專利名稱：一種摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摩擦悍接頭塑性變形的物理模擬方法，該物理模擬方法能有效地 模擬旋轉(zhuǎn)摩擦焊(包括連續(xù)驅(qū)動摩擦焊、慣性摩擦焊)與線性摩擦焊接頭的塑性金屬 流動行為，揭示上述摩擦焊接條件下接頭塑性金屬流動產(chǎn)生條件及流動規(guī)律。
背景技術(shù)：
摩擦焊是在軸向壓力作用下，利用工件接觸端面之間的相對旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動所產(chǎn) 生的摩擦熱使接觸界面及其附近區(qū)域達(dá)到塑性狀態(tài)，在壓力作用下塑性金屬被擠出形
成飛邊，然后迅速頂鍛而完成焊接的一種固相連接方法。自從20世紀(jì)50年代摩擦焊 接真正焊出合格的焊接接頭以來，摩擦焊接就因其優(yōu)質(zhì)、高效、低耗與環(huán)保的突出優(yōu) 點而受到工業(yè)強(qiáng)國的重視，得到大量的研究與應(yīng)用。已經(jīng)有大量報道涉及典型材料(鋁 合金、不銹鋼、銅合金、鈦合金、高溫合金、非晶以及一些異質(zhì)接頭)的摩擦焊接工 藝研究及接頭組織、性能表征，還有少量關(guān)于接頭溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場的數(shù)值計算研 究。但是上述摩擦焊接是在強(qiáng)烈熱一力耦合作用下，溫度場形成發(fā)展、應(yīng)力應(yīng)變場演 變和塑性金屬形成、流動等方面相互作用的復(fù)雜過程。這就使得采用傳統(tǒng)的試驗方法 和數(shù)值模擬研究很難揭示上述摩擦焊接接頭的塑形金屬流動行為，研究誤差較大，對 于摩擦焊接過程中塑性金屬流動行為仍不能得到滿意的結(jié)果。
根據(jù)傳統(tǒng)的熱加工過程中的塑性變形研究，如扎制、拉拔、鍛造等，金屬塑性流 動受到變形溫度、應(yīng)變速率、變形程度以及金屬本身性能影響，金屬在塑性流動過程 中同時發(fā)生加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶軟化，使熱加工過程中的流動應(yīng)力保持相對穩(wěn)定。 目前一般采用熱物理模擬機(jī)來研究金屬加工過程中的塑性變形行為。因此，摩擦焊接 條件下的金屬塑性流動受上述變形溫度、應(yīng)變速率等因素的交互影響，再加上材料熱物理、力學(xué)性能的非線性，使摩擦焊接過程中的金屬塑性流動呈現(xiàn)高度非線性。另一 方面，接頭界面的塑性金屬在不均勻摩擦剪應(yīng)力作用下發(fā)生流動，受不均勻加工硬化 與動態(tài)回復(fù)再結(jié)晶的影響，再加上摩擦焊接條件下的高應(yīng)變速率與高冷卻速度，使得 接頭附近的組織呈現(xiàn)一定的不均勻性。但以上的這些現(xiàn)象也就為本發(fā)明物理模擬研究 摩擦焊接條件下金屬塑性流動行為提供了基礎(chǔ)。目前尚沒有報道涉及摩擦焊接物理模 擬實驗研究。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬 方法，該方法采用相應(yīng)焊接設(shè)備，操作簡便，可控性好，研究效果好，成本低。 技術(shù)方案
本發(fā)明的基本思想是根據(jù)上述摩擦焊接頭塑性變形的對稱性，采用一個試樣做 相對旋轉(zhuǎn)或往復(fù)線性運(yùn)動，該試樣為研究對象，試驗過程中發(fā)生塑性變形；另一個試 樣為對偶件，該試樣對偶件有較高的高溫強(qiáng)度，試驗過程中基本不發(fā)生塑性變形，而 且該試樣在軸向壓力作用下只做相對移動，貼緊變形試樣。在一定焊接工藝參數(shù)下實 施焊接試驗，焊后兩個試樣結(jié)合很差，輕輕碰撞就可以分開。最后只研究變形試樣， 以節(jié)約成本，便于觀察分析等。
一種摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于步驟如下 步驟l:確定對偶試樣材料當(dāng)研究對象的熔點小于60(TC時，對偶試樣選用中溫 高強(qiáng)材料；當(dāng)研究對象熔點在600。C 80(TC時，對偶試樣選用高溫合金材料；當(dāng)研究
對象熔點在80(TC 150(TC時，對偶試樣采用高溫高強(qiáng)材料；當(dāng)研究對象熔點高于1500 'C時，對偶試樣選用燒結(jié)的致密陶瓷材料；步驟2:確定對偶試樣的特征尺寸旋轉(zhuǎn)摩擦焊試樣的特征尺寸為棒狀試樣的直 徑，對于線性摩擦焊試樣的特征尺寸為矩形試樣截面的長與寬；對偶試樣的特征尺寸 為研究對象特征尺寸的1.5 5倍；
