CN103259151B - 一种连接器的锡焊连接方法及其自动化焊接设备 - Google Patents

一种连接器的锡焊连接方法及其自动化焊接设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种连接器的锡焊连接方法及其自动化焊接设备,通过在线缆的芯线焊端加锡预制芯线焊端的规则外形,即熔锡铸型形成标准pin针排,能够同时解决加锡和焊端造型两个问题,它奠定了自动对位焊接的技术基础。熔锡铸型分为焊锡丝铸型和焊锡膏铸型两种工艺。根此原理发明了全自动的连接线焊接设备,其特点是作业机构桌面式水平布局,不需要焊接治具,设备配置三大核心机构,一是线缆芯线的分线和焊端脱皮处理机构,二是芯线焊端的加锡铸型机构,三是自动对位高频焊接机构。芯线焊端熔锡铸型法简化了生产设备配置,简化了工艺步骤,实行了全自动设备,实现了连接线焊接的高速自动化制造,并且使得焊接工序近乎零缺陷。

Description

一种连接器的锡焊连接方法及其自动化焊接设备
技术领域
本发明涉及一种电子设备之间传输高频信号而互连的连接线的锡焊连接制造方法,即线缆芯线和插接头之间的锡焊连接方法。该方法提出在芯线焊端加锡、铸型、形成规则焊端的方法。并提出利用该方法设计的连接线生产自动化焊接设备。
本发明属于高频电子线路连接线制造领域。
背景技术
当前,高频电子线路连接线如HDMI、USB正趋于向微型化方向发展,而其制造的核心工序是线缆芯线和插接头之间的锡焊连接,其趋势向自动化焊接方向发展,然而制约该自动化焊接技术的瓶颈是无法实现芯线焊端和插接头pin针的精确对位,原因就是芯线焊端的不规则性无法解决,在对位效率和对位精度方面无法兼得,被迫由人工干预对位。
之前的锡焊连接技术,归纳有两种工艺路线。
第一种是芯线和插头对位后,电烙铁加锡焊接,是传统手工工艺。
即芯线焊端经过脱皮浸锡后和插接头pin脚对位,实现二者焊端重叠,然后用电烙铁熔化锡丝,依靠电烙铁上携带的熔融锡点钎焊焊端。其缺点就是功效差,几乎全人工作业,而且焊接粘连和虚焊等不良率非常高。该工艺逐步淡出市场。
第二种就是在插接头上加锡焊接,半自动化生产。
因为插接头的每个pin针排列非常规整,容易实现自动化机构加锡。然而这只是解决了加锡问题,副作用是这种加锡因为锡点占据插接头的隔栏槽使得芯线和插接头对位效果更差,更需要人工对位、人工矫正。因此,只能分散式组织生产,把连接线制造人为分割成三部分,一是人工分线和自动化芯线脱皮,二是自动化插接头压锡丝,三是自动化加热焊接。只是由于“对位”环节的人工干预未能实现全流程自动化。对于pin距在1.5mm的A型插接头尚且需要人工对位,对于MIMI的插头或D型插头(pin距0.5mm),更加无能为力。这种制造模式只能属于半自动化作业模式。
以往技术都未能解决一个难题,就是对位问题。如何将线缆的不规则的芯线焊端矫直矫正,是实现插接头和芯线对位的关键。至今没有一个技术能够有效解决这个难题。
发明内容
本发明构思了高频电子线路连接线的芯线和插接头之间锡焊连接的第三种加锡方法:芯线焊端加锡铸型法。并由此实现连接线制造的全程自动化。
