一種釬焊接頭釬縫力學參數測試方法，屬于釬焊制造工藝技術領域。

背景技術：

釬焊是一種成熟的焊接技術。相比其他焊接方式，釬焊過程工件受熱均勻，焊后工件內部的殘余應力水平低，對于不同種類、形狀特殊、結構復雜的工件，釬焊能保證較高的尺寸精度和較佳的綜合性能，而且釬焊通常在真空釬焊爐中進行，生產效率高，易于實現自動化生產。所以，自上世紀四十年代開始，釬焊逐漸發(fā)展成為一種極有前途的焊接技術，在世界工業(yè)發(fā)達國家得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，是近年來最活躍，最具發(fā)展?jié)摿Φ膶I(yè)領域之一。

與其他焊接技術相比，釬焊通常采用比母材熔點低的金屬材料作釬料。釬焊溫度通常高于釬料熔化溫度而小于母材的熔化溫度，所以，釬焊過程中母材并不熔化，而是利用釬料的潤濕性能使釬料溶化并充滿母材間隙，并與母材相互擴散來實現連接。

釬焊接頭包括母材、釬縫和擴散區(qū)三個區(qū)域，由于擴散區(qū)極小通?？梢院雎圆挥?。通常情況下，釬縫區(qū)寬度僅為100um左右，常規(guī)的拉伸力學性能實驗是將釬焊構件加工成棒狀試樣或板狀試樣，通過拉伸試驗得到的應力應變曲線，僅能得到釬焊接頭的彈性模量和抗拉強度。由于釬縫區(qū)寬度和標距下母材寬度相比極小，釬縫區(qū)的彈性模量和塑性強化階段被母材所掩蓋，不能有效獲得釬縫區(qū)的彈性模量和塑性強化階段。而在有限元建模和力學分析中需要比較準確的釬縫區(qū)力學性能參數，所以獲得準確的釬焊接頭釬縫力學參數至關重要。

為了測定釬縫區(qū)的彈塑性參數，前人是將BNI2釬料融化為棒狀試樣或板狀標準拉伸試樣，然而在力學測試過程中發(fā)現，其沒有明顯的塑性階段，其斷裂呈現脆斷的特性。這是因為，由于B元素的加入，BNI2釬料在再次凝固的過程中發(fā)生了枝晶偏析，產生了脆性相，從而降低釬料棒狀試樣的抗拉強度和產生脆性斷裂的特征。因此通過將BNI2釬料融化為標準試樣的方法無法獲得釬料在強化階段的特性。有人通過壓痕法測試BNI2釬焊接頭的力學性能，說明其存在明顯的塑性階段，然而由于溫度的限制，壓痕法無法測定600℃或更高溫度下的力學性能。研究人員在研究釬焊接頭過程中，通常采用理想彈塑性模型來模擬釬焊過程，其產生的殘余應力已經使得釬縫區(qū)達到屈服。這與釬焊接頭仍能承受一定的載荷相悖。

技術實現要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種能夠準確測定釬焊接頭釬縫區(qū)力學性能、操作簡單的釬焊接頭釬縫力學參數測試方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：該釬焊接頭釬縫力學參數測試方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟（1），采用釬焊工藝制備釬焊試樣，并將釬焊試樣切割成用于拉伸試驗的釬焊棒料（3）；

步驟（2），制備均質棒料，并使均質棒料與釬焊棒料的形狀和尺寸均相同；

步驟（3），恒溫條件下分別對釬焊棒料和均質棒料施加相同的載荷進行拉伸試驗，并分別獲取釬焊棒料和均質棒料的載荷-位移曲線，繪制釬焊棒料拉伸時的力學性能曲線；

步驟（4），根據均質棒料的載荷-位移曲線，計算均質棒料母材的彈性模量；

步驟（5），根據釬焊棒料的載荷-位移曲線以及均質棒料母材的彈性模量，計算釬縫處的彈性模量，根據均質棒料母材的彈性模量以及釬焊棒料的力學性能曲線，繪制釬縫的強化曲線。

