超聲沖擊消除殘余應(yīng)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(jīng)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(dǎo)系數(shù)、線膨脹系數(shù)及比熱容設(shè)為常數(shù)，在數(shù)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(shè)定為20℃，焊料（純鋁）焊上去后的初始溫度是1500℃。因為焊接時產(chǎn)生的能量密度非常大，加熱的有效區(qū)域又非常小，所以在進行網(wǎng)格劃分時，在遠離焊縫的區(qū)域選擇較大尺寸的網(wǎng)格，網(wǎng)格單元長度為0．05m；在焊縫區(qū)采用局部加密處理，網(wǎng)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(yīng)力、溫度兩個自由度的相容，選用了4節(jié)點的Plane13耦合場單元類型。圖1為劃分網(wǎng)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(yīng)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(yīng)力在不斷增大；焊接后材料內(nèi)部最大殘余應(yīng)力發(fā)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(tài)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(yīng)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(biāo)記6個點，首先測量沖擊前的焊接殘余應(yīng)力；超聲沖擊設(shè)備的頻率為21kHz～25kHz，試驗中分別以21．5kHz（標(biāo)記A）、22．5kHz（標(biāo)記B）和23．5kHz（標(biāo)記C）的頻率進行超聲波沖擊。超聲波沖擊時，沖擊槍對準(zhǔn)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(biāo)注的6個點做應(yīng)力測量。試驗前、后3組應(yīng)力水平如圖4所示。

2.2沖擊試驗結(jié)果分析由圖4可得出在不同頻率超聲沖擊下殘余應(yīng)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(shù)據(jù)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(gòu)件的1階固有頻率，而當(dāng)沖擊頻率超過固有頻率時，對構(gòu)件殘余應(yīng)力的改善效果并不明顯。當(dāng)然這種現(xiàn)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(yīng)力的頻率時應(yīng)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(shè)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(gòu)件的固有頻率，也要略小于沖擊后構(gòu)件的固有頻率，這是因為在沖擊過程中，構(gòu)件的固有頻率隨之降低，沖擊頻率要不斷接近構(gòu)件的固有頻率，才能使殘余應(yīng)力得到較好的釋放。

3結(jié)論

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

作者：崔高健鄭強呂婷婷王元民單位：長春工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院