特表 2023-537399 時間依存走査パターンおよびエネルギー入力を用いた金属ピン対のレーザ溶接

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-31

(54)【発明の名称】時間依存走査パターンおよびエネルギー入力を用いた金属ピン対のレーザ溶接

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20230824BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20230824BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20230824BHJP

   H02K 15/04 20060101ALI20230824BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 L

B23K26/00 N

B23K26/082

B23K26/00 Z

H02K15/04 E

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023509693

(86)(22)【出願日】2021-08-09

(85)【翻訳文提出日】2023-03-03

(86)【国際出願番号】 EP2021072180

(87)【国際公開番号】W WO2022034033

(87)【国際公開日】2022-02-17

(31)【優先権主張番号】16/994,439

(32)【優先日】2020-08-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】508175020

【氏名又は名称】コアレイズ オーワイ

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】カラゲ， ぺーター

(72)【発明者】

【氏名】フォースター， オリバー

(72)【発明者】

【氏名】クラウス， オリバー

(72)【発明者】

【氏名】ナーゲル， ファルク

(72)【発明者】

【氏名】シュルツ， シュテファン

【テーマコード（参考）】

4E168

5H615

【Ｆターム（参考）】

4E168BA28

4E168BA72

4E168BA73

4E168BA74

4E168BA87

4E168CB03

4E168DA42

4E168DA43

4E168KA04

5H615AA01

5H615PP01

5H615PP14

5H615QQ03

5H615SS17

(57)【要約】

一対の金属ピンを（１８２、２００）レーザ溶接するための方法は、金属ピンの個別の一対の表面が相互に隣接し、同一方向に面している、一対の金属ピンの作業側（２２０）にレーザビーム（１１２）を送達する。レーザビームは、最初に、作業側上の第１の経路（２３０、６３０）をトレースし、キーホール溶接によって溶融プール（８５０）を形成する。第１の経路は、金属ピン間の界面（２１０）を交差する。第１の経路をトレースした後、レーザレーザビームは、第１の経路のために使用されたもの未満の単位経路長あたりのエネルギーの送達率でレーザレーザビームを使用して、作業側上の第２の経路（２４０、６４０）をトレースするように切り替えられる。第２の経路は、界面を交差し、かつ第１の経路内にある。本方法は、ヘアピンおよびＩピン固定子の溶接に非常に好適である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の金属ピンをレーザ溶接するための方法であって、
前記金属ピンの個別の対の表面が相互に隣接し、同一方向に面している、前記金属ピンの対の作業側にレーザビームを送達するステップと、
キーホール溶接によって溶融プールを形成するために、単位経路長あたりのエネルギーの第１の送達率で前記レーザビームを用いて前記作業側上の第１の経路をトレースするステップと、
前記第１の経路をトレースするステップの後、単位経路長あたりのエネルギーの前記第１の送達率の最大で２／３である、単位経路長あたりのエネルギーの第２の送達率で前記レーザビームを用いて前記作業側上の第２の経路をトレースするステップであって、前記第２の経路は、界面を交差し、かつ前記第１の経路内にある、ステップと
を含む、方法。

【請求項2】

前記キーホール溶接のキーホールの深さ対幅のアスペクト比が３の値に達する前に、前記第１の経路をトレースするステップから前記第２の経路をトレースするステップに切り替えることを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の経路をトレースするステップと、前記第２の経路をトレースするステップとを通して、前記深さ対幅のアスペクト比を３未満に維持することをさらに含む、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１の経路をトレースするステップと、前記第２の経路をトレースするステップとを通して、深さ対幅のアスペクト比を２未満に維持することをさらに含む、請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記溶融プールは、前記第１の経路をトレースするステップから前記第２の経路をトレースするステップに切り替える前に、前記界面に交差して及ぶ、請求項２に記載の方法。

【請求項6】

前記キーホールが前記溶融プールによって占有される前記第１の経路上の位置に到達する前に、前記第１の経路をトレースするステップから前記第２の経路をトレースするステップに切り替えることを含む、請求項２に記載の方法。

【請求項7】

前記第２の経路をトレースするステップは、前記界面における前記溶融プールの深さを増加させるステップを含む、請求項１～６のいずれかに記載の方法。

【請求項8】

前記一対の金属ピンは、固定子のヘアピンまたはＩピンである、請求項１～７のいずれかに記載の方法。

【請求項9】

前記一対の金属ピンは、銅から作製される、請求項１～８のいずれかに記載の方法。

【請求項10】

前記第１の経路をトレースするステップにおいて、前記レーザビームは、第１の速度でおよび第１のパワーを用いて前記第１の経路をトレースし、
前記第２の経路をトレースするステップにおいて、前記レーザビームは、第２の速度でおよび前記第１のパワーを用いて前記第２の経路をトレースし、前記第２の速度は、前記第１の速度よりも速い、請求項１～９のいずれかに記載の方法。

【請求項11】

前記第２の速度は、前記第１の速度の少なくとも１．５倍であり、前記レーザビームは、前記第１の経路をトレースするステップと、前記第２の経路をトレースするステップとにおいて、同一パワーを有する、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記第２の速度は、最大で前記第１の速度の５倍である、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記第１の経路をトレースするステップにおいて、前記レーザビームは、第１のパワーを有し、
前記第２の経路をトレースするステップにおいて、前記レーザビームは、前記第１のパワーよりも低い第２のパワーを有する、請求項１～１２のいずれかに記載の方法。