優(yōu)選的，步驟（1）中所述的釬焊工藝包括如下步驟：

步驟（1001），向釬焊爐內充入氮氣，將釬焊爐內的氧氣等氧化氣體排出；

步驟（1002），釬焊爐的溫度在20min內加熱到800℃；

步驟（1003），對釬焊爐抽真空至真空度降為0.01Pa，將氮氣和受熱揮發(fā)的氣體排出；

步驟（1004），釬焊爐的溫度在30min加熱到1050℃，保溫25min；

步驟（1005），采用真空緩慢自冷的方式，使釬焊爐內的溫度由1050℃降至800℃；

步驟（1006），啟動釬焊爐的風機，使釬焊爐內的溫度快速冷卻至40℃。

優(yōu)選的，步驟（1004）中所述的真空緩慢自冷過程中，采用電磁攪拌或超聲波沖擊的方式使晶粒細化。

優(yōu)選的，步驟（1）中所述的釬焊棒料包括兩端的釬焊棒料夾持部以及釬焊棒料拉伸部，釬焊棒料夾持部的直徑大于釬焊棒料拉伸部的直徑，并與釬焊棒料拉伸部光滑過渡；

步驟（2）中所述的均質棒料包括均質棒料夾持部以及均質棒料拉伸部，均質棒料夾持部的直徑大于均質棒料拉伸部的直徑，并與均質棒料拉伸部光滑過渡。

優(yōu)選的，步驟（3）中所述的恒溫條件包括25℃的常溫條件和600~650℃的高溫條件。

優(yōu)選的，步驟（4）中所述的均質棒料母材的彈性模量的計算方法如下：

，

其中，為均質棒料的變形量，L為均質棒料拉伸部的長度，N為拉伸載荷，S為均質棒料拉伸部的凈截面積。

優(yōu)選的，步驟（5）中釬縫處的彈性模量的計算方法如下：

，

，

其中，為釬縫的軸向長度，為釬焊棒料拉伸部母材的軸向長度，為釬縫變形量，為釬焊棒料拉伸部母材的變形量，為釬焊棒料拉伸部的變形量。

優(yōu)選的，以步驟（3）或步驟（5）中所述的釬焊棒料的力學性能曲線上的初始屈服點為原點，并分別將橫軸和縱軸順時針偏轉，得到所述釬縫的強化曲線。

優(yōu)選的，所述的橫軸和縱軸順時針的偏轉角的計算法方法如下：

，

其中，為均質棒料的彈性模量。

與現有技術相比，本發(fā)明所具有的有益效果是：

1、本釬焊接頭釬縫力學參數測試方法能夠準確的測定釬焊接頭釬縫區(qū)力學性能，通過常規(guī)力學拉伸實驗即可獲得，與壓痕法測試釬縫力學性能相比可操作性強，費用較低，并且可以測定釬焊接頭釬縫在高溫下的力學性能，應用更為廣泛。

2、冷卻過程中采用緩冷的方式，促進晶粒形核長大過程中元素充分擴散，同時加設電磁攪拌和超聲波沖擊的方式使晶粒細化，從而提高釬縫的塑性和韌性。

3、釬焊棒料夾持部與釬焊棒料拉伸部光滑過渡，均質棒料夾持部與均質棒料拉伸部光滑過渡，從而消除了應力集中，使測試的結果更加準確。

附圖說明

圖1為釬焊試樣的立體示意圖。

圖2為圖1中A處的局部放大圖。

圖3為釬縫調節(jié)裝置的立體示意圖。

圖4為釬焊棒料的主視示意圖。

圖5為均質棒料的主視示意圖。

圖6為釬焊接頭力學性能曲線。

圖中：1、釬焊試樣 2、釬縫 3、釬焊棒料 301、釬焊棒料夾持部 302、釬焊棒料拉伸部 4、均質棒料 401、均質棒料夾持部 402、均質棒料拉伸部 5、保護殼 6、轉軸 7、墊片。

