激光缝焊机控制系统设计

2021-08-10万喜新周水清王学仕

电子工业专用设备 2021年4期

万喜新，周水清，王学仕，赵

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)

微波组件是雷达的核心部件，对微波组件进行气密封装是航空航天电子产品的基本要求[1]。微波组件的壳体多为金属外壳，为满足组件体积小、质量轻、散热快的要求，目前制作微波集成电路盒体的材料有可伐合金及铝合金。激光气密封焊接技术是激光技术近年来发展起来的新型应用，以其焊缝窄、热影响区小、非接触、清洁性等优点，非常适合对微波组件进行密封[2]。由于微波组件密封时内部电路已经调试组装完毕，因而密封时腔体内部温度不能超过芯片或焊料所能承受的最高温度，以避免芯片损坏或焊点熔化。但激光焊接技术在微波组件壳体焊接这个具体的应用上的工艺研究还比较希缺。国外一些激光焊接研究所对电子器件的激光密封介绍较多，但针对航空航天产品上的微波器件的激光密封应用介绍很少。国内一些器件研究所对微波组件的壳体密封有一些介绍，但由于受设备的限制，未作深入研究。因此，对激光缝焊设备研发提出了迫切的需求，激光缝焊机电气系统的研制就具有很强的现实意义。

1 激光缝焊系统总体设计

微波壳体封装密封是为了保护器件和封装金属内层不受环境腐蚀和机械损伤。密封的组件内部气氛含量对其性能和可靠性有着十分重要的联系，它是造成元器件早期失效、性能下降的因素之一。因此对组件的封装材料排气、封装工艺、封装环境提出了要求，为满足组件封装的要求，研制了激光缝焊设备，其构成如图1所示。

图1 激光缝焊系统构成图

激光器采用脉冲调制、灯泵浦棒式Nd：YAG固体激光器，可保证高功率状态下脉冲周期短、能量高；脉冲能量和脉冲周期参数可以按照应用需求进行精确的配置[3]。电源能动态产生极短上升时间的脉冲，结合快速实时功率调节，保证了激光脉冲的稳定性，从而达到加工质量的一致性；在功率触发模式下，短时间内能大大超出平均功率，缩短了每个加工环节的焊接时间，增大了产能。激光器配备同轴的CCD系统和水冷系统，分别用作监视焊接过程和冷却激光器用。

手套箱系统的设计主要考虑对焊缝区的保护和密封组件内部气氛的要求。在一些对焊接技术要求严格的场合，如要求焊缝美观、密封、无氧化痕迹的产品，或是易于氧化难于焊接的铝合金材料，在焊接过程中就必须施加保护气体[4]。这里所指的保护气体有两层含义，一是由轴向吹出的气流，通常采用惰性气体保护焊接熔池，降低气孔发生率和防止氧化。二是侧吹辅助气体，目的是减少激光等离子体对激光束的吸收，以提高材料对激光的吸收率，增加焊接熔深。

计算机控制系统完成设备的人机交互功能，控制各部件协调工作，实现生产过程自动控制。

2 激光缝焊分系统设计

2.1 系统功能设计

根据激光缝焊系统总体设计要求，系统功能设计如图2所示。

图2 系统功能图

激光缝焊系统可分为4个部分：激光器系统、真空烘箱系统、手套箱系统包括手套箱箱体和气体纯化器、电控柜中的CNC数控系统。

2.1.1 激光器系统

激光器作为激光缝焊的核心部件直接影响焊接质量，激光器系统自带触摸屏，通过触摸屏可预先编好应用程序，设置好激光工艺参数，供主程序选择，同时提供28个IO点便于监控激光器的运行。激光器系统配备了同轴和旁轴CCD系统。同轴CCD系统可放大观测工件表面和焊缝，辅助定位，还可实现焊接时实时观测焊接动态。旁轴CCD系统则可借助视觉图像处理技术完成焊缝图形自动生成。

2.1.2 真空烘箱系统

真空烘箱系统作为相对独立的部件用于清洁和预热工件，采用PLC加触摸屏的方式完成整机控制，有内四层加热板，每层分别用西门子控温系统控温。实现自动均匀升温和保温等功能，具有超温故障报警和自动断电等功能。PLC控制真空泵，真空室极限真空度≤15 Pa。总计21个IO点，12组模拟量信号。

