CN103808567A - 一种钎焊接头力学性能实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种钎焊接头力学性能实验装置及方法，涉及材料力学性能实验领域。其特征在于：包括力产生采集转换装置、微观图像放大采集传输装置和数据显示及处理装置，力产生采集转换装置包括可夹紧并拉伸钎焊接头的加载装置，加载装置一端通过步进电机（5）和控制器与数据显示及处理装置相连，另一端通过力采集转换装置与数据显示及处理装置相连；微观图像放大采集传输装置包括正对钎焊接头的微观图像放大装置和置于微观图像放大装置后方并与其相连的图像采集传输装置，图像采集传输装置一端与电源（11）相连，另一端与数据显示及处理装置相连。该钎焊接头力学性能实验装置及方法可以测试钎焊接头力学性能，数据准确、降低实验成本。
Description
技术领域
一种钎焊接头力学性能实验装置及方法，涉及材料力学性能实验领域，具体涉及一种测试钎焊接头力学性能的装置及方法。
背景技术
拉伸实验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的实验方法。利用拉伸实验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标，普通拉伸实验只能对试样的宏观力学行为进行研究，但是要研究微小尺度材料的力学性能，例如钎焊接头，普通拉伸实验远远不能达到实验要求，在研究钎焊接头等材料机械性能时，我们需要对材料拉伸整个过程的微观行为实时观测，这就需要借助原位拉伸实验获得材料微观形貌变化来研究材料的力学行为。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可以测试钎焊接头力学性能，数据准确的、降低实验成本的钎焊接头力学性能实验装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该钎焊接头力学性能实验装置，其特征在于：包括力产生采集转换装置、微观图像放大采集传输装置和数据显示及处理装置，力产生采集转换装置包括可夹紧并拉伸钎焊接头的加载装置，加载装置一端通过步进电机和控制器与数据显示及处理装置相连，另一端通过力采集转换装置与数据显示及处理装置相连；微观图像放大采集传输装置包括正对钎焊接头的微观图像放大装置和置于微观图像放大装置后方并与其相连的图像采集传输装置，图像采集传输装置一端与电源相连，另一端与数据显示及处理装置相连。力采集转换装置将加载过程中载荷大小传输给数据显示及处理装置，微观图像放大装置可以放大并扫描钎焊接头的微观变形，图像采集传输装置可将钎焊接头拉伸过程中的微观变形特性以图像形式传输给数据显示及处理装置。
所述的加载装置包括丝杠、拉伸台和支撑台，拉伸台安装在支撑台上部并可夹紧钎焊接头两端，丝杠安装在拉伸台一侧并由步进电机驱动进行传动，传动的丝杠可带动拉伸台拉伸钎焊接头。步进电机和丝杠可以精确拉伸钎焊接头，使其产生微小变形。
所述的力采集转换装置包括力传感器和采集转换模块，加载装置连接力传感器，力传感器连接采集转换模块，采集转换模块连接数据显示及处理装置。力传感器可以测量加载过程中载荷大小，采集转换模块将载荷大小的电信号转化为换成数字信号并传输给数据显示及处理装置。
所述的CCD高清摄像机周围设有照明光源，CCD高清摄像机镜头正对钎焊接头。
所述的图像采集传输装置包括CCD高清摄像机和模数转换器，CCD高清摄像机安装在微观图像放大装置后部并同时连接模数转换器，模数转换器连接数据显示及处理装置。CCD高清摄像机进行图像采集，模数转换器将图像进行模拟转换，并传输给数据显示及处理装置。
所述的数据显示及处理装置为计算机，计算机内安装数字图像相关处理程序，数字图像相关处理程序基于VC编程，使用数字相关方法对采集到的数字图像进行处理。
所述的微观图像放大装置采用扫描电子显微镜。
