Tìm hiểu về máy hàn sóng công nghiệp

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN SÓNG Máy hàn sóng là một máy hàn quy mô lớn mà các linh kiện điện tử được hàn vào một bảng mạch in (PCB) để tạo thành một bo mạch điện tử. Tên máy hàn sóng bắt nguồn từ việc sử dụng sóng của dung dịch hàn nóng chảy để đính các thành phần kim loại vào PCB. Quá trình này sử dụng một bể để chứa một lượng dung dịch hàn nóng chảy, sau đó máy bơm sẽ bơm dung dịch thành sóng vào phía đáy của bo mạch.Những khu vực tiếp xúc được dính ướt các dung dịch hàn rồi nguội lại tạo thành một kết nối cơ khí và điện tử bền. Quá trình này nhanh hơn nhiều hơn so với hàn các thành phần điện tử bằng tay. Máy hàn sóng được sử dụng cho cả mạch linh kiện lỗ và linh kiện dán. Với mạch linh kiện dán, các linh kiện được cố định bởi các thiết bị xếp lớp lên bề mặt bảng mạch in trước khi chạy qua sóng hàn nóng chảy. I. CẤU TẠO Có rất nhiều loại máy hàn sóng, tuy nhiên các thành phần cơ bản và nguyên tắc của các máy này đều giống nhau. Một máy hàn sóng tiêu chuẩn bao gồm ba khu vực: khu vực sấy sơ bộ, khu phun, và khu vực hàn. Có thể bổ xung thêm khu vực làm sạch, được sử dụng tùy thuộc vào loại chất trợ hàn được sử dụng. Thiết bị cơ bản được sử dụng trong quá trình này là một băng tải di chuyển PCB đi qua các khu vực khác nhau, một bể được sử dụng trong quá trình hàn, một máy bơm tạo sóng, phun chất trợ hàn và khu sấy sơ bộ. Dung dịch hàn thường là một hỗn hợp của nhiều kim loại. Một dung dịch điển hình có cấu tạo hoá học gồm thiếc 50%, chì 49,5%, và antimon 0,5%. Có ba loại sóng hàn: sóng bình thường có tốc độ trung bình, sóng dẫn dài sử dụng cho hàn ngang; sóng kiểu thác có tốc độ cao, sóng dẫn ngắn, được sử dụng cho hàn nghiêng; và sóng phẳng mở rộng có tốc độ trung bình đến cao, sóng dẫn dài được sử dụng cho hàn ngang. II. ĐẶC ĐIỂM Sau đây là đặc điểm của quá trình hàn sóng:  Mối hàn sạch và chắc.  Quá trình hàn là tự động  Tái sử dụng được chất trợ hàn và chất hàn.  Cần phải kiểm tra, phản hồi tín hiệu và thử nghiệm.  Năng suất hiệu quả cao. III. CẤU TẠO 1. VÙNG PHUN PCB đầu tiên đi vào vùng phun, chất trợ hàn được phun vào bên dưới của bo mạch. Ba hình thức phun chất trợ hàn là phun dạng sương, phun dạng bọt và phun quay(ít sử dụng). Phun dạng sương. Hệ thống phun sương sử dụng một cánh tay robot đi từ bên này sang bên kia vùng phun và phun chất trợ hàn dạng sương mù vào phía dưới của bo mạch. HÌnh thức phun sương khác sử dụng một ống dài với nhiều vòi phun sương nằm trên ống. Ngoài ra hệ thống có thể bao gồm một cảm biến siêu âm.Một số hệ thống sử dụng khí nén để loại bỏ chất trợ hàn dư thừa hoặc loại bỏ hoàn toàn chất trợ hàn tại một số khu vực. Phun dạng bọt Hệ thống phun bọt bao gồm một bình chất trợ hàn chứa một hình trụ bằng nhựa có lỗ nhỏ xíu.Xi lanh nhựa được phủ bằng một ống kim loại ống .Không khí được thông qua thông qua xi lanh gây ra thông lượng bọt tăng lên