自動駕駛汽車的線束焊接
發(fā)布時間：09/23 —— 2022
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超聲波金屬焊接是連接端子和線束的一種快速可靠的方法。
對于我們80后，自動駕駛似乎像是科幻小說?，F(xiàn)在，這正日益成為現(xiàn)實。在未來10年，相信自動駕駛技術(shù)將會經(jīng)歷比過去30年更大的變化。專家們將實現(xiàn)自動駕駛這一目標(biāo)的道路劃分為五個階段(級別)：輔助駕駛、部分自動化、有條件自動化、高度自動化和完全自動駕駛。每達(dá)到一級，越來越多的駕駛責(zé)任從個人轉(zhuǎn)移到車輛自動駕駛系統(tǒng)，直到駕駛者最終成為乘客，車輛上所有人不需要駕駛執(zhí)照。目前，所有的汽車品牌已經(jīng)推出符合一級和二級自動駕駛標(biāo)準(zhǔn)的車輛，正在積極測試符合第三級和第四級標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件功能，并為此類車型的大批量生產(chǎn)做準(zhǔn)備。而第五級完全自動駕駛的初步測試正在進(jìn)行。在任何級別的自動駕駛中，安全和可靠性必須是最高的優(yōu)先級。車輛必須避免對乘員和任何行人（道路使用者）的任何危險。為了達(dá)到這樣的安全水平，制造商依賴于兩種方法，與飛機(jī)設(shè)計制造中使用的方法類似：可靠性技術(shù)和冗余設(shè)計和制造。傳感器和攝像系統(tǒng)是自動駕駛汽車的關(guān)鍵技術(shù)。然而，這些系統(tǒng)只有在控制器和感知單元，以及控制器和執(zhí)行單元可靠連接時才能工作。因此，線束連接對自動駕駛汽車的性能也同樣至關(guān)重要。量產(chǎn)車輛的電氣和電子(E/E)系統(tǒng)的安全要求詳見 ISO 26262。這一國際功能安全標(biāo)準(zhǔn)旨在解決汽車電子和電氣系統(tǒng)故障可能造成的危害。ISO 26262是一個基于風(fēng)險評估的安全標(biāo)準(zhǔn)。對危險操作情況的風(fēng)險進(jìn)行定性評估，定義安全措施以避免或控制系統(tǒng)故障，同時對隨機(jī)發(fā)生的硬件故障進(jìn)行檢測和控制，減輕其影響。
無論是自動駕駛汽車還是傳統(tǒng)汽車，確保汽車線束可靠連接的一種方法是超聲波焊接。該技術(shù)用于連接線束和線束，以及線束和端子，是一種經(jīng)過長期驗證的可靠方法。超聲波焊接過程快速，且全程可監(jiān)控多組參數(shù)。超聲產(chǎn)生的接頭是純金屬連接件，不受老化、蠕變和疲勞影響。接頭連接牢固，保證了組件之間極低的接觸電阻。
圖2 超聲波焊接產(chǎn)生的接頭是純金屬連接，不受老化和疲勞影響超聲波焊接既可用來連接相同材料，也可用來連接不同材料，例如銅和鋁。因為金屬是直接焊接在一起，所以不需要額外材料，如套管、焊料或助焊劑。此外，超聲波焊接對零件產(chǎn)生較低的熱應(yīng)力（焊接溫度遠(yuǎn)低于零件熔點），因此被焊材料本身性能，以及周邊材料性能不改變，如絕緣套保持完整。
圖3 超聲波焊接相同或不同材料，例如銅和鋁。
盡管超聲焊接有過程控制和偏差檢測，但是在接頭設(shè)計和生產(chǎn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)仍應(yīng)該遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如USCAR38（用于線束和端子的連接標(biāo)準(zhǔn)）和USCAR45（用于線束到線束的連接標(biāo)準(zhǔn))工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。這些標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計提供了基礎(chǔ)。另外，許多汽車制造商和電纜供應(yīng)商都有自己的線束焊接規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計和生產(chǎn)時這些建議也必須考慮在內(nèi)。焊接點的設(shè)計必須能夠承受車輛使用期間的機(jī)械、熱和電流負(fù)載。多股絞線的股數(shù)超過一定數(shù)量連接就變的困難，因此絞線股數(shù)建議不超過8根。超聲波焊接系統(tǒng)可以監(jiān)測線束股數(shù)，以避免不正確數(shù)量插入焊接。同時，為了可靠地檢測出漏股的接頭，最小尺寸的單根導(dǎo)線截面應(yīng)至少占總截面的7%。對于截面小于5平方毫米的接頭，單根導(dǎo)線最小截面應(yīng)占總截面的9%。一個線束接頭內(nèi)，單根導(dǎo)線最大截面不應(yīng)該超過最小截面的三倍。
材料的選擇對焊接質(zhì)量影響很大。純度至少99.9%的銅和純度至少99.5%的鋁最適合用于超聲波焊接。鉛或錫涂層會對超聲焊接質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。導(dǎo)線以及導(dǎo)線間的油脂和添加劑也會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。當(dāng)鋁線束焊接到銅端子上時，銅端子上3~6微米鍍鎳層，可以保證高強(qiáng)度連接。此外，連接位置必須沒有油、油脂、保護(hù)劑和污垢。正確存儲對保持材料清潔很重要。高溫和長時間的存儲會導(dǎo)致材料表面氧化增加，以及拉絲油和增塑劑在導(dǎo)線上的積累，這些都會對焊縫質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。理想情況下，電線應(yīng)保存在清潔、干燥、不受天氣影響、不直接暴露在太陽或紫外線下的地方，放置時間不超過6個月，溫度應(yīng)在15 ~ 35℃之間。當(dāng)然，線纜和接頭在儲存和運輸過程中應(yīng)避免損壞（具體可參考德國電氣和電子制造商協(xié)會的技術(shù)指南TLF 0100）。線束焊接可能是一個半自動的過程。經(jīng)過培訓(xùn)的人員操作焊接設(shè)備和進(jìn)料裝置。為了防止線束和端子污染，操作人員應(yīng)戴手套，且線束焊接位置的絕緣層應(yīng)在焊接前才進(jìn)行剝離。在每天首件以及生產(chǎn)過程中抽檢焊接質(zhì)量是一個質(zhì)量管控的好方法。要小心材料供應(yīng)商的變化，因此要定期對來料進(jìn)行檢測。另外，用密碼保護(hù)焊接設(shè)備，只允許經(jīng)過培訓(xùn)的人員才能更改生產(chǎn)用焊接參數(shù)。為了確保焊接工藝的穩(wěn)定性，要連接的線束必須以一致的方式插入端子，因此零件和治具設(shè)計上要有導(dǎo)向和限位結(jié)構(gòu)。另外，超聲波焊接系統(tǒng)必須定期檢查和維護(hù)，如醫(yī)療行業(yè)普遍做法，每一年要對焊接設(shè)備進(jìn)行一次性能偏差檢測?，F(xiàn)代超聲焊接系統(tǒng)還要求對過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理和分析，對設(shè)備穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量好壞進(jìn)行預(yù)判斷，對可能的偏差進(jìn)行預(yù)警和糾偏。
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