FGH96高溫合金慣性摩擦焊接頭表面溫度場(chǎng)研究

王紅賓，白 鋼，付春坤，索娟娣，杜 鵬

(西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710072）

0 前言

FGH96高溫合金是基于“損傷容限”思想設(shè)計(jì)的采用粉末冶金工藝制備的我國(guó)第二代粉末高溫合金，是當(dāng)前750℃工作條件下滿足高推比、高燃效發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求的渦輪盤、環(huán)形件和其他熱端部件的關(guān)鍵材料[1]。慣性摩擦焊是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的固態(tài)連接方法，其焊接質(zhì)量好、工藝簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，在汽車、航空航天、船舶、電力設(shè)備等許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。焊接溫度場(chǎng)是慣性摩擦焊的重要物理參量，大多數(shù)學(xué)者主要采用軟件模擬研究焊接溫度場(chǎng)。

本研究采用紅外測(cè)溫對(duì)慣性摩擦焊接頭表面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行分析，為慣性摩擦焊接頭的組織性能研究和焊接溫度場(chǎng)模擬提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料為FGH96高溫合金，焊接試件為外徑φ60 mm、內(nèi)徑φ40 mm、高10 mm的環(huán)形件，如圖1所示，以十字凹槽連接焊接工裝夾具。焊接設(shè)備采用MOD-EL300BX慣性摩擦焊機(jī)，焊接工藝參數(shù)如表1所示。在焊接過(guò)程中采用紅外熱像儀記錄接頭表面溫度。紅外熱像儀的操作規(guī)范：環(huán)境溫度20℃、光譜范圍 4.00～8.71 μm、拍攝距離 0.89 m、空氣濕度70%。

圖1 焊接試件

表1 焊接工藝參數(shù)

2 紅外發(fā)射率標(biāo)定

采用紅外熱像儀測(cè)溫，被測(cè)物體不是黑體時(shí)，發(fā)射率值均小于1，其值大小與輻射體本身的性質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度以及波長(zhǎng)等有關(guān)[3]。在非黑體情況下，發(fā)射率對(duì)表面溫度測(cè)量有較大的影響。為了減少發(fā)射率設(shè)定不當(dāng)帶來(lái)的測(cè)溫誤差，本研究結(jié)合熱電偶測(cè)溫和紅外測(cè)溫，通過(guò)高頻感應(yīng)加熱，在不同溫度條件下對(duì)FGH96高溫合金的發(fā)射率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖2所示。

圖2 紅外發(fā)射率實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果

由圖2可知，F(xiàn)GH96高溫合金的紅外發(fā)射率與溫度關(guān)系密切。在0~400℃溫度段內(nèi)，發(fā)射率值不斷上升，到達(dá)400℃后發(fā)射率值趨于平穩(wěn)，1000℃之后又不斷上升。由于每個(gè)溫度都對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)射率值，所以不可能在紅外熱像圖中十分精確地標(biāo)定每個(gè)溫度的發(fā)射率值。本研究提出分溫度段設(shè)定發(fā)射率的觀點(diǎn)，即將紅外熱像圖劃分溫度區(qū)域，并分別對(duì)其設(shè)定發(fā)射率?？紤]到較低溫度對(duì)焊接接頭影響不大，且發(fā)射率設(shè)定過(guò)低會(huì)使接頭溫度過(guò)高，甚至超過(guò)材料的熔點(diǎn)，將FGH96高溫合金的發(fā)射率分成三部分：0~400℃溫度段的發(fā)射率設(shè)為0.35；400℃~1 000℃溫度段的發(fā)射率設(shè)為0.38；1 000℃以上溫度段的發(fā)射率設(shè)為0.50。在每個(gè)時(shí)刻的紅外熱像圖上依次找出三個(gè)溫度段對(duì)應(yīng)的區(qū)域并設(shè)定相應(yīng)的發(fā)射率，即可獲得較準(zhǔn)確的接頭表面溫度場(chǎng)。

