攪拌摩擦焊中鋁合金板材溫度場的研究現狀

龐嘉堯，余 樂，楊 宏

（陜西理工大學機械工程訓練中心，陜西 漢中 723003）

引言

攪拌摩擦焊（FSW）自從被發明后，因其接頭性能好、焊縫質量高、適用范圍廣、損耗小等優點被廣大科技工作者持續關注，并取得了諸多研究成果，促使該技術在航空航天、軌道交通、船舶制造等行業廣泛應用[1]。但研究發現，焊縫溫度場發生輕微的變化會造成焊縫組織、性能產生顯著改變[2]；同時FSW焊接過程中的溫度分布也影響被焊金屬的塑形流動、應力應變、微觀組織轉變，產生焊接缺陷，從而影響焊接接頭的性能。因此，FSW焊接過程中的溫度場在整個焊接過程中起著關鍵作用，深入了解FSW過程中的溫度分布是十分必要的。

1 攪拌摩擦焊中的熱量來源

常規條件下，鋁合金板材在攪拌摩擦焊中的熱量來源主要是攪拌頭與待焊母材的摩擦產熱和母材內部的金屬塑性變形產熱；其中，軸肩與母材的摩擦產熱是FSW焊接過程中熱量的主要來源[3]。在摩擦產熱中，攪拌頭與被焊母材的摩擦機制大致可分為兩種：滑動摩擦機制、黏著摩擦機制[4]。當攪拌頭與待焊母材初始接觸時，僅產生滑動摩擦，故該階段可用庫倫摩擦模型表示；當攪拌頭與待焊母材發生一段時間的摩擦后，焊接溫度升高，部分塑化金屬將會與攪拌頭黏著，隨后在摩擦作用下將會產生剪切滑動，故此階段可用剪切摩擦模型表示[5]。由于實際焊接過程中攪拌頭與待焊母材之間升溫快，很難真正區分兩種機制的階段，因此常用黏著摩擦表示FSW過程中穩態階段。

塑性變形產熱是材料在變形流動過程中黏滯耗散產生的[6-7]，即攪拌頭附近塑化金屬運動產生熱量。在焊接過程中被焊母材的塑性變形頻率越高、變形量越大、散熱時間較短時，焊縫附近的熱量就愈多，溫度亦愈高。在鋁合金薄板特別是在高速攪拌摩擦焊接鋁合金薄板的過程中，塑性變形產熱是焊接熱量的主要來源。

與此同時，在焊接過程中對被焊材料進行加熱和冷卻，焊核區會發生相變反應，特別是異種金屬焊接時會形成新相，產生相變潛熱，影響FSW的焊接溫度場。加之，在FSW焊接過程中，存在溫度梯度，且焊接區冷卻速度較快，造成溫度分布不均勻，導致焊件熱力膨脹不同步，從而改變焊件的應力狀態，加劇焊件因變形產生的熱量。這也影響FSW焊接過程中的溫度分布。然而這兩種產熱形式產生的熱量非常少，很難準確檢測，故在FSW研究中一般都忽略相變潛熱和變形產熱。

研究[8-9]發現，適當增加待焊母材的初始溫度，可改善FSW焊縫的組織及力學性能。因此，研究者開始將攪拌摩擦焊技術與一些產熱設備相結合，設計出了復合焊接的方法。其中，可結合的輔助產熱有火焰加熱、加載電流、激光、感應線圈、等離子、超聲波等。這些輔助熱源均可促進待焊母材的塑化，降低焊接過程中攪拌頭的下壓力和焊接阻力，提升焊縫金屬的流動性，促進焊接效率，保證接頭的組織與性能[10]。輔助熱源擴大了攪拌摩擦焊的使用范圍，但工序復雜，成本較高，故此類技術暫未被大規模商用。

2 攪拌摩擦焊中鋁合金板的溫度場

FSW焊接過程主要包括三個階段：攪拌頭插入被焊母材階段、穩定焊接階段、攪拌頭退出被焊母材階段[11]。其中，焊接溫度場主要表現為：在攪拌頭插入被焊母材階段，焊接溫度逐漸上升；該階段主要是由于攪拌頭與被焊母材摩擦生熱，造成焊接溫度快速升高；穩定焊接階段，焊接溫度達到穩定水平，焊接過程中溫度曲線存在波動，但變化不大。該過程不僅存在攪拌頭與被焊母材摩擦生熱，且因待焊母材被加熱塑化，產生塑性流動生熱；但在焊接過程中存在熱量散失，如墊板散熱、攪拌頭散熱等，造成焊接溫度曲線存在波動；在攪拌頭退出被焊母材階段，焊接溫度逐漸降低，直至室溫。此階段主要是焊接結束，無熱量來源，而熱量持續散失，直到室溫。

