真空釬焊液冷模塊殘余應(yīng)力研究*

羅 錫，王 祥

(中國航空工業(yè)計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安 710068)

0 引言

液冷模塊如圖1所示，作為某型飛機(jī)機(jī)載核心計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，具有重量輕、耐壓強(qiáng)度高、散熱效果好的特點(diǎn)。

圖1 液冷模塊結(jié)構(gòu)圖

液冷模塊在使用過程中，腔體內(nèi)部受壓，常規(guī)使用壓力為1 MPa，個(gè)別液冷模塊在正常使用的情況下，出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，局部產(chǎn)生塑性變形，但未破裂。液冷模塊的內(nèi)部流道通過真空釬焊焊接形成，液冷模塊的生產(chǎn)加工過程中需經(jīng)歷真空釬焊、真空氣淬、時(shí)效、數(shù)控加工、打壓等環(huán)節(jié)，各工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力都會對液冷模塊最終的使用產(chǎn)生影響。因此，對液冷模塊真空釬焊及以后各環(huán)節(jié)殘余應(yīng)力分析研究，找出影響最終液冷模塊殘余應(yīng)力的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在液冷模塊的生產(chǎn)加工中加以消除，是確保液冷模塊安全可靠使用的關(guān)鍵。

1 液冷模塊殘余應(yīng)力測量方法

測量殘余應(yīng)力的方法大致可以分為機(jī)械法和物理法兩類。機(jī)械法包括切槽應(yīng)力釋放法、套孔應(yīng)力釋放法、逐層應(yīng)力釋放法、盲孔應(yīng)力釋放法等，它們都是通過機(jī)械的方法將應(yīng)力釋放出來供測量。物理法包括超聲波測定方法、X射線測定法、電磁測定法、硬度法、開裂法、光測法、中子衍射法等。

筆者利用盲孔法對液冷模塊進(jìn)行殘余應(yīng)力測量。

盲孔法測量［2］殘余應(yīng)力是指在有殘余應(yīng)力的部位鉆一個(gè)小孔，因小孔附近的殘余應(yīng)力被釋放，孔區(qū)附近的殘余應(yīng)力場發(fā)生變化，只要測出該局部區(qū)域的應(yīng)變變化量，即可計(jì)算出鉆孔處釋放前的殘余應(yīng)力值。假定一塊各向同性的平板中存在某一殘余應(yīng)力，若鉆一小孔，孔邊的徑向應(yīng)力下降為零，孔區(qū)附近應(yīng)力重新分布，如圖2所示，陰影區(qū)為鉆孔后應(yīng)力的變化，該應(yīng)力稱為釋放應(yīng)力，由應(yīng)變計(jì)感受其應(yīng)變。

圖2 鉆孔應(yīng)力釋放原理圖

盲孔法是把研究對象假設(shè)為均勻應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)孔無偏心，應(yīng)變柵無橫向效應(yīng)，未發(fā)生塑性變形，即主要考慮孔深度的影響。

圖3是被測試件鉆孔各階段的應(yīng)力狀態(tài)。在其上鉆一個(gè)盲孔，相當(dāng)于將盲孔的應(yīng)力去除，這一過程用力學(xué)模型表示為c，狀態(tài)b是在淺盲孔邊界上施加與原始應(yīng)力大小相等、方向相反的部分應(yīng)力。顯然狀態(tài)a與b的疊加等于狀態(tài)c，狀態(tài)c為鉆孔后的應(yīng)力狀態(tài)。分析測試過程，測量的應(yīng)變計(jì)讀數(shù)是鉆孔前后的應(yīng)變變化值。即狀態(tài)c的應(yīng)變減去狀態(tài)a的應(yīng)變，也就是狀態(tài)b力學(xué)模型下的應(yīng)變值。

圖3 盲孔法鉆孔各階段應(yīng)力圖

通常表面殘余應(yīng)力是平面應(yīng)力狀態(tài)，兩個(gè)主應(yīng)力和主方向角三個(gè)未知數(shù)，要求用三個(gè)應(yīng)變敏感柵組成應(yīng)變花進(jìn)行測量，每個(gè)敏感柵的中心布置在同一半徑上如圖4所示。

