CN106041343A - 一种用于在线监测金属钎焊接头电阻变化的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在线监测金属钎焊接头电阻变化的方法，在线监测金属钎焊接头电阻变化并间接评价接头性能的无损检测方法及装置。首先调整四探针探头的位置，使钎缝与探针的四点均接触良好。用夹具将钎焊接头固定，用装配有万向头的可升降装置固定四探针探头，然后采用陶瓷导线采集电阻信号，最后用计算机对采集的电阻信号进行分析处理，输出电阻随时间变化的曲线图，改变工艺参数，根据曲线图找出不同工艺参数下接头电阻的变化，进而间接的评价接头的性能，为接头评级，也可以配合传统检测方法和其他无损检测一起使用，确保了在无损状态下对金属钎焊接头电阻检测的准确性，进而解决了金属钎焊接头钎焊后性能难评估的问题。

Description

一种用于在线监测金属钎焊接头电阻变化的方法

技术领域

本发明涉及无损评价技术领域，具体是提供一种在线监测金属钎焊接头电阻，间接评价钎焊接头性能的方法及装置。

背景技术

在焊接技术迅速发展的今天，钎焊已成为应用最广泛的连接技术之一，钎焊的优点是接头表面光洁、气密性好、形状和尺寸稳定，由于钎焊接头具有其他连接方法所不具备的特性，因此被广泛应用于航空航天，军事潜艇等重要场合，但钎焊接头也存在各种缺陷。气孔(空穴)是最常见的缺陷之一，表现为钎缝表面或内部有孔洞。如果由于气孔使得接头截面积损失5％，将导致接头强度下降30％；与焊缝平行的气孔分布对接头的机械性能更加有害。裂纹缺陷在钎焊接头中也十分常见，根据全国焊接标准化技术委员会的硬钎焊接头缺欠标准中，对钎焊接头质量分级的规定，分为适度质量、中等质量和严格质量，其中中等质量和严格质量都不允许存在任何裂纹。气孔缺陷和裂纹缺陷都会影响到钎焊接头的气密性。

传统的对钎焊接头气密性的检测有两种，一种是破坏性试验，通过测量钎焊接头剪切强度和观察断口形貌来评定接头性能。剪切拉伸试验测试结果与接头是否存在缺陷有很大关系。如果接头在当靠近拉伸夹具的位置存在缺陷，与该位置没有缺陷相比，在较低剪切力下就容易断裂^[2]。这种较为直观的方法由于随机性较强，且很多重要的在役产品，检测时不能破坏其原有形貌，因此工业应用范围不大。另一种对焊缝的检测方法是无损检测方法，包括X射线拍照法、超声检测法、电磁涡流检测法和渗透检测法等，但大部分无损检测方法都有检测成像对比度和性噪比低，图像的边缘模糊，缺陷难于提取等缺点，而且都是离线检测，也没有能实现在线检测出缺陷的方法。

因此，针对存在的问题，需要引进一种对钎缝的气密性进行无损评价的新方法，来证明接头电阻值测试可以被用作一种定性表征钎缝气密性的有效 工具。该方法能够在钎焊的过程中实时检测钎焊接头的电阻值，并且在此过程中评价钎焊接头的缺陷敏感性。该方法填补了在线检测钎焊接头性能的空白，可应用于多种钎焊温度和多种气氛的加热炉中，装配简单，易于安装、拆卸，可方便地与现有无损检测方法进行自由整合。

发明内容

现有的对钎焊接头缺陷的检测方法具有局限性，尤其是钎焊接头钎着率的检测精度不高，不能很好的反映整个钎焊接头的焊接情况。本发明的目的是提供一种定性表征钎缝气密性的有效方法和装置，克服现有技术的不足。

本方法是在四探针测电阻法的基础上发展起来的，当电流通过100％焊上的钎焊接头时(即理想状态下)，其电阻值最小，当钎焊接头含有缺陷时，特别是当焊缝存在气孔或裂纹时，横截面积S变小，因此电阻值会明显变大，而这两种恰好是最影响气密性的缺陷。电阻值与接头的材料、尺寸、形状和缺陷等信息有关，但在钎焊过程中，材料、尺寸和形状等信息都不会改变，只有缺陷会变，影响电阻值，因此可以在线检测出电阻值变化从而反映出缺陷数量的变化。

通常在高导电率材料或小电阻器件的电阻测量之中，不仅电路中的接触电阻不可以忽略不计，甚至导线的电阻都不是无穷小量。因此，用一般的万用表很难检测出微电阻的变化，本方法对于微电阻的测量采用四探针电阻法，可以保证测量结果足够精确，排除干扰。

