串励电机转子钩式换向器焊接工艺分析

徐阿兰，徐良达

（ 康平科技（苏州）股份有限公司，江苏 苏州 215131 ）

串励电机转子钩式换向器焊接工艺分析

徐阿兰1，徐良达2

（ 康平科技（苏州）股份有限公司，江苏 苏州 215131 ）

基于换向器焊接方法和原理，从焊接设备、焊极材料、换向器结构以及工艺参数、质量判定等方面介绍换向器点焊过程，分析影响焊接效果的因素。

串励电机 换向器 点焊、质量判定

0 引言

一百多年前，电阻焊接技术在工业界诞生、应用和发展。目前，电阻焊质量稳定、生产效率高，易于实现机械化、自动化。

对串励电机转子换向器而言，以往采用的方法是通过焊锡工艺将漆包线与换向器焊接牢固；现阶段，大多已改用自动点焊设备进行焊接，利用自动点焊机能够将漆包线与换向器进行较好连接，其优点是：接触电阻小，焊接牢固，提高电机使用寿命。

1 概述

点焊是电阻焊的方法之一，焊件装配成塔接接头，紧压在两个焊极之间，利用电阻热把焊接区局部金属加热至焊接温度，在压力下形成焊点。电阻点焊具有操作过程简单，热量集中，加热时间短，焊接变形及应力小，无需填充材料、耗材少，易于实现自动化、生产效率高等优点。

2 换向器焊接方法

串励电机转子换向器焊接即采用点焊原理，通过热压微熔焊的方法进行。主、副焊极部分由点焊机设备上的气缸带动伸出，通过设备上弹簧的传递在换向器对角同时或单侧压向转子换向器挂钩，见图1。

副焊极接触换向器的换向片后停止，主焊极部分继续运动压紧换向器挂钩，达到一定压力及换向器挂钩位置到设定值时，工件之间形成一个稳定的接触电阻；使焊接电源控制器输出的控制电流流过被焊工件接触表面，电流瞬间从主焊极沿工件流至副焊极形成回路，产生高热量，使得漆包线表面漆膜汽化；当加热到一定程度，停止通电，压力维持一段时间（如后所述）。由于换向片钩的特殊设计，确保绕组导线尽量减少损伤变形而钩尖部却能与换向片接触粘连，形成牢固的接触点，从而确保换向器在高热高速运转时钩不致于变形甩出影响焊接机械强度。

一台设计良好的点焊机配备了热压焊专用的大容量逆变式焊接电源装置，能选择6种控制方式（初级电流有效值、次级电流有效值、次级定功率有效值、初级定电流峰值，次级定电压有效值，定位相等控制）从而获得稳定的焊接品质。

现在，已有换向器制造企业开发出新型结构的换向器，改变钩根部与钩尖部的结构，使钩根部与钩尖部电阻值有所不同。焊接时，换向器钩尖处产生的能量要远远大于钩根部所产生的能量，来保证换向器钩尖处与片的可靠熔接，从而提高焊接质量。

图1 点焊示意图

2.1换向器焊接阶段

点焊中完成一个焊点所包括的全部程序被称为焊接循环。完整的焊接循环由预压、焊接（加热）、维持、冷却等10个程序段组成，如图2所示。电流I、压力F、时间t可以独立调整，参数I1、I3、Fpr、Ff0、t2、t3、t4、t6、t7、t8都为零的情况下得到的4个程序为基本焊接循环。

基本焊接循环共有四个阶段，即预压阶段、焊接阶段、维持阶段、休止阶段。

1）预压阶段

焊极通过气缸压向换向器至电流接通阶段，确保主、副焊极压紧工件，使工件间有适当压力。此阶段FW＞0、I=0，可消除部分接触表面的不平和氧化膜，形成物理接触点，为后续焊接电流的顺利通过及表面原子的键合做好准备。

图2 点焊焊接循环示意图

一方面，焊极对换向器施加压力的目的是为了减小焊点处的接触电阻，并保证焊点形成时所需的压力。有时为改善焊接接头性能，可通过加大预压力以消除换向器、漆包线、换向片之间的间隙，使之紧密贴合。焊极压力大小通过调整弹簧压力螺母，改变其压缩程度而获得。

