三極鉤型換向器點焊質量問題的分析與控制

唐優泉

(桂林航天工業學院，桂林541004)

0 引 言

轉子是微型電機的關鍵部件之一，它的質量決定了電機的性能、使用壽命和經濟性。而換向器點焊又是制造轉子的關鍵工序。點焊具有生產效率高、工藝簡單、漆包圓銅線不用預先脫漆、質量穩定等優點。近年來，隨著微型電機行業的發展，點焊設備被廣泛采用在換向器點焊作業中，改進點焊質量成為微型電機制造的重要研究課題。本文針對某公司微型直流電機三極鉤型換向器點焊質量控制進行探討。圖1 是微型電機三極鉤型換向器點焊后的轉子。圖2 是點焊前換向器鉤子與漆包圓銅線示意圖。

圖1 點焊后微型電機轉子

圖2 點焊前換向器鉤子與電樞繞組線頭

1 換向器點焊原理概述

1.1 換向器點焊原理

點焊是兩個電極加壓工件使兩層金屬在兩電極的壓力下形成一定的接觸電阻，焊接電流從一電極流經另一電極時在兩接觸電阻點形成瞬間的熱熔接，通常分為雙面點焊和單面點焊兩大類。三極鉤型換向器點焊屬于單面多點點焊，圖3 是三極鉤型換向器點焊時電流通路圖。換向器有三個鉤子需要點焊，大規模生產時，常采用多點同時點焊方案以提高生產率。多點同時點焊機均為專用開發設備，大部分采用單側饋電方式，分為三個主電極和一個輔助電極，主電極由熔點高且端面較小的特殊合金制成，輔助電極為點焊機換向器保持用的錐形銅夾頭，與焊接電源接通，夾頭分為三極，位置與換向器片一致，夾頭內孔直徑可以調整，收緊時內壁與換向器片正好壓緊，保證接觸良好，不產生熱量;而三個主電極與換向器鉤子間在一定電極壓力作用下接觸，形成接觸電阻，通電時此處產生較高熱量，使漆包圓銅線和換向器的鉤子部達到熔化而牢固地焊接起來。

圖3 三極鉤型換向器點焊時的一條電流通路圖

1.2 點焊機及點焊作業循環簡單介紹

(1)三極鉤型換向器點焊機介紹

三極換向器點焊機可以在市場上買到。其工作面板如圖4 所示。該換向器點焊機有以下特點:換向器三極同時焊接，切換時間為0;漆皮線徑Ф0.05～0.5 mm;工作電源為AC 380V/50 Hz，標配逆變直流點焊電源;工作氣壓為0.4 ～0.7 MPa，運行穩定，保護和修正換向器的圓度、換向片間高度差;具有設定每極焊接電流上下限及檢測報警功能。

圖4 換向器三極點焊機電極面板圖

(2)點焊作業過程說明

點焊作業過程由預壓(鉤子塑性變形)、焊接(彈簧壓力保持，通電焊接)、壓力維持(冷卻)和退后復位四個基本過程組成焊接循環。

點焊的詳細作業過程:①轉子正確放置在承放座上，近接感應器亮燈;②踩下開關，推動氣缸和推桿將轉子推向引導桿，將換向器導引進入銅夾頭;③銅夾頭收緊(保證輔助電極與換向器表面通電良好，并固定換向器);④凸輪旋轉放開電極，推動氣缸將電極組推向換向器鉤子，鉤子變形與電極端面接觸;⑤主電極頭和鉤子間保持一定的彈簧壓力產生接觸電阻，大電流通過產生熱量進行焊接。⑥通電加熱結束后，各機構依次反向動作回到原位。

2 三極鉤型換向器點焊質量不良問題分析

2.1 三極換向器鉤子與漆包圓銅線點焊不良現象

換向器鉤子與漆包圓銅線點焊過程由于各種原因導致其點焊質量不良問題，不良具體主要體現在焊接不良和非焊接不良兩方面。點焊不良現象如圖5 所示。

焊接不良主要有:虛焊(不通電虛焊、無漆皮脫落;打火花虛焊、無漆皮脫落);漆皮剝落不足或過多;塑料芯和塑料圈熔化。

非焊接不良主要有:插入不良(撞壞銅夾頭或換向器片、表面傷痕);斷線、鉤子不貼合;換向器圓度不良等。

圖5 三極鉤子換向器點焊不良示意圖

根據微型電機型號不同，各種不良項目產生率也不同，生產企業需要根據自己的產品收集不良發生數據進行分析。這里，作者根據自己的經驗，對各種點焊不良發生率進行概率統計分布，如圖6 所示?？梢钥闯?，換向器點焊主要不良現象是漆皮不脫落或不足。

