Die Erfindung betrifft ein Hairpin-Schweißverfahren, bei dem die bündig nebenein ander angeordneten Drahtenden mindestens zweier Kupferdrähte miteinander mit tels eines Laserstrahls verschweißt werden, und eine zugehörige Hairpin- Schweißvorrichtung.

Ein derartiges Hairpinschweißverfahren ist beispielsweise durch die EP 3 292 940 A1 bekannt geworden.

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, eingebracht werden. Die Hairpins können beispielsweise klammerförmig oder li near ausgebildet sein und liegen nach ihrem Einbringen in den Statorkäfig parallel zueinander und im Wesentlichen in Axialrichtung des Stators bzw. des Elektromo tors in dem Statorkäfig vor. 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 Verbin dung zueinander aufweisen. Die jeweiligen freien Enden der Hairpins werden nach dem Einbringen in den Statorkäfig und nach einer eventuellen Umformung und/o der Kürzung und einer eventuellen Vorbehandlung, beispielsweise einer Entla ckung, dann zur Ausbildung einer vollständigen Statorwicklung bevorzugt paar weise miteinander gefügt, beispielsweise durch Verschweißen. Durch das Fügen werden sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den freien Enden der jeweiligen Hairpins-Paare hergestellt, so dass die nach dem Einbringen zunächst einzeln vorliegenden Hairpins nun ver bunden sind. Durch das Fügen der Hairpins kann eine mechanisch und elektrisch miteinander verbundene, durchgehende Statorwicklung ausgebildet werden.

Die Hairpins weisen meist einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf, dessen Querschnittsfläche wesentlich größer ist als die eines zum Wickeln ausge bildeten Drahts. Dadurch wird ein gegenüber einem Draht erhöhter Stromfluss er möglicht. Die damit erreichbare Steigerung der Leistungsfähigkeit von Elektromo toren ist insbesondere bei Elektromotoren für Kraftfahrzeuge vorteilhaft, da diese sehr hohen Leistungsanforderungen gerecht werden müssen.

Das Schweißen von Hairpins für die Elektromotorenfertigung im Bereich eMobility ist ein meist laserbasiertes Verfahren, bei dem die Enden zweier Kupferdrähte rechteckigen Querschnitts stirnseitig miteinander verschweißt werden. Üblicher weise kommt hierbei ein NIR-Laser mit einem Top-Hat-Strahlprofil in Kombination mit einer Strahloszillationstechnik, wie sie in der EP 3 292 940 A1 beschrieben ist, zum Einsatz. Dabei entstehen während des Schweißprozesses sowohl Spritzer, die zu Verunreinigungen auf umliegenden Bauteilen führen und deren Kurz schlussrisiko erhöhen, als auch Poren in der Schweißnaht (Schweißperle), die die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische Festigkeit vermindern. Diese Sprit zer und Poren führen in der Elektromotorenfertigung zu hohen Ausschussraten.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, beim Hair- pinschweißen das Auftreten von Spritzern und Poren zu reduzieren, sowie eine zugehörige Hairpin-Schweißvorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Laserstrahl mit ei nem stirnseitig auf die Drahtenden auftreffenden Strahlquerschnitt erzeugt wird, der einen runden Kernbereich und einen den Kernbereich, insbesondere unmittel bar, umgebenden Ringbereich aufweist, wobei

- das Verhältnis des Außendurchmessers des Ringbereichs zum Durchmesser des Kernbereichs zwischen 7:1 und 2:1 , bevorzugt zwischen 5:1 und 2:1 , besonders bevorzugt ca. 4:1 , ca. 3,5:1 , ca. 3:1 oder ca. 2,6:1 , beträgt, und

- das Verhältnis der Laserleistung im Kernbereich zu der Laserleistung im

Ringbereich zwischen 10:90 und 70:30, bevorzugt zwischen 25:75 und 50:50, besonders bevorzugt ca. 30:70, beträgt.

Erfindungsgemäß weist der Strahlquerschnitt einen inneren Kernbereich und ei nen äußeren Ringbereich auf, die in einem bestimmten Größen- und Intensitäts verhältnis zueinander stehen und die den Prozess derart beeinflussen, dass deut lich weniger Poren und Spritzer entstehen. Instabilitäten eines langgezogenen Keyholes führen zu Spritzern, wenn das Keyhole eine Auswölbung bildet, ein Überdruck entsteht und die Schmelze dann explosionsartig durch das sich öff nende Keyhole ausgeworfen wird. Wenn Instabilitäten im langgezogenen Keyhole Auswölbungen am unteren Ende erzeugen, die sich ablösen, entstehen Poren, wobei Implosionen am Prozessende vermehrt zu Poren führen. Die Laserleistung im Ringbereich führt zur Stabilisierung des Keyholes und damit zur Beruhigung der Schmelzbaddynamik, wodurch die Entstehung von Spritzern reduziert wird.

