CN100562820C - 热处理工艺设备实时加热能力监测方法、工艺设定方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热处理工艺过程，尤其涉及热处理工艺设备实时监测方法、工艺预设方法及其设备。本发明通过引入热学参数稳定的基准试件作为参照基准，通过实时监测基准试件来评价热处理设备的状况，其监测结果可靠，操作方便，且节约了传统制作测试样板的耗费。

Description

热处理工艺设备实时加热能力监测方法、工艺设定方法及其设备
技术领域
本发明涉及热处理工艺过程，尤其热处理工艺设备实时监测方法、工艺设定方法及其实时控制方法和设备。
背景技术
工业的飞速发展已经可以满足人们在各类产品上有个性的选择，这种个性化选择倾向也导致了产品的多样化，跟新换代快。处于这种多样化的时代，新产品的投放速度和成本也就成为企业成功的关键因素，其中产品更新时生产工艺的转换和监控就变得尤为重要。目前工业界很多的产品的生产过程都需要进行特定的热处理，例如：产品的涂胶烘干过程、电子类产品回流焊焊接过程、电子类产品波峰焊焊接过程，淬火，冷冻冷藏等。一般地，每个热处理工艺设备都是由一个或一个以上独立可控制的热处理模组组合而成，在设备的工艺腔中自然形成了“热处理环境温度分布曲线”；各个热处理模组可设定工艺参数，并自我检测是否处于设定的参数范围内，反馈信息给控制中心采取相应措施从而实现自动控制。
在一个热处理过程中，当工件经过每一个热处理模组的工艺腔时通过特定受热方式(辐射、对流、热传等模式)实现相应的“工件热处理过程温度分布曲线”。
在实际的热处理程序中，为获得合理的工艺参数，通常会制作测温试验工件。下面以电子行业的电脑主板的热处理过程为例说明。
现在的做法便是，针对所有的产品，都有对应的测温试验工件，例如：在新的电脑主板导入前，需要照订单生产出一片样板，将该板制作成热处理工艺规格测试试验板(例如：在样板的特定至少一个位置上埋下测温用热电偶导线，连接在一个可以通过热电偶收集被测对象的温度值并记录的机器)，然后以此板来衡量热处理设备的工艺参数是否满足产品生产热处理工艺规格。
这些产品热处理工艺规格一般来自该产品上的器件的供应商建议，如IC供应商、PCB供应商、焊料供应商等等。如果测得的“工件热处理过程温度分布曲线”不满足规格，那么需要调整热处理设备参数，直到测试结果满足规格为止，方可投入生产。上述的温度工艺曲线实质上是反映了热处理设备各个模组的实际加热能力，即当前的热处理设备运行参数所提供的实际输出。
同时为了监测热处理设备的稳定性，需要定时的做温度测试，确保工艺规格要求，防止意外发生。如：每隔4小时测试或每班次测试、或每天测试、或每周测试。以上过程，试验板制作过程的耗费人力、时间和材料；而且还有其难以克服的弱点：往往这些产品(试验板)本身是容易老化的，多次这样的测试后，其导热系数、质量、形状、甚至颜色都会相应变化，其导致的结果就是测试数据并不可靠；另外测试是间歇进行的，在两次监测之间难以检测到热处理工艺参数的异动，可能导俄致产品批量质量问题；以就是说现有的监测难以准确实时衡量一个产品在热处理设备中实际的热处理工艺过程。
发明内容
为了克服现有的热处理设备监测方法的不足，本发明提供一种热处理工艺设备加热能力实时监测方法、工艺预设方法及其设备。
本发明的技术方案如下：
一种热处理工艺设备加热能力实时监测方法，其特征是包括以下步骤：
(1)在热处理模组中设置热学参数稳定的，通过与热处理模组进行热交换而自身形成温差的基准试件；
(2)实时收集基准试件上至少两处具有可测温度差的位置的温度T3，T2及热处理模组的工艺腔内的工作温度T4；
(3)将上述热处理模组的工作温度T4、基准试件上温度T3，T2及T3，T2之间的变动范围和变动速度定义为该热处理模组当前运行参数对应于该基准试件的温度T3，T2测试点之间的加热能力Wa。
本发明还提供一种热处理工艺设备工艺设定方法，其特征是包括以下步骤：
(1)在热处理模组中设置热学参数稳定的，通过与热处理模组进行热交换而自身形成温差的基准试件；
