激光增材制造中残余应力形成机理、表征及调控方法的研究进展

激光增材制造可以实现高性能复杂金属构件的一体化直接成形,但该过程中存在的非均匀温度梯度分布、微熔池的近快速凝固、原位热处理效应以及非平衡固态相变、微观结构的不均匀性等会产生复杂的残余应力,严重影响成形构件质量和综合性能。因此,本文围绕激光增材制造残余应力,首先介绍了残余应力的基本定义、分类及产生原因;然后针对激光增材制造过程中残余应力的特殊性、形成机理、表征方法及调控方法的研究现状进行了系统的综述,介绍了残余应力的表征方法及其特点,并说明了各方法的适用性及优缺点,总结了调控残余应力的方法可分为后处理调控和原位处理调控;最后,展望了研究激光增材制造残余应力的产生原因和演化机制应考虑几类应力的叠加效应。残余应力的表征应采用多种方法结合,相互辅助验证。为避免成形过程中应力集中影响成形质量以及避免后处理对构件精度产生影响,应重点研究原位调控残余应力的方法。

波形钢腹板梁焊接残余应力分布及试验验证

为研究波形钢腹板梁焊接残余应力的分布规律,通过有限元软件建立其三维热弹塑性模型,利用热-力耦合分析技术对其焊接温度场和应力场进行有限元数值仿真,采用双椭球体热源和修改单元材料属性的方法实现能量输入和焊缝填充,并将模拟计算结果与实测值进行对比分析.结果表明:有限元预测的波形钢腹板梁残余应力分布与实测结果具有相同趋势,在波形钢腹板梁焊缝的弯折角处,残余应力发生一定幅度的连续应力波动;底板和腹板的残余应力峰值均出现在焊缝中心区域,其值分别为材料屈服强度的1.30倍和1.26倍;底板纵向残余拉应力在焊缝中心线两侧78 mm范围内急速下降后缓慢过渡为压应力,在底板较窄一侧压应力线性增大,最大值约为材料屈服强度的0.61倍;在底板较宽一侧压应力线性减小,并在边缘处转化为拉应力;焊接速度对残余应力分布扰动不大,而对残余应力峰值影响较显著;当焊接速度从150 mm/min增加至250 mm/min时,横向和纵向的残余应力最大值分别增加了27.11%和5.88%.

Q690厚板对接焊残余应力评估及其对焊接接头断裂性能的影响

[目的]旨在研究高强钢厚板多层多道焊的复杂焊接残余应力,评估其对焊接接头断裂性能的影响。[方法]以75 mm厚Q690高强钢板为研究对象,制定多层多道对接焊工艺,完成对接接头的焊接,使用轮廓法获得中剖面的纵向残余应力,基于自主开发的高效热−弹−塑性有限元计算方法,再现厚板多层多道焊的热循环、微观组织演变等现象,将单轴拉伸试验与GTN损伤模型相结合,提出Q690高强钢板的GTN模型参数,分析金属母材及焊接接头试样的断裂特性和应力−应变曲线。[结果]采用所提方法预测的厚板对接接头熔池形状、金相体积分数都与试验测量基本吻合;考虑焊接固态相变和高强钢轧制初始应力的力学分析,得到的焊接残余应力与试验结果高度一致,并得到了横向残余应力分布;考虑焊接微观缺陷及横向残余应力,阐明了残余应力影响焊接接头断裂性能的力学机理。[结论]相关研究可为高强钢厚板焊接结构残余应力及断裂性能评估提供借鉴和指导。

静压桩残余应力对极限承载力影响

为研究静压桩回弹特性,明确静压桩残余应力性状,使静压桩承载力能够得到有效发挥,通过静压桩沉桩及静载荷试验,结合有限元模拟方法,对不同沉桩速率和卸荷速率作用下静压桩的回弹特性进行分析,总结桩端残余应力对静压桩极限承载力的影响规律。结果表明:卸荷过程中桩体回弹量占桩体总沉降量的80%,卸荷完成桩体回弹位移逐渐稳定;沉桩结束后,桩周土体应力最大达到被动土压力的4.5倍,卸荷后浅部土体桩周侧压应力消散程度大于深部土体;桩端土体应力消耗越多,桩端残余应力越小,卸荷后桩端土体回弹量越多;沉桩速率和卸荷速率增加都会导致桩端残余应力减小,从而桩端土体能够提供的承载力降低,致使桩体承载力降低。研究认为静压桩残余应力是影响承载力的主要因素,卸荷速率对静压桩残余应力的影响最为明显。

