CN113385816B - 一种自动化板材激光焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光焊技术领域，且公开了一种自动化板材激光焊接装置，包括上座、分球盘、底座和主控制器，所述分球盘位于上座和底座之间且相对于上座、底座转动，所述分球盘上开设有球槽，所述上座上设有激光发生器，所述底座的底端安装有焊嘴。本发明通过检测进气道和检测腔在锡球进入焊嘴前检测锡球的大小和形状，并利用剔除组件剔除有瑕疵的锡球，避免重量不良锡球造成熔融锡液量超出正常范围导致焊点短路或者断路，另外通过剔除形状不良的锡球可避免由于锡球形状不良导致焊嘴内气压不符合要求的情况，减少停机修复的频率，因此该激光焊接装置大大降低了焊接的瑕疵，提高了焊接的质量和焊接的效率。

Description

一种自动化板材激光焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊技术领域，具体为一种自动化板材激光焊接装置及其焊接方法。

背景技术

激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。在电子电路板材焊接、封装领域中，激光喷射锡球焊接的技术应用广泛，焊接精度非常高，激光喷锡焊接系统能有效保证焊接精密度，焊接锡量可控，单个锡球焊接时间在0.3s以内，效率高、速度快，且在加工过程中，激光不与焊接的电路板材有任何接触，因而不会产生机械应力，极大的削弱了热效应对电路板材的损坏。

激光喷射锡球焊机的激光通过管线传输，输出口安装于喷嘴上方，且在喷嘴上方设置有供高气压进入的入口，锡球掉落在喷嘴内后，先通过保护气系统检测喷嘴内的气压是否在正常范围，若在正常范围，则在锡球熔融后保护气系统喷射保护气流将锡球吹出喷嘴内，若不在正常范围，则需要人工将喷嘴拆卸，取出锡球，检测喷嘴后没问题后再安装喷嘴进行焊接。

在激光锡球焊接机的焊接过程中，锡球的形状和大小均会对焊点的质量造成影响，例如：锡球过小，焊接是两焊盘上的焊锡不足，锡液表面张力使焊锡分离和收缩形成独立的两个锡团，容易造成锡球断路，反之，锡球过大，则会造成焊点凸起，造成锡球过流；而锡球若在生产或者运输过程中形状存在较大瑕疵，保护气系统检测到的气压则存在较大可能不符合喷射要求，就需要拆卸喷嘴检测，从而降低了焊接的效率，而现有的激光喷射锡球焊接机在焊接过程中不存在对锡球的检测过程，因此往往导致上述的焊接问题，造成焊接不良率增高；

另外熔融的锡液从喷嘴中喷出时，喷嘴存在沾锡的情况，这种锡球的损耗也会造成焊点大小不均匀，从而降低了焊接的质量。

发明内容

针对背景技术中提出的现有激光焊接装置在使用过程中存在的不足，本发明提供了一种自动化板材激光焊接装置及其焊接方法，具备剔除瑕疵锡球以及减少焊嘴内壁沾附锡液的优点，解决了上述背景技术中提出的由于锡球瑕疵导致的焊点断路、短路的问题、由于锡球形状不良导致的焊嘴内气压不符合要求的问题以及焊嘴沾附锡液造成的焊点大小不均匀的问题问题。

本发明提供如下技术方案：一种自动化板材激光焊接装置，包括上座、分球盘、底座和主控制器，所述分球盘位于上座和底座之间且相对于上座、底座转动，所述分球盘上开设有球槽，所述上座上设有激光发生器，所述底座的底端安装有焊嘴，所述底座内开设有保护气体通道，所述上座上安装有料筒，所述料筒的出口端与球槽的位置对应，所述底座上开设有进球道，所述进球道与焊嘴的内腔相连通，所述底座内开设有与球槽位置相对应的检测进气道，所述检测进气道的进气端通过进气管连接有检测气泵，所述检测气泵与主控制器电性连接，所述上座内开设有与检测进气道位置相对应的检测腔，所述检测进气道和检测腔的中心轴均倾斜且倾斜的方向和角度均一致，所述底座上设有用于剔除不良锡球的剔除组件。

优选的，所述检测腔包括锥形腔和出气道，所述出气道位于锥形腔的上端，所述锥形腔为上小下大的锥状，所述锥形腔的内壁设有气压测量器和辅助检测件，所述辅助检测件呈环形且与锥形腔同轴，所述辅助检测件为网状结构。

