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g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦台分析 摘要 摩擦焊是一种自动化程度高的固态焊接方法，在工业生产中有着重要的应 用。作为摩擦焊接的一种，惯性摩擦焊接是一个热力相互作用的复杂过程它 将储存在飞轮中的机械能直接转化成为热能，来加热工件的焊接面，完成焊接。 焊接过程中不需要施加诸如电能等其他形式的能量。 焊接过程温度场和应力应变场是影响焊接接头的力学性能和微观结构的 重要因素，直接影响着焊接接头的质量。焊接过程中的温度、材料热物性、摩 擦力和顶锻压力的相互作用使焊接过程高度非线性。为模拟焊接过程中温度场 及应力应变场的分布情况，建立了有限元热力耦合计算模型。使用有限元分析 软件m s c m a r c 对g h 4 1 6 9 高温合金环状工件惯性摩擦焊接过程进行了建模分 析，计算了焊接过程温度场和应力应变场的分布。并对建模计算过程中的诸多 影响因素进行了讨论。 为了对计算结果进行验证，针对大型环状工件惯性摩擦焊接过程中温度变 化的特点，开发了一套基于w i n d o w s 环境的摩擦焊接过程温度数据采集系统。 编制了相应的数据采集软件，将数据采集与数据处理较好的集成在一起。对 g h 4 1 6 9 高温合金惯性摩擦焊接过程进行了实验研究，使用温度数据采集系统 对靠近焊接面若干个点的温度进行了实时测量。温度场的计算结果与实测值符 合得较好。 关键词：惯性摩擦焊；数值模拟；温度场； 应力应变场：有限元：数据采集：g h 4 16 9 g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦台分析 a b s t r a c t f r i c t i o nw e l d i n gi sar e l i a b l ea n da u t o m a t e dw e l d i n gp r o c e s sa n dw i d e l yu s e d i ni n d u s t r y a sa ni m p o r t a n tm e m b e ro ff r i c t i o nw e l d i n gf a m i l y i n e r t i af r i c t i o n w e l d i n gi s a c o m p l i c a t e dp r o c e s si nw h i c ht h eh e a tt o rw e l d i n gi s p r o d u c e db y d i r e c tc o n v e r s i o no fm e c h a n i c a le n e r g ys t o r e di nar o t a t i o n a lf l y w h e e lt ot h e r m a l e n e r g ya tt h ew e l d i n gi n t e r f a c eo f t h ew o r k p i e c e s i td o e sn o tn e e da p p l ye l e c t r i c a l e n e r g yo rh e a tf r o mo t h e rs o u r c e st ot h ew o r k p i e c e t h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s s t r a i n f i e l d s d u r i n gw e l d i n gp r o c e s s a r e i m p o r t a n t f a c t o r st h a t s i g n i f i c a n t l y a f f e c to nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t u r ei nw e l d e dj o i n t t h ei n e r t i af r i c t i o nw e l d i n g p r o c e s si san o n 1 i n e a r p r o c e s s b e c a u s eo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t e m p e r a t u r e f i e l da n dm a t e r i a l p r o p e r t i e sa sw e l la sf r i c t i o nf o r c ea n dt h r u s tf o r c e at h e r m o m e c h a n i c a lc o u p l e d f i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h e t e m p e r a t u r e f i e l da n d s