不同激光清洗功率對扁銅線焊點性能的影響

摘要： 針對新能源汽車驅(qū)動電機定子扁銅線的生產(chǎn)需求，對扁銅線進行激光清洗以及激光焊接試驗，改變激光清洗的工藝參數(shù)，并考察了清洗表面的組織形貌、表面粗糙度、顯微硬度，發(fā)現(xiàn)當激光功率為500 W時具有最佳的清洗效果，其表面粗糙度為Ra 1.55，表面硬度為82.8 HV，接近裸銅線狀態(tài)。隨后對使用不同清洗工藝得到的銅線進行焊接試驗，探究激光清洗工藝對焊點性能的影響。結(jié)果表明，焊點孔隙率與清洗后的銅線表面粗糙度基本呈線性分布，激光清洗可有效改善焊點的組織形貌及力學性能。最后研究了焊接工藝對焊點性能的影響，當使用4 000 W功率的激光對扁銅線進行焊接，得到的焊點具有良好的成形狀態(tài)和最高的抗剪強度，為128 MPa，從而得出了扁銅線清洗與焊接的最佳工藝。

關鍵詞： 新能源汽車 扁銅線 激光清洗 激光焊接 力學性能

中圖分類號：TG 442；U 465.2

Effect of laser cleaning power on the performance of flat copper wire solder joints

ZHANG Linli， WANG Xin， SHEN Liansheng， PANG Shengli

（CHINA FAW GROUP CO.， LTD.， Changchun， 130013，China）

Abstract： For the new energy vehicle drive motor stator flat copper wire production needs， flat copper wire laser cleaning and laser welding test， change the laser cleaning process parameters， and examined the cleaning surface of the organization morphology， surface roughness， microhardness， found that when the ljjaz2asQaKANqC/t7NtdWA==aser power of 500 W has the best cleaning effect， the surface roughness of Ra 1.55， surface hardness of 82.8 HV， close to the bare copper wire state. copper wire. Subsequently， the copper wires obtained by different cleaning processes were subjected to welding tests to investigate the effect of laser cleaning process on the performance of the welded joints. The results show that the porosity of the welded joints and the surface roughness of the cleaned copper wire are basically linearly distributed， and the laser cleaning can effectively improve the organization and mechanical properties of the welded joints. Finally， the effect of welding process on the properties of the welded joints was studied， when the flat copper wire was welded using a 4 000 W power laser， the welded joints obtained had a good molding state of the highest shear strength， which was 128 MPa， thus deriving the optimal process for cleaning and welding of flat copper wire.

Key words： new energy vehicles; flat copper wire; laser cleaning; laser welding; mechanical properties

0 前言

根據(jù)國家“2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標的提出，低碳化發(fā)展成為未來經(jīng)濟發(fā)展的重要方向。因此，低碳化的新能源汽車成為全球汽車產(chǎn)業(yè)長期關注的關鍵技術方向之一。新能源汽車驅(qū)動電機對功率密度和結(jié)構(gòu)的緊湊性有較高的設計要求，其中定子槽滿率（指線圈放入槽內(nèi)后占用槽內(nèi)空間的比例）是影響電機功率密度的重要指標之一［1-4］，有數(shù)據(jù)顯示，在相同的空間內(nèi)，扁線電機可以多填充20%～30%的導線，從而使整機最高效率提高2%左右［5-7］。

隨著定子每槽發(fā)卡層數(shù)的增多，其發(fā)卡線成型的一致性、插入銅線的數(shù)量、扭轉(zhuǎn)的層數(shù)及焊點的數(shù)量都會對制造工藝方案提出更高的要求。以8 層48 槽產(chǎn)品焊接為例，一個產(chǎn)品有192個焊點需要焊接，保證每個焊點的焊接質(zhì)量、焊接速度及穩(wěn)定性，是業(yè)內(nèi)有挑戰(zhàn)性的一大難題。攻克8層產(chǎn)品的制造技術難點，將Hairpin 定子運用到國內(nèi)廠商大批量電機的制造是最為迫切需要解決的問題。

