FGH96/GH4169高温合金惯性摩擦焊热变形组织及行为分析
发布时间：2021-04-12 08:49
建立了FGH96/GH4169惯性摩擦焊接头组织形成过程的有限元模型,分析了焊缝热变形组织和飞边的形成模式。结果表明,摩擦热的作用使近摩擦面处母材形成塑性层,塑性层在轴向顶锻力作用下发生塑性流动,形成拉长组织并在摩擦面高温、高压及高应变速率作用下发生动态再结晶,拉长组织边界消失,再结晶晶粒呈无序等轴状。摩擦面金属沿径向流动,在边缘处挤出,其摩擦面延伸侧受拉应力作用,最终形成卷曲飞边并实现自清理作用。
【文章来源】：焊接. 2017,(10)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
惯性摩擦焊的数值模型
相。采用MTIMODEL－300BX惯性摩擦焊机对两种材料进行了惯性摩擦焊连接，焊接面为?60mm×40mm圆环。焊接工艺参数为转动惯量为2493kg·cm2，飞轮转数600～900r/min，顶锻压力12．4～17．9MPa。如图1所示，研究飞边的形成与材料塑性流动。焊后用CuCl2盐酸酒精试剂腐蚀抛光后的试样，在DSX500光学显微镜和Quanta250扫描电镜下观察惯性摩擦焊接头的组织形貌，进行分析并建立物理模型。图1惯性摩擦焊的数值模型应用DEFOＲM软件建立惯性摩擦焊的三维热力耦合有限元模型。2试验结果与讨论2．1接头热变形组织图2为FGH96/GH4169高温合金惯性摩擦焊接头组织。可以发现，接头实现良好焊合，界面呈现锯齿或波浪状。惯性摩擦焊接过程中，对焊件相对高速旋转摩擦，在摩擦面生成高温，顶锻过程产生高压，摩擦面金属发生剧烈的塑性变形，金属间发生流动、犁割与扩散等现象。焊后接头在沿垂直焊缝方向形成基本对称分布的五个区域。接头中心温度高，压力大，变形速率快，金属发生充分动态再结晶，形成等轴细晶区(WZ)，等轴细晶区外侧温度和压力有所降低，不足以使FGH96合金与GH4169合金发生动态再结晶，而使其在温度压力作用下形成拉长组织，可称为热机影响区(TMAZ)，热机影响区外侧为母材的初始组织(BM)。图2接头组织形貌在惯性摩擦焊过程中飞轮存储大量转动能量，摩擦时其机械运动转化为焊接界面的分子热运动，产生了大量的摩擦热，高温作用下近摩擦面的母材形成塑性软化层。塑性软化层在顶锻轴向压力和摩擦剪切压力作用下发生塑性流动，其流动质点的速度和方向随焊接过程不断发生变化，其流动形式属于非稳定流常特别是在摩擦面的边缘位置，其径向约束弱，流动金属在该位置流出摩擦面，如图3所示，箭头方向为软化层的流动方
2017年第10期且环形试件后续加工过程中，内飞边难以清除，常成为影响接头性能的关键因素，因此研究其形成过程对焊接接头有重要的影响。图3接头塑性软化层的流动图4飞边组织形貌为研究惯性摩擦焊接头飞边形貌及摩擦面金属流动，依据GH4169合金本构方程建立有限元模型。本构方程通过GLEEBLE模拟试验建立如式(1):?ε=4．4×1016［sinh(0．0023σ)］5．1×exp－412217()ＲT(1)式中，?ε为应变速率;σ为峰值应力;Ｒ为热力学常数;T为变形温度。考虑到摩擦界面及其近域材料温度变化与塑性流动较为剧烈，界面区域网格采用加密划分。模拟中，采用自适应网格技术对发生畸变的单元进行网格重划以保证计算精度。同时，由于圆环结构具有对称性，采用1/4模型进行计算以减小计算量。图5为摩擦焊8．5s时刻的温度分布等高线图，可见温度场基本以中心对称，摩擦后在摩擦面处形成了一个高温区，温度梯度沿垂直摩擦面方向变化很快，在平行摩擦面方向形成不同软化程度的塑性金属层。此时摩擦产生的热量与通过飞边扩展及热传递散失的热量基本形成动态准平衡，界面温度保持准稳定，表面塑性金属在顶锻力作用下不断挤出，同时新的塑性金属层持续生成，厚度基本保持均匀化。图6为摩擦焊接8．5s时刻的轴向应力分布等高线图，可见试件主要承受轴向压应力作用，但在摩擦面延伸部分压应力转变为拉应力。图58．5s时刻温度分布图68．5s时刻轴向应力分布摩擦焊过程中，摩擦面上温度逐渐升高，界面金属变形抗力减小，金属的流动速度逐渐增大，摩擦面对称于中心区域出现形成流动分界圆，分界圆内侧的金属沿径向向圆心流动，分界圆外侧的金属材料沿径向背离圆心流动，如图7所示。在顶锻压力的作用下，在拘束较弱的表面边缘位置，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Inconel 718合金惯性摩擦焊温度场三维有限元数值模拟[J]. 卜文德,刘金合,贾中振. 焊接. 2009 (04)
[2]TC4钛合金高转速惯性摩擦焊接头组织及性能分析[J]. 赵红凯,肖锋,任飞,王春亮,徐晓菱,陈大军. 焊接. 2008(11)
[3]K418涡轮盘与42CrMo轴异种材料惯性摩擦焊研究[J]. 陈大军,徐晓菱,徐元泽,吴玮. 焊接. 2008(06)
