CN112743222B - 一种搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法，包括以下步骤：(1)根据待测特征点位置，在待焊板材焊缝对应位置处开设开口向上的盲孔，并在垂直于焊缝方向开有槽；(2)在测温垫板的中心位置开设通孔；(3)将待焊板材置于测温垫板上，将热电偶线穿过测温垫板上的通孔，沿着槽(22)将热电偶线测量端放置于盲孔底部，充填盲孔并压实，固定待焊板材与测温垫板；(4)将热电偶线连接无纸记录仪，进行搅拌摩擦焊焊接以及记录测量数据。该方法中利用盲孔以及凹槽的设置，无需焊接或粘接热电偶就能使热电偶牢牢固定，不会在待焊试板上留下孔洞，进而影响材料流动，能够同时进行多点测量以及同时对大批试板加工测试，操作简单便捷。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊缝核心区的温度快速测量方法，更具体地，涉及一种搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术，在焊接轻合金时有不可替代的作用，其应用日益广泛。焊接温度场对焊缝组织及成形至关重要，焊缝区特征点热循环曲线的测定是FSW研究中绕不开的话题。现有的热循环曲线测定方法主要有以下几种方法：一是用红外技术测表面温度，再用数值模拟推算核心区温度，这种方法测量时最为简单，但是需要建立准确的计算模型，实际操作时往往难以得到准确数据；二是将热电偶置入搅拌头中，测搅拌头核心区温度，用无线技术导出数据，进而推定焊缝核心区温度，这种方法适用性不广，需要设备支持，且只能测得搅拌头上特征点温度；三是在待焊板材上开盲孔，并在垫板上开通孔，将热电偶测量端穿过垫板焊接或粘接在待焊板材的盲孔内部，直接测量核心区温度，这种方法最为常见，但是实际操作时，热电偶位置在焊接时极易改变，热电偶常常焊接不牢、焊接时损坏或是由于盲孔较小，焊接操作困难，导致焊接点位置偏差，而粘接时也会出现粘接不牢或粘合剂在FSW过程中受高温熔化导致热电偶位置失准等问题，同时难以进行多点测量以及大批量试板测量。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够准确固定好热电偶位置、减小开孔对材料流动的影响、测试结果更准确、能够同时进行多点及大批量试板进行测量的搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法。
技术方案：本发明所述的搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法，包括以下步骤：
(1)根据待测特征点位置，在待焊板材焊缝对应位置处开设开口向上的盲孔，并在垂直于焊缝方向开有槽，槽从盲孔起始延伸到待焊板材侧面；
(2)在测温垫板的中心位置开设通孔；
(3)将待焊板材置于测温垫板上，将热电偶线穿过测温垫板上的通孔，沿着槽(22)将热电偶线测量端放置于盲孔底部，充填盲孔并压实，将待焊板材与测温垫板利用夹具压紧；
(4)将热电偶线另一端连接无纸记录仪，进行搅拌摩擦焊焊接以及记录测量数据。
其中，步骤1中盲孔孔径为1～1.6mm，孔深为1～5.25mm；
其中，步骤1中待测特征点位置为距离焊缝中心0～30mm内；
其中，步骤1中槽宽为0.25～0.3mm、高为3～10mm；
其中，步骤2中通孔的直径为1～2mm；
其中，步骤3中先将热电偶线的测量端焊成圆球状，球径为0.4～0.8mm，热电偶线的线径为0.2～0.3mm；
其中，热电偶线为K型裸端热电偶；
其中，步骤3中充填盲孔的材料包括0.25～1mm的丝状或片状大颗粒物与0.1～0.25mm球状小颗粒物，所有填充材料的材质与均待焊板材的母材相同，从下向上依次填充大颗粒材料和小颗粒材料。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、利用盲孔以及凹槽的设置，无需焊接或粘接热电偶就能使热电偶牢牢固定，不会在待焊试板上留下大的孔洞，进而影响材料流动；2、能够同时进行多点测量，操作简单便捷，数据真实可靠；3、能够同时对大批试板进行加工测试。
附图说明
图1是本发明测试装置结构示意图；
图2是测温垫板结构示意图；
图3是待焊板材上开盲孔位置示意图；
图4是热电偶线测量端示意图；
图5是待焊板材开槽示意图；
图6是待焊板材上盲孔填充示意图；
图7是实施例FSW特征点热循环曲线；
图8是对比例热电偶固定示意图；
图9是对比例中FSW特征点热循环曲线。
具体实施方式
实施例
(1)待焊板材2为两块150×85×4mm的AZ31-Mg合金板材，焊接该板材使用的是圆台状左旋螺纹搅拌针，轴肩直径为18mm，搅拌针根部直径4mm，端部直径3mm，距离焊缝中心3mm位置处于热机影响区，此处靠近焊缝底部，FSW焊接时常出现根部缺陷或是隧道缺陷、前进侧底部孔洞缺陷，因此需要对该处测温，帮助研究FSW热力耦合的成形过程，因此，此区域即为板材的特征点位置，测量该处的热循环曲线，能够判断该处热变化过程并指导后续工艺试验，如图3所示，在待焊板材2上焊缝处特征点位置均匀打5个开口向上盲孔21，盲孔21距离焊缝3mm，盲孔21之间间距为25mm，盲孔21的孔径为1.6mm，盲孔21的孔深为3.2mm；如图5所示，在待焊板材2上切出槽22，槽22的宽为0.25mm、高为4mm、长为3mm，槽22起始于盲孔21延伸到待焊板材2侧面；
