电磁开关焊铆的探索

1　概述

　　在电磁开关的装配中，目前国内各生产厂家在装配动触头时，拉杆上均采用挡圈(圈)固定。为了防止挡圈在运动中断裂，采用了铆接。但铆接后，容易出现拉杆变形或松动，影响动触头和静触头的配合间隙，使配合面变小，改变了电流的分布，接触处易产生拉弧，烧伤动触头和静触头，致使电磁开关工作不可靠。
　　电磁开关是启动机的一个关键部件，如果它的可靠性差，启动机在使用时，多半会因它的问题而不工作，这将导致汽车不能正常运行。因此，我厂开展了对电磁开关焊铆工艺的研究。

2　焊铆工艺的设计

　　焊铆是通过点焊机通电加热铆接处使其产生塑性变形，在焊机加热加压的作用下将铆接处镦粗，产生扩散而连接成一体的方法。
　　在设计焊铆工艺时，首先应考虑焊铆工艺能满足产品设计图纸规定，达到设计给出的各种技术条件和功能的要求。
　　因此，工艺设计时，应先考虑焊铆前的装配工艺的正确性，在此基础上，再设计焊铆的程序。
2.1　装配工艺
　　装配工艺的程序看来是简单的，但是，如果考虑不周全，多装或小装零件，前后顺序颠倒，也会影响电磁开关的绝缘性能，机械性能和电器性能。
　　因此，必须将上工序合格的各零部件按图1所示，在动铁心部件8上先按装返回弹簧7和缓冲弹簧6,再装绝缘垫圈3、盖板5,然后依次安装动触头片4、绝缘垫圈2和垫圈1。
2.2　焊铆参数设计
　　由于焊铆是靠金属加热后的塑性变形和扩散，而电磁开关拉杆是选用的低碳钢，其热塑变形(锻)体积上的加热温度一般选用1000℃。这样，可以对图1所示焊铆处的加热状态进行研究。

图1　拉杆组件

2.2.1　焊铆处的加热量
　　某产品如图1所示，它的焊铆处的直径为Φ3.5mm,高度为3.8mm,垫片厚度为1mm,这个体积上的加热温度为1000℃，焊铆处所需的加热量则为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Q=VCrT　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　V─被加热的体积，为0.38d2/4cm3；
　　　r─低碳钢的密度，为7.8g/cm3；
　　　C─比热容为0.11cal/(g.k)=460.548J/(kg.K)；
　　　T─加热温度。
代入(1)式则

　　

2.2.2　焊铆处加热的总热量
　　点焊时，焊接处的有效热量，根据现有的资料粗略估算约占10%～30%,如果将其热量损失设计为最小值，那么焊铆处加热需要的总热量则为
　　
　　由于焊铆处接近凸焊，可以将有效热量估算得更大一些，约占60%，此时，加热的总热量则为
　　
2.3　焊铆处的电阻
　　焊铆处的电阻R值可根据下式求出：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

　　式中q低碳钢的电阻系数ρ为13×10-6Ω.cm随焊接温度变化量为1.1则

2.4　焊接处的电流
　　根据Q₁和Q₂,设焊铆时间为0.3s,可利用焦耳定律求出焊铆时需用的电流强度。
　　Q=0.24I2Rt　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)
　　
　　焊铆时，要达到良好的塑性变形，根据实践和计算，可确定如下的参数范围：
　　焊接电流：3600～5000A；焊接时间：0.1～0.3s；焊接压力：3～4MPa。
　　这样，不但可以适应不同焊工的技术能力，也适应了焊机的变动。根据参数间的相互影响可以正确的选择焊铆参数。

