ES2969877T3 - Procedimiento de soldadura de horquillas - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de soldadura en horquilla según la invención, en el que los extremos de alambre (2) de dos alambres de cobre (3) dispuestos uno al lado del otro se sueldan entre sí mediante un rayo láser (4). , comprende la generación de un rayo láser (4) que tiene una sección transversal del rayo (7) que incide en las caras extremas de los extremos del alambre (2), teniendo dicha sección transversal del rayo una región central redonda (8) y una región anular (9), que rodea la zona central (8), en particular directamente, siendo la relación entre el diámetro exterior (dR) de la zona anular (9) y el diámetro (dK) de la zona central (8) de entre 7:1 y 2:1, y la relación entre la potencia del láser en la región central (8) y la potencia del láser en la región del anillo (9) está entre 10:90 y 70:30. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de soldadura de horquillas
La invención se refiere a un procedimiento de soldadura de horquillas, en el que los extremos de al menos dos hilos de cobre dispuestos uno al lado del otro se sueldan entre sí mediante un haz láser.
Un procedimiento de soldadura de horquillas de este tipo se ha dado a conocer, por ejemplo, en el documento EP 3292 940 A1.
También se conocen técnicas para la conformación del haz, en donde un haz láser presenta una zona del núcleo y una zona del borde que rodea la zona del núcleo, siendo la intensidad del haz láser en la zona del núcleo mayor que la intensidad del haz láser en la zona del borde. Técnicas de este tipo se describen, por ejemplo, en el documento US 2016/361782 A1 o en el documento US 2016/016263 A1.
Para la configuración de estatores en motores eléctricos es conocido proporcionar una jaula de estator de un material aislante, en donde se introducen las denominadas horquillas de un material eléctricamente conductor, preferentemente cobre. Las horquillas pueden estar configuradas, por ejemplo, en forma de clip o lineales y, una vez introducidas en la jaula del estator, se encuentran en la jaula del estator paralelas entre sí y esencialmente en dirección axial del estator o bien del motor eléctrico. A lo largo del perímetro de la jaula del estator están introducidas en la jaula del estator una pluralidad de horquillas de este tipo, que durante el montaje o bien la fabricación no presentan inicialmente una conexión mecánica y eléctrica entre sí. Después de su introducción en la jaula del estator y después de una eventual remodelación y/o acortamiento y de un eventual tratamiento previo, por ejemplo un decapado de pintura, los respectivos extremos libres de las horquillas se unen preferiblemente por pares para formar un devanado de estator completo, por ejemplo mediante soldadura. Mediante la unión se crea entre los extremos libres de los respectivos pares de horquillas tanto una conexión mecánica como también una conexión eléctricamente conductora, de modo que las horquillas que inicialmente estaban presentes individualmente después de la inserción, ahora quedan unidas. Mediante la unión de las horquillas se puede formar un devanado de estator continuo, conectado entre sí mecánica y eléctricamente.
Las horquillas presentan la mayoría de las veces una sección transversal cuadrada o rectangular, cuya superficie en sección transversal es esencialmente mayor que la de un alambre diseñado para enrollarse. Esto permite un mayor flujo de corriente en comparación con un alambre. El aumento de potencia que se puede conseguir de este modo en los motores eléctricos es especialmente ventajoso en el caso de motores eléctricos para vehículos automóviles, ya que los mismos deben cumplir requisitos de potencia muy elevados.
La soldadura de horquillas para la producción de motores eléctricos en el sector de la movilidad eléctrica es un proceso basado la mayoría de las veces en láser, en el que se sueldan entre sí los extremos de dos alambres de cobre con una sección transversal rectangular. Habitualmente, en este caso pasa a emplearse un láser NIR con un perfil de haz de sombrero de copa en combinación con una técnica de oscilación del haz, como se describe en el documento EP 3292 940 A1. Durante el proceso de soldadura se producen en este caso tanto salpicaduras que contaminan los componentes del entorno y aumentan el riesgo de cortocircuitos, como poros en el cordón de soldadura (perla de soldadura), que reducen la conductividad eléctrica y la resistencia mecánica. Estas salpicaduras y poros conducen a altas tasas de rechazo en la producción de motores eléctricos.
Frente a lo anterior, la presente invención tiene como objetivo reducir la aparición de salpicaduras y poros durante la soldadura de horquillas, así como indicar un correspondiente dispositivo de soldadura de horquillas.
En la reivindicación 1 se define un procedimiento de soldadura de horquillas de manera correspondiente a la invención.
