導語：合金慣性摩擦焊接管理論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：以高性能航空發動機渦輪盤和壓氣機盤為背景，采用有限元數值模擬方法，對GH4169合金模擬件的慣性摩擦焊接過程進行了分析與計算；基于金屬塑性變形的物理基礎，建立了GH4169合金慣性摩擦焊接過程顯微組織的演化模型；通過高溫合金在熱成形過程中的再結晶發生條件、再結晶體積分數、晶粒尺寸與熱力參數（應變速率、應變程度、成形溫度）之間的映像關系，對慣性摩擦焊接熱力影響區的再結晶組織進行了模擬計算。從而為合理地制定焊接熱力規范，提高GH4169合金的焊接性能和接頭質量提供了參考。

0序言

摩擦焊接技術是一種高效的固態連接方法，其接頭質量好，自動化程度高，在國防工業領域具有非常廣闊的應用前景。摩擦焊接過程實際上是一種靠摩擦加熱、靠頂鍛成形的塑性加工過程，其焊接熱力規范的選定，直接影響到焊接接頭的質量。

傳統的工藝設計方法是在實踐的基礎上，通過多次試驗和分析，來獲得合適的工藝規范。這種工作方式勞動量大、成本高、生產效率低、通用性差。考慮到高溫合金等難變形材料的成分復雜，合金化程度高，焊合區的組織和性能對焊接熱力參數敏感且難以控制等特點，采用有限元數值模擬方法來研究GH4169合金的慣性摩擦焊接過程，可以大幅度地降低產品的研制風險和盲目性，并能為后續生產過程的質量控制提供技術基礎。

GH4169合金是一種鈮強化的沉淀硬化型鐵鎳基高溫合金［1］。其基體是Ni-Fe基奧氏體（γ相），主要強化相是體心四方的Ni3Nb（γ″）相，此外還有γ′相、δ相和碳化物等。一般認為在層錯能較低的面心立方奧氏體合金中，動態再結晶是熱成形過程中常見的一種軟化機制，也是細化晶粒的主要途徑之一，在描述GH4169合金顯微組織的各項參數中，晶粒尺寸是決定焊接接頭熱影響區性能優劣的關鍵因素［2,3］。

本文以高性能航空發動機渦輪盤和壓氣機盤為背景，利用有限元數值模擬方法，對GH4169合金模擬件的慣性摩擦焊接過程進行了分析與計算，獲得了焊接件熱力影響區的瞬態溫度場、應力場、應變場和位移及能量場的分布與變化規律。利用建立的再結晶組織演化模型，分析研究了焊接區域再結晶組織的分布規律。從而為合理地制定慣性摩擦焊接的熱力規范，提高GH4169合金的焊接性能和接頭質量提供了技術保障。

1有限元數值模擬模型

1.1摩擦焊接規范參數

摩擦焊接過程中，被焊金屬的狀態和性能都會發生一系列的變化，這些變化與焊接工藝參數密切相關。通常選定的摩擦焊接規范參數有：主軸轉速n/（r·s-1）；轉動慣量I/（kg·m2）；摩擦壓力pf/MPa；摩擦時間tf/s；頂鍛壓力pd/MPa；頂鍛時間td/s。

1.2試件的幾何模型

慣性摩擦焊接試件為管狀試件,其直徑為23mm、壁厚為4mm、長度為95mm。由于是軸對稱結構件，且焊合區沿摩擦面對稱，故在95mm×4mm的矩形截面上建立有限元模型。

1.3試件的網格模型

在求解區域內，劃分有限元網格見圖1。

采用局部區域有限元網格自動加密的辦法來提高模擬的精度和計算效率（網格邊長的設定值在0.1~2mm范圍內變化，經拓撲優化后，摩擦面附近的網格邊長控制到了0.062mm），共分成1888個單元和4167個節點。



1.4試件的材料模型

慣性摩擦焊接的試件材料GH4169合金直接取自航空發動機的渦輪盤鍛件，其熱物性參數是溫度的函數。在有限元數值模擬時定義材料流動應力σ、彈性模量E、材料密度ρ、線膨脹系數α、比熱容c、導熱系數λ、換熱系數β、熔融潛熱的焓H、泊松比μ、切變模量G和摩擦系數m等參數為溫度的函數。

1.5試件的邊界條件

慣性摩擦焊接時，試件的摩擦表面為材料變形的對稱面，在該面上由于摩擦而產生熱量，有限元計算時在該面上施加熱流密度，并定義材料流動以摩擦表面為對稱面［4,5］。

假設摩擦壓力為pf，摩擦系數為m，主軸轉速為n，摩擦熱效率為η，則在半徑Ri到半徑Ro的圓環范圍內由摩擦而產生的熱流密度為

式(1)中,摩擦系數m隨溫度變化（由摩擦表面狀態和有關資料回歸獲得）；n隨時間變化（由初始主軸轉速、轉動慣量和整個摩擦面上的瞬態摩擦扭矩計算獲得）。

在慣性摩擦試件的夾持端施加分布面力，以提供摩擦壓力和頂鍛壓力。在管狀試件的內外表面施加對流換熱邊界，并定義試件的初始溫度為室溫（20℃）。

1.6變形與傳熱過程的耦合分析

在變形過程分析中，溫度場通過改變材料的本構關系以及熱應變來實現和傳熱過程的耦合。在傳熱過程分析中，變形場通過改變傳熱空間、邊界條件和能量轉化來實現和變形過程的耦合。

