DE102022106788A1 - Device for producing a stator and process-integrated testing of a laser weld seam - Google Patents

Device for producing a stator and process-integrated testing of a laser weld seam Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Herstellung eines Stators (1) und vorgangsintegrierten Prüfung einer Laserschweißnaht (20), umfassend eine Laserschweißeinrichtung (8) zum Herstellen der Laserschweißnaht (20) mit Hilfe eines Lasers (10) der Laserschweißeinrichtung (8), und mit einer Aufnahmeeinrichtung (11) zur visuellen Erfassung eines mit Hilfe der Laserschweißeinrichtung (8) herbeizuführenden Schweißvorgangs, und mit einem Träger (9) zur Aufnahme eines Stators (1), wobei der Stator (1) eine Wicklung (3) besitzt, welche Hairpins (4) mit je zwei Enden (6) aufweist, und wobei über einen Umfang des Stators (1) jeweils zwei Enden (6) zu einem Endpaar (21) segmentweise verschweißbar sind, wobei jeweils zwei Enden (6) nach Beendigung des Schweißvorganges eines Segmentes (16) des Stators (1) eine Laserschweißnaht (20) aufweisen, und wobei unmittelbar nach Beendigung des Schweißvorganges des Segmentes (16) die vorgangsintegrierte Prüfung der Laserschweißnaht (20) durchführbar ist.

Figure DE102022106788A1_0000
The invention relates to a device (2) for producing a stator (1) and process-integrated testing of a laser weld seam (20), comprising a laser welding device (8) for producing the laser weld seam (20) with the aid of a laser (10) of the laser welding device (8), and with a recording device (11) for visually detecting a welding process to be carried out with the aid of the laser welding device (8), and with a carrier (9) for receiving a stator (1), the stator (1) having a winding (3), which Hairpins (4) each with two ends (6), and two ends (6) can be welded in segments over a circumference of the stator (1) to form an end pair (21), with two ends (6) after the welding process has ended a segment (16) of the stator (1) has a laser weld seam (20), and the process-integrated testing of the laser weld seam (20) can be carried out immediately after the welding process of the segment (16) has ended.
Figure DE102022106788A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Stators und vorgangsintegrierten Prüfung einer Laserschweißnaht gemäß Patentanspruch 1.The invention relates to a device for producing a stator and process-integrated testing of a laser weld seam according to claim 1.

Verschweißen von Bauteilen mit Hilfe eines Laserschweißverfahrens ist bekannt. Ebenso bekannt ist die Ermittlung einer Güte einer mit dem Laserschweißverfahren hergestellten Laserschweißnaht mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera. So ist aus der Patentschrift DE 11 2010 003 406 B4 eine Gütebestimmung einer Laserschweißnaht bekannt, wobei eine Hochgeschwindigkeitskamera eingesetzt wird, deren optische Achse mit dem Laser ausgerichtet wird. Mit Hilfe des Laserschweißverfahrens werden Metallplatten, beispielsweise verzinkte Stahlplatten, senkrecht zu einer Kontaktfläche der beiden Stahlplatten verschweißt.Welding components using a laser welding process is known. It is also known to determine the quality of a laser weld seam produced using the laser welding process using a high-speed camera. That's what the patent specification says DE 11 2010 003 406 B4 a quality determination of a laser weld seam is known, using a high-speed camera whose optical axis is aligned with the laser. With the help of the laser welding process, metal plates, for example galvanized steel plates, are welded perpendicular to a contact surface of the two steel plates.

Der Patentschrift DE 10 2014 107 716 B3 kann ein Laserschweißverfahren entnommen werden für insbesondere Bauteile aus hochfestem Stahl, wobei zur Reduktion von Schweißspritzern beim Laserschweißen eine einer Vorschubbewegung überlagerte Oszillation des Laserstrahls angepasst wird. Zur Anpassung von Parameter der Oszillation wird eine Ausbildung der Schweißspritzer in Echtzeit überwacht.The patent specification DE 10 2014 107 716 B3 A laser welding process can be used, in particular for components made of high-strength steel, in which an oscillation of the laser beam superimposed on a feed movement is adjusted to reduce weld spatter during laser welding. In order to adjust the oscillation parameters, the formation of the weld spatter is monitored in real time.

Eine Überwachung der Laserschweißnaht in Echtzeit kann auch den Druckschriften JP 2004066267 A und JP 2017060968 A entnommen werden.Monitoring the laser weld seam in real time can also be used in publications JP 2004066267 A and JP 2017060968 A be removed.

