设定曲线（共3篇）
设定曲线 篇1
1 前言
电子工业常被称为是成熟的工业, 而PCB的回流焊接工艺被认为是一种非常成熟的技术, 但是新的挑战也不断出现。例如:现有的元件尺寸从01005到50mm X50mm的都有, 且分布在组装密度非常高的双面PCB上。所选器件的布局、元件尺寸、封装形式和热容以及不同的热敏感元件的最大允许温度和不同配方的焊料和焊剂等问题。没有考虑上述问题的回流焊温度曲线会产生不可接受的焊点、失效的元件和整体更低的可靠性。所以对回流焊温度曲线设置和优化进行探讨是非常有必要的。
以最常用的无铅锡膏Sn96.5Ag3.0Cu0.5锡银铜合金为例, 介绍理想的回流焊温度曲线设定优化方案和分析其原理。
图1所示为典型的SAC305合金无铅锡膏回流焊温度曲线图。构成曲线的每一个点代表了对应PCB上测温点在过炉时相应时间测得的温度, 把这些点连接起来, 就得到了连续变化的曲线。也可以看做PCB上测试点的温度在炉子内随着时间变化的过程。
通常把这个曲线分成4个区域, 就得到了PCB在通过回流焊时某一个区域所经历的时间。在这里斜率的概念是表示PCB受热后升温的速率, 它是温度曲线中重要的工艺参数。图中A、B、C、D四个区段, 分别为定义为A:升温区, B:预热恒温区 (保温区或活化区) , C:回流焊接区 (焊接区或Reflow区) , D:冷却区。
2 升温区A
PCB进入回流焊链条或网带, 从室温开始受热到150℃的区域叫做升温区。升温区的时间设置在60-90秒, 斜率控制在1-3之间。
此区域内PCB板上的元器件温度相对较快的线性上升, 锡膏中的低沸点溶剂开始部分挥发。若斜率太大, 升温速率过快, 锡膏势必由于低沸点溶剂的快速挥发或者水气迅速沸腾而发生飞溅, 从而在炉后发生“锡珠”缺陷。过大的斜率也会由于热应力的原因造成例如陶瓷电容微裂、PCB板变形曲翘、BGA内部损坏等机械损伤。升温过快的另一个不良后果是锡膏无法承受较大的热冲击而发生坍塌, 这是造成“短路”的原因之一。通常将该区域的斜率实际控制在1.5-2.5之间能得到满意的效果。
3 预热恒温区B
此区域为保温区、活化区, 该区域PCB表面温度由150℃平缓上升至200℃, 时间窗口在60-120秒之间。PCB板上各个部分缓缓受到热风加热, 温度随时间缓慢上升。斜率在0.3-0.8之间。
此时锡膏中的有机溶剂继续挥发。活性物质被温度激活开始发挥作用, 清除焊盘表面、零件脚和锡粉合金粉末中的氧化物。恒温区被设计成平缓升温的目的是为了兼顾PCB上贴装的大小不一的元器件能均匀升温。让不同尺寸和材料的元器件之间的温度差逐渐减小, 在锡膏熔融之前达到最小的温差, 为在下一个温度分区内熔融焊接做好准备。这是防止“立碑”缺陷的重要方法。合金锡膏配方里活性剂的活化温度大都在150-200℃之间, 这也是本温度曲线在这个温度区间内预热的原因之一。
需要注意的是:1、预热时间过短。活性剂与氧化物反应时间不够, 被焊物表面的氧化物未能有效清除。锡膏中的水气未能完全缓慢蒸发、低沸点溶剂挥发量不足, 这将导致焊接时溶剂猛烈沸腾而发生飞溅产生“锡珠”。润湿不足, 可能会产生浸润不足的“少锡”“虚焊”、“空焊”、“漏铜”的不良。2、预热时间过长。活性剂消耗过度, 在下一个温度区域焊接区熔融时没有足够的活性剂即时清除与隔离高温产生的氧化物和助焊剂高温碳化的残留物。这种情况在炉后的也会表现出“虚焊”、“残留物发黑”、“焊点灰暗”等不良现象。
4 回流焊接区C
