激光冲击电火花堆焊焊缝表面的有限元模拟_张洁
第40卷 增刊2 稀有金属材料与工程 V ol.40, Suppl.2 2011年 7月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING July 2011
收稿日期：2010-05-11
基金项目：国家自然科学基金(50735001)；江苏省高技术研究计划（BG2007033）
作者简介：张 洁，男，1964年生，博士生，教授，江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013，电话：0511-********，E-mail:
zhangjie_ujs@https://www.wendangku.net/doc/a012362467.html,
激光冲击电火花堆焊焊缝表面的有限元模拟
张 洁，孙爱华，祝 乐，顾 祥
（江苏大学，江苏 镇江 212013）
摘 要：为了探究激光冲击强化对电火花堆焊表面应力状况的影响，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。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。结果显示：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。模拟结果与实验结果相吻合，这为有限元软件对焊接修复及激光处理工艺参数的优化提供了可靠的依据。
关键词：激光冲击强化；电火花堆焊；有限元模拟；残余应力
中图法分类号：TN 249；TB 333 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2011)S2-529-04
作为表面工程技术重要组成的电火花堆焊技术，以其独特的工艺特点,近年在航空航天、能源、军事、核工业、汽车、电力、医疗、冶金、矿山以及精密机械零部件制造修复等领域得到快速的推广应用[1]。电火花堆焊修复是一个非常复杂的过程，它是电弧投入的热流，金属熔化和凝固以及收缩引起的变形和残余应力的生成等因素的复合作用[2]。由于焊接残余应力的复杂性，目前主要采取数值模拟的方法来获得残余应力的分布规律。焊接产生的残余应力是影响构件强度和寿命的主要因素之一，为使修复后的零件的使用性能达到或超过未破坏零件，需进一步改善焊接区域的残余应力分布状况。
激光冲击强化(laser shock processing ，LSP)是利用高功率密度(GW/cm 2)、短脉冲（ns 量级）激光束辐射金属时产生高强度冲击波在金属材料或零件表层形成一定的残余应力，从而改善金属材料性能的一项新技术[3-5]。上海交通大学胡永祥，姚振强等运用有限元软件ANSYS ，实现了激光冲击强化处理残余应力场的数值仿真[6]。本文通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA ，模拟了激光冲击对电火花堆焊焊缝表面残余应力场分布的影响。
1 有限元模拟
1.1 有限元模型
本文所选试样为SiC p /Cu 基复合材料，试样规格为40 mm ×10 mm ×2 mm 。如图1所示：
图1 焊缝和冲击区的配置
Fig.1 Arrangement of welded line and impact treatment region
在试样的中部采用线切割预制裂纹，切口长度为3 mm 。在切口处双面开坡口，进行焊前处理，用专用打磨工具清除坡口附近的氧化皮，用丙酮清洁坡口周边位置，用3H-ES 电火花修复机进行电火花堆焊修复，电极采用铜材料，堆焊时采用氮气保护，其电火花堆焊主要工艺参数见表1。
表1 焊接工艺参数
Table 1 Welding parameters of sample Voltage, U /V
Frequency,
f /Hz
Power, P /W
Nitrogen flow, q /L·min -1
63~65 100~800 630~945
12
从目前国内外的研究报道看 ,关于颗粒增强型金属基复合材料力学行为的有限元模拟主要分为细观尺度和宏观尺度的数值计算两种方法。细观尺度模拟，如单胞模型建立，由于相对细致地描述了复合材料的
Welding line
Impact area
40 mm
10 m m
·530· 稀有金属材料与工程 第40卷
微观几何结构，从而能够很好地模拟复合材料的微观力学行为，但该方法无法描述整体工件的宏观力学行为和无法满足工程应用的需要[7]。由于SiC p 体积含量仅为2.5%，故选择复合材料的宏观模型。 1.2 焊接热源
电火花堆焊时，放电能量在时间和空间上高度集中，放电区域微小，放电时间仅为10-6
~10-5
s ，热源模型直接采用体积生热率，即焊缝区内热源：
weld d Q HGEH S V t
=
×× （1） 式中：HGEN 为每个载荷步施加的生热率 (W/m 3)；Q 为全部焊接热；S weld 为焊缝的横截面积(m 2)；V 为焊接速度(m/s)；d t 为每个载荷步的时间步长(s)。 1.3 边界条件[8]
焊接过程的边界条件包括温度场分析的边界条件和应力应变分析的边界条件。本文中选取的对称面为绝热边界,并在该面所有节点上施加固定位移约束。其它各面均施加表面对流边界条件,应力应变分析施加的其它边界条件使试件无整体刚性位移即可。 1.4 相变的影响[9]
在焊接过程中材料必然会有相变产生。随着相变而发生热量转换(潜热的放出与吸收)。为了准确计算焊接温度场，必须考虑相变潜热。通过定义材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热，焓的单位是J·m -3，是密度与比热的乘积对温度的积分，其数学定义为：
0d T
T H c T ρ=∫ （2）
1.5 网格划分和载荷步设置
为减少计算时间，取原始试样的一半建立有限元模型。焊缝长度为3 mm ，焊接速度为3 mm/s ，即焊接总时间为1 s 。模型中沿焊缝方向共划分了10个单元，采用生死单元技术进行循环加载。故加热阶段的载荷步时间设置为0.1 s ，即每次热流密度作用的时间为焊源走过一个单元所需的时间，焊接载荷总步为10，试样冷却1000 s 后达到室温。模型网格划分如图2所示。
图2 有限元模型 Fig.2 Finite element model
