激光沖擊強(qiáng)化鋁合金焊縫的殘余應(yīng)力場(chǎng)模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、7075-T6鋁合金由于重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好及優(yōu)異的疲勞和斷裂韌性等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，焊接殘余應(yīng)力是影響焊接結(jié)構(gòu)件使用壽命的主要因素之一。激光沖擊強(qiáng)化(又稱(chēng)激光噴丸，LSP:LaserShockProcessing/LaserShockPeening)是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，其誘導(dǎo)的較深殘余壓應(yīng)力能夠顯著改善焊縫處的焊接殘余應(yīng)力分布情況。本文以7075-T6鋁合金薄平板對(duì)接焊焊縫作為研究對(duì)象，采用激

2、光沖擊強(qiáng)化焊縫區(qū)域，在測(cè)試殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元分析激光沖擊前后焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力場(chǎng)分布，獲得了以下主要結(jié)論和創(chuàng)新性成果:
　　 (1)基于ABAQUS非線性有限元分析平臺(tái)，建立了7075-T6鋁合金焊接件的有限元模型，獲得了焊接區(qū)域溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)。模擬過(guò)程選用順序耦合法，雙橢球熱源模型利用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)子程序并加載到所建模型中;利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)適合模型的子程序以解決載荷的循環(huán)加載;采用生死單元技術(shù)實(shí)

3、現(xiàn)焊縫填充的模擬。對(duì)焊接熱影響區(qū)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，建立了焊接熱循環(huán)曲線。模擬結(jié)果表明:沿焊縫方向上，橫向殘余應(yīng)力在焊縫兩末端具有較高的殘余壓應(yīng)力，焊縫中間呈現(xiàn)較低殘余拉應(yīng)力，而縱向殘余應(yīng)力在焊縫大部分區(qū)域呈現(xiàn)較高殘余拉應(yīng)力，這是因?yàn)闄M向殘余塑性應(yīng)變幾乎都轉(zhuǎn)換為橫向收縮量，對(duì)橫向殘余應(yīng)力貢獻(xiàn)較小;垂直焊縫方向上，焊縫及周?chē)^窄區(qū)域內(nèi)分布有較高縱向殘余拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)會(huì)出現(xiàn)較小縱向殘余壓應(yīng)力。
　　 (2)建立了激光沖擊7075-T

4、6鋁合金焊接件的有限元模型，模擬了沖擊前后的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，獲得了激光沖擊鋁合金焊接件的殘余應(yīng)力影響規(guī)律。激光沖擊模擬過(guò)程中，研究了激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波壓力加載問(wèn)題和時(shí)空非均勻性分布情況;通過(guò)對(duì)比不同動(dòng)態(tài)分析時(shí)間下表面動(dòng)態(tài)應(yīng)力的分布，并分析模型內(nèi)部能量變化趨勢(shì)以確定顯式求解時(shí)間;基于單元對(duì)單元的估算方法確定顯示分析時(shí)間步長(zhǎng);系統(tǒng)研究與優(yōu)化激光沖擊鋁合金焊縫工藝參數(shù)包括激光能量、光斑直徑、沖擊次數(shù)和光斑搭接率，獲得了激光沖擊鋁合金薄板對(duì)

5、接焊工藝準(zhǔn)則。研究表明:焊縫受激光沖擊區(qū)域的橫、縱向焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力水平改善為壓應(yīng)力水平，在多次激光沖擊和搭接率為50％至70％的情況下，沖擊區(qū)域能得到較為均勻的焊接殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，并能很好地消除“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象。模擬所優(yōu)化的工藝參數(shù)為實(shí)際激光沖擊試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。激光沖擊試驗(yàn)過(guò)程中，采用熔化極惰性氣體保護(hù)氬弧焊(MIG)對(duì)7075-T6鋁合金薄平板進(jìn)行單道對(duì)接焊，利用高能量脈沖Nd:YAG激光器對(duì)質(zhì)量較好的焊縫進(jìn)行激光沖擊試

6、驗(yàn)，沖擊工藝參數(shù)參考有限元模擬優(yōu)化結(jié)果，采用X射線衍射法測(cè)量沖擊前后試樣的殘余應(yīng)力。研究表明:激光沖擊能夠明顯改善沖擊區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力分布，試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果局部存在差別，但在整體趨勢(shì)上基本吻合。
　　 (3)在理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，模擬和分析了激光多次沖擊強(qiáng)化消除“殘余應(yīng)力洞”現(xiàn)象的作用過(guò)程。結(jié)合數(shù)值模擬和一維應(yīng)變平面波理論，研究了激光多次沖擊消除光斑中心應(yīng)力缺失的原因，提出主要是由于殘存應(yīng)力波抵消了反向表面