釬焊中的感應(yīng)加熱溫度控制技術(shù)

一、引言

    在感應(yīng)釬焊中，溫度控制是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，感應(yīng)釬焊的工作原理是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交變磁場在工件中感應(yīng)電流從而產(chǎn)生熱能，由于在加熱過程中，線圈電流、工件內(nèi)地渦流、磁場、工件溫度及其分布、工件阻抗特等多個(gè)物理參數(shù)都是變化的，且相互影響，再加上測(cè)量環(huán)節(jié)及電源功率調(diào)節(jié)等因素帶來的影響，使得感應(yīng)加熱的溫控系統(tǒng)具有滯后性、時(shí)變性及非線性等特征。對(duì)于鋁合金的硬釬焊，經(jīng)常會(huì)遇到釬焊料及助焊劑等工作溫度非常接近母的情況，對(duì)溫度控制提出了更高的要求。跟其它加熱方式相比較而言，感應(yīng)加熱溫控系統(tǒng)受影響因素較多，因而也為其應(yīng)用提供了更多的可變因素，控制方法及手段更多樣化，其中不但包括溫度變化曲線的控制、加熱溫度精確度的控制，也包括溫度在工件上的分布的控制。

二、溫度變化的控制

    1.升溫的控制

    由于感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)，局部加熱功率密度可以很高，比功率密度的提高也就意味著升溫速度的提高快速局部加熱是感應(yīng)加熱的優(yōu)點(diǎn)之一。充分利用這一特點(diǎn)，對(duì)釬焊區(qū)域進(jìn)行快速加熱，可以有效地提高釬焊效率及能源利用率。對(duì)于鋁合金釬焊來說，一般是其他因素限制了升溫速度，如:

    1.1.過快的升溫速度會(huì)在工件造成較大的溫差從而引起工件變形，

    1.2 對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件局部升溫過快引起的超溫，

    1.3 由于感應(yīng)加熱時(shí)工件及感應(yīng)器內(nèi)的電流都非常大，因此彼此間的電磁力會(huì)是一個(gè)需要考慮到因素，有時(shí)佳田過大的功家會(huì)已勁計(jì)大的由磁十(A元平中磁一家甘么可以2豐

    1.4 工藝上的要求，如母材、釬料或釬劑對(duì)升溫速度有要求

    2.保溫的控制

    對(duì)于感應(yīng)加熱電源來說，保溫相對(duì)比較容易，在保溫過程中，由于溫度在工件上的分布一般是要繼續(xù)變化的，工件的散熱也是發(fā)生相應(yīng)的變化，所以如果需要非常精確度溫度穩(wěn)定性，也需要采用閉環(huán)溫度控制。

    3.降溫的控制

    由于電源功率可調(diào)，所以可以準(zhǔn)確地控制工件隆溫速度，但是當(dāng)冷卻速度要求高于自然冷卻速度時(shí)，只能采穌抓取外部強(qiáng)制冷卻，如空氣冷卻甚至水冷等。

三、溫度精度的控制

    現(xiàn)代感應(yīng)釬焊系統(tǒng)通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)溫控，其核心組件和原理如下圖所示:

    1.測(cè)溫方法紅外測(cè)溫由于可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，在很多感應(yīng)場合得到應(yīng)用但是由于其工作原理是通過測(cè)量物體紅外發(fā)射功率來測(cè)量溫度，所以對(duì)于鋁合金加熱的溫度測(cè)量比較困難，一是因?yàn)楣饬恋匿X合金表面由于發(fā)射率過低二是鋁合金在加熱過程中極易氧化，從而導(dǎo)致其發(fā)射率在加熱中發(fā)生變化。但是如果加熱過程中工件表面狀況一致性及重復(fù)性很強(qiáng)時(shí)，測(cè)溫只是用于加熱重復(fù)性控制時(shí)也可以考慮使用。比較常見的是采用熱電偶測(cè)溫，價(jià)格低廉測(cè)溫可靠，缺點(diǎn)是必須跟測(cè)溫物體良好接觸，相比而言，用熱電偶要精確的多，但這種接觸式測(cè)量手段也受到一定的限制，如果采用表面接觸式測(cè)量，測(cè)量精度受熱電偶與工件間的接觸是否良好的影響，在工件上增加一個(gè)測(cè)量孔，從測(cè)量角度看是最理想的，測(cè)量精度很高，但是有時(shí)由于工件本身的一些限制而無法實(shí)現(xiàn)如需要測(cè)量點(diǎn)不允許打孔或工件本身就不允許打孔。對(duì)于形狀比較復(fù)雜的工件，檢測(cè)點(diǎn)的選擇也比較重要，一般要選擇靠近加熱區(qū)，能夠靈敏及時(shí)反映溫度變化的點(diǎn)，同時(shí)也能夠反映釬焊區(qū)溫度曲線特征的區(qū)域。2 溫度控制方法

    2.1 手動(dòng)控制

就是采用手動(dòng)調(diào)節(jié)功率的方式來控制加熱功率，這種方法對(duì)操作者的要求很高，有一定的風(fēng)險(xiǎn)。有經(jīng)驗(yàn)的操作者可以根據(jù)母材的顏色、釬料及釬劑的熔融狀態(tài)判別工件的溫度。如果有溫度測(cè)量裝置，則操作要容易得

