摩擦焊产热基础问题探讨

《摩擦焊产热基础问题探讨》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、’_F缝眵‘：『}甓il盘墼／1夕Z，一√÷。÷——-————-7／’＼＼弼§l眦j／riI=：、_；◇、、塑!鳖‘i{／／峪i‘i,ii．毒『ilI■E／L酵一、≥，c订陵1■一，／一■rr、’‘。rr—{垒≤通一_J■-、红髦穹篡P矿1r—=一一震蕊≤1．e≥乏豸蕴．戆j—一二=二；疆_』：I蕊-■‘监AdvancedWeldingr稠∥．·．弋Technology■二、＼r

2、7．．-攀／‘心、V_笔论坛FORUM摩擦焊产热基础问题探讨DiscussionofHeatGenerationinFrictionWelding西北工业大

3、学摩擦焊接陕西省重点实验室李京龙李洵张吴中航工业北京航空制造工程研究所栾国红张田仓郭德伦李京龙西北工业大学材料学院教授．博士生导师．摩擦焊接陕西省重点实验室主任．主要从事摩擦焊．扩散焊、钎焊及热喷涂领域的研究工作。摩擦焊接结构完整性的获得，离不开焊接工艺理论的支撑，其中摩擦焊产热机理与规律的解析，不仅仅是科学问题，更是焊接规范调节和接头组织、缺陷控制的重要依据，所以有必要回归到摩擦焊过程的本质——摩擦焊产热。摩擦焊产热，最初是基于“摩擦生热”的直观、朴素理解，即界面摩擦剪切力做功，耗散为热。早期Vill、Crossland等产热模型正

4、是基于这一理论建立的。但是，用已有金属摩擦副的摩擦系数范围，无法获得摩·国家自然科学基金项目(51475376)资助。42航空制造技术·2015年第20期为解决摩擦焊中的产热问题，引入了摩擦阻抗的概念，并将其中的摩擦阻抗划分为滑动摩擦阻抗和粘着摩擦阻抗。结合旋转摩擦焊、搅拌摩擦焊相关研究。从塑性环(或塑化区)的萌生、生长。以及搅拌摩擦焊的周期性现象切入，给出了两种摩擦焊过程中不同的摩擦阻抗演变机制，努力回答了摩擦产热与变形产热作用时空及贡献大小等长时间困扰学术界的问题oDOI：10．16080／j．issnl671-833x．2015

5、．20．042擦焊高的产热热强(即产热功率)。于是，为与试验结果对应，需要一个比已有认识大许多的所谓“摩擦系数”，比如0．577或更高，来重新回归模型【1。2】。目前摩擦焊数值模拟方法大多继续沿用了这一技术手段[3-4]o事实上，摩擦焊界面经历了从低温到高温的“摩擦”过程，这个高温范围处于再结晶温度和熔点温度之间，这说明摩擦焊过程中产热的热强发生了巨大变化，这已是基于已有摩擦学的“摩擦生热”的概念所不能理解的，其间必然发生了产热机制的转变，继续采用“摩擦系数”这一表征量的有效性就值得怀疑。于是，“变形产热”的概念被提了出来，即产热是“

6、摩擦产热”和“变形产热”共同作用的结果，但一直困扰于二者的作用时空和贡献大小。本文提出了“摩擦阻抗”的概念，将摩擦焊的产热问题直接归结到界面阻抗做功，即摩擦扭矩做功，或剪切力做功。根据对摩擦焊研究前沿的总结圈，将阻抗从机制上进一步划分为“滑动”摩擦阻抗(slide)和“粘着”摩擦阻抗(stick)2种形式。于是，上述的“摩擦产热”对应于“滑动”阻抗做功，而“变形产热”则对应于“粘着”阻抗做功。阻抗概念明确，因物理机制的不同，将需要不同物理模型进行表征。本文还将进一步阐述在不同的摩擦焊方法中，滑动阻抗与粘着阻抗作用的时空、产热贡献的问题

7、。摩擦焊做功产热的物理本质在摩擦焊中，摩擦界面输入的机械能用于克服界面阻抗做功，然后以热能形式耗散，形成摩擦焊界面的产热效应。因此，摩擦焊的产热问题，其本质是阻抗做功问题。1机械能用于克服界面阻抗做功摩擦做功，是作用力(等于摩擦胁。。aweldingb。№岫，先进焊接技术力)与作用位移的点积，即Q=F·S，(1)将上式微分化(图1)在单位摩擦面积、单位时间内，产热微元为：g=w，(2)式中，r是摩擦剪切应力(N／m2，或Pa)，v是摩擦线速度(m／s)。这里只取其剪应力与线速度方向相同的情况讨论，故直接取其值相乘，取消点积符号。这里的

8、摩擦剪切应力(简称剪切力)，就是摩擦阻抗。l擦面移!微元(环状为例)图1旋转摩擦焊摩擦面积微元示例2两种典型的阻抗形式在摩擦焊界面，存在2种典型的阻抗形式，即滑动摩擦阻抗、粘着摩擦阻抗。通常二者同时存在，并相互转变。对于滑动摩擦阻抗，即剪切力，可以使用摩擦系数来表征，即阿芒顿定理(Amontons’Law，1695年提出)，从而将剪切力和正压力联系起来，即rl=／up，(3)式中，岸为摩擦系数，P为摩擦面正压力。粘着摩擦，是指摩擦面两侧金属在摩擦力作用下，发生局部点咬合的现象。粘着更多地属于局部点的“冷压焊”现象——需要发生界面塑性变

9、形，其机理是金属原子间成键，即焊合(welding)。因此，粘着现象的物理本质是物理界面演变成晶界(同质金属摩擦)或者相界面(异质金属摩擦)。当然，在界面连续相对运动中，焊合(粘着)是动态的，是一个“粘着一剪断”不断发生