具有自動(dòng)送絲功能的高效焊接電烙鐵設(shè)計(jì)

王佳杰， 王偉2， 杜星煒2， 楊武丙3, 許建平

(1.黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050;2.哈爾濱玻璃鋼研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036;3.廣東華興玻璃股份有限公司，廣東 佛山528000)

0 前言

電烙鐵是電子產(chǎn)品制作和電器維修的必備工具。目前隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，電烙鐵需求量與日俱增，根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)年需求量為上億支，應(yīng)用前景廣泛[1]。電烙鐵分為外熱式、內(nèi)熱式、恒溫式、快速加熱式、調(diào)溫式、雙溫式、電阻加熱式和高頻感應(yīng)加熱式等多種類型[2-3]。目前市場(chǎng)上電烙鐵送絲操作多為手動(dòng)送絲，存在諸多弊端[2-7]：焊接效果受送絲角度、送絲速度、焊接時(shí)間、撤離角度、撤離速度等諸多因素的影響，造成焊接效率低下；由于操作者送絲不連續(xù)、輕微抖動(dòng)或停留時(shí)間長(zhǎng)等原因造成焊點(diǎn)短路、堆積、虛焊等現(xiàn)象，焊接質(zhì)量難以保證，對(duì)操作人員技術(shù)熟練度要求較高。對(duì)于大批量、高質(zhì)量、精密等元器件焊接，則需要消耗操作人員較大體力。目前市場(chǎng)上電烙鐵的操作形式主要有自動(dòng)送錫式、吸錫式、注射式等[3,8]，存在送絲量不均勻、焊接不連續(xù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。因此研究設(shè)計(jì)一種自動(dòng)送絲電烙鐵，克服目前電烙鐵存在送絲不連續(xù)、效率低下、質(zhì)量不穩(wěn)定、對(duì)操作技術(shù)要求門檻高、存在安全隱患等諸多弊端[9]，為實(shí)現(xiàn)電烙鐵的自動(dòng)化高效焊接提供了一種新的思路。

1 送絲系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

研究在通用內(nèi)熱式電烙鐵基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)加入了自動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)。根據(jù)通用內(nèi)熱式電烙鐵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了側(cè)向送絲方式和后置送絲方式。送絲機(jī)構(gòu)組成應(yīng)包括：電機(jī)、減速器、開關(guān)、主動(dòng)送絲輪、壓緊輪、送絲盤、導(dǎo)絲管、保持架、復(fù)位機(jī)構(gòu)、支座、儲(chǔ)存箱與導(dǎo)線等若干零部件組成?？筛鶕?jù)所選擇焊絲直徑安裝合適的送絲輪與壓緊輪[10]，研究以焊絲直徑為2.0 mm的送絲輪為例進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.1 側(cè)向送絲電烙鐵設(shè)計(jì)

40 W通用內(nèi)熱式送絲電烙鐵為金屬外殼，尺寸為φ10 mm×70 mm，手柄尺寸為φ15 mm×115 mm。由于其空間狹小，設(shè)計(jì)成一體化側(cè)向送絲方式。將送絲系統(tǒng)與電烙鐵焊槍設(shè)置成一個(gè)整體，放置于金屬殼體與手柄之間連接處，將送絲盤與送絲機(jī)構(gòu)并列放置，焊絲側(cè)向輸送，通過(guò)活動(dòng)支架固定。側(cè)向送絲電烙鐵示意圖，如圖1所示。

側(cè)向送絲由于非直線送進(jìn)且錫絲質(zhì)地較軟容易造成卡絲現(xiàn)象，因此可以通過(guò)將導(dǎo)絲管加熱彎成半徑不小于3 mm的1/4圓弧，使錫絲能夠圓滑順暢通過(guò)導(dǎo)絲管來(lái)解決卡絲問(wèn)題。

