釬焊間隙對(duì)釬焊接頭殘余應(yīng)力的影響

肖逸鋒，張楠鑫，吳靚，張汭

(湘潭大學(xué)，湖南 湘潭 411105)

0 前言

管狀等靜壓石墨具有耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性能優(yōu)異、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子、核能源、航天和航空、冶金和機(jī)械制造等行業(yè)[1-3]。而將等靜壓石墨與不銹鋼釬焊可以將兩種材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，從而使其接頭在國防工業(yè)、民用產(chǎn)業(yè)等方面獲得更多可能。在焊接的過程中，由于等靜壓石墨與不銹鋼二者在熱膨脹系數(shù)上存在較大差異，極易在靠近釬縫的石墨側(cè)形成高應(yīng)力梯度，即焊接接頭產(chǎn)生殘余應(yīng)力是不可避免的。焊接殘余應(yīng)力是造成各種焊接缺陷的重要因素，也是焊接熱應(yīng)變脆化的根源，對(duì)焊接接頭的疲勞壽命有顯著影響[4]。因此，幾十年以來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)緩解石墨與不銹鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的方法開展了大量的研究工作[5]，并在塊狀對(duì)接、棒材搭接、板材搭接及管板線接觸式接頭的研究中取得了一系列進(jìn)展，但對(duì)管狀石墨與不銹鋼的釬焊接頭的研究并不多。因此，研究管狀等靜壓石墨與不銹鋼的釬焊，緩解其釬焊接頭殘余應(yīng)力，有著十分重要的意義。針對(duì)這個(gè)問題，Xu 等學(xué)者[6]對(duì)PEMFC金屬雙極板的釬焊接頭計(jì)算其殘余應(yīng)力建立了數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)其殘余應(yīng)力大小隨著其釬焊間隙的改變而改變。

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不同的釬焊試驗(yàn)中其釬焊間隙的預(yù)留大小是不同的[7]；釬料的厚度也并不是越厚越好，而是存在一個(gè)最佳值[8]。當(dāng)釬焊間隙小于最佳值時(shí)，釬料內(nèi)的變形梯度非常大，這會(huì)使應(yīng)力消除變得非常困難，從而使得殘余應(yīng)力增加，導(dǎo)致管狀接頭開裂；當(dāng)釬焊間隙大于最佳值時(shí)，擴(kuò)散距離增加，管子沒有焊滿，降低接頭強(qiáng)度；梅東方[9]研究了釬焊間隙對(duì)純銅釬焊Q235 鋼接頭組織與力學(xué)性能的影響，并進(jìn)行了進(jìn)行了試驗(yàn)和討論，為管狀石墨與不銹鋼釬焊選擇合適的釬焊間隙提供了參考。但由于其熱膨脹系數(shù)不同，則最佳釬焊間隙也不一樣，其對(duì)管式釬焊接頭的指導(dǎo)意義不強(qiáng)。因此，研究管狀石墨與不銹鋼最佳的釬焊間隙對(duì)緩解其殘余應(yīng)力的作用是十分必要的。

國內(nèi)外學(xué)者在異種金屬焊接數(shù)值模擬分析方面已取得了突破的成就，但對(duì)管狀異種金屬釬焊的研究并不多[10]。因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，采用有限元分析軟件，對(duì)等靜壓石墨管/BNi-2/304 不銹鋼管釬焊接頭進(jìn)行模擬，研究該接頭釬焊間隙不同時(shí)殘余應(yīng)力的變化情況，并結(jié)合試驗(yàn)討論不同殘余應(yīng)力對(duì)接頭性能的影響，從而為管式真空釬焊接頭的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)；同時(shí)由于碳材料之間存在共性，高強(qiáng)度石墨與不銹鋼的連接也為其他炭材料（如C/C 復(fù)合材料）與不銹鋼的釬焊連接提供一定理論依據(jù)[11]。

1 材料與方法

試驗(yàn)選用母材為等靜壓石墨和304 不銹鋼，等靜壓石墨的主要性質(zhì)見表1；304 不銹鋼的化學(xué)成分見表2，其釬焊性能參數(shù)見表3；釬料為非晶BNi-2 箔片釬料，其化學(xué)成分見表4，釬焊性能參數(shù)見表5。試樣裝配完成后高度為45 mm，局部裝配示意圖如圖1 所示，其中石墨管內(nèi)徑為17.3 mm，17.5 mm，17.7 mm，17.9 mm，管壁厚4 mm；不銹鋼管內(nèi)徑為16.0 mm，外徑為17.0 mm；釬焊間隙分別為50 μm，150 μm，250 μm，350 μm；固定釬料厚度。真空釬焊試驗(yàn)在JTCZK-20-15 真空鉬片燒結(jié)爐中進(jìn)行，真空度約為2×10-3Pa，連接溫度1010 ℃，保溫時(shí)間90 min，釬焊熱循環(huán)如圖2所示。

