影響匯流排自動(dòng)鑄焊效果的因素

劉承，侯景翔，鄧?yán)^東

（1. 天津湯淺蓄電池有限公司，天津 300385；2. 沈陽蓄電池研究所，遼寧 沈陽 110178）

0 引言

摩托車用鉛酸蓄電池的匯流排焊接，以往主要有 2 種工藝[1]：氣焊和鑄焊。氣焊多是手工焊接，而且多用于采用鉛銻合金板柵的場(chǎng)合。而鑄焊又分為半自動(dòng)鑄焊和全自動(dòng)鑄焊。在手工焊接生產(chǎn)過程中，無論是上方設(shè)有吸風(fēng)口，還是側(cè)方設(shè)有吸風(fēng)口，鉛蒸汽都處于開放式的空間內(nèi)，不會(huì)完全被吸收，或多或少會(huì)分散在生產(chǎn)車間內(nèi)[2]，對(duì)操作者的身體健康造成損害。在半自動(dòng)鑄焊過程中，由于需要經(jīng)常取放模具，鉛鍋無法做到密閉，因此會(huì)有大量鉛煙逸出，存在污染，而且需要操作者手工接觸高溫的模具并移動(dòng)，也存在極大的安全隱患。而全自動(dòng)鑄焊只需要操作者將極群組放入到鑄焊機(jī)中，鑄焊機(jī)便完全封閉，所有操作全部自動(dòng)進(jìn)行，直至脫模后才打開由操作者取出已焊接好的極群組。

隨著國家政策的要求[3]，以及工業(yè)自動(dòng)化的不斷升級(jí)改造，手工焊接和半自動(dòng)鑄焊已逐漸被淘汰，越來越多的企業(yè)采用匯流排全自動(dòng)焊接工藝。

1 自動(dòng)鑄焊機(jī)

在鑄焊（COS）過程中，表面經(jīng)凈化或搪錫處理的極耳被浸入充滿液態(tài)鉛合金的鑄模型腔中；由于熔融液態(tài)鉛合金傳導(dǎo)加熱，極耳表面溫度快速升高，在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到鉛合金潤(rùn)濕鋪展的溫度，甚至使極耳表面金屬部分熔化而進(jìn)入液態(tài)；隨著鑄模型腔冷卻，匯流排合金快速凝固與極耳形成永久的連接[4]?，F(xiàn)在，國內(nèi)自動(dòng)鑄焊機(jī)的工作原理和工作形式都比較相近，工作流程如圖 1 所示。合模后都采用水冷方式進(jìn)行冷卻，即冷卻水從模具內(nèi)流過。對(duì)于自動(dòng)鑄焊這種工藝，影響焊接效果的主要因素是各個(gè)環(huán)節(jié)的溫度和時(shí)間。

圖1 自動(dòng)鑄焊流程圖

2 自動(dòng)鑄焊效果的影響因素

2.1 鉛鍋溫度

鑄焊用鉛的熔化、保溫要在鉛鍋中完成，因此都需要有一個(gè)穩(wěn)定的鉛鍋溫度。在使用鑄焊機(jī)之前，需要測(cè)量鉛鍋中鉛液的實(shí)際溫度。測(cè)量的位置至少選取 2 個(gè)：1 個(gè)在鉛鍋?zhàn)詭У臏囟葌鞲衅鞲浇?；?1 個(gè)在匯流排模具在鉛液中浸泡時(shí)，模具自帶的溫度傳感器附近。測(cè)量鉛鍋溫度的傳感器在鉛液中的放置深度應(yīng)與匯流排模具在鉛液中的浸泡深度相同。測(cè)量時(shí)，需要將鉛鍋溫度設(shè)定值設(shè)定在高低不等的幾個(gè)溫度條件下，且每個(gè)溫度條件相差在10～20 ℃。在每個(gè)溫度下，需恒溫 10 min 來觀察鉛鍋溫度的波動(dòng)情況（見圖 2 ）。必要時(shí)，還可在溫度穩(wěn)定時(shí)，投入一條新鉛錠來觀察鉛液溫度的波動(dòng)情況。通過測(cè)量鉛液實(shí)際溫度，來確定鉛鍋溫度的設(shè)定值、顯示值與鉛液實(shí)際溫度波動(dòng)的中心值之間的關(guān)系。要將鉛液實(shí)際波動(dòng)范圍控制在 ±10 ℃范圍內(nèi)。如果無法達(dá)到，則需要調(diào)整加熱管和測(cè)溫傳感器的位置，甚至更換加熱管的規(guī)格。

