CN107267741B - 一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法 - Google Patents

一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及力传感器技术领域，确切的说是一种改善焊接密封型电阻应变式称重传感器长期稳定性的制造方法。利用强脉冲激光透过对激光透明的约束层在待处理表面被吸收层吸收后，使其气化、电离产生等离子体，继而等离子继续吸收能量发生爆炸诱发冲击波，在约束层的作用下产生向材料内部传播的强冲击波，在冲击波的作用下，材料的原有的应力分布得以重新分布。通过调整激光冲击的工艺参数，可以实现传感器内部应力分布的均匀化，释放了残余应力，从而达到提高称重传感器稳定性的作用。

Description

一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法
技术领域
本发明涉及力传感器技术领域，确切的说是一种改善焊接密封型电阻应变式称重传感器长期稳定性的制造方法。
背景技术
电阻应变式称重传感器主要由承受外力的弹性元件，粘贴在弹性元件应变区上的电阻应变片以及其他连接线和端子等附件组成。另外，针对使用环境的不同，有时还需要对传感器加以可靠的密封，以免传感器受到外界环境中的潮气，腐蚀性气体或介质，水，粉尘的侵害。就密封形式而言，称重传感器又通常可以分为胶封密封和焊接密封两大类。在防护等级要求不太高的使用环境下可以用胶封密封型称重传感器，而对于外部使用环境比较恶劣的场合主要还是使用焊接密封型称重传感器。
焊接密封型称重传感器是将金属膜片通过焊接工艺将弹性元件的应变区完全密封，从而达到保护内部应变片和电路的目的。常见的焊接工艺有等离子束焊接，氩弧焊，激光焊接等。由于是在弹性元件上进行焊接，无论采用何种焊接方式都不可避免的会产生焊接残余应力和变形。在后续使用过程中，残余应力的释放和结构的微变形将会影响到弹性元件的应变区上，最终导致称重传感器的输出信号随时间在缓慢变化。并且焊接工艺在焊缝周围产生的残余拉应力，会降低该区域的防腐蚀能力，造成应力腐蚀，也可能导致称重传感器密封失效。所以一般情况下，生产厂家在传感器完成焊接密封后会进行稳定化处理工艺，尽可能释放残余应力。常见的稳定化处理工艺有：超载静压法，振动时效法，冷热循环法等等。
超载静压法是最常见的稳定化处理工艺，对称重传感器施加125％～200％额定载荷，以达到释放残余应力的目的。该方法的主要缺点在于只有达到应力峰值区域的残余应力得到了释放，消除的不彻底。如果继续增加超载静压的载荷，弹性元件应变区和应变片将会发生塑性变形而导致产品报废。
而振动时效和冷热循环法需要的处理时间更长，相应的生产成本也更高，不能满足大批量生产的要求；并且对于传感器这类机电一体化产品来说，由于其他电子零部件的工作温度和抗冲击能力有限，其振动幅度不能过高，温度循环范围也不能太宽，这样也达不到大幅改善传感器稳定性的目的。
实际上，焊接密封型传感器的数据漂移在以往多数短期称重的场合并不会对计量精度造成显著影响，可以通过仪表端清零消除漂移误差。但是，随着称重传感器的应用日益广泛，如装载机，收割机等车载称重应用的出现。这类场合由于外部环境恶劣，只有焊接密封型称重传感器适合使用。一般而言，在这种场合下，传感器可能需要长期(几天到几个月)进行实时称重计量，这样就无法采用传统的仪表清零来消除漂移误差。另外一个不可忽视的情况就是，车辆在使用时总是会产生颠簸振动，从而促进了焊接密封型称重传感器中焊接残余应力的释放，最终导致测量误差加速累积。
发明内容
本发明的目的是克服现有焊接密封型称重传感器在保证其长期稳定性的制造工艺技术上的不足，提出一种基于激光冲击工艺改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明公开了一种基于激光处理工艺改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造工艺，其特征在于：包含以下步骤：
步骤1：当称重传感器弹性体与金属膜片完成焊接后，在称重传感器的焊缝周边涂上或粘贴吸收层材料。
步骤2：在吸收层表面涂上、粘贴或覆盖透明约束层介质。
步骤3：将覆盖好吸收层和约束层的称重传感器放入激光冲击装置中，并且保持覆盖有约束层的一面与激光冲击头相对，通过计算机编程生成加工路径，以控制激光头与约束层表面产生相对运动，进行激光冲击。
步骤4：在激光冲击过程时，称重传感器与数据采集仪相连，数据采集仪实时记录称重传感器的输出变化，开始多次激光冲击，每完成一次冲击，观察传感器的输出变化量，当冲击前后的输出变化量小于设定的允许变化量时，停止冲击。
步骤5：在激光冲击工艺完成后，去除传感器表面覆盖的约束层和吸收层，将传感器清理干净。
作为优选方案之一，还包括：在进行激光冲击工艺之前，对称重传感器的结构进行有限元分析，或者实测表面残余应力，得到残余应力的分布情况，然后根据残余应力分布中的峰值所对应的位置区域，制定步骤3中的加工路径。
所述吸收层是黑漆、黑色胶带或铝箔的其中之一，厚度为0.012～0.3mm。
所述透明约束层介质为透明玻璃、透明硅凝胶或水，厚度为0.3～1.5mm。
所述激光冲击的激光光斑尺寸为1mm～4mm，波长1064nm，脉冲宽度10-30ns，脉冲能量为0.3J～20J。
设定的允许变化量依据不同容量的传感器，其范围在传感器满量程输出的0.5％～5％之间。
所述的一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造工艺的装置，设有监视称重传感器输出信号的数据采集仪，从而形成激光冲击检测反馈系统。
进一步地，重复以上步骤，处理另一面的金属膜片和称重传感器弹性体的焊接区域。
