CN105973500B - 一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，以解决搅拌摩擦焊温度场实际测量过程中焊核区温度无法测定的问题。方法：一、配制铝元素含量由低到高的锌铝钎料，并将每种锌铝钎料制成锌铝钎料薄片；二、不同含量的锌铝钎料薄片粘贴于对接或搭接的界面处；三、启动搅拌摩擦焊机，搅拌头沿焊接方向焊接；四、焊后在每种锌铝钎料薄片所贴附的位置截取钎料参与搅拌摩擦焊的焊缝，并在金相显微镜下观察其焊缝横截面，当观察到焊核区无钎料固体存在，同时只有少量钎料固体碎片弥散分布于热机影响区时，判断在搅拌摩擦焊过程中刚好发生熔化的钎料，该钎料的熔点即为搅拌摩擦焊过程中焊核区的温度。本发明用于搅拌摩擦焊过程中焊核区温度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接温度测量方法，具体涉及一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一种先进的固相连接技术。该技术的特点为高速旋转的搅拌头2插入工件的指定位置，此时搅拌针插入工件内部，轴肩压紧工件表面。高速旋转的搅拌头2与母材作用产生大量的摩擦热，使母材处于一种热塑性状态，并在搅拌针的搅拌作用下发生材料流动。搅拌头2在高速旋转的同时向前运动，材料在搅拌头2的作用下发生搅拌、混合，最终实现连接。搅拌摩擦焊的焊接变形低、残余应力小，接头质量好，不产生弧光、烟尘等污染，被誉为“21世纪最具革命性的连接技术之一”。搅拌摩擦焊过程是材料温度变化、组织结构转变、应力应变和材料塑性流动等多方面共同作用的复杂过程。研究搅拌摩擦焊温度场可以预测焊接过程中的温度情况及接头区域的硬度、应力和应变分布，从而更好地了解焊接过程中的材料流场的分布，进而评价接头性能。目前针对搅拌摩擦焊接温度场的研究主要分为两种：实验测定及数值模拟。但是，数值模拟中焊接过程被大量简化，所得结果与实际相差较大。现有的实验测定方法主要是将热电偶放置于工件内靠近搅拌头2的盲孔中，然而该方法只能测定靠近焊核区材料的温度，无法测量中心焊核区的温度。
发明内容
本发明为了解决搅拌摩擦焊温度场实际测量过程中焊核区温度无法测定的问题，而提出一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法。
本发明的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、配制锌铝钎料薄片：配制铝元素含量由低到高的锌铝钎料，其铝含量为10％、20％、30％、40％，并将每种锌铝钎料制成锌铝钎料薄片，锌铝钎料薄片的厚度为0.1mm～0.3mm、长度为2mm、高度为待焊工件厚度的一半；
步骤二、不同含量的锌铝钎料薄片粘贴于对接或搭接的界面处：将第一块待焊工件和第二块待焊工件以搭接或对接的方式置于工作台上，并将已制成的锌铝钎料薄片以铝元素含量由低到高顺序贴附于对接或搭接的界面处，且锌铝钎料薄片所贴位置应在搅拌针行进路线内，并将第一块待焊工件和第二块待焊工件用夹具装卡在工作台上；
步骤三、施焊：启动搅拌摩擦焊机，搅拌头以转速200r/min～1500r/min，焊接速度10mm/min～1000mm/min，轴肩下压量0.05mm～1mm的焊接参数沿焊接方向焊接；
步骤四、搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的测量：焊后在每种锌铝钎料薄片所贴附的位置截取钎料参与搅拌摩擦焊的焊缝，并在金相显微镜下观察其焊缝横截面，根据锌铝钎料的熔化程度，对照铝含量不同的锌铝钎料的熔点判断中心焊核区在搅拌摩擦焊过程中的温度，当观察到焊核区无钎料固体存在，同时只有少量钎料固体碎片弥散分布于热机影响区时，依据锌铝钎料熔点，判断在搅拌摩擦焊过程中刚好发生熔化的钎料，该钎料的熔点即为搅拌摩擦焊过程中焊核区的温度。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明通过将不同熔点的锌铝钎料薄片贴附于对接或搭接界面处，钎料直接与高速旋转的搅拌针接触，在搅拌摩擦焊的过程中发生破碎和熔化，并沉积于焊核区中。焊后通过光学显微镜观察焊缝横截面，根据锌铝钎料的熔化和破碎程度，搅拌摩擦焊过程中焊核区的温度与刚好熔化的钎料熔点相对应。本发明通过钎料辅助的方法，解决了搅拌摩擦焊过程中焊核区温度无法准确测量的难题，对各种金属材料对接和搭接形式都有具有良好的适应性。
