對(duì)于功能強(qiáng)大的電機(jī)尤其針對(duì)新能源電動(dòng)汽車應(yīng)用使用矩形截面的銅線（即扁銅線）生產(chǎn)定子已成為普遍現(xiàn)象。激光技術(shù)已被證明是可以用于定子生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝去漆與焊接的高質(zhì)量生產(chǎn)方式。去漆工藝采用脈沖激光去除所有常見的絕緣材料。扁銅線焊接工藝中，基于圖像定位的激光高速振鏡焊接已在速度和安裝空間使用方面被證明是一種高效的方案。

今天小編也特別邀請(qǐng)了通快焊接技術(shù)經(jīng)理劉源先生給大家詳細(xì)解說激光在電機(jī)生產(chǎn)過程中的一些具體應(yīng)用。

由于電動(dòng)汽車需求的增長，電機(jī)制造商在為高產(chǎn)能、高質(zhì)量焊接尋求更有生產(chǎn)力的工藝，更高程度自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)是高產(chǎn)能需求的根本保證。因此，扁線型定子在很大程度上占了上風(fēng)：制造商開始使用壓縮空氣將矩形銅線（因其形狀而稱為“扁銅線”）插入整個(gè)定子槽中，而不是像以前那樣在單個(gè)定子槽周圍纏繞圓銅線。扁銅線矩形橫截面的典型邊緣長度在 2 至 4 mm之間。該過程實(shí)現(xiàn)了更高的生產(chǎn)速度，并且可以輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由于扁銅線比圓導(dǎo)線更硬，扁銅線在電機(jī)中的對(duì)準(zhǔn)可以被更好地控制。填充系數(shù)越大，熱負(fù)載容量越高，電機(jī)功率也越大。銅線涂有絕緣層，需要在兩端局部消融（扁銅線去漆）以實(shí)現(xiàn)接觸，在這里使用脈沖激光加工。與機(jī)械加工（如刨削和銑削）相比，激光加工的生產(chǎn)率提高了 80%。

圖一：使用激光去漆和焊接的扁銅線

扁銅線嵌入槽中后，定子頂部和底部的突出端將被夾具（“扭頭”）擰在一起或固定到位，然后進(jìn)行焊接。然而兩端并不總是理想地相互對(duì)齊。如果使用自動(dòng)識(shí)別定位焊接，集成在激光光學(xué)系統(tǒng)中的基于圖像識(shí)別的傳感器系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)可靠和可再現(xiàn)的結(jié)果，從而使電機(jī)獲得可能的最高電流。

扁銅線去漆

扁銅線常見絕緣層：

▲ Polyamide-imides (PAI)

▲ Polyether ether ketone (PEEK)

▲ Polyamide-imides with polyimide foil (PAI+FEP)

過去，PAI 涂層在行業(yè)內(nèi)幾乎是最為常見的，但近期 PEEK 和 PAI+FEP 涂層的應(yīng)用有穩(wěn)定增長的趨勢(shì)。盡管 PAI 仍是迄今為止最廣泛應(yīng)用的涂層材料。

圖二：銅絕緣層：從左到右依次為 PAI, PEEK, 和 PAI+FEP

01  消融工藝

使用脈沖激光消融工藝將銅表面的絕緣涂層清潔、高效地剝離。激光聚焦到絕緣層中，在納秒時(shí)間內(nèi)輸入能量并將其消融。PEEK 對(duì)激光的吸收率較高；對(duì)于 PAI 和 PAI+FEP，建議使用激光脈沖預(yù)先處理以增加吸收率。

銅或會(huì)由于激光消融的部分熱影響而變色。但是變色并不影響后續(xù)工藝，因?yàn)殂~的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變。在絕緣涂層與銅線的邊界處有可能產(chǎn)生毛刺，在后續(xù)焊接工藝中，極端情況下毛刺部分有粘在周圍的部件或夾具上的風(fēng)險(xiǎn)。如需要，可選擇使用飛秒脈沖進(jìn)行二次加工，將極大優(yōu)化毛刺和變色現(xiàn)象。

