Method for laser welding of a rotating work piece, system

Abstract

The invention relates to a method and a system for laser welding pairs (14) of welding sections (16) arranged on a face side (12) of a work piece (10).

Description

Method for laser welding of a rotating work piece, system

[0001] Specification

[0002] The invention relates to a method for laser welding pairs of welding sections arranged on a face side of a work piece and corresponding system.

[0003] The invention may be used for welding stator hairpins. Electric motors and electric generators are usually made of stators and magnetic rotors. The stators are typically made of electrically conductive windings that exchange energy with the respective rotors. In an electric motor, electric current passes through the windings of a stator to generate a rotating magnetic field that drives a magnetic rotor. In an electric generator, a stator converts the rotating magnetic field of a magnetic rotor into electric current. A conventional stator may have a continuously wound metal wire winding, where the wire has a circular, a rectangular or a combination of a circular and a rectangular cross section. All before mentioned cross section shapes are preferably corresponded to other parts like busbars, sheet metal connection parts or stamped type connection parts.

[0004] A hairpin stator, on the other hand, may be assembled from bar-shaped segments known as hairpins. Such hairpins, which may be formed of copper, aluminum, or another suitable metal, have a number of advantages. Unlike the conventional wire windings, however, hairpins typically cannot be  continuously wound. The ends of the hairpins may be placed next to each other and laser-welded together to form the desired mechanical and electrical connections. A stator for an electric drive motor may require a large number of such end-to-end welds.

[0005] US 2024 / 0009774 A1 discloses a method for welding the ends of hairpins together to form an electric motor.

[0006] The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art, in particular to decrease the process time of welding weld sections of a rotating work piece.

[0007] The object of the invention is solved by a method for laser welding pairs of welding sections arranged on a face side of a work piece with features of claim 1. The work piece is rotated around a rotation axis, wherein the rotation axis is perpendicular to the face side of the work piece. The rotation movement overlaps with a movement of a laser beam redirected by a scanner. The laser beam creates a moving laser spot on the face side to weld pairs of welding sections, in particular in a butt joint. The pairs of welding sections are arranged in a matrix with rows and columns, wherein the rows are circumferentially, in particular circularly, arranged around the rotation axis and the columns are radially arranged to the rotation axis. The matrix builds preferably a circumferentially, in particular circularly, curved chessboard pattern. The rows may be continuous around the rotation axis.

[0008] The laser spot welds pairs of welding sections from multiple rows in one turn of the work piece. This has the advantage that the work piece can be processed more flexibly and rapidly.

[0009] For the sake of the invention, the term “one turn” is to be understood as a 360° rotation of the work piece. The pair of welding sections are separated before and shall be electrically connected after the weld is formed. One or multiple superimposed laser beams may be used.

[0010] The welding sections comprise preferably Cu-Cu compounds, in particular Cu-ETP (Electrolytic Tough Pitch Copper) , Cu-DHP (Deoxidized High Phosphorus Copper) , Cu-OF (Oxygen-Free Copper) , or Cu-HCP (High Conductivity Copper Phosphorus) compounds.

[0011] The laser weld and the pairs of welding sections may be arranged radially to the rotation axis and / or along the circumference of the work piece.

[0012] It is preferable that the laser spot welds multiple, in particular all, pairs of welding sections from one column in one turn of the work piece. In contrary to weld each rows sequentially, the jump time of the laser, the redirection of the laser beam and the off time can be decreased. If multiple pairs of welding sections from one column are welded in one turn, at the same rotation speed, the process time is decreased or the rotation speed of the  work piece can be decreased with the same process time. A lower rotation speed has a positive effect on the melt due to less centrifugal force and less energy input. This effect is even more significant if all pairs of welding sections from one column are welded in one turn. In this case, the matrix is completely welded in one turn.

[0013] It is preferable that the laser spot welds radially from an inside to an outside or from an outside to an inside of the pairs of welding sections. This allows countering the centrifugal force of the melt during the rotation.

[0014] In the sake of the invention, the term "inside"refers to the welding sections closer to the rotation axis, and "outside"refers to the welding sections further from the rotation axis.

[0015] According to another aspect, one column may be weld from an inside to an outside and the adjacent column may be weld from the outside to the inside or vice versa. Thus, the jump time of the laser spot may be further decreased.

[0016] It is preferable that the laser spot is movable inside a static working area by the scanner and the pairs of welding sections pass the working area due to the rotation movement of the work piece. Thus, the laser beam can be moved inside the work piece only due to a rotation of the scanner. A linear movement of the scanner and the working area is not necessary. Thus, the weld precision and quality can be increased.

[0017] It is preferable that the laser spot welds sequentially the adjacent columns passing the working area. Thus, the process time can be decreased.

