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超声冲击消除残余应力分析

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《机械工程与自动化杂志》2014年第二期

1模型的建立及求解

试验中选取型号为6061-T651的铝合金型材,这种材料主要用于船舶、汽车车身板和轨道车辆等,其具有良好的焊接性能,且具有较高的综合性能和经济性。模拟中拟将两块尺寸相同的铝合金板焊接在一起(焊板尺寸为800mm×500mm×8mm),焊料为纯铝焊丝,焊接接头处拟采用对接接头形式。将铝合金及纯铝材料在各温度下的材料密度、泊松比、热导系数、线膨胀系数及比热容设为常数,在数值计算中,假定左、右边界给定20℃的温度约束,无对流和辐射,铝合金焊板的初始温度设定为20℃,焊料(纯铝)焊上去后的初始温度是1500℃。因为焊接时产生的能量密度非常大,加热的有效区域又非常小,所以在进行网格划分时,在远离焊缝的区域选择较大尺寸的网格,网格单元长度为0.05m;在焊缝区采用局部加密处理,网格单元长度为0.025m,并向周边尽量均匀过渡。在选取单元类型时为保证应力、温度两个自由度的相容,选用了4节点的Plane13耦合场单元类型。图1为划分网格及加载后的有限元模型。本次模拟中,采用POST1通用后处理器,得到的焊接残余应力分布如图2所示。从图2可以看出:在焊接过程中焊缝左、右边界处应力在不断增大;焊接后材料内部最大残余应力发生在与焊板接触的焊缝边缘,位于边缘低端。利用此模型,通过ANSYS的模态分析功能,可以得出该焊件的前5阶固有频率,见图3.

2冲击试验及分析

2.1试验方法试验中采用钨极氩弧焊将板材对接,焊接后快速将板材沿焊缝的方向切割,切割时应注意与焊缝方向垂直。切割后将切片分成3等份,在每块切下来的板上焊缝处分别标记6个点,首先测量冲击前的焊接残余应力;超声冲击设备的频率为21kHz~25kHz,试验中分别以21.5kHz(标记A)、22.5kHz(标记B)和23.5kHz(标记C)的频率进行超声波冲击。超声波冲击时,冲击枪对准焊趾部位,使其基本垂直于焊缝,且冲击头的冲击针阵列沿焊缝方向排列。冲击时使冲击枪基本是在自重的条件下进行冲击,以1m/min的速度冲击处理3次,激励电流为1.3A,冲击后再次对标注的6个点做应力测量。试验前、后3组应力水平如图4所示。

2.2冲击试验结果分析由图4可得出在不同频率超声冲击下残余应力的消除情况:①A组的平均消除量为93.09MPa,平均消除率为49.18%;②B组的平均消除量为87.03MPa,平均消除率为52.74%;③C组的平均消除量为88.67MPa,平均消除率为52.76%。通过数据可以看出,B组和C组的消除效果好于A组,B组C组消除效果无太大差别,B组的冲击频率为22.5kHz,接近构件的1阶固有频率,而当冲击频率超过固有频率时,对构件残余应力的改善效果并不明显。当然这种现象也可能是受到试验条件和操作水平的限制,但通过变化的大致趋势可以判断,在选择超声消除残余应力的频率时应尽可能选择其固有频率值,这样即可以得到较好的冲击效果,也可以降低对冲击设备的要求。在选取冲击频率时需要注意冲击频率不仅要略小于冲击前构件的固有频率,也要略小于冲击后构件的固有频率,这是因为在冲击过程中,构件的固有频率随之降低,冲击频率要不断接近构件的固有频率,才能使残余应力得到较好的释放。

3结论

(1)采用合适的频率进行冲击可以使残余应力得到较好的消除效果。(2)在实际冲击消除残余应力过程中,冲击频率应选取略小于冲击前和冲击后构件的固有频率从而使得残余应力得到最大限度的消除,获得较好的尺寸稳定性效果。

作者:崔高健郑强吕婷婷王元民单位:长春工业大学机电工程学院

机械工程与自动化杂志责任编辑:田老师    阅读:人次