影响汇流排自动铸焊效果的因素

刘承，侯景翔，邓继东

（1. 天津汤浅蓄电池有限公司，天津 300385；2. 沈阳蓄电池研究所，辽宁 沈阳 110178）

0 引言

摩托车用铅酸蓄电池的汇流排焊接，以往主要有 2 种工艺[1]：气焊和铸焊。气焊多是手工焊接，而且多用于采用铅锑合金板栅的场合。而铸焊又分为半自动铸焊和全自动铸焊。在手工焊接生产过程中，无论是上方设有吸风口，还是侧方设有吸风口，铅蒸汽都处于开放式的空间内，不会完全被吸收，或多或少会分散在生产车间内[2]，对操作者的身体健康造成损害。在半自动铸焊过程中，由于需要经常取放模具，铅锅无法做到密闭，因此会有大量铅烟逸出，存在污染，而且需要操作者手工接触高温的模具并移动，也存在极大的安全隐患。而全自动铸焊只需要操作者将极群组放入到铸焊机中，铸焊机便完全封闭，所有操作全部自动进行，直至脱模后才打开由操作者取出已焊接好的极群组。

随着国家政策的要求[3]，以及工业自动化的不断升级改造，手工焊接和半自动铸焊已逐渐被淘汰，越来越多的企业采用汇流排全自动焊接工艺。

1 自动铸焊机

在铸焊（COS）过程中，表面经净化或搪锡处理的极耳被浸入充满液态铅合金的铸模型腔中；由于熔融液态铅合金传导加热，极耳表面温度快速升高，在极短时间内达到铅合金润湿铺展的温度，甚至使极耳表面金属部分熔化而进入液态；随着铸模型腔冷却，汇流排合金快速凝固与极耳形成永久的连接[4]。现在，国内自动铸焊机的工作原理和工作形式都比较相近，工作流程如图 1 所示。合模后都采用水冷方式进行冷却，即冷却水从模具内流过。对于自动铸焊这种工艺，影响焊接效果的主要因素是各个环节的温度和时间。

图1 自动铸焊流程图

2 自动铸焊效果的影响因素

2.1 铅锅温度

铸焊用铅的熔化、保温要在铅锅中完成，因此都需要有一个稳定的铅锅温度。在使用铸焊机之前，需要测量铅锅中铅液的实际温度。测量的位置至少选取 2 个：1 个在铅锅自带的温度传感器附近；另 1 个在汇流排模具在铅液中浸泡时，模具自带的温度传感器附近。测量铅锅温度的传感器在铅液中的放置深度应与汇流排模具在铅液中的浸泡深度相同。测量时，需要将铅锅温度设定值设定在高低不等的几个温度条件下，且每个温度条件相差在10～20 ℃。在每个温度下，需恒温 10 min 来观察铅锅温度的波动情况（见图 2 ）。必要时，还可在温度稳定时，投入一条新铅锭来观察铅液温度的波动情况。通过测量铅液实际温度，来确定铅锅温度的设定值、显示值与铅液实际温度波动的中心值之间的关系。要将铅液实际波动范围控制在 ±10 ℃范围内。如果无法达到，则需要调整加热管和测温传感器的位置，甚至更换加热管的规格。

图2 铅锅温度曲线图

一般，汇流排采用 Pb-Ca 合金，因此铅锅的温度设定值最高不超过 480 ℃，否则温度过高会使Ca 严重烧损。如果起模温度可以设定得较低些，也可适当降低铅锅温度的设定值，以降低能源消耗，不过一般铅锅温度都要比起模温度高 50 ℃ 以上。

2.2 起模

起模温度是保证焊接效果的关键。如果 COS模加热时间过短，温度过低，就会导致合金凝固过快，造成虚、假焊；如果 COS 模加热时间过长，COS 模温度过高，就会使板耳烧熔，造成过熔[5]。起模温度一般是指模具的温度，是通过安装在模具内部的传感器测量到的，并不是真正我们需要保证的汇流排铅液的温度。由于每一台模具有其自身的导热性，而且温度传感器的精度和安装位置都不可能完全相同，因此模具温度和铅液温度可能存在差异，并且在不同的模具之间这种差异也不相同。虽然我们通过模具温度来控制起模动作，但是为了确保起模时铅液温度能够满足要求，我们还需要同时测量模具温度和铅液温度（如图 3 所示）来确认二者之间差异的大小，以及模具在铅锅中受到浸泡时铅液的升温速度[6-7]。如果汇流排合金为 Pb-Ca合金，由于其熔点在 327 ℃ 左右，那么起模温度一般被设定在 400～415 ℃，以保证下一步嵌合时COS 模具中的铅液有足够的热量。

