镍基高温合金线性摩擦焊接过程数值分析

发布时间：2019-09-15 22:15

【摘要】：镍基高温合金因其良好的高温性能在航空发动机结构件中得到较为广泛的应用,整体叶盘制造过程中线性摩擦焊则是连接镍基高温合金的有效手段。线性摩擦焊接过程是复杂的热力耦合过程,焊接过程中的温度场演变与应力场演变以及材料的塑性流动对接头的形成及接头质量有着重要作用。因此,研究清楚镍基高温合金线性摩擦焊接温度场、塑性流变场及应力场的演变对于控制焊接质量、调控接头组织性具有重要意义。不同工艺参数下(振幅、摩擦压力与顶锻压力)线性摩擦焊工艺试验结果表明,高热输入条件下接头飞边呈四周连续封闭状态,而低热输入下飞边从摩擦界面的四边挤出后相互独立并不闭合;轴向缩短量随着摩擦压力和振幅的增加而增加。采用盲孔法测量镍基高温合金线性摩擦焊接接头残余应力的结果表明,摩擦压力为400MPa和振幅为2.92mm时,接头的残余应力最低。利用高速摄像及热电偶测温方法检测分析镍基高温合金线性摩擦焊接头飞边的形成过程与焊接热循环,为线性摩擦焊接过程数值模拟提供充足的验证数据。基于实验材料的热压缩数据建立材料本构,考虑焊接过程中库伦与剪切的混合摩擦。根据线性摩擦焊接过程热-力耦合特点,基于有限元模拟软件Deform建立线性摩擦焊数值计算模型,通过接头温度变化曲线、飞边形貌与轴向缩短量验证了计算模型的正确性。线性摩擦焊接温度场的计算结果表明,初始摩擦阶段摩擦界面温度场分布不均匀,沿振动方向在两端交替出现。过渡阶段摩擦界面温度趋于一致,高温区域从中心产生。稳定摩擦阶段界面温度则保持不变。摩擦初始阶段基本无塑性金属的流动,当摩擦界面材料达到塑性状态时,摩擦界面上会形成两个具有流动中心的材料流动区域,流动区域的塑性材料的由中心点向四周流动,最终界面流场呈"X"状。当工件内部点随着材料的流动达到摩擦界面时,该点温度以及速度与摩擦界面点相同;而工件上任意点在随着塑性材料挤出界面形成飞边的过程中,该点在X、Y、Z方向上的速度方向以及大小都会发生改变。线性摩擦焊接过程中的应力演变不仅受到热、塑性材料流动的影响,还受到焊接压力的影响。摩擦过程中的应力演变受到交变力的作用应力随时间的变化存在周期性波动。摩擦初期沿着振动方向在工件两端交替出现高应力区,并不断扩大形成一个中心高应力区。保压阶段应力从工件机械约束的上方开始逐渐向工件内部中心释放。顶锻压力撤除后,接头内整体压力降低,低应力区域仍由工件中间部位向沿垂直于振动方向向两端扩展。冷却至80s后接头应力处于较低水平,较高应力区域存在与机械约束端部与摩擦阶段高应力区域的两端处。在整个焊接过程中接头区域不同方向上存在压应力和拉应力,Z方向上(摩擦压力方向)始终受到压应力。X、Y方向的应力则受焊接时间及焊接区域影响。随焊接时间的增加,中心区域拉应力逐渐增大而两端的压应力不断变小。不同焊接工艺参数对应力变化规律有很大影响。冷却过程中基本上以摩擦压力越高则应力水平越高的规律变化。振幅的变化对应力演变的影响相对摩擦压力与顶锻压力较小,在振幅为2.92mm时接头的应力水平最低。不同的保压时间主要影响垂直于振动方向的应力变化,对其他两个方向应力变化影响较小。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG453.9

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本文编号：2535948