超聲沖擊消除殘余應力分析范文

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《機械工程與自動化雜志》2014年第二期

1模型的建立及求解

試驗中選取型號為6061－T651的鋁合金型材，這種材料主要用于船舶、汽車車身板和軌道車輛等，其具有良好的焊接性能，且具有較高的綜合性能和經濟性。模擬中擬將兩塊尺寸相同的鋁合金板焊接在一起（焊板尺寸為800mm×500mm×8mm），焊料為純鋁焊絲，焊接接頭處擬采用對接接頭形式。將鋁合金及純鋁材料在各溫度下的材料密度、泊松比、熱導系數、線膨脹系數及比熱容設為常數，在數值計算中，假定左、右邊界給定20℃的溫度約束，無對流和輻射，鋁合金焊板的初始溫度設定為20℃，焊料（純鋁）焊上去后的初始溫度是1500℃。因為焊接時產生的能量密度非常大，加熱的有效區域又非常小，所以在進行網格劃分時，在遠離焊縫的區域選擇較大尺寸的網格，網格單元長度為0．05m；在焊縫區采用局部加密處理，網格單元長度為0．025m，并向周邊盡量均勻過渡。在選取單元類型時為保證應力、溫度兩個自由度的相容，選用了4節點的Plane13耦合場單元類型。圖1為劃分網格及加載后的有限元模型。本次模擬中，采用POST1通用后處理器，得到的焊接殘余應力分布如圖2所示。從圖2可以看出：在焊接過程中焊縫左、右邊界處應力在不斷增大；焊接后材料內部最大殘余應力發生在與焊板接觸的焊縫邊緣，位于邊緣低端。利用此模型，通過ANSYS的模態分析功能，可以得出該焊件的前5階固有頻率，見圖3．

2沖擊試驗及分析

2.1試驗方法試驗中采用鎢極氬弧焊將板材對接，焊接后快速將板材沿焊縫的方向切割，切割時應注意與焊縫方向垂直。切割后將切片分成3等份，在每塊切下來的板上焊縫處分別標記6個點，首先測量沖擊前的焊接殘余應力；超聲沖擊設備的頻率為21kHz～25kHz，試驗中分別以21．5kHz（標記A）、22．5kHz（標記B）和23．5kHz（標記C）的頻率進行超聲波沖擊。超聲波沖擊時，沖擊槍對準焊趾部位，使其基本垂直于焊縫，且沖擊頭的沖擊針陣列沿焊縫方向排列。沖擊時使沖擊槍基本是在自重的條件下進行沖擊，以1m／min的速度沖擊處理3次，激勵電流為1．3A，沖擊后再次對標注的6個點做應力測量。試驗前、后3組應力水平如圖4所示。

2.2沖擊試驗結果分析由圖4可得出在不同頻率超聲沖擊下殘余應力的消除情況：①A組的平均消除量為93．09MPa，平均消除率為49．18％；②B組的平均消除量為87．03MPa，平均消除率為52．74％；③C組的平均消除量為88．67MPa，平均消除率為52．76％。通過數據可以看出，B組和C組的消除效果好于A組，B組C組消除效果無太大差別，B組的沖擊頻率為22．5kHz，接近構件的1階固有頻率，而當沖擊頻率超過固有頻率時，對構件殘余應力的改善效果并不明顯。當然這種現象也可能是受到試驗條件和操作水平的限制，但通過變化的大致趨勢可以判斷，在選擇超聲消除殘余應力的頻率時應盡可能選擇其固有頻率值，這樣即可以得到較好的沖擊效果，也可以降低對沖擊設備的要求。在選取沖擊頻率時需要注意沖擊頻率不僅要略小于沖擊前構件的固有頻率，也要略小于沖擊后構件的固有頻率，這是因為在沖擊過程中，構件的固有頻率隨之降低，沖擊頻率要不斷接近構件的固有頻率，才能使殘余應力得到較好的釋放。

3結論

（1）采用合適的頻率進行沖擊可以使殘余應力得到較好的消除效果。（2）在實際沖擊消除殘余應力過程中，沖擊頻率應選取略小于沖擊前和沖擊后構件的固有頻率從而使得殘余應力得到最大限度的消除，獲得較好的尺寸穩定性效果。

作者：崔高健鄭強呂婷婷王元民單位：長春工業大學機電工程學院