激光自動焊接在金屬化薄膜電容器的應用及技術研究

金屬化薄膜電容器（ｍｅｔａｌｌｉｚｅｄｆｉｌｍｃａｐａｃｉｔｏｒ）元件主要是由2層金屬化聚丙烯（或聚酯）薄膜重迭卷繞而成，有油浸式和干式2種結構。其氣電性能好，并具備自愈特性。其特點是耐電壓、絕緣電阻、損耗角正切值等電性能十分優異，并具備自愈特性，可以直接應用于中高壓場合。

與電容器元件噴金端面相焊接的材質有很多種，如導線、銅片、鍍錫銅排、鍍錫編織銅帶等。所焊接的物品不同，需要的焊接功率，錫絲的線徑均有所差異，所選用的工藝也都不同，焊接效果如圖1。對比使用同種焊接機對同批次噴金、賦能合格后的10 個圓形元件與不同材質物品的焊接，焊接難易度依次由易到難是導線<銅片<鍍錫銅排<鍍錫編織銅帶。在焊接編織銅帶的時候由于其焊接端部銅線比較分散，焊接時線體不能整體散熱，從而導致部分線頭受熱過高而出現燒傷現象。可以采用浸錫的處理方法，浸錫過后使線頭形成一個整體統一散熱。但是此情況在在銅線焊接上沒有發生，因為銅線自身耐高溫，所以銅線分散不會燒傷；而編織銅帶鍍錫后，因表面鍍錫層不耐熱，從而使分散的編織銅帶出現燒傷現象。

電容器大多是由多個單元元件組合而成的，而且不同產品的單元元件形狀和結構也大不相同，常見的有圓形元件和扁形元件，所以治具要根據不同產品元件、芯組的結構和尺寸來定制。在電容類產品焊接中，治具實現的作用是固定元件位置和壓平上方銅排或導線。同時因為電容器組件較重，還要考慮怎樣配合翻轉系統使用。因此本文配合不同形狀的元件，同時根據現場使用要求不同，設計了兩種不同的治具，一種盒式治具，一種板式治具，如圖2、圖3。

因為電容器正反兩側都需要焊接，針對兩種不同的治具，所采用的旋轉方式也不一樣。

盒式的治具，在盒兩側留有旋轉孔位，先將產品對位，之后再用夾緊氣缸對位夾緊，然后移動對位平臺，留出旋轉空間，保證產品焊接后旋轉不發生干涉，其旋轉方式采用電機減速的方式。其優點是精度高，可以一次性焊接、旋轉多組電容器。

板式治具由于重量輕，可以根據具體情況選擇用氣缸和電機兩種旋轉方式，如果用氣缸旋轉，首先用治具固定架固定治具后，可根據不同需求，使用一個或者多個氣缸以保證穩定性。其優點是便宜，但是要根據氣壓大小來調整產品數量。

激光錫焊的原理是激光的高能量密度實現局部或微小區域快速加熱，調整光斑的大小對指定的區域進行照射，通過熱輻射，對此區域內的錫進行加熱，使其快速熔化并在冷卻后形成焊點。這種焊接方式是利用低熔點的金屬（錫）加熱熔化后，滲入并充填金屬件連接處間隙的焊接方法。其原理是通過“潤濕”、“擴散”、“冶金”三個過程完成的，焊絲通過加熱融化后潤濕在元件表面，并根據焊錫固有的張力向元件擴散同時包裹住銅排，與焊點的銅排和元件接觸后形成合金層，使兩者牢牢結合。與傳統烙鐵錫焊不同的是，激光屬于“熱輻射”，加熱速度極快，而烙鐵是靠“熱傳遞”緩慢加熱升溫。而且對不同種類的合金錫還有多種的加工方式，從而實現無接觸式自動化焊接，實現焊接的高效和高精細的效果。

