熱空氣脈沖噴吹法拆卸廢舊印刷電路板的試驗

曾川，陳俊冬，李雪，張尚，邱潔，陳海焱（西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽 600；西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 600；西南科技大學固廢處理與資源化教育部重點實驗室，四川 綿陽 600；西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 600）

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熱空氣脈沖噴吹法拆卸廢舊印刷電路板的試驗

曾川1，陳俊冬2，3，李雪2，張尚1，邱潔4，陳海焱2
（1西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010；2西南科技大學環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010；3西南科技大學固廢處理與資源化教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010；4西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

摘要：電子元器件的拆卸對于廢舊印刷電路板（waste printed circuit boards，WPCBs）的資源化利用具有重要意義，是廢舊印刷電路板回收利用必不可少的環(huán)節(jié)。文章利用熱空氣作為預(yù)熱氣源和脈沖噴吹氣源，采用自主設(shè)計的WPCBs拆卸設(shè)備進行拆卸實驗，運用正交試驗方法研究了拆卸工藝參數(shù)對電路板拆卸率的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)，并對影響原因進行了分析。實驗結(jié)果表明：小貼片元器件拆卸率與元器件總拆卸率隨噴吹次數(shù)增加先增大后減??；當進氣溫度為240℃、加熱時間為5min、噴吹次數(shù)為10次時，插槽元器件、通孔元器件、大貼片元器件拆卸率大部分在95%以上，小貼片元器件拆卸率最高達80%以上，且元器件總拆卸率達85%以上。利用熱空氣作為預(yù)熱氣源和噴吹氣源拆卸WPCBs的最優(yōu)實驗參數(shù)為：進氣溫度為240℃，加熱時間為5min，噴吹次數(shù)為10次。

關(guān)鍵詞：廢舊印刷電路板；熱空氣；脈沖噴吹；電子元器件

第一作者：曾川（1992—），男，碩士研究生，研究方向為固體廢棄物資源化利用、超細分級設(shè)備。E-mail 1421957597@qq.com。聯(lián)系人：陳俊冬，碩士，講師，從事機械設(shè)計制造及礦物加工工程研究。E-mail lqxcjd@163.com。

隨著電子工業(yè)的不斷發(fā)展，社會消費水平的不斷提高，電子產(chǎn)品在社會中的廣泛應(yīng)用的同時，也產(chǎn)生了大量電子廢棄物[1-3]。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，電子廢棄物的增長速度比普通城市生活垃圾快3倍，中國每年有超過200萬噸的電子廢棄物產(chǎn)生，此外，國外電子廢棄物還有相當大一部分通過或合法或非合法的渠道轉(zhuǎn)入中國[4-6]。廢舊印刷電路板（waste printed circuit boards，WPCBs）已占到電子廢棄物的4%左右[7]，而且在普通家用電器中，廢舊印刷電路板的占有量更多[8]。

通常，一項完整的廢舊印刷電路板的回收處理技術(shù)包括3個步驟：拆卸、分離與富集、提純[9]。WPCBs的拆卸是其回收處理中必不可少的環(huán)節(jié)[10]。目前，WPCBs電子元器件的拆卸通常通過加熱對其焊錫進行熔化，而后采用機械方法使電子元器件與基板分離[11]。國內(nèi)外研究者[12-16]針對廢舊印刷電路板（WPCBs）上電子元器件的拆卸技術(shù)已經(jīng)做了大量工作，加熱熔化焊錫的方式主要有紅外、液體、熔融焊料等。日本NEC公司早在1990年就利用紅外加熱拆除電子元器件，并獲得了96%的焊料去除率[12]；清華大學和中南大學的研究者采用液體（以柴油為導熱介質(zhì)）加熱，實現(xiàn)焊料的融化，然后采用離心的方式，使元器件和基板分離[14，17]；合肥工業(yè)大學的學者利用液態(tài)焊錫加熱熔化電路板的焊料，而后配合機械沖擊、振動進行拆卸[16]。就熔化焊料的方式來說：紅外加熱容易造成電路板受熱不均、高溫液體加熱對操作人員危害性較大、激光加熱成本昂貴。而熱空氣加熱具有介質(zhì)無污染、成本低廉、便于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用等突出優(yōu)點，其前景比較樂觀。