[4]不同能量密度的环件惯性摩擦焊接过程数值模拟[J]. 刘伟伟,张立文,张全忠,祝文卉,曲伸. 焊接学报. 2007(07)
本文编号：3133014
【文章来源】：焊接. 2017,(10)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
惯性摩擦焊的数值模型
相。采用MTIMODEL－300BX惯性摩擦焊机对两种材料进行了惯性摩擦焊连接，焊接面为?60mm×40mm圆环。焊接工艺参数为转动惯量为2493kg·cm2，飞轮转数600～900r/min，顶锻压力12．4～17．9MPa。如图1所示，研究飞边的形成与材料塑性流动。焊后用CuCl2盐酸酒精试剂腐蚀抛光后的试样，在DSX500光学显微镜和Quanta250扫描电镜下观察惯性摩擦焊接头的组织形貌，进行分析并建立物理模型。图1惯性摩擦焊的数值模型应用DEFOＲM软件建立惯性摩擦焊的三维热力耦合有限元模型。2试验结果与讨论2．1接头热变形组织图2为FGH96/GH4169高温合金惯性摩擦焊接头组织。可以发现，接头实现良好焊合，界面呈现锯齿或波浪状。惯性摩擦焊接过程中，对焊件相对高速旋转摩擦，在摩擦面生成高温，顶锻过程产生高压，摩擦面金属发生剧烈的塑性变形，金属间发生流动、犁割与扩散等现象。焊后接头在沿垂直焊缝方向形成基本对称分布的五个区域。接头中心温度高，压力大，变形速率快，金属发生充分动态再结晶，形成等轴细晶区(WZ)，等轴细晶区外侧温度和压力有所降低，不足以使FGH96合金与GH4169合金发生动态再结晶，而使其在温度压力作用下形成拉长组织，可称为热机影响区(TMAZ)，热机影响区外侧为母材的初始组织(BM)。图2接头组织形貌在惯性摩擦焊过程中飞轮存储大量转动能量，摩擦时其机械运动转化为焊接界面的分子热运动，产生了大量的摩擦热，高温作用下近摩擦面的母材形成塑性软化层。塑性软化层在顶锻轴向压力和摩擦剪切压力作用下发生塑性流动，其流动质点的速度和方向随焊接过程不断发生变化，其流动形式属于非稳定流常特别是在摩擦面的边缘位置，其径向约束弱，流动金属在该位置流出摩擦面，如图3所示，箭头方向为软化层的流动方
2017年第10期且环形试件后续加工过程中，内飞边难以清除，常成为影响接头性能的关键因素，因此研究其形成过程对焊接接头有重要的影响。图3接头塑性软化层的流动图4飞边组织形貌为研究惯性摩擦焊接头飞边形貌及摩擦面金属流动，依据GH4169合金本构方程建立有限元模型。本构方程通过GLEEBLE模拟试验建立如式(1):?ε=4．4×1016［sinh(0．0023σ)］5．1×exp－412217()ＲT(1)式中，?ε为应变速率;σ为峰值应力;Ｒ为热力学常数;T为变形温度。考虑到摩擦界面及其近域材料温度变化与塑性流动较为剧烈，界面区域网格采用加密划分。模拟中，采用自适应网格技术对发生畸变的单元进行网格重划以保证计算精度。同时，由于圆环结构具有对称性，采用1/4模型进行计算以减小计算量。图5为摩擦焊8．5s时刻的温度分布等高线图，可见温度场基本以中心对称，摩擦后在摩擦面处形成了一个高温区，温度梯度沿垂直摩擦面方向变化很快，在平行摩擦面方向形成不同软化程度的塑性金属层。此时摩擦产生的热量与通过飞边扩展及热传递散失的热量基本形成动态准平衡，界面温度保持准稳定，表面塑性金属在顶锻力作用下不断挤出，同时新的塑性金属层持续生成，厚度基本保持均匀化。图6为摩擦焊接8．5s时刻的轴向应力分布等高线图，可见试件主要承受轴向压应力作用，但在摩擦面延伸部分压应力转变为拉应力。图58．5s时刻温度分布图68．5s时刻轴向应力分布摩擦焊过程中，摩擦面上温度逐渐升高，界面金属变形抗力减小，金属的流动速度逐渐增大，摩擦面对称于中心区域出现形成流动分界圆，分界圆内侧的金属沿径向向圆心流动，分界圆外侧的金属材料沿径向背离圆心流动，如图7所示。在顶锻压力的作用下，在拘束较弱的表面边缘位置，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Inconel 718合金惯性摩擦焊温度场三维有限元数值模拟[J]. 卜文德,刘金合,贾中振. 焊接. 2009 (04)
[2]TC4钛合金高转速惯性摩擦焊接头组织及性能分析[J]. 赵红凯,肖锋,任飞,王春亮,徐晓菱,陈大军. 焊接. 2008(11)
[3]K418涡轮盘与42CrMo轴异种材料惯性摩擦焊研究[J]. 陈大军,徐晓菱,徐元泽,吴玮. 焊接. 2008(06)
[4]不同能量密度的环件惯性摩擦焊接过程数值模拟[J]. 刘伟伟,张立文,张全忠,祝文卉,曲伸. 焊接学报. 2007(07)
本文编号：3133014
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