漆包線電阻熱壓焊電極位移控制系統

柯蓽正，江 偉，黃增好，曹 彪

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640；2.廣州市精源電子設備有限公司，廣州510735）

0 引言

多股漆包線與端子的焊接在電機定子繞組中應用廣泛，比如新能源汽車電機、電梯電機、空調電機、發電機等。在生產制造過程中，常常需要將繞組引出線和端子進行焊接，如圖1所示[1]。電機運行中端子承載著較大的電流，容易發熱和失效，因此多股漆包線和端子焊接的優良性和可靠性就顯得尤為重要[2]。

圖1 汽車電機定子引線焊接

多股漆包線與端子連接的發展現狀如下：冷壓連接→壓接浸錫→熱壓焊接。冷壓連接是利用壓接工具進行壓實[3]，壓接浸錫是在冷壓連接的基礎上進行浸錫處理[4]。兩者均存在效率低、電阻系數大、耐用性差等缺點。而熱壓焊接由于效率高，焊后端子電阻系數極低、耐用性高等優點成為國內外主流汽車電機廠家的首選工藝[5]。熱壓焊接工藝是把電極產生的電阻熱傳到端子上，利用其熱量先剝離漆包線的漆膜，再依靠加壓力來確保結合強度的熱壓工藝手段[6]。

端子熱壓焊接過程可分為3個階段：（1）上下電極通電加熱端子，電流僅在端子外壁內通過；（2）端子持續升溫，使得漆包線的絕緣漆層受熱氣化分解，使銅線裸露；（3）電流一部分從端子外壁流過，一部分從銅線流過，隨著電極的加壓，使端子與銅線加壓定型，完成焊接[7]。圖2所示為端子熱壓焊過程示意圖。

圖2 端子熱壓焊過程

目前，多股漆包線與端子的熱壓焊接多采用恒流控制方法，在實際應用中存在如下問題：在連續生產過程中，焊接時間間隔較短，電極未能充分冷卻，隨著焊接次數增加，電極溫度逐漸升高，由此產生的熱積累會造成焊后端子厚度誤差大，一致性差，最終使得端子變形量過大，漆包線被壓得過扁，焊后抗拉載荷不足，沖擊振動時容易造成斷線，因此不能滿足連續生產的需求，在生產節拍變化時，熱積累也會發生變化[8]。

針對上述不足，本文研發了一種電阻熱壓焊電極位移控制系統，以焊接過程中的電極位移作為反饋信號，實時調控焊接電流，實現對端子熱輸入的控制，從而保證接頭加熱的一致性，對提高端子焊接質量有著實際的應用價值。

1 控制系統硬件設計

1.1 控制系統組成

控制系統結構如圖3所示。在逆變電阻焊電源JYD-20AL的基礎上，增加位移調理電路、壓力調理電路以及電氣比例閥驅動電路，分別用于電極位移的實時測量，電極壓力的測量以及電極壓力的控制。系統開機后讀取當前端子代號對應的目標位移曲線數據以及焊接壓力，根據焊接壓力調整壓力控制通道PWM占空比，驅動電氣比例閥調控氣壓，保證焊接前獲得穩定且合適的壓力。之后系統通過采集電極壓力判斷位移校準條件是否滿足。位移校準后，啟動焊接，在放電的過程中，將光柵式位移傳感器所測量的位移信號經過調理電路處理后送入QEI模塊進行4倍頻計數，實現對當前電極位移的監測，并與目標位移曲線進行比較，再經過模糊PID控制，調整逆變電路PWM占空比，進而控制IGBT的交替導通和關斷，達到控制輸出電流的目的，最終實現對電極位移速率的控制。

