換向器焊接技術(shù)

換向器焊接方法

有許多方法可以把通用電機或直流電電機線圈引線焊接到換向器上，最簡單的方法是用錫 /鉛合金焊接。當(dāng) TIG( 鎢極惰性氣體 )焊接有時使用時，換向器的壓熔焊是起重要作用的方法。換向器熔焊通常使用在建造相當(dāng)大的電樞時，而換向器壓熔焊通常是用在制作最小的馬達電樞線圈到中等的電樞線圈。

錫/鉛焊接或無鉛合金都有缺點。使用軟焊料比較困難。在某些情況下，如把有毒鉛或其他廢料釋放到周圍環(huán)境，當(dāng)焊接的電樞超負(fù)荷，焊料有再次融化的趨勢，這樣會污染換向器甚至是毀壞電樞圈。當(dāng)足夠的焊料離開接口，引線會離開換向器，毀壞連接。TIG 焊 接 產(chǎn) 生 很 高 的 溫 度 ， 超 過6000F(3315C), 維持相當(dāng)長的時間。要掌握這個溫度，需要設(shè)計一個特殊的換向器。在使用中， TIG 焊接對電樞并不實用，除了一些特大型的鐵路牽引電機外。 然而，銅焊比 TIG焊接便宜，與 TIG 焊接比它使用較低的溫度，可以有效地用在目前已知的最大的電樞上。在十九世紀(jì)六十年代，完全機械的換向器連接系統(tǒng)發(fā)展，已經(jīng)可以將絕緣磁引線嵌入有槽的換向器。在中等速度、壓力、高強度下，通過鋼軸與換向器線槽的摩擦產(chǎn)生熱量。線槽兩端加熱的銅，被壓入槽中，在槽中熱金屬氣化了磁線的絕緣薄膜，把引線收攏于槽中，來固定引線。這個過程與今天的摩擦移動繞線工藝非常相似。

換向器壓熔焊

壓熔焊是一種用電阻焊接機械連接低電阻金屬的系統(tǒng)，而溶接的零件沒有明顯變形。事實上零件被加熱和推壓在一起，直到零件之間所有的空氣消除為止，一個零件的高位被推入到另一零件的低位。反之亦然。表面粘附接觸將零件固定在一起。

表面相互粘附接觸不是裂縫，它是壓接接頭，僅影響表面深度 0.0002 英尺（ 0.005毫米），無金屬混合作用。中等強度的接頭，適用于特殊設(shè)計的壓熔焊零件。

換向器的壓熔焊是使用通用壓熔焊工藝的一種特定方法，這種方法是將串激通用電機或者直流電馬電機電樞的引線（表面絕緣的電磁線）焊接到換向器上。

換向器一直由銅，不銹鋼，鎳，碳，石墨，碳和石墨的混合物，銀，金等制成。這些物質(zhì)是被用來滿足特定型號電機的特定要求。

導(dǎo)線通常用銅制成， 但是也用鋁， 黃銅，銀，錫包紅銅，鎳包紅銅，和許多特殊合金，無銅導(dǎo)線被使用在特殊場合，例如，一些要求無銅材料的場合。

在微電機到中型串激電機或直流電機生產(chǎn)中，現(xiàn)在將引線連接到換向器上的唯一可實行的經(jīng)濟方法就是換向器壓熔焊。當(dāng)換向器設(shè)計成使用壓熔焊時，則壓熔焊的接頭比銀釬料更牢固，除了機器成本和機器的使用費用外無其它費用。

歷史

大約五十年前，管殼型換向器被用于大批量生產(chǎn)的串激電機和直流電機。這種換向器是用銅管或扁銅軋成管子制成。管內(nèi)填充模塑料，銅管被切成若干個換向片或換向器銅排。換向片之間沒有用云母或其它材料隔開，它們被氣隙隔開。

