三極鉤型換向器點(diǎn)焊質(zhì)量問(wèn)題的分析與控制

唐優(yōu)泉

(桂林航天工業(yè)學(xué)院，桂林541004)

0 引 言

轉(zhuǎn)子是微型電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，它的質(zhì)量決定了電機(jī)的性能、使用壽命和經(jīng)濟(jì)性。而換向器點(diǎn)焊又是制造轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵工序。點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、工藝簡(jiǎn)單、漆包圓銅線不用預(yù)先脫漆、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著微型電機(jī)行業(yè)的發(fā)展，點(diǎn)焊設(shè)備被廣泛采用在換向器點(diǎn)焊作業(yè)中，改進(jìn)點(diǎn)焊質(zhì)量成為微型電機(jī)制造的重要研究課題。本文針對(duì)某公司微型直流電機(jī)三極鉤型換向器點(diǎn)焊質(zhì)量控制進(jìn)行探討。圖1 是微型電機(jī)三極鉤型換向器點(diǎn)焊后的轉(zhuǎn)子。圖2 是點(diǎn)焊前換向器鉤子與漆包圓銅線示意圖。

圖1 點(diǎn)焊后微型電機(jī)轉(zhuǎn)子

圖2 點(diǎn)焊前換向器鉤子與電樞繞組線頭

1 換向器點(diǎn)焊原理概述

1.1 換向器點(diǎn)焊原理

點(diǎn)焊是兩個(gè)電極加壓工件使兩層金屬在兩電極的壓力下形成一定的接觸電阻，焊接電流從一電極流經(jīng)另一電極時(shí)在兩接觸電阻點(diǎn)形成瞬間的熱熔接，通常分為雙面點(diǎn)焊和單面點(diǎn)焊兩大類。三極鉤型換向器點(diǎn)焊屬于單面多點(diǎn)點(diǎn)焊，圖3 是三極鉤型換向器點(diǎn)焊時(shí)電流通路圖。換向器有三個(gè)鉤子需要點(diǎn)焊，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，常采用多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)焊方案以提高生產(chǎn)率。多點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)焊機(jī)均為專用開(kāi)發(fā)設(shè)備，大部分采用單側(cè)饋電方式，分為三個(gè)主電極和一個(gè)輔助電極，主電極由熔點(diǎn)高且端面較小的特殊合金制成，輔助電極為點(diǎn)焊機(jī)換向器保持用的錐形銅夾頭，與焊接電源接通，夾頭分為三極，位置與換向器片一致，夾頭內(nèi)孔直徑可以調(diào)整，收緊時(shí)內(nèi)壁與換向器片正好壓緊，保證接觸良好，不產(chǎn)生熱量;而三個(gè)主電極與換向器鉤子間在一定電極壓力作用下接觸，形成接觸電阻，通電時(shí)此處產(chǎn)生較高熱量，使漆包圓銅線和換向器的鉤子部達(dá)到熔化而牢固地焊接起來(lái)。

圖3 三極鉤型換向器點(diǎn)焊時(shí)的一條電流通路圖

1.2 點(diǎn)焊機(jī)及點(diǎn)焊作業(yè)循環(huán)簡(jiǎn)單介紹

(1)三極鉤型換向器點(diǎn)焊機(jī)介紹

三極換向器點(diǎn)焊機(jī)可以在市場(chǎng)上買到。其工作面板如圖4 所示。該換向器點(diǎn)焊機(jī)有以下特點(diǎn):換向器三極同時(shí)焊接，切換時(shí)間為0;漆皮線徑Ф0.05～0.5 mm;工作電源為AC 380V/50 Hz，標(biāo)配逆變直流點(diǎn)焊電源;工作氣壓為0.4 ～0.7 MPa，運(yùn)行穩(wěn)定，保護(hù)和修正換向器的圓度、換向片間高度差;具有設(shè)定每極焊接電流上下限及檢測(cè)報(bào)警功能。

圖4 換向器三極點(diǎn)焊機(jī)電極面板圖

(2)點(diǎn)焊作業(yè)過(guò)程說(shuō)明

點(diǎn)焊作業(yè)過(guò)程由預(yù)壓(鉤子塑性變形)、焊接(彈簧壓力保持，通電焊接)、壓力維持(冷卻)和退后復(fù)位四個(gè)基本過(guò)程組成焊接循環(huán)。

