Laserschweißen Hairpins für E-Mobility schweißen

Autor / Redakteur: Pravin Sievi / Simone Käfer

Im Stator von E-Motor werden Hairpins verschweißt – 160 bis 220 Paare, je nach Motordesign. Ein Fehler und der Stator ist Ausschuss. Ein ausgeklügeltes System der Laseroptik hilft die Qualität des Verschweißens von Hairpins zu steigern.

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Das Laserschweißen von Hairpins eignet sich für die Großserienfertigung von Elektromotoren.
Das Laserschweißen von Hairpins eignet sich für die Großserienfertigung von Elektromotoren.
(Bild: Scansonic)
  • Bei Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge setzt sich hier eine neue Methode durch: die Hairpins.
  • In die Laseroptik ist eine Bildverarbeitung integriert, die auf die Lagekontrolle der Hairpins abgestimmt ist.
  • Ein kleiners Scanfeld sorgt für mehr Qualität.

Eine der aufwändigsten Komponenten, der den größten Teil der Produktionskosten eines Elektromotors ausmacht, ist der Stator. Neben den hohen Materialkosten für das verwendete Kupfer ist das Wickeln der Spulen ein relativ aufwändiger Prozess. Bei Traktionsmotoren für Elektrofahrzeuge setzt sich hier eine neue Methode durch: die Hairpins. Statt die Spulen wie bisher zu wickeln, bestehen diese aus einzelnen Kupferstiften, die in Form einer Haarnadel gebogen sind. Diese füllen die Nuten eines Stators besser aus und ermöglichen eine höhere Effizienz des Motors. Die Hairpins werden bei der Montage in die Blechpakete des Stators gesteckt, die nebeneinander liegenden Hairpins werden nicht mehr mechanisch gekrimpt, sondern mit dem Laser verschweißt. Auf diese Weise ermöglichen sie einen kompakteren Aufbau des Motor. Im Ergebnis entsteht wie beim herkömmlichen Wickeln eine Spule, die das notwendige Magnetfeld erzeugt.

Von entscheidender Bedeutung ist es, dass der Schweißprozess automatisiert und sehr sicher abläuft. Rund 160 bis 220 Hairpin-Paare müssen je nach Motordesign pro Stator verschweißt werden. Ein Fehler bei nur einer der Verschweißungen macht unter Umständen das gesamte Bauteil unbrauchbar. Zum Einsatz kommt das in der Automobilfertigung weit verbreitete Laserschweißen, denn: Es ermöglicht eine sehr gezielte und fokussierte Energieeinbringung, ähnlich dem Elektronstrahlschweißen. Dies ist wichtig, damit auf keinen Fall die Isolationsschichten der Hairpins durch den Schweißprozess beschädigt werden. Im Vergleich zum Elektronstrahlschweißen ist aber kein Vakuum notwendig. Das Laserschweißen ist außerdem ein gut zu automatisierendes und flexibles Verfahren, mit dem sich kurze Taktzeiten realisieren lassen. Auf der anderen Seite ist gerade Kupfer ein Material, das den Laserschweißprozess sehr komplex macht. Hier sind innovative Lösungen gefragt.

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Herausforderung Kupfer

Kupfer hat als Material für das Laserstrahlschweißen vergleichsweise schwierige Eigenschaften. Die günstigen und im Leistungsbereich skalierbaren Laserquellen emittieren im infraroten Wellenlängenbereich bei 1030 oder 1070 nm. Bei diesen Wellenlängen beträgt die Absorption vom Laserlicht bei Raumtemperatur lediglich rund 5 %. Kurz vor dem Erreichen der Schmelztemperatur steigt der Absorptionsgrad dann auf rund 15 % an und erreicht schließlich annähernd 100 %, wenn sich eine Dampfkapillare, das sogenannte Keyhole, gebildet hat.

