CN109187187B - 一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法 - Google Patents

一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法，包括：准备热压焊合试样和热压参照试样；在不同试验条件下进行热压焊合实验和热压实验；计算焊合界面的焊合程度；采用测试获得热压焊合后样品与热压后样品的力学性能并计算其比值；通过曲线拟合、线性回归以及空间曲面构建，建立试验条件与界面焊合程度及力学性能比值之间的定量关系，建立金属材料在固态焊接中的可焊性图。本发明可单独量化界面结合程度对焊合界面力学性能的影响，可建立固态焊接中的基本物理量与焊合界面结合程度及界面性能之间的定量关系，建立可焊性图，对金属材料的固态焊接性能做出准确评估，可为多种实际应用中的固态焊接工艺提供依据和指导。

Description

一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法
技术领域
本发明属于金属材料固态焊接技术领域，尤其涉及一种通过建立固态焊接基本物理变量与焊合界面结合程度及界面性能之间定量关系，构建金属材料可焊图，进而评估金属材料固态焊接工艺可焊性的方法。
背景技术
近年来，搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、扩散焊、超声波焊、爆炸焊、冷焊、热压键合、叠层轧制、分流模挤压以及超声波叠层制造等固态焊接技术已成功应用于多种宏观尺度(毫米到米)工程结构件的连接、微机电系统元件的圆片级封装以及纳米尺度元件的键合。在固态金属焊接技术中，焊接工艺参数的选择是决定焊接接头性能的关键因素，因此，焊接工艺参数对焊合界面结合程度、微观结构以及界面性能的影响规律成为各种固态焊接工艺的研究重点。
由于不同固态焊接工艺的具体焊接方式存在差异，焊接工艺参数存在多样性和复杂性。但是，从本质上而言，影响金属材料固态焊接性能的基本物理量包括压力、温度、时间、塑形变形程度、应变速率以及待焊金属材料表面状态等。因此，人们尝试采用一些特定的实验方法模拟固态焊接过程，并研究焊接过程中基本物理量对焊接性能的影响规律。但是，截止目前为止，现有方法仍存在一些亟待解决的关键问题。首先，人们尚未找到一种可有效评估金属材料固态焊接性能的方法。其次，仍然难以实现焊合界面结合程度的定量评估，特别是当焊合界面的焊合缺陷在亚微米级别时，采用超声波探伤等传统方法难以准确探测并量化界面的未焊合程度。再次，目前人们还采用直接比较不同焊合条件下所获焊缝的力学性能的方法以区分焊缝的焊接质量，但由于变形温度、应变速率、应变以及时间等因素对金属材料硬度、强度以及延伸率等力学性能具有显著影响，因此，这种方法也不能真实反映界面结合程度对焊缝力学性能的影响。
综上，由于上述条件的限制，目前人们尚不能准确建立固态焊接中的基本物理量、焊合界面结合程度、界面力学性能之间的定量关系，也尚未提出定量评估金属材料固态焊接性能的方法。因此，有必要建立一种新的金属材料固态焊接性能的定量评估方法，以期解决上述现有技术中的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法。本发明的方法既可以对焊接接头的界面结合程度进行准确量化，也能够单独量化界面结合程度对焊缝力学性能的影响，特别是能够建立固态焊接中的试验条件与焊合界面结合程度及界面性能之间的定量关系，使金属材料固态焊接性能的评估精准化、目标化，大大降低了焊接过程存在的偶然性、盲目性，对金属材料的固态焊接性能的评估以及实际固态焊接工艺参数的选择具有重要的理论指导和现实意义。
本发明的目的之一是提供一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法。
本发明的目的之二是提供定量评估金属材料固态焊接性能的方法的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法，包括如下步骤：
(1)首先，采用相同的材质制备热压焊合试样和热压参照试样；
