新能源扁線電機hairpin 激光焊接頭組織與性能分析

李遠遠，唐峰，柯凱

（華域汽車電動系統(tǒng)有限公司，上海 201323）

0 前言

近年來，國內外新能源汽車市場逐步由政策驅動型轉向市場驅動型。市場對于驅動電機的需求逐漸向著高功率密度、高效率、高轉速及平臺化的方向發(fā)展，而扁線繞組電機憑借其在效率、散熱和性能等方面的明顯優(yōu)勢，逐漸替代圓線繞組電機，成為新能源汽車驅動電機的發(fā)展趨勢[1]。

扁線電機，是指定子繞組采用截面積為矩形的扁狀漆包線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓形漆包線[2]。因其單根“U”形外觀的漆包線形狀像發(fā)卡（hairpin），又稱為發(fā)卡電機或hairpin 電機[3]。在扁線電機制造組裝過程中，首先將各個扁線發(fā)卡插入到定子槽內，經(jīng)過扭頭、切頭工序后，最后將各個發(fā)卡末端焊接起來，從而實現(xiàn)線路的連接。

隨著電動車動力需求的增加，電機的轉速越來越高，扁線電機hairpin 繞組的層數(shù)也由最初的2 層、4層升級到最新的8 層。對于扁線電機制造過程中的焊接工藝環(huán)節(jié)來說，繞組層數(shù)的增加造成hairpin 焊接數(shù)量的成倍增加，而現(xiàn)有的hairpin 焊接方法TIG焊和CMT 焊效率較低，因此需要同步升級一種更高效的焊接方法以滿足多層扁線電機量產(chǎn)節(jié)拍要求。

室溫22 ℃時，紫銅對近紅外激光的吸收率很低，約為5%，因此紫銅對激光的高反射特性限制了激光在紫銅焊接中的應用。近年來優(yōu)質光束、高功率激光器的大幅度市場化，為紫銅激光焊提供了很大可能。扁線電機中hairpin 激光焊，存在對激光高反射率、對表面漆皮殘留敏感、焊接工藝參數(shù)窗口小等特點，對焊接質量調試有很大挑戰(zhàn)。

已有國外供應商將激光焊應用于hairpin 焊接，并實現(xiàn)了量產(chǎn)。因此，研究hairpin 激光焊參數(shù)、掌握核心焊接工藝，對提高國內扁線電機廠商技術積累和競爭力提升有較大價值。

1 試驗過程

1.1 試驗設備

試驗用激光發(fā)生器為IPG 光纖激光器，最大功率8 000 W，輸出激光波長1 070 nm，屬于近紅外激光，已有研究證實了近紅外波長的激光焊接銅的可行性[4]。激光鏡頭采用2D 高功率振鏡頭，配套視覺相機及相機識別處理軟件，用于銅線hairpin 位置識別和角度補償。激光焊接扁線電機hairpin 連接線的試驗設備原理圖如圖1 所示。焊接過程為：? 夾具對待焊銅線進行定位；κ 相機對待焊銅線進行拍照；λ 識別軟件對銅線pin 位置x,y坐標，傳遞給振鏡；μ 激光器發(fā)出激光，通過振鏡到達銅線pin 腳位置，進行焊接。

圖1 hairpin 激光焊試驗設備原理圖

1.2 試驗材料

試驗材料為電工用扁狀漆包線，成分為TU2 無氧紫銅，滿足國標GB/T 3952—2016《電工用銅線坯》。銅線截面尺寸為3.5 mm×1.7 mm，焊前使用刮漆設備對扁銅線待焊接部位4 個面的漆皮進行剝除，剝除要求為露出裸銅，銅材表面及R角處無漆皮殘留。

