張聞華
(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西太原030024)
ZHS-50焊接設(shè)備采用(機械泵、分子泵)兩級泵對工作腔體抽真空,加熱室位于真空室內(nèi),達(dá)到工作真空度后,對釬接件進(jìn)行加熱,被處理工件置于加熱室內(nèi)的支撐架上,該設(shè)備加熱元件鎳鉻,加熱元件沿圓周方向均勻分布,保證溫度均勻性,加熱元件分前、中、后3個區(qū)域,三區(qū)加熱,三點控溫,各區(qū)溫度可以獨立調(diào)節(jié),受控的交流低電壓大電流通過過渡電極使加熱元件產(chǎn)生電阻熱,利用輻射屏的反射作用,集中熱量,使加熱室溫度升高,經(jīng)自動控溫系統(tǒng)控溫,使溫度達(dá)到設(shè)定值,在加熱室內(nèi)形成一個均勻的溫度環(huán)境。根據(jù)用戶焊接工藝要求,按程序自動或手動完成工藝焊接。然后對加熱室充氮氣,起到快速冷卻作用。
真空焊接設(shè)備主要應(yīng)用于鈹青銅、金錫合金等非鐵金屬構(gòu)件、微組裝芯片的低溫封裝焊接,形成批量熱處理,保證產(chǎn)品的焊接均勻性,滿足邊焊接邊封裝流水工藝的需求,實現(xiàn)生產(chǎn)的高效化。主要性能指標(biāo)如下:
(1)最高溫度:450℃
(2)工作溫度:100℃ ~400℃
(3)工作真空度:5×10-2Pa
(4)分壓功能:1 a~40 kPa分壓調(diào)節(jié),采用手動和自動兩種方式
(5)溫度均勻性:<±3℃
(6)最高充氣壓力(絕對壓力):≤0.1 MPa
(7)分壓功能:1 a~40 kPa分壓調(diào)節(jié),采用手動和自動兩種方式。
電氣控制系統(tǒng)由各種低壓元器件、調(diào)壓器、溫控儀、記錄儀、真空計和可編程控制器組成。系統(tǒng)配有專業(yè)級觸摸屏,電路板布局合理,強、弱電分離,安全可靠。
控制系統(tǒng)操作面板如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)操作面板
本設(shè)備采用PLC控制,系統(tǒng)具有手動、自動兩種控制操作模式,可在觸摸屏上選擇,PLC分別控制各種閥的開關(guān),泵的啟動、停止及加熱的開啟。當(dāng)設(shè)備有水壓、超壓、超溫、加熱過流、電源缺相等異?,F(xiàn)象時,系統(tǒng)具有安全保護(hù)功能和故障顯示功能。
為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行,軟、硬件中均采用了自鎖與互鎖保護(hù)、聲光報警系統(tǒng)。
(1)不到設(shè)定真空度,不能對加熱室加熱,在加熱過程中,如果真空度低于所設(shè)定值時,停止加熱,并且加熱程序保持并發(fā)出聲光報警。
(2)冷卻水壓低于設(shè)定值時或流量小于一定值,及時切斷爐內(nèi)加熱器的電源,并發(fā)出聲光報警。
(3)當(dāng)超溫時——爐溫超過設(shè)定值或控溫偶發(fā)生斷偶現(xiàn)象時,切斷爐內(nèi)加熱器的電源,并發(fā)出聲光報警。
(4)停電保護(hù)——真空閥氣路閥將自動關(guān)閉。爐子仍處在真空或氣氛保護(hù)下。當(dāng)再次來電后,熱處理過程將以手動方式繼續(xù)進(jìn)行。
(5)缺相、過流保護(hù)——控制系統(tǒng)在各回路上均配有空開或保險,(加熱系統(tǒng)出現(xiàn)缺相或過流可自動關(guān)閉加熱并發(fā)出聲光報警)可對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。
(1)采用低壓電氣元件包括斷路器、接觸器、接近開關(guān)、中間繼電器、按鈕、報警器和指示燈等。
(2)溫控儀表:采用日本導(dǎo)電FP23溫度控制器,儀表精度等級0.1級,控溫精度±1℃,帶有數(shù)字顯示和PID控制??蛇M(jìn)行曲線控溫設(shè)置和手動/自動PID調(diào)節(jié)功能,可根據(jù)用戶需求設(shè)定各種工藝參數(shù)(加熱溫度值,保溫時間等)??梢詫崿F(xiàn)控溫和編程,工作過程中MR23(2路)溫度儀表從FP23獲得(0~10 V)控制信號,實現(xiàn)3區(qū)溫度同步控制,自動選擇最合理的控制參數(shù),保證加熱室內(nèi)溫度均勻性。
(3)記錄儀:采用浙大中控有紙記錄儀4 500(4通道),可連續(xù)記錄加熱室內(nèi)溫度曲線和真空度曲線;并可查閱設(shè)備運行數(shù)據(jù),方便分析釬焊工藝,并配置CF存儲卡,可將數(shù)據(jù)生成報表打印輸出。
(4)數(shù)顯真空計:采用成都睿寶ZDF-5227A型數(shù)顯復(fù)合式真空計;在真空計上可設(shè)置4組真空數(shù)值,當(dāng)真空度到達(dá),繼電器吸合。
(5)可編程控制器:采用三菱FX1N可編程序控制器(PLC)。它抗干擾能力強,除裝、卸料外,全部過程可自動控制,并有手動操作系統(tǒng)。
