通过实验与数值模拟研究原位激光冲击锻造对电弧修复过程中DH36钢气孔缺陷的影响

《Optics & Laser Technology》：Effect of in-situ laser shock forging on porosity defects in DH36 steel during arc repair process studied via experiment and numerical simulation

　　

摘要

传统电弧修复方法产生的气孔缺陷会严重降低用于海洋工程领域的DH36钢部件的机械性能和使用寿命。为解决这一问题，本文提出了一种新型的原位激光冲击锻造辅助电弧修复技术，并通过实验和数值模拟系统研究了该技术对气孔演变的影响。首先，建立了基于人工神经网络的材料本构模型，用以描述DH36钢在不同温度和应变速率下的变形行为，共评估了六种激活函数，其中以Tanh函数为基础的神经网络模型表现出最佳的预测性能，其均方根误差为24.02 MPa，R2值为0.991，相关系数为0.9987，平均绝对相对误差为4.78%。基于该本构模型，利用ABAQUS进行了模拟，分析了不同激光冲击锻造参数下的气孔演变情况。结果表明，激光诱发的冲击波可通过强烈的塑性变形有效压缩气孔，其中近表面气孔的收缩效果最为显著，而随着气孔深度的增加，收缩效应逐渐减弱。提高激光能量或频率可增强气孔的收缩效果，且激光能量带来的效果更为明显。在3 J-10 Hz的条件下，深度为0.115毫米的气孔的模拟收缩率可达68.83%。微观CT分析证实，原位激光冲击锻造辅助电弧修复技术能显著减少气孔数量，与传统电弧修复相比，1毫米深度内的气孔总数减少了38%。EBSD分析表明，激光冲击锻造处理可细化焊缝微观结构并增加局部位错密度。相应地，经过该处理后，材料的屈服强度从404 MPa、抗拉强度从498 MPa、延伸率从16.4%分别提升至445 MPa、548 MPa和24.6%。这些性能的提升主要归因于气孔的消除、微观结构的细化以及焊缝应力集中的降低。本研究为将原位激光冲击锻造辅助电弧修复技术应用于海洋工程部件的高质量修复提供了理论和实验依据。

引言

近年来，随着全球能源转型压力的不断增加，海上风能作为清洁可持续能源的重要组成部分，受到了政府和工业界的广泛关注[1]。截至2024年底，全球海上风能装机容量累计已达83.2 GW，为全球能源发展做出了重要贡献。作为关键承重结构的海上风力发电机塔必须在波浪、盐雾、海冰和风暴等恶劣海洋环境中长期运行。由于其出色的韧性和耐候性，高强度低合金钢被广泛应用于海洋工程结构中，其中DH36钢就是一种典型的材料，被广泛用于制造风力发电机塔、船舶和海上平台[2]。在服役过程中，恶劣的海洋环境会导致疲劳载荷和海水腐蚀作用，从而引发裂纹形成和局部损伤，进而大幅缩短材料的使用寿命。在此背景下，有效修复风力发电机塔等关键海洋工程部件的受损区域，已成为研究和工程实践中的重点问题。

目前，海洋设备中金属部件的修复主要依靠传统的焊接技术。焊接修复是通过能量源熔化金属粉末或金属丝，然后将它们沉积到受损区域来实现修复，该方法已被应用于多种金属部件[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。例如，李等人将电弧修复技术应用于5CrNiMo钢，通过优化工艺参数，获得了针状马氏体微观结构，显著提升了修复区域的机械性能[8]。詹等人则将激光修复技术应用于316 L不锈钢，发现了热循环对材料微观结构和硬度的影响十分显著[9]。此外，莫利纳等人、孙氏团队以及洛伦索等人也將激光修复技术应用于不同的金属部件[10]、[11]、[12]。然而，无论是电弧修复还是激光修复，都会产生拉伸残余应力和气孔缺陷[13]。气孔会对材料的机械性能造成极大损害，它会降低材料的抗拉强度，产生应力集中，还会成为裂纹的起始点，最终导致材料过早断裂[14]。因此，有效减轻修复区域的气孔缺陷对于延长关键海洋工程部件的使用寿命至关重要。