1.3 試驗方法

在hairpin 激光焊試驗中，影響焊點成形的因素很多，有激光功率、焊接速度、激光軌跡尺寸、激光軌跡重復圈數(shù)及離焦量等?；谇捌谝延械墓に囂剿髟囼灲?jīng)驗，該研究選用激光功率、焊接速度這2 個對焊點成形影響較大的因素作為變量，激光軌跡、重復圈數(shù)和離焦量保持一致。激光功率設置范圍為2 500～3 500 W，焊接速度設置范圍為100～300 mm/s，旨在找到最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。課題共設置了9 組參數(shù)進行對比，編號為1～9 號，其焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 激光焊工藝參數(shù)

通過觀察接頭的金相組織、缺陷來推測接頭力學性能。接頭經(jīng)過鑲嵌、水磨、機械拋光，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》標準，用4%的FeCl3酒精溶液進行腐蝕，腐蝕時間為10～15 s。用WMJ-9638 系列倒置金相顯微鏡對接頭組織形態(tài)、缺陷特征進行觀察。使用金相顯微鏡配套的圖像分析軟件，對焊縫中的最大氣孔直徑、孔隙率、焊縫橫截面積進行測量、統(tǒng)計。

采用Regulus8230 掃描電子顯微鏡對氣孔位置的微觀形貌進行觀察，并使用Escalab 250Xi X 射線電子能譜分析測試儀，對氣孔位置進行點分析和面分析。

按照《GMW17143 電機扁銅線拉力測試程序》制取拉力試樣，每組焊接參數(shù)取3 個試樣，測試結果取三者平均值。用SANS CMT 5205 型電子萬能拉伸機進行拉力試驗，速率為30 mm/min。

參照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗》的要求，對試樣進行打磨拋光后，在Evernote MH-5顯微維氏硬度儀上測量各個焊接接頭母材、焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬區(qū)域的維氏硬度，所用載荷為1.96 N，加載時間為5 s。焊點拉力測量及硬度測量如圖2 所示。

圖2 hairpin 焊點拉力及硬度測試示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 hairpin 激光焊焊點成形原理分析

激光焊的光斑較?。ㄒ话阍?.2 mm 以下），而銅線截面相對較大，因此激光光斑必須擺動、形成一個覆蓋銅線截面的重復軌跡，才能有充足的時間和熱量熔化足夠多的母材金屬進而形成飽滿的焊球。試驗中的激光波長為1 070 nm，根據(jù)銅材對1 070 nm 波長激光的吸收率特點，室溫下吸收率低于10%，溫度提升至400 ℃時，對激光的吸收率增至40%左右，而后溫度繼續(xù)增加，吸收率穩(wěn)定在50%左右，而不會繼續(xù)提升[5-6]。

圖3 展示了某一焊接工藝參數(shù)下，hairpin 激光焊焊點成形過程的高速相機照片。可以看出，hairpin 焊點成形的過程為：激光出光→銅材逐漸熔化→激光軌跡循環(huán)→銅材持續(xù)熔化→激光停止→熔池凝固→焊點成形。如圖3(b)所示，在第1 圈結束時，由于熱輸入較小且銅對激光的吸收率較低，銅線pin 之間未形成熔合，此時激光僅熔化了部分母材及對其余母材起到了預熱作用。如圖3(c)所示，在第2 圈結束時，母材進一步熔化，而在圖3(d)的第3 圈結束時，母材的熔化量基本能覆蓋兩根銅線的截面。激光軌跡第5 圈結束時，銅材持續(xù)吸收了更多的激光能量，熔化量足夠多，在表面張力的作用下，熔融金屬形成一個焊球形狀，并隨之凝固成形。

圖3 高速相機下的激光焊hairpin 焊點成形過程圖

由此得出的結論是，hairpin 激光焊的過程是激光與銅材作用的過程。初始階段，激光的主要作用為預熱母材，提高母材對激光的吸收率。中間階段，激光的主要作用為熔化足夠多的母材，覆蓋在兩根銅線截面上。最后階段，熔融母材在自身表面張力的作用下形成焊球。因此，對hairpin 激光焊工藝而言，光斑軌跡的圈數(shù)、路徑大小是一個關鍵參數(shù)，其對焊點成形、焊球大小起著至關重要的作用。

