高压线束超声波焊接实践分析

2021年5月19日
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无论是自动驾驶汽车还是传统汽车,确保汽车线束可靠连接的一种方法是超声波焊接。该技术用于连接线束和线束,以及线束和端子,是一种经过长期验证的可靠方法。本文就高压线束超声波焊接的实践进行分析。

高压线束超声波焊接实践分析

图1 展示了一个铜销和镀镍铜销焊接到铝端子。

超声波焊接过程快速,且全程可监控多组参数。超声产生的接头是纯金属连接件,不受老化、蠕变和疲劳影响。接头连接牢固,保证了组件之间极低的接触电阻。

高压线束超声波焊接实践分析

图2 超声波焊接产生的接头是纯金属连接,不受老化和疲劳影响

超声波焊接既可用来连接相同材料,也可用来连接不同材料,例如铜和铝。因为金属是直接焊接在一起,所以不需要额外材料,如套管、焊料或助焊剂。此外,超声波焊接对零件产生较低的热应力(焊接温度远低于零件熔点),因此被焊材料本身性能,以及周边材料性能不改变,如绝缘套保持完整。

高压线束超声波焊接实践分析

图3 超声波焊接相同或不同材料,例如铜和铝。

焊接实践

尽管超声焊接有过程控制和偏差检测,但是在接头设计和生产准备环节仍应该遵循相关标准。例如USCAR38(用于线束和端子的连接标准)和USCAR45(用于线束到线束的连接标准)工业标准等。这些标准为设计提供了基础。另外,许多汽车制造商和电缆供应商都有自己的线束焊接规范和标准,在设计和生产时这些建议也必须考虑在内。

焊接点的设计必须能够承受车辆使用期间的机械、热和电流负载。多股绞线的股数超过一定数量连接就变的困难,因此绞线股数建议不超过8根。超声波焊接系统可以监测线束股数,以避免不正确数量插入焊接。同时,为了可靠地检测出漏股的接头,最小尺寸的单根导线截面应至少占总截面的7%。对于截面小于5平方毫米的接头,单根导线最小截面应占总截面的9%。一个线束接头内,单根导线最大截面不应该超过最小截面的三倍。

材料选择

材料的选择对焊接质量影响很大。纯度至少99.9%的铜和纯度至少99.5%的铝最适合用于超声波焊接。铅或锡涂层会对超声焊接质量产生负面影响。导线以及导线间的油脂和添加剂也会对焊接质量产生不利影响。

当铝线束焊接到铜端子上时,铜端子上3~6微米镀镍层,可以保证高强度连接。此外,连接位置必须没有油、油脂、保护剂和污垢。

正确存储对保持材料清洁很重要。高温和长时间的存储会导致材料表面氧化增加,以及拉丝油和增塑剂在导线上的积累,这些都会对焊缝质量产生负面影响。理想情况下,电线应保存在清洁、干燥、不受天气影响、不直接暴露在太阳或紫外线下的地方,放置时间不超过6个月,温度应在15 ~ 35℃之间。当然,线缆和接头在储存和运输过程中应避免损坏(具体可参考德国电气和电子制造商协会的技术指南TLF 0100)。

线束焊接可能是一个半自动的过程。经过培训的人员操作焊接设备和进料装置。为了防止线束和端子污染,操作人员应戴手套,且线束焊接位置的绝缘层应在焊接前才进行剥离。

在每天首件以及生产过程中抽检焊接质量是一个质量管控的好方法。要小心材料供应商的变化,因此要定期对来料进行检测。另外,用密码保护焊接设备,只允许经过培训的人员才能更改生产用焊接参数。

稳定性

为了确保焊接工艺的稳定性,要连接的线束必须以一致的方式插入端子,因此零件和治具设计上要有导向和限位结构。另外,超声波焊接系统必须定期检查和维护,如医疗行业普遍做法,每一年要对焊接设备进行一次性能偏差检测。现代超声焊接系统还要求对过程中的数据进行采集、管理和分析,对设备稳定性和焊接质量好坏进行预判断,对可能的偏差进行预警和纠偏。

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