慣性摩擦焊測溫研究

付春坤，白 鋼，王紅賓

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 陜西省摩擦焊接重點實驗室，陜西 西安 710072)

焊接工藝

慣性摩擦焊測溫研究

付春坤1，2，白 鋼1，2，王紅賓1，2

(1.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072；2.西北工業大學 陜西省摩擦焊接重點實驗室，陜西 西安 710072)

熱電偶測溫是現代測溫技術中的主要測溫方法，但由于熱電偶的滯后性，測溫的準確度難以提高。在基于慣性摩擦焊接動態測溫試驗基礎上，提出了一種根據熱電偶測溫原理校正熱電偶測溫動態誤差。通過紅外儀測溫對校正結果進行了檢驗，結果較理想，對提高測溫準確度具有一定的意義。

熱電偶測溫；紅外儀測溫；滯后性；誤差校正

0 前言

慣性摩擦焊在航空、航天等領域應用前景廣闊，特別是在航空發動機制造方面具有無可替代的重要地位[1-2]。慣性摩擦焊的溫度場是非常重要的物理參量，對研究焊接熱循環過程，摩擦表面高溫粘塑性金屬的形成和流動規律，焊接接頭的冶金過程和接頭組織、性能等都有重要的意義。由于慣性摩擦焊接過程時間短、溫度變化快、變化幅度大，采用熱電偶測溫存在動態誤差，無法實現焊接接頭的實時溫度檢測。本研究對熱電偶測溫動態誤差進行校正，并結合紅外成像儀測溫對校正結果進行驗證，為慣性焊測溫研究提供一定的參考。

1 實驗內容

慣性摩擦焊試件材料為FGH96，尺寸φ 15 mm× 110 mm，慣性焊設備采用第五九研究所研制的CT-35特種摩擦焊機，工藝參數為：轉動慣量0.5 kg·m2、轉速3800r／min、焊接壓力310MPa。實驗使用φ 1 mm的鎳鉻-鎳硅鎧型熱電偶，測溫孔道直徑φ 1.5 mm，位置示意如圖1所示，1、2、3號次表面點距端面的距離分別為5 mm、8 mm、11 mm，三點距表面的距離0.77 mm。實驗過程中采用紅外熱像儀記錄焊接接頭的表面溫度場。

2 校正方法

2.1 熱電偶的熱惰性

熱電偶本身具有熱惰性，在插入孔道后不能立即指示測量端的溫度。其示值將逐漸上升，一直到測量端熱量吸放達到動態平衡后才有穩定的示值。對于溫度隨時間變化的暫態溫度來說，可以將溫度的變化過程看作是許多穩態的組合。為準確地測出慣性焊接過程中的溫度變化，就要克服動態響應誤差。動態響應誤差的計算公式為

圖1 熱電偶測溫位置

式中 Tg為實際溫度；Tj為測量溫度；τ為熱電偶的時間常數。

2.2 時間常數的確定

熱電偶的時間常數τ是熱電偶本身具有的屬性，τ值與熱電偶的結構、尺寸、材料和工況有關。由于試驗所采用的熱電偶均為同種型號同批次的熱電偶，故可以忽略熱電偶的結構、尺寸、材料對時間常數的影響。不論Tg、Tj為何值，溫度的階躍有多大，只要經歷τ秒，其示值溫度總是攀升至整個階段的63.2%[3]。根據熱電偶的這一特性，采用與慣性摩擦焊測溫相同的工作條件，即可測得一系列溫度下的時間常數。通過擬合，可得一定溫度范圍內的時間常數曲線，如圖2所示。

圖2 時間常數曲線

2.3 斜率計算

在此采用曲線局部線性化的方法計算斜率。設采樣時間間隔為Δ t，則有

將實驗中熱電偶采集的數據依次代入式(2)，即得到各個采樣點的斜率。

將計算數據依次代入動態誤差計算公式中，可計算得到動態測溫過程中的動態誤差，并用于修正測溫示值，從而得到各個瞬時的溫度

3 數據分析

實驗中次表面點1、2、3號熱電偶實測和校正后的溫度曲線與紅外測得的表面點的溫度曲線對比如圖3所示。紅外的發射率整體調為0.8，因此，與紅外真實的溫度有一定差異，但峰值時刻是可信的。1號點紅外溫度曲線非常不規則，這是因為1號點對應的表面點在焊接過程中與飛邊相接觸的溫度場受到影響。由圖3可知，熱電偶實測峰值時刻與紅外測溫中的峰值時刻差異較大，熱電偶測溫的滯后性不可忽略。這是因為慣性摩擦焊焊接時間非常短，只有幾秒鐘，焊接過程中的加熱速度非常快。加熱速度的加快直接導致了熱電偶的動態響應誤差增大。因此，必須校正其動態響應誤差。如表1所示，校正后的曲線溫度幅值都有提高，1、2號點校正后的溫度都提高了約120℃，而3號因距焊接接頭端面距離較遠，幅值提高不是很大。由表2中校正前的差值1和校正后定的差值2比較可以看出，校正之前1、2、3號點實測的峰值時刻與紅外相差很大，都在3 s以上，校正后的峰值時刻與紅外測得的峰值時刻非常相近，差值都在0.4s之內。

表1 校正前后各點的峰值對比 ℃

表2 校正前后各點的峰值時刻對比 s

4 結論

(1)慣性摩擦焊過程中，溫度上升迅速，熱電偶的測溫值存在一定的滯后性，各特征點溫度的峰值時間都滯后3 s以上。因此，慣性摩擦焊中熱電偶的滯后性不可忽略。

圖3 實測、校正與紅外溫度曲線對比

(2)校正后次表面點到達峰值的時刻與其對應的表面點在紅外測溫中峰值時刻十分相近，說明校正后的溫度曲線基本消除了熱電偶的滯后性。

[1]李志遠，錢乙余，張九海.先進連接技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]梁 海，張 崢.慣性摩擦焊在航空發動機上的應用[J].材料工程，1992(2)：48-51.

[3]三零四所.熱電偶[M].北京：國防工業出版社，1978.

Study of thermometry for inertia friction welding

FU Chun-kun1，2，BAI Gang1，2，WANG Hong-bin1，2
(1.State Key Laboratory of Solidification Processing，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China，Shaanxi Key Laboratory of Friction Technologies，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

Thermocouple instrument is an important thermometry instrument during the modern thermometry practice,but because the proper hysteretic properties of thermocouple,the accuracy of thermometry can’t be improved.The article introduces a correction way based on the thermocouple thermometry principle during the practice of inertia friction welding,and the corrected result also has been checked by the infrared instrument.It has a significance to improve the accuracy of thermometry.

thermocouple thermometry;infrared instrument;hysteresis properties;correction

TG453+.9

A

1001-2303(2012)07-0048-03

2012-01-19；

2012-07-05

付春坤(1985—)，男，江蘇興化人，碩士，主要從事摩擦焊接的研究工作。