Die Laserleistung im Ringbereich führt zu einem kegelförmig geöffneten bzw. oben aufgeweiteten Keyhole, das im unteren Bereich weniger abgeschnürt werden kann und so die Entgasung verbessert und der Entstehung von Poren entgegenwirkt. Versuche haben gezeigt, dass zur Reduktion von Spritzern ein Leistungsanteil im Kernbereich von 10-50 % und zur Reduktion von Poren ein Leistungsanteil im Kern von 10-30 % erforderlich besonders vorteilhaft ist. Als optimal wurde ein Leistungsanteil im Kernbereich von ca. 30% gefunden.

Vorzugsweise beträgt die Laserleistung im Kernbereich mindestens 0,9 kW, um prozesssicher ein Keyhole zu erzeugen. Die Wellenlänge beträgt beispielsweise 1030 nm, aber auch andere Wellenlängen sind möglich, wie z.B. 515 nm oder 450 nm.

Wie Versuche weiter gezeigt haben, muss auch der Spotdurchmesser auf den Drahtenden optimal für das Hairpinschweißen eingestellt werden. Bevorzugt be trägt der Spotdurchmesser des Kernbereichs zwischen 50 pm und 340 pm, bevor zugt zwischen 75 pm und 200 pm, insbesondere ca. 85 pm, ca. 136 pm oder 170 pm, und der Spotaußendurchmesser des Ringbereichs zwischen 250 pm und 1200 pm, bevorzugt zwischen 300 pm und 700 pm, bevorzugt ca. 340 pm, ca. 408 pm, ca. 442 pm oder ca. 680 pm. Als optimal wurden ein Spotdurchmesser des Kernbereichs von 85 pm und ein Spotaußendurchmesser des Ringbereichs von 340 pm gefunden.

Vorzugsweise wird der Laserstrahl auf den beiden Stirnflächen der Drahtenden, insbesondere in immer der gleichen Linearbewegung oder in immer der gleichen Kreisbahn („Strahloszillation“), bewegt, um auf den beiden Stirnflächen eine ge schmolzene Schweißperle zu erzeugen. Die Geschwindigkeit („Oszillationsvor schub“), mit der sich der Laserstrahl auf den beiden Stirnflächen der Drahtenden bewegt, beträgt vorteilhaft zwischen 200 mm/s und 1600 mm/s, wobei die besten Ergebnisse bei 800 mm/s erzielt wurden.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird der auf die Drahtenden auftreffende Strahlquerschnitt mittels einer Doppelfaser erzeugt, die eine Kernfa ser und eine die Kernfaser umgebende Ringfaser aufweist. Dabei wird der Laser strahl sowohl in die Kern- als auch in die Ringfaser eingekoppelt, wobei die in die Doppelfaser eingekoppelte Laserleistung auf die Kernfaser und die Ringfaser im Verhältnis zwischen 10:90 und 50:50, bevorzugt zwischen 20:80 und 40:60, be sonders bevorzugt im Verhältnis von ca. 30:70, aufgeteilt wird. Bevorzugt beträgt das Verhältnis des Außendurchmessers der Ringfaser zum Durchmesser der Kernfaser zwischen 5:1 und 3:1 , bevorzugt ca. 4:1. Vorzugs weise beträgt der Durchmesser der Kernfaser zwischen 25 gm und 250 gm, be vorzugt zwischen 50 gm und 200 gm, besonders bevorzugt ca. 50 gm, ca. 80 gm, ca. 100 gm oder ca. 200 gm, und der Außendurchmesser der Ringfaser zwischen 150 gm und 800 gm, bevorzugt zwischen 200 gm und 700 gm, besonders bevor zugt ca. 200 gm, ca. 240 gm, ca. 260 gm, ca. 400 gm oder ca. 700 gm. Dies kann beispielsweise mit einer Doppelfaser mit Durchmessern von 100 gm/400 gm oder mit Durchmessern von 50 gm/200 gm umgesetzt werden. Weitere Durchmesser verhältnisse können zum Einsatz kommen, so z.B. 100 gm/260 gm oder 80 gm/240 gm oder ähnliche. In Versuchen hat sich gezeigt, dass die Prozesseffizi enz durch den Einsatz einer 50 gm/200 gm-Faser im Vergleich zu einer 100 gm/400 gm -Faser bei gleicher Abbildung gesteigert werden kann, was wiederum zu kürzeren Prozesszeiten bei gleicher Laserleistung führt.

Die Positionierung des Laserstrahls auf den Drahtenden kann mittels eines kame rabasierten Sensorsystems erfolgen, um insbesondere die Oszillationsposition und -geometrie entsprechend der Fügesituation anpassen zu können.