3　焊铆电流通道的选择

　　焊铆参数范围确定后，焊铆电流的通道的选择直接影响着焊铆产品的质量。现讨论采用拉杆作焊铆电流的通道。
3.1　拉杆上的电阻
　　如果拉杆的长度为3cm,直径d为0.5cm,并将低碳钢的有关数据代入公式(2)则拉杆上的电阻为
　　
3.2　拉杆上的温度
　　焊铆通电时，由于拉杆为焊铆电流的通道，因此拉杆处在焊接回路上。如果焊铆用最小的电流I₂，将其与拉杆上的电阻和焊接时间0.3s代入公式(3)则拉杆上的热量
　　Q'=0.24×35702×0.0002494×0.3≈224.35cal≈939.309J
　　此时，拉杆上的温度T可把数据代入公式(1)进行计算则
　　
　　这一温度已经超过了拉杆的发兰温度线，焊铆产品出现此种现象是不允许的。焊铆实践也证实，采用拉杆作电流通道在拉杆上出现了发兰和镦粗的现象。如果焊铆电极与工件对中性差时，在焊接压力的作用下拉杆则会弯曲，将影响动触头和静触头的配合间隙，使配合面变小，当电磁开关的工作电流通过此处时，会使触头结合面严重烧损，甚至不通电。因此，不能用拉杆作电流的单一通道，而应采用分流和分散压力的工艺装备。

4　焊铆工装

　　为了完成这一部件的焊、铆，设计如图2所示的能够分流和分散压力的焊铆工装。它主要由导流板1和导流座3构成。

图2　焊铆工件与工装

4.1　导流板的设计
　　导流板是指电流通过焊铆区后，向构成焊接回路的拉杆方向流动的电流，经与拉杆接触的板将电流的大部分从导流座上流走，只让少量的电流从拉杆上流过，这块板即为导流板。
4.1.1　板宽与板长
　　板材可选用镉铜、铬锆铜。导流板的形状见图2。
　　导流板的边宽I₂等于动触头的边宽或大于动触边宽2～4mm。
　　导流板的边长l=2_l+(l₀+a)+2δ’
式中l₁—导流板与电磁开关盖板单边接触的长度和盖板与壁间配合间隙的和』
　　l₀—动触头的长度;
　　a—装配间隙;
　　δ＇—导流座装配槽的深度(壁厚)。
4.1.2　导流板装配槽
　　导流板上设置槽是为了在焊铆装配时，导流板能躲开动触头、绝缘垫圈，保证导流板与电磁开关盖板接触良好，使导流板不单有分流作用，而且还有分散压力的作用。因此，槽深
　　h＝δ₁＋δ₂＋b
式中　δ₁—动触头的厚度；
　　　δ₂—绝缘垫圈的厚度；
　　　b—间隙。
　　槽的长度为l₀+b_ζ;槽的宽度为l₂。
4.1.3　导流板的厚度
　　设导流板中心孔等于焊铆处的最大直径d_+0.01+0.03mm，深度为5mm，此时导流板的厚度
　　　　　　　δ＝5hmm
4.1.4　钻孔
　　按图2所示位置在导流板上钻孔。孔的大小为d＝6_+0.1+0.2mm。
　　加工时板的两平面必须平行，将板平分时应用1mm厚的铣刀通过孔的中心铣成两等分板。两板用M6的螺栓、螺帽连接来保证焊铆处良好的导电性。
　　两板的平面度应在0.02mm左右，表面粗糙度Ra1.6,这是利于装配时调整，保证焊铆组装的质量。
4.2　导流座
　　导流座是焊铆工装的定位部分，它与导流板、电磁开关拉杆组件2组成焊铆的下电极。它们是焊铆电流的通道，又是焊铆时压力的分压通道。如果设计不合理，不但影响分流，分散压力的效果，而且可能破坏电磁开关的塑料拉钩或是损伤钢拉钩。
　　导流座的制造材料可选用镉铜棒或紫铜棒。
4.2.1　导流座高度及其内孔高度的设计
　　设导流座的高度为h₀,固定槽上端到导流座上端面的高度为5mm,拉杆焊铆台面到铁芯底平面的高度为h₁,导流板的最大厚度为δ,电磁开关盖板的度为h₂,动铁芯底面到拉钩底端的距离为h₃,为了保证拉钩不与焊机下臂杆接触而损伤拉钩使其悬空，此距离设计为h₄,为了保证动铁芯底面与中孔底面良好接触，设计拉杆焊铆台面到导流板上平面的距离为h₅,则导流座的高度
　　h₀=5+(h₁-h₅)+(h₃+h₄)mm;
　　导流座大孔的深度为(5+δ+h₂+c)mm;
　　c为装配间隙，其值选用0.2mm;
　　中孔的深度为(h₁-h₅-δ-h₂-c)mm;
　　小孔的深度为(h₃+h₄)mm。
4.2.2　导流座的直径与其孔的直径设计
　　导流座的直径可按导流板的长度设计。
　　导流座的大孔可按电磁开关盖板直径，加上装配间隙c设计。
　　导流座的中孔可按动铁芯的直径加工配合间隙c设计。
　　导流座的小孔可按拉钩固定座的最大直径加上装配间隙以保证固定座、拉钩焊铆时不受电流和热传导的影响。
4.2.3　导流座装配槽的设计
　　导流座装配槽的宽度为导流板的宽度加2mm;槽的高度为导流板的厚度δ+c(间隙);其深度为导流座大孔的壁厚。
　　两个通槽上端面设计在离导流座上端面(平行于中孔底面)5mm的大孔两壁上，两槽宽的中心线应与导流座的中心线重合。
4.2.4　工件与夹具的装配
　　当工装按设计制造合格后，按图2所示把工件2装入导流座3内孔中，然后将导流板1插入导流座大孔两壁的装配槽内，并使其压住电磁开关盖板，又使拉杆焊铆处下部的轴活动在导流板的中心孔内。
　　由于电磁开关的缓冲弹簧和返回弹簧受到装配导流板的压力，两弹簧的作用力使电磁开关盖板和导流板、装配槽的上端面紧密结合，其阻值为0。然后固紧导流板上的两个螺钉，使导流板和拉杆间的接触电阻为零。

