TC17線性摩擦焊界面溫度分析與測(cè)量

杜隨更，陳虎,2，胡弘毅，李菊

(1. 西北工業(yè)大學(xué)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能制造工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072；2. 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999；3. 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024)

0 前言

線性摩擦焊作為一種高效、高質(zhì)量、高可靠性的固相焊接技術(shù)，在整體葉盤(pán)的制造中具有極大的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。焊接過(guò)程中界面溫度直接影響接頭的組織轉(zhuǎn)變、連接機(jī)理和力學(xué)性能。通過(guò)分析測(cè)量焊接過(guò)程界面的溫度，可以研究接頭組織形成機(jī)理、連接強(qiáng)度變化趨勢(shì)，并判斷接頭的可靠性。此外，由于界面溫度與焊接過(guò)程的各個(gè)焊接參數(shù)直接相關(guān)，通過(guò)分析界面溫度還能優(yōu)化焊接參數(shù)，提高焊接質(zhì)量。

Kuroiwa等人[1]研究了不同振動(dòng)頻率和摩擦壓力下中碳鋼板的線性摩擦焊，發(fā)現(xiàn)焊接溫度隨焊接頻率的降低而降低，隨壓力的增大而降低。季英萍[2]采用ABAQUS軟件對(duì)TC17線性摩擦焊接頭進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)界面溫度高達(dá)1 030 ℃。杜隨更等人[3]提出了一種半自然熱電偶測(cè)溫法，其可以直接測(cè)量異種或同種材料焊接時(shí)摩擦界面的溫度及其分布。Kelly等人[4-5]給出了焊接過(guò)程中的熱輸入模型，表明熱輸入功率的大小與振幅以及頻率成正比。蘇宇等人[6]表明，在焊接界面發(fā)生屈服后，界面熱輸入來(lái)源于塑性變形，與屈服應(yīng)力相關(guān)。溫國(guó)棟[7]基于傅里葉熱傳導(dǎo)方程，結(jié)合實(shí)際的測(cè)溫結(jié)果，得到了異種鈦合金準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)方程。

摩擦焊的速度快、焊接界面動(dòng)態(tài)移動(dòng)且溫度高的特點(diǎn)，致使焊件上溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)困難，不僅測(cè)量?jī)x器的安裝困難，且對(duì)測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍、精度及響應(yīng)速度都有很高要求。半自然熱電偶響應(yīng)速度快，可以實(shí)時(shí)測(cè)量摩擦界面不同位置的溫度。文中基于文獻(xiàn)[3]提出的半自然熱電偶測(cè)溫法，首先通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)，得到了NiCr-TC17熱電偶溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系，測(cè)量了鈦合金TC17線性摩擦焊接過(guò)程中焊接界面的溫度及分布。同時(shí)，進(jìn)行了準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段線性摩擦焊接界面平均溫度的理論推導(dǎo)，建立了理論溫度與焊接參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，并對(duì)比了溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，為分析TC17鈦合金線性摩擦焊接接頭微觀組織的變化規(guī)律提供了溫度依據(jù)。

1 準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段線性摩擦焊界面平均溫度解析

線性摩擦焊接過(guò)程中準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段的特點(diǎn)是沿軸向的導(dǎo)熱速度等于飛邊形成速度，或焊件縮短速度。焊件中的溫度場(chǎng)基本不變，軸向縮短速率也基本恒定。飛邊在此階段穩(wěn)定形成，而飛邊的實(shí)質(zhì)即為被擠出的高溫區(qū)粘塑性金屬，故認(rèn)為飛邊擠出焊接區(qū)時(shí)的溫度與焊接界面的溫度相同。

解析模型的建立基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：①整個(gè)焊接過(guò)程中，熱物理常數(shù)不隨溫度改變；②焊接界面上溫度均勻分布，不考慮界面中心與邊緣的溫度差異；③忽略焊件與空氣的熱交換，只考慮焊件上的熱傳導(dǎo)和飛邊帶走的熱量。

材料的屈服強(qiáng)度σs與溫度T的關(guān)系為

根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，界面剪切應(yīng)力τ與屈服應(yīng)力的關(guān)系可表示為

摩擦界面的產(chǎn)熱功率W為

式中：η是熱效率（η在0.90～0.95之間）；S是摩擦界面的面積；為振動(dòng)試件的平均速度。

線性摩擦焊接過(guò)程中振動(dòng)試件的平均速度[8]為

式中：A是振幅；ω是角速度；t為時(shí)間變量；Tz為周期；f為頻率。

摩擦界面產(chǎn)熱功率為

準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段焊件軸向的溫度分布示意如圖1所示。假定在t時(shí)刻線性摩擦焊接進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段，此時(shí)，焊接界面在x= 0處， 這一時(shí)刻沿焊件軸向的溫度分布如圖1中黑色實(shí)線所示。經(jīng)dt時(shí)間，焊接界面塑性變形區(qū)擴(kuò)展至x =dx處，此時(shí)，焊件中的溫度分布為圖中黑色虛線所表示的。同時(shí)經(jīng)dt時(shí)間，單側(cè)焊件產(chǎn)生了dx的軸向縮短，形成飛邊，相當(dāng)于焊接界面又回到x= 0處，沿焊件軸向的溫度分布仍如圖1中黑色實(shí)線所示。所以，準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段可將焊件上的溫度場(chǎng)看作一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，在此溫度場(chǎng)下，焊件中保持的熱量是不隨時(shí)間而變化的。準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段塑性變形產(chǎn)生的熱量全部由飛邊帶走，界面產(chǎn)熱與飛邊帶走的熱量是動(dòng)態(tài)平衡的。

