CN111004910B - 一种降低板带材残余应力的实验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于残余应力技术领域，具体涉及一种降低板带材残余应力的实验系统。包括保温炉，保温炉外设置有正向牵引装置和反向牵引装置，保温炉内设置有至少两个炉内辊；述正向牵引装置用于连接板带材的一端，所述反向牵引装置用于连接板带材的另一端，使板带材在正向牵引装置和反向牵引装置的带动下来回往复移动；炉内辊用于使板带材S型绕设，其中至少一个具有用于与板带材的上表面接触的导辊面，至少一个具有用于与板带材的下表面接触的导辊面，并在正向牵引装置和反向牵引装置的作用下张紧板带材。该实验系统可抵抗板带材低温退火后的卷曲形状记忆，使板带材的板形得到改善，从而降低板带材残余应力，为实际研究降低板带材参与应力打下基础。

Description

一种降低板带材残余应力的实验系统
技术领域
本发明属于残余应力技术领域，具体涉及一种降低板带材残余应力的实验系统。
背景技术
铜合金因其具有高导电、高导热以及较好的强度等综合性能，而广泛应用于电子信息、高端连接器、引线框架等领域。尤其是作为引线框架板带材——即集成电路的芯片载体，越来越得到人们的高度重视。板带材是宽厚比很大的矩形断面金属材，可根据需要剪裁、弯曲、冲压和焊接成各种构件和制品。
在对板带材进行锻造、铸造、焊接以及切削加工后，板带材内部存在应力，如不及时消除，将使板带材在加工和使用过程中发生变形，影响工件精度，大大降低了产品的质量和寿命。
目前降低铜合金板带材残余应力主要是通过气垫炉、钟罩炉对其进行热处理工艺处理——即退火工艺处理。退火工艺处理又分为高温退火处理和低温退火处理。退火处理是将材料曝露于高温一段时间，再慢慢冷却的热处理过程。高温退火处理可降低残余应力，但导致板带材的强度明显下降；低温退火处理可保持强度，但增加板带材卷曲形状记忆，使板带材的板形恶化。也就是说，在解决如何降低板带材的残余应力的问题时，实际处理不佳，故需对此进行实验研究。
发明内容
为了对如何降低板带材残余应力进行研究，本发明提供了一种降低板带材残余应力的实验系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：
本发明的一种降低板带材残余应力的实验系统，包括保温炉，保温炉外设置有正向牵引装置和反向牵引装置，保温炉内设置有至少两个炉内辊；所述正向牵引装置用于连接板带材的一端，所述反向牵引装置用于连接板带材的另一端，使板带材在正向牵引装置和反向牵引装置的带动下来回往复移动；所述至少两个炉内辊用于使板带材S型绕设，其中至少一个具有用于与板带材的上表面接触的导辊面，至少一个具有用于与板带材的下表面接触的导辊面，并在正向牵引装置和反向牵引装置的作用下张紧板带材。
上述技术方案的有益效果为：本发明的实验系统，将板带材缠绕在设置在保温炉内的炉内辊上，从而在传统退火工艺处理的基础上，使板带材在正向牵引装置和反向牵引装置的带动下来回往复移动、拉弯，提供的单向拉伸应力以及折弯应力场可以为析出相析出储藏能量，促进析出相的析出速率和析出含量，可抵抗板带材低温退火后的卷曲形状记忆，使板带材的板形得到改善，从而降低板带材残余应力，为实际研究降低板带材参与应力打下基础。
进一步的，为了填充惰性气体使板带材在退火处理时避免被氧化，所述保温炉设置有进气口和出气口，用于填充惰性气体。
进一步的，为了改变板带材的缠绕方式以研究不同的缠绕方式对消除板带材残余应力的效果，所述炉内辊的位置可调节。
进一步的，所述正向牵引装置为旋转拖动装置，所述反向牵引装置为配重装置；或者所述正向牵引装置和反向牵引装置均为旋转拖动装置。
进一步的，所述配重装置包括炉外辊和配重块，所述炉外辊用于使板带材绕过，且具有用于与板带材的下表面接触的导辊面，所述配重块用于连接板带材的另一端。
进一步的，所述旋转拖动装置包括牵引辊，牵引辊用于传动连接板带材，且在对应的伺服电机驱动下工作。
