李遠(yuǎn)遠(yuǎn)，唐峰，柯凱

（華域汽車電動(dòng)系統(tǒng)有限公司，上海 201323）

0 前言

近年來，國(guó)內(nèi)外新能源汽車市場(chǎng)逐步由政策驅(qū)動(dòng)型轉(zhuǎn)向市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)型。市場(chǎng)對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求逐漸向著高功率密度、高效率、高轉(zhuǎn)速及平臺(tái)化的方向發(fā)展，而扁線繞組電機(jī)憑借其在效率、散熱和性能等方面的明顯優(yōu)勢(shì)，逐漸替代圓線繞組電機(jī)，成為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。

扁線電機(jī)，是指定子繞組采用截面積為矩形的扁狀漆包線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓形漆包線[2]。因其單根“U”形外觀的漆包線形狀像發(fā)卡（hairpin），又稱為發(fā)卡電機(jī)或hairpin 電機(jī)[3]。在扁線電機(jī)制造組裝過程中，首先將各個(gè)扁線發(fā)卡插入到定子槽內(nèi)，經(jīng)過扭頭、切頭工序后，最后將各個(gè)發(fā)卡末端焊接起來，從而實(shí)現(xiàn)線路的連接。

隨著電動(dòng)車動(dòng)力需求的增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來越高，扁線電機(jī)hairpin 繞組的層數(shù)也由最初的2 層、4層升級(jí)到最新的8 層。對(duì)于扁線電機(jī)制造過程中的焊接工藝環(huán)節(jié)來說，繞組層數(shù)的增加造成hairpin 焊接數(shù)量的成倍增加，而現(xiàn)有的hairpin 焊接方法TIG焊和CMT 焊效率較低，因此需要同步升級(jí)一種更高效的焊接方法以滿足多層扁線電機(jī)量產(chǎn)節(jié)拍要求。

室溫22 ℃時(shí)，紫銅對(duì)近紅外激光的吸收率很低，約為5%，因此紫銅對(duì)激光的高反射特性限制了激光在紫銅焊接中的應(yīng)用。近年來優(yōu)質(zhì)光束、高功率激光器的大幅度市場(chǎng)化，為紫銅激光焊提供了很大可能。扁線電機(jī)中hairpin 激光焊，存在對(duì)激光高反射率、對(duì)表面漆皮殘留敏感、焊接工藝參數(shù)窗口小等特點(diǎn)，對(duì)焊接質(zhì)量調(diào)試有很大挑戰(zhàn)。

已有國(guó)外供應(yīng)商將激光焊應(yīng)用于hairpin 焊接，并實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。因此，研究hairpin 激光焊參數(shù)、掌握核心焊接工藝，對(duì)提高國(guó)內(nèi)扁線電機(jī)廠商技術(shù)積累和競(jìng)爭(zhēng)力提升有較大價(jià)值。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用激光發(fā)生器為IPG 光纖激光器，最大功率8 000 W，輸出激光波長(zhǎng)1 070 nm，屬于近紅外激光，已有研究證實(shí)了近紅外波長(zhǎng)的激光焊接銅的可行性[4]。激光鏡頭采用2D 高功率振鏡頭，配套視覺相機(jī)及相機(jī)識(shí)別處理軟件，用于銅線hairpin 位置識(shí)別和角度補(bǔ)償。激光焊接扁線電機(jī)hairpin 連接線的試驗(yàn)設(shè)備原理圖如圖1 所示。焊接過程為：? 夾具對(duì)待焊銅線進(jìn)行定位；κ 相機(jī)對(duì)待焊銅線進(jìn)行拍照；λ 識(shí)別軟件對(duì)銅線pin 位置x,y坐標(biāo)，傳遞給振鏡；μ 激光器發(fā)出激光，通過振鏡到達(dá)銅線pin 腳位置，進(jìn)行焊接。