在高效的消融過程中，我們使用 TruMicro 7070 和 TruMicro 7060 短脈沖激光器。以下是理想的工藝參數(shù)參考：

▲ 頻率: > 20 kHz

▲ 脈沖重疊: > 40%

▲ 光斑重疊: > 40%

▲ 脈沖能量: > 40 mJ

使用 TruMark 7000 和 5000 系列激光打標(biāo)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)良好的去漆效果。使用焦距 160mm 的聚焦鏡以盡可能提高消融效率; 搭配合理的激光器數(shù)量配置 (見下文)，可以進(jìn)一步優(yōu)化效率。根據(jù)工藝參數(shù)的不同，激光消融工藝后的銅線表面會(huì)存在微結(jié)構(gòu)。這種影響可以通過增加頻率或調(diào)整聚焦位置被最小化。該工藝分兩步進(jìn)行首先是剝離絕緣層，然后是清洗銅線表面（生產(chǎn)中使用兩套不同的激光參數(shù)）。例如 TruMark 7050 去漆時(shí)的頻率為 55kHz。第一次應(yīng)以大約 1m/s 左右的高速完成，然后以 600mm/s 的速度重復(fù)三次。對(duì)于清洗，單次建議使用 255kHz 和 3000mm/s 的速度。在涂層厚度不均勻的情況下，將工藝參數(shù)對(duì)準(zhǔn)較厚的一側(cè)是很重要的。根據(jù)扁銅線類型的不同，可以實(shí)現(xiàn) 0.3 到 3cm 以 2/s 的加工速度。

圖三

PEEK 的消融過程:可以看到過程窗口邊界的碳化。用飛秒激光器返工可以提高質(zhì)量。

圖四

PEEK 剝離后的邊緣質(zhì)量。

圖五

用飛秒激光二次加工。

圖六：由于熱影響導(dǎo)致的銅的色變

圖七：在涂有 PEEK 的扁銅線上使用 TruMark 7050 進(jìn)行消融。碳化效應(yīng)在邊緣可見。

02   工藝方法

使用激光可以將分離好的單個(gè)扁銅線進(jìn)行去漆，也可以基于整條銅線進(jìn)行去漆。例如可使用連續(xù)進(jìn)料方式進(jìn)行在線工藝，這種方式在扁銅線生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)切線機(jī)的進(jìn)料速度，可編程聚焦光學(xué)振鏡(PFOs)必須進(jìn)行不同的配置，以保持去漆位置位于 PFOs 工作區(qū)域。以下為三種可使用的配置策略建議:

從四個(gè)方向以 90° 角度進(jìn)行加工，基于 TruMicro 7060 實(shí)現(xiàn)。使用四個(gè)焦距 160mm 的 PFO 振鏡及 460μm 的方形光纖組合。每兩個(gè) PFO 的組合使用 50:50 的能量分光。TruMicro 可配置 4 個(gè)出光口和 2 個(gè)分光模塊。在完成第一步扁銅線的兩個(gè)相對(duì)面去漆后，銅線剝漆位置從出光口 1 和 2 移動(dòng)至出光口 3 和 4。此方案的最大單次去漆長度是 56mm。

從三個(gè)方向以 120° 角度進(jìn)行加工。此種配置方法較為經(jīng)濟(jì)，去漆效率中等，一般選擇 TruMark 7000 系列并配置長焦深。對(duì)于特定的扁銅線種類，也可以用 TruMicro 7060 來實(shí)現(xiàn), 聚焦鏡焦距一般選擇 160mm。如選用TruMark 系列，由于單臺(tái)設(shè)備功率較低，每臺(tái)設(shè)備都僅配置一個(gè)出光口及單獨(dú)振鏡，即需要三臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)工藝；如使用 TruMicro 系列，憑借其較高的功率優(yōu)勢(shì)可以通過分光方式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)光束源搭載三個(gè) PFO 振鏡的形式。

從兩個(gè)方向以小于 60° 角度進(jìn)行加工。這種配置方式僅推薦使用 TruMicro 7070，此種去漆方式存在一定的側(cè)邊絕緣涂層殘留風(fēng)險(xiǎn)。

取決于絕緣層的材質(zhì)，使用 TruMicro 系列，PAI 涂層扁銅線可以達(dá)到最高 13cm2/s (平均 7cm2/s) 的去漆效率。使用 TruMark 系統(tǒng)，PAI 涂層扁銅線可以達(dá)到 4cm2/s 的去漆效率。在去漆工藝中，激光工藝比機(jī)械加工快 40% 到 80%。

左圖：在銅線的 3 個(gè)表面以 120° 角度進(jìn)行加工

右上：在銅線的 4 個(gè)表面以 90° 角度進(jìn)行加工

右下：在銅線的 2 個(gè)表面以小于 60° 角度進(jìn)行加工。這種方法只有矩形線才有可能。焦點(diǎn)必須被設(shè)置在銅線的中心。

扁銅線的焊接

圖八：扁銅線焊接過程

在插 Pin 制程之后，定子上的扁銅線凸起端必須被一對(duì)一對(duì)地焊接在一起以實(shí)現(xiàn)最佳的物理接觸。在焊接準(zhǔn)備過程中，切線機(jī)將扁銅線切割分離，在銅線端口形成剪切后的光滑表面，接著被扭到一起或者被固定到位。這里存在相當(dāng)大的位置公差，扁銅線不可能總是被完美地互相對(duì)齊。涉及到高度偏移和間隙寬度的公差可能會(huì)對(duì)焊接過程產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)楣�差過大將減小有效連接面。另一方面，焊接工藝對(duì)焊縫公差的要求非常嚴(yán)格。這個(gè)挑戰(zhàn)必須在焊接過程中解決。

