鉛酸蓄電池 T2 型端子燒焊結構研究

牛義生，張文龍，楊金夢，閆金瑞，查立平，張亞振，張霄喃

（風帆有限責任公司，河北 保定 071057）

0 引言

端子是鉛酸蓄電池連接用電器的重要零部件。因此，端子的性能將直接影響用戶對蓄電池的使用和體驗效果。鉛酸蓄電池的用途不同，相應地接線端子在設計上也有所不同。起動型鉛酸蓄電池的端子一般設計成錐型結構和“L”型結構[1]。其中，錐型端子又分為 T1 型端子（俗稱細端子）和 T2 型端子（俗稱粗端子）[2]。大部分型號的鉛酸蓄電池采用 T2 型端子，僅有少部分小型號鉛酸蓄電池采用 T1 型端子。錐型端子一般設計有鉛管和端極柱兩部分。在生產中，采用燒焊工藝將鉛管和端極柱焊接在一起形成端子。T2 型端子在使用中有時會被接線卡子卡裂，造成端子爬酸、漏液的現象[3]。雖然發生的概率較小，但是產生的影響比較惡劣。究其原因，除了用戶安裝接線卡子時用力過大之外，與端子自身質量差也有很大關系。特別是，端子燒焊深度淺應該是造成端子被卡裂的一個關鍵因素。因此，筆者對影響端子燒焊深度的原因進行分析，對端子燒焊結構加以改進，以提高端子使用的可靠性。

1 T2 型端子燒焊結構現狀

如圖1所示，在完成蓄電池槽、蓋熱封后，端極柱進入電池蓋上的鉛管內（參見圖1a）。端極柱和鉛管之間的配合間隙一般設計為 0.2～0.5 mm，以便蓄電池槽、蓋熱封時端極柱能夠順利進入鉛管內，同時又要防止燒焊過程中由于間隙過大鉛液流入電池內。在完成蓄電池槽、蓋熱封后，用高溫火焰將鉛管和端極柱頂部燒焊成端子（參見圖1b）。燒焊后，只有端子上部熔合在一起，形成一定的燒焊深度，而端子中、下部仍保留原有鉛管和端極柱之間的配合間隙。

圖1 T2 型端子燒焊結構示意圖

從大量的解剖數據統計結果來看，對于現有結構的端子，端子燒焊深度多數在 5～7 mm 之間，只有極少數在 2～4 mm 之間。由解剖分析結果可知，端子卡裂主要出現在端子燒焊深度較淺的部位。如果端子燒焊深度較淺，接線卡子上沿就會正好卡在鉛管和端極柱之間所形成的縫隙的頂部附近。在鎖緊接線卡子時，接線卡子上沿對鉛管產生剪切力。在剪切力的作用下，鉛管沿著徑向向端極柱方向移動，最終被剪斷，形成裂紋（參見圖2）。

圖2 T2 型端子鉛管卡裂實物圖

端子卡裂主要同鉛管所用合金的機械強度、端子燒焊深度等密切相關。為了防止端子卡裂，首先要對合金配方進行調整，適當增加銻、錫等元素添加量來提高鉛管合金的機械強度。由于合金的機械強度同銻、錫等元素的添加量不呈正比關系，一味地增加銻、錫等元素添加量也不能很好地防止鉛管卡裂問題的發生。并且，增加合金中銻、錫等元素添加量會明顯提高合金的成本[4]。增加鉛管厚度也可以提高鉛管的強度。由于端子結構、外形尺寸受到限制，可增加的鉛管厚度也非常有限，對提高鉛管強度所起的作用也就很小。重要的是，要提高端子燒焊深度，消除鉛管和端極柱之間的配合間隙，防止端子受力時沿著徑向發生形變。

2 影響端子燒焊深度的原因

2.1 端子導熱性能對燒焊深度的影響

在金屬中鉛的導熱系數較小，為 34.8 W/(m·K)，因此由鉛制成的鉛基合金的導熱性能較差，即鉛基合金傳熱速度較慢。并且，物質的導熱性能還與其結構、密度、濕度、溫度、壓力等諸多因素有關。在燒焊過程中，高溫火焰給端極柱頂面加熱時，從端極柱頂面向端極柱內部傳遞熱能的速度較慢，因此端極柱熔化較慢。在有限的燒焊溫度下和燒熔時間（一般 10 s 以內）內，高溫火焰不足以將端極柱熔化得沿著垂直方向縱深填滿配合間隙，只是將端極柱頂端熔化，與鉛管燒焊在一起。在鉛管的中、下部和端極柱之間仍保留著原有的配合間隙，造成端子燒焊深度較淺。如果燒焊火焰溫度過高，或者燒焊時間延長，端子燒焊深度會隨之增加，但是就會出現鉛管“過熔”現象，即鉛管外側熔化。凝固后鉛管上形成凹坑，影響端子外觀質量（如圖3所示）。因此，受到鉛基合金導熱性能較差的阻礙，單純靠改善燒焊工藝來提高端子燒焊深度的可能性較小。

圖3 端子燒焊“過熔”實物圖

2.2 端子結構對燒焊深度的影響

由于端極柱和鉛管之間的配合間隙很?。?.2～0.5 mm），端極柱頂部熔化的鉛液在流入間隙的過程中，在鉛液表面張力的作用下，鉛液向縫隙的縱深流淌受到阻礙，因此鉛液流入間隙內的深度受到限制。端極柱和鉛管之間的配合間隙越小，鉛液流入間隙的深度越淺。