(2)对两个热压焊合试样在不同试验条件下进行热压焊合试验，试验完成后保留热压焊合试样的微观结构；
(3)采用与步骤(2)相同的试验条件对一个热压参照试样进行热压试验；试验完成后保留热压参照试样的微观结构；
(4)统计步骤(2)所获得的热压焊合试样的焊接界面上焊合区域和非焊合区的长度，计算界面焊合程度；所述界面焊合程度＝焊合区域长度/(焊合区域长度和非焊合区长度)；
(5)通过曲线拟合和线性回归，建立前述试验条件与界面焊合程度的定量关系；
(6)测量步骤(2)所获得的试样的焊合界面的力学性能；
(7)测量步骤(3)所获得热压参照试样与步骤(2)所获得试样的焊合界面相对应位置处的力学性能；
(8)计算步骤(6)所获得的热压焊合试样力学性能与步骤(7)所获得的热压参照试样力学性能的比值；
(9)通过曲线拟合和线性回归，建立前述试验条件与步骤(8)所获得的力学性能比值之间的定量关系；
(10)根据步骤(4)(5)、(8)和(9)所获得的结果，通过构建空间曲面建立金属材料在固态焊接中的可焊图，即可对金属材料的固态焊接性能做出评估。
步骤(1)中，所述热压参照试样的长度为热压焊合试样的2倍。
步骤(2)中，采用热模拟试验机或压力机进行热压焊合实验。
优选的，步骤(2)中，先通过定位环将两个热压焊合试样连接在一起固定在试验机中，试验开始前，移除定位环，然后进行热压焊合实验，优选的，所述定位环为橡胶环。
步骤(2)中，所述试验条件包括温度、时间、变形量、应变速率、变形方式等。
优选的，步骤(2)和(3)中，所述试验完成后，采用对试样进行快速水冷的方式保留试样的微观结构。
步骤(4)中，将试样制成金相试样后在显微镜下计算界面焊合程度；优选的，所述显微镜包括光学显微镜或扫描电镜。
步骤(4)中，在微观结构表征前，首先将包含焊合界面的平面的观察面抛光至镜面，然后进行化学侵蚀；所有样品的侵蚀时间相同。光学显微镜或扫描电镜的观察倍数以能够清楚区分焊合界面上牢固焊合区域和非牢固焊合区域为原则；所有样品的观察面在统一的放大倍数下进行观察并存储图像。
优选的，所述化学侵蚀采用0.6ml HF、18.0ml HCl、7.0ml HNO3和42.0ml H2O的混合溶液进行，侵蚀时间为180s。
步骤(6)中，所述力学性能包括热压焊合试样的抗拉强度、延伸率或者焊合界面处的剪切强度。
步骤(6)中，所述力学性能包括热压参照试样的抗拉强度、延伸率或者剪切强度。
优选的，步骤(5)、(9)、(10)中，通过Origin软件进行曲线拟合和线性回归，建立方程并获得方程中相关参数的具体数值，并利用MATLAB构建空间曲面，从而获得该种材料在固态焊接中的可焊图。
其次，本发明公开了定量评估金属材料固态焊接性能的方法在固态焊接领域的应用。
本发明的技术特点为：第一、目前人们难以实现焊合界面结合程度的定量评估，特别是当焊合界面的焊合缺陷在亚微米级别时，采用超声波探伤等传统方法难以准确探测并量化界面的未焊合程度，因此，本发明提出了采用腐蚀液对焊合界面进行相同时间的腐蚀，并通过显微镜直接观察焊合界面，从而统计和计算焊合界面的结合程度的方法。该方法不受焊合界面焊合缺陷尺寸和种类的限制。第二、在评估焊合界面结合程度对焊缝力学性能的影响时，目前人们尚未找到消除变形温度、应变速率、应变以及时间等因素对焊合界面力学性能的影响的方法，因此，本发明提出采用计算热压焊合试样的力学性能与热压参照试样的力学性能的比值，以量化界面结合程度对焊缝力学性能的影响，从而实现固态焊接中的试验条件与焊合界面结合程度及界面性能之间的定量关系的建立。在上述两个思路的基础上，本发明提出采用对比性的热模拟实验，实现对金属材料固态焊接性能的定量评估。这种评估方法可为实际固态焊接工艺提供依据和指导。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明首次提出了通过对比性的热模拟实验以评估金属材料固态焊接性能的方法，该方法可为搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、叠层轧制、分流模挤压以及其它塑性连接工艺的参数选择提供依据和参考。
(2)本发明的方法既可以对焊接接头的界面结合程度进行准确量化，也能够单独量化界面结合程度对焊缝力学性能的影响。
