鋁和鋁合金釬焊藍寶石接頭的殘余熱應(yīng)力有限元分析①

崔煒，李書齊，包曄峰

（1.河海大學(xué)，江蘇 常州 213022；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱，150001）

0 前言

與金屬材料相比，陶瓷材料往往具有高硬度、高脆性、高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)的特點。對于使用金屬作為填充材料焊接的陶瓷接而言，接頭從焊接溫度冷卻到室溫的過程中，由于金屬與陶瓷母材的收縮量差異很大，造成接頭內(nèi)形成較大的殘余熱應(yīng)力。國內(nèi)外學(xué)者[1-2]當(dāng)前都將陶瓷焊接接頭的熱應(yīng)力作為一個重要的問題加以考慮。人工制造的無色塊狀單晶α-Al2O3通常被習(xí)慣性地稱為藍寶石。作為一種光學(xué)材料，藍寶石具有良好的光學(xué)和力學(xué)性能，同時具有很高的熔點、極高的硬度、極強的耐腐蝕性和較好的導(dǎo)熱性，因此藍寶石在很多民用高技術(shù)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，例如醫(yī)療器械、激光設(shè)備和高真空設(shè)備等[3-6]，同時它也是高速飛行器常用的光學(xué)窗口材料。在制造含藍寶石的器件過程中往往需要焊接技術(shù)。目前焊接藍寶石的方法已經(jīng)有很多，但是對于藍寶石焊接接頭中的熱應(yīng)力的研究還很不充分。這是由于目前對陶瓷接頭殘余應(yīng)力的直接測量方法還幾乎沒有，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對陶瓷接頭的殘余應(yīng)力認識仍然十分有限。文中針對這一問題使用有限元方法，討論了在600～700℃下使用純鋁和2024高強鋁合金作為焊縫填充材料，釬焊藍寶石的接頭殘余熱應(yīng)力分布。

1 材料、方法和模型

所參照的藍寶石接頭模型，是先在2塊藍寶石的表面分別涂覆填充金屬，再將涂覆好的2塊藍寶石相對放置，然后釬焊在一起。建立的三維模型有2種尺寸：5 mm×10 mm×10 mm 和 5mm×5mm×10mm， 焊縫尺寸為0.2 mm×5mm×10mm，如圖1所示。所有的網(wǎng)格劃分均采用正六面體單元，焊縫采用單層網(wǎng)格，藍寶石的網(wǎng)格在靠近焊縫處較密，在遠離焊縫處較稀疏。所使用的純鋁為市售1060純鋁，具有較好的韌性和延展性，其熔點約為660 ℃。所使用的2024鋁合金是一種Al-Cu-Mg合金，具有很高的強度，可以進行熱處理，其熔點約為508 ℃。使用2024鋁合金釬焊時，冷卻過程分為兩種：一種是在焊后直接隨爐以約20℃/min的速度冷卻到室溫；另一種是在冷卻到200℃后，保溫12 h。在這個保溫的過程中，從508～200℃這一溫度范圍內(nèi)積累的殘余熱應(yīng)力可以認為得到了完全的釋放。在進一步冷卻到室溫的過程中，藍寶石的接頭中所形成的殘余熱應(yīng)力可以認為是在200℃到室溫這一范圍內(nèi)積累的。所使用的材料的室溫力學(xué)性能如表1所示。要計算冷卻過程中的殘余熱應(yīng)力積累，必須要知道所有材料在整個溫度范圍內(nèi)的熱性能。但是這些數(shù)據(jù)是較為缺乏的，因此在計算時，取合金材料熔點處的強度為零，金屬材料的力學(xué)性能從室溫到熔點線性降低。由于藍寶石的熔點遠高于所涉及的金屬，因此近似地認為藍寶石在整個冷卻過程中的性質(zhì)不變。

圖1 藍寶石接頭的有限元模型

表1 有限元模型中所使用的材料室溫參數(shù)

2 結(jié)果與分析

以1060純鋁為填充材料的藍寶石接頭應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2a～圖2b中可以看出，最大剪切應(yīng)力總是分布在焊縫邊緣附近，小、大尺寸模型中最大的剪切應(yīng)力值分別為1.373 MPa和1.367 MPa?？梢娔Ｐ统叽鐚羟袘?yīng)力的影響不大。從圖2c～圖2d中可以看出，接頭焊縫中心處受到拉應(yīng)力，而焊縫邊緣的應(yīng)力數(shù)值為負值，即受到壓應(yīng)力。整個截面上的最大拉應(yīng)力較小，在小、大尺寸模型中分別為0.5278 MPa和0.3671 MPa。而最大壓應(yīng)力較大，分別為2.219 MPa和2.405 MPa。從截面上可見，接頭尺寸對應(yīng)力分布的影響不大。從圖2e～圖2f中可以看出，在焊縫平面上，焊縫中心處的拉應(yīng)力基本均勻分布，在小、大尺寸模型中最大的拉應(yīng)力值分別為0.5728 MPa和0.3671 MPa?？傊?，使用純鋁作為填充材料得到的藍寶石焊接接頭的殘余熱應(yīng)力值較低，可以推斷，由此帶來的影響較小。