(6)調(diào)壓器:調(diào)壓器選用晶閘管調(diào)壓器,由溫控表發(fā)出4~20 MA控制信號,調(diào)節(jié)加熱功率,使加熱達(dá)到最適合的加熱功率配比,從而保證爐溫均勻性。調(diào)壓器采用低電壓大電流的輸出方式,輸出電壓不高于70 V,正常工作時一般不大于85%輸出,安全可靠。調(diào)壓器內(nèi)置過流、缺相保護(hù)電路,發(fā)生故障時自動斷開加熱電源,并發(fā)出報警。
(7)觸摸屏:設(shè)備采用MT508S觸摸集成電控系統(tǒng),取代傳統(tǒng)的按鈕控制方式,由觸摸屏集成控制爐箱兩套電氣裝置,操作方便,形象直觀。使用EasyBuilder EB500 V2.61軟件,把工藝流程圖做進(jìn)觸摸屏中,設(shè)計了七個界面—報警界面、真空界面、加熱界面、冷卻界面、真空焊接室、手動焊接室、全自動界面,生產(chǎn)流程化操作模式,人性化界面設(shè)計,直觀簡潔,操作方便。
低溫控制是溫控系統(tǒng)上的難點,溫度越高越好控,低溫PID難整定,易產(chǎn)生波動,不斷調(diào)節(jié)偶的位置保證了設(shè)備恒溫區(qū)均勻性。設(shè)備溫控系統(tǒng)采用以加熱調(diào)壓器為核心,低電壓、大電流方式供電,調(diào)壓器與溫控儀配合,實現(xiàn)溫度的連續(xù)控制,該控溫系統(tǒng)具有手動/自動兩種操作方式,控制簡明、運行可靠,并加入了短路保護(hù)等安全措施,確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。其控制原理是:溫度傳感器(即熱電偶)采集的現(xiàn)場環(huán)境的溫度信號通過溫控表的PID調(diào)節(jié),輸出調(diào)節(jié)信號,驅(qū)動功率調(diào)節(jié)器,功率調(diào)節(jié)器發(fā)出變壓器的調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)變壓器的輸出功率,從而改變加熱執(zhí)行元件的加熱功率,起到調(diào)節(jié)加熱室溫度的作用。其控制原理如圖2所示。
圖2 控溫系統(tǒng)控制原理圖
真空焊接室溫控系統(tǒng)由兩塊日本導(dǎo)電溫控儀、三只K偶、一臺三回路調(diào)壓器組成。主溫控表FP23發(fā)出0~10 V模擬信號,遙控從表MR13,三只K偶采集的實時信號分別給MR13表的三個通道,MR13表輸出4~20 mA模擬信號,分別控制對應(yīng)通道功率控制器導(dǎo)通角的大小,形成爐體前、中、后三區(qū)的控溫系統(tǒng)。
手套焊接室溫控系統(tǒng)由一塊日本導(dǎo)電溫控儀MR13表、兩只K偶、兩塊熱板組成。MR13表輸出P波通斷信號控制熱板的溫度,兩塊熱板可同時工作,也可單獨工作。
加熱過程中,材料需要適度的真空度。對熱態(tài)高真空下易揮發(fā)的材料,加熱中,可通過分壓裝置調(diào)節(jié)真空度,機組的抽氣、分壓裝置的補氣,從而形成真空的動態(tài)平衡,通過真空定值方式,獲取材料所需的真空環(huán)境,把真空度定到某一適度值(分壓裝置由針閥、電磁閥及連接管路組成,在加熱過程中可以用此裝置對爐內(nèi)真空度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,防止因爐內(nèi)真空度高而造成某些合金元素的揮發(fā))。
真空定值流程:進(jìn)入觸摸屏加熱界面,打開分壓閥,調(diào)節(jié)針閥,觀察環(huán)行刻度值和ZDF5227AX復(fù)合真空計值,旋轉(zhuǎn)針閥不同的刻度對應(yīng)不同的真空值,分壓裝置一絲絲的補氣、機組的大抽,從而形成真空的動態(tài)平衡。分壓功能程序如下:
圖3 分壓功能程序
該設(shè)備的工藝流程有:抽真空—加熱—冷卻。依生產(chǎn)工藝需要,加熱過程中可開啟分壓裝置,冷卻又可分為自然冷卻和強制冷卻兩種方式。
設(shè)備在設(shè)計中考慮兩種冷卻方式,抽真空、加熱為公共程序,通過程序調(diào)用來實現(xiàn)兩種冷卻方式的工藝自動。選擇自然冷卻方式工藝自動,設(shè)備將實現(xiàn)“抽真空—加熱—曲線結(jié)束—降溫點—機組關(guān)閉”自動過程。選擇強冷方式工藝自動,設(shè)備將實現(xiàn)“抽真空—加熱—曲線結(jié)束—充氮氣—啟強 冷風(fēng)機—降溫點—機組關(guān)閉”自動過程??刂屏鞒倘鐖D4。
圖4 控制流程圖
ZHS-50真空焊接設(shè)備的開發(fā),突破了低溫控制、觸摸集成、工藝自動、真空定值等難關(guān),保證了設(shè)備性能技術(shù)指標(biāo)和安全可靠運行,滿足了客戶的需求。設(shè)備性能穩(wěn)定、精度高、微型智能、性價比高,自開發(fā)投入以來,得到客戶好評。
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