CN112129660B - 一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，属于机械结构诊断分析技术领域。喷丸处理使构件表层形成一定厚度的强化层以此引入残余压应力，强化其疲劳性能，但同时由于喷丸处理引起的构件表层塑性变形也会使其表面粗糙度增加造成应力集中现象，这会对焊接构件疲劳性能造成不利影响。本发明对喷丸处理后的构件进行寿命预测时，考虑上述喷丸处理对焊接构件疲劳性能造成影响的这两个因素对寿命预测公式进行修正，能够较准确地预测出喷丸处理后的搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命。对喷丸处理后的焊接构件的安全服役具有重要理论意义和工程应用价值。

Description

一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种疲劳寿命预测方法，特别涉及一种考虑喷丸后粗糙度变化以及引入残余应力适用于喷丸处理后的搅拌摩擦焊接接头疲劳寿命预测方法，属于机械结构诊断分析技术领域。

背景技术

搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量，使被焊材料局部温度升高软化同时进行搅拌摩擦完成焊接，是一种新型的固相连接技术。在机械结构中，疲劳问题是不可忽视的，焊接接头是焊接结构中最薄弱的部分，在焊接结构的失效中，焊接接头最容易在疲劳载荷下发生破坏。喷丸处理即将高速弹丸流轰击零件表面，使零件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层从而引入残余压应力，提高零件的疲劳强度。因此，对焊接接头进行喷丸强化处理是提高焊接结构疲劳寿命的有效方法之一。

搅拌摩擦焊构件进行喷丸处理即将高速弹丸流轰击搅拌摩擦焊接构件表面，使其表层发生塑性变形从而形成一定厚度的强化层以此引入残余压应力，强化其疲劳性能。但同时由于喷丸处理引起的构件表层塑性变形也会使其表面粗糙度增加造成应力集中现象，这会对焊接构件疲劳性能造成不利影响。因此，本发明对喷丸处理后的焊接构件进行寿命预测时，考虑上述喷丸处理对焊接构件疲劳寿命造成影响的这两个因素对寿命预测公式进行修正，能够较准确地预测出喷丸处理后的搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命。对喷丸处理后的焊接构件的安全服役具有重要理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，通过模拟喷丸对搅拌摩擦焊接头的影响及考虑残余应力释放因素，将喷丸引起的表面粗糙度和残余应力因素综合考虑，对疲劳寿命预测公式进行修正，进而结合Paris理论得到喷丸处理后的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于考虑喷丸后焊接构件表面粗糙度增大导致应力集中以及引入残余应力这两个因素的喷丸处理后搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1)：利用ABAQUS软件建立焊接接头微区喷丸有限元模型。模型中将试件接头每个区分别对应截取小块模拟喷丸过程，各微区中喷丸区域网格细化并嵌入微小杂质；利用单轴拉伸静载试验得到接头每个区的循环应力应变曲线数据，将其输入对应的每个分区的材料属性中；对接头各区分别进行喷丸模拟得到接头各区喷丸后的残余应力分布，并通过施加循环载荷对比各区应变大小从而得出喷丸后搅拌摩擦焊接头的薄弱区域；

步骤2)：选出薄弱区域后，在此分区模拟得出残余应力分布的基础上，进行不同条件下的循环应力加载有限元计算，取循环周次10周后接头薄弱区域对应不同加载条件下残余应力值为应力释放后稳定的残余应力值σ_r；

步骤3)：采用Paris理论公式进行疲劳寿命的计算时，需要知道有效应力强度因子范围，喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头循环数为N_i时的有效应力强度因子范围ΔK_eff,i由下式求得：

ΔK_eff，i＝U(R_eff,i)ΔK_i (1)

式中ΔK_i为循环数为N_i时的应力强度因子范围；U(R_eff,i)为循环数为N_i时的裂纹张开比。其计算方法如下：

由于喷丸处理使焊接构件表面产生弹丸坑以致使粗糙度增大导致应力集中，在计算应力强度因子范围时本发明引入应力集中系数则循环数为N_i时的应力强度因子范围ΔK_i用如下修正式计算：

式中a_i为循环数为N_i时的裂纹长度；Y为几何修正因子，可根据Raju和Newman提出的方法计算；Δσ为外加应力范围；通过D.Arola的应力集中系数估算方法得到：

式中n为应力状态因子，一般取1；λ为弹丸坑之间的距离与其深度的比值，R_z为微观不平度十点高度，ρ为弹丸坑底部曲率半径，都通过试验测得。

由于喷丸处理会对构件引入残余应力且残余应力在循环前几周很快趋于稳定，在计算裂纹张开比时在Schijve的裂纹张开比公式基础上本发明考虑了外加载荷和喷丸引入的释放稳定后的残余应力共同作用下的应力强度因子比R_eff,i，则循环数为N_i时的裂纹张开比U(R_eff,i)计算方法如下：