圖1 hairpin 激光焊試驗(yàn)設(shè)備原理圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為電工用扁狀漆包線，成分為TU2 無氧紫銅，滿足國(guó)標(biāo)GB/T 3952—2016《電工用銅線坯》。銅線截面尺寸為3.5 mm×1.7 mm，焊前使用刮漆設(shè)備對(duì)扁銅線待焊接部位4 個(gè)面的漆皮進(jìn)行剝除，剝除要求為露出裸銅，銅材表面及R角處無漆皮殘留。

1.3 試驗(yàn)方法

在hairpin 激光焊試驗(yàn)中，影響焊點(diǎn)成形的因素很多，有激光功率、焊接速度、激光軌跡尺寸、激光軌跡重復(fù)圈數(shù)及離焦量等?；谇捌谝延械墓に囂剿髟囼?yàn)經(jīng)驗(yàn)，該研究選用激光功率、焊接速度這2 個(gè)對(duì)焊點(diǎn)成形影響較大的因素作為變量，激光軌跡、重復(fù)圈數(shù)和離焦量保持一致。激光功率設(shè)置范圍為2 500～3 500 W，焊接速度設(shè)置范圍為100～300 mm/s，旨在找到最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。課題共設(shè)置了9 組參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，編號(hào)為1～9 號(hào)，其焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 激光焊工藝參數(shù)

通過觀察接頭的金相組織、缺陷來推測(cè)接頭力學(xué)性能。接頭經(jīng)過鑲嵌、水磨、機(jī)械拋光，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，用4%的FeCl3酒精溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為10～15 s。用WMJ-9638 系列倒置金相顯微鏡對(duì)接頭組織形態(tài)、缺陷特征進(jìn)行觀察。使用金相顯微鏡配套的圖像分析軟件，對(duì)焊縫中的最大氣孔直徑、孔隙率、焊縫橫截面積進(jìn)行測(cè)量、統(tǒng)計(jì)。

采用Regulus8230 掃描電子顯微鏡對(duì)氣孔位置的微觀形貌進(jìn)行觀察，并使用Escalab 250Xi X 射線電子能譜分析測(cè)試儀，對(duì)氣孔位置進(jìn)行點(diǎn)分析和面分析。

按照《GMW17143 電機(jī)扁銅線拉力測(cè)試程序》制取拉力試樣，每組焊接參數(shù)取3 個(gè)試樣，測(cè)試結(jié)果取三者平均值。用SANS CMT 5205 型電子萬能拉伸機(jī)進(jìn)行拉力試驗(yàn)，速率為30 mm/min。

參照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)》的要求，對(duì)試樣進(jìn)行打磨拋光后，在Evernote MH-5顯微維氏硬度儀上測(cè)量各個(gè)焊接接頭母材、焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬區(qū)域的維氏硬度，所用載荷為1.96 N，加載時(shí)間為5 s。焊點(diǎn)拉力測(cè)量及硬度測(cè)量如圖2 所示。

圖2 hairpin 焊點(diǎn)拉力及硬度測(cè)試示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 hairpin 激光焊焊點(diǎn)成形原理分析

激光焊的光斑較?。ㄒ话阍?.2 mm 以下），而銅線截面相對(duì)較大，因此激光光斑必須擺動(dòng)、形成一個(gè)覆蓋銅線截面的重復(fù)軌跡，才能有充足的時(shí)間和熱量熔化足夠多的母材金屬進(jìn)而形成飽滿的焊球。試驗(yàn)中的激光波長(zhǎng)為1 070 nm，根據(jù)銅材對(duì)1 070 nm 波長(zhǎng)激光的吸收率特點(diǎn)，室溫下吸收率低于10%，溫度提升至400 ℃時(shí)，對(duì)激光的吸收率增至40%左右，而后溫度繼續(xù)增加，吸收率穩(wěn)定在50%左右，而不會(huì)繼續(xù)提升[5-6]。