(3)本发明首先提出了焊合界面结合程度的计算方法，然后借助软件的拟合，通过建立固态焊接中的试验条件、焊合界面结合程度以及界面性能之间的定量关系，不仅方法简单实用，而且计算结果准确，使金属材料固态焊接性能的评估精准化、目标化，大大降低了焊接过程存在的偶然性、盲目性，对金属材料的固态焊接性能的评估具有重要的理论指导和现实意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例1的热压焊合试样的形状和尺寸以及热压焊合实验过程示意图。
图2是本发明实施例1的热压参照试样的形状和尺寸以及热实验过程示意图。
图3是本发明实施例1的热压焊合试样的焊合界面在光学电镜下的微观结构图。
图4是本发明实施例1的热压焊合试样中焊合程度最好和焊合程度最差两种情况下焊合界面在扫描电镜下的微观结构图。
图5是本发明实施例1的热压焊合试样焊合界面的结合率与应变速率的关系图。
图6本发明实施例1的热压焊合试样焊合界面的结合率与温度的关系图。
图7是本发明实施例1的剪切强度比值与温度的关系图。
图8是本发明实施例1的剪切强度比值与应变速率的关系图。
图9是本发明实施例1的热压焊合试样(6063铝合金)在固态焊合中的可焊图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，目前，人们仍然难以实现焊合界面结合程度的定量评估，特别是当焊合界面的焊合缺陷在亚微米级别时，采用超声波探伤等传统方法难以准确探测并量化界面的未焊合程度；而且目前采用直接比较不同焊合条件下所获焊缝的力学性能的方法以区分焊缝的焊接质量，但由于变形温度、应变速率、应变以及时间等因素对金属材料硬度、强度以及延伸率等力学性能具有显著影响，这种方法不能真实反映界面结合程度对焊缝力学性能的影响。因此，本发明提出一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法，包括如下步骤：
(1)采用机加工制备Ⅰ型AA6063圆柱试样，试样直径为10.0mm且高度为7.5mm，如图1所示。
(2)将两个Ⅰ型AA6063圆柱试样的圆面相互接触并采用具有橡胶环作为定位环对样品进行定位，从而保证两个Ⅰ型AA6063圆柱试样能够准确对准，如图1所示。
(3)采用机械加工方法制备Ⅱ型AA6063圆柱试样，试样直径为10.0mm且高度为15.0mm，如图2所示。
(4)在两个采用定位环定位后的Ⅰ型试样长度方向的中间位置焊接上热电偶，并在Gleeble 3500热模拟试验机上进行不同试验条件下的热压缩焊接试验，试验开始前，先移除定位环；热压缩焊接试验完成后，喷水进行淬火，以保留热压焊合试样的微观结构。
所述不同试验条件指：变形温度T：选择为637K、723K、773K以及803K。应变速率
Figure BDA0001812229420000051
选择为0.001s-1、0.1s-1和10s-1。压下量：为试样高度的30％、50％、65％和70％，分别对应真实应变ε为0.36、0.69、1.05和1.20。
(5)在Ⅱ型试样长度方向的中间位置焊接上热电偶，并在Gleeble 3500热模拟试验机上进行热压缩试验，热压缩试验条件与步骤(4)一致。
(6)热压焊接实验完成后，发现在压下量为30％、50％和65％，变形温度为637K、723K、773K以及803K，应变速率为0.001s-1、0.1s-1和10s-1的条件下，每个Ⅰ型试样中的两个试样是分离的，并未实现固态焊接；而在压下量为70％，变形温度为637K、723K、773K以及803K，应变速率为0.001s-1、0.1s-1和10s-1的条件下，每个Ⅰ型试样中的两个试样已经实现固态焊接，但焊合程度存在差异。因此，将压下量为70％条件下热压缩焊接后的Ⅰ型试样沿轴向(即压缩方向)切开，然后进行打磨和抛光，并采用0.6ml HF、18.0ml HCl、7.0ml HNO3和42.0ml H2O的混合溶液侵蚀180s，然后在Olympus GX51光学电镜下进行观察，拍摄焊合界面区域材料的微观结构照片保留，结果如图3所示(其中，a、d、g、j的应变速率为0.001s-1，对应变形温度分别为637K、723K、773K、803K；b、e、h、k的应变速率为0.1s-1，对应变形温度分别为637K、723K、773K、803K；c、f、i、l的应变速率为10s-1，对应变形温度分别为637K、723K、773K、803K)。Ⅰ型试样在压下量70％的情况下，焊合程度最好和焊合程度最差两种情况下的焊合界面在HITACHI SU-70扫描电镜下的微观结构图如图4所示。焊合界面两侧材料完整连接要一起，没有孔洞、间隙以及杂质分隔的区域为牢固焊合区域，而焊合界面上存在孔洞、间隙以及杂质等的区域为非牢固焊合区域。