所述的控制器采用PLC控制器。
利用一种钎焊接头力学性能实验装置进行的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
1.利用加载装置将钎焊接头试样夹紧，启动步进电机，使加载装置对钎焊接头试样施加载荷，并确保施加的载荷垂直于钎焊面，施加载荷大小应均匀增加；
使用微观图像放大装置对钎焊区域进行摄像并放大到50μm级别，并通过图像采集传输装置将图像传输至数据显示及处理装置内，利用数字图像相关处理程序在钎焊接头试样的钎焊区域和母材交界面上标记两排平行的栅格组，每排栅格组中包括多个并排在一起的栅格，并在其中的每个栅格标记参考点和载荷施加方向，利用力采集转换装置测量加载过程中载荷大小，并通过转换信号将载荷大小传输给数据显示及处理装置；按上述方法在不同载荷情况下采集数字图像并传输给数据显示及处理装置，利用数字图像相关处理程序得到各个参考点的相对位移，用载荷方向后的参考点的位移减去载荷方向前的参考点的位移就得到了钎焊接头试样的位移，即：
式中
表示钎焊接头试样的位移，
表示载荷方向后的参考点的位移，
表示载荷方向前的参考点的位移；
3.分别对多组钎焊接头试样进行实验，并对每组实验获得的载荷位移曲线求平均值得到不同宽度的载荷位移曲线和极限载荷。
优选的，所述的钎焊接头试样采用钎焊层作为填充金属与长方体不锈钢板进行钎焊制得而成，钎焊层采用BNi2薄片，不锈钢板采用316L不锈钢。制作钎焊接头样品时应在工业保护气炉内进行，温度为1100℃，时间20min，保护气体是氢和氩7混合气，其中Ar占93%，H2占7%。加入H2是为了消除不锈钢板表面的氧化层，更有利于填充金属的浸润。
优选的，应制作3种具有不同宽度钎焊区域的钎焊接头，钎焊区域宽度分别为50μm 、100μm 、150μm，制作方法为用厚度分别为50μm 、100μm 、150μm的BNi2薄片作为填充金属使用钎焊机对尺寸为300×100×25mm的长方体316L不锈钢板进行钎焊，每种钎焊接头分别加工5个试样。
优选的，所述的栅格组中包括10个并排在一起的栅格，每个栅格的像素大小为99pixel×99pixel。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、该钎焊接头力学性能实验装置可以测试钎焊接头力学性能，并且数据准确：力传感器可以测量加载过程中载荷大小，采集转换模块将载荷大小的电信号转化为换成数字信号并传输给计算机，图像采集传输装置可将钎焊接头拉伸过程中的微观变形特性以图像形式传输给计算机，利用计算机中的数字图像相关处理程序，采用光学和数值计算相结合的方式精确测得钎焊接头力学性能。
2、该钎焊接头力学性能实验方法采用光学和数值计算相结合的方式进行力学性能测试，开创了一种全新的实验模式，尤其是对于研究微小尺度材料具有重大意义，为实验力学发展其他实现模式提供了参考。
3、该钎焊接头力学性能实验方法通过观察微观组织变化为分析拉伸过程钎焊结构微观变形特性及原理提供依据。
4、该钎焊接头力学性能实验方法可以获得填充材料（一般都是贵重金属）的机械性能，相比简单的金属拉伸实验大大节约了实验成本。
附图说明
图1为钎焊接头力学性能实验装置结构连接示意图。
图2为数字图像相关处理程序流程图。
图3为钎焊接头力学性能实验方法原理图。
图4为试样结构示意图。
其中：1、计算机 2、力传感器 3、采集转换模块 4、扫描电子显微镜 5、步进电机 6、丝杠 7、拉伸台 8、支撑台 9、CCD高清摄像机 10、模数转换器 11、电源 12、PLC控制器 13、钎焊层 14、不锈钢板 15、栅格。
具体实施方式
图1~4是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~4对本发明做进一步说明。
