TC4钛合金惯性摩擦焊焊接过程的数值模拟.doc

TC4钛合金惯性摩擦焊焊接过程的数值模拟惯性摩擦焊通过飞轮的储能将机械能转化为内能,使焊件焊接面温度迅速升高,焊件达到热塑性状态,通过顶锻压力的作用完成焊接。在这一过程中包含着复杂的热力耦合作用。由于惯性摩擦焊是一种节能、高效、环保的固态焊接方法,因此被广泛应用于汽车制造、航空航天等众多领域之中。

正是因为惯性摩擦焊有着这样的优越性,所以国内外的学者对这项技术展开了广泛而又深入的研究。普通的试验研究方法周期长、成本高,并且具有盲目性,选用有限元分析的方法可以有效规避这些问题,大大缩小了研发的时间以及降低了价格成本,有限元分析的方法对于试验的进行也有着非常重要的指导作用。本文在总结了国内外对于惯性摩擦焊研究的基础上,以TC4钛合金为研究对象,根据惯性摩擦焊的焊接特点,将焊接模型简化为二维轴对称模型。

结合弹塑性力学,为数值模拟中材料变化分析提供理论支持。通过分析惯性摩擦焊中的摩擦行为、摩擦扭矩、角速度以及热力耦合行为,结合热分析理论得到数值模拟中的边界条件。本文采用ALE技术以及Johnson-Cook损伤模型控制网格畸变以及模拟材料变形。

对建立好的数值模型进行分析,根据摩擦行为以及材料变化将惯性摩擦焊整个过程分为四个阶段,并对每个阶段的温度变化进行了分析。得到了惯性摩擦焊焊接过程中轴向缩短量以及轴向应力与径向应力变化规律,分析得到了飞边形成的原因。通过单一因素变量法分析得到转速、顶锻压力、转动惯量以及焊件直径对惯性摩擦焊温度以及轴向缩短量的影响。

当焊件直径一定的情况下通过正交实验确定其余三个因素哪个是对惯性摩擦焊焊接影响最大的因素,并基于上述两个试验得到最佳工艺参数。根据模拟分

析所得的TC4钛合金惯性摩擦焊工艺参数,以及该工艺参数对于惯性摩擦焊的影响进行了实际的焊接试验。焊接后对于焊件的轴向缩短量以及焊接时飞边的温度变化进行了测量,而后又进行了焊件的拉伸试验以验证焊接质量的优劣。

试验表明,数值模拟以及正交实验得出的工艺参数在一定范围内对于惯性摩擦焊的焊接优化具有一定的指导作用,实际焊接出的结果表明焊接质量良好,变化基本符合数值模拟焊接的规律。