西北工業(yè)大學(xué)摩擦焊接陜西省重點實驗室 李京龍 李 洵 張 昊

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 欒國紅 張?zhí)飩} 郭德倫

摩擦焊接結(jié)構(gòu)完整性的獲得，離不開焊接工藝理論的支撐，其中摩擦焊產(chǎn)熱機理與規(guī)律的解析，不僅僅是科學(xué)問題，更是焊接規(guī)范調(diào)節(jié)和接頭組織、缺陷控制的重要依據(jù)，所以有必要回歸到摩擦焊過程的本質(zhì)——摩擦焊產(chǎn)熱。

摩擦焊產(chǎn)熱，最初是基于“摩擦生熱”的直觀、樸素理解，即界面摩擦剪切力做功，耗散為熱。早期Vill、Crossland等產(chǎn)熱模型正是基于這一理論建立的。但是，用已有金屬摩擦副的摩擦系數(shù)范圍，無法獲得摩擦焊高的產(chǎn)熱熱強（即產(chǎn)熱功率）。于是，為與試驗結(jié)果對應(yīng)，需要一個比已有認識大許多的所謂“摩擦系數(shù)”，比如0.577或更高，來重新回歸模型[1-2]。目前摩擦焊數(shù)值模擬方法大多繼續(xù)沿用了這一技術(shù)手段[3-4]。

事實上，摩擦焊界面經(jīng)歷了從低溫到高溫的“摩擦”過程，這個高溫范圍處于再結(jié)晶溫度和熔點溫度之間，這說明摩擦焊過程中產(chǎn)熱的熱強發(fā)生了巨大變化，這已是基于已有摩擦學(xué)的“摩擦生熱”的概念所不能理解的，其間必然發(fā)生了產(chǎn)熱機制的轉(zhuǎn)變，繼續(xù)采用“摩擦系數(shù)”這一表征量的有效性就值得懷疑。于是，“變形產(chǎn)熱”的概念被提了出來，即產(chǎn)熱是“摩擦產(chǎn)熱”和“變形產(chǎn)熱”共同作用的結(jié)果，但一直困擾于二者的作用時空和貢獻大小。

本文提出了“摩擦阻抗”的概念，將摩擦焊的產(chǎn)熱問題直接歸結(jié)到界面阻抗做功，即摩擦扭矩做功，或剪切力做功。根據(jù)對摩擦焊研究前沿的總結(jié)[5]，將阻抗從機制上進一步劃分為“滑動”摩擦阻抗（slide）和“粘著”摩擦阻抗（stick）2種形式。于是，上述的“摩擦產(chǎn)熱”對應(yīng)于“滑動”阻抗做功，而“變形產(chǎn)熱”則對應(yīng)于“粘著”阻抗做功。阻抗概念明確，因物理機制的不同，將需要不同物理模型進行表征。本文還將進一步闡述在不同的摩擦焊方法中，滑動阻抗與粘著阻抗作用的時空、產(chǎn)熱貢獻的問題。

摩擦焊做功產(chǎn)熱的物理本質(zhì)

在摩擦焊中，摩擦界面輸入的機械能用于克服界面阻抗做功，然后以熱能形式耗散，形成摩擦焊界面的產(chǎn)熱效應(yīng)。因此，摩擦焊的產(chǎn)熱問題，其本質(zhì)是阻抗做功問題。

1 機械能用于克服界面阻抗做功

摩擦做功，是作用力（等于摩擦力）與作用位移的點積，即

將上式微分化（圖1）在單位摩擦面積、單位時間內(nèi)，產(chǎn)熱微元為：

式中，τ是摩擦剪切應(yīng)力（N/m2，或Pa），v是摩擦線速度（m/s）。這里只取其剪應(yīng)力與線速度方向相同的情況討論，故直接取其值相乘，取消點積符號。這里的摩擦剪切應(yīng)力（簡稱剪切力），就是摩擦阻抗。

圖1 旋轉(zhuǎn)摩擦焊摩擦面積微元示例

2 兩種典型的阻抗形式

在摩擦焊界面，存在2種典型的阻抗形式，即滑動摩擦阻抗、粘著摩擦阻抗。通常二者同時存在，并相互轉(zhuǎn)變。

對于滑動摩擦阻抗，即剪切力，可以使用摩擦系數(shù)來表征，即阿芒頓定理（Amontons' Law，1695年提出），從而將剪切力和正壓力聯(lián)系起來，即