t r e s s s t r a i nf i e l d so ft h i sp r o c e s s b yu s i n gf e m a n a l y s i ss o f t w a r em s c m a r c t h e t r a n s i e n t t e m p e r a t u r e f i e l da n ds t r e s s s t r a i n f i e l d s d u r i n g t h ei 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 so ft w os i m i l a rw o r k p i e c e so fg h 4 16 9a l l o yw a sc a l c u l a t e d t h e f a c t o r st h a ta f f e c to nt h er e s u l to fs i m u l a t i o na r ea l s od i s c u s s e d i no r d e rt ov a l i d a t et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，at e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m b a s e do nw i n d o w sw a s d e v e l o p e da c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co f t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n d u r i n g i 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 t h e s o f t w a r e i n t e g r a t i n gd a t ac o l l e c t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gw a sd e s i g n e d t h et e m p e r a t u r ea t s o m ep o s i t i o n sn e a rt h ew e l d i n gi n t e r f a c ew a sm e a s u r e db yt h i sd a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m t h ec a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ea g r e e sw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：in or t iafr i c t i o l 3w e ld in g ：n u m e r ic a ls i m u ia t i o n ： t e m p e r a t u r ef i e ld ：s t t e s s s t r a inf ie l d ： f in i t ee i e m e n tm e t h o d ：d a t aa c q u is i t i o n ：g h 4 1 6 9 u g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦台分析 1 绪论 1 1 引言 先进高温合金是航空发动机中的关键材料，对发动机的性能和寿命起着重要的作用。 高温合金的特殊的成分、组织结构和卓越的高温性能是在特殊的工艺条件下精心制造出 来的，合金的优异性能与其制造工艺密切相关；此外，随着现代高性能航空发动机的不 断更新，其主要性能指标( 推重比) 亦不断提高，因此对发动机的结构设计、材料、制造 及其后续加工工艺特别是材料的连接提出了极为苛刻的要求。摩擦焊接技术是一种高效、 节能环保的固态连接方法，其焊接质量好，自动化程度高，在高温合金连接的领域有着 广泛的应用d - 4 其中航空发动机转子部件的连接主要采用这种技术进行焊接。 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、服役过程中故障多。而整体结构的转子部件克服了这 些缺点，并且转动速度可相应的提高，使压气机和涡轮级数减少，发动机推重比增大， 维护性得到改善。从六十年代起，高性能航空发动机的转动部件一般都设计为整体结构。 起初，整体件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。焊接工艺主要有惯性摩擦焊接和电子束焊接，其中惯性摩擦焊接工艺 占很大的比重“。 惯性摩擦焊接工艺通常是通过进行大量反复的实验来获得，一套成熟的工艺参数需 要耗费巨大的人力物力，而且探索周期长。随着计算机技术和有限元计算理论与实践的 发展，采用数值建模计算，替代部分试验，可以明显降低工艺探索的成本和时间。 