釬焊中的感應加熱溫度控制技術

一、引言

    在感應釬焊中，溫度控制是影響焊接質量的關鍵因素之一，感應釬焊的工作原理是利用感應線圈產生的交變磁場在工件中感應電流從而產生熱能，由于在加熱過程中，線圈電流、工件內地渦流、磁場、工件溫度及其分布、工件阻抗特等多個物理參數都是變化的，且相互影響，再加上測量環節及電源功率調節等因素帶來的影響，使得感應加熱的溫控系統具有滯后性、時變性及非線性等特征。對于鋁合金的硬釬焊，經常會遇到釬焊料及助焊劑等工作溫度非常接近母的情況，對溫度控制提出了更高的要求。跟其它加熱方式相比較而言，感應加熱溫控系統受影響因素較多，因而也為其應用提供了更多的可變因素，控制方法及手段更多樣化，其中不但包括溫度變化曲線的控制、加熱溫度精確度的控制，也包括溫度在工件上的分布的控制。

二、溫度變化的控制

    1.升溫的控制

    由于感應加熱的集膚效應，局部加熱功率密度可以很高，比功率密度的提高也就意味著升溫速度的提高快速局部加熱是感應加熱的優點之一。充分利用這一特點，對釬焊區域進行快速加熱，可以有效地提高釬焊效率及能源利用率。對于鋁合金釬焊來說，一般是其他因素限制了升溫速度，如:

    1.1.過快的升溫速度會在工件造成較大的溫差從而引起工件變形，

    1.2 對于結構復雜的工件局部升溫過快引起的超溫，

    1.3 由于感應加熱時工件及感應器內的電流都非常大，因此彼此間的電磁力會是一個需要考慮到因素，有時佳田過大的功家會已勁計大的由磁十(A元平中磁一家甘么可以2豐

    1.4 工藝上的要求，如母材、釬料或釬劑對升溫速度有要求

    2.保溫的控制

    對于感應加熱電源來說，保溫相對比較容易，在保溫過程中，由于溫度在工件上的分布一般是要繼續變化的，工件的散熱也是發生相應的變化，所以如果需要非常精確度溫度穩定性，也需要采用閉環溫度控制。

    3.降溫的控制

    由于電源功率可調，所以可以準確地控制工件隆溫速度，但是當冷卻速度要求高于自然冷卻速度時，只能采穌抓取外部強制冷卻，如空氣冷卻甚至水冷等。

三、溫度精度的控制

    現代感應釬焊系統通常采用閉環控制系統來實現精準溫控，其核心組件和原理如下圖所示:

    1.測溫方法紅外測溫由于可以實現非接觸測量，在很多感應場合得到應用但是由于其工作原理是通過測量物體紅外發射功率來測量溫度，所以對于鋁合金加熱的溫度測量比較困難，一是因為光亮的鋁合金表面由于發射率過低二是鋁合金在加熱過程中極易氧化，從而導致其發射率在加熱中發生變化。但是如果加熱過程中工件表面狀況一致性及重復性很強時，測溫只是用于加熱重復性控制時也可以考慮使用。比較常見的是采用熱電偶測溫，價格低廉測溫可靠，缺點是必須跟測溫物體良好接觸，相比而言，用熱電偶要精確的多，但這種接觸式測量手段也受到一定的限制，如果采用表面接觸式測量，測量精度受熱電偶與工件間的接觸是否良好的影響，在工件上增加一個測量孔，從測量角度看是最理想的，測量精度很高，但是有時由于工件本身的一些限制而無法實現如需要測量點不允許打孔或工件本身就不允許打孔。對于形狀比較復雜的工件，檢測點的選擇也比較重要，一般要選擇靠近加熱區，能夠靈敏及時反映溫度變化的點，同時也能夠反映釬焊區溫度曲線特征的區域。2 溫度控制方法

    2.1 手動控制

就是采用手動調節功率的方式來控制加熱功率，這種方法對操作者的要求很高，有一定的風險。有經驗的操作者可以根據母材的顏色、釬料及釬劑的熔融狀態判別工件的溫度。如果有溫度測量裝置，則操作要容易得