步驟3:將研究對象與對偶試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接或線性摩擦焊接，記錄設(shè)備工 藝參數(shù)，并在線監(jiān)測摩擦界面溫度和對偶試樣的軸向位移；
步驟4:焊接完成后進(jìn)行焊后冷卻得到物理模擬的焊接接頭。
所述的界面溫度為對偶試樣的中心處。
所述的界面溫度為棒狀試樣半徑的2/3處，或矩形試樣距離中心的2/3處。
所述的焊后冷卻對于研究焊接條件采用空冷；對于研究強(qiáng)制冷卻采用水冷，對
于研究摩擦焊過程中某一時刻組織采用液氮冷卻。
所述的設(shè)備工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)摩擦焊接是工件轉(zhuǎn)速與軸向壓力，線性摩擦焊接是
振動頻率、振幅、軸向壓力。
所述的中溫高強(qiáng)材料為工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼。 所述的高溫合金為鎳基高溫合金、鈷基高溫合金。 所述的高溫高強(qiáng)為鉬合金、鎢合金、鈮合金。 所述的陶瓷材料為燒結(jié)的致密氧化鋁、氧化鋯、碳化硅。 有益效果
本發(fā)明的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法有益效果和益處是，利用物理模擬 方法研究上述摩擦焊接條件下塑性金屬流動行為，為揭示塑性流動產(chǎn)生條件，研究金 屬塑性流動過程，研究飛邊形成過程、飛邊形貌以及缺陷產(chǎn)生機(jī)理等質(zhì)量控制過程提 供理論基礎(chǔ)。釆用一半研究對象，節(jié)約成本，便于觀察。采用現(xiàn)有焊接設(shè)備，操作方 便、簡單。


圖1為旋轉(zhuǎn)摩擦焊試樣及特征測溫點布置示意圖； (a)正視圖；(b)左視圖2為線性摩擦焊試樣及特征測溫點布置示意(a)正視圖；(b)左視圖S為焊接過程中照片
(a)兩工件接觸焊接前；(b)焊接時；
圖4焊接試驗前后試樣宏觀形貌(摩擦?xí)r間3s);
圖5摩擦?xí)r間對軸向縮短量與徑向增加量的影響。
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述
本發(fā)明的物理模擬方法，設(shè)計選擇旋轉(zhuǎn)摩擦焊或線性摩擦焊，通過試驗設(shè)計對研 究對象進(jìn)行分析。先根據(jù)研究對象確定對偶試樣材料和確定試樣尺寸；采用相應(yīng)摩擦 焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，記錄設(shè)備工藝參數(shù)，旋轉(zhuǎn)摩擦焊接是工件轉(zhuǎn)速與軸向壓力，線性 摩擦悍接是振動頻率、振幅、軸向壓力，同時監(jiān)測摩擦界面溫度與軸向位移；焊后選 擇冷卻方式進(jìn)行接頭冷卻；最后得到接頭。
見附圖1與圖2，本發(fā)明一種摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，摩擦界面溫 度監(jiān)測采用在對偶試樣上植入鎧裝熱電偶進(jìn)行。對于旋轉(zhuǎn)摩擦焊接(圖l)，在對偶 試樣上鉆兩個直徑lmm斜孔， 一個到對偶試樣中心，另一個在研究對象半徑的2/3處， 也可根據(jù)需要在其他位置布置熱電偶測溫孔；對于線性摩擦焊接(圖2)，在對偶試 樣上鉆兩個直徑lmm斜孔， 一個到對偶試樣中心，另一個距離中心2/3研究對象長度 處，也可根據(jù)需要在其他位置布置熱電偶測溫孔。然后釆用不同的焊后冷卻方式，得到不同的接頭組織；空冷對應(yīng)于一般焊接條件; 水冷對應(yīng)于強(qiáng)制冷卻，可得到淬火組織；液氮冷卻可凍結(jié)摩擦焊過程中某一時刻組織, 用于分析動態(tài)再結(jié)晶等。 實施實例1:
本實例研究線性摩擦焊接頭的變形行為，首先選擇鋁合金為研究對象，采樣不銹 鋼為對偶試樣。鋁合金的特征尺寸為10mmX17mm的矩形截面，試樣長度50mm; 因鋁合金變形量較大，不銹鋼的特征尺寸為35mmX60mm，試樣長度也是50mm。 采用線性摩擦焊機(jī)進(jìn)行焊接，振動頻率20Hz,振幅3mm，軸向壓力30MPa，摩擦?xí)r 間10s，不施加頂鍛力。同時采用測溫儀測量中心界面溫度(參考圖2)，記錄試樣軸 向位移。焊后采用水冷方式使鋁合金冷卻到室溫。整個過程所得研究對象與對偶試樣 結(jié)合較差，輕碰即可斷開。鋁合金接頭產(chǎn)生大量變形，飛邊嚴(yán)重。 實施實例2:
