一種用于波峰焊接設備的惰性氣體加熱裝置的製作方法

2023-05-07 19:58:36

本發明涉及到一種用于波峰焊接設備的惰性氣體加熱裝置。

背景技術：

波峰焊接技術是一種重要的電子組裝技術，將熔融狀態下的焊料，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，插裝了電子元器件的印刷電路板經一定角度和深度穿過焊料波峰，使得電子元器件通過通孔露出的引腳浸入焊料波峰，焊料因毛細效應爬入通孔而實現電子元器件的焊接。

在波峰焊接過程中，待焊接處理的工件，如印刷電路板在由焊料槽產生的至少一個焊料波上通過，隨著波峰焊接工藝中的波攪動，焊料的氧化會加劇，焊料的氧化不僅產生大量溶渣，而且會產生更多的焊接缺陷以及降低焊點的可靠性。在焊料槽上方一般設置惰性氣體氛圍，覆蓋在焊料表面，隔絕空氣，從而減少或防止焊料的氧化。美國專利us5044542（1989）描述了一種氣體保護波峰焊，波峰焊是在惰性氣體的環境中進行的，惰性氣體可以是單純惰性氣體或混合有少量除去氧氣的還原氣體的惰性氣體。但是在焊接設備工作期間總會出現焊料飛濺以及助焊劑揮發，它們會黏在納米多孔管上並造成惰性氣體出氣口堵塞。

由於氣體保護波峰焊接區域的溫度通常是250-270℃，並且需要大量的惰性氣體隔絕空氣；如果惰性氣體不經過預熱，會影響焊接區域的溫度穩定性，進而導致焊接效果不良。美國專利us4606493（1984）公開了一種在惰性氣體氛圍中焊接印刷電路板的方法和裝置，通過縫隙設有若干股與印刷電路板底面碰濺的高速噴入的惰性氣體，惰性氣體噴流的溫度被設定為焊料槽中熔融焊料溫度的2倍（超過600℃），可以防止焊接時由於所產生的熱而使電路接頭（通常是銅）氧化而減少在電路板內發生熱應力的缺陷。美國專利us5520320（1994）公開了一種有惰性氣體氣氛注入波峰焊接機的波峰焊接工藝，通過控制輸入氣體的溫度提高從環境氣氛到印刷電路板熱傳遞的熱效率以改善焊接點的質量。波峰焊接機進入焊料槽的區域尤其是印刷電路板周圍的氣氛應保持層流狀態且其溫度應控制在20℃到250℃（最好是80℃到200℃）之間以提高焊接點的質量。美國專利us5769305（1996）公開了一種波峰焊設備，其中經由穿過焊料浴的惰性氣體供給管線將惰性氣體供應到波峰焊接區域。惰性氣體供給管線設置成從上方穿過罩蓋並穿過焊料浴來到氣體分配單元。惰性氣體供給管線連接到特別是在罩蓋下方的氣體分配單元。然而，浸漬在焊料浴中的惰性氣體供給管線的長度不足以在惰性氣體通過浸漬在焊料與中的惰性氣體供給管線時顯著升高惰性氣體的溫度。中國發明專利授權公告號cn201020583y（2007）公開了一種氮氣保護釺焊爐間歇爐用預熱淨化裝置，將用於向釺焊區輸送氮氣的氮氣管道置於預熱淨化裝置的牆壁內，在加熱層與保溫層之間，利用氮氣保護釺焊爐門與預熱淨化裝置腔體的間隙，使得釺焊區溢出的氮氣進入預熱淨化區。美國專利us8,403,200b2（2010）公開了一種用於供應惰性氣體以便保護波峰焊接設備中的焊料浴的表面免予氧化的方法，其中惰性氣體從上方穿過罩蓋被供應到浸漬在罩蓋下方的焊料浴中的熱交換器，被熱交換器加熱，並經罩蓋被供應回頂部並且到達波峰焊接設備。惰性氣體實際上處於焊料浴的溫度下並由此防止焊料在波峰焊接設備內的分配裝置上固化和待焊接的零件在兩個波峰之間冷卻。防止了飛濺的焊料在惰性氣體分配系統的構件上固化。利用焊料槽中的焊料和惰性氣體管路進行熱交換來加熱惰性氣體，會使焊料的溫度降低，特別是當焊料槽容積不大的時候，焊料降溫可能會超過15℃，這樣會嚴重影響後續波峰焊接的效果。另外，受焊料槽溫度的影響，熱交換後惰性氣體的溫度很難超過220℃。此外惰性氣體的熱交換管道常年浸漬在焊料中會被腐蝕，一旦熱交換管破損，惰性氣體洩露將會導致焊料飛濺。

