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镍合金摩擦焊接工艺的模拟与计算
镍合金摩擦焊接工艺的模拟与计算
摘要
这次实验对镍基合金inconel718线性摩擦焊接过程进行有限元模拟仿真,且使用Comsol5.5有限元仿真软件,我查找了很多焊接材料inconel718性能参数(热膨胀系数,导热系数,热熔,杨氏模量,泊松比等)和焊接试验中的规范参数(压应力、振幅、频率)对线性摩擦焊接过程的焊接参数进行数值模拟,探究其温度场、应变场分析温度、应力的分布和变化规律。
目标完成线性摩擦焊接的工艺分析、数学建模、确定高温本构关系,边界条件,计算焊接过程场量分布,优化工艺,并尝试在COMSOL软件上进行线性摩擦焊的过程仿真。
关键词:
镍基合金;inconel718合金;线性摩擦焊;有限元仿真;ComsolMultiphysics5.5;温度场;应力场
ABSTRACT
Inthisexperiment,thelinearfrictionweldingprocessofnickelbasealloyinconel718wassimulatedbyfiniteelementmethod,usingCOMSOLMultiphysics5.5finiteelementsimulationsoftware,consultedmanyweldingmaterialsinconel718performanceparameters(thermalexpansioncoefficient,thermalconductivity,hotmelt,Young'smodulus,Poisson'sratio,etc.)andthespecificationparameters(compressivestress,amplitude,frequency)intheweldingtest,numericallysimulatetheweldingparametersofthelinearfrictionweldingprocess,andexplorethetemperatureandstrainanalysistemperatureandstressdistributionandchangerules.Thegoalistocompletelinearfrictionweldingprocessanalysis,mathematicalmodeling,determinehigh-temperatureconstitutiverelations,boundaryconditions,calculatetheweldingprocessfielddistribution,optimizetheprocess,andtrytoperformlinearfrictionweldingprocesssimulationonCOMSOLsoftware.
Keywords:
Nickelbasealloy;Inconel718alloy;Linearfrictionwelding;Finiteelementsimulation;ComsolMultiphysics5.5;Temperaturefield;Stressfield
第一章绪论
1.1引言
摩擦焊(frictionwelding)就是俩工件通过摩擦产生热量并将其为热源,并在压力的作用下发生塑性变形的一种焊接的方式,这种方法的出现于公园1891年,且这种焊接方式的第一个专利就是那时美国为其颁发的。
这个专利就是通过摩擦生热来连接钢缆。
随后日本、苏联、德国和我国等国家都进行了对frictionwelding的研究、生产及应用。
世界上最早研发出frictionwelding技术的国家里就有我国,我国在1957年成功实现了铝—铜摩擦焊接。