Eine Güteanalyse einer Laserschweißnaht zweier verschweißter Bleche mit Hilfe einer Auswertung von Graustufenbereichen von mit einer hochdynamischen CMOS-Kamera aufgenommenen Bildern geht aus der Druckschrift WO 2008/028580 A1 hervor.A quality analysis of a laser weld seam of two welded sheets using an evaluation of grayscale areas of images recorded with a highly dynamic CMOS camera is based on the publication WO 2008/028580 A1 out.

In der Herstellung von Statoren mit Hairpins, wie sie bevorzugt im Bau von Elektromotoren im Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt werden, ist ein letzter Schritt im Herstellungsverfahren ein Verbinden von Enden der Hairpins zur Herbeiführung eines Kontaktes. Das Hairpin ist in ähnlicher Form einer Haarnadel, somit quasi u-förmig ausgebildet und weist zwei Enden auf. Das Kontaktieren erfolgt mit Hilfe eines Verschweißens von jeweils zwei Enden der Hairpins, wobei bevorzugt ein Strahlschweißverfahren, insbesondere das Laserschweißen eingesetzt wird. Der Schweißvorgang bestimmt maßgeblich die Qualität einer Wicklung des Stators, welche sich aus den Hairpins zusammensetzt, wobei ein Ergebnis des Schweißvorganges eine so genannte Laserschweißnaht in Form einer Schweißperle ist, welche eine Verbindung der beiden Enden herbeiführt. Die Qualität der Wicklung beeinflusst weiter eine Leistung eines den Stator aufweisenden Elektromotors. Problematisch ist, dass bereits eine einzelne so genannte NiO-Kontaktierung zu einem NiO-Stator führt, das heißt, dass eine einzelne Kontaktierung, die nicht in Ordnung, somit fehlerhaft ist, einen fehlerbehafteten Stator zur Folge hat. Die Anforderung an den Kontakt und somit an die mit Hilfe des Schweißvorganges herbeigeführten Laserschweißnaht, resp. Schweißperle, welche den Kontakt bildet, liegt in einem niedrigen Porenanteil und in einer ausreichend hohen Anbindungsfläche.In the production of stators with hairpins, as are preferably used in the construction of electric motors in motor vehicle drives, a final step in the manufacturing process is connecting the ends of the hairpins to create contact. The hairpin is similar in shape to a hairpin, essentially U-shaped, and has two ends. The contact is made by welding two ends of the hairpins, preferably using a beam welding process, in particular laser welding. The welding process significantly determines the quality of a winding of the stator, which is composed of the hairpins, with the result of the welding process being a so-called laser weld seam in the form of a weld bead, which brings about a connection between the two ends. The quality of the winding further influences the performance of an electric motor having the stator. The problem is that even a single so-called NiO contact leads to a NiO stator, which means that a single contact that is not in order, therefore faulty, results in a faulty stator. The requirements for the contact and thus for the laser weld seam created with the help of the welding process, respectively. Weld bead, which forms the contact, is located in a low pore proportion and in a sufficiently high connection surface.

Eine Prüfung von verschweißten, oder mit anderen Worten kontaktierten Hairpins erfolgt zerstörungsfrei bevorzugt mit Hilfe einer Computertomografie oder zerstörend durch Schliffprüfung. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskameras werden üblicherweise genutzt, wobei die Bilder manuell gesichtet und bewertet werden. So ist aus der Druckschrift JP 2015126660 A bekannt, eine Beurteilung der Qualität von Schweißnähten einer Statorwicklung, welche Hairpins aufweist, mittels einer CCD Kamera durchzuführen. Die Schweißnähte werden hierzu mit Blaulicht beleuchtet. Die Beurteilung der Schweißnähte erfolgt jedoch nicht in Echtzeit mit dem Schweißvorgang.Welded, or in other words contacted, hairpins are tested non-destructively, preferably with the help of computer tomography or destructively by ground testing. High-speed imaging using high-speed cameras is commonly used, with images viewed and evaluated manually. That's from the print JP 2015126660 A known to carry out an assessment of the quality of weld seams of a stator winding which has hairpins using a CCD camera. For this purpose, the weld seams are illuminated with blue light. However, the assessment of the weld seams does not take place in real time with the welding process.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Stators und vorgangsintegrierten Prüfung einer Laserschweißnaht anzugeben, mit deren Hilfe eine Prüfmethodik zur schnellen und effektiven Fehlerdetektion realisierbar ist.It is the object of the present invention to provide a device for producing a stator and process-integrated testing of a laser weld seam, with the help of which a testing methodology for quick and effective fault detection can be implemented.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Stators und vorgangsintegrierten Prüfung einer Laserschweißnaht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention by a device for producing a stator and process-integrated testing of a laser weld seam with the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with useful and non-trivial developments of the invention are specified in the respective subclaims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Stators und vorgangsintegrierten Prüfung einer Laserschweißnaht, umfasst eine Laserschweißeinrichtung zum Herstellen der Laserschweißnaht mit Hilfe eines Lasers der Laserschweißeinrichtung, und eine Aufnahmeeinrichtung zur visuellen Erfassung eines mit Hilfe der Laserschweißeinrichtung herbeizuführenden Schweißvorgangs. Des Weiteren umfasst sie einen Träger zur Aufnahme eines Stators, wobei der Stator eine Wicklung besitzt, welche Hairpins aufweist. Über einen Umfang des Stators sind jeweils zwei Enden zu einem Endpaar segmentweise verschweißbar, wobei jeweils zwei Enden nach Beendigung des Schweißvorganges eines Segmentes des Stators eine Laserschweißnaht aufweisen, und wobei unmittelbar nach Beendigung des Schweißvorganges des Segmentes die vorgangsintegrierte Prüfung der Laserschweißnaht durchführbar ist.A device according to the invention for producing a stator and process-integrated testing of a laser weld seam comprises a laser welding device for producing the laser weld seam with the aid of a laser from the laser welding device, and a recording device for visually recording a welding process to be carried out with the aid of the laser welding device. Furthermore, it comprises a carrier for receiving a stator, the stator having a winding which has hairpins. Two ends can be welded in segments over the circumference of the stator to form a pair of ends, with two ends of a segment of the stator after the welding process has ended have a laser weld seam, and the process-integrated testing of the laser weld seam can be carried out immediately after the end of the welding process of the segment.

