CN105108264A - 一种用于激光锡焊的锡球泵头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于激光锡焊的锡球泵头，包括外套筒、安装在外套筒上的锡球桶、设于外套筒内的转子、驱动转子转动的电机，转子的圆柱面外壁向内凹陷设有至少一圈圆周分布的锡球容池，锡球桶安装于锡球容池所在纵向平面的上方且与锡球容池连通，外套筒下方设有落球通道，落球通道通过溜槽与喷嘴连通，当转子上的锡球容池转至下方时锡球容池与落球通道连通，处在转子上端的锡球容池用于承接锡球桶落下来的一颗锡球，转子转动时锡球封闭在锡球容池中，并在外套筒的内壁之间滑行，直至锡球容池运行到转子下方时锡球进入外套筒的落球通道。本发明制造成本低、加工精度容易保证，而且可有效减少卡球的故障。

Description

一种用于激光锡焊的锡球泵头

技术领域

本发明涉及激光自动化领域，具体是一种用于激光锡焊的锡球泵头。

背景技术

常见的激光焊接是将被焊物体经激光照射后，让其发生从熔化到再结晶的物理过程，术语称之为“物理相变”，其再结晶过程中也包含有“合金相变”，甚至发生“化学变化”等，最后所获得的焊接体，我们将这样的焊接形式称之为“激光熔接焊”，焊接机理如下：

物理相变：固相→液相→固相

合金相变：对于甲乙两种不同物质的焊接，往往会在物相变化发生的同时，也将会伴随着化学相变的产生，如甲物体中的合金元素，将会在液相发生时，与乙物质中的碳元素产生金属键的联合，形成一个新的分子结构形式，这样的重新组合，将直接导致焊接后的机械性能发生变化，如：脆性增加、焊接应力、抗拉强度的变化等等。

化学变化：两种合金物质在经由”固相→液相→固相”的变化中，很有可能会产生出新的化合物，并新的化合物会固化于最后的成品之中，抑或成为气态溢出，这都是有可能的，具体问题还得具体分析，但因超出本文探讨范畴，所有不在本文赘述。

然而，另有一种特殊的焊接，就不能用到上述的“激光熔接焊”，例如：超精细的激光焊接就不能用到激光熔接焊，举例说明如下：

电脑硬盘内部有一个高速旋转的磁盘，旁边还有一个高速的扫描器，用来读写数据，扫描器是一个高速摆动的精密机械机构，扫描的摆臂上有一个很小的柔性电路板，其输出输入端，一端连接扫描头，另一端输出至硬盘出口，而对于这里的柔性电路板与扫描头的焊接，就完全不能用激光熔接焊，不然，柔性电路板的导线与扫描头上的导线，会在强大的激光束照射下化为乌有。因此，对于这类精细的激光焊接，只能用“激光锡焊”，亦称“激光软钎焊”。

”激光软钎焊“初级阶段是”激光焊锡丝焊接”，但是，这种方式的焊接，焊点大小不易控制，一般焊点都有点过大，达不到精细焊接的程度。比较合适的是用一颗熔化的锡球进行焊接，这就是“激光软钎焊”，这种方法可以称之为“激光锡球焊”，亦称“激光熔滴焊”。

锡球的直径一般都比较小，适合做超精细的焊接，锡球直径包括有……Φ0.3mm、Φ0.4mm、Φ0.45mm、Φ0.5mm、Φ0.55mm、Φ0.6mm、Φ0.76mm……等等规格，锡球的制造目前是一种成熟技术，因此，做精细的激光焊接，完全可以用一颗熔化的锡球来进行精细的激光焊接。

“激光熔滴焊”工作原理：用激光熔化锡球，同时用一定的气压为动力将熔化的液态锡球喷射(滴于)于被焊物体上，液态锡球将在极其短的时间内完成软钎焊中的”浸润”过程，从而将两个物体焊接在一起。实践证明，“激光熔滴焊”确实是一种精细的激光焊接，适合在高科技领域做极为精细的焊接。但是，将微细的锡球进行分离和排序，并可控的泵送到激光喷嘴中等待焊接，是一件不太容易的事情，这种机构，我们称之为”锡球泵头”。

现有圆盘式锡球泵头的结构见图1，转轴12转动时，将带动转盘1同步转动，并将转盘上分球孔1-A处所存放的一颗锡球送至分球孔1-B位置，当这颗锡球到达1-B位置的时候，这颗锡球将在重力的作用下掉进喷嘴5中，等待激光照射，将其熔化，在激光熔化这颗锡球的瞬间，工作气体将经过吹气管接头7、横向气道10、向下的倒锥形气道、喷嘴5的内道，迅速的将熔化的锡球吹向下面的被焊接物体，从而完成焊接。

