李敬勇, 代秋桐, 邱 碩

(江蘇科技大學 先進焊接技術(shù)省級重點實驗室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

慣性摩擦焊作為一種高效、優(yōu)質(zhì)、精密、節(jié)能的固相連接技術(shù),具有廣泛的應用與發(fā)展前景[1-3],已經(jīng)滲透到航空、航天、海洋、核能等高技術(shù)領(lǐng)域,現(xiàn)已成為高性能航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件生產(chǎn)中最為可靠的、再現(xiàn)性最好的連接方法[4-6]．焊接溫度場反映了復雜的焊接傳熱過程和焊接熱循環(huán)過程,而該熱過程對于研究摩擦焊的摩擦表面高溫黏塑性金屬的形成和流動規(guī)律、焊接接頭的冶金過程以及接頭組織、性能等都有重要的意義[7-10]．目前,慣性摩擦焊接過程的數(shù)值模擬研究己經(jīng)發(fā)展成為摩擦焊接領(lǐng)域的重要研究方向和前沿課題之一,但是慣性摩擦焊溫度場數(shù)值模擬所采用的熱源及其傳熱模型均為理想化的,忽略了對流以及輻射對溫度場的影響,需要可靠性驗證,因而提出慣性摩擦溫

度場試驗測定是十分必要的.本課題通過試驗測定慣性摩擦焊旋轉(zhuǎn)端與移動端溫度場差異,為慣性摩擦焊溫度場的數(shù)值模擬提供了數(shù)據(jù)支撐．

1 試驗

1.1 試樣材料及結(jié)構(gòu)尺寸

試驗采用45#鋼棒材,焊接試樣尺寸為φ15 mm×110 mm,為了測定焊接過程中焊接試樣的溫度分布特征,每根試樣均加工成3個直徑為φ1.2 mm的斜孔(分別稱為通道1、通道2、通道3),孔底即為測溫特征點．本試驗試樣分別設(shè)置了徑向相同軸向不同和軸向相同徑向不同的兩種測溫特征點,如圖1．每一組試驗旋轉(zhuǎn)端和移動端試樣的測溫孔分布完全相同．慣性摩擦焊試驗所采用的試驗參數(shù)見表1．

圖1 試樣測溫孔的分布(單位：mm)

試驗組試樣號轉(zhuǎn)速/(r·m-1)轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2)頂鍛壓力/MPa 11#1 8000.52 21#1 2001.122

1.2 試驗設(shè)備及儀器

慣性摩擦焊采用CT-J15Z35/400摩擦焊機,移動端試樣測溫采用DX2008彩色無紙網(wǎng)絡記錄儀,旋轉(zhuǎn)端試樣測溫采用自行研制的慣性摩擦焊旋轉(zhuǎn)試件專用無線傳輸溫度監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)由溫度信號檢測器和溫度信號接收系統(tǒng)兩部分組成,其中,信號監(jiān)測器加裝在旋轉(zhuǎn)試件外圍與其一起旋轉(zhuǎn),穩(wěn)定、準確地采集高速運動工況下旋轉(zhuǎn)試件上各特征點溫度．測溫應用的熱電偶為φ1.0 mm的K型鎧裝熱電偶．

2 試驗結(jié)果及分析

圖2,3分別為表1所列不同焊接參數(shù)下,慣性摩擦焊旋轉(zhuǎn)端和移動端各特征點的溫度分布曲線,從圖中可以發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)端和移動端試樣各對應特征點的溫度變化趨勢基本相同．靠近試樣端部的測溫點,在試樣端部摩擦過程開始初期,溫度急劇增加,曲線幾乎呈直線上升,并很快達到峰值溫度;隨著測溫點遠離焊接端面,其溫度依次逐漸升高．通過與焊接過程同時進行的高速攝影拍攝圖像發(fā)現(xiàn),當靠近焊接端部測溫點到達溫度峰值時,慣性焊接過程已基本結(jié)束,說明圖1中試樣通道2與通道3對應的測溫點,在焊接后,溫度依然繼續(xù)升高,并逐漸依靠熱傳導達到溫度峰值．