U(R_eff,i)＝0.55+0.33R_eff,i+0.12R_eff,i ² (4)

式中K_min,i为由外加应力引起的最小应力强度因子；K_max,i为由外加应力引起的最大应力强度因子；K_r,i为由喷丸引入的释放稳定后的残余应力引起的应力强度因子。其计算方法分别如下：

式中σ_min为外加最小应力；σ_max为外加最大应力；σ_r为由喷丸引入的释放稳定后的残余应力值；β为误差修正系数，一般取值为0.6-0.8；L为喷丸引入残余应力层深度；B试件总厚度；

步骤4)：由于喷丸后试件表面凹凸不平无法观察表面裂纹，故使用未喷丸的光滑搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展数据，采用不考虑残余应力修正的Schijve裂纹张开比公式计算出未喷丸的有效应力强度因子范围ΔK_eff并与光滑搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展速率da/dN进行关联，得到光滑搅拌摩擦焊接头各区的裂纹扩展基线并通过对双对数坐标系下进行线性拟合得出用于计算裂纹扩展增量的Paris公式中相关系数C、m，以此值近似代替喷丸后的材料常数；其中用到的ΔK_eff计算公式如下：

ΔK_eff＝U(R)ΔK (9)

U(R)＝0.55+0.33R+0.12R² (10)

式中U(R)为裂纹张开比，R为应力比，ΔK为应力强度因子范围；a为试验测得裂纹长度。

步骤5)：初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸的确定。由于大多数小裂纹产生于材料的微观缺陷或强化颗粒处，故取各区域内强化颗粒的尺寸平均值作为初始裂纹尺寸a₀；以试样厚度和接头断裂韧度对应的裂纹尺寸中的较小值作为临界裂纹尺寸a_c，断裂韧度对应的裂纹尺寸计算公式如下：

式中K_IC为材料断裂韧性，σ_max为最大外载应力。

步骤6)：通过步骤3)所确定的喷丸处理影响后的焊接接头有效应力强度因子范围ΔK_eff,i以及步骤4)所确定的材料常数C、m，利用Paris公式计算每个循环下的裂纹扩展增量Δa_i：

Δa_i＝C(ΔK_eff，i)^m (13)

步骤7)：通过步骤6)结合步骤5)所确定的初始裂纹尺寸，计算当前循环数N_i下的裂纹尺寸a_i：

a_i＝a_i-1+Δa_i (14)

步骤8)：通过公式(1)及公式(13)计算每个循环下的裂纹扩展增量Δa_i，通过公式(14)计算当前循环数N_i下的裂纹尺寸a_i。通过不断的以此循环计算，当前裂纹尺寸a_i不断更新，当裂纹尺寸达到步骤5)中所确定的临界裂纹尺寸a_c时视为试件断裂，而此时的循环数N_i即为喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命N。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，对喷丸处理后的焊接构件进行寿命预测时，基于考虑喷丸处理使焊接构件表面粗糙度增大导致应力集中和喷丸处理使构件表层发生塑性变形引入残余压应力这两个影响因素对寿命预测公式进行修正，能够较准确地预测出喷丸处理后的搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法流程图。

图2为本发明实施例1中裂纹扩展速率随有效应力强度因子范围变化曲线图。

图3为本发明实施例1中喷丸处理后7075铝合金搅拌摩擦焊接头寿命预测图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：喷丸处理后的7075铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测

如图1所示，一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法的具体实施方式如下：

步骤1)：利用ABAQUS软件建立焊接接头微区喷丸有限元模型。模型中将试件接头每个区分别对应截取小块模拟喷丸过程，各微区中喷丸区域网格细化并嵌入微小杂质；利用单轴拉伸静载试验得到接头每个区的循环应力应变曲线数据，将其输入对应的每个分区的材料属性中；对接头各区分别进行喷丸模拟得到接头各区喷丸后的残余应力分布，并通过施加循环载荷对比各区应变大小从而得出喷丸后搅拌摩擦焊接头的薄弱区域；

步骤2)：选出薄弱区域后，在此分区模拟得出残余应力分布的基础上，进行不同条件下的循环应力加载有限元计算，取循环周次10周后接头薄弱区域不同加载条件下残余应力值为应力释放后稳定的残余应力值σ_r；

步骤3)：采用Paris理论公式进行疲劳寿命的计算时，需要知道有效应力强度因子范围，喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头循环数为N_i时的有效应力强度因子范围ΔK_eff,i由下式求得：

ΔK_eff，i＝U(R_eff,i)ΔK_i (1)

