WO2023282222A1 - レーザ溶接方法 - Google Patents

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WO2023282222A1
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wires
rectangular
flat
wire
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Inventor
修己 大串
睦裕 中澤
Original Assignee
川崎重工業株式会社
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding

Definitions

  • the present invention mainly relates to a method of welding rectangular wires using a laser.
  • Patent Literature 1 discloses a method of welding flat wires.
  • Patent Document 1 after the end side surfaces of two flat wire conductors are butted together, the end face of the first flat wire is irradiated with a laser. At that time, the laser is scanned in a loop to form a molten pool. After that, the loop diameter of the locus of the laser is increased so that the molten pool reaches the abutting surfaces of the first flat wire and the second flat wire.
  • the molten pool formed in the first rectangular wire is larger than the molten pool formed in the second rectangular wire. In other words, the two rectangular wires are not evenly heated.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its main purpose is to provide a method for welding two rectangular wires by heating them evenly using a laser. .
  • the laser welding method includes a preparation process and a welding process.
  • the preparation step the side surfaces of the longitudinal ends of the two conductors of flat wire are brought together.
  • a region including the boundary between the end faces of the conductors of the two flat wires is irradiated with a pulse laser to weld the flat wires.
  • the pulsed laser is applied to the end surface of the rectangular wire after passing through the transmission optical system.
  • the transmission optical system is rotatable, and the irradiation position of the pulse laser on the end surface changes in the first direction according to the rotational phase of the transmission optical system.
  • the flat wires are welded by irradiating the pulse laser to a region including the boundary between the end faces so that the first direction is parallel to the long sides of the end faces of the flat wires. .
  • welding is performed by scanning the pulse laser in a direction parallel to the long side of the end face of the rectangular wire, so that the two rectangular wires can be evenly heated using the laser.
  • FIG. 2 is a plan view of the optical scanning device;
  • FIG. FIG. 2 is a side view of the optical scanning device;
  • FIG. 10 is a diagram showing that the path of a laser beam is changed by passing through a translucent member;
  • FIG. 2 is a plan view showing how an optical scanning device scans a laser in a first direction;
  • FIG. 4 is a side view showing how the optical scanning device scans the laser in the second direction;
  • FIG. 5 is a diagram showing that the range of the melted portion of the flat wire differs between the conventional technology and the present embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram showing that the range of the melted portion of the flat wire differs between the conventional technology and the present embodiment;
  • FIG. 11 is a plan view showing how the optical scanning device according to the second embodiment scans the laser in the first direction;
  • FIG. 11 is a side view showing how the optical scanning device according to the second embodiment scans the laser in the second direction;
  • FIG. 4 is a plan view showing how a flat wire is welded while moving the processing head in a direction parallel to the long side direction of the flat wire.
  • FIG. 4 is a plan view showing how a flat wire is welded while moving a processing head in a direction parallel to the short side direction of the flat wire.
  • FIG. 1 is a perspective view of a laser processing apparatus 1.
  • FIG. The laser processing apparatus 1 is used for welding flat wires 90 .
  • a rectangular wire 90 is an electric wire in which an insulating coating 92 is formed around a conductor 91 having a rectangular cross section.
  • the rectangular wire 90 is used for a segment coil for a motor or the like, it is necessary to weld the ends of the rectangular wire 90 to each other.
  • the insulating coating 92 at the ends of the two flat wires 90 is peeled off, and the side surfaces of the ends of the conductors 91 of the two flat wires 90 are brought together.
  • the conductors 91 are welded by irradiating the end faces of the conductors 91 of the two rectangular wires 90 (particularly, the region including the boundary between the two conductors 91) with a laser.
  • the laser processing device 1 includes a laser generator 11, a support member 12, and a processing head 13.
  • the laser generator 11 generates a pulse laser with a short time interval by pulse oscillation.
  • the time interval of the pulsed laser is not particularly limited, but the laser generator 11 generates the pulsed laser at short time intervals such as nanosecond order, picosecond order, or femtosecond order.
  • the "pulse laser” generated by the laser generator 11 is simply referred to as "laser”.
  • the support member 12 supports the processing head 13.
  • a plurality of optical components (mirrors, prisms, etc.) for guiding the laser generated by the laser generator 11 to the processing head 13 are arranged inside the support member 12 .
  • an optical fiber may be used to guide the laser from the laser generator 11 to the processing head 13 .
  • the processing head 13 irradiates the rectangular wire 90 with laser generated by the laser generator 11 and transmitted through the support member 12 .
  • the processing head 13 is provided with an optical scanning device 14 .
  • the processing head 13 of this embodiment is of a fixed type, and is configured to perform welding with respect to the rectangular wire 90 without moving. Instead of this configuration, the processing head 13 may be configured to perform welding while moving with respect to the rectangular wire 90 (details will be described later). Alternatively, welding may be performed by moving the rectangular wire 90 while the processing head 13 is fixed.
  • the optical scanning device 14 includes a condensing member 21, a reflecting member 22, an electric motor 23, a rotary table 24, and a transmission optical system 30.
  • the condensing member 21 is a condensing lens that condenses the laser.
  • the condensing member 21 is not limited to a condensing lens, and may be, for example, a parabolic mirror.
  • the reflecting member 22 is a mirror or prism that reflects the laser.