圖3 控制系統

1.2 電極位移檢測

多股漆包線與端子焊接過程中，焊接時間較長，通常要好幾秒，且焊接過程中，電極位移實時變化，因此對位移傳感器的響應時間、動態特性以及精確度均提出較高的要求。通過綜合比較選型，選用信和品牌KA-300型光柵式位移傳感器作為電極位移的測量工具，該光柵式位移傳感器具有量程大、精度和分辨率高，抗干擾能力強的特點，易于實現動態精密測量。所選用的光柵尺經QEI模塊4倍頻后，分辨率可達到5 μm，相較于端子焊接過程中上千μm的形變量，完全可以滿足位移檢測的要求。

為了能夠正確測量焊接過程的電極位移，對焊接機頭進行結構設計，以確保光柵尺讀數頭的滑動方向與焊接機頭的氣缸活塞桿軸線方向一致。安裝示意圖如圖4所示。光柵尺的尺體固定在連接塊1上，讀數頭通過連接塊2固定在直線導軌上。在焊接過程中，氣缸活塞桿向下運動，帶動直線導軌，從而帶動讀數頭運動，實現對電極位移的測量。

圖4 光柵尺安裝

2 控制系統軟件設計

2.1 模糊PID控制算法

端子的焊接過程可分為前期和后期兩個階段，端子焊接的前期，內部漆包線之間的空隙較大，即形變空間較大；后期階段，內部漆包線之間的空隙變小，即形變空間小。在整個焊接過程中，位移速率具有先快后慢的特點，另外，焊接過程中，端子內部漆包線的填充情況、電極的熱積累以及端子擺放位置的偏差都會對電極位移產生影響。可見，電阻熱壓焊電極位移控制系統具有非線性和時變的特性，對該焊接過程實現精確建模比較困難。故而本文采用基于專家知識和不依賴對象模型的模糊PID控制以獲得良好的控制效果[9]。

模糊PID控制是將模糊控制和傳統PID控制相結合的算法，前者運用模糊規則推理獲得控制器參數，后者產生控制量。模糊PID控制系統結構如圖5所示[10]。

圖5 模糊PID控制器

模糊控制器設計[11]如下。

（1）輸入輸出變量確定

輸入量選擇電極位移誤差e及位移速率誤差e?。分析多次試驗所采集的位移曲線數據，根據調控效果最終確定e∈X1=[- 300,300]，e?∈X2=[- 50,50]，輸出量為PID調整參數Δkp∈X3=[- 2,2]、Δki∈X4=[- 0.1,0.1]、Δkd∈X5[- 0.01,0.01]。

（2）輸入輸出模糊子集選定

為了使控制精度和運算量得到兼顧，取5個變量的量化等級為7級，即選定e、e?、ΔkP、Δki、ΔkD的模糊論域E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，所對應的7個模糊子集為NB、NS、NM、ZO、PM、PS、PB。結合上述輸入輸出變量的取值范圍，可得輸入量e、e?的量化因子Ge=3/300、Ge?=3/50。輸出量ΔKP、ΔKI、ΔKD的比例因子GΔKP=2/3、GΔKI=0.1/3、GΔKD=0.01/3。

（3）模糊子集隸屬函數選取

為便于工程實施，同時簡化計算，輸入輸出變量的隸屬函數均使用三角形，各個模糊子集隸屬函數在模糊論域上的隸屬度分布如圖6所示。

圖6 E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD隸屬函數

（4）模糊規則表建立

通過大量的試驗調試，并根據端子熱壓焊過程的特點，總結了如下經驗：當位移誤差較大時，為了使其迅速向目標位移曲線靠近，迅速調整電流。當位移誤差較小時，根據位移速率誤差大小對電流做出調整。所設計的模糊控制規則表如表1所示。

