專利名稱：鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬擠壓焊合性能實驗方法，特別是指一種鋁合金擠壓焊合性能測試的實驗方法(或物理模擬技術)，用于擠壓焊縫區(qū)的變形特征測試與擠壓焊合質量的評測。
背景技術：
金屬擠壓是指對擠壓筒內的金屬坯料施加外力，使金屬從擠壓模模孔中流出，從而獲取所需截面形狀及尺寸的一種塑性加工方法。鋁型材擠壓生產(chǎn)技術目前已普遍推廣， 但擠壓工藝對擠壓產(chǎn)品質量及性能有著深遠的影響，需要深入研究。在鋁合金空心型材擠壓生產(chǎn)中，通常用分流組合模實現(xiàn)鋁合金的擠壓焊合，將實心坯料首先通過分流孔分流進入模具焊合腔，然后經(jīng)過擠壓焊合從分流模模芯和凹模模口形成的縫隙中流出。因此在擠壓型材中難以避免的對焊縫的擠壓，往往成為其應用中的“軟肋”，擠壓焊合的質量決定了整個型材的強度。擠壓工藝參數(shù)對擠壓焊合有顯著影響，需要了解它們之間的關系，制訂合適的擠壓工藝參數(shù)。擠壓焊合的物理本質是將兩個被連接的固體材料表面原子彼此接近到金屬晶格距離，形成原子鍵的結合，達到冶金結合目的，屬于固態(tài)焊接。鋁型材擠壓過程中，加熱狀態(tài)的金屬鋁坯被置于擠壓模具腔內，在擠壓載荷作用下金屬從模芯周圍流出，在固態(tài)下被焊合，然后形成擠壓焊縫。因為擠壓焊縫是在固態(tài)壓力下焊合而成，其機械性能優(yōu)于其他焊縫。不同種類的鋁合金，其擠壓焊合性能有較大差別，對外界壓力、溫度、速度等因素很敏感。鋁合金的擠壓焊合過程需要較大的載荷和設備，實驗室設備往往很難滿足要求。 更重要的是，工業(yè)生產(chǎn)中鋁合金的擠壓焊合過程在擠壓機內實現(xiàn)，若要觀察金屬在擠壓焊合過程中的流動情況及焊合特征是很困難的。因此，物理模擬實驗方法就顯得尤為必要及重要。對于金屬材料加工來說，通常是利用小試樣，借助于某實驗裝置，在實驗室設備上或加工過程中的受熱或受力的物理過程，充分準確地再現(xiàn)金屬材料或制件在熱加工中的組織和性能變化規(guī)律，評定和預測金屬材料在制備或加工過程中可能出現(xiàn)的問題，找出實驗參數(shù)對金屬成形的影響規(guī)律，優(yōu)化加工工藝參數(shù)，為工業(yè)加工工藝指定提供技術參考和理論依據(jù)。文獻[Edwards S. -P. . Physical simulation of longitudinal weld seam formation in aluminum extrusions. Materials Science Forum，2006，vols. 519—521， PP. 1403-1408]中采用兩根圓柱試樣在Gleeble熱力模擬實驗機上進行壓縮焊合實驗，焊合區(qū)的材料自由流動，在強大的壓力下焊合。這種情況與實際的焊合有區(qū)別，鋁合金的焊合在模具型腔內成型，受到模具對金屬本身的約束作用。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法。
