（材料加工工程专业论文）tc4钛合金感应加热钎焊工艺及模拟.pdf

摘要 摘要 t c 4 钛合金具有熔点高，抗拉强度高，比强度高；密度小，无毒，无磁性； 可塑性强，耐高温；特别是其优异的耐腐蚀性能，可抵抗大多数酸、碱、盐及 海水的腐蚀，因而能满足航空、航天、核能等极端技术领域的严格要求。智能 金属结构是以金属为基材，内嵌光纤光栅传感器( f b g ) 的传感结构，具有自我 监测温度及应变、通信和动作等功能。钎焊由于加工温度低、残余应力小等优 点，可以作为光纤光栅传感器嵌入金属的方法。 感应钎焊是利用交变磁场电场感应现象，工件上的涡流对工件进行加热， 使钎料熔化，液态钎料在毛细作用下填充间隙从而实现钎焊的一种方法。对于 光纤智能结构的制造过程，加工温度过高将导致光纤光栅传感失效，焊件残余 应力的存在将导致智能金属结构产生裂纹、影响结构强度和使用性能。分析感 应钎焊过程中温度场和应力场分布具有重要的工程实际意义。 研究了a g c u 钎料在t c 4 钛合金表面的润湿动力学结果表明润湿铺展维持 阶段采用w a s h b u r n 模型拟合( r n t ) 中n = l ，即r 1 f 。分别在不同热循环条件 和不同粗糙t c 4 钛合金基材表面进行了a g c u 钎料润湿铺展试验：试验结果表 明加热温度对润湿铺展过程影响较大；基材表面粗糙度对润湿铺展过程影响不 大。设计了高频感应钎焊辅助升降台并完成了钎焊试验；通过能谱分析( e d s ) 和扫描电镜( s e m ) 对钎焊接头微观组织进行了观察和分析。试验结果表明界 面反应层主要由t i c u 金属间化合物( i m c ) 组成、包含了t i c u 2 、t i c u 、t i 2 c u 等脆性相和残余钎料。测试了钎焊接头搭接剪切强度，结果表明平均搭接剪切 强度随温度升高先增大后减小，最大剪切强度出现在加热时间为3 0 0 s ，加热温 度为9 2 0 时，最大平均值为3 1 9 m p a 。 为在光纤光栅传感器嵌入t c 4 过程中保证钎料润湿铺展良好、温度场分布 均匀、焊后残余应力小，本文利用a n s y s 有限元软件对感应钎焊加热过程焊 件内电磁场、温度场、热应力场及残余应力场进行模拟及分析，避免了大量繁 琐的试验，获得了优化的感应钎焊工艺参数。模拟结果表明；温度最高处出现 在焊件侧表面，最低处出现在焊件上表面，焊件温度由内及外逐渐升高；最大 等效残余应力出现在钎缝近侧表面处，焊件内残余应力皆为拉应力。以上分析 结果，将为今后光纤光栅传感器嵌入t c 4 钛合金试验提供理论基础。 关键字：t c 4 钛合金；感应钎焊；有限元分析；智能金属结构；温度场；残余 应力场 a b s t r a c t t i t a n i u ma l l o yh a v em a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g hm e l t i n gp o i n t ，h i g h s t r e n g t h ，l o wd e n s i t y , n o n - t o x i c ，n o n - m a g n e t i c ，s t r o n g p l a s t i c i t y , e x c e l l e n t d e b n n a n c ea te l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，c o r r o s i o nr e s i s tt ot h ea c i d s ，a l k a l i sa n ds a l t s d u et ot h em e r i t sl i s t e da b o v e ，t i t a n i u ma l l o yh a v eb e e nw i d e l yu s e di na v i a t i o n ， a e r o s p a c ea n dn u c l e a re n e r g y a no p t i c a ls m a r t m e t a ls t r u c t u r ec a nb ea c q u i r e db y e m b e d d i n go p t i c a lf i b e rs e n s o r si nt h em e t a ls t r u c t u r e b r a z i n gi s am e t h o dc a nb e u s e dt oe m b e dt h ef i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) i nt h et i t a n i u ms t r u c t u r eb e c a u s eo fi t s l o wp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e ，s m a l lr e s i d u a ls t r e s sa n de t c i n d u c t i o nb r a z i n