TWI417162B - 焊接設備 - Google Patents

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TWI417162B
TWI417162B TW096118509A TW96118509A TWI417162B TW I417162 B TWI417162 B TW I417162B TW 096118509 A TW096118509 A TW 096118509A TW 96118509 A TW96118509 A TW 96118509A TW I417162 B TWI417162 B TW I417162B
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Bruno Ghidotti
Hans Otto Willenegger
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Kirsten Soldering Ag
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    • B23K3/00—Tools, devices, or special appurtenances for soldering, e.g. brazing, or unsoldering, not specially adapted for particular methods
    • B23K3/08—Auxiliary devices therefor
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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Description

焊接設備
本發明係關於一種焊接設備。
這種焊接設備是用來焊接安裝在印刷電路板上的元件。這種焊接設備可以使用波焊、回流焊接、氣相焊接等不同的已知焊接方法。
專利WO 2005/107991提出一種波焊用的焊接設備，這種焊接設備不須經過任何改裝就可以為每一片印刷電路板各別選擇應使用何種焊料進行焊接。但是由於各種不同的原因，這種焊接設備並不能提供令人滿意的解決方案。
本發明的目的是提出一種能夠在最短的時間內從一種焊接方法更換到另一種焊接方法，以及從一種焊料更換到另一種焊料的焊接設備，同時這種焊接設備還要能夠根據客戶不同的需求以很簡單的方式進行調整。
本發明的焊接設備是用來焊接安裝在印刷電路板上的元件。焊接時是將印刷電路板置於框架內，並按照規定的運送方向通過焊接設備。焊接設備最好是由模組組合而成，這些模組沿著運送方向一個接一個排列，而且是以可以拆卸的方式彼此連接在一起。焊接設備至少包括一個焊接模組，這個焊接模組具有一個用來進行波焊、回流焊接、氣相焊接、或是選擇性焊接的焊接工作站。如果焊接模組是用來進行氣相焊接或選擇性焊接，則是將焊接工作站設計成焊接模組的一個固定的構件。如果焊接模組是用來進行波焊及/或回流焊接，則是將焊接工作站設計成焊接模組的一個可以更換的構件。在這種情況下，焊接工作站是可以行動的，例如裝有輥子或輪胎。焊接工作站會輸入電力、數據、以及控制指令等物件，並將廢熱及被污染的空氣等物件排出。焊接工作站及焊接模組都具有使彼此對準用的手段及使彼此搭配用的公接頭及母接頭，而且這些公母接頭會將上句中提及之物件的供應管線封住。在將焊接工作站放入焊接模組的時候，前述的對準手段會使焊接工作站對準焊接模組。
焊接設備最好具有一個波焊模組。為了使焊接設備也可以用其他的焊接方法進行焊接，例如回流焊接、氣相焊接、或是選擇性焊接，焊接設備也可以配備其他的焊接模組。例如，可以將回流焊接、氣相焊接、或是選擇性焊接用的焊接模組直接安裝在焊接設備的波焊模組之後。例如這種焊接設備就可以用波焊焊接印刷電路板上的若干元件，以及用其他的焊接方法焊接印刷電路板上的其他元件。
