攪拌頭材質對攪拌摩擦焊溫度場的影響

趙陽陽， 李敬勇， 李興學

(1. 江蘇科技大學 先進焊接技術省級重點實驗室，江蘇 鎮江212003;2. 神華國能集團檢修公司 安監部，河南 焦作454001)

攪拌摩擦焊由于具有接頭質量高、焊接變形小和焊接過程綠色、無污染等優點［1］，是鋁、鎂等有色金屬合金優選的焊接方法［2］。攪拌摩擦焊熱過程一直是國內外焊接界研究的熱點之一［3～6］。通過對攪拌摩擦焊熱過程的深入了解，可以預測焊接過程中的溫度情況及接頭區域的微區特征、硬度、應力應變分布，進而評價接頭性能。

目前，攪拌摩擦焊熱過程的研究主要集中在數值模擬分析及實驗測定兩方面［4～8］。實驗研究大多限于對攪拌摩擦焊過程中焊接工件溫度場的測定和分析，鮮見對攪拌頭溫度場實驗測定和分析。攪拌頭是攪拌摩擦焊的“心臟”［9］，它既是完成攪拌摩擦焊過程必不可少的產熱工具，同時也是焊接熱量散失的主要途徑［10］。本工作應用熱電偶和自行研制的無線測溫系統，通過實驗方法同時測定了不同邊界條件下焊接試板及攪拌頭溫度場的分布規律，并分析攪拌頭材質對攪拌摩擦焊過程中焊接試板及攪拌頭自身溫度場的影響。

1 實驗設計

攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭受到較為復雜的溫度和載荷的交互作用。基于攪拌頭各項功能的實現，其材質一般應具有較高的熱強性、耐磨性、抗蠕變性、耐沖擊性、熱穩定性等［11］。鋁合金攪拌摩擦焊一般采用工具鋼制作攪拌頭，因為該材料具有較好的耐高溫靜態和動態力學性能以及較好的耐磨性能，而且具有較高的熔點。

高速工具鋼W9Mo3Cr4V 與鋁合金之間的摩擦產熱量比較高，采用該合金制作攪拌頭焊接鋁合金，可以有效提高焊接速率，進而提高生產效率。本試驗研究以W9Mo3Cr4V 合金作為鋁合金攪拌摩擦焊攪拌頭的主要制造材料。同時采用馬氏體不銹鋼SUS440C 制作攪拌頭，在相同焊接條件下，探討攪拌頭材質對攪拌摩擦焊摩擦偶之間溫度場的影響規律。表1 和表2 分別列出W9Mo3Cr4V 和SUS440C的化學成分。表3 為兩種材質的熱物理性能。

采用5A15 鋁合金焊接試板材料，試板尺寸為140mm×40mm×4mm。為了測定摩擦偶的溫度場，分別在焊接試板及攪拌頭上加工測溫孔。考慮到攪拌頭開孔對其散熱條件及強度的影響，選擇在攪拌頭不同的橫截面開不同深度的孔，孔底即為攪拌頭測溫特征點。圖1 所示為實驗所用軸肩直徑為φ12mm 攪拌頭測溫孔的分布示意圖。為了更清楚地描述攪拌頭測溫特征點的位置，依次將從軸肩向遠離試板平面的特征點稱為T-CH03，T-CH02 和TCH01。圖2 為鋁合金焊接試板測溫孔的分布示意圖。測溫采用直徑為φ1mm 的鎧裝熱電偶，測溫孔直徑為φ1.2mm。實驗過程中，攪拌頭測溫熱電偶插入測溫孔中，采用冷端補償方式，將熱電偶連接至自行研制的無線測溫系統，該系統機械固定于攪拌摩擦焊設備主軸上，隨攪拌頭高速旋轉，熱電偶所測特征點的實時溫度值經過無線測溫系統的分析與處理，通過無線輸出放大系統傳至與電腦連接的無線接收裝置。

表1 高速鋼W9Mo3Cr4V 化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of W9Mo3Cr4V steel (mass fraction/%)

表2 不銹鋼SUS440C 化學成分(質量分數/%)Table 2 Chemical composition of SUS440C stainless steel (mass fraction/%)

表3 兩種攪拌頭材料的熱物理參數Table 3 Thermal physical parameters of W9Mo3Cr4V and SUS400C

圖1 攪拌頭打孔位置及尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of points' distribution for measuring temperature in stirring tools(a)6mm-3mm-6mm;(b)3mm-6mm-3mm

焊接實驗使用FSW-3LM-002 型龍門式數控攪拌摩擦焊機，焊接參數統一設定為:攪拌頭轉速ω=1500r/min，焊接速率ν =25mm/min，焊接傾角2.5°，攪拌頭溫度測量無線測溫系統采樣頻率為1Hz。

2 攪拌頭材質對焊接試板溫度場的影響

圖3 為采用兩種不同材質攪拌頭焊接時，測溫孔深度為32mm(即測溫特征點距焊縫中心8mm)焊接試板各特征點的溫度曲線。測溫孔深度為25mm 和18mm 焊接試板各特征點的溫度曲線與圖3 相似。表4 ～表6 分別列出不同測溫孔深度焊接試板各特征點的峰值溫度。由圖3 及表4 ～表6 數據可以看出，盡管由于焊接過程中機械振動引起熱電偶測溫點采集數據出現一定的波動和誤差，但是，兩種攪拌頭材質條件下，焊接試板溫度場表現出相同的分布規律:焊接試板上距焊縫中心8mm 各特征點的峰值溫度最高，隨著測溫點遠離焊縫中心，焊接試板的溫度越來越低，溫度梯度也越來越小;隨著攪拌頭沿焊接方向向前行進，焊接試板上各測溫點的峰值溫度依次升高;前進側測溫點的溫度均高于后退側對應測溫點的溫度。

