(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-01
(45)【発行日】2024-07-09
(54)【発明の名称】レーザ溶接方法
(51)【国際特許分類】
H02K 15/04 20060101AFI20240702BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20240702BHJP
【FI】
H02K15/04 E
H02K15/04 Z
B23K26/21 F
B23K26/21 N
(21)【出願番号】P 2021084082
(22)【出願日】2021-05-18
【審査請求日】2023-09-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】水島 大介
【審査官】中島 亮
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-020340(JP,A)
【文献】特開2018-030155(JP,A)
【文献】国際公開第2019/159737(WO,A1)
【文献】特開2018-098937(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 15/00- 15/02
H02K 15/04- 15/16
B23K 26/21
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1及び第2の部材を突き合わせた状態でレーザ光を照射することにより、前記第1及び第2の部材を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記第1の部材に前記レーザ光を照射して溶融池を形成する第1の工程と、
前記溶融池が成長して前記第2の部材に付着することにより前記第1及び第2の部材間に形成されるブリッジの幅が、前記レーザ光の幅より太くなるまで、前記第1の部材に対する前記レーザ光の照射を続ける第2の工程と、
前記第2の工程の後、前記レーザ光を前記第2の部材に移動させ、連続的に前記第2の部材に前記レーザ光を照射して溶融池を形成する第3の工程と、
前記第2の部材に形成された溶融池が成長して前記第1の部材に付着することにより前記第1及び第2の部材間に形成されるブリッジの幅が、前記レーザ光の幅より太くなるまで、前記第2の部材に対する前記レーザ光の照射を続ける第4の工程と、を含む
レーザ溶接方法。
【請求項2】
前記第1及び第2の部材は、絶縁被膜を備えるコイルである
請求項1に記載のレーザ溶接方法。
【請求項3】
前記第1及び第2の部材は、前記レーザ光が前記第1及び第2の部材間を貫通した場合に、前記レーザ光が前記第1及び第2の部材以外の部材に対して照射され得る位置に配置されている
請求項1又は2に記載のレーザ溶接方法。
【請求項4】
前記第2の工程における前記第1の部材に対する前記レーザ光の照射を続ける時間は、予め設定されている
請求項1~
3のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、レーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ステータコイルの溶接工法として、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接を用いた場合、従来のTIG溶接を用いた場合に比べて溶接部の寸法をコンパクトにでき、製品寸法全体の小型化を実現することができる。
【0003】
関連する技術として、特許文献1は、回転電機のコイル線と中性線を溶接する場合において、絶縁皮膜の損傷を防止又は抑制することが可能な回転電機の製造方法を開示する。特許文献1が開示する製造方法は、絶縁被覆されたコイル線の端部の被覆剥離部に設定された接続箇所と、中性線に設定された接続箇所とを接触させて配置する配置工程と、接触部分に対し、絶縁被覆に近い側を始点、遠い側を終点としてレーザ溶接する溶接工程とを含む。レーザ溶接の始点は、接触部分における絶縁被覆に近い端部であり、また、レーザ溶接の終点は、接触部分における絶縁被覆から遠い端部である。絶縁被覆に近い側では、遠い側に比べて、溶接による投入される熱量を相対的に小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
図9を用いて、本開示の課題を説明する。
図9(a)は、関連する別の技術にかかるステータ101の概略構成を示す図である。ステータ101は、ステータコア102と、複数のコイル110を備えている。ステータコア102は、環状の電磁鋼板がステータ101の軸方向(
図9(a)におけるz軸方向)に積層されたものである。複数のコイル110は、ステータコア102の内周面に設けられたスロットに装着されており、それぞれのコイル110の端部(コイルエンド)は、ステータコア102の上端面から突出している。
【0006】
図9(b)は、
