CN1930469A - 用于形状记忆合金线材的连续质量控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于形状记忆合金线材的连续质量控制的方法，包括：a)将线材送经多个温度受控制的区域，该区域适于复制包括制成线材的材料的特性转变温度的温度分布；b)测量受控制温度下各个区域的线材的延伸度；c)使用温度和延伸度的数据获得温度－延伸图上的所述材料的迟滞曲线的点。优选地，线材以已知的速度和恒定的张力供给，通过测量线材的速度测量延伸度。实施该方法的设备，包括适于通过一系列包含惰轮(M)的恒温腔(T)调节线材(F)的张力和供给速度的供给装置(B，B’，V，V’)，线材(F)无滑动地缠绕在惰轮上，惰轮的旋转速度例如可通过高精度编码器来测量。

Description

用于形状记忆合金线材的连续质量控制方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于由形状记忆合金(在下文中也叫做SMA)制成的线材的连续质量控制方法和设备。应当知道，尽管下文中提到的是线材，这当然也是最重要的应用，但是本发明的方法还适用于其它类似的形状，有一维实际上无限大，其它两维有限且通常很小，例如带或类似物。

背景技术

正如所知的，形状记忆现象在于，由呈现这种现象的合金制成的机械构件在制造过程中，可以在很短的时间内对应于温度变化在两种预定形状之间转变，而没有中间的平衡位置。这种现象可能出现在所谓的“单向”模式中，其中，由于温度变化，机械构件单向变形，例如从形状B变到形状A，而相反的转变从A到B则需要使用机械力；相反，在所谓的“双向”模式中，温度改变可导致两种转变。

已知这些材料从其微晶结构经过在低温稳定的所谓的马氏体类型转变到在高温稳定的所谓的奥氏体类型，反之亦然。依据温度-延伸图的迟滞周期产生两种形状之间的转变，其特征在于四个温度值：加热期间，从马氏体相稳定的低温开始，到达第一温度A_s，在该温度开始向奥氏体相转变，然后到达第二温度A_f，在该温度确定向奥氏体相转变的终点。在冷却过程中，从奥氏体相稳定的温度范围开始，到达第三温度Ms，在该温度开始向马氏体相转变，然后到达第四温度M_f，在该温度结束转变。例如，在专利US4,896,955和EP0807276中可以实现这些迟滞周期。

上述转变的实际温度取决于材料的类型和制造工艺，但是对于每种材料，依据两相转变速率，这些温度通常采取M_f＜M_s，A_s＜A_f，也可以是M_s＜A_f，反之亦然。在申请人的专利US6,309,184中具有形状记忆合金的成分的例子，其中主要是Ni-Ti合金，优选具有54÷55.5％重量的Ni，余下的是Ti(可以有痕量的其它成分)。

对于实际应用，SMA线材必须有多种功能和技术特性，这些特性用特种测试评估。通常用于检查这些线材的特性的这些测试有下面四种：

1.疲劳强度：将一个线材样品(例如10cm的段)引入炉内，在一端悬浮，在自由端悬挂一个配重；该配重依据线材的直径来选择，通常和线材在其实际应用中必须承受到负荷相近。通过循环加热和冷却样品，其经受一系列延伸和缩短周期，直至断裂；

2.剩余集：在于评估样品，例如是前面测试中的样品的净剩余集，在相同的条件下测试，除了周期数量小于产生断裂的数量(例如产生断裂的数量的75％或90％)；

3.迟滞周期：用于验证线材实际上完成该合成物所预期的温度下的延伸和缩短。当前，在和第一个测试相同的条件下进行该测试；

4.行程：在于评估样品在转变过程中延伸和缩短的比例。该最后的测试也在相同的条件下进行，试验设定和第一个测试一样。

因而，上面这四个测试均为样品试验，例如可在每千米线材上取一件进行试验，但是，前两个测试是破坏性的，必须在样品上进行，故最好能连续进行测试3和4。事实上，进行这后两个测试作为样品测试有一些缺点。

第一个缺点是，因为沿着线材取样频率很低，故没有检测的线材的特性具有多样性；此外，对于现有的操作模式，这些测试和制造工艺同步进行，因而从生产线上取样并实施脱线测试的时间和成本会增加；最后，在工业生产中，最好具有尽可能长的线材，因而，实施上述样品测试必须将线材断至相对短的部分。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法和设备，其克服了前述的缺点。该目的是通过本发明来实现的，本发明的一个方面是用于形状记忆合金线材或类似物的连续质量控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

