超声冲击工艺对铝合金焊接残余应力影响及其有限元分析

摘要

超声冲击处理是一种表面塑性变形强化工艺,能够有效降低焊接残余拉应力,甚至产生有益的压应力,从而改善金属结构的疲劳、应力腐蚀等性能。目前,该工艺的研究范围主要集中在通过大量的试验对冲击前后焊件的应力分布、性能进行比较。然而,在冲击效果优化等方面的研究力度稍显不足。本文以6061铝合金焊件为对象,研究了不同冲击工艺参数对残余应力的影响规律,并利用有限元软件ANSYS,对超声冲击降低焊接残余应力进行了数值模拟。
　　通过调整冲击次数、冲击速度、冲击区域及冲击头类型,研究了不同冲击工艺对焊接残余应力的影响规律。结果表明,对焊缝、焊趾或热影响区进行超声冲击,均能有效降低残余应力。冲击初始时,随着冲击次数增加或冲击速度降低,焊缝及其附近区域的表面残余拉应力逐渐减小,并转为压应力;冲击一段时间后,压应力值达到最大。若此后继续增加冲击次数或降低冲击速度,表面压应力值呈减小的趋势。冲击速度对应力分布影响程度比冲击次数大。与焊缝冲击、双面冲击相比,冲击热影响区在焊缝两侧形成的压应力区域更广。与多针头相比,采用单针头冲击时的效率更高。
　　基于热弹塑性理论,将温度场模拟结果作为载荷,采用热-结构间接耦合方法对焊接应力场进行了数值模拟。数值模拟结果能够较好地反映焊接应力实际分布状况。将焊接应力作为初始应力状态,采用位移载荷对超声冲击降低铝合金焊接残余应力进行了有限元分析。超声单次冲击动态过程模拟结果表明:冲击过程中,冲击区域的宏观变形程度逐渐增加,材料内部产生更多的不可恢复的塑性应变,材料整体应力水平不断提高;载荷释放后,材料整体应力水平有所下降。超声连续冲击模拟结果表明:增加位移载荷,冲击区域的应力降低幅度也随之提高;要获得更准确的模拟结果,施加的位移载荷要略大于实际冲击时材料表面产生的位移值。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 焊接残余应力调整的方法及意义

1.3 超声冲击工艺介绍

1.4 课题国内外研究现状

1.5 课题研究的主要内容及意义

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备及方法

第3章 冲击工艺参数对焊接残余应力影响

3.1冲击次数、速度的影响

3.2冲击区域的影响

3.3冲击头类型的影响

3.4本章小结

第4章 焊接残余应力数值模拟

4.1焊接残余应力场分析过程及模型建立

4.2焊接温度场数值模拟

4.3焊接应力场数值模拟

4.4本章小结

第5章 超声冲击工艺数值模拟

5.1接触理论及求解过程分析

5.2超声单点冲击焊趾有限元分析

5.3超声连续冲击焊趾有限元分析

5.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