与现有技术相比，本发明显而易见地具有以下技术效果：
1、只对弹性元件和密封金属膜片的局部区域进行定向残余应力释放，无盲区，准确度高，实施效果好。
2、处理时间短，生产效率高。
3、同时消除了焊缝及周边区域的残余拉应力，较传统方式更能提高传感器的抗应力腐蚀能力。
4、在激光冲击处理过程中，可以实时监测传感器的输出，根据传感器输出变化，可以判断冲击效果，达到闭环控制的效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1：焊接密封型称重传感器结构示意图。
图2：图1的剖面俯视图。
图3：激光冲击工艺示意图。
图4：激光冲击区域。
图5：激光冲击前后焊接密封型传感器应变区应变分布的对比结果。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1和2所示，焊接密封型称重传感器一般包含以下关键零部件：弹性体1，金属膜片2-1和2-2，应变片3。
将金属膜片2-1和2-2用氩弧焊工艺焊接到弹性体1上后，按如下步骤操作：
1.在金属膜片2-1和弹性体1的焊缝及其周边区域涂上中性的黑漆，厚度为50-100微米，作为吸收层4。
2.在吸收层4上方覆盖透明硅凝胶作为约束层5，厚度1mm。
3.完成吸收层4和约束层5的覆盖后，如图3所示，将称重传感器固定在激光冲击装置中，保持约束层5与激光冲击头6相对。并将称重传感器的电缆线与测试仪表相连接，用以记录称重传感器的输出值。
4.通过Marc等有限元分析软件仿真出称重传感器焊接后的应力分布情况；根据残余应力分布情况，在计算机上编制激光冲击处理的工艺路径，并设定激光的工艺参数，包括激光光斑的辐照区域、不同区域的能量大小、光斑直径、脉冲宽度、搭接率等等。选择的激光波长为1064nm，圆形光斑，光斑直径设定1mm，搭接率50％，脉冲宽度23ns，脉冲能量6J，冲击区域如图4所示的A区域和B区域。
5.激光冲击处理过程中，测试仪表时刻监视传感器的输出变化。开始多次激光冲击，每完成一次冲击，观察传感器的输出变化量，当冲击前后的输出变化量小于传感器满量程输出的1％时，说明达到去应力效果，停止冲击。
6.重复以上操作，将另一面的焊接区域也进行激光冲击处理。
7.传感器完成上述激光冲击处理后，用丙酮溶剂清洗传感器表面上的黑漆和硅凝胶。
激光冲击处理是利用强脉冲激光透过对激光透明的约束层5在待处理表面被吸收层4吸收后，使其气化、电离产生等离子体，继而等离子继续吸收能量发生爆炸诱发冲击波，在约束层5的作用下产生向材料内部传播的强冲击波，在冲击波的作用下，材料的原有的应力分布得以重新分布。通过调整激光冲击的工艺参数，可以实现传感器内部应力分布的均匀化，释放了残余应力，从而达到提高称重传感器稳定性的作用。
本发明通过采用上述的激光冲击处理方法提高了焊接密封型传感器的稳定性。结果显示，如图5所示，焊接密封型传感器应变区由于焊接残余应力产生的应变峰值在冲击后明显减小(在理想状态下，传感器空载时其应变区应变分布应为0)。通过对激光冲击后的传感器空载时输出数据的监测，其月漂移量相对未经激光冲击处理的传感器至少可减小80％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法，为达到减小传感器应变区的残余应力的效果，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：当称重传感器弹性体与金属膜片完成焊接后，在称重传感器的焊缝周边涂上或粘贴吸收层材料；
步骤2：在吸收层表面涂上、粘贴或覆盖透明约束层介质；
步骤3：将覆盖好吸收层和约束层的称重传感器放入激光冲击装置中，并且保持覆盖有约束层的一面与激光冲击头相对，通过计算机编程生成加工路径，以控制激光头与约束层表面产生相对运动，进行激光冲击；
步骤4：在激光冲击过程时，称重传感器与数据采集仪相连，数据采集仪实时记录称重传感器的输出变化，开始多次激光冲击，每完成一次冲击，观察传感器的输出变化量，当冲击前后的输出变化量小于设定的允许变化量时，停止冲击；
步骤5：在激光冲击工艺完成后，去除传感器表面覆盖的约束层和吸收层，将传感器清理干净。
2.如权利要求1所述的一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法，其特征在于，在进行激光冲击工艺之前，对称重传感器的结构进行有限元分析，或者实测表面残余应力，得到传感器应变区的残余应力的分布情况，然后根据传感器应变区的残余应力分布中的峰值所对应的位置区域，制定步骤3中的加工路径。
3.如权利要求1所述的一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法，其特征在于，所述吸收层是黑漆、黑色胶带或铝箔的其中之一，厚度为0.012～0.3mm。
4.如权利要求1所述的一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法，其特征在于，所述透明约束层介质为透明玻璃、透明硅凝胶或水，厚度为0.3～1.5mm。
5.如权利要求1所述的一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法，其特征在于，所述激光冲击的激光光斑尺寸为1mm～4mm，波长1064nm，脉冲宽度10-30ns，脉冲能量为0.3J～20J。
6.如权利要求1所述的一种改善焊接密封型称重传感器长期稳定性的制造方法，其特征在于，设定的允许变化量依据不同容量的传感器，其范围在传感器满量程输出的0.5％～5％之间。
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