람직하게는 5:1 내지 2:1, 특히 바람직하게는 약 4:1, 약 3.5:1, 약 3:1 또는 약 2.6:1이고,

- 코어 영역 내 레이저 출력 대 링 영역 내 레이저 출력의 비는 10:90 내지 70:30, 바람직하게는 25:75 내지 50:50, 특히 바람직하게는 약 30:70인 것에 의해 해결된다.

본 발명에 따르면, 빔 횡단면은 내부 코어 영역과 외부 링 영역을 가지며, 상기 영역들은 서로 특정한 크기- 및 강도 비를 갖고, 훨씬 적은 기공과 스플래쉬가 발생하도록 공정에 영향을 미친다. 키홀(key hole)이 만곡부를 형성하고, 과압이 생겨서 용융물이 폭발성으로 개방된 키홀을 통해 배출되면, 길쭉한 키홀의 불안정성이 스플래쉬를 야기한다. 길쭉한 키홀 내의 불안정성으로 인해 하단부에 분리되는 만곡부가 생성되면, 기공이 생기고, 이 경우 공정 종료 시 내파(implosion)로 인해 기공이 더 증가한다. 링 영역 내의 레이저 출력은 키홀을 안정화하고 용융조 동역학을 진정시키며, 그 결과 스플래쉬의 발생이 감소한다. 링 영역 내 레이저 출력은 원추형으로 개방된 또는 상부가 확장된 키홀을 야기하고, 이러한 키홀의 하부 영역은 덜 차단될 수 있어서 탈기를 개선하고 기공 발생을 저지한다. 테스트 결과, 스플래쉬를 줄이기 위해 특히 바람직하게 10 내지 50%의 코어 영역 내 출력 비율이 필요하고, 기공을 줄이기 위해 10 내지 30%의 코어 내 출력 비율이 필요한 것이 입증되었다. 코어 영역 내 약 30%의 출력 비율이 최적인 것으로 밝혀졌다.

키홀을 공정 안정적으로 생성하기 위해, 바람직하게 코어 영역 내 레이저 출력은 적어도 0.9kW이다. 파장은 예를 들어 1030nm이지만, 다른 파장, 예를 들어 515nm 또는 450nm도 가능하다.

테스트에서 추가로 알 수 있듯이, 와이어 단부들 상의 스폿 직경도 헤어핀 용접을 위해 최적으로 설정되어야 한다. 코어 영역의 스폿 직경은 바람직하게는 50㎛ 내지 340㎛, 바람직하게는 75㎛ 내지 200㎛, 특히 약 85㎛, 약 136㎛ 또는 170㎛이고, 링 영역의 스폿 외경은 250㎛ 내지 1200㎛, 바람직하게는 300㎛ 내지 700㎛, 바람직하게는 약 340㎛, 약 408㎛, 약 442㎛ 또는 약 680㎛이다. 85㎛의 코어 영역의 스폿 직경 및 340㎛의 링 영역의 스폿 외경이 최적으로 밝혀졌다.

용융된 용접 비드를 2개의 정면에 생성하기 위해, 바람직하게 와이어 단부들의 2개의 정면에서 레이저 빔은 특히 항상 동일한 선형 이동으로 또는 항상 동일한 원형 경로("빔 발진")에서 이동할 수 있다. 레이저 빔이 와이어 단부들의 2개의 정면에서 이동하는 속도("발진 이송 속도")는 바람직하게 200mm/s 내지 1600mm/s이고, 800mm/s에서 최상의 결과가 달성될 수 있었다.

방법의 특히 바람직한 변형예에서, 와이어 단부들에 부딪치는 빔 횡단면은 코어 섬유 및 코어 섬유를 둘러싸는 링 섬유를 갖는 이중 섬유에 의해 생성된다. 레이저 빔은 코어 섬유뿐만 아니라 링 섬유에도 입력되고, 이 경우 이중 섬유에 입력되는 레이저 출력은 코어 섬유와 링 섬유로 10:90 내지 50:50, 바람직하게는 20:80 내지 40:60, 특히 바람직하게는 약 30:70의 비로 분배된다.