回流区又叫焊接区或Refelow区。SAC305合金的熔点在217℃-218℃之间, 所以本区域为>217℃的时间, 峰值温度<245℃, 时间30-70秒。形成优质焊点的温度一般在焊料熔点之上15-30℃左右, 所以回流区最低峰值温度应该设置在230℃以上。考虑到Sn96.5Ag3.0Cu0.5无铅锡膏的熔点已经在217℃以上, 为照顾到PCB和元器件不受高温损坏, 峰值温度最高应控制在250℃以下, 笔者所见大部分工厂实际峰值温度最高在245℃以下。
预热区后, PCB板上温度以相对较快的速率上升到锡粉合金液相线, 此时焊料开始熔融, 继续线性升温到峰值温度后保持一段时间后开始下降到固相线。
此时锡膏中的各种组分全面发挥作用:松香或树脂软化并在焊料周围形成一层保护膜与氧气隔绝。表面活性剂被激活用于降低焊料和被焊面之间的表面张力, 增强液态焊料的润湿力。活性剂继续与氧化物反应, 不断清除高温产生的氧化物与被碳化物并提供部分流动性, 直到反应完全结束。部分添加剂在高温下分解并挥发不留下残留物。高沸点溶剂随着时间不断挥发, 并在回焊结束时完全挥发。稳定剂均匀分布于金属中和焊点表面保护焊点不受氧化。焊料粉末从固态转换为液态, 并随着焊剂润湿扩展。少量不同的金属发生化学反应生产金属间化合物, 如典型的锡银铜合金会有Ag3Sn、Cu6Sn5生成。
回焊区是温度曲线中最核心的区段。峰值温度过低、时间过短, 液态焊料没有足够的时间流动润湿, 造成“冷焊”、“虚焊”、“浸润不良 (漏铜) ”、“焊点不光亮”和“残留物多”等缺陷;峰值温度过高或时间过长, 造成“PCB板变形”、“元器件热损坏”、“残留物发黑”等等缺陷。它需要在峰值温度、PCB板和元器件能承受的温度上限与时间、形成最佳焊接效果的熔融时间之间寻求平衡, 以期获得理想的焊点。
5 冷却区D
焊点温度从液相线开始向下降低的区段称为冷却区。通常SAC305合金锡膏的冷却区一般认为217℃-170℃之间的时间段。
由于液态焊料降温到液相线以下后就形成固态焊点, 形成焊点后的质量短期内肉眼无法判断, 所以很多工厂往往不是很重视冷却区的设定。然而焊点的冷却速率关乎焊点的长期可靠性, 不能不认真对待。冷却区的管控要点主要是冷却速率。经过很多焊锡实验室研究得出的结论:快速降温有利于得到稳定可靠的焊点。
通常人们的直觉认为应该缓慢降温, 以抵消各元器件和焊点的热冲击。然而, 回流焊锡膏钎焊慢速冷却会形成更多粗大的晶粒, 在焊点界面层和内部生较大Ag3Sn、Cu6Sn5等金属间化合物颗粒。降低焊点机械强度和热循环寿命, 并且有可能造成焊点灰暗光泽度低甚至无光泽。
快速的冷却能形成平滑均匀而薄的金属间化物, 形成细小富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小晶粒, 使焊点力学性能和可靠性得到明显的提升与改善。
生产应用中, 并不是冷却速率越大越好。要结合回流焊设备的冷却能力、板子、元器件和焊点能承受的热冲击来考量。应该在保证焊点质量时不损害板子和元器件之间寻求平衡。最小冷却速率应该在2.5℃以上, 最佳冷却速率在3℃以上。考虑到元器件和PCB能承受的热冲击, 最大冷却速率应该控制在6-10℃。
摘要：回流焊接技术是现代电子产品组装工艺中最常用的技术, 而回流焊温度曲线的设置是PCB组件回流焊接过程中最关键的技术。本文描述回流焊温度曲线设置和优化的一些方法和技术探讨。
关键词：PCB组装,无铅回流焊接,回流焊温度曲线,回流焊温度曲线测试仪,温度曲线分析软件
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弯管机自动速度的跟随与曲线设定 篇2
