Y2O3/Sn-58Bi复合钎料制备及其性能分析
Preparation and properties of Y2O3/Sn-58Bi composite solders
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摘要: 文中通过粉末冶金法制备了Y2O3/Sn-58Bi复合钎料.结果表明，添加少量Y2O3，对复合钎料熔点影响较小；随着Y2O3质量分数提高，复合钎料的密度和显微维氏硬度先升高后降低；复合钎料的润湿角表现出相反的趋势，随着Y2O3质量分数提高，复合钎料的润湿角先降低后升高.通过测试Sn-58Bi钎料和0.1%（质量分数）Y2O3/Sn-58Bi复合钎料拉伸试样的力学性能发现，添加质量分数为0.1%的Y2O3对复合钎料强度稍有提高，但能明显提高复合钎料的延展性，从而解决传统Sn-58Bi钎料较脆的难题.通过观察钎料拉伸断口发现，添加Y2O3能够细化复合钎料微观组织，使裂纹沿着断裂方向扩展时受到阻碍，抑制了钎料脆性断裂的趋势.Abstract: In the present work, the Y2O3/Sn-58Bi composite solders have been prepared by powder metallurgy method. The melting point of the solder was slightly affected by the addition of few amount of Y2O3. With the increase of the amount of Y2O3, the density and vickers microhardness were firstly increased to the peak value and then decreased with further addition of Y2O3, while the contact angle demonstrated the converse tendency. Compared with Sn-58Bi solder, the strength of the composite solder was slightly increased while the ductility was significantly improved after the addition of 0.1 wt.% Y2O3, solving the brittle problems of the traditional Sn-58Bi solder. Further observation of the fracture surface indicated that the addition of Y2O3 could refine the grain size of the Sn-58Bi and inhabits the propagation of cracks, which improve the ductility of the Sn-58Bi.
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Keywords:
- Yttrium oxide /
- composite solder /
- microstructure /
- mechanical properties
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0. 序言
在现代工业中，焊接已经成为一种重要的加工技术，焊接质量检测是保证焊接质量的重要手段[1-3]. 对于焊后焊缝表面成形质量检测，传统检测法是通过人工目测观察和测量来实现，检测结果依赖检测者的主观判断，难以满足现代化生产需要[4].
与传统检测方法相比，直接视觉检测法是利用摄像机直接拍摄焊缝图像[5-6]，根据焊缝在图像中的灰度分布，利用图像处理方法获得焊缝表面形态信息. 但由于环境光照干扰，检测结果有时并不准确.
基于线激光视觉传感测量技术，利用三角测量原理，根据线激光条纹中的变形来获取焊缝形态信息[7-8]. 由于受环境光照、机械振动及传感器质量影响，焊缝激光条纹图像往往存在噪声，且主要集中在图像的高频部分. 常用的时域及频域去噪法通过保留焊缝图像低频分量与抑制高频分量来完成图像平滑，平滑后的图像减少了噪声干扰，但图像也会变模糊. 焊缝图像的高频分量不仅包含噪声，也包含焊缝轮廓的细节信息，通过抑制焊缝图像高频分量虽能达到降噪目的，但会丢失焊缝轮廓的一些细节信息，影响焊缝测量. 在此提出采用软硬阈值折衷法的小波阈值去噪法，在保留焊缝图像低频分量的同时，也对高频分量进行处理，消除噪声对焊缝成形测量的干扰，有效提高焊缝测量精度及可靠性.
1. 试验装置及测量原理
试验装置由摄像机、半导体线激光器、移动平台及工控机组成，如图1所示. 摄像机为300万像素工业相机，线激光器输出波长为650 nm. 摄像机和线激光器相对固定，根据三角测量原理，线激光器发出的光线垂直打在焊缝表面，利用摄像机对焊缝表面进行拍摄获取焊缝图像. 同时工作平台匀速移动，摄像机拍摄的图像通过数据线输入到工控机中，利用图像处理获取焊缝形态信息.