  • the reflecting member 22 changes the traveling direction of the laser by reflecting the laser condensed by the condensing member 21 .
  • the laser reflected by the reflecting member 22 is directed toward the transmission optical system 30 .
  • the electric motor 23 generates rotational driving force.
  • a rotational driving force generated by the electric motor 23 is transmitted to the rotary table 24 .
  • the rotary table 24 rotates around the rotation axis 81 .
  • the condensing member 21 and the reflecting member 22 are rotatable relative to the rotary table 24, and the condensing member 21 and the reflecting member 22 do not rotate even when the rotary table 24 rotates.
  • a transmissive optical system 30 is provided on the rotary table 24 . As the rotary table 24 rotates, the transmissive optical system 30 also rotates integrally with the rotary table 24 .
  • the transmissive optical system 30 is composed of a plurality of translucent members that transmit laser light.
  • the transmission optical system 30 includes a first light-transmitting member 31, a second light-transmitting member 32, a third light-transmitting member 33, a fourth light-transmitting member 34, and a fifth light-transmitting member 35. , and a sixth translucent member 36 .
  • the first to sixth light-transmitting members 31 to 36 of the present embodiment are plate-shaped members having a constant thickness, and are arranged side by side so as to form a polygon (a regular hexagon in the present embodiment). .
  • the laser processing apparatus 1 uses this principle to scan the laser.
  • the translucent member has an incident surface on which the laser is incident and an output surface from which the laser is emitted.
  • the incident surface and the exit surface of the translucent member are parallel. Further, when the incident surface and the reflecting surface of the translucent member are perpendicular to the laser, the path of the laser does not change, and when the incident surface and the reflecting surface of the translucent member are not perpendicular to the laser The laser path changes.
  • the laser When the laser is incident on the translucent member, the laser is refracted. Specifically, the refraction angle ⁇ 2 has a value different from the incident angle ⁇ 1.
  • the relationship between the incident angle ⁇ 1 and the refraction angle ⁇ 2 depends on the ratio of the refractive index of the atmosphere and the refractive index of the translucent member.
  • the laser is refracted when the laser is emitted from the translucent member to the outside. Since the incident surface and the emitting surface of the light-transmitting member are parallel, the direction of the laser incident on the light-transmitting member and the direction of the laser emitted from the light-transmitting member are parallel. However, the position of the laser incident on the light-transmitting member and the position of the laser emitted from the light-transmitting member differ by a distance D.
  • the distance D depends on the angle of the light-transmitting member with respect to the laser, the thickness of the light-transmitting member, and the ratio of the refractive index of the air to the refractive index of the light-transmitting member. In this embodiment, since the ratio of the thickness of the transparent member to the refractive index is constant, the distance D changes according to the angle of the transparent member with respect to the laser.
  • the first to sixth light-transmitting members 31 to 36 of this embodiment are fixed to the rotary table 24 . Therefore, by rotating the rotary table 24, the first to sixth light transmitting members 31 to 36 can be rotated.
  • the angle of the first light-transmitting member 31 with respect to the laser is changes.
  • the distance D changes according to the rotational phase of the first translucent member 31 (transmissive optical system 30). That is, the laser is scanned by rotating the transmission optical system 30 while irradiating the laser.
  • the direction of the laser at this time is hereinafter referred to as the "first direction".
  • the optical scanning device 14 of the present embodiment also scans the laser in a direction (second direction) orthogonal to the first direction.
  • the first light-transmitting member 31 and the fourth light-transmitting member 34 stand upright with respect to the rotary table 24, while the second light-transmitting member 32 and the fifth light-transmitting member 35 are located inside ( 81 side), and the third light-transmitting member 33 and the sixth light-transmitting member 36 are tilted outward.
  • the angle of the light-transmitting member with respect to the laser is changed by switching the light-transmitting member through which the laser is transmitted.
  • the distance D in the second direction is changed by switching the translucent member through which the laser is transmitted.
  • the optical scanning device 14 scans the laser also in the second direction.
  • the irradiation position of the laser changes in the first direction (scanning is performed in the first direction). Then, when the rotation of the rotary table 24 progresses and the laser beam passes through the next translucent member, the laser irradiation position moves in the second direction (scanning is performed in the second direction).
  • FIG. 7 schematically shows the order in which the conductors 91 of the rectangular wire 90 are irradiated with the laser.
  • the laser marks are adjacent to each other in order to make it easier to see the order of laser irradiation, but the laser marks actually overlap each other.
  • the number of times of laser irradiation in the first direction is 10, but in reality, there is a high possibility that the number of times of irradiation will be more than that.
  • three rows of lasers are emitted in the second direction, but in reality, there is a high possibility that four or more rows of lasers are emitted.
  • the first direction is parallel to the long side of the cross section (rectangular shape) of the conductor 91 of the rectangular wire 90 .
  • the first direction is parallel to the line (boundary line) drawn by the boundary between the conductors 91 of the two rectangular wires 90 .
  • a region including the boundary of the end faces of the conductors 91 of the two flat wires 90 is irradiated with a laser and scanned in the first direction, thereby welding the conductors 91 of the two flat wires 90 together. Since the beam diameter of the laser in this embodiment is small, the laser is scanned not only in the first direction but also in the second direction.
  • a preparatory step is performed in which the side surfaces of the longitudinal end portions of the conductors 91 of the two rectangular wires 90 are brought together.
