WO2020165142A1 - Verfahren zum fügen von kupfer-hairpins und stator - Google Patents

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Oliver BOCKSROCKER
Tim Hesse
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Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a method for joining copper hairpins, in particular for joining copper hairpins, which are provided for forming a stator winding of a stator for an electric motor.
  • stator cage made of an insulating material, into which so-called hairpins made of an electrically conductive material, preferably copper, are pushed, plugged in or, for example, shot in by means of compressed air.
  • the hairpins can, for example, be of clamp-shaped or linear design and, after they have been introduced into the stator cage, lie parallel to one another and essentially in the axial direction of the stator or the electric motor in the
  • hairpins are introduced into the stator cage around the circumference of the stator cage, which hairpins initially have no mechanical and electrical connection to one another during assembly or manufacture.
  • the respective free ends of the hairpins are then preferably joined together in pairs to form a complete stator winding, for example by welding or soldering, after they have been introduced into the stator cage and after any reshaping and / or shortening and any pretreatment, for example paint stripping.
  • a mechanical connection and an electrically conductive connection are established between the ends of the respective pairs of hairpins, so that the hairpins that are initially present individually after being introduced are now connected.
  • more than two hairpins can also be joined together in one machining process.
  • hairpins instead of a continuous wire winding can offer advantages in the manufacture of the respective stator, for example, since the hairpins can simply be shot or pushed linearly into the stator cage. Several or all hairpins can also be introduced at the same time, so that a lengthy winding process is no longer necessary.
  • the hairpins used also usually have a substantially square or rectangular cross-section, so that with a correspondingly close arrangement of the hairpins in the stator cage, the fill factor with the conductive material of the hairpins, for example copper, compared to a conventional stator winding with a round one Cross-section wire can be significantly improved.
  • the efficiency of an electric motor can be improved due to the increased fill factor and / or the material consumption for the formation of a stator winding can be reduced.
  • hairpins usually have at least a significantly larger cross-sectional area than a wire designed for winding. This enables an increased flow of current compared to a wire.
  • the increase in the performance of electric motors that can be achieved in this way is particularly advantageous in the case of electric motors for motor vehicles, since these have to meet very high performance requirements.
  • a coating applied to the hairpins is usually removed in the area of the ends where joining is to take place. This can remove the coating
  • the hairpins Before the hairpins are joined, they can also be geometrically set up and aligned for joining, for example shortened, reshaped and combined in pairs, the combining for example by mechanical clamping of the hairpins to be joined Ends of hairpins can be reached.
  • the respective ends of the hairpins to be joined are then actually joined together, for example by laser beam welding with a processing beam in the near infrared (NIR), for example at a wavelength of 1030 nm.
  • NIR near infrared
  • the known laser beam welding of the hairpins takes place as deep welding with the formation of a Steam capillary instead.
  • Machining beams at wavelengths of 1030nm can reduce the absorption of the energy of the
  • Processing beam in the material of the hairpin may be irregular due to changing surface properties from hairpin to hairpin, so that the energy introduced and the volume of material melted can fluctuate accordingly.
  • the joining result can be irregular in the case of successive joining processes of several hairpin pairings. In other words, it can be an unstable process.
  • the energy absorption at wavelengths around 1030 nm in copper is relatively poor, since copper is highly reflective for these wavelengths.
  • Deep welding with steam capillary is necessary because the steam capillary can significantly increase energy absorption, although laser beam welding of copper with steam capillary has disadvantages, such as the formation of spatter and ejections as well as the formation of process pores in the solidified melt.
  • a method for joining copper hairpins comprising the provision of at least two ends of copper hairpins to be joined, and joining of the copper hairpins to be joined by laser beam welding with a machining beam with a wavelength of less than 1000 nm.
  • a green hairpin is preferred for laser beam welding of the copper hairpins to be joined
  • Machining beam for example a laser beam with a wavelength of 500 nm to 550 nm, particularly preferably with a wavelength of 510 nm to 520 nm, or a blue one
  • Processing beam for example a laser beam with a wavelength of 425 nm to 475 nm, particularly preferably with a wavelength of 440 nm to 450 nm, is used.
  • the joining process can be carried out in a correspondingly more controlled manner, so that a more uniform joining result can be achieved.
  • a welding process is a heat conduction process or a
  • Deep welding process is largely dependent on the energy density or the intensity of the processing beam by means of which the copper hairpins to be joined are applied. Exceeding a so-called swelling intensity from which the heat conduction process changes into a deep welding process should ideally be avoided.
  • Processing energy is distributed over a large area, for example with hairpins which have an above-average diameter.
  • the achieved energy density or intensity of the machining beam is then, because of the large machining area, preferably set again so that the swelling intensity, from which the heat conduction process becomes
  • the laser welding of the copper hairpins with the machining beam in the proposed wavelength ranges is preferably carried out essentially by means of heat conduction welding. This makes the laser welding process more stable and controllable, since the
  • Formation of vapor capillaries occurring fluctuations in the energy input into the material to be melted can be reduced or avoided.
  • a welding process can be carried out which manages completely without or with the formation of only a small vapor capillary.
  • a vapor capillary that may develop then only has a low aspect ratio (depth / width). Accordingly, the dominates in the proposed welding process
  • Thermal conduction and thermal conduction welding and deep welding with vapor capillary do not occur or at least not as the dominant welding process.
  • the energy introduced by the machining beam into the copper hairpins to be joined also does not lead to a breakdown of the welding process, so that the welding process is more stable overall.
  • Copper material of the copper hairpins increases significantly.
  • the machining beam is preferably introduced onto an end face of the hairpins to be joined, that is to say in particular in the longitudinal direction of the hairpins to be joined to one another. Accordingly, heat conduction takes place along the longitudinal direction or along the extension of the respective hairpins.
  • the processing beam is preferably adapted to the geometry of the hairpins to be joined.
  • the end faces of the hairpins to be joined are completely exposed to the processing beam.
  • the entire end face of the hairpins is acted upon with the processing beam, so that heat conduction and thus melting can only take place in the remaining dimension, namely in the longitudinal direction of the copper hairpins.
  • the end faces of the hairpins to be joined can also be only partially exposed to the processing beam. In this case, for example, the machining beam in a central region cannot be acted upon at all, so that the intensity of the machining beam in the central region is equal to 0.
  • the area of the end face acted upon by the machining beam is accordingly designed, for example, in the shape of a frame or ring.
  • the end faces can also have a
  • Processing beam are acted upon, which has a first intensity in a first area and a second intensity in a second area.
  • the end faces can be exposed to different wavelengths of the machining beam.
  • a higher intensity can be applied to the end faces, for example in a first area, which is, for example, ring-shaped or frame-shaped, and a lower intensity can be applied to the second area then located in the center.
  • the power in the core fiber can be reduced so that the processing beam has a lower intensity in the center than in the edge area. If the power in the core fiber is 0 and only laser power is coupled into the ring fiber, then the end face of the hairpins in the middle will not be charged with energy at all and the intensity of the processing beam in the middle would be 0 accordingly.
  • the processing beam in the plane of the end faces take into account in particular the fact that in the edge area of the processing beam, which also strikes the edge area of the cross section of the hairpin, a heat diffusion takes place through the outer walls of the hairpins, which is missing in the central area, since this is enclosed by the edge area.
  • a heat diffusion takes place through the outer walls of the hairpins, which is missing in the central area, since this is enclosed by the edge area.
  • an essentially homogeneous heating of the cross section of the hairpin is nevertheless achieved.
  • Substantially one-dimensional heat conduction instead, which spreads in the manner of a burning candle essentially in the direction in which the material for joining the to be melted hairpins to be joined together.
  • a controlled melting of the material of the copper hairpins to which the processing beam is applied can thus take place in such a way that a good control of the process is possible.
