专利名称：一种预测扩散连接条件的宏观方法
技术领域：
本发明属机械制造和加工学科的扩散连接领域。
扩散连接技术是当满足适当表面粗糙度的工件，在一定的温度、压力和时间的条件下，实现扩散型固态连接的方法。扩散连接技术在工业生产中已得以广泛的应用，它可以实现同类或不同类材料、两个或多个工件间的固态连接，从而带来减少其结构的零部件或连接件数目，提高其安全性和寿命，节约工时等显著优点。如某发动机舱盖，采用扩散连接技术后，重量减轻20．5％，成本降低55．0％，连接数目减少58．1％，连接件数量减少77．0％，工装数量减少75．0％，工装成本降低63．0％。但是，扩散连接领域一直存在的技术难题之一是难以准确而又简便地预测扩散连接的条件，诸如表面粗糙度、温度、压力和时间。长期以来，人们一直试图采用建立扩散连接微观机制(一般包括，塑性变形、蠕变、扩散、三项机制)与宏观条件(粗糙度、温度、压力、时间)间的关系模型，习惯称为微观模型，来预测扩散连接条件。但是，所有的微观模型从其本质和方法上都存在以下不足或缺点a)微观模型预测的扩散连接条件准确性差。这是由于微观模型常把表面粗糙度简化成单向对称又均匀一致的几何形状，应用了很多简化条件；加之三项微观机制又是自然地按竞争方式，单项或多项地交替性作用，这种交替作用的自然准则、次序和作用程度是难以从微观模型中彻底划分清楚的。b)微观模型的实用性差，不方便。这是因为微观模型包含很多材料性能、热力学和动力学参数，这些参数需经大量和复杂的实验才能获得。另外，对于微观模型的理解和计算也都需要专门的知识，不便于工程应用。
本发明的目的是针对目前无法准确、简便地预测扩散连接条件的这一技术难题，提出一种预测扩散连接条件的宏观方法。工程中应用该方法来预测扩散连接条件，既准确又方便。
本发明的技术方案如下1)应用高斯分布函数统计性表达表面粗糙度，这种表达比以往把表面粗糙度理想化为简单的几何形状更接近实际，然后按塑性力学方法，推导出具有高斯分布特征的粗糙表面实现平整化所需要的压力。2)推导上述中的压力时，该压力与材料的屈服应力和表面粗糙度有关。3)应用包含扩散连接机制的宏观屈服方程，反映出屈服压力与扩散连接其它条件如温度、时间的关系。一旦粗糙面全部压平，理论和实践公认为，扩散连接已很好完成。通过优化粗糙面压平时的温度、压力、时间和表面粗糙度的条件，可实现预测扩散连接的条件。与传统的依据微观动力学模型预测扩散连接条件方法比较，该方法简易准确。
具体方案详述如下，1)当一刚性平面和一塑性平面凸凹峰接触时，由Prandl的滑移线解法可知，任一接触峰上的载荷g(δ)按理想塑性压缩情况计算出的结果为 其中δ为最高峰接触至当前压下状态间的压下量，Y0是被连接材料的屈服压力，Ks是接触峰的曲率。为简化，可以认为每个接触峰曲率相同，如把总接触载荷除以名义屈服面积A0，则名义压力可以由下列积分求得， 其中N为接触峰总数，zmax为最高峰高度，ρs为接触峰的面积密度(单位面积接触峰数目)，Greewood通过大量研究发现，对接触问题，面积密度ρs与线密度ρl之间的关系为ρs=1．8ρl2。h为当前压力状态时，粗糙面基准与刚性面间的距离。Фz为粗糙面高度统计值的高斯分布函数，表达式为 其中σh和z分别为粗糙高度统计值的标准方差和平均高度，以上z、Ks、ρ1、zmax、z和σh均可由表面轮廓仪容易地测出。综合公式1-3可得出由接触力学计算出的压力为 该式反映了接触压力与被连接件材料的屈服应力和表面粗糙度有关。依据包含扩散连接三项机制的屈服方程，可联系屈服应力Y0和扩散连接其它条件如温度、时间之间的关系，关系式如下 其中α、β、γ、C1、α1、β1、γ1是材料和温度的参数，μ是独立与温度和材料的参数，d是晶粒的平均尺寸，X是内硬化变量，κ是材料的初始屈服应力。应用公式5-7拟合被连接材料的高温拉伸曲线，可得出任一扩散连接条件下被连接材料的屈服应力Y0。Y0代入公式4，就可建立起扩散连接条件与扩散连接程度(凸峰压平程度)的关系，从而实现从宏观上预测扩散连接条件。
与传统的依据微观动力学模型预测扩散连接条件方法比较，该方法简易准确。
权利要求
本发明公开了一种预测扩散连接条件的方法；其主要特征为通过考虑欲连接表面粗糙度的统计特性，根据塑性力学原理，直接推导出扩散连接过程中粗糙凸峰压平所需的压力，该压力与被连接材料的屈服强度和表面粗糙度有关；应用基于扩散连接机制的宏观屈服方程，反映出屈服强度与扩散连接其它条件如温度、时间的关系。一旦粗糙面全部压平，理论和实践公认为，扩散连接已很好完成。通过求解粗糙面压平程度与温度、压力、时间和表面粗糙度的条件，可实现预测扩散连接的条件。
全文摘要
本发明属机械制造与加工学科中的扩散连接领域。本发明公开了一种预测扩散连接条件的方法,其主要特征为:考虑欲连接表面粗糙度的统计特性,根据塑性力学原理,推导出扩散连接过程中粗糙凸峰压平所需的压力;应用基于扩散连接机制的宏观屈服方程,反映出屈服强度与扩散连接其它条件如温度、时间的关系。通过求解粗糙面压平程度与温度、压力、时间和表面粗糙度的条件,实现预测扩散连接的条件,与传统方法比较,该方法简易准确。
文档编号B23K20/00GK1292315SQ99115868
公开日2001年4月25日 申请日期1999年10月8日 优先权日1999年10月8日
发明者傅增祥, 王智慧 申请人:傅增祥, 王智慧