  • the end face of the conductor 91 of one of the rectangular wires 90 is irradiated with a laser, and the laser is scanned in a loop to form a molten pool.
  • the diameter of the trajectory of the laser is increased so that the molten pool reaches a region including the boundary between the conductors 91 of the two rectangular wires 90 .
  • the conductor 91 of one flat wire 90 is heated intensively, the conductors 91 of the two flat wires 90 are not evenly heated. Specifically, as shown in the lower diagram of FIG. 8, the melted portion of the conductor 91 of the flat wire 90 that was irradiated with the laser first is smaller than the melted portion of the conductor 91 of the other flat wire 90. .
  • a preparatory step is performed in which the side surfaces of the longitudinal ends of the conductors 91 of the two flat wires 90 are brought together.
  • a welding process is performed in which a region including the boundary between the end faces of the conductors 91 of the two flat wires 90 is irradiated with a laser to weld the flat wires 90 together.
  • the laser is scanned along the long side of the conductor 91, as shown in FIGS. Therefore, as shown in the lower diagram of FIG. 8, the conductors 91 of the two rectangular wires 90 can be evenly melted.
  • the laser irradiation program tends to be complicated.
  • the processing head 13 if the shape and orientation of the transmission optical system 30 are determined so that the laser is irradiated in a range suitable for welding between the flat wires 90, then the processing head 13 The two flat wires 90 can be properly welded only by arranging the flat wire 90 at an appropriate position.
  • FIG. 9 the optical scanning device 14 of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
  • the optical scanning device 14 of the second embodiment includes a condensing member 21, a rotary table 24, and a translucent member 37.
  • the translucent member 37 has a hexagonal shape.
  • the translucent member 37 is fixed to the rotary table 24 .
  • the light-transmitting member 37 is fixed to the turntable 24 so that the center of the light-transmitting member 37 and the center of the turntable 24 (that is, the rotation axis 81) are aligned.
  • the translucent member 37 is rotated.
  • the condensing member 21 does not rotate.
  • the incident surface of the translucent member 37 on which the laser (bold line) is incident and the emission surface from which the laser is emitted from the translucent member 37 are parallel. Also, the incident angle of the laser changes according to the rotational phase of the translucent member 37 . Therefore, according to the principle explained with reference to FIG. Thus, the laser is scanned in the first direction also in the second embodiment.
  • the optical scanning device 14 of the second embodiment can also scan the laser in the second direction.
  • a configuration for scanning the laser in the second direction will be described with reference to FIG.
  • FIG. 10 shows three sets of perspective views and side views showing how the laser is transmitted through the translucent member 37 .
  • the translucent member 37 has a first side surface 37a, a second side surface 37b, a third side surface 37c, a fourth side surface 37d, a fifth side surface 37e, and a sixth side surface 37f.
  • the first side 37a and the fourth side 37d are positioned to face each other
  • the second side 37b and the fifth side 37e are positioned to face each other
  • the third side 37c and the sixth side 37f are positioned to face each other. are doing.
  • the top perspective view and side view of FIG. 10 show how the laser is incident on the first side surface 37a and emitted from the fourth side surface 37d.
  • the first side surface 37a and the fourth side surface 37d are upright with respect to the rotary table 24.
  • the position of the laser in the second direction does not change.
  • the position of the laser in the second direction does not change.
  • the central perspective view and side view of FIG. 10 show how the laser is incident on the second side surface 37b and emitted from the fifth side surface 37e.
  • the second side surface 37b and the fifth side surface 37e are inclined with respect to the normal to the rotary table 24 toward the downstream side of the laser.
  • the second side 37b and the fifth side 37e are not orthogonal to the laser. Therefore, when the laser is incident on the second side surface 37b and emitted from the fifth side surface 37e, the position of the laser in the second direction changes (more specifically, it changes toward the turntable 24). Similarly, when the laser is incident on the fifth side surface 37e and emitted from the second side surface 37b, the position of the laser in the second direction changes.
  • the bottom perspective view and side view of FIG. 10 show how the laser is incident on the third side surface 37c and emitted from the sixth side surface 37f.
  • the direction of inclination of the third side surface 37c and the sixth side surface 37f is opposite to that of the second side surface 37b and the fifth side surface 37e. Therefore, when the laser is incident on the third side surface 37c or the sixth side surface 37f, the position of the laser in the second direction changes (more specifically, it changes to the side away from the rotary table 24).
  • the irradiation position of the laser changes in the first direction (scanning is performed in the first direction). Then, when the laser is transmitted through the next surface of the translucent member 37, the irradiation position of the laser moves in the second direction (scanning is performed in the second direction). Therefore, in the second embodiment as well, laser scanning can be performed in the same manner as in the first embodiment.
  • FIG. 11 a method of welding the flat wire 90 while moving the processing head 13 will be described with reference to FIGS. 11 and 12.
  • FIG. 11 shows a situation in which the rectangular wire 90 is welded while moving the processing head 13 in a direction parallel to the long side of the rectangular wire 90 .
  • the length over which the optical scanning device 14 scans the laser in the first direction can be made smaller than the length of the long side of the rectangular wire 90 .
  • FIG. 12 shows a situation in which the rectangular wire 90 is welded while moving the processing head 13 in a direction parallel to the short side of the rectangular wire 90 .