  • the welding depth is therefore not limited by the available intensity of the machining beam, but rather by the surface tension of the liquid melt bead. Accordingly, the melting can be continued for so long and thus the liquid volume of the
  • melt bead can be accumulated until the melt bead drains away. Preferred is the
  • the high absorption ultimately means that there are only minor fluctuations in the energy introduced, since fluctuations in the surface properties only lead to relatively minor fluctuations in the energy introduced into the material of the hairpin. This means that fluctuations in the surface properties cannot lead to a major change in the welding process, so that a more constant welding result is achieved. Furthermore, because the formation of the vapor capillary is avoided, almost no spatter occurs when welding the hairpins and the welding result has a lower tendency to form process pores.
  • the intensity of the machining beam can be adjusted in such a way that evaporation does not occur or only to a very small extent. This is possible due to the high absorption of the
  • Hairpins are preferably provided with an essentially rectangular cross-sectional contour with a width and a depth, a width of 1 mm to 10 mm and a depth of 1 mm to 10 mm preferably being provided.
  • Small hairpins can preferably have a width and / or a depth of 0.5 mm to 1.5 mm
  • medium-sized hairpins can preferably have a width and / or depth of 1.5 mm to 6 mm
  • large hairpins can have a width and / or depth of 6 mm to 10 mm.
  • Hairpins are preferably provided with a coating for mechanical and / or chemical protection and / or for electrical insulation, the coating preferably in the form of a coating of PAI (polyamide-imide), PEEK (polyether ether ketone), PEI (polyester-imide) or PI (polyimide such as Kapton) is provided.
  • PAI polyamide-imide
  • PEEK polyether ether ketone
  • PEI polyether-imide
  • PI polyimide such as Kapton
  • a stator for an electric motor with a stator winding formed from joined copper hairpins is proposed.
  • the hairpins are joined using the method described above.
  • stator winding is thus essentially joined by heat conduction welding, so that greater homogeneity of the individual joining points with one another and less formation of process pores in the joining points can be achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of two copper hairpins to be joined to one another, which are acted upon by a processing beam;
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the end faces of the two copper hairpins of FIG. 1 to be joined, as well as of a machining beam;
  • FIG. 3 shows a further schematic plan view of two copper hairpins to be joined with another processing beam which has two different intensity ranges.
  • End faces 114, 124 of the ends of hairpins 10, 12 in FIG. 1 point upwards towards a processing beam 2.
  • the hairpins 10, 12 rest against one another with their ends to be joined at least in a jointly formed plane 3, the gap between the two ends of the hairpins 10, 12 being as small as possible should be held and a gap is preferably not present.
  • the contact area between the two ends of the hairpins 10, 12 in the common plane 3 is thus as large as possible.
  • a lateral offset with respect to the common plane 3 of the two ends of the hairpins 10, 12 small or preferably to avoid it.
  • a height offset with respect to the respective end faces 114, 124 of the two ends of the hairpins 10, 12 is preferably kept very small or preferably avoided and an angular position between the ends of the two hairpins 10, 12 is preferably kept particularly small or preferably avoided.
  • the hairpins 10, 12 each have a mechanically and chemically protective and electrically insulating coating 1 10, 120, which can be provided, for example, in the form of a plastic coating.
  • a mechanically and chemically protective and electrically insulating coating 1 10, 120 which can be provided, for example, in the form of a plastic coating.
  • the respective coating is removed from the hairpins 10, 12 in such a way that only the bare copper material remains in these prepared areas without any further coating.
  • the coating 110, 120 from the ends of the hairpins 10, 12 is removed in order to avoid impurities being introduced into the melt during the welding process, which for example lead to an indefinable strength of the re-solidified material and / or to defects in the structure of the re-solidified material and / or can lead to fluctuations in the conductivity of the re-solidified material at the joint. Furthermore is through
  • the prepared areas 1 12, 122 are aligned with one another in such a way that the joining of the two copper hairpins 10, 12 is reliably made possible by laser beam welding.
  • the cleaning or removal of the coating 1 10, 120 from the hairpins 10, 12 in the prepared areas 1 12, 122 can be performed, for example, by laser processing or by known mechanical or chemical cleaning processes in order to prepare the hairpins 10, 12 for the actual joining.
  • FIG. 2 shows a top view of two already prepared, mutually aligned and combined hairpins 10, 12 which are to be joined together.
  • the hairpins 10, 12 each have an essentially rectangular cross-sectional contour, each with a width X and a depth Y.
  • the cross-sectional contour of the hairpins 10, 12 also corresponds to the contour of the end face 114, 124 of the hairpins 10, 12, which is then effectively acted upon by the processing beam 3.
  • the common plane 3, at which the two ends of the hairpins 10, 12 rest against one another, results along the depth extension Y (that is, perpendicular to the width X).
  • Typical dimensions of a hairpin 10, 12 are, for example, a width X of 1 mm to 10 mm and a depth of 1 mm to 10 mm.
  • Small hairpins can preferably have a width and / or depth of 0.5mm to 1.5mm
  • medium-sized hairpins can preferably have a width and / or depth of 1.5mm to 6mm
  • large hairpins can have a width and / or Have a depth of 6 mm to 10 mm.
  • the specific dimensioning of the Kuper hairpins 10, 12 results from the respective application.
  • the base material of a copper hairpin 10, 12 is, for example, copper, for example oxygen-free copper (ETP - Electrolytic Tough Pitch) for electrical applications.
  • the coating 1 10, 120 of the hairpins can for example be in the form of a coating made of PAI (polyamide-imide), PEEK (polyether ether ketone), PEI (polyester-imide) or PI (polyimide such as Kapton) in order to make the base material of the To protect copper hairpins 10, 12 mechanically and chemically and to provide electrical insulation.
  • PAI polyamide-imide
  • PEEK polyether ether ketone
  • PEI polyether-imide
  • PI polyimide such as Kapton
  • the joining of the copper hairpins 10, 12 can now be carried out by means of a machining beam 2, which is indicated schematically in FIGS. 1 and 2.
  • the machining beam 2 is preferably shaped such that it acts on the entire face of the ends of the hairpins 10, 12 to be joined.
  • the entire end face is formed from the end faces 114, 124 of the respective ends of the copper hairpins 10, 12, which are correspondingly directed upwards in FIG. 1 and which are shown in plan view in FIG.
  • the end faces 114, 124 of the hairpins 10, 12 to be joined can also be only partially exposed to the machining beam.
  • the machining beam 2 is a laser beam, by means of which the two hairpins 10, 12 can be joined by laser beam welding.
  • the wavelength of the processing beam 2 used here is less than 1000 nm.
  • the machining beam 2 is preferably a green machining beam 2, which is formed by a laser beam with a wavelength of 500 nm to 550 nm, particularly preferably with a wavelength of 510 nm to 520 nm.
  • the machining beam 2 is a blue machining beam 2, which by a laser beam with a Wavelength of 425 nm to 475 nm, particularly preferably with a wavelength of 440 nm to 450 nm, is formed.
  • the selected wavelength range of the processing beam 2 ensures that the energy of the processing beam 2 is transferred from the hairpins 10, 12, and in particular from their
  • Base material in the form of the copper material is well absorbed. An efficient entry of laser energy and thus of thermal energy into the hairpins 10, 12 is possible, according to one
  • Laser beam welding is made possible by means of heat conduction welding. Due to the increased
  • a welding process is a heat conduction process or a
  • the deep welding process is largely dependent on the energy density or the intensity of the machining beam 2 by means of which the copper hairpins 10, 12 to be joined are applied. Exceeding a so-called swelling intensity, from which the heat conduction process changes into a deep welding process, should ideally be avoided.
  • Processing energy is distributed over a large area, for example in the case of hairpins which have an above-average diameter or an above-average front surface 1 14, 124.
