2A11铝板焊接结构的激光冲击强化数值模拟和实验研究

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2A11铝合金属于硬铝合金,具有较好的高温性能和良好的塑性,广泛应用于飞机的的中等强度焊接结构件上。由于焊接过程是复杂的热力耦合非线性过程,焊接过后由于焊缝处残余拉应力的存在,会产生应力腐蚀、疲劳破坏等不良现象,因此必须要对焊件进行表面强化处理,本文采用激光冲击强化技术对焊件进行表面处理,降低焊缝处残余拉应力,同时采用有限元分析软件ABAQUS对2A11铝板焊接过程和激光冲击过程进行模拟,通过模拟和实验相结合的方法来对其进行系统的探讨,找出最佳的激光冲击参数,以减少重复实验次数,节约了大量时间和精力。本文研究的主要内容如下:  (1)建立2A11铝板焊接温度场模拟有限元模型,运用过渡网格划分法使得模拟时间和模拟精度之间达到一个平衡,通过单元生死技术模拟焊缝形成过程,并运用ABAQUS二次开发接口,编制PYTHON语言程序完成多载荷步的生成,编制FORTRAN语言程序实现移动热源的加载,大大减少了模拟所用时间。  (2)通过间接耦合法,把焊接温度场模拟结果作为载荷加载到焊接残余应力场模拟中,从而得到最终焊接残余应力分布,残余应力分布结果表明,焊接过后的2A11铝板焊缝存在较大的横向残余拉应力和纵向残余拉应力。  (3)在焊接残余应力模拟结果的基础上,建立激光冲击有限元模拟模型。并通过比较在不同激光能量和光斑搭接率下最终残余应力分布情况,得出2A11铝板最佳激光冲击参数,发现激光冲击能量和光斑搭接率并不是越大越好,必须在一个合理的范围内,模拟结果对激光冲击实验参数的选择具有指导作用。  (4)对2A11铝板进行激光冲击强化实验,并对激光冲击前后试样进行实验进行比较。通过残余应力实验得出经激光冲击过后,焊缝处残余拉应力变成残余压应力,在光斑搭接的情况下最终残余应力分布更加均匀,实验结果与模拟结果基本趋势一致,也验证了有限元模拟的准确性。通过金相实验和显微硬度实验表明,激光冲击过后焊缝处晶粒明显细化,焊缝区和热影响区硬度值增加,综合力学性能得到提升。
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