CN104359942A - 异种金属复合成形过程界面热阻测量方法 - Google Patents

Abstract

异种金属复合成形过程界面热阻测量方法，它涉及金属材料塑性加工中的加热技术领域。该方法解决现有的界面热阻测量方法由于材料在大载荷下发生变形导致接触式热电偶容易发生松动甚至损害，不能应用于异种金属成形时的界面热阻测量的问题。方案：第一步：异种材料复合成形温度场的建立；第二步：温度场信息的测量与采集；第三步：异种金属材料塑性变形阶段；第四步：界面热阻的求解。本发明用于测量异种金属复合成形过程界面热阻。

Description

异种金属复合成形过程界面热阻测量方法

技术领域

本发明涉及金属材料塑性加工中的加热技术领域，更具体的涉及一种异种金属复合成形过程中金属界面热阻的测量方法。 

背景技术

随着异种金属复合板、管或构件等在石油化工、海洋开发、核能利用、家用电器和国防工业中需求的日益增加，对异种金属的结合质量提出了更高的要求，为此对异种金属施加一定的温度、压力和变形量使其在界面处发生良好的机械和冶金复合是一种行之有效的方法，如异种金属的固态锻焊、挤压和旋压等固态热压加工方法均可实现此类加工。当异种金属固态热压复合时，实际固体对固体的接触仅发生在一些离散点或微小面积上，其余的间隙部分是真空或填充介质(例如空气、水和油等)。由于间隙介质的导热系数与固体导热系数一般相差较大，因而引起接触面附近热流发生变化，形成接触换热的附加阻力，即界面接触热阻。在一般情况下，界面热阻的存在会增大热流途径上的温降。对于材料特性差异较大的异种金属复合管(如Steel/Al,Ti/Al,Mg/Al等)，利用其界面的接触热阻效应对两侧金属的温度分布进行梯度控制，将可实现对复合管内各层金属变形流动的主动控制，从而改善异种金属复合成形的界面变形协调性,从而提高界面结合质量，因此测定异种金属固态变形复合时的界面热阻具有重要意义。 

然而，目前关于界面热阻的测定主要是在低温和超导领域，其界面热阻测量条件较苛刻:界面温度一般较低，界面上压力较小，且传热材料不发生塑性变形，其测量过程主要基于接触式热电偶采集的温度分布，然后采用外推法和傅里叶导热定律求解界面热阻。而在异种金属复合成形时，一般其成形温度较高，界面正压力大，且发生较大的塑性变形，但现有的界面热阻测量方法由于材料在大载荷下发生变形导致接触式热电偶容易发生松动甚至损害，不能应用于异种金属成形时的界面热阻测量。 

发明内容

本发明的目的是提供一种异种金属复合成形过程界面热阻测量方法，以解决现有的界面热阻测量方法由于材料在大载荷下发生变形导致接触式热电偶容易发生松动甚至损害， 不能应用于异种金属成形时的界面热阻测量的问题。 

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述方法包括如下步骤：步骤一、将异种金属坯料沿纵向标记若干个等距离孔，然后将其固定在压力机的凸凹模之间，其中异种金属坯料由第一坯料和第二坯料连接在一起，第一坯料和第二坯料的接触面为界面且二者为材质不同的金属，将异种金属坯料装夹在Instron电子万能材料试验机上，施加一定的预压力使模具夹紧异种金属坯料； 

步骤二、分别对凸模和凹模进行加热：通过智能温控仪设置凸模和凹模的预定加热温度，通过电阻加热器分别对凸模和凹模进行加热，直至温度场稳定； 

步骤三、对异种金属坯料施加载荷，以使得异种金属坯料产生塑性变形：预先计算异种坯料产生相应减薄率所需要的变形力，通过Instron电子万能材料试验机对异种金属坯料施加相应的载荷；异种金属坯料施加载荷后，充分保压，使异种金属坯料充分变形，逐步达到预定的变形量； 

步骤四、利用红外线热成像仪分别对异种金属坯料上的若干标记位置进行温度采集，且测量点沿垂直于界面方向分布，测量点与界面之间距离预先设定：红外线热成像仪连接计算机，待凸模和凹模均与异种金属坯料间充分传热后，开启红红外线热成像仪进行温度记录，观察记录各测点的温度信号，直至各点的温度基本稳定为止，异种金属坯料充分变形之后，观察各测点的温度信号，直至各点的温度基本稳定为止，结束测量； 

