（材料学专业论文）惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 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m s c m a r e 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 g h 4 1 6 9 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g h 4 1 6 9 合金和异质金属g h 4 1 6 9 合金与4 2 c r m o 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，4 2 c r m o 钢端头温度上升较慢而且相对较低，加热 区宽，温度梯度小；g h 4 1 6 9 高温合金的高温强度比4 2 c r m o 钢高，焊接时在相同的轴 向压力下，4 2 c r m o 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。 关键词：惯性摩擦焊接；数值模拟；能量密度；g h 4 1 6 9 高温合金；有限元 惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析 t h en u m e r i c a l a n a l y s i so f e n e r g yd e n s i t yd u r i n gi n e r t i af r i c t i o n w e l d i n gp r o c e s s a b s t r a c t u n d 盯t h ea x i a lp r e s s u r ea n d t o r q u e ，t h ec o n t a c t i n gs u r f a c e sa n di t sa d j o i n i n gr e g i o na 地 b r o u g h tt ov i s c o p l a s t i cs t a t ea n dp r o d u c ea p p r o p r i a t em a c r o s c o p i cd e f o r m a t i o nd u r i n gi n e r t i a f r i c t i o nw e l d i n gf r f w ) p r o c e s s u s i n gt h er e l a t i v em o t i o no fr u b b i n gs u r f & c e sa n dt h ep l a s t i c f l o w , t h e na r eu p s e tr a p i d l y f r o mt h ep o i n to f e n e r g y , b a s i c a l l y , 球wi sa ne n e r g yc o n s u m i n g p r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ee n e r g yp r o b l e mi nt h ef i e l do ff r i c t i o n w e l d i n g i nt h i sp a p e r , n u m b e r so f2 da x i s y m m e t i ct h e r m o - m e c h a n i cc o u p l e dm o d e l sf o rt h e s i m u l a t i o no f s i m i l a rp i e c e sa r ed e v e l o p e d ，a n db ye m p l o y i n gt h ee l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ，t h ee f f e c to fe n e r g yd e n s i t yt ot h et e m p e r a t u r ef i e l d s , s 吨s sf i e l d s , w e l d i n g t i m e sa n da x i a ls h o r t e n i n ga r ec a l c u l a t e dd u r i n gm w p r o c e s s e so ft h es i m i l a rg h 4 1 6 9 s u p e r a l l o y 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e r g yd e n s i t ya n dw e l d i n gt i m e a p p r o x i m a t e l yi sl i n e a r a n dt h ew e l d i n gt i m ei n c r e a s e dw i t ht