張聞華

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

1 工作原理

ZHS－50焊接設備采用(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，達到工作真空度后，對釬接件進行加熱，被處理工件置于加熱室內的支撐架上，該設備加熱元件鎳鉻，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，經自動控溫系統(tǒng)控溫，使溫度達到設定值，在加熱室內形成一個均勻的溫度環(huán)境。根據用戶焊接工藝要求，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。

2 性能指標

真空焊接設備主要應用于鈹青銅、金錫合金等非鐵金屬構件、微組裝芯片的低溫封裝焊接，形成批量熱處理，保證產品的焊接均勻性，滿足邊焊接邊封裝流水工藝的需求，實現生產的高效化。主要性能指標如下:

(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分壓調節(jié)，采用手動和自動兩種方式。

3 電氣控制及檢測系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由各種低壓元器件、調壓器、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

3.1 電氣控制系統(tǒng)

本設備采用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，泵的啟動、停止及加熱的開啟。當設備有水壓、超壓、超溫、加熱過流、電源缺相等異?，F象時，系統(tǒng)具有安全保護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、聲光報警系統(tǒng)。

(1)不到設定真空度，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)冷卻水壓低于設定值時或流量小于一定值，及時切斷爐內加熱器的電源，并發(fā)出聲光報警。

(3)當超溫時——爐溫超過設定值或控溫偶發(fā)生斷偶現象時，切斷爐內加熱器的電源，并發(fā)出聲光報警。

(4)停電保護——真空閥氣路閥將自動關閉。爐子仍處在真空或氣氛保護下。當再次來電后，熱處理過程將以手動方式繼續(xù)進行。

(5)缺相、過流保護——控制系統(tǒng)在各回路上均配有空開或保險，(加熱系統(tǒng)出現缺相或過流可自動關閉加熱并發(fā)出聲光報警)可對設備進行保護。

4 電器控制板及儀表配置

(1)采用低壓電氣元件包括斷路器、接觸器、接近開關、中間繼電器、按鈕、報警器和指示燈等。

(2)溫控儀表:采用日本導電FP23溫度控制器，儀表精度等級0.1級，控溫精度±1℃，帶有數字顯示和PID控制。可進行曲線控溫設置和手動/自動PID調節(jié)功能，可根據用戶需求設定各種工藝參數(加熱溫度值，保溫時間等)?？梢詫崿F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3區(qū)溫度同步控制，自動選擇最合理的控制參數，保證加熱室內溫度均勻性。

(3)記錄儀:采用浙大中控有紙記錄儀4 500(4通道)，可連續(xù)記錄加熱室內溫度曲線和真空度曲線;并可查閱設備運行數據，方便分析釬焊工藝，并配置CF存儲卡，可將數據生成報表打印輸出。

(4)數顯真空計:采用成都睿寶ZDF－5227A型數顯復合式真空計;在真空計上可設置4組真空數值，當真空度到達，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)調壓器:調壓器選用晶閘管調壓器，由溫控表發(fā)出4～20 MA控制信號，調節(jié)加熱功率，使加熱達到最適合的加熱功率配比，從而保證爐溫均勻性。調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。調壓器內置過流、缺相保護電路，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，把工藝流程圖做進觸摸屏中，設計了七個界面—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，生產流程化操作模式，人性化界面設計，直觀簡潔，操作方便。

5 控制特點

5.1 低溫控制

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，易產生波動，不斷調節(jié)偶的位置保證了設備恒溫區(qū)均勻性。設備溫控系統(tǒng)采用以加熱調壓器為核心，低電壓、大電流方式供電，調壓器與溫控儀配合，實現溫度的連續(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)采集的現場環(huán)境的溫度信號通過溫控表的PID調節(jié)，輸出調節(jié)信號，驅動功率調節(jié)器，功率調節(jié)器發(fā)出變壓器的調節(jié)信號調節(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)由兩塊日本導電溫控儀、三只K偶、一臺三回路調壓器組成。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，分別控制對應通道功率控制器導通角的大小，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。

5.2 真空定值

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真空度進行調節(jié)和控制，防止因爐內真空度高而造成某些合金元素的揮發(fā))。

真空定值流程:進入觸摸屏加熱界面，打開分壓閥，調節(jié)針閥，觀察環(huán)行刻度值和ZDF5227AX復合真空計值，旋轉針閥不同的刻度對應不同的真空值，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

6 工藝自動化

該設備的工藝流程有:抽真空—加熱—冷卻。依生產工藝需要，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。

設備在設計中考慮兩種冷卻方式，抽真空、加熱為公共程序，通過程序調用來實現兩種冷卻方式的工藝自動。選擇自然冷卻方式工藝自動，設備將實現“抽真空—加熱—曲線結束—降溫點—機組關閉”自動過程。選擇強冷方式工藝自動，設備將實現“抽真空—加熱—曲線結束—充氮氣—啟強 冷風機—降溫點—機組關閉”自動過程?？刂屏鞒倘鐖D4。

圖4 控制流程圖

7 結束語

ZHS－50真空焊接設備的開發(fā)，突破了低溫控制、觸摸集成、工藝自動、真空定值等難關，保證了設備性能技術指標和安全可靠運行，滿足了客戶的需求。設備性能穩(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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