淺談超聲波焊接與U型端子壓接

梁靖汶， 衛(wèi) 強(qiáng)， 張震華， 李殿龍， 黃小莊

（河南天海電器有限公司線束研發(fā)中心， 河南鶴壁 458030）

電線束是電氣原理圖的產(chǎn)品反映， 是電氣系統(tǒng)電源信號或數(shù)據(jù)信號進(jìn)行傳遞或交換， 實(shí)現(xiàn)電器部件功能， 滿足車輛行駛安全、 可靠、 娛樂實(shí)時控制的載體。 而導(dǎo)線在汽車線束和整車電氣系統(tǒng)中占有極其重要的地位。 理想狀態(tài)下， 導(dǎo)線、 端子、 用電器之間的連接應(yīng)該是零電位、 零阻抗的載體。 由于連接端的物理特性、 環(huán)境特性和材料的特性， 汽車電氣系統(tǒng)中總是存在一定的電壓降。 一般來說， 線路的電壓降應(yīng)當(dāng)不超過電路電壓的3%。 例如在12 V電路中， 最大電壓降不能超過0.36 V， 剩余的97%電壓（11.64 V） 應(yīng)該有效用于電器負(fù)載。 由于汽車線束所用的導(dǎo)線直接存在多根導(dǎo)線合線連接的必然性， 借助不同的工裝設(shè)備、 工藝方法， 最大限度地降低因?qū)Ь€因素而引起的電壓降， 通常情況下， 小于3 mV均為合格電壓降。

在汽車線束的生產(chǎn)制造過程中， 對于需要合線連接的導(dǎo)線一般采用U型端子打卡連接、 超聲波焊接機(jī)對合線接點(diǎn)進(jìn)行焊接， 以及端子雙線、 多線共壓連接等工藝方法。 本文對U型端子打卡連接和超聲波焊接的接點(diǎn)電壓降做出分析與比較。

1 導(dǎo)線集中連接時通常采用的兩種方式

目前導(dǎo)線集中連接時通常采用兩種方式， 一種是采用U型連接端子冷沖壓接， 另一種是采用超聲波焊接。 關(guān)于采用這兩種方法的簡要介紹和電壓降對比， 本文作了簡要敘述， 淺見與大家共同探討。

1.1 U型連接端子冷沖壓接

U型連接端子冷沖壓接簡稱U型壓接， 是傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接壓接方式。 U型壓接是根據(jù)接點(diǎn)線徑總和選擇U型端子 （圖1） 和壓接機(jī)， 并為每個型號的U型端子制定專用的壓接模具和鉗口， 然后將兩根或兩根以上的導(dǎo)線借助U型端子壓接設(shè)備冷沖壓在一起的過程。 U型壓接示意圖如圖2所示。 U型端子和壓接機(jī)的選擇對照見表1， 接點(diǎn)壓接標(biāo)準(zhǔn)樣表見表2。

壓接機(jī)配備有壓力監(jiān)控裝置， 如圖3所示。 當(dāng)出現(xiàn)異常情況 （淺打、 深打、 漏線、 銅絲打斷、 芯線翹出等） 時， 自動報警并鎖定壓接設(shè)備， 必須手動解除鎖定。 壓接參數(shù)和檢測依據(jù)應(yīng)符合QC／T29106的要求。 封閉高度連續(xù)可調(diào)， 精度可達(dá)0.03 mm，傳動結(jié)構(gòu)簡潔， 運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠， 工作狀態(tài)下只在壓接瞬間做功。 節(jié)省電能， 獨(dú)特的過載保護(hù)功能。 公稱壓力80 kN， 調(diào)整量2 mm（0.079 in）， 行程40 mm （1.575 in）。 接觸電阻大，如果機(jī)械強(qiáng)度保證不了， 還需要焊錫操作； 生產(chǎn)效率低， 且電焊需要助焊劑和焊料； 焊接過程污染，焊接點(diǎn)電阻較大， 容易出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。 U型壓接常見的幾種狀態(tài)見表3。 U型壓接合格品如圖4所示。

表1 U型端子和壓接機(jī)選擇對照

表2 接點(diǎn)壓接標(biāo)準(zhǔn)樣表

表3 U型壓接常見的狀態(tài)

1.2 超聲波焊接

1.2.1 超聲波焊接工作原理

人的聽力只能聽到振動頻率在20 Hz～16 kHz的聲音， 超出此范圍的振動叫超聲波。 超聲波焊接機(jī)及焊接區(qū)如圖5所示， 是通過一個電晶體功能設(shè)備將當(dāng)前50／60 Hz的電頻轉(zhuǎn)變成20 kHz或40 kHz的高頻電能， 供應(yīng)給轉(zhuǎn)換器。 轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換成用于超聲波的機(jī)械振動能， 調(diào)壓裝置負(fù)責(zé)傳輸轉(zhuǎn)變后的機(jī)械能至超聲波焊接機(jī)的焊頭。 焊頭是將機(jī)械振動能直接傳輸至需壓合產(chǎn)品的一種聲學(xué)裝置。 振動通過焊接工作件傳給粘合面， 振動磨擦產(chǎn)生熱能使塑膠熔化， 振動會在熔融狀態(tài)物質(zhì)到達(dá)其接口時停止， 短暫保持壓力可以使熔化物在粘合面固化時產(chǎn)生強(qiáng)分子鍵， 整個周期通常不到一秒種便完成。 圖6是焊接區(qū)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