(2)实时收集基准试件上至少两处具有可测温度差的位置的温度T3，T2及热处理模组的工艺腔内的工作温度T4；
(3)将上述热处理模组的工作温度T4、基准试件上温度T3，T2及T3，T2之间的变动范围和变动速度定义为该热处理模组当前运行参数对应于该基准试件的温度T3，T2测试点之间的加热能力Wa；
(4)以基准试件的温度T3，T2测试点之间的热学参数为基准，将待热处理工件的热学参数与基准试件的热学参数进行比较，换算出对应于待热处理工件热处理工艺需要的热处理模组的加热能力Wb和相应的运行参数。
作为优化，所述的实时监测方法或工艺设定方法，其特征是：还包含以下步骤：
(1)设定工作温度T4、基准试件上温度T3，T2和加热能力Wa的许可工艺规格，该工艺规格由用户定义或将满足工件工艺要求的统计结果作为工艺规格；
(2)将实时监测值与工艺规格比较，如实时监测值超出工艺规格范围或者超出设定的警报点，将下达相应参数调整命令给设备控制器调整热处理设备的运行参数直到实时监测值满足工艺规格要求。
进一步地，所述的工艺设定方法，其特征还包括以下步骤：
(1)设定工件经过热处理模组时工作温度T4、基准试件上温度T3，T2的变化值的许可工艺规格，该工艺规格由用户定义或将满足工件工艺要求统计结果作为工艺规格；
(2)将实时监测值与工艺规格比较，如实时监测值超出工艺规格范围或者超出设定的警报点，将下达相应参数调整命令给设备控制器调整热处理设备的运行参数直到实时监测值满足工艺规格要求。
进一步地，所述的实时监测方法或工艺设定方法，其特征是：所述的基准试件能根据需要变换位置，变换位置后，要重新监测该热处理模组当前运行参数的加热能力，以及管制范围和规格。
进一步地，所述的实时监测方法或工艺设定方法，其特征是：所述的基准试件包括与热处理模组的工作温度形成温度差的热导体和设置在该热导体上的测试探杆，所述测试探杆底部与热导体保持稳定热导通，顶部靠近热源或工件流动位置附近；所述的基准试件的温度T3，T2测试点相应设置在测试探杆的底部适当位置和测试探杆的顶部适当位置。
进一步地，所述的实时监测方法或工艺设定方法，其特征是：所述的热处理模组的腔内工作温度T4的测试点设置在测试探杆顶部附近。
进一步地，所述的实时监测方法或工艺设定方法，其特征是：所述的热导体设有流体管道，该管道内有用于调控热导体温度的流体物质，还至少设置一测试点在热导体上，实时收集热导体管内流体物质的温度T5，将热导体的温度作为测试探杆底部的温度，将热处理模组的工作温度T4、基准试件上温度T5，T2之间的变动范围和变动速度定义为该热处理模组当前运行参数对应于该测试探杆的加热能力Wa；
本发明还提供一种热处理工艺设备实时监测设备，包括基准试件和控制单元，其特征是：基准试件包括温度可测的设置在热处理模组中的热导体，该热导体与热处理模组形成温差；在热导体上设置测试探杆，所述测试探杆底部与热导体保持稳定热导通，顶部靠近热源或工件流动位置附近；在热处理模组的工艺腔内和测试探杆至少两处具有可测温度差的位置设置温度探测器，实时收集热处理模组的工作温度T4、测试探杆测温点的温度T3，T2并将其信号传送到控制单元。
进一步地，所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：所述的测试探杆位置可变地与热导体连接。
进一步地，所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：处于不同监测位置的热导体为直通导热管，或者热导体在各个热处理模组区彼此独立，通过隔热材料连接。
进一步地，所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：所述的热导体设有流体管道，该管道内有用于调控热导体温度的流体物质。
进一步地，所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：在热导体的流体管道中设有检测流体温度的温度探测器，将实时收集管道中的流体温度作为热导体的温度T5并将其信号传送到控制单元。