在開展換向器壓熔焊之前，換向器和導(dǎo)線之間的大多數(shù)連接是在錫 /鉛合金熔池中用軟釬料實現(xiàn)的。通常，換向器安裝在電樞軸上，去掉絕緣層的引線嵌入換向器銅排的槽口內(nèi)，然后放入釬料槽?？梢允褂酶鞣N方法防止焊料仍留在電刷接觸面上。例如，選擇部分溶劑和遮蓋等。當(dāng)焊料仍留在電刷接觸面上時，這些方法通常不用。其后電刷接觸面只能在車床上車削電樞。

管殼型換向器、換向片之間具有氣隙，當(dāng)浸沉焊管時，換向片之間積累的焊料，使它們短路。半削電樞將不能去除這些焊料。唯一的解決辦法是下割換向器，但是，這種方法也有問題，因為不能得到一種鋸片靠近換向器后段，還有，下割的成本被認(rèn)為含消除管殼型換向器。

許多生產(chǎn)商用烙鐵或釬棒堆放在換向片上的焊接導(dǎo)線的那個部位，但是，要做好這項工作，要求熟練的技術(shù)人員。各種類型的自動焊機都已試用，發(fā)現(xiàn)電阻焊劑最好。為此目標(biāo)， JOYAL 公司以前一直生產(chǎn)電阻焊接機，發(fā)現(xiàn)不用釬料就能生產(chǎn)合格接頭，這是換向器壓熔焊的開始，過去生產(chǎn)各種焊劑，基本上都是電阻焊劑。這些焊劑雖然工作 良 好 ， 但 是 只 能 壓 熔 焊 其 導(dǎo)線 尺 寸 在AWG20-70 范圍內(nèi)的那些電樞和已經(jīng)開槽的換向器。當(dāng)人，這種導(dǎo)線的連接部位必須預(yù)先去除絕緣層。

1959年下半年，發(fā)明了專門適合換向器壓熔焊的焊劑，并取得專利（美國專利號：3045103）。這種焊劑使用專門生產(chǎn)的大型壓熔焊變壓器，絕緣等級發(fā)，有彈簧隨動件，壓熔焊頭及電極周圍的冷卻裝置。這種焊劑有各種型號，其區(qū)別僅僅是轉(zhuǎn)動電樞從一個換向片到另一個換向片所用的餓分度機構(gòu)類型以及單機上使用的壓熔焊頭數(shù)量。這些年來，焊劑結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了明顯變化， 但是 1959年設(shè)計的基本原理仍然適用。

壓熔焊與焊接比較

“壓熔焊”與“焊接”這兩個詞被很多人混，但是兩個過程和它們的機械是有區(qū)別的。電阻焊接（點焊）是將金屬局部加熱塑性狀態(tài)，然后對這種塑性金屬加壓，使之結(jié)合一起的一種連接金屬方法。被連接的金屬通電，使金屬內(nèi)部加熱。金屬本身的電阻及被焊金屬（或許電極）之間的接觸電阻決定了電流兩及金屬達到塑性狀態(tài)所需的通電時間。因為被焊金屬必須內(nèi)部加熱，導(dǎo)電裝置的電阻必須比被焊金屬的電阻低。當(dāng)壓熔焊時，情況相反。通常，載流裝置中有一個裝置變熱，這是因為該裝置的電阻高于被壓熔焊的零件。這個變熱的載流裝置（電極）將其熱量擴散到被壓熔焊的零件內(nèi)。

在焊接中，需要冷卻系統(tǒng)來保護焊接變壓器，電焊電極和其它載流裝置免受被焊零件傳來的任何熱量。由于熱量是在零件本身產(chǎn)生的。工件將這種熱量的一部分?jǐn)U散到工件本身，所以冷卻系統(tǒng)將不需吸收大部分熱量。在壓熔焊中，熱量是在電極產(chǎn)生的，并在工件和其余載流系統(tǒng)之間擴散，因此壓熔焊系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)必須比焊接系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)大。無論壓熔焊變壓器還是焊接變壓器都同樣產(chǎn)生熱量，但是，由于較多的熱量從壓熔焊電極傳到壓熔焊變壓器，所以壓熔焊變壓器必須有較高的熱額定值。冷卻系統(tǒng)和熔焊變壓器是專門設(shè)計的。

