徐阿蘭，徐良達(dá)

（ 康平科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

串勵電機(jī)轉(zhuǎn)子鉤式換向器焊接工藝分析

徐阿蘭1，徐良達(dá)2

（ 康平科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215131 ）

基于換向器焊接方法和原理，從焊接設(shè)備、焊極材料、換向器結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)、質(zhì)量判定等方面介紹換向器點焊過程，分析影響焊接效果的因素。

串勵電機(jī) 換向器 點焊、質(zhì)量判定

0 引言

一百多年前，電阻焊接技術(shù)在工業(yè)界誕生、應(yīng)用和發(fā)展。目前，電阻焊質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化。

對串勵電機(jī)轉(zhuǎn)子換向器而言，以往采用的方法是通過焊錫工藝將漆包線與換向器焊接牢固；現(xiàn)階段，大多已改用自動點焊設(shè)備進(jìn)行焊接，利用自動點焊機(jī)能夠?qū)⑵岚€與換向器進(jìn)行較好連接，其優(yōu)點是：接觸電阻小，焊接牢固，提高電機(jī)使用壽命。

1 概述

點焊是電阻焊的方法之一，焊件裝配成塔接接頭，緊壓在兩個焊極之間，利用電阻熱把焊接區(qū)局部金屬加熱至焊接溫度，在壓力下形成焊點。電阻點焊具有操作過程簡單，熱量集中，加熱時間短，焊接變形及應(yīng)力小，無需填充材料、耗材少，易于實現(xiàn)自動化、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。

2 換向器焊接方法

串勵電機(jī)轉(zhuǎn)子換向器焊接即采用點焊原理，通過熱壓微熔焊的方法進(jìn)行。主、副焊極部分由點焊機(jī)設(shè)備上的氣缸帶動伸出，通過設(shè)備上彈簧的傳遞在換向器對角同時或單側(cè)壓向轉(zhuǎn)子換向器掛鉤，見圖1。

副焊極接觸換向器的換向片后停止，主焊極部分繼續(xù)運動壓緊換向器掛鉤，達(dá)到一定壓力及換向器掛鉤位置到設(shè)定值時，工件之間形成一個穩(wěn)定的接觸電阻；使焊接電源控制器輸出的控制電流流過被焊工件接觸表面，電流瞬間從主焊極沿工件流至副焊極形成回路，產(chǎn)生高熱量，使得漆包線表面漆膜汽化；當(dāng)加熱到一定程度，停止通電，壓力維持一段時間（如后所述）。由于換向片鉤的特殊設(shè)計，確保繞組導(dǎo)線盡量減少損傷變形而鉤尖部卻能與換向片接觸粘連，形成牢固的接觸點，從而確保換向器在高熱高速運轉(zhuǎn)時鉤不致于變形甩出影響焊接機(jī)械強(qiáng)度。

一臺設(shè)計良好的點焊機(jī)配備了熱壓焊專用的大容量逆變式焊接電源裝置，能選擇6種控制方式（初級電流有效值、次級電流有效值、次級定功率有效值、初級定電流峰值，次級定電壓有效值，定位相等控制）從而獲得穩(wěn)定的焊接品質(zhì)。

現(xiàn)在，已有換向器制造企業(yè)開發(fā)出新型結(jié)構(gòu)的換向器，改變鉤根部與鉤尖部的結(jié)構(gòu)，使鉤根部與鉤尖部電阻值有所不同。焊接時，換向器鉤尖處產(chǎn)生的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉤根部所產(chǎn)生的能量，來保證換向器鉤尖處與片的可靠熔接，從而提高焊接質(zhì)量。

圖1 點焊示意圖

2.1換向器焊接階段

點焊中完成一個焊點所包括的全部程序被稱為焊接循環(huán)。完整的焊接循環(huán)由預(yù)壓、焊接（加熱）、維持、冷卻等10個程序段組成，如圖2所示。電流I、壓力F、時間t可以獨立調(diào)整，參數(shù)I1、I3、Fpr、Ff0、t2、t3、t4、t6、t7、t8都為零的情況下得到的4個程序為基本焊接循環(huán)。

