场致扩散焊接<1>是一种在静电场作用下通过固相扩散连接金属与非金属的新方法,具有焊接 温度低、速度快、工艺简单和焊接件不易变形等优点,适用于高精度条件下金属与非金属的连接. 对于场致扩散焊接界面结合质量的评价,目前一般采用剪切强度试验的方法,但对于一些强度比较 低的脆性非金属材料,则无法对其焊接试样进行剪切试验,因此需要采用可靠有效的无损评价方法 来进行评价.超声C扫描成像检测方法是一种以灰度图像的形式显示界面结合情况的检测方法,可 以定量评价界面结合质量,广泛适用于界面结合质量的无损检测.本文运用超声C扫描成像方法和 图像二值化方法得到了场致扩散焊接界面的焊合率,通过与试样剪切强度的对比试验,发现焊合率 是反映界面结合质量的重要参数,并且用此方法评价了K4玻璃和纯铝场致扩散焊接界面的结合质 量.1 试验材料与设备试验材料为β-Al2O3陶瓷、K4玻璃和纯铝.采用西安交通大学焊 接研究所研制的场致扩散焊接设备,分别对β-Al2O3陶瓷与纯铝、K4玻璃与纯铝进行焊接 .场致扩散焊接设备示意图如图1所示.图1 场致扩散焊接设备示意图在场致扩散焊接过程中对 焊接质量有较大影响的因素是焊接温度和外加电场电压<2>,因此在本文中主要考虑焊接温度和 外加电场电压的变化,工艺参数的选取如表1所示.表1 场致扩散焊接工艺参数表试验材料焊接温度/℃外加电场电压/V时间/min压力/MPaβ-Al2O3/Al450～600100～30015005K4/Al300～400400～700100 05试样的C扫描成像检测采用自制的JTUIS超声成像无损检测系统,超声频率为10MHz, 水浸聚焦探头焦距为20mm.2 超声C扫描评价方法2.1 超声C扫描成像检测原理超声C 扫描成像是在超声检测中发展最早并且得到广泛应用的超声成像技术.C扫描成像以水为耦合介质 ,用聚焦探头以特定扫描方式对垂直于声束方向的被测试样进行逐点扫描<3>,记录每一点的反 射回波信号,并且对其渡越时间的信号进行采样和模数转换,对采样的数字信号进行256级量化 处理,将量化处理的信号按照点阵形式以不同灰度值或者伪彩色显示,得到垂直于声束方向某一截 面的超声C扫描图像.超声C扫描成像原理示意图如图2所示.(a)试样检测示意图(b)C扫 描路径图2 超声C扫描成像原理示意图2.2 图像二值化处理方法对于一幅超声C扫描检测图 像,由于灰度值层次较多,难以正确区分焊合区域与未焊合区域,因此需要根据检测图像的灰度特 征对C扫描图像进行二值化处理.设原始图像的像素点灰度值为T(x,y),选择适当阈值S对 图像进行二值化处理,处理后的图像的像素点灰度值为TS(x,y),则TS(x,y)=1 T(x,y)≥S0 T(x,y)
,通过计 算最大熵值,使得目标与背景分布的信息量最大,最大熵值对应的灰度值即为最佳阈值.对于灰度 范围{0,1,…,l-1}的灰度直方图,其熵值为HT=-∑l-1i=0pilnpi(2 )式中:pi为第i个灰度出现的概率.设阈值S(0≤S≤l-1)将图像划分为目标A和背景 B两类,令PS=∑Si=0pi,HS=-∑Si=0pilnpi,则与目标A和背景B相对 应的熵值分别为HA(S)=lnPS+HSPS(3)HB(S)=ln(1-PS)+HT-HS1-PS(4)图像的总熵H(S)为HA(S)和HB(S)之和H(S)=HA(S)+HB(S)(5)最佳阈值S为H(S)取最大值时的阈值,即S =argmax0≤S≤l-1H(S).2.3 焊合率的计算焊合率是评价界面焊接质量的重要 指标<6>,其计算公式为Rb=Ab/A(6)式中:A为焊接面面积;Ab为焊合良好区域的 面积.在二值化处理后的图像中,A与Ab分别与图像像素点总数和TS(x,y)=0的像素点 数目相对应,因此焊合率可由下式计算Rb=Nb/N(7)式中:N为图像像素点总数;Nb为 TS(x,y)=0的像素点数目.图3为焊接温度为500℃、外加电场电压为200V时β- Al2O3陶瓷与纯铝焊接试样的超声C扫描图像.图像每一点的灰度值代表了该点的结合情况, 结合越好的区域,灰度值越低,因此图3中的浅色区域代表未焊合区域.