值得注意的是，激光焊接煙塵是hairpin 激光焊過程中的顯著現(xiàn)象。由文獻[7]可知，大功率激光深熔焊過程中，激光對銅材金屬表面的高能作用，導致材料劇烈汽化，在母材激光作用的區(qū)域形成了“匙孔”。高能激光束使大量的金屬蒸汽從匙孔中向外噴射，噴射出的部分金屬氣體發(fā)生電離，形成了“光致等離子體”。等離子云會對激光光束產(chǎn)生吸收、散射等損耗，導致實際到達母材表面的能量減弱，從而可能導致焊接成形不良。因此，采取一定的措施，消除等離子云的損耗效應，是hairpin 激光焊的關鍵之一。

2.2 hairpin 激光焊焊點成形對比

該章節(jié)考查了激光焊接參數(shù)對焊點成形的影響。采用表1 中的焊接工藝參數(shù)，對hairpin 進行激光焊接試驗，并通過金相法獲得不同焊接工藝參數(shù)下hairpin焊點的成形圖，如圖4 所示。圖4(a)～圖4(c)是2 500 W功率、100～200 mm/s 焊接速度下的焊點成形照片，可以看出由于激光功率（2 500 W）不足，銅材熔化量很少，兩根銅線剛剛熔合在一起，未實現(xiàn)可靠連接。同時可以看出，在激光功率一定的情況下，隨著激光速度的增加，輸入到銅材上的熱量逐漸降低，導致銅材的熔化量越來越少，未形成有效的熔深、熔寬。此外，圖4(b)焊縫內部出現(xiàn)了直徑約為240 μm 的氣孔。

圖4 不同工藝參數(shù)下激光焊hairpin 焊點宏觀形貌

圖4(d)～4(f)是3 000 W 功率、150～250 mm/s 焊接速度下的焊點成形照片?？梢钥闯?，3 種焊接參數(shù)下焊球均能夠成形，原因是激光焊接的方式為深熔焊，焊縫的熔池產(chǎn)生了匙孔，使激光束能量吸收率大大增加。但圖4(d)由于激光功率大、焊接速度慢，單位時間的熱輸入過大導致焊球過大，相對來說圖4(e)的焊球尺寸飽滿，滿足要求。而圖4(f)雖然焊球已成形，但是焊球相對較小。同時可以看出，圖4(d)～圖4(f)均出現(xiàn)了不同程度的小氣孔，相對來說圖4(e)的氣孔較少。

圖4(g)～圖4(i)展示了激光功率3 500 W、焊接速度200～300 mm/s 參數(shù)下的成形情況?？梢钥闯觯３旨す夤β? 500 W 不變，接頭的熔深、熔寬及飽滿程度與焊接速度呈反相關。圖4(g)焊點飽滿，圖4(h)焊點相對較為飽滿。圖4(i)由于焊接速度過大，熱輸入量不足導致母材熔化量不足，無法形成有效焊點。

對比分析圖4(c)、圖4(e)、圖4(g)，可以看出，激光軌跡速度一定（200 mm/s）的情況下，隨著激光功率地增加，焊縫的熔深不斷增加，焊接時產(chǎn)生的氣孔直徑越來越大且數(shù)量增加。原因可能是在激光功率增加時銅材焊縫熔池反應劇烈程度增加，使得氣孔產(chǎn)生的可能性增大，且熔深越深越不利于氣孔的溢出[8]。

2.3 hairpin 激光焊焊點氣孔區(qū)域能譜分析

金相試驗發(fā)現(xiàn)hairpin 焊點內部存在較多的氣孔。為分析氣孔的類型和產(chǎn)生原因，在掃描電子顯微鏡下采用能譜儀（EDS）對接頭中的氣孔區(qū)域進行成分測試，如圖5 所示。