[0018] It is preferable that the laser spot welds all pairs of welding sections in one turn. Thus, the process time can be further decreased.

[0019] It is preferable that positions of pairs of welding sections of multiple rows are measured in one turn. This has the advantage that the work piece can be processed more flexibly and rapidly, analog to the welding pattern. For the sake of the invention, the term “position of pairs of welding section” is to be understood as the moving position of the pairs welding section on the work piece. The position may represent the relative position to the scanner and / or work piece and / or an absolute position. The position may be characterized by a boundary box, preferably a rectangle, which fully encloses the end surfaces of the welding sections as they were before the weld was formed.

[0020] Preferably, the measuring pattern is used corresponding to the welding pattern. The position of a pair of welding sections is preferably measured before or at the same time of the welding process. It is further preferable that one pair of welding sections is welded during the measuring of another pair of welding sections, preferably from the same row, from adjacent rows, from the same column or from  adjacent column. The welding and measuring can be executed on either on the total row or on the total column.

[0021] It is preferable that positions of multiple, in particular all, pairs of welding sections from one column are measured in one turn.

[0022] It is preferable that positions of pairs of welding sections are measured from an inside to an outside or from an outside to an inside of the pairs of welding sections.

[0023] It is preferable that the positions of pairs of welding sections are measurable inside a static measuring area and the pairs of welding sections pas s the measuring area due to the rotation movement of the work piece.

[0024] According to another aspect of the invention, the measuring area is overlapping the working area or the measuring area is spaced apart from the working area. It is possible, that the same laser beam is used for sequential welding and measuring.

[0025] The measuring area is preferably positioned ahead of the working area in relation to the rotation direction of the work piece. Thus, a correction of the weld path or the laser parameters is possible, if necessary.

[0026] To measure the positions of the pairs of welding sections an interferometric-based sensor system, e.g. VisionLine OCT Detect, for determining the position and position  deviations of individual welding sections may be used. Alternatively a camera-based sensor system, e.g. VisionLine Detect, may be used.

[0027] The laser system and the sensor system may be set up in such a way, e.g. with CalibrationLine Focus, that laser path is calibrated according to the measured positions and position deviations.

[0028] It is more preferable that a control system is provided to control a definite movement of the laser spot on the face side, even if the work piece is rotating.

[0029] It is preferable that the welding sections are metallic components, in particular bar-shaped metallic components, preferably stator hairpins. It is more preferable that the work piece is a hairpin stator.

[0030] It is preferable that a rotation speed of the work piece is equal or less than 120° / s, in particular equal or less than 60° / s. It is more preferable that a feed speed of the laser spot is equal or less than 1500 mm / s, in particular equal or less than 900 mm / s.

[0031] It is preferable that a 2in1 fiber, especially BrightLine Weld, is used for the melting process. It is more preferable that an intensity in a core of the laser spot is higher or lower than an intensity in a ring of the laser spot. A ratio of a core diameter and a ring diameter is preferably in a range between 1: 2 and 1: 9, in particular  1: 3, 1: 4, 1: 5, or 1: 6. The core diameter may be in a range between 50 μm and 100 μm. The ring diameter may be in a range between 200 μm and 400 μm. Alternatively a 2 in 1 fiber with SM (single mode) core or a combination of single mode core and ring fibers with diameters between 50 μm to 600 μm with a SPP of equal or less than 0.6 mm*mrad may be used.

[0032] It is preferable that diameter ramps and / or intensity ramps are used at the beginning of, during and / or at the end of a weld of one pair of welding sections. The sum of the intensity of the core and the ring of the laser spot and / or the intensity distribution between the core and the ring may be changed at the beginning, during and / or at the end. A continuous intensity ramp from the ring to the core may be set up at the process begin. A continuous intensity ramp from the core to the ring may be set up at the process end. These intensity ramps may last equal or less than 50 ms, in particular equal or less than 10 ms.

[0033] A distance between a process zone to an edge of the welded section is equal or higher than a diameter of the laser spot.

[0034] It is preferable that a beam splitter, in particular wedge splitter, is used to create two laser spots on the face side. In this case, a first laser spot is moved on a first welding section and a second laser spot is moved on a second welding section of a pair of welding sections. Thus, no need to bridge the gap between the first and second welding section.

[0035] A laser may be used a beam quality SPP equal or higher than 4 mm*mrad. A laser beam source may preferably be a NIR (Near-Infrared) laser (multi-mode) , in particular with a total power equal or more than 4 kW, in particular with equal or more than 8 kW. Alternatively, a VIS (Visible-Light) laser with green or blue wavelength or a combined NIR / VIS waveguide design may be used. The used scanner may preferably has a mapping ration in a range between 1: 1 -5: 1, in particular 1.9: 1 or 3.4: 1.

