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激光自動焊接在金屬化薄膜電容器的應用及技術研究

很顯然，隨著現代科技和工業的發展，金屬化薄膜電容器的應用越來越大量，尤其是新能源和低碳環保經濟的發展，為金屬化薄膜電容器的發展擴大了空間，例如：核能發電、機車電氣化、汽車混合動力驅動等均需要大量使用金屬化薄膜電容器

2023-02-23 15:28:56深圳市紫宸激光設備有限公司57

很顯然，隨著現代科技和工業的發展，金屬化薄膜電容器的應用越來越大量，尤其是新能源和低碳環保經濟的發展，為金屬化薄膜電容器的發展擴大了空間，例如：核能發電、機車電氣化、汽車混合動力驅動等均需要大量使用金屬化薄膜電容器[1]。激光是受到激發輻射后產生并放大的一種可見光。激光技術屬于精密加工技術，由于其輻射速度快、輻射功率高、響應速度快、輻射面積較小以及可控性強，在較短時間內可以實現精密切割、加熱和焊接功能，所以在近現代工業領域，如機械工程、微電子工程、汽車工程等領域里被大量使用。激光焊接技術無論是在大型件焊接方面，如機車車蓋的焊接，還是在微焊接方面，如集成電路的微焊接，只要針對不同的焊接工況，選用不同焊接技術和焊接類型、改變焊接參數等方式，都能實現所需焊接要求。[3]

自動錫焊概念是針對電子產品的高精度裝配與焊接要求提出的，通過對機器人工作路徑的程序編輯，引入機器視覺技術，修正誤差，實現焊點的精確定位[4-5]。可以解決機器漏焊，焊偏等問題。同時由于金屬化薄膜電容器普遍容量較大，數量和種類較多，加之其材料的特殊性，影響其焊點成型的因素眾多，使得目前金屬化薄膜電容器元件組的錫焊難以實現自動化，多為手工作業。而加入了激光焊接可解決人工焊接不一致，效率不高等問題。[2]

本文以金屬化薄膜電容器為主，根據激光軟釬焊工藝特點和性能要求，激光錫焊系統主要由基于PLC 的控制系統、運動定位平臺、激光電源系統、光紅外測溫系統和送絲機構等組成的一款激光焊機。[6-8]同時配合治具、檢測，上下料等功能為一體的激光錫焊設備，用來提高生產速度、控制焊點質量、減少人工成本。得以促進激光焊接在電容行業的應用。

1、焊材的選用

1.1

電容焊接種類

金屬化薄膜電容器（ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄｆｉｌｍｃａｐａｃｉｔｏｒ）元件主要是由2層金屬化聚丙烯（或聚酯）薄膜重迭卷繞而成，有油浸式和干式2種結構。其氣電性能好，并具備自愈特性。其特點是耐電壓、絕緣電阻、損耗角正切值等電性能十分優異，并具備自愈特性，可以直接應用于中高壓場合。

與電容器元件噴金端面相焊接的材質有很多種，如導線、銅片、鍍錫銅排、鍍錫編織銅帶等。所焊接的物品不同，需要的焊接功率，錫絲的線徑均有所差異，所選用的工藝也都不同，焊接效果如圖1。對比使用同種焊接機對同批次噴金、賦能合格后的10 個圓形元件與不同材質物品的焊接，焊接難易度依次由易到難是導線<銅片<鍍錫銅排<鍍錫編織銅帶。在焊接編織銅帶的時候由于其焊接端部銅線比較分散，焊接時線體不能整體散熱，從而導致部分線頭受熱過高而出現燒傷現象。可以采用浸錫的處理方法，浸錫過后使線頭形成一個整體統一散熱。但是此情況在在銅線焊接上沒有發生，因為銅線自身耐高溫，所以銅線分散不會燒傷；而編織銅帶鍍錫后，因表面鍍錫層不耐熱，從而使分散的編織銅帶出現燒傷現象。

