一种镀层内应力的测量装置及操作方法

摘要

本发明提供一种镀层内应力的测量装置及操作方法，属于内应力检测技术领域。该装置包括：电源装置，为电镀提供电压；电镀装置，包括镀槽、阳极板、阴极等；自动温控装置，包括温控箱、加热管、热电偶等，为镀液以及工作液提供恒温环境；应力测量装置，包括工作腔体、毛细管等；支架；摄像机，对毛细管液面刻度进行监测；计算机，自动读取摄像机提供的照片中毛细管液面刻度变化值，经过软件处理将电信号转化为内应力值，最后显示为镀层内应力随时间变化的曲线。本发明结构简单，方便携带，操作简便，检测结果准确，不损伤破坏镀层。

说明书

技术领域

本发明涉及内应力检测领域，特别是指镀层内应力的测量装置及操作方法。

背景技术

应用于精密仪器、化工、交通运输、兵器、航空航天及原子能等行业的金属构件，在某些环境下都会受到腐蚀介质的侵蚀，人们可以通过对材料表面进行电镀或化学镀处理，从而使得处理后的材料具有更广泛的应用。随着电镀在国民经济各个领域中应用范围的扩展，对电镀层的性能也提出越来越高的要求。由于镀层中内应力的存在，镀层可能会产生裂纹、鼓泡或脱皮，甚至变形，也可能降低基体的疲劳强度，使镀层产生应力腐蚀，存在于镀层中的内应力，都对镀层的性能产生不良的影响。通常对机械性能有特殊要求的场合，镀层的内应力越小越好。因此，准确地测量镀层内应力对电镀领域是非常必要的。

目前测量镀层内应力较常用的方法主要有阴极试片弯曲变形法、阴极试片长度变形法、螺旋管阴极变形法以及电阻应变法等。

阴极试片弯曲变形法是依靠内应力使阴极薄片朝阳极或背阳极弯曲，通过测量自由端位移来实现，但是每一薄片试样只能得出一个应力数据，不便于进行应力与镀层厚度关系的研究；阴极试片长度变形法的原理是内应力使薄片阴极长度变化，通过测量自由端长度变化量来得到镀层内应力，虽然长度变化量容易计量，但是长度的改变会使内应力产生松驰，影响实验结果。

螺旋管阴极变形法的原理是基于螺旋形试样电镀时曲率半径变化，虽然可以连续地读数，但是不能测定薄镀层的内应力；电阻应变法是利用电阻丝的伸缩产生电阻值变化的原理来测量镀层内应力，虽然可以将电镀过程中的应力变化情况连续地反映出来，但是需要在贴应变片的试样面上涂上绝缘漆，并自然干燥，才能开始实验，前期准备的时间较长。

发明内容

本发明针对现有测量镀层内应力方法的不足，提供一种镀层内应力的测量装置及操作方法。本发明利用金属在阴极上电镀，电镀时镀层内部产生内应力，基于阴极围绕其垂直轴形成对称挠曲的原理，引起工作腔体内的容积变化，进而引起毛细管液面刻度的变化，摄像机对毛细管液面进行实时监测，并通过Stoney公式来计算镀层内应力，经过软件处理，转化为镀层内应力变化曲线。

一种镀层内应力的测量装置，其特征在于：包括电源装置、电镀装置、自动温控装置、应力测量装置、摄像机、支架以及计算机；

所述电镀装置包括镀槽、阴极、阳极板、电极板、滑轨；所述阳极板通过电极板进行固定，阳极板下端置于镀液内，电极板安装在镀槽两侧的滑轨上，通过滑动电极板来调节阳极板与阴极之间的距离，来达到最佳的电镀效果；

所述自动温控装置包括温控箱、加热管、热电偶；

所述应力测量装置包括工作腔体、毛细管、腔体底座、卡槽、闸板、闸板开关、盖板、补液口、弹动装置、接触点凹槽、接触点、弹簧凹槽、螺纹、挡板、滑块、环形平垫；所述阴极通过盖板压紧在工作腔体一侧，并与电源装置连接，毛细管连接工作腔体。镀槽以及工作腔体内的加热管及热电偶连接温控箱；可以防止由于阴极两侧温度变化对镀层应力造成误差。所述工作腔体与盖板之间，有卡槽、闸板、环形平垫以及弹动装置，闸板一侧紧挨工作液，卡槽用于放阴极，弹动装置处于压缩状态时，固定于弹簧凹槽中，弹动装置一端连接弹簧凹槽，另一端嵌于环形平垫中；所述弹簧凹槽、闸板与工作腔体之间以包含焊接、交联剂粘连在内的方式紧密连接。