参考附图1：一种钎焊接头力学性能实验装置，包括计算机1，计算机1中安装数字图像相关处理程序。同时设置可加载并拉伸钎焊接头的加载装置，加载装置包括步进电机5、高丝杠6、拉伸台7和支撑台8，拉伸台7安装在支撑台8上部并可夹紧钎焊接头两端，步进电机5连接丝杠6并驱动丝杠6传动，丝杠6安装在拉伸台7一侧并可带动拉伸台7拉伸钎焊接头。加载装置一端依次连接力传感器2和采集转换模块3后连接计算机1，正对钎焊接头设置扫描电子显微镜4，扫描电子显微镜4连接图像采集传输装置，图像采集传输装置包括CCD高清摄像机9和模数转换器10，CCD高清摄像机9安装在扫描电子显微镜4后部并同时连接模数转换器10，模数转换器10连接计算机1，CCD高清摄像机9周围设有照明光源，CCD高清摄像机9镜头通过扫描电子显微镜4正对钎焊接头。CCD高清摄像机9和高精度步进电机5均连接电源11，高精度步进电机5通过PLC控制器12进行控制（由于对整个装置不产生干涉，图中并未标明计算机电源）。
数字图像相关处理程序基于VC编程，使用数字图像相关方法对采集到的数字图像进行处理。数字图像相关方法（Digital Image Correlation，DIC）的基本原理是通过跟踪（或匹配）物体表面变形前后两幅散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移向量。
其计算流程参照附图2：
1、将该钎焊接头力学性能实验装置安装、校准完毕后，使用CCD高清摄像机9采集初始数字图像，作为参考图像，并采集不同载荷情况下的数字图像。
2、通过采集转换模块3将图像传输到计算机1中。
3、使用编辑好的数字图像相关处理程序打开参考图像，在参考图像上选定栅格15作为参考子区并标定各自对应的参考点的位置。
4、打开某一载荷情况下的变形后图像，在该图像上为每个栅格15选定一次搜索子集，使用整像素相关算法对每个栅格15进行搜索初步确定目标区域，然后使用亚像素搜索方法进行更精确的搜索确定目标子集，并确定变形后参考点的位置，计算得到位移和应变情况。
5、对于每个栅格15重复上述过程，即每张数字图像进行十次整像素搜索和亚像素搜索。
6、根据采集到的不同载荷情况下的数字图像，每个图像进行上述1-5的步骤。
7、根据计算获得的不同载荷下的位移应变情况绘制应力应变曲线。
通常使用数字图像相关方法一般是先在测量对象表面喷上散斑，散斑图上的每个点都根据各自的亮度对应着一个关于其位置坐标（x，y）的灰度函数f(x,y)。如果是输出为8位二进制数值的灰度函数，最亮则对应着255，最暗则对应函数值为0，这样每个像素点都对应着一个灰度值。在原始图像上选择一个大小为（2N+1）×（2N+1）像素的区域，称为参考子集，它的中心作为位移向量的起点。那么在外载荷的作用下，这些像素点会发生一定的位移，并且对应着一个位移向量。在变形后的图上选取大小为（2M+1）×（2M+1）像素的区域称为搜索子集，在搜索子集中，以每个像素点为中心取与参考子集同样大小的子集，称之为变形子集，用 g ( x′, y′)表示。将参考子集与搜索子集中的每一个变形子集按照预定义的相关函数进行相关计算，得到相关系数分布图，从而确定相关系数最大的变形子集则是我们要寻找的目标区域，这个区域的中心就是位移向量的终点，从而可以计算出测量对象表面的位移。
在上述相关计算过程中，预定义的相关函数（相关系数）是评价参考子集 f( x,y)和变形子集 g ( x′, y′)匹配程度的函数，不同的相关函数将可能导致不同的计算精度和收敛速度。由于零均值归一化互相关函数和零均值归一化平方距离和相关函数对图像灰度值的线性变化不敏感，因此我们在这里选用零均值归一化互相关函数，下式给出了它的形式，
其中，n 为参考子集或目标子集内所包含的像素点的个数，
，