張明星、陳俊冬等[11，18]的研究已經(jīng)證明利用熱空氣拆卸WPCBs的可行性，但是都未統(tǒng)計電路板上小貼片元器件的拆卸率。本文通過自制的WPCBs拆卸設(shè)備，對加熱溫度、加熱時間、噴吹次數(shù)對電子元器件拆卸率的影響進行研究，對該系統(tǒng)拆卸最優(yōu)參數(shù)進行探究，為拆卸WPCBs工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實驗設(shè)備、材料及方法

1.1 實驗設(shè)備

加熱、拆卸裝置為實驗室自主設(shè)計并制造的WPCBs自動拆卸設(shè)備，實驗系統(tǒng)簡圖如圖1所示。實配套設(shè)備主要是UD18A-7空氣壓縮機（上海優(yōu)耐特斯壓縮機有限公司）、DSA-36空氣冷干機（上海優(yōu)耐特斯壓縮機有限公司）、1-0.8儲氣罐（上海申江壓力容器有限公司）、JRQ-25空氣加熱器（鹽城興唐電加熱設(shè)備有限公司）、氣包（φ300mm× 1200mm，自制）、MYWK-01溫度巡檢儀（綿陽銘宇科技有限公司）、SDT Q600熱同步分析儀（美國TA公司）、HBS-10高溫脈沖電磁閥（重慶耐仕閥門有限公司）、MYD-1540壓電式壓力傳感器（綿陽銘宇科技有限公司）等。

圖1 實驗系統(tǒng)簡圖

空氣壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)過加熱器進行預(yù)熱，接入WPCBs拆卸設(shè)備中，對拆卸設(shè)備進行預(yù)熱；空氣除濕器的作用是對壓縮空氣進行除濕，使進入加熱器中的空氣保持干燥；待WPCBs拆卸設(shè)備達到指定溫度時，打開拆卸設(shè)備，放入WPCBs，對電路板進行預(yù)熱；利用脈沖噴吹控制儀對另外一部分接入氣包中的熱空氣進行脈沖噴吹。在進行拆卸工作時，電路板經(jīng)入料口進入工作腔，落在拆卸區(qū)域上（工作網(wǎng)帶），加熱一段時間后脈沖噴吹系統(tǒng)提供噴吹激震力，帶動電路板在工作網(wǎng)帶上翻轉(zhuǎn)跳動，使得元器件抖落；拆卸完成后經(jīng)由工作網(wǎng)帶帶動，基板以及元器件經(jīng)出料口進行收集。

1.2 實驗材料

實驗所用的廢舊印刷電路板（WPCBs）為臺式PC機的電路板，WPCBs如圖2所示。

圖2 實驗所用的WPCBs圖

1.3 實驗方案

按照圖1連接實驗設(shè)備，并按照實驗要求調(diào)節(jié)各項參數(shù)，進行實驗。在本實驗中，將WPCBs上的元器件分為4類：插槽元器件、通孔元器件、大貼片元器件（長寬＞3mm）、小貼片元器件（長寬≤3mm）。元器件拆卸率的表達式為式(1)。

式中，Xi為拆卸率，%；n1為拆卸后WPCBs上殘留的元器件的數(shù)量，個；n2為拆卸前WPCBs上電子元器件的數(shù)量，個。

通過探究不同進氣溫度（A）、加熱時間（B）以及噴吹次數(shù)（C）對實驗結(jié)果的影響，以各部件拆卸率、總拆卸率為評價指標，考察拆卸結(jié)果的好壞。本實驗設(shè)計采用Minitab統(tǒng)計軟件中試驗設(shè)計（DOE）功能板塊進行，選擇L9(34)正交表，按照軟件自動形成的序列進行實驗。表1為本實驗考察的因素及水平；正交實驗表格如表2所示，實驗結(jié)果經(jīng)過整理列于表2。

1.4 實驗結(jié)果分析

在WPCBs拆卸實驗結(jié)果分析中采用極差分析與方差分析相結(jié)合的方式，以方差分析為第一選擇，當方差分析不能很好地作出選擇時再采用極差分析的方式進行分析，最終確定最優(yōu)實驗參數(shù)。

