钢钎焊接头残余热应力数值模拟

利用有限元软件abaqus,开发了一个顺次耦合的热应力有限元计算程序,对0cr18ni9/20和1cr5mo/20异种钢焊接接头残余应力进行了有限元模拟分析.结果表明,无论是采用奥氏体不锈钢焊条a302焊条还是镍基焊条incone182焊条,0cr18ni9/20钢和1cr5mo/20钢焊接接头中最大的轴向残余应力和环向残余应力产生在20钢侧的热影响区,0cr18ni9侧有最小的焊接残余应力.采用incone182来代替a302可以有效地降低残余应力值,提高抗应力腐蚀开裂的能力.

采用有限元方法,模拟计算了镍基合金粉末钎料在1270℃钎焊k24镍基合金时,接头在冷却过程中的热应力最大值和应力集中区.结果表明,在冷却过程中,k24合金接头的切应力主要集中在界面端点处,且切应力的最大值出现在镍基钎料/k24合金界面的右端点处,其随着温度的降低先减小后增大.同时,接头x方向拉应力最大值也出现在此处,且其随着温度的降低经历由负到正的变化过程.当承受外切切力时,接头并非在镍基钎料内部断裂,而镍基钎料/k24合金界面易成为接头的主要断裂区.

研究了采用ag-cu-zn钎料在1173k温度下钎焊tic金属陶瓷与铸铁时,接头在冷却过程中的热应力最大值和应力集中区。模拟结果表明,在冷却过程中,铸铁/tic金属陶瓷接头的剪应力主要集中在界面端点处,且剪应力的最大值出现在ag-cu-zn/tic金属陶瓷界面处。tic金属陶瓷下表面的拉应力最大值出现在tic金属陶瓷的端点处,且随着连接温度的降低拉应力的最大值逐渐降低。tic金属陶瓷下表面的压应力最大值出现在tic金属陶瓷中部,且随着连接温度的降低压应力值逐渐增加。

本文采用数值模拟方法,分析了低强匹配对接接头2种拘束条件、5种屈服强度匹配系数的焊接残余应力。结果表明,低强匹配接头焊根处的三向残余拉应力较小,对静载强度影响不大;焊趾处的三向残余拉应力较大,对疲劳强度和冷裂倾向有不利影响。自由状态的纵向残余应力和两端约束状态的横向残余应力,焊缝金属屈服强度每降低25mpa,其残余应力减少约11mpa。

采用有限元数值模拟方法模拟了不同缓冲层和缓冲层厚度对接头残余应力的影响,结果表明,对于同一种缓冲层,厚度不一样,减少应力的效果不一样,都存在一个最佳厚度;使用cu箔、ni箔、ti箔对缓解残余应力非常有效,而使用mo箔作为应力缓冲层可以调整残余应力场的分布状态。

基于热-弹塑性相关理论,采用ansys的apdl语言编制焊接残余应力数值模拟程序,采用生死单元技术及间接耦合法模拟了典型焊接接头只焊一条焊缝、两条焊缝同时焊和两条焊缝分开焊三种模拟方法的轴向焊接残余应力σx。结果表明:采用不同模拟方法,典型焊接接头的变化规律一致,均在焊缝附近达到最大值;但采用不同方法得到的σx应力水平不同,两条焊缝的残余应力会相互影响,在进行相关研究时这种影响需要考虑在内。两条焊缝分开焊与同时焊相比,分开焊可以在一定程度上减小焊缝中心附近区域的轴向焊接残余应力,且在焊缝的凸面这种减小作用更加明显。

利用有限元分析软件marc,对冷却后的九层玻璃/铝阳极焊接试件进行数值模拟分析,获得了九层阳极冷却试件内残余应力和应变分布。模拟结果表明,试件冷却后各处的冷却收缩量不同,其内部存在残余应力和应变,试件发生翘曲;过渡层内的等效应力最大,且关于铝层呈对称分布;铝层内的等效应力值达到了屈服极限,表明铝层发生了塑性变形,且铝层内的等效应变最大。