优选的，所述剔除组件包括托盘、液压气缸和落球通道，所述落球通道开设于底座内且位于托盘的下方，所述托盘的顶面与底座的顶面相齐平且托盘相对于底座滑动，所述托盘位于底座外端的一侧固定安装有液压气缸，所述液压气缸与主控制器电性连接。

优选的，所述底座的内部设有位于进球道处的助焊组件，所述助焊组件包括毛细管和液槽，所述液槽开设于底座内且内部填充有助焊液，所述进球道处的内壁与毛细管连通，所述毛细管延伸至液槽的内部，所述毛细管位于进球道的下半部分。

优选的，所述焊嘴的外壁上设有加热板，所述加热板包括多个加热块，多个所述加热块环绕焊嘴的外壁，多个所述加热块并联且每个所述加热块的回路上均电连接有电路控制开关，所述加热块与主控制器电性连接，所述加热板的外部设有绝热层。

优选的，所述主控制器包括控制单元、电源模块、存储模块、直径接收模块、气压监测模块和气流量控制模块，所述控制单元的输入端分别与电源模块、存储模块、直径接收模块和气压监测模块的输出端电性连接，所述控制单元的输出端与气流量控制模块、液压气缸、加热板的输入端电性连接，所述存储模块的输入端连接有锡球直径-加热板位置数据库、锡球直径-气流量关系数据库、气压数据库，所述直径接收模块连接有人机交互屏，所述气压监测模块的输入端与气压测量器电连接，所述气流量控制模块与检测气泵电连接。

一种自动化板材激光焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

S1：由人工从人机交互屏上输入待焊接锡球的直径，直径接收模块接收待焊接锡球的直径数值，并将该数值传输至控制单元；

S2：由控制单元根据待焊接锡球的直径数值从存储模块所连接的锡球直径-气流量关系数据库、锡球直径-加热板位置数据库中匹配该待焊接锡球所对应的检测气流量数值和加热板位置数值，并通过控制单元控制控制检测气泵的气流量以及对应位置处的加热块加热；

S3：由气压测量器将气压值传输至气压监测模块中，并由气压监测模块传输给控制单元，控制单元将该气压值与存储模块的气压数据库进行匹配，控制单元根据匹配的结果控制液压气缸动作。

优选的，所述待焊接锡球直径与加热块位置匹配关系是：所有内径小于待焊接锡球直径的加热块均加热，且加热温度高于液槽内助焊液的沸点。

本发明具备以下有益效果：

1、本发明通过检测进气道和检测腔在锡球进入焊嘴前检测锡球的大小和形状，并利用剔除组件剔除有瑕疵的锡球，避免重量不良锡球造成熔融锡液量超出正常范围导致焊点短路或者断路，另外通过剔除形状不良的锡球可避免由于锡球形状不良导致焊嘴内气压不符合要求的情况，减少停机修复的频率，因此该激光焊接装置大大降低了焊接的瑕疵，提高了焊接的质量和焊接的效率。

2、本发明通过助焊组件给锡球表面涂覆一层助焊液，并配合主控制器给位于锡球停落点下方的加热块通电加热，使得熔融锡液沿焊嘴的内壁向下滑落时可利用助焊液形成的蒸汽层将锡液与焊嘴的内壁隔开，减少焊嘴对锡液的沾附力，从而减少焊嘴边缘以及内壁沾附的锡液量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A处局部放大图；

图3为图1的B处局部放大图；

图4为本发明的助焊组件的截面图。

图5为本发明的主控制器控制系统框图。

图中：1、上座；2、分球盘；201、球槽；3、底座；301、进球道；4、焊嘴；5、激光发生器；6、保护气体通道；7、料筒；8、检测进气道；9、检测腔；901、锥形腔；902、出气道；903、气压测量器；10、剔除组件；1001、托盘；1002、液压气缸；1003、落球通道；11、辅助检测件；12、主控制器；1200、控制单元；1201、电源模块；1202、存储模块；1203、直径接收模块；1204、气压监测模块；1205、气流量控制模块；13、助焊组件；1301、毛细管；1302、液槽；14、加热板；1401、加热块；15、绝热层；16、电路控制开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种自动化板材激光焊接装置，包括上座1、分球盘2、底座3和主控制器12，分球盘2位于上座1和底座3之间且相对于上座1、底座3转动，分球盘2上开设有球槽201，上座1上设有激光发生器5，底座3的底端安装有焊嘴4，底座3内开设有保护气体通道6，上座1上安装有料筒7，料筒7的出口端与球槽201的位置对应，底座3上开设有进球道301，进球道301与焊嘴4的内腔相连通，即锡球的运行路径为：从料筒7内掉落在球槽201内，球槽201旋转带动锡球在底座3的顶面上运行，当锡球运行至进球道301处，在重力的作用下掉落在焊嘴4的内部，且分球盘2的旋转为间歇式旋转，每次旋转的间隔为相连两个球槽201之间的距离，底座3内开设有与球槽201位置相对应的检测进气道8，即分球盘2间歇旋转停止时，球槽201均与检测进气道8相对应，检测进气道8的进气端通过进气管连接有检测气泵，检测气泵与主控制器12电性连接，上座1内开设有与检测进气道8位置相对应的检测腔9，检测进气道8和检测腔9的中心轴均倾斜且倾斜的方向和角度均一致，主控制器12控制检测气泵的气流大小，使得气流能够将不同直径的锡球吹至一定高度，通过检测检测腔9内的气压判断该锡球的形状以及大小，底座3上设有用于剔除不良锡球的剔除组件10。

