CN103208722A

CN103208722A - 一种连接线的芯线焊端激光烧蚀去皮方法及其设备

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Publication number: CN103208722A
Application number: CN 201310131448
Authority: CN
Inventors: 张向增
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-07-17

Abstract

一种电子设备之间互连的高频连接线(也称连接器)的制造方法中、有关对线缆芯线焊端的激光脱皮方法和设备，在保护气流的氛围中通过聚焦的激光束烧蚀焊端两侧的绝缘皮，通过多个激光管并列共焦实现能量倍增。通过并列放置的芯线排片的移动来实现批量处理脱皮。通过调节伺服电机调速驱动芯线的移动速度、激光光斑大小和激光功率，实现绝缘皮的完美去除而不损伤芯线导体和维持芯线形态。广泛适应不同直径的芯线以及不同绝缘皮材质的芯线等技术优势。激光烧蚀脱皮方法奠定了连接线制造自动化锡焊连接的技术基础。

Description

一种连接线的芯线焊端激光烧蚀去皮方法及其设备

技术领域：

本发明涉及一种电子设备之间互连的高频连接线(也称连接器)的制造方法中、有关对线缆芯线焊端绝缘皮的气体保护激光烧蚀去除方法。本发明还提出了相应的气体保护激光烧蚀设备和线缆装夹治具。

本发明属于高频电子线路连接线(连接器)制造领域，或者激光技术应用领域。

背景技术：

当前，高频电子线路连接线(连接器)如HDMI正趋于向微型化方向发展，而其制造的核心工序是焊接，正趋于向自动化焊接方向发展。然而制约该自动化焊接技术的瓶颈是如何实现芯线焊端去皮后的高度规整化。这必然要求芯线的理线、定位、整形、定型、脱皮等都要非常到位。这些过程是线缆和插接头之间实现自动化焊接连接的基础，这些过程也称焊接前处理过程。目前芯线焊端脱皮是沿袭了上百年的刀片切割气动机械脱皮方法。属于冷加工方法，该方法的优点是速度快，缺点也是致命的，芯线损伤严重，不同直径的芯线要配置不同的刀口刀片，效果是焊端参差不齐，而且定型好的焊端再次被切断和蜕皮动作破坏，被迫需要再次人工矫正干预。这就无法实现从脱皮到焊接的全过程自动化。

本发明构思一种无接触去除绝缘皮方法，就是大功率激光烧蚀去除芯线焊端绝缘皮的方法，可以实现四个目标：一是没有刀片故不损伤芯线导体，二是芯线不受外力作用避免了导体变形和导线分散，三是广泛适用于各种线规脱皮，四是实现高速自动化。

发明内容：

本发明采用聚焦的大功率激光光斑，在保护气体的气流冲刷作用下，烧蚀掉全部芯线焊端的绝缘皮，完整保留芯线导体。不接触芯线的激光脱皮方法保持了芯线原有的定型结构。

对于类似HDMI线缆芯线的焊接连接，芯线焊端的去皮长度通常要有3mm以上，要一次性去除这样长度的绝缘皮，就需要达到3mm直径的光斑射落在焊端部位，显然和激光切割需要的微米级的聚焦有显著不同之处，这就需要大功率的激光驱动。考虑到造价问题，通常不会使用价格无法承受的固体激光器，而诸如最常用的二氧化碳气体激光器的单管功率十分有限，目前激光束仅能达到200W以下的水平。这就需要并联激光束共焦聚能技术。本发明的设备提供了这样的并联共焦机构。

由于激光是光，不可能穿透芯线导体，所以，激光辐射只能去除圆柱体芯线的一半绝缘皮，要完整去皮就需要从芯线导体的两侧照射烧蚀。

考虑到通常的连接线，例如HDMI连接线，一根线缆有多达19根芯线。为此需要把芯线分组成排，通常都是两排，因此为提高效率，更是需要两组激光器分别从芯线排面的两侧扫射，而且，两排芯线在照射方向上必须错开而不相互遮挡激光。这样，就能同时打掉两排芯线的绝缘皮。

进一步，为提高效率，适应当前要求一次焊接多达6条线缆的高速焊接设备，要求线缆的激光去皮也要能够一次去除同等数量线缆的绝缘皮，而且应该是使用相同的装夹治具。为此，把多条线缆装夹在一个治具内，治具装配定位在设备的载台上，保持激光焦斑静止，使载台相对于激光焦点移动就可以一次去除多条线的绝缘皮，实现批处理，即量产。为此，配置了这样的移动、调速和驱动控制机构。

