Mg-Ti旋转摩擦焊过程的摩擦产热及原子扩散行为外文翻译资料

 2022-11-04 17:01:46

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Mg-Ti旋转摩擦焊过程的摩擦产热及原子扩散行为

李瑞迪，李京龙，熊江涛，张赋升，赵科，籍成宗

摘要：利用新型物理模拟装置进行 M g—T i旋转摩擦焊过程产热机理及原子扩散行为的研究，该装置包含高速摄像、红外热成像及力学传感器系统。结果表明，摩擦焊过程中，摩擦因数经历两个稳态阶段的变化。第一个稳态阶段为库伦摩擦，以磨蚀为主要形式；第二个稳态阶段为粘着摩擦，以塑性流动为主要形式。另外，随着旋转转速及轴向压力的提高，轴向位移、摩擦温度及摩擦系数的增加率也随之明显提高。M g-Ti摩擦焊过程存在原子的快速扩散现象，该过程中由摩擦大变形激活的扩散系数大约是热激活扩散系数的 倍。

关键词：Mg-Ti；摩擦焊；旋转摩擦焊；产热；原子扩散；摩擦因数；库伦摩擦；粘着摩擦

  1. 介绍

摩擦焊作为一种典型的固态连接技术，能够使两种相似但是不同的材料进行高质量的焊接，并且在很多实际工程领域获得越来越广泛的注意。在摩擦焊接过程中，两个部件的接触界面被迫相互摩擦，导致在摩擦界面产生热量。紧接着接触面被加热和软化，伴随材料的流动，动态再结晶和。所以，详细了解摩擦焊焊接过程中的发热和原子扩散对控制和改善摩擦工艺尤为重要。

在产生热量这方面，摩擦系数对发热和相应的温度场有显著的。描述摩擦焊焊接过程的热模型需要精确的摩擦数据，比如摩擦系数，在开始研究旋转摩擦焊或者搅拌摩擦焊时，许多研究人员采用恒定的摩擦系数来定量表征发热和。但是在摩擦焊接过程中是经历低温和高温的过程，在此期间材料性能从弹性状态改变为粘塑性状态，从而导致变化的摩擦系数。自那以后，提出了一种刚性粘塑性材料模型，其中扭转摩擦用于表征发热分离。他们指出，在摩擦过程中经历了在低温范围内的库仑摩擦，以及高温度范围，其中剪切屈服应力等于摩擦应力。虽然基于滑动粘附模型的模拟研究被发现适合于实验，但该模型还没能建立区分低温和高温范围的规则。在摩擦焊接的原子扩散的另一方面，它的特殊性在于，由于摩擦焊接的强烈的热和应力耦合的性质，扩散不仅由热激发，而且由于大的应力而增强。虽然以前的文献报道了摩擦焊接过程中的应力和扩散，但是详细的影响因素仍不清楚。首先，以前的研究没有准确和令人信服地解决热产生和原子扩散的问题，因此还需要进一步研究。

在这项工作中，一个摩擦焊接的新型物理模拟装置建立了，包括高速摄像机，红色热成像系统和力学量传感器，以研究摩擦生热和原子扩散，检测不同转速和轴向压力下的轴向位移，摩擦温度，机械参数，摩擦系数，微观结构和原子扩散特性。

  1. 实验

实验使用商业纯钛和镁合金（ZK61），并且尺寸标注在图1中。在摩擦焊接之前，Mg合金棒绕其轴线旋转，而Ti棒是不旋转的。当转速达到预先设定的参数时，Ti杆沿轴线移动，然后在液压压力作用下与Mg合金杆接触，从而开始摩擦。在摩擦结束之后，由于其没有用于本研究的事实，所以就没有应用镦粗程序。摩擦焊接参数为：回转速度为800-1600r/min，轴向压力为6-10KN。在此期间，通过帧速率为500 fps的高速照相机观察轴向位移和焊接图像（视觉研究公司，仿真v310）。通过红外热成像系统以60帧的帧速率观察焊接图像的温度场（基础设施，）。红外发射能力假定为1，施加在摩擦杆上的转矩和正常压力通过频率为1000Hz的机械量传感器获得。最后，将焊接的金相试样垂直于焊接界面切割，然后通过标准方法制备用于金相分析的样品。通过扫描电子显微镜分析微结构（SEM），通过能量色散X射线（EDX）光谱仪分析获得化学成分。

