新能源車用扁線電機(jī)去漆焊接工藝研究

李全 王斯博 于長虹 蒼衍 袁超

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013；2.中國第一汽車集團(tuán)有限公司新能源動力總成事業(yè)部，長春 130013）

1 前言

隨著新能源汽車快速發(fā)展，電驅(qū)動系統(tǒng)取代發(fā)動機(jī)并在電機(jī)控制器控制下將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動車輛行駛，電驅(qū)動系統(tǒng)對整車動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、安全性等核心指標(biāo)具有較大影響[1]。電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不斷趨于小型化，兼顧比功率及效率提升，且隨著電驅(qū)系統(tǒng)功率密度指標(biāo)的不斷提升，由傳統(tǒng)的圓形漆包線轉(zhuǎn)變?yōu)榉綄?dǎo)體漆包線，在給定的最大電流密度下，繞組的導(dǎo)電橫截面積更高，電驅(qū)的有效比功率更大，功率密度更高。Juergens 等人的分析估計(jì)表明，采用傳統(tǒng)圓形導(dǎo)線繞組的定子槽滿率為43%，而由矩形導(dǎo)體生產(chǎn)的類似定子槽滿率為65%[2]，因此越來越多主機(jī)廠推動扁線繞組電機(jī)技術(shù)發(fā)展，并將其引入大規(guī)模生產(chǎn)。

2 Hairpin 定子工藝路線介紹

扁線電機(jī)是定子繞組中采用矩形導(dǎo)體扁銅線。扁線電機(jī)的繞組根據(jù)其扁平線形狀分為3 種，其可以分為I-pin、Hairpin、Wavepin[3]。其中Hairpin電機(jī)的端部銅線徑向排布更緊密，因此目前超過90%的制造商都選擇使用Hairpin 電機(jī)，即先把繞組做成類似發(fā)卡一樣的形狀，穿進(jìn)定子槽內(nèi)，再在另外一端把“發(fā)卡”的端部焊接起來，圖1 所示為Hairpin 電機(jī)發(fā)夾定子工藝鏈。

圖1 Hairpin電機(jī)發(fā)夾定子工藝鏈

如圖2 所示，絕緣矩形導(dǎo)體扁銅線彎曲成U形，預(yù)先組裝成發(fā)夾籃，并軸向插入定子鐵芯槽內(nèi)，定子鐵芯槽內(nèi)提前沿軸向預(yù)插好絕緣紙，然后將自由的導(dǎo)線兩端切向扭曲，交替地進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，使所要接觸的發(fā)夾端彼此平行排列。通過使用夾緊裝置，最終將成對PIN 角對準(zhǔn)夾緊，通常采用激光焊接工藝連接在一起[4-5]。

圖2 Hairpin電機(jī)發(fā)夾定子工藝示意

為實(shí)現(xiàn)定子端部大量焊點(diǎn)的焊接，需要同時進(jìn)行多個發(fā)夾線的末端精準(zhǔn)對接，保證在不損壞絕緣的情況下使發(fā)夾線可重復(fù)成形，由于絕緣矩形導(dǎo)體扁銅線存在回彈特性以及絕緣損壞風(fēng)險，給扭頭操作也帶來了挑戰(zhàn)。發(fā)夾繞組生產(chǎn)中的主要挑戰(zhàn)是在焊接過程中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對接操作，可重復(fù)性實(shí)現(xiàn)低孔隙率和高熔深焊接，以達(dá)到低電阻性能，特別是必須要防止相鄰接觸點(diǎn)之間短路。為滿足焊接質(zhì)量要求，導(dǎo)線去漆后絕緣有機(jī)材料殘留量起著主要作用，在焊接過程中絕緣材料的蒸發(fā)是形成焊接飛濺的主要原因之一。

2.1 Hairpin 去漆

目前主流去漆皮工藝有兩種，分別為激光去漆皮和機(jī)械去漆皮，其中機(jī)械去漆皮又分為刮削和銑刀兩種。如圖3 所示，激光去漆皮工藝是將高脈沖激光射到銅線表面，利用激光產(chǎn)生的瞬時高溫漆皮燒蝕蒸發(fā)的一種工藝。

