铝钎焊中的感应加热温度控制技术
来源: | 大小:16px 14px 12px | 发布时间: 2020-02-04 | 15674 次浏览 | 分享到:
     摘要：介绍了感应加热钎焊铝合金中影响温度控制的要素，论述了影响精度控制及温度分布等问题的原因及相应的解决方案。
     关键词：感应钎焊 温度控制
     一、引言
     在感应钎焊中，温度控制是影响焊接质量的关键因素之一，感应钎焊的工作原理是利用感应线圈产生的交变磁场在工件中感应电流从而产生热能，由于在加热过程中，线圈电流、工件内地涡流、磁场、工件温度及其分布、工件阻抗特等多个物理参数都是变化的，且相互影响，再加上测量环节及电源功率调节等因素带来的影响，使得感应加热的温控系统具有滞后性、时变性及非线性等特征。对于铝合金的硬钎焊，经常会遇到钎焊料及助焊剂等工作温度非常接近母的情况，对温度控制提出了更高的要求。跟其它加热方式相比较而言，感应加热温控系统受影响因素较多，因而也为其应用提供了更多的可变因素，控制方法及手段更多样化，其中不但包括温度变化曲线的控制、加热温度精确度的控制，也包括温度在工件上的分布的控制。
     二、温度变化的控制
     2.1.升温的控制
     由于感应加热的集肤效应，局部加热功率密度可以很高，比功率密度的提高也就意味着升温速度的提高，快速局部加热是感应加热的优点之一。充分利用这一特点，对钎焊区域进行快速加热，可以有效地提高钎焊效率及能源利用率。对于铝合金钎焊来说，一般是其他因素限制了升温速度，如：
     2.1.1.过快的升温速度会在工件造成较大的温差从而引起工件变形，
     2.1.2.对于结构复杂的工件局部升温过快引起的超温，
     2.1.3.由于感应加热时工件及感应器内的电流都非常大，因此彼此间的电磁力会是一个需要考虑到因素，有时使用过大的功率会导致过大的电磁力，电磁力多大甚至可以引起工件变形；
     2.1.4.工艺上的要求，如母材、钎料或钎剂对升温速度有要求
     2.2保温的控制
     对于感应加热电源来说，保温相对比较容易，在保温过程中，由于温度在工件上的分布一般是要继续变化的，工件的散热也是发生相应的变化，所以如果需要非常精确度温度稳定性，也需要采用闭环温度控制。
     2.3.降温的控制
     由于电源功率可调，所以可以准确地控制工件降温速度，但是当冷却速度要求高于自然冷却速度时，只能采取外部强制冷却，如空气冷却甚至水冷等。
     三、温度精度的控制
     由于感应加热系统的复杂性，温度精度的控制相当比较复杂，为了保证温控精度，一般需采用闭环控制系统如下图所示，其控制精度受到测温方法（反馈单元），感应加热电源（受控单元），控制方式（控制单元）等各环节的影响

                 图1感应加热温度控制系统
     3.1.测温方法（反馈单元）
     由于铝合金在温度变化工程中，表面颜色变化不明显，所以采用目测方式判断温度非常困难，也就是需要非常有经验。而且如果想采用闭环自动温度控制方式，则必须采用其它测温装置。
     红外测温由于可以实现非接触测量，在很多感应场合得到应用。但是由于其工作原理是通过测量物体红外发射功率来测量温度，所以对于铝合金加热的温度测量比较困难，一是因为光亮的铝合金表面由于发射率过低，二是铝合金在加热过程中极易氧化，从而导致其发射率在加热中发生变化。但是如果加热过程中工件表面状况一致性及重复性很强时，测温只是用于加热重复性控制时也可以考虑使用。比较常见的是采用热电偶测温，价格低廉测温可靠，缺点是必须跟测温物体良好接触，相比而言，用热电偶要精确的多，但这种接触式测量手段也受到一定的限制，如果采用表面接触式测量，测量精度受热电偶与工件间的接触是否良好的影响，在工件上增加一个测量孔，从测量角度看是最理想的，测量精度很高，但是有时由于工件本身的一些限制而无法实现，如需要测量点不允许打孔或工件本身就不允许打孔。
     对于形状比较复杂的工件，检测点的选择也比较重要，一般要选择靠近加热区，能够灵敏及时反映温度变化的点，同时也能够反映钎焊区温度曲线特征的区域。
     3.2.温度控制方法（控制单元）
     3.2.1.手动控制
     就是采用手动调节功率的方式来控制加热功率，这种方法对操作者的要求很高，有一定的风险。有经验的操作者可以根据母材的颜色、钎料及钎剂的熔融状态判别工件的温度。如果有温度测量装置，则操作要容易得多。
     3.2.2.程序控制
      采用程序控制方式， JouleMax系列电源本身带有程序控制功能，可以编辑功率或电流曲线用于加热自动控制，批量生产时，如果有定位精确的工装设备，采用程序控制的重复精度很高。实际操作中存在如何确定程序参数的问题，一般采用一个调试件利用测温装置直接调试出程序。 其缺点是当系统中有参数（比如环境温度、工件尺寸及位置等）发生变化时，输出功率不能做相应的变化以保证相同的钎焊温度曲线。
     3.2.3.PID调节控制
     是温度闭环控制方式中最为常用的控制调节单元，就是以温度反馈为输入，根据相应的比例、积分及微分参数，对控制输出进行调整，使工件温度能够跟随设定温度。其缺点是PID参数的优化比较麻烦，且当外部条件发生变化时，最优参数也会随着变化。因而在感应加热系统使用时很容易造成超调及振荡。为了避免在升温及保温段容易出现的超调现象，一般将该段改为多段控制。
     3.2.4.其他新型的控制模式
     针对感应加热系统的特点，近年来模糊控制及Fuzzy+PID混合控制方式开始逐渐应用于感应加热，为解决升温拐点处容易超调及振荡提供了新的解决方法。