【請求項14】

前記レーザビームは、前記第１および第２の経路を同一速度でトレースする、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記第１の経路をトレースするステップにおいて、前記レーザビームは、第１のパワーを有し、第１の速度で前記第１の経路をトレースし、
前記第２の経路をトレースするステップにおいて、前記レーザビームは、前記第１のパワーよりも低い第２のパワーを有し、前記第１の速度よりも速い第２の速度で前記第２の経路をトレースする、請求項１～９のいずれかに記載の方法。

【請求項16】

前記第２の経路の前記作業側の横寸法は、前記第１の経路の前記作業側の対応する横寸法の２０％～８０％である、請求項１～１５のいずれかに記載の方法。

【請求項17】

前記第２の経路をトレースするステップの持続時間は、前記第１の経路をトレースするステップの持続時間を超える、請求項１～１６のいずれかに記載の方法。

【請求項18】

前記第１の経路は、閉経路である、請求項１～１７のいずれかに記載の方法。

【請求項19】

前記溶融プールが成長し、閉経路内およびそれによって画定された領域の少なくとも半分を占有するようになった後、前記切り替えるステップを実行することを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記第１および第２の経路のそれぞれは、楕円である、請求項１８に記載の方法。

【請求項21】

前記第２の経路は、前記第１の経路から始まる内向きの螺旋である、請求項１８に記載の方法。

【請求項22】

前記第１の経路は、開経路である、請求項１～１７のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（発明の技術分野）
本発明は、一般に、金属ピン対、より具体的には、平角線固定子のヘアピンおよびＩピンのレーザ溶接に関する。

【背景技術】

【0002】

（背景技術の議論）
レーザ溶接は、連続またはパルスレーザビームを集中熱源として使用して、典型的には、金属から作製される、２つの部品を局所的に溶融して継合する。レーザビームは、比較的小さなスポットに集束され得、その結果、パワー密度が高くなり、熱影響ゾーンが小さくなる。レーザ溶接は、したがって、正確度および高度な制御が必要なときに魅力的な技術である。さらに、レーザ溶接は、それ自体が自動化に適している。

【0003】

レーザ溶接では、集束レーザビームが、付随的な加熱を最小限にしながら、各溶接点または線を精密に位置決めする。２つの主なレーザ溶接方式を区別することが、有用である。伝導溶接は、より低いレーザパワーおよびより低いレーザパワー密度で発生する。吸収されたレーザパワーが、照射された材料を加熱し、それによって、継合されるべき各部分の材料が溶融し、これは、流動、混合、次いで、固化する。キーホール溶接は、照射された材料の一部を蒸発させるために十分である、より高いレーザパワーおよびより高いレーザパワー密度で行われる。蒸発された材料が周囲の溶融材料にかかる圧力が、溶融材料を通してチャネルを開く。当技術分野でキーホールとして公知の本チャネルは、特徴的な狭くて深いプロファイルを有し、これは、レーザビームの深い透過を可能にする。完成したキーホール溶接は、概して、伝導溶接よりも狭く、深く、かつ強度がある。

【0004】

レーザビーム溶接が、ヘアピン固定子の溶接に使用されてきた。概して、「固定子」は、磁気回転子とエネルギーを交換する一連の電気巻線を有する。固定子および回転子が、一緒になって、電気モータおよび発電機の基礎を形成する。電気モータでは、電流が、固定子の巻線と通して通過され、磁気回転子を駆動する、回転磁場を生成する。発電機では、固定子が、磁気回転子の回転磁場を電流に変換する。ヘアピン固定子は、その巻線のために太い平角棒線を使用する。角形棒線は、従来の巻回された丸線よりも高い充填率で固定子内に充塞されることができる。角形棒線を伴う固定子が、したがって、比較的コンパクトなパッケージ内で高いトルクおよび出力密度を要求するモータにとって好ましい解決策である。加えて、角形棒線は、液体冷却に非常に好適である。しかしながら、太い角形棒線は、従来の丸線のように連続して巻回されることはできない。代わりに、角形棒線の多くのヘアピン形状の区画が片側から固定子リングのスロットに挿入され、ヘアピンの端が固定子リングの反対側から延在する。隣接する端部が、次いで、ともに溶接されて、個々の区画から連続した巻線が形成される。いくつかの事例では、いわゆるＩピンが、ヘアピンの代わりに使用される。本質的に、各ヘアピンは、２つのＩピンによって置換され、露出端の溶接が、固定子リングの両側で必要である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