Die viskose Kupferschmelze führt zu einer ausgeprägten Prozessdynamik, wodurch es sehr leicht zu einem Spritzen des Materials kommen kann. Dabei schließt sich das Keyhole kurzzeitig, und durch den Dampfdruck wird geschmolzenes Material aus dem Keyhole geschleudert. Für die Fertigung ist aber ein möglichst spritzerarmer Prozess gefordert, da kein ausgeworfenes Material in den Stator gelangen darf. Es könnte ansonsten zu Kurzschlüssen und anderen Defekten kommen. Es ist bekannt, dass die Spritzerbildung vermieden werden kann, wenn die Schweißgeschwindigkeit > 20m/min ist. Für den Prozessstart konnte das Spritzen jedoch bis dato nicht vermieden werden. Inzwischen weiß man, dass durch eine gezielte Abstimmung der relevanten Prozessparameter, wie Laserleistung, Geschwindigkeiten und Fokusgrößen, das Keyhole stabilisiert werden kann, um letztendlich die Anzahl der Spritzer signifikant zu reduzieren.

Ein weiterer herausfordernder Aspekt liegt schon in den Prozessschritten vor dem eigentlichen Schweißvorgang. Die Hairpins haben einen rechteckigen Querschnitt von nur einigen Quadratmillimetern. Sie werden vor dem Einführen in die Statorbleche abgelenkt und gebogen, und die Enden werden abisoliert. Nach dem Einstecken in die Statorbleche liegen die passenden Enden jeweils nebeneinander. All diese vorgelagerten Fertigungsschritte können das Ergebnis des Schweißprozesses beeinflussen und sich auf die Qualität auswirken: durch Grate an den Schnittflächen, Reste der Isolierung und ungenau gebogene Hairpins. Um trotzdem eine optimale Schweißnaht zu erzielen, muss das Prozessregime im automatisierten Fertigungsprozess angepasst werden, wenn etwa die Enden der Hairpins einen vertikalen Versatz aufweisen oder ein Spalt zwischen den beiden zu verschweißenden Enden besteht.

Ausgefeilte Bildverarbeitung

Die oben genannten Ungenauigkeiten bei der Positionierung der Hairpins müssen also vor Beginn des Schweißprozesses bestimmt und erkannt werden. Beim Laserschweißen wird hierzu üblicherweise eine Bildverarbeitung eingesetzt. Das Berliner Unternehmen Scansonic geht mit seiner Optik RLW-S einen eigenen Weg beim Laserschweißen von Kupfer-Hairpins. So lenken sie den Laserstrahl mit Hochleistungs-Scannerantriebe ab, um eine hohe Formtreue der Schwingfunktion, auch bei hohen Frequenzen zu gewährleisten. Dieses garantiert einen reproduzierbaren und damit wiederholgenauen Prozess.

In der Optik sind im Wesentlichen zwei Funktionsbausteine integriert, die sich gegenseitig ergänzen, um die Position der Hairpins exakt zu bestimmen. Zum einen nutzt die Optik eine klassische kamerabasierte Bildverarbeitung. Diese wird jedoch vor Herausforderungen gestellt, da die Oberflächen der einzelnen Hairpins unterschiedlich stark reflektieren. Sie erscheinen dadurch im Graustufen-Bild mit stark unterschiedlichen Helligkeiten und lassen sich unter Umständen nicht sicher identifizieren. Die Scansonic-Entwickler lösen dieses Problem, indem sie die Oberflächen aus unterschiedlichen Winkeln beleuchten. Die Zuverlässigkeit bei der Erkennung lässt sich auf diese Weise deutlich verbessern.