  • the laser processing apparatus 1 moves the processing head 13 in the first direction with respect to the flat wire 90 .
  • the laser processing apparatus 1 welds the rectangular wire 90 while moving the processing head 13 again in a direction parallel to the short side of the rectangular wire 90 .
  • the flat wires 90 can be appropriately welded to each other even if there is a gap at the boundary between the flat wires 90 to be welded.
  • the laser welding method of this embodiment includes a preparation process and a welding process.
  • the preparation step the side surfaces of the longitudinal ends of the conductors 91 of the two rectangular wires 90 are brought together.
  • a region including the boundary between the end surfaces of the conductors 91 of the two flat wires 90 is irradiated with a laser to weld the flat wires 90 together.
  • the end face of the rectangular wire 90 is irradiated with the laser after passing through the transmission optical system 30 .
  • the transmission optical system 30 is rotatable, and according to the rotational phase of the transmission optical system 30, the irradiation position of the laser on the end face changes in the first direction.
  • the first direction is parallel to the long sides of the end faces of the rectangular wire 90, and the region including the boundary between the end faces of the conductors 91 of the rectangular wire 90 is irradiated with a pulsed laser beam so that the rectangular wires 90 are welded together. Weld.
  • welding is performed by scanning the laser in a direction parallel to the long side of the end surface of the rectangular wire 90, so that the two rectangular wires 90 can be evenly heated using the laser.
  • the laser irradiation position of the flat wire 90 on the end face of the conductor 91 also changes in the second direction perpendicular to the first direction on the end face.
  • the laser can be irradiated not only on the boundary between the conductors 91 of the two rectangular wires 90 but also on the periphery, so that the rectangular wires 90 can be welded together more appropriately.
  • laser is emitted from the processing head 13 toward the conductor 91 of the rectangular wire 90 .
  • the welding of the rectangular wires 90 is completed while the relative positions of the processing head 13 and the rectangular wire 90 are fixed.
  • laser is emitted from the processing head 13 toward the conductor 91 of the rectangular wire 90 .
  • the processing head 13 is moved relative to the flat wire 90 in a direction parallel to the long side of the flat wire 90 or in a direction parallel to the short side of the flat wire 90 while irradiating the pulse laser. Weld flat wires together.
  • rectangular wires can be welded together even if the laser scanning range is smaller than that of rectangular wires.
