線束超聲波焊接端子設(shè)計和應(yīng)用

【摘" 要】文章從線束和端子超聲波焊接原理出發(fā)，通過分析和USCAR-38標準要求，得出端子設(shè)計需從材料、結(jié)構(gòu)和鍍層等方面進行合理設(shè)計。材料方面最好用純銅；結(jié)構(gòu)方面在車身上用超聲波焊接端子替代冷壓接端子，可以簡化端子的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝過程，降低端子模具制造成本、提升生產(chǎn)效率；鍍層方面采用局部鍍錫、焊接端裸銅、安裝端鍍錫的設(shè)計，在低成本基礎(chǔ)上保證端子性能。

【關(guān)鍵詞】焊接連接；超聲波焊接端子；結(jié)構(gòu)設(shè)計；不可拆卸連接

中圖分類號：U463.62"""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1003-8639（2025）01-0082-03

Design and Application of Wire Harness Ultrasonic Welding Terminal

WANG Yantao，WANG Zhiguang

（Tianhai Auto Electronics Group Co.，Ltd.，Connector Ramp;D Center，Heibi 458030）

【Abstract】Based on the principle of wire harness and terminal ultrasonic welding，through analysis and USCAR-38 standard requirements，it is concluded that terminal design should be reasonable from the aspects of material，structure and coating. In terms of material，it is best to use pure copper；In terms of structure，the use of ultrasonic welding terminals instead of cold crimp terminals on the car body can simplify the structure of terminals，the production process，reduce the manufacturing cost of terminal molds，and improve production efficiency；In terms of coating，the design of local tinning，bare copper at the welding end and tinning at the installation end ensures the performance of the terminal at low cost.

【Key words】welding connection；ultrasonic welding terminal；structure design；non-detachable connection

0" 引言

焊接連接指在端子和多芯導(dǎo)線接觸區(qū)域采用熱壓專用設(shè)備施加熱源和壓力實現(xiàn)端子和導(dǎo)線不可拆卸連接[1]的工藝。焊接工藝根據(jù)加熱原理不同可以分為超聲波焊接、離子焊接和電阻焊接等工藝。而超聲波金屬焊接作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔的固相連接技術(shù)，適用于鋁、銅等高導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料的連接，相較于激光焊接、傳統(tǒng)電弧焊和電阻焊，具有焊接效果好、焊接穩(wěn)定性高、焊接電阻率低和更節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。

超聲波焊接技術(shù)在端子和線束連接上應(yīng)用比較成熟，最高技術(shù)的方法涉及通過以15～40kHz的頻率將絞合線一起振動，從而在單根導(dǎo)線之間形成牢固的冶金結(jié)合。這種振動能量會導(dǎo)致表面氧化物在單股導(dǎo)線上形成磨損，從而形成高導(dǎo)電冶金結(jié)合。超聲波焊接端子因其具備生產(chǎn)效率高、焊接性能可靠和電壓降低的特點而被廣泛應(yīng)用，也是汽車線束行業(yè)發(fā)展的趨勢，行業(yè)內(nèi)常用到的焊接標準是美標USCAR-38。線束行業(yè)超聲波焊接應(yīng)用主要分為線線焊接和線板焊接兩種，本文主要描述線板焊接，即線束和端子焊接的設(shè)計和應(yīng)用。

1" 線束和端子超聲波焊接原理

汽車線束和端子焊接連接是超聲波焊接設(shè)備和焊接端子通過高頻振動加熱融合形成的不可拆卸連接。焊接不采用任何焊料，僅通過焊頭和焊接工裝設(shè)備的作用，讓材料本體的分子運動融合在一起形成矩形焊接界面，如圖1、圖2所示。

在壓接處呈矩形狀，無松散的芯線和斷頭或裂開的芯線，且導(dǎo)線沒有彎曲，而是在自熔合處呈直線引出。超聲波焊接通過相鄰金屬表面熔化，形成金屬分子層之間的熔合，相當(dāng)于將相鄰金屬熔為一個整體，相比端子壓接后相鄰銅絲仍為獨立金屬個體而言，焊接部位的密實度更好，不會出現(xiàn)空洞；導(dǎo)電性好，電阻系數(shù)極低或近乎于0，有效提高了使用耐久性，不易發(fā)熱，無品質(zhì)隱患。銅絲和銅板連接界面如圖3所示，銅絲和銅絲的連接界面如圖4所示。

2" 端子設(shè)計要點

按照以上焊接原理的分析和USCAR-38標準，端子焊接連接要求拉拔力機械性能合格且穩(wěn)定，且電接觸性能合格，要求焊接點能經(jīng)受加速環(huán)境測試和鹽霧耐久測試。這些要求體現(xiàn)到端子的設(shè)計上，需從材料、結(jié)構(gòu)和鍍層等方面進行合理設(shè)計，以滿足汽車行業(yè)標準。

2.1" 材料的選擇

經(jīng)過驗證，焊接端子最好用純銅，這樣能保證焊接的可靠性，如國內(nèi)牌號T2材質(zhì)或者美標C11000的材質(zhì)。目前經(jīng)過驗證的銅端子和銅導(dǎo)線，銅端子和鋁導(dǎo)線可焊接性能都是很優(yōu)質(zhì)的[3]，見表1。

