定子繞組端子焊接工藝分析

曹克明

摘要：無刷電機的生產涉及精密裝配、繞線、磁檢測、絕緣處理等復雜工藝。本文主要介紹無刷電機定子繞組端子焊接原理、焊接影響因素及基于正交優化的實驗方法。探討電機端子焊接過程中符合工藝要求的電極壓力、焊接電流、焊接時間等最佳工藝。

關鍵詞：電子定子;端子焊接;焊接參數;試驗分析

1.前言

無刷電機是典型的機電一體化產品，主要應用于汽車、航模、精密電子等領域。本文針對端子焊接過程設計端子焊接站，并對其進行可靠性分析和正交優化實驗，確保了定子生產的安全性和可靠性，并尋得端子焊接的最優參數組合，對提高定子的性能具有重要意義。

2.端子焊接原理分析

端子的焊接是熱壓焊，原理與電阻焊接相同，通過電極施壓，使通過焊接工件的電流在工件接觸面接觸電阻產生大量熱量，使焊接工件在分子層面鏈接在一起，但在銅線與端子焊接之前，是由于熱壓接，軟化了銅線外部的漆包線，從而使被氧化的銅線與端子結合，達到電氣導通。

定子端子的焊接屬于彎鉤型壓熔焊接。原理如圖2.1所示，焊接分為兩個階段：第一階段為端子預熱階段，焊接開始時，由于銅線外部的漆包線存在，電流從上電極流出，只通過接線端子，流入下電極。第二階段隨著電極的加熱和加壓力，接觸面接觸電阻發熱，漆包線逐漸被剝離，銅線內的芯線露出，此時銅線可以進行電流導通，上電極的電流按照端子、芯線、端子的順序流動，芯線與端子接觸表面逐漸熔化，結合在一起[1]。

3.端子焊接主要影響因素

（1）通電電流：通電電流是定子繞組端子焊接的重要重要參數。在預熱階段，電流值過高，接線端子有斷裂的可能;電流值過低，則漆包線可能被剝離不完全[2]。因此電流值的設定對焊接點性能至關重要。

（2）焊接時間：焊接時間過短，電極與端子間電阻熱量不足，焊接位置的抗剪強度降低，焊接性能不穩定;焊接時間過長，電極易過熱可能熔斷端子內部漆包線，使焊接接頭的性能下降[3]。

（3）焊接壓力：電極壓力可以破壞接觸面上一部分氧化膜，增加焊接實際接觸面積與導電面積，為后續的電流的焊接做好準備。電極壓力過小，接觸表面金屬塑性變形量交小，塑形環的成型速度小于熔核的長大速度，產生噴濺現象;電極壓力過大會導致電極方向散熱加大熔核尺寸不足，焊接質量不穩定[4]。

（4）電阻：焊接電流和焊接時間一定的情況下，熱源強度與電極電阻、端子電阻、接觸電阻的數值大小密切相關。電阻值越大，熱源強度越大，因此端子材料和電極型號的選擇至關重要。電極一般選取鑭鎢作為電極材料，電極的長度、電極前端形狀、電極的老化氧化情況與電極的電阻值變化息息相關。

4.定子繞組端子焊接正交實驗設計

定子繞組的端子焊接中，采用彎鉤型端子進行焊接，焊接過程中，易發生如下三種問題：（1）預熱階段，電流主要在端子中流動，若電流過大可能導致端子斷裂;（2）焊接階段，焊接電流和焊接壓力過小，端子變形量過小，導致端子鉚接力不足，沖擊振動時容易造成漆包線脫落;（3）焊接階段焊接電流和焊接壓力過大，易導致彎鉤形端子變形量過大，導致內部的漆包線被壓斷或熔斷，造成電氣導通失效。

為避免問題（1），焊接電極的釋放電流過程由兩端脈沖控制，第一個脈沖過程中，采用較小的焊接電流，完成端子焊接的預熱，第二個脈沖過程中，加大電流進行焊接。為解決問題（2）和（3），使用熔深控制彎鉤型端子的變形量，通過安裝位移傳感器光柵尺，采集電極放電前的位置P1;焊接完成后，采集的電極的位置P2;通過調整焊接參數使熔深（P1-P2）在保持在合適的范圍。熔深示意圖如圖3.1所示。

5.正交試驗因素及實驗方法

根據彎鉤型端子焊接工藝，將焊接壓力、預熱時間、預熱功率、焊接時間、焊接電流等五個指標作為實驗設計的影響因素，分別標記為A、B、C、D、E，各因素按照焊機規范均取3個水平。如下表所示。

為保證實驗結果的準確性，此次實驗所選取的漆包線和端子皆為同一型號，端子開口高度為2.3mm。焊接全程由電氣系統控制，人工只參與定子在托盤上的放置和取下，避免人工干擾。定子經頂升裝置移至焊接位置，焊機在氣缸和伺服電機驅動下進行焊接。

端子熔深量的范圍由內部漆包線的形變量決定。漆包線的形變量在30%-70%之間是符合生產標準的，形變量越趨于50%，則焊接質量越好。如果漆包線的形變量過大，超過原直徑長度的70%，則焊接過后的漆包線會由于線徑過細，工作時易發生熔斷;如果漆包線的形變量過小，不足原直徑長度的30%，則會導致漆包線外部絕緣層熔化不完全，導致電氣連接斷路。本次實驗所用漆包線直徑為0.6mm，形變允許范圍為0.18mm-0.42mm，形變量0.3mm為最佳形變量。由端子的開口高度為2.3mm，可得此次實驗熔深量的有效范圍為1.88mm-2.12mm，最佳熔深量為2mm。

6.實驗結果分析

將記錄的熔深量按組別序號依次填入正交表后，實驗結果如表6.1所示。

本實驗結果采取極差分析的方法，表5.2為端子焊接熔深量的極差分析結果。

由表6.2可知，因素A、B、C、D、E的極差大小為：RE>RD>RB>RA>RC，此極差關系說明對實驗結果影響最大的實驗指標為焊接電流，最小的為預熱功率，影響因素的主次關系從主到次依次為E-D-B-A-C。為了更直觀的觀察熔深量隨各因素的變化趨勢，如圖6.3所示，為熔深量的均值響應圖，橫坐標為因素水平，縱坐標為各因素水平實驗結果均值。

從圖6.3中，可以看出，焊接壓力取水平1，預熱時間取水平2，預熱功率取水平2，焊接電流取水平2，焊接時間取水平2時，熔深量最接近2000um，因此最優組合方案為A1B2C2D2E2。

7.結論

取最優組合A1B2C2D2E2的參數，即焊接壓力為1.6bar（0.16MPa），預熱時間為0.20s，預熱 功率為1.6KW，焊接時間為0.22s，焊接電流為1300A實驗驗證。該組合下的熔深量值為1983.5um，熔深量最接近最佳熔深。

參考文獻

[1]季福生，李文忠，朱智平.鋁漆包線與銅線的焊接方法：，2009.

[2]鄒春芽.汽車行業電阻焊焊接的風險及解決辦法[J].汽車制造業，2014，000（011）：P.24-24.

[3]張玉菊，陳穎，張廣峻，等.工藝參數對1000MPa級高強結構鋼點焊接頭組織與性能的影響[J].焊接，2018，000（009）：26-30.

[4]夏夏.熔化極氣體保護焊采用雙電極可有效改進熱輸入控制[J].現代焊接，2005，000（001）：37-38.