扁銅線的線端（又稱PIN角）的焊接質(zhì)量很大程度上決定著驅(qū)動電機的電傳輸效率等關鍵性能。扁銅線的焊點呈矩形，其面積一般不超過20 mm2，無論是焊前定位還是焊接加工都具有一定的難度。為了保證焊接質(zhì)量，通常使用具有定位精度高、熱輸入集中、編程靈活等優(yōu)點的激光飛行焊作為扁銅線焊接的首選工藝［］。而除了焊接工藝的優(yōu)化，焊接位置的表面光潔度也是影響焊接質(zhì)量的重要因素。為此，需要對焊點位置進行除漆與清洗加工。目前常用的針對扁銅線的去漆工藝有兩種，分別為激光去漆和機械去漆皮，其中機械去漆皮又分為刮削和沖切兩種。激光去漆皮工藝是將脈沖激光射到銅線表面，利用激光產(chǎn)生的瞬時高溫將漆皮燒蝕干凈的一種工藝，由于激光熔化、清除漆皮的高效率等特點，該工藝又被稱為激光清洗。刮削去漆皮是將一組仿形刮刀壓在銅線表面，抽動發(fā)卡線時切刀刃順勢將漆皮刮落。沖切去漆皮是利用一組切刀具，沿發(fā)卡線垂直方向分別對其寬面和窄面依次進行沖切。采用機械去漆皮工藝去漆皮時由于刀具磨損及機械結(jié)構(gòu)微小波動易導致去漆皮效果不穩(wěn)定，而且都會對銅基材造成一定損傷。而激光清洗雖然一次性投入較高，但后期設備的維護調(diào)試及兼容性都要優(yōu)于機械方法。

文中對發(fā)卡電機用扁銅線進行激光清洗試驗，改變清洗的激光功率從而得到具有不同表面狀態(tài)的銅線端，并使用激光焊接工藝對該線端進行焊接試驗，比較不同焊點的組織形貌和力學性能，從而得出最佳的焊接工藝。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

3種常用的對扁銅線去漆工藝方法如圖1所示。

試驗所用扁銅線成分為純銅（Cu質(zhì)量分數(shù)為99%），其表面帶有漆皮，寬2.94 mm，厚1.93 mm。首先對銅線進行清洗，清洗長度為10 mm，如圖2所示，清洗應保證去除該段銅線的所有漆皮及氧化物、油污等影響焊接工藝的雜質(zhì)。隨后，將銅線垂直夾持在專門設計的焊接夾具上進行焊接試驗，用于模擬扁銅線的接頭形式，夾具如圖3所示。夾持得到的銅線焊點尺寸為2.94 mm ×3.86 mm。

1.2 試驗設備

清洗所用激光器為STS-32-1型CO2激光器。CO2激光器是使用CO2氣體作為介質(zhì)的激光器，它的特征波長為10.6 μm，處于中紅外波段，額定最大功率為1 000 W，它的特征波長使其能夠較好的被非金屬材料吸收，同時由于金屬材料對CO2激光吸收率相對較低，其對裸銅線基本不會造成損傷，非常適合銅線的清洗工作。

焊接所用激光器為銳科RFL-4000/2000-ABP光纖激光器。該設備最大輸出功率6 kW，支持環(huán)形光斑出光。環(huán)形光斑激光屬于光束空間整形激光，其獨特的熱效應可以改善熔池流動，使焦點熱輸入更加均勻，減少飛濺，提高焊接質(zhì)量。文中使用環(huán)形光斑激光對銅線進行焊接試驗。

1.3 試驗方案

激光清洗試驗主要研究激光功率對銅線清洗效果的影響，所用的功率參數(shù)為300 W，400 W，500 W，600 W，激光的掃描速度為1 000 mm/s，激光頻率110 kHz，脈寬200 ns。從表面形貌、粗糙度、顯微硬度三個方面考察清洗表面的狀態(tài)，從而優(yōu)化激光清洗工藝。激光焊接試驗主要改變功率參數(shù)，所用激光功率為3 600 W、3 800 W、4 000 W、4 200 W。用激光在銅線線端的端面上進行環(huán)焊縫焊接，通過激光光束的環(huán)形運動，使熔融的銅發(fā)生攪動并在重力作用下形成焊球，焊接圈數(shù)為3圈。改變激光功率，并分別對表面狀態(tài)不同的銅線進行焊接試驗，從接頭組織形貌、焊后孔隙率、剪切強度三個方面考察接頭性能，從而得出激光清洗對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化激光焊接工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 清洗激光功率對銅線表面狀態(tài)的影響

不同激光功率下得到的銅線表面的照片如圖4所示?？梢钥闯觯S著激光功率的增加，銅線的表面狀態(tài)逐漸改善。當激光功率為300 W時，由于功率不足，銅線的漆皮并未得到充分去除，清洗部位還存在明顯的紅色漆皮。隨著功率增加，當功率達到400 W時，去漆效果相比300 W已有了很大程度的改善，此時的激光功率已經(jīng)足以使漆皮充分氣化，在清洗作業(yè)的10 mm長度范圍內(nèi)，銅線呈現(xiàn)出較為光亮的狀態(tài)，只是在局部仍然存在橘皮狀的凸起，說明提升功率可以改善銅線的清洗表面狀態(tài)。當功率提升至500 W，此時的表面已經(jīng)觀察不到任何漆皮，銅線表面形貌最為光亮，橘皮凸起也已經(jīng)消失，只有細微的由激光掃描所產(chǎn)生的均勻的線狀痕跡。當功率達到600 W時，銅線出現(xiàn)了凹坑及黑色的網(wǎng)狀痕跡，這是因為此時激光功率過高，熱輸入超過清洗所需要的水平，導致裸銅線本身受到了激光的過燒蝕，這會導致銅線表面的粗糙度升高，后續(xù)焊接的有效接觸面積減小，影響焊點質(zhì)量。