(2)如图2所示，测温垫板3材料采用H13钢，在测温垫板3上开设阵列通孔31，通孔31的直径为2mm，通孔31的位置对应于待焊板材2需要测定热循环曲线的特征点的位置；
(3)选用裸端K型热电偶作为热电偶线1，如图4所示，将热电偶线1的测量端焊成圆球状，球径为0.5mm，热电偶线的线径为0.2mm，如图6所示，将待焊板材2置于测温垫板3上，将热电偶线1穿过测温垫板3上的通孔31，并通过待焊板材2上的槽22将热电偶线1的测量端卡在盲孔21中心底部，依次用母材同种材料的大颗粒和小颗粒充填盲孔并压实，片状大颗粒和球状小颗粒尺寸分别为1mm和0.25mm，将待焊板材2与测温垫板3利用夹具压紧，热电偶线1另一端连接无纸记录仪，整体结构如图1所示；
(4)开始进行搅拌摩擦焊接、记录数据，搅拌焊接时搅拌头为圆台状左旋螺纹搅拌针，轴肩直径为18mm，搅拌针根部直径4mm，端部直径3mm，其材质为H13钢，焊接参数为：对接、转速1500rpm、焊速50mm/min、下压量3.9mm，本实施例的5个特征点的热循环曲线如图7所示，编号1～5分别为后退侧特征点的编号，1是扎入点处的特征点，5是结束点处的。图7所示试验结果符合预期且符合实际，扎入点出现明显“双峰效应”，后续特征点热循环曲线连续且峰温符合一般结论，说明该方案可有效测量特征点热循环曲线。
整个测定过程方便快捷，不需要将热电偶焊接在待焊板材上；焊接工作结束后，待焊板材的背部平整，测定方案不会影响热电偶固定位置，能够有效解决在盲孔内热电偶的定位、焊接时垫板通孔的材料流入影响测试结果、焊缝区开孔影响FSW材料流动等问题，操作简单、测试方便、数据可靠，适用性广，所有FSW型号焊机都能使用，而无需重新设计工作台及夹具。
对比例
(1)待焊板材为两块150×85×4mm的AZ31-Mg合金板材，分别在两个待焊板材特征点位置处打5个盲孔，盲孔距离焊缝2mm，盲孔之间的孔边距为2.2mm，盲孔的孔径为1mm，盲孔的孔深为2mm；
(2)将测温垫板中心位置对应待焊试板上需要测的特征点位置开孔径为2mm的阵列通孔；
(3)将待焊板材置于测温垫板上，选用裸端K型热电偶，如图8所示，将热电偶测量端穿过测温垫板上通孔焊接在待焊试板盲孔内，热电偶另一端连接无纸记录仪，开始进行搅拌摩擦焊接、记录数据，搅拌焊接时搅拌头为圆台状左旋螺纹搅拌针，轴肩直径为16mm，搅拌针根部直径4mm，端部直径3mm，其材质为H13钢，焊接参数为：对接、转速1500rpm、焊速50mm/min、下压量3.87mm，热循环曲线如图9所示，编号ASn为焊接前进侧测温特征点，RSn为焊接后退侧测温特征点，n＝1、2、3、4、5，分别代表前进侧和后退侧的特征点，在焊接至63mm处时，由于特征点的粘接不牢或粘接处软化，且靠近焊缝中心开盲孔导致焊缝材料流动失常，AS3点，即50mm处出现了明显的数据失真，AS3与RS3此处数据与经验数据相比，明显较低，此处温度应略高于AS2峰温，因此操作机器急停，停止了焊接。由此可见，热电偶粘接法在较小的盲孔中使用是难以实现待测特征点的粘接牢靠与准确定位。
Claims (6)
1.一种搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）根据待测特征点位置，在待焊板材（2）焊缝对应位置处开设开口向上的盲孔（21），并在垂直于焊缝方向开有槽（22），槽（22）从盲孔（21）起始延伸到待焊板材（2）侧面；热机影响区为板材的特征点位置；盲孔（21）孔径为1~1.6mm；槽（22）宽为0.25~0.3mm；
（b）在测温垫板（3）的中心位置开设通孔（31）；
（c）将待焊板材（2）置于测温垫板（3）上，将热电偶线（1）穿过测温垫板（3）上的通孔（31），沿着槽（22）将热电偶线（1）测量端卡在于盲孔（21）底部，充填盲孔并压实，将待焊板材（2）与测温垫板（3）利用夹具压紧；
（d）将热电偶线（1）另一端连接无纸记录仪，进行搅拌摩擦焊焊接以及记录测量数据；
所述步骤（c）中充填盲孔的材料包括0.25~1mm的丝状或片状大颗粒物与0.1~0.25mm球状小颗粒物，所有填充材料的材质均与待焊板材的母材相同，从下向上依次填充大颗粒材料和小颗粒材料；
所述步骤（c）中先将热电偶线（1）的测量端焊成圆球状，球径为0.4~0.8mm，热电偶线的线径为0.2~0.3mm。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法，其特征在于，所述步骤（a）中盲孔（21）孔深为1~5.25mm。
3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法，其特征在于，所述步骤（a）中待测特征点位置为距离焊缝中心0~30mm内。
4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法，其特征在于，所述步骤（a）中槽（22）高为3~10mm。
5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法，其特征在于，所述步骤（b）中通孔（31）的直径为1~2mm。
6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊缝核心区的温度快速测量方法，其特征在于，所述热电偶线为K型裸端热电偶。
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