表1 ΔKP、ΔKI、ΔKD模糊控制規則表

（5）解模糊方法選擇

本文選用最大隸屬度法進行解模糊，將推理所得的模糊論域變換為用于實際控制的物理論域。

2.2 控制程序

電極位移控制系統的控制程序流程如圖7所示。前期端子處于冷態狀態，起始位移量的變化需要一定的能量，故需先通過電流使其軟化，若在此階段直接通過反饋的位移來調控電流，則會使電流極不穩定，出現升的太快，致使電流過大，或者升的太慢，影響焊接效率。另外冷態階段電流過大會導致端子斷裂，因此冷態階段采用恒流控制，先讓電流升到所設定的合適初始電流值IS，加熱端子，當檢測到位移發生連續變化且位移量達到一定值時，前期階段恒流控制結束，進入后期階段。后期階段是電極位移閉環控制，采用電極位移作為反饋信號，在初始能量的基礎上，進行能量的調節，即模糊PID控制器根據位移誤差e和位移速率誤差e?的不同的狀態輸出合適的控制量調整PWM占空比，進而調控焊接過程中的電流，使實際位移曲線跟蹤目標位移曲線。當檢測到實時位移s達到所設定的目標位移S時，停止放電。

圖7 電極位移控制程序流程

3 試驗及結果分析

3.1 試驗平臺和試驗材料

為了驗證上述方法的有效性，在所開發設計的電阻熱壓焊位移控制系統平臺上進行多股漆包線和端子的焊接試驗，試驗平臺示意圖如圖8所示。試驗材料為24股線徑0.9 mm的QZ-2聚酯漆包線和型號SC10-8端子，所用的焊接電極為一對呈凹凸形狀的電極，如圖9所示。

圖8 試驗平臺

圖9 試驗材料及凹凸形電極

3.2 焊接工藝試驗

3.2.1 目標位移曲線確定

在恒流控制模式且無熱積累（每次焊接都是等待電極完全冷卻到室溫）的情況下，通過調整焊接電流、時間、壓力來分析不同焊接參數下，端子的焊接效果，焊接效果包括端子的外觀、導通率、去漆效果、焦化長度以及抗拉強度。以焊接效果最優的端子所對應的位移曲線作為目標位移曲線。

為了避免端子后期的溫度升得過高，造成漆包線著火以及端子表面鍍層被破壞，同時為了控制因素變量，便于進行后續的正交試驗，本文采用恒流模式的三段式焊接來獲取目標位移曲線，將三段焊接電流按照遞減的方式進行設置（I2=I1×0.9，I3=I1×0.8），其對應的3段焊接時間設為相同（t1=t2=t3）。通過上述方法，對SC10-8端子進行工藝試驗，確定其工藝參數的大致范圍：焊接電流I1為10.0～11.0 kA，焊接時間t1為1.0～1.2 s，電極壓力為3 800 N～4 200 N。然后進行正交試驗，正交試驗中，焊接電流I1、焊接時間t1、電極壓力都按等差數列依次遞增排列，故焊接電流I1取10.0 kA、10.5 kA、11.0 kA，焊接時間t1取1.0 s、1.1 s、1.2 s，電極壓力取3 800 N、4 000 N、4 200 N。分析正交試驗結果，最終確定的最優焊接參數如下：焊接電流I1=10.5 kA，焊接時間t1=1.0 s，電極壓力為4 200 N。該參數下所對應的目標位移曲線如圖10所示。

圖10 目標位移曲線

3.2.2 恒流控制試驗

使用上述正交試驗的最優焊接參數組合進行恒流控制下的焊接試驗。且為了更直觀、快速地反映熱積累對端子的影響，焊接過程不通水冷且每次焊接的時間間隔為2 min。焊接工藝參數如表2所示，位移曲線如圖11所示。圖中，隨著焊接次數增加，端子剩余厚度越來越小，表明在連續焊接過程中，電極未能充分冷卻，導致電極上所積存的熱積累作用在下次焊接上，導致下次焊接能量大于上一次。

圖11 恒流控制下位移曲線

表2 恒流控制試驗焊接工藝參數

焊接能量合適的端子如圖12（a）所示。當端子所獲得的能量達到一定程度時，端子表面會出現熔融現象且外觀有明顯的變形，如圖12（b）所示，此時端子的剩余厚度過小，漆包線的抗拉載荷下降，沖擊振動時容易出現斷線的問題。