工具頭主要是由焊接頭、 鐵砧連接塊、 鐵砧頂塊、 聚合模塊4 個部件構(gòu)成。焊接時， 將線垂直排列緊， 貼著鐵砧連接塊， 腳踏開關(guān)后， 聚合模塊向鐵砧頂塊方向移動， 同時鐵砧連接塊連接鐵砧頂塊一同向下移動， 將線緊緊壓在焊接區(qū)域內(nèi)， 焊接頭產(chǎn)生振動， 將能量傳遞給銅線， 從而使線束焊接在一起。 在焊接時， 除焊接頭振動外， 其他工具頭都是不動的。 焊接完成后， 聚合模塊退回， 鐵砧頂塊退回 （XL機(jī)）， 同時鐵砧連接塊升起， 從而可取出線束。 由于焊接頭是振動的， 而其他工具頭是固定不動的， 為防止各工具頭與焊接頭之間形成焊接而損壞焊接機(jī)， 故焊接頭上表面與聚合模塊底面、 鐵砧頂塊側(cè)面與鐵砧連接塊側(cè)面留0.025 mm的間隙， 使焊接頭不能與其他工具頭相互接觸。 這些間隙之間也不能留有碎銅等雜物， 否則焊接時會造成工具頭工作表面燃蝕， 嚴(yán)重時可損壞電路板。 由于超聲波振動是由焊接頭產(chǎn)生的， 其能量是由焊接頭傳遞到鐵砧頂塊的， 故越靠近焊接頭能量越大， 并且能量是由上向下傳遞的， 故放置線時應(yīng)將粗線放在最下端， 貼近焊接頭面， 較細(xì)的線依次向上垂直排列，這樣可使粗線獲得大的能量， 從而防止過焊或焊接不足。 而垂直排列可防止側(cè)面焊接， 從而保證焊接品質(zhì)。

1.2.2 超聲波焊接對導(dǎo)線擺放操作要求

在進(jìn)行超聲波焊接時， 需要設(shè)置有關(guān)參數(shù)， 比如： 導(dǎo)線截面積、 導(dǎo)線對齊方式、 壓強(qiáng)、 焊接間距、 振幅、 寬度、 壓力、 能量等。 焊接過程中， 導(dǎo)線應(yīng)垂直重疊排列， 并且大截面線應(yīng)在下面靠近焊接工具頭， 以使焊接充分； 導(dǎo)體應(yīng)緊靠鐵砧面放置， 彼此緊貼在一起， 以使焊接后有足夠的堅(jiān)固性； 導(dǎo)體重疊的長度一般設(shè)置成13～15 mm， 重疊長度太短焊接強(qiáng)度不易保證， 重疊長度太長焊接端頭易形成翹起， 對下道工序操作不便。 焊接處表面不允許出現(xiàn)氧化、 斷絲、 缺損和絕緣層熔化現(xiàn)象。 如圖7所示， 焊接與未焊接的過渡部位a應(yīng)呈圓弧狀，且在b區(qū)可見未焊接的導(dǎo)體端部。

1.2.3 超聲波焊接的4個重要參數(shù)及優(yōu)勢

1） 振幅（Amplitude） 在振動方向上， 離振動起始點(diǎn)的最大距離， 單位是微米。 焊接時它們相互作用， 從而直接影響到線的焊接品質(zhì)， 不同的線有不同的設(shè)置值。

2） 寬度 （Width） 聚合模塊的表面與鐵砧連接塊的相對表面， 在焊接時它們之間的間距， 單位是毫米， 其大小決定著焊接的寬度。

3） 壓力 （Pressure） 由鐵砧頂塊作用在焊接區(qū)銅線上的壓力， 其大小與氣壓有關(guān)， 作用方向與振動方向垂直， 單位是磅／平方英寸。

4） 能量 （Energy） 焊接過程中， 焊接機(jī)釋放出的總能量， 單位是焦耳。 即焊接時釋放出的能量達(dá)到設(shè)置的值時， 即完成焊接。

超聲波焊接有它獨(dú)特的優(yōu)勢： ①熔合強(qiáng)度高，焊接后導(dǎo)電性能優(yōu)越， 電阻系數(shù)極低或近乎零；②焊接材料具有不熔融、 不脆弱的導(dǎo)體特性； ③焊接時間短， 效率大大提高， 快速、 節(jié)能； ④焊接過程穩(wěn)定， 在線檢測控制； ⑤不需要任何氣體、焊料、 助焊劑； ⑥焊接無火花、 煙塵， 既環(huán)保又安全； ⑦提高焊接品質(zhì)， 保證了產(chǎn)品導(dǎo)體性能的可靠性。

