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45钢线性摩擦焊接头温度场的数值模拟与实验验证

许全周  
【摘要】:线性摩擦焊接(Linear Friction Welding:LFW)作为一种精密材料连接技术,在国外已经成功应用于高推重比航空发动机整体叶盘的制造与维修。研究LFW过程中温度场变化及分布规律对于深入探讨LFW的物理机制及进行工艺试验研究有着重要的意义。 本文建立了LFW焊机振动系统的简化模型,分析推导了LFW过程中摩擦界面不同部位摩擦产热功率的变化关系;并通过运用采集驱动电机电压及电流的方法,得到了摩擦热功率与摩擦系数μ的变化曲线。 在上述工作的基础上,本文利用有限元分析软件ANSYS建立了45钢LFW过程中三维热分析有限元计算模型,计算了45钢LFW过程中三维温度场的分布,探讨了焊缝及热影响区温度随时间的变化规律。 本文还对淬火45钢进行了LFW工艺试验。结果表明,焊接试件轴向缩短量随摩擦时间的增加而呈指数规律迅速增加。对焊缝区、变形区及热影响区的金相组织分析结果表明,淬火45钢LFW过程中,焊件不同部位的显微组织随着回火温度的变化而相应变化。根据显微硬度测试及金相组织分析结果,得出了淬火45钢LFW接头显微硬度与回火温度的关系,并由此推断出焊接接头温度场的变化规律。将金相法测定的接头温度场和有限元计算温度场的结果进行比较,发现有限元模拟温度与实际温度存在一定误差。论文分析了误差产生的原因,并对模拟结果作了相应修正,修正后的三维热分析有限元的计算方法,可以较为准确地模拟LFW过程中温度的变化,这对深入开展LFW工艺试验研究有着重要的理论及工程应用价值。


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