本发明通过芯线焊端加锡预制芯线焊端的规则外形,即熔锡铸型形成标准pin针排,能够同时解决两个问题:一是实现了简易方法均匀加锡,二是实现了芯线焊端的精密造型,奠定了自动对位焊接的技术基础。熔锡铸型解释为:加锡是实现导体钎焊的需要,铸型是实现插头和芯线准确对位的需要。
本发明涉及的连接线制造方法是这样的。依次经历三大核心工序,一是线缆芯线的分线和焊端脱皮处理工序,二是芯线焊端的加锡铸型工序,三是自动对位焊接工序。当然前导工序还有线缆的剥皮和脱麦拉处理,后续的还有焊口注塑封装工序等。本专利所述的锡焊连接的范畴特指以上三大核心工序部分。
以HDMI连接线为例,具体的工艺过程是这样的,先将用分线架将19根芯线分为AB两排,A排10芯,B排9芯。分线架是塑料绝缘支架,起分线定位和绝缘隔离作用,设计存留在连接线内。悬空留出的芯线长度在10mm内,人工大体上排列矫直芯线。然后对芯线焊端在机器上进一步矫直,并切断,留出3mm的焊端长度,从焊端的根部割断芯线绝缘皮(不得伤及导体),这可以使用刀片冷割或激光切割,之后,咬合绝缘皮断口挪移法拉出芯线绝缘皮。完成了焊端脱皮的芯线焊端露出导体光泽,不使用助焊剂就可以进入加锡铸型程序。通过加锡铸型程序打造出规则的相互平行排列的芯线焊端pin针,两排pin针呈中文“八”字型,也称喇叭口形状。之后,将插接头直接和芯线焊端铸型pin针承插对位,由于插接头的对接端面有销钉柱,分线架对接端面上有销钉孔,销钉连接保证了插接头pin针和芯线铸型pin针的准确对位搭接。之后,对搭接部位加热,焊锡熔融将芯线导体和插接头导体浸润包封,冷却凝固后完成锡焊连接。
至于芯线焊端的pin针铸型,有两种方法。一种是锡丝铸型法,一种是锡膏铸型法。
锡丝铸型法有热压塑性流变铸型法和热熔导流铸型法之分。
锡丝热熔导流铸型法:首先,根据分线架对芯线的空间定位几何制造一个导注模,模内有槽道,这个槽道就是将要再造焊端形状的铸槽。将铸模预热到接近焊锡丝的熔点温度并恒温。将热压刀预热到高于焊锡丝的熔点温度。将分线架和铸模对接后,每个芯线深入对应的槽道中,此时送入一根焊锡丝,横贯芯线焊端阵列放置,然后热压刀头迅速垂直挤压锡丝并加热融化锡丝完成合模。之后模温冷却使焊锡凝固,脱模后获得两排和插接头pin针完全一致的芯线焊端pin针排。这就是芯线pin针的标准化过程。
锡丝热压塑性流变铸型法:同锡丝热熔导流铸型法具有一致的模具、一致的作业流程,只是锡丝仅加热到接近熔点温度但并没有熔化流动(例如对这段锡丝快速电阻加热),铸模和压刀都可以是冷的(也可以是热的),依靠冲压力,把锡丝分断并压入铸模槽。脱模后,获得和插接头pin针完全一致的芯线焊端pin针排。
锡膏铸型法:同锡丝热熔导流铸型法具有一致的模具、一致的作业流程,只是锡膏取代锡丝,不再赘述。目前,由于焊锡膏有低温型,比如焊无铅的焊锡丝熔点230℃,而使用锡膏的锡熔点180℃。有利于后工序的焊接。当然使用锡丝更加廉价环保。
当然,为了更好地能够满足mini插接头的应用,设计铸模槽的截面形状可以起到辅助定位作用,实质上是二次定位功能。截面形状理想的是三角形,实质上是三棱锥几何体,当插接头和芯线焊端对位时,有利于芯线铸型pin针依靠自定心方式滑落进入插接头的pin针槽,实现二者的重叠搭接。
下面结合附图说明本发明涉及的芯线焊端加锡铸型法涉及的连接线焊接工艺。
图1是一个插接头结构图。
图2是一个脱皮后的芯线焊端排结构。