（発明の要約）
本明細書に開示されるものは、金属ピン対のレーザ溶接のための方法である。本方法は、本方法が、（ａ）溶接プロセスの間、スパッタを最小限にする、またはさらに排除し、（ｂ）溶接ナゲット内のボイドの形成を防止または低減させ、（ｃ）２つの金属ピン間の界面に沿った溶接ナゲットの深さおよび面積を最大限化するため、固定子のヘアピンまたはＩピンの溶接のために特に非常に好適である。スパッタは、金属蒸発が十分に激しく、溶接プロセスの間、金属滴が放出されるキーホール溶接では望ましくない影響である。本溶滴の放出は、溶接ナゲットの体積を、不規則かつ不十分に制御された方法で低減させる。スパッタは、したがって、溶接部を通した導電率に悪影響を及ぼし、したがって、固定子に角形棒線を使用する利点を少なくとも部分的に損なうことになる。ボイドの形成は、溶融金属が固化する前に、金属ガスの泡が表面に逃散することができないキーホール溶接における別の望ましくない影響である。ボイドは、溶接ナゲットの導電性を妨げる。金属ピンの１つから別のピンに電流を流す能力は、溶接ナゲットの幾何学的側面の影響も受ける。例えば、２つの金属ピン間の界面における溶接ナゲットの断面積が大きいほど、２つの金属ピン間の全体的な導電性が向上する。本方法は、これらの問題を解決するために、時間依存レーザ走査パターンおよびエネルギー入力を適用する。

【0006】

一側面では、一対の金属ピンをレーザ溶接する方法は、（ａ）金属ピンの個別の対の表面が相互に隣接し、同一方向に面している、金属ピンの対の作業側にレーザビームを送達するステップと、（ｂ）キーホール溶接によって溶融プールを形成するために、単位経路長あたりのエネルギーの第１の送達率でレーザビームを用いて作業側上の第１の経路をトレースするステップであって、第１の経路は、金属ピン間の界面を交差する、ステップと、（ｃ）第１の経路をトレースするステップの後、単位経路長あたりのエネルギーの第１の送達率の最大で２／３である、単位経路長あたりのエネルギーの第２の送達率でレーザビームを用いて作業側上の第２の経路をトレースするステップであって、第２の経路は、界面を交差し、かつ第１の経路内にある、ステップとを含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する、添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に示し、上記の一般的な説明および以下の好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明することに役立つ。

【0008】

【図1】図１は、一実施形態による、金属ピン対を溶接するための１つのレーザ溶接装置を示す。

【0009】

【図2】図２Ａ－Ｃは、一実施形態による、一対の金属ピンと、一対の金属ピンのレーザ溶接の間にレーザビームによってトレースされる楕円経路とを示す。

【0010】

【図3】図３は、一実施形態による、一対の金属ピンを溶接するための方法のためのフローチャートである。

【0011】

【図4】図４は、図３の方法に従ってレーザ溶接された金属ピン対の実施例を示す。

【0012】

【図5】図５は、従来のレーザ溶接プロセスに従ってレーザ溶接された金属ピン対の実施例を示す。

【0013】

【図6】図６は、図２Ｂの楕円経路に代わる閉経路の実施例を示す。

【0014】

【図7】図７は、図２Ｂの楕円経路に代わるハイブリッド閉開経路の実施例を示す。

【0015】

【図8】図８Ａ－Ｅは、図３の方法による金属ピン対のレーザ溶接の一実施例を示す一連の図である。

【0016】

【図9】図９Ａおよび９Ｂは、図３の方法の１つのステップの間の溶融プールの成長を示す。

【0017】

【図10】図１０は、深さ対幅のキーホールアスペクト比の図である。

【0018】

【図11】図１１は、一実施形態による、これらの個別の端面が反対方向に面するように継合された一対の金属ピンを示す。

【0019】

【図12】図１２は、図３の方法によるレーザ溶接のために非平面作業側に継合された金属ピン対の一実施例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0020】

（発明の詳細な説明）
ここで図面を参照すると、同様の構成要素は、同様の数字で示され、図１は、金属ピン対を溶接するための１つのレーザ溶接装置１００を示す。図１に描写される使用シナリオの実施例において、レーザ溶接装置１００は、固定子１８０の金属ピン１８２（１）および１８２（２）の溶接対である。各金属ピン１８２は、ヘアピンまたはＩピンであってもよい。ヘアピン対１８２（１、２）のいくつかのより詳細な図は、固定子１８０の一部の拡大図１９０において提供される。レーザ溶接装置１００は、レーザ源１１０と、固定具１２０とを含む。レーザ源１１０は、レーザビーム１１２を発生させる。一実施形態では、レーザビーム１１２は、パルス波または連続波のいずれかであり、レーザ源１１０は、少なくとも１キロワットの平均パワーを送達することができる。レーザビーム１１２は、近赤外または可視（例えば、緑色）であってもよい。レーザ溶接装置１００は、固定子１８０に対してレーザビーム１１２を移動させ、金属ピン１８２（１、２）の各対を順次溶接するように構成され、レーザビーム１１２は、金属ピン１８２（１、２）の各対の作業側で時間依存走査パターンをトレースする。一実施形態では、固定具１２０は、固定子１８０を段階的に回転させ、金属ピン対１８２（１、２）をレーザビーム１２０の焦点に１つずつ配置し、レーザ源１１０は、ビームスキャナを使用して、各金属ピン対１８２（１、２）の作業側で時間依存走査パターンをトレースする。別の実施形態では、全ての移動は、レーザ源１１０によって行われる。例えば、レーザ源１１０のビームスキャナの場所は、偏位され、各金属ピン対１８２（１、２）に順次向けられてもよく、ビームスキャナは、次いで、操作され、各金属ピン対１８２（１、２）の作業側で時間依存走査パターンをトレースする。