圖6 換向器點焊不良現象的發生率

2.2 三極鉤子型換向器點焊質量不良的原因分析

針對上述換向器點焊的不良現象，從“人、機、料、法、環和測量”等影響點焊質量的要素方面運用質量管理技術進行原因分析。本文將就三極鉤子型換向器點焊的主要不良項目“漆皮不脫落”運用故障樹分析(FTA)技術進行深入分析，探尋其主要原因，如圖7 所示。

圖7 中，框外數值表示事件發生概率(由生產現場統計得到)，其中G 表示結果事件和中間事件，C 和D 表示基本事件，C 代表人為因素引起的不良，D 表示非人為因素引起的不良。加“* ”為點焊不良產生的主要原因。

從上面故障樹可以看出，漆皮不脫落的主要原因是點焊機故障引起的，占其中漆皮不脫落的80%;而點焊機故障主要是點焊機設備調整狀態不良，占比75%;在點焊機調整方面問題主要有幾個方面:點焊溫度設定不良、電極壓力調整不良、積分器和判定器值設置不良、換向器銅夾頭調整不良、主電極頭位置調整不良等幾個方面，如圖中加“* ”所示。

對于其他點焊不良現象，限于篇幅，不做詳細分析，只是列出不良現象和對應的原因，如表1 所示。

答：那我不禁要問，用粗暴手段將3名游客強行驅離酒店，其中還有兩名老人，一名老人有病在身，帶著藥，警察將他們丟棄在荒郊野外的墳場，深更半夜，當時氣溫在10℃以下。他們的生命安全受到威脅，尊嚴受到傷害。瑞典的《警察法》允許這樣做嗎？瑞典的《警察法》有這么不人道、不道德嗎？瑞典的法律有這樣不尊重人的基本權利的嗎？！

圖7 換向器點焊漆皮不脫落FTA 故障分析樹

續 表

3 微型電機換向器點焊的質量不良改進對策

根據表1 所示的三極鉤型換向器點焊不良項目原因分析，產生換向器點焊不良的主要原因是點焊溫度檢查頻度不夠、電極壓力測量方法不當、積分器和判定器設置檢查頻度不夠、換向器銅夾頭調整不良和磨損變松、電極頭位置調整不良等。因此，加強點焊的質量控制和改進點焊工序質量水平，要從管理和技術等方面進行改進。

3.1 點焊作業管理方面要加強檢查

換向器點焊作業是轉子加工生產的關鍵、特殊工序，其質量好壞嚴重影響電機的性能發揮，而且后工序不容易檢出。因此，對本工序要嚴格檢查、嚴格遵守作業規定，班組長、維修技工、操作工分工明確，各負其責，降低不良發生和防止不良流到下工序。

1)設定點焊機生產條件和參數(電極壓力、電流、時間等)，遵守點焊工序的檢查頻度和記錄要求，嚴格要求員工按照點焊作業規程進行作業，嚴格“始業點檢”制度、電極清掃頻度和方法。

2)強化操作員工的“自檢”紀律，操作員對設備工作狀態檢查，對點焊后質量狀況定期檢查，工位處設置用于檢查用的顯微鏡或放大鏡。嚴格規定“點焊火花、轉子插入失誤、兩次點焊等”一律作不良處理，對點焊通電檢測報警的轉子要區分放置，要由班長再檢查或重點處理。點焊時，員工要確保將始末線鉤子放在電極第二極進行焊接。

3)提高修理員的點焊機調整與維護水平。加強設備修理員的培訓，提高對點焊不良現象的設備故障判定和調整能力。

4)在換向器點焊工位之后設立專門的外觀檢查工位，檢查鉤子點焊的質量狀況，要運用5 倍放大鏡進行觀察檢查。

3.2 針對點焊設備技術參數方面的改進

3.2.1 換向器點焊設備技術參數方面的改進

表2 是工廠生產技術人員通過計算、試驗和長期大量實際生產歸納、總結做成的，是指導班長、維修技工和操作員工進行點焊機的夾具和電極選用、各種參數設定指導性文件。點焊機生產具體參數必須根據不同的轉子(換向器和漆包圓銅線不同)型號分別設定，這需要微型電機工廠根據各自的產品來制定。表2 所列點焊條件必須規定的幾個大項內容，說明如下。

(2)繞線規格分為三類(也可以分得更細)，它決定了電極頭型號、電極壓力、點焊熱量值，表中的第二極則是指繞線始末線收線極，第一、三極則是掛單線的鉤子極。

(3)點焊機換向器夾頭型號由轉子型號(換向器直徑)決定。

(4)電極頭形式多樣。電極端部形狀分平面型和圓弧型。根據漆包圓銅線線徑不同，電極端面傾斜角度也會變化，例如:細線為負角度、中線為零角度、粗線為正角度，負角度可使鉤子的彎折處打壓更緊貼，防止細線在折彎處能活動，正角度則相反，會使鉤子前端打壓緊貼，折彎處防止粗線打壓太扁而短線。粗線(0.25 mm 以上)則采用臺階型電極形式，臺階高度由電線線徑決定。電極頭形式如圖8 所示。