图1：显示Mg合金（a）和Ti棒（b）的尺寸的示意图

  1. 结果

如图2所示，通过高速摄像系统收集不同转速下Ti棒的轴向位移作为时间的函数。7.5KN的轴向压力固定为常数，可以发现摩擦焊接过程在任何转速下经历了两个过程。在第一次摩擦过程中，没有可见的轴向沉降，因为Ti棒与旋转的Mg合金棒接触的起始阶段，而摩擦热不足以在摩擦界面软化金属。在第二摩擦过程中，由于足够的摩擦热和相应的高温可以在摩擦界面处软化金属并形成闪光，因此存在明显的轴向起酥油。通过比较不同的转速，可以发现，随着转速的增加，用于轴向起酥油外观的时间减少，此外，随着转速的增加，在相同的摩擦时间轴向缩短量增加，换句话说，随着旋转速度的增加轴向缩短速度增加，这是因为提高旋转速度可以增强摩擦焊接的输入功率，导致发热，软化塑性变形和轴向位移的时间更短。图3显示了不同轴向压力下Ti棒的轴向位移作为时间的函数，1200r / min的转速固定为常数，这表明轴向位移的出现时间随着轴向压力的增加而减小。此外，轴向压力的增加可以在相同的摩擦时间下实现高轴向位移，换句话说，随着施加高的轴向压力，轴向起酥油发生得更快，这是因为在摩擦过程中，摩擦热的输入功率受到摩擦作用的控制。当施加高轴向压力时，输入功率增强，导致快速发热，金属软化和合成的轴向位移。

图2：Ti棒的轴向位移作为不同转速下时间的函数

图3：Ti棒的轴向位移作为不同轴向压力下时间的函数

通过红色热成像系统测量不同t旋转速度下闪光外部作为时间的函数的温度，如图4所示。它显示温度变化包含两个，温度首先经历了上升阶段，然后在任何转速下达到稳定状态。更有意思的是，可以发现当摩擦达到稳定阶段时，温度以任何转速连续，通过比较不同转速下的温度变化曲线，可以发现转速对升温曲线有显着的影响。在800至1400r / min的相对较低的转速下，随着转速的增加，温度和加热速率得到提高。然而，当施加从1400转至1800转/分钟的较高转速时，加热速率在不同转速下显示出小的变化。另外，应当注意的是，在摩擦焊接过程中，Ti棒没有变形，插入到Mg合金棒中，因此通过曝光摄像机获得的温度是闪光外部温度，低于摩擦界面温度，然而，可以获得不同焊接参数下的变化趋势。图5显示了不同轴向压力下温度随时间的变化。一般来说，加热过程也服从上升阶段和稳定阶段。此外，可以发现，尽管轴向压力对温度具有适度的影响，较高的轴向压力可以实现相对温度。

图4：外部闪光温度在不同转速下作为时间的函数

图5：外部闪光温度在不同轴向压力下作为时间的函数

通过机械量传感器测量不同转速下的摩擦系数，如图6所示。从图6可以看出，具体来说，摩擦系数首先经历从0到0.15的快速上升阶段，瞬间出现过冲和回退现象，然后摩擦系数达到约0.1的稳定阶段摩擦系数在任何转速下经历了两个上升阶段，两个稳定阶段，两个过冲和后退阶段。之后，摩擦系数经历了第二次上升阶段从0.1到0.45加上第二次超调和回退现象，然后达到了约0.35的第二个稳定阶段。虽然所有的摩擦系数都存在于类似的变形阶段，但是发现第二阶段的上升沿随转速变化，很明显，较高的转速可以产生更快的上升速度，特别是在第二个上升阶段，图7给出了轴向压力对摩擦系数对时间曲线的影响。在相对较低的怠速压力下（6-7.5KN），摩擦系数对时间曲线存在于两个上升和稳定阶段。然而，当施加更高的轴向压力时（8.25-9.75KN），摩擦系数对时间曲线仅呈现一个上升的稳定阶段。总的来说，它也显示出高的轴向压力可以使快速上升的速度。

图6：摩擦系数作为不同转速下时间的函数

图7：摩擦系数作为不同轴向压力下时间的函数

为了了解上述参数之间的关系，温度，轴向位移和摩擦系数与时间的关系曲线如图8（a）所示。图8（b-e）显示了通过高速摄影不同摩擦阶段的外观形态。图8（f-i）显示了通过红色热成像系统获得的不同摩擦级中的摩擦杆的温度场。一般来说，可以注意到，各种参数的变体可以分为四个阶段。在第一摩擦阶段，没有轴向位移和摩擦片（图8（b）），同时，摩擦界面的升温也不明显，摩擦系数从0增加到1.5左右。在第二阶段，虽然形成了摩擦片（图8（c）），轴向位移不明显，但是摩擦界面的温度上升明显，同时摩擦系数达到一个平台。在第三阶段，温度升高到最大值，轴向位移趋于发生，伴随着摩擦系数的逐渐增加。由于塑性流动，Mg棒显示摩擦闪烁（图8（d））。在第四阶段，温度和摩擦系数达到稳定阶段，而轴向位移不断增加。同时，Mg棒的塑性变形明显（图8（e））。

