金属化薄膜电容器自动锡焊及视觉检测技术研究

孙檀，徐刚，张萍，徐元杰，张伟

（宁波市江北九方和荣电气有限公司，浙江 宁波 315033）

0 引言

金属化薄膜电容器因在中、高压范围内的性能、寿命、可靠性等方面有极大优势，被广泛应用于机车、轨道交通、风电等领域[1-3]。自动锡焊概念是针对电子产品的高精度装配与焊接要求提出的，通过对机器人工作路径的程序编辑，引入机器视觉技术，修正误差，实现焊点的精确定位[4-5]。由于金属化薄膜电容器普遍容量较大，数量和种类较多，加之其材料的特殊性，影响其焊点成型的因素众多，使得目前金属化薄膜电容器元件组的锡焊难以实现自动化，多为手工作业。

金属化薄膜电容器元件的焊点较大，成型以表面圆润、光滑、无毛刺尖角为宜，而手工焊接的焊点形成机理为熔融锡-铅焊料、铜片与元件表面机械啮合，利用他的浸润性在表面扩散，后冷却形成合金[6-7]。因此手工锡焊只能凭借经验和操作熟练度来控制焊点的成型，使得焊点大小不一，过程较难控制，质量稳定性及一致性较差[8]。

因此本文结合金属化薄膜电容器的特点，研发一套集元件摆放、定位、锡焊、检测为一体的自动焊接技术，避免手工焊接过程的不可控、焊点大小不一、劳动强度大等缺点[9-10]，极大提高焊点质量稳定性和焊接生产效率。

1 元件摆入装置结构设计

电容器由多个元件组合拼装焊接而成，元件数量和尺寸规格较多，必须依据不同尺寸规格制作摆放工装以定位来保证正常焊接，因此占用工装较多，兼容性差，且电容器元件较重，翻转由员工手工操作，劳动强度较大。因此，本文设计一款元件摆入工装，兼容多款多组元件的摆放，满足多尺寸规格电容器元件的焊接定位，见图1。

图1 元件摆入装置Fig.1 Placement device of element

由图1 可知，装置外部框架固定，在装置内部横纵方向各添加可水平移动的滑杆，依据产品移动到所需位置并固定，横向滑竿上方配有可伸缩硅胶模块，既满足元件组横向位置锁定，又可缓冲外力，避免因锁紧力过大而损伤元件。装置底面装有通过磁力吸附的挡块（可拆卸），满足2 组或3 组元件同时摆放定位。装置外侧装有锁紧气缸，使框架面保持水平，并通过控制齿轮转动实现框架的翻转，装置的使用效果见图2。

图2 元件摆入效果Fig.2 Placement effect of element

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，系统流程见图3，结构设计见图4。

图3 自动锡焊系统流程图Fig.3 Flow chart of automatic soldering system

图4中，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。

图4 自动锡焊系统Fig.4 Automatic soldering system

2.2 自动锡焊

人工上料完成后放行进入自动锡焊工位，机械手搭载的视觉系统预先对元件表面进行尺寸扫描，然后机械手吸合抓取机构对叠放在上料区的铜片进行抓取，按照预先扫描的元件尺寸位置，铜片准确的落在元件表面，抓取机构松开。然后视觉相机对铜片触角进行扫描定位，至铜片触角边缘中心位置，烙铁头落点与视觉照片效果保持一致，可进行焊接作业，视觉定位效果见图5。

图5 视觉定位Fig.5 Visual positioning

按照预设好的锡焊参数进行元件正反面自动焊接作业，见图6，根据焊接结果可看到，焊点圆心均为铜片触角边缘中心，符合视觉定位及烙铁头落点要求，观察到焊点表面空洞个数为0，焊锡均能覆盖住铜片连接位，外围存在小面积区域缺陷个数为7 个，经初步判断，自动锡焊的焊点外观基本符合工艺要求。

图6 元件正反面自动锡焊效果Fig.6 Automatic soldering result on both sides of element

3 焊点检测

3.1 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[11-15]。图7 为视觉检测系统，本文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。

图7 视觉检测系统Fig.7 Visual inspection system

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1~2 mm，直径10~15 mm，10 mm 直径范围内无焊锡缺失，直径10~15 mm 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：

图8所示为视觉检测照片，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。

图8 视觉检测照片Fig.8 Visual inspection picture

3.2 焊接拉力测试

焊点是焊接过程的输出产物，是元器件与铜片电气连接和机械连接的连接点，对产品的传导性能有至关重要的影响[16-18]。对已焊接的元件沿铜片进行剪切，分离成单个元件，并以A1~A13、B1~B13编号，元件底端固定在拉力机平台上，在每个焊点对应的铜片上焊接铜带，拉力测试机钩住铜带，以垂直焊点方向向上缓缓拉起，至焊点完全脱离元件，见图9。

图9 拉力测试Fig.9 Tensile testing

图10所示为焊接拉力测试值，通过对元件表面的焊点拉脱试验，测得焊点拉脱时的拉力值较为稳定，多分布在6~7 kgf 间，最小拉力值为5.53 kgf，均满足焊点拉力值应超过4 kgf 的要求。

图10 焊点拉力测试值Fig.10 Tensile testing value of the soldering joint

4 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。