鋼釬焊接頭殘余熱應力數(shù)值模擬

利用有限元軟件abaqus,開發(fā)了一個順次耦合的熱應力有限元計算程序,對0cr18ni9/20和1cr5mo/20異種鋼焊接接頭殘余應力進行了有限元模擬分析.結果表明,無論是采用奧氏體不銹鋼焊條a302焊條還是鎳基焊條incone182焊條,0cr18ni9/20鋼和1cr5mo/20鋼焊接接頭中最大的軸向殘余應力和環(huán)向殘余應力產(chǎn)生在20鋼側的熱影響區(qū),0cr18ni9側有最小的焊接殘余應力.采用incone182來代替a302可以有效地降低殘余應力值,提高抗應力腐蝕開裂的能力.

采用有限元方法,模擬計算了鎳基合金粉末釬料在1270℃釬焊k24鎳基合金時,接頭在冷卻過程中的熱應力最大值和應力集中區(qū).結果表明,在冷卻過程中,k24合金接頭的切應力主要集中在界面端點處,且切應力的最大值出現(xiàn)在鎳基釬料/k24合金界面的右端點處,其隨著溫度的降低先減小后增大.同時,接頭x方向拉應力最大值也出現(xiàn)在此處,且其隨著溫度的降低經(jīng)歷由負到正的變化過程.當承受外切切力時,接頭并非在鎳基釬料內(nèi)部斷裂,而鎳基釬料/k24合金界面易成為接頭的主要斷裂區(qū).

研究了采用ag-cu-zn釬料在1173k溫度下釬焊tic金屬陶瓷與鑄鐵時,接頭在冷卻過程中的熱應力最大值和應力集中區(qū)。模擬結果表明,在冷卻過程中,鑄鐵/tic金屬陶瓷接頭的剪應力主要集中在界面端點處,且剪應力的最大值出現(xiàn)在ag-cu-zn/tic金屬陶瓷界面處。tic金屬陶瓷下表面的拉應力最大值出現(xiàn)在tic金屬陶瓷的端點處,且隨著連接溫度的降低拉應力的最大值逐漸降低。tic金屬陶瓷下表面的壓應力最大值出現(xiàn)在tic金屬陶瓷中部,且隨著連接溫度的降低壓應力值逐漸增加。

本文采用數(shù)值模擬方法,分析了低強匹配對接接頭2種拘束條件、5種屈服強度匹配系數(shù)的焊接殘余應力。結果表明,低強匹配接頭焊根處的三向殘余拉應力較小,對靜載強度影響不大;焊趾處的三向殘余拉應力較大,對疲勞強度和冷裂傾向有不利影響。自由狀態(tài)的縱向殘余應力和兩端約束狀態(tài)的橫向殘余應力,焊縫金屬屈服強度每降低25mpa,其殘余應力減少約11mpa。

采用有限元數(shù)值模擬方法模擬了不同緩沖層和緩沖層厚度對接頭殘余應力的影響,結果表明,對于同一種緩沖層,厚度不一樣,減少應力的效果不一樣,都存在一個最佳厚度;使用cu箔、ni箔、ti箔對緩解殘余應力非常有效,而使用mo箔作為應力緩沖層可以調(diào)整殘余應力場的分布狀態(tài)。

基于熱-彈塑性相關理論,采用ansys的apdl語言編制焊接殘余應力數(shù)值模擬程序,采用生死單元技術及間接耦合法模擬了典型焊接接頭只焊一條焊縫、兩條焊縫同時焊和兩條焊縫分開焊三種模擬方法的軸向焊接殘余應力σx。結果表明:采用不同模擬方法,典型焊接接頭的變化規(guī)律一致,均在焊縫附近達到最大值;但采用不同方法得到的σx應力水平不同,兩條焊縫的殘余應力會相互影響,在進行相關研究時這種影響需要考慮在內(nèi)。兩條焊縫分開焊與同時焊相比,分開焊可以在一定程度上減小焊縫中心附近區(qū)域的軸向焊接殘余應力,且在焊縫的凸面這種減小作用更加明顯。

利用有限元分析軟件marc,對冷卻后的九層玻璃/鋁陽極焊接試件進行數(shù)值模擬分析,獲得了九層陽極冷卻試件內(nèi)殘余應力和應變分布。模擬結果表明,試件冷卻后各處的冷卻收縮量不同,其內(nèi)部存在殘余應力和應變,試件發(fā)生翹曲;過渡層內(nèi)的等效應力最大,且關于鋁層呈對稱分布;鋁層內(nèi)的等效應力值達到了屈服極限,表明鋁層發(fā)生了塑性變形,且鋁層內(nèi)的等效應變最大。