此种机构所存在的问题：

锡球的直径一般都比较小，而锡球的直径将决定转盘的厚度，一般来说，若用Φ0.76mm的锡球的话，转盘1的厚度将只有0.8mm-0.9mm，这将导致转盘1这个薄片零件制造成本极高，为了保证机械强度和零件的刚度，需要进行中间热处理，这无疑将提高加工成本，以及提高加工难度，很难保证转盘两面的跳动在设计值之内，因为跳动过大，转盘1将摩擦上端盖13和下端盖2，过大摩擦将导致卡球检测难以实现。

不仅仅是转盘1的加工成本极高，与之相配的上端盖13、下端盖2都会相应的提高加工精度、加工成本，才能满足转盘机构的运行精度。由于转盘1与上端盖13、下端盖2的摩擦面比较大，因此，为了保证安装后的综合间隙在避免摩擦的状态，于是，机构就人为的加大了转盘1与上端盖13、下端盖2之间的间隙，但是过大间隙会将尺寸公差偏小的锡球卡在上下间隙之中，导致机构失效。每遇至此，只有将整个泵头拆卸、清洗、重新装配调整。

另外，转盘1与上端盖13、下端盖2的摩擦面比较大，将会由于制造、安装的综合因素，导致摩擦阻力过大，因此，利用电机负载电流变化来判定卡球的功能将难以实现。

发明内容

本发明提供一种用于激光锡焊的锡球泵头，致力解决上述弊端，从而保证超精细激光焊接的工业化生产成为可能。

一种用于激光锡焊的锡球泵头，包括外套筒、安装在外套筒上的锡球桶、设于外套筒内的转子、驱动转子转动的电机，转子圆柱面的外壁向内凹陷设有至少一圈圆周分布的锡球容池，锡球桶安装于锡球容池所在纵向平面的上方且与锡球容池连通，外套筒下方设有落球通道，落球通道通过溜槽与喷嘴连通，当转子上的锡球容池转至下方时锡球容池与落球通道连通，处在转子上端的锡球容池用于承接锡球桶落下来的一颗锡球，转子转动时锡球封闭在锡球容池中，并在外套筒的内壁之间滑行，直至锡球容池运行到转子下方时锡球进入外套筒的落球通道。

如上所述的用于激光锡焊的锡球泵头，转子内部对应每一锡球容池设有与锡球容池连通的横向气道，外套筒下方设有吹落锡球气体气管接头、与吹落锡球气体气管接头连通的纵向气道，当锡球容池转至转子下方时，锡球容池与落球通道连通，同时吹落锡球气体气管接头通过纵向气道与横向气道连通，吹落锡球气体气管接头用于通入压力气体，从而将锡球容池中的锡球吹落至落球通道中。

如上所述的用于激光锡焊的锡球泵头，锡球桶底部与外套筒之间设有一个宽度小于锡球直径且与锡球桶内腔连通的气隙，所述气隙用于导入保护气体。

如上所述的用于激光锡焊的锡球泵头，转子的外壁设有三圈不同大小的锡球容池，用于三种不同规格的锡球，锡球桶可拆卸地安装于锡球容池所在纵向平面的上方。

如上所述的用于激光锡焊的锡球泵头，转子的两端分别由密封端盖和转子端盖密封，其中密封端盖用于封闭横向气道未与锡球容池连通的一端。

如上所述的用于激光锡焊的锡球泵头，喷嘴的上端装有激光窗片，用于透过激光熔化处在喷嘴21尖端内的锡球。

如上所述的用于激光锡焊的锡球泵头，外套筒两侧安装有光纤传感器探头，密封端盖上设有导光槽，当密封端盖上的导光槽处在于传感器发光点同轴状态时，检测光路将导通，另一侧的光纤传感器探头将接收到对面发出的检测光，此时转子的物理位置被系统确定为转子的坐标原点。

如上所述的用于激光锡焊的锡球泵头，转子与电机的电机轴通过键连接在一起。

本发明具有如下优点：

1、制造成本低，由于本机构零部件数量较少，主要零部件为转子20和外套筒18，而零部件的数量过多，将直接导致制造成本过高。

2、零部件的加工精度较容易保证，因为没有极其容易变形的薄片零件，而是采用了几何性能稳定的圆柱体结构，这将对于机构的工作精度有极大的保障。

3、结构紧凑，电机轴15-A与转子20之间没有其它的联轴器结构、以及外加的轴承结构，而是直接将转子20与电机轴15-A通过键27连接在一起，轴承就利用了电机的前端轴承，外套筒则紧紧与电机的外壳固连在一起，小巧而紧凑的结构为自动化的实现提供了方便。