另一方面，为了减少焊极打火现象发生，应调整好主副极端面距离。在手动调试状态下进行调整，先将需要点焊的转子夹紧在夹头上，调节副焊极行程，使副极移动到刚好接触换向器（主、副极接触换向器的松紧程度应一致），再使主、副极移动退回原位，取下转子，调节主焊极钨棒与副焊极铜头的距离，（H+0.5～1.0 mm，保证点焊时副焊极先接触换向器，如图3所示），最后锁紧主焊极钨棒。此处应注意：换向器钩在钨棒中心，焊极臂应保持互相平行。

图3 主焊极与副焊极的距离调整

2）焊接阶段

焊接电流通过工件，此阶段FW＞0、I＞0。

由于焊接区具有电阻，根据焦耳定律：Q=I2Rt，会在焊件内部形成内部热源。为了在短时间内迅速得到较大热量，必须有一个恒定的大电流来通过工件。从公式可知，热量与点焊电流及点焊时间呈对应关系。

焊接电流过小，热量不够，漆包线的漆膜易发生汽化不完全、虚焊现象；焊接电流过大，热量过大，易发生换向器挂钩烧坏（钩明显变形、漆包线甩漆量过长等）和漆包线压坏（变形量过大、甚至压断），过焊现象。焊接时间过长，能量过大，也会发生过焊；焊接时间过短，漆膜未完全汽化，同样会形成虚焊。因此，焊接阶段的两个重要参数应通过实际操作来确定。

在点焊过程中，第一点的热量最小，最后一点的热量最大，反映到焊接质量上即焊接不稳定，美国GLOB公司提供的点焊机可通过计算机控制电流值使每一片的电流逐步减小，从而保证每一点的热量一致。目前，国内多个公司开发的点焊机只能做到阶段式的电流控制。

3）维持阶段

即保压阶段，FW＞0、I=0切断焊接电流后，焊极压力继续维持到换向器挂钩、漆包线、换向片三者间两两被加热和挤压，零件间隔的空气被完全排出为止。

4）休止阶段

焊极开始脱离换向器到焊极再次准备接触换向器，开始下一个焊接循环。点焊机应接通冷却水冷却后再接通电源准备焊接。

当焊接完一个换向器后，必要时对相关工装等进行清理，修正焊极；对活动导轨加油润滑；更换冷却水清理水泵污渍。

2.2影响点焊要素

2.2.1 焊接设备（点焊机）

点焊机由机械部分和电源控制部分构成。机械部分由初定位机构和焊接部分组成。初定位机构主要是气缸—拨抓机构，伺服电机—光纤定位系统，手动机构。电源控制部分是焊接电源控制系统。其中重要的机构是伺服电机—光纤定位系统和焊接电源控制系统。

1）伺服电机—光纤定位系统

通过气缸—拨抓机构，定位气缸伸出到位，夹紧气缸伸出将工件夹紧，用伺服电机转位来实现换向器的分度转动，转子进行初定位，处于主焊极点焊位置后，由光纤感应二次定位，通过转子换向器槽和外圆表面的不同感光度来确定输入信号，定位转子槽的初始位置，再设定转子分度的补偿量，使二次定位后转子换向器钩正好处于主焊极点焊位置。

采用光纤找正时，使点焊焊极对准换向器挂钩输入的角度值，其值在0～360°/换向器钩数之间，取一位小数，具体数据须经试验来确定。

2）焊接电源控制系统

由于电源供应方式不同，点焊机电源常分为：交流式、直流式、交流变频式、直流变频式等。点焊电源为电阻焊的电阻提供能量，它的发展经历了单相工频交流点焊机、直流脉冲点焊机、三相低频点焊机、次级整流式及电容储能式点焊机的过程，80年代中期又出现了逆变式点焊机。

逆变式变频直流点焊机性能较好，这种电源能逆变频率，且控制精度高；电源功率大，电源情况稳定，实现恒流、恒压、恒功率、定脉宽等控制；可切换频率与多种逆变式变压互相匹配；加热时，可进行分段加热，且电流缓升缓降控制；搭载中断功能，从外部输入焊极的变位量；通电停止，能够进行稳定的热压焊及进行多组焊接参数的设定。

