开关触头钎焊质量的红外检测张广明，侯成刚，赵明涛，王裕文（西安交通大学机械工程学院激光红 外应用研究所，西安，７１００４９）【摘要】应用红外热像技术检测银触头的钎焊质量，从红外 热图上可以发现钎焊缺陷部位。本文详细地分析了红外检测技术的各种影响因素。试验结果表明， 红外热像检测是一种很有应用价值的方法。【关键词】红外探测，红外热图，钎焊，质量检验１前 言银氧化物合金作为低压开关的触头材料，因其电气综合性能良好，被广泛应用。但是银氧化物焊 接性能差，在钎焊过程中由于参数选择不当，焊接工艺不稳定等，将会在钎焊界面产生气孔、夹渣 和未焊透等缺陷，使触头与触桥间的实际钎焊面积减小，这将会对开关通断能力和电弧烧损产生极 大影响。因此，检验和评定触头与触桥间的结合质量，对于电气操作可靠性和触头使用寿命都有重 要意义。西门子公司的Ｈ．ＳＣｂｏｎｅｒ等认为：若钎焊质量很差，触头烧损量将增加３—５倍 ，因此规定银触头的钎着率应大于７５％。现在，国外许多公司采用超声波Ｃ扫描探测钎焊界面的 缺陷，但超声波Ｃ扫描系统价格昂贵，国内一般厂家都无力购买，仍用破坏方法来检查钎焊质量， 实际上并没有解决银触头质量的检测问题。红外无损检测对于导热性差的材料的检测有较多报道Ｉ ’，４，但对银触头这样高导热性材料的检测尚少见报道。本文提出的红外检测方法能较好地解决 钎焊质量的检测问题。２检测原理图１为钎焊触头的几何模型，在银触头与铜触桥的钎焊界面上存 在ｔｈｄ的缺陷，缺陷厚度为６，缺陷离上表面的距离为人由于缺陷区介质为空气和其它低导热性 杂质，其热扩散系数远低于银，故当热流从下表面注人时，在试样内就存在温度梯度。根据传热学 理论可以分析相应的导热方程和边界条件。为方便分析，将试样分成１，２，３三个区域，ｌ表示 铜触桥，２表示缺陷区，３表示银触头。这三个区域的温度分布分别为Ｔ帆，Ｏ，Ｘ你，Ｏ，Ｘ他 ，Ｏ，ｑ；为空间坐标轴（ｉ—１，２，３）。当试样加热时，在试样内就会形成一个三维温度场 ，用傅里叶定律描述温度场的分布如下ｐｎ：式中，４一材料的热扩散系数；ｊ——层数。边界条 件为：图１钎焊触头的几何模型Ｆｉｇ．ｌＳ～ｄｉａｇＩａｍｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｊ ｏｉｎｔＳｔＯｂｅ１ｅｓ１ｅｒ１式中：Ｋ——热导率；Ｆ不。——材料的发射率；ｌ。。—— Ｍ４Ａｄｅ＿ｔｗｔａｔｒＭｄｅｆｏｒ．。，。ｈ——热交换常数。热流注人时间和空间的条件 为：ｑ一月ｑ。，’＆Ｗ。＆ｗ一（０在热流束外初始条件：Ｔ（ｔ—０）一Ｔｒｉ（Ｔｒｉ为环 境温度）因为边界条件是非线性的，因此要求出导热微分方程（ｌ）的分析解是困难的。但是，可 以看出由于缺陷以存在，在试样上表面会出现温差，利用热像仪测出试样表面温度分布，就可确定 钎焊界面的缺陷部位、形状，并估计其大小。３检测装置和方法图２为试验装置结构框图。试样固 定在夹具上，批热器提供均匀恒定的热流，红外探测器探测加热过程中试样表面的温度分布，图像 采集处理系统实时采集红外热像仪中的信号，在监视器上实时显示工件表面温度分布的热图。通过 图像处理可以观察到缺陷的位置、大小和形状。试验中的红外热像仪为ＡＧＡ７８０红外热像仪， 由于该热像仪是瑞典８０年代初的产品，没有图像处理系统，我所自行研制了微机图像采集处理系 统，该系统采集速度为每秒２５幅，而ＡＧＡ７８０扫描速率为每秒２５场，所以本系统能实时采 集图像。