进一步地，所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：所述的热导体的外表面包覆隔热材料。
本发明的通过引入热学参数稳定的基准试件作为参照基准，通过实时监测基准试件来评价热处理设备的状况，其监测结果可靠，操作方便，且节约了传统制作测试样板的耗费。
附图说明
图1是回流焊炉热处理模组结构示意图。
图2是回流焊炉结构示意图。
图3是热处理工艺设备实时监测设备结构示意图。
图4是基准试件结构示意图。
具体实施例
为了本发明便于被理解，本文以电子行业常用的回流焊炉为对象说明本发明。下面先简要介绍常见回流焊炉的结构。
参阅图1，该图为一个典型的回流焊炉热处理模组1，其工艺腔10在工件2的流动路线20的上方和下方设有加热装置3和对流装置4；采用热空气对流对工件2进行加热。
参阅图2，如图所示，一台回流焊炉由若干个热处理模组组成，各个热处理模组的工艺腔相互贯通，链条21带动工件依次通过各个热处理模组的工艺腔，即完成了工件的热处理。为了对工艺腔的温度进行监控，在各热处理模组中设置温度检测装置30，通过温度检测装置30反馈的信息控制加热装置3和对流装置4，从而在设备的工艺腔中自然形成了“热处理环境温度分布曲线”。
当工件2经过每一个热处理模组的工艺腔时，通过特定受热方式(辐射、对流、热传等模式)实现相应的“工件热处理过程温度分布曲线”。该温度曲线由各热处理模组对应的区段组合而成；因此，要实现满足工艺要求的“工件热处理温度工艺曲线”关键在于每个模组实现特定的曲线区段。
上述回流焊炉的“热处理环境温度分布曲线”和热处理工件的“工件热处理过程温度分布曲线”实质是反映热处理设备各个模组的实际加热能力，即热处理设备当前的运行参数所提供的实际输出。对回流焊炉的实际加热能力进行有效准确的监控是保证热处理质量的有效手段。
参阅图3，本发明提供一种热处理工艺设备实时监测设备，包括基准试件5和控制单元(图中未有画出)，所述的基准试件包括温度可测的设置在热处理模组中的由导热系数高、热稳定性好的金属材料制作的热导体50和测试探杆51；该热导体50根据实际需要固定在热处理工艺腔内或腔外，并强制与热处理模组的工作温度形成温差；本实施例热导体50设置在回流焊炉的工艺腔内，处于不同监测位置的热导体50为一整体构成，即热导体50贯通整个回流焊炉的工艺腔；同时为了减少热导体50对热处理模组的热干扰，在热导体50的外表面包覆隔热材料501。而事实上，回流焊炉的各个热处理模组也可以独立设置热导体50，各热导体50通过隔热材料连接。所述的测试探杆51固定在热导体50上，其底部510与热导体50保持稳定热导通，顶部511靠近热源或工件2的流动位置(以不影响工件2传送为准)。作为优化，提高监测的灵活性，测试探杆51位置可变地与热导体50连接。本实施例在热导体50设置一组间隔设置的安装孔502，测试探杆51根据需要固定在不同的安装孔502中，为使用的安装孔502使用与其保持稳定热导通的由金属销503闭塞。
在热处理模组的工艺腔内和测试探杆51至少两处具有可测温度差的位置设置温度探测器(温度探测器图中未画出)。本实施例的温度探测器具体设置在热处理模组的工艺腔内测试探杆顶部511附近、测试探杆底部510处和测试探杆顶部511处。设置温度探测器，实时收集热处理模组的工艺腔的工作温度T4、测试探杆底部和顶部温度T3，T2并将其信号传送到控制单元。由于热处理模组工艺腔内各区的温度有差异，当基准试件位置改变后，要重新监测。
由于测试探杆51具有稳定的已知的热学参数，热处理模组对其进行的热处理所形成的“工件热处理过程温度分布曲线”可作为评价基准；即以基准试件的温度T3，T2测试点之间的热学参数为基准，将待热处理工件的热学参数与测试点之间的热学参数进行比较，换算出对应于待热处理工件热处理工艺需要的热处理模组的加热能力和相应的设备运行参数。