h ee n e r g yd e n s i t y , a sw e l l 鹊t h e a x i a ls h o r t e n i n g i na d d i t i o n , t h em o r et h ee n e r g yd e n s i t y , t h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r eo ft h e i n t e r f a c ew a s ，a n dt h el a r g e rt h ef l a s hw a s i no r d e rt ov e r i f yt h ed e p e n d a b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h em o d e l s ，t h ec a l c u l a t e dd a t ao f w e l d i n gt i m ea n da x i a ls h o r t e n i n ga r ec o m p a r e d t ot h em e a s u r e do n e s ，a n dt h e ya r es h o w ni n g o o da g r e e m e n tr e s p e c t i v e l y a tt h es 锄et i m e ，t h en u m e r i c a lm o d e l so fd i f f e r e n ts i z e dg h 4 1 6 9s 1 1 p e 硼o ya n d g h 4 1 6 9s u p e r a l l o y 4 2 c r m os t e e la r ed e s c r i b e d t h ee n e r g yp r o b l e m so f wp r o c e s s e sa r e a n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee n e r g yd e n s i t yo ft h es m a l l e rw e l d m e n ti s l a r g e r , a n di t sh e a ta f f e c t e dz o n e ( r a z ) i sw i d e r , t h et e m p e r a t u r eg r a d si st h el o w e r t h a nt h e l a r g e rw e l d m e n tu n d e rt h e 懿l l n ef l u xi n p u t t i n gc o n d i t i o n f o rt h ed i s s i m i l a rp a i r , t h ei n c r e a s e o f t h et e m p e r a t u r eo f 4 2 c r m os t e e li ss l o w e ra n dl o w e r , a n dt h eh e a t e dz o 鹏i sw i d e r , f u r t h e r m o r e ，i t sd e f o r m a t i o ni sm u c hm o r eo b v i o u sa n di t sf l a s hi sl 盯g e rt h a ng h 4 1 6 9s u p e r a l l o y , b e c a u s ei t sp l a s t i cm e t a li se x t r u d e dh e a v i l y , i ti se a s yt op r o d u c ew e l d i n gd i s f i g u r e m e n t s a n dt h em o d e l sa r eh e l p f u lt 0o p t i m i z et h ed i s s y m m e t r i ca n dd i s s i m i l a rf r i c t i o nw e l d i n g t e c h n i c sf o rm a n u f a c t u r e s k e yw o r d s ：i n e r t i af r i c t i o nw e l d i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e n e r g yd e m i t y ：g h 4 1 6 9 s u p e r a l l o y ：f e m i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文申不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 坐 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 幽聋牟 导师签名：型e 二遮 丑年蔓月兰日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 随着材料、航空、宇航、核能工程和海洋开发等高科技产业的迅速发展，世界各国 的产业结构正在发生质的变化，传统产业停滞不前或逐渐萎缩和改组，新兴产业正在迅 速发展，有力地促进了现代固态焊接等新焊接方法的发展。