第9期 2016年9月
组合机床与自动化加工技术
ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechnique
文章编号：1001-2265(2016)09008203
DOI;10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2016. 09. 023
激光钎焊温度控制系统设计
易先军，周敏，刘健，王振，杨林（武汉工程大学电气信息学院，武汉430205）
No.9 Sep.2016
摘要：针对在激光针焊过程中需要高稳定度的恒温环境这一问题，文章紧密结合激光针焊技术的特性，设计了一款基于双闭环PID结构的温度控制系统，分别在硬件和软件两方面对激光器的工作电流和焊点的焊接温度进行控制。内环电流环采用模拟PI调节电路，保障激光器工作电流控制的响应速度；外环温度环采用积分分离的数字PID算法，提高温度控制的精度。测试结果表明，该激光针
焊温度控制系统超调量小、控制精度高，满足激光针焊各阶投的温度控制要求。关键词：比例积分微分；温度控制；激光针焊；双闭环控制
中图分类号：TH39：TG506
文献标识码：A
Design of Temperature Control System for Laser Brazing YI Xian-jun, ZHOU Min, LIU Jian, WANG Zhen, YANG Lin
(School of Electrieal and Information Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China) Abstract: Aiming at the problem of the high stability constant temperature environment in laser brazing pro-cessing, the characteristics of laser brazing technology are closely integrated and a temperature control sys-tem based on the structure of the double closed loops PID has been advanced in this paper. This system is to control the working curent of the laser and the welding temperature of the solder joints in hardware and soft-ware. The analog PI regulation circuit has been applied in the inner current loop to ensure the controls re-sponse speed of the working current of the laser. The digital PID algorithm with integral separation has been used in the outer temperature loop to improve the accuracy of the solder joint temperature control. The ex-periment results have shown that the temperature control system had the small overshoot and high control precision, while at each stage the temperature control requirements of laser brazing have been satisfied.
Key words: proportional integral differentia; temperature control; laser brazing; double closed loop control
引言 0
自从1974年CarlFBohman首次利用激光钎焊的方法进行电子元器件的连接后]，激光钎焊技术不断的发展，在微电子封装和组装方面得到了广泛的应用。文献[2-3]中讲述激光钎焊在汽车行业和表面组装技术的应用，却并没有对激光钎焊过程中产生的温度的大小进行详细说明。温度是焊接好坏至关重要的一个因素。
在激光钎焊过程中，针对不同焊接对象的面积、导热性、结构，要求控制算法不仅能提高温度控制的精度，而且对温度上升速度及下降速度也提出了可控要求，显而易见常规仪表加接触器的断续控制难于满足这些要求。采用微控制器对温度进行比例积分微分(Propor tionalIntegralDifferentia，PID）控制不仅具有控制方便简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
收稿日期：20151104；修回日期：20151126
+基金项目：中国国家自然科学基金资助项目(51207117）
本文针对激光钎焊过程中需要高稳定度的恒温环境这一问题，以STM32F103VC为主控制板，采用双闭环PID为核心控温算法，对电路板和电子元器件进行焊接。本次焊接过程分为三个阶段，预热段、焊接段和保温段，实验结果证明双闭环PID控制算法的智能化和灵活性，能使温度迅速上升到预热段，并且能有效保证焊接段和保温段的控温精度，充分满足了激光钎焊的工艺要求。
激光钎焊温度控制原理 1
激光钎焊是以激光为热源加热钎料融化的钎焊技术。激光钎焊的主要特点是利用激光的高能量密度实现局部或微小区域快速加热完成钎焊过程。激光束汇聚在钎料上，钎料温度过高导致融化过快，而母材温度不足使钎料不能很好润湿母材，影响填充效果，钎缝成形变差。激光束汇聚在母材上，钎料温度有可能过低，导致钎料流动性或活跃性降低，母材可能过热融化，导
作者简介：易先军(1975一），男，湖北公安人，武汉工程大学电气信息学院副教授，碳士生导师，研究方向为计算机测量与控制，（E-mail)xjuny@
wit.edu.cn；通讯作者：周敏（1990—），女，朝北麻城人，武汉工程大学硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置，（E-mail)ziyuer_min@126.com,
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