CN102589979A - 铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，属于铝合金型材挤压领域。采用一对圆柱形试样进行相对挤压焊合实验，根据铝合金挤压成形时的材料塑性流动特点设计模具的焊合腔，使两试样在焊合腔内处于三向压应力状态下挤压焊合成型。实验可以设置不同的挤压温度及速度，并分析变形条件对挤压焊合质量的影响。对挤压焊合试样进行拉伸实验，测试其延伸率及拉伸极限载荷，对断面进行微观组织观察，比较不同温度、不同挤压速率下铝试样的焊合质量，分析铝合金挤压焊合规律。该实验方法简单易行，可用于铝合金挤压焊合的物理模拟，分析金属焊合的流场及成形情况，评价焊合质量，优化挤压焊合工艺参数。

Description

铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法

技术领域

本发明涉及金属挤压焊合性能实验方法，特别是指一种铝合金挤压焊合性能测试的实验方法(或物理模拟技术)，用于挤压焊缝区的变形特征测试与挤压焊合质量的评测。

背景技术

金属挤压是指对挤压筒内的金属坯料施加外力，使金属从挤压模模孔中流出，从而获取所需截面形状及尺寸的一种塑性加工方法。铝型材挤压生产技术目前已普遍推广，但挤压工艺对挤压产品质量及性能有着深远的影响，需要深入研究。在铝合金空心型材挤压生产中，通常用分流组合模实现铝合金的挤压焊合，将实心坯料首先通过分流孔分流进入模具焊合腔，然后经过挤压焊合从分流模模芯和凹模模口形成的缝隙中流出。因此在挤压型材中难以避免的对焊缝的挤压，往往成为其应用中的“软肋”，挤压焊合的质量决定了整个型材的强度。挤压工艺参数对挤压焊合有显著影响，需要了解它们之间的关系，制订合适的挤压工艺参数。

挤压焊合的物理本质是将两个被连接的固体材料表面原子彼此接近到金属晶格距离，形成原子键的结合，达到冶金结合目的，属于固态焊接。铝型材挤压过程中，加热状态的金属铝坯被置于挤压模具腔内，在挤压载荷作用下金属从模芯周围流出，在固态下被焊合，然后形成挤压焊缝。因为挤压焊缝是在固态压力下焊合而成，其机械性能优于其他焊缝。不同种类的铝合金，其挤压焊合性能有较大差别，对外界压力、温度、速度等因素很敏感。

铝合金的挤压焊合过程需要较大的载荷和设备，实验室设备往往很难满足要求。更重要的是，工业生产中铝合金的挤压焊合过程在挤压机内实现，若要观察金属在挤压焊合过程中的流动情况及焊合特征是很困难的。因此，物理模拟实验方法就显得尤为必要及重要。对于金属材料加工来说，通常是利用小试样，借助于某实验装置，在实验室设备上或加工过程中的受热或受力的物理过程，充分准确地再现金属材料或制件在热加工中的组织和性能变化规律，评定和预测金属材料在制备或加工过程中可能出现的问题，找出实验参数对金属成形的影响规律，优化加工工艺参数，为工业加工工艺指定提供技术参考和理论依据。

文献[Edwards S.-P..Physical simulation of longitudinal weld seamformation in aluminum extrusions.Materials Science Forum，2006，vols.519-521，pp.1403-1408]中采用两根圆柱试样在Gleeble热力模拟实验机上进行压缩焊合实验，焊合区的材料自由流动，在强大的压力下焊合。这种情况与实际的焊合有区别，铝合金的焊合在模具型腔内成型，受到模具对金属本身的约束作用。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种实现铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：一种铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，步骤如下：

第一步：铝合金试样制备

取铸态铝合金棒材，制备两根圆柱形铝合金试样，保证试样圆而直，并对试样的一个端面进行精加工，保证表面光洁和平整；

第二步：挤压焊合模具的设计及制造

模具为两瓣剖分式，内部设置有焊合腔及中心试样腔，焊合腔与试样腔相通，焊合腔的位置是保证两根试样的接触面处于焊合腔内，试样直径与试样腔直径一致，模具外表面为圆锥面，与套筒配装，套筒的***设置有加热装置，与加热控制***连接；