圖3 展示了某一焊接工藝參數(shù)下，hairpin 激光焊焊點(diǎn)成形過程的高速相機(jī)照片?？梢钥闯觯琱airpin 焊點(diǎn)成形的過程為：激光出光→銅材逐漸熔化→激光軌跡循環(huán)→銅材持續(xù)熔化→激光停止→熔池凝固→焊點(diǎn)成形。如圖3(b)所示，在第1 圈結(jié)束時(shí)，由于熱輸入較小且銅對(duì)激光的吸收率較低，銅線pin 之間未形成熔合，此時(shí)激光僅熔化了部分母材及對(duì)其余母材起到了預(yù)熱作用。如圖3(c)所示，在第2 圈結(jié)束時(shí)，母材進(jìn)一步熔化，而在圖3(d)的第3 圈結(jié)束時(shí)，母材的熔化量基本能覆蓋兩根銅線的截面。激光軌跡第5 圈結(jié)束時(shí)，銅材持續(xù)吸收了更多的激光能量，熔化量足夠多，在表面張力的作用下，熔融金屬形成一個(gè)焊球形狀，并隨之凝固成形。

圖3 高速相機(jī)下的激光焊hairpin 焊點(diǎn)成形過程圖

由此得出的結(jié)論是，hairpin 激光焊的過程是激光與銅材作用的過程。初始階段，激光的主要作用為預(yù)熱母材，提高母材對(duì)激光的吸收率。中間階段，激光的主要作用為熔化足夠多的母材，覆蓋在兩根銅線截面上。最后階段，熔融母材在自身表面張力的作用下形成焊球。因此，對(duì)hairpin 激光焊工藝而言，光斑軌跡的圈數(shù)、路徑大小是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，其對(duì)焊點(diǎn)成形、焊球大小起著至關(guān)重要的作用。

值得注意的是，激光焊接煙塵是hairpin 激光焊過程中的顯著現(xiàn)象。由文獻(xiàn)[7]可知，大功率激光深熔焊過程中，激光對(duì)銅材金屬表面的高能作用，導(dǎo)致材料劇烈汽化，在母材激光作用的區(qū)域形成了“匙孔”。高能激光束使大量的金屬蒸汽從匙孔中向外噴射，噴射出的部分金屬氣體發(fā)生電離，形成了“光致等離子體”。等離子云會(huì)對(duì)激光光束產(chǎn)生吸收、散射等損耗，導(dǎo)致實(shí)際到達(dá)母材表面的能量減弱，從而可能導(dǎo)致焊接成形不良。因此，采取一定的措施，消除等離子云的損耗效應(yīng)，是hairpin 激光焊的關(guān)鍵之一。

2.2 hairpin 激光焊焊點(diǎn)成形對(duì)比

該章節(jié)考查了激光焊接參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)成形的影響。采用表1 中的焊接工藝參數(shù)，對(duì)hairpin 進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)，并通過金相法獲得不同焊接工藝參數(shù)下hairpin焊點(diǎn)的成形圖，如圖4 所示。圖4(a)～圖4(c)是2 500 W功率、100～200 mm/s 焊接速度下的焊點(diǎn)成形照片，可以看出由于激光功率（2 500 W）不足，銅材熔化量很少，兩根銅線剛剛?cè)酆显谝黄?，未?shí)現(xiàn)可靠連接。同時(shí)可以看出，在激光功率一定的情況下，隨著激光速度的增加，輸入到銅材上的熱量逐漸降低，導(dǎo)致銅材的熔化量越來越少，未形成有效的熔深、熔寬。此外，圖4(b)焊縫內(nèi)部出現(xiàn)了直徑約為240 μm 的氣孔。