进一步地，所述腔体底座与工作腔体之间以包含螺纹连接在内的方式相连。且腔体底座有不同长度的规格，可根据镀液深度进行相应调整。

进一步地，所述测量装置能够检测阴极的厚度范围是0.01-0.5mm，能够检测镀层厚度大于1μm的镀层内应力。

进一步地，为提高测量装置的使用效率，需要实现阴极快速装夹；所述阴极快速装夹的方法包含以下步骤：

(1)先通过闸板开关将闸板关闭，阻止工作液流出，拉动盖板使弹动装置处于拉伸状态；

(2)将阴极放于卡槽中，回按盖板使弹动装置处于压缩状态，通过接触点凹槽与接触点的磁性，接触点与接触点凹槽紧密连接；

(3)打开闸板，工作液流入，与阴极接触，完成阴极的快速装夹。

一种应用如上所述装置测量镀层内应力的操作方法，该方法包含以下步骤：(1)设定镀液以及工作液温度，打开摄像机以及计算机，调节电极板至合适距离，设定摄像机拍照时间间隔；

(2)将阴极做好前处理准备，并进行快速装夹，通过补液口检查工作液是否充满，将阳极板与阴极分别连接电源装置正负极，开启电源装置，设定电流参数，开始电镀；

(3)当阴极接触镀液的一面进行电镀时，镀层产生的内应力使阴极弯曲，造成工作腔体内部容积发生变化，从而导致毛细管中的液面上升或下降，摄像机对毛细管液面刻度进行拍照并传输给计算机，计算机对所拍照片进行读取并识别，得到毛细管液面前后读数，从而对毛细管液面变化进行监测，经过软件系统处理，在计算机上显示镀层内应力随时间的变化曲线。

进一步地，所述摄像机对毛细管中液面所处刻度进行拍照，拍照时间差可以根据电镀的速度进行相应地调节，照片传输给计算机，计算机对照片进行识别并读取液面刻度，通过相邻照片的毛细管液面刻度，来监测液面变化量。

进一步地，所述镀层内应力的计算方法：首先计算机对摄像机传输的照片进行识别，以读取毛细管液面高度变化量，基于Stoney公式：

σ＝E

式中，σ为镀层内应力，E

经过进一步推导，并通过计算机的软件系统进行数据处理及计算，最后求得相应镀层的内应力。

进一步地，所述计算机用于对开机、电极板滑动距离、照片传输及识别、信号采集进行控制，并对电信号进行数据转换与处理，最终转换为应力变化曲线。

优选的，所述装置包含一套软件系统，包括信号采集的控制，数据储存、处理与分析，电极板位移控制以及分析结果的输出等等。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明结构简单，方便携带，操作简便，不损伤破坏镀层；同时应力测量装置适合于各种不同形状的阴极，适合于电镀、化学镀等不同镀种；

(2)本发明中，在阴极前处理完成后，通过阴极的快速装夹，缩短了阴极在空气中的暴露时间，提高电镀性能，提升了镀层内应力测量的准确性；

(3)本发明中，由于阴极一侧接触工作液，故不需要在阴极背面涂绝缘漆，为镀前准备工作节省了大量的时间；

(4)本发明可以测定较薄镀层的内应力，在保证有较高测量精度的同时，还可以得到内应力的连续变化曲线，而不是单个应力值，便于进行镀层内应力随时间变化的研究。

附图说明

构成本发明的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明镀层内应力测量装置整体结构示意图。

图2为应力测量装置结构示意图。

图3为应力测量装置剖面示意图(弹动装置处于拉伸状态下)。

图4为闸板平面及部分剖面示意图。

图中标记分别为：1-电源装置，2-计算机，3-镀槽，4-阴极，5-阳极板，6-温控箱，7-1-加热管a，7-2-加热管b，8-1-热电偶a，8-2-热电偶b，9-工作腔体，10-毛细管，11-腔体底座，12-摄像机，13-支架，14-电极板，15-滑轨，16-卡槽，17-闸板，18-闸板开关，19-盖板，20-补液口，21-弹动装置，22-接触点凹槽，23-接触点，24-弹簧凹槽，25-螺纹，26-挡板，27-滑块，28-环形平垫。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种镀层内应力的测量装置及方法。