【0021】

図２Ａ－Ｃは、１対の金属ピン２００（１）および２００（２）を示す。金属ピン対２００（１、２）は、例えば、固定子１８０の金属ピン対１８２（１、２）等の固定子のヘアピンまたはＩピンである。最も一般的には、固定子は、銅ピンを使用する。したがって、金属ピン２００（１）および２００（２）は、銅から作製されてもよい。代替として、金属ピン２００（１）および２００（２）は、アルミニウムまたは別の金属から作製されてもよい。図２Ａは、金属ピン対２００（１、２）を斜視図で示す。図２Ｂは、金属ピン２００（１）および２００（２）の端面によって形成される作業側２２０の上部平面図である。図２Ｃは、図２Ａの線２Ｃ－２Ｃによって示されるように得られる、金属ピン対２００（１、２）の側断面図である。デカルト座標系２９０は、図２Ａ－２Ｃのそれぞれにおける金属ピン対１８２（１、２）の配向を示す。作業側２２０は、正のｚ軸方向に面している。各金属ピン２００は、図２Ａおよび２Ｃに示されるものを越えて負のｚ軸方向に延在してもよく、その結果、図２Ａおよび２Ｃは、各金属ピン２００の端部部分のみを示す。さらに、図２Ａ－Ｃの図の外側では、各金属ピン２００の非端部部分は、例えば、ヘアピンおよびＩピンに慣用されているように屈曲されてもよい。

【0022】

金属ピン２００（１）および２００（２）は、相互に隣接して位置付けられ、その間に界面２１０を形成する。界面２１０は、ｙｚ平面に平行である。金属ピン２００（１）および２００（２）は、界面２１０で相互に直接接触してもよい。本明細書の範囲から逸脱することなく、金属ピン２００（１）および２００（２）の間の間隙は、界面２１０の全部または一部に存在してもよい。図２Ｂに示されるように、作業側２２０は、それぞれ、金属ピン２００（１）および２００（２）の端面２０４（１）および２０４（２）によって形成される。図２Ａ－Ｃは、各端面２０４が平面であるものとして示し、端面２０４（１）および２０４（２）が相互に共面であるものとして示す。例えば、ヘアピンおよびＩピンは、典型的には、角形棒線の長いロッドから切断され、切断プロセスは、各ピンの端部に隆起を残し、かつ他の非平面性を生産してもよい。さらに、ヘアピンおよびＩピンの位置付けは、製造公差の影響を受けてもよい。

【0023】

各金属ピン２００は、ｘ軸に沿って幅２０２Ｗと、ｙ軸に沿って長さ２０２Ｌとを有する。一実施例では、幅２０２Ｗは、１～３ミリメートル（ｍｍ）の範囲であり、長さ２０２Ｌは、３～１０ｍｍの範囲である。各端面２０４は、図２Ａ－Ｃに示されるように、丸みを帯びた角形形状、真の角形形状、または非角形台形形状を有してもよい。

【0024】

図３は、一対の金属ピンを溶接するための１つの方法３００のためのフローチャートである。方法３００は、金属ピン対２００（１、２）を溶接するために使用されてもよく、レーザ溶接装置１００によって実行されてもよい。方法３００は、時間依存走査パターンで、かつ時間依存エネルギー送達率で、金属ピン対の作業側上でレーザビームを移動させる。時間依存走査パターンおよびエネルギー送達率は、スパッタを最小化または排除し、溶接界面の面積を最大限化することに役立つ。

【0025】

図４および５は、それぞれ、方法３００および従来のレーザ溶接方法に従って溶接された金属ピン対２００（１、２）を示す。図４は、図２Ｃにおいて使用されるものと同一断面図において、方法３００に従ってレーザ溶接された金属ピン対２００（１、２）を示す。方法３００は、界面２１０を交差し、界面２１０に沿って（ｚ軸に沿って）深さ４７４を有する、溶接ナゲット４７０を形成する。図５は、図２Ｃで使用されるものと同一断面図であり、従来のレーザ溶接プロセスに従ってレーザ溶接された金属ピン対２００（１、２）を示す。従来のレーザ溶接プロセスは、界面２１０を交差し、界面２１０に沿って深さ５７４を有する、溶接ナゲット５７０を形成する。

【0026】

溶接ナゲット５７０は、従来のレーザ溶接プロセスの間に溶融金属内に取り込まれた金属気泡によって引き起こされる、いくつかのボイド５７２を有する。溶接ナゲット４７０の場合、方法３００は、ボイドの存在を排除する、または少なくとも最小限にする。界面２１０での溶融を最適化し、スパッタに起因する溶接ナゲット材料の損失を低減または排除することによって、方法３００はさらに、溶接ナゲット４７０の深さ４７４が溶接ナゲット５７０の深さ５７４を超えるように溶接ナゲット４７０の深さ４７４を最大限化する。溶接ナゲット５７０のボイド５７２は、導電性を有せず、したがって、従来の溶接された金属ピン２００（１）と２００（２）との間の電流５９０の流れを妨げる。溶接ナゲット５７０のより浅い深さ５７４は、電流５９０の流れをさらに妨げる場合がある。対照的に、溶接ナゲット４７０を通る電流４９０は、ボイドによって妨げられず（または少なくとも最小限の妨げとなるだけである）、深さ４７４は、電流４９０の流れに垂直な各金属ピン２００の断面積と関連付けられるインピーダンスを超えて電流４９０を妨げないために十分であってもよい。

