一种摩擦堆焊修复铝合金表面沟槽的工艺参数优化方法

本发明涉及一种工艺参数优化方法，特别涉及一种摩擦堆焊修复铝合金表面沟槽的工艺参数优化方法，属于工艺参数优化。

背景技术：

1、工程中的零部件在服役过程中会受到复杂的应力应变状态以及各种环境因素的影响，例如振动、腐蚀、高温等等，其表面不可避免地产生疲劳损伤及裂纹，这会大大降低整个零件的性能以及使用寿命。因此，对表面损伤进行及时修复是非常有必要的。

2、由于损伤区域一般是不规则的，可根据损伤区域的尺寸，采用机械加工的方式，加工出一定宽度与深度的沟槽，将损伤区域去除，再通过增材工艺将区域完全填充。摩擦堆焊作为一种新型固态增材制造方法，可以避免基于熔合的增材技术中常见的孔隙、收缩、裂纹、偏析等等问题。此外，沉积层通常是细晶粒的，这有助于改善微观组织，从而获得良好的硬度以及机械、磨损和腐蚀性能。

3、为了保证沉积层材料能够填充至沟槽底部，需要维持沉积层材料的流动性，使材料处于热塑性状态，因此在摩擦堆焊修复过程中需要足够的热量输入。但热量输入过高，会导致沟槽变形严重，反而不利于材料的填充。热量输入过低，导致材料流动性不足，无法填充到沟槽底部。因此合适的热量输入，对于摩擦堆焊修复沟槽来说至关重要。摩擦堆焊的工艺参数包括转速、横移速度、轴向进给速度，其中转速与横移速度对摩擦堆焊过程中的热输入影响较大。前期只通过实验来获取合适的工艺参数会消耗大量的时间与资源，因此通过增材修复模拟来代替大部分实验是非常有必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种摩擦堆焊修复铝合金表面沟槽的工艺参数优化方法。首先要建立摩擦堆焊增材修复模拟过程，使用三维软件建立摩擦堆焊增材修复三维模型，包括沉积层、填充层以及带有沟槽的基体，并导入到abaqus中进行装配与合并，在abaqus中对三维模型赋予随温度变化的材料参数、划分网格并设置边界条件，再通过python脚本设置model change功能，实现沉积层与填充层单元的删除与再激活。在实现增材填充过程的基础上，使用摩擦堆焊热源模型建立修复过程中的热量输入。增材修复模拟设置完成后，修改热源模型中转速与横移速度的数值来实现不同工艺参数下温度场模拟，结合修复过程中的温度场并通过设置节点路径来提取沿摩擦表面法向的温度梯度，根据沟槽底部温度与铝合金处于热塑性状态的最低温度、摩擦表面温度与铝合金熔点范围内最高温度来获取工艺参数范围，最后通过摩擦堆焊修复实验与金相组织观察确定最优的工艺参数。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是模拟结合实验的工艺参数优化方法。该方法的具体步骤如下：

3、步骤1：摩擦堆焊增材修复三维模型的建立

4、模型包括带有沟槽的基体、填充到基体沟槽内的填充层以及在填充层之上的沉积层，使用三维软件建模完成后，保存为step格式并导入到abaqus中进行装配与合并；

5、步骤2：材料参数的赋予、网格划分与边界条件的设置

6、通过步骤1建立的三维模型，需要赋予模型材料随温度变化的材料参数包括热导率、密度、比热；对整个模型进行网格划分，网格划分采用八节点线性传热六面体单元(dc3d8)；边界条件设置模型的初始温度、对流换热边界条件；

7、步骤3：设置model change功能，能够实现增材填充过程

8、使用python脚本设置model change功能，通过步骤2中网格划分，使用modelchange功能使沉积层单元与填充层单元的删除与激活同步进行，从而能够实现增材填充过程；

9、步骤4：摩擦堆焊热源模型的建立

10、通过步骤3实现增材填充设置后，再建立摩擦堆焊的热源模型以获取修复过程中的热量输入，建立过程如下：

11、由摩擦堆焊的热源模型可得：

12、

13、其中q为摩擦表面产热功率，μ为摩擦系数，n为耗材棒转速，f为耗材棒轴向压力，r和r分别为耗材棒的半径和摩擦加热表面的半径；

14、热源(可以认为摩擦运动的耗材棒)的沿基体横移速度为v，移动距离为d，则有式(2)：

15、d＝vt   (2)