圖3 激光去漆工藝

如圖4 所示，刮削去漆皮是將一組仿形刮刀壓在銅線表面，抽動發(fā)卡線時切刀刃順勢將漆皮刮落。

圖4 刮刀去漆工藝

采用銑刀去漆皮是利用銑刀刀具，沿發(fā)卡線水平方向分別對其寬面和窄面依次進(jìn)行銑削。

采用機(jī)械去漆皮工藝去漆皮時由于刀具磨損及機(jī)械結(jié)構(gòu)微小波動易導(dǎo)致去漆皮效果不穩(wěn)定，而且都會對銅基材造成一定損傷，且去漆后裸銅表面平整度較差不利于后續(xù)焊接夾取定位。綜合以上3 種方案，通過對有機(jī)材料殘留度、毛刺控制、生產(chǎn)節(jié)拍、使用成本維護(hù)多方面進(jìn)行對比，如表1所示，使用激光去漆皮工藝方法，雖然一次性投入較高，但生產(chǎn)節(jié)拍更快、毛刺控制更好，后期設(shè)備的維護(hù)調(diào)試及兼容性都要優(yōu)于機(jī)械方法。

表1 去漆方案對比

本研究主要針對激光去漆工藝進(jìn)行驗(yàn)證分析，并給出具有工程應(yīng)用參考價值的設(shè)備選型方案。

3 導(dǎo)線絕緣方案

絕緣系統(tǒng)是電機(jī)的“心臟”，50%以上的電機(jī)故障是由絕緣引起的，絕緣系統(tǒng)的可靠性直接影響電機(jī)運(yùn)行的可靠性。車用扁線電機(jī)的絕緣系統(tǒng)運(yùn)行工況需要考慮溫度、電場、振動以及海拔環(huán)境等，其中電場受電機(jī)控制器對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制控制技術(shù)[6]影響，其特點(diǎn)為高頻且快速變化，存在電場局部集中，同時隨著油冷電機(jī)興起，絕緣系統(tǒng)方案需要重點(diǎn)考慮耐油兼容性影響。

扁線電機(jī)繞組漆包線主要采用基于烴類聚合物的有機(jī)絕緣材料，除了良好的絕緣性能外，如耐電暈性能，高局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage，PDIV）、高耐熱性、介電強(qiáng)度、耐油兼容性外，這些材料還要具有高延展性，使產(chǎn)品具有良好的成形性和加工性，常見絕緣材料為聚醚醚酮（Polyether Ether Ketone ，PEEK），聚酰亞胺（Poly-Imide，PI），聚酰胺酰亞胺（Polyamide-Imide，PAI），聚醚酰亞胺（Polyetherimide，PEI），特性如表2所示。

漆包線絕緣漆膜方案通常為不同絕緣材料分層組合而成，依托某款額定電壓平臺400 V 的油冷電機(jī)扁線繞組技術(shù)要求，對漆包線絕緣方案進(jìn)行確定，其中影響導(dǎo)線絕緣材料方案的主要技術(shù)要求包含室溫及高溫?fù)舸╇妷骸⒛透哳l脈沖電壓、局部放電起始電壓簡稱PDIV 等要求，除滿足產(chǎn)品絕緣耐壓要求外，需要綜合考慮制造工藝性如柔韌度、附著性以及卷繞后熱沖擊保證漆膜不產(chǎn)生開裂影響。

由于漆包線絕緣材料耐油性需要滿足T/CEEIA 415 團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，綜合以上需求，通過不同厚度不同類型絕緣材料分層組合方案，形成以下3 種具體技術(shù)方案，詳細(xì)見表3 所示。