如果焊接設備具有一個波焊模組，則另外還有一個容納一個焊接工作站用的獨立的待命工作站，這個待命工作站和波焊模組一樣具有對準焊接工作站用的器具，以及能夠與焊接工作站的接頭搭配的接頭，這樣焊接工作站在放入待命工作站時就會自動被對準。公接頭及母接頭不是以手動方式被接在一起，就是由公接頭在焊接模組及待命(stand－by)工作站中自動插入母接頭。
進行波焊時是由一個噴嘴供應液態焊料，因而形成一個空心射流。為了使空心射流的寬度能夠配合不同的需求，因此波焊工作站一方面配備有若干並排在一起的覆蓋板，並能夠經由程式控制覆蓋板將一部分的空心射流覆蓋住或是讓空心射流全部通過；另一方面將波焊工作站設計成能夠以很簡單的方式更換噴嘴，以便能夠根據需要從一整套噴嘴中選出寬度適當的噴嘴。
模組能夠滿足焊接設備的各個工作步驟。例如模組可分為焊料塗佈器、預熱模組、冷卻模組、裝料模組、卸料模組、以及前面提及的各種不同的模組。模組是以自主方式工作，但是受到一個中央控制裝置的控制。為了運送印刷電路板，每一個模組都具有一個(傳統式的)輸送系統。每一個模組都具有與其他模組相互對準的器具，以及彼此搭配的公接頭及母接頭，而且這些接頭會將前面提及之物件的供應管線封住。在組裝時，相鄰模組的對準器具會相互對準，同時公接頭會自動插入母接頭，或是以手動方式將公接頭插入母接頭。這種設計方式使焊接設備能夠靈活的滿足使用者各種不同的需求及/或不斷增長的工作量。所有能夠自動對中心的快速閉合裝置都可以作為使模組相互對準的對準器具，例如定心柱及與其搭配的定心孔、燕尾榫接合、精密導軌等。
原則上每一個模組都具有一個模組計算機(自有的智慧)，這個模組計算機能夠與上層的計算機對話。波焊模組的模組計算機位於焊接工作站內。
模組的構造都很緊密，而且隔熱效果都很好，以降低熱損，節約能源。緊密的構造方式使模組可以可拆卸及自動對正方式在支架上扣接。
模組最好是具有一個第二輸送系統，其作用是將空的框架或裝有焊接過的印刷電路板的框架運送回去。第二輸送系統係設置在模組下方，而且位於模組的電路接通之外。
從運送方向看過去，在焊接模組之前最好有設置一個預熱模組，並形成一個將焊接模組內產生的廢熱輸往這個預熱模組的循環。
本發明的焊接設備具有多項優點：
--由於焊接工作站的替換非常容易，因此焊接設備是一種SMEP(single minute exchange of preparation)的設備。
--焊接設備可以在很短的時間內(通常是在幾分鐘內)從一種焊接方法更換到另一種焊接方法，或是從一種焊料更換到另一種焊料。
--在任何時候都可以加入新的模組以擴充焊接設備，使焊接設備的效率及/或產量能夠滿足各種不同或不斷增長的需求。例如焊接設備可以配備一個以上的焊料塗佈器或數個預熱模組，以便使焊料塗佈器及/或預熱模組的處理能力能夠滿足焊接設備需要達到的生產量。
--可以利用一個覆蓋或遮蔽系統快速且簡單的調整空心射流的寬度。
--模組以自動對正方式在支架上扣接非常易於取用。
--由於每一個模組都具有一個輸送系統，而且這個輸送系統本身就具有傳動裝置，因此可以各別調整印刷電路板在每一個模組內的運送速度。這種設計方式可以使焊接設備的運轉不會對構件造成太大的損耗。例如，在波焊模組中的運送速度應相當的快，以盡量縮短印刷電路板與液態中空射流的接觸時間。如果焊接設備只有一個預熱模組，則在預熱模組中的運送速度應小於在焊接模組中的運送速度，以便印刷電路板能夠慢慢的被均勻加熱。
－－模組化的構造方式使得焊接設備很容易就可以在日後加裝新的預熱模組，使預熱模組的處理能力能夠趕上焊接模組的處理速度，以提高焊接設備的生產量。
以下利用一個實施例及配合圖式對本發明的內容做進一步的說明。