第三步：挤压焊合温度测量及控制

在挤压实验进行前，将试样加热到金属再结晶温度以上，放入到预热模具中；

第四步：挤压焊合

取两根加热好的铝合金试样置于模具中，精加工端面相接触，试样的接触面处于焊合腔内；在上方试样上盖一压头，按预设的速度和行程进行挤压，同时记录液压机行程和载荷变化；

第五步：取出试样

挤压结束后，从套筒下方扩大腔处向上推出模具，取出试样；

第六步：焊合性能测试

对挤压焊合后的试样进行单向拉伸实验，直至拉断为止，测试并记录拉伸载荷，对断面进行微观组织观察，分析比较不同挤压温度及应变速率下微观组织特征及拉伸载荷特征，找出影响规律。

进一步地，上述焊合腔横截面略大于试样腔，高度小于试样腔。

进一步地，上述焊合腔偏心设置或正中设置都可以。

进一步地，挤压时模具温度一般控制在400℃～500℃，挤压金属应变速率一般控制在0.001s^-1～100s^-1。

上述模具与套筒配合锥度为5°，锥线从底部向上、向外扩展。

套筒的底部留有扩大腔，所述模具座设在扩大腔中。

本发明中，铝型材挤压焊合实验方法的特征在于通过简易单向压缩试样，并在两试样接触面区域增加焊合腔实现材料的横向流动，在材料到达焊合腔壁后回流，使试样在焊合腔内的三向压应力状态下挤压焊合成形，从而物理模拟铝合金挤压焊合的真实过程，焊合腔尺寸根据金属的热膨胀率及挤压试样确定。

具体从以下几方面体现了技术效果：

1、本发明采用了物理模拟在实验室条件下实现铝合金挤压焊合的过程，并对焊合质量进行测试分析。铝合金的挤压焊合是在分流组合模具的焊合腔内进行的，工业生产中难以***分析金属的挤压焊合性能，对焊合质量难以评测，而采用物理模拟的方法则可以在实验室设备上，通过单向挤压实验对不同温度、不同挤压速度的铝试样在焊合腔内的成型情况及最终焊合质量进行研究。该实验方法简单易行，在普通压机上，推动压头下行，两试样在焊合腔内焊合。在这一过程中，金属的流动就被限制在模具焊合腔内，其成形情况挤压后打开模具便可以观察。对挤压焊合试样进行拉伸，记录载荷变化及延伸率，便可检测焊合区的强度，韧性；对断裂面进行微观组织观察，对比不同挤压温度、速度下挤压焊合面处的微观组织特征。

2、本发明在模具中设计了能够实现材料横向流动的焊合腔。铝合金的挤压焊合是一个受到挤压模具约束的金属流动行为，焊合成形时金属受到挤压模的压力作用，并且金属受模具壁的摩擦与约束作用，向一个方向流动。为真实模拟铝合金在挤压焊合过程中的应力场特征及金属流动，本发明中设计了带有横向焊合腔的组合模具，焊合腔设置在两根圆柱形试样的接触面处，试样的其余部分置于模具型腔内，型腔直径与铝试样直径相同，相互配合。焊合腔的尺寸根据试样焊合体积及金属膨胀率等参数设计计算，给予金属在流动焊合时一个三向压应力场，该状态既真实体现铝合金在挤压焊合时的应力场特征，又有利于金属在热塑性加工时达到较好的成形状态。单向压缩试样，并在两试样接触面区域通过焊合腔实现横向流动，并在到达模壁后回流，使试样在焊合腔内的在三向压应力状态下挤压成形，从而物理模拟铝合金挤压焊合的真实过程。

3、本发明设计了剖分式组合模。由于铝合金的焊合成形是在高温下进行的，焊合时金属处于固溶态，极易于粘着在焊合腔中，造成实验后试样难以从模中取出。本发明设计了两半组合模的形式，即将模具沿中心对称线切半，在实验中将两半模组合，然后装卡试样，实验后打开两半模，取出试样，有效解决试样挤压焊合后难以从焊合模内取出的问题。

