GH4169高温合金惯性摩擦焊的有限元模拟

基于Ansys有限元分析软件，建立了GH4169高温合金惯性摩擦焊过程的二维模型，进行了热力耦合分析，得到了焊接过程中的瞬时温度场和应力应变场，获得了焊接缩短量。根据惯性摩擦焊工艺分析了温度场和应力应变场的形成过程。     

摩擦焊过程热力耦合数值模拟研究历程及现状

结合摩擦焊的特点以及数值模拟技术的发展,总结了国内外摩擦焊数值模拟方面的进展和研究现状,重点介绍了国内利用有限元法进行摩擦焊过程热力耦合数值模拟的研究成果,论述了焊接过程中温度场、应力应变场的变化规律,为进一步开展国内外摩擦焊多场分析提供指导。     

薄板7075铝合金搅拌摩擦焊三维有限元数值模拟

薄板7075高强度铝合金在经过搅拌摩擦焊接后,存在不同程度的焊后残余变形,对精度要求较高的航空结构件的制造和装配带来了困难.本文通过建立4mm薄板7075铝合金搅拌摩擦焊热源模型,利用ANSYS对搅拌摩擦焊接过程中的温度场和应力应变场进行热机耦合数值分析,解释了薄板铝合金搅拌摩擦焊的温度场和表面残余应力的分布.采用古典摩擦理论建立合适的热源模型,将搅拌头的机械载荷和压板的压力考虑到模型当中.分析结果表明,此数值模拟对研究薄板高强度铝合金的搅拌摩擦焊具有一定的借鉴意义.     

焊接热过程和冶金过程

20095035 Inconel 718合金惯性摩擦焊温度场三维有限元数值模拟／卜文德…／／焊接．～2009（4）：39-43 根据能量守恒定律,在考虑摩擦面上周向摩擦对转速影响的基础上,提出了惯性摩擦焊的热输入模型,建立了Inconel 718合金惯性摩擦焊的三维有限元热力耦合模型,通过计算获得了其焊接过程中温度场的空间分布和时间分布,并分析了其变化特点。     

焊接热过程和冶金过程

20095035 Inconel 718合金惯性摩擦焊温度场三维有限元数值模拟／卜文德…／／焊接．～2009（4）：39-43 根据能量守恒定律,在考虑摩擦面上周向摩擦对转速影响的基础上,提出了惯性摩擦焊的热输入模型,建立了Inconel 718合金惯性摩擦焊的三维有限元热力耦合模型,通过计算获得了其焊接过程中温度场的空间分布和时间分布,并分析了其变化特点。     

电塑性摩擦焊接过程的动态再结晶数值模拟

摩擦焊过程中界面的塑性变形是摩擦焊的核心，中以宇航工程常用的构件材料LY12合金为研究对象，建立了电场条件下棒状试件摩擦焊的热力耦合塑性成形有限元分析模型，获得了焊接过程中焊接界面处材料的温度场、应变场、应力场、电场强度等物理参量场，并应用Yada模型建立了LY12合金摩擦焊接过程显微组织的演化模型，计算了摩擦焊接过程动态再结晶区的分布及再结晶区晶粒的尺寸，并分析研究了上述场变量对电场条件下连续驱动摩擦焊成形工艺及成形件质量的影响。     

摩擦焊接过程数值模拟技术研究进展

根据摩擦焊接过程数值模拟存在的主要难点,重点介绍了摩擦焊接热输入、焊合区金属塑性变形、以及焊接过程主要参量场,如温度场、应力应变场有限元热力耦合分析的几种模型及其研究进展。文献研究表明,目前摩擦焊接过程物理参量场的数值模拟主要采用二维、非稳态、变物性模型。一般忽视辐射及对流换热。焊接界面上热流量可以根据扭矩曲线或摩擦系数分布曲线计算,热流分布采用均布或线性假设,近年来有关学者直接根据焊接材料的性能数据和设定的焊接规范参数进行摩擦焊接过程特征参量及相应物理参量场的模拟研究工作,并模拟了摩擦焊接过程的两种产热模型及其转化规律（摩擦初期的摩擦产热与摩擦后期的塑性变形产热）。     

Inconel 718合金惯性摩擦焊温度场三维有限元数值模拟

根据能量守恒定律,在考虑摩擦面上周向摩擦对转速影响的基础上,提出了惯性摩擦焊的热输入模型,建立了Inconel 718合金惯性摩擦焊的三维有限元热力耦合模型,通过计算获得了其焊接过程中温度场的空间分布和时间分布,并分析了其变化特点.用基于热电偶的温度场检测系统对焊接过程中温度进行了实时检测,结果表明计算数据和试验结果基本吻合,这说明了该模型的可靠性,可以为Inconel 718惯性摩擦焊工艺参数的优化提供有效的依据.     

