同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010369929.7 (22)申请日 2020.04.30 (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 董志波卢伟泽周守振郭军礼 方洪渊 (74)专利代理机构 哈尔滨市阳光惠远知识产权 代理有限公司 23211 代理人 刘景祥 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G16C 60/00(2019.01) B23K 20/02(2006.01) B23K 31/12(2006.01) 。

2、G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的 模拟方法 (57)摘要 本发明是一种同种金属材料扩散焊界面微 洞焊合的模拟方法。 获取同种金属材料扩散焊界 面微洞焊合的模拟的计算参数； 计算塑性形变作 用后界面处的接合长度和微洞高度； 求解各级模 块构成的常微分方程的初始值， 确定微洞高度和 界面处接合长度随焊接时间的变化数据； 求解扩 散焊接的总体焊合率， 在扩散焊接界面处的变化 行为结束， 微洞焊合完成。 本发明改进了模拟计 算精度较低、 与实际焊接吻合程度较低等问题， 能够实现同种材料扩散焊接界面。

3、处微洞焊合过 程的模拟， 并能独立分析各个模块对于微洞焊合 的贡献， 获得焊合率随焊接时间的变化数据。 从 而可以用模拟替代实验研究扩散焊接的规律和 摸索工艺参数， 并为扩散焊接界面行为演变提供 一定的理论依据。 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 CN 111639416 A 2020.09.08 CN 111639416 A 1.一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 其特征是： 包括以下步骤： 步骤1： 获取同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数； 步骤2： 采用迭代法， 计算塑性形变作用后界面处的接合长度和微洞高度； 步骤3： 采用四级Runge-Kutta法求解表面。

4、源模块、 界面源模块和蠕变模块构成的常微 分方程的初始值， 确定微洞高度和界面处接合长度随焊接时间t的变化数据； 步骤4： 求解扩散焊接的总体焊合率， 在扩散焊接界面处的变化行为结束， 微洞焊合完 成。 2.根据权利要求1所述的一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 其特征 是： 获取同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数包括： 获取焊接工艺参数： 包 括焊接温度T和焊接压力P； 获取焊接界面处微洞的初始几何参数： 包括微洞的初始高度h0、 表面轮廓最大高度Rz、 初始宽度2b0和表面轮廓单元平均宽度Rsm； 获取待焊材料在对应焊接 温度的材料参数： 包括表面扩散厚度 s、 表。

5、面扩散系数指前因子D0s、 表面扩散激活能Qs、 体 积扩散系数指前因子D0V、 体积扩散激活能QV、 晶界扩散厚度与指前因子的乘积 BD0B、 晶界扩 散激活能QB、 蠕变常数A、 蠕变指前因子D0c、 蠕变激活能Qc、 蠕变指数n、 表面能、 原子体积 、 蒸气压PV、 密度 、 Burgers矢量屈服强度 s和剪切模量G。 3.根据权利要求2所述的一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 其特征 是： 同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数还包括Boltzmann常数k和气体常 数R。 4.根据权利要求1所述的一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 其特征 是： 确。

6、定界面处的接合长度和微洞高度， 通过下式表示界面处的接合长度和微洞高度： 对界面处的接合长度和微洞高度采用迭代法计算塑性形变作用后界面处的接合长度 和微洞高度， 并将塑性形变作用后界面处的接合长度和微洞高度最为初始参数， 同时定义 此时为初始时刻。 5.根据权利要求1所述的一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 其特征 是： 采用四级Runge-Kutta法求解表面源模块、 界面源模块和蠕变模块构成的常微分方程的 初始值， 得到表面源模块、 界面源模块和蠕变模块独立作用时的微洞高度h2、 h3、 h4随焊接时 间变化的数据， 得到表面源模块、 界面源模块和蠕变模块独立作用时的界面处接合。

7、长度l2、 l3、 l4随焊接时间变化的数据， 得到确定微洞高度和界面处接合长度随焊接时间t的变化数 据。 6.根据权利要求5所述的一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 其特征 是： 为保证计算的精确度， 在运用四级Runge-Kutta法时依据焊接时间t逐级设置不同的计 算步长。 7.根据权利要求6所述的一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 其特征 权利要求书 1/2 页 2 CN 111639416 A 2 是： 当0t1时， 计算步长设为0.001； 当1t5时， 计算步长设为0.01； 当5t10时计 算步长设为0.1； 当t10时， 计算步长设为1。 8.根据权利。