本發(fā)明的上述目的是通過以下技術方案達到的一種鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，步驟如下第一步鋁合金試樣制備取鑄態(tài)招合金棒材，制備兩根圓柱形招合金試樣，保證試樣圓而直，并對試樣的一個端面進行精加工，保證表面光潔和平整；第二步擠壓焊合模具的設計及制造模具為兩瓣剖分式，內部設置有焊合腔及中心試樣腔，焊合腔與試樣腔相通，焊合腔的位置是保證兩根試樣的接觸面處于焊合腔內，試樣直徑與試樣腔直徑一致，模具外表面為圓錐面，與套筒配裝，套筒的外圍設置有加熱裝置，與加熱控制系統(tǒng)連接；第三步擠壓焊合溫度測量及控制在擠壓實驗進行前，將試樣加熱到金屬再結晶溫度以上，放入到預熱模具中；第四步擠壓焊合取兩根加熱好的鋁合金試樣置于模具中，精加工端面相接觸，試樣的接觸面處于焊合腔內；在上方試樣上蓋一壓頭，按預設的速度和行程進行擠壓，同時記錄液壓機行程和載荷變化；第五步取出試樣擠壓結束后，從套筒下方擴大腔處向上推出模具，取出試樣；第六步焊合性能測試對擠壓焊合后的試樣進行單向拉伸實驗，直至拉斷為止，測試并記錄拉伸載荷，對斷面進行微觀組織觀察，分析比較不同擠壓溫度及應變速率下微觀組織特征及拉伸載荷特征，找出影響規(guī)律。進一步地，上述焊合腔橫截面略大于試樣腔，高度小于試樣腔。進一步地，上述焊合腔偏心設置或正中設置都可以。進一步地，擠壓時模具溫度一般控制在400°C 500°C，擠壓金屬應變速率一般控制在 O. OOls 1 100s 1O上述模具與套筒配合錐度為5°，錐線從底部向上、向外擴展。套筒的底部留有擴大腔，所述模具座設在擴大腔中。本發(fā)明中，鋁型材擠壓焊合實驗方法的特征在于通過簡易單向壓縮試樣，并在兩試樣接觸面區(qū)域增加焊合腔實現(xiàn)材料的橫向流動，在材料到達焊合腔壁后回流，使試樣在焊合腔內的三向壓應力狀態(tài)下擠壓焊合成形，從而物理模擬鋁合金擠壓焊合的真實過程， 焊合腔尺寸根據(jù)金屬的熱膨脹率及擠壓試樣確定。具體從以下幾方面體現(xiàn)了技術效果I、本發(fā)明采用了物理模擬在實驗室條件下實現(xiàn)鋁合金擠壓焊合的過程，并對焊合質量進行測試分析。鋁合金的擠壓焊合是在分流組合模具的焊合腔內進行的，工業(yè)生產(chǎn)中難以系統(tǒng)分析金屬的擠壓焊合性能，對焊合質量難以評測，而采用物理模擬的方法則可以在實驗室設備上，通過單向擠壓實驗對不同溫度、不同擠壓速度的鋁試樣在焊合腔內的成型情況及最終焊合質量進行研究。該實驗方法簡單易行，在普通壓機上，推動壓頭下行，兩試樣在焊合腔內焊合。在這一過程中，金屬的流動就被限制在模具焊合腔內，其成形情況擠壓后打開模具便可以觀察。對擠壓焊合試樣進行拉伸，記錄載荷變化及延伸率，便可檢測焊
4合區(qū)的強度，韌性；對斷裂面進行微觀組織觀察，對比不同擠壓溫度、速度下擠壓焊合面處的微觀組織特征。2、本發(fā)明在模具中設計了能夠實現(xiàn)材料橫向流動的焊合腔。鋁合金的擠壓焊合是一個受到擠壓模具約束的金屬流動行為，焊合成形時金屬受到擠壓模的壓力作用，并且金屬受模具壁的摩擦與約束作用，向一個方向流動。為真實模擬鋁合金在擠壓焊合過程中的應力場特征及金屬流動，本發(fā)明中設計了帶有橫向焊合腔的組合模具，焊合腔設置在兩根圓柱形試樣的接觸面處，試樣的其余部分置于模具型腔內，型腔直徑與鋁試樣直徑相同，相互配合。焊合腔的尺寸根據(jù)試樣焊合體積及金屬膨脹率等參數(shù)設計計算，給予金屬在流動焊合時一個三向壓應力場，該狀態(tài)既真實體現(xiàn)鋁合金在擠壓焊合時的應力場特征，又有利于金屬在熱塑性加工時達到較好的成形狀態(tài)。