超聲沖擊消除殘余應(yīng)力頻率參數(shù)的確定

崔高健，鄭 強(qiáng)，呂婷婷，王元民

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引言

目前消除焊接殘余應(yīng)力的方法主要有熱處理法、錘擊法、振動(dòng)時(shí)效法、拋丸處理法和機(jī)械拉伸法等，也可多種方法結(jié)合使用。但這些方法都存在不足，因此需要一種有效的消除殘余應(yīng)力的方法。近些年，超聲波消除殘余應(yīng)力技術(shù)逐漸受到人們的關(guān)注，伴隨著計(jì)算機(jī)和有限元技術(shù)的成熟應(yīng)用，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬已成為工程領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本文通過ANSYS軟件對(duì)焊接過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，以期獲得較好的超聲沖擊消除殘余應(yīng)力的頻率參數(shù)。

1 超聲消除殘余應(yīng)力機(jī)理及影響因素

在焊接過程中，焊縫及近焊縫區(qū)域在加熱冷卻過程中產(chǎn)生了很大的塑性變形，而這種塑性變形的大小在材料內(nèi)部和表面是不一致的，兩部分塑性變形的差異相互牽制形成應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致了焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

影響超聲波沖擊消除殘余應(yīng)力效果的因素有很多，包括超聲波的頻率、振幅，沖擊的位置、速度、時(shí)間及沖擊頭的大小等。本文探討沖擊頻率為多大時(shí)可以得到較理想的效果。

2 焊接過程的有限元數(shù)值模擬

2.1 焊接有限元理論

有限元數(shù)值模擬技術(shù)在焊接領(lǐng)域中的突出應(yīng)用是焊接過程的數(shù)值模擬。它不僅要考慮有限元數(shù)值模擬技術(shù)的基本原理，還要考慮焊接過程自身的特點(diǎn)，只有這樣模擬出來(lái)的結(jié)果才能對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有參考價(jià)值。

焊接過程是一個(gè)連續(xù)操作的過程，為了模擬焊接，就必須要用生死單元和熱－結(jié)構(gòu)耦合分析功能來(lái)進(jìn)行焊接過程的模擬，而生死單元中又包含大變形理論，因此可以對(duì)焊縫區(qū)采用子模型技術(shù)，同時(shí)劃分網(wǎng)格時(shí)要對(duì)焊縫區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。超聲波消除焊接殘余應(yīng)力以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，將一定頻率的超聲波轉(zhuǎn)化成振動(dòng)加入到焊接過程的模擬中。應(yīng)用ANSYS的模態(tài)分析功能，通過對(duì)流體和結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算的假設(shè)，可分析得到構(gòu)件的固有頻率，從而找到合適的超聲沖擊消除殘余應(yīng)力頻率。

2.2 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1 500℃。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。

圖1 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 。

圖2 焊接殘余應(yīng)力分布

圖3 6061鋁合金焊板前5階固有頻率

3 沖擊試驗(yàn)及分析

3.1 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。

3.2 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88.67 MPa，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(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。

圖4 不同沖擊頻率下的應(yīng)力水平（MPa）

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。

4 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。

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