圖12 不同焊接能量的焊后端子外觀

3.2.3 電極位移閉環控制試驗

為了使端子前期階段的熱輸入可控性更好，避免由于熱積累導致前期階段電極位移變化過快，使得前期階段焊接電流波動嚴重，將前期冷態階段恒流控制的焊接電流IS設定為8.0 kA，而不是10.5 kA。焊接工藝參數如表3所示，所獲得的電極位移曲線圖和焊接電流曲線圖如圖13所示。圖13（b）中，整體上，焊接電流隨焊接次數增加而減小，說明系統對端子的熱輸入起到了控制作用，使得端子的實際位移曲線可以更好地跟蹤目標位移曲線，如圖13（a）所示。當檢測到實際的電極位移s達到目標位移S時，停止放電，從而提高了焊后端子厚度的一致性，避免了端子因熱積累所導致的一系列焊接質量問題。

表3 電極位移控制試驗焊接工藝參數

圖13 電極位移控制曲線

3.2.4 試驗結果對比

逆變電阻焊電源具有溫度保護機制，當檢測到控制器溫度超過75℃，變壓器溫度超過85℃時，會彈出報警并停止放電。因此，在實際生產過程中，需外接水冷機以保證連續作業。本次試驗模擬實際生產條件，在外接水冷機下，使用兩種控制方法各自進行50次連續焊接，各自焊接時間間隔以及焊接參數設置按上述設置來執行。

分別對這兩種方法所獲得的100個端子進行焊接質量測試。端子的測試試驗按照ISO15614序列標準規定進行，根據企業具體生產需求，對焊接端子進行以下4項要求檢測[12]：（1）100%外觀檢查；（2）100%導通率測試；（3）單根漆包線抗拉載荷測試；（4）焊接厚度檢測。其中，100%外觀檢查主要檢測端子外表面無熔融現象，無破壞端子表面鍍層現象等；100%導通率測試主要使萬用表的蜂鳴檔檢查每根漆包線是否導通；單根漆包線抗拉載荷測試主要是檢測抗拉載荷是否大于標準抗拉載荷，具體數據取決于漆包線線徑；焊接厚度檢測是為了保證連續生產的需求，焊后端子厚度要一致。焊接厚度檢測選用引線端子誤差作為指標，端子厚度誤差為端子的實測厚度減去目標剩余厚度（2 735 μm），要求小于0.1 mm。所獲得試驗數據如圖14所示，統計后的數據如表4所示。

圖14 不同控制下的焊后端子對比

表4 不同控制方法的試驗數據對比

從圖14（a）可知，在焊接次數都為50次的前提下，相較于恒流控制方法，電極位移閉環控制方法焊后端子厚度誤差更小、一致性更好。由表4可知，厚度誤差均值從0.124 4 mm減小到0.018 7 mm，其整體厚度誤差均值減少了84.97%。而得益于焊后端子厚度一致性的提高，端子單根漆包線的抗拉載荷均值更加穩定，極差更小，如圖14（b）所示。此外，從表4可知，良品率從80%提高到了100%，焊后良品率得到了提高。同時，從試驗的原始數據中發現，恒流控制方法下，在第37次焊接之后，開始頻繁出現不良品，顯然若繼續增加焊接次數，良品率會繼續下降。

4 結束語

與恒流控制方法相比，基于模糊PID控制的電極位移反饋控制方法可有效控制多股漆包線與端子熱壓焊的熱輸入，焊后端子在厚度誤差、單根漆包線抗拉載荷均值方面都得到了明顯的提高，提高了焊接一致性。在特定端子50次連續焊接試驗中，焊后端子厚度誤差減小了84.97%，良品率提高了13.64%。熱積累會導致恒流控制的良品率持續下降，若焊接次數繼續增加，則電極位移閉環控制的改善效果將更為顯著。