激光焊接技術(shù)在光通訊行業(yè)上的應(yīng)用

1.應(yīng)用背景

在行業(yè)內(nèi)，傳統(tǒng)的光通訊器件封裝技術(shù)，一般是通過(guò)UV膠將器件在結(jié)合面處粘接固定起來(lái)，先是將UV膠點(diǎn)到器件結(jié)合處，再通過(guò)紫外線燈照射固化。這種器件連接方式，存在許多缺陷，比如，固化深度有限；受器件幾何形狀限制；紫外線燈照射不到的地方膠不會(huì)固化。既要有點(diǎn)膠裝置，又要設(shè)置紫外燈，使得整個(gè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)變得比較復(fù)雜，最主要的是在器件實(shí)際使用時(shí)，由于受熱等因素，會(huì)存在上下器件在結(jié)合處出現(xiàn)微量的位置偏移，導(dǎo)致器件耦合功率值失常，精度下降，影響產(chǎn)品質(zhì)量，還有生產(chǎn)節(jié)拍長(zhǎng)，效率不高。而采用激光焊接這種新型的焊接技術(shù)，其所具備的焊接牢固、變形極小、精度高、速度快、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，使之成為光通訊器件封裝技術(shù)的重要手段之一。為此，大族激光精密焊接事業(yè)部自主研制一款高速自動(dòng)耦合激光焊接系統(tǒng)，這是集激光焊接及其工藝技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)于一體的系統(tǒng)。

2.自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用

2.1器件自動(dòng)找平技術(shù)

通過(guò)傳感器控制技術(shù)及電動(dòng)弧擺機(jī)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)光通訊器件的調(diào)節(jié)環(huán)（Z環(huán)）和適配器接觸面貼合，即器件自動(dòng)找平。通常要求兩個(gè)面間隙控制在0.01～0.03mm之間。

依照耦合器件工作機(jī)理及封裝工藝的要求，調(diào)節(jié)環(huán)（Z環(huán)）與適配器接觸面必須貼平，才能滿足器件使用要求。調(diào)節(jié)環(huán)（Z環(huán)）是夾持在上夾頭上，上夾頭只做上下移動(dòng)，不能擺動(dòng)，定為基準(zhǔn)面，所以，如果要求調(diào)節(jié)環(huán)（Z環(huán)）與適配器接觸面能有效貼平，就得讓適配器能自動(dòng)與調(diào)節(jié)環(huán)（Z環(huán)）接觸面貼平。適配器夾持在下夾頭上，下夾頭安裝在滑動(dòng)塊上面，可以順暢滑動(dòng)，通過(guò)上頂氣缸頂起，當(dāng)Z 軸向下運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)環(huán)（Z環(huán)）壓緊適配器時(shí)，下夾頭向下運(yùn)動(dòng)（Z 軸的力大于上頂氣缸的力，上頂氣缸氣路安裝有精密減壓閥，可通過(guò)精密減壓閥調(diào)整上頂力）。當(dāng)滑動(dòng)塊上下移動(dòng)時(shí)，高精度位移傳感器檢測(cè)到位移量的變化，與此同時(shí)，電動(dòng)弧擺機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡擺動(dòng)，當(dāng)位移傳感器檢測(cè)到位移量最小且數(shù)值無(wú)變化時(shí)，調(diào)節(jié)環(huán)（Z環(huán)）與適配器貼平，以上就是器件自動(dòng)找平機(jī)理。自動(dòng)找平機(jī)構(gòu)詳圖如下：

2.2器件自動(dòng)耦合技術(shù)

我們?cè)?.1中講到器件找平原理，接下來(lái)按照工藝流程順序，就要進(jìn)行器件自動(dòng)耦合找光，即找到目標(biāo)光功率值，找到目標(biāo)光功率值后通過(guò)激光自動(dòng)焊接，完成器件的封裝。

針對(duì)光通訊器件焊接的特殊工藝要求，我們采用三軸聯(lián)動(dòng)精確控制技術(shù)，按照規(guī)定的螺旋線耦合軌跡進(jìn)行找光。由于找光精度極高，所以，我們采用進(jìn)口超高精度運(yùn)動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)器件自動(dòng)耦合找光，即通過(guò)XY軸和Z軸差補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，走螺旋線軌跡來(lái)找到上下器件目標(biāo)光功率值。

自動(dòng)耦合控制技術(shù)有如下特點(diǎn)：

a.耦合采用高性能高精度運(yùn)動(dòng)元件，結(jié)合我們自主開(kāi)發(fā)的先進(jìn)控制軟件耦合算法，達(dá)到很高的耦合效率；

b.找平和耦合過(guò)程實(shí)時(shí)顯示分布曲線,目的是能直觀地顯示找平和耦合的過(guò)程，只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的、完整的、光滑的正態(tài)分布曲線出現(xiàn)時(shí)，才說(shuō)明找平或耦合達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)值；

c.單獨(dú)操作各個(gè)軸的移動(dòng)和調(diào)試，方便測(cè)得耦合參數(shù)；

d.友好的軟件操作界面，自動(dòng)時(shí)可根據(jù)不同器件的工藝編寫(xiě)不同的程序（F-Basic編程，簡(jiǎn)單易學(xué)），并可保存下來(lái)方便客戶下次調(diào)用；

e.耦合參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單方便，耦合方式可選（耦合方式包括X軸、Y軸、Z軸單獨(dú)耦合，XY兩軸同時(shí)耦合，XYZ三軸同時(shí)耦合），耦合過(guò)程自動(dòng)完成；

f.焊接頭自動(dòng)調(diào)整，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同高度、不同直徑器件的焊接；

g.CCD圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)焊點(diǎn)，方便客戶實(shí)時(shí)觀察焊點(diǎn)的情況。

