邊界散熱條件對TC4線性摩擦焊接溫度場的影響

李文亞，石善祥，王非凡

（西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室 摩擦焊接陜西省重點實驗室，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、焊接過程綠色環保、焊縫鍛造組織、高接頭對接率、少缺陷的新型先進固相焊接技術[1-2]。目前已成為先進航空發動機整體葉盤設計與制造的關鍵技術，是在大型寬弦空心葉盤的制造唯一可能的連接技術。然而由于線性摩擦焊的短時、極快的升溫速度、冷卻速度、強熱力耦合和局部大變形塑性特點，焊接溫度場、應力場和界面塑性流動的試驗研究存在諸多困難，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，計算中考慮材料非線性和邊界條件的影響，同時考慮了飛邊擠出階段鈦合金氧化放熱反應對摩擦焊接過程熱分布的影響，模擬結果采用盲孔法熱電偶測溫進行驗證。Tao等人[4]采用DEFORM軟件，采用熱力耦合方法計算了TC4線性摩擦焊接過程接頭升溫和降溫過程，通過網格重劃技術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不同截面的工件進行模擬，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，而其對線性摩擦焊接頭溫度場的影響尚無相關文獻。本研究基于ABAQUS軟件建立TC4鈦合金線性摩擦焊二維數值模型在不同邊界散熱條件下進行模擬，研究了不同邊界散熱條件對TC4鈦合金線性摩擦焊溫度場影響。

1 數值分析

1.1 有限元模型

線性摩擦焊是一個復雜的熱力耦合過程，如果以實際尺寸建模必將大大增加計算難度[7]，因此本研究采用1/2模型進行模擬，即焊接界面采用剛體代替對稱的另一工件。如圖1所示，模型尺寸為18 mm×45 mm，網格劃分采用線性、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。預設摩擦時間（升溫階段）為3 s，降溫階段為100 s進行模擬計算。試件與剛體面采用面-面接觸，界面摩擦系數為隨溫度變化量，單一試件模型，設定摩擦熱的50%傳給試件。塑性變形功熱轉換系數設為0.9，初始溫度15℃。計算工藝參數為摩擦壓力50 MPa、振幅3 mm、頻率35 Hz。

1.2 模擬材料和本構

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

圖1 計算模型與網格劃分示意

圖2 TC4不同溫度下比熱容和熱導系數

2 邊界散熱條件和設置

線摩擦焊接過程中試樣散熱可分為：工件與夾具熱傳導、工件與空氣對流換熱及熱輻射。Ceretti等人[5]采用的工件與夾具接觸熱傳導系數高達1.1×106W/（m2·K），顧守巖等人[9]對氬氣強制對流換熱系數達600 W/（m2·K），而鄭振太等人[10]研究發現400℃以上輻射換熱大于自然對流換熱。為研究散熱條件對線性摩擦焊的焊接過程中溫度場的影響，本研究將輻射換熱與對流換熱統一為一個隨溫度變化的系數，而夾具熱傳導散熱系數取固定值，表1為計算采用的A、B和C三種不同散熱條件。

3 模擬結果和討論

3.1 邊界散熱條件對接頭溫度場的影響

圖3為相同焊接工藝參數，不同邊界散熱條件

表1 計算采用的三種散熱條件 W/(m2·K)

下（A、B和C）摩擦終了時刻接頭溫度場。由圖3可知，接頭高溫區（大于600℃）集中在焊縫及飛邊區域，并且接頭最高溫度約為1 000℃。此外邊界散熱條件對接頭高溫區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于摩擦產熱量小得多。

圖3 摩擦終了時刻不同散熱條件下接頭溫度場

圖4為不同邊界散熱條件下冷卻100 s時接頭溫度場。由圖4可知，在相同冷卻時刻，隨著散熱系數的增加，接頭整體溫度明顯降低。在t=100 s時，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接頭焊后溫度場的演變具有重要影響。

圖4 冷卻終100 s時不同散熱條件下接頭溫度場

3.2 邊界散熱條件對焊接界面中心點熱歷史影響

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

圖5 不同散熱條件下焊接界面中心點熱歷史

3.3 邊界散熱條件對軸向縮短量影響

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，其對應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 結論

基于所建立的數值模型對TC4線性摩擦焊在三種不同邊界散熱條件下進行模擬可知：在摩擦階段，邊界散熱條件對工件接頭溫度場、飛邊形貌及軸向縮短量基本沒有影響。在冷卻階段，邊界散熱條件對接頭溫度場呈現不同影響，在接頭溫度場均勻化之前，散熱條件對接頭溫度場幾乎沒有影響；而在接頭溫度場均勻化之后，散熱條件對接頭溫度場有較大影響。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℃。

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