發(fā)布時間：2021-03-13所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:針對在船舶控制設(shè)備用微連接器手工焊接中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題，利用精密恒流技術(shù)與溫度控制技術(shù)的功能，設(shè)計(jì)基于STC15W4K單片機(jī)控制的激光器軟釬焊硬件電路系統(tǒng)，通過精密恒流驅(qū)動技術(shù)及半導(dǎo)體制冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微連接器引腳與排線的準(zhǔn)確焊接，試驗(yàn)結(jié)果表明
摘要:針對在船舶控制設(shè)備用微連接器手工焊接中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題，利用精密恒流技術(shù)與溫度控制技術(shù)的功能，設(shè)計(jì)基于STC15W4K單片機(jī)控制的激光器軟釬焊硬件電路系統(tǒng)，通過精密恒流驅(qū)動技術(shù)及半導(dǎo)體制冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微連接器引腳與排線的準(zhǔn)確焊接，試驗(yàn)結(jié)果表明，可實(shí)現(xiàn)微連接器的軟釬焊自動焊接功能，提高焊接質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞:微連接器;激光軟釬焊;溫控系統(tǒng)
一般情況下，傳感器組件上的微矩形電連接端口，引腳焊盤中心間距僅為1.27mm。通常依賴技能水平高的操作人員，手工將排線焊接到傳感器組件的微矩形電連接端口上。實(shí)際中，由于電烙鐵漏電、熱傳導(dǎo)損傷、焊點(diǎn)橋連、淺通等原因，微矩形電連接的一次檢驗(yàn)通過率比較低，甚至在整機(jī)調(diào)試中出現(xiàn)故障[1]。這種人工焊接方式效率低、故障率高、電性能指標(biāo)差，影響船舶控制及通導(dǎo)設(shè)備的可靠運(yùn)行。
激光軟釬焊的局部能量能夠快速集中地加熱或冷卻，聚焦斑點(diǎn)尺寸微小，焊點(diǎn)最小可達(dá)0.1mm2，能夠避免橋連等故障現(xiàn)象;熱輸入位置點(diǎn)精確可控，且對焊點(diǎn)周圍造成的熱影響小。同時，激光軟釬焊利用熱傳導(dǎo)完成非接觸式焊接，對引腳焊盤和連接線沒有任何物理損傷，也可避免因漏電、靜電等造成傳感器組件的傷害[2]。
激光軟釬焊接技術(shù)能夠滿足傳感器組件微矩形電連接端口與排線的電子互連要求[3]，為此，考慮采用該技術(shù)解決微連接器焊接質(zhì)量問題。
1系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成見圖1。恒流源模塊:提供可調(diào)、精密、穩(wěn)定的恒定電流，驅(qū)動半導(dǎo)體激光器模塊，通過調(diào)節(jié)恒流源輸出電流的大小，控制激光功率輸出的高低。
半導(dǎo)體激光器:配合光纖聚焦鏡，按照控制要求輸出激光功率。
溫控器及半導(dǎo)體制冷器:保持半導(dǎo)體激光器恒定工作在(25±1)℃，可使其穩(wěn)定、可靠地工作。
運(yùn)動控制模塊:運(yùn)動控制模塊實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的垂直運(yùn)動及在引腳焊盤間與傳感器組件間的平行移動。包括機(jī)械傳動、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動模塊等部分。
控制系統(tǒng):選用STC15W4K單片機(jī)，以及其他外圍控制電路。
電源系統(tǒng):提供控制系統(tǒng)工作電源、激光器工作電源、溫控電路電源。
2電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為保證激光軟釬焊電路正常工作，提供3種工作電源:控制系統(tǒng)電源+5V、激光器電源+12V及-12V、溫控電路輔助電源+12V、制冷片電源[4]。
總電源采用大功率的電源模塊，輸入交流為220V，輸出+12V(20Amax)及-12V，其中+12V電源又分為3路，第一路供給激光器，第二路供給制冷片，第三路作為其他電路電源，包括輸出至運(yùn)放OP07及散熱電路等。為減少3路12V電源間的干擾，采用LC濾波電路及地間磁珠隔離方式[5-6]。12V電源分配電路見圖2。
