[发明专利]一种底部开槽的搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板及其方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种底部开槽搅拌摩擦焊温度场的测量专用垫板及其方法，属于机械技术及材料工程领域。

背景技术

    搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）作为一种先进的固相连接技术，已经在航空航天、轨道交通、造船、国防工业等领域获得了广泛的应用。通常，在搅拌摩擦焊过程中搅拌摩擦焊设备会产生较大的摩擦力和顶锻力，因此必须对焊件进行严格的装夹（包括对焊接背部的刚性支撑），以保证焊接接头的质量。同时，搅拌摩擦焊是通过复杂的“热—力耦合”作用来实现，焊接温度场是与“热—力耦合”最密切相关的参数，对焊接过程中的塑性流动、接头最终组织与性能都有重要影响，也是搅拌摩擦焊数值模拟技术的基础及重要研究内容。S. Lu等人的研究（Thermal Cycle Characteristics of AM 50 Magnesium Alloy Welded by FSW [J]. Key Engineering Materials,2010, 419-420:533-536.）还表明，搅拌摩擦焊温度场在焊件纵向、横向及厚度三维方向上具有不对称梯度分布的特征。

因此，在搅拌摩擦焊的研究和应用中，必须测量并分析研究焊接温度场，尤其是包含焊核区、热机影响区的轴肩范围以内的三维方向温度场。焊接温度场是指焊接过程中，某一时刻焊接接头中的温度分布。在实际研究和应用中一般都是通过测量焊接热循环曲线，即在焊接热源作用下焊件上某点的温度随时间变化的曲线，进而描绘焊接温度场特征。也可直接从焊接热循环曲线中提取加热速度、最高加热温度、在相变温度以上停留的时间和冷却速度等重要参数，从而对搅拌摩擦焊的“热—力耦合”过程及接头组织与性能进行分析研究。

目前，主要是通过热电偶或红外测温技术测量焊接热循环曲线或焊接温度场。红外测温是一种非接触测温技术，一般只能测试焊件上底面的温度；热电偶因具有装配简单、更换方便、测量精度高、测量范围大（－270℃～2800℃）、热响应时间快等优点，是焊接热循环曲线或焊接温度场的主要测量方法。但热电偶必须通过接触测温，一般都是采用“自上而下”的方法，即在被焊试板上底面（或从上底面钻孔至内部某点）固定布置热电偶进行测量。由于轴肩和搅拌针在搅拌摩擦焊的过程中对布置在轴肩范围内的热电偶会产生破坏作用，现有的热电偶测试方法只能获取轴肩以外的焊接热循环曲线或焊接温度场，对轴肩范围以内的焊接温度场则难以进行完整、精确的测量。也有人采用沿焊接试板侧面（即宽度方向）钻孔的方式布置热电偶测量轴肩范围以内的焊接温度场，但因距离长、钻孔定位不准、热偶固定难，并对试板破坏较大，从而影响实验结果的准确性和焊接质量等问题，且一次只能测试有限几个点的温度，故难以实施和推广。

由此可知，限于搅拌摩擦焊设备、焊接过程和热电偶测温的特点，为防止热电偶被搅拌工具的轴肩和搅拌针所破坏，现行的搅拌摩擦焊温度场测试都主要集中在轴肩外沿的一定范围内，并采用“自上而下”——从试板上底面加工盲孔后将热电偶固定的方法进行测温；即使在轴肩范围内布置热电偶，也仅能真实地记录热电偶被搅拌工具破坏以前的温度变化情况，因此并不能够全面、如实地反映焊缝的温度场，尤其是包含焊核区、热机影响区的轴肩范围以内的焊接温度场特点。此外，由于工装夹具对空间的占用较大，限制了从试板上底面加工盲孔布置热电偶的数量，导致一次焊接过程中能测量的温度点也较少，为获取一个工艺条件下的全面、系统的焊接温度场，就必须重复进行多次焊接实验，每次布置一组不同的测温点，加大了实验工作量，并因每次施焊条件的偏差引起测量误差。

不难看出，现行的“自上而下”布置热电偶的测温方式受到了搅拌摩擦焊搅拌工具及装夹条件的限制。若采用“自下而上”的方式，即从焊件的下表面布置热电偶，则有可能减少搅拌工具及装夹条件的影响，获得更为全面的焊接温度场数据。但搅拌摩擦焊对于焊件的工装夹持要求十分严格（试板背面往往紧贴在焊接平台上），无法直接从下表面布置热电偶。

因此，亟需新的技术方案来解决搅拌摩擦焊温度场的测试难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种底部开槽的搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板及其方法，解决无法方便、准确、可靠地测得焊件在搅拌工具轴肩范围以内温度场的问题，从而有效获取焊接温度场的全面信息。