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涡轮增压器涡轮和转轴焊接件在实际工作过程中,主要承受扭矩,对边缘处焊接质量要求较高。而惯性摩擦焊接同尺寸的实心轴高温合金K418和合金钢40Cr Ni Mo A时会存在界面温度分布不均匀、能量流失严重、边缘处焊接质量差等缺陷,仅通过优化工艺参数是无法克服上述缺陷的。因此,设计一种合理的界面结构形式来最大程度地提升接头边缘处结合质量在实际应用中是非常迫切的。目前采用界面约束来阻碍接头边缘处热塑性材料向外溢出的新方法还未有专家和学者进行深入研究。故本文基于界面约束法,设计出平面约束方案和台阶约束方案,其中,每种方案都适当加大转轴40Cr Ni Mo A的直径,对界面外缘处进行浅约束,来研究其对接头边缘部区域的微观组织、塑性流动和力学性能的影响。研究结果表明,在相同工艺参数下,对于平面约束方案和台阶约束方案焊接接头,随着界面约束的增加,其轴向烧损量逐渐降低,且台阶约束方案降低幅度较大;焊缝线曲线形貌越来越弯曲,材料间结合面积增大,咬合程度增强,有助于提高焊接质量;接触界面两侧DRX宽度逐渐增加,其K418侧晶粒越来越精细,40Cr Ni Mo A合金钢侧马氏体含量不断升高,元素扩散量不断增加,有利于界面间的冶金结合;显微硬度变化趋势较为相似,40Cr Ni Mo A侧DRX和TMAZ显微硬度值整体上呈现上升趋势,其中台阶约束方案接头上升幅度大,且数值整体上较高,显微硬度最高值点位于40Cr Ni Mo A侧DRX和TMAZ交界处附近;其边缘区域拉伸强度呈现上升趋势,且台阶约束方案接头边缘区域拉伸强度值略高,同时平面约束方案芯部区域的拉伸强度则相应逐渐降低。同时,本文基于有限元法,采用Johnson&Cook模型作为40Cr Ni Mo A合金钢的本构模型,建立了热、力多物理场耦合的惯性摩擦焊接模型,来模拟焊接过程。其轴向烧损量和实际烧损量误差率最高不超过8%,在合理误差范围内,说明选取的Johnson&Cook模型是正确的,模拟结果是准确可行的。模拟结果表明:随着界面约束的增加,平面约束方案接头顶锻前界面峰值温度不断下降,顶锻瞬间界面峰值温度基本保持一定值不变,同时芯部区域均值压力不断降低,边缘区域均值压力不断升高。台阶约束方案接头顶锻瞬间界面峰值温度整体上呈现下降趋势,顶锻瞬间界面峰值温度整体上呈现上升趋势,且温度分布比平面约束方案要高;同时,界面边缘处均值压力逐渐升高,但普遍小于摩擦面应承受的均值压力。