熱壓焊機理解析及其在質量問題解決的應用

齊元波

（長城汽車股份有限公司 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

1 熱壓焊工藝

漆包線焊接機焊接過程是把電極產生的電阻熱傳到端子上，利用這個熱量和加壓力進行壓接。參考陳稚文在熱壓焊工作過程的研究[1]，確定電阻熱能首先保證剝離導線的鍍層，然后依靠端子的夾力來確保結合強度的熱壓，焊接不良主要包括導線斷線、鍍層剝離不足、壓夾不足等問題。

焊接過程可分解為預壓、焊接、保壓和休止4個階段，如圖1所示。

圖1 4個階段與電極壓力、焊接電流、焊接時間關系

焊接優點：①初步熱量將漆包線的漆皮氣化；②進一步的加熱，漆皮氣化，為銅線和銅線連接在一起提供條件；③最后的加熱和施加壓力，使潔凈后的銅線互相熱量傳遞擴散；④在通電斷開后，壓力需要繼續保持，避免銅線連接松開；⑤此種熔接方法形成的連接，拉力強大和耐用，且幾乎“零電阻”。

2 產品分析及工藝簡介

2.1 產品介紹

選取直流電機轉向器產品對漆包線焊接機焊接過程特性參數開展研究分析。

生產現場生產的直流電機轉子（散熱器風扇總成使用）共計92 047臺，生產過程中共計出現不良數為1 801臺，不良率為1.96%。其中不良件中主要故障——轉子點焊焊接電阻大為1 187臺，不良率為1.29%，占總不良率的65.9%。本次研究目標是將產品不良率降低為0。

直流電機轉向器產品的焊接主要是換向器片和漆包線由棒狀合金電極正極和負極壓緊后通電加熱，熔化并氣化之間的漆包線漆膜，將漆包線與鉤腳緊密壓接在一起，并形成熔核，保證其焊接強度，如圖2所示。

圖2 直流電機轉向器產品的焊接

2.2 焊接熔核

轉子點焊采用電阻焊原理，理論上是漆包線與換向器片之間產生熔核，使其焊接電阻最小。但是由于漆包線表面附有一層漆膜，起絕緣作用，在點焊過程中電流無法正常從漆包線上通過，則無法形成熔核，如圖3所示[2]。

圖3 理論狀態

對比韓國標桿產品，通過保證換向器鉤腳與換向片之間產生的熔核，確保焊接后漆包線與換向器片完全緊密連接、無間隙，不受外界因素影響，同時焊接質量可靠、穩定。標桿狀態如圖4所示。

圖4 標桿狀態

2.3 分析焊接步驟，確定特性參數

漆包線的漆膜熔化完全靠焊接熱量，電阻焊的焊接熱量為Q=I2Rt，說明決定電阻焊接熱量的是焊接電流、兩極之間的電阻（額定）和焊接時間三大因數。參考熱壓焊工作原理[3]，結合焊接過程針對產品各階段進行機理分析，確定焊接壓力、焊接電流、焊接時間、保壓時間4個參數為特性參數，如表1所示。

表1 熱壓焊工作階段

由以上機理解析可知，焊棒角度、點焊壓力、焊接時間、焊接電流、保壓時間為影響換向器鉤腳與換向片無間隙（即產品特性）的主要因子，如圖5所示。

圖5 主要因子

3 創新工藝方案

3.1 分析熔核特性，優化焊接方案

由于轉子點焊過程中產生熔核需要較高的熱量，該熱量易將換向器高溫燒焦、變色，結合指標與因子的關系矩陣（見圖6）可知，在過程研究時需重點分析，并綜合考慮這兩項指標。

圖6 指標與因子的關系矩陣

轉子點焊的焊接階段是依靠通電產生的熱量在換向器鉤腳與換向片之間形成熔核，既要保證有效的熔核面積，又要防止熱量過高造成的換向器表面變色。參考文獻[4]，特對轉子點焊工序進行優化改造，增加一個預熱階段，即通電（小電流）預熱后再通電（大電流）進行焊接，此時的焊接電流小于原先的焊接電流，電流減小則熱響應區減小，能避免換向器嚴重變色。轉子點焊工序如圖7所示。

圖7 轉子點焊優化工序

3.2 優化焊接步驟

結合優化的焊接過程，再次對焊接各階段進行機理分析，最終確定焊接壓力、預熱電流、預熱時間、焊接電流、焊接時間、保壓時間6個參數為特性參數，如表2所示。焊棒角度、點焊壓力、預熱時間、預熱電流、焊接時間、焊接電流、保壓時間為影響換向器鉤腳與換向片無間隙（即產品特性）的主要因子，如圖8所示。

表2 優化的焊接過程

圖8 主要因子

4 驗證確認最優參數

4.1 開展DOE確定最優

參考曲面響應法在焊接中的普遍應用，開展DOE試驗，研究轉子在不同焊接條件下達到規定的焊接電阻值、焊接熔核面積及外觀要求，以選定合理的工藝規范，提高焊接質量[5-6]。通過關系矩陣圖（見圖6）可知，轉子點焊后其指標中的外觀和熔核面積呈負相關交互作用，考慮到該兩個指標對于產品的權重，對外觀進行打分時給予0.7的權重考慮。結合焊接指標要求進行打分，打分表及開展項目如表3、表4所示。

表3 最優參數打分

表3 開展項目

在可知的合理參數（轉速25 r/min、預壓時間為8C）的前提下，確定水平、因子為六水平三因子試驗，選用L18正交表來安排試驗，如表5所示。經試驗驗證分析得到最優參數如表6所示。

4.2 小批量驗證最優參數

按DOE試驗的優化參數進行批量驗證，驗證數量為250只轉子，轉子焊接電阻值不良率為0。小批驗證后對產品進行剖析，與項目改進前的產品進行 對比結論，如表7所示。

表5 正交表

表6 最優參數

表7 改進前后的產品性能對比及結論

5 結論

通過研究漆包線焊接機焊接過程控制參數，在原有的預壓、焊接、保壓、休止4個階段的基礎上，優化焊接方案，加入預熱階段，確定最優參數，將直流電機轉向器產品不良率由改善前的1.29%降至0，實現了真正的零缺陷。同時焊接過程西格瑪水平由改善前2.1提升至5.98，消除了特殊原因。