外文翻譯---ti6al4v在擠壓階段的線(xiàn)性摩擦焊

1、<p>　　Ti6AL4V在擠壓階段的線(xiàn)性摩擦焊</p><p>　　A. Vairis *, M. Frost</p><p>　　Department of Mechanical Engineering, Uni6ersity of Bristol, Queen’s Building, Uni6ersity Walk, Bristol BS8 1TR, UK</p>

2、;<p>　　Received 25 March 1999; received in revised form 14 June 1999</p><p><b>　　0前言</b></p><p>　　Ti6AL4V在線(xiàn)性摩擦焊的擠壓階段對(duì)焊接的完整性已經(jīng)被證明有很重要的作用。在摩擦界面中最大的摩擦熱所在的地方，熱量提升的顯示依賴(lài)于振幅。這是閃速和軸向縮

3、短實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了宏觀(guān)證明。用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析模型來(lái)預(yù)測(cè)應(yīng)變率，材料暴露在接口塑化區(qū). © 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved.</p><p>　　關(guān)鍵詞：線(xiàn)性摩擦焊接，擠壓階段;Ti6AL4V</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　自從焦耳實(shí)驗(yàn)之

4、后，我們就已經(jīng)知道，機(jī)械能將部分之間的摩擦產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化摩擦表面。最近，它已被證明在線(xiàn)性摩擦焊的情況下，增加材料在可控制的方法下這些熱量是鼓勵(lì)使用，也能提高效率。在這個(gè)過(guò)程中，部分相對(duì)移動(dòng)的壓力下彼此由線(xiàn)性機(jī)制產(chǎn)生了直接的往復(fù)式模式.這提供了一個(gè)方便的方法，加入大多數(shù)的材料組合，適用于非軸對(duì)稱(chēng)零件，需要準(zhǔn)確的工件方位。</p><p>　　線(xiàn)性摩擦焊是一種自我調(diào)節(jié)的過(guò)程中，接口在一定壓力條件和毗鄰地區(qū)要達(dá)到接受其

5、各個(gè)階段的過(guò)程。觀(guān)察的過(guò)程[1]有四個(gè)不同的階段（圖1）。這些階段已經(jīng)在一些細(xì)節(jié)先前所描述的[1]，本文僅簡(jiǎn)要討論。</p><p>　　1.1第一階段，初始階段</p><p>　　在開(kāi)始的時(shí)候，這兩種材料都在壓力下接觸。兩個(gè)表面處于粗糙階段，從固體摩擦產(chǎn)生的熱量。在整個(gè)這一階段，由于嚴(yán)酷的磨損而接觸面積增大。在這一階段組織沒(méi)有軸向縮短。如果擦的速度太低，對(duì)于一個(gè)給定的軸向力，將產(chǎn)生摩擦

6、熱不足，傳導(dǎo)和輻射的損失，這將導(dǎo)致熱軟化和不足，下一階段也將不遵循補(bǔ)償。</p><p>　　1.2第二階段，過(guò)渡階段</p><p>　　如果在前一階段已經(jīng)有足夠的摩擦熱軟化材料，大磨損顆粒開(kāi)始從接口切除，熱影響區(qū)擴(kuò)大為遵循第三階段。真正的接觸面積，被認(rèn)為是100％的截面積，這兩種材料之間形成的軟塑化層不再是能夠支持的軸向載荷。</p><p>　　1.3第三階段

7、，平衡相</p><p>　　繼第二階段，縮短工件的軸向開(kāi)始作為一個(gè)被驅(qū)逐鐓粗的結(jié)果。在鍵的突破和改革所產(chǎn)生的熱量帶來(lái)了從接口和一個(gè)塑料帶的發(fā)展。在界面上形成的塑化層，局部應(yīng)力振蕩運(yùn)動(dòng)的援助制度擠出材料到閃存的接口。由于溫度分布不均勻，在這個(gè)階段可能出現(xiàn)不穩(wěn)定。如果溫度過(guò)高會(huì)增加在接口部分從振蕩中心線(xiàn)的距離，成為在這一節(jié)中的塑化層較厚，造成更多的塑料材料被擠壓。這可能會(huì)導(dǎo)致從原機(jī)的界面（圖2）旋轉(zhuǎn)。這種行為可以歸