以提高产品质量，降低产品 成本，缩短研制生产周期，不断提升自身在国际分工中的地位为目的，摩擦焊接作为一 种优质、精密、高效、节能的固态焊接技术，越来越受到各国的重视，并已发展成为诸 如高性能航空发动机转子之类的重要部件最可靠和最可信赖的标准焊接方法f l 娟。 传统的发动机转子部件都是采用单件机械连接形式，其缺点是质量大、结构复杂、 应力集中程度高、尺寸稳定性差、服役过程故障多。为了提高航空发动机性能以及改善 其可维护性，从6 0 年代起，其转动部件都设计成整体结构。最初，整体件普遍采用较 大的实心锻件通过机械加工制造，材料利用率非常低，加工费用高；并且大的实心锻件 对锻造工艺要求高，性能也不理想。后来，这种制造工艺被“锻造+ 焊接”工艺代替， 但是，对于这种大型件的焊接，传统的熔焊易产生气孔、裂纹、变形等缺陷，焊件的尺 寸精度也难以控制【6 ，7 l 。6 0 、7 0 年代，在军用航空发动机高温合金部件的连接技术中， 真空电子束焊接曾占有重要的地位；近2 0 多年来，由于摩擦焊接技术的迅速发展，特 别是其在高温合金焊接中所固有的综合技术优势，使以美国g e 公司为代表的制造商， 率先成功的采用了摩擦焊接技术连接航空发动机转子部件( 盘+ 盘、盘+ 轴) 8 1 。根据 有关资料分析，g e 公司生产的t f 3 9 航空发动机的1 6 级压气机盘；c m f 5 6 航空发动机 的1 2 级，4 9 级，以及压气机轴；f 1 0 1 航空发动机的l 、2 、3 级盘与鼓及前轴颈等 均采用了摩擦焊接工艺。g e 公司还对i n c o n e l 7 1 $ 高温合金摩擦焊接头的力学性能和冶 金性能作了系统研究，得到的i n c o n e l 7 1 8 焊接接头力学性能除屈服强度和延伸率略低于 母材外，其他拉伸性能均与母材相当；持久寿命虽低于g e 公司的2 5 h ( 6 5 0 6 9 0 m p a ) 持久寿命规范，但大多数数据都在g e 公司平均设计曲线周围的3 盯范围内；而室温下 旋转粱疲劳性能甚至超过了母材凹。 摩擦焊接作为一种固态焊接方法，在工艺适用性和焊接质量控制方面都具有优势， 在发动机制造业中得到了广泛的应用，国外一些先进的航空发动机制造公司已经将摩擦 焊作为焊接高推重比发动机转子部件的典型和标准工艺方法。国外已经投入了大量的人 力物力进行惯性摩擦焊接技术的基础研究和应用开发。随着g e 公司在航空发动机转子 部件制造方面的上述突破性进展，英国的r r 公司、美国的p & w 公司和德国的m t u 惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析 等一些欧洲发动机制造公司也都陆续开展了摩擦焊接技术的研究工作【l o l 。我国从5 0 年 代就开始了摩擦焊接的研究【l ”，但在航空工业等高技术领域中的应用起步较晚，而且迄 今为止，在综合和整体水平上与国外相比仍然比较落后。这一方面是由于航空工业对摩 擦焊接的技术要求较高，另一方面传统的摩擦焊接工艺的研制通常需要进行大量反复的 实验，一套成熟的工艺，特别是航空发动机等高技术领域的摩擦焊接工艺需要消耗巨大 的人力物力，而我国相关企业由于财力有限，很难进行高技术领域的摩擦焊接工艺的基 础研究和应用开发。针对我国相关企业的实际情况，采用数值模拟结合少量实验的方法 进行摩擦焊接工艺的研究和探索，可以显著降低工艺研制的成本，缩短研发周期，使得 摩擦焊接技术能快速应用的我国到航空发动机制造业中。 综上所述，摩擦焊接技术已经成为全球制造业尤其是航空发动机制造业中的一项关 键的制造和修复技术。随着计算机技术和有限元计算理论的发展，针对我国相关企业的 实际情况，采用数值模拟结合少量实验的方法进行摩擦焊接工艺的研究和探索，可以显 著降低工艺研制的成本，缩短研发周期，使得摩擦焊接技术能快速应用到我国的航空发 动机制造业中。 1 2 惯性摩擦焊接技术简介 摩擦焊接是一种压焊方法，它是在外力作用下利用焊件接触面之间的相对摩擦运动 和塑性流动所产生的热量，使接触面及其近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑 性变形，通过两侧材料的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的【1 2 1 。 摩擦焊接这一概念由来已久，早在1 8 9 1 年英国人j h 贝文顿就获得了利用摩擦热 进行焊接和挤压的专利。但是，直到1 9 5 6 年才由前苏联学者首先试验成功第一种实用 的摩擦焊接方法，即连续驱动摩擦焊( f r w ) 。此后，连续驱动摩擦焊接技术迅速发展， 并大量应用于汽车工业，但是在航空工业中未能得到实际应用，摩擦焊接真正用于航空 工业始于六十年代后期。