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Al合金接触反应钎焊接头力学响应及中间层厚度的确定0直流电流表

时间：2022年08月13日

Al合金接触反应钎焊接头力学响应及中间层厚度的确定

Al合金接触反应钎焊接头力学响应及中间层厚度的确定 2011年12月09日来源：　　　　　　　　　　　　　　　　　　董占贵1，钱乙余1，石素琴1，吴培莲2(1. 哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室, 哈尔滨150001； 2.哈尔滨工业大学分析测试中心，哈尔滨150001) 摘要：接触反应钎焊是目前常用的材料连接方法。为了合理选择中间层材料的厚度，本文以Si作中间层接触反应钎焊LF21铝合金为例，采用有限元(FEM)模拟的办法，对不同宽度的钎缝对外加拉伸载荷的力学响应过程进行了数值模拟。结果表明，钎缝对外载荷的力学响应的应力集中区位于接头表面的钎缝与基体的界面处；且最大应力值与外载荷呈线性关系。即钎缝对外载荷的力学响应的实质是对外载荷的线性放大，因此本文将此放大系数定义为钎缝的力学响应因子。随着钎缝宽度的增加，其力学响应因子增大，钎缝的承载能力降低。在试验证明FEM计算结果的可靠性的基础上，给出了Si为中间层进行LF21铝合金接触反应钎焊时，其合适的钎缝宽度范围是50~80μm。最后本文根据相图对相应的Si中间层厚度进行了理论计算，得到Si中间层的厚度范围为6.6~10.0μm。关键词：接触反应钎焊；有限元数值模拟；钎缝力学响应因子；中间层厚度计算中图分类号： TG457.14文献标识码： A文章编号： 0253-360X(2002)01-34-04 0 序言　　从原理上讲，接触反应钎焊（CRB）依靠材料间的冶金反应（如共晶反应）产生液相来实现材料的连接［1］，目前该工艺已被应用于陶瓷［2,3］、金属间化合物［4］、复合材料［5,6］等多种材料的连接中。为了控制钎焊过程中产生的液相量，通常在钎焊中普遍采用中间夹层的接头形式，这样液相总量以中间层的厚度来确定。为此中间层的厚度是接触反应钎焊中要求考虑的重要参数之一，中间层太厚，生成液相太多，对母材溶蚀严重；太薄，则液相量小，难以得到致密、牢固的接头。而采用试验的方法确定中间层的厚度是一个繁琐的过程，因此本文以Si作中间层接触反应钎焊LF21铝合金为例，采用有限元方法模拟了不同宽度的钎缝对外加拉伸载荷的力学响应过程，确定了最佳的钎缝宽度范围；并根据相图对相应的Si中间层厚度进行了理论计算和选择。1 有限元模型　　假定Al合金接触反应钎焊钎缝抗拉强度试验试件为10mm×50mm的棒形试样，两侧为基体LF21铝合金；中间是Al-Si合金钎缝，在接触反应条件下其成分为近共晶成分［7］。从试件尺寸分析，外加拉伸载荷在接头附近为均匀载荷，而且试件显然是轴对称的。因此建立图1所示的二维FEM网格模型，采用4节点等参单元，计算中钎缝宽度在10~150μm变化，因此FEM单元格划分也随之增加，对于10μm宽的钎缝，网格为2900个单元，2955个节点；最后150μm宽的钎缝时，由于钎缝区网格细分，因此单元总数增加到4180个，相应的节　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　of tensile strength test sample　　有限元数值模拟软件为商用非线性有限元程序包MARC.2000，基体及钎缝材料均假设为线弹性，计算中涉及到的材料常数如表1［8］所示。拉伸过程的FEM模拟计算中，所用边界条件为模型左边固定；右边加均匀拉伸载荷，且载荷随时间由0~100MPa变化。在此，考虑到LF21铝合金的屈服强度仅为42MPa，为充分反映基体屈服对接头界面应力响应的影响，特别地降低40~50MPa区间内的外加拉伸载荷的加载速率，整个加载过程如图2所示。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2 钎缝界面对外加载荷的力学响应　　FEM计算结果表明，钎焊接头在靠近其表面的区域内对外载荷有明显的力学响应--钎缝及其界面处的应力集中。图3是不同时刻，宽度为10μm的钎缝界面处对拉伸载荷的力学响应过程的宏观应力等值分布图。可见在外加拉伸载荷作用下，随着外载荷的增加接头应力集中区的最大应力值呈线性增加。图4是不同宽度的钎缝对同一外载荷下的响应，当钎缝宽度变化时，接头力学响应也明显发生变化：应力集中趋势越来越明显；且在分布区域由窄钎缝下的界面区变成了宽钎缝下的界面和钎缝区。图5给出了不同钎缝宽度下，界面应力集中区最大应力与外载荷的响应情况及其拟合的结果，其中符号点为计算值；直线为对计算值的拟合。可见钎缝界面处对外载荷的响应本质是将其进行了线性放大。在此将图中各直线的斜率(对外力的放大倍数)定义为钎焊接头的力学响应因子，简称力学响应因子Fr。