CN112149331B - 基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，包括：应用传热学基本原理，结合有限元瞬态热仿真分析工具，建立热风回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程；利用测温板获取测试板在真实热风回流炉再流焊过程中热风回流炉中全温区的温度曲线，测量热风回流炉的物理参数，结合冲击射流理论计，计算得到热风回流炉虚拟模型各温区的平均对流换热系数；针对热风回流炉虚拟模型设计对外接口；获取真实热风回流炉的尺寸参数和加热区长度，并以此修正热风回流炉虚拟模型的温区数量和温区间隔长度。通过本发明的技术方案，能够快速、合理设计热风回流炉的工艺参数，解决工艺参数设计周期长、成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及再流焊焊接技术领域，尤其涉及一种基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法。
背景技术
再流焊焊接工序是再流焊工艺过程的关键工序，大部分的PCBA印制板组件再流焊焊接缺陷是由再流焊焊接工艺参数设置不合理导致的，而现有的再流焊焊接工艺参数设计是通过设计实物印制板组件反复通过需要设置工艺参数的回流炉，再通过炉温测试仪等工具采集温度曲线，采用“试误法”逐步逼近理想(或可接受)目标曲线，从而实现回流炉工艺参数设置。
该方法在有铅再流焊焊接领域应用较好，因为有铅再流焊焊接的工艺窗口较宽(183度的锡铅共晶点到印制板组件可承受的最高温240度，有50多度的焊接窗口)，易于通过较少的实物试验方式得到较好的回流炉焊接工艺参数。
但随着世界无铅化趋势，无铅有铅混合组装、纯无铅组装慢慢成为了主流，无铅熔点为217度，焊接窗口从50多度一下缩小到不到30度，单纯的通过实物印制板组件焊接采集实际温度曲线的方式需要更多的实物试验和更加长的时间周期才能得到回流炉参数，会极大的影响产品交付周期和极大的提升设计回流炉参数的成本。
而通过有限元仿真方法建立热风回流炉的虚拟模型，再通过某些修正方法优化该模型，就可以将实物热风回流炉转换为计算机里的虚拟热风回流炉，从而在计算机辅助下实现虚拟仿真，再针对不同状态的印制板组件建立有限元模型，导入设计的热风回流炉虚拟模型中，实现低成本高效的热风回流炉参数设置。一些文献较多的介绍了印制板组件再流焊焊接有限元仿真模型建立方法，再流焊焊接过程用有限元仿真进行模拟，但尚未涉及到应用有限元仿真来建立热风回流炉虚拟模型。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，通过分析真实热风回流炉的状态，再应用传热学基本原理、热风对流理论、冲击射流理论，实现回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程建立，通过真实热风回流炉的物理参数和再流焊过程温度曲线，构建形成再流焊焊接热风回流炉虚拟模型，以快速、合理设计热风回流炉的工艺参数，解决无铅有铅混合组装、纯无铅组装再流焊焊接工艺下热风回流炉工艺参数设计周期长成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，包括：应用传热学基本原理，结合有限元瞬态热仿真分析工具，建立热风回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程；利用测温板获取测试板在真实热风回流炉再流焊过程中热风回流炉中全温区的温度曲线，测量所述热风回流炉的物理参数，结合冲击射流理论计，计算得到所述热风回流炉虚拟模型各温区的平均对流换热系数；针对所述热风回流炉虚拟模型设计对外接口；获取真实热风回流炉的尺寸参数和加热区长度，并以此修正所述热风回流炉虚拟模型的温区数量和温区间隔长度。
在上述技术方案中，优选地，所述应用传热学基本原理，结合有限元瞬态热仿真分析工具，建立热风回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程的具体过程包括：将印制板模型导入热风回流炉虚拟模型；基于回流炉再流焊瞬态热模块，以传热学基本原理推导计算所述印制板模型在所述热风回流炉虚拟模型中的瞬态热；通过APDL语言定义载荷步构建所述热风回流炉的温度载荷-时间曲线，以模拟所述印制板模型在所述热风回流炉虚拟模型中不同温区传动过程中的温度载荷。
在上述技术方案中，优选地，所述应用传热学基本原理推导计算所述印制板模型在所述热风回流炉虚拟模型中的瞬态热的具体方法包括：根据下列公式计算t时刻所述印制板模型的瞬态热：