检测腔9包括锥形腔901和出气道902，出气道902位于锥形腔901的上端，锥形腔901为倾斜的喇叭状，锥形腔901的内壁设有气压测量器903，当检测气泵抽吸的气流从检测进气道8内吹起锡球，对应于正常锡球的大小，可以使得正常锡球吹起至一定的高度，且由于检测进气道8、锥形腔901和出气道902同向倾斜，锡球在锥形腔901内旋转，在附图1中，锡球应逆时针旋转且维持在一定的高度，假设锡球的重量符合标准，那么锡球在气流的作用下升起的高度符合标准，锡球堵住出气道902口径的面积符合标准，使得锥形腔901内的气压符合标准，若气压测量器903测量的锥形腔901内的气压一直偏大或者偏小，则表明该球的体积偏大或者偏小，如测量的锥形腔901内的气压时大时小，则表明该锡球的形状有缺陷，不是圆形，在锡球的旋转过程中，对出气道902口径的遮挡面积不断变化且变化较大，上述两种情况的锡球均剔除，从而实现对锡球的检测作用；锥形腔901的内径为最大锡球的直径2倍，上述倾斜的气流将锡球吹起并使得锡球保持一定高度旋转所应用到的原理为伯努利定理，锡球保持一定高度是气压差的作用，因此锥形腔901的内径需比锡球大，以保证有小于上述检测气流流速的空气在锡球的周围；锥形腔901的内壁设有辅助检测件11，辅助检测件11呈环形且与锥形腔901同轴，辅助检测件11为网状结构，锡球在旋转过程中，若锡球有较大的形状缺陷，则锡球会被辅助检测件11阻挡，使得锡球的缺陷较为容易被检测到，辅助检测件11呈网状不阻挡气体的流通。

剔除组件10包括托盘1001、液压气缸1002和落球通道1003，落球通道1003开设于底座3内且位于托盘1001的下方，托盘1001的顶面与底座3的顶面相齐平且托盘1001相对于底座3滑动，托盘1001位于底座3外端的一侧固定安装有液压气缸1002，液压气缸1002与主控制器12电性连接，即当主控制器12根据气压测量器903传输的气压值判断该锡球是否是良好的锡球后，根据判断结构控制液压气缸1002动作，当判断该锡球存在缺陷时，启动液压气缸1002的伸长端缩回，即托盘1001向外抽出，锡球从球槽201、落球通道1003内掉出，此时主控制器12需记住该球槽201内没有锡球，在该球槽201旋转至进球道301处时，需再次旋转略过该球槽201使得后方存在良好锡球的球槽201停留在进球道301处。

底座3的内部设有位于进球道301处的助焊组件13，助焊组件13包括毛细管1301和液槽1302，液槽1302开设于底座3内且内部填充有助焊液，进球道301处的内壁与毛细管1301连通，由于毛细作用，毛细管1301会将液槽1302内的助焊液输送至进球道301的内部，并通过液体的扩散作用使得进球道301的内壁覆盖有一层助焊液，当锡球在进球道301内滚动时，其外壁上会覆盖一层助焊液；助焊液的选择最好是熔点与沸点相差较大材料，减少助焊液在锡球熔化过程中蒸发量，毛细管1301延伸至液槽1302的内部，毛细管1301位于进球道301的下半部分，进球道301的长度需至少满足锡球滚动一周的长度。

