采用Abaqus軟件建立隨機(jī)多彈丸運(yùn)動(dòng)模型，對5083鋁合金對接接頭的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測，分析了彈丸直徑（0.3，0.4，0.5mm）、噴丸速率（20，30，40，50 m·s−1）、覆蓋率（100%，200%，300%）對殘余應(yīng)力的影響，選出較優(yōu)工藝參數(shù)；在較優(yōu)工藝參數(shù)下，保持彈丸直徑、覆蓋率不變，將噴丸強(qiáng)度由0.150 mm提升至0.175，0.200mm，通過試驗(yàn)研究了噴丸強(qiáng)度對接頭表面質(zhì)量、殘余應(yīng)力、硬度和疲勞性能的影響，確定最佳噴丸工藝。
結(jié)果表明：表面殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力影響層深模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差分別約為4.7%，10.5%，模型對殘余應(yīng)力預(yù)測準(zhǔn)確；隨著彈丸直徑增加，表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力減小，殘余應(yīng)力影響層深和表面粗糙度增大；隨著噴丸速度增加，表面殘余壓應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力影響層深先增大后趨于穩(wěn)定，表面粗糙度增大；隨著覆蓋率增加，表面殘余壓應(yīng)力和表面粗糙度增大，最大殘余壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力影響層深無顯著變化;以殘余壓應(yīng)力較大和表面粗糙度較小為指標(biāo)，獲得較優(yōu)噴丸工藝為彈丸直徑0.3mm、覆蓋率200%、噴丸速度40m·s−1。隨著噴丸強(qiáng)度增加，表面粗糙度、殘余壓應(yīng)力和硬度增大，最大殘余壓應(yīng)力先增大后減小，殘余應(yīng)力影響層深和硬化層深均在240μm左右，疲勞壽命先延長后縮短。最佳噴丸工藝參數(shù)為彈丸直徑0.3 mm、覆蓋率200%、噴丸強(qiáng)度0.175mm（噴丸速度44 m·s−1），此條件下處理后接頭殘余壓應(yīng)力較大，表面粗糙度適中，疲勞性能最好。
01研究背景
船舶長期處于動(dòng)態(tài)載荷和嚴(yán)苛海洋環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)疲勞性能直接影響安全性和使用壽命，尤其是高速船舶中廣泛應(yīng)用的鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，由于鋁合金熔點(diǎn)較低，焊接過程中熱影響區(qū)易產(chǎn)生晶粒粗化、固溶體析出等組織變化以及氣孔、微裂紋等缺陷，疲勞問題尤為突出。
疲勞裂紋通常萌生于材料表面，為止學(xué)者們提出了噴丸強(qiáng)化、超聲沖擊、激光強(qiáng)化等技術(shù)對表面進(jìn)行強(qiáng)化。其中噴丸強(qiáng)化在適用性與經(jīng)濟(jì)性方面具有優(yōu)勢，可高效處理大型結(jié)構(gòu)表面。
NASI?OWSKA等在0.3 MPa壓力下采用0.5mm直徑鑄鋼丸噴丸強(qiáng)化5754鋁合金非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊接頭，發(fā)現(xiàn)噴丸影響層深達(dá)70~100μm，接頭屈服強(qiáng)度和彈性模量分別提升20%，30%。GAN等研究發(fā)現(xiàn)，在0.2~0.4mm噴丸強(qiáng)度下，鑄鋼丸噴丸強(qiáng)化均能延長Q345D鋼T形接頭的疲勞壽命，當(dāng)噴丸強(qiáng)度為0.3mm時(shí)，接頭疲勞壽命提升了100%。LUONG等研究發(fā)現(xiàn)，較小直徑（0.17mm）的鑄鋼丸能夠引入更大的表面殘余壓應(yīng)力，7050-T7451鋁合金接頭的疲勞壽命比使用0.33mm直徑彈丸時(shí)提高26.8%。SIDHOM等研究發(fā)現(xiàn)，鑄鋼丸噴丸強(qiáng)化使5083-H11鋁合金T型接頭疲勞強(qiáng)度提高了59%。