圖4 不同工藝參數(shù)下激光焊hairpin 焊點(diǎn)宏觀形貌

圖4(d)～4(f)是3 000 W 功率、150～250 mm/s 焊接速度下的焊點(diǎn)成形照片?？梢钥闯?，3 種焊接參數(shù)下焊球均能夠成形，原因是激光焊接的方式為深熔焊，焊縫的熔池產(chǎn)生了匙孔，使激光束能量吸收率大大增加。但圖4(d)由于激光功率大、焊接速度慢，單位時(shí)間的熱輸入過大導(dǎo)致焊球過大，相對(duì)來說圖4(e)的焊球尺寸飽滿，滿足要求。而圖4(f)雖然焊球已成形，但是焊球相對(duì)較小。同時(shí)可以看出，圖4(d)～圖4(f)均出現(xiàn)了不同程度的小氣孔，相對(duì)來說圖4(e)的氣孔較少。

圖4(g)～圖4(i)展示了激光功率3 500 W、焊接速度200～300 mm/s 參數(shù)下的成形情況?？梢钥闯?，保持激光功率3 500 W 不變，接頭的熔深、熔寬及飽滿程度與焊接速度呈反相關(guān)。圖4(g)焊點(diǎn)飽滿，圖4(h)焊點(diǎn)相對(duì)較為飽滿。圖4(i)由于焊接速度過大，熱輸入量不足導(dǎo)致母材熔化量不足，無法形成有效焊點(diǎn)。

對(duì)比分析圖4(c)、圖4(e)、圖4(g)，可以看出，激光軌跡速度一定（200 mm/s）的情況下，隨著激光功率地增加，焊縫的熔深不斷增加，焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔直徑越來越大且數(shù)量增加。原因可能是在激光功率增加時(shí)銅材焊縫熔池反應(yīng)劇烈程度增加，使得氣孔產(chǎn)生的可能性增大，且熔深越深越不利于氣孔的溢出[8]。

2.3 hairpin 激光焊焊點(diǎn)氣孔區(qū)域能譜分析

金相試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)hairpin 焊點(diǎn)內(nèi)部存在較多的氣孔。為分析氣孔的類型和產(chǎn)生原因，在掃描電子顯微鏡下采用能譜儀（EDS）對(duì)接頭中的氣孔區(qū)域進(jìn)行成分測(cè)試，如圖5 所示。

圖5 焊點(diǎn)氣孔區(qū)域的能譜點(diǎn)分析、面分析結(jié)果

氣孔區(qū)域能譜點(diǎn)分析如圖5(a)所示，對(duì)應(yīng)的成分分析結(jié)果見表2?？梢钥闯?，氣孔邊緣和中心區(qū)域均成分均為Cu 和O 元素，其中邊緣區(qū)域的O 元素相對(duì)較高。

表2 氣孔區(qū)域能譜點(diǎn)分析成分結(jié)果

圖5(b)為氣孔區(qū)域的面分析結(jié)果，同樣表明了O 元素在氣孔邊緣含量高的特點(diǎn)。由此可以推斷hairpin 焊接過程中氣孔是由O 元素引起，其來源主要是空氣、絕緣漆層及銅材污染。氣孔形成的過程是，焊接高溫條件下銅與氧親和力大，生成Cu2O。Cu2O 與溶解在液態(tài)銅中的氫發(fā)生反應(yīng)，形成的水蒸氣不溶于銅中。由于銅的導(dǎo)熱性強(qiáng)，熔池凝固較快，反應(yīng)生成的水蒸氣來不及溢出而形成氣孔[9]。因此，防止上述反應(yīng)型氣孔的主要途徑為：嚴(yán)控銅材的含氧量，保證焊前銅材不受污染，同時(shí)保證線成形過程中漆皮去除的潔凈程度。

2.4 hairpin 激光焊焊點(diǎn)熔深、熔寬及氣孔情況

熔深和熔寬對(duì)焊縫成形以及焊點(diǎn)力學(xué)性能具有較大的影響。熔深是指母材的熔化深度，其直接決定了焊縫區(qū)域與母材之間的結(jié)合強(qiáng)度，也決定著焊點(diǎn)的承載能力。熔寬是指焊縫寬度，其同樣影響著焊點(diǎn)強(qiáng)度和導(dǎo)電面積。試驗(yàn)所采用銅材的截面尺寸為3.5 mm×1.7 mm，根據(jù)仿真分析及振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)此線型的焊接要求為：熔深≥1.7 mm，熔寬1.7～2.2 mm，截面積≥10 mm2。