1.6 应力场结果与分析
计算出焊接温度场后，转换单元，将Solid 70→Solid 45。并输入材料相关力学参数，施加结构边界条件，在温度场结果基础上进行应力场分析。图3为模型垂直焊缝方向表面的横向残余应力分布曲线。
图3 垂直焊缝方向的残余应力分布曲线
Fig.3 Distribution of residual stress measureed at vertical weld
direction
图中横坐标原点为焊缝表层中心点，横坐标表示距离焊缝中心距离（mm ），纵坐标为应力值(MPa)。如图所示：焊缝区存在横向残余拉应力，最大拉应力值为49.89 MPa 。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62.73 MPa 。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。焊接残余应力是由于焊缝周边区域冷却凝固过程中收缩受限产生的，焊缝区在冷却过程中产生的拉伸塑性应变保留形成残余拉应力。
2 激光冲击加载有限元模拟
为了分析激光冲击对SiC p /Cu 基复合材料焊接残余应力场分布的影响，将堆焊产生的残余应力作为初始应力，利用ANSYS/LS-DYNA 软件进行激光冲击加载有限元模拟。
为阻止冲击造成的模型非真实性振荡，需获得模型最佳的全局阻尼值，其值通常认为是模型第一阶固有频率的2倍。为此，先在ANSYS 隐式分析中进行模型模态分析，得出模型的每一阶固有频率，求出模型最佳的全局阻尼值。 2.1 有限元模型的初始化
将隐式单元Solid 45转换为显示单元Solid 164，
进入ANSYS/LS-DYNA 计算环境。移除进行隐式分析时所加的附加约束，来自隐式分析的节点结果写到动
力松弛文件中，用于初始化显式分析模型的几何形状以及焊接后的残余应力结果。
X
Y
Z 0 2 4 6 8 10
Distance/mm
49.8838.6227.3616.104.83-6.42-17.68-28.94-40.20-51.47-62.73
R e s i d u a l S t r e s s /M P a
增刊2 张 洁等：激光冲击电火花堆焊焊缝表面的有限元模拟 ·531·
2.2 边界条件与加载
图4给出了激光冲击仿真的模型边界条件和加载区域。在模型的侧面和底面施加无反射边界条件，并进行全约束，对称面施加对称约束。加载区域为直径5 mm 的半圆。冲击压力-加载时间曲线如图5所示。
图4 激光冲击加载有限元模型
Fig.4 Finite element model of laser shock load
图5 简化冲击加载时间历程曲线 Fig.5 Simplified load curve of shock pressure
2.3 冲击仿真结果与分析
图6为试样表面残余应力分布。如图6所示，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36.71 MPa 。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。焊接残余应力是由于焊缝周边区域冷却凝固过程中收缩受限产生的，而在激光冲击强化过程中，当冲击强度大于材料的动态屈服强度时，就会在试样表层形成一个塑性变形层，冲击波在冲击区产生平行于材料表面的拉应力，并使材料发生塑性变形。激光作用结束后，由于冲击区周围材料的反作用，能有效补偿焊接产生的残余拉应力。
3 实验验证
实验是在江苏大学强激光试验室Nd: Glass 实用
型激光冲击强化装置上进行,其激光冲击处理的技术参数为输出光束发散度≤1.7 mrad ，直径 5 mm ，脉冲能量35 J ，重复率 0.5 Hz ，波长 1054 nm ，输出不稳定性≤±10%。
SiC p /Cu 基复合材料经电火花堆焊修复后的焊缝，在激光冲击强化处理前、单次激光冲击强化处理和两次激光冲击强化处理后,分别对其试样沿垂直焊缝方向表面残余应力的分布进行了系统测试,结果如图7所示。
图6 试样表面残余应力分布
Fig.6 Distribution of residual stress measured at sample surface
图7 垂直焊缝方向残余应力分布曲线
Fig.7 Distribution of residual stress measured at vertical weld
direction
表2为最大拉应力在不同条件下，模拟值与实验数据的对比。模拟结果略高于实测结果，可能是源于
表2 最大拉应力模拟值与实验值对比 Table 2 Maximum tensile stress simulation values and
experimental data
ANSYS/ MPa EXP/MPa Unshock 49.89 41 One shock 36.71 37 Two shocks -7.578 -4
Non-reflecting boundary surface
Shocked region
Non-reflecting
boundary surface
Symmetric boundary surface
0 20 40 60 80
Time/ns
1.00.80.60.40.2
0.0
P r e s s u r e /G P a
0 1 2 3 4 5
Distance away from the Weld Center, D /mm
6040200-20-40-60-80
R e s i d u a l S t r e s s , σ/M P a
Residual stress before LSP
Residual stress after single LSP Residual stress after twice LSP
0.0 1.0 2.0 3.0
Distance away from the Weld Center, D /mm 6040200-20-40-60-80-100
R e s i d u a l S t r e s s , σ/M P a
Twice shock Single shock Unshock
·532·稀有金属材料与工程第40卷
实际堆焊中存在放电间隙且堆焊过程中存在的一些缺陷。经过单次和两次激光冲击后，焊缝区的最大残余应力有限元仿真值分别36.71 MPa，-7.578 MPa，实验结果分别为37 MPa和-4 MPa，误差不大。
