惯性摩擦焊接头温度场实验研究

李敬勇, 代秋桐, 邱 硕

(江苏科技大学 先进焊接技术省级重点实验室, 江苏 镇江 212003)

惯性摩擦焊作为一种高效、优质、精密、节能的固相连接技术,具有广泛的应用与发展前景[1-3],已经渗透到航空、航天、海洋、核能等高技术领域,现已成为高性能航空发动机转子部件生产中最为可靠的、再现性最好的连接方法[4-6]．焊接温度场反映了复杂的焊接传热过程和焊接热循环过程,而该热过程对于研究摩擦焊的摩擦表面高温黏塑性金属的形成和流动规律、焊接接头的冶金过程以及接头组织、性能等都有重要的意义[7-10]．目前,惯性摩擦焊接过程的数值模拟研究己经发展成为摩擦焊接领域的重要研究方向和前沿课题之一,但是惯性摩擦焊温度场数值模拟所采用的热源及其传热模型均为理想化的,忽略了对流以及辐射对温度场的影响,需要可靠性验证,因而提出惯性摩擦温

度场试验测定是十分必要的.本课题通过试验测定惯性摩擦焊旋转端与移动端温度场差异,为惯性摩擦焊温度场的数值模拟提供了数据支撑．

1 试验

1.1 试样材料及结构尺寸

试验采用45#钢棒材,焊接试样尺寸为φ15 mm×110 mm,为了测定焊接过程中焊接试样的温度分布特征,每根试样均加工成3个直径为φ1.2 mm的斜孔(分别称为通道1、通道2、通道3),孔底即为测温特征点．本试验试样分别设置了径向相同轴向不同和轴向相同径向不同的两种测温特征点,如图1．每一组试验旋转端和移动端试样的测温孔分布完全相同．惯性摩擦焊试验所采用的试验参数见表1．

图1 试样测温孔的分布(单位：mm)

试验组试样号转速/(r·m-1)转动惯量/(kg·m2)顶锻压力/MPa 11#1 8000.52 21#1 2001.122

1.2 试验设备及仪器

惯性摩擦焊采用CT-J15Z35/400摩擦焊机,移动端试样测温采用DX2008彩色无纸网络记录仪,旋转端试样测温采用自行研制的惯性摩擦焊旋转试件专用无线传输温度监测系统,该系统由温度信号检测器和温度信号接收系统两部分组成,其中,信号监测器加装在旋转试件外围与其一起旋转,稳定、准确地采集高速运动工况下旋转试件上各特征点温度．测温应用的热电偶为φ1.0 mm的K型铠装热电偶．

2 试验结果及分析

图2,3分别为表1所列不同焊接参数下,惯性摩擦焊旋转端和移动端各特征点的温度分布曲线,从图中可以发现,旋转端和移动端试样各对应特征点的温度变化趋势基本相同．靠近试样端部的测温点,在试样端部摩擦过程开始初期,温度急剧增加,曲线几乎呈直线上升,并很快达到峰值温度;随着测温点远离焊接端面,其温度依次逐渐升高．通过与焊接过程同时进行的高速摄影拍摄图像发现,当靠近焊接端部测温点到达温度峰值时,惯性焊接过程已基本结束,说明图1中试样通道2与通道3对应的测温点,在焊接后,温度依然继续升高,并逐渐依靠热传导达到温度峰值．

表2列出旋转试样和移动试样各测温点的峰值温度．对比图2,3中旋转端与移动端试样各对应测温点温度变化曲线及表2的峰值温度发现,移动端各测温点的温度均高于相对应的旋转端测温点的温度．其中,靠近试样焊接端部的移动端通道1测温点的温度比旋转端测温点高50℃左右,而通道2、通道3移动端测温点的温度与旋转端的温度则逐渐接近．

a) 移动端

b) 旋转端

通道第1组第2组Tm/℃Tr/℃Tm/℃Tr/℃134930231826022492342722393208182240233缩短量/mm3.52.8

惯性摩擦焊开始时,旋转端试样高速旋转,与移动端摩擦端面接触,两接触面产生相对运动,在轴向压力作用下,接触的两端面开始摩擦产热,热量沿试样的径向与轴向2个方向传导．旋转端和移动端试样端部高速相对运动产生的摩擦热使其迅速塑化,并在轴向力作用下产生塑性变形,摩擦热与塑性变形热使靠近试样端部的测温点温度急剧升高,并持续向各测温点传递热量．而此时旋转端试样仍高速旋转,与周围空气产生强烈的对流现象,对流带走部分热量,致使旋转端端面温度低于移动端,热量传递速度明显低于移动端,当移动端各测温点达到温度峰值时,旋转端的热量传递仍在进行,由此说明,当旋转端高速旋转时,旋转端温度场的峰值温度低于并且迟于移动端的温度场温度峰值的出现．同时发现,越靠近端面的测温点两侧的温度差值越大,原因在于,摩擦焊开始后温度最先传递到通道1,此时旋转端仍在以很高的转速旋转,对流现象非常强烈,致使此时旋转端温度明显低于移动端,传递到通道1的热量也显著低于移动端通道1的热量,但是随着摩擦焊的进行,转速持续降低,当远离摩擦端面的测温点到达温度峰值时对流现象明显减弱,所以两侧测温点的温度差值不是很大．

a) 固定端

b) 旋转端

3 结论

通过组合应用无线测温系统与常规测温系统,采用实验方法系统地测定了惯性摩擦焊旋转端和移动端试样的温度场分布规律,得到如下结论:

1) 惯性摩擦焊过程中,旋转端试样与移动端试样各对应特征点的温度变化趋势相同,靠近摩擦焊端面的升温速度快,并迅速达到峰值温度,而远离端面测温点则在摩擦焊过程基本结束后才逐渐达到峰值温度．

2) 由于高速旋转端试样与周围空气的强烈对流效应,其各测温点的峰值温度均低于移动端试样,越靠近试样端部,其温差越大．

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