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图 1 线激光焊缝成形测量试验装置原理图Figure 1. Testing schematic of weld forming measurement system based upon stripe laser2. 线激光焊缝成形测量系统标定
焊缝成形视觉测量需要建立被测焊缝的世界坐标系与其图像坐标系之间的转换关系，摄像机图像坐标系与世界坐标系的关系表示为[9]
$${{\textit{z}}_{\rm{c}}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} u \\ v \\ 1 \end{array}} \right] = \omega \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_{\rm{w}}}} \\ {{y_{\rm{w}}}} \\ {{{\textit{z}}_{\rm{w}}}} \\ 1 \end{array}} \right]$$ (1) $$\omega = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {f/{d_x}}&0&{{u_0}}&0 \\ 0&{f/{d_y}}&{{v_0}}&0 \\ 0&0&1&0 \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{R}}&{{T}} \\ {{{{0}}^T}}&{{1}} \end{array}} \right]$$ (2) 式中：(u, v)为焊缝特征点的图像坐标；(xw, yw, zw)为特征点对应的世界坐标；zc为摄像机坐标系下对应点的纵坐标；f表示相机焦距；dx，dy分别为像素点在成像平面坐标系中X轴和Y轴的物理尺寸；(u0, v0)为摄像机主点坐标；R为旋转矩阵；T为平移向量；ω为比例系数，可由式(2)计算获得.
在标定过程中，由于图像存在径向畸变，因此需对图像做畸变矫正，畸变矫正模型表达式为
$$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x'}} \\ {{y'}} \end{array}} \right] = \left[ {k\left({x'^{2}} + {y'^{2}}\right) + 1} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} x \\ y \end{array}} \right]$$ (3) 式中：(x, y)为畸变矫正前特征点图像坐标；(x′, y′)为矫正后特征点对应图像坐标；k为畸变系数.
试验采用锯齿靶标标定法，锯齿间距为10 mm，齿高为5 mm，齿顶与齿根夹角为90 º，齿数为4，图2为锯齿靶标示意图. 标定时X轴和Y轴保持不动，不断调整Zw的高度，从而获得一系列特征点的图像坐标和世界坐标，根据式(1)得到标定矩阵，建立被测焊缝的世界坐标系与其图像坐标系之间的转换关系.为测试焊缝成形测量系统的标定精度，试验选用0级量块中的10，20与30 mm量块，在测量高度不变的情况下对每个量块重复摆放测量10次，测量结果如表1所示.
表 1 不同规格量块高度测量结果Table 1. Results of measurement in height with different gauge blocks量块标准值 h/mm 平均值 H/mm 标准偏差 δ/mm 误差 Δδ/mm 10 9.969 0.019 0.031 20 19.951 0.014 0.049 30 29.934 0.021 0.066 由表1分析可知，随着量块的测量值增加，测量误差也逐渐增大，原因是当量块测量值逐渐增加时，激光条纹在图像坐标系中逐渐上移而远离镜头中心，因此畸变也逐渐增大.
3. 小波阈值去噪
小波阈值去噪法是对含噪焊缝图像通过条纹中心提取方法获取焊缝条纹中心，利用小波多尺度分解获得焊缝条纹中心的各层细节分量，在各层细节分量中设定阈值，根据阈值对各层细节分量进行相应的保留或收缩，再利用小波逆变换最终重构出去噪后的焊缝条纹中心.
传统的小波阈值函数主要有硬阈值和软阈值，硬阈值函数表达式为[10-11]
$${\tilde w_{j,k}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{w_{j,k}},}&{\left| {{w_{j,k}}} \right| \geqslant \lambda } \\ {0,}&{\left| {{w_{j,k}}} \right| < \lambda } \end{array}} \right.$$ (4) 软阈值函数表达式为
$${\tilde w_{j,k}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{sgn}}({w_{j,k}})\left(\left| {{w_{j,k}}} \right| - \lambda \right),}&{\left| {{w_{j,k}}} \right| \geqslant \lambda } \\ {0,}&{\left| {{w_{j,k}}} \right| < \lambda } \end{array}} \right.$$ (5) 式中：wj,k为小波系数；
${\tilde w_{j,k}}$ 为经阈值处理后的小波系数；λ为阈值，阈值的计算方法有全局阈值、启发式阈值和stein无偏似然估计等.硬阈值和软阈值去噪算法存在一些不足，硬阈值函数在λ处不连续，对于各层细节分量，经阈值处理后获得的小波系数会产生附加震荡；软阈值函数虽然连续，但当|wj,k|大于λ时，
${\tilde w_{j,k}}$ 与wj,k之间存在恒定偏差，影响焊缝条纹中心的真实性.为克服两种阈值函数的不足，提出采用软硬阈值折衷法对提取的焊缝条纹中心进行降噪处理，函数表达式为$${\tilde w_{j,k}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{sgn}}({w_{j,k}})\left(\left| {{w_{j,k}}} \right| - a\lambda \right),}&{\left| {{w_{j,k}}} \right| \geqslant \lambda } \\ {0,}&{\left| {{w_{j,k}}} \right| < \lambda } \end{array}} \right.$$ (6) 式中：a分别取0和1时，函数分别对应硬阈值函数和软阈值函数. 当0 < a < 1时，经阈值处理得到的小波系数介于硬阈值函数及软阈值函数之间. 经多次试验发现a = 0.1时去噪效果最佳.