Die Erfindung betrifft auch eine Hairpin-Schweißvorrichtung zum Verschweißen von bündig nebeneinander angeordneten Drahtenden zweier Kupferdrähte mittels eines Laserstrahls, mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls und mit einer im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten Strahlformungsoptik zum Erzeugen eines Strahlquerschnitts auf den Drahtenden, der einen runden Kernbereich und einen den Kernbereich, insbesondere unmittelbar, umgebenden Ringbereich aufweist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen.

Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merk male je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung fin den. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Hairpin-Schweißvorrichtung zum Verschweißen von Hairpins;

Fign. 2a, 2b zwei Intensitätsprofile des auf die Flairpins auftreffenden Laser

strahls; und

Fig. 3 Oszillationen des Laserstrahls auf der Stirnflächen der Hairpins.

Die in Fig. 1 gezeigte Hairpin-Schweißvorrichtung 1 dient zum Verschweißen von bündig nebeneinander angeordneten Drahtenden 2 zweier Kupferdrähte 3 mittels eines Laserstrahls 4. Die Hairpin-Schweißvorrichtung 1 umfasst einen Laserstrah lerzeuger 5 zum Erzeugen des Laserstrahls 4 (Wellenlänge 1030 nm, Leistung 5 kW) und eine im Strahlengang des Laserstrahls 4 angeordneten Strahlformungs optik 6 zum Erzeugen eines Strahlquerschnitts 7 auf den Drahtenden 2, der einen kreisrunden Kernbereich 8 und einen den Kernbereich 8 unmittelbar umgebenden, kreisrunden Ringbereich 9 aufweist.

Die Strahlformungsoptik 6 ist durch eine Doppelfaser 10 mit einer Kernfaser 11 und mit einer die Kernfaser 10 umgebenden Ringfaser 12 sowie durch eine Ein koppeloptik 13, z.B. in Form einer im Strahlengang angeordneten Keilplatte, gebil det, die den Laserstrahl 4 zeitgleich in die Kernfaser 8 und in die Ringfaser 9 ein koppelt. Das Durchmesserverhältnis CIR/CIK der Ringfaser 12 zur Kernfaser 11 be trägt bevorzugt 4:1 , was beispielsweise mit einer Doppelfaser 10 mit Durchmes sern von 200 pm/50 pm oder mit Durchmessern von 400 pm/100 pm umgesetzt werden kann. Die Einkoppeloptik 13 koppelt den Laserstrahl 4 zeitgleich sowohl in die Kern- als auch in die Ringfaser 11 , 12 ein, und zwar im Verhältnis von ca. 30:70 auf die Kernfaser 8 und die Ringfaser 9. Bei einer Vergrößerung von 1 ,7:1 beträgt bei einer Doppelfaser 10 mit Durchmessern von 50pm/200pm der Spot durchmesser SK des Kernbereichs 8 auf den Drahtenden 2 ca. 85 pm und der Spotaußendurchmesser SR des Ringbereichs 9 auf den Drahtenden 2 ca. 340 pm.

Die Positionierung des Laserstrahls 4 auf den Drahtenden 2 erfolgt mittels eines kamerabasierten Sensorsystems 14. Fign. 2a, 2b zeigen zwei mögliche Intensitätsprofile des auf die beiden Stirnflä chen 15 der Drahtenden 2 auftreffenden Laserstrahls 4. In Fig. 2a weist der Ring bereich 9 sein eigenes Intensitätsmaximum auf, wohingegen in Fig. 2b die Intensi tät im Ringbereich 9 radial nach außen kontinuierlich abnimmt. Wie Röntgenmes- sungen zeigen, führt die Laserleistung im Ringbereich 9 zu einem kegelförmig ge öffneten Keyhole, das im unteren Bereich nicht abgeschnürt werden kann und so mit die Entgasung verbessert und der Entstehung von Poren entgegenwirkt. Die Laserleistung im Ringbereich 9 führt zur Stabilisierung des Keyholes und damit zur Beruhigung der Schmelzbaddynamik, wodurch die Entstehung von Spritzern und Poren reduziert wird.

Der Laserstrahl 4 fährt die beiden Stirnflächen 15 der Drahtenden 2 in immer der gleichen Linearbewegung oder, wie in Fig. 3 gezeigt ist, in immer der gleichen Kreisbahn („Strahloszillation“) 16, ab, um auf den beiden Stirnflächen 15 eine ge- schmolzene Schweißperle zu erzeugen. Der Laserstrahl 4 bewegt sich also im Kreis auf derselben Stelle, wobei der Kreisdurchmesser nahezu der Breite der bei den Stirnflächen 15 entspricht. Die Geschwindigkeit („Oszillationsvorschub“), mit der sich der Laserstrahl 4 auf den beiden Stirnflächen 15 bewegt, beträgt optima lerweise 800 mm/s.