a)通过一个设备供应线材，该设备中线材经受温度幅度，温度幅度覆盖的范围包括制成线材的材料的特性转变温度；

b)对应于不同的已知温度在所述装置的预置点直接或间接地在线测量线材的长度变化；

c)使用温度和长度变化的数据以获得温度-延伸图上的所述材料的迟滞曲线的点。

本方法以及相关设备的主要优点是，可以不用取样而连续地检查线材的特性，这样，可以在整个生产中进行产品的质量控制。

另一个相当大的优点在于，这种控制是在线进行的，节省了取样和进行脱线测试的时间和金钱。

附图说明

通过下面参照附图对一个实施例进行的详细描述，本领域技术人员可显而易见地得出依据本发明的方法和设备的这些和其它优点和特性，其中：

图1是实施依据本发明的方法的设备的示意性的前视图；以及

图2是图1中设备的示意性的顶视图。

具体实施方式

本方法基于这样一个想法，使连续线材经过测量装置，在其中线材经受温度幅度，温度幅度覆盖范围包括前述的特性转变温度，并在线测量温度幅度过程中线材的长度变化。优选的，进入和离开测量装置的线材的温度为室温，因而在装置的至少一个区域内，将线材加热至至少等于(优选高于)A_f的温度。在装置内部，可以具有连续或非连续、“阶梯状”的热分布。

在该方法的第一个实施例中，可以直接测量线材的延伸度；例如通过使线材在装置的支撑点滑动，线材的长度变化导致所述支撑点之间的松弛逐渐出现和消失，以及通过测量所述松弛，可以获得支撑点之间的长度变化：一旦已知这些点的温度和长度变化，就可以得到线材的迟滞曲线。

然而，由于延伸度很小，很难实现其直接测量，还因为需要使用光学精密仪器以不影响线材的张力。

因此，在一个优选实施例中，本发明的方法在于，当线材经过系统不同温度的区域之间时，测量线材速度的变化。鉴于长度变化可以表示为初始长度的百分比，经过一个温度至另一个温度时后者的变化测量为其对于时间的一次导数，即，例如是速度：更准确地，在本发明的方法中，测量线材在经过设备的不同温度的若干点之间的速度差。换句话说，通过以一个固定的已知速度供给线材，具有适当的恒定张力，经过一系列不同温度的区域，测量每个温度下的线材速度，当经由一个温度到另一个温度时可以获得延伸(或缩短)量。这样，通过对速度变化积分，可以获得温度-延伸图上的迟滞曲线的点，并计算两个温度之间的转变的行程。

在本测量方法中，线材速度的测量比前述松弛方法中进行的直接测量延伸或缩短要简单。

第二方面，本发明关于一个实施本发明的方法的设备。

前述图中示出了进行速度变化测量的设备的一个例子，图中给出，线材F由输入开卷机B松开，并卷绕在输出卷绕机B’上。线材F的张力由放置在输入开卷机B下游的装置V控制，所述装置具有两个驱动辊R，线材F在辊上绕几圈，以及一个检测线材上张力的自由臂C。通过臂C的张力测量的目的是通过作用于辊R的控制，使之保持恒定，可能还作用于控制线材的速度，并放置在输出卷绕机B’上游的装置V’的辊R’的控制。装置V和V’均互馈连接。

在两个装置V、V’之间放置一系列恒温腔T，每个腔通过已知的调节系统使给定温度保持不变，从而以一种离散的方式复制某种温度分布。在示例性的例子中，有十三个腔T，其具有一个首先20℃增加然后下降的温“阶”，即相邻腔之间的温差，这样获得一个40-60-80-100-120-140-160-120-100-80-60-40℃的温度分布。

在每个腔T内，放置一个惰轮M，其保持在腔的温度，在其上非滑动地缠绕线材F，用于通过精确地检测轮M的旋转速度的高精度编码器测量线材F的速度。另两个具有相关编码器的轮M也分别放置在腔T的上游和下游，用以检测室温，通常约为20℃时的线材速度。

通过知道各个温度下不同腔T内的线材速度，以及知道轮M之间的节距P，可以得到线材温度和其延伸度之间的关系。通过适当的已知手段实时连续记录测量的参数，如果测量的参数达到允许容差范围之外的值时，优选还提供自动驱动的线材标记装置。

在可选择的实施例中，在两个装置V和V’之间放置一个单独的加热腔，其具有开口端，轮M可沿着所述腔的轴线移动；通过使腔的中心区域到达的最高有益温度(在上面的例子中为160℃)，腔的开口端的热分布确定了沿着单个腔的“钟形”温度分布，中间最大，朝端部有规律地递减。如果已知腔的热分布，可以将各个轮M移动至处于所需温度(例如，对应于前述实施例中十三个腔的温度)的腔内的位置。该腔的热分布可通过测量沿着腔定位的一系列点的温度来获知，例如通过温差电偶或光学高温计或者其它合适的系统测量；所述系列点温度的测量可在适当的校准试验过程中进行，或者是在实际的线材检查测试过程中以一个连续的方式进行。优选地，沿着腔测量温度的点对应于放置辊M的点。