第1圖顯示一個用於焊接安裝在印刷電路板上之元件焊接設備(1)的立體透視圖。焊接時是將印刷電路板置於框架內，並按照規定的運送方向通過焊接設備。焊接設備(1)是由多個模組組合而成，這些模組沿著運送方向一個接一個排列，而且是以可以拆卸的方式彼此連接在一起。本例中的焊接設備(1)具有以下的模組：一個在焊接專業中被稱為焊料塗佈器(Fluxer)的焊料模組(2)，其作用是將焊料塗在印刷電路板上；一個預熱模組(3)、一個進行波焊用的焊接模組(4)；以及一個冷卻模組(5)。第一個模組都具有一個作為支撐構件的基架，模組的外殼就固定在這個基架上，和一般的外殼一樣，這個外殼也具有一個正面、一個背面、一個左邊面、一個右側面、一個底面、以及一個頂面。外殼的頂面是可以掀開的，而且最好是以透明材料製成，例如玻璃。模組的基架係固定或懸掛在支架(6)上。支架(6)的形狀最好是如本例中的L形。因此這些模組都是自動對正的。支架(6)具有高度可以調整的基腳(6A)，因此可以經由調整基腳(6A)的高度將模組調到水平位置。可以將一個焊接工作站(8)以可以更換的方式裝入焊接模組(4)。這些模組都是由一個可翻轉的中央控制台(7)或是一個外部電腦負責控制，而且除了焊接模組(4)之外，通常每一個模組都具有本身的人工智慧裝置(例如微處理器)。如果焊接模組本身沒有人工智慧裝置，則焊接工作站(8)具有本身的人工智慧裝置。此外，焊接設備(1)還具有一個如第3圖所示之獨立的待命工作站(9)。待命工作站(9)並未具備本身的人工智慧裝置。每一個模組都具有一個輸送系統，其作用是運送裝有印刷電路板的框架通過模組。印刷電路板是從焊接工作站的正面進入。
第2圖顯示一個從焊接設備(1)拆卸下來的焊接工作站(8)的立體透視圖。第3圖顯示一個待命工作站(9)的側視圖，以及另外一個尚未安裝的焊接工作站(8’)。焊接設備(1)的模組最好具有一個第二輸送系統，其作用是將空的框架及/或裝有焊接過的印刷電路板的框架運送回去。焊接工作站(8)具有一個縫隙(10)，當焊接工作站(8)被安裝在焊接模組(4)內的時候，焊接模組(4)的第二輸送系統位於縫隙(10)內。
為了運轉上的需要，模組必須獲得各種不同的物件，例如電力、壓縮空氣、液態氮、交換數據及控制指令用的匯流排(例如一種CAN匯流排)等供應物件，以及將排出物件(例如廢氣)排出。在以下的說明中將供應物件及排出物件統稱為物件。因此模組必須具有一個供應通道，而且最好是沿著模組的背面設置的供應通道。供應通道內裝有輸送上述物件的管線。每一條管線都有一個帶有公接頭的第一終端，以及一個帶有母接頭的第二終端。所謂接頭指的不只是導電用的接頭，也包括輸送氣體及液體用的管線的耦合構件。只要模組需要某一種物件，相應的管線就會拉出一條輸送這種物件用的支線。連接在一條氣體管線或液體管線上的接頭在沒有與對應的接頭連接在一起時，最好是能夠自動將這條管線封閉住。
在將模組組合在一起時，模組的構造方式最好能夠使相鄰模組的線會自動連接在一起。第4圖顯示的模組的基架(11)的俯視圖就是一個符合這個要求的簡單實施例。在這個實施例中，基架(11)是一個由4根支撐樑構成的框架。接頭是設置在基架(11)的側面支撐樑(12，13)上，例如某一物件的公接頭(15)位於左側支撐樑(12)上，母接頭(14)則位於右側支撐樑(13)上，或是反過來公接頭(14)位於右側支撐樑(13)上，母接頭(14)則位於左側支撐樑(12)上。在第4圖中僅繪出一條供應管線(16)，這是一條供電用的電纜，電纜的兩端分別被公接頭(15)及母接頭(14)封閉住。此外，基架(11)還具有使模準相旦對準的器具，例如在左側支撐樑(12)上有兩根間隔一定距離的定心柱(17)，同時在右側支撐樑(13)上有兩個與之對應的定心孔(18)。最好是將定心孔(18)製作成圓錐形並轉變成直徑與定心柱(17)相同的鑽孔(19)。