超声振动切削对残余应力影响的数值分析

利用AdvantEdge FEM软件对YG6X刀具加工Ti6Al4V合金进行一维和二维超声振动切削仿真,分析超声振动参数对残余应力的影响。模拟仿真表明:一维X向振动时,振动频率和振动幅度对残余应力影响不明显,最大压应力和压应力区深度增大不明显;一维Y向振动时,振动频率越小,残余压应力和压应力区深度越大,振动幅度越大,残余压应力越大,压应力区深度越大;二维振动通过极差分析确定A_(1)B_(1)C_(3)为最佳组合,振动参数对残余应力的影响由大到小依次为A_(y)>(F_(x),F_(y))>A_(x)。结果证明,超声振动切削可以增大工件表层残余应力,改善工件的耐磨性和疲劳强度。

残余应力对GH3230层板焊缝热疲劳寿命影响规律研究

为了探究残余应力对层板冷却结构焊缝服役寿命的影响规律,首先对GH3230层板在常规条件下的激光焊接过程进行有限元模拟与实验验证,然后在此基础上对预拉伸、温差拉伸等焊接残余应力调控方法开展模拟。基于焊后残余应力模拟结果研究了层板服役过程的温度及等效应力变化规律,并将多个模型之间不同残余应力下服役状态进行对比分析,最后利用Morrow修正的Coffin-Manson方程对焊缝后续服役寿命进行评估。研究结果表明,焊接残余应力的存在大幅降低了层板结构焊缝区域热疲劳寿命,通过残余应力调控技术可有效改善焊缝区域服役过程中的应力幅或平均应力,使其分别下降70%与25%,焊接残余应力调控对提高层板结构热疲劳寿命具有重要意义。

X80钢补焊残余应力模拟与试验验证

X80管线钢在铺设或者使用过程中会产生裂纹、气孔等缺陷而需要进行补焊修复。利用ABAQUS有限元分析软件建立了X80钢平板补焊模型,模拟分析了补焊前后X80钢焊接残余应力的变化情况,同时研究了3种不同补焊热输入量对焊接残余应力的影响。为验证模拟结果的准确性,开展了3种对应热输入量的补焊试验。模拟及试验研究结果表明,补焊残余应力高于初始焊残余应力,补焊后横向残余应力峰值较初始焊增加55.52%,补焊后纵向残余应力峰值已超过材料屈服强度。随着补焊热输入量的增大,Mises等效残余应力峰值和纵向残余应力无明显改变,但不同路径的横向残余应力变化规律有所不同。试验测量的残余应力值与模拟结果接近,两者的变化趋势一致。

超声滚压对激光选区熔化铝锂合金残余应力的影响模拟研究

研究了铝锂合金试样激光选区熔化残余应力分布以及超声滚压对其应力场的影响。先后建立了单道扫描模型、试样模型以及超声滚压模型;分析了单道扫描模型的温度历史,并将此温度历史扩展至试样的沉积层,最终通过热力耦合与显示动力学分析获得激光选区熔化和超声滚压后的残余应力分布。结果表明,激光选区熔化试样顶部与四周出现了较大的残余拉应力;在超声滚压作用下,试样表层产生了高频振荡的应力场,并产生了较大的瞬时应力;试样表面残余拉应力转化为压应力,随着深度增加,残余压应力先增大后逐渐减小并逐渐转变为拉应力,最终恢复至激光选区熔化后的应力状态;模拟预测的结果与试验结果吻合较好,具有合理的精度。

