電阻焊典型缺陷與解決方案

李文駿

（上海汽車變速器有限公司，上海，201807）

電阻焊典型缺陷與解決方案

李文駿

（上海汽車變速器有限公司，上海，201807）

電阻焊作為一種高效、廉價(jià)且機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高的連接技術(shù)，在汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。電阻焊工藝是變速器電器零件生產(chǎn)制造過程中質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)之一，目前還比較缺乏可靠的100%無損檢測方法，焊接質(zhì)量普遍通過工藝試樣和工件的破壞性試驗(yàn)來檢查，因此焊接治具的設(shè)計(jì)以及焊接工藝過程能力的管控是保證最終產(chǎn)品焊接質(zhì)量的重點(diǎn)。本文對(duì)某變速器產(chǎn)品中電器零件發(fā)生過的典型電阻焊缺陷案例進(jìn)行分析，并最終提出有效的解決方案。

電阻焊；點(diǎn)焊；電流；電極

1 電阻焊工藝原理

電阻焊點(diǎn)焊工藝是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩柱狀電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點(diǎn)的電阻焊方法，主要用于薄板焊接。

電阻焊作為一種高效、廉價(jià)且機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高的連接技術(shù)，在汽車零部件的生產(chǎn)中，也廣泛采用了點(diǎn)、凸焊，縫焊，對(duì)焊等多種電阻焊工藝。從變速器角度來看，尤其是在電器零件方面，點(diǎn)焊也在很多產(chǎn)品上取代焊錫焊成為主流的焊接工藝。

2 Leadframe電阻焊缺陷與解決方案

2.1 Leadframe零件功能描述

圖1 Leadframe外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

Leadframe——電磁閥引線框架，安裝在變速器內(nèi)部閥體總成上，由幾塊沖壓成型的銅片骨架，通過電阻焊組合成完整的銅片骨架（銅片骨架替代傳統(tǒng)導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)電磁閥與TCU的通訊），后經(jīng)過整體注塑制造而成。

2.2 Leadframe電阻焊缺陷描述

該案例失效模式表現(xiàn)為開路，我們通過對(duì)失效件的分解發(fā)現(xiàn)，失效存在不同的物理形態(tài)。其一表現(xiàn)為被焊物基材出現(xiàn)斷裂，其二表現(xiàn)為焊點(diǎn)出現(xiàn)脫焊。初步判斷這兩種缺陷均與焊接過程中的電阻熱有關(guān)。焊接過程中電阻熱過熱導(dǎo)致“熱焊”，焊接過程中電阻熱不足則導(dǎo)致“冷焊”。

圖2 熱焊（左）和冷焊（右）失效實(shí)物圖

2.3 熱焊和冷焊缺陷分析與解決

2.3.1 電阻熱及其影響因素

電阻熱計(jì)算公式為： Q= I2RT

其中：Q 為 電阻熱， I 為 焊接電流，R 為 焊接過程中的動(dòng)態(tài)電阻，T 為 焊接時(shí)間

因此影響電阻熱的因素有：電流、焊接時(shí)間、電阻、電極壓力、電極形狀和材料性能、工件表面狀況等。

2.3.2 熱焊和冷焊缺陷根本原因分析及解決方案的制定

在對(duì)電極的維護(hù)保養(yǎng)情況進(jìn)行排查時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，該廠商對(duì)電極的打磨周期為每24小時(shí)一次，電極打磨不利會(huì)直接導(dǎo)致電阻（R）增大，根據(jù)我們以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電極的打磨周期一般是以焊接次數(shù)來定義最合理，例如每500個(gè)焊點(diǎn)打磨一次，目前的打磨周期顯然是無法滿足要求的。

此外我們發(fā)現(xiàn)該廠商對(duì)于電阻焊工藝參數(shù)的控制為電壓（U）控制，根據(jù)電阻熱計(jì)算公式Q= I2RT我們可以發(fā)現(xiàn)，如將電流（I）作為工藝控制參數(shù)更容易管控，但如將電壓（U）作為工藝控制參數(shù)，由于存在U= IR的轉(zhuǎn)化關(guān)系，將動(dòng)態(tài)電阻（R）的影響進(jìn)一步放大了，造成了工藝的不穩(wěn)定性。同時(shí)，焊接工藝控制中將電流（I）作為監(jiān)控參數(shù)，當(dāng)電極打磨不利導(dǎo)致電阻（R）增大，電流（I）減小觸發(fā)報(bào)警時(shí)，該廠商人為將電壓（U）增大，以達(dá)到增大電流（I）滿足工藝要求的目的，最終造成了兩種焊接缺陷。

表1 失效模式理論矩陣表

針對(duì)問題，我們制定了以下兩條相應(yīng)的整改措施。

（1）電極的打磨周期由原先的每24小時(shí)一次更改為每8小時(shí)一次。

（2）將原先的電壓（U）控制更改為電流（I）控制焊接方式。

2.3.3 解決方案的驗(yàn)證

為了保證整改措施的有效性，我們進(jìn)行了電流與電壓控制零件的試樣，通過對(duì)樣品進(jìn)行拉拔力測試，我們對(duì)拉拔力標(biāo)準(zhǔn)差以及Cpk進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示電流控制在這兩項(xiàng)統(tǒng)計(jì)中都明顯優(yōu)于電壓控制，我們的整改措施驗(yàn)證有效。