其中，T(i)为温区初始温度；T(t)为温区t时刻温度；T为温度变量；hc为模拟加热的印制板模型平均对流换热系数；hr为辐射和热传导等效对流换热系数；Tair为热风回流炉内空气温度；ρ为空气密度；cp为定压热容；L为印制板模型长度；选择时间增量，计算每增加一个时间步时的所述印制板模型温度。
在上述技术方案中，优选地，在所述测温板测量所述测试板在真实热风回流炉再流焊过程中的温度时，测量不同温度下空气的动力粘度u、运动粘度v和热传导率k；根据下列公式计算得到热风回流炉虚拟模型各温区的平均对流换热系数
其中，
δ为回流炉内空气密度，D为热风回流炉出风口截面直径，H为出风口至印制板组件的表面距离，S为阵列中相邻喷口的间距，D1为喷口圆截面直径，Pr为普朗特数，Ve为喷口风速。
在上述技术方案中，优选地，所述热风回流炉虚拟模型的对外接口包括印制板模型导入接口、热风回流炉温区数量接口、热风回流炉温区温度接口和热风回流炉传送带速率接口。
在上述技术方案中，优选地，根据真实热风回流炉的尺寸参数和加热区长度修正所述热风回流炉虚拟模型的温区数量和温区间隔长度的方法为：当温区间隔间隔小于温区实际长度的二分之一时，以温区间隔长度的一半与温区实际长度之和作为热风回流炉虚拟模型的温区长度修正值；当温区间隔长度大于或等于温区实际长度的二分之一时，以当前温区间隔作为新的温区。
在上述技术方案中，优选地，所述测温板上粘贴设置热电偶，所述测温板设置于所述真实热风回流炉中不同温区。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过分析真实热风回流炉的状态，再应用传热学基本原理、热风对流理论、冲击射流理论，实现回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程建立，通过真实热风回流炉的物理参数和再流焊过程温度曲线，构建形成再流焊焊接热风回流炉虚拟模型，以快速、合理设计热风回流炉的工艺参数，解决无铅有铅混合组装、纯无铅组装再流焊焊接工艺下热风回流炉工艺参数设计周期长成本高的问题。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法的流程示意图；
图2为本发明一种实施例公开的仿真再流焊接炉温曲线与实温采集温度曲线的对比示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，根据本发明提供的一种基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，包括：应用传热学基本原理，结合有限元瞬态热仿真分析工具，建立热风回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程；利用测温板获取测试板在真实热风回流炉再流焊过程中热风回流炉中全温区的温度曲线，测量热风回流炉的物理参数，结合冲击射流理论计，计算得到热风回流炉虚拟模型各温区的平均对流换热系数；针对热风回流炉虚拟模型设计对外接口；获取真实热风回流炉的尺寸参数和加热区长度，并以此修正热风回流炉虚拟模型的温区数量和温区间隔长度。
在该实施例中，通过分析真实热风回流炉的状态，再应用传热学基本原理、热风对流理论、冲击射流理论，实现回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程建立，通过真实热风回流炉的物理参数和再流焊过程温度曲线，构建形成再流焊焊接热风回流炉虚拟模型，以快速、合理设计热风回流炉的工艺参数，解决无铅有铅混合组装、纯无铅组装再流焊焊接工艺下热风回流炉工艺参数设计周期长成本高的问题。
具体地，印制板组件在热风回流焊炉的加热过程中，热量以对流、辐射和热传导三种方式的组合方式进行传递，并以热风对流传热为主。假设热风回流炉处于稳定工作状态，温区温度在焊接过程中基本稳定，则通过真实热风回流炉再流焊过程中的温度曲线，建立热风回流炉虚拟模型，在计算机辅助下实现虚拟仿真，将印制板模型导入热风回流炉虚拟模型，通过反复虚拟试验实现回流炉工艺参数的设置，不需要将有铅无铅混合组装或纯无铅组装的印制板在真实热风回流炉中进行反复试验，大大节省了设计周期和设计成本。
在上述实施例中，优选地，应用传热学基本原理，结合有限元瞬态热仿真分析工具，建立热风回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程的具体过程包括：将印制板模型导入热风回流炉虚拟模型；基于回流炉再流焊瞬态热模块，以传热学基本原理推导计算印制板模型在热风回流炉虚拟模型中的瞬态热；通过APDL语言定义载荷步构建热风回流炉的温度载荷-时间曲线，以模拟印制板模型在热风回流炉虚拟模型中不同温区传动过程中的温度载荷。