Otros ejemplos de realización de la invención se definen en las reivindicaciones subordinadas.
Según la invención, la sección transversal del haz presenta una zona del núcleo interior y una zona del anillo exterior que tienen entre sí una cierta relación de tamaño e intensidad y que influyen en el proceso de tal manera que se forman claramente menos poros y salpicaduras. Las inestabilidades en un ojo de cerradura alargado provocan salpicaduras cuando el ojo de cerradura forma una protuberancia, se crea un exceso de presión y luego la masa fundida se expulsa explosivamente a través del ojo de cerradura que se abre. Si las inestabilidades en el ojo de cerradura alargado crean protuberancias en el extremo inferior que se desprenden, se crean poros, y las implosiones al final del proceso conducen cada vez más a poros. La potencia del láser en la zona del anillo estabiliza el ojo de cerradura y calma así la dinámica del baño de fusión, con lo cual se reduce la formación de salpicaduras. La potencia del láser en la zona del anillo conduce a un ojo de cerradura que se abre en forma de cono o bien se ensancha en la parte superior, que en la zona inferior puede estrecharse menos y mejora así la desgasificación y contrarresta la formación de poros. Ensayos han demostrado que para reducir las salpicaduras es especialmente ventajosa una proporción de potencia en la zona del núcleo del 10-50 % y para reducir los poros un porcentaje de energía en el núcleo del 10-30 %. Se consideró óptima una proporción de potencia en la zona del núcleo de aproximadamente el 30 %.
La potencia del láser en la zona del núcleo asciende preferentemente a al menos 0,9 kW, para crear de forma fiable un ojo de cerradura. La longitud de onda es, por ejemplo, de 1030 nm, pero también son posibles otras longitudes de onda tales como, por ejemplo, 515 nm o 450 nm.
Como han demostrado además los ensayos, en la soldadura de horquillas también debe ajustarse de forma óptima el diámetro del punto en los extremos del alambre. Según la invención, el diámetro del punto de la zona del núcleo se sitúa por lo tanto entre 50 pm y 200 pm, de preferencia en aproximadamente 85 pm, aproximadamente 136 pm o 170 pm, y el diámetro exterior del punto de la zona del anillo se sitúa entre 250 pm y 700 pm. de preferencia en aproximadamente 340 pm, aproximadamente 408 pm, aproximadamente 442 pm o aproximadamente 680 pm. Se consideraron óptimos un diámetro del punto de la zona del núcleo de 85 pm y un diámetro exterior del punto de la zona del anillo de 340 pm.
Preferiblemente, el haz láser se mueve sobre las dos superficies frontales de los extremos del alambre, en particular siempre con el mismo movimiento lineal o siempre con la misma trayectoria circular ("oscilación del haz"), para generar una perla de soldadura fundida en las dos superficies frontales. La velocidad ("avance de oscilación") con la que se mueve el haz láser sobre las dos superficies frontales de los extremos del alambre se sitúa ventajosamente entre 200 mm/s y 1600 mm/s, consiguiéndose los mejores resultados a 800 mm/s.
En una variante del procedimiento especialmente preferida, la sección transversal del haz que incide sobre los extremos del alambre se genera mediante una fibra doble, que presenta una fibra del núcleo y una fibra del anillo que rodea la fibra del núcleo. En este caso, el haz láser se acopla tanto a la fibra del núcleo como a la fibra del anillo, aplicándose la potencia del láser acoplada a la fibra doble a la fibra del núcleo y a la fibra del anillo en una relación de entre 10:90 y 50:50, preferiblemente entre 20:80 y 40:60, de manera especialmente preferida en una relación de aproximadamente 30:70.
La relación entre el diámetro exterior de la fibra del anillo y el diámetro de la fibra del núcleo está preferentemente entre 5:1 y 3:1, preferentemente en aproximadamente 4:1. El diámetro de la fibra del núcleo está preferiblemente entre 50 pm y 250 pm, preferiblemente entre 50 pm y 200 pm, de manera particularmente preferida en aproximadamente 50 pm, aproximadamente 80 pm, aproximadamente 100 pm o aproximadamente 200 pm, y el diámetro exterior de la fibra del anillo está entre 150 pm y 800 pm, preferiblemente entre 200 pm y 700 pm, de manera particularmente preferida en aproximadamente 200 pm, aproximadamente 240 pm, aproximadamente 260 pm, aproximadamente 400 pm o aproximadamente 700 pm. Esto se puede realizar, por ejemplo, con una fibra doble con diámetros de 100 pm/400 pm o con diámetros de 50 pm/200 pm. Se pueden usar otras relaciones de diámetro, así, p. ej., 100 pm/260 pm u 80 pm/240 pm o similares. En ensayos se ha demostrado que se puede aumentar la eficiencia del proceso utilizando una fibra de 50 pm/200 pm en comparación con una fibra de 100 pm/400 pm con la misma imagen, lo que a su vez conduce a tiempos de proceso más cortos con la misma potencia del láser.