3 速度傳感器電阻焊缺陷與解決方案

3.1 速度傳感器電阻焊缺陷描述

該案例的失效模式為傳感器信號(hào)開路。按以往的失效案例積累的經(jīng)驗(yàn)初步判斷失效發(fā)生在傳感器芯片引腳與銅導(dǎo)線焊縫，兩者之間焊接強(qiáng)度不夠，造成焊點(diǎn)脫落。但通過對(duì)零件進(jìn)行剖面以及X光檢查發(fā)現(xiàn)開路并不是發(fā)生在芯片引腳與導(dǎo)線的焊點(diǎn)，而是導(dǎo)線本身斷裂造成。因此失效原因并非焊接強(qiáng)度本身，而應(yīng)該是在焊接過程中，導(dǎo)線受應(yīng)力后受損，經(jīng)過一段時(shí)間的環(huán)境應(yīng)用后，導(dǎo)線斷裂，導(dǎo)致傳感器信號(hào)開路。且裂縫都產(chǎn)生在電極頭焊接的邊緣和裁切斷口的交界處。通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行直線焊接拉拔力測試后，我們也發(fā)現(xiàn)，斷口基本都出現(xiàn)在裂縫的產(chǎn)生處。

3.2 原因分析及解決方案的制定

經(jīng)過對(duì)焊接工藝的研究分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)工藝存在比較嚴(yán)重的缺陷，在焊接過程中直角形狀的電極頭下壓銅導(dǎo)線，同時(shí)傳感器芯片引腳的裁切斷口也是直角形狀，猶如向銅導(dǎo)線施加了剪切力，導(dǎo)致銅導(dǎo)線在上下兩部分應(yīng)力作用下受損。經(jīng)過一段時(shí)間的變速器環(huán)境使用后最終銅導(dǎo)線產(chǎn)生裂縫，發(fā)生故障。

圖3 焊接處裂縫的剖面以及X-ray圖

因此，設(shè)計(jì)優(yōu)化從電極頭的形狀入手，采用圓角形狀替代直角形狀，保證了銅導(dǎo)線只會(huì)被擠壓而不會(huì)被切割。其次將傳感器芯片引腳裁切部分延長0.6mm，保證引腳斷口避開電極頭施壓焊接位置，保證了銅導(dǎo)線不會(huì)在焊接時(shí)被引腳斷口割傷。

圖4 工藝改良前后對(duì)比圖

3.3 電阻焊工藝的改良方案的驗(yàn)證

從實(shí)物焊接效果來看，銅導(dǎo)線的焊接受壓點(diǎn)表面平滑，同時(shí)內(nèi)部金相結(jié)構(gòu)完整，并無裂紋產(chǎn)生。將設(shè)計(jì)優(yōu)化后的產(chǎn)品進(jìn)行直線焊接拉拔力測試后，均通過80N的測試要求，且斷口不集中在電極頭焊接的邊緣和裁切斷口處。

圖5 工藝改良后實(shí)物剖面圖

4 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與總結(jié)

無論是文章中涉及到電阻焊，亦或是焊錫焊、金線球焊，激光焊等焊接工藝其實(shí)都存在著同樣的課題：焊接工藝是變速器電器零件生產(chǎn)制造過程中質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)之一，目前還比較缺乏可靠的100%無損檢測方法，焊接質(zhì)量普遍通過工藝試樣和工件的破壞性試驗(yàn)來檢查，因此焊接治具的設(shè)計(jì)以及焊接工藝過程能力的管控是保證最終產(chǎn)品焊接質(zhì)量的重點(diǎn)。我們要在今后的工作中的把焊接工藝作為重中之重，通過對(duì)不同產(chǎn)品焊接工藝的深度學(xué)習(xí)和挖掘，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)識(shí)別出潛在的風(fēng)險(xiǎn)和不足之處，盡量在問題發(fā)生前將其扼殺。

[1] 王敏,陳林.電阻焊在汽車零部件生產(chǎn)中的作用[J]. 汽車工藝與材料. 1999(11).

[2] 李美霞,楊濤,郭志猛.電阻焊電極用銅合金材料的研究進(jìn)展[J].河北工業(yè)科技. 2008(02).

Typical defects and solutions of resistance welding

Li Wenjun
(Shanghai automobile transmission Co., Ltd.,Shanghai,201807)

Resistance welding, as an efficient, cheap, mechanized and highly automated connection technology, has been widely used in the automotive industry. Resistance welding is one of the highest quality risk of transmission electric parts manufacturing process, there is a lack of reliable 100% nondestructive testing method, welding quality is generally through the destructive test and sample technology to check the workpiece, so the welding fixture design and welding process control is the ability to ensure that the final product welding quality key. In this paper, a typical case of resistance welding defects in electrical parts of a transmission product is analyzed, and finally an effective solution is proposed.

resistance welding; spot welding; current; electrode