长久以来,frictionwelding通过它无污染、高节能、高效率、高品质的特点,受到了制造行业的高度重视,像搅拌摩擦焊接、线性摩擦焊接、超塑性摩擦焊接等就是在其后所开发的各有特色的新技术。
在这次实验中,我们将使用线性摩擦焊(linearfrictionwelding,LFW),这是一种在压力作用下使俩被焊工件相对往复运动产生剧烈塑性变形、摩擦热从而实现焊接的新型固态连接方法。
LFW十分适用于焊接同种或异种材料的非圆截面构件以及别的摩擦焊接无法完成的难焊材料体系,摩擦焊的应用范围也因此被其高程度拓展了。
1990年,在英国诞生了世界上第一台线性摩擦焊机,它主要用于制造和维修航空发动机.随着研究的发展进步,它的适用范围慢慢拓展到了铝,钛,镍等合金。
而本次我们使用的材料即为镍基高温合金[1],它被大量使用于航空航天发动机制造,它在现代航空发动机制造中的应用量超过了总高温合金的40%[2],它具有耐腐蚀、抗疲劳、强度高、抗氧化、热加工性能好,焊接性能好,稳定性高等的良好物理性能。
目前有限元仿真技术已然逐步成熟,广泛的有限元分析软件也因此得以开发应用,它不仅具备大量强大的功能还缓解了耗时耗力耗材且难度大的科研难题,是分析研究中的得力利器。
1.2LWF介绍
1.2.1LWF技术原理
LWF就是将俩紧密接触的工件分别夹持在振动机构和夹具体中的一种固相焊接技术,在焊接压力(图1-1示上表面左右方向压力)作用下,一个工件相对另一个工件以一定的振幅和频率沿直线方向作直线往复运动,摩擦界面温度则因摩擦粘结与剪切产生摩擦热而上升。
当摩擦面成为粘塑性状态时,焊合区金属将在压力的作用下发生塑性流动从而产生飞边,当焊接区的变形程度和温度达到一定值后,将俩工件对齐并在两端施加顶锻压力(图1-1示侧面左右压力),焊合区的金属则通过扩散与再结晶使俩工件焊为一体,焊接过程得以完成。
图1-1线性摩擦焊三维原理图
通过结合大量焊接实验数据整合得出,LWF过程可分为下列步骤(图1-2):
1、初始阶段:
俩焊件在压力和往复机的共同作用下开始作方向相反的运动。
工作起初,因金属工件表面存在凸起,所以这部分首先发生接触并被工件开始工作时产生的摩擦热而软化,摩擦剪切力不变。
2、过渡阶段:
随者过程持续进行,在焊接部位地金属出现显著的塑性变形,摩擦系数和接触面积也都到达最大值。
过渡阶段中,总体摩擦类型开始从外摩擦转为内摩擦。
然后,焊面地温度场红热区域也随着摩擦慢慢扩展到了整个界面。
3、稳定阶段:
在这一阶段,工件内的加热和散热几乎是均衡的。
摩擦接口之间塑料金属的变形产生了大量的热,开始传送到工件内,从而提高了金属材料两侧的温度,并且该材料开始通过热软化而流过塑料。
然后,在摩擦压力和摩擦运动的影响下,工件接触界面的金属不断挤出,从而形成一个飞行边缘并开始熔化接触界面的金属。
4、减速阶段:
当焊接接口和变形达到一定程度时,往复机迅速降低操作频率并俩焊接工件对准中心点。
这一工作阶段是整个焊接工作中的难点之一,它的成功与否决定整个线性摩擦焊接能否完成,如果没有对准好,则会浪费两个金属工件。
停止摩擦运动后,系统会在一定时间内继续对焊接工件施加一定的顶锻压力。
在这一阶段,两个工件将结合在一起,通过相互扩散和再结晶,焊接区域的金属将更加牢固地结合在一起。
线性摩擦焊接过程是一个由外摩擦到内摩擦发生转变的过程。
焊接的四个步骤是不可分割和相互关联的。
每一阶段都会影响最后焊接质量的高低。
图1-2线性摩擦焊各阶段示意图
1.2.2线性摩擦焊优势
一、线性摩擦焊接可以焊接大多数的塑性和金属工件和一些不形状怪异不规则的构建,如焊接俩截面为正方形,五角星形等多边形截面工件,亦或者焊接飞机引擎转动机的叶片等。
这为摩擦焊接打开了一个新大门,只要拥有能够牢固的夹住工件的夹具就可以进行线性摩擦焊接,这是其他几种焊接方式都不能够进行的。