圖2 試板上特征點位置及順序示意圖Fig.2 Schematic diagram of feature points on the workpieces

圖3 不同材質攪拌頭焊接時試板各特征點溫度曲線(測溫孔深32mm) (a)SUS440C 攪拌頭;(b)W9Mo3Cr4V 攪拌頭Fig.3 Temperature-time curve of the 32mm deep feature points with different tool materials(a)SUS440C stirring tool;(b)W9M03Cr4V stirring tool

表4 焊接試板各特征點峰值溫度(℃)(孔深32mm)Table 4 Peak temperatures in samples with different tool materials(℃)

表4 ～表6 中結果顯示，采用高速鋼攪拌頭焊接試板特征點的溫度要比采用不銹鋼攪拌頭焊接試板的溫度高。在測溫孔深為32mm 和25mm 時，高速鋼攪拌頭焊接試板特征點峰值溫度比不銹鋼攪拌頭焊接試板平均高20 ～50℃。而當孔深為18mm(距焊縫中心22mm)時，兩者的溫度差別不是很大，即特征點距焊縫中心越近，溫度差異越明顯。

3 攪拌頭材質對其自身溫度場分布的影響

圖4 是采用圖1a 所示攪拌頭測溫孔分布時，攪拌摩擦焊過程中高速工具鋼和不銹鋼攪拌頭各特征點的溫度變化曲線。圖4 顯示，采用不同材質攪拌頭焊接時，攪拌頭各測溫特征點的溫度變化規律基本一致，在攪拌工具穩定前進過程中，攪拌頭溫度場可以認為是一個準穩態的溫度場，即攪拌頭與焊接試板之間摩擦產熱流入攪拌頭的熱量與通過攪拌頭散失的熱量基本保持動態平衡。

表7 列出穩定焊接階段，高速工具鋼和不銹鋼攪拌頭各特征點的溫度變化范圍。由表中數據可以看出，在同樣焊接條件下，高速工具鋼攪拌頭各測溫點的溫度均高于不銹鋼攪拌頭對應測溫點的溫度。越靠近軸肩摩擦面測溫點，其溫差越大。

圖4 不同材質攪拌頭溫度曲線Fig.4 Temperature curve in stirring tools of different materials (a)T-CH01;(b)T-CH02;(c)T-CH03

表7 不同材質攪拌頭穩定焊接階段各特征點溫度波動范圍Table 7 Temperature fluctuation range in stirring tools of W9Mo3Cr4V and SUS440C (℃)

表4 ～表6 中兩種材質攪拌頭條件下焊接試板的溫度分布及表7 攪拌頭溫度場測定結果均顯示，相同焊接條件下，采用高速工具鋼攪拌頭進行鋁合金攪拌摩擦焊，摩擦偶之間的熱效率高于采用不銹鋼攪拌頭。

由表3 可知，不銹鋼SUS440C 的比熱容比高速工具鋼W9Mo3Cr4V 大，即單位質量的材料升高相同的溫度，SUS440C 比W9Mo3Cr4V 需要吸收更多的熱量，因此，相同焊接參數條件下，如果產生同等的摩擦熱量，W9Mo3Cr4V 攪拌頭的溫度應高于SUS440C 攪拌頭。同時，SUS440C 的熱傳導性比W9Mo3Cr4V 低，即W9Mo3Cr4V 具有更好的傳熱特性，因此，高速工具鋼各測溫點的溫度均較不銹鋼攪拌頭相應測溫點的溫度高。由此可見，攪拌頭材質對攪拌摩擦焊摩擦偶溫度場的分布及焊接過程中的熱散失具有一定的影響。采用比熱容小、熱傳導系數高的材質制作攪拌頭，焊接過程中其溫度變化速率快，整體溫度高，一方面可以向焊接試板輸入更多的焊接熱量，同時，通過其自身散熱，也將有更多的熱量散失掉。因此，在選擇攪拌頭材質時，應綜合評定材質的熱物理特性，以獲取高的焊接熱效率。

4 結論

(1)不同攪拌頭材質條件下，攪拌摩擦焊試板及攪拌頭自身溫度場具有相同的分布規律。

(2)隨著測溫點遠離焊縫中心，焊接試板的溫度逐漸降低，溫度梯度越來越小;隨著攪拌頭沿焊接方向向前行進，焊接試板上各測溫點的峰值溫度依次升高;前進側的溫度高于后退側。

(3)在穩定焊接過程中，攪拌頭溫度場為一個準穩態溫度場，即攪拌頭與焊接試板之間摩擦產熱流入攪拌頭的熱量與通過攪拌頭散失的熱量基本保持動態平衡。

(4)采用高速工具鋼攪拌頭焊接時，焊接試板及攪拌頭自身的溫度均高于采用不銹鋼攪拌頭。因此，攪拌頭材質的選擇應綜合評定其熱物理特性，以獲得摩擦偶之間更高的熱效率。

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