當(dāng)壓熔焊時，由于金屬是在沒有達到塑性狀態(tài)時加壓合成一體，所以必須對工件施加更大壓力。這就是說，我們?nèi)灾荒苁构ぜ?/span>變軟，依靠壓力強行把零件合成一體。因此必須通過電極對工件施加一致的預(yù)定重壓力，當(dāng)然，如果載流量相同，壓熔焊頭比電焊頭重很多。如前所述，當(dāng)焊接時，金屬將被混合化，而在壓熔焊中，金屬僅受壓力，依靠表面黏附力把金屬固定在一起。壓熔焊頭和有關(guān)部件也是專門設(shè)計的。

在換向器壓熔焊中，外接導(dǎo)線通常是絕緣的，在絕緣層驅(qū)除之前尚未作為接通的零件處理。這就是說，必須把足夠的電流加到壓熔焊電極上，將電極加熱到能夠擴散足夠的熱量去除絕緣層。電與導(dǎo)線本身可能會破壞，此熱量必須在非常短的時間內(nèi)通過和用絕緣方法完全去除，否則引線不能被熔焊到換向器上。去除這種絕緣層的唯一方法是采用火花汽化法。通常在小于 80 毫秒的時間內(nèi)，溫度高于 3000℉（1648℃）。一般地說，如果我們在規(guī)定時間內(nèi)施加的電流密度如同壓熔焊中所有電流密度那樣大，則電阻焊接系統(tǒng)將過熱，即使采用最佳冷卻系統(tǒng)也是如此。與電阻焊接相比，壓熔焊機必須使用大多的載流裝置，不同副邊繞組的壓熔焊變壓器，和一個完全不同的電極系統(tǒng)。再則，實際取得壓熔焊接頭所用的裝置是專門設(shè)計的。

壓熔焊接頭

就像先前說過的，被壓熔焊到換向器上的那部分導(dǎo)線上的全部絕緣層必須去除掉，如果僅有部分絕緣層被去除掉，呀 2 熔焊則僅在此部分導(dǎo)線上取得。

從電機設(shè)計師的觀點看，絕緣層必須被剝到裸導(dǎo)線表面面積至少與導(dǎo)線剖面面積那樣大。如果換向器設(shè)計得當(dāng)，處理現(xiàn)今使用的任何已知類型的表面絕緣電磁線是非常容易的。使用壓熔焊圖表尺寸，可以得到連接面積至少等于導(dǎo)線截面積的 10 倍。大多數(shù)問題出現(xiàn)是因為換向器設(shè)計不正確或者使用不當(dāng)。

因為接頭包括未混合化的金屬，而且僅靠表面粘附力使金屬固定在一起的，所以這樣接頭在物理性能方面不及焊接頭堅固。在鉤型換響器上，彎鉤可能會被強行拉開，而在槽型換向器上，有可能拉出這些在槽底的那些底線。如果換向器設(shè)計成壓熔焊。這種物理性能減弱并不影響到接頭的完整，因為你要取出導(dǎo)線或提起彎鉤，將不得不破壞接頭。

作為共同關(guān)心的問題，因為接觸到熱電極的材料達到熔融狀態(tài)，一起流動，所以連接到槽型換向器的上部導(dǎo)線與換向器的輕微的混合化作用。這樣輕微動效應(yīng)形成相對堅固的合格接頭，因為這樣接頭的結(jié)構(gòu)一般是實心的。

上槽壓熔焊是一種特殊焊接方法，換向器槽內(nèi)的上下導(dǎo)線融合，正象單根上導(dǎo)線那樣，這種方法要求使用一臺換向器機將導(dǎo)線插入換向器內(nèi)。 最終連接是融合上， 下導(dǎo)線，但只需要一般融合常規(guī)材型換向器能量的20%，然后需要記住，換向器機必須在這種工藝中使用。

壓熔焊的鉤型換向器現(xiàn)在用于轉(zhuǎn)速超過150000轉(zhuǎn)/分鐘的電樞上，換向器直徑約 0.05英寸（12.70MM ），在旋轉(zhuǎn)時即使離心力加到彎鉤上，壓熔焊的彎鉤也不會升起。在高轉(zhuǎn)速期間，壓熔焊的換向器將會在壓熔焊的接頭斷裂之前分裂開來。