为了增大热导体50与热处理模组的工艺温度的温差，在热导体50设有流体管道500，该管道500内有用于调控热导体50温度的流体物质，如空气、水、冰水或其它流体媒介。通过控制流体物质的温度和流速来控制热导体50的温度。另外，由于测试探杆底部510与热导体50保持稳定热导通，因此测试探杆底部510与热导体50的温度差异很小，为了降低基准试件制作的工艺难度，将热导体50的温度视为测试探杆底部510的温度，这样只要在热导体相应位置设置至温度探测器，实时收集热导体50的温度作为测试探杆底部510的温度；另外热导体50由导热系数高的金属材料制作，因此进一步地简化基准试件制作的工艺，将该温度探测器设置在热导体50的流体管道500中，将实时收集管道500中的流体温度作为热导体50的温度T5并将其信号传送到控制单元。
下面说明本发明提供的一种热处理工艺设备加热能力实时监测方法，包括以下步骤：
(1)在热处理模组中设置热学参数稳定的，通过与热处理模组进行热交换而自身形成温差的基准试件；
(2)实时收集基准试件上至少两处具有可测温度差的位置的温度T3，T2及热处理模组的工艺腔内的工作温度T4；
步骤(1)和(2)所述的基准试件包括温度可测的设置在热处理模组中的由导热系数高、热稳定性好金属材料制作的热导体和测试探杆；该热导体根据实际需要固定在热处理工艺腔内或腔外，并强制与热处理模组的工艺温度形成温差；测试探杆固定在热导体上其底部与热导体保持稳定热导通，顶部靠近热源或工件流动位置(以不影响工件传送为准)。所述的基准试件的温度T3，T2测试点相应设置在测试探杆的底部和测试探杆的顶部，即监测测试探杆的温度差。所述的热处理模组的工作温度T4的测试点设置在测试探杆顶部附近。由于热处理模组工艺腔内各区的温度有差异，当基准试件位置改变后，要重新监测。
(3)将上述热处理模组的工作温度T4、基准试件上温度T3，T2之间的变动范围和变动速度定义为该热处理模组当前运行参数对应于该基准试件的测试探杆的加热能力Wa。
另外为了增大热导体与热处理模组的工艺温度的温差，在热导体设有流体管道，该管道内有用于调控热导体温度的流体物质，如空气、水、冰水或其它流体媒介。通过控制流体物质的温度和流速来控制热导体的温度。由于测试探杆的底部一方面要安装温度探测装置，另一方面又要保证与热导体保持稳定的热导通，其工艺难度较大；事实上，在保证与热导体保持稳定的热导通的前提下，当忽略测试探杆底部与热导体温度的差异后，将热导体温度作为测试探杆底部的温度。因此步骤(2)设置在测试探杆的底部测试点相应设置在热导体上，即在热导体上安装温度探测装置，实时收集热导体上的温度T5；进一步地，热导体50由导热系数高的金属材料制作，因此进一步地简化基准试件制作的工艺，将该温度探测器设置在热导体50的流体管道500中，将实时收集管道500中的流体温度作为热导体50的温度T5。因此步骤(3)相应变换为将热处理模组的工作温度T4、热导体温度T5、测试探杆顶部温度T2之间的变动范围和变动速度定义为该热处理模组当前运行参数对应于该测试探杆的加热能力Wa；由于基准试件具有稳定的已知的热学参数，热处理模组对其进行的热处理的过程所形成的“工件热处理过程温度分布曲线”可作为热处理模组实际加热能力的评价基准。
由于工件在加热模组中需要满足一定规格的温度工艺曲线要求，对应的在各模组中的T4，T3，T2，Wa同样需要满足一定规格，以确保满足工件工艺要求，这个规格由实验数据统计而来，用户也可以自行定义。作为优化，本发明提供的一种热处理工艺设备加热能力实时监测方法还包含以下步骤：
(1)设定工作温度T4、基准试件上温度T3，T2和加热能力Wa的许可工艺规格，该工艺规格由用户定义或将满足工件工艺要求的统计结果作为工艺规格；
(2)将实时监测值与工艺规格比较，如实时监测值超出工艺规格范围或者超出设定的警报点，将下达相应参数调整命令给设备控制器调整热处理设备的运行参数直到实时监测值满足工艺规格要求。