试验采用db4小波基函数对提取的焊缝条纹中心进行3层小波分解. 根据全局阈值，分别采用硬阈值法、软阈值法和软硬阈值折衷法对分解后获得的各层细节分量进行阈值降噪. 利用小波逆变换重构出降噪后的焊缝条纹中心. 图3为焊缝的线激光条纹图像，图4为3种阈值函数的去噪效果.
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图 4 3种阈值函数去噪效果Figure 4. Denoising effect of three threshold functions. (a) extracted center of weld line laser stripe; (b) hard threshold denoising; (c) soft threshold denoising; (d) soft-hard threshold compromise denoising method焊缝条纹中心的去噪效果可以采用信噪比和均方根误差来衡量，设去噪前的信号为x(n)，去噪后的信号为x′(n)，信噪比表示为
$$SNR = 10 \cdot {\lg}\left( {\frac{{\displaystyle\sum\limits_{n = 1}^N {{x^2}(n)} }}{{\displaystyle\sum\limits_{n = 1}^N {{{\left[ {x(n) - {x'}(n)} \right]}^2}} }}} \right)$$ (7) 均方根误差表示为
$$RMSE = \sqrt {\frac{1}{n} \cdot {{\sum\limits_{n = 1}^N {\left[ {x(n) - {x'}(n)} \right]} }^2}} $$ (8) 表2为3种不同阈值函数处理后得到的信噪比和均方根误差.
表 2 3种处理方法的信噪比和均方根误差比较Table 2. Comparison of SNR and RMSE between three methods阈值函数 信噪比 SNR(dB) 均方根误差 RMSE (pixel) 硬阈值 55.876 9 0.357 4 软阈值 54.314 1 0.427 8 软硬阈值折衷 56.187 2 0.344 8 分析可知采用软硬阈值折衷法处理得到的信噪比最高，同时均方根误差最小. 对图5所示对接焊缝利用线激光进行扫描，扫描长度为150 mm，扫描速度为1 mm/s. 扫描后获得重构后的焊缝三维图像，根据对比发现经软硬阈值折衷法降噪处理后的焊缝图像保留了细节信息，且图像更加平滑.
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图 5 焊缝三维重构图Figure 5. 3D reconstruction figure of weld seam. (a) butt weld; (b) fillet weld; (c) weld 3D diagram after denoising with median filter; (d) weld 3D diagram after soft-hard threshold compromise denoising method4. 试验结果与可靠性分析
为测试焊缝成形测量系统的可靠性，对图5中对接焊缝和角焊缝进行测量，分别采用软硬阈值折衷法和中值滤波对提取的焊缝激光条纹中心进行去噪处理，采用斜率截距法获得焊缝熔宽，连续测量10次取均值，表3为测量结果.
分析数据可知，在对接焊缝中同一焊缝位置，经软硬阈值折衷法去噪和中值滤波去噪测量的焊缝熔宽与实际值对比，最小偏差分别为0.01和0.02 mm，最大偏差分别为0.05和0.14 mm；在角焊缝中同一焊缝位置，经软硬阈值折衷法去噪和中值滤波去噪测量的焊缝熔宽与实际值对比，最小偏差为0.01 mm，最大偏差分别为0.04和0.11 mm. 经软硬阈值折衷法去噪后测量的焊缝熔宽波动范围比普通去噪法处理后的波动范围更小，说明采用软硬阈值折衷法的小波阈值去噪能够有效提高焊缝外形尺寸的测量精度及测量可靠性.