將兩個模組組合在一起是一件很簡單的工作。在組合時兩個相鄰模組之間的側壁是多餘的，因此應先將側壁去除掉(或是在出貨時就已經沒有這些側壁)。接著第一個步驟是將兩個模組靠在一起，使其中一個模組的定心柱(17)嵌入另外一個模組與之相應的定心孔(18)。利用這種方式就可以使兩個模組自動彼此正確對準及定心。一旦定心柱(17)進到定心孔(18)所屬的鑽孔(19)內，就表示這兩個模組已經是相互對準，同時可以進入第二個步驟將這兩個模組完全組合在一起。此時公接頭(15)會插入母接頭(14)。接頭(15，14)係固定在模組的基架(11)上，並與基架(11)之間有一定的間隙，因此可以自動形成完美的插入連接。接著將基架(11)固定或懸掛在支架(6)上。
焊接工作站(8)及焊接模組(4)是焊接設備(1)的核心構件。焊接工作站(8)是一個進行波焊用的工作站。
在組合焊接設備(1)時，焊接工作站(8)通常也是以和前面所述的兩個相鄰模組一樣的方式和焊接模組(4)組合在一起。在組合時，焊接工作站(8)上的定心柱會嵌入焊接模組(4)之基架上與其相應的定心孔，或是反過來由焊接模組(4)之基架上的定心柱嵌入焊接工作站(8)上的定心柱。此外，焊接工作站(8)上的公接頭會插入焊接模組(4)上與其相應的母接頭，或是反過來由焊接模組(4)上的公接頭插入焊接工作站(8)上與其相應的母接頭。焊接工作站(8)進入焊接模組(4)時，首先是定心柱進入與其相應的定心孔，同時焊接工作站(8)會對準焊接模組(4)。接著公接頭會嵌入母接頭。當焊接工作站(8)整個被推入並被鎖在焊接模組(4)內時，焊接設備(1)就已經完成運轉準備工作。
也可以在焊接模組(4)的支架(6)上設置導引焊接工作站(8)用的導軌，以取代定心柱及定心孔，這個導軌在平面上的高度及角度是可以調整的，這樣在焊接工作站(8)進入焊接模組(8)時就會自動被對準。
雖然焊接工作站(8)可以是一個進行波焊用的工作站，但是裝有印刷電路板的框架的運送方向卻是水平的，而不是如一般的至少是以7°的方向移動，因為只有這樣才能使焊接設備(1)除了可以進行波焊外，也可以進行回流焊接。
待命工作站(9)的功用是在焊接設備(1)已經有一個第一焊接工作站(8)的情況下，為焊接設備(1)提供一個第二焊接工作站(8’)。待命工作站(9)的構造與焊接模組(4)類似。待命工作站(9)具有所有必要的管線(例如製作成帶有母接頭的管線)，第二焊接工作站(8’)所需的物件(例如電力、交換數據及控制指令用的匯流排、熱空氣等)的輸入與排出都是經由這些管線來完成。這種使用可以移動的焊接工作站(8，8’)及一個或更多個待命工作站(9)的設計方式的一個的優點是使焊接設備(1)可以用不同的焊接方法進行焊接，而且只要幾分鐘的時間就可以從一種焊接方法更換到另一種焊接方法，或是從一種焊料(例如含鉛焊料)更換到另一種焊料(例如無鉛焊料)。
進行波焊用的焊接工作站(8)具有一個承裝液態焊料用的容器、一個焊料泵，其作用是將液態焊料抽送到噴嘴以形成液態空心射流、以及一個負責供應新的固態焊料的給料單元。線材狀的固態焊料是捲繞在一個線盤上。為了避免液態焊料被氧化，可以在焊料表面覆蓋一層液態介質，或是形成一個氮氛。如果是使用第一種保護方法，則焊接工作站需要加裝一個液態介質儲槽要一個液態介質泵、一條排放管、以及一個污染物收集槽。如果是使用第二種保護方法，則焊接工作站需要加裝一個保護罩及一個負責供應氮氣的自動配料器。為了獲得完美的焊接品質，必須能夠精確的調整空心射流的高度。本發明的焊接工作站具有一個機械式的調整機構，這個調整機構可以用機械方式調整焊料泵的高度。此外，也可以用電學方式控制焊料泵的抽送效率，以調整空心射流的高度。第5圖及第6圖顯示一種特別有利的機械式調整機構。設置在焊接工作站(8)內的兩片彼此間隔一定距離且平行於焊接工作站(8)之側壁的板子(20)各有兩個互相傾斜的縫隙(21)，同時有兩根互相平行的桿子(22，23)嵌入縫隙(21)。第5圖顯示一片這種板子(20)的側視圖。第6圖顯示調整機構的俯視圖。桿子(22，23)都具有一個帶有螺紋的鑽孔。其中一根桿子(22)的螺紋是右旋的，另外一根桿子(23)的螺紋是左旋的。一根由馬達(24)驅動的轉軸(25)旋到兩個螺紋內。當馬達轉動轉軸時，兩根桿子之間的距離就會改變。由於桿子是伸入方向是斜向上方的縫隙，因此桿子的高度會改變。焊料槽及焊料泵均位於桿子支撐的一個平台上。