點(diǎn)焊的詳細(xì)作業(yè)過(guò)程:①轉(zhuǎn)子正確放置在承放座上，近接感應(yīng)器亮燈;②踩下開(kāi)關(guān)，推動(dòng)氣缸和推桿將轉(zhuǎn)子推向引導(dǎo)桿，將換向器導(dǎo)引進(jìn)入銅夾頭;③銅夾頭收緊(保證輔助電極與換向器表面通電良好，并固定換向器);④凸輪旋轉(zhuǎn)放開(kāi)電極，推動(dòng)氣缸將電極組推向換向器鉤子，鉤子變形與電極端面接觸;⑤主電極頭和鉤子間保持一定的彈簧壓力產(chǎn)生接觸電阻，大電流通過(guò)產(chǎn)生熱量進(jìn)行焊接。⑥通電加熱結(jié)束后，各機(jī)構(gòu)依次反向動(dòng)作回到原位。

2 三極鉤型換向器點(diǎn)焊質(zhì)量不良問(wèn)題分析

2.1 三極換向器鉤子與漆包圓銅線點(diǎn)焊不良現(xiàn)象

換向器鉤子與漆包圓銅線點(diǎn)焊過(guò)程由于各種原因?qū)е缕潼c(diǎn)焊質(zhì)量不良問(wèn)題，不良具體主要體現(xiàn)在焊接不良和非焊接不良兩方面。點(diǎn)焊不良現(xiàn)象如圖5 所示。

焊接不良主要有:虛焊(不通電虛焊、無(wú)漆皮脫落;打火花虛焊、無(wú)漆皮脫落);漆皮剝落不足或過(guò)多;塑料芯和塑料圈熔化。

非焊接不良主要有:插入不良(撞壞銅夾頭或換向器片、表面?zhèn)?;斷線、鉤子不貼合;換向器圓度不良等。

圖5 三極鉤子換向器點(diǎn)焊不良示意圖

根據(jù)微型電機(jī)型號(hào)不同，各種不良項(xiàng)目產(chǎn)生率也不同，生產(chǎn)企業(yè)需要根據(jù)自己的產(chǎn)品收集不良發(fā)生數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這里，作者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各種點(diǎn)焊不良發(fā)生率進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分布，如圖6 所示。可以看出，換向器點(diǎn)焊主要不良現(xiàn)象是漆皮不脫落或不足。

圖6 換向器點(diǎn)焊不良現(xiàn)象的發(fā)生率

2.2 三極鉤子型換向器點(diǎn)焊質(zhì)量不良的原因分析

針對(duì)上述換向器點(diǎn)焊的不良現(xiàn)象，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)和測(cè)量”等影響點(diǎn)焊質(zhì)量的要素方面運(yùn)用質(zhì)量管理技術(shù)進(jìn)行原因分析。本文將就三極鉤子型換向器點(diǎn)焊的主要不良項(xiàng)目“漆皮不脫落”運(yùn)用故障樹(shù)分析(FTA)技術(shù)進(jìn)行深入分析，探尋其主要原因，如圖7 所示。

圖7 中，框外數(shù)值表示事件發(fā)生概率(由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)得到)，其中G 表示結(jié)果事件和中間事件，C 和D 表示基本事件，C 代表人為因素引起的不良，D 表示非人為因素引起的不良。加“* ”為點(diǎn)焊不良產(chǎn)生的主要原因。

從上面故障樹(shù)可以看出，漆皮不脫落的主要原因是點(diǎn)焊機(jī)故障引起的，占其中漆皮不脫落的80%;而點(diǎn)焊機(jī)故障主要是點(diǎn)焊機(jī)設(shè)備調(diào)整狀態(tài)不良，占比75%;在點(diǎn)焊機(jī)調(diào)整方面問(wèn)題主要有幾個(gè)方面:點(diǎn)焊溫度設(shè)定不良、電極壓力調(diào)整不良、積分器和判定器值設(shè)置不良、換向器銅夾頭調(diào)整不良、主電極頭位置調(diào)整不良等幾個(gè)方面，如圖中加“* ”所示。

對(duì)于其他點(diǎn)焊不良現(xiàn)象，限于篇幅，不做詳細(xì)分析，只是列出不良現(xiàn)象和對(duì)應(yīng)的原因，如表1 所示。