如图1、图2所示，镀层内应力测量装置包括电源装置1、电镀装置、自动温控装置、应力测量装置、摄像机12、支架13、计算机2；电镀装置包括镀槽3、阴极4、阳极板5、电极板14、滑轨15，自动温控装置包括温控箱6、加热管a7-1、加热管b7-2、热电偶a8-1、热电偶b8-2，应力检测装置包括工作腔体9、毛细管10、腔体底座11、卡槽16、闸板17、闸板开关18、盖板19，补液口20、弹动装置21、接触点凹槽22、接触点23、弹簧凹槽24、螺纹25、挡板26、滑块27、环形平垫28；阳极板5通过电极板14进行固定，其下端置于镀液内，电极板14安装在镀槽3两侧的滑轨15上，便于调节阳极板5与阴极4之间的距离；阴极4通过盖板19压紧在工作腔体9一侧，与电源装置1连接，毛细管10连接工作腔体9，镀槽3以及工作腔体9内的加热管a7-1、加热管b7-2及热电偶a8-1、热电偶b8-2连接温控箱6。

如图3所示，所述工作腔体9与盖板19之间，有卡槽16、闸板17、环形平垫28以及弹动装置21，闸板17一侧紧挨工作液，卡槽16用于放阴极4，弹动装置21处于压缩状态时，固定于弹簧凹槽24中，弹动装置21一端连接弹簧凹槽24，另一端嵌于环形平垫28中，弹簧凹槽24、闸板17与工作腔体9之间以包含焊接、交联剂粘连在内的方式紧密连接。

如图4所示，所述为闸板17平面及部分剖面示意图，闸板17内部包括多个挡板26，每个挡板26顶端的滑块27通过弹簧与闸板开关18连接，滑动闸板开关18，可以通过弹簧带动挡板26的前进与后退，来实现闸板17的闭合与开启。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

以紫铜材料，厚度0.5mm、直径30mm的圆形试样作为阴极4，电镀瓦特镍，测量电镀瓦特镍过程中镀层内应力的变化曲线。

(1)将镀液以及工作液温度设定为55℃，打开摄像机12以及计算机2，调节电极板14使阳极板5与阴极4之间距离为5cm，设定摄像机12拍照时间间隔为0.5s，将紫铜试样做好前处理准备；

(2)将试样进行快速装夹，从补液口20检查工作液是否充满，将阳极板5与阴极4分别连接电源装置1正负极，开启电源装置1，将电流设定为0.2A，电镀时间为20min；

(3)电镀产生的内应力使基体发生变形，摄像机12对毛细管10液面进行监测，经过软件系统处理，在计算机2上面显示镀镍层内应力随电镀时间的变化曲线。与电阻应变法所得实验结果相比较，误差范围在0.5％以内，由此可以说明本发明测量镀层内应力具有较高的准确度。

实施例2

以钢材料，厚度0.1mm、边长40mm的正方形试样作为阴极4，电镀六价铬，测量电镀铬过程中镀层内应力的变化曲线。

(1)将镀液以及工作液温度设定为50℃，打开摄像机12以及计算机2，调节电极板14使阳极板5与阴极4之间距离为4.5cm，设定摄像机12拍照时间间隔为0.5s，将钢试样做好前处理准备；

(2)将试样进行快速装夹，从补液口20检查工作液是否充满，将阳极板5与阴极4分别连接电源装置1正负极，开启电源装置1，将电流设定为0.4A，电镀时间为40min；

(3)电镀产生的内应力使基体发生变形，摄像机12对毛细管10液面进行监测，经过软件系统处理，在计算机2上面显示镀铬层内应力随电镀时间的变化曲线。与X射线衍射法所得实验结果相比较，误差范围在1.0％以内，由此可以说明本发明测量镀层内应力具有较高的准确度。

实施例3

以厚度0.05mm、直径25mm的塑料圆形材料试样，进行化学镀铜，测量化学镀铜过程中镀层内应力的变化曲线。

(1)将镀液以及工作液温度设定为45℃，打开摄像机12以及计算机2，设定摄像机12拍照时间间隔为0.5s，将塑料试样做好前处理准备；

(2)将试样进行快速装夹，从补液口20检查工作液是否充满，无需开启电源装置1，无需连接电源装置1正负极，电镀时间为50min；

(3)化学镀产生的内应力使基体发生变形，摄像机12对毛细管10液面进行监测，经过软件系统处理，在计算机2上面显示镀铜层内应力随化学镀时间的变化曲线。与X射线衍射法所得实验结果相比较，误差范围在1.5％以内，由此可以说明本发明测量镀层内应力具有较高的准确度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。