自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)在FPC焊接上的應(yīng)用思考

鐘凌

（廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 511458）

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)化、智能化已經(jīng)成為電子設(shè)備未來發(fā)展的主要方向。同時(shí)，現(xiàn)階段的電子設(shè)備呈現(xiàn)出小型化、集成化的特征，使得越來越多的柔性線路板（FPC）被應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備終端上。在這種情況下，傳統(tǒng)的焊接方法難以滿足FPC焊接的技術(shù)要求，所以必須要對(duì)焊接工藝手段進(jìn)行改進(jìn)。本文將以此為背景，研究了自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)在FPC焊接中應(yīng)用的相關(guān)問題。

1 自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)研究

1.1 激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)分析

產(chǎn)業(yè)機(jī)器人實(shí)用化最早出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，在此基礎(chǔ)上，焊接用機(jī)器人出現(xiàn)、發(fā)展，成為當(dāng)時(shí)焊接技術(shù)的代表。在傳統(tǒng)焊接機(jī)器人加工焊接件時(shí)，必須要保留一定的空間讓烙鐵頭能夠進(jìn)入到被焊接的部位完成焊接操作，再加之目前部件的引腳間距逐漸減少，相關(guān)人員開始對(duì)焊接機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，激光焊接機(jī)器人技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)是一種非接觸式、擁有細(xì)小直徑的焊接方式，半導(dǎo)體激光發(fā)生器技術(shù)的創(chuàng)新，讓高性能的激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)成為了可能。在隨后的十幾年時(shí)間中，激光焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了全世界范圍內(nèi)的廣泛推廣，有效解決部件焊接中存在的細(xì)微焊接問題。

自動(dòng)激光焊接機(jī)器人就是在激光焊接機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展出現(xiàn)的一種焊接機(jī)器人技術(shù)，該技術(shù)以自動(dòng)化為核心，能自動(dòng)化完成多種復(fù)雜電子設(shè)備的內(nèi)部焊接工作，例如攝像頭、LCD部件、手機(jī)、筆記本電腦等。

1.2 自動(dòng)激光焊接機(jī)器人的空間軌跡特征

自動(dòng)激光焊接機(jī)器人作為自動(dòng)化技術(shù)的一種表現(xiàn)形式，能夠獨(dú)立完成焊接操作，所以焊接機(jī)器人的空間軌跡變化成為影響焊接機(jī)器人焊接效果的重要因素。在焊接過程中，自動(dòng)激光焊接機(jī)器人會(huì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按照一定的速度與加速度完成移動(dòng)，從初始狀態(tài)下逐漸移動(dòng)到目標(biāo)位置，這個(gè)過程所產(chǎn)生的軌跡就是焊接機(jī)器人的空間軌跡。在自動(dòng)化技術(shù)的支持下，為了保證自動(dòng)激光焊接機(jī)器人的空間軌道特征能夠符合FPC焊接的要求，相關(guān)人員需要完成以下幾方面操作：（1）任務(wù)描述，確定焊接機(jī)器人的焊接運(yùn)動(dòng)軌跡。（2）用計(jì)算機(jī)語言來描述所確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。（3）計(jì)算焊接機(jī)器人的加速度情況等，獲得焊接機(jī)器人運(yùn)行的具體軌道特征。

2 FPC焊接中應(yīng)用自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)的路徑

2.1 FPC焊接的激光加熱

激光加熱是自動(dòng)激光焊接機(jī)器人焊接的基礎(chǔ)，在焊接過程中，焊接機(jī)器人系統(tǒng)一激光二極管為熱源，通過激光對(duì)局部進(jìn)行非接觸式加熱，不需要更換烙鐵頭，并且激光光束小，能夠滿足多種環(huán)境下的FPC焊接要求。

在激光加熱過程中，激光焊接機(jī)器人具有微細(xì)的點(diǎn)直徑，其最小直徑僅為0.2mm，能完成電子設(shè)備微間距的焊接要求。同時(shí)，利用自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行FPC焊接時(shí)，激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)能夠在短時(shí)內(nèi)完成局部加熱，并且加熱過程對(duì)基板與周邊部件的影響不明顯（見圖1）。

圖1 自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例圖

例如，在對(duì)直徑為0.3mm的焊球進(jìn)行激光焊接時(shí)，通過自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)能夠獲得被焊接物體表面的資料，并且完成不同角度的焊接（例如焊球上部形狀不變化，但是其底部已經(jīng)與焊盤焊接在一起）。

從當(dāng)前自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展情況來看，該技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展有效滿足了FPC焊接的要求，并在高集成化、小型化方向有了更廣闊的發(fā)展前景。例如，在當(dāng)前移動(dòng)設(shè)備集成電路QFP元件焊接過程中，元件的引腳間距已經(jīng)從最初的1.0mm下降到0.3mm，部件時(shí)間的空間越來越小。自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)的出現(xiàn)有效滿足了這一需求，在相機(jī)和手機(jī)的CCD攝像頭部件、手機(jī)的微型受話器、手機(jī)的微型振動(dòng)器、便攜電腦的LCD部件以及微型馬達(dá)，微型變壓器等的FPC焊接，在液晶LED-TV、航空航天軍工制造以及高端汽車部件制造等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。