1 9 6 2 年，美国履带车辆公司( c a t e r p i l l a rt r a c t o rc o ) 发展了一种 新的摩擦焊接方法惯性摩擦焊( 简称i f w ) 或飞轮摩擦焊。惯性摩擦焊接与通常的连 续驱动摩擦焊接不同，它基本上是在恒定的焊接压力作用下，通过焊接表面摩擦，把预 先贮存在飞轮中的动能转化为热能，使焊件加热，并在飞轮和焊接压力的联合作用下把 两个焊件牢固地焊接在一起，同时使飞轮一主轴停止转动。惯性摩擦焊与连续驱动摩 擦焊相比，在接头性能、材料工艺适应性和焊接质量控制等方面得到了改善，促进了摩 擦焊接应用于航空工业的研究工作的开展。因此，惯性摩擦焊接刚一出现就被引入到航 空工业，不久g e 公司使用c a t e r p i l l a r 大型焊机制造了航空发动机的整体压气机转子和 大连理工大学硕士学位论文 涡轮部件。经过近4 0 年的研究和应用，惯性摩擦焊接的技术日臻完善，已成为制造航 空发动机转子部件的主要焊接方法【”1 。 1 2 1 惯性摩擦焊接的基本原理 图1 1 是惯性摩擦焊接过程示意图和焊接过程中转速、轴向压力、扭矩、轴向缩短 量的变化曲线。惯性摩擦焊工件的旋转端( 旋转焊件) 与飞轮相连，平动焊件夹持在移 动夹具中。焊接过程开始时，首先将旋转焊件连同飞轮一起加速到设定的转速，然后驱 动电机与飞轮和旋转工件分离，由飞轮带动工件旋转，同时平动焊件向前移动，两个焊 件接触后，开始摩擦加热。在摩擦加热过程中，飞轮受摩擦扭矩的制动作用，转速逐渐 降低。当旋转工件停止转动时，焊接过程结束。惯性摩擦焊的主要工艺参数有三个：飞 轮转动惯量i 、飞轮转速以及轴向压力p 。 加童阶爱 越压力坪接竞戚 硌一秘一扣r 7 弋厂 轴向压力p ) l 扭矩 轴自位移久 ， i _ t i _毫一t 口t t s - - - 担格 图1 1 惯性摩擦焊接过程中主要参数变化示意图 f i g 1 is c h e m a t i cp r o f i l e so f t h et y p i c a lp a r a m 蛐 f r i c t i o nw e l d ；l 】gp r o c e s s 旋转的飞轮储存了焊接过程中所需要的能量，在焊接过程中这些能量主要以摩擦热 和塑性变形能的形式逐渐释放出来，以加热摩擦焊接接头并产生塑性变形，从而使得焊 件连接。飞轮存储的能量e 与飞轮转动惯量i 以及飞轮转动角速度d 的关系为： e ：1 i 0 3 2 ( 1 1 ) 2 其中对实心飞轮 惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析 ，：嬖( 1 2 ) 二g 式中 g 飞轮重量； 五飞轮半径； g 重力加速度。 惯性摩擦焊接的能量来自于存储在飞轮中的动能释放，释放出的动能最终在摩擦表 面上转变成热能。摩擦面的加热功率p 有： p = 口a f u ( 1 3 ) 其中p 摩擦所消耗的功率( j s ) 口转换效率( o 1 ) 口摩擦系数 f 正压力( n ) d 摩擦速度( m s ) 在实际生产中，飞轮的转动惯量可通过更换飞轮或不同尺寸飞轮的组合而加以改 变。惯性摩擦焊接的主要特点是恒压、变速，它将传统的连续驱动摩擦焊的加热和项锻 过程结合在一起。 1 2 。2 惯性摩擦焊接设备 摩擦焊机主要结构包括三部分：主机系统、液压系统和控制系统。摩擦焊接设备示 意副1 4 1 5 1 如图1 2 所示。主机系统( 主轴箱、旋转与移动夹具、滑动平台、施力油缸与 床身) 是摩擦焊机的主体，其作用是通过旋转夹具与移动夹具给焊接工件提供工艺所规 定的转速、摩擦压力和顶锻压力，保证焊接工件的尺寸精度，实现滑台快进、快退等辅 助运动，它是焊机系统的执行机构。 液压系统的作用是提供焊机各动作机构( 主轴离合器、制动器、旋转夹具、移动夹 具) 和施力系统( 施力油缸) 的液压动力源，以保证主轴旋转以及滑台运动部件的充分 润滑。主要包括液压电动机、液压泵、油箱以及各种方向、压力和流量控制阀所组成的 液压控制回路。 摩擦焊机控制系统根据其控制对象可分为强电控制系统与弱电控制系统。强电控制 系统主要是通过空气开关、离合器、y _ 转换器等对主驱动电动机、液压系统电动机等 强电部分进行控制。弱电控制系统则是根据设定的焊接程序与焊接过程的触发信号，通 大连理工大学硕士学位论文 过控制液压系统的电磁阀和强电系统的离合器，实现焊接过程的顺序控制与模拟量控 制。 图1 2 惯性摩擦焊接系统示意图 如1 2 s c h e m a t i cd i 耀艰m o f i n e r t i a f r i c t i o n w e l d i n g s y s t e l n 根据焊接过程自动化的需要及程度，摩擦焊机还可以配备一些辅助装置，例如切除 飞边装置、自动上下料装置、机上淬火装置等。 1 2 3 惯性摩擦焊接的特点 摩擦焊接的技术及工艺已经在很多国家得到发展，这种焊接工艺是通过加热( 热机 械加工) 和加压在接触表面产生塑性变形、表面激活、扩散和再结晶以及“体”的相互 作用等而形成焊接头的，具有以下优点； ( 1 ) 焊接质量高、稳定、可靠。