図9(a)におけるコイル110の軸方向に沿う断面A10の端部近傍を拡大した図である。
図9(b)に示すように、複数のコイル110は、ステータ101の径方向(
図9(b)におけるx軸方向)に隣接するコイル110同士で対をなしている。対をなすコイル110の端部同士を突き合わせ、上方からレーザ光を照射することで、コイル110同士を接合することができる。
【0007】
図9(c)は、
図9(b)における一部領域A20をさらに拡大した図である。
図9(c)では、径方向(
図9(c)におけるx軸方向)にコイル110a及び110bが隣接している。コイル110a及び110bの端部同士を突き合わせた状態で、上方からレーザ光Lを照射することで、コイル110a及び110bを接合することができる。
【0008】
ここで、
図9(c)に示す例のように、コイル110a及び110bの下方には、コイル110c及び110dを含む他の部材が配置されている場合がある。ここでは、コイル110a及び110bは、溶接を行う対象であるが、その下方に配置されるコイル110c及び110d等は、溶接を行う対象ではないものとする。溶接対象であるコイル110a及び110bは、溶接のためにそれぞれの端部において金属材料が露出している。一方、溶接対象でないコイル110c及び110dは、
図9(c)に示すように、それぞれが絶縁被膜で被覆されている。
【0009】
例えば、スポット径が0.1mmのシングルモードレーザをレーザ光Lとして用いるものとする。シングルモードレーザは、エネルギー密度が高く、深いキーホールを形成しながらコイル同士を溶接することができる。そのため、溶けにくい銅などを少ない熱で効率よく溶かすことに長けている。しかしながら、コイル110a及びコイル110b間の溶接の合わせ面に0.05mm以上の隙間が存在する場合、レーザ光Lがこの合わせ面を貫通し、下側のコイル110c及びコイル110dの絶縁被膜を焼損するおそれがある。このような絶縁被膜の焼損は、絶縁不良に直結する重大な品質不良となり得る。
【0010】
このような問題を解決するために、溶接の合わせ面に0.05mm以上の隙間を発生させないよう、高精度にコイルをクランプする治具を用いることが考えられる。しかしながら、このような治具を設置する場合には、治具のスペースの制約から製品の生産性が向上せず、製造コストが増加する。
【0011】
本開示は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、溶接対象の部材間をレーザ光が貫通するおそれを低減することが可能なレーザ溶接方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本開示にかかるレーザ溶接方法は、
第1及び第2の部材を突き合わせた状態でレーザ光を照射することにより、前記第1及び第2の部材を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記第1の部材に前記レーザ光を照射して溶融池を形成する第1の工程と、
前記溶融池が成長して前記第2の部材に付着することにより前記第1及び第2の部材間に形成されるブリッジの幅が、前記レーザ光の幅より太くなるまで、前記第1の部材に対する前記レーザ光の照射を続ける第2の工程と、を含む。
【発明の効果】
【0013】
本開示により、溶接対象の部材間をレーザ光が貫通するおそれを低減することが可能なレーザ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【
図3】実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の側面図である。
【
図4】実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の側面図である。
【
図5】実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の側面図である。
【
図6】実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の側面図である。
【
図7】実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の平面図である。
【
図8】実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部の外観写真である。
【
図9】関連する技術にかかるレーザ溶接方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本開示を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本開示が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【0016】
まず、
図1を用いて、本実施形態に係るレーザ溶接方法を用いて溶接されるコイル10を備えるステータ100の構成について説明する。
図1は、ステータ100の概略構成を示す斜視図である。
