構件電弧增材后碾壓消應力有限元建模及分析研究

陳文彬 蔣立鶴 楊焜 權國政

摘要：碾壓消應力是消除構件電弧增材后表層的一種重要且很有發展潛力的消應力方法。工件表層經碾壓變形后，通過改變工件的形狀和厚度，來達到對工件產生變形，釋放工件里殘余應力。對裝備構件進行碾壓消應力模擬，模擬結果顯示在強旋過程中，消除了槽底中間很大的殘余拉應力，消除大部分工件內部橫向殘余應力和縱向殘余應力。強旋大體上消除了大部分殘余應力，但是表面會出現一定的應力集中。良好的消除殘余應力的效果可以讓強旋作為消除殘余應力流程的一部分。

關鍵詞：碾壓;消應力;碾壓速度;有限元模擬

中圖分類號：TG444+.74 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0075-02

0 ?引言

電弧增材制造技術作為一種擁有成本低、材料利用率高等優勢的新興制造技術，其在生產復雜工件的市場有著巨大的潛力[1]。構件在電弧增材的過程中產生了大量的殘余應力，在構件工作時，殘余應力與工作時所受的應力相互作用，構件二次變形，內部應力狀態改變。不但會降低氣閥的強度和剛度，影響氣閥結構的穩定性，還會影響氣閥的疲勞強度等性能，降低氣閥的使用壽命[2]。選擇合適的電弧增材參數組合，并對增材部位進行強碾處理，能大大提高氣閥的各方面性能和使用壽命，從而提高氣閥質量。由于電弧增材殘余應力的產生，對產品的壽命和性能有所損害。近幾十年學者們開展了大量運用塑性成形的方法降低和消除殘余應力的研究。關于碾壓對消除電弧增材殘余應力的效果，楊志、侯紅亮等研究了剪切碾壓的進給率、變形溫度、和半錐角等參數對TC4合金表面殘余應力分布的影響規律[3]。爆炸成形、高頻鍛造、激光沖擊強化等諸多塑性成形的方法都可以降低和消除電弧增材殘余應力[4～6]。本文將利用ABAQUS軟件，對電弧增材后的殘余應力場進行繼承，通過碾輪對已有模型進行強碾工藝的模擬，觀察殘余應力分布云圖，初步分析強碾工藝對殘余應力消除的效果。

1 ?碾壓消應力有限元模型構建

強碾消除殘余應力有限元模型的建立，需要從電弧增材模擬中繼承電弧增材的模型，再在電弧增材模型的基礎上建立一個碾輪的模型。如圖1所示，在ABAQUS里建立一個碾輪的對稱三維實體模型，碾輪尺寸：中間大徑170mm，半邊厚度為23mm，斜角為45°，上下部分接觸線的倒角為2mm。電弧增材模型的網格繼續沿用，碾輪網格的選擇C3D8R的8節點6面體。

2 ?強碾消除殘余應力效果分析

本次模擬繼承了電弧增材模擬方案中的應力場和溫度場，在其基礎上再進行強碾工藝的模擬。影響強碾消除殘余應力效果的主要參數有下壓量、強碾次數、強碾速度、碾輪工作角等。本文僅模擬下壓量3.0mm、強碾速度為 150mm/s的強碾過程，強碾一次、碾輪的工作角為90°。

如圖2和圖3分別是經強碾后橫向殘余應力的分布云圖和強碾前橫向殘余應力分布云圖。由于強碾過程會產生應力集中，圖中紅色區域為應力集中，分析中暫不考慮。在下壓量為3.0mm時，強碾后模型的橫向殘余應力大體都在-269.8MPa到187.2MPa范圍里。觀察如圖4，經強碾后除去增材部分橫向殘余應力分布云圖。相對于未經過強碾處理的模型，消除了槽底殘余橫向應力的應力集中，將其通過塑性變形釋放了一部分殘留在槽底的拉應力。同時強碾工藝將經電弧增材后分布在表面增材部位周圍的殘余壓應力也釋放了一部分，甚至有部分因為強碾工藝從殘余壓應力狀態轉變成了殘余拉應力狀態。

如圖5和6分別是經強碾后和強碾前縱向殘余應力的分布云圖。與橫向殘余應力一樣，圖中紅色區域為應力集中，下述分析中暫不考慮。在下壓量為3.0mm時，強碾后模型的縱向殘余應力大體都在-114.6MPa到200.6MPa范圍里。觀察如圖7，經強碾后除去增材部分縱向殘余應力分布云圖。相對于未經過強碾處理的模型，消除了槽底殘余縱向應力的應力集中，將其通過塑性變形釋放了一部分殘留在槽底的拉應力。同時強碾工藝將經電弧增材后分布在上表面的殘余壓應力釋放了大部分。

總體上來說，強碾工藝消除大部分工件內部的殘余應力，使應力集中在工件表面，方便后續的熱處理等消除殘余應力方法的進行。

3 ?結語

電弧增材后的殘余應力對工件的性能有著極大的影響，強碾作為一種有效的消除殘余應力的工藝方法，評價出強碾消除殘余應力的效果，對指導實際工程生產有重大的意義。本文通過ABAQUS，建立碾輪模型，并將碾輪和電弧增材模型裝配，設置相關參數，繼承電弧增材的應力場和溫度場，模擬強碾工藝的過程，得到強碾后的殘余應力分布云圖，對比強碾前的殘余應力分布云圖，初步評價強碾消除殘余應力的效果，結論如下：①在強碾過程中，消除了槽底中間很大的殘余拉應力，消除大部分工件內部橫向和縱向殘余應力，甚至將一部分殘余壓應力轉變成殘余拉應力。②強碾大體上消除了大部分殘余應力，但是表面會出現一定的應力集中。在實際生產中，強碾消除一部分殘余應力無法完全消除，良好的消除殘余應力的效果可以讓強碾作為消除殘余應力流程的一部分。

參考文獻：

[1]XU X，DING J，GANGULY S，et al. Investigation of process factors affecting mechanical properties of INCONEL 718 superalloy in wire + arc additive manufacture Technology，2019，265： 201-209.

[2]BERMINGHAM M J，NICASTRO L，KENT D，et al. Optimising the mechanical properties of Ti 6Al 4V components produced by wire + arc additive manufacturing with post process heat treatments[J]. Journal of Alloys & Compounds， 2018， 753： 247-255.

[3]邰馳，高志剛，陸建，等.焊接電流對Q235鋼焊接接頭殘余應力的影響[J].化工裝備技術，2017，38（2）：51-55.

[4]孫汝劍，朱穎，等.激光沖擊強化對電弧增材 2319 鋁合金微觀組織及殘余應力的影響[J].激光與光電子學進展，2018，55（1）：127-133.

[5]侯海亮，朱錫.爆炸處理消除焊接殘余應力[J].航海工程，2002（05）：8-14.

[6]邱長軍，李軍，等.高頻鍛造對激光熔覆層應力場的影響[D].南華大學，2012.

基金項目：重慶市基礎研究與前沿探索項目（cstc2018jcyjAX0459）。

作者簡介：陳文彬（1976-），男，江蘇吳江人，本科，南京中遠海運船舶設備配件有限公司技術總監，主要從事材料熱塑性成形研究。