1 2 惯性摩擦焊 按焊接过程的驱动方式，摩擦焊可分为连续驱动摩擦焊( c o n t i n u o u s d r i v e f r i c t i o n w e l d i n g ) 和惯性摩擦焊( i n e r t i a f r i c t i o nw e l d i n g ) 。作为摩擦焊接的一种，惯性摩擦焊接是 个复杂的热力相互作用过程，它将储存在飞轮中的机械能在短时间内直接转化成为热能， 来加热工件的焊接表面，完成焊接，焊接过程中不需要施加诸如电能等其他形式的能量。 1 2 1 惯性摩擦焊接的基本原理 惯性摩擦焊的基本原理是两个物体相互接触并作相对滑动时就产生摩擦阻力，摩擦 阻力使飞轮的旋转速度下降，摩擦阻力使存储在飞轮中的动能释放出来，释放出的动能最 终在摩擦表面上转变成热能。摩擦面的加热功率尸和正压力f 、摩擦速度u 以及材料的 摩擦系数t 有如下关系 其中 p = 口2 f u j d 一摩擦所消耗的功率( j s ) 口一一转换效率( 0 h 1 ) “一摩擦系数 ，一一正压力( n ) g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦台分析 u 一一摩擦速度( m s ) 随着摩擦时间的增加，摩擦面所产生的热量逐渐增大，温度也随之升高。出摩擦所 产生的热量使工件焊接表面及其附近温度升高，使金属的强度随之降低，塑性提高。摩 擦面的塑性变形与流动防止了金属继续氧化、促进了焊接金属原子的相互扩散。当金属 摩擦面的温度达到焊接所需要的温度时，两个摩擦面很容易粘连，此时再施加顶锻压力， 即可以将工件焊接在一起。 摩擦焊接是通过加压和加热( 热机械加工) 在接触表面上产生塑性变形、表面激活、 扩散和再结晶相互作用而形成焊接接头。对于金属和金属的摩擦理论，被广泛采用的是 b o r d e n 提出的粘着摩擦理论( 亦即粘着一剪切一犁沟理论) 。此理论认为，当两个金 属表面在载荷作用下发生接触时，表面上的某些接触点( 微凸体尖端) ，因单位压力很大， 产生塑性屈服和塑性流动，这些点将牢固焊合，使两个表面形成一体，这种现象称为粘 着：当工件表面相对另一工件表面滑动时粘着点被剪断，剪切这些连接的力构成摩擦力 的粘着分量。此外，如果工件表面比另一工件表面的硬度大，则硬度较大表面上的微凸 体将会在较软表面上产生犁沟，这些产生犁沟的力构成了摩擦力的变形分量。粘着与切 离这两个过程的反复交错进行，便是摩擦过程。对于理想的弹塑性材料，摩擦力主要是 剪断金属粘着所需要的剪切力，其大小决定于粘着点的剪切强度和实际接触面积。 1 2 2 惯性摩擦焊接过程及其设备 图卜1 是惯性摩擦焊接过程示意图，焊接过程一般分为图中的三个过程“1 。工件的 旋转端( 旋转焊件) 与飞轮相连，另一个焊件( 平动焊件) 央持在移动夹具中。焊接过程 开始时，首先将飞轮和工件的旋转端同时加速到设定的转速，然后飞轮与驱动电动机脱 离，同时移动焊件向前移动，与旋转工件接触后，开始摩擦加热。在摩擦加热的过程中， 飞轮受摩擦扭矩的制动作用，转速逐渐降低，当转速为零时，焊接过程结束。 自t & 自m * * 辞一7 每pr 审一r 图卜1 。喷性摩擦焊接过程示意图 f i g 1 - lt y p i c a lp a r a m e t e rp r o f i l e sf o ri n e r t i af r i c t i o nw e l d i n gp r o c e s s 惯性摩擦焊接的主要工艺参数有三个：飞轮转动惯量，、转动角速度和轴向压力 尸。飞轮存储的能量a 与飞轮转动惯量i 和飞轮角速度国的关系为 a ：1 ( 0 z( 1 2 ) 2 其中对于实心飞轮 g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦合分析 ，：堡( 1 3 ) 2 9 式中 g 飞轮重量； r 飞轮半径； g 重力加速度。 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。摩擦焊设备示意 图如图1 2 所示“3 。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向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。 图1 - - 2 惯性摩擦焊系统不恿例 f i g ，1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n e r t i a f r i c t i o nw e l d i n g s y s t e m 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 一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 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。 