技术论文 | 新能源汽车发展方向及零部件智能化制造焊接方案应用(之三)
2023-04-25 00:00:00
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四川省电子学会
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李泽民
新能源汽车发展方向及零部件智能化制造焊接方案应用(之三)李澤民株式会社日本优尼摘要：本文继前年、去年SMT高端会议(绵阳、苏州)，主要就新能源汽车发展方向及一年来新能源汽车零部件智能化制造中的局部焊锡
新能源汽车发展方向及零部件智能化制造焊接方案应用(之三)摘要：本文继前年、去年SMT高端会议(绵阳、苏州)，主要就新能源汽车发展方向及一年来新能源汽车零部件智能化制造中的局部焊锡方式，在一些国际、国内著名的一线大型汽车零部件厂的焊接解决方案、适用状况进行说明，就当前新能源汽车中采用的一些新型元器件如:IGBT、TPMS等方面的有效应用及局部焊锡方法。另外，对现在正在急速发展的无铅、无卤化焊锡转换方面，就应用锡焊机器人场合下的技术对策及今后的课题进行阐述。今年，虽然燃油汽车呈下降态势，但新能源汽车发展迅猛并在各国已经形成了共识，从长期来看，包括纯电动、燃料电池技术在内的纯电驱动将是新能源汽车的主要技术方向，在短期内，油电混合、插电式混合动力将是重要的过渡路线。日本到2030年交通领域对石油的依赖从100%降到80%，目前，日本正全面发展三类电动汽车，其混合动力全球销量第一；在纯电驱动方面，规划和产业化推进步伐也是最快的；另外，以日本丰田为首的燃料电池产品的研发和产业化推进也领先于其他国家。欧洲则更加侧重于温室气体减排战略。近期，欧洲则对电动汽车给予高度关注。例如:德国高度重视纯电驱动的电动汽车发展，以纯电为重点，制定出了产业化和市场化目标。 中国发展节能与新能源汽车有较好的基础。我国发展新能源汽车，是应对节能减排重大挑战的需要，同时也是汽车产业跨越式发展和提升国际竞争力的需要，是国家战略需要。在新能源汽车方面，我们和发达国家是站在同一个起跑线上，说法较多的是“弯道超车”，我们有机会在新能源汽车领域与西方发达国家在一个平衡的层面上创新。我国汽车工业以纯电驱动作为技术转型的主要战略方向，重点突破电池、电机和电控技术，推进纯电动汽车、插电式混合动力汽车（图1、2）产业化，再加上政府在新能源汽车领域大力支持和政策扶持，可实现汽车工业跨越式发展。现在每个行业都有可能受到人工智能的影响，未来最能顛覆的一个产业就是汽车产业，自动驾驶电动汽车可能将中国16万亿产值的汽车业，包括周边产业，彻底颠覆掉。我国燃料电池汽车的发展也在紧锣密鼓地推进着。自上汽与同济大学合作开发的氢燃料电池轿汽，巴士、卡车、集卡也正积极研发和造车。最近，在上海由宝武集团(宝钢武钢)、中国能源工程集团、上海电力等多家单位共同发起成立的“宝山氢能产业技术创新联联盟”该联盟旨在推进上海市乃至中国的氢能产业的发展。上海杰宁新能源科技有限公司作为联盟主要单位，承接着氢能源燃料电池汽车关健部件的方案和研发、并应用于新能源集卡车。现在的新能源汽车生产格局会以传统车厂和全新车厂并行的格局，会涌现出许多以前在汽车行业名不见经传的新兴企业，并会不断超越和颠覆传统车厂。但全球新能源汽车的发展还面临着一些共同的难题，例如:关键技术的突破、汽车工业的转型、基础设施的建设以及消费者的接受度等。 为了提高汽车性能、功能，汽车电控部分的占比越来越大，加速推动汽车电子技术发展。以电动汽车为代表的新能源汽车内电子装置占比目前已达到47%，未来会越来越大。混合动力车用马达作动力所显示的（图3、4），以往依靠机械技术驱动的很多产品现在开始电气化、电子化。车载空调系统、安全气囊、ABS、防碰撞装置、汽车导航仪、无人驾驶、网联车等汽车配备的大多数新功能几乎都以电气、电子技术为基础。又例如:电动车在效率和推力比传统汽车有着巨大内在的优势，有数据显示对于电动车，从能量到推力的转化效率高达90%，而汽油车转化效率不到35%，电动马达在低速时就能产生强大的推力，所以电动车完全不需要换档。随着汽车电子操控化的深入，“焊接组装技术”更加凸显出自己的存在。