Die Herstellung eines Stators mit Hairpins erfolgt üblicherweise dadurch, dass in einem die Hairpins, welche ähnlich Haarnadeln quasi U-förmig ausgebildet sind, gestanzt werden, anschließend abisoliert werden, daran anschließend in den Stator gefügt werden, dort aufgeweitet und vertwistet werden, um schließlich die Enden mit Hilfe eines Laserstrahlschweißens zu verschweißen.The production of a stator with hairpins is usually done by punching the hairpins, which are similar to hairpins in a quasi U-shape, then stripping the insulation, then inserting them into the stator, expanding them there and twisting them, finally Ends to be welded using laser beam welding.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können mit Hilfe der Aufnahmeeinrichtung aufgenommenen Bilder der Schweißvorgänge gestapelt aufgenommen werden und während des Herstellungsvorganges des Stators ausgewertet werden. Da sich in dem Stator üblicherweise zwischen 100 und 200 Schweißstellen befinden ist ein üblicher bevorzugt zerstörungsfreier Prüfaufwand mit Hilfe einer Computertomografie zeit- und kostenintensiv. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass bereits während dem Herstellungsvorganges des Stators eine Prüfung der bereits hergestellten Laserschweißnähten erfolgen kann, so dass eine gezielte Prüfung auffälliger Laserschweißnähte nach Beendigung des Herstellungsvorganges durchführbar ist. Das heißt mit anderen Worten, dass die Schweißnahtqualität quasi während des Schweißvorganges kontrolliert werden kann und somit abgesichert werden kann. Des Weiteren können eine Prüfung und eine Überprüfung, bevorzugt mit Hilfe der Computertomografie, der hergestellten Laserschweißnaht mit Hilfe eines dem Schweißvorgang nachgeschalteten Prüfverfahrens wesentlich reduziert werden.With the aid of the device according to the invention, images of the welding processes recorded with the aid of the recording device can be recorded in a stacked manner and evaluated during the manufacturing process of the stator. Since there are usually between 100 and 200 welds in the stator, a usual, preferably non-destructive testing effort using computer tomography is time-consuming and cost-intensive. The advantage of the device according to the invention can be seen in the fact that an inspection of the laser weld seams that have already been produced can be carried out during the manufacturing process of the stator, so that a targeted inspection of conspicuous laser weld seams can be carried out after the manufacturing process has ended. In other words, this means that the weld seam quality can be controlled during the welding process and can therefore be secured. Furthermore, testing and checking, preferably with the help of computer tomography, of the laser weld produced can be significantly reduced with the help of a testing method following the welding process.

Des Weiteren lassen sich Herstellungskosten zur Herstellung des Stators auch aufgrund eines wesentlich geringeren Prüfungszeitaufwandes reduzieren.Furthermore, manufacturing costs for producing the stator can also be reduced due to significantly less testing time.

