旋转摩擦焊热源演变及接头成形机制

摘要

旋转摩擦焊具有高品质、高效与节能的突出优点，但该技术一直未能很好地应用于航空航天等高技术领域关键构件的制造，其根本原因是缺少系统工艺理论，从而指导形成可信的规范带和工艺选取原则。但是，旋转摩擦焊工艺理论的建立，离不开对接头界面产热机制、温度场及接头成形机制的深入理解和认识。
　　本文以旋转摩擦焊实验研究为主要手段，从摩擦界面产热是“阻抗做功耗散为热”的物理本质出发，提取特征参量，表征扭矩(阻抗)和界面温度场演变规律，获得塑性环生长规律，并建立相应数理模型，从而揭示界面摩擦产热行为和机制。最后，运用上述理论对比研究典型同质和异质组配接头的成形特征。主要研究内容及成果如下：
　　首先，通过对旋转摩擦焊第一阶段产热和温度场演变基本规律的实验研究，系统揭示了摩擦扭矩和表面温度平台现象及其背后的产热物理机制。扭矩平台表明界面总阻抗没有发生变化，对应的产热机制为滑动摩擦，服从阿芒顿–库仑摩擦定律。温度平台的出现表明界面产热和耗热达到了一个动态平衡，其中，滑动摩擦做功对应于较低的温度平台，而粘着摩擦产热的热强对应于较高的温度平台。两种产热机制的作用时空特点为，滑动发生在摩擦初期，并从界面外缘到中心顺序经历，以较低的扭矩、温度平台为典型特征；而粘着则是从1/2R附近的某一环状区域开动，之后向里、向外生长，粘着区域面积不断扩大，该过程以急剧上升的扭矩为典型特征。
　　其次，采用在焊接过程中不同时刻中断焊接并水冷保留焊态组织的手段，研究得出了塑性环萌生位置在1/3R和2/3R之间，大多落在1/2R附近。接头内部温度场的演变规律表明，界面塑性环区域正是摩擦焊界面产热最为集中的位置。塑性环在宽度尺寸上的长大速度要远高于在高度方向上的长大速度。在压力超过临界压力之后，塑性环的形核时间可以近似忽略，第一阶段主要是塑性环的长大。进一步结合焊缝区微观组织的演变特性，提出并应用“温度–应变速率”的热力耦合双因素法对20＃低碳钢接头组织区域进行了划分。焊核区金属高温持续时间长，奥氏体化后随温度升高发生了晶粒快速长大，而随后的冷却过程中先共析铁素体呈针状或片状，沿一定晶面向奥氏体晶内析出，形成了魏氏组织。核区不同时刻微观组织的EBSD研究表明，在第一阶段，塑性环内金属已经发生了充分的再结晶，但随着焊接过程的继续，发生长大的再结晶晶粒在热力耦合作用下再次发生变形、晶界迁移等行为，导致最终获得的组织呈现出不完全动态再结晶的亚晶组织特征。
　　再次，基于前面产热和温度场演变规律实验研究结果，提出了产热功率的线性化假设，从而建立了第一阶段温度场的数学解析模型。结合非线性非平衡热力学最大熵产生原理，获得了第一阶段摩擦产热机制发生转变的判据，进一步获得了第一阶段温度场的定解条件。确定了第一阶段界面塑性环长大的物理模型，并基于产热与耗热的能量守恒原理，获得了塑性环长大速率的数学解析模型，利用该数学模型计算的塑性环长满界面所需的时间和实验值吻合良好，证明了模型的准确性。可以将塑性环长满界面作为接头成形的临界必要条件，进而以此为目标确定优化的焊接工艺参数。
　　最后，针对旋转摩擦焊典型产热及温度场条件下的接头成形，分别从同质和异质材料组配两方面，考察了接头热流模式对于力学性能的影响规律。发现了45＃碳钢同质接头热流模式和力学性能之间的唯象关系模型，并提出了以综合因子为目标参量的热流模式优化准则。旋转摩擦焊产热及温度场在界面径向上的不均匀分布导致Fe/Ti异质组配接头截面呈现弯曲弧形热流模式，但其特殊的热力耦合作用，使得Fe/Ti直接连接接头界面无法避免的Fe–Ti脆性金属间化合物尺寸降低并呈现弥散分布，强化了接头的力学性能。通过和扩散焊方法的对比研究表明，即便采用复杂的工艺和中间层设计，扩散焊接头强度依然远不及旋转摩擦焊直接连接接头的强度，表明旋转摩擦焊独特的热力耦合产热是此类异质组配接头高效与高强连接的本质原因。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

论文主要创新与贡献

物理量符号及名称表

目录

第1章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 旋转摩擦焊方法简介

1.3 接头形成机制的研究现状

1.4 问题的提出

1.5 本文主要研究内容

第2章 实验原理及方案

2.1 研究方案及技术路线

2.2 实验材料

2.3 实验设备及检测设备

2.4 实验方法与工艺

2.5 显微组织和力学性能测试分析

第3章 界面产热及温度场基本规律实验研究

3.1 界面摩擦扭矩的变化特征

3.2界面摩擦扭矩演变规律讨论

3.3 接头温度场的演变特征

3.4 轴向缩短量的变化特征

3.5 本章小结

第4章 接头热流模式及微观组织的演变研究

4.1 接头不同时刻的宏观外貌

4.2热流模式及第一阶段界面塑性环的演变特征

4.3 第一阶段接头端面摩擦形貌的演变

4.4 界面产热热强分布及演变的讨论

4.5 接头微观组织区域划分及其演变特征

4.6 接头微观组织演变的EBSD分析

4.7 本章小结

第5章 界面产热机制和温度场模型的解析

5.1 产热机制和温度场数学模型分析

5.2 塑性环长大动力学及其数学模型解析

5.3 本章小结

第6章 界面产热及温度场对接头成形的影响

6.1 同质接头热流模式与力学性能相关性分析

6.2 典型异质组配RFW接头成形特征

6.3 异质组配接头RFW成形的优越性

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及专利

致谢

声明