使用聚焦白光的選擇性焊接

1、使用聚焦白光的選擇性焊接 本文介紹，這種光束技術(shù)為許多困難的焊接應(yīng)用提供一種創(chuàng)新的 解決方案。 在今天的競爭性與變化的制造環(huán)境中，我們經(jīng)常受到挑戰(zhàn)，要以 成本有效的方法來制造日益復(fù)雜的裝配。傳統(tǒng)的焊接工藝經(jīng)常要擴展 其能力，以接納新的設(shè)計與技術(shù)規(guī)格，同時保持在品質(zhì)、產(chǎn)量和成本 的限制之內(nèi)。 聚集白光(focused white light)焊接為許多挑戰(zhàn)性焊接應(yīng)用提供一 個可行的方法。復(fù)雜性日益增加的焊接工藝要求，和光束技術(shù)處理能 力的最新提高，使得光束焊接成為制造商的一個吸引人的的選擇。在 線的(line-integrated)、高速機器人控制的焊接操作可以在一平方米的 工作單元內(nèi)進行。典型

2、的應(yīng)用包括熱敏感元件和裝配設(shè)計，這些使傳 統(tǒng)的回流焊接是不實際的。 在世界級的高產(chǎn)量運作中，光束(light beam)工藝已經(jīng)具有這樣的 特征：到達每個焊點在一秒中之下的周期時間和少于每百萬100(ppm) 的缺陷率。光束利用可以進一步提高，因為它提供一個使用成本低的 非回流焊接元件的機會。已經(jīng)證明它是一個對連接器損失和導(dǎo)線焊接 有成本效益的替代方法。 光束設(shè)計 光束技術(shù)的最簡單形式類似于通過放大鏡玻璃將太陽光聚焦在 聚集點上產(chǎn)生熱量。通過控制光源、光學(xué)輸出和一些中間的次要細節(jié) 來改進這個方法，一個焊接工藝幾乎就可以產(chǎn)生了。 首選的光源是氙燈(xenon lamp)，它在正?？梢姷浇咏t外的

3、范 圍內(nèi)發(fā)出一種寬帶的光譜。相反，激光發(fā)出的光在很窄的光譜帶寬。 光譜越寬，在更寬范圍的基板上提供更好的熱傳播能力。 由 Panasonic Factory Automation (Franklin Park, IL)設(shè)計的一個聚 集白光系統(tǒng)使用來自1500W氙燈的光能。這個能量通過放大鏡由光 纖線傳送到一個可變的(大于等于1mm)聚光點。在光束聚焦點的反射 光是強烈的，對眼睛的影響可以好象在很晴朗的天直接看太陽光一 樣。該工藝可以用電焊護目鏡安全地觀察，但最好是間接地通過視頻 監(jiān)測系統(tǒng)來觀察。 光束焊接 自動光束焊接是一種點對點的非接觸焊接方法。該技術(shù)由幾個步 驟組成，類似于手工焊接的要素。

4、光束移動到焊接點，錫線定位好準(zhǔn) 備進給，打開光束，進給錫線，錫線退回，關(guān)閉光束或移動到下一個 位置。因為錫線在接觸焊點之前與光束交匯，所以當(dāng)它接觸焊點時是 熔化的狀態(tài)。光束在回流錫膏時也是有效的。 光束的小直徑和高強度 使得在少于一秒的時間內(nèi)形成高質(zhì)量的焊接點，給焊點的總熱傳導(dǎo) 低，給焊點位置之外裝配的熱傳導(dǎo)甚至更低。 應(yīng)用通常決定光束焊接的需要。這個方法的一個優(yōu)點是，它通常 可以焊接由傳統(tǒng)焊接方法不能實際上回流的裝配。 典型的光 束應(yīng)用的例子包括： 把熱敏的顯示與晶體元件焊接到電路板 開關(guān)裝配內(nèi)端子的精密焊接 少量引腳元件的裝配 不能清洗的元件 汽車傳感器、柔性電路板、PCMCIA應(yīng)用和幾何

