車用電子器件漆包線與引出端子焊接的幾種方法

王九龍，倪瑞毅，黃健平

（1.廈門精悍機(jī)電設(shè)備有限公司；2.廈門鑫河精密科技股份有限公司，福建 廈門 361021）

漆包線是車用電磁線圈和繞組線中使用最為廣泛的一種，電磁線圈與繞組是將電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)或?qū)⒋艌?chǎng)轉(zhuǎn)換為電能的核心部件，比如繼電器、電磁閥、點(diǎn)火線圈、電感線圈、微型電機(jī)、發(fā)電機(jī)、新能源車的動(dòng)力電機(jī)等，因此漆包線和引出端的焊接可靠性就顯得尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)中，一方面要提高兩者焊接的可靠性，另一方面還要保證焊接效率的提升，下面就幾種最為常用的焊接方法歸納如下。

1 沾錫焊接

在常見(jiàn)的繼電器、電磁閥等小型線圈的引出端焊接時(shí)，沾錫是較常用的焊接工藝，這種工藝應(yīng)用成熟，硬件成本投資小，可同時(shí)對(duì)多組線圈進(jìn)行焊接，一般與全自動(dòng)多頭繞線機(jī)聯(lián)機(jī)，方便自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。但熔融的焊錫會(huì)對(duì)漆包線產(chǎn)生蝕銅現(xiàn)象，使漆包線的截面積減小，尤其是對(duì)微小直徑的漆包線來(lái)講，如果沾錫時(shí)間和溫度控制不好，容易導(dǎo)致蝕銅過(guò)度，在后續(xù)使用中受到?jīng)_擊、振動(dòng)時(shí)斷線。沾錫槽的液面過(guò)高，或引出端浸入錫面過(guò)深，容易造成引出端沾錫過(guò)長(zhǎng)，引出端沒(méi)有漆包線自由圈或自由圈過(guò)少，漆包線繃緊，使線圈在后續(xù)使用過(guò)程中受到?jīng)_擊、振動(dòng)時(shí)斷線。同時(shí)，由于無(wú)鉛焊錫的潤(rùn)濕性不夠好，沾錫容易出現(xiàn)空鼓和氣泡，且助焊劑的使用，也容易造成對(duì)漆包線的腐蝕，在后續(xù)使用過(guò)程中發(fā)生斷路失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)可靠性要求高的汽車電子部品，很多已經(jīng)禁止使用線圈引出端沾錫工藝。另外，歐盟對(duì)焊錫的RoHS指令和REACH法規(guī)的執(zhí)行，也是出口產(chǎn)品的一個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)。常見(jiàn)正常沾錫的引出端和有缺陷的沾錫引出端如圖1所示。

圖1 沾錫引出端圖

2 電阻熱壓焊

由于漆包線的表面覆有一層絕緣薄膜，故沒(méi)辦法直接采用電阻焊焊接的方式。漆包線電阻熱壓焊需要將端子設(shè)計(jì)成特殊的形狀來(lái)導(dǎo)通電流，從而獲得焦耳熱來(lái)熔化絕緣漆層，最終在無(wú)需預(yù)先去除絕緣漆層的情況下實(shí)現(xiàn)漆包線和端子的可靠連接。常用電阻熱壓焊端子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 掛鉤型端子

掛鉤型端子結(jié)構(gòu)將端子彎成U型，包裹住漆包線 （通常是單芯）進(jìn)行焊接。焊接樣品如圖3所示。焊接過(guò)程可以分為3個(gè)階段：①開(kāi)始時(shí)通過(guò)電極對(duì)端子進(jìn)行加熱，電流只在端子內(nèi)通過(guò)；②端子溫度持續(xù)升高，此時(shí)，由于端子發(fā)熱使漆包線的絕緣漆層氣化被剝離，使芯線露出；③電流一部分從掛鉤流過(guò)，一部分從導(dǎo)線流過(guò)，然后，電流經(jīng)過(guò)端子、芯線、端子的順序流動(dòng)，隨著電極的加壓力，使端子與芯線加壓定型，完成焊接。焊接過(guò)程如圖4所示。