基本焊接循環(huán)共有四個階段，即預(yù)壓階段、焊接階段、維持階段、休止階段。

1）預(yù)壓階段

焊極通過氣缸壓向換向器至電流接通階段，確保主、副焊極壓緊工件，使工件間有適當(dāng)壓力。此階段FW＞0、I=0，可消除部分接觸表面的不平和氧化膜，形成物理接觸點，為后續(xù)焊接電流的順利通過及表面原子的鍵合做好準(zhǔn)備。

圖2 點焊焊接循環(huán)示意圖

一方面，焊極對換向器施加壓力的目的是為了減小焊點處的接觸電阻，并保證焊點形成時所需的壓力。有時為改善焊接接頭性能，可通過加大預(yù)壓力以消除換向器、漆包線、換向片之間的間隙，使之緊密貼合。焊極壓力大小通過調(diào)整彈簧壓力螺母，改變其壓縮程度而獲得。

另一方面，為了減少焊極打火現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)調(diào)整好主副極端面距離。在手動調(diào)試狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)整，先將需要點焊的轉(zhuǎn)子夾緊在夾頭上，調(diào)節(jié)副焊極行程，使副極移動到剛好接觸換向器（主、副極接觸換向器的松緊程度應(yīng)一致），再使主、副極移動退回原位，取下轉(zhuǎn)子，調(diào)節(jié)主焊極鎢棒與副焊極銅頭的距離，（H+0.5～1.0 mm，保證點焊時副焊極先接觸換向器，如圖3所示），最后鎖緊主焊極鎢棒。此處應(yīng)注意：換向器鉤在鎢棒中心，焊極臂應(yīng)保持互相平行。

圖3 主焊極與副焊極的距離調(diào)整

2）焊接階段

焊接電流通過工件，此階段FW＞0、I＞0。

由于焊接區(qū)具有電阻，根據(jù)焦耳定律：Q=I2Rt，會在焊件內(nèi)部形成內(nèi)部熱源。為了在短時間內(nèi)迅速得到較大熱量，必須有一個恒定的大電流來通過工件。從公式可知，熱量與點焊電流及點焊時間呈對應(yīng)關(guān)系。

焊接電流過小，熱量不夠，漆包線的漆膜易發(fā)生汽化不完全、虛焊現(xiàn)象；焊接電流過大，熱量過大，易發(fā)生換向器掛鉤燒壞（鉤明顯變形、漆包線甩漆量過長等）和漆包線壓壞（變形量過大、甚至壓斷），過焊現(xiàn)象。焊接時間過長，能量過大，也會發(fā)生過焊；焊接時間過短，漆膜未完全汽化，同樣會形成虛焊。因此，焊接階段的兩個重要參數(shù)應(yīng)通過實際操作來確定。

在點焊過程中，第一點的熱量最小，最后一點的熱量最大，反映到焊接質(zhì)量上即焊接不穩(wěn)定，美國GLOB公司提供的點焊機(jī)可通過計算機(jī)控制電流值使每一片的電流逐步減小，從而保證每一點的熱量一致。目前，國內(nèi)多個公司開發(fā)的點焊機(jī)只能做到階段式的電流控制。

3）維持階段

即保壓階段，F(xiàn)W＞0、I=0切斷焊接電流后，焊極壓力繼續(xù)維持到換向器掛鉤、漆包線、換向片三者間兩兩被加熱和擠壓，零件間隔的空氣被完全排出為止。

4）休止階段

焊極開始脫離換向器到焊極再次準(zhǔn)備接觸換向器，開始下一個焊接循環(huán)。點焊機(jī)應(yīng)接通冷卻水冷卻后再接通電源準(zhǔn)備焊接。

當(dāng)焊接完一個換向器后，必要時對相關(guān)工裝等進(jìn)行清理，修正焊極；對活動導(dǎo)軌加油潤滑；更換冷卻水清理水泵污漬。

2.2影響點焊要素

2.2.1 焊接設(shè)備（點焊機(jī)）

點焊機(jī)由機(jī)械部分和電源控制部分構(gòu)成。機(jī)械部分由初定位機(jī)構(gòu)和焊接部分組成。初定位機(jī)構(gòu)主要是氣缸—撥抓機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)—光纖定位系統(tǒng)，手動機(jī)構(gòu)。電源控制部分是焊接電源控制系統(tǒng)。其中重要的機(jī)構(gòu)是伺服電機(jī)—光纖定位系統(tǒng)和焊接電源控制系統(tǒng)。