Eine Kameraoptik der Aufnahmeeinrichtung kann zur verbesserten Erfassung des Schweißvorganges in eine Laseroptik der Laserschweißeinrichtung integriert sein.Camera optics of the recording device can be integrated into laser optics of the laser welding device for improved recording of the welding process.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:

  • 1 in einer perspektivischen Ansicht einen Stator zur Bearbeitung mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung des Stators und vorgangsintegrierten Prüfung einer Laserschweißnaht,
  • 2 in einer Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 3 in einer Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 4 in einer Detailansicht IV ein Segment des Stators während einem Schweißvorgang,
  • 5 Aufnahmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten eines Schweißvorganges, und
  • 6 eine Aufnahme eines Schweißvorganges mit Schweißspritzer.
Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without the scope of to abandon invention. Show it:
  • 1 in a perspective view a stator for processing with the aid of a device according to the invention for producing the stator and process-integrated testing of a laser weld seam,
  • 2 in a schematic representation of the device according to the invention in a first exemplary embodiment,
  • 3 in a schematic representation the device according to the invention in a second exemplary embodiment,
  • 4 in a detailed view IV a segment of the stator during a welding process,
  • 5 Recordings at different times of a welding process, and
  • 6 a recording of a welding process with weld spatter.

In 1 ist in einer perspektivischen Ansicht ein Stator 1 zur Bearbeitung mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zur Herstellung des Stators 1 und vorgangsintegrierten Prüfung einer im Herstellungsvorgang des Stators 1 ausgebildeten Laserschweißnaht 20 abgebildet. Der Stator 1 ist für einen Elektromotor 7 eines nicht näher abgebildeten Kraftfahrzeugs ausgebildet.In 1 is a perspective view of a stator 1 for processing with the aid of a device 2 according to the invention for producing the stator 1 and process-integrated testing of a laser weld seam 20 formed in the manufacturing process of the stator 1. The stator 1 is designed for an electric motor 7 of a motor vehicle, not shown.

Der Stator 1 weist eine Wicklung 3 auf, welche aus so genannten Hairpins 4 ausgebildet ist. Diese Hairpins 4 sind an ihren von einem Statorboden 5 des Stators 1 abgewandt ausgebildeten Enden 6 zu verschweißen, wobei jeweils zwei Enden 6 zu einem Endpaar 21 auch als Pin bezeichnet zumit Hilfe einer Laserschweißnaht 20 einander kontaktierend verschweißt werden. Mit Hilfe der Vorrichtung 2 kann während einem Schweißvorgang eine Güte der Laserschweißnaht 20, welche in Form einer Schweißperle ausgebildet ist, bestimmt werden. Mit anderen Worten gesagt, erfolgt eine Prüfung der Laserschweißnaht 20 während dem Herstellungsvorgang des Stators 1 so dass eine Herstellung der Stators 1 und eine im Herstellungsvorgang vorgangsintegrierte Prüfung der Laserschweißnaht 20 ausgebildet ist.The stator 1 has a winding 3, which is formed from so-called hairpins 4. These hairpins 4 are to be welded at their ends 6 facing away from a stator base 5 of the stator 1, with two ends 6 being welded into contact with one another to form an end pair 21, also referred to as a pin, using a laser weld seam 20. With the help of the device 2, a quality of the laser weld seam 20, which is in the form of a weld bead, can be determined during a welding process. In other words, the laser weld seam 20 is tested during the manufacturing process of the stator 1, so that the stator 1 is manufactured and the laser weld seam 20 is tested and integrated into the manufacturing process.

In den 2 und 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel bzw. in einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Prinzipdarstellung abgebildet. Die Vorrichtung 2 weist eine Laserschweißeinrichtung 8, welche zur Herstellung der Laserschweißnaht 20 ausgebildet ist, auf. In 4 ist in einer Detailansicht IV ein Segment 16 des Stators 1 während dem Schweißvorgang abgebildet.In the 2 and 3 the device 2 according to the invention is shown in a first exemplary embodiment or in a second exemplary embodiment in a schematic diagram. The device 2 has a laser welding device 8, which is designed to produce the laser weld seam 20. In 4 a segment 16 of the stator 1 is shown during the welding process in a detailed view IV.

Die Laserschweißeinrichtung 8 umfasst einen Träger 9 zur gesicherten Aufnahme des Stators 1. Der Stator 1 ist mit der Wicklung 3 derart relativ zu einer Laseroptik 19 der Laserschweißeinrichtung 8 orientiert, dass die Enden 6 im Betreib der Laserschweißeinrichtung 8 einem Laser 10 der Laserschweißeinrichtung 8 zugewandt angeordnet sind.The laser welding device 8 comprises a carrier 9 for securely receiving the stator 1. The stator 1 is oriented with the winding 3 relative to a laser optics 19 of the laser welding device 8 in such a way that the ends 6 are arranged facing a laser 10 of the laser welding device 8 when the laser welding device 8 is in operation are.