(7)根据步骤(6)得到的微观结构照片，测量和统计Ⅰ型试样的焊合区域和非焊合区域的长度，并计算焊合区域长度/(焊合区域长度+非焊合区域长度)的比值，从而获得界面结合率fb，实现界面结合程度的定量表征。fb的具体数值所表1所示。
表1
Figure BDA0001812229420000061
(8)在Origin软件中对界面结合率fb、应变速率
Figure BDA0001812229420000062
变形温度T进行曲线拟合，从而建立固态焊接基本物理量与焊合界面结合程度的定量关系，结果如图5和图6所示。
拟合后，焊合界面结合率fb与应变速率存在如下关系，如式(1)所示：
Figure BDA0001812229420000063
式(1)中，
Figure BDA0001812229420000064
为应变速率，μ1,μ2、μ3以及
Figure BDA0001812229420000065
为拟合系数，其值如表2所示。
表2
Figure BDA0001812229420000071
拟合后，焊合界面结合率fb与变形温度存在如下关系，如式(2)所示：
Figure BDA0001812229420000072
式(2)中，T为变形温度，ν1、ν2及ν3为拟合系数，其具体数值如表3所示。
表3
Figure BDA0001812229420000073
根据上述式(1)和(2)的拟合结果，进一步建立界面结合率与应变速率和温度的定量关系，其方程如式(3)所示：
Figure BDA0001812229420000074
式(3)中，κ、τ及ρ为材料常数。通过线性拟合
Figure BDA0001812229420000075
和lnfb-1/T，可求得式(3)中的κ、τ及ρ的具体数值分别为19.7246、0.1575以及3764.68，从而得到界面结合率与应变速率和温度的定量关系如式(4)所示：
Figure BDA0001812229420000076
(9)从热压缩焊合后的Ⅰ型试样的中间区域切取长方体试样，焊合界面位于长方体试样长度方向的中心位置，以此作为参照，在热压缩后的Ⅱ型试样的对应位置切取相同尺寸的长方体试样。
(10)测量步骤(10)中长方体试样的截面尺寸，并采用剪切测试用夹具加持试样，在SANS CMT5105电子拉伸试验机上进行剪切测试，获得剪切力，从而计算出Ⅰ型试样焊合界面剪切强度τⅡ和Ⅱ型试样的剪切强度τⅠ。
(11)计算相对剪切强度τR＝τⅡ/τⅠ。
(12)用Origin对相对剪切强度τR、应变速率
Figure BDA0001812229420000081
以及变形温度T进行曲线拟合，从而建立固态焊接基本物理量与焊合界面力学性能τR的定量关系，结果如图7和8所示。
拟合后，焊合界面的相对剪切强度τR与变形温度的关系如式(5)所示：
τR＝ρ1exp(ρ2T)+ρ3 (5)
式(5)中，ρ1、ρ2及ρ3为拟合系数，其具体数值如表4所示。
表4
Figure BDA0001812229420000082
拟合后，焊合界面的相对剪切强度τR与应变速率如下关系如式(6)所示：
Figure BDA0001812229420000083
式(6)中，ξ1和ξ2为拟合系数，其值如表5所示：
表5
Figure BDA0001812229420000084
(13)根据步骤(6)、(8)和(12)的结果，采用MATLAB将AA6063铝合金材料在热压焊接中真实应变ε、变形温度T、应变速率
Figure BDA0001812229420000085
与焊合界面结合率fb、相对剪切强度τR的关系采用空间曲面的形式进行描绘，从而获得可焊图，结果如图9所示。