  • the machining beam is then preferably set again so that the swelling intensity, from which the heat conduction process becomes
  • the processing beam 2 is preferably aligned in such a way that, on the one hand, it acts on the respective end faces 114, 124 of the hairpins 10, 12 with the processing beam.
  • an alignment of the processing beam 2 is preferably also provided such that it extends essentially in the longitudinal direction Z of the hairpins 10, 12.
  • a melt bead formed by the melted material remains when the hairpins 10 are laser beam welded, 12 also then in the area of influence of the processing beam 2 when the melt bead moves in the direction of heat propagation, that is, longitudinal direction Z of the hairpins 10, 12.
  • the alignment of the cross section of the processing beam 2 is preferably also aligned after the alignment of the end faces 114, 124 of the ends of the hairpins 10, 12 and in particular the dimensions and rotational alignment relative to the axis of the processing beam 2.
  • the implementation of such a dimensioning and rotational alignment of the machining beam 2 is known in principle, so that it will not be discussed further here.
  • FIG 3 an alternative embodiment of the processing beam 2 is now shown, wherein the processing beam 2 is split and in a central area 20 applies a different intensity to the end face 114, 124 of the hairpins 10, 12 than in its edge area 22, which is softer central area 20 surrounds.
  • the central area 20 cannot, for example, have any intensity at all from the processing beam 2, so that the intensity of the processing beam 2 in the central area 20 is equal to 0.
  • the edge region 22 of the end face 114, 124 acted upon by the machining beam 2 is correspondingly designed, for example, in the shape of a frame or ring.
  • end faces 114, 124 can also be provided with a
  • Processing beam 2 are acted upon, which has a first intensity in a first region 22 and a second intensity in a second region 20.
  • first area 22 and in the second area 20 as an alternative or in addition, the end faces 114, 124 can be exposed to different wavelengths of the machining beam 2.
  • the end faces 114, 124 can have a higher intensity applied to them, for example in a first region 22, which is for example annular or frame-shaped, and a lower intensity can be applied in the second region 20 then located in the central region.
  • Processing beam 2 can be achieved, for example, by means of a so-called “2 in 1” fiber, which has a core fiber and a ring fiber into which different laser powers can be coupled. In this way, the power in the core fiber can be reduced so that the processing beam has a lower intensity in the center than in the edge area. If the power in the core fiber is equal to 0 and only laser power is coupled into the ring fiber, the end face 114, 124 of the hairpins 10, 12 in the middle is not energized at all are acted upon and the intensity of the machining beam 2 in the center would be equal to 0 accordingly.
  • Processing beam 2 in the plane of the end faces 114, 124 take into account in particular the fact that in the edge area of the processing beam 2, which also strikes the edge area of the cross section of the hairpin 10, 12, a heat diffusion takes place through the outer walls of the hairpins, which is missing in the central area , as this is enclosed by the edge area.
  • Processing beam 2 nevertheless achieves an essentially homogeneous heating of the cross section of the hairpin 10, 12.
  • the machining beam 2 strikes the end face 114, 124 of the hairpins 10, 12 and is also aligned in the longitudinal direction Z of the hairpins 10, 12, there is in principle a one-dimensional heat conduction and thus also an extension of the heat conduction in the direction of the welding depth. This also results in the possibility of a virtually infinite welding depth in the hairpins 10, 12, which is theoretically limited only by the extent of the hairpins 10, 12 in the longitudinal direction Z.
  • the aim is to achieve a significantly more limited welding depth, which results in a melt bead that has no tendency to flow off, in order to avoid uncontrolled distribution of the melted material.
  • the aim is to achieve a significantly more limited welding depth, which results in a melt bead that has no tendency to flow off, in order to avoid uncontrolled distribution of the melted material.
  • the welding depth is limited by the surface tension of the melt, since the melted material of the melt bead does not flow off.
  • connection of the two hairpins 10, 12 can be established in order to achieve a mechanically and electrically reliable joining of the hairpins 10, 12 and thus a reliable one

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins (10, 12), umfassend das Bereitstellen von mindestens zwei miteinander zu fügenden Enden der Kupfer-Hairpins (10, 12), und das Fügen der zu fügenden Kupfer-Hairpins (10, 12) durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl (2) mit einer Wellenlänge kleiner als 1000 nm.

Description

Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins und Stator
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins, insbesondere zum Fügen von Kupfer-Hairpins, welche zur Ausbildung einer Statorwicklung eines Stators für einen Elektromotor vorgesehen sind.
Stand der Technik
Zur Ausbildung von Statoren in Elektromotoren ist es bekannt, einen aus einem isolierenden Material ausgebildeten Statorkäfig bereitzustellen, in welchen sogenannte Hairpins aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt Kupfer, eingeschoben, eingesteckt oder beispielsweise mittels Druckluft eingeschossen werden. Die Hairpins können beispielsweise klammerförmig oder linear ausgebildet sein und liegen nach ihrem Einbringen in den Statorkäfig parallel zueinander und im Wesentlichen in Axialrichtung des Stators beziehungsweise des Elektromotors in dem
Statorkäfig vor. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Hairpins nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.
Um den Umfang des Statorkäfigs herum wird eine Vielzahl solcher Hairpins in den Statorkäfig eingebracht, die während der Montage beziehungsweise Fertigung zunächst keine mechanische und elektrische Verbindung zueinander aufweisen.
Die jeweiligen freien Enden der Hairpins werden nach deren Einbringen in den Statorkäfig und nach einer eventuellen Umformung und/oder Kürzung und einer eventuellen Vorbehandlung, beispielsweise einer Entlackung, dann zur Ausbildung einer vollständigen Statorwicklung dann bevorzugt paarweise miteinander gefügt, beispielsweise durch Verschweißen oder Löten. Durch das Fügen wird sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Enden der jeweiligen Paare Hairpins der hergestellt, so dass die zunächst nach dem Einbringen einzeln vorliegenden Hairpins nun verbunden sind. Es können aber auch mehr als zwei Hairpins mit einem Bearbeitungsprozess miteinander gefügt werden. Durch das Fügen der Hairpins kann eine mechanisch und elektrisch miteinander verbundene, durchgehende Statorwicklung ausgebildet werden.
Die Verwendung von Hairpins anstelle einer durchgängigen Drahtwicklung kann beispielsweise Vorteile bei der Herstellung des jeweiligen Stators bieten, da die Hairpins einfach linear in den Statorkäfig eingeschossen oder eingeschoben werden können. Es können auch mehrere oder alle Hairpins gleichzeitig eingebracht werden, so dass damit ein langwieriger Wicklungsvorgang entfällt.
Die verwendeten Hairpins weisen weiterhin üblicherweise einen im Wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf, sodass bei einer entsprechend eng nebeneinanderliegenden Anordnung der Hairpins im Statorkäfig der Füllfaktor mit dem leitenden Material der Hairpins, beispielsweise dem Kupfer, gegenüber einer Ausbildung durch eine herkömmliche Statorwicklung mit einem einen runden Querschnitt aufweisenden Draht erheblich verbessert werden kann.
Entsprechend kann der Wirkungsgrad eines Elektromotors aufgrund des erhöhten Füllfaktors verbessert werden und/oder der Materialverbrauch für die Ausbildung einer Statorwicklung reduziert werden.
Unabhängig von der eigentlichen Querschnittsgeometrie weisen Hairpins üblicher weise zumindest eine wesentlich größere Querschnittsfläche auf, als ein zum Wickeln ausgebildeter Draht. Dadurch wird ein gegenüber einem Draht erhöhter Stromfluss ermöglicht. Die damit erreichbare Steigerung der Leistungsfähigkeit von Elektromotoren ist insbesondere bei Elektromotoren für Kraftfahrzeuge vorteilhaft, da diese sehr hohen Leistungsanforderungen gerecht werden müssen.
