TRIZ創新理論在磁頭焊接工藝中的應用研究

鄧曉膺 王麗坡 黃小華

摘 要：發明問題解決理論TRIZ通過總結專利文獻，提出技術矛盾、發明原理、物理矛盾、物場模型、技術進化法則等工具和方法，對科技創新提出了一套科學的理論和方法。文章從TRIZ理論出發，研究如何運用技術矛盾、物理矛盾和物場模型工具來解決硬盤磁頭焊接工藝中的實際難題，提升了產品的質量，降低了制造成本，提高了企業的競爭力。

關鍵詞：硬盤磁頭;焊接;TRIZ理論;技術創新

1 概述

硬盤的關鍵部件之一就是磁頭，磁頭的加工工藝直接影響到硬盤的壽命，讀寫的速度也會影響到顧客的體驗和最終的銷售。磁頭的微連接工序焊接工序是磁頭加工的關鍵工序之一，在微米級的部件上焊接，對焊接精度要求非常高。將TRIZ理論應用于磁頭焊接工序，有助于提高焊接產品品質，提升生產效率，降低生產成本。

2 科技創新與TRIZ理論

科技創新對企業、國家來講至關重要，為了提升國家科技創新能力，需要科學高效的創新方法和工具來指導我們的科技創新活動。

20世紀50年代末，前蘇聯的根里奇.阿奇舒勒為全新的發明問題解決理論（TRIZ）奠定了基礎。在他的帶領下，與蘇聯專家們一起，經過50多年對數以百萬計的專利文獻加以研究、整理、歸納和提煉，建立起一整套、實用的TRIZ理論[1]。

TRIZ產生和運用都是建立在唯物辯證法認識論上“從特殊到一般，又從一般到特殊”的基礎之上。事物發展的根本原因不是在事物的外部而是在事物的內部，在于事物的內部矛盾性。事物內部的矛盾性是事物發展的根本原因[2]。

本文就在硬盤磁頭焊接工藝改進過程中，應用TRIZ的一些相關工具和方案做一些探討，希望對從事科技創新的工作者能有一些啟發。

3 TRIZ理論方法在磁頭焊接工藝改進中的應用

3.1 系統工作原理與問題描述

在硬盤磁頭折片的制造過程中，使用噴射錫球系統將磁頭焊位和軟線路板的焊位進行連接。噴射錫球焊接廣泛運用于電子行業的微連接，但大都面臨定位精度不足的問題，需要頻繁更換噴射焊嘴，由于噴射焊嘴成本高，造成制造成本高。造成定位精度不足有以下可能原因，噴射焊嘴端部孔徑變大，孔變形，孔內壁粗糙度變大等多個方面，噴射的工作原理如圖1所示。我們要解決噴射錫球的定位精度，使錫球準確噴射到焊接位，將焊位進行連接，首先是用TRIZ理論找到根本原因，然后針對原因提出對策，并進行驗證。

錫球的傳送：錫球通過送球機構被送入焊嘴，焊嘴端部的孔徑小于錫球的直徑，在氣壓的作用下，錫球保持在焊嘴的端部。

激光熔化錫球：打開激光，激光作用錫球上，錫球吸收能量，溫度上升，熔化，在氣壓的作用下，熔化的錫球被噴出。

噴射焊接位：熔化的錫球被噴射在焊接位上擴散，凝固后將焊接位連接。

3.2 原因分析

焊嘴孔發生了變形，焊嘴孔發生變形由兩個直接原因，原因一受到了大的沖擊力，原因二焊嘴顆粒的黏合力不足。

對于焊嘴受沖擊力大是因為一部分原因由于氮氣壓力大造成沖擊力大，另外一部分是由錫球與焊嘴的接觸面積大，黏合度也大造成錫球表面張力增大，從而帶來了大的沖擊力。

此外，激光強度高，頻率高，帶來了激光周期性的熱應力大，應力大也給焊嘴帶來了大的沖擊力。

對于焊嘴顆粒黏合力不足帶來焊嘴孔變形主要是由于焊嘴的鈷的含量比較低，鈷和鎢的混合也不均勻。由于鈷鎢含量關聯到焊嘴材料設計，需要外部供應商協助，將作為第二步研究工作。

3.3 技術矛盾理論解決應力大給噴嘴產生大的沖擊問題

技術矛盾是指對技術系統某一方參數進行改善時，會引起另一方參數惡化。惡化一方究竟惡化了什么，對于一個具體的技術矛盾是可以客觀判斷的，有時一方的改善可能產生幾方面的惡化，形成幾對矛盾。解決技術矛盾就是要消除惡化，是雙方的要求得到滿足[3]。