4、本发明设计了带有锥度的套筒与带有锥度的两半模进行配合。实验中，由于挤推压头，从而压缩试样，而两根试样置于挤压模具内，这样就有一个载荷传递的问题，即试样同时也挤推模具。由于模具是两瓣状组合形式，受到试样的挤推载荷难免发生错移，造成两半模中心孔对不齐，或焊合腔处的错位，不易于实验的准确进行。为此，本发明中设计了带有锥度的套筒，将模具的外形也加工成带有锥度的形式，与锥形套筒采用锥度配合，这样就可以在推杆下行时，试样挤推模具而使得模具与外筒的配合更紧密，两瓣状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错位。另外，为方便实验后取出试样，将套筒底部留出扩大腔，实验后从此腔敲击两瓣状焊合模，就可以将带有试样的模具从套筒中脱出，打开两半模，很容易取出试样。另外，这种模具与套筒的锥度配合不仅仅能保证有效固定两瓣状组合模，而且可以实现模具与套筒的整体加热，可以将配合后的模具与外筒一起置于电加热炉中加热至预设温度取出，避免两瓣状模分别加热，然后再配合而难以实验操作的困难，也可以避免必须采用加热线圈对模具进行加热的高成本。

本发明还可适用于其他通过挤压焊合加工的金属及焊合质量的实验测试与评价。

附图说明

图1为本发明中的挤压模具装置纵剖示意图；

图2为图1的俯视图。

具体实施方式

本发明是将两根圆柱试样依次放置在一个封闭的模腔内，在两试样接触位置上设置焊合腔，在焊接区限制金属的自由流动，使之受三向压应力，总是偏向一侧流动，从而更真实地模拟挤压焊缝的形成过程，实现实验室条件下对铝合金挤压焊合性能的测试与评价。铝合金的挤压焊合过程中，挤压速度与温度对金属流动影响很大，也有必要研究这些挤压工艺参数对挤压焊合性能的影响，因此，将各种挤压参数下焊合的试样进行拉伸实验，分析其机械性能，对断面进行微观组织观察，找出影响规律，从而为铝合金的挤压焊合工艺进行优化评价。

测试和评价铝合金挤压焊合性能的实验方法，具体如下：

第一步：铝合金试样制备

取铸态铝合金棒材，制备圆柱形铝合金试样，保证试样圆而直，并对试样的一个端面进行精加工，保证表面光洁和平整。

第二步：挤压焊合模具的设计及制造

如附图1、2所示，考虑到模具加工、挤压焊合试样装卸的方便性，本发明的模具3采用两瓣剖分式(也叫对开式)，即有两个半模。为了模拟挤压焊合，需要控制两个试样相互挤压后进行横向(剪切)流动，因此，模具中除了有试样腔外，还要需要有焊合腔5，材料在焊合腔中充满后实现焊合。焊合腔可以只在一个半模上设置，也可以在两个半模上都设置；焊合腔可以设计为半圆柱形腔，也可以设计为方形腔，焊合腔横截面略大于试样腔，高度小于试样腔；焊合腔可以在模具的正中，也可以偏心设置，为了使材料快速地向一侧流动然后焊合，可以将焊合腔设计为偏心腔，如附图1、2所示为偏心圆柱形焊合腔的设计。

在模具3的中心处设置有试样腔，试样腔和焊合腔5相通，试样腔内放试样一4和试样二6，以及压头1，两试样上下放置，接触处恰好位于焊合腔5中，压头1在顶部用于向下挤压试样发生焊合。试样及压头的直径与装试腔的直径一致。

用一个内壁为锥面的套筒2将模具3套牢，从而固定两半模。套筒2内壁与模具3外壁的配合锥度为5°，这样，随着挤压的进行，剖分式模具结合地会越来越紧。锥线沿模具底部向上向外扩展，在挤压后卸模时，只需在模具底部施压就可以轻松实现卸模。在套筒2的底部留有扩大腔，是为了保证装配时，如果套筒2膨胀，锥体的模具3有一定的下移空间。