Die Ausbildung einer herkömmlichen Wcklung mit einem eine größere Querschnittsfläche aufweisenden und beispielsweise einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisenden Kupfer-Hairpin ist wegen der dimensions- und geometriebedingt auftretenden Spannungen jedoch nicht möglich, so dass die Kupfer-Hairpins nur in der genannten, quasi linearen Ausbildung in den Statorkäfig eingebracht werden können.
Vor dem Fügen der Enden der Hairpins zur Herstellung einer durchgehenden Statorwicklung wird üblicher weise eine auf die Hairpins aufgebrachte Beschichtung in dem Bereich der Enden, an welchen das Fügen stattfinden soll, entfernt. Dieses Entfernen der Beschichtung kann
beispielsweise mechanisch, chemisch oder physikalisch, beispielsweise mittels eines Lasers, durchgeführt werden.
Vor dem Fügen der Hairpins können diese auch für das Fügen geometrisch eingerichtet und ausgerichtet werden, beispielsweise gekürzt, umgeformt und paarweise zusammengefasst werden, wobei das Zusammenfassen beispielsweise durch ein mechanisches Klammern der zu fügenden Enden der Hairpins erreicht werden kann.
Nach Abschluss der Vorbereitungen werden die jeweiligen miteinander zu fügenden Enden der Hairpins dann tatsächlich miteinander gefügt, beispielsweise durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl im nahen Infrarot (NIR), beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1030 nm. Das bekannte Laserstrahlschweißen der Hairpins findet als Tiefschweißen unter Ausbildung einer Dampfkapillare statt.
Beim Verschweißen von Kupfer-Hairpins mit bekannten Verfahren unter Verwendung von
Bearbeitungsstrahlen bei Wellenlängen von 1030nm kann die Absorption der Energie des
Bearbeitungsstrahls in dem Material des Hairpins aufgrund wechselnder Oberflächeneigenschaften von Hairpin zu Hairpin unregelmäßig sein, sodass entsprechend die eingebrachte Energie sowie das aufgeschmolzene Materialvolumen schwanken können. Entsprechend kann es zu einem unregelmäßigen Fügeergebnis bei aufeinanderfolgenden Fügeprozessen mehrerer Hairpin- Paarungen kommen. Mit anderen Worten kann es sich um einen instabilen Prozess handeln.
Darüber hinaus ist die Energieabsorption bei Wellenlängen um 1030nm im Kupfer verhältnismäßig schlecht, da Kupfer für diese Wellenlängen hoch reflektiv ist. Das Tiefschweißen mit Dampfkapillare ist damit notwendig, da durch die Dampfkapillare die Energieabsorption signifikant gesteigert werden kann, obwohl das Laserstrahlschweißen von Kupfer mit Dampfkapillare von Nachteilen begleitet ist, wie beispielsweise der Ausbildung von Spritzern und Auswürfen sowie von der Ausbildung von Prozessporen in der erstarrten Schmelze.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins anzugeben, welches zu einem gleichmäßigeren Fügeergebnis führt.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins vorgeschlagen, umfassend das Bereitstellen von mindestens zwei miteinander zu fügenden Enden von Kupfer-Hairpins, und das Fügen der zu fügenden Kupfer-Hairpins durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl mit einer Wellenlänge kleiner als 1000 nm. Durch die Verwendung eines Bearbeitungsstrahles mit einer Wellenlänge, die kleiner als 1000 nm ist, steigt der Absorptionsgrad des Bearbeitungsstrahls in dem Kupfermaterial der Hairpins gegenüber den bisher verwendeten Bearbeitungsstrahlen deutlich an. Damit kann der
Energieeintrag in die miteinander zu fügenden Kupfer-Hairpins verbessert werden, sodass entsprechend auch geringere Schwankungen der Absorption aufgrund unterschiedlicher
Oberflächenbeschaffenheiten erreicht werden.
Damit kann eine gleichmäßigere Absorption der Energie des Bearbeitungsstrahls in den Kupfer- Hairpins erreicht werden. Auf diese Weise kann der Fügeprozess zum Fügen der Kupfer-Hairpins verbessert und stabiler gemacht werden, so dass schließlich ein gleichmäßigeres Fügeergebnis erreicht werden kann.
Bevorzugt wird zum Laserstrahlschweißen der zu fügenden Kupfer-Hairpins ein grüner
Bearbeitungsstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 500 nm bis 550 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 510 nm bis 520 nm, oder ein blauer
Bearbeitungsstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 425 nm bis 475 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 440 nm bis 450 nm, verwendet.
Aufgrund der in diesen Wellenlängenbereichen im Kupfermaterial verbesserten Absorption kann der Fügevorgang entsprechend kontrollierter durchgeführt werden, so dass ein gleichmäßigeres Fügeergebnis erreicht werden kann.
Ob es sich bei einem Schweißprozess um einen Wärmeleitprozess oder um einen
Tiefschweißprozess handelt ist maßgeblich abhängig von der Energiedichte beziehungsweise der Intensität des Bearbeitungsstrahls, mittels welchem die miteinander zu fügenden Kupfer-Hairpins beaufschlagt werden. Ein Überschreiten einer sogenannten Schwellintensität, ab welcher der Wärmeleitprozess in einen Tiefschweißprozess übergeht, soll idealerweise vermieden werden.
Jedoch ist auch die Verwendung hoher Bearbeitungsenergien denkbar, solange die
Bearbeitungsenergie großflächig verteilt wird, beispielsweise bei Hairpins, welche einen überdurchschnittlich großen Durchmesser aufweisen. Die erzielte Energiedichte beziehungsweise Intensität des Bearbeitungsstrahls ist dann wegen der großen Bearbeitungsfläche wieder bevorzugt so einzustellen, dass die Schwellintensität, ab welcher der Wärmeleitprozess in einen
Tiefschweißprozess übergeht, nicht überschritten wird.
Das Laserschweißen der Kupfer-Hairpins mit dem Bearbeitungsstrahl in den vorgeschlagenen Wellenlängenbereichen wird bevorzugt im Wesentlichen mittels Wärmeleitschweißen durchgeführt. Damit wird der Prozess des Laserschweißens stabiler und kontrollierbarer, da die bei der
Ausbildung von Dampfkapillaren auftretenden Schwankungen des Energieeintrags in das aufzuschmelzende Material reduziert oder vermieden werden können.
Durch die Verwendung der genannten Wellenlängen für den Bearbeitungsstrahl kann aufgrund der erhöhten Absorption im Kupfermaterial entsprechend ein Schweißverfahren durchgeführt werden, welches vollständig ohne oder mit der Ausbildung nur einer kleinen Dampfkapillare auskommt. Eine sich möglicherweise ausbildende Dampfkapillare weist dann nur ein geringes Aspektverhältnis (Tiefe/Breite) auf. Entsprechend dominiert in dem vorgeschlagenen Schweißprozess die
Wärmeleitung und das Wärmeleitschweißen und ein Tiefschweißen mit Dampfkapillare tritt nicht auf oder zumindest nicht als dominanter Schweißprozess.
Durch die höhere Absorption des Bearbeitungsstrahls in dem Material der Kupfer-Hairpins ist es auch einfacher, die Leistung des Bearbeitungsstrahls auf einem Niveau zu halten, welches ein Wärmeleitschweißen begünstigt. Mit anderen Worten kann auf hohe Bearbeitungsenergiedichten beziehungsweise Intensitäten des Bearbeitungsstrahls, welche zu einem Tiefschweißen führen würden, verzichtet werden. Damit führen kleine Schwankungen in der mittels des
Bearbeitungsstrahls in die zu fügenden Kupfer-Hairpins eingetragenen Energie auch nicht zu einem Zusammenbruch des Schweißvorgangs, so dass das Schweißverfahren insgesamt stabiler abläuft.
