導(dǎo)語(yǔ)：合金慣性摩擦焊接管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：以高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤和壓氣機(jī)盤為背景，采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)GH4169合金模擬件的慣性摩擦焊接過程進(jìn)行了分析與計(jì)算；基于金屬塑性變形的物理基礎(chǔ)，建立了GH4169合金慣性摩擦焊接過程顯微組織的演化模型；通過高溫合金在熱成形過程中的再結(jié)晶發(fā)生條件、再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸與熱力參數(shù)（應(yīng)變速率、應(yīng)變程度、成形溫度）之間的映像關(guān)系，對(duì)慣性摩擦焊接熱力影響區(qū)的再結(jié)晶組織進(jìn)行了模擬計(jì)算。從而為合理地制定焊接熱力規(guī)范，提高GH4169合金的焊接性能和接頭質(zhì)量提供了參考。

0序言

摩擦焊接技術(shù)是一種高效的固態(tài)連接方法，其接頭質(zhì)量好，自動(dòng)化程度高，在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。摩擦焊接過程實(shí)際上是一種靠摩擦加熱、靠頂鍛成形的塑性加工過程，其焊接熱力規(guī)范的選定，直接影響到焊接接頭的質(zhì)量。

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過多次試驗(yàn)和分析，來(lái)獲得合適的工藝規(guī)范。這種工作方式勞動(dòng)量大、成本高、生產(chǎn)效率低、通用性差?？紤]到高溫合金等難變形材料的成分復(fù)雜，合金化程度高，焊合區(qū)的組織和性能對(duì)焊接熱力參數(shù)敏感且難以控制等特點(diǎn)，采用有限元數(shù)值模擬方法來(lái)研究GH4169合金的慣性摩擦焊接過程，可以大幅度地降低產(chǎn)品的研制風(fēng)險(xiǎn)和盲目性，并能為后續(xù)生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

GH4169合金是一種鈮強(qiáng)化的沉淀硬化型鐵鎳基高溫合金［1］。其基體是Ni-Fe基奧氏體（γ相），主要強(qiáng)化相是體心四方的Ni3Nb（γ″）相，此外還有γ′相、δ相和碳化物等。一般認(rèn)為在層錯(cuò)能較低的面心立方奧氏體合金中，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是熱成形過程中常見的一種軟化機(jī)制，也是細(xì)化晶粒的主要途徑之一，在描述GH4169合金顯微組織的各項(xiàng)參數(shù)中，晶粒尺寸是決定焊接接頭熱影響區(qū)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素［2,3］。

本文以高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤和壓氣機(jī)盤為背景，利用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)GH4169合金模擬件的慣性摩擦焊接過程進(jìn)行了分析與計(jì)算，獲得了焊接件熱力影響區(qū)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和位移及能量場(chǎng)的分布與變化規(guī)律。利用建立的再結(jié)晶組織演化模型，分析研究了焊接區(qū)域再結(jié)晶組織的分布規(guī)律。從而為合理地制定慣性摩擦焊接的熱力規(guī)范，提高GH4169合金的焊接性能和接頭質(zhì)量提供了技術(shù)保障。

1有限元數(shù)值模擬模型

1.1摩擦焊接規(guī)范參數(shù)

摩擦焊接過程中，被焊金屬的狀態(tài)和性能都會(huì)發(fā)生一系列的變化，這些變化與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)。通常選定的摩擦焊接規(guī)范參數(shù)有：主軸轉(zhuǎn)速n/（r·s-1）；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I/（kg·m2）；摩擦壓力pf/MPa；摩擦?xí)r間tf/s；頂鍛壓力pd/MPa；頂鍛時(shí)間td/s。

1.2試件的幾何模型

慣性摩擦焊接試件為管狀試件,其直徑為23mm、壁厚為4mm、長(zhǎng)度為95mm。由于是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)件，且焊合區(qū)沿摩擦面對(duì)稱，故在95mm×4mm的矩形截面上建立有限元模型。