通常摩擦焊接是在母材不熔化的情况下使两材料 发生周相结合的焊接方法，与传统焊接方法相比，摩擦焊接头不产生与熔化和凝固有关 的一些焊接缺陷和焊接脆化现象。并且由于加热温度低或根本不加热，使得接头热影响 区很窄甚至根本没有热影响区，加之摩擦面具有“自清理”作用，都有利于获得与母材 同等强度甚至某些性能超过母材的焊接头。另外，焊前焊件准备简单，接头端面状态要 求不严格；摩擦焊接过程完全由设备控制，人为因素影响很小，所以产品质量稳定，成 品率达到9 9 9 6 9 9 9 8 。 ( 2 ) 焊件尺寸精度高。摩擦焊接过程为固态连接，焊接缩短量可精确测量和控制， 通常焊件长度公差可控制在士0 2 m m 以下，偏心度小于0 2 m m 。 惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析 ( 3 ) 具有广泛的可焊性。对于摩擦焊接的可焊性，很多国家进行了深入研究，摩 擦焊接不仅可焊接普通钢、合金钢和有色金属，而且还可以焊接两种性质完全不同的金 属材料，诸如铝与铝合金、球墨铸铁与钢，也适用于焊接性能相差较大的异种金属与异 种材料，如金属与塑料、陶瓷等非金属材料的焊接。摩擦焊接还具有广泛的结构尺寸和 接头形式适应性。现有的焊机可以焊接截面积为l 1 6 1 0 0 0 m m 2 的中碳钢焊件；可用于 管一管、棒一棒、棒一管等的焊接。 ( 4 ) 耗能低，节能效果显著；节约原材料。一般摩擦焊接是闪光焊所需要动力的 l 5 1 1 0 ，比一般电能转化热能的普通焊接可节能8 0 9 0 。与传统焊接相比，至 少能节省原材料1 2 。 ( 5 ) 焊接过程环保，生产效率高。摩擦焊接技术不用焊条、焊丝、焊药、保护气 体，无弧光、无火花、无毒害，改善了劳动条件，降低技术工人的劳动强度；并且便于 实现自动化，生产率可比普通的电弧焊提高6 2 0 倍；比电阻焊或闪光焊提高5 倍。 在制造业中应用最多的摩擦焊接主要是惯性摩擦焊接和连续驱动摩擦焊接，这两种 焊接方法相比较，惯性摩擦焊接还具有下列优点： 热影响区较窄。 焊接时间较短。 在焊接周期结束时，焊缝的螺旋形变形流线和热加工有助于提高焊缝强度。 容易监控，只有两个焊接参数能量( r r a i n ) 和压力。能量可在发出信号之 前加以监控，因此在焊接过程中实际上需要监控的参数仅有一个。而连续驱动摩擦焊涉 及七个参数。 对大多数材料及几何形状来说，参数都可以预先计算，因此这种焊接工艺可以 进行数学放大( 即可以用小样件来比较对照大型部件) 。 不需要离合器和制动器。 可通过测定转轴的速度变化率从而间接测量出焊接转矩。 尽管摩擦焊接技术与传统焊接方法相比，有很多优势，但同样也存在些问题： ( 1 ) 对于材料方面带来的非金属杂质的缺陷，还不能在焊接周期控制期就完全得 到保证。为此保证重要零件的质量，希望在摩擦之后工序中，实现破坏性的全数检查， 确定今后的工序内质量保证法。 ( 2 ) 摩擦焊机价格比较高，影响经济效果【l q 。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 摩擦焊接过程的数值模拟 随着计算机技术及有限元理论的快速发展，数值模拟技术迅速渗透到各个领域。目 前，在热机械加工中，加工过程的物理模拟、数值模拟和计算机模拟已发展成为重要的 研究方面和前沿课题之一阿。开展摩擦焊接过程中能量场、温度场、应力应变场等物力 参量场的变化及其影响的研究，对优化焊接工艺和焊接力能参数与变形参数、提高焊接 质量、改进焊接设备以及发展新的焊接技术具有非常重要的作用。但在摩擦焊接条件下， 金属塑性变形是一个物理非线性和几何非线性问题，在焊接过程中伴随和耦合着一系列 的物理现象。对于这样复杂的问题，解析解一般是没有的，只能采用数值解法。 1 3 1摩擦焊接过程数值模拟的方法和软件 数学模型及其计算方法是数值模拟首要解决的问题，数学模型是基本规律的反映， 是对摩擦焊接加热升温过程本质的揭示。数值模拟的成功与否，精度如何，首先决定于 数学模型对模拟对象的概括表达程度。建立了模拟对象的数学模型后，还要选择相应的 数值计算方法【1 7 】。随着计算机发展和应用而产生的数值方法包括：有限元法、有限差分 法和边界元法，其中有限元法是一种广泛使用的方法。 有限元法的基本前提是；将连续求解域离散为一组有限个单元的组合体，这样的组 合体能近似她模拟或逼近求解区域。由于单元能够按各种不同的联结方式组合在一起， 且单元本身又可以具有不同的几何形状，因此可以模拟形状复杂的求解域，有限元法作 为一种数值分析法的另一重要步骤是利用在每一单元内假设的近似函数来表示全求解 域上代求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数在单元各个节点上的数值 以及插值函数表达。这样，一个问题的有限元分析中，未知场函数的节点值就成为新的 未知量，就可以利用插值函数确定单元组合体上的场函数。显然随着单元数目的增加， 亦郎单元尺寸的缩小，解的近似程度将不断改进，如果单元是满足收敛性要求的，其近 似解最后将收敛于精确解。这种方法具有很大的灵活性和适应性，特别是用于具有复杂 形状和条件的物体。 模拟理论及其技术日益成熟，有限元模拟软件开始从实验室走向企业，用于实际产 品的开发和质量控制中。