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哈尔滨理工人学工学硕士学位论义 异种合金组件焊接应力及变形有限元分析 摘要 硬质合金具有高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨损性好等优点，广泛应用 于阀门、钻机等的密封装置、各种金属切削工具以及制造各种模具、量具和 耐磨损机械零件等，并收到了显著的效果。但由于这些材料塑性、韧性、抗 冲击性都较差，在与其他材料钎焊冷却过程中常会因材料的性能参数的不匹 配而使接头处产生相当大的残余应力变形甚至产生裂纹，对于大面积硬质合 金圆环，钎焊过程中更容易出现裂纹或开裂。为此，对硬质合金与其他材料 钎焊后残余应力大小及分布进行预测具有一定的理论和实际意义。 本论文通过采用m a r c 非线性有限元软件，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，对硬质合金圆环和钢体钎焊的 接头区在冷却过程中的应力变化、应力分布及裂纹敏感区等进行了分析。并 用微区x 射线衍射法对接头附近的残余应力进行了测量以验证模拟的可靠 性。 模拟结果表明：在焊后冷却过程中产生的轴向应力，周向应力对接头的 强度影响较小，径向应力是接头破坏的主要因素。在钎缝与硬质合金一侧接 触面上所受到的残余应力最大，在离硬质合金环内侧o 4 m m 处径向拉应力 达到最大，在环内侧轴向拉应力最大，在硬质合金环与钎缝一侧接触面的靠 近中心侧区域为最危险区域。 研究了钎焊接头形状、钎缝厚度、缓冲层、钎焊压力及构件的尺寸对焊 后接头残余应力的影响，结果表明：在钢基体表面开工艺槽时，由于槽的拘 束作用，焊后的残余应力与不开工艺槽相比都大大增加，从而对接头的强度 不利；随着钎缝厚度的增加，焊后的残余应力逐渐减小，在厚度为1 2 01 3 - m 时，焊后残余应力值最小，而后随着钎缝厚度的增加，应力值又逐渐增大， 钎缝厚度存在最佳值；通过添加缓冲层，可以大大的缓解焊后的残余应力， 且缓冲层的厚度存在最佳值。在能保证钎料对硬质合金表面润湿的前提下， 钎料层越薄，对减少焊后残余应力越有利；在硬质合会上施加一定的压力， 可以有效的降低焊后残余应力。在一定范围内增加压力，焊后残余应力减 小；构件尺寸越大，钎焊面积越大，焊后的残余应力也越大。 采用美国a s t 公司生产的x 一2 0 0 1 二维应力分析仪对硬质合金圆环两 哈尔浜理t 。大学一学硕f 学位论殳 侧的钢基体表面及硬质合金圆环的上表面进行了应力测量，并与有限元计算 值进籽了比较，结果表明：有限元计算值与实测值基本吻合，反映的应力变 化趋势基本一致，从而验证了模拟的可靠性。 关键词硬质合金圆环；钎焊；残余应力；数值模拟；x 射线衍射法 堕堡童型三奎兰三耋堡耋兰竺篓兰 t h ef i n i t ee l e m e n ta n l y s i s0 ft h e b a r z i n gs t r e s sa n dd i s t o r t i o no f d i s s i m i l a rm a t e r i a l a b s t r a c t t h ec e m e n t e dc a r b i d eh a sa d v a n t a g e so fh i g hh a r d n e s s ，r e s i s t a n tt oe l e v a t e d t e m p e r a t u r e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n ta n dg o o dw e a r - r e s i s t a n c e ，i th a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nt h eh e r m e t i cu n i t c u t t i n g t o o l s ，d i e ，m e a s u r i n gt o o l sa n da n t i a b r a s i v e c o m p o n e n t sa n dt h ee f f e c ti sn o t a b l e b u tt h e r ew i l le x i s th i g hr e s i d u a ls t r e s sa n d d i s t o r t i o n ，e v e nc r a c k s ，n e a rt ot h ei p i n td u et o t h em i s m a t c ho fm a t e r i a l p e r f o r m a n c ed u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s so fb r a z i n gw i t ho t h e rm a t e r i a l s t ol a r g e a r e ac e m e n t e dc a r b i d ec i r q u e ，i ti se a s i e rt og e n e r a t ec r a c ka n dd e h i s c e n c e