表3 漆包線漆膜方案

4 導(dǎo)線去漆工藝

4.1 導(dǎo)線去漆有機(jī)物殘留量評價

由于去漆效果影響焊接質(zhì)量，需要對去漆工藝過程質(zhì)量進(jìn)行計(jì)量量化。因此，有必要測量導(dǎo)線去漆后表面剩余絕緣材料，同時必須避免不同氧化程度和表面條件的影響。漆膜有機(jī)絕緣材料在紫外線輻射的影響下會發(fā)出熒光，熒光通常是由短波光激發(fā)引起的長波光發(fā)射，被輻射材料的電子吸收輻射，并在恢復(fù)到基態(tài)之前移動到不穩(wěn)定的較高能級，電子吸收輻射作為更高波長的熒光進(jìn)行輻射發(fā)射。Tobias Glaessel 等人采用熒光測量裝置Sita CleanoSpector 來確定漆包線絕緣材料的剩余量與熒光測量值之間的相關(guān)性，檢測漆包線表面去漆質(zhì)量[7]。測量裝置用紫外線輻射（波長365 nm）和150 mW 的功率照射樣品，聚焦在直徑為1 mm 圓圈中進(jìn)行測量。熒光值通過檢測460 nm 范圍內(nèi)輻射來確定，根據(jù)檢測到的輻射，系統(tǒng)計(jì)算無量綱參數(shù)相對熒光單位RFU，測量范圍在0~2 000 RFU 之間，分辨率為0.1 RFU。

由于導(dǎo)線去漆質(zhì)量影響焊接性能，因此需要重點(diǎn)關(guān)注RFU 值大小。根據(jù)導(dǎo)線規(guī)格及去漆效果，如圖5 所示選取參考點(diǎn)位，均勻取5 點(diǎn)進(jìn)行RFU 平均值計(jì)算。

圖5 測量取點(diǎn)位置

4.2 激光去漆皮工藝方案

相較于機(jī)械去漆皮方案，激光去漆皮工藝方案，雖然前期投入較高，但設(shè)備后期的維護(hù)調(diào)試及兼容性都要優(yōu)于機(jī)械方法，且扁線漆膜去除效率高、裸銅線毛刺少、生產(chǎn)節(jié)拍快，同時受漆包線漆膜厚度及絕緣材料特性影響，一般采用分層去除工藝處理，當(dāng)前常規(guī)的分層去漆方案如下。

a.CO2激光去漆和光纖激光去漆組合方案；

b.CO2激光去漆和UV 激光去漆組合方案；

c.光纖激光去漆組合方案。

方案I：CO2激光去漆以CO2氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器, 利用CO2分子的振動-轉(zhuǎn)動能級間躍遷實(shí)現(xiàn)激光輸出[8]。在工程應(yīng)用中，第一步CO2激光作用到扁線外圍漆皮層，漆皮受熱碳化；碳化后的漆皮吸收激光，形成等離子體產(chǎn)生沖擊波，沖擊波使污染物變成顆粒并被剔除。CO2激光主要清洗扁線的外圍漆包層，但不能清洗底層。第二步光纖激光再次掃描，光纖的高峰值功率使銅線底漆迅速汽化降低銅材表面有機(jī)絕緣材料殘留值。由于光纖激光器具有良好的聚焦性能，其焦深[9]小于CO2激光器，因此為保證漆包線去漆效果，一般采用CO2激光器對稱設(shè)置實(shí)現(xiàn)表層去漆，底層去漆則采用光纖激光器設(shè)置3~4組對射，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)到達(dá)導(dǎo)線表面能量水平一致，保證圓角位置去漆效果，詳細(xì)方案如圖6 和圖7所示。

圖6 二氧化碳激光器布置方案

圖7 光纖激光器布置方案

方案II：紫外（Ultraviolet，UV）激光去漆利用激光發(fā)生器產(chǎn)生紫外激光，通過光學(xué)元件將其聚焦到微小的光斑上，具有波長短、光束質(zhì)量高、峰值功率高等特性，UV 激光焦深與CO2激光水平一致，因此第一步設(shè)置不變，第二步改為UV 激光對稱設(shè)置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線底層漆膜去除，其中銅對UV 激光吸收率較高，通過能量的快速吸收使底層漆膜蒸發(fā)且達(dá)到不傷銅的效果。