技術實現要素：

本發明的一個目的是為了解決波峰焊接用的惰性氣體的加熱問題，特別是提供一種惰性氣體加熱裝置，該裝置可以簡單精準地將波峰焊接用的保護氣加熱到所需要的溫度。

本發明採用的技術方案是採用一種用于波峰焊接設備的惰性氣體加熱裝置，包含外殼，保溫材料，導熱體，螺旋形惰性氣體管路，加熱元件，溫度控制系統，其中加熱元件包含加熱棒和電熱絲，螺旋形惰性氣體管路的進氣口和出氣口分別位於外殼上，進氣口和出氣口通過管道與外部氣路相連，螺旋形惰性氣體管路外包裹導熱體，導熱體外部為保溫材料，保溫材料外部是外殼，溫度控制系統與加熱元件相連，溫度控制系統包括兩隻溫度探測器和加熱控制裝置，加熱控制裝置與溫度探測器和加熱元件相連，控制加熱元件的開關。

優選地，所述加熱棒位於螺旋形惰性氣體管路卷繞內部的中軸線位置，所述電熱絲纏繞在導熱體外部。

優選地，所述導熱體外部設有外螺紋狀的凹槽，電熱絲纏繞在導熱體外部的凹槽內，凹槽間距為5-100mm。

優選地，所述螺旋形惰性氣體管路的螺距為螺旋形惰性氣體管路管徑的0.01-10倍。

優選地，所述保溫材料選自矽酸鈦、氧化矽、氧化鋁、氧化鈦多孔複合材料中的一種或幾種的複合物。

優選地，所述保溫材料為矽酸鈦（ti2si2o5）。

優選地，所述矽酸鈦保溫材料的孔徑小於70nm。

優選地，所述惰性氣體出氣口管路連接波峰焊接設備的惰性氣體保護裝置的進口，惰性氣體進氣口連接惰性氣體氣源。

優選地，所述溫度探測器設置在惰性氣體出氣口管路上和導熱體內。

優選地，所述溫度探測器可以是熱電偶、熱電阻或液漲式溫度開關的溫度探針。

優選地，所述導熱體也可以是cu、al以及其它導熱性能良好的材料，該材料包括銅合金或其他合金。

優選地，所述導熱體與螺旋形惰性氣體管路澆鑄在一起。

優選地，所述惰性氣體是氮氣或其他波峰焊接用的保護氣。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明安裝簡便，可在現有氮氣保護波峰焊爐上直接改造安裝，各種大小的波峰焊爐都可以適用。

2、本發明操作簡便，加熱範圍較大，加熱裝置出口處的惰性氣體溫度最高可達600℃，且溫度可調節的範圍較大，從100℃到600℃。且在加熱裝置的惰性氣體出氣口測量的氣體溫度在設定加熱溫度的正負2℃內波動。

3、本發明可方便且精準地調節加熱裝置出口處的惰性氣體溫度，以便更好地調節波峰焊過程中惰性氣體溫度這個參數。

4、本發明不需將惰性氣體管路浸漬在焊料槽中，檢修方便。

附圖說明

圖1為惰性氣體加熱裝置的正面剖視圖。

圖2為圖1中導熱體外電熱絲的纏繞示意圖。

其中：1-外殼；2-保溫材料；3-導熱體；4-螺旋形惰性氣體管路；5-加熱棒；6-電熱絲；7-惰性氣體管路進氣口；8-惰性氣體管路出氣口；9-溫度探測器；10-溫度探測器；11-凹槽。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