Trotzdem sind auch die Möglichkeiten des Kamerasystems begrenzt, da es Bilder der Hairpin-Paare ausschließlich von der Stirnseite liefert. Damit werden zwar die Position und eventuell vorhandene Lücken erfasst, einen vertikalen Versatz zwischen den beiden zu verschweißenden Enden erkennt das System allerdings nicht. Um einen solchen Höhenversatz ebenfalls zu detektieren, eignet sich die Laserlinien-Triangulation. Dabei projiziert ein Sensor eine gerade Laserlinie auf die Oberfläche der beiden Hairpins. Das Licht wird reflektiert und vom Empfangselement im Sensor ausgewertet. Durch einen Winkelversatz zwischen Projektionseinheit und Empfangselement kann der Sensor das Höhenprofil des Objekts vermessen. Der Höhenversatz kann so sehr genau erfasst und im anschließenden Schweißprozess berücksichtigt werden.

Das Produkt

Die Besonderheiten der Laserptik RLW-S

Um die Platzierung der Hairpins zu kontrollieren, hat Scansonic mit seiner Laseroptik RLW-S folgendes System entwickelt:

  • Scannerantriebe lenken den Laserstrahl ab, um auch bei hohen Frequenzen eine hohe Formtreue der Schwingfunktion zu gewährleisten. Das soll einen einen reproduzierbaren und damit wiederholgenauen Prozess garantieren.
  • Die klassische kamerabasierte Bildverarbeitung beleuchtet die Oberflächen aus unterschiedlichen Winkeln, um die Hairpins sicher zu identifizieren.
  • Per Laserlinien-Triangulation wird der Höhenversatz zwischen den beiden zu verschweißenden Enden der Pins sehr genau erfasst. Im anschließenden Schweißprozess kann er berücksichtigt werden.

Scansonic legte bei der Entwicklung den Fokus auf Qualität und Stabilität des Prozesses. Weswegen die Ingenieure auf ein kleineres Scanfeld setzen, wodurch es zu weniger Qualitätsprobleme kommt.

Kurze Taktzeiten gefragt

Mit einer hochwertigen Laseroptik mit integrierten Bildverarbeitungssystemen und der passenden Regelung für die Laserleistung und Fokussierung lassen sich die Hairpins zuverlässig und in hoher Qualität verschweißen. Um das Verfahren auch in der Großserienfertigung einsetzen zu können, ist neben der Prozesssicherheit auch eine hohe Geschwindigkeit der Verarbeitung notwendig. Wenn man annimmt, dass ein Auto mit Taktzeiten von 60 Sekunden gefertigt wird, müssen in dieser Taktzeit auch einer oder mehrere Motoren gebaut sein. Neben der Taktzeit ist die notwendige Anzahl an Fertigungsanlagen ausschlaggebend, die sich unmittelbar in den notwendigen Investitionen niederschlägt.

Um die Geschwindigkeit zu erhöhen, wäre es denkbar, ein großes Scanfeld zu verwenden. Damit können alle Hairpin-Paare eines Stators geschweißt werden, ohne diesen zu bewegen. In den ersten Produktionsstrecken zeigen sich in der Praxis jedoch bereits Qualitätsprobleme, die durch den Winkelversatz an den verschiedenen Positionen des Stators verursacht werden.

Scansonic legte daher bei der Entwicklung seiner RLW-S den Fokus auf Qualität und Stabilität des Prozesses. Die Ingenieure setzen auf ein kleineres Scanfeld realisiert über ein Post-Objective-Scanning und ein optimal angepasstes Sichtfeld der Kamera. Die Position des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf dem Bauteil ist dadurch optimal. Gleiches gilt für die Lagevermessung dieses Punkts über die Kamera. Um einen kompletten Stator zu schweißen, muss dieser über eine Drehachse gedreht werden. Die gewünschte Taktzeit ist dadurch eine Frage des Engineerings und kann über eine leistungsstarke Drehachse erreicht werden. Die standardisierte Bearbeitungsoptik kann ihre technologischen Möglichkeiten voll ausspielen. Mit diesem Ansatz konnte die Laserbearbeitungsoptik RLW-S von Scansonic die reibungslose Funktion bereits in der Serienfertigung eines Automobilherstellers demonstrieren.

* Pravin Sievi ist Product Owner bei Scansonic MI in 12681 Berlin, Tel. (0 30) 91 20 74 10

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