二、在线性摩擦进行的时候,整个工件材料的只有焊接界面和它周围部分在压力作用下会产生如晶粒细化、组织致密等现象,这不仅不会影响工件其他区域的材料性质,还可以提高摩擦焊接接头的性能,且接头也不会出现裂纹,有杂质等焊接缺陷。
又因线性摩擦焊接时因为加热时间短,且焊接速度块,所以焊头很难融化,也不会出现组织粗化等现象,焊接接头的性能跟其他焊接方式比会有显著提高。
最后,因为线性摩擦焊接的方式不同,它可以焊接铝,镍等传统方式不能进行焊接的材料。
三、线性摩擦焊接因为只有压力,时间和振动三个变量,且整个焊接过程都可以通过机械装置来控制,不用人工进行复杂的操作,所以焊接出来的工件精度搞且效率高,焊接过程不仅消耗小还干净卫生无污染,也实现了焊接的自动化,为摩擦焊接又带来了一个飞跃。
1.2.3线性摩擦焊接的发展情况
线性摩擦焊是根据旋转摩擦焊为基础开发的,尽管世界上第一台线性摩擦焊机出现距今已经有了二十多年了,但现阶段国内外有关线性摩擦焊研究的报道还是很少。
在国外,主要是Vairis和Frost进行[3-5]线性摩擦焊的研究工作,他们使用Ti-6Al-4V材料,对其进行了有限元模拟分析,并研究了线性摩擦焊的原理和各类影响因素,做了许多开创性的工作。
除此之外,Wanjara等[6]和Karadge等[7]也先后使用了Ti-6Al-4V进行线性摩擦焊的相关研究,更一步分析了线性摩擦焊接头的组织结构、质量和性能等的影响因素。
我国的线性摩擦焊的研究工作主要由在西北工业大学进行。
李文亚等[8]研究了淬火45钢的线性摩擦焊,发现焊件的轴向缩短量与焊接时间呈指数关系在给定焊接参数后。
马铁军等[9]也发现了大致相同的指数关系在TC4合金的线性摩擦焊中,同时他还发现接头弯曲强度与焊合率成正比、线性关系在Inconel718的高温合金线性摩擦焊中,但焊接时间对断裂程度有较大影响,与焊合率呈非线性关系[10]。
刘佳涛等[11]和许全周等[12]也分别研究了淬火状态45钢和Ti-6Al-4V线性摩擦焊接头的组织特点。
在有限元模拟方面,杜随更等[13]建立了线性摩擦焊接过程中的三维弹塑性有限元计算模型通过热力耦合有限元方法,并得出了焊接过程中应力场和温度场的变化规律。
杜建国等[14]和栾海英等[15]在线性摩擦焊机的研制工作方面分别做了一些单片机控制系统和电液伺服系统的研究。
1.2.4线性摩擦焊应用情况
1990年,英国焊接研究所成功地开发了世界上第一台直线摩擦焊机,其交替运动频率为75兆赫,运动范围为±3毫米。
根据TWI提供的信息,线性摩擦焊料的潜在用途包括塑料组分,例如齿轮、环、行李盖和土板、双金属叶片以及金属和塑料的复合连接[16]。
目前线性摩擦焊接的应用主要集中在航空器发动机的制造和维修以及RoeRoe、MTU等公司。
P.Hee和GEAE正在研究线性摩擦焊接在叶片制造和维修中的应用。
1980年代中期,在设计航空发动机的结构时出现了一个完整的叶片结构,该结构包括发动机转子的叶片和辊子,消除了传统的车轮和槽,简化了发动机的结构,提高了可靠性和加权比[17]。
处理大单元叶片的方法主要包括5坐标数字铣削、电化学加工和线性摩擦焊接,其中线性摩擦焊接节省了时间并成功焊接了不同材料的叶盘和叶片[18]。
RoeRoe和MTU开始研究线性摩擦焊接在制造航空发动机用钛合金叶片中的用途,并于2000年开始使用这种焊接来处理1-3EJ200级风扇叶片。
P.Hee还对F119和F120风扇叶片进行了线摩擦焊接[19]。
线性摩擦焊接的独特优点使叶片和叶片之间的过渡区内的颗粒组织得到精细,其静态和动态特性超过了未焊接的机体材料。
1.3线性摩擦焊工艺研究进展
目前,一些关于线性摩擦焊接工艺的研究显示,热量输入决定了线性摩擦焊接工艺的高频振动参数,即F频率、振幅A和摩擦压力。
而顶端压力、顶锻时间则得以证实影响轴向缩短量。
有研究发现良好的焊头不能与振动参数分开,并且焊接时间是组合的。
李文亚等则表明良好连接的基础就是摩擦时间大于三秒。