顶镦型小半径弯管机采用冷拉弯缠绕弯曲方式将管件弯曲成相对弯曲半径≥1的弯头。 广泛应用于锅炉、石化、车辆、制冷等工业领域。它采用了计算机+液压比例控制顶推油缸的技术,在常规拉弯时管材后部施加一个变化的顶推力, 使管材变形时的中心层外移,从而减少管材内壁处的拉应力和减薄率, 并减少管件弯曲后的椭圆度。 设备由软件部分将输入的弯管参数经计算后转化为电信号来驱动比例阀,实现压力及流量的控制,从而使顶推油缸产生的速度与主缸移动速度相匹配, 顶推缸的压力根据计算机设定的变压力曲线来改变, 速度与力则与功率相匹配,从而达到最佳弯曲状态。
1弯管方法
弯管方法采用冷拉弯加顶镦力方式。即“ 主轴扭矩M+顶镦力P”弯管方法。 弯曲时主轴带动主模体旋转,模体前部为夹紧装置,侧面为导板装置。 在管件的末端顶推油缸通过后夹紧块将顶镦力作用在管件轴线上,前部的管件缠绕在管模的圆槽中,将管件弯曲成需要的角度, 后部顶推油缸将跟随管件的回转线速度, 同时在管件弯曲过程中改变施加的顶推力,使管件的变形范围控制在最小范围。 如图1所示。
2电气系统的控制
2.1电气系统
电气系统采用触摸屏+可编程序控制器PLC控制,人机界面操作方便,菜单显示,故障提示,顶推速度、位置动态显示,多管号储存,多状态工作方式。采用全自动工作方式:由于小半径弯管特点为转矩大, 顶推力控制难度大,变化大,一般手动调整难以达到最佳点。而该机采用了全自动跟踪的方式,不需人工调节,操作者只要将弯管参数输入电脑,则管件弯曲所需速度、顶推力及顶推力曲线均自动算出。软件将参数转化为电信号,输出给比例流量及压力阀,使顶推缸始终跟随主弯管模的速度, 同时输出变化的顶推力,以满足实际弯管需求。 如图2所示。
2.2自动速度跟随与压力曲线设定的小半径弯管顶推系统
由于小半径弯管机增加了弯管顶推系统, 即在普通弯管工艺基础上在管件轴向施加一个力。 由于顶镦力的作用使管材在弯曲过程中应力中性层外移,使外侧拉应力减少,内侧应力增加。 内外侧径向压力合力减小, 这样就减小了椭圆度, 降低了减薄量,使小半径管件弯曲质量得以保证。所以小半径弯管机的关键就是顶推系统及其控制。
目前, 国际上一般采用压力型顶镦弯管机和流量型顶镦弯管机两种方法。
2.2.1压力型顶镦弯管
通过比例阀给顶镦缸施加连续变化的压力实现顶镦弯曲。 其顶镦力不能超过管材产生轴向塑性变形的压缩力。 即顶镦力的作用仅改变了弯管过程中弯头部分的应力状态,使弯头质量得以提高。
2.2.2流量型顶镦弯管
通过电液伺服阀控制顶镦缸的速度来实现顶镦弯管。 其顶镦力可明显大于管材产生的轴向塑性变形所需压力。顶镦力不仅用以改变弯头的应力状态, 还使管材局部产生轴向压缩变形。 由于它要同步控制跟随主弯管缸的速度, 因此必须使用高性能的伺服控制单元。
2.2.3压力型与流量型结合
公司生产的W27Y-90mm小半径弯管机的顶推系统采用了压力型与流量型相结合的控制模式。 既可控制压力,又可控制流量或压力、流量同时控制, 但压力与流量始终自动匹配。 它避免了压力型顶镦弯管的流量过大、 顶镦力不能过大及控制不准确的缺点, 又避免了流量型顶镦弯管的位置控制要求过高、施加顶镦力不能过小的缺陷,它实施的是既可模糊( 压力控制) 又可精确( 流量控制) 控制的方式。 可更加方便地针对不同规格、 材质的小半径管件进行调整。当顶推力设置达到或大于管件的屈服极限,在其速度控制时,就成了一个“ 流量型”顶推弯管方法; 反之,当顶镦力设置小一点,速度快一点时,它又成了“ 压力型顶推”的模式。
