激光冲击对电火花堆焊修复件的影响及有限元模拟

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本文主要是针对激光冲击技术在表面裂纹修复领域的应用研究。所选试样为SiCp/Cu复合材料,在其表面预制裂纹,利用高能微弧电火花技术对其进行电火花堆焊修复,采用激光冲击强化技术对经电火花堆焊修复后的试样的焊缝区进行冲击处理。重点研究了激光冲击处理对堆焊修复件表层残余应力、硬度以及抗拉强度的影响。并利用有限元软件ANSYS和相关理论对其整个过程进行了数值模拟,以期能更好的对这一过程进行控制和参数优化,主要研究结果如下:   焊缝区域、热影响区域和基体残余应力经激光冲击处理都有明显的改善,焊缝区残余拉应力有效减少或消除。堆焊后试样表面最大残余拉应力41.2MPa,经一次冲击后最大残余拉应力降低至36.8MPa,两次冲击后的最大残余拉应力降低至-3.9MPa。   激光冲击强化能提高堆焊焊缝及周围区域表面显微硬度,一次冲击后冲击区中心材料表面的显微硬度较未冲击时增大12.5%,两次叠加冲击后的显微硬度较一次冲击后增加约12.5%。而且经激光冲击处理后堆焊焊缝及周围表面显微硬度的分布更加平缓、均匀。   经电火花修复后试样的抗拉强度要低于原始试样,但经激光单面覆盖冲击一次、两次后,其抗拉强度值都高于原始试样,显示出激光冲击强化对于提高抗拉强度的效果。   采用有限元分析软件ANSYS模拟电火花堆焊焊接过程,计算得出了焊接残余应力场的分布。焊缝区存在横向残余拉应力,最大拉应力值为49.89Mpa。随着离焊缝中心距离增大,拉应力急剧减小,在熔合线附近产生最大压应力,其值为62.73Mpa。随着距离的增加,逐渐远离热影响区,试样表面残余应力趋向于零。再在此基础上,利用ANSYS/LS-DYNA软件,进行了激光冲击堆焊焊缝表面的有限元模拟。模拟结果显示:单次激光冲击强化后,焊缝表层残余应力分布状况有所改善。焊缝区的残余拉应力有所降低,最大拉应力值降低为36.71MPa。二次冲击后,焊接残余拉应力得到了消除,在冲击区产生压应力,即在冲击波造成的塑性层中存在着残余压应力。模拟结果与实验结果相吻合,这为有限元软件能够对焊接修复及激光处理工艺参数的优化提供可靠的依据。
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