Damit kann auch auf die Ausbildung einer Dampfkapillare während des Schweißprozesses verzichtet werden beziehungsweise deren Einsatz kann deutlich reduziert werden, da der
Absorptionsgrad der Bearbeitungsstrahlen bei den vorgeschlagenen Wellenlängen in dem
Kupfermaterial der Kupfer-Hairpins deutlich ansteigt.
Bevorzugt wird der Bearbeitungsstrahl dabei auf eine Stirnfläche der zu fügenden Hairpins, also insbesondere in Längsrichtung der miteinander zu fügenden Hairpins, eingebracht. Entsprechend findet eine Wärmeleitung entlang der Längsrichtung beziehungsweise entlang der Erstreckung der jeweiligen Hairpins statt.
Der Bearbeitungsstrahl ist bevorzugt an die Geometrie der miteinander zu fügenden Hairpins angepasst. Bevorzugt sind Stirnflächen der miteinander zu fügenden Hairpins vollständig mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt.
Damit wird entsprechend die gesamte Stirnfläche der Hairpins mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt, sodass eine Wärmeleitung und damit ein Schmelzen nur noch in der verbleibenden Dimension, nämlich in der Längsrichtung der Kupfer-Hairpins, stattfinden kann. In einer bevorzugten Alternative können die Stirnflächen der miteinander zu fügenden Hairpins auch nur teilweise mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden. Dabei kann beispielsweise die in einem mittleren Bereich überhaupt nicht vom Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden, so dass die Intensität des Bearbeitungsstrahls in dem mittleren Bereich gleich 0 ist. Der mit dem
Bearbeitungsstrahl beaufschlagte Bereich der Stirnfläche ist entsprechend beispielsweise rahmenförmig oder ringförmig ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Alternative können die Stirnflächen auch mit einem
Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden, welcher in einem ersten Bereich eine erste Intensität aufweist und in einem zweiten Bereich eine zweite Intensität. In dem ersten Bereich und in dem zweiten Bereich kann auch alternativ oder zusätzlich eine Beaufschlagung der Stirnflächen mit unterschiedlichen Wellenlängen des Bearbeitungsstrahls durchgeführt werden. Mit anderen Worten können die Stirnflächen beispielsweise in einem ersten Bereich, der beispielsweise ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet ist, mit einer höheren Intensität beaufschlagt werden und in dem dann im Zentrum liegenden zweiten Bereich mit einer niedrigeren Intensität beaufschlagt werden.
Dies kann beispielsweise durch das Beaufschlagen der Stirnflächen mit dem Bearbeitungsstrahl beispielsweise mittels einer sogenannten„2 in 1“ Faser erreicht werden, welche eine Kernfaser und eine Ringfaser aufweist, in welche unterschiedliche Laserleistung eingekoppelt werden kann. So kann die Leistung in der Kernfaser reduziert werden damit der Bearbeitungsstrahl im Zentrum eine niedrigere Intensität aufweist als im Randbereich. Ist die Leistung in der Kernfaser gleich 0 und es wird nur Laserleistung in die Ringfaser eingekoppelt, so wird die Stirnfläche der Hairpins in der Mitte überhaupt nicht mit Energie beaufschlagt werden und die Intensität des Bearbeitungsstrahls in der Mitte wäre entsprechend gleich 0.
Diese vorstehend genannten Beaufschlagungen mit unterschiedlichen Intensitäten des
Bearbeitungsstrahls in der Ebene der Stirnflächen berücksichtigen insbesondere den Umstand, dass im Randbereich des Bearbeitungsstrahls, der auch auf den Randbereich des Querschnitts des Hairpins auftrifft, durch die Außenwände der Hairpins eine Wärmediffusion stattfindet, die im zentralen Bereich fehlt, da dieser vom Randbereich umschlossen ist. Entsprechend wird durch den inhomogenen Eintrag von Bearbeitungsenergie durch den Bearbeitungsstrahl dennoch eine im Wesentlichen homogene Erwärmung des Querschnitts des Hairpins erreicht.
Gemein ist den vorgenannten Verfahren, dass die Bearbeitungsenergie in die Stirnflächen der miteinander zu fügenden Kupfer-Hairpins eingebracht wird. Entsprechend findet eine im
Wesentlichen eindimensionale Wärmeleitung statt, welche sich in der Art einer abbrennenden Kerze im Wesentlichen in die Richtung ausbreitet, in welche das Material zum Fügen der miteinander zu fügenden Hairpins aufgeschmolzen werden soll. Damit kann ein kontrolliertes Aufschmelzen des entsprechend mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagen Materials der Kupfer- Hairpins so stattfinden, dass eine gute Kontrolle des Verfahrens möglich ist.
Diese gute Kontrolle ist insbesondere auch dann der Fall, wenn der Werkstoff, wie im vorliegenden Fall der Kupfer-Hairpins, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und entsprechend die Geometrie der miteinander zu fügenden Bauteile zu einer eindimensionalen Wärmeleitung führen kann, so wie dies bei einer Hairpin-Geometrie der Fall ist.
Die Einschweißtiefe wird damit auch nicht durch die verfügbare Intensität des Bearbeitungsstrahls begrenzt, sondern durch die Oberflächenspannung der flüssigen Schmelzperle. Entsprechend kann das Aufschmelzen so lange weitergeführt werden und damit das flüssige Volumen der
Schmelzperle akkumuliert werden, bis die Schmelzperle abfließt. Bevorzugt wird der
Schweißprozess aber abgebrochen, bevor ein solches Abfließen der Schmelzperle stattfindet.
Entsprechend wird ein sehr robustes Verfahren, bei welchem ein über die nacheinander gefügten Hairpin-Paarungen hinweg konstantes Schweißergebnis aufgrund der hohen Absorption des Bearbeitungsstrahls in dem Material der Kupfer-Hairpins erreicht wird, angegeben.
Die hohe Absorption führt schließlich dazu, dass nur geringe Schwankungen der eingetragenen Energie vorliegen, da Schwankungen der Oberflächenbeschaffenheit nur zu relativ geringen Schwankungen der in das Material des Hairpins eingetragenen Energie führen. Damit können Schwankungen in der Oberflächenbeschaffenheit auch nicht zu einer starken Veränderung des Schweißverfahrens führen, so dass entsprechend ein konstanteres Schweißergebnis erreicht wird. Weiterhin treten wegen des Vermeidens des Ausbildens der Dampfkapillare nahezu keine Spritzer beim Verschweißen der Hairpins auf und das Schweißergebnis hat eine geringere Neigung zur Ausbildung von Prozessporen.
Weiterhin kann aufgrund der Verwendung des oben beschriebenen Wellenlängenbereiches die Intensität des Bearbeitungsstrahles so eingestellt werden, dass eine Verdampfung nicht oder nur in einem sehr geringen Umfang auftritt. Dies ist möglich aufgrund der hohen Absorption des
Bearbeitungsstrahls in dem Kupfermaterial der Kupfer-Hairpins.
Bevorzugt werden Hairpins mit einer im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit einer Breite und einer Tiefe bereitgestellt, wobei bevorzugt eine Breite von 1 mm bis 10mm und eine Tiefe von 1 mm bis 10mm vorgesehen ist. Bevorzugt können kleine Hairpins eine Breite und/oder eine Tiefe von 0,5mm bis 1 ,5mm aufweisen, Hairpins mittlerer Größe können bevorzugt eine Breite und/oder Tiefe von 1 ,5 mm bis 6mm aufweisen und große Hairpins können eine Breite und/oder Tiefe von 6 mm bis 10mm aufweisen.
