鋼釬焊接頭殘余熱應(yīng)力數(shù)值模擬

利用有限元軟件abaqus,開發(fā)了一個(gè)順次耦合的熱應(yīng)力有限元計(jì)算程序,對0cr18ni9/20和1cr5mo/20異種鋼焊接接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元模擬分析.結(jié)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(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力產(chǎn)生在20鋼側(cè)的熱影響區(qū),0cr18ni9側(cè)有最小的焊接殘余應(yīng)力.采用incone182來代替a302可以有效地降低殘余應(yīng)力值,提高抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力.

采用有限元方法,模擬計(jì)算了鎳基合金粉末釬料在1270℃釬焊k24鎳基合金時(shí),接頭在冷卻過程中的熱應(yīng)力最大值和應(yīng)力集中區(qū).結(jié)果表明,在冷卻過程中,k24合金接頭的切應(yīng)力主要集中在界面端點(diǎn)處,且切應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在鎳基釬料/k24合金界面的右端點(diǎn)處,其隨著溫度的降低先減小后增大.同時(shí),接頭x方向拉應(yīng)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(fù)到正的變化過程.當(dāng)承受外切切力時(shí),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(shí),接頭在冷卻過程中的熱應(yīng)力最大值和應(yīng)力集中區(qū)。模擬結(jié)果表明,在冷卻過程中,鑄鐵/tic金屬陶瓷接頭的剪應(yīng)力主要集中在界面端點(diǎn)處,且剪應(yīng)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(yīng)力最大值出現(xiàn)在tic金屬陶瓷的端點(diǎn)處,且隨著連接溫度的降低拉應(yīng)力的最大值逐漸降低。tic金屬陶瓷下表面的壓應(yīng)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(yīng)力值逐漸增加。

本文采用數(shù)值模擬方法,分析了低強(qiáng)匹配對接接頭2種拘束條件、5種屈服強(qiáng)度匹配系數(shù)的焊接殘余應(yīng)力。結(jié)果表明,低強(qiáng)匹配接頭焊根處的三向殘余拉應(yīng)力較小,對靜載強(qiáng)度影響不大;焊趾處的三向殘余拉應(yīng)力較大,對疲勞強(qiáng)度和冷裂傾向有不利影響。自由狀態(tài)的縱向殘余應(yīng)力和兩端約束狀態(tài)的橫向殘余應(yīng)力,焊縫金屬屈服強(qiáng)度每降低25mpa,其殘余應(yīng)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(yīng)力的影響,結(jié)果表明,對于同一種緩沖層,厚度不一樣,減少應(yīng)力的效果不一樣,都存在一個(gè)最佳厚度;使用cu箔、ni箔、ti箔對緩解殘余應(yīng)力非常有效,而使用mo箔作為應(yīng)力緩沖層可以調(diào)整殘余應(yīng)力場的分布狀態(tài)。

基于熱-彈塑性相關(guān)理論,采用ansys的apdl語言編制焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬程序,采用生死單元技術(shù)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(shí)焊和兩條焊縫分開焊三種模擬方法的軸向焊接殘余應(yīng)力σx。結(jié)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(dá)到最大值;但采用不同方法得到的σx應(yīng)力水平不同,兩條焊縫的殘余應(yīng)力會(huì)相互影響,在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)這種影響需要考慮在內(nèi)。兩條焊縫分開焊與同時(shí)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(yīng)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(jìn)行數(shù)值模擬分析,獲得了九層陽極冷卻試件內(nèi)殘余應(yīng)力和應(yīng)變分布。模擬結(jié)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(yīng)力和應(yīng)變,試件發(fā)生翹曲;過渡層內(nèi)的等效應(yīng)力最大,且關(guān)于鋁層呈對稱分布;鋁層內(nèi)的等效應(yīng)力值達(dá)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(yīng)變最大。

通過動(dòng)態(tài)掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)、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(jìn)行了評價(jià)分析.結(jié)果表明:采用cu-p釬料時(shí)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(shí)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(yīng)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(jìn)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(xué)試驗(yàn)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(jìn)行了分析。結(jié)果表明:釬縫中不銹鋼/釬料一側(cè),形成了三層金屬間化合物釬縫組織;在鈦合金/釬料一側(cè),形成兩個(gè)組織區(qū)域;同時(shí),銀沿鈦合金晶間擴(kuò)散;在凝固釬焊接頭的釬縫中,靠近不銹鋼一側(cè)出現(xiàn)了ti、cu的富集;靠近鈦合金一側(cè)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(kuò)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(cè)是接頭最薄弱的位置。