8、因于組織的初始失調(diào)。</p><p>　　1.4第四階段，減速階段</p><p>　　相對(duì)位移的突然停止以及施加的鍛造壓力鞏固焊縫。從上述的介紹，很顯而易見(jiàn)的得知，是輸入功率的限制，以下的焊接是不可能的。如果操作使用的振蕩幅度較小，或揉在一個(gè)較低的振蕩頻率或使用比需要的小的摩擦壓力，工件將永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到能產(chǎn)生良好定義的閃速，和隨后形成的良好焊縫. 相反，它已被證明，給予適當(dāng)?shù)某跏紬l件，閃光

9、的速率極大的影響了焊接的完整性。</p><p>　　應(yīng)變率敏感材料，如Ti6AL4V，有兩種控制擠壓速度的影響。首先在界面上的溫度，其次粘塑性應(yīng)變率。</p><p>　　在已經(jīng)出版的大量文獻(xiàn)，以旋轉(zhuǎn)摩擦焊接相比，少的信息是關(guān)于線(xiàn)性摩擦焊接文獻(xiàn)。然而參考.[2]，模型估計(jì)在軌道摩擦焊接過(guò)程中的初始階段，軸向熱輸入偏移的影響。軌道焊接生產(chǎn)速度的條件類(lèi)似的線(xiàn)性摩擦焊接工件在同樣的意義上有關(guān)其

10、縱軸具有相同角速度旋轉(zhuǎn)。最近[3] AL-Mg-Si系合金和Al的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接熱影響區(qū)的溫度和有效應(yīng)變率分布的估計(jì)，所獲得的微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化 - 碳化硅基復(fù)合材料?；诰植课⑼贵w熔化的假設(shè)，在摩擦界面和摩擦過(guò)程中的每一個(gè)階段的常系數(shù)，一維溫度模型，提出了預(yù)測(cè)和測(cè)量溫度值之間的協(xié)議。然而，作為組織短由于材料擠出，它會(huì)出現(xiàn)，嵌入式熱電偶將接近高溫度梯度地區(qū)通過(guò)摩擦界面。因此，將需要一些精密熱電偶的位置。在同樣的工

11、作，假設(shè)的速度分量在塑化材料作為材料的變形形狀類(lèi)似時(shí)尚的變化，應(yīng)變率預(yù)測(cè)為塑化區(qū)。然而，在摩擦界面預(yù)測(cè)的應(yīng)變率是非常高（?1000 S - 1），相比那些號(hào)在數(shù)值預(yù)測(cè)。[4]。一種可能的解釋是粘性流體模型和假設(shè)，塑化區(qū)的寬度是不斷在整個(gè)摩擦界面。在旋轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)，摩擦熱輸入不分布均勻acrossthe摩擦界面，從而影響寬度塑化區(qū)。另一個(gè)原因可能在于，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)學(xué)模型中使用</p><p>　　在

12、這項(xiàng)工作中所研究的材料是鈦6AL4V（IMI的318），最常用的鈦合金在航空航天工業(yè)。實(shí)驗(yàn)采用高頻線(xiàn)性摩擦焊鉆機(jī)（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)）在293 K（室溫）和當(dāng)時(shí)的大氣條件。振蕩幅度為0.92和3毫米，探討的頻率范圍是從10到199赫茲。</p><p>　　因此，本文的目的是研究Ti6AL4V線(xiàn)性摩擦焊的擠壓階段，有關(guān)閃光的形態(tài)結(jié)構(gòu)過(guò)程中的熱輸入模式。從旋轉(zhuǎn)摩擦焊接調(diào)整，以適應(yīng)線(xiàn)性摩擦焊接條件的分析模型，

13、提出估計(jì)的應(yīng)變速率，塑化材料，在經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)觀(guān)察的現(xiàn)象學(xué)常數(shù)的接口。</p><p>　　2.擠壓階段的過(guò)程線(xiàn)性摩擦焊接電源輸入，是足以讓一個(gè)地區(qū)塑料原料摩擦界面的整體跨越發(fā)展。從這個(gè)塑化面積，材料是擠壓形成閃光燈。一個(gè)成功的焊縫被定義為一個(gè)有永久粘連程度。所有成功的鈦6AL4V焊接證明從閃光燈長(zhǎng)度在運(yùn)動(dòng)方向的聯(lián)合雙方可觀(guān)的閃光。擠壓有望出現(xiàn)在中間點(diǎn)的振蕩，而不是極端的立場(chǎng)，摩擦速度是在其最高值，因此產(chǎn)生的熱量