單向壓縮試樣，并在兩試樣接觸面區(qū)域通過焊合腔實現(xiàn)橫向流動，并在到達模壁后回流，使試樣在焊合腔內的在三向壓應力狀態(tài)下擠壓成形，從而物理模擬鋁合金擠壓焊合的真實過程。3、本發(fā)明設計了剖分式組合模。由于鋁合金的焊合成形是在高溫下進行的，焊合時金屬處于固溶態(tài)，極易于粘著在焊合腔中，造成實驗后試樣難以從模中取出。本發(fā)明設計了兩半組合模的形式，即將模具沿中心對稱線切半，在實驗中將兩半模組合，然后裝卡試樣，實驗后打開兩半模，取出試樣，有效解決試樣擠壓焊合后難以從焊合模內取出的問題。4、本發(fā)明設計了帶有錐度的套筒與帶有錐度的兩半模進行配合。實驗中，由于擠推壓頭，從而壓縮試樣，而兩根試樣置于擠壓模具內，這樣就有一個載荷傳遞的問題，即試樣同時也擠推模具。由于模具是兩瓣狀組合形式，受到試樣的擠推載荷難免發(fā)生錯移，造成兩半模中心孔對不齊，或焊合腔處的錯位，不易于實驗的準確進行。為此，本發(fā)明中設計了帶有錐度的套筒，將模具的外形也加工成帶有錐度的形式，與錐形套筒采用錐度配合，這樣就可以在推桿下行時，試樣擠推模具而使得模具與外筒的配合更緊密，兩瓣狀焊合模被套筒牢牢固定，有效降低焊合模中心孔偏移及焊合腔的錯位。另外，為方便實驗后取出試樣， 將套筒底部留出擴大腔，實驗后從此腔敲擊兩瓣狀焊合模，就可以將帶有試樣的模具從套筒中脫出，打開兩半模，很容易取出試樣。另外，這種模具與套筒的錐度配合不僅僅能保證有效固定兩瓣狀組合模，而且可以實現(xiàn)模具與套筒的整體加熱，可以將配合后的模具與外筒一起置于電加熱爐中加熱至預設溫度取出，避免兩瓣狀模分別加熱，然后再配合而難以實驗操作的困難，也可以避免必須采用加熱線圈對模具進行加熱的高成本。本發(fā)明還可適用于其他通過擠壓焊合加工的金屬及焊合質量的實驗測試與評價。


圖I為本發(fā)明中的擠壓模具裝置縱剖示意圖；圖2為圖I的俯視圖。
具體實施例方式本發(fā)明是將兩根圓柱試樣依次放置在一個封閉的模腔內，在兩試樣接觸位置上設置焊合腔，在焊接區(qū)限制金屬的自由流動，使之受三向壓應力，總是偏向一側流動，從而更真實地模擬擠壓焊縫的形成過程，實現(xiàn)實驗室條件下對鋁合金擠壓焊合性能的測試與評價。鋁合金的擠壓焊合過程中，擠壓速度與溫度對金屬流動影響很大，也有必要研究這些擠壓工藝參數(shù)對擠壓焊合性能的影響，因此，將各種擠壓參數(shù)下焊合的試樣進行拉伸實驗，分析其機械性能，對斷面進行微觀組織觀察，找出影響規(guī)律，從而為鋁合金的擠壓焊合工藝進行優(yōu)化評價。測試和評價鋁合金擠壓焊合性能的實驗方法，具體如下第一步鋁合金試樣制備取鑄態(tài)招合金棒材，制備圓柱形招合金試樣，保證試樣圓而直，并對試樣的一個端面進行精加工，保證表面光潔和平整。第二步擠壓焊合模具的設計及制造如附圖1、2所示，考慮到模具加工、擠壓焊合試樣裝卸的方便性，本發(fā)明的模具3 采用兩瓣剖分式(也叫對開式)，即有兩個半模。為了模擬擠壓焊合，需要控制兩個試樣相互擠壓后進行橫向(剪切)流動，因此，模具中除了有試樣腔外，還要需要有焊合腔5，材料在焊合腔中充滿后實現(xiàn)焊合。焊合腔可以只在一個半模上設置，也可以在兩個半模上都設置；焊合腔可以設計為半圓柱形腔，也可以設計為方形腔，焊合腔橫截面略大于試樣腔，高度小于試樣腔；焊合腔可以在模具的正中，也可以偏心設置，為了使材料快速地向一側流動然后焊合，可以將焊合腔設計為偏心腔，如附圖1、2所示為偏心圓柱形焊合腔的設計。