図1に示すように、モータの固定子であるステータ100は、ステータコア15と複数のコイル10とを備えている。
【0017】
ステータコア15は、環状の電磁鋼板がステータ100の軸方向(
図1におけるz軸方向)に積層されたものであり、全体として略円筒形状を有している。ステータコア15の内周面には、内周側に突出すると共にステータ100の軸方向に延設されたティース13と、隣接するティース13間に形成された溝部であるスロット14と、が設けられている。各スロット14には、コイル10が装着されている。それぞれのコイル10は、略U字形状に成形され、コイル10の端部は、いずれもステータコア15の上端面から突出している。
【0018】
コイル10は、例えば、断面が矩形状の電線すなわち平角線であってよい。また、通常、コイル10は純銅製であるが、これに限られない。コイル10は、アルミニウム、銅やアルミニウムを主成分とする合金等の高導電率を有する金属材料から構成されてもよい。
【0019】
図1に示す右手系xyz座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、z軸正向きが鉛直上向き、xy平面が水平面であり、図面間で共通である。x軸はステータ100の径方向を示している。ここでは、ステータ100の中心から外側に向かう方向をx軸正方向とする。また、y軸はステータ100の周方向を示している。
図1におけるコイル10の軸方向に沿う断面A1において、紙面手前から奥に向かう方向をy軸正方向とする。そして、z軸はステータ100の軸方向を示している。ステータ100における鉛直方向の下から上に向かう方向をz軸正方向とする。
【0020】
本実施形態では、径方向(x軸方向)に隣接したコイル10の端部同士がレーザ光Lにより溶接され、後述する接合部20を形成する。隣接するコイル10が対となって1つの接合部20を形成し、ステータ100全体では複数の接合部20が形成される。複数の接合部20は、ステータコア15の周方向に円環状に配列されてよい。また、この円環状に配列された接合部20は、径方向に複数列配置されてよい。
【0021】
図2は、
図1におけるコイル10の断面A1近傍を拡大し、コイル10の端部を概略的に示す図である。複数のコイル10は、径方向に隣接する他のコイル10とそれぞれ対をなしている。例えば
図2においては、コイル10の組が4つ示されている。隣接するコイル10の端部同士を突き合わせ、突き合わせた部分にレーザ光Lを照射することで、コイル10間に接合部20が形成される。これにより、隣接するコイル10同士を溶接することができる。
【0022】
ここでは、
図2に示すコイル10a(第1の部材)及びコイル10b(第2の部材)を突き合わせた状態で、上方からレーザ光Lを照射することにより、コイル10a及び10bを溶接する場合を例として説明を行う。
【0023】
同図に示すように、コイル10a及び10bは、絶縁被膜12a及び12bでそれぞれ被覆されている。絶縁被膜12a及び12bは、例えば、エナメル材の焼付けや、塩化ビニール系樹脂等による被覆などにより形成された絶縁被膜であってよい。また、コイル10a及び10bの端部11a及び11bにおいては、絶縁被膜12a及び12bが剥離され、金属材料(例えば、銅)が露出している。この端部11a及び11bをレーザ光Lで照射し、接合部20を形成することでコイル10a及び10bを溶接する。
【0024】
接合部20は、径方向に隣接したコイル10の端部同士を溶接することで複数形成され、ステータコア15の周方向に円環状に配列する。また、この円環状に配列された接合部20は、径方向に複数列配置される。
【0025】
コイル10a及び10bは、レーザ光Lがコイル10a及び10bを貫通した場合に、レーザ光Lがコイル10a及び10b以外の部材に対して照射され得る位置に配置されていてよい。ここでは、コイル10a及び10bの下方(z軸負方向)側に、溶接対象でない他のコイル10が複数配置されているものとする。複数の溶接対象でないコイル10は、その端部を含めて全体が絶縁被膜12で被覆されている。そのため、上方に配置されているコイル10a及び10bにレーザ光Lを照射した際に、コイル10a及び10b間の隙間からレーザ光Lが貫通した場合、複数の溶接対象でないコイル10が焼損するおそれがある。
【0026】
続いて、
図3~
図6を参照して、本実施形態にかかるレーザ溶接方法について説明する。
図3~
図6は、コイル10a及び10bの接合部20近傍の側面図である。レーザ光Lは、例えばレーザ光源が1.0mm程度の太いレーザ光が選択されてよい。レーザ光Lは、例えばリングモードレーザ等であってよい。
【0027】
図3は、第1の工程を説明する図である。同図に示すように、まず、コイル10aの端部11aにレーザ光Lを照射し、端部11aに溶融池30を形成する(第1の工程)。
【0028】