14、是最大。這增加了溫度瞬間造成更多的物質(zhì)產(chǎn)生。結(jié)果表明這種模式產(chǎn)生閃光（圖3）宏觀(guān)檢查。閃光燈不具有厚度均勻，但在脊的形式出現(xiàn)。從試樣的非移動(dòng)雙方的運(yùn)動(dòng)方向平行的擠壓?jiǎn)栴}，也顯示一些脊證據(jù)。由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)方向的標(biāo)本，可以得出結(jié)論，在逐步時(shí)尚的軸向縮短收益。這個(gè)抽水行動(dòng)的效果，材料的產(chǎn)量和脈沖擠壓，因此只熱影響區(qū)，靠近接口。</p><p>　　閃光燈用掃描電子顯微鏡檢查顯示，在每一個(gè)閃光材料（圖4）脊頂部的凹槽，在循

15、環(huán)過(guò)程中材料擠壓在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)下降。這也是在圖3中可見(jiàn)。</p><p>　　在試樣的軸向縮短的痕跡，也可以找到進(jìn)一步的證據(jù)材料是擠壓在pumplike模式，而不是繼續(xù)時(shí)尚。在這個(gè)過(guò)程中，在振蕩運(yùn)動(dòng)的垂直方向的固定夾頭的軸向位移監(jiān)測(cè)。如果由于擠壓軸向縮短軸向位移信號(hào)的每個(gè)周期的移動(dòng)平均線(xiàn)減去從跟蹤，建立的夾頭垂直方向staionary的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)（圖5）。試樣的正弦運(yùn)動(dòng)相比，它可以證明，在 極端點(diǎn)的振蕩，夾頭中

16、間點(diǎn)距離最遠(yuǎn)，夾頭是一個(gè)中性點(diǎn)。作為夾頭返回兩個(gè)標(biāo)本是一致的振蕩的中間點(diǎn)，夾頭移動(dòng)對(duì)其他標(biāo)本中提取塑料材質(zhì)，和擠壓后，返回到中性點(diǎn)在其他極端的立場(chǎng)。這也是這個(gè)抽水行動(dòng)發(fā)生在沿振動(dòng)方向相同點(diǎn)后小幅振蕩中，顯示。這表明，在接口上最熱的部分完全不發(fā)生在中心。</p><p>　　在擠壓成型形狀，閃光燈連接標(biāo)本的角落周?chē)?，表明界面材料領(lǐng)域，在這個(gè)過(guò)程中，它已成為塑料是統(tǒng)一的和不可分割的。在這種情況下，焊縫的真實(shí)面積等于試

17、樣的橫截面積。在閃光燈沒(méi)有形成的情況下，擠出的問(wèn)題沒(méi)有連接周?chē)慕锹?。在這種情況下，真實(shí)的焊縫區(qū)被認(rèn)為是小于試樣的橫截面積。</p><p>　　2.1。過(guò)程熱輸入模型</p><p>　　線(xiàn)性摩擦焊摩擦熱輸入的變化隨著時(shí)間的推移，作為兩個(gè)標(biāo)本正弦移動(dòng)。接口上施加的剪應(yīng)力（τ）= μPN （1） </p>

18、<p>　　其中μ為摩擦系數(shù)和PN是正常的壓力。每個(gè)周期產(chǎn)生的熱量單位界面面積率（q）</p><p><b>　　q=τv（2）</b></p><p>　　其中v是摩擦速度。通過(guò)式（1），式(2)。得出</p><p>　　q=μPNv (3)</p><p>　　從式（3），可以看出，正常壓力PN的變化

19、，這會(huì)影響熱輸入. 正常力模具彈簧的應(yīng)用[1]和材料擠壓是不連續(xù)的循環(huán)過(guò)程中保持恒定。但作為兩個(gè)工件運(yùn)動(dòng)的變化，由于重疊之間的接觸面積，以及正常壓力振蕩。隨著速度（v）隨時(shí)間的變化：</p><p>　　v=χωcos(ωt) (4)</p><p>　　χ是振蕩幅度，ω角速度，那正常的力是</p><p>　　PN= = (5)</p><

20、;p>　　Ffr是摩擦力和W是試樣的長(zhǎng)度，L是寬度。那么式（3）產(chǎn)生的摩擦熱將會(huì)是：</p><p><b>　　q= (6)</b></p><p>　　（6）式的第二部分，因此受到的瞬時(shí)熱輸入。對(duì)時(shí)間繪制這個(gè)規(guī)范化的摩擦熱量長(zhǎng)期比較兩個(gè)不同幅度的振蕩（0.5和5毫米）振蕩在5 Hz（圖6）標(biāo)本的位移，可以看出，振幅較大振蕩轉(zhuǎn)移從接口的中間點(diǎn)的熱輸入