起重船用高强钢大厚板焊接残余应力的试验研究

以某型起重船结构为研究对象,采用焊接后热作为焊接残余应力消除措施,研究结构的残余应力情况及消除措施的有效性。首先采用焊态和经过焊接后热的两组试板进行焊接残余应力检测并对比,结果表明焊态的试板焊接纵向残余应力最高达552.5 MPa,接近材料的屈服强度;经后热的试板纵向残余应力最大为385.3MPa,与焊态相比降低了167.2 MPa,下降约30%;同时获取了残余应力分布情况。进一步对起重船导向基座结构的焊缝进行后热并进行应力检测,其纵向焊接残余应力最大值为310.8 MPa,远低于母材屈服强度。本文研究表明:起重船高强钢大厚板在焊态时焊接残余应力较大,需采取措施消除残余应力;采用焊接后热可以大幅降低高强钢大厚板的焊接残余应力水平,焊接后热具有较好的经济性和操作便捷性,在起重船建造过程中建议考虑对大厚板焊缝进行后热以消除焊接残余应力消除。

计及表面残余应力的旋转凸凹型纳米圆板失稳分析

根据纳米材料表面残余应力和弹性板小挠度理论,建立旋转凸凹型纳米圆板横向振动微分方程,采用微分求积法得到不同条件下凸凹型纳米圆板的无量纲复频率随无量纲角速度和无量纲表面残余应力参数变化情况。研究结果显示:在周边固支和简支条件下,旋转凸凹型纳米圆板均发生第1阶发散失稳现象。在其他条件一定的情况下,周边固支凹型纳米圆板的临界失稳角速度小于凸型纳米圆板,周边简支凹型纳米圆板的临界失稳角速度大于凸型纳米圆板。临界失稳角速度随着表面残余应力的增加而增大,临界表面残余应力随着无量纲角速度的增加而增大。

预热温度对SA387焊后残余应力和力学性能的影响

为了研究预热温度对SA387材料焊后力学性能和残余应力的影响,采用4种不同的预热温度分别焊接试板。对焊接完毕后的试板进行残余应力测定,发现随着预热温度的升高,焊接残余应力呈现先降低后升高的情况;通过力学性能测试和显微组织观察,发现预热温度对材料力学性能有很大影响,材料的抗拉强度和屈服强度随预热温度的升高而降低,韧性随着预热温度的升高先降低后升高。综合焊接残余应力和材料力学性能的测试结果,建议SA387 Gr11 Cl2的预热温度选择265~290℃。

基于GA-BP-FA算法的多轴铣削残余应力优化

提出了面向多轴铣削GH4169的残余应力控制的GA-BP-FA多目标优化模型,运用遗传算法(GA)优化BP神经网络的初始权值和阈值,提升神经网络算法的收敛速度和预测精度。基于GA-BP算法建立了铣削残余应力预测模型,并分析了铣削工艺参数对残余应力的影响。以获得最小残余拉应力/最大残余压应力为目标,基于萤火虫算法(FA)对铣削工艺参数进行优化。研究结果表明,所建立的残余应力的GA-BP预测模型具有较高的预测精度,两个方向的平均误差分别为18.9%和16.7%。经FA算法优化后,所选参数阈内最优工艺参数为切削倾角Φ=85°,切削速度v=20 m/min,每齿进给量f_(z)=0.01 mm/z。优化后σ_(x)方向的残余压应力-463.43 MPa和σ_(y)方向的残余压应力-686.93 MPa。

旋转超声加工对TiBw网状钛基复合材料表面残余应力的影响

为研究不同切削条件下旋转超声加工对材料表面残余应力的影响,选取硼化钛晶须(TiB whiskers,TiBw)网状钛基复合材料为实验对象,使用镍基电铸金刚石砂轮进行旋转超声加工,并分析了加工后材料的表面残余应力。结果表明:由于钛基复合材料具有网状结构和优异的高温性能,使切削热和微观相变产生的残余应力较小,磨粒机械作用产生的残余应力更大。随着超声振动的引入,磨粒高频冲击工件表面,使旋转超声加工工件表面残余应力均大于普通磨削。在主轴转速n=9000 r/min,进给速度v f=8 mm/min,加工深度a p=25μm的加工参数下,旋转超声加工工件表面存在-540 MPa的残余压应力,随着主轴转速增大,残余应力显著减小,并且残余应力的影响层深度逐渐减小。超声振动的引入增大工件表面残余压应力,提高材料抗疲劳性能。