名，

    2.2 程序控制采用程序控制方式，HDWS-SZ系列電源本身帶有程序控制功能，可以編輯功率或電流曲線用于加熱自動(dòng)控制，批量生產(chǎn)時(shí)，如果有定位精確的工裝設(shè)備，采用程序控制的重復(fù)精度很高。實(shí)際操作中存在如何確定程序參數(shù)的問題，一般采用一個(gè)調(diào)試件利用測(cè)溫裝置直接調(diào)試出程序。其缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)中有參數(shù)(比如環(huán)境溫度工件尺寸及位置等)發(fā)生變化時(shí)，輸出功率不能做相應(yīng)的變化以保證相同的溫度曲線。

    2.3.PID調(diào)節(jié)控制是溫度閉環(huán)控制方式中最為常用的控制調(diào)節(jié)單元，就是以溫度反饋為輸入，根據(jù)相應(yīng)的比例、積分及微分參數(shù)，對(duì)控制輸出進(jìn)行調(diào)整，使工件溫度能夠跟隨設(shè)定溫度。其缺點(diǎn)是PID參數(shù)的優(yōu)化比較麻煩，且當(dāng)外部條午友生發(fā)化時(shí)，最優(yōu)參效也會(huì)隨有發(fā)化。因而仕感心加熱條統(tǒng)使用時(shí)很谷易適成超調(diào)及振湯。為了避免任開溫及保溫段容易出現(xiàn)的超調(diào)現(xiàn)象，一般將該段改為多段控制。

    2.4 其他新型的控制模式針對(duì)感應(yīng)加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，近年來模糊控制及Fuzzy+PID混合控制方式開始逐漸應(yīng)用于感應(yīng)加熱 為解決升溫拐點(diǎn)處容易超調(diào)及振蕩提供了新的解決方法。

    3.感應(yīng)器設(shè)計(jì)是控制溫度分布的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)感應(yīng)器時(shí)，需要考慮高頻電流的集膚效應(yīng)、尖角效應(yīng)、臨近效應(yīng)等 尤其要注意下面的幾個(gè)關(guān)鍵問題

    3.1 釬料區(qū)的溫度控制在加熱中，焊料區(qū)的溫度控制尤為重要，在設(shè)計(jì)感應(yīng)器時(shí) 需要注意盡量避免工件中的環(huán)路電流流經(jīng)釬料因?yàn)殁F料區(qū)有電流通過會(huì)有幾個(gè)危害:首先容易引起釬劑的超溫、由于電磁力的原因會(huì)影響其自由浸潤擴(kuò)散，有時(shí)甚至?xí)弧皰伋觥扁F焊區(qū)、釬料區(qū)也是要釬焊工件的各部件的接觸區(qū)域，在釬劑熔化之前，電流同樣會(huì)經(jīng)過接觸區(qū)域，而這里的接觸電阻一般是很不穩(wěn)定的，因而其電流分布及溫度分布有可能會(huì)是不確定的，當(dāng)釬料熔化時(shí)，電流分布及熱量傳輸會(huì)有非常大的變化，也就是說釬焊區(qū)域的溫度變化也會(huì)很大。

    3.2 零部件間的能量分配當(dāng)被連接的部件缽尺寸及大小相差懸殊時(shí)，設(shè)計(jì)感應(yīng)器要注意其能量分配，大的部件要吸收多一些功率 小的部件吸收少一些功率，甚至有些極小的部件完全不需加熱而靠熱量傳導(dǎo)完成加熱。以加強(qiáng)對(duì)該部分的加熱。工件管體部分由于體積小，所以采用了不帶導(dǎo)磁體且距離工件較遠(yuǎn)，以維持管體部分的適當(dāng)功率。由于感應(yīng)器工作時(shí)磁場分布及工件溫度場都是時(shí)變場，所以其分析較為復(fù)雜，一般是根據(jù)其基本原理及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，近年來多物理場的有限元分析也開始用于感應(yīng)器的分析設(shè)計(jì)。

    3.3 輔助冷卻加熱個(gè)別特殊工件的條件下，可能存在有通過其他途徑無法消除局部溫度偏高的問題，在這種情況下可以考慮局部冷卻。常用的冷卻手段有，壓縮空氣冷卻、帶水的比如在維修中，我們經(jīng)常會(huì)遇到修補(bǔ)其中一個(gè)釬焊區(qū)臨近區(qū)域的釬焊受到影響，這種條件下，需要對(duì)臨近已釬區(qū)域進(jìn)行輔助冷卻。感應(yīng)釬焊是一種非接觸式的控制非常靈活的感應(yīng)加熱方式，因而更是非常便于同其他加熱方式混合使用，對(duì)于個(gè)別溫度分布要求比較特殊的工件，完全可以使用其他輔助加熱手段，比如零部件上有一個(gè)非常小的凹坑時(shí)，火焰加熱作為補(bǔ)充就很方便，而大型復(fù)雜板料件，跟爐體一起混合使用就會(huì)達(dá)到非常好的加熱效果。

    4.導(dǎo)磁體的應(yīng)用及屏蔽措施

    在感應(yīng)加熱中的應(yīng)用非常廣泛，其作用就在于能夠聚集磁場，用于加強(qiáng)某個(gè)部位的加熱，或是減弱相反方向上的加熱。

    在某些工件的加熱中，如果工件局部想避免加熱但又無法避開加熱線圈電磁場時(shí)也可以考慮采用屏蔽措施，屏蔽的原涻理彫醯吳是利用另一個(gè)閉和的導(dǎo)電回路，高頻磁場在該回路感應(yīng)的電流反過來對(duì)該磁場有抵消作用。

四、結(jié)語

感應(yīng)釬焊從本質(zhì)鑲擗上說是一種可控的加熱手段，簡單可靠易用的背后是較為復(fù)雜的電磁場理論及控制理論但當(dāng)這一工具一旦為眾多的應(yīng)用客戶掌握，感應(yīng)加熱必將成為釬的有力工具。