王紅賓，白 鋼，付春坤，索娟娣，杜 鵬

(西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安 710072）

0 前言

FGH96高溫合金是基于“損傷容限”思想設(shè)計的采用粉末冶金工藝制備的我國第二代粉末高溫合金，是當前750℃工作條件下滿足高推比、高燃效發(fā)動機使用要求的渦輪盤、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、工藝簡單、自動化程度高，在汽車、航空航天、船舶、電力設(shè)備等許多領(lǐng)域有著廣闊的應用前景[2]。焊接溫度場是慣性摩擦焊的重要物理參量，大多數(shù)學者主要采用軟件模擬研究焊接溫度場。

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

1 實驗材料和設(shè)備

實驗材料為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，焊接工藝參數(shù)如表1所示。在焊接過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)射率標定

采用紅外熱像儀測溫，被測物體不是黑體時，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)、溫度以及波長等有關(guān)[3]。在非黑體情況下，發(fā)射率對表面溫度測量有較大的影響。為了減少發(fā)射率設(shè)定不當帶來的測溫誤差，本研究結(jié)合熱電偶測溫和紅外測溫，通過高頻感應加熱，在不同溫度條件下對FGH96高溫合金的發(fā)射率進行實驗標定，標定結(jié)果如圖2所示。

圖2 紅外發(fā)射率實驗標定結(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400℃后發(fā)射率值趨于平穩(wěn)，1000℃之后又不斷上升。由于每個溫度都對應一個發(fā)射率值，所以不可能在紅外熱像圖中十分精確地標定每個溫度的發(fā)射率值。本研究提出分溫度段設(shè)定發(fā)射率的觀點，即將紅外熱像圖劃分溫度區(qū)域，并分別對其設(shè)定發(fā)射率?？紤]到較低溫度對焊接接頭影響不大，且發(fā)射率設(shè)定過低會使接頭溫度過高，甚至超過材料的熔點，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。在每個時刻的紅外熱像圖上依次找出三個溫度段對應的區(qū)域并設(shè)定相應的發(fā)射率，即可獲得較準確的接頭表面溫度場。

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，軸向中點兩側(cè)的溫度梯度減小，軸向中點處的溫度稍有升高，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)于軸向中點不完全對稱，在對應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)生強烈對流，導致旋轉(zhuǎn)端的散熱效果優(yōu)于固定端。

4 接頭表面軸向中點的熱循環(huán)

接頭表面軸向中點的熱循環(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 接頭表面軸向中點的熱循環(huán)曲線

對比1#和2#試樣的接頭表面軸向中點熱循環(huán)曲線可知，在壓力和轉(zhuǎn)動慣量一致時，轉(zhuǎn)速越大，接頭表面軸向中點所達到的峰值溫度越高。1#試樣軸向中點峰值溫度達到1 254.62℃，比2#試樣高出109.17℃，但到達峰值的時間會延遲。這是由于轉(zhuǎn)動慣量一定時，轉(zhuǎn)速越大飛輪儲存的能量越多，焊接過程中產(chǎn)熱功率也相應提高，所以接頭界面的溫度高。同時，由于轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)端停止轉(zhuǎn)動所需的時間也相應增加，界面產(chǎn)熱時間長，所以達到峰值所需的時間會增大。對比2#和3#試樣的接頭表面軸向中點熱循環(huán)曲線可知，在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動慣量一致時，壓力越大溫度上升越快，并且到達峰值所需的時間越短。這是因為焊接壓力越高，能量輸入速度越快，相同的焊接時間內(nèi)其相應的接頭表面所達

到的溫度越高，同時到達最高溫度所需時間越短。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，獲得了較準確的接頭表面溫度場。

（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，峰值溫度時刻相對滯后；壓力越大，加熱的速率越快，到達峰值溫度的時間越短。

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

[2]劉雪梅.先進摩擦焊接技術(shù)的開發(fā)與應用[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量技術(shù)及其應用研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學，2010.