高速錫球焊接機在HSA的應用與控制

楊正榮

【摘 要】本文介紹高速錫球焊接機在HSA焊接工序的應用特點，著重分析了使用中的主要控制方面，通過優化機器參數設置與強化工序控制，實現在HSA的成功導入與推行，實際證明它比普通焊接機更高效高產高品質。

【關鍵詞】高速；應用；控制；優化

0 引言

HSA（Head Stack Assembly 磁頭臂組合） 焊接是硬盤制造過程中的一個重要工序，焊接方式主要有超聲波焊接、回流焊接、 錫球焊接等， 錫球焊接是近幾年新導入的焊接方式，而高速錫球焊接機作為最新設計開發的機型，其在HSA生產領域的首次應用和控制研究有助于其成功推行。

1 HSA錫球焊接簡介

HSA錫球焊接是激光熔化焊咀里的錫球，在保護氮氣的吹動下，落在FPC 和BFC之間，把FPC 和BFC融合連接，相比超聲波焊接和回流焊接，它有如下特點：

1）錫球焊接是無鉛無松香非接觸式焊接，這是HDD等微電子行業很重要的環節，沒有靜電放電破壞，沒有粉塵污染。

2）錫球焊接機是基于激光技術和機器視覺技術的自動化設備，定位精確，自動化程度高于另外兩種焊接方式的現有機型，操作員人為的影響程度也遠低于后者。

圖1

2 HSA高速錫球焊接機特點

高速錫球焊接機不同于普通錫球焊接機的1套焊頭配1個工作平臺支持1條生產線，它由兩套激光系統集合而成，2套焊頭配3個工作平臺，一臺機可以支持2條生產線， 中間平臺是左右共享，例如當左平臺焊完時，左焊頭可移動到中平臺工作， 左平臺退出工作位，上貨后再進入工作位等待， 最大程度減少上下貨的等待時間，這樣就提高了焊頭的利用率。經測算，高速機整機每小時產能是普通機的3.4倍。

圖2

高速機U軸采用高性能高精度的美國AEROTECH A3200 NDRIVER伺服控制系統，實現分球系統旋轉電機的精確高速控制，確保分球系統的碟片每一步都旋轉7.2度，快速而又可靠準確的分球落球，這是優于普通機的一般松下伺服控制系統的主要地方。

高速機的XYZ 三個運動軸共有七套運動系統，均采用三菱伺服電機和驅動器， 整機采用三菱PLC作為主運動控制系統，基于VC編程的PC 操作系統以設置控制激光程序，圖像采用HI-TECH高性能圖像處理控制器，本機共有四個觸摸屏，分別是PLC對應的主操作控制，左右焊頭對應的圖像處理界面和激光通訊及參數設置。

激光系統運用兩套米亞基YAG激光發生器，波長1064nm，功率1.5 KW，配0.1毫米光纖和透鏡。

由于電源、光源、控制系統等資源整合共享，高速機在總功耗和占用無塵生產車間的空間位置方面都比兩臺普通機少，降低了能耗與生產成本。

3 調試應用與工序控制

1）能量優化與控制：高速機的單點焊接間隔時間遠低于普通機，而激光發生器是需要足夠的充放電時間， 第一個焊點有1-5秒的間隔時間給激光器充放電， 但第二到第七個焊點之間只有不到0.5秒的間隔，所以會造成激光電源內的電容器充電不足， 其實際輸出能量低于第一點。為補償衰減，將能量設置為可自動切換的三個不同能量，第一個焊點用A段，第2-4焊點用B段，第5-7焊點用C段，經測試，A：B：C大約比例為1：1.1：1.12。通過分段優化能量設置，確保了各焊點實際能量基本相同，有效減少焊錫不良品。

同時為配合實現高速機的快速特點，進行了激光脈沖波形的優化，高速機四節波形總脈寬從5秒減為2秒，輸出百分比相應提高50%左右，以保證最終實際總輸出能量不變。

2）焊接角度控制：基于產品設計，高速機的做貨平臺角度是可以旋轉調節的，現有平面焊和36.5°角度焊兩種。針對角度焊，角度的精確控制相當重要，角度變化會影響做貨高度，影響錫的流動傾向，根據測算，1°的變化會引起0.3毫米的高度變化，而一般做貨高度變化范圍要求控制在0.2毫米內，所以在實際使用中要求將角度控制在36.5°±0.5。

角度控制需要定期用專用的36.5°校準塊和量角規檢查， 并檢查鎖緊相關旋轉運動部件。

3）焊接高度控制：焊咀到工作基準參照面的焊接高度也是錫球焊接工序中必須控制的重要參數，太低或太高不僅可能導致焊接不良品，太低還可能因焊咀離BFC太近或接觸而電死磁頭，產生ESD壞品，經理論分析和優化試驗， 高度控制范圍定義為 0.7±0.2毫米。

