超聲波透視焊接真相標(biāo)準(zhǔn)化檢測提升低壓電器可靠性

/上海和伍精密儀器股份有限公司 陳樂生 博士/

超聲波透視焊接真相標(biāo)準(zhǔn)化檢測提升低壓電器可靠性

/上海和伍精密儀器股份有限公司 陳樂生 博士/

全國優(yōu)秀科技工作者

上海交通大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè)博士

浙江大學(xué)納米材料技術(shù)博士后

承擔(dān)并完成國家重大科技成果轉(zhuǎn)化項目1項、863計劃1項、火炬計劃2項獲國家發(fā)明專利授權(quán)36項

一、低壓電器焊接質(zhì)量檢測現(xiàn)狀

2015年5月19日，備受期待的《中國制造2025》出臺，描繪了中國制造未來10年由大變強(qiáng)的清晰路線圖。制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和健康發(fā)展，產(chǎn)品的可靠性是核心主題之一。對于低壓電器而言，焊接可靠性是低壓電器的重要內(nèi)容，觸點(diǎn)脫落、復(fù)層觸點(diǎn)熱應(yīng)力損傷剝離、焊接層電阻導(dǎo)致的溫升過高等因素會直接導(dǎo)致低壓電器產(chǎn)品的失效。

目前，低壓電器焊接質(zhì)量分析大部分采用破壞性檢測的方法，例如拉伸試驗(yàn)、金相分析等。拉伸試驗(yàn)獲得應(yīng)變/應(yīng)力曲線，分析拉伸數(shù)據(jù)以及斷面形態(tài)得到焊接層的質(zhì)量信息。金相試驗(yàn)通過分析焊接后電觸點(diǎn)幾個切面的金相圖像，獲得缺陷統(tǒng)計數(shù)據(jù)，然后判斷電觸點(diǎn)的焊接質(zhì)量。

然而，現(xiàn)有的破壞性檢測方法存在效率、成本、有效性、通用性等方面的局限。例如，拉伸試驗(yàn)的前提是焊接組件中的電觸點(diǎn)和銅件的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于焊接層的強(qiáng)度。因此，拉伸試驗(yàn)對于多層復(fù)合電觸點(diǎn)、薄型電觸點(diǎn)、大型電觸點(diǎn)、易碎粉末電觸點(diǎn)并不能得到可靠的檢測數(shù)據(jù)；金相分析方法只是選擇有限的幾個斷面，對于具有空間特異性分布的電觸點(diǎn)焊接，金相分析可能會得到誤導(dǎo)性的結(jié)論。如圖1所示，不同的切面位置將會得出截然不同的判斷。不難理解，利用超聲波獲得焊接界面的二維圖像是一個非破壞性的高效檢測方法。

超聲波檢測方法具有堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且在生產(chǎn)實(shí)踐中已得到充分驗(yàn)證。但是，電觸點(diǎn)焊接質(zhì)量的定量評估對于儀器的穩(wěn)定性有很高的要求。例如，某型超聲波無損檢測儀器對一個焊接后的電觸點(diǎn)連續(xù)檢測50次，測量重復(fù)性的波動量達(dá)到15%以上，如圖2所示。如果以85%作為質(zhì)量合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)，不難設(shè)想，這將給企業(yè)帶來很大的質(zhì)量判定風(fēng)險，導(dǎo)致供應(yīng)商和客戶之間的信息混亂。

二、和伍精儀超聲無損檢測平臺的基本原理和性能

上海和伍精密儀器股份有限公司（簡稱“和伍精儀”）與上海交通大學(xué)精密儀器系經(jīng)過近5年的技術(shù)合作，突破檢測原理、傳感器、信號檢測和數(shù)字化、機(jī)械、電氣、計算機(jī)硬件、計算機(jī)軟件、算法等技術(shù)關(guān)鍵，成功研發(fā)出超聲波無損檢測平臺。截至2015年7月31日，已獲得實(shí)用新型專利授權(quán)28項，另有30項發(fā)明專利處于實(shí)質(zhì)審查中。和伍精儀焊接質(zhì)量超聲無損檢測平臺的基本原理如圖3所示。

圖1 焊后觸點(diǎn)橫截面金相圖像和不同切面的位置示意

圖2 某型儀器對一個焊接件連續(xù)50次的檢測結(jié)果

圖3 焊接質(zhì)量超聲無損檢測平臺的基本原理

由圖3可知，超聲波探頭產(chǎn)生超聲脈沖信號，通過耦合介質(zhì)（水）到達(dá)被測工件。由于聲阻不同，在各種物質(zhì)的交界處產(chǎn)生反射回波和透射波。超聲波探頭接收反射回波，并轉(zhuǎn)換成電信號。在良好焊接區(qū)域，焊接界面均勻致密，反射強(qiáng)度很弱，電信號幅值很小。在存在缺陷的焊接區(qū)域，例如分層、氣泡等，反射強(qiáng)度很強(qiáng)，電信號幅值很大，通過計算機(jī)處理，顯示波形或圖像。

在眾多專利技術(shù)的支撐下，和伍精儀超聲無損檢測平臺獲得了優(yōu)異的性能，100次重復(fù)測量精度（RSD）如圖4所示。基本配置條件下，銀基觸點(diǎn)的厚度檢測范圍為0.3mm至5mm，100次重復(fù)測量精度（RSD）小于0.5%?？梢钥闯?，若以85%為焊接質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)，就不難得出可靠釬的著率結(jié)隨論檢。