t h e r e f o r e i ti ss i g n i f i c a n tt of o r e c a s tt h er e s i d u a ls t r e s so fm eb r a z e dw o r k p i e c e b e t w e e nt h ec e m e n t e dc a r b i d ea n do t h e rm a t e r i a l s n o n l i n e a rm a r cs o f t w a r ew a su s e dt oa n a l y z et h em a g n i t u d ea n d d i s t r i b u t i o no ft h er e s i d u a is t r e s sa n dt h es e n s i t i v ea r e ao ft h ei o i n tb e t w e e nt h e c e m e n t e dc a r b i d ec i r q u ea n ds t e e lm a t r i xb yt h e r m a l e l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sw e r et a k e ni n t o a c c o u n t t h er e s i d u a is t r e s sn e a rt h ei o i n tw a sm e a s u r e db ym i c r o z o n ex r a y d i f f r a c t i o na p p r o a c ht ot e s ta n dv e r i f yt h er e l i a b i l i t ) , o fs i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o ns h o w st h a t ：t h ee f f e c to fa x i a is t r e s sa n dc i r c u m f e r e n t i a l s t r e s so nt h es t r e n g t ho f t h eb r a z e dj p i n ti sv e r yl i t t l e ，a n dr a d i a ls t r e s si st h em a i n f a c t o ro f j o i n td a m a g e t h er e s i d u a ls t r e s si nt h ec o n t a c ts u r f a c eb e t w e e nb r a z i n g s e a ma n dc e m e n t e dc a r b i d ei st h em a x i m a l a n dt h er a d i a it e n s i l es t r e s sr e a c ht o t h em a x i m u ma tt h ep l a c eo f0 4 m mf r o mt h ei n n e rs i d eo ft h ec e m e n t e dc a r b i d e t h ea x i a lt e n s i l es t r e s si st h em a x i m u mi nt h ei n n e rs i d eo ft h ec o n t a c ts u r f a c e t h ea r e an e a rt h ej n n e rs i d eo ft h ec o n t a c ts u r f a c eb e t w e e nc e m e n t e dc a r b i d e c i r q u ea n db r a z i n gs e a mi st h em o s ts e r i o u sd a m a g i n ga r e a t h ee f f e c to f j o i n ts h a p e ，t h ef i l l e rm e t a lt h i c k n e s s ，b u f f e rl a y e r , p u t t i n gl o a d 篁尘堡竺尘耋兰塑：! ：兰丝丝兰 a n dt h es i z e so ft h ec o m p o n e n to nt h er e s i d u a ls t r e s sa l s ow e r es t u d i e db y s i m l 盎a t i o n w h e nt h e r ei 8an o t c ho nt h es t e e lm a t r i xt h er e s i d u a ls t r e s si sm u c h h i g h e rt h a nt h a to fw i t h o u tn o t c ho ns t e e lm a t r i xd u et on o t c hr e s t r a i n t s ot h e n o t c hi sb a dt ot h es t r e n