SN-壓熔焊

除了電機使用不分裂換向片的鋼云母型換向器，SN 壓熔焊可以用于導(dǎo)線連接到換向器，過程不能被用于換向器的焊接。這是由于運用 SN 壓熔焊的熱量水平太高以至于不能用在任何型號的塑模換向器。

SN 壓熔焊方法，首先用于焊接單一絕緣導(dǎo)線和鉛導(dǎo)線。在焊接過程中，絕緣膜自動被去除。后來，有了許多方法的，用錫管可以焊接大量的磁性導(dǎo)線，以及將導(dǎo)線焊接到錫上。同樣，也可以將大量的錫焊接到裝在起動和牽引電機上的換向器。

SN 壓熔焊需要一個鍍錫的導(dǎo)線。 錫的作用是對被焊接的金屬進行清潔和凈化。沒有錫包裹的話，可以獲得連接頭，但是沒有強到足夠有效。也可以用金和銀代替錫，考慮到成本，通常金和銀不實際。

要獲得一個好的連接頭，絕緣和相異的物質(zhì)必須在焊接中去除。 這樣，裸錫和銅（或富含銅的合金，如黃銅）在連接面上。連續(xù)加熱連接處，導(dǎo)致了連接處的錫被去除。如此，連接處在熱度和壓力下，錫就和銅連接在一起了（或富含銅的合金）。干凈的金屬被緊緊地夾在一起，而且加熱到它們?nèi)诨B接到金屬表面，結(jié)果形成擴散壓熔焊。其定義如下：

擴散壓熔焊 ：也稱作擴散焊接法，一個固體狀態(tài)的焊接工藝，通過應(yīng)用壓力，在一個上升的溫度下，工作對象不產(chǎn)生微塑變形或移動。以上的定義來自杰弗遜的焊接百科全書，于 1997年由美國焊接協(xié)會出版 （坐落在美國弗洛里達的邁阿密） ，是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 美國國家標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn) a3.0-94,1940 年，第一次出版，最近一次在 1994 年修訂。

換向器的設(shè)計

過去把導(dǎo)線連接到電機換向器上幾乎都采用焊接， 90%換向器嵌線固定導(dǎo)線，而不是彎鉤，彎鉤被用在一些有限的使用場合，但其形狀與當(dāng)今壓熔焊使用的彎鉤形狀有很大差異?，F(xiàn)在二者之間的百分比正好相反，將導(dǎo)線固定到換向器上，使用彎鉤為主。

槽型換向器

設(shè)計釬焊時，換向器的嵌線槽必須足夠寬，使以至于可以允許焊料流入槽內(nèi)，包住導(dǎo)線。如果我們試圖在專門為釬焊設(shè)計的槽內(nèi)進行壓熔焊，我們一般得不到滿意的接頭。換向器嵌線槽的槽壁和導(dǎo)線之間必須沒有或幾乎沒有空隙。當(dāng)我們壓熔焊這種槽時，我們必須使導(dǎo)線變形到槽的形狀，把導(dǎo)線推到槽壁，推到槽內(nèi)各個角落， 迫使所有的空氣排出。如果我們使用更加寬大尺寸的釬料槽，我們將不能把導(dǎo)線推壓到槽壁，因為槽壁分開太大。

理想的換向器嵌線槽是槽寬小于漆包線直徑，換向器穿線機用來把導(dǎo)線推入到寬度較小的槽內(nèi)。一個例子是 AWG20 導(dǎo)線，其標(biāo)稱絕緣直徑是 0.0346 英寸（ 0.87 毫米），可以用配備適當(dāng)夾具的換向器穿線機將這種導(dǎo)線插入到 0.032 英寸（ 0.81 毫米）寬的槽內(nèi)。由于必須考慮到其它可變因數(shù)，例如，換向器設(shè)計，漆包線絕緣類型，電極設(shè)計及其它可變因數(shù)，理想的換向器槽不總是切實可行的。