圖2 常用電阻熱壓焊端子結(jié)構(gòu)圖

圖3 掛鉤型端子熱壓焊樣品

圖4 掛鉤型電阻熱壓焊焊接過(guò)程

掛鉤型熱壓焊容易出現(xiàn)的問(wèn)題有以下3種情況：①通電初期電流主要通過(guò)端子流動(dòng)，如果電流上升過(guò)快可能會(huì)導(dǎo)致端子斷裂；②初始電流過(guò)小，產(chǎn)生的熱量不足以使漆包線絕緣漆層剝離氣化，造成焊接部位“夾生”，致使導(dǎo)通不良；③有可能出現(xiàn)焊接壓力過(guò)大，導(dǎo)致掛鉤變形量太大漆包線被壓的過(guò)扁，使焊接后拉拔力不足，沖擊振動(dòng)時(shí)容易造成斷線。

為了避免問(wèn)題①和問(wèn)題②，我們一般把焊接電流設(shè)置為兩段 （或兩段以上）焊接，并使用熔深控制掛鉤的變形量：第一段采用較小電流，使端子軟化并產(chǎn)生熱量使漆包線絕緣漆層氣化，然后第二段加大電流進(jìn)行加壓定型，完成焊接。掛鉤型電阻熱壓焊焊接規(guī)范設(shè)定如圖5所示。

為了解決問(wèn)題③，我們采用在焊接電極上安裝位移傳感器，使用焊接電源的中斷功能來(lái)處理：在開(kāi)始放電前，通過(guò)位置傳感器采集上電極的位置P1；然后在放電過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集上電極的位置P2；循環(huán)比較實(shí)時(shí)熔深量 （P1-P2）與設(shè)定熔深量，當(dāng)實(shí)時(shí)熔深量達(dá)到設(shè)定熔深量時(shí)，焊接電源斷流器開(kāi)始工作，停止通電，結(jié)束焊接過(guò)程。這個(gè)功能可以有效地解決掛鉤型熱壓焊的過(guò)壓?jiǎn)栴}。焊接電源中斷功能示意如圖6所示。

圖5 掛鉤型電阻熱壓焊焊接規(guī)范設(shè)定

圖6 焊接電源中斷功能示意圖

掛鉤型端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議：①當(dāng)漆包線直徑較粗時(shí)，由于繞線張力較大，采用全自動(dòng)繞線機(jī)端子掛線比較困難，端子可采用雙掛鉤方式，根部掛鉤用于固定漆包線始末端，上部掛鉤用于焊接，結(jié)構(gòu)如圖7所示；②端子鍍錫會(huì)提高焊接強(qiáng)度。錫的熔點(diǎn)比銅低，錫鍍層熔化后可以跟漆包線和端子進(jìn)一步潤(rùn)濕，大大增加了接觸面積，可以提高焊接的可靠性；③對(duì)于較細(xì)的漆包線線圈，可以將漆包線先進(jìn)行絞并，再進(jìn)行焊接，以提高焊接強(qiáng)度。絞合樣品如圖8所示。掛鉤型端子結(jié)構(gòu)熱壓焊金相圖見(jiàn)圖9。2.2 襯套型端子

圖7 雙掛鉤結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 漆包線絞合焊接樣品

圖9 掛鉤型端子結(jié)構(gòu)熱壓焊金相圖

襯套型端子結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程如圖10所示，跟上面介紹的掛線鉤端子結(jié)構(gòu)類似，電流初始時(shí)只通過(guò)端子套管的外壁，產(chǎn)生的電阻熱使絕緣漆層氣化剝離，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，在上下電極的壓力作用下，漆包線與端子套筒直接焊接為一體。焊接樣品剖面如圖11所示。