1）伺服電機(jī)—光纖定位系統(tǒng)

通過氣缸—撥抓機(jī)構(gòu)，定位氣缸伸出到位，夾緊氣缸伸出將工件夾緊，用伺服電機(jī)轉(zhuǎn)位來實現(xiàn)換向器的分度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子進(jìn)行初定位，處于主焊極點焊位置后，由光纖感應(yīng)二次定位，通過轉(zhuǎn)子換向器槽和外圓表面的不同感光度來確定輸入信號，定位轉(zhuǎn)子槽的初始位置，再設(shè)定轉(zhuǎn)子分度的補(bǔ)償量，使二次定位后轉(zhuǎn)子換向器鉤正好處于主焊極點焊位置。

采用光纖找正時，使點焊焊極對準(zhǔn)換向器掛鉤輸入的角度值，其值在0～360°/換向器鉤數(shù)之間，取一位小數(shù)，具體數(shù)據(jù)須經(jīng)試驗來確定。

2）焊接電源控制系統(tǒng)

由于電源供應(yīng)方式不同，點焊機(jī)電源常分為：交流式、直流式、交流變頻式、直流變頻式等。點焊電源為電阻焊的電阻提供能量，它的發(fā)展經(jīng)歷了單相工頻交流點焊機(jī)、直流脈沖點焊機(jī)、三相低頻點焊機(jī)、次級整流式及電容儲能式點焊機(jī)的過程，80年代中期又出現(xiàn)了逆變式點焊機(jī)。

逆變式變頻直流點焊機(jī)性能較好，這種電源能逆變頻率，且控制精度高；電源功率大，電源情況穩(wěn)定，實現(xiàn)恒流、恒壓、恒功率、定脈寬等控制；可切換頻率與多種逆變式變壓互相匹配；加熱時，可進(jìn)行分段加熱，且電流緩升緩降控制；搭載中斷功能，從外部輸入焊極的變位量；通電停止，能夠進(jìn)行穩(wěn)定的熱壓焊及進(jìn)行多組焊接參數(shù)的設(shè)定。

換向器點焊時，第一點最冷，最后一點最熱，好的點焊機(jī)可根據(jù)阻值變化自動調(diào)節(jié)焊接電流，目前常見為有級調(diào)整，4～6個換向片設(shè)置成一個電流值，通過電流逐步減小避免熱量不均。

考慮到電動工具在實際操作時，可能發(fā)生瞬時大電流的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為了防止漆包線受損，設(shè)計人員常使用耐高溫漆包線，有的甚至使用耐溫220℃、絕緣層由外層聚酰胺-酰亞胺和內(nèi)層THEIC改性聚酯構(gòu)成的漆包線，點焊時要將這兩層絕緣汽化，就對點焊機(jī)提出了更高的要求。

2.2.2 主焊極材料及構(gòu)造

1）焊極材料

焊接時有副焊極和主焊極（壓熔焊焊極）兩個焊極，副焊極必須由低電阻材料制成，通常使用銅合金；主焊極必須使用高熔點合金，通常選用鎢作為主焊極，因為鎢熔點高、耐腐蝕、密度高，是一種具有良好導(dǎo)熱和導(dǎo)電性的材料。常用的主焊極有：純鎢焊極、釷鎢焊極和鈰鎢焊極等。

純鎢焊極具有高熔點、高沸點，低電流時電弧穩(wěn)定的特點，但要求焊機(jī)具有較高的空載電壓。在大電流及長時間焊接時，純鎢極易燒損，造成電弧漂移、不穩(wěn)定，一般用于焊接次要部位。釷鎢焊極由于含有氧化釷，熔點比純鎢高，與純鎢相比有更大的載流能力，壽命長，常用于銅及銅合金的焊接。但由于釷鎢焊極有微量放射性，所以使用時應(yīng)注意安全防護(hù)。鈰鎢焊極為非放射性焊極，具有易起弧、電弧穩(wěn)定性好，許用電流大，不易燒損，焊接質(zhì)量高，壽命長等優(yōu)點，是換向器點焊時的首選材料。