具体地，在上述实施例中，应用传热学基本原理推导计算印制板模型在热风回流炉虚拟模型中的瞬态热的具体方法包括：根据下列公式计算t时刻印制板模型的瞬态热：
其中，T(i)为温区初始温度；T(t)为温区t时刻温度；T为温度变量；hc为模拟加热的印制板模型平均对流换热系数；hr为辐射和热传导等效对流换热系数；Tair为热风回流炉内空气温度；ρ为空气密度；cp为定压热容；L为印制板模型长度；选择时间增量，计算每增加一个时间步时的印制板模型温度。
选择时间增量Δt可通过公式1的右边做数值计算来确定t＝Δt，2Δt，3Δt，…时刻的印制板组件温度。每次作新一步计算时，被积式中的T用上一个时间步算得的值。温度载荷——时间曲线表示随时间变化的温度载荷，通过定义载荷步，实现对载荷温度和对流换热系数及时间的定义，模拟印制板组件在传动过程中经历不同的温区等效为随时间变化的温度载荷。在该过程中，可选择在阶跃的连接点的阶跃时间，以表示在该时间段内发生阶跃。在具体实施过程中，根据所要求解的精度与时间的要求，自行设置合理的时间步长，时间步长越多，计算的结果越精确，所耗费的设计时间越多。
在上述实施例中，优选地，应用测温板完成实物回流炉再流焊焊接，通过炉温测试仪采集到热风回流炉各温区的空气温度和测试板温度，从而得到每个温区实际温度变化情况(初始温度、最终温度)。在测温板测量测试板在真实热风回流炉再流焊过程中的温度时，测量不同温度下空气的动力粘度u、运动粘度v和热传导率k；根据下列公式计算得到热风回流炉虚拟模型各温区的平均对流换热系数
其中，
δ为回流炉内空气密度，D为热风回流炉出风口截面直径，H为出风口至印制板组件的表面距离，S为阵列中相邻喷口的间距，D1为喷口圆截面直径，Pr为普朗特数，Ve为喷口风速。
在上述实施例中，优选地，热风回流炉虚拟模型的对外接口包括印制板模型导入接口、热风回流炉温区数量接口、热风回流炉温区温度接口和热风回流炉传送带速率接口。
其中，印制板模型导入接口可用于设置印制板模型的长、宽、高等参数，热风回流炉温区数量接口可用于设置热风回流炉虚拟模型的温区数量，热风回流炉温区温度接口可用于根据真实热风回流炉的温区温度设置热风回流炉虚拟模型的各温区温度，热风回流炉传送带速率接口可用于设置印制板模型在热风回流炉虚拟模型中移动速率。
在上述实施例中，优选地，根据真实热风回流炉的尺寸参数和加热区长度修正热风回流炉虚拟模型的温区数量和温区间隔长度的方法为：当温区间隔间隔小于温区实际长度的二分之一时，以温区间隔长度的一半与温区实际长度之和作为热风回流炉虚拟模型的温区长度修正值；当温区间隔长度大于或等于温区实际长度的二分之一时，以当前温区间隔作为新的温区。通过修正温区数量和温区长度，完成热风回流炉虚拟模型的建立。
在上述实施例中，优选地，测温板上粘贴设置热电偶，测温板设置于真实热风回流炉中不同温区。
根据上述实施例公开的基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，以下以HELLER1809EXL热风回流炉、Ansys有限元仿真软件为例，对上述热风回流炉虚拟模型建立方法的具体步骤进行说明。
步骤1，HELLER1809EXL热风回流炉有10个温区(9个加热区+1个冷却区)，将仿真模型温区设置为10个(9个加热区、1个冷区)。具体应用Ansys有限元仿真软件，基于TransientThermal瞬态热仿真模块建立回流炉仿真流程图，具体流程：印制板组件模型导入——TransientThermal(回流炉再流焊接瞬态热)模块——MechanicalAPDL(参数化的计算APLD二次开发模块)。利用APDL语言进行载荷步定义，完成HELLER1809EXL热风回流炉虚拟再流焊焊接仿真模型流程建立。
步骤2，获取HELLER1809EXL热风回流炉各温区平均对流换热系数初始值。通过利用测温板，粘贴热电偶，应用已知的炉温曲线完成测试板再流焊全温区，通过炉温测试仪采集测温点温度曲线，(其中HELLER1809EXL热风回流炉尺寸参数见下表1，空气热物性参数见下表2)计算HELLER1809EXL回流炉各温区的平均对流换热系数，如下表3所示。
步骤3，HELLER1809EXL热风回流炉对外接口。
步骤4，实际测量HELLER1809EXL热风回流炉各温区和隔离区尺寸，如下表4所示，仿真模型中温区数量由实际热风回流炉的10温区增加为12个温区，且各温区长度进行适应性调整。
表1
表2
表3
表4