圖1 側(cè)向送絲方式示意圖

304不銹鋼具有導(dǎo)熱系數(shù)較小、耐高溫等特點(diǎn)，因此電烙鐵嘴端導(dǎo)絲管選用304不銹鋼管材。導(dǎo)絲管外徑5 mm，內(nèi)徑3 mm。根據(jù)經(jīng)常使用溫度為300～400 ℃，導(dǎo)絲管前端與電烙鐵嘴之間接觸距離確定為4～5 mm，既能保證錫絲順利與電烙鐵嘴接觸，又能防止距離過(guò)近造成錫絲提前熔化。錫絲伸出長(zhǎng)度、導(dǎo)絲管前端與電烙鐵嘴之間的彎曲角也是決定焊接質(zhì)量的重要因素，既保證錫絲熔化成形良好，又防止距離過(guò)短錫絲熔化過(guò)快導(dǎo)致焊點(diǎn)堆積或距離過(guò)長(zhǎng)錫絲熔化不良導(dǎo)致沾附在鐵嘴上。因此錫絲伸出長(zhǎng)度選擇為3～4 mm，導(dǎo)絲管前端與電烙鐵嘴之間彎曲角度為50°～60°。

電路開關(guān)是送絲系統(tǒng)的核心控制部件之一，實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通與關(guān)閉功能。為了節(jié)省空間、減輕重量，本研究選用具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、觸感優(yōu)良、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的按鍵開關(guān)(又叫輕觸開關(guān))。為了使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，安裝在手柄前端便捷操作的位置，如圖1所示。

側(cè)向自動(dòng)送絲電烙鐵為一體化設(shè)計(jì)，將送絲系統(tǒng)與電烙鐵焊槍設(shè)置成一個(gè)整體，在使用過(guò)程中只需單手焊接作業(yè)，比傳統(tǒng)雙手操作電烙鐵更具有輕便與靈活性。因此側(cè)向送絲電烙鐵整體小型化設(shè)計(jì)，具備所占空間小、結(jié)構(gòu)緊湊、輕便靈活性與拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 后置送絲電烙鐵設(shè)計(jì)

后置送絲是將電烙鐵焊槍與送絲機(jī)構(gòu)兩體設(shè)計(jì)，將絲盤放置在送絲機(jī)構(gòu)后部。后置送絲電烙鐵示意圖,如圖2所示。

圖2 后置送絲方式示意圖

后置送絲由于采用推絲式而且錫絲質(zhì)地較軟，容易造成錫絲堵塞現(xiàn)象，因此可以通過(guò)導(dǎo)向管之間設(shè)置導(dǎo)絲管，導(dǎo)絲管采用聚四氟乙烯管，長(zhǎng)度不宜大于500mm，可以解決錫絲堵塞問(wèn)題。

后置自動(dòng)送絲電烙鐵為兩體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電烙鐵焊槍與送絲機(jī)構(gòu)分離，使電烙鐵主體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。

2 送絲系統(tǒng)減速電機(jī)與控制方式選擇

電機(jī)為送絲系統(tǒng)提供動(dòng)力，電機(jī)選擇需依據(jù)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速和焊絲摩擦力三者之間關(guān)系，保證能夠?qū)㈠a絲均勻連續(xù)送出。電機(jī)選擇型號(hào)N20的5 V直流減速電機(jī)，其基本參數(shù)為：空載轉(zhuǎn)速為15 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)速為13 r/min，額定扭矩為0.50 N·m，額定電流為60 mA，堵轉(zhuǎn)扭矩4 N·m，堵轉(zhuǎn)電流100 mA。

焊機(jī)具有信號(hào)采集與反饋等功能[11-12]，常采用晶閘管、單片機(jī)、PLC、IGBT等控制方式[13-15]。而電烙鐵送絲系統(tǒng)只需送絲速度滿足要求即可，因此可以選用調(diào)速器控制送絲方式。利用調(diào)速器旋鈕變阻器調(diào)整電路電阻值，通過(guò)改變電流來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)送絲速度控制。調(diào)速器選用“智趣創(chuàng)”USB風(fēng)扇調(diào)速器，輸入電壓為4～12 V，輸出電壓為2.5～8 V。