3.3.感应加热电源（受控单元）
   传统的感应加热电源一般采用并联谐振，功率调节在整流部分实现，其最小调节步长限制于整流触发脉冲的频率，再加上整流部分的大电抗器对电流变化的限制，使得其反应时间相对比较缓慢，不论是其起停加热还是升降功率都有一定的时滞性，这必然会给整个加热系统的控制增加了


          图2 传统并联感应加热电源工作原理图
     Joulead生产的JouleMax系列便携式感应加热电源，是一种串联型逆变电源，整流部分为不可控整流，调功在逆变部分实现，由于逆变频率一般选择在超音频段，使得其最小调节步长仅有0.1ms左右，因而起停加热及功率调节速度要快得多。

                  图3  感应加热电源工作原理
     四、温度分布的控制
     感应加热本身就是一种局部加热方法，所以同温度曲线的控制相比，温度分布的控制更为重要，既要避免局部超温过烧，也要避免钎焊区域温度不足，同时也要避免因温差引起的变形等。
     4.1.加热方式
     铝合金是一种导热性非常好的金属材料，所以采用不同的加热方式，对工件上的温度分布会有较大的影响，如图所示的，是一个铝板的单面感应器加热，我们采用两种种不同的加热方式使外表面温度达到600℃，工件为10mm厚的铝板，单面加热。从图 中可以看到，内部温度分布完全不同。
    
              图4  分段加热模式时代温度曲线
    
              图5  单段加热模式时的温度曲线
     4.2.感应器设计
     是控制温度分布的关键，设计感应器时，需要考虑高频电流的集肤效应、尖角效应、临近效应等。尤其要注意下面的几个关键问题
     4.2.1.钎料区的温度控制
     在加热中，焊料区的温度控制尤为重要，在设计感应器时，需要注意尽量避免工件中的环路电流流经钎料，因为钎料区有电流通过会有几个危害：首先容易引起钎剂的超温、由于电磁力的原因会影响其自由浸润扩散，有时甚至会被“抛出”钎焊区、钎料区也是要钎焊工件的各部件的接触区域，在钎剂熔化之前，电流同样会经过接触区域，而这里的接触电阻一般是很不稳定的，因而其电流分布及温度分布有可能会是不确定的，当钎料熔化时，电流分布及热量传输会有非常大的变化，也就是说钎焊区域的温度变化也会很大。
     4.2.2.零部件间的能量分配
     图6铝合金波导管钎焊示意图
 
     当被连接的部件尺寸及大小相差悬殊时，设计感应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，甚至有些极小的部件完全不需加热而靠热量传导完成加热。以加强对该部分的加热。工件管体部分由于体积小，所以采用了不带导磁体且距离工件较远，以维持管体部分的适当功率。
     由于感应器工作时磁场分布及工件温度场都是时变场，所以其分析较为复杂，一般是根据其基本原理及实践经验进行设计，近年来多物理场的有限元分析也开始用于感应器的分析设计。
     4.3.辅助冷却加热
     个别特殊工件的条件下，可能存在有通过其他途径无法消除局部温度偏高的问题，在这种情况下可以考虑局部冷却。常用的冷却手段有，压缩空气冷却、带水的比如在维修中，我们经常会遇到修补其中一个钎焊区临近区域的钎焊受到影响，这种条件下，需要对临近已钎焊区域进行辅助冷却。
     感应钎焊是一种非接触式的控制非常灵活的感应加热方式，因而更是非常便于同其他加热方式混合使用，对于个别温度分布要求比较特殊的工件，完全可以使用其他辅助加热手段，比如零部件上有一个非常小的凹坑时，火焰加热作为补充就很方便，而大型复杂板料件，跟炉体一起混合使用就会达到非常好的加热效果。
     4.4.导磁体的应用及屏蔽措施
     在感应加热中的应用非常广泛，其作用就在于能够聚集磁场，用于加强某个部位的加热，或是减弱相反方向上的加热。
     在某些工件的加热中，如果工件局部想避免加热但又无法避开加热线圈电磁场时，也可以考虑采用屏蔽措施，屏蔽的原理就是利用另一个闭和的导电回路，高频磁场在该回路感应的电流反过来对该磁场有抵消作用。
     五、结语
     感应钎焊从本质上说是一种可控的加热手段，简单可靠易用的背后是较为复杂的电磁场理论及控制理论，但当这一工具一旦为众多的应用客户掌握，感应加热必将成为钎焊的有力工具。