CN111488714A - 一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法 - Google Patents

一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，获取铝合金板监测点的温度数据，理论或根据经验确定出各个温区理论风速值，利用数值仿真软件建立温度场数值仿真模型；继而分析实测温度数据与相应数值仿真温度数据的差异，获取设计参数、约束条件和目标函数，建立所述温度场仿真模型与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型；采用试验设计抽样方法进行抽样，构建设计参数和仿真与实测温度差的欧式距离响应的响应面模型，并进行局部搜索，完成对响应面模型的修正，输出修正后的喷嘴风速。将数值仿真分析与和优化设计相结合，并根据实测温度数据对喷嘴速度进行修正，得到准确的热风再流焊喷嘴风速值，提高再流焊工艺仿真模型的准确性。

Description

一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法
技术领域
本发明涉及热风再流焊工艺温度场仿真模型修正技术领域，尤其涉及一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法。
背景技术
热风再流焊接工艺作为电子产品PCBA(Printed Circuit Board Assembly，简称PCBA)组装焊接最常用的工艺方法之一，其发展为电子产品的微型化、轻量化开辟了广阔的前景，热风再流焊工艺参数是PCBA组装工艺中最关键的工艺因素之一。随着产品体积越来越小、印制板组件的密度越来越高、热容分布越来越复杂，焊接工艺参数窗口越来越小，焊接工艺对焊接质量影响越发明显。目前热风再流焊接工艺参数设置普遍采用多次“实物试验-工艺参数调整”的方法来确定，需要耗费大量人力、物力及时间成本；而且，对于不能进行多次试验的PCBA产品而言，连这种繁琐方法都不能使用，缺乏有效对应方法。有限元仿真因周期短、成本低、不消耗实物产品等优势已成为再流焊PCBA温度场分析的重要方法。但受制于有限元仿真建模中的模型简化或假定，比如热风再流焊中的喷嘴风速在其寿命期间是动态变动的，但仿真中常常设定为一个经验值或理论近似值，而不是实际真实值，这将导致再流焊工艺温度场仿真结果出现偏差。当仿真中的设定值偏离实际值很大时，仿真结果偏差也将很大，从而不能达到工程上需要的准确度。目前仿真方法中的这些局限性，使得有限元仿真方法的结果不总是有效以及满足实际工程需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，提高再流焊工艺仿真模型的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，包括：
获取铝合金板监测点的温度数据，计算各个温区的理论风速值；
利用数值仿真软件建立温度场仿真模型，并对比分析各个温区实测温度数据与对应数值仿真温度数据的差异；
获取设计参数、约束条件和目标函数，建立所述温度场仿真模型与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型；
采用试验设计抽样方法进行抽样，构建设计参数和仿真与实测温度差的欧式距离响应的响应面模型；
对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的修正，输出修正后的喷嘴风速。
其中，所述获取铝合金板监测点的温度数据，计算各个温区的理论风速值，包括：
获取各个温区的初始温度、终点温度、铝合金2A12-H112板的密度、定压热容和空气温度，基于设定公式或经验计算各个温区的理论风速值。
其中，所述利用数值仿真软件建立温度场仿真模型，并对比分析各个温区实测温度数据与对应数值仿真温度数据的差异，包括：
基于所述理论风速为初始条件，并获取喷嘴的温度和风速，利用数值仿真软件建立热风再流焊工艺温度场仿真模型，采用瞬态仿真分析方法，获得实际监测点的温度仿真数据，对比分析实测温度数据与相应数值仿真温度数据的温差偏差。
其中，所述获取设计参数、约束条件和目标函数，建立所述温度场仿真模型与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型，包括：
计算出各个温区实测温度数据与相应数值仿真温度数据的欧式距离，并将计算出的所述欧式距离按照设定条件进行约束，建立基于温度场仿真与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型。