  • the structure for scanning the laser in the first direction is an example, and an optical scanning device other than the structure described above may be used.
  • the optical scanning device 14 scans the laser in the first direction and the second direction.
  • the optical scanning device 14 may be configured to scan the laser only in the first direction.

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Abstract

レーザ溶接方法は、準備工程と、溶接工程と、を含む。準備工程では、２つの平角線（９０）の導体（９１）の長手方向の端部の側面同士を合わせる。溶接工程では、２つの平角線（９０）の導体（９１）の端面同士の境界を含む領域にレーザを照射して平角線（９０）同士を溶接する。レーザは、透過光学系を透過した後に平角線（９０）の端面に照射される。透過光学系は回転可能であり、透過光学系の回転位相に応じて、レーザの端面への照射位置が第１方向に変化する。溶接工程では、第１方向が平角線（９０）の端面の長辺と平行になるようにして、パルスレーザを平角線（９０）の導体（９１）の端面同士の境界を含む領域に照射して平角線（９０）同士を溶接する。

Description

レーザ溶接方法
　本発明は、主として、レーザを用いて平角線を溶接する方法に関する。
　近年では、例えばモータ等の電気機器において、平角線が用いられている。平角電線は、断面が矩形状の導体の周りに絶縁被覆を形成した電線である。平角線は、断面が円状の電線と比較して占積率が高いので、装置の小型化又は高出力化を実現できる。平角線をセグメントコイルとして用いる場合、平角線の端部同士を溶接する必要がある。特許文献１は、平角線同士を溶接する方法を開示する。
　特許文献１では、初めに２つの平角線の導体の端部側面を突き合わせた後に、第１の平角線の端面にレーザを照射する。その際、レーザをループ状に走査して溶融池を形成する。その後、レーザの軌跡のループ径を大きくしていき、溶融池を第１の平角線と第２の平角線の突合せ面に到達させる。
特許第６５９３２８０号公報
　しかし、特許文献１の溶接方法では、第１の平角線に形成される溶融池が、第２の平角線に形成される溶融池よりも大きくなる。つまり、２つの平角線が均等に加熱されない。
　本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、２つの平角線をレーザを用いて均等に加熱して、２つの平角線を溶接する方法を提供することにある。
　本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
　本発明の観点によれば、以下のレーザ溶接方法が提供される。即ち、レーザ溶接方法は、準備工程と、溶接工程と、を含む。前記準備工程では、２つの平角線の導体の長手方向の端部の側面同士を合わせる。前記溶接工程では、２つの前記平角線の導体の端面同士の境界を含む領域にパルスレーザを照射して前記平角線同士を溶接する。前記パルスレーザは、透過光学系を透過した後に前記平角線の前記端面に照射される。前記透過光学系は回転可能であり、当該透過光学系の回転位相に応じて、前記パルスレーザの前記端面への照射位置が第１方向に変化する。前記溶接工程では、前記第１方向が前記平角線の前記端面の長辺と平行になるようにして、前記パルスレーザを前記端面同士の境界を含む領域に照射して前記平角線同士を溶接する。
　これにより、平角線の端面の長辺と平行な方向にパルスレーザを走査して溶接を行うため、２つの平角線をレーザを用いて均等に加熱できる。
　本発明によれば、２つの平角線をレーザを用いて均等に加熱して、２つの平角線を溶接する方法を提供できる。
第１実施形態のレーザ加工装置の斜視図。 光走査装置の平面図。 光走査装置の側面図。 透光部材を透過することでレーザの進路が変化することを示す図。 光走査装置がレーザを第１方向に走査する様子を示す平面図。 光走査装置がレーザを第２方向に走査する様子を示す側面図。 平角線に照射されたレーザ痕を模式的に示す図。 従来技術と本実施形態において、平角線の溶融部分の範囲が異なることを示す図。 第２実施形態の光走査装置がレーザを第１方向に走査する様子を示す平面図。 第２実施形態の光走査装置がレーザを第２方向に走査する様子を示す側面図。 加工ヘッドを平角線の長辺方向に平行な方向に移動させながら平角線を溶接する様子を示す平面図。 加工ヘッドを平角線の短辺方向に平行な方向に移動させながら平角線を溶接する様子を示す平面図。
　次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。初めに、図１を参照して、レーザ加工装置１の構成を説明する。図１は、レーザ加工装置１の斜視図である。レーザ加工装置１は、平角線９０を溶接するために用いられる。
　平角線９０は、断面が矩形状の導体９１の周りに絶縁被覆９２を形成した電線である。平角線９０をモータ用のセグメントコイル等に用いる場合、平角線９０の端部同士を溶接する必要がある。具体的には、図１に示すように、２つの平角線９０の端部の絶縁被覆９２を剥離し、２つの平角線９０の導体９１の端部の側面同士を合わせる。その状態で、２つの平角線９０の導体９１の端面（特に、２つの導体９１の境界を含む領域）にレーザを照射することにより、導体９１を溶接する。
　図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発生器１１と、支持部材１２と、加工ヘッド１３と、を備える。
　レーザ発生器１１は、パルス発振により時間間隔が短いパルスレーザを発生させる。パルスレーザの時間間隔は特に限定されないが、レーザ発生器１１は、例えばナノ秒オーダー、ピコ秒オーダー、又はフェムト秒オーダー等の短い時間間隔でパルスレーザを発生させる。以下の説明では、レーザ発生器１１が発生させる「パルスレーザ」を単に「レーザ」と称する。