手工將導(dǎo)線嵌入槽內(nèi)，槽寬必須大于線徑， 通 常 ， 漆 包 線 直 徑 和 槽 寬 之 間 相差0.003-0.005英寸（ 0.076-0.127毫米）是可以接受的，但是，差值越小，連接越好。

槽深是所要嵌入漆包線總高度的 1.5 倍左右，例如，如果我們把兩根 0.020英寸（0.5毫米）漆包線放在槽內(nèi)，一根導(dǎo)線放在另一根導(dǎo)線之上，則槽深必須是 0.060 英寸（ 1.5毫米）。如果兩根導(dǎo)線左右平放， 槽深也不得小于導(dǎo)線高度的 1.5 倍。如果槽深不夠，導(dǎo)線可能會被壓熔焊電極切斷，減弱其性能。如果槽太深，將不能把導(dǎo)線推壓到槽壁。

槽型換向器槽角約 30o，便于手工將導(dǎo)線嵌入槽內(nèi)，同樣，也方便機器嵌線。當(dāng)使用槽型換向器，槽角約 30o的換向器進行手工嵌線時，導(dǎo)線的直徑一般較小。引線被推壓到槽壁，多余的導(dǎo)線只需少許推力就可以解決，而且對電樞和換向器均沒有損害。

直角槽與斜槽角有些不同，直角回產(chǎn)生很多的導(dǎo)線留在槽的兩壁。從工藝上講，有槽角的換向器，其焊接結(jié)果可以滿足生產(chǎn)要求。

頂部槽型換向器

頂部槽型換向器是一個將壓熔焊電極的熱量直接轉(zhuǎn)移到換向器導(dǎo)線周圍區(qū)域的方法。在壓熔焊過程中，如果不先去除導(dǎo)線上的絕緣薄膜，會直接地將熱量轉(zhuǎn)移到槽內(nèi)的導(dǎo)線內(nèi)。為了完成這項工作，導(dǎo)線必須和換向器引線機連接，并適當(dāng)?shù)乇磺度?，以使?/span>的寬度比導(dǎo)線的直徑略微大一點。在導(dǎo)線插入換向槽之后，借由主聯(lián)機器，它們自動地在換向器的表面被切斷，以便導(dǎo)線裸露的交叉域能到達換向槽表面的頂部。然后壓熔焊電極會接觸到裸露的交叉區(qū)以及與換向槽相連的壁面。采用這種方法，只需要很少的熱能，尤其是和通常的槽型換向器比較的時候，熱量被導(dǎo)入換向槽的內(nèi)壁或是直接進入了導(dǎo)線。

頂部槽型換向器的壓熔焊因槽型結(jié)構(gòu)，無法進行手工嵌線。這種類型的槽型換向器必須采用機器嵌線。換向器槽和刀片的尺寸可參見壓熔焊圖表。

碳換向器

碳換向器有一個由碳和石墨（一種碳的形式）構(gòu)成的碳刷。這種換向器被采用的原因是它能使電機里的電刷有很長的使用壽命，也允許特定化學(xué)環(huán)境中對電機的使用，并且不對碳刷造成損害。

如果您想要了解關(guān)于碳轉(zhuǎn)換器更詳細(xì)的信息，請聯(lián)系 Allem 并索取題為“碳轉(zhuǎn)化器—電動馬達的未來”的論文樣本。

熱塑性基本換向器

大多數(shù)換向器是用熱塑料為基礎(chǔ)或做絕緣體的（比如酚和三聚氰胺）。在換向片和電樞軸，經(jīng)過加熱既不會變軟也不會融化。耐熱材料相對是很貴的。作為替代品，一些相對不那么昂貴的轉(zhuǎn)換器就采用熱后可塑性物質(zhì)（例如尼龍）。然而，加熱后可塑性材料在適度的溫度中變軟或融化。壓熔焊的時候，壓熔焊電極產(chǎn)生的熱量將會使得加熱后可塑性材料變軟或融化，也可能扭曲或損壞換向器。在熱能控制的地方需要特殊的儀器，而且必須被用于采用熱后可塑性物質(zhì)換向器的方式焊接電樞。