其技术方案为：

在线监测金属钎焊接头电阻值的装置，主要包括待测钎焊接头试样，四探针探头，电阻测量装置和计算机。待测钎焊接头试样包括钎焊接头母材区和钎焊接头钎缝区，所述钎焊接头钎缝区居于待测钎焊接头的中间位置，所述钎焊接头钎缝区表面与所述钎焊接头母材区平行，四探针探头设置在所述钎焊接头钎缝的表面。在钎焊过程开始之前，探头的金属棒表面要涂上阻焊剂(常用的有有机、无机和树脂三类)。在钎焊过程中，四探针探头由陶瓷导线包裹隔热，待随炉降温过程开始，温度降到150℃时，由电脑控制将金 属探针从陶瓷导线中伸出开始工作。四探针探头的导线另一端与四探针电阻仪的信号采集端相连，四探针电阻仪接收到探头实时传递的电阻信号，进行电阻信号的转换，信号输出端与计算机相连，使之在计算机上生成稳定的电阻随时间变化的曲线图。

在上述技术方案中，四探针探头的电极棒材料，选用常用的测电阻用导线材料，如铜。

在上述技术方案中，之所以选择降温到150℃，是为了防止在焊接过程中温度过高而发生熔化损害电极，也可根据电极棒材料设置别的适合的温度。

在上述技术方案中，四探针探头的电极棒与陶瓷导线、电极棒与电极棒之间采用可拆卸式装配，四探针探头的金属电极根据待测钎焊接头的钎缝长度装配，四根金属电极棒等间距排列。

在上述技术技术方案中，连接好钎焊接头与整个装置后，进行钎焊实验，通常钎焊过程包含三个步骤，升温、保温和随炉冷却，在钎焊过程进行到保温后的随炉冷却阶段时，温度降到150℃，将待测钎焊接头钎缝区与四探针探头接触，检测时，通过四探针探头采集电阻信号，并将采集的电阻信号输入给四探针电阻仪，计算机对采集的电阻信号进行分析处理，输出电阻随时间及温度变化的曲线，从曲线中获得钎焊接头电阻值的平均值。

一种在线间接评价钎焊接头气密性的方法，该方法包括以下步骤：

提供钎焊接头的标准试样，所述标准试样的钎着率已知；提供待测钎焊接头试样，与钎焊接头标准试样的材料和尺寸一致。

可选的，所述钎焊接头材料为任意金属材料。

可选的，所述钎焊接头形式可选用搭接、对接、斜接三种形式。

将钎焊接头标准试样(钎着率已知为x％)的长度用螺旋测微仪测得L₀，将钎焊接头标准试样的电阻用本发明中的四探针法测得为R₀，将钎焊接头标准试样的横截面测得为S₀，需要说明的是此横截面取四探针探头检测的面为横截面。

导体的电阻R与长度L成正比，横截面积S成反比，还跟导体的材料有关系。在钎焊过程中使用的钎料千差万别，通常电导率无法通过已知的文献查到。因此通过检测钎焊接头标准试样的电阻值，该标准试样的缺陷率已知，再通过测该接头的长度和横截面积，得到该材料电导率。

根据电阻公式求出电导率ρ,需要说明的是此时面积取x％×S₀。

将待测钎焊接头放置在加热炉中，该加热炉选通常钎焊所用的感应加热炉或真空扩散炉都可，用卡具固定牢靠。

将四探针测电阻仪的探头涂阻焊剂，装在配有万向轮的可升降装置上，固定在待测钎焊接头的待测钎缝上表面，调整位置使得四探针探头的四根金属棒在待测区域的中间后，将万向轮自锁，使可升降装置上升到炉腔中；

进行钎焊实验，通常钎焊过程包含三个步骤，升温、保温和随炉冷却，在钎焊过程进行到保温后的随炉冷却阶段时，打开升降装置，使探头垂直下降，接触待测钎焊接头的钎缝表面，测量钎焊接头的电阻值。

根据需要设定时间，使四探针电阻仪每隔一段固定的时间(如30s)就采集一次电阻信号，直到钎焊过程结束。

电脑对收集的电阻信号进行处理，输出电阻随时间变化的曲线图，得到待测钎焊接头电阻的平均值R。

降温过程结束后，从炉中取出待测钎焊试样，用螺旋测微仪测得试样的长度L，根据电阻公式，带入测得的R、ρ和L，求得实际接触面积S。

钎着率x为实际接触面积S与横截面S₀的比值，根据钎焊接头钎着率的要求(见表1)，可将待测钎焊接头评级。需要说明的是表1为工业生产中常用的钎焊接头评级标准，可参考表1，也可根据实际生产自行制定。