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 摩擦焊的特点“1 摩擦焊的优点： ( 1 ) 摩擦焊属于固态焊接，接头质量高。在通常的情况下，焊接材料不熔化，仍处于 固相状态，焊合区金属为锻造组织。与熔焊相比，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，如粗大的柱状晶、偏析、夹杂、裂纹和气孔等；其次， g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦台分析 轴向压力和扭矩共同作用于摩擦面及其附近区域，产生了一些力学冶金效应，如晶粒细 化、组织致密、夹杂物弥散分布，以及摩擦面的“自清理”作用等；再者，摩擦焊接时 间短，焊接热影响区窄，热影响区内组织无明显的粗化现象。这三方面都有利于获得同 母材等强度的焊接接头。 ( 2 ) 摩擦焊具有广泛的工艺适应性。被焊材料具有广泛的适应性，除了传统的金属材 料外，对于通常认为不可组合的异种材料诸如铝一铜、铝一钢、钛一铜都可进行焊接。 通常，凡是可以锻造的金属材料都可进行摩擦焊接。此外，摩擦焊还可以焊接粉末冶金、 复合材料、功能材料难熔材料等新型材料。摩擦焊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、棒( 管) 一板的焊接。 ( 3 ) 焊接过程可靠性高。摩擦焊接过程完全由设备控制，人为因素影响很小。惯性摩 擦焊接过程中所需控制的焊接参数较少，如果转动惯量和转速固定时，只有压力一个参 数，易于控制，焊机运行和焊接质量的可靠性大大提高。 ( 4 ) 焊件尺寸精度高。摩擦焊加热过程具有能量密度高、热输入速度快以及沿整个摩 擦焊表面同步均匀加热等特点，故焊接变形较小。在保证焊接设备具有足够大的刚度、 焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下，焊件尺寸精度高。 ( 5 ) 摩擦焊接生产效率高。惯性摩擦焊接所需时间只几秒钟，若配备有自动上下料及 焊前、焊后辅助工序的机械化装置，生产效率将大大提高。 ( 6 ) 焊机工作环境清洁。摩擦焊接过程不产生烟雾、火花、飞溅、弧光、高频以及有 害气体等对环境产生影响的污染源，是一种清洁的生产工艺。 ( 7 ) ，摩擦焊接节能低耗。摩擦焊不需要特殊的焊接电源，所需能量仅为传统焊接工艺 的2 0 左右；也不需要其它消耗材料，如焊条、焊剂、电极、保护气体等。因此摩擦焊 是一种节能低耗的焊接工艺。 尽管摩擦焊接有很多优点，但也存在缺点和局限性： ( 1 ) 对于非圆形截面焊接较为困难，所需设备复杂；对盘状零件和薄管壁工件，由于 不易加固，焊接也很困难。 ( 2 ) 焊机的一次性投资成本大、价格昂贵，大批量生产时才能降低生产成本。 ( 3 ) 对某些摩擦系数特别小的材料，特别是脆性材料，难以焊接。 1 3 摩擦焊接的t 月t e 量过程及摩擦表面的塑性流动 从能量的观点考察，摩擦焊接基本上是一个能量的消耗过程。通过接触表面之间的 相对运动和表面上旌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 耗现象包括转移( 热和熵的产生) 、存储或辐射。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的热能，并成为焊接的热源。 有关摩擦表面加热过程及加热区域形成与扩展的研究结果表明：在初始阶段，摩擦 表面的微凸体发生粘着、剪切和金属碎片的转移，在某一环形面积上，上述过程进行比 较剧烈，该区域是摩擦扭矩和摩擦热的主要性能区；当摩擦扭矩达到前锋值扭矩后，即开 始过渡到摩擦加热阶段，摩擦表面被一层高温塑性金属所覆盖，但其厚度并不均匀，在原 4 g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦台分析 来的环形区域厚度较大，称为“深塑区”，其余部分称为“浅塑区”。摩擦扭矩亦随之降到 一个稳定数值，称为平衡扭矩，在这一阶段摩擦扭矩主要是由深塑区金属的剪切引起的： 在刹车阶段，随着相对滑动速度降低，“深塑区”沿径向向工件外表面扩展，其平均半径 逐渐增大，摩擦扭矩又不断增大，形成后峰值扭矩。 可以证明，在摩擦速度和摩擦压力一定的情况下，摩擦加热功率与摩擦扭矩成正比， 而摩擦扭矩又与摩擦系数成正比。因此摩擦扭矩随时间变化的历程( 扭矩循环) 可用以 表征摩擦加热功率和摩擦系数随时间变化的规律，即是说，摩擦扭矩不仅是焊接过程的 一个重要的能量参数，而且还是一个重要的摩擦学参数。此外，文献”“1 中提出的诸如 功率极值控制法，m t 控制法和根据摩擦扭矩循环曲线的某些特征参量可识别有缺陷的摩 擦焊接缝隙等，进一步表明了摩擦扭矩同时还是一个重要的过程监控参数。鉴于上述， 国内外对摩擦扭矩的形成机制、受控因素、测控技术咀及工艺行为等都极为关注，并开 展了较多的试验研究工作。 文献“2 1 通过对摩擦焊接过程的能量参数一摩擦扭矩变化的检测，以及对焊接过程中能 量转换效率变化规律的分析，认为摩擦界面两侧的相对角速度低于工件旋转角速度，剩 余部分角速度耗散在高温粘塑性层的扭转塑性变形上是导致摩擦焊接过程产热效率低下 的主要原因。 