16、其中t热源移动的时间；

17、参考于搅拌摩擦焊热源模型，假设轴肩底端上任意一点d与热源中心的距离为rd，则有式(3)：

18、

19、其中xt与yt为t s(指的是秒)时d点相对于x0与y0的横坐标与纵坐标(x轴方向平行于基体沟槽长度方向)，x0与y0为热源中心的起始横坐标与纵坐标；则d点的热流密度qr1为式(4)：

20、

21、其中q为摩擦表面产热功率，r1为搅拌针半径，r0为轴肩半径。

22、在摩擦堆焊过程中，不存在搅拌针，只有耗材棒底端与基体表面进行摩擦产热，采用耗材棒底端为面热源，则d点的热流密度qr2为式(5)：

23、

24、其中q为摩擦表面产热功率，r为耗材棒半径。

25、由耗材棒和基体组成的摩擦系统，在进行系统的温度场模拟时，界面存在热量分配问题，流入基体的热流qs为式(6)，热流分配系数η为式(7)：

26、qs＝ηqr2   (6)

27、

28、其中，λ1，λ2分别表示耗材棒与基体的导热系数；ρ1，ρ2分别表示耗材棒与基体的密度；c1，c2分别表示耗材棒与基体的比热容，耗材棒与基体材料相同时则η为0.5。

29、步骤5：在abaqus中提交作业进行温度场模拟

30、根据步骤1-步骤4，创建作业后，在abaqus中提交作业进行摩擦堆焊增材修复温度场模拟；

31、步骤6：温度梯度的获取

32、通过步骤5获得摩擦堆焊增材修复过程的温度场并通过设置摩擦表面法向的节点路径进而提取沿摩擦表面法向的温度梯度，所述的节点路径至少包括垂直为垂直摩擦表面的法向分布的沉积层上表面一点、沉积层与填充层交界面一点、基体沟槽底部一点，进一步在沉积层上表面和沉积层与填充层交界面之间再设一个点，在沉积层与填充层交界面与基体沟槽底部再设一个点；

33、步骤7：工艺参数范围的选取

34、转速n与横移速度v相比，转速对耗材棒产热量影响更大，故先确定转速n，再确定横移速度v。

35、进一步摩擦堆焊增材修复过程为固相修复过程，需保证摩擦表面的温度低于熔点，由于本发明的基体材料和耗材棒对应的材料铝合金没有固定熔点，因此在模拟过程中需要保证摩擦表面温度低于铝合金熔点范围内最高温度；通过控制变量的原则，首先是在相同横移速度下，通过改变步骤4中热源模型的转速n，使用不同转速来进行模拟，通过步骤6获取温度梯度，根据沟槽底部温度与铝合金处于热塑性状态的最低温度来进行判断，若存在沟槽底部温度大于铝合金处于热塑性状态的最低温度的工艺参数范围，还须判断该工艺参数范围内摩擦表面温度是否小于铝合金熔点范围内最高温度(若小于，则使用该工艺参数范围进行步骤8最优工艺参数的获取。若不小于，则需要降低步骤4中热源模型的转速n，再进行步骤5温度场的模拟)。若不存在沟槽底部温度大于铝合金处于热塑性状态的最低温度的工艺参数范围，则在最大转速下，通过改变步骤4中热源模型的横移速度v，再进行不同横移速度的修复模拟，依照步骤6获取温度梯度，再根据沟槽底部温度与铝合金处于热塑性状态的最低温度选出横移速度范围，再判断该工艺参数范围内摩擦表面温度是否小于铝合金熔点范围内最高温度，以此类推，直至选出符合工艺参数范围。

36、步骤8：最优工艺参数的获取

37、根据步骤7在选取工艺参数范围后，在对应的工艺参数范围进行实际的摩擦堆焊修复实验，取样后进行金相实验，对比观察修复后的截面形貌，最终确定最优的工艺参数。

38、本发明的优点在于，比较完整地建立了摩擦堆焊增材修复温度场的模拟过程，基于该模拟选出了理论上能够完全填充沟槽的工艺参数范围，最终通过实验确定了最优的工艺参数，减少了大部分实验工作量，具有一定的工程意义。