[0036] The object of the invention is further solved by a system for laser welding pairs of welding sections arranged on a face side of a work piece with the features of claim 14. The system comprises at least one laser source to create a laser beam, at least one working scanner to redirect the laser beam creating a laser spot on the face side, at least one rotation device to rotate the work piece around a rotation axis. The system is set up to execute the above-described method.

[0037] It is preferable that the system further comprises a sensor system to measure positions and / or position deviations of pairs of welding sections. The system may be set up that the measured positions and / or position deviations are used to reconfigure the laser spot path and / or alternatively to reconfigure the welding strategy consisting of welding geometries and / or parameters.

[0038] It is shown in

[0039] Fig. 1 a top view of the work piece with a matrix of pairs of welding sections;

[0040] Fig. 2 a detail of Fig. 1, wherein some pairs are connected and some pairs are still separated;

[0041] Fig. 3 a side view of a system with a work piece according to Fig. 1 during the welding process.

[0042] According to Fig. 1, a work piece 10 comprises a face side 12 at which multiple pairs 14 of welding sections 16 are provided. The pairs 14 of welding sections 16 are arranged in a matrix 18 with multiple rows R1-Rn and multiple Columns C1-Cn. The rows R1-Rn are circularly arranged around a rotation axis 20 and the columns C1-Cn are radially arranged to the rotation axis 20. The rotation axis 20 is perpendicular to the face side 12 of the work piece 10.

[0043] Fig. 2 shows that the pairs 14 of welding sections 16 are separated before forming the weld 22 and are electrically connected after forming the weld 22. In Fig. 2, the weld 22 is arranged circumferentially to the rotation axis 20. Alternatively, the weld 22 can be arranged radial to the rotation axis 20. In this example, the Column C1 is completely finished, the pair 14 of welding sections 16 in row R1 and column C2 is finished and the pair 14 of welding  sections 16 in row R2 and column C2 is in process. The other columns C3, C4 are not yet processed.

[0044] In Fig. 3, a system 11 for laser welding pairs 14 of welding sections 16 arranged on a face side 12 of a work piece 10 is shown. To weld the pairs 14 of welding sections 16, according to Fig. 3, a laser beam 24 is redirected by a scanner 26 onto the face side 12 of the work piece 10. This creates a laser spot 28 on the face side 12 to generate a melt pool on the face side 12, in particular on the pair 14 of welding sections 16. The laser spot 28 can be moved inside a static working area 30 due to a tilting movement of the scanner 26. The working area 30 is mapped on the face side 12. The working area 30 is smaller than the area of all welding sections 16 to be processed.

[0045] Therefore, the work piece 10 is rotated around the rotation axis 20 by a rotation device 31, wherein the rotation movement of the work piece 10 overlaps the movement of the laser beam 24. The pairs 14 of welding sections 16 pass the working area 30 due to the rotation movement of the work piece 10. Apparently, the proces s time can be decreased due to a dispensed movement of the working area 30 over the face side 12 of the work piece 10.

[0046] The laser spot 28 does form a weld 22 to connect a pair 14 of welding sections 16. The laser spot 28 is moved in a specific pattern to decrease the process time and the off time. Thus, the laser spot 28 welds all pairs 14 of welding sections 16 from one column that is rotated in the working  area 30. For example in Fig. 2, the laser spot 28 welded column C1 and is now welding column C2. After finishing column C2, the laser spot 28 will weld sequentially column C3 and C4. Therefore, all pairs of welding sections in the matrix 18 will be welded after one turn of the work piece 10 (rotation of 360°) . If all pairs 14 of welding sections 16 from one column are welded in one turn, at the same rotation speed, the process time is decreased or the rotation speed of the work piece 10 can be decreased with the same process time. A lower rotation speed has a positive effect on the melt pool due to less centrifugal force. A lower process time has a positive effect on the weld 22 due to less energy input.

[0047] The welding pattern is further specified in Fig. 2 with the arrows, wherein column C1 is welded from an inside 32 to an outside 34 and column C2 is welded from the outside 34 to the inside 32. It is also possible that the pairs 14 are welded all from the inside 32 to the outside 34 or vice versa.

[0048] According to Fig. 3, a position detection of the welding sections 16 entering the working area 30 is carried out. Therefore, a sensor system 35 is provided. The sensor system 35 may be arranged in the same unit as the scanner 26 (as shown in Fig. 3) or in a different unit (not shown) . The sensor system 35 may be an interferometric-based or a camera-based sensor system. The sensor system 35 measures the position of the pairs 14 and / or the position deviation of the pairs 14. The sensor system 35 preferably measures  the position of the pairs 14 in a measuring pattern that is identical to the welding pattern. The position deviation is used to reconfigure the path of the laser spot 28. This ensures that the weld seam 22 is produced with high precision. The sensor system 35 measures the position and the position deviation in a measuring area 36. It is shown in Fig. 1 and 3, that the measuring area 36 is positioned ahead of the working area 30 in relation to a rotation direction 38 of the work piece 10.

