超声喷丸控制铝合金大型薄壁结构焊接应力与变形机理及关键技术研究

To meet the requirement of controlling the welding stress and deformations in Al alloy large thin wall structure used in freight rocket and guided missile, the new techinique of ultrasonic peening controlling welding residual stress is put forward in this study. The structure peformances can be improved while the stress is relieved by this techinique. The structure peformances can be improved while the stress is relieved by this techinique. This study focucs on buckling distortion, for it is the most prominent problem in the welding of Al alloy thin wall structure. The physical model of ultrasonic peening course will be established. The mathematic model of ultrasonic peening parameters (amplitude, peening pin diameter, moving velocity), material mechanical properties (yield stress and Young's modulus under high speed impacting condition) and peening pin velocity will be obtained to get the maximum peening pin velocity. Combining the experiment results and finite element analysis, the ultrasonic peening stress field evolution based on the welding stress and deformations will be found to reveal the ultrasonic peening controlling welding residual stress mechanism. Based on the above results, the ultrasonic peening parameters and peening region can be determined. The relation of ultrasonic peening processing parameters-structure residual stress, microstructure,welding defect-structure deformations, corrosive performance, tension property will be found out to optimize ultrasonic peening parameters. Furthmore the superpower automated ultrasonic peening equipment with self-owned intellectual property rights will be developed to support stress and deformation control in the large complicated structure.

针对大型运载火箭制造及导弹服役过程贮存延寿工程中亟待解决的大型铝合金薄壁结构焊接应力与变形问题，本项目提出超声喷丸控制焊接残余应力的新方法，在消除或调整焊接残余应力、矫正变形的同时改善焊接构件性能。具体实施以控制铝合金薄壁焊接结构最易出现的失稳变形为切入点，建立超声喷丸物理过程模型，获得超声喷丸参数（振幅、冲击针直径、移动速度）、材料力学性能（高速撞击下屈服强度和弹性模量）与冲击针速度的数学模型，获得冲击针最大速度；采用试验与有限元相结合的方式，获得焊接预应力和预变形条件下超声喷丸矫形过程中应力场的演变规律，阐明超声喷丸控制焊接结构应力与变形的机理；在此基础上确定超声喷丸位置和参数，建立超声喷丸工艺-试件残余应力分布、微观结构、缺陷行为-试件变形、腐蚀性能、拉伸性能之间的关系，获得最优超声喷丸工艺。开发具有自主知识产权的大功率、自动化超声喷丸设备，为大型复杂结构应力与变形控制提供支持。

本项目提出超声喷丸控制焊接残余应力的新方法，以控制铝合金薄壁焊接结构最易出现的失稳变形为切入点，解明了2219铝合金焊接接头不同区域的本构关系，建立了超声喷丸过程的物理模型，实测冲击针最大撞击速度，全面解析超声喷丸矫正焊接结构失稳变形机理。在0.001~3500 s-1的应变率范围内，2219铝合金VPTIG焊接接头各部位的流动应力均对应变率有较强的敏感性，在冲击载荷作用下，焊缝及熔合区附近区域是焊接接头的薄弱环节；采用Johnson-Cook本构模型，对应变率敏感系数C的修正使得模型与试验结果吻合更好，在一定应变率范围内，能够预测材料在不同应变率下的流动应力。按照撞击速度的变化将超声喷丸过程分为四个阶段：瞬间加速阶段、波动阶段、逐渐加速阶段和稳定阶段，分析不同阶段结束时试件厚度方向的应力分布。对照撞击速度和塑性耗散能的变化趋势及塑性耗散能的理论推导，得出局部能量耗散随撞击速度增大而增大；最大撞击速度对应力场分布起决定性作用；构建了撞击速度和压应力层深度的关系方程。在超声喷丸设备输出振幅15μm，测得冲击针端部到试件距离为1.87μm时，冲击针的最大撞击速度为4.76m/s，是数值模拟结果的89.8%。发现冲击针在纵向运动不稳定，在水平方向有一定的横向位移，冲击针与其周围发生碰撞导致速度下降，削弱了变幅杆对其加速作用，导致最大撞击速度降低。以2219铝合金薄板法兰结构为例，采用数值模拟结合实验的方法对超声喷丸矫形的参数优化，焊接结构的失稳变形基本得到矫正。自主研发尾圆头型冲击针，解决了处理过程中冲击针出现横向位移降低最大撞击速度的问题，最大撞击速度比相同工艺下传统冲击针增大39.89%，进一步提高了处理效果。与ABB机器人复合，开发了自动化的超声喷丸设备，通过设置喷丸路线、喷丸参数优化，可实现大型储罐等结构焊后残余应力的控制及变形矫正。