在模具3的中心處設置有試樣腔,試樣腔和焊合腔5相通,試樣腔內放試樣一 4和試樣二 6，以及壓頭1，兩試樣上下放置，接觸處恰好位于焊合腔5中，壓頭I在頂部用于向下擠壓試樣發(fā)生焊合。試樣及壓頭的直徑與裝試腔的直徑一致。用一個內壁為錐面的套筒2將模具3套牢，從而固定兩半模。套筒2內壁與模具3 外壁的配合錐度為5°，這樣，隨著擠壓的進行，剖分式模具結合地會越來越緊。錐線沿模具底部向上向外擴展，在擠壓后卸模時，只需在模具底部施壓就可以輕松實現(xiàn)卸模。在套筒2 的底部留有擴大腔，是為了保證裝配時，如果套筒2膨脹，錐體的模具3有一定的下移空間。在套筒2的外圍設置加熱裝置7，用于實現(xiàn)對模具的加熱。實驗用的鋁合金試樣尺寸和模具尺寸可以根據(jù)需要自行調整，建議試樣為 Φ8X60mm，壓頭I尺寸為Φ8X 15mm，擠壓焊合模具焊合腔5尺寸為Φ 12X 10mm。兩試樣尺寸高度相同，實驗中下部試樣固定，上部試樣擠推下方試樣，兩試樣精加工面相接觸，也就是將來的焊合面，焊合面位置相對兩試樣初始接觸面有偏移。設計下方試樣在焊合腔5 內的尺寸為8mm,位于焊合腔5下方的長度為52mm。第三步擠壓焊合溫度測量及控制在擠壓實驗進行前，將試樣加熱到金屬再結晶溫度以上，例如對于6063鋁合金， 擠壓焊合溫度為450°C 500°C。為了實現(xiàn)模具的預熱，在套筒外圍加入加熱裝置7，內設電熱偶測量溫度，并通過加熱控制系統(tǒng)使模具保持在預設的溫度。第四步擠壓焊合取兩個加熱好的鋁合金試樣置于擠壓焊合模具中，對鋁合金試樣進行擠壓焊合， 實驗平臺為普通液壓機，通過液壓機推動壓頭擠推上部的試樣，從而使兩個試樣壓縮并在焊合腔內焊合成型，模具和壓頭采用熱作模具鋼加工制造。按預設的速度和行程進行擠壓， 同時記錄液壓機行程和載荷變化。第五步取出試樣擠壓結束后，從套筒下方擴大腔處向上推出模具，取出試樣。
第六步焊合性能測試對鋁試樣擠壓焊合后，進行單向拉伸實驗，測試并記錄拉伸載荷，直至拉斷為止， 對斷面進行微觀組織觀察，分析比較不同擠壓溫度及應變速率下微觀組織特征及拉伸載荷特征，找出影響規(guī)律。本發(fā)明方法是在特定溫度及擠壓速度下進行的。擠壓時模具溫度一般在400°C 500°C，擠壓金屬應變速率一般在O. OOls^1 IOOs'本發(fā)明中，焊合腔的特征在于使金屬橫向流動，并在到達模壁后回流，其尺寸根據(jù)金屬的熱膨脹率及試樣的尺寸形狀確定。
權利要求
1.一種鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于主要包括下述步驟第一步鋁合金試樣制備取鑄態(tài)招合金棒材，制備兩根圓柱形招合金試樣，保證試樣圓而直，并對試樣的一個端面進行精加工，保證表面光潔和平整；第二步擠壓焊合模具的設計及制造模具為兩瓣剖分式，內部設置有焊合腔及中心試樣腔，焊合腔與試樣腔相通，焊合腔的位置是保證兩根試樣的接觸面處于焊合腔內，試樣直徑與試樣腔直徑一致，模具外表面為圓錐面，與套筒配裝，套筒的外圍設置有加熱裝置，與加熱控制系統(tǒng)連接；第三步擠壓焊合溫度測量及控制在擠壓實驗進行前，將試樣加熱到金屬再結晶溫度以上，放入到預熱模具中；第四步擠壓焊合取兩根加熱好的鋁合金試樣置于模具中，精加工端面相接觸，試樣的接觸面處于焊合腔內；在上方試樣上蓋一壓頭，按預設的速度和行程進行擠壓，同時記錄液壓機行程和載荷變化；第五步取出試樣擠壓結束后，從套筒下方擴大腔處向上推出模具，取出試樣；第六步焊合性能測試對擠壓焊合后的試樣進行單向拉伸實驗，直至拉斷為止，測試并記錄拉伸載荷，對斷面進行微觀組織觀察，分析比較不同擠壓溫度及應變速率下微觀組織特征及拉伸載荷特征， 找出影響規(guī)律。