表1 實驗因素、水平及其代號、排序

表2 正交實驗結(jié)果

表3～表7為元器件總拆卸率、插槽元器件拆卸率、通孔元器件拆卸率、大貼片元器件及小貼片元器件拆卸率的極差、方差分析結(jié)果。在表3～表7中，Ki表示某因素第i水平上實驗值之和，由此值可以判斷該因素優(yōu)水平和優(yōu)組合；R值表示對應(yīng)因素的極差，該值越大，說明該因素對實驗結(jié)果的影響越大；各因素和實驗誤差的均方離差均可通過軟件計算出來；F實驗值為各因素均方離差和實驗誤差均方離差的比值；F臨界值可查分布表得出，亦可根據(jù)軟件計算出來。當F實驗值＞F臨界值，則說明該因素對試驗結(jié)果的影響顯著，兩數(shù)差別越大，說明該因素的顯著性越大，則采用方差分析法；當F實驗值＜F臨界值，說明該因素不顯著，則采用極差分析。

由表3可得，在方差分析中F值均小于臨界值，所以采用極差分析的方法，通過R的排序RB＞RC＞RA，得出對實驗結(jié)果影響因素排列順序為B＞C ＞A；對于因素A，K3最大，故首選A3，同理可得出對于因素B、C的優(yōu)選為B3C3，最終得出最優(yōu)方案為A3B3C3。

由表4可得，在方差分析中F值均小于臨界值，所以采用極差分析的方法，通過R的排序RB＞RC＞RA，得出對實驗結(jié)果影響因素排列順序為B＞C＞A；對于因素A，K2最大，故首選A2，同理可得出對于因素B、C的優(yōu)選為B3C2，最終的出最優(yōu)方案為A2B3C2。

由表5可得：在方差分析中F值均小于臨界值，所以采用極差分析的方法，通過R的排序RA＞RB＞RC，得出對實驗結(jié)果影響因素排列順序為A＞B ＞C；對于因素A，K1最大，故首選A1，同理可得出對于因素B、C的優(yōu)選為B3C1，最終的出最優(yōu)方案為A1B3C1。

表3 總拆卸率極差方差分析

表4 插槽元器件拆卸率極差方差分析

表5 通孔元器件拆卸率極差方差分析

表6 大貼片元器件拆卸率極差方差分析

由表6可得，在方差分析中只有噴吹次數(shù)的F值超過臨界值，所以認為噴吹次數(shù)為顯著性影響因素，對于噴吹次數(shù)來說，K3＞K2＞K1，故優(yōu)選為C3。再采用極差分析的方法，通過R的排序RC＞RB＞RA，得出對實驗結(jié)果影響因素排列順序為C＞B＞A，對于因素A，K3最大，故首選A3，同理可得出對于因素B、C的優(yōu)選為B3C3，最終的出最優(yōu)方案為A3B3C3。

表7 小貼片元器件拆卸率極差方差分析

由表7可得，在方差分析中F值均小于臨界值，所以采用極差分析的方法，通過R的排序RA＞RC＞RB，得出對實驗結(jié)果影響因素排列順序為A＞C ＞B；對于因素A，K3最大，故首選A3，同理可得出對于因素B、C的優(yōu)選為B3C3，最終的出最優(yōu)方案為A3B3C3。

由表2可以看出，插槽元器件、通孔元器件拆卸率在各個實驗因素水平下拆卸率都在80%以上，大貼片元器件拆卸率波動較大，小貼片元器件拆卸率在30%左右，導致了元器件總拆卸率較低。在WPCBs資源化過程中，拆卸后的工藝為WPCBs基板粉碎，上述實驗結(jié)果中對粉碎效率以及粉碎設(shè)備影響較大的為基板上的金屬貼片，因為貼片元器件上含有大量的銅質(zhì)小貼片，在粉碎的同時，粉碎設(shè)備將會磨損嚴重，所以應(yīng)該改變實驗參數(shù)以提高貼片元器件拆卸率。

