李文亞，石善祥，王非凡

（西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072）

0 前言

線性摩擦焊LFW（Linear Friction Welding）是一種可靠性高、低成本、焊接過程綠色環(huán)保、焊縫鍛造組織、高接頭對(duì)接率、少缺陷的新型先進(jìn)固相焊接技術(shù)[1-2]。目前已成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵技術(shù)，是在大型寬弦空心葉盤的制造唯一可能的連接技術(shù)。然而由于線性摩擦焊的短時(shí)、極快的升溫速度、冷卻速度、強(qiáng)熱力耦合和局部大變形塑性特點(diǎn)，焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和界面塑性流動(dòng)的試驗(yàn)研究存在諸多困難，因此有限元模擬研究已成為一種重要研究手段。

Vairis等人[3]基于專用有限元軟件模擬線性摩擦焊接TC4初始階段的溫升情況，計(jì)算中考慮材料非線性和邊界條件的影響，同時(shí)考慮了飛邊擠出階段鈦合金氧化放熱反應(yīng)對(duì)摩擦焊接過程熱分布的影響，模擬結(jié)果采用盲孔法熱電偶測(cè)溫進(jìn)行驗(yàn)證。Tao等人[4]采用DEFORM軟件，采用熱力耦合方法計(jì)算了TC4線性摩擦焊接過程接頭升溫和降溫過程，通過網(wǎng)格重劃技術(shù)以克服焊接過程中單元畸變問題。此外，Ceretti等人[5]采用DEFORM軟件，建立了AISI1045鋼線性摩擦焊接二維有限元模型，結(jié)果表明焊接過程中接頭最高溫度約為900℃。Sorina-Müller等人[6]采用ANSYS軟件建立了Ti-6Al-2Sn-4Cr-6Mo線性摩擦焊的三維熱力耦合模型對(duì)不同截面的工件進(jìn)行模擬，得到了摩擦界面的溫度分布云圖。

邊界散熱條件作為焊接過程中重要影響因素之一，而其對(duì)線性摩擦焊接頭溫度場(chǎng)的影響尚無相關(guān)文獻(xiàn)。本研究基于ABAQUS軟件建立TC4鈦合金線性摩擦焊二維數(shù)值模型在不同邊界散熱條件下進(jìn)行模擬，研究了不同邊界散熱條件對(duì)TC4鈦合金線性摩擦焊溫度場(chǎng)影響。

1 數(shù)值分析

1.1 有限元模型

線性摩擦焊是一個(gè)復(fù)雜的熱力耦合過程，如果以實(shí)際尺寸建模必將大大增加計(jì)算難度[7]，因此本研究采用1/2模型進(jìn)行模擬，即焊接界面采用剛體代替對(duì)稱的另一工件。如圖1所示，模型尺寸為18 mm×45 mm，網(wǎng)格劃分采用線性、縮減積分、熱-位移耦合CPE4RT單元。采用ABAQUS/Explict模塊模擬焊接升溫階段，用ABAQUS/Standard模塊模擬焊接降溫過程。預(yù)設(shè)摩擦?xí)r間（升溫階段）為3 s，降溫階段為100 s進(jìn)行模擬計(jì)算。試件與剛體面采用面-面接觸，界面摩擦系數(shù)為隨溫度變化量，單一試件模型，設(shè)定摩擦熱的50%傳給試件。塑性變形功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)設(shè)為0.9，初始溫度15℃。計(jì)算工藝參數(shù)為摩擦壓力50 MPa、振幅3 mm、頻率35 Hz。

1.2 模擬材料和本構(gòu)

模擬材料為TC4鈦合金。計(jì)算中所用到的材料參數(shù)：密度為4340 kg/m3，彈性模量為114 GPa，泊松比為0.34[8]，導(dǎo)熱率與比熱容取隨溫度變化值如圖2所示。計(jì)算材料流變應(yīng)力σ采用綜合考慮應(yīng)變、應(yīng)變率硬化與溫度軟化效應(yīng)的Johnson-Cook塑性本構(gòu)[7]。

圖1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分示意

圖2 TC4不同溫度下比熱容和熱導(dǎo)系數(shù)

2 邊界散熱條件和設(shè)置

線摩擦焊接過程中試樣散熱可分為：工件與夾具熱傳導(dǎo)、工件與空氣對(duì)流換熱及熱輻射。Ceretti等人[5]采用的工件與夾具接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)高達(dá)1.1×106W/（m2·K），顧守巖等人[9]對(duì)氬氣強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)600 W/（m2·K），而鄭振太等人[10]研究發(fā)現(xiàn)400℃以上輻射換熱大于自然對(duì)流換熱。為研究散熱條件對(duì)線性摩擦焊的焊接過程中溫度場(chǎng)的影響，本研究將輻射換熱與對(duì)流換熱統(tǒng)一為一個(gè)隨溫度變化的系數(shù)，而夾具熱傳導(dǎo)散熱系數(shù)取固定值，表1為計(jì)算采用的A、B和C三種不同散熱條件。

3 模擬結(jié)果和討論

3.1 邊界散熱條件對(duì)接頭溫度場(chǎng)的影響

圖3為相同焊接工藝參數(shù)，不同邊界散熱條件

表1 計(jì)算采用的三種散熱條件 W/(m2·K)