为提高弯管质量,顶镦力是可变的,特别是弯曲大于90°的管件,为防管件起皱,在管件后段要逐步撤消压力,以达到最佳弯曲效果。
2.3弯管机旋转力矩的计算
式中:MT———弯管机旋转力矩,kgf·mm;
MW———试件弯曲力矩,kgf·mm;
MYM———压料摩擦力矩,kgf·mm( 按表1计算) ;
MXM———芯轴摩擦力矩,kgf·mm( 按表2计算) 。
式中:K1———截面形状系数;
K2———材料相对强化系数;
W———管材截面系数;
δs———屈服极限;
RX———相对弯曲半径。
390机调试结果
根据输入的弯曲工艺参数( 管件内径、外径、材料、弯曲半径) ,由PLC自动计算弯曲扭矩,经多次调试,软件计算与实际要求相符,如表3所示。
侧推跟随的速度与管径的关系, 依据管径的不同,侧推速度自动变化,且成正比例关系,如图3所示。
经实际弯管实验,弯出的管子完全符合要求,甚至远远超出了国家标准。
490机与同类技术对比
德国斯瓦茨公司的小半径顶镦型弯管机为我国进口最多的小半径弯管机。 如表4所示为该公司WE80规格与我公司W27Y-90XR型比较 , 二者规格相同,但我司90XR明显功率大,更适合锅炉行业的厚空管弯曲;从控制上看,无芯全自动工作精度指标相同,但我司售价仅为德国机的1/3。
5结束语
设定曲线 篇3
方法。
1 启动过程
汽拖压缩机组的启动过程是:暖管→冲转→暖机→升速→运行[2]。
顾名思义,暖管就是对汽轮机的主蒸汽管道进行预热,这样做的目的是为了减小高压和高温蒸汽对管道产生的热应力和热变形,并避免汽轮机转子运转时出现的水冲击现象。
冲转即冲动转子,当暖管使得管道内温度达到要求时,即可对汽轮机进行冲转,此时打开汽轮机各疏水阀,通过调节汽阀开度控制冲动转子的速度。
对于第1次或冷态(机组没有完全热膨胀开的状态)启动的汽轮机,必须使汽轮机在一个确定的转速下运转相应的一段时间,这就是暖机,这样做的目的与暖管一致,是为了避免高压、高温蒸汽对汽轮机本体造成的热应力、热变形不均匀的现象,使汽轮机本体各部分能够充分热膨胀。一般暖机转速为500～1 000 r/min,暖机时间根据暖机转速的不同而各异,为25～45 min不等。这里必须强调的是暖机时间越长并不一定对汽轮机越好,这是因为长时间暖机形成的冷凝水,会对后级叶片造成冲击,其后果不堪设想。
汽轮机暖机合格后,则将严格按预先设计好的升速曲线进入升速阶段。在升速过程中,应注意检测冷凝器,保证其真空度在合理的范围之内。如果出现轴振动超标,应降至使轴振动符合要求的转速,保持20 min左右,然后再升速。当升速到80%·ne(额定转速)左右时,自动升速结束,此后人为调节汽阀使机组缓慢平稳地升至额定转速ne,进入运行状态。这里预先设计好的升速曲线是指考虑了影响机组启动、升速各种因素,经过机组现场试车验证,科学、合理的升速曲线。
2 升速过程机械特性
汽拖压缩机组升速过程中最明显的机械特性就是轴的振动,这是一切旋转机械的通性,因此保证升速过程中轴振动的平稳就成为汽拖压缩机组安全平稳升速的关键。
2.1 轴的共振
由于轴和轴上零件材质的不均匀、加工制造及安装误差等原因,使得轴系的质心不可能精确地位于轴的几何轴线上,总是存在着一个微小的偏心距,因此当轴旋转时,必然会产生离心力。对轴系来说,这个离心力是一个周期性的干扰力,在其作用下,轴系将发生强迫振动。当强迫振动的频率与轴系的自振频率重合或接近时,轴系将产生剧烈的振动,这种现象称为共振[3]。
2.2 临界转速
