自動激光焊接機器人系統在FPC焊接上的應用思考

鐘凌

（廣州中國科學院工業技術研究院，廣東 廣州 511458）

隨著現代電子設備的進一步發展，自動化、智能化已經成為電子設備未來發展的主要方向。同時，現階段的電子設備呈現出小型化、集成化的特征，使得越來越多的柔性線路板（FPC）被應用到移動設備終端上。在這種情況下，傳統的焊接方法難以滿足FPC焊接的技術要求，所以必須要對焊接工藝手段進行改進。本文將以此為背景，研究了自動激光焊接機器人系統在FPC焊接中應用的相關問題。

1 自動激光焊接機器人系統研究

1.1 激光焊接機器人系統分析

產業機器人實用化最早出現于上世紀70年代，在此基礎上，焊接用機器人出現、發展，成為當時焊接技術的代表。在傳統焊接機器人加工焊接件時，必須要保留一定的空間讓烙鐵頭能夠進入到被焊接的部位完成焊接操作，再加之目前部件的引腳間距逐漸減少，相關人員開始對焊接機器人技術進行創新，激光焊接機器人技術應運而生。激光焊接機器人系統是一種非接觸式、擁有細小直徑的焊接方式，半導體激光發生器技術的創新，讓高性能的激光焊接機器人系統成為了可能。在隨后的十幾年時間中，激光焊接機器人實現了全世界范圍內的廣泛推廣，有效解決部件焊接中存在的細微焊接問題。

自動激光焊接機器人就是在激光焊接機器人基礎上發展出現的一種焊接機器人技術，該技術以自動化為核心，能自動化完成多種復雜電子設備的內部焊接工作，例如攝像頭、LCD部件、手機、筆記本電腦等。

1.2 自動激光焊接機器人的空間軌跡特征

自動激光焊接機器人作為自動化技術的一種表現形式，能夠獨立完成焊接操作，所以焊接機器人的空間軌跡變化成為影響焊接機器人焊接效果的重要因素。在焊接過程中，自動激光焊接機器人會在規定的時間內，按照一定的速度與加速度完成移動，從初始狀態下逐漸移動到目標位置，這個過程所產生的軌跡就是焊接機器人的空間軌跡。在自動化技術的支持下，為了保證自動激光焊接機器人的空間軌道特征能夠符合FPC焊接的要求，相關人員需要完成以下幾方面操作：（1）任務描述，確定焊接機器人的焊接運動軌跡。（2）用計算機語言來描述所確定的運動軌跡。（3）計算焊接機器人的加速度情況等，獲得焊接機器人運行的具體軌道特征。

2 FPC焊接中應用自動激光焊接機器人系統的路徑

2.1 FPC焊接的激光加熱

激光加熱是自動激光焊接機器人焊接的基礎，在焊接過程中，焊接機器人系統一激光二極管為熱源，通過激光對局部進行非接觸式加熱，不需要更換烙鐵頭，并且激光光束小，能夠滿足多種環境下的FPC焊接要求。

在激光加熱過程中，激光焊接機器人具有微細的點直徑，其最小直徑僅為0.2mm，能完成電子設備微間距的焊接要求。同時，利用自動激光焊接機器人系統進行FPC焊接時，激光焊接機器人系統能夠在短時內完成局部加熱，并且加熱過程對基板與周邊部件的影響不明顯（見圖1）。

圖1 自動激光焊接機器人系統的應用實例圖

例如，在對直徑為0.3mm的焊球進行激光焊接時，通過自動激光焊接機器人系統能夠獲得被焊接物體表面的資料，并且完成不同角度的焊接（例如焊球上部形狀不變化，但是其底部已經與焊盤焊接在一起）。

從當前自動激光焊接機器人系統的發展情況來看，該技術的出現與發展有效滿足了FPC焊接的要求，并在高集成化、小型化方向有了更廣闊的發展前景。例如，在當前移動設備集成電路QFP元件焊接過程中，元件的引腳間距已經從最初的1.0mm下降到0.3mm，部件時間的空間越來越小。自動激光焊接機器人系統的出現有效滿足了這一需求，在相機和手機的CCD攝像頭部件、手機的微型受話器、手機的微型振動器、便攜電腦的LCD部件以及微型馬達，微型變壓器等的FPC焊接，在液晶LED-TV、航空航天軍工制造以及高端汽車部件制造等領域也有著廣泛應用。