Vairis等指出即使摩擦压力在较低水平下,摩擦所需热量也能在一定振幅下,频率足够高下完成焊接动作。
Wan等人:
在F=50Hz,A=2mm,摩擦压力P=50MPA中,密封性能大于母体材料TC4。
而Rom等则在研究焊接头组织变化,他们发现在加大顶锻压力后,热力区域会增加,焊接头的残余应力减少。
并发现在增大压力P和焊接头温度降低对焊接头的尺寸也有影响。
Vairis等人注意到受控幅度没有变化,磨损边缘和频率与剪切力无关,P摩擦压力的增加减少了飞行边缘[20]。
1.4选题背景和含义
线性摩擦焊是航天领域的最重要的技术之一,其具有巨大的发展潜力,这几十年来线性摩擦焊只是在整体叶盘的制造上最广为应用,继续开展线性摩擦焊接技术的研究是值得的。
与工艺测试不同,它们消耗了大量的劳动力,设备,时间,设备,研究和开发需要国家的支持。
有限元数值分析分析模拟是分析研究的另一种方式,减少了设备、材料成本、时间成本,长期以来数值分析软件的开发和实验过程实验数据的有效性,使得扩展线性摩擦焊在数值模拟上的优势无法停止。
1.5选题背景和意义
目的:
对镍合金材料在线性摩擦焊接过程中的模拟分析,完成镍合金线性摩擦焊接的相关过程分析和模拟计算,确定高温结构关系,边界条件,计算焊接场分布,镍合金性能优化工艺及分析,并在comsol软件上对线性摩擦焊接过程进行仿真。
研究内容:
Inconel-718镍合金原始模型参数构造方程在线性摩擦焊接过程仿真、几何建模、边界条件输入中的应用。
第二章有限元模拟
2.1简介
在我们理解相关有限元的理论后,我们开始使用数值模拟来进行分析线性摩擦焊接并对此课题进行研究,等等我们将会对其一一介绍。
2.2有限元分析概论
`有限元分析'(FEA,Finance-ElementAnalysis)使用数学近似法模拟实际物理系统(“几何和负载状态”)。
使用简单但互动的元素(“单元”)可以实现一个实在的系统,其数量无限,未知,数量有限。
有限元分析就是一种分解问题难度再解决的方法,就是我们常说的大事化小小事化无这样的方法。
它就是将求解域化作很多子域,该子域名为单元。
然后我们在对单元进行假设,然后在推到求解直到满足条件为止。
而在我们假设的时候,我们可以给每个单元设一个简单的近似解。
因为我们是使用将本身的问题分解成很多小问题的方式,所以我们所得的解不是准确的而是近似的。
现阶段,有限元已经能算是一种高效的分析工具了,因为它能够高准度的计算且适用范围广阔,现已被大量使用。
有限元分析的基本步骤通常为:
预处理、求解集总、后处理。
其中最重要的就是预处理,这需要根据实际情况选定分析模型、建立几何域以及选定的单元类型、材料特性的定义、边界条件的定义、边界负荷的确定、应力等。
2.3有限元热力耦合线性摩擦焊接计算
在线性摩擦焊接过程中,热传递带来的热物理性质的变化和摩擦界面所承受着的轴向压力和切应力的共同作用使俩摩擦工件有摩擦表面接触非线性及新的接触压力。
我们使用在二维下采用小变形的弹塑性热力耦合模型,而如果要确定弹塑性变形的材料非线性和几何非线性可以通过设定振幅、频率等模拟LWF的参数条件。
在整体热力耦合中,材料的物理参数由摩擦产生的温度场影响,且改变了摩擦界面的热应力应变场,从而进一步的几何形变,摩擦界面上的产热随着改变其单元体积和边界面积发生变化而改变了,也因此出现了新的温度场。
总结:
一、已知初始温度场,依靠随温度变化的物理参数进行计算单元网格塑性应力应变;二、计算由塑性变形和摩擦热耗率改变的迭代温度场;三、重复第一个步骤,直到一直产生的新温度场收敛完成。
第三章镍合金Inconel718性能分析
3.1Inconel718合金
Inconel718高温合金是强化型镍基变形高温合金。
Inconel718是有良好的耐氧化性、防辐射性、高温性、耐疲劳性、高强度、良好的焊接性是良好的高温合金。
还是一种基于Ni-CR-Fe的高温固化镍合金。