實(shí)際工程應(yīng)用中噴丸工藝參數(shù)的選取尤為關(guān)鍵。有限元模擬可以高效地對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在噴丸強(qiáng)化研究中已有一定應(yīng)用。采用有限元與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，能夠更高效、準(zhǔn)確地優(yōu)化噴丸工藝并揭示其對疲勞性能的影響規(guī)律。作者采用Abaqus軟件建立隨機(jī)多彈丸運(yùn)動(dòng)模型，對噴丸強(qiáng)化后5083鋁合金對接接頭的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測，選出較優(yōu)的噴丸參數(shù)，在此基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)研究了噴丸強(qiáng)度對接頭表面質(zhì)量和性能的影響，確定最佳噴丸工藝，以期為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的噴丸工藝選擇提供參考。
02研究亮點(diǎn)
1 試樣制備與試驗(yàn)方法
本章節(jié)重點(diǎn)包括：
1. 材料與焊接：使用5083鋁合金板和ER5183焊絲，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（電流100 A，速度115 mm/min）進(jìn)行對接焊。
2. 試樣制備：按ASTM E466標(biāo)準(zhǔn)制取疲勞試樣，以焊縫為中心。
3. 噴丸工藝：使用陶瓷丸（硬度60 HRC）對試樣噴丸強(qiáng)化，參數(shù)包括彈丸流量25 kg/min、速度40 m/s、覆蓋率100%。
4. 殘余應(yīng)力測試：通過X射線衍射儀和電解剝層法測量噴丸后的殘余應(yīng)力分布。
5. 表面與硬度分析：觀察噴丸前后表面形貌，測量三維輪廓與粗糙度；測試截面顯微硬度（載荷1.96 N，間距60 µm）。
6. 疲勞試驗(yàn)：在室溫下進(jìn)行循環(huán)疲勞試驗(yàn)（應(yīng)力比0.1，頻率12Hz），并用SEM觀察斷口形貌。
隨機(jī)多彈丸噴丸有限元模型
2 有限元模型建立
本章節(jié)重點(diǎn)介紹了5083鋁合金焊接接頭噴丸工藝的有限元模型建立過程。主要內(nèi)容包括：
1）使用Abaqus/Explicit軟件構(gòu)建隨機(jī)多彈丸噴丸三維動(dòng)態(tài)模型，模型由彈丸和靶材組成；
2）靶材采用分區(qū)網(wǎng)格劃分，中心強(qiáng)化區(qū)域細(xì)化至0.01mm尺寸，四周設(shè)置無限元網(wǎng)格；
3）采用Johnson-Cook本構(gòu)模型描述靶材動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并輸入實(shí)測焊接殘余應(yīng)力模擬初始應(yīng)力狀態(tài)；
4）通過Python程序生成隨機(jī)彈丸分布，給出覆蓋率計(jì)算公式；
5）設(shè)定8組噴丸參數(shù)進(jìn)行模擬，分析深度方向殘余應(yīng)力分布。模型重點(diǎn)關(guān)注噴丸過程中的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和殘余應(yīng)力分布模擬。
3 試驗(yàn)驗(yàn)證及模擬結(jié)果
本章節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容如下：
1. 模型驗(yàn)證：通過對比試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)，證實(shí)隨機(jī)多彈丸噴丸有限元模型能準(zhǔn)確預(yù)測殘余應(yīng)力分布。關(guān)鍵參數(shù)誤差較?。ū砻鏆堄鄳?yīng)力誤差4.7%，影響層深誤差10.5%），且兩者變化趨勢一致。
2. 彈丸直徑影響：直徑越小（如0.3mm），表面/最大殘余壓應(yīng)力越大，但影響層深較淺。 - 小直徑彈丸通過多頻次撞擊累積更大塑性變形，優(yōu)化后選擇0.3mm以平衡高殘余應(yīng)力與低表面粗糙度（4.56μm）。