由可焊图(图9)可以看出，6063铝合金材料在真实应变ε为0.36、0.69和1.05，温度为637K、723K、773K以及803K，应变速率为0.001s-1、0.1s-1和10s-1的条件下，并未实现固态焊接，不能形成牢固焊合界面；在真实应变ε为1.20，温度为637K、723K、773K以及803K，应变速率为0.001s-1、0.1s-1和10s-1的条件下，可形成牢固焊合界面，且高温和低应变速率有利于焊合界面结合率和相对剪切强度的提高。可焊图9可为搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、叠层轧制、分流模挤压以及其它塑性连接工艺的参数选择提供依据和参考。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）首先，采用相同的材质制备热压焊合试样和热压参照试样；
（2）对两个热压焊合试样在不同试验条件下进行热压焊合试验，试验完成后保留热压焊合试样的微观结构；
（3）采用与步骤（2）相同的试验条件对一个热压参照试样进行热压试验；试验完成后保留热压参照试样的微观结构；
（4）统计步骤（2）所获得的热压焊合试样的焊接界面上焊合区域和非焊合区的长度，计算界面焊合程度；所述界面焊合程度=焊合区域长度/（焊合区域长度+非焊合区长度）；
（5）通过曲线拟合和线性回归，建立前述试验条件与界面焊合程度的定量关系；
（6）测量步骤（2）所获得的试样的焊合界面的力学性能；
（7）测量步骤（3）所获得热压参照试样与步骤（2）所获得试样的焊合界面相对应位置处的力学性能；
（8）计算步骤（6）所获得的热压焊合试样力学性能与步骤（7）所获得的热压参照试样力学性能的比值；
（9）通过曲线拟合和线性回归，建立前述试验条件与步骤（8）所获得的力学性能比值之间的定量关系；
（10）根据步骤（4）（5）、（8）和（9）所获得的结果，通过构建空间曲面建立金属材料在固态焊接中的可焊图，即可对金属材料的固态焊接性能做出评估；
其中，
步骤（2）中，所述试验条件包括温度、时间、变形量、应变速率、变形方式；
步骤（6）中，所述力学性能包括热压焊合试样的抗拉强度、延伸率或者焊合界面处的剪切强度；
步骤（7）中，所述力学性能包括热压参照试样的抗拉强度、延伸率或者剪切强度；
步骤（5）、（9）、（10）中，通过Origin软件进行曲线拟合和线性回归，建立方程并获得方程中相关参数的具体数值，并利用MATLAB对参数构建空间曲面，从而获得该种材料在固态焊接中的可焊图。
2.如权利要求1所述的定量评估金属材料固态焊接性能的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述热压参照试样的长度为热压焊合试样的2倍。
3.如权利要求1所述的定量评估金属材料固态焊接性能的方法，其特征在于：步骤（2）中，采用热模拟试验机或压力机进行热压焊合实验；先通过定位环将两个热压焊合试样连接在一起固定在试验机中，试验开始前，移除定位环，然后进行热压焊合实验。
4.如权利要求3所述的定量评估金属材料固态焊接性能的方法，其特征在于：所述定位环为橡胶环。
5.如权利要求1所述的定量评估金属材料固态焊接性能的方法，其特征在于：步骤（2）和（3）中，所述试验完成后，采用对试样进行快速水冷的方式保留试样的微观结构。
6.如权利要求1所述的定量评估金属材料固态焊接性能的方法，其特征在于：步骤（4）中，将试样制成金相试样后在显微镜下计算界面焊合程度；所述显微镜包括光学显微镜或扫描电镜。
7.如权利要求6所述的定量评估金属材料固态焊接性能的方法，其特征在于：步骤（4）中，在用显微镜进行微观结构表征前，首先将包含焊合界面的平面的观察面抛光至镜面，然后进行化学侵蚀；所有样品的侵蚀时间相同。
8.如权利要求7所述的定量评估金属材料固态焊接性能的方法，其特征在于：所述化学侵蚀采用0.6 ml HF、18.0 ml HCl、7.0 ml HNO3 和42.0 ml H2O的混合溶液进行，侵蚀时间为180 s。
9.如权利要求1-8任一项所述的定量评估金属材料固态焊接性能的方法在固态焊接领域的应用。
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