　支持部材１２は、加工ヘッド１３を支持する。支持部材１２の内部には、レーザ発生器１１が発生させたレーザを加工ヘッド１３まで導くための複数の光学部品（ミラー又はプリズム等）が配置されている。複数の光学部品を用いる構成に代えて、光ファイバーを用いて、レーザ発生器１１から加工ヘッド１３までレーザを導いてもよい。
　加工ヘッド１３は、レーザ発生器１１が発生させて支持部材１２内を透過したレーザを平角線９０に照射する。加工ヘッド１３には、光走査装置１４が設けられている。本実施形態の加工ヘッド１３は、固定式であり、平角線９０に対して移動せずに溶接を行う構成である。この構成に代えて、加工ヘッド１３は、平角線９０に対して移動しながら溶接を行う構成であってもよい（詳細は後述）。あるいは、加工ヘッド１３を固定した状態で平角線９０を移動させて溶接を行ってもよい。
　図２及び図３に示すように光走査装置１４は、集光部材２１と、反射部材２２と、電動モータ２３と、回転テーブル２４と、透過光学系３０と、を備える。
　集光部材２１はレーザを集光する集光レンズである。集光部材２１は、集光レンズに限られず、例えば放物面鏡であってもよい。反射部材２２は、レーザを反射するミラー又はプリズムである。反射部材２２は、集光部材２１で集光されたレーザを反射することにより、レーザの進行方向を変化させる。反射部材２２によって反射されたレーザは、透過光学系３０へ向かう。
　電動モータ２３は、回転駆動力を発生させる。電動モータ２３が発生させた回転駆動力は回転テーブル２４に伝達される。これにより、回転テーブル２４は、回転軸線８１を中心にして回転する。なお、集光部材２１及び反射部材２２は、回転テーブル２４に対して相対回転可能であり、回転テーブル２４が回転しても集光部材２１及び反射部材２２は回転しない。
　回転テーブル２４には、透過光学系３０が設けられている。回転テーブル２４が回転することにより、回転テーブル２４と一体的に透過光学系３０も回転する。透過光学系３０は、レーザを透過させる複数の透光部材で構成されている。具体的には、透過光学系３０は、第１透光部材３１と、第２透光部材３２と、第３透光部材３３と、第４透光部材３４と、第５透光部材３５と、第６透光部材３６と、を備える。本実施形態の第１透光部材３１～第６透光部材３６は、厚さが一定の板状の部材であり、多角形（本実施形態では正六角形）となるように並べて配置されている。
　レーザが透光部材を透過することにより、レーザの進路が変化する（オフセットする）。レーザ加工装置１は、この原理を利用して、レーザを走査する。以下、図４を参照して、レーザの進路が変化する原理を説明する。透光部材は、レーザが入射する入射面と、レーザが出射する出射面と、を有する。透光部材の入射面と出射面は平行である。また、透光部材の入射面及び反射面がレーザに対して直交している場合はレーザの進路が変化せず、透光部材の入射面及び反射面がレーザに対して直交していない場合はレーザの進路が変化する。
　レーザが透光部材に入射すると、レーザが屈折する。具体的には、屈折角θ２が入射角θ１とは異なる値になる。入射角θ１と屈折角θ２の関係は、大気中の屈折率と透光部材の屈折率の比率に依存する。また、レーザが透光部材から外側に出射する際にもレーザが屈折する。透光部材の入射面と出射面が平行であるため、透光部材に入射するレーザの向きと、透光部材から出射するレーザの向きと、は平行である。しかし、透光部材に入射するレーザの位置と、透光部材から出射するレーザの位置と、は距離Ｄだけ異なる。
　距離Ｄは、レーザに対する透光部材の角度と、透光部材の厚さと、大気中の屈折率と透光部材の屈折率の比率と、に依存する。本実施形態では、透光部材の厚さと屈折率の比率は一定であるため、レーザに対する透光部材の角度に応じて、距離Ｄが変化する。
　本実施形態の第１透光部材３１～第６透光部材３６は回転テーブル２４に固定されている。従って、回転テーブル２４を回転させることにより、第１透光部材３１～第６透光部材３６を回転させることができる。例えばレーザが第１透光部材３１を透過する場合、図５に示すように、第１透光部材３１（透過光学系３０）の回転位相に応じて、レーザに対する第１透光部材３１の角度が変化する。その結果、上述した原理により、第１透光部材３１（透過光学系３０）の回転位相に応じて、上述した距離Ｄが変化する。つまり、レーザを照射しながら透過光学系３０を回転させることにより、レーザが走査される。このときのレーザの方向を以下では「第１方向」と称する。
　本実施形態の光走査装置１４は、同様の原理を用いて、第１方向に直交する方向（第２方向）に対してもレーザを走査する。図６に示すように、第１透光部材３１及び第４透光部材３４は、回転テーブル２４に対して直立しているが、第２透光部材３２及び第５透光部材３５は内側（回転軸線８１側）に傾斜しており、第３透光部材３３及び第６透光部材３６は外側に傾斜している。言い換えれば、レーザが透過する透光部材が切り替わることにより、レーザに対する透光部材の角度が変化する。その結果、レーザが透過する透光部材が切り替わることにより、第２方向における距離Ｄが変化する。以上により、光走査装置１４は、第２方向に対してもレーザを走査する。
　総括すると、レーザが１つの透光部材を透過する間は、レーザの照射位置が第１方向に変化する（第１方向に走査される）。そして、回転テーブル２４の回転が進行してレーザが次の透光部材を透過するようになると、レーザの照射位置が第２方向に移動する（第２方向に走査される）。
　図７には、平角線９０の導体９１にレーザが照射される順番が模式的に示されている。図７ではレーザの照射順を見易くするために、レーザ痕同士を隣接させているが、実際はレーザ痕同士が重なり合う。また、図７では、第１方向のレーザの照射回数が１０回であるが、実際はそれ以上の回数を照射する可能性が高い。図７では、第２方向に３列のレーザが照射されるが、実際は４列以上レーザを照射する可能性が高い。
　次に、図７及び図８を参照して、従来技術と本実施形態の溶接方法を比較して説明する。図７に示すように、第１方向は、平角線９０の導体９１の断面（矩形形状）の長辺と平行である。言い換えれば、第１方向は、２つの平角線９０の導体９１の境界が描く線（境界線）と平行である。２つの平角線９０の導体９１の端面の境界を含む領域にレーザが照射され、第１方向に走査されることにより、２つの平角線９０の導体９１同士が溶接される。なお、本実施形態のレーザのビーム径は小さいため、第１方向に加え、第２方向にもレーザが走査される。
