作为优质高效的固相焊接技术,线性摩擦焊接主要用来焊接非回转体结构的同种或异种材料结构件,是国际上航空发动机整体叶盘的主要制造工艺。目前,随着国内对航空发动机制造技术的不断重视,对线性摩擦焊接技术进行了大量的工艺探索,但急需有关基础理论研究的支撑。本文以镍基高温合金线性摩擦焊接为例,采用热力耦合有限元方法,充分考虑线性摩擦焊接过程的物理运动特点,以材料力学和热物理性能及焊接工艺为基础,基于修正库伦摩擦模型的摩擦剪切力计算瞬时摩擦产热,并结合塑性变形能共同描述线性摩擦焊接过程中总的热输入,以热模拟试验建立的应变补偿型Arrhenius本构模型和塑性体/塑性体摩擦副模型为基础建立符合线性摩擦焊接物理本质的瞬时数理分析模型。通过数值分析和实验验证相结合的方法,验证了所建立的线性摩擦焊数值模型计算的可靠性和准确性,结果表明,所建模型具有良好的可靠性和较高的准确性,可以用于线性摩擦焊接热力耦合的数值分析。基于建立的线性摩擦焊接数理分析模型,数值分析了镍基高温合金GH4169线性摩擦焊接产热功率、热过程、摩擦界面及其附近的应力-应变场和塑性流动的特点。结果表明,受周期性方向交变摩擦力的影响,界面摩擦产热和塑性变形能均呈周期性波动特征。在单个运动周期内,对中时刻摩擦产热达到峰值,塑性变形能最小,而振动幅值最大时刻摩擦产热为0,塑性变形能达到峰值。在摩擦压力400 MPa、频率25 Hz、振幅2.9 mm焊接工艺参数下,稳态摩擦阶段摩擦界面中心区域热流密度峰值约6.0±0.5 MW/m2。在单个运动周期内,摩擦界面中心处塑性变形能功率波动较小,介于0～160MW/m3,且存在两个峰值;而靠近振动方向的边缘处塑性变形能功率波动幅度较大,介于0～320 MW/m3,且仅存在一个峰值。在稳态摩擦阶段的产热总功率约为1.6kW,其中摩擦热和塑性变形能的分别约1450 W和150 W。稳态摩擦阶段总的热输入基本维持不变,塑性变形能占总热输入的4.8%。受周期性摩擦产热影响,摩擦界面温度呈周期性波动特征,波动周期与摩擦产热周期保持一致。稳态摩擦阶段内峰值温度在约30℃C范围内稳定波动,摩擦压力由200MPa增加至500MPa,界面峰值温度由1280℃C降至1202℃C;振动频率由30Hz增加至50Hz,界面峰值温度由1241℃C增至1281℃C;振动幅值由2.5 mm增加至3.7mm,界面峰值温度由121 1℃C增至1247℃C。随着振动频率增加,温度分布均匀性得到改善,而过高的振动幅值会增加界面温度的分布不均匀性。在初始摩擦阶段,整个摩擦界面塑性应变属于纯剪切变形,在过渡摩擦阶段,压缩应变首先出现在持续性接触摩擦界面内,但整个摩擦界面仍以纯剪切变形模式为主,稳态摩擦阶段摩擦界面则为压缩和剪切的混合变形模式。接头界面两侧内部应力场分布呈与振动周期相同的周期性交替变化。在给定焊接工艺参数下的稳态摩擦阶段,在单个振动周期内,摩擦界面边缘处的应力值变化幅值最大,应力最大值达220 MPa,最小值达62 MPa。界面中心处应力幅值变化幅值最小,应力最大值达146MPa,最小值达126MPa。焊后冷却室温后摩擦界面的残余应力最大值达420 MPa,位于摩擦界面中心。在线性摩擦焊接过程中,界面塑性流动速度沿振动方向的分量呈明显的周期性波动特征,且越靠近界面边缘处速度值越大。界面材料挤出主要发生在幅值增大的过程中,而在幅值减小的过程由于摩擦力方向改变导致材料挤出受阻。稳态摩擦阶段界面局部区域的最大瞬时塑性流动速度值逼近40 mm/s。摩擦界面塑性流动速率随着摩擦压力增大而降低,随着振动参数增加而增加。受此影响,在高摩擦压力下,移除原始摩擦界面所需要的变形量增加。而在高振动频率或振动幅值下,使得原始界面的材料在更短时间挤出界面并消耗更少的工件变形量。本文研究揭示了线性摩擦焊接过程中热力耦合的特点和本质,为线性摩擦焊接工艺的制订与优化、接头组织性能的控制以及焊接缺陷的防止奠定理论基础,并将为我国航空发动机整体叶盘的制造技术发展提供理论支撑。