5、形狀復(fù)雜的裝配。 光束甚至可以回流焊接位于玻璃罩后面的元件。 由光束在焊接點 上產(chǎn)生的獨特問題設(shè)定特征要求使用更新的助焊劑， 其配方具有低揮 發(fā)性和低濺錫特性。 系統(tǒng)集成 光束焊接一般不作為一個獨立的工具使用。 它通常是在一個自動 機械平臺上的集成焊接系統(tǒng)的一部分，包括精密移動控制、錫線進給、 光束參數(shù)控制、過程監(jiān)測能力和通信協(xié)議。其典型的一平米占地面積 可容易地適于大多數(shù)制造裝配線。 自動機械平臺與集成焊接過程的軟件已經(jīng)在過去幾年大大改進。 Motorola Manufacturing Systems (Boynton Beach, FL)禾口 Motorola Cellular Subsc

6、riber Group (Harvard, IL)的工藝開發(fā)專家在該工藝的開 發(fā)與改進中起重要作用，該集團現(xiàn)在有超過25個這種系統(tǒng)在運作。 市場上可買到的設(shè)備范圍從簡單的只焊接單元到更復(fù)雜的零件貼裝 與多光束焊接系統(tǒng)。光束鏡與焊錫進給器可安裝在拱架（gantry）或X-Y 工作臺上對頂面和/或底面焊接。復(fù)雜成熟的和基于PC的自動系統(tǒng)可 以買到，它插件和焊接元件，具有高度的可靠性。 過程控制 產(chǎn)品設(shè)計要求必須徹底地評估與建立，以達到最佳的質(zhì)量水平。 這些要求包括焊盤/引腳尺寸和幾何形狀，弓I腳對孔的比率，尺寸公 差、阻焊層和基板材料。 材料質(zhì)量與可焊性要求必須為該工藝建立并監(jiān)測。該工藝對來料 質(zhì)

7、量的變化敏感并且沒什么寬容。不可預(yù)料的可焊接性問題或污染， 如樹脂膠的殘留，將使該工藝更加困難。 光束變量包括光纖類型、透鏡類型（焦點直徑、焦距）、和燈泡功 率輸出。光纖與透鏡的選擇是基于所希望的工藝要求。 由于氙燈的本 質(zhì)就是燈，功率輸出和光的分布隨著時間發(fā)生變化。 這些變化使用電 子反饋機構(gòu)和校準(zhǔn)的方法來控制。 過程參數(shù)包括光強設(shè)定、預(yù)熱/駐留/后熱時間、錫線類型和錫線 進給角度/速度。這些變量可以優(yōu)化以達到改進品質(zhì)和減少循環(huán)時間。 選擇和確認低濺錫助焊劑夾心的焊錫是必要的。 一個簡單視頻監(jiān)測系統(tǒng)可安裝在機械手臂工具上。該系統(tǒng)提供對 焊接操作的接近觀察和記錄。當(dāng)回放慢動作時，其結(jié)果是對過程

8、動態(tài) 的無價反饋。 優(yōu)點與缺點 聚焦式白光束焊接當(dāng)與傳統(tǒng)的和其它的非接觸焊接方法相比，有 幾個優(yōu)點與缺點。光束工藝將用于幾乎所有的任何通孔或表面貼裝焊 接應(yīng)用?？墒牵鳛橐环N選擇，波峰焊接或紅外（IR）回流焊接工藝通 常對高產(chǎn)量/高混合度的運作更有成本效益。一旦有了，光束系統(tǒng)可 用于其它周邊運作，這些對這個專用設(shè)備的成本是無關(guān)痛癢的。 光束工藝的總速度決定于每個裝配的焊點數(shù)量。循環(huán)時間隨著每 個裝配焊點數(shù)量的增加而增加。相反，波峰焊接或回流焊接與每個裝 配的焊點數(shù)量沒什么關(guān)系。因此，對于一個給定數(shù)量的焊點，每個工 藝的處理時間是相等的。雖然高產(chǎn)量/低混合制造通常使用光束技術(shù)， 但一些系統(tǒng)的多功能性和編程能力可使得快速適應(yīng)更高混合度的要 求。 釔鋁榴石紫外（YAG UV, yttrium aluminum garnet ultraviolet）激光 器（波長：1064N-m）,也用于焊接應(yīng)用，它優(yōu)越于白光束（氙光波長： 3001200N-m）,因為它提供更高的能量集中和更細的光束直徑?？?是，釔鋁榴石紫外激光器的光吸收率（熱傳導(dǎo)能力）很大程度上決定于 它加熱的材料特性，而白光束的吸收率在更寬范圍的基板特性上較穩(wěn) 定。另外，激光成本高，要求嚴格的安全考慮。 不象其它焊接過程，光束工藝參數(shù)可