g i sab r a z i n gm e t h o du t i l i z i n g t h e p h e n o m e n o n o f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，b yw h i c ht h ejo i n ti sh e a t e da n dt h eb r a z i n gg a pi sw e t t e d b vl i q u i df i l l e rm e t a la n dab r a z e dj o i n tc a nb ea c q u i r e d a st ot h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r e m b e d d i n g ，at o ol l i 曲t e m p e r a t u r em a yd e s t r o yt h ef b g a n dt h er e s i d u a ls t r e s sm a y c a u s ef r a c h l r e sa n da f f e c tt h es t r e n g t ho ft h es t r u c t u r e t h u s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o a n a l v z et h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o ni na ni n d u c t i o nb r a z i n gp r o c e s s d y n a r n i c so fa g c uf i l l e rm e t a lw e t t i n go nt c 4t i t a n i u ma l l o yi s s t u d i e d ，t h e r e s u l ti n d i c a r e st h a tn = lo fw a s h b u r n t y p er e l a t i o n s h i p 俾n - t ) i nt h em a i ns t a g eo f w e t t i n ga n ds p r e a d i n gp r o c e s s t h ew e t t i n ga n ds p r e a d i n ge x p e r i m e n t so fa g 。c u f i l l e rm e t a lo nt h et c 4s u r f a c eo fd i f f e r e n tr o u g h n e s sw e r ec o n d u c t e du n d e r d i f f e r e n t t h e r m a lc y c l i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a th e a t i n gt e m p e r a t u r ea f f e c tw e t t i n g a n ds d r e a d i n gp r o c e s si n t e n s i v e l y , b u tt h es u r f a c er o u g h n e s sd o e sn o t h i g hf r e q u e n c y i n d u c t i o nb r a z i n gw o r k i n gp l a t f o r mw a sd e s i g n e da n dt h eb r a z i n ge x p e r i m e n t sw e r e c a i t i e do u t t h em i c r o s t r u c t u r ea n dr e a c t i o np h a s e s i nt h eb r a z i n gj o i n t sw e r e a n a l y z e db yu s i n ge d sa n ds e m ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ei n t e r f a c er e a c t i o nl a y e r m a i n l vc o n s i s t so ft i c ui m c ，s u c ha st i c u 2 、t i c u 、t i 2 c u a n do t h e rb r i t t l ep h a s e s s h e 甜s t r e n g t ho ft h eo v e r l a pj o i n tw e r et e s t e d ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ea v e r a g e s t r e n g t ho ft h ej o i n ti n c r e a s e sf i r s t l y a n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e t e m p e r a t u r e t h em a x i m u mv a l u eo ft h e s t r e n g t hi nt h ec o n d i t i o no ft h i sp a p e ri s a b o u t319 m p a 、v h e najo i n tw a sb r a z e dw i t ht h et e m p e r a t u r eo f9 2 0 。