铜排焊接质量缺陷及检测手段

一、铜排焊接质量缺陷分类

铜排焊接的质量缺陷大致分为4类：
虚焊：底部铜排熔深较浅或无熔深。通常原因有挡光(铜嘴挡光、保护镜片脏污挡光、光纤烧损)和热输入衰减(功率衰减、离焦量波动)两种。
烧穿：分为两层铜排穿孔和上层铜排穿孔，前者为热输入过大所致(黑孔)，后者为两层铜排存在间隙所致(白孔)。
焊偏：通常有焊前视觉寻址识别到错误特征、顶升后铜排位置偏移、托盘尺寸高度存在偏差等原因。
过流面积不足：不合适的焊接图档和摆动参数所致，造成焊缝长度或熔宽偏低。

二、铜排激光焊接质量稳定的前置条件

1.良好的装配

对于搭接结构

一般要求间隙不大于上层板厚的10%，产品设计上必须保证底面母材的结构刚性和平面度，防止下压时变形或者贴合不良。

对于对接结构

一般要求间隙不大于最小板厚的10%(对于底部不能透光的结构如Xpin，必须零贴)，错边不大于最小板厚的15%。

2.洁净的表面

铜排表面有异物、油污会导致焊缝发黑，局部喷溅形成黑色爆孔，也可能在深熔焊过程卷入异物、油污汽化的蒸汽而形成内部气孔。
铜排表面异物或脏污较厚时，还会生成大量有机物蒸汽形成激光屏蔽效应，导致局部熔深不足，降低强度。
通常在铜排焊接之前要对表面进行激光清洗,检测表面RFU＜10,如果不进行激光清洗，需要对表面进行钝化处理或严格的包装、储存、使用周期管理来避免表面氧化或脏污。

三、铜排激光焊接质量稳定的控制措施

1.过程能力提升（4M1E）—防发生

Man（人员）
安装模块过程中，禁止未戴清洁手套触碰铜排焊接面；
模块安装后目视检查模块铜排和电容铜排有无明显间隙(目视间隙一般约~0.5mm)；
对于有明显间隙(>0.5mm)的铜排更换物料或拉动工艺和质量工程师处理。
Machine（机器）
开班清洁铜嘴端面和内壁的焊渣或异物颗粒，防止掉落到焊接面上造成颗粒飞溅或爆孔;
开班检查保护镜片有无铜渣或异物颗粒，若有，必须用无水乙醇+无纺布轻轻顺时针擦拭干净。对于保护镜片有明显烧蚀斑点或发灰爆点的，需要及时更换，否则会造成焊点质量不良和光纤烧损；
定期标定激光器功率(每年)、检测光束质量(相纸检查光斑，半年)和焦点确认(阳极氧化铝板，半年)；
焊前视觉检测定期进行防错验证，避免在生产过程中视觉误识别造成铜嘴压偏而焊偏甚至产品报废；
压力传感器定期进行标定，避免压力过大而压伤铜排塑料件或者压力不足而虚；
激光焊工位顶升机构定期进行水平度重复验证，避免顶升后产品偏斜而偏甚至产品报废;
托盘必须定期进行检测和返修，避免托盘定位销磨损或定位面不平而产品倾斜。
Material（材料）
检查来料铜排表面有无油污、脏污或严重氧化;
抽检电容铜排各焊点高度是否存在较大波动，特别检查批次内铜排高度异常偏低的；
检查模块铜排有无上翘变形的。
Mothod（方法）
开班首件检查金相熔深熔宽，对于底部熔深>0.7mm或者<0.2mm的及时报警，拉动工艺和质量工程师排查；
对于批次来料差异导致的焊接质量不稳定，及时拉动工艺和质量工程师处理；
采用零离焦保证较小的熔深波动，采用圆形摆动保证合适的熔宽；
通过铜嘴下压的压力反馈值(压力范围20~25Kg )来保证铜排有效压会；
通过PLC设置的伺服位置相对偏移值来保证有效离焦量。
Environments（环境）
监控车间温湿度，对长时间开封存放的铜排在上线前人工检查，必要时酒精擦拭；
监控激光器水冷机的温度设置，最高温度应设置比环境温度高5~8℃即可，防止振镜内部光学镜片结露而烧报。

2.检测能力提升（1M）—防流出

焊中检测—光电传感器

光电信号检测焊缝质量的原理：采样合格焊缝的PT/R信号并拟合出参考上下限，通过DOE获取容许偏差的范围，修正参考曲线或者统计偏差的阈值(全局偏差如中值方差，误差频率，积分，局部偏差如振幅、面积)，将待检焊缝的P/T/R信号与之比对，因过程波动而超出偏差阈值视为焊缝不合格。本质是待检焊缝的曲线与大数据统计
获取的合格焊缝参考曲线的统计偏差判断，仅能定性判断。

图1：光电传感器焊中检测

图2：采集大量合格焊接曲线，拟合上下限区间

图3：选用不同的偏差指标，优化检测阈值

焊中检测—OCT

OCT(optical coherence tomography)光学相干断层扫描的原理如下：
发生干涉，输出干涉信号。对该信号进行傅里叶变换，即可得到样品臂相对参考臂的深度信息。
宽带光源发出的光经过2*2耦合器分别通过样品臂和参考臂照射到样品表面和参考镜，两个光路中的反射光在耦合器中汇合，两臂反射光的光程差在相干长度内发生干涉，输出干涉信号。对该信号进行傅里叶变换，得到样品臂相对参考臂的深度信息。