《FGH96合金惯性摩擦焊过程材料流动行为的数值模拟.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《FGH96合金惯性摩擦焊过程材料流动行为的数值模拟.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第 21 卷摇 第 1 期2 0 1 3 年 2 月摇材摇 料摇 科摇 学摇 与摇 工摇 艺MATERIALS SCIENCE&TECHNOLOGY摇Vol.21No.1Feb.,2013摇 摇 摇 摇 摇 摇FGH96 合金惯性摩擦焊过程材料流动行为的数值模拟姬书得1,刘摇 伟2,张利国1,栾国红3,张田仓3,陶摇 军3(1.沈阳航空航天大学 航空航天工程学部,沈阳 110136;2.哈尔滨工业大学 金属精密热加工国家级重点实验室,哈尔滨 150001;3.北京航空制造工程研究所,北京 100024)摘摇 要:利用 DEFORM 软件建立了 FGH96 合金惯性摩擦焊的三维有限元分析模型,研
2、究了焊接过程中的轴向缩短量变化及材料塑性流动行为的规律.数值模拟结果表明,随着焊接时间的增加,试件轴向缩短量的变化幅度呈现先增加后减小的趋势,这与摩擦界面上材料的流动速度变化规律相同;当焊接过程达到稳态后,摩擦界面两边界附近的材料主要向界面外流动,而中心区域的材料流动方向主要与试件旋转方向相同.关键词:FGH96 合金;惯性摩擦焊;材料流动;数值模拟中图分类号:TG453文献标志码:A文章编号:1005-0299(2013)01-0109-04Numerical simulation of material flow behavior in inertia frictionwelding of
3、 FGH96 alloyJI Shu鄄de1,LIU Wei2,ZHANG Li鄄guo1,LUAN Guo鄄hong3,ZHANG Tian鄄cang3,TAO Jun3(1.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.National Key Laboratory for Precision Hot Processing of Metals,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;3.Beijing
4、Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China)Abstract:A 3D finite element analysis model of inertia friction welding of FGH96 alloy is established by usingthe DEFORM software.The change of axial shortening of weldment and the material plastic flow behavior arestudied
5、.The results show that the change extent of axial shortening and the material flow velocity in frictionsurface increases first and then decreases with the increase of welding time.After the welding process reachesthe stable state,when the welding process reaches stable the material near the two edge
6、s of friction surfaceflows towards the outside of friction surface,while the direction of material flow near the middle of friction sur鄄face is mainly the same as the rotational direction of weldment.Key words:FGH96 alloy;inertia stir welding;material flow;numerical simulation收稿日期:2011-11-05.基金项目:航空
7、科学基金资助项目(2009ZE54011).作者简介:姬书得(1977-),男,副教授,博士,硕导.通信作者:姬书得,E鄄mail:.摇 摇 作为第二代粉末高温合金,FGH96 合金具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点,成为先进航空发动机涡轮盘和档环等结构件的首选材料1.而目前先进航空发动机转子部件主要采用具有接头质量好、自动化程度高等优点的惯性摩擦焊接方法(Inertia friction welding,IFW)进行连接2-4.研究工作者对惯性摩擦焊的温度场、轴向缩短量、飞边形貌、接头性能与显微结构等方面进行了大量的研究5-8.但有关塑性流动行为的报道较少.事实上,与搅拌摩