通過動態(tài)掛片腐蝕實驗、宏觀和金相組織觀察、sem及能譜分析等方法對采用cu-zn釬料、ag-cu釬料、cu-p釬料釬焊的無氧純銅-低碳鋼管釬焊接頭的耐蝕性能進行了評價分析.結果表明:采用cu-p釬料時鋼和釬縫間出現(xiàn)裂紋,接頭遭受腐蝕后銅管內(nèi)壁普遍腐蝕,同時釬縫因腐蝕而開裂;cu-zn釬縫成型好,但釬縫本身出現(xiàn)由于金相組織發(fā)生選擇性腐蝕而引起的局部蝕坑,銅管對應處也出現(xiàn)明顯減薄性腐蝕;ag-cu釬料所焊接頭成型好,接頭各處腐蝕輕微.建議采用ag-cu釬料進行銅-低碳鋼的釬焊

采用金相顯微鏡、電子顯微鏡、x射線能譜儀、顯微硬度、力學試驗等檢測手段,對ta17鈦合金/ag95cunili/0cr18ni10ti不銹鋼釬焊接頭的組織特征進行了分析。結果表明:釬縫中不銹鋼/釬料一側,形成了三層金屬間化合物釬縫組織;在鈦合金/釬料一側,形成兩個組織區(qū)域;同時,銀沿鈦合金晶間擴散;在凝固釬焊接頭的釬縫中,靠近不銹鋼一側出現(xiàn)了ti、cu的富集;靠近鈦合金一側cu原子的含量明顯升高,釬縫中心區(qū)基本上是純銀;釬縫中除不銹鋼/釬料擴散層外,其他各微區(qū)的顯微硬度并沒有增加;從釬縫斷口分析也證明釬縫中靠近不銹鋼一側是接頭最薄弱的位置。

在釬焊時間120～1500s、釬焊溫度1093～1223k的條件下,采用ag-cu共晶釬料對銅和1cr18ni9ti進行釬焊,利用掃描電鏡及能譜儀對其接頭的界面組織進行了研究。結果表明,接頭界面結構為cu/cu(s.s)/ag(s.s)+cu(s.s)/1cr18ni9ti。以抗剪強度評價其接頭的力學性能,發(fā)現(xiàn)當釬焊溫度為1173k、保溫時間為300s時,接頭抗剪強度最高,為214mpa。

針對立方氮化硼(cbn)超硬磨料高溫釬焊冷卻過程中可能產(chǎn)生較大熱應力而導致磨粒破碎和接頭斷裂的問題,利用彈塑性有限元法對ag-cu-ti合金釬焊cbn磨粒與45鋼基體時接頭的殘余應力進行模擬分析。結果表明;磨粒球體內(nèi)部中心軸線、中心平面半徑方向以及磨粒與釬料頂層圓形斷面半徑方向是磨粒內(nèi)部殘余應力變化最顯著的區(qū)域,而圓形斷面邊緣部分為磨粒內(nèi)部最大殘余拉應力的存在區(qū)域。試驗驗證有限元分析結果與測試結果基本一致?；谀チ?nèi)部的最大殘余拉應力,為確保焊后磨粒強度和釬焊砂輪容屑空間,cbn磨粒在釬料層中的包埋深度宜控制在30%～40%之間。

以不同厚度的銅箔、鎳箔作為緩解接頭殘余應力的中間層材料,在釬焊溫度820℃,保溫時間20min的工藝參數(shù)條件下對ti(c,n)基金屬陶瓷與45鋼進行了釬焊試驗。結果表明,無論是采用銅箔還是鎳箔,當其厚度從100μm增加到300μm時,接頭三點彎曲強度上升趨勢平緩;由于銅箔在釬焊過程中大量溶解,削弱了釬料與ti(c,n)基金屬陶瓷的化學相容性,降低了界面結合力,從而嚴重制約了接頭強度的提高;使用鎳箔的突出特點表現(xiàn)在具有較高的界面強度,與施加銅箔的釬焊接頭相比強度顯著提高,但其緩解接頭殘余應力的效果不如銅箔,在靠近釬縫的ti(c,n)基金屬陶瓷一側易引發(fā)殘余應力集中現(xiàn)象。

為研究整體絕緣焊熱過程,建立整體絕緣接頭對接焊三維溫度場有限元數(shù)值分析模型?？紤]材料非線性并采用熱彈塑性有限元方法,模擬整體型絕緣接頭的溫度場、應力場及變形情況,同時模擬分析溫度場對整體型接頭密封性能的影響。

SMT軟釬焊接頭熱循環(huán)力學行為研究

采用bag45cuzn釬料對自蔓延高溫合成的tic金屬陶瓷與中碳鋼進行了真空釬焊連接,利用掃描電鏡、電子探針、x射線衍射等分析手段對接頭的界面結構和室溫抗剪強度進行了研究。結果表明,利用bag45cuzn釬料可實現(xiàn)tic金屬陶瓷與中碳鋼的連接;接頭的界面結構為tic金屬陶瓷/(cu,ni)固溶體/ag基固溶體+cu基固溶體/(cu,ni)固溶體/(cu,ni)+(fe,ni)/中碳鋼;在連接溫度為850℃保溫10min的釬焊條件下,接頭的抗剪強度可達121mpa。