比起一般的电子装置，从质量和可信度，对车载部件上的焊接技术要求和质量标准要高出几倍，它需要具备特殊的技术和经验。虽然汽车部件上搭载的电子产品在逐年增多，但随着近年的混合动力车和电动汽车（如图5、6）的诞生，增长态势比较迅猛。为了提高汽车的HV化、降低油耗、提高安全性或舒适性等性能，以传感器为代表的电子零件、电子技术必不可缺。而且今后这一趋势会愈加明显。其主要部分是“有关HV化的动力部分”。 随着HV和EV的出现，其驱动部分开始使用马达，所以首先是马达和马达驱动器的增加。然后，还增添了DC-DC变压转换器（电压转换器）(图7、图8)，使得高电压的主电池向低电压的辅助电池提供电力，在混合动力车出现后，还增加了ECU（电子操控单元）。这些部分都是通过焊接组装的电子零件。从这个意义上讲，对于汽车的高性能化、高功能化，焊接工作肩负着非常重要的责任。对要求有高品质和可靠性的汽车焊接。在零件的机电一体化中需有更高的技术。在汽车技术上错一步就会人命关天，所以汽车技术是一项社会责任重大的技术。为防止出现故障或问题，汽车的品质和可靠性会受到极为严格的评估。特别是电子控制的零部件和功能正在增多，在车载零部件的焊接方面，需要比一般电子器材上的焊接有高出几倍的高水平的品质和可信度。比如，为达到某种程度的结合强度，焊接时的温度也是有规定的。通常的焊接工作中，只要有在某种温度下焊接的结果证明就没问题了，但在汽车行业，要求对保持一定温度的焊接过程有严格的管理。再有，以往的焊接都是针对装在基板上的电子零件进行的，而近年来机体、电子部件·基板合在一起形成模块化，“机电一体化”的零部件正在增多。对于汽车厂家来说，模块化使零件通用化、成本降低，有利于节省空间和车体轻量化。但对于制造方，既要保持原有的品质，又要考虑深层次的焊接和搬运方法，所以比起以前，对于技术的要求变得更高了。
而且，作为汽车行业特有的问题，高级车搭载的功能或零件会在几年后应用到生产台数更多的小型车上。所以不仅要确保品质，还要在品质的基础上考虑量产的技术困难。对于锡焊领域，随着EU RoHs指今的普遍深入实施和细化，对真正的无铅无卤化、焊接品质的追求，提高到相当高度。在这样的情况下，我们有必要对电子装置焊接方式的重要性进行再认识，这意味着综合的实装技术提高到怎样水平才能做出怎样高品质的电子产品。去年论文中阐述了电动汽车空调压缩机、汽车发电机项目的焊接实际案例，本文中主要IGBT、TPMS等方面项目的焊接实际案例进行讨论。案例1：IGBT项目的焊接实际案例（图9、10、11），以往车载电路板制造后道工序通常采用波峰焊方式。单孔焊锡槽方式为从直径为5 mm的孔径中喷出熔化的焊锡，通过移动基板来进行焊锡作业。多孔焊锡槽方式为从在锡槽里，只对多个的需要进行焊锡的焊点在同样多数个的喷出口喷出熔融状态的焊锡，一次即可完成焊锡作业。单孔锡炉方式的特征为不需要任何治具，对应新产品的生产准备调试时间缩短，但是缺点为焊锡所需要的时间长。另外多孔焊锡槽则具有和前项完全相反的特征，需要考虑导入生产量和交货期等方面而进行方式的选定，但多孔焊锡槽需根据不同的工件制作不同的锡焊治具，而且锡焊治具损耗较大、成本高。在无铅化作业情况下，焊接着一定数量的缺陷。由于车载部件汽车整机厂一般不容许人工焊接，所以只能选择机焊方式。现在可选择的局部焊接方式有：选择性波峰焊方式，自动焊锡锡机器人方式和激光锡焊焊接系统方式。由于空调压缩机驱动电路板生产过程中，大部分器件采用SMT工艺完成，但还有后插元件如：功率驱动模块部件、接插件，大型电解电容等不能直接过炉、耐热性较差的部件。如功率驱动IGBT模块部件（如图9、10、11），而且电路板必须焊接面向上，而且焊点加热速度要快。而且由于结构原因要焊点加热速度要快，快速完成焊接。，Cycle