1.2

錫絲選材

市場上常見的錫絲為SnAgCu、SnCu、和SnPb等幾種，其**是錫鉛（Sn63%、Pb37%）的錫絲。錫絲中添加鉛能夠使熔點降低。此外，鉛還能提升焊接時的著錫能力，降低了虛焊狀況，擴張錫液的沾染總面積，有益于增強商品的焊接的品質。

Pb的主要作用

（1）降低焊料合金的熔點：純錫的熔點是232℃，通過與Pb混合后形成共晶合金，錫鉛共晶合金的熔點降低到183℃。

（2）確保焊點的濕潤性：在錫焊中，確保焊料在被焊接面上的濕潤性是重要的一項因素。通過鉛的加入，可以提高焊料的濕潤性。可以防止錫鉛合金中錫的氧化。錫的氧化物難以還原，而鉛的氧化物則容易還原，易還原性可達到錫的氧化物的1000倍以上，所以加入鉛后，降低錫與空氣的接觸面，利用鉛的氧化來降低錫發生氧化的幾率。

（3）防止錫須的產生：錫晶體上受到壓縮應力時，錫原子會從晶體的缺陷部位擠出，錫的單晶體生長而形成胡須狀（毛刺），嚴重時會產生連錫的情況。

（4）焊料合金自身強度小：SnPb焊料和其他焊料相比，韌性相對好一些。因此可以減小（強度）震動沖擊、電動力等因素帶來的一些影響。

（5）含鉛的焊料，有利于焊接時的流動性。

2、電容治具與結構設計

2.1

治具設計

電容器大多是由多個單元元件組合而成的，而且不同產品的單元元件形狀和結構也大不相同，常見的有圓形元件和扁形元件，所以治具要根據不同產品元件、芯組的結構和尺寸來定制。在電容類產品焊接中，治具實現的作用是固定元件位置和壓平上方銅排或導線。同時因為電容器組件較重，還要考慮怎樣配合翻轉系統使用。因此本文配合不同形狀的元件，同時根據現場使用要求不同，設計了兩種不同的治具，一種盒式治具，一種板式治具，如圖2、圖3。

2.2

旋轉設計

因為電容器正反兩側都需要焊接，針對兩種不同的治具，所采用的旋轉方式也不一樣。

盒式的治具，在盒兩側留有旋轉孔位，先將產品對位，之后再用夾緊氣缸對位夾緊，然后移動對位平臺，留出旋轉空間，保證產品焊接后旋轉不發生干涉，其旋轉方式采用電機減速的方式。其優點是精度高，可以一次性焊接、旋轉多組電容器。

板式治具由于重量輕，可以根據具體情況選擇用氣缸和電機兩種旋轉方式，如果用氣缸旋轉，首先用治具固定架固定治具后，可根據不同需求，使用一個或者多個氣缸以保證穩定性。其優點是便宜，但是要根據氣壓大小來調整產品數量。

3、激光模塊與掛載

激光錫焊的原理是激光的高能量密度實現局部或微小區域快速加熱，調整光斑的大小對指定的區域進行照射，通過熱輻射，對此區域內的錫進行加熱，使其快速熔化并在冷卻后形成焊點。這種焊接方式是利用低熔點的金屬（錫）加熱熔化后，滲入并充填金屬件連接處間隙的焊接方法。其原理是通過“潤濕”、“擴散”、“冶金”三個過程完成的，焊絲通過加熱融化后潤濕在元件表面，并根據焊錫固有的張力向元件擴散同時包裹住銅排，與焊點的銅排和元件接觸后形成合金層，使兩者牢牢結合。與傳統烙鐵錫焊不同的是，激光屬于“熱輻射”，加熱速度極快，而烙鐵是靠“熱傳遞”緩慢加熱升溫。而且對不同種類的合金錫還有多種的加工方式，從而實現無接觸式自動化焊接，實現焊接的高效和高精細的效果。

