攪拌摩擦焊中鋁合金板材溫度場(chǎng)的研究現(xiàn)狀

龐嘉堯，余 樂，楊 宏

（陜西理工大學(xué)機(jī)械工程訓(xùn)練中心，陜西 漢中 723003）

引言

攪拌摩擦焊（FSW）自從被發(fā)明后，因其接頭性能好、焊縫質(zhì)量高、適用范圍廣、損耗小等優(yōu)點(diǎn)被廣大科技工作者持續(xù)關(guān)注，并取得了諸多研究成果，促使該技術(shù)在航空航天、軌道交通、船舶制造等行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。但研究發(fā)現(xiàn)，焊縫溫度場(chǎng)發(fā)生輕微的變化會(huì)造成焊縫組織、性能產(chǎn)生顯著改變[2]；同時(shí)FSW焊接過程中的溫度分布也影響被焊金屬的塑形流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變、微觀組織轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生焊接缺陷，從而影響焊接接頭的性能。因此，F(xiàn)SW焊接過程中的溫度場(chǎng)在整個(gè)焊接過程中起著關(guān)鍵作用，深入了解FSW過程中的溫度分布是十分必要的。

1 攪拌摩擦焊中的熱量來源

常規(guī)條件下，鋁合金板材在攪拌摩擦焊中的熱量來源主要是攪拌頭與待焊母材的摩擦產(chǎn)熱和母材內(nèi)部的金屬塑性變形產(chǎn)熱；其中，軸肩與母材的摩擦產(chǎn)熱是FSW焊接過程中熱量的主要來源[3]。在摩擦產(chǎn)熱中，攪拌頭與被焊母材的摩擦機(jī)制大致可分為兩種：滑動(dòng)摩擦機(jī)制、黏著摩擦機(jī)制[4]。當(dāng)攪拌頭與待焊母材初始接觸時(shí)，僅產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，故該階段可用庫倫摩擦模型表示；當(dāng)攪拌頭與待焊母材發(fā)生一段時(shí)間的摩擦后，焊接溫度升高，部分塑化金屬將會(huì)與攪拌頭黏著，隨后在摩擦作用下將會(huì)產(chǎn)生剪切滑動(dòng)，故此階段可用剪切摩擦模型表示[5]。由于實(shí)際焊接過程中攪拌頭與待焊母材之間升溫快，很難真正區(qū)分兩種機(jī)制的階段，因此常用黏著摩擦表示FSW過程中穩(wěn)態(tài)階段。

塑性變形產(chǎn)熱是材料在變形流動(dòng)過程中黏滯耗散產(chǎn)生的[6-7]，即攪拌頭附近塑化金屬運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量。在焊接過程中被焊母材的塑性變形頻率越高、變形量越大、散熱時(shí)間較短時(shí)，焊縫附近的熱量就愈多，溫度亦愈高。在鋁合金薄板特別是在高速攪拌摩擦焊接鋁合金薄板的過程中，塑性變形產(chǎn)熱是焊接熱量的主要來源。

與此同時(shí)，在焊接過程中對(duì)被焊材料進(jìn)行加熱和冷卻，焊核區(qū)會(huì)發(fā)生相變反應(yīng)，特別是異種金屬焊接時(shí)會(huì)形成新相，產(chǎn)生相變潛熱，影響FSW的焊接溫度場(chǎng)。加之，在FSW焊接過程中，存在溫度梯度，且焊接區(qū)冷卻速度較快，造成溫度分布不均勻，導(dǎo)致焊件熱力膨脹不同步，從而改變焊件的應(yīng)力狀態(tài)，加劇焊件因變形產(chǎn)生的熱量。這也影響FSW焊接過程中的溫度分布。然而這兩種產(chǎn)熱形式產(chǎn)生的熱量非常少，很難準(zhǔn)確檢測(cè)，故在FSW研究中一般都忽略相變潛熱和變形產(chǎn)熱。

研究[8-9]發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加待焊母材的初始溫度，可改善FSW焊縫的組織及力學(xué)性能。因此，研究者開始將攪拌摩擦焊技術(shù)與一些產(chǎn)熱設(shè)備相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了復(fù)合焊接的方法。其中，可結(jié)合的輔助產(chǎn)熱有火焰加熱、加載電流、激光、感應(yīng)線圈、等離子、超聲波等。這些輔助熱源均可促進(jìn)待焊母材的塑化，降低焊接過程中攪拌頭的下壓力和焊接阻力，提升焊縫金屬的流動(dòng)性，促進(jìn)焊接效率，保證接頭的組織與性能[10]。輔助熱源擴(kuò)大了攪拌摩擦焊的使用范圍，但工序復(fù)雜，成本較高，故此類技術(shù)暫未被大規(guī)模商用。