Time：3 Sec完成一个焊，经过客户全面评估选用了UNIX-DF-303L和UNIX-700FHL激光锡焊机器人组成生产线（如图12、13），作为他们的局部无接触锡焊方式，该生产线全程进行智能控制，全部采用画像定位，透锡度超过100%，良品率达到PPM级。案例2：汽车胎压传感器（TPMS）项目的焊接实际案例（图14、15），他的制造装配工艺为全自动智能流水方法，也是先将电路板和电池装配到壳体内，再将铜线插入端子进行錫焊，然后经过检测和三防处理。中国国内最大TPMS的企业经过全面评估选用了UNIX-700FH 6轴多关节的锡焊机器人(图16、17)组成生产线作为他们的电池端子处焊接方式，该生产线全程进行智能控制，锡焊部分加热系统功率为:250W，焊接的点数为:5点，该公司共建了8条这样后道生产线，一越成为该行业的自动化程度、生产效率最高、生产量、品质排名进入行业国内首位。而日本最大TPMS的企业采用了大功率激光锡焊机器人(图18)组成生产线，则良品率、产品质量做到全球第一。进入21世纪，人类面临空前的全球能源和资料危机的挑战，由此引发了第四次工业革命，首先由美国在2008年推出的《新型制造业战略》，拉动了美国的自动化设备、移动终端、微芯片的出口。紧随德国发表了《德国工业4.0》。而其他发达国家，如法国的《新工业法国计划》、日本的《制造业再兴战略》、《英国工业2050战略》、韩国的《新增动力战略》等。中国也向全世界发出了《中国制造2025》：即通过10年努力，使中国迈入制造强国行列，为到2045年将中国建成具有全球引领和影响力的制造强国奠定坚实基础。德国工业4.0（Industry 4.0）计划编制更为全面、仔细。它的主要内容：是指利用物联信息系统(CPS），将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效，个性化的产品供应。目标：提升全球竞争力(如图19)。有关工业4.0和锡焊机器人，近几年日本UNIX已全面实施，并已推出面对工业4.0的UNIX-DF系统锡焊机器人（图20），它具有面向工业4.0和物联网的增强型网络功能（图19），可连接到工厂内部网络监视应用程序，可有效地远程监视生产状况（图21），并支持数据管理和分析(如焊接位置、温度控制、运行错误等)（图22），以防止缺陷发生。另可借助LAN端口快速、有效地实施数据传输。（图23）为UNIX锡焊机器人在德国企业工业4.0样板线上的实况，（图24、25）著名德国企业工业4.0的SMT生产现场。众所周知，全球产业机器人的实用化是在1970年开始的，锡焊用的机器人应用要更迟些，迟后的原因它需多学科的技术进行会集，如：机器人工程学，机械，电子电器，物理，化学，热力学，材料学等综合科学和技术。80年代从日本开始，如1981年JAPAN UNIX就开发对应电子组装用的錫焊机器人(图26)，当时设计理念是“用一种自动烙铁方式来代替手工烙铁焊接”，是因为人存在很多的不确定性，特别是车载部件领域，可靠性存在很大风验。而且当时机器人的重复精度为+/-0.5mm，速度也很低，加热控制方式也较为简单。现在的机器人的重复精度已经为+/-0.01mm，速度提高到原来的几十倍。采用焊锡机器人方式的话，在治具费用和生产准备调试时间等方面，具有位于单孔焊锡槽方式和多孔焊锡槽方式中间的(平均)特性，可以说是一种符合多品种变量短交货期生产的方式。并且，由于烙铁头具有形状多样性和机器人本身的作业动作可调性，而且设备具有丰富的外围接口，能与周边设备进行实时通信连线，可实施智能化制造的全自动柔性生产。而且焊接设备一次投入成本相对较低，焊锡的用量也较为节省，可以说是较适合于狭窄邻接部分的焊点锡焊。从该点着眼，作为对应多种多样的客户需求的局部焊锡方式，其应用方面非常有效，而且是可靠性、灵活性高的焊接工法。在用机器人进行无铅焊锡生产的时候，烙铁头的寿命将比之前的有铅的锡铅锡丝减短。烙铁头的温度和烙铁头的损耗之间也存在着很大关系，即烙铁头温度升高，烙铁头的损耗速度增加，所以烙铁头的温度最高不要超过380℃，特殊情况除外。烙铁头形状的变形和烙铁头镀锡面磨损后锡材无法进行扩散等状态的产生而需更换烙铁头的周期将大幅度减短。并且现在所使用的烙铁头是在铜质材料表面镀铁制作而成，由于采用机器人焊锡的特殊环境，锡丝和烙铁头的接触位置是不变且集中于一点，一旦镀铁层消失后，铜质材料将溶入锡材的问题已经被确实。根据这种状况，烙铁头的热容量随着铜质的减少而下降，从而引起焊锡不良的产生。为了消除该问题，可以通过尽量降低烙铁头的温度，减少锡丝对烙铁头的冲击力度，采用更高性能的新型加热系统(图27)，提高锡丝的预热温度，并且提高烙铁头镀铁层的加工工法等对策来解决。