下（A、B和C）摩擦終了時(shí)刻接頭溫度場(chǎng)。由圖3可知，接頭高溫區(qū)（大于600℃）集中在焊縫及飛邊區(qū)域，并且接頭最高溫度約為1 000℃。此外邊界散熱條件對(duì)接頭高溫區(qū)域及分布也基本沒有影響，其主要原因是摩擦階段，邊界散熱耗散的熱量相對(duì)于摩擦產(chǎn)熱量小得多。

圖3 摩擦終了時(shí)刻不同散熱條件下接頭溫度場(chǎng)

圖4為不同邊界散熱條件下冷卻100 s時(shí)接頭溫度場(chǎng)。由圖4可知，在相同冷卻時(shí)刻，隨著散熱系數(shù)的增加，接頭整體溫度明顯降低。在t=100 s時(shí)，A、B和C條件下接頭最高溫度分別為181℃、61℃和23℃，因此邊界散熱條件對(duì)接頭焊后溫度場(chǎng)的演變具有重要影響。

圖4 冷卻終100 s時(shí)不同散熱條件下接頭溫度場(chǎng)

3.2 邊界散熱條件對(duì)焊接界面中心點(diǎn)熱歷史影響

圖5為不同邊界散熱條件下焊接界面中心點(diǎn)熱歷史。由圖5可知，邊界散熱條件對(duì)焊接摩擦階段界面中心點(diǎn)溫度歷史沒有影響，而對(duì)冷卻階段具有不同影響。在冷卻初始5 s內(nèi)，邊界條件對(duì)界面中心溫度幾乎沒有影響，這是因?yàn)樵诶鋮s初始階段界面溫度梯度很高（高溫分布區(qū)域很窄），接頭熱量主要通過工件內(nèi)部導(dǎo)熱向遠(yuǎn)離界面的低溫區(qū)域傳導(dǎo)，因此邊界散熱條件作用較小。當(dāng)冷卻時(shí)間t>5 s時(shí)，三種散熱條件界面中心溫度迅速表現(xiàn)不同，并且在冷卻100 s時(shí)，A界面中心溫度高達(dá)180℃，而在B和C界面中心溫度已接近室溫。這是由夾持區(qū)域工件與夾具導(dǎo)熱系數(shù)明顯變化造成。

圖5 不同散熱條件下焊接界面中心點(diǎn)熱歷史

3.3 邊界散熱條件對(duì)軸向縮短量影響

圖6為三種不同邊界條件下工件單邊軸向縮短量。由圖6可知，在A，B條件下，其對(duì)應(yīng)軸向縮短量曲線基本重合并且最終軸向縮短量也基本相同。在C條件下，軸向縮短量曲線在2.5 s前基本與A和B重合，最終軸向縮短量比A和B小約0.2 mm，這表明邊界散熱條件對(duì)TC4線性摩擦焊軸向縮短量基本沒有影響。

圖6 不同散熱條件下軸向縮短量

4 結(jié)論

基于所建立的數(shù)值模型對(duì)TC4線性摩擦焊在三種不同邊界散熱條件下進(jìn)行模擬可知：在摩擦階段，邊界散熱條件對(duì)工件接頭溫度場(chǎng)、飛邊形貌及軸向縮短量基本沒有影響。在冷卻階段，邊界散熱條件對(duì)接頭溫度場(chǎng)呈現(xiàn)不同影響，在接頭溫度場(chǎng)均勻化之前，散熱條件對(duì)接頭溫度場(chǎng)幾乎沒有影響；而在接頭溫度場(chǎng)均勻化之后，散熱條件對(duì)接頭溫度場(chǎng)有較大影響。在冷卻至100 s，A、B和C散熱條件下接頭最高溫度分別為181℃、61℃和23℃。

：

[1]Vairis A，F(xiàn)rost M.On the extrusion stage of linear friction welding of Ti 6Al 4V[J].Mater.Sci.Eng.A，1999（271）：477-84.

[2]陳 亮，李文亞，馬鐵軍.線性摩擦焊接技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].航空工程進(jìn)展，2010，2（1）:178-183.

[3]Vairis A，F(xiàn)rost M.Modeling the linear friction welding of titanium blocks[J].Mater.Sci.Eng.A，2000，292（1）：8-17.

[4]Tao J，Zhang T C，Liu P T，et al.Numerical computation of a linear friction welding process[J].Mater.Sci.Forum，2008（575-578）：811-815.

[5]Ceretti E，F(xiàn)ratini L，Giardini C，et al.Numerical modeling of the linear friction welding process[J].Int.J.Mater.Form，2010，3（suppl 1）：1015-1018.

[6]Sorina-Müller J，Rettenmayr M，Schneefeld D，et al.FEM simulation of the linear friction welding of titanium alloys[J].Comp Mater Sci 2010，48（4）：749-758.

[7]Li WY，Ma TJ，Li JL.Numerical simulation of linear friction welding of titanium alloy:Effects of processing parameters[J].Mater Design 2010，32（3）：1497-1507.

[8]黃伯云，李成功，石力開，等.中國(guó)材料工程大典第四卷[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[9]顧守巖，張盧偉，安志強(qiáng).壓力對(duì)氣體強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)的影響[J].遼寧化工，2009，10（38）：734-740.

[10]鄭振太，單 平，羅 震，等.CO2氣體保護(hù)焊溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,2（40）：234-238.