激光自动焊接在金属化薄膜电容器的应用及技术研究

摘要：随着现代工艺技术的发展；为了实现金属化薄膜电容器自动锡焊，首先进行元件摆放工装设计，运用视觉定位系统，对需要锡焊的位置进行准确定位；配合自动锡焊系统及锡焊工艺参数的控制，实现焊点的自动焊接；最后采用视觉检测系统对焊点的位置、尺寸、缺陷等参数进行检测与判定，通过拉脱试验测试锡焊点的拉力值检测焊接强度。研究结果表明，本系统可以实现金属化薄膜电容器的自动锡焊与焊点质量检测，能够满足焊点质量要求，焊点一致性与稳定性较好。

关键词：激光自动焊接；金属化薄膜；电容器应用；技术研究

引言

随着现代科技和工业的发展，金属化薄膜电容器的应用越来越广泛，尤其是新能源和低碳环保经济的发展，为金属化薄膜电容器的发展扩大了空间，例如：核能发电、机车电气化、汽车混合动力驱动等均需要大量使用金属化薄膜电容器激光是受到激发辐射后产生并放大的一种可见光。激光技术属于精密加工技术，由于其辐射速度快、辐射功率高、响应速度快、辐射面积较小以及可控性强，在较短时间内可以实现精密切割、加热和焊接功能，所以在近现代工业领域，如机械工程、微电子工程、汽车工程等领域里被广泛使用。激光焊接技术无论是在大型件焊接方面，如机车车盖的焊接，还是在微焊接方面，如集成电路的微焊接，只要针对不同的焊接工况，选用不同焊接技术和焊接类型、改变焊接参数等方式，都能实现所需焊接要求。

1 金属化薄膜制备过程存在的问题及其解决方案

1.1金属化薄膜的现状

金属化薄膜作为电容器最关键材料之一，近年随着电工膜厚度降低，其占总成本从早年约35%增加到目前65%～70%。电工膜系用塑料粒子经拉膜制成，目前国产塑料粒子95%需要从日本、德国和韩国进口。电工膜制备国产化率已达到80%，2021年电工膜国内市场规模约30万吨，部分还需进口满足国内市场需求。电工膜表面经镀金属膜成为金属化薄膜，该生产工艺已完全国产化，国产和进口镀膜设备制程控制、人机界面、可靠和稳定性等存在较大技术差距，国内85%的镀膜设备来自德国莱宝、意大利伽利略等企业，国产镀膜设备主要为苏州东昇。随着国内镀膜设备先进程度和工艺制程技术提高，国产金属化薄膜的质量逐渐达到国际同类产品水平，近年来基本不再进口金属化薄膜。

1.2方壳灌封式金属化薄膜交流电容耐湿热特性的核心改良工艺

外壳结构设计：电容外壳主要从减小壳体变形度、便于电容器的芯包与引线固定、有利于灌封料填充与紧密结合等方面做设计考虑。壳体底部凸台主要作用是，使装入芯子后，芯子底部与外壳底部有浮高，利于灌封料填充；侧边的加强筋与凹槽作用是固定引出电极，在灌封料灌封作业时候，能够固定芯子避免上浮。另外在电容尺寸设计允许情况下，尽可能适当增加壳体与芯子之间的空间，以便能够增加填充料的厚度，可以延缓潮气进入到产品内部的时间，也能起到耐湿热的作用。外壳电蚀工艺：使用离子电蚀技术处理后的方壳，来增加内壁磨砂纹路，使外壳内壁与高性能环氧树脂粘合得更紧密，阻隔潮气从外壳与环氧结合面侵蚀入芯包的可能。离子电蚀处理后外壳，放大500倍可清晰看到不规则弧形磨砂纹路，与专用防潮型高性能环氧材料结合更加紧密。

