TC17線性摩擦焊界面溫度分析與測量

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. 中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621999；3. 中國航空制造技術(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)，在整體葉盤的制造中具有極大的優(yōu)勢，已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。焊接過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。通過分析測量焊接過程界面的溫度，可以研究接頭組織形成機(jī)理、連接強(qiáng)度變化趨勢，并判斷接頭的可靠性。此外，由于界面溫度與焊接過程的各個焊接參數(shù)直接相關(guān)，通過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溫法，其可以直接測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，界面熱輸入來源于塑性變形，與屈服應(yīng)力相關(guān)。溫國棟[7]基于傅里葉熱傳導(dǎo)方程，結(jié)合實(shí)際的測溫結(jié)果，得到了異種鈦合金準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場數(shù)學(xué)方程。

摩擦焊的速度快、焊接界面動態(tài)移動且溫度高的特點(diǎn)，致使焊件上溫度的實(shí)時(shí)檢測困難，不僅測量儀器的安裝困難，且對測量儀器的測量范圍、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溫法，首先通過標(biāo)定試驗(yàn)，得到了NiCr-TC17熱電偶溫度與熱電勢的關(guān)系，測量了鈦合金TC17線性摩擦焊接過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，并對比了溫度計(jì)算值與實(shí)測值，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整個焊接過程中，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；為振動試件的平均速度。

線性摩擦焊接過程中振動試件的平均速度[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看作一個準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場，在此溫度場下，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Ts，飛邊的溫度為Tw，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以及焊接過程參數(shù)相關(guān)。

2 線性摩擦焊接過程界面溫度測量

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這對半自然熱電偶熱電勢與溫度關(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這一對熱電偶和K形標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（NiCr-NiSi）的工作端同時(shí)來感知一系列漸變的溫度，這樣就能夠在同一溫度下測得2個熱電勢的值EAB與EAC。按熱電偶分度手冊可以查出K形標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢值EAB對應(yīng)的溫度值T，將這些溫度值與所測的非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢EAC對應(yīng)起來，即可得出非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢與溫度的關(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3次的區(qū)別，同時(shí)也表明NiCr-TC17熱電偶電勢與溫度的關(guān)系具有較好的重現(xiàn)性?？梢钥闯觯赥C17相變溫度（約600～1 060 ℃）范圍，溫度T與熱電勢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之間的熱電勢要大于體心立方β鈦。

圖3 NiCr-TC17熱電偶溫度與熱電勢的關(guān)系

對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E＜19 mV（T＜1 060 ℃）時(shí)

當(dāng)電勢E＞19 mV時(shí)

2.2 線性摩擦焊界面測溫

焊前給移動端TC17焊件加工測溫孔，孔的位置如圖4，其中，測溫孔2和5（寬度方向邊緣點(diǎn)）等效，測溫孔3和6（角點(diǎn)）等效，測溫孔4和7（振動方向邊緣點(diǎn)）等效，每個測溫孔中心距工件邊緣的距離為2 mm，高度方向?yàn)檎駝臃较?。每個測溫孔中置入陶瓷管、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)對焊接過程中的摩擦縮短量、振幅等進(jìn)行了采集。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)測溫系統(tǒng)對半自然熱電偶輸出的熱電勢值進(jìn)行了采集,并將熱電勢值轉(zhuǎn)換為溫度值。圖5為測溫試樣的宏觀形貌，可以看到，測溫試樣正向（焊接方向）飛邊與普通焊接試樣基本一致；測溫試樣側(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 焊接界面測溫孔位置

圖5 TC17測溫試樣宏觀形貌

經(jīng)焊接系統(tǒng)檢測到的焊接試驗(yàn)焊接過程參數(shù)隨時(shí)間的變化如圖6所示。t= 0 s，焊接起始，經(jīng)過初始摩擦階段以及過渡階段，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，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，振幅開始降低，當(dāng)振幅降至0，兩工件迅速對中，t= 4.0 s，頂鍛開始。

圖6 TC17線性摩擦焊接過程參數(shù)變化

采用半自然熱電偶法測量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有形成穩(wěn)定的熱接點(diǎn)，因此升溫過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；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線性摩擦焊界面過程溫度變化

在線性摩擦焊過程中，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程中一直處于高壓力相對摩擦的狀態(tài)，而摩擦界面振動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)定摩擦焊接過程中，界面溫度基本均勻，各測溫位置的溫度相差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，表明此階段，摩擦縮短速率（L˙）為一恒定值。

湯翠被這個消息撩撥得很興奮，開門的動靜鬧得比平時(shí)大。侯大同聽到大門響，身子從無花果樹后面露出來。湯翠走過去，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)測溫度值Tˉ見表2。

表2 不同焊接參數(shù)下的溫度實(shí)測值與計(jì)算值

由表2可知，焊接界面溫度實(shí)測值與理論計(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)范與過程參數(shù)對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與溫度的關(guān)系為：T=-207+67.2E（電勢大于19 mV）。