超聲沖擊消除殘余應(yīng)力分析范文

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《機(jī)械工程與自動(dòng)化雜志》2014年第二期

1模型的建立及求解

試驗(yàn)中選取型號(hào)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(jì)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(duì)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(jì)算中，假定左、右邊界給定20℃的溫度約束，無(wú)對(duì)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?yàn)楹附訒r(shí)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(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域選擇較大尺寸的網(wǎng)格，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為0．05m；在焊縫區(qū)采用局部加密處理，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為0．025m，并向周邊盡量均勻過(guò)渡。在選取單元類型時(shí)為保證應(yīng)力、溫度兩個(gè)自由度的相容，選用了4節(jié)點(diǎn)的Plane13耦合場(chǎng)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(guò)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(guò)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(jiàn)圖3．

2沖擊試驗(yàn)及分析

2.1試驗(yàn)方法試驗(yàn)中采用鎢極氬弧焊將板材對(duì)接，焊接后快速將板材沿焊縫的方向切割，切割時(shí)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(lái)的板上焊縫處分別標(biāo)記6個(gè)點(diǎn)，首先測(cè)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(yàn)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(jìn)行超聲波沖擊。超聲波沖擊時(shí)，沖擊槍對(duì)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(shí)使沖擊槍基本是在自重的條件下進(jìn)行沖擊，以1m／min的速度沖擊處理3次，激勵(lì)電流為1．3A，沖擊后再次對(duì)標(biāo)注的6個(gè)點(diǎn)做應(yīng)力測(cè)量。試驗(yàn)前、后3組應(yīng)力水平如圖4所示。

2.2沖擊試驗(yàn)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(guò)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(wú)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(guò)固有頻率時(shí)，對(duì)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(yàn)條件和操作水平的限制，但通過(guò)變化的大致趨勢(shì)可以判斷，在選擇超聲消除殘余應(yīng)力的頻率時(shí)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(duì)沖擊設(shè)備的要求。在選取沖擊頻率時(shí)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?yàn)樵跊_擊過(guò)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(jìn)行沖擊可以使殘余應(yīng)力得到較好的消除效果。（2）在實(shí)際沖擊消除殘余應(yīng)力過(guò)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(qiáng)呂婷婷王元民單位：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院