式中，μ為摩擦系數(shù)，p為摩擦面正壓力。

粘著摩擦，是指摩擦面兩側(cè)金屬在摩擦力作用下，發(fā)生局部點咬合的現(xiàn)象。粘著更多地屬于局部點的“冷壓焊”現(xiàn)象——需要發(fā)生界面塑性變形，其機理是金屬原子間成鍵，即焊合（welding）。因此，粘著現(xiàn)象的物理本質(zhì)是物理界面演變成晶界（同質(zhì)金屬摩擦）或者相界面（異質(zhì)金屬摩擦）。當(dāng)然，在界面連續(xù)相對運動中，焊合（粘著）是動態(tài)的，是一個“粘著-剪斷”不斷發(fā)生的過程。

粘著摩擦阻抗受控于材料在當(dāng)?shù)販囟?、?dāng)?shù)貞?yīng)變速率下的塑性變形抗力，而和外載本身（如壓力）沒有直接關(guān)系。因此，嚴格地講，粘著阻抗不可以繼續(xù)使用摩擦系數(shù)來表征。

對粘著阻抗研究較少，目前尚無成熟的表征。從工程流體力學(xué)角度，可以勉強提出一個粘著阻抗的表達式，

式中，γ為應(yīng)變速率，K為粘度系數(shù)，n為流性指數(shù)。可以通過Gleeble熱模擬試驗，獲得材料在不同的溫度以及應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力，進而通過回歸分析獲得上述系數(shù)或指數(shù)。

3 阻抗的演變

這2種阻抗形式存在于整個摩擦焊過程中，目前需要解決的問題主要是在某一時間段內(nèi)誰主導(dǎo)的問題。

在摩擦焊條件下（即摩擦面剪切速度范圍），材料發(fā)生粘著常需要一個開動溫度，如Maalekian等[2]給出碳鋼的粘著摩擦開動溫度為720℃，在此溫度以下，界面剪切力為滑動摩擦所主導(dǎo)，在再結(jié)晶溫度以上（0.6Tm，碳鋼為860℃），界面為粘著機制主導(dǎo)?；\統(tǒng)地講，就是冷態(tài)對應(yīng)滑動摩擦，熱態(tài)對應(yīng)粘著摩擦。

滑動摩擦阻抗與粘著摩擦阻抗的相對大小在學(xué)術(shù)界仍存在爭議。一般地認為，旋轉(zhuǎn)摩擦焊中，滑動摩擦阻抗小于粘著摩擦阻抗，并主要作用在摩擦初期的環(huán)狀局部界面，其產(chǎn)熱熱強低，對界面僅起到預(yù)熱作用；而對后續(xù)摩擦產(chǎn)熱起核心貢獻的是粘著阻抗。二者是順序轉(zhuǎn)變，并最終達到連續(xù)塑性流動、擠出飛邊，這就是旋轉(zhuǎn)摩擦焊的產(chǎn)熱機制[6-8]。對攪拌摩擦焊，二者對產(chǎn)熱的貢獻則相當(dāng)，之間的時序關(guān)系不是順序轉(zhuǎn)變，而是周期性演變，從而形成攪拌摩擦焊中溫度、力矩的周期性變化機制。

旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭的塑性環(huán)與熱流模式

熱流模式[7]（heat pattern）概念源于電阻點焊，后被美國金屬學(xué)會（ASM）引入到摩擦焊中[9]，即HAZ所包絡(luò)區(qū)域的形態(tài)。如圖2所示，旋轉(zhuǎn)摩擦焊有X型（剪刀型）、I（碟型）2種典型熱流模式[6]。該區(qū)域的包絡(luò)線實際上是一個組織轉(zhuǎn)變或晶粒尺寸發(fā)生變化的等溫線，因此，熱流模式也就暗示了摩擦界面產(chǎn)熱熱強的分布特征等重要信息，值得深入研究。

圖2 Crossland給出的2種典型熱流模式模型

熱流模式雖然給出了接頭焊后的綜合信息，但并不能直接體現(xiàn)焊接過程中界面熱強的分布與演變。事實上，熱流模式有一個萌生、生長的演變過程，這就是塑性環(huán)，或者稱深塑區(qū)[8]。因此，塑性環(huán)的萌生位置、長大模式及其形貌特征，反映了界面產(chǎn)熱熱強信息。

1 塑性環(huán)現(xiàn)象及發(fā)生機制

“塑性環(huán)”借用了電阻點焊中的概念，點焊中，在界面接觸區(qū)域外緣，由于此處電流密度高，首先被加熱，金屬塑化貼合形成一個塑性環(huán)，然后熔核在這個封閉塑性環(huán)內(nèi)生長。