二、本发明所涉及的设备均为常规设备，操作过程简单，成本低，易于实现。
附图说明
图1是本发明的步骤二中锌铝钎料薄片1粘贴于第一块待焊工件A与第二块待焊工件B对接界面处的示意图；
图2是锌铝钎料薄片1粘贴于第二块待焊工件B上的对接处的示意图；
图3是第一块待焊工件A与第二块待焊工件B对接时，搅拌头2沿焊接方向焊接的示意图；
图4是本发明的步骤二中锌铝钎料薄片1粘贴于第一块待焊工件A与第二块待焊工件B搭接界面处的示意图；
图5是第一块待焊工件A与第二块待焊工件B搭接的俯视图；
图6是第一块待焊工件A与第二块待焊工件B搭接时，搅拌头2沿焊接方向焊接的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、配制锌铝钎料薄片1：配制铝元素含量由低到高的锌铝钎料，其铝含量为10％、20％、30％、40％，并将每种锌铝钎料制成锌铝钎料薄片1，锌铝钎料薄片1的厚度为0.1mm～0.3mm、长度a为2mm、高度b为待焊工件厚度的一半；根据实验可分别得出：铝含量为10％、20％、30％、40％的锌铝钎料分别对应的熔点值；
步骤二、不同含量的锌铝钎料薄片1粘贴于对接或搭接的界面处：将第一块待焊工件A和第二块待焊工件B以搭接或对接的方式置于工作台上，并将已制成的锌铝钎料薄片1以铝元素含量由低到高顺序贴附于对接或搭接的界面处，且锌铝钎料薄片1所贴位置应在搅拌针行进路线内，并将第一块待焊工件A和第二块待焊工件B用夹具装卡在工作台上；上述的第一块待焊工件A和第二块待焊工件B均为板材；
步骤三、施焊：启动搅拌摩擦焊机，搅拌头2以转速200r/min～1500r/min，焊接速度10mm/min～1000mm/min，轴肩下压量0.05mm～1mm的焊接参数沿焊接方向焊接；
步骤四、搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的测量：焊后在每种锌铝钎料薄片1所贴附的位置截取钎料参与搅拌摩擦焊的焊缝，并在金相显微镜下观察其焊缝横截面，根据锌铝钎料的熔化程度，对照铝含量不同的锌铝钎料的熔点判断中心焊核区在搅拌摩擦焊过程中的温度，当观察到焊核区无钎料固体存在，同时只有少量钎料固体碎片弥散分布于热机影响区时，依据锌铝钎料熔点，判断在搅拌摩擦焊过程中刚好发生熔化的钎料，该钎料的熔点即为搅拌摩擦焊过程中焊核区的温度。
具体实施方式二：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的第一块待焊工件A和第二块待焊工件B是同种金属材料或异种金属材料。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的第一块待焊工件A的厚度与第二块待焊工件B的厚度相等。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中第一块待焊工件A与第二块待焊工件B对接时，每个锌铝钎料薄片1的高度中心与第一块待焊工件A或第二块待焊工件B的厚度中心重合。其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式是步骤二中第一块待焊工件A与第二块待焊工件B搭接时，每个锌铝钎料薄片1的高度中心应在搭接面宽度的一半处。其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：结合图2和图5说明本实施方式，本实施方式是步骤二中每相邻两个锌铝钎料薄片1之间的间距c与一个锌铝钎料薄片1的长度a相等。其它步骤与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：结合图3说明本实施方式，本实施方式是步骤三中第一块待焊工件A与第二块待焊工件B对接时，搅拌头2轴线与第一块待焊工件A和第二块待焊工件B的对接面重合。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式是步骤三中第一块待焊工件A与第二块待焊工件B搭接时，搅拌头2轴线与搭接面宽度的中心线重合。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图3和图6说明本实施方式，本实施方式是步骤三中搅拌头2的转速为800r/min，焊接速度为200mm/min，轴肩下压量0.2mm。其它步骤与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：结合图3和图6说明本实施方式，本实施方式是步骤三中搅拌头2的转速为1000r/min，焊接速度为500mm/min，轴肩下压量0.5mm。其它步骤与具体实施方式七或八相同。
