点焊工作台

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第1页共51页磁头是伴随着当代科技进步发展起来的一种用于读写的设备，广泛用于硬盘中，有着较好的应用和发展空间。其质量的好坏由磁头的寻道能力决定，寻道能力由飞行稳定性、焊点稳定性等决定。所以研究焊点稳定性的问题能大大提高磁头质量。但由于磁头本身体积较小，且属于精密元件，对高热与过大的力比较敏感，如采用传统的焊接方法，如电阻焊和金球焊等都会大大影响焊接质量，不能生产出满足高速发展的科技的要求。而当代发展起来的激光技术能实现非接触焊接，能大大降低焊接时磁头的受力和受热，使磁头在更加稳定的环境中进行焊接，激光锡球焊接技术便应运而生。本文主要研究激光焊接主要参数的确定和优化以及焊接专用夹具的设计。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第2页共51页1绪论1.1设计研究的目的和意义随着计算机的飞速发展,计算机外围设备特别是硬盘驱动器(HDD)正趋向小型化、高密度化和高速度化。硬盘驱动器是由承担记录介质的磁盘、进行读写的磁头、信号处理线路系统、磁头和磁盘的机械驱动系统等组成。磁盘是表面形成磁记录材料膜的圆板,用磁头将信息记录在磁性膜上,它们的动作速度由VCM控制。经过十多年的研究,和随着新型材料的不断产生,硬盘驱动器的尺寸已从开始的14英寸逐渐减小至3.5英寸,2.5英寸甚至1.8英寸。Gb/in2的磁记录密度也已实用化。硬盘驱动器体积的减小、传输效率和记录密度的提高,均与使用新型磁性材料有着密切关系。因此，这便对磁头与PCB板的焊接工艺提出了较高的技术要求，在磁头的焊接过程中，精度要求在微米级，例如磁头焊盘长度ML为154m，且焊接处不允许产生焊渣，不允许有大的热变形和焊接应力，焊点的微裂纹和变质层会使磁头特性下降，对磁头的机械强度和性能都影响很大。为了适应现在磁头越来越精密小巧的要求，对磁头的焊接要求也越来越高。本文就是借鉴国外磁头激光点焊的发展状况，设计一个方便高精度的磁头夹具。由于国内磁头焊接技术基本处于刚起步阶段，本文可以当作国内激光点焊机的初步谈讨设计，意在在设计中了解设计基本方法以及磁头激光点焊的相关知识。1.2激光点焊机的应用与发展激光焊接是激光材料加工用的机器，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。激光焊接机又常称为激光焊机、雷射焊接机、镭射焊机、激光冷焊机、激光氩焊机、激光焊接设备等。按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动激光焊接设备）、自动激光焊接机、首饰激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机、振镜南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第3页共51页焊接机、手持式焊接机等，专用激光焊接设备有传感器焊机、矽钢片激光焊接设备、键盘激光焊接设备。适用于珠宝首饰、电池镍带、集成电路引线、钟表游丝、显像管、电子枪组装、传感器、钨丝、大功率二极管(三极管)、铝合金、笔记本电脑外壳、手机电池、模具、电器配件、滤清器、油嘴、不锈钢制品、高尔夫球头、锌合金工艺品等焊接。激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。它是一种新型的焊接方式，主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。激光焊接是把能量密度很高的激光束照射到两部分材料上，使局部受热熔化，然后冷却凝固连成一体。相对传统的焊接工艺，激光焊接具有以下优点：1、无接触加工，对焊接零件没有外力作用。2、激光能量高度集中，热影响小，热变形小。3、可以焊接高熔点，难熔，难焊的金属，如钛合金，铝合金等。可实现某些异种材料间的焊接。4、焊接过程对环境没有污染，在空气中可以直接焊接，工艺简便。5、焊点小，焊缝窄，整齐美观，焊后无需处理或只需简单处理工序。