答：那我不禁要問(wèn)，用粗暴手段將3名游客強(qiáng)行驅(qū)離酒店，其中還有兩名老人，一名老人有病在身，帶著藥，警察將他們丟棄在荒郊野外的墳場(chǎng)，深更半夜，當(dāng)時(shí)氣溫在10℃以下。他們的生命安全受到威脅，尊嚴(yán)受到傷害。瑞典的《警察法》允許這樣做嗎？瑞典的《警察法》有這么不人道、不道德嗎？瑞典的法律有這樣不尊重人的基本權(quán)利的嗎？！

圖7 換向器點(diǎn)焊漆皮不脫落FTA 故障分析樹(shù)

續(xù) 表

3 微型電機(jī)換向器點(diǎn)焊的質(zhì)量不良改進(jìn)對(duì)策

根據(jù)表1 所示的三極鉤型換向器點(diǎn)焊不良項(xiàng)目原因分析，產(chǎn)生換向器點(diǎn)焊不良的主要原因是點(diǎn)焊溫度檢查頻度不夠、電極壓力測(cè)量方法不當(dāng)、積分器和判定器設(shè)置檢查頻度不夠、換向器銅夾頭調(diào)整不良和磨損變松、電極頭位置調(diào)整不良等。因此，加強(qiáng)點(diǎn)焊的質(zhì)量控制和改進(jìn)點(diǎn)焊工序質(zhì)量水平，要從管理和技術(shù)等方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 點(diǎn)焊作業(yè)管理方面要加強(qiáng)檢查

換向器點(diǎn)焊作業(yè)是轉(zhuǎn)子加工生產(chǎn)的關(guān)鍵、特殊工序，其質(zhì)量好壞嚴(yán)重影響電機(jī)的性能發(fā)揮，而且后工序不容易檢出。因此，對(duì)本工序要嚴(yán)格檢查、嚴(yán)格遵守作業(yè)規(guī)定，班組長(zhǎng)、維修技工、操作工分工明確，各負(fù)其責(zé)，降低不良發(fā)生和防止不良流到下工序。

1)設(shè)定點(diǎn)焊機(jī)生產(chǎn)條件和參數(shù)(電極壓力、電流、時(shí)間等)，遵守點(diǎn)焊工序的檢查頻度和記錄要求，嚴(yán)格要求員工按照點(diǎn)焊作業(yè)規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，嚴(yán)格“始業(yè)點(diǎn)檢”制度、電極清掃頻度和方法。

2)強(qiáng)化操作員工的“自檢”紀(jì)律，操作員對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)檢查，對(duì)點(diǎn)焊后質(zhì)量狀況定期檢查，工位處設(shè)置用于檢查用的顯微鏡或放大鏡。嚴(yán)格規(guī)定“點(diǎn)焊火花、轉(zhuǎn)子插入失誤、兩次點(diǎn)焊等”一律作不良處理，對(duì)點(diǎn)焊通電檢測(cè)報(bào)警的轉(zhuǎn)子要區(qū)分放置，要由班長(zhǎng)再檢查或重點(diǎn)處理。點(diǎn)焊時(shí)，員工要確保將始末線鉤子放在電極第二極進(jìn)行焊接。

3)提高修理員的點(diǎn)焊機(jī)調(diào)整與維護(hù)水平。加強(qiáng)設(shè)備修理員的培訓(xùn)，提高對(duì)點(diǎn)焊不良現(xiàn)象的設(shè)備故障判定和調(diào)整能力。

4)在換向器點(diǎn)焊工位之后設(shè)立專門的外觀檢查工位，檢查鉤子點(diǎn)焊的質(zhì)量狀況，要運(yùn)用5 倍放大鏡進(jìn)行觀察檢查。

3.2 針對(duì)點(diǎn)焊設(shè)備技術(shù)參數(shù)方面的改進(jìn)

3.2.1 換向器點(diǎn)焊設(shè)備技術(shù)參數(shù)方面的改進(jìn)

