激光冲击强化铝合金焊缝的残余应力场模拟与试验研究

摘要

7075-T6铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好及优异的疲劳和断裂韧性等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中，焊接残余应力是影响焊接结构件使用寿命的主要因素之一。激光冲击强化(又称激光喷丸，LSP:LaserShockProcessing/LaserShockPeening)是一种新型的材料表面强化技术，其诱导的较深残余压应力能够显著改善焊缝处的焊接残余应力分布情况。本文以7075-T6铝合金薄平板对接焊焊缝作为研究对象，采用激光冲击强化焊缝区域，在测试残余应力的基础上，运用有限元分析激光冲击前后焊缝区域残余应力场分布，获得了以下主要结论和创新性成果:
　　 (1)基于ABAQUS非线性有限元分析平台，建立了7075-T6铝合金焊接件的有限元模型，获得了焊接区域温度场和焊接残余应力场。模拟过程选用顺序耦合法，双椭球热源模型利用Fortran语言编写子程序并加载到所建模型中;利用Python语言编写适合模型的子程序以解决载荷的循环加载;采用生死单元技术实现焊缝填充的模拟。对焊接热影响区温度场进行分析，建立了焊接热循环曲线。模拟结果表明:沿焊缝方向上，横向残余应力在焊缝两末端具有较高的残余压应力，焊缝中间呈现较低残余拉应力，而纵向残余应力在焊缝大部分区域呈现较高残余拉应力，这是因为横向残余塑性应变几乎都转换为横向收缩量，对横向残余应力贡献较小;垂直焊缝方向上，焊缝及周围较窄区域内分布有较高纵向残余拉应力，远离焊缝区会出现较小纵向残余压应力。
　　 (2)建立了激光冲击7075-T6铝合金焊接件的有限元模型，模拟了冲击前后的焊接残余应力场，获得了激光冲击铝合金焊接件的残余应力影响规律。激光冲击模拟过程中，研究了激光诱导等离子体冲击波压力加载问题和时空非均匀性分布情况;通过对比不同动态分析时间下表面动态应力的分布，并分析模型内部能量变化趋势以确定显式求解时间;基于单元对单元的估算方法确定显示分析时间步长;系统研究与优化激光冲击铝合金焊缝工艺参数包括激光能量、光斑直径、冲击次数和光斑搭接率，获得了激光冲击铝合金薄板对接焊工艺准则。研究表明:焊缝受激光冲击区域的横、纵向焊接残余应力状态由拉应力水平改善为压应力水平，在多次激光冲击和搭接率为50％至70％的情况下，冲击区域能得到较为均匀的焊接残余压应力场，并能很好地消除“残余应力洞”现象。模拟所优化的工艺参数为实际激光冲击试验提供了理论指导。激光冲击试验过程中，采用熔化极惰性气体保护氩弧焊(MIG)对7075-T6铝合金薄平板进行单道对接焊，利用高能量脉冲Nd:YAG激光器对质量较好的焊缝进行激光冲击试验，冲击工艺参数参考有限元模拟优化结果，采用X射线衍射法测量冲击前后试样的残余应力。研究表明:激光冲击能够明显改善冲击区域的焊接残余应力分布，试验测量数据与有限元模拟结果局部存在差别，但在整体趋势上基本吻合。
　　 (3)在理论模拟和实验研究的基础上，模拟和分析了激光多次冲击强化消除“残余应力洞”现象的作用过程。结合数值模拟和一维应变平面波理论，研究了激光多次冲击消除光斑中心应力缺失的原因，提出主要是由于残存应力波抵消了反向表面稀疏波的作用，使侧向位移和侧向应力重新定义，避免了反向塑性变形，并形成远离中心的塑性应变，新形成的塑性应变提高了冲击区域的残余压应力水平，从而弥补了单次激光冲击所造成的中心应力缺失现象。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 焊接残余应力的产生

1．1．2 焊接残余应力的分布

1．1．3 焊接残余应力对焊接件的影响

1．1．4 焊接残余应力的消除

1．2 激光冲击强化焊接件的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 数值模拟在激光冲击焊接件中的应用

1．4 本文研究意义与目的

1．5 本文主要研究内容

第二章 激光冲击焊接件的相关理论研究

2．1 激光冲击强化原理

2．2 激光冲击波形成与诱导残余应力场机理

2．3 有限元法概述

2．4 激光冲击强化有限元理论基础

2．4．1 显式有限元方程求解算法

2．4．2 隐式有限元方程求解算法

2．5 焊接温度场有限元理论基础

2．5．1 瞬时温度场热传导微分方程

2．5．2 温度场边值条件

2．5．3 瞬时温度场热传导有限元基础

2．6 焊接应力有限元理论基础

2．6．1 热弹塑性分析

2．6．2 有限元方程

2．7 本章小结

第三章 激光冲击7075-T6铝合金焊缝仿真研究

3．1 ABAQUS有限元仿真分析概述

3．1．1 ABAQUS有限元软件概述

3．1．2 Fortran与Python语言概述

3．2 激光冲击处理焊缝应力模拟概述

3．3 7075-T6铝合金焊接温度场分析

3．3．1 焊接模型几何尺寸与网格化分

3．3．2 材料属性的设置

3．3．3 热源模型的选择与编程

3．3．4 边界条件与初始条件设置

3．3．5 焊接温度场结果分析

3．4 7075-T6铝合金焊接残余应力场分析

3．4．1 边界约束条件

3．4．2 焊接残余应力场分析

3．5 7075-T6铝合金焊缝激光冲击仿真研究

3．5．1 激光冲击模型与材料属性的设置

3．5．2 激光诱导冲击波压力研究

3．5．3 显式动态求解时间及其增量步的设置

3．5．4 边界条件设置

3．5．5 激光冲击焊缝模拟结果分析

3．6 本章小结

第四章 激光冲击7075-T6铝合金焊缝残余应力试验研究

4．1 7075-T6铝合金焊接试验

4．1．1 试验材料

4．1．2 试验装置与方案

4．2 7075-T6铝合金焊缝激光冲击试验

4．2．1 试样选取

4．2．2 试验装置与方案

4．3 残余应力的测定与分析

4．3．1 X射线衍射法测量应力原理

4．3．2 残余应力的测量

4．3．3 残余应力结果分析

4．4 激光多次冲击消除“残余应力洞”现象的作用过程

4．5 本章小结

第五章 全文结论及展望

5．1 主要结论

5．2 研究展望

参考文献

致谢

附录

附录1

附录2

在学期间发表的学术论文及其他科研成果