焊缝组织均匀，气孔少，缺陷少，可减少和优化母材质杂，焊缝的机械强度往往高于母材的机械强度。激光焊接的机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。6、激光可精确控制，聚焦光点小，可高精度定位，实现精密加工。7、易于与计算机数控系统或机械手，机器人配合，实现自动焊接，提高生产效率。所以，采用激光焊接，具有高精度、高效率、高强度和及时性等优势，确保质量、产量、交货期，目前，激光焊接已成为了精密加工行业中一种极具竞争力的加工手段，广泛用于机械、电子、电池、航空、仪表等行业中有特殊要求的工件的点焊、叠焊和密封焊接。现在大功率脉冲YAG激光器和2CO激光器广泛应用与激光焊接，各国投入大量资金应用于激光设备的研制开发，如对电源稳定性和寿命的研究，相对2CO气体激光器，其放电稳定性的研究是主要问题，对于YAG固体激光器要发展大容量，长寿南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第4页共51页命灯泵YAG激光激发源,直接二极管激光器输出波长在近红外激光功率均匀地区达到LKW近50％，这些激光设备和技术，光电转换效率将在焊接应用中发挥更大的作用。加工激光加工光束质量及加工外围设备的研究，应审查各种激光加工的激光束，激光束和加工的质量控制，光学系统及加工头设计和开发进行的焊接工艺和材料的质量焊接工艺设备要求及焊接工艺参数监测和控制技术，掌握普通钢材，有色金属和特种钢的焊接工艺。1.3设计拟解决的关键问题磁头的加工技术是对硬脆磁性材料进行微细尺寸、高精度加工，锡球分布不对称、锡球过流、锡球断路、焊接头产生气孔、焊接处烧焦或锡溅等是激光点焊的主要技术难题，而磁头与PCB板的装夹定位是产生这些问题，本文借鉴国内外研究经验，初步了解研究点焊过程中的一般焊接工艺，将激光束准确定位于待焊接的位置，是激光微焊接技术能否成功实施的前提之一。激光微焊接中待焊接的部件是精密的微小部件，只有将激光束很准确地定位于待焊接的位置，才能够保证焊接成功，任何细小的定位误差都会导致焊接的失败。另外，磁头焊接需要大批量加工，焊接中一专用夹具的设计来完成磁头焊盘的准确可靠定位也是提高焊接精确性和焊接速度的技术关键，最后，本文还分析了误差产生的过程。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第5页共51页2焊接工件磁头的简介2.1硬盘驱动器结构2.1.1硬盘驱动器结构2.1.2HDA---磁头盘片组合介绍：1.磁头(磁头臂组合)将资料写入磁盘或从磁盘读出资料。2.音圈马达通过磁头臂带动磁头沿碟的径向移动，使磁头能在不同的轨道上读写。3.磁盘记录(储存)资料。4.主轴马达带动磁盘高速旋转。5.底板/盖子/垫圈磁头碟片组合的密封部件，防止外部脏污空气的进入。6.再循环过滤网保持磁头碟片组合内部空气的洁净度。与其它磁记录设备相同，硬盘是通过磁头对磁记录介质的读写来存取信息的，而与其它磁记录设备不同的是：硬盘片以每分钟数千及至上万转的速度运动，其带动气流高速运动产生的浮力使磁头在工作时，实际上是悬浮在盘片之上的。磁头工作时，磁头和磁盘之间的距离称为飞行高度，大约为15nm。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第6页共51页2.2硬盘驱动器工作原理2.2.1写入原理如图2.1所示写数据读写的信号电流流经线圈头，将核心磁化，并由于磁头芯片形状的原因，磁隙的一部分有流出磁场，将位于下面的磁盘磁性层磁化。磁盘的旋转也不时改变电流信号的方向，其次造成磁盘磁化方向转变。如图2.1所示，也有很多小磁铁安排在一条轨道上（轨道：头部不动磁盘旋转360°时的图形路径），这就完成了磁盘数据写入到动作。图2.1磁头写原理2.2.2读出原理1)电感式磁头读过程当光盘旋转，盘上的小磁场的磁化方向不同，使核心的磁通量改变，而使线圈被由电信放大后产生感应电动势，其进过滤波﹑脉冲检测和解码，可以得到完全和原始数据相同相同的数据。这就完成了从磁盘中的读回数据的动作。