ống, tạo thành một tầng đầu của bọt. Khi PCB đi qua đầu bọt, chất phụ gia sẽ bám vào PCB. Đối với cả hai phương pháp trên, kiểm soát chính xác lượng chất trợ hàn là yêu cầu cấp thiết. Quá ít chất trợ hàn sẽ gây ra thiếu kim loại, trong khi quá nhiều có thể gây ra các vấn đề về thẩm mỹ, vệ sinh…Một vòi phun khí được sử dụng đảm bảo chất trợ hàn bám đều vào bảng mạch và loại bỏ chất trợ hàn dư thừa. Ngoài ra các loại chất trợ hàn ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng. Có hai loại chất trợ hàn, ăn mòn và không ăn mòn. Chất trợ hàn không ăn mòn yêu cầu làm sạch bo mạch trước và được sử dụng khi được yêu cầu. Chất trợ hàn ăn mòn là chất trợ hàn nhanh và yêu cầu về độ sạch ít, nhưng có độ axit cao hơn. 2. VÙNG SẤY SƠ BỘ Sau khi qua vùng phun, PCB vào khu vực sấy sơ bộ. Khu vực sấy sơ bộ bao gồm máy sưởi đối lưu thổi không khí nóng lên PCB để tăng nhiệt độ của nó. Đối với các PCB dày hoặc nhiều linh kiện, có thể phải sử dụng một bộ sấy bên trên. Các bộ sấy trên thường là một nguồn hồng ngoại. Gia nhiệt giúp kích hoạt các chất trợ hàn, và để loại bỏ dung môi của chất trợ hàn. Sấy sơ bộ cũng để ngăn chặn sốc nhiệt . Sốc nhiệt xảy ra khi một PCB tiếp xúc bất ngờ với sóng hàn nóng chảy. 3. VÙNG HÀN Các thùng của hàn nóng chảy có một mô hình của sóng đứng (hoặc, trong một số trường hợp, sóng liên tục) trên bề mặt của nó. Khi PCB được di chuyển trên thùng này, các sóng hàn bám vào phía dưới của bo mạch, và dính vào miếng hàn và chân linh kiện thông qua sức căng bề mặt.Cần phải kiểm soát chính xác chiều cao sóng là để đảm bảo hàn được bám vào tất cả các chân linh kiện nhưng không tràn lên bề mặt của bo hoặc bám vào các khu vực không mong muốn khác. Quá trình này có thể được thực hiện trong môi trường nitơ (N2 ) để tăng chất lượng của các mối hàn. Môi trường nitro cũng làm giảm sự oxy hóa gây ra xỉ hàn. 4. VÙNG LÀM SẠCH Một số loại chất trợ hàn không ảnh hưởng tới đặc điểm của mối hàn. Tuy nhiên phần lớn chất trợ hàn cần phải làm sạch. Khi đó PCB được rửa sạch bằng dung môi hoặc nước khử Ion hóa để loại bỏ dư lượng chất trợ hàn. MÁY HÀN THỰC TẬP –LEAD FREE WAVE SOLDERING MACHINE H-HPCEG - 010572 Máy hàn sóng thực tập gồm 2 vùng chính là vùng sấy và vùng hàn. Vùng phun và vùng làm sạch được giảm bớt. Máy sử dụng hệ thống phun sóng đơn. THÔNG SỐ KỸ THUẬT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PLC MOTOR BĂNG TẢI PANASONIC M91A40GD4W1 220V-50HZ- 40A, 4B-40W-CONT2,5MF TỐC ĐỘ BĂNG TẢI KÍCH THƯỚC PCB 50-350mm NHIỆT ĐỘ SẤY 80-4000C NHIỆT ĐỘ HÀN SỨC CHỨA BỂ HÀN ĐỘNG CƠ TẠO SÓNG NGUỒN CÔNG SUẤT LÀM VIỆC THỰC MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG  Biến tần : Hệ thống điều khiển động cơ bằng biến tần gồm có 4 biến tần của hãng LATVIA 31 . 0,37KW/0,5HP . 200/240V~,  Động cơ : - DC KÉO BĂNG TẢI : PANASONIC M91A40GD4W1 220V-50HZ-40A, 4B- 40W-CONT2,5MF - DC BƠM THIẾC : GEAR MOTOR TIPE GMTA020-18L5TK INPUT 3FA 0,2KW-4P - DC BƠM DẦU : MD-10230GS Biến tần LATVIA 31 . 