其中较为著名的商品软件有美国的m s c m a r e 、d e f o r m 和法 国的f o r g e ，这些软件除了塑性问题分析功能较强外，还有良好的前后处理功能。m a r c 软件侧重于非线性问题的分析求解，主要处理高度组合非线性结构、热及其它物理场和 耦合场的问题，在工业发达国家的航空、航天、能源和核电行业的蠕变，塑性变形等金 属材料非线性问题分析中得到广泛的应用。m a r c 具有很强的单元技术和网格自适应及 重划分能力，广泛的材料模型，高效可靠的处理非线性问题的能力和基于求解器的开放 惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析 性；m a r c 还具有基于区域分割的并行有限元技术，能够实现在共享式、分布式或网络 多c p u 环境下的非线性有限元分析准线性甚至超线性的并行性能扩展比，可大幅度提 高非线性分析效率。m a r c 软件的主要特点如下： ( 1 ) 可处理各种线性和非线性结构分析。 ( 2 ) 提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库。其中结构单元库提 供了模拟金属、非金属、聚合物、复合材料等多种线性和非线性复杂材料行为的材料模 型。 ( 3 ) 网格自适应技术可提供多种误差准则自动调节网格疏密，不仅可以提高大型 线性结构分析精度，而且能对局部非线性应变集中、移动边界或接触分析提供优化的网 格密度，既保证计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。m a r e 支持全自 动的二维网格和三维网格重划分，用以纠正过度变形后产生的网格畸变，确保分析计算 的进行。 ( 4 ) 对非结构的场问题如包含对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性温 度场以及流场、电场、磁场，也提供了相应的分析求解能力；并具有模拟流一热一固、 土壤渗流、声一结构、耦合电一磁、电一热、电热结构以及热结构等多种耦合场的分析 能力。 ( 5 ) 前后处理图形交互界面m e n t a t 与m a r e 求解器无缝连接。 ( 6 ) 提供了方便的开放式用户环境。 ( 7 ) 支持在n t 和i 烈平台上多c p u 或多网络节点环境下的大规模并行处理。 ( 8 ) 支持各种硬件平台。 1 3 2 摩擦焊接过程数值模拟研究进展 1 9 6 2 年，c h e n g 1 8 , 1 9 】首先对a i s l 4 1 4 0 合金钢同种材料及a i s l 4 1 4 0 合金+ 3 0 4 不锈 钢异质材料的管件连续驱动摩擦焊接过程中的温度场进行了有限差分分析，同时还用热 平衡积分法验证了有限差分数值解。开创了摩擦焊接物理参量场计算机模拟的先河。文 中采用了一维、变物性参数、非稳态差分导热微分方程。摩擦热源简化为均匀分布的面 状热源，在边界条件处理方面，忽略了与周围环境的对流和辐射换热。 1 9 7 0 年，w a n g 与喀a p p 缸【2 0 】采用二维轴对称、非稳态、变物性模型首次对a i s l l 0 2 0 钢棒材惯性摩擦焊接过程中的温度场进行了有限差分计算，在计算过程中采用了移动热 源界面的方法，忽略了辐射散热与对流散热，考虑了摩擦焊接过程中可能出现的熔化现 象以及焊接过程中焊接工件的轴向缩短，并用热电偶测温方法进行了验证。计算结果表 明，惯性摩擦焊接时摩擦界面上的温升速率及近区的温度梯度比连续驱动摩擦焊大得 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 多；界面温度未达到材料熔点。此模型涉及了焊接接头的热流输入沿径向的变化，但由 于受到显式差分格式稳定性的限制，时间步长选取范围小，循环次数多。 1 9 8 4 年，n a 2 l 】采用二维轴对称、非稳态、变物性、混合换热的导热模型对x s c r n i l 8 9 不锈钢与e c u 异种材料摩擦焊接温度场进行了有限差分分析。模型在焊接接头的热流 输入沿径向的变化基础上，考虑到异质材料摩擦面两侧热量分配不均的特点，将热量分 配关系处理成材料密度、导热系数、比热容的函数。计算结果表明，利用平均的材料热 物理性能也可以求出比较切合实际的温度分布曲线；摩擦表面上的温度随半径增大而增 大，直至外圆处温度达到了c u 的熔点。 段立字、李晓泉等田】采用交替方向隐式差分法中的d r 格式，对轴对称、二维、 非稳态、变物性、混合挟热边界的摩擦焊接热源温度场进行了理论计算，采用热电偶对 摩擦焊接接头某些易铡准部位的温度一时间循环进行了实验验证，二者基本相符。研究 结果表明，计算区域离散化、热物性条件、摩擦热源功率等有关的一些计算参量均对温 度场的计算结果有不同程度的影响，其中对流和辐射换热的影响甚微，可略去不计；摩 擦峰值温度产生在顶锻阶段，但未达到被焊金属的熔点。 上述研究工作都是在非热力耦合分析的条件下进行数值模拟的，要准确地模拟焊接 过程，应该考虑变形产生热、热影响金属力学性能和工件应力、应变之类的相互作用， 即需对温度与应力、应变进行热力祸合分析才能获得材料变形及应力、应变状态等的准 确数据。