Die Vorrichtung 2 umfasst eine Aufnahmeeinrichtung 11 in Form einer Hochgeschwindigkeitskamera zur Aufnahme von 3000 bis 15000 Bildern pro Sekunde zur visuellen Erfassung des Schweißvorganges. Die Aufnahmeeinrichtung 11 ist bevorzugt an einem Achsportal 23 der Laserschweißeinrichtung 8 aufgenommen. Die Aufnahmeeinrichtung 11 ist in der Vorrichtung 2 gemäß 2 so einzustellen, dass im gesamten Bildbereich ein Segment 16 abgebildet ist. Das bedeutet, das gesamte Segment wird während des Schweißprozesses aller Pins im Segment aufgenommenen. Es ist auch möglich die Kamera während des Schweißens automatisiert auf den aktuell geschweißten Pin auszurichten. Das bedeutet in diesem Fall wird nur ein Pin im Bildbereich aufgenommen. Die aufgenommenen Bilder werden mit Hilfe einer Übertragungseinheit 12 von der Aufnahmeeinrichtung 11 zu einer Erfassungs- und Auswerteeinheit 13 übertragen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Übertragungseinheit 12 kostengünstig in Form eines Transferkabels ausgebildet. Ebenso könnte auch eine beispielsweise drahtlose Übertragungseinheit 12 ausgebildet sein. Die Erfassungs- und Auswerteeinheit 13 ist in Form eines Datenverarbeitungssystems ausgeführt.The device 2 includes a recording device 11 in the form of a high-speed camera for recording 3,000 to 15,000 images per second for visual recording of the welding process. The recording device 11 is preferably accommodated on an axis portal 23 of the laser welding device 8. The recording device 11 is in the device 2 according to 2 to be set so that a segment 16 is displayed in the entire image area. This means that the entire segment is captured during the welding process of all pins in the segment. It is also possible to automatically align the camera to the currently welded pin during welding. This means in this case only one pin is recorded in the image area. The recorded images are transmitted from the recording device 11 to a recording and evaluation unit 13 using a transmission unit 12. In the present exemplary embodiment, the transmission unit 12 is designed cost-effectively in the form of a transfer cable. Likewise, a wireless transmission unit 12, for example, could also be designed. The acquisition and evaluation unit 13 is designed in the form of a data processing system.

Jedes Hairpin 4 besitzt zwei Enden 6, wobei jeweils zwei Enden 6 der Hairpins 4 zu einem Endpaar 21 zur Herbeiführung einer geschlossenen Wicklung 3 mit Hilfe des Lasers 10 laserverschweißt werden. Die Verschweißung der Enden 6 erfolgt über einem Umfang des Stators 1 segmentweise, wobei jeweils zwei Enden 6 zu einem Endpaar 21 verschweißt werden und das Segment 16 nach erfolgter Verschweißung bevorzugt zwischen einem und fünf Endpaaren 21, insbesondere zwischen einem und drei Endpaare 21 aufweist. Das heißt mit anderen Worten, dass nicht sämtliche Enden 6 gleichzeitig verschweißt werden, sondern es werden bevorzugt zwischen einer und drei Nuten 14 der Hairpins 4 in einer Laserposition des Lasers 10 mit Hilfe der Verschweißung zumindest teilweise geschlossen. Der Schweißvorgang eines Endpaares 21, oder mit anderen Worten das Schließen einer Nut 14 mit Hilfe der Laserschweißnaht benötigt ca. 50-150ms.Each hairpin 4 has two ends 6, with two ends 6 of the hairpins 4 being laser-welded to form an end pair 21 to produce a closed winding 3 using the laser 10. The ends 6 are welded in segments over a circumference of the stator 1, with two ends 6 being welded to form an end pair 21 and, after welding, the segment 16 preferably has between one and five end pairs 21, in particular between one and three end pairs 21. In other words, this means that not all ends 6 are welded at the same time, but rather between one and three grooves 14 of the hairpins 4 are at least partially closed in a laser position of the laser 10 with the aid of the welding. The welding process of an end pair 21, or in other words the closing of a groove 14 using the laser weld seam, takes approximately 50-150ms.

Während der Verschweißung der Enden 6 bewegt sich der Laser 10, bevorzugt computergesteuert, über eine so genannte Schweißbahn, wobei er in einer Position der Schweißbahn, welche selbstredend eine Mehrzahl von Positionen des Lasers 10 besitzt, bevorzugt die ein bis drei Nuten 14 erfasst. Das heißt mit anderen Worten, dass der Laser 10 zur Verschweißung der Enden 6, wobei jeweils zwei Enden 6 miteinander verschweißt werden, in zeitlicher Abfolge unterschiedliche Positionen einnimmt, wobei er in jeder Position ein bestimmtes Segment 16 des Stators 1, welches die ein bis drei Nuten 14 aufweist, erfasst.During the welding of the ends 6, the laser 10 moves, preferably under computer control, over a so-called welding path, preferably detecting the one to three grooves 14 in a position of the welding path, which of course has a plurality of positions of the laser 10. In other words, this means that the laser 10 assumes different positions in time sequence for welding the ends 6, with two ends 6 being welded together, in each position a specific segment 16 of the stator 1, which is the one to three Has grooves 14, detected.

