一种摩擦焊接头塑性变形的物理模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种摩擦焊接头塑性变形的物理模拟方法，其特征在于：根据上述摩 擦焊接头塑性变形的对称性，采用一个试样做相对旋转或往复线性运动，该试样为研 究对象，试验过程中发生塑性变形；另一个试样为对偶件，该试样对偶件有较高的高 温强度，试验过程中基本不发生塑性变形，而且该试样在轴向压力作用下只做相对移 动，贴紧变形试样。在一定焊接工艺参数下实施焊接试验，焊后两个试样结合很差， 轻轻碰撞就可以分开。最后只研究变形试样，以节约成本，便于观察分析等。有益效 果和益处是，采用一半研究对象，节约成本，便于观察。采用现有焊接设备，操作方 便、简单。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种摩擦悍接头塑性变形的物理模拟方法，该物理模拟方法能有效地 模拟旋转摩擦焊(包括连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊)与线性摩擦焊接头的塑性金属 流动行为，揭示上述摩擦焊接条件下接头塑性金属流动产生条件及流动规律。
技术介绍
摩擦焊是在轴向压力作用下，利用工件接触端面之间的相对旋转或线性运动所产 生的摩擦热使接触界面及其附近区域达到塑性状态，在压力作用下塑性金属被挤出形成飞边，然后迅速顶锻而完成焊接的一种固相连接方法。自从20世纪50年代摩擦焊 接真正焊出合格的焊接接头以来，摩擦焊接就因其优质、高效、低耗与环保的突出优 点而受到工业强国的重视，得到大量的研究与应用。已经有大量报道涉及典型材料(铝 合金、不锈钢、铜合金、钛合金、高温合金、非晶以及一些异质接头)的摩擦焊接工 艺研究及接头组织、性能表征，还有少量关于接头温度场、应力应变场的数值计算研 究。但是上述摩擦焊接是在强烈热一力耦合作用下，温度场形成发展、应力应变场演 变和塑性金属形成、流动等方面相互作用的复杂过程。这就使得采用传统的试验方法 和数值模拟研究很难揭示上述摩擦焊接接头的塑形金属流动行为，研究误差较大，对 于摩擦焊接过程中塑性金属流动行为仍不能得到满意的结果。根据传统的热加工过程中的塑性变形研究，如扎制、拉拔、锻造等，金属塑性流 动受到变形温度、应变速率、变形程度以及金属本身性能影响，金属在塑性流动过程 中同时发生加工硬化与回复再结晶软化，使热加工过程中的流动应力保持相对稳定。 目前一般采用热物理模拟机来研究金属加工过程中的塑性变形行为。因此，摩擦焊接 条件下的金属塑性流动受上述变形温度、应变速率等因素的交互影响，再加上材料热物理、力学性能的非线性，使摩擦焊接过程中的金属塑性流动呈现高度非线性。另一 方面，接头界面的塑性金属在不均匀摩擦剪应力作用下发生流动，受不均匀加工硬化 与动态回复再结晶的影响，再加上摩擦焊接条件下的高应变速率与高冷却速度，使得 接头附近的组织呈现一定的不均匀性。但以上的这些现象也就为本专利技术物理模拟研究 摩擦焊接条件下金属塑性流动行为提供了基础。目前尚没有报道涉及摩擦焊接物理模 拟实验研究。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种摩擦焊接头塑性变形的物理模拟 方法，该方法采用相应焊接设备，操作简便，可控性好，研究效果好，成本低。 技术方案本专利技术的基本思想是根据上述摩擦焊接头塑性变形的对称性，采用一个试样做 相对旋转或往复线性运动，该试样为研究对象，试验过程中发生塑性变形；另一个试 样为对偶件，该试样对偶件有较高的高温强度，试验过程中基本不发生塑性变形，而 且该试样在轴向压力作用下只做相对移动，贴紧变形试样。在一定焊接工艺参数下实 施焊接试验，焊后两个试样结合很差，轻轻碰撞就可以分开。最后只研究变形试样， 以节约成本，便于观察分析等。，其特征在于步骤如下 步骤l:确定对偶试样材料当研究对象的熔点小于60(TC时，对偶试样选用中温 高强材料；当研究对象熔点在600。C 80(TC时，对偶试样选用高温合金材料；当研究对象熔点在80(TC 150(TC时，对偶试样采用高温高强材料；当研究对象熔点高于1500 'C时，对偶试样选用烧结的致密陶瓷材料；步骤2:确定对偶试样的特征尺寸旋转摩擦焊试样的特征尺寸为棒状试样的直 径，对于线性摩擦焊试样的特征尺寸为矩形试样截面的长与宽；对偶试样的特征尺寸 为研究对象特征尺寸的1.5 5倍；步骤3:将研究对象与对偶试样进行旋转摩擦焊接或线性摩擦焊接，记录设备工 艺参数，并在线监测摩擦界面温度和对偶试样的轴向位移；步骤4:焊接完成后进行焊后冷却得到物理模拟的焊接接头。所述的界面温度为对偶试样的中心处。