相關(guān)期刊推薦：《船海工程》(雙月刊)創(chuàng)刊于1972年，由武漢造船工程學(xué)會、武漢理工大學(xué)主辦。本刊主要刊載有關(guān)船舶及海洋工程領(lǐng)域的工程研究和技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造新成果，先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)等方面的論文，并根據(jù)我國造船工業(yè)發(fā)展的需要，介紹國外先進(jìn)的造船技術(shù)、造船工藝及有效的管理方法及經(jīng)驗(yàn)，同時還適當(dāng)選題發(fā)表通訊導(dǎo)航、環(huán)境保護(hù)、安全生產(chǎn)等方面的論文。
電源5V作為控制系統(tǒng)工作電源，提供給單片機(jī)及外圍其他控制電路，采用LM2596-5V開關(guān)電源芯片。LM2596作為降壓型電源芯片，外圍只需要4個元件，能提供3A電流，且具有很好的線性負(fù)載調(diào)節(jié)特性。5V電源電路見圖3。
3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
選用STC15W4K單片機(jī)處理器。該單片機(jī)具有2.5～5.5V的寬工作電壓范圍，運(yùn)行速度高于傳統(tǒng)51單片機(jī)7～12倍。本系統(tǒng)工作電壓設(shè)定5V、采用22.1184MHz內(nèi)置RC時鐘、SRAM為4k字節(jié)、Flash空間為40kB。處理器電路見圖4。
4激光波長與功率選擇
激光軟釬焊的核心部件是激光器。一般工業(yè)中應(yīng)用的激光器包括氣體、固體和半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器(laserdiode，LD)，是一種電流激勵的光子源器件，波長為0.78～0.86μm，屬于短波激光。傳感器組件的微矩形電連接端口是PCB板，是在非金屬絕緣基材上覆銅。鋁、銅等金屬與玻璃等非金屬材料對不同頻率激光的吸收率情況不同。非金屬材料，對長波激光吸收率較大，而銅材和焊膏釬料對短波激光吸收率較大。半導(dǎo)體激光器具有體積小、壽命長、輸出功率可控等特點(diǎn)，其電-光轉(zhuǎn)換效率相對比較高，可達(dá)30%[7]。綜合考慮，選擇波長較短、100W的半導(dǎo)體激光器。
5半導(dǎo)體激光器恒流源設(shè)計(jì)
恒流源電路模塊包括基準(zhǔn)電壓電路、恒流控制電路、濾波器、保護(hù)電路等。
5.1基準(zhǔn)電壓電路設(shè)計(jì)
基準(zhǔn)電壓電路為恒流源提供精準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)電壓。選用MC1403作為基準(zhǔn)電壓源，芯片電壓輸入范圍寬至4.5～40V;輸出電壓為+2.5V，誤差±1%，高精度、低溫漂。本系統(tǒng)采用+12V作為輸入電壓。電路見圖5。
5.2恒流源電路設(shè)計(jì)
恒流源控制電路分為比較放大、輸出級、反饋電路等部分。采用集成運(yùn)放OP07CP作為比較放大電路。OP07芯片具有低噪聲、非斬波穩(wěn)零、輸入偏置電流低和開環(huán)高增益等特點(diǎn)。
輸出級采用IRF460，是增強(qiáng)型、高電壓功率N-MOSFETS管，具有開關(guān)切換時間短、導(dǎo)通電阻小、大電流等特點(diǎn)。恒流源輸出采用LC低通濾波器濾除100Hz以上紋波。
電路中R8作為取樣電阻，采用10mΩ精密康銅絲電阻器。恒流源電路見圖6。
5.3保護(hù)電路
為保障電磁兼容性能，并確保電路的可靠性，設(shè)計(jì)過流保護(hù)與防浪涌電路。
因外界原因或電源等故障，有可能造成輸出至激光器的電流過大，為保護(hù)激光器，設(shè)置恒流源輸出級過流保護(hù)電路。將激光器取樣電阻R8上的電壓連接至過流保護(hù)電路輸入端。當(dāng)恒流源電流過大時，通過初級OP07電壓比較，次級OP07同相驅(qū)動輸出，控制繼電器K1動作，切斷輸出至恒流源的12V電源，從而保護(hù)恒流源及激光器免于損壞。具體電路見圖7。