通过动态挂片腐蚀实验、宏观和金相组织观察、sem及能谱分析等方法对采用cu-zn钎料、ag-cu钎料、cu-p钎料钎焊的无氧纯铜-低碳钢管钎焊接头的耐蚀性能进行了评价分析.结果表明:采用cu-p钎料时钢和钎缝间出现裂纹,接头遭受腐蚀后铜管内壁普遍腐蚀,同时钎缝因腐蚀而开裂;cu-zn钎缝成型好,但钎缝本身出现由于金相组织发生选择性腐蚀而引起的局部蚀坑,铜管对应处也出现明显减薄性腐蚀;ag-cu钎料所焊接头成型好,接头各处腐蚀轻微.建议采用ag-cu钎料进行铜-低碳钢的钎焊

采用金相显微镜、电子显微镜、x射线能谱仪、显微硬度、力学试验等检测手段,对ta17钛合金/ag95cunili/0cr18ni10ti不锈钢钎焊接头的组织特征进行了分析。结果表明:钎缝中不锈钢/钎料一侧,形成了三层金属间化合物钎缝组织;在钛合金/钎料一侧,形成两个组织区域;同时,银沿钛合金晶间扩散;在凝固钎焊接头的钎缝中,靠近不锈钢一侧出现了ti、cu的富集;靠近钛合金一侧cu原子的含量明显升高,钎缝中心区基本上是纯银;钎缝中除不锈钢/钎料扩散层外,其他各微区的显微硬度并没有增加;从钎缝断口分析也证明钎缝中靠近不锈钢一侧是接头最薄弱的位置。

在钎焊时间120～1500s、钎焊温度1093～1223k的条件下,采用ag-cu共晶钎料对铜和1cr18ni9ti进行钎焊,利用扫描电镜及能谱仪对其接头的界面组织进行了研究。结果表明,接头界面结构为cu/cu(s.s)/ag(s.s)+cu(s.s)/1cr18ni9ti。以抗剪强度评价其接头的力学性能,发现当钎焊温度为1173k、保温时间为300s时,接头抗剪强度最高,为214mpa。

针对立方氮化硼(cbn)超硬磨料高温钎焊冷却过程中可能产生较大热应力而导致磨粒破碎和接头断裂的问题,利用弹塑性有限元法对ag-cu-ti合金钎焊cbn磨粒与45钢基体时接头的残余应力进行模拟分析。结果表明;磨粒球体内部中心轴线、中心平面半径方向以及磨粒与钎料顶层圆形断面半径方向是磨粒内部残余应力变化最显著的区域,而圆形断面边缘部分为磨粒内部最大残余拉应力的存在区域。试验验证有限元分析结果与测试结果基本一致。基于磨粒内部的最大残余拉应力,为确保焊后磨粒强度和钎焊砂轮容屑空间,cbn磨粒在钎料层中的包埋深度宜控制在30%～40%之间。

以不同厚度的铜箔、镍箔作为缓解接头残余应力的中间层材料,在钎焊温度820℃,保温时间20min的工艺参数条件下对ti(c,n)基金属陶瓷与45钢进行了钎焊试验。结果表明,无论是采用铜箔还是镍箔,当其厚度从100μm增加到300μm时,接头三点弯曲强度上升趋势平缓;由于铜箔在钎焊过程中大量溶解,削弱了钎料与ti(c,n)基金属陶瓷的化学相容性,降低了界面结合力,从而严重制约了接头强度的提高;使用镍箔的突出特点表现在具有较高的界面强度,与施加铜箔的钎焊接头相比强度显著提高,但其缓解接头残余应力的效果不如铜箔,在靠近钎缝的ti(c,n)基金属陶瓷一侧易引发残余应力集中现象。

为研究整体绝缘焊热过程,建立整体绝缘接头对接焊三维温度场有限元数值分析模型。考虑材料非线性并采用热弹塑性有限元方法,模拟整体型绝缘接头的温度场、应力场及变形情况,同时模拟分析温度场对整体型接头密封性能的影响。

SMT软钎焊接头热循环力学行为研究

采用bag45cuzn钎料对自蔓延高温合成的tic金属陶瓷与中碳钢进行了真空钎焊连接,利用扫描电镜、电子探针、x射线衍射等分析手段对接头的界面结构和室温抗剪强度进行了研究。结果表明,利用bag45cuzn钎料可实现tic金属陶瓷与中碳钢的连接;接头的界面结构为tic金属陶瓷/(cu,ni)固溶体/ag基固溶体+cu基固溶体/(cu,ni)固溶体/(cu,ni)+(fe,ni)/中碳钢;在连接温度为850℃保温10min的钎焊条件下,接头的抗剪强度可达121mpa。