2 攪拌摩擦焊中鋁合金板的溫度場(chǎng)

FSW焊接過程主要包括三個(gè)階段：攪拌頭插入被焊母材階段、穩(wěn)定焊接階段、攪拌頭退出被焊母材階段[11]。其中，焊接溫度場(chǎng)主要表現(xiàn)為：在攪拌頭插入被焊母材階段，焊接溫度逐漸上升；該階段主要是由于攪拌頭與被焊母材摩擦生熱，造成焊接溫度快速升高；穩(wěn)定焊接階段，焊接溫度達(dá)到穩(wěn)定水平，焊接過程中溫度曲線存在波動(dòng)，但變化不大。該過程不僅存在攪拌頭與被焊母材摩擦生熱，且因待焊母材被加熱塑化，產(chǎn)生塑性流動(dòng)生熱；但在焊接過程中存在熱量散失，如墊板散熱、攪拌頭散熱等，造成焊接溫度曲線存在波動(dòng)；在攪拌頭退出被焊母材階段，焊接溫度逐漸降低，直至室溫。此階段主要是焊接結(jié)束，無熱量來源，而熱量持續(xù)散失，直到室溫。

焊接過程中的溫度場(chǎng)在焊縫上表面沿焊縫中心向外，依次為“圓形”“橢圓形”分布，攪拌頭前方溫度梯度高于后方，且高溫區(qū)前方較窄而后方較寬[12]。原因?yàn)閿嚢栳樑c待焊母材的摩擦產(chǎn)熱主要集中在攪拌針前端[13]，造成熱量輸入增加；且焊接過程中，攪拌頭前進(jìn)時(shí)，攪拌頭前方高溫塑化金屬被擠壓至后方，為后側(cè)金屬提供了熱量，而前方金屬主要還是依靠熱傳導(dǎo)提升溫度，最終造成溫度梯度的差異。另外，在研究中發(fā)現(xiàn)焊接過程中的峰值溫度位于熱源后側(cè)并非在熱源處[14]，且處于前進(jìn)側(cè)后部而非攪拌針正后方，這主要是FSW中材料的塑性流動(dòng)造成的。

焊縫截面上的溫度分布則是在厚度方向上主要呈現(xiàn)出“倒金字塔”形，從焊縫上側(cè)到焊縫下側(cè)溫度逐漸降低。原因?yàn)镕SW焊接過程中熱源主要來自于軸肩與被焊母材的摩擦生熱，且焊縫金屬的塑性流動(dòng)主要發(fā)生在軸肩附近，亦會(huì)發(fā)生塑性變形生熱，故焊縫上表面溫度較高；而焊縫下側(cè)主要是攪拌針摩擦產(chǎn)熱，而攪拌針產(chǎn)生的熱量?jī)H為軸肩的1/3，故該區(qū)溫度較低；最后，在焊縫下側(cè)由于熱量供應(yīng)較少且熱量散失條件不變，最終造成該區(qū)溫度最低。研究中還發(fā)現(xiàn)[15]，在相同的焊接條件下，當(dāng)板材厚度在一定范圍內(nèi)時(shí)，整體的焊接溫度隨著板厚的增加而升高。而對(duì)于鋁合金薄板，其溫度曲線則隨著板厚的減小而變得尖銳。原因?yàn)楹讣卤砻媾c工作臺(tái)下墊板接觸，熱傳導(dǎo)較快，故溫度梯度加大。另一方面，在垂直于焊縫方向，焊接溫度場(chǎng)是關(guān)于焊縫中心線近似對(duì)稱的，呈類似Ω形[16]，即焊縫處溫度最高，遠(yuǎn)離焊縫時(shí)，溫度逐漸降低直至室溫；同時(shí)，前進(jìn)側(cè)與返回側(cè)的溫度以非對(duì)稱的方式分布，其中前進(jìn)側(cè)溫度梯度較大而返回側(cè)溫度梯度較小，且前進(jìn)側(cè)溫度略高于返回側(cè)溫度[17]。這與FSW中塑化金屬的流動(dòng)有很大關(guān)系。