轴在共振时的转速称为轴的临界转速。一般来说,轴的临界转速有多个值,最低的一个称为一阶临界转速,记为nc1,其余由小到大依次称为二阶、三阶……,分别记为nc2,nc3,…,[3]。如果轴的转速停滞在临界转速附近,轴的变形将迅速增大,甚至造成轴及整个旋转机械发生严重的事故。
对于高速旋转机械,其额定运行转速大于一阶临界转速,我们称其轴为柔性的。对柔性轴的机组,必须保证在升速过程中尽可能快地越过临界转速nc,同时保证暖机转速和额定转速ne避开临界转速nc,这样就能减弱在临界转速时轴的共振对旋转机械的危害。
3 升速曲线的调整
下面就以西安陕鼓动力股份有限公司为某钢铁公司成套供货的汽拖AV90轴流压缩机的高炉鼓风机组升速为例进行说明。
3.1 汽轮机单体升速
该钢铁公司AV90轴流压缩机的一阶临界转速为1 000 r/min,二阶临界转速为2 600 r/min,汽轮机的一阶临界转速为2 050 r/min;机组额定工作转速为3 700 r/min;升速由Woodward505转速调节器自动实现;DCS在2 960～3 885 r/min即(80%～105%)·ne的范围内进行调节。
汽轮机供应商为汽轮机设定的原始升速曲线如图1所示,冷态启机可分为两个阶段:
第1阶段:汽轮机从0转速冲转至800 r/min,并在800 r/min暖机18 min;
第2阶段:汽轮机转速以2.97 r/s2的升速率从800 r/min升至2 960 r/min,最终在2 960 r/min暖机70 min后,自动升速结束。
观察汽轮机单体启动过程中轴振动的历史趋势,发现在汽轮机的一阶临界转速2 050 r/min附近,轴振动值从18 μm突然增加到50 μm(峰值),并保持了大概15 s左右,说明汽轮机在临界转速附近确实发生了共振[4],这对机组的启动十分不利。
3.2 汽轮机联机升速曲线的调整
经过对汽轮机单体升速结果的分析发现,汽轮机在其一阶临界转速2 050 r/min附近轴振动突然增加并保持了相当长的一段时间,若用图1所示的升速曲线来进行联机升速,必然导致机组在升速过程中产生强烈共振的现象,危害机组安全。因此我们对图1所示的升速曲线做了如下修改:
(1) 将低速暖机转速改为700 r/min,使其远离AV90的一阶临界转速为1 000 r/min;
(2) 使机组转速在800 r/min升至1 200 r/min的过程中,快速越过AV90的一阶临界转速1 000 r/min;
(3) 使机组在1 600 r/min升至2 750 r/min过程中,快速越过汽轮机一阶临界转速2 050 r/min和AV90的二阶临界转速2 600 r/min;
(4) 设定非快速越过区域的升速率为3 r/s2;
(5) 设定快速越过区域的升速率为20 r/s2;
(6) 将高速暖机转速改为2 900 r/min,使DCS在2 900～3 885 r/min即(78.38%～105%)·ne的范围内进行调节。
经过修改后,形成如图2所示的升速曲线,冷态启机可分为以下几个阶段。
第1阶段:汽轮机从0转速冲转至700 r/min,并在700 r/min暖机18 min;
第2阶段:汽轮机转速以3 r/s2的升速率从700 r/min升至800 r/min;
第3阶段:汽轮机转速以20 r/s2的升速率从800 r/min升至1 200 r/min;
第4阶段:汽轮机转速以3 r/s2的升速率从1 200 r/min升至1 600 r/min;
第5阶段:汽轮机转速以20 r/s2的升速率从1 600 r/min升至2 750 r/min;