雖然現(xiàn)如今尚未有對WPCBs上拆卸下來的元器件進行無損檢驗的合適的方法，但是考慮到元器件在高溫環(huán)境下的損壞率有可能增強，所以選取A1作為首選。如表8所示，在分析結(jié)果匯總中，加熱時間在每個優(yōu)方案中都為B3，故加熱時間經(jīng)過分析可以選定為B3；針對噴吹次數(shù)，由于通孔元器件有一部分帶有倒鉤，所以需要增加其他拆卸方式，可能降低了噴吹次數(shù)的排序，所以排除C1，選擇C3作為二次試驗因素，并且甚至增加噴吹次數(shù)進行二次試驗。

表8 分析結(jié)果匯總

2 二次實驗

經(jīng)過上述分析，進氣溫度選擇A1，加熱時間選擇B3，以噴吹次數(shù)作為二次實驗因素。在進氣溫度、加熱時間不變的情況下，噴吹次數(shù)分別選擇8次、10次、12次，每組噴吹次數(shù)分3次進行實驗。二次實驗安排如表9所示。

表9 二次實驗安排

2.1 二次實驗結(jié)果及分析

二次實驗結(jié)果如表10所示。由表10可以看出，當進氣溫度為240℃，加熱時間為5min，噴吹次數(shù)由8次增加到10次，插槽元器件、通孔元器件拆卸率無很大變化，大貼片元器件拆卸率由80%左右增加到90%以上，小貼片元器件拆卸率由40%左右增加到80%以上，元器件總拆卸率由50%左右增加到85%左右；說明通過增加噴吹次數(shù)，能夠有效的提高大、小貼片元器件的拆卸率，從而提高元器件總拆卸率，這是由于：①增加噴吹次數(shù)，電路板在拆卸箱中停留了更長時間，在噴吹的同時，元器件與基本相連接的焊錫也在不斷融化，能夠更有利于拆卸；②增加噴吹次數(shù)，進行了多次噴吹，提高了元器件與基板分離的概率，通過多次噴吹震蕩，使小元器件得以充分拆卸，故元器件總拆卸率增加了35%左右。圖3(a)為第5號實驗拆卸后照片。

當噴吹次數(shù)由10次增加到12次，插槽元器件、通孔元器件、大貼片元器件拆卸率波動不明顯，小貼片元器件拆卸率由80%左右降低到60%左右，元器件總拆卸率由85%左右降低到65%左右。這是由于隨之噴吹時間的增加，WPCBs仍然在持續(xù)加熱，WPCBs在拆卸箱中停留時間過長，電路板與元器件過度軟化，元器件與基板之間產(chǎn)生黏滯力，為拆卸帶來困難，故小貼片元器件及元器件總拆卸率降低。圖3(b)為第9號實驗拆卸后照片，從圖上可以很清晰地看出，基板已經(jīng)發(fā)生了變形。

圖3 實驗結(jié)果圖

表10 二次實驗結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）通過正交實驗結(jié)果表明最佳加熱時間為5min；考慮到元器件在高溫環(huán)境下的損壞率有可能增強，進氣溫度以240℃作為首選。

（2）二次實驗結(jié)果表明進氣溫度為240℃，加熱時間為5min，噴吹次數(shù)由8次增加到10次，元器件總拆卸率增加了35%左右；噴吹次數(shù)由10次增加到12次，元器件拆卸率從85%降低到65%左右。實驗證明了隨著噴吹次數(shù)的增加，元器件總拆卸率呈先增加后降低的趨勢，其最佳噴吹次數(shù)為10次。

（3）通過兩次實驗結(jié)果表明利用熱空氣作為預(yù)熱氣源和噴吹氣源拆卸WPCBs的最優(yōu)實驗參數(shù)為：進氣溫度為240℃、加熱時間為5min、噴吹次數(shù)為10次。

（4）在電子元器件的拆卸過程中，還有許多需要進一步研究的因素，如通孔元器件的引腳材料、噴吹角度及噴吹力等。本文僅對典型的3個工藝參數(shù)進行了研究，對其他拆卸工藝參數(shù)還需進一步研究。

符 號 說 明

Ki——因子在第i種水平上的試驗值之和

n1——拆卸后WPCBs上殘留的元器件的數(shù)量

n2——拆卸前WPCBs上殘留的元器件的數(shù)量

R——對應(yīng)因素的極差。該值越大，說明該因素對實驗結(jié)果的影響越大

S——離差平方和

ST——總離差平方總和

T——實驗結(jié)果的和

Xi——元器件拆卸率，%

參 考 文 獻

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﹒產(chǎn)品信息﹒

浙江豐利通過省級企業(yè)技術(shù)中心復評

日前，國家高新技術(shù)企業(yè)浙江豐利粉碎設(shè)備有限公司企業(yè)技術(shù)中心，經(jīng)浙江省經(jīng)信委、省財政廳、省國稅局、省地稅局和杭州海關(guān)等5部門聯(lián)合審定，順利通過復評。