由于数字图像相关方法处理的是数字化的图像（图像的最小单位为像素），在相关搜索时窗口的平移只能以像素为单位来进行，因此获得的位移u，v只能是像素的整数倍。但是实际的位移值一般不恰好为整像素，而且整像素位移定位精度在精密测量中也是远远不够的。为提高数字图像相关方法的测量精度，可以采取的方法主要有：1、提高CCD高清摄像机9的分辨率；2、采用放大倍数较高的光学成像系统；3、亚像素位移定位方法。目前，数字图像相关搜索计算通常采用两步法，即第一步进行快速整像素定位，第二步是在整像素的基础上进行亚像素求解计算。
用于数字图像相关中整像素搜索的方法主要有：粗-精法、十字搜索法和遗传算法。粗-精法搜索原理简单，编程容易实现，其缺点是搜索过程带有盲目性，所有像素点位置都要进行相关运算，计算量非常大。十字搜索算法认为相关系数曲面具有单峰性，它的搜索步骤为先搜索单峰位置，再在单峰曲面上搜索其顶点位置。基于遗传算法（GA）的整像素位移搜索过程包括：变量的编码与解码、生成初始种群、适应度函数的确定、个体选择操作、交叉操作及变异操作。
在整像素位移搜索时，通常是以一个像素或像素的整数倍为步长来移动模板的中心位置，并计算各个位置上的相关系数，找到最大相关系数的位置来获得位移信息。同理，如果将步长改为0.1个像素，那么就能得到0.1个像素级的搜索精度；如果将步长改为0.01个像素，就能得到0.01个像素级的搜索精度。
亚像素位移测量算法主要有：粗-精法、曲面拟合法、坐标轮换法、Newton-Raphson算法（译为牛顿-莱普森算法，简称 N-R 算法）、基于梯度的方法、频域相关方法、后验概率算法、遗传算法、神经网络算法等等。在以上所列的亚像素位移测量算法中，最常应用的算法是曲面拟合法、梯度算法和 N-R 算法。这三种方法都是通过寻找相关系数的极值点来获得亚像素位移。
满足我们要求的亚像素位移精度的要求后，我们就可以利用载荷位移曲线获得材料的机械性能了。
一种钎焊接头力学性能实验方法，包括以下步骤：
1、钎焊得到钎焊接头，用BNi2薄片作为填充金属使用钎焊机对长方体316L不锈钢板进行钎焊得到试样原材，焊接完成后，将试样原材放在520℃环境下放置5-6小时，得到钎焊接头，应在工业保护气炉内进行，温度为1100℃，时间20min，保护气体是氢和氩气混合气，其中Ar占93%，H2占7%。制作时需制作3种具有不同宽度钎焊区域的钎焊接头，钎焊区域宽度分别为50μm、100μm、150μm，具体制作方法为用厚度分别为50μm、100μm、150μm的BNi2薄片作为填充金属使用钎焊机对尺寸为300×100×25mm的长方体316L不锈钢板进行钎焊。
2、利用上述钎焊接头加工得到试样，将焊接完的钎焊接头按照图纸加工为宽度5mm、厚度1.5mm的试样，钎焊区域宽度分别为50μm、100μm、150μm的试样分别加工5组，试样样式参照附图4。
3、进行单轴原位拉伸实验，第一步，利用拉伸台7将试样夹紧，启动高精度步进电机5，带动高精密丝杠6传动，使拉伸台7对试样施加载荷，并确保施加的载荷垂直于钎焊面，第二步，使用扫描电子显微镜4对钎焊区域进行摄像并放大到50μm级别，并通过图像采集传输装置将图像传输至计算机1内，利用数字图像相关处理程序在原始试样的钎焊区域和母材交界面上标记两排平行的栅格组，栅格组中包括10个并排在一起的栅格15，每个栅格15的像素大小为99pixel×99pixel。如图3所示：在其中的每个栅格15标记参考点和载荷施加方向，利用力传感器2测量加载过程中载荷大小，并通过采集转换模块3转换信号将载荷大小传输给计算机1；按上述方法在不同载荷情况下采集数字图像并传输给计算机1，利用数字图像相关处理程序得到各个参考点的相对位移，用载荷方向后的参考点的位移减去载荷方向前的参考点的位移就得到了钎焊接头的位移，即：
式中
表示试样的位移，
表示载荷方向后的参考点的位移，
表示载荷方向前的参考点的位移。