8、要求1所述的一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 其特征 是： 求解扩散焊接的总体焊合率， 通过下式表示扩散焊接的总体焊合率： 其中， 为扩散焊接的总体焊合率， s为塑性形变作用后焊合率、 2、 3和 4为表面源模 块、 界面源模块和蠕变模块独立作用时的焊合率； 当 100时各模块均停止作用， 此时扩散焊接界面处的变化行为结束， 微洞焊合完 成。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111639416 A 3 一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法 技术领域 0001 本发明涉及微洞焊接技术领域， 是一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟 方法。 背景技术 0002 扩散焊接的。

9、过程可以分为四个部分： 首先在初始状态， 凹凸不平的待焊界面相互 接触， 在界面处形成若干微洞； 通过焊接温度和压力的作用， 在接触处产生塑性变形， 接触 面积扩大而形成部分界面； 接触表面发生元素扩散和晶界迁移， 微洞不断减小； 通过体积扩 散使微洞消除形成可靠接头。 因此， 扩散焊接的过程可以看作是将界面处的微洞尽可能地 消除， 从而提高焊合率并形成可靠接头的过程。 界面处的微洞受到工艺参数的影响， 而微洞 的存在也将影响到接头的可靠性。 因此， 对微洞焊合进行研究具有重要意义。 0003 针对金属材料扩散焊界面处微洞焊合的问题， 众多学者从数值模拟的角度提出了 不同的焊合模型。 其中， 。

10、有学者认为界面处的微洞在焊合过程中受到了四个模块(塑性变形 模块、 表面源模块、 界面源模块、 蠕变模块)的联合作用， 其他学者在此基础上曾进行过一些 有益的探索(例如： Science China Technological Sciences， 2012， 55(9)： 2420-2431)， 但 是又各自存在着一些问题， 例如模拟计算精度较低、 与实际焊接的吻合程度较低等。 发明内容 0004 本发明为提高模拟计算精度， 本发明提供了一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊 合的模拟方法， 本发明提供了以下技术方案： 0005 一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 包括以下步骤： 000。

11、6 步骤1： 获取同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数； 0007 步骤2： 采用迭代法， 计算塑性形变作用后界面处的接合长度和微洞高度； 0008 步骤3： 采用四级Runge-Kutta法求解表面源模块、 界面源模块和蠕变模块构成的 常微分方程的初始值， 确定微洞高度和界面处接合长度随焊接时间t的变化数据； 0009 步骤4： 求解扩散焊接的总体焊合率， 在扩散焊接界面处的变化行为结束， 微洞焊 合完成。 0010 优选地， 获取同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数包括： 获取焊 接工艺参数： 包括焊接温度T和焊接压力P； 获取焊接界面处微洞的初始几何参数： 包括微洞 。

12、的初始高度h0、 表面轮廓最大高度Rz、 初始宽度2b0和表面轮廓单元平均宽度Rsm； 获取待焊材 料在对应焊接温度的材料参数： 包括表面扩散厚度 s、 表面扩散系数指前因子D0s、 表面扩散 激活能Qs、 体积扩散系数指前因子D0V、 体积扩散激活能QV、 晶界扩散厚度与指前因子的乘积 BD0B、 晶界扩散激活能QB、 蠕变常数A、 蠕变指前因子D0c、 蠕变激活能Qc、 蠕变指数n、 表面能 、 原子体积、 蒸气压PV、 密度 、 Burgers矢量屈服强度 s和剪切模量G。 0011 优选地， 同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数还包括Boltzmann 常数k和气体常数R。 。

13、说明书 1/5 页 4 CN 111639416 A 4 0012 优选地， 确定界面处的接合长度和微洞高度， 通过下式表示界面处的接合长度和 微洞高度： 0013 0014 对界面处的接合长度和微洞高度采用迭代法计算塑性形变作用后界面处的接合 长度和微洞高度， 并将塑性形变作用后界面处的接合长度和微洞高度最为初始参数， 同时 定义此时为初始时刻。 0015 优选地， 采用四级Runge-Kutta法求解表面源模块、 界面源模块和蠕变模块构成的 常微分方程的初始值， 得到表面源模块、 界面源模块和蠕变模块独立作用时的微洞高度h2、 h3、 h4随焊接时间变化的数据， 得到表面源模块、 界面源模。

