为消除称重传感器弹性元件冷热加工产生的残 余应力，美、德等国的称重传感器制造企业多增加 一道人工时效处理工艺，也称为“老练处理”。其目 的是消除弹性元件在锻造、机械加工、热处理工艺 过程中产生的残余应力。仍以40CrNiMoA 中碳合金钢 制造的弹性元件为例，为了提高称重传感器的稳定 性，必须使弹性元件材料中的残余奥氏体尽量少， 也就是在回火过程中使残余奥氏体尽可能的分解。 因为残余奥氏体会逐渐地变为马氏体，即由面心立 方结构转变为体心立方结构，这样多余的碳原子会 使晶格歪扭，使得体积胀大，造成尺寸变化，直接 影响称重传感器的零点和灵敏度的稳定性。一般多 采用增加回火时间或进行二次回火处理来减少残余 奥氏体，提高弹性元件的尺寸稳定性。 对弹性元件在实施粘贴电阻应变计工艺前进行 人工时效处理，主要采用真空回火、高温时效和低 温深冷三种工艺方法。 真空回火温度比热处理时的回火温度稍低，以 不引起组织和其他性能变化，真空度为10-6 托。试验 表明，真空回火能大幅度消除弹性元件表面的残余 应力，其值可减少80% 左右的应力值，并使应力分 布均匀化。 对于钢制称重传感器弹性元件多采用在200℃高 温油煮工艺方法，即将完成机械加工和热处理工艺 处理的弹性元件放入200℃油槽内，进行高温油煮处 理，油煮时间根据弹性元件大小确定，一般为24 小 时。此种高温油煮工艺方法的特点是，既消除了弹 性元件中的残余应力，又保护了弹性元件表面处理 质重。 铝合金弹性元件多采用低温深冷的稳定性处理 方法，即将铝合金弹性元件放置在液氮密封容器 内，根据弹性元件尺寸大小确定时间，一般为24 小 时。个别钢制弹性元件，也可以采取先实施高温油煮工艺，再实施低温深冷工艺进行稳定性处理，消 除残余应力的效果更好。2.3 铝合金称重传感器弹性元件材料热处理状态选择 在研制电子计价秤用小量程高准确度称重传感 器时，要求弹性元件既有较高的机械强度又要有较 大的刚度，而灵敏度和刚度两者之间是相互影响和 相互制约的关系。如何处理这对矛盾，是小量程称 重传感器设计制造必须首先面对的问题。为了解决 灵敏度与刚度这对矛盾，保证小量程称重传感器在 规定的灵敏度条件下具有较高的刚度，就必须选择 弹性模量E 和比密度ρ 的乘积Eρ 最小的材料。此类 材料主要有铝合金、钛合金、铍青铜等，以铝合金 应用最为广泛。变形铝合金的Eρ 值只有中碳合金钢 的九分之一，且比重小、屈强比高、比强度大、塑 性好、耐腐蚀性强，并具有较好的低温性能和优良 的冷热加工性能，是理想的小量程称重传感器弹性 元件材料。国内外应用较多的是以下三种可热处理 强化的变形铝合金：（1）锻铝合金 我国牌号2A14（原牌号LD10），美国、日本牌 号2014。属于铝- 铜- 镁- 硅系，因具有良好的锻造 性，故称为锻铝合金。 （2）硬铝合金 我国牌号2A12（原牌号LY12），美国、日本牌 号2024，属于铝- 铜- 镁系，因其强度高，耐热性 好，故称为硬铝合金。 （3）超硬铝合金 我国牌号为7A04（原牌号LC4），美国、日本牌 号为7075，属于铝- 锌- 镁- 铜系，由于强度高于硬 铝，故称为超硬铝合金。 由于2A14 强度偏低，7A04 时效温度低，所以应 用较少。国内外应用最多的是硬铝合金，我国牌号 2A12，美国、日本牌号2024，属于铝－铜－镁系， 因其强度高，耐热性好，故称为硬铝合金。 2A12 硬铝合金用于称重传感器弹性元件时，必 须选用热处理人工时效状态，即2A12 － T6 、2024 － T6。由于2A12、2024 硬铝合金热处理后存在较大 的内应力，这种内应力经过自然时效后不可能得到 有效的消除。