TC4钛合金惯性摩擦焊接过程的数值模拟

文摘基于ABAQUS有限元分析软件,建立了TC4钛合金的惯性摩擦焊(IFW)焊接过程的二维轴对称模型,通过确立Johnson-Cook损伤模型以及ALE技术对TC4钛合金的惯性摩擦焊焊接过程进行了热力耦合分析,发现TC4惯性摩擦焊在0.2 s内温度升高到200~300℃,0.5 s左右温度升高到1 100~1 200℃之后温度升高趋于平缓,到达峰值后温度缓慢下降,焊接完成。轴向缩短量在0.6 s内非常小,温度达1 100~1 200℃(0.6~1.2 s)轴向缩短量增长十分快并基本达到峰值,1.2~1.4 s由于粘结作用温度不再升高轴向缩短量增加缓慢,1.4 s后焊接基本完成轴向缩短量不再增加。初始阶段轴向应力基本没有变化,随着温度升高(0.2~0.5 s)压应力在中心区域增大,0.5~1.2 s内边缘形成拉应力,中心区域应力集中愈发明显,1.2 s后拉应力明显增加。而径向应力随着温度的升高中心应力明显高于外侧并使金属向两侧流动。这就可以得出飞边形成主要是因为高温、轴向应力以及径向应力共同复杂作用而形成的结果。模拟结果基本与实际相符,对提高惯性摩擦焊焊接质量提供了重要的参考作用。     

2219铝合金拉拔式摩擦塞焊数值模拟

基于有限元（FEM）基础理论，建立了拉拔式摩擦塞焊（FPPW）二维轴对称热-力耦合模型，对FPPW焊接过程中的焊接温度场、塑性流动进行数值模拟。研究结果表明，因界面处摩擦热向外部环境散失，焊接初始阶段的界面温升速率高于准稳态阶段。试板侧温度梯度高于塞棒侧，热量易在塞棒侧进行集中；材料强度和变形抗力随温度和应变上升而下降，试板上壁面优先形成摩擦界面并先于下壁面出现塑性金属流动形成飞边，下壁面材料待充分软化后方才出现塑性金属流动；FPPW焊接过程达到准稳态阶段后，焊接界面处应力状态呈中心压应力、两侧拉应力分布，拉应力驱动了上、下壁面处焊接飞边的成形。模拟结果与实际结果一致。     

基于螺纹锥形搅拌头的搅拌摩擦焊三维流场仿真研究

本文利用CFD软件包FLUENT建立了带螺纹表面的锥形搅拌头搅拌摩擦焊三维流动模型。通过数值模拟得到了焊缝沿厚度方向的水平切面速度矢量图,截面的速度矢量图以及用于观察材料流动行为的流动线图。同时分析了搅拌头表面螺纹对塑化金属流动行为的影响及焊缝塑化金属的流动规律。模拟结果对于搅拌摩擦焊过程中焊缝处塑化金属流动以及焊缝形成机理研究具有重要的指导意义。     

TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头组织和力学性能分析

针对飞机用典型的TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头,开展组织及接头的拉伸、冲击和低周疲劳等力学性能测试。结果表明:TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头经过700℃+保温3h的热处理后,接头的室温和高温抗拉强度达到母材的97%以上,室温和低温冲击性能略高于母材,室温低周疲劳性能与母材相当,具有良好的综合力学性能。     

2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场及黏流层数值模拟分析

针对2A14铝合金搅拌摩擦焊过程,基于CEL数值模拟方法,采用Pressure Independ Multiyield Material模型,进行了不同搅拌头旋转速度与焊接速度条件下温度场有限元模拟分析。根据温度场分布分析了不同工艺条件下搅拌头前端黏流层厚度变化规律。依据搅拌摩擦焊过程中流变层工艺要求与黏流层模拟厚度,预测了不同工艺条件下的焊接质量,进而提出了2A14铝合金搅拌摩擦焊工艺参数控制准则。     

TC11/TC17线性摩擦焊飞边及焊缝微区特征分析

对TC11/TC17异种钛合金线性摩擦焊飞边和接头的组织进行了分析。研究结果表明,焊接飞边组织不是2种钛合金的混合组织而是由TC11钛合金、过渡区和TC17钛合金组成。而线性摩擦焊接头由TC11母材、TC11侧热力影响区、焊合区、TC17侧热力影响区、TC17母材组成,两侧热力影响区组织沿着飞边挤出方向被拉长,而两侧焊合均发生动态再结晶,并在焊合线处形成了共生晶粒。     

用刚粘塑性有限元法分析叶片精锻时的金属流动和变形组织

本文依据现行生产的某航空发动机压气机二级叶片的有关数据,采用刚粘塑性有限元法对叶身截面的成形过程进行了模拟,得到了纯铅和TC4钛合金两种材料在不同工艺条件下的金属流动和应变分布的规律,讨论了摩擦条件和毛边桥尺寸对金属流动的影响比较了锻件内不同区域的应变量所对应的组织。计算网格与实验网格比较基本吻合。     

