吴 杰

(武汉铁路职业技术学院,湖北 武汉430000)

1 SMT回流焊

随着电子行业的快速蓬勃发展,我国已成为电子生产制造大国。国际知名电子厂商均在国内设置代工商或者生产基地,同时本土电子成品生产企业也迅速成长。在消费电子、白色家电,信息电子等多个生产领域国内生产规模已经占据全球第一。这一迅速发展的市场产生了巨大的人力资源需求,培养合格的操作从业人员是现场的迫切需求之一。

在SMT生产设备中,回流焊炉是重要的生产设备之一。回流焊相当于是一个巨大的加热炉,设备的内部有一个大功率加热电路,热风系统将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板,让元件两侧的锡膏融化后与主板牢固焊接在一起。这种生产方式温度易于控制,焊接过程中还能避免氧化,制造成本也更容易控制。由于锡膏加热融合的过程复杂,需要设备精确地进行温度控制,所以回流焊炉往往通过设置多个温区来精确控制温度变化,使得焊接获得最好的焊接效果。

虽然回流焊炉的操作相对简单,但设备能耗大,准备周期长。以较低功率的典型9温区回流焊炉,峰值功率达到40k W以上,平均功率达到15－20k W以上。每一次从开机到升温完成需要1个小时乃至更长的时间,而完成降温需要2个小时以上。设备长时间高功率运行带来的成本高昂,同时操作准备及降温时间长,时间利用率低,完成一次实验操作就需要半天的时候,如果还需要调整,则用时远远超出了一般培训的时间限制。综上所述,利用真实设备进行教学培训,成本高昂,效率低下。在这种情况下,相关企业采用3D仿真软件在计算机上模拟真实回流焊炉设备和CAM软件界面进行人员培训,以解决该矛盾。

2 SMT设备的实际操作

回流焊炉是SMT制造中一项重要设备,是SMT工艺完成焊接重要步骤。作为回流焊炉的操作使用者日常主要操作有：装载生产档案,调整设备参数、进行设备维护等。其中装载生产档案和调整设备参数主要利用回流焊炉自带的CAM软件进行重要参数的设置：比如设置轨道宽度,调整轨道运行速度,设置加温温区的温度等。而进行设备维护则是在CAM软件支持下对设备进进行相关操作,比如：清理传送带、清洁加热炉膛、添加高温润滑油、更换加热电路。进行维护操作的时候需要对设备结构或电路布线较为熟悉,回流焊炉下部为供电电路,每一个温区的加热模块都有独立的继电器与控制闸刀。日常出现小的供电故障,需要维护人员及时手动排除,否则将会引发故障或损坏设备。除了维护以外,利用测温板对电路各个温区进行温度测量,绘制实际加温曲线也是生产重要日常性操作。

3 现有仿真存在的问题及改进

现有3D仿真软件产品利用计算机模拟技术和3D动画技术进行回流焊炉的相关动态仿真,取得了许多有益的成果。但存在两个问题。

其一,仿真软件仿真了回流焊炉CAM软件界面。使用者操作时与在HELLER、BTU及REHM等品牌的回流炉上操作一致。同时软件提供了温区设置和虚拟加温曲线仿真的功能,模拟了现场进行回流焊炉温度设置这一重要操作。但目前现有软件界面操作与温度仿真彼此独立,当改变轨道宽度和传送带速度等参数后,并不会导致虚拟加温曲线发展变化。这未能体现实际生产中当改变传送速度时,会影响加热时间,从而使得加温曲线发展较大变化这一特性。

其二,3D仿真软件的设计制作者,缺乏现场回流焊炉工作经验。所以进行3D结构仿真时,重点放在对设备内部结构展示,部件连接关系上。但对与实际操作重要的几处细节部分没有涉及。比如现有3D仿真软件普遍没有展示润滑油的加注操作及润滑油相关管路,没有展示炉膛结构和炉膛炉渣集中区域,没有展示加热电路线路布置和继电器开关分布。这样的细节缺陷导致使用者通过3D展示,能泛泛了解回流焊炉内部结构,找到主要部件内部位置,但对实际常用操作相关的内部结构知识一无所知,导致训练效率下降。

针对上述问题,3D仿真软件应主要在下列方向上加以改进。

第一,改进数学建模,在炉温曲线的数学运算模型中加入时间参数,从而与虚拟操作界面中的传送速度等参数挂钩,体现与真实设备相近的响应特性。在加温模型中加入时间t,该参数由传送速度与长度共同决定。而每一温区升温速度tr由电路板初始温度与温区内温的温差所决定。温差越大,升温速度越快。而经过每一温区后,电路板实际升温等于升温速度tr乘以时间t,初始温度加上升温等于电路板经过该温区后的温度。通过引入时间参数,当改变仿真软件运行速度后,加温曲线将产生更贴近于实际生产的变化。使用者也将合理控制仿真软件中的设备传送速度,保证加温曲线符合生产要求。

第二,构造3D绘图时添加炉膛细节和润滑油加入部分的细节和动画展示。炉膛开闭与高温润滑油加注是实际操作的训项目,由于实际设备限制训练次数有限,利用计算机模拟可以进一步提高模拟软件的培训效率。

第三,3D仿真应加入电路部分的模拟展示,将加热体、风扇等部件的主要线路及控制开关分布显示在现有回流焊炉3D仿真模型上,使得3D仿真软件可以用于电气检修相关的培训。利用计算机模拟软件将实际电路布线照片和原理图有效在一起。让培训者能在安全的模拟环境中尽快熟悉设备的电气连接关系,掌握设备电路原理。

4 结论与展望

回流焊炉是一个现代化的复杂设备,内部结构复杂。利用计算机模拟技术也仅仅能完成一部分的仿真内容。即使加入改进措施,仍不能完全精确符合真实的设备运行。目前探讨的不足因素改进的方法虽然能提高仿真性能,但仍比较简陋,未来需要进行进一步的探讨与完善。

[1]刘波.回流温度曲线的测试技术[J].经济技术协作信息,2008,(21).

[2]鲜飞.SMT设备的最新发展趋势[J].电子工业专用设备,2007,(09).

[3]闫明.SMT回流焊机3D智能软件系统[D].成都：西南交通大学,2012,(3).

[4]李洪昌.回流焊炉的温度曲线[J].赤峰学院学报：自然科学版.2008,(11).

[5]李娜,余心宏.无铅焊料＋温区回流焊过程的仿真研究[J].电子工艺技术,2012,(01).