CN105158081A - 一种钎焊接头蠕变性能的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钎焊接头蠕变性能的测量装置，包括：搅拌器，搅拌器包括搅拌器底座以及设置于搅拌器底座顶部的容器，容器中盛放硅油；定位仪，定位仪设置于容器的底部，定位仪上固定试样；压头，压头沿竖向插入容器中，压头可活动地设置于试样上方；以及位移传感器，位移传感器设置于压头侧面并与压头配合，位移传感器与计算机连接。本发明具有安全性高、定位精确、操作简单等优点，对正确测定钎焊接头的蠕变性能以及保障产品可靠性具有重要意义。

Description

一种钎焊接头蠕变性能的测量装置

技术领域

本发明涉及一种材料性能测试领域中的测试装置，更具体地涉及一种钎焊接头蠕变性能的测量装置。

背景技术

随着航空、航天、核能、电子等新技术的迅猛发展，对连接技术提出了更高的要求。钎焊技术作为材料连接的一类重要方法，在国民经济的各个领域中获得了日益广泛的应用。相对于熔焊、压焊技术，钎焊技术具有钎焊变形小、力学性能好、焊接接头美观等优点，近年来已经成为高温合金连接的有力工具，被广泛应用于铜及铜合金、铝及铝合金、镍及镍合金以及异种金属的连接。

目前，研究工作者针对钎料的组织、蠕变性能等力学性能进行了大量研究。但是由于钎料和钎焊接头两者的力学性能往往存在区别。比如，在恶劣的工作环境中，特别是在高温环境中，钎焊接头往往经历温度循环，其主要失效形式是热疲劳断裂，而热疲劳过程中所引起的变形和损伤，部分是由蠕变所引起的，因此，对钎焊接头进行性能评价以及寿命预测，必须考虑蠕变的影响。但是，由于钎焊接头尺寸小(一般只有10-200μm)，难以采用传统的拉伸实验方法对其蠕变性能进行研究，因此，当前对钎焊接头蠕变性能的研究甚少。在实际应用过程中，钎焊接头发生失效时还需要考虑焊缝、扩散区等的综合影响，而不是单纯的考虑钎料的作用，因此，测定钎焊接头的蠕变性能比测定钎料的蠕变性能更有实际意义。

清华大学的关振铎提出了一种高温陶瓷蠕变试验机，但该蠕变试验机主要针对的是陶瓷材料，而且其采用的试样和载荷均较大。但由于陶瓷材料熔点高(大多在2000℃以上)，产生蠕变所需要的温度高，同时硬度高，而软钎料熔点低(一般在450℃以下)，产生蠕变所需要的温度低，硬度低，因此该蠕变试验机并不适用于软钎料的蠕变性能测试。北京工业大学专利(CN1563937A)提供了一种测量微电子用材料及钎焊接头高温蠕变应变的测试装置，但该装置所用的应力是拉伸应力，无法精确定位并测量钎焊接头某一位置的蠕变性能。大连理工大学专利(CN103528896A)提供了一种测定微电子封装焊点压缩蠕变性能的测试装置，但该装置采用的是传统的压蠕变测试方法，测量的是整个试样的蠕变性能，而不能具体至试样中某一个具体位置的蠕变性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种钎焊接头蠕变性能的测量装置，从而解决现有技术中无法精确定位并测量钎焊接头某一位置的蠕变性能的问题。

本发明提供的钎焊接头蠕变性能的测量装置，该测量装置包括：搅拌器，搅拌器包括搅拌器底座以及设置于搅拌器底座顶部的容器，容器中盛放硅油；定位仪，定位仪设置于容器的底部，定位仪上固定试样；压头，压头沿竖向插入容器中，压头可活动地设置于试样上方；以及位移传感器，位移传感器设置于压头侧面并与压头配合，位移传感器与计算机连接。

压头为沿竖向插入容器中的杆状结构，压头顶部固定有质量块。

压头和质量块提供的压应力范围为70MPa-100MPa。

压头通过支撑杆固定于试样的上方，支撑杆通过支撑架固定，压头通过定位仪可活动地设置于试样上方。

位移传感器通过支撑架固定于压头侧面，位移传感器通过通讯接口与计算机连接。

位移传感器设置于硅油的上部并通过支撑架固定。

硅油为甲基硅油。

搅拌器为磁力恒温搅拌器。

容器中靠近试样处设置有浸没在硅油中的热电偶。

位移传感器为磁致伸缩式位移传感器。

本发明采用压痕蠕变对试样尺寸无特殊要求的优势，设计出了一套测量钎焊接头蠕变性能的装置。本发明具有加热速度快、安全性高、定位精确、操作简单等优点，对正确测定钎焊接头的蠕变性能以及保障产品可靠性具有重要意义。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的钎焊接头蠕变性能的测量装置的平面示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的钎焊接头蠕变性能的测量装置的测量结果示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

图1为根据本发明的一个实施例的钎焊接头蠕变性能的测量装置的平面示意图，由图1可知，本发明的测量装置包括压头1、搅拌器2、位移传感器4、定位仪7和支撑杆9，其中，搅拌器2水平放置，搅拌器2包括搅拌器底座21以及设置于搅拌器底座21顶部的容器22，容器22中盛放甲基硅油10；定位仪7设置于容器22的底部，定位仪7上固定试样8；压头1为竖向插入容器22中的杆状结构，压头1通过支撑杆9可活动地固定于试样8的上方，压头1的顶部设置质量块11，压头1的杆状结构的侧面设置位移传感器4，位移传感器4和支撑杆9均通过支撑架12固定，位移传感器4通过通讯接口5与计算机6连接。