其中，所述采用试验设计抽样方法进行抽样，构建设计参数和仿真与实测温度差的欧式距离响应的响应面模型，包括：
采用试验设计抽样方法对修正设计变量进行抽样，并根据抽样的样本点计算出对应的欧式距离，并根据所述设计参数进行100-150次的正交试验，并建立响应面模型。
其中，所述对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的修正，输出修正后的喷嘴风速，包括：
根据所述响应面模型，对构建的响应面进行快速的局部搜索，并将所述优化修正模型修正后的喷嘴风速带入数值仿真模型中进行再次仿真，将得到的优化结果与设定精度值进行判断。
其中，所述对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的修正，输出修正后的喷嘴风速，还包括：
若所述优化结果满足设定精度值，则输出修正后的喷嘴风速。
若所述优化结果不满足设定精度值，则更新设计变量，重新设计实验，获取目标参数差值响应，迭代计算，直到满足设定精度值为止。
本发明提供一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，首先，通过实验获取铝合金板监测点的温度数据，理论计算或根据经验确定出各温区喷嘴理论风速；然后，根据喷嘴理论风速，利用数值仿真软件建立温度场仿真模型，对比分析实测温度数据与仿真温度数据的差异，设置设计参数、约束条件和目标函数，具体包括采用拉丁超立方等抽样方法进行抽样，构建设计参数和仿真与实测温度差的欧式距离响应面模型；最终，对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的优化修正，使得温度差减少并输出修正后的喷嘴风速。
通过本发明方法，能够获得更为准确的喷嘴实际风速，进而提高热风再流焊工艺仿真模型结果的准确性，解决了目前热风再流焊温度场仿真中喷嘴风速值设置不准确的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法的流程示意图。
图3是本发明提供的修正前的实测温度曲线与对应仿真的温度曲线的对比图。
图4是本发明提供的对应仿真的温度数据的欧式距离为响应的响应面。
图5是本发明提供的表示变量与响应的灵敏度关系cop矩阵图。
图6是本发明提供的修正后的实测温度曲线与对应仿真的温度曲线的对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1和图2，本发明提供一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，包括：
S101、获取铝合金板监测点的温度数据，计算各个温区的理论风速值。
具体的，首先提取各个温区的初始温度T(i)、终点温度T(t)，并且确定铝合金板的密度ρ、定压热容cp和空气温度Tair，上一个计算步的温度T，从而得到平均对流换热系数为：
Figure BDA0002445025340000041
确定再流焊炉温各炉区温度、传送带速参数设置，再流焊炉各炉区的温度设置见表1，以铝合金2A12-H112板为测试板，在实际的再流焊过程中，用炉温测试仪探测测试板上温度曲线，利用炉温测试仪监测监测点的温度变化，完成一次测试实验，并提取监测点通过各个温区的温度数据。
表1再流焊炉各炉区的温度
Figure BDA0002445025340000042
并根据马丁公式计算各个温区的理论风速值Ve，也可根据经验确定各个温区的理论风速Ve，其中，所述马丁公式的计算公式为：
Figure BDA0002445025340000043
式中：δ为常数，仅与回流炉上、下壁喷孔布局、直径及到导轨的距离有关，k为热传导系数，pr为普朗特数，ν为气体运动黏度，h为平均对流换热系数。
其中，各个温区的风速如表2所示。
表2各温区理论风速
Figure BDA0002445025340000051
S102、利用数值仿真软件建立温度场仿真模型，并对比分析各个温区实测温度数据与对应数值仿真温度数据的差异。
具体地，将所述理论计算风速作为喷嘴风速即初始条件，利用数值仿真软件建立热风再流焊工艺温度场仿真模型，其中，所述数值仿真软件可以在Icepak、CFX、Fluent等等计算流体力学软件中建立；采用瞬态仿真分析方法，获得实际监测点的仿真温度数据，对比分析实测温度数据与仿真温度数据的温差。仿真温度数据与实测温度数据如图3所示的两条曲线。以间隔20s时刻计算，仿真温度数据(修正前)与实测温度数据差异如下表3所示。
表3修正前仿真监测点与实际值比较