圖5 焊點氣孔區(qū)域的能譜點分析、面分析結果

氣孔區(qū)域能譜點分析如圖5(a)所示，對應的成分分析結果見表2?？梢钥闯觯瑲饪走吘壓椭行膮^(qū)域均成分均為Cu 和O 元素，其中邊緣區(qū)域的O 元素相對較高。

表2 氣孔區(qū)域能譜點分析成分結果

圖5(b)為氣孔區(qū)域的面分析結果，同樣表明了O 元素在氣孔邊緣含量高的特點。由此可以推斷hairpin 焊接過程中氣孔是由O 元素引起，其來源主要是空氣、絕緣漆層及銅材污染。氣孔形成的過程是，焊接高溫條件下銅與氧親和力大，生成Cu2O。Cu2O 與溶解在液態(tài)銅中的氫發(fā)生反應，形成的水蒸氣不溶于銅中。由于銅的導熱性強，熔池凝固較快，反應生成的水蒸氣來不及溢出而形成氣孔[9]。因此，防止上述反應型氣孔的主要途徑為：嚴控銅材的含氧量，保證焊前銅材不受污染，同時保證線成形過程中漆皮去除的潔凈程度。

2.4 hairpin 激光焊焊點熔深、熔寬及氣孔情況

熔深和熔寬對焊縫成形以及焊點力學性能具有較大的影響。熔深是指母材的熔化深度，其直接決定了焊縫區(qū)域與母材之間的結合強度，也決定著焊點的承載能力。熔寬是指焊縫寬度，其同樣影響著焊點強度和導電面積。試驗所采用銅材的截面尺寸為3.5 mm×1.7 mm，根據(jù)仿真分析及振動試驗驗證，針對此線型的焊接要求為：熔深≥1.7 mm，熔寬1.7～2.2 mm，截面積≥10 mm2。

表3 對1～9 號焊接參數(shù)下的焊點熔深、熔寬、最大氣孔直徑進行了統(tǒng)計?？梢钥闯?，1～3 號參數(shù)下焊點的熔寬和截面積達不到要求。4 號焊點熔深和截面積滿足要求，但由于熔寬過大，超過2.2 mm 的標準，因此判定為不合格。5 號和7 號焊點在熔深、熔寬和截面積3 個方面均滿足要求。而6 號、8 號和9 號焊點橫截面積均不滿足要求。

表3 焊點熔深、熔寬、截面積統(tǒng)計

孔隙率，是指在焊點中所有氣孔比例占截面積的百分比，通常借助金相分析軟件進行像素占比分析。對于hairpin 焊點而言，孔隙率影響著焊點的承載能力和導流面積。孔隙率大，電流的導流面積小，造成焊點局部發(fā)熱嚴重。最大氣孔直徑，是考核焊點中最大氣孔的直徑大小。過大的氣孔，易成為焊點強度的薄弱環(huán)節(jié)，在產(chǎn)品動態(tài)服役周期中容易形成裂紋，造成產(chǎn)品失效。因此除了規(guī)定焊點的孔隙率上限外，還要規(guī)定最大氣孔直徑的上限。經(jīng)電機整體的仿真分析和實際驗證得出，對于hairpin 焊點孔隙率標準≤2.0%，最大氣孔直徑標準≤0.5 mm。

圖6 為1～9 號焊接參數(shù)下的焊點的孔隙率和最大氣孔直徑統(tǒng)計情況?？梢钥闯觯? 號樣品的最大氣孔直徑不符合標準要求。6 號和7 號樣品的孔隙率不滿足標準要求。

圖6 不同激光焊hairpin 焊點孔隙率及最大氣孔統(tǒng)計

綜合考慮焊點的熔深、熔寬、截面積、孔隙率和最大氣孔直徑等五個方面的考核因素，在1～9 號樣品中，僅有5 號樣品滿足標準要求。

2.5 hairpin 激光焊焊點拉力性能分析

拉力數(shù)值是hairpin 焊點最重要的考核性能指標之一，預示著電機產(chǎn)品在服役期間的壽命長短，影響著整車可靠性和耐久性。一般認為，拉力的大小取決于焊點的承載面積、焊點氣孔和裂紋情況。測試采用鋼絲法測試，焊點拉力要求為≥800 N。

