薄壁结构高频超声应力场COMSOL仿真及试验研究

为了深入研究高频超声振动(high-frequency ultrasound vibration,HFUV)对飞机薄壁结构激光焊接微熔池的影响机理,借助COMSOL软件,建立了激光微熔池模型,开展了旁触式单振源模式下振幅、超声加载位置等参数对熔池声压作用规律的仿真计算,分析了超声空化效应和声流效应的产生条件,并试验验证了超声功率对接头微观组织以及生成相的影响。结果表明,高频超声振动使得激光微熔池内部声压产生正负交替变化,温度场更加均匀,有利于空化泡的形成、闭合和超声空化效应的产生,降低残余应力;超声加载位置、超声振幅与熔池输入声压成正比,超声加载位置每靠近熔池10 mm,熔池声压增大2~3倍,每增大4μ倍的振动幅值,熔池输入声压增大10 Pa;超声振动对熔池主要起搅拌作用,当振幅>7μm、加载位置到熔池距离<60 mm时可产生声流效应,距离<15 mm时,影响机制则以空化效应为主;随着辅加超声振动场强度的增大,焊缝组织的晶粒度呈单调增加的趋势,即组织随超声功率的增加逐渐细化。