焊嘴4的外壁上设有加热板14，加热板14包括多个加热块1401，多个加热块1401环绕焊嘴4的外壁，多个加热块1401并联且每个加热块1401的回路上均电连接有电路控制开关16，相邻两个加热块1401之间设有绝热垫，达到控制给不同位置的加热块1401通电加热，加热块1401与主控制器12电性连接，通过主控制器12控制开关16的开闭，即主控制器12根据锡球直径的大小，可判断锡球在焊嘴4的内腔中停落的位置，在锡球熔化流出焊嘴4内腔的过程中，位于熔融锡球流出路径上的加热块1401的温度均达到助焊液的沸点，根据马格纳斯效应，当温度高于液体的沸点时，会在液体和高温物体之间形成一层蒸汽层，这层蒸汽层将液体和高温物体彻底隔绝，使得液体能够与高温物体之间保持不接触的状态，因此包裹在锡球外层的助焊液与焊嘴4的内壁之间形成一层助焊液蒸汽，从而降低了锡液与焊嘴4内壁的摩擦力，减少焊嘴4内壁上沾附的锡球残液，加热板14的外部设有绝热层15，绝热层15用于隔温，防止烫坏板材；且由于助焊液的蒸汽层从助焊液与焊嘴4的内壁之间溢出的过程中，助焊液的移动，从而促进锡液的移动，提高锡液的混合度。

主控制器12包括控制单元1200、电源模块1201、存储模块1202、直径接收模块1203、气压监测模块1204和气流量控制模块1205，控制单元1200的输入端分别与电源模块1201、存储模块1202、直径接收模块1203和气压监测模块1204的输出端电性连接，控制单元1200的输出端与气流量控制模块1205、液压气缸1002、加热板14的输入端电性连接，存储模块1202的输入端连接有锡球直径-加热板位置数据库、锡球直径-气流量关系数据库、气压数据库，直径接收模块1203连接有人机交互屏，气压监测模块1204的输入端与气压测量器903电连接，气流量控制模块1205与检测气泵电连接。

上述锡球直径-气流量关系数据库的作用在于：根据当前使用的待焊接锡球的直径大小选择对应的检测气泵的气流量，使得直径不同的锡球在锥形腔901内升起的高度相同，对出气道902的堵塞面积相同，从而可根据唯一的变量气压测量器903的气压测量值来判断锡球的大小和形状是否符合要求。

一种自动化板材激光焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

S1：由人工从人机交互屏上输入待焊接锡球的直径，直径接收模块1203接收待焊接锡球的直径数值，并将该数值传输至控制单元1200；

S2：由控制单元1200根据待焊接锡球的直径数值从存储模块1202所连接的锡球直径-气流量关系数据库、锡球直径-加热板位置数据库中匹配该待焊接锡球所对应的检测气流量数值和加热板位置数值，并通过控制单元1200控制控制检测气泵的气流量以及对应位置处的加热块1401加热；

S3：由气压测量器903将气压值传输至气压监测模块1204中，并由气压监测模块1204传输给控制单元1200，控制单元1200将该气压值与存储模块1202的气压数据库进行匹配，控制单元1200根据匹配的结果控制液压气缸1002动作。

所有内径小于待焊接锡球直径的加热块1401均加热，且加热温度高于液槽1302内助焊液的沸点。

上述S2、S3步骤中，可分为以下两个互补影响的过程：

一、锡球检测过程，根据待焊接锡球的直径数值从存储模块1202的锡球直径-气流量关系数据库找出对应的检测气泵所需喷出的气流量值，并通过控制单元1200控制检测气泵启闭，当气压测量器903所测量到的气压值不符合气压数据库的范围时，判断该锡球有瑕疵，当此锡球旋转至托盘1001的上方时，控制单元1200控制液压气缸1002抽拉托盘1001，锡球通过落球通道1003从球槽201处掉落，此时完成一个锡球的全部检测过程；

二、锡液滴落过程，根据待焊接锡球的直径数值从存储模块1202的锡球直径-加热板位置数据库中获取锡球在焊嘴4内位于哪块加热块1401处，然后通过控制单元1200给上述的加热块1401下方的所有加热块1401通电加热，当锡球熔化沿着焊嘴4的内壁向下流动的过程中逐次与加热后的加热块1401接触，而形成的助焊液蒸汽则会降锡液与焊嘴4的内壁隔开直至锡液从焊嘴4内滴落，此时完成锡液的滴落过程。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种自动化板材激光焊接装置，包括上座（1）、分球盘（2）、底座（3）和主控制器（12），所述分球盘（2）位于上座（1）和底座（3）之间且相对于上座（1）、底座（3）转动，所述分球盘（2）上开设有球槽（201），所述上座（1）上设有激光发生器（5），所述底座（3）的底端安装有焊嘴（4），所述底座（3）内开设有保护气体通道（6），所述上座（1）上安装有料筒（7），所述料筒（7）的出口端与球槽（201）的位置对应，所述底座（3）上开设有进球道（301），所述进球道（301）与焊嘴（4）的内腔相连通，其特征在于：所述底座（3）内开设有与球槽（201）位置相对应的检测进气道（8），所述检测进气道（8）的进气端通过进气管连接有检测气泵，所述检测气泵与主控制器（12）电性连接，所述上座（1）内开设有与检测进气道（8）位置相对应的检测腔（9），所述检测进气道（8）和检测腔（9）的中心轴均倾斜且倾斜的方向和角度均一致，所述底座（3）上设有用于剔除不良锡球的剔除组件（10）;