2）主焊極構(gòu)造及修復(fù)

主焊極的功能是向焊接區(qū)傳遞電流與壓力，調(diào)整和控制焊接熱平衡。主焊極工作端面分為圓柱形、圓錐形和球面形等，結(jié)合實際換向器鉤形狀，工作面常為一定角度的圓柱形斜面（臺階面）或圓錐形。

主焊極工作面大小選定與壓力大小有關(guān)。鉤式換向器鉤部尺寸越寬、越厚，所需的壓力相對就越大，工作面也越大，由此避免主焊極端面壓壞。

主焊極工作面因粘接（磨損）而使得焊點粗糙度產(chǎn)生變化，所以在焊接生產(chǎn)中應(yīng)定時修復(fù)。在保證點焊質(zhì)量的前提下，通常焊接2000次（一般依靠點焊機(jī)上計數(shù)器的數(shù)據(jù)來獲得點焊次）左右需由專人、使用專用磨床進(jìn)行修磨，否則會因粘接（磨損）使電流密度發(fā)生變化而導(dǎo)致點焊質(zhì)量下降。采用隨焊點數(shù)增加而電流自動補(bǔ)償?shù)姆椒梢匝娱L兩次修復(fù)之間的時間。主焊極修磨后，應(yīng)用主焊極校正治具進(jìn)行校正以確保熔接質(zhì)量。

2.3換向器的結(jié)構(gòu)、尺寸

為獲得好的焊接質(zhì)量，必須控制換向器的結(jié)構(gòu)尺寸。

鉤底內(nèi)徑R由漆包線直徑d來確定，如圖4所示，其值一般按下式來選?。?R=d+(0.055～0.065)，對漆包線直徑d≤0.25的電機(jī)，為防止繞線時漆包線損傷、斷裂，應(yīng)對鉤部內(nèi)、外棱提出倒圓角要求，如圖4中A-A所示。

圖4 換向器尺寸要求

影響點焊效果尺寸還有如圖5a所示的L2-L1，由于漆包線在鉤上的繞制采用α式繞制，鉤型應(yīng)按圖5b制造：相鄰鉤距A≥3.15 mm，鉤長L≥4d(其中d為漆包線直徑)，鉤厚T和鉤寬W所決定的鉤的強(qiáng)度應(yīng)保證在繞線拉力下不變形、不彎折，并滿足點焊工藝要求。鉤的截面積一般應(yīng)滿足下式要求：W×T≥6π(d/2)2，點焊后，變形的鉤距應(yīng)滿足圖5c的3d+1.18要求。

同時，設(shè)計換向器還應(yīng)考慮圖5d中L2和L3尺寸的關(guān)系，L3應(yīng)大于L2，以保證換向片點焊后，鉤部有足夠的支撐，如果L3過小，則點焊后，鉤部前端會塌陷。

圖5 換向器上影響點焊效果的尺寸

2.4工藝參數(shù)

影響焊接的工藝參數(shù)主要有：焊極壓力、焊接電流、焊接時間等。這些參數(shù)相互制約，應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)焊極材料、端面形狀和尺寸確定之后，焊接參數(shù)的選擇主要考慮焊接電流、焊接時間和焊極壓力。

焊接電流與焊接時間應(yīng)適當(dāng)配合。通常情況下，采用大電流焊接時，應(yīng)縮短短焊接時間；反之，使用小電流焊接時，應(yīng)延長焊接時間。這種配合以反映焊接區(qū)加熱速度快慢為特征。

焊接電流和焊極壓力的適當(dāng)配合，以焊接過程中不產(chǎn)生噴濺為主要原則。

正常情況下，焊接區(qū)電流密度有一個合理的范圍。焊接電流過大時，加熱速度過快，會發(fā)生飛濺；如增大焊極壓力，發(fā)生飛濺的焊接電流也隨著增大。焊極壓力對焊點形成雙重作用，既影響焊點的接觸電阻，又影響焊極區(qū)變形等。焊極壓力過小，則接觸不良，接觸電阻大且不穩(wěn)定，會出現(xiàn)飛濺和燒壞等現(xiàn)象。