因为铝合金热处理产生的内应力是由 于弹性元件毛坯各部位冷却速度不同而产生的热应 力，表层为压应力，心部为拉应力。无论热处理产 生的应力如何分布，当进行机械加工时，弹性元件 内应力的平衡状态受到破坏而导致变形或歪曲如果 形成产品后仍有残余应力，弹性元件也会因为松弛 而导致变形。同时自然时效状态的2A12 铝合金的 相和组织状态也不稳定，虽然经过96 小时的自然时 效，第二项（CuAl2）从过饱和固溶体中沉淀析出， 但仍有不少铜原子未完成从过饱和α 固溶体中脱溶 的过程，使得称重传感器在使用过程中还会继续进 行沉淀相的脱溶过程而引起弹性元件的尺寸变化， 影响称重传感器的稳定性。因此，必须选用热处理 人工时效状态的2A12 －T6 铝合金。也可以选用自然 时效状态经过再时效处理的2024 －T81 和经过特殊 调质处理的 2024 －T351。若无有热处理人工时效状 态而选用自然时效状态的2A12 －T4 时，最好在加工 弹性元件前实施改变状态的再时效处理，即变T4 状 态为T6 状态。由于2A12 －T4 的组织稳定性很差， 这对弹性元件尺寸稳定很不利，直接影响称重传感 器的稳定性。因此，必须对毛坯或粗加工后处于T4 状态的半成品进行一次人工时效处理。为了不降低 材料强度，保证加工后弹性元件有足够刚度，通常 采用在190℃下长时间保温的再时效处理工艺，变 T4 状态为T6 状态。再时效处理工艺：190℃×24h 或 连续升温110℃、150℃、190℃，保温6、6、12 小 时（时间连续计算）。2A12 －T4 铝合金弹性元件 的再时效处理，不仅改变了状态、稳定了组织，而 且还达到了消除热处理和粗加工产生的残余应力的 目的。由铝合金生产厂进行热处理时，要求人工时 效状态（2A12 －T6）的硬度为：各类型称重传感器 HB130~135；集成化称重板传感器 HB140 ～145。 称重传感器稳定性处理的目的主要是使称重传 感器能用于较恶劣的环境条件，以及用于生产过程控制元件时的环境适应性强，只有这样才能保证长 期稳定性好，工作可靠性高，故障率低。称重传感 器环境适应性主要是耐受下列因素的能力：气候因 素——温度、湿度、压力等的影响；电磁因素—— 电磁场或电磁辐射的干扰；特殊介质因素——盐水、 化学腐蚀性气体、核辐射等影响。德国对申请样机 试验的新型称重传感器要求，对零件的耐磨性、老 化及对干扰的敏感性进行试验和计量，保证称重传 感器的计量性能不受电磁场、静电力、振动、气候 条件、机械磨损等干扰量的影响。称重传感器稳定 性的评定方法对于各类电子衡器和电子称重系统是 至关重要的，它决定整个产品和系统的稳定性。 目前，国内外对称重传感器稳定性尚无统一的 评定标准和测试方法。世界各国的称重传感器制造 企业都承认稳定性是重要的质量指标，但在产品样 本和使用说明书中却很少给出稳定性指标。究竟如 何认识称重传感器的稳定性呢？世界各国称重传感 器制造企业的共识是：在一定时间内和相同条件下， 称重传感器零点和灵敏度的变化程度，也可以说是 零点和灵敏度的稳定性。因此在美国、德国、日本 有些称重传感器制造企业的制造工艺中，都有稳定 性处理工艺和各自的稳定性处理和试验方法。 称重传感器稳定性试验方法包括老化、疲劳和 环境三个因素。“老化”即时间影响；“疲劳”是指 把时间影响模拟为固定次数的称重过程或固定小时 的工作量（德国PTB 规定用最大秤量或至少1 ／2 秤 量加载20 万次，实际上是耐久试验）；“环境因素” 则是把时间模拟为长期的温度、湿度变化的影响。 德国PTB 规定对无密封“开放”型称重传感器要进行 温度、湿度试验，因为这种称重传感器的零点和特 性随温度、湿度的变化较大。 