1.3試件的網(wǎng)格模型

在求解區(qū)域內(nèi)，劃分有限元網(wǎng)格見圖1。

采用局部區(qū)域有限元網(wǎng)格自動(dòng)加密的辦法來(lái)提高模擬的精度和計(jì)算效率（網(wǎng)格邊長(zhǎng)的設(shè)定值在0.1~2mm范圍內(nèi)變化，經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后，摩擦面附近的網(wǎng)格邊長(zhǎng)控制到了0.062mm），共分成1888個(gè)單元和4167個(gè)節(jié)點(diǎn)。



1.4試件的材料模型

慣性摩擦焊接的試件材料GH4169合金直接取自航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤鍛件，其熱物性參數(shù)是溫度的函數(shù)。在有限元數(shù)值模擬時(shí)定義材料流動(dòng)應(yīng)力σ、彈性模量E、材料密度ρ、線膨脹系數(shù)α、比熱容c、導(dǎo)熱系數(shù)λ、換熱系數(shù)β、熔融潛熱的焓H、泊松比μ、切變模量G和摩擦系數(shù)m等參數(shù)為溫度的函數(shù)。

1.5試件的邊界條件

慣性摩擦焊接時(shí)，試件的摩擦表面為材料變形的對(duì)稱面，在該面上由于摩擦而產(chǎn)生熱量，有限元計(jì)算時(shí)在該面上施加熱流密度，并定義材料流動(dòng)以摩擦表面為對(duì)稱面［4,5］。

假設(shè)摩擦壓力為pf，摩擦系數(shù)為m，主軸轉(zhuǎn)速為n，摩擦熱效率為η，則在半徑Ri到半徑Ro的圓環(huán)范圍內(nèi)由摩擦而產(chǎn)生的熱流密度為

式(1)中,摩擦系數(shù)m隨溫度變化（由摩擦表面狀態(tài)和有關(guān)資料回歸獲得）；n隨時(shí)間變化（由初始主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和整個(gè)摩擦面上的瞬態(tài)摩擦扭矩計(jì)算獲得）。

在慣性摩擦試件的夾持端施加分布面力，以提供摩擦壓力和頂鍛壓力。在管狀試件的內(nèi)外表面施加對(duì)流換熱邊界，并定義試件的初始溫度為室溫（20℃）。

1.6變形與傳熱過程的耦合分析

在變形過程分析中，溫度場(chǎng)通過改變材料的本構(gòu)關(guān)系以及熱應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)和傳熱過程的耦合。在傳熱過程分析中，變形場(chǎng)通過改變傳熱空間、邊界條件和能量轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)和變形過程的耦合。

當(dāng)考慮溫度場(chǎng)作用時(shí)，變形體受熱膨脹而發(fā)生熱變形，各向同性材料的熱應(yīng)變可以表述為



式中：為熱應(yīng)變分量；α為線性膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化量；ΔT=T-Tr，Tr為參考溫度。

當(dāng)考慮變形場(chǎng)作用時(shí)，在熱傳導(dǎo)分析中應(yīng)考慮塑性應(yīng)變能和摩擦功轉(zhuǎn)化的熱能，即



式中：ωp為塑性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化成的熱源密度；αp為熱轉(zhuǎn)化效率，通常取αp=0.9~0.95；σ〖TX-*3〗為等效應(yīng)力；ε為等效塑性應(yīng)變速率。

式中：qf為摩擦功轉(zhuǎn)化成的熱流密度；βf為熱分配系數(shù)，通常取βf=0.5；τf為慣性摩擦焊接時(shí)摩擦界面間的摩擦應(yīng)力；vr為摩擦界面的相對(duì)滑動(dòng)速度。