【0027】

再び図３を参照すると、方法３００は、ステップ３１０、３２０、および３３０を含む。ステップ３１０は、金属ピン対の表面の個別の対が相互に隣接し、同一方向に面している、金属ピン対の作業側にレーザビームを送達する。ステップ３１０の一例では、レーザ源１１０は、レーザビーム１１２を金属ピン対２００（１、２）の作業側２２０に送達する。

【0028】

ステップ３２０は、キーホール溶接によって溶融プールを形成するために、作業側上の第１の経路をトレースする。第１の経路は、金属ピン間の界面と交差する。ステップ３２０において、レーザビームパワーおよびレーザビームが第１の経路に沿って移動する速度は、第１の経路の単位長あたりのエネルギーの第１の送達率に相当する。ここで、エネルギーの送達率は、レーザ放射が吸収または反射されるかどうかにかかわらず、金属部品に入射するレーザ放射のエネルギーを指す。ステップ３２０の一実施例において、レーザビーム１１２は、金属ピン対２００（１、２）の作業側２２０上の経路２３０（図２Ｂに示される）をトレースする。レーザビーム１１２は、経路２３０に沿って作業側２２０上で１周、数周、または部分周回を行ってもよい。ステップ３２０をある持続時間にわたって実施した後、方法３００は、ステップ３３０に切り替わる。

【0029】

ステップ３３０は、作業側上の第２の経路をトレースする。第２の経路は、金属ピン間の界面を交差し、第１の経路内にある。ここで、用語「第１の経路内」は、第１の経路が作業側２２０上で完全な３６０度の周回を完了しないシナリオを包含する。そのようなシナリオにおいて、第２の経路は、第１の経路の外挿内にあり、３６０度の完全な周回である。ステップ３３０において、レーザビームパワーおよびレーザビームが第２の経路に沿って移動する速度は、第２の経路の単位長あたりのエネルギーの第２の送達率に相当する。エネルギーの第２の送達率は、ステップ３２０のエネルギーの第１の送達率よりも低い。ステップ３３０の一実施例において、レーザ源１１０は、金属ピン対２００（１、２）の作業面２２０上の経路２４０（図２Ｂに示される）をトレースする。レーザビーム１１２は、典型的には、経路２４０に沿って作業側２２０上でいくつかの周回を行う。経路２３０は、経路２４０よりも周辺にあり、経路２４０は、経路２３０内にある。経路２３０および２４０の形状は、図２Ｂに示される楕円とは異なっていてもよい。経路２３０および２４０のそれぞれは、閉経路（例えば、楕円、円、または長方形）または開経路（例えば、螺旋）であってもよい。経路が楕円であるとき、楕円経路の長軸は、金属ピン間の界面と整列される、または作業側のより長い寸法と整列されてもよい。

【0030】

図６は、図２Ｂの楕円経路に代わる閉経路の１つを示す。ここで、第１の経路６３０は、その長軸が界面２１０に沿って整合されている、丸みを帯びた長方形であり、第２の経路６４０は、界面２１０を中心とする円である。

【0031】

図７は、図２Ｂの楕円経路に代わる１つのハイブリッド閉開経路を示す。ここで、楕円の第２の経路２４０は、第１の経路２３０から内向きに螺旋状に延びる、螺旋状の第２の経路７４０に置換される。

【0032】

多くの他の走査パターンが可能である。例えば、第１および第２の経路は、（ａ）同一内向き螺旋の連続部分、（ｂ）同心円、または（ｃ）同心長方形または丸みを帯びた長方形であってもよい。

【0033】

図８Ａ－Ｅは、方法３００に従って金属ピン対２００（１、２）のレーザ溶接の一例を図示する、一連の図である。本実施例は、楕円経路２３０および２４０を使用するが、図６および７を参照して上記で議論されたもの等、第１および第２の経路の他の形状にも適用可能である。図８Ａ－Ｅのそれぞれは、方法３００の個別の段階における金属ピン対２００（１、２）の作業側２２０の上部平面図である。ステップ３２０において、レーザビーム１１２は、経路２３０をトレースする（図８Ａ参照）。経路２３０に沿ったレーザビーム１１２によるキーホール溶接は、溶融プール８５０の形成をもたらし、最初は、レーザビーム１１２が経路２３０に沿って移動するにつれて、それを追跡する。ステップ３２０の間、溶融プール８５０は、成長し（図８Ｂを参照）、しばらくすると、局所尾部追跡レーザビーム１１２にはもはや似ておらず、むしろ、経路２３０内および経路２３０によって画定される領域の実質的部分を被覆する、共通溶融プールを形成する（図８Ｃ参照）。方法３００は、次に、ステップ３３０に切り替わる。