名，

    2.2 程序控制采用程序控制方式，HDWS-SZ系列電源本身帶有程序控制功能，可以編輯功率或電流曲線用于加熱自動控制，批量生產時，如果有定位精確的工裝設備，采用程序控制的重復精度很高。實際操作中存在如何確定程序參數的問題，一般采用一個調試件利用測溫裝置直接調試出程序。其缺點是當系統中有參數(比如環境溫度工件尺寸及位置等)發生變化時，輸出功率不能做相應的變化以保證相同的溫度曲線。

    2.3.PID調節控制是溫度閉環控制方式中最為常用的控制調節單元，就是以溫度反饋為輸入，根據相應的比例、積分及微分參數，對控制輸出進行調整，使工件溫度能夠跟隨設定溫度。其缺點是PID參數的優化比較麻煩，且當外部條午友生發化時，最優參效也會隨有發化。因而仕感心加熱條統使用時很谷易適成超調及振湯。為了避免任開溫及保溫段容易出現的超調現象，一般將該段改為多段控制。

    2.4 其他新型的控制模式針對感應加熱系統的特點，近年來模糊控制及Fuzzy+PID混合控制方式開始逐漸應用于感應加熱 為解決升溫拐點處容易超調及振蕩提供了新的解決方法。

    3.感應器設計是控制溫度分布的關鍵，設計感應器時，需要考慮高頻電流的集膚效應、尖角效應、臨近效應等 尤其要注意下面的幾個關鍵問題

    3.1 釬料區的溫度控制在加熱中，焊料區的溫度控制尤為重要，在設計感應器時 需要注意盡量避免工件中的環路電流流經釬料因為釬料區有電流通過會有幾個危害:首先容易引起釬劑的超溫、由于電磁力的原因會影響其自由浸潤擴散，有時甚至會被“拋出”釬焊區、釬料區也是要釬焊工件的各部件的接觸區域，在釬劑熔化之前，電流同樣會經過接觸區域，而這里的接觸電阻一般是很不穩定的，因而其電流分布及溫度分布有可能會是不確定的，當釬料熔化時，電流分布及熱量傳輸會有非常大的變化，也就是說釬焊區域的溫度變化也會很大。

    3.2 零部件間的能量分配當被連接的部件缽尺寸及大小相差懸殊時，設計感應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，甚至有些極小的部件完全不需加熱而靠熱量傳導完成加熱。以加強對該部分的加熱。工件管體部分由于體積小，所以采用了不帶導磁體且距離工件較遠，以維持管體部分的適當功率。由于感應器工作時磁場分布及工件溫度場都是時變場，所以其分析較為復雜，一般是根據其基本原理及實踐經驗進行設計，近年來多物理場的有限元分析也開始用于感應器的分析設計。

    3.3 輔助冷卻加熱個別特殊工件的條件下，可能存在有通過其他途徑無法消除局部溫度偏高的問題，在這種情況下可以考慮局部冷卻。常用的冷卻手段有，壓縮空氣冷卻、帶水的比如在維修中，我們經常會遇到修補其中一個釬焊區臨近區域的釬焊受到影響，這種條件下，需要對臨近已釬區域進行輔助冷卻。感應釬焊是一種非接觸式的控制非常靈活的感應加熱方式，因而更是非常便于同其他加熱方式混合使用，對于個別溫度分布要求比較特殊的工件，完全可以使用其他輔助加熱手段，比如零部件上有一個非常小的凹坑時，火焰加熱作為補充就很方便，而大型復雜板料件，跟爐體一起混合使用就會達到非常好的加熱效果。

    4.導磁體的應用及屏蔽措施

    在感應加熱中的應用非常廣泛，其作用就在于能夠聚集磁場，用于加強某個部位的加熱，或是減弱相反方向上的加熱。

    在某些工件的加熱中，如果工件局部想避免加熱但又無法避開加熱線圈電磁場時也可以考慮采用屏蔽措施，屏蔽的原涻理彫醯吳是利用另一個閉和的導電回路，高頻磁場在該回路感應的電流反過來對該磁場有抵消作用。

四、結語

感應釬焊從本質鑲擗上說是一種可控的加熱手段，簡單可靠易用的背后是較為復雜的電磁場理論及控制理論但當這一工具一旦為眾多的應用客戶掌握，感應加熱必將成為釬的有力工具。