如圖3所示，旋轉(zhuǎn)摩擦焊塑性環(huán)萌生的位置大致在界面1/3R～2/3R之間的某一環(huán)狀區(qū)域。在塑性環(huán)萌生后，會向里、向外生長，直至長滿整個界面而完成冶金結(jié)合，從而消除物理界面。這一點與電阻點焊的塑性環(huán)形成不同，點焊的塑性環(huán)形成后不再變化，隨后則是在其內(nèi)部液化形核并長大，核區(qū)是鑄造組織。摩擦焊則是塑性環(huán)直接長滿界面，沒有液相生成，核區(qū)是鍛造細晶組織。

圖3 不同時刻旋轉(zhuǎn)摩擦焊塑性環(huán)萌生與演變形貌

塑性環(huán)萌生、生長的過程，暗示了界面產(chǎn)熱的不均勻性。圖4給出了界面沿徑向溫度分布曲線及其隨時間演變的過程，這一結(jié)果進一步印證了前述的塑性環(huán)位置、形貌特征等問題，即萌生點總是處在峰值溫度下。這一規(guī)律可以引發(fā)對旋轉(zhuǎn)摩擦焊接頭設(shè)計的思考，通過改變焊接過程中的熱流模式，比如空心設(shè)計、倒角設(shè)計等，來滿足不同的接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 對界面產(chǎn)熱熱強分布演變的思考

早期的界面產(chǎn)熱模型基于滑動摩擦理論，整個界面從一開始均存在摩擦阻抗，并假設(shè)一個界面壓力分布，從而導(dǎo)出一個界面產(chǎn)熱分布模型。界面壓力一般假設(shè)成均勻分布或拋物線分布[10]。最終產(chǎn)熱峰值點都落在了界面的外緣，相應(yīng)的塑性環(huán)起始位置也應(yīng)該在此處。但這一結(jié)果和實際觀測到的界面溫度分布演變特點（見圖4），以及塑性環(huán)萌生在界面1/3R～2/3R處（見圖3）的事實不相符合。事實上界面阻抗演變大致遵循以下的變化規(guī)律：在界面1/3R～2/3R之間的某一環(huán)狀區(qū)域，在摩擦初期和中期（飛邊形成之前）才是一直貼合最緊密的地方，因此有機會持續(xù)摩擦（滑動摩擦）、升溫，然后形成粘著。這時，界面摩擦由滑動逐漸轉(zhuǎn)為粘著機制。隨后，粘著點在該區(qū)域生長連續(xù)后，形成塑性流動，在壓力作用下向里、向外流動傳熱傳質(zhì)，從而使貼合區(qū)域向里、向外擴展，于是擴展后的界面形成新的粘著摩擦阻抗，變成新的產(chǎn)熱區(qū)域，直到粘著區(qū)域長滿界面，使整個界面獲得冶金結(jié)合，之后飛邊就出現(xiàn)了。

圖4 不同時刻旋轉(zhuǎn)摩擦焊界面徑向溫度分布曲線

圖5給出了一組旋轉(zhuǎn)摩擦焊中，扭矩、軸向縮短量以及接頭表面溫度隨時間的演變過程。扭矩所呈現(xiàn)的宏觀信息以及表面溫度的變化可以印證上述假說，扭矩對應(yīng)于界面總的摩擦阻抗（界面求積）。在加熱階段，可以看到扭矩的特征是：在經(jīng)歷初期平臺后，迅速上升到峰值，之后衰減到一個較高的平臺而進入塑性流動階段（準穩(wěn)態(tài)階段）。與之伴隨產(chǎn)生的溫度演變特征是：在第一個較低的扭矩平臺上，對應(yīng)一個較低的表面溫度平臺（約160℃）；在扭矩迅速上升階段，溫度也隨之迅速上升，之后回落到一個準穩(wěn)態(tài)溫度。

在摩擦初期較低的扭矩平臺上，溫度上升梯度小或出現(xiàn)平臺，說明阻抗的類型與性質(zhì)沒有變化，摩擦面積（集中在界面1/3R～2/3R之間的某一環(huán)狀區(qū)域）也沒有明顯變化，在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干摩擦，即滑動摩擦，此時熱量開始積累。因摩擦面積小、產(chǎn)熱低，且熱強變化不大，而使產(chǎn)熱與耗熱最終在某個溫度下達到平衡，界面阻抗保持了滑動摩擦主導(dǎo)的特征。