进一步的，所述旋转拖动装置包括开/收卷机、上下布置的两个传送辊；所述两个传送辊之间供板带材穿过；所述开/收卷机、两个传送辊均在对应的伺服电机驱动下工作。
进一步的，为了为板带材提供张力，所述旋转拖动装置还包括张紧辊，设置在上下布置的两个传送辊、以及开/收卷机之间，用于为板带材提供张力。
进一步的，该系统还包括控制装置，控制装置控制连接所述旋转拖动装置；还连接保温炉，以根据退火处理的温度需求对保温炉进行加热。
进一步的，所述保温炉包括炉身、设置在炉身上的加热装置、以及设置在炉内的温度传感器，控制装置采样连接所述温度传感器，控制连接所述加热装置。
附图说明
图1是本发明的实施例1的降低板带材残余应力的实验系统的示意图；
图2是本发明的实施例3的降低板带材残余应力的实验系统的示意图；
其中，1-控制装置，2-保温炉，3-伺服电机，4-牵引辊，5-进气口，6-出气口，7-板带材，8-炉外辊，9-配重块，10-炉门，11-炉内辊，12-支撑台，21-控制装置，22-保温炉，23-第一传动辊，24-第一张紧辊，25-开卷机，26-进气口，27-支撑台，28-出气口，29-炉门，30-板带材，31-第二传动辊，32-第二张紧辊，33-收卷机，34-炉内辊。
具体实施方式
实施例1：
该实施例提供了一种降低板带材残余应力的实验系统，包括炉体系统、控制系统和伺服系统。
如图1所示，该实验系统的炉体系统主要由支撑台12和保温炉2组成。该图中，支撑台12和保温炉2设计为一体式结构。保温炉由炉身和炉门10组成，炉门10设有密封装置以保证保温炉2的密闭性。保温炉的炉身上开设有进气口5和出气口6，可以通过炉身的进气口5和出气口6对炉内进行氩气、氮气等惰性气体填充，使板带材7在退火处理时能够避免被氧化。炉内同时设有温度传感器且炉壁设有加热装置。炉门10打开时可调节炉内辊11的位置以及板带材7排布。
该实验系统的控制系统主要由控制装置1组成，为该实验系统的操作站，通过控制装置可设置保温炉2内的温度以及伺服电机3的工作状态。其中，控制装置与温度传感器、加热装置均连接，可通过温度传感器采集的温度来控制加热装置工作与否以改变炉内温度。
该实验系统的伺服系统包括设置在保温炉外的正向牵引装置和反向牵引装置，以及设置在保温炉内的六个炉内辊11。
正向牵引装置为旋转拖动装置，包括牵引辊4(可为链轮)和伺服电机3。伺服电机3芯轴外端连接牵引辊4，二者同步进行转动。板带材7一端固定在牵引辊4上，并随牵引辊4转动进行卷曲，另一端通过保温炉2左端预留的一缝隙进入到保温炉2内部，并绕炉内辊11缠绕排布。
保温炉内设置有六个炉内辊11，该六个炉内辊11用于使板带材7成“S”型绕设，这六个炉内辊11部分具有用于与板带材7的上表面接触的导辊面，部分具有用于与板带材7的下表面接触的导辊面。每个炉内辊11的位置在保温炉2内可沿上下左右进行调节，可根据炉内辊11的位置改变板带材7的缠绕方式，一般炉内辊11在保温炉内对称排布，使板带材7绕炉内辊11对称缠绕以满足板带材7上下两面发生相同的处理效果。从而使经过炉内处理过的板带材7又通过保温炉2右端预留的一缝隙进入到保温炉2外部。
反向牵引装置为配重装置，包括炉外辊8和配重块9。炉外辊用于使板带材7绕过，具有用于与板带材7的下表面接触的导辊面。炉外的板带材7经过炉外辊8与配重块9连接。此时，可通过改变配重块9的重量来改变板带材7所受的拉力大小，同时，配重块9预留有一定的高度来满足其上下运动所需的行程。
该实验系统，在伺服电机3和配重块9的作用下，板带材7绕炉内辊11沿一方向单向运动。当配重块9移动到行程末端时，伺服电机3发生反转，此时板带材7绕炉内辊11沿另外一方向单向移动，配重块9移动到上一行程初始位置时，即板带材7完成一个循环弯曲过程。如此往复循环，板带材7绕炉内辊11往复移动并进行循环拉弯和矫直。同时在保温炉2的作用下进行退火工艺处理。进而达到一种热温度场加往复移动循环弯曲载荷降低板带材或线材残余应力的效果。