TC4-DT钛合金β锻动态再结晶元胞自动机模拟

通过对TC4-DT钛合金β单相区的等温恒应变速率压缩实验,分析合金的动态再结晶行为,并建立合金的动态再结晶的元胞自动机模型(CA模型)。在DEFORM-3D平台上,采用CA法模拟TC4-DT钛合金压缩过程中的显微组织演变。结果表明:随着应变量的增加动态再结晶的发生越来越充分;试样不同部位发生的动态再结晶程度有所不同,中心区域发生的动态再结晶更充分,很好地细化了原始组织;动态再结晶行为随着应变速率的增大而逐渐被抑制,但晶粒尺寸反而减小;模拟结果与实验结果相当吻合。     

铝合金FSW过程中搅拌针前缘金属周期性流动行为研究

利用高速摄像技术研究了搅拌摩擦焊过程中不同工艺参数条件下搅拌工具与被焊材料之间的相对运动,并结合焊核区金属组织形貌对搅拌针前缘金属流动行为进行分析.结果表明在搅拌摩擦焊接过程中搅拌工具与被焊接板材之间的相对运动存在着明显的周期性现象.并且搅拌针对其前缘金属作用的一个周期可分为两个阶段即平台阶段和进给阶段.在进给阶段前缘金属流动方式主要以整体流动的方式进行.     

TC4钛合金静止轴肩和传统搅拌摩擦焊的温度场对比

基于有限元软件ABAQUS对6mm厚的TC4钛合金传统及静止轴肩搅拌摩擦焊温度场进行了有限元模拟.结果表明,对比传统搅拌摩擦焊接,静止轴肩搅拌摩擦焊接具有较小的高温区,前进方向上具有较大的温度梯度,厚度方向上呈现柱状椭球形分布,上、下表面温度峰值差异较小,具有重叠性较好的热循环曲线.     

TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头组织特征及其形成机制

研究TC4-DT损伤容限型钛合金线性摩擦焊(linear friction welding,LFW)接头的组织特征及形成机制。利用光镜和扫描电镜对接头各区域微观组织进行表征,利用显微硬度计测试接头的显微硬度分布。结果表明:接头焊缝区(WZ)发生动态再结晶,焊接过程中WZ温度超过β转变点,焊后快冷的条件下发生了β→α′及β→α两种相变并析出了大量α′马氏体以及二次层片α;TC4-DT钛合金母材(BM)组织具有较高的变形抗力,使得接头形成的热力影响区(TMAZ)较窄。TMAZ内组织在强烈的热力耦合作用下拉长变形并破碎,焊后快冷的条件下析出少量α′马氏体及大量二次层片α;毗邻TMAZ的热影响区(HAZ)基本保留了BM不同位向的α集束的组织特征,但受热的影响α集束内α/β相界两侧元素相互扩散,层间β消耗,初生α长大;WZ组织的细晶强化和第二相强化,TMAZ组织的应变强化和第二相强化,以及HAZ内α相的长大使得接头上述区域显微硬度均高于BM。     

FGH96/GH4169高温合金惯性摩擦焊微观组织及演变过程

对FGH96/GH4169异质高温合金惯性摩擦焊接头组织形貌及演变过程进行分析,测量了焊接过程的界面温度。结果表明,惯性摩擦焊近界面处最高温度超过1100℃,达到母材强化相固溶温度区间。摩擦初期GH4169侧率先产生磨损颗粒;摩擦过渡期磨损颗粒被细化,摩擦界面形成高温粘塑性金属,在顶锻压力作用下开始形成飞边,夹杂物随之被挤出;准平衡摩擦阶段界面处高温粘塑性金属被持续挤出,飞边增大。焊后于焊接界面处形成等轴细晶区,细晶区与母材间为热力影响区,产生明显的变形,形貌为拉长晶粒。     

厚板多层多道焊的数值模拟分析

在建立厚板多层多道焊的三维有限元数值分析模型的基础上,利用ANSYS软件中的单元“生死”技术处理多层多道焊问题,模拟得到了厚板多层多道焊时的温度场分布规律,并利用红外热像仪实时测定了实际焊接过程的温度场。比较实测温度场和模拟温度场的结果表明,模拟结果与试验结果基本吻合,证明所建数值模型是正确的。     

钛合金加强框真空电子束焊接应用研究

钛合金加强框是飞机结构的重要构件,其在框段组合时机械连接与潜弧焊焊接方式均存在不足。真空电子束焊接(EBW)是实现钛合金框段组合的新型制造方式,具有显著优势。采用"积木式方法"展开系列试验研究:首先针对不同热处理制度下的TC4-DT焊接试样进行拉伸试验,通过标的参数对比获取合理的焊后热处理制度;然后通过系列焊接标准试样拉伸试验、断裂韧度试验及裂纹扩展率试验,获取基础性试验数据,并对焊接性能进行判断;最后经过短梁试验、部件试验以及机上应用,完成TC4-DT钛合金加强框EBW工程应用。结果表明:TC4-DT钛合金加强框EBW接头力学性能良好,较机械连接质量收益明显。     