在扭矩平臺結(jié)束轉(zhuǎn)為快速上升時，界面塑性環(huán)形成，即在該區(qū)域已產(chǎn)生塑化金屬層，標志著界面從滑動摩擦過渡到粘著摩擦。隨后塑性環(huán)開始向里、向外擴展，摩擦面積增大。于是在較高的粘著阻抗和不斷增大的摩擦面積雙重作用下，扭矩、溫度迅速上升。當(dāng)塑性環(huán)長滿整個界面時，扭矩達到峰值。隨后界面塑性層增厚，并擠出飛邊。

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以上分析表明，滑動摩擦對產(chǎn)熱的貢獻是在摩擦初期，且局限于1/3R～2/3R的某個環(huán)狀區(qū)域內(nèi)，而對接頭形成起主導(dǎo)作用的是粘著摩擦。通過對扭矩曲線的分段積分，可大致計算出粘著貢獻大約占80%或更高，如果將隨后的準穩(wěn)態(tài)階段也計算在內(nèi)，則會達到90%。Vill根據(jù)試驗實例，計算出粘著貢獻達到87%[8]。

塑性環(huán)萌生、長大機制，可能也適用于線性摩擦焊過程。但在線性摩擦焊過程中，塑性層可能萌生于摩擦面的中心，之后沿界面的2個方向生長，而攪拌摩擦焊的阻抗演變機制則又有所不同。

攪拌摩擦焊中“滑動-粘著”阻抗周期性演變機制

1 兩種機制演變的學(xué)說

攪拌摩擦焊中周期的概念，在時間上對應(yīng)于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)周期；在空間上對應(yīng)于前進步長，也對應(yīng)于表面弧紋的寬度。

在攪拌摩擦焊中，滑動摩擦、粘著摩擦2種阻抗同時存在。周期性波動主要受前進側(cè)“滑動-粘著”周期性轉(zhuǎn)換機制影響，在前進側(cè)以外的摩擦面區(qū)域，粘著摩擦一直起作用。圖6給出了攪拌摩擦焊過程中周期性特征形成示意圖，在一個周期內(nèi)，攪拌頭前進側(cè)首先面對冷態(tài)壁面，產(chǎn)生滑動摩擦并升溫，當(dāng)溫度達到一定值后進入粘著摩擦、萌生塑性層（對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)摩擦焊的塑性環(huán)），隨后塑性層長大到后退側(cè)，使摩擦面增大，同時粘著摩擦起主導(dǎo)作用，溫度繼續(xù)升高。不斷塑化的金屬流動、填入后方，并部分填回前進側(cè)完成一個周期。在熱態(tài)塑化金屬從前進側(cè)遷移走后（受攪拌頭的頂鍛擠壓），攪拌頭重新面對冷態(tài)壁面，于是進入下一個周期。

圖5 旋轉(zhuǎn)摩擦焊接過程中扭矩、溫度、軸向縮短量隨時間的演變規(guī)律

圖6 攪拌摩擦焊過程中周期性特征形成示意圖

2 機制演變學(xué)說的周期性現(xiàn)象支撐

空間周期性現(xiàn)象已獲得接頭組織周期性的大量驗證，如表面弧紋、縱斷面帶狀結(jié)構(gòu)、焊縫橫斷面的洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)[11-12]等，其周期性和前進步長相一致[13]。這種組織的周期性說明了塑性金屬流動的周期性，而不是通常理解的穩(wěn)態(tài)、連續(xù)流動。同時，從焊接行進中也發(fā)現(xiàn)了位移波動性，其波動周期與前進步長一致：對應(yīng)于攪拌頭面對冷壁面干摩擦的遲滯性，以及塑化金屬遷移后的快速移動。

圖7顯示了攪拌頭溫度場也具有周期性變化特征，對應(yīng)于前進側(cè)金屬從滑動摩擦（冷態(tài)），到粘著-塑化，以及塑化金屬層長大、流動（溫度最高）的周期性過程。

扭矩的周期性波動特征如圖8所示，其波峰對應(yīng)于前進側(cè)的滑動摩擦?xí)r間段，因為面對硬的冷態(tài)壁面，在大的前進擠壓力作用下，需要較高的剪切力來產(chǎn)生摩擦運動；其波谷對應(yīng)于粘著摩擦和塑化金屬長大填縫過程，此時由于高溫塑化金屬的自潤滑效應(yīng)，其摩擦剪切阻抗變小。但是，盡管粘著阻抗小于滑動阻抗，但對產(chǎn)熱的貢獻還和摩擦面積有關(guān)。因此，二者的貢獻其實相差不遠。