2.2 FPC焊接的激光焊接機(jī)器人功能完善

在FPC焊接過程中，為了能夠進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，人員在利用自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行焊接時(shí)，需要依靠裝置內(nèi)藏的同軸CCD攝像頭與監(jiān)視裝置來獲取焊接的實(shí)施數(shù)據(jù)。此時(shí)由于指示圖像會(huì)提示焊接狀態(tài)，并且激光焊接機(jī)器人的焊接過程能夠在顯示器上同步顯示，因此在FPC焊接過程中，技術(shù)人員能夠通過視覺圖像位置的變化，對(duì)FPC焊接工件的焊接點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，校正焊接點(diǎn)情況。同時(shí)在自動(dòng)化技術(shù)的支持下，技術(shù)人員還能利用自動(dòng)激光焊接機(jī)器人完成多種復(fù)雜的焊接操作，例如控制激光的照射時(shí)間、控制激光焊接機(jī)器人的焊接軌跡等。

在應(yīng)用階段，可以通過自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)所具有的其他輔助功能來強(qiáng)化焊接質(zhì)量，例如依靠激光頭上的防煙霧光學(xué)透鏡與保護(hù)系統(tǒng)，維修時(shí)只需要更換光學(xué)透鏡即可，整個(gè)操作過程簡(jiǎn)單。

2.3 FPC焊接應(yīng)用自動(dòng)激光焊接機(jī)器人的參數(shù)規(guī)劃

FPC焊接對(duì)自動(dòng)激光焊接機(jī)器人的焊接軌道提出了更高的要求，雖然在自動(dòng)化技術(shù)的支持下，技術(shù)人員完全可以利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化技術(shù)來降低對(duì)焊接機(jī)器人焊接軌道的干預(yù)，但是整個(gè)焊接軌道依然存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。所以為了保證自動(dòng)激光焊接機(jī)器人的焊接軌道能夠滿足FPC焊接要求，相關(guān)人員在技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)該落實(shí)空間軌跡與焊接工藝相結(jié)合的方式，將激光焊接機(jī)器人的空間軌跡與焊接工藝參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合規(guī)劃，為進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在技術(shù)應(yīng)用過程中應(yīng)該關(guān)注以下幾點(diǎn)。

（1）考慮到焊接工藝參數(shù)規(guī)劃會(huì)因?yàn)镕PC焊接的材料、形狀的變化而發(fā)生變化，因此為了能夠保證焊接質(zhì)量能夠達(dá)到預(yù)期，必須要根據(jù)上述要求來對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證焊接縫空間位置變化與焊接工藝要求能夠滿足FPC焊接的要求。所以在焊接過程中，技術(shù)人員必須要根據(jù)自動(dòng)激光焊接機(jī)器人的空間軌道變化情況，掌握三維空間下的連續(xù)曲線軌跡特征，并將其作為工藝優(yōu)化的重要標(biāo)準(zhǔn)，最終提高焊接質(zhì)量。

（2）在激光焊接的情況下，傳統(tǒng)焊接模式中的行走角、工作角對(duì)FPC焊接質(zhì)量的影響已經(jīng)不再明顯。但是出于對(duì)焊接質(zhì)量控制的考慮，就應(yīng)該關(guān)注其他會(huì)影響焊接質(zhì)量的要素，包括焊接電流與電壓的選擇、如何保證熔滴平穩(wěn)過度等焊接工藝。

在技術(shù)應(yīng)用過程中，技術(shù)人員將這些問題與自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)聯(lián)合在一起，能夠持續(xù)優(yōu)化激光焊接機(jī)器人的參數(shù)規(guī)劃情況，讓自動(dòng)化激光焊接質(zhì)量能夠滿足FPC焊接的質(zhì)量控制要求。

2.4 自動(dòng)激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)在FPC焊接中的發(fā)展方向

隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)激光焊接機(jī)器人技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，以更好的滿足未來FPC焊接要求。就目前相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況來看，自動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)的加熱方式變得更加具有針對(duì)性，其對(duì)應(yīng)的表面貼裝微細(xì)間距焊接，特殊激光束的最小點(diǎn)徑要達(dá)到0.05mm以下，激光發(fā)射形狀目前使用圓形外，根據(jù)焊盤形狀還開發(fā)出環(huán)形等復(fù)雜形狀的焊接技巧。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，三角形、橢圓形的焊接加熱方式正在研發(fā)過程中，以適應(yīng)不同環(huán)境下的焊接要求。

總體而言，在電子產(chǎn)品進(jìn)入到高密度化組裝的今天，大量新工藝技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)自動(dòng)激光焊接機(jī)器人功能提出了更高的要求，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，大量新工藝技術(shù)將會(huì)被導(dǎo)入到焊接機(jī)器人技術(shù)中，以適應(yīng)未來焊接要求。

3 結(jié)語

從本次研究結(jié)果可知，自動(dòng)激光焊接機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)有效滿足了FPC焊接的要求，在現(xiàn)階段電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用。因此對(duì)相關(guān)人員而言，必須要了解自動(dòng)激光焊接機(jī)器人技術(shù)所具有的技術(shù)特征與技巧，了解激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)在焊接過程的應(yīng)用技巧與方法，能以焊接機(jī)器人空間軌道等為突破口，持續(xù)優(yōu)化自動(dòng)激光焊接機(jī)器人的技術(shù)手段與精準(zhǔn)度，更好的滿足未來FPC焊接要求。

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