此外，為了能夠將焊接工作站(8)鎖在焊接模組(4)內，焊接模組(4)還具有一個閉鎖機構，以及一個最好是固定在基架上的並能夠透過程式控制的鉤子。焊接設備在進行焊接工作時，應將外殼頂面封住並鎖上，以防止因為錯誤或不適當的操作導致液態焊料濺射到人體身上。此外，還可以利用一個定時開關將容許解除鉤子及外殼頂面之閉鎖的時間設定在焊料表面已經冷卻到夠低的溫度而凍結的時刻。
在焊接時必須將焊接模組(4)內產生的廢熱排放出去。如前面所述，為了避免焊料氧化，可以用一種液態介質將焊料覆蓋住，或是在有保護氣體的氛圍下進行焊接工作。通常是以氮氣作為保護氣體。被引入並在焊接模組(4)內蒸發的是氮氣是液態氮。最好是將焊接模組內產生的廢熱送到預熱模組(3)作為加熱之用。第一種方法是僅建立一個循環。在這個單一循環中，焊接模組(4)內的熱空氣或高溫的保護氣體被吸入一個通風器，然後通過一個過濾器，再進入預熱模組(3)，待冷卻後再流回焊接模組(4)。第二種方法是建立一個主循環和一個次循環。在這個雙循環中，焊接模組(4)內的熱空氣或高溫的保護氣體被吸入一個通風器，然後經由主循環被引入一個熱交換器，再流回焊接模組(4)。熱交換氣會將吸收到的熱能傳遞到通過預熱模組(3)的次循環。如前面所述，預熱模組(3)及焊接模組(4)之間的管線連接是由組合模組時使用的相應的接頭所形成。
焊接設備(1)還可以配備其他的模組，例如裝料模組或卸料模組。此外，還可以將多個預熱模組排列在一起，以延長印刷電路板的加熱路徑和時間。此外，還可以為另外為裝料工作站及卸料工作站配備機械手臂或處理裝置，以便將框架及印刷電路板的裝卸工作變成自動化作業。
如前面所述，焊接設備的每一個模組都具有一個運送裝有印刷電路板的框架的輸送系統。第7圖顯示焊接設備(1)之3個排列在一起的模組(26)的前視圖。雖然焊接設備(1)具有的模組(26)的數量通常多於3個，不過為使圖面簡化，第7圖僅繪出3個模組(26)。箭號代表印刷電路板的運送方向，同時模組(26)的輸送系統(27)僅以示意方式表示。例如，這種輸送系統(27)可以具有一個循環轉動的輸送帶(30)，以及兩個繞水平軸轉動的輥子(28)，其中有一個輥子是由馬達(29)轉動。模組(26)的人工智慧裝置(31)(或控制單元)會根據上層控制裝置的規定控制其所屬的馬達(29)的轉速。由於每一個模組(26)都具有一個運送印刷電路板用的輸送系統(27)，因此印刷電路板在每一個模組(26)內的運送速度都可以被各別調整，不過上層控制裝置會控制印刷電路板可以在不會發生擁塞的情況下通過焊接設備(1)。
必要時每一個模組都可以配備一個相同的第二輸送系統，以便將焊接過的印刷電路板往反方向運送。
另外一種可行的方式是為模組(26)配備另外一種輸送系統，在這種輸送系統中，兩個輥子(28)是繞垂直軸轉動，而且是以帶有定位銷的鏈條取代輸送帶，裝有印刷電路板的框架可以被安放在定位銷上。
以上雖然是以圖式及配合實施例的方式說明本發明的內容及應用，但是本發明的範圍絕非僅限於以上的圖式及實施例，而是還有許多不同的實施方式及改良方式，亦均屬於本發明的設計及適用範圍。因此本發明的範圍僅受申請專利範圍提出的專利請求的限制。
1．．．焊接設備
2．．．模組
3．．．預熱模組
4．．．焊接模組
5．．．冷卻模組
6．．．支架
6A．．．基腳
7．．．控制台
8．．．焊接工作站