3 接頭表面溫度軸向變化規(guī)律

各焊接階段接頭表面溫度的軸向分布如圖3所示，其在不同焊接階段的分布狀態(tài)存在一定差異。

在初始摩擦階段，接頭表面軸向中點(diǎn)兩側(cè)的溫度梯度高，高溫區(qū)較窄。在不穩(wěn)定摩擦階段，接頭表面溫度的軸向分布發(fā)生微小波動(dòng)，軸向中點(diǎn)兩側(cè)的溫度梯度減小，軸向中點(diǎn)處的溫度稍有升高，高溫區(qū)稍加寬。在穩(wěn)定摩擦階段，由于飛邊和金屬飛濺的影響，接頭表面溫度的軸向分布很不規(guī)則，高溫區(qū)最寬。在冷卻階段，接頭表面溫度逐漸降低，呈現(xiàn)“三峰”分布。

接頭表面溫度的軸向分布關(guān)于軸向中點(diǎn)不完全對(duì)稱，在對(duì)應(yīng)位置處固定端的溫度高于旋轉(zhuǎn)端。這是由于旋轉(zhuǎn)端高速旋轉(zhuǎn)，與空氣發(fā)生強(qiáng)烈對(duì)流，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)端的散熱效果優(yōu)于固定端。

4 接頭表面軸向中點(diǎn)的熱循環(huán)

接頭表面軸向中點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖4所示。初始摩擦階段的溫度梯度最高，這是由于初始界面溫度低、軸向壓力大、主軸轉(zhuǎn)速最高，產(chǎn)熱功率大。不穩(wěn)定摩擦階段的溫度梯度減小，這是由于摩擦扭矩逐漸下降，主軸轉(zhuǎn)速也在不斷降低，產(chǎn)熱功率降低。穩(wěn)定摩擦階段的溫度升高趨于平緩，并上升到最大值。冷卻階段，轉(zhuǎn)速迅速下降為零，熱輸入停止，溫度開(kāi)始降低，并趨于均勻分布。

圖3 各焊接階段接頭表面溫度的軸向分布

圖4 接頭表面軸向中點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

對(duì)比1#和2#試樣的接頭表面軸向中點(diǎn)熱循環(huán)曲線可知，在壓力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一致時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，接頭表面軸向中點(diǎn)所達(dá)到的峰值溫度越高。1#試樣軸向中點(diǎn)峰值溫度達(dá)到1 254.62℃，比2#試樣高出109.17℃，但到達(dá)峰值的時(shí)間會(huì)延遲。這是由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越大飛輪儲(chǔ)存的能量越多，焊接過(guò)程中產(chǎn)熱功率也相應(yīng)提高，所以接頭界面的溫度高。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)端停止轉(zhuǎn)動(dòng)所需的時(shí)間也相應(yīng)增加，界面產(chǎn)熱時(shí)間長(zhǎng)，所以達(dá)到峰值所需的時(shí)間會(huì)增大。對(duì)比2#和3#試樣的接頭表面軸向中點(diǎn)熱循環(huán)曲線可知，在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一致時(shí)，壓力越大溫度上升越快，并且到達(dá)峰值所需的時(shí)間越短。這是因?yàn)楹附訅毫υ礁?，能量輸入速度越快，相同的焊接時(shí)間內(nèi)其相應(yīng)的接頭表面所達(dá)

到的溫度越高，同時(shí)到達(dá)最高溫度所需時(shí)間越短。但最終兩者的溫度峰值相差不大，分別為1145.45℃、1182.30℃。

5 結(jié)論

（1）提出分段設(shè)定發(fā)射率校正慣性摩擦焊接頭表面熱像圖方法，獲得了較準(zhǔn)確的接頭表面溫度場(chǎng)。

（2）慣性摩擦焊初始摩擦階段，接頭表面溫度梯度高、升溫快、高溫區(qū)較窄；不穩(wěn)定摩擦階段，接頭表面溫度梯度減小，升溫速度減小，高溫區(qū)稍加寬；穩(wěn)定摩擦階段，接頭表面溫度升高到最大值，高溫區(qū)最寬；冷卻階段，接頭表面溫度迅速下降，并趨于均勻分布。

（3）其他焊接工藝參數(shù)一定，轉(zhuǎn)速越高接頭表面溫度峰值越高，峰值溫度時(shí)刻相對(duì)滯后；壓力越大，加熱的速率越快，到達(dá)峰值溫度的時(shí)間越短。

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[1]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)（第5卷）——粉末冶金材料、精密合金與功能材料[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001：44-47.

[2]劉雪梅.先進(jìn)摩擦焊接技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].熱加工工藝(焊接版)，2006，35（7）：49-52.

[3]李云紅.基于紅外熱像儀的溫度測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.