自動(dòng)耦合機(jī)構(gòu)詳圖如下：

無(wú)論是器件自動(dòng)找平技術(shù)還是器件自動(dòng)耦合技術(shù)，都是通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)和相關(guān)的思維策略來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)耦合找光目標(biāo)，我們精心設(shè)計(jì)這套精密運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動(dòng)。這套機(jī)構(gòu)還具有一定的柔性功能，可以通過(guò)快速切換相應(yīng)的焊接治具，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同器件的自動(dòng)耦合焊接。

2.3耦合算法技術(shù)

針對(duì)光通訊器件找光的精細(xì)要求，根據(jù)裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，需研究一種運(yùn)動(dòng)軌跡，能快速地找到器件耦合的目標(biāo)光功率值。為此，我們采用按螺旋線軌跡運(yùn)動(dòng)的算法，從規(guī)定的某點(diǎn)開(kāi)始，XY軸作差補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，走細(xì)分的螺旋線運(yùn)動(dòng)軌跡，從內(nèi)到外以螺旋線運(yùn)動(dòng)的方式，直到找到目標(biāo)光功率值。采用這種方法可以快速地、精確地找到耦合的目標(biāo)光功率值。通過(guò)耦合曲線實(shí)時(shí)顯示直觀的耦合效果（如下圖）。

3.激光焊接技術(shù)應(yīng)用

激光焊接作為一種高質(zhì)量、高精度、高效率和高速度的焊接方法，日益受到人們的關(guān)注和應(yīng)用。由于激光的能量密度很高，因此，激光焊接速度快、焊接深度深、熱影響區(qū)小，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精密焊接。

3.1激光焊接機(jī)

光通訊器件激光封裝技術(shù)對(duì)焊接機(jī)能量分配及能量的穩(wěn)定性要求非常高，要求三路光（或六路光）能量偏差值≤0.03J。為滿足這種要求，我們自主研制一款專用激光焊接機(jī)WF80。

3.2焊接工藝研究

a.焊點(diǎn)分布：可同時(shí)焊接3槍，圓周方向9個(gè)位置的焊點(diǎn)(穿透焊與平焊焊點(diǎn)分布相同）。另外，可自修改程序更改焊點(diǎn)分布情況。

b.可同時(shí)做平焊和穿透焊，要求平焊與穿透焊直徑、熔深參數(shù)一致。

c.具有補(bǔ)焊功能，即焊接時(shí)不良可直接補(bǔ)焊（設(shè)備有這個(gè)功能，但使用可選可不選）。

d.焊接完后，功率偏差在5%以內(nèi)的直通率要求90%以上，老化測(cè)試后的直通率要求不變化。

e.焊點(diǎn)直徑大小0.4～0.7mm；焊點(diǎn)熔深大小0.3～0.6mm ；剪切力≥42Kg。

f.通過(guò)調(diào)整焊接機(jī)的能量、焊槍的入射角及精細(xì)變焦等工藝參數(shù)，觀察火花的明亮程度和聽(tīng)激光打在器件上的聲音，來(lái)初步判斷焊接的效果。最終，通過(guò)測(cè)試器件焊斑大小、熔深的的大小來(lái)判斷器件是否滿足要求。

4.應(yīng)用分析

激光焊接技術(shù)在光通訊行業(yè)上的應(yīng)用其實(shí)并不是特別新奇，在這個(gè)領(lǐng)域，韓國(guó)和***已經(jīng)有自動(dòng)耦合設(shè)備投入市場(chǎng)，但是，由于他們?cè)O(shè)備價(jià)格偏高，國(guó)內(nèi)許多用戶難以適應(yīng)，再加上光通訊器件對(duì)焊接設(shè)備精度和激光焊接工藝要求越來(lái)越高，就要求設(shè)備更加精量化，更加穩(wěn)定可靠易操作，所以，進(jìn)口設(shè)備也面臨著諸多挑戰(zhàn)。所以，為滿足市場(chǎng)需求，基于大族激光精密焊接事業(yè)部在激光焊接及自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，我們研制了一款高速自動(dòng)耦合激光焊接系統(tǒng)。

從焊接工藝性的角度看，激光焊接技術(shù)在光通訊器件封裝上的應(yīng)用相對(duì)比較成熟，但是，從自動(dòng)耦合技術(shù)到焊接工藝還有很大的提升空間。耦合機(jī)構(gòu)如何能做到更加簡(jiǎn)單可靠，夾持器件的夾具如何能做到快速切換、精準(zhǔn)定位，耦合算法如何更加簡(jiǎn)潔，這些都需要不斷創(chuàng)新完善，來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及機(jī)器調(diào)試可操作性。期望通過(guò)研發(fā)能力的不斷提升，將先進(jìn)的技術(shù)融入研發(fā)設(shè)計(jì)中，從而來(lái)保證機(jī)器性能的領(lǐng)先性。