1.3激光模块与挂载

激光锡焊的原理是激光的高能量密度实现局部或微小区域快速加热，调整光斑的大小对指定的区域进行照射，通过热辐射，对此区域内的锡进行加热，使其快速熔化并在冷却后形成焊点。这种焊接方式是利用低熔点的金属（锡）加热熔化后，渗入并充填金属件连接处间隙的焊接方法。其原理是通过“润湿”、“扩散”、“冶金”3个过程完成的，焊丝通过加热融化后润湿在元件表面，并根据焊锡固有的张力向元件扩散同时包裹住铜排，与焊点的铜排和元件接触后形成合金层，使两者牢牢结合。与传统烙铁锡焊不同的是，激光属于“热辐射”，加热速度极快，而烙铁是靠“热传递”缓慢加热升温。而且对不同种类的合金锡还有多种的加工方式，从而实现无接触式自动化焊接，实现焊接的高效和高精准的效果。由于金属化薄膜电容器元件的焊点较大，成型要求达到面圆润、光滑、无毛刺尖角，考虑综合因素，激光焊接电容采用了500W的半导体水冷激光器。同时配备了带温控的水冷激光头，激光头将红外温控、视觉和激光结合到一起。通过内部反射镜，将光纤、红外温控和视觉做到同轴。这样可以防止功率过高或者其他因素导致电容烧毁，也可以同时用视觉监控焊接效果。

2自动锡焊系统

2.1系统设计

元件摆入工装后，进入预定位置准备自动锡焊。在进行元件锡焊前，必须要先考虑对元件组表面各待焊位置的确定、铜片的抓取及焊锡的成型等一系列因素，所以要设计一套集成机器视觉的自动锡焊系统，主要由六轴机械手配合整个锡焊机构实现焊接位置，通过视觉相机和激光传感器组合为视觉系统，分别引导机械手在待焊接平面的位置及落点高度，确定机械手的空间位移，电烙铁和加热芯组成加热机构，促进焊锡丝的融化及焊点的形成，送锡管斜对烙铁头上方，提供定量送锡，配合电烙铁在元件表面形成焊点，伸缩杆与压块组成锡焊辅助机构，既压合铜片与元件表面的接触，防止溶锡的无规则串流，影响焊点的成型，又避免已有焊点造成的高度不平，而影响后续点位的焊接及当外力过大时对元件表面的损伤，抓取机构则为根据要连接的铜片类型，吸合不同的工装，进而抓取铜片放在元件表面，通过锡焊实现铜片与元件间的连接。

2.2焊后质量检测

金属化薄膜电容器的自动激光焊锡应用是一项新的焊接技术，从长远角度看，激光焊接与传统的电烙铁焊接相比，激光锡焊焊点统一，表面光滑，焊接的效率高、锡丝的利用率高、还可以减少人力。焊接时影响元件质量主要因素，其主要工艺参数是焊接电流，若焊接功率小，易产生虚焊，牢度不够；若焊接功率过大，瞬时温度过高，承受时间过长，会使薄膜受热收缩，造成损耗角正切增大，这应该是电容器生产过程中焊接工序的质量控制常识。通过采用不同焊接参数、电容量衰减、损耗角正切之间关系进行对比试验，论证了焊接工艺对电容器的容量衰减有着不可忽视的影响。

2.3检验金属膜镀层防氧化性能

电工膜所蒸镀的Zn膜易氧化，经时效处理后采用真空包装，在拆除包装后必须在一周时间内用完，否则对电容器的特性带来不利影响，并对生产环境温度和湿度有较高的要求。业界有信息显示国外同类产品也存在同样的问题，国内外一直在研究如何解决Zn膜氧化问题，国内有企业试图通过与Zn同时蒸镀改良元素来改善抗氧化性，但尚未获得突破，目前业界只能严格控制镀Zn金属化薄膜的工艺时间来解决。

2.4提高喷金料利用率

业界统计喷金过程喷金料利用率不到40%，电容器制造企业也试图通过改善喷金工艺来提高喷金料的利用率，以降低成本。喷金料常规线径都在φ1.60mm以上，喷枪与待喷电容器的间距控制200～220mm，喷枪喷出覆盖是圆面，因此总有部分喷出的金属粒落入待喷电容器之外，造成损失。为提高喷金料利用率，业界采用缩短喷枪与电容器间距至130～150mm，缩小喷枪喷出覆盖的圆面，提高喷金产品覆盖率，进而提高喷金料的利用率，该技术可提高喷金料利用率约5%。缩短喷枪与电容器间距，则需降低喷金电流，以防烫伤电工膜，因此以φ1.2mm及更小规格线径替代φ1.60mm以上产品，导致线材生产企业加工效率降低。由于喷金料熔点低无法高速拉拔的特性，给喷金料加工企业提出了更高的技术要求，有待研发更高效、实用的加工解决。