本发明还提供一种热处理工艺设备工艺设定方法，首先利用基准试件监测热处理模组的加热能力Wa，其过程与上述一种热处理工艺设备加热能力实时监测方法的相同，此处不再赘述。下面说明一种热处理工艺设备工艺设定方法的其他部分。
在监测得到热处理模组的加热能力Wa之后，以该测试探杆测试点之间部分的热学参数为基准，将待热处理工件的热学参数与基准试件的进行比较。
由于工件在加热模组中需要满足一定规格的温度工艺曲线要求，对应的在各模组中的T4，T3，T2，Wa同样需要满足一定规格，以确保满足工件工艺要求，这个规格由实验数据统计而来，用户也可以自行定义。
作为优化，所述的实时监测方法还包含以下步骤：
(1)设定工作温度T4、基准试件上温度T3，T2和加热能力Wa的许可工艺规格，该工艺规格由用户定义或将满足工件工艺要求的统计结果作为工艺规格；
(2)将实时监测值与工艺规格比较，如实时监测值超出工艺规格范围或者超出设定的警报点，将下达相应参数调整命令给设备控制器调整热处理设备的运行参数直到实时监测值满足工艺规格要求。
另外，工件经过加热模组时，该模组内的温度和热对流状况会有相应变化，这个过程将体现在实时监测的T4，T3，T2，Wa中，对这个变化同样建立统计管制范围，以确保满足工件工艺要求，这个规格由实验数据统计而来，或由用户自行定义。
作为优化，所述的工艺设定方法还包含以下步骤：
(1)设定工件经过热处理模组时工作温度T4、基准试件上温度T3，T2的变化值的许可工艺规格，该工艺规格由用户定义或将满足工件工艺要求统计结果作为工艺规格；
(2)将实测结果与工艺规格比较，如实测结果超出工艺规格范围或者超出设定的警报点，将下达相应参数调整命令给设备控制器调整热处理设备的运行参数直到测试结果满足工艺规格要求。
本发明的通过引入热学参数稳定的基准试件作为参照基准，通过实时监测基准试件来评价热处理设备的状况，其监测结果可靠，操作方便，且节约了传统制作测试样板的耗费。
本领域的在理解本发明之后，依本发明申请专利范围所做的等同设计，均应为发明的技术所涵盖。

Claims (14)

1.一种热处理工艺设备加热能力实时监测方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)在热处理模组中设置热学参数稳定的，通过与热处理模组进行热交换而自身形成温差的基准试件；
(2)实时收集基准试件上至少两处具有可测温度差的位置的温度T3、T2及热处理模组的工艺腔内的工作温度T4；
(3)将上述热处理模组的工作温度T4、基准试件上温度T3、T2及T3、T2之间的变动范围和变动速度定义为该热处理模组当前运行参数对应于该基准试件的温度T3，T2测试点之间的加热能力Wa。
2.根据权利要求1所述热处理工艺设备加热能力实时监测方法，其特征是，还包含以下步骤：
(1)设定工作温度T4、基准试件上温度T3，T2和加热能力Wa的许可工艺规格，该工艺规格由用户定义或将满足工件工艺要求的统计结果作为工艺规格；
(2)将实时监测值与工艺规格比较，如实时监测值超出工艺规格范围或者超出设定的警报点，将下达相应参数调整命令给设备控制器调整热处理设备的运行参数直到实时监测值满足工艺规格要求。
3.一种热处理工艺设备工艺设定方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)在热处理模组中设置热学参数稳定的，通过与热处理模组进行热交换而自身形成温差的基准试件；
(2)实时收集基准试件上至少两处具有可测温度差的位置的温度T3，T2及热处理模组的工艺腔内的工作温度T4；
(3)将上述热处理模组的工作温度T4、基准试件上温度T3，T2及T3，T2之间的变动范围和变动速度定义为该热处理模组当前运行参数对应于该基准试件的温度T3，T2测试点之间的加热能力Wa；
(4)以基准试件的温度T3，T2测试点之间的热学参数为基准，将待热处理工件的热学参数与基准试件的热学参数进行比较，换算出对应于待热处理工件热处理工艺需要的热处理模组的加热能力Wb和相应的运行参数。
4.根据权利要求3所述热处理工艺设备工艺设定方法，其特征是，还包含以下步骤：