Claims (10)
1.一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、配制锌铝钎料薄片(1)：配制铝元素含量由低到高的锌铝钎料，其铝含量为10％、20％、30％、40％，并将每种锌铝钎料制成锌铝钎料薄片(1)，锌铝钎料薄片(1)的厚度为0.1mm～0.3mm、长度(a)为2mm、高度(b)为待焊工件厚度的一半；
步骤二、不同含量的锌铝钎料薄片(1)粘贴于对接或搭接的界面处：将第一块待焊工件(A)和第二块待焊工件(B)以搭接或对接的方式置于工作台上，并将已制成的锌铝钎料薄片(1)以铝元素含量由低到高顺序贴附于对接或搭接的界面处，且锌铝钎料薄片(1)所贴位置应在搅拌针行进路线内，并将第一块待焊工件(A)和第二块待焊工件(B)用夹具装卡在工作台上；
步骤三、施焊：启动搅拌摩擦焊机，搅拌头(2)以转速200r/min～1500r/min，焊接速度10mm/min～1000mm/min，轴肩下压量0.05mm～1mm的焊接参数沿焊接方向焊接；
步骤四、搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的测量：焊后在每种锌铝钎料薄片(1)所贴附的位置截取钎料参与搅拌摩擦焊的焊缝，并在金相显微镜下观察其焊缝横截面，根据锌铝钎料的熔化程度，对照铝含量不同的锌铝钎料的熔点判断中心焊核区在搅拌摩擦焊过程中的温度，当观察到焊核区无钎料固体存在，同时只有少量钎料固体碎片弥散分布于热机影响区时，依据锌铝钎料熔点，判断在搅拌摩擦焊过程中刚好发生熔化的钎料，该钎料的熔点即为搅拌摩擦焊过程中焊核区的温度。
2.根据权利要求1所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤二中的第一块待焊工件(A)和第二块待焊工件(B)是同种金属材料或异种金属材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤二中的第一块待焊工件(A)的厚度与第二块待焊工件(B)的厚度相等。
4.根据权利要求3所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤二中第一块待焊工件(A)与第二块待焊工件(B)对接时，每个锌铝钎料薄片(1)的高度中心与第一块待焊工件(A)或第二块待焊工件(B)的厚度中心重合。
5.根据权利要求3所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤二中第一块待焊工件(A)与第二块待焊工件(B)搭接时，每个锌铝钎料薄片(1)的高度中心应在搭接面宽度的一半处。
6.根据权利要求4或5所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤二中每相邻两个锌铝钎料薄片(1)之间的间距(c)与一个锌铝钎料薄片(1)的长度(a)相等。
7.根据权利要求1所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤三中第一块待焊工件(A)与第二块待焊工件(B)对接时，搅拌头(2)轴线与第一块待焊工件(A)和第二块待焊工件(B)的对接面重合。
8.根据权利要求1所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤三中第一块待焊工件(A)与第二块待焊工件(B)搭接时，搅拌头(2)轴线与搭接面宽度的中心线重合。
9.根据权利要求7或8所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤三中搅拌头(2)的转速为800r/min，焊接速度为200mm/min，轴肩下压量0.2mm。
10.根据权利要求7或8所述的一种钎料辅助测量搅拌摩擦焊过程中焊核区温度的方法，其特征在于：所述步骤三中搅拌头(2)的转速为1000r/min，焊接速度为500mm/min，轴肩下压量0.5mm。
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