JAPAN UNIX所采用的具有特殊镀层和制作工法的烙铁头(图28)，与普通烙铁头相比使用寿命提高了3倍。另从锡焊材料入手，日本千住金属（Senju Metal）公司最新开发出针对锡焊机器人的新一代松香芯焊料合金（SMIC RK系列）,其特点：1)无腐蚀：通过添加微量的铁(Fe)元素，减少烙铁头的损耗1/5，从而降低生产成本。2)无污染：添加微量的a元素，可减少在以往的用于防止烙铁头腐蚀的松香芯焊料中发生的碳化物附着问题，同时减少烙铁头的更换。3)无麻烦：通过RK系列和助焊剂的协同效应，减少助焊剂飞溅和烟雾，可解决设备的各种污染问题，减少保养频度。在电子产品进入高密度组装化的今天，加上新型电子Device,新Chip部品，新型陶瓷压电变压器，新电子材料，新工艺技术的导入，作为进步中的锡焊机器人技术，激光锡焊系统今后会成为热点，因为它具有无接触、焊接速度快、一次良品率、无耗材等突出优点被业界推荐。目前日本、德国、美国、韩国、台湾地区对中等间距程度部品和高可靠性的车载部品领域，要求采用激光进行焊接的呼声在逐步升高，特别是日本,能切入的场合首先推举这一方法，因此开发更高性能的激光焊接机器人系统已列入开发制造商议事日程。按照无铅组装的工艺要求，激光焊接机器人系统作为新的加热源会被更多的生产商所采用。JAPAN UNIX作为一家在该行业领先企业更是义不容辞。（图29）是JAPAN UNIX最新开发出的带温度反馈并自动调整激光功率大小、自动调整激光波长（图30），并搭载大功率激光发生器（75W）、自动调整的图像识别装置新型激光系统，它已经在多家世界著名企业实际生产运行。 (图31) JAPAN UNIX面向未来开发的超高速（0.3S/point）、（图32）大功率激光锡焊系统（75W），接口全面对接工业4.0。（图33、34）的应用案例，是JAPAN UNIX激光锡焊系统生产线在世界著名半导体芯片工厂后道工序上的应用，设备采用全自动化智能产线方式，并防尘等级处理，解决了客户此器件后道焊接的难题。智能制造面向末来的机器应该是具有高品质、更高的精度、更快的加工速度、高集成度集成更多工能于一身。而且具有模块化，方便更换功能，实现柔性。机器Knowhow集成在软件算法中，通过软件的调用或修改的软件化，可以低成本实现柔性。具备开放通讯接口，软件架构。互通互联性：第三方设备通讯(数据库、制造执行系统/MES、企业资源计划/ERP、云端等)，信息模型，信息安全。对锡焊机器人而言，具备焊接方向，焊接范围能自动控制设定，或从中央数据库调用信息进行焊接，也可以由CAD数据自动生成焊接点的坐标数据、带有焊点AOI检查功能在焊接条件间断对焊接头进行自动更换（图35），具有模块化的（图36），通过机器人的双臂控制而取消焊接治具而被称之为“信息焊接机器人系统”方向努力（图37）。锡焊（纤焊）技术作为一种历史非常悠久又不断创新的焊接技术，无论在基础机理研究、产品开发、实际应用等还方兴未艾。作为具有历史沉淀的焊接设备厂家，也自感责任与使命重大。随着3C产品微型化和混合动力和纯电动（EV）汽车的车载部件中，电器电子部分所占的比例越来越大，如：驱动马达，电池，控制核心部件等都会涉及焊接问题，而且会遇到焊接难点。帮助客户解决问题，与用户共同探讨最佳的工法是我们的一贯，我们也会更加努力紧跟世界技术趋势，以最先进的、最适合焊接的设备和工艺方案为更多的用户服务。李澤民，男，（1959年－）JAPAN UNIX（株式会社日本优尼）中国区首席代表。在知名跨国公司从事SMT行业近30年，亲眼见证了中国SMT整个发展历程，对国际智能制造的技术发展方向有很深入的认知和把握，对电路板实装的微焊接和机器人锡焊造诣很深，曾参于多个国际重大项目。有多篇论文在国际知名杂志和国内《高端SMT学术会议论文集》上发表，曾多次接受日本《电波新闻》、《AEI亚洲电子信息》、《I Connect 007 》《SMT
China》、《EM asia》等媒体专栏采访。目前还兼任香港中华工商总会副主席兼产业融合委员会执行会长、中国电子元件协会电子变压器委会员特聘专家、上海电子学会SMT/MPT专业委员会副秘书长、上海模具技术协会高级顾问等职务。
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