圖12 為襯套型端子熱壓焊樣品金相圖，圖片從左到右依次展示了熱壓焊各個(gè)階段的金相圖。從左邊的圖片可以明顯地看到漆包線的絕緣漆層 （深褐色區(qū)域）；經(jīng)過(guò)第二階段的熱壓焊后，絕緣漆層氣化剝離，芯線和芯線之間形成氣孔 （黑色區(qū)域），如中間的圖片所示；最后，在連續(xù)多段電流和加壓力的同時(shí)作用下，端子內(nèi)部空間進(jìn)一步壓縮，氣孔消失，端子和芯線焊接為一體。

對(duì)于一些結(jié)構(gòu)不適合使用掛鉤型端子的線圈，比如針式的引出端，可以采用銅管或銅帽包覆焊接方式，如圖13所示，同樣可以使用電阻熱壓焊的方式焊接。

圖13 針式引出端子銅管熱壓焊樣品

對(duì)于大型電機(jī)繞組引接線 （漆包線）與外部導(dǎo)線的連接，可以直接將繞組引接線和外部導(dǎo)線使用襯套包覆，直接采用電阻熱壓焊的方式進(jìn)行焊接。焊接樣品如圖14所示。

圖14 大型電機(jī)繞組引接線與外部導(dǎo)線電阻熱壓焊樣品

通常襯套型端子結(jié)構(gòu)的焊接截面積較大，推薦使用多脈沖焊接模式進(jìn)行焊接，通過(guò)在脈沖與脈沖之間設(shè)置冷卻時(shí)間，以促進(jìn)漆包線氣化后煙塵的排出。焊接規(guī)范設(shè)定示意如圖15所示。

圖15 襯套型電阻熱壓焊焊接規(guī)范設(shè)定

對(duì)于封閉式的端子，建議在焊接前在前端打孔，以利于漆包線絕緣漆層氣化后煙塵的排出。焊接樣品如圖16b所示。

圖16 開(kāi)放型端子和封閉式端子焊接樣品

3 微型TIG焊接

微型TIG焊接 （非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊），也稱為脈沖電弧焊，是一種使用非熔化鎢電極產(chǎn)生電弧、完成焊接的工藝。 微型TIG焊接是一種非接觸式焊接工藝， 它使用恒定電流焊接電源，通過(guò)在零件和鎢電極之間產(chǎn)生電弧，并利用由此產(chǎn)生的熱量以最小的熱影響區(qū)加工出高品質(zhì)的連接焊縫。與激光焊相比，微型TIG焊對(duì)產(chǎn)品的定位精度要求比較低，非常適用于自動(dòng)化焊接。對(duì)于汽車?yán)^電器內(nèi)的漆包線與引出端子的焊接，已逐步推廣應(yīng)用。其工作原理為：在焊炬上通保護(hù)氣體 （特殊應(yīng)用可以不通保護(hù)氣），在保護(hù)氣體中，使鎢電極與被焊接物之間利用高壓引弧放電，把高溫等離子作為熱源，對(duì)金屬進(jìn)行熔融焊接。工作原理如圖17所示。

圖17 微型TIG焊工作原理圖

采用微型TIG焊接線圈引出端時(shí)，鎢電極對(duì)準(zhǔn)端子端部，利用高壓引弧放電將端子端部連同漆包線一起熔融，熔球包裹住漆包線，從而完成焊接。微型TIG焊接線圈引出端，無(wú)需加釬料，焊接后不需要額外清理，并且可以目視檢查焊接強(qiáng)度。在焊接純銅或磷青銅等材質(zhì)的情況下，微型TIG焊與電阻焊和激光焊相比更具優(yōu)勢(shì)，銅材具有較高的導(dǎo)熱性，電阻焊接的可焊性較差，銅材也就具有較高的光反射率，使用激光焊接的可焊性也不好。微型TIG焊也可以使用在焊接銅包鋼絲的情況下，但焊接后熔球表面容易氧化。由于黃銅中含有較低熔點(diǎn)的鋅，用微型TIG焊接會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重飛濺，內(nèi)部氣孔嚴(yán)重，表面毛刺、凹坑遍布，故不推薦。繼電器引出腳微型TIG焊接樣品如圖18所示。

