电动工具用电动机点焊工艺探讨与研究

孙超英

（ 博世电动工具（中国）有限公司，杭州 310052 ）

电动工具用电动机点焊工艺探讨与研究

孙超英

（ 博世电动工具（中国）有限公司，杭州 310052 ）

介绍点焊工艺原理，分析影响点焊结果的电极剩余热量、点焊电流和点焊时间以及电阻等关键参数变化规律，从工艺和生产角度表述点焊准备与过程控制的要求。

点焊 焊接热量 电极剩余热量 电阻

0 引言

几乎所有的电动工具制造商都会被电动机失效现象所困惑。市场调查发现，电动工具的质量问题60%以上为电动机失效，尤其是反映在角磨机等转速高、振动大，作业时间长的电动工具上更为突出。电动机是转子与定子的组件合称，转子作为组件内高速旋转部件，将电能转化为机械能并输出，是电动机正常工作的关键，通俗地称转子为电动工具的“心脏”。提高电动机质量的关键在于控制转子制造工艺，而换向器点焊即是转子制造过程中的关键工艺。

1 概述

1.1原理与公式

电动工具转子的点焊属于电阻焊的一种，将待焊工件置于两个电极之间，采用低电压、大电流，在极短时间内产生高温，融化（气化）换向器挂钩内漆包线的绝缘表层（漆膜），并焊接漆包线和挂钩，从而达到换向器与绕组之间良好的电气连接。焊接热量公式为

Q＝Q余+ I2Rt

式中 Q——焊接热量

Q余——前一挂钩点焊后，至下一钩点焊前，电极上余下的热量

I——点焊电流

R——电阻

t——点焊时间

成熟的点焊工艺应确保上述式中Q值在整个批量生产过程中处于一个稳定的结果。如果每次点焊过程中，挂钩和铜线都能得到相同的热能，就可以得到稳定的点焊质量，电动机使用寿命以及电动工具的稳定性将大幅提升。

1.2关键参数分析

1）电极剩余热量Q余

电极在点焊的过程中产生热能。单次点焊作业完成后，电极上留有剩余热量，剩余热量通常在下一个点焊过程中得到释放并获得新热能产生新的剩余热量，如此反复循环。如不加以控制Q余，在批量生产中，剩余热量不停累积，导致Q值不断变化，点焊质量也就无法稳定。

在实际生产中，Q余是无法彻底消除的，但可以通过冷却电极的方式来控制。经济有效的方式是水冷，在点焊机旁安装一台冷水机，通过水循环来冷却电极，控制Q余在连续生产中保持稳定值。批量生产过程中应特别注意并检查正负极冷却效果以及冷水机运行状态是否正常。

2）点焊电流I和点焊时间t

在点焊过程中，点焊电流I和点焊时间t是必须严格控制的参数。完整的点焊过程包括机械变形与电气连接，所以点焊不能只是单纯的瞬时大电流焊接，而是一个分步骤、有节拍、随时间渐进式的过程。

点焊可分为选择恒定电压式或恒定功率式，大多电动机制造商选择恒定电压式点焊。点焊电压一般选择范围为1～3 V。根据选定的电压值，需设计不同的点焊电流I与点焊时间t。图1所示假设点焊电压为1 V的情况下，点焊的各个步骤、每个步骤的时间、点焊电流设置及温度随着时间而变化的曲线。实际操作中，针对不同的铜线直径、挂钩形状及厚度、点焊设备等实际情况，可做有针对性的调整。

图1 点焊时间与温度变化曲线示意图

电极剩余热量Q余在间隙生产过程中会有一定波动，以及在点焊批量作业中接触电阻会变大。所以对于要求特别高的点焊作业，还需针对产量变化而进行点焊整个节拍的变化。

3）电阻R

理论上，电阻R包括电极的电阻、电极与钩子的接触电阻、挂钩电阻、铜线在挂钩处电阻等。在实践中，我们发现接触电阻就是电阻R的代表，其它电阻阻值极小均可忽略不计。受以下因素影响，接触电阻会有所变化。

