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热加工传输原理应用.doc
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2021-10-12
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热加工传输原理大作业
题目:
焊接接头中金属的流动与数值模拟在焊接中的应用
:
班级:
学号:
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工业大学材料科学与工程学院
焊接接头中金属的流动与数值模拟在焊接中的应用
: 班级: 学号:
金属的处理过程中总是伴随着“三传现象”,即“动量传输,热量
传输和质量传输”。焊接过程中,在焊接接头处热量的散发,异种原
. . . .
子在焊接接头的扩散,与外部能量的输入均对结晶后的焊接接头组
织产生重大影响,由于组织决定性能,因此将对接头的性能产生很
大影响。本篇文章以摩擦焊为例,研究接头塑性金属的流动行为,
以与热传输原理中数值分析在焊接中的应用。
1、摩擦焊接头的金属流动性。
1.1 摩擦焊接
摩擦焊接作为一种优质、精密、高效、节能和环保的固相连接技
术,在航空航天与一般工业领域都有着巨大的应用潜力,在轻量化、
高可靠性与低成本的装备制造中具有独特的优势。在国外工业强国,
惯性摩擦焊(IFW)已成功用于航空发动机粉末盘与轴的连接,线性摩
擦焊(LFW)已被应用到高推重比航空发动机整体叶盘的关键制造,
搅拌摩擦焊(FSW)已用于飞机机舱等大型铝合金构件的制造。国也
将摩擦焊应用到了部分构件制造上。国对摩擦焊的研究主要集中在
对摩擦焊工艺与应用的研究。摩擦焊是一个涉与温度、力学、冶金
与其相互作用的高度复杂过程,此过程中以摩擦界面处材料的塑性
变形为主,界面处塑性金属流动的产生以与流动行为将会影响到热
源的产生以与界面的扩散与动态回复再结晶,进而影响到焊接接头
的质量。塑性金属层是否连续、完整和牢固地覆盖于摩擦界面,对
能否形成无缺陷、优质的焊接接头具有重要影响。因此,研究摩擦
焊接过程中塑性金属流动行为非常重要。
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. . . .
1.2 旋转摩擦焊接头的金属塑性流动。
国外早期有关摩擦焊的研究主要集中在旋转摩擦焊接头形成过程
中塑性流动与温度场的数值研究。1973 年,Dun 与 Bahrani 对
低碳钢管的连续驱动摩擦焊接过程进行了实验研究与分析,将工艺
规参数与试样的变形情况进行了相关分析。 1985 年,Francis 与
Craine 针对薄壁管件的连续驱动摩擦焊过程的摩擦阶段(不包括顶
锻阶段)进行了分析,将变形层当做大粘性系数的牛顿流体,研究了
变形层厚度、轴向缩短量与温度的关系。1994 年,Midling 与
Grong 采用实验与解析方法研究了 Al-Mg-Si 合金与 Al-SiC 复合材
料的摩擦焊接过程中的温度变化与塑性流动行为,预测了接头的应
变场与温度场。1997 年,Bendzsak 等人通过解析的方法,对惯
性摩擦焊接头的塑性金属流动行为进行了初步的阐述。以上文献摩
擦热的处理都是以当量热流密度的形式从摩擦界面输入,模型简化
过多,尽管部分计算结果与实验结果吻合,摩擦焊条件下的塑性流
动行为仍然没有被很好地说明。国在 1984 年采用了急停技术对 45
钢连续驱动摩擦焊接过程中变形层和高温区的扩展过程进行了研究。
实验开展了摩擦压力和摩擦时间对变形层和高温区扩展过程规律的
研 究 , 并 揭 示 了 在 摩 擦 加 热 开 始 时 , 变 形 层 首 先 在 距 离 圆 心
1/2~2/3 半径处的摩擦表面上形成。变形层的厚度随摩擦压力的增
大而增大。史弼采用解析法对摩擦焊接过程中的高温塑性变形区进
行研究,定性地分析了焊接参数对塑性区宽度的影响。
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. . . .
1.3 搅拌摩擦焊接过程的塑性流动。
在搅拌摩擦焊接过程中,工具形状、焊接参数和待焊材料直接
影响焊缝金属的塑性流动,从而决定了焊核区、热机械影响区、热
影响区的大小和性能。
2、焊接过程的数值模拟。
2.1 焊接影响因素
焊缝组织的形成过程复杂,受诸多因素影响,如焊缝金属与母
材成分、焊接热循环过程、焊缝中夹杂物尺寸和分布、奥氏体晶粒
成分和尺寸等等。通过相变热力学计算,可确定铁素体、珠光体、
贝氏体等形核孕育时间以与转变开始温度;通过相变动力学计算,
可确定新生相晶粒生长速度并计算最终的质量百分比。由于焊接是
一个不平衡的连续冷却过程,进行热力学、动力学计算比较困难,
而且组织转变过程中的部分参量尚未有明确的物理模型和数学表达
式,因此,模拟接头微观组织仍然十分困难。但随着计算机技术的
发展,计算机模拟在焊接领域中已得到越来越广泛的应用。很多的
科研工作者进行了大量的研究,并取得了很大的进展。其研究主要
集中在以下几个方面。1.焊接热过程的数值模拟;2.焊接熔池流体
流动以与焊缝形状、尺寸的数值模拟;3.焊缝金属凝固和焊接接头
相变过程、组织变化的数值模拟;4.焊接应力和应变发展过程的数
值模拟;5.非均匀焊接接头的力学行为的数值模拟;6.焊接结构断
裂韧性、疲劳裂纹扩展、焊接热影响区氢扩散的数值模拟等。在此
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