換向器切斷

線槽

為了允許導(dǎo)線的嵌入，線槽必須被切入到換向片。這個類型的切割要么是進入換向器的主體（升起切割）要么是切入垂直的附加物內(nèi)（梯級切割）。兩種切割入銅通常都是不可視的。這意味著只切割了銅并且進刀出刀是同一個位置。借助梯級換向器，有可能做到可視切割。

裂縫是分開換向器各部分的切處。這個類型的切割通常被用于生產(chǎn)貝殼形轉(zhuǎn)換器。它是一種可視切割 , 如裁剪者經(jīng)過銅的切割進入一些類型的絕緣材料和（或）空氣。

底切

底切是在換向器各部分之間消除預(yù)定數(shù)量的絕緣材料的裂縫。理論上，切割只要除去絕緣部分而不是銅；而實際上，少量的銅也常常被切掉。絕緣物質(zhì)，可能是云母，紙，成型樹脂等等肯定會被除去，以便不摩擦電機的電刷或是過早使用。這個類型的切割是可視的。

換向器的旋轉(zhuǎn)

當(dāng)電樞完全被裝配好 , 換向器碳刷表面必須和電樞軸同中心，而且必須提早完成。為了獲得這完成和同中心，加工電樞的旋轉(zhuǎn)車床和鉆石或鎢碳化物切割機一起運作。在本文中，關(guān)于使用電樞旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)車床的工藝不作更進一步討論。

鉤型換向器

采用鉤型換向器，是因為在電樞的旋轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)線通過旋轉(zhuǎn)機器被安裝上，消除了對手動或機動插入而需要的換向鉤。實際上導(dǎo)線是被鉤子包裹著，連接到機器的各個部分。壓熔焊所用的換向鉤通常是無支撐的鉤子，并和換向器的表面呈 45o，它們必須和裝在工作臺上的鐵芯一起焊接。這類型的換向器有許多問題，因此在大多數(shù)情況下都是不實用的。最大的問題是幾乎不可能通過機械操作剝?nèi)?dǎo)線上的絕緣物質(zhì)。因此，絕緣的自變電磁導(dǎo)線就被限制了。

設(shè)計得當(dāng)?shù)你^型轉(zhuǎn)換器有一個大小充分的圓形鉤子來接受特定的導(dǎo)線。 理想情況下，設(shè)計得當(dāng)?shù)脑拺?yīng)該是個非導(dǎo)體 ,否則問題將會出現(xiàn)在嘗試使熱在離鉤型換向器區(qū)域不遠和不發(fā)生允許電線的絕緣薄膜蒸發(fā)過程中 ,而且是在不加熱整個的轉(zhuǎn)換器的條件下。換向鉤的形狀從邊上看應(yīng)該是一個 U字形。如果這個彎看起來像一個 V字形，那么在鉤型換向器關(guān)掉的時候，就可能有一種在壓熔焊過程中將導(dǎo)線切斷的趨勢，或是迫使導(dǎo)線出換向鉤。換向鉤的厚度和寬度最起碼要和電線的直徑相等，換向鉤的長度至少是直徑的3.5倍。

沒有提到的還有一些其他變數(shù)，而為了使壓熔焊接點結(jié)實則必須納入考慮范圍。換向器的設(shè)計，磁性導(dǎo)線的絕緣類型，壓熔焊電極的類型，是必須考慮的三個變數(shù)。

結(jié)論

換向器壓熔焊已經(jīng)增加了通用電機和直流電機的可靠性，必須理解電樞線圈和換向器之間的連接是整個電機中最薄弱的環(huán)節(jié)，如果我們充分領(lǐng)悟換向器壓熔焊的理論，應(yīng)用它時應(yīng)該幾乎沒有什么問題出現(xiàn)，并且這個薄弱環(huán)節(jié)將稍許增強一些。

換向器銅焊是線圈引線連接到換向器上的一種廣泛使用的、證明令人滿意的方法。電機生產(chǎn)中的過去薄弱點一直是換向器連接，如果正確進行，換向器銅焊將在可能的較低成本上取得優(yōu)于任何其他已知方法的結(jié)果。但是，在能夠成功地使用銅焊方法之前，要求更充分理解這個方法。