g t ho ft h ei o i n tt h er e s i d u a ls t r e s sw i l ld e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo ff i l l e rm e t a lt h i c k n e s s ，w h e nt h et h i c k n e s si s12 0 “m t h er e s i d u a l s t r e s si st h em i n i m u m t h e nt h er e s i d u a ls t r e s sw i l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h i c k n e s s t h e r ee x i s t sa no p t i m a lv a l u et ot h eb r a z i n gs e a m ；t h er e s i d u a ls t r e s s w i l lb er e l e a s e dg r e a t l yb ya d d i n gb u f f e rl a y e r ，a n dt h em o s ts u i t a b l es i z eo f b u f t f e rl a y e re x i s t s t h et h i n n e rt h et h i c k n e s so ft h ef i l l e rm e t a il a y e ri s ，t h el e s s t h er e s i d u a ls t r e s si s s ot h ef i l l e rm e t a ls h o u l db et h i nu n d e rt h ec o n d i t i o no f w e t t t i n gt h eb r a z i n gs u r f a c e ；t h er e s i d u a ls t r e s sw i l ld e c r e a s ee f f e c t i v e l yw h e n p u ts o m el o a do nt h es u r f a c eo ft h ec e m e n t e dc a r b i d e ；t h el a r g e rt h es i z e so f c o m p o n e n ta n dt h eb r a z i n ga r e aa r e ，t h eh i g h e rt h er e s i d u a ls t r e s si s x 一2 0 0lt w o - d i m e n s i o n a ls t r e s sa n a l y z e rw a su s e dt om e a s u r et h es u r f a c e s t r e s so ft h es t e e lm a t r i xa tt h et w os i d e so fc e m e n t e dc a r b i d ec i r q u ea n du p p e r s u r f a c eo fc e m e n t e dc a r b i d ec i r q u e t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ec o m p a r e dw i t h t h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n s t h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n sw e r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t ht h eg e n e r a lt r e n do f t h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dv e r i f i e dr e l i a b i l i t y o f t h es i m u l a t i o n k e y w o r d s c e m e n t e dc a r b i d ec i r q u e ：b r a z e ；r e s i d u a ls t r e s s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；x - r a yd i f f r a c t i o n 窒查堡堡：! ；查兰：! 兰些：! 兰竺尘兰 1 1 前言 第1 章绪论 硬质合金具有很高的硬度、耐磨性能和红硬性。特别在高温下，仍能保持 其高硬度，是工业中十分重要的工具材料。目前已广泛应用于阀门、钻机等的 密封装置、各种金属切削工具、矿山采掘、石油钻井、地质勘探以及制造各种 模具、量具和耐磨损机械零件。由于硬质合金价格比较昂贵，它的塑性和冲击 韧性较差，因此常用做镶嵌件，固定于钢体等制造工具的工作部位。出钢体来 承受冲击载荷，节省贵重的硬质合金，降低工具成本。