圖18 繼電器引出端微型TIG焊效果示意圖

漆包線的材料選擇對(duì)于線圈引出端進(jìn)行微型TIG焊接時(shí)非常重要的，通常選擇耐熱溫度低于130℃的漆包線。理想情況下，我們希望在焊接過(guò)程中將漆包線絕緣漆層完全燃燒清除，從而獲得表面光滑連接可靠的焊接接頭。但是，如果它們沒(méi)有完全燃燒并保留在焊接區(qū)域，它會(huì)導(dǎo)致氣孔，焊接不良以及產(chǎn)品電性能不良。在使用微型TIG焊焊接線圈引出端的情況下，側(cè)吹空氣的流量和吹氣角度是最關(guān)鍵的。

側(cè)吹空氣有助于絕緣漆層的完全燃燒，吹走焊接煙塵，只需要非常微弱的側(cè)吹空氣。側(cè)吹空氣過(guò)大，可能會(huì)將熔球吹歪或者將電弧吹滅，效果反而不好。吹氣裝置的吹氣方向需要對(duì)準(zhǔn)引出端頭部，保證將空氣送入焊接區(qū)域。側(cè)吹空氣裝置示意如圖19所示。

線圈引出端繞線工藝需要以均勻的方式和密度將多匝漆包線纏繞到引出端上。最佳纏繞方式最好通過(guò)試驗(yàn)確定。以下為一般經(jīng)驗(yàn)規(guī)則介紹：①漆包線繞線的關(guān)鍵是纏繞位置的可重復(fù)性及繞線的張力；②由于圓柱形端子難以在其周圍穩(wěn)定可重復(fù)的纏繞導(dǎo)線，容易導(dǎo)致焊接不穩(wěn)定，建議使用方形端子，引出腳樣品圖如圖20所示；③最上面纏繞2～3圈，最下面纏繞2圈或3圈通常是比較可靠的。

圖19 側(cè)吹空氣裝置示意圖

圖20 引出腳形狀樣品圖

目前，微型TIG焊接在新能源汽車電機(jī)定子連接線 （繞組）的焊接上也得到了廣泛的應(yīng)用。新能源汽車一般通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，相比于傳統(tǒng)電機(jī)，新能源汽車使用的電機(jī)需要滿足一系列特殊的設(shè)計(jì)要求，其定子繞組的繞線方式有很大區(qū)別，具體到電機(jī)的生產(chǎn)工藝上，也需要進(jìn)行技術(shù)改變。U型連接線上具有絕緣漆，因此，通過(guò)具有低發(fā)熱量的微型TIG焊接工藝加工的焊接接頭可以保證U型連接線上的絕緣漆層不被焊接時(shí)的高溫?fù)p壞。新能源汽車電機(jī)定子連接線微型TIG焊接樣品如圖21所示。

4 激光焊

激光焊接漆包線與引出端子，由于激光的光斑直徑較小，一般小于1 mm，因此，非常適用于微小元件的焊接，比如貼片元件引腳等，如圖22所示。

圖21 新能源汽車電機(jī)定子連接線微型TIG焊接樣品

圖22 貼片電感引出腳焊接樣品

類似于微型TIG焊，激光焊接也可以不用去除絕緣漆層直接焊接，可直接對(duì)準(zhǔn)端子端部進(jìn)行焊接，但對(duì)焊接的部位定位要求比微型TIG焊要高，一般定位精度要求控制在0.05～0.1 mm以內(nèi)；對(duì)端子直徑也有要求，一般要小于光斑直徑，不能過(guò)大，否則不能形成完整的熔球，容易造成焊不透，有氣孔及夾渣現(xiàn)象，漆包線容易折斷，無(wú)法滿足沖擊振動(dòng)要求。

雖然激光焊接設(shè)備價(jià)格較貴，但焊接效率很高，對(duì)元件的熱影響區(qū)小，隨著車用元器件體積越來(lái)越小，精度越來(lái)越高，激光焊接的應(yīng)用前景會(huì)越來(lái)越好。

5 總結(jié)

4種焊接方式對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 漆包線和引出端焊接方式對(duì)比列表