摘要：以高性能航空发动机涡轮盘和压气机盘为背景，采用有限元数值模拟方法，对GH4169合金模拟件的惯性摩擦焊接过程进行了分析与计算；基于金属塑性变形的物理基础，建立了GH4169合金惯性摩擦焊接过程显微组织的演化模型；通过高温合金在热成形过程中的再结晶发生条件、再结晶体积分数、晶粒尺寸与热力参数（应变速率、应变程度、成形温度）之间的映像关系，对惯性摩擦焊接热力影响区的再结晶组织进行了模拟计算。从而为合理地制定焊接热力规范，提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了参考。
0 序 言
摩擦焊接技术是一种高效的固态连接方法，其接头质量好，自动化程度高，在国防工业领域具有非常广阔的应用前景。摩擦焊接过程实际上是一种靠摩擦加热、靠顶锻成形的塑性加工过程，其焊接热力规范的选定，直接影响到焊接接头的质量。
传统的工艺设计方法是在实践的基础上，通过多次试验和分析，来获得合适的工艺规范。这种工作方式劳动量大、成本高、生产效率低、通用性差。考虑到高温合金等难变形材料的成分复杂，合金化程度高，焊合区的组织和性能对焊接热力参数敏感且难以控制等特点，采用有限元数值模拟方法来研究GH4169合金的惯性摩擦焊接过程，可以大幅度地降低产品的研制风险和盲目性，并能为后续生产过程的质量控制提供技术基础。
GH4169合金是一种铌强化的沉淀硬化型铁镍基高温合金［1］。其基体是Ni-Fe基奥氏体（γ相），主要强化相是体心四方的Ni3Nb（γ″）相，此外还有γ′相、δ相和碳化物等。一般认为在层错能较低的面心立方奥氏体合金中，动态再结晶是热成形过程中常见的一种软化机制，也是细化晶粒的主要途径之一，在描述GH4169合金显微组织的各项参数中，晶粒尺寸是决定焊接接头热影响区性能优劣的关键因素［2,3］。
本文以高性能航空发动机涡轮盘和压气机盘为背景，利用有限元数值模拟方法，对GH4169合金模拟件的惯性摩擦焊接过程进行了分析与计算，获得了焊接件热力影响区的瞬态温度场、应力场、应变场和位移及能量场的分布与变化规律。利用建立的再结晶组织演化模型，分析研究了焊接区域再结晶组织的分布规律。从而为合理地制定惯性摩擦焊接的热力规范，提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了技术保障。
1 有限元数值模拟模型
1.1 摩擦焊接规范参数
摩擦焊接过程中，被焊金属的状态和性能都会发生一系列的变化，这些变化与焊接工艺参数密切相关。通常选定的摩擦焊接规范参数有：主轴转速n/（r·s-1）；转动惯量I/（kg·m2）； 摩擦压力pf/MPa；摩擦时间tf /s； 顶锻压力pd/MPa；顶锻时间td/s。
1.2 试件的几何模型
惯性摩擦焊接试件为管状试件,其直径为23mm、壁厚为4mm、长度为95mm。由于是轴对称结构件，且焊合区沿摩擦面对称，故在95mm×4mm的矩形截面上建立有限元模型。
1.3 试件的网格模型
在求解区域内，划分有限元网格见图1。
采用局部区域有限元网格自动加密的办法来提高模拟的精度和计算效率（网格边长的设定值在0.1~2mm范围内变化，经拓扑优化后，摩擦面附近的网格边长控制到了0.062mm），共分成1888个单元和4167个节点。
1.4 试件的材料模型
惯性摩擦焊接的试件材料GH4169合金直接取自航空发动机的涡轮盘锻件，其热物性参数是温度的函数。在有限元数值模拟时定义材料流动应力σ、弹性模量E、材料密度ρ、线膨胀系数α、比热容c、导热系数λ、换热系数β、熔融潜热的焓H、泊松比μ、切变模量G和摩擦系数m等参数为温度的函数。
1.5 试件的边界条件
惯性摩擦焊接时，试件的摩擦表面为材料变形的对称面，在该面上由于摩擦而产生热量，有限元计算时在该面上施加热流密度，并定义材料流动以摩擦表面为对称面［4,5］。
进入本世纪未的最后几年来，热闹的中国工业设计交流舞台上，除了国人举办各种设计研讨、学术交流以及竞赛活动外，又增加了新的景观：一些捷足的国外设计公司和设计家纷纷来华访问，登台亮相。请看如下的事实：
１９９８年３月１８日-１９日，北京举办"西方工业设计研讨会"，美国工业设计协会主席克里格·佛格尔（Craig Vogel）、美国工业设计协会执行总裁罗伯特·史瓦茨(Boberts Shwartz)、美国青蛙设计总裁丹尼尔·哈顿(Daiuel Hardeen)和美国摩托罗拉公司设计部主任布鲁斯克莱斯顿（Blaxton）专程来华演讲，介绍本国工业设计发展状况及本公司的设计过程与设计实绩。
１９９８年１０月３０日-１１月１日，北京举办中日设计高级研讨会，日本国际设计交流协会以及数家日本设计公司，面向中国的大中型企业开展交流研讨。他们听取中国企业对自身工业设计发展状况的介绍，了解各企业对设计的需求，并介绍日本工业设计的发展及设计对企业的促进作用，展示了日本优秀工业设计（G-mark）产品。研讨中，宣传日本的设计能力是重要议题。值得注意的是本次研讨会由日本方面出资，并且每年举办一次，本年度将在上海、广州继续举办，同样由日方出资赞助。
１９９９年３月２５日，英国科瑞那（Corina）公司在珠海市召开面向当地外向型企业的工业设计交流会，介绍英国和欧洲的工业设计，明确提出该公司接受产品设计的委托，宣称其所拥有和联络的设计师遍布欧洲各国，可以完成目标市场为欧洲任何一国的产品设计任务。
１９９９年５月５日，广州举办"首届工业设计展示会"，美国FITCH、 EDGE、 HLB、 5D等数家设计公司轮番介绍各自的设计思想、设计程序以及各种成功的设计作品。参加会议的有来自全国各地近百家著名企业的一百多名代表。本次展示会的一大特点是，不邀请国内工业设计公司参加，某些设计公司再三争取均遭谢绝。
１９９９年５月7日-10日，上海举办国际艺术设计博览会，部分国内设计公司和国外设计公司参展，著名设计家克拉尼也携作品参加了本次博览会。本次活动虽属文化交流性质，但参展的公司同样带有开发国内设计市场，争取企业设计委托任务的目的。
另据介绍，由国内外代理机构或人员带领，直接前往国内某些具有影响力的家电企业登门拉单，寻求设计委托的国外设计公司亦有多家。
据悉，日本著名的ＧＫ设计公司继９３年与海尔公司合作组建"海高工业设计公司"之后，正进一步考虑在我国北京、上海、广州等地独资建立设计公司。