图3是一个经过加锡铸型预制的芯线焊端标准pin针排。
图4是一个芯线焊端pin针排和插接头pin针X向对位重合Z向压接搭接的加工示意图。
图5是一个有双侧倾斜铸槽(三棱锥)的铸模。
图6是芯线焊端加锡铸型加工工艺图(含局部放大图)。
图1中,1-插接头,2-绝缘隔栏,3-导体pin针,XYZ-坐标系。
图2中,21-线缆,22-分线架,23-芯线焊端排, XYZ-坐标系。
图3中,21-线缆,22-分线架,33-铸型标准pin针排, XYZ-坐标系。。
图4中,1-插接头,21-线缆,41-加热焊接上下刀头,XYZ-坐标系。
图5中,51-铸模,52-铸模槽,XYZ-坐标系。
图6中,21-线缆,22-分线架,51-铸模,52-铸模槽,61-上热压刀头,62-下热压刀头,63-上下两条焊锡丝,XYZ-坐标系。
仍然以HDMI连接线的焊接为例来阐述本发明的技术方案。
在图1中例举HDMI插接头结构,插接头1有双排的导体pin针3,依靠绝缘隔栏2分隔开来。图2中的连接线的线缆21包含有19条芯线经过分线架22定形后形成芯线焊端排23,并完成了芯线焊端脱皮。
经过一个本专利发明的芯线焊端加锡铸型特殊工艺完成图3示意的芯线焊端造型:铸型标准pin针排33。所谓标准pin针排33是由焊锡铸型包络芯线焊端形成的一组相互平行的、准直的棱锥针状导体。
然后经历图4示意出的对位焊接过程完成焊接连接。其过程是:将图3的预制芯线焊端结构和图1的插接头沿X方向对接(销钉结构承插),加热焊接上下刀头41先将芯线的标准pin针排33一一对应沿Z方向压入插接头1的每个隔栏槽中,至此,实现和插接头pin针3的X方向重叠搭接,完成对位,可保证100%的对位成功。此时,无论利用烙铁传导加热还是高频感应加热,都可以实现芯线焊端携带的铸型焊锡熔融,冷却后实现芯线和插接头pin针的锡焊连接。
正是由于预制成型芯线焊端的规则铸型,为后面自动化对位焊接打下基础。这种方法显然具有普遍的适应性,可以适用于HDMI连接线的D型端子,还可以适用于USB3.0等各类高频线路连接线的焊接。可适用于单排芯线情况,也可适用于双排芯线情况。
本发明构思的加锡预制成型芯线焊端的规则铸型并不困难,可以有两种方式实现,一种是焊锡丝加锡法,一种是焊锡膏加锡法。
图6示意出芯线焊端加锡铸型加工工艺图,首先要准备一个图5示意的铸模,铸模有三角形截面的铸型槽阵列,在铸模的一端有两排铸模槽52,最理想的铸模槽52的槽截面是三角形结构,顶点在铸模内侧,目的是:这样的铸型pin针在和插接头隔栏槽Z向对位时可以起到自定心作用,保障对位的可靠性和准确性。之所以使用倾斜的铸槽,目的是实现两排铸型pin针具有喇叭口一样的空间几何构型,方便芯线和插接头的X方向对位时不至于碰触干涉。图5示意的就是具有三棱锥几何体的铸模槽结构。焊锡pin针铸造过程是这样的:先将铸模51和线缆21沿X向对接装配在一起,使得不太规则的芯线焊端分别落入每个铸模槽52中,然后,于芯线焊端位置,横贯放置(沿Y方向送入)上下两条锡丝,此时,上热压刀头61和下热压刀头62从两侧沿Z方向施加压力将锡丝压紧,由于热压刀头是高温的,焊锡丝即刻熔融,又由于刀头的移动是快速和连续的,而且熔融的焊锡具有自聚效应而不会飞溅流出模腔,刀头移动遇到铸模51时止位。此时实现了合模,刀头和铸模槽合拢形成模腔。熔融的焊锡便约束在模腔内流动充盈。根据体积不变法则,Y方向一个pin距长度的锡丝变换为铸模槽内一定长度的铸型pin针,锡丝越粗,pin针就越长。此后,对模具和刀头迅速冷却至焊锡熔点温度以下而凝固,此时,乘热脱模,即把刀头和铸模移走,便脱出标准铸型的焊锡pin针,非常标准。