摩擦表面上的高温塑性金属层实质上是摩擦焊接的热源。它好像是一层粘塑性流体， 构成了摩擦副中的“第三体”和摩擦焊接表面的“粘结”介质，高温塑性金属是否连续 完整和牢固地覆盖与摩擦表面以及它的纯化度的控制，以及它们在焊接接头形成和力学 性能方面所表现的行为等，已成为摩擦焊接物理和焊接力学冶金中的一个重要课题。 1 4 摩擦焊接过程的数值模拟 材料科学与工程学科在发展过程中不断吸取并融合其他学科的成就，尤其是现代先 进科学技术的新成就。计算机技术及有限元理论的快速发展，使数值模拟技术迅速渗透 到各个领域，包括材料的焊接领域。若干有关材料加工过程数值模拟的专用及通用软件 已经面世多年，如d e f o r m 、a n s y s 、m s c 系列( d y t r a n 、n a s t r a n 、m a r c ) 等。数值模拟 亦成为材料加工c a d c a e c a m 系统的一个重要环节。 1 4 1 摩擦焊接过程数值模拟进展 国外关于惯性摩擦焊接过程数值模拟的研究，始于6 0 年代，c j c h c n g 和k k w a n g 等人首先在温度场计算方面作了一些开拓性的工作b 3 1 6 】。 文献 1 3 对同质材料a i s l 4 1 4 0 合金的连续驱动摩擦焊接过程的温度分布情况进行 了有限差分计算。采用了一维、变热物性参数、非稳态差分导热方程，并考虑了辐射和 对流散热的影响，通过对试验件的测量所获得实验数据与计算结果进行了比较分析。 文献 1 4 采用有限差分法对异质金属( a i s l 4 1 4 0 合金+ 3 0 4 不锈钢) 管状工件的连 续驱动摩擦焊接温度场进行了数值计算，同时还用热平衡积分法验证了有限差分数值解。 文中所确定热传导数学物理模型仍为一维非稳态、变物性的导热微分方程。摩擦热源简 化为均匀分布的热源。在边界条件的处理方面，忽略了工件与周围环境的对流和辐射换 热。 g b 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程韵有限元热力耦台分析 文献 1 5 3 建立了二维对称、非稳态、变热物性参数的有限差分模型，考虑对流换 热的条件下，采用完全显示差分格式，首先对惯性摩擦焊接( a i s l l 0 2 0 合金钢棒) 过程 进行了有限差分计算( 迭代法) 。此模型考虑了焊接接头的热流输入沿径向的变化，由于 受到显式差分格式稳定性的限制，时间步长不可能选取很大，故循环次数太多。该研究 工作一个重要的特点是考虑了摩擦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，在计算过程中采用移动热源界面的方法。 文献 1 6 针对惯性摩擦焊过程传热现象、接头金相及工艺参数优化方法进行了总 结分析。 限于当时数值计算方法和计算机计算速度的限制，大多数研究使用有限差分法对一 维和二维模型进行了计算。到8 0 年代尤其是9 0 年代，随着非线性有限元理论和计算机 技术的发展，采用了热力耦合计算和热弹塑性分析，对摩擦焊接过程中温度、应力应变 以及接头材料流动进行了分析计算，但多数都是对小型试验件进行计算。 文献 1 7 对连续驱动摩擦焊摩擦阶段的各个过程进行了分析，采用了粘性流动模型 来描述钢管连续驱动摩擦焊接过程的材料流动情况。 文献 1 8 首先考虑了热和力的作用对摩擦焊接温度场的影响，采用热弹塑性有限 元计算的增量理论，计算了摩擦加热阶段的温度场及其随摩擦压力变化的规律。 文献 1 9 对摩擦焊接过程温度场模型进行了解析方法求解和数值计算求解，并且 和试验值进行了比较研究；文献e 2 0 的对摩擦焊接头的金属流动问题进行了建模分析。 文献 2 1 和文献 2 2 对a 1 一m g - s i 合金和m - s i c 金属基化台物的摩擦焊接过程 中的温度、应力应变情况进行了建模分析，同时也对接头的微观结构以及接头强度进行 了讨论。 e m a s s o n i 等人对同质和异质材料的惯性摩擦焊接过程进行计算模拟。文献 2 3 针 对同质( n k l 7 c d a t ) 管材的惯性摩擦焊接过程，建立了完全的二二维热力耦台有限元计算 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 了较好的飞边形状和轴向缩短量随时闻的变化曲线，计算结果和实验结果吻合得较好。 文献 2 4 针对异质惯性摩擦焊接过程建立了二维热力耦含有限元计算模型，计算过程 中采用了白适应网格划分、自身及多体接触计算等方法，得到了较好的飞边形状，对计 算结果进行了实验验证。 国内关于摩擦焊过程数值模拟的研究工作起步较晚，主要从九十年代开始，西北工业 大学的段立宇等首先展开这方面的工作，大连理工大学的张立文等针对大型焊件的惯性 摩擦焊接过程模拟计算同沈阳航发集团开展了合作研究。 段立字、李晓泉等- 3 ”采用交替方向的隐式差分法对3 5 号钢管的连续摩擦焊接过程 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，计算结果与测量值符合较好。 