2.5视觉三维检测作为非接触型测量技术，激光检测更加稳定高效，被应用于各个发展领域。运用伺服机构控制运动，上方配置激光扫描相机，针对不同产品的焊点排列、扫描区域进行编程，从而对焊点的外围轮廓进行圈定，得到焊点的平面中心位置，即为标准焊点的中心位置，辅以给定的标准焊点要求，显像出标准焊点区域，将实际焊点与标准焊点区域进行拟合对比，对焊点的高度、大小及空缺状态进行判定，并输出判定结果。

在自动锡焊作业完成后，产品将自动流入视觉检测工位，给定标准焊点要求：最大高度1～2mm，直径10～15mm，10mm直径范围内无焊锡缺失，直径10～15mm间焊锡面积缺陷不超过焊点面积的20%，得到的焊点扫描结果如下：根据判定结果可看出，无焊点高度、内部空洞现象，焊点外围缺陷造成的不合格数量为4个，经人工复检判定基本情况一致，视觉检测结果可满足要求。

2.6激光模块与挂载

激光锡焊的原理是激光的高能量密度实现局部或微小区域快速加热，调整光斑的大小对指定的区域进行照射，通过热辐射，对此区域内的锡进行加热，使其快速熔化并在冷却后形成焊点。这种焊接方式是利用低熔点的金属（锡）加热熔化后，渗入并充填金属件连接处间隙的焊接方法。其原理是通过“润湿”、“扩散”、“冶金”3个过程完成的，焊丝通过加热融化后润湿在元件表面，并根据焊锡固有的张力向元件扩散同时包裹住铜排，与焊点的铜排和元件接触后形成合金层，使两者牢牢结合。与传统烙铁锡焊不同的是，激光属于“热辐射”，加热速度极快，而烙铁是靠“热传递”缓慢加热升温。而且对不同种类的合金锡还有多种的加工方式，从而实现无接触式自动化焊接，实现焊接的高效和高精准的效果。由于金属化薄膜电容器元件的焊点较大，成型要求达到面圆润、光滑、无毛刺尖角，考虑综合因素，激光焊接电容采用了500W的半导体水冷激光器。同时配备了带温控的水冷激光头，激光头将红外温控、视觉和激光结合到一起。通过内部反射镜，将光纤、红外温控和视觉做到同轴。

2.7视觉扫描与抓取机构

六轴机械手配合自动锡焊机构实现焊接位姿的确定。由视觉相机和激光传感器组合成的视觉系统引导六轴机械手到达待焊接平面的位置及电烙铁烙点高度，确定六轴机械手的空间位移。送锡管处于电烙铁焊头上方，定量提供焊锡，配合电烙铁在扁形元件表面形成焊点。伸缩杆与压块组成的锡焊辅助机构压合铜片与扁形元件表面，防止熔锡无规则串流，影响焊点的规则成形，继而影响后续点位的焊接，对扁形元件表面造成损伤。抓取机构根据要连接的铜片类型，抓取铜片放在扁形元件表面上。

结语

通过对金属化薄膜电容器锡焊过程的分析，搭建自动锡焊生产线各工位模块。对各模块的内容，包括元件摆入通用工装的设计制作、自动锡焊、视觉检测系统的构造，实现了一套集生产与检测技术于一体的自动化锡焊流水线，并通过对焊点结果的分析，验证了此系统的可行性，为后续多类型金属化薄膜元件的自动化锡焊提供了指导与依据。本文的视觉检测仅限于焊点外围形状判定，后续的工作将引入超声波对焊点内部探测进行研究，使得不进行焊点的破坏性试验即可观察到焊点内部填充状态，以更全方位对焊接质量进行分析。

参考文献

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