铸模槽的截面形状不限于三角形,也可以是类似的具备导向定心作用的“凸”形几何。
依照上述方法,将焊锡丝用焊锡膏替代,相同的操作也可完成焊端加锡铸型。不再赘述。
以上的预制芯线焊端铸型和对位焊接都可以实现自动化过程。
下面结合附图说明根据本发明的芯线焊端熔锡铸型法制造连接线的方法、设计制造的自动化焊接设备。
图7是自动化设备的组成和结构图(含局部放大)。
图8放大示意自动化设备的水平面布局结构特点(含局部放大)。
图7中,1-插接头,21-线缆, 23-芯线焊端排,71-芯线焊端脱皮机构 ,72-芯线焊端加锡铸型机构,73-芯线和插接头对位并加热焊接机构,740-中央控制系统,701-滑轨,702-往复机构连杆,703-往复机构Y向气缸,704-往复机构拨爪定位块,711-前激光器,712-前脱皮刀,713-前脱皮刀Z向气缸,714-前脱皮刀X向气缸,715-中位舌片剥刀,716-中位舌片剥刀X向气缸,721-前热压刀头,722-前热压刀头Z向气缸,723-前热压刀头X向气缸,724-中位铸模,725-中位铸模X向气缸,726-送锡丝机构,727-焊锡丝,731-前焊刀,732-前焊刀Z向气缸,733-前焊刀X向气缸,734-插接头夹具,735-插接头X向对位气缸,736-焊接设备,XYZ-坐标系。
图8中,21-线缆,701-滑轨,702-往复机构连杆,703-往复机构Y向气缸,704-往复机构拨爪定位块,801-滑轨内腔Y向滑道, XYZ-坐标系。
本发明的自动化焊接设备的组成是这样的,设备核心结构部分由芯线焊端脱皮机构71 、芯线焊端加锡铸型机构72、芯线和插接头对位并加热焊接机构73三大机构组成,也称三个设备模块或三大工站组成,三大模块由一个集成的中央控制系统740统一控制,设备有一个工件流转传送往复机构,并按照固定的往复节拍运动,在电气逻辑控制和电气动力驱动作用下,被焊接工件由流转传送往复机构承载、并依次通过芯线焊端脱皮机构71 、芯线焊端加锡铸型机构72、芯线和插接头对位并加热焊接机构73三大工站,每个工站停留充分的模块作业时间。
自动化设备必须有两个主线,一个是电气控制逻辑主线,一个工件传送流转主线。由中央控制系统740控制设备的全部电气动作逻辑。工件传送流转主线是从左到右的直通方式。整个设备的工作平面是一个桌面水平布局系统。
本发明设计一种水平面作业的工作模式,这种工作模式可以实现免除使用治具,减少设备操作员的目的。
如图8示意的水平面作业布局模式,芯线焊端排23的线排平面XY平面位于竖直平面,传送往复机构的运动轴线为Y方向并且和芯线排平面平行,线缆和焊端芯线排在滑轨内单向移动,始终约束其XZ方向自由度,只有Y方向移动自由度。线缆21始终保持重力下垂状态。
连接线的自动化焊接过程是这样的,线缆21具备已经人工分线完毕的芯线焊端排23,操作员将其从设备左端放入滑轨701的滑轨内腔Y向滑道801,在往复机构的拨爪定位块704的拨动作用下,一步一步地经历各个工站,最终从滑道的右端滑出,完成一个焊接生产周期。这种结构传送和定位机构,不需要焊接治具,也就省略了治具的投资和治具回流机构,更不需要拆模工人。