为了解决修复过程中的气孔控制问题，许多研究探讨了多种方法[15]、[16]、[17]。其中一种方法是通过优化工艺来抑制气孔的产生。例如，孙氏团队发现，在激光修复过程中，气孔的形成与激光输入能量密切相关[15]。选择合适的激光能量可以有效减少气孔。李等人通过使沉积熔珠的尺寸与槽形几何形状相匹配，减少了梯形槽电弧修复过程中的气孔缺陷[18]。唐氏团队提出了一种新的“W形”振荡轨迹来抑制气孔，并证明较高的振荡频率有助于减少气孔[19]。王氏团队表明，在对15-5PH不锈钢进行激光修复之前进行预热，可以显著减小气孔尺寸[17]。另一方面，也有研究采用外部场辅助技术来控制气孔生成[20]、[21]、[22]。例如，谭氏团队在修复过程中引入超声振动来调节气孔大小，结果发现超声能量的引入能够降低气孔数量[20]。类似地，熊氏团队采用了后续热锤辅助电弧修复技术，有效减小了沉积区域的气孔尺寸[16]。尽管通过这些方法在抑制气孔缺陷方面已取得不少进展，但在实际应用中仍存在诸多挑战，包括方法的有效性、空间适应性等问题。因此，亟需进一步开展研究。

我们的研究团队提出了一种新型的原位激光冲击锻造辅助电弧修复技术[23]、[24]。如图1所示，该技术的原理是在电弧修复过程中，当焊缝处于高温状态时，对其施加短脉冲激光照射。被吸收的激光能量会产生高压等离子体冲击波，使焊缝金属发生塑性变形，从而实现晶粒细化、气孔消除以及残余应力调控。我们之前的研究已经证明了激光冲击锻造处理能够有效降低电弧焊缝的拉伸残余应力[25]。不过，目前尚未对激光冲击锻造处理下气孔缺陷的演变规律进行深入研究。在本研究中，我们分别采用电弧修复技术和原位激光冲击锻造辅助电弧修复技术对DH36钢进行修复，并结合有限元建模和实验，研究了激光冲击锻造处理对电弧修复过程中气孔缺陷的影响。

章节要点

实验流程

本研究所研究的材料为DH36钢，其形式为尺寸为150毫米×150毫米×15毫米的矩形板材。为模拟修复过程，在填充材料之前先加工出梯形槽，以此来模拟焊缝[26]、[27]。钢板上的梯形槽的几何尺寸如图2a所示。该槽是使用直径为1.2毫米的MG50-6实心焊丝填充的。该材料的主要化学成分如下

本构模型的建立

如前文所述，在原位激光冲击锻造辅助电弧修复过程中，脉冲激光会在高温下的焊缝金属上产生冲击波，从而在气孔缺陷周围引发严重的塑性变形，进而改变这些气孔的形态和大小。因此，激光冲击锻造处理下气孔缺陷的演变与DH36钢在高温条件下的、受应变速率影响的流动行为密切相关。为提高有限元模拟的可靠性，需要

神经网络本构模型的性能评估

DH36钢的神经网络本构模型是通过在不同温度和应变速率下测试得到的拉伸流动曲线来训练的。真实的应力-真应变曲线如图6所示。

为评估不同激活函数对模型拟合性能的影响，分别基于Sigmoid、Tanh、指数型、Swish、Softplus和ReLU函数建立了六个神经网络模型。这些模型随训练迭代次数的变化而呈现出的收敛曲线如下

结论

本研究通过实验和数值分析方法，全面研究了原位激光冲击锻造技术在电弧修复过程中对DH36钢的气孔缺陷、微观结构以及机械性能的影响。主要结论如下：

• (1)
  成功建立了一个考虑不同温度和应变速率的、基于人工神经网络的材料本构模型。在各种激活函数中，以Tanh函数为基础的模型表现出了最佳的性能

作者贡献说明

Chi Yuanqing： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿，项目管理，方法设计，资金获取，概念构思。Xie Yuheng： 文章撰写——初稿，数据可视化，实验研究，定量分析。Lin Chaohui： 模型验证，项目管理，资金获取。Cai Shupeng： 软件应用，资源协调，资金获取。Zheng Kangsheng： 软件应用，定量分析。Tang Fengming： 软件应用，实验研究。Zhou Zhijie： 定量分析，数据整理。Tang Yang：

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的财政支持：中国国家自然科学基金（项目编号：52305454）、广东省基础与应用基础研究基金海上风能联合资助项目（重点项目，项目编号：2022B1515250004）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2022A1515110373和2025A1515011985），以及广东省特殊支持计划（项目编号：2023TQ07H960）。

Chi Yuanqing|Xie Yuheng|Lin Chaohui|Cai Shupeng|Zheng Kangsheng|Tang Fengming|Zhou Zhijie|Tang Yang|Zhang Yongkang|Chen Xiaolei