圖2 1060純鋁釬焊藍寶石的接頭應(yīng)力分布

以2024鋁合金為填充材料的藍寶石接頭，直接冷卻到室溫，其應(yīng)力分布如圖3所示。從圖3a～圖3b中可以看出，最大剪切應(yīng)力總分布在焊縫邊緣附近，小、大尺寸模型中最大的剪切應(yīng)力值分別為47.40 MPa和47.70 MPa，相比與純鋁填充的情況，應(yīng)力大大增加，但模型尺寸對剪切應(yīng)力的影響不大。從圖3c～圖3d中可以看出，接頭焊縫中心處受到拉應(yīng)力，而焊縫邊緣的應(yīng)力數(shù)值為負值，即受到壓應(yīng)力。整個截面上的最大拉應(yīng)力較小，在小、大尺寸模型中分別為15.18 MPa和11.96 MPa。而最大壓應(yīng)力較大，分別為92.47 MPa和94.11 MPa?？梢姡瑥慕孛嫔峡?，接頭尺寸對應(yīng)力分布的影響不大。從圖3e～圖3f中可以看出，在焊縫平面上，在焊縫中心處的拉應(yīng)力基本均勻分布，在小、大尺寸模型中最大的拉應(yīng)力值分別為9.706 MPa和7.017 MPa?？傊?，使用2024鋁合金作為填充材料得到的藍寶石焊接接頭的殘余熱應(yīng)力值較大，特別是焊縫邊緣處的應(yīng)力較大。Haney等[7]指出，藍寶石焊縫中的應(yīng)力可能導(dǎo)致可靠性問題。因此，這種合金釬焊藍寶石得到的接頭，在使用過程中應(yīng)對邊緣的剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力給予特別的關(guān)注，或者應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)姆椒ń档蜌堄鄳?yīng)力。對于焊接溫度更高的藍寶石接頭，例如Sugar等[8]使用的金屬作為中間層擴散焊接藍寶石的接頭可能面臨的應(yīng)力問題更大，更應(yīng)引起注意。

圖3 2024鋁合金釬焊藍寶石接頭直接冷卻的應(yīng)力分布

為了降低以2024鋁合金為填充材料的藍寶石接頭的殘余應(yīng)力，焊接后溫度在200℃保溫12 h，使得冷卻過程中所積累的應(yīng)力完全釋放，再冷卻到室溫。在模擬過程中，即認為接頭的殘余應(yīng)力均來自于從200℃到25℃的冷卻區(qū)間，其應(yīng)力分布如圖4所示。從圖4a～圖4b中可以看出，最大剪切應(yīng)力總是分布在焊縫邊緣附近，小、大尺寸模型中最大的剪切應(yīng)力值分別為16.29 MPa和16.28 MPa，相比與純鋁填充的情況，應(yīng)力大大增加，但模型尺寸對剪切應(yīng)力的影響不大。從圖4c～圖4d中可以看出，接頭焊縫中心處受到拉應(yīng)力，而焊縫邊緣的應(yīng)力數(shù)值為負值，即受到壓應(yīng)力。整個截面上的最大拉應(yīng)力較小，在小、大尺寸模型中分別為7.251 MPa和5.549 MPa。而最大壓應(yīng)力較大，分別為27.61 MPa和29.93 MPa?？梢?，從截面上看，接頭尺寸對應(yīng)力分布的影響不大。從圖4e～圖4f中可以看出，在焊縫平面上，在焊縫中心處的拉應(yīng)力基本均勻分布，在小、大尺寸模型中最大的拉應(yīng)力值分別為7.251 MPa和5.549 MPa。從位置上看，最大拉應(yīng)力呈環(huán)狀分布于靠近邊緣的區(qū)域。在焊縫平面的最邊緣則是壓應(yīng)力區(qū)域。

相比于沒有熱處理的情況，熱處理后的接頭最大剪切應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別降低了約66%，52%和68%?？梢姡瑹崽幚矸浅ｏ@著地改善了藍寶石焊接接頭的應(yīng)力問題。焊接接頭尺寸對剪切應(yīng)力影響較小，但是對正應(yīng)力影響較大。小尺寸接頭的拉應(yīng)力較大而壓應(yīng)力較小，大尺寸接頭的拉應(yīng)力較小而壓應(yīng)力較大。

圖4 2024鋁合金釬焊藍寶石接頭200 ℃保溫12 h后冷卻的應(yīng)力分布

3 結(jié)論

建立了2種尺寸、3種條件下的藍寶石釬焊接頭模型，模擬了不同情況下接頭內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。用純鋁作為填充材料得到的藍寶石焊接接頭的殘余熱應(yīng)力值較低，基本可以忽略。而使用2024鋁合金釬焊直接冷卻至室溫的接頭內(nèi)殘余應(yīng)力較大，剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力最大值可達約47 MPa和94 MPa。熱處理的方法可有效降低接頭內(nèi)的殘余熱應(yīng)力，降幅達到約50%～70%。因此使用高強度2024鋁合金釬焊藍寶石，應(yīng)當(dāng)進行熱處理以降低其殘余應(yīng)力。

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