随着非线性有限元理论的发展和计算机技术的突飞猛进，有限元数值模拟技术 在热机械加工领域得到了普遍应用，是继有限差分法后应用最为广泛和成熟的数值方 法。它使摩擦焊接数值模拟的物理场从温度场拓展到应力应变场以及组织场等，从单一 的物理场分析拓展到多场耦合分析，分析的工件也从小型件发展到大型复杂件。热力耦 合分析是目前有限元法在塑性成形过程中应用的前沿领域。 k l e i b e r 等田】是最早将有限元法应用到摩擦焊接传热过程研究的学者。文献【2 4 j 中建 立了轴对称、非稳态、变物性热传导方程，热源功率模型考虑了工件半径、温度、摩擦 系数以及摩擦面上压应力的影响。 1 9 9 0 年，s l u z a l e c 等 2 4 2 5 1 首次考虑了热与力之间的耦合作用，采用热塑性有限元计 算的增量理论和轴对称、变物性模型计算了摩擦焊接过程中的温度场和应力场。文献【2 4 】 针对摩擦焊接过程的温度场，分别采用了解析法和有限元法进行求解，计算结果表明， 在摩擦初期，摩擦表面外圆部位温度最高；摩擦后期，l 尼试样半径处温度最高。所计 算出的飞边形貌与实验相近。 近几年，e m a s s o n i 等人 2 6 2 7 1 对同质和异质材料的惯性摩擦焊接过程进行有限元数 值模拟。文献 2 6 】针对同质( n k l 7 c d a t ) 管材的惯性摩擦焊接过程，建立了完全的二 惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析 维热力耦合有限元计算模型，模型在计算过程中采用了网格重划分的方法，通过对实际 焊接工件的计算，得到了较好的飞边形状，但是，轴向缩短量的计算结果和实验结果有 一定差距。文献 2 7 】针对异质惯性摩擦焊接过程建立了二维热力耦合有限元计算模型， 计算过程中采用了自适应网格划分、自身及多体接触计算等方法，得到了较好的飞边形 状，并对计算结果进行了实验验证。 国内关于摩擦焊接过程数值模拟的研究工作起步较晚。从九十年代初期开始。西北 工业大学的段立字等在摩擦焊接物理参量场的数值模拟方面开展了较为系统的研究工 作。近年来，大连理工大学的张立文等针对大型焊件惯性摩擦焊接过程的物理场进行数 值模拟研究，并与沈阳黎明公司合作开展了航空发动机转子摩擦焊接工艺的优化工作。 段立字、李晓泉等1 2 s 1 采用交替方向隐式差分法中的d r 格式，对3 5 # 钢管的连续 驱动摩擦焊接过程的瞬态温度场进行了数值模拟，利用热电偶测温技术对摩擦焊接接头 易测准部位的焊接热循环进行了计算机实时自动测量。结果表明，计算结果与测量值符 合较好。 傅莉、段立宇等 2 9 , - 3 3 】运用金属塑性成形过程有限元热力耦合分析的理论和方法，并 结合摩擦焊接这样一个包含相变、塑性、双非线性( 物理非线性和几何非线性) 的大变 形弹塑性问题的实际，分别对高推重比航空发动机转子部件结构材料g h 4 1 6 9 镍基高温 合金以及石油钻杆常用材料3 4 c r m 0 4 的摩擦焊接过程进行了数值模拟，求解了摩擦焊 接过程的瞬态温度场、应力场和应变场，以及它们随焊接工艺参数的变化。 李付国等1 3 4 , 3 5 1 对g h 4 1 6 9 合金摩擦焊接过程的常见缺陷及组织变化进行了分析计 算。文献 3 4 】以能量的平衡方程( 能量法) 代替力的平衡方程，推导出了管状试样的摩 擦焊接过程热力影响区主要热参数的理论计算公式，通过计算给出了摩擦焊接区域温度 和飞边分流半径的拟合曲线，并分析了飞边缺陷的种类及其产生的原因；文献 3 5 】采用 有限元数值模拟的方法，建立了g h 4 1 6 9 合金惯性摩擦焊接过程显微组织的演化模型， 对惯性摩擦热力影响区的再结晶组织进行了模拟计算。 张立文等 3 6 , 3 7 1 根据航空发动机的大型环形件惯性摩擦焊接过程的特点，结合摩擦学 理论与前人关于摩擦面生热变化规律的研究成果，建立了一个基于二维轴对称的有限元 计算模型。利用该模型可以模拟计算惯性摩擦焊接瞬态温度场、应力场的分布，可以预 测摩擦焊接过程的轴向缩短量。并对同质材料g h 4 1 6 9 g h 4 1 6 9 焊接进行了实例计算。 用热电偶点焊在工件表面的方法对焊接接头处若干点的温度变化情况进行了计算机实 时测量。结果表明，计算结果与实验数据符合良好。 在摩擦焊接数值模拟过程中，焊合区高温粘塑性金属的力学模型一直是一个悬而未 决的难题，由于其具有高温、大变形、高应变速率特征，给实验研究带来了很大的困难。 大连理工大学硕士学位论文 到目前为止，关于该区的力学模型人们提出了以下几种主要假设：r i c h 与r o b e r t s 3 s 在 早期研究中把其假设为刚塑性体；h e a l y ( 1 9 7 6 ) p 9 等假设该区金属为流变学中的b t n g h a r a 体；d 1 1 丘i n ( 1 9 7 3 ) 【帅】与a t t h e y ( 1 9 7 6 ) 4 1 1 、m i d l i n g ( 1 9 9 4 ) r 4 2 j 等人将其模化为粘度很大的 粘性流体。