很显然，依据前面公开和阐述的本发明的方法和设备的实施例仅仅是允许进行各种改变的例子。尤其，各种结构和操作参数，例如腔T的数量、腔之间的温“阶”、线材的开卷、缠绕和供应装置可以改变，甚至相邻轮M之间的节距P在已知的时候可为非恒定的。而且，在沿着设备具有阶梯温度分布的实施例中，通过使用焦耳效应导致的线材的受热来分配腔T(至少是对于温度的升高)：在线材接触的不同点施加不同的电压(它们可以为同一轮M)，可以设置线材各单个部分的预置电位降，因而，在已知线材的电阻的情况下，可以预置这些部分的已知温度。

类似地，可通过和前述具有编码器的轮不同的装置检测速度，例如通过检测放置在线材上恒定距离处的标记的通过的光学仪器，或者不需要线材上的标记的激光读数光学仪器，其中，其速度测量是基于多普勒效应的。

本发明的设备，在其各种变型中，可以进一步包括线材标记装置，当在这些部分测量的参数到达允许的容差范围之外时可以标记线材的部分；当系统检测到线材的这些部分不符合规格时，这些标记装置通常是自动驱动的。

本发明的设备和方法构成了仅有的已知的提供由SMA合金制成的线材的手段，其中，100％的线材证明具有所需的特性。然而，对于某些具有不很严格的质量要求的应用来说，可使用本发明的方法和设备来检测小于线材的总数，例如线材的75％。这可例如通过不使线材的部分长度通过系统中，或者通过一段时间不记录系统的测量数据来实现；在这些阶段，线材可更快地从输入开卷机B移动至输出卷绕机B’，因而缩短了操作的总的时间。以这种方式操作，还可以较低的成本获得好的线材特性的可靠度，足够用于较低的应用。

Claims (17)

1.一种用于形状记忆合金线材或类似物的连续质量控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

a)通过一个设备供应线材，该设备中线材经受温度幅度，温度幅度覆盖范围包括制成线材的材料的特性转变温度；

b)对应于不同的已知温度在所述装置的预置点直接或间接地在线测量线材的长度变化；

c)使用温度和长度变化的数据获得温度-延伸图上的所述材料的迟滞曲线的点。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以已知的速度和恒定的张力供给线材，由沿着设备放置的不同支撑点之间的松弛获得长度变化的测量值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以已知的速度和恒定的张力供给线材，通过测量设备的不同点之间的线材的速度变化获得长度变化的测量值。

4.一种用于形状记忆合金线材(F)或类似物的连续质量控制的设备，其特征在于包括：

a)适于在包含线材的特性转变温度的范围内沿着线材(F)设置一个已知的温度分布的装置；

b)适于直接或间接测量线材在各个不同温度下线材(F)的长度变化的装置；

c)线材(F)的供给装置(B，B’，V，V’)。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，通过用光学装置测量不同温度下的不同支撑点之间的线材形成的松弛，直接测量线材的长度变化。

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，供给装置(B，B’，V，V’)适于调节线材(F)的张力和供给速度，其中，通过适于测量设置在不同温度下的不同点处的线材速度的装置，间接测量线材的长度变化。

7.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述适于沿线材设置已知的温度分布的装置包括设置在不同的电势下的线材的接触点。

8.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述适于沿线材设置已知的温度分布的装置包括一个或多个恒温腔(T)。

9.如权利要求4所述的设备，其特征在于，包括多个恒温腔(T)，各个恒温腔中，通过自动调节系统使给定的温度保持恒定，以及其中，所述适于直接或间接测量线材的长度变化的装置放置在各个所述恒温腔(T)内。

10.如权利要求4所述的设备，其特征在于，包括单个恒温腔(T)，在其中心区域加热，以在所述范围内产生一个连续的温度分布，以及其中，所述适于直接或间接测量线材的长度变化的装置放置在沿腔(T)的预设点处。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，其进一步包括位于沿所述单个恒温腔(T)的预设点的温度检查装置。

12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述预设的温度检查点和放置所述适于直接或间接测量线材的长度变化的装置的点重合。

13.如权利要求6所述的设备，其特征在于，线材(F)的速度测量装置是惰轮(M)，线材(F)无滑动地缠绕在其上，通过高精度编码器测量其旋转速度。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，轮(M)之间的节距(P)为常量。

15.如权利要求4-14中任一项所述的设备，其特征在于，其进一步包括线材标记装置，如果测量参数到达允许容差范围之外的值，其自动驱动。

16.形状记忆合金线材，其特征在于，线材100％的长度证明具有在预置的所需值的范围内的迟滞周期和行程特性。

17.形状记忆合金线材，其特征在于，线材75％的长度证明具有在预置的所需值的范围内的迟滞周期和行程特性。

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