在釬焊時(shí)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(jìn)行釬焊,利用掃描電鏡及能譜儀對其接頭的界面組織進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,接頭界面結(jié)構(gòu)為cu/cu(s.s)/ag(s.s)+cu(s.s)/1cr18ni9ti。以抗剪強(qiáng)度評價(jià)其接頭的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)當(dāng)釬焊溫度為1173k、保溫時(shí)間為300s時(shí),接頭抗剪強(qiáng)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(yīng)力而導(dǎo)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(shí)接頭的殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬分析。結(jié)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(yīng)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(yīng)力的存在區(qū)域。試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析結(jié)果與測試結(jié)果基本一致?；谀チ?nèi)部的最大殘余拉應(yīng)力,為確保焊后磨粒強(qiáng)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(yīng)力的中間層材料,在釬焊溫度820℃,保溫時(shí)間20min的工藝參數(shù)條件下對ti(c,n)基金屬陶瓷與45鋼進(jìn)行了釬焊試驗(yàn)。結(jié)果表明,無論是采用銅箔還是鎳箔,當(dāng)其厚度從100μm增加到300μm時(shí),接頭三點(diǎn)彎曲強(qiáng)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(xué)相容性,降低了界面結(jié)合力,從而嚴(yán)重制約了接頭強(qiáng)度的提高;使用鎳箔的突出特點(diǎn)表現(xiàn)在具有較高的界面強(qiáng)度,與施加銅箔的釬焊接頭相比強(qiáng)度顯著提高,但其緩解接頭殘余應(yīng)力的效果不如銅箔,在靠近釬縫的ti(c,n)基金屬陶瓷一側(cè)易引發(fā)殘余應(yīng)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。考慮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(yīng)力場及變形情況,同時(shí)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(xué)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(jìn)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(jié)構(gòu)和室溫抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,利用bag45cuzn釬料可實(shí)現(xiàn)tic金屬陶瓷與中碳鋼的連接;接頭的界面結(jié)構(gòu)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(qiáng)度可達(dá)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(yīng)力大小和分布情況,計(jì)算中著重考慮了釬料對接頭殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明,在釬料與陶瓷的界面處存在著較大的殘余拉應(yīng)力,影響了釬焊接頭的連接強(qiáng)度,并可能在界面的陶瓷側(cè)產(chǎn)生裂紋。通過試驗(yàn)對比,認(rèn)為在此類連接結(jié)構(gòu)中,釬料是造成接頭形成較大殘余應(yīng)力的主要因素。并指出釬料性能參數(shù)是決定有限元計(jì)算精度的主要因素,要使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況盡量符合,釬料性能參數(shù)的正確選擇是關(guān)鍵。

采用真空保護(hù)下的活性金屬釬焊法對95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氧化鋁陶瓷與低碳鋼進(jìn)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(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行了物相分析,并用能譜儀(edax)分析了界面元素組成。結(jié)果表明,釬焊接頭界面的反應(yīng)十分復(fù)雜,反應(yīng)產(chǎn)物多種多樣,主要是ti3cu3o,ti3al,timn,tife2,tic等物質(zhì),界面的反應(yīng)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(yīng)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(jìn)行了釬焊試驗(yàn)。結(jié)果表明,采用梯度層作為緩解應(yīng)力的中間層材料,可以明顯減小釬焊接頭的內(nèi)應(yīng)力,大幅提高了接頭的強(qiáng)度;采用b梯度層接頭強(qiáng)度達(dá)656mpa。梯度層的層數(shù)對接頭強(qiáng)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(yīng)力能力越高,接頭強(qiáng)度越高。

采用金相顯微鏡、掃描電鏡、硬度計(jì)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(xué)成分,研究分析了釬焊接頭強(qiáng)度的變化規(guī)律。結(jié)果表明,焊后母材中的強(qiáng)化相由質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀;氮?dú)獗Ｗo(hù)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(kuò)散區(qū),從而有效地提高了釬焊接頭的強(qiáng)度;無氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下,釬焊接頭有大量的缺陷存在,這些缺陷的存在嚴(yán)重影響了釬焊接頭的強(qiáng)度。

通過對不同鋼圈尺寸、螺旋筋間距的鋼筋混凝土桿,分別采用預(yù)加拘束與不加拘束、單層焊與多層焊,不同于現(xiàn)行規(guī)程的強(qiáng)制冷卻與不加冷卻等試驗(yàn)方法,對高壓輸電線路鋼筋混凝土桿焊接接頭附近的混凝土縱向裂紋敏感性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并對裂紋寬度與深度的關(guān)系,鋼筋混凝土桿制造質(zhì)量對裂紋的影響進(jìn)行了分析。

采用有限元熱彈塑性分析方法對t形接頭不同焊接順序的殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行模擬.有限元模型中選用三維實(shí)體單元,分析了材料物性參數(shù)隨溫度的變化和對流、輻射散熱的影響.運(yùn)用單元生死技術(shù)模擬t形接頭多道焊接過程,獲得了不同焊接順序t形接頭焊接溫度場和殘余應(yīng)力、變形場,并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,焊接順序?qū)形接頭的殘余應(yīng)力和變形有較大的影響,采用先焊一側(cè),然后焊另一側(cè)的方案所得到的殘余應(yīng)力和角變形最小.

點(diǎn)焊接頭的設(shè)計(jì) 點(diǎn)焊通常采用搭接接頭和折邊接頭接頭可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上等厚度或不等厚 度的工件組成。在設(shè)計(jì)點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)時(shí)，必須考慮電極的可達(dá)性，即電極必須能方便 地抵達(dá)工件的焊接部位。同時(shí)還應(yīng)考慮諸如邊距、搭接量、點(diǎn)距、裝配間隙和焊 點(diǎn)強(qiáng)度諸因素。 邊距的最小值取決于被焊金屬的種類，厚度和焊接條件。對于屈服強(qiáng)度高的 金屬、薄件或采用強(qiáng)條件時(shí)可取較小值。 搭接量是邊距的兩倍，推薦的最小搭接量見表1。 表1接頭的最小搭接量（mm)3 最薄板件 厚度 單排焊點(diǎn)雙排焊點(diǎn) 結(jié)構(gòu)鋼 不銹鋼及 高溫合金 輕合金結(jié)構(gòu)鋼 不銹鋼及 高溫合金 輕合金 0.5 0.8 1.0 1.2 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 8 9 10 11 12 14 16 18 20 22 6 7 8 9 10 12 14 16 18