一种基于数值模拟的旋转摩擦焊接飞边成形预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数值模拟的旋转摩擦焊飞边成形预测方法，属于焊接数值仿真技术领域，解决了钛合金旋转摩擦焊接数值模拟飞边成形预测不准确的问题。基于钛合金连续驱动摩擦焊接数值模拟，首先建立有限元几何模型，然后设置材料属性参数、进行接触面间的摩擦产热与相互作用设置，以及设置载荷、边界条件、施加预定义温度场、网格划分，最后进行模拟计算及后处理分析。本发明专利技术考虑到摩擦焊接过程中界面摩擦行为的转变，使界面摩擦产热模型更加准确，从而保证钛合金焊后飞边成形预测的准确性，对钛合金连续驱动摩擦焊的飞边成形研究具有重要的价值和意义。有重要的价值和意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数值模拟的旋转摩擦焊接飞边成形预测方法


[0001]本专利技术属于焊接数值仿真
，是石油钻杆用高性能钛合金焊接成形过程、机理及附近物理场演变规律，主要用于旋转摩擦焊飞边成形预测。

技术介绍

[0002]旋转摩擦焊(Rotary Friction Welding，RFW)：因其焊接过程界面温度低于熔点、焊接效率高、接头质量可靠、工艺重复性好、节能和环保等优点，被广泛应用于石油钻杆与接头的连接；近年来随着浅层油气的日益枯竭，深层油气及可燃冰等苛刻环境能源钻采已成为我国能源发展的战略重点，钻采管材服役处于高温、高压、高腐蚀及动载荷运行，环境复杂，钛合金具有低密高强、耐蚀和抗疲劳等特性，是钻采管材的理想材料；而在实际生产中，钻杆与螺纹接头摩擦焊后因其内壁飞边去除困难，导致成型成本增加；若能对石油钻杆与螺纹接头的摩擦焊内壁飞边进行控制，势必会减少成型成本，提高生产效率；而要实现飞边控制，首先要对飞边的成形有一定的预测能力，方可进行进一步的控制，因此对旋转摩擦焊飞边的成形预测是必要的。
[0003]旋转摩擦焊过程一般划分为如图1所示的几个基本过程，焊接时，旋转工件在电机驱动下开始高速旋转，移动工件在轴向力作用下逐步向旋转工件靠拢，当两侧工件接触并压紧后，摩擦界面上一些微凸体首先发生粘结与剪切，并产生摩擦热。随着实际接触面积增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦界面处的温度也随之上升，摩擦界面逐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖。此时，两侧工件的相对运动实际上发生在这层粘塑性金属内部，产热机制已由初期的摩擦产热转变为粘塑性金属层内的塑性变形产热。随着摩擦热量向两侧工件的传导，焊接面两侧的温度亦逐渐升高，在轴向压力作用下，焊核区金属发生径向塑性流动并被挤出，从而形成飞边，轴向缩短量逐渐增大。随摩擦时间延长，摩擦界面温度与摩擦扭矩基本恒定，高温区逐渐变宽，飞边逐渐增大。当焊缝区的变形达到一定程度后，旋转工件转速已经很低(惯性摩擦焊)或开始制动刹车(连续驱动摩擦焊)。而后施加顶锻力，在顶锻后的保压过程中，焊合区金属通过相互扩散与再结晶，使两侧金属牢固焊接在一起，从而完成焊接过程。在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过熔点，故摩擦焊属于固相焊接。钛合金的旋转摩擦焊的飞边成形研究成本高，试验开展困难，而数值模拟作为一种研究旋转摩擦焊过程的重要手段，可对焊接过程飞边的形成进行可视化的分析。从国内外的研究现状来分析，钛合金旋转摩擦焊的数值模拟方法目前研究较少，西北工业大学金峰的Ti
‑
6Al
‑
4V旋转摩擦焊接头形貌对径向组织及性能的影响(Jin F,Rao H,Wang Q,et al.Heat
‑
pattern induced non
‑
uniform radial microstructure and properties of Ti
‑
6Al
‑
4V joint prepared by rotary friction welding[J].Materials Characterization,2023,195:112536)一文基于DEFORM建立了TC4棒材连续驱动摩擦焊的二维有限元模型，研究了不同飞边状态下的应力应变场和温度场的变化，并通过界面塑性金属的粘度和径向挤出速度表征其挤出行为，从热力耦合角度研究飞边成形机理。研究发现接头产热主要集中在外缘部位且热影响区的宽度较小；飞边外缘会受到轴向拉应力，并且粘合飞边所受轴向拉应力
小于分离飞边。另外，随着转速增加，界面塑性金属的粘度逐步减小而径向挤出速度逐步增加，使低转速时容易形成粘合飞边，高转速时形成分离飞边。长春工业大学李潍的TC4钛合金惯性摩擦焊数值模拟(李潍.TC4钛合金惯性摩擦焊焊接过程的数值模拟[D].长春工业大学硕士论文,2018)一文基于ABAQUS对TC4棒材IFW过程进行研究，研究指出焊接界面温度和轴向缩短量是工艺参数选择的重要指标。当焊接界面温度进入稳态阶段的速度越快、焊件轴向缩短量越大时，焊接质量越好。对建立好的模型进行计算分析，研究不同工艺参数(转动惯量、转速、摩擦压力)对焊件轴向缩短量和焊接界面温度变化的影响，确定最优工艺参数，并在此基础上进行焊接实验，结果表明，数值模拟得出的工艺参数在一定范围内对惯性摩擦焊的焊接优化具有一定的指导作用，实际焊接结果表明焊接质量良好，变化基本符合数值模拟焊接的规律。虽然近些年钛合金旋转摩擦焊的数值模拟研究有一定的进展，但整体研究仍不够全面，尤其是在飞边成形的预测方面，现有的研究并不能对钛合金旋转摩擦焊的飞边形貌做出准确预测，因此，建立一种基于数值模拟的飞边成形预测方法具有重要意义。