傅莉、段立宇等o ”州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 结合并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3 4 c r m 0 4 的摩擦加热阶段进行了计算分析，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。 6 旦望! ! ! ! 堡竺堡塑堡垄垄堡堕壹坚墨垫塑塑垒坌塑 ，- ? i 瓣h ? 蛙随q 融 张立文等“0 1 根据用于航空发动机羽太型环状鼍件惯性摩擦焊接过程的特点，结合摩 擦学理论在研究了摩擦焊接摩擦面生热变化规律的基础上，建立了一个基于二维轴对称 的有限元温度场计算模型。利用该模型可以模拟计算惯性摩擦焊接瞬态温度场的分布， 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的表面的方法 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。该模型为迸一步研究惯性摩擦焊接应力场、应变场和缩短量以及优化焊 接工艺参数提供了有效的依据与基础。 李付国等“卜。”3 对g h 4 t 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。 他( 文献 4 1 ) 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 摩擦焊接过程焊接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 4 2 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。 1 4 2 摩擦焊接过程数值模拟的方法和模拟软件 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。目前数值求解的方法主要有：有限差分法( f 咖) 、有限元法( f e m ) 和寅 接差分法( d f d m ) 。有限差分法是从微分方程出发，将区域经过离散处理后，近似地用差 分、差商来代替微分、微商，微分方程和边界条件的求解可归结为求解一个线性方程组， 得到数值解。直接差分法按结点和结点领域可分为内节点法和外节点法，按差分格式分 为显式差分格式、全隐式差分格式、交替隐式差分格式。 有限元法以变分原理为基础吸取了有限差分法中的离散处理的思想而发展起来的一 种有效的数值解法，有限元法对连续体本身离散并对单元作积分计算，原来的微分方程 变为一系列代数方程组。有限元法的优点：对于把节点连接起来的单元给予了足够的重 视，正是这些单元构成的基本细胞，在各节点温度( 或其它物理量) 的计算过程中，单 元会起到自己应有的“贡献”，有限单元法恰恰抓住了单元的贡献，使得这种方法具有很 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。 目前，大型的通用及专用的有限元分析软件很多，如a n s y s 、m s c 系列( n a s t r a n 、 d y t r a n 、m a r c 等) 、a d i n a 、d e f o r m 等，这些软件都有自己的侧重点和优势。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 问题，m a r c 公司创建于1 9 6 7 年，是世界上第一家非线性有限元软件公司，在工业发达 国家的航空、航天、能源和核电行业的蠕变、塑性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： m 可处理各种线性和非线性结构分析，包括：静力分析、模态分析、简谐响应分析、 g h 4 1 6 9 惯性摩箍焊接过程的有限元热力耦合分析 随机振动分析、动力响应分析、自动的静动力接触、届曲失稳及失效破坏分析等。 ( 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、岩土、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 c 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漉、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 c 求解器无缝连接。m e n t a t 具有很强的前 后处理功能，并可直接访问常用的c d c a e 系统。 ( 6 ) 提供了方便的开放式用户环境。 ( 7 ) 支持在n t 和u n i x 平台上的多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，包括u n i x 工作站或服务器以及基于w i n d o w sn t 、l i n u x 的 p c 机和工作站。 1 5 惯性摩擦焊接参量场数据采集 对模拟结果进行实验验证是数值模拟中十分重要的工作，直接检验模型的真实性和 可靠性，同时也为进步改进和修正模型提供实验支持。