采用熱彈塑性有限元方法,在考慮了材料性能參數(shù)隨溫度變化的情況下,分析了采用ag-cu-ti釬料釬焊al2o3陶瓷與鎳金屬絲的釬焊接頭,在釬焊和隨后再次加熱過程中產(chǎn)生的應力大小和分布情況,計算中著重考慮了釬料對接頭殘余應力的影響。結果表明,在釬料與陶瓷的界面處存在著較大的殘余拉應力,影響了釬焊接頭的連接強度,并可能在界面的陶瓷側產(chǎn)生裂紋。通過試驗對比,認為在此類連接結構中,釬料是造成接頭形成較大殘余應力的主要因素。并指出釬料性能參數(shù)是決定有限元計算精度的主要因素,要使計算結果與實際情況盡量符合,釬料性能參數(shù)的正確選擇是關鍵。

采用真空保護下的活性金屬釬焊法對95%(質(zhì)量分數(shù))氧化鋁陶瓷與低碳鋼進行了釬焊,所用釬料為ag-cu-ti3活性釬料。通過x射線衍射儀(xrd)對界面的反應產(chǎn)物進行了物相分析,并用能譜儀(edax)分析了界面元素組成。結果表明,釬焊接頭界面的反應十分復雜,反應產(chǎn)物多種多樣,主要是ti3cu3o,ti3al,timn,tife2,tic等物質(zhì),界面的反應層按al2o3陶瓷/ti3cu3o/ti3al+timn+tife2+ag(s,s)+cu(s,s)/tic/低碳鋼的規(guī)律過渡。

采用粉末疊層法制備了梯度層,以該梯度層作為緩解接頭殘余應力的中間層材料,選用cumnni釬料,在1040℃,15min的工藝參數(shù)條件下,對yg6硬質(zhì)合金和40cr鋼進行了釬焊試驗。結果表明,采用梯度層作為緩解應力的中間層材料,可以明顯減小釬焊接頭的內(nèi)應力,大幅提高了接頭的強度;采用b梯度層接頭強度達656mpa。梯度層的層數(shù)對接頭強度有明顯的影響,梯度層厚度相同的情況下,層數(shù)越多其緩解內(nèi)應力能力越高,接頭強度越高。

用不同厚度的cu箔、ni箔作為緩解接頭殘余應力的中間層材料,以ag-cu共晶合金箔為釬料在880℃,10min的工藝參數(shù)條件下對yg6硬質(zhì)合金和40cr鋼進行了真空釬焊試驗。研究結果證實,采用ni箔做中間層能有效地降低接頭應力,大幅提高接頭強度;cu箔能有效降低接頭殘余應力,但cu本身強度偏低,同時釬焊過程中大量溶解,使中間層的實際厚度明顯減薄,加之釬縫與中間層界面處組織不均勻且存在較嚴重的晶界滲入現(xiàn)象從而嚴重制約了接頭強度的提高;研究結果還表明,中間層厚度對接頭強度也有明顯的影響,只有在最佳厚度范圍內(nèi)才能達到最佳降低應力、提高接頭強度的效果。

選用cu,nb,mo箔中間層,在特定的焊接參數(shù)條件下對ti(c,n)基金屬陶瓷/40cr鋼接頭進行了釬焊試驗,分析比較了中間層與釬料的不同匹配對抑制裂紋形核及擴展的影響。結果表明,中間層cu能有效釋放接頭殘余應力,防止接頭產(chǎn)生裂紋;中間層nb易溶解并聚集成帶狀,并在該帶狀組織與釬縫界面萌生裂紋;中間層mo的減應效果較差。影響ti(c,n)基金屬陶瓷/40cr鋼釬焊接頭殘余應力的因素很多,應綜合考慮各因素才能達到有效降低接頭應力的目的。

用自研制雙層陶瓷復合材料與鋼進行了大氣中釬焊連接。采用聲學顯微鏡、光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析等測試手段對雙層陶瓷復合材料的聲顯微結構及釬焊接頭的微觀組織及形態(tài)、特征點的化學成分等進行了研究。結果顯示,雙層陶瓷復合材料與鋼釬焊連接后的多層復合結構接頭的三個界面均達到較好的結合。這為陶瓷/金屬接頭提供了一種新的連接途徑

采用金相顯微鏡、掃描電鏡、硬度計等測量方法,觀察分析了鋁鋰合金釬焊前后母材和釬焊接頭的顯微組織變化,通過分析測試釬焊接頭的顯微硬度和斷口微區(qū)的化學成分,研究分析了釬焊接頭強度的變化規(guī)律。結果表明,焊后母材中的強化相由質(zhì)點轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀;氮氣保護條件下,釬焊接頭未見氣孔、夾雜、裂紋等缺陷,釬焊接頭存在一定的擴散區(qū),從而有效地提高了釬焊接頭的強度;無氮氣保護的條件下,釬焊接頭有大量的缺陷存在,這些缺陷的存在嚴重影響了釬焊接頭的強度。