摩擦焊接头塑性变形产热机制与温度场演变规律研究

本项目针对强烈热-力耦合作用下摩擦焊接过程中热源机制这一亟待阐明的科学问题，以钢的旋转摩擦焊与钛合金的线性摩擦焊为研究对象，以铅锡合金等软金属为模拟材料，采用物理模拟试验方法，系统研究模拟条件下塑性变形条件（变形量、变形速率、变形温度）对塑性变形产热的影响及规律；通过理论分析，建立模拟条件下塑性变形产热的比较精确的数理模型；在试验设计的基础上，通过修正与试验验证确立摩擦焊接条件下接头塑性变形产热的精确数理模型；利用ABAQUS软件环境及二次开发，数值模拟研究探讨摩擦焊接头温度场分布及演变规律。通过以上研究，以期明确摩擦焊接头塑性变形产热为焊接热源的主导机制，阐明摩擦焊接过程中塑性变形产热机制及其规律。该项目成果将为研究接头塑性流动行为与组织结构、控制接头缺陷、提高接头可靠性提供基础，为摩擦焊接在国内关键构件上的拓展应用提供理论支持。

本项目针对强烈热-力耦合作用下摩擦焊接过程中热源机制这一亟待阐明的科学问题，进行了为期三年的研究，已完成项目计划内容，并基于研究成果进行了拓展应用研究。. 首先采用低熔点铅锡合金(Sn63A)帽型试样进行压缩剪切试验，对摩擦焊接头塑性变形产热数理模型进行了研究。当加载速度为1000mm/min时，塑性变形过程中温升区域主要集中于应变集中的剪切带内，最大温升约5.1℃。采用ABAQUS软件对塑性变形过程产热行为进行了数值分析，随着加载速度的增大(10^3-10^6mm/min)，局部剪切区发生明显温升，温升区域宽度逐渐减小。塑性变形温升与应变速率呈明显的指数关系，温升与应变速率对数呈线性正比关系。随后，采用Gleeble-3500热物理模拟实验机对不同材料试样进行了热压缩试验，建立了不同应变条件下不同材料的本构方程。. 然后，采用建立的塑性变形产热数理模型对典型材料钢和钛合金的摩擦焊进行了数值分析，并进行了实验验证。结果表明，钢的旋转摩擦焊接头初始阶段界面温度迅速上升，t=2s时开始挤出飞边，t=3.5s时工件转动停止，进入顶锻阶段，飞边尺寸达到最大，接头形貌的模拟与试验结果吻合较好。对TC17合金线性摩擦焊来说，t=1s时接头界面最高温度急剧上升至1257℃，且温升区集中于界面附近较小区域，随着时间的延长，在界面附近逐渐挤出金属，形成飞边；t=2-3s时界面最高温度基本保持不变；除飞边以外，接头高温区域形貌基本不变，表明焊接过程达到了准稳态。另外，在研究20号钢线性摩擦焊冷却过程中，发现了热回流现象，即接头飞边内部的热量回流到接头内，并对飞边根部组织与性能产生影响。通过以上研究，明确了摩擦焊接头以塑性变形产热为主导的焊接热源机制。. 此外，作为成果拓展，通过数值计算与实验研究揭示了铝合金搅拌摩擦焊过程中垫板热耗散对接头温度场的影响规律，提出了采用复合垫板调节搅拌摩擦焊接头温度分布以改善接头性能的新方法。结果表明，与单一垫板相比，复合垫板有效的提高了搅拌摩擦焊接头的强度与韧性。. 该项目成果将为研究接头塑性流动行为与组织结构、控制接头缺陷、提高接头可靠性提供基础，为摩擦焊接在国内关键构件上的拓展应用提供理论支持。