14、块和蠕变模块独立作用时的界面 处接合长度l2、 l3、 l4随焊接时间变化的数据， 得到确定微洞高度和界面处接合长度随焊接 时间t的变化数据。 0016 优选地， 为保证计算的精确度， 在运用四级Runge-Kutta法时依据焊接时间t逐级 设置不同的计算步长。 0017 优选地， 当0t1时， 计算步长设为0.001； 当1t5时， 计算步长设为0.01； 当5 t10时计算步长设为0.1； 当t10时， 计算步长设为1。 0018 优选地， 求解扩散焊接的总体焊合率， 通过下式表示扩散焊接的总体焊合率： 0019 0020 其中， 为扩散焊接的总体焊合率， s为塑性形变作用后焊合率、 2、。

15、 3和 4为表面 源模块、 界面源模块和蠕变模块独立作用时的焊合率； 0021 当 100时各模块均停止作用， 此时扩散焊接界面处的变化行为结束， 微洞焊 合完成。 0022 本发明具有以下有益效果： 0023 本发明改进了原有若干方法中模拟计算精度较低、 与实际焊接吻合程度较低等问 题， 并完善了相关的计算细节， 能够实现同种材料扩散焊接界面处微洞焊合过程的模拟， 并 能独立分析各个模块对于微洞焊合的贡献， 获得焊合率随焊接时间的变化数据。 从而可以 用模拟替代实验研究扩散焊接的规律和摸索工艺参数， 并为扩散焊接界面行为演变提供一 定的理论依据。 附图说明 0024 图1为同种金属材料扩散焊。

16、界面微洞焊合的模拟方法流程图； 0025 图2为焊合率随焊接时间变化的曲线图。 说明书 2/5 页 5 CN 111639416 A 5 具体实施方式 0026 以下结合具体实施例， 对本发明进行了详细说明。 0027 具体实施例一： 0028 根据图1所示， 本发明提供一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 包 括以下步骤： 0029 一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法， 包括以下步骤： 0030 步骤1： 获取同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数； 0031 获取同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数包括： 获取焊接工艺参 数： 包括焊接温度T和焊接压力。

17、P； 获取焊接界面处微洞的初始几何参数： 包括微洞的初始高 度h0、 表面轮廓最大高度Rz、 初始宽度2b0和表面轮廓单元平均宽度Rsm； 获取待焊材料在对应 焊接温度的材料参数： 包括表面扩散厚度 s、 表面扩散系数指前因子D0s、 表面扩散激活能 Qs、 体积扩散系数指前因子D0V、 体积扩散激活能QV、 晶界扩散厚度与指前因子的乘积 BD0B、 晶界扩散激活能QB、 蠕变常数A、 蠕变指前因子D0c、 蠕变激活能Qc、 蠕变指数n、 表面能、 原 子体积、 蒸气压PV、 密度 、 Burgers矢量屈服强度 s和剪切模量G。 0032 同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟的计算参数还包括。

18、Boltzmann常数k和 气体常数R。 0033 步骤2： 采用迭代法， 计算塑性形变作用后界面处的接合长度和微洞高度； 0034 确定界面处的接合长度和微洞高度， 通过下式表示界面处的接合长度和微洞高 度： 0035 0036 对界面处的接合长度和微洞高度采用迭代法计算塑性形变作用后界面处的接合 长度和微洞高度， 并将塑性形变作用后界面处的接合长度和微洞高度最为初始参数， 同时 定义此时为初始时刻。 0037 步骤3： 采用四级Runge-Kutta法求解表面源模块、 界面源模块和蠕变模块构成的 常微分方程的初始值， 确定微洞高度和界面处接合长度随焊接时间t的变化数据； 0038 采用四级。