式中ΔK_i为循环数为N_i时的应力强度因子范围；U(R_eff,i)为循环数为N_i时的裂纹张开比。其计算方法如下：

由于喷丸处理使焊接构件表面产生弹丸坑以致使粗糙度增大导致应力集中，在计算应力强度因子范围时本发明引入应力集中系数则循环数为N_i时的应力强度因子范围ΔK_i用如下修正式计算：

式中a_i为循环数为N_i时的裂纹长度；Y为几何修正因子，可根据Raju和Newman提出的方法计算；Δσ为外加应力范围。通过D.Arola的应力集中系数估算方法得到：

式中n为应力状态因子，一般取1；λ为弹丸坑之间的距离与其深度的比值，R_z为微观不平度十点高度，ρ为弹丸坑底部曲率半径，都通过试验测得。

由于喷丸处理会对构件引入残余应力且残余应力在循环前几周很快趋于稳定，在计算裂纹张开比时在Schijve的裂纹张开比公式基础上本发明考虑了外加载荷和喷丸引入的释放稳定后的残余应力共同作用下的应力强度因子比R_eff,i，则循环数为N_i时的裂纹张开比U(R_eff,i)计算方法如下：

U(R_eff,i)＝0.55+0.33R_eff,i+0.12R_eff,i ² (4)

式中K_min,i为由外加应力引起的最小应力强度因子；K_max,i为由外加应力引起的最大应力强度因子；K_r,i为由喷丸引入的释放稳定后的残余应力引起的应力强度因子。其计算方法分别如下：

式中σ_min为外加最小应力；σ_max为外加最大应力；σ_r为由喷丸引入的释放稳定后的残余应力值；β为误差修正系数，一般取值为0.6-0.8；L为喷丸引入残余应力层深度；B试件总厚度。

步骤4)：由于喷丸后试件表面凹凸不平无法观察表面裂纹，故使用未喷丸的光滑搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展数据，采用不考虑残余应力修正的Schijve裂纹张开比公式计算出未喷丸的有效应力强度因子范围ΔK_eff并与光滑搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展速率da/dN进行关联，得到光滑搅拌摩擦焊接头各区的裂纹扩展基线并通过对双对数坐标系下进行线性拟合得出用于计算裂纹扩展增量的Paris公式中相关系数C、m，以此值近似代替喷丸后的材料常数。ΔK_eff计算公式如下：

U(R)＝0.55+0.33R+0.12R² (9)

ΔK_eff＝U(R)ΔK (11)

式中U(R)为裂纹张开比，R为应力比，ΔK为应力强度因子范围，a为试验测得裂纹长度。

步骤5)：初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸的确定。由于大多数小裂纹产生于材料的微观缺陷或强化颗粒处，故取各区域内强化颗粒的尺寸平均值作为初始裂纹尺寸a₀，本实施例所得的初始裂纹尺寸取为10μm；以试样厚度和接头断裂韧度对应的裂纹尺寸中的较小值作为临界裂纹尺寸a_c，断裂韧度对应的裂纹尺寸计算公式如下：

式中K_IC为材料断裂韧性，σ_max为最大外载应力。

本实施例中疲劳试样厚度小于试验测得的断裂韧度对应的裂纹尺寸，取试样厚度作为临界裂纹尺寸；

步骤6)：通过步骤3)所确定的喷丸处理影响后的焊接接头有效应力强度因子范围ΔK_eff,i以及步骤4)所确定的材料常数C、m，利用Paris公式计算每个循环下的裂纹扩展增量Δa_i：

Δa_i＝C(ΔK_eff，i)^m (13)

步骤7)：通过步骤6)结合步骤5)所确定的初始裂纹尺寸，计算当前循环数N_i下的裂纹尺寸a_i：

a_i＝a_i-1+Δa_i (14)

步骤8)：通过公式(1)及公式(13)计算每个循环下的裂纹扩展增量Δa_i，通过公式(14)计算当前循环数N_i下的裂纹尺寸a_i。通过不断的以此循环计算，当前裂纹尺寸a_i不断更新，当裂纹尺寸达到步骤5)中所确定的临界裂纹尺寸a_c时视为试件断裂，而此时的循环数N_i即为喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命N。本实施例所得喷丸处理后的7075铝合金搅拌摩擦焊接头寿命预测图，如图3，大部分试件的预测寿命与试验寿命误差在2倍因子之内，寿命预测效果良好。

Claims (1)

1.一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：利用ABAQUS软件建立焊接接头微区喷丸有限元模型；模型中将试件接头每个区分别对应截取小块模拟喷丸过程，各微区中喷丸区域网格细化并嵌入微小杂质；利用单轴拉伸静载试验得到接头每个区的循环应力应变曲线数据，将其输入对应的每个分区的材料属性中；对接头各区分别进行喷丸模拟得到接头各区喷丸后的残余应力分布，并通过施加循环载荷对比各区应变大小从而得出喷丸后搅拌摩擦焊接头的薄弱区域；