Bevorzugt werden Hairpins mit einer Beschichtung zum mechanischen und/oder chemischen Schutz und/oder zur elektrischen Isolierung bereitgestellt, wobei die Beschichtung bevorzugt in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester- Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton) vorgesehen wird.
Die oben gestellte Aufgabe wird auch durch einen Stator für einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Entsprechend wird ein Stator für einen Elektromotor mit einer aus miteinander gefügten Kupfer- Hairpins ausgebildeten Statorwicklung vorgeschlagen. Erfindungsgemäß sind die Hairpins mit dem oben beschrieben Verfahren gefügt.
Damit ist die Statorwicklung im Wesentlichen durch Wärmeleitschweißen gefügt, so dass eine größere Homogenität der einzelnen Fügestellen untereinander und eine geringere Ausbildung von Prozessporen in den Fügestellen erreicht werden kann.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende
Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht auf zwei miteinander zu fügende Kupfer-Hairpins, die mit einem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden;
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf die Stirnseiten der zwei miteinander zu fügende Kupfer- Hairpins der Figur 1 , sowie auf einen Bearbeitungsstrahl; und
Figur 3 eine weitere schematische Draufsicht auf zwei miteinander zu fügende Kupfer-Hairpins mit einem weiteren Bearbeitungsstrahl, welcher zwei unterschiedliche Intensitätsbereiche aufweist.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 sind schematisch jeweils die Enden zweier Hairpins 10,12 gezeigt, welche sich bereits in einer Fügeposition befinden. Hierzu sind in der gezeigten Ausbildung die beiden Enden der Hairpins 10,12 bereits so gekürzt und aneinander angelegt, dass ein Fügen mittels
Laserstrahlschweißens ermöglicht wird.
Stirnflächen 1 14, 124 der Enden der Hairpins 10, 12 zeigen in der Figur 1 nach oben hin auf einen Bearbeitungsstrahl 2 zu.
Um die Enden der Hairpins 10, 12 mittels Laserschweißens fügen zu können, liegen die Hairpins 10, 12 mit ihren zu fügenden Enden entsprechend zumindest in einer gemeinsam ausgebildeten Ebene 3 aneinander an, wobei der Spalt zwischen den beiden Enden der Hairpins 10, 12 möglichst gering gehalten sein soll und ein Spalt bevorzugt nicht vorhanden ist. Damit ist die in der gemeinsamen Ebene 3 vorliegende Kontaktfläche zwischen den beiden Enden der Hairpins 10, 12 möglichst groß.
Weiterhin ist es bevorzugt, einen seitlichen Versatz bezüglich der gemeinsamen Ebene 3 der beiden Enden der Hairpins 10, 12 gering zu halten oder bevorzugt zu vermeiden. Weiterhin wird bevorzugt auch ein Höhenversatz bezüglich der jeweiligen Stirnflächen 1 14, 124 der beiden Enden der Hairpins 10, 12 sehr gering gehalten oder bevorzugt vermieden und auch eine Winkelstellung zwischen den Enden der beiden Hairpins 10, 12 wird bevorzugt besonders klein gehalten oder bevorzugt vermieden.
Um vor dem eigentlichen Fügen der beiden Enden der Hairpins 10, 12 die genannte bevorzugte Ausrichtung insbesondere auch der Stirnflächen 1 14, 124 zu erreichen und während des Fügens auch so halten zu können, werden zum Zusammenfassen der Enden der Hairpins 10, 12 beispielsweise mechanische Klammern verwendet.
Die Hairpins 10, 12 weisen jeweils eine mechanisch und chemisch schützende und elektrisch isolierende Beschichtung 1 10, 120 auf, welche beispielsweise in Form einer Kunststoffbeschichtung vorgesehen sein kann. In einem vorbereiteten Bereich 1 12, 122, der die zu fügenden Enden der Hairpins 10, 12 umfasst, wird die jeweilige Beschichtung von den Hairpins 10, 12 so entfernt, dass in diesen vorbereiteten Bereichen nur das blanke Kupfermaterial ohne weitere Beschichtung verbleibt.
Damit liegt in der gemeinsam ausgebildeten Ebene 3 durch das Bereitstellen der vorbereiteten Bereiche 1 12, 122 der Enden der Hairpins 10, 12 auch das blanke Kupfermaterial der beiden Hairpins 10, 12 aneinander an. In diesem Bereich soll auch das Fügen durch Laserstrahlschweißen stattfinden, so dass das für die Verschweißung aufgeschmolzene Material dann verunreinigungsfrei vorliegt.
Die Beschichtung 1 10, 120 von den Enden der Hairpinsl O, 12 wird entfernt, um zu vermeiden, dass während des Schweißprozesses Verunreinigungen in die Schmelze eingetragen werden, welche beispielsweise zu einer undefinierbaren Festigkeit des wieder erstarrten Materials und/oder zu Fehlern im Gefüge des wieder erstarrten Materials und/oder zu Schwankungen in der Leitfähigkeit des wieder erstarrten Materials an der Fügestelle führen können. Desweiteren wird durch
Entfernung der Beschichtung 1 10, 120 die Entstehung von giftigen Dämpfen beim
Laserstrahlschweißen vermieden.
Die vorbereiteten Bereiche 1 12,122 sind so zueinander ausgerichtet, dass das Fügen der beiden Kupfer-Hairpins 10, 12 durch Laserstrahlschweißen zuverlässig ermöglicht wird.
Die Reinigung beziehungsweise das Entfernen der Beschichtung 1 10,120 von den Hairpinsl O, 12 in den vorbereiteten Bereichen 1 12,122 kann beispielsweise durch eine Laserbearbeitung oder durch bekannte mechanische oder chemische Reinigungsvorgänge durchgeführt werden, um die Hairpins 10,12 für das eigentliche Fügen vorzubereiten.
Der Prozess des Vorbereitens, Ausrichtens, Umformens und Zusammenfassens zweier Enden von Kupfer-Hairpins 10, 12 ist prinzipiell bekannt und wird hier nicht weiter spezifiziert.
In Figur 2 ist eine Draufsicht auf zwei bereits vorbereitete, zueinander ausgerichtete und zusammengefasste Hairpins 10, 12 gezeigt, welche miteinander gefügt werden sollen.
Wie aus der Draufsicht gut zu erkennen ist, weisen die Hairpins 10, 12 jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit jeweils einer Breite X und einer Tiefe Y auf. Diese
Querschnittskontur der Hairpins 10, 12 entspricht auch der Kontur der Stirnfläche 1 14, 124 der Hairpins 10, 12, die dann effektiv von dem Bearbeitungsstrahl 3 beaufschlagt wird. Entlang der Tiefenerstreckung Y (also senkrecht zur Breite X) ergibt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die gemeinsame Ebene 3, an welcher die beiden Enden der Hairpins 10, 12 aneinander anliegen.
Typische Dimensionen eines Hairpins 10, 12 sind beispielsweise eine Breite X von 1 mm bis 10mm und eine Tiefe von 1 mm bis 10mm. Bevorzugt können kleine Hairpins eine Breite und/oder eine Tiefe von 0,5mm bis 1 ,5mm aufweisen, Hairpins mittlerer Größe können bevorzugt eine Breite und/oder Tiefe von 1 ,5 mm bis 6mm aufweisen und große Hairpins können eine Breite und/oder Tiefe von 6 mm bis 10mm aufweisen. Die konkrete Dimensionierung der Kuper-Hairpins 10, 12 ergibt sich aus dem jeweiligen Anwendungsfall.
Das Basismaterial eines Kupfer-Hairpins 10, 12 ist beispielsweise Kupfer, beispielsweise sauerstofffreies Kupfer (ETP - Electrolytic-Tough-Pitch) für elektrische Anwendungen.
