定子绕组端子焊接工艺分析

曹克明

摘要：无刷电机的生产涉及精密装配、绕线、磁检测、绝缘处理等复杂工艺。本文主要介绍无刷电机定子绕组端子焊接原理、焊接影响因素及基于正交优化的实验方法。探讨电机端子焊接过程中符合工艺要求的电极压力、焊接电流、焊接时间等最佳工艺。

关键词：电子定子;端子焊接;焊接参数;试验分析

1.前言

无刷电机是典型的机电一体化产品，主要应用于汽车、航模、精密电子等领域。本文针对端子焊接过程设计端子焊接站，并对其进行可靠性分析和正交优化实验，确保了定子生产的安全性和可靠性，并寻得端子焊接的最优参数组合，对提高定子的性能具有重要意义。

2.端子焊接原理分析

端子的焊接是热压焊，原理与电阻焊接相同，通过电极施压，使通过焊接工件的电流在工件接触面接触电阻产生大量热量，使焊接工件在分子层面链接在一起，但在铜线与端子焊接之前，是由于热压接，软化了铜线外部的漆包线，从而使被氧化的铜线与端子结合，达到电气导通。

定子端子的焊接属于弯钩型压熔焊接。原理如图2.1所示，焊接分为两个阶段：第一阶段为端子预热阶段，焊接开始时，由于铜线外部的漆包线存在，电流从上电极流出，只通过接线端子，流入下电极。第二阶段随着电极的加热和加压力，接触面接触电阻发热，漆包线逐渐被剥离，铜线内的芯线露出，此时铜线可以进行电流导通，上电极的电流按照端子、芯线、端子的顺序流动，芯线与端子接触表面逐渐熔化，结合在一起[1]。

3.端子焊接主要影响因素

（1）通电电流：通电电流是定子绕组端子焊接的重要重要参数。在预热阶段，电流值过高，接线端子有断裂的可能;电流值过低，则漆包线可能被剥离不完全[2]。因此电流值的设定对焊接点性能至关重要。

（2）焊接时间：焊接时间过短，电极与端子间电阻热量不足，焊接位置的抗剪强度降低，焊接性能不稳定;焊接时间过长，电极易过热可能熔断端子内部漆包线，使焊接接头的性能下降[3]。

（3）焊接压力：电极压力可以破坏接触面上一部分氧化膜，增加焊接实际接触面积与导电面积，为后续的电流的焊接做好准备。电极压力过小，接触表面金属塑性变形量交小，塑形环的成型速度小于熔核的长大速度，产生喷溅现象;电极压力过大会导致电极方向散热加大熔核尺寸不足，焊接质量不稳定[4]。

（4）电阻：焊接电流和焊接时间一定的情况下，热源强度与电极电阻、端子电阻、接触电阻的数值大小密切相关。电阻值越大，热源强度越大，因此端子材料和电极型号的选择至关重要。电极一般选取镧钨作为电极材料，电极的长度、电极前端形状、电极的老化氧化情况与电极的电阻值变化息息相关。

4.定子绕组端子焊接正交实验设计

定子绕组的端子焊接中，采用弯钩型端子进行焊接，焊接过程中，易发生如下三种问题：（1）预热阶段，电流主要在端子中流动，若电流过大可能导致端子断裂;（2）焊接阶段，焊接电流和焊接压力过小，端子变形量过小，导致端子铆接力不足，冲击振动时容易造成漆包线脱落;（3）焊接阶段焊接电流和焊接压力过大，易导致弯钩形端子变形量过大，导致内部的漆包线被压断或熔断，造成电气导通失效。

为避免问题（1），焊接电极的释放电流过程由两端脉冲控制，第一个脉冲过程中，采用较小的焊接电流，完成端子焊接的预热，第二个脉冲过程中，加大电流进行焊接。为解决问题（2）和（3），使用熔深控制弯钩型端子的变形量，通过安装位移传感器光栅尺，采集电极放电前的位置P1;焊接完成后，采集的电极的位置P2;通过调整焊接参数使熔深（P1-P2）在保持在合适的范围。熔深示意图如图3.1所示。

5.正交试验因素及实验方法

根据弯钩型端子焊接工艺，将焊接压力、预热时间、预热功率、焊接时间、焊接电流等五个指标作为实验设计的影响因素，分别标记为A、B、C、D、E，各因素按照焊机规范均取3个水平。如下表所示。

为保证实验结果的准确性，此次实验所选取的漆包线和端子皆为同一型号，端子开口高度为2.3mm。焊接全程由电气系统控制，人工只参与定子在托盘上的放置和取下，避免人工干扰。定子经顶升装置移至焊接位置，焊机在气缸和伺服电机驱动下进行焊接。

端子熔深量的范围由内部漆包线的形变量决定。漆包线的形变量在30%-70%之间是符合生产标准的，形变量越趋于50%，则焊接质量越好。如果漆包线的形变量过大，超过原直径长度的70%，则焊接过后的漆包线会由于线径过细，工作时易发生熔断;如果漆包线的形变量过小，不足原直径长度的30%，则会导致漆包线外部绝缘层熔化不完全，导致电气连接断路。本次实验所用漆包线直径为0.6mm，形变允许范围为0.18mm-0.42mm，形变量0.3mm为最佳形变量。由端子的开口高度为2.3mm，可得此次实验熔深量的有效范围为1.88mm-2.12mm，最佳熔深量为2mm。

6.实验结果分析

将记录的熔深量按组别序号依次填入正交表后，实验结果如表6.1所示。

本实验结果采取极差分析的方法，表5.2为端子焊接熔深量的极差分析结果。

由表6.2可知，因素A、B、C、D、E的极差大小为：RE>RD>RB>RA>RC，此极差关系说明对实验结果影响最大的实验指标为焊接电流，最小的为预热功率，影响因素的主次关系从主到次依次为E-D-B-A-C。为了更直观的观察熔深量随各因素的变化趋势，如图6.3所示，为熔深量的均值响应图，横坐标为因素水平，纵坐标为各因素水平实验结果均值。

从图6.3中，可以看出，焊接压力取水平1，预热时间取水平2，预热功率取水平2，焊接电流取水平2，焊接时间取水平2时，熔深量最接近2000um，因此最优组合方案为A1B2C2D2E2。

7.结论

取最优组合A1B2C2D2E2的参数，即焊接压力为1.6bar（0.16MPa），预热时间为0.20s，预热 功率为1.6KW，焊接时间为0.22s，焊接电流为1300A实验验证。该组合下的熔深量值为1983.5um，熔深量最接近最佳熔深。

参考文献

[1]季福生，李文忠，朱智平.铝漆包线与铜线的焊接方法：，2009.

[2]邹春芽.汽车行业电阻焊焊接的风险及解决办法[J].汽车制造业，2014，000（011）：P.24-24.

[3]张玉菊，陈颖，张广峻，等.工艺参数对1000MPa级高强结构钢点焊接头组织与性能的影響[J].焊接，2018，000（009）：26-30.

[4]夏夏.熔化极气体保护焊采用双电极可有效改进热输入控制[J].现代焊接，2005，000（001）：37-38.