本系统还具有多种采集功能和丰富的图像处理功能，试验装置中的夹具除了固定试样外， 还有一个重要作用就是阻挡热流从试样四周绕到试样的被探测面，保证热流仅从触头的背面加热， 并垂直背面传导至被探测面。４银触头红外检测的影响因素４．ｌ热流方向的影响用红外热像技术 检测工件缺陷需对工件注人热流，热流方向直接影响检测结果。图３为三种加热方式的示意图。图 ３ｂ是斜加热法，这种方法将导致试样表图２试验装置结构框图Ｆｉｇ．２Ｂｌｏｃｋｄｉｇｎｏ ｆｔｅｓｔｉｌｌｇａｎ’ａｎ～ｎｔ图３热流方向对检测的影响Ｆｉｇ．３ｒｉｌｅｅｔａｏｆ ｈｅａｔｎｏｗｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ面接受的热流不均匀，根据式（ｌ）和式（２）可知，在 试样没有缺陷的情况下，在试样另一表面形成不均匀的温度分布，会给检测带来极不利的影响。图 ａａ为垂直加热法，试样表面与热流方向垂直，它是非定常状态的热传导。图３Ｃ是侧面加热法， 试样表面与热流方向平行，在试样端面加热，相对端面用水冷却成一恒定温度，这种方法在加热后 要经过较长时间的稳定，它是定常状态的热传导”‘。垂直加热法中，由于缺陷区的热扩散系数远 小于银的热扩散系数，在内部缺陷的上部就会出现低温，形成温差。侧面加热法中，沿试样表面流 动的热流在缺陷处由于缩流扩大的原因，在定常状态下就会出现温度的段差，由此可以检测内部缺 陷。狭缝状缺陷当长度方向与热流方向垂直时缩流扩大效果好，而小孔状缺陷缩流效果则不显著。 因此，相对来说，对于狭缝状缺陷侧面加热法较好，小孔状缺陷垂直加热法较好。触头的焊接缺陷 一般是小孔状缺陷，故试验时采用垂直加热法。４．２图像摄取方式的影响图像摄取方式大致可以 分为如图４所示两种方式。图４ａ中热流注人面与被探测面为同一表面，加热一段时间后移走加热 器，经过适当的时间延迟，摄取图像。这种方式的优点是不受触头的复杂形状限制，能方便均匀地 注人热流。但是加热结束后的延迟时间内，试样内的热流量小于加热时的热流量，达到最大温差的 时间长，而且，在这段时间内探测表面又与外界环境产生热交换以及触头内部的横向热交换，致使 缺陷处不易形成温差，检测结果不理想。图４ｂ分成两种情况，一种情况是从Ｂ面加热一段时间后 停止加热，经过一段时间延迟，在Ａ面探测图像。这种情况与图４ａ方式都是采集冷却过程的热图 ，试验表明检测效果不好。另一种情况是采集加热过程中的热图，这种情况，试样表面的温差随着 时间的延续渐渐趋近于一定值ｌ’］，检测效果良好。４．３表面发射率的影响红外无损检测实际 上是红外测温问题。根据斯特藩一玻尔兹曼定律，温度为Ｔ的物体，单位面积所发射的辐射功率是 ：Ｐ一ｅａＴ‘（一餐”式中：Ｐ——辐射功率，Ｗ；。——材料的发射率；。——斯特落一玻尔 兹曼常数，Ｗ仰ａ的；Ｔ——物体的绝对温度，Ｋ。当已知物体的温度和它的发射率，按（３）式 就可计算出物体的辐射功率。反之，如果测定了物体所发射的辐射功率，就可以利用（３）式确定 物体的温度，这就是红外测温技术的依据。由以上可以看出，如果试样表面的发射率不均匀，试样 在热平衡状态时形成的热图就存图４图像的摄取方式ｎｇ．４工ｈｅｔｗｏ中众ｏｈｇｆｌｌ－－ ’ａｒ－－－ｗｉ－－－ｎ－－ｔｓ在温差，这给检测带来不利的影响。解决这个问题的一个较好 的办法是在试样表面均匀地涂上一层黑色涂料。本试验用的涂料是石墨粉与黄油的混合物，效果良 好。４．４环境辐射的影响热图温差与试样表面实际温差相符才能保证检测结果准确、可靠。