王佳杰， 王偉2， 杜星煒2， 楊武丙3, 許建平

(1.黑龍江工程學院，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)相關資料統(tǒng)計，目前市場年需求量為上億支，應用前景廣泛[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加熱式等多種類型[2-3]。目前市場上電烙鐵送絲操作多為手動送絲，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)、輕微抖動或停留時間長等原因造成焊點短路、堆積、虛焊等現(xiàn)象，焊接質(zhì)量難以保證，對操作人員技術熟練度要求較高。對于大批量、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。目前市場上電烙鐵的操作形式主要有自動送錫式、吸錫式、注射式等[3,8]，存在送絲量不均勻、焊接不連續(xù)、結構復雜、成本高等缺點。因此研究設計一種自動送絲電烙鐵，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、對操作技術要求門檻高、存在安全隱患等諸多弊端[9]，為實現(xiàn)電烙鐵的自動化高效焊接提供了一種新的思路。

1 送絲系統(tǒng)機械部分設計

研究在通用內(nèi)熱式電烙鐵基礎上進行改進，設計加入了自動送絲機構。根據(jù)通用內(nèi)熱式電烙鐵結構特點，分別設計了側(cè)向送絲方式和后置送絲方式。送絲機構組成應包括：電機、減速器、開關、主動送絲輪、壓緊輪、送絲盤、導絲管、保持架、復位機構、支座、儲存箱與導線等若干零部件組成。可根據(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的送絲輪為例進行改進設計。

1.1 側(cè)向送絲電烙鐵設計

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，設計成一體化側(cè)向送絲方式。將送絲系統(tǒng)與電烙鐵焊槍設置成一個整體，放置于金屬殼體與手柄之間連接處，將送絲盤與送絲機構并列放置，焊絲側(cè)向輸送，通過活動支架固定。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且錫絲質(zhì)地較軟容易造成卡絲現(xiàn)象，因此可以通過將導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導絲管來解決卡絲問題。

圖1 側(cè)向送絲方式示意圖

304不銹鋼具有導熱系數(shù)較小、耐高溫等特點，因此電烙鐵嘴端導絲管選用304不銹鋼管材。導絲管外徑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，又能防止距離過近造成錫絲提前熔化。錫絲伸出長度、導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，又防止距離過短錫絲熔化過快導致焊點堆積或距離過長錫絲熔化不良導致沾附在鐵嘴上。因此錫絲伸出長度選擇為3～4 mm，導絲管前端與電烙鐵嘴之間彎曲角度為50°～60°。

電路開關是送絲系統(tǒng)的核心控制部件之一，實現(xiàn)電路的導通與關閉功能。為了節(jié)省空間、減輕重量，本研究選用具有體積小、結構簡單、觸感優(yōu)良、壽命長等特點的按鍵開關(又叫輕觸開關)。為了使整體結構更加緊湊，安裝在手柄前端便捷操作的位置，如圖1所示。

側(cè)向自動送絲電烙鐵為一體化設計，將送絲系統(tǒng)與電烙鐵焊槍設置成一個整體，在使用過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計，具備所占空間小、結構緊湊、輕便靈活性與拆裝方便等優(yōu)點。

1.2 后置送絲電烙鐵設計

后置送絲是將電烙鐵焊槍與送絲機構兩體設計，將絲盤放置在送絲機構后部。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，因此可以通過導向管之間設置導絲管，導絲管采用聚四氟乙烯管，長度不宜大于500mm，可以解決錫絲堵塞問題。

后置自動送絲電烙鐵為兩體化設計，實現(xiàn)了電烙鐵焊槍與送絲機構分離，使電烙鐵主體具有結構簡單、重量輕、操作便捷等優(yōu)點。

2 送絲系統(tǒng)減速電機與控制方式選擇

電機為送絲系統(tǒng)提供動力，電機選擇需依據(jù)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速和焊絲摩擦力三者之間關系，保證能夠?qū)㈠a絲均勻連續(xù)送出。電機選擇型號N20的5 V直流減速電機，其基本參數(shù)為：空載轉(zhuǎn)速為15 r/min，負載轉(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。

焊機具有信號采集與反饋等功能[11-12]，常采用晶閘管、單片機、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，通過改變電流來改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對送絲速度控制。調(diào)速器選用“智趣創(chuàng)”USB風扇調(diào)速器，輸入電壓為4～12 V，輸出電壓為2.5～8 V。

3 自動送絲電烙鐵焊接效果

根據(jù)對上述設計與選型過程，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物圖

圖4為萬用板分別用自動送絲和傳統(tǒng)電烙鐵的焊接效果。圖4a為萬用板經(jīng)過自動送絲電烙鐵焊接實施后的實際效果，并與傳統(tǒng)電烙鐵的焊接效果進行了比較(圖4b)。焊點檢查常用的方法為目測法與電氣法。由圖4可以看出,萬用板經(jīng)過自動送絲電烙鐵焊接后，焊點焊錫飽滿，大小基本一致，無毛刺、拉尖、橋連等明顯缺陷，焊點堅實，無裂紋與潤濕不良等現(xiàn)象。經(jīng)過萬用表通電測試，未發(fā)現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，焊接質(zhì)量完好率達100%。而萬用板經(jīng)過傳統(tǒng)電烙鐵手工焊接后焊點球形度與焊點覆蓋完整性差，個別焊點出現(xiàn)空洞、虛焊現(xiàn)象，焊接質(zhì)量完好率為94.3%。由于自動送絲電烙鐵焊接操作便捷，相對于傳統(tǒng)電烙鐵而言，焊接效率提高30%以上。自動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 萬用板用自動送絲和傳統(tǒng)電烙鐵的焊接效果

圖5為自動送絲電烙鐵烙鐵焊接對懸空線路實際焊接效果。由圖5可以看出，對懸空線路焊接時，只需將線路預焊點用單手把持，另一只手把持電烙鐵進行焊接，就會較為容易實現(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 自動送絲焊接懸空線路效果

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

圖6 自動送絲電烙鐵焊接線路板

4 結論

(1)設計了側(cè)向自動送絲電烙鐵與后置自動送絲電烙鐵，解決了以自動送絲替代手工送絲。側(cè)向自動送絲電烙鐵為一體化設計，具有所占空間小、結構緊湊與拆裝方便等優(yōu)點。后置自動送絲電烙鐵為兩體化設計，實現(xiàn)了焊槍與送絲機構分離，具有結構簡單、重量輕、操作便捷等優(yōu)點。

(2)對導絲管、導向管、直流減速電機與調(diào)速器等關鍵零部件進行了選材選型，并對錫絲伸出長度、導絲管前端與電烙鐵嘴之間的接觸距離與彎曲角等關鍵部位進行了設計，解決了卡絲、焊絲堵塞、焊接成形差、體力消耗大等問題。

(3)利用研究設計制作的自動送絲電烙鐵對萬用板、懸空線路與電路板進行了實際焊接，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。設計的自動送絲電烙鐵為實現(xiàn)電烙鐵自動化高效焊接提供了一種新型思路。