下面以引线框架用铜合金板带材Cu-Cr-X(X为Cr、Fe、Si、Ni)为例，来说明如何采用上述实验系统进行温度场+往复移动循环弯曲载荷处理。Cu-Cr-X合金板带材的百分含量组成为：Cr 0.04％，Fe 0.03％，Si 0.02％，Ni 0.02％，余量为Cu。Cu-Cr-X合金板带材经该实验系统处理之前，其抗拉强度为532MPa，导电率为85.6％IACS，残余应力为-143Mpa(“-”代表压应力)。其尺寸大小为：宽50mm，长2200mm，厚0.1mm。具体处理过程如下：
如图1所示，将Cu-Cr-X合金板带材7放入到保温炉2中，放置方式为绕炉内辊11排布。Cu-Cr-X合金板带材7一端连接配重块9，配重块9的重量取为30kg；另外一端通过牵引辊4与伺服电机3相连。由伺服电机3和配重块9提供动力使Cu-Cr-X合金板带材7发生往复移动。
一个循环过程为：伺服电机3先进行正转，Cu-Cr-X合金板带材7绕炉内辊11向左单向移动，Cu-Cr-X合金板带材7在牵引辊4上进行卷曲，配重块9向上移动。当配重块9移动到行程最上端时，伺服电机3发生反转，此时板带材7绕炉内辊11向右单向移动，板带材7在牵引辊4上进行展开，配重块9移动到行程最下端，即此时板带材7完成一个循环弯曲过程。如此往复循环，使得Cu-Cr-X合金板带材7绕炉内辊11在循环弯曲载荷的作用力下发生反复的拉弯和矫直。同时伴随着进行低温退火处理，加热方式为随炉升温，加热温度为370℃，加热保温时间为4小时。在加热的同时通过炉身的进气口5和出气口6将炉内通入氩气进行惰性气体填充，使得Cu-Cr-X合金板带材7在退火处理时能够避免被氧化。处理结束后，将Cu-Cr-X合金板带材7从保温炉2中取出，在空气中冷却至室温。
经过温度场+往复移动循环弯曲载荷处理过的Cu-Cr-X合金板带材，其导电率为84.7％IACS，抗拉强度为544MPa，残余应力为-31Mpa(“-”代表压应力)。而高端引线框架板带材的性能要求为：抗拉强度≥500MPa，导电率≥80％IACS，残余应力要求控制在±36Mpa(国际先进水平)以内。即在导电率、抗拉强度满足要求的情况下，残余应力可控制在±36Mpa以内，满足高端引线框架领域对Cu-Cr-X合金板带材的性能要求。
实施例2：
在实施例1中，正向牵引装置为旋转拖动装置，反向牵引装置为配重装置。在该实施例中，与实施例1的区别仅在于反向牵引装置同样使用旋转拖动装置，而不再使用配重装置，也即将图1中的炉外辊8和配重块9换成与实施例1中的正向牵引装置一样的设备，可达到同样的效果。
实施例3：
该实施例提供了一种降低板带材残余应力的实验系统，包括炉体系统、控制系统和伺服系统。
该实验系统中的炉体系统与实施例1的相同，而控制系统稍有不同，伺服系统不同。
其中，炉体系统包括：支撑台27、保温炉22、炉门29、进气口26和出气口28，具体功能不再赘述。
控制系统主要由控制装置21组成，为该实验系统的操作站，通过控制装置可设置保温炉22内的温度以及伺服系统中各个伺服电机的工作状态。
该试验系统中的伺服系统同样包括设置在保温炉外的正向牵引装置和反向牵引装置，以及设置在保温炉内的六个炉内辊34。正向牵引装置和反向牵引装置与实施例1的不同，下面具体介绍。
正向牵引装置同样为旋转拖动装置，但与实施例1的不同，包括开卷机25、第一张紧辊24、以及两个上下布置的第一传动辊23。第一张紧辊24具有用于与板带材30的上表面接触的导辊面，两个第一传送辊23的接触面之间供板带材30穿过。板带材30的一端缠绕在开卷机25上，依次经过第一张紧辊24和两个第一传动辊23，从保温炉22上预留的一狭小缝隙进入到保温炉22内，并绕炉内辊34缠绕排布。
保温炉内设置有六个炉内辊34，该六个炉内辊34的布设方式与实施例1中的六个炉内辊的布设方式相同，这里不再赘述。经过炉内处理过的板带材30又通过保温炉22右端预留的一缝隙进入到保温炉22外部。
反向牵引装置包括收卷机33、第二张紧辊32、以及两个上下布置的第二传动辊31。第二张紧辊32具有用于与板带材30的上表面接触的导辊面，两个第一传送辊23的接触面之间供板带材30穿过。炉外的板带材30又依次经过第二传动辊31和第二张紧辊32，最后缠绕在收卷机33上。