In 4 ist eines der Segmente 16 während des Schweißvorganges abgebildet, wobei das Segment 16 drei Nuten 14 beziehungsweise sechs Enden 6, welche zu drei Endpaaren 21 verschweißt werden, besitzt. Es ist die Schweißbahn des Lasers 10 in diesem Segment 16 erkennbar, welche ausgehend von dem links außen angeordneten Endpaar 21, welches bereits die Schweißnaht 20 in Form der Schweißperle besitzt, zu der rechts außen angeordneten Nut 14 verläuft.In 4 one of the segments 16 is shown during the welding process, the segment 16 having three grooves 14 or six ends 6, which are welded to form three end pairs 21. The welding path of the laser 10 can be seen in this segment 16, which runs from the end pair 21 on the outside on the left, which already has the weld seam 20 in the form of the weld bead, to the groove 14 on the outside on the right.

Die Aufnahme der Bilder erfolgt mit einer Aufnahmefrequenz von 3000 bis 15000 Bildern pro Sekunde, wobei ein bevorzugter Bereich 5000 bis 10000 Bilder pro Sekunde ist. Um diese hohe Aufnahmefrequenz umsetzen zu können, ist eine bevorzugte Belichtung 15 notwendig. Die Belichtung 15 ist als monochromatische Belichtung, bevorzugt aufweisend eine Wellenlänge mit einem Wert von ca. 500nm, ausgebildet.The images are recorded at a recording frequency of 3,000 to 15,000 images per second, with a preferred range being 5,000 to 10,000 images per second. In order to be able to implement this high recording frequency, a preferred exposure 15 is necessary. The exposure 15 is designed as a monochromatic exposure, preferably having a wavelength with a value of approximately 500 nm.

Eine Optik der Aufnahmeeinrichtung 11 weist einen nicht näher abgebildeten Filter in Form eines Bandpassfilters auf, welcher bevorzugt ausschließlich oder nahezu ausschließlich Licht der Belichtung 15 durchlässt, in einem bevorzugten Wellenlängenbereich von beispielsweise 500nm +/-20nm.An optics of the recording device 11 has a filter (not shown) in the form of a bandpass filter, which preferably exclusively or almost exclusively allows light from the exposure 15 to pass through, in a preferred wavelength range of, for example, 500 nm +/-20 nm.

Die Vorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels, wie sie in 2 in einer Prinzipdarstellung abgebildet ist, weist die Aufnahmeeinrichtung 11 mit ihrer Kameraoptik 17 unabhängig von der Laserschweißeinrichtung 8 auf, wobei die Kameraoptik 17 neben der Laserschweißeinrichtung 8 gezielt neben einem Laserstrahl 18 angeordnet ist. Im Unterschied hierzu weist die Vorrichtung 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie sie in 3 abgebildet ist, die Kameraoptik 17 in einer Laseroptik 19 der Laserschweißeinrichtung 8 auf. Das heißt, dass die Kameraoptik 17 direkt in den Laserstrahl 18 eingekoppelt ist.The device 2 of the first exemplary embodiment, as shown in 2 is shown in a schematic representation, the recording device 11 with its camera optics 17 is independent of the laser welding device 8, the camera optics 17 being arranged next to the laser welding device 8 specifically next to a laser beam 18. In contrast to this, the device 2 according to the second exemplary embodiment, as shown in 3 is shown, the camera optics 17 in a laser optics 19 of the laser welding device 8. This means that the camera optics 17 is coupled directly into the laser beam 18.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 können die aufgenommenen Bilder in einem mit der Aufnahmeeinrichtung 11 zur Datenübertragung verbundenen Arbeitsspeicher, welcher auch unmittelbar in der Aufnahmeeinrichtung 11 angeordnet sein kann, gespeichert werden und während des Schweißvorganges, somit während der Herstellung des Stators 1 ausgewertet werden, wobei unmittelbar nach Beendigung des Schweißvorganges des Segmentes 16 eine in den Herstellungsverlauf des Stators 1 vorgangsintegrierte Prüfung der Laserschweißnaht 20 durchgeführt wird. Das heißt mit anderen Worten, dass direkt anschließend an den Schweißvorgang des Segmentes 16 die vorgangsintegrierte Prüfung der Laserschweißnaht 20 durchgeführt wird, wobei bereits das nächste Segment 16 sich im Schweißvorgang befindet.With the help of the device 2 according to the invention, the recorded images can be stored in a working memory connected to the recording device 11 for data transmission, which can also be arranged directly in the recording device 11, and can be evaluated during the welding process, thus during the production of the stator 1, whereby immediately after completion of the welding process Segment 16, a test of the laser weld seam 20 that is integrated into the production process of the stator 1 is carried out. In other words, this means that the process-integrated test of the laser weld seam 20 is carried out directly after the welding process of the segment 16, with the next segment 16 already in the welding process.