3 溫度場(chǎng)的研究方法

攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)的研究方法主要有數(shù)值模擬法和試驗(yàn)法，其中試驗(yàn)法主要包括接觸法和非接觸法兩種。接觸法主要是采用預(yù)埋熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)，而非接觸法則主要是紅外熱成像法、紅外測(cè)溫法等。大量研究者采用數(shù)值模擬法和試驗(yàn)法對(duì)攪拌摩擦焊中的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，并取得了良好的結(jié)果，為FSW的廣泛使用提供了理論基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)值模擬法

FSW焊接過程是一個(gè)集溫度、應(yīng)力應(yīng)變、組織轉(zhuǎn)變和材料流動(dòng)等因素相互耦合作用的復(fù)雜過程，而數(shù)值模擬法則是現(xiàn)在研究FSW焊接機(jī)理最主要的研究方法之一。該方法效率高、成本低，可快速獲得焊接過程中的溫度場(chǎng)、材料流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)據(jù)，亦能確定工藝因素對(duì)焊接過程的影響。目前被廣大學(xué)者所認(rèn)可的模型是熱力耦合有限元模型。許多學(xué)者[1,6,18-19]都采用此模型對(duì)FSW焊接過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、材料流動(dòng)進(jìn)行模擬研究，對(duì)FSW焊接過程中的溫度分布、材料流動(dòng)及應(yīng)力應(yīng)變都有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

在研究中，常將攪拌針與待焊母材的摩擦產(chǎn)熱認(rèn)為是體熱源，而軸肩與待焊母材的摩擦產(chǎn)熱認(rèn)為是面熱源。由于塑性變形產(chǎn)熱是攪拌頭附近塑化金屬流動(dòng)產(chǎn)生的，因此在數(shù)值模擬中將塑性產(chǎn)熱作為體熱源進(jìn)行處理。具體熱源公式如下[17]：

式中：qs（r）為面熱源熱流密度；Qs為軸肩產(chǎn)熱Qs=0.75Qtot；Qp為攪拌針產(chǎn)熱Qp=0.25Qtot，Qtot是焊接熱輸入功率；qp為體熱源熱流密度；H為攪拌針高度；R0為軸肩半徑；R1為攪拌針半徑；qplastic為塑性變形產(chǎn)熱的熱流密度；ξ為熱效率，一般為0.9~0.95；σe為等效應(yīng)力；ε˙為塑性應(yīng)變率。

盡管數(shù)值模擬法具有許多優(yōu)點(diǎn)，但在使用中也存在諸多不足。主要是在數(shù)值模擬時(shí)，模型被簡(jiǎn)化，如將夾具簡(jiǎn)化為相應(yīng)的邊界條件；不考慮溫度對(duì)材料性能的影響；將被焊母材假設(shè)為各向同性的高黏度非牛頓層流流體；簡(jiǎn)化攪拌工具等，最終造成采用數(shù)值模擬法所獲的結(jié)果與實(shí)際焊接過程存在一定的差異，不能完全表現(xiàn)實(shí)際焊接過程中的溫度場(chǎng)，在一定程度上影響對(duì)FSW的認(rèn)識(shí)。因此，在研究過程中常與實(shí)驗(yàn)法配合使用。

3.2 接觸法

接觸法是測(cè)定FSW溫度場(chǎng)最主要的手段，即采用預(yù)埋熱電偶進(jìn)行研究。預(yù)埋熱電偶法研究FSW中溫度場(chǎng)的分布是通過在待焊母材或攪拌頭上安裝熱電偶進(jìn)行相應(yīng)位置溫度數(shù)據(jù)的收集。該方法可在一定程度上反應(yīng)FSW過程中溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。