钎焊则是将硬质合金牢 固连接到钢基体金属上的最成功的方法之一。 硬质合会由于其含碳量高，妨碍钎料的润湿，特别是由于硬质合金与钎料 和钢基体之间的力学性能、热物理性能的较大差别( 见表1 1 ) ，因此在焊接温 度冷却过程中会在焊接接头附近产生很大的热应力”。这种内应力的存在，严 重时会使焊缝内部产生裂纹降低焊接接头的强度甚至会引起开裂，特别是对于 硬质合金，塑、韧性非常差，抗拉强度低，因此容易在硬质合会和钎缝的界面 上形成焊接裂纹”1 。为此，要想减少焊件的焊后应力及变形，首先必须了解焊 件结构残余应力的大小和分布状态，由此可以对焊接变形进行预测，提出预防 和减小焊接变形的措施。 目前获得焊后残余应力分布的研究方法主要有：测试法和数值模拟法两 种。由于计算机模拟所需要的费用远近低于实验研究，且借助有限元法为基础 的强大的计算程序，可对不同材料零件的制造过程和复杂的工作载荷进行接近 实际的模拟，计算结果可指出零件上的危险部位( 应力集中和变形集中部 位) ，从而有助于优化设计“1 。 1 2 硬质合金的焊接现状 1 2 1 硬质合金的钎焊方法 钎焊是将硬质合金和钢体连接起来最成功的方法之一，钎焊发展的比较 早，相对来说比较成熟，有许多加热方法可以实现焊接，如火焰钎焊、炉中钎 略尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 焊、电阻钎焊、感应钎焊、浸沾钎焊等。各种钎焊方法的优缺点比较见下表1 2 ： 表1 1 硬质合金和典型钢材的物理性能比较 t a b l e1 1t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f c e m e n t e dc a r b i d ea sc o m p a r e dw i t hs t e e l s 钢种传热系数线膨胀系数a电阻率p比热容 ( w m 2 k ) 1 0 “kq m m 2 m j ( k g k ) 1 硬质合金 2 0 9 7 544 5 702 0 70 1 7 o 2 3 4 5 钢 4 6 0 51 1 ，6 5 0 1 5 0 4 6 奥氏体不锈钢 1 5 9 51 6 707 20 5 表1 2 备种钎焊方法优缺点 t a b l e1 2c o m p a r i s o no f v a r i o u sb r a z i n gm e t h o d s 钎焊方法优点缺点 火焰钎焊 氧一乙炔焰 不需专用设备适于小批量生生产效率低温度难以控 立 制，加热不均匀，要求操 作者较严格掌握f 一艺 焦碳炉设备简单，燃料来源充足，操作不便，温度不易控 加热均匀制，工作条件较差，要求 工人技术水平高 油炉加热均匀，质量稳定，生产炉温不能准确控制，硬质 率高设备简单合金容易氧化 电阻炉加热均匀，设备简单成本焊件表面氧化严重 低，一次可焊多个焊件 真空炉加热均匀，钎焊质量好，焊真空钎焊炉，设备投资 炉中钎焊 件表面不会氧化，一次可焊大，维修困难，成本高 多个焊件 保护气体中加热均匀，钎焊质量好，一须采用气体净化装置和专 次可钎焊多个焊件用设备 电阻钎焊接触电阻加热效率高，操作方便，电力消接触点表面容易烧伤 耗少 感应钎焊高频感庶加热生产效率高，操作方便，温 采用专用设各，钎焊复杂 度易控制形状工具的感应器制作比 较容易 浸沾钎焊浸铜设备简单，能准确控制温钎料消耗多，菲钎焊面积 度，钎缝均匀，不易产生氧易沾铜，清理费 _ 化皮，钎焊效率高，质量好 堕尘鎏堡；：查兰，：兰塑，：耋堡篓兰 在上面的几种钎焊方法中，火焰钎焊应用最广，但火焰钎焊手工操作时温 度难以掌握，容易使硬质合金发生氧化和脱碳，因此要求工人有较高操作技 能，所以钎焊过程中容易出现裂纹和缺陷，不适合焊大件及易发生裂纹的硬质 合金焊件。炉中钎焊特别是气体保护和真空钎焊，加热和冷却速度缓慢而温度 均匀，焊件表面不会发生氧化，钎焊质量高，焊件变形小。但维修费用高。与 其它几种钎焊方法相比，高频感应钎焊具有较高的加热效率，钎焊温度易于控 制，操作方便，加热时间短，表面氧化少，加热是局部性的，焊件变形小，易 于保证钎焊质量，适合钎焊各种小型工件”。 1 2 2 硬质合金的扩散焊 除钎焊方法外，还可以用扩散焊方法焊接硬质合金，可以消除钎焊法的一 些缺点：接头脆化，动载强度低，易形成中间相，钎缝间隙大时，钎缝中钎料 以铸态存在，钎缝间隙小时，钎料难以润湿，造成钎缝不连续，接头强度降低 ”1 。但扩散焊也有其缺点，如需要专门的设备，设备投资大，一般只能进行单 件焊接，生产效率低；普通的真空扩散焊设备不能实现具有复杂特殊形状界面 零件的焊接，和钎焊相比，对连接表面加工精度要求严格，对组合件装配后的 同轴度、平行度、间隙均匀度等要求高。除对焊接工件要求严格外，工件的清 理，表面的制备，中间层材料、参数的选择都需要特殊的方式，方法复杂，对 工人要求高”1 。 1 2 3 硬质合金的激光焊 硬质合金与基体钢材的物化特性有很大差异，导热率、熔点、线膨胀系 数、热熔等参数差别很大，硬质合金的线膨胀系数只有碳钢的1 2 1 3 ，而对 于硬质合金的组成来说钴相的热膨胀系数比碳化钨约大3 倍。高温焊接过程中 碳化钨溶入钴相中引起碳化钨和钻相的张力状态变化，相变临界点位置的差 异对施焊材料受力状态有明显的影响。