一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A METHOD FOR QUANTITATIVE EVALUATION OF SOLID-STATE WELDING PROPERTIES OF METAL MATERIALS

The invention relates to a method for quantitatively evaluating the solid-state welding properties of metal materials, including preparing hot-pressing bonding specimens and hot-pressing reference specimens, conducting hot-pressing bonding experiments and hot-pressing experiments under different experimental conditions, calculating the bonding degree of bonding interface, obtaining the mechanical properties of hot-pressing bonded specimens and hot-pressing specimens by testing, and calculating their ratios through curve fitting and curve fitting. Linear regression and space surface construction were used to establish the quantitative relationship between the experimental conditions and the bonding degree of interface and the ratio of mechanical properties, and the weldability diagram of metal materials in solid state welding was established. The invention can quantify the effect of interface bonding degree on the mechanical properties of welded interface independently, establish the quantitative relationship between the basic physical quantity in solid state welding and the bonding degree and interface performance, establish the weldability diagram, make an accurate evaluation of the solid state welding performance of metal materials, and provide basis and guidance for various solid state welding processes in practical application.

【技术实现步骤摘要】
一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法
本专利技术属于金属材料固态焊接
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术旨在提供一种定量评估金属材料固态焊接性能的方法。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。为实现上述专利技术目的，具体的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术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0.6mlHF、18.0mlHCl、7.0mlHNO3和42.0mlH2O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，本专利技术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。本专利技术的技术特点为：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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术取得的有益效果是：(1)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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。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；优选的，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国群，喻俊荃，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37