浅谈超声波焊接与U型端子压接

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电线束是电气原理图的产品反映，是电气系统电源信号或数据信号进行传递或交换，实现电器部件功能，满足车辆行驶安全、可靠、娱乐实时控制的载体。而导线在汽车线束和整车电气系统中占有极其重要的地位。理想状态下，导线、端子、用电器之间的连接应该是零电位、零阻抗的载体。由于连接端的物理特性、环境特性和材料的特性，汽车电气系统中总是存在一定的电压降。一般来说，线路的电压降应当不超过电路电压的3%。例如在12 V电路中， 最大电压降不能超过0.36 V， 剩余的97%电压（11.64 V） 应该有效用于电器负载。由于汽车线束所用的导线直接存在多根导线合线连接的必然性，借助不同的工装设备、工艺方法，最大限度地降低因导线因素而引起的电压降，通常情况下，小于3mV均为合格电压降。

在汽车线束的生产制造过程中，对于需要合线连接的导线一般采用U型端子打卡连接、超声波焊接机对合线接点进行焊接，以及端子双线、多线共压连接等工艺方法。本文对U型端子打卡连接和超声波焊接的接点电压降做出分析与比较。


1 导线集中连接时通常采用的两种方式

目前导线集中连接时通常采用两种方式，一种是采用U型连接端子冷冲压接，另一种是采用超声波焊接。关于采用这两种方法的简要介绍和电压降对比，本文作了简要叙述，浅见与大家共同探讨。

1.1 U型连接端子冷冲压接

U型连接端子冷冲压接简称U型压接，是传统的导线连接压接方式。U型压接是根据接点线径总和选择U型端子（图1）和压接机，并为每个型号的U型端子制定专用的压接模具和钳口， 然后将两根或两根以上的导线借助U型端子压接设备冷冲压在一起的过程。U型压接示意图如图2所示。U型端子和压接机的选择对照见表1， 接点压接标准样表见表2。









压接机配备有压力监控装置，如图3所示。当出现异常情况（浅打、深打、漏线、铜丝打断、芯线翘出等）时，自动报警并锁定压接设备，必须手动解除锁定。压接参数和检测依据应符合QC／T29106的要求。封闭高度连续可调，精度可达0.03 mm，传动结构简洁，运转稳定可靠， 工作状态下只在压接瞬间做功。节省电能，独特的过载保护功能。公称压力80 kN， 调整量2 mm（0.079 in），行程40 mm（1.575 in）。接触电阻大，如果机械强度保证不了，还需要焊锡操作；生产效率低，且电焊需要助焊剂和焊料；焊接过程污染，焊接点电阻较大， 容易出现虚焊现象。U型压接常见的几种状态见表3。U型压接合格品如图4所示。







1.2 超声波焊接

1.2.1 超声波焊接工作原理

人的听力只能听到振动频率在20 Hz~16 kHz的声音，超出此范围的振动叫超声波。超声波焊接机及焊接区如图5所示，是通过一个电晶体功能设备将当前50／60 Hz的电频转变成20 kHz或40 kHz的高频电能，供应给转换器。



转换器将电能转换成用于超声波的机械振动能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波焊接机的焊头。焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置。振动通过焊接工作件传给粘合面，振动磨擦产生热能使塑胶熔化，振动会在熔融状态物质到达其接口时停止，短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生强分子键， 整个周期通常不到一秒种便完成。图6是焊接区的组成结构示意图。



工具头主要是由焊接头、铁砧连接块、铁砧顶块、聚合模块4 个部件构成。焊接时，将线垂直排列紧，贴着铁砧连接块，脚踏开关后，聚合模块向铁砧顶块方向移动，同时铁砧连接块连接铁砧顶块一同向下移动，将线紧紧压在焊接区域内，焊接头产生振动，将能量传递给铜线，从而使线束焊接在一起。在焊接时，除焊接头振动外，其他工具头都是不动的。焊接完成后，聚合模块退回，铁砧顶块退回（XL机），同时铁砧连接块升起，从而可取出线束。由于焊接头是振动的，而其他工具头是固定不动的，为防止各工具头与焊接头之间形成焊接而损坏焊接机， 故焊接头上表面与聚合模块底面、铁砧顶块侧面与铁砧连接块侧面留0.025 mm的间隙，使焊接头不能与其他工具头相互接触。这些间隙之间也不能留有碎铜等杂物，否则焊接时会造成工具头工作表面燃蚀，严重时可损坏电路板。由于超声波振动是由焊接头产生的，其能量是由焊接头传递到铁砧顶块的，故越靠近焊接头能量越大，并且能量是由上向下传递的，故放置线时应将粗线放在最下端，贴近焊接头面，较细的线依次向上垂直排列，这样可使粗线获得大的能量， 从而防止过焊或焊接不足。而垂直排列可防止侧面焊接，从而保证焊接品质。