21、曲線(xiàn)的效果。最大熱輸入不發(fā)生任何再在中間點(diǎn)的振蕩，但在這之前的時(shí)間點(diǎn)。這在同一周期的一半被對(duì)稱(chēng)地分布在每一個(gè)周期的一半，而不是增加熱輸入集中的效果。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中也觀(guān)察到的最大熱輸入的轉(zhuǎn)變。振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的固定夾頭（圖5）表明，從同一地區(qū)，稍遠(yuǎn)離振蕩的中間點(diǎn)的接口最大抽水發(fā)生。</p><p>　　這種位移是不相關(guān)的線(xiàn)性摩擦發(fā)生的不穩(wěn)定。這可以出現(xiàn)在擠壓階段，由于溫度分布不均勻，

22、沿試樣的非移動(dòng)端（圖2）。如果溫度增加一個(gè)接口部分，塑化層厚度在這一節(jié)中，擠出更多的物質(zhì)。這可能會(huì)導(dǎo)致接口從原來(lái)的平面旋轉(zhuǎn)。這種不規(guī)則行為的起源可以歸因于標(biāo)本的初始失調(diào)。然而，即使是最小的差異可能會(huì)從該地區(qū)轉(zhuǎn)移現(xiàn)場(chǎng)，摩擦界面上的最高溫度出現(xiàn)在那里，在雙方之間的標(biāo)本平行運(yùn)動(dòng)的中間，對(duì)這些方面的一側(cè)。這產(chǎn)生的溫度分布不均，造成進(jìn)一步的接口旋轉(zhuǎn)[5]。</p><p><b>　　3.物質(zhì)流模型</b&

23、gt;</p><p><b>　　3.1.本構(gòu)方程</b></p><p>　　在第三階段的擠壓，摩擦材料所遇到的應(yīng)變率必須受到振蕩的幅度和頻率，以及界面形成的熱影響區(qū)的大小。這些應(yīng)變率將經(jīng)歷在一個(gè)狹窄的區(qū)域，相鄰的摩擦界面材料。他們將不可避免地影響熱物質(zhì)的產(chǎn)生。如果應(yīng)變速率高到足以限制在屈服應(yīng)力的材料由于溫度下降，可塑性會(huì)不會(huì)出現(xiàn)物質(zhì)擠出未能成行。</p

24、><p>　　熱影響區(qū)（HAZ）的摩擦界面可分為以下幾個(gè)部分（圖7）類(lèi)似的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接模型[3]分為：</p><p>　　在界面上的塑料部分。摩擦速度v0，軸向縮短速度喲和開(kāi)除率從標(biāo)本固定材料應(yīng)變率的影響。本節(jié)的存在是由于材料擠壓成閃光燈。</p><p>　　部分變形的部分。軸向縮短速度v0和開(kāi)除率從標(biāo)本固定材料的塑性變形是有限的。</p><p

25、>　　假設(shè)穩(wěn)態(tài)條件下，在擠壓階段（三），已達(dá)到有效恒定的軸向縮短率，。據(jù)推測(cè)，這些區(qū)域的大小或形狀不隨時(shí)間變化。它也被認(rèn)為試樣的彈性部分支持的塑性變形部分。另一個(gè)是簡(jiǎn)化的假設(shè)，材料連續(xù)擠壓，由于標(biāo)本的運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　應(yīng)變速率在分配利益的部分，可以計(jì)算出速度方程，滿(mǎn)足了系統(tǒng)的邊界條件。笛卡爾流速剖面沿界面假定按照變形的部分資料。擠壓材料被認(rèn)為是摩擦壓力，從而擠出材料試樣的所有面孔，和振蕩運(yùn)動(dòng)的綜合

26、效應(yīng)。后者則是假設(shè)影響的運(yùn)動(dòng)方向的速度剖面，不存在旋轉(zhuǎn)摩擦焊接（相比文獻(xiàn)[3]）。可以制定以下的動(dòng)可容速度方程在直角方向（對(duì)比極地制定[3]。）：</p><p>　　其中z是垂直方向的運(yùn)動(dòng)，x的運(yùn)動(dòng)方向和y從接口在熱影響區(qū)的軸向距離; VX，VY，VZ相應(yīng)在這些方向的速度分量; V0軸向縮短速度，x的距離從接口，ypl塑性區(qū)的寬度，h為塑性區(qū)的總寬度。ζ是一個(gè)無(wú)量綱的長(zhǎng)期應(yīng)變率分布的特點(diǎn)，

