激光縫焊機控制系統設計

萬喜新，周水清，王學仕，趙

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙410111)

微波組件是雷達的核心部件，對微波組件進行氣密封裝是航空航天電子產品的基本要求[1]。微波組件的殼體多為金屬外殼，為滿足組件體積小、質量輕、散熱快的要求，目前制作微波集成電路盒體的材料有可伐合金及鋁合金。激光氣密封焊接技術是激光技術近年來發展起來的新型應用，以其焊縫窄、熱影響區小、非接觸、清潔性等優點，非常適合對微波組件進行密封[2]。由于微波組件密封時內部電路已經調試組裝完畢，因而密封時腔體內部溫度不能超過芯片或焊料所能承受的最高溫度，以避免芯片損壞或焊點熔化。但激光焊接技術在微波組件殼體焊接這個具體的應用上的工藝研究還比較希缺。國外一些激光焊接研究所對電子器件的激光密封介紹較多，但針對航空航天產品上的微波器件的激光密封應用介紹很少。國內一些器件研究所對微波組件的殼體密封有一些介紹，但由于受設備的限制，未作深入研究。因此，對激光縫焊設備研發提出了迫切的需求，激光縫焊機電氣系統的研制就具有很強的現實意義。

1 激光縫焊系統總體設計

微波殼體封裝密封是為了保護器件和封裝金屬內層不受環境腐蝕和機械損傷。密封的組件內部氣氛含量對其性能和可靠性有著十分重要的聯系，它是造成元器件早期失效、性能下降的因素之一。因此對組件的封裝材料排氣、封裝工藝、封裝環境提出了要求，為滿足組件封裝的要求，研制了激光縫焊設備，其構成如圖1所示。

圖1 激光縫焊系統構成圖

激光器采用脈沖調制、燈泵浦棒式Nd：YAG固體激光器，可保證高功率狀態下脈沖周期短、能量高；脈沖能量和脈沖周期參數可以按照應用需求進行精確的配置[3]。電源能動態產生極短上升時間的脈沖，結合快速實時功率調節，保證了激光脈沖的穩定性，從而達到加工質量的一致性；在功率觸發模式下，短時間內能大大超出平均功率，縮短了每個加工環節的焊接時間，增大了產能。激光器配備同軸的CCD系統和水冷系統，分別用作監視焊接過程和冷卻激光器用。

手套箱系統的設計主要考慮對焊縫區的保護和密封組件內部氣氛的要求。在一些對焊接技術要求嚴格的場合，如要求焊縫美觀、密封、無氧化痕跡的產品，或是易于氧化難于焊接的鋁合金材料，在焊接過程中就必須施加保護氣體[4]。這里所指的保護氣體有兩層含義，一是由軸向吹出的氣流，通常采用惰性氣體保護焊接熔池，降低氣孔發生率和防止氧化。二是側吹輔助氣體，目的是減少激光等離子體對激光束的吸收，以提高材料對激光的吸收率，增加焊接熔深。

計算機控制系統完成設備的人機交互功能，控制各部件協調工作，實現生產過程自動控制。

2 激光縫焊分系統設計

2.1 系統功能設計

根據激光縫焊系統總體設計要求，系統功能設計如圖2所示。

圖2 系統功能圖

激光縫焊系統可分為4個部分：激光器系統、真空烘箱系統、手套箱系統包括手套箱箱體和氣體純化器、電控柜中的CNC數控系統。

2.1.1 激光器系統

激光器作為激光縫焊的核心部件直接影響焊接質量，激光器系統自帶觸摸屏，通過觸摸屏可預先編好應用程序，設置好激光工藝參數，供主程序選擇，同時提供28個IO點便于監控激光器的運行。激光器系統配備了同軸和旁軸CCD系統。同軸CCD系統可放大觀測工件表面和焊縫，輔助定位，還可實現焊接時實時觀測焊接動態。旁軸CCD系統則可借助視覺圖像處理技術完成焊縫圖形自動生成。