具體做法，首先把具體的技術矛盾兩個參數轉換成通用工程參數;然后通過查看矛盾矩陣找到解決這個矛盾可參考的創新原理，最后在從中選擇恰當的創新原理形成概念方案，就完成了從特殊到一般的過程，再從一般到特殊的過程。

根據因果分析，熱應力大的原因是激光強度大。通過減少激光強度可以減少應力，但會增加激光作用時間，影響生產效率，增加成本。改善技術參數應力和壓強，惡化技術參數作用時間。在矛盾矩陣上縱坐標對應的技術參數11壓力/壓強，橫坐標對應的技術參數15作用時間。對應的發明原理有：原理19局部周期性作用，原理3局部質量，原理27廉價替代品。

發明原理19周期性作用有3個提示，采用發明原理19周期性作用提示1：用周期性動作或脈沖代替連續性動作。生成的實用解決方案一為：降低激光強度，從一次施加激光改為多次施加激光。

發明原理3局部質量也有3個提示，采用發明原理3局部質量提示3：讓物體的各部分，均處于完成各自動作的最佳狀態。生成的實用解決方案二為：定期對焊嘴端部進行退火處理，以消除應力。

3.4 物理矛盾解決焊嘴孔與錫球接觸面積大的問題

物理矛盾就是技術系統在某個參數上提出相反要求。由于物理矛盾相反要求的每一方，一般都是處于某種條件下，如時間或空間上的條件或其他不同的條件，一般采用分離方法來解決矛盾。通常使用的分離方法有四大類：空間分離、時間分離、條件分離和整體與部分分離。然后根據所選的分離方法對應的發明原理生成解決方案。

根據因果分析，焊嘴孔表面張力大的原因是錫球的黏度大。通過減小錫球的黏度可以減小表面張力，但會減小焊接的強度。

物理矛盾：黏度既要小又要大。小：優點是張力小，缺點是強度小;大：優點是強度大，缺點是張力大。

嘗試進行時間分離：時間1：錫球融化階段，應力小。

時間2：錫球黏合階段，強度大。

通過技術矛盾的創新原理給我們的提示（借助中介物原理），生成的實用解決方案三：在錫球表面鍍上涂層，錫球熔化后涂層材料擴散到焊嘴內壁，減小表面張力，錫球本身的黏度不變，熔化后焊接強度不變。

3.5 物場模型工具消除錫球對焊嘴的吸附作用

物質場模型分析是TRIZ理論中的另外一個重要的問題構造、描述和分析的工具。通過構建物場模型，揭示出技術系統的功能機制，找出技術系統中不同元素之間發生的不良作用（包括不足的、有害的、過度的和不需要的相互作用），然后查詢76個標準解來找到通用解法，再在這基礎上生成具體實用方案。

首先構建物場模型來消除錫球對焊嘴吸附作用，如圖3所示。

三個基本要素：接收體是焊嘴S1，執行體是錫球S2，相互作用場力場F1。錫球S1激光加熱后融化產生的熱力場F1對焊嘴產生有害作用，產生應力對焊嘴產生沖擊。

錫球對焊嘴的作用有害，是有害完整模型，引入新的物質S3消除有害作用（S1.2.1），拆解物場模型。查詢76個標準解，采用提示No.11切斷有害作用。

生成的實用解決方案四：在焊嘴內壁加納米材料鍍層，來消除錫球對焊嘴的吸附作用。

4 結語

本案例與實際生產中存在的問題解決很好的證明了TRIZ的作用，案例中采用了技術矛盾、物理矛盾以及物場模型等分析工具。根據40個發明原理和76個標準解給出改善思路，找到了切實可行的改善方案。經過逐一對各個方案的驗證，降低激光能量從一次施加激光改為多次施加激光和定期對焊嘴端部進行退火處理，以消除應力已經被采用。對于焊嘴內部噴涂材料和對錫球表面進行鍍層正在試做樣品效果驗證中。對先被采用的兩個方案，經過半年的運行，良品率提升了0.1%，焊嘴的壽命也提升了1.2倍，預估每年經濟收益150萬元，已經推廣應用。

隨著TRIZ工具在工作中的不斷應用，將會為企業解決技術難題帶來更多更大的幫助，為企業的科技創新帶來更大的價值。

參考文獻：

[1]林岳，等.創新方法教程（初級）[M].北京：高等教育出版社，2012：38-39.

[2]廖志鵬.企業核心競爭力與技術創新辨析[J]發明與創新，2005（7）：4-6.

[3]王傳友.TRIZ新編創新40法及技術矛盾與物理矛盾.西安：西北工業大學出版社，2010.9：22-23.