27、在塑料部分，β另一個(gè)量綱長(zhǎng)期特征閃光的形狀和Φ一個(gè)無(wú)量綱的長(zhǎng)期特征的塑性區(qū)的速度分布。</p><p>　　方程（7）表明，它在變形的材料邊界的最低值從零提高到一個(gè)VZ= bvo2z/ W最大值在摩擦界面VZ。該在VX運(yùn)動(dòng)方向的速度分量包含兩部分組成。第一等于VZ，另一方面是由于振蕩運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　在附錄A中詳細(xì)介紹這些方程的解決提供了一個(gè)在直角方向的應(yīng)變率的估計(jì)&l

28、t;/p><p>　　量綱長(zhǎng)期ρS可以通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)度（l）在y = 0的擠壓?jiǎn)栴}進(jìn)行評(píng)估。閃光燈過(guò)程中產(chǎn)生的軸向縮短時(shí)間（taxial），這是小于總的焊接時(shí)間。則L在 vz運(yùn)動(dòng)（公式（A18））以上taxial的整合在垂直方向的速度分量，可以計(jì)算出：</p><p>　　3.2。應(yīng)變率的預(yù)測(cè)</p><p>　　模型線(xiàn)性摩擦焊的應(yīng)用程序需要的無(wú)量綱參數(shù)ξ的估計(jì)。

29、此參數(shù)的影響振蕩方向的速度場(chǎng)的形式。 估計(jì)它的價(jià)值可以在中心的速度分量的差異標(biāo)本：</p><p>　　利用這些方程，應(yīng)變率的主要組成部分，計(jì)算為0.92毫米65和100赫茲的頻率和振蕩幅度（見(jiàn)圖8 xx和zz方向的應(yīng)變率的預(yù)測(cè)）做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　振蕩頻率較高的影響，預(yù)計(jì)在兩個(gè)方向上的應(yīng)變率。當(dāng)振蕩頻率為100 Hz，應(yīng)變速率組件低于3.5s-1. 利

30、用這一分析模型，它表明高應(yīng)變率在界面上遇到了越來(lái)越多的振蕩頻率。對(duì)于摩擦的接口，以達(dá)到高產(chǎn)的條件增加了摩擦的壓力將需要的材料是應(yīng)變率敏感。隨振蕩頻率的要求，輸入功率的增加，在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到119赫茲[1]。</p><p><b>　　4.結(jié)論</b></p><p>　　基于與Ti6AL4V線(xiàn)性摩擦焊做過(guò)實(shí)驗(yàn)，在擠壓階段總結(jié)了一些結(jié)論：</p><

31、p>　　1.塑料材料擠壓在摩擦界面的非連續(xù)模式，產(chǎn)生了一系列閃光脊。</p><p>　　2.塑料材料從最熱門(mén)的領(lǐng)域的摩擦界面被驅(qū)逐到閃光內(nèi)</p><p>　　3.在界面上的摩擦熱輸入取決于振幅。從接口中移動(dòng)距離增加由于振蕩幅度重疊的地方發(fā)展的最大熱輸入。</p><p>　　4.從接口中的最高溫度的變化證實(shí)了閃光的形態(tài)結(jié)構(gòu)，利用SEM照片和振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的固定夾

32、頭痕跡的。</p><p>　　5.聯(lián)此位移是不相關(guān)的線(xiàn)性摩擦焊，這是關(guān)系到標(biāo)本錯(cuò)位發(fā)生的不穩(wěn)定。</p><p>　　6.使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)變率進(jìn)行了預(yù)測(cè)。分析模型表明，應(yīng)變速率的振蕩頻率的影響，塑料材質(zhì)的接口暴露。這是特別重要的考慮因素時(shí)，焊接應(yīng)變率敏感材料，如Ti6AL4V。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p&g

33、t;<p>　　[1] A. Vairis, M. Frost, Wear 217 (1998) 117–131.</p><p>　　[2] R.E. Craine, A. Francis, Wear 114 (1987) 355–365.</p><p>　　[3] O.T. Midling, O. Grong, Acta Metall. Mater. 42 (1994)

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