回流焊爐教學仿真軟件加溫曲線設計探討

朱琳

摘 要：探討了一種在現(xiàn)有的回流焊爐教學仿真軟件加熱模塊中改進的方法。通過加入環(huán)境溫度參量，并影響加熱區(qū)仿真，使得仿真軟件中的爐溫曲線更加貼近于生產(chǎn)現(xiàn)場。在仿真環(huán)境中加入溫度參數(shù)的影響，能幫助仿真使用者理解保持生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定的重要性?，F(xiàn)行仿真軟件通過對回流焊爐內PCB升溫曲線的設置主要通過仿真操作界面設置，模擬真實設備的加熱設置過程，最后形成仿真曲線，當溫度設置一定時，爐溫曲線基本不變。而引入環(huán)境溫度后將可以改變PCB入爐的初始溫度，形成不同的升溫曲線，將更好的仿真回流焊爐加熱過程。

關鍵詞：仿真；回流焊爐；溫區(qū)設置；室溫設置；升溫曲線

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.31.096

1 回流焊爐及教學仿真軟件

回流焊爐是電子產(chǎn)品制造領域SMT生產(chǎn)線設備中的重要一環(huán)。基于表面安裝的SMT電路板在回流焊爐中完成焊接步驟?；亓骱笭t本質上是一個加熱設備，按照加熱方式可分為整體和局部加熱。大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)用回流焊爐通常是整體加熱方式，按照加熱模式不同可分為熱板式加熱、紅外線（IR）加熱、氣相加熱、熱風加熱以及紅外熱風混合加熱五類。目前主流回流焊爐多采用熱風回流焊與紅外熱風回流焊兩種加熱方式。

熱風回流焊主要利用加熱器與風扇，是爐內溫度按照預先設定值升溫，而其中的待焊件上的焊料在爐內受到熾熱氣體的加熱融化，最終固化，從而實現(xiàn)焊接。其特點是：加熱均勻、溫度相對穩(wěn)定。紅外熱風回流焊是將紅外線加熱和熱風加熱組合在一起的加熱方式。通常按30%紅外線，70%熱風做熱載體進行加熱。紅外熱風回流焊爐將紅外回流焊和強制對流熱風回流焊進行了結合。它充分利用了紅外線輻射穿透力強的特點，熱效率高、節(jié)電，同時又有效地避免了紅外回流焊的溫差和遮蔽效應的影響。

目前的回流焊爐為了更好的控制加熱，將回流爐內分為多個溫度獨立的溫區(qū)，溫區(qū)越多，對加熱控制的能力就越強，而不同溫區(qū)設置不同的溫度后，通過溫區(qū)的PCB板將形成一條加熱溫度曲線。在生產(chǎn)過程當中，決定回流焊爐生產(chǎn)質量的重要因素之一就是回流焊爐內PCB的加熱升溫曲線。PCB升溫溫度曲線及曲線形狀取決于各溫區(qū)的溫度設定和傳送帶傳送速率，是回流焊爐加熱性能的直觀體現(xiàn)。

傳統(tǒng)方式無法預測實際加熱溫度，所以使用計算機技術對回流焊焊接工藝進行溫度曲線仿真的方法因其可以大大縮短工藝準備時間，降低實驗費用，提高焊接質量，減小焊接缺陷，因此得到廣泛關注。使用它可以替代傳統(tǒng)的在線參數(shù)的設置過程，甚至可以用來在生產(chǎn)前確保PCB設計與回流焊工藝的兼容性，進行可制造性設計（DFM）分析。

除了應用于生產(chǎn)過程中以外，為了進行設備操作教學?；亓骱笭t仿真還廣泛應用于職業(yè)教育和企業(yè)培訓當中。在教學環(huán)節(jié)當中直接使用真實的回流焊設備并不經(jīng)濟實用，從設備升溫到測量一次溫度設置需要一個小時的加熱時間，為了更好的提高教學效率，目前有多個廠家開發(fā)了不同類型回流焊爐仿真軟件，用于高等職業(yè)教育教學和企業(yè)內部培訓中，這些軟件比設備廠家提供的真實控制軟件要簡單，但仍能真實反映實際設備的加熱特性，能完整訓練回流焊爐的加熱相關設定與操作。