具體實施方式

圖1~6是本發(fā)明的最佳實施例，下面結合附圖1~6對本發(fā)明做進一步說明。

一種釬焊接頭釬縫力學參數測試方法，包括如下步驟：

步驟（1），采用釬焊工藝制備釬焊試樣1，并將釬焊試樣1切割成用于拉伸試驗的釬焊棒料3；

在本實施例中，母材選用18Ni（350）馬氏體時效鋼（屈服強度Rp0.2≥1350MPa），釬料選用BNi-2釬料 （彈性模量E、屈服強度和抗拉強度未知）。

如圖1~2所示：首先將馬氏體時效鋼加工成1x30x30mm的鋼片，鋼片的厚度為0.5~2mm，鋼片的個數根據需要進行選擇，在本實施例中，鋼片有九片。加工完成后應對鋼片進行熱處理，消除殘余應力。釬焊面為30x30mm面，為保證精度，對釬焊面進行銑削、拋光，釬焊面銑削、拋光過程中要確保平整度，然后去除表面油污和灰塵，并經過酸洗和丙酮干燥，密封保存。將釬料平鋪在母材待焊表面之間，再用夾具固定后，每個釬縫2之間通過定距機構控制釬縫2的厚度，從而能夠保證試驗結果的準確性。

如圖3所示：定距機構包括保護殼5以及墊片7，保護殼5為“U”形板，墊片7有多個，多個墊片7通過轉軸6轉動安裝在保護殼5內，轉軸6設置在保護殼5的開口一端。每個保護殼5內轉動安裝有50個墊片7，墊片7的厚度為0.02mm。由于在本實施例中確定每層釬縫2的厚度為0.1mm，所以將五片墊片7旋出，并將墊片7置于釬縫2內，從而保證每個釬縫2的厚度為0.1mm。釬焊前，將墊片7涂抹一層亞微米石墨粉，方便釬焊完后取出墊片7，供后續(xù)使用。釬焊中，應避免墊片7與釬料接觸，防止墊片7被釬焊難以取出。定距機構也可用于其他類型的釬焊，可以根據墊片7層數調節(jié)釬縫2厚度，同時可重復利用。

釬料融化后，通過毛細現象潤濕在母材表面?，F有的釬焊工藝無法保證釬縫2的釬焊厚度，只能保證整體的釬焊精度。大量研究表明，釬縫2厚度對整體強度有影響，因此為了提高測試結果的準確性，采用定距機構精確控制釬縫2的厚度。

將通過夾具固定好的母材放入釬焊爐中釬焊，其釬焊工藝包括如下步驟：

步驟（1001），向釬焊爐內充入氮氣，將釬焊爐內的氧氣等氧化氣體排出；

步驟（1002），釬焊爐的溫度在20min內加熱到800℃，從而減小熱應力，并且加熱能夠使釬焊過程中產生的雜質和氣體揮發(fā)，避免出現氣孔；

步驟（1003），對釬焊爐抽真空至真空度降為0.01Pa，將氮氣和受熱揮發(fā)的氣體排出；

步驟（1004），釬焊爐的溫度在30min加熱到1050℃，保溫25min，從而使釬料元素充分擴散；

步驟（1005），采用真空緩慢自冷的方式，使釬焊爐內的溫度由1050℃降至800℃，使釬焊接頭在高溫下利用蠕變松弛效應而釋放部分殘余應力，防止裂紋的產生，提高釬縫2的強度；在真空緩慢自冷的過程中，采用電磁攪拌或超聲波沖擊的方式使晶粒在生長過程中細化，從而提高釬縫2的塑性和韌性；

從1050℃緩慢降至800℃目的是促進元素充分擴散；800℃迅速降至40℃，目的是避免母材擴散相變的產生。在抽真空之前加熱，能夠避免釬焊過程中揮發(fā)出的氣體破壞釬焊爐的真空度，對釬焊的效果造成影響。

釬料由液態(tài)向固態(tài)凝固過程中，采用急冷的方式會在釬縫2中心產生大量的脆性相，造成釬焊接頭脆性斷裂。如果降溫過程不合理，會產生大量的硼鎳化合物、鎳硅化合物，這是典型的枝晶偏析現象。合金在凝固過程中有溶質的再分布，并且凝固過程往往未能擴散均勻，使凝固后的相的成分不均勻，這就是所謂的偏析現象。

對于釬縫來言，釬料凝固過程中，合金晶粒從母材兩側向中間方向生長，在中間形成溶質堆積，產生脆性化合物，屬于枝晶偏析中的晶界偏析。針對枝晶偏析的預防和消除措施有細化晶粒和均勻化退火。但是晶界上存在的穩(wěn)定化合物，即使采用均勻化退火往往也無法消除。因此應該從細化晶粒著手。