激光作用时的高温及其快速加热和冷却 在焊接硬质合金等难熔金属过程中具有许多独特之处，值得对其深入研究。激 光在难熔金属焊接过程中利用高密度、细聚焦激光束来产生小孔效应，具有热 负载小的特点，可防止硬质合金的脆化现象。激光的加热速度快，抑制了钴的 n 相和b 相的六方体的多形性转变，激光的高功率密度和快速加热作用也是 钴粘结相拉伸应力和碳化钨压缩应力增加。在共熔过程中，钨在钴相中的含量 增加强化了粘接相，粘接剂的强度增大会更有效地在材料中产生能量弥散，起 哈尔滨理工大学工学硕 学位论文 到阻碍裂纹发展的作用。从这个角度看，它增加了局部韧性，但钨在钴中含量 增大会使粘接剂本身的性能变脆。激光的快速加热和冷却作用能使碳化钨和粘 接剂组织细化，也可以弥合表面裂纹和孔隙，消除一些晶格缺陷，提高焊件的 冲击韧“。”1 。 1 3 焊接接头残余应力的测量 目前用来测量焊后残余应力的方法有很多种，也比较成熟。现在常用的方 法有电阻应变片法、小孔法、热膨胀示差法、x 射线衍射法、激光全息干涉 法、表面弹性波音测试法等。电阻应变片法由于受到应变片尺寸的限制，进行 应力测量无法得到另人满意的效果“。x 射线法是迄今为止测量焊接接头残余 应力的方法中比较成熟的非破坏性方法，它是利用x 射线入射到物质时的衍射 现象，来测量物体表面晶面间距的变化来确定应力。这种方法目前已达到工业 实用阶段，多年的研究表明，该法适用于无损测定材料的表面残余应力，其物 理意义清晰，数学推导严谨，测试数据可靠。包括x 射线照相法、x 射线衍射 法和x 射线应力仪法u 1 。 国内外都有采用x 射线衍射法来测量残余应力大小及分布，但由于实验条 件限制，x 射线衍射测量的结果分散性较大。早在1 9 3 6 年o l o c k e r 等就建立了关 于x 射线应力测定的理论。但当时使用照相法，需用标准物质粉末涂敷在被测 试样表厦仪标定试样至底片的距离，当试样经热处理或加工硬化谱线比较散漫 时，标准谱线与待测谱线可能重叠，测量的精度很低。1 9 6 1 年德国的 e m a c h e a r a u c h 提出了x 射线应力测定的s i n 2t l r 法，使应力测定的实际应用向 前迈进了一大步；随后c h e e k i e r 将其简化成0 4 5 。法，由于测试手续的简化而 颇受欢迎。曰本在1 9 6 1 年在材料学会下成立了x 射线应力测定分会，并在1 9 7 3 年颁布了x 射线应力测定标准方法。二十世纪七十年代初，我国研制成功并丌 始成批生产x 射线应力仪，全面开展了x 射线应力测定的研究工作，国内学者张 亦良等用x 射线法对c f 一6 2 钢制乙烯球罐焊接残余应力进行了现场测量，解决 了大型球罐的残余应力现场测试过程中的技术问题。他们还对压力机焊后残余 应力状态在现场用x r d 进行了系统详细地测量“”“”“”。唐群等人用1 8 k w 转靶 m x p l 8 a h f x 射线衍射仪，发散狭缝在测量方向为0 1 m m 宽条件下测量了 s i 3 n 4 4 c r l 0 s i 3 m o 钢连接接头弯曲强度试样s i 3 n 4 表面上的残余张应力，得到最 大张应力在4 3 4 5 2 7 m p a 之间，最大张应力点距焊缝0 2 5 m m ”。 虽然目前采用x 射线测量应力的准确性，测量的速度都得到了提高，但x 哈尔滨理工大学工学硕士学位论义 射线对金属的穿透深度有限，只能无破坏的测定表面应力，若测深层应力及其 分布，也需破坏构件，这不仅损害了x 射线法的无损本质，还将导致应力松弛 和产生附加应力场严重影响测量精度，另外工件表面状态对测量的结果影响较 大。因此，如何用x 射线衍射来较准确的测量焊接接头的残余应力的大小和分 布仍需进一步研究和探讨“9 f 。 1 4 焊接数值模拟现状 在焊接工程中经常遇到一些问题，如焊接热传导、焊接热应力、焊接结构 的应力分析以及焊接过程中氢的扩散等问题，可以归纳为解某一个特定的微分 方程。在解这个微分方程中，可采用解析法和数值方法。鳃析法的物理概念及 逻辑推理清楚，所得的解能比较清楚地表示出各种因素的影响。但解析法只能 用于有限的范围，对许多用以描述复杂系统的高阶、非线性、时变的微分方 程，就很难用解析法求解，而大多采用数值解法“。关于微分方程的数值解法 主要有差分法和有限元法。差分法对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性 问题，它的程序设计和计算过程比较简单，收敛性好，但它只看到了节点的作 用而忽略了把结点联系起来的单元的贡献。与差分法相比有限元法有如下的优 点：( 1 ) 物理概念清晰。特别是对于力学问题，初学者易干掌握和应用。( 2 ) 灵活性和通用性。有限元法对于各种复杂的因素( 如复杂的几何形状，任意的 边界条件，不均匀的材料特性等) 都能灵活地加以考虑，而不会发生处理上的 太多困难1 。 在用有限元法进行的异种材料接头残余应力的计算中，国外已有不少关于 这方面的研究。在对异种材料接头的残余应力进行分析过程中，有限元法经历 了线弹性分析和弹塑性分析两个阶段。线弹性分析的前提是假设各种材料在整 个过程期间均为弹性体。这种假设对于象陶瓷、金刚石、硬质合金等材料来说 无疑是合理的，但对大多数金属而言可能出现较大的差异，因为在焊接过程中 金属可能发生塑性变形。