2再結(jié)晶組織演化模型

2.1GH4169合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程

在慣性焊接過程中，隨著變形程度的增加，被焊金屬的內(nèi)部畸變?cè)絹?lái)越嚴(yán)重，當(dāng)材料的畸變程度超過臨界變形量時(shí)，就會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過程是一個(gè)由無(wú)畸變的新晶粒逐漸代替畸變的舊晶粒的過程。在這個(gè)過程中，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶可以細(xì)化組織晶粒，使材料內(nèi)部組織成為細(xì)小均勻的等軸狀晶粒。再結(jié)晶階段結(jié)束后，會(huì)發(fā)生晶粒的長(zhǎng)大現(xiàn)象［6,7］。

對(duì)于GH4169合金，經(jīng)等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)證明［1］，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒形核后會(huì)很快地長(zhǎng)大到某一特定的尺寸，并在隨后的變形過程中，保持這個(gè)尺寸不變，上述特定的尺寸與原始晶粒尺寸無(wú)關(guān)，主要受變形溫度和應(yīng)變速率的影響。

2.2GH4169合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶計(jì)算

（1）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變

一般認(rèn)為,開始動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)變εc與該材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線上峰值應(yīng)變εp之間存在以下關(guān)系為

εc=βc·εp，（5）

式中：βc為修正系數(shù)，它和材料有關(guān)，通常在0.8~0.9之間。

（2）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算

GH4169合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)Xd按S形曲線變化，采用Avrami方程來(lái)描述，即



式中：n為Avrami指數(shù)；ε為等效應(yīng)變；ε0.5為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)的應(yīng)變。

（3）動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸計(jì)算

晶粒尺寸Dd對(duì)高溫合金熱成形件的室溫和高溫性能都有顯著的影響。通過等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)，并結(jié)合GH4169合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后晶粒長(zhǎng)大的特點(diǎn)，采用下式描述動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸，即

式中:T為材料變形溫度；ε為材料變形的等效應(yīng)變速率。

3有限元數(shù)值模擬的結(jié)果

3.1典型工況

通過初步試驗(yàn)和試算，選定有限元數(shù)值模擬的典型工況如下：摩擦壓力400MPa；頂鍛壓力400MPa；主軸轉(zhuǎn)速1460r/min；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.44983kg·m2（主軸）、0.64162kg·m2（大盤）、0.0869kg·m2(小盤)；焊接時(shí)間依計(jì)算而定。

3.2摩擦溫升

表1為外圓側(cè)面靠近摩擦表面處的溫度實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬結(jié)果的比較。

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，獲得試件(DA1-3)在慣性摩擦焊接過程中，軸向縮短量數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值的比較見表2。

3.4再結(jié)晶組織〖HT〗〖ST〗

模擬試件的原始晶粒度(ASTM)為8級(jí)，平均晶粒尺寸為22μm，通過計(jì)算獲得了試件慣性摩擦焊接后熱力影響區(qū)的再結(jié)晶組織（見表3），實(shí)測(cè)結(jié)果見圖2和圖3。

4結(jié)論

（1）針對(duì)慣性摩擦焊接過程的特殊情況，本文探索出了一套處理動(dòng)態(tài)摩擦邊界條件的能量方法，并在變形和傳熱耦合分析上建立了一套行之有效的技術(shù)處理方案。通過與試驗(yàn)結(jié)果相比較認(rèn)為，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，預(yù)置的主控焊接參數(shù)和實(shí)際差異可以控制在10%以內(nèi)。

（2）通過有限元數(shù)值模擬方法，可以獲得慣性摩擦焊接區(qū)的成形溫度、流動(dòng)應(yīng)力和塑性應(yīng)變的分布狀況，以及應(yīng)變速率等熱力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，并依據(jù)本文給出的GH4169合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶方程，就可以分析和預(yù)測(cè)焊接接頭組織和性能。

（3）在有限元數(shù)值模擬GH4169合金試驗(yàn)件的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合實(shí)際焊接件的具體情況，以焊后結(jié)合區(qū)的組織和性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，分析慣性摩擦焊接過程的熱力參數(shù)，優(yōu)化焊接規(guī)范，從而為焊接過程的自動(dòng)控制提供技術(shù)支持。

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