步骤2)：选出薄弱区域后，在此分区模拟得出残余应力分布的基础上，进行不同条件下的循环应力加载有限元计算，取循环周次10周后接头薄弱区域对应不同加载条件下残余应力值为应力释放后稳定的残余应力值σ_r；

步骤3)：采用Paris理论公式进行疲劳寿命的计算时，需要知道有效应力强度因子范围，喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头循环数为N_i时的有效应力强度因子范围ΔK_eff,i由下式求得：

ΔK_eff，i＝U(R_eff,i)ΔK_i (1)

式中ΔK_i为循环数为N_i时的应力强度因子范围；U(R_eff,i)为循环数为N_i时的裂纹张开比；其计算方法如下：

由于喷丸处理使焊接构件表面产生弹丸坑以致使粗糙度增大导致应力集中，在计算应力强度因子范围时引入应力集中系数则循环数为N_i时的应力强度因子范围ΔK_i用如下修正式计算：

式中a_i为循环数为N_i时的裂纹长度；Y为几何修正因子，可根据Raju和Newman提出的方法计算；Δσ为外加应力范围；通过D.Arola的应力集中系数估算方法得到：

式中n为应力状态因子，取1；λ为弹丸坑之间的距离与其深度的比值，R_z为微观不平度十点高度，ρ为弹丸坑底部曲率半径，都通过试验测得；

由于喷丸处理会对构件引入残余应力且残余应力在循环前几周很快趋于稳定，在计算裂纹张开比时在Schijve的裂纹张开比公式基础上考虑了外加载荷和喷丸引入的释放稳定后的残余应力共同作用下的应力强度因子比R_eff,i，则循环数为N_i时的裂纹张开比U(R_eff,i)计算方法如下：

U(R_eff,i)＝0.55+0.33R_eff,i+0.12R_eff,i ² (4)

式中K_min,i为由外加应力引起的最小应力强度因子；K_max,i为由外加应力引起的最大应力强度因子；K_r,i为由喷丸引入的释放稳定后的残余应力引起的应力强度因子；其计算方法分别如下：

式中σ_min为外加最小应力；σ_max为外加最大应力；σ_r为由喷丸引入的释放稳定后的残余应力值；β为误差修正系数，取值为0.6-0.8；L为喷丸引入残余应力层深度；B试件总厚度；

步骤4)：由于喷丸后试件表面凹凸不平无法观察表面裂纹，故使用未喷丸的光滑搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展数据，采用不考虑残余应力修正的Schijve裂纹张开比公式计算出未喷丸的有效应力强度因子范围ΔK_eff并与光滑搅拌摩擦焊接头的裂纹扩展速率da/dN进行关联，得到光滑搅拌摩擦焊接头各区的裂纹扩展基线并通过对双对数坐标系下进行线性拟合得出用于计算裂纹扩展增量的Paris公式中相关系数C、m，以此值近似代替喷丸后的材料常数；其中用到的ΔK_eff计算公式如下：

ΔK_eff＝U(R)ΔK (9)

U(R)＝0.55+0.33R+0.12R² (10)

式中U(R)为裂纹张开比，R为应力比，ΔK为应力强度因子范围；a为试验测得裂纹长度；

步骤5)：初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸的确定；由于大多数小裂纹产生于材料的微观缺陷或强化颗粒处，故取各区域内强化颗粒的尺寸平均值作为初始裂纹尺寸a₀；以试样厚度和接头断裂韧度对应的裂纹尺寸中的较小值作为临界裂纹尺寸a_c，断裂韧度对应的裂纹尺寸计算公式如下：

式中K_IC为材料断裂韧性，σ_max为外加最大应力；

步骤6)：通过步骤3)所确定的喷丸处理影响后的焊接接头有效应力强度因子范围ΔK_eff,i以及步骤4)所确定的材料常数C、m，利用Paris公式计算每个循环下的裂纹扩展增量Δa_i：

Δa_i＝C(ΔK_eff，i)^m (13)

步骤7)：通过步骤6)结合步骤5)所确定的初始裂纹尺寸，计算当前循环数N_i下的裂纹尺寸a_i：

a_i＝a_i-1+Δa_i (14)

步骤8)：通过公式(1)及公式(13)计算每个循环下的裂纹扩展增量Δa_i，通过公式(14)计算当前循环数N_i下的裂纹尺寸a_i；通过不断的以此循环计算，当前裂纹尺寸a_i不断更新，当裂纹尺寸达到步骤5)中所确定的临界裂纹尺寸a_c时视为试件断裂，而此时的循环数N_i即为喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命N。