1.2.2 超声波焊接对导线摆放操作要求

在进行超声波焊接时，需要设置有关参数，比如：导线截面积、导线对齐方式、压强、焊接间距、振幅、宽度、压力、能量等。焊接过程中，导线应垂直重叠排列，并且大截面线应在下面靠近焊接工具头，以使焊接充分；导体应紧靠铁砧面放置，彼此紧贴在一起，以使焊接后有足够的坚固性；导体重叠的长度一般设置成13~15mm，重叠长度太短焊接强度不易保证，重叠长度太长焊接端头易形成翘起，对下道工序操作不便。焊接处表面不允许出现氧化、断丝、缺损和绝缘层熔化现象。如图7所示，焊接与未焊接的过渡部位a应呈圆弧状，且在b区可见未焊接的导体端部。



1.2.3 超声波焊接的4个重要参数及优势

1） 振幅（Amplitude）在振动方向上，离振动起始点的最大距离，单位是微米。焊接时它们相互作用，从而直接影响到线的焊接品质，不同的线有不同的设置值。

2） 宽度（Width）聚合模块的表面与铁砧连接块的相对表面， 在焊接时它们之间的间距，单位是毫米，其大小决定着焊接的宽度。

3） 压力（Pressure）由铁砧顶块作用在焊接区铜线上的压力，其大小与气压有关，作用方向与振动方向垂直，单位是磅／平方英寸。

4） 能量（Energy）焊接过程中，焊接机释放出的总能量，单位是焦耳。即焊接时释放出的能量达到设置的值时，即完成焊接。

超声波焊接有它独特的优势：

①熔合强度高，焊接后导电性能优越， 电阻系数极低或近乎零；

②焊接材料具有不熔融、不脆弱的导体特性；

③焊接时间短， 效率大大提高， 快速、节能；

④焊接过程稳定， 在线检测控制；

⑤不需要任何气体、焊料、助焊剂；

⑥焊接无火花、烟尘， 既环保又安全；

⑦提高焊接品质， 保证了产品导体性能的可靠性。


2 导线电压降

所谓电压降，是指电流流通时，在电阻两端形成的电位差。根据欧姆定律U=R×I，当电路的电流一定时，电压与电阻成正比，即在大阻值电阻上形成的电压降大， 在小阻值电阻上形成的电压降小。

绝缘导线的电压降U由下式算出

U=IρL／A

式中：U——电压降，V；ρ——电阻率，Ω·mm2／m；L——导线长度，m；A——导线截面积，mm2。

笔者引用了QC／T29106—2004标准中的端子与电线压接处的电压降， 应不大于表4的规定。





3 导线连接点的电压降

在以前的很多资料中，一直以来，电压降的计算都存在经验估值。笔者通过多年工作经验，采用正确的测量方法为读者提供有力数据，读者可以根据线束产品设计要求的不同， 公司运营设备的资金投入等因素合理地采用导线连接方式。电压降试验线路图如图8所示。测试数据如表5所示。





3.1 导线连接点电压降的试验参数

测试样件：超声波焊接和U型压接各20件，左边导线0.75 mm2，右边一条导线0.5 mm2，另一条导线1.0mm2，均长200mm。导线连接如图9所示。



测试设备：50 A直流稳压电源（图10）和多功能测试仪（图11）。





测试标准QC／T29106—2004，测试环境温度22.6℃，测试环境湿度70%，大气压力100 kPa， 视力1.0以上，照明200～300 lx，目测距离0.3～0.5m。

对以上两种导线连接方式进行卡点电压降参数测量，测量方法要求符合QC／T29106—2004的规定。

测试结果：超声波焊接的电压降比U型压接的电压降低0.116～0.348mV，高频焊接电压降比U型端子打卡连接的电压降小，采用高频焊接接点线束的导电性能和信号传输性能较好。

3.2 超声波焊接的使用寿命

超声波焊接的使用寿命关键决定于以下几点。

1） 焊头材料超声波焊接要求金属材料有柔顺性好（声波传递过程中机械损耗小）的特点，所以最常用的材料为铝合金及钛合金。但超声波金属焊接要求焊头耐磨损（要求较高的硬度）， 这使材料的选择变得比较困难，因为硬度和韧性是天生对立的，这就要求选择非常高要求的优质钢材料，使焊头的有效寿命尽量地提高。因此造价很高。

2） 焊头加工工艺包括加工工艺及后续处理工艺、热处理及参数的修整，在每一个焊头制作完成后，都要单独进行参数的测定及调整，以保证焊接品质。

3） 焊接接点操作方法根据不同的焊接接点大小，设定适当的焊接参数。不合理的焊接参数和错误的操作方法，也会大大降低超声波焊头的使用寿命。

超声波焊接与U型端子压接的设备、成本等因素的分析对比见表6。



高频焊接成本略高， 但是为了占领高端市场、扩大市场份额，超声波焊接在线束上的应用已成为公认的最经济、品质最可靠的设计特征。

随着人们对汽车的安全性、舒适性要求的不断提高，主机厂对汽车零部件的要求也越来越高。与U型连接端子冷冲压接相比，超声波焊接作为一种新型的先进焊接技术，具有导电性能优越、快速、节能、环保等明显的优势，是汽车线束制造业高端装备的发展方向。