4、由于转子20圆柱面的配合很容易做到精密，在工作状态中也很难发生几何形变，因此，卡球的故障将有所减少。

5、机构中增加了吹落锡球的气体，这是传统机构不曾有的功能，这将有效的避免了锡球因静电而吸附于锡球容池20-B’中，让锡球不再仅仅靠自由落体落入喷嘴21内，而是用一股气将锡球从锡球容池20-B’中高速吹落，这将极大的保障了机构运行的可靠性，减少了不落球的随机不可能性。

6、机构中增加了吹锡球的气体，还有另一个好处，那就是提高了出球速度，因此，这也就加快了锡球落入喷嘴21的时间，从而也就提高了工作效率。

附图说明

图1是现有圆盘式锡球泵头的结构示意图；

图2是本发明用于激光锡焊的锡球泵头的纵向全剖面示意图；

图3是本发明用于激光锡焊的锡球泵头中分球处的横向全剖面示意图；

图4是图3中I部分的放大结构示意图；

图5是本发明用于激光锡焊的锡球泵头的左视图；

图6是本发明用于激光锡焊的锡球泵头的俯视图。

图中：1—转盘，1-A—分球孔，1-B—分球孔，2—下端盖，3—光纤传感器探头(发射端)，4—光纤传感器探头(接收端)，5—喷嘴，6—边框，7—吹气管接头，8—镜片压板，9—激光窗片，10—横向气道，11—检测气道口，12—转轴，13—上端盖，14—锡球桶；

15—电机，15-A—电机轴，16—密封端盖，16-A—导光槽，17—保护气体气管接头，18—外套筒，18-A—纵向气道，18-B—纵向气道，18-C—落球通道，18-D—进锡球通道，19—吹落锡球气体气管接头，20—转子，20-A—横向气道，20-B—锡球容池，20-A’—横向气道，20-B’—锡球容池，21—喷嘴，22—溜槽主体，22-A—溜槽，22-B—检测气道口，22-C—吹球气道口，23—镜片压板，24—激光窗片，25—内六角螺钉，26—转子端盖，27—键，28—锡球桶，28-A—气隙，29—透气隔球海棉，30—气管接头，31—气管接头，32—光纤传感器探头，32-A—光纤传感器探头的发光点，33—横向气道。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图2-4，本发明提供一种用于激光锡焊的锡球泵头，所述用于激光锡焊的锡球泵头包括外套筒18、安装在外套筒18上的锡球桶28、设于外套筒18内的转子20、驱动转子20转动的电机15。

锡球桶28底部与外套筒18之间设有一个宽度小于锡球直径且与锡球桶28内腔连通的气隙28-A，所述气隙28-A用于导入保护气体。气隙28-A如此设置是为了使保护气体进入锡球桶28，同时防止锡球桶28内的锡球进入气隙28-A中。进入锡球桶28的保护气体，由安装在外套筒18上的保护气体气管接头17导入，保护气体气管接头17与外套筒18侧壁的纵向气道18-A连通，气体流经路线：保护气体气管接头17→纵向气道18-A，进入密封端盖16左端与电机15之间的空腔，而后进入外套筒18上端的横向气道33→经过透气隔球海棉29→经进锡球通道(兼做锡球桶28的保护气体通道)18-D→气隙28-A→进入锡球桶28内部，对锡球进行隔绝氧气的保护。

透气隔球海棉29的作用是让保护气体通过，当气压处于失压状态时，阻挡锡球反向进入左侧气道。

转子20的外壁设有至少一圈锡球容池20-B，锡球容池20-B为可容纳一个气球的凹槽，转子20中对应锡球容池20-B设有与锡球容池20-B连通的横向气道20-A(如图4所示)。具体圈数可根据实际要求进行设置，在本实施例中设置了三种规格，即三圈不同大小的锡球容池20-B，用于容纳不同规格的锡球(分别是：Φ0.3mm、Φ0.5mm、Φ0.76mm)。锡球桶28可以更换安装位置，更换安装位置主要是让机构切换到输送不同规格的锡球。

锡球桶28设置有带密封圈的盖子，可以方便打开倒入锡球，同时，具有气密性的盖子也起到了防止保护气体外泄，从而保护锡球桶28内的锡球不被氧化。转子20的左端由密封端盖16密封，右端设有转子端盖26。转子端盖26与转子20通过内六角螺钉25固连在一起。密封端盖16可封闭转子20中横向气道20-A的左端，从而保证吹落锡球的气体，只能通过位于转子20下部的锡球容池20-B’。