5　焊铆

5.1　焊机
　　焊机应采用随动性好的点焊机，它的功能应该满足本文2.4给出的参数要求。
5.2　焊铆电极
　　可选用紫铜、镉铜、铬锆铜棒，直径为10mm,工作端面选用平面。
5.3　焊铆时的对中心调整
　　焊铆时的对中心调整是指焊接处工作中心位置的调整，也就是焊机机头的中心，电极的中心，拉杆的中心，夹具的中心，必须处于同一中心线上，并垂直于机臂工作面，以免工件焊铆后变形。

6　夹具对焊件的影响

6.1　拉杆上的电流
　　采用夹具焊铆时，导流板紧固在拉杆上，其接触面为52л2mm,铜的电阻系数ρ为1.75×10-6Ω.cm，热影响区的宽度取1cm，则接触处的电阻
　　
　　当焊铆电流流出焊接区后，电流从导流板和拉杆上通过，此时的电阻为并联电阻
　　
　　若焊接电流取最大值5000A，则热影区的压降
　　
　　此时拉杆上流过的电流
　　
6.2　采用分流后拉杆上的温度
　　把I'代入公式(3)可求得拉杆上的热量
　　
　　此时把Q₃代入公式(1)可求得拉杆上的温度
　　
　　从这一温度看，T₂远远低于T₁。因此，采用夹具后，就是采用最大的焊铆电流和最长的焊铆时间，拉杆上流过的电流也只有I＇。如果把I＇增加50倍也不会达到低碳钢的兰脆温度，弹簧与拉杆短路也不可能使弹簧退火或淬火，而且导流板不但可以分流，还能分散焊铆时在拉杆上的压力，保证焊铆不变形。满足了电磁开关设计的功能要求。

7　结论

　　采用拉杆作焊铆电流的通道是不能保证焊铆质量的。因此，用实验来确定焊铆参数难免有偶然性。只有对焊接回路进行全面分析，又结合实验结果进行综合考查，才能确定正确的工艺设计方案。
　　实践和理论证明，电磁开关拉杆组件的焊铆只有采用分流和分散压力的夹具，才能保证焊铆产品的质量和产品的可靠性。

作者单位：贵阳电机厂

参考文献
1　毕惠琴．焊接方法及设备：电阻焊（第二分册）．北京：机械工业出版社，1981
2　中国机械工程学会焊接学会编．焊接手册．焊接方法及设备．北京：机械工业出版社，1992
3　浜崎正信．搭接电阻焊．北京：国防工业出版社，1977
4　卓礼章．可靠性设计．北京：人民邮电出版社，1993