3.2Inconel718合金的发展
IIncoel718合金是一种在空间、航空和核能中使用的常用金属,不仅具有高强度、氧化强度、辐射强度,而且具有优异的热处理和焊接性能。
各种组件的制造满足了发动机的要求,扩大了合金的应用,并增加了发动机的性能。
使用情况发动机、变形后的合金部件总重量718为CF6发动机重量的34%、CYZOO发动机重量的56%、PW4000发动机重量的57%。
美国一家通用电气公司主要针对涡轮发动机进行了第一次Incoel718合金应用研究。
随后,对合金影响因子、目前阶段合金的行为、复杂合金阶段的冶炼厂和热处理进行了深入研究,这些都反映在该过程的操作特性和控制方法中以及改进合金的性能。
同一时期内还对铸造合金、粉末合金和高热稳定性合金的研究进入了一个新的研究阶段。
直至1990年,材料热变形开始形成一整套理论。
对于Inconel718的发展历程,1980年,中国迫切需要发展其空间工业,投资于航空器发动机的改造设计,研究金属材料,提高金属性能,改进设备等并进攻空间材料工艺。
研究组的迅速组织和大量的实验性、实验性、生产性、应用性和推广性研究Inconel718,取得了一些成果,获得了广泛的知识和经验。
更多的规则,特别是关于国家情况与生产设备状况的结合,通过创造性研究,可以评估金矿加工过程、参数、结构和性能的影响,提高合金生产的质量和稳定性。
[10]
3.3Inconel718合金的特性
Inconel718合金跟其它高温合金差不多,都具有以下不同于普通金属材料的成形特点:
热加工温度范围窄、变形抗力大、塑性低,要在再结晶温度1020度以上才可以得到细化的晶粒层,当Inconel718添增了其他合金元素后熔点在可达1250~1360℃。
镍占Inconel718含量的百分之五十,其没有相变。
因为它含有热处理中不发生晶体的转变和相的重结晶的奥氏体组织,所以在转化成粗组织后难以调进金属结构,因此我们要精准控制处理过程。
Inconel718合金的高温变形特点是:
塑性不高,热加工温度范围小,变形抗力大且需要热加工工艺来进行控制细化晶粒。
第四章线性摩擦焊有限元
4.1引言
我们先建立一个Inconel718的线性摩擦焊接二维热力耦合模型。
我们用Comsol5.5平台进行操作。
在之前,我没有使用过Comsol软件,更不用说有限元分析了。
而这一次想在这个平台上完成一些有关线性摩擦焊接的简易二维有限元分析模型和建立。
因为线性摩擦焊接的材料非线性热力耦合综合复杂性,高度几何非线性,接触非线性等,在几个月内模拟整体线性摩擦焊接工艺到完美是不太可能的。
Comsol在多耦合物理场上有独特的优势,它是一个多耦合物理场分析的软件,因此也被外部媒体认为是近年来最有发展潜力的软件。
所以这次我选用Comsol软件来进行这次课题研究。
在这一章节我会详细写下在Comsol软件下的操作,并对关键性操作进行描叙。
目的建立一个高效可靠的线性摩擦焊有限元模型,在一定容错率和合适的计算成本下。
4.2ComsolMultipnysics5.5有限元分析软件
COMSOL是一款由瑞典的COMSOL公司开发的高级数值仿真软件,被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”,其适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程,并以杰出的多场直接耦合分析能力和高效的计算性能实现了在任意多物理场的高精准度的数值仿真,还被广泛应用于各个领域的科学研究、全球领先的数值仿真领域以及工程计算中。
4.3线性摩擦焊在COMSOL上的有限元模型建立
4.3.1条件确定
摩擦焊接是一种非线性热耦合工艺,它需要考虑到许多因素,例如其摩擦系数与温度、力、材料性质、运动模式、焊接表面粗糙度都会影响到焊接界面,而且在整个线性摩擦焊接过程中并非独一无二的。