2.2 FPC焊接的激光焊接機器人功能完善

在FPC焊接過程中，為了能夠進一步提高焊接質量，人員在利用自動激光焊接機器人系統進行焊接時，需要依靠裝置內藏的同軸CCD攝像頭與監視裝置來獲取焊接的實施數據。此時由于指示圖像會提示焊接狀態，并且激光焊接機器人的焊接過程能夠在顯示器上同步顯示，因此在FPC焊接過程中，技術人員能夠通過視覺圖像位置的變化，對FPC焊接工件的焊接點進行標定，校正焊接點情況。同時在自動化技術的支持下，技術人員還能利用自動激光焊接機器人完成多種復雜的焊接操作，例如控制激光的照射時間、控制激光焊接機器人的焊接軌跡等。

在應用階段，可以通過自動激光焊接機器人系統所具有的其他輔助功能來強化焊接質量，例如依靠激光頭上的防煙霧光學透鏡與保護系統，維修時只需要更換光學透鏡即可，整個操作過程簡單。

2.3 FPC焊接應用自動激光焊接機器人的參數規劃

FPC焊接對自動激光焊接機器人的焊接軌道提出了更高的要求，雖然在自動化技術的支持下，技術人員完全可以利用計算機自動化技術來降低對焊接機器人焊接軌道的干預，但是整個焊接軌道依然存在質量風險。所以為了保證自動激光焊接機器人的焊接軌道能夠滿足FPC焊接要求，相關人員在技術應用過程中，應該落實空間軌跡與焊接工藝相結合的方式，將激光焊接機器人的空間軌跡與焊接工藝參數進行聯合規劃，為進一步提高焊接質量奠定基礎。為了實現這一目標，在技術應用過程中應該關注以下幾點。

（1）考慮到焊接工藝參數規劃會因為FPC焊接的材料、形狀的變化而發生變化，因此為了能夠保證焊接質量能夠達到預期，必須要根據上述要求來對焊接工藝參數進行調整，保證焊接縫空間位置變化與焊接工藝要求能夠滿足FPC焊接的要求。所以在焊接過程中，技術人員必須要根據自動激光焊接機器人的空間軌道變化情況，掌握三維空間下的連續曲線軌跡特征，并將其作為工藝優化的重要標準，最終提高焊接質量。

（2）在激光焊接的情況下，傳統焊接模式中的行走角、工作角對FPC焊接質量的影響已經不再明顯。但是出于對焊接質量控制的考慮，就應該關注其他會影響焊接質量的要素，包括焊接電流與電壓的選擇、如何保證熔滴平穩過度等焊接工藝。

在技術應用過程中，技術人員將這些問題與自動激光焊接機器人系統聯合在一起，能夠持續優化激光焊接機器人的參數規劃情況，讓自動化激光焊接質量能夠滿足FPC焊接的質量控制要求。

2.4 自動激光焊接機器人系統在FPC焊接中的發展方向

隨著相關技術的進一步發展，自動激光焊接機器人技術將會得到進一步的發展，以更好的滿足未來FPC焊接要求。就目前相關技術的發展情況來看，自動焊接機器人系統的加熱方式變得更加具有針對性，其對應的表面貼裝微細間距焊接，特殊激光束的最小點徑要達到0.05mm以下，激光發射形狀目前使用圓形外，根據焊盤形狀還開發出環形等復雜形狀的焊接技巧。隨著相關技術的進一步發展，三角形、橢圓形的焊接加熱方式正在研發過程中，以適應不同環境下的焊接要求。

總體而言，在電子產品進入到高密度化組裝的今天，大量新工藝技術的出現對自動激光焊接機器人功能提出了更高的要求，隨著相關技術的進一步發展，大量新工藝技術將會被導入到焊接機器人技術中，以適應未來焊接要求。

3 結語

從本次研究結果可知，自動激光焊接機器人技術的出現有效滿足了FPC焊接的要求，在現階段電子產品生產過程中發揮著重要作用。因此對相關人員而言，必須要了解自動激光焊接機器人技術所具有的技術特征與技巧，了解激光焊接機器人系統在焊接過程的應用技巧與方法，能以焊接機器人空間軌道等為突破口，持續優化自動激光焊接機器人的技術手段與精準度，更好的滿足未來FPC焊接要求。

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