19、Runge-Kutta法求解表面源模块、 界面源模块和蠕变模块构成的常微分 方程的初始值， 得到表面源模块、 界面源模块和蠕变模块独立作用时的微洞高度h2、 h3、 h4随 焊接时间变化的数据， 得到表面源模块、 界面源模块和蠕变模块独立作用时的界面处接合 长度l2、 l3、 l4随焊接时间变化的数据， 得到确定微洞高度和界面处接合长度随焊接时间t的 变化数据。 说明书 3/5 页 6 CN 111639416 A 6 0039 0040 0041 0042 优选地， 为保证计算的精确度， 在运用四级Runge-Kutta法时依据焊接时间t逐级 设置不同的计算步长。 0043 当0t1时， 计。

20、算步长设为0.001； 当1t5时， 计算步长设为0.01； 当5t10 时计算步长设为0.1； 当t10时， 计算步长设为1。 0044 步骤4： 求解扩散焊接的总体焊合率， 在扩散焊接界面处的变化行为结束， 微洞焊 合完成。 0045 求解扩散焊接的总体焊合率， 通过下式表示扩散焊接的总体焊合率： 0046 0047 其中， 为扩散焊接的总体焊合率， s为塑性形变作用后焊合率、 2、 3和 4为表面 源模块、 界面源模块和蠕变模块独立作用时的焊合率； 0048 当 100时各模块均停止作用， 此时扩散焊接界面处的变化行为结束， 微洞焊 说明书 4/5 页 7 CN 111639416 A 。

21、7 合完成。 0049 具体实施例二： 0050 按照图1流程图， 对TC4钛合金在温度为850、 压力为20MPa下的扩散焊接进行模 拟计算。 本实例的具体步骤说明如下： 0051 步骤1： 获取模拟所涉及的计算参数。 1)焊接工艺参数： 温度T1123K， 压力P 20MPa。 2)微洞初始几何参数： 初始高度h01.1510-6m， 初始半宽度b02.5110-6m。 3)材 料参数： 表面扩散厚度 s10-10m， 表面扩散系数指前因子D0s510-6m2s-1， 表面扩散激 活能Qs8.9104Jmol-1， 体积扩散系数指前因子D0V8.610-10m2s-1， 体积扩散激活 能Q。

22、V1.5105Jmol-1， 晶界扩散厚度与指前因子的乘积 BD0B3.610-16m3s-1， 晶界 扩散激活能QB1.3105Jmol-1， 蠕变常数A103， 蠕变指前因子D0c8.610-10m2s-1， 蠕变激活能Qc1.5105Jmol-1， 蠕变指数n4.3， 表面能1.7Jm-2， 原子体积 1 .7610-29m3， 蒸气压PV1 .3310-9Pa， 密度 4 .51103kgm-3， Burgers矢量 屈服强度 s102.92MPa， 剪切模量G14.71GPa。 4)其它常数： Boltzmann 常数k1.3810-23JK-1， 气体常数R8.314Jmol-1K。

23、-1。 0052 步骤2： 求解塑性变形模块。 运用迭代法， 计算可得塑性变形作用后界面处的接合 长度ls2.9410-7m和微洞的高度hs8.0510-7m。 将此参数作为其它模块作用的初始参 数， 并定义此时为初始时刻t0。 0053 步骤3： 求解表面源模块、 界面源模块和蠕变模块。 运用四级Runge-Kutta法求解， 得到各模块独立作用时的微洞高度h2、 h3、 h4和界面处接合长度l2、 l3、 l4随焊接时间t的变化 数据。 Runge-Kutta法的计算步长根据焊接时间t逐级设置： 当0t1时计算步长设为 0.001， 当1t5时计算步长设为0.01， 当5t10时计算步长设。

24、为0.1， 当t10时计算步 长设为1。 0054 步骤4： 求解扩散焊接的总体焊合率。 将各模块独立作用时的焊合率 s、 2、 3、 4相 叠加， 可得到界面处总体焊合率 随焊接时间t的变化数据， 绘制成曲线图如图2所示。 当 100时各模块均停止作用， 此时扩散焊接界面处的变化行为结束， 结果表明微洞焊合完成 的时间在1392s以上。 0055 以上所述仅是一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法的优选实施方 式， 一种同种金属材料扩散焊界面微洞焊合的模拟方法的保护范围并不仅局限于上述实施 例， 凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。 应当指出， 对于本领域的技术人 员来说， 在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化， 这些改进和变化也应视为本发明 的保护范围。 说明书 5/5 页 8 CN 111639416 A 8 图1 图2 说明书附图 1/1 页 9 CN 111639416 A 9 。