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. 西北工業大學，航空發動機高性能制造工業和信息化部重點實驗室，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. 中國航空制造技術研究院，航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室，北京 100024)

0 前言

線性摩擦焊作為一種高效、高質量、高可靠性的固相焊接技術，在整體葉盤的制造中具有極大的優勢，已經成為航空航天領域一項關鍵技術。焊接過程中界面溫度直接影響接頭的組織轉變、連接機理和力學性能。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理、連接強度變化趨勢，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直接相關，通過分析界面溫度還能優化焊接參數，提高焊接質量。

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，發現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線性摩擦焊接頭進行了模擬，發現界面溫度高達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，在焊接界面發生屈服后，界面熱輸入來源于塑性變形，與屈服應力相關。溫國棟[7]基于傅里葉熱傳導方程，結合實際的測溫結果，得到了異種鈦合金準穩態溫度場數學方程。

摩擦焊的速度快、焊接界面動態移動且溫度高的特點，致使焊件上溫度的實時檢測困難，不僅測量儀器的安裝困難，且對測量儀器的測量范圍、精度及響應速度都有很高要求。半自然熱電偶響應速度快，可以實時測量摩擦界面不同位置的溫度。文中基于文獻[3]提出的半自然熱電偶測溫法，首先通過標定試驗，得到了NiCr-TC17熱電偶溫度與熱電勢的關系，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，進行了準穩定摩擦階段線性摩擦焊接界面平均溫度的理論推導，建立了理論溫度與焊接參數的數學關系，并對比了溫度計算值與實測值，為分析TC17鈦合金線性摩擦焊接接頭微觀組織的變化規律提供了溫度依據。

1 準穩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穩定摩擦階段的特點是沿軸向的導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。飛邊在此階段穩定形成，而飛邊的實質即為被擠出的高溫區粘塑性金屬，故認為飛邊擠出焊接區時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假設：①整個焊接過程中，熱物理常數不隨溫度改變；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和飛邊帶走的熱量。

材料的屈服強度σs與溫度T的關系為

根據Mises屈服準則，界面剪切應力τ與屈服應力的關系可表示為

摩擦界面的產熱功率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為時間變量；Tz為周期；f為頻率。

摩擦界面產熱功率為

準穩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時刻線性摩擦焊接進入準穩定摩擦階段，此時，焊接界面在x= 0處， 這一時刻沿焊件軸向的溫度分布如圖1中黑色實線所示。經dt時間，焊接界面塑性變形區擴展至x =dx處，此時，焊件中的溫度分布為圖中黑色虛線所表示的。同時經dt時間，單側焊件產生了dx的軸向縮短，形成飛邊，相當于焊接界面又回到x= 0處，沿焊件軸向的溫度分布仍如圖1中黑色實線所示。所以，準穩定摩擦階段可將焊件上的溫度場看作一個準穩定溫度場，在此溫度場下，焊件中保持的熱量是不隨時間而變化的。準穩定摩擦階段塑性變形產生的熱量全部由飛邊帶走，界面產熱與飛邊帶走的熱量是動態平衡的。

圖1 準穩定摩擦階段焊件軸向溫度分布

設焊件的初始溫度（環境溫度）為Ts，飛邊的溫度為Tw，單位時間內形成的飛邊的體積為dV，即

式中：為準穩定摩擦階段的摩擦縮短速率。

單位時間內飛邊帶走的熱量為Q1,即

式中：c為材料的比熱容；ρ為材料的密度。

單位時間內的產熱設為Q2，即

有Q1=Q2，即

準穩定摩擦階段界面溫度Tw表達式為

可以看出，焊接過程中焊接界面平均溫度Tw與焊接規范參數A，f，材料參數σs，c，ρ以及焊接過程參數相關。

2 線性摩擦焊接過程界面溫度測量

2.1 半自然熱電偶標定

文中利用比較法[9]標定了NiCr-TC17這對半自然熱電偶熱電勢與溫度關系，圖2為標定原理圖。

圖2 熱電偶標定原理圖

用NiCr-TC17這一對熱電偶和K形標準熱電偶（NiCr-NiSi）的工作端同時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形標準熱電偶熱電勢值EAB對應的溫度值T，將這些溫度值與所測的非標準熱電偶的熱電勢EAC對應起來，即可得出非標準熱電偶的電勢與溫度的關系。圖中冰水混合物的作用是為了保證參考端溫度為0 ℃。