　従来技術の方法では、初めに、２つの平角線９０の導体９１の長手方向の端部の側面同士を合わせる準備工程を行う。次に、図８に示すように、一方の平角線９０の導体９１の端面にレーザを照射して、レーザをループ状に走査して溶融池を形成する。その後、レーザの軌跡の径を大きくしていき、溶融池を２つの平角線９０の導体９１の境界を含む領域に到達させる。
　従来技術の方法では、一方の平角線９０の導体９１を重点的に加熱するため、２つの平角線９０の導体９１が均等に加熱されない。具体的には、図８の下側の図に示すように、最初にレーザを照射した方の平角線９０の導体９１の溶融部分は、他方の平角線９０の導体９１の溶融部分よりも小さい。
　これに対し、本実施形態の方法では、従来技術と同様、初めに、２つの平角線９０の導体９１の長手方向の端部の側面同士を合わせる準備工程を行う。次に、２つの平角線９０の導体９１の端面同士の境界を含む領域にレーザを照射して平角線９０同士を溶接する溶接工程を行う。溶接工程では、図７及び図８に示すように、レーザを導体９１の長辺に沿って走査する。そのため、図８の下側の図に示すように、２つの平角線９０の導体９１を均等に溶融することができる。
　また、従来技術では、ループを繰り返し描きながら径が大きくなるようにレーザの照射位置を調整する必要があるため、レーザの照射に関するプログラムが複雑になる傾向がある。これに対し、本実施形態の方法では、平角線９０同士の溶接に適した範囲にレーザが照射されるように、透過光学系３０の形状及び向き等を定めておけば、後は加工ヘッド１３に対して平角線９０を適切な位置に配置するだけで、２つの平角線９０を的確に溶接することができる。
　次に、図９及び図１０を参照して、第２実施形態の光走査装置１４について説明する。
　第２実施形態の光走査装置１４は、集光部材２１と、回転テーブル２４と、透光部材３７と、を備える。図９に示すように、透光部材３７は、六角形状である。透光部材３７は回転テーブル２４に固定されている。詳細には、透光部材３７の中心と、回転テーブル２４の中心（即ち回転軸線８１）と、が一致するように透光部材３７が回転テーブル２４に固定されている。回転テーブル２４を回転させることにより透光部材３７が回転する。一方、回転テーブル２４が回転しても集光部材２１は回転しない。
　図９に示すように、透光部材３７のうちレーザ（太線）が入射する入射面と、透光部材３７からレーザが出射する出射面と、は平行である。また、透光部材３７の回転位相に応じて、レーザの入射角が変化する。従って、図４を用いて説明した原理により、透光部材３７の回転位相に応じて、レーザの進路が変化する。このように、第２実施形態においても、レーザが第１方向に走査される。
　第２実施形態の光走査装置１４は、更に、レーザを第２方向に走査することもできる。以下、図１０を参照して、レーザを第２方向に走査する構成を説明する。図１０には、レーザが透光部材３７を透過する様子を示す斜視図及び側面図が３組記載されている。
　図１０に示すように、透光部材３７は、第１側面３７ａと、第２側面３７ｂと、第３側面３７ｃと、第４側面３７ｄと、第５側面３７ｅと、第６側面３７ｆと、を備える。第１側面３７ａと第４側面３７ｄは向かい合うように位置しており、第２側面３７ｂと第５側面３７ｅは向かい合うように位置しており、第３側面３７ｃと第６側面３７ｆは向かい合うように位置している。
　図１０の一番上の斜視図及び側面図には、レーザが第１側面３７ａに入射され、第４側面３７ｄから出射される様子が記載されている。側面図に示すように、第１側面３７ａと第４側面３７ｄは、回転テーブル２４に対して直立している。従って、レーザが第１側面３７ａに入射して第４側面３７ｄから出射される場合、レーザの第２方向の位置は変化しない。同様に、レーザが第４側面３７ｄに入射して第１側面３７ａから出射される場合、レーザの第２方向の位置は変化しない。
　図１０の中央の斜視図及び側面図には、レーザが第２側面３７ｂに入射され、第５側面３７ｅから出射される様子が記載されている。側面図に示すように、第２側面３７ｂと第５側面３７ｅは、回転テーブル２４の垂線に対してレーザの下流側に傾斜している。言い換えれば、第２側面３７ｂ及び第５側面３７ｅはレーザに対して直交していない。従って、レーザが第２側面３７ｂに入射して第５側面３７ｅから出射される場合、レーザの第２方向の位置が変化する（詳細には回転テーブル２４に近づく側に変化する）。同様に、レーザが第５側面３７ｅに入射して第２側面３７ｂから出射される場合、レーザの第２方向の位置が変化する。
　図１０の一番下の斜視図及び側面図には、レーザが第３側面３７ｃに入射され、第６側面３７ｆから出射される様子が記載されている。第３側面３７ｃ及び第６側面３７ｆの傾斜方向は、第２側面３７ｂ及び第５側面３７ｅとは反対方向である。従って、レーザが第３側面３７ｃ又は第６側面３７ｆに入射される場合、レーザの第２方向の位置が変化する（詳細には回転テーブル２４から離れる側に変化する）。
　総括すると、レーザが透光部材３７の１つの面を透過する間は、レーザの照射位置が第１方向に変化する（第１方向に走査される）。そして、レーザが透光部材３７の次の面を透過するようになると、レーザの照射位置が第２方向に移動する（第２方向に走査される）。従って、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、レーザを走査することができる。
　次に、図１１及び図１２を参照して、加工ヘッド１３を移動させながら平角線９０を溶接する方法について説明する。
　図１１には、加工ヘッド１３を平角線９０の長辺と平行な方向に移動させながら平角線９０を溶接する状況が示されている。この場合、光走査装置１４がレーザを第１方向に走査する長さを、平角線９０の長辺の長さと比較して小さくすることができる。
　図１２には、加工ヘッド１３を平角線９０の短辺と平行な方向に移動させながら平角線９０を溶接する状況が示されている。レーザ加工装置１は、加工ヘッド１３を平角線９０の短辺と平行な方向に動かした後に、加工ヘッド１３を平角線９０に対して第１方向に移動させる。その後、レーザ加工装置１は、再び加工ヘッド１３を平角線９０の短辺と平行な方向に移動させながら平角線９０を溶接する。図１２に示す方法を行うことにより、溶接する平角線９０同士の境界に隙間があっても、平角線９０同士を適切に溶接できる。