高度需要定期檢查和日常監控相結合，每三個月用專用測量基準測量調節，平時跟蹤Z軸馬達參數與初始值，超標即予以報警，若有拆裝和更換影響Z軸和工作平臺相對高度的部件，應該及時進行高度校正。

4）激光系統日檢與定檢：高速機的單點焊接間隔時間短，頻繁的觸發對激光器的性能提出了更高的要求，要加強對光源、藕合及光傳輸部件的定期檢查，調好同心度，用專用鏡檢查光斑并用黑板紙試打確認，通過在激光器后、光纖后，透鏡后、焊咀后不同測試點能量的衰減程度來判別各部件的狀態，通過連續能量測試的波動判斷其穩定性；日檢則要求每天對每臺激光器A/B/C三個通道的能量分別進行監測，并觀察激光器利用率，超過12%規定值的應檢查勵起燈老化狀態，需要更換的應及時更換。

4 結論

通過不斷優化及工序控制的強化，高速錫球焊接機以高效高產高品質順利通過驗收，從今年初開始基本取代了普通錫球焊接機，全面提升了產能和優率。

【參考文獻】

[1]樓祺洪.高功率光纖激光器及其應用[J].中國科技大學出版社，2010.

[2]史玉升.激光制造技術[J].機械工業出版社，2012.

[3]鄭啟光.激光加工工藝與設備[J].機械工業出版社，2010.

[責任編輯：薛俊歌]

【摘 要】本文介紹高速錫球焊接機在HSA焊接工序的應用特點，著重分析了使用中的主要控制方面，通過優化機器參數設置與強化工序控制，實現在HSA的成功導入與推行，實際證明它比普通焊接機更高效高產高品質。

【關鍵詞】高速；應用；控制；優化

0 引言

HSA（Head Stack Assembly 磁頭臂組合） 焊接是硬盤制造過程中的一個重要工序，焊接方式主要有超聲波焊接、回流焊接、 錫球焊接等， 錫球焊接是近幾年新導入的焊接方式，而高速錫球焊接機作為最新設計開發的機型，其在HSA生產領域的首次應用和控制研究有助于其成功推行。

1 HSA錫球焊接簡介

HSA錫球焊接是激光熔化焊咀里的錫球，在保護氮氣的吹動下，落在FPC 和BFC之間，把FPC 和BFC融合連接，相比超聲波焊接和回流焊接，它有如下特點：

1）錫球焊接是無鉛無松香非接觸式焊接，這是HDD等微電子行業很重要的環節，沒有靜電放電破壞，沒有粉塵污染。

2）錫球焊接機是基于激光技術和機器視覺技術的自動化設備，定位精確，自動化程度高于另外兩種焊接方式的現有機型，操作員人為的影響程度也遠低于后者。

圖1

2 HSA高速錫球焊接機特點

高速錫球焊接機不同于普通錫球焊接機的1套焊頭配1個工作平臺支持1條生產線，它由兩套激光系統集合而成，2套焊頭配3個工作平臺，一臺機可以支持2條生產線， 中間平臺是左右共享，例如當左平臺焊完時，左焊頭可移動到中平臺工作， 左平臺退出工作位，上貨后再進入工作位等待， 最大程度減少上下貨的等待時間，這樣就提高了焊頭的利用率。經測算，高速機整機每小時產能是普通機的3.4倍。

圖2

高速機U軸采用高性能高精度的美國AEROTECH A3200 NDRIVER伺服控制系統，實現分球系統旋轉電機的精確高速控制，確保分球系統的碟片每一步都旋轉7.2度，快速而又可靠準確的分球落球，這是優于普通機的一般松下伺服控制系統的主要地方。

高速機的XYZ 三個運動軸共有七套運動系統，均采用三菱伺服電機和驅動器， 整機采用三菱PLC作為主運動控制系統，基于VC編程的PC 操作系統以設置控制激光程序，圖像采用HI-TECH高性能圖像處理控制器，本機共有四個觸摸屏，分別是PLC對應的主操作控制，左右焊頭對應的圖像處理界面和激光通訊及參數設置。