図4は、第2の工程を説明する図である。端部11aの定点において、レーザ光Lの照射を継続することで溶融池30を成長させる。溶融池30の成長及び振動により、溶融池30が端部11bに付着する。これにより、端部11a及び11b間に溶融池30によるブリッジ(被膜)が形成される。ブリッジの形成後、端部11a及び11b間に形成されるブリッジの幅が、レーザ光Lの幅W(不図示)より太くなるまで、端部11aに対するレーザ光Lの照射を続ける(第2の工程)。
【0029】
ここで、レーザ光Lの幅Wは、端部11a及び11bに照射されるレーザ光Lのスポット径を示している。例えばレーザ光Lの形状が円形である場合には、レーザ光Lの幅Wは、端部11a及び11bに対する照射位置におけるレーザ光Lの直径であってよい。また、レーザ光Lの形状が楕円形である場合には、レーザ光Lの幅Wは、当該照射位置におけるレーザ光Lの長径又は短径であってよい。端部11a及び11b間の隙間をレーザ光Lが貫通しないよう、レーザ光Lの幅Wやレーザ光Lの形状を考慮して、端部11aに対するレーザ光Lの照射を続けてブリッジを形成する。このようにすることで、端部11a及び11b間に、レーザ光Lの幅Wより幅の広い、溶融池30のブリッジが形成される。
【0030】
尚、第2の工程において、端部11aに対するレーザ光Lの照射を続ける時間は、予め設定されてよい。例えば、ハイスピードカメラを用いて溶接の様子を撮影し、溶接途中又は溶接後の接合部20の断面図における溶接の深さなどを観察することで、適切な照射時間を予め設定することができる。予め照射時間を設定することで、効率的に溶接を行うことができる。また、不良の発生を抑制することができる。
【0031】
続いて、
図5に示すように、レーザ光Lがブリッジ上を通るように、レーザ光Lを端部11aから端部11bに移動させる。ブリッジは、レーザ光Lの幅Wよりも太く形成されているため、レーザ光Lが端部11a及び11b間を貫通することなく、レーザ光Lを移動させることができる。
【0032】
次に、
図6に示すように、端部11bにおいてコイルの溶け込みが十分に深くなるまで、端部11bに対するレーザ光Lの照射を続ける。このようにすることで、端部11a及び11b間に溶融池30による接合部20が形成される。尚、端部11bへのレーザ光Lの照射時間は、端部11aへの照射時間同様、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。
【0033】
端部11a及び11b間の埋めようとする隙間の長さ(y軸方向)に応じて、上述した処理を繰り返し行うことで、コイル10a及び10bの溶接を完了させることができる。
【0034】
続いて、
図7及び
図8を用いて、異なる方向から見た上述の処理について説明する。また、ここでは、上述の処理を繰り返し行う場合を用いて説明する。上述の例では、第1及び第2の工程において、端部11aから端部11bに対して溶融池30及びブリッジの形成を行ったが、ここでは、同様の処理を端部11bから端部11aに対しても行う。そのため、以下の説明では、第1及び第2の工程に対応する第3及び第4の工程をさらに含んでいる。
【0035】
図7は、本実施形態にかかるレーザ溶接方法を示す接合部20の平面図である。
図7の照射位置(1)~(8)の順でレーザ光Lを照射し、コイル10a及び10bの溶接を行う。
図8は、
図7に示すレーザ光Lの照射位置(1)~(8)に対応する接合部20の外観写真である。
【0036】
図7を用いて、レーザ光Lの照射経路を説明する。まず、照射位置(1)において、コイル10aの端部11aにレーザ光Lを照射し、端部11aに溶融池30を形成する(第1の工程)。
【0037】
次に、端部11aの定点において、レーザ光Lの照射を継続することで溶融池30を成長させる。溶融池30の成長及び振動により、溶融池30が端部11bに付着する。これにより、端部11a及び11b間に溶融池30によるブリッジが形成される。ブリッジの形成後、端部11a及び11b間に形成されるブリッジの幅が、レーザ光Lの幅Wより太くなるまで、端部11aに対するレーザ光Lの照射を続ける(第2の工程)。
【0038】
これにより、端部11a及び11b間に、レーザ光Lの幅W(
図8(1)を参照)より太い、溶融池30のブリッジが形成される。端部11aに対するレーザ光Lの照射を続ける時間は、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。
【0039】
上記第2の工程の後、
図7の照射位置(2)に示すように、レーザ光Lを端部11bに移動させる。第1及び第2の工程で形成されたブリッジ上をレーザ光Lが移動することで、レーザ光Lは、端部11a及び11b間を貫通することなく、端部11aから11bに移動することができる。
【0040】
端部11bへの移動後、端部11bにおいてコイルの溶け込みが十分に深くなるまで、端部11bに対するレーザ光Lの照射を続ける。このようにすることで、端部11a及び11b間に接合部20が形成される。尚、端部11bへのレーザ光Lの照射時間は、端部11aへの照射時間同様、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。
