CN110135123B - 一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度的方法，其特征在于，利用金相结构分析、三维重建、数值模拟与试验结合的方法确定搅拌摩擦焊接接头的机械结合强度，利用力学性能试验测试接头强度，从而确定接头的机械和冶金结合强度。本发明通过确定接头内机械结合强度，能确定接头机械结合强度和冶金结合强度对接头强度的贡献度，解决了没有有效方法直接区分和测量接头内机械结合强度和冶金结合强度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦技术，尤其是一种通过金相结构分析、三维重建、数值模拟与试验结合，来确定接头内机械/冶金结合强度的方法，具体地说是一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度的方法，它特别适用于异种合金接头机械/冶金结合强度的测定。
背景技术
搅拌摩擦焊接（FSW）是1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）发明的（US 5460317）一种新型固相连接技术，该技术的原理是利用搅拌头与材料的强烈摩擦和对软化材料的搅拌作用，使焊缝连接区处于热塑性状态并使其趋于熔化、混合，随着搅拌头向前行进，在搅拌头的后方形成焊缝，完成固相连接。
在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针高速旋转与其周围母材摩擦产生的热量，使接缝处材料温度升高且软化，在搅拌针搅拌作用下，两种材料塑化流动并混合，形成机械＋冶金结合同时存在的接头（Pourali M , Abdollah-Zadeh A , Saeid T , et al. Influenceof welding parameters on intermetallic compounds formation in dissimilarsteel/aluminum friction stir welds[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017:S0925838817314822.）。由于搅拌摩擦连接过程自身的特点，没有有效的方法直接测量接头内机械结合强度和冶金结合强度。
本发明的益处是通过确定接头内机械/冶金结合强度，能确定接头机械结合强度和冶金结合强度对接头强度的贡献度。在确定接头机械结合强度和冶金结合强度的情况下，能有针对性的提高接头内的机械结合强度和冶金结合强度，为提高接头力学性能提供基础。
发明内容
本发明的目的在于针对现阶段仍没有办法得到搅拌摩擦焊接接头内冶金结合强度的问题，提出一种通过金相结构分析、三维重建数值模拟与试验结合获得接头机械结合强度和冶金结合强度的方法，进一步确定接头机械/冶金结合强度对整体强度的贡献度。
本发明的技术方案是：
一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度的方法，其特征在于，利用金相结构分析、三维重建、数值模拟与试验结合的方法确定搅拌摩擦焊接头的机械结合强度，利用力学性能试验测试接头强度，从而确定接头的机械和冶金结合强度。具体包括以下步骤：
首先，对搅拌摩擦焊接接头进行分层金相结构观察，得到一组接头的微观图片；
其次，通过所述微观图片对接头内材料混合情况进行三维重建，得到接头材料三维分布；
第三，对所述材料三维分布进行数值模拟，获得相应的三维结构模型；
第四，按照力学性能测试中所施加的边界条件，对所述三维结构模型进行有限元分析，得到接头机械结合强度；
第五，对所述搅拌摩擦焊接头进行力学性能测试试验，得到所述搅拌摩擦焊接头的结合强度；
第六，利用第五步实测得到的拌摩擦焊接接头的结合强度减去第四步得到的接头机械结合强度，获得接头冶金结合强度。
所述的进行分层金相结构观察时先对所述搅拌摩擦焊接接头的横截面打磨、抛光、腐蚀，采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）获得接头形貌图像，沿搅拌摩擦连接方向，每隔0.01~0.5mm处理一次，逐次记录2~500幅金相结构微观图片。
所述的对微观图片的感兴趣区进行形态学重建，突出有效的图像信息，消除或减少噪声的干扰；利用图像处理软件Matlab，视觉处理算法库openCV对所述图像进行边缘提取，得到内部材料结构边界。