步驟（1006），啟動釬焊爐的風機，使釬焊爐內的溫度快速冷卻至40℃。由于800℃的溫度處于釬料的凝固線以下，母材的轉變溫度以上，既能夠在緩冷過程中保證釬焊的凝固，又能夠避免母材在降溫過程中產生多余的相變。

如圖4所示：將釬焊的板狀試樣，根據國標GB/T 11363-2008，加工成光滑的釬焊棒料3，去除釬焊邊界對整體力學性能的影響，釬縫2的個數越多越好，目的是使得在常規(guī)的力學拉伸過程中，能夠比較明顯的測得載荷位移曲線的變化，提高其測試精度，避免設備的精度不高造成的誤差。釬焊接頭不能通過增加單個釬縫2的寬度來增加整體釬縫2的厚度，這是因為只有釬縫2在合理的寬度范圍內才能獲得最佳的力學性能，單個釬縫2太寬或者太窄，其測定的釬焊接頭力學性能并不理想。在本實施例中，釬縫2設定為10層，整個釬縫2沿軸向方向厚度為10×0.1mm=1mm。

釬焊棒料3包括兩端的釬焊棒料夾持部301以及釬焊棒料拉伸部302，釬焊棒料夾持部301的直徑大于釬焊棒料拉伸部302的直徑，并與釬焊棒料拉伸部302光滑過渡，從而消除了釬焊棒料夾持部301和釬焊棒料拉伸部302之間的應力集中現象，進而提高了測試的準確度。

步驟（2），制備均質棒料4，并使均質棒料4與釬焊棒料3的形狀和尺寸均相同；

如圖5所示：將馬氏體時效鋼加工成均質棒料4，均質棒料4包括均質棒料夾持部401以及均質棒料拉伸部402，均質棒料夾持部401的直徑大于均質棒料拉伸部402的直徑，并與均質棒料拉伸部402光滑過渡，從而消除了均質棒料夾持部401和均質棒料拉伸部402之間的應力集中現象，進而提高了測試的準確度。其中，均質棒料夾持部401的直徑與釬焊棒料夾持部301的直徑相等，均質棒料夾持部401的長度也與釬焊棒料夾持部301的長度相等；均質棒料拉伸部402的直徑與釬焊棒料拉伸部302的直徑相等，均質棒料拉伸部402的長度也與釬焊棒料拉伸部302的長度相等。

步驟（3），恒溫條件下分別對釬焊棒料3和均質棒料4施加相同的載荷進行拉伸試驗，并分別獲取釬焊棒料3和均質棒料4的載荷-位移曲線，繪制釬焊棒料3拉伸時的力學性能曲線；

拉伸試驗中采用的設備為電子萬能試驗機。分別在25℃的常溫條件下和600~650℃的高溫條件下，對釬焊棒料3和均質棒料4進行拉伸試驗，并通過電腦數據終端獲得采集的載荷-位移曲線。

對釬焊棒料3在電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，載荷由零緩慢增加試件相應伸長，直到拉斷。試驗過程中，對應著每一個拉力P，可以測出試件標距L的伸長量?？梢岳L制出的關系曲線。為消除試件尺寸的影響，使試驗結果只反應材料本身的性質，改用應力為縱坐標，用應變?yōu)闄M坐標，繪制出材料拉伸時的曲線，如圖6所示。

采用電子萬能試驗機進行拉伸試驗的步驟如下：

步驟（3001），打開電子萬能試驗機的電源，并將上下拉桿調節(jié)到合適位置；

步驟（3002），安裝試樣夾具，并分別將釬焊棒料3和均質棒料4夾持在夾具上，加設200N的預載荷；

步驟（3003），將變形引伸計一端與標準試樣連接，一端與手動控制系統連接；高溫測試時，將熱電偶通過耐高溫石棉繩綁定在試樣上，保證熱電偶和試樣接觸，打開加熱爐，將加熱爐小心將試樣包圍，在這個過程中嚴禁碰觸引伸計，通過溫控系統，控制加熱爐溫度，調節(jié)所需溫度后保持30min；