圖九：焊接深度 2 到 3mm 的焊接好的扁銅線。每一對(duì)都有不同的方向和對(duì)齊，因此用有圖像識(shí)別的掃描光學(xué)元件是有必要的。

在焊接準(zhǔn)備中，我們推薦用吸塵設(shè)備清潔扁銅線上可能的污染物。可最大程度的避免定子和夾具上的一些焊接缺陷和飛濺。

扁銅線焊接應(yīng)用解決方案可選擇 TruDisk 3001 至 8001 激光器系列與 TruLaser Cell 3000 自動(dòng)化平臺(tái)。激光器波長為 1030 nm，最大功率 6kW。

基于以上方案可實(shí)現(xiàn)高速、高品質(zhì)焊接（單個(gè)扁銅線焊點(diǎn)  t ≤ 0.4 s，取決于扁銅線的尺寸）。

由于需焊接的每對(duì)扁銅線位置、方向、對(duì)齊程度并非總是符合標(biāo)準(zhǔn)焊接參數(shù)所接受的公差，我們使用 PFO 高速振鏡，并通過圖像捕捉系統(tǒng)(VisionLine)進(jìn)行定位�；�于攝像頭的傳感器系統(tǒng)將預(yù)先檢測(cè)每一對(duì)銅線的位置和方向，并與振鏡自動(dòng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，從而使扁銅線中的小間隙和定位偏差可以通過補(bǔ)正來繼續(xù)焊接工藝。

激光、光學(xué)模塊和檢測(cè)系統(tǒng)高度集成，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，必要時(shí)也可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)功能�；�本上，一個(gè)這樣的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)即可滿足生產(chǎn)。

左圖：有很多飛濺的焊接

右圖：通過優(yōu)化后的光束使得飛濺大幅減少

圖十：使用集成化的高速振鏡與  VisionLine  圖像捕捉系統(tǒng)進(jìn)行位置檢測(cè)

圖十一：基于攝像頭的 VisionLine 圖像處理系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)焊接對(duì)象位置，并相應(yīng)校準(zhǔn)焊接工藝

我們使用擺動(dòng)焊接以覆蓋較大的間隙。為了優(yōu)化扁銅線焊接工藝，得到更好的焊點(diǎn)，需要對(duì)激光焊接光束的擺動(dòng)路徑進(jìn)行優(yōu)化。在這里，如果扁銅線在其短邊連接，特別推薦線型擺動(dòng)焊接軌跡;另一方面，如果要在長邊連接，則要選擇圓形或橢圓形擺動(dòng)焊接軌跡。通過這種工藝，我們實(shí)現(xiàn)了高速焊接并最小化飛濺和氣孔的形成，實(shí)現(xiàn)的焊縫具有很高的抗拉強(qiáng)度與良好的熔深，可使扁銅線獲得最佳導(dǎo)電性。此外，激光焊點(diǎn)的懸垂幾乎為零的特性給鐵芯凹槽和扁銅線位置更加靠近提供可能。這意味著當(dāng)電機(jī)的安裝空間固定時(shí)，可實(shí)現(xiàn)更緊湊的電機(jī)設(shè)計(jì)。

左圖：兩個(gè)扁銅線短邊連接的線型擺動(dòng)焊幾何示意圖

    右圖：兩個(gè)扁銅線長連接的圓形

    橢圓擺動(dòng)焊幾何示意圖

在扁銅線去漆工藝中，脈沖激光消融是非常經(jīng)濟(jì)可靠的工藝方案。我們可提供三種不同的去漆方案以滿足不同需求，客戶可根據(jù)自身實(shí)際情況選用不同的工藝方案及光學(xué)配置，與機(jī)械工藝相比，去漆效率最高可以提升80%。在扁銅線焊接工藝中，搭載 PFO 高速振鏡與圖像捕捉系統(tǒng) (VisionLine) 的 TruDisk 3001、5000、6001 或 8001 激光器系列可實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量焊接。碟片激光器、高速光學(xué)振鏡和圖像捕捉系統(tǒng)的結(jié)合同時(shí)滿足了電機(jī)扁銅線焊接的高質(zhì)量（低飛濺和氣孔）與高產(chǎn)能需求。此外，光學(xué)振鏡也為目標(biāo)元件多樣的焊縫外形提供了極為靈活的解決方案。

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