表3 對(duì)1～9 號(hào)焊接參數(shù)下的焊點(diǎn)熔深、熔寬、最大氣孔直徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯觯?～3 號(hào)參數(shù)下焊點(diǎn)的熔寬和截面積達(dá)不到要求。4 號(hào)焊點(diǎn)熔深和截面積滿足要求，但由于熔寬過大，超過2.2 mm 的標(biāo)準(zhǔn)，因此判定為不合格。5 號(hào)和7 號(hào)焊點(diǎn)在熔深、熔寬和截面積3 個(gè)方面均滿足要求。而6 號(hào)、8 號(hào)和9 號(hào)焊點(diǎn)橫截面積均不滿足要求。

表3 焊點(diǎn)熔深、熔寬、截面積統(tǒng)計(jì)

孔隙率，是指在焊點(diǎn)中所有氣孔比例占截面積的百分比，通常借助金相分析軟件進(jìn)行像素占比分析。對(duì)于hairpin 焊點(diǎn)而言，孔隙率影響著焊點(diǎn)的承載能力和導(dǎo)流面積。孔隙率大，電流的導(dǎo)流面積小，造成焊點(diǎn)局部發(fā)熱嚴(yán)重。最大氣孔直徑，是考核焊點(diǎn)中最大氣孔的直徑大小。過大的氣孔，易成為焊點(diǎn)強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，在產(chǎn)品動(dòng)態(tài)服役周期中容易形成裂紋，造成產(chǎn)品失效。因此除了規(guī)定焊點(diǎn)的孔隙率上限外，還要規(guī)定最大氣孔直徑的上限。經(jīng)電機(jī)整體的仿真分析和實(shí)際驗(yàn)證得出，對(duì)于hairpin 焊點(diǎn)孔隙率標(biāo)準(zhǔn)≤2.0%，最大氣孔直徑標(biāo)準(zhǔn)≤0.5 mm。

圖6 為1～9 號(hào)焊接參數(shù)下的焊點(diǎn)的孔隙率和最大氣孔直徑統(tǒng)計(jì)情況?？梢钥闯?，7 號(hào)樣品的最大氣孔直徑不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。6 號(hào)和7 號(hào)樣品的孔隙率不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 不同激光焊hairpin 焊點(diǎn)孔隙率及最大氣孔統(tǒng)計(jì)

綜合考慮焊點(diǎn)的熔深、熔寬、截面積、孔隙率和最大氣孔直徑等五個(gè)方面的考核因素，在1～9 號(hào)樣品中，僅有5 號(hào)樣品滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 hairpin 激光焊焊點(diǎn)拉力性能分析

拉力數(shù)值是hairpin 焊點(diǎn)最重要的考核性能指標(biāo)之一，預(yù)示著電機(jī)產(chǎn)品在服役期間的壽命長(zhǎng)短，影響著整車可靠性和耐久性。一般認(rèn)為，拉力的大小取決于焊點(diǎn)的承載面積、焊點(diǎn)氣孔和裂紋情況。測(cè)試采用鋼絲法測(cè)試，焊點(diǎn)拉力要求為≥800 N。

圖7 為不同焊接工藝參數(shù)下激光焊hairpin 焊點(diǎn)拉力性能的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)及9 號(hào)樣品，拉力數(shù)值均低于800 N，判斷為不合格狀態(tài)，原因是未熔化足夠多的銅材形成有效焊點(diǎn)，導(dǎo)致焊點(diǎn)的承載面積過小。4～8 號(hào)樣品的拉力數(shù)值均超過了800 N，其中4 號(hào)和5 號(hào)樣品拉力數(shù)值超過標(biāo)準(zhǔn)（800 N）的60%，7 號(hào)和8 號(hào)樣品超過標(biāo)準(zhǔn)的約40%，而6 號(hào)樣品超過標(biāo)準(zhǔn)約25%。結(jié)合2.2 節(jié)中的焊點(diǎn)金相照片可知，焊點(diǎn)成形飽滿、內(nèi)部無大氣孔和裂紋，其承受負(fù)載的能力越大，抗拉強(qiáng)度越好。