惯性摩擦焊接头非对称性分析

应用无线测温系统和热电偶测温技术,试验测定了惯性摩擦焊旋转端和滑移端试件的温度场,探讨了惯性摩擦焊摩擦界面两侧温度分布的非对称性;统计分析了不同焊接条件下惯性摩擦焊试样焊接区域的几何特征及宏观形貌.结果表明,滑移端的温度及升温速率均高于旋转端,滑移端的轴向缩短量、飞边宽度以及热力影响区(TMAZ)宽度均大于旋转端.分析认为惯性摩擦焊摩擦结合界面两侧温度场的非对称性与焊接区域几何特征的非对称性紧密相连.     

基于三维双塑性体摩擦副模型的FGH96高温合金管惯性摩擦焊数值模拟

基于弹塑性有限元理论,采用三维塑性体/塑性体摩擦副模型,考虑实际焊接过程中两侧工件散热条件的差异,建立了FGH96高温合金管惯性摩擦焊过程有限元模型,计算了焊接过程中瞬态温度场和轴向应力场的分布,研究了初始转速、顶锻力和转动惯量对接头温度场和飞边形貌的影响。模拟的飞边形貌与试验所得焊件误差仅为5%,验证模型的可靠性。模拟结果表明,惯性摩擦焊过程中,摩擦界面升温迅速,峰值温度可达1 335 ℃,塑性变形主要发生在距界面4 mm的区域内,该区域轴向温度梯度较大。摩擦界面附近压应力值从中心到边缘逐渐降低,界面边缘应力状态由压应力转变为拉应力,飞边根部由于挤压变形,存在压应力集中。提高初始转速和转动惯量均能增加焊接热输入,延长摩擦时间,提升峰值温度,增加飞边挤出量;加大顶锻力可提高机械能转化成热能的效率,缩短摩擦时间,增加轴向缩短量和飞边卷曲度。 创新点： 塑性体/塑性体有限元模型能够综合考虑接触面力的相互作用,采用更符合实际的三维双塑性体模型,对FGH96高温合金环形工件惯性摩擦焊过程进行了数值模拟。     

惯性摩擦焊接头特性的研究现状

利用飞轮储存的能量来进行零件连接的摩擦焊为惯性摩擦焊(IFW),IFW中飞轮取代了连续驱动装置,飞轮的使用使得整个过程在操作上更便捷。文中根据已有的研究对IFW接头的特性进行了总结概述,包括接头硬度、抗拉强度、冲击强度等各个方面。重点讨论了焊接过程中接头特性的影响因素,研究了摩擦压力、时间、顶锻压力等因素在接头焊接中所起的作用,对后续的焊接研究提供一定的参考。最后探讨了惯性摩擦焊目前存在的问题,并提出了未来的发展方向及研究重点。     

Ti17合金惯性摩擦焊接头力学性能与组织分析

通过室温拉伸、高温拉伸试验以及金相分析对 Ti17 合金惯性摩擦焊接接头的显微组织和力学性能进行了研究.结果表明,采用惯性摩擦焊焊接 Ti17 合金可获得室温及高温性能良好的焊接接头,其焊接接头的室温及高温抗拉强度都不低于母材;Ti17合金母材组织为α+β相,并且β相呈针状均匀分布在α相的基体上;不同焊接工艺参数对 Ti17 合金惯性摩擦焊接头热影响区和焊缝的组织没有影响,其热影响区组织为α+β相,并且β相呈针状均匀分布在α相的基体上,与母材组织相同,焊缝组织为细小的等轴晶.

Abstract：

The microstructures and properties of Ti17 alloy joints welded by inertia friction welding (IFW) were investigated by room-temperature tensile test, high-temperature tensile test and metallographic analyses. The results show that the joint with good performance at room and high temperature for Ti17 alloy can be obtained in IFW. Both the tensile strengths of welded joints at room temperature and at high temperamre are not less than those of the base metal. The microstructure of Ti17 alloy is α+β phase, and the needle β phase is distributing on the α phase. While welding, different welding parameters can not affect the microstructures of the HAZ and the weld seam. The microstructure of HAZ is the same as that of the base metal, and that of the welded seam is fine equiaxed crystal.     

不同能量密度的环件惯性摩擦焊接过程数值模拟

建立了GH4169合金大型环形件的惯性摩擦焊接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.结果表明,能量密度与焊接时间呈近似的线性关系,随着能量密度的增加,焊接时间逐渐增加,轴向缩短量也以更快的速率增大;在焊接过程的同一时刻,能量密度越高,焊接面的温度越高,飞边越大,飞边的弯曲程度越高.计算数据与试验数据吻合良好.     