所述检测腔（9）包括锥形腔（901）和出气道（902），所述出气道（902）位于锥形腔（901）的上端，所述锥形腔（901）为上小下大的锥状，所述锥形腔（901）的内壁设有气压测量器（903）和辅助检测件（11），所述辅助检测件（11）呈环形且与锥形腔（901）同轴，所述辅助检测件（11）为网状结构;

所述剔除组件（10）包括托盘（1001）、液压气缸（1002）和落球通道（1003），所述落球通道（1003）开设于底座（3）内且位于托盘（1001）的下方，所述托盘（1001）的顶面与底座（3）的顶面相齐平且托盘（1001）相对于底座（3）滑动，所述托盘（1001）位于底座（3）外端的一侧固定安装有液压气缸（1002），所述液压气缸（1002）与主控制器（12）电性连接;

所述底座（3）的内部设有位于进球道（301）处的助焊组件（13），所述助焊组件（13）包括毛细管（1301）和液槽（1302），所述液槽（1302）开设于底座（3）内且内部填充有助焊液，所述进球道（301）处的内壁与毛细管（1301）连通，所述毛细管（1301）延伸至液槽（1302）的内部，所述毛细管（1301）位于进球道（301）的下半部分;

所述焊嘴（4）的外壁上设有加热板（14），所述加热板（14）包括多个加热块（1401），多个所述加热块（1401）环绕焊嘴（4）的外壁，多个所述加热块（1401）并联且每个所述加热块（1401）的回路上均电连接有电路控制开关（16），所述加热块（1401）与主控制器（12）电性连接，所述加热板（14）的外部设有绝热层（15）。

2.根据权利要求1所述的一种自动化板材激光焊接装置，其特征在于：所述主控制器（12）包括控制单元（1200）、电源模块（1201）、存储模块（1202）、直径接收模块（1203）、气压监测模块（1204）和气流量控制模块（1205），所述控制单元（1200）的输入端分别与电源模块（1201）、存储模块（1202）、直径接收模块（1203）和气压监测模块（1204）的输出端电性连接，所述控制单元（1200）的输出端与气流量控制模块（1205）、液压气缸（1002）、加热板（14）的输入端电性连接，所述存储模块（1202）的输入端连接有锡球直径-加热板位置数据库、锡球直径-气流量关系数据库、气压数据库，所述直径接收模块（1203）连接有人机交互屏，所述气压监测模块（1204）的输入端与气压测量器（903）电连接，所述气流量控制模块（1205）与检测气泵电连接。

3.根据权利要求2所述的一种自动化板材激光焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

S1：由人工从人机交互屏上输入待焊接锡球的直径，直径接收模块（1203）接收待焊接锡球的直径数值，并将该数值传输至控制单元（1200）；

S2：由控制单元（1200）根据待焊接锡球的直径数值从存储模块（1202）所连接的锡球直径-气流量关系数据库、锡球直径-加热板位置数据库中匹配该待焊接锡球所对应的检测气流量数值和加热板位置数值，并通过控制单元（1200）控制检测气泵的气流量以及焊嘴（4）直径小于锡球直径部分的加热块（1401）加热；

S3：由气压测量器（903）将气压值传输至气压监测模块（1204）中，并由气压监测模块（1204）传输给控制单元（1200），控制单元（1200）将该气压值与存储模块（1202）的气压数据库进行匹配，控制单元（1200）根据匹配的结果控制液压气缸（1002）动作，当判断该锡球存在缺陷时，启动液压气缸（1002）的伸长端缩回，即托盘（1001）向外抽出，锡球从球槽（201）、落球通道（1003）内掉出。

4.根据权利要求3所述的一种自动化板材激光焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述待焊接锡球直径与加热块（1401）位置匹配关系是：所有焊嘴（4）内径小于待焊接锡球直径部位的加热块（1401）均加热，且加热温度高于液槽（1302）内助焊液的沸点。

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