步骤五、对采集的数据进行分析处理，求解界面热阻：将红外线热成像仪记录的数据导出，用分析软件处理稳定后的温度场信息，通过外推法和傅里叶导热定律求解界面热阻。 

本发明具有以下有益效果：可较容易建立较高温度(≥200℃)下异种金属间复合的热流条件并实现其界面热阻的测量；可测量异种金属复合变形过程中的界面热阻的动态变化；可避免现有测量方法中金属复合变形过程的热电偶接触松动甚至损坏问题。 

本发明装置通过对凸模和凹模进行分别加热，从而实现对凸模和凹模的分别控温，可以建立多种稳定的热流条件。在塑性变形过程中，界面上的接触状态发生微观上的变化，可能会使界面热阻发生动态的变化。本发明通过在实验样品上多个特定位置进行打孔标记，初始时刻各标记点之间的距离及其距界面的距离是特定的，通过与红外线热成像仪捕捉的图像进行对比，可以求出单位距离与图像上像素的对应关系。尽管标记点在塑性变形过程中会产生一定的位移，通过红外线热成像仪可以准确的捕捉到标记点，将图像上各标 记点距离的像素转换成物理距离，因此能记录变形过程中任一瞬时标记点的位置和温度，从而获得异种金属复合变形过程中界面热阻的动态变化。在复合变形过程中，利用热电偶进行测温时探头接触的可靠性难以保证，且各接触点的位置时刻发生变形，无法在变形过程中实时记录各接触点与界面的位移变化，并容易造成热电偶的损坏。本发明采用红外线热成像法对试样上的标注位置进行时时测温，同时可以记录下任意时刻标记位置的位移变化，因此可求得界面热阻在异种金属复合变形过程中的动态变化。 

附图说明

图1是本发明方法设计的界面热阻测量装置示意图。 

其中，1-智能温控仪，2-电阻加热器，3-保温石棉，4-隔热云母板，5-定位销，6-Instron电子万能材料试验机，7-凸模，8-第一坯料，9-红外线热成像仪，10-第二坯料，11-计算机，12-凹模。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式方法包括如下步骤：步骤一、将异种金属坯料沿纵向标记若干个等距离孔，然后将其固定在压力机的凸凹模之间，其中异种金属坯料由第一坯料8和第二坯料10连接在一起，第一坯料8和第二坯料10的接触面为界面且二者为材质不同的金属，将异种金属坯料装夹在Instron电子万能材料试验机6上，施加一定的预压力使模具夹紧异种金属坯料；保证了异种材料两侧热源的稳定。 

步骤二、分别对凸模7和凹模12进行加热：通过智能温控仪1设置凸模7和凹模12的预定加热温度，通过电阻加热器2分别对凸模7和凹模12进行加热，直至温度场稳定； 

实现了塑性变形前后温度场和位移场的全程记录，确保了塑性变形过程对测点位移和温度的准确测量； 

步骤三、对异种金属坯料施加载荷，以使得异种金属坯料产生塑性变形：预先计算异种坯料产生相应减薄率所需要的变形力，通过Instron电子万能材料试验机6对异种金属坯料施加相应的载荷；异种金属坯料施加载荷后，充分保压，使异种金属坯料充分变形，逐步达到预定的变形量； 

步骤四、利用红外线热成像仪9分别对异种金属坯料上的若干标记位置进行温度采集，且测量点沿垂直于界面方向分布，测量点与界面之间距离预先设定：红外线热成像仪9连接计算机11，待凸模7和凹模12均与异种金属坯料间充分传热后，开启红外线热成像仪9进行温度记录，观察记录各测点的温度信号，直至各点的温度基本稳定为止，异种金属坯料充分变形之后，观察各测点的温度信号，直至各点的温度基本稳定为止，结束录像； 

步骤五、对采集的数据进行分析处理，求解界面热阻：将红外线热成像仪9记录的数据导出，用专业分析软件处理稳定后的温度场信息，通过外推法和傅里叶导热定律求解界面热阻。 

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中异种金属坯料沿轴向标记若干个等距离孔，采用游标卡尺在异种金属坯料的表面精确测量划分后标记打孔，两种材料的测点分布保证一致。其它实施方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤二中凸模的加热温度为300℃-350℃，凹模的加热温度为200℃-250℃。其它实施方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中对异种金属坯料设置施加变形载荷的过程中，速度控制在0.001-0.1mm/s；加载速度要严格控制，确保坯料缓慢变形。其它实施方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中对异种金属坯料设置施加变形载荷的过程中，速度为0.005mm/s。其它实施方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式六：本发明使用直径为高25-30mm的3A21和5A03铝合金坯料进行热压缩变形实验，获得了在变形前后两种材料间界面热阻的变化曲线。 