3次重復標定試驗得到的NiCr-TC17熱電偶溫度T（℃）與熱電勢EAC（mV）的關系如圖3所示，由于數據點極為接近，所以從圖形上已經分不出來3次的區別，同時也表明NiCr-TC17熱電偶電勢與溫度的關系具有較好的重現性。可以看出，在TC17相變溫度（約600～1 060 ℃）范圍，溫度T與熱電勢EAC的變化規律有拐點，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系

對3次標定得到的所有數據點進行曲線擬合，得到當電勢E＜19 mV（T＜1 060 ℃）時

當電勢E＞19 mV時

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）等效，測溫孔3和6（角點）等效，測溫孔4和7（振動方向邊緣點）等效，每個測溫孔中心距工件邊緣的距離為2 mm，高度方向為振動方向。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見表1。摩擦焊接試驗在西北工業大學研制的LFW-250型線性摩擦焊機上進行，記錄試驗時室溫Ts= 15 ℃。利用計算機采集系統對焊接過程中的摩擦縮短量、振幅等進行了采集。同時，利用計算機測溫系統對半自然熱電偶輸出的熱電勢值進行了采集,并將熱電勢值轉換為溫度值。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；測溫試樣側向（垂直焊接方向）飛邊以焊接界面為中心，飛邊形成在兩側，并卷曲向兩端，形成唇形飛邊。

表1 焊接工藝參數

圖4 焊接界面測溫孔位置

圖5 TC17測溫試樣宏觀形貌

經焊接系統檢測到的焊接試驗焊接過程參數隨時間的變化如圖6所示。t= 0 s，焊接起始，經過初始摩擦階段以及過渡階段，到t= 2.98 s后，摩擦縮短量隨時間的變化呈穩定的直線上升趨勢，振幅基本穩定，即進入了準穩摩擦階段，t= 3.70 s時，進入停振減速階段，振幅開始降低，當振幅降至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，得到的結果如圖7所示。其中摩擦初始階段由于沒有形成穩定的熱接點，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到1 150 ℃以上。t= 1 s后，除角點外，其他位置的溫度值也都達到1 150 ℃以上，并呈現緩慢上升的趨勢；t= 2.98 s后，進入了準穩定摩擦階段，界面各位置溫度保持不變，界面平均溫度達1 228 ℃，且焊接界面不同位置溫度值相差不超過10 ℃；進入停振減速階段后，由于熱輸入的降低，各點溫度值開始降低；進入頂鍛階段后，各點溫度值迅速下降，界面平均溫度降低至500 ℃用時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，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，焊件外表面會向周圍的介質中輻射熱量，故焊件中心的升溫速率要高于邊緣。準穩定摩擦焊接過程中，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，焊接界面上壓應力的分布是中心大、周邊小，焊接接頭的熱影響區整體呈顯邊緣寬，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 界面溫度理論計算與對比

進入摩擦階段后，焊接界面附近形成飛邊，即焊件產生摩擦縮短（L）。如圖6所示，在準穩定摩擦階段，摩擦縮短量隨時間基本呈現線性增長，表明此階段，摩擦縮短速率（L˙）為一恒定值。

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

根據圖6計算準穩定摩擦階段縮短量隨時間變化的斜率，該斜率即為焊接過程中的摩擦縮短速率。結合式（10），代入表1的焊接參數，并取熱效率η=0.925可求得焊接界面的平均溫度Tw。理論計算溫度Tw與實測溫度值Tˉ見表2。

表2 不同焊接參數下的溫度實測值與計算值

由表2可知，焊接界面溫度實測值與理論計算值相差在10%以內。

根據式（10）可以量化討論焊件材料的熱物理性能參數、焊接規范與過程參數對焊接界面溫度的影響。由式（10）可知，在一定范圍內，被焊材料的熱容量越小，高溫強度越大，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 結論

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