时刻 10s 30s 50s 70s 90s 110s 130s 150s 170s 190s 210s
仿真温度/℃ 78.23 103.97 125.67 141.67 151.63 163.45 180.06 201.08 208.24 191.61 181.21
实测温度/℃ 90.88 119.69 142.75 157.47 164.23 174.11 194.49 209.67 209.87 187.12 177.11
温差/℃ 12.65 15.72 17.08 15.8 12.6 10.66 14.43 8.59 1.63 4.49 4.1
偏差百分比(％) 13.92 13.13 11.96 10.03 7.67 6.12 7.42 4.10 0.78 2.40 2.31
由表3可以看出，仿真与实测温差绝对值最大值为17.08℃、最小值为1.63℃，最大相对偏差为13.92％、最小相对偏差为0.78％。采用理论计算风速进行温度场仿真，仿真温度与实际存在较大的偏差，不能满足工程实际需求(一般要求偏差在±10℃范围内)。
S103、获取设计参数、约束条件和目标函数，建立所述温度场仿真模型与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型。
具体地，以各个温区的风速为设计参数，以风速的上下限为约束条件即设定条件，以各个温区实测温度数据与相应数值仿真温度数据的欧式距离最小化为优化目标或进行约束，建立基于温度场仿真与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型。采用Icepak进行温度场仿真分析，采用多学科优化分析软件进行优化点迭代搜索，多目标优化分析软件可以采用OptisLang、Isight等等优化分析软件。
S104、采用试验设计抽样方法进行抽样，构建设计参数和仿真与实测温度差的欧式距离响应的响应面模型。
具体的，采用试验设计抽样方法对设计变量进行抽样，然后将抽样的样本点代入修正前的工艺仿真模型，计算仿真与实测温度差的欧式距离；由设计参数数目进行100-150次正交实验设计，并且使整个实验设计点均匀分布在空间中。以各个温区喷嘴风速为设计变量、以实测的监测点温度数据与对应仿真的温度数据的欧式距离(S)为响应的响应面模型，如图4所示。设计参数(V1至V6)与响应面的灵敏度关系的cop矩阵，如图5所示，其值分为为22.6％、17.9％、8.9％、4.6％、2.4％、1.3％、2.7％、2.5％和38.3％，总的cop值为99.4％，满足响应面精度要求，其中，采用的试验设计抽样方法可以采用拉丁超立方、中心复合抽样等等抽样方法。
S105、对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的修正，输出修正后的喷嘴风速。
具体的，利用OptiSLang对构建的响应面优化模型进行局部搜索，获得修正后各温区喷嘴风速，并将修正后的喷嘴风速数值仿真模型中进行再次仿真；判断修正后结果目标函数是否满足设定精度值(小于20)的要求，若不满足，则重新局部搜索和仿真分析，直到满足精度要求为止；若满足要求，则输出修正后的喷嘴风速；并将修正后的参数代入Icepak有限元模型进行结果验证，修正后仿真模型中监测点的温度曲线与对应实测监测点温度曲线对比见图6。可以看出，修正后监测点处炉温曲线形态与实际炉温曲线非常接近，修正后温度仿真与实际值对比见表4。
表4修正后优化目标与实际值比较
时刻 10s 30s 50s 70s 90s 110s 130s 150s 170s 190s 210s
仿真温度/℃ 87.57 116.54 138.57 152.65 160.62 173.05 192.34 210.73 208.07 189.34 177.84
实测温度/℃ 90.88 119.69 142.75 157.47 164.23 174.11 194.49 209.67 209.87 187.12 177.11
温差/℃ 3.31 3.15 4.18 4.82 3.61 1.06 2.15 1.06 1.8 2.22 0.73
偏差百分比(％) 3.64 2.63 2.93 3.06 2.20 0.61 1.11 0.51 0.86 1.19 0.41
由表4可以看出，修正后模型的仿真温差最大偏差为4.82℃，最小偏差为0.73℃，偏差相对百分比最大为3.7％，最小为0.41％。修正模型的偏差在实际工程容许范围内，修正后模型可以用于印制板组件的后续相关设计分析使用。