圖4 焊接質(zhì)量超聲無損檢測平臺100次重復(fù)測量精度（RSD）

三、和伍精儀超聲無損檢測平臺：看清焊接真相

近一年來，和伍精儀的超聲無損檢測平臺已為國內(nèi)外眾多客戶做了大量的檢測實(shí)驗(yàn)。按照某著名客戶的評價，就是“看清了焊接的真相”。

圖5為和伍精儀超聲無損檢測平臺對某單層觸點(diǎn)的超聲檢測結(jié)果，超聲圖像顯示了13條溝槽。金相檢測表明，缺陷位置與超聲圖像一一對應(yīng)。

圖5

圖6為和伍精儀超聲無損檢測平臺對某復(fù)合型觸點(diǎn)的復(fù)合層界面和焊接界面分別成像，發(fā)現(xiàn)了焊接過程引起的復(fù)合界面損傷（這可能會導(dǎo)致觸點(diǎn)工作過程中的脫落）。圖6c、d、e的金相圖像驗(yàn)證了超聲圖像的正確性。

圖6

四、為低壓電器行業(yè)量身定制的功能設(shè)計

超聲檢測具有很強(qiáng)的專業(yè)性，和伍精儀為低壓電器行業(yè)提供個性化定制服務(wù)，最大限度降低人為影響因素。主要做法：①三級授權(quán)管理模式。操作工模式提供簡單的標(biāo)準(zhǔn)化檢測操作； 工藝工程師模式提供專業(yè)的檢測方案配置及全面圖像分析功能； 維護(hù)工程師模式提供設(shè)備維護(hù)和監(jiān)控功能。②全自動檢測程序，簡單的四步操作即可完成全部工作。③采用包括3D打印技術(shù)在內(nèi)的快速定制技術(shù)和手段，提高檢測精度。

五、面向可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化的功能設(shè)計

和伍精儀依據(jù)客戶需求，建立標(biāo)準(zhǔn)傳遞及溯源機(jī)制（圖7）。線下建立工件標(biāo)樣體系，線上融合“物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)”等技術(shù)（圖8）。對大批量生產(chǎn)進(jìn)行過程質(zhì)量監(jiān)控和分析，如圖9所示，用戶可以及時發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量的狀態(tài)和變化信息，及時采取有效的應(yīng)對措施。另一方面，通過構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，用戶可以看到全球各地相關(guān)單位的檢測情況，質(zhì)量管控能力大幅提高。進(jìn)一步來講，采用圖像處理、模式識別、專家系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，挖掘有價值的信息，為客戶提供更多的焊接工藝優(yōu)化服務(wù)。如圖10所示，某客戶在超聲圖像支持下，通過調(diào)整焊接工藝、焊接質(zhì)量不斷提高，最終獲得最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)傳遞機(jī)制——建立供應(yīng)鏈和內(nèi)部質(zhì)量統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

圖8 以云服務(wù)實(shí)現(xiàn)客戶供應(yīng)鏈和內(nèi)部質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一

圖9 某客戶大批量生產(chǎn)的過程監(jiān)控和質(zhì)量分析

圖10 某客戶產(chǎn)品在超聲圖像支持下的焊接質(zhì)量優(yōu)化過程

根據(jù)客戶需求的不同，和伍精儀提供檢測設(shè)備、測試方案定制、來樣檢測服務(wù)、協(xié)同開發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)定制等多層次的技術(shù)服務(wù)。

六、焊接可靠性的系統(tǒng)服務(wù)

和伍精儀在為客戶提供焊接質(zhì)量超聲無損檢測服務(wù)的同時，還為客戶提供焊膏定制化研發(fā)、焊接工藝設(shè)計及實(shí)驗(yàn)、焊接設(shè)備和工藝的計算機(jī)仿真等服務(wù)，從而為低壓電器行業(yè)提供焊接質(zhì)量及可靠性工程的系統(tǒng)解決方案。

1.焊膏的定制化研發(fā)

圖11 焊接釬劑研發(fā)實(shí)驗(yàn)室

焊膏是電觸點(diǎn)與觸橋焊接的關(guān)鍵材料。和伍精儀可根據(jù)客戶自動化焊接的工藝要求量身定制研發(fā)焊膏，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品可靠性。

2.焊接工藝實(shí)驗(yàn)

圖12 焊接實(shí)驗(yàn)室

和伍精儀建立了焊接實(shí)驗(yàn)室，引進(jìn)了全系列的先進(jìn)焊接設(shè)備，通過焊接工藝設(shè)計和實(shí)驗(yàn)，為客戶提供最優(yōu)的焊接工藝。

3.焊接的計算機(jī)仿真

圖13 電流、時間、電極等因素對電阻釬焊溫度分布的影響

圖14 線圈參數(shù)、空間位置、頻率、電流對感應(yīng)釬焊溫度分布的影響

和伍精儀的電阻釬焊（圖13）及感應(yīng)釬焊（圖14）仿真技術(shù)，可有效縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和研發(fā)成本。

七、和伍智造營簡介

和伍智造營（上海）科技發(fā)展有限公司（以下簡稱“和伍智造營”）地處上?！傲闾枮橙騽?chuàng)新創(chuàng)業(yè)集聚區(qū)”核心地帶，緊鄰上海交通大學(xué)及紫竹國家科學(xué)園區(qū)，是一家以“新材料、先進(jìn)裝備、信息技術(shù)”等為重點(diǎn)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化投資機(jī)構(gòu)， 擁有“和伍智庫、研發(fā)中心、生產(chǎn)基地、創(chuàng)投基金”等四大功能模塊，形成了“需求導(dǎo)入—研發(fā)及中試—產(chǎn)業(yè)化—股權(quán)投資—IPO及并購”的完整價值鏈。上海和伍精密儀器股份有限公司是“和伍智造營”培育的成功項目之一。