步驟（3004），通過手動控制系統，將載荷歸零，引伸計位移歸零；

步驟（3005），通過電腦數據終端獲得的采集的載荷-位移曲線。

在放置引伸計過程中，引伸計標距15mm，要保證全部釬縫在引伸計在量程內。

步驟（4），根據均質棒料4的載荷-位移曲線，計算均質棒料4母材的彈性模量；

對馬氏體時效鋼均質棒料4進行拉伸試驗測定馬氏體時效鋼彈性模量E1：

單項應力狀態(tài)下，正應力與沿方向的線應變之間的關系，可直接由拉伸胡可定律得出，即

（1）

拉壓桿的縱向相對變形，即縱向線應變

（2）

設桿的橫截面積為S，微分面積dS上的微小軸力，各點微小軸力組成一個平行內力系，其合力為軸力N，于是建立σ與N的靜力關系，即

（3）

由此得出拉桿的正應力計算公式為：

（4）

由公式（1）、（2）和（4）得出：

（5）

其中：為均質棒料4的變形量，L為均質棒料拉伸部402的長度，N為軸力，軸力大小等于拉伸載荷，S為均質棒料拉伸部402的凈截面積。

步驟（5），根據釬焊棒料3的載荷-位移曲線以及均質棒料4母材的彈性模量，計算釬縫2處的彈性模量，根據均質棒料4母材的彈性模量以及釬焊棒料3的力學性能曲線，繪制釬縫2的強化曲線。

對釬焊接頭進行拉伸試驗測定釬縫處彈性模量和強化參數：

（6）

（7）

其中，為釬縫2的軸向長度，為釬焊棒料拉伸部302母材的軸向長度，為釬焊棒料拉伸部302的長度，為釬縫2的變形量，為釬焊棒料拉伸部302母材的變形量，為釬焊棒料拉伸部302的總變形量。

釬縫2處軸向殘余應力為0，因此由釬焊產生的殘余應力對單軸拉伸沒有影響。有胡可定律得出：

（8）

即

（9），

其中，A為釬焊棒料拉伸部302的凈截面積。

從而得出釬縫2處的彈性模量的計算方法：

。

如圖6所示：釬焊接頭力學性能曲線，標定釬縫2強化參數：

OA階段為彈性階段，斜率是馬氏體時效鋼和釬縫2彈性變形綜合的結果。

馬氏體時效鋼的屈服強度大于釬料的抗拉強度，因此點A以后的強化階段可以認為是釬縫2的塑性變形，忽略馬氏體時效鋼發(fā)生塑性變形對釬縫區(qū)的影響。

以初始屈服點A為坐標原點，重新建立新的應力應變坐標系。

新坐標系縱坐標與原坐標縱坐標的偏移角度，

（10）

在新坐標系下得到的強化曲線即為釬縫2的強化曲線。

拉伸實驗是獲得材料力學性能常用的方法。利用拉伸實驗，可以得到材料的彈性模量、比例極限、屈服點、屈服應力、抗拉強度等性能指標。對于微小尺度（50~150μm）的釬焊接頭來說，普通拉伸實驗無法直接獲得釬縫2處力學性能，母材的力學性能曲線會把釬縫2的性能掩蓋。針對釬縫2力學性能難以測定的問題，已有裝置采用掃描電子顯微鏡的方式記錄釬縫區(qū)的變形，雖然同樣能達到測量釬焊接頭釬縫2力學性能的目的，但是其存在費用較高的問題，同時只能表征局部的釬縫2力學性能，不能表征整體釬縫2的力學的性能。

本實驗方法是通過多層釬焊，綜合現有理論和實驗，通過放大釬縫區(qū)力學性能曲線達到利用宏觀普通力學拉伸試樣獲得釬縫區(qū)力學性能的方法。釬焊過程會使得釬縫2處產生殘余應力，使得材料進入屈服狀態(tài)。發(fā)明人通過研究發(fā)現，在垂直于釬焊面方向，其釬焊殘余應力整體為0，邊界層效應可以予以忽略，因此可以忽略殘余應力對拉伸性能的影響。

本實驗方法是通過多層釬焊，綜合現有理論和實驗，通過放大釬縫區(qū)力學性能曲線達到利用宏觀普通力學拉伸試樣獲得釬縫區(qū)力學性能的方法。釬焊過程會使得釬縫處產生殘余應力，使得材料進入屈服狀態(tài)。發(fā)明人通過研究發(fā)現，在垂直于釬焊面方向，其釬焊殘余應力整體為0，邊界層效應可以予以忽略，因此可以忽略殘余應力對拉伸性能的影響。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術方案內容，依據本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。