方案III：光纖激光良好的聚焦性能，由于焦深短，前后工位均需采用圖6 光纖激光多組激光器對射形式滿足產(chǎn)品去漆要求。

針對以上3 種設(shè)備方案，以某款扁線產(chǎn)品應(yīng)用為例分別針對表面殘留物、熱影響長度、生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備投入以及去漆表面粗糙度進(jìn)行對比分析，見表4。

表4 設(shè)備方案對比

采用導(dǎo)線漆膜方案II 分別采用3 種不同設(shè)備方案，通過前期調(diào)試，滿足產(chǎn)品特性要求的設(shè)備工藝參數(shù)如下表5 所示。

表5 設(shè)備工藝參數(shù)設(shè)置

采用3 種不同設(shè)備方案，同一款矩形導(dǎo)體扁銅線去漆后，對導(dǎo)線裸銅狀態(tài)進(jìn)行金相顯微分析，由圖8 可知，圖示設(shè)備方案I 和方案II 采用的CO2激光去漆和設(shè)備方案III 光纖激光去漆進(jìn)行對比，由于光纖激光產(chǎn)生極高脈沖能量去除表面有機(jī)物漆層時對裸銅產(chǎn)生傷害，表面形成凹坑且粗糙度高。

圖8 剝漆效果對比

同時針對設(shè)備方案I 和方案II 采用的CO2激光去漆和設(shè)備方案III 光纖激光去漆的熱影響區(qū)長度進(jìn)行對比，根據(jù)圖9 熱影響區(qū)長度對比，其中CO2激光熱影響區(qū)長度較小為0.12~0.16 mm，光纖激光熱影響區(qū)長度較大為0.40~0.46 mm，因此方案II 由于采用CO2激光和UV 激光去漆，綜合效果導(dǎo)線所受熱影響為最低。

圖9 熱影響區(qū)長度對比

最后對去漆效果通過檢測有機(jī)物殘留量RFU值進(jìn)行對比分析，采用設(shè)備方案I、方案II 和方案III 以及單CO2激光器，分別按上述設(shè)備工藝參數(shù)進(jìn)行去漆處理，則去漆效果RFU 結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖10 所示。

圖10 不同設(shè)備方案RFU值對比結(jié)果

從圖中數(shù)據(jù)分析，采用單CO2激光去漆方案，20 組樣本RFU 均值為5.98，去漆效果一般，因此CO2激光主要以去除表層絕緣材料為主，采用方案I，20 組樣本RFU 均值為1.78；采用方案II，20 組樣本RFU 均值為1.52，以上兩種方案去漆效果接近，通過分步去漆效果極佳。采用方案III，20 組樣本RFU 均值為2.225，其去漆效果較優(yōu)但不及方案I和方案II 效果。

綜上所述，針對3 種激光去漆皮設(shè)備方案，方案II 對導(dǎo)線的熱影響長度影響小，表面殘留物RFU 值較優(yōu)且滿足指標(biāo)要求，同時設(shè)備投入低且易于維修保養(yǎng)，是工程方案最佳選擇。

4.3 不同導(dǎo)線絕緣方案適配工藝研究

基于某項(xiàng)目導(dǎo)線技術(shù)條件，得到的表3 的3 種漆膜方案，通過單CO2激光去漆后，3 種方案的去漆效果對比，方案I 的RFU 均值4.085，方案II 的RFU均值5.985，方案III 的RFU 均值8.03，則方案III 的有機(jī)物殘留量較大，基于3 種漆膜方案分析，由于方案III 采用的聚酰胺酰亞胺PAI 網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)更致密，聚酰胺酰亞胺(PAI)分子鏈上既有酰胺基團(tuán)，又有酰亞胺基團(tuán)的一類高分子材料，酰胺基團(tuán)與酰亞胺基團(tuán)連在同一個芳環(huán)上，呈有規(guī)則的排列，使得PAI 兼具聚酰胺和聚酰亞胺的特點(diǎn)[10]。相比于聚酰亞胺PI，PAI 還具備更好的剛性結(jié)構(gòu)，其耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異。其對比結(jié)果如圖11 所示。