[0049] Reference Signs

[0050] R1-Rn rows of matrix

[0051] C1-Cn Columns of matrix

[0052] 10 work piece

[0053] 12 face side of work piece

[0054] 14 pairs of welding sections

[0055] 16 welding section

[0056] 18 matrix of pairs of welding sections

[0057] 20 rotation axis

[0058] 22 weld seam

[0059] 24 laser beam

[0060] 26 scanner

[0061] 28 laser spot

[0062] 30 working area

[0063] 31 rotation device

[0064] 32 inside of pairs of welding sections

[0065] 34 outside of pairs of welding sections

[0066] 35 sensor system

[0067] 36 measuring area

[0068] 38 rotation direction

Claims

1.Method for laser welding pairs (14) of welding sections (16) arranged on a face side (12) of a work piece (10) ,wherein a rotation movement of the work piece (10) around a rotation axis (20) that is perpendicular to the face side (12) overlaps with a movement of a laser beam (24) redirected by a scanner (26) ,wherein the laser beam (24) creates a moving laser spot (28) on the face side (12) to weld pairs (14) of welding sections (16) ,wherein the pairs (14) of welding sections (16) are arranged in a matrix (18) with rows (R1-Rn) and columns (C1-Cn) , wherein the rows (R1-Rn) are circumferentially arranged around the rotation axis (20) and the columns (C1-Cn) are radially arranged to the rotation axis (20) ,wherein the laser spot (28) welds pairs (14) of welding sections (16) from multiple rows (R1-Rn) in one turn of the work piece (10) .2.Method according to claim 1, wherein the laser spot welds multiple, in particular all, pairs (14) of welding sections (16) from one column (C1-Cn) in one turn of the work piece (10) .3.Method according to claim 1 or 2, wherein the laser spot (28) welds radially from an inside (32) to an outside (34) or from an outside (34) to an inside (32) of the pairs (14) of welding sections (16) .4.Method according to any of the preceding claim, wherein the laser spot (28) is movable inside a static working area (30) by the scanner (26) , wherein the pairs (14) of welding sections (16) pass the working area (30) due to the rotation movement of the work piece (10) .5.Method according to any of the preceding claims, wherein the laser spot (28) welds sequentially the adjacent columns (C1-Cn) passing the working area (30) .6.Method according to any of the preceding claims, wherein the laser spot (28) welds all pairs (14) of welding sections (16) in one turn.7.Method according to any of the preceding claims, wherein positions of pairs (14) of welding sections (16) of multiple rows (R1-Rn) are measured in one turn.8.Method according to any of the preceding claims, wherein positions of multiple, in particular all, pairs (14) of welding sections (16) from one column are measured in one turn.9.Method according to any of the preceding claims, wherein positions of pairs (14) of welding sections  (16) are measured from an inside (32) to an outside (34) or from an outside (34) to an inside (32) of the pairs (14) of welding sections (16) .10.Method according to any of the preceding claims, wherein the positions of pairs (14) of welding sections (16) are measurable inside a static measuring area (36) , wherein the pairs (14) of welding sections (16) pass the measuring area (36) due to the rotation movement of the work piece (10) .11.Method according to claim 10, wherein the measuring area (36) is overlapping the working area (30) or the measuring area (36) is spaced apart from the working area (30) , in particular the measuring area (36) is positioned ahead of the working area (36) in relation to the rotation direction (38) of the work piece (10) .12.Method according to any of the preceding claims, wherein the welding sections (16) are metallic components, in particular bar-shaped metallic components, preferably stator hairpins, and / or the work piece (10) is a hairpin stator.13.Method according to any of the preceding claims, wherein a rotation speed of the work piece (10) is equal or less than 120° / s, in particular equal or less than 60° / s, and / or wherein a feed speed of the laser spot (28) is equal or less than 1500 mm / s, in particular equal or less than 900 mm / s.14.A system (11) for laser welding pairs (14) of welding sections (16) arranged on a face side (12) of a work piece (10) , the system (11) comprising:- at least one laser source to create a laser beam (24) ,- at least one working scanner (26) to redirect the laser beam (24) creating a laser spot (28) on the face side (12) ,- at least one rotation device (31) to rotate the work piece (10) around a rotation axis (20) ,wherein the system (11) is set up to carry out the method according to any of claims 1 to 13.15.System (11) according to claim 14, wherein the system (11) further comprises a sensor system (35) to measure positions and / or position deviations of pairs (14) of welding sections (16) .

Images