圖1 準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段焊件軸向溫度分布

設(shè)焊件的初始溫度（環(huán)境溫度）為T(mén)s，飛邊的溫度為T(mén)w，單位時(shí)間內(nèi)形成的飛邊的體積為dV，即

式中：為準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段的摩擦縮短速率。

單位時(shí)間內(nèi)飛邊帶走的熱量為Q1,即

式中：c為材料的比熱容；ρ為材料的密度。

單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)熱設(shè)為Q2，即

有Q1=Q2，即

準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段界面溫度Tw表達(dá)式為

可以看出，焊接過(guò)程中焊接界面平均溫度Tw與焊接規(guī)范參數(shù)A，f，材料參數(shù)σs，c，ρ以及焊接過(guò)程參數(shù)相關(guān)。

2 線性摩擦焊接過(guò)程界面溫度測(cè)量

2.1 半自然熱電偶標(biāo)定

文中利用比較法[9]標(biāo)定了NiCr-TC17這對(duì)半自然熱電偶熱電勢(shì)與溫度關(guān)系，圖2為標(biāo)定原理圖。

圖2 熱電偶標(biāo)定原理圖

用NiCr-TC17這一對(duì)熱電偶和K形標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（NiCr-NiSi）的工作端同時(shí)來(lái)感知一系列漸變的溫度，這樣就能夠在同一溫度下測(cè)得2個(gè)熱電勢(shì)的值EAB與EAC。按熱電偶分度手冊(cè)可以查出K形標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢(shì)值EAB對(duì)應(yīng)的溫度值T，將這些溫度值與所測(cè)的非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)EAC對(duì)應(yīng)起來(lái)，即可得出非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢(shì)與溫度的關(guān)系。圖中冰水混合物的作用是為了保證參考端溫度為0 ℃。

3次重復(fù)標(biāo)定試驗(yàn)得到的NiCr-TC17熱電偶溫度T（℃）與熱電勢(shì)EAC（mV）的關(guān)系如圖3所示，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)極為接近，所以從圖形上已經(jīng)分不出來(lái)3次的區(qū)別，同時(shí)也表明NiCr-TC17熱電偶電勢(shì)與溫度的關(guān)系具有較好的重現(xiàn)性。可以看出，在TC17相變溫度（約600～1 060 ℃）范圍，溫度T與熱電勢(shì)EAC的變化規(guī)律有拐點(diǎn)，即相變溫度以下α鈦與相變溫度以上β鈦的熱電勢(shì)變化規(guī)律不同，密排六方α鈦與面心立方NiCr之間的熱電勢(shì)要大于體心立方β鈦。

圖3 NiCr-TC17熱電偶溫度與熱電勢(shì)的關(guān)系

對(duì)3次標(biāo)定得到的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得到當(dāng)電勢(shì)E＜19 mV（T＜1 060 ℃）時(shí)

當(dāng)電勢(shì)E＞19 mV時(shí)

2.2 線性摩擦焊界面測(cè)溫

焊前給移動(dòng)端TC17焊件加工測(cè)溫孔，孔的位置如圖4，其中，測(cè)溫孔2和5（寬度方向邊緣點(diǎn)）等效，測(cè)溫孔3和6（角點(diǎn)）等效，測(cè)溫孔4和7（振動(dòng)方向邊緣點(diǎn)）等效，每個(gè)測(cè)溫孔中心距工件邊緣的距離為2 mm，高度方向?yàn)檎駝?dòng)方向。每個(gè)測(cè)溫孔中置入陶瓷管、鎳鉻絲，并填入高溫水泥（氯化鎂 + 氧化鎂）加以固定。所采用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。摩擦焊接試驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)研制的LFW-250型線性摩擦焊機(jī)上進(jìn)行，記錄試驗(yàn)時(shí)室溫Ts= 15 ℃。利用計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)對(duì)焊接過(guò)程中的摩擦縮短量、振幅等進(jìn)行了采集。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)半自然熱電偶輸出的熱電勢(shì)值進(jìn)行了采集,并將熱電勢(shì)值轉(zhuǎn)換為溫度值。圖5為測(cè)溫試樣的宏觀形貌，可以看到，測(cè)溫試樣正向（焊接方向）飛邊與普通焊接試樣基本一致；測(cè)溫試樣側(cè)向（垂直焊接方向）飛邊以焊接界面為中心，飛邊形成在兩側(cè)，并卷曲向兩端，形成唇形飛邊。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖4 焊接界面測(cè)溫孔位置