因此，采用线弹性有限元分析所得到的残余应力数值 的误差是很大的，有时甚至超过了材料本身的断裂应力，但这种方法对于了解 应力在接头中的分布趋势还是有指导作用的“。弹塑性分析考虑了金属塑性变 形对于残余应力分布的影响，比线弹性分析的结果更接近于实际。尤其是考虑 了温度对材料性能变化影响的分析，使计算结果又向实际迈进了一步。但这时 的结构网格划分复杂，计算程序庞大，耗费时间也多。不过有许多商用分析软 件可以利用，如m a r c 、a n s y s 、a b a q u s 等，而且计算机的运算速度也在 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 不断提高，从而为分析工作提供了便利条件”。 s u g a n u m a 用弹性有限元方法分析了a i z 0 3 金属接头的残余应力的分布， 由于未考虑会属的塑性变形，得到的结果与实际偏差很大；h s u e h 用弹塑性有 限元方法计算t a l ：0 。会属接头中的残余应力的分布，但未考虑材料参数随温 度的变化，仍存在明显的误差“。熊柏青、职任祷、肖纪美等在总结并分析前 人工作的基础上，考虑了主要性能参数是温度的函数，选择3 m m x 4 m m x 4 4 m m 的实体模型，用弹塑性有限元方法计算了s i 3 n 4 金属接头的残余应力 分布，得到了与实际较为接近的结果”j 。b u yh r a b i n 在用二维弹塑性f e m 分析 a 1 2 0 3 - - n i 扩散焊柱状接头的热应力中，也考虑了材料随温度的变化，对于复合 中间层的处理，他假定复合中间层和金属都为各向同性，它们的弹性模量随温 度呈线性变化。复合中间层的性能参数是用基于混合定律上的体积所占比率来 近似计算的。他又用拉伸的方法验证了接头断裂首先发生在连接界面附近的陶 瓷上，从而验证了有限元分析所得到的残余应力分布的准确性”。程大勇，陆 善平等对钎料和钢均选用热弹性模式，对陶瓷金属钎焊接头的残余应力进行 了有限元分析。随着多种减小异种材料焊接接头残余应力工艺方法的出现和计 算的深入，科学研究者把这些工艺方法也容入到计算机中“7 l 。上海交通大学的 汪建华教授、楼松年等比较了方棒试样三维残余应力和圆棒试样二维轴对称残 余应力的特征，探讨了不同过渡层的影响”。常松、郝兆星用弹塑性有限元法 计算了s i 3 n 4 4 0 c r 钢钎焊接头残余应力的大小和分布，并与加轴压后残余应力 的结果进行了比较。计算结果表明施加轴压力可以使中间层金属产生更大的塑 性变形，从而减缓陶瓷金属接头残余拉应力的有效值，并讨论了施加轴压的 方法和加压时间。以上的对异种材料接头残余应力的测量和计算中，计算值往 往比测量值和实际值高出许多”。近年来，何鹏等根据相变扩散连接的特殊性， 建立了钛不锈钢相交扩散连接界面区元素扩散、金属问化合物的生长和成长 行为的数学模型。张九海、何鹏等对钎焊接头物理接触行为、接头元素扩散与 反应层形成及接头变形和应力行为进行了模拟”。王春青等对p b g a 封装制造 时钎料球的激光重熔过程中的温度场分布进行了数值模拟，考虑了多点和扫描 两种激光加热方式对温度场的影响规律，并将成果成功用于生产中。 国内外目前在对异种材料应力的计算虽然取得了很大的进展。但有的没有 考虑材料的塑性变形，有的没有考虑材料性能参数随温度的变化，即使考虑了 两者的影响计算出的结果仍和实际相差较大。在计算异种材料接头残余应力的 分析中采用接头分层理论，考虑接头的界面反应层对残余应力的影响的还没 有。无论是用解析法还是用有限元法，都是直接采用添加材料的性能参数且假 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 设为各向同性。而界面反应层是影响接头残余应力及接头性能的极其重要的因 素，因而其计算模型在很大程度上降低了分析结果的准确性。所以可以说目前 对于这种具有很大组织梯度、性能梯度和残余应力的层状接头的有限元分析还 不够，因此这方面的研究有必要进一步深入地进行。 1 5 课题研究的目的和意义 通过利用大型通用的有限元软件m a r c ，采用热弹塑性有限元方法，在考 虑温度对材料物理性能，力学性能影响的情况下，对硬质合金环与钢基体在钎 焊冷却过程中产生的变形及残余应力的大小及其分布规律进行计算机的三维实 时动态模拟，得到任何时刻、任何点的焊接应力、变形的具体计算数值，从而 预测出钎焊过程中的焊接构件上最危险部位。并分析钎焊接头形状、钎缝厚 度、缓冲层、钎焊压力及钎焊构件尺寸大小对焊后残余应力大小及其分布规律 的影响，从而优化焊接工艺参数及钎焊结构，提高接头强度，降低裂纹出现几 率。特别是对于一些价格昂贵，加工工艺困难的材料，采用有限元计算方法可 以起到事半功倍的效果，这对用于耐磨、耐腐蚀密封件的硬质合金的钎焊具有 一定的理论和实际意义。 1 6 课题研究内容 本课题是来源于生产实际，应用于耐磨、耐腐蚀密封件的硬质合金在实际 钎焊过程中，常会产生微裂纹，特别对于结构复杂的构件，更容易产生裂纹， 甚至开裂，影响硬质合金的使用寿命。本文主要工作内容如下： 1 通过m a r c 软件对硬质合金圆环与钢基体钎焊冷却过程进行三维实时模 拟，得到任何时刻、任何点的焊接应力及变形，找出焊接构件在焊接过程中的 最危险部位。并对接头形状、钎缝厚度、钎焊压力、缓冲层、构件尺寸等对残 余应力的影响进行分析，优化钎焊结构及钎焊工艺参数。 