表2列出旋轉(zhuǎn)試樣和移動試樣各測溫點的峰值溫度．對比圖2,3中旋轉(zhuǎn)端與移動端試樣各對應測溫點溫度變化曲線及表2的峰值溫度發(fā)現(xiàn),移動端各測溫點的溫度均高于相對應的旋轉(zhuǎn)端測溫點的溫度．其中,靠近試樣焊接端部的移動端通道1測溫點的溫度比旋轉(zhuǎn)端測溫點高50℃左右,而通道2、通道3移動端測溫點的溫度與旋轉(zhuǎn)端的溫度則逐漸接近．

a) 移動端

b) 旋轉(zhuǎn)端

通道第1組第2組Tm/℃Tr/℃Tm/℃Tr/℃134930231826022492342722393208182240233縮短量/mm3.52.8

慣性摩擦焊開始時,旋轉(zhuǎn)端試樣高速旋轉(zhuǎn),與移動端摩擦端面接觸,兩接觸面產(chǎn)生相對運動,在軸向壓力作用下,接觸的兩端面開始摩擦產(chǎn)熱,熱量沿試樣的徑向與軸向2個方向傳導．旋轉(zhuǎn)端和移動端試樣端部高速相對運動產(chǎn)生的摩擦熱使其迅速塑化,并在軸向力作用下產(chǎn)生塑性變形,摩擦熱與塑性變形熱使靠近試樣端部的測溫點溫度急劇升高,并持續(xù)向各測溫點傳遞熱量．而此時旋轉(zhuǎn)端試樣仍高速旋轉(zhuǎn),與周圍空氣產(chǎn)生強烈的對流現(xiàn)象,對流帶走部分熱量,致使旋轉(zhuǎn)端端面溫度低于移動端,熱量傳遞速度明顯低于移動端,當移動端各測溫點達到溫度峰值時,旋轉(zhuǎn)端的熱量傳遞仍在進行,由此說明,當旋轉(zhuǎn)端高速旋轉(zhuǎn)時,旋轉(zhuǎn)端溫度場的峰值溫度低于并且遲于移動端的溫度場溫度峰值的出現(xiàn)．同時發(fā)現(xiàn),越靠近端面的測溫點兩側(cè)的溫度差值越大,原因在于,摩擦焊開始后溫度最先傳遞到通道1,此時旋轉(zhuǎn)端仍在以很高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),對流現(xiàn)象非常強烈,致使此時旋轉(zhuǎn)端溫度明顯低于移動端,傳遞到通道1的熱量也顯著低于移動端通道1的熱量,但是隨著摩擦焊的進行,轉(zhuǎn)速持續(xù)降低,當遠離摩擦端面的測溫點到達溫度峰值時對流現(xiàn)象明顯減弱,所以兩側(cè)測溫點的溫度差值不是很大．

a) 固定端

b) 旋轉(zhuǎn)端

3 結(jié)論

通過組合應用無線測溫系統(tǒng)與常規(guī)測溫系統(tǒng),采用實驗方法系統(tǒng)地測定了慣性摩擦焊旋轉(zhuǎn)端和移動端試樣的溫度場分布規(guī)律,得到如下結(jié)論:

1) 慣性摩擦焊過程中,旋轉(zhuǎn)端試樣與移動端試樣各對應特征點的溫度變化趨勢相同,靠近摩擦焊端面的升溫速度快,并迅速達到峰值溫度,而遠離端面測溫點則在摩擦焊過程基本結(jié)束后才逐漸達到峰值溫度．

2) 由于高速旋轉(zhuǎn)端試樣與周圍空氣的強烈對流效應,其各測溫點的峰值溫度均低于移動端試樣,越靠近試樣端部,其溫差越大．

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