表1钎焊接头评级

钎着率	Ⅰ级	Ⅱ级	Ⅲ级
				％	≥85	≥70	≥50

通过电阻值可以算出不同钎焊接头的钎着率，可以指导工业生产。在工业生产中，使用一种新钎料时，往往需要研究最合适的工艺参数。对比一种钎料的不同工艺参数下接头的电阻值，可以算出钎着率最高的接头所用的工艺参数，是该钎料焊这种材料最适合的工艺参数，从而指导生产。除此之外，在工业生产中，使用多种新钎料对同一个材料进行钎焊时，往往需要研究出哪种是最合适的钎料。对比多种钎料下接头的电阻值，可以算出对应的钎着率最高的接头所用的钎料，是钎焊该材料最适合的钎料，从而指导生产。

不同钎焊接头的电阻曲线图不同，相同钎焊接头不同工艺参数下的电阻曲线图也不同。根据曲线图既可对钎焊过程作纵向评价也可以作横向评价。对比相同工艺参数的不同钎料保温结束后的电阻值，即可以看出在同样的工艺参数下使用不同钎料钎焊后的接头，所得电阻值不同。对比相同钎料在不同工艺参数下的电阻值，即可以看出最适合该钎料的是电阻值最低的工艺参数。

本发明的这种间接评价钎缝不致密缺陷的无损检测新方法，是利用四点探针方法测量钎焊接头的电阻值，建立接头强度和电阻值的定性关系，来证明接头电阻值测试可以被用作一种定性表征钎焊接头钎着率的有效工具。本方法是在钎焊过程中，通过四探针法精确地测量钎焊接头电阻的变化，根据电阻定律，来确定接头实际接触面积，评价焊接接头的等级，从而根据工业生产的要求排除废品。但本方法只能对钎焊接头进行定性检测，不能给出钎焊接头缺陷的位置和数量，因此可以在检测之后辅以各种传统的无损检测方法，与超声波检测或X射线检测等相结合，提高检测的准确性。

除此之外，钎焊接头由于钎缝小，结构复杂，目前一般采用破坏性试验，通过测量钎焊接头剪切强度和观察断口形貌来评定接头性能，而剪切拉伸试验测试结果与接头是否存在缺陷有很大关系。如果接头在当靠近拉伸夹具的位置存在气孔，与该位置没有气孔相比，在较低剪切力下就容易断裂。因此，本方法的测试结果与钎焊接头的剪切强度也有很好的对应，从剪切强度的角度也可证明该测试的可行性。同一种材料中，电阻值小的接头，剪切强度相 对较高，反之亦然。可以指导工业生产，对某些要求钎焊接头剪切强度很高的器件，可以测量其电阻值排除废品。

本发明通过在线收集钎焊接头钎缝区的电阻，得到电阻随时间和温度变化的曲线，根据电阻变化曲线图可以在线监测金属钎焊接头钎缝区的电阻值变化，根据曲线图判断保温时间和加热温度等因素对钎焊接头缺陷的影响，从而直观清晰的找出最适合的工艺参数以及为钎焊接头评级，具有结果简单，操作方便，测量结果直观清晰等优点。本发明通过一种在线监测金属钎焊接头钎缝区电阻与定性评价缺陷的无损检测方法，为钎焊接头缺陷的检测提供了一种新方法，弥补了无损检测在钎焊工业生产应用较少的不足。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图中：1为真空炉，2为万向轮，3为四探针探头，4为陶瓷导线，5为升降杆，6为夹具，7为待测钎焊接头，8为试验台，9为四探针电阻仪，10为计算机；

图2是本发明焊缝示意图。

图3是本发明实施例中，不同保温时间下304不锈钢钎焊接头的电阻值；

图4是本发明实施例中，BNi2钎料保温时间与钎焊接头电阻值的关系曲线图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，图中：1为真空炉，2为万向轮，3为四探针探头，4为陶瓷导线，5为升降杆，6为夹具，7为待测钎焊接头，8为试验台，9为四探针电阻仪，10为计算机。