有效减小大细长比微结构电铸层残余应力的兆声辅助微电铸方法

在利用微电铸工艺制作微机电系统(MEMS)开关的过程中,针对离心保险锁结构因电铸层残余应力大而出现翘曲、扭转等变形问题,采用兆声辅助微电铸方法减小电铸层残余应力。为探究兆声波对电铸层残余应力的影响,基于等效参考温度(ERT)法,建立兆声作用下离心保险锁微结构电铸层残余应力的仿真模型以优选兆声辅助微电铸的工艺参数——兆声功率密度。仿真结果表明,随着兆声功率密度的增大,离心保险锁的残余应力呈现先减小后增大的趋势,当兆声功率密度为2.54 W/cm^(2)时,离心保险锁的最大残余应力为52.58 MPa,相较于无兆声作用时减小了85.4%。在数值模拟的基础上进行微电铸实验验证研究。实验结果表明:兆声功率密度为2.54 W/cm^(2)时,大细长比微结构的变形量减小了88.6%,实验结果与仿真结果一致。在上述仿真结果和实验研究的基础上,制作出了高800μm、细长比高达1∶70的离心保险锁结构,并完成MEMS开关的制作与装配。

不锈钢钎焊接头残余应力数值分析

钎焊接头的残余应力对接头的静力学强度、疲劳强度有着重要的影响。为了获得铜基不锈钢钎焊对接接头的残余应力场信息,采用有限元方法对钎焊过程进行分析,获得在不同焊缝宽度和不同钎焊温度条件下,钎焊接头的残余应力分布情况。结果显示,随着钎焊间隙增大,纵向残余应力减小,而钎焊温度升高则提高了纵向残余应力峰值;考虑钎焊接头产生裂纹的情况,计算残余应力强度因子Kres来表征残余应力二次变化对接头疲劳强度的影响。随着裂纹扩展,残余应力强度因子变大,钎焊接头削弱显著。

喷丸残余应力对TC4钛合金疲劳寿命的影响及其松弛行为

喷丸强化残余应力场可以提高钛合金材料的疲劳寿命,但在工作载荷作用下,残余应力场会发生松弛,对于喷丸残余应力对TC4钛合金疲劳寿命影响及残余应力本身的松弛行为研究较少。为研究喷丸残余应力对疲劳寿命的影响以及残余应力变化松弛规律,以TC4钛合金试件为研究对象建立疲劳寿命仿真模型,分析不同喷丸残余应力场下疲劳寿命的变化规律及其影响,开展疲劳寿命试验,对仿真模型结果进行验证。在此基础上以载荷水平和循环次数为因素,对残余应力松弛的影响规律进行试验研究。结果表明:不同喷丸强度的残余压应力大小对TC4钛合金疲劳寿命在一定范围内具有较大影响,残余压应力过小或者过大都会对钛合金疲劳寿命产生负面影响,表面残余压应力为−750 MPa时疲劳寿命大幅度提升;随着循环次数的增加,残余应力会逐渐发生松弛,尤其是当循环次数达到10^(4)次时,残余应力会明显松弛,应力松弛量平均约为23.64%,之后逐渐趋于稳定状态,残余应力也会随着载荷强度的增加逐渐发生松弛,且松弛量不断增大。研究结果可为喷丸残余应力的松弛变化规律研究及工程中提高TC4钛合金使用性能、合理高效的预估疲劳寿命提供借鉴参考。

焊接残余应力对钢桥面疲劳性能的影响与处理措施

为改善正交异性钢桥面的抗疲劳性能,对钢桥面进行退火处理以降低关键焊缝的焊接残余应力。首先系统性地回顾和探讨钢桥面焊接残余应力分布模式,同时就残余应力对疲劳裂纹发展的影响进行了文献分析。随后,归纳和总结了国内外主流焊接残余应力消除方法,并开展对比分析。借鉴压力容器制造方法,建议在正交异性钢桥面制造中引入退火处理工艺以降低焊接残余应力。研究聚焦钢桥面中疲劳问题较突出的顶板与U肋连接焊缝,设计了16个(其中9个退火处理,7未作处理)局部足尺单U肋试件进行残余应力测试与疲劳试验。试验结果表明,退火处理后焊缝残余应力实测值降低约80%,疲劳强度提高约23%。可以看出,退火处理可以大幅降低焊接残余应力,从而有效提升钢桥面抗疲劳性能。