处于国际市场引导者地位的称重传感器制造企 业，在高准确度称重传感器制造工艺中，都有稳定 性处理工艺流程。其稳定性处理工艺多分为两次进 行，其一是在金属材料经过锻造、机械加工、热处 理加工成弹性元件后进行，目的是消除机械加工和 热处理产生的残余应力，称为第一次稳定性处理。 其二是在完成粘贴电阻应变计、组成惠斯通电桥电 路、实施各项电路补偿与调整和防护密封后进行， 称为第二次稳定性处理。国内称重传感器生产企业 的制造工艺，多采用第二次稳定性处理方法。以温 度循环老化稳定性处理工艺为主，实际上是“环境应 力筛选”的一种方法，将其移植到称重传感器稳定 性处理工艺中十分有效，在称重传感器稳定性处理 工艺中将其称之为温度循环。主要参数为，高温和 低温的极限值、停留时间、温度变化率、一次循环 总时间和温度循环次数。根据称重传感器所用电阻 应变计、应变胶粘剂和制造工艺特点，多采用室温 到高温并逐步提高温度的循环老化方法，即第一天 升温至60℃停留4 小时，随试验温箱自然降低温度至 室温，从第二天开始，最高温度每天增加20℃，直 到第五天的140℃，停留4 小时，随试验温箱自然降 低至室温，此为一个温度循环，共进行十天两个温 度循环老化即可。国内外应用较多的称重传感器第 二次稳定性处理工艺方法有： 脉动疲劳工艺方法是在交变应力作用下，经过 上万次的拉伸、压缩对称循环载荷作用，在较短的 时间内完成较长时间的自然时效作用，把残余应力 降低到一定水平。它的机理是通过反复加载或机 械振动，促使晶体内原子加速振动，而释放残余应 力。可有效地释放弹性元件、电阻应变计、应变粘 结剂胶层的残余应力，提高零点和灵敏度稳定性的 效果极为明显。 在专用的标准砝码加载装置中或简易的机械螺 旋加载设备上，对称重传感器施加125％额定载荷， 保持4 ～8 小时，或施加110％额定载荷，至少保持24 小时，也可以保持数日。如果能够在此状态下进行 温度循环，则效果更好。 振动时效工艺方法是将称重传感器安装在额定 正弦推力满足振动时效要求的振动台上，根据称重 传感器的额定量程估算频率，来决定施加的振动载荷、工作频率和振动时间。对于小量程平行梁称重 传感器，在频率30Hz、振动加速度10g 时，振动15 分钟即可获得较好的效果。试验前后，可用X 射线仪 测量电阻应变计粘贴处及附近的应力值。振动时效 工艺的特点是：能耗低、周期短、效果好，不损坏弹 性元件表面，而且操作简单。 振动时效的机理，目前尚无定论。经过振动时 效的试验研究，有些专家倾向于用材料力学的重复 应力过载的观点，解释振动时效机理。即作用在弹 性元件上的振动应力与其内部的残余应力相互作 用，使残余应力松弛并释放。 脉动疲劳即振动时效，将弹性元件安装在振动 台上，根据弹性元件的量程估算频率来决定施加的 振动载荷、工作频率和振动时间。 世界各国对产品制造工艺的保密是非常严格 的，从国外论文集、技术刊物、相关文献中可以找 到关于系统、原理、结构等方面的参考资料，然而 很难找到关于制造工艺资料。称重传感器技术领域 也不例外，其有关资料和论著都是讲起结构原理滔 滔不绝，讲起制造工艺守口如瓶。对制造工艺的另 一种偏见，认为制造工艺的理论性不强，只是一种 实际经验与技艺而已。实际并非如此，而是对制造 工艺探索太少，对其机理与规律研究、揭示和掌握 的很不够。本文只是从称重传感器弹性元件准备工 艺这一环节，即弹性元件材料选择及锻造、机械加 工、热处理及稳定性处理工艺在称重传感器研制生 产中所起的关键作用，说明制造工艺的重要性，希 望能引起称重传感器生产厂家对制造工艺研究、创 新的足够重视。