焊接過程中的溫度場在焊縫上表面沿焊縫中心向外，依次為“圓形”“橢圓形”分布，攪拌頭前方溫度梯度高于后方，且高溫區前方較窄而后方較寬[12]。原因為攪拌針與待焊母材的摩擦產熱主要集中在攪拌針前端[13]，造成熱量輸入增加；且焊接過程中，攪拌頭前進時，攪拌頭前方高溫塑化金屬被擠壓至后方，為后側金屬提供了熱量，而前方金屬主要還是依靠熱傳導提升溫度，最終造成溫度梯度的差異。另外，在研究中發現焊接過程中的峰值溫度位于熱源后側并非在熱源處[14]，且處于前進側后部而非攪拌針正后方，這主要是FSW中材料的塑性流動造成的。

焊縫截面上的溫度分布則是在厚度方向上主要呈現出“倒金字塔”形，從焊縫上側到焊縫下側溫度逐漸降低。原因為FSW焊接過程中熱源主要來自于軸肩與被焊母材的摩擦生熱，且焊縫金屬的塑性流動主要發生在軸肩附近，亦會發生塑性變形生熱，故焊縫上表面溫度較高；而焊縫下側主要是攪拌針摩擦產熱，而攪拌針產生的熱量僅為軸肩的1/3，故該區溫度較低；最后，在焊縫下側由于熱量供應較少且熱量散失條件不變，最終造成該區溫度最低。研究中還發現[15]，在相同的焊接條件下，當板材厚度在一定范圍內時，整體的焊接溫度隨著板厚的增加而升高。而對于鋁合金薄板，其溫度曲線則隨著板厚的減小而變得尖銳。原因為焊件下表面與工作臺下墊板接觸，熱傳導較快，故溫度梯度加大。另一方面，在垂直于焊縫方向，焊接溫度場是關于焊縫中心線近似對稱的，呈類似Ω形[16]，即焊縫處溫度最高，遠離焊縫時，溫度逐漸降低直至室溫；同時，前進側與返回側的溫度以非對稱的方式分布，其中前進側溫度梯度較大而返回側溫度梯度較小，且前進側溫度略高于返回側溫度[17]。這與FSW中塑化金屬的流動有很大關系。

3 溫度場的研究方法

攪拌摩擦焊溫度場的研究方法主要有數值模擬法和試驗法，其中試驗法主要包括接觸法和非接觸法兩種。接觸法主要是采用預埋熱電偶進行溫度檢測，而非接觸法則主要是紅外熱成像法、紅外測溫法等。大量研究者采用數值模擬法和試驗法對攪拌摩擦焊中的溫度場進行研究，并取得了良好的結果，為FSW的廣泛使用提供了理論基礎。

3.1 數值模擬法

FSW焊接過程是一個集溫度、應力應變、組織轉變和材料流動等因素相互耦合作用的復雜過程，而數值模擬法則是現在研究FSW焊接機理最主要的研究方法之一。該方法效率高、成本低，可快速獲得焊接過程中的溫度場、材料流動、應力應變等數據，亦能確定工藝因素對焊接過程的影響。目前被廣大學者所認可的模型是熱力耦合有限元模型。許多學者[1,6,18-19]都采用此模型對FSW焊接過程中的溫度場、應力場、材料流動進行模擬研究，對FSW焊接過程中的溫度分布、材料流動及應力應變都有了更進一步的認識。

在研究中，常將攪拌針與待焊母材的摩擦產熱認為是體熱源，而軸肩與待焊母材的摩擦產熱認為是面熱源。由于塑性變形產熱是攪拌頭附近塑化金屬流動產生的，因此在數值模擬中將塑性產熱作為體熱源進行處理。具體熱源公式如下[17]：

式中：qs（r）為面熱源熱流密度；Qs為軸肩產熱Qs=0.75Qtot；Qp為攪拌針產熱Qp=0.25Qtot，Qtot是焊接熱輸入功率；qp為體熱源熱流密度；H為攪拌針高度；R0為軸肩半徑；R1為攪拌針半徑；qplastic為塑性變形產熱的熱流密度；ξ為熱效率，一般為0.9~0.95；σe為等效應力；ε˙為塑性應變率。

盡管數值模擬法具有許多優點，但在使用中也存在諸多不足。主要是在數值模擬時，模型被簡化，如將夾具簡化為相應的邊界條件；不考慮溫度對材料性能的影響；將被焊母材假設為各向同性的高黏度非牛頓層流流體；簡化攪拌工具等，最終造成采用數值模擬法所獲的結果與實際焊接過程存在一定的差異，不能完全表現實際焊接過程中的溫度場，在一定程度上影響對FSW的認識。因此，在研究過程中常與實驗法配合使用。