换向器与焊极接触表面状态： 若接触表面有油污等异物，会增大接触电阻。点焊电压较低，额外的异物会影响焊接表面的质量，甚至出现虚焊。

压力：点焊的压力应保持适中，既要保证充分受压，又不能过压。可靠的电极形状设计能帮助压力合理分布。

点焊接触面积：在可能的范围内尽量增加接触面积，焊极的形状设计很重要。

电极的材料：点焊机需要一对正负电极，正极一般采用钨棒，钨棒能耐高温并在高温时具有较高的硬度，能承受点焊时的压力而不变形，以此保证焊点的几何形状和焊点质量。负极多采用铜材，铜材具有良好的导电性，可减少回路中的电阻，从而提高电能效率。在实际应用中，为提高负极的机械强度，一些制造商选用铜合金。

电极的形状：钨棒点焊接触面的形状通常可选择圆形、椭圆形、正方形、长方形。通过实践与摸索，一般认为正极点焊棒以长方形为好，长方形利于焊棒的磨削角度正对换向器的钩，形成良好焊接，利于增加接触面从而降低接触电阻的变化。

另外，正极磨削角度有利于换向器钩子与铜片的预压接触及点焊成形，根据不同的铜线直径与钩子设计，磨削角度应有不同设定。

2 点焊准备与过程控制

点焊前，应检查钨棒点焊表面是否平整光洁，铜极表面无任何杂质（在生产过程中应定时清洁）。

焊棒位置应调整到位。要得到好的点焊质量，点焊的负极应早于正极接触换向器，换向器钩子的尾端应最先被负极铜片压住，图2中焊极位置可供参考。工程师应根据实际的设备与零件情况确定最合适的位置。

点焊正极的露出长度尽可能短，利于水循环散热，同时也降低压降损失。

批量生产过程中应特别注意检查正负极和冷水机的运行状态，确保冷却效果。

定时检查点焊后钩的表面质量，如表面焊点不光整就有必要调换焊棒。此外，正常情况下每个点焊棒可点焊2000次左右。

图2 电极位置示意图

点焊完成后，需在线进行必要的检查和测试，剔除废品，以免装机后发生工具快速失效现象。常见的点焊失效一般为：挂钩开裂或断裂，过焊，虚焊。

常用的在线检测主要包括：

1）目测（100%全检）：换向器挂钩无锈迹，钩子与换向器铜片间无缝隙，钩子无损。

2）目测（100%全检）：钩子焊后位置正，不偏（偏离极限为不超出整流子铜片），表面光洁，两侧铜线烧焦适当（能目测到换向器钩子两侧铜线均有绝缘漆烧焦）。

3）机械检查（抽检）：换向器冷却至室温后用钳子打开挂钩，打开时可听及钩子的脱离声。

4）机械检查（抽检）：打开挂钩后，钩子下的铜线绝缘层应被完全烧除，铜线上无黑色残留物，铜线与钩子焊接良好。铜线适当压扁（压扁极限为铜线在整流子轴向宽度最大可至直径的1.5倍），如图3所示（d为铜线直径）。

图3 铜线压扁极限示意图

5）电气性能检查（100%全检）：用设备测量点焊电阻（换向器铜片至铜线之间电阻），针对绝大部分的电动工具用电动机，点焊电阻应≤0.5 mΩ。

6）电气性能检查（100%全检）：用设备测量换向器铜片间无短路。

3 结语

综上所述，为确保电动机换向器点焊质量，应进行科学设计，严格制订点焊工艺规范，在实际操作加强过程控制，并注重在线检测。在线检测仅作为探测手段对转子点焊的质量进行删选，并不能提高点焊本身质量，制造商应定期对在线检测的数据进行系统分析，针对常见的失效模式找出根源，优化设计，从而提高电动机乃至整台电动工具的使用寿命。

[1]胡志强等.电机制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]鲍盛波.点焊工艺对电机寿命的影响[J].微特电机，2008(3).

Discussion and Research on Hot Staking Process of Power Tools Motor

Sun Chaoying
( Bosch Power Tools (China) Co., Ltd., Hangzhou 310052, China )

Introduce principle of Hot Staking process. Analysis key parameters which influence Hot Staking quality, Remaining heat energy, welding current, welding time and resistance. Analysis Hot Staking preparation and process control from manufacturing process point of view.

Hot Staking Hot Staking energy Remaining heat energy on electrode pole Resistance

TM08

A

1674-2796（2014）04-0001-03

2014-05-10

孙超英（1961—）女，大专，工程师，主要从事制造业工厂管理工作。