45钢线性摩擦焊接头温度场的数值模拟与实验验证

摘要

线性摩擦焊接(Linear Friction Welding：LFW)作为一种精密材料连接技术，在国外已经成功应用于高推重比航空发动机整体叶盘的制造与维修。研究LFW过程中温度场变化及分布规律对于深入探讨LFW的物理机制及进行工艺试验研究有着重要的意义。 本文建立了LFW焊机振动系统的简化模型，分析推导了LFW过程中摩擦界面不同部位摩擦产热功率的变化关系；并通过运用采集驱动电机电压及电流的方法，得到了摩擦热功率与摩擦系数μ的变化曲线。 在上述工作的基础上，本文利用有限元分析软件ANSYS建立了45钢LFW过程中三维热分析有限元计算模型，计算了45钢LFW过程中三维温度场的分布，探讨了焊缝及热影响区温度随时间的变化规律。 本文还对淬火45钢进行了LFW工艺试验。结果表明，焊接试件轴向缩短量随摩擦时间的增加而呈指数规律迅速增加。对焊缝区、变形区及热影响区的金相组织分析结果表明，淬火45钢LFW过程中，焊件不同部位的显微组织随着回火温度的变化而相应变化。根据显微硬度测试及金相组织分析结果，得出了淬火45钢LFW接头显微硬度与回火温度的关系，并由此推断出焊接接头温度场的变化规律。将金相法测定的接头温度场和有限元计算温度场的结果进行比较，发现有限元模拟温度与实际温度存在一定误差。论文分析了误差产生的原因，并对模拟结果作了相应修正，修正后的三维热分析有限元的计算方法，可以较为准确地模拟LFW过程中温度的变化，这对深入开展LFW工艺试验研究有着重要的理论及工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1研究背景

1.2摩擦焊技术及其发展现状

1.2.1连续驱动摩擦焊

1.2.2搅拌摩擦焊

1.2.3耗材摩擦焊

1.2.4线性摩擦焊

1.3计算机数值模拟技术及其在摩擦焊中的应用

1.4选题意义及研究内容

第2章线性摩擦焊的热功率及其数学模型

2.1线性摩擦焊机的结构及主要技术指标

2.1.1振动及回位机构

2.1.2加压机构

2.1.3床身

2.2线性摩擦焊机振动试件运动学公式推导

2.3线性摩擦焊接过程的热输入分析

2.3.1摩擦焊热源的特点

2.3.2热过程分析的三种情况

2.4线性摩擦焊过程摩擦系数的测定

第3章淬火45钢线性摩擦焊接头温度场的有限元模拟

3.1 ANSYS软件及其有限元计算过程

3.2淬火45钢线性摩擦焊接头温度场分析

3.2.1温度场的基本理论及热传递方式

3.2.2温度场计算的基本公式

3.3淬火45钢线性摩擦焊接头温度场有限元模拟

3.3.1计算过程

3.3.2有限元计算模型的建立

3.3.3有限元模拟热输入分析

3.4温度场的模拟结果

第4章淬火45钢线性摩擦焊工艺试验及温度场验证

4.1试验材料及工艺

4.1.1试验材料

4.1.2试验方法

4.1.3焊接工艺参数

4.2摩擦时间与轴向缩短量的关系

4.3摩擦时间tf对飞边形貌的影响

4.4焊接接头显微硬度测定

4.5焊接接头组织及其变化特点

4.6焊接接头温度场的确定及验证

4.7模拟温度场与验证温度场的差异及修正

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢

附录 驱动电机的线电压U、线电流I采样及计算公式推导