下面结合附图说明本发明涉及的气体保护激光烧蚀芯线去皮方法。

图1是一个激光烧蚀芯线焊端去除绝缘皮的原理图

图2是一个激光烧蚀双芯线排片的焊端空间错位结构示意图

图3是一个并联激光器烧蚀双芯线排片的共焦原理图

图4是一个同时上下激光对焦和上下气流交汇形成保护氛围原理图。

图5是经过激光烧蚀加工的最终芯线焊端定型图。

图1中，1-线缆，2-芯线，3-分线架，4-B侧芯线排片，5-A侧芯线排片，6-A侧聚焦镜，7-A侧激光束，8-A侧激光焦斑，9-B侧聚焦镜，10-B侧激光束，XYZ-坐标系。

图2中，2-芯线，4-B侧芯线排片，5-A侧芯线排片，6-A侧聚焦镜，9-B侧聚焦镜，YZ-坐标系。

图3中，2-芯线，4-B侧芯线排片，5-A侧芯线排片，6-A侧聚焦镜(组)，8-A侧激光焦斑(共焦)，9-B侧聚焦镜(组)，11-B侧激光焦斑(共焦)，YZ-坐标系。

图4中，41-A侧激光束，42-B侧激光束，43-A侧气流，44-B侧气流，45-AB两侧激光共焦焦斑，46-AB两侧气流交汇包络，2-芯线，4-B侧芯线排片，5-A侧芯线排片，α-激光束夹角，β-气流夹角，YZ-坐标系。

图5中，1-线缆，2-芯线，3-分线架，20-定型芯线焊端

在图1中，一条连接线的线缆1的全部芯线2通过分线架3分列定位成AB两个芯线排片，即B侧芯线排片4和A侧芯线排片5，在A侧线排上施加A侧Z向激光束7通过A侧聚焦镜6形成A侧激光焦斑8、并投射到芯线排片焊端部位的绝缘皮上。高能激光束将焊端绝缘皮烧蚀气化。B侧雷同。

事实上，由于A侧激光束不可能穿透A侧芯线排片的金属导体，所以，激光辐射只能去除A侧芯线圆柱体绝缘皮的一半，要完整去皮就需要从芯线导体的另外一侧照射烧蚀。这样，在图2的方案中说明了如何满足双侧激光同时作用去除AB两排芯线绝缘皮的原理。如图示，AB两排芯线的焊端是在空间Y方向上错位的，这样，来自于Z方向的激光，当然可以同时辐射到单个芯线的两个半圆柱面。如果一个线端的AB两个芯线排片能够沿Y方向移动，就可以交替烧蚀掉AB两个芯线排片中的每一个芯线焊端绝缘皮。即，在某一时刻，聚焦镜6和聚焦镜9同时聚焦烧蚀A芯线排片中的芯线2焊端，在下一时刻，聚焦镜6和聚焦镜9同时聚焦烧蚀B芯线排片中的芯线2焊端，如此交替，完成全部焊端去皮处理。实际应用中，因为需要避免上下相向激光束同轴照射，所以，实际上是上下激光束在Y方向是错开的，或者是两个激光束不同轴但相交，交点落在两个芯线排包络的空间范围内。这样，相当于激光强度的叠加，所有焊端都可以同时受到两侧激光的照射而烧蚀。

尽管芯线排片中包含不同线规导体和不同的绝缘结构，激光焦斑可以广泛适用，全部芯线绝缘皮可一扫而光。

当前商品化的的气体激光管都是小功率激光管，而应用于金属切割和焊接的多使用大功率固体激光器，因为二者造价相差十倍以上，所以，本发明仍然需要采用例如CO₂激光器并联共焦使用更加经济。在图3中，示意出一侧的激光器由2个以上激光管并联共焦来增加功率，图示两个激光管并联，分别形成A侧激光焦斑(共焦)8和B侧激光焦斑(共焦)11。当然，其焦斑都设计落在芯线排片上。其光路的反射、偏转和聚焦等控制并不复杂，不予赘述。

尽管芯线焊端的长度有3mm之多，调整激光落在芯线排片上的光斑大小适度，例如大约直径3mm左右的光斑。就可以一次性覆盖焊端长度烧蚀掉全部焊端绝缘皮。虽然激光的焦点可以小到微米级，以便集中高能量，但是，对于本发明所涉及的应用领域，只需要毫米级的大尺度激光焦斑，当然是光斑的扩大会衰减能量密度，这可以提供施加并联激光共焦技术补偿。事实上，本专利使用的是接近激光焦点的光斑。