喷丸残余应力对轨道车辆齿轮齿根裂纹应力强度因子的影响分析

高周循环应力工况下齿根裂纹所引发的疲劳断裂是轨道车辆传动齿轮强度失效的主要原因之一。为了分析喷丸残余应力和齿根弯曲应力耦合下对轨道车辆传动齿轮齿根裂纹应力强度因子影响规律与作用机制,针对实际喷丸过程中弹丸位置的随机特性,基于有限元二次开发了20结点奇异元1/4结点位移法,联合建立了FEM-DEM(有限元-离散元)耦合喷丸模型和三维单齿齿根裂纹模型,制定了一套多步骤联合数值模拟方法,并对齿根裂纹应力强度因子在内部残余应力场和外部载荷共同作用下的变化进行了分析。研究结果表明:喷丸强化引入的残余压应力场使得裂纹尖端应力强度因子减小约12%,有效地抑制了疲劳裂纹扩展;喷丸对裂纹扩展的抑制作用在表面与近表面区域最为明显,随着裂纹深度和外加载荷的增大而减弱;残余应力对应的应力强度因子与外载荷无关,仅与初始应力状态有关。

激光冲击诱导应力波对残余应力孔洞形成的影响

目的揭示残余应力孔洞形成的影响机制。方法采用有限元动力学仿真,实现对激光冲击诱导应力波传播过程的捕捉和特性分析。结果在2000 ns以内的光斑作用区域,材料的初始应力仅受到激光冲击诱导Ⅱ类应力波的扰动作用,此扰动作用由光斑中心向外依次减弱,引起的应力波动幅值由2459 MPa降至224 MPa;在其他工艺参数相同的情况下,残余应力孔洞随着峰值压力和脉宽的增加而变得更加明显,应力幅值差σ_(k)分别由0、114 MPa增至454、568 MPa,孔洞直径d_(k)分别由0、0.8 mm增至约1.4 mm,光斑直径的影响相对较弱。在激光能量3 J的作用下,空间高斯分布对应结果存在应力孔洞,σ_(k)、d_(k)分别为190 MPa、1 mm。将空间平顶分布激光能量增至7 J,对应结果由3 J激光能量时的无应力孔洞转变为存在明显应力孔洞,σ_(k)、d_(k)分别为634 MPa、1.4 mm。另外,在激光能量3 J的作用下,材料1的应力孔洞最显著,σ_(k)、d_(k)分别为207 MPa、1.4 mm,均高于材料2和材料3的对应值。凸圆面、平面和凹圆面对应的σ_(k)分别为212、190、83 MPa,d_(k)均为1 mm。结论在圆形光斑激光冲击载荷作用下,加载和卸载过程中形成的应力波在光斑中心的汇聚作用均较强,导致光斑中心区域材料持续出现正反向屈服,进而形成残余应力孔洞;在相同参数条件下,激光能量越高,则材料的力学性能越低,应力波扰动作用越强,应力孔洞现象越明显。

焊接残余应力对高强钢点焊接头裂纹扩展及疲劳性能的影响

点焊接头因高度应力集中,极易于熔核边缘萌生疲劳裂纹,点焊产生的残余应力会影响其扩展。为探究点焊残余应力对疲劳裂纹扩展的影响规律,建立DP600高强钢点焊接头三维裂纹有限元仿真模型。基于热-弹塑性理论求解点焊残余应力场,在此基础上计算有无残余应力时折线裂纹的局部应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)解,通过分析两种条件下裂纹最深点局部SIF随裂纹深度比变化的曲线,研究点焊残余应力对折线裂纹扩展的影响规律;基于断裂力学理论,采用改进的双参数模型预测有无残余应力时的疲劳寿命。结果表明,点焊残余应力使局部SIF显著提高,且随着裂纹深度比的增加,残余应力对其的影响程度也增加;考虑残余应力后裂纹整体扩展趋势不变但扩展速率显著增加,疲劳寿命由35616次下降至12564次。