一种在线监测金属钎焊接头电阻值与间接评价接头性能的无损检测方法和装置，主要包括：待测钎焊接头，四探针探头，陶瓷导线，卡具，带万向头的可升降装置，四探针电阻仪和计算机。待检测钎焊接试样包括钎焊接头母材区和钎焊接头钎缝区，待测钎焊接头的钎缝区居于搭接接头的中间位置，四探针探头的面积小于钎焊接头钎缝区的面积，四探针探头由四根金属电极棒和陶瓷外壳组成，四根金属电极棒平行分布，四探针探头固定在带万 向头的可升降装置上，所述四探针探头的信号通过导线与所述四探针电阻仪的信号采集端相连，四探针电阻仪的信号输出端与计算机相连。

实施例1

在本实施例中，选用304不锈钢为钎焊母材，其尺寸为10mm×80mm×1mm。选用AgCuTi金属箔(熔点：800℃～820℃)为钎料。

钎焊时，将304不锈钢母材沿长度方向搭接，搭接长度为10mm。焊前用1000号砂纸将待焊面打磨平整，然后用酒精超声波清洗15min烘干。将准备好的材料按304不锈钢/Ag-Cu-Ti/304不锈钢的形式装配。试验在真空扩散焊炉中进行，真空度为1.0×10^-2-1.0×10^{- 3}Pa。加热温度为870℃，保温时间为20-50min，连接压力为0.05MPa。

钎料AgCuTi和304不锈钢真空钎焊工艺为：以10℃/min加热到820℃，保温30min，随后继续以10℃/min加热到870℃，开始保温，保温时间分别为5min，10min，15min，20min和25min，保温结束后随炉冷却。钎焊完成后，得到不同保温时间的五条电阻值曲线,，如图3所示，取每条曲线的平均值，记录下来见表2。

表2待测钎焊接头的电阻值、长度和横截面积

取一个尺寸、钎料和钎焊方法均与待测钎焊接头相同的304不锈钢标准试样，测量该标准试样的电阻值为1.6526*10^-4Ω，用螺旋测微仪测得该标准试样的长度为9.89mm，钎缝横截面为0.25mm*9.98mm。通过超声波检测得 到该标准试样的缺陷率为94％左右，随后进行解刨检测，得到该标准试样的缺陷率为92％左右，取平均值93％。算得电导率ρ为3.8773*10^-5。

将电导率ρ、电阻值R、横截面积S和长度L带入电阻公式，求得不同的保温时间下，待测钎焊接头的钎着率如表3所示。

表3待测钎焊接头的钎着率

用超声波检测和X射线检测对接头界面组织进行观察和分析，检测结果可证明电阻值测试结果无误。

在本实施例中，2级以上的接头为合格接头。因此使用Ag-Cu-Ti钎料钎焊304不锈钢时，选用5-15分钟的钎焊时间符合工业要求。

实施例2

一种在线监测金属钎焊接头电阻值与间接评价接头性能的无损检测方法和装置，包括：待测钎焊接头，四探针探头，陶瓷导线，卡具，带万向头的可升降装置，四探针电阻仪和计算机。待检测钎焊接试样包括钎焊接头母材区和钎焊接头钎缝区，待测钎焊接头的钎缝区居于搭接接头的中间位置，四探针探头的面积小于钎焊接头钎缝区的面积，四探针探头由四根金属电极棒和陶瓷外壳组成，四根金属电极棒平行分布，四探针探头固定在带万向头的可升降装置上，所述四探针探头的信号通过导线与所述四探针电阻仪的信号采集端相连，四探针电阻仪的信号输出端与计算机相连。

在本实施例中，选用304不锈钢板为钎焊母材，其尺寸为10mm×80mm×1mm。选用BNi2金属箔(熔点：1000℃～1020℃)为钎料。

钎焊时，将304不锈钢母材沿长度方向搭接，搭接长度为10mm和40mm两种规格。焊前用600#,800#,1000#砂纸将待焊面打磨平整，然后用酒精超声波清洗15min烘干。将准备好的材料按304不锈钢/BNi2/304不锈钢的形式 装配。试验在真空扩散焊炉中进行，真空度为1.0×10^-2-1.0×10^-3Pa。钎焊温度为1080℃，保温时间为20-50min，连接压力为0.05MPa。

钎料BNi2和304不锈钢真空钎焊工艺为：以10℃/min加热到800℃，保温30min，随后继续以10℃/min加热到1080℃，开始保温，保温时间分别为5min，10min，15min，20min和25min，保温结束后随炉冷却。钎焊完成后，得到不同保温时间的五条电阻值曲线，取每条曲线的平均值，记录下来。