表2 是工廠生產(chǎn)技術(shù)人員通過(guò)計(jì)算、試驗(yàn)和長(zhǎng)期大量實(shí)際生產(chǎn)歸納、總結(jié)做成的，是指導(dǎo)班長(zhǎng)、維修技工和操作員工進(jìn)行點(diǎn)焊機(jī)的夾具和電極選用、各種參數(shù)設(shè)定指導(dǎo)性文件。點(diǎn)焊機(jī)生產(chǎn)具體參數(shù)必須根據(jù)不同的轉(zhuǎn)子(換向器和漆包圓銅線不同)型號(hào)分別設(shè)定，這需要微型電機(jī)工廠根據(jù)各自的產(chǎn)品來(lái)制定。表2 所列點(diǎn)焊條件必須規(guī)定的幾個(gè)大項(xiàng)內(nèi)容，說(shuō)明如下。

(2)繞線規(guī)格分為三類(也可以分得更細(xì))，它決定了電極頭型號(hào)、電極壓力、點(diǎn)焊熱量值，表中的第二極則是指繞線始末線收線極，第一、三極則是掛單線的鉤子極。

(3)點(diǎn)焊機(jī)換向器夾頭型號(hào)由轉(zhuǎn)子型號(hào)(換向器直徑)決定。

(4)電極頭形式多樣。電極端部形狀分平面型和圓弧型。根據(jù)漆包圓銅線線徑不同，電極端面傾斜角度也會(huì)變化，例如:細(xì)線為負(fù)角度、中線為零角度、粗線為正角度，負(fù)角度可使鉤子的彎折處打壓更緊貼，防止細(xì)線在折彎處能活動(dòng)，正角度則相反，會(huì)使鉤子前端打壓緊貼，折彎處防止粗線打壓太扁而短線。粗線(0.25 mm 以上)則采用臺(tái)階型電極形式，臺(tái)階高度由電線線徑?jīng)Q定。電極頭形式如圖8 所示。

表2 換向器點(diǎn)焊工藝條件表

圖8 換向器鉤子點(diǎn)焊電極頭幾種形式

(5)電極點(diǎn)焊壓力大小是以能把換向器鉤子預(yù)壓到位并將漆包圓銅線漆皮壓破、又不使電線過(guò)度壓扁來(lái)確定其值大小。由于電極壓力大小影響電極頭和鉤子之間的接觸電阻，會(huì)影響通電電流值的設(shè)定，故其值與電極電流值設(shè)定協(xié)調(diào)進(jìn)行，保證鉤子壓貼合并漆皮熔化剝離。因?yàn)榈诙O是始末兩條線，要使兩條線都能壓扁，所以第二極的壓力要比第一、三極的壓力大。粗線點(diǎn)焊頭壓力要比細(xì)線大。

(6)電極點(diǎn)焊電流大小由漆包線漆皮熔化長(zhǎng)度來(lái)決定。鉤子處漆包線漆皮熔化長(zhǎng)度以0.5 ～2.0 mm 為宜(如圖5 中良品樣本圖)，太短可能出現(xiàn)漆皮不脫落，太長(zhǎng)繞組電線交叉處易短路。第二極需要熔化兩條線的漆皮，其電流值要比第一、三極大些。粗線的漆皮厚度要比細(xì)線厚，點(diǎn)焊電流值要比細(xì)線設(shè)定大。焊接周期是周波數(shù)(一個(gè)周波為0.01 s)的整倍數(shù)。

3.2.2 點(diǎn)焊機(jī)調(diào)整方法的改進(jìn)

(1)電極頭長(zhǎng)度是根據(jù)換向器型號(hào)選用不同長(zhǎng)度電極，電極長(zhǎng)度與電極壓力密切相關(guān)，影響電極運(yùn)動(dòng)行程，可導(dǎo)致電極鉤子被壓入過(guò)深而斷線。電極頭長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)成可調(diào)整的，根據(jù)點(diǎn)焊換向器不同確定電極頭長(zhǎng)度。為了方便電極頭長(zhǎng)度設(shè)定，可設(shè)計(jì)一套電極長(zhǎng)度規(guī)，如圖9 所示。

圖9 電極頭長(zhǎng)度設(shè)定規(guī)與電極基座圖

(2)電極壓力測(cè)定方法的改進(jìn)。點(diǎn)焊電極的壓力對(duì)焊接質(zhì)量影響非常大，電極組是一些運(yùn)動(dòng)組件，故電極頭點(diǎn)焊壓力會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生變化，電極頭壓力要按照規(guī)定每天定期進(jìn)行檢測(cè)。檢查方法應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一:手動(dòng)操作將電極頭壓下與換向器鉤子接觸，用干電池、小燈泡接通形成電流回路，將拉力表通過(guò)細(xì)繩拉動(dòng)電極基座，觀察小燈泡閃亮閃滅時(shí)拉力計(jì)的讀數(shù)，觀察幾次數(shù)字變化不大，此時(shí)該讀數(shù)即為電極頭的壓力值，拉力值必須符合表4 要求，并試點(diǎn)焊質(zhì)量滿足要求。點(diǎn)焊頭每天工作完后要拆下磨去頭部氧化部分，維持點(diǎn)焊頭的工作狀態(tài)。