c a n dd w e l l i i i 一垒呈兰! 坠竺! t i m eo f3 0 0 s t h ee l e c t r o m a g n e t i c ，t e m p e r a t u r e ，t h e r m a ls t r e s sa n dr e s i d u a ls t r e s sf i l e dw e r e s i m u l a t e da n da n a l y z e du s i n ga n s y sf e ms o f t w a r ei no r d e rt oe n s u r et h a ti ) t h e f i l l e rm e t a lw e t sw e l l ，i i ) t h es p e c i m e n sa r eh e a t e du n i f o r m l y , i i i ) d e e r e a s et h er e s i d u a i s t r e s s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e ：t h eh i g h e s ta n dl o w e s tt e m p e r a t u r e sa p p e a r o n t h es i d es u r f a c ea n dt o ps u r f a c eo fa s p e c i m e n ，r e s p e c t i v e l y ；a n dt e m p e r a t u r ei n c r e a s e g r a d u a l l yf r o mi n s i d et oo u t s i d eo fas p e c i m e n t h em a x i m u me q u i v a l e n tr e s i d u a l s t r e s s a p p e a r sn e a rt h es i d es u r f a c ei nt h eb r a z i n gs e a mo fas p e c i m e n ，a n dt h e r e s i d u a ls t r e s si st e n s i l es t r e s s t h ea n a l y s i sr e s u l t sa b o v ew i l l p r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ef o l l o w i n gm a n u f a c t u r i n go ft c 4s m a r t m e t a ls t r d c t u r e k e yw o r d s ：t c 4 ；i n d u c t i o nb r a z i n g ；f e m a n a l y s i s ；s m a r tm e t a ls t r u c t u r e ； t e m p e r a t u r ef i e l d ；r e s i d u a ls t r e s s i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 钛及钛合金是2 0 世纪5 0 年代以来发展起来的一种重要的有色金属，其外观 近似于钢，呈银灰色，具有光泽。钛合金熔点高达1 6 7 2 c ，抗拉强度最高可达 1 8 0 0 m p a ；密度小，比强度高，可塑性强；无毒，无磁性，耐高温；特别是其优 异的耐腐蚀性能，可抵抗大多数酸、碱、盐及海水的腐蚀【1 3 1 。钛及钛合金以其 良好的综合性能在航空航天、国防、核能、船舶、电子、石油、化工等工业部 门获得了广泛应用。钛镍合金因其形状记忆功能，可用于卫星和飞船的天线、 宇航系统的油管密封和其它自控装置；钛合金的无磁性、钛铌合金的超导性、 钛铁和钛镁合金储氢性能好的特点使钛合金在航空航天和船舶制造等高技术领 域发挥了重要作用【4 “】。钛合金的工程应用必将涉及到其自身或与其他材料的连 接问题。将钛及钛合金与其他材料配合使用，可以提高结构的性能，降低成本。 因此，研究钛合金的焊接问题有着重要意义。 感应加热钎焊是利用工频、中频或高频电流作为热源的一种焊接方法，主要 特点是依靠工件在交流电的交变磁场中产生涡流的电阻热来加热，是将导电的 工件放置在变化的电磁场中，感应加热电源给单匝或者多匝的感应线圈提供变 化的电流，从而产生磁场，当工件被放置到感应线圈之间并进入磁场后，涡流 进入工件内部，产生精确可控、局域的热能。