对图3所示的原始检测图 像进行计算,得到阈值S=200,按照计算得到的阈值对原始检测图像进行二值化处理,灰度值 等于或者高于阈值的区域为白色,低于阈值的区域为黑色,得到图4所示的二值化图像.在图4中 ,白色区域为未焊合区域,黑色区域为焊合区域.由二值化图像可以计算焊合率,计算结果为Rb =75%.图3 超声C扫描检测图像3 焊合率与剪切强度的比较与分析对不同试验参数下β- Al2O3陶瓷与纯铝的焊图4 二值化图像接试样进行超声C扫描检测,并且按照上述方法对图 像进行二值化处理,计算其焊合率.剪切强度是反映焊接结合质量与力学性能的重要指标,为了验 证焊合率对焊接界面结合质量的影响,对检测过的试样进行剪切强度试验,通过比较试样的焊合率 与剪切强度之间的关系,得到β-Al2O3陶瓷与纯铝的焊合率与剪切强度的关系曲线,如图5 所示.从图5中可以看出,焊合率与试样的剪切强度近似成线性关系,剪切强度随着焊合率的升高 而升高,由此可以证明焊合率反映了界面的结合质量.因此,在不损坏焊接试样的前提下,焊合率 能够用来评价场致扩散焊接界面的结合质量,同时也证明了超声C扫描方法适用于场致扩散焊接界 面结合质量的评价.图5 β-Al2O3/Al焊合率与剪切强度的关系曲线4 K4玻璃和纯 铝场致扩散焊接界面结合质量的评价由于K4玻璃属于脆性材料,而且强度低于焊接接头强度,对 K4玻璃和纯铝的场致扩散焊接试样难以用剪切强度试验来评价其质量,因此可采用超声C扫描的 方法对不同焊接温度和外加电场电压条件下的K4/Al场致扩散焊接试样进行评价.图6是在不 同焊接温度和外加电场电压条件下K4/Al场致扩散焊接界面焊合率的变化曲线.图6 不同焊 接温度与外加电场电压条件下K4/Al的焊合率 从图6中可以看出,在同一温度时,焊合率 随着电场电压的升高而升高;电压值相同时,焊接温度越高,试样的焊合率越高.由场致扩散焊接 连接机理分析可知:当外加电场电压升高时,由于极化作用使得界面之间产生很大的静电引力,促 使界面结合程度增大和离子扩散加速;焊接温度的升高使得离子迁移率和迁移速度增大,促进了阳 极氧化和氧化物之间的固相反应,使得界面结合更加紧密.由此可以证实,K4玻璃和纯铝场致扩 散焊接界面结合质量的评价结果和理论分析一致.5 结 论(1)β-Al2O3陶瓷与纯铝的 场致扩散焊接界面焊合率与剪切强度近似成线性关系,剪切强度随着焊合率的升高而升高,由此发 现焊合率是反映界面结合质量的重要参数,证明了超声C扫描评价方法的适用性.(2)K4玻璃 和纯铝的场致扩散焊接界面焊合率随着焊接温度和外加电场电压的升高而提高,由此证明焊接温度 和外加电场电压的提高改善了场致扩散焊接界面的结合质量,与理论分析结果一致.场致扩散焊接界面结合质量的超声无损评价@曹宗杰$西安交通大学材料科学与工程学院!西安710049
@王久洪$西安交通大学材料科学与工程学院!西安 710049
@薛锦$西安交通大学材料科学与工程学院!西安 710049
@王裕文$西安交通大学材料科学与工程学院!西安 710049场致扩散焊接;;超声无损检测;;焊合率采用超声C扫描成像方法得到β-Al2O 3陶瓷与纯铝的场致扩散焊接界面C扫描图像,用直方图最大熵值法对C扫描图像进行二值化处理 ,由二值化图像计算该界面的焊合率.通过研究不同工艺参数条件下试样的焊合率与剪切强度的关 系,发现焊合率与剪切强度近似成线性关系,剪切强度随着焊合率的升高而升高,由此证明焊合率 是反映界面结合质量的重要参数.用此方法对不同工艺参数条件下K4玻璃和纯铝的场致扩散焊接 界面结合质量进行评价,发现焊接温度和外加电场电压的升高提高了试样的焊合率,改善了场致扩 散焊接界面的结合质量.研究结果表明,超声C扫描方法适用于场致扩散焊接界面结合质量的评价 ,为场致扩散焊接,特别是低强度脆性材料的场致扩散焊接界面结合质量的评价提供了一种新方法 .<1> 孟庆森,张丽娜,喻 萍,等.金属与硼硅玻璃场致扩散连接形成机理.焊接学报,2001,22(4):63～65.
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