采用热弹塑性有限元方法,在考虑了材料性能参数随温度变化的情况下,分析了采用ag-cu-ti钎料钎焊al2o3陶瓷与镍金属丝的钎焊接头,在钎焊和随后再次加热过程中产生的应力大小和分布情况,计算中着重考虑了钎料对接头残余应力的影响。结果表明,在钎料与陶瓷的界面处存在着较大的残余拉应力,影响了钎焊接头的连接强度,并可能在界面的陶瓷侧产生裂纹。通过试验对比,认为在此类连接结构中,钎料是造成接头形成较大残余应力的主要因素。并指出钎料性能参数是决定有限元计算精度的主要因素,要使计算结果与实际情况尽量符合,钎料性能参数的正确选择是关键。

采用真空保护下的活性金属钎焊法对95%(质量分数)氧化铝陶瓷与低碳钢进行了钎焊,所用钎料为ag-cu-ti3活性钎料。通过x射线衍射仪(xrd)对界面的反应产物进行了物相分析,并用能谱仪(edax)分析了界面元素组成。结果表明,钎焊接头界面的反应十分复杂,反应产物多种多样,主要是ti3cu3o,ti3al,timn,tife2,tic等物质,界面的反应层按al2o3陶瓷/ti3cu3o/ti3al+timn+tife2+ag(s,s)+cu(s,s)/tic/低碳钢的规律过渡。

采用粉末叠层法制备了梯度层,以该梯度层作为缓解接头残余应力的中间层材料,选用cumnni钎料,在1040℃,15min的工艺参数条件下,对yg6硬质合金和40cr钢进行了钎焊试验。结果表明,采用梯度层作为缓解应力的中间层材料,可以明显减小钎焊接头的内应力,大幅提高了接头的强度;采用b梯度层接头强度达656mpa。梯度层的层数对接头强度有明显的影响,梯度层厚度相同的情况下,层数越多其缓解内应力能力越高,接头强度越高。

焊接残余应力存在导致q545r焊接接头热影响区产生裂纹。本文基于有限元软件abaqus，开发了一个顺次耦合的焊接残余应力有限元计算程序，对q345r焊接接头热影响区域补焊残余应力进行了模拟计算，得到了补焊残余应力的分布规律。其结果表明：补焊后，残余应力值比焊态下残余应力值有所降低。横向残余应力高于径向残余应力，这意味着焊接区域产生纵向裂纹的可能性较高。为此，对实际补焊修复提出了建议，为优化补焊工艺、控制残余应力提供了参考依据。

用不同厚度的cu箔、ni箔作为缓解接头残余应力的中间层材料,以ag-cu共晶合金箔为钎料在880℃,10min的工艺参数条件下对yg6硬质合金和40cr钢进行了真空钎焊试验。研究结果证实,采用ni箔做中间层能有效地降低接头应力,大幅提高接头强度;cu箔能有效降低接头残余应力,但cu本身强度偏低,同时钎焊过程中大量溶解,使中间层的实际厚度明显减薄,加之钎缝与中间层界面处组织不均匀且存在较严重的晶界渗入现象从而严重制约了接头强度的提高;研究结果还表明,中间层厚度对接头强度也有明显的影响,只有在最佳厚度范围内才能达到最佳降低应力、提高接头强度的效果。

选用cu,nb,mo箔中间层,在特定的焊接参数条件下对ti(c,n)基金属陶瓷/40cr钢接头进行了钎焊试验,分析比较了中间层与钎料的不同匹配对抑制裂纹形核及扩展的影响。结果表明,中间层cu能有效释放接头残余应力,防止接头产生裂纹;中间层nb易溶解并聚集成带状,并在该带状组织与钎缝界面萌生裂纹;中间层mo的减应效果较差。影响ti(c,n)基金属陶瓷/40cr钢钎焊接头残余应力的因素很多,应综合考虑各因素才能达到有效降低接头应力的目的。

用自研制双层陶瓷复合材料与钢进行了大气中钎焊连接。采用声学显微镜、光学显微镜、扫描电镜和能谱分析等测试手段对双层陶瓷复合材料的声显微结构及钎焊接头的微观组织及形态、特征点的化学成分等进行了研究。结果显示,双层陶瓷复合材料与钢钎焊连接后的多层复合结构接头的三个界面均达到较好的结合。这为陶瓷/金属接头提供了一种新的连接途径