回流焊炉教学仿真软件加温曲线设计探讨

摘 要：探讨了一种在现有的回流焊炉教学仿真软件加热模块中改进的方法。通过加入环境温度参量，并影响加热区仿真，使得仿真软件中的炉温曲线更加贴近于生产现场。在仿真环境中加入温度参数的影响，能帮助仿真使用者理解保持生产环境稳定的重要性。现行仿真软件通过对回流焊炉内PCB升温曲线的设置主要通过仿真操作界面设置，模拟真实设备的加热设置过程，最后形成仿真曲线，当温度设置一定时，炉温曲线基本不变。而引入环境温度后将可以改变PCB入炉的初始温度，形成不同的升温曲线，将更好的仿真回流焊炉加热过程。

关键词：仿真；回流焊炉；温区设置；室温设置；升温曲线

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2016.31.096

1 回流焊炉及教学仿真软件

回流焊炉是电子产品制造领域SMT生产线设备中的重要一环。基于表面安装的SMT电路板在回流焊炉中完成焊接步骤。回流焊炉本质上是一个加热设备，按照加热方式可分为整体和局部加热。大多数工业生产用回流焊炉通常是整体加热方式，按照加热模式不同可分为热板式加热、红外线（IR）加热、气相加热、热风加热以及红外热风混合加热五类。目前主流回流焊炉多采用热风回流焊与红外热风回流焊两种加热方式。

热风回流焊主要利用加热器与风扇，是炉内温度按照预先设定值升温，而其中的待焊件上的焊料在炉内受到炽热气体的加热融化，最终固化，从而实现焊接。其特点是：加热均匀、温度相对稳定。红外热风回流焊是将红外线加热和热风加热组合在一起的加热方式。通常按30%红外线，70%热风做热载体进行加热。红外热风回流焊炉将红外回流焊和强制对流热风回流焊进行了结合。它充分利用了红外线辐射穿透力强的特点，热效率高、节电，同时又有效地避免了红外回流焊的温差和遮蔽效应的影响。

目前的回流焊炉为了更好的控制加热，将回流炉内分为多个温度独立的温区，温区越多，对加热控制的能力就越强，而不同温区设置不同的温度后，通过温区的PCB板将形成一条加热温度曲线。在生产过程当中，决定回流焊炉生产质量的重要因素之一就是回流焊炉内PCB的加热升温曲线。PCB升温温度曲线及曲线形状取决于各温区的温度设定和传送带传送速率，是回流焊炉加热性能的直观体现。

传统方式无法预测实际加热温度，所以使用计算机技术对回流焊焊接工艺进行温度曲线仿真的方法因其可以大大缩短工艺准备时间，降低实验费用，提高焊接质量，减小焊接缺陷，因此得到广泛关注。使用它可以替代传统的在线参数的设置过程，甚至可以用来在生产前确保PCB设计与回流焊工艺的兼容性，进行可制造性设计（DFM）分析。

除了应用于生产过程中以外，为了进行设备操作教学。回流焊炉仿真还广泛应用于职业教育和企业培训当中。在教学环节当中直接使用真实的回流焊设备并不经济实用，从设备升温到测量一次温度设置需要一个小时的加热时间，为了更好的提高教学效率，目前有多个厂家开发了不同类型回流焊炉仿真软件，用于高等职业教育教学和企业内部培训中，这些软件比设备厂家提供的真实控制软件要简单，但仍能真实反映实际设备的加热特性，能完整训练回流焊炉的加热相关设定与操作。

2 仿真件现存问题

目前回流焊炉仿真软件主要功能是模拟热风回流焊控制界面，实现对日常操作模拟，能完成温区温度控制，调整传送速度及轨道宽度。同时能根据温度设定形成PCB板升温曲线的模拟反馈。除了这些基本功能外，有些回流焊炉仿真软件其他控制功能：模拟焊接生产全过程，控制端口的操作，模拟焊接生产过程中锡膏大致变化过程，热风流动过程；在回流焊接部分加入常见对各个温区的例行检查和维护方式和讲解，并且伴随动画进行说明。

除了基本仿真控制功能以外，根据炉温模拟PCB板在回流焊炉内的升温曲线是仿真软件最常用的功能之一。培训对象通过设置不同的温区温度，形成不同的温度曲线，从而观察学习不同温区的设置对温度曲线的影响。当培训者熟悉温区设置后，还可以根据不同品牌锡膏及PCB板的特性，设定目标温度曲线，然后让培训者在仿真软件上自行设置温区温度，传送带速度等参数，使得仿真温度曲线逼近设定的目标温度曲线。这些仿真功能与回流焊炉现场工作基本一致，较好的服务了人员培训的各项要求。

现有的仿真软件模拟较好的仿真生产中的多项参数，但没有考率环境温度的影响。生产现场室温一般均设置在25摄氏度左右，所以现有仿真软件多采用预设环境温度方法。这一设置导致当培训者设置初始温区温度不合理的时候，算法将会使得温度曲线出现斜率异常或是负温度出现，对于有经验的使用者会辨识这些异常，但对于初学者来说，容易产生错误认知。对于仿真教学软件来说，如果能更准确仿真当环境温度不同时温度曲线的变化，将能让培训者更加深刻的认识现场设置环境温度的重要性，也能正确认识环境温度对温度曲线带来的影响。

3 在温度曲线仿真中加入环境温度的影响

由于回流焊炉炉膛近似可以看作密闭空间，影响PCB板温度变化的主要因素有：炉腔体温度、电路板初始温度、热风对流方式及参数、加热体布置方式加热体功率、由传送带速度等参数。在一般情况下，传送带通过单个温区的时间并不长，一般在一分钟以内，可近似将该时段炉膛空气视为恒温物体，设温度为T。则PCB进入回流焊炉第一个温区炉膛的过程，可看作是

初始温度为X的物体进入环境温度为T的空间，在固定时间内，升温的过程。根据经验公式，可求得PCB离开该温区时的温度，并作为下一温区加热开始时初始温度。在完成过程计算的同时，仿真软件还可以根据经验公式在不同时间插值求温度点，并依据这些温度在绘图程序中绘制仿真PCB升温曲线。

由于电路板初始温度与环境温度一致，利用这种方法计算仿真升温曲线，当初始环境温度不同时，将形成不同的温区曲线。为了平衡不同初始温度的影响，培训者将要设置不同的温区温度才能达到符合要求的PCB升温曲线。通过这种方法改进仿真软件，能较好训练培训者对于初始温度的敏感性，也能正确认知环境温度对生产质量的影响。

4 结论与展望

回流焊炉是一个复杂的生产系统，影响炉温因素有很多，炉腔加热也是较复杂的过程，即使加入了环境温度设置，仍不能确保完全精确符合真实的炉温加热曲线。但在教学用仿真软件当中加入环境温度对炉温曲线的影响，能反映这一环境要素在现实生产过程中体现。目前探讨的环境因素影响的方法仍比较简陋，未来可以结合具体机型的升温模型进行更加精确仿真设置从而体现环境温度这一要素。另外仿真软件的加温模型可以设计更多真实参量，比如不同PCB面积的影响或者为不同回流焊炉机型设置不同的加热曲线，这需要进行进一步的探讨与完善。

参考文献

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