GH4169合金摩擦焊接過程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、GH4169 高溫合金廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)等領(lǐng)域，這些高技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ考g的焊接質(zhì)量要求很高，傳統(tǒng)的熔焊已很難達到其質(zhì)量要求，摩擦焊接作為先進的固態(tài)連接方法之一，已成為這些領(lǐng)域高溫合金部件焊接的主要方法。由于高溫合金的摩擦焊接技術(shù)主要用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域，國外對相關(guān)技術(shù)實行了封鎖，因此我們必須自主地對各種高溫合金的摩擦焊接工藝進行系統(tǒng)深入的研究。傳統(tǒng)上對摩擦焊接工藝的開發(fā)都是采用經(jīng)驗性“試錯”的方法，這種方法的研制成本巨大，研

2、究周期長，不適合我國社會經(jīng)濟發(fā)展的基本國情。為了降低成本和縮短研究周期，本文采用數(shù)值模擬結(jié)合少量實驗的研究方法，探索了摩擦焊接過程中的物理參量的變化，以及工藝參數(shù)和工件的幾何參數(shù)對摩擦焊接過程的影響規(guī)律，并建立了環(huán)形工件慣性摩擦焊的軸向縮短量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測系統(tǒng)。 采用彈塑性有限元法建立了慣性摩擦焊接過程的二維軸對稱、熱力耦合有限元計算模型，模型中采用庫侖摩擦模型和剪切摩擦模型相結(jié)合的方法，成功地模擬了摩擦焊接過程中摩擦副的摩擦行為

3、。以此為基礎(chǔ)提出了慣性摩擦焊接過程中摩擦扭矩、工件轉(zhuǎn)速、焊接能量和摩擦熱流的計算方法。并且相應(yīng)地編制了一系列計算子程序，耦合到有限元計算模型中，成功地實現(xiàn)了對GH4169合金大型環(huán)形件慣性摩擦焊接全過程的數(shù)值模擬。計算并分析了慣性摩擦焊接頭的溫度和應(yīng)力分布、變形以及慣性摩擦焊接過程中的軸向縮短量、工件轉(zhuǎn)速、摩擦扭矩和輸入能量的變化情況，結(jié)合實驗對上述計算結(jié)果進行了驗證。 建立了連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接過程的三維剛塑性有限元模型。該模型在

4、摩擦焊接過程的數(shù)值模擬中引入了摩擦力，考慮了摩擦面上的環(huán)向摩擦力對接頭應(yīng)力分布及變形的影響，完成了兩個GH4169高溫合金棒材連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接工藝過程的數(shù)值模擬。計算并實驗驗證了連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接過程中接頭的溫度分布、變形情況和軸向縮短量；預(yù)測并分析了摩擦焊接頭在高溫變形階段的變形速率、金屬流動規(guī)律和接頭裂紋缺陷的產(chǎn)生。 對連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接過程的三維模型和二維軸對稱模型的溫度、變形、應(yīng)力和軸向縮短量的計算結(jié)果作了對比研究。結(jié)果表明

5、：由于三維模型引入了環(huán)向摩擦力對摩擦焊接過程溫度和變形的影響，使其等效應(yīng)力的計算結(jié)果更大，進而導(dǎo)致其接頭變形量和軸向縮短量的計算結(jié)果也更大。通過進一步與實驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)：三維模型的計算結(jié)果更接近實驗結(jié)果，三維模型能更好地模擬摩擦焊接過程。但是三維模型和二維軸對稱模型的計算結(jié)果的這種差別并不大，幾乎可以忽略，因此在摩擦焊接過程的數(shù)值模擬中，可以用二維軸對稱模型代替三維模型。 應(yīng)用所建立的摩擦焊接過程的有限元計算模型，研究了環(huán)形件慣

6、性摩擦焊接過程中焊接工藝參數(shù)和工件的幾何參數(shù)對軸向縮短量和焊接能量輸入過程的影響，揭示出如下主要規(guī)律：(1)軸向縮短量隨著初始轉(zhuǎn)速、壓力的增大，以及轉(zhuǎn)動慣量的減小而增大，并且它對初始轉(zhuǎn)速的變化最敏感，對壓力次之，對轉(zhuǎn)動慣量最不敏感；(2)在能量密度一定的條件下，環(huán)件的壁厚也會影響最終的軸向縮短量，壁厚越大，最終的軸向縮短量越?。?3)焊接工藝參數(shù)和焊件幾何參數(shù)對摩擦焊初始階段的能量輸入影響不大，主要影響接頭變形階段的能量輸入量以及輸入率

7、。一般壓力的增大、慣量的減小以及壁厚的減小都會增加能量的輸入率，而初始轉(zhuǎn)速的增加只是增加了能量輸入量，而不會改變輸入率。這些規(guī)律對大型環(huán)形件摩擦焊接工藝的研制和優(yōu)化有重要的指導(dǎo)意義。 利用建立的環(huán)件慣性摩擦焊有限元模型，對焊接過程塑性區(qū)的形成及擴展進行了數(shù)值模擬研究。得到了塑性區(qū)分布及擴展的規(guī)律：(1)環(huán)件慣性摩擦焊接過程中塑性區(qū)呈碟形分布；(2)摩擦焊初始階段幾乎沒有塑性區(qū)產(chǎn)生，但塑性區(qū)一旦形成其擴展速度很快，到穩(wěn)定摩擦階段塑