圖1 局部（1/4）試樣裝配示意圖

圖2 釬焊熱循環(huán)示意圖

表1 等靜壓石墨的主要性質(zhì)

表2 304 不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表3 304 不銹鋼的釬焊性能參數(shù)

表4 非晶BNi-2 箔片釬料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表5 非晶BNi-2 箔片釬料的釬焊性能參數(shù)

2 有限元模型的建立與計(jì)算

使用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)等靜壓石墨/BNi-2/304 不銹鋼管狀釬焊接頭進(jìn)行三維有限元模擬。假設(shè)：接頭均勻無缺陷且元素不發(fā)生過渡；定義等靜壓石墨為彈性體、BNi-2 與304 不銹鋼為彈塑性體，且均為各向同性，各部分間的連接點(diǎn)為共節(jié)點(diǎn)[12]；不考慮爐體的熱傳導(dǎo)和發(fā)生在爐內(nèi)的熱輻射過程；以BNi-2 釬料熔化溫度960 ℃為零應(yīng)力溫度，即認(rèn)為此前的釬焊過程中不產(chǎn)生殘余應(yīng)力，只對(duì)溫度區(qū)間20～960 ℃，冷卻速度為1 ℃/min 的降溫過程進(jìn)行殘余應(yīng)力分析。模擬所用的相關(guān)材料性能參數(shù)見表6[13]。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取接頭的1/4 建立3D 模型，并將各個(gè)部分連結(jié)成一個(gè)整體。首先，對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分，得到均勻且質(zhì)量較高的四面體網(wǎng)格，同時(shí)由于釬縫存在較大應(yīng)力集中，故對(duì)此處做梯度細(xì)化網(wǎng)格以提高計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分完成后如圖3 所示。其次，對(duì)模型進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，后利用接頭的對(duì)稱性在模型的兩側(cè)和底面施加位移約束，最后將溫度場(chǎng)結(jié)果作為溫度載荷施加到靜應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行殘余應(yīng)力計(jì)算。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

經(jīng)釬焊過程模擬計(jì)算，釬焊接頭的Mises 殘余應(yīng)力云圖如圖4 所示。由圖看出，由于石墨與不銹鋼間較大的熱膨脹系數(shù)差異，使得焊縫存在著較高殘余應(yīng)力，次高殘余應(yīng)力出現(xiàn)在304 不銹鋼和近縫區(qū)中，同時(shí)接頭頂端區(qū)域的應(yīng)力分布也相對(duì)復(fù)雜多變。

圖4 等效應(yīng)力分布云圖

為討論這些部位的殘余應(yīng)力分布，選取軸向304不銹鋼路徑AB、釬料路徑CD、石墨路徑EF 及徑向頂端路徑GH 作以詳細(xì)分析，路徑具體設(shè)置如圖5 所示。軸向長(zhǎng)度由底部向上50 mm，徑向由原點(diǎn)向外長(zhǎng)度22 mm。最大限度的保證只有釬焊間隙對(duì)釬焊殘余應(yīng)力存在影響，不存在其他人為方面的影響。

圖5 選取路徑示意圖

通過模擬分析不同路徑的殘余應(yīng)力大小來驗(yàn)證釬焊間隙對(duì)釬焊殘余應(yīng)力的影響。從而找出間隙在50～350 μm 之間的最佳釬焊間隙，使得釬焊殘余應(yīng)力最小，從而不影響實(shí)際應(yīng)用，與試驗(yàn)相驗(yàn)證。

3.1 不同釬焊間隙下304 不銹鋼和BNi-2 釬料的等效應(yīng)力

由于304 不銹鋼和BNi-2 釬料都為彈塑性材料，根據(jù)第四強(qiáng)度理論知，可用等效殘余應(yīng)力分析該部分的接頭強(qiáng)度，結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出在釬焊間隙為50～350 μm 之中，不銹鋼和釬料中的等效殘余應(yīng)力分布情況大致相同，皆是由底部到頂部不斷減少，到距頂端約15 mm 的位置后逐漸減少。不銹鋼的最大等效應(yīng)力在400～500 MPa，釬料中的最大等效應(yīng)力在300～400 MPa。盡管兩路徑中的最大等效殘余應(yīng)力都超過了材料的屈服強(qiáng)度，但由于材料本身的彈塑性特性，可以通過一定程度的塑性變形來緩解接頭內(nèi)部存在的較大的熱應(yīng)力，因此對(duì)接頭的強(qiáng)度沒有太大的影響。