对加工过程参量场的数据进行采 集是对模拟结果实验验证的重要内容 对惯性摩擦焊接过程的验证工作主要包括：压力、扭矩、速度、轴向缩短量、温度 随时间的变化。一般的惯性摩擦焊枫都提供了对压力、扭矩、速度、轴向缩短量实时数 据采集与记录，但没有提供对温度的测量。常用的温度场测量主要有以下几种： ( 1 ) 热电偶测温法：热电偶测温法是一种接触式测温法，其基本原理是热电偶两端由 于温差产生热电势，电势的大小反映温度的高低。此方法有很多优点，精度比较高，因为 热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围大，通常可在5 0 。1 6 0 0 范围内连续测量。结构简单、使用方便，但是，传统的热电偶接x y 记录仪的方法有 一定的缺点：每次测量的点数有限测量的速度较慢。随着计算机及测量技术的不断发 展，单片机数据采集系统、专用数据采集卡已经开始应用于焊接领域，解决了传统热电 偶测温法的不足之处。因其具有多通道，同时挟速多踌数据采集功能，因此这种方法适 合于测量惯性摩擦焊过程快速变化的温度场。 ( 2 ) 红外技术测温法：近年来，由于红外技术及计算机的迅速发展，人们找到了一种快 速、准确且能一次获得部分全场信息的方法一红外热像法。这是一种非接触溅温法。其 基本原理是：物体受热后会产生辐射，热辐射是一种电磁波，它以光速进行传递辐射能， 所以可以利用辐射能与温度和波长之间的相互关系来测量。该测温装置由三大系统组成： 热成像系统、计算机图像处理系统、伪着色系统。现代的红外热成像设备为了能全面和 实时检测温度场的动态变化，必须采用高速摄影技术，从而能快速、全面、形象地测试 焊接温度场的动态过程，但是红外成像技术的不足之处在于：其得到的绝对温度的数值与 s g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有陋元热力耦台分析 表面红外线的放射功率之间存在一定的非线性关系；不同的金属材料其红外放射的功率 是不相同的；工件焊接前用不同的预处理方法处理导致焊接时表面温度发生变化，最终 导致红外放射功率也不尽相同。此外，该设备价格昂贵。红外技术测温的另外一种方法是 利用红外辐射的测量来确定物体的温度。其主要是利用红外测温仪来实现的。通常又将 红外测温仪分为：亮度测温仪、比色测温仪。前者测定的温度是亮温，亮温是根据被测 对象在某一波段内的辐射亮度来定义；后者测取的色温，色温是黑体的某种温度t 。该 方法的优点是：它不必接触被测物体，故不会影响被测目标的温度分布，提高了测温 的真实性。反应速度快。它不象一般热电偶那样需要预备测物体达到热平衡，只要接 受到目标辐射就行了。由于辐射是以光速传播的，这样红外的速度只取决测温仪器自身 的响应时间。测温范围大。它可测量从摄氏负几十度到几千度的高温，甚至对选择性 辐射体的测温范围可高达万度。 总之，随着科技的进步与发展，对温度的精确测量提出了更高的要求。测温监测系 统的微机化、温度测试仪器的智能化，是温度测试技术发展的必然趋势。根据惯性摩擦 焊接的特点以及测温系统的性能价格比，选择热电偶作为测温传感器。设计了一套适合 于测量惯性摩擦焊接温度场的数据采集系统。 1 6 课题背景及论文主要工作 随着高性能飞行器的发展，航空发动机转子部件的制造工艺在不断的改进和提高， 从最初的机械连接方式到整体锻造，直到今天广泛采用的“锻造+ 焊接”工艺，其中惯 性摩擦焊接在航空发动机转子的焊接中占很大的比重。对于摩擦焊接工艺参数的确定， 通常做法是做大量的实验，套成熟的工艺需要大量的实验，对于不同材料、不同的工 件设计需要进行同样的大量的试验，显而易见，这样做使工艺探索的成本过高、周期过 长。采用计算机模拟的办法代替部分试验，可显著地降低成本和工艺探索的周期。 惯性摩擦焊接过程中的温度场、应力应变场的变化复杂，受很多因素的影响，对惯 性摩擦焊接过程建立一个比较完整的数学模型是比较困难的。而在实际生产中，由于对 惯性摩擦焊接的参数施加不当，造成焊接接头质量不高，飞边过大、缩短量不合适等缺 陷。针对目前对惯性摩擦焊接过程数值模拟的状况以及实际生产中的需要，论文的研究 内容如下： 1 基于有限单元法，根据惯性摩擦焊接过程的特点。建立惯性摩擦焊接过程的二维 轴对称非稳态温度场、应力应变场的计算模型，综合考虑工件的尺寸形状、变热物性参 数、变摩擦系数、表面热损失以及热转化率等因素的影响。 2 对惯性摩擦焊接过程温度场、应力应变场进行计算，并对计算结果进行分析，得 出g h 4 1 6 9 高温合金惯性摩擦焊接过程的温度场、应力应变场的变化特点。 3 针对惯性摩擦焊接温度场变化的特点，建立基于w i n d o w s 的温度数据采集系统( 包 括数据采集和数据处理) ，检验温度数据采集系统的可靠性。并对g h 4 1 6 9 高温合金惯性 摩擦焊接过程的温度进行多点测量。 9 g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦台分析 2 惯性摩擦焊接过程的数值模型 2 1 有限元法概述 有限元法的基本原理就是将求解未知场变量的连续介质划分为有限数量的单元，单 元间用节点连接，每个单元内用插值函数表示场变量，插值函数由节点确定，单元之间 的作用由节点传递，建立物理方程。