9．．．待命工作站
10．．．縫隙
11．．．基架
12．．．支撐樑
13．．．支撐樑
14．．．母接頭
15．．．公接頭
16．．．供應管線
17．．．定心柱
18．．．定心孔
19．．．鑽孔
20．．．板子
21．．．縫隙
22．．．桿子
23．．．枓子
24．．．馬達
25．．．轉軸
26．．．模組
27．．．輸送系統
28．．．輥子
29．．．馬達
30．．．輸送帶
31．．．人工智慧裝置
第1圖：一個具有模組化構造的焊接設備的立體透視圖。
第2圖：一個焊接工作站的立體透視圖。
第3圖：一個容納焊接工作站用的待命工作站的側視圖，以及一個尚未裝入的焊接工作站的側視圖。
第4圖：一個模組之基架的俯視圖。
第5圖及第6圖：一個調整機構。
第7圖：焊接設備的3個模組。
1．．．焊接設備
2．．．模組
3．．．預熱模組
4．．．焊接模組
5．．．冷卻模組
6．．．支架
6A．．．基腳
7．．．控制台
8．．．焊接工作站

Claims (10)

  1. 一種焊接設備(1)，用於波焊及/或回流焊接及/或氣相焊接及/或選擇性焊接安裝在印刷電路板上的元件，該電路板係置於框架內，按照規定的運送方向被運送通過該焊接設備(1)以經過焊接工作站(8)，且經由供應管線供應該焊接工作站(8)各種物件，其特徵在於：--該焊接設備(1)包括一焊接模組(4)；--該焊接工作站(8)係一站台單元，其係裝設在包括以輪子及/或滾子接觸地板的移動式裝置，以便該焊接工作站(8)可作移動且可以更換地裝入該焊接模組(4)中，以提供該焊接設備之彈性改裝；--該焊接工作站(8)及該焊接模組(4)都裝設有使彼此對準用的手段及使彼此搭配用的公接頭或母接頭(15、14)，而且這些公母接頭會封住供應管線；--該框架的運送方向為水平方向。
  2. 如申請專利範圍第1項的焊接設備(1)，其中，焊接設備(1)由模組組合而成，這些模組沿著運送方向一個接一個排列，而且以可拆卸的方式彼此連接在一起，每一個模組都具有一個運送印刷電路板用的輸送系統，而且每一個模組的運送速度都可以各別調整。
  3. 如申請專利範圍第2項的焊接設備(1)，其中，每一個模組都具有一個外殼。
  4. 如申請專利範圍第2項的焊接設備(1)，其中，模組以可 拆卸及自動對正方式扣接在支架(6)上。
  5. 如申請專利範圍第3項的焊接設備(1)，其中，模組以可拆卸及自動對正方式扣接在支架(6)上。
  6. 如申請專利範圍第2項的焊接設備(1)，其中，每一個模組都具有將框架運送回去的第二輸送系統，且焊接工作站(8)具有縫隙(10)，當焊接工作站(8)被裝入焊接模組內時，焊接模組的第二運送系統位於該縫隙內。
  7. 如申請專利範圍第1項的焊接設備(1)，其中，在將焊接工作站(8)裝入焊接模組(4)中時，公接頭自動的進入母接頭。
  8. 如申請專利範圍第2項的焊接設備(1)，其中，在將焊接工作站(8)裝入焊接模組(4)中時，公接頭自動的進入母接頭。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項的焊接設備(1)，其中焊接工作站(8)係用於波焊且包括一焊料泵及一機械式的調整機構可用以機械方式調整焊料泵的高度。
  10. 一種焊接工作站(8,8’)用的待命工作站(9)，其中，該待命工作站(9)係一具有複數終端的一獨立站，於如申請專利範圍第1項至第9項中任一項的焊接設備(1)中的焊接工作站(8,8’)操作之準備所需之物係經由該獨立端，提供或，其特徵在於，該待命工作站(9)及該焊接工作站(8)都裝設有使彼此對準用的手段及使彼此搭配用的公接頭及母接頭，使得在該焊接工作站(8)裝入待命工作站(9)時，該手段會自動對準焊接工作站(8)。
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