Die Beschichtung 1 10, 120 der Hairpins kann beispielsweise in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester-Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton) vorliegen sein, um das Basismaterial der Kupfer-Hairpins 10, 12 mechanisch und chemisch zu schützen und eine elektrische Isolierung bereit zu stellen.
Die Enden der Hairpins 10, 12, welche zum Aufbau eine Statorwicklung eines Stators für einen Elektromotor vorgesehen sind, weisen entsprechend auch diese rechteckige beziehungsweise auch quadratische Querschnittskontur auf, die entsprechend eine flächige Anlage der zu fügenden Enden der Hairpins 10, 12 in der gemeinsamen Ebene 3 ermöglicht.
Das Fügen der Kupfer-Hairpins 10, 12 kann nun mittels eines Bearbeitungstrahles 2 durchgeführt werden, welcher in den Figuren 1 und 2 schematisch angedeutet ist.
Der Bearbeitungsstrahl 2 ist, wie beispielsweise in Figur 2 zu erkennen, bevorzugt so geformt, dass er die gesamte Stirnfläche der zu fügenden Enden der Hairpins 10, 12 beaufschlagt. Die gesamte Stirnfläche ist aus den Stirnflächen 1 14, 124 der jeweiligen Enden der Kupfer-Hairpins 10, 12, welche in Figur 1 entsprechend nach oben gerichtet sind und welche in der Figur 2 in Draufsicht gezeigt sind, ausgebildet.
In einer bevorzugten Alternative, die weiter unten zur Figur 3 gezeigt, können die Stirnflächen 1 14, 124 der miteinander zu fügenden Hairpins 10, 12 auch nur teilweise mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt werden.
Bei dem Bearbeitungsstrahl 2 handelt es sich um einen Laserstrahl, mittels welchem ein Fügen der beiden Hairpins 10, 12 durch Laserstrahlschweißen erreicht werden kann.
Die Wellenlänge des hier verwendeten Bearbeitungsstrahles 2 ist kleiner als 1000 nm.
Bevorzugt ist in dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Bearbeitungsstrahl 2 ein grüner Bearbeitungsstrahl 2, der durch einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 500 nm bis 550 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 510 nm bis 520 nm, gebildet ist. Oder der Bearbeitungsstrahl 2 ist ein blauer Bearbeitungsstrahl 2, der durch einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 425 nm bis 475 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 440 nm bis 450 nm, gebildet ist.
Durch den gewählten Wellenlängenbereich des Bearbeitungsstrahls 2 wird erreicht, dass die Energie des Bearbeitungsstrahls 2 von den Hairpins 10, 12, und insbesondere von deren
Basismaterial in Form des Kupfermaterials gut absorbiert wird. Damit ist ein effizienter Eintrag von Laserenergie und damit von Wärmeenergie in die Hairpins 10, 12 möglich, so das ein
Laserstrahlschweißen mittels Wärmeleitschweißens ermöglicht ist. Durch die gesteigerte
Absorption der Energie des Bearbeitungsstrahls 2 im Kupfermaterial kann auf die Ausbildung einer Dampfkapillare verzichtet werden.
Ob es sich bei einem Schweißprozess um einen Wärmeleitprozess oder um einen
Tiefschweißprozess handelt ist maßgeblich abhängig von der Energiedichte beziehungsweise der Intensität des Bearbeitungsstrahls 2, mittels welchem die miteinander zu fügenden Kupfer-Hairpins 10, 12 beaufschlagt werden. Ein Überschreiten einer sogenannten Schwellintensität, ab welcher der Wärmeleitprozess in einen Tiefschweißprozess übergeht, soll idealerweise vermieden werden.
Jedoch ist auch die Verwendung hoher Bearbeitungsenergien denkbar, solange die
Bearbeitungsenergie großflächig verteilt wird, beispielsweise bei Hairpins, welche einen überdurchschnittlich großen Durchmesser beziehungsweise eine überdurchschnittlich große Stirnfläche 1 14, 124 aufweisen. Die erzielte Energiedichte beziehungsweise Intensität des
Bearbeitungsstrahls ist dann wegen der großen Bearbeitungsfläche wieder bevorzugt so einzustellen, dass die Schwellintensität, ab welcher der Wärmeleitprozess in einen
Tiefschweißprozess übergeht, nicht überschritten wird.
Wenn der Bearbeitungsstrahl 2 im Wesentlichen die gesamte Stirnfläche 1 14, 124 der miteinander zu fügenden Hairpins 10, 12 mit Laserenergie beaufschlagt, findet eine Wärmeleitung innerhalb der Hairpins 10, 12 von dieser Stirnfläche 1 14, 124 aus in Längsrichtung, welche durch die Längsrichtung Z in der Figur 1 angedeutet ist, statt. Entsprechend findet eine Wärmeleitung in den Hairpinsl O, 12 im Wesentlichen eindimensional statt, nämlich entlang der Längsrichtung Z, die auch die Wärmeleitrichtung ist.
Bevorzugt ist der Bearbeitungsstrahl 2 so ausgerichtet, dass er zum einen jeweils die Stirnflächen 1 14, 124 der Hairpins 10, 12 mit dem Bearbeitungsstrahl beaufschlagt. Gleichzeitig ist bevorzugt auch eine Ausrichtung des Bearbeitungsstrahles 2 so vorgesehen, dass er sich im Wesentlichen in Längsrichtung Z der Hairpins 10, 12 erstreckt. Entsprechend verbleibt eine sich durch das aufgeschmolzene Material ausbildende Schmelzperle beim Laserstrahlschweißen der Hairpins 10, 12 auch dann im Einflussbereich des Bearbeitungsstrahls 2, wenn sich die Schmelzperle in Richtung der Wärmeausbreitung, also Längsrichtung Z der Hairpins 10, 12, bewegt.
Die Ausrichtung des Querschnitts des Bearbeitungsstrahls 2 wird bevorzugt auch nach der Ausrichtung der Stirnflächen 1 14, 124 der Enden der Hairpins 10, 12 und insbesondere der Dimensionen und Drehausrichtung relativ zu der Achse des Bearbeitungsstrahls 2 ausgerichtet. Die Durchführung einer solchen Dimensionierung und Drehausrichtung des Bearbeitungsstrahls 2 ist prinzipiell bekannt, so dass hier nicht weiter darauf eingegangen wird.
In Figur 3 ist nun eine alternative Ausgestaltung des Bearbeitungsstrahls 2 gezeigt, wobei der Bearbeitungsstrahl 2 aufgeteilt ist und in einem zentralen Bereich 20 eine andere Intensität auf die Stirnfläche 1 14, 124 der Hairpinsl O, 12 aufbringt, als in dessen Randbereich 22, weicher den zentralen Bereich 20 umgibt.
Mit anderen Worten kann der zentrale Bereich 20 beispielsweise überhaupt nicht mit Intensität vom Bearbeitungsstrahl 2 beaufschlagt werden, so dass die Intensität des Bearbeitungsstrahls 2 in dem zentralen Bereich 20 gleich 0 ist. Der mit dem Bearbeitungsstrahl 2 beaufschlagte Randbereich 22 der Stirnfläche 1 14, 124 ist entsprechend beispielsweise rahmenförmig oder ringförmig ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Alternative können die Stirnflächen 1 14, 124 auch mit einem
Bearbeitungsstrahl 2 beaufschlagt werden, welcher in einem ersten Bereich 22 eine erste Intensität aufweist und in einem zweiten Bereich 20 eine zweite Intensität. In dem ersten Bereich 22 und in dem zweiten Bereich 20 kann auch alternativ oder zusätzlich eine Beaufschlagung der Stirnflächen 1 14, 124 mit unterschiedlichen Wellenlängen des Bearbeitungsstrahls 2 durchgeführt werden.