在套筒2的***设置加热装置7，用于实现对模具的加热。

实验用的铝合金试样尺寸和模具尺寸可以根据需要自行调整，建议试样为Φ8×60mm，压头1尺寸为Φ8×15mm，挤压焊合模具焊合腔5尺寸为Φ12×10mm。两试样尺寸高度相同，实验中下部试样固定，上部试样挤推下方试样，两试样精加工面相接触，也就是将来的焊合面，焊合面位置相对两试样初始接触面有偏移。设计下方试样在焊合腔5内的尺寸为8mm，位于焊合腔5下方的长度为52mm。

第三步：挤压焊合温度测量及控制

在挤压实验进行前，将试样加热到金属再结晶温度以上，例如对于6063铝合金，挤压焊合温度为450℃～500℃。为了实现模具的预热，在套筒***加入加热装置7，内设电热偶测量温度，并通过加热控制***使模具保持在预设的温度。

第四步：挤压焊合

取两个加热好的铝合金试样置于挤压焊合模具中，对铝合金试样进行挤压焊合，实验平台为普通液压机，通过液压机推动压头挤推上部的试样，从而使两个试样压缩并在焊合腔内焊合成型，模具和压头采用热作模具钢加工制造。按预设的速度和行程进行挤压，同时记录液压机行程和载荷变化。

第五步：取出试样

挤压结束后，从套筒下方扩大腔处向上推出模具，取出试样。

第六步：焊合性能测试

对铝试样挤压焊合后，进行单向拉伸实验，测试并记录拉伸载荷，直至拉断为止，对断面进行微观组织观察，分析比较不同挤压温度及应变速率下微观组织特征及拉伸载荷特征，找出影响规律。

本发明方法是在特定温度及挤压速度下进行的。挤压时模具温度一般在400℃～500℃，挤压金属应变速率一般在0.001s^-1～100s^-1。

本发明中，焊合腔的特征在于使金属横向流动，并在到达模壁后回流，其尺寸根据金属的热膨胀率及试样的尺寸形状确定。

Claims (9)

1.一种铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：主要包括下述步骤：

第一步：铝合金试样制备

取铸态铝合金棒材，制备两根圆柱形铝合金试样，保证试样圆而直，并对试样的一个端面进行精加工，保证表面光洁和平整；

第二步：挤压焊合模具的设计及制造

模具为两瓣剖分式，内部设置有焊合腔及中心试样腔，焊合腔与试样腔相通，焊合腔的位置是保证两根试样的接触面处于焊合腔内，试样直径与试样腔直径一致，模具外表面为圆锥面，与套筒配装，套筒的***设置有加热装置，与加热控制***连接；

第三步：挤压焊合温度测量及控制

在挤压实验进行前，将试样加热到金属再结晶温度以上，放入到预热模具中；

第四步：挤压焊合

取两根加热好的铝合金试样置于模具中，精加工端面相接触，试样的接触面处于焊合腔内；在上方试样上盖一压头，按预设的速度和行程进行挤压，同时记录液压机行程和载荷变化；

第五步：取出试样

挤压结束后，从套筒下方扩大腔处向上推出模具，取出试样；

第六步：焊合性能测试

对挤压焊合后的试样进行单向拉伸实验，直至拉断为止，测试并记录拉伸载荷，对断面进行微观组织观察，分析比较不同挤压温度及应变速率下微观组织特征及拉伸载荷特征，找出影响规律。

2.如权利要求1所述的铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：所述焊合腔横截面略大于试样腔，高度小于试样腔。

3.如权利要求1或2所述的铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：所述焊合腔偏心设置。

4.如权利要求1或2所述的铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：所述焊合腔正中设置。

5.如权利要求1或2所述的铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：挤压时模具温度控制在400℃～500℃，挤压金属应变速率控制在0.001s^-1～100s^-1。

6.如权利要求3所述的铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：挤压时模具温度控制在400℃～500℃，挤压金属应变速率控制在0.001s^-1～100s^-1。

7.如权利要求4所述的铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：挤压时模具温度控制在400℃～500℃，挤压金属应变速率控制在0.001s^-1～100s^-1。

8.如权利要求1所述的铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：所述模具与套筒配合锥度为5°，锥线从底部向上、向外扩展。

9.如权利要求1或8所述的铝合金挤压焊合性能测试的模拟实验方法，其特征在于：在所述套筒的底部留有扩大腔，所述模具座设在扩大腔中。

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