[发明专利]用于异种材料激光焊接的多元热力学计算及界面分析方法

说明书

本发明是一种应用于异种材料激光焊接的多元合金热力学计算和界面行为分析方法，尤其涉及异种材料激光焊接技术领域，目的是解决目前材料未实现节能减排、成本较高以及运载力不足的问题，本方法首先确定进行热力学计算的合金体系，一般为母材金属和过渡金属元素构成的三元或四元合金体系；其次，选择计算温度T，该温度的选择可根据激光功率密度、温度场模拟等进行选择，最后，计算出所选温度T下体系的摩尔吉布斯自由能和各组元的化学势；本方法简便、容易实施，不需要大量的原材料和实验，可以节省时间提高效率并降低试验和材料的成本。

技术领域

本发明涉及异种材料激光焊接技术领域，具体涉及一种应用于异种材料激光焊接的多元合金热力学计算和界面行为分析方法。

背景技术

为实现节能减排、降低成本、提高运载能力,选用轻质材料实现结构轻量化，逐渐成为产品研发和生产的必然趋势。为了充分利用材料的各自优点，满足工业生产对复合结构件的材料综合性能要求，不可避免涉及到镁/钛、镁/钢、镁/铜、铝/钢异种材料的连接。异种金属的可靠连接有助于发挥两种材料的优势，起到“物尽其用”的效果，达到材料使用性能和经济效益的平衡。

镁-钛、镁-钢、镁-铜异种金属属于既不反应也不互溶体系，两者仅靠自身无法实现冶金结合，因此利用母材和焊丝中的微量合金元素以及外在添加合金元素(如镀层金属等)，在反应过程中获得中间过渡层成为实现两者冶金反应的重要手段。而对于铝-钢异种可反应金属体系，依然需要借助合金元素的调控来改善钎料在钢侧的润湿铺展性能、以及调控界面金属化合物层的种类和厚度。

合金元素的调控机制是实现异种材料高效连接的关键问题，对于合金元素种类的选择以及焊接工艺优化具有理论指导意义。本方法提出界面行为分析方法，在前人研究热力学计算的基础上，将计算引入到异种材料激光焊接领域，对于合金元素的选择、预测界面元素扩散行为、预测界面生成相、焊接工艺优化以及揭示合金元素界面作用机理具有重大意义。

发明内容

为解决异种材料激光后续焊接工艺研究困难、预测行为不准确、无法揭示界面反应机理和分析生长机制的问题，本发明提出一种应用于异种材料激光焊接的多元合金热力学计算和界面行为分析方法，本发明的技术方案如下：

该方法包括以下步骤：

步骤一，确定进行热力学计算的三元或四元的合金体系；

步骤二，选择计算温度T，该温度的选择根据激光功率密度和温度场模拟进行选择；

步骤三，计算所选温度T下纯组元的摩尔吉布斯自由能

步骤四，根据Miedema半经验模型计算出两组元体系的形成焓ΔH_1,2，结合Tanaka理论计算出两组元体系的过剩吉布斯自由能

步骤五，计算所选择三元、四元合金体系的过剩吉布斯自由能或

步骤六，计算三或四元合金体系的吉布斯自由能及各组元的化学势μ_i；

步骤七，选择计算软件MATLAB，根据步骤二至步骤六的内容编辑计算程序并运行程序完成计算，得到温度T下三元或四元合金体系的吉布斯自由能及体系中各组元的化学势；

步骤八，计算完成后输出计算结果的数据文件，并根据计算结果对合金体系的吉布斯自由能、化合物形成、界面元素扩散和异种材料结合机制进行整合。

进一步地，通过三或四元体系结合吉布斯自由能的轮廓图与界面限制元素含量，进行界面生成相的预测与分析，根据各组元的化学势轮廓图，以及中间过渡元素的化学势分析其扩散趋势，最终判断中间过渡元素在异种材料连接过程中的作用并分析界面结合机制。

进一步地，除采用固定合金成分或比例的方法进行详细分析，还包括所选焊丝成分模拟熔池主要元素组成、不熔母材界面行为分析时设定另一母材含量为零、进行非预测分析时结合能谱EDS结果。