圖4 鉆孔時(shí)應(yīng)變計(jì)敏感柵布置圖

只要測出該局部區(qū)域的應(yīng)變變化量，即可按公式(1)、(2)計(jì)算出鉆孔處釋放前的殘余應(yīng)力值 σ1，σ2，θ。

式中:ε0°，ε45°，ε90°分別為 0°、45°、90°方向上的釋放應(yīng)變;σ1，σ2分別為最大，最小主應(yīng)力;θ為最大主應(yīng)力與ε0電阻應(yīng)變片參考軸的夾角;E為被測零件材料的彈性模量;A、B為應(yīng)變花的釋放系數(shù)，需要說明的是，釋放系數(shù)A、B與應(yīng)變花的幾何尺寸、孔徑、孔深及材料的彈性模量 E及泊松比μ有關(guān)，應(yīng)用時(shí)必須對每種被測材料進(jìn)行標(biāo)定，A、B系數(shù)不能通用。

2 液冷模塊殘余應(yīng)力測量

2．1 測量設(shè)備及應(yīng)力釋放系數(shù)

液冷模塊殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用打JHZK型精密殘余應(yīng)力打孔裝置、JH－30殘余應(yīng)力測試儀、BX120－3CA應(yīng)變花、φ1．5麻花鉆鉆頭和502粘接劑。

液冷模塊零件材料為進(jìn)口6061鋁合金［1］，彈性模量68．9 GPa，泊松比0．33，通過對實(shí)驗(yàn)材料同牌號標(biāo)準(zhǔn)試樣在拉力機(jī)上對鉆孔釋放系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的殘余應(yīng)力釋放系數(shù)為:A= －0．265，B= －0．797。

2．2 測量步驟

(1)將應(yīng)變花按應(yīng)變計(jì)粘貼通用方法準(zhǔn)確粘貼在試樣測量點(diǎn)上，并焊好測量導(dǎo)線。粘貼前試樣表面應(yīng)打磨，但在打磨時(shí)不能破壞原有殘余應(yīng)力場。

(2)按JH－30殘余應(yīng)力檢測儀說明要求連接線纜。以試片的應(yīng)變花作為補(bǔ)償片，將各應(yīng)變計(jì)所接電橋進(jìn)行平衡清零。

(3)安裝鉆具，必要時(shí)開啟照明燈，初步對準(zhǔn)應(yīng)變花中心位置。觀察鉆頭始終與應(yīng)變花中心保持重合。檢測儀平衡清零。

(4)鉆孔，調(diào)節(jié)好鉆頭深度，連接好手電鉆，即可開鉆。保持合適的壓力，鉆至與夾具套筒間貼合，即預(yù)定孔深1．5 mm，拔出鉆頭，過3～5 min，等檢測儀指示穩(wěn)定時(shí)，按 ε0°，ε45°，ε90°測出殘余應(yīng)變釋放量，按σ1，σ2直接讀出最大和最小主應(yīng)力數(shù)值，按θ顯示最大主應(yīng)力與ε0°電阻片參考軸的夾角，自動打印測量數(shù)據(jù)。

2．3 試樣選取及測點(diǎn)分布

為了準(zhǔn)確掌握液冷模塊的殘余應(yīng)力狀況，避免應(yīng)殘余應(yīng)力過高導(dǎo)致使用中鼓包現(xiàn)象，對真空釬焊液冷模塊生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力工序的樣件都需要測量，為此，根據(jù)液冷模塊生產(chǎn)工藝，選取7種狀態(tài)的液冷模塊進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，分別為:真空釬焊后、固溶處理和熱時(shí)效后、真空釬焊前的結(jié)構(gòu)件、數(shù)控成型后未打壓件、打壓測試后的成品件、使用一段時(shí)間的成品件、鼓包故障件。

鼓包現(xiàn)象主要出現(xiàn)在模塊薄板面，盡量選擇薄板面測量，并且與鼓包故障件鼓包處類似結(jié)構(gòu)處。模塊殘余應(yīng)力測點(diǎn)選擇，焊接后的殘余應(yīng)力測量:在焊后模塊的薄板和厚板上，及縱側(cè)面各2點(diǎn);固溶處理和熱時(shí)效后的殘余應(yīng)力測量:在熱時(shí)效后模塊的壁板和厚板上，及橫和縱側(cè)面各2點(diǎn);真空釬焊前的結(jié)構(gòu)件:正反兩面各測2點(diǎn);數(shù)控成型后未打壓件:厚板內(nèi)側(cè)導(dǎo)流筋上測量2點(diǎn);打壓測試后的成品件:在模塊的薄板和厚板上各2點(diǎn);使用一段時(shí)間的成品件:模塊薄板面測量1點(diǎn)，;鼓包故障件:模塊薄板面測量4點(diǎn)，按上述方案進(jìn)行殘余應(yīng)力測量。