由密封端盖16、外套筒18、以及电机15的端面将共同构成一个内部空腔，其作用有两个：一是构成一个内部气道，为锡球桶28内的锡球提供气体保护，维持锡球不被氧化，保护气体来的路将由保护气体气管接头17接入；二是作为转子20的坐标原点检测空腔，光纤传感器探头32上面的发光点所能导通的光路将由密封端盖16上的导光槽16-A提供。具体的，外套筒18两侧安装有光纤传感器探头32(参见图5)，密封端盖16上设有导光槽16-A，光纤传感器探头32主要是给转子20提供坐标原点之用，当密封端盖16上的导光槽16-A处在于传感器发光点32-A同轴状态时，检测光路将导通，另一侧的光纤传感器探头将接收到对面发出的检测光，此时，转子20的物理位置将被系统确定为坐标原点。

转子20通过键27与电机轴15-A固连在一起。电机轴15-A转动时，将带动转子20、密封端盖16、转子端盖26、内六角螺钉25一起转动。

电机轴15-A转动时，将带动转子20在外套筒18的内圆中精密转动，处在转子20上端的锡球容池20-B将承接锡球桶28落下来的一颗锡球，转子20继续转动，这颗锡球将封闭在锡球容池20-B之中，并在外套筒18的内壁之间滑行，直至运行到图2所示转子20下方(20-B’)，此时，这颗锡球将以自由落体的方式进入外套筒18的落球通道18-C，并进入溜槽主体22的溜槽22-A中，直至跌落至喷嘴21的尖端，这颗锡球将停留在此，等待激光的照射。

由于锡球的质量比较小，而且会因摩擦静电而吸附在锡球容池20-B’之中，于是，经由吹落锡球气体气管接头19送来的具有一定压力的保护气(氮气)将通过转子18下面的纵向气道18-B，进入转子20的横向气道20-A’，这股气进入后，不能往左前进，因为左端被密封端盖16封死，因此，这股气只能定向吹送锡球容池20-B’中的锡球，迫使这颗锡球向下跌落至下面的22-A溜槽之中，直至到达喷嘴21的尖端。

可以理解的是，转子20有数条横向气道20-A(20-A’)，与之对应的有数量相同的锡球容池20-B(20-B’)。

当锡球容池20-B运行至转子20下方时，此时在图2上以20-B’标示，锡球容池20-B’对准外套筒18的落球通道18-C时，转子20的相应横向气道20-A(此时在图2上标记为20-A’)将联通外套筒18下面的纵向气道18-B，这也就接通了来自吹落锡球气体气管接头19的压力气体，从而迅速的将锡球容池20-B’中的锡球吹落下来。转子20转过一定角度，横向气道20-A’中的压力气体，将被自动切断，从而也自动停止向锡球容池20-B’吹气。

参看图2，转子20在转动时，将带动密封端盖16同步转动，这将导致导光槽16-A只在某一时刻才能联通外套筒18两侧的光纤传感器探头32。参看图5，光纤传感器探头的发光点32-A发出的探测光，将被对面的探头所接收，这个状态在360°范围内只有一个位置点，因此，这个位置点将会被用于转子20在圆周方向的坐标原点，用于自动化控制。

参看图3，溜槽主体22与外套筒18固连在一起，溜槽22-A将连通外套筒18下面的落球通道18-C，溜槽22-A将锡球溜送至喷嘴21，锡球将在这里等待照射。

在溜槽主体22的上面，即喷嘴21的上端装有激光窗片24，这个镜片是非聚焦镜片，主要作用有三个：

1、透过激光，让激光穿透下去熔化处在喷嘴21尖端内的锡球。

2、密封吹送的工作气体，让吹球气体不能向上溢出，而只能向下吹送，从而将熔化后的锡球吹出喷嘴21，直至送达被焊接的工件上，完成焊接。

3、密封检测气压，(参看图2)，让气体的压力传感器(图中没画出)能够准确的测定锥套内的气压变化，从而能够判定喷嘴21内是否有锡球。激光窗片24将由镜片压板23压住(参看图2、图6)。

本发明还可具有卡球报警、锡球到位检测两项控制功能，分别介绍如下：

卡球报警

本发明所用的电机是伺服电机，当电机15正常带着转子20等附件一起转动时，电机驱动器所输出的电流将是某一恒定值，当发生意外卡球时，电流将出现瞬时高电流，这将被系统侦测到，于是，系统可以认为是机构出现卡球现象，因此，可以以报警的形式通知操作人员，需要人为干预，清除卡球故障。