2.1.2 真空烘箱系統

真空烘箱系統作為相對獨立的部件用于清潔和預熱工件，采用PLC加觸摸屏的方式完成整機控制，有內四層加熱板，每層分別用西門子控溫系統控溫。實現自動均勻升溫和保溫等功能，具有超溫故障報警和自動斷電等功能。PLC控制真空泵，真空室極限真空度≤15 Pa。總計21個IO點，12組模擬量信號。

2.1.3 手套箱系統

手套箱系統集成雙柱氣體循環凈化單元、真空烘箱、過渡艙、除煙塵裝置、水和氧分析儀、PLC控制及觸摸屏等。手套箱內壓力通過PLC自動控制，工作壓力±1 000 Pa內可以自由設定，超出±1 200 Pa系統自動保護。控制系統具備自診斷、斷電自啟動特性，具有壓力控制和自適應功能；全過程自動控制、循環控制、密碼保護；控制單元采用PLC加觸摸屏方式，顯示運行狀態，箱體壓力、系統記錄等。總計41個IO點，2組模擬量信號。

2.1.4 CNC數控系統

CNC數控系統由一個CNC控制器和4個伺服驅動器及4個伺服電機組成，主要功能是利用軟件插補來實現工作臺運動軌跡控制，同時，根據給定的速度值控制插補運算的頻率，保證預定的運動速度，并能根據反饋值的正與負自動地調節速度的大小，配合激光器自動完成焊接過程。

2.2 控制系統硬件構成

激光縫焊控制系統通過總線系統和PLC來實現，總線控制系統方便應用于分布式控制系統，現場接線，模塊化組合，可靠性高[5]。工控系統的構成如圖3所示。

圖3 控制系統硬件框圖

人機界面用于設置和顯示工藝參數，工控機作為處理核心，運行主控程序，與CNC控制器和PLC通訊交換信號，一起完成整機的控制，各分系統信號最終通過以太網傳遞給工控機，主控程序通過CNC控制器和PLC控制各部件達到工藝要求。

2.3 數控編程

數控程序用于控制工作臺實現光束與工件之間的相對運動，完成激光焊接，是影響焊接質量的關鍵因素[6]。通常采用的CNC數控系統，有直角坐標二維平面軌跡系統（二軸、三軸）、三維空間軌跡系統（四軸、五軸、六軸）或關節型激光焊接機器人等形式。具有多自由度、編程靈活、自動化程度高、柔性程度高等特點。在本系統中數控程序控制的是二維工作臺，工件置于工作臺上，可完成多種工件的焊接，下面是針對可伐合金殼體材料組件簡單焊接程序：

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

N1002 G01 X[-#RAD!]Y0 F500；回起點

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為圓弧的組件的簡單焊接，能夠基本滿足焊接要求。若是不同的材料和不同形狀的組件，則需要選擇不同的激光參數以及編制不同的數控程序來滿足組件焊接的要求。

2.4 安全電路設計

激光是一種高亮度、高功率、高能量的光束，具有很好的方向性。強烈的激光照射可以對人體的皮膚造成灼傷，如果直接射入眼睛，會對眼睛造成永久性傷害直至失明。由于激光有一定的危險性，所以要特別加強對激光器件的安全意識，以免對自身或者第三者造成傷害。本系統的安全電路設計如圖4所示。

圖4 安全電路圖

圖4中B301為安全光柵，K114、K115為安全繼電器，S101為手動復位開關，S302、S303為安全門開關。激光頭置于密閉手套箱內，起到了物理隔離作用，手套箱安全門打開時，安全開關啟動，輸出信號給安全繼電器，安全繼電器啟動，切斷激光安全回路，從而停止激光輸出。安全光柵安裝在手套箱操作工位的兩端，當安全光柵中間有物體遮擋時，輸出信號給安全繼電器，也會切斷激光安全回路，停止激光輸出。此外設備具有急停按鈕可隨時切斷各部分電源，緊急停止設備運行。

3 結束語

激光縫焊機已研制成功，經實驗驗證，其焊接的微波組件的氣密性滿足用戶要求，表明激光縫焊機控制系統滿足激光縫焊工藝的要求，為激光縫焊工藝研究打下了堅實的基礎。后續還需進一步提高激光縫焊工藝流程的自動化程度和生產效率。