如果 在检测过程中存在环境辐射，其中一部分直接辐射到探测器内，另一部分经试样表面反射到探测器 内，此时热像仪的探测器接受的辐射功率为：Ｐ一ｍＴ‘十只十ＰＺ（）式中：Ｐ——探测器接受 到的辐射功率；Ｒ——环境辐射反射功率；ＰＺ——环境辐射直射到探测器内的功率。如果各个像 素点上只十ＰＺ不相等，由（４）式可看出，即使试样表面温度均匀且发射率完全相同，热像也存 在温差，影响检测结果的真实性。解决办法是将试样、探测器等放在一个黑箱里。４．５热源的影 响由（ｌ）式和（２）式可知，热流Ｑ直接影响被测表面的温差，故本试验要求热源必须提供均匀 恒定的热流。常见的热源有：点钨灯，电加热器，氦氖激光器，ＣＯｚ激光器等。也可以直接在样 品表面通电发热，但银合金与铜都是良导体，故这种方法对本试验不适合。氦氖激光器通过把热流 压缩在一个很小的区域上成为点状热源，可以减小横向热传导影响，但此时检测整个试样表面需扫 描，因而不能在一幅图像上显示整个试样缺陷情况，且检测效率低。本试验采用电加热器，适当调 节电加热器与试样的距离，能获得较满意的结果。５试验结果图５中有４张照片，图ｓａ是图像处 理后的红外图，图中白色部分为缺陷区，右下侧显示了缺陷面积百分比，右上测所示温度Ｔ为坐标 （ｘ，ｒ）处的温度值。图为是试样的解剖照片。由红外图与试样解剖照片对比可看出，检测结果 与实际情况基本吻合。开关触头钎焊质量用红外检测是可行的，检测速度快、灵敏度高、使用安全 、信号处理速度高、效果好。但目前由于检测试样及时间的限制，还不能精确地进行定量分析。图 ５图像处理后的红外图（ａ）和试样的解剖照片（ｂ）ｍ．５ａ）ｌｎｆ～ｉｎａｐｏａｆｔｅｒ Ｐｒｍｐｂ）～Ｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅｓａｍｅｓａｍｐｌｅ参考文献｜｜１冈本，芳三，佐川等 ．非破坏检查，平成４年７月．４１（７）：３９３～４０５２陈钰．无损检测，１９９１．１３ （１０）：２８１～２８２３奥齐西克ＭＮ．热传导．北京：高等教育出版社，１９８４４徐淦卿 等．红外物理与技术．西安：西安电子科技大学出版社，１９８９ＱｕａｌｉｔｙＩｎｓｐｅｃｔ ｉｏｎｏｆＢｒａｚｅｄＣｏｎｔａｃｔＬｅａｄｓｗｉｔｈＩＲＴｅｃｈｎｉｑｕｅ￥Ｚｈａｎ ｇＧｕａｎｇｍｉｎｇ；ＨｏｕＣｈｅｎｇｇａｎｇ；ＺｈａｏＭｉｎｇｔａｏａｎｄＷａｎｇＹ ｕｗｅｎ（ＸｉａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ，７１００４９）Ａｂｓ ｔｒａｃｔ：Ｂｒａｚｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｉｎｗｏｒｋｐｌａｃｅｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇｊ ｏｉｎｔｓａｒｅｃｈｅｃｋｅｄｏｕｔｂｙＩＲｔｈｅｒｍａｌｉｍａｇｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｍａｌｉｍａｇｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓａｐｒｏｍｉｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＲｄｅｔｅｃｔｏｒＴｈｅｒｍａｌｉｍａｇｅＢｒａｚｉｎｇＱｕａｌｉｔｙｉｎｓｐｅｃｔ
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