3 自動(dòng)送絲電烙鐵焊接效果

根據(jù)對(duì)上述設(shè)計(jì)與選型過(guò)程，分別制作出側(cè)向送絲電烙鐵和后置送絲電烙鐵，如圖3所示。

圖3 側(cè)向送絲裝置和后置送絲裝置實(shí)物圖

圖4為萬(wàn)用板分別用自動(dòng)送絲和傳統(tǒng)電烙鐵的焊接效果。圖4a為萬(wàn)用板經(jīng)過(guò)自動(dòng)送絲電烙鐵焊接實(shí)施后的實(shí)際效果，并與傳統(tǒng)電烙鐵的焊接效果進(jìn)行了比較(圖4b)。焊點(diǎn)檢查常用的方法為目測(cè)法與電氣法。由圖4可以看出,萬(wàn)用板經(jīng)過(guò)自動(dòng)送絲電烙鐵焊接后，焊點(diǎn)焊錫飽滿，大小基本一致，無(wú)毛刺、拉尖、橋連等明顯缺陷，焊點(diǎn)堅(jiān)實(shí)，無(wú)裂紋與潤(rùn)濕不良等現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)萬(wàn)用表通電測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，焊接質(zhì)量完好率達(dá)100%。而萬(wàn)用板經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)電烙鐵手工焊接后焊點(diǎn)球形度與焊點(diǎn)覆蓋完整性差，個(gè)別焊點(diǎn)出現(xiàn)空洞、虛焊現(xiàn)象，焊接質(zhì)量完好率為94.3%。由于自動(dòng)送絲電烙鐵焊接操作便捷，相對(duì)于傳統(tǒng)電烙鐵而言，焊接效率提高30%以上。自動(dòng)送絲電烙鐵焊接效果與傳統(tǒng)電烙鐵手工相比較，焊接成形、焊接效率與焊接質(zhì)量均大為提高。

圖4 萬(wàn)用板用自動(dòng)送絲和傳統(tǒng)電烙鐵的焊接效果

圖5為自動(dòng)送絲電烙鐵烙鐵焊接對(duì)懸空線路實(shí)際焊接效果。由圖5可以看出，對(duì)懸空線路焊接時(shí)，只需將線路預(yù)焊點(diǎn)用單手把持，另一只手把持電烙鐵進(jìn)行焊接，就會(huì)較為容易實(shí)現(xiàn)焊接，避免了傳統(tǒng)電烙鐵利用夾具加持固定的操作環(huán)節(jié)。

圖5 自動(dòng)送絲焊接懸空線路效果

圖6為自動(dòng)送絲電烙鐵焊接線路板實(shí)際焊接效果。由圖6可以看出，焊點(diǎn)均勻、覆蓋度與球形度較好，焊點(diǎn)與電子元件引腳過(guò)渡圓滑，接觸良好，避免了傳統(tǒng)電烙鐵手動(dòng)送絲不均勻不穩(wěn)定而造成的焊點(diǎn)堆積與不均勻性等問(wèn)題。自動(dòng)送絲電烙鐵既節(jié)約了焊料，又提高了焊接質(zhì)量。

圖6 自動(dòng)送絲電烙鐵焊接線路板

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了側(cè)向自動(dòng)送絲電烙鐵與后置自動(dòng)送絲電烙鐵，解決了以自動(dòng)送絲替代手工送絲。側(cè)向自動(dòng)送絲電烙鐵為一體化設(shè)計(jì)，具有所占空間小、結(jié)構(gòu)緊湊與拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。后置自動(dòng)送絲電烙鐵為兩體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了焊槍與送絲機(jī)構(gòu)分離，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)。

(2)對(duì)導(dǎo)絲管、導(dǎo)向管、直流減速電機(jī)與調(diào)速器等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了選材選型，并對(duì)錫絲伸出長(zhǎng)度、導(dǎo)絲管前端與電烙鐵嘴之間的接觸距離與彎曲角等關(guān)鍵部位進(jìn)行了設(shè)計(jì)，解決了卡絲、焊絲堵塞、焊接成形差、體力消耗大等問(wèn)題。

(3)利用研究設(shè)計(jì)制作的自動(dòng)送絲電烙鐵對(duì)萬(wàn)用板、懸空線路與電路板進(jìn)行了實(shí)際焊接，與傳統(tǒng)電烙鐵焊接效果相比，具有送絲穩(wěn)定、均勻，提高了焊接效率與焊接質(zhì)量，降低了焊接成本。設(shè)計(jì)的自動(dòng)送絲電烙鐵為實(shí)現(xiàn)電烙鐵自動(dòng)化高效焊接提供了一種新型思路。