圖2 鉛鍋溫度曲線圖

一般，匯流排采用 Pb-Ca 合金，因此鉛鍋的溫度設(shè)定值最高不超過 480 ℃，否則溫度過高會(huì)使Ca 嚴(yán)重?zé)龘p。如果起模溫度可以設(shè)定得較低些，也可適當(dāng)降低鉛鍋溫度的設(shè)定值，以降低能源消耗，不過一般鉛鍋溫度都要比起模溫度高 50 ℃ 以上。

2.2 起模

起模溫度是保證焊接效果的關(guān)鍵。如果 COS模加熱時(shí)間過短，溫度過低，就會(huì)導(dǎo)致合金凝固過快，造成虛、假焊；如果 COS 模加熱時(shí)間過長(zhǎng)，COS 模溫度過高，就會(huì)使板耳燒熔，造成過熔[5]。起模溫度一般是指模具的溫度，是通過安裝在模具內(nèi)部的傳感器測(cè)量到的，并不是真正我們需要保證的匯流排鉛液的溫度。由于每一臺(tái)模具有其自身的導(dǎo)熱性，而且溫度傳感器的精度和安裝位置都不可能完全相同，因此模具溫度和鉛液溫度可能存在差異，并且在不同的模具之間這種差異也不相同。雖然我們通過模具溫度來控制起模動(dòng)作，但是為了確保起模時(shí)鉛液溫度能夠滿足要求，我們還需要同時(shí)測(cè)量模具溫度和鉛液溫度（如圖 3 所示）來確認(rèn)二者之間差異的大小，以及模具在鉛鍋中受到浸泡時(shí)鉛液的升溫速度[6-7]。如果匯流排合金為 Pb-Ca合金，由于其熔點(diǎn)在 327 ℃ 左右，那么起模溫度一般被設(shè)定在 400～415 ℃，以保證下一步嵌合時(shí)COS 模具中的鉛液有足夠的熱量。

圖3 鉛液溫度的測(cè)量

2.3 嵌合

從起模到板耳插入鉛液完成嵌合的整個(gè)過程中，由于模具已經(jīng)脫離了鉛鍋，因此鉛液的溫度會(huì)不斷的下降，一般每秒下降 0.3～0.4 ℃。縮短嵌合過程消耗的時(shí)間，就可以盡可能地減少溫降，這也意味著可以降低起模溫度和鉛鍋溫度，從而降低能源消耗，同時(shí)縮短每 1 模的循環(huán)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。一般來說，整個(gè)嵌合過程所用的時(shí)間最長(zhǎng)不應(yīng)超過 20 s。

嵌合過程中，板耳下降的速度直接影響嵌合的時(shí)間。板耳下降速度過快，模具中鉛液容易濺出，導(dǎo)致焊接深度不足并產(chǎn)生飛刺；而速度過慢，板耳可能無法完全扎破鉛液面，影響焊接強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致嵌合過程耗時(shí)過長(zhǎng)。如果有條件，可以將板耳下降過程分段設(shè)置，即初期速度較快，以節(jié)約時(shí)間，而當(dāng)板耳接近模具時(shí)，降低速度，使板耳和鉛液平穩(wěn)嵌合。

由于不同的自動(dòng)焊接機(jī)對(duì)極群組下降速度的控制方式不同，在焊接前需要確認(rèn)設(shè)定值與實(shí)際下降速度的關(guān)系，選取合理的下降速度。如果不同設(shè)備之間存在差異，則應(yīng)為每臺(tái)設(shè)備設(shè)定不同的參數(shù)，來保證實(shí)際下降速度的一致。

此外嵌合后，氣缸應(yīng)繼續(xù)保持有壓力，使板耳和鉛液在冷卻凝固的過程中仍能保持穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，從而保證焊接強(qiáng)度。

