對于功能強大的電機尤其針對新能源電動汽車應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)象稳嘁。激光技術已被證明是可以用于定子生產(chǎn)的關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。扁銅線焊接工藝中焰络，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了通快焊接技術經(jīng)理劉源先生給大家詳細解說激光在電機生產(chǎn)過程中的一些具體應用符喝。

由于電動汽車需求的增長闪彼，電機制造商在為高產(chǎn)能、高質(zhì)量焊接尋求更有生產(chǎn)力的工藝协饲，更高程度自動化的實現(xiàn)是高產(chǎn)能需求的根本保證畏腕。因此，扁線型定子在很大程度上占了上風：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”）插入整個定子槽中茉稠，而不是像以前那樣在單個定子槽周圍纏繞圓銅線描馅。扁銅線矩形橫截面的典型邊緣長度在 2 至 4 mm之間把夸。該過程實現(xiàn)了更高的生產(chǎn)速度，并且可以輕松實現(xiàn)自動化脸夸。由于扁銅線比圓導線更硬尉武，扁銅線在電機中的對準可以被更好地控制。填充系數(shù)越大期油，熱負載容量越高源洒，電機功率也越大。銅線涂有絕緣層须拒，需要在兩端局部消融（扁銅線去漆）以實現(xiàn)接觸赘眼，在這里使用脈沖激光加工。與機械加工（如刨削和銑削）相比玛繁，激光加工的生產(chǎn)率提高了 80%发钞。

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号呜，然后進行焊接墙违。然而兩端并不總是理想地相互對齊。如果使用自動識別定位焊接叼枝，集成在激光光學系統(tǒng)中的基于圖像識別的傳感器系統(tǒng)有助于實現(xiàn)可靠和可再現(xiàn)的結果诽表，從而使電機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)

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

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泛啸、高效地剝離。激光聚焦到絕緣層中秃症，在納秒時間內(nèi)輸入能量并將其消融候址。PEEK 對激光的吸收率較高；對于 PAI 和 PAI+FEP种柑，建議使用激光脈沖預先處理以增加吸收率岗仑。

銅或會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)工藝聚请，因為銅的結構并未發(fā)生改變荠雕。在絕緣涂層與銅線的邊界處有可能產(chǎn)生毛刺，在后續(xù)焊接工藝中驶赏，極端情況下毛刺部分有粘在周圍的部件或夾具上的風險酬桦。如需要，可選擇使用飛秒脈沖進行二次加工，將極大優(yōu)化毛刺和變色現(xiàn)象桩眼。

在高效的消融過程中责什，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 系列激光打標系統(tǒng)可實現(xiàn)良好的去漆效果袄碱。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)颓涉，可以進一步優(yōu)化效率。根據(jù)工藝參數(shù)的不同存学，激光消融工藝后的銅線表面會存在微結構码承。這種影響可以通過增加頻率或調(diào)整聚焦位置被最小化凄跑。該工藝分兩步進行首先是剝離絕緣層优生，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 去漆時的頻率為 55kHz炭刺。第一次應以大約 1m/s 左右的高速完成泪确，然后以 600mm/s 的速度重復三次。對于清洗煮落，單次建議使用 255kHz 和 3000mm/s 的速度敞峭。在涂層厚度不均勻的情況下，將工藝參數(shù)對準較厚的一側是很重要的蝉仇。根據(jù)扁銅線類型的不同旋讹，可以實現(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轿衔。用飛秒激光器返工可以提高質(zhì)量沉迹。

圖四

PEEK 剝離后的邊緣質(zhì)量。

圖五

用飛秒激光二次加工害驹。

圖六：由于熱影響導致的銅的色變

圖七：在涂有 PEEK 的扁銅線上使用 TruMark 7050 進行消融鞭呕。碳化效應在邊緣可見。

02

工藝方法

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

從四個方向以 90° 角度進行加工佩嘀，基于 TruMicro 7060 實現(xiàn)。使用四個焦距 160mm 的 PFO 振鏡及 460μm 的方形光纖組合遵艰。每兩個 PFO 的組合使用 50:50 的能量分光沫杜。TruMicro 可配置 4 個出光口和 2 個分光模塊。在完成第一步扁銅線的兩個相對面去漆后，銅線剝漆位置從出光口 1 和 2 移動至出光口 3 和 4垛岛。此方案的最大單次去漆長度是 56mm暴艘。