圖11 單CO2激光去漆不同漆膜方案RFU值對比

圖12 設(shè)備方案II不同漆膜方案RFU值對比

圖13 扁線焊接示意

而采用組合設(shè)備方案II-CO2+UV 激光去漆后，3 種產(chǎn)品漆膜方案的去漆效果水平接近，方案I 的RFU 均值2.45，方案II 的RFU 均值1.78，方案III 的RFU 均值1.425，則針對設(shè)備組合方案II，工藝參數(shù)調(diào)試后三種產(chǎn)品方案均可以滿足產(chǎn)品特性要求。

針對產(chǎn)品漆膜方案2，分別采用單CO2激光、設(shè)備方案I 和設(shè)備方案II 進(jìn)行去漆后進(jìn)行PIN 角精準(zhǔn)焊接。采用激光焊接工藝，提前進(jìn)行去漆工藝處理，激光焊接設(shè)備采用多模內(nèi)外環(huán)芯和連續(xù)激光形式，其設(shè)備配置如表6 所示。

表6 激光焊接設(shè)備配置

焊接前進(jìn)行去漆處理，漆膜清洗長度10 mm，其焊接功率、內(nèi)外環(huán)芯比、焊接速度以及擺動圈數(shù)進(jìn)行前期工藝摸索，滿足產(chǎn)品特性要求確定其工藝參數(shù)如表7 所示。

表7 激光焊接工藝參數(shù)

其擺動軌跡如圖14 所示。

圖14 扁線焊接軌跡示意

采用以上焊接工藝參數(shù)，對不同去漆方案產(chǎn)品進(jìn)行焊接，并對扁線焊點(diǎn)拉拔力進(jìn)行檢測分析。焊點(diǎn)拉拔力檢測制樣形式如下圖15 所示，其拉力機(jī)拉力傳感器精度為0.5 級，配備滿足測量行程的引伸計(jì)，拉力速度為10 mm/min。

圖15 焊點(diǎn)拉拔力測試式樣

針對產(chǎn)品漆膜方案2，分別采用單CO2激光、設(shè)備方案I 和設(shè)備方案II 不同設(shè)備去漆后進(jìn)行PIN 角焊接，經(jīng)過拉力機(jī)拉拔力測試后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖16所示。

圖16 不同去漆方案焊接拉拔力對比

從上圖數(shù)據(jù)可以得出，采用單獨(dú)CO2激光去漆的導(dǎo)線RFU 值大于5，焊接后拉拔力大小為430~860 N，采用設(shè)備方案I 去漆后的導(dǎo)線RFU 值為1.5~1.7，焊接后拉拔力為820~990 N，采用設(shè)備方案II 去漆后的導(dǎo)線RFU 值為1.4~2.4，焊接后拉拔力為870~1 200 N。RFU 值對焊接后拉拔力影響較大，RFU 值越小則拉拔力越大。因此需要在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制RFU 值保證小于5，從而能夠保證產(chǎn)品焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度滿足工況使用要求，同時在工程方案選擇上要關(guān)注影響RFU 值的設(shè)備能力和工藝參數(shù)要求。

5 結(jié)束語

通過大量工程驗(yàn)證，提供一種最優(yōu)的扁線電機(jī)去漆工藝方案，通過去漆效果、成本投入、使用維護(hù)等多方面綜合分析指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用。

針對去漆效果評價方法進(jìn)行闡述，同時基于產(chǎn)品特性要求，對去漆表面有機(jī)物殘留度、表面粗糙度、熱影響區(qū)長度以及影響焊接拉拔力大小的影響因素進(jìn)行分析，明確給出RFU 值限定范圍。通過不同漆膜方案去漆效果對比，指導(dǎo)工程設(shè)備方案選擇，同時適配多種絕緣方案，減少換型成本投入。