GH4169合金惯性摩擦焊工艺及有限元数值模拟研究

论文摘要

惯性摩擦焊接技术是一种高效、节能的先进固态连接方法。因其控制参数少、工艺简单、自动化程度高、接头质量稳定等优点，在航空航天、汽车、能源等许多领域有着非常广阔的应用前景。 传统的惯性摩擦焊工艺从焊接自动化和质量的稳定性、可重复性出发，通常采用大转动惯量、低转速、大压力。这种工艺参数下，接头温度峰值低；热影响区易扩大；制动扭矩大，接头质量控制困难。为了避免这些问题，本文对GH4169合金惯性摩擦焊采用小转动惯量、高转速、两级压力的工艺参数进行了研究。结果观测到各组试样顶锻时瞬时升温明显，均出现了火花飞溅现象。通过接头显微组织分析，发现接头晶粒过渡匀称且均细于母材，无未焊透、飞边裂纹和撕裂等缺陷；通过焊接过程中接头温度场的测量，发现在能量输入相同的条件下转速越高，摩擦界面温度峰值越高，轴向温度梯度越大，热影响区越窄；顶锻压力越大，飞溅现象越明显，瞬时升温过程越短，界面峰值温度越高。基于实验结果，进行了接头形成分析，比较了大转动惯量与小转动惯量两种焊接规范接头的性能，并总结了常见焊接缺陷。 本文还根据惯性摩擦焊两级压力焊焊接过程的特点，结合金属材料塑性成形过程的大变形热-弹塑性理论、虚功原理和摩擦学理论，运用有限元软件ANSYS建立了GH4169合金惯性摩擦焊接过程的二维轴对称热力耦合模型。该模型假设热辐射、热对流对温度场的影响极小，无飞溅现象，基于实测转速和给定的边界条件，计算了焊接过程的瞬态温度场、应力应变场和塑性流动。通过测温实验，检验了模拟结果，发现模拟结果与实验温度场吻合得非常好。最后结合模拟结果，对焊接温度场、应力应变场的变化规律及塑性流动特征进行了分析，讨论了影响模拟结果的诸多因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 论文的主要创新与贡献
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 惯性摩擦焊
• 1.2.1 惯性摩擦焊原理
• 1.2.2 惯性摩擦焊工艺与设备
• 1.2.3 摩擦焊的特点
• 1.2.4 惯性摩擦焊的应用
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 摩擦焊接过程的数值模拟进展
• 1.3.2 GH4169合金焊接工艺研究状况
• 1.4 选题意义与背景
• 1.5 研究内容
• 第2章 研究方法与研究方案
• 2.1 实验材料与设备
• 2.2 测温方法与设备
• 2.2.1 选择测温方法
• 2.2.2 测温原理
• 2.2.3 测温设备
• 2.3 摩擦学理论
• 2.3.1 粘着理论
• 2.3.2 线滑移场综合理论
• 2.3.3 “剥层”理论
• 2.4 有限元方法
• 2.5 传热学基本原理
• 2.5.1 热力学第一定律
• 2.5.2 热传递方式
• 2.5.3 传热平衡方程
• 2.5.4 温度场基本方程
• 2.6 弹塑性理论分析
• 2.6.1 材料屈服准则
• 2.6.2 本构关系
• 2.7 研究方案
• 第3章 惯性摩擦焊工艺研究与测温实验
• 3.1 引言
• 3.2 惯性摩擦焊工艺研究
• 3.2.1 工件及焊接方案
• 3.2.2 工艺参数研究
• 3.3 接头组织分析
• 3.3.1 试件宏观特征分析
• 3.3.2 试件微观组织分析
• 3.3.3 接头形成分析
• 3.3.4 工艺规范比较
• 3.3.5 常见缺陷分析
• 3.4 测温试验
• 3.4.1 试验方案
• 3.4.2 焊接接头温度变化规律
• 3.5 本章小结
• 第4章 惯性摩擦焊的有限元建模
• 4.1 引言
• 4.2 热力耦合分析
• 4.2.1 温度场模型
• 4.2.2 应力应变场计算模型
• 4.2.3 简化条件
• 4.3 材料模型
• 4.4 几何模型
• 4.5 边界条件
• 4.5.1 位移约束
• 4.5.2 压力
• 4.5.3 热流密度
• 4.5.4 摩擦转速
• 4.5.5 摩擦系数
• 4.6 本章小结
• 第5章 惯性摩擦焊数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 温度场结果分析
• 5.2.1 温度场的空间分布
• 5.2.2 温度场的时间分布
• 5.2.3 模拟与实验的结果比较
• 5.3 应力应变场结果分析
• 5.3.1 应力应变场的空间分布
• 5.3.2 应力应变场的时间分布
• 5.4 塑性流动特征
• 5.5 两种规范摩擦面的温度变化特征
• 5.6 模拟的影响因素
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间所发表的论文
• 致谢