圖6 不同釬焊間隙下路徑AB 和CD 的等效應(yīng)力分布

3.2 不同釬焊間隙下石墨最大主應(yīng)力

通過四點(diǎn)抗彎試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)于陶瓷-金屬的釬焊接頭，其最易斷裂點(diǎn)在陶瓷基體的最大殘余拉應(yīng)力處[14]。等靜壓石墨作為脆性材料，殘余拉應(yīng)力對(duì)其結(jié)構(gòu)有著更為不利的影響。故對(duì)不同釬焊間隙條件下石墨側(cè)路徑EF 的最大主應(yīng)力進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7 所示，石墨側(cè)的最大主應(yīng)力皆為拉應(yīng)力。對(duì)于釬焊間隙為50 μm，150 μm，250 μm，350 μm 的管狀接頭，最大主應(yīng)力峰值位于接頭頂端，其值為58.7 MPa，58.3 MPa，53.1 MPa，50.6 MPa。4 種尺寸的接頭均在距頂端2000 μm 處取得最大主應(yīng)力的最小值，分別為5.16 MPa，5.44 MPa，6.16 MPa 和7.15 MPa。然后，隨著離頂端越遠(yuǎn)，最大主應(yīng)力先變小后略微升高最終穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。因此，接頭頂端到距頂端937.5 μm 的石墨基體皆是易發(fā)生脆斷的部位，影響接頭的力學(xué)性能。隨著釬焊間隙的不斷增加，最大主應(yīng)力也不斷變大。但這并不意味著釬焊間隙越小越好，釬焊間隙過小時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生母材間連接不充分等問題。為獲得高質(zhì)量的釬焊接頭，應(yīng)在滿足充分連接的前提下，盡可能使殘余應(yīng)力較小。

圖7 不同釬焊間隙下石墨路徑EF 的最大主應(yīng)力分布

3.3 不同釬焊間隙下端面殘余應(yīng)力

為詳細(xì)討論端面接頭的殘余應(yīng)力分布，分別對(duì)頂端路徑GH 的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力做模擬，計(jì)算結(jié)果分別如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 不同釬焊間隙下徑向應(yīng)力分布

圖9 不同釬焊間隙下環(huán)向應(yīng)力分布

圖10 不同釬焊間隙下軸向應(yīng)力分布曲線

圖8 為不同釬焊間隙下路徑GH 的徑向應(yīng)力分布曲線。從圖中可以看出，石墨側(cè)呈拉應(yīng)力，不銹鋼側(cè)呈壓應(yīng)力。這是因?yàn)榈褥o壓石墨的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于304 不銹鋼和BNi-2 釬料的熱膨脹系數(shù)，在冷卻階段由于界面已經(jīng)完成連接，石墨會(huì)受到來自金屬的拉應(yīng)力增加收縮量，304 不銹鋼和釬料受到石墨的壓應(yīng)力而減小收縮量，使接頭變形達(dá)到平衡。同時(shí)，當(dāng)釬焊間隙為50 μm，150 μm，250 μm 和350 μm 時(shí)，在其石墨側(cè)，距釬料612.5 μm，803.1 μm，800.0 μm 和990.6 μm 處取得最大徑向殘余應(yīng)力，分別為69.453 MPa，63.3 MPa，60.9 MPa 和57.8 MPa。隨著釬焊間隙的不斷增加，石墨徑向殘余應(yīng)力逐漸減小，對(duì)接頭的不利影響逐漸降低。但釬焊間隙增加時(shí)，304 不銹鋼側(cè)的徑向殘余應(yīng)力也逐漸增加，304 不銹鋼與等靜壓石墨的相互作用力變大，增加到一定程度時(shí)，使得接頭在釬焊冷卻過程中由于熱應(yīng)力釋放速率不均而拉斷接頭，嚴(yán)重影響接頭質(zhì)量。因此，徑向應(yīng)力的大小和分布是影響管狀釬焊接頭質(zhì)量的重要影響因素。當(dāng)釬焊間隙為50 μm 時(shí)，石墨側(cè)徑向殘余應(yīng)力最大，304不銹鋼徑向殘余應(yīng)力最小，母材連接可能不充分；當(dāng)釬焊間隙為150 μm 時(shí)，石墨徑向殘余應(yīng)力大量減?。?04 不銹鋼徑向殘余應(yīng)力沒有明顯變化，母材連結(jié)良好；當(dāng)釬焊間隙為250 μm 時(shí)，石墨徑向殘余應(yīng)力繼續(xù)減少，但304 不銹鋼徑向殘余應(yīng)力增加，兩者相互作用可能拉斷接頭；當(dāng)釬焊間隙為350 μm 時(shí)，石墨與不銹鋼相互作用力最大，接頭被拉斷；綜合考慮石墨和不銹鋼兩側(cè)徑向應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬焊間隙為150 μm 時(shí)，能獲得良好接頭且在試驗(yàn)中獲得證明。