2 验证模拟的可靠性，设计合理的钎焊工艺，进行钎焊试验。采用美国 a s t 公司开发的x - 2 0 0 1 型x 射线应力分析仪对实际构件焊后的残余应力进行 了测量，比较计算与实验测的结果及其分布规律。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论义 第2 章实验条件及分析方法 2 1 钎焊方法及工艺条件 2 1 1 钎焊材料 实验采用的硬质合金环牌号为y g 8 ，钢基体选为4 5 钢，具体尺寸见图2 1 。选用钎料为箔片状a g c u 共晶钎料和c u 基钎料，a g 基钎料熔点低，流动 性和润湿性好，有良好的填充间隙的能力，高温塑性好，钎缝强度高。但其成 本高，c u 基钎料钎焊温度高，接头中的热应力较大，裂纹倾向增大。常用钎 料为黄铜，加入锰、镍等元素提高其钎缝强度。所用的c u 基钎料就是在黄铜 的基础上加入4 的m n ，目的是在不降低塑性的同时，能显著地提高其强度和 弹性，润湿和防腐性能也得到改善。所采用的钎料具体成分及性能如表2 3 所 示： 图2 - 1 构件尺寸图 f i g 2 1d i m e n s i o no f c o m p o n e n t 表2 - 1 钎料成分及性能 t a b l e 2 - 1c o m p o s i t i o n sa n dp r o p e r i i e so f f i l l e rm e t a l s 钎料 a g - c u b c u 5 8 z n m n 化学成分 a 9 7 2 - c u c u 5 8 z n 3 8 m n 4 熔化温度7 7 9 , - 7 7 98 8 0 9 0 9 钎焊温度8 0 0 8 2 09 0 0 , - - 9 3 0 对于采用a g - c u 共晶钎料时，选用钎剂为剂1 0 2 。采用c u 基钎料时，选 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用钎剂为剂2 0 1 。它们具体性能如表2 - 2 所示 表2 - 2 钎剂成分及性能 t a b l e2 - 2c o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e so f f l u x e s 型号 成分( 质量分数) ( )作用温度( ) 剂2 0 1 h 3 8 0 3 ( 8 0 ) n a 2 8 4 0 7 ( 1 4 5 ) c a f 2 ( 5 5 ) 8 5 0 11 5 0 剂1 0 2 k b f 4 ( 2 5 )k f ( 4 2 )b 2 0 3 ( 3 5 呦 6 0 0 8 5 0 2 1 2 钎焊接头型式 实验中不开工艺槽时钎焊接头型式见图2 - 1 ，上部为硬质合金圆环，中间 加厚度为5 0um 的箔状a g - c u 钎料或c u 基铅料，下部为钢基体，在钢基体开 工艺槽时的接头型式见图2 - 2 ，槽深1 5 m m ，外径尺寸为5 0 1 m m ，内径尺寸为 4 1 9 m m ，侧面焊缝间隙均为5 0um 。 硬质会金 再萋体 l 话料层 图2 - 1 钎焊接头型式 f i g2 - l t h e j o i n ts t y l eo f b r a z i n g 2 1 3 钎焊设备 一钎料层 图2 - 2 开工艺槽时接头型式 f i g2 - 2t b e j o i n ts t y l ew i t hn o t c h 本试验采用的是高频感应加热装置的型号为s p 一2 5 ( a ) ，如图2 2 ，其输入 功率：2 5 k v a ，输入电压：三相3 8 0 v ，输入频率：5 0 h z 或6 0 h z ，感应加热电 流：2 0 0 1 0 0 0 a ，感应加热频率：3 0 - 8 0 k h z ，重量：2 0 k g ，体积： 1 8 0 3 8 0 4 1 0 m m 。本试验采用手动控制。 2 1 4 试件表面处理 焊件表面状况包括表面粗糙度、油脂、锈斑等，这些因素对焊接质量产生一 定的影响，其中表面粗糙度对焊缝强度影响较大。焊接表面粗糙度低，则毛细作 哈尔滨理 _ i = 人学工学硕士学位论文 用难以进行，钎料难以润湿；粗糙度高的表面可以增强毛细作用和焊料的接触面 图2 - 3 高频感应加热装置 f i g 2 - 3h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n ge q u i p m e n t 积，但若焊接表面太粗，则只有一些点被焊上，反而使接头强度降低。因而保证焊 接面的粗糙度是有必要的”。 对硬质合金钎焊面，经过喷砂或磨片，去除表面疏松的氧化表皮和油污， 然后经翻斗研磨抛光的钝化处理，用清水清洗，置于5 0 的硼砂溶液中煮沸 5 m i n ，然后烘干，烘干温度1 0 0 - - 1 2 0 。对钢基体表面存在着氧化膜和吸附 层，而这些氧化膜和吸附层往往会影响接头的焊接质量，因此要在焊前必要进 行的去膜处理。本试验所采用的去膜方法是手工机械去膜方法，即用 2 4 0 # 1 0 0 0 # 砂纸对试件表面磨光，再用丙酮和无水乙醇冲洗，以备使用。 