淺析汽車線束超聲波焊接影響接點撕裂力因素及解決方法

近年來，隨著國家汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展和一系列環(huán)保政策的出臺，用戶對汽車的安全性、舒適性和經(jīng)濟性的要求不斷提高，各汽車制造廠商對汽車零部件的環(huán)保要求和質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格。超聲波焊接作為一種新興的特種加工技術(shù)，已經(jīng)逐步應(yīng)用到了汽車線束加工中。相比傳統(tǒng)的焊接和壓接技術(shù)，超聲波焊接具有諸多優(yōu)點: 焊接材料不熔融、不弱化導(dǎo)體性能; 焊接后導(dǎo)電性能好，電阻系數(shù)極低;焊接時間短、效率高; 焊接無火花、煙霧、殘錫等。

眾周所知，超聲波焊接是超聲波傳遞到需焊接的金屬導(dǎo)體表面，然后施加一定的壓力，使兩個金屬導(dǎo)體的表面相互摩擦，形成分子層之間的熔合。而接點位置的撕裂力大小便是衡量分子層之間熔合效果的參數(shù)，分子間熔合效果越好，撕裂力就越大; 反之，撕裂力就越小，汽車在顛簸行駛中焊接處的幾根電線就越容易脫落分離，最終影響汽車的信號傳輸。

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1 撕裂力的標(biāo)準(zhǔn)及試驗方法

1.1 撕裂力的標(biāo)準(zhǔn)

撕裂力是指將導(dǎo)體接點處撕裂開所需要的力。一般取實驗過程中的最大力值，單位為N。目前國內(nèi)汽車線束的生產(chǎn)及檢驗標(biāo)準(zhǔn)主要采用QC /T 29106—2014《汽車電線束技術(shù)條件》。標(biāo)準(zhǔn)中的4. 5. 3 條款明確規(guī)定，接點采用無焊料焊接方法時，接點的撕裂力應(yīng)符合表1 的規(guī)定。

汽車線束作為汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體，在焊接完成后，接點位置不會再做其它加固處理，直接裝入波紋管中，需要經(jīng)受住各種復(fù)雜環(huán)境特別是顛簸行駛的考驗。因此，汽車線束焊接后撕裂力的大小對汽車電路的正常運行起著至關(guān)重要的作用。

1.2 撕裂力的試驗方法

接點的撕裂力試驗在拉力試驗機上進行，量程應(yīng)根據(jù)需要確定，示值誤差不大于±1%，樣件夾具應(yīng)均勻運動，夾具移動速度為20～200 mm/min 的恒定值。本文所涉及到的試驗統(tǒng)一采用100 mm/min的拉伸速度，該拉伸速度已被大多數(shù)的線束廠認可。

在測量汽車電線束的接點撕裂力時，一般取焊接接點寬度方向的、位于焊點表面、截面較小的電線上測量撕裂力。樣件長度應(yīng)保證固定到拉力試驗機上的最小長度。本文所涉及到的試驗統(tǒng)一采用200 mm樣件長度。

如圖1 所示，將樣件固定在拉力試驗機夾具上，沿電線軸線放線并施加拉力，記錄接點拉出過程中的最大拉力示值F。

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影響接點撕裂力因素及解決方法

汽車線束在超聲波焊接后接點撕裂力的大小受多種因素影響，但起決定性作用的主要為焊接的工藝參數(shù)、導(dǎo)體的排列方式、導(dǎo)體表面附著物的處理等三個關(guān)鍵因素。

2.1 導(dǎo)體焊接的工藝參數(shù)

影響超聲波焊接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有振幅、寬度、焊接能量和氣壓。振幅過小，寬度過大，能量太少，氣壓不足，容易導(dǎo)致焊接不牢，撕裂力就達不到要求; 振幅過大，寬度過小，能量偏多，氣壓太高，則又容易造成導(dǎo)體熔化的“過焊”現(xiàn)象。因此，針對不同焊接面積的導(dǎo)體，需要通過大量試驗，從小振幅、少能量、低氣壓開始，逐步加大參數(shù)，同步做撕裂力試驗，找出焊接效果最佳的工藝參數(shù)。

表2 是根據(jù)長期大量試驗數(shù)據(jù)的積累，總結(jié)出的適合不同截面的汽車線束焊接工藝參數(shù)，可供參考。

另外，超聲波焊接時焊頭會產(chǎn)生熱量，因此在批量焊接過程中還應(yīng)注意焊頭的冷卻，可采用壓縮空氣風(fēng)冷的方式對焊頭進行降溫，防止因焊頭溫度過高而造成焊接質(zhì)量不好。

2.2 焊接時導(dǎo)體的排列方式

同樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體，在焊接時排列方式不同，其焊接效果也有很大差異。在沃爾沃汽車線束制造過程中，三根0.35 mm2 的電線需要以1+2 的結(jié)構(gòu)用超聲波進行導(dǎo)體焊接，其排列方式見圖2(中間為焊接區(qū)，兩邊是電線) 。