由于热量是由工件自身所产生， 因此加热迅速，工件表面的氧化少，而且可防止母材的晶粒长大和再结晶，此 外，还可以实现对工件的局部加热。 1 2 钎焊及工艺研究 钎焊是采用比母材熔化温度低得钎料，采取地域母材固相线而高于钎料液相 线的操作温度，通过熔化的钎料将母材连接在一起的一种钎焊技术。钎焊时钎 料熔化为液态而母材保持固态，液态钎料在母材的间隙中或表面上润湿、毛细 流动、填充、铺展、与母材相互作用( 溶解、扩散或产生金属间化合物) ，冷却 凝固形成牢固的接头，从而将木材连接在一起【7 】。钎焊方法很多，通常是以热源 来命名，如火焰钎焊、炉中钎焊、电阻钎焊、感应钎焊、盐浴钎焊，还有电弧 第1 章绪论 钎焊、红外钎焊、激光钎焊、光束钎焊、蒸汽钎焊等。通过各种钎焊方法加热 焊接接头，确保匹配适当的母材、钎料、钎剂、或气体介质之间进行必要的物 理化学过程，从而获得优质的钎焊接头【引。 钎焊的工艺参数一般包括钎焊温度、保温时间、冷却速度、钎缝间隙、感 应线圈形状尺寸以及钎料钎剂的加入方式等。这些因素的波动会对焊缝质量造 成不良影响，尤其是易在金属中产生脆性相和较大的焊接应力，因此必须要恰 当匹配组合，才能获得高质量钎焊接头。 1 2 1 钎焊温度对焊缝质量的影响 e l r e f a e y 等人例以i n c u s i l - a b a ( a g - 2 7 2 c u 一1 2 5 i n 1 2 5 t i ) 为钎料，对不锈钢 和钛合金进行了钎焊试验。钎焊温度为6 5 0 8 5 0 。通过钎焊接头分析可得出， 随着钎焊温度的升高，焊接区域的厚度随之缩小，金属间化合物生成量也不断 增大。当钎焊温度为6 5 0 时，虽没有脆性相产生，但由于钎焊温度过低，钎料 无法完全溶解，接头处形成了气孔，并且间隙倾向严重；当钎焊温度为7 5 0 。c 时， 焊接接头良好，没有金属间化合物脆性相产生；当温度上升至8 0 0 8 5 0 。c 时，在 钎焊接头处产生大量金属间化合物，包括t i c u 、c u 4 t i 3 、c u 2 t i 等脆性相，严重 影响接头质量。抗剪强度试验表明，随着温度升高钎焊接头抗剪强度先增后减， 于7 5 0 达到最高值l1 3 m p a 。 1 2 2 保温时间对焊缝质量的影响 e l r e f a e y 等人【lo 】研究了c p t i i n c u s i l a b a c p t i 的钎焊工艺及接头性能。结 果表明，反应层厚度随钎焊时间增加而变厚，并且随之造成钎料金属元素的流 失。保温5 m i n 时，钎焊接头以a g 基固溶体为主，c u 、i n 和t i 形成了c u 2 t i l n 、 t i c u 、p c u 4 t i 等大量金属间化合物。保温9 0 m i n 时，t i 溶解度随之增加，c u 、 i n 与t i 形成大量金属间化合物，a g 基固溶体区域不断缩小。抗剪强度试验表明， 在8 0 0 。c 下所有的钎焊接头抗剪强度较差，其随钎焊时间先增加后减小；在7 5 0 下保温3 0 m i n ，可得到抗剪强度高达9 2 3 m p a 的钎焊接头，并且抗剪强度随时 间增加而增加。 1 2 3 冷却速度对焊缝质量的影响 王金雪等人【1 1 】对t c l 8 钛合金进行了焊接热模拟试验，分析研究了该合金在 相同热输入条件下，冷却速度对均温区组织和性能的影响，冷却速度为o 5 、5 2 第1 章绪论 和2 5 。c s 等。结果表明，冷却速度为0 5 。c s 时，粗大的b 晶粒发生分解，晶 粒内部转变为针状0 【组织，材料的抗拉强度最高，而伸长率和断面收缩率接近 于零；冷却速度为5 。c s 时，由于冷却速度变快，其组织为粗大的b 晶粒内部有 小部分仅相析出，且其抗拉强度变化不大，塑性也不强；随着冷却速度继续增 大，d 相来不及分解，形成粗大的1 3 晶粒组织，冲击性能明显增大。 1 2 4 钎缝间隙对焊缝质量的影响 薛忠明等人【1 2 】采用a g c u t i 钎料进行了钛合金与不锈钢异种金属管路结构 的真空钎焊试验。结果表明，接头间隙过大容易导致钎缝处易出现气孔、未钎 透等缺陷，明显影响接头的力学性能。随着接头间隙增大，接头平均承载能力 不断下降。当接头间隙为o 0 3 r a m ，接头平均承载能力达到了1 7 2 2 k n ，其平均 剪切强度超过了1 7 2 m p a ，钎焊接头均从不锈钢母材上发生塑性断裂；当接头间 隙增大至o 15 m m ，钎焊接头承载能力仅为11 7 8 k n ，并且接头均从钎缝处发生 剪切断裂。 1 3 钛合金钎焊特点及钎焊性分析 与普通材料的钎焊不同，钛及钛合金钎焊具有以下特点【l3 j ： ( 1 ) 表面存在氧化物层。钛对氧亲和力大，具有强烈的氧化倾向，其表面 一般都有一层氧化膜，钎焊前必须仔细清理去除干净。一般采用s i c 砂纸逐级 打磨，超声波丙酮清洗，最后用乙醇冲洗吹干【l 4 i 。 ( 2 ) 具有强烈的氧化倾向。因在加热过程中，吸收氢、氧、氮，结果使合 金塑性及韧性急剧下降，所以钎焊必须在真空或干燥的惰性气体保护下进行。 ( 3 ) 组织和性能变化。按照室温下组织，可将钛合金基本分为三类：0 【和 近a 、q + p 及d 相合金。当加热温度接近或超过1 3 相转变温度时，晶粒会急剧长 大，组织显著粗化，随后在冷却速度较快的情况下形成针状q 相组织，使钛的 塑性下降。 ( 4 ) 形成脆性化合物。钛会与大多数的熔化钎料发生合金化反应，一方面 促进了钎料在基体上的润湿铺展，另一方面也会产生合金化现象，以致对基体 溶蚀或在接头中形成脆性金属间化合物。 纯钛在8 8 2 5 发生同素异构转变，从密排六方结构的a 相转变为体心立方 结构的1 3 相。钛合金的同素异构转变决定了其钎焊工艺过程受限于温度及时间， 1 第1 章绪论 当高于0 【一d 相变温度时，其组织和性能将发生重要变化。因此，在进行钛合金 的钎焊时须重点考虑。从冶金学角度分析，更重要的是由基体与钎料反应形成 脆性相，使得钎焊接头性能恶化。综上几点，选择合适的钎料，尽可能保持在p 相转变温度以下对钛合金进行钎焊是基本原则。这样既可以保持母材性能，也 能形成优良力学性能的钎焊接头 1 5 - 1 6 。 1 4 钛合金用钎焊料分析 目前，钛及钛合金的钎焊材料大致可分为四类：a g 基、a l 基、p d 基和t i z r 基钎料，如表1 - 1 所示。 表1 1 几种常用的钛合金钎焊料 1 7 】 类型 组成( 质量分数，)钎焊温度 优点和缺点 a g - 5 a l 9 2 0 9 8 0 a g 2 8 c u 8 5 0 一9 0 0 钎焊温度低中，接头韧性好，室温时 a g 2 3 c u 一5 t i 9 0 0 一9 2 0 银基强度较高，高温时强度较低，耐腐蚀 a g 5 a 1 5 t i 9 2 0 , - - 9 4 0 a g 2 5 c u 2 5 i n 6 8 0 较性。 a g 一3 l i 1 0 7 3 a 1 7 5 s i5 6 0 6 0 0钎焊温度低，质量较轻，疲劳性差， 铝基 a 1 1 m n6 6 0 6 9 0 接头处易形成金属间化合物，耐腐蚀 a a 3 0 0 3 6 6 0 石9 0 性差。 p d 4 0 a u 3 0 c u1 1 0 0 钯基p d 6 0 c u - 10 c o1 1 0 0 高温时强度高，钎焊温度高 p d - 6 0 c u - l0 n i11 0 0 t i 15 c u 15 n i9 8 0 10 5 0 钛基和 t i 15 c u 2 5 n i9 3 0 9 5 0 室温时强度高，高温时强度较好，耐 t i 2 0 z 卜2 0 c u 2 0 n i8 8 0 9 2 0 钛锆基腐蚀性好，钎焊温度适中。 t i 2 6 z r - 14 c u 一14 n i 5 m o8 6 0 8 9 0 t i 3 7 z 卜1 5 c u 1 0 n i8 5 0 8 8 0 1 4 1 银基钎料 早在2 0 世纪5 0 年代，人们已经开始了a g 基钛合金钎焊料的研究。a g 基 钎料大都是以a g a 1 、a g c u 合金为主，再加入其他合金元素，例如s n 、m n 、 a 1 、l i 、z n 等，以改善钎料合金的性能。研究表明，a g a 1 钎料中加入少量s n ， 既能降低其熔点，又能提高其与钛合金的润湿性能。在a g c u 钎料中添加少量 n i ，可提高其润湿性能；添加少量l i ，可获得自钎剂钎料【1 8 】。a g 基钎料具有合 适的熔点，钎缝具有良好的塑性；缺点是对氯离子敏感，接头抗腐蚀性差；钎 焊接头的高温强度低。这些缺点限制了它在工业中的应用。 4 第1 章绪论 1 4 2 铝基钎料 a 1 基钎焊料的开发始于波音公司，以3 0 0 3 铝合金为钎料钎焊钛合金，钎焊 温度为6 8 0 。c 。铝合金熔融温度范围基本上低于p 相变温度，因此，在钛合金非 相变钎焊中具有一定的优势。2 0 世纪六七十年代，铝基钎料合金的钎焊研究较 多【1 9 。 由于铝合金钎焊接头存在金属间化合物，使得其接头很脆，且耐疲劳性和 冲击强度都较低。如果通过适当的合金化的方法控制接头组织，接头性能将得 到较大改善。美国空军材料试验室支持的一项试验结果表明，应用钎焊方法，当 大量片状结构形成以6 9 5 1 合金为核心包覆a 1 2 7 5 s i 钎料的组织时，其焊件显示 出良好的剪切强度和耐破损性；用高纯铝钎焊钛时形成厚度很大的金属间化合 物a 1 3 t i 。加入0 8 的s i 后，明显地降低了a 1 3 t i 的增长速度，从而减少了a 1 3 t i 的生成量【2 0 j 。 1 4 3 钯基钎料 p d 与t i 、n i 、f e 、c o 、c u 、a g 、a u 等金属在液相和固相都有较高互溶度， 加入p d 可大大提高钎料对母材的润湿性，接头具有良好的高温强度【2 1 j 。目前， p d 基焊料有p d 6 0 m n 1 0 c o 、p d 5 0 n i 1 0 c o 和p d a g c u o 等。这些钎料既可用 来钎焊陶瓷，也可用来钎焊包括钛合金在内的各种金属 】3 】。然而，p d 作为一种 贵金属，在钎料生产应用中较少。