当配合自动化机构实施芯线排片的Y方向移动时，可以实现一次扫射处理多个芯线和多条线缆的批处理能力。这也是本发明涉及的激光烧蚀去皮的巨大产能优势所在。

另外，激光能量在高温去除绝缘皮的同时，高温也非常容易使导体氧化，所以，增加导体抗氧保护气体氛围是必要的。当然，结合保护能力和经济性考虑，优选是工业氮气，其次是氩气，CO₂或其它还原性气体也有一定的实用性。如图4示意，保护气体气流也类似于激光束的光路，从上下两侧入射，不同轴，但在两芯线排片之间相交，而且，气流在相交点形成气团氛围，有效保护焊端被氧化。图4中，A侧激光束41和B侧激光束42在AB两个芯线排片之间形成AB两侧激光共焦焦斑45，A侧气流43和B侧气流44在AB两个芯线排片之间形成AB两侧气流交汇包络46。显然，AB两侧气流交汇包络46在空间上完全包容AB两侧激光共焦焦斑45，形成保护气氛氛围。理想的方式是汇流后的气流方向和芯线焊端沿Y轴移动方向相反，避免清扫干净的焊端遭受二次污染。激光束夹角α和气流夹角β都可以根据需要调整，通常在90°-120°范围。另外，值得指出，激光束和气流束可以重合。那样会使控制机构更加简单。

实践证明，通过激光聚焦共焦、功率调整、移动扫描、气流量调节四个参数的调整，经过激光烧蚀的芯线焊端饱满圆润，裸露金属光泽。因为烧蚀过程没有外力施加在焊端上，所以，获得了如图5示意的理想的终极的定型芯线焊端20。这种焊端具有如下特点：呈“八”字型，便于线排焊端和插接头pin针之间进行X方向的自动化对接；焊端芯线的细微导体不散开，保障了插接头和芯线焊端的无障碍对接。

下面结合附图说明根据本发明激光烧蚀脱皮法所设计的激光脱皮设备和适配使用的治具

图6是所述的自动化激光脱皮设备结构图

图7是自动化激光去皮设备配合使用的治具图。

图6中，61-上激光管(组)，62-上聚焦机构(组)，63-下激光管(组)，64-下聚焦机构(组)，65-上保护气嘴，66-下保护气嘴，67-伺服电机，68-滚珠丝杠，69-载台，70-装夹治具，71-保护气站，72-控制柜，1-线缆(组)，20-定型芯线焊端(组)，xyz-坐标系。

图7中，71-夹线半框，72-插接头半框，73-销钉柱，74-销钉孔，1-线缆(组)，20-定型芯线焊端(组)，30插接头(组)，xyz-坐标系。

在图6中，本发明涉及的激光烧蚀去皮设备包括有上激光管(组)61，上聚焦机构(组)62，下激光管(组)63，下聚焦机构(组)64，上保护气嘴65，下保护气嘴66，伺服电机67，滚珠丝杠68，载台69，保护气站71，控制柜72以及机架、排风***等组成。为便于描述，图中给出xyz-坐标系。

设备工作原理就是上述本发明涉及的气体保护激光烧蚀去皮方法，不再重复赘述。下面描述其工作过程。

首先将线缆(组)1装夹在装夹治具70上，图中示意出批处理一次装夹3条连接线的案例，将上好连接线的装夹治具70装夹在载台69上，使得芯线排列的方向为y方向，并且，调整上聚焦机构(组)62和下聚焦机构(组)64共焦，焦斑落在两个芯线排片之间(当然，只有单排芯线时，焦斑落在芯线排片上)，同时，调整上下保护气体气嘴的方位，使其气流交汇，相交的空间包络激光焦斑，实现气体保护作用。调整激光器功率到合适值，启动伺服电机67，驱动滚珠丝杠68运转，拖动载台69以一定速度沿Y轴向移动，反复检查焊端烧蚀结果是否达到要求，通过调节移动速度、激光功率、光斑大小、气流量三因素，找到理想的工艺参数，完成工艺定型。工艺定型后可以进入稳定批量高速生产。