為了深入探究清洗表面的狀態(tài)，用掃描電子顯微鏡對清洗后的表面進行了觀測。如圖5所示為使用不同激光功率得到的激光清洗表面形貌?？梢钥闯觯敿す夤β蕿?00 W時，清洗后的表面存在很多紅色的團裝組織，說明此時留有較多的漆皮未處理干凈。當激光功率達到400 W，表面的紅色組織已經(jīng)消失，但表面可以觀測到大量的微型凸起，這些是由于漆皮被去除后，裸銅線與漆皮的結(jié)合部位受到的熱輸入不夠充分，導致其留下了撕裂狀的凸起。當激光功率達到500 W，此時的銅線表面已經(jīng)觀測不到漆皮的殘留或凸起，具有良好的表面形貌。當激光功率達到600 W時，在銅線的表面出現(xiàn)了凹陷狀的痕跡，這是激光功率過高，發(fā)生了過燒蝕現(xiàn)象，使漆皮下方的銅線發(fā)生了氣化而導致的，說明500 W是一個合理的功率參數(shù)。

隨后，用原子力顯微鏡（AFM）對清洗部位進行了觀測，首先使用亞微米精度的探頭測量了清洗深度，如圖6所示，可以看出經(jīng)過激光清洗后去漆深度約為92 μm，漆皮基本被完全去除。

隨后，使用原子力顯微鏡（AFM）對清洗后的表面進行檢測。AFM能夠分析材料表面在單位面積內(nèi)的平均高度差異，定量檢測材料表面微觀凸起與凹陷的平均程度，從而反映材料在激光清洗后漆皮去除的狀態(tài)。從每一種清洗功率所對應的試件中選擇三個進行檢測，檢測結(jié)果如表1所示，取每一種功率的檢測結(jié)果平均值繪制如圖7所示的折線圖?？梢钥闯?，隨著激光功率的增加，表面粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，當激光功率為300 W時，表面粗糙度為Ra 36.76，對應前文去漆并不充分的表面，當功率增加時，表面粗糙度降低，對應漆皮被逐漸去除，到500 W時，表面粗糙度約為1.55，對應漆皮完全去除后的光潔表面。當功率繼續(xù)增加，表面粗糙度有所回升，這主要是由過燒蝕產(chǎn)生的凹坑造成的。

對去漆區(qū)域進行了顯微硬度測試，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，激光功率為300 W及400 W的試件，其平均硬度較低，約為63.4 HV和72.5 HV，這主要是因為此時漆皮去除不充分，硬度平均值受到漆皮硬度的

影響，低于銅線的平均硬度（80 HV）。當激光功率為500 W時，此時漆皮去除較為充分，平均硬度為82.8 HV，接近銅線的平均硬度。當激光功率繼續(xù)上升，可以觀察到顯微硬度值有所上升，并在局部出現(xiàn)較高的峰值，這是因為激光對銅線產(chǎn)生了過燒蝕，造成部分氣化，并在高溫下生成了氧化銅，氧化銅的硬度較高，約為140 HV，因此呈現(xiàn)出如圖所示的顯微硬度分布規(guī)律。

為進一步驗證表面漆皮已充分去除，對激光功率為500 W的清洗表面進行了XRD檢測，分析該表面的物相組成，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，圖譜上的衍射峰均為Cu的衍射峰，說明此時表面主要由純Cu組成，沒有漆皮殘留。

2.2 激光清洗后的表面狀態(tài)對扁銅線焊點性能的影響

在對銅線的線端進行激光清洗后，對所得到的銅線進行激光焊接試驗。如圖10所示為典型的扁銅線激光焊接試樣。由于本課題的焊接部位尺寸較小，為了保證焊接的精密度，使用正離焦量進行焊接，離焦量為+5 mm?？梢钥闯?，焊點呈球狀，且球體直徑與銅線

的寬度相當，這是因為激光在銅線頂部的焊接軌跡為圓形，在激光的攪動作用下，熔池呈漩渦狀流動，熔融的金屬銅最終堆積在銅線頂部，冷卻后形成焊球。除了改善熔池流動，這種攪動作用還使得熔池中的氣體加速溢出，從而起到減小孔隙率的作用。