【0034】

ステップ３２０からステップ３３０への切替は、２つの変更を伴い、すなわち、（ａ）単位経路長あたりのエネルギーの送達率を減少させ、（ｂ）レーザビーム１１２によるエネルギー送達を作業側２２０のより中央の領域に移動させる（図８Ｄ参照）ことである。単位経路長あたりのエネルギーの送達率の減少は、少なくとも部分的に、金属ピン対２００（１、２）からの材料の損失を防止または最小化するために、スパッタを回避または減少することに役立つ。ステップ３３０の間、レーザビーム１１２は、金属ピン対２００（１、２）を溶融し続けて、溶融プール８５０を成長させる（図８Ｅを参照）。ステップ３３０における単位経路長あたりのエネルギーの送達率は、キーホール溶接のためには十分であるが、しかしながら、スパッタを回避または最小化するレベルである。ステップ３２０からステップ３３０に切り替わるときの、単位経路長あたりのエネルギーの送達率の低減は、レーザビームが作業面に交差して移動する速度を増加させ、および／またはレーザビームのパワーを低減させることにより達成されてもよい。したがって、ステップ３３０は、（ｉ）ステップ３２０で第１の経路のために使用された速度よりも高速で第２の経路をトレースするステップ３３４、および（ｉｉ）ステップ３２０よりも低いレーザビームパワーを使用するステップ３３６の一方または両方を含んでもよい。実践的単純さおよびより容易に制御されたプロセスのために、速度の増加は、レーザビームパワーの低減よりも好ましい場合がある。したがって、一実施形態では、方法３３０は、ステップ３３４を含み、ステップ３３６を省略して、ステップ３２０および３３０でレーザビームパワーが同一になるようにする。

【0035】

より中央の面積へのレーザビーム１１２の移動は、界面２１０で溶融プール８５０の断面積を優先的に成長させる役割を果たす一方、少なくともしばらくの間、金属ピン対２００（１、２）のより未溶融の周辺部分による溶融プール８５０の閉じ込めから恩恵を受ける。

【0036】

図９Ａおよび９Ｂは、ステップ３３０の間の溶融プール８５０の成長を図示する。図９Ａおよび９Ｂは、それぞれ、図２Ｃで使用されたものと同様の金属ピン対２００（１、２）の断面図である。図９Ａに示されるように、レーザビーム１１２が経路２４０に沿って移動し、したがって、溶融プール８５０を比較的中心の位置から加熱する間、金属ピン２００（１）および２００（２）の未溶融の周辺部分９５６は、少なくともしばらくの間、溶融プール８５０が、作業側２２０の縁から溢流しないように防止することに役立つ障壁を形成する。最終的に、溶融プール８５０の成長は、周辺部分９５６を含んでもよく、溶融プールは、図９Ｂに示されるように、作業側２２０の全体を被覆する最終サイズまで成長してもよい。ステップ３３０におけるレーザビーム１１２の比較的中心の位置は、最終溶融プール８５０の深さ３７４を最大限化し、したがって、溶接ナゲット４７０を最大限化する（かつ界面２１０に沿って溶接ナゲット４７０の一般的な断面積を最大限化する）。代わりに、レーザビーム１１２が、経路２３０に沿って進み、単位経路長あたりのエネルギーの送達率が減少した場合、作業側２２０の周辺近くの溶融材料が失われて周辺に飛び散る、または溢流する場合があり、その結果、溶融プール８５０は、界面２１０に沿って同一最終深さ４７４が得られない。

【0037】

銅から作製される金属ピンのサンプル対に適用される方法３００の用途において、作業側に沿った第２の経路の横方向の寸法が、作業側に沿った第１の経路の対応する横方向の寸法の２０％～８０％にあるとき、最良の結果が得られることが見出されている。図２Ｂを参照すると、方法３００の一実施例では、経路２３０は、ｘ次元で幅２３２Ｗおよびｙ次元で長さ２３２Ｌを有し、経路２４０は、対応する幅２４２Ｗおよび長さ２４２Ｌを有し、ここで、（ａ）長さ２３２Ｌは、各金属ピン２００の長さ２０２Ｌの６０％～９０％であり、幅２３２Ｗは、各金属ピン２００の幅２０２Ｗの値の２倍の５０％～９０％であり、（ｂ）長さ２４２Ｌおよび幅２４２Ｗのそれぞれは、それぞれ、長さ２３２Ｌおよび幅２３２Ｗの２０％～８０％である。

【0038】

再び図３を参照すると、ステップ３２０と３３０との間の単位経路長あたりのエネルギーの送達率での減少は、キーホール深さを限定することによって、ボイド形成を減少または排除するのにさらに役立ち得る。金属気泡は、表面から離れて形成されるとき、より取り込まれやすくなる。したがって、より浅いキーホールは、ボイド形成のリスクを減少させる。より浅いキーホールはまた、スパッタのリスクを減少させる。したがって、ステップ３２０および３３０は、深さ対幅のキーホールアスペクト比を閾値未満に維持するステップ３２２および３３２をそれぞれ含んでもよい。