表 3 焊缝熔宽测量值对比(mm)Table 3. Comparison of measured weld seam width序号 对接焊缝 角焊缝 实际值 中值滤波 软硬阈值折衷法 实际值 中值滤波 软硬阈值折衷法 1 21.45 21.47 21.495 10.81 10.82 10.828 2 21.51 21.556 21.52 10.84 10.756 10.83 3 21.51 21.65 21.519 10.82 10.763 10.833 4 21.53 21.781 21.58 10.83 10.94 10.82 5 21.47 21.449 21.501 10.82 10.763 10.835 6 21.52 21.554 21.518 10.85 10.754 10.828 7 21.43 21.546 21.508 10.79 10.757 10.814 8 21.53 21.545 21.554 10.86 10.973 10.82 9 21.49 21.553 21.505 10.84 10.95 10.829 10 21.48 21.62 21.49 10.86 10.743 10.831 平均值 21.492 21.572 21.519 10.832 10.821 10.826 5. 结论
(1) 与传统的小波阈值去噪方法相比，软硬阈值折衷法的降噪效果与参数a有关，当0 < a < 1时，经阈值处理得到的小波系数介于硬阈值和软阈值之间，经多次试验发现a取0.1时去噪效果最佳.
(2) 针对传统小波阈值去噪算法对含噪焊缝图像去噪性能的不足，提出软硬阈值折衷去噪法. 试验表明采用软硬阈值折衷法的去噪性能优于传统小波阈值去噪方法，能有效提高焊缝外形尺寸的测量精度及可靠性.
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[1] Yang L, Dai J, Zhang Y, et al. Influence of BaTiO3 nanoparticle addition on microstructure and mechanical properties of Sn-58Bi solder[J]. Journal of Electronic Materials, 2015, 44(7):2473-2478. [2] Zhang C, Liu S, Qian G, et al. Effect of Sb content on properties of Sn-Bi solders[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(1):184-191. [3] 马秀玲. SnAgCu系无铅钎料的研究[D]. 北京:北京工业大学, 2004. [4] 胡丽, 曾明, 沈保罗. Sn-Bi无铅焊料的研究[J]. 现代电子技术, 2009, 32(16):164-166. Hu Li, Zeng Ming, Shen Baoluo. Study on Sn-Bi Lead-free Solder[J]. Modern Electronic Technology,2009, 32(16):164-166. [5] Sigelko J D, Subramanian K N. Overview of lead-free solders[J]. Advanced Materials & Processes, 2000, 157(3):47-48. [6] 徐骏, 胡强, 林刚, 等. Sn-Bi系列低温无铅焊料及其发展趋势[J]. 电子工艺技术, 2009, 30(1):1-4. Xu Jun, Hu Qiang, Lin Gang, et al. Sn-Bi series of low-temperature lead-free solder and development trend[J]. Electronic Process Technology, 2009, 30(1):1-4. [7] 陆凤姣. Sn-58Bi复合钎料的制备及性能研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2011. [8] Lin D, Wang G X, Srivatsan T S, et al. The influence of copper nanopowders on microstructure and hardness of lead-tin solder[J]. Materials Letters, 2002, 53(1):333-338. -
期刊类型引用(4)
1. 黄玲玲，钟素娟，孙元，胡晓勇，吕晓春，于华. Ni元素对B60AgCuSnIn钎料微观组织及接头性能的影响. 精密成形工程. 2025(03): 110-115 . 
百度学术
2. 余丁坤，薛鹏，陈融，黄世盛，王萍，唐卫岗. 低银BAg10CuZnSnInNd钎料组织与性能. 焊接学报. 2023(04): 93-97+134-135 . 本站查看
3. 浦娟，薛松柏，张雷，吴铭方，龙伟民，王水庆，钱似舰，林铁松. CeO_2对Ag30CuZnSn药芯银钎料润湿性能及钎焊接头组织与性能的影响. 材料导报. 2021(08): 8134-8139 . 百度学术
4. 彭宇涛，李佳航，李子坚，俞强，沈炳建，王晓飞，王晓蓉，沈杭燕，刘薇. 低银无镉Ag-Cu-Zn钎料的合金化改性. 材料热处理学报. 2020(02): 166-172 . 百度学术
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