Mit anderen Worten können die Stirnflächen 1 14, 124 beispielsweise in einem ersten Bereich 22, der beispielsweise ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet ist, mit einer höheren Intensität beaufschlagt werden und in dem dann im zentralen Bereich liegenden zweiten Bereich 20 mit einer niedrigeren Intensität beaufschlagt werden.
Dies kann beispielsweise durch das Beaufschlagen der Stirnflächen 1 14, 124 mit dem
Bearbeitungsstrahl 2 beispielsweise mittels einer sogenannten„2 in 1“ Faser erreicht werden, welche eine Kernfaser und eine Ringfaser aufweist, in welche unterschiedliche Laserleistung eingekoppelt werden kann. So kann die Leistung in der Kernfaser reduziert werden damit der Bearbeitungsstrahl im Zentrum eine niedrigere Intensität aufweist als im Randbereich. Ist die Leistung in der Kernfaser gleich 0 und es wird nur Laserleistung in die Ringfaser eingekoppelt, so wird die Stirnfläche 1 14, 124 der Hairpins 10, 12 in der Mitte überhaupt nicht mit Energie beaufschlagt werden und die Intensität des Bearbeitungsstrahls 2 in der Mitte wäre entsprechend gleich 0.
Diese vorstehend genannten Beaufschlagungen mit unterschiedlichen Intensitäten des
Bearbeitungsstrahls 2 in der Ebene der Stirnflächen 114, 124 berücksichtigen insbesondere den Umstand, dass im Randbereich des Bearbeitungsstrahls 2, der auch auf den Randbereich des Querschnitts des Hairpins 10, 12 auftrifft, durch die Außenwände der Hairpins eine Wärmediffusion stattfindet, die im zentralen Bereich fehlt, da dieser vom Randbereich umschlossen ist.
Entsprechend wird durch den inhomogenen Eintrag von Bearbeitungsenergie durch den
Bearbeitungsstrahl 2 dennoch eine im Wesentlichen homogene Erwärmung des Querschnitts des Hairpins 10, 12 erreicht.
Da der Bearbeitungsstrahl 2 auf die Stirnfläche 114, 124 der Hairpins 10, 12 auftrifft und auch in der Längsrichtung Z der Hairpins 10, 12 ausgerichtet ist, ergibt sich im Prinzip eine eindimensionale Wärmeleitung und damit auch eine Erstreckung der Wärmeleitung in Richtung der Einschweißtiefe. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit einer quasi unendlichen Einschweißtiefe in den Hairpins 10, 12, welche theoretisch nur durch die Ausdehnung der Hairpins 10, 12 in der Längsrichtung Z begrenzt ist.
In der Praxis wird jedoch eine deutlich begrenztere Einschweißtiefe angestrebt, welche eine Schmelzperle ergibt, die noch keine Bestrebungen zum Abfließen aufweist, um eine unkontrollierte Verteilung des aufgeschmolzenen Materials zu vermeiden. Mit anderen Worten wird die
Einschweißtiefe durch die Oberflächenspannung der Schmelze begrenzt, da ein Abfließen des aufgeschmolzenen Materials der Schmelzperle unerwünscht ist.
Weiterhin kann auf diese Weise sowohl eine mechanisch als auch elektrisch zuverlässige
Verbindung der beiden Hairpins 10, 12 hergestellt werden, um auf diese Weise ein mechanisch und elektrisch zuverlässiges Fügen der Hairpins 10, 12 zu erreichen und so eine zuverlässige
Ausbildung einer Statorwicklung eines Stators für einen Elektromotor bereit zu stellen.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Bezuqszeichenliste
10 Kupfer-Hairpin
12 Kupfer-Hairpin
1 10 Beschichtung
1 12 vorbereiteter Bereich
1 14 Stirnfläche
120 Beschichtung
122 vorbereiteter Bereich
124 Stirnfläche
2 Bearbeitungsstrahl
20 zentraler Bereich
22 Randbereich
3 gemeinsame Ebene X Breite des Hairpins
Y Tiefe des Hairpins
Z Längsrichtung des Hairpins

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Fügen von Kupfer-Hairpins (10, 12), umfassend das Bereitstellen von
mindestens zwei miteinander zu fügenden Enden der Kupfer-Hairpins (10, 12), und das Fügen der zu fügenden Kupfer-Hairpins (10, 12) durch Laserstrahlschweißen mit einem Bearbeitungsstrahl (2) mit einer Wellenlänge kleiner als 1000 nm.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsstrahl (2) ein grüner Bearbeitungsstrahl, insbesondere ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 500nm bis 550nm bevorzugt mit einer Wellenlänge von 51 Onm bis 520nm, oder ein blauer Bearbeitungsstrahl, insbesondere ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 425nm bis475nm, bevorzugt mit einer Wellenlänge von 440nm bis 450nm, verwendet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Kupfer-Hairpins (10, 12) mittels Wärmeleitschweißen miteinander verschweißt werden und bevorzugt die Intensität des Bearbeitungsstrahls so gewählt wird, dass ein Tiefschweißen und/oder die Ausbildung einer Dampfkapillare im Wesentlichen vermieden wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) die Stirnflächen (1 14, 124) der zu fügenden Hairpins (10, 12) beaufschlagt und bevorzugt in Längsrichtung (Z) der Hairpins (10, 12) strahlt.
5. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) so geformt ist, dass er die Querschnittsgeometrie der Hairpins (10, 12) an deren Stirnseite (1 14, 124) aufnimmt und bevorzugt der Querschnitt des Bearbeitungsstrahls (2) die Stirnfläche (1 14, 124) der Hairpins (10, 12) vollständig beaufschlagt.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) so geformt ist, dass er die Querschnittsgeometrie der Hairpins (10, 12) an deren Stirnseite (1 14, 124) mit mindestens zwei unterschiedlichen Intensitäten beaufschlagt, bevorzugt in einer ersten Intensität in einem ersten Bereich (22) der Stirnseite (1 14, 124) und einer zweiten Intensität in einem zweiten Bereich (20) der Stirnseite (124).
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) so ausgebildet ist, dass er in seinem Zentrum (20) eine andere Intensität aufweist, als in seinem Randbereich (22).
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsstrahl (2) über eine Kernfaser und eine Ringfaser, in welche unterschiedliche Intensitäten und/oder unterschiedliche Wellenlängen eingekoppelt sind, bereitgestellt wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Bearbeitungsstrahls (2) so gewählt ist, dass eine Verdampfung des Materials der Kupfer-Hairpins (10, 12) nicht auftritt oder im Wesentlichen nicht auftritt.
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hairpins (10, 12) mit einer im Wesentlichen rechteckige Querschnittskontur mit einer Breite (X) und einer Tiefe (Y) bereitgestellt werden, wobei bevorzugt eine Breite (X) von 1 mm bis 10mm und eine Tiefe (Y) von 1 mm bis 10mm vorgesehen ist, bevorzugt mit einer eine
Breite und/oder einer Tiefe von 0,5mm bis 1 ,5mm oder bevorzugt mit einer Breite und/oder Tiefe von 1 ,5 mm bis 6mm oder bevorzugt mit einer Breite und/oder Tiefe von 6 mm bis 10mm.
1 1 . Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hairpins (30, 32) mit einer Beschichtung (304, 324) zum mechanischen und/oder chemischen Schutz und/oder zur elektrischen Isolierung bereitgestellt werden, wobei die Beschichtung bevorzugt in Form einer Beschichtung aus PAI (Poliamid-Imid), PEEK (Polyether Ether Keton), PEI (Polyester-Imid) oder PI (Polyimid wie beispielsweise Kapton) vorgesehen wird.
12. Stator für einen Elektromotor mit einer aus miteinander gefügten Kupfer-Hairpins (10, 12) ausgebildeten Statorwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Hairpins (10, 12) mit dem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche gefügt sind.
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