為防止高電流(壓)或雷擊電流(壓)輸出給激光器，采用瞬態(tài)抑制TVS二極管進(jìn)行保護(hù)。在實(shí)際安裝時，為有效地保護(hù)，TVS置于激光器的輸入端近側(cè)。
6激光器溫控電路設(shè)計(jì)
為保證半導(dǎo)體制冷器有效、可靠地工作，設(shè)計(jì)了基于半導(dǎo)體制冷片的溫控電路。溫控模塊主要包括溫度檢測、半導(dǎo)體制冷片、散熱片以及導(dǎo)熱硅脂等。溫控器通過集成穩(wěn)定傳感器18B20檢測半導(dǎo)體激光器的溫度，通過DAQ接口輸出至單片機(jī)進(jìn)行檢測判斷。電路安裝時，將18B20通過導(dǎo)熱硅脂固定在激光器表面。電路見圖9。
制冷片是溫控電路的核心部件，有2個平面，分為制冷面和制熱面;有2個電源輸入端，12V電源正向接入或反向接入至制冷片的輸入端，可使制冷片分別處于制冷或制熱狀態(tài)。一般情況下，半導(dǎo)體制冷片標(biāo)有文字的面是制冷面。制冷片的制熱面需要安裝大的散熱器和散熱風(fēng)扇，以散除制熱面熱量，使激光器保持恒定溫度。單片機(jī)判斷激光器表面溫升情況，通過PWM方式調(diào)節(jié)控制半導(dǎo)體制冷器的制冷量，通過單片機(jī)的RELAY端控制制冷片的輸入電源，根據(jù)溫度變化情況，切換制冷片的輸入電源極性，從而使激光器始終處于給定的恒定溫度范圍。溫控電路見圖10。
附有微型風(fēng)扇的散熱片通過導(dǎo)熱硅脂穩(wěn)定固定在半導(dǎo)體制冷片的熱面，并確保制冷片受力均勻。溫控電路采用獨(dú)立的12V電源供電。單片機(jī)輸出端口PWM及RELAY，通過光電耦合器PC817控制制冷片的電源極性與電流斷續(xù)比。
7實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
硬件電路經(jīng)仿真及調(diào)試后，進(jìn)行電路板制作;對STC15W4K單片機(jī)進(jìn)行軟件編程，同時設(shè)計(jì)并安裝運(yùn)動控制系統(tǒng)。
在威海某船舶電氣公司，選擇微連接器引腳間距為1.27mm的20個傳感器組件，共40個焊點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際對比檢測。檢測結(jié)果見表1。
通過對比檢測發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)通性能方面，激光釬焊的合格率達(dá)到了100%;在外觀檢測方面，2組的合格率分別82.5%、87.5%。對激光釬焊檢測不合格的5個焊點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)排線過軟，造成焊接時發(fā)生上翹現(xiàn)象，以及焊錫膏印刷量偏少，影響了焊點(diǎn)外觀質(zhì)量。經(jīng)前期有針對性地對排線進(jìn)行適當(dāng)整形，并適當(dāng)增加焊錫膏印刷量后，再次對焊點(diǎn)外觀檢測，合格率達(dá)到97.5%，滿足船舶控制設(shè)備的電性能要求。
8結(jié)論
選擇合適頻率和功率的半導(dǎo)體激光器，并利用精密恒流源技術(shù)，為其提供可調(diào)的恒定電流;同時輔以溫度控制系統(tǒng)，以保證激光器工作在合適的溫度范圍;考慮到激光器與制冷片電流消耗較大，采用電磁兼容技術(shù)以減少相互干擾。電路經(jīng)仿真與實(shí)際測試，焊接質(zhì)量合格率達(dá)到100%，同時，生產(chǎn)效率提高了1倍以上，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。
在電路的設(shè)計(jì)和整體調(diào)試過程中，部分問題需要進(jìn)一步深入研究，主要是激光光斑較小時，不足以全部覆蓋單個引腳焊盤，光斑調(diào)整過大時，能量密度偏小，焊接時間偏長，光斑的大小需調(diào)試優(yōu)化;以及焊錫膏印刷量的取值等情況。
關(guān)于微連接器激光軟釬焊電路設(shè)計(jì)的后續(xù)研究工作，主要有:激光管損耗較大，輸出效率低，達(dá)不到預(yù)期輸出功率，導(dǎo)致焊接時間偏長;激光入射角與照射位置對焊點(diǎn)成形的影響;優(yōu)化溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)±0.5℃的溫控范圍。——論文作者：吳希杰1，周方明2