所述的三维重建是对图像进行数据采集，获取所述图像边界点，提取所述图像特征值，利用立体匹配确定特征联系，进行三维体重建，得到所述材料三维分布。
所述的三维重建的处理方法利用数学软件Matlab，计算机程序设计语言Python和视觉处理算法库openCV进行计算。
所述的三维分布进行数值模拟是利用图像处理软件Matlab和计算机程序设计语言Python进行。
所述的有限元分析是利用有限元分析软件Ansys，Abaqus进行的。
所述的搅拌摩擦焊接材料包括异种合金中的铝合金/镁合金、铝合金/钛合金、铝合金/钢、铝合金/铜合金、铜合金/钢、铜合金/钛合金、钛合金/钢、铜合金/镁合金以及复合材料。
本发明的方法还可用于确定搅拌摩擦加工，线性摩擦焊接的材料内的机械/冶金结合强度值及其贡献度，或用于测量复合材料的机械/冶金结合强度值及其贡献度。
本发明的有益效果是：
本发明通过确定接头内机械结合强度，能确定接头机械结合强度和冶金结合强度对接头强度的贡献度，解决了没有有效方法直接区分和测量接头内机械结合强度和冶金结合强度的问题。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示。
一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度方法，包括：对搅拌摩擦焊接接头进行分层金相结构观察；获得该段长度接头上多层金相结构的微观图片。
进一步的，对所述多层金相结构微观图片进行原始图像预处理，突出有效的图像信息，消除或减少噪声的干扰，获得所述图片内部材料结构边界。
进一步的，对所述图片进行图像分割，通过所述图片进行三维重建，得到所述接头材料三维分布。
进一步的，对所述接头材料三维分布对应的接头结构进行数值模拟，得到相应的三维结构模型。
进一步的，读取所述三维结构模型，对所述三维结构模型进行拉伸试验的数值模拟，获得接头的机械结合强度。
进一步的，对所述搅拌摩擦焊接接头进行拉伸试验，获得所述接头的整体抗拉强度。
进一步的，用所述机械结合强度与拉伸试验得到的接头的整体抗拉强度进行对比，获得接头冶金结合强度，从而获得接头机械/冶金结合强度对接头强度的贡献度。
实例1。
一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度的方法，包括以下步骤：
步骤1：对的2024铝合金和AZ31B镁合金FSW（搅拌摩擦焊接）接头进行分层金相结构分析，对所述接头横截面打磨、抛光、腐蚀并通过光学显微镜获取接头形貌图像，沿搅拌摩擦连接方向，每隔0.4mm处理一次，逐次记录20组金相结构微观图片。
步骤2：使用Matlab对所述多层金相结构微观图片的进行形态学重建，突出有效的图像信息，消除或减少噪声的干扰；利用histeq( )函数实现直方图均衡化，使原图像灰度分布均匀，从而增大反差，清晰图像细节；利用edge(i,'canny')函数提取图像内部材料结构边界。
步骤3：使用Matlab软件对所述图像进行三维表面重建，将提取的材料边界图像进行逐行扫描，比较相邻点的像素值，找到图像边界上的一个点，作为横截面边界的起点，从边界起点开始，逐点判断与之相邻的八个点，如果某点为图像边界点则记录下，并开始下一步判断，直到获得所有的边界点。
步骤4：通过所述边界点获取方法得到的轮廓曲线，以大量的点坐标形式存储，将所述图像的边缘轮廓曲线以中心点为极点转换到极坐标系中，将所述图像画入以极角[0,2ð]为横坐标，极径为纵坐标的直角坐标系中。
步骤5：利用12 阶傅立叶级数对所述图像进行拟合；对所述边界轮廓曲线进行表面绘制；设置图像的颜色、阴影、光照及显示效果，得到所述接头材料三维分布。
步骤6：利用Matlab软件对所述接头材料三维分布进行计算结果的可视化，得到相应的三维结构模型。
步骤7：对所述三维结构进行数值模拟，利用Ansys软件读取所述三维结构模型，按照试验中所施加的边界条件，对所述三维机构模型强度进行计算，得到接头的机械结合强度为38MPa。
步骤8：利用万能实验机对所述铝/镁FSW接头进行静态拉伸试验，获得异种合金FSW接头的抗拉强度为213MPa。
步骤9：将所述机械结合强度与拉伸试验得到的接头强度进行对比，获得接头机械结合强度对接头强度的贡献度为机械结合强度/接头强度：17.8%。
将实测的抗拉强度减去分析计算所得的机械结合强度：213-38=175MPa即为冶金结合强度。
实例2。