8、擦焊等其它固相焊工艺类似9,材料的塑性流动行为是影响接头质量的关键因素之一.本文采用 DEFORM 软件建立了FGH96 高温合金惯性摩擦焊的三维有限元分析模型,对焊接过程中的材料流动行为进行了研究,分析了摩擦界面附件金属流场分布规律,研究成果为预防焊接缺陷、优化焊接工艺等提供了依据.1摇 惯性摩擦焊有限元模型1.1摇 三维有限元模型及网格划分研究用惯性摩擦焊工件是 FGH96 高温合金环形件,具体结构如图 1 所示.图 2 为建立的FGH96 合金惯性摩擦焊接过程的有限元分析模型,采用四节点四面体单元描述试件.在摩擦界面及其附近区域,材料经历剧烈的温度变化与塑性流动,此区域的网格划分比较细密
9、以保证计算精度;远离摩擦界面区域材料温度变化及塑性变形较小,可以采用粗大的网格进行描述.在模拟过程中,利用网格重划分技术对发生畸变的单元进行处理.同时,虑到结构的对称性,为了减小计算量,取 1/2 模型进行计算,将右侧试件用可进行热传导的刚体来代替.图 1摇 FGH96 高温合金惯性摩擦焊尺寸图 2摇 惯性摩擦焊的数值模拟模型1.2摇 边界条件的设置在实际的焊接过程中,一个试件固定,另一试件在高速旋转的飞轮带动并在轴向压力的作用下与固定的试件端面摩擦生热,最终形成固相接头.因此,在模拟过程中将左侧试件左端面在三个自由度方向完全约束;右侧试件为旋转试件,且轴向压力作用于右侧试件的端面上.在模拟过
10、程中,采用的 FGH96 高温合金惯性摩擦焊接过程工艺参数如下:飞轮的转动惯量为 351Nm2、轴向压力为 207 MPa、初始转速为 800 rpm.1.3摇 材料参数的确定在模拟过程中,FGH96 合金材料的弹性模量、导热系数与比热随温度的关系如表 1 所示.表 1摇 FGH96 合金的材料参数温度 T/K弹性模量 E/GPa热容 C/(N/mm2K)导热系数 姿/(W/mmK)2982053.620.0103732013.780.0125731864.000.0157731754.280.0189731605.020.02410731565.440.026摇 摇 材料的本构模型对模拟结果
11、的准确性有着重要的影响。针对惯性摩擦焊的特点,在 Gleeble 热物理模拟机上对 FGH96 合金进行了热压缩实验:实验温度分别为 1 000 益、1 050 益、1 100 益、1150 益与 1 200 益;应变速率为 0.01、1 与 10,并得到不同温度以及应变速率下的应力-应变曲线。在 FGH96 合金的惯性焊过程中,界面及其附近的材料经历了高温塑性变形,那么流变应力、应变速率和温度之间的关系可用 Sellars 和 Tegart 提出的包含变形激活能 Q 和温度 T 的双曲正弦形式表示:着=Asinh(琢滓)nexp-QRT(1)式中:着为应变速率;滓 为流变应力;Q 为变形激活
12、能;R 为气体常数;T 为绝对温度;琢、A 与 n 分别为与材料相关的常数。以 Gleeble 热压缩实验数据为基础,分别做出以 滓 与 ln着为变量、以 ln滓 与 ln着为变量、以 lnsinh(琢滓)与 T 为变量、以 lnsinh(琢滓)与 ln着为变量的曲线,求得 n、琢、Q 与 A 的数值分别为4.6704、0.0045、1061.6561 以及 3.886 伊1039。综上,适用于惯性摩擦焊的 FGH96 合金的本构模型如下:着=3.8886 伊1039sinh(0.0045滓)-4.6704伊exp(-1061.6561/RT)(2)1.4摇 摩擦系数的确定在模拟过程中,采用库
13、伦摩擦模型来描述焊接过程中的摩擦行为.图 3 是摩擦系数随温度的变化关系曲线.由于摩擦系数受材料性质、接触力、温度等众多因素的影响且对于 FGH96 合金缺011材摇 料摇 科摇 学摇 与摇 工摇 艺摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 21 卷摇乏足够的可用数据,因此文中模拟用摩擦系数参考了文献10的数据.图 3摇 摩擦系数随温度的变化关系曲线2摇 模拟结果与讨论2.1摇 温度、转速与轴向缩短量摩擦焊接过程中,摩擦阻力的存在使试件转速由初始转速开始逐渐降低,当试件停止转动时焊接过程结束.图 4 为计算得到的试件转速随时间变化曲线.图 4摇 转速随时间变化曲线摇 摇
14、在焊接初期(0-0.1 s),试件在瞬间内达到最大转速,随后逐渐降低,曲线呈抛物线形状.在该工艺参数条件下,计算得到的试件停止转动时间为 7.7 s.为了计算后续的冷却过程,设定焊接时间为 8 s.图 5 是试件在惯性摩擦焊不同时刻的温度演变规律.摇 摇 在 t=1 s 时刻,摩擦界面上局部区域的温度急剧上升,最高温度达到 1 100 益;高温区集中在摩擦面两侧,摩擦面附近的温度梯度较大.在 t=3 s时刻,整个摩擦界面的温度分布相对比较均匀,最高温度为 1 270 益,此后进入稳定的摩擦阶段.随着焊接时间的增加,沿轴向的高温材料区域逐渐变宽.在 t=6 s 时刻,摩擦界面的温度逐渐开始下降,
15、这是由于转速的下降引起的摩擦界面产热不足造成的.在 t=7 s 时刻,摩擦界面的温度进一步下降到 1 210 益.在 t=8 s 时刻,摩擦界面中心部位的温度已降至 900 益,这是由于摩擦面中心部位在热传导作用下,热量沿轴线方向发生传导而导致了温度急剧降低;飞边部分温度相对较高,这是由于飞边部位是由高温金属挤出造成的,并且由于塑性功转化为一部分热量,因此可继续保持较高的温度.图 5摇 试件的温度场演变过程摇 摇 图 6 为计算得到的焊接过程试件的缩短量变化曲线.结合图 5 的结果可知,在焊接初期(1-3s),尽管试件转速很高,但是由于摩擦界面温度较低,并且高温区比较窄,试件并未发生较大的塑性