링 섬유의 외경 대 코어 섬유의 직경의 비는 바람직하게는 5:1 내지 3:1, 바람직하게는 약 4:1이다. 코어 섬유의 직경은 바람직하게는 25㎛ 내지 250㎛, 바람직하게는 50㎛ 내지 200㎛, 특히 바람직하게는 약 50㎛, 약 80㎛, 약 100㎛ 또는 약 200㎛이고, 링 섬유의 외경은 150㎛ 내지 800㎛, 바람직하게는 200㎛ 내지 700㎛, 특히 바람직하게는 약 200㎛, 약 240㎛, 약 260㎛, 약 400㎛ 또는 약 700㎛이다. 이는 예를 들어 100㎛/400㎛ 직경 또는 직경 50㎛/200㎛ 직경을 갖는 이중 섬유로 구현될 수 있다. 다른 직경 비, 예를 들어 100㎛/260㎛ 또는 80㎛/240㎛ 또는 이와 유사한 것이 사용될 수 있다. 테스트에 따르면, 동일한 투사 시 100㎛/400㎛ 섬유와 비교하여 50㎛/200㎛ 섬유를 사용함으로써 공정 효율이 향상될 수 있으며, 이는 동일한 레이저 출력일 때 공정 시간을 더 단축시킨다.

와이어 단부들 상에서 레이저 빔의 위치 설정은 카메라 기반 센서 시스템에 의해 이루어질 수 있으므로, 발진 위치와 발진 형상이 결합 상황에 따라 조정될 수 있다.

본 발명은 또한 동일 평면으로 서로 나란히 배치된 2개의 구리 와이어의 와이어 단부들을 레이저 빔에 의해 용접하기 위한 헤어핀 용접 장치에 관한 것으로, 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저 빔 발생기 및 레이저 빔의 빔 경로에 배치되어 와이어 단부 상에 원형 코어 영역과 원형 코어 영역을 특히 직접 둘러싸는 링 영역을 갖는 빔 횡단면을 생성하기 위한 레이저 빔 형성 광학 수단을 포함한다.

본 발명의 대상의 추가 장점 및 바람직한 구성들은 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 제시된다. 또한 전술한 그리고 아래에 명시된 특징들은 각각 자체로 또는 다수의 임의의 조합으로도 사용될 수 있다. 도시되어 설명된 실시예들은 완전한 목록으로서 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 특성을 갖는다.

도 1은 헤어핀을 용접하기 위한 본 발명에 따른 헤어핀 용접 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 헤어핀에 부딪치는 레이저 빔의 2개의 강도 프로파일을 도시한 도면.
도 3은 헤어핀의 정면에서 레이저 빔의 발진을 도시한 도면.

도 1에 도시된 헤어핀 용접 장치(1)는 동일 평면으로 서로 나란히 배치된 2개의 구리 와이어(3)의 와이어 단부들(2)을 레이저 빔(4)에 의해 용접하는데 사용된다. 헤어핀 용접 장치(1)는 레이저 빔(4)(파장 1030nm, 출력 5 kW)을 생성하기 위한 레이저 빔 발생기(5) 및 레이저 빔(4)의 빔 경로에 배치되어 와이어 단부(2) 상에 원형 코어 영역(8)과 코어 영역(8)을 직접 둘러싸는 원형 링 영역(9)을 갖는 빔 횡단면(7)을 생성하기 위한 빔 형성 광학 수단(6)을 포함한다.

빔 형성 광학 수단(6)은 코어 섬유(11) 및 코어 섬유(10)를 둘러싸는 링 섬유(12)를 갖는 이중 섬유(10)에 의해서뿐만 아니라, 예를 들어 빔 경로에 배치된 웨지(wedge) 플레이트 형태의 입력 광학 수단(13)에 의해 형성되며, 상기 입력 광학 수단은 코어 섬유(11) 및 링 섬유(10)에 레이저 빔(4)을 동시에 입력한다. 링 섬유(12) 대 코어 섬유(11)의 직경 비 d_R/d_K는 바람직하게는 4:1이며, 이는 예를 들어 직경이 200㎛/50㎛ 또는 직경이 400㎛/100㎛인 이중 섬유(10)로 구현될 수 있다. 입력 광학 수단(13)은 코어 섬유(11) 및 링 섬유(12)에 레이저 빔(4)을 동시에 입력하고, 즉 약 30:70의 비로 코어 영역(8) 및 링 영역(9)으로 입력한다. 1.7:1의 배율에서 직경이 50㎛/200㎛인 이중 섬유(10)의 경우 와이어 단부(2) 상의 코어 영역(8)의 스폿 직경 s_K는 약 85㎛이고, 와이어 단부들(2) 상의 링 영역(9)의 스폿 외경 s_R은 약 340㎛이다.