由于金屬化薄膜電容器元件的焊點較大，成型要求達到面圓潤、光滑、無毛刺尖角，考慮綜合因素，激光焊接電容采用了500W的半導體水冷激光器。同時配備了帶溫控的水冷激光頭，激光頭將紅外溫控、視覺和激光結合到一起。通過內部反射鏡，將光纖、紅外溫控和視覺做到同軸。這樣可以防止功率過高或者其他因素導致電容燒毀，也可以同時用視覺監控焊接效果。如圖6。

設備通過對機器人或軸進行工作路徑的試調,引入機器視覺技術,可以來修正誤差,實現其焊接點的精確定位。[9]由于電容上銅排的不同擺放形式，所以所采用的激光頭的搭載方式也不相同，如果銅排方向一致，則可以采用X、Y、Z三軸式搭載如圖7。如果銅排方向不一致，則要采用機械手搭載如圖8。同時軸式和機械手上都要配備送絲機構、光源、視覺定位和除塵系統。

多種搭載方式主要是配合錫絲的送絲方向及焊接角度，焊錫角度如圖9-1，則焊接效果是較好的，容易達到焊接要求如圖9-3。如果焊接角度如下圖9-2，則焊接效果有時會發生缺陷，因為銅排吸熱比電容快，而且錫導熱性好，會更親和銅排，導致電容上沒有錫如下圖9-4，同時錫絲有時也會卡到使錫絲折彎，導致送絲位置不準。如果焊接角度如下圖9-3，如果送絲速度過大或者送絲過快，會使錫流向不均勻，導致部分地方沒有錫如圖9-5。但是三種送絲方式在經過調整后都能達到焊接要求，不過后兩種需要更精確的調整。

4、自動流程與焊后檢測

4.1

焊接流程

設備可以采用人工上料，同時也可以使用機械手上料，之后自動封裝。封裝后自動進入焊接位置，通過軸上搭載的視覺系統對樣品進行視覺識別。視覺相機和激光頭同時搭載在Z軸上。先進行定位拍照，之后再進行激光焊接。焊接后焊接頭會移動到安全位置，然后治具開始旋轉，再進行反面的焊接。焊接完成后可以用同軸的視覺相機，或者進入專門視覺檢測的工位進行視覺檢測。檢測合格后自動開蓋，自動下料到物料轉運車上。

上料之后自動盒蓋焊接。在焊接結束后，產品自動移動到開蓋位置，先用氣缸推動機械爪進行開蓋作業，如下圖11。之后移動到下料爪位置，先用頂升氣缸將產品頂起，用機械爪將焊好的產品夾起運送到物料轉運車上，如下圖12。

4.1

焊后視覺檢測

視覺檢測在電子行業已經得到普及，而且光學檢測更加高效。在此設備中也加入了視覺檢測功能。視覺檢測的方式也多種多樣。有常規定位相機檢測、多相機三色光檢測、3D相機掃描檢測等，圖13。

5、焊后質量檢測

焊接時影響元件質量主要因素，其主要工藝參數是焊接電流，若焊接功率小，易產生虛焊，牢度不夠；若焊接功率過大，瞬時溫度過高，承受時間過長，會使薄膜受熱收縮，造成損耗角正切增大，這應該是電容器生產過程中焊接工序的質量控制常識[10-12]。本文通過采用不同焊接參數、電容量衰減、損耗角正切之間關系進行對比試驗，論證了焊接工藝對電容器的容量衰減有著不可忽視的影響。

5.1

拉力測試

焊點是銅片與電容元件的連接點，對產品的傳導性能有著重要的影響。所以測試是把已焊接的一組銅排切割開，并且分別以1、2、3、4……等作為標記。將與器件固定到拉力計下鉗子上，再用上鉗子夾住銅排，以垂直焊點向上方緩緩拉起，拉起速度為50mm/min，直至銅排拉起焊點完全脫離元器件如圖15。

圖15 拉力測試效果