上述开卷机25、收卷机33分别由两个伺服电机带着旋转，且开卷机25和收卷机33对板带材30分别施加一个张紧力。开卷机25所提供的开卷张力控制在1500N～3000N。收卷机33所提供的卷曲张力控制在1800N～3300N。同时两个第一传动辊23和两个第二传动辊31也分别由伺服电机机组带着旋转，且两对传动辊旋转速度不一样，从而给位于保温炉22内部的板带材30施加一定的单向拉伸应力。且两对传动辊的旋转速度差值越大，该区域内的板带材30所受到的单向拉伸应力就越大。一般地，位于保温炉22内部的板带材30单位张力控制在20N～100N。另外分布于保温炉22两端的第一张紧辊24和第二张紧辊32起着张紧板带材的作用。
该实验系统，在一切就绪后进行加热，其加热方式为随炉升温，加热温度为350℃～450℃，加热保温时间为0.5～8小时，整个处理过程在惰性气体保护条件下进行，即通过炉身的进气口26和出气口28对炉内进行氩气、氮气等惰性气体填充使得合金板带材30在退火处理时能够避免被氧化。需要注意的是，通入保温炉内惰性气体的压强保持在一个大气压左右，以防止惰性气体通过板带材30与保温炉22之间的狭小缝隙(即除去板带材30的填充后剩下的间隙)严重溢出。在热处理(低温退火)工艺处理的同时，通过改变第一传动辊23和第二传动辊31的旋转速度改变保温炉22内部的板带材30所受拉伸应力的大小。同时在炉内辊34的作用下，板带材30发生往复的拉弯。提供的单向拉伸应力场以及折弯应力场可以为析出相析出储藏能量，促进析出相的析出速率和析出含量，从而抵抗板带材低温退火后的卷曲形状记忆，使铜合金板带材板的板形得到改善。即而达到一种温度场+单向拉伸应力场降低铜合金板带材残余应力的效果。
下面以引线框架用铜合金板带材Cu-Fe-P为本实施例，对说明如何采用上述实验系统进行温度场+往复移动循环弯曲载荷处理。本实施例的Cu-Fe-P合金板带材，其百分含量组成为：Cu 97.12％，Fe 2.27％，P 0.028％。Cu-Fe-P合金板带材经该实验系统处理之前，其抗拉强度为479MPa，导电率为65.2％IACS，残余应力为-159Mpa(“-”代表压应力)。其尺寸大小为：宽40mm，长100mm，厚0.5mm。具体处理过程如下：
如图2所示，将冷轧工艺处理过的Cu-Fe-P合金板带材30，放入到保温炉22中，放置方式如图所示：缠绕在开卷机25上Cu-Fe-P合金板带材30随着开卷机25的开卷，依次绕过第一张紧辊24和第一传动辊23，然后从保温炉22上预留的一狭小缝隙进入到保温炉22内。在保温炉22内部，Cu-Fe-P合金板带材300绕炉内辊24成“S”型缠绕。经过炉内处理过的Cu-Fe-P板带材30又通过保温炉22右端预留的一缝隙到保温炉22外部。炉外的Cu-Fe-P板带材30又依次经过第二传动辊31和第二张紧辊32，最后缠绕在收卷机33上。开卷机25和收卷机33分别由两个伺服电机带着旋转。且开卷机25和收卷机33对Cu-Fe-P合金板带材30分别施加一个张紧力。其中开卷机25提供的开卷张力控制在2300±5N。收卷机33所提供的卷曲张力控制在2600±5N。同时第一传动辊23和第二传动辊31也分别由伺服电机机组带着旋转，通过调节两对传动辊的牵引速度使位于保温炉22内部的Cu-Fe-P合金板带材30单位张力控制在40±1N。另外分布于保温炉22两端的第一张紧轮24和第二张紧轮32起着张紧板带材的作用。一切就绪后，通过炉身的进气口26和出气口28对炉内进行氩气填充使得Cu-Fe-P合金板带材30在退火处理时能够避免被氧化。炉内惰性气体的压强保持在一个大气压。同时对保温炉22进行加热，加热方式为随炉升温，加热温度为370℃，加热保温时间为4小时。在进行低温去应力退火处理的同时，通过改变第一传动辊23和第二传动辊31的旋转速度改变保温炉22内部的Cu-Fe-P合金板带材30所受拉伸应力的大小。同时在炉内辊34的作用下，Cu-Fe-P合金板带材30发生往复的拉弯。提供的单向拉伸应力以及折弯应力场可以为析出相析出储藏能量，促进析出相的析出速率和析出含量，从而抵抗Cu-Fe-P合金板带材低温退火后的卷曲形状记忆，使Cu-Fe-P合金板带材的板形得到改善。即而达到一种温度场+单向拉伸应力场降低铜合金板带材残余应力的效果。