El haz láser se puede posicionar en los extremos del alambre mediante un sistema sensor basado en una cámara, en particular para poder adaptar la posición de oscilación y la geometría de manera correspondiente a la situación de unión.
Otras ventajas y ejecuciones ventajosas del objeto de la invención se desprenden de la descripción, las reivindicaciones y los dibujos. Asimismo, las características mencionadas anteriormente y las que se enumeran a continuación se pueden utilizar individualmente o en combinación en cualquier combinación. Las realizaciones mostradas y descritas no deben entenderse como una lista exhaustiva, sino que tienen un carácter ejemplar para describir la invención. Muestran:
La Fig. 1, esquemáticamente, un dispositivo de soldadura de horquillas para soldar horquillas;
las Figs. 2a, 2b, dos perfiles de intensidad del haz láser que inciden en las horquillas; y
la Fig. 3, oscilaciones del haz láser en las superficies frontales de las horquillas.
El dispositivo de soldadura de horquillas1mostrado en laFig. 1sirve para soldar extremos de alambre2dispuestos al ras uno al lado del otro de dos alambres de cobre3mediante un haz láser4. El dispositivo de soldadura de horquillas 1 comprende un generador de haz láser5para generar el haz láser 4 (longitud de onda 1030 nm, potencia 5 kW) y una óptica6de conformación del haz dispuesta en la trayectoria del haz láser 4 para generar una sección transversal7del haz en los extremos del alambre 2, que presenta una zona del núcleo circular8y una zona del anillo circular9que rodea directamente la zona del núcleo 8 .
La óptica 6 de conformación del haz es a través de una doble fibra10con una fibra del núcleo11y con una fibra del anillo12que rodea la fibra del núcleo10, así como a través de una óptica de acoplamiento13, p. ej., en forma de una placa en forma de cuña dispuesta en la trayectoria del haz, que acopla el haz láser 4 al mismo tiempo en la fibra del núcleo 8 y en la fibra del anillo 9. La relación de diámetrodR/dk de la fibra del anillo 12 a la fibra del núcleo 11 es preferiblemente 4:1, lo que se puede implementar, por ejemplo, con una fibra doble 10 con diámetros de 200 pm/50 pm o con diámetros de 400 pm/100 pm. La óptica de acoplamiento 13 acopla el haz láser 4 simultáneamente tanto en las fibras del núcleo como del anillo 11, 12, a saber, en una relación de aproximadamente 30:70 con respecto a la fibra del núcleo 8 y la fibra del anillo 9. En el caso de un aumento de 1,7:1, en el caso de una fibra doble 10 con diámetros de 50 pm/200 pm, el diámetro del puntoSk de la zona del núcleo 8 en los extremos 2 del alambre es de aproximadamente 85 pm y el diámetro exterior del punto<sr>de la zona del anillo 9 en los extremos 2 del alambre es de aproximadamente 340 pm.
El haz láser 4 se posiciona en los extremos 2 del alambre mediante un sistema de sensores14basado en una cámara.
LasFigs.2a, 2bmuestran dos posibles perfiles de intensidad del haz láser 4 que incide en las dos superficies frontales15de los extremos 2 del alambre. En la Fig. 2a, la zona del anillo 9 presenta su propio máximo de intensidad, mientras que, por el contrario, en la Fig. 2b la intensidad en la zona del anillo 9 disminuye de forma continua radialmente hacia fuera.
Como muestran las mediciones por rayos X, la potencia del láser en la zona del anillo 9 conduce a un ojo de cerradura abierto en forma de cono que no se puede estrangular en la zona inferior y, por consiguiente, mejora la desgasificación y contrarresta la formación de poros. La potencia del láser en la zona del anillo 9 conduce a la estabilización del ojo de cerradura y, con ello, a calmar la dinámica del baño de fusión, con lo cual se reduce la formación de salpicaduras y poros.