结合图1进一步可知，本发明在使用时，将试样8放置于定位仪7上，定位仪7可以对试样8的水平方向位移进行调节以精确定位压头1与试样8之间的相对位置，最终使得试样8中的钎焊接头的焊缝区与压头1处于同一竖直平面内。定位完成后，将压头1压在试样8上，压头1与试样8接触以用于提供试样8蠕变所需的应力。为了避免压头1在水平方向上晃动，采用支撑杆9固定压头1以限制其水平方向上的位移，支撑杆9固定于支撑架12上以保持自身的稳定。搅拌器2的容器22中放置甲基硅油10以用于提供试样8蠕变所需的温度。位移传感器4置于压头1的杆体结构的侧面并与压头1配合以测量试样8的钎焊接头所产生的蠕变量。由于位移传感器4与通讯接口5相连，通讯接口5可将位移传感器4测量的位移信号转换为计算机6可读取的数字信号，通讯接口5进一步将该数字信号传输至计算机6，通过计算机6记录并显示钎焊接头的蠕变量与时间的关系。

本发明在测量钎焊接头的蠕变性能时，压头1提供的应力范围优选为70MPa-100MPa，该应力可通过压头1以及质量块11的总重除以压头的压痕面积(即压头的截面积)得到。

为了使试样8处于恒定的温度环境下，本发明的搅拌器2(比如磁力恒温搅拌器)可对试样8进行加热，搅拌器2的容器22中加入甲基硅油10，从而利用甲基硅油10对试样8进行加热并使试样8处于均匀的温度环境中。容器22中靠近试样8处同时设置浸没在甲基硅油10中的热电偶3，从而利用热电偶3实时监测试样8周围的环境温度。

本发明所用的位移传感器4优选为磁致伸缩式位移传感器，磁致伸缩式位移传感器为非接触式的位移传感器，其通过感应压头1在竖向压入试样8的深度而间接测量钎焊接头的蠕变量(压头1压入试样8的深度与压头1的位移是一致的)，不需要与试样8接触，从而可以避免甲基硅油的影响，尽可能提高实验数据的准确性。

另外，本发明的通讯接口5采用RS485通讯协议，从而便于将位移传感器4测量的位移信号转换为计算机6可识别的数字信号，进一步便于数据的可视化操作。计算机6采用组态软件对数据进行显示和处理，其数据采集频率为6次/分钟，采集的数据可永久的保存在计算机6中，从而方便对数据进行再次访问。

实施例：

对于Sn-3.5Ag-0.7Cu钎焊合金，其中，Sn、Ag、Cu的质量分数分别为95.8％、3.5％、0.7％，其钎焊接头的蠕变性能测量步骤如下：

1)试样制备

试样8由两块尺寸为25mm*12mm*10mm的铜块对接而成，铜块之间的间隙为0.4mm，将Sn-3.5Ag-0.7Cu钎焊合金置于铜块之间，然后将试样置于真空钎焊炉(比如，GSL-1600X型钎焊炉)中进行钎焊。钎焊温度设置为270℃，升温速率5℃/min，保温时间10min。

2)试验过程

首先利用搅拌器2将甲基硅油10的温度加热至100℃，将试样8置于甲基硅油10中，试样8的上方通过压头1施加70MPa的应力；然后利用位移传感器4测量试样8在蠕变过程中产生的位移量；最后通过计算机6显示并记录蠕变位移量与时间的关系。蠕变时间设定为3.5h。在相同的应力下，改变蠕变温度，测量钎焊接头的蠕变性能，温度变化包括110℃、120℃、130℃。

3)数据获得

位移传感器4测量的数据是位移信号，需要通过通讯接口5将其转换为计算机6可读取的数字信号，通过组态软件对数据进行显示和处理，最终绘制出蠕变位移量与时间的关系曲线，如图2所示。然后采用软件对数据进行拟合，即可获得Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu钎焊接头在不同温度下的蠕变曲线、稳态蠕变速率和蠕变激活能。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种钎焊接头蠕变性能的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

搅拌器，所示搅拌器包括搅拌器底座以及设置于所述搅拌器底座顶部的容器，所述容器中盛放硅油；

定位仪，所述定位仪设置于所述容器的底部，所述定位仪上固定试样；

压头，所述压头沿竖向插入所述容器中，所述压头可活动地设置于所述试样上方；以及

位移传感器，所述位移传感器设置于所述压头侧面并与所述压头配合，所述位移传感器与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述压头为沿竖向插入所述容器中的杆状结构，所述压头顶部固定有质量块。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述压头和所述质量块提供的压应力范围为70MPa-100MPa。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述压头通过支撑杆固定于所述试样的上方，所述支撑杆通过支撑架固定，所述压头通过所述定位仪可活动地设置于所述试样上方。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述位移传感器通过支撑架固定于所述压头侧面，所述位移传感器通过通讯接口与所述计算机连接。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述位移传感器设置于硅油的上部并通过所述支撑架固定。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述硅油为甲基硅油。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述搅拌器为磁力恒温搅拌器。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述容器中靠近所述试样处设置有浸没在硅油中的热电偶。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述位移传感器为磁致伸缩式位移传感器。