3 周期性現(xiàn)象的影響規(guī)律初探

在扭矩、壓力、溫度的周期性波動現(xiàn)象中，以扭矩的波動敏感性最強，并且扭矩的解析也更好地說明了摩擦阻抗在一個周期中的演變。為便于參量的采集，試驗在摩擦焊物理模擬機上進行，母材為AA1100鋁合金。獲得規(guī)律見圖9，經(jīng)理論建模、擬合參數(shù)后，得到具有Arrhenius形式的扭矩波動強度表達式[14]：

圖7 攪拌摩擦焊溫度場周期性波動特征

ω2/v相當(dāng)于熱輸入（線能量），其中w是攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度，v是前進速度。這一結(jié)果表明，隨著熱輸入的增大，周期性波動強度增大，且趨于80%。這說明波動性在高熱輸入?yún)?shù)下容易發(fā)生，采用低熱輸入?yún)?shù)焊接，將使波動變得不明顯。

4 兩種阻抗的產(chǎn)熱分配

基于獲得無缺陷焊縫的焊接參數(shù)的研究總結(jié)與試驗工作，結(jié)合扭矩的波動解析式，可以獲得滑動摩擦產(chǎn)熱比例模型：

式中，A和β是試驗常數(shù)，Q為變形激活能，R是氣體常數(shù)，T是焊核區(qū)溫度。根據(jù)該式可以獲得滑動摩擦對產(chǎn)熱貢獻的影響規(guī)律（圖10）[15]。這個規(guī)律說明，滑動摩擦與粘著摩擦這兩種阻抗同時對攪拌摩擦焊的持續(xù)產(chǎn)熱作出貢獻，且貢獻在伯仲之間，更多的參數(shù)點落在了大于50%的區(qū)間，說明通常條件下，滑動摩擦的貢獻要略大一些。熱輸入越小（線能量越?。┗瑒幽Σ恋呢暙I越大。

結(jié)論

本文提出了摩擦阻抗的概念，介紹了滑動、粘著兩種阻抗形式，通過對塑性環(huán)、熱流模式、周期性等和摩擦焊過程緊密相關(guān)概念的闡述，對摩擦焊產(chǎn)熱問題進行了總結(jié)。

圖8 攪拌摩擦焊扭矩的周期性波動特征

圖9 壓力、扭矩周期性表征

圖10 滑動摩擦對產(chǎn)熱貢獻的百分數(shù)隨ω2/v的變化規(guī)律

（1）阻抗的演變。

旋轉(zhuǎn)摩擦焊中的摩擦阻抗由滑動摩擦向粘著摩擦順序演變。摩擦初期以1/3R～2/3R之間的某個環(huán)狀區(qū)域的滑動摩擦為主導(dǎo)，當(dāng)該處熱量積累使溫度上升到一定程度后，進入粘著摩擦階段，形成塑化金屬層，即塑性環(huán)。隨后塑性環(huán)向里、向外生長，界面為粘著摩擦所主導(dǎo)，扭矩（代表界面總的阻抗）、溫度（代表總的產(chǎn)熱熱強與熱耗散的差值）急劇上升。當(dāng)塑性環(huán)長滿整個界面，飛邊擠出時，標志著整個界面焊接機理的實現(xiàn)。

攪拌摩擦焊是“滑動-粘著”周期性波動演變的過程，沒有發(fā)生一個替代另一個的轉(zhuǎn)變過程，這一特征表現(xiàn)在扭矩、壓力、溫度、組織、步長等時空周期性波動上。在一個周期內(nèi)，攪拌頭前進側(cè)面對冷態(tài)固壁面產(chǎn)生滑動摩擦，隨后溫度升高形成塑化金屬層（相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)摩擦焊的塑性環(huán)），塑化層向后退側(cè)長大，并繼續(xù)排向攪拌頭后方。當(dāng)塑化層在攪拌頭的鍛造壓力下排出前進側(cè)后，攪拌頭繼續(xù)面對新的冷態(tài)壁面開始滑動摩擦，于是下一個周期就開始了。

（2）對產(chǎn)熱的貢獻。

旋轉(zhuǎn)摩擦焊中，滑動摩擦阻抗對界面起預(yù)熱作用；而粘著阻抗對產(chǎn)熱的貢獻超過80%。攪拌摩擦焊中，滑動摩擦阻抗與粘著摩擦阻抗共同對界面持續(xù)產(chǎn)熱作出貢獻，其貢獻在伯仲之間。采用較小的熱輸入時滑動摩擦的貢獻略大一些，即對應(yīng)于較高的行進速度和較低的旋轉(zhuǎn)速度。

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