用MTS810型万能试验机对不同工艺参数下获得的不锈钢钎焊接头进行拉伸，加载速度为0.5mm/min，获得5个不同工艺参数下接头的抗拉剪强度。

将5种工艺参数下接头的的剪切强度和电阻值作对比，如图4所示。BNi2钎料真空钎焊304不锈钢，T＝1080℃，P＝0.05MPa时，随着保温时间从5min延长到25min，接头强度先降低后突然增大，在保温15min时强度最小，从15min延长到20min，接头强度突然增大，达到最大值。而电阻值在保温15min时达到最大值，从15min延长到20min时，电阻值突然减小。两者基本成负相关关系。

用配有EDS的HITACHIS-3400N型扫描电镜对接头界面微观组织和化学成分进行观察和分析。保温时间为10～20min时，保温时间过短，降熔元素P来不及向母材扩散，在钎缝中生成大量的连续磷化物脆性相，剪切强度较小，电阻值较大。保温时间为25min时，化合物相减少，固溶体组织均匀。电流经过更均匀，电阻值较小。将试验测得的接头剪切强度和电阻值的变化规律与扫面电镜下观察到的钎缝不致密缺陷进行比较，证明两者吻合较好。

通过四点探针方法测量钎焊接头的电阻，可以表征钎缝是否存在不致密缺陷，评价接头质量，当电阻值较低时，对应的接头钎着率较高，钎焊接头强度较大，反之亦然。将电阻值与钎焊接头剪切强度联系起来，可以指导工业生产，对某些要求钎焊接头剪切强度很高的器件，可以测量其电阻值排除废品。

Claims (2)

1.在线监测金属钎焊接头电阻值的无损检测装置，其特征在于：包括待检测钎焊接头试样，夹具，四探针探头，陶瓷导线，带万向头的可升降装置，四探针电阻仪和计算机；所述待检测钎焊接试样包括钎焊接头母材区和钎焊接头钎缝区，所述待测钎焊接头的钎缝区居于搭接接头的中间位置，所述四探针探头的接触面积小于所述钎焊接头钎缝区的面积，四探针探头固定在带万向头的可升降装置上，所述四探针探头的信号通过导线与所述四探针电阻仪的信号采集端相连，所述四探针电阻仪的信号输出端与所述计算机相连。

2.应用如权利要求1所述装置进行评价钎焊接头气密性的方法，该方法包括以下步骤：

[1]将待测钎焊接头放置在加热炉中，该加热炉通常指钎焊所用的感应加热炉或真空扩散炉，用卡具将接头固定牢靠；

[2]将四探针测电阻仪的探头涂阻焊剂，装在配有万向轮的可升降装置上，将可升降装置降下，使四探针探头与待测钎焊接头的待测钎缝上表面接触，调整位置使得四探针探头的四根金属棒在待测区域的中间部位，随后将万向轮自锁，万向轮自锁后，四探针的位置即固定，使可升降装置上升，将四探针探头缩回到炉腔中；

[3]进行钎焊实验，通常钎焊过程包含三个步骤，升温、保温和随炉冷却，在钎焊过程进行到保温后的随炉冷却阶段时，打开升降装置，使探头垂直下降，接触待测钎焊接头的钎缝表面，测量钎焊接头的电阻值；

[4]设定时间，使四探针电阻仪每隔一段固定的时间采集一次电阻信号，直到钎焊过程结束；

[5]电脑对收集的电阻信号进行处理，输出电阻值随时间变化的曲线图，得到待测钎焊接头电阻的平均值R；

[6]将钎着率已知的钎焊接头标准试样的长度用螺旋测微仪测得L₀，将钎焊接头标准试样的电阻测得为R₀，将钎焊接头标准试样的横截面测得为S₀，需要说明的是此横截面取四探针探头检测的面为横截面；根据电阻公式，求出电导率ρ；

[7]降温过程结束后，从炉中取出待测钎焊试样，用螺旋测微仪测得试样的长度L，根据电阻公式R＝ρL/s，带入测得的R、ρ和L，求得实际接触面积S；

[8]钎着率x为S与S₀的比值，对待测钎焊接头评级。

[9]对比一种钎料的不同工艺参数下接头的电阻值，算出钎着率最高的接头所用的工艺参数，是该钎料焊这种材料最适合的工艺参数；同一种工艺条件下对比多种钎料下接头的电阻值，算出对应的钎着率最高的接头所用的钎料，是钎焊该材料最适合的钎料。