2.如權利要求I所述的鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于所述焊合腔橫截面略大于試樣腔，高度小于試樣腔。
3.如權利要求I或2所述的鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于 所述焊合腔偏心設置。
4.如權利要求I或2所述的鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于 所述焊合腔正中設置。
5.如權利要求I或2所述的鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于 擠壓時模具溫度控制在400°C 500°C，擠壓金屬應變速率控制在O. OOls^1 IOOs'
6.如權利要求3所述的鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于擠壓時模具溫度控制在400°C 500°C，擠壓金屬應變速率控制在O. 00Is—1 IOOs'
7.如權利要求4所述的鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于擠壓時模具溫度控制在400°C 500°C，擠壓金屬應變速率控制在O. 00Is—1 IOOs'
8.如權利要求I所述的鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于所述模具與套筒配合錐度為5°，錐線從底部向上、向外擴展。
9.如權利要求I或8所述的鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，其特征在于 在所述套筒的底部留有擴大腔，所述模具座設在擴大腔中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁合金擠壓焊合性能測試的模擬實驗方法，屬于鋁合金型材擠壓領域。采用一對圓柱形試樣進行相對擠壓焊合實驗，根據(jù)鋁合金擠壓成形時的材料塑性流動特點設計模具的焊合腔，使兩試樣在焊合腔內處于三向壓應力狀態(tài)下擠壓焊合成型。實驗可以設置不同的擠壓溫度及速度，并分析變形條件對擠壓焊合質量的影響。對擠壓焊合試樣進行拉伸實驗，測試其延伸率及拉伸極限載荷，對斷面進行微觀組織觀察，比較不同溫度、不同擠壓速率下鋁試樣的焊合質量，分析鋁合金擠壓焊合規(guī)律。該實驗方法簡單易行，可用于鋁合金擠壓焊合的物理模擬，分析金屬焊合的流場及成形情況，評價焊合質量，優(yōu)化擠壓焊合工藝參數(shù)。
文檔編號G01N3/08GK102589979SQ20121001660
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權日2012年1月18日
發(fā)明者方剛, 王彥菊, 鄒建榮 申請人:清華大學