图3 铅液温度的测量

2.3 嵌合

从起模到板耳插入铅液完成嵌合的整个过程中，由于模具已经脱离了铅锅，因此铅液的温度会不断的下降，一般每秒下降 0.3～0.4 ℃。缩短嵌合过程消耗的时间，就可以尽可能地减少温降，这也意味着可以降低起模温度和铅锅温度，从而降低能源消耗，同时缩短每 1 模的循环时间，提高生产效率。一般来说，整个嵌合过程所用的时间最长不应超过 20 s。

嵌合过程中，板耳下降的速度直接影响嵌合的时间。板耳下降速度过快，模具中铅液容易溅出，导致焊接深度不足并产生飞刺；而速度过慢，板耳可能无法完全扎破铅液面，影响焊接强度，也会导致嵌合过程耗时过长。如果有条件，可以将板耳下降过程分段设置，即初期速度较快，以节约时间，而当板耳接近模具时，降低速度，使板耳和铅液平稳嵌合。

由于不同的自动焊接机对极群组下降速度的控制方式不同，在焊接前需要确认设定值与实际下降速度的关系，选取合理的下降速度。如果不同设备之间存在差异，则应为每台设备设定不同的参数，来保证实际下降速度的一致。

此外嵌合后，气缸应继续保持有压力，使板耳和铅液在冷却凝固的过程中仍能保持稳定，不会产生晃动，从而保证焊接强度。

在确定自动铸焊机的生产条件时，一般先将铅锅温度、嵌合和冷却过程的相关参数设为固定值，只将起模温度和冷却延时（嵌合后至冷却开始前的等待时间）设为变量，设计交叉试验，确定合格产品的参数范围。而最后标准中条件范围应小于该参数范围并在其中心，如图 4 所示。

图4 自动铸焊的参数范围

2.4 冷却

嵌合之后，需要静置一段时间再开始冷却，目的是要使铅液中的气泡能充分排出，但时间也不宜过长，否则容易出现汇流排表面凹凸不平的现象。一般将嵌合后至冷却开始的时间控制在 2～8 s 之间。冷却的方式一般有空冷和水冷 2 种，现在的自动铸焊机一般都采用水冷的方式。无论采用哪种冷却方式，都应对冷却速度加以控制，避免冷却效果出现波动。例如：采用风冷方式时，应控制空气压力、空气温度，及出风口的面积、位置和角度；采用水冷方式时，则需要控制冷却水的温度、流量等参数。冷却终止的条件，都以脱模时的模具温度来控制，一般对于钙合金在 190 ℃ 左右，对于锡合金在 180 ℃ 左右。

3 小结

随着国家相关政策的出台，企业也为了提高自动化水平，降低环境污染，对于汇流排的铸焊，越来越多地采用自动铸焊的方式。为了保证铸焊效果，需要在设备投入使用前，确认铅锅温度、模具温度设定值与实际值的差别，严格控制温度波动幅度，冷却时也需要对影响冷却效果的各项参数加以控制。

由于每台设备和模具肯定会存在微小的差异，因此需要对每一台设备和模具都加以编号，设备和模具做到一一对应，不随意更换。我们最终控制的是焊接中各步骤的实际温度和时间，只要保证实际值在验证的合格领域内，就可以对每一台设备和模具分别设置其最适合的参数。

[1] 伊晓波. 铅酸蓄电池制造与过程控制[M]. 北京：机械工业出版社, 2004.

[2] 郗骏, 孙云东, 张立华, 等. 浅谈电动助力车用铅酸蓄电池焊接生产工艺技术[J]. 蓄电池, 2012(1)：34-37.

[3] 《铅蓄电池行业规范条件（2015年本）》解读[Z/OL]. (2016-03-16) [2017-10-06]. http：//www.qhec.gov.cn/xxgk/xxgkml/zdgk/zcjd/201603/t20160317_14765.html.

[4] 余伟华. 铅酸蓄电池铸焊工艺研究[J]. 中国科技信息, 2007(24)：82-83.

[5] 张亮东, 牛冀辉, 王丽斋. 铅酸蓄电池铸焊应用综述[J]. 电源技术应用, 2011(5)：27-32.

[6] 杨雪斌, 朱诚. 极群铸焊过程中的几个重要工艺环节[J]. 蓄电池,1996(1)：28-31.

[7] 徐国荣, 全勇, 杨广福, 等. 浅谈铸焊汇流排的工艺和设计要求[J]. 蓄电池, 2011, 48(4)：180-182.