와이어 단부들(2) 상에서 레이저 빔(4)의 위치 설정은 카메라 기반 센서 시스템(14)에 의해 이루어진다.

도 2a 및 도 2b는 와이어 단부들(2)의 2개의 정면(15)에 부딪치는 레이저 빔(4)의 2개의 가능한 강도 프로파일을 도시한다. 도 2a에서, 링 영역(9)은 자체 강도 최대값을 갖는 반면, 도 2b에서 링 영역(9) 내 강도는 방사 방향 외측으로 연속해서 감소한다. X선 측정에서 알 수 있는 바와 같이, 링 영역(9) 내 레이저 출력은 원추형으로 개방된 키홀을 야기하며, 이러한 키홀의 하부 영역은 차단될 수 없어서 탈기를 개선하고 기공 형성을 저지한다. 링 영역(9) 내 레이저 출력은 키홀을 안정화시키고 이로써 용융조 동역학을 진정시키며, 그 결과 스플래쉬 및 기공의 발생이 감소한다.

2개의 정면(15)에 용융된 용접 비드를 생성하기 위해, 레이저 빔(4)은 항상 동일한 선형 이동으로 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 항상 동일한 원형 경로("빔 발진")(16)에서 와이어 단부들(2)의 2개의 정면(15)을 지나간다. 따라서 레이저 빔(4)은 동일한 지점에서 원을 그리며 이동하고, 이 경우 원 직경은 2개의 정면(15)의 폭에 거의 상응한다. 2개의 정면(15)에서 레이저 빔(4)이 이동하는 속도("발진 이송 속도")는 최적으로는 800mm/s이다.

Claims (17)

1. 적어도 2개의 구리 와이어(3)의 동일 평면으로 나란히 배치된 와이어 단부들(2)이 레이저 빔(4)에 의해 서로 용접되는 헤어핀 용접 방법에 있어서,
   상기 와이어 단부들(2)에 정면으로 부딪치며 원형 코어 영역(8)과 상기 코어 영역(8)을 둘러싸는 링 영역(9)을 가지는 빔 횡단면(7)을 갖는 레이저 빔(4)을 생성하는 단계를 포함하고,
   상기 링 영역(9)의 외경(S_R) 대 상기 코어 영역(8)의 직경(S_K)의 비는 5:1 내지 2:1이고,
   상기 와이어 단부들(2) 상의 상기 코어 영역(8)의 스폿 직경(s_K)은 50㎛ 내지 200㎛이고,
   상기 와이어 단부들(2) 상의 상기 링 영역(9)의 스폿 외경(s_R)은 250㎛ 내지 700㎛이고,
   상기 코어 영역(8) 내 레이저 출력 대 상기 링 영역(9) 내 레이저 출력의 비는 25:75 내지 70:30인 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코어 영역(8) 내 레이저 출력은 적어도 0.9kW인 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 용융된 용접 비드를 상기 2개의 정면(15)에 생성하기 위해, 상기 와이어 단부들(2)의 상기 2개의 정면(15)에서 상기 레이저 빔(4)이 이동하는 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 와이어 단부들(2)의 상기 2개의 정면(15)에서 상기 레이저 빔(4)이 이동하는 속도는 200mm/s 내지 1600mm/s인 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 와이어 단부들(2)에 부딪치는 상기 빔 횡단면(7)은 코어 섬유(11) 및 상기 코어 섬유(11)를 둘러싸는 링 섬유(12)를 갖는 이중 섬유(10)에 의해 생성되고, 상기 레이저 빔(4)은 상기 코어 섬유(11)뿐만 아니라 링 섬유(12)에도 입력되고, 상기 이중 섬유(10)에 입력되는 레이저 출력은 코어 섬유(11)와 링 섬유(12)로 10:90 내지 50:50의 비로 분배되는 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 링 섬유(12)의 외경(d_R) 대 상기 코어 섬유(11)의 직경(d_K)의 비는 5:1 내지 3:1인 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 코어 섬유(11)의 직경(d_K)은 25㎛ 내지 250㎛인 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 링 섬유(12)의 외경(d_R)은 150㎛ 내지 800㎛인 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 와이어 단부들(2) 상에서 상기 레이저 빔(4)의 위치 설정은 카메라 기반 센서 시스템(14)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤어핀 용접 방법.
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