基于湍流计算模型的TC4钛合金搅拌摩擦焊过程的流场分析

以TC4钛合金为研究对象,利用计算流体力学软件FLUENT建立搅拌摩擦焊过程的三维有限体积模型,选取k-ε湍流计算模型,利用数值模拟的方法对材料的塑性流动行为进行了研究。结果表明:搅拌头及其附近区域的材料流动方向与搅拌头的旋转方向相同,且此区域的材料流动速度远大于其它区域;受接触点线速度的影响,轴肩附近的材料流动速度大于焊件内部与搅拌针接触区域材料的流动速度,且搅拌针附近材料的流动速度随搅拌针的直径减小而减小。     

基于Matlab的钛合金TC4搅拌摩擦焊温度场数值模型

利用Matlab软件强大的数值计算功能,根据有限元及有限差分的思想,将瞬态温度场转化为很小时间步内的准稳态分析,对钛合金TC4搅拌摩擦焊的温度场进行模拟,模拟结果基本符合实际情况.     

基于ABAQUS二次开发TC4线性摩擦焊过程的数值模拟

基于ABAQUS/Standard模块,建立TC4线性摩擦焊接过程的二维有限元模型,采用网格重划分与映射技术来处理网格畸变问题,分析线性摩擦焊接接头温度场的演变和轴向缩短量的变化.结果表明:网格重划分与映射技术能较好地解决网格畸变带来的计算不收敛.焊接过程的前0.1 s内,焊接界面温度迅速升高至1 000 ℃以上,之后接头温度渐趋均匀,接头塑性金属开始被挤出形成飞边,轴向缩短量明显增加;摩擦停止时刻(3 s),单边轴向缩短量达到最大值,约为2.7 mm.     

TC4钛合金薄板的搅拌摩擦焊研究

本文采用搅拌摩擦焊接工艺对航空航天工业应用最广泛的TC4钛合金进行了焊接,设计了用于钛合金搅拌摩擦焊的气体保护装置,确定了合适的搅拌摩擦焊工艺参数。对其焊缝的成形特点、组织特征和力学性能进行分析。结果表明,当旋转速度为475rpm、焊接速度为23．5mm／min、搅拌头倾角为3°时,可获得表面成形良好的焊缝;搅拌头在焊接过程中的磨损较为严重。     

钛合金搅拌摩擦焊接动态过程有限元模型

建立4mm厚TC4钛合金搅拌摩擦焊接热输入数学模型,并将模型应用于焊接动态过程温度场仿真,通过试验及有限元模拟进行验证.结果表明,在动态分析过程中,热源恒速移动,工件的温度峰值逐渐平稳,工件温度分布相对稳定,此时搅拌头前端和后端的工件温度分布有所不同,前端温度变化较快,温度梯度相对较大,后端温度变化较慢,高温范围较大.     

TC4线性摩擦焊过程的功率曲线研究

用自制的XMH-160型线性摩擦焊机进行TC4钛合金线性摩擦焊工艺试验,检测了焊接过程摩擦功率及界面温度的变化曲线,结合焊接过程界面剪切强度的变化曲线,论述了摩擦功率曲线的变化规律,并探讨了TC4线性摩擦焊焊接接头的形成机理.     

焊接距离对钛合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损的影响

采用搅拌摩擦焊（friction stir welding, FSW）技术对TC4钛合金热轧板进行焊接。通过失重法、3D影像仪和扫描电镜及能谱仪对TC4钛合金FSW过程中DZ22高温合金搅拌头磨损情况进行了表征,主要研究了焊接距离对TC4钛合金FSW搅拌头磨损的影响。实验结果表明：搅拌头磨损率与焊接距离成正相关,焊接距离达到180 mm后搅拌头磨损严重,搅拌针长度缩短0.24mm,磨损率为0.97%;轴肩深度缩短0.4mm,磨损率为1.73%;搅拌头质量减少0.15 g,磨损率为0.74%。在FSW过程中,高温高压是造成搅拌头磨损的主要原因,搅拌头磨损形式主要有机械磨损、磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损,搅拌头的磨损是这几种磨损形式相互作用的结果。搅拌头的磨损物会对焊缝造成污染,形成孔洞等缺陷。     

搅拌摩擦焊热源数值模型

针对搅拌摩擦焊特点,基于粘着摩擦原理,在综合分析前进边和返回边不同位置摩擦功率的基础上,建立了搅拌摩擦焊热源数值模型.温度场试验与模拟结果表明,该模型能综合反映前进边与返回边热循环曲线的差异及其原因,具有较高的计算精度.     