如上所述,初始摩擦阶段以库仑摩擦为主,该库仑摩擦包括库仑摩擦和组合剪切摩擦以及滑动摩擦,而温度和抗变形的强度会随摩擦的进程增加和逐渐降低。
由于有限元分析计算的合理性和摩擦焊接的复杂性。
我们需要对摩擦焊接过程进行合理简化不然会导致焊接过程的大变形造成的网格畸形,在有限元软件上处理不可避免牺牲一些精度。
一、两工件设定为同一材料,材料各向同性。
二、因为线性摩擦焊接是摩擦生热,我们将摩擦与外界热绝缘。
然后除了最关键的频率、振幅和摩擦参数接触压力,别的有关热传导的参数都设为常数。
三、将其中一工件设置为刚体,只计算一半,这样会先确保计算运行能够进行。
另一半为塑性。
四、在kuron摩擦和剪切剪切摩擦的混合摩擦中,可以看到摩擦减阻系数趋于常数。
几何建模是有限元素分析中的一个基本步骤,它为随后的边界条件、栅格划界等提供了一个支持,并提供了一个合理的几何模型,以提高近似解在随后的研究中的可靠性。
4.3.2数学模型
数学模型是使用语言和数学概念对系统进行描述的一种模型,也可以是满足模型条件的数学表达式和算法。
它是对现实问题进行分析、提炼、简化和抽象,并将其转化为一个相近的描述,并在此基础上利用方法、理论、演绎推理和数学概念对实际现象进行深入的定量或定性研究分析,以深化对所研究的实际问题的认识,并为解决、指导和预测现实问题的一门将数学理论与实际问题相结合为一体的学科。
1、导热模型
根据傅里叶传热基本方程,q=k
T,在三维热传导方程可表示:
其中k为传导系数,p为密度,Cp为比热容,q是内部热源。
(2)
2、输入的摩擦热源场计算
试件在某一时刻的速度可表示为
其中a是振幅,w是振荡角速度,t是时间。
作用于界面上的剪应力为
其中u为摩擦系数,Pn为摩擦压力。
单位界面面积的单位周期产生的热量q为
所以
而平均热效率为
4.3.3二维、网格模型建立
图4-1线性摩擦焊三维原理图
通过COMSOL5.5平台,建立线性摩擦焊几何模型,模型分为两部分,上部分为变形工件和振动模型,下部分为固定模型,变形工件设定为塑性体,固定模型设定为刚体,即建立刚塑性模型。
因为我们将变形工件设为塑性体,固定模型设定为刚体,即不考虑变形问题但有热传导。
所以我们要减少不必要的网格,增加关键位置的网格细化程度,通过网格设定上的简化综合条件实现。
这样不仅提高对研究对象的收敛度,还可以减少了对计算机的负担和时间成本。
下面简单介绍在COMSOL上建立网格的操作步骤:
1、序列类型可选择用户控制的网格或物理场控制的网格:
图4-2网格属性图
在这里我建议选用用户控制网格,因为物理场控制的网格是将你所选的整个域设定同一大小的网格,而你使用用户控制网格的话就可以将摩擦焊接面的网格调整为更加细化,而其他区域则不用,这可以节省计算时间。
图4-3单元大小确定
在大小设置方面,我们可以选用预定义带有9种预置尺寸,开始我们可以选用较细化,随后再慢慢调整,我们也可定制网格大小。
2、线性摩擦焊网格设定:
图4-4网格设定图
图4-5网格信息
4.3.4定义材料基本属性
因线性摩擦焊接是温度急剧变化的过程,材料为非线性。
在材料选择方面:
用户可自定义材料或使用COMSOL自带一定数量的材料库。
我们这次选用材料库中Inconel718[SOLID,FULLHARDENED],下列是对材料属性的说明。
图4-6Inconel718基本物理参数
我们可以使用Comsol材料库内的数据也可以自己查找Inconel718材料有关数据,以下列出图像规律:
图4-7杨氏模量随温度变化规律
图4-8导热系数随温度变化系数
图4-9热容随温度变化规律
4.3.5材料本构数据
本构方程即为流变应力方程,它是能够反映某物质固有性质的一种数学模型。
而在焊接模拟上也是如此,其仿真的可靠性会受
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