焊接接头广泛存在于各种大型机械设备中,例如航空、核工业、造船和机械制造等领域,由于焊接残余拉应力的影响,导致焊接接头承载能力降低,并产生焊接接头变形现象。作为焊接构件的薄弱部位,焊接接头极易发生裂纹缺陷、腐蚀开裂以及疲劳失效等。因此,消除焊接残余拉应力,不仅可以提高焊接接头的力学性能和使用寿命,而且对于减少焊接接头失效事故的发生有重要意义。微粒子喷丸技术是一种不同于传统喷丸的表面纳米化技术,采用直径更加微小的微粒子以极快的速度冲击焊接接头表面,可以消除残余拉应力并在表面引入高幅残余压应力,同时降低焊接接头的表面粗糙度,提高表面硬度、耐疲劳强度和耐磨性能。本文以S30408奥氏体不锈钢焊接接头作为研究对象,结合实验研究和数值模拟,探究微粒子喷丸技术对焊接接头的表面强化机理,分析残余应力场的分布与演化规律,为该技术消除焊接残余应力的工程意义提供理论基础。主要研究内容如下:(1)微粒子喷丸消除焊接残余拉应力的实验研究。制备S30408奥氏体不锈钢焊接接头并进行微粒子喷丸处理,通过X射线衍射法对微粒子喷丸处理前后的焊接接头进行残余应力测量,并分析不同微粒子喷丸工艺参数对消除残余拉应力的影响。实验结果表明,微粒子喷丸处理前,焊缝及其附近为拉应力,最大残余拉应力值几乎达到材料的屈服强度。微粒子喷丸处理后,焊缝及其附近残余拉应力消失,并转化为残余压应力。在完全覆盖率下,微粒子喷丸强度越大对消除焊接残余拉应力的影响越明显,有益于提高焊接接头的力学性能。(2)建立对称焊接温度场和应力场顺次耦合三维有限元模型,准确模拟了初始焊接残余应力场。考虑温度对材料物理性能的影响,以及周边对流、辐射散热对模拟结果的影响,运用单元激活技术和高斯分布热源法来模拟S30408的多道焊对接焊接过程。模拟出S30408焊接接头在焊接过程的温度场和焊接残余应力场。并与试验结果进行比较,得到焊接瞬态温度场和焊接后残余应力场分变化及布规律基本一致,保证了微粒子喷丸模型的初始残余应力值与微粒子喷丸实验的初始残余应力值一致。(3)微粒子喷丸消除焊接残余应力的数值模拟研究。建立微粒子喷丸有预应力场的单微粒子喷丸模型、对称胞元微粒子喷丸模型、随机概率分布微粒子喷丸三维模型,对比分析了微粒子直径、微粒子速度对消除残余拉应力的影响作用。结果表明,模拟结果与试验结果基本一致,说明用数值模拟法可以较为准确地模拟微粒子喷丸消除焊接残余拉应力。在相同覆盖率情况下,相对于小直径、低速度微粒子喷丸而言,通过大直径、高速度微粒子喷丸形成的压应力值更大,强化深度更深。