激光超声振动焊修技术

　　本书把原位激光技术与超声振动去应力技术结合，以作者团队长期的科研成果为基础，系统阐述了激光对材料微熔池温度场、应力场的影响规律，残余热应力的产生机理，超声振动对激光焊接熔池应力场的动态响应规律，超声振动对焊接热过程的影响规律，超声振动对熔池凝固行为的影响规律，超声振动对焊缝力学行为的影响规律，为高频超声去应力激光焊修技术在航空乃至民用原位修理领域的应用做出理论和实践探索。本书对于从事激光加工技术应用和研究、材料加工成形、工程维修等领域的工程技术人员及高等院校师生有较强的参考价值。

　　崔爱永，海军航空工程学院青岛校区。致力于激光技术在航空维修领域的应用研究。近年来，发表论文30余篇，其中SCI检索5篇，EI检索7篇，中文核心20余篇，发表在《中国激光》的论文“钛合金表面激光熔覆（Ti+Al/Ni）/（Cr2O3+CeO2）复合涂层组织与耐磨性能”被评选为2012年度F5000论文。主持科研项目5项，参研5项。

第1章绪论 1
1.1引言1
1.2激光焊接技术2
1.2.1激光焊接原理3
1.2.2激光深熔焊小孔效应3
1.2.3激光深熔焊能量吸收机制4
1.2.4激光深熔焊光致等离子体现象4
1.2.5钛合金激光焊接的常见缺陷5
1.3焊接残余应力6
1.3.1横向残余应力σY6
1.3.2横向残余应力分布6
1.3.3残余应力的不良影响7
1.4焊后处理工艺8
1.4.1焊前预处理8
1.4.2随焊处理8
1.4.3焊后处理9
1.5超声振动随焊对熔凝行为的影响11
参考文献13

第2章脉冲激光点热源作用下金属的温度场 15
2.1引言15
2.2温度场的计算模型15
2.2.1激光加热金属板传热模型15
2.2.2有限元解析方法17
2.3脉冲点热源加热金属温度场模型的建立20
2.3.1物理模型20
2.3.2 激光能量加载模型21
2.3.3材料参数25
2.3.4初始条件及边界条件28
2.4单脉冲作用下金属的热响应28
2.4.1温度场的分布28
2.4.2温度场的演变30
2.4.3温度梯度场的分布31
2.5多脉冲点热源作用下金属的热响应34
2.5.1温度场的分布34
2.5.2温度场的演变35
2.5.3温度梯度场分布36
参考文献38

第3章脉冲点热源作用下金属的应力场 39
3.1引言39
3.2弹塑性本构关系39
3.2.1屈服准则40
3.2.2强化法则41
3.2.3增量本构关系43
3.2.4弹塑性本构关系的矩阵形式43
3.2.5热弹塑性本构关系45
3.2.6有限元求解方法46
3.2.7热应力场耦合求解47
3.3有限元模型的建立48
3.3.1材料参数48
3.3.2初始条件48
3.3.3边界条件49
3.4单脉冲作用下金属的应力响应49
3.4.1应力场分布特点49
3.4.2应力场演变特点51
3.5多脉冲点热源部分叠加加热金属板的应力响应55
3.5.1纵向应力55
3.5.2横向应力58
3.5.3残余应力60
3.5.4残余应力与熔深的关系61
参考文献66

第4章激光振动焊修试验方法 67
4.1超声振动系统67
4.1.1处理工艺67
4.1.2试验系统及装置68
4.1.3焊接工装设计及系统力学模型72
4.2可视化验证试验74
4.2.1试验方法76
4.2.2不同液体的表现77
4.3激光焊接工艺参数回归正交旋转组合设计78
4.3.1二次回归正交旋转组合试验设计79
4.3.2试验方案80
4.3.3试验结果与分析81
4.3.4优化焊接参数试验验证86
参考文献87

第5章超声振动对激光焊接热循环的影响 88
5.1激光焊接热循环试验系统88
5.1.1测温方式和温度采集模块88
5.1.2温度传感器计算89
5.1.3热循环测试软件及模块集成90
5.2激光焊接热循环的特征参数和数学表征分析92
5.2.1特征温度点的分析及TC4相变点的测定92
5.2.2焊接热循环历程的数学表征93
5.3超声振动激光焊接热循环试验94
5.3.1试验材料与方法94
5.3.2试验结果95
5.3.3超声对焊接过程的热影响分析98
5.3.4试验结果分析100
5.4不同超声功率下的焊接最高温度预测模型103
5.4.1最高温度预测模型104
5.4.2最高温度预测模型的验证106
参考文献107

第6章超声振动对接头组织的影响 108
6.1超声振动对焊接修复裂纹宏观形貌的影响108
6.2超声振动对接头晶粒的影响111
6.2.1试验方法111
6.2.2试验结果与分析111
6.3超声振动对马氏体相变的影响117
6.4超声振动对焊接缺陷的影响119
6.4.1试验设备与方法120
6.4.2试验结果与分析120
6.5超声振动对位错的影响124
参考文献127

第7章超声振动对接头力学性能的影响 128
7.1试验设备与方法128
7.1.1再裂纹焊接修复试验方法128
7.1.2拉伸性能测试方法128
7.1.3冲击性能测试方法128
7.1.4疲劳性能测试方法129
7.1.5接头显微硬度测试方法130
7.2超声振动对裂纹激光焊接修复接头力学性能的影响130
7.2.1对接头拉伸性能的影响130
7.2.2对接头冲击性能的影响133
7.2.3对接头疲劳性能的影响137
7.2.4对接头显微硬度的影响139
7.3超声振动对接头断口形貌的影响142
7.3.1对拉伸断口形貌的影响142
7.3.2对冲击断口形貌的影响143
7.3.3对疲劳断口形貌的影响145
参考文献149

第8章超声振动对残余应力和变形的影响 151
8.1焊接残余应力应变的相关测量方法151
8.1.1焊接应力的分类151
8.1.2焊接应力的测量方法152
8.2残余应力的描述方法154
8.2.1残余应力与残余变形的关系154
8.2.2试验件的设计158
8.2.3熔深与残余变形的关系159
8.3焊接残余应力分布规律及超声振动下的衰减机理162
8.3.1钛合金薄板焊接残余应力的分布规律162
8.3.2焊接残余应力在超声振动下的衰减机理164
8.4超声振动对一次裂纹修复残余应力的影响168
8.4.1试验方法169
8.4.2试验结果与分析172
8.5超声振动对再裂纹修复残余应力的影响178
8.5.1试验结果178
8.5.2试验结果与分析179
8.6超声振动控制裂纹修复残余应力的工艺稳定性分析182
8.7超声振动对焊接残余变形的影响184
8.7.1试验材料与方法184
8.7.2试验结果与分析185
8.8基于超声振动的焊接残余应力和残余变形的相关性分析189
参考文献192