第6阶段:汽轮机转速以3 r/s2的升速率从2 750 r/min升至2 900 r/min,最终在2 900 r/min暖机70 min后,自动升速结束。
汽轮机联机启动过程中轴振动的历史趋势如图3所示。
如图3所示,①为机组转速曲线,②为一组机组轴振动曲线,③为机组轴位移曲线,机组在冲转的一瞬间有一个轴振动的尖峰值达到40 μm,在AV90轴流压缩机的一阶临界转速1 000 r/min附近有一个轴振动的尖峰值达到25 μm,这两个尖峰值都是瞬时的变化,时间相当短暂,仅有3～5 s的时间,在其他转速状态下,机组的轴振动值非常平稳,基本保持在10 μm左右,并未在汽轮机的一阶临界转速2 050 r/min和AV90的二阶临界转速2 600 r/min附近产生轴振动尖峰的波动,相对汽轮机单机升速的结果有明显的改观,这恰好验证了上述对升速曲线的调整是必要和合理的。
4 升速曲线的设定
根据上述应用实例,作者认为汽拖压缩机组升速曲线设定时应该注意以下问题:
(1) 冷热态升速曲线设定。
一般升速曲线有冷态和热态之分,冷态较热态更加完整,它包含暖机的过程,因此通常只需设定冷态升速曲线即可。而对于热态曲线,只需将冷态时的暖机时间缩短为3～5 min即可,保证机组在暖机转速下有一个缓冲,以利于更好地升速。
(2) 设定合适的暖机转速。
设定时要避开并远离机组的临界转速[5],并注意暖机转速也不应太低,可根据汽轮机功率和转速综合考虑来选择暖机的转速,以保证暖机效果。
(3) 设定合适的暖机时间。
当在低转速下暖机时,蒸汽流量较小,此时要使汽轮机完全达到合适的温度,需要相当长的时间,但是长时间暖机形成的冷凝水会对后级叶片造成冲击,危害极大,因此为了保证机组安全和暖机效果,通常会在高转速下考虑二次暖机。设定合适的暖机时间,可以很好地解决汽轮机本体的热应力、热变形不均匀的问题。
(4) 设定快速越过区间。
一般为(±5%～±15%)·nc,同时至少要保证快速越过区间应该为[nc-100 r/min,nc+100 r/min]。如果有多个临界转速值比较接近时,可以设定一段包含多个临界转速的快速越过区间,在升速过程中就能一次越过多个临界转速,减少缓冲的次数。
(5) 设定合适的升速率。
非快速越过区域的升速率一般为2～5 r/s2;快速越过区域的升速率一般是非快速越过区域升速率的5～20倍,一般为15～50 r/s2。应该注意的是:工厂供汽能力也是限制升速率大小所不容忽视的因素之一。
(6) 轴振动监视。
机组升速过程中应严密监视透平的轴振动变化情况,若有异常应立即手动降速检查,必要时还需对机组的升速曲线进行再次优化设定。
(7) 设定值修正。
结合现场调试时的实际情况修正各设定值,并将最终的设定值输入Woodward505转速调节器(如没有Woodward505转速调节器,则在控制系统中编写成具有同等功能的转速控制功能块,将最终设定值输入转速控制功能块),这样就完成了升速曲线的设定。之后,机组的启动、升速就可以按设定好的升速曲线实现机组的自动升速。
5 结束语
了解、熟悉汽拖压缩机组的启动过程,科学、合理地设定升速曲线是汽拖压缩机组安全、稳定启动的关键。通过对某钢铁公司配套的汽拖压缩机组启动、升速过程中存在问题的分析及探讨,结合该机组升速曲线的调整、重新设定,指出了设定汽拖压缩机组升速曲线应该注意的问题,为以后调整和设定汽拖压缩机组升速曲线提供了一个工程应用案例。
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