【0039】

図１０は、深さ対幅キーホールアスペクト比を示す、図である。レーザビーム１１２は、金属ピン２００（１）および２００（２）上の作業側２２０に入射し、矢印１０９０によって示されるように、作業側２２０に沿って移動する。レーザビーム１１２は、溶融プール８５０内にキーホール１０６０を形成し、溶融プール８５０の体積の大部分がキーホール１０６０の後に続く。キーホール１０６０は、作業側２２０の表面から負のｚ軸方向に深さ１０６２Ｄを有する。深さ対幅キーホールアスペクト比は、深さ１０６２Ｄを幅１０６２Ｗで除算したものである。幅１０６２Ｗは、ｚ軸に沿って変化してもよいが、幅１０６２Ｗは、概して、作業側２２０に入射するレーザビーム１１２のビームサイズに相関する。したがって、最も実践的目的のために、深さ対幅キーホールアスペクト比は、ほぼ深さ１０６２Ｄをレーザビーム１１２の直径（例えば、作業側２２０に焦点を合わせたときのレーザビーム１１２のウエスト直径）で除算したものである。

【0040】

深さ対幅キーホールアスペクト比が３．０を超えると、スパッタおよび／またはボイド形成が発生しやすいことが見出されている。本発見は、スパッタ挙動のリアルタイムイメージング、キーホール深さを評価するためのリアルタイム光コヒーレンストモグラフィ、および溶接後の断面を組み合わせて使用した、銅から作製されるいくつかの金属ピン対２００（１、２）の調査に基づいていた。したがって、一実施形態では、ステップ３２２および３３２の閾値は、３．０である。スパッタのリスクをさらに減少させる別の実施形態では、ステップ３２２および３３２の閾値は、３．０未満である。本実施形態では、閾値は、２．５、２．０、または１．５としてもよい。本閾値およびスパッタの許容範囲に応じて、深さ対幅キーホールアスペクト比は、方法３００を通して３．０未満、２．５未満、２．０未満、または１．５未満の値に維持される。

【0041】

ステップ３２２および３３２は、同一目的を有しているが、概して、作業側および溶融プールの状態が、ステップ３２０と３３０との間で異なるため、異なる要件と関連付けられる。一実施形態では、ステップ３２２は、単位長あたりのエネルギーの第１の送達率を第１の最大値またはそれを下回って維持することを含み、ステップ３３２は、単位長あたりのエネルギーの第２の送達率を、ステップ３２２における単位長あたりのエネルギーの第１の送達率のための第１の最大値のある割合にすぎない、第２の最大値またはそれを下回って維持することを含む。少なくとも、ステップ３２２および３３２を含み、銅から作製される一対の金属ピンに適用される方法３００の実施形態における特定の状況下では、ステップ３３２における第２の最大値は、ステップ３２２における第１の最大値の約２／３であることが見出されている。対応する実施形態では、ステップ３３０における単位長あたりのエネルギーの第２の送達率は、ステップ３２０における単位長あたりのエネルギーの第１の送達率の最大で２／３である。本実施形態の一実施例では、ステップ３３０は、ステップ３３４を実施するが、ステップ３３６は実施せず、単位長あたりのエネルギーの送達率の所望の減少を達成し、その結果、レーザビームは、ステップ３２０で第１の経路のために使用された速度の少なくとも１．５倍の速度で第２の経路をトレースする。

【0042】

さらに、ステップ３２２および３３２を含み、銅から作製される一対の金属ピンに適用される、方法３００の実施形態における少なくとも特定の状況下は、ステップ３３０における単位長あたりのエネルギーの第２の送達率を、ステップ３２０における単位長あたりのエネルギーの第１の送達率の少なくとも１／５に設定することが好ましいことが見出されている。したがって、方法３００の一実施形態では、ステップ３３０における単位長あたりのエネルギーの第２の送達率は、ステップ３２０における単位長あたりのエネルギーの第１の送達率の１／５～２／３である。本実施形態の一実施例では、ステップ３３０は、ステップ３３４を実施するが、ステップ３３６は実施せず、単位長あたりのエネルギーの送達率の所望の減少を達成する。本実施例では、レーザビームは、ステップ３３０において、ステップ３２０で第１の経路のために使用された速度の１．５倍～５倍の速度で第２の経路をトレースする。ステップ３２０において第１の経路のために使用された適切な速度は、他のパラメータ、特に、レーザビームパワーに依存する。一実施例では、ステップ３２０で第１の経路のために使用された速度は、毎秒１００～６００ミリメートルの範囲であり、レーザビームパワーは、１～１０キロワットである。

【0043】

方法３００は、ステップ３２０からステップ３３０に切り替えるべきときについて、１つ以上の基準を利用してもよい。一実施形態では、方法３００は、深さ対幅キーホールアスペクト比が、所定の閾値に達する前に、ステップ３３０に切り替える基準３９０を実施する。方法３００の本実施形態は、ステップ３２２および３３２を含んでもよく、基準３９０は、ステップ３２２および３３２で使用されたのと同一閾値に基づいてもよい。