表1中推薦銅材料僅供參考，銅的純度越高越有利于超聲波焊接，銅含量至少要大于99.5%。從材質(zhì)角度看，適合焊接的銅特征如下。

1）銅的含氧量越小越好，最好是無氧銅。

2）銅材成分中不能有鉛元素。

3）材料在加工過程中要避免硬化，材料盡可能軟。

4）材料不能含有臟污、油污等污染物。

2.2" 結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在車身上用超聲波焊接端子替代冷壓接端子，可以簡化端子的結(jié)構(gòu)，簡化端子生產(chǎn)工藝過程，既能降低端子的模具制造成本，又能提升端子的生產(chǎn)效率。

從外觀上來看，焊接端子結(jié)構(gòu)形式上線束連接部分得到了簡化，去掉了壓接翼，換成了焊接板。從模具結(jié)構(gòu)看，去掉了尾部折彎成型工藝。THB超聲波焊接端子結(jié)構(gòu)如圖5所示，焊接后端子線束如圖6所示，熱縮后端子線束如圖7所示。

端子在設(shè)計時，尾部設(shè)計焊接端一般要求：①表面無毛刺，劃痕、油污；②設(shè)計有麻面可以增加可焊性；③端子寬度不小于USCAR-38標準中表4.4.6的寬度要求；④焊接區(qū)域裸銅；⑤焊接不能超過焊接停止線，保留足夠的密封區(qū)域。

一般針對小于6mm2的銅線或者需要折彎半徑較大的鋁線焊接端子，需要增加絕緣尾部，以防止線束過度折彎或者線絲折斷，如圖8所示。

2.3" 端子鍍層設(shè)計

一般在車身上，壓接式接線端子的鍍層是鍍錫，成本低且具有較好的防腐效果。但是針對焊接端子，鍍錫層不利于焊接，因為高溫下錫會融化，不利于端子和線束的熔接。因此端子焊接端最好無鍍層，或者焊接端采用耐高溫電鍍材料，比如鍍金、銀、鎳等。考慮到成本經(jīng)濟性方面，一般采用局部鍍錫工藝，焊接端裸銅，安裝端鍍錫，這樣能在低成本基礎(chǔ)上保證端子性能，如圖9所示。

鍍錫層厚度一般要求5～15μm之間，具體產(chǎn)品要根據(jù)通電電流、使用位置和客戶耐久具體要求進行確定。裸銅區(qū)域沒有鍍層要求，但是需要經(jīng)過去油、清洗、防氧化處理。因為端子局部裸銅，所以放置在空氣中時間久了會出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，因此局部鍍錫端子和一般的壓接端子在存儲方面有著不一樣的要求，一般要求用防銹袋或者真空袋包裝，以延長產(chǎn)品保質(zhì)期。

3" 端子的焊接驗證

端子在設(shè)計試制過程中要經(jīng)過焊接設(shè)備的焊接驗證，焊接設(shè)備要調(diào)試設(shè)備頻率、壓力、振幅、時間、溫度和功率等參數(shù)，見表2和圖10。

超聲波焊接端子的驗證要求符合USCAR-38—2016要求，基本驗證包含外觀檢查、剖面分析、拉力驗證、電壓降測試[4]，見表3。

4" 結(jié)束語

隨著碳中和政策的落地和新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，超聲波焊接端子越來越受到各大主機廠和線束廠的歡迎，因為相比于傳統(tǒng)壓接端子，焊接端子在同樣條件下導(dǎo)電性能和信號傳輸方面明顯占有優(yōu)勢，電壓降遠低于壓接端子，溫升也低于壓接端子。而且隨著車輛輕量化的發(fā)展，鋁導(dǎo)線大批量的使用，勢必要使用焊接類端子，加速了這類端子的應(yīng)用。焊接端子可以應(yīng)用于蓄電池線束、接地線束、編織線束、電池組模塊、儲能設(shè)備連接和電機電驅(qū)單元等應(yīng)用場景。應(yīng)用場景的不同對焊接端子的設(shè)計提出了不同的要求，無論場景如何變化，工程技術(shù)人員都要結(jié)合應(yīng)用場景，從端子選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計和鍍層設(shè)計多方面、多維度考慮，讓設(shè)計的端子符合車身使用環(huán)境、可制造性和經(jīng)濟性的要求。

參考文獻

[1] 濮良貴，陳國定，吳立言. 機械設(shè)計（第十版）[M].北京：高等教育出版社，2019.

[2] SAE/USCAR-38 PERFORMANCE SPECIFICATION FOR ULTRASONICALLY WELDED WIRE TERMINATIONS[S].

[3] 趙平堂.汽車鋁芯蓄電池線的應(yīng)用[J].汽車電器，2018（8）：73-75.

[4] 王延濤.簡述汽車連接器接線端子和多芯線束連接界面[J].汽車電器，2023（12）：41-43.

（編輯" 楊凱麟）