开发一种稳健的非公路定子焊接工艺

随着在非公路动力传动系统中使用电动机的增加,对于制造商来说,制定一个稳健稳定的定子焊接工艺至关重要,因为定子钢板和定子线圈之间的连接对于可靠的发动机性能至关重要。定子是电动机的固定部分——一个由磁芯和磁线组成的电磁铁。定子铁心主要用来保持磁场的对准。它由许多单独的硅钢片组成。材料厚度通常在0.35-0.50 mm之间,并涂上一层非常薄的绝缘层,只有0.025毫米。叠层核心钢和绝缘每一层使任何不希望的循环电流明显更小和更可控。大多数电动机定子应用,如非公路动力传动系统,都需要将这种绝缘的磁线连接到自身,接触(引线框架)或电机外部的电子元件。

对于非公路动力总成制造商,在一条完整的非公路动力总成生产线中,设计一套保证100%工艺质量的定子焊接工艺和设备至关重要。创新的焊接设备促进了电机内部的最佳空间使用,联系设计和工艺优化。这使得设计师可以减少电机的建造高度,以获得空间和重量优势。

定子焊接类型
非公路动力总成定子焊接工程师通常通过专注于制造单个良好连接的机制来开始优化过程。然而,根据所用金属丝的类型和焊接设备的类型,这些机械结构会发生变化,除其他差异外。

必须以独特的方式接近的一种金属丝是“发夹”金属丝,厚绝缘线弯曲成C形的绰号。在产量高的行业中,激光焊接是粗线夹焊最常用的技术之一。

一个典型的定子有一圈导电的线圈和需要连接的触点。每根线圈都用漆层绝缘。线圈较硬,较厚,呈方形或矩形。这些绝缘的磁线弯曲成C形,也叫发夹。在电动机中,大约一百根这样的发夹线必须焊接在每一端与其相邻的导线上。

在焊接前,可以将发夹线的绝缘层剥离。虽然焊接工艺并非严格要求,剥线可防止绝缘层氧化或炭化。这发生在大约5毫米(mm)的长度上。

根据电机设计,氧化/炭化产生的碳可能会进入电机并导致问题。磁线是由铜制成的,这对传统的近红外(NIR)激光器来说是一个挑战,发射波长为1064-1070纳米(nm)。在室温下,铜不能很有效地吸收激光。把激光集中在一个很小的光点上是解决这个问题的最有效的方法。

高达5千瓦(kw)的功率集中在20微米的地方,功率如此之大,铜几乎瞬间发热,从而使激光得到高度稳定的吸附。

在非公路传动系定子焊接中遇到的另一个挑战是铝线的直接焊接。这个过程可能很困难。第一,铝的电阻很小,这使得电阻焊具有挑战性。第二,铝有氧化铝外壳,它在比铝本身更高的温度下熔化:2.072比660摄氏度。由于这种差异,一旦高熔氧化铝外壳破裂,下面的铝转化成一种稀薄的液体,需要加以控制以防止爆炸。

电阻焊铝的另一种选择是激光焊接,但这一过程也有其挑战,由于铝具有很强的反射性,因此,来自焊工的激光只部分地被吸收到金属中。此外,和电阻焊一样,氧化铝层也会引起类似的问题。

为了克服这些困难,产品设计师需要寻找替代方法。一种方法是热压接,下面详细讨论。激光焊接也可以采用类似的方法。铝线夹在两个箔或一个折叠板之间。然后熔化激光束侧面的箔或板。熔化的铝箔会产生大量的熔融材料,它和铝线一起熔化。

热卷曲
另一种可用于非公路动力总成定子线焊接的方法是热压接。由于车辆设计中电气化程度的提高,热压接工艺在最近的使用中出现了激增。热压接允许电线彼此连接,或终端。基本的热压接工艺包括放置导电金属套管,钩子,叉子,或铜丝或磁线周围的其他形状物体。然后将套管或其他金属物体置于电阻焊接系统的两个电极之间。大量电流通过套管,使其加热到大约500˚C。该温度足以烧掉搪瓷或有机绝缘层,并使其将气体推出金属套管。一旦隔离被烧毁,更大的热量通过电流作用在套管上,使金属套塌陷,并将剥离的铜磁线压紧。一旦压缩环冷却下来,单根电线和金属环之间有很强的机械和电气连接。金属环,通常是电缆鞋的一部分,然后可以很容易地连接或直接连接到终端。