The Coupled FEM Analysis of the Transient Temperature Field During Inertia Friction Welding of GH4169 Alloy

The inertia friction welding process is a non-linear process because of the interaction between the temperature field and the material properties as well as the friction force. A thermo-mechanical coupled finite element model is established to simulate the temperature field of this process. The transient temperature distribution during the inertia friction welding process of two similar workpieces of GH4169 alloy is calculated. The region of the circular cross-section of the workpiece is divided into a number of four-nodded isoparametric elements. In this model, the temperature dependent thermal properties, time dependent heat inputs, contact condition of welding interface, and deformation of the flash were considered. At the same time, the convection and radiation heat losses at the surface of the workpieces were also considered. A temperature data acquisition system was developed. The temperature at some position near the welding interface was measured using this system. The calculated temperature agrees well with the experimental data. The deformation of the flash and the factor affecting the temperature distribution at the welding interface are also discussed.     

GH4169高温合金惯性摩擦焊过程的数值模拟

根据GH4169合金惯性摩擦焊的特点,结合摩擦理论,建立了完全基于材料热物理性参数和焊接工艺参数的三维有限元分析模型,运用热力耦合的方法对其焊接过程进行了数值模拟.根据模拟计算所得的温度场和应力场结果,综合分析了该工艺过程.为合理制定焊接热力规范,提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了参考.     

电模拟惯性摩擦焊接技术

为适应摩擦焊接设备的发展,降低制造成本,在对惯性摩擦焊接过程运动学方程分析基础上,结合电模拟惯量技术,开发出了电模拟惯性摩擦焊接技术及设备. 结果表明,电模拟惯性摩擦焊接过程中各参数随时间的变化规律,以及惯量大小对焊接参数的影响规律,符合惯性摩擦焊接的一般规律. 相同惯量下,电模拟惯性摩擦焊接与机械惯量惯性摩擦焊接过程转速曲线变化趋势一致. 采用电模拟惯性摩擦焊接技术,所需惯量可以设定成大于系统基本惯量,也可以设定成等于或低于系统基本惯量,还可以补偿主轴机械摩擦阻力对焊接过程参数的影响.     

Internal residual stress measurement on inertia friction welding of nickel-based superalloy

The internal residual stress in the narrow inertia friction welding (IFW) welds of FGH96 nickel-based superalloy was measured with the contour method (CM). The as-welded internal hoop and axial residual stresses were obtained after two cuts and the detailed steps of the CM measurement were described. In addition, the hole-drilling method was used to obtain the surface stress. Furthermore, the internal hoop residual stress of a FGH96 superalloy IFW specimen after post-weld heat treatment (PWHT) was also measured with the CM after a single cut. The measured results show that the peak hoop residual stress is not symmetrical about the weld centreline. Axial residual stress on the outer surface at the weld centreline is compressive stress, while tensile stress appears on the inner surface, and it varies linearly along the thickness. The peak values of hoop tensile and compressive stresses decrease dramatically after PWHT.     

异种合金惯性摩擦焊的研究现状

文中针对钢与其他合金、铝合金与其他合金、钛合金与其他合金、高温合金与其他合金的惯性摩擦焊的研究现状进行了阐述。主要对惯性摩擦焊的工艺参数选取、端面设计、焊前预热、焊后热处理等研究内容进行了综述。并对异种合金惯性摩擦焊存在的问题进行了分析总结。结果表明,采用合理选择工艺参数、设计不同形状的端面、添加中间过渡层、焊前预热处理、焊后热处理等方法获得强度与母材相当、焊接质量较好的接头。建议在后续的研究中,结合数值模拟对异种合金惯性摩擦焊的工艺参数及端面设计进行优化,对接头的元素分布及新相形成的种类与数量进行调控,对焊接界面金属的流动行为进行深入研究,以获得具有综合性能较好的异种合金惯性摩擦焊接头。     

初始转速对惯性径向摩擦焊接头成形的影响

惯性径向摩擦焊接过程中飞轮初始转速决定了焊接能量输入,对接头成形具有决定性影响.采用45钢径向环和37CrMnMo钢管,试验分析了惯性径向摩擦焊接过程中飞轮初始转速对接头成形的影响,得到了良好接头成形的飞轮初始转速,并从理论上进行了分析.结果表明,当飞轮初始转速为520和560 r/min时,接头成形较为美观,飞边呈现圆弧状卷起并均匀连续地被挤出摩擦界面.根据径向摩擦焊接界面附近温度场的特点,利用分层能量估计法从理论上推导出获得良好接头的飞轮初始转速为548 r/min,与试验结果具有较好的一致性.     

Transient behaviour of torque and process efficiency during inertia friction welding

ABSTRACT

Process efficiency is a crucial parameter for inertia friction welding (IFW). A new method is developed to determine the efficiency by comparing the workpiece torque used to heat and deform the joint to the total torque. Particularly, the former is measured by torque load cell attached to the non-rotating workpiece, while the latter is determined from the deceleration rate of flywheel. The efficiency measured for IFW of AISI 1018 steel is inputted into analytical heat balance calculation of the upset length and finite element thermo-mechanical modelling of the extruded flash profile. The calculated results are consistent with the respective experiment data. The transient behaviour of torque and efficiency is discussed based on the energy loss and the bond formation.