【0044】

基準３９０の代替として、または基準３９０と併せて、方法３００は、キーホールが、溶融プールによって既に占有されている、第１の経路上の位置に達する前に、ステップ３２０からステップ３３０に切り替える基準３９２を実施してもよい。キーホール（例えば、キーホール１０６０）が、溶融プールが、キーホールが溶融プールの既存の部分に追いつくようなサイズに成長するために十分な長さで、第１の経路を移動できる場合、キーホール深さは、本質的に、スパッタおよび／またはボイド形成が発生する限界を瞬時に超えることが見出されている。したがって、図８Ｃにおける実施例によって示され、交差８９０によって示されるように、基準３９２は、レーザビーム１１２が、溶融プール８５０の以前に形成された部分によって既に占有されている経路２３０上の位置に達する前に、ステップ３３０への切替を課す。いくつかのシナリオでは、基準３９２に従ってステップ３２０からステップ３３０に切り替えることは、基準３９０が満たされることも保証する。図３には示されていないが、方法３００は、基準３９２に従って、ステップ３２０からステップ３３０に切り替える必要があるべきときを特定するために、作業側をリアルタイムで画像化するステップを含んでもよい。方法３００は、基準３９０および３９２の両方を実施してもよい。

【0045】

基準３９０および３９２は、その両方とも、ステップ３２０の継続時間に上限を課す。方法３００は、溶融プールが第１の経路内およびそれによって画定される面積のある閾値割合を占有するように成長した後にのみ、ステップ３３０に切り替えることによって、ステップ３２０の継続時間に下限を課す、基準３９４をさらに実施してもよい。一実施例では、閾値部分は、５０％である。別の実施例では、閾値割合は、６０％～８０％の範囲等、５０％よりも大きい。図３には示されていないが、方法３００は、基準３９４に従って、ステップ３２０からステップ３３０に切り替えることが許容されるときを識別するために、作業側をリアルタイムで画像化するステップを含んでもよい。

【0046】

基準３９０、３９２、および３９４のうちの１つ以上に従って、ステップ３２０からステップ３３０に切り替えるべきときを評価するためのリアルタイム画像化能力がない場合、そのような検査が、基準３９０、３９２、および３９４の１つ以上に従って、切替を確実にする機械パラメータを判定するために、１つ以上のサンプルに対して実行されてもよい。例えば、そのような検査は、（ｉ）第１の経路上の持続時間、および（ｉｉ）第１の経路に沿った単位長あたりのエネルギーの送達率の一方または両方の適切な値を判定してもよい。これらの検査はまた、ステップ３２２に加えて要求される機械パラメータの適切な値、例えば、（ｉ）第１の経路のサイズ、（ｉｉ）第２の経路に沿った単位長あたりのエネルギーの送達率、および（ｉｉｉ）第２の経路のサイズを判定してもよい。したがって、方法３００は、基準３９０、３９２、および３９４のうちの１つ以上に従って、ステップ３２０および３３０を実行し、それらの間を切り替えるために、事前定義された機械パラメータを実施してもよい。

【0047】

ある実施形態では、ステップ３３０の持続期間は、ステップ３３０における溶融プールの実質的成長を可能にしながら、ステップ３２０におけるスパッタを防止するために、ステップ３２０の持続期間を超える。ステップ３２０および３３０を含む、総溶接時間は、２００ミリ秒未満または１００ミリ秒未満であってもよい。

【0048】

方法３００は、金属ピン対２００（１、２）と同一幾何学形状を有する、金属ピン対に限定されない。むしろ、方法３００は、概して、金属部品の縁溶接に適用可能であり、特に、角形棒線の溶接のために非常に好適である。角形棒線対またはピン対は、２つの金属部品の２つの個別の表面が、相互に隣接し、溶接のための作業側を形成する限り、金属ピン対２００（１、２）のものと異なる幾何学形状と継合されてもよい。

【0049】

図１１は、それらの個別の端面１１０４（１）および１１０４（２）が反対方向に面するように継合される、一対の金属ピン１１００（１）および１１００（２）を図示する。金属ピン１１００（１）および１１００（２）は、図１１に描写されるように、個別のヘアピンまたはＩピンの端部であってもよい。金属ピン対１１００（１、２）は、金属ピン対２００（１、２）のものと異なる、ピン対幾何学形状の一実施例を表す。作業側１１０２が、方法３００に従って溶接するために、それぞれ、金属ピン１１００（１）および１１００（２）の２つの隣接する側面表面１１０８（１）および１１０８（２）によって提供される。方法３００のある実施例では、金属ピン対１１００（１、２）に適用されるように、レーザビーム１１２は、最初に、ステップ３２０において、より大きい経路１１３０をトレースし、続いて、ステップ３３０において、より小さい経路１１４０をトレースする。

【0050】

図１２は、図２Ｃで使用されたものに類似する側断面図において、方法３００に従ってレーザ溶接するための非平面作業側と継合される、金属ピン対の一実施例を図示する。本実施例では、２つの金属ピン１２００（１）および１２００（２）は、個別の隆起１２０６（１）および１２０６（２）において終端し、Ｖ形状作業側１２２０をもたらす。金属ピン１２００（１）および１２００（２）によって形成される、作業側１２２０の個別の部分は、依然として、両方の部分が、概して、図１２において上向きに面するという意味で、同一方向に面していると見なされる。

【0051】

本発明は、上記において、好ましい実施形態および他の実施形態の観点から説明されている。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付の請求項によってのみ限定される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A-8E】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【国際調査報告】