Unmittelbar nach dem Verschweißen des Segments 16 werden die gestapelt abgelegten Bilder, welche in Form von computerverarbeitbaren Daten vorliegen, heruntergeladen und werden unmittelbar verarbeitet. Zur Erfassung der Güte der Laserschweißnaht 20 werden folgende Parameter herangezogen:

  • - Anzahl von Schweißspritzer 22, beispielsweise unterteilt in zwei Kategorien mit jeweils einem Größenbereich einer Größe des Schweißspritzers 22, beispielsweise kleine Schweißspritzer 22 mit einer Größe, die in einem ersten Größenbereich liegt, und große Schweißspritzer 22 mit einer Größe, welche in einem zweiten Größenbereich liegt,
  • - Durchmesser und Zeitpunkt, jeweils quantifiziert, eines definierten als groß definierten Schweißspritzers 22,
  • - Rauch
  • - Größe eines so genannten Keyholes über die Zeit.
Immediately after the segment 16 has been welded, the stacked images, which are in the form of computer-processable data, are downloaded and processed immediately. The following parameters are used to record the quality of the laser weld seam 20:
  • - Number of welding spatters 22, for example divided into two categories, each with a size range of a size of the welding spatter 22, for example small welding spatters 22 with a size that is in a first size range, and large welding spatters 22 with a size that is in a second size range ,
  • - Diameter and time, each quantified, of a weld spatter 22 defined as large,
  • - Smoke
  • - Size of a so-called keyhole over time.

Ein Schweißspritzer 22 ist in 5 abgebildet. Die Größe des Keyholes, welches ein beim Laserschweißen entstehender Dampfkanal ist, kann sich über die Zeit des Herstellungsvorganges des Stators 1 verändern.A weld spatter 22 is in 5 pictured. The size of the keyhole, which is a vapor channel created during laser welding, can change over the time during which the stator 1 is manufactured.

Ein weiterer Parameter kann die realisierte Laserschweißbahn selbst sein, welche ebenfalls erfasst ist, im Vergleich zur programmierten Laserschweißbahn, so dass hier eine so genannte Vorgangskontrolle realisiert werden kann.Another parameter can be the realized laser welding path itself, which is also recorded in comparison to the programmed laser welding path, so that a so-called process control can be implemented here.

Die Prüfung der Güte der Laserschweißnaht 20 erfolgt insbesondere durch Auswertung von Grauwerten der Bilder. Dies geschieht in verschiedenen Bildbereichen. Zusätzlich werden Ereignisse im Ereigniszeitraum durch Übereinanderlegen der Bilder und anschließendes Betrachten der Grauwerte ausgewertet. In 5 sind beispielhaft vier Zeitpunkte eines Schweißvorganges zweier Enden 6 abgebildet. Im linken oberen Quadranten der 5 sind die beiden Enden 6 zu sehen, die miteinander zu verschweißen sind, wobei der Schweißvorgang vor seinem Beginn steht, somit nach Oms des Schweißvorganges. Im rechten oberen Quadranten der 5 sind die beiden Enden 6 zu einem Zeitpunkt nach 30ms des Schweißvorganges erkennbar. Um linken unteren Quadranten der 5, ist der Schweißvorgang nach 60ms abgebildet, wobei die Nut 14 nahezu geschlossen ist. Im rechten unteren Quadranten der 5 sind die beiden Enden 6 vollständig miteinander verschweißt und die Nut 14 ist im oberen Bereich der Hairpins 4 geschlossen.The quality of the laser weld seam 20 is checked in particular by evaluating gray values of the images. This happens in different areas of the image. In addition, events in the event period are evaluated by superimposing the images and then looking at the gray values. In 5 Four times of a welding process between two ends 6 are shown as an example. In the upper left quadrant 5 The two ends 6 can be seen, which are to be welded together, with the welding process being before it begins, thus after Oms of the welding process. In the upper right quadrant of the 5 the two ends 6 can be seen at a time after 30ms of the welding process. To the lower left quadrant of the 5 , the welding process is shown after 60ms, with the groove 14 being almost closed. In the lower right quadrant of the 5 the two ends 6 are completely welded together and the groove 14 is closed in the upper area of the hairpins 4.