将全部单元的插值函数集合成整体场变量的方程组， 然后进行数值计算。 有限元的计算步骤”如下： ( 1 ) 连续介质的离散化。离散的步骤包括选择单元形式和结点编码，把求解的连续体 划分成很多单元，单元为三角形、四边形等不同几何形状。利用这些单元求解场变量。 ( 2 ) 选择插值函数。划分单元后，选择单元的插值函数形式。插值函数表示每个单元 内场变量的变化。通常多选择多项式，易于微分和积分。 ( 3 ) 进行单元分析，建立单元的基本方程。单元分析是有限元计算的核心，其任务是 建立单元的结点力和位移之间的关系，即单元刚度矩阵。单元分析的基本步骤是将节点 位移通过广义位移参数或直接由形函数插值转化为内部点位移。由弹性或塑性力学方程 分析应交与应力，建立节点位移和内部应力的关系，再借助于虚功方程或变分原理，导 出单元节点力和节点位移关系，流程如下： p 1 一枷 - 一忙 一拶k y ) 一协 一 图2 1 单元分析的步骤 f i g 2 ia p p r o a c h t oe l e m e n t a n a l y s i s 根据所选插值函数建立单元模型和矩阵方程。方程的建立可选用直接法，变分法或 加权剩余法。 ( 4 ) 集合成系统方程组。根据单元之间的相互关系，将单元的方程有序的集合成整个 系统的方程组，并表示成矩阵型式。 ( 5 ) 求解系统方程组。解集合的联立方程组，求出场变量的未知节点值。 ( 6 ) 进行参量计算。根据问题的需要计算各种重要的参量。 2 2 传热学基本原理 各种传热过程按其传热方式可分为三种：热传导、热对流、热辐射。它们既可以单 独存在，也可以同时发生。在这三种基本方式中，热量传递的物理本质是不同的。 热传导也称导热，属于接触传热，是指直接接触的物体各部分间热量传递现象。导 g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦台分析 热一般发生在固体中，在流体中也能发生，但一般较弱。导热的基本定律是傅立叶 ( f o u r i e r ) 定律： g ：小g r a d t ：一| i 娶( 2 - 1 ) o n g 为热流密度，即边界外法线方向单位面积上的热流率w m 2 ；k 为材料的导热系数 w ( m k ) ；o t o n 是边界外法线方向上的温度梯度，“一”表示传热的方向永远和温度梯 度的方向相反。 热对流是指流体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动引起热量传递的现象，是 相对运动着的流体与所接触的固体壁面之间的热交换过程，在工程中是最具实际意义 的。其热流密度可表示为： q = 自。( l r ) ( 2 - 2 ) h 为对流传热系数：为周围介质的温度。 热辐射是指物体表面向外界发射可见或不可见的射线，在空间传递能量的现象。一 个物体表面所能发射的最大辐射能流密度为： q = e o t 4( 2 3 ) 占为黑度系数；盯为黑体辐射系数5 7 6 8 x1 0 。8w ( m ! k ，) 式2 1 代表了导热现象的共同规律，对于具体问题，必须具备问题的单值性条件， 才能得到方程的唯一解。单值性条件，一般包括几何条件，热物性条件，时间条件和边 界条件。 几何条件即物体的形状和尺寸。热物性条件原则上可分为两类：一类是常热物性， 即热物性参数不是温度的函数，也不随材料取向不同而不同( 各向同性) ；另一类是变热 物性，通常指热物性随温度不同而变化，也可包括热物性随材料取向不同而变化( 各向 异性) 。 时间条件或初始条件，指的是某一时刻导热物体的温度分布。对于温度场随时间变 化的情况，给出某一瞬时物体内部各点的温度。f ：0 时物体内部的温度分布通常为 7 1 k = t ox ，y ，z ，)( 2 - 4 ) 式中，瓦g ，y 矗o ) 为已知温度函数。 边界条件是指工件外表面与周围环境的热交换情况。在传热学上一般将边界条件归 纳为三类： ( 1 ) 第类边界条件，是指物体边界上的温度和温度函数已知。用公式表示为 。丁1 ，= 1 ，1 或丁i 。：如心) f q 。5 丁i 。2 0 b ，炉，f ) i + 式中，下标s 为物体边界范围：0 为已知的工件表面温度为定值( k ) ；1 ，g m 州) 为己 知工件表面的温度函数，随时间、位置的不同而变化。 ( 2 ) 第二类边界条件，是指物体表面上热流密度q 。为已知。规定热流密度q 的方向 g h 4 1 6 9 惯性摩擦焊接过程的有限元热力耦合分析 同于边界外法线r l 的方向，其表达式为 一以剖唧。 马e： 一丑寻_ g w g 舭r ) ( 2 - 6 ) 式中，q 。为已知工件表面热流密度，为定值( w m 2 ) ：g ，0 ，y ，毛f ) 为已知工件表面热流 密度函数，随位置和时间变化。 ( 3 ) 第三类边界条件，又称牛顿边界条件，是指物体与其相接触的流体介质问的对 流换热系数h 。w m 2 母置) 和介质温度毛为已知。其表达式为 一五芸l = 趣( n 一丁h ) ( 2 7 ) 当为第二类边界条件时，最常用的是绝热边界