搅拌摩擦焊过程金属流场的数值模拟研究进展

对FSW过程数值模拟研究的进展进行了介绍和总结,认为采用流体或刚塑性体描述搅拌头周围金属,存有明显的流动区域或者流动分界面,与实际情况有较大差距.如果根据材料流动的本质,通过对材料流动的驱动力及所受约束问题,即“软性约束”问题进行研究,或许对解决现有问题、完善FSW焊缝成形理论具有巨大意义.     

2024-T4铝合金薄板超声辅助搅拌摩擦焊温度场数值模拟

以2024-T4铝合金为研究对象,利用有限元软件MSC.Marc建立了UAFSW和FSW模型,对比分析其温度场,研究超声对FSW温度分布的影响,探索合适的UAFSW工艺参数范围。结果表明:在同等条件下,UAFSW模型峰值温度高于FSW,说明超声的加入有温度补偿作用;超声的加入增大了焊接工艺窗口,提高了焊接效率。     

TC17钛合金线性摩擦焊工艺研究及显微组织分析

采用不同焊接频率（20-50Hz）、振幅（1-4mm）、摩擦压力（32-96MPa）对TC17(α+β)/TC17(β)钛合金进行线性摩擦焊试验研究,分析了不同焊接参数对钛合金线性摩擦焊接头质量的影响及接头不同区域显微组织演变规律。结果表明：热输入不足时,无法得到良好的焊接接头,其他焊接工艺参数不变时,随着单一参数的增加,热输入量迅速升高,焊接过程达到稳定状态,参数对焊接过程及接头质量的影响较小。TC17(α+β)/TC17(β)钛合金线性摩擦焊接头焊缝区域在焊接过程中发生了明显的相变及动态再结晶,形成亚稳定β相;两侧热力影响区由于受到热力耦合的作用,等轴及板条状α相沿着振动方向拉长,针状次生α相完全溶解。     

TC4合金线性摩擦焊摩擦时间与变形量的关系

用自制的XMH-160型线性摩擦焊机，试验研究了TC4钛合金线性摩擦焊的摩擦时间对摩擦变形量的影响，结果表明，其变形量随摩擦时间的增加近似呈指数关系增大。分析了出现非线性摩擦变形量的原因，以及线性摩擦焊飞边形貌的一些基本特点。     

阻燃钛合金摩擦着火热源模型及仿真分析

钛火是现代航空发动机的典型灾难性事故,压气机转子与静子的异常摩擦是其主要热源。采用动网格方法结合等效模型建立转子与静子试件的三维热-力-磨损耦合有限元模型,对不同摩擦接触压力和环境温度等条件下550℃阻燃钛合金TF550摩擦着火过程的温度场进行数值建模与仿真分析。结果表明,在室温、200 N摩擦接触压力条件下,TF550钛合金静子试件在7.2 s达到着火温度,此时转子试件温度仍维持在1 000 K,比静子试件低约900 K;当摩擦接触压力从200 N增大至400 N时,摩擦着火延迟时间为3.3 s;当摩擦接触压力提升至700 N时,着火延迟时间缩短至2 s以内;在823 K的环境温度下,静子试件的摩擦着火延迟时间为5 s,比室温下的摩擦着火延迟时间缩短了2.2 s;相对于环境温度的影响,摩擦接触压力对TF550钛合金摩擦着火升温速率的影响更大。     

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线性摩擦焊接技术作为一种新兴的焊接技术,具有焊接温度低、焊接质量高、焊接过程无污染等诸多优点,已经成为最经济、实用的加工技术之一.通过对比不同焊接参数下TC17材料的冲击性能,得出焊接时间对材料的冲击性能影响很大,并确定在焊接频率为20Hz,振幅为4mm,压力为7个刻度值,焊接时间为12s时,材料的冲击性能相对较好且数值稳定,为以后发动机叶盘的焊接提供了依据.