(3)換向器銅夾頭的調(diào)整包括兩個(gè)方面。一是換向器與夾頭中心位對(duì)正(圖3)，這在點(diǎn)焊機(jī)調(diào)整非常重要，調(diào)整不好會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向器片擦傷或撞頭、損壞夾頭。二是換向器夾頭的松緊度，太緊太松都不行，太緊會(huì)使換向器片產(chǎn)生壓痕或變形，太松會(huì)出現(xiàn)換向器圓度和段差不良及夾頭與換向器片之間產(chǎn)生熱量導(dǎo)致塑料芯熔不良。判定標(biāo)準(zhǔn)是在夾頭收緊換向器時(shí)，用手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)鐵心，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)有摩擦即可。檢查頻度一般0.5 次/h。夾頭點(diǎn)焊十萬(wàn)次后必須報(bào)廢。

(4)加裝點(diǎn)焊清潔頻度控制器。點(diǎn)焊作業(yè)容易產(chǎn)生污物(如塑料絲、熔化的漆皮等)，污染夾頭和電極頭，嚴(yán)重影響點(diǎn)焊質(zhì)量(通電不良)，作業(yè)員必須定期清掃電極頭和夾頭，在點(diǎn)焊機(jī)加裝計(jì)數(shù)報(bào)警裝置提醒員工點(diǎn)焊了50 個(gè)換向器必須清潔，員工清潔后復(fù)位計(jì)數(shù)器方可繼續(xù)進(jìn)行點(diǎn)焊，防止人為失誤。

(5)為了改進(jìn)換向器鉤子點(diǎn)焊質(zhì)量，減少通電不良和斷線不良，對(duì)換向器的鉤子內(nèi)壁預(yù)先涂覆焊錫，并用模具進(jìn)行“星打”，使鉤子內(nèi)壁焊錫凹凸不平并有尖刺。因?yàn)楹稿a比銅線軟，點(diǎn)焊時(shí)不易打斷電線，同時(shí)由于錫層表面有凹凸不平和尖刺，預(yù)壓時(shí)容易對(duì)漆皮產(chǎn)生破壞，對(duì)防止虛焊有幫助，在通電時(shí)圓銅線和鉤子由錫焊接起來(lái)，可以防止銅線在鉤子內(nèi)松動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

換向器點(diǎn)焊技術(shù)在微型電機(jī)生產(chǎn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此對(duì)換向器點(diǎn)焊的質(zhì)量控制和改進(jìn)越來(lái)越重視。由于換向器點(diǎn)焊涉及電氣、機(jī)械等方面的技術(shù)，比較復(fù)雜，而且點(diǎn)焊不良項(xiàng)目種類很多，所以換向器點(diǎn)焊質(zhì)量控制方面要多方面考慮分析。要減少點(diǎn)焊不良發(fā)生和防止不良流到下工序，需要從管理及技術(shù)兩方面進(jìn)行持續(xù)不斷改進(jìn)，完善管理制度、細(xì)化點(diǎn)焊工藝技術(shù)要求，微型電機(jī)換向器點(diǎn)焊質(zhì)量問(wèn)題是可以控制，點(diǎn)焊質(zhì)量水平也是能夠改進(jìn)提高的。

［1］ 熊紹志.鉤型換向器在點(diǎn)焊中常見(jiàn)問(wèn)題及解決辦法［J］. 微特電機(jī).2009，37(3):60－61.

［2］ 張曉軍，吳應(yīng)龍.關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子換向器點(diǎn)焊機(jī)的研究［J］.電動(dòng)工具，2009，(1):1－5.

［3］ 陳昭明.換向器點(diǎn)焊的工藝分析［J］. 微電機(jī)，1994，27(2):41－43.

［4］ 陳昭明. 微型電機(jī)換向器點(diǎn)焊質(zhì)量的控制［J］. 微特電機(jī)，1993，21(2):36－39.