换向器点焊时，第一点最冷，最后一点最热，好的点焊机可根据阻值变化自动调节焊接电流，目前常见为有级调整，4～6个换向片设置成一个电流值，通过电流逐步减小避免热量不均。

考虑到电动工具在实际操作时，可能发生瞬时大电流的堵转现象，为了防止漆包线受损，设计人员常使用耐高温漆包线，有的甚至使用耐温220℃、绝缘层由外层聚酰胺-酰亚胺和内层THEIC改性聚酯构成的漆包线，点焊时要将这两层绝缘汽化，就对点焊机提出了更高的要求。

2.2.2 主焊极材料及构造

1）焊极材料

焊接时有副焊极和主焊极（压熔焊焊极）两个焊极，副焊极必须由低电阻材料制成，通常使用铜合金；主焊极必须使用高熔点合金，通常选用钨作为主焊极，因为钨熔点高、耐腐蚀、密度高，是一种具有良好导热和导电性的材料。常用的主焊极有：纯钨焊极、钍钨焊极和铈钨焊极等。

纯钨焊极具有高熔点、高沸点，低电流时电弧稳定的特点，但要求焊机具有较高的空载电压。在大电流及长时间焊接时，纯钨极易烧损，造成电弧漂移、不稳定，一般用于焊接次要部位。钍钨焊极由于含有氧化钍，熔点比纯钨高，与纯钨相比有更大的载流能力，寿命长，常用于铜及铜合金的焊接。但由于钍钨焊极有微量放射性，所以使用时应注意安全防护。铈钨焊极为非放射性焊极，具有易起弧、电弧稳定性好，许用电流大，不易烧损，焊接质量高，寿命长等优点，是换向器点焊时的首选材料。

2）主焊极构造及修复

主焊极的功能是向焊接区传递电流与压力，调整和控制焊接热平衡。主焊极工作端面分为圆柱形、圆锥形和球面形等，结合实际换向器钩形状，工作面常为一定角度的圆柱形斜面（台阶面）或圆锥形。

主焊极工作面大小选定与压力大小有关。钩式换向器钩部尺寸越宽、越厚，所需的压力相对就越大，工作面也越大，由此避免主焊极端面压坏。

主焊极工作面因粘接（磨损）而使得焊点粗糙度产生变化，所以在焊接生产中应定时修复。在保证点焊质量的前提下，通常焊接2000次（一般依靠点焊机上计数器的数据来获得点焊次）左右需由专人、使用专用磨床进行修磨，否则会因粘接（磨损）使电流密度发生变化而导致点焊质量下降。采用随焊点数增加而电流自动补偿的方法可以延长两次修复之间的时间。主焊极修磨后，应用主焊极校正治具进行校正以确保熔接质量。

2.3换向器的结构、尺寸

为获得好的焊接质量，必须控制换向器的结构尺寸。

钩底内径R由漆包线直径d来确定，如图4所示，其值一般按下式来选取： R=d+(0.055～0.065)，对漆包线直径d≤0.25的电机，为防止绕线时漆包线损伤、断裂，应对钩部内、外棱提出倒圆角要求，如图4中A-A所示。

图4 换向器尺寸要求

影响点焊效果尺寸还有如图5a所示的L2-L1，由于漆包线在钩上的绕制采用α式绕制，钩型应按图5b制造：相邻钩距A≥3.15 mm，钩长L≥4d(其中d为漆包线直径)，钩厚T和钩宽W所决定的钩的强度应保证在绕线拉力下不变形、不弯折，并满足点焊工艺要求。钩的截面积一般应满足下式要求：W×T≥6π(d/2)2，点焊后，变形的钩距应满足图5c的3d+1.18要求。

同时，设计换向器还应考虑图5d中L2和L3尺寸的关系，L3应大于L2，以保证换向片点焊后，钩部有足够的支撑，如果L3过小，则点焊后，钩部前端会塌陷。

图5 换向器上影响点焊效果的尺寸

2.4工艺参数

影响焊接的工艺参数主要有：焊极压力、焊接电流、焊接时间等。这些参数相互制约，应根据实际情况进行调整。当焊极材料、端面形状和尺寸确定之后，焊接参数的选择主要考虑焊接电流、焊接时间和焊极压力。

