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不锈钢焊缝激光冲击强化试验研究与有限元仿真分析

宁吉平  
【摘要】: 不锈钢焊接产生的残余应力是影响构件使用寿命的主要因素之一。激光冲击处理作为一种新型的表面强化技术,能够改善焊接接头残余应力的分布状态,使焊接接头表层形成残余压应力层,提高不锈钢焊缝的使用寿命,达到强化不锈钢焊接接头的目的。选用AISI202奥氏体不锈钢进行激光喷丸强化处理,通过仿真模拟和试验分析的方法,研究激光冲击处理对不锈钢焊缝残余应力场的影响。 (1)阐述了激光冲击波诱导残余应力场的形成过程及冲击波在材料中的传播机理。根据弹塑性动力学、冲击波理论,探讨了激光冲击波的Fabbro半理论模型和段志勇修正模型,得到激光冲击波理论压力-时程曲线,为有限元仿真奠定理论基础。 (2)进行了不锈钢薄板对接焊和不锈钢焊缝激光冲击试验,并对冲击前后的试样进行残余应力测试和显微组织分析。研究表明:激光冲击处理后冲击区表层出现很高的残余压应力,其影响范围不仅在冲击区以内,而且延伸到冲击区外围,但是在激光光斑中心存在应力削弱效应,即“残余应力洞”现象。金属材料在应力波高压作用下发生塑性变形而形成微凹坑,塑性变形的大小反映出搭接冲击处理的强化效果要优于单次冲击处理。激光冲击后材料表层组织出现高密度位错,奥氏体形核数目急剧增多,在发生马氏体转变时,形成微细隐针状马氏体组织;相同参数下,搭接冲击处理后组织进一步细化,马氏体相增多,位错密度增加,冲击区冲击效果得到加强。 采用浓度42%的沸腾MgCl_2溶液作为腐蚀环境进行应力腐蚀加速试验,以验证激光冲击处理对焊接试样表层应力的影响。研究表明:激光冲击处理能够提高不锈钢焊接试样抗应力腐蚀开裂的能力,达到强化不锈钢焊接接头的目的;激光光斑搭接率越高,不锈钢焊接试样在氯化物溶液中产生宏观裂纹的时间越长。 (3)以ANSYS和ANSYS/LS-DYNA为平台,建立了不锈钢激光焊接和激光冲击强化的有限元分析模型,依次进行了激光焊接温度场、激光焊接应力场、激光冲击应力场的仿真分析。激光焊接应力场的仿真以焊接温度场得到的节点温度作为体载荷,而激光冲击应力场的仿真以焊接残余应力作为初始应力。分析了不锈钢焊缝经激光单点、多点冲击后表面残余应力的分布。研究表明:有限元模拟得到的残余应力场与试验测量结果具有较好的一致性。


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