4、对3种不同钎焊宽度的试样分别进行5组实验，并对5组实验获得的载荷位移曲线求平均值得到不同钎焊宽度的载荷位移曲线和极限载荷，从而很方便得到钎焊接头的力学性能参数。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种钎焊接头力学性能实验装置，其特征在于：包括力产生采集转换装置、微观图像放大采集传输装置和数据显示及处理装置，力产生采集转换装置包括可夹紧并拉伸钎焊接头的加载装置，加载装置一端通过步进电机（5）和控制器与数据显示及处理装置相连，另一端通过力采集转换装置与数据显示及处理装置相连；微观图像放大采集传输装置包括正对钎焊接头的微观图像放大装置和置于微观图像放大装置后方并与其相连的图像采集传输装置，图像采集传输装置一端与电源（11）相连，另一端与数据显示及处理装置相连。
2.根据权利要求1所述的一种钎焊接头力学性能实验装置，其特征在于：所述的加载装置包括丝杠（6）、拉伸台（7）和支撑台（8），拉伸台（7）安装在支撑台（8）上部并可夹紧钎焊接头两端，丝杠（6）安装在拉伸台（7）一侧并由步进电机（5）驱动进行传动，传动的丝杠（6）可带动拉伸台（7）拉伸钎焊接头。
3.根据权利要求1所述的一种钎焊接头力学性能实验装置，其特征在于：所述的力采集转换装置包括力传感器（2）和采集转换模块（3），加载装置连接力传感器（2），力传感器（2）连接采集转换模块（3），采集转换模块（3）连接数据显示及处理装置。
4.根据权利要求1所述的一种钎焊接头力学性能实验装置，其特征在于：所述的图像采集传输装置包括CCD高清摄像机（9）和模数转换器（10），CCD高清摄像机（9）安装在微观图像放大装置后部并同时连接模数转换器（10），模数转换器（10）连接数据显示及处理装置。
5.根据权利要求1、3或4所述的一种钎焊接头力学性能实验装置，其特征在于：所述的数据显示及处理装置为计算机（1），计算机（1）内安装数字图像相关处理程序，数字图像相关处理程序基于VC编程，使用数字相关方法对采集到的数字图像进行处理。
6.根据权利要求1或4所述的一种钎焊接头力学性能实验装置，其特征在于：所述的微观图像放大装置采用扫描电子显微镜（4）。
7.利用权利要求1-6任一项所述的一种钎焊接头力学性能实验装置进行的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
7.1利用加载装置将钎焊接头试样夹紧，启动步进电机（5），使加载装置对钎焊接头试样施加载荷，并确保施加的载荷垂直于钎焊面；
7.2使用微观图像放大装置对钎焊区域进行摄像并放大到50μm级别，并通过图像采集传输装置将图像传输至数据显示及处理装置内，利用数字图像相关处理程序在钎焊接头试样的钎焊区域和母材交界面上标记两排平行的栅格组，每排栅格组中包括多个并排在一起的栅格（15），并在其中的每个栅格（15）标记参考点和载荷施加方向，利用力采集转换装置测量加载过程中载荷大小，并通过转换信号将载荷大小传输给数据显示及处理装置；按上述方法在不同载荷情况下采集数字图像并传输给数据显示及处理装置，利用数字图像相关处理程序得到各个参考点的相对位移，用载荷方向后的参考点的位移减去载荷方向前的参考点的位移就得到了钎焊接头试样的位移，即：
式中
表示钎焊接头试样的位移，
表示载荷方向后的参考点的位移，
表示载荷方向前的参考点的位移；
7.3分别对多组钎焊接头试样进行实验，并对每组实验获得的载荷位移曲线求平均值得到不同宽度的载荷位移曲线和极限载荷。
8.根据权利要求7所述的一种钎焊接头力学性能实验方法，其特征在于：所述的钎焊接头试样采用钎焊层（13）作为填充金属与长方体不锈钢板（14）进行钎焊制得而成，钎焊层（13）采用BNi2薄片，不锈钢板（14）采用316L不锈钢。
9.根据权利要求7所述的一种钎焊接头力学性能实验方法，其特征在于：所述的栅格组中包括10个并排在一起的栅格（15），每个栅格（15）的像素大小为99pixel×99pixel。
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