大规格损伤容限钛合金TC4-DT的研制及应用

为了满足新一代战斗机对大规格损伤容限钛合金的需求，开展了TC4-DT钛合金大规格棒材与锻坯的成分与组织控制、大型锻件热处理过程中的显微组织控制、材料与锻件的制造过程控制、零件的疲劳强化等研究。经过大型铸锭熔炼、大规格棒材和锻坯试制、大厚度锻件试制、结构设计与制造，结果表明：损伤容限钛合金TC4-DT大型铸锭的成分均匀、大型锻坯和大厚度锻件的抗拉强度变异系数降至约2%，激光冲击、喷丸和冷挤压等对该合金的寿命增益效果显著。损伤容限钛合金TC4-DT在新一代战斗机上获得了广泛应用。     

TC4＋TC17线性摩擦焊接头的微观组织与力学性能

进行了TC4+TC17异种钛合金试件的线性摩擦焊实验,利用光学显微镜、扫描电镜及透射电镜分析了焊接接头的微观组织,并进行了焊后接头的力学性能测试.着重分析了焊接接头的焊缝、近缝区及变形区的组织特点及相变规律,并结合线性摩擦焊的工艺特点,初步分析了形变组织的形成机理.实验结果表明,利用合理的焊接工艺参数,用线性摩擦焊方法可获得可靠的Tc4+TC1钛合金焊接接头,接头的拉伸性能优于TC4母材.TC4与TC17接头的焊缝区为等轴细品组织,两侧近缝区、变形区的组织形貌差异较大.     

铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝疏松缺陷形成机理

采用圆锥形搅拌头焊接20mm厚的7075-T6铝板,分析焊接过程中焊缝内部疏松缺陷的形成过程及原因。研究表明,焊缝表面成形良好,无明显缺陷。但是,在焊缝轴肩区和焊核区之间出现了疏松缺陷。分析认为,焊缝上、下部金属温度差太大,导致其塑性流动行为发生变化是疏松缺陷形成的主要原因。搅拌摩擦焊(FSW)过程中,焊缝上部金属温度较高,而底部温度仍然很低,脱离搅拌针端部的塑化金属在周围冷金属巨大的变形抗力作用下转而沿搅拌针表面往上迁移。到达轴肩区下方汇聚区时,由于轴肩区金属温度高,向下的挤压力太小,导致回迁上来的塑化金属继续往上迁移并冲破轴肩区而沿轴肩边缘溢出形成飞边。汇聚区内没有足够的塑化金属填充、焊缝无法被压实而产生疏松孔洞。通过建立疏松缺陷形成的物理模型,可以更直观地反映出焊缝金属流动形态及缺陷形成过程。     

基于LabVIEW的搅拌摩擦焊在线监测系统

搅拌摩擦焊(FSW)作为一种新型的固相连接技术,具有一系列传统焊接无法比拟的优点[1-2].如焊接时的无飞溅、不需要气体保护、焊后工件残余应力和变形小、焊接接头抗拉伸性能和抗弯曲性能良好、生产成本低和无污染等,这些性能在铝合金焊接方面具有得天独厚的优势[3-4].搅拌摩擦焊在加工过程中涉及到温度场、材料组织变化、材料流动、应力应变和振动等多方面的问题[5-8].为了提高搅拌摩擦焊的焊接质量,必须要设计一套能同时检测搅拌摩擦焊加工过程中的温度、三向力和振动信号的在线检测系统.     

TC11/TC17钛合金线性摩擦焊接头组织与性能

针对航空发动机钛合金整体叶盘的典型材料TC11和TC17开展对异种钛合金线性摩擦焊的研究,其中包括飞边形貌、接头组织及拉伸性能等.研究结果表明:TC11/TC17异种钛合金线性摩擦焊沿振动方向的飞边较长;焊接接头明显分为3个区域:母材、热机械影响区和焊缝区,其中TC11母材为双态组织、TC17母材为网篮组织、热机械影响区的组织沿着受力方向被拉长,焊缝发生了动态再结晶,组织为等轴晶.拉伸测试结果表明:接头的抗拉强度及屈服强度能达到与TC11等强,拉伸试样均断在TC11母材一侧,随着测试温度提高,强度呈线性下降趋势;而断面收缩率均超过TC17母材,随着测试温度提高,变化不明显.     

TC4钛合金EBW焊缝电子束局部热处理的三维温度场和应力场计算

以12 mm TC4(Ti-6Al-4V)钛合金厚板为研究对象,进行电子束焊接和局部热处理的有限元分析.提出了柱状体热源载荷模型和高斯环状面热源载荷模型;利用有限元模拟技术计算了给定工艺参数下电子束焊接和局部热处理的三维温度场和应力场.有限元分析的结果表明在采用合理工艺参数情况下电子束局部热处理可以减小焊后的残余应力.