2 仿真軟件現(xiàn)存問題

目前回流焊爐仿真軟件主要功能是模擬熱風回流焊控制界面，實現(xiàn)對日常操作模擬，能完成溫區(qū)溫度控制，調整傳送速度及軌道寬度。同時能根據(jù)溫度設定形成PCB板升溫曲線的模擬反饋。除了這些基本功能外，有些回流焊爐仿真軟件其他控制功能：模擬焊接生產(chǎn)全過程，控制端口的操作，模擬焊接生產(chǎn)過程中錫膏大致變化過程，熱風流動過程；在回流焊接部分加入常見對各個溫區(qū)的例行檢查和維護方式和講解，并且伴隨動畫進行說明。

除了基本仿真控制功能以外，根據(jù)爐溫模擬PCB板在回流焊爐內的升溫曲線是仿真軟件最常用的功能之一。培訓對象通過設置不同的溫區(qū)溫度，形成不同的溫度曲線，從而觀察學習不同溫區(qū)的設置對溫度曲線的影響。當培訓者熟悉溫區(qū)設置后，還可以根據(jù)不同品牌錫膏及PCB板的特性，設定目標溫度曲線，然后讓培訓者在仿真軟件上自行設置溫區(qū)溫度，傳送帶速度等參數(shù)，使得仿真溫度曲線逼近設定的目標溫度曲線。這些仿真功能與回流焊爐現(xiàn)場工作基本一致，較好的服務了人員培訓的各項要求。

現(xiàn)有的仿真軟件模擬較好的仿真生產(chǎn)中的多項參數(shù)，但沒有考率環(huán)境溫度的影響。生產(chǎn)現(xiàn)場室溫一般均設置在25攝氏度左右，所以現(xiàn)有仿真軟件多采用預設環(huán)境溫度方法。這一設置導致當培訓者設置初始溫區(qū)溫度不合理的時候，算法將會使得溫度曲線出現(xiàn)斜率異?；蚴秦摐囟瘸霈F(xiàn)，對于有經(jīng)驗的使用者會辨識這些異常，但對于初學者來說，容易產(chǎn)生錯誤認知。對于仿真教學軟件來說，如果能更準確仿真當環(huán)境溫度不同時溫度曲線的變化，將能讓培訓者更加深刻的認識現(xiàn)場設置環(huán)境溫度的重要性，也能正確認識環(huán)境溫度對溫度曲線帶來的影響。

3 在溫度曲線仿真中加入環(huán)境溫度的影響

由于回流焊爐爐膛近似可以看作密閉空間，影響PCB板溫度變化的主要因素有：爐腔體溫度、電路板初始溫度、熱風對流方式及參數(shù)、加熱體布置方式加熱體功率、由傳送帶速度等參數(shù)。在一般情況下，傳送帶通過單個溫區(qū)的時間并不長，一般在一分鐘以內，可近似將該時段爐膛空氣視為恒溫物體，設溫度為T。則PCB進入回流焊爐第一個溫區(qū)爐膛的過程，可看作是

初始溫度為X的物體進入環(huán)境溫度為T的空間，在固定時間內，升溫的過程。根據(jù)經(jīng)驗公式，可求得PCB離開該溫區(qū)時的溫度，并作為下一溫區(qū)加熱開始時初始溫度。在完成過程計算的同時，仿真軟件還可以根據(jù)經(jīng)驗公式在不同時間插值求溫度點，并依據(jù)這些溫度在繪圖程序中繪制仿真PCB升溫曲線。

由于電路板初始溫度與環(huán)境溫度一致，利用這種方法計算仿真升溫曲線，當初始環(huán)境溫度不同時，將形成不同的溫區(qū)曲線。為了平衡不同初始溫度的影響，培訓者將要設置不同的溫區(qū)溫度才能達到符合要求的PCB升溫曲線。通過這種方法改進仿真軟件，能較好訓練培訓者對于初始溫度的敏感性，也能正確認知環(huán)境溫度對生產(chǎn)質量的影響。

4 結論與展望

回流焊爐是一個復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，影響爐溫因素有很多，爐腔加熱也是較復雜的過程，即使加入了環(huán)境溫度設置，仍不能確保完全精確符合真實的爐溫加熱曲線。但在教學用仿真軟件當中加入環(huán)境溫度對爐溫曲線的影響，能反映這一環(huán)境要素在現(xiàn)實生產(chǎn)過程中體現(xiàn)。目前探討的環(huán)境因素影響的方法仍比較簡陋，未來可以結合具體機型的升溫模型進行更加精確仿真設置從而體現(xiàn)環(huán)境溫度這一要素。另外仿真軟件的加溫模型可以設計更多真實參量，比如不同PCB面積的影響或者為不同回流焊爐機型設置不同的加熱曲線，這需要進行進一步的探討與完善。

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