步骤一、沿选取若干个测量点进行打孔标记，测量点沿轴向均匀分布在坯料表面，红外线热成像仪记录测量点与界面之间的距离； 

步骤二、将异种金属坯料装夹在凸模和凹模之间，通过Instron电子万能材料试验机施加0.5-1KN的预压力，将异种金属坯料固定； 

步骤三、在智能温控仪上分别设置凸模的加热温度为300℃-350℃、凹模的加热温度为200℃-250℃； 

步骤四、开启红外线热成像仪录像，观察异种坯料上各个测点红外线热成像仪所测得 的温度值是否稳定，保温20-30min待各测点的温度基本稳定方可进行下一步； 

步骤五、根据材料的性能预先计算出异种坯料减薄20％-30％所需要的变形力，在Instron电子万能材料试验机上设置施加相应的载荷； 

步骤六、对异种坯料施加载荷后，保压足够时间，使坯料充分变形达到预定的变形量； 

步骤七、异种坯料充分变形之后，等待一段时间，直至红外线热成像仪上各测点温度基本稳定为止，关闭红外线热成像仪； 

步骤八、将红外线热成像仪内的数据导入到分析计算机内，用专业软件处理采集到的温度场信息，结合测得的测点距离分布，通过外推法和傅里叶导热定律求解界面热阻的动态变化； 

其中，步骤一所述的坯料的测量点标记处打孔位置固定，需用游标卡尺在坯料的表面精确测量划分后标记打孔，两种材料的测点分布保证一致； 

其中，步骤五所述的对坯料设置施加变形载荷的过程中，加载速度要严格控制，确保坯料缓慢变形； 

其中，步骤八所述的用傅里叶导热定律求解界面热阻的过程中，每种材料的导热系数通过查找手册获得。 

Claims (4)

1.一种异种金属复合成形过程界面热阻测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、将异种金属坯料沿纵向标记若干个等距离孔，然后将其固定在压力机的凸凹模之间，其中异种金属坯料由第一坯料(8)和第二坯料(10)连接在一起，第一坯料(8)和第二坯料(10)的接触面为界面且二者为材质不同的金属，将异种金属坯料装夹在Instron电子万能材料试验机(6)上，施加一定的预压力使模具夹紧异种金属坯料；

步骤二、分别对凸模(7)和凹模(12)进行加热：通过智能温控仪1设置凸模(7)和凹模(12)的预定加热温度，通过电阻加热器(2)分别对凸模(7)和凹模(12)进行加热，直至温度场稳定；

步骤三、对异种金属坯料施加载荷，以使得异种金属坯料产生塑性变形：预先计算异种坯料产生相应减薄率所需要的变形力，通过Instron电子万能材料试验机(6)对异种金属坯料施加相应的载荷；异种金属坯料施加载荷后，充分保压，使异种金属坯料充分变形，逐步达到预定的变形量；

步骤四、利用红外线热成像仪(9)分别对异种金属坯料上的若干标记位置进行温度采集，且测量点沿垂直于界面方向分布，测量点与界面之间距离预先设定：红外线热成像仪(9)连接计算机(11)，待凸模(7)和凹模(12)均与异种金属坯料间充分传热后，开启红外线热成像仪(9)进行温度记录，观察记录各测点的温度信号，直至各点的温度基本稳定为止，异种金属坯料充分变形之后，观察各测点的温度信号，直至各点的温度基本稳定为止，结束测量；

步骤五、对采集的数据进行分析处理，求解界面热阻：将红外线热成像仪(9)记录的数据导出，用分析软件处理稳定后的温度场信息，通过外推法和傅里叶导热定律求解界面热阻。

2.根据权利要求1所述的异种金属复合成形过程界面热阻测量方法，其特征在于步骤一中异种金属坯料沿轴向标记若干个等距离孔，采用游标卡尺在异种金属坯料的表面精确测量划分后标记打孔，两种材料的测点分布保证一致。

3.根据权利要求1或2所述的异种金属复合成形过程界面热阻测量方法，其特征在于步骤二中凸模的加热温度为300℃-350℃，凹模的加热温度为200℃-250℃。

4.根据权利要求1或2所述的异种金属复合成形过程界面热阻测量方法，其特征在于步骤三中对异种金属坯料设置施加变形载荷的过程中，速度控制在0.001-0.1mm/s。