如圖11為不同激光功率清洗后的銅線經(jīng)激光焊接后得到的焊縫組織?？梢钥闯?，焊縫主要由胞狀柱晶組成，這些柱晶是銅在激光作用下熔化并隨后冷凝形成的，由于激光的攪動作用，這些晶粒表現(xiàn)出明顯的方向性。對比不同焊接試件的焊縫組織，可以發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度越高的焊縫，其具有更明顯的孔隙缺陷。這一方面是由于表面粗糙度決定了兩根銅線的有效接觸面積，表面粗糙度越低，兩根銅線的實際間距也就越小，在焊接過程中就能在兩根銅線的線端部位產(chǎn)生更為充分的熔池流動；另一方面是因為，粗糙度是對銅線表面雜質(zhì)含量的直接反映，由前文所述，當激光清洗的功率過低或過高，銅線表面會存在殘留的漆皮或過燒蝕生成的氧化銅。漆皮中的非金屬成分在焊接過程中進入熔池會產(chǎn)生氣體，進而形成氣孔或在冷卻中形成縮孔，提高接頭的孔隙率，影響焊縫質(zhì)量，而氧化銅與純銅的熔點相差較大，使得接頭難以有效焊合，如果提高焊接的熱輸入，則可能造成純Cu的燒損和蒸發(fā)，從而使焊縫的化學成分發(fā)生變化，力學性能降低。從圖中可以看出，使用具有最低的表面粗糙度的試件進行焊接，其焊縫部位的孔隙缺陷密度也是最低的。

使用X射線無損檢測儀對焊縫部位的孔隙率進行定量檢測，定義每個焊點的缺陷總面積與焊球截面積的比值為孔隙率。從每一種清洗功率所對應的試件中選擇三個進行檢測，檢測結(jié)果如表2所示，取每一種功率的檢測結(jié)果平均值繪制圖12所示的折線圖?？梢钥闯?，接頭的孔隙率隨著功率的提升呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，當清洗激光功率為300 W時，孔隙率約為4.6%，隨著清洗激光功率的提升，孔隙率逐漸降低，當功率達到500 W時，孔隙率達到最低點，約為0.2%，當功率繼續(xù)上升，孔隙率出現(xiàn)回升現(xiàn)象，這與前文關于焊縫形貌的分析結(jié)果一致。綜合表1和表2的內(nèi)容，統(tǒng)計了平均孔隙率與平均表面粗糙度的關系，如圖13所示。可以看出，在文中所提供的樣本范圍內(nèi)，表面粗糙度與焊點的孔隙率基本呈線性關系。對焊接試樣進行剪切試驗，測試接頭的抗剪強度。如圖14所示為焊縫剪切強度與清洗激光功率的關系?？梢钥闯觯S著清洗激光功率的增加，抗剪強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當激光功率為500 W時，剪切強度達到最大，為128 MPa，此時接頭具有最佳的力學性能。這與前面對接頭形貌和孔隙率的分析一致，氣孔及裂縫在剪切試驗的過程中會成為裂紋源，當受到剪切應力時，裂紋就會從裂紋源沿晶界等結(jié)合力相對薄弱的位置在接頭內(nèi)擴展，表現(xiàn)在宏觀層面上就是接頭的斷裂。對于孔隙率較高的試件，由于裂紋源的密度增加，接頭在剪切過程中的脆斷傾向就會更明顯，因此其強度便會降低。

如圖15所示為不同功率得到的扁銅線激光焊接試件的照片，可以看出，隨著激光功率的增加，焊球的體積逐漸增大。當總功率為3 600 W時，焊點沒有完整的球形輪廓，這是因為此時銅線的熔融量不足，在激光的攪動作用下沒能形成球狀堆積。隨著功率增加，焊球體積有所上升，到4 000 W時，已經(jīng)得到了成形十分理想的球形焊接接頭，球體尺寸與銅線線寬基本一致。繼續(xù)提升功率，則接頭體積繼續(xù)增大，到4 200 W時，其尺寸已經(jīng)達到銅線線寬的110%。

3 結(jié)論

（1）使用500 W的CO2激光對扁銅線進行激光清洗能夠得到最佳的清洗效果，其表面粗糙度為Ra 1.55，表面硬度為82.8 HV，接近裸銅線狀態(tài)；

（2）激光清洗可以有效去除銅線的漆皮及氧化物、油污等雜質(zhì)，起到改善焊縫組織、提高焊點性能的作用，焊點孔隙率與清洗后的銅線表面粗糙度基本呈線性分布；

（3）使用500 W的CO2激光對扁銅線進行激光清洗，并隨后進行焊接試驗，當使用4000 W功率的激光對扁銅線進行焊接，得到了成型良好的球形焊接接頭，球體尺寸與銅線線寬基本一致。

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收稿日期： 2023-12-06

張林立簡介： 主要從事新能源汽車的生產(chǎn)、焊接等工作。

通訊作者簡介： 沈連生，主要從事新能源汽車焊接相關的研究工作。