4 结 论
1）运用ANSYS有限元软件,从宏观尺度对SiC p/Cu基复合材料堆焊过程进行数值计算，模拟计算结果与实测数据的分布基本吻合。
2）激光冲击强化处理有效改善了电火花堆焊修复试样表层应力状况，能在一定程度上降低或消除焊缝区残余拉应力，更进一步提高焊缝修复质量。
3）利用ANSYS/LS-DYNA软件对焊接过后存在残余应力场分布的有限元模型进行冲击加载模拟，所得试样表层应力分布状况与实测结果基本一致。为有限元软件对焊接修复及激光处理工艺参数的优化提供可靠的依据。
参考文献References
[1] Wang Ruijun(汪瑞军), Huang Xiaoou(黄小鸥). Weld(焊接)[J],
2006, 50(10): 19
[2] Ueda Y, Hidekazu V. Translated by Luo Yu(罗玉译).
Numerical Calculation Methods and Procedures of Welding Distortion and Residual Stress(焊接变形和残余应力的计算方法和程序)[M]. Chengdu: Sichuan University Press, 2008
[3] Thorslund T, Kahlen F J, Kar A. Optics and Lasers in
Engineering [J], 2003, 39(3): 51
[4] Yang Jichang(杨继昌), Zhou Jianzhong(周建忠), Zhang
Yongkang(张永康). Journal of Jiangsu University(Natural Science)(江苏大学学报，自然科学版)[J], 2002, 23 (1): 1 [5] Zhang Yongkang(张永康). Laser Shock Processing to Improve
the Fatigue Performance of Aerospace Aluminum Alloy(激光冲击强化提高航空铝合金的抗疲劳性能)[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 1995 [6] Hu Yongxiang(胡永祥), Yao Zhenqiang(姚振强), Hu Jun(胡
俊). China Laser(中国激光)[J], 2006, 33(6): 846
[7] Shao Junchao(邵军超), Liu Yue(刘越). Material Herald(材
料导报)[J], 2007, 21(9): 111
[8] Lu Anli(鹿安理), Shi Qingyu(史清宇), Zhao Haiyan(赵海燕).
Chinese Mechanical Engineering(中国机械工程)[J], 2001, 12(2): 183
[9] Cheng Jun(程军), Chen Ying(陈英). Journal of Tongji
University(Natural Science)(同济大学学报，自然科学版) [J], 2008, 36(5): 640
Finite Element Simulation of Laser Shock Processing on the Welding Line
Restored by Electro-Spark Overlaying
Zhang Jie, Sun Aihua, Zhu Le, Gu Xiang
(Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)
Abstract: In order to explore the effect on residual stress of welding line by laser shock processing, finite element analysis software ANSYS was used to simulate the welding process and to calculate the distribution of welding residual stress field. On this basis, then AYSYS/LS-DYNA was used to simulate the laser shock processing on welding line. Results show that residual stress distributions of weld region, heat-affected region and matrix by laser shock processing are clearly improved, and the tensile stress of weld region effectively reduce or eliminate. The simulation results and experimental results are generally consistent, which offers reasons for parameter optimization of welding and laser shock processing by finite element analysis software.
Key words: laser shock processing; electro-spark overlaying; finite element simulation; residual stress
Corresponding author: Zhang Jie, Candidate for Ph. D., Professor, Advanced Forming Technology Institute, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, P. R. China, Tel: 0086-511-88791019, E-mail: zhangjie_ujs@https://www.wendangku.net/doc/a012362467.html,