浙江豐利早在2000年就建成了我國粉體設(shè)備行業(yè)首家省級重點粉體工程高新技術(shù)研發(fā)中心，并在每次評價中都順利通過。浙江豐利始終把技術(shù)中心建設(shè)作為一項戰(zhàn)略任務(wù)來抓，努力完善公司技術(shù)創(chuàng)新機制和組織體系。重視企業(yè)科研創(chuàng)新工作，每年均投入銷售收入的5%以上作為科研經(jīng)費。立足粉體技術(shù)前沿，緊密跟蹤國內(nèi)外粉體技術(shù)發(fā)展動態(tài)，努力占領(lǐng)行業(yè)技術(shù)制高點，引領(lǐng)高檔粉體設(shè)備研發(fā)方向。堅持自主創(chuàng)新與引進技術(shù)相結(jié)合的科研創(chuàng)新體系，創(chuàng)造出多項獨有知識產(chǎn)權(quán)和國內(nèi)領(lǐng)先并達到國際先進水平的技術(shù)和產(chǎn)品；將粉碎細度提升到亞微米級乃至納米級。

復合材料作為一種新型材料已經(jīng)逐漸成為21世紀的主導材料之一。但其廢棄材料也已然成為亟待解決的社會問題。為此，浙江豐利技術(shù)中心堅持綠色為先戰(zhàn)略，運用先進粉體技術(shù)進行破解，取得了可喜成果：承擔的浙江省重大科技專項“廢電器及電子材料綜合利用技術(shù)及其成套設(shè)備”實現(xiàn)了廢電器及電子材料綜合利用技術(shù)的重大突破；前不久，工業(yè)和信息化部、科技部和環(huán)境保護部三部委聯(lián)合發(fā)布了《國家鼓勵發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄（2014年版）》的通告。浙江豐利開發(fā)的“廢塑料復合材料回收處理成套裝備”入選該《目錄》。

目前，浙江豐利名符其實成為我國粉體設(shè)備及綠色環(huán)保裝備供應(yīng)商，聞名海內(nèi)外的成套超微粉體設(shè)備生產(chǎn)基地。產(chǎn)品暢銷全國，遠銷歐美、東南亞等國家和地區(qū)。

咨詢熱線：0575 - 83105888，83100888，

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化工園區(qū)

Experimental research on dismantling WPCBs using hot air pulse jet

ZENG Chuan1，CHEN Jundong2，3，LI Xue2，ZHANG Shang1，QIU Jie4，CHEN Haiyan2
（1School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China；2School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China；3Key Lab of Solid Waste Treatment and Resource Recycle of Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China；4School of Civil Engineering and
Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China）

Abstract：Dismantling of electronic components is of great significance in recycling waste printed circuit boards（WPCBs），as an essential part of waste printed circuit boards recycling process. In this paper，a pilot dismantling machine was described，using hot air as heat source to melt solders and as pulse-jet to separate electronic components from the base boards. Disassembly process parameters were studied using orthogonal experiment，and the optimum processing parameters were analyzed. The dismantling rate of small patch components and total dismantling rate decreased along with the increase of injection times；when the total intake air temperature was 240℃，heating time was 5 minutes，injection times was 10，the dismantling rate of slot，through-hole and big patch components was most of above 95%，the highest rate of dismantling small components was more than 80%，and thebook=636,ebook=301total dismantling rate was more than 85%. The optimal experimental parameters were as follows：inlet temperature 240℃，the heating time 5min，pulsed jet injection 10 times.

Key words：waste printed circuit boards（WPCBs）；hot air；pulse jet；electronic components

基金項目：固體廢物處理與資源化教育部重點實驗室平臺基金項目（13zxgk05）。

收稿日期：2015-08-21；修改稿日期：2015-09-12。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.046

中圖分類號：X 705

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）02–0635–07