激光系統運用兩套米亞基YAG激光發生器，波長1064nm，功率1.5 KW，配0.1毫米光纖和透鏡。

由于電源、光源、控制系統等資源整合共享，高速機在總功耗和占用無塵生產車間的空間位置方面都比兩臺普通機少，降低了能耗與生產成本。

3 調試應用與工序控制

1）能量優化與控制：高速機的單點焊接間隔時間遠低于普通機，而激光發生器是需要足夠的充放電時間， 第一個焊點有1-5秒的間隔時間給激光器充放電， 但第二到第七個焊點之間只有不到0.5秒的間隔，所以會造成激光電源內的電容器充電不足， 其實際輸出能量低于第一點。為補償衰減，將能量設置為可自動切換的三個不同能量，第一個焊點用A段，第2-4焊點用B段，第5-7焊點用C段，經測試，A：B：C大約比例為1：1.1：1.12。通過分段優化能量設置，確保了各焊點實際能量基本相同，有效減少焊錫不良品。

同時為配合實現高速機的快速特點，進行了激光脈沖波形的優化，高速機四節波形總脈寬從5秒減為2秒，輸出百分比相應提高50%左右，以保證最終實際總輸出能量不變。

2）焊接角度控制：基于產品設計，高速機的做貨平臺角度是可以旋轉調節的，現有平面焊和36.5°角度焊兩種。針對角度焊，角度的精確控制相當重要，角度變化會影響做貨高度，影響錫的流動傾向，根據測算，1°的變化會引起0.3毫米的高度變化，而一般做貨高度變化范圍要求控制在0.2毫米內，所以在實際使用中要求將角度控制在36.5°±0.5。

角度控制需要定期用專用的36.5°校準塊和量角規檢查， 并檢查鎖緊相關旋轉運動部件。

3）焊接高度控制：焊咀到工作基準參照面的焊接高度也是錫球焊接工序中必須控制的重要參數，太低或太高不僅可能導致焊接不良品，太低還可能因焊咀離BFC太近或接觸而電死磁頭，產生ESD壞品，經理論分析和優化試驗， 高度控制范圍定義為 0.7±0.2毫米。

高度需要定期檢查和日常監控相結合，每三個月用專用測量基準測量調節，平時跟蹤Z軸馬達參數與初始值，超標即予以報警，若有拆裝和更換影響Z軸和工作平臺相對高度的部件，應該及時進行高度校正。

4）激光系統日檢與定檢：高速機的單點焊接間隔時間短，頻繁的觸發對激光器的性能提出了更高的要求，要加強對光源、藕合及光傳輸部件的定期檢查，調好同心度，用專用鏡檢查光斑并用黑板紙試打確認，通過在激光器后、光纖后，透鏡后、焊咀后不同測試點能量的衰減程度來判別各部件的狀態，通過連續能量測試的波動判斷其穩定性；日檢則要求每天對每臺激光器A/B/C三個通道的能量分別進行監測，并觀察激光器利用率，超過12%規定值的應檢查勵起燈老化狀態，需要更換的應及時更換。

4 結論

通過不斷優化及工序控制的強化，高速錫球焊接機以高效高產高品質順利通過驗收，從今年初開始基本取代了普通錫球焊接機，全面提升了產能和優率。

【參考文獻】

[1]樓祺洪.高功率光纖激光器及其應用[J].中國科技大學出版社，2010.

[2]史玉升.激光制造技術[J].機械工業出版社，2012.

[3]鄭啟光.激光加工工藝與設備[J].機械工業出版社，2010.

[責任編輯：薛俊歌]

【摘 要】本文介紹高速錫球焊接機在HSA焊接工序的應用特點，著重分析了使用中的主要控制方面，通過優化機器參數設置與強化工序控制，實現在HSA的成功導入與推行，實際證明它比普通焊接機更高效高產高品質。

【關鍵詞】高速；應用；控制；優化

0 引言

HSA（Head Stack Assembly 磁頭臂組合） 焊接是硬盤制造過程中的一個重要工序，焊接方式主要有超聲波焊接、回流焊接、 錫球焊接等， 錫球焊接是近幾年新導入的焊接方式，而高速錫球焊接機作為最新設計開發的機型，其在HSA生產領域的首次應用和控制研究有助于其成功推行。

1 HSA錫球焊接簡介

HSA錫球焊接是激光熔化焊咀里的錫球，在保護氮氣的吹動下，落在FPC 和BFC之間，把FPC 和BFC融合連接，相比超聲波焊接和回流焊接，它有如下特點：

1）錫球焊接是無鉛無松香非接觸式焊接，這是HDD等微電子行業很重要的環節，沒有靜電放電破壞，沒有粉塵污染。

2）錫球焊接機是基于激光技術和機器視覺技術的自動化設備，定位精確，自動化程度高于另外兩種焊接方式的現有機型，操作員人為的影響程度也遠低于后者。

圖1

2 HSA高速錫球焊接機特點

高速錫球焊接機不同于普通錫球焊接機的1套焊頭配1個工作平臺支持1條生產線，它由兩套激光系統集合而成，2套焊頭配3個工作平臺，一臺機可以支持2條生產線， 中間平臺是左右共享，例如當左平臺焊完時，左焊頭可移動到中平臺工作， 左平臺退出工作位，上貨后再進入工作位等待， 最大程度減少上下貨的等待時間，這樣就提高了焊頭的利用率。經測算，高速機整機每小時產能是普通機的3.4倍。