并且，随着人们对环境和自身健康的日益重 视，对人体有害的p d 基焊料发展和应用受到了限制。 1 4 4 高温钛基钎料 早期，人们在研究钛基钎料时向钛中添加f e 、n i 、c u 、z r 、b e 、c o 、v 等 元素以降低其熔点。其中c u 、n i 是p 相稳定元素，可以与钛形成共晶，并显著 降低了钛的熔点，如表2 2 所示【2 2 ；n i 可以提高接头高温性能和耐腐蚀性，而 c u 在钎焊接头处极易与t i 形成大量金属间化合物脆性相，故c u 在钎料中的含 量不宜过高【2 3 。由于z r 与t i 的合金作用特性，z r 是钛基钎料的主要加入元素 之一。z r 与t i 无限固溶，可以提高强度并保持塑性；含z r 5 0 时钛合金熔点出 现极小值，低于钛熔点3 4 7 。c 左右；z r 在钛合金中呈中性，对0 【一p 转变温度影 响很小；另外z r 还可与c u 、n i 形成共晶。因此，z r 是钛基钎料中添加的重要 合金元素。 5 第1 章绪论 目前，t i c u n i 和t i z r - c u n i 系列钎料是钛及钛合金钎焊的重要钎料。其 显著优点是接头可以在高温和强腐蚀介质下使用，其力学性能和耐腐蚀性能接 近母材水平【2 4 l 。2 0 世纪7 0 年代，c e s m e l t z e r 和a n 。h a m m m e r 对上述两类 合金进行了深入研究，并进行了改进。8 0 年代，日本的o n z a w a 等人【2 5 】用 t i 2 0 z r - 2 0 c u 2 0 n i 作为钎料钎焊t i 一21a 1 4 v 合金，钎焊温度为8 5 0 ，钎焊后 热处理可使其接头强度达1 4 0 0 m p a 。2 0 0 2 年，o n z a w a 等人【2 6 】又以t i z r - c u 合 金为基体，通过添加n i 、c o 、c r 、a g 等共晶元素，得到了几种低熔点的钎料， 其熔点都在8 2 0 左右。2 0 0 9 年，j u n g 等1 2 7 】用非晶态z r - t i n i c u b e 作为钛合 金钎焊材料( 熔点低至7 2 5 ) ，加热至8 0 0 保温l o m i n ，其接头力学性能和耐 腐蚀性接近于室温下金属钛。 钛基钎料与银基、铝基、钯基相比，具有较高的焊接强度、优良的耐蚀性 能、良好的润湿性和经济实用性。但是大部分钛基钎料所含的c u 和n i 元素会 与钛产生强烈的扩散溶解反应，易造成基体溶蚀和产生大量金属问化合物。 表1 - 2 钛及钛合金钎焊用钛基钎料【2 2 】 分类牌号 主要成分( 质量分数，) 熔化温度* c钎焊温度* c t i 7 2 c u l4 n i t i ( 7 2 7 5 ) c u ( 13 - 15 ) n i 9 0 0 , - - 9 4 09 6 0 9 6 0 t i c u n i t i 7 0 c u l5 n i t i ( 7 0 - 7 3 ) c u ( 14 16 ) n i 9 1 0 9 6 09 4 0 9 8 0 t i c u b et i 4 9 c u 4 9 b e t i ( 4 8 5 0 ) c u 0 - - 3 ) b e 9 0 0 9 5 59 5 0 9 9 7 t i z 卜b et i 4 8 z r 4 8 b et i 4 8 z r 4 b e9 0 0 9 8 09 4 0 10 5 0 t i z 卜n i b et i 4 3 z r 4 3 n 订2 b e t i 4 3 z r 4 3 n i12 b e 7 9 5 8 1 6 8 5 0 1 0 5 0 t i z 卜c u t y p e 5 0 0 0 t i 2 5 z r 5 0 c u7 8 0 8 1 58 5 0 9 5 0 t y p e l 5 1 0 t i 3 7 5 z r l5 c u lo n i8 0 5 8 1 58 5 0 9 5 0 t i z 卜c u n i t y p e l 5 1 5 t i 3 5 z r l 5 c u l5 n i7 7 0 8 2 08 5 0 , - - , 9 5 0 b i i p l 6t i l 3 z r 2 1 c u 9 n i9 l o 9 2 09 3 0 9 6 0 1 4 5 钛基非晶态钎料 非晶钎料是利用快冷法制备的，具有成形简单、纯净、成分均匀、厚度薄， 钎焊质量好等显著优点。钛基钎料本身较脆，加工性能差，箔材制备困难。从 钛基钎料的形态上来看，最初钛基钎料以粉末状或用胶调成膏状使用，随后又 发展了薄片叠层钎料，直到应用真空快淬技术将钛基钎焊料制成非晶箔，才满 足了航天、航空钛合金钎焊的要求。 非晶钛基钎料的润湿性和熔化特性好，熔点为8 4 0 9 0 0 ，比大多数钛合金 的p 转变温度至少低4 0 c ，很适合于钛合金钎焊；它能以最小量和最准确的方 6 第1 章绪论 法在间隙中预先置放，从而能达到其他形态钎料达不到的钎焊接头力学性能。 此外，非晶态钎料还具有钎焊接头质量高、浸润性、流动性和钎焊后接头耐热 温度较高等优点 2 8 3 0 】。 