空调电机激光焊锡工艺研究与实际验证

这炎热的夏天

大家是不是都得靠空调“续命”

快来跟我们一起了解下

空调电机激光焊锡工艺吧

随着国家能效升级，无刷直流电机因其效率高、噪音低、可靠性高、体积小的优点，正在逐步取代交流电机，广泛地应用于空调行业。在生产电机的过程中肯定会用到焊锡这道工序，现有的电烙铁焊接工序会在焊接过程中产生细小的锡珠掉入转子与定子之间的空隙里，转子在高速旋转的时候会产生摩擦的声音，大点焊锡异物甚至会造成转子卡死，导致电机不良，返修甚至是报废处理。

电烙铁焊头在焊接过程中的备件损耗比较快，而且电能的功耗也比较大。为了保证焊锡过程的稳定，从源头处控制锡珠的产生，提高电机生产的合格率，并降低备件更换和设备功耗的成本。深圳紫宸激光结合电机合作客户，自主研发了一款专为空调电机行业生产的自动化激光焊锡系统，将替代空调电机的PCB板焊接工序由传统的电烙铁焊接改为激光焊接。下面将进行激光焊接空调电机PCB板的试验。

焊锡原理是通过“润湿”、“扩散”、“冶金”三个过程完成的，焊丝通过加热融化后润湿在焊点，并根据焊锡固有的张力向焊点扩散，与焊点的金属层接触后形成合金层，使两者牢牢结合。激光属于“表面放热”，加热速度极快，而烙铁是靠“热传递”缓慢加热升温。

电烙铁锡焊流程：

1、将烙铁加热至合适温度

2、对准焊接部位，加热至可熔温度

3、供给锡焊料，继续加热

4、完成供料，继续加热

5、移除烙铁，完成焊点

精密焊接：可焊接焊盘小、密集（0．12mm）的电路板。

质量好：焊点圆润饱满，无拉尖和凹凸不平现象，温控功能可杜绝烧伤，有效避免虚焊和连锡风险。

维护便捷：设备无特别维护，无特别易耗件。

非接触式焊接：不会对产品造成任何应力，无污染、无焊接残留，通孔焊盘透锡率高。

定点加热：焊盘位置精准加热，快速升温，快速冷却，可对焊点周边的元器件起到保护作用。

节能环保：激光能量转换率高、无耗材、稳定性高、能耗低。

适应性广：适用于各类产品的焊锡，产品更新和多样种类都可以灵活切换焊接。

半导体激光器的工作原理是利用半导体物质，即利用电子在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器在基本构造上属于半导体的P－N接面，但激光二极管是以金属包层从两边夹住发光层（有源层），是“双异质结接合构造”。而且在激光二极管中，将界面作为发射镜（谐振腔）使用。在使用材料方面，有镓（Ga）、砷（As）、铟（In）、磷（P）等。此外在多量子阱型中，也使用Ga·Al·As等。

激光二极管的优点是效率高、体积小、重量轻且价格低。尤其是多重量子井型的效率有20～40％，总而言之能量效率高是其最大特色。另外，它的连续输出波长涵盖了红外线到可见光范围，而光脉冲输出达50W（带宽100ns），对于激光焊锡应用，半导体激光器是非常理想的选择。

1．1 试样制备

实验样机使用ZKPF－20－8－6－7电机，准备三家供应商的PCB板各200块，并分组为A、B、C固定在激光焊接工装上。

1．2 试验方法

1）调试好激光焊接设备的程序后，分别对三家供应商的PCB板进行焊接

2）对A、B、C三组PCB板的焊接过程进行录制

3）对焊接PCB板的良率进行统计

4）对焊点周围锡珠进行观察

5）对焊接PCB板的焊点进行切片分析

针对焊接过程中定位不准的情况给出改善方案，将在PCB板上增加mark点，重新编辑定位点如上图2。

4）不同的焊接功率和送丝速度都会有不同的焊接效果，如图是这次验证用的参数：

送丝的长度16mm，速度14mm／s，焊接功率设置为120W，如果功率设置过高会增大焊点烧伤的概率，如果送丝速度过快会导致锡丝送出焊盘达不到焊接效果，不同的点会采用不同的焊接参数。温度在200到300°C时纯铜的吸光率0．01左右，这样我们会有一个大概的焊接参数，在这个基础上根据实际情况调整参数，直至达到理想焊接效果的参数。下图为几种常见金属的吸光率与温度的关系：

3．1 品质分析

对合格下线的电机进行拆解，对焊锡端子与PCB板铜箔进行切片分析如下图。

3．2 焊锡珠残留对比

对合格下线的电机进行焊点锡珠复检，发现在激光焊锡的过程中使用非接触式焊接，没有产生锡珠，反观人工焊锡或多或少都出现了锡珠残留，由此可见激光焊锡从源头避免了锡珠掉落在电机里面造成转子摩擦或者卡死的风险。激光与人工烙铁焊锡相比如下图。

加工精度高：

激光加工精度较高，光斑可以达到微米级别，加工时间程序控制，精度远高于传统工艺方式，非接触式焊接，无静电威胁，不存在接触焊接导致的应力，焊点外观圆润光滑，无异物，焊点形状统一。

焊接点牢固可靠，焊点内部锡量饱满，由于焊锡丝被融化后靠着自重自然下落，融化后的液体渗入电机端子与焊盘之间的空隙里，从而形成了更加稳固的焊点，且透锡率可达到100％。

杜绝虚焊：

激光焊锡的过程：先是激光光斑照射在PCB板铜箔上，等激光能量把铜箔预热到一定温度再开始，再开始送锡丝，让激光的光斑直接打在锡丝和焊盘，使得融化的锡丝在高温的铜箔上自由流动，与PCB板铜箔和电机端子充分接触，不会产生虚焊。而电烙铁在焊锡时，焊锡丝是先融化在烙铁头上，后与端子和PCB板铜箔接触，融化的液体不易渗透到缝隙中，会有虚焊的风险。

激光焊接能耗低：

激光焊接过程中，是在发射激光的时候消耗电能，相比于传统电烙铁，具有焊接方式洁净、无耗品、维护简单、操作方便且节能的优点。

5、推广应用

经以上工艺试验对比，就深圳市紫宸激光设备有限公司为目前合作的空调电机厂家的现有产品的工艺应用来看，激光焊锡更适合在空调电机内机产线上推广使用，相比于传统的电烙铁焊接，激光锡焊焊点统一、表面光滑、不产生锡珠、质量明显提高，而且还能降低电能损耗。为电机厂家实现产能提升的同时，也帮助企业避免耗材的浪费，节约生产成本。在我国当今社会低碳环保的倡导下，激光锡焊所具备的节能环保的特性，更符合当下企业生产的要求。