因此，要做到這三者之間的最佳配合，應(yīng)在量產(chǎn)前進(jìn)行點焊工藝參數(shù)的驗證，同時在實際使用中，隨時進(jìn)行修正以得到滿足要求的焊接質(zhì)量。

2.5工件表面狀況

如果換向器等表面有污垢等雜質(zhì)，也會增大接觸電阻，形成飛濺和表面燒損。因此，工件表面清潔也是獲得合格焊接的條件之一。

3 點焊質(zhì)量判定

焊接質(zhì)量檢驗包括外觀檢驗、性能檢驗：

3.1外觀

點焊后，鉤與換向器表面緊密貼合，點焊牢固可靠無斷線、虛焊；漆包線根部有焦化，鉤的兩端可見1 mm以下漆包線爆漆；鉤子不歪斜，焊點輪廓清楚平整，基本保持鉤的原有形狀，無燒傷和顯著變形（見圖6）；相鄰換向鉤的銅線不可接觸。

圖6 點焊效果

3.2焊阻測量

通過測試儀測出焊阻是否符合規(guī)范。目前測量的焊阻是焊點和線圈的阻值，不能準(zhǔn)確到焊點的阻值。由于線圈的端部大小不一致，第一個線圈和最后一個線圈有差異，測到的焊阻值差異也大。因而焊阻規(guī)格值應(yīng)由各制造商對產(chǎn)品進(jìn)行性能確認(rèn)及工藝驗證后來制定。目前，已有相關(guān)機(jī)構(gòu)開發(fā)并運用四極法直接測量焊接點的電阻值，可測出更為準(zhǔn)確的焊點電阻值，隨著科技的進(jìn)步，四極法推廣后，焊接質(zhì)量又將上升一個臺階。

3.3焊接牢度

用工具（如：專用螺絲刀）將焊接好的換向器鉤撬開，質(zhì)量好的焊接點在撬開瞬間應(yīng)能聽到清脆的“啪”聲，反之則無清脆的聲音發(fā)出。

3.4焊接點表面分析

對撬開后的換向器鉤部進(jìn)行觀察，應(yīng)為：呈現(xiàn)有光澤的銅線；漆膜已完全汽化，無漆膜呈黑色碳化狀附著；漆包線不損傷，由圓變扁產(chǎn)生形變，變形程度通過變形量來進(jìn)一步確認(rèn)。

3.5變形量

漆包線的變形量 =（點焊前的線徑-點焊后的線徑）/點焊前的線徑。

點焊后應(yīng)確保漆包線具有最大的接觸面積和截面積，這樣即可減少接觸電阻，又可保證漆包線的機(jī)械強(qiáng)度。變形量通常按15%～25%來控制。

點焊后的線徑測量：通常利用測量精度達(dá)到0.001 mm或更高精度的顯微鏡測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。測量時應(yīng)預(yù)先對倍率進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測量漆包線線徑數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過計算機(jī)軟件分析，可自動測量值并計算出變形量。

4 結(jié)語

點焊過程中，影響焊接質(zhì)量的參數(shù)涉及焊接電流、焊接時間、焊極壓力等多種，部分參數(shù)難以用公式來表達(dá)，只能單獨描述某個參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響，一個參數(shù)發(fā)生波動，就會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。焊接是個特殊工序，僅靠設(shè)備還會存在一定的問題，即使設(shè)定相同的參數(shù)，不同的人操作也會有不同的結(jié)果，因此還需要操作者的經(jīng)驗積累。在此，也希望早日開發(fā)出焊接電流自動調(diào)節(jié)、多頭自動點焊，同時還能自動檢測的點焊機(jī)，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

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Analysis of Serial Armature Commutator Welding Process

Xu Alan1Xu Liangda2
(Kangping Technology (Suzhou) Co., Ltd., Suzhou 215131, China)

Based on commutator welding method and principle, from the aspects such as welding equipment, welding materials, commutator structure and technological parameters, quality judgment, introduce commutator spot welding process, analyze the influencing factors of welding effect.

Serial Armature Commutator Spot Welding Quality Judgment

TM08

A

1674-2796(2014)04-0004-07

2014-04-12

徐阿蘭（1976—），女，工程師，主要從事電動工具電機(jī)設(shè)計工作。