1 5 钛合金钎焊方法及设备 感应加热钎焊方法制作钛合金智能金属结构，可以实现快速升温、降温，有 效防止金属化的光纤光栅升降温过程中受较大的热应力作用而发生破坏。根据 工件在交变磁场中，导体内产生的感应电流强度由下式确定，即： r 4 4 4 b s f l 矿1 0 一“ 11 、 一一 1 1 z 式中：卜最大磁感应强度( t ) ；卜工件首次长作用的断面积( c n l 2 ) ；_ 7 l 交 流电的频率( h z ) ；肜一线圈( 感应圈) 的匝数；卜焊件的全部阻抗( q o 可见，导体内产生的感应电流强度与交流电频率成正比关系，交流电频率 越高，感应电流越大，焊接的加热速度越快，感应加热大多使用高频交流电。 所以本文将采用高频感应加热钎焊方法作为钛合金智能金属结构的钎焊方法。 高频感应加热钎焊方法设备主要由两部分组成，即交流电源和感应圈，实际试 验过程中辅助升降台、夹具、保护器装置等也是设备的重要组成部分。 1 6 感应加热钎焊温度场模拟的研究现状 感应加热本身是一个复杂的物理过程，它牵涉电、磁、热、相变、力学等方 面得知识，至今仍无一个完整的耦合理论可以用数学方法来精确耦合该物理过 程。随着计算机技术的快速发展使得通过计算机数值模拟来描述感应加热过程 成为可能。目前，已有许多科研工作者将精力投入到这方面的工作中。有限单 元法就是其中迅速发展起来的一种现代计算方法。 在上世纪5 0 年代，它首先在连续介质力学领域、飞机结构静特性和动态特 性分析中得到有效应用，7 0 年代它开始广泛的被应用于求解热传导、电磁场、 流体力学等连续性问题。有限元法之所以能够获得如此广泛的应用，是因为与 其它数值方法相比，它具有独特的优越性。例如差分方法由于采用直交网格， 较难适应区域形状的任意性，也不能区分重点与非重点分析区域，而且利用差 分方法也不容易编制出通用程序。而有限元法可以采用任意形状的网格划分区 7 第1 章绪论 域，并根据分析的重点，局部细化网格，同时，可以方便地编制出通用计算程 序。e l 前出现的各种大型有限元结构分析软件，例如a n s y s ，m a r c ，a b a q u s ， a d i n a 等，为各种工程问题的求解提供了强大的支持。 19 6 5 年，w i n s l o wa n 首次将有限元法应用于电磁场数值计算。c h a r tm v k 和d o n e a j 3 1 分别在1 9 7 3 和1 9 7 4 年用有限元法得到了轴对称和二维问题的矢量 势解。国内8 0 年代也开始了这方面的工作。近几年，越来越多的研究人员利用 a n s y s 有限元进行温度场模拟。陈素玲等 3 2 】基于高斯体热源模型、建立3 d 模 型、细密的网格划分，成功得进行了钛合金b t 2 0 管口激光焊接的温度场及应力 场数值模拟。胡美娟等【3 3 】基于圆锥体热源、采用过渡映射网格换份，同时考虑 小孔效应、相变和熔池内液体的对流散热，对1 2 m m 厚t c 4 钛合金平板电子束 焊接进行温度场及应力场模拟，并取得初步成功。王新彦等 3 4 】基于双热源模型、 3 d 模型对钛合金与铌合金电子束焊接a n s y s 温度场模拟，最后得到了不同焊 接热输入条件下钛合金与铌合金焊接过程中的最佳偏置距离。张伟等【3 5 】基于电 磁场和温度场顺序耦合的有限元分析方法，采用a n s y s 软件对导管焊接区域的 温度场进行了三维瞬态分析研究结果可以为测温点的选取、钎焊过程控制方 法的制定以及焊接缺陷形成机理的分析提供依据，并为改进工艺方法、改善温 度场分布提供技术参考。赵雨涛等【36 采用热电耦合单元，模拟出了该加热体将 电流转换为焦耳热并通过辐射传热将热量传递给周围环境的过程中加热体自身 温度场、电压、电流密度等的分布情况。同时通过提取a n s y s 后处理数据得 到了该过程中的总体焦耳热生成及辐射热损失。 1 7 选题的背景及意义 光纤布拉格光栅传感器以其抗电磁干扰、灵敏度高、体积小等独特优点，也 适合在高温、腐蚀性等恶劣环境中使用，因此被广泛的应用在航空航天、大型 建筑、石油化工等领域【3 。然而由于裸光栅细小质脆且灵敏度较低，需要对其 进行封装增敏保护才能应用于实际中。光纤智能金属结构中一般使用的石英光 纤的基本结构由内层的纤芯和外层的包层组成。光纤原有的起保护作用的有机 聚合物涂敷层，由于只能耐受1 0 0 。c 以下的温度，因此不能在光纤智能金属研究 中使用。石英是脆性材料，裸光纤虽然有强的抗拉强度，但抗剪切强度差易断 裂，因此必须对光纤重新进行保护。考虑后期埋入金属时的耐高温需求并加强 8 第1 章绪论 与金属的相融性，有必要对裸光纤表面进行金属化涂敷。国内外进行了较多的金 属化保护方面的研究。早期的光纤传感器金属化涂敷采用溅射和气相喷射的方 法。c e l e e 等 3 8 】最早将光纤传感器埋入金属基体，他们用磁控溅射的方法将 二氧化钛涂敷在法布里珀罗( f p ) 光纤传感器上，李晓春等 3 9 - - 4 1 在光纤布拉格光 栅( f b g ) 上用电磁气相喷镀金属镍或钛，再用电镀的方法镀一层镍来进行保护， h b a r t e l t 等【4 2 】用阴极溅射的方法在i i 型f b g 上镀铝，s a n d l i n 等人 4 3 1 采用化学镀 银使裸光纤光栅金属化后进行再电镀镍的保护，武汉理工大学郭明金等m j 对光 纤光栅采用化学镀镍再镀金的保护，此外，意大利的c a r l al u p i 小组、台湾 s h a m t s o n gs h i u e a 小组等均在这一方面取得了一系列的研究成果。 