粘接强度测量——反射法（二）

        选用S7工具钢作为试验材料，为便于机械加工，加工前应经过球化退火处理(见图10-3a)。加工成50mm x 50mm x 75mm的立方体，其中50mm x 75mm的平面应保持平滑，用做粘接表面。这些样品块的尺度足够大，完全满足试样粘接后，制作包含粘接区域的圆柱形拉伸试样所需的尺寸(粘接界面在圆柱形拉伸试样的中部，界面与其轴线垂直)。采用真空热压技术共制备了三个试样，热压温度为1100℃，压力分别为10MPa、5MPa、20MPa(对应试样1、2、3)，压力保持时间均为20min。

        为了保持材料在粘接后的可加工性，试样的冷却速度应非常缓慢，以防止发生马氏体相变。在上述热加工过程中生成了大晶粒的珠光体/马氏体组织(见图10-3b)，其硬度较低(约为29HRC)。扩散粘接之后马上在5个位置进行了超声波测量。通过线切割方法，自试块上切割制备了3个圆柱体试样，而剩余材料则通过热处理得到以马氏体为主的组织(见图10-3c)，其硬度提高到45HRC。对钢块再一次进行超声波检测并通过线切割加工又制备了两个拉伸试样。

图10-3  S7工具钢的微观结构

a）球化退火状态   b）在1100℃粘接并经过18h的冷却   c）经过热处理以提高硬度后的马氏体结构

        利用MTS液压控制拉伸机测试3种压力下粘接的扩散焊接试样以及经过热处理后的拉伸试样。将圆柱体试样的两端夹住，拉伸至其断裂，以确定试样失效时的负载。

        超声波实验是通过由计算机控制的水浸装置来进行的。宽带超声波换能器所用的中心频率为5MHz和10MHz。从界面垂直反射回来的超声波信号通过数字示波器进行放大、数字化和平均处理之后输入计算机形成数据文件。这些数据由FFT程序进行频域处理并与参考信号进行反卷积，参考信号来自退火态S7钢试样的底面回波。

        图10-4a是一组典型的时域回波信号。顶部的曲线是参考试样的底面反射回波，下面的两条曲线分别为试样2(粘接压力为5MPa)经过热处理后两个粘接区域(A和B)的反射信号。相应的频谱如图10-4b所示，将焊接处反射信号的频谱与参考试样的频谱进行反卷积运算，得到的频谱如图10-4c所示。图10-4c中的理论曲线(实线)是由式(10-4)计算出来的，其中的界面刚度经过了优化处理，以使之与实验数据符合得更好，可以看出，在高频区的确获得了较强的反射，并且理论与实验符合得很好。

图10-4  时域反射信号和频谱图

a）参考试样底部的时域反射信号和试样2(热处理之后）扩散粘接的时域反射信号

b）相应的反射谱        c）与参考试样频谱进行反卷积运算后的频谱

        对试样1和3(粘接压力分别为10MPa和20MPa)进行同样的测试。试样1的扩散粘接质量高于试样2，因此粘接处的反射较弱且对应较高的界面刚度。而试样3由于没有粘接缺陷，未观察到声波反射现象。超声波所测得的界面刚度与通过拉伸试验所测得的粘接强度(单位面积)的比较如图10-5所示。实线所显示的趋势是：强度越高，对应的界面刚度越高。进而言之，对于上述粘接工艺而言，可以借助界面刚度与粘接强度之间的相关性对粘接界面的粘接强度进行超声波评价。

        在试样进行热处理之前，同样进行了超声波测量与拉伸试验，结果如图10-6所示。可以看到高频时的反射幅度更小，并且没有式(10-4)中的频率依赖项，其原因是在扩散粘接之后钢中出现了尺寸非常大的晶粒(见图10-3b)。金相分析观察到，粘接后而没进行热处理时，试样中的平均晶粒尺寸约为50μm,参考试样中的平均晶粒尺寸约为15μm。由于在瑞利区域中由晶粒散射所导致的衰减为D3f4(其中D是晶粒尺寸，f是频率)，因此高频时的高衰减应归因于粘接后没进行热处理的试样中存在的大尺寸晶粒造成的。为了确定这种条件下的粘接界面刚度，应使用与粘接试样处理条件相同的退火试样作为参考试样。

图10-5  超声方法所测得的扩散粘接层的界面刚度         

与粘接强度的关系     

图10-6  超声波测量与拉伸试验                   

 a）参考试样底部和试样2(热处理之前）来自扩散粘接处的时域发信号  b）相应的反射谱