焊接电流与焊接时间应适当配合。通常情况下，采用大电流焊接时，应缩短短焊接时间；反之，使用小电流焊接时，应延长焊接时间。这种配合以反映焊接区加热速度快慢为特征。

焊接电流和焊极压力的适当配合，以焊接过程中不产生喷溅为主要原则。

正常情况下，焊接区电流密度有一个合理的范围。焊接电流过大时，加热速度过快，会发生飞溅；如增大焊极压力，发生飞溅的焊接电流也随着增大。焊极压力对焊点形成双重作用，既影响焊点的接触电阻，又影响焊极区变形等。焊极压力过小，则接触不良，接触电阻大且不稳定，会出现飞溅和烧坏等现象。

因此，要做到这三者之间的最佳配合，应在量产前进行点焊工艺参数的验证，同时在实际使用中，随时进行修正以得到满足要求的焊接质量。

2.5工件表面状况

如果换向器等表面有污垢等杂质，也会增大接触电阻，形成飞溅和表面烧损。因此，工件表面清洁也是获得合格焊接的条件之一。

3 点焊质量判定

焊接质量检验包括外观检验、性能检验：

3.1外观

点焊后，钩与换向器表面紧密贴合，点焊牢固可靠无断线、虚焊；漆包线根部有焦化，钩的两端可见1 mm以下漆包线爆漆；钩子不歪斜，焊点轮廓清楚平整，基本保持钩的原有形状，无烧伤和显著变形（见图6）；相邻换向钩的铜线不可接触。

图6 点焊效果

3.2焊阻测量

通过测试仪测出焊阻是否符合规范。目前测量的焊阻是焊点和线圈的阻值，不能准确到焊点的阻值。由于线圈的端部大小不一致，第一个线圈和最后一个线圈有差异，测到的焊阻值差异也大。因而焊阻规格值应由各制造商对产品进行性能确认及工艺验证后来制定。目前，已有相关机构开发并运用四极法直接测量焊接点的电阻值，可测出更为准确的焊点电阻值，随着科技的进步，四极法推广后，焊接质量又将上升一个台阶。

3.3焊接牢度

用工具（如：专用螺丝刀）将焊接好的换向器钩撬开，质量好的焊接点在撬开瞬间应能听到清脆的“啪”声，反之则无清脆的声音发出。

3.4焊接点表面分析

对撬开后的换向器钩部进行观察，应为：呈现有光泽的铜线；漆膜已完全汽化，无漆膜呈黑色碳化状附着；漆包线不损伤，由圆变扁产生形变，变形程度通过变形量来进一步确认。

3.5变形量

漆包线的变形量 =（点焊前的线径-点焊后的线径）/点焊前的线径。

点焊后应确保漆包线具有最大的接触面积和截面积，这样即可减少接触电阻，又可保证漆包线的机械强度。变形量通常按15%～25%来控制。

点焊后的线径测量：通常利用测量精度达到0.001 mm或更高精度的显微镜测量系统进行测量。测量时应预先对倍率进行校准，确保测量漆包线线径数据的准确性，通过计算机软件分析，可自动测量值并计算出变形量。

4 结语

点焊过程中，影响焊接质量的参数涉及焊接电流、焊接时间、焊极压力等多种，部分参数难以用公式来表达，只能单独描述某个参数对焊接质量的影响，一个参数发生波动，就会对焊接质量产生影响。焊接是个特殊工序，仅靠设备还会存在一定的问题，即使设定相同的参数，不同的人操作也会有不同的结果，因此还需要操作者的经验积累。在此，也希望早日开发出焊接电流自动调节、多头自动点焊，同时还能自动检测的点焊机，进一步提高焊接质量及生产效率。

[1]刘斌.金属焊接技术基础[M].北京：国防工业出版社，2012.

[2]吴林，陈善本等.智能化焊接技术[M].北京：国防工业出版社，2000.

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[5]顾纪清.实用焊接器材手册[M].上海：上海科学技术出版社，2004.

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

徐阿兰（1976—），女，工程师，主要从事电动工具电机设计工作。