圖7 不同激光焊參數(shù)下hairpin 焊點(diǎn)拉力

2.6 hairpin 激光焊焊點(diǎn)顯微硬度分析

焊接接頭的硬度測(cè)試可以反映出焊接過程中的熱輸入對(duì)焊縫區(qū)域、熱影響區(qū)域及母材的影響程度。在焊接過程中焊縫區(qū)域的熱量較大，傳導(dǎo)至與焊縫臨近的母材區(qū)域，導(dǎo)致此區(qū)域過熱而發(fā)生明顯的組織和性能變化。通常情況下，組織變化表現(xiàn)為晶粒粗大，性能變化表現(xiàn)為塑性和韌性降低，通常稱為“軟化”[10]。

為對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用起到指導(dǎo)作用，選用不同熱輸入量的組別（2 號(hào)、4 號(hào)和7 號(hào)樣品組）焊點(diǎn)不同區(qū)域（焊縫、熔合線和熱影響區(qū)）進(jìn)行硬度測(cè)試，硬度分布規(guī)律如圖8 所示。可以看出不同焊接熱輸入下激光焊hairpin 接頭硬度變化規(guī)律基本相同，即焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域均有一定程度的軟化現(xiàn)象。

圖8 不同焊接熱輸入下激光焊hairpin 焊點(diǎn)顯微硬度

不同的焊接熱輸入對(duì)焊縫區(qū)域的軟化影響有較為明顯的區(qū)別，表現(xiàn)為7 號(hào)樣品硬度值最低，2 號(hào)樣品硬度值最高。而不同的焊接能量對(duì)熔合線及熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象有一定程度的影響，但沒有特別明顯，硬度值基本穩(wěn)定在53 HV 左右。

由此可見，由于激光焊熱量集中、焊接時(shí)間短的特點(diǎn)，其不同焊接熱輸入下對(duì)硬度的影響集中在焊縫區(qū)域，而對(duì)熱影響區(qū)硬度的影響未見特別明顯差異。

3 結(jié)論

（1）綜合考慮焊點(diǎn)外觀、金相、孔隙率、力學(xué)性能等因素，針對(duì)試驗(yàn)的最佳激光焊接工藝參數(shù)為5 號(hào)：激光功率3 000 W、焊接速度200 mm/s、離焦量0 mm，焊接軌跡為?2.5 mm 的圓形，軌跡重復(fù)次數(shù)為5。

（2）在無保護(hù)氣體的條件下激光焊接hairpin，焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)一定程度的氣孔。能譜測(cè)試結(jié)果顯示，氣孔主要為反應(yīng)型氣孔，由氧元素引起。需嚴(yán)格控制銅材中的氧含量及漆包線去漆皮工序的潔凈度，以減少氧的來源。

（3）采用上述5 號(hào)最佳焊接工藝參數(shù)，熔深、熔寬、橫截面積高于標(biāo)準(zhǔn)要求。氣孔率為0.5%，最大氣孔直徑為0.1 mm，焊點(diǎn)拉力可達(dá)1 414 N，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于hairpin 激光焊工藝而言，使用合理的工藝參數(shù)，即使是在無保護(hù)氣條件下焊接，也可以得到滿足產(chǎn)品使用要求的焊點(diǎn)。

（4）顯微硬度測(cè)試結(jié)果顯示，不同焊接熱輸入下激光焊hairpin 接頭焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)域均有一定程度的軟化現(xiàn)象，但對(duì)焊縫區(qū)域的軟化影響更為明顯。