從三個方向以 120° 角度進行加工。此種配置方法較為經(jīng)濟限剩，去漆效率中等柬沾，一般選擇 TruMark 7000 系列并配置長焦深。對于特定的扁銅線種類魂麦，也可以用 TruMicro 7060 來實現(xiàn), 聚焦鏡焦距一般選擇 160mm住秉。如選用TruMark 系列，由于單臺設備功率較低钧失，每臺設備都僅配置一個出光口及單獨振鏡睹傻，即需要三臺設備實現(xiàn)工藝；如使用 TruMicro 系列哼转，憑借其較高的功率優(yōu)勢可以通過分光方式明未，實現(xiàn)一個光束源搭載三個 PFO 振鏡的形式。

從兩個方向以小于 60° 角度進行加工壹蔓。這種配置方式僅推薦使用 TruMicro 7070趟妥，此種去漆方式存在一定的側邊絕緣涂層殘留風險。

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

左圖：在銅線的 3 個表面以 120° 角度進行加工

右上：在銅線的 4 個表面以 90° 角度進行加工

右下：在銅線的 2 個表面以小于 60° 角度進行加工酿联。這種方法只有矩形線才有可能。焦點必須被設置在銅線的中心夺巩。

扁銅線的焊接

圖八：扁銅線焊接過程

在插 Pin 制程之后贞让，定子上的扁銅線凸起端必須被一對一對地焊接在一起以實現(xiàn)最佳的物理接觸。在焊接準備過程中右木，切線機將扁銅線切割分離砰染，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塌卜。這里存在相當大的位置公差标增，扁銅線不可能總是被完美地互相對齊。涉及到高度偏移和間隙寬度的公差可能會對焊接過程產(chǎn)生負面影響启脉，因為公差過大將減小有效連接面杠卜。另一方面逐枢，焊接工藝對焊縫公差的要求非常嚴格。這個挑戰(zhàn)必須在焊接過程中解決坠屹。

圖九：焊接深度 2 到 3mm 的焊接好的扁銅線遍跌。每一對都有不同的方向和對齊，因此用有圖像識別的掃描光學元件是有必要的兵扭。

在焊接準備中哑立，我們推薦用吸塵設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杰捂。

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

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

由于需焊接的每對扁銅線位置瞒瘸、方向坷备、對齊程度并非總是符合標準焊接參數(shù)所接受的公差，我們使用 PFO 高速振鏡情臭，并通過圖像捕捉系統(tǒng)(VisionLine)進行定位省撑。基于攝像頭的傳感器系統(tǒng)將預先檢測每一對銅線的位置和方向俯在，并與振鏡自動實時校準竟秫，從而使扁銅線中的小間隙和定位偏差可以通過補正來繼續(xù)焊接工藝。

激光跷乐、光學模塊和檢測系統(tǒng)高度集成肥败，基本實現(xiàn)自動運行，必要時也可單獨實現(xiàn)功能泊宴⌒继剩基本上，一個這樣的標準化系統(tǒng)即可滿足生產(chǎn)钱图。

有很多飛濺的焊接

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)進行位置檢測

圖十一：基于攝像頭的 VisionLine 圖像處理系統(tǒng)荞狠，用于監(jiān)測焊接對象位置，并相應校準焊接工藝

我們使用擺動焊接以覆蓋較大的間隙撩怀。為了優(yōu)化扁銅線焊接工藝告锅，得到更好的焊點，需要對激光焊接光束的擺動路徑進行優(yōu)化双竣。在這里守迫，如果扁銅線在其短邊連接，特別推薦線型擺動焊接軌跡;另一方面，如果要在長邊連接公悟，則要選擇圓形或橢圓形擺動焊接軌跡盲趟。通過這種工藝，我們實現(xiàn)了高速焊接并最小化飛濺和氣孔的形成慎陵，實現(xiàn)的焊縫具有很高的抗拉強度與良好的熔深眼虱，可使扁銅線獲得最佳導電性。此外席纽，激光焊點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捏悬。這意味著當電機的安裝空間固定時，可實現(xiàn)更緊湊的電機設計润梯。

左圖：兩個扁銅線短邊連接的線型擺動焊幾何示意圖

右圖：兩個扁銅線長連接的圓形

橢圓擺動焊幾何示意圖

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

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