(1)设定工作温度T4、基准试件上温度T3，T2和加热能力Wa的许可工艺规格，该工艺规格由用户定义或将满足工件工艺要求的统计结果作为工艺规格；
(2)将实时监测值与工艺规格比较，如实时监测值超出工艺规格范围或者超出设定的警报点，将下达相应参数调整命令给设备控制器调整热处理设备的运行参数直到实时监测值满足工艺规格要求。
5.根据权利要求3所述热处理工艺设备工艺设定方法，其特征是，还包括以下步骤：
(1)设定工件经过热处理模组时，工作温度T4的变化值和基准试件上温度T3，T2的变化值的许可工艺规格，该工艺规格由用户定义或将满足工件工艺要求统计结果作为工艺规格；
(2)将实时监测值与工艺规格比较，如实时监测值超出工艺规格范围或者超出设定的警报点，将下达相应参数调整命令给设备控制器调整热处理设备的运行参数直到实时监测值满足工艺规格要求。
6.根据权利要求3所述热处理工艺设备工艺设定方法，其特征是，所述的基准试件能根据需要变换位置，变换位置后，要重新监测该热处理模组当前运行参数的加热能力，以及管制范围和规格。
7.根据权利要求3所述热处理工艺设备工艺设定方法，其特征是，所述的基准试件包括与热处理模组的工作温度形成温度差的热导体和设置在该热导体上的测试探杆，所述测试探杆底部与热导体保持稳定热导通，顶部靠近热源或工件流动位置附近；所述的基准试件的温度T3，T2测试点相应设置在测试探杆的底部适当位置和测试探杆的顶部适当位置。
8.根据权利要求7所述所述热处理工艺设备工艺设定方法，其特征是，所述的热处理模组的腔内工作温度T4的测试点设置在测试探杆顶部附近；所述的热导体设有流体管道，该管道内有用于调控热导体温度的流体物质，还至少设置一测试点在热导体上，实时收集热导体管内流体物质的温度T5，将热导体的温度作为测试探杆底部的温度，将所述步骤(3)变换为将热处理模组的工作温度T4、基准试件上温度T5，T2之间的变动范围和变动速度定义为该热处理模组当前运行参数对应于该测试探杆的加热能力Wa。
9.一种热处理工艺设备实时监测设备，包括基准试件和控制单元，其特征是：基准试件包括温度可测的设置在热处理模组中的热导体，该热导体与热处理模组形成温差；在热导体上设置测试探杆，所述测试探杆底部与热导体保持稳定热导通，顶部靠近热源或工件流动位置附近；在热处理模组的工艺腔内和测试探杆至少两处具有可测温度差的位置设置温度探测器，实时收集热处理模组的工作温度T4、测试探杆测温点的温度T3，T2并将其信号传送到控制单元。
10.根据权利要求9所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：所述的测试探杆位置可变地与热导体连接。
11.根据权利要求9所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：处于不同监测位置的热导体为直通导热管，或者热导体在各个热处理模组区彼此独立，通过隔热材料连接。
12.根据权利要求9所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：所述的热导体设有流体管道，该管道内有用于调控热导体温度的流体物质。
13.根据权利要求12所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：在热导体的流体管道中设有检测流体温度的温度探测器，将实时收集管道中的流体温度作为热导体的温度T5并将其信号传送到控制单元。
14.根据权利要求9所述的热处理工艺设备实时监测设备，其特征是：所述的热导体的外表面包覆隔热材料。
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热处理炉炉温均匀性测试. 宋正华.计量与测试技术，第3期. 2002
热处理炉炉温均匀性测试. 宋正华.计量与测试技术，第3期. 2002 *

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