16、变形,试件的轴向缩短量的增加幅度较小.在 t=3-6 s时,焊接过程进入稳定摩擦阶段,高温变形区不断扩大,在轴向压力的作用下,试件逐渐开始发生较大的塑性变形,轴向缩短量的增加幅度变大.在 t=6-8 s,随着试件转速的降低,界面温度逐渐降低,界面材料的变形抗力增加,变形变的越来越困难,轴向缩短量继续增加但幅度变小.2.1摇 流场的模拟结果分析为了分析 FGH96 高温合金惯性摩擦焊接过程流动行为,首先分析了摩擦界面的金属在不同时刻的速度矢量变化,如图 7 所示.其中,图中的黑线表示模型的轮廓线.结合图 5 的温度场模拟结果可知,在摩擦焊接初期(0-1 s),由于温度较低,界面上的材料只发生微小
17、的变形,摩擦界面处材料的流动速度较小,速度最大处位于接触面的两侧;摩擦界面处的材料流动速度方向主要是沿111第 1 期姬书得,等:FGH96 合金惯性摩擦焊过程材料流动行为的数值模拟轴向的分量,只有少量的材料在摩擦的作用下沿周向流动.在 t=3 s 时刻,摩擦界面处材料的速度场较为混乱,主要原因是由于此时界面上的温度场波动较大,界面处部分材料开始发生较大的变形,因此速度较大,而部分材料仍然处于难变形状态,流动速度较小.从 t=4 s 时刻开始,由于界面温度的升高,材料发生了较大的变形,摩擦面内高温金属逐渐被挤出界面形成飞边,因此在界面上形成了流动分界圆,分界圆的位置基本处于摩擦面中心附近;分界
18、圆内侧的金属材料向内流动,分界圆外侧的金属材料向外流动,分界圆处的金属材料在摩擦力的驱动下绕中心轴流动.同时,在t=4 s时界面处材料流动速度最大,此后随焊接过程的进行,界面处材料流动速度逐渐降低,这与图6 中的缩短量随时间变化曲线是一致的,其原因也是与不同时刻材料的温度不同有关.图 6摇 缩短量随时间变化曲线图 7摇 不同时刻材料的流动速度矢量图3摇 结摇 论(1)在摩擦焊初期阶段,材料的流动速度沿周向的分量远小于沿轴向的分量;当焊接过程达到稳态以后,摩擦界面内、外侧附近的材料主要向摩擦面外流动,而摩擦面中心区域的材料主要绕中心轴流动且流动方向与试件旋转方向相同.摇 摇(2)在惯性摩擦焊过程
19、中,随着焊接时间的增加,材料的流动速度呈现先增加后降低的趋势,类似于轴向缩短量的变化规律;摩擦界面上两边界附近的材料流动速度大于摩擦面中心区域.参考文献:1摇 刘建涛,陶宇,张文义等.FGH96 合金的热塑性变形行为和工艺J.材料热处理学报,2009,30(6):103-107.2摇 张全忠,张立文,刘伟伟等.环形件惯性摩擦焊过程塑性区演化的数值模拟研究J.塑性工程学报,2007,14(6):200-204.3摇 傅摇 莉,刘小文,鄢君辉等.惯性摩擦焊接钢管焊合区热塑性变形参量场的数值分析J.机械科学与技术,2000,19(3):439-441.4摇 Bennett C J,Hyde T H,
20、Shipway P H.A transient finiteelement analysis of thermoelastic effect during inertiafriction weldingJ.Computational Materials Science,2011,50(9):2592-2598.5摇Jeong H S,Cho J R,Oh J S,et al.Inertia FrictionWelding Process Analysis and Mechanical PropertiesEvaluation of Large Rotor Shaft in Marine Tur
21、bo Charg鄄erJ.International Journal of Precision Engineeringand Manufacturing,2010,11(1):83-88.6摇 Karadge M,Grant B,Withers P J,et al.Thermal Relax鄄ation of Residual Stresses in Nickel-Based SuperalloyInertia Friction WeldsJ.Metallurgical and MaterialsTransactions A-Physical Metallurgy and MaterialsS
22、cience,2011,42A(8):2301-2311.7摇 Huang Z W,Li H Y,Baxter G,et al.Electron micros鄄copy characterization of the weld line zones of an iner鄄tia friction welded superalloyJ.Journal of MaterialProcessing Technology,2011,211(12):1927-1936.8摇 李付国,聂蕾,李庆华.GH4169 合金惯性摩擦焊接过程组织计算与预测.焊接学报,2002,23(1):30-33.9摇 刘伟伟,张立文,张全忠等.不同能量密度的环件惯性摩擦焊接过程数值模拟J.焊接学报,2007,28(7):72-76.10 Wenya Li,Tiejun Ma,Jinglong Li.Numerical simula鄄tion of linear friction welding of titanium alloy:Effectsof processing parametersJ.Materials and Design,2010,31(3):1497-1507.(编辑摇 张积宾)211材摇 料摇 科摇 学摇 与摇 工摇 艺摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 21 卷摇