如圖4所示，實際生產中，在蓄電池槽、蓋熱封后端極柱和鉛管往往不同心。端極柱偏心后，鉛管和端極柱之間的配合間隙有的部位較小，有的部位則較大。端子燒焊后，在間隙較大的部位燒焊深度較深，間隙較小的部位燒焊深度較淺。也就是，在同一個端子上存在端子燒焊深度不一致的現象。燒焊深度較淺的部位容易被接線卡子卡裂。

圖4 端極柱和鉛管不同心實物圖

總之，由于鉛基合金傳熱性差，端極柱與鉛管之間配合間隙小，以及端極柱與鉛管不同心等原因，端子燒焊深度會受到很大限制，難免會出現端子燒焊深度較淺的情況，就導致了蓄電池端子被卡裂的現象偶有發生。

3 T2 型端子燒焊結構改進

從上述原因分析可以看出，增加鉛管與端極柱之間的配合間隙能夠有效增加端子燒焊深度。雖然把端極柱變細可以增加配合間隙，然而簡單地將端極柱變細會帶來諸多負面問題：① 會對端極柱的機械強度和導電性能產生較大影響；② 會在蓄電池槽、蓋熱封后使鉛管和端極柱的同心度變得更差；③ 增大端子燒焊中漏鉛的風險。增加鉛管內徑也可以增加配合間隙，但是會使鉛管壁變薄，降低鉛管的機械強度，同時也會加大端子燒焊中漏鉛的風險。

3.1 端子燒焊結構改進設計

為了增加鉛管和端極柱之間的配合間隙，同時防止增加配合間隙帶來的不利影響，設計了如圖5所示端子燒焊結構。在端極柱進入到鉛管內的部分做鏤空設計，即在原有端極柱上部約 8～12 mm 高度的范圍內，以端極柱軸心為中心對稱設計 8 個凹槽。與 8 個凹槽相對應地形成 8 個凸起。凸起的頂部至鉛管內壁的距離，即凸起和鉛管之間的配合間隙，設計為 0.2～0.5 mm。該設計具有以下特點：（1）保證端極柱和鉛管之間的配合間隙較小，從而避免了端子燒焊中的漏鉛問題；（2）保證了蓄電池槽、蓋熱封后端極柱和鉛管之間保持較好的同心度，避免了偏心對端子燒焊深度的影響；（3）相比于簡單地變細端極柱，采用凸起結構設計可減小端極柱機械強度受到的影響；（4）鉛管和端極柱上部約 8～12 mm 高度的范圍內有了較大的配合空間，便于高溫火焰深入到配合空間內部對鉛管內壁和端極柱外壁加熱，同時有利于端極柱頂部熔化的鉛液流入到配合空間內，從而增加端子燒焊深度。改進的端子燒焊結構設計[5]解決了既希望端極柱和鉛管配合間隙?。榱朔乐苟俗訜嘎┿U），又希望端極柱和鉛管配合間隙大（為了提高端子燒焊深度）的矛盾沖突。

圖5 端極柱結構改進數模圖

3.2 驗證端子燒焊結構的改進效果

3.2.1 驗證端子燒焊深度

在距端子頂面 6 mm、8 mm、10 mm 高度的位置，用線切割機將端子橫向切開。如圖6所示，端極柱和鉛管原有的配合間隙不再存在。端子內部焊接飽滿，同改進前的端子燒焊深度相比有了明顯改善。

圖6 結構改進后端子的橫截面

3.2.2 驗證端子強度

采用以下試驗方法驗證燒焊結構改進后的端子強度：① 將接線卡子安放在極柱上；② 使用扭矩扳手將接線卡子上的螺母擰緊至 5 N·m；③ 檢查接線卡子，確保其固定在端子上；④ 松開螺母，從端子上取下接線卡子，檢查端子損壞情況；⑤ 如果端子沒有損壞（允許端子表面留有小的卡痕），重復以上步驟 50 次；⑥ 重復 50 次后將電池倒置24 h，檢查端子是否漏液。如圖7所示，重復安裝接線卡子后，端子表面出現了比較明顯的卡痕。電池倒置 24 h 后未出現漏酸現象（見圖8），說明燒焊結構改進后端子強度得到明顯改善。

圖7 重復安裝接線卡子后的端子狀態

圖8 電池倒置 24 h 后端子狀態

3.2.3 驗證蓄電池大電流放電性能

為了驗證改進的端子燒焊結構對蓄電池性能的影響，以某 60 Ah 蓄電池為代表，檢測蓄電池放電期間端子表面溫升速度及電壓變化。其中，1 號、2 號蓄電池為端子燒焊結構改進后的蓄電池，3 號、4 號蓄電池為端子燒焊結構改進前的蓄電池。具體試驗方法是：將充滿電的蓄電池放在 25 ℃ 環境中，采用 0 Hz ± 2 Hz 的頻率，以最大加速度 30 m/s2，在垂直方向上振動 8 h，然后以 1 000 A 電流對蓄電池放電。

從圖9中蓄電池放電期間的端子溫度變化趨勢可以看出，改進端子燒焊結構后，蓄電池大電流放電期間端子溫度上升速度同改進前非常接近。由圖10中可以看出，同端子燒焊結構改進前相比，端子燒焊結構改進后蓄電池放電電壓下降速度未發生明顯變化。這充分說明，改進后端子電阻變化很小，可以忽略不計，因此不存在大電流放電過程中端子熔斷的風險。

圖9 蓄電池放電端子表面溫度變化趨勢

圖10 蓄電池放電電壓變化趨勢

4 結論

通過分析影響端子燒焊深度的原因，改進了端子燒焊結構，既有效地提高了端子燒焊深度，又降低了端子燒焊深度的控制難度，同時對端子的導電性能、機械強度等未產生明顯的不利影響。改進的端子燒焊結構提高了端子燒焊質量的穩定性，從而提高了蓄電池在使用中的可靠性，具有很好的社會效益。