2)磁阻磁头读过程磁阻材料的性能是，它的电阻变化对应磁化角度的变化，磁化角度是电流方向和磁阻磁场方向的夹角，所以磁阻材料在磁场中,它的电阻率会随着外加磁场的变化而变化，但与磁场变化率无关。因此，由电阻值的变化，便可推知磁场的变化，进而读回磁盘上的资料。在实际应用中，提供一个恒定的直流电给磁头读磁极，当磁南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第7页共51页阻电阻对应磁场变化，我们就可以得到一个电压变化，那么就可以实现读回。如图2.2所示。图2.2磁头读原理2.3磁头产品简介为了磁头生产的标准化，通常磁头外形尺寸(宽度、长度、厚度)是经过规格化的，一般将尺寸为4.064mm3.18mm0.871mm的磁头称为标准磁头，50%的磁头的是将外形尺寸为100%磁头宽度、长度、厚度均乘50%，30%的磁头是将外形尺寸为100%磁头宽度、长度、厚度均乘30%，目前生产的磁头大部分是30%的磁头。磁头之所以能够平稳地飞行于磁盘面上，就是利用气垫面的设计，让磁盘片转动时所带动的气流，形成一股气垫将磁头浮起。磁头各部位名称如图2.3南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第8页共51页图2.3磁头各部位名称2.4磁头种类介绍2.4.1合成磁头合成磁头是SAE最早生产的磁头，它的滑行体与磁芯是由不同的材料分别切割制作而成，然后两者之间用玻璃融合在一起的，其读写线圈由人工绕制。2.4.2薄膜磁头其结构和原理基本上同合成磁头，只是在制造工艺上，引进取薄膜光刻技术，它的线圈和磁芯是通过集磁来料薄膜技术直接集成在磁座里面，然后通过机加工得到一粒粒磁头成品。在应用上薄膜磁头比传统磁头更容易达到高密度的磁记录，因为传统式磁头在机械加工上受到限制，无法向小的磁隙宽和小的磁隙长发展，从而影响磁性记录密度的提升。2.4.3磁阻磁头磁阻磁头将读写功能分别由两个不同性质的磁极完成，其中一个是电感式写功能磁极，一个是磁阻式读功能磁极，而传统的电感式磁头，读与写功能都是由同一对磁极来完成，事实上，我们读写参数的选择有时是矛盾的，磁阻磁头的读写参数可以分别选择，互不影响，故其读写功能都得到令人满意的效果。磁阻磁头的读工作原理是利用磁头敏感电阻的电阻率随磁场强度的大小与方向变化而发生变化而与磁场强度变化率无关，读回信号时，无交调失真现象，而且读出信南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第9页共51页号强，这种磁头的优点是存贮密度高、容量大、信号强，是目前公司最主要的一个磁头种类。磁阻磁头的制造工艺基本上和薄膜磁头相似，只是它的读原理有区别于薄膜磁头，磁阻磁头写原理仍和薄膜磁头一样。MR磁头要普及必须解决的几个关键向题NEC关西和AIPs电气公司今后采取有效利用具有优越软磁特性的长处，广泛开展铁徽结晶薄膜的方针。然而，要普及这种薄膜，还有若干“瓶颈”。铁微结晶膜必须进行退火处理，在现行的薄膜磁头等使用的感光胶材料如果温度超过300℃就要分解，所以已不能在薄膜磁头和MR磁头中使用。随着MR磁头的面市，必须有Br高的自身材料，因而减薄也就有了可能性。在感应磁头中，为了适应大容量化要求，必须有Br高的材料，但MR磁头目前的坡莫合金能够适应。也有这样一种严峻的意见:对于延长MIG磁头和层积型磁头寿命的办法也有用尽的可能性。虽然那么说，但将来MR磁头的记录一面也必须具有高Br的材料。还有这样一种着法:如果考虑到媒体的进步，到2000年必须有Br达到2.0T的材料。如果忍耐铁微结晶膜退火温度的感光胶材料等可以实用化，那么，其应用范围有可能扩大。此外，还有坡莫合金磁头铁氧体磁头铝硅铁粉磁头。2.5磁头材料2.5.1磁头对磁芯材料的要求目前，音频磁头多用金属软磁合金制成，抹音头多用铁氧体材料制成，视频磁头多用铁硅铝合金及铁氧体材料制成。磁头对磁芯材料的性能要求，概括起来有下述几点:1.导磁率对于较低频率下使用的磁头，可以使用起始导磁率μ来考核。但高频下使用的磁头应使用实际工作磁场下的有效导磁率μ或脉冲导磁率