2 導(dǎo)線電壓降

所謂電壓降， 是指電流流通時， 在電阻兩端形成的電位差。 根據(jù)歐姆定律U=R×I， 當(dāng)電路的電流一定時， 電壓與電阻成正比， 即在大阻值電阻上形成的電壓降大， 在小阻值電阻上形成的電壓降小。絕緣導(dǎo)線的電壓降U由下式算出

式中： U——電壓降， V； ρ——電阻率， Ω·mm2／m； L——導(dǎo)線長度， m； A——導(dǎo)線截面積，mm2。

筆者引用了QC／T29106—2004標(biāo)準(zhǔn)中的端子與電線壓接處的電壓降， 應(yīng)不大于表4的規(guī)定。

表4 電壓降值

3 導(dǎo)線連接點(diǎn)的電壓降

在以前的很多資料中， 一直以來， 電壓降的計算都存在經(jīng)驗(yàn)估值。 筆者通過多年工作經(jīng)驗(yàn)， 采用正確的測量方法為讀者提供有力數(shù)據(jù)， 讀者可以根據(jù)線束產(chǎn)品設(shè)計要求的不同， 公司運(yùn)營設(shè)備的資金投入等因素合理地采用導(dǎo)線連接方式。 電壓降試驗(yàn)線路圖如圖8所示。 測試數(shù)據(jù)如表5所示。

3.1 導(dǎo)線連接點(diǎn)電壓降的試驗(yàn)參數(shù)

測試樣件： 超聲波焊接和U型壓接各20件， 左邊導(dǎo)線0.75 mm2， 右邊一條導(dǎo)線0.5 mm2， 另一條導(dǎo)線1.0 mm2， 均長200 mm。 導(dǎo)線連接如圖9所示。

測試設(shè)備： 50 A直流穩(wěn)壓電源 （圖10） 和多功能測試儀（圖11）。

測試標(biāo)準(zhǔn)QC／T29106—2004， 測試環(huán)境溫度22.6 ℃， 測試環(huán)境濕度70%， 大氣壓力100 kPa， 視力1.0以上， 照明200～300 lx， 目測距離0.3～0.5 m。

對以上兩種導(dǎo)線連接方式進(jìn)行卡點(diǎn)電壓降參數(shù)測量， 測量方法要求符合QC／T29106—2004的規(guī)定。測試結(jié)果： 超聲波焊接的電壓降比U型壓接的電壓降低0.116～0.348 mV， 高頻焊接電壓降比U型端子打卡連接的電壓降小， 采用高頻焊接接點(diǎn)線束的導(dǎo)電性能和信號傳輸性能較好。

3.2 超聲波焊接的使用壽命

超聲波焊接的使用壽命關(guān)鍵決定于以下幾點(diǎn)。

1） 焊頭材料 超聲波焊接要求金屬材料有柔順性好（聲波傳遞過程中機(jī)械損耗小） 的特點(diǎn)， 所以最常用的材料為鋁合金及鈦合金。 但超聲波金屬焊接要求焊頭耐磨損 （要求較高的硬度）， 這使材料的選擇變得比較困難， 因?yàn)橛捕群晚g性是天生對立的， 這就要求選擇非常高要求的優(yōu)質(zhì)鋼材料， 使焊頭的有效壽命盡量地提高。 因此造價很高。

2） 焊頭加工工藝 包括加工工藝及后續(xù)處理工藝、 熱處理及參數(shù)的修整， 在每一個焊頭制作完成后， 都要單獨(dú)進(jìn)行參數(shù)的測定及調(diào)整， 以保證焊接品質(zhì)。

3） 焊接接點(diǎn)操作方法 根據(jù)不同的焊接接點(diǎn)大小， 設(shè)定適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)。 不合理的焊接參數(shù)和錯誤的操作方法， 也會大大降低超聲波焊頭的使用壽命。

超聲波焊接與U型端子壓接的設(shè)備、 成本等因素的分析對比見表6。

高頻焊接成本略高， 但是為了占領(lǐng)高端市場、擴(kuò)大市場份額， 超聲波焊接在線束上的應(yīng)用已成為公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)、 品質(zhì)最可靠的設(shè)計特征。

表6 超聲波焊接與U型端子壓接的分析對比

隨著人們對汽車的安全性、 舒適性要求的不斷提高， 主機(jī)廠對汽車零部件的要求也越來越高。 與U型連接端子冷沖壓接相比， 超聲波焊接作為一種新型的先進(jìn)焊接技術(shù)， 具有導(dǎo)電性能優(yōu)越、 快速、節(jié)能、 環(huán)保等明顯的優(yōu)勢， 是汽車線束制造業(yè)高端裝備的發(fā)展方向。

［1］ QC／T 29106—2004， 汽車低壓電線束技術(shù)條件［S］.

［2］ MININC－II產(chǎn)品手冊［Z］.