图9显示了在1000r / min的转速下，背散射电子（BSE）模式的SEM图像和Mg-Ti摩擦焊接口的EDX结果。EDX结果表明，在Mg-Ti界面处存在深度约为4.8mu;m的互扩散区。类似地，根据该方法测量不同转速下的扩散深度，如表1所示。它表明扩散深度增加。根据抛物线方案，扩散系数由D = x / t计算，其中x是扩散深度，t是扩散时间。扩散系数如表1所示，在我们以前的工作中，进行了Mg和Ti的真空扩散焊接，相关扩散系数为。因此，在摩擦焊接过程中，塑性变形活化扩散系数比热活化扩散系数高倍。应该注意，扩散系数与温度，晶体结构和晶体缺陷有关。在这项工作中，我们考虑摩擦焊接和扩散焊接之间的差异如下，扩散焊接过程中的原子扩散主要受温度的影响。然而，摩擦焊接过程中的原子扩散不仅受到温度的升高，而且也受到严重的变形。扩散焊接和摩擦焊接的温度是相似的，所以我们可以推断出，增强的二次离子系数减摩焊是由应力和严重的变形引起的。

表1 不同转速下的扩散条件

  1. 讨论

上述结果表明，摩擦系数在任何摩擦条件下呈现两个稳定阶段，可以理解如下。两个不同的摩擦系数稳定对应于完全不同的摩擦机制。在第一级分稳态下，由于相应的温度低，摩擦机构是滑动的，摩擦类型是库仑摩擦（图8（g））并且没有塑料流动的发生（图8（c））。虽然接触界面在宏观层面看起来平滑，摩擦界面不光滑，但在微观上存在许多不规则性。实际触点是在两个界面的凹凸之间进行的，实际接触面积小于视在接触面积。此外，在这个稳定阶段，摩擦应力低于剪切屈服应力。然而，随着发热的进行，摩擦界面的温度逐渐增加（图8（i）），从而在摩擦界面处引起完全塑性流动（图8（e）），其摩擦机理为。在这个稳定阶段，实际接触面积接近于表观面积，摩擦应力等于或高于材料的剪切屈服应力，而与轴向压力无关。因此，可以推断出第一摩擦稳定阶段为滑动，第二摩擦稳定阶段为粘结。

在摩擦过程中，产生的热量来自摩擦和塑性变形。因此，热功率可以表示为ɳtau;v，其中x表示粘附机制的程度；f表示摩擦应力；v表示的是摩擦速度；ɳ表示的是火电的转换效率；tau;表示是剪切屈服应力。当摩擦处于第一稳定阶段时，热量由库仑摩擦产生，x为0；当摩擦进入第二个稳定阶段时，界面充满高温塑料金属，引起发热，x为1。因此，当摩擦处于两个稳定阶段的混合阶段时，两个发热机构共存。这表明随着摩擦速度和轴向压力的增加，摩擦功率增加，导致较高的热流密度和相应的升温速率，轴向位移和摩擦系数。因此，高摩擦速度和轴向压力可以使轴向位移，温度升高和减小系数快速增加。

在大变形过程中，在许多其他材料加工技术中已经发现了快速原子扩散现象，如机械合金化[13]，超声波焊接[14]和摩擦搅拌加工[15]。这是因为在大型变形过程中往往会发生许多空缺，由于在高热和应力耦合效应的作用下的大变形，空位可以在摩擦焊接过程中引起原子扩散。然而，变形增强扩散的详细机制尚不清楚，将是进一步发展的重要研究方向。

图8：旋转速度为1200r / min，轴向压力为7.5KN时，混合位移，温度和系数对时间的变化：（a）参数之间的关系；（b）-（e）不同阶段摩擦棒的外观形态学；（f）-（i）不同阶段的摩擦棒的温度场。

图9：BES图像和EDX结果以100r / min的Mg-Ti摩擦界面

  1. 结论

（1）Mg-Ti的摩擦焊接经历了两个稳定阶段和两个过渡阶段，第一个稳定阶段对应于与材料磨损的库仑摩擦。第二个稳定阶段对应于完全塑性流动的棒摩擦。

（2）随着转速或轴向压力的增加，摩擦功率提高，导致轴向位移的稳定快速转变，摩擦焊接过程中温度的摩擦系数。

（3）在旋转摩擦焊接过程中，通过在Mg-Ti界面处的大的塑性变形，原子扩散显着增强。由变形激活的扩散系数比通过热激活的扩散系数高10倍。

参考文献：

[1]PEW J W，NEL SON T W,SORENSEN C D．Torque based weld power model for friction stir welding [J].Science and Technology of Welding and Joining，2007，12(4)：341—347．

[2]UDAY M B,FAUZI M N A ,ZUHAILAWATI H ,ISMAIL A B．Advances in friction welding process：a review [J]．Science and Technology of Welding and Joining，2010，15(7)：534—558．

[3]SCHNEIDER J,BESHEARS R,NUNES A C .Interfacial sticking and slipping in the friction stir welding process [J]．Mater

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