2.1.3 手套箱系统

手套箱系统集成双柱气体循环净化单元、真空烘箱、过渡舱、除烟尘装置、水和氧分析仪、PLC控制及触摸屏等。手套箱内压力通过PLC自动控制，工作压力±1 000 Pa内可以自由设定，超出±1 200 Pa系统自动保护。控制系统具备自诊断、断电自启动特性，具有压力控制和自适应功能；全过程自动控制、循环控制、密码保护；控制单元采用PLC加触摸屏方式，显示运行状态，箱体压力、系统记录等。总计41个IO点，2组模拟量信号。

2.1.4 CNC数控系统

CNC数控系统由一个CNC控制器和4个伺服驱动器及4个伺服电机组成，主要功能是利用软件插补来实现工作台运动轨迹控制，同时，根据给定的速度值控制插补运算的频率，保证预定的运动速度，并能根据反馈值的正与负自动地调节速度的大小，配合激光器自动完成焊接过程。

2.2 控制系统硬件构成

激光缝焊控制系统通过总线系统和PLC来实现，总线控制系统方便应用于分布式控制系统，现场接线，模块化组合，可靠性高[5]。工控系统的构成如图3所示。

图3 控制系统硬件框图

人机界面用于设置和显示工艺参数，工控机作为处理核心，运行主控程序，与CNC控制器和PLC通讯交换信号，一起完成整机的控制，各分系统信号最终通过以太网传递给工控机，主控程序通过CNC控制器和PLC控制各部件达到工艺要求。

2.3 数控编程

数控程序用于控制工作台实现光束与工件之间的相对运动，完成激光焊接，是影响焊接质量的关键因素[6]。通常采用的CNC数控系统，有直角坐标二维平面轨迹系统（二轴、三轴）、三维空间轨迹系统（四轴、五轴、六轴）或关节型激光焊接机器人等形式。具有多自由度、编程灵活、自动化程度高、柔性程度高等特点。在本系统中数控程序控制的是二维工作台，工件置于工作台上，可完成多种工件的焊接，下面是针对可伐合金壳体材料组件简单焊接程序：

N1001G52.1(X[@START_XPOS!]，Y[@START_YPOS!])

N1002 G01 X[-#RAD!]Y0 F500；回起点

N1002.1 G04 F1

N1003 G91 G01 X[-#XLEN!]Y[@YPOS!]F72 M12

N1004 G03 X [-#RAD!]Y [-#RAD!]R[#RAD!]

N1005 G01 X[@XPOS!]Y[-#YLEN!]

N1006 G03 X[#RAD!]Y[-#RAD!]R[#RAD!]

N1007 G01 X[#XLEN!]Y[-@YPOS!]

N1008 G03 X[#RAD!]Y[#RAD!]R[#RAD!]

N1009 G01 X[-@XPOS!]Y[#YLEN!]

N1010 G03 X[-#RAD!]Y[#RAD!]R[#RAD!]

N1011 G01 X[-#OVLEN!]Y[@YPOS!/5]

N1012 G01 Y[-#OVLEN!/5]

N1013 M13

N1014 G01 X0 Y0

N1015 HWOC(0)

N1016 M30

此段程序完成的是矩形倒角为圆弧的组件的简单焊接，能够基本满足焊接要求。若是不同的材料和不同形状的组件，则需要选择不同的激光参数以及编制不同的数控程序来满足组件焊接的要求。

2.4 安全电路设计

激光是一种高亮度、高功率、高能量的光束，具有很好的方向性。强烈的激光照射可以对人体的皮肤造成灼伤，如果直接射入眼睛，会对眼睛造成永久性伤害直至失明。由于激光有一定的危险性，所以要特别加强对激光器件的安全意识，以免对自身或者第三者造成伤害。本系统的安全电路设计如图4所示。

图4 安全电路图

图4中B301为安全光栅，K114、K115为安全继电器，S101为手动复位开关，S302、S303为安全门开关。激光头置于密闭手套箱内，起到了物理隔离作用，手套箱安全门打开时，安全开关启动，输出信号给安全继电器，安全继电器启动，切断激光安全回路，从而停止激光输出。安全光栅安装在手套箱操作工位的两端，当安全光栅中间有物体遮挡时，输出信号给安全继电器，也会切断激光安全回路，停止激光输出。此外设备具有急停按钮可随时切断各部分电源，紧急停止设备运行。