处理结束后，将Cu-Fe-P合金板带材30从保温炉22中取出，在空气中冷却至室温。经过温度场+往复移动循环弯曲载荷处理过的Cu-Fe-P合金板带材，其导电率为63.7％IACS，抗拉强度为482MPa，残余应力为-44.2Mpa(“-”代表压应力)。即经过该处理过后，在导电率、抗拉强度基本不变的情况下，残余应力可降低至处理前的30％，满足目前电子信息、高端连接器、引线框架等领域对Cu-Fe-P合金板带材的性能要求。

Claims (10)

1.一种降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，包括保温炉，保温炉外设置有正向牵引装置和反向牵引装置，保温炉内设置有至少两个炉内辊；
所述正向牵引装置用于连接板带材的一端，所述反向牵引装置用于连接板带材的另一端，使板带材在正向牵引装置和反向牵引装置的带动下来回往复移动；
所述至少两个炉内辊用于使板带材S型绕设，其中至少一个具有用于与板带材的上表面接触的导辊面，至少一个具有用于与板带材的下表面接触的导辊面，并在正向牵引装置和反向牵引装置的作用下张紧板带材。
2.根据权利要求1所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，所述保温炉设置有进气口和出气口，用于填充惰性气体。
3.根据权利要求1所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，所述炉内辊的位置可调节。
4.根据权利要求1所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，所述正向牵引装置为旋转拖动装置，所述反向牵引装置为配重装置；或者所述正向牵引装置和反向牵引装置均为旋转拖动装置。
5.根据权利要求4所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，所述配重装置包括炉外辊和配重块，所述炉外辊用于使板带材绕过，且具有用于与板带材的下表面接触的导辊面，所述配重块用于连接板带材的另一端。
6.根据权利要求4所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，所述旋转拖动装置包括牵引辊，牵引辊用于传动连接板带材，且在对应的伺服电机驱动下工作。
7.根据权利要求4所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，所述旋转拖动装置包括开/收卷机、上下布置的两个传送辊；所述两个传送辊之间供板带材穿过；所述开/收卷机、两个传送辊均在对应的伺服电机驱动下工作。
8.根据权利要求7所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，所述旋转拖动装置还包括张紧辊，设置在上下布置的两个传送辊、以及开/收卷机之间，用于为板带材提供张力。
9.根据权利要求4所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，该系统还包括控制装置，控制装置控制连接所述旋转拖动装置；还连接保温炉，以根据退火处理的温度需求对保温炉进行加热。
10.根据权利要求9所述的降低板带材残余应力的实验系统，其特征在于，所述保温炉包括炉身、设置在炉身上的加热装置、以及设置在炉内的温度传感器，控制装置采样连接所述温度传感器，控制连接所述加热装置。
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