滑轨701内腔设计有可以和线缆分线架22紧密配合并定位的滑道801,这种配合关系能够限定芯线焊端排的XZ自由度,使其只能沿Y向从左到右按照步距和节拍间歇行走。
往复机构是由Y向往复气缸703推动的。气缸带动连杆702在中央控制器740的控制指令作用下往复运动。拨爪机构704固定在连杆702上,每一个往复周期拨动工件(线缆)移动一个工位。
芯线焊端排23经过第一工站芯线焊端脱皮机构71时,先是前激光器711沿悬空的芯线焊端根部前侧面切割一个绝缘皮断口,与此同步,后激光器沿悬空的芯线焊端根部后侧面切割一个绝缘皮断口,然后由中位舌片剥刀X向气缸715推动中位舌片剥刀沿X向进入两排芯线排23的中间,止位于芯线焊端根部的绝缘皮断口,同时,前脱皮刀Z向气缸713推动前脱皮刀712沿Z向压入前排芯线的绝缘皮断口,与此同步由后脱皮刀Z向气缸推动后脱皮刀沿Z向压入后排芯线的绝缘皮断口,此时,在气缸715的拖动下,中位舌片剥刀、前剥刀、后剥刀一起沿X向向上挪移,拉出焊端绝缘皮。此时,芯线焊端裸露导体光泽,芯线的细微导体也不会散开。
此时,可以对剥皮后的焊端涂助焊剂或助焊膏(自动化过程,非核心工序,所以图中没有表示)。
剥皮后的芯线焊端排进入第二工站芯线焊端加锡铸型机构72,由中位铸模X向气缸725推动已经预热恒温的中位铸模进入两排芯线排中间,(这里的中位铸模就是前述的铸模51),而后,送锡丝机构726将两条焊锡丝727沿Y向送入,分别横贯在两个芯线排面上(亦即铸模槽上方),此时,由前热压刀头Z向气缸722沿Z向将前热压刀头721推向铸模槽,与此同步由后热压刀头Z向气缸沿Z向将后热压刀头推入铸模槽,实现热压合模,热压刀头将焊锡丝熔化,沿铸模槽流动,铸模和热压刀头冷却实现焊锡凝固定型。各个气缸复位,铸造定型的芯线焊端标准pin针33脱出。
顺便指出,如果是锡丝热压塑性流变铸型法成型标准pin针33,只是铸模和刀头的温度以及锡丝的温度和热压的力度不同而已。
此时,可以对铸型后的焊端涂助焊剂或助焊膏(自动化过程,非核心工序,所以图中没有表示)。
完成芯线焊端铸型后进入第三工站芯线和插接头对位并加热焊接机构73,此时,可准确无误直接对位。由插接头X向对位气缸735带动插接头夹具734将插接头1沿X向送入,和芯线焊端的标准pin针排33直接X向重合对位,其中插接头和分线架销钉结构连接。然后,由前焊刀Z向气缸732推动前焊刀731沿Z向接触铸型的芯线pin针,与此同步,后焊刀Z向气缸推动后焊刀沿Z向接触铸型的芯线pin针,辅助以三角形pin针对位插接头隔栏槽的自定心作用,每个标准铸型pin针都可以顺利地压入到各自的槽道中,此时,焊接设备736实施焊接程序,加热熔融焊锡,冷却后凝固完成焊接连接。各个气缸复位,完成对位焊接工步。
焊接设备736优选采用高频感应涡流加热方案,焊接质量高,速度快。
顺便指出,插接头1可以采用人工喂料进去,也可以使用振动盘自动喂料。根据不同的批次规模和公司规模进行选择。这个不是核心工序,图中没有显示,也不予赘述。
焊接结束后,在往复机构的推动下,成品连接线滑出工作轨道,结束自动化焊接过程。