取型號、規(guī)格、顏色一樣的電線分三組，在同樣的焊接工藝參數(shù)情況下，分別按圖2 所示的a、b、c三種排列方式進行超聲波焊接，各測20 個撕裂力數(shù)據(jù)(同一側(cè)兩根電線之間的撕裂力) ，結(jié)果見表3。

由表3 可看出，a 排列方式焊接后的撕裂力普遍較小，甚至有部分小于標(biāo)準(zhǔn)( 12 N) 的要求; b 排列方式焊接后的撕裂力相對穩(wěn)定，但操作不方便，焊接時需將一根電線插入到另外兩根電線的中間; c 排列方式焊接后的撕裂力全部符合要求，且比較穩(wěn)定。

這主要是因為超聲波震動是由焊頭產(chǎn)生的，其能量是從焊頭傳遞到鐵砧頂塊的，故越靠近底部的焊頭，能量就越大，越容易造成過焊情況; 另外，焊頭附近容易堆積熔融物、灰塵等，也會影響導(dǎo)體焊接的效果。

因此，在超聲波焊接時，采用c 排列方式，可以達到最佳的焊接效果。多根相同截面的電線在超聲波焊接時，有撕裂力要求的兩根電線應(yīng)放在中上層位置; 不同截面的電線在進行超聲波焊接時，應(yīng)將截面大的電線依次放在最下層，截面小的電線依次垂直向上排列，從而防止過焊或焊接不足。

2.3 導(dǎo)體表面附著物的處理

由于超聲波焊接是將超聲波傳到金屬表面，在壓力作用下，通過導(dǎo)體表面相互摩擦形成分子層之間的熔合。如果導(dǎo)體表面有油污、氧化、雜質(zhì)等，焊接質(zhì)量將受到很大影響。

(1) 單絲表面殘留的潤滑液。導(dǎo)體絞合前的單絲在生產(chǎn)時應(yīng)盡量將拉絲液或退火液的濃度控制在工藝范圍的下限，以減少單絲表面殘留的潤滑液。通常拉絲液的濃度控制在5.5%，退火液的濃度控制在0.5%，即可保證銅單絲不氧化，同時將銅單絲表面殘留的潤滑液減少至最低程度。

(2) 導(dǎo)體表面氧化。銅導(dǎo)體氧化后會在表面形成一層氧化銅，使導(dǎo)體表面發(fā)黃甚至發(fā)黑。這層氧化銅會阻礙銅分子之間的熔合，從而影響焊接后的撕裂力。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)體表面氧化程度越深，則焊接后的撕裂力越小，因此在電線的整個生產(chǎn)過程中都要做好防氧化處理。若待焊接的汽車電線采用的是緊壓導(dǎo)體，最好在導(dǎo)體絞合緊壓時使用0.1%～0.4%的苯丙三氮唑酒精溶液，將抗氧劑溶解在工業(yè)酒精中，用輸液管滴入束絞的單絲或并絲中，以起潤滑和冷卻束絞線的作用，可防止緊壓導(dǎo)體在銅絞線過拉拔模時因溫度升高而引起的表面氧化，還可對拉絲過程中銅絲表面的殘留物起到清洗作用，進而可以達到更好的焊接效果。

(3) 塑料析出物。待焊接的電線應(yīng)遵循先進先出原則，盡量減少庫存時間。避免因長時間存放導(dǎo)致塑料的析出物粘附在導(dǎo)體表面，影響焊接質(zhì)量。

圖3 是2TBD 0.35 電線超聲波焊接后的撕裂力隨電線存放時間的變化。從曲線的變化趨勢可以看出，電線存放時間越長，導(dǎo)體表面粘附的塑料析出物就越多，焊接質(zhì)量越差，撕裂力越小; 反之則撕裂力越大。因此，需超聲波焊接的電線應(yīng)在半年內(nèi)使用，超過半年的電線再進行超聲波焊接時撕裂力會大大降低，甚至出現(xiàn)不合格的情況。

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結(jié)束語

目前，國內(nèi)大多數(shù)線束廠家采用的壓接、錫焊等傳統(tǒng)連接方式存在諸多弊端，如導(dǎo)體壓接卷曲后接觸電阻較大，增加了助焊劑等輔助材料的使用，焊接過程還會產(chǎn)生煙霧及殘錫等，而超聲波導(dǎo)體焊接則有導(dǎo)電性能好、經(jīng)濟高效、環(huán)保安全等優(yōu)越性。盡管汽車線束的超聲波焊接對焊接工藝、焊接導(dǎo)體的排列方式及導(dǎo)體表面附著物的處理有更高的要求，但是隨著人們的不斷摸索實踐，這些問題將逐步得到解決，超聲波焊接在汽車線束行業(yè)中的應(yīng)用也會越來越廣泛。

編輯：黃飛

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