3.2 接觸法

接觸法是測定FSW溫度場最主要的手段，即采用預埋熱電偶進行研究。預埋熱電偶法研究FSW中溫度場的分布是通過在待焊母材或攪拌頭上安裝熱電偶進行相應位置溫度數據的收集。該方法可在一定程度上反應FSW過程中溫度場的分布規律。

目前，多采用在待焊母材相應的特征位置安裝熱電偶來獲得該區域的溫度參數，如Hwang[20]、Sheikh-Ahmad[21]、史清宇[22]等采用在待焊母材上預埋熱電偶的方法研究FSW過程中溫度場，并取得了類似的結果，如靠近焊縫中心處，焊接溫度峰值越大；前進側溫度略高于返回側溫度等。此方法操作相對簡單易行，故使用較廣；但該方法主要測量焊接過程中待焊母材的溫度分布，不能反映出攪拌工具及焊核區的溫度分布。對此，有學者選擇在攪拌頭上安裝熱電偶進行焊接過程中溫度場的測定，如李敬勇[11]、Pfefferkorn[23]、Fehrenbacher[24]等在攪拌工具上開孔安裝熱電偶研究攪拌頭溫度場分布規律，為焊接過程中溫度場的研究、攪拌頭的選材等奠定基礎。與此同時，Silva[25]等通過對攪拌工具上安裝熱電偶的方法（平行待焊母材表面水平打孔預埋熱電偶和垂直表面打孔預埋熱電偶）進行對比，發現攪拌頭溫度分布存在差異，其中水平打孔熱電偶響應迅速，且所測溫度高于垂直打孔。該方法可檢測焊核區及攪拌工具的溫度分布，但操作較為復雜、成本較高，特別是水平打孔預埋熱電偶，還需設計對應的溫度接收裝置，故實際研究中使用較少。

綜上，接觸法可較為準確地反應實際焊接過程中的溫度場，為攪拌摩擦焊接中溫度分布規律的研究奠定基礎。但是該方法在試驗過程中主要是反眏相應特征區或熱電偶安裝區域的溫度變化，且焊接空間狹小，設置的熱電偶數量有限，同時熱電偶在測溫過程中存在一定的滯后性，不能快速全面真實地反映實際焊接過程中溫度變化及分布，更不能精確測量焊核區的溫度分布[26]；而且焊前應做大量準備工作，耗時耗力，特別是在攪拌工具上安裝熱電偶時，需在攪拌工具上開孔，造成試驗成本較高。因此，在FSW的研究過程中一般不單獨使用，常與數值模擬法配合使用。

3.3 非接觸法

紅外熱成像法則是非接觸檢測FSW溫度場的主要方法之一。紅外熱成像法的測溫基礎是通過接收物體表面發射的熱輻射來確定其熱輻射能的大小進而通過測定熱輻射能轉化成對應的溫度。該方法可快速、全面、直觀地獲得焊接過程中溫度分布，被廣大學者所關注。王志康[15]、殷鵬飛[17]、鮑宏偉[26]等通過紅外熱成像技術驗證攪拌摩擦焊接過程中溫度場的正確性，得到了與熱電偶法檢測一致的溫度場。盡管紅外熱成像法可較為準確地檢測FSW中的溫度場，但在實際中，其準確性會受到環境溫度、工作距離、工作角度、材料真實溫度發射率的影響，且該方法主要母材及攪拌工具表面的溫度，不能準確測量內部溫度，故未能廣泛使用，仍處于研究階段；現在該方法主要是用來驗證有限元模型的準確性。

4 結語

FSW焊接過程是集摩擦生熱、塑性變形產熱、傳熱現象的復雜的熱力耦合過程；其本質是溫度場、應力場、流場相互作用相互影響的結果。而焊接溫度場對焊接過程中的應力場、材料流動的流場起到決定作用，進而影響焊接接頭的組織與性能。盡管目前在攪拌摩擦焊接溫度場的研究中取得了一定的成績，但仍有許多問題亟需解決，如塑性金屬的實際流動狀況、焊接過程中材料的微觀組織轉變、符合實際情況的母材與環境換熱條件的設置及建立更加切合實際焊接過程的本構方程等。因此，攪拌摩擦焊中鋁合金板材的溫度場仍需進一步研究，以便為攪拌摩擦焊在鋁合金板材中的廣泛使用提供技術支持和理論基礎。