本文拟采用感应钎焊方法将金属化后的光纤光栅埋入t c 4 钛合金中制成 t c 4 钛合金智能金属结构，通过有限元软件a n s y s 对感应加热钎焊过程进行模 拟，并得出电磁场、温度场及应力场的分布来优化焊接工艺参数。 1 8 论文的主要工作 通过上面的分析，本课题拟开展以下几方面的研究工作： ( 1 ) 利用热台进行钎料在不同条件下基材表面润湿铺展试验，研究了钎料润 湿铺展动力学； ( 2 ) 对钎焊接头进行微观组织分析和力学性能测试； ( 3 ) 提出设计方案，搭建感应钎焊试验平台； ( 4 ) 通过a n s y s 有限元分析软件，模拟感应钎焊试验电磁场、温度场、热 应力场及残余应力场； ( 5 ) 研究并分析了有限元数值分析结果。 9 第2 章试验材料和设备 第2 章试验材料和设备 2 1 试验材料 为保证钎焊试验顺利完成，进行了钎料在基材表面润湿铺展试验，并对试 验结果进行了研究分析。润湿试验采用了a g - 6 2 c u ( w t ) 为钎料，其尺寸为巾 1 8 m m o 5 m m ；t i 一6 a 1 4 v ( w t ) 为基底材料( 化学成份参见表2 1 ) ，其尺寸为 5 5 m m x5 5 m m x 0 6 m m 。需要指出的是，a g c u 钎料为三明治结构：两层薄片 状a g c u 共晶包夹单层单质t i ，该结构能具有保证t i 元素活性的优点，熔点为 7 5 0 。c - 8 0 0 。c 。如图2 1 ( a ) 、2 1 ( b ) 所示，分别为表面粗糙俾口= 0 2 5 64 - 0 0 1 6 “m ) 和光滑( r a = 0 0 0 94 - 0 0 0 2 斗m ) 两种t c 4 钛合金基材，由5 0 0 # s i c 砂纸打磨和3 1 x r n 悬浮液抛光分别制成。 表2 1t c 4 钛合金化学成分 主要成分杂质 合金牌号化学组成 t ia l v f ecnho t c 4t i 6 a 1 4 v 余量 5 5 “83 5 4 5o 3 00 1 0o 0 20 0 1 50 2 0 2 2 试验设备 试验利用z y g o 新视野7 5 0 0 粗糙度测试系统，对基材表面粗糙度进行了 测试( 如图2 1 所示) 。润湿铺展试验在l i n k a mt s1 5 0 0 热台上进行。钎焊试 验在s p 2 5 a b d 高频感应钎焊设备中进行，图2 2 所示为该设备的外观照片：设 备由加热系统、冷却系统、数显系统和控制系统组成，最大功率2 5 k w ，最大加 热频率1 0 0 k h z ，这些参数足以满足本文润湿铺展和钎焊试验要求。利用 o l i m p u sb x 5 1 m 、光学显微镜、金相显微镜、x 射线衍射仪及扫描电镜对润湿 试验后基材试样的微观组织结构进行了观察分析。利用i s t r o n 5 5 5 0 万能力学 试验机进行了钎焊接头搭接剪切强度试验。 1 0 第2 章试验材料和设备 ( b ) 粗加t 表面 劐2 1不同粗糙度t c 4 钛合金基材表面 图2 - 2s p 一2 5 a b d 高频感应钎焊设备 第2 章试验材料和设备 2 3 钎料润湿铺展试验 试验选择用高纯度a r ( 9 9 9 9 9 ) 为保护气体。试验开始前，先保持通保护 气体2 小时以上，以排除气体管道及工件周围空气。热循环由快速升温、保温 及降温组成：升温速率和降温速率分别为1 2 0 r a i n 和1 0 0 m i n ，保温温度为 分别为8 6 0 和9 4 0 。c 并维持2 分钟。钎料表面温度与钎料表和基材的热阻率有 关。试验过程中利用图像采集工具( 2 2 帧s 的高速数码摄像机) 记录从钎料开 始熔化到钎料铺展结束以及冷却凝固的整个动态过程；最后利用图象处理软件 i m a g e p r o 测量各时刻的钎料铺展面积，计算得出相应的等效润湿半径随时间的 变化曲线，以研究钎料润湿铺展动力学。 2 4 力学性能测试试验 将t c 4 钛合金基材加工成尺寸为4 r a m 1 0 m m 1 0 0 m m 的薄板，以a g - c u 为钎料与基材装配成搭接接头，以热台为热源进行钎焊将其制成钎焊接头。通 过i s t r o n 5 5 5 0 万能力学试验机对钎焊接头进行剪切强度测试。 2 5 组织微观分析 将用于界面分析的合金接头用镶牙粉嵌在a l 壳内，然后在2 0 0 # ，4 0 0 # ，6 0 0 # ， 8 0 0 # ，1 0 0 0 # ，1 5 0 0 # 水砂砂纸上逐级磨光，当试件表面划痕方向，间隔均匀时， 在抛光机上先用金刚石悬浊液粗抛光，再用氧化铝抛光剂精抛光，然后把样品 浸渍于h f ( 1 m 1 ) + h 2 0 ( 1 0 - 2 0 m 1 ) 溶液中数秒，再用氧化铝抛光剂完成最终 精抛光，可反复多次进行。抛光质量可以在光学显微镜下进行观察，显微镜下 表面没有划痕即可。制备好的金相试