近年来, 国内外众多科研人员为了缓解接头内残余应力进行了广泛而深入的研究, 总结出不少缓解接头内残余应力的方法, 应力缓冲层是比较成熟的方法。此方法借助缓冲层焊后的蠕变、塑性屈服、低弹性模量三种机制松弛或减少界面残余应力。本文选择软性金属Cu箔, 硬性金属Mo箔, 还选取弹性模量较小的Ti箔作为中间层对Ti (C, N) /45号钢钎焊接头残余应力模拟分析。
1 Ti (C, N) /45号钢钎焊接头残余应力数值模拟
1.1 C u缓冲层钎焊接头残余应力计算结果分析
图1反映了不同厚度Cu箔做缓冲层对轴向残余应力分布的影响。由图可知, 缓冲层厚度变化时, 其应力分布状况完全相同, 表现在Ti (C, N) 金属陶瓷一侧为拉应力, 而45号钢和Cu箔一侧为压应力, 且最大轴向残余拉应力位于Ti (C, N) 金属陶瓷外侧, 靠近Cu箔应力缓冲层与Ti (C, N) 金属陶瓷的钎缝界面。此外, 随着缓冲层厚度的增大, 45号钢侧最大压应力先减小后增大, 且其最大值逐渐向焊缝区域靠拢, 当缓冲层厚度达到0.2mm时, 接头最大压应力由45号钢转移到Ag-Cu钎料层及Cu箔处;而Ti (C, N) 侧靠近焊缝区域的拉应力值也呈现相同的变化趋势, 在厚度为0.2mm处应力峰值最小。
1.2 Ti缓冲层钎焊接头残余应力计算结果
图2反映了不同厚度Ti箔做缓冲层对Ti (C, N) /45号钢钎焊接头轴向残余应力的大小和分布的影响。由图可知, 缓冲层厚度为0.1mm、0.2mm时, Ti (C, N) 基金属陶瓷一侧为拉应力, 而45号钢和Ni箔一侧为压应力, 最大轴向残余拉应力仍位于Ti (C, N) 金属陶瓷外侧, 靠近T i箔应力缓冲层与T i (C, N) 金属陶瓷钎缝界面;当缓冲层厚度增至0.3mm时, 轴向残余拉应力的峰值分布状况不变, 但缓冲层Ti箔所受应力由压应力转变为拉应力;缓冲层厚度继续增加至0.4mm时, 整个钎焊接头的残余应力分布状况基本保持稳定, 只有应力值发生相应变化。
1.3 M o缓冲层钎焊接头残余应力计算结果
图3为不同厚度Mo箔用做缓冲层材料时, Ti (C, N) /45号钢钎焊接头轴向残余应力的大小及分布情况。与Cu箔、Ti箔缓冲层相比, 以Mo箔为缓冲层时轴向残余应力分布特征发生了明显的变化, 即残余拉应力分布于Ti (C, N) 金属陶瓷和Mo箔中, 残余压应力分布于45号钢中, 且残余应力峰值不是位于Ti (C, N) 金属陶瓷外侧, 而是转移到了Mo箔上, 靠近45号钢/Mo箔钎缝界面处。此外, 随着缓冲层厚度增加时, 接头的应力分布也发生一系列的变化。缓冲层厚度为0.1mm, Ti (C, N) 侧连接界面的轴向残余应力表现为拉应力, 最大值分布于Ti (C, N) 侧靠近焊缝的外表面;当厚度增加到0.2mm, 拉应力转变为压应力, 最大残余应力完全分布在Mo箔中;缓冲层厚度继续增加, 轴向残余应力的最值逐步向反应界面的边缘靠近。
2 结语
综合以上有限元模拟结果不难发现, 使用屈服极限低的Cu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。同时, 对于同一种缓冲层, 厚度不一样, 减少应力的效果不一样, 每种缓冲层都存在一厚度值使接头残余应力最小。但对缓冲层厚度的选择却是一个亟待解决的问题:缓冲层太薄, 对缓解残余应力效果不明显;缓冲层太厚, 不仅效果不明显, 还会造成材料浪费。
摘要：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。
关键词：有限元数值模拟,缓冲层,残余应力
参考文献
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