3 殘余應(yīng)力測量結(jié)果及分析

根據(jù)液冷模塊殘余應(yīng)力測試需求，按測試方案，進(jìn)行了液冷模塊的殘余應(yīng)力測試，測試過程如圖4所示，液冷模塊各狀態(tài)殘余應(yīng)力測試結(jié)果見表1。

圖5 模塊盲孔法鉆孔及應(yīng)力測試圖

殘余應(yīng)力是模塊還未承受荷載而早已存在構(gòu)件截面上的初應(yīng)力，在模塊服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，不但會降低結(jié)構(gòu)的剛度和 穩(wěn)定性而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。

平面殘余應(yīng)力場中，為方便比較各點(diǎn)殘余應(yīng)力大小或判定某點(diǎn)的屈服狀態(tài)，把二維狀態(tài)的殘余應(yīng)力等效成一維殘余應(yīng)力，然后直接用它去對各點(diǎn)進(jìn)行比較或評判屈服狀態(tài)，該一維殘余應(yīng)力即殘余應(yīng)力等效為殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力，σ2為殘余應(yīng)力最小主應(yīng)力，單位為MPa。在工件某區(qū)域內(nèi)按一定原則選取多個(gè)檢測點(diǎn)，這些點(diǎn)的殘余應(yīng)力等效值的平均值稱為該區(qū)域的殘余應(yīng)力水平，單位為MPa。通過測試結(jié)果計(jì)算出液冷模塊各點(diǎn)的切向應(yīng)力，等效應(yīng)力，得出各液冷模塊試件的殘余應(yīng)力水平，見表2。

表1 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

從檢測結(jié)果看，液冷模塊焊前結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力水平約為16 MPa左右，焊接后的殘余應(yīng)力水平約為22 MPa左右，固溶處理后殘余應(yīng)力水平約為15 MPa左右，機(jī)加工后殘余應(yīng)力水平約為33 MPa左右，打壓試驗(yàn)后殘余應(yīng)力水平約為90 MPa左右，使用一段時(shí)間后殘余應(yīng)力水平約為92 MPa左右，鼓包后的殘余應(yīng)力水平陡增為190 MPa左右，殘余應(yīng)力變化趨勢如圖6所示。

表2 模塊殘余應(yīng)力水平

從圖6中可看出，液冷模塊打壓前的殘余應(yīng)力水平都在33 MPa范圍內(nèi)，但打壓后殘余應(yīng)力水平陡然上升達(dá)到了90 MPa左右。從各點(diǎn)的殘余應(yīng)力切向應(yīng)力數(shù)值看，打壓試驗(yàn)前應(yīng)力值都很小，打壓后各點(diǎn)的殘余應(yīng)力切向應(yīng)力數(shù)值略有提高，還有個(gè)別點(diǎn)等效應(yīng)力值較大，而與此對應(yīng)的殘余應(yīng)力數(shù)值也較大。

通過測試分析可得出，液冷模塊在打壓測試后導(dǎo)致殘余應(yīng)力較大，后期使用后殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力相互疊加，超過材料的屈服強(qiáng)度導(dǎo)致鼓包產(chǎn)生。

圖6 液冷模塊殘余應(yīng)力變化趨勢

4 結(jié)語

通過對真空釬焊液冷模塊生產(chǎn)過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的工序進(jìn)行測試分析，在釬焊前、釬焊后、固溶時(shí)效后、數(shù)銑成型后的殘余應(yīng)力均小于6061材料許用強(qiáng)度41 MPa，打壓測試后模塊壓力達(dá)到90 MPa，已經(jīng)超過材料許用強(qiáng)度，雖然未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，但已存在安全隱患，存在使用鼓包的可能。因此，調(diào)整打壓測試工藝的時(shí)機(jī)，或者打壓測試后進(jìn)行殘余應(yīng)力消除，是保證液冷模塊安全使用的前提條件。

［1］ 中國航空材料手冊編輯委員會．航空材料手冊［M］．第2版．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998．

［2］ 黃 晶，劉宇光，張 濤，等．厚板焊接殘余應(yīng)力的試驗(yàn)研究［J］．中國艦船研究，2009，4(5):33－37．