In 6 ist in dem Bild, welches mit Hilfe der Aufnahmeeinrichtung 11 hergestellt wurde, deutlich ein Schweißspritzer 22 erkennbar.In 6 a weld spatter 22 can clearly be seen in the image which was produced with the aid of the recording device 11.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 können insbesondere auffällige Laserschweißnähte 20, oder mit anderen Worten, Laserschweißnähte 20, deren Parameter Werte aufweisen, die von Grenzwerten der oben genannten Parameter abweichen, bereits während des Schweißvorganges erkannt und nach einem so genannten Schweißdurchlauf in eine Nachkontrolle, die beispielsweise mit Hilfe eines Computertomographen (CT) durchgeführt wird, geführt werden. So ist es möglich gezielt, und damit kostengünstig, auffällige Laserschweißnähte e 20 im CT oder anderen Prüfeinrichtungen nachzuprüfen.With the help of the device 2 according to the invention, particularly conspicuous laser weld seams 20, or in other words, laser weld seams 20, whose parameters have values that deviate from limit values of the above-mentioned parameters, can already be recognized during the welding process and, after a so-called welding run, in a follow-up inspection carried out, for example, with the help of a computer tomography (CT). This makes it possible to check conspicuous laser weld seams e 20 in a targeted and therefore cost-effective manner using CT or other testing equipment.

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  • WO 2008/028580 A1 [0005]WO 2008/028580 A1 [0005]
  • JP 2015126660 A [0007]JP 2015126660 A [0007]

Claims (7)

Vorrichtung (2) zur Herstellung eines Stators (1) und vorgangsintegrierten Prüfung einer Laserschweißnaht (20), umfassend eine Laserschweißeinrichtung (8) zum Herstellen der Laserschweißnaht (20) mit Hilfe eines Lasers (10) der Laserschweißeinrichtung (8), und mit einer Aufnahmeeinrichtung (11) zur visuellen Erfassung eines mit Hilfe der Laserschweißeinrichtung (8) herbeizuführenden Schweißvorgangs, und mit einem Träger (9) zur Aufnahme eines Stators (1), wobei der Stator (1) eine Wicklung (3) besitzt, welche Hairpins (4) mit je zwei Enden (6) aufweist, und wobei über einen Umfang des Stators (1) jeweils zwei Enden (6) zu einem Endpaar (21) segmentweise verschweißbar sind, wobei jeweils zwei Enden (6) nach Beendigung des Schweißvorganges eines Segmentes (16) des Stators (1) die Laserschweißnaht (20) aufweisen, und wobei unmittelbar nach Beendigung des Schweißvorganges des Segmentes (16) die vorgangsintegrierte Prüfung der Laserschweißnaht (20) durchführbar ist.Device (2) for producing a stator (1) and process-integrated testing of a laser weld seam (20), comprising a laser welding device (8) for producing the laser weld seam (20) with the aid of a laser (10) of the laser welding device (8), and with a recording device (11) for visually detecting a welding process to be carried out with the aid of the laser welding device (8), and with a carrier (9) for receiving a stator (1), the stator (1) having a winding (3) which has hairpins (4). each having two ends (6), and wherein two ends (6) can be welded in segments over a circumference of the stator (1) to form an end pair (21), with two ends (6) after the welding process of a segment (16 ) of the stator (1) have the laser weld seam (20), and the process-integrated test of the laser weld seam (20) can be carried out immediately after the end of the welding process of the segment (16). Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (16) ein bis fünf Endpaare (21) umfasst.Device (2) after Claim 1 , characterized in that the segment (16) comprises one to five end pairs (21). Vorrichtung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (16) ein bis drei Endpaare (21) umfasst.Device (2) after Claim 2 , characterized in that the segment (16) comprises one to three end pairs (21). Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung (11) eine Hochgeschwindigkeitskamera ist.Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the recording device (11) is a high-speed camera. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kameraoptik (17) der Aufnahmeeinrichtung (11) in einer Laseroptik (19) der Laserschweißeinrichtung (8) angeordnet ist.Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that a camera optics (17) of the recording device (11) is arranged in a laser optics (19) of the laser welding device (8). Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) eine monochrome Belichtung (15) aufweist.Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (2) has a monochrome exposure (15). Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur vorgangsintegrierten Prüfung der Laserschweißnaht (20) eine Erfassungs- und Auswerteeinheit (13) ausgebildet ist.Device (2) according to one of the preceding claims, characterized in that a detection and evaluation unit (13) is designed for process-integrated testing of the laser weld seam (20).
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