热压接创造了良好的机械和电气连接,尤其是当多条电线连接在一起时,由于金属热缩压缩在电线上。这种连接有效地密封了来自环境的连接,与冷压接不同,在腐蚀性环境中可能很关键。热压接工艺在成本上要高效得多,时间,与其他剥线和连接工艺相比,因为它将剥离和连接的单独步骤结合到一个自动化过程中。过程控制是验证该过程的关键。良好的热压接系统在最小位移下测量和控制,电流,电压,然后记录下这些数字。

电阻焊
虽然激光焊接可用于非公路动力总成焊接的铝焊缝,它不太适用于绞合线应用,由于此应用具有圆线,它像圆镜一样使激光偏明升扑克转。绞合线的形状相对不明确,与金属相比,空气体积较大(且波动较大)。

当需要焊接多股定子线时,通常会出现所有这些困难。

电阻焊是一种比激光焊接更合适的工艺,当需要接触多股钢丝时。在这个过程中,将电线从其外部(厚)屏蔽罩上机械剥离,并放置在两个电极之间,通常垂直放置,两个电气隔离导块,水平放置。导向块靠近电极,使电极可以在导向块之间滑动。对于流程的第二步,电极互相移动,压缩所有股线。一旦施加压力,电流接通,金属达到熔化温度。这一过程称为“压实”或“钢丝压实”。最终的结果是一个金属块。在随后的工艺中,这种金属可以铜焊或焊接到零件上。

过程控制
无论采用哪种方法进行非公路传动系定子焊接,直接焊接,对激光焊接进行热压接,高水平的过程控制对于焊接方法的持续成功至关重要。例如,电阻焊时,电极与零件机械接触并压缩产品。电流通过零件,它们自己产生热量。这种机械接触和主动热产生使测量能够改善过程控制和在线质量检查。此外,可以测量电极夹紧力和位移。衍生参数(零件存在,零件厚度电极加速,以及焊缝位移)可以计算和绘制图表。可以测量电压和电流并导出参数(功率和电阻,有时部分温度)可以计算和监控。用户可以记录和存储数据,如果检测到异常,则返回该数据。这些数据对优化焊接工艺至关重要。

除了确保焊接过程的记录和数据保持一致外,焊接设备,包括电源和焊头,在过程控制中起着重要作用。新的焊头技术可以进一步提高和控制焊接质量。例如,从脚部启动,气动启动,对于电动焊接头,可以更好地控制电极关闭速度和冲击力,并防止超压。电极的放置更受控制,电极力和运动可编程控制。

电极位移和加速度测量可从焊缝中进行。其他新的测量方法包括焊接到位移,其中位移在前几毫秒内持续监测,当达到预设的要求位移时,焊接电流关闭。采用最佳的焊接设备和工艺监控技术,对优化非公路动力总成定子焊接工艺具有重要意义。无论采用何种焊接方法或应用。

总共,在非公路传动系定子焊接中,焊接方法之间的决策是复杂的。产品开发人员之间的密切合作,应用实验室,联合测试/鉴定部门需要了解如何最好地开发合适的设计。夹丝有自己的焊接工艺,而铝线可以通过多种方式接近(最有效的通常是热压接)。此外,绞合线和直接焊接有自己的过程。为材料和焊接类型找到正确的工艺,然后通过过程控制措施和技术对该过程进行适当的监控,将确保制造商使用稳健的,稳定的非公路定子焊接工艺。

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关于作者

毫米

詹姆斯于2017年加入工业车辆技术国际团队。此前,他曾在一个工程职称的助理编辑多年,并在此之前为各种其他行业杂志工作。詹姆斯结婚很幸福,有一个年轻的女儿让他很忙。

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