超声冲击消除残余应力分析精品资料.pdf

超声冲击消除残余应力是一种在焊接或制造过程中减少材料内部应力的技术，主要应用于提高工件的疲劳寿命和尺寸稳定性。本文将详细讨论这一技术在铝合金焊接中的应用及其分析过程。 焊接过程中的高能量密度导致局部快速加热，产生巨大的温度梯度，进而形成残余应力。在本案例中，选用的是6061-T651铝合金，这种材料广泛应用于船舶、汽车和轨道交通，因其良好的焊接性和综合力学性能。为了模拟实际的焊接过程，进行了有限元分析，使用了800mm x 500mm x 8mm的铝合金板，并采用了纯铝焊丝进行对接焊接。材料的物理属性，如密度、泊松比、热导率、线膨胀系数和比热容被视为常数。在边界条件方面，模拟设定左右边界温度为20℃，无对流和辐射。初始温度设定为20℃（铝合金）和1500℃（焊料）。在网格划分中，采用局部加密策略，确保焊缝区域的精细度，以精确捕捉温度和应力的变化。使用了4节点的PLANE13耦合场单元类型，以兼容应力和温度的计算。 通过有限元模拟，可以观察到焊接后残余应力的分布，最大应力发生在焊缝边缘。此外，模态分析揭示了焊件的前5阶固有频率，这些信息对于理解超声冲击的效果至关重要。模态分析可以帮助确定最佳的超声冲击频率，以达到最佳的应力消除效果。 在实验阶段，采用钨极氩弧焊进行板材对接，随后沿焊缝切割样品，并分为三部分。在每个切片的焊缝处标记6个点，测量焊接前的残余应力。接着，利用超声冲击设备（频率范围21kHz至25kHz）对焊缝进行处理。实验中选择了21.5kHz（A组）、22.5kHz（B组）和23.5kHz（C组）三个频率进行冲击。冲击时，冲击枪对准焊趾部位，保持垂直于焊缝，以1m/min的速度冲击3次。冲击后再次测量应力水平。 实验结果显示，不同频率的超声冲击对残余应力的消除效果存在差异。B组（22.5kHz）和C组（23.5kHz）的平均消除率高于A组（21.5kHz），且两者之间的效果相近。这表明，冲击频率接近构件固有频率时，应力消除效果更佳。然而，当冲击频率超过固有频率，改善效果减弱，可能是因为超过了最佳共振条件。因此，选择冲击频率时应尽量接近构件固有频率，既可提高应力消除效率，又能降低对设备的要求。 总结而言，超声冲击技术是有效消除焊接残余应力的方法，频率选择是关键。冲击频率应略低于焊接前和焊接后构件的固有频率，以实现最大化的应力释放，提高工件的尺寸稳定性和疲劳寿命。实际操作中，需要根据具体工件的特性调整频率，以实现最佳的应力消除效果。