顺便指出，并非一定要使用多激光管的并联共焦，通常，对于类似HDMI和USB3.0等线缆领域使用的芯线，100W以上的单激光管可以满足要求。

在设备的载台移动机构中，还可以有其它实施方案，例如，伺服电机67换成气缸，滚珠丝杠68换成导轨，通过调整气压和气流可以实现拖动调速，以及往返运动。

至于图6中提及的装夹治具70，不是设备的组成部分，属于工装夹具范畴。其结构和功能相对比较简单，如图7所示，将并列处理的线缆固定在夹线半框71上，插接头固定在插接头半框72上，二者形成承插对接姿态，由于定型芯线焊端(组)20和插接头(组)30实现精确对位后才可以实施焊接，所以，夹线半框71和插接头半框72二者采用销钉结构活动连接。如图中的销钉柱73和配对销钉孔74。由于插接头以及芯线排片的结构不对称性，要求二者插接时具有防呆结构，方圆组合的双销钉结构是最理性的配置。在激光去皮前，夹线半框71和插接头半框72二者处于离合状态，间隔留出激光去皮操作的净空距离，在焊端去皮后，二者通过销钉承插结合在一起，实现芯线焊端和插接头pin针的精确对位搭接，至此就具备焊接条件。

采用装夹治具70可以实现激光脱皮的批量处理。极大地提高了生产效率，而且高质量地完成了脱皮。

通过本专利方法和专用的设备和治具，实现了芯线焊端的激光烧蚀脱皮法，激光烧蚀去除焊端绝缘皮具有高效批处理、不伤芯线、保持焊端构型、广泛适应不同直径的芯线以及不同绝缘皮材质的芯线等技术优势，这是机械脱皮机构永远无法胜任的。激光烧蚀脱皮方法奠定了连接线制造自动化锡焊连接的技术基础。激光脱皮设备将成为连接线自动化焊接的成套设备的必备设备之一。

Claims

1.一种高频电子线路连接线的芯线焊端脱皮方法，其特征在于：采用大功率激光束(7)通过聚焦镜(6)聚焦后形成的焦斑(8)辐射在要剥除的芯线焊端(5)的绝缘皮部位，借助金属抗氧化保护气压缩气体的气流冲刷作用，一次性将焊端长度范围内的全部绝缘皮烧蚀扫除干净。

2.根据权利要求1所述的芯线焊端脱皮方法，其特征在于：抗氧化保护压缩气体优选工业氮气。

3.根据权利要求1所述的芯线焊端脱皮方法，其特征在于：在线缆分线形成的的芯线排片(4)和芯线排片(5)的两外侧面沿Z方向施加大功率激光束烧蚀绝缘皮；而两排芯线焊端在Y方向上的空间位置相互错开消除Z方向上的激光遮蔽。

4.根据权利要求1所述的芯线焊端脱皮方法，其特征在于：激光束沿Z方向聚焦照射，形成的激光焦斑(7)落在芯线排片(4)上，焦斑在空间位置上静止，而被烧蚀的芯线焊端在设备平台上沿Y方向移动，实现一个扫射回程可烧蚀处理多条并排的线端、以及每个线端的多个并排的焊端的绝缘皮。

5.根据权利要求1所述的芯线焊端脱皮方法，其特征在于：采用装夹治具(70)将多条线缆的芯线排片焊端固定定位在移动载台(69)上。

6.一种高频电子线路连接线的芯线焊端激光烧蚀脱皮设备，其特征在于：脱皮设备由上激光管(组)(61)，上聚焦机构(组)(62)，下激光管(组)(63)，下聚焦机构(组)(64)，上保护气嘴(65)，下保护气嘴(66)，伺服电机(67)，滚珠丝杠(68)，载台(69)，保护气站(71)，控制柜(72)，以及机架和排风***组成；激光器产生的激光束沿Z方向照射，通过聚焦机构形成的共焦的焦斑落在沿Y方向移动的工作载台的芯线焊端上，同时气体保护***在焦斑上施加Z方向气流，在控制***的操控下，激光功率、焦斑大小、保护气体压力和流量、载台Y向移动速度四个工程参数可变调节。

7.根据权利要求6所述的芯线焊端激光烧蚀脱皮设备，其特征在于：所述的激光器由位于工作台面上下两侧分立的两组激光器构成，即上激光管(组)61，上聚焦机构(组)(62)，下激光管(组)(63)，下聚焦机构(组)(64)；每组激光器至少有一个激光器，每组激光器多个并联时，每个激光器都有各自的聚焦机构和一致的焦斑位置。

8.根据权利要求6所述的芯线焊端激光烧蚀脱皮设备，其特征在于：所述的激光器优选使用CO₂激光管。

9.根据权利要求6所述的芯线焊端激光烧蚀脱皮设备，其特征在于：所述的移动工作平台由伺服电机(67)驱动滚珠丝杠(68)拖动载台(69)移动。

10.根据权利要求6所述的芯线焊端激光烧蚀脱皮设备，其特征在于：所述的移动工作平台由气缸拖动载台在直线滑轨上运动。