当然,本专利叙述的自动化设备是以焊锡丝为例在焊端加锡铸型的,焊锡膏加锡铸型的设备配置大同小异,只是用锡膏涂布机替代送锡丝机构而已,不再赘述。
另外,在自动化设备的第一工站,本专利阐述的是采用激光器切口、机械挪移脱皮机构。替代方案还可以是采用大功率激光器直接将芯线焊端2-3mm长的绝缘皮烧蚀去除,省却机械挪移脱皮机构。根据需要,可以有氩气或氮气保护装置,防止芯线的高温氧化。
通过本芯线焊端加锡铸型方法,一举两得解决了连接线焊接过程的加锡和对位两个问题,使得全自动化的焊接设备得以诞生,设备成本和焊接成本大幅度降低。该方法和相应的自动化焊接设备,实现了连接线焊接的高速自动化制造,并且使得焊接工序近乎零缺陷。

Claims (6)

1.一种高频电子线路连接线的芯线和插接头之间锡焊连接方法,该方法依次包括线缆芯线分线排列、 芯线焊端脱皮、加锡、 芯线焊端和插接头对位搭接、 加热熔锡焊接步骤,其
特征在于:在芯线焊端加锡,并通过熔锡铸型法预制芯线焊端的标准pin针排(33);所述熔锡铸型法为通过加热熔锡再进行铸型;所述芯线焊端的标准pin针排(33)为由焊锡铸型包络芯线焊端形成的一组相互平行的、准直的具有规则外形的导体。
2.根据权利要求1所述的芯线和插接头之间锡焊连接方法,其特征在于:所述芯线焊端标准pin 针排和插接头的 pin 针排对位搭接后,通过高频感应加热装置实现熔锡焊接。
3.根据权利要求1所述的芯线和插接头之间锡焊连接方法,其特征在于:所述在芯线焊端加锡,并通过熔锡铸型法预制芯线焊端的标准pin针排(33)中,先通过具有三角形截面的铸型槽阵列的铸模和线缆沿X向对接装配在一起,然后在芯线焊端位置,沿Y方向横贯放置锡丝,上热压刀头和下热压刀头从两侧沿 Z 方向施加压力将锡丝压紧,将锡丝熔融,且在挤压力作用下填充热压力刀头和铸模合模形成的三角形截面的模腔,脱模后获得芯线焊端的标准pin针排。
4.根据权利要求3所述的芯线和插接头之间锡焊连接方法,其特征在于:沿Y方向横贯芯线焊端排涂布一条焊锡膏替代焊锡丝 (63) 实现熔锡铸型。
5.基于权利要求1所述的一种高频电子线路连接线的芯线和插接头之间锡焊连接方法的全自动焊接设备,其特征在于 :设备核心结构部分由芯线焊端脱皮机构(71)、 芯线焊端加锡铸型机构(72)、 芯线和插接头对位并加热焊接机构(73)三大模块组成, 三大模块由一个集成的中央控制系统 (740) 统一控制,设备有一个工件流转送往复机构, 并按照固定的往复节拍运动, 在电气逻辑控制和电气动力驱动作用下, 被焊接工件由流转传送往复机构承载、 并依次通过芯线焊端脱皮机构 (71)、 芯线焊端加锡铸型机构 (72)、 芯线和插接头对位并加热焊接机构 (73) 三大工站, 每个工站停留充分的模块作业时间。
6.根据权利要求5所述的全自动焊接设备,其特征在于:设备有水平面布局的工作台,芯线焊端排 (23) 的线排平面 XY 平面位于竖直平面,传送往复机构的运动轴线为 Y 方向并且和芯线排平面平行,线缆和焊端芯线排在滑轨(701)内沿滑道(801)单向移动,始终约束其 XZ 方向自由度,只有 Y 方向移动自由度。
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