本发明提出一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，首先，通过实验获取铝合金板监测点的温度数据，理论计算或根据经验确定出各温区喷嘴理论风速；然后，根据喷嘴理论风速，利用数值仿真软件建立温度场仿真模型，对比分析实测温度数据与仿真温度数据的差异，设置设计参数、约束条件和目标函数，具体包括采用拉丁超立方等抽样方法进行抽样，构建设计参数和仿真与实测温度差的欧式距离响应面模型；最终，对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的优化修正，使得温度差减少并输出修正后的喷嘴风速，通过本发明方法，能够获得更为准确的喷嘴实际风速，进而提高热风再流焊工艺仿真模型结果的准确性，解决了目前热风再流焊温度场仿真中喷嘴风速值设置不准确的问题。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，其特征在于，包括：
获取铝合金板监测点的温度数据，计算各个温区的理论风速值；
利用数值仿真软件建立温度场仿真模型，并对比分析各个温区实测温度数据与对应数值仿真温度数据的差异；
获取设计参数、约束条件和目标函数，建立所述温度场仿真模型与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型；
采用试验设计抽样方法进行抽样，构建设计参数和仿真与实测温度差的欧式距离响应的响应面模型；
对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的修正，输出修正后的喷嘴风速。
2.如权利要求1所述的一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，其特征在于，所述获取铝合金板监测点的温度数据，计算各个温区的理论风速值，包括：
获取各个温区的初始温度、终点温度、铝合金2A12-H112板的密度、定压热容和空气温度，基于设定公式或经验计算各个温区的理论风速值。
3.如权利要求2所述的一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，其特征在于，所述利用数值仿真软件建立温度场仿真模型，并对比分析各个温区实测温度数据与对应数值仿真温度数据的差异，包括：
基于所述理论风速为初始条件，并获取喷嘴的温度和风速，利用数值仿真软件建立热风再流焊工艺温度场仿真模型，采用瞬态仿真分析方法，获得实际监测点的温度仿真数据，对比分析实测温度数据与相应数值仿真温度数据的温差偏差。
4.如权利要求3所述的一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，其特征在于，所述获取设计参数、约束条件和目标函数，建立所述温度场仿真模型与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型，包括：
计算出各个温区实测温度数据与相应数值仿真温度数据的欧式距离，并将计算出的所述欧式距离按照设定条件进行约束，建立基于温度场仿真与多学科优化分析软件相结合的优化修正模型。
5.如权利要求4所述的一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，其特征在于，所述采用试验设计抽样方法进行抽样，构建设计参数和仿真与实测温度差的欧式距离响应的响应面模型，包括：
采用试验设计抽样方法对修正设计变量进行抽样，并根据抽样的样本点计算出对应的欧式距离，并根据所述设计参数进行100-150次的正交试验，并建立响应面模型。
6.如权利要求5所述的一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，其特征在于，所述对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的修正，输出修正后的喷嘴风速，包括：
根据所述响应面模型，对构建的响应面进行快速的局部搜索，并将所述优化修正模型修正后的喷嘴风速带入数值仿真模型中进行再次仿真，将得到的优化结果与设定精度值进行判断。
7.如权利要求6所述的一种热风再流焊喷嘴风速准确计算方法，其特征在于，所述对构建的响应面进行局部搜索，完成对响应面模型的修正，输出修正后的喷嘴风速，还包括：
若所述优化结果满足设定精度值，则输出修正后的喷嘴风速。
若所述优化结果不满足设定精度值，则更新设计变量，重新设计实验，获取目标参数差值响应，迭代计算，直到满足设定精度值为止。
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