表2 換向器點焊工藝條件表

圖8 換向器鉤子點焊電極頭幾種形式

(5)電極點焊壓力大小是以能把換向器鉤子預壓到位并將漆包圓銅線漆皮壓破、又不使電線過度壓扁來確定其值大小。由于電極壓力大小影響電極頭和鉤子之間的接觸電阻，會影響通電電流值的設定，故其值與電極電流值設定協調進行，保證鉤子壓貼合并漆皮熔化剝離。因為第二極是始末兩條線，要使兩條線都能壓扁，所以第二極的壓力要比第一、三極的壓力大。粗線點焊頭壓力要比細線大。

(6)電極點焊電流大小由漆包線漆皮熔化長度來決定。鉤子處漆包線漆皮熔化長度以0.5 ～2.0 mm 為宜(如圖5 中良品樣本圖)，太短可能出現漆皮不脫落，太長繞組電線交叉處易短路。第二極需要熔化兩條線的漆皮，其電流值要比第一、三極大些。粗線的漆皮厚度要比細線厚，點焊電流值要比細線設定大。焊接周期是周波數(一個周波為0.01 s)的整倍數。

3.2.2 點焊機調整方法的改進

(1)電極頭長度是根據換向器型號選用不同長度電極，電極長度與電極壓力密切相關，影響電極運動行程，可導致電極鉤子被壓入過深而斷線。電極頭長度一般設計成可調整的，根據點焊換向器不同確定電極頭長度。為了方便電極頭長度設定，可設計一套電極長度規，如圖9 所示。

圖9 電極頭長度設定規與電極基座圖

(2)電極壓力測定方法的改進。點焊電極的壓力對焊接質量影響非常大，電極組是一些運動組件，故電極頭點焊壓力會在生產過程中發生變化，電極頭壓力要按照規定每天定期進行檢測。檢查方法應標準統一:手動操作將電極頭壓下與換向器鉤子接觸，用干電池、小燈泡接通形成電流回路，將拉力表通過細繩拉動電極基座，觀察小燈泡閃亮閃滅時拉力計的讀數，觀察幾次數字變化不大，此時該讀數即為電極頭的壓力值，拉力值必須符合表4 要求，并試點焊質量滿足要求。點焊頭每天工作完后要拆下磨去頭部氧化部分，維持點焊頭的工作狀態。

(3)換向器銅夾頭的調整包括兩個方面。一是換向器與夾頭中心位對正(圖3)，這在點焊機調整非常重要，調整不好會導致換向器片擦傷或撞頭、損壞夾頭。二是換向器夾頭的松緊度，太緊太松都不行，太緊會使換向器片產生壓痕或變形，太松會出現換向器圓度和段差不良及夾頭與換向器片之間產生熱量導致塑料芯熔不良。判定標準是在夾頭收緊換向器時，用手輕輕轉動鐵心，能夠轉動有摩擦即可。檢查頻度一般0.5 次/h。夾頭點焊十萬次后必須報廢。

(4)加裝點焊清潔頻度控制器。點焊作業容易產生污物(如塑料絲、熔化的漆皮等)，污染夾頭和電極頭，嚴重影響點焊質量(通電不良)，作業員必須定期清掃電極頭和夾頭，在點焊機加裝計數報警裝置提醒員工點焊了50 個換向器必須清潔，員工清潔后復位計數器方可繼續進行點焊，防止人為失誤。

(5)為了改進換向器鉤子點焊質量，減少通電不良和斷線不良，對換向器的鉤子內壁預先涂覆焊錫，并用模具進行“星打”，使鉤子內壁焊錫凹凸不平并有尖刺。因為焊錫比銅線軟，點焊時不易打斷電線，同時由于錫層表面有凹凸不平和尖刺，預壓時容易對漆皮產生破壞，對防止虛焊有幫助，在通電時圓銅線和鉤子由錫焊接起來，可以防止銅線在鉤子內松動。

4 結 語

換向器點焊技術在微型電機生產中應用越來越廣泛，因此對換向器點焊的質量控制和改進越來越重視。由于換向器點焊涉及電氣、機械等方面的技術，比較復雜，而且點焊不良項目種類很多，所以換向器點焊質量控制方面要多方面考慮分析。要減少點焊不良發生和防止不良流到下工序，需要從管理及技術兩方面進行持續不斷改進，完善管理制度、細化點焊工藝技術要求，微型電機換向器點焊質量問題是可以控制，點焊質量水平也是能夠改進提高的。

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