鎳基高溫合金線(xiàn)性摩擦焊接過(guò)程數(shù)值分析.pdf

1、鎳基高溫合金因其良好的高溫性能在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件中得到較為廣泛的應(yīng)用，整體葉盤(pán)制造過(guò)程中線(xiàn)性摩擦焊則是連接鎳基高溫合金的有效手段。線(xiàn)性摩擦焊接過(guò)程是復(fù)雜的熱力耦合過(guò)程，焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)演變與應(yīng)力場(chǎng)演變以及材料的塑性流動(dòng)對(duì)接頭的形成及接頭質(zhì)量有著重要作用。因此，研究清楚鎳基高溫合金線(xiàn)性摩擦焊接溫度場(chǎng)、塑性流變場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的演變對(duì)于控制焊接質(zhì)量、調(diào)控接頭組織性具有重要意義。
　　不同工藝參數(shù)下（振幅、摩擦壓力與項(xiàng)鍛壓力）線(xiàn)性摩擦焊工藝

2、試驗(yàn)結(jié)果表明，高熱輸入條件下接頭飛邊呈四周連續(xù)封閉狀態(tài)，而低熱輸入下飛邊從摩擦界面的四邊擠出后相互獨(dú)立并不閉合;軸向縮短量隨著摩擦壓力和振幅的增加而增加。采用盲孔法測(cè)量鎳基高溫合金線(xiàn)性摩擦焊接接頭殘余應(yīng)力的結(jié)果表明，摩擦壓力為400MPa和振幅為2.92mm時(shí)，接頭的殘余應(yīng)力最低。利用高速攝像及熱電偶測(cè)溫方法檢測(cè)分析鎳基高溫合金線(xiàn)性摩擦焊接頭飛邊的形成過(guò)程與焊接熱循環(huán)，為線(xiàn)性摩擦焊接過(guò)程數(shù)值模擬提供充足的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。
　　基于實(shí)驗(yàn)材

3、料的熱壓縮數(shù)據(jù)建立材料本構(gòu)，考慮焊接過(guò)程中庫(kù)倫與剪切的混合摩擦。根據(jù)線(xiàn)性摩擦焊接過(guò)程熱-力耦合特點(diǎn)，基于有限元模擬軟件Deform建立線(xiàn)性摩擦焊數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)接頭溫度變化曲線(xiàn)、飛邊形貌與軸向縮短量驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。
　　線(xiàn)性摩擦焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明，初始摩擦階段摩擦界面溫度場(chǎng)分布不均勻，沿振動(dòng)方向在兩端交替出現(xiàn)。過(guò)渡階段摩擦界面溫度趨于一致，高溫區(qū)域從中心產(chǎn)生。穩(wěn)定摩擦階段界面溫度則保持不變。摩擦初始階段基本無(wú)塑性金

4、屬的流動(dòng)，當(dāng)摩擦界面材料達(dá)到塑性狀態(tài)時(shí)，摩擦界面上會(huì)形成兩個(gè)具有流動(dòng)中心的材料流動(dòng)區(qū)域，流動(dòng)區(qū)域的塑性材料的由中心點(diǎn)向四周流動(dòng)，最終界面流場(chǎng)呈“X”狀。當(dāng)工件內(nèi)部點(diǎn)隨著材料的流動(dòng)達(dá)到摩擦界面時(shí)，該點(diǎn)溫度以及速度與摩擦界面點(diǎn)相同;而工件上任意點(diǎn)在隨著塑性材料擠出界面形成飛邊的過(guò)程中，該點(diǎn)在X、Y、Z方向上的速度方向以及大小都會(huì)發(fā)生改變。
　　線(xiàn)性摩擦焊接過(guò)程中的應(yīng)力演變不僅受到熱、塑性材料流動(dòng)的影響，還受到焊接壓力的影響。摩擦過(guò)程中

5、的應(yīng)力演變受到交變力的作用應(yīng)力隨時(shí)間的變化存在周期性波動(dòng)。摩擦初期沿著振動(dòng)方向在工件兩端交替出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，并不斷擴(kuò)大形成一個(gè)中心高應(yīng)力區(qū)。保壓階段應(yīng)力從工件機(jī)械約束的上方開(kāi)始逐漸向工件內(nèi)部中心釋放。項(xiàng)鍛壓力撤除后，接頭內(nèi)整體壓力降低，低應(yīng)力區(qū)域仍由工件中間部位向沿垂直于振動(dòng)方向向兩端擴(kuò)展。冷卻至80s后接頭應(yīng)力處于較低水平，較高應(yīng)力區(qū)域存在與機(jī)械約束端部與摩擦階段高應(yīng)力區(qū)域的兩端處。
　　在整個(gè)焊接過(guò)程中接頭區(qū)域不同方向上存在壓應(yīng)