圖9 為不同釬焊間隙下路徑GH 的環(huán)向應(yīng)力分布曲線。從圖中可以看出，在304 不銹鋼和石墨環(huán)向殘余應(yīng)力均呈壓應(yīng)力，且在釬縫存在突變。由之前的分析知，壓應(yīng)力對(duì)等靜壓石墨基體的斷裂和不銹鋼及釬料層結(jié)構(gòu)的破壞影響不大，故環(huán)向殘余應(yīng)力的大小和分布對(duì)接頭強(qiáng)度不起主要影響作用。

圖10 為不同釬焊間隙下路徑GH 的軸向應(yīng)力分布曲線?？拷S線的不銹鋼側(cè)壓應(yīng)力不斷增加，至近釬縫發(fā)生突變?yōu)槔瓚?yīng)力，又在釬料與石墨的連接界面突變?yōu)閴簯?yīng)力，隨著與界面的距離不斷增加，石墨所受壓應(yīng)力也逐漸減小，最后基本保持不變。因此，軸向殘余應(yīng)力的大小和分布依然不是影響石墨側(cè)接頭質(zhì)量的主要因素。對(duì)于高密度石墨和金屬的釬焊接頭，在釬焊過程中未釋放的熱應(yīng)力極易在石墨側(cè)產(chǎn)生裂紋[15]。結(jié)合圖10 分析，在頂端約束較少的情況下，石墨側(cè)近縫區(qū)（距釬縫約1 mm）存在著較大的徑向拉應(yīng)力和環(huán)向壓應(yīng)力、軸向壓應(yīng)力，由于等靜壓石墨的抗拉強(qiáng)度較低，抗壓性能很好，因此更容易在徑向方向拉斷石墨基材，形成環(huán)形裂紋，從而影響接頭強(qiáng)度。再結(jié)合圖7 的結(jié)論，可知在釬焊間隙為350 μm 左右，沿軸線方向距頂部約900 μm，沿徑向方向距釬料層約600～1000 μm 處等靜壓石墨極易發(fā)生斷裂，產(chǎn)生軸向裂紋衍生至接頭端面，從而對(duì)管狀接頭強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。這一點(diǎn)可在試驗(yàn)中得到證實(shí)，如圖11 所示。

圖11 試樣接頭試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）經(jīng)釬焊過程，304 不銹鋼兩側(cè)接頭和BNi-2 釬料的最大等效殘余應(yīng)力分別可達(dá)400～500 MPa 和300～4000 MPa，但可通過一定的塑性變形緩解接頭中的熱應(yīng)力集中，對(duì)接頭的強(qiáng)度影響不大。

（2）對(duì)于接頭的等靜壓石墨，徑向正應(yīng)力是影響基體斷裂的主要因素，釬焊間隙增加，等靜壓石墨徑向殘余應(yīng)力減小，接頭強(qiáng)度提升，但釬焊間隙過厚時(shí)會(huì)引起304 不銹鋼與等靜壓石墨的相互作用力變大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在熱應(yīng)力釋放階段拉斷接頭，影響接頭質(zhì)量。

（3）對(duì)于等靜壓石墨/BNi-2/304 不銹鋼管狀釬焊接頭，其接頭頂端的殘余應(yīng)力分布集中且復(fù)雜，當(dāng)釬焊間隙為150 μm 左右時(shí)，獲得良好接頭；當(dāng)釬焊間隙為50 μm 左右時(shí)，母材連接不充分；當(dāng)釬焊間隙在250 μm 左右時(shí)，受304 側(cè)與石墨側(cè)的徑向殘余應(yīng)力共同作用下，接頭在石墨側(cè)產(chǎn)生環(huán)形裂紋；當(dāng)釬焊間隙在350 μm 左右時(shí)，沿軸線方向距接頭頂部約900 μm，沿徑向方向距釬料層約600～1000 μm 處的等靜壓石墨為接頭薄弱區(qū)，并產(chǎn)生軸向裂紋并衍生至接頭端面產(chǎn)生環(huán)狀裂紋。