如圖1所示，本發明所述的一種用于波峰焊的惰性氣體加熱裝置，包含外殼1，保溫材料2，導熱體3，螺旋形惰性氣體管路4，加熱棒5和電熱絲6，溫度控制系統。其中螺旋形惰性氣體管路的進氣口7和出氣口8分別位於外殼上，進氣口通過快插與氮氣氣源相連，出氣口通過卡套與波峰焊充氮設備連通。螺旋形惰性氣體管路的管徑為8mm，螺距約為0.1倍管徑，螺旋形惰性氣體管路卷繞內部的直徑約為3cm。加熱棒5功率為5000w，長度約為30cm，位於螺旋管卷繞內部的中軸線位置，加熱棒的直徑與螺旋形惰性氣體管路卷繞內部的直徑基本一致。螺旋形惰性氣體管路外包裹鑄銅導熱體3，螺旋形惰性氣體管路與鑄銅導熱體澆鑄在一起。電熱絲6功率為2000w，纏繞在導熱體外部的預先加工好的外螺紋狀凹槽內，凹槽間距為30mm。導熱體3外部為保溫材料2，由於電熱絲6固定在導熱體3外部的凹槽11內（如圖2所示），可以減少電熱絲的移動並使鑄銅導熱體外表面與保溫材料更好地貼合，同時還可以增加導熱體與電熱絲的熱交換面積。保溫材料2外部是外殼1，保溫材料是矽酸鈦ti2si2o5微孔隔熱材料，孔徑在40nm左右，具有常溫下比靜止空氣還低的導熱係數，即使導熱體溫度超過600℃，外殼仍不至於過熱。溫度控制系統包括兩隻溫度探測器9、10，和加熱控制裝置，兩隻溫度探測器分別測量導熱體的溫度和惰性氣體管路出氣口處氣體的溫度，加熱控制裝置為控制繼電器，與溫度探測器相連與加熱棒5和電熱絲6相連，控制加熱元件的開關。溫度控制系統可以設定加熱溫度，通過加熱元件加熱導熱體，螺旋形氮氣管路被位於螺旋管卷繞內部的加熱棒及其卷繞外部的鑄銅導熱體充分加熱，惰性氣體加熱裝置的螺旋形惰性氣體管路出氣口處的氮氣溫度被溫度探測器監控，鑄銅導熱體的溫度也被監控，可根據氮氣出氣口的氮氣溫度，通過加熱控制裝置對加熱元件進行開關控制。

本發明在波峰焊接過程中的一種使用方式：

首先使用氮氣置換加熱裝置氣路中的氣體，關閉氣源之後開始操作。

溫度控制系統設定加熱溫度為400℃，打開加熱控制裝置，開啟加熱元件，通入氮氣，其中氮氣的溫度為室溫，氣源出口處氮氣壓力為4atm，氮氣在標準狀態下的流速為6nm3/h。約10min後讀取氮氣出氣口管路上的氮氣溫度探測器，顯示為398℃-402℃。同時測量波峰焊焊料槽氮氣保護裝置中的氮氣氣氛內的溫度，最高溫度可達280℃-350℃，取決於加熱裝置到波峰焊裝置的氮氣管路長短，以及是否包有保溫材料等因素。該溫度和焊料槽熱交換生產的熱惰性氣體的最高溫度220℃相比要高很多。

溫度控制系統設定加熱溫度為600℃，打開加熱控制裝置，開啟加熱元件，約15-20min後讀取氮氣出氣口管路上的氮氣溫度探測器，顯示為598℃-602℃。同時測量氮氣惰性氣體氛內的溫度，最高溫度可達330℃-500℃。本發明中用于波峰焊的惰性氣體加熱裝置可以精準地調節和控制惰性氣體的溫度，以便尋找和確認對于波峰焊最佳的惰性氣體溫度參數。與傳統的和焊料槽熱交換生產的氮氣惰性氣體加熱方式相比，本發明無須將氮氣管路浸入波焊槽，可以防止氮氣管路的腐蝕，以及對焊料溫度的影響。

若導熱體為al材質，最高加熱溫度約達400℃，使用其它導熱體，最高加熱溫度根據導熱體成分不同而不同。波峰焊接需要的氮氣保護氣溫度約在300℃左右，比焊料槽的溫度略高，可根據氮氣保護氣要加熱的溫度選擇適合的導熱體。

流經螺旋形惰性氣體管路的氮氣流速一般控制在4-8nm3/h，惰性氣體加熱裝置內的螺旋氣體管路總長度可以由傳熱基本方程推算，q=ka△tm，主要參數q為熱負荷，k為傳熱係數(總熱阻倒數)，a為換熱面積，△tm為對數平均溫差(對數平均推動力)，管路總長度取決於氣體種類和流速，管路內徑，管壁厚度，導熱體材質，加熱溫度等參數。

應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為了清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，實施方式中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可理解的其他實施方式。以上是本發明得較佳實施例，但本發明創造並不限於所述實施例，本領域的技術人員根據本發明技術實質所作的種種等同變型或替換，均包含在本申請權利要求所限定的範圍內，例如螺旋形惰性氣體管路可以是圓形螺旋，也可以是方形螺旋或其他形狀的螺旋，導熱體的形狀可以是圓柱體，長方體或其它形狀。