當考慮溫度場作用時，變形體受熱膨脹而發生熱變形，各向同性材料的熱應變可以表述為



式中：為熱應變分量；α為線性膨脹系數；ΔT為溫度變化量；ΔT=T-Tr，Tr為參考溫度。

當考慮變形場作用時，在熱傳導分析中應考慮塑性應變能和摩擦功轉化的熱能，即



式中：ωp為塑性應變能轉化成的熱源密度；αp為熱轉化效率，通常取αp=0.9~0.95；σ〖TX-*3〗為等效應力；ε為等效塑性應變速率。

式中：qf為摩擦功轉化成的熱流密度；βf為熱分配系數，通常取βf=0.5；τf為慣性摩擦焊接時摩擦界面間的摩擦應力；vr為摩擦界面的相對滑動速度。

2再結晶組織演化模型

2.1GH4169合金的動態再結晶過程

在慣性焊接過程中，隨著變形程度的增加，被焊金屬的內部畸變越來越嚴重，當材料的畸變程度超過臨界變形量時，就會發生動態再結晶，動態再結晶的過程是一個由無畸變的新晶粒逐漸代替畸變的舊晶粒的過程。在這個過程中，動態再結晶可以細化組織晶粒，使材料內部組織成為細小均勻的等軸狀晶粒。再結晶階段結束后，會發生晶粒的長大現象［6,7］。

對于GH4169合金，經等溫恒應變速率壓縮試驗證明［1］，動態再結晶晶粒形核后會很快地長大到某一特定的尺寸，并在隨后的變形過程中，保持這個尺寸不變，上述特定的尺寸與原始晶粒尺寸無關，主要受變形溫度和應變速率的影響。

2.2GH4169合金動態再結晶計算

（1）動態再結晶的臨界應變

一般認為,開始動態再結晶的臨界應變εc與該材料應力-應變關系曲線上峰值應變εp之間存在以下關系為

εc=βc·εp，（5）

式中：βc為修正系數，它和材料有關，通常在0.8~0.9之間。

（2）動態再結晶體積分數的計算

GH4169合金動態再結晶體積分數Xd按S形曲線變化，采用Avrami方程來描述，即



式中：n為Avrami指數；ε為等效應變；ε0.5為動態再結晶體積分數為50%時的應變。

（3）動態再結晶晶粒尺寸計算

晶粒尺寸Dd對高溫合金熱成形件的室溫和高溫性能都有顯著的影響。通過等溫恒應變速率壓縮試驗，并結合GH4169合金動態再結晶后晶粒長大的特點，采用下式描述動態再結晶晶粒尺寸，即

式中:T為材料變形溫度；ε為材料變形的等效應變速率。

3有限元數值模擬的結果

3.1典型工況

通過初步試驗和試算，選定有限元數值模擬的典型工況如下：摩擦壓力400MPa；頂鍛壓力400MPa；主軸轉速1460r/min；轉動慣量0.44983kg·m2（主軸）、0.64162kg·m2（大盤）、0.0869kg·m2(小盤)；焊接時間依計算而定。

3.2摩擦溫升

表1為外圓側面靠近摩擦表面處的溫度實測值和數值模擬結果的比較。

通過對計算結果的分析，獲得試件(DA1-3)在慣性摩擦焊接過程中，軸向縮短量數值模擬結果和實測值的比較見表2。

3.4再結晶組織〖HT〗〖ST〗

模擬試件的原始晶粒度(ASTM)為8級，平均晶粒尺寸為22μm，通過計算獲得了試件慣性摩擦焊接后熱力影響區的再結晶組織（見表3），實測結果見圖2和圖3。

4結論

（1）針對慣性摩擦焊接過程的特殊情況，本文探索出了一套處理動態摩擦邊界條件的能量方法，并在變形和傳熱耦合分析上建立了一套行之有效的技術處理方案。通過與試驗結果相比較認為，在數值模擬的基礎上，預置的主控焊接參數和實際差異可以控制在10%以內。

（2）通過有限元數值模擬方法，可以獲得慣性摩擦焊接區的成形溫度、流動應力和塑性應變的分布狀況，以及應變速率等熱力學參數的變化規律，并依據本文給出的GH4169合金的動態再結晶方程，就可以分析和預測焊接接頭組織和性能。

（3）在有限元數值模擬GH4169合金試驗件的基礎上，應結合實際焊接件的具體情況，以焊后結合區的組織和性能為設計目標，分析慣性摩擦焊接過程的熱力參數，優化焊接規范，從而為焊接過程的自動控制提供技術支持。

參考文獻：

［1］劉東．難變形材料鍛造過程的有限元變形-傳熱-組織演化耦合分析［D］．西安：西北工業大學，1998.

［2］艾芙納SH.物理冶金學導論［M］．北京：冶金工業出版社，1982.

［3］楊覺先．金屬塑性變形物理基礎［M］．北京：冶金工業出版社，1988.

［4］FrancisA,Craine.Onamodelforfrictioningstageinfrictionweldingofthintubes［J］.Int.J.HeatMass.Transfer，1985,28(9):1747~1755.

［5］SluzalecA.Thermaleffectsinfrictionwelding［J］.Int.J.Mech.Sci.,1990,32(6):467~478.

［6］SellarsCM.Modellingmicrostructuraldevelopmentduringhotrolling［J］.MaterialScienceandTechnology,1990,6(11):1072~1081.

［7］DerbyB.Thedependenceofgrainsizeonstressduringdynamicrecrystallization［J］.ActaMetall.,1991,39(5):955~962.