El haz láser 4 mueve las dos superficies frontales 15 de los extremos 2 del alambre siempre con el mismo movimiento lineal o, como se muestra en laFig.3, siempre en la misma trayectoria circular ("oscilación del haz")16, para producir una perla de soldadura fundida en las dos superficies frontales 15. Por lo tanto, el haz láser 4 se mueve en círculo en el mismo lugar, correspondiendo el diámetro del círculo casi a la anchura de las dos caras frontales 15. La velocidad (“avance de oscilación”) con la que se mueve el haz láser 4 sobre las dos superficies frontales 15 es óptima a 800 mm/s.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de soldadura de horquillas, en el que los extremos (2) del alambre de al menos dos alambres de cobre (3), dispuestos al ras uno al lado del otro, se sueldan entre sí mediante un haz láser (4), caracterizado por generar un haz láser (4) con una sección transversal (7) del haz, que incide en el lado frontal en los extremos (2) del alambre que presenta una zona del núcleo (8) redonda y una zona del anillo (9) que rodea, en particular directamente, a la zona del núcleo (8), en el que
- la relación del diámetro exterior (dR) de la zona del anillo (9) al diámetro (dk) de la zona del núcleo (8) está entre 5:1 y 2:1, preferiblemente en aproximadamente 4:1,
- el diámetro del punto (sk) de la zona del núcleo (8) en los extremos (2) del alambre es de entre 50 qm y 200 qm, en particular aproximadamente 85 qm,
- el diámetro exterior del punto(sr)de la zona del anillo (9) en los extremos (2) del alambre es de entre 250 qm y 700 qm, de preferencia aproximadamente 340 qm, y
- la relación entre la potencia del láser en la zona del núcleo (8) a la potencia del láser en la zona del anillo (9) es de entre 25:75 y 70:30, de forma especialmente preferente aproximadamente 30:70.
2. Procedimiento de soldadura de horquillas según la reivindicación 1, caracterizado por que la potencia del láser en la zona del núcleo (8) es de al menos 0,9 kW.
3. Procedimiento de soldadura de horquillas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el haz láser (4) se mueve sobre las dos superficies frontales (15) de los extremos (2) del alambre, en particular siempre en la misma trayectoria circular, para generar una perla de soldadura fundida en ambas superficies frontales (15).
4. Procedimiento de soldadura de horquillas según la reivindicación 3, caracterizado por que la velocidad con la que se mueve el haz láser (4) en las dos superficies frontales (15) de los extremos (2) del alambre está entre 200 mm/s y 1600 mm/s, preferiblemente en aproximadamente 800 mm/s.
5. Procedimiento de soldadura de horquillas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la sección transversal (7) del haz que incide en los extremos (2) del alambre se genera mediante una fibra doble (10) que presenta una fibra del núcleo (11) y una fibra del anillo (12) que rodea a la fibra del núcleo (11), en donde el haz láser (4) está acoplado tanto en la fibra del núcleo como en la fibra del anillo (11, 12) y en el que una potencia láser acoplada en la fibra doble (10) se divide entre la fibra del núcleo (8) y la fibra del anillo (9) en una relación de entre 25:75 y 70:30, de manera especialmente preferida en una relación de aproximadamente 30:70.
6. Procedimiento de soldadura de horquillas según la reivindicación 5, caracterizado por que la relación del diámetro exterior (dR) de la fibra del anillo (9) al diámetro (dk) de la fibra del núcleo (8) está entre 5:1 y 3:1, preferiblemente en aproximadamente 4:1.
7. Procedimiento de soldadura de horquillas según la reivindicación 5 o 6, caracterizado por que el diámetro (dk) de la fibra del núcleo (8) está entre 25 qm y 250 qm, preferiblemente entre 50 qm y 200 qm, de manera particularmente preferida en aproximadamente 50 qm, aproximadamente 80 qm, aproximadamente 100 qm o aproximadamente 200 qm.
8. Procedimiento de soldadura de horquillas según una de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por que el diámetro exterior (dR) de la fibra del anillo (9) está entre 150 qm y 800 qm, preferiblemente entre 200 qm y 700 qm, de manera particularmente preferida en aproximadamente 200 qm, aproximadamente 240 qm, aproximadamente 260 qm, aproximadamente 400 qm o aproximadamente 700 qm.
9. Procedimiento de soldadura de horquillas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el posicionamiento del haz láser (4) se realiza en los extremos (2) del alambre mediante un sistema sensor (14) basado en una cámara.
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