针对上述实施例建立的基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型，应用工艺试验板对基于有限元仿真建立的HELLER1809EXL热风回流炉模型进行验证如下。
在工艺试验板上随机选取8个测试点，用炉温测试仪探测8个焊点的温度曲线，同时将工艺试验板模型导入建立完成的HELLER1809EXL热风回流炉模型，也选取模型上近似位置的8个点。HELLER1809EXL热风回流炉仿真模型的输出与实际工艺试验板位置近似的8节点位置温度曲线，8个节点的仿真再流焊接炉温曲线与实温采集温度曲线对比如图2所示。
可以看出，再流焊接工艺仿真模型得到的焊点炉温曲线形态与实际炉温曲线趋势相同。参考文献，选取再流焊接炉温曲线的加热因子、超液相线时间等2个关键指标来作为模型建立合理性的验证指标。首先计算得到仿真模型中8个节点加热因子及超液相线时间与实际值比较见下表5、表6。由表5可以看出，加热因子最大偏差为44.23％。由表6可以看出，超液相线时间最大偏差为25.8％，只需对建立的HELLER1809EXL热风回流炉有限元仿真模型进行较小的修正即可用于实际再流焊焊接热风回流炉工艺参数设计，有效的验证基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型的合理性。
表5
表6
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，其特征在于，包括：
应用传热学基本原理，结合有限元瞬态热仿真分析工具，建立热风回流炉虚拟模型的再流焊焊接仿真流程，具体过程包括：
将印制板模型导入热风回流炉虚拟模型；
基于回流炉再流焊瞬态热模块，以传热学基本原理推导计算所述印制板模型在所述热风回流炉虚拟模型中的瞬态热；
通过APDL语言定义载荷步构建所述热风回流炉的温度载荷-时间曲线，以模拟所述印制板模型在所述热风回流炉虚拟模型中不同温区传动过程中的温度载荷；
利用测温板获取测试板在真实热风回流炉再流焊过程中热风回流炉中全温区的温度曲线，测量所述热风回流炉的物理参数，结合冲击射流理论计，计算得到所述热风回流炉虚拟模型各温区的平均对流换热系数；
针对所述热风回流炉虚拟模型设计对外接口；
获取真实热风回流炉的尺寸参数和加热区长度，并以此修正所述热风回流炉虚拟模型的温区数量和温区间隔长度。
2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，其特征在于，所述应用传热学基本原理推导计算所述印制板模型在所述热风回流炉虚拟模型中的瞬态热的具体方法包括：
根据下列公式计算t时刻所述印制板模型的瞬态热：
其中，T(i)为温区初始温度；T(t)为温区t时刻温度；T为温度变量；hc为模拟加热的印制板模型平均对流换热系数；Tair为热风回流炉内空气温度；ρ为空气密度；cp为定压热容；L为印制板模型长度；
选择时间增量，计算每增加一个时间步时的所述印制板模型温度。
3.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，其特征在于，在所述测温板测量所述测试板在真实热风回流炉再流焊过程中的温度时，测量不同温度下空气的动力粘度u、运动粘度v和热传导率k；
根据下列公式计算得到热风回流炉虚拟模型各温区的平均对流换热系数
其中，
δ为回流炉内空气密度，D为热风回流炉出风口截面直径，H为出风口至印制板组件的表面距离，S为阵列中相邻喷口的间距，D1为喷口圆截面直径，Pr为普朗特数，Ve为喷口风速。
4.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，其特征在于，所述热风回流炉虚拟模型的对外接口包括印制板模型导入接口、热风回流炉温区数量接口、热风回流炉温区温度接口和热风回流炉传送带速率接口。
5.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，其特征在于，根据真实热风回流炉的尺寸参数和加热区长度修正所述热风回流炉虚拟模型的温区数量和温区间隔长度的方法为：
当温区间隔间隔小于温区实际长度的二分之一时，以温区间隔长度的一半与温区实际长度之和作为热风回流炉虚拟模型的温区长度修正值；
当温区间隔长度大于或等于温区实际长度的二分之一时，以当前温区间隔作为新的温区。
6.根据权利要求1所述的基于有限元仿真的热风回流炉虚拟模型建立方法，其特征在于，所述测温板上粘贴设置热电偶，所述测温板设置于所述真实热风回流炉中不同温区。
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