所述的界面温度为棒状试样半径的2/3处，或矩形试样距离中心的2/3处。所述的焊后冷却对于研究焊接条件采用空冷；对于研究强制冷却采用水冷，对于研究摩擦焊过程中某一时刻组织采用液氮冷却。所述的设备工艺参数为旋转摩擦焊接是工件转速与轴向压力，线性摩擦焊接是振动频率、振幅、轴向压力。所述的中温高强材料为工具钢、不锈钢、耐热钢。 所述的高温合金为镍基高温合金、钴基高温合金。 所述的高温高强为钼合金、钨合金、铌合金。 所述的陶瓷材料为烧结的致密氧化铝、氧化锆、碳化硅。 有益效果本专利技术的摩擦焊接头塑性变形的物理模拟方法有益效果和益处是，利用物理模拟 方法研究上述摩擦焊接条件下塑性金属流动行为，为揭示塑性流动产生条件，研究金 属塑性流动过程，研究飞边形成过程、飞边形貌以及缺陷产生机理等质量控制过程提 供理论基础。釆用一半研究对象，节约成本，便于观察。采用现有焊接设备，操作方 便、简单。附图说明图1为旋转摩擦焊试样及特征测温点布置示意图； (a)正视图；(b)左视图2为线性摩擦焊试样及特征测温点布置示意(a)正视图；(b)左视图S为焊接过程中照片(a)两工件接触焊接前；(b)焊接时；图4焊接试验前后试样宏观形貌(摩擦时间3s);图5摩擦时间对轴向縮短量与径向增加量的影响。具体实施例方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述本专利技术的物理模拟方法，设计选择旋转摩擦焊或线性摩擦焊，通过试验设计对研 究对象进行分析。先根据研究对象确定对偶试样材料和确定试样尺寸；采用相应摩擦 焊接设备进行焊接，记录设备工艺参数，旋转摩擦焊接是工件转速与轴向压力，线性 摩擦悍接是振动频率、振幅、轴向压力，同时监测摩擦界面温度与轴向位移；焊后选 择冷却方式进行接头冷却；最后得到接头。见附图1与图2，本专利技术，摩擦界面温 度监测采用在对偶试样上植入铠装热电偶进行。对于旋转摩擦焊接(图l)，在对偶 试样上钻两个直径lmm斜孔， 一个到对偶试样中心，另一个在研究对象半径的2/3处， 也可根据需要在其他位置布置热电偶测温孔；对于线性摩擦焊接(图2)，在对偶试 样上钻两个直径lmm斜孔， 一个到对偶试样中心，另一个距离中心2/3研究对象长度 处，也可根据需要在其他位置布置热电偶测温孔。然后釆用不同的焊后冷却方式，得到不同的接头组织；空冷对应于一般焊接条件; 水冷对应于强制冷却，可得到淬火组织；液氮冷却可冻结摩擦焊过程中某一时刻组织, 用于分析动态再结晶等。 实施实例1:本实例研究线性摩擦焊接头的变形行为，首先选择铝合金为研究对象，采样不锈 钢为对偶试样。铝合金的特征尺寸为10mmX17mm的矩形截面，试样长度50mm; 因铝合金变形量较大，不锈钢的特征尺寸为35mmX60mm，试样长度也是50mm。 采用线性摩擦焊机进行焊接，振动频率20Hz,振幅3mm，轴向压力30MPa，摩擦时 间10s，不施加顶锻力。同时采用测温仪测量中心界面温度(参考图2)，记录试样轴 向位移。焊后采用水冷方式使铝合金冷却到室温。整个过程所得研究对象与对偶试样 结合较差，轻碰即可断开。铝合金接头产生大量变形，飞边严重。 实施实例2:直径20mm的20井钢棒为研究对象，为了夹持方便，长度为150mm;采用直径 30mm的TZM钼合金棒为对偶试样，同样为了夹持方便，长度为150mm。采用连续 驱动摩擦焊机进行试验，旋转夹具夹持20#钢，移动夹具夹持钼合金(见附图3a); 摩擦试验工艺参数摩擦压力10kN，转速1200卬m，摩擦时间3s、 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦焊接头塑性变形的物理模拟方法，其特征在于步骤如下：　步骤１：确定对偶试样材料：当研究对象的熔点小于６００℃时，对偶试样选用中温高强材料；当研究对象熔点在６００℃～８００℃时，对偶试样选用高温合金材料；当研究对象熔点在８００℃～１５００℃时，对偶试样采用高温高强材料；当研究对象熔点高于１５００℃时，对偶试样选用烧结的致密陶瓷材料；　步骤２：确定对偶试样的特征尺寸：旋转摩擦焊试样的特征尺寸为棒状试样的直径，对于线性摩擦焊试样的特征尺寸为矩形试样截面的长与宽；对偶试样的特征尺寸为研究对象特征尺寸的１．５～５倍；　步骤３：将研究对象与对偶试样进行旋转摩擦焊接或线性摩擦焊接，记录设备工艺参数，并在线监测摩擦界面温度和对偶试样的轴向位移；　步骤４：焊接完成后进行焊后冷却得到物理模拟的焊接接头。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李文亚，马铁军，李京龙，高大路，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87