由于金屬化薄膜電容器元件的焊點較大，成型要求達到面圓潤、光滑、無毛刺尖角，考慮綜合因素，激光焊接電容采用了500W的半導體水冷激光器。同時配備了帶溫控的水冷激光頭，激光頭將紅外溫控、視覺和激光結合到一起。通過內部反射鏡，將光纖、紅外溫控和視覺做到同軸。這樣可以防止功率過高或者其他因素導致電容燒毀，也可以同時用視覺監控焊接效果。 如圖6。

設備通過對機器人或軸進行工作路徑的試調,引入機器視覺技術,可以來修正誤差,實現其焊接點的精確定位。[9]由于電容上銅排的不同擺放形式，所以所采用的激光頭的搭載方式也不相同，如果銅排方向一致，則可以采用X、Y、Z三軸式搭載如圖7。如果銅排方向不一致，則要采用機械手搭載如圖8。同時軸式和機械手上都要配備送絲機構、光源、視覺定位和除塵系統。

多種搭載方式主要是配合錫絲的送絲方向及焊接角度，焊錫角度如圖9-1，則焊接效果是較好的，容易達到焊接要求如圖9-3。如果焊接角度如下圖9-2，則焊接效果有時會發生缺陷，因為銅排吸熱比電容快，而且錫導熱性好，會更親和銅排，導致電容上沒有錫如下圖9-4，同時錫絲有時也會卡到使錫絲折彎，導致送絲位置不準。如果焊接角度如下圖9-3，如果送絲速度過大或者送絲過快，會使錫流向不均勻，導致部分地方沒有錫如圖9-5。但是三種送絲方式在經過調整后都能達到焊接要求，不過后兩種需要更精確的調整。

設備可以采用人工上料，同時也可以使用機械手上料，之后自動封裝。封裝后自動進入焊接位置，通過軸上搭載的視覺系統對樣品進行視覺識別。視覺相機和激光頭同時搭載在Z軸上。先進行定位拍照，之后再進行激光焊接。焊接后焊接頭會移動到安全位置，然后治具開始旋轉，再進行反面的焊接。焊接完成后可以用同軸的視覺相機，或者進入專門視覺檢測的工位進行視覺檢測。檢測合格后自動開蓋，自動下料到物料轉運車上。

上料之后自動盒蓋焊接。在焊接結束后，產品自動移動到開蓋位置，先用氣缸推動機械爪進行開蓋作業，如下圖11。之后移動到下料爪位置，先用頂升氣缸將 產品頂起，用機械爪將焊好的產品夾起運送到物料轉運車上，如下圖12。

視覺檢測在電子行業已經得到普及，而且光學檢測更加高效。在此設備中也加入了視覺檢測功能。視覺檢測的方式也多種多樣。有常規定位相機檢測、多相機三色光檢測、3D相機掃描檢測等，圖13。

焊接時影響元件質量主要因素，其主要工藝參數是焊接電流，若焊接功率小，易產生虛焊，牢度不夠；若焊接功率過大，瞬時溫度過高，承受時間過長，會使薄膜受熱收縮，造成損耗角正切增大，這應該是電容器生產過程中焊接工序的質量控制常識[10-12]。本文通過采用不同焊接參數、電容量衰減、損耗角正切之間關系進行對比試驗，論證了焊接工藝對電容器的容量衰減有著不可忽視的影響。

焊點是銅片與電容元件的連接點，對產品的傳導性能有著重要的影響。所以測試是把已焊接的一組銅排切割開，并且分別以1、2、3、4……等作為標記。將與器件固定到拉力計下鉗子上，再用上鉗子夾住銅排，以垂直焊點向上方緩緩拉起，拉起速度為50mm/min，直至銅排拉起焊點完全脫離元器件如圖15。

為保證測試質量，隨機抽取5個正面焊接和5個反面焊接的元件進行徑向拉力a測試，測得拉脫時拉力值均在65N~55N之間。其最小拉力值為58.564N，滿足>25N要求。在和手工焊接后的測試對比后，其激光焊接拉力均>手工焊接的拉力。說明激光焊接電容器元件的方式滿足焊點強度要求，其測試對比數據如下。

說明：a徑向拉力：指垂直于焊點方向的拉力