目前，多采用在待焊母材相應(yīng)的特征位置安裝熱電偶來獲得該區(qū)域的溫度參數(shù)，如Hwang[20]、Sheikh-Ahmad[21]、史清宇[22]等采用在待焊母材上預(yù)埋熱電偶的方法研究FSW過程中溫度場(chǎng)，并取得了類似的結(jié)果，如靠近焊縫中心處，焊接溫度峰值越大；前進(jìn)側(cè)溫度略高于返回側(cè)溫度等。此方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單易行，故使用較廣；但該方法主要測(cè)量焊接過程中待焊母材的溫度分布，不能反映出攪拌工具及焊核區(qū)的溫度分布。對(duì)此，有學(xué)者選擇在攪拌頭上安裝熱電偶進(jìn)行焊接過程中溫度場(chǎng)的測(cè)定，如李敬勇[11]、Pfefferkorn[23]、Fehrenbacher[24]等在攪拌工具上開孔安裝熱電偶研究攪拌頭溫度場(chǎng)分布規(guī)律，為焊接過程中溫度場(chǎng)的研究、攪拌頭的選材等奠定基礎(chǔ)。與此同時(shí)，Silva[25]等通過對(duì)攪拌工具上安裝熱電偶的方法（平行待焊母材表面水平打孔預(yù)埋熱電偶和垂直表面打孔預(yù)埋熱電偶）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)攪拌頭溫度分布存在差異，其中水平打孔熱電偶響應(yīng)迅速，且所測(cè)溫度高于垂直打孔。該方法可檢測(cè)焊核區(qū)及攪拌工具的溫度分布，但操作較為復(fù)雜、成本較高，特別是水平打孔預(yù)埋熱電偶，還需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的溫度接收裝置，故實(shí)際研究中使用較少。

綜上，接觸法可較為準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際焊接過程中的溫度場(chǎng)，為攪拌摩擦焊接中溫度分布規(guī)律的研究奠定基礎(chǔ)。但是該方法在試驗(yàn)過程中主要是反眏相應(yīng)特征區(qū)或熱電偶安裝區(qū)域的溫度變化，且焊接空間狹小，設(shè)置的熱電偶數(shù)量有限，同時(shí)熱電偶在測(cè)溫過程中存在一定的滯后性，不能快速全面真實(shí)地反映實(shí)際焊接過程中溫度變化及分布，更不能精確測(cè)量焊核區(qū)的溫度分布[26]；而且焊前應(yīng)做大量準(zhǔn)備工作，耗時(shí)耗力，特別是在攪拌工具上安裝熱電偶時(shí)，需在攪拌工具上開孔，造成試驗(yàn)成本較高。因此，在FSW的研究過程中一般不單獨(dú)使用，常與數(shù)值模擬法配合使用。

3.3 非接觸法

紅外熱成像法則是非接觸檢測(cè)FSW溫度場(chǎng)的主要方法之一。紅外熱成像法的測(cè)溫基礎(chǔ)是通過接收物體表面發(fā)射的熱輻射來確定其熱輻射能的大小進(jìn)而通過測(cè)定熱輻射能轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的溫度。該方法可快速、全面、直觀地獲得焊接過程中溫度分布，被廣大學(xué)者所關(guān)注。王志康[15]、殷鵬飛[17]、鮑宏偉[26]等通過紅外熱成像技術(shù)驗(yàn)證攪拌摩擦焊接過程中溫度場(chǎng)的正確性，得到了與熱電偶法檢測(cè)一致的溫度場(chǎng)。盡管紅外熱成像法可較為準(zhǔn)確地檢測(cè)FSW中的溫度場(chǎng)，但在實(shí)際中，其準(zhǔn)確性會(huì)受到環(huán)境溫度、工作距離、工作角度、材料真實(shí)溫度發(fā)射率的影響，且該方法主要母材及攪拌工具表面的溫度，不能準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)部溫度，故未能廣泛使用，仍處于研究階段；現(xiàn)在該方法主要是用來驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

FSW焊接過程是集摩擦生熱、塑性變形產(chǎn)熱、傳熱現(xiàn)象的復(fù)雜的熱力耦合過程；其本質(zhì)是溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)相互作用相互影響的結(jié)果。而焊接溫度場(chǎng)對(duì)焊接過程中的應(yīng)力場(chǎng)、材料流動(dòng)的流場(chǎng)起到?jīng)Q定作用，進(jìn)而影響焊接接頭的組織與性能。盡管目前在攪拌摩擦焊接溫度場(chǎng)的研究中取得了一定的成績(jī)，但仍有許多問題亟需解決，如塑性金屬的實(shí)際流動(dòng)狀況、焊接過程中材料的微觀組織轉(zhuǎn)變、符合實(shí)際情況的母材與環(huán)境換熱條件的設(shè)置及建立更加切合實(shí)際焊接過程的本構(gòu)方程等。因此，攪拌摩擦焊中鋁合金板材的溫度場(chǎng)仍需進(jìn)一步研究，以便為攪拌摩擦焊在鋁合金板材中的廣泛使用提供技術(shù)支持和理論基礎(chǔ)。