惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析

论文摘要

惯性摩擦焊接是在轴向压力和扭矩的作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法。从能量的观点考察，惯性摩擦焊接基本上是一个能量的消耗过程。因此，对惯性摩擦焊接过程的能量问题进行研究是当前摩擦焊接领域中一个非常重要的课题。本文利用大型有限元软件MSC.Marc建立了同质和异质的环件惯性摩擦焊接二维轴对称热力耦合分析模型，运用大变形弹塑性有限元法分析了能量密度对完全对称的同质GH4169高温合金惯性摩擦焊接温度场、应力场以及焊接时间和轴向缩短量的影响。研究表明，能量密度与焊接时间呈近似的线性关系，随着能量密度的增大，焊接时间逐渐延长，轴向缩短量也以更快的速率增大；在焊接过程的同一时刻，能量密度越大，焊接面的温度越高、飞边越大、飞边的弯曲程度越明显。为了检验模型的可靠性和计算结果的准确性，选取一个焊接过程进行了实验验证，实时测量了焊件的轴向缩短量和完成焊接所需要的焊接时间，其与计算值非常接近，证明本文的计算结果是准确的。同时对不同尺寸的GH4169合金和异质金属GH4169合金与42CrMo钢的惯性摩擦焊接过程进行了数值计算，定性分析了焊接过程中的能量问题，计算结果表明，不同尺寸的焊接副中，在同等大小的热流输入情况下，尺寸较小的能量密度较大，热影响区较宽，温度梯度较小；对于异质金属，42CrMo钢端头温度上升较慢而且相对较低，加热区宽，温度梯度小；GH4169高温合金的高温强度比42CrMo钢高，焊接时在相同的轴向压力下，42CrMo钢一侧的顶锻变形量大，产生较大的飞边，塑性金属被挤出，易产生焊合不良的缺陷。此模型为优化非对称摩擦焊接工艺提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 惯性摩擦焊接技术简介
• 1.2.1 惯性摩擦焊接的基本原理
• 1.2.2 惯性摩擦焊接设备
• 1.2.3 惯性摩擦焊接的特点
• 1.3 摩擦焊接过程的数值模拟
• 1.3.1 摩擦焊接过程数值模拟的方法和软件
• 1.3.2 摩擦焊接过程数值模拟研究进展
• 1.4 摩擦焊接过程中的能量分析
• 1.5 课题背景及论文主要工作
• 2 惯性摩擦焊接数值模拟基本理论
• 2.1 有限元法概述
• 2.2 弹塑性有限元法
• 2.2.1 材料的弹塑性性质
• 2.2.2 材料屈服准则
• 2.2.3 材料的流动法则
• 2.2.4 弹塑性有限元法的本构关系
• 2.3 传热学概述
• 2.3.1 传热学基本原理
• 2.3.2 导热问题的数学描述
• 2.3.3 有限元法在传热学中的应用
• 3 惯性摩擦焊接过程有限元模型的建立
• 3.1 惯性摩擦焊接过程中有限元模型的建立
• 3.1.1 单元划分
• 3.1.2 初始条件和边界条件的处理
• 3.1.3 摩擦模型
• 3.1.4 材料的热物性参数处理
• 3.2 惯性摩擦焊接数值模拟过程的热力耦合分析
• 3.3 能量密度和能量转换规律
• 4 同质对称焊件数值模拟结果分析与实验验证
• 4.1 能量密度对焊接时间和轴向缩短量的影响
• 4.2 能量密度对焊件温度场的影响
• 4.3 能量密度对焊件轴向应力场的影响
• 4.4 实验结果与计算结果的比较
• 4.5 本章小结
• 5 非对称焊件惯性摩擦焊接能量问题的定性分析
• 5.1 不同尺寸GH4169环件惯性摩擦焊接的数值模拟
• 5.1.1 温度场的空间分布
• 5.1.2 应力场的空间分布
• 5.2 GH4169合金和42CrMo钢的惯性摩擦焊接数值模拟
• 5.2.1 温度场的空间分布
• 5.2.2 应力场的空间分布
• 5.3 小结
• 6 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