直徑20mm的20井鋼棒為研究對象，為了夾持方便，長度為150mm;采用直徑 30mm的TZM鉬合金棒為對偶試樣，同樣為了夾持方便，長度為150mm。采用連續(xù) 驅(qū)動摩擦焊機(jī)進(jìn)行試驗，旋轉(zhuǎn)夾具夾持20#鋼，移動夾具夾持鉬合金(見附圖3a); 摩擦試驗工藝參數(shù)摩擦壓力10kN，轉(zhuǎn)速1200卬m，摩擦?xí)r間3s、 5s與7s，摩擦過 程中照片見附圖3b。焊后兩個工件輕敲分開，研究對象采用空冷。焊接后對偶試樣沒 有發(fā)生變形，研究對象發(fā)生明顯飛邊，且飛邊成形良好(圖4)。測量接頭塑性變形 的宏觀量(圖5)，隨摩擦?xí)r間增加軸向縮短量與徑向增加量均增加，但線性外推到 Os時，兩個參量均為正值，表明了摩擦焊接初期飛邊形成的非線性。
權(quán)利要求
1.一種摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于步驟如下步驟1確定對偶試樣材料當(dāng)研究對象的熔點小于600℃時，對偶試樣選用中溫高強(qiáng)材料；當(dāng)研究對象熔點在600℃～800℃時，對偶試樣選用高溫合金材料；當(dāng)研究對象熔點在800℃～1500℃時，對偶試樣采用高溫高強(qiáng)材料；當(dāng)研究對象熔點高于1500℃時，對偶試樣選用燒結(jié)的致密陶瓷材料；步驟2確定對偶試樣的特征尺寸旋轉(zhuǎn)摩擦焊試樣的特征尺寸為棒狀試樣的直徑，對于線性摩擦焊試樣的特征尺寸為矩形試樣截面的長與寬；對偶試樣的特征尺寸為研究對象特征尺寸的1.5～5倍；步驟3將研究對象與對偶試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦焊接或線性摩擦焊接，記錄設(shè)備工藝參數(shù)，并在線監(jiān)測摩擦界面溫度和對偶試樣的軸向位移；步驟4焊接完成后進(jìn)行焊后冷卻得到物理模擬的焊接接頭。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于所述的界面溫度為對偶試樣的中心處。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于所述的界面溫度為棒狀試樣半徑的2/3處，或矩形試樣距離中心的2/3處。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于所述的焊后冷卻對于研究焊接條件采用空冷；對于研究強(qiáng)制冷卻采用水冷，對于研究摩擦焊過程中某一時刻組織采用液氮冷卻。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于所述的設(shè)備工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)摩擦焊接是工件轉(zhuǎn)速與軸向壓力，線性摩擦焊接是振動頻率、振幅、軸向壓力。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于所述的中溫高強(qiáng)材料為工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于所述的高溫合金為鎳基高溫合金、鈷基高溫合金。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于所述的高溫高強(qiáng)為鉬合金、鎢合金、鈮合金。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于所述的陶瓷材料為燒結(jié)的致密氧化鋁、氧化鋯、碳化硅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摩擦焊接頭塑性變形的物理模擬方法，其特征在于根據(jù)上述摩擦焊接頭塑性變形的對稱性，采用一個試樣做相對旋轉(zhuǎn)或往復(fù)線性運(yùn)動，該試樣為研究對象，試驗過程中發(fā)生塑性變形；另一個試樣為對偶件，該試樣對偶件有較高的高溫強(qiáng)度，試驗過程中基本不發(fā)生塑性變形，而且該試樣在軸向壓力作用下只做相對移動，貼緊變形試樣。在一定焊接工藝參數(shù)下實施焊接試驗，焊后兩個試樣結(jié)合很差，輕輕碰撞就可以分開。最后只研究變形試樣，以節(jié)約成本，便于觀察分析等。有益效果和益處是，采用一半研究對象，節(jié)約成本，便于觀察。采用現(xiàn)有焊接設(shè)備，操作方便、簡單。
文檔編號G01N11/00GK101598654SQ20091013420
公開日2009年12月9日 申請日期2009年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者李京龍, 李文亞, 馬鐵軍, 高大路 申請人:西北工業(yè)大學(xué)