在確定自動(dòng)鑄焊機(jī)的生產(chǎn)條件時(shí)，一般先將鉛鍋溫度、嵌合和冷卻過程的相關(guān)參數(shù)設(shè)為固定值，只將起模溫度和冷卻延時(shí)（嵌合后至冷卻開始前的等待時(shí)間）設(shè)為變量，設(shè)計(jì)交叉試驗(yàn)，確定合格產(chǎn)品的參數(shù)范圍。而最后標(biāo)準(zhǔn)中條件范圍應(yīng)小于該參數(shù)范圍并在其中心，如圖 4 所示。

圖4 自動(dòng)鑄焊的參數(shù)范圍

2.4 冷卻

嵌合之后，需要靜置一段時(shí)間再開始冷卻，目的是要使鉛液中的氣泡能充分排出，但時(shí)間也不宜過長(zhǎng)，否則容易出現(xiàn)匯流排表面凹凸不平的現(xiàn)象。一般將嵌合后至冷卻開始的時(shí)間控制在 2～8 s 之間。冷卻的方式一般有空冷和水冷 2 種，現(xiàn)在的自動(dòng)鑄焊機(jī)一般都采用水冷的方式。無論采用哪種冷卻方式，都應(yīng)對(duì)冷卻速度加以控制，避免冷卻效果出現(xiàn)波動(dòng)。例如：采用風(fēng)冷方式時(shí)，應(yīng)控制空氣壓力、空氣溫度，及出風(fēng)口的面積、位置和角度；采用水冷方式時(shí)，則需要控制冷卻水的溫度、流量等參數(shù)。冷卻終止的條件，都以脫模時(shí)的模具溫度來控制，一般對(duì)于鈣合金在 190 ℃ 左右，對(duì)于錫合金在 180 ℃ 左右。

3 小結(jié)

隨著國家相關(guān)政策的出臺(tái)，企業(yè)也為了提高自動(dòng)化水平，降低環(huán)境污染，對(duì)于匯流排的鑄焊，越來越多地采用自動(dòng)鑄焊的方式。為了保證鑄焊效果，需要在設(shè)備投入使用前，確認(rèn)鉛鍋溫度、模具溫度設(shè)定值與實(shí)際值的差別，嚴(yán)格控制溫度波動(dòng)幅度，冷卻時(shí)也需要對(duì)影響冷卻效果的各項(xiàng)參數(shù)加以控制。

由于每臺(tái)設(shè)備和模具肯定會(huì)存在微小的差異，因此需要對(duì)每一臺(tái)設(shè)備和模具都加以編號(hào)，設(shè)備和模具做到一一對(duì)應(yīng)，不隨意更換。我們最終控制的是焊接中各步驟的實(shí)際溫度和時(shí)間，只要保證實(shí)際值在驗(yàn)證的合格領(lǐng)域內(nèi)，就可以對(duì)每一臺(tái)設(shè)備和模具分別設(shè)置其最適合的參數(shù)。

[1] 伊?xí)圆? 鉛酸蓄電池制造與過程控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[2] 郗駿, 孫云東, 張立華, 等. 淺談電動(dòng)助力車用鉛酸蓄電池焊接生產(chǎn)工藝技術(shù)[J]. 蓄電池, 2012(1)：34-37.

[3] 《鉛蓄電池行業(yè)規(guī)范條件（2015年本）》解讀[Z/OL]. (2016-03-16) [2017-10-06]. http：//www.qhec.gov.cn/xxgk/xxgkml/zdgk/zcjd/201603/t20160317_14765.html.

[4] 余偉華. 鉛酸蓄電池鑄焊工藝研究[J]. 中國科技信息, 2007(24)：82-83.

[5] 張亮東, 牛冀輝, 王麗齋. 鉛酸蓄電池鑄焊應(yīng)用綜述[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2011(5)：27-32.

[6] 楊雪斌, 朱誠. 極群鑄焊過程中的幾個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)[J]. 蓄電池,1996(1)：28-31.

[7] 徐國榮, 全勇, 楊廣福, 等. 淺談鑄焊匯流排的工藝和設(shè)計(jì)要求[J]. 蓄電池, 2011, 48(4)：180-182.