圖7 為不同焊接工藝參數(shù)下激光焊hairpin 焊點拉力性能的變化趨勢。可以看出，對1 號、2 號、3 號及9 號樣品，拉力數(shù)值均低于800 N，判斷為不合格狀態(tài)，原因是未熔化足夠多的銅材形成有效焊點，導致焊點的承載面積過小。4～8 號樣品的拉力數(shù)值均超過了800 N，其中4 號和5 號樣品拉力數(shù)值超過標準（800 N）的60%，7 號和8 號樣品超過標準的約40%，而6 號樣品超過標準約25%。結合2.2 節(jié)中的焊點金相照片可知，焊點成形飽滿、內部無大氣孔和裂紋，其承受負載的能力越大，抗拉強度越好。

圖7 不同激光焊參數(shù)下hairpin 焊點拉力

2.6 hairpin 激光焊焊點顯微硬度分析

焊接接頭的硬度測試可以反映出焊接過程中的熱輸入對焊縫區(qū)域、熱影響區(qū)域及母材的影響程度。在焊接過程中焊縫區(qū)域的熱量較大，傳導至與焊縫臨近的母材區(qū)域，導致此區(qū)域過熱而發(fā)生明顯的組織和性能變化。通常情況下，組織變化表現(xiàn)為晶粒粗大，性能變化表現(xiàn)為塑性和韌性降低，通常稱為“軟化”[10]。

為對實際生產(chǎn)應用起到指導作用，選用不同熱輸入量的組別（2 號、4 號和7 號樣品組）焊點不同區(qū)域（焊縫、熔合線和熱影響區(qū)）進行硬度測試，硬度分布規(guī)律如圖8 所示。可以看出不同焊接熱輸入下激光焊hairpin 接頭硬度變化規(guī)律基本相同，即焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域均有一定程度的軟化現(xiàn)象。

圖8 不同焊接熱輸入下激光焊hairpin 焊點顯微硬度

不同的焊接熱輸入對焊縫區(qū)域的軟化影響有較為明顯的區(qū)別，表現(xiàn)為7 號樣品硬度值最低，2 號樣品硬度值最高。而不同的焊接能量對熔合線及熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象有一定程度的影響，但沒有特別明顯，硬度值基本穩(wěn)定在53 HV 左右。

由此可見，由于激光焊熱量集中、焊接時間短的特點，其不同焊接熱輸入下對硬度的影響集中在焊縫區(qū)域，而對熱影響區(qū)硬度的影響未見特別明顯差異。

3 結論

（1）綜合考慮焊點外觀、金相、孔隙率、力學性能等因素，針對試驗的最佳激光焊接工藝參數(shù)為5 號：激光功率3 000 W、焊接速度200 mm/s、離焦量0 mm，焊接軌跡為?2.5 mm 的圓形，軌跡重復次數(shù)為5。

（2）在無保護氣體的條件下激光焊接hairpin，焊點內部會出現(xiàn)一定程度的氣孔。能譜測試結果顯示，氣孔主要為反應型氣孔，由氧元素引起。需嚴格控制銅材中的氧含量及漆包線去漆皮工序的潔凈度，以減少氧的來源。

（3）采用上述5 號最佳焊接工藝參數(shù)，熔深、熔寬、橫截面積高于標準要求。氣孔率為0.5%，最大氣孔直徑為0.1 mm，焊點拉力可達1 414 N，遠超標準要求。對于hairpin 激光焊工藝而言，使用合理的工藝參數(shù)，即使是在無保護氣條件下焊接，也可以得到滿足產(chǎn)品使用要求的焊點。

（4）顯微硬度測試結果顯示，不同焊接熱輸入下激光焊hairpin 接頭焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域均有一定程度的軟化現(xiàn)象，但對焊縫區(qū)域的軟化影響更為明顯。