激光沖擊強化鋁合金焊縫的殘余應力場模擬與試驗研究.pdf

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

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

3、現(xiàn)焊縫填充的模擬。對焊接熱影響區(qū)溫度場進行分析，建立了焊接熱循環(huán)曲線。模擬結果表明:沿焊縫方向上，橫向殘余應力在焊縫兩末端具有較高的殘余壓應力，焊縫中間呈現(xiàn)較低殘余拉應力，而縱向殘余應力在焊縫大部分區(qū)域呈現(xiàn)較高殘余拉應力，這是因為橫向殘余塑性應變幾乎都轉換為橫向收縮量，對橫向殘余應力貢獻較小;垂直焊縫方向上，焊縫及周圍較窄區(qū)域內分布有較高縱向殘余拉應力，遠離焊縫區(qū)會出現(xiàn)較小縱向殘余壓應力。
　　 (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力場，獲得了激光沖擊鋁合金焊接件的殘余應力影響規(guī)律。激光沖擊模擬過程中，研究了激光誘導等離子體沖擊波壓力加載問題和時空非均勻性分布情況;通過對比不同動態(tài)分析時間下表面動態(tài)應力的分布，并分析模型內部能量變化趨勢以確定顯式求解時間;基于單元對單元的估算方法確定顯示分析時間步長;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

5、接焊工藝準則。研究表明:焊縫受激光沖擊區(qū)域的橫、縱向焊接殘余應力狀態(tài)由拉應力水平改善為壓應力水平，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力場，并能很好地消除“殘余應力洞”現(xiàn)象。模擬所優(yōu)化的工藝參數(shù)為實際激光沖擊試驗提供了理論指導。激光沖擊試驗過程中，采用熔化極惰性氣體保護氬弧焊(MIG)對7075-T6鋁合金薄平板進行單道對接焊，利用高能量脈沖Nd:YAG激光器對質量較好的焊縫進行激光沖擊試

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