2 1 5 钎焊工艺 钎焊试验采用高频感应加热，对不开工艺槽与开工艺槽的两种接头型式， 分别采用a g c u 钎料和c u 基钎料进行钎焊，具体钎焊工艺如表2 3 所示： 表2 3 的四组试验的主要目的是为了测定焊后残余应力大小及其分布规律 及比较开工艺槽后对残余应力大小及其分布规律的影响。 2 2 测试条件及方法 2 2 1 实验设备 本实验中，采用了美国应力技术公司( a s t ) 开发的x - 2 0 0 1 型x 射线应力分 1 0 哈尔演理工大学t 学硕士学位论文 析仪。该仪器使用专利的曝光技术为x 射线摄影原理，用高灵敏度线性固态图 表2 - 3 钎焊上艺 t a b l e 2 3b r a z i n gp a r a m e t e r 钎料钎焊上艺 a g c u 钎料 焊前对钢基体预热到3 0 0 , - 4 0 0 ，以2 5 s 的升温到8 0 0 8 3 0 ，而后保温1 m i n 左右，空冷到3 0 0 4 0 0 。c ，放置石棉板上冷 至室温。 c u 基钎料焊前对钢基体预热到3 0 0 4 0 0 c ，以2 5 s 的升温到9 0 0 9 3 0 ，而后保温l m i n 左右，空冷到3 0 0 4 0 0 。c ，放置石棉板上冷 至室温。 像探测器取代x 射线胶片，采用独特的测角仪设计，在经过改进的几何系统的 入射线两侧对称安装了两个位敏探测器来满足聚焦几何的需要，改进了传统x 射线照相机的精密度。衍射强度轮廓的漂移利用互相关方法的一个或多个倾斜 入射光束的德拜环直径加以确定，保证了很高的准确性和重复性，提高了测量 精度和测量速度在几秒内能完成一次测量。这种应力仪x 射管为3 0 k v 6 7 m a ， 20 角扫描的范围达到9 7 6 。1 6 9 4 。，并增加了一1 8 0 。+ 1 8 0 。的旋转，通 过编程可以进行一4 5 。+ 6 0 。的侧倾，角可在0 。+ 6 。范围内作摆动测量 射线准直器具有不同的孔径，可根据需要选用。该仪器带有一套自动分析处理 测试数据的软件，能直接根据x 射线衍射峰位的变化给出测试点的残余应力。 2 2 2 表面处理 由于x 射线的可穿透深度很小，故衍射只能反映试样表层的晶体结构，如 试样表面有污垢、氧化皮或涂层，则往往不能测得真实应力。对于钢基体及硬 质合金的表面的处理按如下步骤进行： 1 ) 用3 0 的硝酸溶液进行深蚀去掉冷变形层。 2 ) 用细砂纸将蚀后粗糙面打光。 3 ) 用10 的硝酸酒精溶液对表面进行浸蚀。 4 ) 用水冲洗，用氨或中性碳酸苏打水溶液里浸泡，后用中性洗涤剂或温 水洗涤，用柔和的布或纸擦干。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 3 实验参数 实验主要测试硬质合金环上部及硬质合金环两侧的钢基体上的应力，测试 的参数主要有：都采用c r k 。靶辐射，x 射线的曝光时间为1 0 秒，多曝光模 式，探测器：a ，b 同时作用；倾角：一4 0 。+ 4 0 。：摆动角度：5 。；校准距 离：4 9 6 3 r a m ；管电压：3 0 k v ：管电流：6 7 m a ；其它的一些参数见下表2 4 ： 表2 - 4 材料的部分晶体结构和物理参数 t a b l e 2 - 4c r y s t a ll a t t i c ea n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so f m a t e r i a l s 被测材料晶体结点阵常衍射角衍射面弹性模景波松比虑力常数 构数( 2 0 )( g p a )k l 硬质合金h o p a = 2 9 0 61 3 6 6 。 ( 1 0 1 0 ) 5 4 0o 2 820 0 c = 2 8 3 7 钢基体b c c 3 6 5 6 1 3 0 2 。( 2 2 0 ) 1 9 6 o ，32 9 8 7 2 2 4 测试点分布 由于焊接接头的限制，焊缝位置，特别是硬质合会与钎缝一侧的接触面上 的残余应力用该仪器无法测到，故只能对距硬质合金环两侧2 m m 、3 m m 、 4 m m 、8 m m 处的钢体表面及硬质合金上表面上的三个点进行了测试。图2 - 4 为 测试点分布图。 图2 - 4 应力测试点分布图 f i g 2 4t h ed i s t r i b u t i o no f s t r e s st e s t i n gp o n t 一 一 一 一 | | 一 侯 8 十 一 驯 一 摊 。一 氇 一 一 | | 一 广l 一 互 一 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章采用高频感应钎焊，采用箔片状a g - c u 共晶钎料和c u 基钎料分别对 钢基体上无工艺槽和开工艺槽的两种接头形式进行钎焊实验。采用美国a s t 公司生产的x 一2 0 0 1 二维应力分析仪对硬质合金圆环两侧的钢基体表面及硬质 合金圆环的上表面进行了应力测量。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章钎焊接头残余应力的数值模拟 硬质合金钎焊性差，特别是由于硬质合金与钎料和钢基体之间的力学性 能、热物理性能的差别，特别是线膨胀系数的相差悬殊，因此在焊接冷却过程 中会在焊接接头附近产生很大的热应力。这种内应力的存在，严重时会使焊缝 内部产生裂纹降低焊接接头的强度甚至会