f r a n c i s 与c r a i n e 4 3 经比较后认为，粘性流动模型可以更好地描述钢管连续驱 动摩擦焊接摩擦阶段材料的流场。近几年，前苏联一些科学家在研究高速钢- - 4 5 钢、 n i n i 、c u c u 摩擦焊接时，根据变形温度、变形速度及焊合区组织形态，将焊合区 金属模化为超塑性体。上述几种力学模型地物理表达式分别为 疋= 吒刚塑性体 吒= 矾+ 桩宾汉刚粘塑性体 吼= 砘牛顿粘塑性体 仉；k - m超塑性体 上面各式中吼为等效应力，也为等效应变速率，吒为材料单轴拉伸时的屈服应力， 玎为流变系数，为粘滞系数，肌为应变速率敏感性指数，置为常数。 以上几种模型虽提法不同，但除刚塑性体外，都反映了焊合区金属的塑性流动阻力 与应变速率密切相关。 1 4 摩擦焊接过程中的能量分析 从能量的观点考察，摩擦基本上是一个能量消耗过程。通过接触表面之间的相对运 动和表面上施加的载荷把外界能量赋予了表面，而表面又通过各种方式将能量消耗掉。 摩擦能量的引入、转换和消耗的过程是，首先通过真实接触面积的变形把机械能引入接 触区；其次机械能的转换主要由塑性变形、粘着和犁沟效应起作用；再次，消耗现象包 括热转移( 热和熵的产生) 、储存( 如点缺陷和位错的产生、应变能的储存等) 或辐射。 研究表明，摩擦能量主要转换为摩擦焊接表面塑性变形金属热能，并成为摩擦焊接的热 源。 杜随更、段立宇嗍等对尺寸为o2 8 x 9 0 r a m 的g h 4 1 6 9 高温合金进行了连续驱动摩 擦焊接试验研究，结果表明：摩擦焊接接头变形特征( 包括轴向及扭转变形) 非常明显， 因此必然有一定量的( 不可忽略的) 机械功转换为塑性变形功。 在初始摩擦阶段，由于摩擦主要局限在摩擦表面某些微凸体上，当这些微凸体在很 高的局部压应力作用下产生强烈的塑性屈服和流动直至焊合( 粘着) ，而又在剪应力作 用下高速剪断时，金属原子被激活，运动速度加快，温度升高，从而释放出大量的热量， 惯性摩擦焊接过程的能量密度数值分析 同时又没有发生宏观的塑性变形，因而机械功绝大部分转换成摩擦热量，产热效率接近 1 0 0 。 随着摩擦过程的进行，摩擦热量不断向两侧工件中传导，使近摩擦界面区温度升高， 剪切强度降低，形成高温粘塑性层。当高温粘塑性体内的剪切强度与摩擦界面上的剪切 应力相当时，在扭矩作用下，在摩擦界面上发生相对摩擦而产热，同时高温粘塑性体内 亦开始发生扭转塑性变形，使部分机械功转换成塑性变形功。摩擦时间越长，高温粘塑 性层越厚、温度越高，剪切强度与粘度系数愈低，越易发生扭转变形，机械功转化为塑 性变形功的比例越大，因而产热效率愈低。 当焊接过程进行到稳定摩擦阶段时，工件温度场形态不再发生明显的变化，高温粘 塑性区的温度和厚度亦处于准平衡状态，产熟效率逐渐稳定在某一个值。此实验在稳定 摩擦阶段只有约3 0 的机械功转换成热量，其它近7 0 的机械功转换成为塑性变形功。 1 5 课题背景及论文主要工作 g h 4 1 6 9 合金是高推重比航空发动机热端部件广泛采用的镍基高温合金之一，国外 航空发动机上已成功地采用了惯性摩擦焊接工艺生产的i n 7 1 8 高温转子部件，但国内 g h 4 1 6 9 合金的惯性摩擦焊接工艺研究近年刚刚起步，对于摩擦焊接工艺的开发和优化， 如果采用西方国家的“试错法”，需要做大量的试验，成本过高、周期过长。显然通过 计算机数值模拟的方法代替大量试验，能够大大降低工艺探索的成本，缩短研发周期， 对摩擦焊接工艺的设计和优化具有重要的参考价值。 从塑性加工的角度考虑，惯性摩擦焊接过程是一个包含着热、力和冶金现象相互作 用的复杂过程，本论文在前人研究和实践的基础上，运用金属塑性加工理论和大型通用 有限元软件m s c m a r c ，进行的研究内容如下： 1 基于弹塑性有限元法，根据惯性摩擦焊接的特点，运用m a r c 软件建立了g h 4 1 6 9 合金大型环形件惯性摩擦焊接轴对称热力耦合模型。分析了能量密度对惯性摩擦焊接温 度场、应力场以及焊接时间和轴向缩短量的影响，并初步探讨和比较了能量密度对焊接 时间和轴向缩短量的影响指数。 2 从焊接面上及其近区能量分布及密度的角度，定性分析和比较了惯性摩擦焊接过 程中形状或材料不对称的g h 4 1 6 9 焊接组对中两个焊件的能量分布及其对两焊件温度 场、应力应变场和飞边形状的影响。 大连理工大学硕士学位论文 2 惯性摩擦焊接数值模拟基本理论 2 1 有限元法概述 有限元法是随着电子计算机的广泛应用而发展起来的有效数值计算方法。它最初是 作为结构分析的概念来研究的【4 5 】。1 9 6 0 年c l o u g h 在做平面弹性问题分析时，第一次提 出了“有限元法”的名称，使人们开始认识到有限元法的功效。有限元法在塑性加工方 面的应用始于2 0 世纪7 0 年代，随着塑性有限元法的不断发展和应用，有限元法以它的适 应性、能获得详尽解的能力和它与精确解的固有接近，证明它优于经典的分析方法 4 6 1 。 有限元法与其它塑性加工模拟方法相比，功能最强、精度最高、解决问题的范围最 广。它可以采用不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形状的变形体，适用于