鎳基高溫合金線性摩擦焊接過程數(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)動機(jī)結(jié)構(gòu)件中得到較為廣泛的應(yīng)用，整體葉盤制造過程中線性摩擦焊則是連接鎳基高溫合金的有效手段。線性摩擦焊接過程是復(fù)雜的熱力耦合過程，焊接過程中的溫度場演變與應(yīng)力場演變以及材料的塑性流動對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性摩擦焊接溫度場、塑性流變場及應(yīng)力場的演變對于控制焊接質(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、摩擦壓力與項鍛壓力）線性摩擦焊工藝

2、試驗結(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。采用盲孔法測量鎳基高溫合金線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，接頭的殘余應(yīng)力最低。利用高速攝像及熱電偶測溫方法檢測分析鎳基高溫合金線性摩擦焊接頭飛邊的形成過程與焊接熱循環(huán)，為線性摩擦焊接過程數(shù)值模擬提供充足的驗證數(shù)據(jù)。
　　基于實驗材

3、料的熱壓縮數(shù)據(jù)建立材料本構(gòu)，考慮焊接過程中庫倫與剪切的混合摩擦。根據(jù)線性摩擦焊接過程熱-力耦合特點，基于有限元模擬軟件Deform建立線性摩擦焊數(shù)值計算模型，通過接頭溫度變化曲線、飛邊形貌與軸向縮短量驗證了計算模型的正確性。
　　線性摩擦焊接溫度場的計算結(jié)果表明，初始摩擦階段摩擦界面溫度場分布不均勻，沿振動方向在兩端交替出現(xiàn)。過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塑性金

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

5、的應(yīng)力演變受到交變力的作用應(yīng)力隨時間的變化存在周期性波動。摩擦初期沿著振動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)械約束的上方開始逐漸向工件內(nèi)部中心釋放。項鍛壓力撤除后，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。
　　在整個焊接過程中接頭區(qū)域不同方向上存在壓應(yīng)