技术实现思路

[0004]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于数值模拟的飞边成形预测方法，基于钛合金连续驱动摩擦焊数值模拟，考虑到常用的Johnson
‑
Cook本构模型不能很好地反映TC4钛合金在1000℃以上的流变应力，因此采用列表格的方法来建立材料的本构；此外，充分考虑到摩擦焊过程中界面摩擦行为的转变，提高模型精度；为钛合金旋转摩擦焊飞边成形研究提供参考。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种基于数值模拟的飞边成形预测方法，具体步骤如下：
[0007]步骤1：建立有限元几何模型；
[0008]首先，采用ABAQUS软件，进入Part模块建立TC4管材钛合金连续驱动摩擦焊接的二维有限元模型，所述几何模型包括三部分：轴对称的壳单元可扭转变形体工件焊接顶管和焊接底管及焊管中心轴线。
[0009]步骤2：设置材料属性参数；
[0010]进入ABAQUS模拟软件的Property模块，设置TC4钛合金的材料属性参数，创建TC4钛合金实体均质截面，并赋予步骤1中的轴对称壳单元可扭转变形体工件几何模型截面属性；
[0011]所述材料属性包括TC4钛合金的密度、杨氏模量、泊松比、非弹性热系数以及随温度变化的热导率、比热容和流变应力，其中流变应力与广泛采用的Johnson
‑
Cook本构模型不同，本专利技术的流变应力采用列表格的方法给出，数据来源于JmatPro软件；
[0012]步骤3：建立基准面；
[0013]进入ABAQUS模拟软件的Assembly模块，分别将顶部焊管和底部焊管分割为母材区和近缝区，并在分割处建立基准面；
[0014]步骤4：设置焊接时间分析步及场输出、历程输出；
[0015]进入ABAQUS模拟软件的Step模块，建立温度
‑
位移耦合分析步，设置焊接时间；输出顶管的位移量、界面温度场、应力应变场及热流密度变化，输出焊接过程中界面最大温度
及轴向缩短量变化；
[0016]步骤5：进行接触面间相互作用及摩擦行为设置；
[0017]进入ABAQUS模拟软件的Interaction模块，首先设置接触面间的相互作用，对焊接顶管和焊接底管采用“平衡主从”设置，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数值模拟的旋转摩擦焊飞边成形预测方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：建立有限元几何模型；首先，采用ABAQUS商业模拟软件，进入Part模块建立TC4管材钛合金连续驱动摩擦焊接的二维有限元模型，所述几何模型包括三部分：轴对称的壳单元可扭转变形体工件焊接顶管和焊接底管及焊管中心轴线；步骤2：设置材料属性参数；进入ABAQUS模拟软件的Property模块，设置TC4钛合金的材料属性参数，创建TC4钛合金实体均质截面，并赋予步骤1中的轴对称壳单元可扭转变形体工件几何模型截面属性；所述材料属性包括TC4钛合金的密度、杨氏模量、泊松比、非弹性热系数以及随温度变化的热导率、比热容和流变应力，其中流变应力采用列表格的方法给出，数据来源于JmatPro软件；步骤3：建立基准面；进入ABAQUS模拟软件的Assembly模块，分别将顶部焊管和底部焊管分割为母材区和近缝区，并在分割处建立基准面；步骤4：设置焊接时间分析步及场输出、历程输出；进入ABAQUS模拟软件的Step模块，建立温度
‑
位移耦合分析步，设置焊接时间；输出顶管的位移量、界面温度场、应力应变场及热流密度变化，输出焊接过程中界面最大温度及轴向缩短量变化；步骤5：进行接触面间相互作用及摩擦行为设置；进入ABAQUS模拟软件的Interaction模块，首先设置接触面间的相互作用，对焊接顶管和焊接底管采用“平衡主从”设置，接触类型为面对面接触，滑移方式为有限滑移，离散方式为点到面；对焊接顶管和焊接底管分别设置自接触，离散方式为点到面；焊接界面设置为无摩擦，焊接界面之间，焊接管道与飞边之间的接触皆设为软接触；步骤6：设置载荷及边界条件，施加预定义温度场；进入ABAQUS模拟软件的Load模块，在焊件顶管上表面施加均匀分布的摩擦压力，分别在焊件顶管和焊件底管的焊接界面上施加热载荷，热流密度q由式(1)计算：式中η为与焊接界面压力分布相关的系数，τ为焊接界面的剪切力，ω为转速，r为与圆心的距离，R为管外径；焊接底管完全固定，顶管不施加约束条件；由于焊接过程时间非常短，在焊接时间内，焊接界面摩擦产热远大于对流散热，因此假设所有边界都是绝热的；步骤7：设置网格属性；进入ABAQUS模拟软件的Mesh模块，采用整体布种和边布种的方式划分设置变形体工件的网格尺寸；母材区采用默认的网格尺寸，近缝区采用更为细密的网格尺寸；步骤8：模拟计算和后处理分析；在ABAQUS模拟软件的Job模块中，将自定义热源子程序提交，然后进行模拟计算，通过重网格技术对网格畸变进行控制；对焊后飞边形态、温度场、应力应变场、界面温度变化及
轴向缩短量变化等进行分析。2.根据权利要求1所述一种基于数值模拟的旋转摩擦焊飞边成形预...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐雅欣，陈文学，李文亚，杨夏炜，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：