　以上に説明したように、本実施形態のレーザ溶接方法は、準備工程と、溶接工程と、を含む。準備工程では、２つの平角線９０の導体９１の長手方向の端部の側面同士を合わせる。溶接工程では、２つの平角線９０の導体９１の端面同士の境界を含む領域にレーザを照射して平角線９０同士を溶接する。レーザは、透過光学系３０を透過した後に平角線９０の端面に照射される。透過光学系３０は回転可能であり、透過光学系３０の回転位相に応じて、レーザの端面への照射位置が第１方向に変化する。溶接工程では、第１方向が平角線９０の端面の長辺と平行になるようにして、パルスレーザを平角線９０の導体９１の端面同士の境界を含む領域に照射して平角線９０同士を溶接する。
　これにより、平角線９０の端面の長辺と平行な方向にレーザを走査して溶接を行うため、２つの平角線９０をレーザを用いて均等に加熱できる。
　本実施形態では、透過光学系３０の回転位相に応じて、平角線９０の導体９１の端面へのレーザの照射位置が、端面上において第１方向と直交する第２方向にも変化する。
　これにより、２つの平角線９０の導体９１の境界だけでなく周囲にもレーザを照射できるので、より適切に平角線９０同士を溶接できる。
　本実施形態では、レーザは加工ヘッド１３から平角線９０の導体９１に向けて発射される。溶接工程では、加工ヘッド１３と平角線９０の相対位置を固定した状態で、平角線９０同士の溶接が完了する。
　これにより、加工ヘッド１３又は平角線９０を動かす必要がないため、短時間で溶接を完了させることができる。
　本実施形態では、レーザは加工ヘッド１３から平角線９０の導体９１に向けて発射される。溶接工程では、平角線９０に対して加工ヘッド１３を、平角線９０の長辺と平行な方向又は平角線９０の短辺と平行な方向に相対移動させながらパルスレーザを照射することにより、前記平角線同士を溶接する。
　これにより、平角線と比較してレーザの走査範囲を小さくした場合であっても平角線同士を溶接できる。
　以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
　レーザを第１方向に走査させる構造は一例であり、上述した構造以外の光走査装置を用いてもよい。
　上記実施形態では、光走査装置１４はレーザを第１方向と第２方向に走査する。これに代えて、光走査装置１４がレーザを第１方向のみに走査する構成であってもよい。

Claims (4)

  1. 　２つの平角線の導体の長手方向の端部の側面同士を合わせる準備工程と、
    　２つの前記平角線の導体の端面同士の境界を含む領域にパルスレーザを照射して前記平角線同士を溶接する溶接工程と、
    を含み、
    　前記パルスレーザは、透過光学系を透過した後に前記平角線の前記端面に照射され、
    　前記透過光学系は回転可能であり、当該透過光学系の回転位相に応じて、前記パルスレーザの前記端面への照射位置が第１方向に変化し、
    　前記溶接工程では、前記第１方向が前記平角線の前記端面の長辺と平行になるようにして、前記パルスレーザを前記端面同士の境界を含む領域に照射して前記平角線同士を溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
  2. 　請求項１に記載のレーザ溶接方法であって、
    　前記透過光学系の回転位相に応じて、前記パルスレーザの前記端面への照射位置が、更に、前記端面上において前記第１方向と直交する第２方向にも変化することを特徴とするレーザ溶接方法。
  3. 　請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法であって、
    　前記パルスレーザは加工ヘッドから前記平角線の導体に向けて発射され、
    　前記溶接工程では、前記加工ヘッドと前記平角線の相対位置を固定した状態で、前記平角線同士の溶接が完了することを特徴とするレーザ溶接方法。
  4. 　請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法であって、
    　前記パルスレーザは加工ヘッドから前記平角線の導体に向けて発射され、
    　前記溶接工程では、前記平角線に対して前記加工ヘッドを、前記平角線の長辺と平行な方向又は前記平角線の短辺と平行な方向に相対移動させながらパルスレーザを照射することにより、前記平角線同士を溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004343091A (ja) * 2003-04-21 2004-12-02 Semiconductor Energy Lab Co Ltd ビーム照射装置、ビーム照射方法、及び薄膜トランジスタの作製方法
JP2006224184A (ja) * 2005-02-21 2006-08-31 Toyota Motor Corp 突き合わせレーザ溶接方法及び突き合わせレーザ溶接装置
JP2007024928A (ja) * 2005-07-12 2007-02-01 Nidec Sankyo Corp 光ビーム出射装置および画像形成装置
JP2013109948A (ja) * 2011-11-21 2013-06-06 Toyota Motor Corp 角線の接合構造及び接合方法
JP6593280B2 (ja) * 2016-08-25 2019-10-23 トヨタ自動車株式会社 平角線のレーザ溶接方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004343091A (ja) * 2003-04-21 2004-12-02 Semiconductor Energy Lab Co Ltd ビーム照射装置、ビーム照射方法、及び薄膜トランジスタの作製方法
JP2006224184A (ja) * 2005-02-21 2006-08-31 Toyota Motor Corp 突き合わせレーザ溶接方法及び突き合わせレーザ溶接装置
JP2007024928A (ja) * 2005-07-12 2007-02-01 Nidec Sankyo Corp 光ビーム出射装置および画像形成装置
JP2013109948A (ja) * 2011-11-21 2013-06-06 Toyota Motor Corp 角線の接合構造及び接合方法
JP6593280B2 (ja) * 2016-08-25 2019-10-23 トヨタ自動車株式会社 平角線のレーザ溶接方法

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