圖5 TC17測(cè)溫試樣宏觀形貌

經(jīng)焊接系統(tǒng)檢測(cè)到的焊接試驗(yàn)焊接過(guò)程參數(shù)隨時(shí)間的變化如圖6所示。t= 0 s，焊接起始，經(jīng)過(guò)初始摩擦階段以及過(guò)渡階段，到t= 2.98 s后，摩擦縮短量隨時(shí)間的變化呈穩(wěn)定的直線上升趨勢(shì)，振幅基本穩(wěn)定，即進(jìn)入了準(zhǔn)穩(wěn)摩擦階段，t= 3.70 s時(shí)，進(jìn)入停振減速階段，振幅開(kāi)始降低，當(dāng)振幅降至0，兩工件迅速對(duì)中，t= 4.0 s，頂鍛開(kāi)始。

圖6 TC17線性摩擦焊接過(guò)程參數(shù)變化

采用半自然熱電偶法測(cè)量TC17焊件界面不同位置的溫度值，得到的結(jié)果如圖7所示。其中摩擦初始階段由于沒(méi)有形成穩(wěn)定的熱接點(diǎn)，因此升溫過(guò)程的溫度曲線不完整。t= 0.5 s，焊接界面中心位置的溫度值就達(dá)到1 150 ℃以上。t= 1 s后，除角點(diǎn)外，其他位置的溫度值也都達(dá)到1 150 ℃以上，并呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)；t= 2.98 s后，進(jìn)入了準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段，界面各位置溫度保持不變，界面平均溫度達(dá)1 228 ℃，且焊接界面不同位置溫度值相差不超過(guò)10 ℃；進(jìn)入停振減速階段后，由于熱輸入的降低，各點(diǎn)溫度值開(kāi)始降低；進(jìn)入頂鍛階段后，各點(diǎn)溫度值迅速下降，界面平均溫度降低至500 ℃用時(shí)14 s，平均降溫速率約為52 ℃/s。

圖7 TC17線性摩擦焊界面過(guò)程溫度變化

在線性摩擦焊過(guò)程中，焊接初始，焊接界面中心的溫度升高速率最快，主要是由于焊件的中心在焊接過(guò)程中一直處于高壓力相對(duì)摩擦的狀態(tài)，而摩擦界面振動(dòng)方向邊緣位置總有振幅大小的表面不處于摩擦狀態(tài)，焊件外表面會(huì)向周圍的介質(zhì)中輻射熱量，故焊件中心的升溫速率要高于邊緣。準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦焊接過(guò)程中，界面溫度基本均勻，各測(cè)溫位置的溫度相差10 ℃左右。焊接結(jié)束后，界面中心降溫速率高于邊緣，主要是由于頂鍛過(guò)程中，焊接界面上壓應(yīng)力的分布是中心大、周邊小，焊接接頭的熱影響區(qū)整體呈顯邊緣寬，中心窄的“腰鼓”狀，故中心位置沿軸向的散熱速度高于邊緣部位，降溫速度自然也快。

2.3 界面溫度理論計(jì)算與對(duì)比

進(jìn)入摩擦階段后，焊接界面附近形成飛邊，即焊件產(chǎn)生摩擦縮短（L）。如圖6所示，在準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段，摩擦縮短量隨時(shí)間基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，表明此階段，摩擦縮短速率（L˙）為一恒定值。

湯翠被這個(gè)消息撩撥得很興奮，開(kāi)門(mén)的動(dòng)靜鬧得比平時(shí)大。侯大同聽(tīng)到大門(mén)響，身子從無(wú)花果樹(shù)后面露出來(lái)。湯翠走過(guò)去，嫵媚地笑了一下。侯大同猜，老婆肯定又有什么高興事了。

TC17的密度ρ為4 680 kg/m3，比熱容c為608 J/(kg·K)[10]，屈服強(qiáng)度σs(MPa)與溫度T(℃)的關(guān)系[11]

根據(jù)圖6計(jì)算準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段縮短量隨時(shí)間變化的斜率，該斜率即為焊接過(guò)程中的摩擦縮短速率。結(jié)合式（10），代入表1的焊接參數(shù)，并取熱效率η=0.925可求得焊接界面的平均溫度Tw。理論計(jì)算溫度Tw與實(shí)測(cè)溫度值Tˉ見(jiàn)表2。

表2 不同焊接參數(shù)下的溫度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

由表2可知，焊接界面溫度實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值相差在10%以內(nèi)。

根據(jù)式（10）可以量化討論焊件材料的熱物理性能參數(shù)、焊接規(guī)范與過(guò)程參數(shù)對(duì)焊接界面溫度的影響。由式（10）可知，在一定范圍內(nèi)，被焊材料的熱容量越小，高溫強(qiáng)度越大，焊接界面溫度越高；振動(dòng)頻率越高，振幅越大，摩擦速度越大，焊接界面溫度越高；而摩擦壓力越大，則摩擦縮短速率越大，界面溫度越低。

3 結(jié)論

（2）NiCr-TC17半自然熱電偶熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系為：T=-207+67.2E（電勢(shì)大于19 mV）。