一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度的方法，包括以下步骤：
步骤1：对的2024铝合金和Q235FSW接头进行分层金相结构观察，对所述接头横截面打磨、抛光、腐蚀并通过SEM获得接头形貌图像，之后沿搅拌摩擦连接方向，每隔0.1mm处理一次，逐次记录100组金相结构微观图片。
步骤2：使用Matlab对所述多层金相结构微观图片的进行形态学重建，突出有效的图像信息，消除或减少噪声的干扰；利用histeq( )函数实现直方图均衡化，使原图像灰度分布均匀，从而增大反差，清晰图像细节；利用edge(i,'canny')函数提取图像内部材料结构边界。
步骤3：使用openCV软件对所述图像进行三维重建；采集重建数据，对现有的20幅金相图像数据进行特征提取；确定匹配特征于特征间本质属性；使用算法准确匹配已选择特征值，得到所述接头材料三维分布。
步骤4：利用openCV软件对所述接头材料三维分布进行计算结果进行体积可视化，得到相应的三维结构模型。
步骤5：对所述三维结构进行数值模拟，利用Abqus软件读取所述三维结构模型，按照试验中所施加的边界条件，对所述三维机构模型强度进行计算，得到接头的机械结合强度为98MPa。
步骤6：利用万能实验机对所述铝/镁FSW接头进行静态拉伸试验，获得异种合金FSW接头的抗拉强度为334MPa。
步骤7：将所述机械结合强度与拉伸试验得到的接头强度进行对比，获得接头机械结合强度对接头强度的贡献度为机械结合强度/接头强度：29.3%。
将实测的抗拉强度减去分析计算所得的机械结合强度：334-98=236MPa即为冶金结合强度。
本发明所公开的方法不仅限于上述所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种获得搅拌摩擦焊接接头机械/冶金结合强度的方法，其特征在于，利用金相结构分析、三维重建、数值模拟与试验结合的方法确定搅拌摩擦焊接头的机械结合强度，利用力学性能试验测试接头强度，从而确定接头的机械和冶金结合强度；具体包括以下步骤：
首先，对搅拌摩擦焊接接头进行分层金相结构观察，得到一组接头的微观图片；进行分层金相结构观察时先对所述搅拌摩擦焊接接头的横截面打磨、抛光、腐蚀，采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）获得接头形貌图像，沿搅拌摩擦连接方向，每隔0.01~0.5mm处理一次，逐次记录2~500幅金相结构微观图片；
其次，通过所述微观图片对接头内材料混合情况进行三维重建，得到接头材料三维分布；所述的三维重建是对图像进行数据采集，获取所述图像边界点，提取所述图像特征值，利用立体匹配确定特征联系，进行三维体重建，得到所述材料三维分布；
第三，对所述材料三维分布进行数值模拟，获得相应的三维结构模型；所述的三维分布进行数值模拟是利用图像处理软件Matlab和计算机程序设计语言Python进行；
第四，按照力学性能测试中所施加的边界条件，对所述三维结构模型进行有限元分析，得到接头机械结合强度；所述的有限元分析是利用有限元分析软件Ansys，Abaqus进行的；
第五，对所述搅拌摩擦焊接头进行力学性能测试试验，得到所述搅拌摩擦焊接头的结合强度；
第六，利用第五步实测得到的拌摩擦焊接接头的结合强度减去第四步得到的接头机械结合强度，获得接头冶金结合强度；
对微观图片的感兴趣区进行形态学重建，突出有效的图像信息，消除或减少噪声的干扰；利用图像处理软件Matlab，视觉处理算法库openCV对所述图像进行边缘提取，得到内部材料结构边界。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的三维重建的处理方法利用数学软件Matlab，计算机程序设计语言Python和视觉处理算法库openCV进行计算。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是搅拌摩擦焊接材料包括异种合金中的铝合金/镁合金、铝合金/钛合金、铝合金/钢、铝合金/铜合金、铜合金/钢、铜合金/钛合金、钛合金/钢、铜合金/镁合金以及复合材料。
4.一种权利要求1所述的方法，其特征是用于确定搅拌摩擦加工，线性摩擦焊接的材料内的机械/冶金结合强度值及其贡献度，或用于测量复合材料的机械/冶金结合强度值及其贡献度。
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