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GH4169合金惯性摩擦焊工艺及有限元数值模拟研究

王锴  
【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。


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