圖2

高速機U軸采用高性能高精度的美國AEROTECH A3200 NDRIVER伺服控制系統，實現分球系統旋轉電機的精確高速控制，確保分球系統的碟片每一步都旋轉7.2度，快速而又可靠準確的分球落球，這是優于普通機的一般松下伺服控制系統的主要地方。

高速機的XYZ 三個運動軸共有七套運動系統，均采用三菱伺服電機和驅動器， 整機采用三菱PLC作為主運動控制系統，基于VC編程的PC 操作系統以設置控制激光程序，圖像采用HI-TECH高性能圖像處理控制器，本機共有四個觸摸屏，分別是PLC對應的主操作控制，左右焊頭對應的圖像處理界面和激光通訊及參數設置。

激光系統運用兩套米亞基YAG激光發生器，波長1064nm，功率1.5 KW，配0.1毫米光纖和透鏡。

由于電源、光源、控制系統等資源整合共享，高速機在總功耗和占用無塵生產車間的空間位置方面都比兩臺普通機少，降低了能耗與生產成本。

3 調試應用與工序控制

1）能量優化與控制：高速機的單點焊接間隔時間遠低于普通機，而激光發生器是需要足夠的充放電時間， 第一個焊點有1-5秒的間隔時間給激光器充放電， 但第二到第七個焊點之間只有不到0.5秒的間隔，所以會造成激光電源內的電容器充電不足， 其實際輸出能量低于第一點。為補償衰減，將能量設置為可自動切換的三個不同能量，第一個焊點用A段，第2-4焊點用B段，第5-7焊點用C段，經測試，A：B：C大約比例為1：1.1：1.12。通過分段優化能量設置，確保了各焊點實際能量基本相同，有效減少焊錫不良品。

同時為配合實現高速機的快速特點，進行了激光脈沖波形的優化，高速機四節波形總脈寬從5秒減為2秒，輸出百分比相應提高50%左右，以保證最終實際總輸出能量不變。

2）焊接角度控制：基于產品設計，高速機的做貨平臺角度是可以旋轉調節的，現有平面焊和36.5°角度焊兩種。針對角度焊，角度的精確控制相當重要，角度變化會影響做貨高度，影響錫的流動傾向，根據測算，1°的變化會引起0.3毫米的高度變化，而一般做貨高度變化范圍要求控制在0.2毫米內，所以在實際使用中要求將角度控制在36.5°±0.5。

角度控制需要定期用專用的36.5°校準塊和量角規檢查， 并檢查鎖緊相關旋轉運動部件。

3）焊接高度控制：焊咀到工作基準參照面的焊接高度也是錫球焊接工序中必須控制的重要參數，太低或太高不僅可能導致焊接不良品，太低還可能因焊咀離BFC太近或接觸而電死磁頭，產生ESD壞品，經理論分析和優化試驗， 高度控制范圍定義為 0.7±0.2毫米。

高度需要定期檢查和日常監控相結合，每三個月用專用測量基準測量調節，平時跟蹤Z軸馬達參數與初始值，超標即予以報警，若有拆裝和更換影響Z軸和工作平臺相對高度的部件，應該及時進行高度校正。

4）激光系統日檢與定檢：高速機的單點焊接間隔時間短，頻繁的觸發對激光器的性能提出了更高的要求，要加強對光源、藕合及光傳輸部件的定期檢查，調好同心度，用專用鏡檢查光斑并用黑板紙試打確認，通過在激光器后、光纖后，透鏡后、焊咀后不同測試點能量的衰減程度來判別各部件的狀態，通過連續能量測試的波動判斷其穩定性；日檢則要求每天對每臺激光器A/B/C三個通道的能量分別進行監測，并觀察激光器利用率，超過12%規定值的應檢查勵起燈老化狀態，需要更換的應及時更換。

4 結論

通過不斷優化及工序控制的強化，高速錫球焊接機以高效高產高品質順利通過驗收，從今年初開始基本取代了普通錫球焊接機，全面提升了產能和優率。

【參考文獻】

[1]樓祺洪.高功率光纖激光器及其應用[J].中國科技大學出版社，2010.

[2]史玉升.激光制造技術[J].機械工業出版社，2012.

[3]鄭啟光.激光加工工藝與設備[J].機械工業出版社，2010.

[責任編輯：薛俊歌]