【0041】
続いて、照射位置(3)に示すように、レーザ光Lを絶縁被膜12b側(y軸負方向)に移動させる。照射位置(4)において、連続的に端部11bにレーザ光Lを照射して溶融池30を形成する(第3の工程)。
【0042】
続いて、照射位置(4)において、レーザ光Lの照射を継続することで溶融池30を成長させる。溶融池30の成長及び振動により、溶融池30が端部11aに付着する。これにより、端部11a及び11b間に溶融池30による2つ目のブリッジが形成される。2つ目のブリッジの形成後、端部11a及び11b間に形成されるブリッジの幅が、レーザ光Lの幅Wより太くなるまで、端部11bに対するレーザ光Lの照射を続ける(第4の工程)。
【0043】
これにより、端部11a及び11b間に、レーザ光Lの幅Wより幅の広い、溶融池30の2つ目のブリッジが形成される。端部11bに対するレーザ光Lの照射を続ける時間は、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。また、既に端部11bがレーザ光Lにより加熱されているため、1つ目のブリッジを形成する際の端部11aに対する照射時間より短い照射時間が設定されてもよい。
【0044】
第4の工程の後、照射位置(5)に示すように、レーザ光Lを端部11aに移動させる。第3及び第4の工程で形成された2つ目のブリッジ上をレーザ光Lが移動することで、レーザ光Lは、端部11a及び11b間を貫通することなく、端部11bから11aに移動することができる。
【0045】
端部11aへの移動後、端部11aにおいてコイルの溶け込みが十分に深くなるまで、端部11aに対するレーザ光Lの照射を続ける。このようにすることで、端部11a及び11b間に、2つ目の接合部20が形成される。尚、端部11aへのレーザ光Lの照射時間は、端部11bへの照射時間同様、ハイスピードカメラ等を用いて予め設定されてよい。また、既に端部11aがレーザ光Lにより加熱されているため、1つ目の接合部20を形成する際の端部11bに対する照射時間より短い照射時間が設定されてもよい。
【0046】
続いて、照射位置(6)に示すように、レーザ光Lを絶縁被膜12a側(y軸正方向)に移動させる。そして、照射位置(7)及び(8)に示すように、レーザ光Lをx軸正方向及びy軸負方向に移動させ、端部11a及び11b間の隙間を埋める。このようにすることで、端部11a及び11b間の接合部20が一体化し、コイル10a及び10bの溶接が完了する。
【0047】
尚、
図7においては、照射位置(1)~(8)の各矢印が重ならないように示しているが、これに限られない。例えば、照射位置(6)の矢印の終点が照射位置(1)と重なっていてもよい。また、例えば照射位置(8)の矢印の終点は、照射位置(5)の矢印の線上にあってもよい。また、レーザ光Lが端部11a及び11b間を貫通しないようにブリッジが形成されている場合、
図7に示すように、各矢印が重ならないような照射位置が設定されてもよい。
【0048】
また、レーザ光Lの照射位置は、
図7に示すものに限られない。例えば、y軸方向に沿ってジグザグ状にレーザ光Lが照射されてもよい。
【0049】
以上説明したように、本実施形態にかかるレーザ溶接方法によれば、端部11a及び11b間の隙間を覆うように、溶融池30によるブリッジを形成することができる。また、ブリッジの幅がレーザ光Lの幅Wより太くなるまで端部11a又は11bに対するレーザ光Lの照射が続けられるので、レーザ光Lが端部11a及び11b間の隙間を貫通することを抑制することができる。
【0050】
したがって、端部11a及び11b間に隙間が存在する場合でも、下方に位置する他の部材にレーザ光Lが照射されることを抑制することができる。そのため、溶接対象であるコイル10a及び10bの下方に、溶接対象でない他のコイル10や部材が配置されている場合でも、それらの部材を焼損するおそれを低減しつつ、適切に溶接を行うことができる。また、これにより、クランプ治具の簡素化及びコストの低減を実現することができる。
【0051】
さらに、本実施形態にかかるレーザ溶接方法によれば、レーザ光Lが端部11a及び11b間に複数のブリッジを形成し、両者間を往復してレーザ光Lを連続的に照射することができる。したがって、複数のコイル10の溶接を効率的に行うことができる。
【0052】
なお、本開示は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の説明では1本のレーザ光Lを用いたが、これに限らず、複数のレーザ光Lが用いられてもよい。例えば、2本のレーザ光Lを用いる場合、
図7に示す照射位置(1)及び(4)を各レーザ光Lの照射開始位置として、同時に照射を開始してもよい。
【符号の説明】
【0053】
10、10a、10b、110、110a~110d コイル
11a、11b 端部
12、12a、12b 絶縁被膜
13 ティース
14 スロット
20 接合部
30 溶融池
100、101 ステータ
15、102 ステータコア
L レーザ光
W レーザ光Lの幅