锡球到位检测

由于锡球的规格过于细小，检测喷嘴21内是否有锡球，在本发明中，是利用检测溜槽主体22的锥套内气压的变化来实现的。

溜槽主体22的左右两侧分别装有气管接头30、31，在机构工作中，吹送锡球的工作气体将通过气管头30、吹球气道口22-C，持续的吹向喷嘴21。

气压检测气路：检测气道口22-B→气管接头31→压力传感器(图中未画出)

喷嘴内没有进入锡球时：

吹送锡球的工作气体将通过气管接头30、吹球气道口22-C，持续的吹向喷嘴21，并持续的泄入大气，此时，气体压力检测传感器检测到的气压将是某一个特定的恒定值。

喷嘴21内进入锡球时：

当喷嘴21内进入了一颗锡球，立即将封堵住了持续外泄的工作气体，于是，气体压力传感器将会立即检测到一个压力瞬间升高的峰值，本状态可以视为喷嘴21内有锡球了，预示着可以出激光进行焊接。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于激光锡焊的锡球泵头，其特征在于：包括外套筒(18)、安装在外套筒(18)上的锡球桶(28)、设于外套筒(18)内的转子(20)、驱动转子(20)转动的电机(15)，转子(20)的圆柱面外壁向内凹陷设有至少一圈圆周分布的锡球容池(20-B)，锡球桶(28)安装于锡球容池(20-B)所在纵向平面的上方且与锡球容池(20-B)连通，外套筒(18)下方设有落球通道(18-C)，落球通道(18-C)通过溜槽(22-A)与喷嘴(21)连通，当转子(20)上的锡球容池(20-B)转至下方时锡球容池(20-B)与落球通道(18-C)连通，处在转子(20)上端的锡球容池(20-B)用于承接锡球桶(28)落下来的一颗锡球，转子(20)转动时锡球封闭在锡球容池(20-B)中，并在外套筒(18)的内壁之间滑行，直至锡球容池(20-B)运行到转子(20)下方时，锡球进入外套筒(18)的落球通道(18-C)。

2.如权利要求1所述的用于激光锡焊的锡球泵头，其特征在于：转子(20)内部对应每一锡球容池(20-B)设有与锡球容池(20-B)连通的横向气道(20-A)，外套筒(18)下方设有吹落锡球气体气管接头(19)、与吹落锡球气体气管接头(19)连通的纵向气道(18-B)，当锡球容池(20-B)转至转子(20)下方(20-B’)时，锡球容池(20-B’)与落球通道(18-C)连通，同时吹落锡球气体气管接头(19)通过纵向气道(18-B)与横向气道(20-A’)连通，吹落锡球气体气管接头(19)用于通入压力气体，从而将锡球容池(20-B)中的锡球吹落至落球通道(18-C)中。

3.如权利要求1所述的用于激光锡焊的锡球泵头，其特征在于：锡球桶(28)底部与外套筒(18)之间设有一个宽度小于锡球直径且与锡球桶(28)内腔连通的气隙(28-A)，所述气隙(28-A)用于导入保护气体。

4.如权利要求1所述的用于激光锡焊的锡球泵头，其特征在于：转子(20)的外壁设有三圈不同大小的锡球容池(20-B)，锡球桶(28)可拆卸地安装于锡球容池(20-B)所在纵向平面的上方。

5.如权利要求2所述的用于激光锡焊的锡球泵头，其特征在于：转子(20)的两端分别由密封端盖(16)和转子端盖(26)密封，其中密封端盖(16)用于封闭横向气道(20-A)未与锡球容池(20-B)连通的一端。

6.如权利要求1所述的用于激光锡焊的锡球泵头，其特征在于：喷嘴(21)的上端装有激光窗片(24)，用于透过激光熔化处在喷嘴21尖端内的锡球。

7.如权利要求1所述的用于激光锡焊的锡球泵头，其特征在于：外套筒(18)两侧安装有光纤传感器探头(32)，密封端盖(16)上设有导光槽(16-A)，当密封端盖(16)上的导光槽(16-A)处在于传感器发光点同轴状态时，检测光路将导通，另一侧的光纤传感器探头将接收到对面发出的检测光，此时转子(20)的物理位置被系统确定为转子的坐标原点。

8.如权利要求1所述的用于激光锡焊的锡球泵头，其特征在于：转子(20)与电机(15)的电机轴(15-A)通过键(27)连接在一起。