3. 噴丸速度影響：速度提升至40m/s時(shí)殘余應(yīng)力參數(shù)趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加會(huì)顯著增大粗糙度。 - 優(yōu)選40m/s速度，此時(shí)應(yīng)力水平和影響層深較優(yōu)，粗糙度可控（4.56μm）。
4. 覆蓋率影響：覆蓋率200%為最優(yōu)，能在保持較高殘余應(yīng)力的同時(shí)避免粗糙度過度增加（5.66μm）。
5. 工藝優(yōu)化結(jié)論：最佳參數(shù)組合：彈丸直徑0.3mm、速度40m/s、覆蓋率200%，對應(yīng)噴丸強(qiáng)度0.150mm。擴(kuò)展研究設(shè)定更高噴丸強(qiáng)度（0.175/0.200mm）以探討速度提升（44/46m/s）的影響。
4 噴丸強(qiáng)度對強(qiáng)化效果的影響
本章節(jié)重點(diǎn)：
1. 表面形貌變化：噴丸后接頭表面出現(xiàn)彈痕和塑性變形，噴丸強(qiáng)度增加導(dǎo)致表面起伏更明顯，粗糙度顯著增大（0.200mm強(qiáng)度下粗糙度為噴丸前的2倍）。
2. 殘余應(yīng)力變化：噴丸將表面拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，隨強(qiáng)度增加，殘余壓應(yīng)力增大但增幅減小；過強(qiáng)噴丸（0.200mm）會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力松弛，最大殘余壓應(yīng)力先增后減。影響層深穩(wěn)定在240μm。
3. 硬度提升：噴丸后表面硬度顯著提高（0.200mm強(qiáng)度下硬度增加56.3%），硬化層深約240μm，硬度隨噴丸強(qiáng)度增加而上升。
4. 疲勞性能優(yōu)化：噴丸延長疲勞壽命（0.175mm強(qiáng)度下壽命延長100%），但過高強(qiáng)度（0.200mm）會(huì)因應(yīng)力松弛和粗糙度增加導(dǎo)致壽命下降。最佳工藝為0.175mm強(qiáng)度，此時(shí)殘余壓應(yīng)力大、粗糙度適中，疲勞性能最優(yōu)。
5. 斷口分析：噴丸后裂紋源更集中，微裂紋減少，塑性變形層改善裂紋擴(kuò)展行為。
不同強(qiáng)度噴丸前后接頭焊縫區(qū)的表面形貌
03結(jié)束語
（1）由隨機(jī)多彈丸模型模擬得到5083鋁合金接頭沿深度方向的殘余應(yīng)力變化曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表面殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力影響層深的相對誤差分別約為4.7%，10.5%，模型預(yù)測準(zhǔn)確。
（2）模擬得到，隨著彈丸直徑增加，表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力減小，殘余應(yīng)力影響層深和表面粗糙度增大；隨著噴丸速度增加，表面殘余壓應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力影響層深先增大后趨于穩(wěn)定，表面粗糙度增大；隨著覆蓋率增加，表面殘余壓應(yīng)力和表面粗糙度增大，最大殘余壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力影響層深無顯著變化。以殘余壓應(yīng)力較大和表面粗糙度較小為指標(biāo)，獲得較優(yōu)噴丸工藝為彈丸直徑0.3mm、覆蓋率200%、噴丸速度40m·s−1，此時(shí)噴丸強(qiáng)度為0.150mm。
（3）保持彈丸直 徑0.3mm以及覆蓋率200%不變，調(diào)整噴丸速度以獲得不同噴丸強(qiáng)度（0.150，0.175，0.200 mm）。隨著噴丸強(qiáng)度增加，接頭表面粗糙度增大，表面殘余壓應(yīng)力增大且增幅減小，最大殘余壓應(yīng)力先增大后減小，表面硬度增大，殘余應(yīng)力影響層深和硬化層深均在240μm左右，疲勞壽命先延長后縮短，在0.175mm噴丸強(qiáng)度下達(dá)到最長。最佳噴丸工藝參數(shù)為彈丸直徑0.3mm、覆蓋率200%、噴丸強(qiáng)度0.175mm（噴丸速度44m·s−1），此條件下處理后接頭殘余壓應(yīng)力較大，表面粗糙度適中，疲勞性能最好。
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