0,37KW/0,5HP . 200/240V~ - Một số thông số của biến tần LATVIA 31 . 0,37KW/0,5HP . 200/240V~: Thân thiện với người sử dụng màn hình LCD, bảng điều khiển và Rõ ràng màn hình hiển thị chữ và số. Một đầu vào tương tự 0,37 đến 2,2 kW (0,5 đến 3 mã lực) 3 pha, 200 để 240 V ± 10% 0,37 đến 2,2 kW (0,5 đến 3 mã lực) 3 pha, 380 để 480 V ± 10% 0,37 đến 4 kW (0,5 đến 5 mã lực) Điện áp tín hiệu Hiện tín hiệu Potentiometer tham chiếu giá trị Độ chính xác 0 (2) đến 10 V, Rin> 312 kΩ 0 (4) đến 20 mA, Rin = 100 Ω 10 V ± 1% max. 10 mA, R <10 kΩ ± 0,1% Tần số 48 để 63 Hz Phụ trợ điện áp 24 V DC ± 10%, tối đa. 200 mA Hệ số công suất 0,98 Năm kỹ thuật số đầu vào 12 đến 24 V DC với nội bộ hay bên ngoài Động cơ kết nối cung cấp, PNP và NPN, để tạo xung 0 đến 10 kHz. Trở kháng đầu vào 2,4 kΩ Tần số 0 để 500 Hz Một đầu ra rơle Thời gian tăng hoặc giảm tốc 0,1 để 1800 s - Nguyên lý hoạt động của biến tần Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. DC KÉO BĂNG TẢI : PANASONIC M91A40GD4W1 220V-50HZ-40A, 4B-40W-CONT2,5MF DC BƠM THIẾC : GEAR MOTOR TIPE GMTA020-18L5TK INPUT 3FA 0,2KW-4P DC BƠM DẦU và QUẠT THỔI KHÍ : MD-10230G PHẦN II : MỘT SỐ MODULE I. HỆ THỐNG BĂNG TẢI : Hệ thống băng tải bao gồm : một động cơ xoay chiều 3 pha PANASONIC M91A40GD4W1 220V-50HZ-40A, 4B-40W-CONT2,5MF, có điều khiển tốc độ trên núm điều khiển để điều khiển chuyển động nhanh chậm của băng tải. Hệ thống băng tải chuyển động dưới sự chuyển động của xích kết nối với hệ thống trục chuyển động của động cơ.Chúng ta có thể nâng độ cao thấp của băng tải sao cho hợp lý. Hệ thống băng tải có khả năng mở rộng từ 100mm đến 500mm để kẹp tấm mạch chuyển động dọc theo băng tải. Đầu hệ thống băng tải có cảm biến nhận biết bảng mạch bắt đầu lên hệ thống băng tải. II. HỆ THỐNG CUNG CẤP THIẾC  Thiếc là kim loại màu trắng bạc, dẻo (dễ cán thành lá mỏng gọi là giấy thiếc) Nhiệt độ nóng chảy là 232 °C, nhiệt độ sôi 2602 °C Có hai dạng thù hình : - Thiếc trắng bền ở nhiệt độ trên 14 °C có D =7,92g/cm3 - Thiếc xám bền ở nhiệt độ dưới 14 °C có D =5,85g/cm3  Thiếc hàn : là hợp kim có điểm nóng chảy khá thấp, khoảng từ 90 đến 450°C (200 tới 840°F), được sử dụng trong việc liên kết bề mặt các kim loại khác nhau. Chúng được ứng dụng trong kỹ thuật điện, điện tử. Thông thường, nhiệt độ nóng chảy của thiếc hàn trong khoảng từ 180 đến 190°C. Thiếc hàn có thể chứa chì hay chất trợ chảy nhưng trong phần lớn các trường hợp hiện nay thì thiếc hàn không chứa chì 1. Cấu tạo Bể thiếc được làm bằng vật liệu đặc biệt, phù hợp với yêu cầu công nghệ. Nhiệt độ được hiệu chỉnh thông qua một bộ phận điều chỉnh nhiệt độ giúp kiểm soát nhiệt tốt hơn và chính xác hơn. Thân chính của bể hàn và hộp điều khiển nhiệt độ được tách rời để đảm bảo an toàn hơn. Dây điện được bảo vệ trong vỏ bọc, Cầu chì thay thế dễ dàng. - Kích thước trong thùng thiếc : 190 x 250 x 80 (mm) (D x R x C) - Kích thước ngoài thùng thiếc : 450 x 380 x 320 (mm) - Kích thước hộp điều khiển : 261 x 160 x 192 (mm) - Khối lượng thiếc bể có thể chứa : 13.4 ~ 18 kg - Dòng điện đầu vào : VAC220V/50Hz - Công suất : 0,2KW 2. Nhiệm vụ Bể thiếc có nhiệm vụ chính sau:  Cung cấp thiếc cho hệ thống làm việc theo chu trình kín (cấp và nhận thiếc chảy về).  Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình bơm thiếc làm việc.  Lắng đọng các chất cạn bã trong quá trình làm việc. 3. Quá trình board mạch đi qua bể thiếc Sau khi board mạch được sấy khô qua hệ thống sấy sẽ được chuyển tới bể hàn thiếc. Tại đây nhiệt độ sẽ tăng hơn 100 ° C, sau đó tăng nhanh đến đỉnh với nhiệt độ khoảng 240-250 ° C trong thời gian hàn. Trong quá trình thiếc tiếp xúc với board, các vùng của board tiếp xúc với sóng hàn và nhanh đạt được trạng thái nhiệt nóng chảy,khi đó tất cả các chân hàn sẽ được hàn vào board. ( Hình 1) Hình 1: Quá trình hàn sóng III. HỆ THỐNG SẤY 1. Vị trí : Được thiết kế dọc theo đường đi của các bo mạch 2. Cấu tạo: + hệ thống dây maixo tạo nhiệt + Hệ thống quạt tạo luồng khí nóng + Hệ thống điều khiển nhiệt + Hệ thống hộp chứa Ưu điểm của hệ thống: + Nhiệt độ được truyền trực tiếp vào các chân hàn và tấm bo + Ngăn chặn sự quá nhiệt của các thánh phần + Phân phối nhiệt tới các thành phần (các linh kiện thánh phần) + Phân phối nhiệt trên tới bề mặt bo mạch + Giảm thiểu sự oxy hóa của các tấm hàn Thông số phân bố nhiệt độ trong hệ thống: Hệ thống cảm biến nhiệt: Mỗi buồng, mỗi khu sưởi ấm đều có cảm biến nhiệt độ riêng và được hiệu chỉnh chuẩn bởi các nhà sản xuất nên không lên thay đổi hay hiệu chỉnh các thông số của cảm biến. Hệ thống điều khiển nhiệt độ: Mỗi buồng, mỗi khu sưởi ấm đều có hệ thống điều khiển nhiệt độ riêng nó là một bộ điểu khiển PID tiêu chuẩn với hệ logic mờ chức năng với driver lớn với hệ thống rơle 3. Bài toán tính toán và thiết kế: Sự thiết kế bao gồm các lựa chọn nhiệt độ cho khu vực thích hợp với tốc độ di chuyển của băng tải. Cần xét các vấn đề sau như vật liệu, độ dày, kích thước hình dạng của tấm hàn và khu vực hàn để hiệu chỉnh nhiệt độ của các khu vực và tốc độ băng tải. Bo mạch đi qua khu gia nhiệt trước sau đó là khu sấy duy trì nhiệt độ tùy theo điều kiện của vật liệu mà nhiệt độ có thể tăng hay giảm, di chuyển nhanhhay chậm Các khu sưởi ấm: + Khu làm nóng: khu tăng nhiệt nhanh chóng chuẩn bị cho quá trình hàn nó làm khô khu vực , có cần thiết để sưởi ấm với tỷ lệ dưới 3*C/s . Chú ý các thành phần nhạy cảm có thể bị hư hỏng. + Khu sấy khô: các mối hàn nhiệt được tăng lên từ từ trong khu vực này mối hàn sẽ triệt để về vật lý và hóa học theo nhiệt độ và chuẩn bị cho khu vực hàn. Ở đây không khí ẩm sẽ được bốc hơi. PHẦN III : CÁC BÀI TOÁN CẦN GIẢI QUYẾT 1. Bài toán về điều khiển và khống chế nhiệt độ của hệ thống sấy và nấu chảy thiếc. 2. Bài toán về điều khiển độ cao sóng hàn . 3. Bài toán về điều khiển di chuyển băng tải.