朱琳

摘 要：探討了一種在現(xiàn)有的回流焊爐教學(xué)仿真軟件加熱模塊中改進(jìn)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(nèi)PCB升溫曲線的設(shè)置主要通過仿真操作界面設(shè)置，模擬真實(shí)設(shè)備的加熱設(shè)置過程，最后形成仿真曲線，當(dāng)溫度設(shè)置一定時(shí)，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(guān)鍵詞：仿真；回流焊爐；溫區(qū)設(shè)置；室溫設(shè)置；升溫曲線

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.31.096

1 回流焊爐及教學(xué)仿真軟件

回流焊爐是電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域SMT生產(chǎn)線設(shè)備中的重要一環(huán)?；诒砻姘惭b的SMT電路板在回流焊爐中完成焊接步驟。回流焊爐本質(zhì)上是一個(gè)加熱設(shè)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(fēng)加熱以及紅外熱風(fēng)混合加熱五類。目前主流回流焊爐多采用熱風(fēng)回流焊與紅外熱風(fēng)回流焊兩種加熱方式。

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

目前的回流焊爐為了更好的控制加熱，將回流爐內(nèi)分為多個(gè)溫度獨(dú)立的溫區(qū)，溫區(qū)越多，對加熱控制的能力就越強(qiáng)，而不同溫區(qū)設(shè)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(dāng)中，決定回流焊爐生產(chǎn)質(zhì)量的重要因素之一就是回流焊爐內(nèi)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(shè)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(yù)測實(shí)際加熱溫度，所以使用計(jì)算機(jī)技術(shù)對回流焊焊接工藝進(jìn)行溫度曲線仿真的方法因其可以大大縮短工藝準(zhǔn)備時(shí)間，降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，提高焊接質(zhì)量，減小焊接缺陷，因此得到廣泛關(guān)注。使用它可以替代傳統(tǒng)的在線參數(shù)的設(shè)置過程，甚至可以用來在生產(chǎn)前確保PCB設(shè)計(jì)與回流焊工藝的兼容性，進(jìn)行可制造性設(shè)計(jì)（DFM）分析。

除了應(yīng)用于生產(chǎn)過程中以外，為了進(jìn)行設(shè)備操作教學(xué)。回流焊爐仿真還廣泛應(yīng)用于職業(yè)教育和企業(yè)培訓(xùn)當(dāng)中。在教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中直接使用真實(shí)的回流焊設(shè)備并不經(jīng)濟(jì)實(shí)用，從設(shè)備升溫到測量一次溫度設(shè)置需要一個(gè)小時(shí)的加熱時(shí)間，為了更好的提高教學(xué)效率，目前有多個(gè)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(xué)和企業(yè)內(nèi)部培訓(xùn)中，這些軟件比設(shè)備廠家提供的真實(shí)控制軟件要簡單，但仍能真實(shí)反映實(shí)際設(shè)備的加熱特性，能完整訓(xùn)練回流焊爐的加熱相關(guān)設(shè)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(fēng)回流焊控制界面，實(shí)現(xiàn)對日常操作模擬，能完成溫區(qū)溫度控制，調(diào)整傳送速度及軌道寬度。同時(shí)能根據(jù)溫度設(shè)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(fēng)流動(dòng)過程；在回流焊接部分加入常見對各個(gè)溫區(qū)的例行檢查和維護(hù)方式和講解，并且伴隨動(dòng)畫進(jìn)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(nèi)的升溫曲線是仿真軟件最常用的功能之一。培訓(xùn)對象通過設(shè)置不同的溫區(qū)溫度，形成不同的溫度曲線，從而觀察學(xué)習(xí)不同溫區(qū)的設(shè)置對溫度曲線的影響。當(dāng)培訓(xùn)者熟悉溫區(qū)設(shè)置后，還可以根據(jù)不同品牌錫膏及PCB板的特性，設(shè)定目標(biāo)溫度曲線，然后讓培訓(xùn)者在仿真軟件上自行設(shè)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(shè)定的目標(biāo)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(wù)了人員培訓(xùn)的各項(xiàng)要求。

現(xiàn)有的仿真軟件模擬較好的仿真生產(chǎn)中的多項(xiàng)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(shè)置在25攝氏度左右，所以現(xiàn)有仿真軟件多采用預(yù)設(shè)環(huán)境溫度方法。這一設(shè)置導(dǎo)致當(dāng)培訓(xùn)者設(shè)置初始溫區(qū)溫度不合理的時(shí)候，算法將會(huì)使得溫度曲線出現(xiàn)斜率異常或是負(fù)溫度出現(xiàn)，對于有經(jīng)驗(yàn)的使用者會(huì)辨識(shí)這些異常，但對于初學(xué)者來說，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)知。對于仿真教學(xué)軟件來說，如果能更準(zhǔn)確仿真當(dāng)環(huán)境溫度不同時(shí)溫度曲線的變化，將能讓培訓(xùn)者更加深刻的認(rèn)識(shí)現(xiàn)場設(shè)置環(huán)境溫度的重要性，也能正確認(rèn)識(shí)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(fēng)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(gè)溫區(qū)的時(shí)間并不長，一般在一分鐘以內(nèi)，可近似將該時(shí)段爐膛空氣視為恒溫物體，設(shè)溫度為T。則PCB進(jìn)入回流焊爐第一個(gè)溫區(qū)爐膛的過程，可看作是

初始溫度為X的物體進(jìn)入環(huán)境溫度為T的空間，在固定時(shí)間內(nèi)，升溫的過程。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可求得PCB離開該溫區(qū)時(shí)的溫度，并作為下一溫區(qū)加熱開始時(shí)初始溫度。在完成過程計(jì)算的同時(shí)，仿真軟件還可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式在不同時(shí)間插值求溫度點(diǎn)，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(jì)算仿真升溫曲線，當(dāng)初始環(huán)境溫度不同時(shí)，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(xùn)者將要設(shè)置不同的溫區(qū)溫度才能達(dá)到符合要求的PCB升溫曲線。通過這種方法改進(jìn)仿真軟件，能較好訓(xùn)練培訓(xùn)者對于初始溫度的敏感性，也能正確認(rèn)知環(huán)境溫度對生產(chǎn)質(zhì)量的影響。

4 結(jié)論與展望

回流焊爐是一個(gè)復(fù)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(fù)雜的過程，即使加入了環(huán)境溫度設(shè)置，仍不能確保完全精確符合真實(shí)的爐溫加熱曲線。但在教學(xué)用仿真軟件當(dāng)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(shí)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(jié)合具體機(jī)型的升溫模型進(jìn)行更加精確仿真設(shè)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(shè)計(jì)更多真實(shí)參量，比如不同PCB面積的影響或者為不同回流焊爐機(jī)型設(shè)置不同的加熱曲線，這需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討與完善。

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